專利名稱：薄膜磁傳感器及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種薄膜磁傳感器及其制造方法，更具體地涉及適合于探測(cè)汽車車軸，旋轉(zhuǎn)編碼器以及工業(yè)齒輪等的轉(zhuǎn)動(dòng)的信息，適合于探測(cè)液壓缸或汽缸的沖程位置以及機(jī)床滑塊的位置和速度的信息，適于探測(cè)工業(yè)電焊自動(dòng)裝置有關(guān)弧光電流的信息，適合于在地磁方向傳感器中使用的薄膜磁傳感器以及具體的薄膜磁傳感器的制造方法。
背景技術(shù)：
磁傳感器是一種將探測(cè)的諸如電流，電壓，電功率，磁場(chǎng)或磁通的電磁力值，探測(cè)的諸如位置，速度，加速度，位移，距離，應(yīng)力，壓力，扭矩，溫度或濕度的動(dòng)力量值，以及探測(cè)的生物化學(xué)量值通過(guò)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換為電壓的電子器件。根據(jù)對(duì)磁場(chǎng)的探測(cè)方法，磁傳感器被分類為例如空穴傳感器，各向異性磁致電阻(AMR)傳感器，以及巨大磁致電阻傳感器(GMR)。
在上述磁傳感器中，GMR傳感器的優(yōu)點(diǎn)在于(1)GMR傳感器在電阻率的變化率，即下文將給出的顯著大于任何空穴傳感器和AMR傳感器的MR比上有最大值MR比＝Δρ/ρ0，其中Δ＝ρH-ρ0，ρH指在外部磁場(chǎng)H下的電阻率，ρ0指外部磁場(chǎng)為零的條件下的電阻率。
(2)GMR在電阻值上隨溫度有變化，該變化小于空穴傳感器的變化。
(3)因?yàn)楫a(chǎn)生巨大磁致電阻效應(yīng)的材料是一種薄膜材料，GMR傳感器適合于磁傳感器的小型化。
在這樣的情況下，希望GMR傳感器被用作計(jì)算機(jī)，功率發(fā)生器，汽車，家用電器和便攜式設(shè)備中的高靈敏度磁傳感器。
已知顯示出有GMR效應(yīng)的材料包括例如(1)人造金屬晶格，該人造金屬晶格是一個(gè)多層薄膜，它包括一個(gè)諸如一層坡莫合金的鐵磁層和一個(gè)諸如一層Cu，Ag或Au的非磁性層，即該多層薄膜具有一個(gè)四層結(jié)構(gòu)，該四層結(jié)構(gòu)稱作自旋閥，該自旋閥包括一個(gè)反鐵磁層，一個(gè)鐵磁層(依附層)一個(gè)非磁性層和一個(gè)鐵磁層(自由層)，(2)金屬-金屬系統(tǒng)納米微粒材料，該系統(tǒng)配備由諸如坡莫合金的鐵磁金屬形成的納米尺寸的微粒以及配備由諸如Cu，Ag或Au非磁性金屬構(gòu)成的粒界相，(3)允許通過(guò)依賴自旋的隧道效應(yīng)顯示MR效應(yīng)的隧道結(jié)薄膜，以及(4)金屬-絕緣體系統(tǒng)納米微粒材料，該系統(tǒng)配備由鐵磁金屬的合金形成的納米尺寸的微粒以及配備由非磁性的和絕緣的材料構(gòu)成的粒界相。
在產(chǎn)生上文指出的GMR效應(yīng)的材料中，由自旋閥代表的多層薄膜具有在低磁場(chǎng)下的高靈敏度的特征。但是，為了制備該多層薄膜，必須以高精度層壓用各種材料制成的薄膜，導(dǎo)致多層薄膜較差的穩(wěn)定性和較低的產(chǎn)量。在這樣的情況下，生產(chǎn)成本的減少受到限制。在這樣的條件下，該種多層薄膜只能被用于諸如硬盤的磁頭的高附加值的設(shè)備上。難以考慮將該特種多層薄膜用在被迫和例如具有低單位價(jià)格的AMR傳感器或空穴傳感器在價(jià)格上競(jìng)爭(zhēng)的磁傳感器上。還應(yīng)該注意的是，在形成該多層薄膜的諸層中往往會(huì)產(chǎn)生擴(kuò)散，因此GMR效應(yīng)往往要消失，結(jié)果該多層薄膜在其耐熱性能上較差。
另一方面，納米微粒材料易于制造，通常具有高復(fù)制性能。因此，當(dāng)納米微粒材料被用于磁傳感器的制造時(shí)，磁傳感器的制造成本可以降低。尤其是，金屬-絕緣體系統(tǒng)納米微粒材料的有利之處在于(1)如果組分被優(yōu)化，金屬-絕緣體系統(tǒng)納米微粒材料被允許在室溫下顯示超過(guò)10％的高M(jìn)R比，(2)因?yàn)榻饘?絕緣體系統(tǒng)納米微粒材料顯示極高的電阻率，就可能明顯使磁傳感器小型化，節(jié)省磁傳感器的功率消耗，和(3)金屬-絕緣體納米微粒材料甚至能在高溫環(huán)境下使用，不像包括反鐵磁薄膜的自旋閥薄膜耐熱性能較差。但是，金屬-絕緣體納米微粒材料的缺陷在于，在低磁場(chǎng)下對(duì)磁場(chǎng)的靈敏度很低。
日本專利公開(kāi)公報(bào)11-087804中公開(kāi)了一種克服上述問(wèn)題的措施。具體地說(shuō)，其公開(kāi)的內(nèi)容為，為了提高巨大磁致電阻效應(yīng)薄膜對(duì)磁場(chǎng)的靈敏度，在巨磁致電阻效應(yīng)薄膜的兩側(cè)面都設(shè)置了軟磁薄膜。在上述專利文件中還公開(kāi)了一種制造薄膜磁傳感器的方法，包括在襯底上形成2μm厚度的坡莫合金薄膜(軟磁薄膜)，通過(guò)用離子束刻蝕設(shè)備在坡莫合金薄膜中形成有約9μm寬度的間隙，以及在該間隙部分形成有Co38.6Y14.0O47.4組份的納米GMR薄膜的步驟。
日本專利公開(kāi)公報(bào)11-274599也致力于一種磁致電阻元件，該元件中，在巨大磁致電阻效應(yīng)薄膜的兩側(cè)面設(shè)置軟磁薄膜。該專利指出，為了進(jìn)一步提高磁致電阻元件對(duì)磁場(chǎng)的靈敏度，該巨大磁致電阻薄膜做得比軟磁薄膜更薄。
具有大飽和磁化強(qiáng)度和高磁導(dǎo)率的軟磁材料對(duì)磁場(chǎng)有很高的靈敏度并在相對(duì)微弱的外磁場(chǎng)下顯示出很大的磁化強(qiáng)度。因此，當(dāng)一個(gè)外磁場(chǎng)被允許作用在具有高電阻率和產(chǎn)生巨大磁致電阻效應(yīng)的薄膜(GMR薄膜)被設(shè)置在由軟磁材料形成的薄膜磁軛之間的小間隙中以致該GMR薄膜被電連接到薄膜磁軛這樣構(gòu)成的薄膜磁傳感器上時(shí)，薄膜磁軛被微弱的外磁場(chǎng)磁化，在GMR薄膜中存在一個(gè)強(qiáng)度有外磁場(chǎng)100到10000倍大小的磁場(chǎng)。結(jié)果，就可能明顯提高GMR薄膜對(duì)磁場(chǎng)的靈敏度。附帶提及，金屬-絕緣體系統(tǒng)納米微粒薄膜在今天已經(jīng)被認(rèn)作為GMR薄膜。


圖1是示意性地顯示常規(guī)的薄膜磁傳感器10的結(jié)構(gòu)的平面圖，圖2是取自沿圖1顯示的線II-II的截面圖。如圖1和圖2所示，常規(guī)薄膜磁傳感器10包括一個(gè)由絕緣的和非磁材料制成的絕緣襯底12，每一個(gè)都由軟磁材料形成的被設(shè)置成互相面對(duì)同時(shí)在其間形成間隙14a的一對(duì)薄膜磁軛14，一個(gè)形成在間隙14a中的GMR薄膜16，形成在薄膜磁軛14的邊緣部分的電極18，18以及一個(gè)用于保護(hù)該薄膜磁軛14和GMR薄膜16的保護(hù)薄膜19。
上述結(jié)構(gòu)的常規(guī)薄膜磁傳感器10通過(guò)這樣的方法形成，該方法包括形成一對(duì)薄膜磁軛14以及淀積GMR薄膜16的步驟，薄膜磁軛被設(shè)置成互相面對(duì)，通過(guò)去除形成在絕緣襯底12表面的軟磁薄膜的不必要部分在該磁軛間介入間隙14a(凹槽)，GMR薄膜帶有為覆蓋除間隙14a附近的區(qū)域外的絕緣襯底12形成的掩模。
但是，用上述方法制造的薄膜磁傳感器10發(fā)生了傳感器10的電性能和磁性能發(fā)生很大變化的問(wèn)題。困難是由這樣的情況造成，在上述常規(guī)的制造方法中，例如在薄膜磁軛14和GMR薄膜16之間的電接觸變得不充分，或在間隙14a中的GMR薄膜16的厚度變得不均勻，結(jié)果所制造的傳感器10變得不穩(wěn)定。
圖3顯示伴隨常規(guī)的制造薄膜磁傳感器的方法的困難。為使其更具體，如果GMR薄膜16從定位成互相面對(duì)同時(shí)小間隙14a介入其間的薄膜磁軛14的上方淀積，形成在有大高度的薄膜磁軛14的GMR薄膜16的側(cè)壁上的側(cè)壁部分16c的厚度被根據(jù)淀積在薄膜磁軛14的上表面的GMR薄膜16的上部16a的厚度的增加而逐漸增加，如圖3所示。結(jié)果，間隙14a的底部的角部被淀積在薄膜磁軛14的側(cè)壁上的GMR薄膜16的側(cè)壁部分16c遮蔽。接著就是，在淀積在間隙14a的底表面的GMR薄膜16的底部16b的角部處，GMR薄膜16的淀積受到阻礙。在這樣的情況下，GMR薄膜16的底部16b其截面變成三角形或梯形，使GMR薄膜16的底部16b和薄膜磁軛14之間的接觸電阻發(fā)生很大變化。尤其是，這種不希望有的現(xiàn)象在薄膜磁軛有大高度，成對(duì)磁軛之間的間隙小的高性能型的薄膜磁傳感器中變得愈加明顯。在最差的情況下，電阻變得無(wú)窮大，帶來(lái)嚴(yán)重的障礙，為了將薄膜磁傳感器投入實(shí)際使用，這樣的障礙必須消除。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種薄膜磁傳感器和制造該具體薄膜磁傳感器的方法，該磁傳感器包括一個(gè)有高電阻率的GMR薄膜和設(shè)置在GMR薄膜的兩側(cè)面上并且由軟磁材料形成，使其電連接到該GMR薄膜的薄膜磁軛，該薄膜磁傳感器能抑制GMR薄膜和薄膜磁軛之間電接觸狀態(tài)的變化，GMR薄膜有均勻的厚度，薄膜磁傳感器顯示出穩(wěn)定的磁性能。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面提供的薄膜磁傳感器包括每一個(gè)都由軟磁材料形成的一對(duì)薄膜磁軛，薄膜磁軛被設(shè)置成互相面對(duì)，同時(shí)在其間介入一個(gè)間隙；一個(gè)電連接到該薄膜磁軛對(duì)并有高于軟磁材料的電阻率的GMR薄膜；和一個(gè)支撐薄膜磁軛和GMR薄膜并由絕緣的非磁材料形成的絕緣襯底；其中包括一個(gè)由絕緣的非磁材料形成的層次和一個(gè)GMR薄膜層的多層結(jié)構(gòu)的間隙柱被設(shè)置在間隙中，在間隙長(zhǎng)度上GMR薄膜的厚度均勻。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面提供一種制造薄膜磁傳感器的方法，包括的步驟為在由絕緣的非磁材料形成的絕緣襯底的表面上通過(guò)從其表面區(qū)域去除絕緣襯底的不必要的部分或在該絕緣襯底的表面淀積由絕緣的非磁材料形成的薄膜而形成一個(gè)突起；形成一對(duì)被定位成互相面對(duì)同時(shí)該突起被介入其間并且被完全電分離的薄膜磁軛，該薄膜磁軛通過(guò)在該突起被形成在其上的絕緣襯底的表面上淀積一個(gè)由軟磁材料形成的薄膜來(lái)形成的，緊跟著部分去除由軟磁材料形成的薄膜，直至至少該突起的頂端表面被暴露到外面而形成；和在突起的頂端表面和相鄰于該突起的薄膜磁軛的上表面上淀積具有比軟磁材料更高電阻率的GMR薄膜，這樣GMR薄膜被電連接到薄膜磁軛的上表面。
