TWI420127B - 穿隧式磁阻感測器 - Google Patents

穿隧式磁阻感測器 Download PDF

Info

Publication number
TWI420127B
TWI420127B TW100123719A TW100123719A TWI420127B TW I420127 B TWI420127 B TW I420127B TW 100123719 A TW100123719 A TW 100123719A TW 100123719 A TW100123719 A TW 100123719A TW I420127 B TWI420127 B TW I420127B
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
tunneling
insulating layer
electrodes
layer
tunneling magnetoresistive
Prior art date
Application number
TW100123719A
Other languages
English (en)
Other versions
TW201303338A (zh
Inventor
Chien Min Lee
Kuang Ching Chen
Fu Tai Liou
Original Assignee
Voltafield Technology Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Voltafield Technology Corp filed Critical Voltafield Technology Corp
Priority to TW100123719A priority Critical patent/TWI420127B/zh
Priority to CN201110346438.1A priority patent/CN102866365B/zh
Priority to US13/333,951 priority patent/US8629519B2/en
Publication of TW201303338A publication Critical patent/TW201303338A/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI420127B publication Critical patent/TWI420127B/zh
Priority to US14/138,134 priority patent/US9224939B2/en

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/80—Constructional details
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
    • G01R33/09—Magnetoresistive devices
    • G01R33/098—Magnetoresistive devices comprising tunnel junctions, e.g. tunnel magnetoresistance sensors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F10/324—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
    • H01F10/3254—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the spacer being semiconducting or insulating, e.g. for spin tunnel junction [STJ]
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10B—ELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B61/00—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N59/00—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one galvanomagnetic or Hall-effect element covered by groups H10N50/00 - H10N52/00

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Hall/Mr Elements (AREA)
  • Measuring Magnetic Variables (AREA)

