TWI244785B - Magnetic sensor, production process of the magnetic sensor and magnetic array suitable for the production process - Google Patents

Magnetic sensor, production process of the magnetic sensor and magnetic array suitable for the production process Download PDF

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TWI244785B
TWI244785B TW092129429A TW92129429A TWI244785B TW I244785 B TWI244785 B TW I244785B TW 092129429 A TW092129429 A TW 092129429A TW 92129429 A TW92129429 A TW 92129429A TW I244785 B TWI244785 B TW I244785B
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Description

1244785 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於採用包括一釘住層及—自由層的一磁阻效 應元件之一磁感測器、該磁感測器之—製程及適合於該製 程的一磁陣列。 【先前技術】
傳統上，一磁阻效應元件係應用於一磁感測器。例如， 該磁阻效應元件包括一巨大磁阻效應元件（GMR元件）或同 等物，其具有一釘住層（該層在一預定方向具有磁化釘住 (口定））及一自由層（其中磁化方向係依據一外部磁場而改 變），並且該元件依據該釘住層中的磁化方向與該自由層中 的磁化方向之間的相對關係而呈現一電阻數值。在此·;磁 感測器中，若該外部磁場並未施加於該磁感測器，則需要 自由層中每個磁域的磁化方向係穩 (此預定方向在下文係指「最初狀態方向」），以便準= 偵測一細微外部磁場。 股而言 一薄自由層係成形為一矩形（從平面看）而且 該矩形之長邊（長軸）係與該最初狀態方向匹配，因此該自 由層：的每個磁域内之方向係藉由利用一形狀各向異性而 與孩最初狀態方向匹配，在該各向異性中磁化方向係對準 向。此外，-偏磁膜(其為-永久磁膜)係置放在該 由曰^縱向方向的兩端區段，從而在該最初狀態方向施 、：化土β自由層’以便該自由層中的每個磁域内的磁化 σ '乂回土忒取初狀感方向’無論外部磁場何時消失，
87920.DOC 1244785 該方向都具有長期的穩定性（參見日本待審公告案第 2002-299728號（圖 42-44))。 該自由層中的磁化狀態及以上說明的偏磁膜將參考圖17 加以解釋，該圖為該自由層及該偏磁膜之一平面圖。在圖 17中，-自由層⑽形成以便在—χ軸方向具有—縱向方向 ，而一對偏磁膜101及102係配置在該縱向方向之兩端。 在形成該等膜之一階段中，該自由層1〇〇及該等偏磁膜 101及102之每個磁域内的磁化方向並不對準該最初狀態方 警向，該最初狀態方向為該自由層之縱向方向，如圖nA中 的箭頭所示。當一外部磁場（其幅度係在垂直於該自由層之 縱向方向的一方向（Y軸方向）上改變）係施加於該磁感測器 (其中該自由層100及該等偏磁膜10丨及1〇2係處於上述狀態 ，以量測該磁感測器之一電阻數值）時，一磁滯即出現，如 圖1 8A所示。