CN104103753A - 磁阻膜层结构以及使用此磁阻膜层结构的磁场传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁阻膜层结构以及使用此磁阻膜层结构的磁场传感器，所述磁阻膜层结构包括一固定层；一被固定层，设置在所述固定层上；一正交耦合层，设置在所述被固定层上；一参考层，设置在所述正交耦合层上；一间隔层，设置在所述参考层上；以及一自由层，设置在所述间隔层上。

Description

磁阻膜层结构以及使用此磁阻膜层结构的磁场传感器

技术领域

本发明涉及膜层结构，特别是涉及一种磁阻(magnetoresistive)膜层结构，可应用于磁场感测等技术领域。

背景技术

已知，磁阻(magnetoresistance,MR)效应是材料的电阻随着外加磁场的变化而改变的效应，其物理量的定义，是在有无磁场下的电阻差除上原先电阻，用以代表电阻变化率。

巨磁阻(giant magnetoresistance,GMR)效应则存在于铁磁性(如：Fe,Co,Ni)／非铁磁性(如：Cr,Cu,Ag,Au)的多层膜系统，由于磁性层间的磁交换作用会改变其传导电子行为，使得电子产生程度不同的磁散射而造成较大的电阻，其电阻变化较常磁阻大上许多，故被称为「巨磁阻」。这种多层膜结构的电阻值与铁磁性材料薄膜层的磁化方向有关，两层磁性材料磁化方向相反情况下的电阻值，明显大于磁化方向相同时的电阻值，而电阻在很弱的外加磁场下具有很大的变化量。隧道磁阻(tunnel magnetoresistance,TMR)效应则是指在铁磁／绝缘体薄膜(约1纳米)／铁磁材料中，其隧道电阻大小随两边铁磁材料相对方向变化的效应。

目前，磁阻效应已被成功地运用在硬盘生产上，具有重要的商业应用价值。此外，利用巨磁电阻物质在不同的磁化状态下具有不同电阻值的特点，还可以制成磁性随机存储器(MRAM)，其优点是在不通电的情况下可以继续保留存储的数据。

上述磁阻效应还被应用在磁场感测(magnetic field sensor)领域，例如，移动电话中搭配全球定位系统(global positioning system,GPS)的电子罗盘(electronic compass)零组件，用来提供用户移动方位等信息。目前，市场上已有各式的磁场感测技术，例如，各向异性磁阻(anisotropic magnetoresistance,AMR)感测组件、巨磁阻(GMR)感测组件、磁隧道结(magnetic tunneling junction,MTJ)感测组件等等。

然而，上述现有技术通常有以下缺点：占用芯片面积较大、工艺较昂贵、较耗电、灵敏度不足，以及易受温度变化影响等，而有必要进一步改进。

发明内容

本发明于此提出一种可以应用于磁场传感器的磁阻膜层结构，以解决前述现有技术的不足与缺点。

根据本发明一实施例，其提出了一种磁阻膜层结构，其包含一固定层、一被固定层设在所述固定层上、一正交耦合层设在所述被固定层上、一参考层设在所述正交耦合层上、一间隔层设在所述参考层上、以及一自由层设在所述间隔层上。

根据本发明另一实施例，其提出了一种二轴磁场传感器，其中包含一基板、至少一具有所述膜层结构的第一感测胞设置在基板平面上用以感测一第一轴向的磁场变化；以及至少一具有所述膜层结构的第二感测胞设置在基板的一平面上用以感测一第二轴向的磁场变化，其中第一感测胞以及第二感测胞皆具有长轴与短轴，且第一感测胞的长轴方向与第二感测胞的长轴方向互相垂直。

根据本发明又一实施例，其提出了一种三轴磁场传感器，其中包含一基板、至少一具有所述膜层结构的第一感测胞设置在基板平面上用以感测一第一轴向的磁场变化；至少一具有所述膜层结构的第二感测胞设置在基板平面上用以感测一第二轴向的磁场变化、以及至少一具有所述膜层结构的第三感测胞设置在基板的一斜面上用以感测一第三轴向的磁场变化，其中第一感测胞、第二感测胞以及第三感测胞都包含有长轴与短轴，且第一感测胞的长轴方向、第二感测胞的长轴方向、以及第三感测胞的长轴方向互相垂直。

为让本发明的目的、特征及优点能更明显易懂，下文特举优选实施方式，并配合所附图式，作详细说明如下。然而如下的优选实施方式与图式仅供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制者。

