用于感测外部磁场的MLU单元和包括MLU单元的磁性传感器装置的制作方法

本发明涉及用于感测外部磁场的mlu单元和包括mlu单元的磁性传感器装置。当测量外部磁场时，mlu单元磁性传感器装置产生线性信号。

背景技术：

在磁性传感器或罗盘中，磁性逻辑单元（mlu）单元能够用于感测磁场。mlu单元能够包括磁隧道结，所述磁隧道结包括具有固定参考磁化的参考层、具有自由感测磁化的感测层和在参考层与感测层之间的隧道势垒层。感测磁化可在存在外部磁场的情况下定向，同时参考磁化保持不受外部磁场的干扰。因此，能够通过测量磁隧道结的电阻来感测外部磁场，所述电阻取决于通过外部磁场定向的感测磁化和固定参考磁化的相对定向。

理想地，当通过外部磁场定向时，感测层具有线性且非迟滞行为以便促进测量外部磁场的细微变化。这在感测具有大约0.5奥斯特（oe）的平均值的地球磁场时是相关的。

这样的线性且非迟滞行为能够通过提供磁隧道结来实现，其中，感测磁化被定向成基本上垂直于参考磁化。这通常通过钉扎垂直于感测层的各向异性轴线的参考磁化来实现。在制造磁隧道结期间，能够通过溅射状况（例如，通过施加磁场）来定义感测层的各向异性轴线的定向。

上述mlu单元的缺陷是：当感测层包括单个铁磁层时，在包括多个mram单元的晶片上通过溅射状况仅能够定义各向异性的一个方向。

图1图示了常规基于mlu的装置100，所述装置包括串联电连接到电流线3的多个mlu单元。磁性传感器通常需要至少两个感测方向。图3示出了包括磁隧道结2的常规mlu单元，所述磁隧道结包括：感测层21，其具有感测磁化210；参考层23，其具有参考磁化230；参考反铁磁层24，其在低阈值温度下钉扎参考磁化230并在高阈值温度下解放其；以及隧道势垒层22。感测磁化210被配置成可在外部磁场中定向，使得由感测磁化210和参考磁化230的相对定向所确定的磁隧道结2的电阻改变。

返回参考图1，由点图案101、102、103表示多个mlu单元。场力线4被配置成基于输入（场电流）产生磁场。尤其，多个mlu单元被配置在数个分支101、102、103中，每个分支均包括mlu单元的子集。这些分支相对于轴线x被定向在大约0°、大约45°、大约90°的角度处。场力线可包括多个部分401、402、403，每个均相应地安置成邻近于mlu单元的分支101、102、103中的对应一者。场力线部分401、402、403被配置成使得通过每个部分401、402、403的电流41的方向具有对应于其对应分支101、102、103的角定向的角定向。结果，编程磁场（在图1中由点箭头42所示）被定向在垂直于相应的场力线部分401、402、403的方向上，并使参考磁化（虚线箭头230）在同一方向上对准。根据由溅射状况所限定的各向异性轴线来定向感测磁化方向（在图1中由普通箭头210所示）。在图1中，感测磁化210在处于大约0°的分支101中被定向成垂直于参考磁化230，在处于大约45°的子集102中被定向成在大约45°的角度处，且在处于大约90°的子集103中被定向成基本上平行于参考磁化230。

图2a至图2c示出了对应于第一分支101（图2a）、第二分支102（图2b）和第三分支103（图2c）的磁滞回线。在第一分支101中，电阻r随磁场h的变化而线性地改变。磁场h的变化是由于感测磁化210围绕其各向异性轴线（垂直于参考磁化230的定向）的定向的变化。在第二分支102和第三分支103中，电阻r不随磁场h的变化而线性地改变。

文献us2006202244公开了具有两个存储器单元的mram，每个存储器单元均具有关联的偏置层。每个偏置层均通过沿其关联单元的自由层的硬磁化轴线施加偏置场来减小其关联单元的转换场。在每个堆栈中的两个单元中的自由层使其平面内的易磁化轴线彼此平行对准。

