专利名称：磁性隧道结传感器方法
磁性隧道结传感器方法技术领域
图2是
图1的磁性隧道结的侧^见图的集合，说明其中的磁自旋轴的不同取向；
图25是多个传感器的简化平面图，其中不同尺寸的悬 臂梁支撑位于多个MTJ附近的磁场源；
图5-7是MTJ 32的隧穿电阻Rt作为外加磁场H的函数 的简化曲线图60, 62， 64。图5的曲线图60说明电极38像单个磁 畴一样开关的情况，也就是它的自旋轴42保持基本上不变直到达到 临界磁场He或-He，由此它基本上突然改变或取向改变到新的取向。 例如，如果MTJ 32处于由V产Vt(l)时R产Rt(l)表征的状态，它保持 在该状态直到H-Hc然后取向改变到由R产Rt(2)表征的状态。当它向 回取向改变时，它保持在该状态直到H=-He。当期望传感器20响应 加速度、力、温度、位置、压力或者例如通过使得MFS 34相对于 MTJ 32移动而引起H变化的任何其他物理参数的变化具有二进制输 出时，该类型的磁滞行为非常有用。向回取向改变所需的磁场-Hc可 以方便地由图1中显示的电流导线34A提供。0040图6的曲线图62说明电极38表现出相当于多个磁畴的情况，其可以在稍微不同的磁场He，5H^He"单独取向改变。为了说明假设MTJ 32处于由R产Rt(l)表征的状态，那么随着H增加，Rt 保持不变直到H=He'，由此Rt开始在恒定电压下逐渐增加直到 H-He"，由此Rt锁定在Rt=Rt(2)。磁滞循环62具有倾斜平行六面体 形状。图7显示电极38的材料和取向是这样的(例如彼此呈直角)，使得磁化可以响应H的增加或减小而连续旋转的情况。那么 磁滞循环基本上毁坏成几乎直线，如由在R产Rt(l)和R产Rt(2)处具有 两个极值的Rt对比H曲线图64显示的。当自旋轴42可以相对于自 旋轴40连续旋转时，该情况发生，如例如图3的MTJ 32-8中显示 的。图1中显示的电流导线34A方便地结合由曲线图60， 62描绘的 方案使用以提供磁场-He，使得自旋轴42可以重置，也就是取向改变 回到它由磁场35扰乱之前的初始取向。00411图8是根据本发明的实例实施方案的磁性隧道结传感器 70的简化示意侧视图，其使用具有其位置取决于到传感器70的输入 的磁场源86的可偏转悬臂梁84。 MTJ传感器(MTJS) 70包括衬 底72，方便地MTJ器件32和具有磁场源86的悬臂梁84形成于其 上的半导体衬底。衬底72期望地具有提供用于测量MTJ 32的电学 性质变化的电子电路系统73的部分74，但这不是必需的。当使用有 源磁场源(例如参看图9)时，电路系统73也可以包括磁场源 (MFS)部分86的电流驱动器，但这不是必需的。导体76方便地 用作到MTJ电极36的电接触并且导体78用作到MTJ电极38的电 接触。导体76， 78方便地由Ta/TaN制成，但这不打算限制，并且 可以使用任何合理的导电材料。绝缘层(没有显示)可以提供在导 体76与部分74之间。虽然没有显示以避免使图8-10过度混乱，但 是图1的电流导线34A也可以提供在MTJ 32下面，也就是导体76 与衬底72的区域74之间，但这不是必需的。提供电介质区域75以 支撑电极78。隧穿电介质37方便地由氧化铝制成，虽然也可以使用 可以在非常薄、基本上均匀且没有针孔的层中制造的其他高度绝缘 材料，例如MgO。电介质平面化层77提供在导体76， 78上面。悬 臂梁84的区域82由层77的区域92支撑。悬臂梁84的部分85和 86是自由的，也就是它们可以如由箭头88指示地移动。梁84的磁 场源(MFS)部分86位于MTJ 32上面。凹槽或开口 80提供在层 77中以允许悬臂梁84的部分85和MFS部分86例如朝向和远离 MTJ 32偏转，如由箭头88指示的。如结合图9和10说明的，MFS86可以是有源的，也就是栽流(例如参看图8-9)，或者可以是无源 的，也就是包括永久磁体87 (例如参看图8， 10)。