Description

穿隧式磁阻感測器
本發明是有關於一種穿隧式磁阻感測器，且特別是關於一種平面穿隧式磁阻感測器。
近年來，磁阻元件的應用主要分為兩種，一種是磁性隨機存取記憶體(Magnetic Random Access Memory,MRAM)，另一種則是磁阻感測器(magnetoresistance sensor)。以磁阻感測器為例，其可應用於電子羅盤中，用以精細偵測地球磁場的變化；或是應用於機械裝置之中，用以監測線性或角度位移。而且，為提高裝置的靈敏度，目前多以穿隧式磁阻(Tunneling Magnetoresistance,TMR)元件來取代以往常用的巨磁阻(Giant Magnetoresistance,GMR)元件。
在使用穿隧式磁阻機制之習知磁阻感測器中，穿隧式磁阻元件與上、下電極均以絕緣層相隔，並透過接觸插塞(plug)而電性連接至上電極及下電極。也就是說，電流會以垂直穿隧式磁阻元件之表面的方向在上電極與下電極之間流動，形成所謂的垂直穿隧式(Current-Perpendicular-to Plane Tunneling,CPPT)磁阻感測器。
然而，在垂直穿隧式磁阻感測器的製作過程中，由於穿隧式磁阻元件的上、下層均需形成有金屬層作為電極，製程上較為繁雜。
有鑑於此，本發明的目的就是在提供一種穿隧式磁阻感測器，其製程簡單，因此可降低成本。
本發明的再一目的是提供一種穿隧式磁阻感測器，以提高感測靈敏度。
本發明提出一種穿隧式磁阻感測器，包括基板、絕緣層、穿隧磁阻元件以及第一電極陣列。絕緣層是配置於基板上方，穿隧磁阻元件是嵌於絕緣層中。第一電極陣列包括多個第一電極，且這些第一電極是彼此間隔地排列在絕緣層上方，並分別電性連接至穿隧磁阻元件。
在本發明之一實施例中，上述之穿隧磁阻元件包括多個磁穿隧接面(magnetic tunneling junction,MTJ)單元，彼此間隔地排列於上述之絕緣層中，各磁穿隧接面單元分別電性連接至兩相鄰之第一電極。
在本發明之一實施例中，上述之絕緣層具有多個第一開口，各磁穿隧接面單元分別填於其所對應之第一開口內，且這些第一電極係直接與這些磁穿隧接面單元電性接觸。
在本發明之一實施例中，上述之穿隧式磁阻感測器更包括多個第一接觸插塞，配置於絕緣層內而電性連接於上述這些第一電極與上述這些磁穿隧接面單元之間。
在本發明之一實施例中，上述絕緣層具有第一開口，且上述之穿隧磁阻元件為條狀磁穿隧接面單元，並填於絕緣層的第一開口內，而這些第一電極係直接與條狀磁穿隧接面單元電性接觸。
在本發明之一實施例中，上述之穿隧式磁阻感測器更包括多個第一接觸插塞，配置於絕緣層中，而穿隧磁阻元件為條狀磁穿隧接面單元，各第一接觸插塞係電性連接於條狀磁穿隧接面單元與其所對應之第一電極之間。
在本發明之一實施例中，上述之穿隧磁阻元件包括釘扎層(pinned layer)、自由層(free layer)以及穿隧層(tunnel barrier)。穿隧層是配置於自由層與釘扎層之間，自由層可配置於釘扎層上方或下方。
本發明還提出一種穿隧式磁阻感測器，包括基板、絕緣層、第一電極陣列以及穿隧磁阻元件。絕緣層是配置於基板上方，第一電極陣列包括多個第一電極，且這些第一電極是彼此間隔地嵌於絕緣層中。穿隧磁阻元件則是配置在第一電極陣列上方，並電性連接至此第一電極陣列。
在本發明之一實施例中，上述之穿隧磁阻元件包括多個磁穿隧接面單元，彼此間隔地排列於絕緣層上，且各磁穿隧接面單元分別電性連接至兩相鄰之第一電極。
在本發明之一實施例中，上述之絕緣層具有多個第一開口，各第一電極分別填於其所對應之第一開口內，且各磁穿隧接面單元係直接與其所對應之兩相鄰之第一電極電性接觸。
在本發明之一實施例中，上述之穿隧式磁阻感測器更包括多個第一接觸插塞，配置於絕緣層內，並分別電性連接於其所對應之第一電極與磁穿隧接面單元之間。
在本發明之一實施例中，上述之穿隧磁阻元件為條狀磁穿隧接面單元，且上述之絕緣層具有多個第一開口，各第一電極分別填於其所對應之第一開口內，而條狀磁穿隧接面單元係配置於絕緣層上而直接與上述這些第一電極電性接觸。
在本發明之一實施例中，上述之穿隧式磁阻感測器更包括一第二電極陣列，排列於條狀磁穿隧接面單元上方。此第二電極陣列包括多個第二電極，且這些第二電極係與上述第一電極彼此交錯，並電性連接至條狀磁穿隧接面單元。
在本發明之一實施例中，上述之穿隧式磁阻感測器更包括多個第一接觸插塞，配置於絕緣層內。而穿隧磁阻元件為條狀磁穿隧接面單元，且各第一電極分別藉由兩個相鄰之第一接觸插塞而電性連接至條狀磁穿隧接面單元。
在本發明之一實施例中，上述之穿隧式磁阻感測器更包括第二電極陣列以及多個第二接觸插塞，其中第二電極陣列是配置於絕緣層上，並包括多個第二電極，且條狀磁穿隧接面單元配置於絕緣層中並位於第一電極陣列與第二電極陣列之間。上述這些第二接觸插塞則是配置於絕緣層內，並且分別電性連接於其所對應之第二電極與條狀磁穿隧接面單元之間。其中，各第二電極分別藉由兩個相鄰之第二接觸插塞而電性連接至條狀磁穿隧接面單元。
在本發明之一實施例中，上述之穿隧磁阻元件包括自由層、釘扎層以及穿隧層。穿隧層是配置於自由層與釘扎層之間，釘扎層可配置於自由層上方或下方。
本發明之穿隧式磁阻感測器係將電極配置於同一層，也就是說，僅需一道製程即可完成電性連接至穿隧磁阻元件的電極。因此，本發明之平面穿隧式磁阻感測器與習知的垂直穿隧式磁阻感測器相較之下，不但具有較為簡單的製程，更可以因此節省製作成本。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
