專利名稱：磁感應器的制作方法
磁感應器技術領域
本發明是關于一種感應器，且特別是關于一種磁感應器。
背景技術：
磁感應器可以用來感應外部磁場(例如地磁)的分量。磁感應器已經廣泛的應用于汽車、自動化、醫療與電子羅盤等領域，其中電子羅盤更需要能感測外部磁場的三維分量。目前幾乎每一支智能手機都有電子羅盤。電子羅盤需感應地磁，因此需有三軸的磁性感測功能，而且要很靈敏，因為地磁大小大約是20-60 μ T0
磁感應器可以有多種方式的設計,其中磁性穿隧接面(MTJ, Magnetictunnelingjunction)元件已廣泛被用來感測外部磁場的水平分量。以下，磁性穿隧接面元件也可以用“MTJ元件”來表示。這種傳統MTJ元件的磁性感應層是由水平磁化異向性(in-planemagnetic anisotropy, IMA)材質所制成,其對水平磁場分量的檢測較敏感,但是對垂直磁場分量的檢測較不敏感。也就是說，即使傳統MTJ元件的磁性感應層的厚度是控制在超順磁的條件下，其對水平X、Y軸(In-Plane)的磁場分量較為敏感，但是對Z軸(垂直)的磁場并不敏感。主要是因IMA超順磁雖然磁矩是呈現等向分布，但仍是In-Plane特性，因此對垂直(Z軸)磁場的反應仍需克服去磁場才能使磁矩垂直磁性感應層，因此對Z軸磁場感應很不敏感。
如何在MTJ元件的結構下，簡易檢測地磁的垂直(Z軸)磁場分量仍是在繼續研發中。發明內容
為解決上述問題，本發明提供一種磁感應器，采用磁性穿隧接面元件的架構，可以感應一外部磁場的垂直(Z軸)磁場分量，進而可以簡易感應(X、Y、Z)三維磁場分量。
本發明提供一種磁感應器，適用于感應一外部磁場，其包括一磁性穿隧接面兀件。磁性穿隧接面元件用以感應該外部磁場在垂直于磁性穿隧接面元件的一垂直(Ζ軸)磁場分量，包括一第一固定磁性層、一穿隧層以及一磁性感應層。第一固定磁性層有一固定磁化強度，垂直于該第一固定磁性層。穿隧層設置于該第一固定磁性層上。磁性感應層設置于該穿隧層上，其中該磁性感應層有一預定厚度使一磁矩變化處于一超順磁特性，該超順磁特性是對垂直于磁性感應層的垂直(Ζ軸)磁場靈敏度高于水平(X、Y軸)磁場靈敏度，以相對較靈敏感應垂直于磁 場感應層的該外部磁場的垂直(Ζ軸)磁場分量。該固定磁性層、該穿隧層、該磁性感應層是依序或是反依序迭置。
本發明公開一種磁感應器，適用于感應一外部磁場，該磁感應器包括:
一磁性穿隧接面(Magnetic Tunneling Junction, MTJ)元件,用以感應該外部磁場在垂直于該磁性穿隧接面元件的一垂直(Z軸)磁場分量，其中該磁性穿隧接面元件包括:
—固定磁性層，有一固定磁矩垂直于該固定磁性層；
一穿隧層，設置于該固定磁性層上；以及
一磁性感應層，設置于該穿隧層上，其中該磁性感應層有一預定厚度使一磁矩變化處于一超順磁特性，其中該超順磁特性是對垂直于該磁性感應層的一垂直(Z軸)磁場靈敏度高于一水平(X、Y軸)磁場靈敏度，以相對較靈敏感應垂直于該磁性感應層的該外部磁場的垂直(Ζ軸)磁場分量，其中該固定磁性層、該穿隧層、該磁性感應層是依序或是反依序迭置。
所述的磁感應器，該固定磁性層是垂直式人造反鐵磁結構，包括堆迭的一第一鐵磁層、一非磁性金屬層以及一第二鐵磁層，其中該第一鐵磁層比該第二鐵磁層更接近該磁性感應層，該第一鐵磁層有一第一磁化強度，該第二鐵磁層有一第二磁化強度，且第一磁化強度與該第二磁化強度是反平行。
所述的磁感應器，該第一磁化強度比該第二磁化強度小，以降低該磁性穿隧接面元件的磁阻對垂直(Ζ軸)磁場感應曲線的偏移量。
所述的磁感應器，還包括:
—磁場偏壓層，設置在該磁性感應層上方，與該固定磁性層相對，該磁場偏壓層提供垂直于該磁場偏壓層的一偏壓磁場，以配合該固定磁性層以降低該磁性穿隧接面元件的磁阻對垂直(Ζ軸)磁場感應曲線的偏移量。
