CN102435960A - 穿隧磁阻结构以及集成式3轴向磁场传感器与其制造方法 - Google Patents

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Abstract

穿隧磁阻结构以及集成式3轴向磁场传感器与其制造方法。在基板上的穿隧磁阻(TMR)结构，包括具有相同图案和相同磁性薄膜堆栈的两个磁性穿隧接面(MTJ)器件，位于同一导电性底部电极上以及并联连接的导电性顶部电极。每个磁性穿隧接面器件包括：固定层，其位于所述底部电极上、具有固定磁距；非磁性穿隧层，其位于所述固定层上；以及自由层，其位于所述穿隧层上、且具有自由磁距。这两个磁性穿隧接面器件具有共线的易轴，且其固定磁距都平行于同一固定方向，所述同一固定方向与易轴具有45度角；在初始时以电流产生的磁场使其自由磁距平行于所述易轴但方向相互反平行。磁场感测方向垂直于基板上的所述易轴。

Description

穿隧磁阻结构以及集成式3轴向磁场传感器与其制造方法
技术领域
本发明涉及磁场感测装置，尤其涉及可用作电子罗盘(electronic compass)的单芯片集成式3轴磁场传感器(3-axis magnetic field sensor)。
背景技术
电子罗盘已设置于各种电子产品中以用于改进性能。举例来说，电子罗盘可用于全球定位系统(GPS)中以改进感测能力。GPS中的前进方向是通过物体的移动来确定。然而，当速度慢或甚至处于静止位置时，GPS便无法精确地确定方位。电子罗盘则可提供方位角信息以帮助确定方向。
各种方式感测磁场的机制已被提出，例如典型的霍尔器件(Hall device)或磁阻器件(magneto-resistive device)。磁阻器件包括异向性磁电阻器(anisotropic magneto-resistor，AMR)、巨磁电阻器(giant magneto-resistor，GMR)和穿隧式磁电阻器(tunneling magneto-resistor，TMR)的磁阻器件，具有比霍尔器件灵敏度大的优点，且其后端工艺也容易与CMOS的前端工艺相整合。
异向性磁电阻器磁场传感器已经商品化，但仅限于最多2轴(2-axis)的集成芯片类型。异向性磁电阻器可以使用45度的短路条，即是所谓螺丝纹条状杆偏压结构(Barber pole bias)，从而以双向(bipolar)模式工作。巨磁电阻器具有比异向性磁电阻器大的磁阻比(magneto-resistance ratio，MR)，然而巨磁电阻器却难以在双向模式下操作，一般仅使用单向(unipolar)模式来感测磁场的数值。近年来，高磁阻比穿隧式磁电阻器的实现引起更大的注意力，而仅有少数单轴磁场传感器产品有成品出售。非预期地，穿隧式磁电阻器结构和磁性薄膜的特性反而限制其多轴磁场传感器的可行性。
图1A至图1B为用于磁场传感器95的典型穿隧式磁电阻器附图，其包括：由导电金属形成的底板作为形成于基板90上的底部电极102；磁性穿隧接面(Magnetic Tunneling Junction，MTJ)器件110，形成于底部电极102上；及由导电材料形成的顶板作为形成于磁性穿隧接面器件110上的顶部电极106。从磁性穿隧接面器件的结构图案，可以定义一相交点于中心处的十字形线，其中较长的线称为长轴101，且较短的线称为短轴103，另外，称作易轴(easy-axis)180的线与长轴101共线。磁性穿隧接面器件110包括固定层112、穿隧层115和自由层116，其中磁性穿隧接面器件110设置于底部电极102与顶部电极106之间。磁性材料的固定层112形成于底部电极102上，且具有与一固定方向平行的第一固定磁距114。非磁性材料穿隧层115形成于固定层112上。磁性材料的自由层116形成于穿隧层115上，且具有在开始时与易轴180平行的第一自由磁距118。
在形成磁性穿隧接面器件之后，例如是磁性薄膜堆栈和图案蚀刻后，通过在退火工艺期间施加一固定方向为与易轴180垂直的磁场。在退火工艺之后，第一固定磁矩114将会平行所述磁场的方向，而磁性穿隧接面器件110的形状异向性会使第一自由磁距118倾向与易轴平行。因此，穿隧式磁电阻器的磁场感测方向垂直于基板的易轴180。另外，水平极化材料的磁性膜层通常具有极强的去磁磁场(demagnetization field)，限制自由层和固定层的磁距仅能在躺在磁性薄膜的平面上转动，但难以站立于磁性薄膜的平面。因此，穿隧式磁电阻器的典型结构仅可适用于在平面(in-plane)磁场传感器。
通过异向性磁电阻器或甚至巨磁电阻器，可以实现集成式的水平双轴磁场传感器，但其占据面积大小相当大。由于其极低的电阻率，器件长度必须足够长以达到可用于感测磁场的值。图2A至图2B为全范围与半范围惠斯顿电桥电路(Wheatstone bridge circuit)的示意附图。如图2A所示，惠斯顿电桥电路是一般常采用来将感测信号转换为电子信号的方法。对于异向性磁电阻器磁性传感器，电桥的每个器件R11、R21、R12、R22都是串联连接的一些具有螺丝纹条状杆偏压结构的异向性磁电阻器，且任何相邻器件上的短路条状杆的角度(shorting bar angle)都互补，使得电桥对称且能全范围操作。然而，对于巨磁电阻器或穿隧式磁电阻器磁场传感器，由于其对称的磁阻与磁场特性，因此两个器件R21、R12必须被遮蔽(如图2B所示)仅使用半范围操作。由于穿隧式磁电阻器的磁阻比较高，不对称的半范围操作会导致电桥输出失去线性度(linearity)和准确度。
如上所述的磁性薄膜特性的限制，如果是要使用磁电阻器来感测方向与基板垂直的磁场，一般是将磁电阻器置于制作于基板上的斜面上，通过感测于斜面上的磁场分量的方式来达成。异向性磁电阻器的挑战是在于其需要大的斜面面积，且45度的螺丝纹条状杆对于微影(lithogrphy)和蚀刻工艺是个难题。而典型穿隧式磁电阻器的固定磁矩方向受到退火工艺的磁场方向限制，无法制作集成式多轴的磁场传感器。
电子罗盘应用通常需要感测X-Y-Z方向上的地磁场(geo-magnetic field)分量。到目前为止，传统电子罗盘芯片通常包装三个单独的磁场传感器来分别感测地磁场的每一个方向的分量。如何设计3轴向的集成式低成本磁场传感器，在此项技术中一直是很热门的题目。
发明内容
本发明同时提出一种用以感测磁场的穿隧式磁电阻器(TunnelingMagneto-Resistor，TMR)结构和一种在基板上形成3轴向的集成式磁场传感器的制造方法。
在本发明的实施例中，一种穿隧式磁电阻器磁场感测结构包括底部电极、第一磁性穿隧接面器件、第二磁性穿隧接面器件和顶部电极。第一磁性穿隧接面器件包括：磁性材料的第一固定层，其位于底部电极上、具有处于一固定方向上的第一固定磁距；非磁性材料的第一穿隧层，其设置于第一固定层上；及磁性材料的第一自由层，其设置于第一穿隧层上、具有平行于易轴的第一自由磁距，且所述固定方向与易轴之间形成夹角。第二磁性穿隧接面器件与第一磁性穿隧接面器件具有相同的磁性薄膜结构与图案，包括：磁性材料的第二固定层，其位于底部电极上、具有在前述固定方向上的第二固定磁距；非磁性材料的第二穿隧层，其设置于第二固定层上；及磁性材料的第二自由层，其设置于第二穿隧层上、具有平行于易轴的第二自由磁距。所述顶部电极连接第一自由层与第二自由层。第一自由磁距和第二自由磁距在初始状态下平行于易轴，但相互反平行(mutual anti-parallel)。所述固定方向与易轴之间的夹角实质上为45度或135度。