圖1為本發明之一實施例中穿隧式磁阻感測器的部分剖面示意圖。請參照圖1，穿隧式磁阻感測器100包括基板110、絕緣層120、電極陣列130以及穿隧磁阻元件140。基板110可為表層覆蓋絕緣材料之矽基板或是具有前段邏輯電晶體元件之矽晶片。絕緣層120是配置於基板110上方，穿隧磁阻元件140是嵌於絕緣層120中，且在本實施例中，穿隧磁阻元件140包括多個彼此間隔地排列的磁穿隧接面(Magnetic Tunneling Junction,MTJ)單元150。具體來說，本實施例之穿隧式磁阻感測器100的製程例如是先在基板110上形成下層絕緣層，接著於下層絕緣層上方形成多個磁穿隧接面單元150，然後在形成上層絕緣層覆蓋磁穿隧接面單元150後，以化學機械研磨法將上層絕緣層的上表面平坦化，而在由上層絕緣層與下層絕緣層堆疊而成的絕緣層120中形成暴露磁穿隧接面單元150的多個開口122。
電極陣列130則包括多個電極132，且這些電極132是彼此間隔地排列於絕緣層120上方，並分別電性連接至這些磁穿隧接面單元150。在本實施例中，電極132的材質例如是鋁或銅。詳細來說，相鄰的兩個電極132是電性連接至同一個磁穿隧接面單元150。而且，以本實施例來說，這些磁穿隧接面單元150是分別形成於一個開口122內，且各電極132是與這些磁穿隧接面單元150交錯排列地配置於絕緣層120上，而直接與其所對應之磁穿隧接面單元150電性接觸。
值得一提的是，電極132的延伸方向與磁穿隧接面單元150的延伸方向之間的角度例如是介於0度至90度之間，以改變電流通過磁穿隧接面單元150內部的方向，進而提高穿隧式磁阻感測器100的靈敏度。
另外，熟習此技藝者應該知道，這些電極132是透過內連線(interconnection)或其他方式而與其他電路電性連接，為使圖式較為簡潔易懂，圖1並未繪示出電極132與其他電路之間的連接關係。
請繼續參照圖1，本實施例之磁穿隧接面單元150主要是由釘扎層(pinned layer) 153、自由層(free layer) 155以及穿隧層(tunnel barrier) 154所構成。穿隧層154是配置於釘扎層153與自由層155之間。
進一步來說，本實施例之磁穿隧接面單元150還可以包括晶種層(seed layer) 151、偏壓層(exchange bias layer) 152以及硬遮罩層(hard mask) 156，且晶種層151、偏壓層152、釘扎層153、穿隧層154、自由層155以及硬遮罩層156依序堆疊在絕緣層120上。在其他實施例中，亦可採用晶種層151、自由層155、穿隧層154、釘扎層153、偏壓層152、硬遮罩層156的堆疊順序。
承上述，晶種子層151是用以使後續所形成的膜層具有較佳的織構(texture)與優選晶格方向(preferred orientation)。偏壓層152是用以固定釘扎層153的磁化方向，其主要是由反鐵磁(anti-ferromagnetic)材料所構成。釘扎層153與自由層155主要是由鐵磁(ferromagnetic)材料所構成，例如鐵、鈷、鎳為主的單一元素層、合金層或複合層。其中釘扎層153受偏壓層作用具有固定的磁化方向；而自由層155的磁化方向易受外加磁場的影響而改變，與釘扎層153的磁化方向形成夾角上的變化。穿隧層154對不同狀態的自旋電子有很高的分辨率，其材質例如是氧化鋁或氧化鎂。硬遮罩層156則是由金屬材料所構成，在蝕刻磁性材料的過程中提供較高的蝕刻選擇比。
根據平面穿遂原理(Current-In-Plane Tunneling,CIPT)，在適當的磁穿隧接面單元150長度下，當電流I從電極陣列130中的其中一個電極132流出時，一部份電流(平行分流I1)會沿著硬遮罩層156與自由層155平面傳遞至與此磁穿隧接面單元150電性接觸的另一個電極132，而另一部份電流(穿隧分流I2)會傾向形成一並聯路徑以降低整體電阻。此一並聯路徑經由與此電極132電性接觸的磁穿隧接面單元150之硬遮罩層156與自由層155，通過穿隧層154，並在晶種層151、偏壓層152與釘扎層153內流動，然後再通過穿隧層154、自由層155與硬遮罩層156，而流至與此磁穿隧接面單元150電性接觸的另一個電極132。換言之，在本實施例之穿隧式磁阻感測器100中，電流I的流動方向是平行於磁穿隧接面單元150的平面144，且電流I流入與流出的電極132皆在磁穿隧接面單元150的同一側。也就是說，穿隧式磁阻感測器100為平面穿遂式(CIPT)的磁阻感測器。
需要注意的是，雖然本實施例之電極132是直接與磁穿隧接面單元150電性接觸，但本發明並不限於此。圖2為本發明之另一實施例中穿隧式磁阻感測器的部分剖面示意圖。以下僅針對本實施例前述實施例之相異處加以說明。請參照圖2，穿隧式磁阻感測器200與圖1之穿隧式磁阻感測器100的相異處在於穿隧式磁阻感測器200還包括多個接觸插塞160，而這些接觸插塞160是分別形成於絕緣層120中而與對應之磁穿隧接面單元150電性連接。電極陣列130中的各個電極132則是分別配置於其所對應之接觸插塞160之上，以便於透過接觸插塞160與其所對應之磁穿隧接面單元150電性連接。
值得一提的是，本實施例是在形成絕緣層120的多個接觸窗開口162後，先在這些接觸窗開口162內填入一層金屬層(例如鎢)以作為接觸插塞160，之後再於絕緣層120上形成電極陣列130。此外，也可以在形成接觸窗開口162後，以同一層金屬層(例如鋁)同時作為接觸插塞160與電極132，其詳細製程與目前常見之內連線製程相同或相似，此處不再贅述。
