專利名稱：用于具有磁性包層的隧道結(jié)傳感器的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體涉及感應(yīng)，更具體地涉及用于形成采用磁性隧道結(jié) (MTJ)的傳感器的方法。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)代系統(tǒng)中廣泛使用傳感器來測量或檢測物理參數(shù)，諸如，但 是不意圖局限為，位置、運動、力、加速度、溫度、壓力等。在現(xiàn)有 技術(shù)中存在很多用于測量這些和其他參數(shù)的很多不同類型的傳感器。 然而，它們都遭遇本領(lǐng)域中公知的很多限制，諸如過大的尺寸和重量、 不夠的靈敏度和/或動態(tài)范圍、成本、可靠性和其他因素。因此，仍然 需要改進傳感器，尤其需要改進可以被容易地與半導(dǎo)體器件和集成電 路集成的傳感器以及該傳感器的制造方法。因此，期望提供適用于測量多種物理參數(shù)的改進傳感器和方法。 此外，期望該傳感器和方法簡單、穩(wěn)定且可靠，以及另外還與半導(dǎo)體 器件和集成電路結(jié)構(gòu)和制造方法兼容，并且優(yōu)選地，但不是必需地， 適用于形成在相同的基底上。此外，還期望改進的傳感器和方法將正 在測量的物理參數(shù)轉(zhuǎn)換成電信號。結(jié)合附圖和前述技術(shù)領(lǐng)域和背景， 本發(fā)明的其他期望特征和特性從下面的詳細(xì)描述和附圖將變得顯而易 見。
在下文中將結(jié)合以下附圖來描述本發(fā)明，其中，相似數(shù)字表示相 似元件，以及圖1是根據(jù)本發(fā)明示例性實施例的采用磁性隧道結(jié)(MTJ)的傳 感器的電路和簡化示意性側(cè)視圖；圖2是示出圖1的磁性隧道結(jié)中的磁自旋軸的不同取向的這些磁 性隧道結(jié)的側(cè)視圖的集；圖3是示出圖1的磁性隧道結(jié)中的磁自旋軸的不同取向的這些磁 性隧道結(jié)的分解平面圖的集；圖4是對于磁自旋軸的兩種不同取向的磁性隧道結(jié)的電流對電壓 的簡化圖示；圖5-7是作為施加的磁場的函數(shù)的磁性隧道結(jié)的阻抗的簡化圖示；圖8是根據(jù)本發(fā)明另一示例性實施例的磁性隧道結(jié)傳感器的簡化 示意性側(cè)視圖，該磁性隧道結(jié)傳感器采用支持磁場源的可移動懸臂梁， 其位置取決于傳感器輸入;圖9是圖8的磁性隧道結(jié)傳感器的簡化平面圖，其中，承載電流 的柔性U形懸臂梁根據(jù)傳感器輸入，向磁性隧道結(jié)提供變化的磁場；圖IO是示出進一步細(xì)節(jié)的圖8-9的懸臂梁的一部分的簡化側(cè)視截面圖；圖11是圖8的磁性隧道結(jié)傳感器的簡化平面圖，其中，單個柔性 懸臂梁支持永磁體，以根據(jù)傳感器輸入來向磁性隧道結(jié)提供變化的磁 場；圖12是示出進一步細(xì)節(jié)的圖8和11的懸臂梁的一部分的簡化側(cè) 視截面圖；圖13是通過根據(jù)本發(fā)明另外示例性實施例的磁性隧道結(jié)傳感器 的簡化示意性截面圖；圖14是圖13的傳感器的簡化部分剖視平面圖；圖15是類似于圖13但是根據(jù)本發(fā)明又一示例性實施例的簡化示 意性截面圖；圖16是類似于圖13但是根據(jù)本發(fā)明再一示例性實施例且采用有 源磁場源的簡化示意性截面圖；圖17是示出進一步細(xì)節(jié)的圖16的傳感器的簡化部分剖視平面圖；圖18是類似于圖16但是根據(jù)本發(fā)明又一示例性實施例且適用于 測量溫度或壓力的簡化示意性截面圖；圖19是本發(fā)明的傳感器的制造方法的簡化流程圖；圖20是類似于圖19的流程圖但是示出進一步細(xì)節(jié)的簡化流程圖；圖21是示出圖19-20的方法的實施例的更進一步細(xì)節(jié)的一組示意 性截面圖；圖22是類似于圖21但是根據(jù)本發(fā)明方法的另一示例性實施例的 一組示意性截面圖；圖23是類似于圖21-22但是根據(jù)本發(fā)明方法的又一示例性實施例的一組示意性截面圖；圖24是根據(jù)本發(fā)明實施例的MTJ的電極的分解平面圖，其中， 至少一個電極是方形；圖25是根據(jù)本發(fā)明實施例的MTJ的電極的分解平面圖，其中， 任一或兩個電極都具有多種示例性的非方形形狀；圖26是根據(jù)本發(fā)明實施例的MTJ的電極的平面圖，其中，至少 一個電極具有相對于其他電極的多個角布置；圖27是具有支持在多個MTJ附近的磁場源的、不同尺寸的懸臂梁的多個傳感器的簡化平面圖；圖28是簡化示意性電路圖，其中，圖27的多個MTJ被示出為并聯(lián)電連接；以及圖29是圖28的并聯(lián)布置的隧穿電阻Rt対力或加速度F的簡化圖 示，其中，RT是通過多個隧道結(jié)的隧穿電阻的并聯(lián)組合，而F是被同時施加到多個傳感器上的加速度或力。
具體實施方式
下面的詳細(xì)描述本身僅僅是示例性的而不意圖限制本發(fā)明或本發(fā) 明的應(yīng)用和使用。此外，不意圖受到在前述技術(shù)領(lǐng)域、背景、概要或 以下詳細(xì)描述中提出的明確或暗示理論的限制。為了描述的簡單清楚，附圖示出機構(gòu)的大體方式，而可以省略公 知特征和技術(shù)的描述和細(xì)節(jié)從而避免不必要地模糊本發(fā)明。另外，在 附圖中的元件不一定要按比例繪制。例如，在附圖中的一些元件或區(qū) 域的尺寸可以相對于其他元件或區(qū)域的尺寸而被擴大，以幫助改善本發(fā)明實施例的理解。在描述以及權(quán)利要求中的術(shù)語"第一個"、"第二個""第三個"、 "第四個"等，如果有的話，可以被用于在相似元件之間進行區(qū)別， 而不一定要用于描述特定的順序或時間次序。要知道，這樣使用的術(shù) 語在適當(dāng)情況下可以互換，從而，例如，在這里描述的本發(fā)明實施例 能夠以不同于這里描述或另外方式示出的順序來操作。此外，術(shù)語"包 括"、"包含"、"具有"以及它們的任何變體意圖覆蓋非排獨占性 的包含，諸如包括一列元件的過程、方法、物品或設(shè)備不一定被限制 為那些元件，而是可以包括沒有明確列出或者不是這些過程、方法、 物品或設(shè)備所固有的其他元件。在描述和權(quán)利要求中的術(shù)語"左"、"右"、"內(nèi)"、"外"、 "前"、"后"、"上"、"下"、"頂"、"底"、"上面"、"下 面"、"上方"、"下方"等，如果有的話，則用于描述性目的而不 一定用來描述持久的相對位置。要知道，這樣使用的術(shù)語可以在適當(dāng) 的環(huán)境下互換，從而例如，在這里描述的本發(fā)明的實施例能夠以不同 于這描述或另外示出的取向的其他取向來操作。如在這里使用的術(shù)語 "連接"被限定為以電或非電方式直接或間接連接。圖1是根據(jù)本發(fā)明示例性實施例的采用磁性隧道結(jié)(MTJ) 32和 可移動磁場源(MFS) 34的傳感器30的電路和簡化示意性側(cè)視圖。磁 場源(MFS) 34能夠自由地如箭頭44-1、 44-2 (總稱44)所示地移動， 并提供相對于MTJ 32移動的磁場35，從而根據(jù)MFS 34與MTJ 32的 相對位置來改變在MTJ 32處的磁場H的強度和/或方向。MTJ 32包括 第一電極36、絕緣隧穿電介質(zhì)37和第二電極38。當(dāng)跨MTJ32施加電 壓Vt時，根據(jù)所施加電壓的極性，通過量子力學(xué)隧道效應(yīng)電流It通過 絕緣體37從電極36流到電極38或相反。電極36、 38期望是磁性材料，例如，但是不意圖限制，為NiFe、CoFe等，或者更大體地為電子自旋軸可以同向排列的材料。適當(dāng)電極 材料和布置的實例為通常用于磁阻隨機存取存儲器(MRAM)裝置的 電極的材料和結(jié)構(gòu)，其在本領(lǐng)域中公知并且當(dāng)然其中主要包含鐵磁材 料。期望電極36、 38具有不同的矯頑力，也就是說，電極36應(yīng)該具 有高的矯頑力，從而其自旋軸取向可以被定住，從而基本上不受MFS 34 移動的影響，而電極38應(yīng)該具有相對較低的矯頑力，從而其自旋軸取 向由MFS 34的移動來改變。