TW201416693A - 用於感測外部磁場之磁場感測器 - Google Patents

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Abstract

本揭露提供一種用於感測外部磁場之磁場感測器，係由至少兩組相同尺寸之磁性穿隧接面元件組成，該兩組磁性穿隧接面元件分別位於下端電極上，各自依序堆疊有合成式反鐵磁層、穿隧絕緣層及自由層，最後由上端電極連接該兩組自由層，其中，該自由層可為單一自由層、複合式自由層、合成式反鐵磁自由層或合金自由層，當通過兩磁性穿隧接面上方或下方之金屬線路施加電流時，兩磁性穿隧接面元件所產生的自由磁矩為相互反平行於一參考軸，且兩磁性穿隧接面元件所形成之磁矩與參考軸間之夾角為40-50度或130-140度。本揭露透過不同自由層結構以提升磁場感測器之感測靈敏度及線性度。

Description

用於感測外部磁場之磁場感測器
本揭露係關於一種感測器之技術，更詳而言之，係一種用於感測外部磁場之自由層結構以及具有該自由層結構之磁場感測器。
由於科技的進步，生活上使用的電子產品不斷演進，例如手機追求體積小或功能強化，提供有個人行動地圖定位與導航功能等，因此需要各種感測器進行狀態偵測。目前利用磁場感測原理製作的磁場感測器大多以霍爾感測器(Hall sensor)、雙軸向異向磁阻重力感應器(AMR G sensor；anisotropic magneto-resistor G sensor)為主，但仍有元件大及感測靈敏度不佳等問題，又穿隧磁阻感應器(TMR sensor；tunneling magneto-resistor sensor)雖有元件小及感測靈敏度佳之優勢，但僅適合製作單軸向感測，且有感測線性度不佳之問題，故難應用於電子羅盤。
基於前述各種感測器之缺點，本領域之技術人員提出互補式穿隧磁阻結構，針對磁場感測線性度不佳的情況，透過兩個TMR以並聯阻值互補的方式，成功解決磁場感測線性度不佳之問題。穿隧磁阻磁場感測器(TMR magnetic field sensor)主要是以水平式磁化(In-plane Magnetic Anisotropy,IMA)材料作為磁性穿隧接面(magnetic tunneling junction，MTJ)結構中的磁性層，典型的MTJ結構是由一層薄的非磁性介電層(dielectric layer)與 非磁性介電層上下兩側的磁性層所構成，其中還包含固定層、穿隧層及自由層，穿隧磁阻磁場感測器之訊號輸出，是利用單一水平退火場達成X-Y軸向之固定層(作為參考層)磁化方向設定，並以自由層為感測層(sensing layer)，透過自由層磁化方向受外加磁場改變與固定層磁化方向之差異造成電阻變化以偵測外加磁場方向，當無外加磁場存在時，自由層之磁化方向停留在最低能量態(energy state)的位置，則可藉由晶體異向性(crystalline anisotropy)、形狀異向性(shape anisotropy)、電流場(current field)、去磁場(demagnetization field)等方式，控制自由層之磁化方向的初始態(initial state)。
雖然互補式穿隧磁阻結構已解決磁場感測線性度不佳之問題，但在追求更好效率下，如何改善互補式穿隧磁阻結構的感測靈敏度和高線性度，仍是目前值得重視之研發方向。
本揭露係提出一種用於感測外部磁場之磁場感測器，係透過各種不同自由層結構之運用，使得對外加磁場的感測具有高感測靈敏度與高感測線性度。本揭露提供一種用於感測外部磁場之磁場感測器，包括：第一電極和第二電極，係位於基板上；第一磁性穿隧接面元件和第二磁性穿隧接面元件，係位於該第一電極和該第二電極之間且並聯地連接於該第一電極和該第二電極，該第一磁性穿隧 接面元件和該第二磁性穿隧接面元件係沿著該磁場感測器的參考軸設置；該第一磁性穿隧接面元件包含具有第一固定磁矩之第一反鐵磁層、具有第一自由磁矩之第一自由層及於該第一反鐵磁層和該第一自由層之間之穿隧絕緣層，其中，該第一自由層為多層結構；該第二磁性穿隧接面元件包含具有第二固定磁矩之第二反鐵磁層、具有第二自由磁矩之第二自由層及於該第二反鐵磁層和該第二自由層之間之穿隧絕緣層，其中，該第二自由層為多層結構；以及金屬線路，係通過該第一磁性穿隧接面元件和該第二磁性穿隧接面元件上方或下方，使得該第一自由磁矩及該第二自由磁矩相互反平行於該參考軸，且該第一固定磁矩和該第二固定磁矩分別與該參考軸間形成45度或135度且包含誤差值為正負5度範圍內之夾角。例如，該第一固定磁矩和該第二固定磁矩分別與該參考軸間形成40-50度或130-140度。惟能達本揭露效果的角度不以此範圍為限。
其中，該第一自由層和該第二自由層為包含上自由層、分隔層及下自由層之複合式自由層，或者該第一自由層和該第二自由層為包含上自由層、分隔層及下自由層之合成式反鐵磁自由層。
本揭露復提供一種用於感測外部磁場之磁場感測器，包括：第一電極和第二電極，係位於基板上；第一磁性穿隧接面元件和第二磁性穿隧接面元件，係位於該第一電極和該第二電極之間且並聯地連接於該第一電極和該第二電極，該第一磁性穿隧接面元件和該第二磁性穿隧接面 元件係沿著該磁場感測器的參考軸設置；該第一磁性穿隧接面元件包含具有第一固定磁矩之第一反鐵磁層、具有第一自由磁矩之第一自由層及於該第一反鐵磁層和該第一自由層之間之穿隧絕緣層，其中，該第一反鐵磁層為包含固定層、釕層及參考層之合成式反鐵磁層；該第二磁性穿隧接面元件包含具有第二固定磁矩之第二反鐵磁層、具有第二自由磁矩之第二自由層及於該第二反鐵磁層和該第二自由層之間之穿隧絕緣層，其中，該第二反鐵磁層為包含固定層、釕層及參考層之合成式反鐵磁層；以及金屬線路，係通過該第一磁性穿隧接面元件和該第二磁性穿隧接面元件上方或下方，使得該第一自由磁矩及該第二自由磁矩相互反平行於該參考軸，且該第一固定磁矩和該第二固定磁矩分別與該參考軸間形成40-50度或130-140度之夾角。進一步地，該第一固定磁矩和該第二固定磁矩分別與該參考軸間形成45度或135度之夾角。其中，該第一自由層和該第二自由層為單一自由層或合金自由層。