所述的磁感應器，該磁場偏壓層的該偏壓磁場與該固定磁性層的該固定磁場是反平行。
所述的磁感應器，該磁場偏壓層是垂直式人造反鐵磁結構，包括堆迭的一第一鐵磁層、一非磁性金屬層以及一第二鐵磁層，
其中該第一鐵磁層比該第二鐵磁層更接近該磁性感應層,該第一鐵磁層有一第一磁化強度，該第二鐵磁層有一第二磁化強度，且第一磁化強度與該第二磁化強度是反平行。
所述的磁感應器，該磁場偏壓層是單層結構。
所述的磁感應器，該固定磁性層是單層結構。
所述的磁感應器，還包括:
一水平式磁性穿隧接面元件，用以感應該外部磁場的一水平(Χ、Υ軸)磁場分量。
所述的磁感應器，該磁性穿隧接面元件還包括:
一頂蓋層，設置于該磁性感應層上。
本發明公開一種磁感應器，用于感應一外部磁場，包括:
—磁場集中兀件,用以將該外部磁場集中，其中在該磁場集中兀件的一延伸面有一 X軸與一 Y軸，垂直該延伸面有一 Z軸，在該X軸上有一第一位置與一第二位置，在該Y軸上有一第三位置與一第四位置；以及
第一到第四磁性穿隧接面元件，分別設置在該磁場集中元件的該第一到第四位置上，以分別感應在該Z軸方向上的一第一感應量、一第二感應量、一第三感應量以及一第四感應量；
其中所述第一到第四磁性穿隧接面元件的其中至少一個磁性穿隧接面元件包括:
—固定磁性層，有一固定磁場垂直于該固定磁性層；
一穿隧層，設置于該固定磁性層上；以及
一磁性感應層，設置于該穿隧層上，其中該磁性感應層有一預定厚度使一磁矩變化處于一超順磁特性，其中垂直于該磁性感應層的一垂直(Z軸)磁場靈敏度高于一水平(X、Y軸)磁場靈敏度，以相對較靈敏感應該外部磁場所產生在垂直于該磁性感應層的一垂直(Ζ軸)磁場分量，其中該固定磁性層、該穿隧層、該磁性感應層是依序或是反依序迭置。
所述的磁感應器，該第一感應量為a*Bx+b*Bz，該第二感應量為_a*Bx+b*Bz，該第三感應量為c*By+d*Bz,該第四感應量為_c*By+d*Bz,其中a、b、c、d是該磁場集中元件的多個磁場集中特性系數，Bx, By、Bz是該外部磁場在該X軸、該Y軸、該Z軸的三個磁場分量，根據該第一到第四感應量的計算所得。
所述的磁感應器，該磁場集中元件是對稱結構，且這些磁場集中特性系數是a = c以及b = d。
所述的磁感應器，該固定磁性層是垂直式人造反鐵磁結構，包括堆迭的一第一鐵磁層、一非磁性金屬層以及一第二鐵磁層，其中該第一鐵磁層比該第二鐵磁層更接近該磁性感應層，該第一鐵磁層有一第一磁化強度，該第二鐵磁層有一第二磁化強度，且第一磁化強度與該第二磁化強度是反平行。
所述的磁感應器，該第一磁化強度比該第二磁化強度小，以降低該磁性穿隧接面元件的磁阻對垂直(Z軸)磁場感應曲線的偏移量。
所述的磁感應器，所述第一到第四磁性穿隧接面元件中的該磁性穿隧接面元件還包括:
—磁場偏壓層，設置在該磁性感應層上方，與該固定磁性層相對，其中該磁場偏壓層提供垂直于該磁場偏壓層的一偏壓磁場，以配合該固定磁性層降低該磁性穿隧接面元件的磁阻對垂直(Z軸)磁場感應曲線的偏移量。
所述的磁感應器，該磁場偏壓層的該偏壓磁場與該固定磁性層的該固定磁場是反平行。
所述的磁感應器，該磁場偏壓層是垂直式人造反鐵磁結構，包括堆迭的一第一鐵磁層、一非磁性金屬層以及一第二鐵磁層，
其中該第一鐵磁層比該第二鐵磁層更接近該磁性感應層，該第一鐵磁層有一第一磁化強度，該第二鐵磁層有一第二磁化強度，且第一磁化強度與該第二磁化強度是反平行。
所述的磁感應器，該磁場偏壓層是單層結構。
所述的磁感應器，該固定磁性層是單層結構。
