本發(fā)明是有關于磁場感測技術，特別是有關用于磁場感測的穿隧磁阻裝置。

背景技術：

電子羅盤已設置于各種電子產(chǎn)品中以用于改進性能。舉例來說，電子羅盤可用于全球定位系統(tǒng)(GPS)中以改進感測能力。GPS中的前進方向是通過物體的移動來確定。然而，當速度慢或甚至處于靜止位置時，GPS便無法精確地確定方位。電子羅盤則可提供方位角資訊以幫助確定方向。

各種方式感測磁場的機制已被提出，例如典型的霍爾元件(Hall device)或磁阻元件(magneto-resistive device)。磁阻元件包括異向性磁電阻器(anisotropic magneto-resistor，AMR)、巨磁電阻器(giant magneto-resistor，GMR)和穿隧式磁電阻器(tunneling magneto-resistor，TMR)的磁阻元件，具有比霍爾元件靈敏度大的優(yōu)點，且其后端制程也容易與CMOS的前端制程相整合。

圖1A至圖1B顯示為用于磁場感測器95的典型穿隧式磁電阻器的示意圖，其包括：由導電金屬形成的底板作為形成于基板90上的底部電極102；磁性穿隧接面(Magnetic Tunneling Junction，MTJ)元件110，形成于底部電極102上；及由導電材料形成的頂板作為形成于磁性穿隧接面元件110的頂部電極106。從磁性穿隧接面元件的結構圖案，我們可以定義一相交點于中心處的十字形線，其中較長的線稱為長軸101，且較短的線稱為短軸103，另外，稱作易軸(easy-axis)180的線與長軸101共線。磁性穿隧接面元件110包括固定層112、穿隧層115和自由層116，其中磁性穿隧接面元件110設置于底部電極102與頂部電極106之間。磁性材料的固定層112形成于底部電極102上，且具有與一固定方向平行的第一固定磁距114。非磁性材料穿隧層115形成于固定層112上。磁性材料的自由層116形成于穿隧層115上，且具有在初始時與易軸180平行的第一自由磁距118。

在形成磁性穿隧接面元件之后，例如是磁性薄膜堆疊和圖案蝕刻后，通過在退火制程期間施加一固定方向為與易軸180垂直的磁場。于退火制程之后，第一固定磁矩114將會平行所述磁場的方向，而磁性穿隧接面元件110的形狀異向性會使第一自由磁距118傾向與易軸平行。因此，穿隧式磁電阻器的磁場感測方向垂直于基板的易軸180。

通過異向性磁電阻器或甚至巨磁電阻器，可以實現(xiàn)集成式的水平雙軸磁場感測器，但其占據(jù)面積大小相當大。由于其極低的電阻率，元件長度必須足夠長以達到可用于感測磁場的值。圖2A至圖2B為全范圍與半范圍惠斯頓電橋電路(Wheatstone bridge circuit)的示意圖式。如圖2A所示，惠斯頓電橋電路是一般常采用來將感測信號轉換為電子信號的方法。對于異向性磁電阻器磁性感測器，電橋的每個元件R11、R21、R12、R22都是串聯(lián)連接的一些具有螺絲紋條狀桿偏壓結構的異向性磁電阻器，且任何相鄰元件上的短路條狀桿的角度(shorting bar angle)都互補，使得電橋對稱且能全范圍操作。然而，對于巨磁電阻器或穿隧式磁電阻器磁場感測器，由于其對稱的磁阻與磁場特性，因此兩個元件R21、R12必須被遮蔽(如圖2B所示)僅使用半范圍操作。由于穿隧式磁電阻器的磁阻比較高，不對稱的半范圍操作會導致電橋輸出失去線性度(linearity)和準確度。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出一種用于磁場感測的穿隧磁阻(TMR)裝置，包括：第一TMR感測器，由具有固定層及自由層的第一及第二磁性穿隧接面(MTJ)元件并聯(lián)而成；該第一及該第二MTJ元件的所述固定層具有處于第一固定方向上的固定磁矩；該第一及該第二MTJ元件的所述自由層具有分別平行和反平行于第一易軸的第一自由磁矩和第二自由磁矩。

本發(fā)明提出另一種用于磁場感測的穿隧磁阻(TMR)裝置，包括：第一TMR感測器，由具有固定層及自由層的第一及第二MTJ元件并聯(lián)而成；第二TMR感測器，由具有固定層及自由層的第三及第四MTJ元件并聯(lián)而成；第三TMR感測器，由具有固定層及自由層的第五及第六MTJ元件并聯(lián)而成；以及第四TMR感測器，由具有固定層及自由層的第七及第八MTJ元件并聯(lián)而成。

