TW201634948A - 用於磁場感測之穿隧磁阻裝置 - Google Patents

Abstract

本發明是一種用以感測磁場之穿隧磁阻(TMR)裝置，包括：第一TMR感測器，由具有固定層及自由層之第一及第二磁性穿隧接面(MTJ)元件並聯而成。該第一及該第二MTJ元件之該等固定層具有處於第一固定方向上的固定磁矩；該第一及該第二MTJ元件之該等自由層具有分別平行和反平行於第一易軸的第一自由磁矩和第二自由磁矩。

Description

用於磁場感測之穿隧磁阻裝置

本發明係有關於磁場感測技術，特別係有關用於磁場感測之穿隧磁阻裝置。

電子羅盤已設置於各種電子產品中以用於改進性能。舉例來說，電子羅盤可用於全球定位系統(GPS)中以改進感測能力。GPS中的前進方向是通過物體的移動來確定。然而，當速度慢或甚至處於靜止位置時，GPS便無法精確地確定方位。電子羅盤則可提供方位角資訊以幫助確定方向。

各種方式感測磁場的機制已被提出，例如典型的霍爾元件(Hall device)或磁阻元件(magneto-resistive device)。磁阻元件包括異向性磁電阻器(anisotropic magneto-resistor，AMR)、巨磁電阻器(giant magneto-resistor，GMR)和穿隧式磁電阻器(tunneling magneto-resistor，TMR)的磁阻元件，具有比霍爾元件靈敏度大的優點，且其後端製程也容易與CMOS的前端製程相整合。

第1A圖至第1B圖顯示為用於磁場感測器95的典型穿隧式磁電阻器之示意圖，其包括：由導電金屬形成的底板作為形成於基板90上的底部電極102；磁性穿隧接面(Magnetic Tunneling Junction，MTJ)元件110，形成於底部電極102上；及由導電材料形成的頂板作為形成於磁性穿隧接面元件110的頂部電極106。從磁性穿隧接面元件的結構圖案，我們可以定義一相交點於中心處的十字形線，其中較長的線稱為長軸101，且較短的線稱為短軸103，另外，稱作易軸(easy-axis)180的線與長軸101共線。磁性穿隧接面元件110包括固定層112、穿隧層115和自由層116，其中磁性穿隧接面元件110設置於底部電極102與頂部電極106之間。磁性材料的固定層112形成於底部電極102上，且具有與一固定方向平行的第一固定磁距114。非磁性材料穿隧層115形成於固定層112上。磁性材料的自由層116形成於穿隧層115上，且具有在初始時與易軸180平行的第一自由磁距118。

在形成磁性穿隧接面元件之後，例如是磁性薄膜堆疊和圖案蝕刻後，通過在退火製程期間施加一固定方向為與易軸180垂直的磁場。於退火製程之後，第一固定磁矩114將會平行所述磁場的方向，而磁性穿隧接面元件110的形狀異向性會使第一自由磁距118傾向與易軸平行。因此，穿隧式磁電阻器的磁場感測方向垂直於基板的易軸180。

通過異向性磁電阻器或甚至巨磁電阻器，可以實現集成式的水平雙軸磁場感測器，但其佔據面積大小相當大。由於其極低的電阻率，元件長度必須足夠長以達到可用於感測磁場的值。第2A圖至第2B圖為全範圍與半範圍惠斯頓電橋電路(Wheatstone bridge circuit)的示意圖式。如第2A圖所示，惠斯頓電橋電路是一般常採用來將感測訊號轉換為電子信號 的方法。對於異向性磁電阻器磁性感測器，電橋的每個元件R11、R21、R12、R22都是串聯連接的一些具有螺絲紋條狀桿偏壓結構的異向性磁電阻器，且任何相鄰元件上的短路條狀桿的角度(shorting bar angle)都互補，使得電橋對稱且能全範圍操作。然而，對於巨磁電阻器或穿隧式磁電阻器磁場感測器，由於其對稱的磁阻與磁場特性，因此兩個元件R21、R12必須被遮蔽(如第2B圖所示)僅使用半範圍操作。由於穿隧式磁電阻器的磁阻比較高，不對稱的半範圍操作會導致電橋輸出失去線性度(linearity)和準確度。

