(57)【要約】製造工程および装置は、種々の配向で設定された長軸を有する高アスペクト比形状（６２、６３）にエッチングされる単一の参照層（６０）から形成される２つの異なるピニング軸（２０６、２１６）のみを必要とする２つの差動センサ構成（２０１、２１１）の高性能磁場センサ（２００）を提供し、したがって、参照層を適切に整列した飽和磁場（９０）で処理してから飽和磁場を除去すると、高アスペクト比パターンは各パターン化形状（６２、６３）の磁化を参照層のそれぞれの所望の軸に沿って緩和させる形状異方性を示す。加熱および冷却を行うと、強磁性薄膜は種々の所望方向にピン止めされる。
2011523506.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つ以上の参照層方向を備える強磁性薄膜ベースの磁場センサの製造方法であって、
基板を提供すること、
前記基板の上に第１の絶縁層を形成すること、
前記第１の絶縁層の上にセンサ層スタックを形成することであって、前記センサ層スタックは前記第１の絶縁層の上に形成された参照層と、前記参照層の上に形成された非磁性中間層と、前記非磁性中間層の上に形成された第２の強磁性層とを含む、前記センサ層スタックを形成すること、
前記センサ層スタックを選択的にエッチングして第１の電極スタックおよび第２の電極スタックを形成することであって、前記第１の電極スタックは第１の参照方向を設定するための第１の形状異方性を有し、前記第２の電極スタックは第２の参照方向を設定するための第２の形状異方性を有する、前記第１の電極スタックおよび第２の電極スタックを形成すること、
前記第１および第２の電極スタックの各参照層が飽和磁場と整列する磁化を有するまで前記第１および第２の参照方向間に配向される前記基板に実質的に平行な飽和磁場を印加すること、
前記飽和磁場を除去して、前記第１の形状異方性が前記第１の電極スタックの前記参照層の磁化を設定可能とし、前記第２の形状異方性が前記第２の電極スタックの前記参照層の磁化を設定可能とすること
を含む方法。
【請求項２】
前記第１および第２の参照方向間に配向される前記基板に実質的に平行な前記飽和磁場を印加しながら前記第１および第２の電極スタックを高温で加熱すること、
前記飽和磁場を除去した後、前記第１および第２の電極スタックを冷却して、第１の形状定義された軸に沿って前記第１の電極スタックにおける前記参照層の磁化を設定し、第２の形状定義された軸に沿って前記第２の電極スタックにおける前記参照層の磁化を設定すること
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記飽和磁場を印加しながら前記第１および第２の電極スタックをそれぞれ前記第１および第２の電極スタックにおいて形成された第１および第２の反強磁性ピニング層のブロッキング温度よりも高い温度で加熱することにより、前記飽和磁場を除去するステップによって前記第１の形状異方性が前記第１の電極スタックにおけるピン止め層の磁化を設定可能とし、前記第２の形状異方性が前記第２の電極スタックにおけるピン止め層の磁化を設定可能とすること、
前記第１および第２の電極スタックを冷却することにより、第１の形状定義された軸に沿って前記第１の電極スタックにおける前記ピン止め層の磁化をピン止めし、第２の形状定義された軸に沿って前記第２の電極スタックにおける前記ピン止め層の磁化をピン止めすること
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記第１および第２の電極スタックを冷却する前に、前記飽和磁場を除去した後、それぞれ前記第１および第２の電極スタックにおいて形成された第１および第２の反磁性層の反磁性結晶相形成温度で、または該反磁性結晶相形成温度よりも高い温度で、前記第１および第２の電極スタックを加熱することにより、第１の形状定義された軸に沿って前記第１の電極スタックにおけるピン止め層の磁化をピン止めし、第２の形状定義された軸に沿って前記第２の電極スタックにおけるピン止め層の磁化をピン止めすることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記第１の電極スタックにおける前記参照層の磁化方向は前記第１の電極スタックの長軸寸法に沿って設定され、前記第２の電極スタックにおける前記参照層の磁化方向は前記第２の電極スタックの長軸寸法に沿って設定される、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記第１の電極スタックにおける前記参照層の磁化方向は前記第１の電極スタックの短軸寸法に沿って設定され、前記第２の電極スタックにおける前記参照層の磁化方向は前記第２の電極スタックの短軸寸法に沿って設定される、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記第１および第２の電極スタックの各々はイリジウムマンガンか、またはプラチナマンガンを含む反強磁性層を備える、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記第１の参照方向は前記第２の参照方向に直交しており、前記基板に実質的に平行な前記飽和磁場を印加することは、前記第１の参照方向および前記第２の参照方向の両方から４５°ずれた角度で前記飽和磁場を印加することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記第１の参照方向は前記第２の参照方向から１８０°未満であり、前記基板に実質的に平行な前記飽和磁場を印加することは、前記第１の参照方向および前記第２の参照方向の両方から等しくずれた角度で前記飽和磁場を印加することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記基板に実質的に平行な前記飽和磁場を印加することは、前記２つ以上の参照層方向の各々に沿った磁場成分を有する角度で前記飽和磁場を印加することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
２つ以上の参照層設定方向を備える強磁性薄膜ベースの磁場センサの製造方法であって、
参照層構造を基板の上に形成しかつ該基板から絶縁することであって、前記参照層構造はスペーサ層によって分離された第１および第２の強磁性体層で形成される不平衡合成反強磁性体を備え、第１および第２の強磁性層は異なる磁気モーメントを有する、前記参照層構造を基板から絶縁して基板の上に形成すること、
前記参照層構造を選択的にエッチングして、第１の電極スタックおよび第２の電極スタックを形成することであって、前記第１の電極スタックは第１の参照方向を設定するための第１の形状異方性を有し、前記第２の電極スタックは第２の参照方向を設定するための第２の形状異方性を有する、前記第１の電極スタックおよび第２の電極スタックを形成すること、
前記第１および第２の電極スタックの各々が飽和磁場と整列する磁化を有するまで前記第１および第２の参照方向間に配向される飽和磁場を印加すること、
前記飽和磁場を除去して、前記第１の形状異方性が前記第１の電極スタックの前記第１および第２の強磁性層の磁化を設定可能とし、前記第２の形状異方性が前記第２の電極スタックの前記第１および第２の強磁性層の磁化を設定可能とすること
を含む、方法。
【請求項１２】
前記第１および第２の参照方向間に配向される前記基板に実質的に平行な前記飽和磁場を印加しながら前記第１および第２の電極スタックを高温で加熱すること、
前記飽和磁場を除去した後、前記第１および第２の電極スタックを冷却して、第１の形状定義された軸に沿って前記第１の電極スタックにおける前記不平衡合成反強磁性体の磁化を設定し、第２の形状定義された軸に沿って前記第２の電極スタックにおける前記不平衡合成反強磁性体の磁化を設定すること
をさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記飽和磁場を印加しながら、それぞれ前記第１および第２の電極スタックにおいて形成される第１および第２の反強磁性ピニング層の温度よりも高い温度で前記第１および第２の電極スタックを加熱することにより、前記飽和磁場を除去するステップによって前記第１の形状異方性が前記第１の電極スタックにおけるピン止め層の磁化を設定可能とし、前記第２の形状異方性が前記第２の電極スタックにおけるピン止め層の磁化を設定可能とすること、
前記第１および第２の電極スタックを冷却することにより、第１の形状定義された軸に沿って前記第１の電極スタックにおける前記ピン止め層の磁化をピン止めし、第２の形状定義された軸に沿って前記第２の電極スタックにおける前記ピン止め層の磁化をピン止めすること
をさらに備える、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記飽和磁場を除去した後、前記第１および第２の電極スタックを冷却する前に、それぞれ前記第１および第２の電極スタックにおいて形成された第１および第２の反強磁性層の反強磁性結晶相形成温度で、または該反強磁性結晶相形成温度よりも高い温度で前記第１および第２の電極スタックを加熱することにより、第１の形状定義された軸に沿って前記第１の電極スタックにおけるピン止め層の磁化をピン止めし、第２の形状定義された軸に沿って前記第２の電極スタックにおける前記ピン止め層の磁化をピン止めすることをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
前記第１の電極スタックの前記第１および第２の強磁性層の磁化方向は前記第１の電極スタックの長軸寸法に沿って設定され、前記第２の電極スタックの前記第１および第２の強磁性層の磁化方向は前記第２の電極スタックの長軸寸法に沿って設定される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１６】
前記第１の電極スタックは第１の短軸寸法が前記第１の参照方向と整列する第１の形状異方性を有し、前記第２の電極スタックは第２の短軸寸法が前記第２の参照方向と整列する第２の形状異方性を有する、請求項１１に記載の方法。
【請求項１７】
２つ以上の参照層磁化方向を備える強磁性薄膜ベースの磁場センサであって、
基板と、
前記基板の上の第１の絶縁層と、
前記第１の絶縁層の上の第１のセンサ層スタックであって、前記第１の絶縁層の上に第１の参照層を備える前記第１のセンサ層スタックと、
前記第１の絶縁層の上の第２のセンサ層スタックであって、前記第１の絶縁層の上に第２の参照層を備える前記第２のセンサ層スタックと
を備え、
第１の電極スタックは前記第１の参照層に対して第１の参照方向を定める第１の形状異方性を有し、第２の電極スタックは前記第２の参照層に対して第１の参照方向とは異なる第２の参照方向を定める第２の形状異方性を有する、強磁性薄膜ベースの磁場センサ。
【請求項１８】
前記第１および第２の参照層は各々がスペーサ層によって分離された第１および第２の強磁性体層で形成される不平衡合成反強磁性体を備え、第１および第２の強磁性層は異なる磁気モーメントを有する、請求項１７に記載の強磁性薄膜ベースの磁場センサ。
【請求項１９】
前記第１および第２の強磁性層は各々がそれぞれ前記第１および第２の参照層の短軸に沿って整列する磁化を有する、請求項１８に記載の強磁性薄膜ベースの磁場センサ。
【請求項２０】
前記第１および第２のセンサ層スタックは各々がそれぞれ前記第１および第２の参照層に隣接する反強磁性層を備える、請求項１７に記載の強磁性薄膜ベースの磁場センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、磁気エレクトロニクスデバイスの分野を対象とする。一態様において、本発明は磁場を検知するために使用されるＣＭＯＳ対応の磁気エレクトロニクス磁場センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
センサは、位置、運動、力、加速度、温度、圧力などの物理的パラメータを測定または検出ために現代のシステムにおいて広く使用される。これらおよび他のパラメータを測定するために様々なセンサタイプが存在するが、それらはすべて様々な制限を抱えている。たとえば、電子コンパスおよび他の同様の磁気検知用途に使用される磁場センサのような安価な低磁場センサは、一般に、異方性磁気抵抗（ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ  ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ：ＡＭＲ）ベースのデバイスからなる。ＣＭＯＳとよく調和する所要の感度と適切な抵抗を得るために、このようなセンサの検知ユニットはサイズが一般にほぼ数ｍｍ２程度である。モバイル用途に対して、このようなＡＭＲセンサ構成は、費用、回路面積、および消費電力に関するコストがかかりすぎる。
【０００３】
磁気トンネル接合（ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｔｕｎｎｅｌ  ｊｕｎｃｔｉｏｎ：ＭＴＪ）センサおよび巨大磁気抵抗（ｇｉａｎｔ  ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ：ＧＭＲ）センサなど、他のタイプのセンサは、比較的小さい外形のセンサを提供するために使用されているが、このようなセンサは感度が不十分で温度変化の影響を受けるといったこれら特有の懸念を有している。これらの懸念に対処するために、ＭＴＪセンサおよびＧＭＲセンサはホイートストンブリッジ構成で使用され、感度を高めて温度に依存する抵抗変化を排除している。実際に、各検知軸に対してホイートストンブリッジ構成を使用することによって地球の磁場方向を検出するための電子コンパス用途用として２軸磁場センサが開発されている。しかし、このような磁場センサでは、典型的に、各検知軸に対して２つの反対のピニング方向を含み、複雑な扱いにくい磁化方法で磁石アレイを利用し各回路に対して個別に設定する必要のある４つの異なるピニング方向をもたらすか、あるいは新たに工程の複雑さを必要とする比較的低い中間磁場の局部的な方向を管理するための厚いＮｉＦｅ遮蔽／磁束集中層が使用される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、種々の磁化方向を有する参照電極を形成するための改良されたセンサ設計および製造工程が必要である。また、モバイル用途に使用される集積回路構造として効率良くかつ安価に構成されうる２軸センサが必要である。また、上記の概略のように、当技術分野における諸問題を克服するために改良された磁場センサおよび製造が必要である。以下の図面および詳細説明を参照して本出願の残りの部分を検討すると、従来のセンサ技術のさらなる限界および不都合が当業者には明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１】遮蔽されていないＭＴＪセンサを備える２つのブリッジ構造から形成される差動センサを使用する電子コンパス構造を示す図である。
【図２】ホイートストンブリッジ回路で４つのＭＴＪセンサを接続することによって形成される磁場センサの一例の簡易概略斜視図である。
【図３】均一磁場の設定手順と単一参照層からパターン化された定形参照電極とを使用することによって同じウエハ上で種々の磁化方向を有する参照電極を有するＭＴＪ磁場センサの第１の製造方法例を示すフローチャートである。
【図４】バルクウエハ設定手順と単一参照層からパターン化された定形参照電極とを用いる直交する参照層を有するＭＴＪ磁場センサの第２の製造方法例を示すフローチャートである。
【図５】ＭＴＪセンサ層のスタックが基板上に形成されている集積回路の部分断面図である。
【図６】ＭＴＪセンサ層のスタックが基板上で選択的に所定の形状にエッチングされた後の図５に続く処理を示す図である。
【図７】選択的なエッチング工程によって形成されるＭＴＪセンサ層のスタックにおける参照層の所定形状を示すための上面図である。