更特別的是，各磁穿隧接面單元150的磁阻變化率(Magnetoresistance ratio,MR ratio)與其所電性連接的兩電極132之間的距離有關，有一合適的距離範圍，若兩電極132之間的距離太小或太大都會造成磁阻變化率的下降。另一方面，磁穿隧接面單元150的尺寸與長寬比則會影響自由層155翻轉場(switching field)的大小，尺寸越小加上長寬比越小，則此磁穿隧接面單元150的自由層155需要較高的磁場才能翻轉，因而降低感測靈敏度。因此，為降低翻轉場大小以提升感測靈敏度，可以增加磁穿隧接面單元的尺寸與長寬比。本發明在另一實施例中，例如是利用單一條狀磁穿隧接面單元作為穿隧式磁阻感測器300的穿隧磁阻元件340來降低翻轉磁場，如圖3及圖4所示。
根據平面穿遂原理(CIPT)原理，若電極陣列130只有兩個電極132連接於單一條狀磁穿隧磁阻元件340兩端，則電極距離太大會使穿隧磁阻變化率(TMR ratio)大幅下降，其原因在於垂直通過穿隧層154的電阻變化量遠小於平面傳導電阻的緣故。為了增加穿隧電阻的貢獻比例，可以增加多個電極132與磁穿隧磁阻元件340電性連接，進而增加電流通過穿隧層154的次數，達到多重穿隧(multiple tunneling)的效果，以提升穿隧磁阻變化率。
如此一來，即可在降低其磁場翻轉磁場門檻值的同時，亦提高磁穿隧磁阻元件340之磁阻變化率，以提高穿隧式磁阻感測器300感測靈敏度。
需要注意的是，本發明並不將穿隧磁阻元件340限定為長條狀，其也可以呈不規則的條狀。
同樣地，穿隧磁阻元件340與電極陣列130之間可以是直接電性接觸(如圖3所示)，也可以是透過接觸插塞160而電性連接於彼此(如圖4所示)。
圖5為本發明之另一實施例中穿隧式磁阻感測器的部分剖面示意圖。請參照圖5，穿隧式磁阻感測器500包括基板110、絕緣層120、電極陣列530以及穿隧磁阻元件540。基板110可為表層覆蓋絕緣材料之矽基板或是具有前段邏輯電晶體元件之矽晶片。絕緣層120是配置於基板110上方，且本實施例之絕緣層120例如是具有多個開口124。電極陣列530包括多個電極532，且這些電極532是彼此間隔地嵌於絕緣層120中，而各個開口124即是分別暴露出其所對應的電極532。具體來說，本實施例例如是利用微影及蝕刻或其他方式，對絕緣層120進行圖案化製程，以形成這些開口124。接著以大馬士革鑲嵌(damascene)製程分別在各開口124內填入金屬材料如鎢或銅，以作為電極532。
如同前述實施例之電極132，本實施例之這些電極532也是透過內連線或其他方式而與其他電路電性連接，為使圖式較為簡潔易懂，圖5並未繪示出電極532與其他電路之間的連接關係。
請繼續參照圖5，穿隧磁阻元件540是配置在電極陣列530上方，並電性連接至此電極陣列530。而且，本實施例之穿隧磁阻元件540包括多個磁穿隧接面單元550，每個磁穿隧接面單元550分別電性連接至兩個相鄰的電極532。特別的是，本實施例之磁穿隧接面單元550是形成於絕緣層120上而直接與電極532電性接觸。詳細來說，本實施例之磁穿隧接面單元550主要是由自由層552、釘扎層554以及穿隧層553所構成。穿隧層553是配置於自由層552與釘扎層554之間。
進一步來說，本實施例之磁穿隧接面單元550還可以包括晶種層551、偏壓層555以及硬遮罩層556，且晶種層551、自由層552、穿隧層553、釘扎層554、偏壓層555以及硬遮罩層556依序堆疊在絕緣層120上(亦可採用晶種層551、偏壓層555、釘扎層554、穿隧層553、自由層552以及硬遮罩層556的堆疊順序)，並與對應之電極532電性接觸。
在此，本實施例之晶種層551、自由層552、穿隧層553、釘扎層554、偏壓層555以及硬遮罩層556分別與前述實施例之晶種層151、偏壓層152、釘扎層153、穿隧層154、自由層155以及硬遮罩層156相同或相似，其材質特性請參考前文之說明。
承上所述，根據平面穿遂原理，在適當的磁穿隧接面單元150長度下，當電流I從電極陣列530中的其中一個電極532流出時，一部份電流(平行分流I1)會沿著晶種層551與自由層552平面傳遞至與此磁穿隧接面單元550電性接觸的另一個電極532，而另一部份電流(穿隧分流I2)會傾向形成一並聯路徑以降低整體電阻。此一並聯路徑經由與此電極532電性接觸的磁穿隧接面單元550之晶種層551與自由層552，通過穿隧層553，並在釘扎層554、偏壓層555及硬遮罩層556內流動，然後再通過穿隧層553、自由層552與晶種層551，而流至與此磁穿隧結550電性接觸的另一個電極532。換言之，在本實施例之穿隧式磁阻感測器500中，電流I的流動方向是平行於磁穿隧接面單元550的平面550a，且電流I流入與流出的電極532皆在磁穿隧接面單元550的同一側。也就是說，穿隧式磁阻感測器500為平面穿遂式(CIPT)的磁阻感測器。
而且，由圖5可知，本實施例之穿隧式磁阻感測器500的穿隧磁阻元件540是配置於電極陣列530的上方，且在形成穿隧磁阻元件540後，無須再形成其他金屬層，因此可避免穿隧磁阻元件540在金屬層的製程中因熱能累積、應力或介面擴散等問題的影響而造成效能下降甚至損壞。
