TW201520576A - 應變感測元件、壓力感測器、麥克風、血壓感測器及觸控面板 - Google Patents

應變感測元件、壓力感測器、麥克風、血壓感測器及觸控面板 Download PDF

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TW201520576A
TW201520576A TW103129902A TW103129902A TW201520576A TW 201520576 A TW201520576 A TW 201520576A TW 103129902 A TW103129902 A TW 103129902A TW 103129902 A TW103129902 A TW 103129902A TW 201520576 A TW201520576 A TW 201520576A
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Yoshihiko Fuji
Hideaki Fukuzawa
Shiori Kaji
Akio Hori
Tomohiko Nagata
Michiko Hara
Yoshihiro Higashi
Akiko Yuzawa
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Toshiba Kk
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    • G01L9/16—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in the magnetic properties of material resulting from the application of stress
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Abstract

根據一實施例，應變感測元件設於配置成要變形的膜單元上。應變感測元件包含功能層、第一磁層、第二磁層、及間隔器層。功能層包含氧化物及氮化物中至少之一。第二磁層設於功能層與第一磁層之間。第二磁層的磁化可根據膜單元的變形而變。間隔器層設在第一磁層與第二磁層之間。第二磁層的至少部份是非晶的及包含硼。

Description

應變感測元件、壓力感測器、麥克風、血壓感測器及觸控面板
此處所述的實施例大致上關於應變感測元件、壓力感測器、麥克風、血壓感測器、及觸控面板。
關於使用MEMS(微機電系統)技術的壓力感測器，舉例而言，有壓阻變化型及靜電電容型。另一方面，提出使用自旋電子技術之壓力感測器。在使用自旋電子技術的壓力感測器中，感測根據應變的電阻變化。舉例而言，需要用於壓力感測器等，以增強感應力的應變感測裝置。
10‧‧‧第一磁層
10a‧‧‧第一磁化釘住層
10b‧‧‧第二磁化釘住層
10c‧‧‧磁耦合層
101‧‧‧下層
10p‧‧‧釘層
10s‧‧‧堆疊體
20‧‧‧第二磁層
20p‧‧‧第一部份
20q‧‧‧第二部份
21a‧‧‧磁膜
21b‧‧‧磁膜
21c‧‧‧非磁膜
21d‧‧‧磁膜
21e‧‧‧非磁膜
25‧‧‧功能層
25a‧‧‧功能層
25x‧‧‧功能層
26‧‧‧蓋層
26c‧‧‧蓋層
27‧‧‧磁層
30‧‧‧間隔器層
35‧‧‧絕緣層
36‧‧‧硬偏壓層
50‧‧‧應變感測元件
51‧‧‧應變感測元件
52a‧‧‧應變感測元件
52b‧‧‧應變感測元件
52c‧‧‧應變感測元件
52d‧‧‧應變感測元件
52e‧‧‧應變感測元件
52f‧‧‧應變感測元件
52g‧‧‧應變感測元件
53‧‧‧應變感測元件
54‧‧‧應變感測元件
55a‧‧‧應變感測元件
55b‧‧‧應變感測元件
55c‧‧‧應變感測元件
56‧‧‧應變感測元件
61‧‧‧第一互連
62‧‧‧第二互連
70‧‧‧膜單元
70d‧‧‧膜單元
70f‧‧‧薄膜
70h‧‧‧通孔
70r‧‧‧外邊緣
70s‧‧‧支撐部
71‧‧‧基底
71h‧‧‧中空部
79‧‧‧力
110‧‧‧壓力感測器
116a‧‧‧壓力感測器
116b‧‧‧壓力感測器
116c‧‧‧壓力感測器
310‧‧‧壓力感測器
310e‧‧‧感測元件
320‧‧‧麥克風
321‧‧‧印刷電路板
323‧‧‧蓋子
325‧‧‧聲孔
329‧‧‧聲音
330‧‧‧血壓感測器
331‧‧‧動脈
333‧‧‧皮膚
340‧‧‧觸控面板
341‧‧‧控制單元
345‧‧‧控制電路
346‧‧‧第一互連
346d‧‧‧第一互連
347‧‧‧第二互連
347d‧‧‧第二互連
415‧‧‧天線
416‧‧‧電互連
417‧‧‧傳送電路
417a‧‧‧A/D轉換器
417b‧‧‧曼徹斯特編碼單元
417c‧‧‧切換單元
417d‧‧‧時序控制器
417e‧‧‧資料校正單元
417f‧‧‧同步單元
417g‧‧‧決定單元
417h‧‧‧電壓控制振盪器
417r‧‧‧接收電路
418‧‧‧接收單元
418a‧‧‧記憶體單元
418b‧‧‧曼徹斯特編碼單元
418d‧‧‧電子裝置
430‧‧‧半導體電路
440‧‧‧壓力感測器
450‧‧‧感測單元
464‧‧‧膜單元
467‧‧‧固定單元
471‧‧‧基部
512D‧‧‧汲極
512G‧‧‧閘極
512I‧‧‧元件隔離絕緣層
512M‧‧‧半導體層
512S‧‧‧源極
514a‧‧‧層間絕緣膜
514b‧‧‧層間絕緣膜
514c‧‧‧連接柱
514d‧‧‧連接柱
514e‧‧‧連接柱
514f‧‧‧互連單元
514g‧‧‧互連單元
514h‧‧‧層間絕緣膜
514i‧‧‧層間絕緣膜
514j‧‧‧連接柱
514k‧‧‧連接柱
514l‧‧‧犠牲層
532‧‧‧電晶體
550f‧‧‧堆疊膜
557‧‧‧互連
558‧‧‧互連
561f‧‧‧導體層
561bf‧‧‧絕緣膜
561fa‧‧‧連接柱
562f‧‧‧導體層
562fa‧‧‧連接柱
562fb‧‧‧連接柱
564‧‧‧膜單元
565f‧‧‧絕緣膜
566‧‧‧絕緣層
566f‧‧‧絕緣膜
566o‧‧‧開口
566p‧‧‧開口
570‧‧‧中空部
E1‧‧‧第一電極
E2‧‧‧第二電極
圖1A及圖1B是視圖，顯示根據第一實施例的應變感測元件；圖2A至圖2C是視圖，顯示根據第一實施例的應變感測元件之操作；圖3是視圖，顯示根據第一實施例的應變感測元件； 圖4A及圖4B顯示應變感測元件的特徵曲線圖；圖5A及圖5B顯示應變感測元件的特徵圖；圖6A及圖6B顯示應變感測元件的特徵圖；圖7A至圖7D是顯微影像，顯示應變感測元件的特徵；圖8A至圖8D是顯微影像，顯示應變感測元件的特徵；圖9A及圖9B顯示應變感測元件的特徵；圖10A及圖10B顯示應變感測元件的特徵；圖11A及圖11B顯示應變感測元件的特徵；圖12A及圖12B顯示應變感測元件的特徵；圖13顯示應變感測元件的特徵；圖14顯示根據第一實施例之應變感測元件；圖15是顯微攝影影像，顯示應變感測元件的特徵；圖16A及圖16B顯示應變感測元件的特徵；圖17A至圖17E顯示根據第一實施例之其它應變感測元件；圖18A至圖18C顯示根據第一實施例之其它應變感測元件；圖19是立體視圖，顯示根據第一實施例之另一應變感測元件；圖20是立體視圖，顯示根據第一實施例之另一應變感測元件；圖21是立體視圖，顯示根據第一實施例之另一應變 感測元件；圖22是立體視圖，顯示根據第一實施例之另一應變感測元件；圖23是立體視圖，顯示根據第一實施例之另一應變感測元件；圖24是剖面視圖，顯示根據第二實施例之應變感測元件；圖25A及圖25B是立體視圖，顯示根據第三實施例之壓力感測器；圖26A至圖26C顯示根據實施例之壓力感測器，圖式顯示眾多感測元件的連接狀態的實例；圖27A至圖27E是依步驟次序之剖面視圖，顯示根據實施例之壓力感測器製造方法；圖28A至圖28C是視圖，顯示根據實施例之壓力感測器；圖29A及圖29B是視圖，顯示根據實施例之壓力感測器製造方法；圖30A及圖30B是視圖，顯示根據實施例之壓力感測器製造方法；圖31A及圖31B是視圖，顯示根據實施例之壓力感測器製造方法；圖32A及圖32B是視圖，顯示根據實施例之壓力感測器製造方法；圖33A及圖33B是視圖，顯示根據實施例之壓力感 測器製造方法；圖34A及圖34B是視圖，顯示根據實施例之壓力感測器製造方法；圖35A及圖35B是視圖，顯示根據實施例之壓力感測器製造方法；圖36A及圖36B是視圖，顯示根據實施例之壓力感測器製造方法；圖37A及圖37B是視圖，顯示根據實施例之壓力感測器製造方法；圖38A及圖38B是視圖，顯示根據實施例之壓力感測器製造方法；圖39A及圖39B是視圖，顯示根據實施例之壓力感測器製造方法；圖40A及圖40B是視圖，顯示根據實施例之壓力感測器製造方法；圖41是剖面視圖，顯示根據第四實施例之麥克風；圖42A及圖42B是視圖，顯示根據第五實施例之血壓感測器；及圖43是視圖，顯示根據第六實施例之觸控面板。
【發明內容及實施方式】
根據一實施例，應變感測元件設於配置成要變形的膜單元上。應變感測元件包含功能層、第一磁層、第二磁層、及間隔器層。功能層包含氧化物及氮化物中至少之 一。第二磁層設在功能層與第一磁層之間。第二磁層的磁化可根據膜單元的變形而變。間隔器層設在第一磁層與第二磁層之間。第二磁層的至少部份是非晶的及包含硼。
根據一實施例，壓力感測器包含應變感測元件及膜單元。應變感測元件設於配置成要變形的膜單元上。應變感測元件包含功能層、第一磁層、設於功能層與第一磁層之間的第二磁層、及設在第一磁層與第二磁層之間的間隔器層，功能層包含氧化物及氮化物中至少之一，第二磁層的磁化可根據膜單元的變形而變。第二磁層的至少部份是非晶的及包含硼。
根據一實施例，麥克風包括壓力感測器。壓力感測器包含應變感測元件及膜單元。應變感測元件設於配置成要變形的膜單元上。應變感測元件包含功能層、第一磁層、設於功能層與第一磁層之間的第二磁層、及設在第一磁層與第二磁層之間的間隔器層，功能層包含氧化物及氮化物中至少之一，第二磁層的磁化可根據膜單元的變形而變。第二磁層的至少部份是非晶的及包含硼。
根據一實施例，血壓感測器包含壓力感測器。壓力感測器包含應變感測元件及膜單元。應變感測元件設於配置成要變形的膜單元上。應變感測元件包含功能層、第一磁層、設於功能層與第一磁層之間的第二磁層、及設在第一磁層與第二磁層之間的間隔器層，功能層包含氧化物及氮化物中至少之一，第二磁層的磁化可根據膜單元的變形而變。第二磁層的至少部份是非晶的及包含硼。
根據一實施例，觸控面板包含壓力感測器。壓力感測器包含應變感測元件及膜單元。應變感測元件設於配置成要變形的膜單元上。應變感測元件包含功能層、第一磁層、設於功能層與第一磁層之間的第二磁層、及設在第一磁層與第二磁層之間的間隔器層，功能層包含氧化物及氮化物中至少之一，第二磁層的磁化可根據膜單元的變形而變。第二磁層的至少部份是非晶的及包含硼。
於下將參考附圖，說明各式各樣的實施例。
圖式是概要的及概念的；以及，各部份的厚度及寬度之間的關係、各部份之間的尺寸比例、等等不一定與其真實值相同。此外，即使對相同的部份，圖式之間，仍不同地顯示維度及比例。
在本申請案的說明書及圖式中，參考圖式說明的類似組件會以相同代號標示並適當地省略說明。
第一實施例
圖1A及圖1B是視圖，顯示根據第一實施例的應變感測元件。
圖1A是應變感測元件的立體視圖，圖1B是剖面視圖，顯示壓力感測器，在壓力感測器中，使用應變感測元件。
如圖1A所示，根據實施例之應變感測元件50包含功能層25、第一磁層10、第二磁層20、及間隔器層30。
舉例而言，以氧化物及氮化物中至少之一用於功能層 25。舉例而言，功能層25包含選自鎂(Mg)、鋁(Al)、矽(Si)、鈦(Ti)、釩(V)、鉻(Cr)、錳(Mn)、鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)、銅(Cu)、鋅(Zn)、鋯(Zr)、鈮(Nb)、鉬(Mo)、釕(Ru)、銠(Rh)、鈀(Pd)、銀(Ag)、鉿(Hf)、鉭(Ta)、鎢(W)、錫(Sn)、鎘(Cd)、及鎵(Ga)組成的第一組中的至少之一的氧化物以及選自第一組中的至少之一的氮化物中至少之一。
舉例而言，功能層25包含選自鎂、鈦、釩、鋅、錫、鎘、及鎵組成的第二組中至少之一的氧化物。舉例而言，以氧化鎂用於功能層25。
第二磁層20設於功能層25與第一磁層10之間。第二磁層20包含非晶部份。第二磁層20包含硼(B)。第二磁層20的磁化(其方向)是可變的。第二磁層20的磁化根據施加至第二磁層20的應力而變。舉例而言，第二磁層20具有非晶結構。如稍後所述般，第二磁層20包含非晶部份及結晶部份。亦即，第二磁層20的至少部份是非晶的。
間隔器層30設在第一磁層10與第二磁層20之間。
