CN116018048B - 磁阻元件、磁阻元件的制备方法以及磁传感装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及磁传感器技术领域，本发明公开了一种磁阻元件、磁阻元件的制备方法以及磁传感装置。该磁阻元件具备包含一个以上第一单位元件第一元件部以及包含一个以上第二单位元件的第二元件部；第一元件部和第二元件部串联连接；第一单位元件包括：被磁化固定在第一方向的第一参考层，具有预设涡旋态磁畴的第一自由层，呈椭圆形，长轴与短轴的比值为1~2；第二单位元件包括：被磁化固定在与第一方向相反的第二方向的第二参考层，具有预设涡旋态磁畴的第二自由层，呈椭圆形，长轴与短轴的比值为1~2。本发明可以降低各向异性能影响，磁滞极大程度上得到抑制，改善线性度，同时可以在有限的尺寸要求下实现更高的灵敏度。

Description

磁阻元件、磁阻元件的制备方法以及磁传感装置

技术领域

本发明涉及磁传感器技术领域，尤其涉及一种磁阻元件、磁阻元件的制备方法以及磁传感装置。

背景技术

常见的隧道磁电阻（Tunnel magnetoresistance，TMR）线性传感器通常采用CoFeB/MgO/CoFeB体系，以获得高的TMR比率，从而提高传感器的灵敏度。但是由于CoFeB具有较大的剩磁，将会导致其具有较大的磁滞。常见的改善传感器线性度的方法是使得参考层与自由层磁化方向垂直，通常有两种方案：通过大长宽比的设计利用形状各向异性旋转自由层磁化方向；在自由层上耦合反铁磁层，利用弱钉扎效应固定自由层磁化方向。但是其改善效果有限，虽然能满足一定的需求，但仍然具有相当的剩磁。进一步改善线性度的方案为改善自由层结构，常见方法有减薄自由层厚度使其具有超顺磁效应，这虽然改善了磁滞，但也极大地降低了传感器的灵敏度；另一种方法为复合自由层，即在CoFeB自由层上复合一层软磁材料，如NiFe，但是NiFe会影响CoFeB的结晶，从而影响传感器的灵敏度。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种磁阻元件、磁阻元件的制备方法以及磁传感装置，旨在解决现有技术中通过减薄自由层厚度或在自由层上复合软磁材料来改善传感器线性度，虽然能在一定程度上改善磁滞，但会影响传感器灵敏度的技术问题。

为实现上述目的，本发明提出一种磁阻元件，所述磁阻元件具备：

第一元件部，其包含一个以上的第一单位元件；以及

第二元件部，其包含一个以上的第二单位元件；

所述第一元件部和所述第二元件部串联连接；

所述第一单位元件包括：

第一参考层，其具有第一膜面，其被磁化固定在所述第一膜面的面内方向上的第一方向；

第一自由层，其形状呈椭圆形，其长轴平行于所述第一方向，其短轴垂直于所述第一方向，其长轴与短轴的比值为1~2，其具有预设涡旋态磁畴；

所述第二单位元件包括：

第二参考层，其具有与所述第一膜面平行的第二膜面，其被磁化固定在所述第二膜面的面内方向上的第二方向，所述第二方向与所述第一方向相反；

第二自由层，其形状呈椭圆形，其长轴平行于所述第二方向，其短轴垂直于所述第二方向，其长轴与短轴的比值为1~2，其具有所述预设涡旋态磁畴。

可选的，所述第一方向平行于所述第一膜面的易磁化方向。

可选的，所述第一自由层及所述第二自由层的厚度为30~200nm；

所述第一自由层及所述第二自由层中长轴的长度为1~20μm。

可选地，所述预设涡旋态磁畴包括涡旋-反涡旋-涡旋态磁畴；

所述第一自由层的磁畴绕与所述第一膜面垂直的轴形成两个第一涡核，使得所述第一自由层形成涡旋-反涡旋-涡旋态磁畴，所述第一自由层的磁畴在所述第一涡核处呈涡旋状态，所述第一自由层的磁畴在所述第一涡核之间呈反涡旋状态；

所述第二自由层的磁畴绕与所述第二膜面垂直的轴形成两个第二涡核，使得所述第二自由层形成涡旋-反涡旋-涡旋态磁畴，所述第二自由层的磁畴在所述第二涡核处呈涡旋状态，所述第二自由层的磁畴在所述第二涡核之间呈反涡旋状态。

可选地，所述第一单位元件还包括第一绝缘层，所述第一自由层、所述第一绝缘层以及所述第一参考层由上至下依次层叠设置，所述第一绝缘层、所述第一参考层与所述第一自由层的形状相同；