本發明也提供一種磁感應器，用于感應一外部磁場，包括一磁場集中兀件，用以將該外部磁場集中，其中在該磁場集中元件的一延伸面有一 X軸與一 Y軸，垂直該延伸面有一Z軸，在該X軸上有一第一位置與一第二位置，在該Y軸上有一第三位置與一第四位置。第一到第四磁性穿隧接面元件，分別設置在該磁場集中元件的該第一到第四位置上，以分別感應在該Z軸方向上的一第一感應量、一第二感應量、一第三感應量以及一第四感應量。其中所述第一到第四磁性穿隧接面元件的其中至少一個磁性穿隧接面元件包括一固定磁性層，有一固定磁場垂直于該固定磁性層；一穿隧層，設置于該固定磁性層上；以及一磁性感應層，設置于該穿隧層，其中該磁性感應層有一預定厚度使一磁矩變化處于一超順磁特性，其中該超順磁特性是對垂直于磁性感應層的垂直(Z軸)磁場靈敏度高于水平(X、Y軸)磁場靈敏度，以相對較靈敏感應由該外部磁場所產生垂直于磁性感應層的垂直(Ζ軸)磁場分量。該固定磁性層、該穿隧層、該磁性感應層是依序或是反依序迭置。
圖1A是依據本發明一實施例繪示一種磁性穿隧接面元件的剖面結構示意圖；圖1B繪示依據本發發明一實施例，對于圖1A的磁性穿隧接面元件在超順磁特性的磁阻值與磁場的線性關系示意圖；圖2繪示圖1A的人造反鐵磁層的剖面結構示意圖；圖3繪示垂直式磁性穿隧接面元件的超順磁的線性特性示意圖；圖4是依據本發明另一實施例繪示磁性穿隧接面元件的剖面結構示意圖；圖5是依據本發明又一實施例繪示磁性穿隧接面元件的剖面結構示意圖；圖6是依據本發明更一實施例繪示磁性穿隧接面元件的剖面結構示意圖；圖7A是依據本發明一實施例繪示一種三維磁場感應器結構示意圖；圖7B是依據本發明實施例繪示圖7A所示三維磁場感應器結構下視(俯視)示意圖。附圖標記90:基板100:固定磁性層100a、IOOc:鐵磁層100b:非磁性中間層102:穿隧層104:磁性感應層106:頂蓋層108:非磁性中間層110:磁場偏壓層110a、I IOc:鐵磁層IlOb:非磁性中間層112:磁化強度120、122:磁化強度200:固定磁性層202:磁性偏壓層300:磁場集中元件加2、3。4、3。6、3。8:MTJ 元件
具體實施例方式下面結合附圖，對本發明做進一步的詳細描述。本案提出一種垂直式(out-of-plane or perpendicular)的磁性穿隧接面(magnetic tunneling junction,以下稱MTJ)元件與使用該MTJ元件的磁感應器。MTJ元件的結構包括固定磁性層、穿隧層以及磁性感應層所迭置而成。其中磁性感應層膜面的材料是使用垂直磁化異向性(perpendicular magnetic anisotropy,以下稱PMA)材質,其易軸(easyaxis)的方向是垂直于磁性感應層，即是沿著Z軸的方向，而磁性感應層的水平面一般稱為X、Y平面。本發明提出可感應Z軸地磁的結構。電子羅盤可以采用本發明所提出的結構而解決聞制造成本等問題。根據本發明，磁性材料在小于某一厚度后會因熱擾動而呈現超順磁(superparamagnetic)的特性,使其微磁矩方向在零磁場環境下呈現混亂排列，因此在沒有外加磁場時其總和磁矩為零。當有外加磁場時，其磁矩(magnetic moment)會隨外加磁場呈現變化，而磁化強度(magnetization)在零磁場附近會有一大范圍的線性區域,最后會達飽和。所述磁化強度也稱為磁矩向量。如果MTJ元件的感應層是超順磁，固定層的磁矩向量垂直膜面，且零磁場的磁阻在中間態，則磁阻值會與垂直膜面的軸向(Z軸)的磁場有一線性感應區域。此磁阻值不會隨著與膜面呈水平的軸向(X、Y軸)的磁場而變化，因此可用于感應Z軸磁場，此磁場的方向是與固定層磁矩同軸向。圖1A是依據本發明一實施例所繪示一種磁感應器的剖面示意圖。磁感應器包含垂直式MTJ元件，而此MTJ元件主要包含固定磁性層100、穿隧層102以及磁性感應層104所迭置。另外，依據實際設計需求，在磁性感應層104上也可以有一頂蓋層(cappedlayer) 106。磁性感應層104是使用垂直磁化異向性(PMA)材質，且厚度是設定在具有超順磁特性的厚度范圍內。