【図８】エッチングされた参照層が最終的に形成される参照層に対して所望の磁化方向間で整列する飽和磁場の存在下で加熱されるときの図７に続く処理を示す図である。
【図９】飽和磁場が除去されてＭＴＪセンサのエッチングされたスタックが冷却され、これによって、エッチングされた参照層の磁化を長軸に沿ってピン止めさせた後の図８に続く処理を示す図である。
【図１０】最終的に形成された参照層においてピン止めされた磁化方向を示すＭＴＪセンサ層のスタックの部分断面図である。
【図１１】ピン止めされた参照層を形成するために使用される不平衡ＳＡＦスタックを描く図である。
【図１２】飽和磁場が除去されてＭＴＪセンサのエッチングされたスタックが冷却され、これによって、エッチングされた参照層の磁化を短軸に沿ってピン止めさせた後の不平衡ＳＡＦスタックで形成されたピン止め層および参照層の処理を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
以下の詳細な説明を、図面を併用して考察すると、本発明が理解され、本発明の多くの目的、特徴、および優位性が得られるであろう。
説明を簡単かつ明確にするために、図面に示される素子は必ずしも一定の縮尺で描かれていないことは理解されよう。たとえば、素子の一部の寸法は、明確さおよび理解を促し改善するために他の素子に対して誇張されている。さらに、適切であると考えられる場合、参照番号は対応する素子や類似する素子を表すために各図面の中で反復されている。
【０００７】
単一のピニング材料堆積およびバルクウエハ設定手順によって設定される種々のピニング方向を有する種々の参照素子を備える集積回路センサを形成するために使用される可能性のあるバルクウエハに多軸ピニング（ｍｕｌｔｉ−ａｘｉｓ  ｐｉｎｎｉｎｇ）を提供する方法および装置が記載される。予備のステップとして、強磁性材料および反強磁性材料の１つまたは複数の層のスタックは、高アスペクト比の二次元形状を有する定形参照素子にエッチングされて、ここで、形状は各参照素子に対する所望の磁化方向の違いを示す。使用される材料および技術に応じて、最終磁化方向は定形層の短軸または長軸に沿って配向されてもよい。たとえば、ピン止め層（ｐｉｎｎｅｄ  ｌａｙｅｒ）がミクロン規模の寸法にパターン化されたわずかに不平衡な合成反強磁性体（ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ  ａｎｔｉ−ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔ：ＳＡＦ）で形成される場合、磁化は短軸に沿った向きとなる。当業者によって理解されるように、ＳＡＦ実施形態は、磁気エレクトロニクスデバイスにおいてピン止めされたＳＡＦ参照層の使用に関して多くの利益を提供する。他の実施形態において、自由層および固定層の厚さを制御することによって、最終磁化は長軸に沿った向きとされてもよい。形状異方性を使用すると、参照素子に対する所望の磁化方向間で整列する飽和磁場（ｓａｔｕｒａｔｉｎｇ  ｆｉｅｌｄ）の存在下での加熱によって種々の磁化方向が参照素子に誘導される。選択された実施形態において、参照素子は異方性の材料成分を減らすように十分に加熱され、形状および外部磁場が磁化方向を支配するようにする。こうして飽和磁場がいったん除去されると、形状異方性は磁化を所望の方向に向ける。飽和磁場を除去すると、参照素子の磁化は、定形参照素子の所望の軸に沿って整列し、アニール温度が低下するにつれて後でピン止めされる磁化を誘導するように緩和して参照素子の形状に追随する。たとえば、２つの参照層が互いに垂直な比較的長い寸法を有するように定形される場合、２つの参照層に対して誘導される磁化は互いに垂直になる。最後に、参照素子が強磁性体のピニング温度（反強磁性ブロッキング温度または反強磁性結晶相形成温度の低い方）以上にアニールされなかった場合、２つの参照層に対して誘導される磁化を設定するために単一のアニール工程が適用される。このアプローチでは、単一のピニング材料堆積ステップおよび単一のアニールステップが実施され、さらなる磁気層を必要とせずに参照層に対するすべての誘導磁化を設定して製造コストおよび複雑さを簡素化し軽減するバルクウエハ設定手順を提供する。種々のピン止め方向を備える参照層を形成する簡素化された工程では、独立した磁気センサ素子をセンサダイ内に最小限の間隔で形成することができ、その結果、最小面積の単一ダイ内の種々のセンサ構成は種々の感度軸を有することができる。
【０００８】
ここで、添付図を参照して本発明の様々な実施形態を詳しく説明する。以下の説明では様々な詳細が示されるが、本発明はこれらの具体的詳細なしで実行されてもよく、さらに、実施によって異なる加工技術や設計に関連する制約の遵守など、デバイス設計者の具体的目標を実現するために本明細書に記載される本発明に対して多くの実施に固有の決定がなされてもよいことは理解されよう。このような開発努力は、複雑で時間がかかるかもしれないが、本開示の利益を有する当業者にとってはそれでもなお日常的な仕事となる。さらに、選択された態様は、本発明の制限や曖昧さを回避するためにあらゆるデバイスの特徴や形状を含めずに簡易断面図で描かれている。なお、この詳細な説明を通じて、磁気抵抗ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）設計、ＭＲＡＭ動作、半導体デバイス製造、および集積回路デバイスの他の態様に関する従来の技術および特徴は本明細書で詳しく説明されないかもしれない。ある材料は既存のＭＲＡＭ製造工程の一部として集積回路センサを製造するために形成されて除去されるが、このような詳細は周知であり本発明の製造または使用方法について当業者に教示する必要があるとは考えられないため、このような材料を形成または除去する具体的手順は以下で詳述されない。さらに、本明細書に含まれる様々な図に示される回路／部品レイアウトおよび構成は、本発明の実施形態例を表すことを目的としている。実際の実施形態には多くの代替的または追加的な回路／部品レイアウトが存在する可能性があることに留意されたい。
【０００９】
図１は、それぞれ、第１の軸（たとえば、図のｙ軸方向）および第２の軸（たとえば、図のｘ軸方向）に沿って印加される磁場の成分方向を検出する第１および第２の差動センサ２０１、２１１で形成される磁場センサ２００を示す。図に描かれているように、各センサはブリッジ構成で接続される遮蔽されていない検知素子で形成される。したがって、第１のセンサ２０１は、対応する複数のピン止め層２０６〜２０９の上のブリッジ構成の複数の検知素子２０２〜２０５の接続から形成され、ピン止め層２０６〜２０９の各々はｙ軸方向に磁化される。同様に、第２のセンサ２１１は、ピン止め層２０６〜２０９の磁化方向に垂直なｘ軸方向に各々が磁化される対応する複数のピン止め層２１６〜２１９の上のブリッジ構成の複数の検知素子２１２〜２１５の接続から形成される。描かれたブリッジ構成２０１において、検知素子２０２、２０４は第１の磁化容易軸方向を有するように形成され、検知素子２０３、２０５は第２の磁化容易軸方向を有するように形成され、第１および第２の磁化容易軸方向は互いに直交し、ピン止め層２０６〜２０９の磁化方向から等しく異なるように配向される。第２のブリッジ構成２１１に関しては、検知素子２１２、２１４は検知素子２１３、２１５に対して第２の磁化容易軸方向に直交する第１の磁化容易軸方向を有し、したがって、第１および第２の磁化容易方向はピン止め層２１６〜２１９の磁化方向から等しく異なるように配向される。描かれたセンサ２０１、２１１において、検知素子に必要な遮蔽はなく、特別な参照素子も必要でない。一つの実施形態例おいて、これは、互いに９０°偏向される参照検知素子の磁化容易軸を確立するための形状異方性法を用いて、各能動検知素子（たとえば、２０２、２０４）を別の能動検知素子（たとえば、２０３、２０５）とともに参照することによって実現される。図１に示される構成は、２軸ピニング法の利益を取り入れる必要はなく、例として与えられるだけである。たとえば、差動応答を実現すべく４つの等しいセンサ素子のうちの２つのセンサ応答を抑制するために薄い遮蔽が使用されてもよい。
