基于电流退火的线性GMR磁传感器制造方法及系统

基于电流退火的线性gmr磁传感器制造方法及系统
技术领域
1.本发明属于传感器制造技术领域，特别涉及基于电流退火的线性gmr磁传感器制造方法及系统。


背景技术：

2.磁场传感器由于其高灵敏度和高稳定性等特点，广泛地应用于现代测量系统中，用于检测物理参数，包括磁场强度、方向、位移等。其中，基于巨磁阻(gmr)效应设计制造的磁传感器由于磁阻变化率高、灵敏度高、稳定性好等优势广泛应用于磁传感市场，尤其是磁存储探头领域与生物医疗检测领域。
3.gmr磁传感器主要有单磁阻、参考电阻半桥、惠斯通全桥等不同结构。其中，惠斯通全桥结构是性能最好、应用最多的结构之一。对于磁传感器，想要实现线性电压输出，磁电阻需要随外磁场有线性变化、无滞回等特点。目前实现gmr磁传感器无滞回的线性输出一般有三种处理方法：生长过程中旋转磁场方向，使两铁磁层呈现90度耦合；利用特殊结构(人工反铁磁)，调控各层厚度实现90度耦合；不同温度/磁场磁退火，分别使钉扎层和自由层成90度耦合。
4.目前对于线性gmr单磁阻结构的生产制造多采用磁控溅射等物理沉积方式，因此若在生长过程中分别施加不同角度的磁场，需对生产设备进行特定改造，生产成本高且生产效率低。若选择借助特殊结构(人工反铁磁)层间耦合调控的方式实现gmr器件线性输出，不仅对仪器精确度和各层之间的厚度要求增大，gmr结构在高温下也更容易出现层间扩散等现象，使得器件稳定性差、成本高且技术要求高。因此前两种方式一般需要更高的生产成本，后一种方式则得到了更广的使用。但现有工艺中的退火方式一般将全部磁阻条磁化方向确定到同一角度，对于单独的gmr磁阻结构无法实现线性输出。且若想实现惠斯通电桥结构的先线性输出则需要采用组装方式确保四组磁阻对外磁场响应两两反向，会导致传感精度的下降和生产成本的增加。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供基于电流退火的线性gmr磁传感器制造方法及系统，以解决采用组装方式确保四组磁阻对外磁场响应两两反向，会导致传感精度的下降和生产成本的增加的问题。
6.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
7.基于电流退火的线性gmr磁传感器制造方法，包括：
8.在基片上沉积gmr多层膜结构，gmr多层膜结构包括钉扎层、非磁金属层和自由层：
9.在第一条件下对多层膜结构的钉扎层进行磁化，电流退火方向沿磁阻条短方向；第一条件为在25℃环境温度下退火电流密度约1.85ma/cm2以上，在10℃环境温度下退火电流密度约2.59ma/cm2以上，退火磁场大于等于钉扎层完全翻转时的磁场大小，可为1200oe左右(具体大小依据所选的反铁磁材料来确定)；
10.在第二条件下对多层膜结构的自由层进行磁化，电流退火方向沿磁阻条长方向；第二条件为在25℃环境温度下退火电流密度在1.85ma/cm2以下，在10℃环境温度下退火电流密度在2.59ma/cm2以下，退火磁场小于钉扎层完全翻转时的磁场大小，可为200oe左右(具体数值根据所选自由层材料确定)；
11.电流退火后形成具有低磁滞的线性gmr磁电阻芯片；
12.在gmr惠斯通全桥结构中，对四组gmr多层膜结构分别做上述电流退火处理，使相邻两个桥臂上的磁阻随外磁场的变化相反，得到全桥结构的gmr磁传感器。
13.进一步的，惠斯通全桥结构中，四组gmr多层膜结构在同一基底上同时沉积生长后分别进行电流退火处理，实现第一组gmr结构r1与第三组gmr结构r3磁退火方向相同，第二组gmr结构r2与第四组gmr结构r4磁退火方向相同，与前两组相反。