雖然圖5所示之電極陣列530是與穿隧磁阻元件540直接電性接觸，但本發明不限於此。在其他實施例中，如圖6所示，穿隧磁阻元件540也可以是透過接觸插塞170而與電極陣列530電性連接。
此外，為增加磁穿隧磁阻元件的磁阻變化率，並同時降低磁場翻轉磁場門檻值，以提高穿隧式磁阻感測器的靈敏度，如圖7及圖8所示，也可以以單一條狀的磁穿隧接面單元來取代圖5的多個磁穿隧接面單元550，作為穿隧式磁阻感測器700的穿隧磁阻元件740。在圖7及圖8所示之穿隧式磁阻感測器700中，穿隧磁阻元件740是配置於絕緣層120上方，電極陣列530則是嵌於絕緣層120中，其餘則分別與圖3及圖4之穿隧式磁阻感測器300相同或相似，此處不再贅述。
圖9為本發明之另一實施例中穿隧式磁阻感測器的部分剖面示意圖。請參照圖9，穿隧式磁阻感測器900是以單一的條狀磁穿隧接面單元作為穿隧磁阻元件740，與前述實施例的不同處在於穿隧磁阻元件740的上方與下方分別配置有電極陣列130與電極陣列530。詳細來說，電極陣列530包括多個電極532，配置於絕緣層120的開口124內。電極陣列130則包括多個電極132，配置於磁穿隧磁阻元件740上方，且這些電極132是與電極532交錯排列。電極132與電極532透過合適的安排，電流I將以垂直穿隧(Current-Perpendicular-to Plane Tunneling,CPPT)的方式反覆通過穿隧層553，達成多重穿隧(multiple tunneling)的效果，以提升穿隧磁阻變化率。除了穿隧磁阻元件740最兩端的電極532與內連線或其他電路電性連接之外，其餘配置於穿隧磁阻元件740上下的電極132與電極532，僅與穿隧磁阻元件740電性連接。
在本實施例中，穿隧磁阻元件740是配置於電極陣列530上方，電極陣列130則是配置於穿隧磁阻元件740上方，且只有電極陣列530透過內連線或其他方式與其他電路電性連接，電極陣列130則未以任何方式與其他電路電性連接。但本發明並不限於此，在其他實施例中，也可以是電極陣列130透過內連線或其他方式與其他電路電性連接，電極陣列530則未以任何方式與其他電路電性連接。
另一方面，本發明之穿隧磁阻元件740是直接與電極陣列130及電極陣列530電性接觸，但在另一實施例中，如圖10所示，穿隧式磁阻感測器1000也可以包括多個接觸插塞160與多個接觸插塞170。接觸插塞160是形成於絕緣層120中，並電性連接於電極陣列130與穿隧磁阻元件740之間。接觸插塞170同樣是形成於絕緣層120內，並電性連接至電極532與穿隧磁阻元件740之間。也就是說，穿隧磁阻元件740之間是透過接觸插塞160而電性連接至電極陣列130，並透過接觸插塞170而與電極陣列530電性連接。
綜上所述，本發明之穿隧式磁阻感測器係將電極配置於同一層，也就是說，僅需一道製程即可完成電性連接至穿隧磁阻 元件的電極。因此，本發明之平面穿隧式磁阻感測器與習知的垂直穿隧式磁阻感測器相較之下，不但具有較為簡單的製程，更可以因此節省製作成本。而且，在本發明之一實施例中，電極是配置於穿隧磁阻元件的下方。換言之，在形成穿隧磁阻元件後即無須再進行任何金屬層的製程，因此可避免在製程中因熱累積、應力、介面擴散等問題而對磁穿隧元件的效能造成不良的影響。
此外，本發明之穿隧式磁阻感測器還可以將單個條狀磁穿隧接面單元與多個電極連接，一方面降低穿隧式磁阻感測器的翻轉磁場，另一方面透過電極配置造成的多重穿隧效應同時增加磁阻變化率，進而提高穿隧式磁阻感測器的靈敏度。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100、200、300、500、700、900、1000‧‧‧穿隧式磁阻感測器
110‧‧‧基板
120‧‧‧絕緣層
122、124‧‧‧開口
130、530‧‧‧電極陣列
132、532‧‧‧電極
140、340、540、740‧‧‧穿隧磁阻元件
150、550‧‧‧磁穿隧接面單元
151、551‧‧‧晶種層
152、555‧‧‧偏壓層
153、554‧‧‧釘扎層
154、553‧‧‧穿隧層
155、552‧‧‧自由層
156、556‧‧‧硬遮罩層
160、170‧‧‧接觸插塞
144、550a‧‧‧平面
162‧‧‧接觸窗開口
I‧‧‧電流
I1‧‧‧平行分流
I2‧‧‧穿隧分流
圖1繪示為本發明之一實施例中穿隧式磁阻感測器的部分剖面示意圖。
圖2繪示為本發明之另一實施例中穿隧式磁阻感測器的部分剖面示意圖。
圖3繪示為本發明之另一實施例中穿隧式磁阻感測器的部分剖面示意圖。
圖4繪示為本發明之另一實施例中穿隧式磁阻感測器的部分剖面示意圖。
圖5繪示為本發明之另一實施例中穿隧式磁阻感測器的 部分剖面示意圖。
圖6繪示為本發明之另一實施例中穿隧式磁阻感測器的部分剖面示意圖。
圖7繪示為本發明之另一實施例中穿隧式磁阻感測器的部分剖面示意圖。
圖8繪示為本發明之另一實施例中穿隧式磁阻感測器的部分剖面示意圖。
圖9繪示為本發明之另一實施例中穿隧式磁阻感測器的部分剖面示意圖。
圖10繪示為本發明之另一實施例中穿隧式磁阻感測器的部分剖面示意圖。
500．．．穿隧式磁阻感測器
110．．．基板
120．．．絕緣層
124．．．開口
530．．．電極陣列
532．．．電極
540．．．穿隧磁阻元件
550．．．磁穿隧接面單元
550a．．．平面
551．．．晶種層
552．．．自由層
553．．．穿隧層
554．．．釘扎層
555．．．偏壓層
556．．．硬遮罩層
I．．．電流
I1．．．平行分流
I2．．．穿隧分流