根據(jù)本發(fā)明的第三方面提供一種制造薄膜磁傳感器的方法，該方法包括的步驟為在由絕緣的非磁材料形成的絕緣襯底的表面淀積一層GMR薄膜；
通過(guò)在GMR薄膜上淀積一個(gè)由絕緣的非磁材料形成的薄膜，緊跟著全部去除由絕緣的非磁材料形成的薄膜以及部分或全部去除GMR薄膜而形成一個(gè)突起，在去除GMR薄膜時(shí)形成突起的區(qū)域被保留不去除，直至GMR薄膜被部分或全部暴露到該突起的至少一個(gè)側(cè)壁表面時(shí)為止；和形成一對(duì)被定位成互相面對(duì)，同時(shí)該突起介入其間，并且被單獨(dú)電連接到GMR薄膜的薄膜磁軛對(duì)，通過(guò)淀積一層由具有其電阻率比形成在突起已形成在其上的絕緣襯底的表面的GMR薄膜低的電阻率的軟磁材料形成的薄膜，這樣，被淀積的薄膜被電連接到預(yù)先暴露到突起的側(cè)壁表面的GMR薄膜，緊跟著部分去除由軟磁材料形成的薄膜，直至突起的至少一個(gè)頂端表面被暴露到外面時(shí)為止而形成該薄膜磁軛。
根據(jù)本發(fā)明的第四方面提供一種制造薄膜磁傳感器的方法，該方法包括的步驟為在由絕緣的非磁材料形成的絕緣襯底的表面淀積一個(gè)GMR薄膜；通過(guò)在GMR薄膜上淀積一層由絕緣的非磁材料形成的薄膜，緊跟著部分去除由絕緣的非磁材料形成的薄膜而形成一個(gè)突起，在去除薄膜時(shí)形成突起的區(qū)域被保留不去除，直至至少GMR薄膜的表面被暴露到外面時(shí)為止而形成突起；和形成一對(duì)被定位成互相面對(duì)，同時(shí)該突起介入其間，并且被單獨(dú)電連接到GMR薄膜的薄膜磁軛對(duì)，通過(guò)淀積一層由具有其電阻率比形成在突起已形成在其上的絕緣襯底的表面的GMR薄膜低的電阻率的軟磁材料形成的薄膜磁軛，這樣，被淀積的薄膜被電連接到預(yù)先暴露到外面的GMR薄膜，緊跟著部分去除由軟磁材料形成的薄膜，直至突起的至少一個(gè)頂端表面被暴露到外面時(shí)為止而形成該薄膜磁軛。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，包括一層絕緣的非磁材料和一層GMR薄膜的多層結(jié)構(gòu)的間隙柱被設(shè)置在每一個(gè)都由軟磁材料形成的薄膜磁軛之間的間隙中。因?yàn)镚MR薄膜的厚度在間隙的長(zhǎng)度上均勻，就可能將GMR薄膜電連接到薄膜磁軛而不發(fā)生故障。其結(jié)果由于精確的電阻率，使薄膜磁傳感器的電性能和磁性能變得高度穩(wěn)定。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，薄膜磁軛被形成于在絕緣襯底的表面上形成的突起的兩側(cè)面上，接著在包括突起的頂端表面和薄膜磁軛的上表面的平面上形成GMR薄膜。其結(jié)果是不必要在形成于每一個(gè)都有大高度的薄膜磁軛之間的小間隙中執(zhí)行淀積GMR薄膜的步驟，這樣使獲得在至少是間隙的長(zhǎng)度上有均勻厚度的GMR薄膜成為可能。另外，因?yàn)樵贕MR薄膜和薄膜磁軛之間可以達(dá)到無(wú)故障的金屬面接觸，因此穩(wěn)定了薄膜磁傳感器的電性能和磁性能。
另外，根據(jù)本發(fā)明的第三和第四方面，事先在絕緣襯底的表面上形成GMR薄膜和絕緣的非磁材料的薄膜，接著形成突起，形成的方式是允許GMR薄膜暴露到突起的底表面的側(cè)壁表面上的外面或底表面的附近。其結(jié)果是，不必要在形成于每一個(gè)都有大高度的薄膜磁軛之間形成的小間隙中執(zhí)行形成GMR薄膜的步驟，這樣使獲得在至少是間隙的長(zhǎng)度上有均勻厚度的GMR薄膜成為可能。還有，如果薄膜磁軛形成在突起的兩個(gè)側(cè)面，在GMR薄膜和薄膜磁軛之間可以達(dá)到無(wú)故障的面接觸，因此穩(wěn)定了薄膜磁傳感器的電性能和磁性能。
附圖簡(jiǎn)述圖1是示意性地顯示常規(guī)的薄膜磁場(chǎng)傳感器的結(jié)構(gòu)的平面圖；圖2是取自沿圖1的II-II線的截面圖；圖3是以放大的形式顯示包括在常規(guī)的薄膜磁場(chǎng)傳感器中的間隙附近的區(qū)域的截面圖；圖4是示意性地顯示根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的薄膜磁傳感器的結(jié)構(gòu)的平面圖；圖5是取自沿圖4的V-V線的截面圖；圖6是以放大的形式顯示包括在根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的薄膜磁傳感器中的間隙附近的區(qū)域的截面圖；圖7A和7B是以放大的形式顯示包括在根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的薄膜磁傳感器中的間隙附近的區(qū)域的平面圖；圖8A到8Q是集中顯示根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的薄膜磁傳感器的制造工藝的截面圖；圖9是示意性地顯示根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的薄膜磁傳感器的結(jié)構(gòu)的平面圖；圖10是取自圖9的X-X線的截面圖；圖11是以放大的形式顯示薄膜磁傳感器的結(jié)構(gòu)，包括在根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的薄膜磁傳感器中的間隙附近的區(qū)域的截面圖；圖12是以放大的形式顯示薄膜磁傳感器的另一種結(jié)構(gòu)，包括在根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的薄膜磁傳感器中的間隙附近的區(qū)域的截面圖；圖13A到13P是集中顯示根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的薄膜磁傳感器的制造工藝的截面圖；圖14是示意性地顯示根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的薄膜磁傳感器的結(jié)構(gòu)的平面圖；圖15是取自沿圖14的XV-XV線的截面圖；圖16是以放大的形式顯示包括在根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的薄膜磁傳感器中的間隙附近的區(qū)域的截面圖；圖17A到17O是集中顯示根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的薄膜磁傳感器的制造工藝的截面圖；圖18是顯示實(shí)例1，2和對(duì)比實(shí)例1中的每一個(gè)中得到的薄膜磁傳感器的電阻和頻率之間關(guān)系的曲線圖；圖19是顯示形成在單個(gè)芯片上的薄膜磁傳感器的電阻的變化和實(shí)例1，2和對(duì)比實(shí)例1中的每一個(gè)中得到的薄膜磁傳感器的頻率之間的關(guān)系的曲線圖；和圖20A和20B集中顯示在本發(fā)明的實(shí)例1中制造的芯片中單元元件的安排。
較佳實(shí)施方式現(xiàn)在將參考附圖詳盡敘述本發(fā)明的一些實(shí)施例。
第一實(shí)施例現(xiàn)在將首先敘述本發(fā)明的第一實(shí)施例。
圖4是示意性地顯示根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的薄膜磁傳感器20的結(jié)構(gòu)的平面圖，圖5是取自沿圖4的V-V線的截面圖，圖6是以放大的形式顯示包括在根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的薄膜磁傳感器中的間隙附近的區(qū)域的截面圖。
如圖所示，根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的薄膜磁傳感器20包括一個(gè)絕緣襯底22，一對(duì)薄膜磁軛24b，24c和一層GMR薄膜26。薄膜磁軛24b和24c被設(shè)置成互相面對(duì)，同時(shí)在其間介入間隙24a。還有，GMR薄膜26以允許GMR薄膜26電連接到薄膜磁軛24b，24c的方式形成在間隙24a中。電極28b，28c分別形成在薄膜磁軛24b，24c的邊緣部分。還有，第一保護(hù)薄膜30b，30c分別形成在薄膜磁軛24b，24c的上表面。另外，絕緣襯底22的最上表面用第二保護(hù)薄膜32覆蓋。
用于支撐薄膜磁軛24b，24c和GMR薄膜26的絕緣襯底22由絕緣的非磁材料形成。更具體地說(shuō)，絕緣襯底22用高硬度材料形成，例如玻璃，氧化鋁，覆蓋熱氧化薄膜的硅和氧化鋁·碳化鈦，并具有用濺射薄膜形成的平整表面。
間隙柱23形成在間隙24a中，間隙24a形成在絕緣襯底22的表面上的任選部分，以便將被定位成互相面對(duì)的薄膜磁軛24b，24c互相分離。術(shù)語(yǔ)“間隙柱”指在形成在被定位成互相面對(duì)并包括一個(gè)絕緣的非磁性層和GMR薄膜26的薄膜磁軛24b和24c之間的間隙24a中成層的一個(gè)多層結(jié)構(gòu)。更具體地說(shuō)，間隙柱23從絕緣襯底22的表面的最下平面向上延伸。在本發(fā)明的第一實(shí)施例中，間隙柱23由一個(gè)多層結(jié)構(gòu)形成，包括一個(gè)形成在絕緣襯底22表面上的突起22a，以及一個(gè)淀積在突起22a上并包括GMR薄膜26和第二保護(hù)薄膜32的分層結(jié)構(gòu)。還有，在本發(fā)明的第一實(shí)施例中，間隙長(zhǎng)度，即間隙24a的長(zhǎng)度指薄膜磁軛24b，24c之間的距離，為使薄膜磁軛24b，24c和GMR薄膜26接觸的區(qū)域的最短距離。還有，術(shù)語(yǔ)“間隙寬度”指垂直于被夾在定位成互相面對(duì)的薄膜磁軛24b和24c的頂端之間的區(qū)域的間隙長(zhǎng)度方向的方向上的長(zhǎng)度，如圖7A所示。順便提及，如果定位成互相面對(duì)的薄膜磁軛24b和24c被設(shè)置成對(duì)稱，間隙寬度就和在頂端的薄膜磁軛24的寬度重疊，如圖7B所示。