其磁化強度在垂直方向的變化是與外部磁場的垂直(Z軸)磁場的變化有高靈敏度的線性相依關系，因此可以感應Z軸的磁場。固定磁性層100可以為一單一膜層，或是多層膜所合成的人造反鐵磁層(SAF，Synthetic antiferromagnet)。本實施例先以人造反鐵磁層的結構為例,其稍后會于圖2做詳細的說明。憑借對MTJ元件量取磁阻值，可以得知Z軸方向的磁場大小。在無外部磁場的磁阻值趨近于中間態。因為固定層的磁矩方向與感應層的磁矩方向在平行態與反平行態是兩個極值，因此磁阻值相對于中間態的正負值代表磁場在Z軸的方向與大小。由于固定磁性層100的兩層鐵磁層與磁性感應層104的距離不同，因此固定磁性層100的這兩層鐵磁層的磁化強度如果維持相同的話，在磁性感應層104就會產生不等程度的磁場。亦即，固定磁性層100對磁性感應層104施加的總磁場不為零，使得磁阻值的中間態不是在零磁場的狀態。對于此問題，可以憑借調整固定磁性層100的這二層鐵磁層的磁化強度，以降低元件磁阻對垂直(Z軸)磁場感應曲線的偏移量。于本實施例中，磁化強度的調整可以利用改變鐵磁層的厚度或膜層結構來調整。圖1B是依據本發明一實施例繪示圖1A的磁感應器在超順磁特性的狀態下，磁阻值與磁場的關系示意圖。參閱圖1B，其橫軸是圖1A的Z軸上的磁場H的大小，縱軸是圖1A的MTJ元件的磁阻值變化。在零磁場區域，磁阻值是隨磁場H的大小有線性變化。因此，操作在此零磁場區域的磁感應器可以感應Z軸上的磁場H。于此，虛線是固定磁性層100尚未修正的情形下，磁場對磁阻感應曲線所產生的偏移的其中一種現象，而實線是固定磁性層100修正后理想的磁阻感應曲線。圖2繪示圖1A的人造反鐵磁層(即固定磁性層100)的剖面結構示意圖。參閱圖2，垂直式的人造反鐵磁層100的基本結構包含一第二鐵磁層100a、一非磁性金屬層IOOb與第一鐵磁層100c。第二鐵磁層IOOa有垂直方向的一磁化強度120。要調整磁化強度120,例如可以憑借調整第二鐵磁層IOOa的厚度來達成。第二鐵磁層IOOa是人造的鐵磁層，一般會形成于一基板90上。非磁性金屬層IOOb配置在第二鐵磁層IOOa上。第一鐵磁層IOOc配置在非磁性金屬層IOOb上。第一鐵磁層IOOc具有垂直方向的一磁化強度122。要調整磁化強度122，例如可以憑借調整第一鐵磁層IOOc的厚度來達成。所述磁化強度120的磁矩方向與磁化強度122的磁矩方向互為反平行。再利用半導體制程的方式配合后續的迭層結構，制成磁性穿隧元件(例如圖1A的穿隧層102)。要調整固定磁性層100對磁性感應層104施加的總磁場強度,例如可以簡單控制第二鐵磁層100a、非磁性金屬層100b、第一鐵磁層IOOc與/或穿隧層102的厚度或膜層結構來達成。又，人造反鐵磁層100也不限于三層的結構，可以在增加更多層膜來組成。于本實施例中，非磁性金屬層IOOb為Ru、Ir或其他非磁性的金屬，而非磁性金屬層IOOb的上下層為PMA材料的鐵磁層100a、100c。本實施例所使用的PMA材料可以是Co/N1、Co/Pt、Co/Pd或其他多層膜，或是CoPt、CoPd、FePt或其他合金，或是如MgO (或AlOx) /CoFeB、MgO (或A10x)/Co、MgO(或 AlOx)/Fe 等界面誘導(Interfacial-1nduced)PMA 材料。又或是，前述各種PMA材料的混合組合。在本實施例中，人造反鐵磁層100在磁性感應層104上所產生的磁場降低元件磁阻對垂直(Z軸)磁場感應曲線的偏移量，例如使得圖1B中實線，其磁阻中間態會在零磁場的位置。繼續參考圖1A，穿隧層102的材質可以是氧化物，例如是氧化鋁、氧化鎂、氧化鈦等。磁性感應層104的結構是足夠薄的PMA材料，以達到超順磁特性,例如10至11埃(A)的CoFeB覆蓋5至10埃(A )的Ta。