【００１０】
センサのピニング方向から等しく偏向されている各センサにおける直交検知素子配向に直交整列するように第１および第２のセンサ２０１、２１１を設置することによって、センサは第１および第２の軸に沿って印加される磁場の成分方向を検出することができる。
【００１１】
前述の内容から分かるように、磁場センサは、印加された磁場の存在および方向を検出するためにそれぞれのピン止め層２０６、２１６の上にブリッジ構成で接続される遮蔽されていない検知素子２０２〜２０５、２１２〜２１５を使用する差動センサ２０１、２１１から形成されてもよい。この構成では、磁場センサは、優れた感度を提供するとともにブリッジ構成の温度補償特性も提供する。
【００１２】
磁場センサの構造および形成をさらに洞察するために、図２は４つのＭＴＪセンサ３０１、３１１、３２１、３３１をホイートストンブリッジ回路で接続することによって形成される磁場センサ３００の例の簡易概略斜視図を示す。ブリッジ回路は、様々なセンサ層の磁気配向を制御するための微調整のみを加えて既存のＭＲＡＭまたは薄膜センサ製造工程の一部として製造されてもよい。特に、描かれたＭＴＪセンサ３０１、３１１、３２１、３３１は、各々が単一のピニング方向と磁気的に整列するピン止め参照層３１４、３１４、３２４、３３４、ならびにピン止め層３１４、３１４、３２４、３３４の磁化方向とは異なる磁化方向を有するように整列する検知層３０２、３１２、３２２、３３２で形成される。形成される各ＭＴＪセンサ（たとえば、３０１）は、１つまたは複数の下層の強磁性層で形成される第１のピン止め電極３０４、絶縁トンネル誘電体層３０３、および１つまたは複数の上層の強磁性層で形成される第２の検知電極３０２を含む。ピン止め電極および検知電極は、磁化方向が整列しうる磁性材料であることが望ましい。磁気抵抗ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）デバイスおよびその他のＭＴＪセンサデバイスの電極に一般的に使用される構造に適した電極材料および材料に配列は、当技術分野において周知である。たとえば、下層３０４、３１４、３２４、３３４は、一体化された厚さが１０〜１０００Åの範囲の、および選択された実施形態では２００〜３００Åの範囲の１層または複数層の強磁性材料および反強磁性材料で形成されてもよい。一実施例において、ピン止め層（たとえば、３０４、３１４、３２４、３３４）の各々は、単一の強磁性層および下層の反強磁性ピニング層で形成されてもよい。別の実施例において、各ピン止め層（たとえば、３０４）は、厚さが２０〜８０Åの強磁性スタック成分（たとえば、ＣＦＢ（コバルト鉄ホウ素合金）、ルテニウム（Ｒｕ）、およびＣＦＢのスタック）と、厚さがおよそ２００Åの下層の反強磁性ピニング層を含む。下層の反強磁性ピニング材料は、ＩｒＭｎなどの再設定可能な材料（ｒｅ−ｓｅｔｔａｂｌｅ  ｍａｔｅｒｉａｌ）であってもよいが、ＰｔＭｎなど、適正な温度で容易に再設定されない他の材料が使用されうる。形成されるピン止め参照層は、その磁化の方向が正常動作状態において変化しない一方向にピン止めされるとき、固定磁気層またはピン止め磁気層として機能する。本明細書に開示されるように、参照層３０４、３１４、３２４、３３４をピン止めするために使用される材料の加熱品質は、これらの層を形成するために使用される製造順序を変える可能性がある。
【００１３】
図２に示されるように、ピン止め参照層（たとえば、３０４、３１４、３２４、３３４）は、パターン化された参照層の長軸に沿って整列する磁化方向（矢印で示される）を有する単一のパターン化された強磁性層で形成されてもよい。しかし、他の実施形態において、ピン止め参照層は、パターン化された参照層の短軸に沿ってピン止め参照層の磁化を整列するために使用される合成反強磁性（ＳＡＦ）層で実施されてもよい。上記の内容から分かるように、ＳＡＦ層は、下層の反強磁性ピニング層、ただし十分に強力な磁化を提供する適切な形状および材料のＳＡＦ構造を提供する下層の反強磁性ピニング層と組み合わせて実施されてもよく、下層の反強磁性ピニング層を必要としない場合もあり、この場合はコストが削減されたより簡単な製造工程が提供される。たとえば、図１１は、ルテニウムスペーサ層１１０２によって分離された２つの異なる強磁性体層１１０１、１１０３を有する不平衡合成反強磁性体（ＳＡＦ）から形成されるピン止め参照層１１００を示しており、この場合、ルテニウム層１１０２の上方の強磁性層１１０１と下方の強磁性層１１０３は異なる磁気モーメントを有する。強磁性層の一方または両方は、ＣＦＢ（コバルト鉄ホウ素合金）で形成されてもよく、あるいは所望の強磁性合金で形成されてもよい。たとえば、ある実施形態例において、ＣｏＦｅが下層に使用されてもよく、かつＣＦＢが上層に使用されてもよい。ルテニウムスペーサ層１１０２の一定の周期的な厚さにおいて、２つの強磁性層１１０１、１１０３は、逆平行状態が低エネルギ状態であるように交換結合される。その結果、正味の磁気モーメントが最小化されて外部磁場応答に対する耐性が強化される。不平衡ＳＡＦスタック１１００の一実施例およびマイクロマグネティックシミュレーションが図１１に示されており、ここでは、不平衡ＳＡＦ１１００はおよそ２０Åの厚さのＣＦＢで形成された固定層１１０１、およそ１０Åの厚さのルテニウムで形成されたスペーサ層１１０２、およびおよそ３０Åの厚さのＣＦＢで形成されたピン止め層１１０３を含む。このＳＡＦ構造例では、図１１に示されるような外部からの印加磁場Ｈ１１０４に応答する正味のモーメントが生成される。ミクロン規模の寸法（たとえば、短軸に沿っておよそ２μｍよりも大きい）を有するＳＡＦで形成される参照層の場合、磁化は長軸に沿ってではなく短軸に沿って逆平行に整列する傾向があり、それゆえに、短軸がピニング方向を設定する。これは、最低エネルギ状態では２つの層に対してパターン化された形状の短軸に沿った磁束が閉じなければならないという事実に起因する。残留磁気（たとえば、設定磁場が除去された後の）では、最大モーメント層の磁気モーメント（たとえば、この例では下層のピン止め層１１０３）は、設定磁場角度への明確な投影を有する方向（この例では右に）にＡＦの短軸に沿うように整列する。反対に、比較的小さいモーメント層（たとえば、この例では上層の固定または参照層１１０１）の磁気モーメントは、図１１に示されるように、ピン止め層１１０３と反対方向に整列する。
【００１４】
上層、すなわち、検知層３０２、３１２、３２２、３３２は厚さが１０〜５０００Åの範囲の１層または複数層の強磁性材料で形成されてもよく、選択された実施形態では、厚さが１０〜６０Åの範囲にあってもよい。上層の強磁性材料は、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、Ｆｅ、ＣＦＢなどの軟磁性材料であってもよい。各ＭＴＪセンサにおいて、上層の強磁性層３０２、３１２、３２２、３３２は、これらの磁化の方向が地球磁場など、外部からの印加磁場の存在によって偏向されうるので検知層または自由磁気層として機能する。最終的に形成される上層、すなわち、検知層３０２、３１２、３２２、３３２は、パターン化された形状３０２、３１２、３２２、３３２の長軸に沿って整列する磁化方向（矢印で示される）を有する単一強磁性層で形成されてもよい。
【００１５】
ピン止め電極および検知電極は、種々の磁気特性を有するように形成されてもよい。たとえば、ピン止め電極３０４、３１４、３２４、３３４は、これらの磁化方向が一方向にピン止めされ、したがって、外部からの印加磁場によって実質的に影響されないように、高い保磁力を有する層を形成しヒステリシス曲線を相殺するために強磁性膜に結合された反強磁性膜交換層で形成されてもよい。対照的に、検知電極３０２、３１２、３２２、３３２は、検知電極の磁化方向が外部からの印加磁場によって変化するように、比較的低い異方性および保磁力を有する種々の磁化方向を提供するために軟磁性材料で形成されてもよい。選択された実施形態において、ピニング磁場の強度は検知電極の異方性磁場よりも約２桁大きいが、これらの組成を変えるために周知の技術を用いて電極のそれぞれの磁気特性を調整することによって種々の比が使用されてもよい。