本發明提出一種用於磁場感測之穿隧磁阻(TMR)裝置，包括：第一TMR感測器，由具有固定層及自由層之第一及第二磁性穿隧接面(MTJ)元件並聯而成；該第一及該第二MTJ元件之該等固定層具有處於第一固定方向上的固定磁矩；該第一及該第二MTJ元件之該等自由層具有分別平行和反平行於第一易軸的第一自由磁矩和第二自由磁矩。

本發明提出另一種用於磁場感測之穿隧磁阻(TMR)裝置，包括：第一TMR感測器，由具有固定層及自由層之第一及第二MTJ元件並聯而成；第二TMR感測器，由具有固定層及自由層之第三及第四MTJ元件並聯而成；第三TMR感測器，由具有固定層及自由層之第五及第六MTJ元件並聯而成；以及第四TMR感測器，由具有固定層及自由層之第七及第八MTJ元件並聯而成。

其中，該第一及該第二MTJ元件之該等固定層具有 處於第一固定方向上的固定磁矩；該第一及該第二MTJ元件之該等自由層具有分別平行和反平行於第一易軸的第一自由磁矩和第二自由磁矩；其中，該第一與該第四TMR感測器的第一端連接至一第一電壓節點；該第三與該第二TMR感測器的第一端連接至一第二電壓節點；該第一與該第三TMR感測器的第二端連接一起，該第二與該第四TMR感測器的第二端連接一起；該第三及該第四MTJ元件之該等固定層具有處於該第一固定方向上的固定磁矩；該第三及該第四MTJ元件之該等自由層具有分別平行和反平行於該第一易軸的第三自由磁矩和第四自由磁矩。

其中，該第一自由磁矩與該第一固定磁矩間有第一角度α，該第三自由磁矩與該第三固定磁矩間有該第一角度α；該第二自由磁矩與該第二固定磁矩間有第二角度π-α，該第四自由磁矩與該第四固定磁矩間有該第二角度π-α；α不等於零。

本發明提出的穿隧磁阻(TMR)裝置，所使用的各個TMR感測器，係由具有固定層及自由層之第一及第二磁性穿隧接面(MTJ)元件並聯而成，且該第一和該第二MTJ元件內的自由磁矩和固定磁矩的夾角是互補的(α、π-α)，因此用於磁場感測時，在可容許的感測範圍內，該TMR感測器的電導值與所感測外部磁場是呈線性變化的。

