TW201213833A - Structure of TMR and fabrication method of integrated 3-axis magnetic field sensor and sensing circuit - Google Patents

Description

201213833 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是關於磁場感測裝置，更具體而言是關於可用 作電子羅盤（electronic compass)的單晶片集成式3轴磁 場感測器（3-axis magnetic field sensor)。 【先前技術】 電子羅盤已設置於各種電子產品中以用於改進性能。 舉例來說’電子羅盤可用於全球定位系統(GPS)中以改進感 測能力。GPS中的前進方向是通過物體的移動 缺 而’當速錢或甚至處於靜止位置時，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（magnet㈣咖加二。 磁阻元件包括異向性磁電阻器（㈣输〇pic magneto-resistor，AMR )、巨磁電阻哭（細扮 magneto-resistor，GMR )和穿隧式磁電阻器（（麵 magnet〇_reSiSt〇r ’ ™R)的磁阻元件，具有比霍爾元件靈 的優點’且其後端製程也容易與CM〇s的前端製程 異向性磁電阻器磁場感測器已經商品化，但僅限於最 多2軸（2删）的集成式晶片類型。異向性磁電阻器可以 使用45度的短路條，技所謂螺絲紋條狀桿偏壓結構 (BarberP〇lebiaS)’從而以雙向（bipolar)模式工作。巨磁 201213833 電阻器具有比異向性磁電阻器大的磁阻比 (magneto-resistance ratio，MR )’然而巨磁電阻器卻難以 在雙向模式下操作，一般僅使用單向（unip〇lar)模式來感 測磁場的數值。近年來，高磁阻比穿隧式磁電阻器的實 現引起更大的注意力，而僅有少數單軸磁場感測器產品有 成品出售。非預期地，穿隧式磁電阻器結構和磁性薄膜的 特性反而限制其多軸磁場感測器的可行性。 圖1A至圖1B為用於磁場感測器95的典型穿隨式磁 電阻器圖式，其包括：由導電金屬形成的底板作為形成於 基板90上的底部電極1〇2 ;磁性穿隧接面（Magnetic Tunneling Junction ’ MTJ)元件 110，形成於底部電極 1〇2 上，及由導電材料形成的頂板作為形成於磁性穿隨接面元 件110上的頂部電極106。從磁性穿隨接面元件的結構圖 案，我們可以定義一相交點於中心處的十字形線，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1〇1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設置於底部電極102與頂部電 極106之間。磁性材料的固定層112形成於底部電極1〇2 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形成於固定層112上。磁性材料的自由 層U6形成於穿隧層115上，且具有在開始時與易軸18〇 平行的第一自由磁距118。 在形成磁性穿隧接面元件之後’例如是磁性薄膜堆疊 6 201213833 和圖案敍刻後，通過在退火製程期間施加一 易軸180垂直的磁場。於退火製程之後，第一固定磁= 將會平行所述磁場的方向，而磁性穿隨接面元件ιι〇的^ 狀異向性會使第-自由磁距118傾向與易轴平行。因广 穿隧式磁電阻器的磁場感测方向垂直 -，水平極化材料的，層通=::::場 (dem—fidd)，限制自由層和固定層的磁^ 在躺在磁性薄膜的平面上轉動，但_站立於磁性薄臈^ 平面。因此m磁電阻器的典型結難可適用於 面(in-plane)磁場感測器。 ^ 、、通過異向性磁電阻器或甚至巨磁電阻器，可以實現集 成式的水平熟磁場制||，但其佔據面積大小相當大’。、 由於其極低的電阻率’元件長度必須足夠長以達到可用於

感測磁場的值。圖2A至圖2為全範圍與半範圍惠斯頓電 橋電路（Wheats— bridge circuit)的示意圖式。如圖2A 所不二惠斯頓電橋電路是一般常採用來將感測訊號轉換為 電子信號的方法。對於異向性磁電阻器磁性感測器，電橋 的每個元件RU、R2卜R12、R22都是串聯連接的一些具 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（sh〇rtingbarangie)都互補， 使得電橋對稱且能全範圍操作。然而，對於巨磁電阻器或 穿隧式磁電阻器磁場感測器，由於其對稱的磁阻與磁場特 1"生，因此兩個元件R21、R12必須被遮蔽（如圖2B所示） 僅使用半範圍操作。由於穿隧式磁電阻器的磁阻比較高， 201213833 ，對稱的半=作會導致電橋輸出失去線性度 (linearity)和準確度。 丄：性的限制，若是要使用磁電阻 器來感測方向與基板垂直的磁場，—般是將磁電阻器置於 製作於基板上的斜面上，藉由_於斜面上的磁場分量的 方式來達成。異向性磁電阻器的挑财在於其需要大的斜 面面積，且45度的螺絲紋條狀桿對於微影（卿hy) 和侧製程是個難題。㈣型扣式磁電__定磁矩 方向受到退讀㈣磁場方向限制，無法製作集成式多轴 的磁場感測器。 電子羅盤應用通常需要制χ_γ_ζ方向上的地磁場 (geo-magnetic field)分量。到目前為止，傳統電子羅盤 晶片通吊包裝二個單獨的磁場感測器來分別感測地磁場的 每-，方向的分量。如何設計3軸向的集成式低成本磁場 感測器，在此項技術中一直是很熱門的題目。 【發明内容】 本發明同時提出一種用以感測磁場的穿隧式磁電阻器 (Tunneling Magneto-Resistor，TMR)結構和一種在基板 上形成3軸向的集成式磁場感測器的製造方法。 在本發明的實施例中，一種穿隧式磁電阻器磁場感測 結構包括底部電極、第一磁性穿隧接面元件、第二磁性穿 隧接面元件和頂部電極。第一磁性穿隧接面元件包括：磁 性材料的第一固定層，其位於底部電極上、具有處於一固 8 201213833 定方向上的第一固定磁距；非磁性材料的第一穿隧層，其 設置於第一固定層上；及磁性材料的第一自由層，其設^ 於第-穿隨層上、具有平行於易軸的第_自由磁距，且所 述固定方向與易軸之間形成夾角。第二磁性穿隨接面元件 與第一磁性穿隧接面元件具有相同的磁性薄膜結構與圖 案，包括：磁性材料的第二固定層’其位於底部電極^、 具有在前述固定方向上的第二固定磁距；非磁性材料的第 二穿隧層，其設置於第二固定層上；及磁性材料的第二自 由層，其設置於第二穿隧層上、具有平行於易軸的第二自 由磁距。所述頂部電極連接第一自由層與第二自由層。第 一自由磁距和第二自由磁距在初始狀態下平行於易軸，但 相互反平行。所述固定方向與易軸之間的夾角實質上為45 度或135度。 在本發明的貫施例中’一種在平面(in_plane)磁場感測 器包括基板、穿隧式磁電阻器磁性感測結構和金屬線路 控。所述穿隧式磁電阻器磁性感測結構包括位於基板上的 底部電極、第一磁性穿隧接面元件、第二磁性穿隧接面元 件、頂部電極。第一磁性穿隧接面元件包括：磁性材料的 第一固定層，其位於底部電極上、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層，其設置於第一 固定層上；及磁性材料的第一自由層，其設置於第一穿隧 層上、具有平行於易軸的第一自由磁距，且所述固定方向 與易軸之間形成夾角。第二磁性穿隧接面元件與第一磁性 穿隧接面元件具有相同的磁性薄膜結構與圖案，包括：磁 201213833 性材料的第二固定層，其位於底部電極上、具有在所述固 疋方向上的第二固定磁距；非磁性材料的第二穿隧層，其 S史置於第二固定層上；及磁性材料的第二自由層，其設置 於第二穿隧層上、具有平行於易軸的第二自由磁距。所述 頂部電極連接第-自由層與第二自由層。所述金屬線路徑 跨過第一磁性穿隧接面元件和第二磁性穿隧接面元件。在 初始狀態下，以電流通過所述金屬線路徑而產生磁場，第 與第一磁性穿_面元件分別受到平行於f軸但方向相 反的磁場’使得第—自由磁距和第二自由磁距被設定為平 行於易軸但是相互反平行。所述固定方向與易軸之間的夾 角實質上為45度或135度。磁場感測方向垂直於基板上的 ^本發㈣實施财，—種2轴的在平面磁場感測器 ^括基板、第—在平面磁場❹i器和第二在平面磁場感測 二所㈣-在平面磁場感㈣具有第—固定方向和第一 -屆以所述第一在平面磁場感測器具有第二固定方向和第 述第—㈣正交於第二料，且所述第一固定 di二t. 一固定方向都平行於平分方向（bisection 45/Γ) ’所述平分方向分別與第—易軸和第二易軸具有 性感磁場感測器包括第—穿隧式磁電限器磁 =感測結構包括:位於基板上的第 元件，包括:磁性材料的第二=^ 固疋層位於第-底部電極上、具有在第—固定方向上的 201213833 :非磁性材料的第-穿隧層，其設置於所述 疋曰上，和磁性材料的第一自由 1 第一穿隧層上、具右认咕 /、ο又直不 笛m + 有膽第一易轴的第一自由磁距，立 —易軸之間形成第-失角；第二磁性穿 广部:’包括：磁性材料的第二固定層，其位於第〆 &。·電極上、具有處於所述第-©定方向的第二固定磁 距丨非磁H材料的第：穿闕，其設置於所述第二固定層 上’矛磁ϋ材料的第二自由層，其設置於所述第二穿隨層 上、具有平行於所述第—易軸的第二自由磁距；以及第一 頂部電極’其連接所述第—自由層與所述第二自由層；且 第-金屬線路徑跨顧述第—磁性雜接面元件和所述第 二磁性穿隨接面元件。在初始狀態下，以電流通過所述第 -金屬線路徑而產生磁場，第—與第二磁性穿面元件 分別受到平行於第一易軸但方向相反的磁場，使得第一自 由磁距和第二自由磁距被設定為平行於第一易軸但是相互 反平行。所述第一固定方向與第一易軸之間的第一夾角實 i上為45度或135度。第一在平面磁場感測器的磁場感測 方向垂直於基板上的第一易轴。所述第二在平面磁場感測 器包括第二穿隧式磁電阻器磁性感測結構和第二金屬線路 徑。所述第二穿隧式磁電阻器磁性感測結構包括：位於基 板上的第二底部電極；第三磁性穿隧接面元件，包括：磁 性材料的第三固定層，所述第三固定層位於第三底部電極 上、具有在第二固定方向上的第三固定磁距；非磁性材料 的第三穿隧層，其設置於所述第三固定層上；和磁性材料 11 201213833 的第三自由層’其設置於所述 第二易軸的第三自由磁距，且—穿隧層上、具有平行於 間形成第二夾角；第叫向與第二易軸之 料的第四固定層，其位於第 7^件’包括：磁性材 第二岐方向的第四固定磁_.° ^極上、具有處於所述