對(duì)于構(gòu)成間隙柱23的突起22a的截面而言理想的是包括一個(gè)在至少是薄膜磁軛24b，24c的上表面的側(cè)面上的指定距離上延伸的平行部分。對(duì)于突起22a的最近端部可能如圖5所示成錐形。或者，對(duì)于突起22a的全部區(qū)域可能具有圓柱形。
形成突起22a的方法不受特別限制。例如，突起22a可以通過(guò)以例如刻蝕的方式部分去除絕緣襯底22的一個(gè)平整的表面區(qū)域的不必要部分形成，如本文的下文所述?；蛘撸黄?2a可以通過(guò)在絕緣襯底22的一個(gè)平整表面上淀積一層絕緣的非磁材料的薄膜，接著部分去除薄膜的不必要的部分而形成。
絕緣襯底22的其他部分的形狀不受特別限制?？梢愿鶕?jù)薄膜磁傳感器20的用途和所需要的性能選擇最佳形狀。還有，在每幅圖4到圖6中只顯示一個(gè)形成在絕緣襯底22上包括薄膜磁軛24b，24c和GMR薄膜26的元件。但是，這些附圖只不過(guò)是打算舉例說(shuō)明薄膜磁傳感器20的結(jié)構(gòu)，在磁傳感器20批量生產(chǎn)的情況下，在一個(gè)絕緣襯底22上同時(shí)形成多個(gè)元件。
為了防止由溫度引起的標(biāo)準(zhǔn)電位的波動(dòng)，薄膜磁傳感器通常包括兩個(gè)串聯(lián)連接的元件，通過(guò)測(cè)量中點(diǎn)電位而探測(cè)外磁場(chǎng)。還有，薄膜磁傳感器被分類成該兩個(gè)元件被設(shè)置成其傳感軸互相垂直的垂直型和該兩個(gè)元件被設(shè)置成其傳感軸互相平行的平行型。還有，為了倍增輸出，在某些情況下由四個(gè)元件形成一個(gè)橋電路。在這種情況下，在絕緣襯底22上可能只形成一個(gè)元件，通過(guò)將每一個(gè)都形成在單獨(dú)的絕緣襯底22上的多個(gè)元件相結(jié)合而制備一個(gè)磁傳感器?；蛘撸部梢栽谝粋€(gè)單獨(dú)的絕緣襯底22上形成多個(gè)元件，使得該多個(gè)元件被互相電連接在一起。
被打算用來(lái)提高GMR薄膜26對(duì)磁場(chǎng)的靈敏度的每一個(gè)薄膜磁軛24b和24c都由軟磁材料形成。為了在微弱磁場(chǎng)下獲得對(duì)磁場(chǎng)的高靈敏度，理想的是用具有高磁導(dǎo)率μ和/或高飽和磁化強(qiáng)度Ms的材料形成薄膜磁軛24b和24c。更具體地說(shuō)，對(duì)于磁軛形成材料，理想的是有不低于100，最好是不低于1000的磁導(dǎo)率μ。對(duì)于形成磁軛的材料也是理想的是具有不低于5千高斯，最好不低于10千高斯的飽和磁化強(qiáng)度Ms。
優(yōu)選地用于形成薄膜磁軛24b和24c的具體材料包括例如坡莫合金(40到90％的Ni-Fe合金)，Sendust(Fe74Si9Al17)，Hardperm(Fe12Ni82Nb6)，Co88Nb6Zr6無(wú)定形合金，(Co94Fe6)70Si15B15無(wú)定形合金，F(xiàn)inemet(Fe75.6Si13.2B8.5Nb1.9Cu0.8)，Nanomax(Fe83HF6C11)，F(xiàn)e85Zr10B5合金，F(xiàn)e93Si3N4合金，F(xiàn)e71B11N18合金，F(xiàn)e71.3Nd9.6O19.1納米微粒合金，Co70Al10O20納米微粒合金，和Co65Fe5Al10O20合金。
薄膜磁軛24b和24c由淀積在形成在絕緣襯底22的表面上的突起22a的兩側(cè)面上的材料形成。薄膜磁軛24b，24c的形狀不受特別限制。但是，為了提高GMR薄膜26對(duì)磁場(chǎng)的靈敏度，對(duì)于薄膜磁軛24b，24c理想的是滿足下文敘述的條件。
首先，理想的是，在間隙24a的側(cè)面上的每個(gè)薄膜磁軛24b和24c的截面積小于電極28b，28c的每個(gè)側(cè)面上的截面積，每個(gè)電極都用作外磁場(chǎng)的流入邊緣或流出邊緣。如果使間隙24a的側(cè)面上薄膜磁軛的截面積較小，在間隙24a的頂端的磁通密度就增加，從而允許更強(qiáng)的磁場(chǎng)作用在GMR薄膜26上。
還應(yīng)該注意的是，對(duì)于每個(gè)薄膜磁軛24b和24c，理想的是有適當(dāng)大的L/W比，即間隙長(zhǎng)度方向上的長(zhǎng)度L對(duì)電極側(cè)面上的寬度W的比。因?yàn)樵陂g隙長(zhǎng)度方向上產(chǎn)生的去磁化場(chǎng)在每個(gè)薄膜磁軛24b和24c的長(zhǎng)度在間隙長(zhǎng)度方向上相對(duì)增加時(shí)被削弱，就可能允許薄膜磁軛24b和24c在電極28b和28c的側(cè)面上的相面對(duì)的表面有效地執(zhí)行作為外磁場(chǎng)的流入和流出邊緣的功能。
另外，對(duì)于薄膜磁軛24b和24c理想的是其形狀相對(duì)于間隙24a對(duì)稱。薄膜磁軛24b，24c形狀不對(duì)稱之所以不理想，是因?yàn)楸∧ご艂鞲衅?0的性能要受到有磁性能差的薄膜磁軛24b，24c的影響。
另外，對(duì)于薄膜磁軛24b，24c之間最短的距離，也就是間隙的長(zhǎng)度，理想的是該距離要短，薄膜磁軛24b，24c被定位成互相面對(duì)，和GMR薄膜26接觸，同時(shí)在其間介入間隙24a。隨著間隙長(zhǎng)度的減小，從薄膜磁軛24b，24c的頂端泄漏的磁通到空氣中的發(fā)散被更有效地抑制，使更強(qiáng)的磁場(chǎng)作用到GMR薄膜26上。但是應(yīng)該注意的是，間隙長(zhǎng)度應(yīng)該考慮到例如作用在GMR薄膜26上的磁場(chǎng)的數(shù)量，形成突起22a的容易程度以及電阻的規(guī)格等問(wèn)題適當(dāng)?shù)卮_定。
順便提及，每個(gè)薄膜磁軛24b，24c的厚度不受特別限制?？梢愿鶕?jù)例如每個(gè)薄膜磁軛24b，24c的材料，以及所需要的磁傳感器20的性能適當(dāng)?shù)卮_定薄膜磁軛24b，24c的厚度。還有，在圖4所示的實(shí)例中，每個(gè)薄膜磁軛24b，24c的平面形狀在頂端的側(cè)面(在間隙24a的側(cè)面)被做成錐形。但是在每個(gè)薄膜磁軛24b，24c的頂端也可以形成一個(gè)平行的部分。如果在每個(gè)薄膜磁軛24b，24c的頂端形成一個(gè)平行部分，就可以在每個(gè)薄膜磁軛24b，24c的頂端抑制磁通的發(fā)散，使更強(qiáng)的磁場(chǎng)作用到GMR薄膜26上。
現(xiàn)在敘述GMR薄膜26。GMR薄膜26對(duì)外磁場(chǎng)的變化象電阻的變化一樣是敏感的，從而以電壓的變化來(lái)探測(cè)外磁場(chǎng)的變化，該GMR薄膜26由顯示出巨大磁致電阻效應(yīng)的材料形成。為了使GMR薄膜26以高靈敏度探測(cè)外磁場(chǎng)的變化，對(duì)于GMR薄膜26理想的是，在外磁場(chǎng)H不高于數(shù)萬(wàn)奧斯特(Oe)的條件下具有不小于5％最好不小于10％的MR比的絕對(duì)值。
還有，在本發(fā)明中，GMR薄膜26直接電連接到薄膜磁軛24b，24c。因此，具有高于薄膜磁軛24b，24c的電阻率的材料被用于形成GMR薄膜26。用有過(guò)分低的電阻率的材料形成GMR薄膜26是不理想的，因?yàn)橥ǔＴ谶@種情況下，在薄膜磁軛24b，24c之間會(huì)形成電氣短路。另一方面，在用有過(guò)分高的電阻率的材料形成GMR薄膜26的情況下，噪聲增加，難以以電壓的變化來(lái)探測(cè)外磁場(chǎng)的變化。對(duì)于GMR薄膜26理想的是顯示出具有在103μΩcm和1012μΩcm之間，最好在104μΩcm和1011μΩcm范圍內(nèi)的電阻率。
可以有各種材料滿足上述條件。尤其是，可以用適合于形成GMR薄膜26的金屬-絕緣體系統(tǒng)納米微粒材料。在顯示出高M(jìn)R比和高電阻率的金屬-絕緣體系統(tǒng)納米微粒材料中，MR比不會(huì)因?yàn)槌煞值纳栽S改變而有大的變化。其結(jié)果是，該金屬-絕緣體納米微粒材料的有利之處在于能以低成本制造具有穩(wěn)定的磁性能，有高度重復(fù)復(fù)制性能的薄膜。
產(chǎn)生巨大磁致電阻效應(yīng)并被用于形成GMR薄膜26的金屬-絕緣體納米微粒材料包括例如Co-Y2O3系統(tǒng)納米微粒合金，Co-Al2O3系統(tǒng)納米微粒合金，Co-Sm2O3系統(tǒng)納米微粒合金，Co-Dy2O3系統(tǒng)納米微粒合金，F(xiàn)eCo-Y2O3系統(tǒng)納米微粒合金，以及氟化物系統(tǒng)納米微粒合金，諸如Fe-MgF2，F(xiàn)eCo-MgF2和Fe-CaF2。
根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的薄膜磁傳感器和常規(guī)的薄膜磁傳感器的不同之處在于，GMR薄膜26形成在由用絕緣的非磁性材料制成的突起22a的頂端表面和淀積在突起22a的兩個(gè)側(cè)面上的薄膜磁軛24b，24c的上表面構(gòu)成的表面(下文稱為“GMR薄膜形成表面”)上。
GMR薄膜形成表面可以通過(guò)下列步驟形成(1)在絕緣襯底22的表面形成突起22a，(2)在突起22a的兩個(gè)側(cè)面淀積每一個(gè)都由軟磁材料形成的薄膜磁軛24b，24c，以及(3)通過(guò)例如拋光或刻蝕部分去除由軟磁材料形成的薄膜磁軛24b，24c，直至至少是突起22a的頂端表面被暴露到外面時(shí)為止。
GMR薄膜形成表面不包括臺(tái)階區(qū)域不是絕對(duì)必須的。GMR薄膜形成表面可以包括稍許成臺(tái)階的區(qū)域。如果在材料上互相不同的突起22a和薄膜磁軛24b，24c的不必要部分被同時(shí)部分去除，如本發(fā)明的第一實(shí)施例一樣，在突起22a的材料和薄膜磁軛24b，24c的材料之間拋光率或刻蝕率的不同可能使臺(tái)階“d”在突起22a的頂端表面和薄膜磁軛24b，24c的上表面之間形成，如圖6所示。