本揭露又提供一種雙軸的磁場感測器，包括：第一磁場感測器，係具有第一固定方向和第一參考軸；以及第二磁場感測器，係具有第二固定方向和第二參考軸，該第一參考軸與該第二參考軸為90度夾角，該第一固定方向和該第二固定方向平行且與該第一參考軸和該第二參考軸形成有45度夾角；其中，該第一磁場感測器包括：第一電極和第二電極，係位於第一基板上；第一磁性穿隧接面元件和第二磁性穿隧接面元件，係位於該第一電極和該第二電極 之間且並聯地連接於該第一電極和該第二電極，該第一磁性穿隧接面元件和該第二磁性穿隧接面元件係沿著該第一磁場感測器之該第一參考軸設置；該第一磁性穿隧接面元件包含具有處於該第一固定方向之第一固定磁矩的第一反鐵磁層、具有第一自由磁矩之第一自由層及於該第一反鐵磁層和該第一自由層之間之穿隧絕緣層，其中，該第一自由層為多層結構；該第二磁性穿隧接面元件包含具有處於該第一固定方向之第二固定磁矩之第二反鐵磁層、具有第二自由磁矩之第二自由層及於該第二反鐵磁層和該第二自由層之間之穿隧絕緣層，其中，該第二自由層為多層結構；以及第一金屬線路，係通過該第一磁性穿隧接面元件和該第二磁性穿隧接面元件上方或下方，使得該第一自由磁矩及該第二自由磁矩相互反平行於該第一參考軸，該第一固定磁矩和該第二固定磁矩分別與該第一參考軸間形成40-50度或130-140度之夾角。進一步地，該第一固定磁矩和該第二固定磁矩分別與該參考軸間形成45度或135度之夾角，且該第一磁場感測器之磁場感測方向垂直於該第一參考軸；其中，該第二磁場感測器包括：第三電極和第四電極，係位於第二基板上；第三磁性穿隧接面元件和第四磁性穿隧接面元件，係位於該第三電極和該第四電極之間且並聯地連接於該第三電極和該第四電極，該第三磁性穿隧接面元件和該第四磁性穿隧接面元件係沿著該第二磁場感測器之該第二參考軸設置；該第三磁性穿隧接面元件包含具有處於該第二固定方向之第三固定磁矩的第三反 鐵磁層、具有第三自由磁矩之第三自由層及於該第三反鐵磁層和該第三自由層之間之穿隧絕緣層，其中，該第三自由層為多層結構；該第四磁性穿隧接面元件包含具有處於該第二固定方向之第四固定磁矩之第四反鐵磁層、具有第四自由磁矩之第四自由層及於該第四反鐵磁層和該第四自由層之間之穿隧絕緣層，其中，該第四自由層為多層結構；以及第二金屬線路，係通過該第三磁性穿隧接面元件和該第四磁性穿隧接面元件上方或下方，使得該第三自由磁矩及該第四自由磁矩相互反平行於該第二參考軸，該第三固定磁矩和該第四固定磁矩分別與該第二參考軸間形成40-50度或130-140度之夾角。進一步地，該第一固定磁矩和該第二固定磁矩分別與該參考軸間形成45度或135度之夾角，且該第二磁場感測器之磁場感測方向垂直於該第二參考軸。
本揭露再提供一種雙軸的磁場感測器，包括：第一磁場感測器，係具有第一固定方向和第一參考軸；以及第二磁場感測器，係具有第二固定方向和第二參考軸，該第一參考軸與該第二參考軸為90度夾角，該第一固定方向和該第二固定方向平行且與該第一參考軸和該第二參考軸形成有45度夾角；其中，該第一磁場感測器包括：第一電極和第二電極，係位於第一基板上；第一磁性穿隧接面元件和第二磁性穿隧接面元件，係位於該第一電極和該第二電極之間且並聯地連接於該第一電極和該第二電極，該第一磁性穿隧接面元件和該第二磁性穿隧接面元件係沿著該第一 磁場感測器之該第一參考軸設置；該第一磁性穿隧接面元件包含具有處於該第一固定方向之第一固定磁矩的第一反鐵磁層、具有第一自由磁矩之第一自由層及於該第一反鐵磁層和該第一自由層之間之穿隧絕緣層，其中，該第一反鐵磁層為包含固定層、釕層及參考層之合成式反鐵磁層；該第二磁性穿隧接面元件包含具有處於該第一固定方向之第二固定磁矩之第二反鐵磁層、具有第二自由磁矩之第二自由層及於該第二反鐵磁層和該第二自由層之間之穿隧絕緣層，其中，該第二反鐵磁層為包含固定層、釕層及參考層之合成式反鐵磁層；以及第一金屬線路，係通過該第一磁性穿隧接面元件和該第二磁性穿隧接面元件上方或下方，使得該第一自由磁矩及該第二自由磁矩相互反平行於該第一參考軸，該第一固定磁矩和該第二固定磁矩分別與該第一參考軸間形成40-50度或130-140度之夾角。進一步地，該第一固定磁矩和該第二固定磁矩分別與該參考軸間形成45度或135度之夾角，且該第一磁場感測器之磁場感測方向垂直於該第一參考軸；其中，該第二磁場感測器包括：第三電極和第四電極，係位於第二基板上；第三磁性穿隧接面元件和第四磁性穿隧接面元件，係位於該第三電極和該第四電極之間且並聯地連接於該第三電極和該第四電極，該第三磁性穿隧接面元件和該第四磁性穿隧接面元件係沿著該第二磁場感測器之該第二參考軸設置；該第三磁性穿隧接面元件包含具有處於該第二固定方向之第三固定磁矩的第三反鐵磁層、具有第三自由磁矩之第三自由 層及於該第三反鐵磁層和該第三自由層之間之穿隧絕緣層，其中，該第三反鐵磁層為包含固定層、釕層及參考層之合成式反鐵磁層；該第四磁性穿隧接面元件包含具有處於該第二固定方向之第四固定磁矩之第四反鐵磁層、具有第四自由磁矩之第四自由層及於該第四反鐵磁層和該第四自由層之間之穿隧絕緣層，其中，該第四反鐵磁層為包含固定層、釕層及參考層之合成式反鐵磁層；以及第二金屬線路，係通過該第三磁性穿隧接面元件和該第四磁性穿隧接面元件上方或下方，使得該第三自由磁矩及該第四自由磁矩相互反平行於該第二參考軸，該第三固定磁矩和該第四固定磁矩分別與該第二參考軸間形成40-50度或130-140度之夾角。進一步地，該第一固定磁矩和該第二固定磁矩分別與該參考軸間形成45度或135度之夾角，且該第二磁場感測器之磁場感測方向垂直於該第二參考軸。
相較於習知技術，本揭露之磁場感測器具有例如單一自由層、複合式自由層、合成式反鐵磁自由層或合金自由層等不同自由層結構組合，其感測機制是利用自由層作為磁場感測器之感測層，在感測層磁矩方向受外加磁場改變時，亦獲得隨外加磁場變化並聯電導值G，特別是複合式自由層之感測靈敏度值約0.395(%/Oe)最為顯著，且電導值G隨外加磁場變化也具備高線性度(R-Square0.999)，明顯提升磁場感測器之感測線性度及靈敏度。
以下藉由特定的具體實施形態說明本揭露之技術內 容，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本揭露之優點與功效。然本揭露亦可藉由其他不同的具體實施形態加以施行或應用。
