TWI513071B - 磁阻膜層結構暨使用此磁阻膜層結構之磁場感測器應用 - Google Patents
磁阻膜層結構暨使用此磁阻膜層結構之磁場感測器應用 Download PDFInfo
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Description
本發明係有關於一種膜層結構。更特定言之，其係關於一種磁阻(magnetoresistive)膜層結構，可應用於磁場感測等技術領域。
已知，磁阻(magnetoresistance,MR)效應係材料的電阻隨著外加磁場的變化而改變的效應，其物理量的定義，是在有無磁場下的電阻差除上原先電阻，用以代表電阻變化率。
巨磁阻(giant magnetoresistance,GMR)效應則存在於鐵磁性(如：Fe,Co,Ni)/非鐵磁性(如：Cr,Cu,Ag,Au)的多層膜系統，由於磁性層間的磁交換作用會改變其傳導電子行為，使得電子產生程度不同的磁散射而造成較大的電阻，其電阻變化較常磁阻大上許多，故被稱為「巨磁阻」。這種多層膜結構的電阻值與鐵磁性材料薄膜層的磁化方向有關，兩層磁性材料磁化方向相反情況下的電阻值，明顯大於磁化方向相同時的電阻值，而電阻在很弱的外加磁場下具有很大的變化量。穿隧磁阻(tunnel magnetoresistance,TMR)效應則是指在鐵磁/絕緣體薄膜(約1奈米)/鐵磁材料中，其穿隧電阻大小隨兩邊鐵磁材料相對方向變化的效應。
目前，磁阻效應已被成功地運用在硬碟生產上，具有重要的商業應用價值。此外，利用巨磁電阻物質在不同的磁化狀態下具有不同電阻值的特點，還可以製成磁性隨機存儲器(MRAM)，其優點是在不通電的情況下可以繼續保留存儲的數據。
上述磁阻效應還被應用在磁場感測(magnetic field sensor)領域，例
如，行動電話中搭配全球定位系統(global positioning system,GPS)的電子羅盤(electronic compass)零組件，用來提供使用者移動方位等資訊。目前，市場上已有各式的磁場感測技術，例如，異向性磁阻(anisotropic magnetoresistance,AMR)感測元件、巨磁阻(GMR)感測元件、磁穿隧接面(magnetic tunneling junction,MTJ)感測元件等等。
然而，上述先前技藝的缺點通常包括：較佔晶片面積、製程較昂
貴、較耗電、靈敏度不足，以及易受溫度變化影響等等，而有必要進一步改進。
本發明於此提出一種可以應用於磁場感測器的創新磁阻膜層結
構，以解決前述先前技藝之不足與缺點。
根據本發明一態樣，其提出了一種磁阻膜層結構，其包含一固定
層、一被固定層設在所述固定層上、一正交耦合層設在所述被固定層上、一參考層設在所述正交耦合層上、一間隔層設在所述參考層上、以及一自由層設在所述間隔層上。
根據本發明另一態樣，其提出了一種二軸磁場感測器，其中包含
一基板、至少一具有所述膜層結構的第一感測胞設置在基板平面上用以感測一第一軸向的磁場變化；以及至少一具有所述膜層結構的第二感測胞設置在該基板的一平面上用以感測一第二軸向的磁場變化，其中第一感測胞以及第二感測胞皆具有長軸與短軸，且第一感測胞的長軸方向與第二感測胞的長軸方向互相垂直。
根據本發明又一態樣，其提出了一種三軸磁場感測器，其中包含
一基板、至少一具有所述膜層結構的第一感測胞設置在基板平面上用以感測一第一軸向的磁場變化；至少一具有所述膜層結構的第二感測胞設置在基板平面上用以感測一第二軸向的磁場變化、以及至少一具有所述膜層結構的第
三感測胞設置在基板的一斜面上用以感測一第三軸向的磁場變化，其中第一感測胞、第二感測胞以及第三感測胞都包含有長軸與短軸，且第一感測胞的長軸方向、第二感測胞的長軸方向、以及第三感測胞的長軸方向互相垂直。
為讓本發明之上述目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施方式，並配合所附圖式，作詳細說明如下。然而如下之較佳實施方式與圖式僅供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。
1/1a/1b/1c‧‧‧感測胞
10‧‧‧固定層
