用于磁场感测的穿隧磁阻装置制造方法及图纸

本发明专利技术是一种用以感测磁场的穿隧磁阻(TMR)装置，包括：第一TMR感测器，由具有固定层及自由层的第一及第二磁性穿隧接面(MTJ)元件并联而成。该第一及该第二MTJ元件的所述固定层具有处于第一固定方向上的固定磁矩；该第一及该第二MTJ元件的所述自由层具有分别平行和反平行于第一易轴的第一自由磁矩和第二自由磁矩。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是有关于磁场感测技术，特别是有关用于磁场感测的穿隧磁阻装置。
技术介绍
电子罗盘已设置于各种电子产品中以用于改进性能。举例来说，电子罗盘可用于全球定位系统(GPS)中以改进感测能力。GPS中的前进方向是通过物体的移动来确定。然而，当速度慢或甚至处于静止位置时，GPS便无法精确地确定方位。电子罗盘则可提供方位角资讯以帮助确定方向。各种方式感测磁场的机制已被提出，例如典型的霍尔元件(Hall device)或磁阻元件(magneto-resistive device)。磁阻元件包括异向性磁电阻器(anisotropic magneto-resistor，AMR)、巨磁电阻器(giant magneto-resistor，GMR)和穿隧式磁电阻器(tunneling magneto-resistor，TMR)的磁阻元件，具有比霍尔元件灵敏度大的优点，且其后端制程也容易与CMOS的前端制程相整合。图1A至图1B显示为用于磁场感测器95的典型穿隧式磁电阻器的示意图，其包括：由导电金属形成的底板作为形成于基板90上的底部电极102；磁性穿隧接面(Magnetic Tunneling Junction，MTJ)元件110，形成于底部电极102上；及由导电材料形成的顶板作为形成于磁性穿隧接面元件110的顶部电极106。从磁性穿隧接面元件的结构图案，我们可以定义一相交点于中心处的十字形线，其中较长的线称为长轴101，且较短的线称为短轴103，另外，称作易轴(easy-axis)180的线与长轴101共线。磁性穿隧接面元件110包括固定层112、穿隧层115和自由层116，其中磁性穿隧接面元件110设置于底部电极102与顶部电极106之间。磁性材料的固定层112形成于底部电极102上，且具有与一固定方向平行的第一固定磁距114。非磁性材料穿隧层115形成于固定层112上。磁性材料的自由层116形成于穿隧层115上，且具有在初始时与易轴180平行的第一自由磁距118。在形成磁性穿隧接面元件之后，例如是磁性薄膜堆叠和图案蚀刻后，通过在退火制程期间施加一固定方向为与易轴180垂直的磁场。于退火制程之后，第一固定磁矩114将会平行所述磁场的方向，而磁性穿隧接面元件110的形状异向性会使第一自由磁距118倾向与易轴平行。因此，穿隧式磁电阻器的磁场感测方向垂直于基板的易轴180。通过异向性磁电阻器或甚至巨磁电阻器，可以实现集成式的水平双轴磁场感测器，但其占据面积大小相当大。由于其极低的电阻率，元件长度必须足够长以达到可用于感测磁场的值。图2A至图2B为全范围与半范围惠斯顿电桥电路(Wheatstone bridge circuit)的示意图式。如图2A所示，惠斯顿电桥电路是一般常采用来将感测信号转换为电子信号的方法。对于异向性磁电阻器磁性感测器，电桥的每个元件R11、R21、R12、R22都是串联连接的一些具有螺丝纹条状杆偏压结构的异向性磁电阻器，且任何相邻元件上的短路条状杆的角度(shorting bar angle)都互补，使得电桥对称且能全范围操作。然而，对于巨磁电阻器或穿隧式磁电阻器磁场感测器，由于其对称的磁阻与磁场特性，因此两个元件R21、R12必须被遮蔽(如图2B所示)仅使用半范围操作。由于穿隧式磁电阻器的磁阻比较高，不对称的半范围操作会导致电桥输出失去线性度(linearity)和准确度。
技术实现思路