從此情況可以明白，在該磁感測器（其中該自 由層100及該等偏磁膜1〇丨及1〇2中的磁化方向並不對準該 自由層之縱向方向）中，近似於「零」的該外部磁場之電阻 數值在由圖1 8 A中的一箭頭所示的一範圍内波動，從而導 致該磁感測器不能準確地偵測一細微磁場。 隨後當一磁場（其幅度大於該等偏磁膜1 〇丨及1 〇2之一強 制力He)係在該縱向（X軸正向）施加於該磁感測器（其中該 自由層100及該等偏磁膜1〇1及1〇2係處於圖17A所示的狀 悲）’以便實行該自由層1 〇〇之初始化及該等偏磁膜1 〇丨及 102之磁化時，該自由層100及該等偏磁膜101及102之每個 磁域内的磁化方向係與圖丨7B所示的最初狀態方向匹配。
87920.DOC 1244785 當一外部磁場（其幅度係在該Y軸方向在小於該等偏磁 膜1 0 1及1 〇 2之该強制力H c的一範圍内改變）係施加於該磁 感測為（其係處於上述狀態）時，該自由層1 〇 〇之磁域内的磁 化方向係如圖1 7 C所示而改變，接著在消除該外部磁場後 ’該自由層1 00之每個磁域内的磁化方向係返回至圖1 7〇所 示的最初狀態方向，該最初狀態方向與圖1 7Β所示的方向 一樣。當該磁感測器之電阻數值係在此情況下量測時，磁 AT係減少，因此近似於「零」的該外邵磁場之電阻數值接 春近恆定。因此，具有已初始化的該自由層100及已磁化的該 等偏磁膜101及102之該磁感測器可以準確地偵測一細微磁 但是，當一外部磁場（其幅度小於該等偏磁膜丨〇1及1〇2 之該強制力，但是相對而言較大，而且具有一主要成分在 該最初狀態方向之相反方向（X軸反方向））係施加於該磁感 測器（該磁感測器具有已初始化的該自由層1〇〇及已磁化的 該等偏磁膜101及102)時，該自由層之每個磁域内的磁化方 •向係從圖19A所示的狀態改變為圖19B所示的狀態，而且 即使該外部磁場得以消除，該自由層⑽之每個磁域@㈣ 化方向也不與該最初狀態方向匹配（即返回至該最初狀態 方向）。因此，該磁感測器又具有關於該外部磁場的一磁^ ，從而引起劣化該磁場之偵測準確度的一問題。 【發明内容】 因此，本發明之一目的係提供一磁感測器，即使有—強 大的外部磁場施加於該磁感測器，其也能令人滿意地保^
87920.DOC -10- 1244785 一偵測準確度。此外， 卜本魯明之另一目的係提供能有效率 地磁化上述偏磁膜之—磁感測器、該磁感測器之一製程及 週合於該製程之一磁陣列。 衣據本I明之特欲，包括—磁阻效應元件（該元件包括 、、，曰及自由層）的一磁感測器包括一偏磁膜，該偏 磁膜其係由一永久磁體組成(用以在-預定方向為(在)該 自由層產生-偏磁場)，及一初始化線圈(其係提供在該自
曰附L並藉由在-預定狀況下通電而施加―磁場至該 自由層，琢磁場方向與該偏磁場之方向相同）。 依據以上結構’該初始化線圈係在一預定狀況下通電， 從而產生-初始化磁場，用以藉由該偏磁膜將該自由層之 每個磁域内的磁化方向返回至與該偏磁場之方向相同的方 $ ’因此即使該磁化方向係因某原因(例如當一強磁場係 她加m兹m時）而受到干擾，a自由層之每個磁域 内的磁化方向也可加以校正。結果，該磁場之電阻數值變 化並不產生磁滯，因而可以提供一磁感測器，其甚至可長 期採用咼精度偵測一細微磁場。 本發明之另一特徵為，磁感測器（包括在一基板上的一 釘住層、一自由層及一偏磁膜，該偏磁膜為一永久磁體， 其施加一偏磁場至該自由層以形成一磁阻效應元件，該元 件之電阻數值依據該釘住層之一磁化方向與該自由層之一 磁化方向所形成之相對角度而改變）之製程包括製備一磁 車J之步驟（该陣列係配置以便複數個永久磁體係配置 在四万晶格之一晶格點上，而且每個永久磁體的一磁極