12‧‧‧被固定層
14‧‧‧正交耦合層
16‧‧‧參考層
18‧‧‧間隔層
20‧‧‧自由層
60‧‧‧場退火流程
62~66‧‧‧步驟
80‧‧‧磁阻膜層胞
82‧‧‧自由層磁化方向
90‧‧‧外部磁場方向
91/91a/91b‧‧‧交換偏耦方向
92/92’/92”‧‧‧參考層的磁化方向
100‧‧‧基板
102‧‧‧黏著層
104‧‧‧晶種層
110‧‧‧固定層
112‧‧‧被固定層
114‧‧‧正交耦合層
116‧‧‧參考層
118‧‧‧間隔層
120‧‧‧自由層
122‧‧‧上蓋保護層
160‧‧‧場退火流程
162~164‧‧‧步驟
204‧‧‧晶種層
214‧‧‧正交耦合層
260‧‧‧場退火流程
262~265‧‧‧步驟
312‧‧‧被固定層
313/315‧‧‧鈷金屬層
316‧‧‧參考層
360‧‧‧場退火流程
362~365‧‧‧步驟
400‧‧‧基板
402‧‧‧突起部
402a‧‧‧斜面
410/420/430‧‧‧感測單元
411~414‧‧‧感測胞
421~424‧‧‧感測胞
431~434‧‧‧感測胞
500‧‧‧基板
510/520/530‧‧‧感測單元
511~514‧‧‧感測胞
521~524‧‧‧感測胞
531~534‧‧‧感測胞
L‧‧‧長度
W‧‧‧寬度
H‧‧‧高度
x‧‧‧X軸分量
z‧‧‧Z軸分量
第1圖為依據本發明實施例所繪示的磁場感測器元件中的X軸向感測胞的膜層結構側視示意圖。
第2圖為第1圖中軸向感測胞的膜層結構分解圖及磁矩方向。
第3圖為依據本發明另一實施例所繪示的感測胞的膜層結構側視圖。
第4圖為依據本發明又另一實施例所繪示的感測胞的膜層結構側視圖。
第5圖為依據本發明又另一實施例所繪示的感測胞的膜層結構側視圖。
第6圖為一流程圖，例示一種場退火流程。
第7圖例示出具有長、短軸的長方體磁阻膜層胞的上視圖，顯示出外部磁場及膜層磁化方向。
第8圖例示出另一種場退火流程。
第9圖例示出另一種場退火流程。
第10圖例示出又另一種場退火流程。
第11A圖與第11B圖分別例示出根據本發明一實施例三軸磁場感測器元件的感測胞佈局的側視示意圖以及上視示意圖。
第12A圖與第12B圖分別例示出根據本發明另一實施例三軸磁場感測器元件的感測胞佈局的側視示意圖以及上視示意圖。
第13圖為第11A圖與第11B圖的放大示意圖。
下文中將參照附圖說明本發明細節，該些附圖中之內容亦構成說
明書細節描述的一部份，並且以可實行所例舉實施例之特例描述方式來繪示。下文實施例已描述足夠的細節俾使該領域之一般技藝人士得以具以實施。當然本發明亦可採行其他的實施例來施作，或是在不悖離文中所述實施例的前提下作出任何結構性、邏輯性、及電性上的改變。因此，下文之細節描述不應被視為是一種限制，反之，其中所包含的實施例將由隨附的申請專利範圍來加以界定。此外，下文中所稱一材料層或結構的「磁化方向(magnetization direction)」或「磁化的方向(direction of magnetization)」係指該層或該結構的磁域(magnetic domain)中的主要支配(predominant)磁化方向。以下所稱「層」係指單一材料或組成所構成的單層結構，除非特別予以指明，否則其並不包含其他材料或他層材料。
請參閱第1圖及第2圖，其中第1圖為依據本發明實施例所繪示
的磁場感測器元件中的感測胞(sensor cell)的膜層結構側視示意圖，第2圖為第1圖中感測胞的膜層結構的分解圖及磁矩方向，其中感測胞可以是X軸向(X-axis)感測胞。如第1圖及第2圖所示，本發明感測胞1的膜層結構較佳為一具有長、短軸的三維立體膜層結構，如長方體。磁阻膜層結構1至少包含有一固定層(pinning layer)10、一被固定層(pinned layer)12、一正交耦合層(biquadratic coupling layer)14、一參考層(reference layer)16、一間隔層(spacer layer)18，以及一自由層(free layer)20依序堆疊而成。當然，圖中長方體態樣的磁阻膜層結構僅為例示。在其他實施例中，從上往下看時，磁阻膜層結構可以被圖案化成其它具有長、短軸的圖案，包括矩形、橢圓、菱形、卵形、橄欖形或眼形等等。因此，磁阻膜層結構可以是長方體形、橢圓柱體、菱形柱體、卵形柱體、橄欖形柱體或眼形柱體等。