第1A圖係說明本揭露之用於感測外部磁場之磁場感測器之結構剖視圖，而第1B圖係說明本揭露之用於感測外部磁場之磁場感測器之結構俯視圖。磁場感測器1隨著外加磁場改變而得到電導值G，藉此提供狀態感測之功效。如第1A圖所示，該磁場感測器1係包括第一電極11、第一磁性穿隧接面元件10a、第二磁性穿隧接面元件10b、第二電極18及金屬線路300，而前述各構件可設置於一基板上(未圖示)。其中第一磁性穿隧接面元件10a和第二磁性穿隧接面元件10b，係位於該第一電極11和該第二電極18之間且並聯地連接於該第一電極11和該第二電極18，該第一磁性穿隧接面元件10a和該第二磁性穿隧接面元件10b係沿著該磁場感測器1的參考軸100設置。
請參考第1A圖和第1B圖，第一磁性穿隧接面元件10a是位於第一電極11上，其中，依序堆疊有第一反鐵磁層14a、第一穿隧絕緣層15a及第一自由層16a，第一磁性穿隧接面元件10a透過該第一反鐵磁層14a形成朝一特定方向200之第一固定磁矩102a，而該第一磁性穿隧接面元件10a之第一自由層16a具有平行於一參考軸100的第一自由磁矩101a。其中該參考軸100可為一易軸。
第二磁性穿隧接面元件10b亦位於第一電極11上，該第二磁性穿隧接面元件10b具有與第一磁性穿隧接面元 件10a相同結構，包含第二反鐵磁層14b、第二穿隧絕緣層15b及第二自由層16b，該第二磁性穿隧接面元件10b也具有朝該特定方向200之第二固定磁矩102b，而該第二磁性穿隧接面元件10b之第二自由層16b具有平行於該參考軸100的第二自由磁矩101b。
該第一磁性穿隧接面元件10a之第一自由層16a與第二磁性穿隧接面元件10b之第二自由層16b上方連接有第二電極18。金屬線路300係通過第一磁性穿隧接面元件10a和第二磁性穿隧接面元件10b上方或下方，在施加一設定電流400下，使得該第一自由磁矩101a及該第二自由磁矩101b呈現相互反平行，並且平行於該參考軸100，且該第一、第二磁性穿隧接面元件10a、10b之第一、第二固定磁矩102a、102b與該參考軸100間為大約40-50度或130-140度之夾角。進一步地，在一示範實施例，該第一固定磁矩102a和該第二固定磁矩102b分別與該參考軸100間形成45度或135度之夾角，亦即當施加設定電流400時，電流經過金屬線路300並通過第一磁性穿隧接面元件10a和第二磁性穿隧接面元件10b的上方或下方而分別產生磁矩，故在未提供外加磁場的改變，第一、第二磁性穿隧接面元件10a、10b之第一、第二固定磁矩102a、102b與該參考軸100間之夾角分別為大約40-50度或130-140度之夾角。進一步地，該第一固定磁矩102a和該第二固定磁矩102b分別與該參考軸100間形成45度或135度之夾角，前述夾角角度與電流方向有關，於第1B圖中，第一自由磁 矩101a和第二自由磁矩101b係相互反平行於參考軸100，使第一磁性穿隧接面元件10a的第一固定磁矩102a與第一自由磁矩101a所形成夾角為135度，而第二磁性穿隧接面元件10b的第二固定磁矩102b與第二自由磁矩101b所形成夾角為45度。
進一步而言，第一磁性穿隧接面元件10a和第二磁性穿隧接面元件10b具有為共線的參考軸100，其中，在一示範實施例，第一磁性穿隧接面元件10a在第1A圖之第一電極11上形成有第一反鐵磁層14a，是由磁性材料所形成，例如鈷鐵(CoFe)或鎳鐵(NiFe)材料等等，其具有平行於特定方向200的第一固定磁矩102a，而該特定方向200與參考軸100為45度夾角，在一示範實施例，於第一反鐵磁層14a上的第一穿隧絕緣層15a是由非磁性材料所形成，而形成於第一穿隧絕緣層15a上的第一自由層16a則是由磁性材料所形成，其未受外加其他磁場影響下(即僅有設定電流400)具有與參考軸100平行的第一自由磁矩101a。同理，在一示範實施例，第二磁性穿隧接面元件10b在第1A圖之第一電極11上形成有由磁性材料所形成第二反鐵磁層14b，其也具有平行於特定方向200的第二固定磁矩102b，於第二反鐵磁層14b上的第二穿隧絕緣層15b是由非磁性材料所形成，而形成於第二穿隧絕緣層15b上的第二自由層16b則是由磁性材料所形成，其未受外加其他磁場影響下是具有與參考軸100平行的第二自由磁矩101b，但第二自由磁矩101b與第一自由磁矩101a為反平 行。由上可知，依據第1B圖所示，在一示範實施例，第一固定磁矩102a會與參考軸100形成約135度的夾角，而第二固定磁矩102b會與參考軸100形成約45度的夾角，且隨著設定電流400流向變化將使兩個夾角的度數互換。
前述第一、第二磁性穿隧接面元件10a、10b包括第一、第二反鐵磁層(14a和14b)、第一、第二自由層(16a和16b)及於反鐵磁層和自由層之間之第一、第二穿隧絕緣層(15a和15b)，為了提高磁場感測器之自由層的感測線性度及靈敏度，本揭露將對第一、第二自由層16a、16b或是第一、第二反鐵磁層的結構進行改變，後續將依自由層之不同結構變化來說明磁場感測器1。
此外，在第一、第二反鐵磁層14a、14b作為反鐵磁固定層時，在第一電極11與該第一、第二反鐵磁層14a、14b之間復包括用以固定該第一、第二反鐵磁層14a、14b之磁化方向的反鐵磁層13a、13b，在一示範實施例，該反鐵磁層13a、13b所使用的材料可為鉑錳(PtMn)或銥錳(IrMn)，厚度範圍可為1~100 nm，其主要目的即於第一、第二反鐵磁層14a、14b作為固定層時固定其磁化方向。
如第2圖所示，係說明本揭露之磁場感測器之磁性穿隧接面元件之結構示意圖。例如磁性穿隧接面元件分別可為第一與第二磁性穿隧接面元件10a、10b之一種實施例。如圖所示，磁性穿隧接面元件20可依固定層位置分為底固定結構(bottom-pinned structure)以及上固定結構(top-pinned structure)兩種結構，下面將以底固定結 構為例。磁性穿隧接面元件20除了最下端的第一電極21和最上端的第二電極28外，中間由下而上依序為種子層22(seed layer)，反鐵磁層23(anti-ferromagnetic layer，AFM)，合成式反鐵磁層24(synthetic antiferromagnetic layer)，穿隧絕緣層25(barrier layer)，自由層26(free layer)以及上面的保護層27(capping layer)。其中，合成式反鐵磁層24可為一多層結構，可包括固定層240、釕層241和參考層242。