層，其設置於所述第四固定層上四C :的二Γ行於所述二易 所述第四自㈣；且第：_路辦=J 隨接面：：和所述第四磁性穿隨接面元件。在二態 下’以電^通過所述第二金屬線路徑而產生磁場，第三與 第四磁性㈣接面元件分毅到平行於第二料但方向相 反的磁場，使得第三自由磁距和第四自由磁距被設定為平 行於第二易軸但是相互反平行。所述第二固定方向與第二 易軸之間的第二夾角實質上為45度或135度，其中第二在 平面磁場感測器的磁場感測方向垂直於基板上的第二易 轴。 在本發明的實施例中，一種製作於基板上具有感測磁 場方向垂直於基板的出平面磁場感測器（〇ut-of-plane magnetic field sensor)’包括凹槽或凸起結構、第一穿隧式 磁電阻器磁場感測結構、第二穿隧式磁電阻器磁場感測結 構、和金屬線路徑。基板上的所述凹槽或凸起結構具有第 一斜面和第二斜面。第一斜面與第一斜面相對於基板具有 相同的斜角（bevel)且對於所述凹槽或凸起結構的中軸具 12 201213833 有對稱翻轉的關係。第一穿隧式磁電阻器磁場感測結構开^ 成於第一斜面上且具有第一固定方向和第一易軸，所逃^ 一穿隧式磁電阻器磁場感測結構包括：位於第一斜面上的 第一底部電極；第一磁性穿隧接面元件，包括：磁性材料 的第一固定層’所述第一固定層位於第一底部電極上、具 有在第一固定方向上的第一固定磁距；非磁性材料的第二 穿隧層，其設置於所述第一固定層上；和磁性材料的第二 自由層，其設置於所述第一穿隧層上、具有平行於第一 軸的第-自由磁距’且第-蚊方向與第—易轴之間 第-夾角；第二磁性穿隧接面元件，包括：磁性材料的 -固疋層，其位於第-底部電極上、具有處於所述第 定方向的第二固定磁距；非磁性材料的第二穿隨層， 置於所述第二固定層上；和磁性材料的第二自由屑，二: 置於所述第二穿隧層上、具有平行於所述第―易^^ 戶第:頂部電極，其連接所述第-自 於第二斜社，具有第二固定方向和第二綠，所=成 穿=磁電阻器磁場感測結構包括：位於第二斜面上= =固定：，所述第三固定層位於第二底部電極= 喊屏一Ξ疋方向上的第三固定磁距；非磁性材料的第:空 的第三自由磁距，且第二：亡^;有千仃於第二易軸 且弟一固定方向與第二絲 13 201213833 一夾角，第四磁性穿隧接面元件，其 四固定層’其位於第二底部電極上、、==，的第 定方向的⑸固 ’、有&於所述第二固 置^mi 材料的第四穿_，Μ 置於所、層上；和磁性材料的第四自由層，其:- ^ 穿關上、具有平行笛叹 自由磁距；r, n松iAir^L 丨 < 币一 #釉的第四 層盥所述— 其連接所述第三磁性自由 藝、+、ίΐ接面元件和所述第四磁性穿隨接面元件，且流 過斤述金騎路㈣可魅和 ^ =場:將第一自由磁距和第二自由磁距== 所述第一易軸但相互反平行，且產生平行於所 ，L弟一易軸但方向相反的磁場以將第三自由磁距和第四自 由磁距的初始狀態設定為平行於第二易軸但相互反平行。 第一易軸和第二易軸平行於所述凹槽或凸起結構的中軸。 第一穿隧式磁電阻器磁場感測結構的第—底部電極與第二 穿隨式磁電阻器磁場感測結構的第二底部電極相連接。第 穿隨式磁電阻器磁場感測結構的第一頂部電極與第二穿 隧式磁電阻器磁場感測結構的第二頂部電極相連接。 在本發明的實施例中，一種3軸集成式磁場感測器包 括基板、前述2轴的在平面磁場感測器和前述出平面磁場 感測器。所述2軸的在平面磁場感測器包括兩個在平面磁 場感測器，其中所述出平面磁場感測器的中軸平行於所述 兩個在平面磁場感測器的平分方向。 201213833 在本發明的實施例中，提供一種同時設定3軸磁場感 :益的各軸向的穿随式磁電阻器磁場感測結構的固定方向 、方/去通過在退火製程期間施加一傾斜磁場（siantwise ield)，該磁場與垂直於基板的Z軸具有仰角（zenith angle) ’其在基板上的投影也與X軸及γ軸具有衫度的 方位角戶斤述仰角的正切等於前述出平面磁場感測器所述 斜面之斜角的正弦。 ^據本發明’提供—種同時設定3軸磁場感測器的各 、由、11白、穿隨式磁電阻器磁場感測結構的固定方向的方法。 通過在退火製程期間施加雙向磁場方^，即同時施加水平 ^向垂直方向的磁場。垂直磁場平行於基板的2轴，水 二了^和Υ軸具有45度的方位角且與垂直磁場的 里b於刖述出面磁場感測器所述斜面之斜角的正弦。 祕炎Ϊ本&明的實施例中，提供—種用以將所感測磁場轉 換為電子信號的感測電路。所述電路由偏壓電壓單元、钳 =電流鏡單元和信號轉變放大單元構成。使用相同的 =感測料為零磁場參考器，但其自由磁距在磁場感測 Ί…被電机產生的磁場而鎖定於初始狀態。戶斤述偏壓電 2兀產生钳位賴施加給純轉電流鏡，並將該偏壓 ，以加至磁場感測11和零磁場參考ϋ。鉗位電壓電流鏡 令磁％參考$的參考電流映像給磁場感測器。磁場 ^ 的電導因感測磁場*改變，所以流過磁場感測器的 t疋零磁場參考電流與電導變化的感測電流的總和。電 g化的感戦流通過信號觀放大單元的t阻器而被轉 15 201213833 換為感測電壓。 前述減贿及以下詳細描料為示例性 、 曰在提供對所主張的本發明的進一步解釋。 【實施方式】 為進-步理解本發明，在本說明中包含附圖，這些附 圖包含於本制書巾並構成本朗#的—部分。這些附圖 繪不本發明的實施例並與本說明—細於_本發明的原 理。 、 在本發明中，同時提出一種用以感測磁場的穿隨式磁 電阻器結構以及-種在基板上形成積體式3財隨式磁電 阻器磁場感測器的配置和方法。提供若干實施例進行說 明，然而，本發明並不僅限於所述實施例。 為方便描述與清楚，本發明說明書内容之元件名稱全 名均以英文簡寫名稱替代，合先敘明。 圖3A至圖3B是根據本發明實施例的互補穿隧式磁電 阻器（mutual supplement tunneling magneto-resistor， MS-TMR)沿著的易軸處的線的剖視圖與俯視圖。在圖3A 至圖3B中，互補穿隧式磁電阻器10〇包括在基板9〇上由 導電材料（例如Ta、Ti、TiN、TaN、A卜Cu、Ru、…等 等）形成的底部電極102和由導電材料（例如Ta、Ti、TiN、 TaN、A卜Cu、Ru、…等等）形成的頂部電極i〇6、以及 設置於底部電極102與頂部電極1〇6之間的第一磁性穿隨 接面（Magnetic Tunneling Junction，MTJ)元件 ll〇a 及第 16 201213833 二磁性穿隧接面元件ll〇b。第一磁性穿隧接面元件11〇a 及第二磁性穿隨接面元件ll〇b具有共線的易轴。第— 磁性穿隧接面元件ll〇a包括形成於底部電極1〇2上的固定 層（pinned layer) 112a，其由磁性材料例如 NiFe、CoFe、