文献us2010020447描述了一种包括感测层、第一被钉扎层和第一间层的系统。第一间层被配置成联接感测层和第一被钉扎层并在感测层中提供与固定磁定向相差90°的磁定向。感测层中的磁定向响应于外部磁场旋转。

文献us2006238925涉及一种磁阻结构，所述磁阻结构使用扭转耦合以在自由层与被钉扎层之间诱发垂直磁化对准。

文献us2006044707涉及一种具有堆栈内偏置结构的磁阻传感器。所述传感器包括允许自由层磁矩在正交于偏置层的磁矩的方向上偏置的偏置间隔物。

文献us2003184918公开了一种双自旋阀传感器，其具有夹置于第一sv堆栈与第二sv堆栈之间的纵向偏置堆栈。第一sv堆栈和第二sv堆栈包括被afm层钉扎的反平行（ap）被钉扎层，所述afm层由具有比偏置堆栈的afm材料更高的阻挡温度的afm材料制成，从而允许将ap被钉扎层钉扎在横向方向上且将偏置堆栈钉扎在纵向方向上。两个ap被钉扎层的退磁场互相抵消，且偏置堆栈为第一sv堆栈和第二sv堆栈的感测层提供磁通封闭。

文献us6275363涉及一种双隧道结传感器，其具有优化传导电子的同相散射并响应于信号场的反平行（ap）耦合的自由层结构。所述传感器具有总数量的铁磁层，所述铁磁层保证在自由层结构的每一侧上的被钉扎层结构和ap耦合的自由层结构之间的磁矩同相以由于传导电子的同相散射而增加在自由层结构的每一侧上的电阻变化。

技术实现要素：

本公开涉及一种用于感测外部磁场的mlu单元，其包括磁隧道结，所述磁隧道结包含：感测层，其具有适于通过外部磁场定向的感测磁化；参考层，其具有参考磁化；以及隧道势垒层；具有偏置磁化的偏置层和偏置反铁磁层，所述偏置反铁磁层在低阈值温度下钉扎偏置磁化并在高阈值温度下解放偏置磁化；被钉扎的偏置磁化定向成基本上平行于被钉扎的参考磁化；在感测层与偏置层之间的偏置耦合层，所述偏置耦合层包括反铁磁性类型的磁性材料且被配置成用于磁耦合偏置层和感测层，使得感测磁化被定向成基本上垂直于被钉扎的偏置磁化和被钉扎的参考磁化；磁隧道结进一步包括在感测层与偏置耦合层之间的非磁性间隔物层，所述非磁性间隔物层包括下述中的一者：ta、mg、al、ru、cu、pt、pd、hf、cr、nb、zn或含有这些元素中的任一者的任何合金或氧化物，且被配置成用于调节耦合层的磁耦合的强度。

本公开进一步涉及一种用于感测外部磁场的磁性传感器装置，其包括多个分支，每个分支均包括多个mlu单元的子集。

本公开还涉及一种用于编程磁性传感器装置的方法。

附图说明

将借助以举例的方式给出和由诸图所图示的实施例的描述来更好地理解本发明，在诸图中：

图1图示常规基于mlu的磁场方向测量，其包括第一分支、第二分支和第三分支，所述分支包括mlu单元；

图2a至图2c示出对应于第一分支（图2a）、第二分支（图2b）和第三分支（图2c）的磁滞回线；

图3示出常规mlu单元；

图4示出根据实施例的用于感测外部磁场的mlu单元；

图5图示根据另一个实施例的用于感测外部磁场的mlu单元；

图6图示根据实施例的基于mlu的磁场方向测量装置；

图7a和图7b表示在横向磁场（图7a）和纵向磁场（图7b）的情况下在mlu单元上所测量的磁滞回线；

图8a和图8b示出针对所施加的横向磁场（图8a）和所施加的纵向磁场（图8b），具有感测磁化方向和偏置磁化方向的磁隧道结的顶视图；以及

图9a和图9b图示根据实施例对应于磁性传感器装置的编程的计时图，其示出使加热电流通过的序列（图9a）和施加编程磁场的序列（图9b）。

具体实施方式

图4示出根据实施例的用于感测外部磁场的mlu单元1。mlu单元1包括磁隧道结2，所述磁隧道结包含：感测层21，其具有适于通过外部磁场定向的感测磁化210；参考层23，其具有参考磁化230；以及在感测层21与参考层23之间的隧道势垒层22。

