一種單芯片具有校準(zhǔn)/重置線圈的z軸線性磁電阻傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及磁性傳感器領(lǐng)域，特別涉及一種單芯片具有校準(zhǔn)/重置線圈的Z軸線性磁電阻傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]隧道結(jié)磁電阻(MTJ, Magnetic Tunnel Junct1n)傳感器具有高靈敏度，尺寸小，成本低以及功耗低等優(yōu)點(diǎn)。盡管MTJ傳感器與半導(dǎo)體標(biāo)準(zhǔn)制造工藝相兼容且其具有高磁電阻的性能，但是制備高性能的MTJ線性磁場(chǎng)傳感器的方法還沒有得到充分開發(fā)，特別是溫度特性和磁滯的問題不容易得到有效的控制。
[0003]磁場(chǎng)傳感器由單個(gè)的磁電阻元件組成，在實(shí)際應(yīng)用中一般將磁電阻元件連接成惠斯通電橋以消除偏移，增加靈敏度以及對(duì)溫度特性做一定的補(bǔ)償。盡管電橋構(gòu)造能對(duì)溫度特性做出一定的補(bǔ)償，但是傳感器磁電阻內(nèi)稟的磁性能對(duì)溫度的依賴不會(huì)得到完全抑制。對(duì)于高精度測(cè)量來說，在工作狀態(tài)下校準(zhǔn)靈敏度是必要的，且芯片級(jí)別的校準(zhǔn)線圈沿傳感器敏感方向產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)可以達(dá)到這個(gè)目的。
[0004]另外，因?yàn)榇烹娮鑲鞲衅魇怯设F磁敏感元件構(gòu)成，所以輸出曲線主要是非線性的，磁滯的產(chǎn)生是因?yàn)閭鞲性约捌渌糠?例如磁屏蔽層或聚磁層)的疇壁的生成和運(yùn)動(dòng)。為了克服以上問題，高性能的磁電阻傳感器通常需要另一個(gè)線圈為傳感元件提供定期的飽和場(chǎng)且消除磁疇，稱為重置線圈。
[0005]在專利201310409446.5中，公布了一種單芯片Z軸線性磁阻傳感器，如圖1所示，用于測(cè)量Z方向即垂直于襯底方向上的外磁場(chǎng)，該單芯片Z軸線性磁電阻傳感器包括襯底1，以及位于襯底I上的多個(gè)長(zhǎng)條形軟磁通量集中器2，其長(zhǎng)度方向?yàn)閅軸方向，寬度方向?yàn)閄軸方向，以及位于軟磁通量集中器2上表面或下表面上的磁電阻傳感單元陣列4和5，所述磁電阻傳感單元陣列沿Y軸方向排列成推磁電阻單元串4和挽磁電阻單元串5，分別位于軟磁通量集中器2的Y軸中心線3的兩側(cè)，且距離Y軸中心線具有相同的距離，所述推磁電阻單元串4和挽磁電阻單元串5電連接成推挽式電橋，其所述磁電阻傳感單元的釘扎層及磁場(chǎng)敏感方向沿X軸方向，當(dāng)Z軸方向外磁場(chǎng)作用時(shí)，軟磁通量集中器2將Z方向磁場(chǎng)扭曲成具有X和-X軸向磁場(chǎng)分量的兩個(gè)反向且幅度相同的敏感磁場(chǎng)作用于推磁電阻串4和挽磁電阻串5，從而形成推挽式磁電阻傳感器。
[0006]圖2為所述單芯片Z軸線性磁電阻傳感器截面圖，可以看出，推磁電阻傳感單元串4和挽磁電阻傳感單元串5位于襯底I之上，軟磁通量集中器2位于推磁電阻傳感單元串4和挽磁電阻傳感單元串5之上，此外，還包括電極6以及位于各層之間的絕緣層7和8分別用于隔離磁電阻傳感單元的電極以及隔離磁電阻傳感單元4，5以及軟磁通量集中器2，9為保護(hù)層，用于防護(hù)整個(gè)器件。
