专利名称：一种平面集成的三维磁场传感器及其制备方法和用途的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种传感器件，具体地说是涉及一种带有隧道结磁阻(TMR)和巨磁电阻(GMR)元件的、能在三维方向上探测弱磁场的传感器件及其制备方法和用途。
背景技术：
磁场传感器有广泛的商业用途，其应用诸如线形或环形编码器，接近度检测器，以及地球场磁力仪等。一种通用的磁场传感器是以霍尔效应为基础，用以感知100至1000奥斯特(Oe)范围的磁场。还有一种通用的磁场传感器是以半导体或铁磁材料中的磁阻(MR)效应为基础，用以感知相对较小的磁场和在较远距离上的磁场。传统的MR传感器是基于各项异性磁阻(AMR)效应运作的，而较新的MR传感器则是基于巨大磁阻(GMR)效应运作的。以上这些磁场传感器主要用于测量一个方向上的磁场，要进行三维磁场的测量，只能把具有不同敏感方向的传感器组合起来，这种方法不仅成本较高，而且稳定性和一致性也较差。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的磁场传感器只能将具有不同敏感磁场方向的传感器组合在一起来探测三维磁场，成本较高、且稳定性和一致性也较难得到保证的缺陷，利用近年来新发展的磁性隧道结材料(TMR)和巨磁电阻材料(GMR)，其磁电阻比值超过传统的磁场传感器件几倍甚至几十倍，并且与半导体工艺兼容，从而提供一种制备工艺简单、成本低廉、稳定性和一致性均较高的平面集成的三维磁场传感器，及其制备方法和用途。
本发明的目的是通过如下的技术方案实现的本发明提供一种平面集成的三维磁场传感器，如图1所示，其包括一个片基1和其上的缓冲层2，以及三个位于缓冲层上不同区域的、独立的、磁性多层膜构成的磁性传感器单元，即第一磁性传感器单元71、第二磁性传感器单元72、和第三磁性传感器单元73。
优选的是，三个磁性传感器单元的截面积和厚度相等；更为优选的是，三个磁性传感器单元的截面积均在5mm×5mm以下，厚度为20nm～60nm。
所述的每一个磁性传感器单元均包括反铁磁层21、22、23，钉扎层31、32、33，非磁性层41、42、43，自由层51、52、53，和覆盖层61、62、63，且钉扎层和自由层的磁化强度方向相互垂直，在没有外加磁场时，钉扎层31、32、33的三个易轴方向相互垂直，分别具有垂直于片基1平面磁场感应方向(设为z方向)和平行于片基1平面、且相互垂直的二维磁场感应方向(设为x，y方向)。
每一个磁性传感器单元的反铁磁层为具有反铁磁性的合金，优选Ir-Mn，Fe-Mn，或Pt-Mn，厚度为2～20nm。
每一个磁性传感器单元的钉扎层为具有较高自旋极化率的铁磁性金属，厚度为2～20nm；具有垂直于平面磁场感应方向的传感器的钉扎层采用具有垂直各向异性的铁磁性金属或合金，优选Co/Pt多层膜，CoFe/Pt组成的多层膜，TbFeCo，或GdFeCo等；其他两个方向的钉扎层为Fe、Co、Ni及其合金，优选Co-Fe合金，Ni-Fe合金，非晶CoFeB合金。
对于隧道结材料的磁阻元件，每一个磁性传感器单元的非磁性层一般采用Al2O3、MgO、AlN、Ta2O5、ZnO或TiO2等绝缘材料，厚度为0.5～5nm；对于巨磁电阻材料的磁阻元件，每一个磁性传感器单元的非磁性层一般采用Cu、Cr、V、Nb、Mo、Ru、Pd、Ta、W、Pt、Ag、Au或其合金，厚度为1.0～10nm。