舉例而言，第二磁層20是磁化自由層。舉例而言，第一磁層10是參考層。使用磁化釘住層或是磁化自由層作為參考層。舉例而言，第二磁層20的磁化變化比第一磁層10的磁化變化更容易。當應力施加至應變感測元件50及應變感測元件50具有應變時，在第一磁層10的磁 化與第二磁層20的磁化之間的相對角度會改變。
舉例而言，將從第一磁層10朝向第二磁層20的方向定義為Z軸方向(堆疊方向)。垂直於Z軸方向的一方向定義為X軸方向。垂直於Z軸方向及X軸方向的一方向定義為Y軸方向。
在本實例中，又設置第一電極E1及第二電極E2。第一磁層10設於第一電極E1與第二電極E2之間。間隔器層30設於第一磁層10與第二電極E2之間。第二磁層20設於間隔器層30與第二電極E2之間。功能層25設於第二磁層20與第二電極E2之間。在本實例中，第二磁層20接觸功能層25。
藉由在第一電極E1與第二電極E2之間施加電壓，電流通過包含第一磁層10、間隔器層30、第二磁層20、及功能層25的堆疊體10s。舉例而言，電流沿著第一磁層10與第二磁層20之間的Z軸方向流動。
如圖2B所示，應變感測元件50用於壓力感測器110。壓力感測器110包含膜單元70及應變感測元件50。膜單元70具有可撓區。膜單元70可以變形。應變感測元件50固定至膜單元70。在本申請案的說明書中，固定的狀態包含直接固定的狀態及由另一組件間接地固定的狀態。舉例而言，感測元件50固定至膜單元70的狀態包含應變感測元件50與膜單元70之間相對位置固定的狀態。應變感測元件50設於部份膜單元70上。
在本申請案的說明書中，「設於…上」的狀態不僅包 含設置成直接接觸的狀態，也包含經過另一組件設置的狀態。
當力79施加至膜單元70時，膜單元70變形。配合變形而在應變感測元件50中產生應變。舉例而言，第二磁層20的磁化根據膜單元的變形而變。
在根據實施例的應變感測元件50中，舉例而言，當膜單元70受來自外部的力而變形時，在應變感測元件中產生應變。應變感測元件50將應變變化轉換成電阻變化。
應變感測元件50作為應變感測器之操作是根據「反磁致伸縮效應」及「磁阻效應」。在作為磁化自由層的鐵磁層中，取得「反磁致伸縮效應」。「磁阻效應」呈現於磁化自由層、間隔器層、及參考層(舉例而言，磁化釘住層)的堆疊膜中。
「反磁致伸縮效應」是鐵磁材料的磁化因鐵磁材料中產生的應變而改變之現象。亦即，當外部應變施加至應變感測元件50的堆疊體10s時，磁化自由層的磁化方向改變。結果，磁化自由層的磁化與參考層(舉例而言，磁化釘住層)的磁化之間的相對角度改變。此時，由「磁阻效應(MR效應)」造成電阻變化。舉例而言，MR效應包含GMR(巨磁阻)效應、TMR(穿隧磁阻)效應、等等。使電流通過堆疊體10s，當電阻改變時，讀取磁化方向之間的相對角度的變化，而呈現MR效應。舉例而言，在堆疊體10s(應變感測元件50)中產生應變，磁化自由 層的磁化方向被應變改變，以及，磁化自由層的磁化方向與參考層(舉例而言，磁化釘住層)的磁化方向之間的相對角度改變。亦即，由於反磁致伸縮效應，而出現MR效應。
當用於磁化自由層的鐵磁材料具有正磁致伸縮常數時，磁化方向改變，以致於磁化方向與拉伸應變方向之間的角度變成較小，以及，磁化方向與壓縮應變方向之間的角度變得較大。當用於磁化自由層的鐵磁材料具有負磁致伸縮常數時，磁化方向改變以致於磁化方向與拉伸應變方向之間的角度變得更大，以及，磁化方向與壓縮應變方向之間的角度變得較小。
當磁化自由層、間隔器層、及參考層(舉例而言，磁化釘住層)的堆疊體的材料組合具有正磁阻效應時，電阻隨著磁化自由層與磁化釘住層之間的相對角度降低而降低。當磁化自由層、間隔器層、及磁化釘住層的堆疊體的材料組合具有負磁阻效應時，電阻隨著磁化自由層與磁化釘住層之間的相對角度降低而增加。
現在，將使用用於磁化自由層的鐵磁材料具有正磁致伸縮常數、以及包含磁化自由層、間隔器層、及參考層(舉例而言，磁化釘住層)的堆疊體具有正磁阻效應的實例，說明磁化變化的實例。
圖2A至圖2C是視圖，顯示根據第一實施例的應變感測元件之操作。
圖2A對應於拉伸應力施加至應變感測元件50的狀態 (拉伸狀態STt)。圖2B對應於應變感測元件50不具應變的狀態(無應變狀態ST0)。圖2C對應於壓縮應力cs施加至應變感測元件50的狀態(壓縮狀態STc)。
在圖式中，為了容易觀看圖式，顯示第一磁層10、第二磁層20、及間隔器層30，以及省略功能層25。在本實例中，第二磁層20是磁化自由層，以及，第一磁層10是磁化釘住層。
如圖2B所示，在沒有應變(舉例而言，初始狀態)的無應變狀態ST0中，在第二磁層20的磁化20m與第一磁層10的磁化10m(舉例而言，磁化釘住層)之間的相對角度設定於指定值。舉例而言，在初始狀態的磁層之磁化方向由硬偏移、磁層的形狀各向異性、或其它因素設定。在本實例中，第二磁層20(磁化自由層)的磁化20m及第一磁層10的磁化10m(舉例而言，磁化釘住層)彼此交會。
如圖2A所示，在拉伸狀態STt中，當施加拉伸應力ts時，在應變感測元件50中產生根據拉伸應力ts的應變。此時，第二磁層20(磁化自由層)的磁化20m從無應變狀態ST0改變，以致於在磁化20m與拉伸應力ts的方向之間的角度變成較小。在圖2A中所示的實例中，當施加拉伸應力ts時，第二磁層20(磁化自由層)的磁化20m與第一磁層10的磁化10m(舉例而言，磁化釘住層)之間的相對角度相對於無應變狀態ST0是降低的。因此，相較於無應變狀態ST0中的電阻，在應變感測元件 50中的電阻降低。
如圖2C所示，在壓縮狀態STc中，當施加壓縮應力cs時，第二磁層20(磁化自由層)的磁化20m從無應變狀態ST0改變，以致於在磁化20m與壓縮應力cs的方向之間的角度變成較大。在圖2C中所示的實例中，當施加壓縮應力cs時，第二磁層20(磁化自由層)的磁化20m與第一磁層10的磁化10m(舉例而言，磁化釘住層)之間的相對角度相對於無應變狀態ST0是增加的。因此，在應變感測元件50中的電阻增加。
因此，在應變感測元件50中，在應變感測元件50中產生的應變變化轉換成電阻變化。在上述操作中，每單位應變(d ε)的電阻變化(dR/R)量稱為量規因子(GF)。藉由使用具有高量規因子的應變感測元件，取得高靈敏度應變感測器。
現在將說明應變感測元件50的實例。
在下述中，「材料A/材料B」的說明意指材料B的層設於材料A的層上之狀態。
圖3是立體圖，顯示根據第一實施例的應變感測元件。
如圖3所示，實施例中使用的應變感測元件51包含第一電極E1、下層101、釘層10p、第一磁層10、間隔器層30、第二磁層20、功能層25、及蓋層26c。下層101設於第一電極E1與第一磁層10之間。釘層10p設於下層101與第一磁層10之間。蓋層26c設在第二磁層20與第 二電極E2之間。在本實例中，第一磁層10包含第一磁化釘住層10a、第二磁化釘住層10b、及磁耦合層10c。第一磁化釘住層10a設在第二磁化釘住層10b與間隔器層30之間。磁耦合層10c設在第二磁化釘住層10b與第一磁化釘住層10a之間。
舉例而言，使用Ta/Ru作為下層101。舉例而言，Ta層的厚度(在Z軸方向上的長度)是3奈米(nm)。舉例而言，Ru層的厚度是2奈米(nm)。
舉例而言，使用7nm厚度的IrMn層作為釘層10p。
舉例而言，使用2.5nm厚度的Co75Fe25層作為第二磁化釘住層10b。
舉例而言，使用0.9nm厚度的Ru層作為磁耦合層10c。
舉例而言，使用3nm厚度的Co40Fe40B20層作為第一磁化釘住層10a。
舉例而言，使用1.6nm厚度的Mg-O層作為間隔器層30。
舉例而言，使用4nm厚度的Co40Fe40B20層作為第二磁層20。
舉例而言，使用1.5nm厚度的Mg-O層作為功能層25。
舉例而言，使用Ta/Ru作為蓋層26c。舉例而言，Ta層的厚度是1nm。舉例而言，Ru層的厚度是5nm。
舉例而言，使用金屬作為第一電極E1及第二電極 E2。
現在將說明根據實施例的應變感測元件的特徵。
包含在第一樣品S01中的層之材料及厚度如下所述：
下層101：Ta(1nm)/Ru(2nm)
釘層10p：Ir22Mn78(7nm)
第二磁化釘住層10b：Co75Fe25(2.5nm)
磁耦合層10c：Ru(0.9nm)
第一磁化釘住層10a：Co40Fe40B20(3nm)
間隔器層30：Mg-O(1.6nm)
第二磁層20：Co40Fe40B20(4nm)
功能層25：Mg-O(1.5nm)
蓋層26c：Cu(1nm)/Ta(20nm)/Ru(50nm)
另一方面，在第二樣品S02中，未提供功能層25。除此以外，第二樣品S02的配置與第一樣品S01相同。
如上所述，在第一樣品S01中，使用4nm厚的Co40Fe40B20層作為第二磁層20。使用厚度1.5nm的Mg-O層作為功能層25。另一方面，在第二樣品S02中，未提供功能層25。
藉由形成厚度1.6nm的Mg層，接著使用IAO(離子束輔助氧化)處理以執行表面氧化，以形成作為間隔器層30與功能層25的Mg-O層。舉例而言，在用於功能層25的Mg-O層製造中的氧化條件比在用於間隔器層30的Mg-O層的製造中的氧化條件更弱。用於功能層25的Mg-O層之電阻-面積乘積(RA)低於用於間隔器層30的Mg- O層之電阻-面積乘積(RA)。當用於功能層25的Mg-O層之電阻-面積乘積(RA)高於用於間隔器層30的Mg-O層之電阻-面積乘積(RA)時，寄生電阻因功能層25而增加，MR比例降低，以及量規因子降低。藉由將用於功能層25的Mg-O層之電阻-面積乘積(RA)設定成低於用於間隔器層30的Mg-O層之電阻-面積乘積(RA)，寄生電阻降低，取得高MR比例，以及取得高量規因子。
上述堆疊膜形成於第一電極E1上，以及，第二電極E2形成於堆疊膜上。上述堆疊膜(第一樣品S01及第二樣品S02)處理成類點元件。堆疊膜(樣品)的元件尺寸是20μm×20μm。研究第一電極E1與第二電極E2之間的垂直電流通過特徵。
以基底彎曲方法，研究上述樣品的應變感測器特徵。在此方法中，樣品形成於上的基底(晶圓)切割成長方形，以及，使用具有刀邊緣的四點彎曲方法以將應力施加至晶圓，以在晶圓中形成應變。荷重元併入於將長方形晶圓彎曲之刀邊緣中。以荷重元測量的載重，找出施加至晶圓上的樣品(應變感測元件)之應變。
以下述關於二側支援樑的公式1用於應變的計算。
ε=-3(L1-L2)G/(2Wt2es) 公式1
在上述公式1中，「es」是晶圓的楊氏模數。「L1」是外刀緣的邊緣間長度。「L2」是內刀緣的邊緣間長度。「W」是長方形晶圓的寬度。「t」是長方形晶圓的厚度。「G」是施加至刀緣的載重。藉由馬達控制以連續地改變 施加至刀緣的載重。
圖4A及圖4B顯示應變感測元件的特徵圖。
圖5A及圖5B顯示應變感測元件的特徵圖。
圖4A及圖4B顯示第一樣品S01的應變感測器特徵的研究結果。圖4A顯示當應變ε是0.8×10-3、0.6×10-3、0.4×10-3、0.2×10-3、及0.0×10-3時電阻的磁場相依性之測量結果。圖4B顯示當應變ε是-0.2×10-3、-0.4×10-3、-0.6×10-3、及-0.8×10-3時電阻的磁場相依性之測量結果。
圖5A及圖5B顯示第二樣品S02的應變感測器特徵的研究結果。圖5A顯示當應變ε是0.8×10-3、0.6×10-3、0.4×10-3、0.2×10-3、及0.0×10-3時電阻的磁場相依性之測量結果。圖5B顯示當應變ε是-0.2×10-3、-0.4×10-3、-0.6×10-3、及-0.8×10-3時電阻的磁場相依性之測量結果。
圖的水平軸是外部磁場H(厄斯特；Oe)。垂直軸是電阻R(歐姆；Ω)。在測量中外部磁場H的方向是平行於第一磁化釘住層10a的平面之方向。負外部磁場H對應於與第一磁化釘住層10a的磁化方向相同的方向上的磁場。
應變ε的施加方向是垂直於X-Y平面中第一磁層(舉例而言，磁化釘住層)的磁化方向。在本申請案的說明書中，正的應變ε值對應於拉伸應變。負的應變ε值對應於壓縮應變。
如同從圖4A、圖4B、圖5A、及圖5B中可見般，R-H迴路形狀隨著第一樣品S01與第二樣品S02中的應變ε 值而變。這意指第二磁層20(磁化自由層)的平面中磁性各向異性因反磁致伸縮效應而改變。
圖6A及圖6B顯示應變感測元件的特徵圖。
圖6A對應於第一樣品S01，圖6B對應於第二樣品S02。圖形顯示當外部磁場H固定及應變ε在-0.8×10-3與0.8×10-3之間的範圍中連續地改變時電阻R的改變。圖形的水平軸是應變ε，以及，垂直軸是電阻R。應變ε的變化是從-0.8×10-3朝向0.8×10-3變化以及從0.8×10-3朝向-0.8×10-3變化。結果顯示應變感測器特徵。從圖形中計算量規因子。
量規因子GF以GF=(dR/R)/d ε表示。
從圖6A可知，在第一樣品S01中的量規因子計算為4027。從圖6B可知，在第二樣品S02中的量規因子計算為895。
因此，在使用相同的第二磁層20(厚度4nm的Co40Fe40B20的磁化自由層)之情形中，藉由使用厚度1.5nm的Mg-O層作為功能層25，可以顯著地增進量規因子。