期望電極36的矯頑力比電極38的大大約 兩個數(shù)量級，但是更大和更小的比率也可以?？梢酝ㄟ^根據(jù)本領(lǐng)域公 知的方法來改變電極的成分，從而調(diào)節(jié)電極的矯頑力。示例性自旋軸 排列為圖l，其中，電極36的矢量40 (下文中的自旋軸40)表示在 電極36中的電子自旋軸被排列為垂直于且向內(nèi)朝向圖1的附圖平面， 而電極38的矢量42 (下文中的自旋軸42)表示在電極38中的電子 自旋軸被排列為平行于附圖平面且面向圖1右側(cè)，也就是說，與自旋 軸40正交。本領(lǐng)域中已知，可以在磁場下進行適當(dāng)熱處理或通過其他 方法，來將自旋軸取向定住在一個方向或另一個方向上。期望定住在 較下的電極36，也就是在距離磁場源34最遠(yuǎn)的電極中的自旋軸。可以 根據(jù)例如源34的磁場方向，來將自旋軸定住在任何方便的方向上。在 較上的(離MFS 34最近的)電極38中的自旋軸42是自由的，也就是， 不被定住且響應(yīng)于由MFS 34提供的磁場35來相對于電極36中的定住 自旋軸40改變?nèi)∠颉TJ 32還包括磁性屏蔽或包層33，其期望覆蓋 或封裝MFS 34的(多個)遠(yuǎn)惻部分，也就是離開MTJ 32地面向的 MFS 34的(多個)部分。雖然優(yōu)選磁性屏蔽33具有杯形狀從而其覆 蓋MFS 34的側(cè)部以及后面39，但是這不是必需的。因此，如這里所 用的，涉及MFS34的詞"遠(yuǎn)側(cè)部分"意圖剛好包括MFS34的后面39 以及后面39和一個或多個側(cè)面的(多個)組合。任何一種布置都可以。 磁性屏蔽或包層33的目的是將磁場35指引向著MTJ 32，也就是增加 其在MRJ32處的強度(其他相同)，并且獲得這種效果的任何幾何布 置全部或部分地有用，且意圖，被包括在術(shù)語"磁性屏蔽"、"磁性 包層"或"包層"中。磁性屏蔽或包層33優(yōu)選采用具有高導(dǎo)磁率M的 材料，例如但是不意圖限制，為在100到20000或更多的范圍內(nèi)。鐵以及鎳鐵合金是適合材料的非限制性實例，但是也可以使用任何高導(dǎo)磁率的材料。在與MFS34相對的一側(cè)上，在MTJ32附近便利地提供 磁場源導(dǎo)體34A，并且使得該磁場源導(dǎo)體34A取向為在其磁場方面與 MFS 34成直角。在MFS導(dǎo)體34A中便利地提供電流If，從而協(xié)助將 自旋軸42翻轉(zhuǎn)到不同于單獨利用MFS 34可能的其他方向，或者在接 近MFS 34處翻轉(zhuǎn)后將自旋軸42恢復(fù)到之前狀態(tài)。圖2是圖1的磁性隧道結(jié)(MTJ)32也就是多個MTJ 32-1......32-5的側(cè)視圖的集合，示出在電極36、 38中的磁自旋軸40、 42的不同相 對取向。在MTJ32-1中，自由自旋軸42-l與定住自旋軸40-l平行， 位于圖2的附圖平面內(nèi)并且都朝向右。在MTJ32-2中，自由的自旋軸 42-2和定住的自旋軸40-2平行并且位于附圖平面內(nèi)，但是朝向相反(相 反平行)方向，軸42-2朝向左而軸40-2朝向右。在MTJ 32-3中，自 旋軸正交，電極38中的自由自旋軸42-3位于附圖平面內(nèi)且朝向右，而 電極36的定住自旋軸40-3垂直于附圖平面且朝向附圖平面內(nèi)部。在 MTJ32-4中，自旋軸相反平行，自旋軸42-4朝向附圖平面內(nèi)部，而自 旋軸40-4朝向附圖平面外部。在MTJ32-5中，自旋軸42-5和40-5平 行，垂直于附圖平面且朝向附圖平面內(nèi)部。圖2的實例不意圖窮舉， 而僅僅示出多種相對自旋軸取向是可能的。其他相對取向也是可能的。圖3是圖1的磁性隧道結(jié)32的分解平面圖32-6、 32-7、 32-8的集 合，其中示出看來垂直于圖2的視圖的磁自旋軸的不同取向。在圖1-2 中，電極38位于電極36上方利用隧穿電介質(zhì)37與其分開，在圖3中， 從該布置中將電極36、 38移出，從而使得可以更容易地看到位于電極 36、 38的平面內(nèi)的自旋軸的方位取向。例如，在圖3的MTJ32-6中， 自旋軸42-6和40-6具有與圖2的MTJ 32-1的自旋軸42-1和40-1相同 的取向，而在圖3的MTJ 32-7中，自旋軸42-7和40-7具有與圖2的 MTJ 32-3的自旋軸42-3和40-3相同的取向。然而，圖3的MTJ 32-8 示出另一可能，也就是，自旋軸42-8具有既不是與自旋軸40-8平行也 不是與其正交的方位取向，該方位取向位于相對于自旋軸40-8的中間方位角。在上文中，假設(shè)電極36、 38足夠薄，從而自旋軸40、 42總 是位于電極36、 38的平面內(nèi)，但是可以取向為在電極36、 38的平面 內(nèi)的不同相對方位角。在電極36和38中的自旋軸的相對取向影響MTJ32的電性能。這 是因為自旋取向影響最可能發(fā)生隧穿的費米能級附近的電子態(tài)的密 度，由此影響在恒定勢壘厚度處對于相同施加電場或施加電壓的隧穿 概率。圖4示出針對磁自旋軸40、 42的兩個不同取向的磁性隧道結(jié)32 的代表性電流對電壓圖示50。跡線51對應(yīng)于自旋軸40、 42平行的情 況，而跡線52對應(yīng)于自旋軸40、 42相反平行的情況。對于跨MTJ32 的給定電壓Vt=Vt(l)，當(dāng)It及Vt特性對應(yīng)于跡線51時，MTJ 32具有 電導(dǎo)率Ct(l)，而當(dāng)It對Vt特性對應(yīng)于跡線52時，MTJ32具有不同電 導(dǎo)率Q(2)。換種方式說，當(dāng)MTJ 32處于由跡線51定義特征的狀態(tài)下， 則對于V產(chǎn)Vt(l)， I產(chǎn)It(l);而當(dāng)MTJ32處于由跡線52定義特征的狀態(tài) 下，則對于相同電壓Vt=Vt(l)， It=It(2)< It(l)。該在恒定電壓處的電導(dǎo) Ct或電阻Rt或電流It的差異可以被用于檢測在電極36、38中的自旋軸 40、 42的相對取向的變化。因為在電極38中的自旋軸取向取決于施加 的磁場H(例如見圖1)，在不變電壓處的電導(dǎo)或電阻的改變或電流的 改變可以被用于檢測H的變化或可以導(dǎo)致H變化的任何物理參數(shù)的變 化。如圖1所示，MFS 34相對于MTJ 32的位置或取向的變化(例如 如箭頭44-1和44-2所示)導(dǎo)致在MTJ32處的H改變，并且由此可以 導(dǎo)致MTJ32的電特性以可預(yù)知方式改變。如圖4上所示，兩種情況下 的隧穿電阻Rt可以由這樣的關(guān)系來計算R"2^Vt(l)/It(2)以及 Rt(l)=Vt(l)/It(l)。圖5-7是作為施加磁場H的函數(shù)的MTJ 32的隧穿電阻Rt的簡化 圖示60、 62和64。圖5的圖60示出這樣的情況其中，電極38就像 單磁疇一樣切換，也就是說，其自旋軸42維持基本上不變直到達(dá)到臨界場He或-He，在臨界場He或-He上其基本上快速移動或翻轉(zhuǎn)到新取向。例如，如果MTJ 32處于由在V產(chǎn)Vt(l)處R產(chǎn)Rt(l)定義特征的狀態(tài)下，其維持在該狀態(tài)直到H=HC，然后翻轉(zhuǎn)到由R產(chǎn)Rt(2)定義特征的狀態(tài)。 其維持在該狀態(tài)直到H=-He，此時其翻轉(zhuǎn)返回。當(dāng)期望傳感器30具有 響應(yīng)于加速度、力、溫度、位置、壓力或任何其他導(dǎo)致H改變的物理 參數(shù)(例如通過導(dǎo)致MFS34相對于MTJ32移動而引起的)的改變的 二進制輸出時，這類磁滯行為非常有用。翻轉(zhuǎn)返回所需要的磁場-He可 以便利地由圖1所示的電流導(dǎo)線34A來提供。圖6的圖62示出這樣的情況其中，電極38展示出總計多個磁疇，該多個磁疇可以在稍微不同的磁場He'必必e"處各自翻轉(zhuǎn)。為了解釋目的，假設(shè)MTJ32處于由R產(chǎn)Rt(l)定義特征的狀態(tài)，則隨著H的 增加，Rt維持不變直到H=He'，然后Rt開始在恒定電壓下逐漸增加， 直到I^He'，，然后Rt鎖定在R產(chǎn)Rt(2)。