TWI497097B - 三軸磁場感測器 - Google Patents

Description

三軸磁場感測器

本發明大致上係關於磁電子器件領域，且更特定言之係關於用來在三個正交方向中感測磁場的CMOS相容磁電子場感測器。

在現代系統中廣為使用感測器來量測或偵測物理參數，諸如位置、運動、力、加速度、溫度、壓力等等。雖然存在用於量測此等及其他參數的多種不同感測器類型，但是該等感測器類型遭受各種限制。舉例而言，低廉的低場感測器－諸如在一電子指南針及其他類似磁感測應用中使用的感測器通常由基於異向磁阻(AMR)之器件組成。為達到與CMOS良好匹配的所需靈敏度及合理阻抗，此類感測器之感測單元在大小上通常為數平方毫米的量級。就行動應用而言，此AMR感測器組態在花費、電路面積及電力消耗方面係昂貴的。

已使用其他類型之感測器－諸如Hall效應感測器、巨磁阻(GMR)感測器及磁穿隧接面(MTJ)感測器以提供更小外形的感測器，但是此類感測器有其自身的顧慮，諸如靈敏度不足及會受溫度變化影響。為解決此等顧慮，已在一惠斯登電橋結構中採用MTJ感測器及GMR感測器以增強靈敏度並消除溫度相關的阻抗變化。許多磁感測技術係固有回應於所施加之場的一個定向，而不回應於正交軸。實際上，已為電子指南針應用發展出兩軸磁場感測器以藉由針對各感測軸使用一惠斯登電橋結構而偵測地球的場方向。

舉例而言，Hall感測器通常回應於垂直於基板表面的面外場分量，而磁阻感測器回應於面內施加的磁場。利用此等回應軸，發展一少佔用面積的三軸感測解決方案通常涉及具有彼此以正交角設置之一或多個晶片的一多晶片模組。就磁阻感測器而言，可利用精細的感測器設計而達成正交面內分量，但是面外回應通常透過接觸已垂直安裝之一第二晶片的垂直接合或回焊而獲得(garner)。由於垂直接合之晶片的大小通常受由處置約束條件判定之墊間距支配，所以此一技術導致已加工之封裝有一大的垂直程度、高的晶粒及組裝成本，且由於須併入「穿晶片通孔(through chip vias)」而使晶片級封裝變得困難且昂貴。

相應地，需要一種用於形成在三維中回應一所施加磁場之一單晶片磁感測器的改良設計及製造製程。亦需要一種可有效且低廉地構造成用於行動應用中使用之一積體電路結構的三軸感測器。亦需要一種克服此項技術中諸如以上略述之問題的改良磁場感測器及其製造。此外，從隨後詳細描述及附屬技術方案中且結合附圖及本背景，本發明的其他期望特徵及特性將變得顯而易見。

一種基於鐵磁薄膜的磁場感測器包含一第一磁阻感測器，該第一磁阻感測器包括：具有一平坦表面之一基板；及一第一感測元件，該第一感測元件具有橫置成平行於該基板之該平坦表面的一第一側，該第一感測元件具有相對 於該第一側的一第二側且具有第一相對邊緣及第二相對邊緣；及一第一通量導件，其係安置成不平行於該基板的該第一側且具有接近該第一感測元件之該第一邊緣及該第一側的一端部。一選用之第二通量導件係可安置成不平行於該基板之該第一側且具有接近該第一感測元件之該第二邊緣及該第二側的一端部。

在另一例示性實施例中，一種基於鐵磁薄膜的磁場感測器包含第一磁阻感測器、第二磁阻感測器及第三磁阻感測器。該第一磁穿隧接面感測器包含一第一釘紮層及形成於該第一釘紮層上之一第一感測元件，該第二磁穿隧接面感測器包含一第二釘紮層及形成於該第二釘紮層上且正交於該第一感測元件之一第二感測元件，且該第三磁穿隧接面感測器包含一第三釘紮層及形成於該第三釘紮層上之一第三感測元件，該第三釘紮層安置在與該第一釘紮層及該第二釘紮層之各者成約45度處，且該第三感測元件具有第一及第二邊緣與第一及第二側邊。一通量導件係安置成不平行於該基板的一平坦表面且具有接近該第三感測元件之該第一邊緣及該第一側的一端部。

下文將結合下列圖式描述本發明的諸項實施例，其中相同數字指代相同元件。

將明白為說明之簡單及清晰，該等圖式中所繪之元件不必然按比例繪製。舉例而言，為有助於且改良清晰及理解之目的，相較於其他元件而誇大一些元件的尺寸。此外，在適當考量之處，已在該等圖式之間重複參考數字以表示對應或類似元件。