為了使無(wú)瑕疵的GMR薄膜26淀積在GMR薄膜形成表面上并且穩(wěn)定GMR薄膜26和薄膜磁軛24b，24c之間的電接觸狀態(tài)，對(duì)于在GMR薄膜形成表面上間隙長(zhǎng)度方向上的臺(tái)階“d”，理想的是至少不大于GMR薄膜26的厚度，最好不大于GMR薄膜26的厚度的一半。GMR薄膜形成表面上的臺(tái)階“d”應(yīng)盡可能小。
GMR薄膜形成表面上形成小臺(tái)階的地方，對(duì)于臺(tái)階側(cè)壁在間隙長(zhǎng)度方向上的傾斜角θ，即圖4到6中薄膜磁軛24b，24c的邊緣表面的傾斜角θ，理想的是要盡可能小。隨著臺(tái)階的側(cè)壁的傾斜角的增加，在GMR薄膜形成表面上形成由臺(tái)階的側(cè)壁造成的遮蔽，結(jié)果在遮蔽部分GMR薄膜26的淀積受到阻礙。在這樣的情況下，如上所述的傾斜角θ要盡可能小。
為了使無(wú)瑕疵的GMR薄膜26淀積在GMR薄膜形成表面上，對(duì)于臺(tái)階側(cè)壁的傾斜角θ，理想的是相對(duì)于水平面不大于80°，最好不大于60°。順便提及，在去除處理諸如刻蝕被同時(shí)應(yīng)用到突起22a和薄膜磁軛24b，24c的情況下，可能通過(guò)優(yōu)化去除處理的條件而將臺(tái)階側(cè)壁相對(duì)于水平面的傾斜角設(shè)定到80°或更小。
另外，必須使GMR薄膜形成表面在間隙長(zhǎng)度方向上的長(zhǎng)度等于或大于間隙長(zhǎng)度。另一方面，可以使GMR薄膜形成表面在其寬度方向的長(zhǎng)度，即垂直于間隙長(zhǎng)度方向的方向上的長(zhǎng)度，大于或小于間隙寬度。但是應(yīng)該注意，必須使GMR薄膜形成表面在其寬度方向的長(zhǎng)度大于GMR薄膜26的側(cè)向?qū)挾取?br> 還有，為了改進(jìn)GMR薄膜26對(duì)磁場(chǎng)的靈敏度，對(duì)于淀積在GMR薄膜形成表面上的GMR薄膜26的形狀，理想的是要滿足下文敘述的條件。
首先，對(duì)于GMR薄膜26的側(cè)向?qū)挾?，理想的是要小于間隙的寬度。GMR薄膜26有大側(cè)向?qū)挾戎圆焕硐?，是因?yàn)槿绻鸊MR薄膜26的側(cè)向?qū)挾仍黾?，GMR薄膜26的對(duì)在側(cè)向?qū)挾确较蛏蠌谋∧ご跑?4b，24c泄漏的微弱的磁通敏感的區(qū)域也增加，降低了GMR薄膜26對(duì)磁場(chǎng)的靈敏度。但是應(yīng)該注意，對(duì)于GMR薄膜26的側(cè)向?qū)挾仍黾拥郊s為1.1倍于間隙寬度還是可以接受的。
對(duì)于GMR薄膜26的厚度大于突起22a的頂端表面和薄膜磁軛24b，24c的上表面之間的臺(tái)階“d”也是理想的。順便提及，GMR薄膜26的厚度可以根據(jù)薄膜磁傳感器的電阻的規(guī)格確定。
順便提及，在本發(fā)明的第一實(shí)施例中，GMR薄膜26在間隙長(zhǎng)度方向上的長(zhǎng)度不受特別限制。GMR薄膜26在間隙長(zhǎng)度方向上的長(zhǎng)度可以顯著大于間隙的長(zhǎng)度。應(yīng)該注意，在該關(guān)系中，傳輸?shù)奖∧ご艂鞲衅?0的電極28b，28c上的電流主要只流入GMR薄膜26的位于間隙24a中的有最低電阻的區(qū)域，只有很小的電流單獨(dú)流入其他區(qū)域。在這樣的情況下，可以使GMR薄膜26在間隙長(zhǎng)度方向上的長(zhǎng)度顯著大于間隙的長(zhǎng)度，如上文指出的那樣。
被用于輸出的每個(gè)電極28b，28c都用導(dǎo)電材料形成。更具體地說(shuō)，理想的是用例如Cu，Ag或Au形成電極28b，28c。但是應(yīng)該注意，用例如Cr，Ti或Ni形成的下層被形成在電極的下面以改進(jìn)電極的結(jié)合強(qiáng)度以及防止擴(kuò)散。電極28b，28c的形狀不受特別限制。可以根據(jù)例如薄膜磁傳感器20的尺寸和薄膜磁軛24b，24c的形狀選擇適當(dāng)?shù)男螤睢?br> 第一保護(hù)薄膜30b和30c被用于在突起22a的兩個(gè)側(cè)面淀積薄膜磁軛24b，24c以后將突起22a暴露到外面的步驟中保護(hù)薄膜磁軛24b，24c。其結(jié)果是，在去除工藝中需要的的第一保護(hù)薄膜30b，30c在薄膜磁傳感器20中不絕對(duì)需要。另一方面，第二保護(hù)薄膜32被用于遮蔽暴露到絕緣襯底22的表面的GMR薄膜26和薄膜磁軛24b，24c使其不致暴露到空氣，因此而保護(hù)了如上所述的GMR薄膜26等。
絕緣的非磁性材料被用于形成每一個(gè)第一保護(hù)薄膜30b，30c以及第二保護(hù)薄膜32。更具體地說(shuō)，從Al2O3，SiO2，Si3N4以及在不低于200℃的溫度下致密烘烤的光刻膠構(gòu)成的組合中選擇的材料被用于形成第一保護(hù)薄膜30b，30c和第二保護(hù)薄膜32。
現(xiàn)在敘述根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的薄膜磁傳感器20的制造工藝。
圖8A到8Q是集中顯示根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的薄膜磁傳感器的制造工藝的截面圖。該實(shí)施例的制造工藝包括形成突起的步驟，形成薄膜磁軛的步驟，形成GMR薄膜的步驟，形成電極的步驟以及形成表面保護(hù)薄膜的步驟。
現(xiàn)在首先敘述形成突起的步驟。在形成突起的步驟中，由絕緣的非磁性材料構(gòu)成的突起22a形成在絕緣襯底22的表面。更具體地說(shuō)，執(zhí)行如下的步驟來(lái)理想地形成突起。
第一步，如圖8A所示，防穿透薄膜34被形成在絕緣襯底22的表面。防穿透薄膜在用光刻膠形成圖形的步驟中被用于增強(qiáng)圖形精確度，將在下文中敘述。通常，防穿透薄膜34由例如Cr薄膜或Ti薄膜形成。
下一步，防穿透薄膜34被涂覆光刻膠37，接著，如圖8B所示，在絕緣襯底22上面設(shè)置有規(guī)定開(kāi)口部分的掩模36，再接著曝光。然后，感光部分用顯影劑去除，在形成突起22a的部分形成光刻膠薄膜38a，在不形成薄膜磁軛24b，24c的部分形成光刻膠薄膜38b，如圖8C所示。
在該情況下，理想的是在形成光刻膠薄膜38a，38b后執(zhí)行一次80到120℃的后烘烤0.05到1小時(shí)。如果進(jìn)行后烘烤，溶劑從光刻膠薄膜38b揮發(fā)，使光刻膠薄膜38b收縮到一定的程度，結(jié)果給光刻膠薄膜38b的側(cè)表面一個(gè)坡度。如果光刻膠薄膜38b的側(cè)表面稍許傾斜，在隨后的絕緣襯底22的刻蝕步驟中就未必會(huì)產(chǎn)生遮蔽，這樣，刻蝕可以高效率地進(jìn)行。還有，如果刻蝕條件被優(yōu)化，就可以沿光刻膠薄膜38b的邊界線在基本垂直于絕緣襯底22的表面的方向上刻蝕絕緣襯底22。順便提及，形成在突起22a的部分中的光刻膠薄膜38a有一個(gè)小體積，即使對(duì)光刻膠薄膜38a施加后烘烤，在顯影階段光刻膠薄膜38a的形狀基本保持不變。換言之，光刻膠薄膜38a的側(cè)表面保持基本垂直于絕緣襯底22的上表面。
在下一步，在轉(zhuǎn)動(dòng)絕緣襯底22的同時(shí)進(jìn)行Ar離子束刻蝕，如圖8D所示。在該階段，如果諸如絕緣襯底22的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和Ar離子束的照射角度的照射條件被優(yōu)化，如圖所示，可以在基本垂直于絕緣襯底22的上表面的方向沿光刻膠薄膜38a，38b的邊界線刻蝕絕緣襯底22的表面區(qū)域。尤其是，在進(jìn)行后烘烤的情況下，可以使由沿光刻膠薄膜38b的邊界線刻蝕形成的絕緣襯底22的垂直部分的深度大于光刻膠薄膜38a的側(cè)面上的深度。
Ar離子束刻蝕完成以后，留在絕緣襯底22表面上的光刻膠薄膜38a和38b被去除(剝離)，在絕緣襯底22的表面形成突起22a，如圖8E所示。應(yīng)該注意，突起22a的側(cè)壁基本垂直于絕緣襯底22的上表面，突起22a有規(guī)定的寬度(間隙長(zhǎng)度)和規(guī)定的高度。還應(yīng)該注意，被定位成互相面對(duì)同時(shí)突起22a介入其間的兩個(gè)凹陷被形成在絕緣襯底22的表面區(qū)域中。
形成突起22a的方法不限于上述方法，可以應(yīng)用其他方法形成突起22a。例如，可以采用使用化學(xué)液體的濕法刻蝕或反應(yīng)離子刻蝕代替Ar離子刻蝕?；蛘?，突起22a可以通過(guò)在絕緣襯底22的全部表面上淀積一個(gè)絕緣的非磁材料薄膜，然后選擇性地去除除了待形成突起22a的部分以外的絕緣的非磁材料的薄膜來(lái)形成。
現(xiàn)在敘述形成薄膜磁軛的步驟。在形成薄膜磁軛的步驟中形成一對(duì)薄膜磁軛24b，24c，該薄膜磁軛24b，24c被定位成互相面對(duì)，同時(shí)在其間介入突起22a，并且彼此被完全電分離。上述薄膜磁軛24b，24c這樣形成，在形成在絕緣襯底22的表面上的突起22a的兩個(gè)側(cè)面上淀積一層軟磁材料的薄膜，接著部分去除該軟磁材料的薄膜，直至至少是突起22a的頂端表面被暴露到外面時(shí)為止。
更具體地說(shuō)，如圖8F所示，軟磁材料薄膜24b被淀積在絕緣襯底22的全部表面上達(dá)到規(guī)定的厚度。然后，如圖8G所示，絕緣的非磁材料的保護(hù)薄膜30被淀積在軟磁薄膜24d的表面上達(dá)到規(guī)定的厚度。如上所述，第一保護(hù)薄膜30用于在平面化絕緣襯底22的表面的步驟中保護(hù)軟磁薄膜24d，即薄膜磁軛24b，24c。還有，第一保護(hù)薄膜30的材料根據(jù)平面化的方法適當(dāng)?shù)剡x擇。
下一步，第一保護(hù)薄膜30和軟磁薄膜24d被部分去除，直至至少是突起22a的頂端表面被暴露到外面而在突起22a的兩個(gè)側(cè)面上形成互相分離的薄膜磁軛24b，24c時(shí)為止，如圖8H所示。結(jié)果，GMR薄膜形成表面被形成在絕緣襯底22的表面，該GMR薄膜形成表面包括突起22a的頂端表面和相鄰于突起22a的頂端表面的薄膜磁軛24b，24c的上表面。還應(yīng)該注意，GMR薄膜形成表面在間隙長(zhǎng)度方向上的長(zhǎng)度大于間隙的長(zhǎng)度，GMR薄膜形成表面在寬度方向上的長(zhǎng)度大于間隙的寬度。還有，在該階段第一保護(hù)層30被分離為左右第一保護(hù)層30c和30b。