CoFeB、…等等所形成，且具有平行於固定方向14〇的第 一固定磁距114a ’所述固定方向140與易軸18〇夾有45 度角。由非磁性材料例如A10、MgO、…等等所形成的第 一牙随層115a形成於第一固定層ii2a上。由磁性材料例 如>^6、（：(^6、（：(^68、〜等等所形成的第一自由層116& 形成於第一穿隧層115a上，且具有在初始時與易軸18〇 平行的第一自由磁距118a。頂部電極106連接第一自由層 116a。 胃 第二磁性穿隧接面元件ll〇b具有與第一磁性穿隧接 面元件110a相同的圖案和磁性薄膜堆疊（filmstack)。第 二磁性穿隧接面元件ll〇b包括形成於底部電極1〇2上而由 磁性材料所形成的第二固定層112b，且具有也平行於相同 固定方向140的第二固定磁距114b。由非磁性材料形成的 第二穿随層115b形成於第二固定層112b上。由磁性材料 形成的第一自由層116b形成於第二穿隧層η %上，且具 有第二自由磁距118b，其在初始時平行於易軸18〇但與第 一自由磁距118a反平行。頂部電極1〇6連接第二 116b。 9 金屬線路徑108跨過第一磁性穿隧接面元件丨丨加和第 二磁性穿隨接面元件11%，且可施加設定電流w使其產 17 201213833 生磁場。施加於第一磁性穿隧接面元件11〇a和第二磁性穿 隧接面元件110b的磁場都平行於易細⑽但在方向上相 反’使第一自由磁距118a與第二自由1181)設定為反平行。 根據以上揭露内容，可自方程式⑴獲得互補穿随式 磁電阻器刚的電導。ffi 4A至圖4B為正規化電導對施 加磁场的計算與結果，其中也展示典型㈣式磁電阻器的 電導以供參考。

=Gp[l + G = + G3^/4 MR · ~ vrxsin0 ~ \ +MR ^ ] 其中 (2)(3) 0n/4 ^3π/4 Ά. π- [1 1 + MR c〇s(— + Θ) \ + MR ] ,MR/ Λ GPn l + -7r(c〇s^-sin0) :7[1 + —___ z l + MR 」 且

l + Mi?cos(—+ ^) -- l + MR

% MR f Λ G„ 1 + 7f(-C〇s0. l + MR '[I- sin0) 方程式（2)和方程式（3)分別是第一磁性穿隧接面 元件110a和第二磁性穿隧接面元件ii〇b的導電率。第― 磁性穿隧接面元件110a與第二磁性穿隧接面元件11%假 設具有相同材料參數’其中MR是磁阻比 (magneto-resistance ratio) ’ GP是在自由層磁距平行於固 定層磁距時的電導，且Θ是在所施加礤場Hi垂直於易軸時 自由磁距與易轴之間的炎角。假定所施加的磁場小於磁性 201213833 v sin 穿隧接面元件的績頑場（C〇ercivity ) Hc，則 ^，則可 如方程式（4)所述’電導與施加磁場呈線性關係。 1 MRH± (4) G=GP[\+β Η^λ l + MR 〇 圖5Α至圖5Β展示互補穿隧式磁電阻器ι〇〇的微磁學 模擬，證明電導與施加磁場的線性關係，其中第一磁性穿 隧接面元件ll〇a與第二磁性穿隧接面元件11〇b具有相同 的橢圓形狀（長軸為2微米，且短軸為i微米）、相同的自 由層厚度ιοΑ、自由層和固定層的飽和磁化量Ms=1〇〇〇 emu/cc以及固定層的異向性常數Ku=8〇〇 erg/cc。在此實例 中，互補穿隧式磁電阻器100的電導隨著所施加磁場的增 大而線性的減小。當固定方向反向時，則電導則線性的增 圖6疋根據本發明實施例之2轴的在平面磁場感測器 的圖式。在2軸的在平面磁場感測器的以下實施例中例 如所述多個互補穿隧式磁電阻器等的元件被標記為具有重 新開始的元件編號以易於描述。X軸磁場感測器包括具有 平仃於Y軸的第一易軸18〇和第一固定方向14〇的第一互 =穿随式磁電阻器⑽以及第—金屬線路徑1()8。丫轴磁 場感測器包括具有平行於X軸的第二易轴280和第二固定 方，24。的第二互補雜式磁電阻H 2。。以及第二金屬線 路咎208。第一固定方向140和第二固定方向240都平行 201213833 於座標系的平分方向350，相對於基板上的X軸和Y細具 有45度角。第一互補穿隧式磁電阻器100在本發明的所 有實例中都與圖3Α至圖3Β中所述具有相同的結構和編號 以易於描述，且下文不再贅述。第一互補穿隧式磁電阻器 100包括‘具有第一固定磁距114a和第一自由磁距11 % 的第一磁性穿隧接面元件ll〇a;以及具有第二固定磁距 114b和第二自由磁距U8b的第二磁性穿隧接面元件 110b。第一固定磁距H4a和第二固定磁距114b都平行於 第一固定方向140。第一自由磁距118a與第二自由磁距 118b在初始時是平行於第一易轴180但相互反平行。第二 互補穿隧式磁電阻器200與圖3A至圖3B中所述具有相 同的結構’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元件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元 件210b。第三固定磁距214a和第四固定磁距214b平行於 第二固定方向240。第三自由磁距218a與第四自由磁距 218b在開始時平行於第二易軸280但相互反平行。 在圖7A至圖7C中’描述一 z軸磁場感測器的俯視圖 及沿A-A’的剖視圖。Z軸磁場感測器295是形成於第一斜 面360a上的第一穿隧式磁電阻器310與形成於第二斜面 360b上的第二穿隧式磁電阻器320的並聯連接。第一穿 隧式磁電卩旦器310和第二穿隧式磁電阻器320與圖1A至 圖1B中所述的典型穿隧式磁電阻器具有相同結構。第一 斜面360a與第二斜面360b相對於基板具有相同的斜角， 20 201213833 且相對於基板上的凹槽結構370或凸起結構39〇的中軸 305具有對稱翻轉的關係。第一穿隧式磁電阻器310與第 二穿随式磁電阻器320具有相同的圖案和相同的磁性薄 膜堆疊。第一穿隧式磁電阻器310具有在初始時平行於第 一易軸380a的第一自由磁距318和具有平行於第一固定方 向340a的第一固定磁距314。第一易軸38〇a平行於基板 上的中軸305，且第一固定方向340a沿第一斜面36〇a並 垂直於第一斜面360a上的第一易軸380a。第二穿隨式磁 電阻器320具有在初始時平行於第二易軸38〇b的第二自 由磁距328和具有平行於第二固定方向340b的第二固定磁 距324。第二易軸380b也平行於基板上的中軸3〇5，且第 二固定方向340b沿第二斜面360b並垂直於第二斜面36〇b 上的第二易軸380b。第一固定方向340a和第二固定方向 340b都是向上或者向下。因為每一個穿隧式磁電阻器都具 有垂直於其易軸的固定方向，所以第一自由磁距318與第 二自由磁距328在開始時可平行或反平行。第一穿隧式磁 電阻器310的磁場感測方向沿第一斜面36〇a並平行於第 易軸380a的垂直線。同樣，第二穿隨式磁電阻器320 的磁場感測方向沿第二斜面360b並平行於第二易軸38〇b 的垂直線。第一固定方向314和第二固定方向324可以在 退火製程期間施加垂直於基板的磁場來設定。

圖8A至圖8B是在本發明中用以說明實施例的斜面相 對於基板的幾何座標關係的圖式。對於如圖8A至圖8B中 所示的基板上的斜面，我們可以定義：在基板上的方向A 21 201213833 沿著於斜面長度方向；在基板上的方向D垂直於基板上的 方向A，且與X軸具有方位角α ;垂直於基板的方向為z 軸。此外，從圖8B所示的剖視圖來看，方向B可定義為 沿斜面與方向D具有斜角夕。方向c垂直於斜面。因此， 磁場可以用斜面的方向A、方向B和方向C來表示。 根據以上描述’當第一（左側）穿隧式磁電阻器31〇 和第二（右側）穿隧式磁電阻器320感測磁場時，則其電 導可分別以方程式（5)和方程式（6)來表示。 gl (5)

q 1 + (Hx cos a cos β + Ηγ sin a cos β·ϋζ sin β) " Hc____ \+MR 1 + 及 gr 1 + .