在本发明的实施例中，一种在平面(in-plane)磁场传感器包括基板、穿隧式磁电阻器磁性感测结构和金属线路径。所述穿隧式磁电阻器磁性感测结构包括位于基板上的底部电极、第一磁性穿隧接面器件、第二磁性穿隧接面器件、顶部电极。第一磁性穿隧接面器件包括：磁性材料的第一固定层，其位于底部电极上、具有在一固定方向上的第一固定磁距；非磁性材料的第一穿隧层，其设置于第一固定层上；及磁性材料的第一自由层，其设置于第一穿隧层上、具有平行于易轴的第一自由磁距，且所述固定方向与易轴之间形成夹角。第二磁性穿隧接面器件与第一磁性穿隧接面器件具有相同的磁性薄膜结构与图案，包括：磁性材料的第二固定层，其位于底部电极上、具有在所述固定方向上的第二固定磁距；非磁性材料的第二穿隧层，其设置于第二固定层上；及磁性材料的第二自由层，其设置于第二穿隧层上、具有平行于易轴的第二自由磁距。所述顶部电极连接第一自由层与第二自由层。所述金属线路径跨过第一磁性穿隧接面器件和第二磁性穿隧接面器件。在初始状态下，以电流通过所述金属线路径而产生磁场，第一与第二磁性穿隧接面器件分别受到平行于易轴但方向相反的磁场，使得第一自由磁距和第二自由磁距被设定为平行于易轴但是相互反平行。所述固定方向与易轴之间的夹角实质上为45度或135度。磁场感测方向垂直于基板上的所述易轴。
在本发明的实施例中，一种2轴的在平面磁场传感器包括基板、第一在平面磁场传感器和第二在平面磁场传感器。所述第一在平面磁场传感器具有第一固定方向和第一易轴。所述第二在平面磁场传感器具有第二固定方向和第二易轴。所述第一易轴正交于第二易轴，且所述第一固定方向和第二固定方向都平行于平分方向(bisection direction)，所述平分方向分别与第一易轴和第二易轴具有45度角。所述第一磁场传感器包括第一穿隧式磁电阻器磁性感测结构和第一金属线路径。所述第一穿隧式磁电阻器磁性感测结构包括：位于基板上的第一底部电极；第一磁性穿隧接面器件，包括：磁性材料的第一固定层，所述第一固定层位于第一底部电极上、具有在第一固定方向上的第一固定磁距；非磁性材料的第一穿隧层，其设置于所述第一固定层上；和磁性材料的第一自由层，其设置于所述第一穿隧层上、具有平行于第一易轴的第一自由磁距，且第一固定方向与第一易轴之间形成第一夹角；第二磁性穿隧接面器件，包括：磁性材料的第二固定层，其位于第一底部电极上、具有处于所述第一固定方向的第二固定磁距；非磁性材料的第二穿隧层，其设置于所述第二固定层上；和磁性材料的第二自由层，其设置于所述第二穿隧层上、具有平行于所述第一易轴的第二自由磁距；以及第一顶部电极，其连接所述第一自由层与所述第二自由层；且第一金属线路径跨过所述第一磁性穿隧接面器件和所述第二磁性穿隧接面器件。在初始状态下，以电流通过所述第一金属线路径而产生磁场，第一与第二磁性穿隧接面器件分别受到平行于第一易轴但方向相反的磁场，使得第一自由磁距和第二自由磁距被设定为平行于第一易轴但是相互反平行。所述第一固定方向与第一易轴之间的第一夹角实质上为45度或135度。第一在平面磁场传感器的磁场感测方向垂直于基板上的第一易轴。所述第二在平面磁场传感器包括第二穿隧式磁电阻器磁性感测结构和第二金属线路径。所述第二穿隧式磁电阻器磁性感测结构包括：位于基板上的第二底部电极；第三磁性穿隧接面器件，包括：磁性材料的第三固定层，所述第三固定层位于第三底部电极上、具有在第二固定方向上的第三固定磁距；非磁性材料的第三穿隧层，其设置于所述第三固定层上；和磁性材料的第三自由层，其设置于所述第三穿隧层上、具有平行于第二易轴的第三自由磁距，且第二固定方向与第二易轴之间形成第二夹角；第四磁性穿隧接面器件，包括：磁性材料的第四固定层，其位于第二底部电极上、具有处于所述第二固定方向的第四固定磁距；非磁性材料的第四穿隧层，其设置于所述第四固定层上；和磁性材料的第四自由层，其设置于所述第四穿隧层上、具有平行于所述第二易轴的第四自由磁距。第二顶部电极连接所述第三自由层与所述第四自由层；且第二金属线路径跨过所述第三磁性穿隧接面器件和所述第四磁性穿隧接面器件。在初始状态下，以电流通过所述第二金属线路径而产生磁场，第三与第四磁性穿隧接面器件分别受到平行于第二易轴但方向相反的磁场，使得第三自由磁距和第四自由磁距被设定为平行于第二易轴但是相互反平行。所述第二固定方向与第二易轴之间的第二夹角实质上为45度或135度，其中第二在平面磁场传感器的磁场感测方向垂直于基板上的第二易轴。
在本发明的实施例中，一种制作于基板上具有感测磁场方向垂直于基板的出平面磁场传感器(out-of-plane magnetic field sensor)，包括凹槽或凸起结构、第一穿隧式磁电阻器磁场感测结构、第二穿隧式磁电阻器磁场感测结构、和金属线路径。基板上的所述凹槽或凸起结构具有第一斜面和第二斜面。第一斜面与第二斜面相对于基板具有相同的斜角(bevel)且对于所述凹槽或凸起结构的中轴具有对称翻转的关系。第一穿隧式磁电阻器磁场感测结构形成于第一斜面上且具有第一固定方向和第一易轴，所述第一穿隧式磁电阻器磁场感测结构包括：位于第一斜面上的第一底部电极；第一磁性穿隧接面器件，包括：磁性材料的第一固定层，所述第一固定层位于第一底部电极上、具有在第一固定方向上的第一固定磁距；非磁性材料的第一穿隧层，其设置于所述第一固定层上；和磁性材料的第一自由层，其设置于所述第一穿隧层上、具有平行于第一易轴的第一自由磁距，且第一固定方向与第一易轴之间形成第一夹角；第二磁性穿隧接面器件，包括：磁性材料的第二固定层，其位于第一底部电极上、具有处于所述第一固定方向的第二固定磁距；非磁性材料的第二穿隧层，其设置于所述第二固定层上；和磁性材料的第二自由层，其设置于所述第二穿隧层上、具有平行于所述第一易轴的第二自由磁距；以及第一顶部电极，其连接所述第一自由层与所述第二自由层。第二穿隧式磁电阻器磁场感测结构形成于第二斜面上，具有第二固定方向和第二易轴，所述第二穿隧式磁电阻器磁场感测结构包括：位于第二斜面上的第二底部电极；第三磁性穿隧接面器件，包括：磁性材料的第三固定层，所述第三固定层位于第二底部电极上、具有在第二固定方向上的第三固定磁距；非磁性材料的第三穿隧层，其设置于所述第三固定层上；和磁性材料的第三自由层，其设置于所述第三穿隧层上、具有平行于第二易轴的第三自由磁距，且第二固定方向与第二易轴之间形成第二夹角；第四磁性穿隧接面器件，其包括：磁性材料的第四固定层，其位于第二底部电极上、具有处于所述第二固定方向的第四固定磁距；非磁性材料的第四穿隧层，其设置于所述第四固定层上；和磁性材料的第四自由层，其设置于所述第四穿隧层上、具有平行于所述第二易轴的第四自由磁距；以及第二顶部电极，其连接所述第三磁性自由层与所述第四磁性自由层。所述金属线路径跨过所述第一磁性穿隧接面器件、所述第二磁性穿隧接面器件、所述第三磁性穿隧接面器件和所述第四磁性穿隧接面器件，且流过所述金属线路径的电流可产生平行于第一易轴但方向相反的磁场以将第一自由磁距和第二自由磁距的初始状态设定为平行于所述第一易轴但相互反平行，且产生平行于所述第二易轴但方向相反的磁场以将第三自由磁距和第四自由磁距的初始状态设定为平行于第二易轴但相互反平行。第一易轴和第二易轴平行于所述凹槽或凸起结构的中轴。第一穿隧式磁电阻器磁场感测结构的第一底部电极与第二穿隧式磁电阻器磁场感测结构的第二底部电极相连接。第一穿隧式磁电阻器磁场感测结构的第一顶部电极与第二穿隧式磁电阻器磁场感测结构的第二顶部电极相连接。
在本发明的实施例中，一种3轴集成式磁场传感器包括基板、前述2轴的在平面磁场传感器和前述出平面磁场传感器。所述2轴的在平面磁场传感器包括两个在平面磁场传感器，其中所述出平面磁场传感器的中轴平行于所述两个在平面磁场传感器的平分方向。
在本发明的实施例中，提供一种同时设定3轴磁场传感器的各轴向的穿隧式磁电阻器磁场感测结构的固定方向的方法。通过在退火工艺期间施加一倾斜磁场(slantwise field)，所述磁场与垂直于基板的Z轴具有仰角(zenithangle)，其在基板上的投影也与X轴及Y轴具有45度的方位角，所述仰角的正切等于前述出平面磁场传感器所述斜面的斜角的正弦。
根据本发明，提供一种同时设定3轴磁场传感器的各轴向的穿隧式磁电阻器磁场感测结构的固定方向的方法。通过在退火工艺期间施加双向磁场方式，即同时施加水平方向和垂直方向的磁场。垂直磁场平行于基板的Z轴，水平磁场与X轴和Y轴具有45度的方位角且与垂直磁场的量值比等于前述出面磁场传感器所述斜面的斜角的正弦。
在本发明的实施例中，提供一种用以将所感测磁场转换为电子信号的感测电路。所述电路由偏压电压单元、钳位电压电流镜单元和信号转变放大单元构成。使用相同的磁场传感器作为零磁场参考器，但其自由磁距在磁场感测期间，被电流产生的磁场而锁定于初始状态。所述偏压电压单元产生钳位电压施加给钳位电压电流镜，并将所述偏压电压施加至磁场传感器和零磁场参考器。钳位电压电流镜单元将零磁场参考器的参考电流映像给磁场传感器。磁场传感器的电导因感测磁场而改变，所以流过磁场传感器的电流是零磁场参考电流与电导变化的感测电流的总和。电导变化的感测电流通过信号转变放大单元的电阻器而被转换为感测电压。