根據本發明實施例，被固定層12係直接形成在固定層10上，且與固定層10直接接觸。正交耦合層14係直接形成在被固定層12上，且與被
固定層12直接接觸。參考層16係直接形成在正交耦合層14上，且與正交耦合層14直接接觸。間隔層18係直接形成在參考層16上，且與參考層16直接接觸。自由層20係直接形成在間隔層18上，且與間隔層18直接接觸。為避免氧化，在自由層20上可以選擇另外提供一上蓋保護層(未示於圖中)，如鉭(Ta)層，但不以此為限。此外，固定層10可以形成在一基板(圖未示)上，例如一矽氧化物基板或二氧化矽基板。
根據本發明實施例，上述的固定層10可以是由反鐵磁性
(antiferromagnetic,AFM)材料所構成者，例如鐵錳(FeMn)、鉑錳(PtMn)、銥錳(IrMn)、氧化鎳(NiO)等，用以固定或限制鄰近層的磁矩方向。被固定層12可以是由鐵磁性(ferromagnetic,FM)材料所構成者，例如鐵、鈷、鎳或其合金，其磁化方向係受到固定層10所「固定」。正交耦合層14可以是一絕緣層，例如由氧化物所構成者，舉例來說，氧化鎳鐵(NiFeOx
)、氧化鐵(FeOx
)、氧化鎳(NiO)、氧化鈷鐵(CoFe2
O4
)、氧化鎂(MgO)等氧化物。根據本發明實施例，正交耦合層14可以是由以濺鍍方式形成鎳鐵層，再以氧氣電漿將鎳鐵層氧化成氧化鎳鐵層，形成奈米氧化層(nano oxide layer,NOL)。需注意的是，除了氧化物之外，正交耦合層14亦可以使用其他材料作成，例如氮化物、硼化物或氟化物等。
根據本發明實施例，參考層16可以是由鐵磁性材料所構成者，例
如鐵、鈷、鎳或其合金，其組成可以與被固定層12相同，但不限於此。間隔層18可以是由非鐵磁性材料所構成，例如銅，但不限於此。在其他實施例中，間隔層18可以選自金屬、氧化物或氮化物，其中，氧化物可以是氧化鋁或氧化鎂等，氮化物可以是氮化鋁等。自由層20可以是由鐵磁性材料所構成者，例如鐵、鈷、鎳或其合金，但不限於此。其中，自由層20的磁化方向會受外部磁場而「自由」改變。
第1圖中所例示的長方體形的磁阻膜層結構1，其具有一長度L、
寬度W及高度H，其中高度H為各單層厚度的總和。上述各層10~20均具有
實質相同的長度L×寬度W之平面尺寸。上述各層10~20可以利用各種濺鍍法、蒸鍍法、分子束磊晶法或脈衝雷射沈積法等方式形成，經過外加磁場的退火及冷卻處理後，最後再以微影及蝕刻製程蝕刻出如第1圖中的長方體形的磁阻膜層結構。本發明的特徵之一在於僅需以單一光罩及單一蝕刻步驟，圖案化固定層10、被固定層12、正交耦合層14、參考層16、間隔層18及自由層20，即形成第1圖中的長方體形的膜層結構，亦即，第1圖中的膜層結構的各層10~20均具有實質相同的平面尺寸(L×W)，僅有厚度上差異，如此使得製程上達到簡化之目的。
如第2圖所示，本發明感測胞1的膜層結構的長度L、寬度W及
高度H可以分別對應到參考座標Y軸、X軸及Z軸方向。根據本發明實施例，被固定層12的磁化方向(如箭頭所指)可以被設定成平行於Y軸方向(但亦可以是其它方向)，而參考層16的磁化方向(如箭頭所指)係藉由正交耦合層14的耦合效應，被設定成平行於X軸方向。換言之，被固定層12的磁化方向與參考層16的磁化方向係彼此垂直。在此例中，自由層20的易磁化軸乃平行於其長度方向，故其磁化方向即平行於Y軸方向，而本發明感測胞1的膜層結構中的參考層16的磁化方向係被設定垂直於該層長度方向，亦即平行於寬度方向，此為本發明的主要特徵之一。
請參閱第3圖，其為依據本發明另一實施例所繪示的感測胞的膜
層結構側視示意圖。如第3圖所示，感測胞1a可以是一長方體結構或具有長、短軸的三維立體膜層結構，由下至上包含有一基板100上、一黏著層102、一晶種層104、一固定層110、一被固定層112、一正交耦合層114、一參考層116、一間隔層118、一自由層120，以及一上蓋保護層122。其中，依據本發明實施例，基板100可以是二氧化矽基板，黏著層102可以是厚度約3.5nm的鉭金屬層，晶種層104可以是厚度約2nm的銅金屬層。
第3圖中的層110~120類似於第1圖及第2圖中所描述者。依據