下列詳細描述實質上僅為例示性的且無意限制本發明或申請案以及本發明的使用。此外，不意受前述背景或下列詳細描述中所呈列之任何理論之限定。

透過整合含有一高磁導率材料(例如鎳鐵(NiFe))且其等之端部靠近近接地終止於一磁感測元件之相對邊緣及相對側的高寬高比垂直條(通量導件)，可使Z軸場之一部分進入XY平面中。此等通量導件用來從定向於Z方向中之一所施加之場處擷取磁通量，且在如此做時，在該等通量導件之端部附近以一大體上水平方式彎曲場線。透過非對稱性設置該等通量導件，例如將通量導件片段設置在一惠斯登電橋之四臂的兩臂中之感測元件的左邊緣上方，且將通量導件片段設置在另兩臂中之感測元件的右邊緣上方，水平分量可在該兩對臂之一相對方向中起作用，導致一強烈的差動信號。施加於X方向或Y方向中之一場將均等地投射在電橋之全部四臂上且因此被減去並且不促成最終的感測器信號。在磁感測器晶片上的其他地方包含個別電橋用於判定磁信號的X分量及Y分量，且以此方式，可藉由例如基於磁穿隧接面(MTJ)感測元件之一單晶片磁阻感測模組而精確判定具有全部三個空間定向之分量的一場。有限元素方法(FEM)模擬展示出在最佳化設置時，一對高寬高比通量導件(例如25 nm寬乘500 nm高且在第三方向上延伸若干微米)將在一個別元件上提供約為自含有相同強度之一面內(x軸)場量測之信號之80%的一信號。額外信號可透過將該通量導件更靠近地近接感測器、增加通量導件高度以及額外定形導件的幾何配置而獲得。一項實例為加入平行於感測元件且延伸於該感測元件之邊緣上的水平片段。其他實例為形成一U狀物，此U狀物係與與該感測元件之外邊緣對準之內部水平片段一起放置，且定角度終止該等垂直片段以在該感測元件之平面中部分延伸通量導件，以及形成一類似放置的盒形結構。此等幾何配置用來進一步增強經引導之通量的水平分量且將其移動至該感測器之一更靠中心的區。具有個別25 nm寬且利用為通量導件之垂直條的一結構容許有覆蓋誤差且在一單個通量引導層與感測層之間以85 nm之一錯位(3西格瑪)之2.5%之速率而產生一明顯的x場至z場轉換(針對一差動接線的惠斯登電橋)。

通量引導層可由通常在磁隨機存取記憶體(MRAM)製程流程中使用之層形成，在該製程流程期間用一高磁導率磁性材料包覆的位元線及數位線(諸如在典型磁記憶器件中)-本文稱為一通量導件，係用來增加存在以減少切換記憶儲存元件所需之電流的場因數。在感測器應用中，相同製程流程可搭配濺鍍去除數位線之底部以移除存在於溝槽底部之任何包層的選用額外步驟一起使用。可修改製程流程使得用於通量引導之包層的高度及寬度為最佳值而分別代替上述例示性製程中所使用的500 nm及25 nm。

隨後更詳細描述一種用於對可用來形成具有不同參考層之一積體電路感測器之一塊體晶圓提供多軸釘紮的方法及裝置，該等不同參考層具有三個不同的釘紮方向且該等釘紮方向之二者係經由一單釘紮材料沈積及塊體晶圓設定製程而設定成大體上正交。作為一預備步驟，將一堆疊之一或多層鐵磁及反鐵磁材料蝕刻成具有含有一高寬高比之一二維形狀的成形參考層，其中該形狀提供一對各參考層所期望的磁化方向提供區別。取決於材料及所使用的技術，最終磁化方向可定向成沿成形層的短軸或長軸。舉例而言，若釘紮層係由定圖案成微尺度尺寸的一略微不平衡合成反鐵磁體(SAF)形成，則磁化將沿短軸導引。熟悉此項技術者將明白，相對於在磁電子器件中使用釘紮SAF參考層，該SAF實施例提供若干優點。在其他實施例中，藉由控制釘紮層及固定層之厚度以及經定圖案之結構之面內空間程度，可沿長軸導引最終的磁化。使用形狀異向性，可藉由存在在參考層所期望之磁化方向之間對準之一定向場下的加熱而在該等參考層中引發不同的磁化方向。在所選擇之實施例中，充分加熱參考層以減少異向的材料組分且容許形狀及外部場支配磁化方向。以此方式，移除定向場時，形狀異向性會將磁化導引在所期望的方向中。在移除定向場後，該等參考層之磁化釋放以遵循該等參考層的形狀以便引發沿成形參考層之所期望軸對準的一磁化。可施加一選用補償場以幫助引發正交性，且接著加熱該等參考層至高於反鐵磁釘紮層的相變溫度。舉例而言，若兩個參考層係定形成具有彼此垂直之更長尺寸，則為該兩個參考層所引發之磁化將幾乎彼此垂直。

現將參考附圖詳細描述本發明的多項說明性實施例。雖然在下列描述中提出各種細節，但是將明白可在無此等特定細節的情況下實踐本發明，且可對本文所述之本發明作出諸多特定實施的決定以達成將在實施之間變化之器件設計者的特定目標，諸如與製程技術或設計相關約束的相容。雖然此一發展努力可能令人費解且耗時，但是其為得益於本發明內容之一般技術者的一慣常事宜。另外，在不包含每個器件特徵或幾何配置的情況下參考簡化橫截面圖敘述所選擇的態樣以避免限制或模糊本發明。亦注意到，在此詳細描述各處，本文無法詳細描述涉及磁感測器設計及操作、磁阻隨機存取記憶體(MRAM)設計、MRAM操作、半導體器件製造，以及積體電路器件的其他態樣。雖然將形成且移除某些材料以製造積體電路感測器作為一既有MRAM製造製程的部分，但是下文未詳述用於形成或移除此類材料之特定程序，因已悉知為此類細節且非必需考慮該等細節來教導熟悉此項技術者如何製作或使用本發明。此外，本文所含之各種圖式中所展示之電路/組件布局及組態意在表示本發明的例示性實施例。應注意在一實際實施例中可存在許多替代品或額外電路/組件布局。