去除軟磁薄膜24d的不必要部分以形成 GMR薄膜形成表面的方法不受特別限制，就可能采用各種方法。更具體地說(shuō)，采用下文敘述的方法是理想的。
第一種方法是機(jī)械拋光法，該方法中第一保護(hù)薄膜30被形成在絕緣襯底22的全部表面上，接著機(jī)械拋光形成在絕緣襯底22上的第一保護(hù)薄膜30的表面。在該情況下，用例如Al2O3薄膜，SiO2薄膜，Si3N4薄膜或在不低于200℃的溫度下致密烘烤的光刻膠薄膜形成第一保護(hù)薄膜30是理想的。
第二種方法是背刻蝕法，該方法中第一保護(hù)薄膜30被形成在絕緣襯底22的全部表面上以平緩絕緣襯底22表面上的不規(guī)則處，接著通過(guò)采用離子束刻蝕形成在絕緣襯底22上的第一保護(hù)薄膜30的表面。在該情況下，用經(jīng)在90到120℃下后烘烤的光刻膠薄膜形成第一保護(hù)薄膜30是理想的。
如果形成在絕緣襯底22的表面上，即形成在絕緣襯底22上形成的軟磁薄膜24d的表面上的光刻膠薄膜(第一保護(hù)薄膜30)被刻蝕，首先光刻膠薄膜被單獨(dú)刻蝕。隨著刻蝕的進(jìn)展，軟磁薄膜24d的凸出部分開(kāi)始在光刻膠薄膜的表面暴露。然后，光刻膠薄膜和軟磁薄膜24d的凸出部分被同時(shí)刻蝕。
通常，光刻膠薄膜的最上面的表面不會(huì)完全平整。另外，在軟磁薄膜24d和光刻膠薄膜之間的刻蝕速率有差異。其結(jié)果是，通過(guò)單次刻蝕難以完全平整絕緣襯底22的表面。在這樣的情況下，在光刻膠薄膜被完全刻蝕掉之前刻蝕被停止一次，便會(huì)去除光刻膠薄膜(剝離)。在這種方式中，包括(1)形成光刻膠薄膜并進(jìn)行在90到120℃下的后烘烤，(2)刻蝕，(3)去除(剝離)的操作被重復(fù)進(jìn)行規(guī)定的次數(shù)，直至絕緣襯底22的表面被基本完全地平整化時(shí)為止。
順便提及，部分去除軟磁薄膜24d直至至少是突起22a的頂端表面被暴露到外面已經(jīng)足夠時(shí)為止，這樣就不必要完全去除第一保護(hù)薄膜30，如圖8H所示。但是，在突起22a有高度容差的地方，可以部分去除軟磁薄膜24d，直至第一保護(hù)薄膜30被完全去除時(shí)為止。
現(xiàn)在敘述形成GMR薄膜的步驟。在形成GMR薄膜的步驟中，GMR薄膜26被淀積于形成在絕緣襯底22的表面上的GMR薄膜形成表面上，接著將GMR薄膜26處理成規(guī)定的形狀。更具體地說(shuō)，對(duì)于形成GMR薄膜的步驟，理想的應(yīng)如下文所述進(jìn)行。
在第一步，光刻膠薄膜38被重新形成在絕緣襯底22除了GMR薄膜26將形成的區(qū)域以外的表面，如圖8I所示。光刻膠薄膜38由相似于上述結(jié)合形成突起22a的步驟的方法形成。在該階段，形成GMR薄膜26的區(qū)域，即不形成光刻膠薄膜38的區(qū)域在間隙長(zhǎng)度方向上的長(zhǎng)度被設(shè)定成充分大于間隙長(zhǎng)度。還有，在需要高靈敏度的地方，對(duì)于形成GMR薄膜26的區(qū)域在間隙寬度方向上的長(zhǎng)度，理想的是小于間隙的寬度，雖然上述具體區(qū)域的長(zhǎng)度要根據(jù)例如對(duì)磁場(chǎng)所需要的靈敏度和電阻確定。
下一步，具有規(guī)定成分的GMR薄膜26被淀積在絕緣襯底22的全部表面，如圖8J所示。結(jié)果，具有規(guī)定厚度的無(wú)瑕疵的GMR薄膜26形成在間隙長(zhǎng)度方向上長(zhǎng)于間隙長(zhǎng)度的區(qū)域中。同時(shí)，形成在間隙24a中的GMR薄膜26被電氣連接到薄膜磁軛24b，24c。形成GMR薄膜26之后，光刻膠薄膜38通過(guò)提升剝離(lift-off)的方法從絕緣襯底22的表面去除，如圖8K所示。
順便提及，可以采用其他方法取代上述方法形成GMR薄膜26。更具體地說(shuō)，GMR薄膜26可以通過(guò)這樣的方法形成在間隙24a中，該方法包括的步驟為(1)直接在絕緣襯底22的全部平整的表面上淀積GMR薄膜26，(2)用例如光刻膠薄膜只在相鄰于突起22a的區(qū)域形成掩模，以及(3)通過(guò)刻蝕單獨(dú)去除該區(qū)域的未由例如光刻膠薄膜覆蓋的GMR薄膜26。
現(xiàn)在敘述形成電極的步驟。在形成電極的步驟中，電極28b和28c形成在薄膜磁軛24b，24c的邊緣部分更具體地說(shuō)，光刻膠薄膜38重新形成在不包括電極28b，28c將形成的區(qū)域的絕緣襯底22上，如圖8L所示。光刻膠薄膜38由相似于上述結(jié)合形成突起的步驟的方法形成。然后，具有規(guī)定厚度并由導(dǎo)電材料形成的薄膜28a從光刻膠薄膜38的上方淀積，如圖8M所示，接著去除(提升剝離)光刻膠薄膜38。結(jié)果，可分別在薄膜磁軛24b，24c的邊緣部分形成電極28b和28c，如圖8N所示。順便提及，圖8N中僅顯示電極28b。
順便提及，形成電極28b和28c的方法不限于上述方法。例如，可以用這樣的方法形成電極28b和28c，該方法包括直接在絕緣襯底22的除了鄰近GMR薄膜26的區(qū)域外的全部表面淀積由導(dǎo)電材料構(gòu)成的薄膜28的步驟，用光刻膠薄膜覆蓋所需要的部分的步驟，以及通過(guò)例如Ar離子束刻蝕，用化學(xué)液體的濕法刻蝕或反應(yīng)離子刻蝕去除不必要的部分的步驟。但是在采用特定方法的情況下，必須預(yù)先形成保護(hù)薄膜用于保護(hù)位于將要去除的薄膜28a的該部分下面的GMR薄膜26和薄膜磁軛。
現(xiàn)在敘述形成表面保護(hù)薄膜的步驟。在形成表面保護(hù)薄膜的步驟中，用于保護(hù)薄膜磁軛24b，24c和GMR薄膜26的第二保護(hù)薄膜32形成在絕緣襯底22的最上面的表面。更具體地說(shuō)，光刻膠薄膜38重新形成在不包括第二保護(hù)薄膜32將形成的區(qū)域的絕緣襯底22上，如圖80所示。光刻膠薄膜38由相似于上述結(jié)合形成突起的步驟的方法形成。在該情況下，可取的是這樣形成光刻膠薄膜38，使電極28b，28c(圖80僅顯示電極28b)部分由第二保護(hù)薄膜32覆蓋。然后，如圖8P所示，第二保護(hù)薄膜32從光刻膠薄膜38的上方淀積到規(guī)定的厚度，接著，去除光刻膠薄膜38(提升剝離)。結(jié)果，得到根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的薄膜磁傳感器20，如圖8Q所示。
順便提及，形成第二保護(hù)薄膜32的方法不限于上述方法。或者，第二保護(hù)薄膜32可以通過(guò)這樣的方法形成，該方法包括例如直接在絕緣襯底22的全部表面淀積第二保護(hù)薄膜32的步驟，以覆蓋第二保護(hù)薄膜32的需要部分的方式形成光刻膠薄膜的步驟，以及通過(guò)Ar離子束刻蝕，用化學(xué)液體的濕法刻蝕或反應(yīng)離子刻蝕去除第二保護(hù)薄膜32的不必要部分的步驟。
現(xiàn)在敘述根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的薄膜磁傳感器20的功能和效果。
制造薄膜磁傳感器的常規(guī)方法包括在絕緣襯底的表面淀積軟磁薄膜，在這樣形成的軟磁薄膜中形成有小寬度的凹槽(間隙)，獲得定位成互相面對(duì)的薄膜磁軛，同時(shí)該小間隙介入其間，以及在包括該間隙的薄膜磁軛上淀積GMR薄膜。
在上述常規(guī)的方法中，使形成在間隙中的GMR薄膜的底部的截面形狀成為三角形或梯形。結(jié)果，使GMR薄膜的側(cè)壁部分和GMR薄膜的底部之間的接觸面積顯著小于GMR薄膜的厚度方向的平均截面積。在極端的情況下，使GMR薄膜的側(cè)壁部分和底部成帶狀接觸。其結(jié)果是，薄膜磁軛和GMR薄膜之間的接觸電阻因制造條件的稍許變化而有明顯改變。另外，使薄膜磁傳感器的磁特性變得不穩(wěn)定。
還有，磁特性優(yōu)秀的金屬-絕緣體系統(tǒng)納米微粒材料易損壞，這樣，當(dāng)?shù)矸e在間隙中形成薄膜時(shí)，該薄膜往往會(huì)沿從間隙的平整的底部生長(zhǎng)的薄膜部分和從間隙的側(cè)壁生長(zhǎng)的薄膜部分之間的邊界線破裂。其結(jié)果是，在用金屬絕緣體系統(tǒng)納米微粒材料作為薄膜磁傳感器的GMR薄膜和淀積在間隙中的材料的情況下，往往使薄膜磁傳感器在電和磁的方面都不穩(wěn)定。
另一方面，根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的薄膜磁傳感器20這樣構(gòu)成，使突起22a形成在絕緣襯底22的表面，薄膜磁軛24b，24c淀積在突起22a的兩個(gè)側(cè)面。其結(jié)果是，間隙24a處于用由絕緣的非磁材料形成的突起22a裝填的狀態(tài)。在這樣的情況下，如果在突起22a的頂端表面平整化以后GMR薄膜被淀積在絕緣襯底22的表面，GMR薄膜的淀積就不會(huì)受到薄膜磁軛24b，24c的側(cè)壁的損害。
還有，因?yàn)橥黄?2a的頂端表面和鄰近突起22a的頂端表面的區(qū)域被作為相對(duì)平整的、在間隙的長(zhǎng)度方向上長(zhǎng)于間隙長(zhǎng)度的GMR薄膜形成表面，以及GMR薄膜被形成在該GMR薄膜形成表面上，就可以至少在間隙24a中形成有基本均勻的厚度的無(wú)瑕疵GMR薄膜26。還有，GMR薄膜的下表面可無(wú)故障地電連接到薄膜磁軛24b，24c的上表面。另外，甚至在用相對(duì)易損的材料形成GMR薄膜26的情況下，GMR薄膜26也未必會(huì)破損。其結(jié)果是，即使制造條件發(fā)生稍許改變，GMR薄膜和薄膜磁軛24b，24c之間的接觸電阻不會(huì)顯著變化，穩(wěn)定了薄膜磁傳感器的磁性能。
第二實(shí)施例現(xiàn)在敘述根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的薄膜磁傳感器。圖9是示意性地顯示根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的薄膜磁傳感器的結(jié)構(gòu)的平面圖，圖10是取自沿圖9的X-X線的截面圖，圖11是以放大的形式顯示薄膜磁傳感器的、包括在根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的薄膜磁傳感器中的間隙附近的區(qū)域的結(jié)構(gòu)截面圖，圖12是以放大的形式顯示薄膜磁傳感器的、包括在根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的薄膜磁傳感器中的間隙附近的區(qū)域的另一種結(jié)構(gòu)截面圖。