每一个磁性传感器单元的自由层为矫顽力较小的具有较高自旋极化率的铁磁性金属及其合金，优选Co，Co-Fe，Co-Fe-B或Ni-Fe合金(如Ni81Fe19)，厚度为1.0～10nm。
每一个磁性传感器单元的的覆盖层为不易被氧化的且具有较大电阻的金属材料，优选Ta、Cu、Ru、Pt、Ag、Au等，厚度为2～10nm，用于保护材料不被氧化。
所述的片基为Si衬底或Si-SiO2衬底，厚度为0.3～1mm。
所述的缓冲层为电阻较大的金属材料，优选Ta、Ru、Cr、Pt，厚度为3～10nm。
本发明提供一种上述平面集成的三维磁场传感器的制备方法，其为在缓冲层上的不同位置利用金属掩模遮挡的方式依次沉积三个由叠加的隧道结或巨磁电阻材料的磁阻元件形成的第一磁性传感器单元71、第二磁性传感器单元72、第三磁性传感器单元73，具体包括如下的步骤1)、选择一个片基，经过常规方法清洗之后，在磁控溅射仪上沉积缓冲层；
所述的片基为Si衬底或Si-SiO2衬底，衬底厚度为0.3～1mm；所述的缓冲层为电阻较大的金属材料，优选Ta、Ru、Cr、Pt，厚度为3～10nm；2)、使用金属掩模遮挡片基和缓冲层，然后利用磁控溅射仪，在金属掩模开孔处的缓冲层上依次沉积第一磁性传感器单元的反铁磁层21、钉扎层31、非磁性层41、自由层51和覆盖层61；沉积反铁磁层、钉扎层、自由层时，要加上诱导磁场，其中反铁磁层、钉扎层的诱导磁场方向相同，自由层诱导磁场与反铁磁层、钉扎层的诱导磁场方向垂直，最后得到钉扎层和自由层的磁化强度方向均在片基平面内，且磁化强度方向相互垂直；所述的金属掩模为一与片基面积相当，并开有与第一磁性传感器单元面积相当的孔洞的金属板，该金属板优选Cu板、Al板或不锈钢板，其厚度为0.3～1mm，所开的孔为正方形孔，宽为5～10mm；所述的诱导磁场为50～200Oe；3)、使用一开有与第二磁性传感器单元相当的孔洞的金属掩模遮挡片基和缓冲层，露出另一位置的缓冲层，然后利用磁控溅射仪，在开孔处的缓冲层上依次沉积第二磁性传感器单元的反铁磁层22、钉扎层32、非磁性层42、自由层52和覆盖层62；沉积反铁磁层、钉扎层、自由层时所加的诱导磁场与步骤2)中相应的诱导磁场垂直，最后得到钉扎层和自由层的磁化强度方向均在片基平面内，且磁化强度方向相互垂直；4)、使用一开有与第三磁性传感器单元相当的孔洞的金属掩模遮挡片基和缓冲层，露出再一位置的缓冲层，然后利用磁控溅射仪，在开孔处的缓冲层上依次沉积第三磁性传感器单元的反铁磁层23、钉扎层33、非磁性层43、自由层53和覆盖层63；沉积自由层时，要加上一与步骤3)沉积自由层时所加的诱导磁场方向相同的诱导磁场，沉积反铁磁层和钉扎层时不加磁场，最后得到钉扎层的磁化强度方向垂直于片基平面，自由层的磁化强度平行于片基平面，钉扎层和自由层的磁化强度方向相互垂直；步骤2)、3)和4)中所述的反铁磁层为具有反铁磁性的合金，优选Ir-Mn，Fe-Mn，或Pt-Mn，厚度为2～20nm；步骤2)、3)和4)中所述的钉扎层为具有较高自旋极化率的铁磁性金属，厚度为2～20nm；具有垂直于平面磁场感应方向的传感器的钉扎层采用具有垂直各向异性的铁磁性金属或合金，优选Co/Pt多层膜，CoFe/Pt组成的多层膜，TbFeCo，或GdFeCo等；其他两个方向的钉扎层为Fe、Co、Ni及其合金，优选Co-Fe合金，Ni-Fe合金，非晶CoFeB合金；对于隧道结材料的磁阻元件，步骤2)、3)和4)中所述的非磁性层一般采用Al2O3、MgO、AlN、Ta2O5、ZnO或TiO2等绝缘材料，厚度为0.5～5nm；对于巨磁电阻材料的磁阻元件，步骤2)、3)和4)中所述的非磁性层一般采用Cu、Cr、V、Nb、Mo、Ru、Pd、Ta、W、Pt、Ag、Au或其合金，厚度为1.0～10nm。