MR (Hx cos a cos β + Ηγ sin acosfi ^HzsinP) (6)

l+MR 當將其並聯連接時，X軸向磁場與γ轴向磁場的電導 變化會相互抵消’只有Z軸向磁場的電導變化存在，可寫 為方程式（7)。 G = GL + GR=Gf

Hc 1+----- 1+ΜΛ 22 (7) 201213833 貫際上，對於如®^至圖7B所述的Z軸磁場感測器 295,這兩個典型穿隧式磁電阻器可以用兩個互補穿㈣磁 電阻器取代。® 9是根據本發明實施敎2㈣場感測哭 的俯視圖。在圖9中，揭露出—z_出平面磁場感測;; 3〇〇的實_ ’根據先前描述’以兩個相同的互補穿隨式 磁電阻器取代第-斜面和第二斜面上的這兩個典型穿隨式 磁電阻器。第-斜面36Ga和第二斜面3_設置於凹槽或 凸起結構上。在Z軸磁場感測器的以下實施例中，例如所 述具有磁性穿隧接面元件的多個互補穿隨式磁電阻器等元 件被標記為具有重新開始的元件順序以易於描述。第—互 補穿，式磁電阻器300a具有第一固定方向34〇a ’所述第 一固定方向340a在第一斜面360a上與第一易軸380a具有 45度角，第一互補穿隧式磁電阻器3〇〇b具有第二固定方 向340b，所述第二固定方向34〇b在第二斜面36%上與第 二易軸380b具有45度夾角。 第互補穿随式磁電阻器300a包括位於第一斜面 360a上的第一磁性穿隧接面元件31〇a和第二磁性穿隨接 面元件3l〇b。第一磁性穿隧接面元件31〇a具有第一自由 磁距318a和第一固定磁距314a ;第二磁性穿隧接面元件 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都平行於第一固定方 向340a ’第—自由磁距318a和第二自由磁距318b在初始 時都平行於第一易軸380a，並以流通於金屬線路徑308的 電流所產生的磁場而被設定為相互反平行。第一磁性穿隨 23 201213833 接面元件31〇a和第二磁性穿隧接面元件31〇b設置於頂部 電極與底部電極之間，且與圖3A至圖3B中所述具有相同 的結構。 第二互補穿隧式磁電阻器300b包括位於第二斜面 360b上的第三磁性穿隧接面元件32〇a和第四磁性穿隧接 面元件320b。第三磁性穿隧接面元件32〇a具有第三自由 磁距328a和第三固定磁距324a。第四磁性穿隧接面元件 320b具有第四自由磁距328b和第四磁距324b。同樣，第 三磁性穿隧接面元件32〇a和第四磁性穿隧接面元件32〇b 設置於頂部電極與底部電極之間。在第一互補穿隧式磁電 阻器300a和第二互補穿隧式磁電阻器3〇〇b中，兩個頂部 電極連接在一起，且兩個底部電極連接在一起。第三固定 磁距324a和第四固定磁距324b都平行於第二固定方向 340b ’第二自由磁距328&和第四自由磁距32扑在初始時 都平行於第二易軸380b，並以流通於金屬線路徑308的電

SlL所產生的磁場而被設定為相互反平行。第三磁性穿隧接 面元件320a和第四磁性穿隧接面元件32〇b設置於頂部電 極與底部電極之間，且與圖3A至圖3B中所述具有相 結構。 第一易軸380a和第二易軸380b平行於基板上的中軸 305。第一固定方向34如和第二固定方向34%在基板上對 中軸305具有對稱翻轉的關係’且在其自身斜面上分別與 其易轴具有45度角。Z軸磁場感測器300的電導可寫為/方 24 201213833