感测层21能够包括软铁磁材料（即，具有相对低的矫顽力的铁磁材料），同时参考层23能够包括硬铁磁材料（即，具有相对高的矫顽力的铁磁材料）。合适的铁磁材料包括过渡金属、稀土元素及其合金，具有或者不具有主族元素。例如，合适的铁磁材料包括铁（“fe”）、钴（“co”）、镍（“ni”）及其合金，诸如坡莫合金（或ni80fe20）；基于ni、fe和硼（“b”）的合金；co90fe10；以及基于co、fe和b的合金。感测层21和参考层23中的每一者的厚度能够在nm范围内，诸如从大约0.4nm到大约20nm或从大约1nm到大约10nm。可预见感测层21和储存层23的其他实施方式。例如，感测层21和储存层23中的任一者或两者能够以与所谓的合成反铁磁层的方式类似的方式包括多个子层。

隧道势垒层22能够包括绝缘材料，或能够由绝缘材料形成。合适的绝缘材料包括氧化物，诸如氧化铝（例如，al2o3）和氧化镁（例如，mgo）。隧道势垒层22的厚度能够在nm范围内，诸如从大约0.5nm到大约10nm。

参考图4，mlu单元1还包括参考钉扎层24或钉扎层，所述钉扎层安置成邻近于参考层23并且当参考钉扎层24内或附近的温度处于低阈值温度tl时通过交换偏置沿特定方向来稳定或钉扎参考磁化230。低阈值温度tl能够对应于低于阻挡温度、奈耳温度或另一个阈值温度的温度。当温度处于高阈值温度th（即，处于阻挡温度之上的温度）时，参考钉扎层24使参考磁化230去钉扎或退耦，由此允许参考磁化230转换到另一个方向。

在一个实施例中，邻近于感测层21省略此类钉扎层24，且结果，感测层21在交换偏置基本上不存在的情况下具有未被钉扎且容易改变的感测磁化210。

参考钉扎层24包括下述，或由下述形成：磁性材料且尤其是反铁磁性类型的磁性材料。合适的反铁磁性材料包括过渡金属及其合金。例如，合适的反铁磁性材料包括：基于锰（“mn”）的合金，诸如基于铱（“ir”）和mn的合金（例如，irmn）；基于fe和mn的合金（例如，femn）；基于铂（“pt”）和mn的合金（例如，ptmn）；以及基于ni和mn的合金（例如，nimn）。在一些例子中，基于ir和mn（或基于fe和mn）的合金的阻挡温度能够在大约90°c到大约350°c或大约150°c到大约200°c的范围内，且能够小于基于pt和mn（或基于ni和mn）的合金的阻挡温度，其能够在大约200°c到大约400°c的范围内。

mlu单元1进一步包括具有偏置磁化270的偏置层27。偏置层27能够包括下述，或由下述形成：基于co、ni或fe的铁磁材料（诸如，cofe、nife或cofeb）。

mlu单元1进一步包括偏置钉扎层26，所述偏置钉扎层安置成邻近于偏置层27并且当偏置钉扎层26内或附近的温度处于偏置钉扎层26的低阈值温度tlp时，沿特定方向通过交换偏置、稳定或钉扎偏置磁化270。当温度处于偏置钉扎层26的高阈值温度thp时，偏置钉扎层26使偏置磁化270去钉扎或退耦，由此允许将偏置磁化270转换到另一个方向。