其中，該第一及該第二MTJ元件的所述固定層具有處于第一固定方向上 的固定磁矩；該第一及該第二MTJ元件的所述自由層具有分別平行和反平行于第一易軸的第一自由磁矩和第二自由磁矩；其中，該第一與該第四TMR感測器的第一端連接至一第一電壓節(jié)點；該第三與該第二TMR感測器的第一端連接至一第二電壓節(jié)點；該第一與該第三TMR感測器的第二端連接一起，該第二與該第四TMR感測器的第二端連接一起；該第三及該第四MTJ元件的所述固定層具有處于該第一固定方向上的固定磁矩；該第三及該第四MTJ元件的所述自由層具有分別平行和反平行于該第一易軸的第三自由磁矩和第四自由磁矩。

其中，該第一自由磁矩與該第一固定磁矩間有第一角度α，該第三自由磁矩與該第三固定磁矩間有該第一角度α；該第二自由磁矩與該第二固定磁矩間有第二角度π-α，該第四自由磁矩與該第四固定磁矩間有該第二角度π-α；α不等于零。

本發(fā)明提出的穿隧磁阻(TMR)裝置，所使用的各個TMR感測器，是由具有固定層及自由層的第一及第二磁性穿隧接面(MTJ)元件并聯(lián)而成，且該第一和該第二MTJ元件內(nèi)的自由磁矩和固定磁矩的夾角是互補的(α、π-α)，因此用于磁場感測時，在可容許的感測范圍內(nèi)，該TMR感測器的電導值與所感測外部磁場是呈線性變化的。

附圖說明

圖1A至圖1B顯示為用于磁場感測器95的典型穿隧式磁電阻器的示意圖；

圖2A至圖2B為全范圍與半范圍惠斯頓電橋電路(Wheatstone bridge circuit)的示意圖；

圖3A～圖3B為根據(jù)本發(fā)明的一實施例的TMR感測器200的上視圖及剖面圖；

圖4A～圖4B所示為TMR感測器200的該電導(G：(任意單位))對應于外加磁場的變化；

圖5A顯示依據(jù)本發(fā)明的具有橋式結構的TMR裝置50；

圖5B顯示圖5A的TMR裝置50的輸出電壓值(Vout)在不同的角度α下，與外加磁場H的關系圖；

圖6A顯依據(jù)本發(fā)明的示具有橋式結構的TMR裝置60；

圖6B顯示圖6A的TMR裝置60的輸出電壓值(Vout)在不同的角度α下，與外加磁場H的關系圖；

圖7A顯示依據(jù)本發(fā)明的具有橋式結構的TMR裝置70；

圖7B顯示圖7A的TMR裝置70的輸出電壓值(Vout)在不同的角度α下，與外加磁場H的關系圖；

圖8A顯示依據(jù)本發(fā)明的具有橋式結構的TMR裝置80；

圖8B顯示圖8A的TMR裝置80的輸出電壓值(Vout)在不同的角度α下，與外加磁場H的關系圖。

具體實施方式

以下將詳細討論本發(fā)明各種實施例的制造及使用方法。然而值得注意的是，本發(fā)明所提供的許多可行的發(fā)明概念可實施在各種特定范圍中。這些特定實施例僅用于舉例說明本發(fā)明的制造及使用方法，但非用于限定本發(fā)明的范圍。

以下所述，本發(fā)明用于磁場感測的穿隧磁阻(TMR)裝置。根據(jù)本發(fā)明的一實施例，圖3A及圖3B所示為TMR裝置內(nèi)的一TMR感測器的一上視圖及沿著易軸上A-A’及B-B’方向線段的一剖面圖。

在圖3A及圖3B中，該TMR感測器200有一第一MTJ(磁性穿隧接面)元件201及一第二MTJ元件202。一下電極203設置在一基板205上且該第一MTJ元件201及該第二MTJ元202也設置在該基板上。一上電極204設置在該第一及第二MTJ元件201及202上，因此該第一MTJ元件201與該第二MTJ元件202并聯(lián)。

該第一MTJ元件201包括由磁性物質形成的一第一固定層201a設置在該下電極203上且具有一第一固定磁矩201pm。由非磁性物質形成的第一穿隧層201b設置在該第一固定層201a上。由磁性物質形成的一第一自由層201c設置在該第一穿隧層201b上且具有一第一自由磁矩201fm。該上電極204連接到該第一自由層201c。