種子層22即為緩衝層(Buffer layer)，在一示範實施例，材料可為Ta、Ta/NiFe、Ta/Ru/Ta、Ta/Cr、Ta/Cu…等，其厚度範圍可為1~100 nm，該層主要可提升介面平坦化和均勻且具特性方向的晶格結構。在一示範實施例，而反鐵磁層23所使用的材料為PtMn或IrMn，其厚度範圍可為1~100 nm，用以固定合成式反鐵磁層24之固定層240的磁化方向，並且可依特性需求，控制製程參數調整結構晶向與表面之平坦化。
合成式反鐵磁層24屬於典型的合成式反鐵磁結構，該結構為兩個鐵磁性材料層中間崁入一個非鐵磁性材料，在一示範實施例，例如釕，參考層242與固定層240可為Co、Fe、CoFe、NiFe或CoFeB等鐵磁性材料，或者是上述材料疊層之組合。當在釕層241其厚度為0.6~1 nm下，可使兩個鐵磁性材料層之磁化方向呈現反平行態，也就是說，上層的參考層的磁化方向與下層的固定層的磁化方向是平行但反向，如此可形成一封閉磁力線，而此交互耦合 效應是取決於釕層241厚度的改變。
一般理想情形下，穿隧絕緣層25的界面為CoFeB，將可得到高穿隧磁阻變化率，於非鐵磁性材料釕層241與參考層242之間崁入一鐵磁性材料，在一示範實施例，如CoFe，有助於提高體心立方結晶(bcc crystalline)結晶性之形成及釕扎能力(pinning strength)，藉由參考層242厚度調整驅使元件整體的淨磁矩(net magnetic moment)及外漏磁場(stray field)近似於0，如此可避免元件不對稱的翻轉特性。此外，在一示範實施例，穿隧絕緣層25可為氧化鋁(Aluminum oxide)或氧化鎂(Magnesium oxide)等材料，其厚度範圍可為1~4 nm。
於本揭露中，自由層26可具有各種不同結構，該自由層26可為複合式自由層(composite free layer)、合成式反鐵磁自由層(SAF free layer)、單一自由層(single free layer)或合金自由層(alloys free layer)，且前述各種自由層結構皆可獲得並聯導電G值對外加磁場變化的高線性度(Linearity,R-square0.999)關係。
對於複合式自由層，如第2圖所示，該自由層26包含下自由層260、分隔層261及上自由層262，其中，在一示範實施例，下自由層260和上自由層262之材料可包含NiFe、NiFeTa、NiFeCoTa、NiFeRu、NiFeCoRu、(NiFe/Ta)m、(NiFe/Ru)m、(NiFeCo/Ta)m或(NiFeCo/Ru)m。
在一示範實施例，在複合式自由層中，分隔層261為非鐵磁性的鉭(Ta)，因而可藉由調整鉭的厚度，使兩鐵 磁性之下自由層260和上自由層262產生多種平行態的交互耦合(exchange coupling)效應，例如分隔層261厚度為0.1~1 nm，則下自由層260和上自由層262為平行態耦合。
另外，若中間的分隔層261為非磁性的釕(Ru)，則其耦合效果與前者截然不同，兩鐵磁性之下自由層260和上自由層262隨著Ru厚度改變，除了呈現平行態與反平態兩種不同的磁化排列外，耦合強度也隨著分隔層261(非磁性的釕)厚度的增厚而變弱，例如釕厚度在0.3 nm時為平行態的強耦合(strong coupled)，釕厚度在逐漸增至0.8 nm則變為反平行態的強耦合，又釕厚度逐漸增至1.4 nm時又轉回平行態的弱耦合(weak coupled)。
在一示範實施例中，當分隔層261為0.2 nm~0.4 nm之釕層時，則下自由層260和上自由層262為平行態強耦合；當分隔層261為1.2 nm~1.6 nm之釕層時，則下自由層260和上自由層262為平行態弱耦合。上述兩者為平行態耦合，係屬於複合式自由層型的結構。
另外，當分隔層261為0.6 nm~1 nm之釕層時，下自由層260和上自由層262則為反平行態強耦合；分隔層261為1.9 nm~2.3 nm之釕層時，下自由層260和上自由層262則為反平行態弱耦合。上述兩者為反平行態耦合，係屬於合成式反鐵磁自由層型的結構。
另外，在一示範實施例，當自由層26為單一自由層時，即自由層26包括鎳鐵成份，亦可以常見的合金材料做 為自由層，例如NiFeTa、NiFeRu、NiFeCoTa或NiFeCoRu等合金。
另外，在一示範實施例，保護層27則採用不易氧化之導電材料，可用來保護其下方各層結構，除此之外，在高溫退火時，保護層27其材料選擇亦會影響下層鐵磁性材料的結晶性，其材料包含Ta、Ru、Ti、Cu、Ta/Ru…等。
本揭露可搭配複合反鐵磁層、穿隧絕緣層和單一自由層的結構，或可為複合反鐵磁層、穿隧絕緣層和複合自由層(合成自由層、合金自由層等)的結構，或者可為單一反鐵磁層、穿隧絕緣層和複合自由層的結構等，其均為本揭露所保護之精神範圍內。
第3A圖係說明本揭露之X軸向感測器(X-Axis Sensor)與Y軸向感測器(Y-Axis Sensor)之示意圖。這裡是說明，本揭露之磁場感測器可作為X軸向感測器和Y軸向感測器。這裡所述之感測器是包括成對且尺寸一致的磁性穿隧接面元件(後面簡稱MTJ元件)，如圖所示，於任一感測器的成對磁性穿隧接面元件中，任一者的自由層與參考層之磁化方向夾角呈現1/4 π狀態，另一者的自由層與參考層之磁化方向夾角呈現3/4 π狀態，其中，參考層的磁化方向是藉由退火製程來定義，而自由層磁化方向初始態因異向能(anisotropy energy)停滯於最低能量態之易軸(the easy axis，作為磁化方向的參考軸)上，且可藉由電流場(current field)使自由層與參考層之磁化方向夾角呈現1/4 π與3/4 π兩種狀態。
如該圖所示，係圖示一種雙軸的磁場感測器，其包括兩個磁場感測器，可分別為X軸向感測器2和Y軸向感測器3。其中，X軸向感測器2係具有第一固定方向202和第一參考軸120，該第一參考軸120係平行於Y軸，而Y軸向感測器3係具有第二固定方向203和第二參考軸130，該第二參考軸130係平行於X軸，該第一參考軸120與該第二參考軸130為90度夾角，該第一固定方向202和該第二固定方向203平行且與該第一參考軸120和該第二參考軸130形成有45度夾角，亦即第一固定方向202和第二固定方向203與座標中一特定方向201平行，如此將使得第一參考軸120和第二參考軸130與特定方向201形成有45度的夾角。