步骤2)、3)和4)中所述的的自由层为矫顽力较小的具有较高自旋极化率的铁磁性金属及其合金，优选Co，Co-Fe，Co-Fe-B或Ni-Fe合金(如Ni81Fe19)，厚度为1.0～10nm。
步骤2)、3)和4)中所述的覆盖层为不易被氧化的且具有较大电阻的金属材料，优选Ta、Cu、Ru、Pt、Ag、Au等，厚度为2～10nm，用于保护材料不被氧化。
5)、对沉积了三个磁性传感器单元的片基同时采用常规半导体微加工工艺加工成形(较为常用的便于应用的形状为长条形)；所述的常规半导体微加工工艺包括首先经过涂胶、前烘，再在紫外曝光机上，利用带有待加工图案的光刻版进行曝光，接着显影、定影、后烘，然后用离子刻蚀方法把三个磁性传感器单元刻成便于应用的形状，最后用丙酮浸泡进行去胶；6)、在步骤5)得到的刻蚀成形的磁性传感器上，利用磁控溅射仪，沉积一层导电层；所述的导电层为电阻率较小的金属，优选Au、Cu、Al等，厚度为2～10nm。
7)、利用常规的半导体微加工工艺，将导电层加工成电极，每个磁性传感器单元引出四个电极，即得到本发明的平面集成的三维磁场传感器；所述的常规半导体微加工工艺包括首先经过涂胶、前烘，再在紫外曝光机上，利用带有待加工图案的光刻版进行曝光，接着显影、定影、后烘，然后用离子刻蚀方法把三个磁性传感器单元上的导电层刻成四个电极的形状，最后用丙酮浸泡进行去胶。
在上述方法中，步骤2)、3)和4)的顺序可以互相调换。
本发明提供的上述平面集成的三维磁场传感器可用于检测三维磁场。在工作中，在每个磁场传感器单元的两个电极端输入一恒压源或是恒流源，在另两个电极的输出端给出输出信号，三个传感器单元分别对应x、y、z三个方向。当有外磁场时，由于三个传感器的磁电阻发生变化，导致输出信号的变化，每个自旋阀当自由层与钉扎层的方向垂直时，在一定范围内输出电压与外磁场的变化呈线性关系，由输出电压即可得出外磁场的大小。
与现有技术相比，本发明具有显著的优点。现有技术通常是将三种感应不同方向的传感器拼在一起组成三维磁性传感器，其对每个传感器的一致性要求很高，每个传感器对磁场方向都要精确对准，而且拼装工艺极其复杂，制作成本高，得到的三维磁性传感器体积大且稳定性较差。相比之下，本发明提供的制作三维磁性传感器的方法将测量三维方向的磁场传感器集中在一块芯片上，减小了传感器体积，降低了成本，大大提高了三维磁性传感器的稳定性，尤其是可以与大规模集成电路工艺相兼容，在一些特定条件下有着很多不可替代的优点。这些优点包括1、器件尺寸小。单独的一个传感器单元可以做到5mm×5mm以下，整个器件可以在20mm×20mm以下。器件尺寸小可以提高应用前景。但同时，这么小的器件，如果先单独制备三个传感器，再拼装到同一平面上，操作起来很困难，而且精度会下降。所以采用一个片基上生长器件的方法，制备工艺将更简单。
2、三个方向都有较高的精度。半导体加工工艺所用的片基具有原子级别的平整度，在片基上再长传感器单元，则一致性会很高，而单独制备三个传感器单元再拼装在一个平面上，一致性会差很多。磁性多层膜器件的质量，和各层界面的平整度有很大关系。三个磁性传感器单元都在同一具有较高平整度的片基上沉积而成，能保证三个单元都有较高的质量，并保证三个单元有相同的精度。
