TWI553922B - 磁感電阻元件及電子裝置 - Google Patents

Description

磁感電阻元件及電子裝置

本發明有關於一種於絕緣基板(或絕緣膜)上形成磁感電阻層之磁感電阻元件、及使用該磁感電阻元件之電子裝置。

磁感電阻元件之電阻值係根據磁場的強度而變化。此現象被稱作磁感電阻效應(MR Effect)。磁感電阻效應，如第13圖(a)、第13圖(b)所示，在磁感電阻元件MR中，電流i自第一電極E1通過磁感電阻部R流至第二電極E2時，磁感電阻部R中載子受到磁場的勞侖茲力影響，導電路徑彎曲，藉此使電阻值增大。磁感電阻元件為提高磁性靈敏度(相對於磁場強度變化之電阻值變化的比率)，大多於具有高移動度的載子之單晶半導體基板(例如InSb、InGaAs、InAs等)中形成磁感電阻部。

又，已知多數磁感電阻元件配置為矩陣狀之磁場傳感陣列。如日本特開平07-174649號公報中揭示一種使用磁感電阻元件之磁場傳感陣列，該磁感電阻元件利用Ni-FE系合金多層膜的圖案化，將磁感電阻部(磁感電阻層) 形成於絕緣體上。此處亦揭示有將磁感電阻元件連同薄膜電晶體(TFT)形成於絕緣體上。

然而，於絕緣體上形成磁感電阻部者，磁感電阻部為非晶質或多晶，因此，一般而言，較之形成於單晶半導體基板中之磁感電阻部，載子的移動度較低，故而磁性靈敏度低。另一方面，於單晶半導體基板中形成磁感電阻部者，單晶半導體基板的尺寸具有限度，因此，難以用於大型磁場傳感陣列。

本發明是鑒於相關事由而完成，其目的在於提供一種於絕緣體上形成磁感電阻部(磁感電阻層)之磁感電阻元件，其磁性靈敏度較高。

為達成上述目的，本案的一態樣為一種磁感電阻元件。在本案一實施例中磁感電阻元件包含第一電極及第二電極，以及磁感電阻層。磁感電阻層於第一電極和第二電極之間外加電壓流通電流後，其電阻值根據磁場強度而變化。該磁感電阻元件的特徵在於，該磁感電阻層是利用非晶氧化銦鎵鋅(IGZO)薄膜的圖案化而形成。

在本案一實施例中，前述第一電極及第二電極是利用一金屬層的圖案化而形成，該金屬層是於前述磁感電阻層的形成、其後的層間絕緣膜的堆積及圖案化之後堆積而成，前述第一電極及第二電極分別於前述層間絕緣膜的任一層間絕緣膜去除部中與前述磁感電阻層接觸，該層間絕緣膜 去除部係利用前述圖案化而去除。

在本案一實施例中，前述第一電極及第二電極共同於一槽狀的前述層間絕緣膜去除部中，與該磁感電阻層接觸。

在本案一實施例中，更具備閘電極，該閘電極於形成前述磁感電阻層之前形成，前述磁感電阻層隔著閘絕緣膜設置於前述閘電極的上方。

本案的另一態樣為一種電子裝置。在本案一實施例中，電子裝置包含磁感電阻元件及薄膜電晶體，該薄膜電晶體具備汲電極、源電極、閘電極及通道層，該通道層於該汲電極及該源電極之間以及該閘電極及該源電極之間外加電壓後，流通相應該等電壓之電流，該通道層利用前述非晶IGZO薄膜的圖案化，與前述磁感電阻層同時形成。

在本案一實施例的電子裝置中，磁性測定單元配置為矩陣狀，該磁性測定單元具有：前述磁感電阻元件、及控制外加於該磁感電阻元件的前述第一電極及第二電極之間之電壓之前述薄膜電晶體的磁感電阻元件用開關元件。

在本案一實施例的電子裝置中，前述磁性測定單元設置於配置為矩陣狀之顯示像素單元之間，該顯示像素單元具有顯示元件、及前述薄膜電晶體的顯示元件用開關元件，該顯示元件用開關元件控制外加於該顯示元件之電壓。