应理解，前述概括描述及以下详细描述皆为示例性的，且旨在提供对所主张的本发明的进一步解释。
附图说明
图1A至图1B是典型穿隧式磁电阻器磁场传感器沿着易轴的剖视图与俯视图。
图2A至图2B是全范围与半范围的惠斯顿电桥电路附图。
图3A至图3B是根据本发明实施例的互补穿隧式磁电阻器(mutualsupplement tunneling magneto-resistor，MS-TMR)沿着易轴的剖视图与俯视图。
图4A至图4B是根据本发明实施例的正规化电导对施加磁场的计算。
图5A至图5B是根据本发明实施例的微磁学模拟，用以证明电导对施加磁场的线性关系。
图6是根据本发明实施例的2轴的在平面磁场传感器附图。
图7A至图7C是在本发明中所引伸的Z轴磁场传感器的俯视图和剖视图。
图8A至图8B是在本发明中用以说明实施例的斜面相对于基板的几何坐标关系的附图。
图9是根据本发明实施例的Z轴的出平面磁场传感器的俯视图。
图10是根据本发明实施例的3轴磁场传感器的俯视图。
图11是根据本发明实施例，说明在退火工艺期间施加单一倾斜磁场或双重磁场来设定每个互补穿隧式磁电阻器的固定方向的方法。
图12是根据本发明实施例，一种用于将所感测磁场转换为电子信号的电路附图。
[主要器件符号说明]
90：基板
100：互补穿隧式磁电阻器
101：长轴
102：底部电极
103：短轴
106：顶部电极
108：金属线路径
110：磁性穿隧接面器件
110a：第一磁性穿隧接面器件
110b：第二磁性穿隧接面器件
112：固定层
112a：第一固定层
112b：第二固定层
114：第一固定磁距
114a：第一固定磁距
114b：第二固定磁距
115：穿隧层
115a：第一穿隧层
115b：第二穿隧层
116：自由层
116a：第一自由层
116b：第二自由层
118：第一自由磁距
118a：第一自由磁距
118b：第二自由磁距
140：第一固定方向
180：第一易轴
200：第二互补穿隧式磁电阻器
208：第二金属线路径
210a：第三磁性穿隧接面器件
210b：第四磁性穿隧接面器件
214a：第三固定磁距
214b：第四固定磁距
218a：第三自由磁距
218b：第四自由磁距
240：第二固定方向
280：第二易轴
300：Z轴向磁场传感器
300a：第一互补穿隧式磁电阻器
300b：第二互补穿隧式磁电阻器
305：中轴
308：金属线路径
310：第一穿隧式磁电阻器
310a：第五磁性穿隧接面器件
310b：第六磁性穿隧接面器件
314：第一固定磁距/第一固定方向
314a：第一固定磁距/第五固定磁距
314b：第二固定磁距/第六固定磁距
318：第一自由磁距
318a：第一自由磁距/第五自由磁距
318b：第二自由磁距/第六自由磁距
320：第二穿隧式磁电阻器
320a：第三磁性穿隧接面器件/第七磁性穿隧接面器件
320b：第四磁性穿隧接面器件/第八磁性穿隧接面器件
324：第二固定方向
324a：第三固定磁距/第七固定磁距
324b：第四固定磁距/第八固定磁距
328：第二自由磁距
328a：第三自由磁距/第七自由磁距
328b：第四自由磁距/第八自由磁距
340a：第一固定方向/第三固定方向
340b：第二固定方向/第四固定方向
350：平分方向
360a：第一斜面
360b：第二斜面
370：凹槽结构
380a：第一易轴/第三易轴
380b：第二易轴/第四易轴
390：凸起结构
400：倾斜磁场
420：垂直磁场
440：平方磁场
500：感测电路
502：偏压电压单元
504：钳位电压电流镜单元
506：信号转换放大单元
510：零磁场参考器
520：磁场传感器
A：节点
B：节点
C：节点
D：节点
E：节点
OP1：第一运算放大器
OP2：第二运算放大器
OP3：第三运算放大器
Q1：第一PMOS
Q2：第二PMOS/第二运算放大器
R：电阻器
R11：传感器件
R12：传感器件
R21：传感器件
R22：传感器件
RM：电阻器
具体实施方式
为进一步理解本发明，在本说明中包含附图，这些附图包含于本说明书中并构成本说明书的一部分。这些附图绘示本发明的实施例并与本说明一起用于解释本发明的原理。
在本发明中，同时提出一种用以感测磁场的穿隧式磁电阻器结构以及一种在基板上形成积体式3轴穿隧式磁电阻器磁场传感器的配置和方法。提供若干实施例进行说明，然而，本发明并不仅限于所述实施例。
为方便描述与清楚，本发明说明书内容的器件名称全名均以英文简写名称替代，合先叙明。
图3A至图3B是根据本发明实施例的互补穿隧式磁电阻器(mutualsupplement tunneling magneto-resistor，MS-TMR)沿着的易轴处的线的剖视图与俯视图。在图3A至图3B中，互补穿隧式磁电阻器100包括在基板90上由导电材料(例如Ta、Ti、TiN、TaN、Al、Cu、Ru、...等等)形成的底部电极102和由导电材料(例如Ta、Ti、TiN、TaN、Al、Cu、Ru、...等等)形成的顶部电极106、以及设置于底部电极102与顶部电极106之间的第一磁性穿隧接面(Magnetic Tunneling Junction，MTJ)器件110a及第二磁性穿隧接面器件110b。第一磁性穿隧接面器件110a及第二磁性穿隧接面器件110b具有共线的易轴180。第一磁性穿隧接面器件110a包括形成于底部电极102上的固定层(pinned layer)112a，其由磁性材料例如NiFe、CoFe、CoFeB、...等等所形成，且具有平行于固定方向140的第一固定磁距114a，所述固定方向140与易轴180夹有45度角。由非磁性材料例如AlO、MgO、...等等所形成的第一穿隧层115a形成于第一固定层112a上。由磁性材料例如NiFe、CoFe、CoFeB、...等等所形成的第一自由层116a形成于第一穿隧层115a上，且具有在初始时与易轴180平行的第一自由磁距118a。顶部电极106连接第一自由层116a。
第二磁性穿隧接面器件110b具有与第一磁性穿隧接面器件110a相同的图案和磁性薄膜堆栈(film stack)。第二磁性穿隧接面器件110b包括形成于底部电极102上而由磁性材料所形成的第二固定层112b，且具有也平行于相同固定方向140的第二固定磁距114b。由非磁性材料形成的第二穿隧层115b形成于第二固定层112b上。由磁性材料形成的第二自由层116b形成于第二穿隧层115b上，且具有第二自由磁距118b，其在初始时平行于易轴180但与第一自由磁距118a反平行。顶部电极106连接第二自由层116b。
金属线路径108跨过第一磁性穿隧接面器件110a和第二磁性穿隧接面器件110b，且可施加设定电流ISET使其产生磁场。施加于第一磁性穿隧接面器件110a和第二磁性穿隧接面器件110b的磁场都平行于易轴180但在方向上相反，使第一自由磁距118a与第二自由磁距118b设定为反平行。
根据以上公开内容，可自方程式(1)获得互补穿隧式磁电阻器100的电导。图4A至图4B为正规化电导对施加磁场的计算与结果，其中也展示典型穿隧式磁电阻器的电导以供参考。
( 1 ) , G = G π / 4 + G 3 π / 4 = G P [ 1 + 1 - MR 2 × sin θ 1 + MR ] , 其中
( 2 ) , G π / 4 = G P 2 [ 1 + 1 + MR cos ( π 4 + θ ) 1 + MR ] = G P 2 [ 1 + 1 + MR 2 ( cos θ - sin θ ) 1 + MR ] , 且
( 3 ) , G 3 π / 4 = G P 2 [ 1 + 1 + MR cos ( 3 π 4 + θ ) 1 + MR ] = G P 2 [ 1 + 1 + MR 2 ( - cos θ - sin θ ) 1 + MR ] .