該第二MTJ元件202包括由磁性物質形成的一第二固定層202a設置在該下電極203上以且具有一第二固定磁矩202pm。由非磁性物質所形成的一第二 穿隧層202b設置在該第二固定層202a上。由磁性物質所形成的一第二自由層202c設置在該第二穿隧層202b上且有一第二自由磁矩202fm。該上電極204與該第二自由層202c相連。

該第一及第二MTJ元件201及202透過相同的制程同時制造出來，且該第一及第二MTJ元件201及202的所述易軸(長軸)為平行。在退火制程期間，在一固定方向上施加磁場，使該第一及第二MTJ元件201及202的該第一及第二固定層201a及202a有著相同的磁矩方向。因此，該第一及第二固定磁矩201pm及202pm均為平行該固定方向。

設定該自由層201c及202c的所述磁矩方向的方式為透過一安培場，其中該安培場是由流經(jīng)過該導線206的電流所產(chǎn)生，其中該導線206設置在該第一及第二MTJ元件201及202的上方或下方。數(shù)字207表示用以設定所述自由磁矩初始方向的該導線206中電流的方向。如圖3A所示，在施加該安培場后，該第一自由磁矩201fm與該第二自由磁矩202fm互為反平行，亦即該第一和該第二自由磁矩201fm和202fm分別平行和反平行于該易軸。此外，該第一自由磁矩201fm和該第一固定磁矩201pm兩者間有一第一角度α，該第二自由磁矩201fm和該第二固定磁矩202pm間有一第二角度π-α。

圖4A與圖4B顯示基于微電磁模擬，在與易軸垂直的方向上施加磁場H時，該TMR感測器200的電導值G(arb.unit：任意單位)變化。當該施加磁場在-20～+20Oe的范圍，如圖4A所示(以α＝75度為例)，該TMR感測器200的該電導值實質上是線性的；再如圖4B所示，當?shù)谝唤嵌圈猎?90～+90度間時，該TMR感測裝置200的各該電導值實質上仍是線性的。

圖5A顯示具有橋式結構的TMR裝置50。該TMR裝置50，包括：第一TMR感測器51，由具有固定層及自由層的第一MTJ元件511及第二MTJ元件512并聯(lián)而成；第二TMR感測器52，由具有固定層及自由層的第三MTJ元件523及第四MTJ元件524并聯(lián)而成；第三TMR感測器53，由具有固定層及自由層的第五MTJ元件535及第六MTJ元件536并聯(lián)而成；以及，第四TMR感測器54，由具有固定層及自由層的第七MTJ元件547及第八MTJ元件548并聯(lián)而成。該第一至該第八MTJ元件的結構如圖3B所示，在此不再贅述；此外，為簡潔起見，用以設定自由磁矩方向的導線在此亦省略不圖示。

參照圖5A，該第一及該第二MTJ元件511和512的所述固定層，分別具 有處于第一固定方向(dir2)上的第一固定磁矩511pm和第二固定磁矩512pm。該第一及該第二MTJ元件511和512的所述自由層，具有分別平行和反平行于方向為dir1的第一易軸(或長軸)的第一自由磁矩511fm和第二自由磁矩512fm。

該第三及該第四MTJ元件523和524的所述固定層，分別具有處于該第一固定方向(dir2)上的第一固定磁矩523pm和第二固定磁矩524pm。該第三及該第四MTJ元件523和524的所述自由層，具有分別平行和反平行于該第一易軸的第一自由磁矩523fm和第二自由磁矩524fm。

該第五至該第八MTJ元件535、536、547及548的所述固定層具有處于該第一固定方向(dir2)上的固定磁矩535fm、536fm、547fm及548fm。該第五及該第七MTJ元件535和547的所述自由層具有與第二易軸平行的第五自由磁矩535fm和第七自由磁矩547fm，該第六及該第八MTJ元件的所述自由層具有與該第二易軸反平行的第六自由磁矩和第八自由磁矩。需注意，該第二易軸平行該第一固定方向dir2，該第一與該第二易軸的方向(dir1、dir2)互不平行。

又，該第一至該第八MTJ元件的各個固定磁矩，是在單次退火處理中，輔以磁場的施加，以設定所述固定磁矩的方向。圖5A中標示的角度α和π-α，是表示單一MTJ元件內(nèi)，固定磁矩和自由磁矩間的夾角。