接著，X軸向感測器2具有第一磁性穿隧接面元件20a和第二磁性穿隧接面元件20b，而Y軸向感測器3具有第三磁性穿隧接面元件30a和第四磁性穿隧接面元件30b，前述第一、第二、第三、第四磁性穿隧接面元件20a、20b、30a、30b其結構與第1A和1B圖所述相同，且第一和第二磁性穿隧接面元件20a、20b之間的關係與作動，以及第三和第四磁性穿隧接面元件30a、30b之間的關係與作動，皆與第1A和1B圖所述相似，這裡將不再贅述。特別的是該第一、第二、第三、第四磁性穿隧接面元件20a、20b、30a、30b中的反鐵磁層可為複合反鐵磁層或單一反鐵磁層，而該第一、第二、第三、第四磁性穿隧接面元件20a、20b、30a、30b中的自由層可為單一自由層或複合自由層(合成 自由層、合金自由層等)，換言之，透過上述反鐵磁層和自由層的組合變化，例如複合反鐵磁層搭配單一自由層、複合反鐵磁層搭配複合自由層、或者單一反鐵磁層搭配複合自由層，皆可獲得並聯導電G值對外加磁場變化的高線性度(Linearity,R-square0.999)關係，如此將有助於提升磁場感測器之感測靈敏度及線性度。
接著，如第3B圖所示，係表示電導值G(1/4)π與G(3/4)π為X軸向感測器施予外加磁場(external magnetic field)於難軸(the hard axis)，即X軸向磁場的導電G值量測結果，而於第3C圖中，係表示三角型標示為X軸向感測器感測難軸(X軸向)磁場的並聯訊號，而五角型標示則為X軸向感測器感測易軸(Y軸向)磁場的並聯訊號，由於X軸向感測器對X軸和Y軸向之磁場感測到的並聯訊號G值差異甚大，且X(Y)軸向穿隧磁阻磁場感測器訊號不易受到Y(X)軸向磁場的干擾，亦即訊號感測具有單一方向性，可藉由製程或封裝技術製作出水平雙軸向磁場感測器元件。由上可知，透過本揭露之磁場感測器，可設計出一種雙軸的磁場感測器，即使兩個磁場感測器具有90度之夾角(如第3A圖所示)，藉此可感測X軸方向或Y軸方向的磁場變化。
前述之磁場感測器可運用於X軸向感測器或Y軸向感測器，當外加磁場的變化，可獲得X軸向感測器與Y軸向感測器之並聯電導值G變化，以達到感測目的。為方便說明，下面將僅以X軸向感測器作為範例，說明本揭露在不 同自由層結構下對於感測靈敏度的影響。
如第4圖所示，係說明本揭露之X軸向感測器於磁性穿隧接面(MTJ)元件短軸寬度固定0.6um下感測靈敏度值隨長/寬比的變化。如圖所示，同時搭配第2圖，在一示範實施例，X軸向感測器之自由層26為一複合式自由層，下自由層260/分隔層261/上自由層262為NiFe/Ta/NiFe之結構，穿隧絕緣層25為氧化鋁(AlOx)，並於x軸向施予外加磁場(-10 Oe≦H≦10 Oe)，發現在MTJ元件短軸寬度固定為0.6 um時，感測靈敏度值隨著長/寬比的增加而降低，從0.256(%/Oe)下降至0.213(%/Oe)，因此，可得到感測靈敏度值的變化與異向能(anisotropy energy)隨著長/寬比增加而增大有關。
如第5圖所示，係說明本揭露之X軸向感測器於MTJ元件長/寬比固定下靈敏度值隨MTJ元件短軸寬度的變化。如圖所示，同時搭配第2圖，在一示範實施例，X軸向感測器之自由層26為一複合式自由層，下自由層260/分隔層261/上自由層262為NiFe/Ta/NiFe之結構，穿隧絕緣層25為氧化鋁(AlOx)，並於x軸向施予外加磁場(-10 Oe≦H≦10 Oe)，發現當MTJ元件長/寬比固定為2時，隨著短軸寬度由0.6 um增長至1.2 um時，感測靈敏度值由原先的0.213(%/Oe)提升至0.348(%/Oe)，亦即感測靈敏度值之變化趨勢隨MTJ元件寬度增長而增大，此與元件尺寸增大而去磁場(demagnetizing field)降低有關。同理，當自由層26結構為單一自由層或合成式反鐵磁自由層 結構時，其感測靈敏度值也具有相同的變化趨勢，皆隨著長/寬比增加而降低，以及隨著MTJ元件寬度增長而增大。
如第6圖所示，係說明本揭露之X軸向感測器於固定MTJ元件製程條件與鎳鐵總厚度下，不同自由層對感測靈敏度值的影響。如圖所示並搭配第2圖，在一示範實施例，對於X軸向感測器，施予X軸向外加磁場(-20 OeH20 Oe)，同時固定MTJ元件尺寸為0.8*1.6 um2，而穿隧絕緣層25為氧化鎂(MgO)，自由層26結構在鎳鐵(NiFe)材料總厚度固定下，崁入非磁性材料釕(Ru)0.8 nm之合成式反鐵磁自由層結構以及內含崁入非磁性材料鉭(Ta)0.3 nm之複合式自由層結構，在感測靈敏度值(△G/Glow)/△H對外加磁場的變化有明顯的提升，從0.115(%/Oe)上升至0.295(%/Oe)，其中，以複合式自由層對於感測靈敏度值改善最為明顯，不但提升2.5倍，同時仍保有極佳感測線性度(R-square0.999)。
若以單一自由層結構為感測層，則可發現翻轉場(switching field)隨著厚度增加而增大，相對地，感測靈敏度值(△G/Glow)/△H隨著鎳鐵(NiFe)厚度增厚而呈現下降趨勢，反觀合成式反鐵磁自由層與複合式自由層，兩者之感測靈敏度變化趨勢，則是隨著下自由層260厚度t1與上自由層262厚度t2的鎳鐵厚度差值(|△t |=| t1-t2 |)變大而上升，分別從0.099(%/Oe)提升至0.141(%/Oe)以及由0.172(%/Oe)提升至0.295(%/Oe)，如第7圖所示，即說明本揭露之X軸向感測器於固定MTJ元 件製程條件與釕、鉭厚度下，自由層厚度差對感測靈敏度值的影響。
由上可知，三種自由層結構皆可獲得不錯的G-H線性關係，感測靈敏度值也都隨著自由層26中鎳鐵總厚度的增厚而呈現下降趨勢，但在自由層26中鎳鐵總厚度一樣的情況下，則以崁入非磁性層材料鉭的複合式自由層結構其感測靈敏度最佳，且在製程尺寸為次微米(submicron size)與高長寬比(higher aspect ratio)的條件下，亦是複合式自由層與合成式反鐵磁自由層結構對於外在環境之熱穩定性(thermal stability)較佳。