根據本發明，可提供一種磁感電阻元件，其於絕緣基板(或絕緣膜)上形成磁感電阻層，磁性靈敏度高。

1、1A、1B‧‧‧磁感電阻元件

1a‧‧‧基板

1b‧‧‧絕緣體

2‧‧‧第一電極

3‧‧‧第二電極

4‧‧‧磁感電阻層

5‧‧‧層間絕緣膜

5a‧‧‧層間絕緣膜去除部

6‧‧‧磁感電阻元件的閘電極

8‧‧‧薄膜電晶體

9‧‧‧汲電極

10‧‧‧源電極

11‧‧‧薄膜電晶體的閘電極

12‧‧‧通道層

13、13'‧‧‧電子裝置

第1圖繪示本發明的一實施方式之磁感電阻元件的構造，其中(a)為平面圖，(b)為沿(a)的A-A'線之剖面圖。

第2圖繪示同上的磁感電阻元件的變形例的構造，其中(a)為平面圖，(b)為沿(a)的B-B'-B"-B'''線之剖面圖。

第3圖繪示同上的磁感電阻元件的又一變形例的構造，其中(a)為平面圖，(b)為沿(a)的C-C'線之剖面圖。

第4圖是繪示測定同上的磁感電阻元件的樣本時的構成之回路圖。

第5圖是繪示同上的磁感電阻元件的二樣本的特性圖。

第6圖是繪示同上的磁感電阻元件的變形例的二樣本的特性圖。

第7圖是繪示將同上的磁感電阻元件的又一變形例的樣本的閘電壓改變為兩向時的特性圖。

第8圖是繪示同上的磁感電阻元件的又一變形例的樣本的特性圖，其中(a)為自第7圖的情況進而改變閘電壓時的特性圖，(b)是繪示電流值和磁性靈敏度的關係之圖形。

第9圖是繪示參照同上的磁感電阻元件特性所需的特性圖，其中(a)繪示將多晶矽用於磁感電阻層之特性，(b)繪示藉由改變同上的磁感電阻元件的退火條件等所獲得之特殊的特性。

第10圖繪示將同上的磁感電阻元件和薄膜電晶體組合之構造，其中(a)為平面圖，(b)為沿(a)的D-D'線之剖面圖。

第11圖繪示應用同上的磁感電阻元件之電子裝置的示例，其中(a)為模型化立體圖，(b)為繪示其一部分的構成之回路圖。

第12圖是繪示應用同上的磁感電阻元件之電子裝置的其他示例之回路圖。

第13圖為磁感電阻效應的說明圖，其中(a)為無磁場的情況，(b)為有磁場的情況。

以下，將配合參考圖示說明本發明的實施方式。本發明的實施方式之磁感電阻元件1，如第1圖所示，於樹脂基板和玻璃基板等基板1a上隔著絕緣體(絕緣膜)1b，具有第一電極2、第二電極3、及磁感電阻層4，該磁感電阻層4於第一電極2及第二電極3之間外加電壓後流通電流，電阻值根據磁場的強度而發生變化。磁感電阻層4利用非晶氧化銦鎵鋅(IGZO)薄膜的圖案化而形成。再者，圖案化是將膜形成為需要的形狀，通常是利用蝕刻法，但方法並無限定。

非晶IGZO由In、Ga、Zn及氧元素所構成，是具有半導體性質之非晶質氧化物。將此非晶IGZO用於磁感電阻層4後，如後述之實驗中詳述般，即便磁感電阻層4形成於絕緣體1b上，仍可以使磁感電阻元件1的磁性靈敏度提高。

第一電極2及第二電極3，詳細而言，是利用一 金屬層(例如，鋁或銅等層)的圖案化而形成。此金屬層，是於磁感電阻層4的形成、其後的層間絕緣膜5的堆積及圖案化之後堆積而成。層間絕緣膜5，設置有利用圖案化去除之層間絕緣膜去除部5a。第1圖中，層間絕緣膜去除部5a即所謂接觸孔(contact hole)。第一電極2及第二電極3分別於任一層間絕緣膜去除部5a中接觸磁感電阻層4。

繼而，說明將磁感電阻元件1變形之磁感電阻元件1A。磁感電阻元件1A，如第2圖所示，與上述磁感電阻元件1的情況相同，具備第一電極2及第二電極3、磁感電阻層4。與磁感電阻元件1的情況不同，磁感電阻元件1A中，第一電極2及第二電極3共同於一槽狀的層間絕緣膜去除部5Aa中接觸磁感電阻層4，該層間絕緣膜去除部5Aa至少自第一電極2的位置延伸至第二電極3的位置。亦即，磁感電阻元件1A中，磁感電阻層4的上方，至少自第一電極2的位置連續至第二電極3的位置層間絕緣膜5被去除。

磁感電阻元件1A，如後述之實驗中詳述般，可以進一步提高磁性靈敏度。

繼而，說明將磁感電阻元件1進一步變形之磁感電阻元件1B。磁感電阻元件1B，如第3圖所示，與上述磁感電阻元件1的情況相同，具備第一電極2及第二電極3、磁感電阻層4。磁感電阻元件1B，更具備閘電極6。閘電極6，於形成磁感電阻層4之前形成。磁感電阻層4，隔著閘絕緣膜6A設置於閘電極6的上方。