圖1展示由第一差動感測器101、第二差動感測器111、第三差動感測器121形成的一磁場感測器100，該等差動感測器分別用於偵測沿一第一軸120(例如y軸方向)、一第二軸110(例如x軸方向)，以及一第三軸130(例如z軸方向)之一經施加之場的分量方向。該z軸方向係表示為如進入或離開圖1位於其上之頁面的一點及十字線。該第一感測器101及該第二感測器111之例示性實施例係詳細描述於美國專利申請案第12/433,679號中。如本文所述，各感測器101、111、121係由未經屏蔽且連接成一電橋組態的感測元件形成。因此，該第一感測器101係經由在對應複數個釘紮層106至109上將複數個感測元件102至105連接成一電橋組態而形成，其中該等釘紮層106至109之各者在x軸方向上被磁化。以類似方式，該第二感測器111係經由在對應複數個釘紮層116至119(其等各在垂直於該等釘紮層116至119之磁化方向的y軸方向中被磁化)上將複數個感測元件112至115連接成一電橋組態而形成。此外，與該第一感測器101及該第二感測器111在相同平面中的該第三感測器121係經由在對應複數個釘紮層126至129(其等各在與該等釘紮層106至109之磁化方向及該等釘紮層116至119之磁化方向成45度的xy軸方向中被磁化)上將複數個感測元件122至125連接成一電橋組態而形成。在所述電橋組態101中，該等感測元件102、104係形成為具有一第一易磁化軸方向且該等感測元件103、105係形成為具有一第二易磁化軸方向，其中該第一易磁化軸方向與該第二易磁化軸方向係相對於彼此正交且定向成均等地不同於該等釘紮層106至109的磁化方向。至於該第二電橋組態111，該等感測元件112、114具有正交於該等感測元件113、115之一第二易磁化軸方向的一第一易磁化軸方向，使得該第一易磁化軸方向與該第二易磁化軸方向係定向成均等地不同於該等釘紮層116至119的磁化方向。在該第三電橋組態121中，該等感測元件122、123、124及感測元件125全部具有正交於該等釘紮層126、127、128及釘紮層129之釘紮磁化方向的一易磁化軸方向。該第三電橋組態121進一步包含分別設置成鄰近感測元件122至125之右邊緣的通量導件132至135，以及分別設置鄰近感測感測元件122至125之左邊緣的通量導件136至139。通量導件132、137、134及139係設置於感測元件122至125的上方、且通量導件136、133、138及135係設置在感測元件122至125的下方。此等通量導件132至139之設置隨後詳細見述於圖2中。在所述感測器101、111、121中，無需屏蔽感測元件，且無需任何特殊的參考元件。在一例示性實施例中，此係藉由使用形狀異向性技術使各作用感測元件(例如102、104)參考另一作用感測元件(例如103、105)以建立針對x感測器及y感測器而彼此待偏轉90度的經參考之感測元件的易磁化軸，且參考針對Z感測器而在Z方向中以一相對方式回應於一所施加之場的一感測元件而達成。下文將更詳細描述Z感測器參考。圖1中所展示之組態無需汲取圖2中更詳細描述之第三感測器121結構的優點，且其僅係以一實例給出。

藉由將該第一感測器101及該第二感測器111設置成正交對準，且各感測器中各伴隨有均等地偏離感測器之釘紮方向且彼此正交的感測元件定向，該等感測器可偵測沿第一軸及第二軸之一所施加之場的分量方向。通量導件132至139係以一不對稱方式在臂141、143與臂142、144之間，於元件122至125之相對邊緣的上方及下方設置於感測器121中。由於在該等感測元件122、124上方放置通量導件132、134，所以可藉由該通量導件132及該通量導件134而將來自Z場之磁通量沿右側引導至xy平面中，且造成感測元件122及感測元件124之磁化在朝向一更高阻抗的一第一方向中轉動。類似地，由於該通量導件133及該通量導件135通量導件係位於該等感測元件123、125的下方，所以可藉由此等通量導件而將來自Z場之磁通量沿感測元件之右側引導至xy平面中，且造成感測元件123及感測元件125之磁化在相對於該第一方向而朝向一更低阻抗的一第二方向中轉動。因此，該感測器121可偵測沿第三軸之一經施加之場的分量方向。儘管在較佳實施例中，通量導件係在正交於場感測器之平面的一平面中，然而若該等通量導件與感測器所產生之角度未準確等於90度則該等通量導件將仍發揮功能。在其他實施例中，通量導件與場感測器之間之角度可在45度至135度的一範圍，其中選定之準確角度取決於其他因素諸如取決於製造之簡易。

如從前述可見，一磁場感測器可由差動感測器101、111、121形成，該等差動感測器使用在各自釘紮或參考層106至109、116至119以及釘紮或參考層126至129上連接成一電橋組態的未經屏蔽之感測元件102至105、112至115，以及具有經引導之磁通量的感測元件122至125以偵測一經施加之磁場的存在及其方向。以此組態，該磁場感測器提供良好的靈敏度，且亦提供一電橋組態的溫度補償屬性。