磁滯環(huán)62具有斜平行六面體形 狀。圖7示出這樣的情況當(dāng)電極38的材料和取向如此(例如彼此成 直角)以致于磁化可以響應(yīng)于H的增加或減少連續(xù)地旋轉(zhuǎn)。然后，磁 滯環(huán)基本上萎縮為如由Rt對H圖64所示的接近直線，并且該接近直 線的兩個末端在R產(chǎn)Rt(l)以及Rt=Rt(2)。例如如圖3的MTJ 32-8所示， 當(dāng)自旋軸42可以相對于自旋軸40連續(xù)旋轉(zhuǎn)時，發(fā)生這種情況。圖1 所示的電流導(dǎo)線34A被方便地結(jié)合由圖60、 62所示的布置使用，來提 供磁場-He，從而自旋軸42可以在其被磁場35擾亂之前被重置也就是 翻轉(zhuǎn)回到其初始取向。圖8是采用具有磁場源86的可偏移懸臂梁84的根據(jù)本發(fā)明實施 例的磁性隧道結(jié)傳感器70的簡化示意性側(cè)視圖，該懸臂梁84的位置 取決于到傳感器70的輸入。MTJ傳感器(MTJS) 70包括基底72，便 利地為半導(dǎo)體基底，在該半導(dǎo)體基底上形成MTJ器件32和具有磁場源 86的懸臂梁84。基底72期望具有部分74，在該部分74中提供用于測 量MTJ32的電特性的改變的電子電路73，但是這不是必需的。當(dāng)采用 有源磁場源時(例如見圖9)，電路73還可以包括用于磁場源(MFS) 部分86的電流驅(qū)動器，但是這不是必需的。導(dǎo)體76便利地與MTJ電 極36電接觸，而導(dǎo)體78與MTJ電極38電接觸。導(dǎo)體76、 78便利地采用Ta/TaN，但是這不意圖限制，而是可以使用任何適合的導(dǎo)電材料。 可以在導(dǎo)體76和部分74之間提供絕緣層(未示出)。雖然未示出以 避免使得圖8-10過分混亂，但是還可以在MTJ 32之下，也就是在導(dǎo) 體76和基底72的區(qū)域74之間，提供圖1的電流導(dǎo)線34A，但是這不 是必需的。提供電介質(zhì)區(qū)域75來支持電極78。隧穿電介質(zhì)37便利的 采用氧化鋁，雖然也可以使用可以制造成非常薄、基本均勻的、針孔 自由層的其他高度絕緣材料，諸如MgO。在導(dǎo)體76、 78上面提供電介 質(zhì)平坦化層77。由層77的區(qū)域92支持懸臂梁84的區(qū)域82。懸臂梁 84的部分85和86是自由的，也就是，它們可以如由箭頭88所示移動。 梁84的磁場源(MFS)部分86位于MTJ 32上方。在層77中提供凹 部或開口 80，來允許懸臂梁84的部分85和MFS部分86例如向著以 及遠(yuǎn)離MTJ32偏移，如由箭頭88所示。在MFS 86的遠(yuǎn)側(cè)表面86上 提供類似于圖1的包層33的磁性屏蔽或包層83。如結(jié)合圖9-10以及 11-12解釋的，MFS 86可以是有源的，也就是承載電流(例如見圖9-10)， 或者是無源的，也就是包括永磁體87 (例如見圖11-12)。無論要利用 傳感器70測量什么物理參數(shù)，將該物理參數(shù)連接到懸臂梁84，從而導(dǎo) 致該懸臂梁84響應(yīng)于該物理參數(shù)的變化而如由箭頭88所示進行偏移。圖9是對應(yīng)于圖8的傳感器70的示例性實施例的磁性隧道結(jié)傳感 器70-l的簡化平面圖90-l，其中，懸臂梁84具有U形，如可以在圖9 中見到的。攜帶電流的可偏移懸臂梁84-1具有MFS部分86-1，該MFS 部分86-1提供變化的磁場到磁性隧道結(jié)(MTJ) 32。在平面圖90-1中 看到MTJ32，其中，電極38最接近觀眾。U形懸臂梁84-l具有錨 固在層77的區(qū)域92-1上的端部區(qū)域82-1;及在層77中的凹入?yún)^(qū)域或 開口 80-1上延伸的部分85-1和86-1。 MFS部分86-1形成"U"的底 部并且覆在MTJ 32上面。電流96流過包括MFS部分86-1的U形懸 臂梁84-l，并且在MTJ32附近產(chǎn)生磁場，該磁場類似于圖l的傳感器 30的磁場35。該布置被稱為具有有源磁場源(MFS)，也就是，磁場 由電流而不是永磁體生成。雖然懸臂梁84-1示出為具有直的寬度不變 的"U"的腿部，這僅僅為了便利說明而不意圖限制，本領(lǐng)域技術(shù)人員將基于這里的描述知道，可以采用適于容納期望電流以及在箭頭88的 方向上提供期望偏移特性的任何U形。圖10是示出進一步細(xì)節(jié)的圖8-9的懸臂梁84-1的部分71-1的簡 化側(cè)視截面圖。磁場源86-1的遠(yuǎn)側(cè)部分基本上被磁性屏蔽或包層83-1 覆蓋，而MFS 86-1的暴露表面91-1面向MTJ 32，如箭頭95-1所示。圖11是對應(yīng)于圖8的傳感器70的另一示例性實施例的磁性隧道 結(jié)傳感器70-2的簡化平面圖90-2，其中，具有上面有永磁體87的MFS 部分86-2的懸臂梁84-2響應(yīng)于到傳感器70-2的輸入的變化，向磁性 隧道結(jié)32提供變化的磁場。該布置被稱為具有無源磁場源，也就是， 磁場由永磁體而不是承載電流的電線或線圈生成。在平面圖90-2中見 到MTJ32，其中，電極38最接近觀眾。懸臂梁84-2便利地是單梁， 該單梁具有錨固在層77的區(qū)域92-2上的端部區(qū)域82-2;以及在層 77中的凹部或開口 80-2上延伸的部分85-2和86-2。提供永磁體87， 該永磁體87利用任何便利方式被附著到MTJ 32上方的MFS部分86-2。 磁體87便利地但是非必需地在梁84-2的下側(cè)上安裝在部分86-2下方， 而是也可以被安裝在部分86-2上方或其他地方。磁體87在MTJ 32附 近產(chǎn)生磁場，該磁場類似于圖1的傳感器30的磁場35。雖然在圖11 中將懸臂梁84-2示出為具有在錨區(qū)域82-2與MFS部分86-2之間的逐 漸變細(xì)的寬度93，這僅僅為了圖示方便，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，可 以使用任何形狀來為懸臂梁84-2提供在箭頭88方向上的期望偏移特 性。圖12是示出進一步細(xì)節(jié)的圖8和11的懸臂梁84-2的部分71-2 的簡化側(cè)視截面圖。下表面上具有永磁體87-2的磁場源86-2的遠(yuǎn)側(cè)部 分基本上由磁場屏蔽或包層83-2覆蓋。在MFS 86-2的表面91-2上安 裝有磁體87-2，并且磁體87-2面向MTJ32，如由箭頭95-2所示。圖13-18示出可以如何采用MTJ 32來提供能夠檢測多個物理參數(shù)的傳感器。圖13-18意圖作為非限制性實例，本領(lǐng)域技術(shù)人員基于這里 的描述將知道，根據(jù)這些和其他實例所指導(dǎo)的基本原理，可以進行很 多其他實現(xiàn)。為了描述方便，圖13-18的傳感器被示出為分離的、自立 的而非包括感應(yīng)和/或驅(qū)動電路的集成電路的一部分，但是這不被排除。 圖13-18以及相關(guān)討論僅僅意圖便利解釋而不意圖限制。本領(lǐng)域技術(shù)人 員將知道基于這里的描述，可以以分開或集成的方式采用在這多個 實例中指導(dǎo)的原理。圖13是根據(jù)本發(fā)明又一示例性實施例的通過磁性隧道結(jié)傳感器 100的簡化示意性截面圖。圖14是圖13的傳感器100的簡化局部剖視 平面圖。為了使得它們在圖14和17中被容易地看到以及不意圖限制， 假設(shè)MTJ32在平面圖內(nèi)基本上方形，并且假設(shè)磁場源104在平面圖內(nèi) 基本上圓形，但這只是為了便利描述。傳感器100包括具有安裝在主 體101內(nèi)的帶有導(dǎo)線或?qū)w76、 78的MTJ 32。再次參考圖13，具有 類似于圖10、 11和12的源87以及圖1的源34的磁場源104的隔膜 102位于MTJ 32上方。具有磁場源104的隔膜102響應(yīng)于多種外部刺 激如箭頭106所示移動。如之前結(jié)合圖1-7所解釋的，這具有改變在 MTJ32處的磁場H的效果，從而導(dǎo)致其電性能改變。由此，傳感器100 可以檢測可以改變磁場源(MFS) 104和MTJ32的相對位置的任何物 理參數(shù)或功能的變化。