87920.DOC -11 - 1244785 之一極性不同於由最短路線（即最短距離）隔開的另一鄰近 磁極之一極性），製造一晶圓之一步驟（該晶圓包括該（等） 基板’其上散佈有複數個島狀元件膜，每個元件膜包括成 為該釘住層之一膜、成為該自由層之一膜及成為該偏磁膜 之膜）’以及置放（放置、配置）該晶圓於該磁陣列附近（ 以便建立該晶圓與該磁陣列之間的一預定相對位置關係） 並磁化成為該等複數個元件膜之該偏磁膜的該膜（該磁化 係藉由利用一磁場，該磁場係形成於該磁陣列的該等磁極 _之一磁極與該磁陣列的該等磁極之另一磁極（其係鄰近於 由該最短路線（從該一磁極）隔開的該一磁極）之間）之一步 驟。 该磁陣列係配置以便複數個永久磁體係配置在一四方晶 格（一晶格點上，而且每個永久磁體之磁極的極性不同於 由取短路線（在相同平面）隔開的另一鄰近磁極的極性（從 平面看）。因此，從該磁陣列之一平面看，以下磁場係形 成於該磁陣列上：I向右方向上的_N極至存在於該雜 之右側的s極所形成的—磁場、從向上方向上的㈣極至 存在於該N極之上侧的s極所形成的_磁場、從向左方向上 的該N極至存纟於該N極之左側的s極所形成的一磁場、從 向下方向上的前極至存在於該N極之下側的S極所形成的 一磁場（參見圖13)。同樣，以下磁場係向（朝）s極形成：從 存在於此S極之右侧的N極向左方向形成的一磁場、從存在 於此S極之上側的雜向下方向形成的一磁場、從存在於此 S極之左側的雜向右方向形成的一磁場、以及從存在於此
87920.DOC ' 12- 1244785 S極之下側的n極向上方向所形成的一磁場。 在此程序中’ 一晶圓（包括該（等）基板，其上散佈有複數 個島狀元件膜，每個元件膜包括成為該釘住層之一膜、成 為該自由層之一膜及成為該偏磁膜之一膜）係置放（放置、 設定或配置）在該磁陣列附近，以便建立該晶圓與該磁陣 列之間的一預定相對位置關係，因此成為該等複數個元件 膜之該偏磁膜的該膜係藉由利用該磁陣列所形成的上述磁 場而磁化。因此，可以有效率地製造一磁感測器（其中該等 ❿ 偏磁膜之磁化方向係相互交叉（在此情況下為垂直）在一單 一基板（一單石基板）上）。 更明確地說，製造晶圓之步驟包括形成為該等複數個元 件膜之該自由層的每個膜之一步·驟（該形成係採用此方法 以便具有一形狀’该形狀具有一長轴及一短轴，並採用此 方法以便成為該等複數個元件膜之該等自由層的該等膜之 該等長軸的至少一個係垂直於成為該等複數個元件膜之該 自由層的另一膜之長軸），以及形成成為該偏磁膜之該膜的 • 一步驟（該偏磁膜係在成為該自由層的每個膜之長軸方向 兩端），其中在磁化成為該偏磁膜的該膜之步驟中的該預定 相對位置關係，為該晶圓與該磁陣列之間的一相對關係， 其將成為該偏磁膜的該膜之磁化方向與成為具有偏磁膜的 該自由層之該膜的長軸之方向匹配，該偏磁膜係藉由該磁 陣列所形成的一磁場而提供在該自由層之兩端。 此外，在此情況下，最好包括配置該晶圓在該磁陣列附 近之一步驟，以便建立該晶圓與該磁陣列之間的一相對位 87920.DOC -13- 1244785 置關係’孩關係不同於上述預定相對位置關係，因此成為 居等t數個元件膜之該釘住層的膜之磁化方向係藉由利用 居磁陣列所形成的磁場而釘住。 依據此方法’用以磁化成為該偏磁膜之膜的磁陣列也用 以固足忒釘住層之磁化方向，因此可以低成本有效率地製 造磁感測器（即雙軸磁感測器，其可偵測方向相互垂直之個 別兹野）（其中该等偏磁膜之磁化方向係相互交叉（在此情 況下為垂直）在一單一基板上）。 