95‧‧‧磁場感測器

90‧‧‧基板

102‧‧‧底部電極

110‧‧‧磁性穿隧接面元件

106‧‧‧頂部電極

101‧‧‧長軸

103‧‧‧短軸

180‧‧‧易軸

112‧‧‧固定層

115‧‧‧穿隧層

116‧‧‧自由層

112‧‧‧固定層

114‧‧‧第一固定磁距

118‧‧‧第一自由磁距

R11、R21、R12、R22‧‧‧電橋元件

200‧‧‧TMR參考單元

201、202‧‧‧磁性穿隧接面

201fm‧‧‧第一自由磁矩

201pm‧‧‧第一固定磁矩

202fm‧‧‧第二自由磁矩

202pm‧‧‧第一固定磁矩

204‧‧‧上電極

203‧‧‧下電極

205‧‧‧基板

206‧‧‧導線

207‧‧‧電流方向

201a‧‧‧第一固定層

201b‧‧‧第一穿隧層

201c‧‧‧第一自由層

202a‧‧‧第二固定層

202b‧‧‧第二穿隧層

202c‧‧‧第二自由層

50、60、70、80‧‧‧TMR裝置

51-54‧‧‧第一至第四TMR感測器

511-512‧‧‧第一至第二MTJ元件

523-524‧‧‧第三至第四MTJ元件

535-536‧‧‧第五至第六MTJ元件

547-548‧‧‧第七至第八MTJ元件

511pm-548pm‧‧‧第一至第八固定磁矩

511fm-548fm‧‧‧第一至第八自由磁矩

dir1(第5A圖)‧‧‧第一易軸方向

dir2(第5A圖)‧‧‧第一固定方向、第二易軸方向

63-64‧‧‧第三至第四TMR感測器

635-636‧‧‧第五至第六MTJ元件

647-648‧‧‧第七至第八MTJ元件

635pm-648pm‧‧‧第五至第八固定磁矩

635fm-648fm‧‧‧第五至第八自由磁矩

dir1(第6A圖)‧‧‧第一易軸方向

dir2(第6A圖)‧‧‧第一固定方向

dir3(第6A圖)‧‧‧第三易軸方向

71-74‧‧‧第一至第四TMR感測器

711-712‧‧‧第一至第二MTJ元件

723-724‧‧‧第三至第四MTJ元件

735-736‧‧‧第五至第六MTJ元件

747-748‧‧‧第七至第八MTJ元件

711pm-748pm‧‧‧第一至第八固定磁矩

711fm-748fm‧‧‧第一至第八自由磁矩

dir1(第7A圖)‧‧‧第一固定方向

dir2(第7A圖)‧‧‧第二固定方向、第一易軸方向

83-84‧‧‧第三至第四TMR感測器

835-836‧‧‧第五至第六MTJ元件

847-848‧‧‧第七至第八MTJ元件

835pm-848pm‧‧‧第五至第八固定磁矩

835fm-848fm‧‧‧第五至第八自由磁矩

dir1(第8A圖)‧‧‧第一固定方向

dir2(第8A圖)‧‧‧第二固定方向、第一易軸方

dir3(第8A圖)‧‧‧第三固定方向

VDD‧‧‧電壓節點

GND‧‧‧參考接地

VA、VB‧‧‧測試點

H‧‧‧外加磁場

第1A圖至第1B圖顯示為用於磁場感測器95的典型穿隧式 磁電阻器之示意圖。

第2A圖至第2B圖為全範圍與半範圍惠斯頓電橋電路(Wheatstone bridge circuit)的示意圖。

第3A~3B圖為根據本發明之一實施例之TMR感測器200之上視圖及剖面圖。

第4A~4B圖所示為TMR感測器200的該電導(G：(任意單位))對應於外加磁場的變化。

第5A圖顯示依據本發明之具有橋式結構的TMR裝置50。

第5B圖顯示第5A圖之TMR裝置50的輸出電壓值(Vout)在不同的角度α下，與外加磁場H的關係圖。

第6A圖顯依據本發明之示具有橋式結構的TMR裝置60。

第6B圖顯示第6A圖之TMR裝置60的輸出電壓值(Vout)在不同的角度α下，與外加磁場H的關係圖。

第7A圖顯示依據本發明之具有橋式結構的TMR裝置70。

第7B圖顯示第7A圖之TMR裝置70的輸出電壓值(Vout)在不同的角度α下，與外加磁場H的關係圖。

第8A圖顯示依據本發明之具有橋式結構的TMR裝置80。

第8B圖顯示第8A圖之TMR裝置80的輸出電壓值(Vout)在不同的角度α下，與外加磁場H的關係圖。

以下將詳細討論本發明各種實施例之製造及使用方法。然而值得注意的是，本發明所提供之許多可行的發明概念可實施在各種特定範圍中。這些特定實施例僅用於舉例說明本發明之製造及使用方法，但非用於限定本發明之範圍。

以下所述，本發明用於磁場感測之穿隧磁阻(TMR)裝置。根據本發明之一實施例，第3A圖及第3B圖所示為TMR裝置內的一TMR感測器之一上視圖及沿著易軸上A-A’及B-B’方向線段之一剖面圖。

在第3A圖及第3B圖中，該TMR感測器200有一第一MTJ(磁性穿隧接面)元件201及一第二MTJ元件202。一下電極203設置在一基板205上且該第一MTJ元件201及該第二MTJ元202也設置在該基板上。一上電極204設置在該第一及第二MTJ元件201及202上，因此該第一MTJ元件201與該第二MTJ元件202並聯。

該第一MTJ元件201包括由磁性物質形成的一第一固定層201a設置在該下電極203上且具有一第一固定磁矩201pm。由非磁性物質形成的第一穿隧層201b設置在該第一固定層201a上。由磁性物質形成的一第一自由層201c設置在該第一穿隧層201b上且具有一第一自由磁矩201fm。該上電極204連接到該第一自由層201c。

該第二MTJ元件202包括由磁性物質形成的一第二固定層202a設置在該下電極203上以且具有一第二固定磁矩202pm。由非磁性物質所形成的一第二穿隧層202b設置在該第二固定層202a上。由磁性物質所形成的一第二自由層202c設置在該第二穿隧層202b上且有一第二自由磁矩202fm。該上電極204與該第二自由層202c相連。