方程式(2)和方程式(3)分别是第一磁性穿隧接面器件110a和第二磁性穿隧接面器件110b的导电率。第一磁性穿隧接面器件110a与第二磁性穿隧接面器件110b假设具有相同材料参数，其中MR是磁阻比(magneto-resistance ratio)，GP是在自由层磁距平行于固定层磁距时的电导，且θ是在所施加磁场H⊥垂直于易轴时自由磁距与易轴之间的夹角。假定所施加的磁场小于磁性穿隧接面器件的矫顽场(coercivity)HC，则
Figure BDA0000089193420000131
则可如方程式(4)所述，电导与施加磁场呈线性关系。
( 4 ) , G = G P [ 1 + 1 - MR 2 H ⊥ H C 1 + MR ] .
图5A至图5B展示互补穿隧式磁电阻器100的微磁学模拟，证明电导与施加磁场的线性关系，其中第一磁性穿隧接面器件110a与第二磁性穿隧接面器件110b具有相同的椭圆形状(长轴为2微米，且短轴为1微米)、相同的自由层厚度
Figure BDA0000089193420000133
自由层和固定层的饱和磁化量Ms＝1000emu/cc以及固定层的异向性常数Ku＝800erg/cc。在此实例中，互补穿隧式磁电阻器100的电导随着所施加磁场的增大而线性的减小。当固定方向反向时，则电导则线性的增大。
图6是根据本发明实施例的2轴的在平面磁场传感器的附图。在2轴的在平面磁场传感器的以下实施例中，例如所述多个互补穿隧式磁电阻器等的器件被标记为具有重新开始的器件编号以易于描述。X轴磁场传感器包括具有平行于Y轴的第一易轴180和第一固定方向140的第一互补穿隧式磁电阻器100以及第一金属线路径108。Y轴磁场传感器包括具有平行于X轴的第二易轴280和第二固定方向240的第二互补穿隧式磁电阻器200以及第二金属线路径208。第一固定方向140和第二固定方向240都平行于坐标系的平分方向350，相对于基板上的X轴和Y轴具有45度角。第一互补穿隧式磁电阻器100在本发明的所有实例中都与图3A至图3B中所述具有相同的结构和编号以易于描述，且下文不再赘述。第一互补穿隧式磁电阻器100包括：具有第一固定磁距114a和第一自由磁距118a的第一磁性穿隧接面器件110a；以及具有第二固定磁距114b和第二自由磁距118b的第二磁性穿隧接面器件110b。第一固定磁距114a和第二固定磁距114b都平行于第一固定方向140。第一自由磁距118a与第二自由磁距118b在初始时是平行于第一易轴180但相互反平行。第二互补穿隧式磁电阻器200与图3A至图3B中所述具有相同的结构，且包括：具有第三固定磁距214a和第三自由磁距218a的第三磁性穿隧接面器件210a；以及具有第四固定磁距214b和第四自由磁距218b的第四磁性穿隧接面器件210b。第三固定磁距214a和第四固定磁距214b平行于第二固定方向240。第三自由磁距218a与第四自由磁距218b在开始时平行于第二易轴280但相互反平行。
在图7A至图7C中，描述一Z轴磁场传感器的俯视图及沿A-A’的剖视图。Z轴磁场传感器295是形成于第一斜面360a上的第一穿隧式磁电阻器310与形成于第二斜面360b上的第二穿隧式磁电阻器320的并联连接。第一穿隧式磁电阻器310和第二穿隧式磁电阻器320与图1A至图1B中所述的典型穿隧式磁电阻器具有相同结构。第一斜面360a与第二斜面360b相对于基板具有相同的斜角，且相对于基板上的凹槽结构370或凸起结构390的中轴305具有对称翻转的关系。第一穿隧式磁电阻器310与第二穿隧式磁电阻器320具有相同的图案和相同的磁性薄膜堆栈。第一穿隧式磁电阻器310具有在初始时平行于第一易轴380a的第一自由磁距318和具有平行于第一固定方向340a的第一固定磁距314。第一易轴380a平行于基板上的中轴305，且第一固定方向340a沿第一斜面360a并垂直于第一斜面360a上的第一易轴380a。第二穿隧式磁电阻器320具有在初始时平行于第二易轴380b的第二自由磁距328和具有平行于第二固定方向340b的第二固定磁距324。第二易轴380b也平行于基板上的中轴305，且第二固定方向340b沿第二斜面360b并垂直于第二斜面360b上的第二易轴380b。第一固定方向340a和第二固定方向340b都是向上或者向下。因为每一个穿隧式磁电阻器都具有垂直于其易轴的固定方向，所以第一自由磁距318与第二自由磁距328在开始时可平行或反平行。第一穿隧式磁电阻器310的磁场感测方向沿第一斜面360a并平行于第一易轴380a的垂直线。同样，第二穿隧式磁电阻器320的磁场感测方向沿第二斜面360b并平行于第二易轴380b的垂直线。第一固定方向314和第二固定方向324可以在退火工艺期间施加垂直于基板的磁场来设定。
图8A至图8B是在本发明中用以说明实施例的斜面相对于基板的几何坐标关系的附图。对于如图8A至图8B中所示的基板上的斜面，可以定义：在基板上的方向A沿着于斜面长度方向；在基板上的方向D垂直于基板上的方向A，且与X轴具有方位角α；垂直于基板的方向为Z轴。此外，从图8B所示的剖视图来看，方向B可定义为沿斜面与方向D具有斜角β。方向C垂直于斜面。因此，磁场可以用斜面的方向A、方向B和方向C来表示。
根据以上描述，当第一(左侧)穿隧式磁电阻器310和第二(右侧)穿隧式磁电阻器320感测磁场时，则其电导可分别以方程式(5)和方程式(6)来表示。
( 5 ) , G L = G P 2 [ 1 + 1 + MR H C ( H X cos α cos β + H Y sin α cos β - H Z sin β ) 1 + MR ] 及
( 6 ) , G R = G p 2 [ 1 + 1 - MR H C ( H X cos α cos β + H Y sin α cos β + H Z sin β ) 1 + MR ] .
当将其并联连接时，X轴向磁场与Y轴向磁场的电导变化会相互抵消，只有Z轴向磁场的电导变化存在，可写为方程式(7)。
( 7 ) , G = G L + G R = G P ( 1 + 1 - MR H Z H C sin β 1 + MR ) .
实际上，对于如图7A至图7B所述的Z轴磁场传感器295，这两个典型穿隧式磁电阻器可以用两个互补穿隧式磁电阻器取代。图9是根据本发明实施例的Z轴磁场传感器的俯视图。在图9中，公开出一Z轴的出平面磁场传感器300的实施例，根据先前描述，以两个相同的互补穿隧式磁电阻器取代第一斜面和第二斜面上的这两个典型穿隧式磁电阻器。第一斜面360a和第二斜面360b设置于凹槽或凸起结构上。在Z轴磁场传感器的以下实施例中，例如所述具有磁性穿隧接面器件的多个互补穿隧式磁电阻器等器件被标记为具有重新开始的器件顺序以易于描述。第一互补穿隧式磁电阻器300a具有第一固定方向340a，所述第一固定方向340a在第一斜面360a上与第一易轴380a具有45度角，第二互补穿隧式磁电阻器300b具有第二固定方向340b，所述第二固定方向340b在第二斜面360b上与第二易轴380b具有45度夹角。
第一互补穿隧式磁电阻器300a包括位于第一斜面360a上的第一磁性穿隧接面器件310a和第二磁性穿隧接面器件310b。第一磁性穿隧接面器件310a具有第一自由磁距318a和第一固定磁距314a；第二磁性穿隧接面器件310b具有第二自由磁距318b和第二固定磁距314b。第一固定磁距314a和第二固定磁距314b都平行于第一固定方向340a，第一自由磁距318a和第二自由磁距318b在初始时都平行于第一易轴380a，并以流通于金属线路径308的电流所产生的磁场而被设定为相互反平行。第一磁性穿隧接面器件310a和第二磁性穿隧接面器件310b设置于顶部电极与底部电极之间，且与图3A至图3B中所述具有相同的结构。
第二互补穿隧式磁电阻器300b包括位于第二斜面360b上的第三磁性穿隧接面器件320a和第四磁性穿隧接面器件320b。第三磁性穿隧接面器件320a具有第三自由磁距328a和第三固定磁距324a。第四磁性穿隧接面器件320b具有第四自由磁距328b和第四磁距324b。同样，第三磁性穿隧接面器件320a和第四磁性穿隧接面器件320b设置于顶部电极与底部电极之间。在第一互补穿隧式磁电阻器300a和第二互补穿隧式磁电阻器300b中，两个顶部电极连接在一起，且两个底部电极连接在一起。第三固定磁距324a和第四固定磁距324b都平行于第二固定方向340b，第三自由磁距328a和第四自由磁距328b在初始时都平行于第二易轴380b，并以流通于金属线路径308的电流所产生的磁场而被设定为相互反平行。第三磁性穿隧接面器件320a和第四磁性穿隧接面器件320b设置于顶部电极与底部电极之间，且与图3A至图3B中所述具有相同的结构。
第一易轴380a和第二易轴380b平行于基板上的中轴305。第一固定方向340a和第二固定方向340b在基板上对中轴305具有对称翻转的关系，且在其自身斜面上分别与其易轴具有45度角。Z轴磁场传感器300的电导可写为方程式(8)。
( 8 ) , G = 2 G P ( 1 + 1 - MR 2 H Z H C sin β 1 + MR ) .