附图说明

图1为依据本发明实施例所绘示的磁场传感器组件中的X轴向感测胞的膜层结构侧视示意图。

图2为图1中轴向感测胞的膜层结构分解图及磁矩方向。

图3为依据本发明另一实施例所绘示的感测胞的膜层结构侧视图。

图4为依据本发明又另一实施例所绘示的感测胞的膜层结构侧视图。

图5为依据本发明又另一实施例所绘示的感测胞的膜层结构侧视图。

图6为一流程图，例示一种场退火流程。

图7例示出具有长、短轴的长方体磁阻膜层胞的上视图，显示出外部磁场及膜层磁化方向。

图8例示出另一种场退火流程。

图9例示出另一种场退火流程。

图10例示出又另一种场退火流程。

图11A与图11B分别例示出根据本发明一实施例三轴磁场传感器组件的感测胞布局的侧视示意图以及上视示意图。

图12A与图12B分别例示出根据本发明另一实施例三轴磁场传感器组件的感测胞布局的侧视示意图以及上视示意图。

图13为图11A与图11B的放大示意图。

其中，附图标记说明如下：

1/1a/1b/1c   感测胞

10           固定层

12           被固定层

14           正交耦合层

16           参考层

18           间隔层

20           自由层

60               场退火流程

62-66            步骤

80               磁阻膜层胞

82               自由层磁化方向

90               外部磁场方向

91/91a/91b       交换偏耦方向

92/92’/92”     参考层的磁化方向

100              基板

102              黏着层

104              晶种层

110              固定层

112              被固定层

114              正交耦合层

116              参考层

118              间隔层

120              自由层

122              上盖保护层

160              场退火流程

162-164          步骤

204              晶种层

214              正交耦合层

260              场退火流程

262-265          步骤

312              被固定层

313/315          钴金属层

316              参考层

360            场退火流程

362-365        步骤

400            基板

402            突起部

402a           斜面

410/420/430   感测单元

411-414       感测胞

421-424       感测胞

431-434       感测胞

500           基板

510/520/530   感测单元

511-514       感测胞

521-524       感测胞

531-534       感测胞

L             长度

W   宽度

H   高度

x   X轴分量

z   Z轴分量

具体实施方式

下文中将参照附图说明本发明细节，该些附图中的内容也构成说明书细节描述的一部份，并且以可实行所例举实施例的特例描述方式来绘示。下文实施例已描述足够的细节使得本领域的一般技术人员得以具以实施。当然本发明也可实行其他的实施例来施作，或是在不悖离文中所述实施例的前提下作出任何结构性、逻辑性、及电性上的改变。因此，下文的细节描述不应被视为是一种限制，反之，其中所包含的实施例将由随附的权利要求来加以界定。此外，下文中所称一材料层或结构的「磁化方向(magnetization direction)」或「磁化的方向(direction of magnetization)」是指所述层或所述结构的磁域(magnetic domain)中的主要支配(predominant)磁化方向。以下所称「层」是指单一材料或组成所构成的单层结构，除非特别予以指明，否则其并不包含其他材料或他层材料。

感测胞膜层结构

请参阅图1及图2，其中图1为依据本发明实施例所绘示的磁场传感器组件中的感测胞(sensor cell)的膜层结构侧视示意图，图2为图1中感测胞的膜层结构的分解图及磁矩方向，其中感测胞可以是X轴向(X-axis)感测胞。如图1及图2所示，本发明感测胞1的膜层结构较佳为一具有长、短轴的三维立体膜层结构，如长方体。磁阻膜层结构1至少包含有一固定层(pinninglayer)10、一被固定层(pinned layer)12、一正交耦合层(biquadratic couplinglayer)14、一参考层(reference layer)16、一间隔层(spacer layer)18，以及一自由层(free layer)20依序堆叠而成。当然，图中长方体实施例的磁阻膜层结构仅为例示。在其他实施例中，从上往下看时，磁阻膜层结构可以被图案化成其它具有长、短轴的图案，包括矩形、椭圆、菱形、卵形、橄榄形或眼形等等。因此，磁阻膜层结构可以是长方体形、椭圆柱体、菱形柱体、卵形柱体、橄榄形柱体或眼形柱体等。

根据本发明实施例，被固定层12是直接形成在固定层10上，且与固定层10直接接触。正交耦合层14是直接形成在被固定层12上，且与被固定层12直接接触。参考层16是直接形成在正交耦合层14上，且与正交耦合层14直接接触。间隔层18是直接形成在参考层16上，且与参考层16直接接触。自由层20是直接形成在间隔层18上，且与间隔层18直接接触。为了避免氧化，在自由层20上可以选择另外提供一上盖保护层(未示于图中)，如钽(Ta)层，但不以此为限。此外，固定层10可以形成在一基板(未示于图中)上，例如一硅氧化物基板或二氧化硅基板。