電橋電路101、111、121可製造成其製造製程僅具有微小調整以控制各感測器層之磁定向及通量引導結構之橫截面之一既有MRAM或薄膜感測器的部分。釘紮層106至109、116至119，以及釘紮層126至129之各者可由一或多個下部鐵磁層形成，且感測元件102至105、112至115，以及感測元件122至125之各者可由一或多個上部鐵磁層形成。一絕緣穿隧介電層(未展示)係可安置於該等感測元件102至105、112至115以及感測元件122至125，與該等釘紮層106至109、116至119以及釘紮層126至129之間。期望釘紮及感測電極為其磁化方向可對準的磁性材料。通常用於磁阻隨機存取記憶體(MRAM)器件及其他磁穿隧接面(MTJ)感測器器件之電極的適當電極材料及該等材料成結構之配置在此項技術中已悉知。舉例而言，釘紮層106至109、116至119以及釘紮層126至129可由達10至1000之範圍且在所選擇之實施例中為250至350之範圍內之一組合厚度的一層或多層鐵磁材料及反鐵磁材料形成。在一例示性實施中，釘紮層106至109、116至119以及釘紮層126至129之各者係由一單鐵磁層及一下伏反鐵磁釘紮層形成。在另一例示性實施中，各釘紮層106至109、116至119以及釘紮層126至129包含20至80厚的一合成反鐵磁堆疊組分(例如，一堆疊之CF(鈷鐵)、釘(Ru)及CFB)，以及約200厚之一下伏反鐵磁釘紮層。下部反鐵磁釘紮材料可為可重設的材料，諸如IrMn，然而可使用適當溫度下無法輕易重設的其他材料，諸如PtMn。在形成時，若其磁化之方向釘紮於常規操作情況期間不會變化的一個方向中則該等釘紮層106至109、116至119以及釘紮層126至129用作一固定或釘紮的磁性層。如本文所揭示，用於釘紮該等釘紮層106至109、116至119以及釘紮層126至129之材料之熱品質可改變用來形成此等層的製造順序。

該等感測元件102至105、112至115、122至125之各者之一者及該等釘紮層106至109、116至119、126至129之各者之一者形成一磁穿隧接面(MTJ)感測器。舉例而言，就電橋電路121而言，感測元件122及釘紮層126形成一MTJ感測器141。同樣，感測元件123及釘紮層127形成一MTJ感測器142、感測元件124及釘紮層128形成一MTJ感測器143，且感測元件125及釘紮層129形成一MTJ感測器144。

該等釘紮層106至109、116至119以及釘紮層126至129可由具有沿(若干)經定圖案之參考層之長軸對準之一磁化方向(由箭頭指示)的一單個定圖案的鐵磁層形成。但是，在其他實施例中，可用用於將該等釘紮參考層之磁化沿該(等)定圖案之參考層之短軸對準的一合成反鐵磁(SAF)來實施該等釘紮參考層。將明白，可組合一下伏反鐵磁釘紮層來實施該SAF層，但在配有提供充分強之磁化之適當幾何配置及材料的SAF結構下，可無需該下伏反鐵磁釘紮層，藉此節省成本地提供一更簡單製造製程。

感測元件102至105、112至115、122至125可由達10至5000之範圍且在所選擇之實施例中在10至60之範圍內之一厚度的一層或多層鐵磁材料形成。上部鐵磁材料可為軟磁材料諸如NiFe、CoFe、Fe、CFB及類似軟磁材料。在各MTJ感測器中，感測元件102至105、112至115、122至125用作一感測層或自由磁性層，因為其等之磁化方向可由於一外部施加場諸如地球之磁場的存在而偏離。一旦最終形成時，感測元件102至105、112至115、122至125可由具有沿含有定圖案之形狀之長軸對準之一磁化方向(由箭頭指示)的一單鐵磁層形成。

該等釘紮層106至109、116至119、126至129及該等感測元件102至105、112至115、122至125可經形成以具有不同的磁屬性。舉例而言，該等釘紮層106至109、116至119、126至129可由耦接至一鐵磁膜之一反鐵磁膜交換層形成以形成具有一高矯頑力及偏移磁滯曲線的層，使得該等層之磁化方向將被釘紮在一個方向中，且因此大體上不受一外部施加的磁場影響。相較之下，該等感測元件102至105、112至115、122至125可由一軟磁材料形成以提供具有一相對低之異向性及矯頑力的不同磁化方向，使得可藉由一外部施加磁場而更改感測電極的磁化方向。在所選擇之實施例中，雖然可藉由使用悉知技術改變電極之組成物來調整各自磁屬性而使用不同的比率，但是釘紮場之強度約為大於感測電極之異向場兩個量級的量值。

MTJ感測器中之釘紮層106至109、116至119、126至129係經形成以在該等釘紮層106至109、116至119、126至129之平面中具有一受形狀判定的磁化方向(在圖1中由各感測器電橋之標示為「釘紮方向」的向量箭頭識別)。如本文所述，可使用釘紮電極之形狀異向而獲得釘紮層106至109、116至119、126至129的磁化方向，在此情形中，對於一單個釘紮層，在釘紮方向中該等釘紮層106至109、116至119、126至129之形狀可各在釘紮方向中變得更長。或者，就一釘紮SAF結構而言，參考及釘紮層可沿釘紮方向變得更短。特定言之，該等釘紮層106至109、116至119、126至129之磁化方向可藉由在存在定向成不正交於成形釘紮層106至109、116至119、126至129之最長定向之軸的一定向磁場下首先加熱該等成形釘紮層106至109、116至119、126至129而獲得，使得所施加之定向場在釘紮層106至109、116至119、126至129所期望的釘紮方向中包含一場分量。該等釘紮層之磁化方向至少暫時地在一預定方向中獲對準。但是，藉由在此處理期間適當加熱該等釘紮層且在不減少熱下移除該定向場，釘紮層之磁化沿該等成形釘紮層106至109、116至119、126至129所期望的軸釋放。一旦磁化釋放，則可退火及/或冷卻該等釘紮層使得該等釘紮電極層之磁場方向設定在該等成形釘紮層106至109、116至119、126至129所期望的方向中。