偏置钉扎层26包括下述，或由下述形成：磁性材料且尤其是反铁磁性类型的磁性材料，所述反铁磁性材料包括：基于锰（“mn”）的合金，诸如基于铱（“ir”）和mn的合金（例如，irmn）；基于fe和mn的合金（例如，femn）；基于铂（“pt”）和mn的合金（例如，ptmn）；以及基于ni和mn的合金（例如，nimn）。在优选实施例中，偏置钉扎层26包括下述，或由下述形成：与参考钉扎层24所包括的或形成参考钉扎层24的反铁磁性材料相同的反铁磁性材料。在后一种构型中，偏置钉扎层26的低阈值温度tlp和高阈值温度thp基本上与参考钉扎层24的低阈值温度tl和高阈值温度th相同。

mlu单元1进一步包括在感测层21与偏置层27之间的偏置耦合层28。偏置耦合层28被配置成磁耦合偏置层27和感测层21，使得感测磁化210被定向成基本上垂直于偏置磁化270。

偏置耦合层28包括反铁磁性类型的磁性材料或由反铁磁性类型的磁性材料形成，包括：基于锰（“mn”）的合金，诸如基于铱（“ir”）和mn的合金（例如，irmn）；基于fe和mn的合金（例如，femn）；基于铂（“pt”）和mn的合金（例如，ptmn）；以及基于ni和/或co的合金，诸如基于nio或coo或o的反铁磁性材料诸如cofeo、nifeo，或任何基于co、fe、ni或mn的反铁磁性材料。

参考磁化230、感测磁化210和偏置磁化270可分别定向在参考层23、感测层21偏置层27的平面中。

在图5中所图示的变型中，偏置层27是合成铁磁层，其包括具有第一偏置磁化270'的第一偏置铁磁层271和具有第二偏置磁化270''的第二偏置铁磁层272。偏置间隔物层273反铁磁性地耦合（例如，经由srkky相互作用）第一偏置铁磁层271和第二偏置铁磁层272。如图5中所图示的，感测层21也能够为合成铁磁层，其包括具有第一参考磁化230'的第一参考铁磁层231和具有第二参考磁化230''的第二参考铁磁层232。参考间隔物层233反铁磁性地耦合（例如，经由srkky相互作用）第一参考铁磁层231和第二参考铁磁层232。参考间隔物层233和/或偏置间隔物层273能够由ru制成。

在实施例中，mlu单元1进一步包括在感测层21与耦合层28之间的非磁性间隔物层29。沉积在偏置耦合层28附近的非磁性间隔物层29能够用于调节耦合层28的磁耦合的强度。这种调节通过调整非磁性间隔物29的厚度是可能的。非磁性间隔物层29包括下述，或由以下述形成：ta、mg、al、ru、cu、pt、pd、hf、cr、nb、zn或含有这些元素中的任一者的任何合金或氧化物，且具有等于或小于大约2nm的厚度。

被钉扎的偏置磁化270定向成基本上平行于被钉扎的参考磁化230。

图6图示根据实施例的用于测量磁场方向的磁性传感器装置100的示例。磁性传感器装置100包括多个mlu单元1。图6的磁性传感器装置100的构型类似于图1中所描述的构型。磁性传感器装置100包括多个分支101、102、103，其中，每个分支均包括分别串联电连接到电流线3的电流部分301、302、303的多个mlu单元1的子集。磁性传感器装置100进一步包括被配置成用于使编程场电流41通过以诱发编程磁场42的编程线4。编程线包括编程线部分401、402、403，每个编程线部分分别寻址对应分支101、102、103。

更具体地，每个分支101、102、103包括阵列，该阵列包括串联电连接到电流线301、302、303中的一者的所述多个mlu单元1的一行或多行和/或一列或多列。例如，每个分支101、102、103能够包括一行mlu单元1或者两行或更多邻近行的mlu单元。编程场电流41能够在各自的编程线部分401、402、403中单独地通过。替代地，编程线部分401、402、403能够串联电连接，使得编程场电流41在编程线部分401、402、403中同时通过。