G = 2Gp 1 i V2 Hc l+MR (8) ^ >。 圖10是根據本發明實施例的3軸集成式磁場感測器的 俯視圖。在圖1〇中，3軸集成式磁場感測器包括一 2軸的 在平面磁場感測器和一 z軸的出平面磁場感測器，其中為 易於說明，沒有展示磁場感測器中用於產生磁場以設定自 由磁距的初始狀態下的金屬線路徑。為易於理解，對第一 互補穿隧式磁電阻器100和第二互補穿隧式磁電阻器 200的詳細結構說明可使用原始編號，且第三互補穿隧式 磁電阻器300a和第四互補穿隧式磁電阻器3〇〇b的詳細 結構則如圖10中所述對編號進行了重新編輯。第一互補穿 隧式磁電阻器100和第二互補穿隧式磁電阻器2〇〇包括 如圖6中所述分別跨過兩個穿隧式磁電阻器的金屬線路 徑，在以下實施例中不再重複其細節。所述2軸的在平面 磁場感測器包括：X軸向的在平面磁場感測器為第—互補 穿隧式磁電阻器100,其具有平行於γ軸的第—易軸 180，與平行於平分方向35〇的第一固定方向14〇 ; γ軸磁 場感測器，所述Υ軸向的在平面磁場感測器為第二互補穿 隧式磁電阻器，其具有平行於#的第二易轴28〇, 與平仃於相同的平分方向350的第二固定方向24〇。ζ軸 磁場感测11300是並聯連接的兩個互補穿隧式磁電阻器， 位於凹槽或&起結構的具有對於中軸3 〇 5呈對稱翻轉關係 25 201213833 的斜面上，其中第三互補穿隧式磁電阻器3〇〇a和第四互 補穿隧式磁電阻器300b分別設置於第一斜面36〇a和第二 斜面360b上。第三互補穿隧式磁電阻器3〇〇a具有第三易 軸380a和第三固定方向340a，且第四互補穿隧式磁電阻 器300b具有第四易轴380b和第四固定方向340b。第二 易軸380a和第四易軸380b平行於基板上相同的中軸 305。中軸305平行於平分方向350，平分方向350相對於 X軸和Y軸具有45度角。在第一斜面360a上的第三固定 方向340a與在第二斜面360b上的第四固定方向340b分別 相對於第三易軸380a及和第四易軸380b具有45度角。Z 軸的出平面磁場感測器300包括如圖9中所述跨過第三互 補穿隧式磁電阻器300a及第四互補穿隧式磁電阻器 300b的金屬線路徑，且在以下實例中不再重複其細節。 第一互補穿隧式磁電阻器1〇〇包括有具第一自由磁 距118a和第一固定磁距114a的第一磁性穿隨接面元件 ll〇a、以及具第二自由磁距ii8b和第二固定磁距的 第二磁性穿随接面元件ll〇b。第一固定磁距ii4a和第二 固定磁距114b平行於第一固定方向140。第一自由磁距 118a與第二自由磁距ii8b在初始時被設定為平行於第_ 易軸180但相互反平行。第二互補穿隧式磁電阻器2〇〇包 括有具第三自由磁距218a和第三固定磁距214a的第三磁 性穿隧接面元件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元件210b。第三固定 磁距214a和第四固定磁距214b平行於第二固定方向 26 201213833 240。第三自由磁距218a與第四自由磁距21肋在初始時被 設定為平行於第二易軸280但相互反平行。第三互補穿隧 式磁電阻器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元件31〇a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元件 310b。第五固定磁距314a和第六固定磁距31牝都平行於 第三固定方向340a。第五自由磁距318a與第六自由磁距 318b在初始時被設定為平行於第三易軸38〇a但相互反平 行。第四互補穿隧式磁電阻器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元件 320a、以及具第八自由磁距3m和第八固定磁距的 第八磁性穿隧接面元件32〇b。第七固定磁距324a和第八 固定磁距324b都平行於第四固定方向34%。第七自由磁 距328a與第八自由磁距328b在初始時被設定為平行於 四易軸380b但相互反平行。 圖11是根據本發明實施例，用以說明一種在退火掣程 中施加單一傾斜磁場或雙重磁場來設定每個互補穿隧 電阻器的S)定方向的方法。為易於理解，對第—互 式磁電阻H 1GG和第二互補穿赋磁電_ 2⑻ 細 結構說明可使用原始編號，且第三互補穿隨式磁電^ 300a和第四互補穿隨式磁電阻$ 3_的詳細 : 如，U)中所述的原始編號。提供—種通過在‘製程= 加早-磁場來設定每個互補雜式磁雜^ : 方法（稱為傾斜磁場退火）。3軸磁場感測器的佈局包^、: 27 201213833 X軸向的在平面磁場感測器100，具有平行於γ軸的第一 易軸180與平行於平分方向350的第一固定方向14〇 ; γ 軸向的在平面磁場感測器200，具有平行於X軸的第二易 軸280與平行於平分方向350的第二固定方向240 ; Ζ軸 向的出平面磁場感測器300，具有平行於平分方向35〇的 中軸305以及第三固定方向340a和第四固定方向340b。 在退火製程期間施加傾斜場400，所述傾斜場4〇〇與垂直 於基板的Z軸具有仰角厂，且在基板上的投影磁場平行於 平分方向350，且與X軸和γ軸具有45度的方位角。因 此第一固定方向140和第二固定方向24〇可設定為平行於 平分方向350。仰角y可根據出平面磁場感測器的斜面的 斜角夕來設定’並寫為方程式（9)。 (9) 因此，傾斜磁場在第一斜面36〇a和第二斜面36〇b ^ 的投影磁場將與第三易軸3施和第四易軸3_具有4 度角。結果，第二固定方向34〇a和第四固定方向34〇b本 設定為分別平行於傾斜磁場在斜面36〇a、36〇b上的投影有 場。舉例來說’當斜角片4。時，則傾斜磁場的設^ 角y=39°且方位角α=45。。 在實際情況下’典型的退火設備的磁 固定於單-(水平或垂直)方向產生磁場，因此，= ^斜來設定方位角和仰角而達成傾斜剩 的效果。”、、、而使基板傾斜與旋轉的操作是複雜的且受限方 28 201213833 機械裝置的精確度，因此往往會影響良率（yield)。本發 明提供另一實施例，稱為雙重磁場退火（dual field anneal) 的方法來提高傾斜磁場方向的準確度'並且也展示於圖 11。所述傾斜磁場可視為一垂直磁場420 (Hz)與一水平 磁場440 (HAZ)的組合。垂直磁場420平行於z軸，水平 磁場440平行於平分方向350，且其關係可寫為方程式 (10)〇 (10) Haz=Hz sin^ 將傾斜與旋轉基板的機械操作改成由對水平方向及垂 直方向的磁場產生器的電子信號控制，確實能提高精確产 與良率。實際上，退火設備容㈣置產生水平和垂直方= 產生器。因此，可通過在退火製程期間同時施 力二千磁場440 (Haz)和垂直磁場42〇 (Η。 疋母個互補穿隧式磁電阻器的固定方向。 子°又 基於上述本發_實施例，如上所述㈣場 段製程’容易料測電路的前段製程整 口圖12疋根據本發明實施例，— f轾1 π子信號的電路圖式。與傳統的惠二感= 比^吏用另-個相同的磁場感測器作為零磁場法相 :而要任何遮蔽。在感測磁場期間，通電二：’且 器的金屬路徑以產生磁場 I令磁場參考 而康結或鎖定於在初始時的平狀于= 29 201213833 態’使其自由磁矩不受感測磁場影響，相當於所述磁場感 測器處於零磁場的狀態。 