另一方面，第一樣品S01的MR比例是149%。第二樣品S02的MR比例是188%。第一樣品S01的矯頑磁性Hc是3.2 Oe。第二樣品S02的矯頑磁性Hc是27 Oe。第一樣品S01的磁致伸縮常數λ是20ppm。第二樣品S02的磁致伸縮常數λ是30ppm。
取決於功能層25的存在與否之此量規因子差被假視 為是導因於Co40Fe40B20層的矯頑磁性Hc不同之事實，Co40Fe40B20層是第二磁層20(磁化自由層)。
如上所述，第二樣品S02的矯頑磁性Hc是27 Oe，而第一樣品S01的矯頑磁性Hc是3.2 Oe。第一樣品S01的矯頑磁性Hc非常低。於下說明導因於矯頑磁性Hc的降低之量規因子的增進。
如同參考圖2A至圖2C所述般，當在磁化自由層(第二磁層20)中產生應變時，磁化自由層的磁化方向會因反磁致伸縮效應而改變。此時，藉由使用具有大的磁致伸縮常數λ的磁性材料作為磁化自由層，旋轉磁化的力量相對於應變大符地作用；因此，能夠增進量規因子。另一方面，量規因子也取決於磁化自由層的矯頑磁性。矯頑磁性是反應磁化自由層的磁化旋轉的容易度之物理參數。具有大矯頑磁性的材料具有使磁化方向保持原狀的強大力量。因此，在具有大矯頑磁性的材料中，導因於反磁致伸縮效應的磁化方向之變化較不易發生。
因此，當在磁化自由層中的磁致伸縮常數λ大時，取得高量規因子。當在磁化自由層中的矯頑磁性小時，取得高量規因子。
如上所述，在第一樣品S01中的磁致伸縮常數λ的值相當接近第二樣品S02中的磁致伸縮常數λ的值，且足夠大。另一方面，在第一樣品S01中的矯頑磁性Hc顯著地小於第二樣品S02中且大約其1/10的矯頑磁性Hc。在第一樣品S01中，認為矯頑磁性Hc的縮減效應大幅地有助 於量規因子的增加。
藉由在Co40Fe40B20層的第二磁層20(磁化自由層)上設置Mg-O層作為功能層25，取得第一樣品S01中取得之小矯頑磁性Hc及大磁致伸縮常數λ。
本申請案的發明人之研究顯示第二磁層20(磁化自由層)之Co40Fe40B20層的晶體結構隨著功能層25的存在與否而變。發現Co40Fe40B20的晶體結構上的差異與矯頑磁性Hc的差異有關。現在將說明晶體結構的差異。
圖7A至圖7D是顯微影像，顯示應變感測元件的特徵。
圖7A是第一樣品S01的應變感測元件的剖面透射電子顯微(剖面TEM)攝影影像。圖7A是第一樣品S01的堆疊結構的照片。
圖7B至圖7D是分別以圖7A的點P1至P3的電子束之奈米繞射取得的晶格繞射影像。
圖7A顯示包含第二磁化釘住層10b(Co50Fe50層)的一部份至蓋層26c(Ru層)的一部份之區域。
如同圖7A中所見般，第一磁化釘住層10a(Co-Fe-B層)包含晶體部份。而且，間隔器層30(Mg-O層)是晶體。另一方面，在由間隔器層30與功能層25(Mg-O層)夾在其間之大部份的第二磁層20中(Co-Fe-B層，是磁化自由層)，未觀察到規律的原子排列。亦即，第二磁層20是非晶的。
以晶格繞射影像，檢查晶體狀態。圖7A中的點P1 至P3的晶格繞射影像分別顯示於圖7B至圖7D中。點P1對應於第一磁化釘住層10a。點P2對應於間隔器層30。點P3對應於第二磁層20(磁化自由層)。
如圖7B中所示，在對應於第一磁化釘住層10a(Co-Fe-B)的點P1之繞射影像中觀察到繞射光點。繞射光點是導因於第一磁化釘住層10a具有晶體結構的事實。
如圖7C中所示，在對應於間隔層30(Mg-O層)的點P2之繞射影像中觀察到繞射光點。繞射光點是導因於間隔層30具有晶體結構的事實。
另一方面，如圖7D中所示，在對應於第二磁層20(磁化自由層的Co-Fe-B層)的點P3之繞射影像中未觀察到繞射光點。在繞射影像中，觀察到反應非晶結構的類環狀繞射影像。結果顯示第一樣品S01的第二磁層20(磁化自由層的Co-Fe-B層)包含非晶部份。
圖8A至圖8D是顯微影像，顯示應變感測元件的特徵。
圖8A是第二樣品S02的應變感測元件之剖面穿透電子顯微(剖面TEM)攝影影像。圖8B至8D是分別由圖8A的點P4至P6的電子束的奈米繞射取得的晶格繞射影像。
如同從圖8A中可見般，第一磁化釘住層10a(Co-Fe-B層)包含晶體部份，且間隔器層30(Mg-O層)也是晶體。而且，在間隔器層30上的第二磁層20(Co-Fe-B層，Co-Fe-B層是磁化自由層)包含大量的晶體部份。
如圖8B所示，在第一磁化釘住層10a(Co-Fe-B層)的繞射影像中發現導因於晶體結構的繞射光點。
如圖8C所示，在間隔器層30(Mg-O層)的繞射影像中發現導因於晶體結構的繞射光點。
如圖8D所示，也在第二磁層20(磁化自由層的Co-Fe-B層)的繞射影像中發現導因於晶體結構的繞射光點。結果顯示第二樣品S02的第二磁層20(磁化自由層的Co-Fe-B層)大部份具有晶體結構。
如同從圖7A至圖7D中可見般，顯示高量規因子的第一樣品S01的磁化自由層包含非晶結構。另一方面，如同從圖8A至圖8D中可見般，顯示低量規因子的第二樣品S02的磁化自由層具有晶體結構。
如上所述，在各第一樣品S01及第二樣品S02中，使用相同成分的Co40Fe40B20層(4nm)作為磁化自由層。儘管如此，第一樣品S01及第二樣品S02仍具有不同的量規因子及不同的晶體狀態。推定這反應功能層25是否設於磁化自由層上(Co40Fe40B20層(4nm))。
進一步說明在第一樣品S01與第二樣品S02的磁化自由層之晶體狀態之間的差異。
圖9A、圖9B、圖10A、及圖10B顯示應變感測元件的特徵。
圖9B對應於圖7A的一部份，圖10B對應於圖8A的一部份。
圖9A及圖10A是由電子能量損失光譜法(EELS)取 得的樣品之元素的深度輪廓的研究結果。圖9A對應於樣品S01，以及顯示圖7A中所示的線L1上的元素深度輪廓。圖10B對應於第二樣品S02，以及顯示圖8A中所示的線L2上的元素深度輪廓。在這些圖式中，水平軸是元件的偵測強度Int(任意單位)。垂直軸是深度Dp(nm)。舉例而言，深度Dp對應於Z軸方向上的距離。這些圖式顯示關於鐵、硼、及氧的深度輪廓。
如圖10A所示，在第二樣品S02中，在蓋層26c中硼的強度Int高於第二磁層20(Co-Fe-B層，Co-Fe-B層為磁化自由層)中的硼強度Int。在第二磁層20中，在蓋層26c側上的一部份中硼的強度Int高於第二磁層20的中央部份中硼的強度Int。認定硼從第二磁層20擴散至蓋層26c側，以及，第二磁層20中硼的濃度降低。
另一方面，如圖9A所示，在第一樣品S01中，硼的尖峰出現在第二磁層20(磁化自由層的Co-Fe-B層)的中央部份。蓋層26c的硼含量小。第二磁層20(磁化自由層的Co-Fe-B層)的硼濃度難以擴散至其它層，以及，在膜形成時維持初始狀態。
從上述可知，認定設在第二磁層20(磁化自由層)上的功能層(在本實例中為Mg-O層)具有抑制硼從第二磁層20擴散的擴散障壁效果。
上述結果顯示未設有功能層25之第二樣品S02的Co40Fe40B20層中的晶化比在第一樣品S01的Co40Fe40B20層中的晶化進行更多。亦即，在第一樣品S01中， Co40Fe40B20層維持非晶結構。另一方面，晶化在未設置功能層25的第二樣品S02中進行。晶化在第二樣品S02中進行的起因可能是磁化自由層的硼擴散以及磁化自由層的硼含量降低。
圖11A及圖11B顯示應變感測元件的特徵圖。
圖式顯示Co40Fe40B20層的X光繞射的研究結果。圖11A及圖11B分別對應於第一樣品S01以及第二樣品S02。圖式的水平軸是旋轉角2 θ(度)。垂直軸是強度Int。
在X光繞射中，難以取得樣品中僅有Co40Fe40B20層的繞射尖峰。因此，在這些樣品中使用下述模型膜。圖11A中所示的樣品Sr1具有第一Mg-O層(間隔器層30)/Co40Fe40B20層/第二Mg-O層(功能層25)/Ta(對應於蓋層26c)之堆疊結構。樣品Sr1具有功能層25，以及對應於第一樣品S01。另一方面，圖11B中所示的樣品Sr2具有第一Mg-O層(間隔器層30)/Co40Fe40B20層/Ta(對應於蓋層26c)之堆疊結構。樣品Sr2未具有功能層25，以及對應於第二樣品S02。
在圖11A及圖11B中，顯示在320℃及1小時的退火之後及在退火之前的X光繞射結果。
如圖11A及圖11B可見般，發現在退火之前，在樣品Sr1或樣品Sr2中未發現X光繞射尖峰，以及，樣品Sr1及樣品Sr2等二樣品的磁化自由層都是非晶的。另一方面，在退火之後，在樣品Sr2中出現的Co50Fe50的繞射 尖峰比在樣品Sr1中的更強。
這意指晶化在未設置功能層25的第二樣品S02的Co40Fe40B20層中比在第一樣品S01的Co40Fe40B20層中進行更多。亦即，在第一樣品S01中，即使在退火之後，Co40Fe40B20層維持非晶結構。另一方面，在未設置功能層25的第二樣品S02中，在退火後晶化仍繼續進行。
圖12A及圖12B顯示應變感測元件的特徵圖。
這些圖顯示上述第一樣品S01及第二樣品S02以及第三樣品S03的特徵。在第三樣品S03中，使用未包含硼的Fe50Co50(厚度：4nm)作為磁化自由層。磁化自由層除外，第三樣品S03具有與第二樣品S02相同的配置。
圖12A顯示矯頑磁性(Oe)。圖12B顯示磁致伸縮常數λ(ppm)。對於第一樣品S01及第二樣品S02，顯示退火之前的值(BA)及在退火(AA)之後的值。
如圖8A所示，在退火(BA)之前的第一樣品S01及第二樣品S02中，矯頑磁性Hc約3 Oe至4 Oe。在退火之前(BA)顯示良好的軟磁特徵。但是，在退火之前(BA)，MR比例低，因而無法取得高量規因子。
在第二樣品S02中，在退火後(AA)，矯頑磁性Hc增加至27 Oe。此值幾乎等於使用未包含硼之Co50Fe50層的第三樣品S03的值。在退火後(AA)的第二樣品S02中矯頑磁性Hc的增加是導因於在退火後(AA)的第二樣品S02中晶化繼續進行的事實。
另一方面，在第一樣品S01中，退火後(AA)的矯 頑磁性Hc保持退火前(BA)的值。這是由於在第一樣品S01中晶化未進行及即使在退火後(BA)仍然維持非晶結構。
如圖8B所示，在第一樣品S01中，在退火後(AA)的磁致伸縮常數λ實質上保持退火前(BA)的值。
圖13顯示應變感測元件的特徵圖。
圖13顯示模型方式的上述第一至第三樣品S01至S03的特徵。
如圖13所示，包含大量硼的Co40Fe40B20層的矯頑磁性Hc在退火前是小的(第一樣品S01及第二樣品S02)。另一方面，未包含硼的Co50Fe50層具有大的矯頑磁性Hc。
在第二樣品S02中，Co40Fe40B20層的硼在退火期間擴散至蓋層26c側以及硼濃度降低；結果，晶化繼續進行，以及，矯頑磁性Hc增加至等於第三樣品S03的矯頑磁性Hc之程度。另一方面，在第一樣品S01中，硼的擴散被功能層25抑制，以及，在Co40Fe40B20層中的硼濃度維持；因此，晶化的進行受抑制。結果，即使在退火後(AA)，矯頑磁性Hc保持小，處於等於退火前(BA)的程度。結果，在第一樣品S01中，取得20ppm的大磁致伸縮常數λ、約3 Oe的小矯頑磁性Hc、及149%的高MR比。因此，取得4000或更多的高量規因子。
藉由以上述方式結合包含硼的第二磁層20(磁化自由層)及抑制硼擴散的功能層25，即使在退火後(AA) 在磁化自由層中的硼含量仍維持以及非晶結構仍維持。
因此，在實施例中，使用包含非晶部份及包含硼的第二磁層20以及抑制硼擴散的氧化物和氮化物中至少之一的功能層25。因此，能夠提供高靈敏度的應變感測元件。
現在將說明根據實施例之應變感測元件的實例。
舉例而言，使用鋁(Al)、鋁-銅合金(Al-Cu)、銅(Cu)、銀(Ag)、及黃金(Au)中至少之一以用於第一電極E1及第二電極E2。藉由使用具有相當小的電阻之此材料作為第一電極E1和第二電極E2，電流可以有效率地通過應變感測元件51。非磁材料可以用於第一電極E1。
舉例而言，第一電極E1包含用於第一電極E1的下層(未顯示)、用於第一電極E1的蓋層(未顯示)、及設於它們之間的Al、Al-Cu、Cu、Ag、及Au中至少之一的層。舉例而言，使用鉭(Ta)/銅(Cu)/鉭(Ta)或類似者作為第一電極E1。舉例而言，藉由使用Ta作為用於第一電極E1的下層，在膜單元70與第一電極E1之間的黏著度增進。也可以使用鈦(Ti)、氮化鈦(TiN)、或類似者作為用於第一電極E1的下層。
藉由使用Ta作為用於第一電極E1的蓋層，可以防止蓋層之下的銅(Cu)或類似者氧化。也可以使用鈦(Ti)、氮化鈦(TiN)、或類似者作為用於第一電極E1的蓋層。
舉例而言，可以使用包含緩衝層(未顯示)及種子層(未顯示)的堆疊結構作為下層101。舉例而言，緩衝層緩和第一電極E1或膜單元70的表面粗糙度，以及，增進堆疊於緩衝層上的層的結晶度。舉例而言，使用選自鉭(Ta)、鈦(Ti)、釩(V)、鎢(W)、鋯(Zr)、鉿(Hf)、及鉻(Cr)組成的族群之至少之一作為緩衝器層。包含選自這些材料中至少之一的合金可作為緩衝層。
