專利名稱：磁性傳感器及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及磁性傳感器，每個磁性傳感器包含多個形成于單一基板上的 多個巨磁電阻元件，從而沿雙軸方向或三軸方向探測磁場密度(或磁場強(qiáng) 度)。本發(fā)明還涉及磁性傳感器制造方法。
背景技術(shù)：
作為用于^f茲性傳感器的元件，巨^茲電阻元件(GMR元件)和隧道^f茲電 阻元件(TMR元件)傳統(tǒng)上已知。每種傳統(tǒng)上已知的磁電阻元件包含磁化 方向被釘扎(或固定)的固定層以及其磁化方向響應(yīng)于外部磁場而變化的自 由層，其中該磁電阻元件表現(xiàn)了適于固定層的磁化方向和自由層的磁化方向 之間的相互關(guān)系的電阻。使用磁電阻元件的磁性傳感器已經(jīng)披露于各種文 獻(xiàn)，例如專利文獻(xiàn)1和專利文獻(xiàn)2。
專利文獻(xiàn)1:.日本未審專利申請公開No.2005-260064 專利文獻(xiàn)2:日本未審專利申請公開No.2006-261400 專利文獻(xiàn)1教導(dǎo)了使用多個巨磁電阻元件構(gòu)成的磁性傳感器，每個巨磁 電阻元件具有合成反鐵磁(SAF )結(jié)構(gòu)，其中Ru層(其中Ru代表釕)插入 在基板表面上形成的固定層的磁性層內(nèi)。每個巨磁電阻元件探測在基板表面 上沿著一個方向的磁場強(qiáng)度。探測不同方向的磁場強(qiáng)度的多個巨磁電阻元件 形成于基板表面上。這使得磁性傳感器可以沿雙軸方向探測磁場強(qiáng)度。
在磁性傳感器制造過程中用于固定(或釘扎)固定層的磁化方向的磁化 熱處理中，基板均被加熱直到預(yù)定溫度而且^f茲體陣列置為與基板表面相對， 其中強(qiáng)》茲場(其值例如為10T以上)施加到固定層使得兩個磁性層可以相互 平行地布置。這里，施加到固定層的磁場發(fā)生于形成該磁體陣列的磁軛的狹 縫(例如矩形通孔)內(nèi)，其中固定層的磁化方向依賴于在該磁體陣列內(nèi)鄰接 在一起的永久磁體的極性。在熱處理之后，制作該磁性傳感器，使得兩個磁 性層的磁化方向彼此相反，換言之，兩個磁性層置于反平行磁化狀態(tài)。
專利文獻(xiàn)2教導(dǎo)了一種小尺寸磁性傳感器，其中平面表面和斜坡(即，傾斜于平面表面的傾斜表面)形成于單一基板的表面上，其中巨磁電阻元件 分別形成于平面表面和斜坡上，由此使得可以沿三軸方向探測磁場強(qiáng)度。
斜坡是通過形成于基板表面上的V形溝來形成，且因此在每個溝中布置 為彼此相對。該磁性傳感器使用巨磁電阻元件形成，其中Ru層沒有插入固 定層的磁性層內(nèi)。
專利文獻(xiàn)2的磁性傳感器能夠沿三軸方向探測磁場強(qiáng)度，其中由于過強(qiáng) 的外部》茲場，巨》茲電阻元件的固定層的》茲化方向受影響并改變。當(dāng)外部^i場
變?yōu)榱銖?qiáng)度時，磁化方向改變并固定于錯誤方向。也就是說，該磁性傳感器 可能遭受較弱的鐵磁性阻抗。
專利文獻(xiàn)1的磁性傳感器中使用的合成反鐵磁結(jié)構(gòu)的巨磁電阻元件均設(shè) 計成使得形成固定層的兩個磁性層布置成反平行磁化狀態(tài)，這可能增大鐵磁 性阻抗但是無法沿三軸方向探測磁場強(qiáng)度。出于該原因，本申請的發(fā)明人改
進(jìn)專利文獻(xiàn)2的磁性傳感器，使得合成反鐵磁結(jié)構(gòu)的巨磁電阻元件形成于基 4反的平面表面和斜i皮上。
假設(shè)具有不同磁化方向的固定層的三個巨磁電阻元件分別形成于平面 表面和兩個斜坡(即，經(jīng)由溝置為彼此相對的成對斜坡)上。在用于固定固 定層的磁化方向的磁化熱處理中，具有其固定層置于磁場下的巨磁電阻元件 的成對斜坡的凸出總面積變?yōu)榇笥诰哂衅涔潭▽右仓糜诖艌鱿碌木薮烹娮?元件的平面表面的其余凸出面積。這里，形成于相對斜坡上的巨磁電阻元件 的寬度尺寸大于形成于平面表面上的巨磁電阻元件的寬度尺寸。
如上所述，即使當(dāng)合成反鐵磁結(jié)構(gòu)的巨磁電阻元件應(yīng)用于專利文獻(xiàn)2的 磁性傳感器時，在熱處理過程中需要施加其值為10T以上的強(qiáng)磁場到巨磁電 阻元件的固定層；因此，需要使用具有狹縫的磁體陣列。這里，與用于將磁 場施加到形成于平面表面上的巨磁電阻元件的另一狹縫的寬度尺寸相比，用 于將磁場施加到形成于斜坡上的巨磁電阻元件的狹縫的寬度尺寸由于斜坡 和平面表面之間的寬度尺寸的差異而增大。
這會削弱施加到形成于斜坡上的巨磁電阻元件的磁場；因此，在熱處理 時很難將強(qiáng)磁場施加到所有巨磁電阻元件。當(dāng)在熱處理中強(qiáng)度不足的磁場施 加到巨磁電阻元件時，在熱處理之后很難將兩個磁性層布置成反平行磁化狀 太
在強(qiáng)磁場施加到巨磁電阻元件的熱處理中，施加到巨磁電阻元件的磁場強(qiáng)度的變化相對于基板和磁體陣列之間距離的變化非常大，該基板和磁體陣 列相對布置且其之間具有預(yù)定間隙。也就是說，需要以非常高的精度來調(diào)整 基板和磁體陣列之間的相對定位和距離。這會導(dǎo)致磁性傳感器制造中的麻煩。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種包括多個巨磁電阻元件的磁性傳感器，其中在 熱處理中固定層的^f茲化方向可以被容易地控制。
本發(fā)明的另 一 目的是提供一種該磁性傳感器的制造方法。
在本發(fā)明的第 一方面， 一種^f茲性傳感器的制造方法包括GMR部件形成 步驟和磁化熱處理步驟。在GMR部件形成步驟中，每個包括多個巨磁電阻 元件的多個GMR部件形成于基板的表面上，其中每個巨磁電阻元件包括在 基板上順序?qū)盈B在一起的自由層、導(dǎo)電層和固定層，且其中該固定層包括在 該導(dǎo)電層上順序?qū)盈B在一起的第一磁性層、Ru層、第二磁性層和反鐵磁層。 在該磁化熱處理中，對排布該GMR部件的基板執(zhí)行磁化熱處理，其中磁場 施加到該固定層從而固定其磁化方向，且其中該第 一和第二磁性層被磁化而 且維持其磁化方向?yàn)榉雌叫写呕癄顟B(tài)。
在本發(fā)明第二方面，使用基板和多個GMR部件來制作磁性傳感器，每 個GMR部件包括多個巨磁電阻元件，其中每個巨磁電阻元件包括在基板的 表面上順序?qū)盈B的自由層、導(dǎo)電層和固定層。這里，該固定層包括在該導(dǎo)電 層上順序?qū)盈B在一起的第一磁性層、Ru層、第二磁性層和反鐵磁層，且該 第 一和第二^f茲性層的磁矩互不相同。
在上述中，該第一和第二磁性層的厚度和磁矩互不相同。這里，第一磁 性層的厚度大于第二磁性層的厚度，且Ru層的厚度在4A至IOA的范圍。 在石茲化熱處理中，產(chǎn)生^f茲場的^f茲體陣列置為鄰近基板的背側(cè)，該基板的表面 上排布該GMR部件。
平面表面和至少 一個斜坡預(yù)先形成于基板上。具有沿不同軸方向的靈敏 度的GMR部件形成于基板上，使得一個GMR部件使用平面表面來形成， 且其余GMR部件使用斜坡來形成。通過使用基板的平面表面和斜坡來布置 兩個GMR部件，可以沿兩個軸方向纟罙測/磁性。通過^f吏用基^反的平面表面和 斜坡來布置三個GMR部件，可以沿三個軸方向探測;茲性。如上所述，本發(fā)明提供了下述效果。
(1) 在磁化熱處理中，需要施加具有較低強(qiáng)度的磁場，該磁場使得第 一和第二磁性層可以被磁化為反平行狀態(tài)。由于第一和第二磁性層的磁矩互 不相同，該第 一和第二磁性層由于在磁場下其間的反鐵磁連接而沿相反方向 被磁化。