此結構在360°C下經過2hr的退火后呈現超順磁特性。之后可以在MTJ元件上鍍制頂蓋層106。完成頂蓋層106的鍍膜制程后再進行后退火步驟。然后進行微影與蝕刻步驟完成MTJ元件。視實際設計需求，MTJ元件外表可以覆蓋絕緣介電層，以保護MTJ元件。就晶片電路而言，其會后續完成MTJ元件上方的金屬配線步驟。圖3繪示垂直式的MTJ元件的超順磁的線性特性示意圖。MTJ元件的迭層結構以Ta30/Mg012/CoFeB/Tal0/Ru30/Tal00的迭層結構為例，其中CoFeB是構成PMA磁性感應層
104的材料。材料后面的數字代表以埃(人)為單位的厚度。圖3的橫軸代表相關方向的磁場大小，縱軸是磁化強度。當CoFeB的厚度大于超順磁臨界厚度時，其磁場對磁化強度的特性繪示于方塊130中。當CoFeB的厚度小于超順磁臨界厚度時，其磁場對磁化強度的特性繪示于方塊132中。于方塊130中，上圖是代表X、Y面(水平面，In-plane)上對應水平(X、Y軸)磁場的變化，下圖是代表在Z軸上對應垂直(Z軸)磁場的變化。當CoFeB的厚度大于超順磁臨界厚度，其水平方向(X、Y軸)的磁化強度的變化在零磁場附近雖然是線性變化，但是不靈敏。在Z軸上的磁化強度的變化雖然對磁場有足夠的靈敏度，但在零磁場附近有磁滯回路，不是線性關系。于方塊132中，上圖是代表X、Y面上對應水平(X、Y軸)磁場的變化，下圖是代表在Z軸上對應垂直(Z軸)磁場的變化。當CoFeB的厚度小于超順磁臨界厚度，例如是11 A，其水平方向(X、Y軸)的磁化強度的變化更不靈敏，但是在Z軸上的磁化強度的變化對磁場有足夠的靈敏度，且在零磁場附近有線性關系。如此，垂直式的MTJ元件是可以準確感應垂直方向(z軸)的磁場而不受水平(X、Y軸)磁場分量的干擾，以組成單軸的磁感應器。從方塊132的磁化強度的變化來看，X、Y軸上的敏感度很低，而在Z軸上的敏感度相對地很靈敏。經實驗證實PMA材料在厚度很薄時也會呈現超順磁特性，但其磁場感應特征與前述IMA超順磁特性相反。PMA薄膜在很薄時所呈現的超順磁在Z軸感應度很好，如方塊132的現象，但在X、Y軸(In-Plane)感應很不敏感。本發明利用此一特性提出一 Z軸磁性感應MTJ元件，此一元件結構示以PMA超順磁為磁性感應層，固定層軸向為PMA。另外可以利用在磁性感應層另一側與固定層相反的另一層PMA固定層來調正元件磁阻對垂直(Z軸)磁場感應曲線的對稱性，降低元件磁阻對垂直(Z軸)磁場感應曲線的偏移量。如此，Z軸的阻值對磁場的變化會呈現一高敏感度的線性區，但對X、Y軸則無變化，因此可用來感應Z軸磁場。以下描述要調整在磁性感應層104上所產生降低元件磁阻對垂直(Z軸)磁場感應曲線的偏移量的多種方式。圖4是依據本發明另一實施例繪示MTJ元件的剖面結構示意圖。參閱圖4,本實施例以圖1A所示的MTJ元件的結構為基礎，可以在磁性感應層104與頂蓋層106之間在加上一磁場偏壓層110與非磁性中間層108。磁場偏壓層110具有一磁化強度(偏壓磁場)112,以調整固定磁性層100施加在磁性感應層104的磁場。磁化強度112的方向垂直于磁場偏壓層110。磁化強度112例如是與第一鐵磁層IOOc的磁化強度122的方向相反。于此狀況，第二及第一鐵磁層IOOa與IOOc的磁化強度120、122可以等強度。磁化強度120、122施加在磁性感應層104的磁場由于距離所產生的差異可以由磁化強度112做修正。又，磁場偏壓層110與磁性感應層104之間的非磁性中間層108可以是低阻值的薄氧化層，也可以是非磁性金屬。又，本實施例的磁場偏壓層110是單層結構，但是也可以是人造反鐵磁層的多層結構。例如，圖5是依據本發明又一實施例繪示MTJ元件的剖面結構示意圖。本實施例可以參照圖4的相關說明。