該第一及第二MTJ元件201及202透過相同的製程同時製造出來，且該第一及第二MTJ元件201及202的該等易軸 (長軸)為平行。在退火製程期間，在一固定方向上施加磁場，使該第一及第二MTJ元件201及202的該第一及第二固定層201a及202a有著相同的磁矩方向。因此，該第一及第二固定磁矩201pm及202pm均為平行該固定方向。

設定該自由層201c及202c的該等磁矩方向的方式為透過一安培場，其中該安培場是由流經過該導線206的電流所產生，其中該導線206設置在該第一及第二MTJ元件201及202的上方或下方。數字207表示用以設定該等自由磁矩初始方向之該導線206中電流的方向。如第3A圖所示，在施加該安培場後，該第一自由磁矩201fm與該第二自由磁矩202fm互為反平行，亦即該第一和該第二自由磁矩201fm和202fm分別平行和反平行於該易軸。此外，該第一自由磁矩201fm和該第一固定磁矩201pm兩者間有一第一角度α，該第二自由磁矩201fm和該第二固定磁矩202pm間有一第二角度π-α。

第4A圖與第4B圖顯示基於微電磁模擬，在與易軸垂直的方向上施加磁場H時，該TMR感測器200之電導值G(arb.unit：任意單位)變化。當該施加磁場在-20~+20Oe的範圍，如第4A圖所示(以α=75度為例)，該TMR感測器200的該電導值實質上是線性的；再如第4B圖所示，當第一角度α在-90~+90度間時，該TMR感測裝置200的各該電導值實質上仍是線性的。

第5A圖顯示具有橋式結構的TMR裝置50。該TMR裝置50，包括：第一TMR感測器51，由具有固定層及自由層之第一MTJ元件511及第二MTJ元件512並聯而成；第二TMR感測器52，由具有固定層及自由層之第三MTJ元件523及第四MTJ 元件524並聯而成；第三TMR感測器53，由具有固定層及自由層之第五MTJ元件535及第六MTJ元件536並聯而成；以及，第四TMR感測器54，由具有固定層及自由層之第七MTJ元件547及第八MTJ元件548並聯而成。該第一至該第八MTJ元件的結構如第3B圖所示，在此不再贅述；此外，為簡潔起見，用以設定自由磁矩方向的導線在此亦省略不圖示。

參照第5A圖，該第一及該第二MTJ元件511和512之該等固定層，分別具有處於第一固定方向(dir2)上的第一固定磁矩511pm和第二固定磁矩512pm。該第一及該第二MTJ元件511和512之該等自由層，具有分別平行和反平行於方向為dir1的第一易軸(或長軸)的第一自由磁矩511fm和第二自由磁矩512fm。

該第三及該第四MTJ元件523和524之該等固定層，分別具有處於該第一固定方向(dir2)上的第一固定磁矩523pm和第二固定磁矩524pm。該第三及該第四MTJ元件523和524之該等自由層，具有分別平行和反平行於該第一易軸的第一自由磁矩523fm和第二自由磁矩524fm。

該第五至該第八MTJ元件535、536、547及548之該等固定層具有處於該第一固定方向(dir2)上的固定磁矩535fm、536fm、547fm及548fm。該第五及該第七MTJ元件535和547之該等自由層具有與第二易軸平行的第五自由磁矩535fm和第七自由磁矩547fm，該第六及該第八MTJ元件之該等自由層具有與該第二易軸反平行的第六自由磁矩和第八自由磁矩。需注意，該第二易軸平行該第一固定方向dir2，該第一 與該第二易軸的方向(dir1、dir2)互不平行。

又，該第一至該第八MTJ元件的各個固定磁矩，係在單次退火處理中，輔以磁場的施加，以設定該等固定磁矩的方向。第5A圖中標示的角度α和π-α，係表單一MTJ元件內，固定磁矩和自由磁矩間的夾角。

此外，該第一與該第四TMR感測器(51和54)的第一端連接至一第一電壓節點(例如電壓節點VDD)；該第三與該第二TMR感測器(53和52)的第一端連接至一第二電壓節點(例如參考接地GND)；該第一與該第三TMR感測器(51和53)的第二端連接至測試點VB，該第二與該第四TMR感測器(52和54)的第二端連接至測試點VA。

第5B圖顯示第5A圖之TMR裝置50的輸出電壓值(Vout)在不同的角度α下，與外加磁場H的關係圖。如第5B圖所示，無論角度α在-45~+45時，該施加磁場在-20~+20Oe的範圍內，該等TMR裝置50在VA和VB端所量到輸出電壓Vout實質上是線性的。