根据本发明实施例，上述的固定层10可以是由反铁磁性(antiferromagnetic,AFM)材料所构成者，例如铁锰(FeMn)、铂锰(PtMn)、铱锰(IrMn)、氧化镍(NiO)等，用以固定或限制邻近层的磁矩方向。被固定层12可以是由铁磁性(ferromagnetic,FM)材料所构成者，例如铁、钴、镍或其合金，其磁化方向是受到固定层10所「固定」。正交耦合层14可以是一绝缘层，例如由氧化物所构成者，举例来说，氧化镍铁(NiFeOx)、氧化铁(FeOx)、氧化镍(NiO)、氧化钴铁(CoFe2O4)、氧化镁(MgO)等氧化物。根据本发明实施例，正交耦合层14可以是由以溅镀方式形成镍铁层，再以氧气电浆将镍铁层氧化成氧化镍铁层，形成纳米氧化层(nano oxide layer,NOL)。需注意的是，除了氧化物之外，正交耦合层14也可以使用其他材料作成，例如氮化物、硼化物或氟化物等。

根据本发明实施例，参考层16可以是由铁磁性材料所构成者，例如铁、钴、镍或其合金，其组成可以与被固定层12相同，但不限于此。间隔层18可以是由非铁磁性材料所构成，例如铜，但不限于此。在其他实施例中，间隔层18可以选自金属、氧化物或氮化物，其中，氧化物可以是氧化铝或氧化镁等，氮化物可以是氮化铝等。自由层20可以是由铁磁性材料所构成者，例如铁、钴、镍或其合金，但不限于此。其中，自由层20的磁化方向会受外部磁场而「自由」改变。

图1中所例示的长方体形的磁阻膜层结构1，其具有一长度L、宽度W及高度H，其中高度H为各单层厚度的总和。上述各层10～20均具有实质相同的长度L×宽度W之平面尺寸。上述各层10～20可以利用各种溅镀法、蒸镀法、分子束外延法或脉冲激光沉积法等方式形成，经过外加磁场的退火及冷却处理后，最后再以光刻及刻蚀工艺刻蚀出如图1中的长方体形的磁阻膜层结构。本发明的特征之一在于仅需以单一光掩膜及单一刻蚀步骤，图案化固定层10、被固定层12、正交耦合层14、参考层16、间隔层18及自由层20，即形成图1中的长方体形的膜层结构，此即，图1中的膜层结构的各层10～20均具有实质相同的平面尺寸(L×W)，仅有厚度上差异，如此使得工艺上达到简化之目的。

如图2所示，本发明感测胞1的膜层结构的长度L、宽度W及高度H可以分别对应到参考坐标Y轴、X轴及Z轴方向。根据本发明实施例，被固定层12的磁化方向(如箭头所指)可以被设定成平行于Y轴方向(但也可以是其它方向)，而参考层16的磁化方向(如箭头所指)是借由正交耦合层14的耦合效应，被设定成平行于X轴方向。换句话说，被固定层12的磁化方向与参考层16的磁化方向是彼此垂直的。在此例中，自由层20的易磁化轴乃平行于其长度方向，故其磁化方向即平行于Y轴方向，而本发明感测胞1的膜层结构中的参考层16的磁化方向是被设定垂直于所述层长度方向，即平行于宽度方向，此为本发明的主要特征之一。

实例一

请参阅图3，其为依据本发明另一实施例所绘示的感测胞的膜层结构侧视示意图。如图3所示，感测胞1a可以是一长方体结构或具有长、短轴的三维立体膜层结构，由下至上包含有一基板100上、一黏着层102、一晶种层104、一固定层110、一被固定层112、一正交耦合层114、一参考层116、一间隔层118、一自由层120，以及一上盖保护层122。其中，依据本发明实施例，基板100可以是二氧化硅基板，黏着层102可以是厚度约3.5nm的钽金属层，晶种层104可以是厚度约2nm的铜金属层。

图3中的层110～120类似于图1及图2中所描述者。依据本发明实施例，固定层110可以是厚度约8nm的铱锰，被固定层112可以是厚度约1nm的Co₉₀Fe₁₀，正交耦合层114可以是厚度约2nm的NiFeO_X。参考层116可以是厚度约2.5nm的Co₉₀Fe₁₀，间隔层118可以是由厚度约3nm的铜金属层，自由层120可以是厚度约5nm的Ni₈₀Fe₂₀，上盖保护层122可以是厚度约3.5nm的钽金属层。