(2) 在^f茲化熱處理中，可以將期望的^f茲化方向和期望的^i化強(qiáng)度固定 到該第一和第二磁性層。這使得無需如傳統(tǒng)已知技術(shù)那樣，使用磁軛來施加 較高的磁場到磁性層以維持其間的平行磁化狀態(tài)。換言之，本發(fā)明在磁化熱 處理中僅要求較低磁場施加到磁性層。這減小了與磁體陣列和基板之間距離 的變化相對的磁場的變化；因此，無需高精度地精確調(diào)整有關(guān)磁體陣列和基 板的定位和距離。.因此，在磁化熱處理中可以容易地控制固定層的磁化方向。
(3) 即使當(dāng)GMR部件使用基板的平面表面和斜坡來形成時，仍可以將 期望的磁化方向固定到其固定層的磁性層，而無需對固定層施加較強(qiáng)磁場。 因此，可以容易地制作能夠沿雙軸方向和三軸方向探測磁性的磁性傳感器。
(4) 由于第一和第二磁性層具有不同厚度，因此第一和第二磁性層可 以可靠地產(chǎn)生不同磁矩。這使得在磁化熱處理中可以將期望的磁化方向固定 到該第 一和第二磁性層，而且維持第 一和第二磁性層之間的反平行磁化狀 態(tài)。
(5) 當(dāng)?shù)谝淮判詫拥暮穸却笥诘诙判詫拥暮穸葧r，第一磁性層的磁 矩大于第二磁性層的磁矩。這種情況下，第一磁性層沿與磁場相同的方向被 磁化，而第二磁性層沿與磁場相反的方向被磁化。
(6) 第一和第二磁性層的磁力作用在自由層上，其中該磁力包括第一 磁性層的交換耦合力以及第一和第二磁性層的靜磁力。通過將第一磁性層的 磁矩增大到高于第二磁性層的磁矩，可以容易地減小作用于自由層上的交換 耦合力和靜、磁力之和。
(7) 通過恰當(dāng)?shù)卣{(diào)整導(dǎo)電層的厚度，可以使該交換耦合力與作用于自 由層上的第 一磁性層的靜磁力匹配。由于第二磁性層的磁矩小于第 一磁性層 的磁矩，可以減小作用于自由層上的第二磁性層的靜磁力以小于第一磁性層 的交換耦合力和靜磁力。
(8 )由于交換耦合力的方向與第 一磁性層中靜磁力的方向相反而與第 二磁性層的靜磁力的方向相同，因此可以容易地減小作用于自由層上的交換耦合力和靜磁力之和。換言之，可以減小第一和第二磁性層的磁化方向?qū)ψ?br> 由層的磁化方向的影響；因此，可以將期望的磁化方向設(shè)置到自由層。
(9) 通過減小Ru層的厚度(在4A至IOA的范圍)，可以容易地維持 第一和第二磁性層之間的反平行磁化狀態(tài)，即使在磁化熱處理中使用的磁場
增大時。這增大了維持第一和第二磁性層之間的反平行磁化狀態(tài)的磁場強(qiáng)度 范圍，使得在磁化熱處理中可以容易地控制磁場強(qiáng)度；因此，可以容易地控 制固定層的磁化方向。
(10) 由于在磁性傳感器的制造的磁化熱處理中，磁體陣列置為鄰近基 板的背側(cè)，該基板的表面上排布該GMR部件，即使當(dāng)較強(qiáng)磁場發(fā)生于磁體 陣列附近時，仍可以削弱到達(dá)固定層的第一和第二磁性層的磁場的強(qiáng)度，因 為磁體陣列與該GMR部件相距該基板的厚度，其中可以減小與磁體陣列和 GMR部件之間距離的變化相對的磁場強(qiáng)度的變化；因此，可以容易地調(diào)整 施加到GMR部件的磁場強(qiáng)度。
(11) 如上所述，本發(fā)明設(shè)計成容易地控制固定層的磁化方向，而在磁 化熱處理中無需施加使第一和第二磁場之間的反平行磁化狀態(tài)崩潰的強(qiáng)磁 場；因此，可以容易地制作能夠沿雙軸方向和沿三軸方向探測磁性的磁性傳 感器。


本發(fā)明的這些和其它目的、方面和實(shí)施例通過結(jié)合以下附圖而更詳細(xì)地 描述，附圖中
圖1A為示出依據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的三軸磁性傳感器的構(gòu)造的平面
圖1B為沿圖1A的線A-A截取的剖面圖2A為示意性示出在圖1A所示的三軸磁性傳感器中包含串聯(lián)連接的 四個GMR條(bar)的GMR部件的圖示；
圖2B為沿圖2A的線B-B截取的有關(guān)GMR條的剖面圖3A示意性示出包含在圖2B所示的GMR條中的形成自旋閥膜 (spin-valve film )的層的層疊；
圖3B示意性示出包含在圖3A所示的自旋閥膜的固定層中的層的磁化 方向；圖4A為示出圖1A所示的三軸磁性傳感器的釘扎方向和靈敏度方向的 平面圖4B為示出圖4A所示的三軸磁性傳感器的部分D的放大透視圖，其 中分別包含四個GMR條的兩個GMR部件耦合在一起；
圖4C為示出圖4A所示的三軸磁性傳感器的部分E的放大透視圖，其 中分別包含四個GMR條的兩個GMR部件耦合在一起；
圖5A示出包含全橋接(foil bridge connection )的四個X軸GMR部件 的等效電路；
圖5B示出包含全橋接的四個Yl軸GMR部件的等效電路； 圖5C示出包含全橋接的四個Y2軸GMR部件的等效電路； 圖6A為適于三軸磁性傳感器的制造方法的第 一 步驟中形成的通路(via ) 的剖面圖6B為適于三軸磁性傳感器的制造方法的第一步驟中形成的焊墊 (pad)的剖面圖6C為適于三軸磁性傳感器的制造方法的第一步驟中形成的Yl軸或 Y2軸GMR部件的剖面圖7A為適于三軸磁性傳感器的制造方法的第二步驟中形成的通路的剖 面圖7B為適于三軸磁性傳感器的制造方法的第二步驟中形成的焊墊的剖 面圖7C為適于三軸磁性傳感器的制造方法的第二步驟中形成的Yl軸或 Y2軸GMR部件的剖面圖8A為適于三軸磁性傳感器的制造方法的第三步驟中形成的通路的剖 面圖8B為適于三軸磁性傳感器的制造方法的第三步驟中形成的焊墊的剖 面圖8C為適于三軸磁性傳感器的制造方法的第三步驟中形成的Yl軸或 Y2軸GMR部件的剖面圖9A為適于三軸^f茲性傳感器的制造方法的第四步驟中形成的通路的剖 面圖9B為適于三軸磁性傳感器的制造方法的第四步驟中形成的焊墊的剖面圖9C為適于三軸磁性傳感器的制造方法的第四步驟中形成的Yl軸或 Y2軸GMR部件的剖面圖10A為適于三軸磁性傳感器的制造方法的第五步驟中形成的通路的 剖面圖10B為適于三軸磁性傳感器的制造方法的第五步驟中形成的焊墊的 剖面圖10C為適于三軸磁性傳感器的制造方法的第五步驟中形成的Yl軸或 Y2軸GMR部件的剖面圖11A為適于三軸磁性傳感器的制造方法的第六步驟中形成的通路的 剖面圖11B為適于三軸磁性傳感器的制造方法的第六步驟中形成的焊墊的 剖面圖11C為適于三軸^f茲性傳感器的制造方法的第六步驟中形成的Yl軸或 Y2軸GMR部件的剖面圖12A為適于三軸磁性傳感器的制造方法的第七步驟中形成的通路的 剖面圖12B為適于三軸磁性傳感器的制造方法的第七步驟中形成的焊墊的 剖面圖12C為適于三軸磁性傳感器的制造方法的第七步驟中形成的Yl軸或 Y2軸GMR部件的剖面圖13A為適于三軸磁性傳感器的制造方法的第八步驟中形成的通路的 剖面圖13B為適于三軸磁性傳感器的制造方法的第八步驟中形成的焊墊的 剖面圖13C為適于三軸^f茲性傳感器的制造方法的第八步驟中形成的Yl軸或 Y2軸GMR部件的剖面圖14A為適于三軸磁性傳感器的制造方法的第九步驟中形成的通路的 剖面圖14B為適于三軸磁性傳感器的制造方法的第九步驟中形成的焊墊的 剖面圖；圖14C為適于三軸磁性傳感器的制造方法的第九步驟中形成的Yl軸或 Y2軸GMR部件的剖面圖15A為適于三軸磁性傳感器的制造方法的第十步驟中形成的通路的 剖面圖15B為適于三軸磁性傳感器的制造方法的第十步驟中形成的焊墊的 剖面圖15C為適于三軸磁性傳感器的制造方法的第十步驟中形成的Yl軸或 Y2軸GMR部件的剖面圖16為示出永久條磁體陣列的平面圖，該永久條磁體陣列移動靠近圖 14C所示的基板從而執(zhí)行^磁化熱處理(或釘扎)；
圖17為沿圖16的線G-G截取的剖面圖18示意性示出包含在經(jīng)受釘扎的GMR部件的固定層內(nèi)的第一和第二 CoFe磁性層的磁化方向；
圖19為示出施加到經(jīng)受釘扎的GMR部件的固定層的磁場強(qiáng)度與固定層 的飽和磁化之間關(guān)系的曲線圖，條件為夾在第一和第二 CoFe磁性層之間的 Ru層的厚度設(shè)置為8A;以及