第6A圖顯示具有橋式結構的TMR裝置60。在以下的說明，為簡明起見，與第5A圖相同的元件會以相同的符號或數字表示。

該TMR裝置60包括第一至第四TMR感測器(51、52、63、64)，該等TMR感測器之連接關係與第5A圖所述者相同。該TMR置60與第5A圖所示TMR裝置50的差異僅在於第三和第四TMR感測器(63、64)。

該第三TMR感測器63，由具有固定層及自由層之 第五MTJ元件635及第六MTJ元件636並聯而成；以及，該第四TMR感測器64，由具有固定層及自由層之第七MTJ元件647及第八MTJ元件648並聯而成。

參照第6A圖，該第五至該第八MTJ元件635、636、647及648之該等固定層具有處於該第一固定方向(dir2)上的固定磁矩635pm、636pm、647pm及648pm。該第五及該第七MTJ元件635和547之該等自由層具有與第三易軸(方向為dir3)平行的第五自由磁矩635fm和第七自由磁矩637fm，該第六及該第八MTJ元件(636、648)之該等自由層具有與該第三易軸反平行的第六自由磁矩636fm和第八自由磁矩638fm。在一實施例，該第三易軸(方向為dir3)係與該第一易軸(方向為dir1)垂直。

又，該第一至該第八MTJ元件的各個固定磁矩，係在單次退火處理中，輔以磁場的施加，以設定該等固定磁矩的方向。第6A圖中標示的角度α和π-α，係表單一MTJ元件內，固定磁矩和自由磁矩間的夾角。

第6B圖顯示第6A圖之TMR裝置60的輸出電壓值(Vout)在不同的角度α下，與外加磁場H的關係圖。如第5B圖所示，無論角度α在-45~+45時，該施加磁場在-20~+20Oe的範圍內，該等TMR裝置60在VA和VB端所量到輸出電壓Vout實質上是線性的。

第7A圖顯示具有橋式結構的TMR感測裝置70。該TMR裝置70，包括：第一TMR感測器71，由具有固定層及自由層之第一MTJ元件711及第二MTJ元件712並聯而成；第二TMR感測器72，由具有固定層及自由層之第三MTJ元件723及第四 MTJ元件724並聯而成；第三TMR感測器73，由具有固定層及自由層之第五MTJ元件735及第六MTJ元件736並聯而成；以及，第四TMR感測器74，由具有固定層及自由層之第七MTJ元件747及第八MTJ元件748並聯而成。該第一至該第八MTJ元件的結構如第3B圖所示，在此不再贅述；此外，為簡潔起見，用以設定自由磁矩方向的導線在此亦省略不圖示。

參照第7A圖，該第一及該第二MTJ元件711和712之該等固定層，分別具有處於第一固定方向(dir1)上的第一固定磁矩711pm和第二固定磁矩712pm。該第一及該第二MTJ元件711和712之該等自由層，具有分別平行和反平行於方向為dir2的第一易軸(或長軸)的第一自由磁矩711fm和第二自由磁矩712fm。

該第三及該第四MTJ元件723和724之該等固定層，分別具有處於該第一固定方向上的第一固定磁矩723pm和第二固定磁矩724pm。該第三及該第四MTJ元件723和724之該等自由層，具有分別平行和反平行於該第一易軸(方向dir2)的第一自由磁矩723fm和第二自由磁矩724fm。

該第五至該第八MTJ元件735、736、747及748之該等固定層具有處於一第二固定方向(方向同dir2)上的固定磁矩735pm、736pm、747pm及548pm。該第五及該第七MTJ元件735和747之該等自由層具有與該第一易軸平行的第五自由磁矩735fm和第七自由磁矩747fm，該第六及該第八MTJ元件(736、748)之該等自由層具有與該第一易軸反平行的第六自由磁矩736fm和第八自由磁矩748fm。該第一易軸平行該第二固定方 向。

此外，該第一與該第四TMR感測器(71和74)的第一端連接至一第一電壓節點(例如電壓節點VDD)；該第三與該第二TMR感測器(73和72)的第一端連接至一第二電壓節點(例如參考接地GND)；該第一與該第三TMR感測器(71和73)的第二端連接至測試點VB，該第二與該第四TMR感測器(72和74)的第二端連接至測試點VA。