3、便于工业化生产。现在半导体工业界向集成化发展，实现类似功能的器件往往都集成到一个芯片上。所以平面集成的器件比平面拼装的器件更有应用前景。
图1是本发明的平面集成的三维磁场传感器的示意图，其中1片基，2缓冲层，21第一反铁磁层，22第二反铁磁层，23第三反铁磁层，31第一钉扎层，32第二钉扎层，33第三钉扎层，41第一非磁性层，42第二非磁性层，43第三非磁性层，51第一自由层，52第二自由层，53第三自由层，61第一覆盖层，62第二覆盖层，63第三覆盖层，71第一磁性传感器，72第二磁性传感器，73第三磁性传感器。
具体实施例方式
实施例1、制备一种带有隧道结磁阻(TMR)元件的平面集成的三维磁场传感器1)、选择一个厚度为1mm的Si-SiO2衬底作为片基1，并在磁控溅射设备上以真空优于5×10-5Pa，沉积速率为0.1nm/s，沉积时氩气压为0.07Pa的条件，在该片基上沉积5nm Ta缓冲层2；
2)、选择一金属掩模，此金属掩模与片基形状完全一样，并在左下角开有一5mm×5mm的方形孔。使用该金属掩模遮挡片基和缓冲层，在磁控溅射设备上以真空优于5×10-5Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在缓冲层2上依次沉积第一磁性传感器72的各层，首先是沉积10nm的IrMn作为第一反铁磁层22，然后依次是4.0nm Co75Fe25作为第一钉扎层32，1.0nmAl2O3作为第一非磁性层42，4.0nmCo75Fe25作为第一自由层52，5nm Ta作为覆盖层62。沉积反铁磁层、钉扎层、自由层时，要加上100Oe的平行于片基平面的诱导磁场，其中反铁磁层、钉扎层的诱导磁场方向相同，自由层诱导磁场与反铁磁层、钉扎层的诱导磁场方向垂直，最后得到钉扎层和自由层的磁化强度方向均在片基平面内，且磁化强度方向相互垂直。
3)、再选择一金属掩模，此金属掩模与片基形状完全一样，并在左上角开有一5mm×5mm的方形孔。使用该金属掩模遮挡片基和缓冲层，在磁控溅射设备上以真空优于5×10-5Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在缓冲层2上依次沉积第二磁性传感器72的各层，首先是沉积10nm的IrMn作为第二反铁磁层22，然后依次是4.0nm Co75Fe25作为第二钉扎层32，1.0nm Al2O3作为第二非磁性层42，4.0nmCo75Fe25作为第二自由层52，5nm Ta作为覆盖层62。沉积反铁磁层、钉扎层、自由层时，要加上100Oe的平行于片基平面的诱导磁场，但与步骤2的相应诱导磁场均垂直，最后得到钉扎层和自由层的磁化强度方向均在片基平面内，且磁化强度方向相互垂直。
4)、再选择一金属掩模，此金属掩模与片基形状完全一样，并在右上角开有一5mm×5mm的方形孔。使用该金属掩模遮挡片基和缓冲层，在磁控溅射设备上以真空优于5×10-5Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在缓冲层2上依次沉积第三磁性传感器71的各层，首先是沉积10nm的IrMn作为第三反铁磁层21，然后依次是3个周期的(Pt0.5nm/Co0.4nm)作为第三钉扎层31，1.0nm Al2O3作为第三非磁性层41，3个周期的(Co1.0nm/Pt1.0nm)作为第三自由层51，5nm Ta作为覆盖层61，沉积自由层时，要加上一与步骤3)沉积自由层时所加的诱导磁场方向相同的诱导磁场，沉积反铁磁层和钉扎层时不加磁场。最后得到钉扎层的磁化强度方向垂直于片基平面，自由层的磁化强度平行于片基平面，钉扎层和自由层的磁化强度方向相互垂直。