如圖所示，根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的薄膜磁傳感器40包括一個(gè)絕緣襯底42，一對(duì)薄膜磁軛44b，44c和一層GMR薄膜46。薄膜磁軛44b和44c被定位成互相面對(duì)，同時(shí)間隙44a介入其間。還有，GMR薄膜46形成在間隙44a中，以便電連接到薄膜磁軛44b，44c。還有，電極48b，48c分別連接到薄膜磁軛44b，44c的邊緣部分。另外，絕緣襯底42的最上表面用第二保護(hù)薄膜52覆蓋。
薄膜磁軛44b，44c被淀積在形成于絕緣襯底42的表面的突起43a的兩個(gè)側(cè)面上。還有，突起43a包括一個(gè)通過(guò)刻蝕絕緣襯底42而形成的絕緣襯底42的錐形的凸出部分42a，在絕緣襯底42的錐形凸出部分42a的上表面成層的GMR薄膜46，和在GMR薄膜46上成層的第三保護(hù)薄膜50。另外，在本發(fā)明的第二實(shí)施例中，間隙柱43包括突起43a和在突起43a上成層的第二保護(hù)薄膜52。換言之，在本發(fā)明的第二實(shí)施例中，被暴露到間隙柱43的側(cè)表面和/或傾斜的下表面的GMR薄膜46的表面被電連接到薄膜磁軛44b，44c的側(cè)表面和/或傾斜的下表面。
具體結(jié)構(gòu)的間隙柱43可以通過(guò)這樣的方法形成，該方法包括的步驟為(1)在絕緣襯底42的表面以提及的次序淀積GMR薄膜46和第三保護(hù)薄膜50，(2)全部去除第三保護(hù)薄膜50以及部分或全部去除GMR薄膜46，直至GMR薄膜46部分或全部暴露到突起43a的側(cè)壁表面時(shí)為止，同時(shí)形成突起43a的頂端部分的區(qū)域被保留不去除，和(3)在突起43a的兩個(gè)側(cè)面形成薄膜磁軛44b，44c，接著在全部表面上淀積第二保護(hù)薄膜52。
可以將突起43a的和絕緣襯底42的上表面垂直的部分，即突起43a的側(cè)壁表面單由第三保護(hù)薄膜50形成。在該情況下，雖然靈敏度多少有點(diǎn)降低，但GMR薄膜46的暴露到突起43a的傾斜側(cè)表面的部分可以無(wú)故障地被連接到薄膜磁軛44b，44c。另外，為了獲得對(duì)磁場(chǎng)的高靈敏度，理想的是將GMR薄膜46包括在突起43a的側(cè)壁表面中，如圖12所示。對(duì)于GMR薄膜46的構(gòu)成一部分突起43a的側(cè)壁表面的那部分的厚度“t”，理想的是不小于GMR薄膜46的厚度的1/2。隨著GMR薄膜46的構(gòu)成一部分突起43a的側(cè)壁表面的那部分的厚度“t”的增加，對(duì)磁場(chǎng)的靈敏度也增加。
任何種類的絕緣非磁材料都可以用于形成構(gòu)成突起43a的頂端部分的第三保護(hù)薄膜50。更具體地說(shuō)，第三保護(hù)薄膜可以由例如Al2O3，SiO2，Si3N4或在不低于200℃的溫度下致密烘烤的光刻膠形成。
順便提及，絕緣襯底42，突起43a，薄膜磁軛44b，44c，GMR薄膜46，電極48b和48c，第二保護(hù)薄膜52以及其他構(gòu)件和包括在根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的薄膜磁傳感器中的絕緣襯底22，突起22a，薄膜磁軛24b，24c，GMR薄膜26，電極28b和28c，第二保護(hù)薄膜32以及其他構(gòu)件相同，這樣，對(duì)絕緣襯底42等的敘述就省略了。
現(xiàn)在敘述根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的薄膜磁傳感器的制造方法。
圖13A到13P是集中顯示根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的薄膜磁傳感器的制造工藝的截面圖。根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的制造工藝包括形成GMR薄膜的步驟，形成突起的步驟，形成薄膜磁軛的步驟，形成電極的步驟以及形成表面保護(hù)薄膜的步驟。
首先敘述形成GMR薄膜的步驟。在形成GMR薄膜的步驟中，GMR薄膜46淀積在絕緣襯底42的表面。更具體地說(shuō)，形成GMR薄膜的步驟理想地執(zhí)行如下。
第一步，如圖13A所示，光刻膠薄膜38形成在絕緣襯底42的除了GMR薄膜46將形成的區(qū)域之外的經(jīng)平整的表面上。在該階段，將形成GMR薄膜的區(qū)域在間隙長(zhǎng)度的方向上的長(zhǎng)度被充分設(shè)定得大于間隙的長(zhǎng)度，上述特定區(qū)域的寬度根據(jù)例如所需要的對(duì)磁場(chǎng)的靈敏度和電阻限定。下一步，如圖13B所示，GMR薄膜46形成在絕緣襯底42的全部表面上，接著提升剝離光刻膠薄膜38以在間隙44a將形成的區(qū)域形成GMR薄膜46，如圖13C所示。
順便提及，可以采用其他方法來(lái)取代上述方法形成GMR薄膜46。更具體地說(shuō)，GMR薄膜46也可以通過(guò)這樣的方法形成，該方法包括的步驟為(1)直接在絕緣襯底42的經(jīng)平整的全部表面上淀積GMR薄膜46，(2)用例如光刻膠薄膜僅在突起43a將形成的區(qū)域和上述特定區(qū)域附近的區(qū)域形成掩模，和(3)通過(guò)刻蝕去除僅在該未用例如光刻膠薄膜覆蓋的區(qū)域的GMR薄膜46，如先前在第一實(shí)施例中敘述的那樣。
現(xiàn)在敘述形成突起的步驟。在形成突起的步驟中，突起43a通過(guò)這樣的方法形成，該方法包括在GMR薄膜46上進(jìn)一步淀積第三保護(hù)薄膜50的步驟，以及全部去除第三保護(hù)薄膜50和部分或全部去除GMR薄膜46，同時(shí)形成突起43a的區(qū)域被保留不去除，直至GMR薄膜46部分或完全暴露到突起43a的側(cè)壁表面以形成突起43a的步驟時(shí)為止。更具體地說(shuō)，形成突起的步驟理想地執(zhí)行如下。
第一步，如圖13D所示，第三保護(hù)薄膜50被淀積在絕緣襯底42的全部表面上一個(gè)規(guī)定的厚度。順便提及，通過(guò)刻蝕形成的突起43a的形狀的精確性往往隨著第三保護(hù)薄膜50厚度的增加而變差。在這樣的情況下，理想的是第三保護(hù)薄膜要形成得盡可能薄。
下一步，由例如Cr薄膜或Ti薄膜構(gòu)成的防穿透薄膜34形成在第三保護(hù)薄膜50上，如圖13E所示，接著在突起43a將形成的區(qū)域中形成光刻膠薄膜38a和在不形成薄膜磁軛44b，44c的區(qū)域中形成另一個(gè)光刻膠薄膜38b，如圖13F所示。順便提及，如前述本發(fā)明的第一實(shí)施例中一樣，理想的是對(duì)光刻膠薄膜38a和38b進(jìn)行后烘烤。
下一步，在轉(zhuǎn)動(dòng)絕緣襯底42的同時(shí)在規(guī)定的條件下進(jìn)行Ar離子束刻蝕以在絕緣襯底42的表面形成突起43a，如圖13G所示。在突起43a的頂端部分的側(cè)壁垂直于絕緣襯底42的上表面。還有，突起43a有規(guī)定的寬度(間隙長(zhǎng)度)和高度。如果照射條件被優(yōu)化，就可以使GMR薄膜46部分或全部暴露到突起43a的垂直于絕緣襯底42的上表面的側(cè)壁表面。另外，絕緣襯底42也同時(shí)沿光刻膠薄膜38b的邊界線刻蝕。在該步驟，絕緣襯底42在基本垂直于絕緣襯底42的上表面的方向上刻蝕以在絕緣襯底42的表面區(qū)域形成兩個(gè)凹陷，使該兩個(gè)凹陷被定位成互相面對(duì)，同時(shí)突起43a介入其間?？涛g完成以后，保留在絕緣襯底42的表面的光刻膠薄膜被去除(剝離)，如圖13H所示。
現(xiàn)在敘述形成薄膜磁軛的步驟。在形成薄膜磁軛的步驟中，軟磁材料被淀積在突起43a的兩個(gè)側(cè)面以形成一對(duì)薄膜磁軛44b，44c，該薄膜磁軛44b，44c被定位成互相面對(duì)，突起43介入其間，互相完全電分離。薄膜磁軛44b，44c可由基本相同于上述結(jié)合本發(fā)明的第一實(shí)施例的工藝形成。
具體地說(shuō)，對(duì)于形成薄膜磁軛44b，44c，首先在絕緣襯底42的不包括薄膜磁軛44b，44c將形成的區(qū)域的表面重新形成光刻膠薄膜38，如圖13I所示。然后，在絕緣襯底42的全部表面淀積軟磁薄膜44d到一個(gè)規(guī)定的厚度，如圖13J所示，接著通過(guò)提升剝離的方法去除光刻膠薄膜38，如圖13K所示。
下一步，在絕緣襯底42的全部表面形成第一保護(hù)薄膜30，如圖13L所示。然后，通過(guò)前述機(jī)械拋光法或背刻蝕法部分去除第一保護(hù)薄膜30和軟磁薄膜44d，直至軟磁薄膜44d從至少是突起43a的頂端表面完全去除時(shí)為止。結(jié)果，薄膜磁軛44b，44c被形成為互相面對(duì)，突起43a介入其間，如圖13M所示。
順便提及，圖13M顯示，在形成薄膜磁軛44b，44c以后保留在薄膜磁軛44b，44c上的第一保護(hù)薄膜30被完全去除(剝離)。但是，對(duì)于第一保護(hù)薄膜30也可以部分保留在薄膜磁軛44b，44c上不去除。還有，用以去除軟磁薄膜44d的不必要部分的機(jī)械拋光法或背刻蝕法可以用這樣的方法替代(下文中被稱為“額外的薄膜去除方法”)，該方法包括的步驟為(1)用例如光刻膠薄膜形成除了淀積在突起43a的頂端表面上的部分之外的軟磁薄膜44d的掩模，和(2)通過(guò)刻蝕去除未用例如光刻膠薄膜覆蓋的那個(gè)部分的軟磁薄膜44d。
現(xiàn)在敘述電極的形成步驟。電極形成步驟通過(guò)和前述結(jié)合本發(fā)明的第一實(shí)施例的相同的程序執(zhí)行。具體地說(shuō)，在絕緣襯底42的除了電極48b，48c將形成的區(qū)域之外的表面上重新形成光刻膠薄膜38，如圖13N所示，接著在絕緣襯底42的表面淀積由導(dǎo)電材料構(gòu)成的薄膜48a，如圖130所示，然后去除(提升剝離)光刻膠薄膜38，如圖13P所示。結(jié)果，電極48b和48c可分別形成在薄膜磁軛44b，44c的邊緣部分。順便提及，圖13P中僅示出電極48b。
另外，在絕緣襯底42的表面通過(guò)執(zhí)行其程序相似于前述結(jié)合本發(fā)明的第一實(shí)施例的形成表面保護(hù)薄膜的步驟形成第二保護(hù)薄膜52以獲得根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的薄膜磁傳感器40。