Claims (16)

  1. 一種穿隧式磁阻感測器，包括：一基板；一絕緣層，配置於該基板上方；一穿隧磁阻元件，嵌於該絕緣層中；以及一第一電極陣列，包括多個第一電極彼此間隔地排列於該絕緣層上方，並藉由該穿隧磁阻元件，直接導通相鄰的兩個該些第一電極。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之穿隧式磁阻感測器，其中該穿隧磁阻元件包括多個磁穿隧接面單元，彼此間隔地排列於該絕緣層中，且各該磁穿隧接面單元分別電性連接至兩相鄰之該些第一電極。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之穿隧式磁阻感測器，其中該絕緣層具有多個第一開口，且各該磁穿隧接面單元分別填於其所對應之該第一開口內，而該些第一電極係直接與該些磁穿隧接面單元電性接觸。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之穿隧式磁阻感測器，更包括多個第一接觸插塞，配置於該絕緣層內而電性連接於該些第一電極與該些磁穿隧接面單元之間。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之穿隧式磁阻感測器，其中該穿隧磁阻元件為一條狀磁穿隧接面單元，且該絕緣層具有一 第一開口，該條狀磁穿隧接面單元填於該第一開口內，而該些第一電極係配置於該絕緣層上而直接與該條狀磁穿隧接面單元電性接觸。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之穿隧式磁阻感測器，更包括多個第一接觸插塞，配置於該絕緣層中，而該穿隧磁阻元件為一條狀磁穿隧接面單元，各該第一接觸插塞係電性連接於該條狀磁穿隧接面單元與其所對應之該第一電極之間。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之穿隧式磁阻感測器，其中該磁穿隧接面單元包括：一釘扎層；一自由層；以及一穿隧層，配置於該自由層與該釘扎層之間。
  8. 一種穿隧式磁阻感測器，包括：一基板；一絕緣層，配置於該基板上方；一第一電極陣列，包括多個第一電極，該些第一電極彼此間隔地嵌於該絕緣層中；以及一穿隧磁阻元件，配置於該第一電極陣列上方，並直接導通該第一電極陣列中相鄰的兩個該些第一電極。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之穿隧式磁阻感測器，其中該穿隧磁阻元件包括多個磁穿隧接面單元，彼此間隔地排列於該絕緣層上，且各該磁穿隧接面單元分別電性連接至兩相鄰之該些第一電極。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之穿隧式磁阻感測器，其中該絕緣層具有多個第一開口，各該第一電極分別填於其所對應之該第一開口內，且各該磁穿隧接面單元係直接與其所對應之兩相鄰之該些第一電極電性接觸。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之穿隧式磁阻感測器，更包括多個第一接觸插塞，配置於該絕緣層內，並分別電性連接於其所對應之該第一電極與該磁穿隧接面單元之間。
  12. 如申請專利範圍第8項所述之穿隧式磁阻感測器，其中該穿隧磁阻元件為一條狀磁穿隧接面單元，且該絕緣層具有多個第一開口，各該第一電極分別填於其所對應之該第一開口內，而該條狀磁穿隧接面單元係配置於該絕緣層上而直接與該些第一電極電性接觸。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之穿隧式磁阻感測器，更包括一第二電極陣列，排列於該條狀磁穿隧接面單元上，該第二電極陣列包括多個第二電極，且該些第二電極係與該些第一電極彼此交錯，並電性連接至該條狀磁穿隧接面單元。
  14. 如申請專利範圍第8項所述之穿隧式磁阻感測器，更包括多個第一接觸插塞，配置於該絕緣層內，而該穿隧磁阻元件為一條狀磁穿隧接面單元，各該第一電極分別藉由兩相鄰之該些第一接觸插塞而電性連接至該條狀磁穿隧接面單元。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之穿隧式磁阻感測器，更包括：一第二電極陣列，配置於該絕緣層上，並包括多個第二電極，且該條狀磁穿隧接面單元配置於該絕緣層中並位於該第一電極陣列與該第二電極陣列之間；以及多個第二接觸插塞，配置於該絕緣層內，並且分別電性連接於其所對應之該第二電極與該條狀磁穿隧接面單元之間，其中各該第二電極分別藉由兩相鄰之該些第二接觸插塞而電性連接至該條狀磁穿隧接面單元。
  16. 如申請專利範圍第8項所述之穿隧式磁阻感測器，其中該磁穿隧接面單元包括：一自由層；一釘扎層；以及一穿隧層，配置於該自由層與該釘扎層之間。
TW100123719A 2011-07-05 2011-07-05 穿隧式磁阻感測器 TWI420127B (zh)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
TW100123719A TWI420127B (zh) 2011-07-05 2011-07-05 穿隧式磁阻感測器
CN201110346438.1A CN102866365B (zh) 2011-07-05 2011-11-04 穿隧式磁阻传感器
US13/333,951 US8629519B2 (en) 2011-07-05 2011-12-21 Tunneling magnetoresistance sensor
US14/138,134 US9224939B2 (en) 2011-07-05 2013-12-23 Tunneling magnetoresistance sensor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
TW100123719A TWI420127B (zh) 2011-07-05 2011-07-05 穿隧式磁阻感測器