此外’本發明提供磁陣列，其係配置以便複數個永久磁 fa (每個磁體具有一接近矩形平行六面體形狀，其中垂直 於該矩形平行六面體形狀之一中心軸的斷面形狀係接近正 方形）係配置成使得具有接近方形的邊緣表面之重心係與 琢四方晶格之一晶格點匹配，而且如此配置的每個永久磁 體之磁極的極性係不同於由最短路線隔開的另一鄰近永久 磁體之磁極的極性。 即此磁陣列為具有以下特徵之一磁陣列：其中該等複數 個永久磁體係置放成使得具有接近正方形形狀的邊緣表面 之重心係與該四方晶格之一晶格點匹配，具有該接近正方 形形狀的邊緣表面之一側面係與置放於相同列中的另一邊 緣表面之一側面在同一線條上，該等邊緣表面係在一單一 相同平面上，而且如此配置的每個永久磁體之極性不同於 由最短路線隔開的另一鄰近永久磁體之磁極的極性。 如以上所忒明，磁化成為該偏磁膜的每個膜及/或固定成 為上述雙軸磁感測器之釘住層的該層之磁化方向可以藉由 87920.DOC -14- 1244785 利用（例如）磁陣列而有效率地實行。因此，可以採用磁陣 列以低成本製造雙軸磁感測器。 此外，此磁陣列可以為「包括複數個永久磁體之磁陣列 ，每個磁體具有一接近矩形平行六面體形狀而且具有垂直 於該矩形平行六面體之一中心軸的一斷面形狀，該斷面形 狀接近於正方形，而且每個磁體具有形成於兩個邊緣表面 的磁極，孩等邊緣表面之一具有接近於正方形之形狀，該 形狀垂直於該矩形平行六面體之中心軸；其中 • 該等複數個永久磁體係以此方法配置，以便具有該接近 於正万形形狀的該等邊緣表面之每個重心係與一四方晶格 之一晶格點匹配，形成該等複數個永久磁體（其係置放於該 四方日日秸之木列）之邊緣表面的側面之某側，與形成其他 複數個永久磁體（其係置放於該四方晶格之相同列）之邊緣 表面的側面之某側係在相同直線上，具有該等永久磁體之 正方形形狀的所有邊緣表面係放置於接近相同的單一平面 上，而且相鄰置放並由最短線路隔開的永久磁體之磁極的 a f之任何一個互不相同」，而且此陣列最好可用以磁化 上述磁感測器之該等偏磁膜及同等物。 匕外 磁陣列，其包括複數個永久磁體，每個磁體 具有一接近矩形平行六面體形狀而且具有一斷面形狀，該 斷面形狀垂直於該矩形平行六面體之一中心轴，其接近於 、、=$並且每個磁體具有形成於兩個邊緣表面之磁極， 邊寺邊緣表面之一且古拉、 /、有接近正万形形狀，該形狀垂直於該 矩形平行六面體之. … 幸’以及每個磁體具有一薄板狀幸厄
87920.DOC 1244785 ’該軛係由一磁材料形成；其中 該等複數個永久磁體係以此方法配置以便具有接近正方 $形狀的邊緣表面之每個重心係與一四方晶格之一·晶格點 匹配’形成該等複數個永久磁體（其係置放於該四方晶格 之某列）之邊緣表面之一的側面之某側，與形成其他複數 個永久磁體（其係置放於該四方晶格之相同列）之邊緣表面 之一的側面之某側係在相同直線上，具有該等永久磁體之 正方形形狀的所有邊緣表面係放置於一接近相同的單一平 ⑩面上’而且相鄰置放並由最短線路隔開的該等永久磁體之 磁極的極性之任何二個互不相同；以及 該輛包括複數個通孔，該等通孔之一具有一形狀，該形 狀與上述接近於正方形之斷面形狀接近相同，而且該等通 孔係配置在該等永久磁體所置放的位置，並且該軛係以此 方法配置以便當該等永久磁體係***該等通孔時，該等永 久磁體之所有邊緣表面都放置於其中的相同單一平面係置 放於該輛之一上表面與一下表面之間」最好可用以磁化上 _ 述磁感測器之该等偏磁膜及同等物。 