14.进一步的，自由层为cofe/nife形成的双层结构。
15.进一步的，钉扎层包括金属诱导层、反铁磁层和铁磁层，铁磁层为cofe层。
16.进一步的，gmr多层膜结构还包括粘附层和保护层，粘附层、钉扎层、非磁金属层、自由层和保护层依次生长于基片上。
17.进一步的，钉扎层与自由层顺序能够互换以对应gmr多层膜结构中底钉扎与顶钉扎两种结构。
18.进一步的，保护层采用绝缘材料和防氧化的金属材料制成，厚度为2～20nm；粘附层为ta/ru相邻金属薄膜，厚度为2～20nm。
19.进一步的，反铁磁层采用irmn、ptmn材料制成，厚度为5～10nm；非磁金属层采用金属材料制成，厚度为1.8～5nm。
20.进一步的，基片材料为硅片、玻璃片、kapton或pet基片。
21.进一步的，基于电流退火的线性gmr磁传感器制造系统，包括：
22.沉积模块，用于在基片上沉积gmr多层膜结构，gmr多层膜结构包括钉扎层、非磁金属层和自由层：
23.第一退火处理模块，用于在第一条件下对多层膜结构的钉扎层进行磁化，电流退火方向沿磁阻条短方向；第一条件为在25℃环境温度下退火电流密度约1.85ma/cm2以上，在10℃环境温度下退火电流密度约2.59ma/cm2以上，退火磁场大于等于钉扎层完全翻转时的磁场大小，可为1200oe左右(具体大小依据所选的反铁磁材料来确定)；
24.第二退火处理模块，用于在第二条件下对多层膜结构的自由层进行磁化，电流退火方向沿磁阻条长方向；第二条件为在25℃环境温度下退火电流密度在1.85ma/cm2以下，在10℃环境温度下退火电流密度在2.59ma/cm2以下，退火磁场小于钉扎层完全翻转时的磁场大小，可为200oe左右(具体数值根据所选自由层材料确定)；电流退火后形成具有低磁滞的线性gmr磁电阻芯片；
25.gmr磁传感器生成模块，用于在gmr惠斯通全桥结构中，对四组gmr多层膜结构分别做上述电流退火处理，使相邻两个桥臂上的磁阻随外磁场的变化相反，得到全桥结构的gmr磁传感器。
26.与现有技术相比，本发明有以下技术效果：
27.本发明通过借助不同大小电流与不同大小磁场作用下的电流退火效应，对同一基片上沉积生长单个gmr磁阻结构分别进行不同方向电流磁退火处理；通过在大磁场大电流
条件下对多层膜结构的钉扎层进行磁化，在小磁场小电流条件下对多层膜结构的自由层进行磁化，可以实现单个磁阻条的线性电压输出。进一步地，对同一基片上不同区域结构分别进行局域电流磁退火以实现惠斯通电桥结构的四组磁阻对外磁场响应两两反向，最终实现全桥结构的线性电压输出。
附图说明
28.图1示意了单独gmr结构电流退火的示意图。
29.图2示意了gmr惠斯通电桥结构电流退火的示意图。
30.图3示意了顶钉扎型gmr磁电阻单元的结构示意图。
31.图4示意了钉扎层磁化方向指向负h方向的传统gmr磁电阻元件的磁电阻对外磁场响应曲线示意图。
32.图5a和b示意了钉扎层磁化方向指向负h方向的应用该专利进行电流磁退火的gmr磁电阻元件的磁电阻对外磁场响应曲线示意图。
33.图6a和b示意了图2所示的部分半桥结构和惠斯通全桥结构的输出电压曲线图。
具体实施方式
34.以下结合附图对本发明进一步说明：
35.请参阅图1至图6，本发明提供基于电流退火的线性gmr磁传感器制造方法及系统。
36.在基片上沉积gmr多层膜结构，所述gmr磁阻单元至少包括钉扎层、非磁金属层和自由层：
37.电流退火钉扎层，在大磁场大电流条件下对多层膜结构的钉扎层进行磁化，电流退火方向沿磁阻条短方向；