实例二

请参阅图4，其为依据本发明又另一实施例所绘示的感测胞的膜层结构侧视示意图。如图4所示，感测胞1b可以是一长方体结构或具有长、短轴的三维立体膜层结构，由下至上包含有一基板100上、一黏着层102、一晶种层204、一固定层110、一被固定层112、一正交耦合层214、一参考层116、一间隔层118、一自由层120，以及一上盖保护层122。其中，依据本发明实施例，基板100同样可以是二氧化硅基板，黏着层102可以是厚度约3.5nm的钽金属层，固定层110同样可以是厚度约8nm的铱锰，被固定层112可以是厚度约1nm的Co₉₀Fe₁₀，参考层116可以是厚度约2.5nm的Co₉₀Fe₁₀，间隔层118可以是由厚度约3nm的铜金属层，自由层120可以是厚度约5nm的Ni₈₀Fe₂₀，上盖保护层122可以是厚度约3.5nm的钽金属层。

图4中的感测胞1b与图3中的感测胞1a的差别在于：图4中的感测胞1b的正交耦合层214是厚度约2nm的氧化铁(FeOx)，而晶种层204则是厚度约2nm的铂金属层。申请人发现使用FeOx正交耦合层214搭配铂晶种层204可以使感测胞1b有更好的耐温特性。

同样地，图3及图4中长方体形的磁阻膜层结构仅为例示。在其他实施例中，从上往下看时，磁阻膜层结构也可以被图案化成其它具有长、短轴的图案，包括矩形、椭圆、菱形、卵形、橄榄形或眼形等等。

实例三

请参阅图5，其为依据本发明又另一实施例所绘示的感测胞的膜层结构侧视示意图。如图5所示，感测胞1c可以是一长方体结构或具有长、短轴的三维立体膜层结构，由下至上包含有一基板100上、一黏着层102、一晶种层204、一固定层110、一被固定层312、一钴金属层313、一正交耦合层214、一钴金属层315、一参考层316、一间隔层118、一自由层120，以及一上盖保护层122。其中，依据本发明实施例，基板100同样可以是二氧化硅基板，黏着层102可以是厚度约3.5nm的钽金属层，固定层110同样可以是厚度约8nm的铱锰，被固定层312可以是厚度约1nm的Ni₈₀Fe₂₀，参考层316可以是厚度约2.5nm的Ni₈₀Fe₂₀，间隔层118可以是由厚度约3nm的铜金属层，自由层120可以是厚度约5nm的Ni₈₀Fe₂₀，上盖保护层122可以是厚度约3.5nm的钽金属层。

图5中的感测胞1c与图4中的感测胞1b的差别在于：在图5中的感测胞1c，正交耦合层214与被固定层312之间以及正交耦合层214与参考层316之间是分别设有钴金属层313、315的，其厚度可以是0.5nm，以进一步提升耐温特性。

在其他实施例中，钴金属层313与被固定层312之间或者钴金属层315与参考层316之间还可额外分别设置一钌(Ruthenium)金属层，其具有减少磁阻膜层结构之外露磁场的功效，使参考层316与被固定层312的外露磁场不影响自由层的磁化方向。再者，也可在不设置钴金属层313、315的情况下直接以铁磁材料层及钌金属层来取代钴金属层313、315，或者在钴金属层上另外设置铁磁材料层及钌金属层，其目的也为提供更佳的磁场感应效果。

同样地，图5中长方体形的磁阻膜层结构仅为例示。在其他实施例中，从上往下看时，磁阻膜层结构也可以被图案化成其它具有长、短轴的图案，包括矩形、椭圆、菱形、卵形、橄榄形或眼形等等。

场退火方法

图6为一流程图，其例示一种场退火流程60。首先，步骤62，在室温下，对图1中的长方体形的磁阻膜层结构1施加一外部磁场。接着，步骤63，升温至阻却温度，使得反铁磁层暂时无法固定邻近铁磁层磁化方向。然后，步骤64，在外部磁场存在下，继续进行高温退火。步骤65，接着将温度降至室温。最后，步骤66，移除外部磁场。经由上述退火流程，可以使得交换偏耦(exchange bias)及正交耦合层14的正交耦合方向可以被随意控制。