下層101的緩衝層的厚度較佳地不小於1nm以及不大於10nm。緩衝層的厚度更較佳地不小於1nm以及不大於5nm。假使緩衝層的厚度太小，則緩衝效果將喪失。假使緩衝層的厚度太大，則應變感測元件51的厚度將太大。種子層可以形成在緩衝層上，以及具有緩衝效果。在此情形中，可以省略緩衝層。舉例而言，使用3nm厚的Ta層作為緩衝層。
下層101的種子層控制堆疊於種子層上的層之晶向。種子層控制堆疊於種子層上的層之晶粒尺寸。使用具有fcc結構(面心立方體結構)的金屬、hcp結構(六角形緊密結構)、或bcc結構(體心立方結構)等等的金屬作為種子層。
可以使用hcp結構的釕(Ru)、fcc結構的NiFe、或fcc結構的Cu作為下層101的種子層。因此，舉例而言，在種子層上的自旋閥膜的晶向製成fcc(111)晶向。舉例而言，使用厚度2nm的Cu層或是厚度2nm的Ru層作為種子層。當嘗試強化形成於種子層上的層之晶向特性 時，種子層的厚度較佳地不小於1nm及不大於5nm。種子層的厚度更較佳地不小於1nm及不大於3nm。因此，充份地呈現增進晶向的種子層之功能。
另一方面，舉例而言，當不需要提供晶向給設於種子層上的層時(舉例而言，當形成非晶磁化自由層時，等等)，省略種子層。舉例而言，使用厚度2nm的Ru層作為種子層。
舉例而言，釘層10p提供單向各向異性給形成在釘層10p上的第一磁層10(鐵磁層)，以及，固定第一磁層10的磁化10m。舉例而言，使用抗鐵磁層作為釘層10p。舉例而言，選自Ir-Mn、Pt-Mn、Pd-Pt-Mn、及Ru-Rh-Mn組成的族群中的至少之一用於釘層10p。釘層10p的厚度適當地設定以提供具有足夠強度的單向各向異性。
當使用PtMn或PdPtMn作為釘層10p時，釘層10p的厚度較佳地不小於8nm及不大於20nm。釘層10p的厚度較佳地不小於10nm及不大於15nm。相較於當使用PtMn作為釘層10p時，當使用IrMn作為釘層10p時，可由較小的厚度提供單向各向異性。在此情形中，釘層10p的厚度較佳地不小於4nm及不大於18nm。釘層10p的厚度更較佳地不小於5nm及不大於15nm。舉例而言，使用厚度7nm的Ir22Mn78層作為釘層10p。
使用硬磁層作為釘層10p。舉例而言，可以使用CoPt(Co不小於50原子%及不大於85原子%的比例)、(CoxPt100-x)100-yCry(x不小於50原子%及不大於85原子 %，y不小於0原子%及不大於40原子%)、FePt(Pt不小於40原子%及不大於60原子%的比例)、等等作為硬磁層。
舉例而言，使用(CoxFe100-x)合金(x不小於0原子%及不大於100原子%)、NixFe100-x合金(x不小於0原子%及不大於100原子%)、或是添加有非磁元素的這些合金之材料作為第二磁化釘住層10b。舉例而言，使用選自Co、Fe、及Ni組成的族群中至少之一作為第二磁化釘住層10b。可以使用包含選自這些材料中的至少一材料的合金作為第二磁化釘住層10b。可以使用(CoxFe100-x)100-yBy合金(x不小於0原子%及不大於100原子%，y不小於0原子%及不大於30原子%)作為第二磁化釘住層10b。藉由使用(CoxFe100-x)100-yBy的非金合金作為第二磁化釘住層10b，即使當應變感測元件51小時，仍可抑制應變感測元件51的特徵變化。
舉例而言，第二磁化釘住層10b的厚度較佳地不小於1.5nm及不大於5nm。因此，舉例而言，可以增加釘層10p造成的單向各向異性磁場的強度。舉例而言，經由形成在第二磁化釘住層10b上的磁耦合層10c，增加第二磁化釘住層10b與第一磁化釘住層10a之間抗鐵磁耦合磁場的強度。舉例而言，第二磁化釘住層10b的磁厚度(飽合磁化Bs與厚度t的乘積(Bs．t))較佳地實質等於第一磁化釘住層10a的磁厚度。
薄膜形的Co40Fe40B20的飽合磁化約為1.9T(特士 拉)。舉例而言，當使用厚度3nm的Co40Fe40B20層作為第一磁化釘住層10a時，第一磁化釘住層10a的磁厚度是1.9 T×3nm，等於5.7 Tnm。另一方面，Co75Fe25的飽合磁化約為2.1 T。藉以取得等於上述的磁厚度之第二磁化釘住層10b的厚度是5.7 Tnm/2.1T，為2.7nm。在此情形中，較佳地使用約2.7nm厚的Co75Fe25層作為第二磁化釘住層10b。舉例而言，使用2.5nm厚的Co75Fe25層作為第二磁化釘住層10b。
在應變感測元件51中，由第二磁化釘住層10b、磁耦合層10c、及第一磁化釘住層10a組成的合成銷結構作為第一磁層10。可以使用一磁化釘住層形成的單銷結構作為第一磁層10。舉例而言，在使用單銷結構的情形中，使用3nm厚的Co40Fe40B20層作為磁化釘住層。與上述第二磁化釘住層10b的材料相同的材料作為鐵磁層，所述鐵磁層是作為單銷結構的磁化釘住層。
磁耦合層10c在第二磁化釘住層10b與第一磁化釘住層10a之間產生抗鐵磁耦合。磁耦合層10c形成合成銷結構。舉例而言，使用Ru作為磁耦合層10c。舉例而言，磁耦合層10c的厚度較佳地不小於0.8nm及不大於1nm。可以使用Ru以外的其它材料作為磁耦合層10c，以致它們在第二磁化釘住層10b與第一磁化釘住層10a之間產生充份的抗鐵磁耦合。磁耦合層10c的厚度可設定於不小於0.8nm及不大於1nm，對應於RKKY(Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida)耦合的第二尖峰(2nd尖峰)。磁 耦合層10c的厚度可設定於不小於0.3nm及不大於0.6nm，對應於RKKY(Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida)耦合的第一尖峰(1st尖峰)。舉例而言，使用0.9nm厚的Ru作為磁耦合層10c。因此，更穩定地取得高度可靠的耦合。
作為第一磁化釘住層10a的磁層直接有助於MR效應。舉例而言，使用Co-Fe-B合金作為第一磁化釘住層10a。具體而言，可以使用(CoxFe100-x)100-yBy合金(x不小於0原子%及不大於100原子%，y不小於0原子%及不大於30原子%)作為第一磁化釘住層10a。舉例而言，當使用(CoxFe100-x)100-yBy的非晶合金作為第一磁化釘住層10a時，即使當應變感測元件51的尺寸小時，仍能抑制導因於晶粒的元件之間的變異。
將形成於第一磁化釘住層10a上的層(舉例而言，穿隧絕緣層(未顯示))平坦化。藉由穿隧絕緣層的平坦化，降低穿隧絕緣層的缺陷密度。因此，以較低的電阻面積乘積(RA)取得更大的MR比例。舉例而言，當使用Mg-O作為穿隧絕緣層的材料時，可以使用(CoxFe100-x)100-yBy的非晶合金作為第一磁化釘住層10a；因此，強化形成於穿隧絕緣層上的Mg-O層的(100)晶向特性。藉由強化Mg-O層的(100)晶向特性，取得更大的MR比例。在退火期間，以Mg-O層的(100)平面為樣板，晶化(CoxFe100-x)100-yBy合金。因此，取得Mg-O與(CoxFe100-x)100-yBy合金之間的良好晶體匹配。藉由取得 良好的晶體匹配，取得更大的MR比例。
舉例而言，可以使用Fe-Co合金以及Co-Fe-B合金作為第一磁化釘住層10a。
當第一磁化釘住層10a較厚時，取得更大的MR比例。為了取得更大的固定磁場，第一磁化釘住層10a較佳的是較薄。在MR比例與固定磁場之間，在第一磁化釘住層10a的厚度上會有妥協。當使用Co-Fe-B合金作為第一磁化釘住層10a時，第一磁化釘住層10a的厚度較佳地不小於1.5nm及不大於5nm。第一磁化釘住層10a的厚度更較佳地不小於2.0nm及不大於4nm。
使用fcc結構的Co90Fe10合金、hcp結構的Co、或是hcp結構的Co合金以及上述材料，以用於第一磁化釘住層10a。舉例而言，使用選自Co、Fe、及Ni組成的族群中至少之一作為第一磁化釘住層10a。使用包含選自這些材料的至少一材料之合金作為第一磁化釘住層10a。舉例而言，可以使用具有bcc結構的FeCo合金材料、具有50原子%或更高的Co含量之Co合金、或是具有50原子%或更高的Ni含量之材料(Ni合金)作為第一磁化釘住層10a；因而取得較大的MR比例。
舉例而言，可以使用Co2MnGe、Co2FeGe、Co2MnSi、Co2FeSi、Co2MnAl、Co2FeAl、Co2MnGa0.5Ge0.5、Co2FeGa0.5Ge0.5、等等何士勒(Heusler)磁合金作為第一磁化釘住層10a。舉例而言，使用3nm厚的Co40Fe40B20層作為第一磁化釘住層10a。
舉例而言，間隔器層30切斷第一磁層10與第二磁層20之間的磁耦合。舉例而言，以金屬、絕緣體、或是半導體用於間隔器層30。舉例而言，使用Cu、Au、Ag等等作為金屬。舉例而言，在使用金屬作為間隔器層30的情形中，間隔器層30的厚度幾乎不小於1nm且不大於7nm。舉例而言，關於絕緣體或半導體，使用氧化鎂(Mg-O等等)、氧化鋁(Al2O3等等)、氧化鈦(Ti-O等等)、氧化鋅(Zn-O等等)、氧化鎵(Ga-O)、等等。舉例而言，在使用絕緣體或半導體作為間隔器層30的情形中，間隔器層30的厚度幾乎不小於0.6nm及不大於2.5nm。舉例而言，可以使用CCP(電流受限路徑)間隔器作為間隔器層30。舉例而言，在使用CCP間隔器層作為間隔器層的情形中，使用銅(Cu)金屬路徑形成在氧化鋁(Al2O3)的絕緣層中之結構。舉例而言，使用厚度1.6nm的Mg-O層作為間隔器層30。
對於第二磁層20，使用鐵磁材料。在實施例中，藉由使用包含硼之非晶結構的鐵磁材料作為第二磁層20，可取得高量規因子。可以使用包含選自Fe、Co、及Ni組成的族群中的至少一元素和硼(B)的合金，以用於第二磁層20。舉例而言，可以使用Co-Fe-B合金、Fe-B合金、Fe-Co-Si-B合金、等等，以用於第二磁層20。可以使用包含選自Fe、Co、及Ni組成的族群中的至少一元素和硼(B)的合金，以用於第二磁層20。舉例而言，可以使用厚度4nm的Co40Fe40B20層作為第二磁層20。
第二磁層20具有多層結構。舉例而言，第二磁層20具有雙層結構。當使用Mg-O的穿隧絕緣層作為間隔器層30時，較佳的是Co-Fe-B合金或Fe-B合金設在與第二磁層20的間隔器層30接觸之一部份中。因此，取得高磁阻效應。
舉例而言，第二磁層20包含在間隔器層30側上的第一部份以及在功能層25側上的第二部份。舉例而言，第一部份包含接觸第二磁層20的間隔器層30之部份。使用Co-Fe-B合金層作為第一部份。舉例而言，以Fe-B合金用於第二部份。亦即，舉例而言，使用Co-Fe-B/Fe-B合金作為第二磁層20。舉例而言，Co40Fe40B20層的厚度是0.5nm。舉例而言，上述作為第二磁層20的Fe-B合金層的厚度是6nm。
在實施例中，藉由使用包含硼及包含非晶部份的鐵磁材料作為第二磁層，能夠取得高量規因子。稍後說明可以用於第二磁層20的材料實例。
在實施例中，以氧化物或氮化物用於功能層25。舉例而言，厚度1.5nm的Mg-O層可以作為功能層25。在實施例中，舉例而言，藉由使用氧化物層或氮化物層作為功能層25，抑制包含在第二磁層20中的硼的擴散。因此，能夠維持第二磁層20中的非晶結構。結果，取得高量規因子。可用於功能層25的材料實例稍後說明。
蓋層26c保護設置在蓋層26c之下的層。舉例而言，使用眾多金屬層作為蓋層26c。舉例而言，使用Ta層及 Ru層(Ta/Ru)的雙層結構作為蓋層26c。舉例而言，Ta層的厚度是1nm，以及，Ru層的厚度是5nm。可以設置其它金屬層取代Ta層及Ru層，以作為蓋層26c。蓋層26c的配置是任意的。舉例而言，可以使用非磁材料作為蓋層26c。可以使用其它材料作為蓋層26c，達到它們能保護設在蓋層26c之下的層之程度。
進一步說明第二磁層20(磁化自由層)的配置及材料之實例。
可以使用包含選自Fe、Co、及Ni組成的族群中的至少一元素和硼(B)的合金，以用於第二磁層20。舉例而言，以Co-Fe-B合金、Fe-B合金、等等用於第二磁層20。舉例而言，(CoxFe100-x)100-yBy合金(x是不小於0原子%及不大於100原子%，y是大於0原子%及不大於40原子%，)可以用於第二磁層20。舉例而言，使用厚度4nm的Co40Fe40B20層作為第二磁層20。
在包含選自Fe、Co、及Ni組成的族群中的至少一元素和硼(B)的合金用於第二磁層20的情形中，可以添加Ga、Al、Si、及W中至少之一作為利於磁致伸縮常數λ增加的元素。舉例而言，可以使用Fe-Ga-B合金、Fe-Co-Ga-B合金、或Fe-Co-Si-B合金作為第二磁層20。
當使用Fe1-yBy(0<y≦0.3)或(FeaX1-a)1-yBy(X是Co或Ni；0.8≦a<1，0<y≦0.3)作為至少部份第二磁層20時，大磁致伸縮常數λ及低矯頑磁性容易良好地平衡；因此，此情形特別較佳。舉例而言，可以使用4nm 厚的Fe80B20層。
第二磁層20如上所述地包含非晶部份。部份第二磁層20可以晶化。第二磁層20可以包含晶化部份及非晶部份。