【００１６】
図２に示されるように、ＭＴＪセンサにおけるピン止め電極３０４、３１４、３２４、３３４は、ピン止め電極層３０４、３１４、３２４、３３４（図２の図面の上方を指すベクトル矢印で識別される）の平面内に第１の例示的な磁化方向を有するように形成される。本明細書に記載されるように、ピン止め電極層３０４、３１４、３２４、３３４に関する磁化方向は、ピン止め電極の形状異方性を用いて得られてもよく、その場合、ピン止め電極層３０４、３１４、３２４、３３４の形状は、各々、「上向き」ベクトル矢印の方向に長くてもよい。特に、ピン止め電極層３０４、３１４、３２４、３３４に関する磁化方向は、印加される飽和磁場が参照層３０４、３１４、３２４、３３４に対する所望のピニング方向の方向に磁場成分を含むように、定形ピン止め電極３０４、３１４、３２４、３３４に関する最長の配向軸に非直交配向される飽和磁場の存在下で定形参照層３０４、３１４、３２４、３３４をまず加熱することによって得られてもよい。参照層の磁化方向は、少なくとも一時的に、飽和磁場と整列する。しかし、この処理中に参照層を適切に加熱し、熱を弱めずに飽和磁場を除去することによって、参照層の磁化は定形ピン止め電極３０４、３１４、３２４、３３４に対する所望の配向軸に沿って緩和する。磁化がいったん緩和すると、ピン止め電極層の磁場方向が定形ピン止め電極３０４、３１４、３２４、３３４に対して所望の方向に設定されるようにアニールおよび／または冷却されうる。このアプローチでは、ピン止め電極３０４、３１４、３２４、３３４に対する磁化方向の形成は、所望のピニング方向と整列する形状定義された（ｓｈａｐｅ−ｄｅｆｉｎｅｄ）異方性軸を有するように他のピニング電極を形成し、この後、飽和磁場がすべての所望のピニング方向に磁場方向成分を含むように飽和磁場を印加するだけで明確な磁化方向を有する他のピニング電極の形成に使用される製造ステップと容易に調和されうる。
【００１７】
上記の内容から分かるように、ＭＴＪセンサ３０１、３１１、３２１、３３１は、図示されているブリッジ回路の電源端子３４１、３４３と出力信号端子３４２、３４４の両方を備える標準ホイートストンブリッジ回路構成で金属相互接続によって直列に示されるように接続される同じ構造を有するように形成されてもよい。ホイートストンブリッジ回路において遮蔽されていないＭＴＪセンサ３０１、３１１、３２１、３３１を直列に接続することによって、磁場センサ３００は、外部からの印加磁場の水平方向（図２において左から右への）成分を検出し、これによって、Ｘ軸センサブリッジを形成する。特に、水平磁場成分は検知電極３１２、３３２の磁化の偏向とは違って検知電極３０２、３２２の磁化を偏向することになり、得られるセンサコンダクタンス／抵抗の差は水平磁場成分の強度を定量化することになる。図示されてはいないが、Ｙ軸センサブリッジ回路はホイートストンブリッジ回路構成として接続された遮蔽されていないＭＴＪセンサで形成されてもよいが、Ｙ軸センサブリッジ回路のピニング電極の磁化方向はＸ軸センサブリッジのピニング電極３０４、３１４、３２４、３３４の磁化方向に垂直となる。
【００１８】
また、本発明の選択された実施形態は図３を参照して説明されてもよく、図３は単一の参照層から定形参照電極を形成するためにバルクウエハ設定手順を用いた直交参照層を有するＭＴＪ磁場センサの製造方法を示すフローチャートの例を描いたものである。ステップ３１において、既知の半導体加工技術を用いた基板構造が提供される。上記の内容から分かるように、基板構造はベース絶縁層で覆われる基板を含み、高性能電源やアナログ集積回路などの１つまたは複数の能動回路素子が基板上または基板内に形成される。基板および能動回路は、半導体製造前工程の一部として形成されもよい。
【００１９】
次に、多段階製造工程を用いて、ＭＴＪコア構造がベース絶縁層の上にセンサ層を堆積することによって形成される。この時点で、センサ層は半導体製造前工程の後に存在する磁気関連製造後工程の一部として形成されてもよい。ステップ３２において、少なくとも第１の反強磁性電極層（たとえば、イリジウムマンガン（ＩｒＭｎ）など）、および強磁性層または合成反強磁性層（たとえば、コバルト鉄、コバルト鉄ホウ素、ルテニウム、ニッケル、ニッケル鉄など、またはこれらの組合せ）を基板構造の上に堆積することによってセンサ層の第１の層が形成される。図示されてはいないが、第１の強磁性電極層は、下層の導電性接触層と電気的に接触して堆積されてもよい。ピニング層および第１の強磁性電極層を形成するために選定される材料は、所定の配向にある第１の強磁性電極層の磁化方向をピン止めするために使用される場合、結果として得られる強磁性層が比較的高いピニング強度を有するようなものであるべきで、かつアニール温度（たとえば、２００〜３５０℃）に耐えうるように十分な耐熱性のものであるべきである。また、トンネル誘電体層および検知電極層などのさらなるセンサ層はこの時点で周知の技術を用いて堆積されてもよい。ステップ３２において、堆積された第１の強磁性電極層は、さらにパターン化され、種々の配向で設定される長軸を有する細長い形状に選択的にエッチングされる。エッチングの結果、各定形参照層は、所望のピン止め磁化方向に好ましい形状異方性方向を有する。
【００２０】
ステップ３３において、エッチングされた参照層は、種々の参照層に対して種々の所望ピン止め磁化方向間の方向で印加される飽和磁場の存在下で加熱またはアニールされる。たとえば、２つの直交配向されるピン止め層が形成されている場合、印加される飽和磁場は直交ピン止め層の所望の配向間の中間に配向されてもよい。さらに一般的に言えば、印加される飽和磁場は、参照層に対して所望のピニング方向の各々の方向に磁場成分を含むように配向されるべきである。加熱要件に関しては、参照層の形成に使用される材料の特性が加えられるべき熱量を支配することになる。たとえば、ＩｒＭｎなどの再設定可能な材料は、磁気配向が変更されうるのでこの時点でその材料のピニング温度以上でアニールされうる。いずれにしても、加熱ステップは、定形参照層の磁化が外部磁場に自由に追随するように制御されるべきである。
【００２１】
ステップ３４において、飽和磁場が除去され、ステップ３５において、アニール温度が所定期間（たとえば、２時間）維持される。印加磁場がない限り、高アスペクト比パターンは定形参照層における印加磁化を定形参照層のそれぞれの異方性軸に沿って緩和させる形状異方性を示す。ステップ３６において、この後、参照層における形状に起因する磁化がピン止めされて参照層の複数の配向を提供するようにウエハはゼロ磁場で冷却される。形状に起因する磁化がゼロ磁場において得られた後、参照層をピニング温度より低い温度に冷却することによって参照層の磁化はピン止めされた状態になり、少なくとも典型的な印加磁場強度に対してそれぞれの方向に厳格にピン止めされたままとなる。
【００２２】
本発明のさらなる実施形態は図４を参照して説明されてもよく、図４は、単一参照層から定形参照電極を形成するためのバルクウエハ設定手順を用いた直交参照層を有するＭＴＪ磁場センサの第２の製造方法例を示すフローチャートの例を描く。ステップ４１において、既知の半導体加工技術を用いた基板構造が提供される。次に、多段階製造工程を用いてベース絶縁層の上にセンサ層を堆積することによって、ＭＴＪコア構造が磁気関連製造後工程の一部として形成される。ステップ４２において、少なくとも第１の反強磁性電極層（たとえば、プラチナマンガン（ＰｔＭｎ）など）、および強磁性または合成反磁性層（たとえば、コバルト鉄、コバルト鉄ホウ素、ルテニウム、ニッケル、ニッケル鉄など、またはこれらの任意の組合せ）を基板構造の上に堆積することによって、センサ層の第１の層が形成される。さらに、第１の強磁性電極層は、下層の導電性接触層と電気的に接触して堆積されてもよい。ピニング層および第１の強磁性電極層を形成するために選定される材料は、所定の配向にある第１の強磁性電極層の磁化方向をピン止めするために使用される場合に結果として得られる強磁性層が比較的高いピニング強度を有するようなものであるべきで、かつアニール温度（たとえば、２００〜３５０℃）に耐えうる十分な耐熱性のものであるべきである。また、トンネル誘電体層および検知電極層などのさらなるセンサ層はこの時点で周知の技術を用いて堆積されてもよい。ステップ４２において、堆積された第１の強磁性電極層は、さらにパターン化され、種々の配向で長軸を有する細長い形状に選択的にエッチングされる。エッチングの結果、各定形参照層は、所望のピン止め磁化方向の方向において好ましい形状異方性方向を有する。