本發明實施例，固定層110可以是厚度約8nm的銥錳，被固定層112可以是厚度約1nm的Co90
Fe10
，正交耦合層114可以是厚度約2nm的NiFeOx
。參考層116可以是厚度約2.5nm的Co90
Fe10
，間隔層118可以是由厚度約3nm的銅金屬層，自由層120可以是厚度約5nm的Ni80
Fe20
，上蓋保護層122可以是厚度約3.5nm的鉭金屬層。
請參閱第4圖，其為依據本發明又另一實施例所繪示的感測胞的
膜層結構側視示意圖。如第4圖所示，感測胞1b可以是一長方體結構或具有長、短軸的三維立體膜層結構，由下至上包含有一基板100上、一黏著層102、一晶種層204、一固定層110、一被固定層112、一正交耦合層214、一參考層116、一間隔層118、一自由層120，以及一上蓋保護層122。其中，依據本發明實施例，基板100同樣可以是二氧化矽基板，黏著層102可以是厚度約3.5nm的鉭金屬層，固定層110同樣可以是厚度約8nm的銥錳，被固定層112可以是厚度約1nm的Co90
Fe10
，參考層116可以是厚度約2.5nm的Co90
Fe10
，間隔層118可以是由厚度約3nm的銅金屬層，自由層120可以是厚度約5nm的Ni80
Fe20
，上蓋保護層122可以是厚度約3.5nm的鉭金屬層。
第4圖中的感測胞1b與第3圖中的感測胞1a的差別在於：第4
圖中的感測胞1b的正交耦合層214是厚度約2nm的氧化鐵(FeOx
)，而晶種層204則是厚度約2nm的鉑金屬層。申請人發現使用FeOx
正交耦合層214搭配鉑晶種層204可以使感測胞1b有更好的耐溫特性。
同樣地，第3圖及第4圖中長方體形的磁阻膜層結構僅為例示。
在其他實施例中，從上往下看時，磁阻膜層結構亦可以被圖案化成其它具有長、短軸的圖案，包括矩形、橢圓、菱形、卵形、橄欖形或眼形(eye shape)等等。
請參閱第5圖，其為依據本發明又另一實施例所繪示的感測胞的
膜層結構側視示意圖。如第5圖所示，感測胞1c可以是一長方體結構或具有長、短軸的三維立體膜層結構，由下至上包含有一基板100上、一黏著層102、一晶種層204、一固定層110、一被固定層312、一鈷金屬層313、一正交耦合層214、一鈷金屬層315、一參考層316、一間隔層118、一自由層120，以及一上蓋保護層122。其中，依據本發明實施例，基板100同樣可以是二氧化矽基板，黏著層102可以是厚度約3.5nm的鉭金屬層，固定層110同樣可以是厚度約8nm的銥錳，被固定層312可以是厚度約1nm的Ni80
Fe20
，參考層316可以是厚度約2.5nm的Ni80
Fe20
，間隔層118可以是由厚度約3nm的銅金屬層，自由層120可以是厚度約5nm的Ni80
Fe20
，上蓋保護層122可以是厚度約3.5nm的鉭金屬層。
第5圖中的感測胞1c與第4圖中的感測胞1b的差別在於：在第
5圖中的感測胞1c，正交耦合層214與被固定層312之間以及正交耦合層214與參考層316之間係分別設有鈷金屬層313、315，其厚度可以是0.5nm，以進一步提升耐溫特性。
在其他實施例中，鈷金屬層313與被固定層312之間或者鈷金屬
層315與參考層316之間還可額外分別設置一釕(Ruthenium)金屬層，其具有減少磁阻膜層結構之外露磁場的功效，使參考層316與被固定層312的外露磁場不影響自由層的磁化方向。再者，亦可在不設置鈷金屬層313、315的情況下直接以鐵磁材料層及釕金屬層來取代鈷金屬層313、315，亦或者在鈷金屬層上另外設置鐵磁材料層及釕金屬層，其目的亦為提供更佳的磁場感應效果。
同樣地，第5圖中長方體形的磁阻膜層結構僅為例示。在其他實
施例中，從上往下看時，磁阻膜層結構亦可以被圖案化成其它具有長、短軸的圖案，包括矩形、橢圓、菱形、卵形、橄欖形或眼形等等。
第6圖為一流程圖，其例示一種場退火流程60。首先，步驟62，
在室溫下，對第1圖中的長方體形的磁阻膜層結構1施加一外部磁場。接著，步驟63，升溫至阻卻溫度，使得反鐵磁層暫時無法固定鄰近鐵磁層磁化方向。
然後，步驟64，在外部磁場存在下，繼續進行高溫退火。步驟65，接著將溫度降至室溫。最後，步驟66，移除外部磁場。經由上述退火流程，可以使得交換偏耦(exchange bias)及正交耦合層14的正交耦合方向可以被隨意控制。