5)、对沉积了三个磁性传感器单元的片基，同时采用常规半导体微加工工艺加工1mm×0.1mm的长条状，长条的长的边方向与各个磁性传感器单元的自由层磁化强度方向垂直。
所述的常规半导体微加工工艺包括首先经过涂胶、前烘，再在紫外曝光机上，利用带有待加工图案的光刻版进行曝光，接着显影、定影、后烘，然后用离子刻蚀方法把三个磁性传感器单元刻成长条状，最后用丙酮浸泡进行去胶；6)、在得到的刻蚀成形的磁性传感器上，在磁控溅射设备上以真空优于5×10-5Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，沉积一层5nm厚的Cu导电层；7)、利用常规的半导体微加工工艺，将导电层加工成电极，每个磁性传感器单元引出四个电极；所述的常规半导体微加工工艺包括首先经过涂胶、前烘，再在紫外曝光机上，利用带有电极图案的光刻版进行曝光，接着显影、定影、后烘，然后用离子刻蚀方法把三个磁性传感器单元刻成长条状，最后用丙酮浸泡进行去胶；最后将每个磁场传感器的两个电极接到恒流源上，另两个电极接到输入端上，就得到本发明的带有隧道结磁阻(TMR)元件的三维集成地磁场传感器。
实施例2、制备一种带有巨磁电阻(GMR)元件的平面集成的三维磁场传感器1)、选择一个厚度为1mm的Si-SiO2衬底作为片基1，并在磁控溅射设备上以真空优于5×10-5Pa，沉积速率为0.1nm/s，沉积时氩气压为0.07Pa的条件，在该片基上沉积5nm Ta缓冲层2；2)、选择一金属掩模，此金属掩模与片基形状完全一样，并在左下角开有一3mm×3mm的方形孔。使用该金属掩模遮挡片基和缓冲层，在磁控溅射设备上以真空优于5×10-5Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在缓冲层2上依次沉积第一磁性传感器72的各层，首先是沉积10nm的IrMn作为第一反铁磁层22，然后依次是4.0nm Co75Fe25作为第一钉扎层32，2.0nm Cu作为第一非磁性层42，4.0nmCo75Fe25作为第一自由层52，5nm Ta作为覆盖层62。沉积反铁磁层、钉扎层、自由层时，要加上100Oe的平行于片基平面的诱导磁场，其中反铁磁层、钉扎层的诱导磁场方向相同，自由层诱导磁场与反铁磁层、钉扎层的诱导磁场方向垂直，最后得到钉扎层和自由层的磁化强度方向均在片基平面内，且磁化强度方向相互垂直。
3)、再选择一金属掩模，此金属掩模与片基形状完全一样，并在左上角开有一4mm×4mm的方形孔。使用该金属掩模遮挡片基和缓冲层，在磁控溅射设备上以真空优于5×10-5Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在缓冲层2上依次沉积第二磁性传感器72的各层，首先是沉积10nm的IrMn作为第二反铁磁层22，然后依次是4.0nm Co75Fe25作为第二钉扎层32，2.0nm Cu作为第二非磁性层42，4.0nmCo75Fe25作为第二自由层52，5nm Ta作为覆盖层62。沉积反铁磁层、钉扎层、自由层时，要加上100Oe的平行于片基平面的诱导磁场，但与步骤2的相应诱导磁场均垂直，最后得到钉扎层和自由层的磁化强度方向均在片基平面内，且磁化强度方向相互垂直。