【００２３】
ステップ４３において、エッチングされた参照層は、種々の参照層に対して種々の所望のピン止め磁化方向間にある磁場方向で印加される飽和磁場の存在下で加熱またはアニールされる。一般的に言えば、印加される飽和磁場は、参照層に対して所望のピニング方向の各々の方向の磁場成分を含むように配向されるべきである。加熱要件に関しては、参照層の形成に使用される材料の特性が加えられるべき熱量を支配することになる。たとえば、一旦設定されると適正な温度で元に戻せない相転移が磁気ピニングに伴う参照層材料（ＰｔＭｎなど）がある。このような材料では、この磁化配向工程は相転移温度より低く保たれるべきであり、アニール工程は後で適用されうる。いずれにしても、加熱ステップは、定形参照層の磁化が外部磁場に自由に追随し、その上にピニングが生じないように制御されるべきである。
【００２４】
ステップ４４において、高温を維持しながら飽和磁場が除去される。印加磁場がない限り、高アスペクト比パターンは、定形参照層のそれぞれの異方性軸に沿って定形参照層で印加される磁化を緩和させる形状異方性を示す。ステップ４５において、参照層（ＰｔＭｎの場合など）は第１の反強磁性電極層の相転移温度よりも高い温度でさらにアニールまたは加熱され、ステップ４６に進む前にピニング相転移を誘導するようにしばらく保たれる。ステップ４６において、この後、参照層における形状に起因する磁化がピン止めされて参照層の複数の配向を提供するようにウエハはゼロ磁場で冷却される。この場合、形状に起因する磁化がゼロ磁場で得られた後、参照層の磁化は、参照層を相転移温度よりも高い温度で加熱することによってピン止めされた状態になり、少なくとも典型的な印加磁場強度に対してそれぞれの方向に厳格にピン止めされたままとなる。
【００２５】
本明細書に開示された技術を使用するとき、第１および第２の差動センサ（たとえば、図１に示されるセンサ２０１、２１１）は、第１のピニング方向を有する第１の参照層２０６〜２０９を形成し、同時に第１のピニング方向に直交する第２のピニング方向を有する第２の参照層２１６〜２１９を形成することによってモノリシック集積回路上に一緒に製造されてもよい。これらの技術は、ＭＴＪセンサ層６０、７０、８０のスタックが基板４０およびベース絶縁層５０の上に形成されているマルチセンサ構造の部分断面図を描いた図５で始まる工程フローの例を挙げてさらに説明されてもよい。センサを半導体回路とともに集積化されるとき、当業者によって知られる方法で作られた絶縁層５０を通る導電性ビアがセンサの導電性部を基板４０の下層回路に接続することになる。製造されているトランジスタデバイスのタイプに応じて、基板４０はバルクシリコン基板、単結晶シリコン（ドープまたは非ドープ）、または、たとえば、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＳｉＧｅ、ＳｉＧｅＣ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰならびに他の第ＩＩＩ〜ＩＶ群化合物半導体またはこれらの任意の組合せを含む任意の半導体材料として実施されてもよく、オプションとしてバルク・ハンドリング・ウエハとして形成されてもよい。さらに、基板４０は、半導体オンインシュレータ（ＳＯＩ）構造の最上部半導体層として実施されてもよい。図示されてはいないが、基板４０上または基板４０内には１つまたは複数の回路素子が形成されてもよい。さらに、ベース絶縁層５０は、化学気相堆積（ＣＶＤ）、プラズマ助長化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）、物理気相堆積（ＰＶＤ）、原子層堆積（ＡＬＤ）、イオンビーム堆積（ＩＢＤ）、熱酸化、またはこれらの組合せを用いて半導体基板４０の上に誘電体（たとえば、二酸化ケイ素、酸窒化物、金属酸化物、窒化物など）を堆積するかまたは成長させることによって形成される。
【００２６】
ベース絶縁層５０の上には、エッチングの後に導電線としての機能を果たす第１の導電層（図示せず）と、１つまたは複数の下層の強磁性層６０（エッチングの後に下層のピン止め強磁性層としての機能を果たす）と、１つまたは複数の誘電体層７０（エッチングの後にトンネル障壁層としての機能を果たす）と、１つまたは複数の上層の強磁性層８０（エッチングの後に上層の検知強磁性層としての機能を果たす）と、エッチングの後に導電線としての機能を果たす第２の導電層（図示せず）とを堆積することによって、センサ層のスタックが順番に形成される。層の各々は、ＣＶＤ、ＰＥＣＶＤ、ＰＶＤ、ＡＬＤ、ＩＢＤまたはこれらの組合せなど、既知の技術を用いて所定の厚さに全面的に堆積されてもよい。このようにして、スタックは、第１のタイプのセンサ（たとえば、ｘ軸センサ）が形成される「センサ１」領域に形成され、さらに第２のタイプのセンサ（たとえば、ｙ軸センサ）が形成される「センサ２」領域に形成されるように、センサ層のスタックはウエハ全体を覆う。さらに、センサのスタックは、任意の所望の配向を有するセンサが形成される「他の」領域に形成されてもよい。
【００２７】
図６は、ＭＴＪセンサ層のスタック６０、７０、８０が選択的にエッチングされてセンサ領域の各々において基板４０の上で残留センサ層に対する所定の形状を定めた後の図５に続くセンサデバイス構造の処理を示す。上層の強磁性層８０の上にシリコン窒化物（図示せず）などのハードマスク層の堆積と、ハードマスク層をパターン化するためのフォトレジスト層（図示せず）の堆積およびパターン化と、この後の開口８４、８５を形成するためにフォトレジスト層（図示せず）を用いた露出したセンサ層の選択的なエッチング（たとえば、反応性イオンエッチング工程による）とを含む、パターン化されたセンサ層を形成するために所望のパターンおよびエッチング工程が使用されてもよい。選択的なエッチング工程によって様々な所定形状をＭＴＪセンサ層のスタックからどのように生成するかがよりはっきり分かるように、図６に描かれたセンサデバイス構造の簡略上面図を示す図７が参照される。図６および図７に描かれているように、センサ層スタック６０、７０、８０の開口８４、８５は、最終的に形成される参照層６２に対して所望のピニング方向に容易軸（ｅａｓｙ  ａｘｉｓ）を有するように配向される第１の形状を有するように第１のセンサ領域におけるセンサ層６２、７２、８２を定める。同様に、開口８４、８５は、最終的に形成される参照層６３に対してセンサ層６３、７３、８３が所望のピニング方向に容易軸を有するように第２のセンサ領域におけるセンサ層６３、７３、８３の形状を定める。開口８４、８５は直交配向された形状６２、６３を定めるために使用されうるが、所望の配向はエッチング工程を適切にパターン化して制御することによって実現されうる。たとえば、「他の」センサ領域におけるセンサ層６１、７１、８１は、最終的に形成される参照層６１に対して所望のピニング方向に容易軸を有するように配向される別の形状を有するように定められてもよい。長くかつ狭い形状として成形されることに加え、ピン止め参照層の各々がむしろ単一磁区に近いものを実施するようにさらなる成形が提供されてもよい。図７には、さらなる成形が参照層６１、６２、６３で示されており、これらは各参照層に対する所望のピニング方向の対応する方向に先細となる尖った端を有するように成形される。
【００２８】