此外，該第一與該第四TMR感測器(51和54)的第一端連接至一第一電壓節(jié)點(例如電壓節(jié)點VDD)；該第三與該第二TMR感測器(53和52)的第一端連接至一第二電壓節(jié)點(例如參考接地GND)；該第一與該第三TMR感測器(51和53)的第二端連接至測試點VB，該第二與該第四TMR感測器(52和54)的第二端連接至測試點VA。

圖5B顯示圖5A的TMR裝置50的輸出電壓值(Vout)在不同的角度α下，與外加磁場H的關系圖。如圖5B所示，無論角度α在-45～+45時，該施加磁場在-20～+20Oe的范圍內(nèi)，所述TMR裝置50在VA和VB端所量到輸出電壓Vout實質上是線性的。

圖6A顯示具有橋式結構的TMR裝置60。在以下的說明，為簡明起見，與圖5A相同的元件會以相同的符號或數(shù)字表示。

該TMR裝置60包括第一至第四TMR感測器(51、52、63、64)，所述TMR感測器的連接關系與圖5A所述者相同。該TMR置60與圖5A所示TMR裝 置50的差異僅在于第三和第四TMR感測器(63、64)。

該第三TMR感測器63，由具有固定層及自由層的第五MTJ元件635及第六MTJ元件636并聯(lián)而成；以及，該第四TMR感測器64，由具有固定層及自由層的第七MTJ元件647及第八MTJ元件648并聯(lián)而成。

參照圖6A，該第五至該第八MTJ元件635、636、647及648的所述固定層具有處于該第一固定方向(dir2)上的固定磁矩635pm、636pm、647pm及648pm。該第五及該第七MTJ元件635和547的所述自由層具有與第三易軸(方向為dir3)平行的第五自由磁矩635fm和第七自由磁矩637fm，該第六及該第八MTJ元件(636、648)的所述自由層具有與該第三易軸反平行的第六自由磁矩636fm和第八自由磁矩638fm。在一實施例，該第三易軸(方向為dir3)是與該第一易軸(方向為dir1)垂直。

又，該第一至該第八MTJ元件的各個固定磁矩，是在單次退火處理中，輔以磁場的施加，以設定所述固定磁矩的方向。圖6A中標示的角度α和π-α，是表示單一MTJ元件內(nèi)，固定磁矩和自由磁矩間的夾角。

圖6B顯示圖6A的TMR裝置60的輸出電壓值(Vout)在不同的角度α下，與外加磁場H的關系圖。如圖5B所示，無論角度α在-45～+45時，該施加磁場在-20～+20Oe的范圍內(nèi)，所述TMR裝置60在VA和VB端所量到輸出電壓Vout實質上是線性的。

圖7A顯示具有橋式結構的TMR感測裝置70。該TMR裝置70，包括：第一TMR感測器71，由具有固定層及自由層的第一MTJ元件711及第二MTJ元件712并聯(lián)而成；第二TMR感測器72，由具有固定層及自由層的第三MTJ元件723及第四MTJ元件724并聯(lián)而成；第三TMR感測器73，由具有固定層及自由層的第五MTJ元件735及第六MTJ元件736并聯(lián)而成；以及，第四TMR感測器74，由具有固定層及自由層的第七MTJ元件747及第八MTJ元件748并聯(lián)而成。該第一至該第八MTJ元件的結構如圖3B所示，在此不再贅述；此外，為簡潔起見，用以設定自由磁矩方向的導線在此亦省略不圖示。

參照圖7A，該第一及該第二MTJ元件711和712的所述固定層，分別具有處于第一固定方向(dir1)上的第一固定磁矩711pm和第二固定磁矩712pm。該第一及該第二MTJ元件711和712的所述自由層，具有分別平行和反平行于方向為dir2的第一易軸(或長軸)的第一自由磁矩711fm和第二自由磁矩 712fm。

該第三及該第四MTJ元件723和724的所述固定層，分別具有處于該第一固定方向上的第一固定磁矩723pm和第二固定磁矩724pm。該第三及該第四MTJ元件723和724的所述自由層，具有分別平行和反平行于該第一易軸(方向dir2)的第一自由磁矩723fm和第二自由磁矩724fm。

該第五至該第八MTJ元件735、736、747及748的所述固定層具有處于一第二固定方向(方向同dir2)上的固定磁矩735pm、736pm、747pm及548pm。該第五及該第七MTJ元件735和747的所述自由層具有與該第一易軸平行的第五自由磁矩735fm和第七自由磁矩747fm，該第六及該第八MTJ元件(736、748)的所述自由層具有與該第一易軸反平行的第六自由磁矩736fm和第八自由磁矩748fm。該第一易軸平行該第二固定方向。