如第7圖所示，圖中例示出具有長、短軸的長方體形磁阻膜層胞
80(膜層結構同第1圖所示)的上視圖，其參考層的磁化方向92垂直於退火時的外部磁場方向90，而與自由層的磁化方向82有一夾角θ。其中夾角θ可以是介於0至180度的任意角度，由場退火過程的外部磁場方向決定。較佳來說，夾角θ可以是45度的整數倍，如45度、90度、135度等。其中外部磁場方向與感測胞的膜層結構的長度方向不平行，故又可稱之為「偏軸(off-axis)設定」。
第8圖例示出另一種場退火流程160。首先，步驟162，升溫至阻
卻溫度。步驟163，進行高溫退火，並在高溫退火過程中施加短暫脈衝式外部磁場。步驟164，將溫度降至室溫。
第9圖例示出另一種場退火流程260。首先，步驟262，在室溫下，
對磁阻膜層結構施加一外部磁場。步驟263，升溫至阻卻溫度，使得反鐵磁層暫時無法固定鄰近鐵磁層磁化方向。步驟264，然後，移除外部磁場，再進行高溫退火。步驟265，將溫度降至室溫。
第10圖例示出又一種場退火流程360。首先，步驟362，在室溫
下，對磁阻膜層結構施加一外部磁場。步驟363，移除外部磁場，升溫至阻卻溫度，使得反鐵磁層暫時無法固定鄰近鐵磁層磁化方向。步驟364，再進行高溫退火。步驟365，將溫度降至室溫。
上述本發明之感測胞膜層結構係可用來製作磁場感測元件，以下
將列舉兩實施例來詳細說明本發明二軸與三軸磁場感測元件的兩種不同的感測胞設置方式以及其中參考層、自由層的磁化方向以及其與外部磁場與交換偏耦方向的相對關係：
第11A圖與第11B圖分別例示出根據本發明一實施例中磁場感測器的側視示意圖以及其對應的上視示意圖。如第11A圖所示，本發明的磁場感測器元件至少包含有三種感測胞，分別是成對設置的感測胞411~414、感測胞421~424以及感測胞431~434，其中感測胞411~414係用以感測X軸向磁場，感測胞421~424用以感測Y軸向磁場，而感測胞431~434用以感測Z軸向磁場，三軸向係互相垂直，達成三度空間的磁場感測。在本實施例中，感測胞411~414與感測胞421~424皆設置在基板400平面上，係用以感測基板平面上的雙軸(如X軸與Y軸)磁場變化，圖中分別表示出感測胞411~414的短軸方向截面以及感測胞421~424的長軸方向截面，而感測胞431~434則設置在基板400上一突起部402的兩側斜面上，其係可感測到Z軸向的磁場分量，圖中表示出感測胞431~434的短軸方向截面。感測胞411~414、感測胞421~424以及感測胞431~434的膜層結構皆可設計成詳如第2圖所示結構，於此不再多加贅述其膜層組成與材質。對本發明而言，用以感測不同軸向的感測胞411~414、感測胞421~424以及感測胞431~434可具有相同的膜層結構，其差別僅在於，因為感測胞所欲感測的磁場軸向不同，而有不同的位向配置或是不同的參考層與自由層的磁化方向夾角。
接下來，請參照第11B圖，其描繪出上述磁場感測器的感測胞佈局的上視示意圖。為說明方便之故，圖中亦顯示出場退火時的外部磁場方向90以及交換偏耦方向91a、91b，須注意本實施例中的感測胞共具有兩個不同的交換偏耦方向91a、91b，其中的交換偏耦方向91a平行參考座標X軸，交換偏耦方向91b平行參考座標Y軸，場退火時的外部磁場方向90相對於參考座標X軸則呈45度方向。
復如第11B圖所示，本發明的磁場感測器包含有至少一X軸向感
測單元410、至少一Y軸向感測單元420、以及至少一Z軸向感測單元430，其中X軸向感測單元410係由四個感測胞411~414所構成，且四個感測胞411~414彼此互連成一惠斯頓電橋(Wheatstone Bridge)，Y軸向感測單元420由四個感測胞421~424所構成，且四個感測胞421~424彼此互連成一惠斯頓電橋，Z軸向感測單元430同樣由四個感測胞431~434所構成，且四個感測胞431~434彼此互連成一惠斯頓電橋。三個感測單元410、420以及430係分別感測不同軸向磁場變化。
對X軸向感測單元410而言，感測胞411~414的長軸方向及自由