所述第二单位元件还包括第二绝缘层，所述第二自由层、所述第二绝缘层以及所述第二参考层由上至下依次层叠设置，所述第二绝缘层、所述第二参考层与所述第二自由层的形状相同。

可选地，所述第一自由层中远离所述第一绝缘层的一侧依次设置有相互接触的第一铁磁层和第一软磁层；

所述第二自由层中远离所述第二绝缘层的一侧依次设置有相互接触的第二铁磁层和第二软磁层；

所述第一软磁层与所述第二软磁层由坡莫合金、非晶合金或微晶合金构成。

可选地，所述第一软磁层与所述软磁层由Co、Fe、Ni、Al、Ga、Si、B、Cu、Mo中的多种元素组成。

可选地，所述第一软磁层与所述第二软磁层为CoFeSiB、CoFeAl、NiFeSi以及CoFeCuMo中的至少一种。

为实现上述目的，本发明还提出一种磁阻元件的制备方法，包括：

提供一基底；

在所述基底上沉积形成磁堆叠，以第一方向或第二方向对所述磁堆叠进行磁场退火，经流片后形成上述的磁阻元件；所述磁阻元件包括包含有一个以上第一单位元件的第一元件部以及包含有一个以上第二单位元件的第二元件部，所述第一单位元件的磁化方向为所述第一方向，所述第二单位元件的磁化方向为所述第二方向；

所述磁场退火包括：

在320~400℃下进行第一次磁场退火40~80min；

在200~270℃下进行第二次磁场退火40~80min；

在150~200℃下进行第三次磁场退火15~40min。

可选的，所述磁堆叠包括第一磁堆叠与第二磁堆叠，所述在所述基底上沉积形成磁堆叠，以第一方向或第二方向对所述磁堆叠进行磁场退火，经流片后形成所述磁阻元件，包括：

根据预设材质与预设厚度在所述基底上沉积形成第一磁堆叠与第二磁堆叠；

以所述第一方向对所述第一磁堆叠进行磁场退火，经流片后以第三方向进行配置，得到第一元件部；

以所述第一方向对所述第二磁堆叠进行磁场退火，经流片后以第四方向进行配置，得到第二元件部，所述第四方向与第三方向相反。

为实现上述目的，本发明还提出一种磁传感装置，所述磁传感装置包括磁阻元件；

所述磁阻元件为上述磁阻元件，或采用上述制备方法制得的磁阻元件。

在本发明中，磁阻元件包括第一元件部与第二元件部，第一元件部和第二元件部串联连接，第一元件部包含一个以上的第一单位元件，第二元件部包含一个以上的第二单位元件，第一单位元件包括第一参考层与第一自由层，第二单位元件包括第二参考层与第二自由层。第一自由层与第二自由层呈椭圆形，长轴与短轴的比值为1~2，长轴的长度为1~20μm，厚度为30~200nm，且被磁化形成涡旋-反涡旋-涡旋态磁畴。本发明采用椭圆形自由层，并采用低长宽比，适当减小结区轴长，同时增加自由层厚度，使得第一自由层与第二自由层的磁畴呈涡旋-反涡旋-涡旋态，相较于正圆形自由层呈现的单涡旋态，能够实现更高的灵敏度，相较于大长宽比自由层的多畴态，各向异性能影响极大降低，磁滞极大程度上得到抑制，此外，本发明采用坡莫合金、非晶合金或微晶合金作为自由层中的软磁层，相较于采用NiFe，可以进一步提高线性度，降低磁滞，同时获得更高的灵敏度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明磁阻元件第一实施例的结构示意图；