圖20為示出與圖19的曲線圖相關(guān)聯(lián)的，Ru層厚度與施加到GMR部件 的^f茲場強(qiáng)度之間的關(guān)系的曲線圖。
具體實(shí)施例方式
將參考附圖描述通過示例更詳細(xì)地描述本發(fā)明。
將參考圖1A、 1B、 2A、 2B、 3A、 3B、 4A、 4B、 5A、 5B和5C來描述 依據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的三軸磁性傳感器10。
如圖1A所示，三軸磁性傳感器IO在平面圖中具有方形形狀，該方形形 狀具有沿X軸的兩條邊和沿Y軸的另兩條邊，并包括基板ll，該基板ll由 石英或者硅組成且沿與X軸和Y軸垂直的Z軸具有小的厚度?？傃灾?，十 二組巨磁電阻元件形成并布置在基板11表面上的預(yù)定位置。具體而言，分 別包括四個巨》茲電阻元件的四個X軸GMR部件(用第一、第二、第三和第 四X軸GMR部件表示)12a至12d沿Y軸形成于基板11表面上的預(yù)定位 置；分別包括四個巨^f茲電阻元件(用代表GMR條的實(shí)線段表示)的四個Yl 軸GMR部件(用第一、第二、第三和第四Yl軸GMR部件表示)12e至12h沿X軸形成于基板11表面上的預(yù)定位置；以及分別包括四個巨磁電阻元件 (用代表GMR條的虛線^:表示)的四個Y2軸GMR部件(用第一、第二、 第三和第四Y2軸GMR部件表示)12i至121沿X軸形成于基板11表面上 的預(yù)定位置。此外，在制造最終階段不露出的焊墊(即，用于從布線(wire) 提取輸出信號到外部裝置的部件，未示出)和通路(即，用于建立巨磁電阻 元件和布線之間的連接的部分，未示出)，以及布線(未示出)制作在基板 11內(nèi)。此外，具有布線層或多層布線層的LSI部件還可以制作在基板11內(nèi)。 當(dāng)具有多層布線層的LSI部件結(jié)合到基板11內(nèi)時，三軸磁性傳感器10可以 用作數(shù)字磁性傳感器來輸出數(shù)字信號。當(dāng)僅布線層結(jié)合到基板11內(nèi)時，三 軸磁性傳感器10用作模擬磁性傳感器用于輸出模擬信號。
在圖1A,沿X軸的左端指定為X軸的參考點(diǎn)，其中從該參考點(diǎn)向右的 方向表示正X軸方向，且從與該參考點(diǎn)相對的右端向左的方向表示負(fù)X軸 方向。類似地，沿Y軸的下端指定為Y軸的參考點(diǎn)，其中從該參考點(diǎn)向上 的方向表示正Y軸方向，且從與該參考點(diǎn)相對的上端向下的方向表示負(fù)Y 軸方向。
在上文中，沿Y軸鄰接一起的第一 X軸GMR部件12a和第二 X軸GMR 部件12b大致上置于靠近X軸右端的Y軸中心部分。沿Y軸鄰接一起的第 三X軸GMR部件12c和第四X軸GMR部件12d大致上置于靠近X軸左端 的Y軸中心部分。
沿X軸鄰接一起的第一 Yl軸GMR部件12e和第二 Yl軸GMR部件 12f大致上置于靠近Y軸上端的X軸中心部分。沿X軸鄰接一起的第三Yl 軸GMR部件12g和第四Yl軸GMR部件12h大致上置于靠近Y軸下端的 X軸中心部分。
沿X軸鄰接一起的第一 Y2軸GMR部件12i和第二 Y2軸GMR部件12j 大致上置于靠近Y軸下端的X軸中心部分。沿X軸鄰接一起的第三Y2軸 GMR部件12k和第四Y2軸GMR部件121大致上置于靠近Y軸上端的X軸 中心部分。
該十二個GMR部件12a-12d、 12e-12h和12i-121的每個包括平行布置的 多個GMR條(即，細(xì)長帶狀巨磁電阻元件)。具體而言，圖1A示出每個 GMR部件是由四個GMR條組成，不過不限于此，其中優(yōu)選地每個X軸GMR 部件12a至12d包括偶數(shù)個GMR條。GMR條經(jīng)由引線膜串聯(lián)連接。在連接的GMR條的端部，形成了用作端子的引線膜。圖2A示出第一X軸GMR 部件12a的構(gòu)造的示例，這類似地適用于其它X軸GMR部件12b至12d。 這里，四個GMR條(或者巨磁電阻元件)12a-l、 12a-2、 12a-3和12a-4經(jīng) 由三個引線膜12a-6、12a-7和12a-8串聯(lián)連接。此外，用作端子的引線膜12a-5 連接到GMR條12a-l至12a-4的串聯(lián)連接的一個端子端部，且用作端子的 另 一引線膜12a-9連接到GMR條12a-l至12a-4的串聯(lián)連接的另 一端子端部。 X軸GMR部件12a至12d中包含的GMR條(例如，GMR條12a-l至12a-4 ) 形成于平面表面上，該平面表面平行于基板11的整體表面，其中GMR條的 縱向方向均平行于Y軸，換言之，均垂直于X軸延伸。
在截面中均具有梯形形狀的多個凸出(或凸臺(bank)) 15形成于基板 ll上，其中每個凸出15具有兩個斜坡，即，第一斜坡15a和第二斜坡15b。 每個Yl軸GMR部件12e至12h和Y2軸GMR部件12i至121包括預(yù)定數(shù) 目的GMR條，該GMR條形成于基板11的凸出的斜坡上。
將參考圖1B和圖4B描述在基板11的預(yù)定部分被連接在 一起的第一 Y1 軸GMR部件12e (包括GMR條12e-l 、 12e-2、 12e-3和12e-4 )和第三Y2 軸GMR部件12k (包括GMR條12k-1 、 12k-2、 12k陽3和12k-4 )的布置(見 圖1A)。第一 Yl軸GMR部件12e的GMR條12e-l至12e-4形成于凸出15 的第一斜坡15a上，而第三Y2軸GMR部件12k的GMR條12k-l至12k-4 形成于凸出15的第二斜坡15b上。GMR條12e-l至12e-4和GMR條12k-l 至12k-4的縱向方向平行于凸出15的脊線延伸。斜坡15a和15b的兩者均相 對于基板11的平面表面傾斜相同的傾角0 (其中20°《e《60°)。
Yl軸GMR部件12e的一個GMR條置為與Y2軸GMR部件12k的相 應(yīng)GMR條關(guān)于單個凸出15相對。例如，GMR條12e-l和GMR條12k-l 形成于一個凸出15的斜坡15a和15b上，而GMR條12e-2和GMR條12k-2 形成于另一凸出15的斜坡15a和15b上。Yl軸GMR部件12e至12h的GMR 條和Y2軸GMR部件12i至121的GMR條的縱向方向平行于X軸延伸，換 之，垂直于Y軸延伸。
將參考圖2B和圖3A及3B,描述有關(guān)例如第一 X軸GMR部件12a的 GMR條12a-2的GMR條構(gòu)造。相同的構(gòu)造適用于其它GMR條12a-l 、 12a-3 和12a-4,因此對其的描述予以省略。此外，相同的構(gòu)造類似地適用于其它 X軸GMR部件12b至12d, Yl軸GMR部件12e至12h、以及Y2軸GMR部件12i至121，因此對其的描述予以省略。
如圖2B所示，第一 X軸GMR部件12a的GMR條12a-2包括自旋閥月莫 SV，其縱向方向垂直于X軸(或者平行于Y軸)。自旋閥膜SV的兩端連接 到在下面形成的引線膜12a-6和12a-7。引線膜12a-6和12a-7分別使用由鉻 (Cr)等組成的非磁性金屬膜形成，其中該膜的厚度設(shè)置為例如130 nm (1300A )。
如圖3A所示，自旋閥膜SV是由自由層(即，自由磁性層)F、厚度為 2.8nm ( 28A )的由銅(Cu )組成的導(dǎo)電的間隔層(即，導(dǎo)電層)S、固定層 (即，固定層或者固定磁化層)P、以及厚度為2.5nm ( 25A )的由鉭(Ta ) 或鈦(Ti)組成的蓋層C組成。自由層F、間隔層S、固定層P和蓋層C順 序?qū)盈B并形成于基板11上。
自由層F的石茲化方向響應(yīng)于外部》茲場的方向而改變。自由層F是由厚度 為8 nm ( 80A )的CoZrNb非晶i茲性層12a-21 、厚度為3.3nm ( 33A )的NiFe 磁性層12a-22、以及厚度為1.2nm ( 12A)的CoFe層12a-23組成。這些層 按下述方式順序?qū)盈B在一起，即，CoZrNb非晶磁性層12a-21緊接形成于基 板11上方，NiFe磁性層12a-22形成于CoZrNb非晶磁性層12a-21上，以及 CoFe層12a-23形成于NiFe磁性層12a-22上。