根據包含在磁化自由層中的鐵磁材料的體積比，在磁化自由層中的磁致伸縮常數λ及矯頑磁性Hc是可總和特性。即使當晶化的部份存在於磁化自由層中時，由於取得非晶部份的磁特性，所以能取得小矯頑磁性Hc。在使用以絕緣體用於間隔器層30之穿隧磁阻效應的情形中，舉例而言，較佳的是包含與第二磁層20的間隔器層30之介面的一部份晶化。因此，舉例而言，取得高MR比例。
在第二磁層20中的硼濃度(舉例而言，硼的成份比例)較佳地為5原子%(原子百分比)或更多。因此，變得容易取得非晶結構。在第二磁層20中的硼濃度較佳地為35原子%或更低。假使硼濃度太高時，則磁致伸縮常數降低。舉例而言，在第二磁層20中的硼濃度較佳地不小於5原子%且不大於35原子%，更較佳地不小於10原子%且不大於30原子%。
舉例而言，第二磁層20包含在間隔器層30側上的第一部份以及在功能層25側上的第二部份。舉例而言，第一部份包含接觸第二磁層20的間隔器層30之部份。使用Co-Fe-B合金層作為第一部份。舉例而言，以Fe-Ga-B合金用於第二部份。亦即，舉例而言，使用Co-Fe-B/Fe-Ga-B合金作為第二磁層20。舉例而言，Co40Fe40B20層的厚 度是2nm。舉例而言，Fe-Ga-B層的厚度是6nm。也可以使用Co-Fe-B/Fe-B合金。舉例而言，Co40Fe40B20層的厚度是0.5nm。舉例而言，Fe-B的厚度是4nm。如上所述，舉例而言，可以使用Co-Fe-B/Fe-B合金作為第二磁層20。在此情形中，舉例而言，Co40Fe40B20層的厚度是0.5nm。舉例而言，Fe-B層的厚度是4nm。因此，藉由以Co-Fe-B合金用於間隔器層30側上的第一部份，能取得高MR比例。
晶化的Fe50Co50(厚度：0.5nm)可以用於包含與第二磁層20的間隔器層30的介面之第一部份。例如晶化的Fe50Co50(厚度：0.5nm)/Co40Fe40B20層(厚度：2nm)等雙層結構可以作為包含與第二磁層20的間隔器層30的介面之第一部份。
Fe50Co50(厚度：0.5nm)/Co40Fe40B20層(厚度：4nm)的堆疊膜也可作為第二磁層20。Fe50Co50(厚度：0.5nm)/Co40Fe40B20層(厚度：2nm)/Co35Fe35B30層(厚度：4nm)的堆疊膜也可作為第二磁層20。在此堆疊膜中，硼濃度隨著離間隔器層30的距離而增加。
圖14顯示根據第一實施例之應變感測元件。
圖14顯示根據實施例之應變感測元件50(應變感測元件51)中的硼濃度的分佈。
如圖14所示，第二磁層20包含第一部份20p及第二部份20q。第一部份20p設於間隔器層30與第二部份20q之間。舉例而言，第一部份20p包含與第二磁層20的間 隔器層30接觸之部份。舉例而言，第二部份20q包含與第二磁層20的功能層25接觸之部份。
如圖14所示，藉由降低第二磁層的第一部份20p的硼濃度CB(在間隔器層30側上的部份)，可以增進第一部份20p中的MR比例。因此，相對於磁化方向的變化之電阻R的變化增加，以及，取得高量規因子。另一方面，藉由增加第二部份20q中的硼濃度CB(離開間隔器30的部份)，可以降低第二部份20q中的矯頑磁性Hc，以及，可以降低整個第二磁層20的矯頑磁性Hc。
在使用以Mg-O等用於間隔器層的穿隧磁阻效應的情形中，MR比例取決於與間隔器層接觸的約0.5nm厚之磁材料的成分及晶體結構。換言之，MR比例僅由接近間隔器層的磁層決定。另一方面，在磁化自由層是堆疊膜的情形中，根據包含在堆疊膜中的層之厚度之特點，舉例而言，最厚層的特點，在例如磁致伸縮及矯頑磁性等磁性上反應最強烈。這是因為包含在磁化自由層中的磁材料的堆疊體會交換耦合及平均。在實施例中，舉例而言，具有結晶性的磁材料層設置成接近間隔器層。因此，取得高MR比例。另一方面，包含硼之非晶磁材料層設在未與間隔器層接觸的第二部份20q中。因此，取得低矯頑磁性。如此，可以取得低矯頑磁性以及高MR比例。
舉例而言，以SIMS分析(二次離子質譜儀)，取得關於此硼濃度分佈的資訊。藉由剖面TEM及EELS的結合，取得此資訊。以EELS分析，取得此資訊。也以三維 原子探針分析，取得此資訊。
舉例而言，第一部份20p(具有相當高晶化度的部份)的厚度小於第二部份20q(具有相當低晶化度的部份，非晶部份)的厚度。因此，舉例而言，變得容易取得小矯頑磁性Hc。舉例而言，第一部份20p的厚度不大於第二部份20q的厚度的1/3。
現在將說明第四樣品S04。在第四樣品S04中，在第二磁層20中的第一部份20p中的硼濃度設定成低於在第二部份20q中的硼濃度。
包含在第四樣品S04中的層的材料及厚度如下所述：
下層101：Ta(1nm)/Ru(2nm)
釘層10p：Ir22Mn78(7nm)
第二磁化釘住層10b：Co75Fe25(2.5nm)
磁耦合層10c：Ru(0.9nm)
第一磁化釘住層10a：Co40Fe40B20層(3nm)
間隔器層30：Mg-O(1.6nm)
第二磁層20：Co50Fe50(0.5nm)/Co40Fe40B20層(8nm)
功能層25：Mg-O(1.5nm)
蓋層26c：Cu(1nm)/Ta(2nm)/Ru(5nm)
在第四樣品S04中，使用Co50Fe50(0.5nm)/Co40Fe40B20(8nm)作為磁化自由層，以及，具有低硼濃度的第一部份20p及具有高硼濃度的第二部份20q設在磁 化自由層中。
現在將說明第四樣品S04的研究結果。
圖15是顯微攝影影像，顯示應變感測元件的特徵。
圖15是第四樣品S04的應變感測元件的剖面穿透電子顯微攝影影像。
如圖15中所見般，在第二磁層20中，在間隔器層30側上的第一部份20p具有晶體結構。發現在功能層25側上的第二部份20q具有非晶結構。
圖16A及圖16B顯示應變感測元件的特徵。
圖16B對應於圖15A的部份。
圖16A是由EELS取得的第四樣品S04的元素之深度輪廓的研究結果。圖16A顯示圖15A中所示的線L3上元素的深度輪廓。
如同圖16A中所見般，發現類似於第一樣品S01般，藉由設置功能層25，磁化自由層(第二磁層)的硼未擴散至其它層但維持在磁化自由層中。在磁化自由層的間隔器層30側上之第一部份20p中的硼之EELS強度低於在功能層25側上之第二部份20q中的硼之EELS強度。
第四樣品S04的MR比例是187%。第四樣品S04的MR比例高於第一樣品S01的MR比例。在第四樣品S04中，MR比例增進。這被認定為導因於具有結晶性的第一部份20p設在間隔器層30(Mg-O層)側上。在第四樣品S04中，量規因子因為高MR比例而增進。
在第四樣品S04中，磁致伸縮是20ppm，以及矯頑磁性是3.8 Oe。從結果中可知，即使當設置具有結晶性的第一部份20p時，藉由設置非晶結構的第二部份20q而取得低矯頑磁性。舉例而言，在第二磁層20中的磁特性是第一部份20p的磁特性與第二部份20q的磁特性的總合。
以氧化物材料或氮化物材料用於功能層25。在氧化物材料或氮化物材料中，原子化學地結合。因此，抑制硼的擴散之效果高。舉例而言，具有2.0nm厚度的Mg-O層可以作為功能層25。
如上所述，包含選自Mg、Al、Si、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Hf、Ta、W、Sn、Cd、及Ga組成的第一組之至少一元素的氧化物材料、或包含選自第一組的至少一元素的氮化物材料可以作為用於功能層25的氧化物材料或氮化物材料。
功能層25對於磁阻效應沒有貢獻。因此，功能層25的電阻面積乘積(RA)較佳地為低。舉例而言，功能層25的電阻面積乘積(RA)較佳地低於有助於磁阻效應的間隔器層30的電阻面積乘積(RA)。舉例而言，使用包含選自Mg、Ti、V、Zn、Sn、Cd、及Ga組成的族群之至少一元素的氧化物或包含元素的氮化物，以用於功能層25。這些元素的氮化物或氧化物的障壁高度低。藉由使用這些元素的氧化物或氮化物，降低功能層25的電阻面積乘積(RA)。
更較佳的是以氧化物用於功能層25。氧化物中的化學鍵比氮化物中的化學鍵更強。舉例而言，藉由以氧化物用於功能層25，可以更有效地抑制硼的擴散。
在本申請案的說明書中，氧氮化物包含在氧化物及氮化物中任一者中。在氧氮化物中氧的比例高於氮的比例之情形中，舉例而言，氧氮化物包含在氧化物中。在氧氮化物中氮的比例高於氧的比例之情形中，舉例而言，氧氮化物包含在氮化物中。
在以氧化物或氮化物用於功能層25的情形中，功能層25的厚度較佳地為0.5nm或更多。因此，舉例而言，有效地抑制硼的擴散。功能層25的厚度較佳地為5nm或更少。因此，舉例而言，電阻-面積乘積(RA)可以降低。功能層25的厚度較佳地不小於0.5nm且不大於5nm，更較佳地不小於1nm且不大於3nm。功能層25的厚度可為2nm或更多。
舉例而言，另一金屬層等等可以插入於第二磁層20與功能層25之間。假使第二磁層20與功能層25之間的距離太長時，硼可以在它們之間的區域中擴散，以及，第二磁層20的硼濃度降低。舉例而言，第二磁層20與功能層25之間的距離較佳地為10nm或更少，更較佳地為3nm或更少。
圖17A至圖17E是視圖，顯示根據第一實施例之其它應變感測元件。
如圖17A中所示，在根據實施例的應變感測元件52a 中，又設置磁層27。功能層25配置於磁層27與第二磁層20之間。磁層27的磁化(其方向)是可變的。與第二磁層20有關說明的材料及配置可以用於磁層27。磁層27及第二磁層20可以整合在一起作為磁化自由層。
當磁層27及第二磁層20被視為磁化自由層時，功能層25被視為設在磁化自由層中。也在此情形中，藉由功能層25，可以抑制硼從第二磁層20擴散，以及，取得小矯頑磁性Hc。雖然認定在磁層27中硼擴散及矯頑磁性Hc增加，但是，關於整個磁化自由層的矯頑磁性Hc保持小。因此，功能層25可以設在磁化自由層中。在功能層25設在磁化自由層中的情形中，包含眾多層的堆疊膜可以作為功能層25。
如圖17B至圖17E所示，在根據實施例之應變感測元件52b至52e中，功能層25設在第二磁層20中。也在此情形中，取得高量規因子。
在圖17C中所示的應變感測元件52c中，二功能層25設於第二磁層20中。功能層25的數目可為3或更多。
在圖17D中所示的應變感測元件52d中，一功能層25設於蓋層側上。此外，功能層25設於第二磁層20中。
在圖17E中所示的應變感測元件52e中，一功能層25設於蓋層側上。此外，多個功能層25設於第二磁層20中。功能層25的數目可為3或更多。
如圖17A至17E中所示般，藉由降低第二磁層20的第一部份20p(在間隔器層30側上)中的硼濃度CB，增進第一部份20p中的MR比例。因此，相對於磁化方向的變化之電阻R的變化增加，以及，取得高量規因子。另一方面，藉由增加第二部份20q(離開間隔器層30的部份)中的硼濃度CB，矯頑磁性Hc在第二部份20q中降低，以及，整個第二磁層20的矯頑磁性Hc降低。如圖17C至17E所示，在有眾多功能層25的情形中，在第二磁層20中比第一部份20p更遠離間隔層以及比眾多功能層25中的任一層更遠離間隔器層30之側被視為第二部份20q。
如上所述，功能層25設於磁化自由層中。在此情形中，可以抑制位於功能層25與間隔器層30之間的磁化自由層的一部份中之硼的擴散。因此，取得小矯頑磁性Hc。亦即，整個磁化自由層的矯頑磁性Hc保持小。在功能層25設於磁化自由層之情形中，可以設置眾多功能層25。
圖18A至圖18C顯示根據第一實施例的其它應變感測元件。
圖18A是剖面視圖，顯示根據實施例的應變感測元件52f。圖18顯示應變感測元件52f中的硼濃度之分佈。
如圖18A中所示，第二磁層20包含磁膜21a、磁膜21b、及非磁膜21c。非磁膜21c配置在磁膜21a與磁膜21b之間。磁膜21a配置在第二磁膜21b與間隔器層30 之間。非磁材料用於非磁膜21c。
舉例而言，以Co40Fe40B20用於磁膜21a。舉例而言，磁膜21a的厚度是1.5nm或更多，及2.5nm。舉例而言，以Co35Fe35B30用於磁膜21b。舉例而言，磁膜21b的厚度不小於3nm及不大於5nm。舉例而言，以Ru用於非磁膜21c。非磁膜21c的厚度不小於0.4nm及不大於1.2nm。
磁膜21b的磁化及磁膜21a的磁化一起工作。磁膜21b的磁化及磁膜21a的以整合方式工作。磁膜21a、磁膜21b、及非磁膜21c的堆疊體形成磁化自由層。舉例而言，當非磁膜21c的厚度約為1.2nm或更少時，磁膜21b的磁化及磁膜21a的磁化一起工作。
圖18C是剖面視圖，顯示根據實施例的應變感測元件52g。
如圖18C中所示，第二磁層20包含磁膜21a、非磁膜21c、磁膜21b、非磁膜21e、及磁膜21d。這些膜依此次序堆疊。舉例而言，與磁膜21a有關之說明的配置可以用於磁膜21d。與非磁膜21c有關之說明的配置可以用於磁膜21e。因此，眾多非磁膜可以設在第二磁層20中。在第二磁層20中的非磁膜的數目可為3或更多。
在實施例中，間隔器層30可以具有堆疊結構。舉例而言，間隔器層30包含第一非磁膜及第二非磁膜。第二非磁膜設在第一非磁膜與第二磁層20之間。舉例而言，Mg-O膜設在第一非磁膜中。使用Mg濃度高於第一非磁 膜的膜作為第二非磁膜。