无论什么物理 参数期望由传感器70测量，这种物理参数耦合到悬臂梁84以便使 得它响应这种物理参数的变化如由箭头88指示地偏转。00421图9是与图8的传感器70的实例实施方案相对应的磁 性隧道结传感器70-1的简化平面图90-1，其中悬臂梁84具有U 形，如可以在图9中看到的。载流可偏转悬臂梁84-1具有提供变化 的磁场到磁性随道结(MTJ) 32的MFS部分86-1。 MTJ 32在平面 图90-1中看到，电极38最接近观察者。U形悬臂梁84-1具有锚固 在层77的区域92-1上的末端区域82-1，以及在层77中的凹入区域 或开口 80-1上延伸的部分85-1和86-1。 MFS部分86-1形成"U"的 底部并且覆盖在MTJ 32上面。电流96流过包括MFS部分86-1的 U形悬臂梁84-1，并且在MTJ 32附近产生与图1的传感器20的磁 场35类似的磁场。这种方案称作具有有源磁场源(MFS)，也就是 磁场由电流而不是由永久磁体产生。虽然悬臂梁84-1说明为具有 "U，，形的直的、恒定宽度的腿部，这种直的恒定宽度的腿部仅为了说 明方便，而不打算限制，并且基于这里的描述本领域技术人员将理 解，可以使用适合于容纳期望电流并且在箭头88的方向上提供期望 偏转特性的任何U形。
图18是与图17的方法122类似但是显示更多细节的方 法122'的简化流程图。开始123'和形成MTJ步骤124与方法122中 相同。在图18中，步骤125细分成在MTJ上添加平面化隔离物步 骤127，继之以在平面化隔离物上形成MFS步骤128,以及然后步 骤129，其中去除步骤128中提供的平面化隔离物的一部分以形成凹 腔或开口 80， 4吏得MFS (例如MFS 34， 86， 87， 104， 110)可以 响应期望感测或测量的变化的物理参数相对于MTJ (例如MTJ 32)移动，由此该移动改变MTJ (例如MTJ 32)处的磁场。方法 122'适合于使用集成电路技术制造传感器30， 70的情况，但并不局 限于此。方法122，然后继续到结束126'。
图25显示具有不同长度333， 335， 337的多个悬臂梁 332, 334， 336的简化平面图330,其用来支撑位于多个MTJ 32A， 32B， 32C附近的磁场源86A, 86B, 86C。通过使用具有相同横截 面但是不同长度(或者不同横截面但是类似长度，或者具有其他尺 寸和形状变化)的悬臂梁，偏转不同梁所需的力或加速度可以不 同。因此，可以使得每个梁在力或加速度或压力或温度或其他物理 参数的不同范围上响应。通过将它们组合在单个传感器中，传感器 的总体动态范围可以任意扩展。在图25的实例中，传感器332， 334， 336之间的唯一差异是梁长度333， 335， 337。这种多个传感 器可以由相同工艺基本上同时在相同衬底上制造，各个传感器的不 同几何形状由掩模变化而不是由工艺变化提供。这是本发明的显著优点o0062图26是图25的多个MTJ 32A， 32B, 32C说明为由分 别导向端子343， 345的导线342， 344电并联的简化示意电路图 340。图27是对于MTJ 32A, 32B， 32C的并联方案，Rr对比F的 简化曲线图，其中Rt是各个MTJ 32A， 32B, 32C的电阻Rt的并联 组合并且F是同时施加到多个传感器332， 334， 336的悬臂梁 84A， 84B， 84C的加速度或力。为了说明方便，假设MTJ 32A， 32B, 32C具有基本上完全相同的Rt对比H特性，但是悬臂梁 84A, 84B, 84C具有不同的刚度，使得对于传感器336， H=HC在 F=l时发生，对于传感器334， H-He在F=2时发生，以及对于传感 器332， H-He在F=3个单位时发生。