CoZrNb非晶磁性層12a-21 、 NiFe磁性層12a-22和CoFe層12a-23層疊 在一起以形成軟鐵磁薄膜。CoFe層12a-23被設(shè)置以避免NiFe磁性層12a-22 的Ni擴(kuò)散和形成間隔層S的Cu層12a-24的Cu擴(kuò)散。
固定層P由厚度為3.2nm ( 32A )的第一 CoFe磁性層12a-25、厚度為 0.5nm( 5A )的Ru層12a-26、厚度為2.2nm( 22A )的第二 CoFe磁性層12a-27、 以及厚度為24nm ( 240A )的反鐵/磁層12a-28組成，該反鐵磁層12a-28由 鉑含量在45mor/o至55mor/。的范圍的PtMn合金組成。這些層按下述方式 順序?qū)盈B在一起，即，第一CoFe磁性層12a-25形成于Cu層12a-24上，Ru 層12a-26形成于第一 CoFe磁性層12a-25上，第二 CoFe磁性層12a-27形成 于Ru層12a-26上，以及反鐵磁層12a-28形成于第二 CoFe磁性層12a-27上。
形成自由層F和固定層P的層的厚度的前述值以及間隔層S和蓋層C 的厚度的前述值是針對X軸GMR部件12a至12d來確定的。對于其它GMR 部件例如Yl軸GMR部件12e至12h和Y2軸GMR部件12i至1'21，這些層 的厚度減小到相對于X軸GMR部件12a至12d確定的厚度的前述值的70%和80%之間的范圍。
如圖3B所示，第二 CoFe磁性層12a-27以交換耦合方式與反鐵磁層 12a-28對齊，其中第二 CoFe磁性層12a-27的磁化方向(或者磁化矢量)被 固定(或釘扎)在負(fù)X軸方向。第一CoFe磁性層12a-25以反鐵磁方式連接 到第二 CoFe磁性層12a-27，其中第一 CoFe磁性層12a-25的磁化方向固定 在正X軸方向。也就是說，固定層P的磁化方向依賴于CoFe磁性層12a-25 和12a-27的-茲化方向。
如圖2A、 3B和4A所示，第一 X軸GMR部件12a的靈敏度方向平行 于基板11的平面表面并垂直于自由層F的磁化方向，換言之，該靈敏度方 向垂直于GMR條的縱向方向并沿正X軸方向(見圖4A所示箭頭al )。類 似于第一X軸GMR部件12a，第二X軸GMR部件12b的靈敏度方向沿正 X軸方向(見圖4A所示箭頭bl )。
當(dāng)f茲場沿方向al和bl施加到三軸f茲性傳感器10時，第一 X軸GMR 部件12a的電阻和第二 X軸GMR部件12b的電阻與磁場的強(qiáng)度成比例地減 小。當(dāng)磁場沿與方向al和bl相反的方向施加到三軸磁性傳感器10時，第 一 X軸GMR部件12a的電阻和第二 X軸GMR部件12b的電阻與磁場的強(qiáng) 度成比例地增大。
如圖4A所示，第三X軸GMR部件12c和第四X軸GMR部件12d的 靈壽文度方向位于垂直于GMR條縱向方向的方向，且因此與第一 X軸GMR 部件12a及第二 X軸GMR部件12b的靈壽文度方向顛倒180°。在第三X軸 GMR部件12c和第四X軸GMR部件12d中，固定層按下述方式形成，其 磁化方向(或磁化矢量)被固定(或釘扎)在負(fù)X軸方向(見圖4A所示箭 頭cl和dl ),該方向與第一X軸GMR部件12a和第二X軸GMR部件12b 的GMR條中包含的固定層的磁化方向顛倒180°。
因此，當(dāng)磁場沿方向cl和dl施加到三軸磁性傳感器10時，第三X軸 GMR部件12c和第四X軸GMR部件12d的電阻與磁場的強(qiáng)度成比例地減 小。當(dāng)^f茲場沿與方向cl和dl相反的方向施加時，第三X軸GMR部件12c 和第四X軸GMR部件12d的電阻與f茲場的強(qiáng)度成比例地增大。
如圖4B所示，第一 Yl軸GMR部件12e和第二 Yl軸GMR部件12f 的靈敏度方向垂直于沿凸出15的第一斜坡15a(每個具有傾角0)的其GMR 條(例如，GMR條12e-2和12e-3及GMR條12f-2和12f-3 )的縱向方向，所述縱向方向沿正Y軸方向和負(fù)Z軸方向；也就是說，該靈敏度方向沿圖 4A和4B所示el和fl方向。
當(dāng)包含指向方向el和fl的磁分量的磁場施加到圖4A所示的三軸磁性 傳感器10時，第一 Yl軸GMR部件12e和第二 Yl軸GMR部件12f的電阻 與磁場的強(qiáng)度成比例地減小。當(dāng)包含方向與方向el和fl相反的磁分量的磁 場施加到三軸,茲性傳感器0時，第一Y1軸GMR部件12e和第二Yl軸GMR 部件12f的電阻與》茲場的強(qiáng)度成比例地增大。
如圖4C所示，第三Yl軸GMR部件12g和第四Yl軸GMR部件12h 的靈敏度方向垂直于沿凸出15的第一斜坡15a的其GMR條(例如，GMR 條12g-2和12g-3及GMR條12h-2和12h-3 )的縱向方向，所述縱向方向沿 負(fù)Y軸方向和負(fù)Z軸方向；也就是說，該靈敏度方向沿圖4A和4C所示gl 和hl方向。亦即，第三Yl軸GMR部件12g和第四Yl軸GMR部件12h 的靈敏度方向與第一 Yl軸GMR部件12e和第二 Yl軸GMR部件12f的靈 每丈度方向顛倒180°。
因此，當(dāng)包含沿方向gl和hl的磁分量的磁場施加到圖4A所示的三軸 石茲性傳感器10時，第三Yl軸GMR部件12g和第四Yl軸GMR部件12h 的電阻與磁場的強(qiáng)度成比例地減小。當(dāng)包含與方向el和fl相反的磁分量的 ^磁場施加到三軸石茲性傳感器10時，第三Yl軸GMR部件12g和第四Yl軸 GMR部件12h的電阻與^f茲場的強(qiáng)度成比例地增大。
如圖4C所示，第一 Y2軸GMR部件12i和第二 Y2軸GMR部件12j 的靈敏度方向垂直于沿凸出15的第二斜坡15b (傾角e)的其GMR條(例 如，GMR條12i-2和12i-3及GMR條12j-2和12j-3 )的縱向方向，該縱向 方向沿負(fù)Y軸方向和正Z軸方向；也就是說，該靈敏度方向沿圖4A和4C 所示il和jl方向。
因此，當(dāng)包含沿方向il和jl的磁分量的磁場施加到圖4A所示的三軸磁 性傳感器10時，第一 Y2軸GMR部件12i和第二 Y2軸GMR部件12j的電 阻與磁場的強(qiáng)度成比例地減小。當(dāng)包含與方向il和jl相反的磁分量的磁場 施加到三軸》茲性傳感器10時，第一 Y2軸GMR部件12i和第二 Y2軸GMR 部件12j的電阻與^f茲場的強(qiáng)度成比例地增大。
如圖4B所示，第三Y2軸GMR部件12k和第四Y2軸GMR部件121 的靈敏度方向垂直于沿凸出15的第二斜坡15b的其GMR條(例如，GMR條12k-2和12k-3及GMR條121-2和121-3 )的縱向方向，該縱向方向沿正Y 軸方向和正Z軸方向；也就是iJL該靈l文度方向沿圖4A和4B所示kl和11方向。
因此，當(dāng)包含沿方向kl和11的磁分量的磁場施加到圖4A所示的三軸 磁性傳感器10時，第三Y2軸GMR部件12k和第四Y2軸GMR部件121 的電阻與磁場的強(qiáng)度成比例地減小。當(dāng)包含與方向kl和11相反的磁分量的 ^磁場施加到三軸》茲性傳感器10時，第三Y2軸GMR部件12k和第四Y2軸 GMR部件121的電阻與^f茲場的強(qiáng)度成比例地增大。
圖5A至5C示出X軸GMR部件12a至12d、 Yl軸GMR部件12e至 12h以及Y2軸GMR部件12i至121的等效電3各，其石茲化方向用箭頭示出， 其中向上箭頭對應(yīng)于其固定層P分別沿負(fù)Y軸方向^皮釘扎的GMR部件。