38.电流退火自由层，在小磁场小电流条件下对多层膜结构的自由层进行磁化，电流退火方向沿磁阻条长方向；
39.对于gmr单磁阻结构，电流退火后形成具有低磁滞的线性gmr磁电阻芯片；
40.在gmr惠斯通全桥结构中，对四组磁电阻结构分别做电流退火处理，使相邻两个桥臂上的磁阻随外磁场的变化相反，得到全桥结构的gmr磁传感器。
41.实施例1：
42.基于电流退火的线性gmr磁传感器制造方法，包括：
43.在基片上沉积gmr多层膜结构，gmr多层膜结构包括钉扎层、非磁金属层和自由层：
44.在第一条件下对多层膜结构的钉扎层进行磁化，电流退火方向沿磁阻条短方向；第一条件为在25℃环境温度下退火电流密度约1.85ma/cm2以上，在10℃环境温度下退火电流密度约2.59ma/cm2以上，退火磁场大于等于钉扎层完全翻转时的磁场大小，可为1200oe左右(具体大小依据所选的反铁磁材料来确定)；
45.在第二条件下对多层膜结构的自由层进行磁化，电流退火方向沿磁阻条长方向；第二条件为在25℃环境温度下退火电流密度在1.85ma/cm2以下，在10℃环境温度下退火电流密度在2.59ma/cm2以下，退火磁场小于钉扎层完全翻转时的磁场大小，可为200oe左右(具体数值根据所选自由层材料确定)；
46.电流退火后形成具有低磁滞的线性gmr磁电阻芯片；
47.在gmr惠斯通全桥结构中，对四组gmr多层膜结构分别做上述电流退火处理，使相邻两个桥臂上的磁阻随外磁场的变化相反，得到全桥结构的gmr磁传感器。
48.实施例2：
49.基于电流退火的线性gmr磁传感器制造系统，包括：
50.沉积模块，用于在基片上沉积gmr多层膜结构，gmr多层膜结构包括钉扎层、非磁金属层和自由层：
51.第一退火处理模块，用于在第一条件下对多层膜结构的钉扎层进行磁化，电流退火方向沿磁阻条短方向；第一条件为在25℃环境温度下退火电流密度约1.85ma/cm2以上，在10℃环境温度下退火电流密度约2.59ma/cm2以上，退火磁场大于等于钉扎层完全翻转时的磁场大小，可为1200oe左右(具体大小依据所选的反铁磁材料来确定)；
52.第二退火处理模块，用于在第二条件下对多层膜结构的自由层进行磁化，电流退火方向沿磁阻条长方向；第二条件为在25℃环境温度下退火电流密度在1.85ma/cm2以下，在10℃环境温度下退火电流密度在2.59ma/cm2以下，退火磁场小于钉扎层完全翻转时的磁场大小，可为200oe左右(具体数值根据所选自由层材料确定)；
53.电流退火后形成具有低磁滞的线性gmr磁电阻芯片；
54.gmr磁传感器生成模块，用于在gmr惠斯通全桥结构中，对四组gmr多层膜结构分别做上述电流退火处理，使相邻两个桥臂上的磁阻随外磁场的变化相反，得到全桥结构的gmr磁传感器。
55.本发明实施例中对模块的划分是示意性的，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一个处理器中，也可以是单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。