圖19是立體視圖，顯示根據第一實施例的另一應變感測元件。
如圖19所示，根據實施例，絕緣層35設於應變感測元件53中。舉例而言，絕緣層35(絕緣部份)設於第一電極E1與第二電極E2之間。絕緣層35圍繞第一電極E1與第二電極E2之間的堆疊體10s。絕緣層35設置成與堆疊體10s的側壁相對立。
舉例而言，以氧化鋁(例如Al2O3)、氧化矽(例如SiO2)、等等用於絕緣層35。圍繞堆疊體10s的漏電流可由絕緣層35抑制。
圖20是立體視圖，顯示根據第一實施例的另一應變感測元件。
如圖20所示，根據實施例，在應變感測元件54中又設置硬偏壓層36。硬偏壓層36(硬偏壓部份)設在第一電極E1與第二電極E2之間。舉例而言，絕緣層35配置在硬偏壓層36與堆疊體10s之間。在本實例中，絕緣層35延伸至硬偏壓層36與第一電極E1之間。
藉由硬偏壓層36的磁化，第一磁層10的磁化10m與第二磁層20的磁化20m中至少之一設定於所需方向。藉由硬偏壓層36，在沒有力量施加至應變感測元件的狀態中，第一磁層10的磁化10m與第二磁層20的磁化20m中至少之一設定於所需方向。
舉例而言，以例如CoPt、CoCrPt、及FePt等相當高 的磁各向異性之硬鐵磁材料用於硬偏壓層36。可以使用例如FeCo及Fe等軟磁材料層與抗鐵磁層堆疊的結構作為硬偏壓層36。在此情形中，由於交換耦合，磁化沿著指定方向行進。舉例而言，硬偏壓層36的厚度(舉例而言，沿著從第一電極E1朝向第二電極E2的方向之長度)不小於5nm及不大於50nm。
上述硬偏壓層36及絕緣層35可以用於上述及下述任一應變感測元件。
圖21是立體視圖，顯示根據第一實施例的另一應變感測元件。
如圖21所示，根據實施例的另一應變感測元件55a包含順序地對齊之第一電極E1(舉例而言，下電極)、下層101、功能層25、第二磁層20(磁化自由層)、間隔器層30、第一磁化釘住層10a、磁耦合層10c、第二磁化釘住層10b、釘層10p、蓋層26c、及第二電極E2(舉例而言，上電極)。應變感測元件55a是頂部自旋閥型。
舉例而言，使用Ta/Cu作為下層101。舉例而言，Ta層的厚度是3奈米(nm)。舉例而言，Ru層的厚度是5奈米(nm)。
舉例而言，使用Mg-O作為功能層25。舉例而言，Mg-O層的厚度是1.5nm。
舉例而言，使用Co40Fe40B20層作為第二磁層20。
舉例而言，Co40Fe40B20層的厚度為4nm。
舉例而言，使用1.6nm厚度的Mg-O層作為間隔器層 30。
舉例而言，使用Co40Fe40B20/Fe50Co50作為第一磁化釘住層10a。舉例而言，Co40Fe40B20層的厚度為2nm。舉例而言，Fe50Co50層的厚度為1nm。
舉例而言，使用0.9nm厚度的Ru層作為磁耦合層10c。
舉例而言，使用2.5nm厚度的Co75Fe25層作為第二磁化釘住層10b。
舉例而言，使用7nm厚度的IrMn層作為釘層10p。
舉例而言，使用Ta/Ru作為蓋層26c。舉例而言，Ta層的厚度是1nm。舉例而言，Ru層的厚度是5nm。
舉例而言，與應變感測元件51相關說明所述的材料可以用於包含在應變感測元件55a中的層。
圖22是立體視圖，顯示根據第一實施例的另一應變感測元件。
如圖22所示，根據實施例的另一應變感測元件55b包含順序地對齊之第一電極E1(舉例而言，下電極)、下層101、釘層10p、第一磁層10、間隔器層30、第二磁層20、功能層25、蓋層26c、及第二電極E2(舉例而言，上電極)。在應變感測元件55b中使用單銷結構，單銷結構是使用單一磁化釘住層。
舉例而言，使用Ta/Cu作為下層101。舉例而言，Ta層的厚度是3奈米(nm)。舉例而言，Ru層的厚度是2奈米(nm)。
舉例而言，使用7nm厚度的IrMn層作為釘層10p。
舉例而言，使用厚度3nm的Co40Fe40B20層作為第一磁層10。
舉例而言，使用1.6nm厚度的Mg-O層作為間隔器層30。
舉例而言，使用Co40Fe40B20作為第二磁層20。舉例而言，Co40Fe40B20層的厚度為4nm。
舉例而言，使用厚度是1.5nm的Mg-O層作為功能層25。
舉例而言，使用Ta/Ru作為蓋層26c。舉例而言，Ta層的厚度是1nm。舉例而言，Ru層的厚度是5nm。
舉例而言，與應變感測元件51相關說明所述的材料可以用於包含在應變感測元件55b中的層。
圖23是立體視圖，顯示根據第一實施例的另一應變感測元件。
如圖23所示，根據實施例的另一應變感測元件55b包含順序地對齊之第一電極E1(舉例而言，下電極)、下層101、另一功能層25a(第二功能層)、第一磁層10、間隔器層30、第二磁層20、功能層25(第一功能層)、蓋層26c、及第二電極E2(舉例而言，上電極)。在本實例中，第一磁層10是磁化自由層，第二磁層20也是磁化自由層。
舉例而言，使用Ta/Cu作為下層101。舉例而言，Ta層的厚度是3奈米(nm)。舉例而言，Ru層的厚度是5 奈米(nm)。
舉例而言，使用厚度是1.5nm的Mg-O層作為功能層25a。
舉例而言，使用厚度4nm的Co40Fe40B20層作為第一磁層10。
舉例而言，使用1.6nm厚度的Mg-O層作為間隔器層30。
舉例而言，使用Co40Fe40B20作為第二磁層20。舉例而言，Co40Fe40B20層的厚度為4nm。
舉例而言，使用厚度是1.5nm的Mg-O層作為功能層25。
舉例而言，使用Ta/Ru作為蓋層26c。舉例而言，Ta層的厚度是1nm。舉例而言，Ru層的厚度是5nm。
舉例而言，與應變感測元件51相關說明所述的材料可以用於包含在應變感測元件55c中的層。舉例而言，與應變感測元件51中的第二磁層20的相關說明所述的材料及配置可以用於包含在應變感測元件55c中的第一磁層10。舉例而言，與應變感測元件51中的功能層25相關說明所述的材料及配置可以用於在應變感測元件55c中的功能層25a。
在本實例中，第一磁層10可被視為第二磁層20，及功能層25可被視為功能層25a。
在類似應變感測元件55c般地設置二磁化自由層之情形中，在二磁化自由層的磁化之間的相對角度根據應變ε 而變。因此，元件可以製成作為應變感測器。在此情形中，第二磁化自由層的磁致伸縮的值及第一磁化自由層的磁致伸縮的值設計成彼此不同。因此，在二磁化自由層的磁化之間的相對角度根據應變ε而變。
第二實施例
圖24是剖面視圖，顯示根據第二實施例的應變感測元件。
如圖24所示，根據實施例之應變感測元件56也包含功能層25x、第一磁層10、第二磁層20、及間隔器層30。這些層的配置與第一實施例中相關說明所述的配置相同，並省略說明。
在實施例中，用於功能層25x的材料不同於第一實施例有關說明所述之用於功能層25的材料。除此以外，實施例類似於第一實施例。現在將說明功能層25x的實例。
舉例而言，在應變感測元件26中，以選自鎂(Mg)、矽(Si)、及鋁(Al)組成的群組中的至少之一用於功能層25x。以包含這些輕元素的材料用於功能層25x。這些輕元素結合硼以產生化合物。舉例而言，Mg-B化合物、Al-B化合物、及Si-B化合物中至少之一形成於包含與功能層25x的第二磁層20的介面之一部份中。這些化合物抑制硼的擴散。
在實施例中，藉由設置功能層25x，可以抑制包含在第二磁層20中的硼擴散，以及，維持第二磁層20的非晶 結構。結果，取得高量規因子。
也在根據實例的應變感測元件56中，第一磁層10包含與圖3相關說明的第二磁化釘住層10b、磁耦合層10c、及第一磁化釘住層10a。
現在將說明根據實施例之應變感測元件的特徵。
第五樣品的配置如下所述：
下層101：Ta(1nm)/Ru(2nm)
釘層10p：Ir22Mn78(7nm)
第二磁化釘住層10b：Co75Fe25(2.5nm)
磁耦合層10c：Ru(0.9nm)
第一磁化釘住層10a：Co40Fe40B20(3nm)
間隔器層30：Mg-O(1.6nm)
第二磁層20：Co40Fe40B20(4nm)
功能層25x：Mg(1.6nm)
蓋層26c：Cu(1nm)/Ta(20nm)/Ru(50nm)
亦即，在第五實例中，厚度1.6nm的Mg層作為功能層25x。
另一方面，在第六實例中，厚度0.8nm的Si層作為功能層25x。
在第七實例中，未設置功能層25x。在第七實例中，第二磁層20接觸蓋層26c。第七樣品與第二樣品S02相同。
類似於與第一樣品有關的說明所述般，研究這些樣品的特徵。結果結下所述。
在第五樣品中，MR是126%，矯頑磁性Hc是2.3 Oe，磁致伸縮常數λ是21ppm，以及，量規因子是2861。
在第六樣品中，MR是104%，矯頑磁性Hc是3.8 Oe，磁致伸縮常數λ是19ppm，以及，量規因子是2091。
在第七樣品中，MR是190%，矯頑磁性Hc是27 Oe，磁致伸縮常數λ是30ppm，以及，量規因子是895。
因此，藉由使用功能層25x以取得高量規因子。
藉由在包含硼的第二磁層20上設置上述功能層25x，可以抑制硼從第二磁層20的擴散。結果，取得小矯頑磁性Hc及大磁致伸縮常數λ。因此，取得高量規因子。
現在將說明根據實施例之其它應變感測元件的特徵。
第八樣品的配置如下所述：
下層101：Ta(1nm)/Ru(2nm)
釘層10p：Ir22Mn78(7nm)
第二磁化釘住層10b：Co75Fe25(2.5nm)
磁耦合層10c：Ru(0.9nm)
第一磁化釘住層10a：Co40Fe40B20(3nm)
間隔器層30：Mg-O(2nm)
第二磁層20：稍後說明
蓋層26c：Ta(20nm)/Ru(50nm)
在第八樣品中，形成磁化自由層的第二磁層20及功 能層25x的堆疊膜具有下述配置。Co40Fe40B20(4nm)/三層{Co40Fe40B20(1nm)/Si(0.25nm)}/Co40Fe40B20(1nm)的結合作為堆疊膜。舉例而言，堆疊膜的Co40Fe40B20(4nm)層被視為第二磁層20。堆疊膜的三Si(0.25nm)層中至少之一被視為功能層25x。
在第九樣品中，形成磁化自由層的第二磁層20及功能層25x的堆疊膜具有下述配置。Co40Fe40B20(4nm)/三層{Co40Fe40B20(1nm)/Al(0.25nm)}/Co40Fe40B20(1nm)的結合作為堆疊膜。舉例而言，堆疊膜的Co40Fe40B20(4nm)層被視為第二磁層20。堆疊膜的三Al(0.25nm)層中至少之一被視為功能層25x。在第九樣品中，第二磁層20及功能層25x除外的配置類似於第八樣品。
在第十樣品中，使用Co40Fe40B20(4nm)作為形成磁化自由層的第二磁層20。未設置功能層25x。在第十樣品中，第二磁層20及功能層25x除外的配置類似於第八樣品。亦即，第十樣品與上述第二樣品S02相同。
類似於第一實施例所述般地，研究這些樣品的特徵。結果如下所述。
在第八樣品中，MR是176%，矯頑磁性Hc是4.8 Oe，磁致伸縮常數λ是22ppm，以及，量規因子是2849。
在第九樣品中，MR是169%，矯頑磁性Hc是7.1 Oe，磁致伸縮常數λ是20ppm，以及，量規因子是 2195。
在第十樣品(第七樣品)中，MR是190%，矯頑磁性Hc是27 Oe，磁致伸縮常數λ是30ppm，以及，量規因子是895。
因此，藉由使用功能層25x，取得高量規因子。
因此，藉由在包含硼的磁化自由層中插入包含選自Mg、Al、及Si組成的族群之至少一輕元素的材料層，抑制硼從磁化自由層擴散。結果，取得小矯頑磁性Hc及大磁致伸縮常數λ。因此，取得高量規因子。
在實施例中，在包含選自Mg、Al、及Si組成的族群中至少之一的材料層作為功能區25x的情形中，舉例而言，功能層25x的厚度較佳地為0.5nm或更多。因此，舉例而言，有效地抑制硼擴散。功能層25x的厚度較佳地為5nm或更小。因此，舉例而言，能抑制過量的Mg、Al、或Si擴散至第二磁層20。功能層25x的厚度較佳地為不小於0.5nm及不大於5nm，以及，較佳地為不小於1nm及不大於3nm。功能層25x的厚度可為2nm或更多。
另一金屬層等等可以插在功能層25x與第二磁層20之間。假使在功能層25x與第二磁層20之間的距離太長時，則硼可以擴散在它們之間的區域中，以及，在第二磁層20中的硼濃度可以降低。舉例而言，功能層25x與第二磁層20之間的距離較佳地為10nm或更少，以及更較佳地為3nm或更少。
如上所述，功能層25x可以設置在磁化自由層中。在此情形中，能抑制位於功能層25x與間隔器層30之間的磁化自由層的一部份中的硼擴散。因此，取得小矯頑磁性Hc。亦即，整個磁化自由層的矯頑磁性Hc保持小。在功能層25x設於磁化自由層中的情形中，設置眾多功能層25x。
第三實施例
實施例係關於壓力感測器。在壓力感測器中，使用第一實施例及第二實施例以及其變異中至少之一的應變感測元件。在下述中，說明使用應變感測元件50作為應變感測元件的情形。
圖25A及圖25B是立體視圖，顯示根據第三實施例之壓力感測器。
圖25A是立體視圖。圖25B是圖25A的A1-A2剖面視圖。