如图7所示，图中例示出具有长、短轴的长方体形磁阻膜层胞80（膜层结构同图1所示）的上视图，其参考层的磁化方向92垂直于退火时的外部磁场方向90，而与自由层的磁化方向82有一夹角θ。其中夹角θ可以是介于0至180度的任意角度，由场退火过程的外部磁场方向决定。较佳来说，夹角θ可以是45度的整数倍，如45度、90度、135度等。其中外部磁场方向与感测胞的膜层结构的长度方向不平行，故又可称其为「偏轴(off-axis)设定」。

图8例示出另一种场退火流程160。首先，步骤162，升温至阻却温度。步骤163，进行高温退火，并在高温退火过程中施加短暂脉冲式外部磁场。步骤164，将温度降至室温。

图9例示出另一种场退火流程260。首先，步骤262，在室温下，对磁阻膜层结构施加一外部磁场。步骤263，升温至阻却温度，使得反铁磁层暂时无法固定邻近铁磁层磁化方向。步骤264，然后，移除外部磁场，再进行高温退火。步骤265，将温度降至室温。

图10例示出又一种场退火流程360。首先，步骤362，在室温下，对磁阻膜层结构施加一外部磁场。步骤363，移除外部磁场，升温至阻却温度，使得反铁磁层暂时无法固定邻近铁磁层磁化方向。步骤364，再进行高温退火。步骤365，将温度降至室温。

二轴与三轴磁场传感器

上述本发明的感测胞膜层结构可用来制作磁场感测组件，以下将列举两实施例来详细说明本发明二轴与三轴磁场感测组件的两种不同的感测胞设置方式以及其中参考层、自由层的磁化方向以及其与外部磁场与交换偏耦方向的相对关系：

实例一

图11A与图11B分别例示出根据本发明一实施例中磁场传感器的侧视示意图以及其对应的上视示意图。如图11A所示，本发明的磁场传感器组件至少包含有三种感测胞，分别是成对设置的感测胞411～414、感测胞421～424以及感测胞431～434，其中感测胞411～414是用以感测X轴向磁场，感测胞421～424用以感测Y轴向磁场，而感测胞431～434用以感测Z轴向磁场，三轴向互相垂直，达成三度空间的磁场感测。在本实施例中，感测胞411～414与感测胞421～424皆设置在基板400平面上，用以感测基板平面上的双轴（如X轴与Y轴）磁场变化，图中分别表示出感测胞411～414的短轴方向横断面以及感测胞421～424的长轴方向横断面，而感测胞431～434则设置在基板400上一突起部402的两侧斜面上，其可感测到Z轴向的磁场分量，图中表示出感测胞431～434的短轴方向横断面。感测胞411～414、感测胞421～424以及感测胞431～434的膜层结构皆可设计成详如第2图所示结构，于此不再多加赘述其膜层组成与材质。对本发明而言，用以感测不同轴向的感测胞411～414、感测胞421～424以及感测胞431～434可具有相同的膜层结构，其差别仅在于，因为感测胞所欲感测的磁场轴向不同，而有不同的位向配置或是不同的参考层与自由层的磁化方向夹角。

接下来，请参照图11B，其描绘出上述磁场传感器的感测胞布局的上视示意图。为说明方便之故，图中也显示出场退火时的外部磁场方向90以及交换偏耦方向91a、91b，须注意本实施例中的感测胞共具有两个不同的交换偏耦方向91a、91b，其中的交换偏耦方向91a平行参考坐标X轴，交换偏耦方向91b平行参考坐标Y轴，场退火时的外部磁场方向90相对于参考坐标X轴则呈45度方向。

复如图11B所示，本发明的磁场传感器包含有至少一X轴向感测单元410、至少一Y轴向感测单元420、以及至少一Z轴向感测单元430，其中X轴向感测单元410是由四个感测胞411～414所构成，且四个感测胞411～414彼此互连成一惠斯登电桥(Wheatstone Bridge)，Y轴向感测单元420由四个感测胞421～424所构成，且四个感测胞421～424彼此互连成一惠斯登电桥，Z轴向感测单元430同样由四个感测胞431～434所构成，且四个感测胞431～434彼此互连成一惠斯登电桥。三个感测单元410、420以及430分别感测不同轴向磁场变化。

对X轴向感测单元410而言，感测胞411～414的长轴方向及自由层磁化方向82相同，均为平行参考坐标Y轴。感测胞411及413的参考层磁化方向92”相同（朝向负X轴方向）。感测胞412及414的参考层磁化方向92'相同（朝向正的X轴方向）。就此实施例的布局而言，感测胞411及413的参考层磁化方向92”以及感测胞412及414的参考层磁化方向92'均垂直于其长轴方向及自由层磁化方向82。