56.如图1所示，可通过对单独gmr结构进行电流退火，分别确定gmr结构钉扎层与自由层的磁化方向，使其具有90度夹角，实现gmr结构磁阻对外磁场响应的线性输出，可用作单独线性磁传感器器件。通过直流或交流电源对gmr长条结构两端施加电流，同时施加不同方向与大小的磁场，进行3-5分钟电流退火，以实现对于gmr结构磁化方向的重构。当在大磁场大电流条件下对多层膜结构的钉扎层进行磁化，且电流退火方向沿磁阻条短方向时，电流退火可对钉扎层磁化方向进行重构；当在小磁场小电流条件下对多层膜结构的自由层进行磁化，且电流退火方向沿磁阻条长方向时，电流退火可对自由层磁化方向进行重构。电流退火钉扎层中，在25℃环境温度下退火电流密度约1.85ma/cm2以上，在10℃环境温度下退火电流密度约2.59ma/cm2以上，以上具体电流密度大小与环境温度条件有关；电流退火钉扎层中，退火磁场大于等于钉扎层完全翻转时的磁场大小，可为1200oe左右(具体大小依据所选的反铁磁材料来确定)。电流退火自由层中，退火电流应小于钉扎层退火电流，在25℃环境温度下退火电流密度在1.85ma/cm2以下，在10℃环境温度下退火电流密度在2.59ma/cm2以下，以上具体电流密度大小与环境温度条件有关；电流退火自由层中，退火磁场远小于钉扎层完全翻转时的磁场大小，可为200oe左右(具体数值根据所选自由层材料确定)。
57.本发明不仅可应用于单独gmr结构的传感器电流退火制作，更可应用于惠斯通电桥结构的gmr传感器线性化制造。如图2所示，将惠斯通电桥结构的四个单独gmr结构(r1、r2、r3、r4)同时生长在同一基底上后，对其分别做如图示电流退火操作，实现第一组gmr结
构(r1)与第三组gmr结构(r3)磁退火方向相同，第二组gmr结构(r2)与第四组gmr结构(r4)磁退火方向相同，与前两组(r1、r3)相反。在该过程中，结点a、b、c可在磁退火前连通，结点d、e需在磁退火步骤完成后再进行连通，避免四个单独gmr结构再电流退火过程中由于串并联造成电流退火效果受到影响。对于结点a、b、c、d(e)中相互对应的两组连接驱动电源，另外两组作为输出信号端，此时即为全桥结构磁传感器工作模式。同时图2中若单独选择其中两组相反的gmr结构连接即可作为单桥传感器结构，以r1与r2为例，驱动电源连接结点b和d，ad或ab之间的电压输出即为半桥传感器结构的输出信号。
58.如图3所示，gmr磁电阻单元为多层膜结构(此处以顶钉扎型gmr结构为例)，其依次包括：保护层、钉扎层、非磁金属层、自由层和粘附层。其中，保护层可采用sio2等绝缘材料和ta等防氧化的金属材料等制成，厚度为2～20nm。保护层的厚度低于2nm时，防氧化效果很差，因此保护层的厚度应大于2nm。对于金属材料保护层，当其厚度过厚时，对于磁性材料功能层存在分流效果，会导致传感器的灵敏度下降，因此金属材料保护层的厚度应小于20nm。钉扎层是双层结构，其从下往上依次包括铁磁层和反铁磁层。铁磁层采用cofe制成，厚度为2～8nm。反铁磁层可采用irmn、ptmn等材料制成，厚度为5～10nm。非磁金属层可采用cu等金属材料制成，厚度为1.8～5nm。自由层为cofe/nife形成的双层结构，厚度为5～20nm。粘附层通常为金属层结构，可以减少基底晶格参数对上层磁性材料的影响，多采用ta/ru相邻金属薄膜，厚度为2～20nm。gmr磁电阻单元中各层结构的厚度会影响gmr磁电阻单元的电阻值和磁阻变化率，每层结构的厚度越厚时，其电阻越小，会导致电流在非磁层(cu等)中的流入更小，使得gmr磁电阻单元的磁阻变化率降低，此外gmr磁电阻单元电阻降低会提高相同偏置电压下的功耗，因此可根据实际需要合理设置gmr磁电阻单元中各层结构的厚度。
59.下面对本发明gmr传感器的制备方法作进一步说明，制备方法包括以下步骤：
60.提供基片，包括但不限于硅片、玻璃片、kapton或pet等柔性基片；
61.采用物理溅射方法，如磁控溅射法等方法在基片上依次沉积粘附层、自由层、非磁金属层、钉扎层和保护层，形成多层膜结构的gmr磁电阻单元；