本专利技术提出一种用于磁场感测的穿隧磁阻(TMR)装置，包括：第一TMR感测器，由具有固定层及自由层的第一及第二磁性穿隧接面(MTJ)元件并联而成；该第一及该第二MTJ元件的所述固定层具有处于第一固定方向上的固定磁矩；该第一及该第二MTJ元件的所述自由层具有分别平行和反平行于第一易轴的第一自由磁矩和第二自由磁矩。本专利技术提出另一种用于磁场感测的穿隧磁阻(TMR)装置，包括：第一TMR感测器，由具有固定层及自由层的第一及第二MTJ元件并联而成；第二TMR感测器，由具有固定层及自由层的第三及第四MTJ元件并联而成；第三TMR感测器，由具有固定层及自由层的第五及第六MTJ元件并联而成；以及第四TMR感测器，由具有固定层及自由层的第七及第八MTJ元件并联而成。其中，该第一及该第二MTJ元件的所述固定层具有处于第一固定方向上
的固定磁矩；该第一及该第二MTJ元件的所述自由层具有分别平行和反平行于第一易轴的第一自由磁矩和第二自由磁矩；其中，该第一与该第四TMR感测器的第一端连接至一第一电压节点；该第三与该第二TMR感测器的第一端连接至一第二电压节点；该第一与该第三TMR感测器的第二端连接一起，该第二与该第四TMR感测器的第二端连接一起；该第三及该第四MTJ元件的所述固定层具有处于该第一固定方向上的固定磁矩；该第三及该第四MTJ元件的所述自由层具有分别平行和反平行于该第一易轴的第三自由磁矩和第四自由磁矩。其中，该第一自由磁矩与该第一固定磁矩间有第一角度α，该第三自由磁矩与该第三固定磁矩间有该第一角度α；该第二自由磁矩与该第二固定磁矩间有第二角度π-α，该第四自由磁矩与该第四固定磁矩间有该第二角度π-α；α不等于零。本专利技术提出的穿隧磁阻(TMR)装置，所使用的各个TMR感测器，是由具有固定层及自由层的第一及第二磁性穿隧接面(MTJ)元件并联而成，且该第一和该第二MTJ元件内的自由磁矩和固定磁矩的夹角是互补的(α、π-α)，因此用于磁场感测时，在可容许的感测范围内，该TMR感测器的电导值与所感测外部磁场是呈线性变化的。附图说明图1A至图1B显示为用于磁场感测器95的典型穿隧式磁电阻器的示意图；图2A至图2B为全范围与半范围惠斯顿电桥电路(Wheatstone bridge circuit)的示意图；图3A～图3B为根据本专利技术的一实施例的TMR感测器200的上视图及剖面图；图4A～图4B所示为TMR感测器200的该电导(G：(任意单位))对应于外加磁场的变化；图5A显示依据本专利技术的具有桥式结构的TMR装置50；图5B显示图5A的TMR装置50的输出电压值(Vout)在不同的角度α下，与外加磁场H的关系图；图6A显依据本专利技术的示具有桥式结构的TMR装置60；图6B显示图6A的TMR装置60的输出电压值(Vout)在不同的角度α下，与外加磁场H的关系图；图7A显示依据本专利技术的具有桥式结构的TMR装置70；图7B显示图7A的TMR装置70的输出电压值(Vout)在不同的角度α下，与外加磁场H的关系图；图8A显示依据本专利技术的具有桥式结构的TMR装置80；图8B显示图8A的TMR装置80的输出电压值(Vout)在不同的角度α下，与外加磁场H的关系图。具体实施方式以下将详细讨论本专利技术各种实施例的制造及使用方法。然而值得注意的是，本专利技术所提供的许多可行的专利技术概念可实施在各种特定范围中。这些特定实施例仅用于举例说明本专利技术的制造及使用方法，但非用于限定本专利技术的范围。以下所述，本专利技术用于磁场感测的穿隧磁阻(TMR)装置。根据本专利技术的一实施例，图3A及图3B所示为TMR装置内的一TMR感测器的一上视图及沿着易轴上A-A’及B-B’方向线段的一剖面图。