磁敏传感器及其制备方法、电子设备

本发明总体上涉及自旋电子学领域，更特别地，涉及一种集成有磁通聚集功能的磁敏传感器，其能够改善传感器的灵敏度，并且还涉及这样的磁敏传感器的制备方法，以及包括这样的磁敏传感器的电子设备。

背景技术：

1、磁敏传感器在数据存储、机械定位、速度检测、生物信号探测等领域都有广泛且重要的应用前景。早期的磁敏传感器主要包括基于霍尔效应的传感器和基于各向异性磁电阻(amr)效应的传感器，然而这两类磁敏传感器的灵敏度都比较低。随着自旋电子学的发展，基于巨磁电阻(gmr)效应和隧穿磁电阻(tmr)效应的磁敏传感器得到了广泛的研究和应用，其主要原因是由于这两类磁敏传感器的磁场灵敏度较高，并且其生产工艺能和常规的半导体工艺相兼容，因此适于工业制造。

2、tmr传感器的主要性能指标包括灵敏度、噪声和线性度，在保证tmr传感器对外磁场响应的线性度的条件下，增强传感器探测能力主要通过增强传感器灵敏度以及降低传感器噪声这两种方式实现。tmr传感器中的噪声主要包括1/f噪声，理论上1/f噪声反比于磁敏传感器中的探测磁层的体积，因此可以通过增大探测磁层的体积来降低1/f噪声。然而，在通常的tmr传感器设计中，探测磁层位于中间势垒层上方，即磁性隧道结中的探测磁层位于纳米柱内，在增大其体积的同时会伴随着磁性隧道结电阻下降以及纳米柱内中间势垒层缺陷增多等问题。而且，通常tmr传感器的线性度是通过探测磁层的形状各向异性来实现，在磁体体积增大时形状各向异性降低，这会导致传感器线性度的损失。

技术实现思路

1、本发明提供一种磁敏传感器，其通过集成有磁通聚集功能而能够改善传感器的灵敏度。磁通聚集功能由二级磁通聚集器实现，其中磁性隧道结中的探测磁层(也称为自由磁层)被加工成磁通聚集器形状，用作第一级磁通聚集器，以增强探测磁层的磁矩对外磁场响应的灵敏度。此外，第二级磁通聚集器形成为磁性薄膜，其与探测磁层在平面内彼此交叠，但是在垂直方向上通过绝缘材料彼此间隔开。第二级磁通聚集器可以汇聚外磁场，并且将汇聚的外磁场引导至探测磁层，从而进一步增强探测磁层的磁矩对外磁场响应的灵敏度。本发明还提供一种制备该磁敏传感器的方法。

2、根据一示例性实施例，一种磁敏传感器可包括：磁性多层膜结构，包括依次形成在衬底上的自由磁层、中间层和参考磁层，所述自由磁层在第一面内方向上具有比所述参考磁层更大的长度；绝缘层，形成在所述衬底上，并且覆盖所述磁性多层膜结构的侧壁以及所述自由磁层的未被所述参考磁层覆盖的部分的上表面；以及磁通聚集层，形成在所述绝缘层上，并且通过所述绝缘层与所述磁性多层膜结构间隔开。

3、在一示例中，在所述第一面内方向上，所述磁通聚集层延伸得与所述自由磁层彼此交叠，并且与所述参考磁层间隔开；在与层平面垂直的方向上，所述磁通聚集层通过所述绝缘层与所述自由磁层间隔开。

4、在一示例中，所述绝缘层的被所述磁通聚集层覆盖的部分与未被所述磁通聚集层覆盖的部分相比，具有更低的上表面高度，以使得所述磁通聚集层更靠近所述自由磁层。

5、在一示例中，所述自由磁层包括：与所述参考磁层对应的中心部分；以及在所述第一面内方向上位于所述中心部分两侧的扩展部分，在与层平面垂直的方向上所述扩展部分未被所述参考磁层覆盖。