如圖25A及圖25B所示，根據實施例的壓力感測器110包含膜單元70及應變感測元件50。
舉例而言，膜單元70由支撐部70s支撐。舉例而言，支撐部70s是基底。膜單元70具有可撓區。舉例而言，膜單元70是隔膜。膜單元70可以與支撐部70s整合在一起或分開。可以使用與支撐部70s相同的材料、或是使用與支撐部70s不同的材料，以用於膜單元70。形成支撐部70s的基底的一部份可以移除，以及，具有較小厚度 的基底之一部份可以形成膜單元70。
膜單元70的厚度小於支撐部70s的厚度。在相同的材料用於膜單元70及支撐部70s以及它們整合在一起的情形中，具有較小厚度的一部份形成膜單元70，以及，具有較大的厚度之一部份形成支撐部70s。
支撐部70s可以具有通孔70h，在厚度方向上穿過支撐部70s，以及，膜單元70可以設置成遮蓋通孔70h。此時，舉例而言，形成膜單元70的材料膜也在支撐部70s的通孔70h以外的部份上延伸。此時，在形成膜單元70的材料膜中，與通孔70h重疊的一部份形成膜單元70。
膜單元70具有外邊緣70r。在相同的材料用於膜單元70及支撐部70s以及它們整合在一起的情形中，具有較小厚度的部份之外邊緣是膜單元70的外邊緣70r。在支撐部70s具有在厚度方向上穿透支撐部70s的通孔70h以及膜單元設置成遮蓋通孔70h的情形中，與形成膜單元70的材料膜的通孔70h重疊之部份的外邊緣是膜單元70的外邊緣70r。
支撐部70s連續地支撐膜單元70的外邊緣70r，以及，支撐膜單元70的外邊緣70r的部份。
應變感測元件50設於膜單元70上。舉例而言，應變感測元件50設於膜單元70的部份上。在本實例中，眾多應變感測元件50設於膜單元70上。設於膜單元上的應變感測元件的數目可為一。
如圖25B所示，在應變感測元件50中，舉例而言， 第一磁層10配置在功能層25與膜單元70之間。第一磁層10配置在第二磁層20與膜單元70之間。
在本實例中，設置第一互連61及第二互連62。第一互連61連接至應變感測元件50。第二互連62連接至應變感測元件50。舉例而言，層間絕緣膜設於第一互連61與第二互連62之間，以及，第一互連61與第二互連62電絕緣。在第一互連61與第二互連62之間施加電壓，以及，經由第一互連61與第二互連62，將電壓施加至應變感測元件50。當壓力施加至壓力感測器110時，膜單元70變形。在應變感測元件50中，電阻R根據膜單元70的變形而變。藉由感測經過第一互連61與第二互連62之電變化R的變化，而感測壓力。
舉例而言，關於支撐部70s，可以使用板狀基底。舉例而言，中空部71h(通孔70h)設於基底中。
舉例而言，以例如矽等半導體材料、例如金屬等導體材料、或絕緣材料用於支撐部70s。舉例而言，支撐部70s包含氧化矽、氮化矽、等等。舉例而言，中空部71h的內部是減壓狀態(真空狀態)。中空部71h的內部可以由例如空氣等氣體或液體填充。中空部71h的內部設計成膜單元70可彎曲。中空部71h的內部可以連接至外部空氣。
膜單元70設於中空部71h上。舉例而言，使用藉由形成支撐部70s的基底之處理而薄化的部份作為膜單元70。膜單元70的厚度(Z軸方向上的長度)小於基底的 厚度(Z軸方向上的長度)。
當壓力施加至膜單元70時，膜單元變形。壓力相當於要由壓力感測器110感測的壓力。施加的壓力包含由聲波、超音波、等等造成的壓力。在感測由聲波、超音波、等等造成的壓力之情形中，壓力感測器110作為麥克風。
舉例而言，以絕緣材料用於膜單元70。舉例而言，膜單元70包含氧化矽、氮化矽、及氧氮化矽中至少之一。舉例而言，例如矽等半導體材料可以用於膜單元70。舉例而言，金屬材料可以用於膜單元70。
舉例而言，膜單元70的厚度不小於0.1微米(μm)且不大於3μm。厚度較佳地不小於0.2μm以及不大於1.5μm。舉例而言，包含0.2μm厚度的氧化矽膜及0.4μm厚度的矽膜之堆疊體可以作為膜單元70。
眾多應變感測元件50配置於膜單元70上。在眾多應變感測元件50中，取得與壓力有關的實質相等之電阻變化。如稍後所述般，藉由串聯或並聯眾多應變感測元件50，S/N比增加。
應變感測元件50的尺寸可以非常小。應變感測元件50的面積比因壓力而變形之膜單元70的面積足夠小。舉例而言，應變感測元件50的面積不大於膜單元70的面積之1/5。
當膜單元70的直徑約為60μm時，舉例而言，應變感測元件50的尺寸為12μm或更小。當膜單元70的直徑約為600μm時，舉例而言，應變感測元件50的尺寸 為120μm或更小。慮及應變感測元件50的處理準確度等等，無需將應變感測元件50的尺寸設定為太小。因此，舉例而言，應變感測元件50的尺寸可以設定為不小於0.05μm且不大於30μm。
在本實例中，膜單元70的平面形狀是圓形。舉例而言，膜單元70的平面形狀也可為橢圓(舉例而言，平坦圓形)、方形、長方形、多邊形、或正多邊形。
圖26A至圖26C顯示根據實施例之壓力感測器。這些圖形顯示眾多感測元件的連接狀態之實例。
如圖26A中所示，在根據實施例之壓力感測器116a中，眾多感測元件50電串聯。當串聯的感測元件50的數目標示為N時，則取得的電訊號是當感測元件50的數目為1時的N倍。另一方面，熱雜訊及肖特基(Schottky)雜訊是N1/2倍。亦即，S/N比(訊號雜訊比；SNR)是N1/2倍。藉由增加串聯的感測元件50的數目N，S/N比改良而不會增加膜單元70的尺寸。
設在膜單元70上之眾多應變感測元件50可以電串聯。當電串聯的應變感測元件50的數目標示為N時，則取得的電訊號是當應變感測元件50的數目為1時的N倍。另一方面，熱雜訊及肖特基(Schottky)雜訊是N1/2倍。亦即，S/N比(訊號雜訊比；SNR)是N1/2倍。藉由增加串聯的應變感測元件50的數目N，S/N比改良而不會增加膜單元70的尺寸。
舉例而言，施加至一應變感測元件的偏壓電壓不小於 50毫伏特(mV)且不大於150mV。當N個應變感測元件50串聯時，偏壓電壓不小於50mV×N且不大於150mV×N。舉例而言，當串聯的應變感測元件50的數目N是25時，偏壓電壓不小於1V且不大於3.75V。
當偏壓電壓的值是1V或更多時，處理取自應變感測元件之電訊號的電路之設計會是容易的，且以實務觀點而言，這是較佳的。
在處理得自應變感測元件的電訊號之電路中，超過10V的偏壓電壓(終端之間的電壓)不是較佳的。在實施例中，串聯之應變感測元件的數目N及偏壓電壓設定成取得適當的電壓範圍。
舉例而言，當眾多應變感測元件電串聯時的電壓較佳地不小於1V且不大於10V。舉例而言，施加於電串聯之應變感測元件50的終端之間(一端的終端與另一端的終端之間)的電壓不小於1V且不大於10V。
為了產生此電壓，當施加至一應變感測元件的偏壓電壓是50mV時，串聯之應變感測元件50的數目N較佳地不小於20且不大於200。當施加至一應變感測元件的偏壓電壓是150mV時，串聯之應變感測元件50的數目N較佳地不小於7且不大於66。
如圖26B所示，在根據實施例的壓力感測器116b中，眾多感測元件50電並聯。在實施例中，眾多應變感測元件50的至少部份電並聯。
如圖26C中所示，在根據實施例的壓力感測器116c 中，眾多應變感測元件50連接成惠斯登電橋電路。因此，舉例而言，對偵測的特徵作出溫度補償。
現在將說明根據實施例之壓力感測器製造方法。下述是壓力感測器的製造方法。
圖27A至圖27E是依步驟次序的剖面視圖，顯示根據實施例的壓力感測器製造方法。
如圖27A所示，薄膜70f形成於基底71上(舉例而言，Si基底)。基底71形成支撐部70s。薄膜70f形成膜單元70。
舉例而言，藉由在Si基底上濺射，形成SiOX/Si的薄膜70f。SiOX單層、SiN單層、或Al等等的金屬層可以作為薄膜70f。例如聚醯亞胺及對二甲苯為基礎的聚合物等可撓塑膠材料可以作為薄膜70f。SOI(矽在絕緣體上)基底可以作為基底71及薄膜70f。舉例而言，在SOI中，藉由附著至基底，SiO2/Si的堆疊膜形成於矽基底上。
如圖27B中所示，形成第二互連62。在此處理中，形成會形成第二互連62之導體膜，以及藉由微影術及蝕刻來處理導體膜。在第二互連62的週圍由絕緣膜填充的情形中，可以使用舉離處理。舉例而言，在舉離處理中，在第二互連62的樣式蝕刻之後及在光阻剝離之前，絕緣膜形成為覆蓋整個表面的膜，然後，移除光阻。
如圖27C中所示，形成應變感測元件50。在此處理中，形成會形成應變感測元件50的堆疊膜，然後，以微 影術及蝕刻處理堆疊膜。在應變感測元件50的堆疊體10s的側壁上的空間由絕緣層35填充的情形中，可以使用舉離處理。舉例而言，在舉離處理中，在堆疊體10s的處理之後及在光阻剝離之前，絕緣層35形成為覆蓋整個表面的膜，然後移除光阻。
如圖27D中所示，形成第一互連61。在此處理中，形成會形成第一互連61之導體膜，以及藉由微影術及蝕刻來處理導體膜。在第一互連61的週圍由絕緣膜填充的情形中，可以使用舉離處理。舉例而言，在舉離處理中，在第一互連61的處理之後及在光阻剝離之前，絕緣膜形成為覆蓋整個表面的膜，然後，移除光阻。
如圖27E所示，從基底71的背表面執行蝕刻，以形成中空部71h。因此，形成膜單元70及支撐部70s。在使用SiOX/Si的堆疊膜作為會形成膜單元70的薄膜70f之情形中，舉例而言，從薄膜70f的背表面(下表面)朝向前表面(上表面)執行基底71的深挖堀處理。因此，形成中空部71h。舉例而言，在形成中空部71h時，可以使用雙面對齊器曝光設備。因此，根據前表面上應變感測元件50的位置，在背表面上形成光阻的洞圖案。
在Si基底蝕刻時，舉例而言，使用利用RIE的波希(Bosch)處理。在波希處理中，舉例而言，重複使用SF6氣體的蝕刻處理及使用C4F8氣體的沈積處理。因此，在基底71的深度方向(Z軸方向)上選擇性地執行蝕刻，並抑制基底71的側壁的蝕刻。舉例而言，使用SiOX 層作為蝕刻結束點。亦即，使用在蝕刻選擇性上與矽不同的SiOX層完成蝕刻。作為蝕刻阻止層的SiOX層可以作為膜單元70的部份。舉例而言，以無水氟化氫及酒精、或類似者、等等之處理，在蝕刻後，移除SiOX層。
如此，形成根據實施例的壓力感測器110。以類似方法，製造根據實施例的其它壓力感測器。
圖28A至圖28C顯示根據實施例的壓力感測器。圖28A是立體視圖，以及圖28B及圖28C是方塊圖，顯示壓力感測器440。
如圖28A及圖28B所示，在壓力感測器440中，設置基部471、感測單元450、半導體電路單元430、天線415、電互連416、傳送電路417、及接收電路417r。
天線415經由電互連416而電連接至半導體電路單元430。
傳送電路417根據行經感測單元450的電訊號而無線地傳送資料。至少部份傳送電路417設於半導體電路單元430中。
接收電路417r從電子裝置418d接收控制訊號。至少部份接收電路417r設於半導體電路單元430中。藉由設置接收電路417r，舉例而言，藉由操作電子裝置418d，控制壓力感測器440的操作。
如圖28B中所示，舉例而言，在傳送電路417中，設置連接至感測單元450的A/D轉換器417a及曼徹斯特(Manchester)編碼單元417b。可以設置切換單元417c 以在傳送與接收之間切換。在此情形中，可以設置時序控制器417d，以及，由時序控制器417d控制切換單元417c。又可設置資料校正單元417e、同步單元417f、決定單元417g、及電壓控制振盪器417h(VCO)。
如圖28C中所示，接收單元418設置在與壓力感測器440相結合使用的電子裝置418d中。舉例而言，例如行動終端等電子裝置可以作為電子裝置418d。
在此情形中，包含傳送電路417的壓力感測器440及包含接收單元418的電子裝置418d可以相結合使用。
在電子裝置418d中，可以設置曼徹斯特編碼單元417b、切換單元417c、時序控制器417d、資料校正單元417e、同步單元417f、決定單元417g、電壓控制振盪器417h、決定單元417g、電壓控制振盪器417h、記憶體單元418a、及中央處理單元418b(CPU)。
在本實例中，壓力感測器440又包含固定單元467。固定單元將膜單元464(70d)固定至基部471。固定單元467可以比膜單元464具有更大的厚度尺寸，以致即使當施加外部壓力時，仍然容易彎曲較少。
舉例而言，固定單元467以等間距設定在膜單元464的邊緣。
固定單元467可以設置成連續地圍繞膜單元464(70d)的整個週圍。
舉例而言，固定單元467可以由與基部471的材料相同的材料形成。在此情形中，舉例而言，固定單元467由 矽等等形成。
舉例而言，固定單元467可由與膜單元464(70d)的材料相同的材料形成。
現在將說明根據實施例的壓力感測器之製造方法。
圖29A、圖29B、圖30A、圖30B、圖31A、圖31B、圖32A、圖32B、圖33A、圖33B、圖34A、圖34B、圖35A、圖35B、圖36A、圖36B、圖37A、圖37B、圖38A、圖38B、圖39A、圖39B、圖40A、及圖40B是視圖，顯示根據實施例之壓力感測器製造方法。