在图6的布置中，将磁性传感器装置100被表示为具有相对于轴线x定向在大约0°的角度处的第一分支101、相对于轴线x定向在大约45°的角度处的第二分支102和相对于轴线x定向在大约90°的角度处的第三分支103。第一分支101、第二分支102和第三分支103中所包括的mlu单元分别由第一编程线部分401、第二编程线部分402和第三编程线部分403寻址。第一编程线部分401、第二编程线部分402和第三编程线部分403串联电连接，以便形成编程电流41在其中通过的单个编程线4。

编程线部分401、402、403被配置成使得在编程线部分401、402、403中的任一者中流动的编程场电流41在基本上垂直于编程线部分401、402、403和分支101、102、103的方向上诱发编程磁场（由白色箭头42所示）。

能够预见磁性传感器装置100的其他构型。例如，磁性传感器装置100能够包括多个分支，使得mlu单元1的平均储存磁化方向230以大约360度除以“n”（其中“n”能够为8）的角度或大约45°的角度基本上等距隔开。

根据实施例，磁性传感器装置100的编程操作包括以下步骤：

使加热电流31在电流线中301、302、303通过，以便在高阈值温度th下加热对应子集101、102、103中的mlu单元1并且使所述mlu单元1的参考磁化230和偏置磁化270去钉扎；

在场力线401、402、403中施加编程磁场42以使所述mram单元1的参考磁化230和偏置磁化270在编程方向上对准；以及

将对应子集101、102、103中所包括的mlu单元1冷却到低阈值温度tl，以便在编程方向上钉扎参考磁化230和偏置磁化270的转换。

在编程操作期间，编程磁场42使所述mlu单元1的参考磁化230和偏置磁化270两者在基本上垂直于编程线部分401、402、403的编程方向上对准。在图6中，在被编程的分支101、102、103中所包括的mlu单元1的参考磁化230和偏置磁化270的平均方向分别由点箭头230和270表示。

由耦合层28施加在偏置层27与感测层21之间的磁耦合使感测磁化210在基本上垂直于偏置磁化270的编程方向的方向上对准。在编程操作之后，一旦被包括在分支101、102、103中的mlu单元1已被编程，就独立于分支101、102、103的构型，使感测磁化210基本上垂直于参考磁化230对准。在图6的示例中，感测磁化的平均方向（由虚线箭头210表示）被定向成在处于大约0°的分支101中基本上垂直于参考磁化230、在处于大约45°的分支102中被定向成处于大约45°的角度，且在处于大约90°的分支103中被定向成基本上平行于参考磁化230。

本发明的包括mlu单元1的磁性传感器装置100能够独立于磁性传感器装置100的构型的定向（诸如分支101、102、103的定向）和参考磁化230的钉扎方向被编程而使感测磁化210基本上垂直于参考磁化230的方向对准。

图7a和图7b表示在包括磁隧道结2的mlu单元1上用振动样品磁强计所测量的磁滞回线，所述磁隧道结包括：“irmn8/cofe1/nife1/irmn1/nife2/ta0.2/cofeb2”，其中数字对应于以nm为单位的层厚度，并且其中“cofe/nife1”对应于偏置层27且“nife2/ta0.2/cofeb2”对应于感测层21。图7a的磁滞回线使用垂直于编程场42或退火场的磁场h（横向磁场）测量。图7b的磁滞回线使用平行于编程场42或退火场的磁场h（纵向磁场）测量。如在图7b中能够看到，当在纵向方向上测量时，感测磁化210呈现线性行为，其中插入图放大了磁滞回线的线性部分。相反地，如在图7a中能够看到，当在横向方向上测量时，感测磁化210呈现迟滞行为，其中插入图放大了磁滞回线的迟滞部分。

图8a和图8b是磁隧道结2的顶视图，其中感测磁化210由虚线箭头表示，偏置磁化由普通箭头表示，编程场42由白色箭头表示，且施加的磁场h由黑色箭头60表示。图8a对应于如图7a上所测量的横向磁场，且图8b对应于如图7b上所测量的纵向磁场。