对Y轴向感测单元420而言，感测胞421～424的长轴方向及自由层磁化方向82相同，均为平行参考坐标X轴（朝向正X轴方向）。感测胞421及423的参考层磁化方向92'相同（朝向正Y轴方向）。感测胞422及424的参考层磁化方向92”相同（朝向负的Y轴方向）。感测胞421及423的参考层磁化方向92'以及感测胞422及424的参考层磁化方向92”均垂直于其长轴方向及自由层磁化方向82。

对Z轴向感测单元430而言，感测胞431～434的长轴方向及自由层磁化方向82相同，可均为平行参考坐标Y轴（朝向正Y轴方向）。四个感测胞431～434的参考层磁化方向92'皆相同（朝向正X轴方向），均垂直于其长轴方向及自由层磁化方向82。此Z轴向感测胞431～434的长轴方向可为任意方向，较佳者为45度的整数倍。

在此例中，退火方式可采用图8中的场退火流程160、图9中的场退火流程260或图10中的场退火流程360，因此其交换偏耦方向可由外加磁场90在感测胞的长轴轴向上的分量方向决定，故有两个不同的交换偏耦方向91a、91b。

须注意，上述实施例也可以有不同的变化，例如，感测胞411、413、431、433的自由层磁化方向可以与感测胞412、414、432、434的自由层磁化方向相反，即朝向负Y轴方向。而感测胞422、424的自由层磁化方向可以与感测胞421、423的自由层磁化方向相反，即朝向负X轴方向，端视发明的需求而定。另一方面，须注意尽管上述实施例中各感测单元中的四个感测胞是设计成彼此互连成一惠斯登电桥，然上述设计仅为本发明的一优选例示实施例，在实际的应用中感测单元中的感测胞也可仅为并列或串行的，且图中的每单元四个感测胞数量也仅为例示，在其它实施例中，其也可以有不同数量的感测胞设置。

实例二

图12A与图12B分别例示出根据本发明另一实施例中三轴磁场传感器组件的侧视示意图以及其对应的上视示意图。本实施例与前述实施例的差别在于感测胞的布局方式与交换偏耦方向以及外加磁场方向。如图12B所示，本实施例中的场退火时外部磁场方向90是朝向正Y轴方向，且X轴向感测单元510与Y轴向感测单元520的感测胞都设置成与X轴和Y轴呈45度角，而Z轴向感测单元530则设置成与前述实施例一样，长轴方向平行于Y轴方向。在如此感测胞设置下，各个感测单元510、520以及530会具有相同的交换偏耦方向91（朝向正Y轴方向），与外部磁场方向90同向。

复如图12B所示，本发明的三轴磁场传感器组件包含有至少一X轴向感测单元510、至少一Y轴向感测单元520、以及至少一Z轴向感测单元530，其中X轴向感测单元510是由四个感测胞511～514所构成，且四个感测胞511～514彼此互连成一惠斯登电桥，Y轴向感测单元520由四个感测胞521～524所构成，且四个感测胞521～524彼此互连成一惠斯登电桥，Z轴向感测单元530同样由四个感测胞531～534所构成，且四个感测胞531～534彼此互连成一惠斯登电桥。三个感测单元510、520以及530分别感测不同轴向磁场变化。

对X轴向感测单元510而言，感测胞511及513的长轴方向及自由层磁化方向82相同，均为与参考坐标X轴呈45度角的方向，感测胞512及514的长轴方向及自由层磁化方向相同，均为与参考坐标X轴呈135度角的方向。如此，感测胞511及513的长轴方向会垂直于感测胞512及514的长轴方向。感测胞511～514的参考层磁化方向92’则垂直于场退火时的外部磁场方向90，其中感测胞511及513的参考层磁化方向92”朝向正X轴方向，感测胞512及514的参考层磁化方向92’朝向负Y轴方向。

对Y轴向感测单元520而言，感测胞521及523的长轴方向及自由层磁化方向相同，均为与参考坐标X轴呈负45度角的方向，感测胞522及524的长轴方向及自由层磁化方向相同，均为与参考坐标X轴呈正45度角的方向，如此感测胞521及523的长轴方向会垂直于感测胞522及524的长轴方向。感测胞521～524的参考层磁化方向92’均相同（朝向正Ｘ轴方向），垂直于场退火时的外部磁场方向90。在此例中，同样利用图6中的退火方式60，全程施加外加磁场，所以交换偏耦方向91会与外部磁场方向90同向。