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TW201303338A TW201303338A (zh) 2013-01-16
TWI420127B true TWI420127B (zh) 2013-12-21

Family

ID=47438137

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW100123719A TWI420127B (zh) 2011-07-05 2011-07-05 穿隧式磁阻感測器

Country Status (3)

Country Link
US (2) US8629519B2 (zh)
CN (1) CN102866365B (zh)
TW (1) TWI420127B (zh)

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9739808B2 (en) * 2011-11-29 2017-08-22 Honeywell International Inc. Devices, methods, and systems for sensing current
US9240546B2 (en) 2013-03-26 2016-01-19 Infineon Technologies Ag Magnetoresistive devices and methods for manufacturing magnetoresistive devices
US10989769B2 (en) * 2013-12-27 2021-04-27 Infineon Technologies Ag Magneto-resistive structured device having spontaneously generated in-plane closed flux magnetization pattern
CN105548920A (zh) * 2015-12-08 2016-05-04 苏州工业园区纳米产业技术研究院有限公司 一种自重置amr传感器
JP6477752B2 (ja) * 2017-03-13 2019-03-06 Tdk株式会社 磁気センサ
US10534047B2 (en) * 2017-03-30 2020-01-14 Qualcomm Incorporated Tunnel magneto-resistive (TMR) sensors employing TMR devices with different magnetic field sensitivities for increased detection sensitivity
US10756255B2 (en) * 2018-05-17 2020-08-25 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. Semiconductor device with asymmetrical pinned magnets, and method of manufacture
WO2024074462A1 (en) * 2022-10-04 2024-04-11 Analog Devices International Unlimited Company A tunnel magnetoresistive multi-turn sensor
WO2024074460A1 (en) * 2022-10-04 2024-04-11 Analog Devices International Unlimited Company A tunnel magnetoresistive multi-turn sensor