图10是根据本发明实施例的3轴集成式磁场传感器的俯视图。在图10中，3轴集成式磁场传感器包括一2轴的在平面磁场传感器和一Z轴的出平面磁场传感器，其中为易于说明，没有展示磁场传感器中用于产生磁场以设定自由磁距的初始状态下的金属线路径。为易于理解，对第一互补穿隧式磁电阻器100和第二互补穿隧式磁电阻器200的详细结构说明可使用原始编号，且第三互补穿隧式磁电阻器300a和第四互补穿隧式磁电阻器300b的详细结构则如图10中所述对编号进行了重新编辑。第一互补穿隧式磁电阻器100和第二互补穿隧式磁电阻器200包括如图6中所述分别跨过两个穿隧式磁电阻器的金属线路径，在以下实施例中不再重复其细节。所述2轴的在平面磁场传感器包括：X轴向的在平面磁场传感器为第一互补穿隧式磁电阻器100，其具有平行于Y轴的第一易轴180，与平行于平分方向350的第一固定方向140；Y轴磁场传感器，所述Y轴向的在平面磁场传感器为第二互补穿隧式磁电阻器200，其具有平行于X轴的第二易轴280，与平行于相同的平分方向350的第二固定方向240。Z轴磁场传感器300是并联连接的两个互补穿隧式磁电阻器，位于凹槽或凸起结构的具有对于中轴305呈对称翻转关系的斜面上，其中第三互补穿隧式磁电阻器300a和第四互补穿隧式磁电阻器300b分别设置于第一斜面360a和第二斜面360b上。第三互补穿隧式磁电阻器300a具有第三易轴380a和第三固定方向340a，且第四互补穿隧式磁电阻器300b具有第四易轴380b和第四固定方向340b。第三易轴380a和第四易轴380b平行于基板上相同的中轴305。中轴305平行于平分方向350，平分方向350相对于X轴和Y轴具有45度角。在第一斜面360a上的第三固定方向340a与在第二斜面360b上的第四固定方向340b分别相对于第三易轴380a及和第四易轴380b具有45度角。Z轴的出平面磁场传感器300包括如图9中所述跨过第三互补穿隧式磁电阻器300a及第四互补穿隧式磁电阻器300b的金属线路径，且在以下实例中不再重复其细节。
第一互补穿隧式磁电阻器100包括有具第一自由磁距118a和第一固定磁距114a的第一磁性穿隧接面器件110a、以及具第二自由磁距118b和第二固定磁距114b的第二磁性穿隧接面器件110b。第一固定磁距114a和第二固定磁距114b平行于第一固定方向140。第一自由磁距118a与第二自由磁距118b在初始时被设定为平行于第一易轴180但相互反平行。第二互补穿隧式磁电阻器200包括有具第三自由磁距218a和第三固定磁距214a的第三磁性穿隧接面器件210a、以及具第四自由磁距218b和第四固定磁距214b的第四磁性穿隧接面器件210b。第三固定磁距214a和第四固定磁距214b平行于第二固定方向240。第三自由磁距218a与第四自由磁距218b在初始时被设定为平行于第二易轴280但相互反平行。第三互补穿隧式磁电阻器300a包括有具第五自由磁距318a和第五固定磁距314a的第五磁性穿隧接面器件310a及具第六自由磁距318b和第六固定磁距314b的第六磁性穿隧接面器件310b。第五固定磁距314a和第六固定磁距314b都平行于第三固定方向340a。第五自由磁距318a与第六自由磁距318b在初始时被设定为平行于第三易轴380a但相互反平行。第四互补穿隧式磁电阻器300b包括有具第七自由磁距328a和第七固定磁距324a的第七磁性穿隧接面器件320a、以及具第八自由磁距328b和第八固定磁距324b的第八磁性穿隧接面器件320b。第七固定磁距324a和第八固定磁距324b都平行于第四固定方向340b。第七自由磁距328a与第八自由磁距328b在初始时被设定为平行于第四易轴380b但相互反平行。
图11是根据本发明实施例，用以说明一种在退火工艺中施加单一倾斜磁场或双重磁场来设定每个互补穿隧式磁电阻器的固定方向的方法。为易于理解，对第一互补穿隧式磁电阻器100和第二互补穿隧式磁电阻器200的详细结构说明可使用原始编号，且第三互补穿隧式磁电阻器300a和第四互补穿隧式磁电阻器300b的详细结构可使用如图10中所述的原始编号。提供一种通过在退火工艺中施加单一磁场来设定每个互补穿隧式磁电阻器的固定方向的方法(称为倾斜磁场退火)。3轴磁场传感器的布局包括：X轴向的在平面磁场传感器100，具有平行于Y轴的第一易轴180与平行于平分方向350的第一固定方向140；Y轴向的在平面磁场传感器200，具有平行于X轴的第二易轴280与平行于平分方向350的第二固定方向240；Z轴向的出平面磁场传感器300，具有平行于平分方向350的中轴305以及第三固定方向340a和第四固定方向340b。在退火工艺期间施加倾斜场400，所述倾斜场400与垂直于基板的Z轴具有仰角γ，且在基板上的投影磁场平行于平分方向350，且与X轴和Y轴具有45度的方位角。因此第一固定方向140和第二固定方向240可设定为平行于平分方向350。仰角γ可根据出平面磁场传感器的斜面的斜角β来设定，并写为方程式(9)。
(9)γ＝tan-1(sinβ)。
因此，倾斜磁场在第一斜面360a和第二斜面360b上的投影磁场将与第三易轴380a和第四易轴380b具有45度角。结果，第三固定方向340a和第四固定方向340b被设定为分别平行于倾斜磁场在斜面360a、360b上的投影磁场。举例来说，当斜角β＝54°时，则倾斜磁场的设定为仰角γ＝39°且方位角α＝45°。
在实际情况下，典型的退火设备的磁场装置为笨重且固定于单一(水平或垂直)方向产生磁场，因此，可通过旋转及倾斜基板的方式来设定方位角和仰角而达成倾斜磁场的效果。然而使基板倾斜与旋转的操作是复杂的且受限于机械装置的精确度，因此往往会影响良率(yield)。本发明提供另一实施例，称为双重磁场退火(dual field anneal)的方法来提高倾斜磁场方向的准确度并且也展示于图11。所述倾斜磁场可视为一垂直磁场420(HZ)与一水平磁场440(HAZ)的组合。垂直磁场420平行于Z轴，水平磁场440平行于平分方向350，且其关系可写为方程式(10)。
(10)HAZ＝HZ sin β。
将倾斜与旋转基板的机械操作改成由对水平方向及垂直方向的磁场产生器的电子信号控制，确实能提高精确度与良率。实际上，退火设备容易装置产生水平和垂直方向磁场的磁场产生器。因此，可通过在退火工艺期间同时施加水平磁场440(HAZ)和垂直磁场420(HZ)达成同时设定每个互补穿隧式磁电阻器的固定方向。
基于上述本发明的实施例，如上所述的磁场传感器可安排于CMOS的后段工艺，容易与感测电路的前段工艺整合。图12是根据本发明实施例，一种用于将所感测磁场转换为电子信号的电路附图。与传统的惠斯顿电桥方法相比，使用另一个相同的磁场传感器作为零磁场参考器，且不需要任何遮蔽。在感测磁场期间，通电流于零磁场参考器的金属路径以产生磁场，使零磁场参考器的自由磁矩都而冻结或锁定于在初始时的平行于易轴但相互反平行的状态，使其自由磁矩不受感测磁场影响，相当于所述磁场传感器处于零磁场的状态。
在图12中，感测电路500包括三个部件：偏压电压单元502、钳位电压电流镜单元504与信号转换放大单元506。以在平面磁场传感器为实施例，零磁场参考器510和磁场传感器520的底部电极连接至节点C。零磁场参考器的顶部电极连接至节点D，且磁场传感器520的顶部电极连接至节点E。如可理解，此实例中的在平面磁场传感器，也可以出平面磁场传感器300来取代。