圖29A至圖40A是平面視圖，及圖29B至圖40B是剖面視圖。
如圖29A及圖29B中所示，半導體層512M形成於半導體基底531的表面部份上。接著，元件隔離絕緣層512I形成於半導體層512M的上表面上。接著，閘極512G經由未顯示的絕緣層而形成於半導體層512M上。接著，源極512S和汲極512D形成於閘極512G的二側上，以形成電晶體532。接著，層間絕緣膜514a形成於其上，以及，形成層間絕緣膜514b。
接著，在形成非中空部的區域中，在部份層間絕緣膜514a和514b中形成溝槽及孔。接著，將導體材料掩埋於孔中以形成連接柱514c至514e。在此情形中，舉例而言，連接柱514c電連接至電晶體532的源極512S，以及，連接柱514d電連接至汲極512D。舉例而言，連接柱514e電連接至另一電晶體532的源極512S。接著，在溝 槽中掩埋導電材料以形成互連單元514f及514g。互連單元514f電連接至連接柱514c以及連接柱514d。互連單元514g電連接至連接柱514e。互連單元514g電連接至連接柱514e。接著，層間絕緣膜514h形成於層間絕緣膜514b上。
如圖30A及圖30B中所示，舉例而言，使用CVD(化學汽相沈積)法，在層間絕緣膜514h上，形成由氧化矽(SiO2)製成的層間絕緣膜514i。接著，在層間絕緣膜514i的指定位置中形成孔，掩埋導電材料(舉例而言，金屬材料)，以及使用CMP(化學機械拋光)法以平坦化上表面。因此，形成連接至互連單元514f的連接柱514j及連接至互連單元514g的連接柱514k。
如圖31A及圖31B中所示，在形成中空部570的層間絕緣膜514i的區域中形成凹部，以及，犠牲層514l掩埋於凹部中。舉例而言，使用在低溫下能形成膜的材料，形成犠牲層514l。舉例而言，在低溫下能製成膜的材料是矽鍺(SiGe)等等。
如圖32A及32B所示，在層間絕緣膜514i與犠牲層514l上，形成會形成膜單元564(70d)的絕緣膜561bf。舉例而言，使用氧化矽(SiO2)等等，形成絕緣膜561bf。在絕緣膜561bf中設置眾多孔，以及，導電材料(舉例而言，金屬材料)掩埋於眾多孔中以形成連接柱561fa及連接柱562fa。連接柱561fa電連接至連接柱514k，以及，連接柱562fa電連接至連接柱514j。
如圖33A及33B所示，在絕緣膜561bf、連接柱561fa、以及連接柱562fa上，形成會形成互連557的導體層561f。
如圖34A及34B所示，在導體層561f上形成堆疊膜550f。
如圖35A及35B所示，將堆疊膜550f處理成指定形狀，以及在其上形成會形成絕緣層565的絕緣膜565f。舉例而言，使用氧化矽(SiO2)等等，形成絕緣膜565f。
如圖36A及36B所示，移除部份絕緣膜565f，以及，將導體層561f處理成指定形狀。因此，形成互連557。此時，部份導體層561f形成電連接至連接柱562fa的連接柱562fb。然後，在其上形成會形成絕緣層566之絕緣膜566f。
如圖37A及37B所示，在絕緣膜566f中形成開口566p。因此，連接柱562fb曝露。
如圖38A及38B所示，在上表面上形成會形成互連558的導體層562f。部份導體層562f電連接至導接柱562fb。
如圖39A及39B所示，導體層562f處理成指定形狀。因此，形成互連558。互連558電連接至連接柱562fb。
如圖40A及40B所示，在絕緣膜566f中形成具有指定形狀的開口566o。經由開口566o而處理絕緣膜561bf，以及，經由開口566o而移除犠牲層514l。因而形 成中空部570。舉例而言，使用濕蝕刻法，執行犠牲層514l的移除。
舉例而言，當固定單元567形狀類似環狀時，在中空部570上方的非中空部之邊緣與膜單元564之間的空間，由絕緣膜填充。
如此，形成壓力感測器。
第四實施例
實施例關於使用根據上述實施例的壓力感測器的麥克風。
圖41是剖面視圖，顯示根據第四實施例的麥克風。
根據實施例的麥克風320包含印刷電路板321、蓋子323、及壓力感測器310。印刷電路板321包含放大器的電路、等等。在蓋子323中設置聲孔325。聲音329通過聲孔325而進入蓋子323的內部。
使用實施例及其修改相關說明的任一壓力感測器作為壓力感測器310。
麥克風320反應聲壓。藉由使用高靈敏度壓力感測器310，取得高靈敏度麥克風320。舉例而言，壓力感測器310安裝於印刷電路板321上，以及設置電訊號線。蓋子323設於印刷電路板321上以遮蓋壓力感測器310。
實施例提供高靈敏度麥克風。
第五實施例
實施例關於使用根據上述實施例的壓力感測器之血壓感測器。
圖42A及圖42B是視圖，顯示根據第五實施例之血壓感測器。
圖42A是平面視圖，顯示人的動脈上的皮膚。圖42B是圖42A的H1-H2剖面視圖。
在實施例中，壓力感測器310作為血壓感測器330。使用實施例及其修改相關說明的任一壓力感測器作為壓力感測器310。
因此，能以小尺寸壓力感測器作出高靈敏度壓力感測。藉由將壓力感測器310壓在動脈331的皮膚333上，血壓感測器330連續地量測血壓。
實施例提供高靈敏度血壓感測器。
第六實施例
實施例係關於使用上述實施例的壓力感測器之觸控面板。
圖43顯示根據第六實施例的觸控面板。
在實施例中，壓力感測器310作為觸控面板340。使用實施例及其修改相關說明的任一壓力感測器作為壓力感測器310。在觸控面板340中，壓力感測器310安裝在顯示器中及顯示器外部中等至少之一。
舉例而言，觸控面板340包含眾多第一互連346、眾多第二互連347、眾多壓力感測器310、及控制單元 341。
在本實例中，眾多第一互連346沿著Y軸方向對齊。眾多第一互連346均沿著X軸方向延伸。眾多第二互連347沿著X軸方向對齊。眾多第二互連347均沿著Y軸方向延伸。
眾多壓力感測器310中的各壓力感測器310設置在眾多第一互連346中的各第一互連346與眾多第二互連347中的各第二互連347之交會部中。一壓力感測器310形成用於偵測的一感測元件310e。此處，交會部包含第一互連346與第二互連347彼此交會的位置及圍繞此的區域。
眾多壓力感測器310中的各壓力感測器310的一端310a連接至眾多第一互連346中的各第一互連346。眾多壓力感測器310中的各壓力感測器310的另一端310b連接至眾多第二互連347中的各第二互連347。
控制單元341連接至眾多第一互連346及眾多第二互連347。
舉例而言，控制單元341包含用於連接至眾多第一互連346的第一互連346d之電路、用於連接至眾多第二互連347的第二互連347d之電路、以及連接至用於第一互連346d的電路以及用於第二互連347d的電路之控制電路345。
壓力感測器310以小尺寸作出高靈敏度壓力感測。如此，提供高清晰度觸控面板。
根據實施例的壓力感測器可以用於例如大氣壓力感測 器及用於輪胎的氣壓感測器等各式各樣的壓力感測器裝置以及上述用途。
實施例提供具有高靈敏度的應變感測元件、壓力感測器、麥克風、血壓感測器、及觸控面板。
上述參考特定實例，說明本發明的實施例。但是，本發明不侷限於這些特定實例。舉例而言，習於此技藝者可以從知道的技藝中適當地選取例如膜單元、應變感測元件、第一磁層、第二磁層、及中間層等感測元件、壓力感測器、麥克風、血壓感測器、及觸控面板的組件之特定配置，以及類似地實施本發明。此實施包含在本發明的範圍中，達到取得類似效果的程度。
此外，特定實例的任何二或更多組件可以在達到技術可行性的程度之內相結合以及包含在達到包括本發明的目的之程度的範圍中。
此外，在達到包含本發明的精神之程度，根據本發明的實施例之上述的應變感測元件、壓力感測器、麥克風、血壓感測器、及觸控面板，習於此技藝者以適當的設計修改而實施的所有應變感測元件、壓力感測器、麥克風、血壓感測器、及觸控面板都在本發明的範圍之內。
在本發明的精神之內，習於此技藝者可以思及各式各樣其它變異及修改，且須瞭解這些變化及修改也被包含在本發明的範圍之內。
雖然已說明某些實施例中，但是，這些實施例僅是舉例說明，而非要限定本發明的範圍。事實上，此處所述的 新穎實施例可以以各種其它形式具體實施；此外，在不悖離本發明的精神之下，此處所述的實施例之形式可以有各種省略、替代及改變。後附之申請專利範圍及它們的等效範圍是要涵蓋落在本發明的精神及範圍內的這些形式或是修改。
10‧‧‧第一磁層
10s‧‧‧堆疊體
20‧‧‧第二磁層
25‧‧‧功能層
30‧‧‧間隔器層
50‧‧‧應變感測元件
70‧‧‧膜單元
79‧‧‧力
110‧‧‧壓力感測器
E1‧‧‧第一電極
E2‧‧‧第二電極

Claims (20)

  1. 一種應變感測元件，設於配置成要變形的膜單元上，該應變感測元件包括：功能層，包含氧化物及氮化物中至少之一；第一磁層；第二磁層，設在該功能層與該第一磁層之間，該第二磁層的磁化可根據該膜單元的變形而變；以及間隔器層，設在該第一磁層與該第二磁層之間，該第二磁層的至少部份是非晶的及包含硼。
  2. 如申請專利範圍第1項之元件，其中，該功能層包含選自鎂、鋁、矽、鈦、釩、鉻、錳、鐵、鈷、鎳、銅、鋅、鋯、鈮、鉬、釕、銠、鈀、銀、鉿、鉭、鎢、錫、鎘、及鎵組成的族群中的至少之一的氧化物與選自該族群中的至少之一的氮化物中之至少之一。
  3. 如申請專利範圍第1項之元件，其中，該功能層包含選自鎂、鈦、釩、鋅、錫、鎘、及鎵組成的族群中至少之一的氧化物。
  4. 如申請專利範圍第1項之元件，其中，該功能層包含氧化鎂。
  5. 一種應變感測元件，設於配置成要變形的膜單元上，該應變感測元件包括：功能層，包含選自鎂、矽、及鋁組成的族群中的至少一元素；第一磁層； 第二磁層，設在該功能層與該第一磁層之間，該第二磁層的磁化可根據該膜單元的變形而變；以及間隔器層，設在該第一磁層與該第二磁層之間，該第二磁層的至少部份是非晶的及包含硼。
  6. 如申請專利範圍第1項之元件，其中，該功能層的厚度是1奈米或更多。
  7. 如申請專利範圍第1項之元件，其中，包含在該功能層中的硼濃度不小於5原子百分比且不大於35原子百分比。
  8. 如申請專利範圍第1項之元件，其中，該第二磁層包含第一部份及第二部份，該第一部設在該第二部份與該間隔器層之間，以及在該第一部份中的硼濃度低於在該第二部份中的硼濃度。
  9. 如申請專利範圍第1項之元件，其中，該第二磁層包含第一部份及第二部份，該第一部設在該第二部份與該間隔器層之間，以及該第一部份具有結晶度。
  10. 如申請專利範圍第1項之元件，其中，該第二磁層的磁致伸縮常數是1×10-5或更多。
  11. 如申請專利範圍第1項之元件，其中，該第二磁層的矯頑磁性是5厄斯特或更少。
  12. 如申請專利範圍第1項之元件，其中，該功能層的片電阻率低於該間隔器層的片電阻率。
  13. 一種壓力感測器，包括：應變感測元件，設於配置成要變形的膜單元上，該應變感測元件包含：功能層，包含氧化物及氮化物中至少之一；第一磁層；第二磁層，設在該功能層與該第一磁層之間，該第二磁層的磁化可根據該膜單元的變形而變；以及間隔器層，設在該第一磁層與該第二磁層之間，該第二磁層的至少部份是非晶的及包含硼；以及該膜單元。
  14. 如申請專利範圍第13項之感測器，其中，眾多地設置該應變感測元件。
  15. 如申請專利範圍第13項之感測器，其中，該眾多應變感測元件中至少之二是電串聯的。
  16. 如申請專利範圍第15項之感測器，其中，不小於1V且不大於10V的電壓施加於電串聯的該複數個應變感測元件的終端之間。
  17. 如申請專利範圍第15項之感測器，其中，電串聯的應變感測元件的數目不小於6且不大於200。
  18. 一種麥克風，包括壓力感測器，該壓力感測器包含：應變感測元件，設於配置成要變形的膜單元上，該應變感測元件包含：功能層，包含氧化物及氮化物中至少之一； 第一磁層；第二磁層，設在該功能層與該第一磁層之間，該第二磁層的磁化可根據該膜單元的變形而變；以及間隔器層，設在該第一磁層與該第二磁層之間，該第二磁層的至少部份是非晶的及包含硼；以及該膜單元。
  19. 一種血壓感測器，包括壓力感測器，該壓力感測器包含：應變感測元件，設於配置成要變形的膜單元上，該應變感測元件包含：功能層，包含氧化物及氮化物中至少之一；第一磁層；第二磁層，設在該功能層與該第一磁層之間，該第二磁層的磁化可根據該膜單元的變形而變；以及間隔器層，設在該第一磁層與該第二磁層之間，該第二磁層的至少部份是非晶的及包含硼；以及該膜單元。
  20. 一種觸控面板，包括壓力感測器，該壓力感測器包含：應變感測元件，設於配置成要變形的膜單元上，該應變感測元件包含：功能層，包含氧化物及氮化物中至少之一；第一磁層；第二磁層，設在該功能層與該第一磁層之間，該 第二磁層的磁化可根據該膜單元的變形而變；以及間隔器層，設在該第一磁層與該第二磁層之間，該第二磁層的至少部份是非晶的及包含硼；以及該膜單元。
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