圖5A示出其中用于^:測沿X軸的方向al、 bl、 cl和dl的箱t分量的四 個X軸GMR部件12a至12d連接成全橋電路的等效電路。耦合到X軸GMR 部件12a和12c的焊墊13a被連接到恒壓源14的正電極，因此被施加電勢 Vxin+ (例如3V )。耦合到X軸GMR部件12b和12d的焊墊13b被連接到 恒流源14的負(fù)電極，因此被施加電勢Vxin-(例如0V )。此外，從耦合到X 軸GMR部件12b和12c的焊墊13c提取電勢Vxout+,而從耦合到X軸GMR 部件12a和12d的焊墊13d提取電勢Vxout-。因此，可以產(chǎn)生與電勢差(Vxout+ -Vxout。相對應(yīng)的傳感器輸出Vxout。
圖5B示出其中用于〗笨測沿Y軸的方向el、 fl、 gl和hl的石茲分量的四 個Yl軸GMR部件12e至12h連接成全橋電路的等效電路。耦合到Y(jié)l軸 GMR部件12e和12g的焊墊13e纟皮連接到恒壓源14的正電極，因此被施加 電勢Vylin+ (例如3V )。耦合到Y(jié)l軸GMR部件12f和12h的焊墊13f被連 接到恒流源14的負(fù)電極，因此被施加電勢Vylin-(例如0V )。因此，可以 產(chǎn)生與焊墊13g與焊墊13h之間的電勢差相對應(yīng)的傳感器輸出Vylout，焊墊 13g耦合到Y(jié)l軸GMR部件12f和12g，且焊墊13h耦合到Y(jié)l軸GMR部 件12e和12h。
圖5C示出其中用于探測沿Y軸的方向il、 jl、 kl和11的磁分量的四個 Y2軸GMR部件12i至121連接成全橋電路的等效電路。耦合到Y(jié)2軸GMR 部件12i和12k的焊墊13 i被連接到恒壓源14的正電極，因此被施加電勢 Vy2in+ (例如3V )。耦合到Y(jié)2軸GMR部件12j和121的焊墊13j被連4妻到恒流源14的負(fù)電極，因此被施加電勢Vy2in-(例如0V )。因此，可以產(chǎn)生 與焊墊13k與焊墊131之間的電勢差相對應(yīng)的傳感器輸出Vy2out，焊墊13k 耦合到Y(jié)2軸GMR部件12j和12k，且焊墊131耦合到Y(jié)2軸GMR部件12i 和121。
基于傳感器輸出Vxout、 Vylout和Vy2out，依據(jù)方程(1 )、 ( 2 )和(3 ) 可以計算施加到三軸》茲性傳感器10的f茲場的三個石茲分量，即，X軸^茲分量 Hx， Y軸;茲分量Hy和Z軸》茲分量Hz。通過預(yù)先形成于基板11內(nèi)的LSI部 件或者電連接到三軸磁性傳感器10的單個LSI芯片來實(shí)施計算。<formula>formula see original document page 18</formula> (1)
<formula>formula see original document page 18</formula> (2)<formula>formula see original document page 18</formula> (3)
在上文方程中，0表示凸出15的斜坡15a和15b的傾角，其中20?！秂 《60°;且kx、 ky和kz表示比例常數(shù)，其中當(dāng)所有GMR部件12a至121獲 得相同靈敏度時，kx = ky = kz。
接下來，參考圖6A-6C、圖7A-7C、圖8A-8C、圖9A-9C、圖10A-10C、 圖11A-11C、圖12A-12C、圖13A-13C、圖14A-14C和圖15A-5C,詳細(xì)描 述具有前述構(gòu)造的三軸磁性傳感器10的制作方法，其中每個附圖數(shù)字后面 的"A，，表示說明通路，每個附圖數(shù)字后面的"B，，表示說明焊墊，以及每 個附圖數(shù)字后面的"C"表示說明Yl軸或Y2軸GMR部件。對于基板11, 優(yōu)選使用通過CMOS制造工藝預(yù)先制作有LSI部件的基板或者僅制作有布 線層的基板。
在如圖6A-6C所示的三軸磁性傳感器10制造方法的第一步驟中，層間 絕緣膜llb，例如SOG (玻璃上旋涂)膜llb應(yīng)用到基板11 (例如，石英基 板或硅基板)，由此在基板11上形成平面表面，其中布線層lla預(yù)先形成于 基板11內(nèi)。
在如圖7A-7C所示的制造方法的第二步驟中，通過蝕刻除去層間絕緣膜 lib的預(yù)定部分以形成開口 11c(見圖7A),因此露出通路內(nèi)的布線層lla; 以及通過蝕刻除去層間絕緣膜lib的預(yù)定部分以形成開口 lid (見圖7B)， 因此露出焊墊內(nèi)的布線層lla。在如圖8A-8C所示的制造方法的第三步驟中，通過等離子體CVD (化 學(xué)氣相沉積)順序形成厚1500A的由Si02組成的氧化物膜lie以及厚5000A 的由Si3N4 (或SiNx)組成的氮化物膜llf;在其上進(jìn)一步應(yīng)用抗蝕劑；隨后 執(zhí)行切割以形成在通路和焊墊內(nèi)具有開口的預(yù)定圖案。
在如圖9A-9C所示的制造方法的第四步驟中，氮化物膜llf從通路和焊 墊被部分除去，由此開口 llg(見圖9A)形成以露出通路內(nèi)的氧化物膜lle， 且開口 llh (見圖9B)形成以露出焊墊內(nèi)的氧化物膜lle。開口 llg和llh 按照氧化物膜lle未完全被蝕刻并仍保留的方式來形成。開口 llg和llh的 直徑小于開口 llc和lld的直徑，從而防止層間絕緣膜llb在開口 llc和lld 內(nèi)露出以及由此防止水分進(jìn)入布線層lla和LSI部件(未示出)。
在如圖10A-10C和圖11A-11C所示的制造方法的第五和第六步驟中， 與基板11的厚度方向垂直拉長的平面表面形成，且相對于平面表面傾斜的 斜坡(即，第一斜坡15a和第二斜坡15b,見圖1B和圖4B及4C)形成于 基板的表面上。這些步驟將統(tǒng)稱為安裝表面形成步驟。
在如圖10A-10C所示的制造方法的第五步驟中(將稱為抗蝕劑形成步 驟)，上氧化物膜lli (用作基底膜)形成于基板11的表面上；隨后，具有 斜坡的梯形凸出的抗蝕劑膜llj形成于上氧化物膜11i上。具體而言，由Si02 (或SiOx )組成且厚度為5(im的上氧化物膜lli通過等離子體CVD形成于 氧化物膜lle和氮化物膜llf上。隨后，抗蝕劑通過旋涂法或者浸涂法應(yīng)用 到上氧化物膜lli從而形成5lam厚的抗蝕劑膜llj。在該狀態(tài)，抗蝕劑膜llj 的表面為垂直于基板11的厚度方向拉長的平面表面。
抗蝕劑膜llj經(jīng)過切割從而形成預(yù)定圖案，該預(yù)定圖案形成與上氧化物 膜lli相關(guān)的通路和焊墊的開口，以及形成另一圖案，該另一圖案形成在上 氧化物膜lli內(nèi)的斜i皮，換言之，形成用于布置Yl軸GMR部件和Y2軸 GMR部件的凸出的另 一 圖案。
在切割完成之后，基板11在150。C的溫度經(jīng)過熱處理從1分鐘到10分 鐘的預(yù)定時間范圍，從而軟化抗蝕劑膜Uj，該抗蝕劑膜llj因此形成為漸縮 形狀，如圖11A和11B所示。因此，可以形成具有用于安裝Yl軸GMR部 件和Y2軸GMR部件的斜坡的凸出。圖11A-11C未精確示出用于安裝X軸 GMR部件的抗蝕劑膜llj的表面仍保持在其原始平面表面。
在安裝表面形成步驟，在抗蝕劑形成步驟完成之后，上氧化物膜lli和抗蝕劑膜llj經(jīng)過各向異性蝕刻，從而與形成凸出的抗蝕劑膜llj相一致地 在上氧化物膜lli內(nèi)形成斜坡。這稱為各向異性蝕刻步驟。具體而言，上氧 化物膜lli和抗蝕劑膜llj均以基本上相同的蝕刻速率進(jìn)行干法蝕刻，使得
在干法蝕刻完成之后，上氧化物膜lli的剩余部分具有約0.5pm (約5000A) 的最大厚度。此外，按下述方式執(zhí)行干法蝕刻，即，與通路和焊墊相關(guān)，形 成于上氧化物膜lli內(nèi)的開口的直徑不大于形成于氮化物膜llf內(nèi)的開口的 直徑。