偏压电压单元502包括分压电路(voltage dividing branch)、电压相减电路(voltage subtraction circuit)和电压源VM。分压电路是在VDD与GND之间串联连接的四个相同电阻器R，使得节点A和节点B的电位分别是VA＝VDD/2与VB＝VA/2＝VDD/4。电压源VM供应固定电压(即磁性穿隧接面器件两端的偏压电压)至零磁场参考器和磁场传感器。电压相减电路包括第二运算放大器OP2，具有OP2的正输入连接至节点B，一电阻器R连接于OP2的负输入与OP2输出之间，另一电阻器R连接于OP2负输入与电压源VM之间，OP2输出端接至节点C连并具有电位VC＝VA-VM。
钳位电压电流镜单元504包括电流镜和电压钳位器。所述电流镜包括第一PMOS Q1和第二PMOS Q2，Q1和Q2的尺寸相同且其源极皆连接至VDD。Q1的漏极接合至节点D，Q2的漏极接合至节点E，Q1的栅极连接至Q2的栅极。所述电压钳位器包括第一运算放大器OP1，具有OP1正输入端接合至节点A以及OP2负输入端接合至节点D，OP1输出端并且接合至Q1和Q2的栅极。信号转换放大单元506包括第三运算放大器OP3，具有OP3负输入端接合至节点E，OP3正输入接合至节点A，且电阻器RM连接于节点E与OP3输出之间。
运算放大器OP1、OP2和OP3的电源均为单一VDD。由于OP1的输出经由PMOS Q1反馈回OP1负输入端，而且OP3的输出也经由电阻器RM反馈至OP3的负输入端，所以OP1与OP3的正负输入端会处于虚拟接地状态使得正负输入端之间的电位差为零。因此，且节点D和节点E的电位分别被钳位至节点A的电位VA＝VDD/2。此设计使得信号转换放大单元506的输出在零磁场时为VDD/2，可获得全范围信号放大且对于模拟到数字转换器ADC是有利的。由于节点D和节点E的电位被钳位于VDD/2且Q1与Q2的栅极均接合至OP1的输出端，所以Q2的漏极电流与Q1的漏极电流是相同。零磁场参考器510与磁场传感器520均操作于固定偏压VD-VC＝VA-(VA-VM)＝VM。磁场传感器520的电导因感测磁场而改变，所以流过磁场传感器520的电流为电导变化的感测电流与零磁场参考器510的电流的总和。由运算放大器OP3的输出端流出或流入的感测电流经过电阻器RM转换为感应电压，使得输出端电位Vout变为零磁场时的VDD/2与感应电压的相加。如前所述，感测电路并不仅限于在平面磁场传感器的实例，出平面磁场传感器来也可用于所述电路。
磁场传感器可安排于CMOS的后段工艺与感测电路的CMOS前段工艺整合成为同一基板制作的集成电路。然而，应用电路也可单独制造，且应用电路并不仅限于所提出的电路。还应注意，每个互补穿隧式磁电阻器中用于连接所述对磁性穿隧接面器件的底部电极和顶部电极不限于夹住磁性穿隧接面器件的实施例，而是也可为其它适当实施方式。
本发明同时提出用以感测磁场的互补式穿隧式磁电阻器(互补穿隧式磁电阻器)结构和用于在基板上形成3轴穿隧式磁电阻器磁场传感器的制作方法，从而极大地降低复杂度、降低制造费用并且还提高灵敏度和准确性。
本领域技术人员将显而易见，可在不脱离本发明的范围或精神的条件下对本发明的结构作出各种修饰及更动。根据以上所述，旨在使本发明涵盖本发明的修饰及更动形式，只要这些修饰及更动形式处于上文权利要求书及其等效内容的范围内即可。

Claims (17)

1.一种穿隧式磁电阻器的磁场感测结构，包括：
底部电极；
第一磁性穿隧接面器件，包括：
磁性材料的第一固定层，位于所述底部电极上、具有处于固定方向上的第一固定磁距；
非磁性材料的第一穿隧层，设置于所述第一固定层上；以及
磁性材料的第一自由层，设置于所述第一穿隧层上、具有平行于易轴的第一自由磁距，且所述固定方向与所述易轴之间形成夹角；
第二磁性穿隧接面器件与所述第一磁性穿隧接面器件具有相同图案及磁性薄膜结构，包括：
磁性材料的第二固定层，位于所述底部电极上、具有在所述固定方向上的第二固定磁距；
非磁性材料的第二穿隧层，设置于所述第二固定层上；以及
磁性材料的第二自由层，设置于所述第二穿隧层上、具有平行于所述易轴的第二自由磁距；以及
顶部电极，连接所述第一自由层与所述第二自由层，
其中所述第一自由磁距和所述第二自由磁距在初始状态为平行于所述易轴但相互反平行，且所述固定方向与所述易轴之间的所述夹角45度或135度。
2.一种在平面磁场传感器，包括：
基板；以及
穿隧式磁电阻器的磁场感测结构，位于所述基板上，
其中所述穿隧式磁电阻器的磁场感测结构包括：
底部电极；
第一磁性穿隧接面器件，包括：
磁性材料的第一固定层，位于所述底部电极上、具有处于固定方向上的第一固定磁距；
非磁性材料的第一穿隧层，设置于所述第一固定层上；以及
磁性材料的第一自由层，设置于所述第一穿隧层上、具有平行于易轴的第一自由磁距，且所述固定方向与所述易轴之间形成夹角；
第二磁性穿隧接面器件与所述第一磁性穿隧接面器件具有相同图案与磁性薄膜结构，包括：
磁性材料的第二固定层，位于所述底部电极上、具有在所述固定方向上的第二固定磁距；
非磁性材料的第二穿隧层，设置于所述第二固定层上；以及
磁性材料的第二自由层，设置于所述第二穿隧层上、具有平行于所述易轴的第二自由磁距；以及
顶部电极，连接所述第一自由层与所述第二自由层；
其中所述固定方向与所述易轴之间的所述夹角45度或135度，
其中磁场感测方向垂直于所述基板上的所述易轴。
3.根据权利要求2所述的在平面磁场传感器，还包括金属线路径，跨过所述穿隧式磁电阻器磁场感测结构的所述第一磁性穿隧接面器件和所述第二磁性穿隧接面器件；在初始状态时，以电流通过所述金属线路径会在所述第一磁性穿隧接面器件与所述第二磁性穿隧接面器件分别产生平行于所述易轴但方向相反的磁场，使得所述第一自由磁距和所述第二自由磁距被设定为沿着所述易轴但相互反平行。
4.一种2轴的在平面磁场传感器，包括：
基板；以及
第一在平面磁场传感器，其位于所述基板上、具有第一固定方向和第一易轴；以及
第二在平面磁场传感器，其位于所述基板上、具有第二固定方向和第二易轴，其中所述第一易轴与所述第二易轴的夹角为90度角，且所述第一固定方向和所述第二固定方向皆平行于平分方向，所述平分方向与所述第一易轴和所述第二易轴的夹角皆为45度角，
其中所述第一在平面磁场传感器包括：
第一穿隧式磁电阻器磁场感测结构，包括：
第一底部电极，位于所述基板上；
第一磁性穿隧接面器件，包括：
磁性材料的第一固定层，位于所述第一底部电极上、具有处于所述第一固定方向上的第一固定磁距；
非磁性材料的第一穿隧层，设置于所述第一固定层上；以及
磁性材料的第一自由层，设置于所述第一穿隧层上、具有平行于所述第一易轴的第一自由磁距，且所述第一固定方向与所述第一易轴之间形成第夹角；
第二磁性穿隧接面器件，包括：
磁性材料的第二固定层，位于所述第一底部电极上、具有处于所述第一固定方向上的第二固定磁距；
非磁性材料的第二穿隧层，设置于所述第二固定层上；以及
磁性材料的第二自由层，设置于所述第二穿隧层上、具有平行于所述第一易轴的第二自由磁距；以及
第一顶部电极，其连接所述第一自由层与所述第二自由层，
其中所述第一自由磁距和所述第二自由磁距在初始状态下平行于所述第一易轴但相互反平行，且所述第一固定方向与所述第一易轴之间的所述第一夹角45度或135度，其中第一磁场感测方向垂直于所述基板上的所述第一易轴，
其中所述第二在平面磁场传感器包括：
第二穿隧式磁电阻器磁场感测结构，包括：
第二底部电极，位于所述基板上；
第三磁性穿隧接面器件，包括：
磁性材料的第三固定层，位于所述第二底部电极上、具有在所述第二固定方向上的第三固定磁距；
非磁性材料的第三穿隧层，设置于所述第三固定层上；以及
磁性材料的第三自由层，设置于所述第三穿隧层上、具有平行于所述第二易轴的第三自由磁距，且所述第二固定方向与所述第二易轴之间形成第二夹角；
第四磁性穿隧接面器件，包括：