磁感電阻元件1B，如後述之實驗中詳述般，藉 由外加於閘電極6之電壓(閘電壓)，可以使磁性靈敏度變化。再者，磁感電阻元件1B中，可以使第一電極2及第二電極3共同於一槽狀的層間絕緣膜去除部5Aa中接觸磁感電阻層4，該層間絕緣膜去除部5Aa至少自第一電極2的位置延伸至第二電極3的位置。

關於此類磁感電阻元件1、1A、1B，關於本案發明者進行之實驗，以下進行敘述。

磁感電阻元件1、1A，如第4圖(a)所示，將第二電極3接地，並利用電壓外加手段7A向第一電極2外加規定電壓Vapp(10V)，將磁場B的強度為0mT的狀況(無磁場狀況)和磁場B的強度為200mT的狀況(有磁場狀況)每20秒進行重複，利用電流計7B測定流至磁感電阻元件1、1A之電流i。且，磁性靈敏度是以相對於磁場B的強度的變化(200mT)之電阻值的變化(△R/R₀=(i₀/i₁-1))的比率而求得。再者，R₀為無磁場狀況下的電阻值，i₀為無磁場狀況下的電流值，i₁為有磁場狀況下的電流值。

第5圖(a)、(b)分別表示磁感電阻元件1的樣本A、B的實驗結果。磁性靈敏度在樣本A中獲取為2.3%/T，在樣本B中獲取為1.2%/T。又，第6圖(a)、(b)分別表示磁感電阻元件1A的樣本C、D的實驗結果。磁性靈敏度在樣本C中獲取為6.3%/T，在樣本D中獲取為2.8%/T。

磁感電阻元件1B，如第4圖(b)所示，將第二電極3接地，利用電壓外加手段7C向閘電極6外加規定電壓(閘電壓)Vg，利用電壓外加手段7A向第一電極2外加規定電 壓Vapp(10V)，將磁場B的強度0mT的狀況(無磁場狀況)和磁場B的強度200mT的狀況(有磁場狀況)每20秒進行重複，利用電流計7B測定流至磁感電阻元件1B之電流i。閘電壓Vg為+2V、0V、-2V。磁性靈敏度的獲取方法，關於磁感電阻元件1、1A如上所述。

第7圖(a)、(b)及第8圖(a)表示磁感電阻元件1B的樣本E的實驗結果。磁性靈敏度在Vg為+2V時獲取為3.4%/T，Vg為0V時獲取為6.0%/T，Vg為-2V時獲取為10.4%/T。第8圖(b)表示使用第7圖(a)、(b)及第8圖(a)中所示實驗結果，根據閘電壓Vg磁性靈敏度發生變化，橫軸為流至磁感電阻元件1B之電流i(詳細而言，無磁場狀況下的i0)，縱軸為磁性靈敏度。

如此，磁感電阻元件1、1A、1B可認定為高磁性靈敏度。與此相對，本案發明者所進行之參照所需實驗中，當如第9圖(a)所示將多晶矽(p-Si)用於磁感電阻層4時，無法認定磁感電阻效應或者磁性靈敏度極低。

又，較之磁感電阻元件1，磁感電阻元件1A的磁性靈敏度更高。磁感電阻元件1B中，由於外加於閘電極6之電壓(閘電壓)，磁性靈敏度發生變化。

再者，關於磁感電阻元件1(或1A、1B)，本案發明者，按各種條件進行製造並繼續評價來進行。其中，利用退火條件等，如第9圖(b)所示，獲得一種樣本，該樣本展示有磁場狀況下的電流i比無磁場狀況下的i更大之特性，亦即負係數的磁感電阻效應。此特性，是和巨大磁感電 阻效應相同的係數符號。如此，具有非晶IGZO的薄膜的磁感電阻層之磁感電阻元件，今後可以期待進一步提高磁性靈敏度。

以上說明之磁感電阻元件1(或1A、1B)，可以和薄膜電晶體8組合後應用於電子裝置。薄膜電晶體8，第10圖如所示，基板1a的上具備：汲電極9、源電極10、閘電極11、及通道層12，該通道層12於汲電極9及源電極10之間，以及閘電極11及源電極10之間外加電壓後，流通對應該等電壓之電流。通道層12，利用非晶IGZO的薄膜的圖案化，與磁感電阻層4同時形成。再者，第10圖中，將磁感電阻元件1A和薄膜電晶體8組合展示。又，符號11A所示為閘絕緣膜。