又，該第一至該第八MTJ元件的各個固定磁矩，例如係在多軸向退火處理中，輔以多個磁場的施加，以分別設定該等固定磁矩的方向。第7A圖中標示的角度α和π-α，係表單一MTJ元件內，固定磁矩和自由磁矩間的夾角。

此外，該第一與該第四TMR感測器(71和74)的第一端連接至一第一電壓節點(例如電壓節點VDD)；該第三與該第二TMR感測器(73和72)的第一端連接至一第二電壓節點(例如參考接地GND)；該第一與該第三TMR感測器(71和73)的第二端連接至測試點VB，該第二與該第四TMR感測器(72和74)的第二端連接至測試點VA。

第7B圖顯示第7A圖之TMR裝置70的輸出電壓值(Vout)在不同的角度α下，與外加磁場H的關係圖。如第7B圖所示，無論角度α在-45~+45時，該施加磁場在-20~+20Oe的範圍內，該等TMR裝置50在VA和VB端所量到輸出電壓Vout實質上是線性的。

第8A圖顯示具有橋式結構的TMR感測裝置80。在以下的說明，為簡明起見，與第7圖相同的元件會以相同的符 號或數字表示。

該TMR裝置80包括第一至第四TMR感測器(71、72、83、84)，該等TMR感測器之連接關係與第7A圖相同。該TMR感測裝置80與第7A圖所示TMR感測裝置70的差異僅在於第三和第四TMR感測器(83、84)。

該第三TMR感測器83，由具有固定層及自由層之第五MTJ元件835及第六MTJ元件836並聯而成；以及，該第四TMR感測器84，由具有固定層及自由層之第七MTJ元件847及第八MTJ元件848並聯而成。

參照第8A圖，該第五至該第八MTJ元件835、836、847及848之該等固定層具有處於第三固定方向(dir3)上的固定磁矩835pm、836pm、847pm及848pm。該第五及該第七MTJ元件835和847之該等自由層具有與該第一易軸(方向為dir2)平行的第五自由磁矩835fm和第七自由磁矩847fm，該第六及該第八MTJ元件(836、848)之該等自由層具有與該第一易軸反平行的第六自由磁矩836fm和第八自由磁矩848fm。在一實施例，該第一固定方向(dir1)係與該第三固定方向(dir3)垂直。

又，該第一至該第八MTJ元件的各個固定磁矩，例如係在多軸向退火處理中，輔以多個磁場的施加，以分別設定該等固定磁矩的方向。第8A圖中標示的角度α和π-α，係表單一MTJ元件內，固定磁矩和自由磁矩間的夾角。

第8B圖顯示第8A圖之TMR裝置80的輸出電壓值(Vout)在不同的角度α下，與外加磁場H的關係圖。如第8B圖所示，無論角度α在-45~+45時，該施加磁場在-20~+20Oe 的範圍內，該等TMR裝置80在VA和VB端所量到輸出電壓Vout實質上是線性的。

在第5A圖及第7A圖所示的實施例中，該第三和該第四TMR感測器53~54、73~74，係分別作為磁場感測的參考單元，亦可以使用屏蔽層分別屏蔽兩者。

本發明提出的穿隧磁阻(TMR)裝置，所使用的各個TMR感測器，係由具有固定層及自由層之第一及第二磁性穿隧接面(MTJ)元件並聯而成，且該第一和該第二MTJ元件內的自由磁矩和固定磁矩的夾角是互補的(α、π-α)，因此用於磁場感測時，在可容許的感測範圍內，該TMR感測器的電導值與所感測外部磁場是呈線性變化的。

此外，本發明提出的穿隧磁阻(TMR)裝置，可以利用單一退火方式或多軸向退火方式處理，來達成橋式的磁場測式結構。

雖以較佳實施例示範如上，然其並非用以限定本發明的範圍，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許的更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

50‧‧‧TMR裝置

51-54‧‧‧第一至第四TMR感測器

511-512‧‧‧第一至第二MTJ元件

523-524‧‧‧第三至第四MTJ元件

535-536‧‧‧第五至第六MTJ元件

547-548‧‧‧第七至第八MTJ元件

511pm-548pm‧‧‧第一至第八固定磁矩

511fm-548fm‧‧‧第一至第八自由磁矩

dir1‧‧‧第一易軸方向；

dir2‧‧‧第一固定方向、第二易軸方向

VDD‧‧‧電壓節點

GND‧‧‧參考接地

VA、VB‧‧‧測試點

H‧‧‧外加磁場

Claims (8)