磁性材料的第四固定层，其位于所述第二底部电极上、具有在所述第二固定方向上的第四固定磁距；
非磁性材料的第四穿隧层，其设置于所述第四固定层上；以及
磁性材料的第四自由层，其设置于所述第四穿隧层上、具有平行于所述第二易轴的第四自由磁距；以及
第二顶部电极，其连接所述第三磁性自由层与所述第四磁性自由层；
其中所述第三自由磁距和所述第四自由磁距在所述初始状态下平行于所述第二易轴但相互反平行，且所述第二固定方向与所述第二易轴之间的所述第二夹角45度或135度，其中第二磁场感测方向垂直于所述基板上的所述第二易轴。
5.根据权利要求4所述的2轴的在平面磁场传感器，其中所述第一在平面磁场传感器还包括第一金属线路径跨过所述第一磁性穿隧接面器件和所述第二磁性穿隧接面器件；在初始状态时，以电流通过所述第一金属线路径会在所述第一磁性穿隧接面器件与所述第二磁性穿隧接面器件分别产生平行于所述第一易轴但方向相反的磁场，使得所述第一自由磁距和所述第二自由磁距被设定为沿着所述第一易轴但相互反平行；且所述第二平面内磁场传感器还包括第二金属线路径跨过所述第三磁性穿隧接面器件和所述第四磁性穿隧接面器件，其中在初始状态时，以电流通过所述第二金属线路径会在所述第三磁性穿隧接面器件与所述第四磁性穿隧接面器件分别产生平行于所述第二易轴但方向相反的磁场，使得所述第三自由磁距和所述第四自由磁距被设定为沿着所述第二易轴但相互反平行。
6.一种感测垂直方向磁场的出平面磁场传感器，包括：
基板；以及
凹槽或凸起结构，位于所述基板上、具有第一斜面和第二斜面，其中所述第一斜面和所述第二斜面与所述基板具有相同的斜角且相对于所述凹槽或凸起结构的中轴具有对称翻转的关系；
第一穿隧式磁电阻器磁场感测结构，形成于所述第一斜面上、具有第一固定方向和第一易轴，所述第一穿隧式磁电阻器磁场感测结构包括：
第一底部电极，位于所述第一斜面上；
第一磁性穿隧接面器件，包括：
磁性材料的第一固定层，位于所述第一底部电极上、具有处于所述第一固定方向上的第一固定磁距；
非磁性材料的第一穿隧层，设置于所述第一固定层上；以及
磁性材料的第一自由层，设置于所述第一穿隧层上、具有平行于所述第一易轴的第一自由磁距，且所述第一固定方向与所述第一易轴之间形成第一夹角；
第二磁性穿隧接面器件，包括：
磁性材料的第二固定层，位于所述第一底部电极上、具有处于所述第一固定方向上的第二固定磁距；
非磁性材料的第二穿隧层，设置于所述第二固定层上；以及
磁性材料的第二自由层，设置于所述第二穿隧层上、具有平行于所述第一易轴的第二自由磁距；以及
第一顶部电极，连接所述第一自由层与所述第二自由层，其中所述第一自由磁距和所述第二自由磁距在初始状态下平行于所述第一易轴但相互反平行；以及
第二穿隧式磁电阻器磁场感测结构，形成于所述第二斜面上、具有第二固定方向和第二易轴，所述第二穿隧式磁电阻器磁场感测结构包括：
第二底部电极，位于所述第二斜面上；
第三磁性穿隧接面器件，包括：
磁性材料的第三固定层，位于所述第二底部电极上、具有在所述第二固定方向上的第三固定磁距；
非磁性材料的第三穿隧层，设置于所述第三固定层上；以及
磁性材料的第三自由层，设置于所述第三穿隧层上、具有平行于所述第二易轴的第三自由磁距，且所述第二固定方向与所述第二易轴之间形成第二夹角；
第四磁性穿隧接面器件，包括：
磁性材料的第四固定层，位于所述第二底部电极上、具有在所述第二固定方向上的第四固定磁距；
非磁性材料的第四穿隧层，设置于所述第四固定层上；以及
磁性材料的第四自由层，设置于所述第四穿隧层上、具有平行于所述第二易轴的第四自由磁距；以及
第二顶部电极，其连接所述第三自由层与所述第四自由层，其中所述第三自由磁距和所述第四自由磁距在所述初始状态下平行于所述第二易轴但相互反平行，
其中所述第一易轴和所述第二易轴平行于所述凹槽或凸起结构的所述中轴，所述第一穿隧式磁电阻器磁场感测结构的所述第一底部电极与所述第二穿隧式磁电阻器磁场感测结构的所述第二底部电极相连接，且所述第一穿隧式磁电阻器磁场感测结构的所述第一顶部电极与所述第二穿隧式磁电阻器磁场感测结构的所述第二顶部电极相连接。
7.根据权利要求6所述的出平面磁场传感器，还包括金属线路径，跨过所述第一穿隧式磁电阻器磁场感测结构的所述第一磁性穿隧接面器件和所述第二磁性穿隧接面器件以及所述第二穿隧式磁电阻器磁场感测结构的所述第三磁性穿隧接面器件和所述第四磁性穿隧接面器件的；在初始状态时，以电流通过所述金属线路径会在所述第一磁性穿隧接面器件与所述第二磁性穿隧接面器件分别产生平行于所述第一易轴但方向相反的磁场与在所述第三磁性穿隧接面器件与所述第四磁性穿隧接面器件分别产生平行于所述第二易轴但方向相反的磁场，使得所述第一穿隧式磁电阻器磁场感测结构的所述第一自由磁距和所述第二自由磁距平行于所述第一易轴但相互反平行，所述第二穿隧式磁电阻器磁场感测结构的所述第三自由磁距和所述第四自由磁距平行于所述第二易轴、但相互反平行。
8.一种3轴磁场传感器，包括：
第一在平面磁场传感器，位于基板上以感测X轴向磁场、并具有第一穿隧式磁电阻器磁场感测结构以及具有第一固定方向和第一易轴，其中所述第一易轴被视为Y轴；以及
第二在平面磁场传感器，位于所述基板上以感测Y轴向磁场、并具有第二穿隧式磁电阻器磁场感测结构以及具有第二固定方向和第二易轴，其中所述第二易轴被视为X轴，
其中所述第一易轴与所述第二易轴的夹角为90度角，且所述基板上的平分方向分别与所述第一易轴及所述第二易轴夹有45度角；以及
出平面磁场传感器，其位于所述基板上以感测Z轴向磁场、并具有平行于所述平分方向的中轴。
9.根据权利要求8所述的3轴磁场传感器，其中所述第一穿隧式磁电阻器磁场感测结构包括：
第一底部电极，位于所述基板上；
第一磁性穿隧接面器件，包括：
磁性材料的第一固定层，位于所述第一底部电极上、具有处于所述第一固定方向上的第一固定磁距；
非磁性材料的第一穿隧层，其设置于所述第一固定层上；以及
磁性材料的第一自由层，其设置于所述第一穿隧层上、具有平行于所述第一易轴的第一自由磁距，且所述第一固定方向与所述第一易轴之间形成第一夹角；
第二磁性穿隧接面器件，包括：
磁性材料的第二固定层，位于所述第一底部电极上、具有处于所述第一固定方向上的第二固定磁距；
非磁性材料的第二穿隧层，设置于所述第二固定层上；以及
磁性材料的第二自由层，设置于所述第二穿隧层上、具有平行于所述第一易轴的第二自由磁距；以及
第一顶部电极，其连接所述第一自由层与所述第二自由层；
其中所述第一自由磁距和所述第二自由磁距在初始状态下平行于所述第一易轴但相互反平行，且所述第一固定方向与所述第一易轴之间的所述第一夹角45度或135度，其中第一磁场感测方向垂直于所述基板上的所述第一易轴，
其中所述第二穿隧式磁电阻器磁场感测结构包括：
第二底部电极，位于所述基板上；
第三磁性穿隧接面器件，包括：
磁性材料的第三固定层，位于所述第二底部电极上、具有在所述第二固定方向上的第三固定磁距；
非磁性材料的第三穿隧层，设置于所述第三固定层上；以及
磁性材料的第三自由层，设置于所述第三穿隧层上、具有平行于所述第二易轴的第三自由磁距，且所述第二固定方向与所述第二易轴之间形成第二夹角；
第四磁性穿隧接面器件，包括：
磁性材料的第四固定层，位于所述第二底部电极上、具有在所述第二固定方向上的第四固定磁距；
非磁性材料的第四穿隧层，设置于所述第四固定层上；以及
磁性材料的第四自由层，设置于所述第四穿隧层上、具有平行于所述第二易轴的第四自由磁距；以及
第二顶部电极，连接所述第三自由层与所述第四自由层；
其中所述第三自由磁距和所述第四自由磁距在所述初始状态下平行于所述第二易轴但相互反平行，且所述第二固定方向与所述第二易轴之间的所述第二夹角45度或135度，其中第二磁场感测方向垂直于所述基板上的所述第二易轴；