图2为本发明磁阻元件一实施例的第一参考层结构示意图；

图3为本发明磁阻元件一实施例的第一自由层结构示意图；

图4为本发明磁阻元件一实施例的第二参考层结构示意图；

图5为本发明磁阻元件一实施例的第二自由层结构示意图；

图6为本发明磁阻元件一实施例的低长宽比椭圆形自由层与圆形自由层对比示意图；

图7为本发明磁阻元件第二实施例的截面结构示意图；

图8为本发明磁阻元件一实施例的第一单位元件结构截面示意图；

图9为本发明磁阻元件一实施例的第二单位元件结构截面示意图；

图10为本发明磁阻元件一实施例中具有不同复合自由层的磁阻器件性能对比示意图；

图11为本发明磁阻元件一实施例中具有复合自由层与单一自由层的磁阻器件性能对比示意图；

图12为本发明磁阻元件一实施例的第一单位元件细化结构截面示意图；

图13为本发明磁阻元件一实施例的第二单位元件细化结构截面示意图；

图14为本发明磁阻元件的制备方法一实施例的流程示意图；

图15为本发明磁阻元件的制备方法一实施例的三次退火与二次退火工艺低频噪声对比示意图。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				10	第一元件部	1017	第一顶电极层
20	第二元件部	2011	第二参考层
				101	第一单位元件	2011a	第二膜面
201	第二单位元件	2012	第二自由层
				1011	第一参考层	2012a	第二铁磁层
1011a	第一膜面	2012b	第二软磁层
				1012	第一自由层	2013	第二绝缘层
1012a	第一铁磁层	2014	第二人工反铁磁层
				1012b	第一软磁层	2015	第二底电极层
1013	第一绝缘层	2016	第二顶电极接触层
				1014	第一人工反铁磁层	2017	第二顶电极层
1015	第一底电极层	D1	第一方向
				1016	第一顶电极接触层	D2	第二方向

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明实施例提供了一种磁阻元件，参照图1，图1为本发明一种磁阻元件第一实施例的结构示意图。

如图1所示，在本实施例中，磁阻元件包括第一元件部10与第二元件部20，所述第一元件部10和所述第二元件部20串联连接，所述第一元件部10包含一个以上的第一单位元件101，所述第二元件部20包含一个以上的第二单位元件201。

需要说明的是，所述第一元件部10中第一单位元件101的数量通常大于等于2，可根据实际情况进行调整，本实施例对此不做限制。所述第二元件部20中第二单位元件201的数量通常大于等于2，可根据实际情况进行调整，本实施例对此不做限制。

可以理解的是，所述第一元件部10中第一单位元件101的数量与所述第二元件部20中第二单位元件201的数量可以是相同。所述一个以上的第一单位元件101依次电连接形成第一磁阻阵列（未示出），所述一个以上的第二单位元件201依次电连接形成第二磁阻阵列（未示出）时，磁阻元件可具有惠斯通半桥结构。所述一个以上的第一单位元件经电连接形成2个相同结构的第三磁阻阵列，所述一个以上的第三单位元件经电连接形成2个相同结构的第四磁阻阵列时，所述磁阻元件可具有惠斯通全桥结构。进一步地，所述第一单位元件101包括第一参考层1011与第一自由层1012，所述第二单位元件201包括第二参考层2011与第二自由层2012。

可以理解的是，所述第一单位元件101与第二单位元件201中还可根据需求设置其他膜层，本实施例对此不做限制。

如图2所示，所述第一参考层1011具有第一膜面1011a，被磁化固定在所述第一膜面1011a的面内方向上的第一方向D1。

应当理解的是，所述第一膜面指的是第一参考层1011所处的平面，所述第一方向D1是第一参考层1011的磁化方向，通常是在第一膜面1011a面内方向上规定的方向，本实施例中的第一方向D1平行于第一膜面1011a的易磁化方向。

如图3所示，所述第一自由层1012，其形状呈椭圆形，其长轴平行于所述第一方向D1，其短轴垂直于所述第一方向D1，其长轴与短轴的比值为1~2，其具有预设涡旋态磁畴。

需要说明的是，在本实施例中，所述第一自由层1012的厚度为30~200nm，所述第一自由层1012中长轴的长度为1~20μm，相较于传统的自由层，减小了轴长，同时增加了厚度。所述预设涡旋态磁畴指的是第一自由层1012中的磁畴呈涡旋态，在本实施例中，所述预设涡旋态磁畴为涡旋-反涡旋-涡旋态磁畴，所述第一自由层1012的磁畴绕与所述第一膜面1011a垂直的轴形成两个第一涡核，使得所述第一自由层1012形成涡旋-反涡旋-涡旋态磁畴，所述第一自由层1012的磁畴在所述第一涡核处呈涡旋状态，所述第一自由层1012的磁畴在所述第一涡核之间呈反涡旋状态。

如图4所示，所述第二参考层2011具有与所述第一膜面1011a平行的第二膜面2011a，其被磁化固定在所述第二膜面2011a的面内方向上的第二方向D2，所述第二方向D2与所述第一方向D1相反。

可以理解的是，所述第二膜面指的是第二参考层2011所处的平面，所述第二方向D2是第二参考层2011的磁化方向，通常是在第二膜面2011a面内方向上规定的方向，本实施例中的第二方向D2与第一方向D1相反，第二方向D2平行于第一膜面1011a的易磁化方向。