对Z轴向感测单元530而言，感测胞531～534的长轴方向及自由层磁化方向82相同，均为平行参考坐标Y轴（朝向正Y轴方向）。四个感测胞531～534的参考层磁化方向92'皆相同（朝向正X轴方向），均垂直于其长轴方向及自由层磁化方向82。在此例中，同样利用图6中的退火方式60，全程施加外加磁场，所以交换偏耦方向91会与外部磁场方向90同向。

须注意，上述实施例也可以有不同的变化，例如，感测胞521～524的自由层磁化方向可以转为完全反向，或者是感测胞511～514的参考层磁化方向92'转为完全反向，即朝向负X轴方向，端视发明的需求而定。另一方面，须注意尽管上述实施例中各感测单元中的四个感测胞是设计成彼此互连成一惠斯登电桥，然上述设计仅为本发明的一优选例示实施例，在实际的应用中，感测单元中的感测胞也可仅为并列或串行的，且图中的每单元四个感测胞数量也仅为例示，在其它实施例中，其也可以有不同数量的感测胞设置。

对于上述本发明实例一与实例二而言，由于各感测胞的膜层结构均相同且具有同样的长宽尺寸，故其皆仅需以单一光掩膜以及单一的刻蚀步骤即可同时将图中所示各感测单元中各个感测胞的界定在一单一芯片上，因此本发明设计可达到简化工艺并降低成本的功效。

接下来请参照图13，其为图11A与图11B的放大示意图，可更清楚地表示出基板突起部上感测胞的设置位向以及其参考层与自由层的磁化方向。如图13所示，感测胞431～434是成对设置在突起部402两侧的斜面402a上。感测胞431～434被设置成其长轴方向与Y轴平行，而参考层磁化方向与斜面402a平行。更具体言之，其自由层磁化方向82朝向正Y轴方向，参考层磁化方向92’会产生一个X轴上的分量x与Z轴上的分量z。故此，位在斜面上的感测胞431～434可以受到Z轴向的外部磁场影响而导致自由层的磁化方向82有所改变，借以量测出Z轴向的磁场变化。须注意在本发明中突起部402也可设计成一凹入部实施例，如此也可提供斜面来供感测胞431～434设置。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (28)