如第8圖所示，在一示範實施例，係說明本揭露之X軸向感測器於固定MTJ元件製程條件與固定兩自由層鎳鐵厚度下，分隔層鉭厚度的改變對感測靈敏度的影響。如圖所示並搭配第2圖，對於X軸向感測器，MTJ元件尺寸為1*2(um2)，穿隧絕緣層25為氧化鋁(AlOx)，下自由層260/分隔層261/上自由層262為NiFe/Ta/NiFe，其中鉭的厚度為t1，固定下自由層260和上自由層262之鎳鐵厚度，施予X軸向外加磁場，當非磁性層鉭厚度t1由0.3 nm增厚至0.8 nm，感測靈敏度值則由0.338(%/Oe)提升至0.395(%/Oe)，這可能與鉭在厚度較薄時不易形成連續膜(continuous film)，容易造成介面不平整度(interlayer roughness)，而導致局部鐵磁交互耦合(exchange coupling)或Neel耦合(Néel coupling)效應產生，這些效應都會隨著鉭厚度增厚而改善或降低。
同樣地，在一示範實施例，複合式自由層結構在穿隧絕緣層25為氧化鋁(AlOx)下，崁入非磁性材料鉭(Ta)0.3 nm之複合式自由層結構，其感測靈敏度值的變化趨勢，也是隨著鎳鐵厚度差值(|△t |=| t1-t2 |)變大而上升，分別從0.292(%/Oe)提高至0.348(%/Oe)，如圖9所示，即說明本揭露之X軸向感測器於固定MTJ元件製程條件與鉭厚度下，自由層厚度差對感測靈敏度值影響。
綜上所述，本揭露提供一種用於感測外部磁場之磁場感測器，其中自由層可為單一自由層、複合式自由層、合成式反鐵磁自由層或合金自由層等，對於現有互補式穿隧磁阻結構的感測器在感測靈敏度及線性度將有明顯提升，特別是複合式自由層的改善最明顯，其感測靈敏度值約0.395(%/Oe)且電導值G也具有高線性度，因此，藉由對本揭露之用於感測外部磁場之磁場感測器中自由層改良，確實可以提升磁場感測器之線性度及感測靈敏度。
上述實施形態僅例示性說明本揭露之原理及其功效，而非用於限制本揭露。任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本揭露之精神及範疇下，對上述實施形態進行修飾與改變。因此，本揭露之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。
1‧‧‧磁場感測器
11、21‧‧‧第一電極
10a‧‧‧第一磁性穿隧接面元件
10b‧‧‧第二磁性穿隧接面元件
13a、13b‧‧‧反鐵磁層
14a、14b、24‧‧‧第一、第二反鐵磁層、反鐵磁層
15a、15b、25‧‧‧第一、第二穿隧絕緣層、穿隧絕緣層
16a、16b、26‧‧‧第一、第二自由層、自由層
18、28‧‧‧第二電極
2‧‧‧X軸向感測器
20‧‧‧磁性穿隧接面元件
20a、20b、30a、30b‧‧‧第一、第二、第三、第四磁性穿隧接面元件
22‧‧‧種子層
23‧‧‧反鐵磁層
240‧‧‧固定層
241‧‧‧釕層
242‧‧‧參考層
260‧‧‧下自由層
261‧‧‧分隔層
262‧‧‧上自由層
27‧‧‧保護層
3‧‧‧Y軸向感測器
100‧‧‧參考軸
120‧‧‧第一參考軸
130‧‧‧第二參考軸
101a‧‧‧第一自由磁矩
101b‧‧‧第二自由磁矩
102a‧‧‧第一固定磁矩
102b‧‧‧第二固定磁矩
200‧‧‧特定方向
201‧‧‧特定方向
202‧‧‧第一固定方向
203‧‧‧第二固定方向
300‧‧‧金屬線路
400‧‧‧設定電流
第1A和1B圖係說明本揭露之用於感測外部磁場之磁場感測器之結構剖視圖及俯視圖；第2圖係說明本揭露之用於感測外部磁場之磁場感測 器之磁性穿隧接面元件之結構示意圖；第3A圖係說明本揭露之X軸向感測器(X-Axis Sensor)與Y軸向感測器(Y-Axis Sensor)之示意圖；第3B圖係說明本揭露之X軸向感測器之電導值G(1/4)π與G(3/4)π隨x軸向之外加磁場變化之示意圖；第3C圖係說明本揭露之X軸向感測器感測X軸向磁場與Y軸向磁場的並聯訊號之示意圖；第4圖係說明本揭露之X軸向感測器於MTJ元件短軸寬度固定0.6um下感測靈敏度值隨長/寬比的變化；第5圖係說明本揭露之X軸向感測器於MTJ元件長/寬比固定下靈敏度值隨MTJ元件短軸寬度的變化；第6圖係說明本揭露之X軸向感測器於固定MTJ元件製程條件與鎳鐵總厚度下不同自由層對感測靈敏度值的影響；第7圖係說明本揭露之X軸向感測器於固定MTJ元件製程條件與鎳鐵總厚度下自由層厚度差對感測靈敏度值的影響；第8圖係說明本揭露之X軸向感測器於固定MTJ元件製程條件與兩自由層鎳鐵厚度下分隔層鉭厚度改變對感測靈敏度的影響；以及第9圖係說明本揭露之X軸向感測器於固定MTJ元件製程條件與NiFe總厚度下自由層厚度差對感測靈敏度值影響。
1‧‧‧磁場感測器
11‧‧‧第一電極
10a‧‧‧第一磁性穿隧接面元件
10b‧‧‧第二磁性穿隧接面元件
13a、13b‧‧‧反鐵磁層
14a、14b‧‧‧第一、第二反鐵磁層
15a、15b‧‧‧第一、第二穿隧絕緣層
16a、16b‧‧‧第一、第二自由層
18‧‧‧第二電極

Claims (24)

  1. 一種用於感測外部磁場之磁場感測器，包括：第一電極和第二電極，係位於基板上；第一磁性穿隧接面元件和第二磁性穿隧接面元件，係位於該第一電極和該第二電極之間且並聯地連接於該第一電極和該第二電極，該第一磁性穿隧接面元件和該第二磁性穿隧接面元件係沿著該磁場感測器的參考軸設置，其中，該第一磁性穿隧接面元件包含具有第一固定磁矩之第一反鐵磁層、具有第一自由磁矩之第一自由層及於該第一反鐵磁層和該第一自由層之間之穿隧絕緣層，而該第一自由層為多層結構，且其中，該第二磁性穿隧接面元件包含具有第二固定磁矩之第二反鐵磁層、具有第二自由磁矩之第二自由層及於該第二反鐵磁層和該第二自由層之間之穿隧絕緣層，而該第二自由層為多層結構；以及金屬線路，係通過該第一磁性穿隧接面元件和該第二磁性穿隧接面元件上方或下方，使得該第一自由磁矩及該第二自由磁矩相互反平行於該參考軸，且該第一固定磁矩和該第二固定磁矩分別與該參考軸間形成約45度或135度之夾角。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之用於感測外部磁場之磁場感測器，其中，該第一反鐵磁層和該第二反鐵磁層係為包含固定層、釕層及參考層之合成式反鐵磁層。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之用於感測外部磁場之磁 場感測器，其中，該第一自由層和該第二自由層係為包含上自由層、分隔層及下自由層之複合式自由層。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之用於感測外部磁場之磁場感測器，其中，該上自由層和該下自由層為NiFe、NiFeTa、NiFeCoTa、NiFeRu、NiFeCoRu、(NiFe/Ta)m、(NiFe/Ru)m、(NiFeCo/Ta)m或(NiFeCo/Ru)m之材料，該分隔層包含0.1 nm~1 nm之鉭，且該上自由層和該下自由層為平行態耦合。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之用於感測外部磁場之磁場感測器，其中，該上自由層和該下自由層包含NiFe、NiFeTa、NiFeCoTa、NiFeRu、NiFeCoRu、(NiFe/Ta)m、(NiFe/Ru)m、(NiFeCo/Ta)m或(NiFeCo/Ru)m之材料，該分隔層包含0.2 nm~0.4 nm之釕，且該上自由層和該下自由層為平行態強耦合。