如图5所示，所述第二自由层2012，其形状呈椭圆形，其长轴平行于所述第二方向D2，其短轴垂直于所述第二方向D2，其长轴与短轴的比值为1~2，其具有预设涡旋态磁畴。

应当理解的是，在本实施例中，所述第二自由层2012的厚度为30~200nm，所述第二自由层2012中长轴的长度为1~20μm，相较于传统的自由层，减小了轴长，且增加了厚度。在本实施例中，所述第二自由层2012的磁畴绕与所述第二膜面2011a垂直的轴形成两个第二涡核，使得所述第二自由层2012形成涡旋-反涡旋-涡旋态磁畴，所述第二自由层2012的磁畴在所述第二涡核处呈涡旋状态，所述第二自由层2012的磁畴在所述第二涡核之间呈反涡旋状态。

需要说明的是，本实施例中第一自由层1012与第二自由层2012的磁畴均为涡旋-反涡旋-涡旋态磁畴，第一自由层1012与第二自由层2012均采用低长宽比，适当减小结区轴长（1μm~20μm），同时增加复合自由层厚度（30nm~200nm），使得第一自由层1012与第二自由层2012的磁畴呈反涡旋态，相较于正圆形自由层呈现的单涡旋态，能够实现更高的灵敏度，相较于大长宽比自由层的多畴态，各向异性能影响极大降低，磁滞极大程度上得到抑制。图6展示了采用本实施例低长宽比椭圆形自由层的磁阻元件以及以相应尺寸圆形自由层作为对比例的磁阻元件在相同条件的磁性能对比情况，可以看出，本实施例可以在更小的面积下获得更高的灵敏度。

可以理解的是，第一参考层1011与第二参考层2011的磁化方向相反，若第一元件部10和第二元件部20的其余条件相同，则本实施例相当于将第一元件部10翻转180°得到第二元件部20，此时第一元件部10和第二元件部20可以串联形成惠斯通结构。

应当理解的是，第一元件部10中的各第一单位元件101串联连接，第二元件部20中的各第二单位元件201串联连接。

在本实施例中，磁阻元件包括第一元件部10与第二元件部20，第一元件部10和第二元件部20串联连接，第一元件部10包含一个以上的第一单位元件101，第二元件部20包含一个以上的第二单位元件201，第一单位元件101包括第一参考层1011与第一自由层1012，第二单位元件201包括第二参考层2011与第二自由层2012。第一自由层1012与第二自由层2012呈椭圆形，长轴与短轴的比值为1~2，长轴的长度为1~20μm，厚度为30~200nm，且具有涡旋-反涡旋-涡旋态磁畴。本实施例采用椭圆形自由层，并采用低长宽比，适当减小结区轴长，同时增加自由层厚度，使得第一自由层1012与第二自由层2012的磁畴呈涡旋-反涡旋-涡旋态，相较于正圆形自由层呈现的单涡旋态，能够实现更高的灵敏度，相较于大长宽比自由层的多畴态，各向异性能影响极大降低，磁滞极大程度上得到抑制。

参照图7，图7为本发明磁阻元件第二实施例的截面结构示意图。基于上述第一实施例，本发明提出磁阻元件的第二实施例。

如图7所示，本实施例中，所述第一单位元件101还包括第一绝缘层1013，所述第一自由层1012、所述第一绝缘层1013以及所述第一参考层1011由上至下依次层叠设置，所述第一绝缘层1013、所述第一参考层1011与所述第一自由层1012的形状相同。所述第二单位元件201还包括第二绝缘层2013，所述第二自由层2012、所述第二绝缘层2013以及所述第二参考层2011由上至下依次层叠设置，所述第二绝缘层2013、所述第二参考层2011与所述第二自由层2012的形状相同。

需要说明的是，在本实施例中，由于第一自由层1012与第二自由层2012为椭圆形，长轴的长度为1~20μm，长轴与短轴的比值为1~2，因此，第一绝缘层1013、第一参考层1011、第二绝缘层2013以及第二参考层2011均为椭圆形，长轴的长度为1~20μm，长轴与短轴的比值为1~2，其中，第一自由层1012与第二自由层2012厚度为30~200nm。

如图8所示，所述第一自由层1012中远离所述第一绝缘层1013的一侧依次设置有相互接触的第一铁磁层1012a和第一软磁层1012b。

可以理解的是，第一软磁层1012b设置在第一铁磁层1012a上方，第一软磁层1012b可由坡莫合金或、坡莫合金或微晶合金构成，可由Co、Fe、Ni、Al、Ga、Si、B中的多种元素组成，不限于CoFeSiB、CoFeAl、NiFeSi以及CoFeCuMo。