可使用如下已知微影製程來製造本文所述的例示性實施例。積體電路、微電子器件、微機電器件、微流體器件及光子器件之製造涉及以某種方式相互作用的若干層材料之建立。一或多個此等層可經圖案化因而該層之多個區具有不同的電特性或其他特性，該等區可在該層內互相連接或與其他層互相連接以建立電組件及電路。此等區可藉由選擇性引入或移除多種材料而建立。界定此類區之圖案通常係藉由微影製程建立。舉例而言，將一層光阻材料塗敷至覆蓋一晶圓基板的一層上。藉由一形式之輻射(諸如紫外線光、電子或x射線)而使用一光罩(含有清潔且透明的區域)來選擇性曝光此光阻材料。藉由塗敷一顯影劑而移除曝光至輻射線或未曝光至輻射線的光阻材料。接著對未受剩餘抗蝕保護之層塗敷一蝕刻劑，且當移除該抗蝕時，圖案化覆蓋該基板的層。或者，亦可使用一額外製程，例如使用光阻為一模板而建造一結構。

參考圖2且根據本發明之一例示性實施例，第三電橋電路121之MTJ器件141至144之結構包含全部形成於介電材料140內的釘紮層126至129、感測元件122至125及通量導件132至139。通量導件136係設置成鄰近一線145且具有設置於感測器元件122之一邊緣下方的一端部。通量導件133及通量導件138係設置於一線146的相對側上且具有分別設置於感測器元件123之邊緣及感測器元件124之邊緣下方的端部。通量導件135係設置成鄰近一線147且具有設置於感測器元件125之一邊緣下方的一端部。通量導件132與通量導件137係由一上部線148隔開且具有分別設置於感測器元件122之邊緣與感測器元件123之邊緣上方的端部，且通量導件134與通量導件139係由一上部線149隔開且具有分別設置於感測器元件124之邊緣及感測器元件125之邊緣上方的端部。線145至線149較佳為銅，但是在一些實施例中可為一介電質。一金屬穩定線150係設置於該等MTJ器件141至144上方用於提供一穩定場給該等感測元件。可使該等通量導件之端部以兩者間有小於或等於250 nm之一較佳間隔而儘可能地靠近該等感測器元件。可使該等感測元件儘可能靠近而成最緊密的密度陣列(較佳小於2.5 μm)。

圖3係在將z方向中之一磁場加諸感測元件122至123上的情況下藉由有限元素模擬圖2之MTJ器件141、142而計算之通量線的一圖。FEM模式化展示所得磁通量線160，展現感測器之平面中的一分量。MTJ器件141係由感測元件122之相對端部上的通量導件132及通量導件136表示。MTJ器件142係由感測元件123之相對端部上的通量導件133及通量導件137表示。除非另有聲明，感測元件122自通量導件132及通量導件136延伸，且感測元件123自通量導件133及通量導件137延伸。Z軸130中之磁場160在感測元件122、123中沿X軸120產生一非對稱回應(由箭頭170指示)。以此方式，就導引朝向頁面底部之Z方向130中之一場160而言，感測元件122之磁化轉動遠離釘紮層126的釘紮方向(且轉至更高阻抗)，而感測元件123之磁化轉動朝向釘紮層127的釘紮方向(且轉至更低阻抗)。就X方向120中之一場而言，元件122、123二者展示相同方向中的經引發之磁化(朝向更高或更低阻抗)。因此，藉由為差動量測而將MTJ元件141、142接線成一惠斯登電橋且減去MTJ器件141、142的阻抗，消除X場回應且量測到兩倍的Z場回應。

再次參考圖2，在對一大磁場進行一曝光(此可引發通量導件132至139中的磁化擾動及域結構)的情形中，可能會沿金屬線145至149引入一較大電流脈衝以重設該通量導件域結構。

在另一例示性實施例(圖4中展示)中，包覆線145至149之各者係分成兩條獨立的金屬線，且額外非通量引導包層(161至168及191至198)係放置於此等兩條金屬線之間中的內邊緣上。就感測器141而言，左金屬線148之左邊緣上之通量導件161將Z場通量引導至感測元件122中於其左側，且右金屬線145之最右邊緣上之通量導件192將Z場通量引導至該感測元件122中其右側上。感測器142至144發揮與鄰近於用作為通量導件功能之各感測元件的金屬線之包覆邊緣類似的功能。由於此等線是分開的，所以可產生通過包覆線145、146、182及包覆線183而至頁面中的一電流，且通過包覆線181、147、148及包覆線149而離開頁面，以沿包覆線邊緣建立一Z分量指入一一致方向(本實例中為向下)中的一磁場。此等電流定向可用來建立在Z方向中具有一強分量的一磁場，透過針對幾何配置之一校正後該磁場可用作Z軸回應之功能及靈敏度的一自測試。

另一例示性實施例(參看圖5)包含與通量導件132至139成一體形成的延伸部152至159。該等延伸部152至159沿與感測器元件122至125相同的軸延伸且突顯通量導件的水平分量且將該水平分量更多地移動至適當感測元件122至125的中心。