换句话说，F-l时，梁84C完 全偏转(相对于它的停止或者区域86-3接触MTJ 32C) ， F=2时， 梁84B完全偏转(相对于它的停止或者区域86-2相对于MTJ 32B)，以及F=3时，梁84A完全偏转(相对于它的停止或者区域86A接触MTJ32A),并且每种情况下的限制位置在相关MTJ处产 生He。然后对于与图5中所示类似的各个Rt对比H特性，这三个 梁方案对于曲线图352， 354， 356给出图27中示意显示的RT对比F 响应。曲线图352的迹线358对应于F=l的力(或加速度)已经施 加到传感器330并且最容易偏转的传感器(例如传感器336)提供 Hc到MTJ 32C的情况。曲线图354的迹线360对应于F=2的力(或加速度)已经施加到传感器330并且次容易偏转的传感器(例 如传感器334)提供He到MTJ 32B的情况。曲线图356的迹线362 对应于F=3的力(或加速度)已经施加到传感器330并且最不容易 偏转的传感器(例如传感器332 )提供He到MTJ32A的情况。在该 实例中，假设所有MTJ最初都处于它们的低电阻态中，随着传感器 330暴露于的力或加速度增加，电路340中测量的总电阻Rt以分段 方式增加。每个传感器方便地包括与图1的导体34A类似的电流导 线(这里没有显示)，以便随着F去除提供-Hc从而将电极38中的 自旋轴取向改变回到它的初始状态。因此，通过使用具有不同弹簧 常数和偏转范围的多个传感器，可以实现更宽的总体动态范围，或 者如图27中所示量化的或者通过使用其响应类似于图6或7的MTJ 而是模拟的。虽然图26中说明的并联电气方案是有用的，但也可以 使用串联方案。任何一种方案都起作用。能够使用相同的制造工艺 在相同村底上容易地构造具有不同响应的传感器，使用仅掩模差异 改变各个传感器的几何形状，是本发明的显著优点。虽然已经根据 悬臂梁传感器描述了使用多个传感器扩展动态范围，但这仅为了说 明而不打算限制。基于这里的描述本领域技术人员将理解，也可以 使用例如图11-16中说明的隔膜型传感器，以及组合其相对位置响应 传感器输入而变化的多个MTJ和多个MFS的其他物理方案。
提供用于形成传感器的第一实例方法，包括形成磁性隧 道结(MTJ)，在MTJ上沉积隔离物，在隔离物上提供磁场源(MFS) ， MFS具有至少部分地位于MTJ上的部分，以及去除 MFS与MTJ之间的隔离物的一部分4吏得位于MTJ上的MFS的部分可以响应到传感器的输入而相对于MTJ移动。提供另一种实例方 法，其中第一形成步骤包括沉积配置成其电子自旋轴可以被钉扎的 第一电极，在第一电极上提供隧穿电介质，以及在隧穿电介质上沉 积配置成其电于自旋轴可以自由的第二电极。提供再一种实例方 法，其中沉积第一电极的步骤包括沉积相对于第二电极具有高矫顽 力的第一电极的材料，以及沉积第二电极的步骤包括沉积相对于第 一电极具有低矫顽力的第二电极的材料。提供又一种实例方法，还 包括在提供MFS的步骤之前，在磁场存在的情况下热处理第一电极 以将其电子自旋轴钉扎在预先确定的取向上。在另一种实例实施方 案中，提供MFS的步骤包括在隔离物上沉积梁，其具有适合于包括 位于第二电极上且偏转地响应输入的MFS的第一端，以及具有位于 不在第二电极上的隔离物的远端部分上的第二端。在另一种实例实 施方案中，提供MFS的步骤包括沉积适合于栽有通过其位于MTJ 上的部分的电流的导体。