如图9所示，所述第二自由层2012中远离所述第二绝缘层2013的一侧同样依次设置有相互接触的第二铁磁层2012a和第二软磁层2012b，第二软磁层2012b在第二铁磁层2012a上方，第二软磁层2012b由坡莫合金、非晶合金或微晶合金构成，由Co、Fe、Ni、Al、Ga、Si、B、Cu、Mo中的多种元素组成，不限于CoFeSiB、CoFeAl、NiFeSi或CoFeCuMo。

应当理解的是，所述第一铁磁层1012a与第二铁磁层2012a可由CoFeB构成，厚度可以为1-4nm，第一软磁层1012b和第二软磁层2012b的厚度通常大于等于20nm，可以为40-150nm，也可根据实际情况进行调整，本实施例对此不做限制。

需要说明的是，本实施例采用第一铁磁层/第一软磁层的复合自由层结构，对CoFeB结晶的影响极小，不仅不会衰减TMR比值导致灵敏度降低，同时还可以进一步提高线性度，降低磁滞。图10中展示了在同样工艺参数下，本实施例以及以NiFe替代第一软磁层作为对比例所制备的磁阻元件的磁性能对比示意图（其中，CFSB对应于本实施例的R-H回线），可以看出，本实施例制备的最终器件的TMR值可达190%，而对比例由于NiFe影响了CoFeB的结晶，制备的器件的TMR值仅能达到160%~170%左右，因此本实施例可获得更高的灵敏度。

可以理解的是，如图11所示，对本实施例以及仅以CoFeB作为自由层的对比例所制备磁阻器件的磁性能进行对比，相较于采用CoFeB单一自由层材料，本实施例更容易形成反涡旋磁畴，可以获得更高的线性范围和更低的磁滞。

应当理解的是，第一参考层1011与第二参考层2011可由CoFeB构成，厚度可为2-20nmnm，第一绝缘层1013与第二绝缘层2013可由MgO构成，厚度可为1-3nm，也可使用其他材质、其他厚度，可根据实际需求进行设置，本实施例对此不做限制。

如图12所示，第一参考层1011下还依次设置了第一人工反铁磁层1014与第一底电极层1015，第一参考层1011上还设置了第一顶电极接触层1016与第一顶电极层1017。

如图13所示，第二参考层2011下还依次设置了第二人工反铁磁层2014与第二底电极层2015，第二参考层2011上还依次设置了第二顶电极接触层2016与第二顶电极层2017。

应当理解的是，第一人工反铁磁层1014与第二人工反铁磁层2014可采用IrMn/CoFe/Ru结构，IrMn、CoFe以及Ru厚度可分别为5-20nm、1-4nm以及1-2nm，第一底电极层1015与第二底电极层2015可采用Ta/Ru结构，Ta与Ru的厚度可为5nm与15nm，第一顶电极接触层1016与第二顶电极接触层2016可采用Ta/Ru结构，Ta与Ru的厚度可为3nm与5nm，第一顶电极层1017与第二顶电极层2017可采用Ti/Al结构，Ti与Al的厚度可为40nm与800nm，也可使用其他材质、其他厚度，可根据实际需求进行设置，本实施例对此不做限制。

需要说明的是，第一底电极层与第一顶电极层之间可并联设置多个由第一底电极层1015、第一人工反铁磁层1014、第一参考层1011、第一绝缘层1013、第一自由层1012以及第一顶电极接触层1016构成的堆叠层，第二底电极层与第二顶电极层之间可并联设置多个由第二底电极层2015、第二人工反铁磁层2014、第二参考层2011、第二绝缘层2013、第二自由层2012以及第二顶电极接触层2016构成的堆叠层。

可以理解的是，第一单位元件101与第二单位元件201的结构、成分、形状可以是相同的，不同之处仅在于第一参考层1011与第二参考层2011的磁化方向相反。

在本实施例中，第一单位元件101还包括第一绝缘层1013，第一自由层1012、第一绝缘层1013以及第一参考层1011由上至下依次层叠设置，第一自由层1012中远离第一绝缘层1013的一侧依次设置有相互接触的第一铁磁层1012a和第一软磁层1012b，第一软磁层1012b可由CoFeSiB、CoFeAll、NiFeSi或CoFeCuMo构成，第二单位元件201还包括第二绝缘层2013，第二自由层2012、第二绝缘层2013以及第二参考层2011由上至下依次层叠设置，第二自由层2012中远离第二绝缘层2013的一侧依次设置有相互接触的第二铁磁层2012a和第二软磁层2012b，第二软磁层2012b可由CoFeSiB、CoFeAll、NiFeSi或CoFeCuMo构成。本实施例第一自由层1012与第二自由层2012所采用的复合自由层结构，更容易形成反涡旋磁畴，可以获得更高的线性范围和更低的磁滞，同时获得更高的灵敏度。