雖然已為通量導件展示各種例示性實施例，包含圖2之垂直元件132至139，以及包含圖5之延伸部152至159之「L」形通量導件，但是其他例示性實施例可用作上部通量導件及下部通量導件二者，諸如盒形或「U」形通量導件。在「U」形結構(圖6)中，一水平NiFe片段171沿底部金屬線連接兩個垂直片段161、162，而在盒形結構(圖8)中，一水平片段172亦均在金屬線上方連接兩個垂直片段。一水平片段有助於耦接兩個垂直片段的磁結構，比兩個隔離的垂直通量導件多增加10%至20%的磁轉換因數。盒狀結構之兩個水平片段提供更佳的耦接且比一簡單垂直通量導件多增加百分之二十至百分之四十的場轉換因數。額外地，圖6之「U」形結構之垂直段可向外張開173、174(圖7)，使得感測元件邊緣附近之區具有一水平分量。類似於L形導件，張開之片段引導磁通量使得磁感測器之平面中直接有一分量以進一步放大場轉換因數。但是，須注意不可覆蓋過大否則磁通量將被感測器遮罩。

圖9係展示放置於感測元件上方及下方之一25nm寬、500nm高垂直片段的Z/X靈敏度比相對於包層/感測器間隔的一圖表。隨著包層變為25奈米的距離，Z/X靈敏度增加至約75%。透過橫截面變化諸如上文突顯的變化，或透過通量導件中之寬高比可得到額外的因數，舉例而言，使導件更高且增加寬高比將線性增加Z/X靈敏度比。因此，使通量導件儘可能靠近該感測元件且儘可能大大增加寬高比而不會對於磁微結構有不利影響係相當重要的。

雖然在本文中所揭示之例示性實施例係關於各種感測器 結構及其製造方法，然而本發明並不一定要侷限於闡釋本發明之發明性態樣的該等例示性實施例，其尚可應用於廣泛不同的半導體製程及/或器件。因此，由於可以對得益於本文之教示的熟悉此項技術者而言顯而易見不同但等效的方式修改並實踐本發明，所以上文所揭示之特定實施例僅為說明性且不應視為對本發明的限制。舉例而言，一感測器結構中感測層與釘紮層之相對位置可相反使得該釘紮層在頂部上且該感測層在下方。再者，感測層及釘紮層可由除所揭示之材料外的不同材料形成。此外，所述層之厚度可偏離所揭示的厚度值。相應地，前述描述無意將本發明限制在所提出的特定形式，正相反，此描述意在涵蓋可包含於如附屬申請專利範圍所界定之本發明之精神及範疇之內的此類替代物、修改及等效物，使得熟悉此項技術者應理解其等可以本發明之最寬廣形式在不脫離本發明之精神及範疇下作出各種變化、取代及更改。

上文已描述關於特定實施例的優勢、其他優點及若干問題的解決方案。但是，該等優勢、優點、解決方案，以及將出現或變得更為顯著且可造成任何優勢、優點的任何元件(元素)不應解譯為全部請求項之任何者的一嚴苛、必需、或基本的特徵部(特徵)或元件(元素)。如本文中所使用，術語「包括(「comprises」，「comprising」)」、「包含(「includes」，「including」)」、「具有(「has」，「having」)」或其等之任意其他變動係欲涵蓋一非排他內含物，使得包括一清單之元件(元素)的一程式、物件，或器件不僅該等元件(元素)亦可包含未明確列出或內含於此類程式、物件，或器件的其他元件。

雖然已在前述詳細描述中呈現至少一項例示性實施例，但是應明白存在大量的變動。亦應明白該等例示性實施例或該等例示性實施例僅為實例，且無意以任何方式限制本發明的範疇、應用或組態。誠然，前述詳細描述將為熟悉此項技術者提供用於執行本發明之一例示性實施例的一便利準則，但是應理解在不脫離如附屬申請專利範圍中所提出之本發明的精神下可在一例示性實施例中所述之元件之功能及配置上作出各種變化。

100．．．磁場感測器

101．．．第一差動感測器

102至105．．．感測元件

106至109．．．釘紮層

110．．．第二軸/x軸

111．．．第二差動感測器

112至115．．．感測元件

116至119．．．釘紮層

120．．．第一軸/y軸

121．．．第三差動感測器

122至125．．．感測元件

126至129．．．釘紮層

130．．．第三軸/z軸

132至139．．．通量導件

141至144．．．電橋臂

145至149．．．線

150．．．金屬穩定線

152至159．．．延伸部

160．．．外部施加場

161至168．．．包層

170．．．異向回應

171、172．．．水平片段

173、174．．．張開部分

181至183．．．包覆線

191至198．．．包層

圖1繪示使用根據一例示實施例由具有MTJ感測器之三個電橋結構形成之差動感測器的一電子指南針結構；

圖2係一根據例示實施例之圖1之Z軸電橋結構的一部分橫截面；

圖3係藉由有限元素模擬圖2之四個磁穿隧接面感測器之兩個而計算之通量線的一圖；

圖4係根據另一例示性實施例之圖1之Z軸電橋結構的一部分橫截面；

圖5係根據另一例示性實施例之圖1之Z軸電橋結構的一部分橫截面；

圖6係圖5中所展示之一通量導件的另一形狀；

圖7係圖5中所展示之通量導件的另一形狀；

圖8係圖5中所展示之通量導件的另一形狀；及

圖9係繪示一單個(未經差動接線)MTJ感測元件之表達為X靈敏度之一百分比的Z靈敏度作為對感測器之包層間距之一函數的一圖表。

100．．．磁場感測器

101．．．第一差動感測器

102至105．．．感測元件

106至109．．．釘紮層

110．．．第二軸/x軸

111．．．第二差動感測器

112至115．．．感測元件

116至119．．．釘紮層

120．．．第一軸/y軸

121．．．第三差動感測器

122至125．．．感測元件

126至129．．．釘紮層

130．．．第三軸/z軸

132至139．．．通量導件

141至144．．．電橋臂

Claims (26)