4)、再选择一金属掩模，此金属掩模与片基形状完全一样，并在右上角开有一5mm×5mm的方形孔。使用该金属掩模遮挡片基和缓冲层，在磁控溅射设备上以真空优于5×10-5Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在缓冲层2上依次沉积第三磁性传感器71的各层，首先是沉积10nm的IrMn作为第三反铁磁层21，然后依次是3个周期的(Pt0.5nm/Co0.4nm)作为第三钉扎层31，2.0nm Cu作为第三非磁性层41，3个周期的(Co1.0nm/Pt1.0nm)作为第三自由层51，5nm Ta作为覆盖层61，沉积自由层时，要加上一与步骤3)沉积自由层时所加的诱导磁场方向相同的诱导磁场，沉积反铁磁层和钉扎层时不加磁场。最后得到钉扎层的磁化强度方向垂直于片基平面，自由层的磁化强度平行于片基平面，钉扎层和自由层的磁化强度方向相互垂直。
5)、对沉积了三个磁性传感器单元的片基，同时采用常规半导体微加工工艺加工1mm×0.1mm的长条状，长条的长的边方向与各个磁性传感器单元的自由层磁化强度方向垂直。
所述的常规半导体微加工工艺包括首先经过涂胶、前烘，再在紫外曝光机上，利用带有待加工图案的光刻版进行曝光，接着显影、定影、后烘，然后用离子刻蚀方法把三个磁性传感器单元刻成长条状，最后用丙酮浸泡进行去胶；6)、在得到的刻蚀成形的磁性传感器上，在磁控溅射设备上以真空优于5×10-5pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，沉积一层5nm厚的Cu导电层；7)、利用常规的半导体微加工工艺，将导电层加工成电极，每个磁性传感器单元引出四个电极；所述的常规半导体微加工工艺包括首先经过涂胶、前烘，再在紫外曝光机上，利用带有电极图案的光刻版进行曝光，接着显影、定影、后烘，然后用离子刻蚀方法把三个磁性传感器单元刻成长条状，最后用丙酮浸泡进行去胶；最后将每个磁场传感器的两个电极接到恒流源上，另两个电极接到输入端上，就得到本发明的带有巨磁电阻(GMR)元件的三维集成地磁场传感器。
实施例3～50按照实施例1和实施例2相同的方法，制备平面集成的三维磁场传感器，其磁性多层膜的各层材料和厚度列于表1～8中。
表1、本发明的用于三维集成地磁场传感器的磁性多层膜的结构
表2、本发明的用于三维集成地磁场传感器的磁性多层膜的结构
表3、本发明的用于三维集成地磁场传感器的磁性多层膜的结构
表4、本发明的用于三维集成地磁场传感器的磁性多层膜的结构
表5、本发明的用于三维集成地磁场传感器的磁性多层膜的结构
表6、本发明的用于三维集成地磁场传感器的磁性多层膜的结构
表7、本发明的用于三维集成地磁场传感器的磁性多层膜的结构
表8、本发明的用于三维集成地磁场传感器的磁性多层膜的结构
表1～8中z方向代表垂直于片基，x和y方向代表平行于片基且互相垂直。且三个独立的磁性传感器单元位置是可以互换的。
本发明提供的上述平面集成的三维磁场传感器可用于检测三维磁场。在工作中，在每个磁场传感器单元的两个电极端输入一恒压源或是恒流源，在另两个电极的输出端给出输出信号，三个传感器单元分别对应x、y、z三个方向。当有外磁场时，由于三个传感器的磁电阻发生变化，导致输出信号的变化，每个自旋阀当自由层与钉扎层的方向垂直时，在一定范围内输出电压与外磁场的变化呈线性关系，由输出电压即可得出外磁场的大小。