不同于圖4所示實施例之處，在于圖5所示實施例是以另一個人造反鐵磁層實現磁場偏壓層110。請參閱圖5，磁場偏壓層110包含第一鐵磁層110a、非磁性金屬層IlOb與第二鐵磁層110c。第一鐵磁層110a、非磁性金屬層IlOb與第二鐵磁層IlOc的實施細節可以參照圖2中關于固定磁性層100的相關說明而類推之。第一鐵磁層IlOa與第二鐵磁層IlOc的磁化強度是互為反平行，而構成反鐵磁的狀態。第一及第二鐵磁層IlOaUlOc施加在磁性感應層104的總磁場方向是反平行于第一及第二鐵磁層100a、IOOc施加在磁性感應層104的總磁場方向。于此結構,基于調整固定磁性層100與磁場偏壓層Iio各自施加在磁性感應層104的總磁場，以得到磁場平衡。圖6是依據本發明更一實施例繪示MTJ元件的剖面結構示意圖。本實施例可以參照圖1A至圖5的相關說明。不同于圖5所示實現方式，圖6所示實施例將以單層的固定磁性層200取代圖5的固定磁性層100，以及以單層的磁場偏壓層202取代圖5的磁場偏壓層110。于圖6所示實施例中，固定磁性層200與磁性偏壓層202的磁化強度是相互反平行，以使在磁性感應層104在Z軸方向降低元件磁阻對垂直(Z軸)磁場感應曲線的偏移量，例如使所產生的Z軸總磁場趨近于零。Z軸總磁場也是指垂直膜面磁場的總和。從前述的多個實施例可以看出，要調整在磁性感應層104的總磁場的方式，可以有不同變化，不局限于特定的方式。而實施例之間也可以相互適當結合。以下進一步描述根據垂直式MTJ元件來達成三維磁場的感應，如此以達到磁場的三維量測，有利于各種應用。圖7A是依據本發明一實施例繪示一種三維磁場感應器結構示意圖。請參閱圖7A,三維磁場感應器用于感應一外部磁場(例如地磁)的三維(X、Y、Z軸)分量。本實施例采用一磁場集中元件(magnetic concentrator) 300,用以將外部磁場集中。磁場集中元件300的一延伸面(或水平面，in-plane)有一 X軸與一 Y軸,垂直于該延伸面有一 Z軸。外部磁場的三維分量以Bx、By、Bz表示。在圖7A是針對磁場集中元件300在X、Z平面上的偏折變化，以及在X軸上的兩個垂直式MTJ元件302、304的配置。所述MTJ元件302、304的實現方式可以參照前述圖1A至圖6的相關說明。在磁場集中元件300的磁場集中效應下，外部磁場的水平分量(例如在X軸的磁場Bx)會被偏轉到Z軸上，但是在磁場集中元件300左右等距離的對稱的兩個位置上會產生正Z方向與負Z方向的差異。在此兩個位置分別設置兩個垂直式MTJ元件302、304。垂直式MTJ元件302會感應到一磁阻值Rl，同時垂直式MTJ元件304會感應到另一磁阻值R2。其中，磁阻值Rl與磁阻值R2分別為下述式I與式2:Rl = a*Bx+b*Bz式 I ;R2 = _a*Bx+b*Bz式 2， 其中a、b是磁場集中元件300在X軸上的磁場集中特性系數。在磁感應器的電路晶片內或是外部電路，可以進行簡單的代數運算得到Bx與Bz。同理，在Y軸上也可以運算得到By與Bz。圖7B是依據本發明實施例繪示圖7A所示三維磁場感應器結構的下視(俯視)示意圖。圖7B所示實施例中除了圖7A所示兩個垂直式MTJ元件302、304之外，在Y軸上磁場集中元件300的對稱位置也設置了兩個垂直式MTJ元件306、308。所述MTJ元件306、308的實現方式可以參照前述圖1A至圖6的相關說明。依照圖7A所說明的機制而類推之，MTJ元件306、磁場集中元件300與MTJ元件308亦有相類似的操作和功能。磁場集中元件300可以將外部磁場的另一水平分量(例如在Y軸的磁場By)偏轉到Z軸上。因此，垂直式MTJ元件306會感應到一磁阻值R3，同時垂直式MTJ元件308會感應到另一磁阻值R4。