層磁化方向82相同，皆為平行參考座標Y軸。感測胞411及413的參考層磁化方向92"相同(朝向負X軸方向)。感測胞412及414的參考層磁化方向92'相同(朝向正的X軸方向)。就此實施例的佈局而言，感測胞411及413的參考層磁化方向92"以及感測胞412及414的參考層磁化方向92'均垂直於其長軸方向及自由層磁化方向82。
對Y軸向感測單元420而言，感測胞421~424的長軸方向及自由
層磁化方向82相同，皆為平行參考座標X軸(朝向正X軸方向)。感測胞421及423的參考層磁化方向92'相同(朝向正Y軸方向)。感測胞422及424的參考層磁化方向92"相同(朝向負的Y軸方向)。感測胞421及423的參考層磁化方向92'以及感測胞422及424的參考層磁化方向92"均垂直於其長軸方向及自由層磁化方向82。
對Z軸向感測單元430而言，感測胞431~434的長軸方向及自由
層磁化方向82相同，可皆為平行參考座標Y軸(朝向正Y軸方向)。四個感測胞431~434的參考層磁化方向92'皆相同(朝向正X軸方向)，均垂直於其長軸方向及自由層磁化方向82。此Z軸向感測胞431~434的長軸方向可為任意方向，較佳者為45度之整數倍。
在此例中，退火方式可採用第8圖中的場退火流程160、第9圖
中的場退火流程260或第10圖中的場退火流程360，因此其交換偏耦方向可由外加磁場90在感測胞的長軸軸向上的分量方向決定，故有兩個不同的交換偏耦方向91a、91b。
須注意，上述實施例亦可以有不同的變化，例如，感測胞411、
413、431、433的自由層磁化方向可以與感測胞412、414、432、434的自由層磁化方向相反，即朝向負Y軸方向。而感測胞422、424的自由層磁化方向可以與感測胞421、423的自由層磁化方向相反，即朝向負X軸方向，端視發明的需求而定。另一方面，須注意儘管上述實施例中各感測單元中的四個感測胞是設計成彼此互連成一惠斯頓電橋，然該設計僅為本發明的一較佳例示態樣，在實際的應用中感測單元中的感測胞亦可僅為並列或串列的，且圖中的每單元四個感測胞數量亦僅為例示，在其它實施例中，其亦可以有不同數量的感測胞設置。
第12A圖與第12B圖分別例示出根據本發明另一實施例中三軸磁
場感測器元件的側視示意圖以及其對應的上視示意圖。本實施例與前述實施例的差別在於感測胞的佈局方式與交換偏耦方向以及外加磁場方向。如第12B圖所示，本實施例中的場退火時外部磁場方向90係朝向正Y軸方向，且X軸向感測單元510與Y軸向感測單元520的感測胞都設置成與X軸和Y軸呈45度角，而Z軸向感測單元530則設置成與前述實施例一樣，長軸方向平行於Y軸方向。在如此感測胞設置下，各個感測單元510、520以及530會具有相同的交換偏耦方向91(朝向正Y軸方向)，與外部磁場方向90同向。
復如第12B圖所示，本發明的三軸磁場感測器元件包含有至少一
X軸向感測單元510、至少一Y軸向感測單元520、以及至少一Z軸向感測單元530，其中X軸向感測單元510係由四個感測胞511~514所構成，且四個感測胞511~514彼此互連成一惠斯頓電橋，Y軸向感測單元520由四個感測胞521~524所構成，且四個感測胞521~524彼此互連成一惠斯頓電橋，Z
軸向感測單元530同樣由四個感測胞531~534所構成，且四個感測胞531~534彼此互連成一惠斯頓電橋。三個感測單元510、520以及530係分別感測不同軸向磁場變化。
對X軸向感測單元510而言，感測胞511及513的長軸方向及自
由層磁化方向82相同，皆為與參考座標X軸呈45度角的方向，感測胞512及514的長軸方向及自由層磁化方向相同，皆為與參考座標X軸呈135度角的方向。如此，感測胞511及513的長軸方向會垂直於感測胞512及514的長軸方向。感測胞511~514的參考層磁化方向92’則垂直於場退火時的外部磁場方向90，其中感測胞511及513的參考層磁化方向92”朝向正X軸方向，感測胞512及514的參考層磁化方向92’朝向負Y軸方向。
對Y軸向感測單元520而言，感測胞521及523的長軸方向及自
由層磁化方向相同，皆為與參考座標X軸呈負45度角的方向，感測胞522及524的長軸方向及自由層磁化方向相同，皆為與參考座標X軸呈正45度角的方向，如此感測胞521及523的長軸方向會垂直於感測胞522及524的長軸方向。感測胞521~524的參考層磁化方向92’皆相同(朝向正X軸方向)，垂直於場退火時的外部磁場方向90。在此例中，同樣利用第6圖中的退火方式60，全程施加外加磁場，所以交換偏耦方向91會與外部磁場方向90同向。