這些物理現(xiàn)象的非限制性實例為運動、加速度、 力、壓力、溫度等等。圖15是類似于圖13的傳感器100的、但是根據(jù)本發(fā)明又一示例 性實施例的傳感器111的簡化示意性截面圖。傳感器111不同于傳感 器100的是通過包括具有附著孔107的附著凸緣105，以便利將隔膜 102連同MFS 104連接到遠(yuǎn)程輸入，例如并且不意圖限制為其位置或 加速度要被監(jiān)視或檢測的對象，或者用于連接到其尺寸或分離隨著溫 度、壓力或其他壓力參數(shù)改變的裝置。圖16是大體與圖13相同但是根據(jù)本發(fā)明再一示例性實施例并采用類似于圖8-10的磁場源懸臂梁84、 86以及圖1的源34的有源磁場 源懸臂梁108的傳感器112的簡化示意性截面圖。圖17是示出進一步 細(xì)節(jié)的圖16的傳感器112的簡化局部剖視圖。安裝在隔膜102與MTJ 32之間的是類似于圖8-10的懸臂梁84的懸臂梁108，并且具有類似 于磁場源86的一端110，位于MTJ32上方；以及基本上覆蓋端部110 位于朝向遠(yuǎn)離MTJ 32的一側(cè)上的磁性屏蔽或包層103。在隔膜102的 下側(cè)上，也就是在面向懸臂梁108的側(cè)部上，便利地提供凸緣或連接 裝置109，以便利隔膜102到懸臂梁108的連接運動106。懸臂梁108 的第一端部被錨固在主體101中的區(qū)域101-1內(nèi)，而遠(yuǎn)端110自由地在 圖16的垂直方向上向著或遠(yuǎn)離MTJ32移動。如可以在圖17中更容易 看到的，類似于圖8-10的MFS 86，懸臂梁108期望為U形，具有位 于MTJ 32上方的形成"U"的"底部"的遠(yuǎn)端110。懸臂梁108適于 承載類似于圖9的電流96的電流114，該電流114在MTJ 32附近產(chǎn)生 類似于圖1的場35的磁場H，并由磁性屏蔽或包層103聚集。經(jīng)由凸 緣或連接裝置109連接到懸臂梁108的隔膜102的位置的變化改變了 在MTJ32處的磁場H，從而如已經(jīng)結(jié)合圖l-7解釋的改變其電特性。 由此，圖16-17的布置可以作為用于任何已經(jīng)提及的物理參數(shù)的傳感 器，并且具有其他優(yōu)點通過改變驅(qū)動電流114，可以調(diào)節(jié)在MTJ 32 處的周圍磁場H，從而傳感器112根據(jù)期望二進制輸出(例如見圖5) 還是模擬輸出(例如見圖7)還是它們的組合(例如見圖6)，在最優(yōu) 選范圍內(nèi)操作。這是顯著優(yōu)點。圖18是類似于圖16的傳感器112但是根據(jù)本發(fā)明又一示例性實 施例的傳感器116的簡化示意性截面圖。傳感器116具體適于測量壓 力和/或溫度。傳感器116不同于傳感器114的地方在于包括位于隔 膜102上方的具有內(nèi)腔120的殼體118。當(dāng)期望傳感器116基本上作為 壓力傳感器時，可選I/0端口 119被提供在殼體118內(nèi)并且連接到要確 定壓力的腔或線路或區(qū)域。腔120內(nèi)壓力的增加導(dǎo)致隔膜102以及懸 臂梁108的遠(yuǎn)端110向著MTJ 32移動，從而增加在MTJ 32處的磁場 H。當(dāng)腔120內(nèi)壓力下降時，相反發(fā)生，并且在MTJ32處的磁場H減少。響應(yīng)于磁場H改變的電特性的對應(yīng)改變提供反映壓力變化的電輸出。如之前已經(jīng)解釋的，該輸出可以是二進制的、模擬的或者兩者的 混合。當(dāng)期望傳感器116作為溫度傳感器時，省略或密封可選I/O端口 119，從而將已知量的氣體堵隔在腔120內(nèi)。隨著腔120內(nèi)的氣體的溫 度響應(yīng)于殼體118的溫度變化而上升或下降，在腔120內(nèi)的氣體的壓 力據(jù)此響應(yīng)，隔膜102向著或遠(yuǎn)離MTJ 32移動并且MTJ 32的電特性 以與已經(jīng)針對壓力傳感器情況描述的方式一樣進行變化。通過調(diào)節(jié)在 基準(zhǔn)溫度處的初始?xì)鈮阂约翱蛇x地調(diào)節(jié)驅(qū)動電流114，可以將從MTJ 32 輸出的基準(zhǔn)溫度設(shè)置為期望值。同樣地，通過選擇懸臂梁108和隔膜 102的彈性常數(shù)，可以改變傳感器116的動態(tài)范圍。通過隔膜102禾口/ 或懸臂梁108的適當(dāng)設(shè)計，可以根據(jù)期望應(yīng)用使得傳感器116的響應(yīng) 線性或非線性。本領(lǐng)域技術(shù)人員理解如何使得懸臂梁或隔膜具有線性 或非線性響應(yīng)。這些是本發(fā)明的其他優(yōu)點。雖然圖16的壓力和溫度傳 感器116已經(jīng)被示出為使用U形有源磁場源，但是不意圖限制，而是 也可以使用無源磁場源和單臂懸臂梁?？赡芷谕麨镸TJ32提供溫度穩(wěn) 定性，從而MTJ32自身特性中的溫度變化相較于由MFS 104、 110的 運動所導(dǎo)致的改變來說不明顯。圖19是本發(fā)明傳感器的制造方法122的簡化流程圖。方法122始 于開始123以及初始形成MTJ步驟124，其中，準(zhǔn)備例如類似于圖1 和8-18的MTJ 32的磁性隧道結(jié)(MTJ)，具有或者不具有圖1的導(dǎo)體 34A。本領(lǐng)域技術(shù)人員將知道，MTJ 32的幾何形狀和布置僅僅作為示 例而不意圖限制。也可以使用其他MTJ布置。在后續(xù)步驟125中，將 可移動磁場源(MFS)，諸如在圖1和8-18中示出的MFS34、 86、 87、 104、 110，被可移動地連接到MTJ 32，從而使得通過MFS 34的移動 來修改在MTJ 32處的磁場?？梢允褂萌魏晤愋偷拇艌鲈础Ｔ诰哂袌D 13-18中所示布置的傳感器的情況下，包含MFS 104、 110的隔膜102 附著到MTJ32上方。然后，方法122大體在結(jié)束126處完成。19圖20是類似于圖19的方法122但是示出進一步細(xì)節(jié)的方法122' 的簡化流程圖。開始123'和形成MTJ步驟124與方法122中的相同。 在圖20中，步驟125被細(xì)分為在MTJ上方添加平坦化間隔物步驟 126;接著是在平坦化間隔物上形成MFS步驟127;接著是在MFS遠(yuǎn) 側(cè)部分上形成磁性包層步驟128;以及然后是步驟129，其中移除在步 驟126中提供的平坦化間隔物的一部分，從而使得可以響應(yīng)于期望感 應(yīng)或測量的改變物理參數(shù)來相對于MTJ (例如MTJ32)移動包層MFS (例如MFS34、 86、 87、 104、 110)，由此該移動改變在MTJ (例如 MTJ 32)處的磁場。方法122'適于其中使用集成電路技術(shù)制造傳感器 30、 70的情況，但是不局限于此。然后方法122'進行到結(jié)束126'。圖21是利用步驟132-148示出圖19-20的方法的實施例的再進一 步細(xì)節(jié)的一組簡化示意性截面圖(下文中的方法130)?？梢詫⒎椒?130細(xì)分為對應(yīng)于圖19-20的步驟124以及類似于圖19-20的步驟125 的步驟140-148 (總稱為125-1)。方法130便利地針對其中制造MTJ 傳感器32作為集成電路的部分的情況來描述，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將 知道如何將傳感器制造為自立的元件。在初始步驟132中，提供基底 150，優(yōu)選地為適于準(zhǔn)備集成電路的例如硅的半導(dǎo)體基底(例如Si、GaAs 等)。在步驟134中，使用公知半導(dǎo)體集成電路處理技術(shù)來形成晶體 管和/或其他元件，以在基底150內(nèi)和/或上提供，用于MTJ傳感器以及 如果需要的話電流導(dǎo)線34A的測量和/或驅(qū)動電路152。本領(lǐng)域技術(shù)人 員將知道如何做這些事情。這對于本發(fā)明是非必需的。在步驟136中， 生長或淀積例如氧化硅和/或氮化硅或其他絕緣材料的電介質(zhì)層154， 以及在其上淀積或形成例如鋁、銅、鉭、氮化鉭、鈦、氮化鈦等等的 第一導(dǎo)體76，并對第一導(dǎo)體76形成圖案，以可選地在區(qū)域157中與電 路152的適當(dāng)元件接觸。