如此，和薄膜電晶體8組合之磁感電阻元件1(或1A、1B)，例如，對如第11圖(a)所示般電子裝置13有用。此電子裝置13，多數磁性測定單元13A配置為矩陣狀後以磁場傳感陣列之形式形成於樹脂基板和玻璃基板等的基板1a上。各磁性測定單元13A，如第11圖(b)所示，具有磁感電阻元件1(或1A、1B)及薄膜電晶體8的磁感電阻元件用開關元件8A。磁感電阻元件用開關元件8A，控制外加於磁感電阻元件1(或1A、1B)的第一電極2和第二電極3之間之電壓。薄膜電晶體8，亦可以用於控制磁性測定單元13A之控制回路13B的元件。此基板1a，可以為大尺寸，可以測定廣範圍的磁場。舉例而言，電子裝置13可透過直接控制其之電子裝置控制器14等，由電腦等(未繪示)所控 制。

又，將電子裝置13變形後，可以將上述磁性測定單元13A設於顯示像素單元13C之間，並將多數磁性測定單元13A及多數顯示像素單元13C配置為矩陣狀。此電子裝置13'的顯示像素單元13C，如第12圖所示，具有顯示元件15、薄膜電晶體8的顯示元件用開關元件8C。顯示元件15為液晶元件等。顯示元件用開關元件8C，控制外加於顯示元件15之電壓。此電子裝置13'，使用具有磁鐵之筆來利用磁感電阻元件1(或1A、1B)檢測其位置，藉此可以在顯示面板上以筆進行輸入。再者，第12圖中，按每3列顯示像素單元13C，設置1列磁性測定單元13A。

以上說明了本發明的實施方式之磁感電阻元件，然而本發明並非限定於實施方式中所記載之內容，在申請專利範圍中所記載之事項的範圍內，當可作各種變更設計。

1‧‧‧磁感電阻元件

1a‧‧‧基板

1b‧‧‧絕緣體

2‧‧‧第一電極

3‧‧‧第二電極

4‧‧‧磁感電阻層

5‧‧‧層間絕緣膜

5a‧‧‧層間絕緣膜去除部

A-A'‧‧‧線

Claims (7)

1. 一種磁感電阻元件，其特徵為包含：一第一電極；一第二電極；以及一磁感電阻層，其中於該第一電極及該第二電極之間外加電壓流通電流後，該磁感電阻層的電阻值根據磁場的強度變化；該磁感電阻層係利用非晶氧化銦鎵鋅薄膜的圖案化而形成。
2. 如請求項1所述之磁感電阻元件，其特徵在於該第一電極及該第二電極係利用一金屬層的圖案化而形成，該金屬層係於該磁感電阻層之形成，以及其後的一層間絕緣膜之堆積及圖案化之後堆積而成，該第一電極及該第二電極分別於該層間絕緣膜的任一層間絕緣膜去除部中與該磁感電阻層接觸，其中該層間絕緣膜去除部係利用前述圖案化而去除。
3. 如請求項2所述之磁感電阻元件，其特徵在於該第一電極及該第二電極共同於一槽狀的層間絕緣膜去除部中與磁感電阻層接觸。
4. 如請求項2或3所述之磁感電阻元件，其特徵在於更包含一閘電極，該閘電極係於形成該磁感電阻 層之前形成；該磁感電阻層，隔著一閘絕緣膜設置於該閘電極的上方。
5. 一種電子裝置，其特徵為包含請求項1~請求項4中任一項所述之磁感電阻元件以及一薄膜電晶體，該薄膜電晶體包含一汲電極、一源電極、一閘電極以及一通道層，其中該通道層於該汲電極及該源電極之間，以及該閘電極及該源電極之間外加電壓後，流通相應該等電壓之電流；該通道層係利用前述非晶氧化銦鎵鋅薄膜的圖案化，與該磁感電阻層同時形成。
6. 如請求項5所述之電子裝置，其特徵在於，包含該磁感電阻元件以及該薄膜電晶體之一磁感電阻元件用開關元件的一磁性測定單元配置為矩陣狀；其中該磁感電阻元件用開關元件用以控制外加於該磁感電阻元件之該第一電極及該第二電極之間的電壓。
7. 如請求項6所述之電子裝置，其特徵在於，該磁性測定單元設置於配置為矩陣狀之顯示像素單元之間，其中該顯示像素單元包含：一顯示元件以及控制外加於該顯示元件之電壓之該薄膜電晶體之一顯示元件用開關元件。