本发明实施例提供了一种磁阻元件的制备方法，参照图14，图14为本发明一种磁阻元件的制备方法第一实施例的流程示意图。

基于上述实施例，本实施例磁阻元件的制备方法包括以下步骤：

步骤S10：提供一基底。

需要说明的是，本实施例的方法用于制备上述实施例中的磁阻元件。

可以理解的是，所述基底可根据实际需求进行选择，例如：氧化硅，本实施例对此不做限制。

步骤S20：在所述基底上沉积形成磁堆叠，以第一方向或第二方向对所述磁堆叠进行磁场退火，经流片后形成磁阻元件，所述磁阻元件包括包含有一个以上第一单位元件的第一元件部以及包含有一个以上第二单位元件的第二元件部，所述第一单位元件的磁化方向为所述第一方向，所述第二单位元件的磁化方向为所述第二方向。

所述步骤S20包括：根据预设材质与预设厚度在所述基底上沉积形成第一磁堆叠与第二磁堆叠，以所述第一方向对所述第一磁堆叠进行磁场退火，经流片后以第三方向进行配置，得到第一元件部；以所述第一方向对所述第二磁堆叠进行磁场退火，经流片后以第四方向进行配置，得到第二元件部。

可以理解的是，所述预设材质与预设厚度指的是磁堆叠中各层的材质与厚度，可根据需求进行设定。所述磁堆叠包括第一磁堆叠与第二磁堆叠，所述第一磁堆叠从下至上依次包括第一底电极层、第一人工反铁磁层、第一参考层、第一绝缘层、第一自由层以及第一顶电极接触层，第一底电极层可使用Ta与Ru，形成Ta/Ru结构，厚度分别为5-15nm与5-30nm，第一反铁磁层可使用IrMn、CoFe以及Ru，形成IrMn/CoFe/Ru结构，厚度分别为5-20nm、1-4nm以及1-2nm，第一参考层可使用CoFeB，厚度为2-20nm，第一绝缘层可使用MgO，厚度为1-3nm，第一自由层可使用CoFeB与CoFeSiB，形成CoFeB/CoFeSiB结构，厚度分别为1-4nm与40-150nm，第一顶电极接触层使用Ta与Ru，形成Ta/Ru结构，厚度分别为3-10nm与2-7nm，本实施例对此不做限制，可根据实际情况进行设置。所述第二磁堆叠从下至上依次包括第二底电极层、第二人工反铁磁层、第二参考层、第二绝缘层、第二自由层以及第二顶电极接触层，第二底电极层可使用Ta与Ru，形成Ta/Ru结构，厚度分别为5-15nm与5-30nm，第二反铁磁层可使用IrMn、CoFe以及Ru，形成IrMn/CoFe/Ru结构，厚度分别5-20nm、1-4nm以及1-2nm，第二参考层可使用CoFeB，厚度为2-20nm，第二绝缘层可使用MgO，厚度为1-3nm，第二自由层可使用CoFeB与CoFeSiB，形成CoFeB/CoFeSiB结构，厚度分别为1-4nm与40-150nm，第二顶电极接触层使用Ta与Ru，形成Ta/Ru结构，厚度分别为3-10nm与2-7nm，本实施例对此不做限制，可根据实际情况进行设置。

应当理解的是，第一磁堆叠经磁化退火后具有相应的磁化方向，通过流片刻蚀出椭圆形状的第一人工反铁磁层、第一参考层、第一绝缘层、第一自由层以及第一顶电极接触层，并通过剥离工艺在第一顶电极接触层上形成第一顶电极层，得到至少一个第一单位元件，其以第三方向进行配置，得到包含有一个以上第一单位元件的第一元件部，其中，第一单位元件的数量根据实际情况确定，第一单位元件中第一底电极层与第一顶电极层之间可有多个层叠的第一人工反铁磁层、第一参考层、第一绝缘层、第一自由层以及第一顶电极接触层。

以及，第二磁堆叠经磁化退火后具有相应的磁化方向，通过流片刻蚀出椭圆形状的第二人工反铁磁层、第二参考层、第二绝缘层、第二自由层以及第二顶电极接触层，并通过剥离工艺在第二顶电极接触层上形成第二顶电极层，得到至少一个第二单位元件，其以第四方向进行配置，形成包含有一个以上第二单位元件的第二元件部，其中，第二单位元件的数量根据实际情况确定，第二单位元件中第二底电极层与第二顶电极层之间可有多个层叠的第二人工反铁磁层、第二参考层、第二绝缘层、第二自由层以及第二顶电极接触层。