  6. 如申請專利範圍第3項所述之用於感測外部磁場之磁場感測器，其中，該上自由層和該下自由層包含NiFe、NiFeTa、NiFeCoTa、NiFeRu、NiFeCoRu、(NiFe/Ta)m、(NiFe/Ru)m、(NiFeCo/Ta)m或(NiFeCo/Ru)m之材料，該分隔層包含1.2 nm~1.6 nm之釕，且該上自由層和該下自由層為平行態弱耦合。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之用於感測外部磁場之磁場感測器，其中，該第一自由層和該第二自由層係為包含上自由層、分隔層及下自由層之合成式反鐵磁自由層。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之用於感測外部磁場之磁場感測器，其中，該上自由層和該下自由層包含NiFe、NiFeTa、NiFeCoTa、NiFeRu、NiFeCoRu、(NiFe/Ta)m、(NiFe/Ru)m、(NiFeCo/Ta)m或(NiFeCo/Ru)m之材料，該分隔層包含0.6 nm~1 nm之釕，且該上自由層和該下自由層為反平行態強耦合。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之用於感測外部磁場之磁場感測器，其中，該上自由層和該下自由層包含NiFe、NiFeTa、NiFeCoTa、NiFeRu、NiFeCoRu、(NiFe/Ta)m、(NiFe/Ru)m、(NiFeCo/Ta)m或(NiFeCo/Ru)m之材料，該分隔層包含1.9 nm~2.3 nm之釕，且該上自由層和該下自由層為反平行態弱耦合。
  10. 一種用於感測外部磁場之磁場感測器，包括：第一電極和第二電極，係位於基板上；第一磁性穿隧接面元件和第二磁性穿隧接面元件，係位於該第一電極和該第二電極之間且並聯地連接於該第一電極和該第二電極，該第一磁性穿隧接面元件和該第二磁性穿隧接面元件係沿著該磁場感測器的參考軸設置，其中，該第一磁性穿隧接面元件包含具有第一固定磁矩之第一反鐵磁層、具有第一自由磁矩之第一自由層及於該第一反鐵磁層和該第一自由層之間之穿隧絕緣層，而該第一反鐵磁層為包含固定層、釕層及參考層之合成式反鐵磁層，且其中，該第二磁性穿隧接面元件包含具有第二固定磁矩之第二反 鐵磁層、具有第二自由磁矩之第二自由層及於該第二反鐵磁層和該第二自由層之間之穿隧絕緣層，而該第二反鐵磁層為包含固定層、釕層及參考層之合成式反鐵磁層；以及金屬線路，係通過該第一磁性穿隧接面元件和該第二磁性穿隧接面元件上方或下方，使得該第一自由磁矩及該第二自由磁矩相互反平行於該參考軸，且該第一固定磁矩和該第二固定磁矩分別與該參考軸間形成約45度或135度之夾角。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之用於感測外部磁場之磁場感測器，其中，該第一自由層和該第二自由層為包含2 nm~10 nm之鎳鐵。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之用於感測外部磁場之磁場感測器，其中，該第一自由層和該第二自由層為包含NiFeTa、NiFeRu、NiFeCoTa或NiFeCoRu之合金。
  13. 一種雙軸的磁場感測器，包括：第一磁場感測器，係具有第一固定方向和第一參考軸；以及第二磁場感測器，係具有第二固定方向和第二參考軸，該第一參考軸與該第二參考軸為90度夾角，該第一固定方向和該第二固定方向平行且與該第一參考軸和該第二參考軸形成有45度夾角；其中，該第一磁場感測器包括：第一電極和第二電極，係位於第一基板上； 第一磁性穿隧接面元件和第二磁性穿隧接面元件，係位於該第一電極和該第二電極之間且並聯地連接於該第一電極和該第二電極，該第一磁性穿隧接面元件和該第二磁性穿隧接面元件係沿著該第一磁場感測器之該第一參考軸設置，其中，該第一磁性穿隧接面元件包含具有處於該第一固定方向之第一固定磁矩的第一反鐵磁層、具有第一自由磁矩之第一自由層及於該第一反鐵磁層和該第一自由層之間之穿隧絕緣層，而該第一自由層為多層結構，且其中，該第二磁性穿隧接面元件包含具有處於該第一固定方向之第二固定磁矩之第二反鐵磁層、具有第二自由磁矩之第二自由層及於該第二反鐵磁層和該第二自由層之間之穿隧絕緣層，而該第二自由層為多層結構；以及第一金屬線路，係通過該第一磁性穿隧接面元件和該第二磁性穿隧接面元件上方或下方，使得該第一自由磁矩及該第二自由磁矩相互反平行於該第一參考軸，該第一固定磁矩和該第二固定磁矩分別與該第一參考軸間形成約45度或135度之夾角，且該第一磁場感測器之磁場感測方向垂直於該第一參考軸；其中，該第二磁場感測器包括：第三電極和第四電極，係位於第二基板上； 第三磁性穿隧接面元件和第四磁性穿隧接面元件，係位於該第三電極和該第四電極之間且並聯地連接於該第三電極和該第四電極，該第三磁性穿隧接面元件和該第四磁性穿隧接面元件係沿著該第二磁場感測器之該第二參考軸設置，其中，該第三磁性穿隧接面元件包含具有處於該第二固定方向之第三固定磁矩的第三反鐵磁層、具有第三自由磁矩之第三自由層及於該第三反鐵磁層和該第三自由層之間之穿隧絕緣層，而該第三自由層為多層結構，且其中，該第四磁性穿隧接面元件包含具有處於該第二固定方向之第四固定磁矩之第四反鐵磁層、具有第四自由磁矩之第四自由層及於該第四反鐵磁層和該第四自由層之間之穿隧絕緣層，而該第四自由層為多層結構；以及第二金屬線路，係通過該第三磁性穿隧接面元件和該第四磁性穿隧接面元件上方或下方，使得該第三自由磁矩及該第四自由磁矩相互反平行於該第二參考軸，該第三固定磁矩和該第四固定磁矩分別與該第二參考軸間形成約45度或135度之夾角，且該第二磁場感測器之磁場感測方向垂直於該第二參考軸。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之雙軸的磁場感測器，其中，該第一反鐵磁層、該第二反鐵磁層、該第三反鐵 磁層和該第四反鐵磁層為包含固定層、釕層及參考層之合成式反鐵磁層。