定形参照層６１、６２、６３がいったん形成されると、参照層に対する所望のピニング方向は、参照層６１、６２、６３の配向間に配向される飽和磁場の存在下でウエハをまず加熱またはアニールした後で高温を維持しながら磁場を除去することによって誘導されてもよい。参照層を加熱して飽和させた結果は図８に示されており、これはエッチングされた参照層６１、６２、６３が飽和磁場の存在下で加熱されるときの図７に続くセンサデバイス構造の処理を示す。図８に示されるように、飽和磁場は、最終的に形成される参照層に対する所望の磁化方向間にある方向９０に整列する。しかし、工程におけるこの段階において十分に加熱されると、参照層６１、６２、６３の磁化（それぞれ磁化ベクトル６４、６５、６６で示されるような）は外部磁場９０に追随する。
【００２９】
図９は、飽和磁場９０が除去されてＭＴＪセンサ層のエッチングされたスタックが冷却された後の図８に続くセンサデバイス構造における参照層の磁化配向を示す。ウエハをゼロ磁場で冷却することによって、参照層６１、６２、６３のそれぞれの形状は各参照層の磁化を所望の方向に沿って緩和させる形状異方性を示す。したがって、第１の参照層６２の磁化６８は、定形参照層６２の所望の寸法（たとえば、ｙ軸方向の）と整列して最終的に形成される参照層６２に対する所望のピニング方向を形成するようにその形状に追随する。同様に、最終的に形成される参照層６３に対する所望のピニング方向は、第２の参照層６３の磁化６９がその形状異方性（たとえば、ｘ軸方向の）に追随するときに誘導される。当然ながら、所望のピニング方向は、磁化６７が参照層６１の形状異方性に追随する（たとえば、ｙ軸から４５°で）場合の参照層６１に示されるように、参照層を適切に成形することによって誘導されうる。
【００３０】
図１２は、不平衡ＳＡＦスタック１２１０、１２２０、１２３０をエッチングし、参照層の短軸配向間に配向される飽和磁場の存在下で層１２００をアニールし、この後、飽和磁場１２９０（破線磁場矢印で示されるような）を除去し、ＭＴＪセンサのエッチングされたスタックを冷却してエッチングされた参照層１２１０、１２２０、１２３０の磁化をそれぞれの短軸に沿ってピン止めさせることによって形成されるピン止め層および参照層１２００の処理を示す。図示されるように、エッチングされた参照層１２１０、１２２０、１２３０の磁化配向は、エッチングされた参照層の短軸に沿ってピン止めされる。したがって、不平衡ＳＡＦスタック１２１０において、参照層磁化１２１１およびピン止め層磁化１２１２は、実質的に互いに逆平行でありかつエッチングされた参照層１２１０の長軸に対して直角である。同様に、不平衡ＳＡＦスタック１２２０における参照層磁化１２２１およびピン止め層磁化１２２２は、実質的に互いに逆平行でありかつエッチングされた参照層１２２０の長軸に対して直角であり、エッチングされた参照層１２３０についても同様である。図１２に描かれた不平衡ＳＡＦスタックの実施形態では、参照層１２１０の長軸は、参照層１２２０および１２２０の直交方向間の中間にある最終参照方向を提供するために、図８に示される単一の参照層６１に使用される方向に直角にパターン化される。
【００３１】
最終的に形成される種々の参照層において得られる複数の配向の形成をさらに説明するために、ここで、図９に描かれたＭＴＪセンサ層のエッチングされたスタックの断面図を示す図１０を参照する。図９および図１０に描かれるように、第１のセンサ領域においてエッチングされたセンサ層スタック６２、７２、８２は第１のピニング方向（たとえば、図１０の図面の平面の「中に」）にピン止めされる参照層を有し、第２のセンサ領域においてエッチングされたセンサ層スタック６３、７３、８３は第２のピニング方向（たとえば、図１０の図面の平面の「右に」）にピン止めされる参照層を有し、他のセンサ領域においてエッチングされたセンサ層スタック６１、７１、８１はさらに別のピニング方向（たとえば、図１０の図面の平面から４５°で）にピン止めされる参照層を有する。
【００３２】
製造工程のこの時点で、上層の強磁性層８１、８２、８３（およびトンネル障壁層）の各々は下層の参照層と同じ形状に選択的にエッチングされている。しかし、検知層の最終形状が下層のピン止め層よりも小さい場合、上層の強磁性層８１、８２、８３の残留部分から種々の検知層の最終形状を定めるために第２のエッチング順序が使用されてもよい。第２のエッチング順序は、マスクされていない上層の強磁性層を含むこの層までのすべてのマスクされていない層を除去するためにパターンマスク工程およびエッチング工程（たとえば、反応性イオンエッチング）を使用することによって検知層に対する高アスペクト比形状を定めるが、下層の定形ピニング層はそのままにしておく。検知層に対して定められた高アスペクト比形状は、各検知層が形状異方性軸を有するように配向される。換言すると、各検知層に対する長軸は、所望の磁化容易軸方向を生成するために設定される。
【００３３】
ＭＴＪセンサ構造を製造するためにさらなる処理ステップが使用されることは理解されよう。例として、１つまたは複数の誘電体層、強磁性層および／または導電層が、所望の機能性を実現すべく所望の方法でセンサ構造を接続するために使用される複数レベルの相互接続の形成を典型的に含む、従来の後処理（描写せず）とともに周知の技術を用いて堆積され、パターン化され、エッチングされてもよい。したがって、センサ構造の製造を完了するために使用されるステップの具体的な順序は、工程および／または設計要件に応じて変化してもよい。
【００３４】
開示された製造工程は、単一の材料およびアニーリングステップで形成される２つの異なるピニング軸のみを必要とする２つの差動センサ構成から磁場センサを形成するために使用されてもよく、この場合、各差動センサはブリッジ構造から形成される。異なるピニング軸は、異なる形状をしたピニング層の形状異方性と適性に整列された飽和磁場の存在下で参照層を加熱するよう注意深く選択された工程とを組み合わせて使用して得られてもよい。
【００３５】
今までのところ、２つ以上の参照層方向を有する強磁性薄膜ベースの磁場センサとその製造方法とが提供されていることを理解されたい。開示されように、半導体基板および第１の絶縁層が提供され、センサ層スタックが第１の絶縁層の上に形成され、ここで、センサ層スタックは、反強磁性材料（たとえば、ＩｒＭｎまたはＰｔＭｎ）で形成されるオプションのピニング層と、ピニング層および第１の絶縁層の上に形成される参照層と、参照層の表面に形成される非磁性中間層と、非磁性中間層の表面に形成される第２の強磁性層とを含む。センサ層スタックは選択的にエッチングされて第１および第２のエッチングされた電極スタックを形成し、ここで、第１の電極スタックは第１の参照方向を設定するための第１の形状異方性を有し、第２の電極スタックは第２の参照方向を設定するための第２の形状異方性を有する。電極スタックをエッチングした後、飽和磁場が基板に実質的に平行になるように印加され、第１および第２の電極スタックの各参照層が飽和磁場と整列する磁化を有するまで第１および第２の参照方向の間に配向される。飽和磁場を除去することによって、第１の形状異方性は第１の電極スタックの参照層の磁化を設定し、第２の形状異方性は第２の電極スタックの参照層の磁化を設定する。たとえば、第１および第２の電極スタックにおける参照層の各々の磁化方向は、それぞれ、第１および第２の電極スタックの長軸（または短軸）寸法に沿って設定されてもよい。第１の参照方向（および第１の形状異方性）が第２の参照方向（および第２の形状異方性）に直交する場合、飽和磁場は、第１の参照方向および第２の参照方向の両方から４５°ずれた角度で基板に実質的に平行に印加されてもよい。第１の参照方向（および第１の形状異方性）が第２の参照方向（および第２の形状異方性）から１８０°未満である他の実施形態においては、飽和磁場は第１の参照方向および第２の参照方向の両方から等しくずれた角度で基板に実質的に平行に印加されてもよい。さらにより一般的に言えば、飽和磁場は、２つ以上の参照層方向の各々に沿った磁場成分を有する角度で基板に実質的に平行に印加されてもよい。