[0007]圖1和圖2所述單芯片Z軸線性磁電阻傳感器中的磁電阻傳感單元串4和5為TMR磁電阻傳感單元，包含自由層、釘扎層以及中間勢(shì)皇層，其自由層的起始磁化方向?yàn)閅軸方向，釘扎層磁化方向即磁場(chǎng)敏感方向?yàn)閄軸方向。以上所述單芯片Z軸磁電阻傳感器可以實(shí)現(xiàn)來自于Z軸的外磁場(chǎng)分量的測(cè)量，但存在如下問題:
[0008]I)晶圓測(cè)試階段，需要設(shè)計(jì)復(fù)雜的Z向外磁場(chǎng)產(chǎn)生系統(tǒng)，包括電磁線圈和電磁線圈電源，而且電磁線圈系統(tǒng)需要隨著探針平臺(tái)一起移動(dòng)，從而增加了測(cè)量的成本，影響了測(cè)量的效率；
[0009]2)電磁線圈系統(tǒng)磁場(chǎng)的施加和定位存在著不精確的問題，從而影響測(cè)量的精度；
[0010]3)由于自由層軟磁薄膜中存在磁疇，在外磁場(chǎng)作用時(shí)，存在著疇壁移動(dòng)的不可逆性，導(dǎo)致在外磁場(chǎng)移除之后，自由層磁性薄膜無法回復(fù)起始狀態(tài)，并且導(dǎo)致磁滯的出現(xiàn)，使得傳感器測(cè)量可重復(fù)性難以保障。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]為了解決以上的問題，本發(fā)明提出了一種單芯片具有校準(zhǔn)/重置線圈的Z軸線性磁電阻傳感器，在前述單芯片Z軸線性磁電阻傳感器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在芯片上引入校準(zhǔn)線圈/重置線圈，通過在校準(zhǔn)線圈中通過適當(dāng)電流，在推磁電阻傳感單元串和挽磁電阻傳感單元串所在位置分別沿X和-X方向產(chǎn)生大小相同的電流磁場(chǎng)，并且實(shí)現(xiàn)通過電流的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)大小的精確調(diào)節(jié)，由于校準(zhǔn)線圈位于所述Z軸傳感器芯片上，因此測(cè)量時(shí)只需要通過探針即可以施加電流的方式進(jìn)行測(cè)量，從而提高了測(cè)量的效率，并且保證了測(cè)量的精度。
[0012]同樣，當(dāng)Z軸磁電阻傳感器受外磁場(chǎng)作用發(fā)生不可逆的磁化狀態(tài)改變時(shí)，可以在重置線圈中通入電流，在所有磁電阻傳感單元處產(chǎn)生沿自由層起始磁化方向的外磁場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)自由層磁化狀態(tài)的恢復(fù)，消除由于磁場(chǎng)作用歷史對(duì)軟磁薄膜磁化狀態(tài)的影響。
[0013]本發(fā)明所提出的一種單芯片具有校準(zhǔn)/重置線圈的Z軸線性磁電阻傳感器，包括單芯片Z軸線性磁電阻傳感器，以及校準(zhǔn)線圈或和重置線圈，所述單芯片Z軸線性磁電阻傳感器包括將Z方向磁場(chǎng)扭曲成具有X和-X軸向磁場(chǎng)分量的兩個(gè)反向且幅度相同的敏感磁場(chǎng)的軟磁通量集中器和包含多個(gè)磁電阻單元的陣列，所述多個(gè)磁電阻單元形成推磁電阻傳感單元串和挽磁電阻傳感單元串，
[0014]所述校準(zhǔn)線圈/重置線圈分別包括平行于所述單芯片Z軸線性磁電阻傳感器的磁電阻傳感單元的釘扎層/自由層磁化方向的直導(dǎo)線，
[0015]所述校準(zhǔn)線圈在所述單芯片Z軸線性磁電阻傳感器的推/挽磁電阻傳感單元串處產(chǎn)生同/反釘扎層方向且等值的校準(zhǔn)磁場(chǎng)，所述重置線圈在所述單芯片Z軸線性磁電阻傳感器的所有磁電阻傳感單元處產(chǎn)生沿自由層磁化方向的均勻重置磁場(chǎng)。