6、在一示例中，在与所述第一面内方向垂直的第二面内方向上，所述自由磁层的扩展部分具有比中心部分更大的宽度。

7、在一示例中，在所述第二面内方向上，所述磁通聚集层的宽度大于或等于所述自由磁层的扩展部分的宽度。

8、在一示例中，所述磁通聚集层的远离所述磁性多层膜结构的部分具有比靠近所述磁性多层膜结构的部分更大的宽度。

9、在一示例中，所述绝缘层具有暴露所述磁性多层膜结构的顶表面的至少一部分的开口，所述磁敏传感器还包括通过所述开口连接到所述磁性多层膜结构的顶电极层。所述第一面内方向是所述磁敏传感器的测量方向，所述参考磁层的磁矩方向设置为平行或反平行于所述第一面内方向，所述自由磁层的初始磁矩方向设置为垂直于所述第一面内方向。

10、根据另一示例性实施例，一种磁敏传感器的制备方法可包括：在衬底上依次形成自由磁层、中间层和参考磁层，获得磁性多层膜结构；利用第一掩模图案蚀刻所述参考磁层、所述中间层和所述自由磁层；利用第二掩模图案蚀刻所述参考磁层，使得所述自由磁层在第一面内方向上具有比所述参考磁层更大的长度；形成绝缘层以覆盖所述衬底、所述磁性多层膜结构的侧壁以及所述自由磁层的未被所述参考磁层覆盖的部分的上表面；以及在所述绝缘层上形成磁通聚集层，所述磁通聚集层通过所述绝缘层与所述磁性多层膜结构间隔开。

11、在一示例中，在所述第一面内方向上，所述磁通聚集层延伸得与所述自由磁层彼此交叠，并且与所述参考磁层间隔开；在与层平面垂直的方向上，所述磁通聚集层通过所述绝缘层与所述自由磁层间隔开。

12、在一示例中，所述方法还包括：利用第三掩模图案蚀刻所述绝缘层，以在所述绝缘层中形成暴露所述磁性多层膜结构的至少一部分顶表面的开口；在所述绝缘层上形成第四掩模图案，所述第四掩模图案定义顶电极层的形状并且暴露所述绝缘层中的开口；沉积顶电极层；以及去除所述第四掩模图案以及所述顶电极层的位于所述第四掩模图案上的部分，留下所述顶电极层的位于所述绝缘层上并且通过所述绝缘层中的开口连接到所述磁性多层膜结构的顶表面的部分。

13、在一示例中，在所述绝缘层上形成所述磁通聚集层包括：形成第五掩模图案以覆盖所述顶电极层，在所述第一面内方向上所述第五掩模图案的边缘位于所述自由磁层的边缘与所述参考磁层的边缘之间；沉积所述磁通聚集层；去除所述第五掩模图案以及所述磁通聚集层的位于所述第五掩模图案上的部分，留下所述磁通聚集层的位于所述绝缘层上的部分，从而所形成的磁通聚集层在所述第一面内方向上与所述自由磁层交叠，与所述参考磁层间隔开。

14、在一示例中，所述方法还包括：在沉积所述磁通聚集层之前，利用所述第五掩模图案蚀刻所述绝缘层，使得所述绝缘层的被蚀刻部分的上表面更接近所述自由磁层。

15、在一示例中，所述第一掩模图案定义所述自由磁层的形状，使得所述自由磁层包括中心部分以及在所述第一面内方向上位于所述中心部分两侧的扩展部分。所述第二掩模图案定义所述参考磁层的形状，使得所述参考磁层对应于所述自由磁层的中心部分，而不覆盖所述自由磁层的扩展部分。

16、在一示例中，在与所述第一面内方向垂直的第二面内方向上，所述自由磁层的扩展部分具有比中心部分更大的宽度。

17、在一示例中，所述第五掩模图案定义所述磁通聚集层的形状，使得在所述第二面内方向上，所述磁通聚集层的宽度大于或等于所述自由磁层的扩展部分的宽度。

18、在一示例中，所述磁通聚集层的远离所述磁性多层膜结构的部分具有比靠近所述磁性多层膜结构的部分更大的宽度。

19、本发明还提供一种包括上述磁敏传感器的电子设备。

20、本发明的上述和其他特征和优点将从下面结合附图对示例性实施例的描述变得显而易见。