1. 一種用於磁場感測之穿隧磁阻(TMR)裝置，包括：第一TMR感測器，由具有固定層及自由層之第一及第二MTJ元件並聯而成；第二TMR感測器，由具有固定層及自由層之第三及第四MTJ元件並聯而成；第三TMR感測器，由具有固定層及自由層之第五及第六MTJ元件並聯而成；以及第四TMR感測器，由具有固定層及自由層之第七及第八MTJ元件並聯而成；其中，該第一及該第二MTJ元件之該等固定層具有處於第一固定方向上的固定磁矩；該第一及該第二MTJ元件之該等自由層具有分別平行和反平行於第一易軸的第一自由磁矩和第二自由磁矩；其中，該第一與該第四TMR感測器的第一端連接至一第一電壓節點；該第三與該第二TMR感測器的第一端連接至一第二電壓節點；該第一與該第三TMR感測器的第二端連接一起，該第二與該第四TMR感測器的第二端連接一起；該第三及該第四MTJ元件之該等固定層具有處於該第一固定方向上的固定磁矩；該第三及該第四MTJ元件之該等自由層具有分別平行和反平行於該第一易軸的第三自由磁矩和第四自由磁矩；其中，該第一自由磁矩與該第一固定磁矩間有第一角度α，該第三自由磁矩與該第三固定磁矩間有該第一角度α；該 第二自由磁矩與該第二固定磁矩間有第二角度π-α，該第四自由磁矩與該第四固定磁矩間有該第二角度π-α；α不等於零。
2. 如申請專利範圍第1項所述之用於磁場感測之穿隧磁阻(TMR)裝置，其中該第五至該第八MTJ元件之該等固定層具有處於該第一固定方向上的固定磁矩；該第五及該第七MTJ元件之該等自由層具有與第二易軸平行的第五自由磁矩和第七自由磁矩，該第六及該第八MTJ元件之該等自由層具有與該第二易軸反平行的第六自由磁矩和第八自由磁矩；該第二易軸平行該第一固定方向，該第一與該第二易軸互不平行。
3. 如申請專利範圍第1項所述之用於磁場感測之穿隧磁阻(TMR)裝置，其中該第五至該第八MTJ元件之該等固定層具有處於第二固定方向上的固定磁矩；該第五及該第七MTJ元件之該等自由層具有與該第一易軸平行的第五自由磁矩和第七自由磁矩，該第六及該第八MTJ元件之該等自由層具有與該第一易軸反平行的第六自由磁矩和第八自由磁矩；該第二固定方向平行該第一易軸。
4. 如申請專利範圍第2或3項所述之用於磁場感測之穿隧磁阻(TMR)裝置，其中更包括屏蔽裝置分別屏蔽該第三和該第四TMR感測器。
5. 如申請專利範圍第1項所述之用於磁場感測之穿隧磁阻(TMR)裝置，其中該第五至該第八MTJ元件之該等固定層具有處於該第一固定方向上的固定磁矩；該第五及該第六MTJ元件之該等自由層具有分別平行和反平行於第二易軸的第五自由磁矩和第六自由磁矩，該第七及該第八MTJ元件之該等自由層具有分別平行和反平行於該第二易軸的第七自由磁矩和第八自由磁矩；該第二易軸與該第一易軸互相垂直。
6. 如申請專利範圍第1項所述之用於磁場感測之穿隧磁阻(TMR)裝置，其中該第五至該第八MTJ元件之該等固定層具有處於第二固定方向上的固定磁矩；該第五及該第六MTJ元件之該等自由層具有分別平行和反平行於該第一易軸的第五自由磁矩和第六自由磁矩，該第七及該第八MTJ元件之該等自由層具有分別平行和反平行於該第一易軸的第七自由磁矩和第八自由磁矩；該第一和該第二固定方向互相垂直。
7. 如申請專利範圍第2或5項所述之用於磁場感測之穿隧磁阻(TMR)裝置，其中該第一至第八MTJ元件係以單次退火方式處理以決定該第一固定方向。
8. 如申請專利範圍第3或6項所述之用於磁場感測之穿隧磁阻(TMR)裝置，其中其中該第一至第八MTJ元件係以多軸向退火方式處理以決定該第一及該第二固定方向。