1. 一種基於鐵磁薄膜的磁場感測器，其包括：一基板，其具有一平坦表面；及一第一磁阻感測器，其包括：一第一感測元件，其具有橫置成平行於該基板之該平坦表面的一第一側，該第一感測元件具有相對於該第一側的一第二側且具有第一相對邊緣及第二相對邊緣；及一第一通量導件，其係安置成不平行於該第一感測元件的該第一側且具有接近該第一感測元件之該第一邊緣及該第一側的一端部。
2. 如請求項1之基於鐵磁薄膜之磁場感測器，其中該第一磁阻感測器進一步包括：一第二通量導件，其係安置成不平行於該第一感測元件之該第一側且具有接近該第一感測元件之該第二邊緣及該第二側的一端部。
3. 如請求項1之基於鐵磁薄膜之磁場感測器，其中該第一磁阻感測器包括一陣列之基於鐵磁薄膜之磁場感測器之一者。
4. 如請求項1之基於鐵磁薄膜之磁場感測器，其中該第一通量導件包括不平行於該第一感測元件的一高寬高比結構。
5. 如請求項1之基於鐵磁薄膜之磁場感測器，其中該第一通量導件包括一U形元件。
6. 如請求項1之基於鐵磁薄膜之磁場感測器，其中該第一通量導件包含一喇叭狀端部。
7. 如請求項1之基於鐵磁薄膜之磁場感測器，其進一步包括安置成鄰近該第一通量導件的一材料且包括由一高傳導性金屬及一介電材料組成之群組之一者。
8. 如請求項1之基於鐵磁薄膜之磁場感測器，其中該第一通量導件包括一盒形結構。
9. 如請求項1之基於鐵磁薄膜之磁場感測器，其中該第一通量導件及該第二通量導件之至少一者係安置成大體上正交於該基板的平面。
10. 如請求項1之基於鐵磁薄膜之磁場感測器，其中該第一通量導件及該第二通量導件之至少一者經安置以與該基板之該平面成45度與90度之間的一角度。
11. 如請求項1之基於鐵磁薄膜之磁場感測器，其中該第一磁阻感測器感測一第一方向中的一磁場，且其中該基於鐵磁薄膜之磁場感測器進一步包括：一第二磁阻感測器，其具有一第二感測元件且用於偵測正交於第一方向之一第二方向中的一磁場；及一第三磁阻感測器，其具有正交於該第二感測元件的一第三感測元件且用於偵測正交於該第一方向及該第二方向之一第三方向中的一磁場；其中該第三感測元件係連同該第一感測元件及該第二感測元件一起在一平面中。
12. 如請求項11之基於鐵磁薄膜之磁場感測器，其中該第一 感測器元件、該第二感測器元件及該第三感測器元件各包括由被一間隔器層分開之第一鐵磁層及第二鐵磁層形成的一不平衡合成反鐵磁體，其中該第一鐵磁層及該第二鐵磁層具有不同的磁矩。
13. 如請求項1之基於鐵磁薄膜之磁場感測器，其進一步包括：該第一磁阻感測器，其包括：一第一釘紮層；一第二磁阻感測器，其包括：一第二釘紮層；及一第二感測元件，其係形成於該第二釘紮層上；一第三磁阻感測器，其包括：一第三釘紮層；及一第三感測元件，其係形成於該第三釘紮層上且正交於該第二感測元件；其中該第二釘紮層及該第三釘紮層經定向以與該第一釘紮層成約45度。
14. 如請求項13之基於鐵磁薄膜之磁場感測器，其中第一磁阻感測器進一步包括：一第二通量導件，其係安置成不平行於該第一感測元件之該第一側且具有接近該第一感測元件之該第二邊緣及該第二側的一端部。
15. 如請求項14之基於鐵磁薄膜之磁場感測器，其中該第一通量導件及該第二通量導件各包括大於10的一寬高比。
16. 一種鐵磁薄膜磁場感測器，其包括：一第一電橋電路，其包括第一磁穿隧接面感測器、第二磁穿隧接面感測器、第三磁穿隧接面感測器及第四磁穿隧接面感測器，該等磁穿隧接面感測器係耦接成一惠斯登電橋(Wheatstone bridge)用於感測正交於該等感測器之平面的一磁場；該第一磁穿隧接面感測器包括：一第一參考層；一第一感測元件，其係形成於該第一參考層上，該第一感測元件具有第一邊緣及第二邊緣以及第一側及第二側；及一第一通量導件，其係安置成正交於該第一感測元件的該第一邊緣及該第一側且與其等隔開；該第二磁穿隧接面感測器包括：一第二參考層；一第二感測元件，其係形成於該第二參考層上，該第二感測元件具有第一邊緣及第二邊緣以及第一側及第二側；及一第二通量導件，其係安置成正交於該第二感測元件的該第一邊緣及該第一側且與其等隔開；該第三磁穿隧接面感測器包括：一第三參考層；一第三感測元件，其係形成於該第三參考層上，該第三感測元件具有第一邊緣及第二邊緣以及第一側及第 二側；及一第三通量導件，其係安置成正交於該第三感測元件的該第一邊緣及該第一側且與其等隔開；該第四磁穿隧接面感測器包括：一第四參考層；一第四感測元件，其係形成於該第四參考層上，該第四感測元件具有第一邊緣及第二邊緣以及第一側及第二側；及一第四通量導件，其係安置成正交於該第四感測元件的該第一邊緣及該第一側且與其等隔開。