其中，磁阻值R3與磁阻值R4分別為下述式3與式4:R3 = c*By+d*Bz式 3 ；R4 = _c*By+d*Bz式 4，其中c、d是磁場集中元件300在Y軸上的磁場集中特性系數。于本實施例中,磁場集中元件300可以是圓碟，直角對稱的結構。由于原點對稱結構的調整，可以簡化磁場集中特性系數而使a = c且b = d。將Rl到R4代入上述式1、式2、式3與式4，即可以計算出此外部磁場的X軸分量Bx、Y軸分量By與Z軸分量Bz。在另一種實例中，三維磁場感應器包括至少一個垂直式MTJ元件與至少一個水平式MTJ元件。所述垂直式MTJ元件的實現方式可以參照前述圖1A至圖6的相關說明。所述水平式MTJ元件可以是任何形式水平X、Y軸向磁場感應器，包括傳統磁場感應器。所述垂直式MTJ元件可以感應外部磁場的Z軸分量Bz。所述水平式MTJ元件可以感應所述外部磁場的Y軸分量By與Z軸分量Bz。
本發明提出垂直式MTJ元件，其磁性感應層104是在超順磁的特性下操作，以感應垂直方向的場。對于三維磁場的感測應用而言，垂直式MTJ元件可以在配合磁場集中元件300或是水平式MTJ元件進行量測。本發明的技術內容及技術特點已如上公開，在不背離本發明精神及其實質的情況下，熟悉本領域的技術人員可根據本發明作出各種相應的改變和變形，但這些相應的改變和變形都應屬于本發明所附的權利要求的保護范圍。
權利要求
1.一種磁感應器，適用于感應一外部磁場，該磁感應器包括: 一磁性穿隧接面元件，用以感應該外部磁場在垂直于該磁性穿隧接面元件的一垂直(Z軸)磁場分量，其中該磁性穿隧接面元件包括: 一固定磁性層，有一固定磁矩垂直于該固定磁性層； 一穿隧層，設置于該固定磁性層上；以及 一磁性感應層，設置于該穿隧層上，其中該磁性感應層有一預定厚度使一磁矩變化處于一超順磁特性，其中該超順磁特性是對垂直于該磁性感應層的一垂直(Z軸)磁場靈敏度高于一水平(X、Y軸)磁場靈敏度，以相對較靈敏感應垂直于該磁性感應層的該外部磁場的垂直(Z軸)磁場分量，其中該固定磁性層、該穿隧層、該磁性感應層是依序或是反依序迭置。
2.如權利要求1所述的磁感應器，其中該固定磁性層是垂直式人造反鐵磁結構，包括堆迭的一第一鐵磁層、一非磁性金屬層以及一第二鐵磁層，其中該第一鐵磁層比該第二鐵磁層更接近該磁性感應層，該第一鐵磁層有一第一磁化強度，該第二鐵磁層有一第二磁化強度，且第一磁化強度與該第二磁化強度是反平行。
3.如權利要求2所述的磁感應器，其中該第一磁化強度比該第二磁化強度小，以降低該磁性穿隧接面元件的磁阻對垂直(Z軸)磁場感應曲線的偏移量。
4.如權利要求1所述的磁感應器，還包括: 一磁場偏壓層，設置在該磁性感應層上方，與該固定磁性層相對，其特征在于，該磁場偏壓層提供垂直于該磁場偏壓層的一偏壓磁場，以配合該固定磁性層以降低該磁性穿隧接面元件的磁阻對垂直(Z軸)磁場感應曲線的偏移量。
5.如權利要求4所述的磁感應器 ，其中該磁場偏壓層的該偏壓磁場與該固定磁性層的該固定磁場是反平行。
6.如權利要求4所述的磁感應器，其中該磁場偏壓層是垂直式人造反鐵磁結構，包括堆迭的一第一鐵磁層、一非磁性金屬層以及一第二鐵磁層， 其中該第一鐵磁層比該第二鐵磁層更接近該磁性感應層，該第一鐵磁層有一第一磁化強度，該第二鐵磁層有一第二磁化強度，且第一磁化強度與該第二磁化強度是反平行。
7.如權利要求4所述的磁感應器，其中該磁場偏壓層是單層結構。
8.如權利要求1所述的磁感應器，其中該固定磁性層是單層結構。
9.如權利要求1所述的磁感應器，還包括: 一水平式磁性穿隧接面元件，用以感應該外部磁場的一水平(x、Y軸)磁場分量。
10.如權利要求1所述的磁感應器，其中該磁性穿隧接面元件還包括: 一頂蓋層，設置于該磁性感應層上。