第二实例方法包括提供支撑衬底，在衬底上沉积第一电 极，其中第一电极包括具有第一矫顽力的磁性材料，在第一电极上 形成隧穿电介质，沉积第二电极与隧穿电介质接触，其中第二电极 包括具有小于第一矫顽力的第二矫顽力的磁性材料，悬置悬臂梁使 得适合于相对于第二电极移动并且包括磁场源(MFS)的第一端位 于第二电极上，以及将悬臂梁的第二远端耦合到衬底。在另一种实 例实施方案中，安装步骤包括形成具有载流导体的MFS。在再一种 实例实施方案中，悬置悬臂梁的步骤包括在衬底上和第二电极上沉 积牺牲隔离物，形成至少部分位于牺牲隔离物上的梁，以及去除位于MFS下面的牺牲隔离物的一部分。在又一种实例实施方案中，悬 置梁的步骤包括形成U形的梁，U形的闭端包括MFS，以及耦合梁 的步骤包括将U形的敞开远端耦合到衬底。在另一种实例实施方案 中，提供步骤包括提供包含耦合到MTJ的电子器件的半导体衬底， 从而当有源时提供电流到MTJ并且测量跨越MTJ的电压降。[00651本发明方法的第三实例实施方案包括制造具有第 一含铁磁的电极和第二含铁磁的电极的磁性随道结(MTJ)，两个电极由 适合于在其间提供隧穿传导的电介质相隔，以及安装可移动地悬置 在第二含铁磁的电极附近的磁场源(MFS)，使得MTJ与MFS之 间的距离响应到传感器的输入的变化引起由MFS源提供的MTJ处 的磁场变化，从而改变MTJ的电学性质。在本发明方法的另一种实 施方案中，安装步骤包括形成具有载流导体的MFS。在再一种实施 方案中，安装步骤包括沉积包括适合于栽流的U形导体的MFS从而 提供MTJ处的磁场。在又一种实施方案中，安装步骤包括安装永久 磁体作为磁场源。在另一种实施方案中，安装步骤包括将MFS悬置 在悬臂梁上。在另一种实施方案中，制造步骤包括在支撑物上形成 MTJ，以及安装步骤包括将MFS耦合到与MTJ相隔的悬臂梁的第 一端，并且将悬臂梁的第二远端锚固到支撑物。在另一种实施方案 中，该方法包括将第一电极的电子自旋轴钉扎在预先确定的取向上 而保持第二电极的自旋轴自由。在另一种实施方案中，该方法还包括在制造步骤之前，在MTJ附近提供电导体并且定位以在与MTJ 上的U形导体的一部分中流动的电流呈基本上直角的方向上栽流。 在另一种实施方案中，制造步骤包括制造具有细长第一和第二电极 的MTJ,并且使得第二电极的较长尺寸取向与第一电极的较长尺寸 基本上垂直。在另一种实施方案中，该方法还包括在公共衬底上基 本上同时制造多个隧道结(MTJ)，基本上同时安装多个磁场源 (MFS)，使得每个MFS可移动地悬置在MTJ的一个附近，其中 这种多个MFS共同地接收传感器输入但是具有对其的不同可移动响 应，以串联或并联或其组合的形式对MTJ中的至少一些电耦连以提 供组合输出。0066虽然至少一种实例实施方案已经在前面详迷中提出，但 是应当理解存在许多变化。同样应当理解， 一种或多种实例实施方 案仅是实例，而不打算以任何方式限制本发明的范围、适用性或构 造。然而，前面的详述将为本领域技术人员提供实现一种或多种实 例实施方案的方便路线图。应当理解，可以在元件的功能和排列方面进行各种改变而不背离如附加权利要求及其法律等价物中陈述的 本发明的范围。
权利要求
1.一种形成具有输入的传感器的方法，包括形成磁性隧道结(MTJ)；在MTJ上沉积隔离物；在隔离物上提供磁场源(MFS)，该MFS具有至少部分地位于MTJ上的部分；以及去除MFS与MTJ之间的隔离物的一部分使得位于MTJ上的MFS的部分可以响应到传感器的输入而相对于MTJ移动。
2. 根据权利要求l的方法，其中形成步骤包括 沉积第一电极，第一电极配置成其电子自旋轴可以被钉扎； 在第一电极上提供隧穿电介质；以及在隧穿电介质上沉积第二电极，第二电极配置成其电子自旋轴 可以自由。
3. 根据权利要求2的方法，其中 沉积第一电极的步骤包括沉积相对于第二电极具有高矫顽力的第一电极的材料；以及 沉积第二电极的步骤包括沉积相对于第一电极具有低矫顽力的第二电极的材料。
4. 根据权利要求2的传感器，还包括在提供MFS的步骤之前在磁场存在的情况下热处理第一电极以将其电子自旋轴钉扎在 预先确定的取向上。
5. 根据权利要求2的方法，其中提供MFS的步骤包括 在隔离物上沉积梁，其具有适合于包括位于第二电极上且偏转地响应输入的MFS的第一端，以及具有位于不在第二电极上的隔离 物的远端部分上的第二端。