在圖12中’感測電路500包括三個部件：偏壓電壓單 元502、钳位電壓電流鏡單元5〇4與信號轉換放大單元 506。以在平面磁場感測器為實施例，零磁場參考器51〇 和磁場感測器520的底部電極連接至節點c。零磁場參考 益的頂部電極連接至節點D，且磁場感測器52〇的頂部電 ，連接至節點E。如可理解，此實例中的在平面磁場感測 器，亦可以出平面磁場感測器3〇〇來取代。 偏壓電壓單& 5〇2包括分壓電路（v〇hage出砸叩 branch )、電壓相減電路（v〇ltage論⑽丨⑽士⑶k )和電 壓源vM。分壓電路是在VDD與gnd之間串聯連接的四 個相同電阻器R，使得節點A和節點B的電位分別是Va =、/2=卿/4。電壓源％供應固定電壓(即 5件兩端的偏壓電壓）至零磁場參考器和磁 幹=減電路包括第二運算放大器〇Ρ2,具有 二2 7正輸入連接至節點β，一電阻 輸入與ΟΡ2輪出之間 〇Ρ2的負 盥電壓湄V夕问 另電阻益R連接於ΟΡ2負輸入 V、c=vtt ⑽輸㈣脑㈣C連並具有電位 所述鏡^ Μ4包括電流鏡和電_位器。 Q2的尺寸相同且其 :os Q2，Q1和 節點D，Q2的沒極 J 的沒極接合至 口至即點E，Q1的間極連接至Q2 201213833 的閘極。所述電壓鉗位器包括第一運算放大器〇pl，具有 OP1正輸人端接合至節點A以及0P2負輸人端接合至節點 D 輪出端並且接合至Q1和Q2的閘極。信號轉換放 大早π 5G6包括第三運算放大器〇ρ3，具有〇p3負輸入端 接合至節點E’OP3正輸入接合至節點A，且電阻器Rm連 接於節點E與OP3輸出之間。 運算放大器OP 1、OP2和OP3的電源均為單一 VDD。 由於OP1的輸出經由PM〇S Q1回饋回⑽負輸入端，而 且⑽的輸出也經由電阻器Rm回饋至〇ρ3的負輸入端， 所以ΟΡ1與ΟΡ3的正負輸人端會處於虛擬接地狀態使得 正負輸入端之間的電位差為零。因此，且節點D和節點Ε 的=分別被齡至節點Α的電位Va = VDD/2。此設計 使得信號轉換放大單it 5〇6的輸出在零磁場時為vdd/2， 可獲得全範圍信號放大且對於類比聽㈣鋪adc是 有利的。由於節點D和節點E的電位被綠於vdd/2且 Q1與Q2 _極均接合至0P1的輸出端，所以Q2的没極 ，流與Φ躲極電流是相同。零磁場參考器510與磁場 520 Vd-Vc=Va.(Va.vm)=Vm^ 520的電導因感測磁場而改變，所以流過磁場感 測β 520的電流為電導變化的感測電流與零磁場參考器 51〇的電流的總和。由運算放大器〇ρ3的輸出端流^ 入的感測電流經過f阻器Rm轉換域應電壓，使 端電位Vout變為零磁場時的ν_2與感應電壓的相加。 如前所述’感測電路並不僅限於在平面磁場感測器的實 31 201213833 例，出平面磁場感測器來亦可用於所述電路。 磁場感測器可安排於CMOS的後段製程與感測電路 的CMOS刖段製私整合成為同一基板製作的積體電路。然 而，應用電路也可單獨製造，且應用電路並不僅限於所提 出的電路。還應注意，每個互補穿隧式磁電阻器中用於連 接該對磁性穿隧接面元件的底部電極和頂部電極不限於夾 住磁性穿隧接面元件的實施例，而是也可為其他適當實施 方式。 田 本發明同時提出用以感測磁場的互補式穿隧式磁電阻 器（互補穿隧式磁電阻器）結構和用於在基板上形成3軸 穿隧式磁電阻器磁場感測器的製作方法，從而極大地降低 複雜度、降低製造費用並且還提高靈敏度和準確性。 所屬領域的技術人員將顯而易見，可在不脫離本發明 的範圍或精神的條件下對本發明的結構作出各種修^更 動。/艮據以上所述，旨在使本發明涵蓋本發明的修飾及更 動形式，只要這些修飾及更動形式處於上文權利要求奎及 其等效内容的範圍内即可。 /曰 【圖式簡單說明】 圖1A至圖1B是典型穿隧式磁電阻器磁場感測 易輛的剖視圖與俯視圖。 D者 圖2A至圖2B是全範圍與半範圍的惠斯頓電橋電路圖 圖3A至圖犯是根據本發明實施例之互補穿隨式磁電 32 201213833 阻盗（mutual supplement tunneling magneto-resistor， MS-TMR)沿著易轴的剖視圖與俯視圖。 圖4A至圖4B是根據本發明實施例之正規化電導對施 加磁場的計算。 圖5A至圖5B是根據本發明實施例之微磁學模擬，用 以證明電導對施加磁場的線性關係。 圖6是根據本發明實施例之2軸的在平面磁場感測器 圖式。 圖7A至圖7C是在本發明中所引伸之z軸磁場感測器 的俯視圖和剖視圖。 圖8A至圖8B是在本發明中用以說明實施例的斜面相 對於基板的幾何座標關係的圖式。 圖9是根據本發明實施例之z軸的出平面磁場感測器 的俯視圖。 圖10是根據本發明實施例之3軸磁場感測器的俯視 圖。 圖11是根據本發明實施例’說明在退火製程期間施加 單一傾斜磁場或雙重磁場來設定每個互補穿隨式磁電阻器 的固定方向的方法。 圖12是根據本發明實施例’一種用於將所感測磁場轉 換為電子信號的電路圖式。 【主要元件符號說明】 9〇 ·基板 33 201213833 100 :互補穿隧式磁電阻器 101 :長軸 102 :底部電極 103 :短軸 106 :頂部電極 108 :金屬線路徑 110 :磁性穿隧接面元件 110a :第一磁性穿隧接面元件 110b:第二磁性穿隧接面元件 112 :固定層 112a :第一固定層 112b :第二固定層 114 :第一固定磁距 114a :第一固定磁距 114b :第二固定磁距 115 :穿隧層 115a :第一穿隧層 115b :第二穿隧層 116 :自由層 116a :第一自由層 116b :第二自由層 118 :第一自由磁距 118a :第一自由磁距 118b :第二自由磁距 34 201213833 140 :第一固定方向 180 :第一易轴 200:第二互補穿隧式磁電阻器 208 :第二金屬線路徑 210a:第三磁性穿隧接面元件 210b:第四磁性穿隧接面元件 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 :第二易軸 300 : Z軸向磁場感測器 300a:第一互補穿隧式磁電阻器 300b:第二互補穿隧式磁電阻器 305 :中軸 308 :金屬線路徑 310 :第一穿隧式磁電阻器 310a:第五磁性穿隧接面元件 310b :第六磁性穿隧接面元件 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 35 201213833 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 :第二穿隧式磁電阻器 320a:第三磁性穿隧接面元件/第七磁性穿隧接面元件 320b :第四磁性穿隧接面元件/第八磁性穿隧接面元件 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:凹槽結構 380a :第一易轴/第三易車由 380b :第二易轴/第四易車由 390 :凸起結構 400 .傾斜磁場 420 :垂直磁場 440 .平方磁場 500 :感測電路 36 201213833 502 :偏壓電壓單元 504 :鉗位電壓電流鏡單元 506 :信號轉換放大單元 510 :零磁場參考器 520 :磁場感測器 A :節點 B :節點 C :節點 D :節點 E :節點