在導(dǎo)體76上淀積第一電極36并與該導(dǎo)體76 電接觸，并且被形成圖案以形成MTJ32的第一電極36 (見圖8)，其 中，該第一電極36采用例如銥錳、鉑錳、鈷鐵、鈷鐵硼、釕等以及它 們的組合。材料組合的選擇應(yīng)該具有相對高的矯頑力。期望但是不必需地，到目前為止提供的多種半導(dǎo)體、電介質(zhì)和導(dǎo)體區(qū)域或?qū)右约盎?50充分難熔，從而承受可用于將電極36中的自旋軸40固定在預(yù) 定取向上的退火溫度(例如200到350攝氏度)。然而，也可以使用 用于固定自旋軸40的其他方式。在步驟138中，在電極36上生長或 淀積例如氧化鋁或氧化鎂的隧穿電介質(zhì)37，并且在隧穿電介質(zhì)37上生 長或淀積例如鎳鐵、鈷鐵、鈷鐵硼、釘和/或等等以及潛在地覆蓋以諸 如鉭、氮化鉭、鈦、氮化鈦等的導(dǎo)電材料的導(dǎo)電電極38。在電極38中 使用的材料組合應(yīng)該具有比構(gòu)成電極36的材料更低的矯頑力。電極36、 電介質(zhì)37和電極38形成圖1和8中所示的MTJ32。便利地提供導(dǎo)體 76、 78以分別與電極36、 38接觸。雖然導(dǎo)體76、 78示出為在位置157、 169處與電路152的適當(dāng)元件接觸，這不是必需的，而是它們可以以任 何便利方式連接到驅(qū)動電子器件。在存在的結(jié)構(gòu)上淀積或生成或以另外方式形成例如二氧化硅、氮 化硅、摻雜磷的二氧化硅等的第一平坦化層166，從而使得電極38的 上表面暴露?？蛇x擇地，可以淀積第一平坦化層166，然后例如通過化 學(xué)機械拋光(CMP)過程或光刻技術(shù)和蝕刻序列來從電極38的上表面 的全部或部分選擇性地移除該第一平坦化層166。然后，在其上淀積、 生長或以另外方式形成例如鋁、銅、鉭、氮化鉭、鈦、氮化鈦等或甚 至這些類型材料的組合的導(dǎo)體78，以與電極38電接觸，以及可選擇地 在位置169與電路152的適當(dāng)元件電接觸。從導(dǎo)體78延伸到位置169 的下沉163可以同時地且作為導(dǎo)體78的一部分來形成，或者在導(dǎo)體78 形成之前或之后單獨地形成。任一布置都可以。然而，下沉163 (以及 步驟136的下沉155)是非必需的，并且導(dǎo)體78 (以及導(dǎo)體76)可以 路由到除了埋入電路152的其它地方。在步驟140中，在第一平坦化 層166和導(dǎo)體78上淀積、生長或以其他方式形成具有上表面171的、 例如二氧化硅、氮化硅、摻雜磷的二氧化硅等的第二平坦化層170。第 二平坦化層170的厚度173將部分地確定懸臂梁84和MTJ 32的邊界 分離。厚度173通常在0.1到1.0微米的范圍內(nèi)、便利地在0.1到0.5 微米的范圍內(nèi)以及優(yōu)選地在0.2到0.4微米的范圍內(nèi)。如果要朝向MTJ32地在懸臂梁84的下表面上安裝永磁體87，則需要考慮其厚度。然后，在適當(dāng)位置在表面171上生長、淀積或以另外方式形成期 望用于梁84的材料，從而MFS區(qū)域86、 110 (見圖8-12)將位于MTJ 32上方，以及位于層170上的錨固區(qū)域82 (見圖8-12)將與該MFS 區(qū)域分隔開期望梁長度。廣泛多種材料，純或合金或合成物或分層結(jié) 構(gòu)可以被用于梁84的材料。Cu、 Al、 Au、 Ti、 W、多晶硅以及它們的 多種混合物和合金是適當(dāng)材料的非限制實例，但也可使用其他材料。 便利地但是非必需地通過濺射來形成或淀積這些材料，可以使用共濺 射、蒸發(fā)、電鍍、化學(xué)鍍或化學(xué)汽相淀積或它們的組合。優(yōu)選地與電 鍍組合的濺射和共濺射，但是也可以使用其他材料和工序。重要的是， 梁84具有適于期望應(yīng)用的尺寸和硬度。本領(lǐng)域技術(shù)人員基于這里的描 述，將知道如何設(shè)計和制造他們的應(yīng)用所需要特性的懸臂梁。使用Cu 制造圖9所示類型的示例性梁結(jié)構(gòu)，并且梁厚度在大約0.3到1.0微米 的范圍內(nèi)，并且梁結(jié)構(gòu)具有大約100微米的U形臂寬度，以及具有大 約5微米的寬度的MFS區(qū)域86 (見圖8-10)。然后，在梁84的區(qū)域 86上方，形成和圖案化包層83。如之前解釋的，對于包層83優(yōu)選具 有較高導(dǎo)磁率的磁性材料。在步驟144中，在第二平坦化層166以及依然支持的具有包層83 的梁84上方便利地生長或淀積或以其他方式形成例如二氧化硅或氮化 硅的附加掩模層174。在其中使用本領(lǐng)域中公知的方法諸如使用光刻和 蝕刻序列來提供孔或開口 175。將成為懸臂梁84的部分82(見圖8-12) 的是被掩模層174覆蓋的左側(cè)?？谆蜷_口 175另外延伸稍微超出梁84 的剩余部分的外圍，從而在方法步驟146中，可以例如通過濕蝕刻工 序來移除在開口 175下面的平坦化層170的部分178，由此在其位置上 產(chǎn)生腔或凹部80。本領(lǐng)域技術(shù)人員將知道，如果在腔80形成之前沿著 腔80的內(nèi)壁垂直地以及沿著腔80的底部均提供蝕刻停止層(未示出)， 則獲得該工序的更好控制?，F(xiàn)在，梁84除了錨固到平坦化層166、 77 的部分92的部分82之外都是自由的。在方法步驟148中，(期望但是非必需地)移除掩模層174的剩余部分，以及可選地，將用于提供 電流96 (見圖8-9)的(多個)導(dǎo)線179結(jié)合或以另外方式連接到梁 84的部分82。如果圖11的布置與無源MFS 87—起使用，則不需要(多 個)導(dǎo)線179。圖22是類似于圖21的方法130的步驟132-148但是根據(jù)本發(fā)明 方法的另一示例性實施例的簡化示意性截面圖132-138、 140'-148'的組 (總稱方法130')。方法130'可以被細(xì)分為對應(yīng)于圖19-20的步驟124 的步驟132-138以及類似于圖19-20的步驟125的步驟140，-148，(總稱 為125-2)。在圖19-20中使用相同的附圖標(biāo)記來表示相似的區(qū)域或?qū)樱?其中，這些區(qū)域或?qū)硬灰欢ㄏ嗤穷愃疲鼈兺ㄟ^使用相同附圖標(biāo) 記添加了符號(')來表示。例如，圖22中的步驟140'類似于圖21中 的步驟140，而圖22中的表面171'類似于圖21中的表面171，等等。 因為在方法130和130'之間的顯著共性，方法130的討論通過參考被 包括在這里并且僅僅在這里解釋顯著的差異。方法130'的步驟132-138 基本上與方法130中相同并在這里不另外描述。步驟140'-148'在一些 方面不同。在步驟140，中，例如摻雜磷的二氧化硅的犧牲區(qū)域172被 淀積和形成圖案以具有基本上與要提供在懸臂梁84下面的腔80(見圖 8)所需要的相同的形狀、位置和厚度173'。重要的是，區(qū)域172和第 二平坦化層170'可以被不同地蝕刻或溶解，也就是，能夠溶解掉該區(qū) 域172而不明顯影響第二平坦化層170'或任何下面的層或區(qū)域。在步 驟142，中形成例如二氧化硅或氮化硅的第二平坦化層170'，從而使上 表面171，與犧牲區(qū)域172的上表面171'，基本上水平。這可以例如通過 淀積第二平坦化層170，接著是CMP步驟或其他平坦化工序的序列來獲 得。在步驟144'中，然后，以基本上與方法130中之前描述過相同的 方式、材料、形狀和尺寸來形成懸臂梁84和包層83。在步驟146'中， 蝕刻掉犧牲區(qū)域172，留下對應(yīng)于圖8的腔或凹部80的在懸臂梁84下 面的腔或凹部80。在步驟148'中，可選地將導(dǎo)線179附著到梁84，如 之前結(jié)合方法130的步驟148所描述那樣。方法130'的結(jié)束結(jié)果類似 于通過方法130獲得的結(jié)果。優(yōu)選方法130'。圖23是類似于圖21-22的截面圖但是根據(jù)本發(fā)明方法的又一示例 性實施例200的一組示意性截面圖132-138、 140'、 202-206。