6. 根据权利要求l的方法，其中提供MFS的步骤包括 沉积导体，该导体适合于载有通过其位于MTJ上的一部分的电流。
7. —种形成传感器的方法，包括 提供支撑衬底；在衬底上沉积第一电极，其中第一电极包括具有第一矫顽力的 磁性材料；在第一电极上形成隧穿电介质；沉积与隧穿电介质接触的第二电极，其中第二电极包括具有小 于第 一矫顽力的第二矫顽力的磁性材料；悬置悬臂梁，第一端位于第二电极上，它适合于相对于第二电 极移动并且包括磁场源(MFS);以及将悬臂梁的第二远端耦合到衬底。
8. 根据权利要求7的方法，其中悬置悬臂梁的步骤包括 在衬底上和第二电极上沉积牺牲隔离物； 形成至少部分位于牺牲隔离物上的梁；以及 去除位于MFS下面的牺牲隔离物的一部分。
9. 根据权利要求7的方法，其中 悬置梁的步骤包括形成U形的梁，U形的闭端包括MFS;以及耦合梁的步骤包括将U形的敞开远端耦合到衬底。
10. 根据权利要求7的方法，其中提供步骤包括 提供包含耦合到MTJ的电子器件的半导体衬底，从而当有源时提供电流到MTJ并且测量跨越MTJ的电压降。
11. 一种形成传感器的方法，包括制造具有第一含铁磁的电极和第二含铁磁的电极的磁性隧道结 (MTJ),两个电极由适合于在其间提供隧穿传导的电介质相隔； 以及安装可移动地悬置在第二含铁磁的电极附近的磁场源 (MFS)，使得MTJ与MFS之间的距离响应到传感器的输入的变化引起由MFS源提供的MTJ处的磁场变化，从而改变MTJ的电学 性质。
12. 根据权利要求ll的方法，其中安装步骤包括 形成具有栽流导体的MFS。
13. 根据权利要求12的方法，其中安装步骤包括 沉积包括适合于载流的U形导体的MFS从而提供MTJ处的磁场。
14. 根据权利要求ll的方法，其中安装步骤包括 安装永久磁体作为磁场源。
15. 根据权利要求ll的方法，其中安装步骤包括 将MFS悬置在悬臂梁上。
16. 根据权利要求ll的方法，其中 制造步骤包括 在支撑物上形成MTJ;以及 安装步骤包括将MFS耦合到与MTJ相隔的悬臂梁的第一端；以及 将悬臂梁的第二远端锚固到支撑物。
17. 根据权利要求ll的方法，还包括将第一电极的电子自旋轴钉扎在预先确定的取向上而保持第二 电极的自旋轴自由。
18. 根据权利要求13的方法，还包括在制造步骤之前在MTJ附近提供电导体并且定位以在与MTJ上的U形导体的 一部分中流动的电流呈基本上直角的方向上载流。
19. 根据权利要求ll的方法，其中制造步骤包括 制造具有细长第一和第二电极的MTJ;以及使得第二电极的较长尺寸取向与第一电极的较长尺寸基本上垂直。
20. 根据权利要求ll的方法，还包括 在公共衬底上基本上同时制造多个隧道结(MTJ);基本上同时安装多个磁场源(MFS)，使得每个MFS可移动 地悬置在MTJ中的一个附近，其中这种多个MFS共同地接收传感器输入但是具有对其的不同可移动响应；以及以串联或并联或其组合的形式对MTJ中的至少一些电耦连以提 供组合输出。
全文摘要
提供用于感测物理参数的方法和装置。装置(30)包括磁性隧道结(MTJ)(32)以及其磁场(35)覆盖MTJ并且其与MTJ的接近度响应到传感器的输入而变化的磁场源(34)。MTJ包括由配置成允许其间显著隧穿传导的电介质(37)相隔的第一和第二磁性电极(36，38)。第一磁性电极具有被钉扎的自旋轴并且第二磁性电极具有自由的自旋轴。定位磁场源距离第二磁性电极比距离第一磁性电极更近。总体传感器动态范围通过提供接收相同输入但是具有不同的各自响应曲线并且期望地但不是必需地形成于相同衬底上的多个电连接传感器而扩展。
文档编号G01R33/02GK101233421SQ200680027876
公开日2008年7月30日 申请日期2006年6月28日 优先权日2005年7月29日
发明者罗伯特·W·拜尔德, 郑永雪 申请人:飞思卡尔半导体公司