在如圖12A-12C所示的制造方法的第七步驟中，在干法蝕刻完成之后， 抗蝕劑膜llj的剩余部分被完全除去，從而使用上氧化物膜lli形成凸出15 以用于安裝Yl軸GMR部件和Y2軸GMR部件(見圖11C )。也就是說， 斜坡形成于上氧化物膜lli內(nèi)。圖12A-12C未精確示出抗蝕劑膜llj的其余 部分經(jīng)過干法蝕刻，從而形成上氧化物膜lli的平面表面以用于安裝X軸 GMR部件。
在如圖13A-13C所示的制造方法的第八步驟中，抗蝕劑施加到上氧化物 膜lli且隨后經(jīng)過切割從而形成圖案，該圖案形成通路內(nèi)的開口；接著，抗 蝕劑進(jìn)行蝕刻。在蝕刻之后仍然保留的抗蝕劑的剩余部分被完全除去，使得 開口 Ilk (見圖13A)形成于通路內(nèi)，從而露出布線層11a (對應(yīng)于基板11 的最頂層)。這里，即使經(jīng)過蝕刻，布線層11a上方的氧化物膜lie和上氧 化物膜lli將仍保留在焊墊內(nèi)。備選地，執(zhí)行蝕刻，使得氧化物膜lle和上 氧化物膜lli同時被除去以露出焊墊內(nèi)的布線層lla，類似于通路。
在如圖14A-14C所示的制造方法的第九步驟中，通過濺射、真空蒸鍍或 者離子鍍，由Cr組成的引線膜llm(在后面步驟中可形成如圖2A所示的引 線膜12a-5、 12a-6、 12a-7、 12a-8和12a-9)形成于上氧化物膜lli以及通路 內(nèi)的布線層lla露出部分上(見圖14A)。接下來，抗蝕劑施加到上氧化物 膜lli和引線膜llm,且隨后經(jīng)過切割形成與引線膜llm相對應(yīng)的預(yù)定圖案， 其隨后進(jìn)行蝕刻。
在上文中，抗蝕劑可以形成為漸縮形狀，使得在斜坡15a和15b上恰當(dāng) 地執(zhí)行蝕刻，隨后執(zhí)行熱處理從而重整凸出15的截面形狀。在蝕刻完成之 后，仍保留在上氧化物膜lli上的抗蝕劑剩余部分被除去。
接著，通過濺射，GMR多層膜lln(在后面步驟中可形成GMR部件12a 至12d、 12e至12h和12i至121)形成于上氧化物膜lli和引線膜llm上。
2將稱為GMR元件形成步驟。
在GMR元件形成步驟，GMR多層膜lln通過形成圖3A所示的層疊結(jié) 構(gòu)來形成，其中自由層(或自由磁性層)F、厚度為2.8nm(28A)的由Cu 組成的導(dǎo)電的間隔層S、固定層(即，固定層或者固定磁化層)P、以及蓋 層C順序?qū)盈B于基板11上。
在上文中，自由層F由厚度為8nm( 80A )的CoZrNb非晶磁性層12a-21 、 厚度為3.3nm ( 33A )的NiFe石茲性層12a-22、以及厚度為1.2nm ( 12A)的 CoFe層12a-23組成。這些層順序?qū)盈B在基板11上。
此外，固定層P由厚度為3.2nm (32A)的第一CoFe磁性層12a-25、厚 度為0.5nm ( 5A )的Ru層12a-26、厚度為2.2nm ( 22A )的第二 CoFe磁性 層12a-27、以及厚度為24nm ( 240A )的反纟失石茲層12a-28 (由包含45mo10/0 至55mol %的Pt的PtMn合金組成)組成，這些層通過由Cu組成的間隔層S 順序?qū)盈B在自由層F上方。
隨后，圖16所示的永久條磁體陣列16移動靠近具有GMR多層膜lln 的基板ll以執(zhí)行磁化熱處理(或者釘扎)，由此固定固定層P的磁化方向。 這稱為》茲化熱處理步驟。
隨后，抗蝕劑按預(yù)定厚度施加到GMR多層膜lln的表面，對于平面表 面該厚度設(shè)置為2|im。掩模置于抗蝕劑的表面上且隨后經(jīng)過曝光和顯影以除 去抗蝕劑的不需要部分，由此形成抗蝕劑膜，該抗蝕劑膜的圖案匹配GMR 多層膜lln的圖案(將在后面步驟形成)。這種情況下，抗蝕劑形成為漸縮 形狀，從而恰當(dāng)?shù)貓?zhí)行對凸出15的蝕刻并重整凸出15的截面形狀。隨后， 未受抗蝕劑膜保護(hù)的GMR多層膜lln的預(yù)定部分通過離子研磨而除去，并 因此形成為預(yù)定形狀(例如，多個薄帶形狀)。
離子研磨按下述方式執(zhí)行，即，GMR多層膜lln和引線膜llm均仍保 留在通路中，這使得可以防止引線膜llm在通路的邊緣斷裂。
在如圖15A-I5C所示的制造方法的第十步驟中，通過等離子體CVD， 硅氮化膜llo形成于氧化物膜lie的暴露部分、上氧化物膜lli、引線膜llm 和GMR多層膜lln上，該硅氮化膜llo包括厚1500A的由Si02組成的氧化 物膜和厚5000A的由Si3N4組成的氮化物膜。聚酰亞胺膜Up進(jìn)一步形成于 硅氮化膜llo上。因此，可以徹底形成由硅氮化膜llo和聚酰亞胺膜llp組 成的鈍化膜。使用聚酰亞胺膜llp作為掩模，布線層lla上方的硅氮化膜llo和氧化 物膜lle通過蝕刻在焊墊內(nèi)被除去，焊墊因此敞開從而使用布線層lla的露 出部分形成電極焊墊。最后，基板ll經(jīng)過切割，由此完成如圖1A所示的三 軸磁性傳感器IO的制作。
鈍化膜和電極焊墊的形成不一定限于前述工序。例如，在形成硅氮化膜 llo之后，硅氮化膜llo通過蝕刻在焊墊內(nèi)被除去，焊墊因此敞開以露出布 線層lla的預(yù)定部分。接著，聚酰亞胺膜llp形成于硅氮化膜llo和布線層 lla上從而形成鈍化膜。最后，聚酰亞胺膜llp通過蝕刻被除去從而再次露 出焊墊內(nèi)的布線層lla,由此使用布線層lla的露出部分形成電極焊墊。
圖17為沿圖16線G-G截取的截面圖，僅示出了永久條磁體陣列(或者 簡稱為磁體陣列)16中的五個永久條磁體16a至16e。
在磁化熱處理(或釘扎)中，永久條磁體陣列16置為鄰近基板11的背 側(cè)，與形成于基板11表面上的GMR多層膜lln相對；隨后，基板11和永 久條^f茲體陣列16在真空狀態(tài)下在26(TC至290。C的預(yù)定溫度范圍被加熱，隨 后擱置4小時。
在圖16所示的永久條》茲體陣列16中，永久條石茲體16a至16e置為格子 形狀，使得一個永久條磁體的上端的極性不同于其相鄰永久條磁體的上端的 極性。這里，在其上端具有N極的永久條磁體16a置為靠近基板11的中心 部分，且在其上端分別具有S極的其它永久條磁體16b、 16c、 16d和16e置 為在基板11整體面積范圍外部的預(yù)定區(qū)域內(nèi)圍繞永久條磁體16a。
由于相對于基板1H皮定位的永久條^茲體陣列16中永久條i茲體16a至16e 的前述定位，由》茲力線而形成四個石茲場H，這些》茲場沿四個方向(見圖16 虛箭頭)從永久條磁體16a的N極(置于基板ll中心部分的正下方)指向 永久條磁體16b、 16c、 16d和16e的S極，這四個》茲場相對于彼此相移90。。 /磁場H從永久條》茲體16a的N極指引，從而到達(dá)基板11的背側(cè)并傳輸經(jīng)過 基板11內(nèi)部，由此到達(dá)GMR部件(例如X軸GMR部件12a至12d,見圖 17)。
將參考圖18描述傳輸經(jīng)過每個GMR部件的磁場H的強(qiáng)度，該圖大致 上示出第一 X軸GMR部件12a內(nèi)包含的固定層P。也就是說，磁場H的強(qiáng) 度設(shè)置為預(yù)定值(例如1 OmT以上，200mT以下；優(yōu)選地20mT以上，80mT 以下)，例如，使得第一 CoFe磁性層12a-25的磁化方向基本匹配第二 Col:e磁性層12a-27的磁化方向，從而維持第一和第二 CoFe磁性層12a-25、 12a-27 之間的反平行磁化狀態(tài)。
第一和第二 CoFe磁性層由相同材料組成，而第一 CoFe磁性層的厚度 (32A)大于第二CoFe磁性層的厚度(22A);因此，第一CoFe磁性層的磁 矩高于第二 CoFe磁性層的磁矩。為此，在施加前述磁場時，第一CoFe磁 性層沿與磁場H方向相同的方向被磁化，而由于與第一 CoFe磁性層的反鐵 磁耦合，第二 CoFe磁性層沿與磁場H方向相反的方向被磁化。