[0016]所述校準(zhǔn)線圈為平面校準(zhǔn)線圈，所述平面校準(zhǔn)線圈的直導(dǎo)線與所述推磁電阻傳感單元串和挽磁電阻傳感單元串一一對(duì)應(yīng)，且分別位于所述軟磁通量集中器Y軸中心線的所述推磁電阻傳感單元串和所述挽磁電阻傳感單元串的同一側(cè)，且與所述推磁電阻傳感單元串對(duì)應(yīng)的直導(dǎo)線與所述挽磁電阻傳感單元串對(duì)應(yīng)的直導(dǎo)線具有相反方向的電流。
[0017]所述平面校準(zhǔn)線圈的直導(dǎo)線與所述軟磁通量集中器的Y軸中心線的距離為O?(l/2*Lx+l/2*Lgap),其中Lx為所述通量集中器的寬度，Lgap為所述通量集中器之間間隙的寬度。
[0018]所述平面校準(zhǔn)線圈的直導(dǎo)線與Y軸中心線距離為O?l/2*Lx時(shí)，所述平面線圈位于所述單芯片Z軸線性磁電阻傳感器的襯底之上磁電阻傳感單元之下、磁電阻傳感單元和軟磁通量集中器之間、軟磁通量集中器之上。
[0019]所述平面校準(zhǔn)線圈的直導(dǎo)線與Y軸中心線距離為l/2*Lx?(l/2*Lx+l/2*Lgap)時(shí)，所述平面線圈位于所述單芯片Z軸線性磁電阻傳感器的襯底之上磁電阻傳感單元之下、磁電阻傳感單元和軟磁通量集中器之間、軟磁通量集中器之間間隙處。
[0020]所述校準(zhǔn)線圈是纏繞軟磁通量集中器和磁電阻傳感單元的三維校準(zhǔn)線圈，
[0021]所述三維校準(zhǔn)線圈包括多個(gè)相互串聯(lián)的三維校準(zhǔn)子線圈，每一個(gè)所述軟磁通量集中器、所述推磁電阻傳感單元串、挽磁電阻傳感單元串均對(duì)應(yīng)一個(gè)所述三維校準(zhǔn)子線圈，
[0022]所述三維校準(zhǔn)子線圈包括平行于所述軟磁通量集中器Y軸中心線的第一組直導(dǎo)線和第二組直導(dǎo)線，所述第一組直導(dǎo)線和第二組直導(dǎo)線對(duì)稱分布在對(duì)應(yīng)的所述軟磁通量集中器Y軸中心線兩側(cè)，所述第一組/第二組直導(dǎo)線包括兩條直導(dǎo)線，所述第一 /第二組直導(dǎo)線的兩條直導(dǎo)線分別位于所述軟磁通量集中器或推磁電阻傳感單元串、挽磁電阻傳感單元串表面上，所述第一組直導(dǎo)線的一條直導(dǎo)線和第二組直導(dǎo)線的一條直導(dǎo)線對(duì)稱于所述Y軸中心線分布于推和挽磁電阻傳感單元串之間區(qū)域，所述第一組直導(dǎo)線的另一條直導(dǎo)線和第二組直導(dǎo)線的另一條直導(dǎo)線對(duì)稱于所述Y軸中心線分布于推和挽磁電阻傳感單元串的外側(cè)區(qū)域，在所述Y軸中心線兩側(cè)的所述第一組直導(dǎo)線和第二組直導(dǎo)線分別形成一個(gè)三維螺線圈，
[0023]且兩個(gè)所述三維螺線圈具有相反纏繞方向，且相互之間串聯(lián)連接，其中一個(gè)所述三維螺線圈產(chǎn)生平行于X方向的磁場(chǎng)，另一個(gè)所述三維螺線圈產(chǎn)生-X方向的磁場(chǎng)。
[0024]所述重置線圈是平面重置線圈，所述平面重置線圈包含多個(gè)串聯(lián)連接的垂直于所述軟磁通量集中器Y軸中心線的直導(dǎo)線，其中，所述直導(dǎo)線位于所述Z軸線性傳感器沿X軸方向的磁電阻單元行正上方或者正下方，并具有相同的電流方向。
[0025]所述重置線圈是三維重置線圈，所述三維重置線圈包含多個(gè)平行于所述磁電阻傳感單元陣列沿X軸方向的磁電阻單元行的第一組直導(dǎo)線和第二組直導(dǎo)線，所述第一組直導(dǎo)線和第二組直導(dǎo)線分別位于所述軟磁通量集中器和所述磁電阻單元的表面，所述第一組直導(dǎo)線和第二組直導(dǎo)線具有相反電流方向，并連接成一個(gè)