現(xiàn)在敘述根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的薄膜磁傳感器40的功能和效果。在本發(fā)明的第二實(shí)施例中，GMR薄膜46和第三保護(hù)薄膜50以提及的次序淀積在絕緣襯底42的表面，接著在規(guī)定的條件下刻蝕絕緣襯底42的表面。結(jié)果，可以形成具有部分或全部暴露到其側(cè)壁表面的GMR薄膜46的突起43a。
在淀積軟磁薄膜44d時(shí)，不像在一個(gè)小溝槽中淀積軟磁薄膜的情況，圍繞從絕緣襯底42的表面突出的突起43a很少會(huì)形成遮蔽。其結(jié)果是，在本發(fā)明的第二實(shí)施例中淀積軟磁薄膜44d，該軟磁薄膜44d和突起43a的側(cè)壁表面直接密切接觸。結(jié)果，在每一個(gè)都由軟磁薄膜44d形成的薄膜磁軛44b，44c和暴露到突起43a的側(cè)壁表面的GMR薄膜46之間得到無(wú)故障的面接觸。還有，即使制造條件發(fā)生稍許改變，在薄膜磁軛44b，44c和GMR薄膜46之間的接觸電阻也不會(huì)明顯地變化，因而穩(wěn)定了薄膜磁傳感器的磁性能。
應(yīng)該注意，如果薄膜磁軛44b，44c由外磁場(chǎng)磁化，從薄膜磁軛44b，44c泄漏的磁通主要通過(guò)突起43a的側(cè)壁表面之間的區(qū)域。其結(jié)果，在GMR薄膜46暴露到突起43a的側(cè)壁表面的地方，更強(qiáng)的磁場(chǎng)作用到GMR薄膜46，進(jìn)一步提高了薄膜磁傳感器對(duì)磁場(chǎng)的靈敏度。
第三實(shí)施例現(xiàn)在敘述根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的薄膜磁傳感器。圖14是示意性地顯示根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的薄膜磁傳感器的結(jié)構(gòu)的平面圖，圖15是取自沿圖14的XV-XV線的截面圖，圖16是以放大的形式顯示包括在根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的薄膜磁傳感器中的間隙附近的區(qū)域的截面圖。
如圖所示，根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的薄膜磁傳感器60包括一個(gè)絕緣襯底62，一對(duì)薄膜磁軛64b，64c和一層GMR薄膜66。薄膜磁軛64b和64c被定位成互相面對(duì)，同時(shí)間隙64a介入其間。還有，GMR薄膜66形成在間隙64a中，以便電連接到薄膜磁軛64b，64c。還有，電極68b，68c分別連接到薄膜磁軛64b，64c的邊緣部分，絕緣襯底62的最上表面用第二保護(hù)薄膜72覆蓋。
GMR薄膜66淀積在絕緣襯底62的表面。還有，由GMR薄膜66和第四保護(hù)薄膜70構(gòu)成的突起63a形成在間隙64a中，薄膜磁軛64b，64c形成在突起63a的兩個(gè)側(cè)面上。更具體地說(shuō)，在本發(fā)明的第三實(shí)施例中，GMR薄膜66的上表面和薄膜磁軛64b，64c的下表面電氣面接觸。另外，在本發(fā)明的第三實(shí)施例中，間隙柱63由突起63a和第二保護(hù)薄膜72構(gòu)成。
在形成突起63a中，GMR薄膜66和由絕緣的非磁材料形成的第四保護(hù)薄膜70以提及的次序相繼淀積在絕緣襯底62的表面上，接著部分去除第四保護(hù)薄膜70，直至至少是GMR薄膜66的表面被暴露到外面時(shí)為止。在該階段，在形成突起63a的區(qū)域中的第四保護(hù)薄膜70被保留不去除。適合于用作第四保護(hù)薄膜70的材料包括例如Al2O3，SiO2，Si3N4或在不低于200℃的溫度下致密烘烤的光刻膠。
順便提及，絕緣襯底62，突起63a，薄膜磁軛64b，64c，GMR薄膜66，電極68b和68c，第二保護(hù)薄膜72以及其他構(gòu)件和包括在根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的薄膜磁傳感器20中的絕緣襯底22，突起22a，薄膜磁軛24b，24c，GMR薄膜26，電極28b和28c，第二保護(hù)薄膜32以及其他構(gòu)件相同，這樣，對(duì)絕緣襯底62等的敘述被省略。
現(xiàn)在敘述根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的薄膜磁傳感器60的制造工藝。
圖17A到17O是集中顯示根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的薄膜磁傳感器60的制造工藝的截面圖。該實(shí)施例的制造工藝包括形成GMR薄膜的步驟，形成突起的步驟，形成薄膜磁軛的步驟，形成電極的步驟以及形成表面保護(hù)薄膜的步驟。
在本發(fā)明的第三實(shí)施例中形成GMR薄膜的步驟基本和前述本發(fā)明的第二實(shí)施例中的步驟相同。更具體地說(shuō)，首先，光刻膠薄膜38形成在絕緣襯底62的除了GMR薄膜66將形成的區(qū)域以外的經(jīng)平整的表面，如圖17A所示。然后，具有規(guī)定成分的GMR薄膜66淀積在光刻膠薄膜38上達(dá)規(guī)定的厚度，如圖17B所示，接著，如圖17C所示去除(提升剝離)光刻膠薄膜38。在該方式中，可以形成在間隙長(zhǎng)度方向上長(zhǎng)于間隙長(zhǎng)度的GMR薄膜66。
現(xiàn)在敘述形成突起的步驟。在形成突起的步驟中，第四保護(hù)薄膜被進(jìn)一步淀積在形成在絕緣襯底62的表面上的的GMR薄膜66上，接著部分去除第四保護(hù)薄膜70直至至少是GMR薄膜66的表面被暴露到外面時(shí)為止。在該階段，第四保護(hù)薄膜70的形成突起63a的區(qū)域被保留不去除。更具體地說(shuō)，形成突起的步驟理想地執(zhí)行如下。
更具體地說(shuō)，第四保護(hù)薄膜70被淀積在絕緣襯底62的全部表面上一個(gè)規(guī)定的厚度，如圖17D所示。順便提及，在相繼步驟中通過(guò)刻蝕形成的突起63a的形狀的精確性往往隨著第四保護(hù)薄膜70厚度的增加而下降。在這樣的情況下，如上述本發(fā)明的第一實(shí)施例一樣，理想的是第四保護(hù)薄膜要形成得盡可能薄。
下一步，由例如Cr薄膜或Ti薄膜構(gòu)成的防穿透薄膜34形成在第四保護(hù)薄膜70上，如圖17E所示，接著在突起63a將形成的部分中形成光刻膠薄膜38，如圖17F所示。
下一步，在轉(zhuǎn)動(dòng)絕緣襯底62的同時(shí)進(jìn)行Ar離子束刻蝕以部分去除防穿透薄膜34和第四保護(hù)薄膜70。離子束刻蝕在這樣的條件下進(jìn)行，使離子束以比較接近于垂直方向的方向行進(jìn)。結(jié)果，在GMR薄膜66的表面形成突起63a，如圖17G所示。這樣形成的突起63a有具有相對(duì)于絕緣襯底62的上表面一個(gè)任選角度的側(cè)壁。還有，突起63a有規(guī)定的寬度(間隙長(zhǎng)度)和規(guī)定的高度。順便提及，如果刻蝕條件被優(yōu)化，就可以使突起63a形成為像沒(méi)有錐形部分的柱的形狀，基本垂直于絕緣襯底62的上表面?？涛g完成以后，保留在突起63a的頂端表面的光刻膠薄膜38被去除(剝離)，如圖17H所示。
現(xiàn)在敘述形成薄膜磁軛的步驟。在形成薄膜磁軛的步驟中，軟磁薄膜64d被淀積在突起63a的兩個(gè)側(cè)面以形成一對(duì)薄膜磁軛64b，64c，該薄膜磁軛64b，64c被定位成互相面對(duì)，突起63a介入其間，互相完全電分離。薄膜磁軛64b，64c可由基本相同于上述本發(fā)明的第一實(shí)施例采用的方法形成。
具體地說(shuō)，在絕緣襯底62的不包括薄膜磁軛64b，64c將形成的區(qū)域的表面重新形成光刻膠薄膜38，如圖17I所示。然后，在絕緣襯底62的全部表面淀積軟磁薄膜64d到一個(gè)規(guī)定的厚度，如圖17J所示，接著去除(提升剝離)光刻膠薄膜38，如圖17K所示。
下一步，在絕緣襯底62的全部表面形成第一保護(hù)薄膜30，如圖17L所示，接著，通過(guò)機(jī)械拋光法或背刻蝕法部分去除軟磁薄膜64d，直至軟磁薄膜64d從至少是突起63a的頂端表面完全去除時(shí)為止。結(jié)果，薄膜磁軛64b，64c被形成為互相面對(duì)，突起63a介入其間，如圖17M所示。順便提及，在如圖17M顯示的步驟中，在形成薄膜磁軛64b，64c以后保留在薄膜磁軛64b，64c上的第一保護(hù)薄膜30被完全去除。但是，對(duì)于第一保護(hù)薄膜30也可以部分保留在薄膜磁軛64b，64c上不去除。還有，可以用額外的薄膜去除方法替代機(jī)械拋光法或背刻蝕法。
現(xiàn)在敘述電極的形成步驟。電極形成步驟通過(guò)和前述本發(fā)明的第一實(shí)施例相似的程序執(zhí)行。具體地說(shuō)，在絕緣襯底62的除了電極68b，68c將形成的區(qū)域之外的表面上重新形成光刻膠薄膜38，接著在光刻膠薄膜38上淀積電極材料68a，如圖17N所示，然后去除(提升剝離)光刻膠薄膜38，如圖17O所示。通過(guò)上述程序，電極68b和68c可分別形成在薄膜磁軛64b，64c的邊緣部分。順便提及，圖17O中僅示出電極68b。
然后，在絕緣襯底62的表面通過(guò)執(zhí)行和上述本發(fā)明的第一實(shí)施例的程序相似的形成表面保護(hù)層的步驟形成第二保護(hù)薄膜72以獲得根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的薄膜磁傳感器60。
現(xiàn)在敘述根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的薄膜磁傳感器的功能和效果。根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的薄膜磁傳感器60通過(guò)下述步驟制備，在絕緣襯底62的表面形成在間隙長(zhǎng)度方向上比間隙長(zhǎng)度更長(zhǎng)的GMR薄膜66，接著在GMR薄膜66上淀積第四保護(hù)薄膜70并接著形成突起63a，然后淀積軟磁薄膜64d。應(yīng)該注意，在該實(shí)施例的薄膜磁傳感器60中，在GMR薄膜66的上表面和薄膜磁軛64b，64c的下表面之間可以無(wú)故障地得到面對(duì)面的電接觸。其結(jié)果是，即使制造條件發(fā)生少許改變，薄膜磁軛64b，64c和GMR薄膜66之間的接觸電阻也不會(huì)明顯變化，因而，穩(wěn)定了薄膜磁傳感器60的磁性能。