夾在第一和第二CoFe^f茲性層之間的Ru層(例如12a-26,見圖18)形
成為小的厚度5A，這使得可以維持第一和第二CoFe磁性層之間的反平行磁
化狀態(tài)，即使當(dāng)磁場H的強(qiáng)度增大時。換言之，隨著Ru層厚度減小，可以
增大磁場H的強(qiáng)度同時維持第一和第二 CoFe磁性層之間的反平行磁化狀 太
心o
被施加磁場H的基板11在真空狀態(tài)下在260。C至290°C范圍的溫度被加 熱4小時，由此如圖3B所示，第二 CoFe磁性層12a-27的磁化方向與反鐵 磁層12a-28按交換耦合方式排列，且因此固定到與磁場H方向相反的方向。 由于與第二 CoFe》茲性層12a-27的反鐵》茲連接，第一 CoFe石茲性層12a-25的 磁化方向固定為與磁場H方向相同的方向。筒言之，第一磁性層12a-25和 第二CoFe磁性層12a-27的磁化方向被固定為其原始方向，該原始方向是在 ^磁化熱處理中所施加的^f茲場H導(dǎo)致的。
在圖19，區(qū)域(I)表示在磁化熱處理中維持第一磁性層12a-25和第二 CoFe磁性層12a-27之間的反平行磁化狀態(tài)的磁場H強(qiáng)度的范圍。圖19的 曲線圖示出，在Ru層(例如12a-26)的厚度設(shè)置為8A的條件下，磁場H 強(qiáng)度(見水平軸)和固定層P的飽和磁化強(qiáng)度(見垂直軸，其示出被施加磁 場H的第一CoFe磁性層12a-25和第二CoFe磁性層12a-27的磁化強(qiáng)度之和) 之間的關(guān)系。這里，每個第一 CoFe磁性層12a-25和第二 CoFe磁性層2a-27 的磁化強(qiáng)度在其磁化方向與磁場H方向吻合時用正值表示，而在其磁化方向 與石茲場H方向相反時用負(fù)值表示。
在圖19的曲線圖中，當(dāng)磁場H的強(qiáng)度在區(qū)域(I)內(nèi)時，第一CoFe磁 性層12a-25和第二 CoFe磁性層12a-27沿相應(yīng)方向被磁化，而第一磁性層 12a-25和第二CoFe磁性層12a-27的磁化方向之間維持反平行磁化狀態(tài)。這 里，第一磁性層12a-25和第二 CoFe磁性層12a-27的磁化矢量之間形成180°角，其中在區(qū)域(1)，第一 CoFe^f茲性層12a-25的^f茲化強(qiáng)度高于第二 CoFe 磁性層12a-27的磁化強(qiáng)度。簡言之，區(qū)域(I)示出依據(jù)本實(shí)施例的磁化熱 處理中磁場H強(qiáng)度的優(yōu)選范圍。
在磁場H強(qiáng)度高于區(qū)域(I)的區(qū)域(III)中，第一磁性層12a-25和第 二 CoFe磁性層12a-27均沿與磁場H方向相同的方向被磁化，使得第 一磁性 層12a-25和第二CoFe磁性層12a-27的磁化方向設(shè)置為平行磁化狀態(tài)。簡言 之，在區(qū)域(III),第一磁性層12a-25和第二 CoFe磁性層12a-27的磁化矢 量之間形成0。角。.區(qū)域(III)示出施加到合成反鐵磁結(jié)構(gòu)的GMR部件的磁 場H的范圍。
磁場H強(qiáng)度高于區(qū)域(I)但低于區(qū)域(III)的區(qū)域(II)示出第一磁性 層12a-25和第二CoFe磁性層12a-27磁化方向從反平行狀態(tài)到平行狀態(tài)的轉(zhuǎn) 變以及從平行狀態(tài)到反平行狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。在區(qū)域(II)，第一^茲性層12a-25 和第二CoFe磁性層12a-27的磁化矢量之間形成大于0°并小于180°的角。
圖20為示出與圖19的曲線圖相關(guān)聯(lián)的，Ru層厚度與施加到固定層P 的磁場H強(qiáng)度之間的關(guān)系的曲線圖，其中Bl表示在圖19所示區(qū)域(I)和 (II)之間的邊界維持反平行磁化狀態(tài)的磁場H強(qiáng)度的上限值的變化，B2 表示在圖19所示區(qū)域(II)和(III)之間的邊界維持平行磁化狀態(tài)的磁場H 強(qiáng)度的下限值的變化。如圖20所示，反平行狀態(tài)上限值B1和平行狀態(tài)下限 值B2響應(yīng)于Ru層厚度而變化，其中當(dāng)Ru層的厚度增大時，B1和B2的值 均減小。
相對于Ru層厚度的變化，反平行狀態(tài)上限值B1的變化小于平行狀態(tài)
下限值B2的變化。在傳統(tǒng)已知技術(shù)中，使用強(qiáng)度落在區(qū)域(in)內(nèi)的石茲場
H來執(zhí)行磁化熱處理，因此由于Ru層厚度小變化而容易發(fā)生從區(qū)域(III) 到區(qū)域(II)的轉(zhuǎn)變。在本實(shí)施例中，使用強(qiáng)度落在區(qū)域(I)內(nèi)的磁場H來 執(zhí)行磁化熱處理，盡管Ru層厚度的小變化，第一磁性層12a-25和第二 CoFe 磁性層12a-27的磁化方向仍保持在區(qū)域(1)內(nèi)，其中由于Ru層厚度的小變 化而很難發(fā)生從區(qū)域(I)到區(qū)域(II)的轉(zhuǎn)變。也就是說，通過使用強(qiáng)度落 在區(qū)域(I)內(nèi)的磁場H來執(zhí)行磁化熱處理，則可以容易地形成期望的GMR 部件，而不需要高精度地控制Ru層厚度。
由于本實(shí)施例的磁化熱處理，可以如圖4A所示，將X軸GMR部件12a 至12d內(nèi)包含的固定層P的磁化方向按下述方式固定，即，X軸GMR部件12a和12b的磁化方向分別固定到正X軸方向，即，方向al和bl，而X軸 GMR部件12c和12d的》茲化方向分別固定到負(fù)X軸方向，即，方向cl和 dl。
Yl軸GMR部件12e和12f內(nèi)包含的固定層P的^f茲化方向分別沿凸出 15的第一斜坡15a固定到正Y軸方向(見圖4B)，即方向el和fl。 GMR 部件12g和12h內(nèi)包含的固定層P的磁化方向分別沿凸出15的第一斜坡15a 固定到負(fù)Y軸方向(見圖4C),即方向gl和hl。
Y2軸GMR部件12i和12j內(nèi)包含的固定層P的磁化方向分別沿凸出15 的第二斜坡15b固定到負(fù)Y軸方向(見圖4C),即方向il和jl。
GMR部件12k和121內(nèi)包含的固定層P的磁化方向分別沿凸出15的第 二斜坡15b固定到正Y軸方向(見圖4B),即方向kl和ll。
不同于傳統(tǒng)已知技術(shù)，三軸磁性傳感器10的制造方法不需要施加到 GMR部件且高得足以破壞第一和第二 CoFe磁性層之間的反平行磁化狀態(tài) 的強(qiáng)磁場。在本實(shí)施例的磁化熱處理中，低于傳統(tǒng)已知磁場的較弱磁場施加 到GMR部件，使得相對于基板11和永久條磁體陣列16之間的距離的變化， 施加到GMR部件的^f茲場的變化?。灰虼藷o需精確控制永久條石茲體陣列16 相對于基板11的高精度定位以及以高精度精確地調(diào)整其間的距離。這使得 在磁化熱處理中可以容易地控制固定層P的磁化方向。
如上所述，對于形成于基板11的平面表面上以及凸出15的第一斜坡15a 和第二斜坡15b上的GMR部件的每個固定層P，可以容易地將第一和第二 CoFe ^i性層的^f茲化方向固定到期望方向；因此，可以容易地制作三軸^t性 傳感器10。
由于第一 CoFe磁性層的厚度大于第二 CoFe磁性層的厚度，因此可以 可靠地增大第一 CoFe磁性層的磁矩以高于第二 CoFe磁性層的磁矩。也就 是說，可以將第 一和第二 CoFe磁性層的磁化方向固定到期望方向，同時在 磁化熱處理中維持其間的反平行磁化狀態(tài)。