需要说明的是，所述第三方向与所述第四方向相反，因此，按照第三方向配置得到第一元件部，按照第四方向配置得到第二元件部后，第一参考层与第二参考层的磁化方向相反，分别为第一方向与第二方向，第一方向与第二方向的方向相反。

可以理解的是，第一元件部与第二元件部结构、成分以及形状可以相同，也可以不相同，若制备得到的第一元件部与第二元件部结构、成分以及形状都是相同的，则相当于将第一元件部以相对于第三方向翻转180°后的第四方向得到第二元件部。

进一步地，所述磁场退火包括：在320~400℃下进行第一次磁场退火40~80min，在200~270℃下进行第二次磁场退火40~80min，在150~200℃下进行第三次磁场退火15~40min。

应当理解的是，本实施例共需进行三次退火，第一次退火使用的温度，通常采用高于CoFeB的结晶温度（320~400℃），例如：330℃，可根据实际需求灵活调整，本实施例对此不做限制，第一次退火使用的磁场可为1T，可根据实际需求灵活调整，本实施例对此不做限制，第一次退火的时间在40~80min范围内，可根据实际情况灵活调整，本实施例对此不做限制。第二次退火使用的温度，通常采用低于CoFeB结晶温度且高于反铁磁层奈尔温度（200~270℃），例如：260℃，可根据实际需求灵活调整，本实施例对此不做限制，第二次退火使用的磁场可为1T，可根据实际需求灵活调整，本实施例对此不做限制，第二次退火的时间在40~80min范围内，可根据实际情况灵活调整，本实施例对此不做限制。第三次退火使用的温度，通常采用较低温度（150~200℃），例如：180℃，本实施例对此不做限制，第三次退火使用的磁场，通常采用较小磁场，例如：200 Oe，可根据实际需求灵活调整，本实施例对此不做限制，第三次退火的时间在15~40min。范围内，可根据实际情况灵活调整，本实施例对此不做限制。

在具体实现中，采用三次退火工艺，首次退火以高于CoFeB的结晶温度（330℃）沿垂直于灵敏轴方向（磁场1T）退火1h，第二次退火采用低于CoFeB结晶温度，高于反铁磁层奈尔温度（260℃），沿灵敏轴方向（磁场1T）退火1h，翻转反铁磁层磁矩，第三次退火采用较低温度（180℃）与较小磁场（200 Oe）沿垂直于灵敏轴方向退火0.5h，稳定自由层磁矩。

需要说明的是，如图15所示的三次退火与二次退火工艺低频噪声对比示意图，相较于二次退火工艺，本实施例使用的三次退火工艺可提升线性度，低频下的噪声得以改善，从而可以获得更高的信噪比。

在本实施例中，通过提供一基底，在基底上沉积形成磁堆叠，经磁场退火以及流片后形成磁阻元件，该磁阻元件包括包含有一个以上第一单位元件的第一元件部以及包含有一个以上第二单位元件的第二元件部。通过上述方式，得到磁阻元件，该磁阻元件中自由层的磁畴呈涡旋-反涡旋-涡旋态，使得各向异性能影响极大降低，磁滞极大程度上得到抑制，同时能够在有限的尺寸要求下实现更高的灵敏度，排布更加灵活，并且三次退火工艺可提升线性度，低频下的噪声得以改善，从而可以获得更高的信噪比。

为实现上述目的，本发明还提出一种磁传感装置，所述磁传感装置包括上述磁阻元件，或采用上述磁阻元件的制备方法得到的磁阻元件。

可以理解的是，由于本磁传感装置可以采用上述所有实施例的技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的有益效果，在此不再一一赘述。

应当理解的是，以上仅为举例说明，对本发明的技术方案并不构成任何限定，在具体应用中，本领域的技术人员可以根据需要进行设置，本发明对此不做限制。

需要说明的是，以上所描述的工作流程仅仅是示意性的，并不对本发明的保护范围构成限定，在实际应用中，本领域的技术人员可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部来实现本实施例方案的目的，此处不做限制。

此外，需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者***不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者***所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者***中还存在另外的相同要素。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种磁阻元件，其特征在于，所述磁阻元件具备：