62.对沉积有gmr薄膜材料的基片进行光刻刻蚀操作，通过掩膜和光刻技术匀胶并显影出想要的结构，形成相互独立的的gmr磁电阻芯片；
63.根据器件需求，对基片光刻后生长电极，构成单独gmr磁阻条结构或惠斯通电桥结构的磁传感器。
64.本发明将常规的线性gmr磁场传感器制备工艺中的传统线性处理工艺步骤改为特定的局部电流退火步骤，采用电流退火方式，通过电流驱动可分别实现同一基片上gmr结构不同磁化方向的磁退火处理需求，不同于传统模式的磁退火方式，该方式不需要在gmr薄膜材料沉积过程中施加磁场，对于薄膜生长仪器的要求大大降低；该方式的局部退火特点可满足同一基片上gmr结构不同磁化方向的磁退火处理需求，相比传统的后期组装方式，制造精度高、工艺简单、成本低，同时相比激光退火技术，该发明方式具有技术壁垒低、仪器要求低、生产成本低的特点。
65.图4为采用传统制备工艺制备且未做线性化处理的单独gmr磁电阻单元的磁电阻输出特性曲线图，如图所示，gmr磁电阻单元有着较大的滞回度，传感器曲线不关于h＝0原点对称，存在偏置磁场h0，不适合于线性磁场测试。
66.图5a和图5b为采用本发明制备方法制得的单独gmr磁电阻单元的磁电阻输出特性
曲线图。如图5a和图5b所示，在经过低温磁退火步骤之后，电阻变化曲线中线性变化范围增大，即图5a和图5b中的饱和磁场hs大于图4中的饱和磁场h1，滞回度急剧降低，电阻随磁场的变化曲线存在线性变化区间，这是电流退火处理过程中两次退火使得自由层与钉扎层磁矩相互垂直所导致的。输出曲线一般依旧不关于h＝0原点对称，饱和磁场hs通常相对于原点存在偏置磁场，偏置磁场h0的大小通常为2到25oe。饱和磁场与gmr结构内铁磁薄膜的粗糙度有关，且取决于材料和制造工艺，饱和磁场hs与偏置磁场h0间的关系满足：h0《hs。通过电流退火技术可以得到低滞回度、高线性度的磁电阻单元。
67.图6a和图6b为图2所示的部分半桥结构和惠斯通全桥结构的输出电压曲线图，其中gmr磁电阻单元通过本发明进行线性化处理。如图6a所示，理想情况下，半桥结构的两个gmr磁电阻元件的阻值大小相同，在零磁场情况下，其输出电压应等同于v
bias
的一半。而全桥输出响应是双极性的，因此在零磁场下，v
+
＝v-＝v
bias
/2，输出电压v
out
为零，且对磁场h的响应的灵敏度应为半桥的两倍。如图6b所示，理想状况下全桥结构的传感器输出曲线关于原点中心对称。半桥与全桥结构的灵敏度随着磁电阻变化率的提高而提高，灵敏度则随着hs的增加而降低。
68.最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

技术特征：
1.基于电流退火的线性gmr磁传感器制造方法，其特征在于，包括：在基片上沉积gmr多层膜结构，gmr多层膜结构包括钉扎层、非磁金属层和自由层：在第一条件下对多层膜结构的钉扎层进行磁化，电流退火方向沿磁阻条短方向；第一条件为在25℃环境温度下退火电流密度约1.85ma/cm2以上，在10℃环境温度下退火电流密度约2.59ma/cm2以上，退火磁场大于等于钉扎层完全翻转时的磁场大小；在第二条件下对多层膜结构的自由层进行磁化，电流退火方向沿磁阻条长方向；第二条件为在25℃环境温度下退火电流密度在1.85ma/cm2以下，在10℃环境温度下退火电流密度在2.59ma/cm2以下，小于钉扎层完全翻转时的磁场大小；电流退火后形成具有低磁滞的线性gmr磁电阻芯片；在gmr惠斯通全桥结构中，对四组gmr多层膜结构分别做上述电流退火处理，使相邻两个桥臂上的磁阻随外磁场的变化相反，得到全桥结构的gmr磁传感器。2.