权利要求
1.一种平面集成的三维磁场传感器，包括一个片基和其上的缓冲层，以及三个位于缓冲层上不同区域的、独立的、磁性多层膜构成的磁性传感器单元，其特征在于所述的每一个磁性传感器单元均包括反铁磁层，钉扎层，非磁性层，自由层和覆盖层，且钉扎层和自由层的磁化强度方向相互垂直，在没有外加磁场时，钉扎层的三个易轴方向相互垂直，分别具有垂直于片基平面磁场感应方向和平行于片基平面、且相互垂直的二维磁场感应方向。
2.如权利要求1所述的平面集成的三维磁场传感器，其特征在于所述的三个磁性传感器单元的截面积和厚度相等。
3.如权利要求1所述的平面集成的三维磁场传感器，其特征在于所述的每一个磁性传感器单元的反铁磁层为具有反铁磁性的合金，厚度为2～20nm；所述的每一个磁性传感器单元的钉扎层为具有较高自旋极化率的铁磁性金属，厚度为2～20nm；对于隧道结材料的磁阻元件，所述的每一个磁性传感器单元的非磁性层为Al2O3、MgO、AlN、Ta2O5、ZnO或TiO2，厚度为0.5～5nm；对于巨磁电阻材料的磁阻元件，所述的每一个磁性传感器单元的非磁性层为Cu、Cr、V、Nb、Mo、Ru、Pd、Ta、W、Pt、Ag、Au或其合金，厚度为1.0～10 nm；所述的每一个磁性传感器单元的自由层为矫顽力较小的具有较高自旋极化率的铁磁性金属及其合金，厚度为1.0～10 nm；所述的每一个磁性传感器单元的的覆盖层为不易被氧化的且具有较大电阻的金属材料，厚度为2～10nm。
4.如权利要求1或3所述的平面集成的三维磁场传感器，其特征在于所述的每一个磁性传感器单元的反铁磁层为Ir-Mn，Fe-Mn或Pt-Mn；所述的具有垂直于平面磁场感应方向的传感器的钉扎层为Co/Pt多层膜，CoFe/Pt组成的多层膜，TbFeCo或GdFeCo；其他两个方向的钉扎层为Fe、Co、Ni及其合金；所述的每一个磁性传感器单元的自由层为Co，Co-Fe，Co-Fe-B或Ni-Fe合金；所述的每一个磁性传感器单元的的覆盖层为Ta、Cu、Ru、Pt、Ag、Au。
5.如权利要求1所述的平面集成的三维磁场传感器，其特征在于所述的片基为Si衬底或Si-SiO2衬底，厚度为0.3～1mm；所述的缓冲层为电阻较大的金属材料，厚度为3～10nm。
6.一种权利要求1所述的平面集成的三维磁场传感器的制备方法，其为在缓冲层上的不同位置利用金属掩模遮挡的方式依次沉积三个由叠加的隧道结或巨磁电阻材料的磁阻元件形成的磁性传感器单元。
7.如权利要求6所述的平面集成的三维磁场传感器的制备方法，具体包括如下的步骤1)、选择一个片基，经过常规方法清洗之后，在磁控溅射仪上沉积缓冲层；2)、使用金属掩模遮挡片基和缓冲层，然后利用磁控溅射仪，在金属掩模开孔处的缓冲层上依次沉积第一磁性传感器单元的反铁磁层、钉扎层、非磁性层、自由层和覆盖层；沉积反铁磁层、钉扎层、自由层时，要加上诱导磁场，其中反铁磁层、钉扎层的诱导磁场方向相同，自由层诱导磁场与反铁磁层、钉扎层的诱导磁场方向垂直，最后得到钉扎层和自由层的磁化强度方向均在片基平面内，且磁化强度方向相互垂直；所述的金属掩模为一与片基面积相当，并开有与第一磁性传感器单元面积相当的孔洞的金属板；3)、使用一开有与第二磁性传感器单元相当的孔洞的金属掩模遮挡片基和缓冲层，露出另一位置的缓冲层，然后利用磁控溅射仪，在开孔处的缓冲层上依次沉积第二磁性传感器单元的反铁磁层、钉扎层、非磁性层、自由层和覆盖层；沉积反铁磁层