第一元件部，其包含一个以上的第一单位元件；以及

第二元件部，其包含一个以上的第二单位元件；

所述第一元件部和所述第二元件部串联连接；

所述第一单位元件包括：

第一参考层，其具有第一膜面，其被磁化固定在所述第一膜面的面内方向上的第一方向；

第一自由层，其形状呈椭圆形，其长轴平行于所述第一方向，其短轴垂直于所述第一方向，其长轴与短轴的比值为1~2，其具有预设涡旋态磁畴；

所述第二单位元件包括：

第二参考层，其具有与所述第一膜面平行的第二膜面，其被磁化固定在所述第二膜面的面内方向上的第二方向，所述第二方向与所述第一方向相反；

第二自由层，其形状呈椭圆形，其长轴平行于所述第二方向，其短轴垂直于所述第二方向，其长轴与短轴的比值为1~2，其具有所述预设涡旋态磁畴。

2.根据权利要求1所述的磁阻元件，其特征在于，所述第一方向平行于所述第一膜面的易磁化方向。

3.根据权利要求1所述的磁阻元件，其特征在于，

所述第一自由层及所述第二自由层的厚度为30~200nm；

所述第一自由层及所述第二自由层中长轴的长度为1~20μm。

4.根据权利要求3所述的磁阻元件，其特征在于，所述预设涡旋态磁畴包括涡旋-反涡旋-涡旋态磁畴；

所述第一自由层的磁畴绕与所述第一膜面垂直的轴形成两个第一涡核，使得所述第一自由层形成涡旋-反涡旋-涡旋态磁畴，所述第一自由层的磁畴在所述第一涡核处呈涡旋状态，所述第一自由层的磁畴在所述第一涡核之间呈反涡旋状态；

所述第二自由层的磁畴绕与所述第二膜面垂直的轴形成两个第二涡核，使得所述第二自由层形成涡旋-反涡旋-涡旋态磁畴，所述第二自由层的磁畴在所述第二涡核处呈涡旋状态，所述第二自由层的磁畴在所述第二涡核之间呈反涡旋状态。

5.根据权利要求1所述的磁阻元件，其特征在于，

所述第一单位元件还包括第一绝缘层，所述第一自由层、所述第一绝缘层以及所述第一参考层由上至下依次层叠设置，所述第一绝缘层、所述第一参考层与所述第一自由层的形状相同；

所述第二单位元件还包括第二绝缘层，所述第二自由层、所述第二绝缘层以及所述第二参考层由上至下依次层叠设置，所述第二绝缘层、所述第二参考层与所述第二自由层的形状相同。

6.根据权利要求5所述的磁阻元件，其特征在于，

所述第一自由层中远离所述第一绝缘层的一侧依次设置有相互接触的第一铁磁层和第一软磁层；

所述第二自由层中远离所述第二绝缘层的一侧依次设置有相互接触的第二铁磁层和第二软磁层

所述第一软磁层与所述第二软磁层由坡莫合金、非晶合金或微晶合金构成。

7.根据权利要求6所述的磁阻元件，其特征在于，所述第一软磁层与所述第二软磁层为CoFeSiB、CoFeAl、NiFeSi以及CoFeCuMo中的一种。

8.一种磁阻元件的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：

提供一基底；

在所述基底上沉积形成磁堆叠，以第一方向或第二方向对所述磁堆叠进行磁场退火，经流片后形成权利要求1-7中任一项所述的磁阻元件；所述磁阻元件包括包含有一个以上第一单位元件的第一元件部以及包含有一个以上第二单位元件的第二元件部，所述第一单位元件的磁化方向为所述第一方向，所述第二单位元件的磁化方向为所述第二方向；

所述磁场退火包括：

在320~400℃下进行第一次磁场退火40~80min；

在200~270℃下进行第二次磁场退火40~80min；

在150~200℃下进行第三次磁场退火15~40min。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述磁堆叠包括第一磁堆叠与第二磁堆叠，所述在所述基底上沉积形成磁堆叠，以第一方向或第二方向对所述磁堆叠进行磁场退火，经流片后形成所述磁阻元件，包括：

根据预设材质与预设厚度在所述基底上沉积形成第一磁堆叠与第二磁堆叠；

以所述第一方向对所述第一磁堆叠进行磁场退火，经流片后以第三方向进行配置，得到第一元件部；

以所述第一方向对所述第二磁堆叠进行磁场退火，经流片后以第四方向进行配置，得到第二元件部，所述第四方向与第三方向相反。

10.一种磁传感装置，其特征在于，所述磁传感装置包括磁阻元件；

所述磁阻元件为权利要求1-7中任一项所述的磁阻元件，或采用权利要求8或9所述的制备方法制得。

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