1.一种磁阻膜层结构，其特征在于，包含：

一固定层；

一自由层；

一被固定层，介于所述固定层与所述自由层之间，并与所述固定层直接接触；

一正交耦合层，介于所述被固定层与所述自由层之间，并与所述被固定层直接接触；

一参考层，介于所述正交耦合层与所述自由层之间，并与所述正交耦合层直接接触；以及

一间隙壁层，介于所述参考层与所述自由层之间，并与所述参考层及所述自由层直接接触。

2.根据权利要求1所述的磁阻膜层结构，其特征在于，所述正交耦合层与所述被固定层之间以及所述正交耦合层与所述参考层之间分别设有钴金属层。

3.根据权利要求2所述的磁阻膜层结构，其特征在于，所述钴金属层与所述被固定层之间或所述钴金属层与所述参考层之间设有钌金属层。

4.根据权利要求3所述的磁阻膜层结构，其特征在于，所述钴金属层与所述钌金属层之间设有铁磁性材料层。

5.根据权利要求1所述的磁阻膜层结构，其特征在于，所述正交耦合层与所述被固定层之间或所述正交耦合层与所述参考层之间设有铁磁性材料层及钌金属层。

6.根据权利要求1所述的磁阻膜层结构，其特征在于，所述固定层形成在一基板上。

7.根据权利要求6所述的磁阻膜层结构，其特征在于，所述基板与所述固定层之间另包含有一黏着层及一晶种层。

8.根据权利要求1所述的磁阻膜层结构，其特征在于，所述被固定层的磁化方向与所述参考层的磁化方向彼此垂直。

9.根据权利要求1所述的磁阻膜层结构，其特征在于，所述磁阻膜层结构为具有长轴和短轴的三维立体膜层结构，且所述磁阻膜层结构中的各层都具有相同的平面尺寸。

10.根据权利要求1所述的磁阻膜层结构，其特征在于，所述参考层的磁化方向与所述自由层的磁化方向之间具有一夹角θ，所述夹角θ介于0度至180度之间。

11.根据权利要求10所述的磁阻膜层结构，其特征在于，所述夹角θ是45度的整数倍。

12.根据权利要求1所述的磁阻膜层结构，其特征在于，所述正交耦合层包含有氧化镍铁、氧化铁、氧化镍、氧化钴铁或氧化镁。

13.根据权利要求1所述的磁阻膜层结构，其特征在于，所述固定层是由反铁磁性材料所构成。

14.一种磁场传感器，其特征在于，包含：

一基板；

至少一第一感测胞，其包含有根据权利要求1,2,3,4或5所述的磁阻膜层结构并设置在所述基板的一平面上用以感测一第一轴向的磁场变化；以及

至少一第二感测胞，其包含有根据权利要求1,2,3,4或5所述的磁阻膜层结构并设置在所述基板的一平面上用以感测一第二轴向的磁场变化，其中所述第一感测胞以及所述第二感测胞皆具有长轴与短轴，且所述第一感测胞的长轴方向与所述第二感测胞的长轴方向互相垂直。

15.根据权利要求14所述的磁场传感器，其特征在于，所述第一感测胞的长轴方向与所述第一感测胞的自由层磁化方向平行，所述第二感测胞的长轴方向与所述第二感测胞的自由层磁化方向平行。

16.根据权利要求15所述的磁场传感器，其特征在于，所述第一感测胞的参考层磁化方向与所述第一感测胞的长轴方向具有一第一夹角，所述第二感测胞的参考层磁化方向与所述第二感测胞的长轴方向具有一第二夹角。

17.根据权利要求16所述的磁场传感器，其特征在于，所述第一夹角与所述第二夹角相同。

18.根据权利要求14所述的磁场传感器，其特征在于，多个所述第一感测胞构成第一感测单元，用以感测所述第一轴向的磁场变化，多个所述第二感测胞构成第二感测单元，用以感测所述第二轴向的磁场变化。

19.根据权利要求14所述的磁场传感器，其特征在于，多个所述第一感测胞互连成第一惠斯登电桥，多个所述第二感测胞互连成第二惠斯登电桥。

20.一种磁场传感器，其特征在于，包含：

一基板；

至少一第一感测胞，包含有根据权利要求1,2,3,4或5所述的磁阻膜层结构并设置在所述基板的一平面上用以感测一第一轴向的磁场变化；

至少一第二感测胞，包含有根据权利要求1,2,3,4或5项所述的磁阻膜层结构并设置在所述基板的所述平面上用以感测一第二轴向的磁场变化；

至少一第三感测胞，包含有根据权利要求1,2,3,4或5项所述的磁阻膜层结构并设置在所述基板的一斜面上用以感测一第三轴向的磁场变化；

其中所述第一感测胞、所述第二感测胞以及所述第三感测胞都包含有长轴与短轴，且所述第一感测胞的长轴方向、所述第二感测胞的长轴方向以及所述第三感测胞的长轴方向互相垂直。

21.根据权利要求20所述的磁场传感器，其特征在于，所述第一感测胞的长轴方向与所述第一感测胞的所述自由层的磁化方向平行，所述第二感测胞的长轴方向与所述第二感测胞的所述自由层的磁化方向平行，所述第三感测胞的长轴方向与所述第三感测胞的所述自由层的磁化方向平行。

22.根据权利要求21所述的磁场传感器，其特征在于，所述第一感测胞的所述参考层的磁化方向与所述第一感测胞的长轴方向具有一第一夹角，所述第二感测胞的所述参考层的磁化方向与所述第二感测胞的长轴方向具有一第二夹角，所述第三感测胞的所述参考层的磁化方向与所述第三感测胞的长轴方向具有一第三夹角。

23.根据权利要求22所述的磁场传感器，其特征在于，所述第一夹角、所述第二夹角以及所述第三夹角相等。

24.根据权利要求23所述的磁场传感器，其特征在于，所述第一夹角、所述第二夹角以及所述第三夹角均为90度。

25.根据权利要求22所述的磁场传感器，其特征在于，所述第三夹角不相同于所述第一夹角以及所述第二夹角。

26.根据权利要求25所述的磁场传感器，其特征在于，所述第一夹角与所述第二夹角为45度，所述第三夹角为90度。

27.根据权利要求20所述的磁场传感器，其特征在于，多个所述第一感测胞构成一第一感测单元，用以感测所述第一轴向的磁场变化，多个所述第二感测胞构成一第二感测单元，用以感测所述第二轴向的磁场变化，多个所述第三感测胞构成一第三感测单元，用以感测所述第三轴向的磁场变化。

28.根据权利要求20所述的磁场传感器，其特征在于，另包含多个所述第一感测胞互连成一第一惠斯登电桥，多个所述第二感测胞互连成一第二惠斯登电桥，多个所述第三感测胞互连成一第三惠斯登电桥。