在图3A及图3B中，该TMR感测器200有一第一MTJ(磁性穿隧接面)元件201及一第二M本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于磁场感测的穿隧磁阻装置，其特征在于，包括：第一穿隧磁阻感测器，由具有固定层及自由层的第一磁性穿隧接面元件及第二磁性穿隧接面元件并联而成；第二穿隧磁阻感测器，由具有固定层及自由层的第三磁性穿隧接面元件及第四磁性穿隧接面元件并联而成；第三穿隧磁阻感测器，由具有固定层及自由层的第五磁性穿隧接面元件及第六磁性穿隧接面元件并联而成；以及第四穿隧磁阻感测器，由具有固定层及自由层的第七磁性穿隧接面元件及第八磁性穿隧接面元件并联而成；其中，该第一磁性穿隧接面元件及该第二磁性穿隧接面元件的所述固定层具有处于第一固定方向上的固定磁矩；该第一磁性穿隧接面元件及该第二磁性穿隧接面元件的所述自由层具有分别平行和反平行于第一易轴的第一自由磁矩和第二自由磁矩；其中，该第一穿隧磁阻感测器与该第四穿隧磁阻感测器的第一端连接至一第一电压节点；该第三穿隧磁阻感测器与该第二穿隧磁阻感测器的第一端连接至一第二电压节点；该第一穿隧磁阻感测器与该第三穿隧磁阻感测器的第二端连接一起，该第二穿隧磁阻感测器与该第四穿隧磁阻感测器的第二端连接一起；该第三磁性穿隧接面元件及该第四磁性穿隧接面元件的所述固定层具有处于该第一固定方向上的固定磁矩；该第三磁性穿隧接面元件及该第四磁性穿隧接面元件的所述自由层具有分别平行和反平行于该第一易轴的第三自由磁矩和第四自由磁矩；其中，该第一自由磁矩与该第一固定磁矩间有第一角度α，该第三自由磁矩与该第三固定磁矩间有该第一角度α；该第二自由磁矩与该第二固定磁矩间有第二角度π‑α，该第四自由磁矩与该第四固定磁矩间有该第二角度π‑α；α不等于零。...

【技术特征摘要】
2015.03.30 TW 1041101951.一种用于磁场感测的穿隧磁阻装置，其特征在于，包括：第一穿隧磁阻感测器，由具有固定层及自由层的第一磁性穿隧接面元件及第二磁性穿隧接面元件并联而成；第二穿隧磁阻感测器，由具有固定层及自由层的第三磁性穿隧接面元件及第四磁性穿隧接面元件并联而成；第三穿隧磁阻感测器，由具有固定层及自由层的第五磁性穿隧接面元件及第六磁性穿隧接面元件并联而成；以及第四穿隧磁阻感测器，由具有固定层及自由层的第七磁性穿隧接面元件及第八磁性穿隧接面元件并联而成；其中，该第一磁性穿隧接面元件及该第二磁性穿隧接面元件的所述固定层具有处于第一固定方向上的固定磁矩；该第一磁性穿隧接面元件及该第二磁性穿隧接面元件的所述自由层具有分别平行和反平行于第一易轴的第一自由磁矩和第二自由磁矩；其中，该第一穿隧磁阻感测器与该第四穿隧磁阻感测器的第一端连接至一第一电压节点；该第三穿隧磁阻感测器与该第二穿隧磁阻感测器的第一端连接至一第二电压节点；该第一穿隧磁阻感测器与该第三穿隧磁阻感测器的第二端连接一起，该第二穿隧磁阻感测器与该第四穿隧磁阻感测器的第二端连接一起；该第三磁性穿隧接面元件及该第四磁性穿隧接面元件的所述固定层具有处于该第一固定方向上的固定磁矩；该第三磁性穿隧接面元件及该第四磁性穿隧接面元件的所述自由层具有分别平行和反平行于该第一易轴的第三自由磁矩和第四自由磁矩；其中，该第一自由磁矩与该第一固定磁矩间有第一角度α，该第三自由磁矩与该第三固定磁矩间有该第一角度α；该第二自由磁矩与该第二固定磁矩间有第二角度π-α，该第四自由磁矩与该第四固定磁矩间有该第二角度π-α；α不等于零。2.根据权利要求1所述的用于磁场感测的穿隧磁阻装置，其特征在于，该第五磁性穿隧接面元件至该第八磁性穿隧接面元件的所述固定层具有处于
\t该第一固定方向上的固定磁矩；该第五磁性穿隧接面元件及该第七磁性穿隧接面元件的所述自由层具有与第二易轴平行的第五自由磁矩和第七自由磁矩，该第六磁性穿隧接面元件及该第八磁性穿隧接面元件的所述自由层具有与该第二易轴反平行的第六自由磁矩和第...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭耿铭，王丁勇，
申请(专利权)人：财团法人工业技术研究院，
类型：发明
国别省市：中国台湾;71