17. 如請求項16之基於鐵磁薄膜之磁場感測器，其中該第一磁穿隧接面感測器、該第二磁穿隧接面感測器、該第三磁穿隧接面感測器及該第四磁穿隧接面感測器進一步包括第五通量導件、第六通量導件、第七通量導件及第八通量導件，該等通量導件係分別安置成正交於該第一感測元件、該第二感測元件、該第三感測元件及該第四感測元件的該第二邊緣及該第二側且與其等隔開。
18. 如請求項16之基於鐵磁薄膜之磁場感測器，其中該第一電橋電路感測一第一方向中的一磁場，且其中該基於鐵磁薄膜之磁場感測器進一步包括：一第二電橋電路，其包括第五磁穿隧接面感測器、第六磁穿隧接面感測器、第七磁穿隧接面感測器及第八磁穿隧接面感測器，該等磁穿隧接面感測器係耦接成一第二惠斯登電橋用於感測正交於第一方向之一第二方向中 的一磁場；及一第三電橋電路，其包括第九磁穿隧接面感測器、第十磁穿隧接面感測器、第十一磁穿隧接面感測器及第十二磁穿隧接面感測器，該等磁穿隧接面感測器係耦接成一第三惠斯登電橋用於感測正交於該第一方向及該第二方向之一第三方向中的一磁場。
19. 如請求項16之基於鐵磁薄膜之磁場感測器，其中該第一感測器、該第二感測器、該第三感測器及該第四感測器之每一者包括一陣列的感測元件。
20. 一種測試一鐵磁薄膜磁場感測器之Z軸之一回應之功能及靈敏度的方法，該鐵磁薄膜磁場感測器包含：具有一平坦表面之一基板；及一第一磁阻感測器，其包括具有橫置成平行於該基板之該平坦表面之一第一側的一感測元件，該感測元件具有相對於該第一側的一第二側且具有第一相對邊緣及第二相對邊緣；一第一通量導件，其係安置成不平行於該基板之該第一側且具有接近該感測元件之該第一邊緣及該第一側的一端部；以及形成為接觸鄰近該通量導件的一金屬線，該方法包括：透過該金屬線施加一電流以提供具有平行於該等通量導件之平面之一分量的一磁場。
21. 如請求項20之方法，其進一步包括：透過該金屬線施加一電流脈衝以重設通量導件域結構。
22. 一種鐵磁薄膜磁場感測器，其包括： 一第一電橋電路，其包括第一磁阻感測器、第二磁阻感測器、第三磁阻感測器及第四磁阻感測器，該等磁阻感測器係耦接成一惠斯登電橋(Wheatstone bridge)用於感測正交於該等感測器之平面的一磁場；該第一磁阻感測器包括：一第一參考層；一第一感測元件，其係形成於該第一參考層上，該第一感測元件具有第一邊緣及第二邊緣以及第一側及第二側；及一第一通量導件，其包括安置成正交於該第一感測元件的該第一邊緣及該第一側且與其等隔開之一高磁導率材料；該第二磁阻感測器包括：一第二參考層；一第二感測元件，其係形成於該第二參考層上，該第二感測元件具有第一邊緣及第二邊緣以及第一側及第二側；及一第二通量導件，其包括安置成正交於該第二感測元件的該第一邊緣及該第一側且與其等隔開之該高磁導率材料；該第三磁阻感測器包括：一第三參考層；一第三感測元件，其係形成於該第三參考層上，該第三感測元件具有第一邊緣及第二邊緣以及第一側及第 二側；及一第三通量導件，其包括安置成正交於該第三感測元件的該第一邊緣及該第一側且與其等隔開之該高磁導率材料；該第四磁阻感測器包括：一第四參考層；一第四感測元件，其係形成於該第四參考層上，該第四感測元件具有第一邊緣及第二邊緣以及第一側及第二側；及一第四通量導件，其係安置成正交於該第四感測元件的該第一邊緣及該第一側且與其等隔開。
23. 如請求項22之鐵磁薄膜磁場感測器，其中該第一磁阻感測器、該第二磁阻感測器、該第三磁阻感測器及該第四磁阻感測器進一步包括第五通量導件、第六通量導件、第七通量導件及第八通量導件，該等通量導件係分別安置成正交於該第一感測元件、該第二感測元件、該第三感測元件及該第四感測元件的該第二邊緣及該第二側且與其等隔開。
24. 如請求項22之鐵磁薄膜磁場感測器，其中該第一電橋電路感測一第一方向中的一磁場，且其中該鐵磁薄膜磁場感測器進一步包括：一第二電橋電路，其包括第五磁阻感測器、第六磁阻感測器、第七磁阻感測器及第八磁阻感測器，該等磁阻感測器係耦接成一第二惠斯登電橋用於感測正交於第一 方向之一第二方向中的一磁場；及一第三電橋電路，其包括第九磁阻感測器、第十磁阻感測器、第十一磁阻感測器及第十二磁阻感測器，該等磁阻感測器係耦接成一第三惠斯登電橋用於感測正交於該第一方向及該第二方向之一第三方向中的一磁場。
25. 如請求項22之鐵磁薄膜磁場感測器，其中該第一感測器、該第二感測器、該第三感測器及該第四感測器之每一者包括一陣列的感測元件。
26. 如請求項22之鐵磁薄膜磁場感測器，其中該高磁導率材料包含一軟鐵磁材料。