方法200 可以被細(xì)分為對應(yīng)于圖19-20的步驟124的步驟132-138以及類似于圖 19-20的步驟125的步驟140'、 202-206 (總稱為125-3)。在圖21-23 中使用相同的附圖標(biāo)記來表示相似的區(qū)域或?qū)樱渲?，這些區(qū)域或?qū)?不一定相同但是類似，然后，根據(jù)結(jié)合方法130'使用的相同規(guī)則，通 過使用相同附圖標(biāo)記添加有符號(')來表示這些區(qū)域或?qū)?。方?00 的步驟132-138與方法130、 130'中的對應(yīng)方法相同，因此在這里不進 一步描述。步驟140，和202-206在一些方面不同。在步驟140'中，以 與之前在方法130'中所述相同的方式來形成和圖案化犧牲區(qū)域172，從 而使得該犧牲區(qū)域172具有與要提供在懸臂梁84'下面的腔S0(見圖8) 所需基本相同的形狀、位置和厚度173'。重要的是，區(qū)域172和第一 平坦化層166可以被不同地蝕刻或溶解，也就是說，能夠溶解掉區(qū)域 172而不明顯影響第一平坦化層166或電極78。在步驟202中，然后， 以與之前在方法130、 130'中所述基本上相同的方式和材料來形成懸臂 梁84'和包層83'。在步驟202中，梁84'被便利地錨固在平坦化層166 上，但這不必需，而是也可以使用采用類似于在方法130'中釆用的第 二平坦化層的結(jié)構(gòu)。在步驟204中，溶解或蝕刻掉犧牲區(qū)域172，留下 在懸臂梁84'下面的腔或凹部80'。在步驟206中，可選地將導(dǎo)線179 附著到梁84，如之前結(jié)合方法130的步驟148所述的那樣。方法200 的結(jié)束結(jié)果與通過方法130'獲得的結(jié)果類似。圖24示出根據(jù)本發(fā)明實施例的MTJ 32的電極36、 38的分解平面 圖300，其中，至少一個電極呈方形。在圖23中橫向地顯示電極36、 38，從而使得可以更容易地看到它們的相對形狀和尺寸。當(dāng)組裝以形 成MTJ 32時，它們一個位于另一個上，也就是電極38位于電極36上。 電極38最接近MFS 34、 86。電極36-1、 38-1被示出為基本上方形，也就是具有這樣的X和Y尺寸Y36.產(chǎn)X36.產(chǎn)Y38.嚴(yán)X38.i。為了解釋方便，這是迄今為止對大部分所用的表示，但是這不是必需的。電極36-2和38-2與電極36-2不同且呈矩形為丫36-2〉乂36.2并且Y38.2=X38-2。再一次， 僅僅意圖示出電極的多種可能形狀而非排他或限制。圖25示出根據(jù)本發(fā)明實施例的MTJ的電極36、 38的平面圖310， 其中，兩個電極的任一個或者全部都具有多種示例性的非方形形狀。 例如，在310-1中，兩個電極36、 38的任一或全部呈矩形且細(xì)長，并 且尺寸X明顯大于Y;在310-2中，兩個電極36、 38的任一或全部細(xì) 長，且乂》￥并且具有三角形端部；以及在310-3中，兩個電極36、 38的任一或全部細(xì)長，且乂〉>￥并且具有圓形端部。當(dāng)將電極一個放 置在另一個上來形成MTJ32時，它們的較長尺寸可以相對于彼此成多 個角度，如圖26中示意性所示。因為在薄電極內(nèi)的平面圖不對稱性影 響電子自旋軸可以旋轉(zhuǎn)的容易性或困難性，所以在某些情況下使用顯 著不對稱的電極形狀是有用的。例如，雖然本領(lǐng)域已知通過在存在磁 場的情況下進行熱處理來固定在第一電極中的電子自旋軸，另一實現(xiàn) 方法為使得電極形狀高度不對稱，例如，在平面圖內(nèi)長且狹宰，因 為非常難以旋轉(zhuǎn)電子自旋軸遠(yuǎn)離該不對稱形狀的長方向。然而，可以 使用任一用于固定自旋軸的布置。圖26示出根據(jù)本發(fā)明實施例的MTJ的電極的平面圖320，其中， 電極36、 38的至少一個具有相對于其他電極的多種角度布置。為了描 述便利，第一電極36-4被示出為單個連續(xù)電極，而多個分段第二電極 38-4-1......38-4-4以不同角度跨越該第一電極36-4。但是這不意圖限制，而是電極36-4可以由分離的段構(gòu)成，這些段的每個段位于第二電極 38-4-1......38-4-4的單個下面。第二電極38-4-1取向為使得其長尺寸相對于電極36-4成角度(03)，例如基本上正交于第一電極36-4的長尺 寸。第二電極38-4-2取向為使得其長尺寸基本上平行于(或相反平行 于)第一電極36-4的長尺寸。第二電極38-4-3取向為使得其長尺寸在 相對于第一電極36-4的長尺寸成角度0-1，而第二電極38-4-4取向為 使得其長尺寸相對于第一電極36-4的長尺寸成角度/3-2，其中0^《0 度。由此，可以對第一和第二電極36、 38使用廣泛多種的不同相對角度取向。圖27示出用于支持由磁性屏蔽83A、83B、83C包層的磁場源86A、 86B、 86C的不同長度333、 335、 337的多個懸臂梁332、 334、 336的 簡化平面圖330，其中該多個懸臂梁位于多個MTJ32A、 32B、 32C附 近。通過使用截面相同但是長度不同(或者截面不同但是長度相似或 采用其他尺寸和形狀變化)的懸臂梁，可以使得偏轉(zhuǎn)不同梁所需要的 力或加速度不同。由此，可以使得每個梁在力或加速度或壓力或溫度 或其他物理參數(shù)的不同范圍上進行響應(yīng)。通過將它們組合在單個傳感器中，可以按照需要擴展該傳感器的整個動態(tài)范圍。在圖27的實例中， 在傳感器332、 334、 336中的差異僅僅為梁長度333、 335、 337。可以 基本上同時地在相同的基底上利用相同工序來制造這多個傳感器，各 個傳感器的不同幾何形狀由掩模變化而非工序變化來提供。這是本發(fā) 明的顯著優(yōu)勢。圖28是簡化示意性電路圖340，其中，圖27的多個MTJ 32A、 32B、 32C被示出為利用分別導(dǎo)向終端343、 345的導(dǎo)線342、 344電并 聯(lián)。圖29是用于MTJ的32A、 32B、 32C的并聯(lián)布置的Rt対F的簡化 圖示，其中，Rt是各個MTJ 32A、 32B、 32C的電阻Rt的并聯(lián)組合， 而F是被同時施加到多個傳感器332、 334、 336的懸臂梁84A、 84B、 84C的加速度或力。為了解釋方便，假設(shè)MTJ32A、 32B、 32C具有基 本上相同的Rt對H特性，但是懸臂梁84A、 84B、 84C具有不同的硬 度，從而對于傳感器336， H:He在F4處發(fā)生；對于傳感器334， H二He在F:2處發(fā)生；而對于傳感器332， H=He在F=3個單位處發(fā)生。 換句話說，在F4處，梁84C被完全偏轉(zhuǎn)(緊靠其制動器或區(qū)域86-3 接觸MTJ32C);在F-2處，梁84B被完全偏轉(zhuǎn)(緊靠其制動器或區(qū) 域86-2緊靠MTJ32B);以及在F=3處，梁84A被完全偏轉(zhuǎn)(緊靠其 制動器或區(qū)域86A接觸MTJ 32A)，并且在每個情況下極限位置在相 關(guān)聯(lián)的MTJ處產(chǎn)生H。。然后，對于類似于圖5所示的各個Rt對H特 性，該三個梁布置給出圖29中以圖示352、 354、 356中示意性示出的RT對F響應(yīng)(350)。圖示352的跡線358對應(yīng)于這樣的情況，其中 已經(jīng)對傳感器330施加F=l的力(或加速度)，并且最容易偏轉(zhuǎn)的傳 感器(例如傳感器336)向MTJ32C提供Hc。圖示354的跡線360對 應(yīng)于這樣的情況，其中已經(jīng)對傳感器330施加F二2的力(或加速度)， 并且下一個最容易偏轉(zhuǎn)的傳感器(例如傳感器334)向MTJ 32B提供 Hc。圖示356的跡線362對應(yīng)于這樣的情況，其中已經(jīng)對傳感器330 施加F=3的力(或加速度)，并且最不容易偏轉(zhuǎn)的傳感器(例如傳感 器332)向MTJ32A提供Hc。在該例子中，假設(shè)所有MTJ最初在它們 的低電阻狀態(tài)，隨著傳感器330所暴露給的力或加速度的增加，在電 路340中測量的總電阻RT以逐步方式增加。