OP1 :第一運算放大器 OP2 :第二運算放大器 OP3 :第三運算放大器 Q1 ··第一 PMOS Q2:第二PMOS/第二運算放大器 R :電阻器 R11 :感測元件 R12 :感測元件 R21 :感測元件 R22 :感測元件

Rm '·電阻器 37

Claims (1)

1. 201213833 七、申請專利範圍： 1. 一種穿隧式磁電阻器（TMR)的磁場感測結構，包 括： 一底部電極； 一第一磁性穿隧接面（MTJ)元件，包括： 一磁性材料的第一固定層，位於該底部電極 上、具有處於一固定方向上的一第一固定磁距； 一非磁性材料的第一穿隧層，設置於該第一固 定層上；以及 一磁性材料的第一自由層，設置於該第一穿隧 層上、具有平行於一易軸的第一自由磁距，且該固 定方向與該易轴之間形成一夾角； 一第二磁性穿隧接面元件與該第一磁性穿隧接面元件 具有相同圖案及磁性薄膜結構，包括： 一磁性材料的第二固定層，位於該底部電極上、 具有在該固定方向上的一第二固定磁距； 一非磁性材料的第二穿隧層，設置於該第二固定 層上；以及 一磁性材料的第二自由層，設置於該第二穿隧層 上、具有平行於該易軸的一第二自由磁距；以及 一頂部電極，連接該第一自由層與該第二自由層， 其中該第一自由磁距和該第二自由磁距在一初始狀態 為平行於該易軸但相互反平行，且該固定方向與該易軸之 間的該夾角實質為45度或135度。 38 201213833 2. —種在平面磁場感測器，包括： 一基板；以及 一穿隧式磁電阻器（TMR)的磁場感測結構，位於該 基板上， 其中該穿隧式磁電阻器的磁場感測結構包括： 一底部電極； 一第一磁性穿隧接面（MTJ)元件，包括： 一磁性材料的第一固定層，位於該底部電極 上、具有處於一固定方向上的第一固定磁距； 一非磁性材料的第一穿隧層，設置於該第一固 定層上；以及 一磁性材料的第一自由層，設置於該第一穿隧 層上、具有平行於易軸的一第一自由磁距，且該固 定方向與該易軸之間形成一夾角； 一第二磁性穿隧接面元件與該第一磁性穿隧接面 元件具有相同圖案與磁性薄膜結構，包括： 一磁性材料的第二固定層，位於該底部電極 上、具有在該固定方向上的一第二固定磁距； 一非磁性材料的第二穿隧層，設置於該第二固 定層上；以及 一磁性材料的第二自由層，設置於該第二穿隧 層上、具有平行於該易軸的一第二自由磁距；以及 一頂部電極，連接該第一自由層與該第二自由層； 其中該固定方向與該易軸之間的該夾角實質為45度 39 201213833 或135度， 其中一磁場感測方向垂直於該基板上的該易軸。 3. 如申請專利範圍第2項所述之在平面磁場感測器， 更包括一金屬線路徑’跨過該穿隧式磁電阻器磁場感測結 構的該第一磁性穿隧接面元件和該第二磁性穿隧接面元 件；在一初始狀態時，以電流通過該金屬線路徑會在該第 一磁性穿隧接面元件與該第二磁性穿隧接面元件分別產生 平行於該易軸但方向相反的磁場，使得該第一自由磁距和 該第二自由磁距被設定為沿著該易軸但相互反平行。 4. 一種2軸的在平面磁場感測器，包括： 一基板；以及 一第一在平面磁場感測器，其位於該基板上、且 一固定方向和第一易軸；以及 八有第 一第二在平面磁場感測器，其位於該基板上、具有一 第二固定方向和-第二易軸，其中該第—易軸與該^ 轴的夾角為9G度角，且該第—固定方向和該第二固定方向 皆平行於—平分方向，該平分方向與該第-祕和該第二 易軸的夾角皆為45度角， 一 其中該第—在平面磁場感測器包括： 一第一穿隧式磁電阻器磁場感測結構，包括： 一第一底部電極，位於該基板上； 一第一磁性穿隧接面（MTJ)元件，包括： 一磁性材料的第一固定層，位於該第一底部電 極上、具有處於該第一固定方向上的第_固定磁距； 201213833 非磁性材料的第一穿隨層，設置於該第一固 疋層上；以及 @ -磁性材料的第一自由層，設置於該第一穿隧 曰f、具有平行於該第一易軸的一第一自由磁距， ^4第一固定方向與該第一易軸之間形成第一夾 角； 一第二磁性穿隧接面元件，包括： 一磁性材料的第二固定層，位於該第一底部電 極上'具有處於該第一固定方向上的一第二固定磁 距； 一非磁性材料的第二穿隧層，設置於該第二固 定層上；以及 一磁性材料的第二自由層，設置於該第二穿隧 層上、具有平行於該第一易軸的第二自由磁距；以 及 一第一頂部電極’其連接該第一自由層與該第二自 由層， /其中該第一自由磁距和該第二自由磁距在初始狀態下 平行於該第-易軸但相互反平行，且該第—固定方向與該 第-易軸之間的該第一夾角實質為 45度或135度，其中第 一磁場感測方向垂直於該基板上的該第一易軸， 其中δ亥第二在平面磁場感測器包括： 一第二穿隧式磁電阻器磁場感測結構，包括： 一第二底部電極，位於該基板上； 201213833 -第三磁性穿隨接面元件，包括： 一磁性材料的第三固定層，位於該第二底部電 極上、具有在該第二固定方向上的第三固定磁距； 一非磁性材料的第三穿隧層，設置於該第三固 定層上；以及 一磁性材料的第三自由層，設置於該第三穿隧 層上、具有平行於該第二易㈣第三自由磁距，且 該第二固定方向與該第二易軸之間形成-第二夾 角； -第四磁性穿隨接面元件，包括： 一磁性材料的第四固定層，其位於該第二底部 電極上、具有在該第二固定方向上的第四固定磁距； 一非磁性材料的第四穿隧層，其設置於該第四 固定層上；以及 一磁性材料的第四自由層，其設置於該第四穿 1¾層上、具有平行於該第二易轴的一第四自由磁 距；以及 -第二頂部電極’其連接該第三磁性自由層與該第 四磁性自由層； 其中s亥第二自由磁距和該第四自由磁距在該初始狀態 了平行於β第—易軸但相互反平行，且該第二蚊方向與 5玄第一易軸之間的該第二夾角實質為45度或⑶度，其中 第二磁場感測方向垂直於該基板上的該第二易軸。 5.如申請專利範圍第4頊所述之2軸的在平面磁場感 42 201213833 測益，其中該第一在平面磁場感測器更包括一第一金屬線 路位跨過5亥第一磁性穿隨接面元件和該第二磁性穿隧接面 兀件；在一初始狀態時，以電流通過該第一金屬線路徑會 在5亥第一磁性穿隧接面元件與該第二磁性穿隧接面元件分 別產生平行於該第一易軸但方向相反的磁場，使得該第一 自由磁距和該第二自由磁距被設定為沿著該第一易軸但相 互反平行；且該第二平面内磁場感測器更包括一第二金屬 線路彳空跨過該第三磁性穿隧接面元件和該第四磁性穿隧接 面，件，其中在一初始狀態時，以電流通過該第二金屬線 路徑會在該第三磁性穿隧接面元件與該第四磁性穿隧接面 牛分別產生平行於該第二易軸但方向相反的磁場，使得 5亥第二自由磁距和該第四自由磁距被設定為沿著該第二易 車由但相互反平行。 6· 一種感測垂直方向磁場的出平面磁場感測器，句 括： 一基板；以及 一凹槽或凸起結構，位於該基板上、具有一第一斜面 和—第二斜面’其中該第一斜面和該第二斜面與該基板具 有相同的斜角且相對於該凹槽或凸起結構的中轴具有對稱 翻轉的關係； 一第一穿隧式磁電阻器（TMR)磁場感測結構，形成 於該第—斜面上、具有一第一固定方向和一第一易軸，該 第一穿隧式磁電阻器磁場感測結構包括： 一第一底部電極，位於該第一斜面上； 43 201213833 一第一磁性穿隧接面（ΜΊ7)元件，包括： 一磁性材料的第一固定層，位於該第一底部電 極上、具有處於該第一固定方向上的一第一固定磁 距； 一非磁性材料的第一穿隧層，設置於該第一固 定層上；以及 一磁性材料的第一自由層，設置於該第一穿隧 層上、具有平行於該第一易軸的一第一自由磁距， 且該第一固定方向與該第一易軸之間形成一第一夾 角； 一第二磁性穿隧接面元件，包括： 一磁性材料的第二固定層，位於該第一底部電 極上、具有處於該第一固定方向上的一第二固定磁 距； 一非磁性材料的第二穿隧層，設置於該第二固 定層上；以及 一磁性材料的第二自由層，設置於該第二穿隧 層上、具有平行於該第一易軸的一第二自由磁距； 以及 一第一頂部電極，連接該第一自由層與該第二自由 層，其中該第一自由磁距和該第二自由磁距在一初始狀 態下平行於該第一易軸但相互反平行；以及 一第二穿隧式磁電阻器磁場感測結構，形成於該第二 斜面上、具有一第二固定方向和一第二易軸，該第二穿隧 44 201213833 式磁電阻磁場感測結構包括： 一第二底部電極，位於該第二斜面上； 一第三磁性穿隧接面元件，包括： 一磁性材料的第三固定層，位於該第二底部電 極上、具有在該第二固定方向上的第二固定磁距， 一非磁性材料的第三穿隧層，設置於該第三固 定層上；以及 一磁性材料的第三自由層，設置於該第三穿隧 層上、具有平行於該第二易軸的一第三自由磁距， 且該第二固定方向與該第二易軸之間形成一第二夾 角； 一第四磁性穿隨接面元件，包括： 一磁性材料的第四固定層，位於該第二底部電 極上、具有在該第二固定方向上的一第四固定磁距； 一非磁性材料的第四穿隧層，設置於該第四固 定層上；以及 一磁性材料的第四自由層，設置於該第四穿隧 層上、具有平行於該第二易軸的一第四自由磁距； 以及 一第二頂部電極，其連接該第三自由層與該第四自 由層，其中該第三自由磁距和該第四自由磁距在該初始 狀態下平行於該第二易軸但相互反平行， 其中該第一易軸和該第二易軸平行於該凹槽或凸起結 構的該中轴*該第一穿隨式磁電阻器磁場感測結構的該第 45 201213833 —底:p電極與5彡第二穿料磁電㈣磁場㈣結構的該第 -底:p電極相連接’ ^該第__穿随式磁電阻器磁場感測結 構的，第頂σ卩電極與該第二穿隧式磁電阻器磁場感測結 構的§亥第一頂部電極相連接。 7. 如申％專利範圍第6項所述之出平面磁場感測器’ 更包括-金屬線路彳f，跨過該第―穿赋磁電阻器磁場感 /，、”。構的4第磁性穿隨接面元件和該第二磁性穿随接面 兀件以及該第二穿隨式磁電阻器磁場感測結構的該第三磁 性，隧接面兀件和該第四磁性穿隧接面元件的；在一初始 狀態時’以電流通過該金屬線路徑會在該第一磁性穿隧接 面元件與s亥第二磁性穿隧接面元件分別產生平行於該第一 易軸但方向相反的磁場與在該第三磁性穿隧接面元件與該 第四磁性穿隧接面元件分別產生平行於該第二易軸但方向 相反的磁場，使得該第一穿隧式磁電阻器磁場感測結構的 該第一自由磁距和該第二自由磁距平行於該第一易軸但相 互反平行，該第二穿隧式磁電阻器磁場感測結構的該第三 自由磁距和該第四自由磁距平行於該第二易軸、但相互反 平行。 