根据权利要求1所述的基于电流退火的线性gmr磁传感器制造方法，其特征在于，惠斯通全桥结构中，四组gmr多层膜结构在同一基底上同时沉积生长后分别进行电流退火处理，实现第一组gmr结构r1与第三组gmr结构r3磁退火方向相同，第二组gmr结构r2与第四组gmr结构r4磁退火方向相同，与前两组相反。3.根据权利要求1所述的基于电流退火的线性gmr磁传感器制造方法，其特征在于，自由层为cofe/nife形成的双层结构。4.根据权利要求1所述的基于电流退火的线性gmr磁传感器制造方法，其特征在于，钉扎层包括金属诱导层、反铁磁层和铁磁层，铁磁层为cofe层。5.根据权利要求1所述的基于电流退火的线性gmr磁传感器制造方法，其特征在于，gmr多层膜结构还包括粘附层和保护层，粘附层、钉扎层、非磁金属层、自由层和保护层依次生长于基片上。6.根据权利要求5所述的基于电流退火的线性gmr磁传感器制造方法，其特征在于，钉扎层与自由层顺序能够互换以对应gmr多层膜结构中底钉扎与顶钉扎两种结构。7.根据权利要求5所述的基于电流退火的线性gmr磁传感器制造方法，其特征在于，保护层采用绝缘材料和防氧化的金属材料制成，厚度为2～20nm；粘附层为ta/ru相邻金属薄膜，厚度为2～20nm。8.根据权利要求5所述的基于电流退火的线性gmr磁传感器制造方法，其特征在于，反铁磁层采用irmn、ptmn材料制成，厚度为5～10nm；非磁金属层采用金属材料制成，厚度为1.8～5nm。9.根据权利要求1所述的基于电流退火的线性gmr磁传感器制造方法，其特征在于，基片材料为硅片、玻璃片、kapton或pet基片。10.基于电流退火的线性gmr磁传感器制造系统，其特征在于，包括：沉积模块，用于在基片上沉积gmr多层膜结构，gmr多层膜结构包括钉扎层、非磁金属层和自由层：第一退火处理模块，用于在第一条件下对多层膜结构的钉扎层进行磁化，电流退火方向沿磁阻条短方向；第一条件为在25℃环境温度下退火电流密度约1.85ma/cm2以上，在10℃环境温度下退火电流密度约2.59ma/cm2以上，退火磁场大于等于钉扎层完全翻转时的磁场大小；
第二退火处理模块，用于在第二条件下对多层膜结构的自由层进行磁化，电流退火方向沿磁阻条长方向；第二条件为在25℃环境温度下退火电流密度在1.85ma/cm2以下，在10℃环境温度下退火电流密度在2.59ma/cm2以下，退火磁场小于钉扎层完全翻转时的磁场大小；电流退火后形成具有低磁滞的线性gmr磁电阻芯片；gmr磁传感器生成模块，用于在gmr惠斯通全桥结构中，对四组gmr多层膜结构分别做上述电流退火处理，使相邻两个桥臂上的磁阻随外磁场的变化相反，得到全桥结构的gmr磁传感器。

技术总结
基于电流退火的线性GMR磁传感器制造方法及系统，包括：在基片上沉积GMR多层膜结构：在第一条件下对多层膜结构的钉扎层进行磁化，电流退火方向沿磁阻条短方向；在第二条件下对多层膜结构的自由层进行磁化，电流退火方向沿磁阻条长方向；在GMR惠斯通全桥结构中，对四组GMR多层膜结构分别做上述电流退火处理，使相邻两个桥臂上的磁阻随外磁场的变化相反，得到全桥结构的GMR磁传感器。本发明可以实现单个磁阻条的线性电压输出。进一步地，对同一基片上不同区域结构分别进行局域电流磁退火以实现惠斯通电桥结构的四组磁阻对外磁场响应两两反向，最终实现全桥结构的线性电压输出。最终实现全桥结构的线性电压输出。最终实现全桥结构的线性电压输出。


技术研发人员：刘明 王志广 胡忠强 吴金根 王文利
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2023.06.16
技术公布日：2023/9/9