對Z軸向感測單元530而言，感測胞531~534的長軸方向及自由
層磁化方向82相同，皆為平行參考座標Y軸(朝向正Y軸方向)。四個感測胞531~534的參考層磁化方向92'皆相同(朝向正X軸方向)，均垂直於其長軸方向及自由層磁化方向82。在此例中，同樣利用第6圖中的退火方式60，全程施加外加磁場，所以交換偏耦方向91會與外部磁場方向90同向。
須注意，上述實施例亦可以有不同的變化，例如，感測胞521~524
的自由層磁化方向可以轉為完全反向，或者是感測胞511~514的參考層磁化方向92'轉為完全反向，即朝向負X軸方向，端視發明的需求而定。另一方面，須注意儘管上述實施例中各感測單元中的四個感測胞是設計成彼此互連成一
惠斯頓電橋，然該設計僅為本發明的一較佳例示態樣，在實際的應用中感測單元中的感測胞亦可僅為並列或串列的，且圖中的每單元四個感測胞數量亦僅為例示，在其它實施例中，其亦可以有不同數量的感測胞設置。
對於上述本發明實例一與實例二而言，由於各感測胞的膜層結構
皆相同且具有同樣的長寬尺寸，故其皆僅需以單一光罩以及單一的蝕刻步驟即可同時將圖中所示各感測單元中各個感測胞的界定在一單一晶片上，因此本發明設計可達到簡化製程並降低成本之功效。
接下來請參照第13圖，其為第11A圖與第11B圖的放大示意圖，
可更清楚地表示出基板突起部上感測胞的設置位向以及其參考層與自由層的磁化方向。如第13圖所示，感測胞431~434係成對設置在突起部402兩側的斜面402a上。感測胞431~434係被設置成其長軸方向與Y軸平行，而參考層磁化方向與斜面402a平行。更具體言之，其自由層磁化方向82朝向正Y軸方向，參考層磁化方向92’會產生一個X軸上的分量x與Z軸上的分量z。故此，位在斜面上的感測胞431~434可以受到Z軸向的外部磁場影響而導致自由層的磁化方向82有所改變，藉以量測出Z軸向的磁場變化。須注意在本發明中突起部402也可設計成一凹入部態樣，如此亦可提供斜面來供感測胞431~434設置。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所
做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
1‧‧‧感測胞
10‧‧‧固定層
12‧‧‧被固定層
14‧‧‧正交耦合層
16‧‧‧參考層
18‧‧‧間隔層
20‧‧‧自由層
Claims (27)
- 一種磁阻膜層結構，包含：一固定層；一自由層；一被固定層，介於該固定層與該自由層之間，並與該固定層直接接觸；一正交耦合層，介於該被固定層與該自由層之間，並與該被固定層直接接觸；一參考層，介於該正交耦合層與該自由層之間，並與該正交耦合層直接接觸，其中該被固定層的磁化方向與該參考層的磁化方向彼此垂直；以及一間隙壁層，介於該參考層與該自由層之間，並與該參考層及該自由層直接接觸。
- 根據申請專利範圍第1項所述之磁阻膜層結構，其中該正交耦合層與該被固定層之間以及該正交耦合層與該參考層之間更分別設有鈷金屬層。
- 根據申請專利範圍第2項所述之磁阻膜層結構，其中該鈷金屬層與該被固定層之間或該鈷金屬層與該參考層之間設有釕金屬層。
- 根據申請專利範圍第3項所述之磁阻膜層結構，其中該鈷金屬層與該釕金屬層之間設有鐵磁性材料層。
- 根據申請專利範圍第1項所述之磁阻膜層結構，其中該正交耦合層與該被固定層之間或該正交耦合層與該參考層之間設有鐵磁性材料層及釕金屬層。
- 根據申請專利範圍第1項所述之磁阻膜層結構，其中該固定層形成在一基板上。
- 根據申請專利範圍第6項所述之磁阻膜層結構，其中該基板與該固定層之間另包含有一黏著層及一晶種層。
- 根據申請專利範圍第1項所述之磁阻膜層結構，其中該磁阻膜層結構為一具有長、短軸的三維立體膜層結構，且所述磁阻膜層結構中的各層都具有相同的平面尺寸。
- 根據申請專利範圍第1項所述之磁阻膜層結構，其中該參考層的磁化方向與該自由層的磁化方向之間具有一夾角θ，所述夾角θ是介於0度至180度的任意角度。