飽和磁場の印加は、第１および第２の電極スタックが高温で加熱される加熱工程と、第１の形状定義された軸に沿って第１の電極スタックにおける参照層の磁化を設定し第２の形状定義された軸に沿って第２の電極スタックにおける参照層の磁化を設定するために飽和磁場を除去した後の冷却工程とを伴ってもよいが、必ずしもその必要はない。たとえば、加熱ステップは、選択された実施形態において、それぞれ第１および第２の電極スタックで形成される第１および第２の反強磁性ピニング層のブロッキング温度より高い、高温の飽和磁場において第１および第２の電極スタックを加熱することによって実施されてもよく、その場合、飽和磁場を除去することによって第１の形状異方性が第１の電極スタックにおけるピン止め層の磁化を設定可能とし、第２の形状異方性が第２の電極スタックにおけるピン止め層の磁化を設定可能とする。さらに、または代替的に、第１および第２の電極スタックは、それぞれ第１および第２の電極スタックにおいて形成された第１および第２の反強磁性層の��強磁性結晶相形成温度で、またはそれより高い温度で飽和磁場を除去した後に加熱されてもよい。その後に第１および第２の電極スタックを冷却することによって、第１の電極スタックにおけるピン止め層の磁化は第１の形状定義された軸に沿ってピン止めされ、第２の電極スタックにおけるピン止め層の磁化は第２の別の形状定義された軸に沿ってピン止めされる。
【００３６】
別の形態において、２つ以上の参照方向を有する強磁性薄膜ベースの磁場センサおよびその製造方法が提供される。開示されるように、参照層構造は基板から絶縁されて基板の上に形成され、参照層構造はスペーサ層によって分離され種々の磁気モーメントを有する第１および第２の強磁性層で形成された不平衡合成反強磁性体を含む。また、反強磁性材料（たとえば、ＩｒＭｎまたはＰｔＭｎ）を有する不平衡ＳＡＦの下方にピニング層が形成されていてもよい。参照層構造は、選択的にエッチングされて第１および第２のエッチングされた電極スタックを形成し、第１の電極スタックは第１の参照方向を設定するための第１の形状異方性を有し、第２の電極スタックは第２の参照方向を設定するための第２の形状異方性を有する。電極スタックをエッチングした後、第１および第２の電極スタック（たとえば、各スタックにおけるＳＡＦ）の各々が飽和磁場と整列する磁化を有するまで、飽和磁場が基板に対して実質的に平行に印加されて第１の参照方向と第２の参照方向の間に配向される。飽和磁場を除去することによって、第１の形状異方性が第１の電極スタックの第１および第２の強磁性層の磁化を設定し、第２の形状異方性が第２の電極スタックの第１および第２の強磁性層の磁化を設定する。たとえば、第１および第２の電極スタックにおける第１および第２の強磁性層の各々の磁化方向は、それぞれ第１および第２の電極スタックの長軸（または短軸）寸法に沿って設定されてもよい。そのために、第１の電極スタックは第１の長軸（または短軸）寸法が第１の参照方向と整列する第１の形状異方性を有し、第２の電極スタックは第２の長軸（または短軸）寸法が第２の参照方向と整列する第２の形状異方性を有する。さらに一般的に言えば、飽和磁場は、２つ以上の参照方向の各々に沿った磁場成分を有する角度で基板に実質的に平行に印加されてもよい。飽和磁場の印加は、第１および第２の電極スタックが高温で加熱される加熱工程と、第１の形状定義された軸に沿って第１の電極スタックにおける不平衡合成反磁性体の磁化を設定し第２の別の形状定義された軸に沿って第２の電極スタックにおける不平衡合成反磁性体の磁化を設定するために飽和磁場を除去した後の冷却工程とを伴ってもよいが、必ずしもその必要はない。たとえば、加熱ステップは、選択された実施形態において、それぞれ第１および第２の電極スタックで形成される第１および第２の反強磁性ピニング層のブロッキング温度以上の高温の飽和磁場において第１および第２の電極スタックを加熱することによって実施されてもよく、その場合、飽和磁場を除去することによって第１の形状異方性が第１の電極スタックにおけるピン止め層の磁化を設定可能とし、第２の形状異方性が第２の電極スタックにおけるピン止め層の磁化を設定可能とする。さらにまたは代替的に、第１および第２の電極スタックは、飽和磁場を除去した後、あるいはそれぞれ第１および第２の電極スタックにおいて形成された第１および第２の反強磁性層の反強磁性結晶相形成温度で、またはそれより高い温度で飽和磁場を除去した後で加熱されてもよい。その後に第１および第２の電極スタックを冷却することによって、第１の電極スタックにおけるピン止め層の磁化は第１の形状定義された軸に沿ってピン止めされ、第２の電極スタックにおけるピン止め層の磁化は第２の別の形状定義された軸に沿ってピン止めされる。
【００３７】
さらに別の形態において、２つ以上の参照層磁化方向を有する強磁性薄膜ベースの磁場センサおよび関連製造方法が提供される。開示されるように、センサは、基板の上に基板上に形成されかつ該基板から絶縁された第１および第２のセンサ層スタックを含む。第１および第２のセンサ層スタックは、各々が第１の絶縁層の上に形成される参照層を含み、さらに、各々がそれぞれの参照層に隣接する反強磁性層を含んでいてもよい。選択された実施形態において、第１および第２の参照層の各々は、スペーサ層によって分離された第１および第２の強磁性体層で形成された不平衡合成反強磁性体として実施され、第１および第２の強磁性層は種々の磁気モーメントを有する。さらに、第１および第２の強磁性層は、各々がそれぞれ第１および第２の参照層の短軸（または長軸）に沿って整列する磁化を有していてもよい。形成される第１の電極スタックは、第１の参照層に対する第１の参照方向を定める第１の形状異方性を有し、第２の電極スタックは第１の参照方向とは異なる第２の参照層に対する第２の参照方向を定める第２の形状異方性を有する。
【００３８】
本明細書に開示される記載された例示的な実施形態は様々なセンサ構造およびその製造方法を対象としているが、本発明は多種多様な半導体プロセスおよび／または半導体デバイスに適用可能な本発明の発明態様を示す実施形態の例に必ずしも限定されない。したがって、先に開示された特定の実施形態は、一例にすぎず、本発明に関する制限であると解釈されるべきでなく、本発明は本明細書における教示の利益を有する当業者にとって明らかに異なるものの同等の方法で修正および実施されてもよい。たとえば、センサ構造における検知層およびピニング層の相対位置は、ピニング層が上にあり、検知層が下にあるように反転されてもよい。また、検知層およびピニング層は、開示された材料とは異なる材料で形成されてもよい。さらに、記載された層の厚さは、開示された厚さの値からずれていてもよい。それゆえに、前述の説明は、本発明を記載された特定の形態に限定することを意図するものではなく、むしろ、添付の特許請求の範囲によって定められる本発明の趣旨および範囲に含められてもよいような代替形態、変更形態、および等価物を網羅することを意図するものであり、したがって、当業者は本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく最も広い形態で様々に変更、代替、および改変しうることを理解するはずである。
【００３９】
諸問題に対する利益、その他の長所、および解決策が具体的な実施形態に関して前述されている。しかし、諸問題に対する利益、長所、解決策、および何らかの利益、長所、または解決策を生じる、または顕著になる可能性にある要素は、一部または全部の特許請求の範囲のきわめて重要な、必要される、あるいは基本的な特徴または要素であると解釈されるべきでない。本明細書で使用される用語「備える」、「備えている」またはこれらの他の変形形態は、要素の列挙を備える工程、方法、品目、または装置がこれらの要素を含むだけでなく、明記されていない他の要素や上記の工程、方法、品目、または装置に固有でない他の要素を含んでいてもよいような非排他的包含を包括することを意図するものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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