其中所述出平面磁场传感器，包括：
凹槽或凸起结构，位于所述基板上、具有第一斜面和第二斜面，其中所述第一斜面和所述第二斜面相对于所述基板具有相同的斜角且相对于所述凹槽或凸起结构的中轴具有对称翻转的关系；
第三穿隧式磁电阻器磁场感测结构，形成于所述第一斜面上、具有第三固定方向和第三易轴，所述第三穿隧式磁电阻器磁场感测结构包括：
第三底部电极，位于所述第一斜面上；
第五磁性穿隧接面器件，包括：
磁性材料的第五固定层，位于所述第三底部电极上、具有处于所述第三固定方向上的第五固定磁距；
非磁性材料的第五穿隧层，设置于所述第五固定层上；以及
磁性材料的第五自由层，设置于所述第五穿隧层上、具有平行于所述第三易轴的第五自由磁距，且所述第三固定方向与所述第三易轴之间形成第三夹角；
第六磁性穿隧接面器件，包括：
磁性材料的第六固定层，位于所述第三底部电极上、具有处于第四固定方向上的第六固定磁距；
非磁性材料的第六穿隧层，设置于所述第六固定层上；以及
磁性材料的第六自由层，设置于所述第六穿隧层上、具有平行于所述第三易轴的第六自由磁距；以及
第三顶部电极，其连接所述第五自由层与所述第六自由层，其中所述第五自由磁距和所述第六自由磁距在所述初始状态下平行于所述第三易轴但相互反平行；以及
第四穿隧式磁电阻器磁场感测结构，其形成于所述第二斜面上、具有第四固定方向和第四易轴，所述第四穿隧式磁电阻器磁场感测结构包括：
第四底部电极，位于所述第二斜面上；
第七磁性穿隧接面器件，包括：
磁性材料的第七固定层，位于所述第四底部电极上、具有处于第七固定方向上的第七固定磁距；
非磁性材料的第七穿隧层，设置于所述第七固定层上；以及
磁性材料的第七自由层，设置于所述第七穿隧层上、具有平行于所述第四易轴的第七自由磁距，且所述第四固定方向与所述第四易轴之间形成第四夹角；
第八磁性穿隧接面器件，包括：
磁性材料的第八固定层，位于所述第四底部电极上、具有处于第八固定方向上的第八固定磁距；
非磁性材料的第八穿隧层，设置于所述第八固定层上；以及
磁性材料的第八自由层，设置于所述第八穿隧层上、具有平行于所述第四易轴的第八自由磁距；以及
第四顶部电极，其连接所述第七自由层与所述第八自由层，其中所述第七自由磁距和所述第八自由磁距在所述初始状态下平行于所述第四易轴但相互反平行，
其中所述第三易轴和所述第四易轴平行于所述凹槽或凸起结构的所述中轴，所述第三穿隧式磁电阻器磁场感测结构的所述第三底部电极与所述第四穿隧式磁电阻器磁场感测结构的所述第四底部电极相连接，且所述第三穿隧式磁电阻器磁场感测结构的所述第三顶部电极与所述第四穿隧式磁电阻器磁场感测结构的所述第四顶部电极相连接。
10.根据权利要求9所述的3轴磁场传感器，还包括可流通电流以产生磁场的第一金属线、第二金属线和第三金属线，藉以分别将所述第一自由磁距和所述第二自由磁距的初始状态设定为平行于所述第一易轴但相互反平行，且将所述第三自由磁距和所述第四自由磁距的初始状态设定为平行于所述第二易轴但相互反平行，将所述第五自由磁距和所述第六自由磁距的初始状态设定为平行于所述第三易轴但相互反平行，且将所述第七自由磁距和所述第八自由磁距的初始状态设定为平行于所述第四易轴但相互反平行。
11.一种用于制作磁场感测结构的方法，其中所述磁场感测结构是根据权利要求9所述的3轴磁场传感器，所述方法包括以单次退火步骤，同时设定所述第一穿隧式磁电阻器磁场感测结构至所述第四穿隧式磁电阻器磁场感测结构的所述第一固定方向至所述第四固定方向。
12.根据权利要求11所述的用于制作磁场感测结构的方法，其中所述单次退火步骤包括：
沿着具有方位角α＝π/4和仰角γ＝tan-1(sinβ)的方向施加倾斜磁场，其中所述方位角α为所述平分方向与所述X轴或所述Y轴之间的夹角，所述仰角γ为所述倾斜磁场与垂直于所述基板的所述Z轴之间的夹角，且参数β为所述第一斜面或所述第二斜面相对于所述基板的斜角。
13.根据权利要求11所述的用于制作磁场感测结构的方法，其中所述单次退火步骤包括：
通过沿着所述平分方向的水平磁场HAZ和沿着所述Z轴的垂直磁场HZ来同时施加双重磁场，其中所述水平磁场与所述垂直磁场之间的关系是HAZ＝HZ sinβ，且所述参数β是所述第一斜面或所述第二斜面相对于所述基板的所述斜角。
14.一种磁场感测电路，用于将所感测磁场转换为电子信号的，包括：
第一磁场传感器根据权利要求2所述的在平面磁场传感器或根据权利要求6所述的出平面磁场传感器的所述；
第二磁场传感器，与所述第一磁场传感器具有相同结构，其中所述自由磁距在感测磁场期间被在所述金属路径中流动的电流所产生的磁场锁定成为零磁场参考器；
偏压电压单元，具有第一输出端和第二输出端，其中所述第一输出端连接至所述零磁场参考器和所述磁场传感器的所述底部电极，且所述第二输出端提供固定电位；
钳位电压电流镜，具有输入端以及第一输出端和第二输出端，其中所述输入端接合至所述偏压电压单元的所述第二输出端以接收所述固定电位，且所述第一输出端接合至所述零磁场参考器的所述顶部电极；以及
信号转变放大单元，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中所述第一输入端接合至所述偏压电压单元的所述第二输出端以接收所述固定电位，所述第二输入端接合至所述磁场传感器的所述顶部电极和所述钳位电压电流镜的所述第二输出端，且所述输出端的电位为零磁场时的电位与所感测磁场转换后的感测电压的相加。
15.根据权利要求14所述的磁场感测电路，其中所述偏压电压单元包括：
偏压电压源；
分压器，包括：
相同值的第一电阻器、第二电阻器、第三电阻器和第四电阻器，串联连接于电压源与接地之间，其中所述第二电阻器与所述第三电阻器的接合节点是所述偏压电压单元的第二输出端，且固定电位是所述电压源的一半；以及
运算放大器，其具有第一输入端、第二输入端和输出端并充当所述偏压电压单元的第一输出端，所述第一输入端连接至所述第三电阻器与所述第四电阻器的接合节点，第五电阻器连接于所述输出端与所述第二输入端之间，第六电阻器连接于所述第二输入端与所述偏压电压源之间，
其中所述第二输出端的电位为所述电源电压源的一半减去所述偏压电压源。
16.根据权利要求14所述的磁场感测电路，其中所述钳位电压电流镜包括：
第一晶体管，具有第一栅极和第一漏极并充当所述钳位电压电流镜的第一输出端；
第二晶体管，具有第二栅极连接至所述第一晶体管的所述第一栅极，以及第二漏极并充当所述钳位电压电流镜的第二输出端，其中自所述第一晶体管的所述第一汲级输出至所述零磁场参考器的零磁场参考电流被镜像至所述第二晶体管且自所述第二漏极输出；以及
运算放大器，具有所述第一输入端和所述第二输入端以及输出端，其中所述输出端连接至所述第一晶体管和所述第二晶体管的所述第一与第二栅极，所述第一输入端充当所述钳位电压电流镜的所述输入端，所述第二输入端连接至所述偏压电压单元的所述第一输出端。
17.根据权利要求14所述的磁场感测电路，其中所述信号转变放大单元包括：
运算放大器，具有所述第一输入端、所述第二输入端及所述一输出端，并分别充当所述信号转变放大单元的第一输入端，第二输入端及输出端；其中所述第一输入端连接到所述偏压电压单元的所述第二输出端，所述第二输入端连接至所述钳位电压电流镜的所述第二输出端；以及
电阻器，连接于所述运算放大器的所述第二输入端与所述输出端之间；
其中自所述输出端流入或流出的感测电流，通过所述电阻器而转换并放大为感测电压，所述输出端的所述输出电位是所述感测电压与所述第一输入端的所述固定电位相加。
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