此外，該第一與該第四TMR感測器(71和74)的第一端連接至一第一電壓節(jié)點(例如電壓節(jié)點VDD)；該第三與該第二TMR感測器(73和72)的第一端連接至一第二電壓節(jié)點(例如參考接地GND)；該第一與該第三TMR感測器(71和73)的第二端連接至測試點VB，該第二與該第四TMR感測器(72和74)的第二端連接至測試點VA。

又，該第一至該第八MTJ元件的各個固定磁矩，例如是在多軸向退火處理中，輔以多個磁場的施加，以分別設定所述固定磁矩的方向。圖7A中標示的角度α和π-α，是表示單一MTJ元件內(nèi)，固定磁矩和自由磁矩間的夾角。

此外，該第一與該第四TMR感測器(71和74)的第一端連接至一第一電壓節(jié)點(例如電壓節(jié)點VDD)；該第三與該第二TMR感測器(73和72)的第一端連接至一第二電壓節(jié)點(例如參考接地GND)；該第一與該第三TMR感測器(71和73)的第二端連接至測試點VB，該第二與該第四TMR感測器(72和74)的第二端連接至測試點VA。

圖7B顯示圖7A的TMR裝置70的輸出電壓值(Vout)在不同的角度α下，與外加磁場H的關系圖。如圖7B所示，無論角度α在-45～+45時，該施加磁場在-20～+20Oe的范圍內(nèi)，所述TMR裝置50在VA和VB端所量到輸出電壓Vout實質上是線性的。

圖8A顯示具有橋式結構的TMR感測裝置80。在以下的說明，為簡明起見，與第7圖相同的元件會以相同的符號或數(shù)字表示。

該TMR裝置80包括第一至第四TMR感測器(71、72、83、84)，所述TMR感測器的連接關系與圖7A相同。該TMR感測裝置80與圖7A所示TMR感測裝置70的差異僅在于第三和第四TMR感測器(83、84)。

該第三TMR感測器83，由具有固定層及自由層的第五MTJ元件835及第六MTJ元件836并聯(lián)而成；以及，該第四TMR感測器84，由具有固定層及自由層的第七MTJ元件847及第八MTJ元件848并聯(lián)而成。

參照圖8A，該第五至該第八MTJ元件835、836、847及848的所述固定層具有處于第三固定方向(dir3)上的固定磁矩835pm、836pm、847pm及848pm。該第五及該第七MTJ元件835和847的所述自由層具有與該第一易軸(方向為dir2)平行的第五自由磁矩835fm和第七自由磁矩847fm，該第六及該第八MTJ元件(836、848)的所述自由層具有與該第一易軸反平行的第六自由磁矩836fm和第八自由磁矩848fm。在一實施例，該第一固定方向(dir1)是與該第三固定方向(dir3)垂直。

又，該第一至該第八MTJ元件的各個固定磁矩，例如是在多軸向退火處理中，輔以多個磁場的施加，以分別設定所述固定磁矩的方向。圖8A中標示的角度α和π-α，是表示單一MTJ元件內(nèi)，固定磁矩和自由磁矩間的夾角。

圖8B顯示圖8A的TMR裝置80的輸出電壓值(Vout)在不同的角度α下，與外加磁場H的關系圖。如圖8B所示，無論角度α在-45～+45時，該施加磁場在-20～+20Oe的范圍內(nèi)，所述TMR裝置80在VA和VB端所量到輸出電壓Vout實質上是線性的。

在圖5A及圖7A所示的實施例中，該第三和該第四TMR感測器53～54、73～74，是分別作為磁場感測的參考單元，亦可以使用屏蔽層分別屏蔽兩者。

本發(fā)明提出的穿隧磁阻(TMR)裝置，所使用的各個TMR感測器，是由具有固定層及自由層的第一及第二磁性穿隧接面(MTJ)元件并聯(lián)而成，且該第一和該第二MTJ元件內(nèi)的自由磁矩和固定磁矩的夾角是互補的(α、π-α)，因此用于磁場感測時，在可容許的感測范圍內(nèi)，該TMR感測器的電導值與所感測外部磁場是呈線性變化的。

此外，本發(fā)明提出的穿隧磁阻(TMR)裝置，可以利用單一退火方式或多軸向退火方式處理，來達成橋式的磁場測式結構。

雖以較佳實施例示范如上，然其并非用以限定本發(fā)明的范圍，任何所屬技 術領域中具有通常知識者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當可做些許的更動與潤飾，因此本發(fā)明的保護范圍當視所附的權利要求書所界定的范圍為準。