11.一種磁感應器,用于感應一外部磁場，包括: 一磁場集中兀件，用以將該外部磁場集中，其中在該磁場集中兀件的一延伸面有一 X軸與一 Y軸，垂直該延伸面有一 Z軸，在該X軸上有一第一位置與一第二位置，在該Y軸上有一第三位置與一第四位置；以及 第一到第四磁性穿隧接面元件，分別設置在該磁場集中元件的該第一到第四位置上，以分別感應在該Z軸方向上的一第一感應量、一第二感應量、一第三感應量以及一第四感應量;其中所述第一到第四磁性穿隧接面元件的其中至少一個磁性穿隧接面元件包括: 一固定磁性層，有一固定磁場垂直于該固定磁性層； 一穿隧層，設置于該固定磁性層上；以及 一磁性感應層，設置于該穿隧層上，其中該磁性感應層有一預定厚度使一磁矩變化處于一超順磁特性，其中垂直于該磁性感應層的一垂直(Z軸)磁場靈敏度高于一水平(X、Y軸)磁場靈敏度，以相對較靈敏感應該外部磁場所產生在垂直于該磁性感應層的一垂直(Ζ軸)磁場分量，其中該固定磁性層、該穿隧層、該磁性感應層是依序或是反依序迭置。
12.如權利要求11所述的磁感應器，其中該第一感應量為a*Bx+b*Bz，該第二感應量為_a*Bx+b*Bz，該第三感應量為c*By+d*Bz，該第四感應量為_c*By+d*Bz，其中a、b、c、d是該磁場集中元件的多個磁場集中特性系數，Bx、By、Bz是該外部磁場在該X軸、該Y軸、該Z軸的三個磁場分量，根據該第一到第四感應量的計算所得。
13.如權利要求12所述的磁感應器，其中該磁場集中元件是對稱結構，且這些磁場集中特性系數是a = c以及b = d。
14.如權利要求11所述的磁感應器，其中該固定磁性層是垂直式人造反鐵磁結構，包括堆迭的一第一鐵磁層、一非磁性金屬層以及一第二鐵磁層，其中該第一鐵磁層比該第二鐵磁層更接近該磁性感應層，該第一鐵磁層有一第一磁化強度，該第二鐵磁層有一第二磁化強度，且第一磁化強度與該第二磁化強度是反平行。
15.如權利要求14所述的磁感應器，其中該第一磁化強度比該第二磁化強度小，以降低該磁性穿隧接面元件的磁阻對垂直(Z軸)磁場感應曲線的偏移量。
16.如權利要求11所述的磁感應器，其中所述第一到第四磁性穿隧接面元件中的該磁性穿隧接面元件還包括: 一磁場偏壓層，設 置在該磁性感應層上方，與該固定磁性層相對，其中該磁場偏壓層提供垂直于該磁場偏壓層的一偏壓磁場，以配合該固定磁性層降低該磁性穿隧接面元件的磁阻對垂直(Z軸)磁場感應曲線的偏移量。
17.如權利要求16所述的磁感應器，其中該磁場偏壓層的該偏壓磁場與該固定磁性層的該固定磁場是反平行。
18.如權利要求16所述的磁感應器，其中該磁場偏壓層是垂直式人造反鐵磁結構，包括堆迭的一第一鐵磁層、一非磁性金屬層以及一第二鐵磁層， 其中該第一鐵磁層比該第二鐵磁層更接近該磁性感應層，該第一鐵磁層有一第一磁化強度，該第二鐵磁層有一第二磁化強度，且第一磁化強度與該第二磁化強度是反平行。
19.如權利要求16所述的磁感應器，其中該磁場偏壓層是單層結構。
20.如權利要求11所述的磁感應器，其中該固定磁性層是單層結構。
全文摘要
一種磁感應器，適用于感應一外部磁場，包括一磁性穿隧接面元件。磁性穿隧接面元件用以感應該外部磁場在垂直于磁性穿隧接面元件的一垂直(Z軸)磁場分量，包括一第一固定磁性層、一穿隧層以及一磁性感應層。第一固定磁性層有一固定磁化強度，垂直于該第一固定磁性層。穿隧層設置于該第一固定磁性層上。磁性感應層，設置于該穿隧層上，其中該磁性感應層有一預定厚度使一磁矩變化處于對垂直于磁性感應層的垂直(Z軸)磁場靈敏度高于水平(X、Y軸)磁場靈敏度的超順磁特性，以靈敏感應垂直于感應層的該外部磁場的垂直(Z軸)磁場。該固定磁性層、該穿隧層、該磁性感應層是依序或是反依序迭置。
文檔編號G01R33/09GK103185872SQ20121006681
公開日2013年7月3日 申請日期2012年3月13日 優先權日2011年12月28日
發明者沈桂弘 申請人:財團法人工業技術研究院