- 根據申請專利範圍第9項所述之磁阻膜層結構，其中該夾角θ是45度的整數倍。
- 根據申請專利範圍第1項所述之磁阻膜層結構，其中該正交耦合層包含有氧化鎳鐵、氧化鐵、氧化鎳、氧化鈷鐵或氧化鎂。
- 根據申請專利範圍第1項所述之磁阻膜層結構，其中該固定層是由反鐵磁性材料所構成。
- 一種二軸磁場感測器，包含：一基板；至少一第一感測胞，其包含有根據申請專利範圍第1,2,3,4或5項 所述之磁阻膜層結構，其設置在該基板的一平面上用以感測一第一軸向的磁場變化；以及至少一第二感測胞，其包含有根據申請專利範圍第1,2,3,4或5項所述之磁阻膜層結構，其設置在該基板的一平面上用以感測一第二軸向的磁場變化，其中該第一感測胞以及該第二感測胞皆具有長軸與短軸，且該第一感測胞的長軸方向與該第二感測胞的長軸方向互相垂直。
- 根據申請專利範圍第13項所述之二軸磁場感測器，其中該第一感測胞的長軸方向與該第一感測胞的自由層磁化方向平行，該第二感測胞的長軸方向與該第二感測胞的自由層磁化方向平行。
- 根據申請專利範圍第14項所述之二軸磁場感測器，其中該第一感測胞的參考層磁化方向與該第一感測胞的長軸方向具有一第一夾角，該第二感測胞的參考層磁化方向與該第二感測胞的長軸方向具有一第二夾角。
- 根據申請專利範圍第15項所述之二軸磁場感測器，其中該第一夾角與該第二夾角相同。
- 根據申請專利範圍第13項所述之二軸磁場感測器，其中複數個該第一感測胞構成一第一感測單元，用以感測該第一軸向的磁場變化，複數個該第二感測胞構成一第二感測單元，用以感測該第二軸向的磁場變化。
- 根據申請專利範圍第13項所述之二軸磁場感測器，其中複數個該第一感測胞互連成一第一惠斯頓電橋，複數個該第二感測胞互連成一第二惠斯頓電橋。
- 一種三軸磁場感測器，包含有： 一基板；至少一第一感測胞，包含有根據申請專利範圍第1,2,3,4或5項所述之磁阻膜層結構，其設置在該基板的一平面上用以感測一第一軸向的磁場變化；至少一第二感測胞，包含有根據申請專利範圍第1,2,3,4或5項所述之磁阻膜層結構，其設置在該基板的該平面上用以感測一第二軸向的磁場變化；至少一第三感測胞，包含有根據申請專利範圍第1,2,3,4或5項所述之磁阻膜層結構，其設置在該基板的一斜面上用以感測一第三軸向的磁場變化；其中該第一感測胞、該第二感測胞以及該第三感測胞都包含有長軸與短軸，且該第一感測胞的長軸方向、該第二感測胞的長軸方向、以及該第三感測胞的長軸方向互相垂直。
- 如申請專利範圍第19項所述之三軸磁場感測器元件，其中該第一感測胞的長軸方向與該第一感測胞的該自由層的磁化方向平行，該第二感測胞的長軸方向與該第二感測胞的該自由層的磁化方向平行，該第三感測胞的長軸方向與該第三感測胞的該自由層的磁化方向平行。
- 如申請專利範圍第20項所述之三軸磁場感測器元件，其中該第一感測胞的該參考層的磁化方向與該第一感測胞的長軸方向具有一第一夾角，該第二感測胞的該參考層的磁化方向與該第二感測胞的長軸方向具有一第二夾角，該第三感測胞的該參考層的磁化方向與該第三感測胞的長軸方向具有一第三夾角。
- 如申請專利範圍第21項所述之三軸磁場感測器元件，其中該第一夾角、 該第二夾角以及該第三夾角相同。
- 如申請專利範圍第22項所述之三軸磁場感測器元件，其中該第一夾角、該第二夾角以及該第三夾角為90度。
- 如申請專利範圍第21項所述之三軸磁場感測器元件，其中該第三夾角不相同於該第一夾角以及該第二夾角。
- 如申請專利範圍第24項所述之三軸磁場感測器元件，其中該第一夾角與該第二夾角為45度，該第三夾角為90度。
- 如申請專利範圍第19項所述之三軸磁場感測器元件，其中複數個該第一感測胞構成一第一感測單元，用以感測該第一軸向的磁場變化，複數個該第二感測胞構成一第二感測單元，用以感測該第二軸向的磁場變化，複數個該第三感測胞構成一第三感測單元，用以感測該第三軸向的磁場變化。
- 如申請專利範圍第19項所述之三軸磁場感測器元件，另包含複數個該第一感測胞互連成一第一惠斯頓電橋，複數個該第二感測胞互連成一第二惠斯頓電橋，複數個該第三感測胞互連成一第三惠斯頓電橋。
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