8. —種3軸磁場感測器，包括： 一第一在平面磁場感測器，位於一基板上以感測一 χ 軸向磁場、並具有一第一穿隧式磁電阻器(TMR)磁場感測 結構以及具有一第一固定方向和一第一易軸，其中該第一 易轴被視為一 Y軸；以及 一第一在平面磁％感測器，位於該基板上以感測一 γ 46 201213833 轴向磁場、並具有一第二穿随式磁電阻器磁場感測結構以 及具有一第二固定方向和一第二易軸，其中該第二易軸被 視為一 X轴， 其中該第一易軸與該第二易軸的夾角為90度角，且該 基板上的一平分方向分別與該第一易轴及該第二易軸夾有 45度角；以及 一出平面磁場感測器，其位於該基板上以感測一 Z軸 向磁場、並具有平行於該平分方向的一中軸。 9.如申請專利範圍第8項所述之3軸磁場感測器，其 中該第一穿隧式磁電阻器磁場感測結構包括： 一第一底部電極，位於該基板上； 一第一磁性穿隧接面(MTJ)元件，包括： 一磁性材料的第一固定層，位於該第一底部電 極上、具有處於該第一固定方向上的一第一固定磁 距； 一非磁性材料的第一穿隧層，其設置於該第一 固定層上；以及 一磁性材料的第一自由層，其設置於該第一穿 隧層上、具有平行於該第一易軸的一第一自由磁 距，且該第一固定方向與該第一易轴之間形成一第 一夾角； 一第二磁性穿隨接面元件，包括： 一磁性材料的第二固定層，位於該第一底部電 極上、具有處於該第一固定方向上的一第二固定磁 47 201213833 距； 一非磁性材料的第二穿隧層，設置於該第二固 定層上；以及 一磁性材料的第二自由層，設置於該第二穿隧 層上、具有平行於該第一易軸的一第二自由磁距； 以及 一第一頂部電極，其連接該第一自由層與該第二自 由層； 其中該第一自由磁距和該第二自由磁距在初始狀 態下平行於該第一易軸但相互反平行，且該第一固定方 向與該第一易軸之間的該第一夾角實質為45度或135 度，其中第一磁場感測方向垂直於該基板上的該第一易 軸， 其中該第二穿隧式磁電阻器磁場感測結構包括： 一第二底部電極，位於該基板上； 一第三磁性穿隧接面元件，包括： 一磁性材料的第三固定層，位於該第二底部電 極上、具有在該第二固定方向上的一第三固定磁距； 一非磁性材料的第三穿隧層，設置於該第三固 定層上；以及 一磁性材料的第三自由層，設置於該第三穿隧 層上、具有平行於該第二易軸的一第三自由磁距， 且該第二固定方向與該第二易軸之間形成一第二夾 角； 48 201213833 一第四磁性穿隧接面元件，包括： —磁性材料的第四固定層，位於該第二底部電 極上、具有在該第二固定方向上的一第四固定磁距； —非磁性材料的第四穿隧層，設置於該第四固 定層上；以及 —磁性材料的第四自由層，設置於該第四穿隧 曰上具有平行於§亥第二易轴的一第四自由磁距； 以及 一第二頂部電極，連接該第三自由層與該第四自 由層； 其中遠第二自由磁距和該第四自由磁距在該初始 狀態下平行於該第二易軸但相互反平行，且該第二固定方 向與該第二祕之_該第二㈣實質為45錢135度， 其中-第二磁場感測方向垂直於該基板上的該第二易抽； 其中該出平面磁場感測器，包括： 一凹槽或凸起結構，位於該基板上、具有一第—斜 面和一第二斜面，其中該第一斜面和該第二斜面相斜於 該基板具有相同的斜角且相對於該凹槽或凸起結構的 一中軸具有對稱翻轉的關係； 一第二穿隨式磁電阻器磁場感測結構，形成於該第 一斜面上、具有一第三固定方向和一第三易軸，該第三 穿随式磁電阻益磁場感測結構包括： 一第二底部電極，位於該第一斜面上； 一第五磁性穿隨接面元件，包括： 49 201213833 一磁性材料的第五固定層，位於該第三底部 電極上、具有處於該第三固定方向上的一第五固 定磁距； 一非磁性材料的第五穿隧層，設置於該第五 固定層上；以及 一磁性材料的第五自由層，設置於該第五穿 隧層上、具有平行於該第三易軸的一第五自由磁 距，且該第三固定方向與該第三易轴之間形成一 第三夾角； 一第六磁性穿隧接面元件，包括： 一磁性材料的第六固定層，位於該第三底部 電極上、具有處於一第四固定方向上的一第六固 定磁距； 一非磁性材料的第六穿隧層，設置於該第六 固定層上；以及 一磁性材料的第六自由層，設置於該第六穿 隧層上、具有平行於該第三易軸的一第六自由磁 距；以及 一第三頂部電極，其連接該第五自由層與該 第六自由層，其中該第五自由磁距和該第六自由磁 距在該初始狀態下平行於該第三易軸但相互反平 行；以及 一第四穿隧式磁電阻器磁場感測結構，其形成於該 第二斜面上、具有一第四固定方向和一第四易軸，該第 50 201213833 四穿隨式磁電阻器磁場感測結構包括： 一第四底部電極，位於該第二斜面上； 一第七磁性穿隧接面元件，包括： 一磁性材料的第七固定層，位於該第四底部 電極上、具有處於一第七固定方向上的一第七固 定磁距； 一非磁性材料的第七穿隧層，設置於該第七 固定層上；以及 一磁性材料的第七自由層，設置於該第七穿 随層上、具有平行於該第四易軸的一第七自由磁 距，且該第四固定方向與該第四易軸之間形成一 第四爽角， 一第八磁性穿隧接面元件，包括： 一磁性材料的第八固定層，位於該第四底部 電極上、具有處於一第八固定方向上的一第八固 定磁距； 一非磁性材料的第八穿隧層，設置於該第八 固定層上；以及 一磁性材料的第八自由層，設置於該第八穿 随層上、具有平行於該第四易軸的一第八自由磁 距；以及 第四頂部電極，其連接該第七自由層與該第八 自由層，其中該第七自由磁距和該第八自由磁距在 該初始狀態下平行於該第四易轴但相互反平行， 51 201213833 其中該第三易軸和該第四易軸平行於該凹槽或凸起結 構的该中軸，該第三穿隧式磁電阻器磁場感測結構的該第 三底部電極與該第四穿隧式磁電阻器磁場感測結構的該第 四底部電極相連接，且該第三穿隧式磁電阻器磁場感測結 構的該第三頂部電極與該第四穿隧式磁電阻器磁場感測結 構的該第四頂部電極相連接。 !〇，如申請專利範圍第9項所述之3軸磁場感測器， 更包括可流通電流以產生磁場的一第一金屬線、一第二金 屬線和一第三金屬線，藉以分別將該第一自由磁距和該第 一自由磁距的初始狀態設定為平行於該第一易軸但相互反 平行’且將該第三自由磁距和該第四自由磁距的初始狀態 設定為平行於該第二易軸但相互反平行，將該第五自由磁 距和該第六自由磁距的初始狀態設定為平行於該第三易轴 但相互反平行’且將該第七自由磁距和該第八自由磁距的 初始狀態設定為平行於該第四易軸但相互反平行。 11. 一種用於製作磁場感測結構的方法，其中該磁場 感測結構是如申請專利範圍第9項所述之3轴磁場感測 器，該方法包括以一單次退火步驟，同時設定該第一穿隧 式磁電阻器磁場感測結構至該第四穿隧式磁電阻器磁場感 測結構的該第一固定方向至該第四固定方向。 12. 如申請專利範圍第11項所述之用於製作磁場感測 結構的方法，其中該單次退火步驟包括： 沿著具有一方位角α = W4和一仰角r =的一方 向施加一傾斜磁場，其中該方位角α為該平分方向與該X 52 201213833 軸或该γ釉之間的夾角，該仰角/為該傾斜磁場與垂直於 該基板的該ζ軸之間的夾角，且參數々為該第一斜面或該 第二斜面相對於該基板的斜角。 I3.如申4專魏㈣u項所述之祕製作磁場感測 結構的方法，其中該單次退火步驟包括： 通過沿著該平分方向的一水平磁場心和沿著該z軸 的-垂直磁場4來同時施加雙重磁場，其中該水平磁場血 該垂直磁場之間的關係是〜且該參數々是該第二 斜面或該第二斜面相對於該基板的該斜角。 磁場感測電路，用於將所感測磁場轉換為電 子仏唬的，包括： 紐2一磁場感測器如申請專利範圍第2項所述之在平 感==1奸Μ專利範圍第6項所述之出平面磁場 槿磁場感測器，與該第—磁場傳感器具有相同结 L Ϊ t 磁距在感測磁場期間被在該金屬路徑中产 動的W斤產生的—磁場鎖定成為一零磁場泉考器.Μ 端=壓電壓單元’具有一第一輸出端和一第-輸出 ::其中該第-輸出端連接至該零磁場參考哭和第 = 測益的該底部電極，且該第二輪 固。二每感 鉗位電壓電流鏡，具有一輸==位； 一第二輪出端，1中妹入』^以及一第一輸出端和 第二輸出端以接收該固:電位，亥偏單元的該 零磁場參考器的該頂部電極；以^亥第一輪出端接合至該 53 201213833 山放大單凡’具有一第一輸入端、一第二輸 入端和Ί其切第—輸人端接合至該·電塵單 元的該第二輸出端以接收該固定電位，該第二輸入端接合 至該磁場感測器的該頂部電極和該鉗位電麗電流鏡的 -輸出端’且讀出端的電位為零磁場時 磁場轉換後的感測電壓之相加。 ”卞域冽 15·如申4專利乾圍* 14項所述之磁場 中該偏壓電壓單元包括： 』电路’其 一偏壓電壓源； 一分壓器，包括： 相同值的一第一電阻器、一第二電阻器、— ::器和二第四電阻器，串聯連接於一電壓電 Β ’其中该第二電阻器與該第三電阻器的接合 史 偏壓電壓單摘第二輸出端，且—固Μ 的一半；以及 電壓源 一運算放大器，其具有一第一輸入端、 和-輸出端並充當該偏壓電壓單⑽第—輸入端 :入端：接至該第三電阻器與該第四電二〜 點，-第五電阻器連接於該輸出端與該第 接合節 第/、電阻n連接於該第二輸人端與該偏壓電壓^之間， 其中該第二輪出端的電位為該電源電 6之間’ 該偏壓電壓源。 原的—半滅去 中該位14項㈣之磁場峰電路，其 54 201213833 閘極和第一汲極並充當該 一第一電晶體，具有一第一 鉗位電壓電流鏡的第一輸出端； 的，第二!日二問極連接至該第-電晶體 =第二閘極，以及-第二沒極並充當該鉗位電壓電流鏡 的第一輸出端’其中自該第—電晶體的該第—驗輸出至 晶 该零磁場參考㈣1磁場參考電流被鏡像至該第二電 體且自該第二汲極輸出；以及 運算放大。。具有该第一輸入端和該第二輸入端以 及-輸出端’其中該輪出端連接至該第—電晶體和該第二 電晶體的該第-與第二閘極，該第—輸人端充當該钳位電 壓電流鏡的該輸人端’該第二輸人端連接至該偏壓電壓單 元的該第一輸出端。 Π.如申明專利範圍第14項所述之磁場感測電路，豆 中該信號轉變放大單元包括： 1 -運算放大H ’具有該第—輸人端、該第二輸入端及 該一輪出端，並分別充當該信號轉變放大單元的第一輸入 端，第二輸入端及輸出端；其中該第一輸入端連接到該偏 壓電壓單元的該第二輸出端，該第二輸人端連接至該钳位 電壓電流鏡的該第二輸出端；以及 '電阻器，連接於該運算放大器的該第二輸入端與該 輸出蠕之間； 其中自該輸出端流入或流出的感測電流，通過該電阻 器而轉換並放大為一感測電壓，該輸出端的該輸出電位是 該感剛電壓與該第一輸入端的該固定電位之相加。疋 55