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW200805721A (en) * 2006-03-29 2008-01-16 Grandis Inc On-plug magnetic tunnel junction devices based on spin torque transfer switching
US20090097168A1 (en) * 2006-04-27 2009-04-16 Kouichiro Inomata Magnetic thin film, and magnetoresistance effect device and magnetic device using the same
US20100264501A1 (en) * 2007-02-27 2010-10-21 Haruo Furuta Method for manufacturing magnetic storage device and magnetic storage device
TW201108482A (en) * 2009-05-14 2011-03-01 Qualcomm Inc Magnetic tunnel junction device and fabrication

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4149647B2 (ja) * 2000-09-28 2008-09-10 株式会社東芝 半導体記憶装置及びその製造方法
JP3498737B2 (ja) 2001-01-24 2004-02-16 ヤマハ株式会社 磁気センサの製造方法
JP3879518B2 (ja) * 2002-01-21 2007-02-14 ソニー株式会社 磁気記憶装置およびその製造方法
JP3673796B2 (ja) * 2003-01-14 2005-07-20 Ｔｄｋ株式会社 磁気抵抗効果素子の製造方法、磁気ヘッド、ヘッドサスペンションアセンブリ及び磁気ディスク装置
JP4082274B2 (ja) * 2003-05-22 2008-04-30 株式会社日立製作所 磁気センサ及びそれを備える磁気ヘッド
JP2005302876A (ja) * 2004-04-08 2005-10-27 Denso Corp トンネル磁気抵抗効果素子およびその製造方法ならびに製造装置
US7696548B2 (en) * 2005-08-09 2010-04-13 Magic Technologies, Inc. MRAM with super-paramagnetic sensing layer
JP4768488B2 (ja) * 2006-03-27 2011-09-07 株式会社東芝 磁気抵抗効果素子，磁気ヘッド，および磁気ディスク装置
US7696551B2 (en) * 2007-09-20 2010-04-13 Magic Technologies, Inc. Composite hard mask for the etching of nanometer size magnetic multilayer based device
US9207291B2 (en) * 2007-11-16 2015-12-08 Infineon Technologies Ag XMR angle sensors
JP2009124058A (ja) * 2007-11-19 2009-06-04 Fujitsu Ltd 磁気抵抗効果素子の面積抵抗の測定方法
US7863060B2 (en) * 2009-03-23 2011-01-04 Magic Technologies, Inc. Method of double patterning and etching magnetic tunnel junction structures for spin-transfer torque MRAM devices

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW200805721A (en) * 2006-03-29 2008-01-16 Grandis Inc On-plug magnetic tunnel junction devices based on spin torque transfer switching
US20090097168A1 (en) * 2006-04-27 2009-04-16 Kouichiro Inomata Magnetic thin film, and magnetoresistance effect device and magnetic device using the same
US20100264501A1 (en) * 2007-02-27 2010-10-21 Haruo Furuta Method for manufacturing magnetic storage device and magnetic storage device
TW201108482A (en) * 2009-05-14 2011-03-01 Qualcomm Inc Magnetic tunnel junction device and fabrication

Also Published As

Publication number Publication date
TW201303338A (zh) 2013-01-16
US20130009258A1 (en) 2013-01-10
CN102866365B (zh) 2015-08-05
US9224939B2 (en) 2015-12-29
CN102866365A (zh) 2013-01-09
US20140103474A1 (en) 2014-04-17
US8629519B2 (en) 2014-01-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI420127B (zh) 穿隧式磁阻感測器
US11139429B2 (en) Magnetoresistive structure having two dielectric layers, and method of manufacturing same
JP6193212B2 (ja) シングルチップ２軸ブリッジ型磁界センサ
US9773970B2 (en) Magnetic field sensor
KR102406722B1 (ko) 자기 메모리 장치 및 그 제조 방법
TWI468715B (zh) 用於感測外部磁場之磁場感測器
US9182458B2 (en) Magnetoresistive sensing device
CN110581213B (zh) 半导体元件
TWI443360B (zh) 磁阻感測器及其製造方法
US11428758B2 (en) High sensitivity TMR magnetic sensor
US10714466B1 (en) Layout pattern for magnetoresistive random access memory
JP5691604B2 (ja) 磁気トンネル接合素子及び磁気ランダムアクセスメモリ
JP6034862B2 (ja) 対称スイッチングと単一方向プログラミングを備えたスピン−トルク伝達メモリセル構造
JP2016021518A (ja) 磁気抵抗素子、磁気センサ及び電流センサ
JP5504847B2 (ja) スピン注入型磁気ランダムアクセスメモリ
CN113424331A (zh) 磁性存储器装置及形成方法
CN112820821A (zh) 半导体元件及其制作方法
WO2010137606A1 (ja) 磁気センサ
CN114566517A (zh) 半导体元件

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A Annulment or lapse of patent due to non-payment of fees