、钉扎层、自由层时所加的诱导磁场与步骤2)中相应的诱导磁场垂直，最后得到钉扎层和自由层的磁化强度方向均在片基平面内，且磁化强度方向相互垂直；4)、使用一开有与第三磁性传感器单元相当的孔洞的金属掩模遮挡片基和缓冲层，露出再一位置的缓冲层，然后利用磁控溅射仪，在开孔处的缓冲层上依次沉积第三磁性传感器单元的反铁磁层、钉扎层、非磁性层、自由层和覆盖层；沉积自由层时，要加上一与步骤3)沉积自由层时所加的诱导磁场方向相同的诱导磁场，沉积反铁磁层和钉扎层时不加磁场，最后得到钉扎层的磁化强度方向垂直于片基平面，自由层的磁化强度平行于片基平面，钉扎层和自由层的磁化强度方向相互垂直；5)、对沉积了三个磁性传感器单元的片基同时采用常规半导体微加工工艺加工成形；6)、在步骤5)得到的刻蚀成形的磁性传感器上，利用磁控溅射仪，沉积一层导电层；7)、利用常规的半导体微加工工艺，将导电层加工成电极，每个磁性传感器单元引出四个电极，得到本发明的平面集成的三维磁场传感器；在上述方法中，步骤2)、3)和4)的顺序可以互相调换。
8.如权利要求7所述的平面集成的三维磁场传感器的制备方法，其特征在于所述步骤1)的片基为Si衬底或Si-SiO2衬底，衬底厚度为0.3～1mm；所述步骤1)的缓冲层为电阻较大的金属材料，厚度为3～10nm；步骤2)、3)和4)中所述的反铁磁层为具有反铁磁性的合金，厚度为2～20nm；步骤2)、3)和4)中所述的钉扎层为具有较高自旋极化率的铁磁性金属，厚度为2～20nm；对于隧道结材料的磁阻元件，步骤2)、3)和4)中所述的非磁性层为Al2O3、MgO、AlN、Ta2O5、ZnO或TiO2，厚度为0.5～5nm；对于巨磁电阻材料的磁阻元件，步骤2)、3)和4)中所述的非磁性层为Cu、Cr、V、Nb、Mo、Ru、Pd、Ta、W、Pt、Ag、Au或其合金，厚度为1.0～10nm；步骤2)、3)和4)中所述的的自由层为矫顽力较小的具有较高自旋极化率的铁磁性金属及其合金，厚度为1.0～10nm；步骤2)、3)和4)中所述的覆盖层为不易被氧化的且具有较大电阻的金属材料，厚度为2～10nm；所述步骤6)的导电层为电阻率较小的金属，厚度为2～10nm。
9.如权利要求7所述的平面集成的三维磁场传感器的制备方法，其特征在于所述步骤2)的金属掩模为一金属Cu板、Al板或不锈钢板，厚度为0.3～1mm，其上所开的孔为正方形孔，宽为5～10mm。
10.权利要求1所述的平面集成的三维磁场传感器在检测三维磁场中的应用。
全文摘要
本发明涉及一种平面集成的三维磁场传感器，其包括一个片基和其上的缓冲层，以及三个位于缓冲层上不同区域的、独立的、磁性多层膜构成的磁性传感器单元，在没有外加磁场时三个磁性传感器单元的自由层有同一个易轴方向，钉扎层的三个易轴方向相互垂直，分别具有垂直于片基平面磁场感应方向和平行于片基平面、且相互垂直的二维磁场感应方向。该平面集成的三维磁场传感器可用于检测三维磁场。由于本发明将测量三维方向的磁场传感器集中在一块芯片上，减小了传感器体积，降低了成本，大大提高了三维磁性传感器的稳定性，尤其是可以与大规模集成电路工艺相兼容，在一些特定条件下有着很多不可替代的优点。
文档编号H01L43/10GK1979210SQ200510126428
公开日2007年6月13日 申请日期2005年12月9日 优先权日2005年12月9日
发明者覃启航, 韩秀峰, 王磊, 马明, 魏红祥, 詹文山 申请人:中国科学院物理研究所