  15. 如申請專利範圍第13項所述之雙軸的磁場感測器，其中，該第一自由層、該第二自由層、該第三自由層和該第四自由層為包含上自由層、分隔層及下自由層之複合式自由層。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之雙軸的磁場感測器，其中，該上自由層和該下自由層為NiFe、NiFeTa、NiFeCoTa、NiFeRu、NiFeCoRu、(NiFe/Ta)m、(NiFe/Ru)m、(NiFeCo/Ta)m或(NiFeCo/Ru)m之材料，該分隔層包含0.1 nm~1 nm之鉭，且該上自由層和該下自由層為平行態耦合。
  17. 如申請專利範圍第15項所述之雙軸的磁場感測器，其中，該上自由層和該下自由層包含NiFe、NiFeTa、NiFeCoTa、NiFeRu、NiFeCoRu、(NiFe/Ta)m、(NiFe/Ru)m、(NiFeCo/Ta)m或(NiFeCo/Ru)m之材料，該分隔層包含0.2 nm~0.4 nm之釕，且該上自由層和該下自由層為平行態強耦合。
  18. 如申請專利範圍第15項所述之雙軸的磁場感測器，其中，該上自由層和該下自由層包含NiFe、NiFeTa、NiFeCoTa、NiFeRu、NiFeCoRu、(NiFe/Ta)m、(NiFe/Ru)m、(NiFeCo/Ta)m或(NiFeCo/Ru)m之材料，該分隔層包含1.2 nm~1.6 nm之釕，且該上自由層和該下自由層為平行態弱耦合。
  19. 如申請專利範圍第13項所述之雙軸的磁場感測器，其中，該第一自由層、該第二自由層、該第三自由層和該第四自由層為包含上自由層、分隔層及下自由層之合成式反鐵磁自由層。
  20. 如申請專利範圍第19項所述之雙軸的磁場感測器，其中，該上自由層和該下自由層包含NiFe、NiFeTa、NiFeCoTa、NiFeRu、NiFeCoRu、(NiFe/Ta)m、(NiFe/Ru)m、(NiFeCo/Ta)m或(NiFeCo/Ru)m之材料，該分隔層包含0.6 nm~1 nm之釕，且該上自由層和該下自由層為反平行態強耦合。
  21. 如申請專利範圍第19項所述之雙軸的磁場感測器，其中，該上自由層和該下自由層包含NiFe、NiFeTa、NiFeCoTa、NiFeRu、NiFeCoRu、(NiFe/Ta)m、(NiFe/Ru)m、(NiFeCo/Ta)m或(NiFeCo/Ru)m之材料，該分隔層包含1.9 nm~2.3 nm之釕，且該上自由層和該下自由層為反平行態弱耦合。
  22. 一種雙軸的磁場感測器，包括：第一磁場感測器，係具有第一固定方向和第一參考軸；以及第二磁場感測器，係具有第二固定方向和第二參考軸，該第一參考軸與該第二參考軸為90度夾角，該第一固定方向和該第二固定方向平行且與該第一參考軸和該第二參考軸形成有45度夾角；其中，該第一磁場感測器包括： 第一電極和第二電極，係位於第一基板上；第一磁性穿隧接面元件和第二磁性穿隧接面元件，係位於該第一電極和該第二電極之間且並聯地連接於該第一電極和該第二電極，該第一磁性穿隧接面元件和該第二磁性穿隧接面元件係沿著該第一磁場感測器之該第一參考軸設置，其中，該第一磁性穿隧接面元件包含具有處於該第一固定方向之第一固定磁矩的第一反鐵磁層、具有第一自由磁矩之第一自由層及於該第一反鐵磁層和該第一自由層之間之穿隧絕緣層，而該第一反鐵磁層為包含固定層、釕層及參考層之合成式反鐵磁層，且其中，該第二磁性穿隧接面元件包含具有處於該第一固定方向之第二固定磁矩之第二反鐵磁層、具有第二自由磁矩之第二自由層及於該第二反鐵磁層和該第二自由層之間之穿隧絕緣層，其中，該第二反鐵磁層為包含固定層、釕層及參考層之合成式反鐵磁層；以及第一金屬線路，係通過該第一磁性穿隧接面元件和該第二磁性穿隧接面元件上方或下方，使得該第一自由磁矩及該第二自由磁矩相互反平行於該第一參考軸，該第一固定磁矩和該第二固定磁矩分別與該第一參考軸間形成約45度或135度之夾角，且該第一磁場感測器之磁場感測方向垂直於該第一參考軸； 其中，該第二磁場感測器包括：第三電極和第四電極，係位於第二基板上；第三磁性穿隧接面元件和第四磁性穿隧接面元件，係位於該第三電極和該第四電極之間且並聯地連接於該第三電極和該第四電極，該第三磁性穿隧接面元件和該第四磁性穿隧接面元件係沿著該第二磁場感測器之該第二參考軸設置，其中，該第三磁性穿隧接面元件包含具有處於該第二固定方向之第三固定磁矩的第三反鐵磁層、具有第三自由磁矩之第三自由層及於該第三反鐵磁層和該第三自由層之間之穿隧絕緣層，而該第三反鐵磁層為包含固定層、釕層及參考層之合成式反鐵磁層，且其中，該第四磁性穿隧接面元件包含具有處於該第二固定方向之第四固定磁矩之第四反鐵磁層、具有第四自由磁矩之第四自由層及於該第四反鐵磁層和該第四自由層之間之穿隧絕緣層，而該第四反鐵磁層為包含固定層、釕層及參考層之合成式反鐵磁層；以及第二金屬線路，係通過該第三磁性穿隧接面元件和該第四磁性穿隧接面元件上方或下方，使得該第三自由磁矩及該第四自由磁矩相互反平行於該第二參考軸，該第三固定磁矩和該第四固定磁矩分別與該第二參考軸間形成約45度或135度之夾角，且該第二磁場感測器之磁場感測方向垂 直於該第二參考軸。
  23. 如申請專利範圍第22項所述之雙軸的磁場感測器，其中，該第一自由層、該第二自由層、該第三自由層和該第四自由層為包含2 nm~10 nm之鎳鐵。
  24. 如申請專利範圍第22項所述之雙軸的磁場感測器，其中，該第一自由層、該第二自由層、該第三自由層和該第四自由層為包含NiFeTa、NiFeRu、NiFeCoTa或NiFeCoRu之合金。
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