實(shí)例(實(shí)例1)如圖9到11所示構(gòu)造的薄膜磁傳感器40通過(guò)圖13A到13P顯示的方法制造。在該實(shí)例中，25個(gè)元件組(芯片)41形成在一個(gè)單絕緣襯底42上，如圖20B所示。每個(gè)元件組(芯片)41包括4個(gè)單元元件40a，每個(gè)單元元件40a由一個(gè)單層的GMR薄膜46和一對(duì)設(shè)置在GMR薄膜46的兩個(gè)側(cè)面上的薄膜磁軛44b，44c構(gòu)成，如圖20A所示。其結(jié)果是，總數(shù)100個(gè)單元元件40a形成在單個(gè)的絕緣襯底42上。
一種無(wú)堿金屬玻璃被用作絕緣襯底42。GMR薄膜46由具有FeCo-MgF2成分的金屬-絕緣體系統(tǒng)納米微粒材料形成。另外，CoFeSiB無(wú)定形薄膜被用作每個(gè)薄膜磁軛44b和44c。每個(gè)薄膜磁軛44b和44c的厚度被設(shè)定為1.0μm。GMR薄膜46的厚度被設(shè)定為0.5μm。另外，間隙長(zhǎng)度被設(shè)定為2.0μm。還有，軟磁薄膜44d淀積以后，通過(guò)額外的薄膜去除方法部分去除軟磁薄膜44d，將突起43a的頂端表面暴露到外面。
(實(shí)例2)二十五個(gè)芯片(或總數(shù)100個(gè)單元元件)通過(guò)除了用背刻蝕法部分去除淀積的軟磁薄膜44d直至使突起43a的頂端表面暴露到外面時(shí)為止以外，其他都和實(shí)例1相同的程序形成在絕緣襯底42上。
(比較實(shí)例1)十六個(gè)芯片，每個(gè)芯片包括4個(gè)如圖1到3所示構(gòu)造的作為單元元件的薄膜磁傳感器10，即總數(shù)64個(gè)單元元件(薄膜磁傳感器10)的制造步驟如下。具體地說(shuō)，由無(wú)定形CoFeSiB構(gòu)成的軟磁薄膜在無(wú)堿金屬玻璃襯底的絕緣襯底12的表面淀積到1.0μm的厚度。然后部分刻蝕軟磁薄膜以形成定位成互相面對(duì)的薄膜磁軛14，14，同時(shí)有2.0μm間隙長(zhǎng)度的間隙(溝槽)介入其間。
下一步，由具有FeCo-MgF2成分的金屬-絕緣體系統(tǒng)納米微粒材料構(gòu)成的GMR薄膜16在絕緣襯底12的表面用設(shè)置成覆蓋除了間隙14a的區(qū)域以外的絕緣襯底12的表面的掩模淀積到0.5μm的厚度。另外，電極18，18形成在薄膜磁軛14，14的邊緣部分，接著以覆蓋薄膜磁軛14，14和GMR薄膜16的方式形成保護(hù)薄膜19而獲得薄膜磁傳感器10。
在每個(gè)實(shí)例1，2和比較實(shí)例1中獲得的薄膜磁傳感器都經(jīng)受了200℃1.0小時(shí)的熱處理，為的是消除每個(gè)多層薄膜的內(nèi)部應(yīng)力，接著在100(Oe)磁場(chǎng)下為每個(gè)單元元件測(cè)量電阻(kΩ)和MR比(％)。另外，芯片中的元件的電阻值的變化ΔR用為芯片中四個(gè)相鄰的單元元件測(cè)量的電阻值根據(jù)下面給出的公式計(jì)算ΔR＝|Ri-Rj|×100/Rm(％)式中Ri和Rj分別指第i個(gè)和第j個(gè)單元元件的電阻值，i和j指1到4的整數(shù)，i和j的值互相不同，Rm指同一個(gè)芯片中四個(gè)單元元件的電阻值的平均值。
圖18和19分別顯示單元元件的電阻值的分布和芯片中的元件的電阻值的變化ΔR的分布。在比較實(shí)例1中獲得的薄膜磁傳感器10的情況下，單元元件的電阻值在100kΩ和1600kΩ之間的范圍中分布。換言之，最大的電阻值被發(fā)現(xiàn)比最小的電阻值的10倍還要大。另一方面，比較實(shí)例1芯片中的元件的電阻值的變化ΔR被發(fā)現(xiàn)落在2％和40％之間的范圍內(nèi)。另外，比較實(shí)例1的單元元件的MR比的變化被發(fā)現(xiàn)落在0％和6％之間的范圍內(nèi)。應(yīng)該注意，所有單元元件中只有約10％顯示出MR比不小于5％，說(shuō)明比較實(shí)例1中薄膜磁傳感器的產(chǎn)量很低。
另一方面，在每個(gè)實(shí)例1和2中獲得的薄膜磁傳感器40的情況下，單元元件的電阻值穩(wěn)定，它們被發(fā)現(xiàn)落在400kΩ和1000kΩ之間的范圍內(nèi)。換言之，和比較實(shí)例1相比，電阻值的變化很小。還有，在本發(fā)明的實(shí)例1和2中芯片中的元件的電阻值的變化ΔR不大于6％，明顯小于比較實(shí)例1。另外，在本發(fā)明的每個(gè)實(shí)例1和2中單元元件的MR比被發(fā)現(xiàn)落在5％到7％的范圍內(nèi)。另外，本發(fā)明的實(shí)例的薄膜磁傳感器40顯示了高M(jìn)R比及高穩(wěn)定性，因此每個(gè)單元元件顯示出不小于5％的MR比。
上文敘述的實(shí)施例只是意圖說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)原理。當(dāng)然，本發(fā)明在解釋本發(fā)明的技術(shù)范圍時(shí)不應(yīng)限制在上述實(shí)施例中。本發(fā)明可以在附后的權(quán)利要求中限定的本發(fā)明的精神和范圍中的經(jīng)各種修改的方式中工作。
例如，雖然本發(fā)明的器件具有設(shè)置在GMR薄膜兩側(cè)的GMR薄膜和薄膜磁軛而適用于磁傳感器，本發(fā)明的應(yīng)用不限于磁傳感器。本發(fā)明的器件也可以用于，例如磁存儲(chǔ)器和磁頭。
權(quán)利要求
1.一種薄膜磁傳感器包括一對(duì)薄膜磁軛，每一個(gè)磁軛由軟磁材料形成，該薄膜磁軛被設(shè)置成互相面對(duì)，同時(shí)一個(gè)間隙介入其間；一個(gè)GMR薄膜，該GMR薄膜被電連接到該對(duì)薄膜磁軛并具有高于軟磁材料的電阻率；和一個(gè)絕緣襯底，該絕緣襯底支撐薄膜磁軛和GMR薄膜并由絕緣的非磁材料形成；其中一個(gè)包括一個(gè)由絕緣的非磁材料形成的層次和一個(gè)GMR薄膜的層次的多層次結(jié)構(gòu)的間隙柱被設(shè)置在間隙中，在間隙的長(zhǎng)度上GMR薄膜的厚度均勻。
2.如權(quán)利要求1所述的薄膜磁傳感器，其特征在于，其中GMR薄膜由金屬-絕緣體系統(tǒng)納米微粒材料形成。
3.一種制造薄膜磁傳感器的方法，包括的步驟為在由絕緣的非磁材料形成的絕緣襯底的表面上通過(guò)從絕緣襯底的一個(gè)表面區(qū)域去除該絕緣襯底的不必要部分，或通過(guò)在絕緣襯底的表面淀積一層由絕緣的非磁材料形成的薄膜而形成一個(gè)突起；形成一對(duì)定位成互相面對(duì)，同時(shí)該突起介入其間，互相完全電分離的薄膜磁軛，該薄膜磁軛通過(guò)在具有形成在其上的突起的絕緣襯底的表面淀積一層由一個(gè)軟磁材料形成的薄膜，接著部分地去除該由軟磁材料形成的薄膜，直至至少突起的一個(gè)頂端表面被暴露到外面時(shí)為止而形成；和在突起的頂端表面和鄰近于該突起的薄膜磁軛的上表面淀積一層有高于軟磁材料的電阻率的GMR薄膜，因此該GMR薄膜被電連接到薄膜磁軛的上表面。
4.一種制造薄膜磁傳感器的方法，包括的步驟為在由絕緣的非磁材料形成的絕緣襯底的表面淀積一層GMR薄膜；通過(guò)在該GMR薄膜上淀積一層由絕緣的非磁材料形成的薄膜，接著完全去除由絕緣的非磁材料形成的薄膜和部分或完全去除GMR薄膜而形成一個(gè)突起，在去除時(shí)形成突起的區(qū)域被保留不去除，直至GMR薄膜被部分或完全暴露到至少是該突起的一個(gè)側(cè)壁表面時(shí)為止；和形成一對(duì)被定位成互相面對(duì)，同時(shí)該突起介入其間，并且被單獨(dú)電連接到GMR薄膜的薄膜磁軛，該薄膜磁軛通過(guò)在具有形成在其上的突起的絕緣襯底的表面淀積一層由一個(gè)具有低于GMR薄膜的電阻率的軟磁材料形成的薄膜，因此淀積的薄膜被電連接到預(yù)先暴露到突起的側(cè)壁表面的GMR薄膜，接著部分地去除該由軟磁材料形成的薄膜直至至少是突起的一個(gè)頂端表面被暴露到外面時(shí)為止而形成。
5.一種制造薄膜磁傳感器的方法，包括的步驟為在由絕緣的非磁材料形成的絕緣襯底的表面淀積一個(gè)GMR薄膜；通過(guò)在該GMR薄膜上淀積一層由絕緣的非磁材料形成的薄膜，接著部分地去除由絕緣的非磁材料形成的薄膜而形成一個(gè)突起，在去除時(shí)形成突起的區(qū)域被保留不去除，直至至少是GMR薄膜的一個(gè)表面被暴露到外面時(shí)為止；和形成一對(duì)被定位成互相面對(duì)，同時(shí)該突起介入其間，并且被單獨(dú)電連接到GMR薄膜的薄膜磁軛，該薄膜磁軛通過(guò)在具有形成在其上的突起的絕緣襯底的表面淀積一層由一個(gè)具有低于GMR薄膜的電阻率的軟磁材料形成的薄膜，因此淀積的薄膜被電連接到預(yù)先暴露到外面的GMR薄膜，接著部分地去除該由軟磁材料形成的薄膜直至至少是突起的一個(gè)頂端表面被暴露到外面時(shí)為止而形成。
全文摘要
一種薄膜磁傳感器包括一對(duì)每一個(gè)都由軟磁材料形成的薄膜磁軛，該薄膜磁軛被設(shè)置成互相面對(duì)，同時(shí)一個(gè)間隙介入其間；包括一個(gè)電連接到該對(duì)薄膜磁軛并有高于軟磁材料的電阻率的GMR薄膜；以及包括一個(gè)支撐薄膜磁軛和GMR薄膜并由絕緣的非磁材料形成的絕緣襯底。一個(gè)包括一個(gè)由絕緣的非磁材料形成的層次和一個(gè)GMR薄膜的層次的多層次結(jié)構(gòu)的間隙柱被設(shè)置在間隙中，在間隙的長(zhǎng)度上GMR薄膜的厚度均勻。
文檔編號(hào)H01L43/08GK1573350SQ200410048870
公開(kāi)日2005年2月2日 申請(qǐng)日期2004年6月2日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月2日
發(fā)明者小林伸圣, 白川究, 金田安司 申請(qǐng)人:財(cái)團(tuán)法人電氣磁氣材料研究所, 大同特殊鋼株式會(huì)社