在实施例中，执行使加热电流31通过、施加编程磁场42和冷却mlu单元1的步骤，使得分支101、102、103被顺序地编程。

在另一个实施例中，执行使加热电流31通过、施加编程磁场42和冷却mlu单元1的步骤，使得各个分支101、102、103被同时编程。

编程磁场42优选地施加至少直至子集中的mlu单元1已冷却到低阈值温度tl为止。

图9a和图9b图示对应于包括第一分支101、第二分支102和第三分支103的磁性传感器装置100的编程的计时图。在图9a中，使加热电流31（在图9a中由符号i指示）在电流线301、302、303中通过的序列分别由在三个分支101、102、103中顺序通过的三个电流脉冲i101、i102和i103示出。在图9b中，在编程线部分401、402、403中施加编程磁场42（在图9b中由符号h指示）的序列分别由在寻址分支101、102、103的三个编程线部分401、402、403中顺序通过的三个编程场脉冲h401、h402和h403示出。如图9a和图9b中所示，编程场脉冲h401、h402、h403长于电流脉冲i101、i102、i103，使得编程场42被施加直至子集中的mlu单元1已冷却到低阈值温度tl为止。

根据实施例，磁性传感器装置100的感测操作包括使感测电流32在电流分支301、302、303中通过以便测量平均电阻r。此处，平均电阻r对应于针对分支101、102、103中所包括的mlu单元串联测量的电阻。每个mlu单元的电阻由感测磁化210相对于参考磁化230的相对定向确定。能够通过使感测场电流43在编程线部分401、402、403中通过来改变感测磁化210，以便产生感测磁场44。场电流43能够为交替的，以便根据感测场电流43的极性来调制感测磁场44和平均电阻r。由于感测磁化210最初基本上垂直于参考磁化230，所以响应将为线性的。

当磁性传感器装置100被用于感测外部磁场60（诸如，地球磁场）时，根据相对于外部磁场60的方向分支101、102、103的定向和外部磁场60的相应定向，使感测磁化210在外部磁场60中对准。能够通过使感测电流32在电流分支301、302、303中通过来确定外部磁场60，以便通过使感测电流32在电流分支301、302、303中通过来测量平均电阻r。

本文中所公开的基于mlu的磁性传感器装置100可被包括在（例如）磁强计和/或罗盘中。

在一个实施例中，磁性传感器装置100能够用于在两维中测量外部磁场（诸如，地球磁场）的方向，例如外部磁场在二维平面中的分量。并入磁性传感器装置100的设计原理的装置也可在三维中测量外部磁场的方向，诸如通过使用具有霍尔效应垂直轴线感测的磁性传感器装置100。霍尔效应能够导致电导体两端的电压差（霍尔电压），横向于导体中的电流和垂直于电流的磁场。基于霍尔效应，可确定外部磁场在第三维度中的分量。

参考数字和符号

1mlu单元

100磁性传感器装置

101第一子集、第一分支

102第二子集、第二子集

103第三子集、第三子集

2磁隧道结

21感测层

210感测磁化

22隧道势垒层

23参考层

230参考磁化

231第一参考铁磁层

232第二参考铁磁层

233参考间隔物层

24参考钉扎层

26偏置钉扎层

27偏置层

270偏置磁化

271第一偏置铁磁层

272第二偏置铁磁层

273偏置间隔物层

28偏置耦合层

29非磁性间隔物层

3电流线

301第一电流分支

302第二电流分支

303第三电流分支

31加热电流

32感测电流

4编程线

401编程线部分

402编程线部分

403编程线部分

41编程场电流

42编程磁场

43感测场电流

44感测磁场

60外部磁场

601外部磁场的第一分量

602外部磁场的第二分量

603外部磁场的第三分量

r平均电阻

th高阈值温度

tl低阈值温度

thp钉扎层的高阈值温度

tlp钉扎层的低阈值温度。