便利地在每個傳感器中包 括類似于圖1的導(dǎo)體34A的電流導(dǎo)線(未示出)，以當(dāng)移除F時提供 -Hc以將電極38中的自旋軸翻轉(zhuǎn)回到其初始狀態(tài)。由此，通過使用具 有不同彈性常數(shù)和偏轉(zhuǎn)范圍的多個傳感器，可以獲得更寬的總動態(tài)范 圍，或者量化為圖29所示，或者通過使用響應(yīng)類似圖6或7的MTJ 來模擬。雖然可以使用圖28所示的并聯(lián)電布置，但是也可以使用串聯(lián) 布置。并聯(lián)和串聯(lián)的任一種布置都可行。本發(fā)明的顯著優(yōu)勢是使用 相同的制造工序能夠容易地在相同的基底上構(gòu)建具有不同響應(yīng)的傳感 器，僅僅利用掩模差異來改變各個傳感器的幾何形狀。雖然已經(jīng)在懸 臂梁傳感器方面描述使用多個傳感器來擴展動態(tài)范圍，這僅僅為了說 明而不意圖限制。本領(lǐng)域技術(shù)人員基于這里所示將知道，也可以使用 諸如圖13-18所示的隔膜型傳感器以及組合相對位置響應(yīng)于傳感器輸 入而改變的多個MTJ和多個MFS的其他物理布置。在第一示例性實施例中，提供用于形成具有屏蔽磁場源(MFS) 的傳感器的方法，包括形成磁性隧道結(jié)(MTJ);在該MTJ上淀積 間隔物；在該間隔物上提供磁場源(MFS)，該MFS具有指向MTJ 并位于MTJ上方的第一面以及離開MTJ地指向的第二面；至少在MFS 的第二面上并入磁性包層；以及移除在MFS和MTJ之間的間隔物的一 部分，從而使得位于MTJ上方的MFS的第一和第二面可以響應(yīng)于對于 傳感器的輸入而相對于MTJ移動。在另一示例性實施例中，并入步驟磁性包層，從而使得在MFS和包層的外部 的MFS的磁場基本上指向MTJ。在又一示例性實施例中，該并入步驟 包括使用具有等于或高于磁場源的導(dǎo)磁率的導(dǎo)磁率的包層材料。在 又一示例性實施例中，提供步驟包括在間隔物上淀積MFS，以及并入 步驟包括在MTJ上方的間隔物上的MFS的一部分上，淀積磁性包層。 在再一示例性實施例中，形成步驟包括淀積第一電極，該第一電極 構(gòu)造成使得其電子自旋軸可以被固定；在第一電極上提供隧穿電介質(zhì)； 以及在隧穿電介質(zhì)上淀積第二電極，該第二電極構(gòu)造成使得其電子自 旋軸可以是自由的。在另一示例性實施例中，淀積第一電極的步驟包 括淀積用于第一電極的、具有相對于第二電極較高的矯頑力的的材料， 而淀積第二電極的步驟包括淀積用于第二電極的、具有相對于第一電極較低的矯頑力的材料，并且并入步驟包括淀積包括低矯頑力的鐵磁 材料的磁性包層。在又一示例性實施例中，該方法還另外包括在提 供MFS的步驟之前，在存在磁場的情況下熱處理第一電極，以將第一 電極的電子自旋軸固定在預(yù)定取向上。在再一示例性實施例中，提供 MFS的步驟包括在間隔物上淀積柔性部件，該柔性部件具有第一端和 第二端，第一端適于包括位于第二電極上方的MFS以及偏轉(zhuǎn)地響應(yīng)輸 入，而第二端位于間隔物的遠(yuǎn)側(cè)部分上且不在第二電極上方；并且并 入步驟包括在柔性部件的第一端上淀積磁性包層。在另一示例性實施 例中，提供MFS的步驟包括淀積導(dǎo)體，該導(dǎo)體適于通過其位于MTJ 上方的部分承載電流；而并入步驟包括在所述部分上淀積磁性包層。在第二示例性實施例中，提供形成并入磁性屏蔽場源的傳感器的 方法，該方法包括提供支持基底；在基底上淀積第一電極，其中， 第一電極包括第一矯頑力的磁性材料；在第一電極上形成隧穿電介質(zhì)； 與隧穿電介質(zhì)接觸地淀積第二電極，其中，該第二電極包括第二矯頑 力的磁性材料，該第二矯頑力小于第一矯頑力；懸置懸臂梁，該懸臂 梁的第一端位于第二電極上方，適于相對于第二電極移動且并入磁場 源(MFS);在第一端上淀積磁屏蔽材料，從而使得MFS處于磁屏蔽 材料與第二電極之間；以及將懸臂梁的第二遠(yuǎn)端連接到基底。在另一示例性實施例中，懸置懸臂梁的步驟包括在基底上且在第二電極上 方，淀積犧牲間隔物；形成梁，該梁的至少第一端位于犧牲間隔物上； 以及在第一端上淀積磁屏蔽材料后，移除在MFS和第二電極之間的第 一端下面的犧牲間隔物的一部分。在又一示例性實施例中，懸置梁的 步驟包括形成U形梁，并且該U形梁的閉合端并入MFS;而淀積磁屏 蔽材料的步驟包括在U形梁的閉合端上淀積磁屏蔽材料；以及連接梁 的步驟包括將U形梁的打開的遠(yuǎn)端連接到基底。在另外的示例性實施 例中，提供步驟包括提供包含連接到MTJ的電子器件的半導(dǎo)體基底， 從而當(dāng)該電子器件起作用時，提供電流到MTJ并測量電壓。在第三示例性實施例中，提供用于形成傳感器的方法，該方法包括制造磁性隧道結(jié)(MTJ)，該磁性隧道結(jié)具有由電介質(zhì)分開的第一 含鐵磁電極以及第二含鐵磁電極，該電介質(zhì)適于提供在該兩個電極之 間的隧穿傳導(dǎo)；在第二含鐵磁電極附近可移動地懸置地安裝磁場源 (MFS)，從而響應(yīng)于傳感器輸入的、在MTJ與MFS之間的距離的變 化導(dǎo)致在MTJ處由MFS提供的磁場變化，從而改變MTJ的電特性； 以及利用高導(dǎo)磁率的鐵磁材料覆蓋朝向遠(yuǎn)離MTJ的MFS的一部分。在 另一示例性實施例中，安裝步驟包括形成具有電流承載導(dǎo)體的MFS。 在又一示例性實施例中，安裝步驟包括淀積包括U形導(dǎo)體的MFS,該 U形導(dǎo)體適于承載電流以提供在MTJ處的磁場。在再一示例性實施例 中，安裝步驟包括安裝永磁體作為磁場源。在又再一示例性實施例中， 安裝步驟包括提供懸臂梁，該懸臂梁具有第一端，并入MFS且適于 響應(yīng)于傳感器的輸入相對于MTJ移動；以及第二遠(yuǎn)端，固定地安裝到 MTJ。在另一示例性實施例中，該方法進一步包括在制造步驟之前， 在MTJ附近提供導(dǎo)電體，并使得該導(dǎo)電體取向以攜帶在基本上與MTJ 上方的U形導(dǎo)體的部分內(nèi)流動的電流成直角的方向上的電流。在又一 示例性實施例中，該方法包括在共用基底上基本上同時地制造多個隧 道結(jié)(MTJ)，基本上同時地安裝多個磁場源(MFS)，從而每個MFS 在一個MTJ附近可移動地懸置，其中，該多個MFS共同接收傳感器輸 入但是具有對于該輸入的不同可移動響應(yīng)，以及其中，每個MFS在朝向遠(yuǎn)離MTJ的所述部分上包括高導(dǎo)磁率的鐵磁材料，并且串聯(lián)地或者 并聯(lián)地或者兩者組合地電連接至少一些MTJ來提供對于傳感器輸入的 組合電響應(yīng)。雖然在之前詳細(xì)描述中已經(jīng)提出了至少一個示例性實施例，應(yīng)該 知道存在大量的變化。還應(yīng)該知道，示例性實施例或多個示例性實施 例僅僅是實例，而不意圖以任何方式限制本發(fā)明的范圍、應(yīng)用或配置。 而是，前述詳細(xì)描述僅僅向本領(lǐng)域技術(shù)人員提供用于實現(xiàn)示例性實施 例或多個示例性實施例的便利路線圖。應(yīng)該知道，在不偏離如在所附 權(quán)利要求及其等效闡述的本發(fā)明范圍的情況下，可以對于元件的功能 和布置進行多種改變。
權(quán)利要求