包含在固定層P內(nèi)的第 一和第二 CoFe磁性層的磁力作用于自由層F上， 其中該磁力可包括第一 CoFe磁性層的交換耦合力以及由于第 一和第二 CoFe 磁性層的磁場引起的靜磁力。由于第一 CoFe磁性層的磁矩增大至高于第二 CoFe ^f茲性層的^f茲矩，因此可以容易地減小施加到自由層F的交換耦合力和 ,爭f茲力之和。例如，通過恰當(dāng)?shù)卣{(diào)整間隔層S的厚度，則可以使得作用于自由層F上的第一 CoFe磁性層的交換耦合力和靜磁力的強(qiáng)度大致上彼此相等。當(dāng)?shù)诙?CoFe磁性層的磁矩減小至低于第一 CoFe磁性層的磁矩時，可以將作用于自 由層F上的第二 CoFe磁性層的靜磁力減小至小于第一 CoFe磁性層的交換 耦合力和靜^t力。第一 CoFe磁性層的交換耦合力的方向與第一 CoFe磁性層的靜磁力的 方向相反，與第二CoFe磁性層的靜磁力的方向相同；因此，可以容易地減 小作用于自由層F上的第一 CoFe磁性層的交換耦合力和靜磁力之和。也就 是說，可以減小第 一和第二 CoFe磁性層的磁力對自由層F磁化方向的影響； 因此，可以設(shè)置期望的自由層F的磁化方向。通過減小Ru層的厚度，可以增大施加到固定層P的磁場H的強(qiáng)度，同 時維持第一和第二 CoFe磁性層之間的反平行磁化狀態(tài)(見圖20)。這使得 在磁化熱處理中可以容易地控制磁場H的強(qiáng)度；因此，可以容易地控制相對 于固定層P的磁化方向。在永久條磁體陣列16置為靠近基板11背側(cè)的磁化熱處理中，即使當(dāng)較 高》茲場H在永久條磁體陣列16附近產(chǎn)生時，仍可以容易地減小到達(dá)每個 GMR部件中包含的固定層P的第一和第二 CoFe ^f茲性層的》茲場H的強(qiáng)度， 因?yàn)橛谰脳l磁體陣列16與每個GMR部件相距基板11的厚度。由于本實(shí)施例設(shè)計成減小相對于基板11和永久條石茲體陣列16之間距離 變化的磁場H的變化(見圖20)，因此可以容易地控制施加到每個GMR部 件的磁場H的強(qiáng)度。本實(shí)施例不必限于第一和第二 CoFe磁性層和Ru層的厚度的前述值， 其中僅要求第一 CoFe磁性層的厚度大于第二 CoFe磁性層的厚度。此外， 當(dāng)在制造三軸磁性傳感器10中不一定考慮作用于自由層F上的第一和第二 CoFe磁性層的磁力時，則可以設(shè)置第一和第二CoFe磁性層為不同厚度。僅 要求Ru層的厚度設(shè)置為預(yù)定值，只要其增大維持第一和第二 CoFe磁性層 之間的反平行磁化狀態(tài)的磁場H的強(qiáng)度范圍。也就是說，優(yōu)選地Ru層的厚 度在4A至IOA的范圍。本實(shí)施例設(shè)計成Ru層直接夾在固定層P內(nèi)由相同材料組成的第一和第 二CoFe磁性層之間，但是這不是限制。也就是說，可以形成由不同材料組 成的第一和第二磁性層。這種情況下，需要選擇適當(dāng)?shù)牟牧?，使得第一磁性層的磁矩不同于第二磁性層的磁矩，其中可以將?一和第二磁性層設(shè)置為相 同厚度。本實(shí)施例設(shè)計成Yl軸GMR部件和Y2軸GMR部件形成于同 一 凸出15 的第一斜坡15a和第二斜坡15b上，但是這不是限制。只要求Yl軸GMR 部件和Y2軸GMR部件形成于不同斜坡上，這些斜坡沿不同方向傾斜；因 此，可以使用不同凸出分別形成這些GMR部件。本實(shí)施例設(shè)計成GMR部件形成于基板11的平面表面上以及基板11的 凸出15的第一斜坡15a和第二斜坡15b上，由此制作沿三個軸方向檢測磁 場的三軸磁性傳感器10;但是這不是限制。也就是說，本實(shí)施例可以應(yīng)用于 雙軸磁性傳感器或單軸磁性傳感器。最后，本發(fā)明不一定限于本實(shí)施例，該實(shí)施例可以按各種方式進(jìn)一步調(diào) 整而不背離其本質(zhì)且落在如所附權(quán)利要求界定的本發(fā)明的范圍內(nèi)。本申請主張日本專利申請No.2007-110475的優(yōu)先權(quán)，其全部內(nèi)容通過引 用的方式結(jié)合于此。
權(quán)利要求
1.一種磁性傳感器的制造方法，包括步驟形成順序?qū)盈B在基板上的自由層、導(dǎo)電層和固定層以形成巨磁電阻元件，其中第一磁性層、Ru層、第二磁性層和反鐵磁層順序?qū)盈B在所述導(dǎo)電層上以形成所述固定層；以及執(zhí)行磁化熱處理，用于施加磁場到所述固定層從而固定其磁化方向，其中所述第一磁性層和所述第二磁性層被磁化，而且維持其磁化方向?yàn)榉雌叫写呕癄顟B(tài)。
2. 如權(quán)利要求1所述的磁性傳感器的制造方法，其中所述固定層按照 所述第一4t性層與所述第二^f茲性層厚度不同的方式來形成。
3. 如權(quán)利要求1所述的^f茲性傳感器的制造方法，其中所述第一磁性層 的厚度大于所述第二磁性層的厚度。
4. 如權(quán)利要求1所述的磁性傳感器的制造方法，其中所述固定層按照 所述Ru層的厚度在4A至IOA的范圍的方式來形成。
5. 如權(quán)利要求1所述的磁性傳感器的制造方法，其中產(chǎn)生所述磁場的 磁體陣列置為鄰近所述基板的背側(cè)，所述基板的表面上布置有所述巨磁電阻 元件。
6. 如權(quán)利要求1所述的磁性傳感器的制造方法，其中靈敏度方向彼此 不同的第 一 巨磁電阻元件和第二巨磁電阻元件形成于所述基板上，在所述基 板上預(yù)先形成有平面表面和至少一個斜坡，使得所述第一巨磁電阻元件使用 所述平面表面來形成，且所述第二巨磁電阻元件使用所述至少一個斜坡來形 成。
7. —種磁性傳感器，包括 基板；以及'多個巨磁電阻元件，每個所述多個巨磁電阻元件包括順序?qū)盈B在所述基 板的表面上的自由層、導(dǎo)電層和固定層，其中所述固定層包括順序一起層疊在所述導(dǎo)電層上的第一磁性層、Ru 層、第二^f茲性層和反鐵^茲層；以及其中所述第一磁性層的磁矩不同于所述第二磁性層的磁矩。
8. 如權(quán)利要求7所述的磁性傳感器，其中所述第一磁性層與所述第二磁性層厚度不同。
9. 如權(quán)利要求7所述的磁性傳感器，其中所述第一磁性層的磁矩大于所述第二磁性層的磁矩。
10. 如權(quán)利要求7所述的磁性傳感器，其中所述Ru層的厚度在4A至 IOA的范圍。
11. 如權(quán)利要求7所述的磁性傳感器，其中所述多個巨磁電阻元件包括 靈敏度方向彼此不同的第一巨磁電阻元件和第二巨磁電阻元件，其中平面表 面和至少 一個斜坡形成于所述基板上，以及其中所述第 一 巨磁電阻元件使用 所述平面表面來形成，且所述第二巨磁電阻元件使用所述至少一個斜坡來形 成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種磁性傳感器及其制造方法。該磁性傳感器包括多個巨磁電阻元件，每個巨磁電阻元件包括順序?qū)盈B在所述基板上的自由層、導(dǎo)電層和固定層，其中該固定層通過順序?qū)盈B第一磁性層、Ru層、第二磁性層和反鐵磁層來形成，該固定層經(jīng)過磁化熱處理以固定其磁化方向。第一和第二磁性層的厚度磁矩互不相同，Ru層的厚度在4至10的范圍。該磁化熱處理被執(zhí)行以維持第一和第二磁性層之間的反平行狀態(tài)。為了沿三個軸方向探測磁場，一個巨磁電阻元件使用平面表面來形成，其余巨磁電阻元件使用基板上的相應(yīng)斜坡來形成。根據(jù)本發(fā)明，在熱處理中固定層的磁化方向可以被容易地控制。
文檔編號G01R33/09GK101290343SQ200810092230
公開日2008年10月22日 申請日期2008年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月19日
發(fā)明者相曾功吉 申請人:雅馬哈株式會社