1.一種用于形成具有被屏蔽的磁場源(MFS)的傳感器的方法，包括形成磁性隧道結(jié)(MTJ)在所述MTJ上方淀積間隔物；在所述間隔物上提供所述磁場源(MFS)，所述MFS具有指向并位于所述MTJ上方的第一面和離開所述MTJ地指向的第二面；至少在所述MFS的所述第二面上并入磁性包層；以及移除所述MFS與所述MTJ之間的所述間隔物的一部分，使得位于所述MTJ上方的所述MFS的所述第一和第二面可以響應(yīng)于所述傳感器的輸入而相對于所述MTJ移動。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其中，所述并入步驟包括 與所述MFS相關(guān)地形成所述磁性包層，使得在所述MFS和所述包層外部的所述MFS的磁場基本上指向所述MTJ。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其中，所述并入步驟包括 使用具有等于高于所述磁場源的導(dǎo)磁率的導(dǎo)磁率的包層材料。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其中 所述提供步驟包括 在所述間隔物上淀積所述MFS;以及 所述并入步驟包括在所述MTJ上方的所述間隔物上的所述MFS的一部分上，淀積 所述磁性包層。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其中，所述形成步驟包括 淀積第一電極，所述第一電極構(gòu)造成使得所述第一電極的電子自旋軸可以被固定；在所述第一電極上提供隧穿電介質(zhì)；以及在所述隧穿電介質(zhì)上淀積第二電極，所述第二電極構(gòu)造成使得所 述第二電極的電子自旋軸可以是自由的。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中 淀積所述第一電極的所述步驟包括淀積用于所述第一電極的材料，該材料具有相對于所述第二電極 較高的矯頑力；以及淀積所述第二電極的所述步驟包括淀積用于所述第二電極的材料，該材料具有相對于所述第一電極 較低的矯頑力；以及所述并入步驟包括淀積所述磁性包層，所述磁性包層包括低矯頑力的鐵磁材料。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的傳感器，在提供所述MFS的所述步驟 之前還包括在存在磁場的情況下熱處理所述第一電極，以將所述第一電極的 所述電子自旋軸固定在預(yù)定取向上。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中提供所述MFS的所述步驟包括-在所述間隔物上淀積柔性部件，所述柔性部件具有第一端和第二端，所述第一端適于包括位于所述第二電極上方的所述MFS并且偏轉(zhuǎn) 地響應(yīng)于所述輸入，而所述第二端位于所述間隔物的遠(yuǎn)側(cè)部分上且不 位于所述第二電極上方；以及 所述并入步驟包括在所述柔性部件的所述第一端上淀積所述磁性包層。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中 提供所述MFS的所述步驟包括淀積導(dǎo)體，所述導(dǎo)體適于通過所述導(dǎo)體位于所述MTJ上方的一部 分承載電流；以及所述并入步驟包括 在所述部分上淀積所述磁性包層。
10. —種形成并入磁性屏蔽的場源的傳感器的方法，包括 提供支持基底；在所述基底上淀積第一電極，其中所述第一電極包括第一矯頑力 的磁性材料；在所述第一電極上形成隧穿電介質(zhì)；與所述隧穿電介質(zhì)接觸地淀積第二電極，其中，所述第二電極包 括第二矯頑力的磁性材料，所述第二矯頑力小于所述第一矯頑力；懸置懸臂梁，所述懸臂梁具有位于所述第二電極上方的第一端， 所述第一端適于相對于所述第二電極移動并且并入磁場源(MFS);在所述第一端上淀積磁屏蔽材料，使得所述MFS在所述磁屏蔽材 料與所述第二電極之間；以及將所述懸臂梁的第二遠(yuǎn)側(cè)端連接到所述基底。
11. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的方法，其中 懸置所述懸臂梁的所述步驟包括在所述基底上且在所述第二電極上方淀積犧牲間隔物； 形成所述梁，所述梁的至少所述第一端位于所述犧牲間隔物上；以及在所述第一端上淀積所述磁屏蔽材料之后，移除在所述MFS與所 述第二電極之間位于所述第一端下面的所述犧牲間隔物的一部分。
12. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的方法，其中 懸置所述梁的所述步驟包括形成U形的所述梁，所述U形的閉合端并入所述MFS;以及 淀積所述磁屏蔽材料的所述步驟包括在所述U形梁的所述閉合端上淀積所述磁屏蔽材料；以及 連接所述梁的所述步驟包括將所述u形梁的打開的遠(yuǎn)側(cè)端連接到所述基底。
13. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的方法，其中，所述提供步驟包括提供半導(dǎo)體基底，所述半導(dǎo)體基底包含連接到所述MTJ的電子器 件，以當(dāng)所述電子器件起作用時提供電流到所述MTJ并測量跨過所述 MTJ的電壓降。
14. 一種用于形成傳感器的方法，包括制造磁性隧道結(jié)(MTJ)，所述磁性隧道結(jié)(MTJ)具有由電介質(zhì) 分開的第一含鐵磁電極和第二含鐵磁電極，所述電介質(zhì)適于在所述兩 個電極之間提供隧穿導(dǎo)通；在所述第二含鐵磁電極附近安裝可移動地懸置的磁場源(MFS)， 使得響應(yīng)于所述傳感器的輸入的所述MTJ與所述MFS之間的距離的變 化導(dǎo)致由所述MFS在所述MTJ處提供的所述磁場變化，從而改變所述 MTJ的電特性；以及利用高導(dǎo)磁率的鐵磁材料覆蓋離開所述MTJ地面向的所述MFS 的一部分。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述安裝步驟包括 形成具有承載電流的導(dǎo)體的MFS。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述安裝步驟包括 淀積包括U形導(dǎo)體的MFS，所述U形導(dǎo)體適于承載電流以在所述MTJ處提供所述磁場。
17. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述安裝步驟包括 安裝永磁體作為所述磁場源。
18. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述安裝步驟包括提供具有第一端和第二遠(yuǎn)端的懸臂梁，所述第一端并入所述MFS 且適于響應(yīng)于所述傳感器的輸入而相對于所述MTJ移動，而所述第二 遠(yuǎn)端被固定地安裝到所述MTJ。
19. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，在所述制造步驟之前還包括 在所述MTJ附近提供電導(dǎo)體并使得所述電導(dǎo)體取向成沿著一方向承載電流，該方向基本垂直于在所述MTJ上方的所述U形導(dǎo)體的一部分 中流動的電流。
20. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，還包括 在共用基底上基本上同時地制造多個隧道結(jié)(MTJ); 基本上同時地安裝多個磁場源(MFS)，使得每個MFS可移動地懸置在所述MTJ中的一個的附近-其中，這種多個MFS共同接收所述傳感器輸入但是具有對于所述 傳感器輸入的不同可移動響應(yīng)；以及其中，每個MFS在離開所述MTJ地面向的所述部分上包括高導(dǎo) 磁率的所述鐵磁材料；以及串聯(lián)地或并聯(lián)地或兩者組合地將所述MTJ的至少一些電連接，以 提供對于所述傳感器輸入的組合電響應(yīng)。
全文摘要
提供用于感應(yīng)物理參數(shù)的方法和設(shè)備。設(shè)備(30)包括磁性隧道結(jié)(MTJ)[32]以及磁場源(34)，該磁場源的磁場(35)覆蓋MTJ且其與MTJ的接近度響應(yīng)于傳感器輸入而變化。至少在遠(yuǎn)離MTJ的MFS的面上提供磁屏蔽(33)。MTJ包括由電介質(zhì)(37)分開的第一和第二磁性電極(36，38)，該電介質(zhì)構(gòu)造成允許在該兩個電極之間的顯著隧穿導(dǎo)通。第一磁性區(qū)域使得其自旋軸固定而第二磁性電極使得其自旋軸自由。磁場源取向為相較于第一磁性電極更靠近第二磁性電極。通過提供多個電連接的傳感器來擴展總體的傳感器動態(tài)范圍，這些傳感器接收相同的輸入但是具有各自不同的響應(yīng)曲線，且期望但是不必需地形成在相同的基底上。
文檔編號G11B5/127GK101258541SQ200680027836
公開日2008年9月3日 申請日期2006年7月24日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月29日
發(fā)明者格雷戈里·W·格里恩凱維希, 羅伯特·W·貝爾德, 鄭永瑞 申請人:飛思卡爾半導(dǎo)體公司