该磁陣列具有採用磁材料形成的輕，因此磁陣列可將磁 通量線從該等永久磁體引入需要的部分。因此，可以藉由 磁陣列磁化磁感測器之偏磁膜及同等物。 在此情況下，最好該軛具有通口作為形成於該等通孔之 間的氣隙，3等通孔係相互鄰近而且由最短線路隔開。 因此此磁陣列具有通口作為相互鄰近並由最短線路隔開 之該等通孔（具有相互不同的（相反）極性之磁極的邊緣表 87920.DOC • 16 - 1244785 面係***該等二通孔）之間的氣隙，所以磁通量集中在該 等通口以及在靠近該等通口之一空間中。換言之，此磁陣 列可以提供具有一磁場的一狹窄空間本地區域，該磁場之 幅度較大而且其方向可以穩定地保持恆定。因此，可以藉 由此磁陣列有效率地磁化磁感測器之偏磁膜及同等物。 瑕好該軛在上述區域具有開口，該等區域之每個係圍繞 由連接一平面圖中的四方晶格之晶格點的線條所畫的一正 方形之重心。此磁陣列不僅具有上述通口，而且具有不同 # 開Π。 該等區域（該等開口即形成於其中）係圍繞由連接四方晶 格足晶格點的線條所畫的一正方形之一重心之區域。在此 區域中，從磁極造成的磁通量線相互交叉（或碰撞），因此 磁場不穩定。因此，因為該等開口可以消除具有相互不同 極性的磁極之間的磁場之不穩定性，可以使磁場更為線性 ，所以提供的磁場更加穩定，而且其幅度大於該等通口附 近的本地區域之磁場。因此，可以藉由此磁陣列有效率地 鲁磁化磁感測器之偏磁膜及同等物。 該軛之每個通孔還最好具有一正方形部分，該部分具有 一正方形形狀（該形狀與一平面圖中的永久磁體之斷面正 方形形狀接近相同），並具有一邊界部分（其從該正方形部 分之每個拐角處的直角向外增大）。當藉由餘刻在該輛中形 成具有一正方形形狀之通孔時，若未完全蝕刻該通孔之拐 角，則永久磁體可能無法***該通孔，因為通孔之拐角可 能已變為孤狀形狀。但是，因為該等邊界部分係在藉由餘
87920.DOC -17- 1244785 而开y成居等通孔時蝕刻在上述磁陣列中，所以永久磁體 可以確實***該磁陣列中的該通孔。 【實施方式】 以下知參考附圖說明依據本發明之一磁感測器的具體實 施例。此磁感測器係分類型及§型，具體類型視此後說 明的製程而定。圖1為一平面圖，其中—N型磁感測器1〇及 S型磁感測斋50係並排放置。該N型磁感測器丨〇及該s型 磁感測器50具有實質相同形狀及相同組態，以下情況除外 •圖1採用黑實線箭頭所顯示的一釘住層之固定磁化方向， 與圖1採用輪廓箭頭所示之自由層的最初狀態中之磁化方 向互不相同。因此，以下解釋係主要集中在該^^型磁感測 器10上。 如圖1所示，該磁感測器10包括由一石英玻璃製作的一 單一晶片（一單一基板或一單石晶片）10a(從平面看，該晶 片具有一矩形形狀（幾乎為正方形），該形狀具有沿相互垂 直的X軸方向及Y轴方向之邊線，而且在垂直於該X軸及Y 軸之一 Z軸方向具有一很小的厚度）、複數個絕緣層1〇b(線 路層係包括在該等絕緣層中）（該等絕緣層係層壓在圖3所 示的基板10a上）、總共八個GMR元件11至14、21至24(該 等元件係形成在該等絕緣層l〇b之最上層丨⑽丨上）及總共八 個初始化線圈（用以初始化之線圈）3 1至34及4 1至44。
弟一 X軸GMR元件11係形成於一部分中，該部分從晶片 10a之Y軸方向的幾乎中心部分稍微向下，並在X軸反方向 之一端部附近。GMR元件11之釘住層的釘住磁化方向為X 87920.DOC -18 - 1244785 軸反方向’如圖1之黑實線箭頭所示。第二X軸GMR元件 1 2係形成於一邵分中，該部分從晶片i⑽之γ軸方向的幾乎 中心部分稍微向上，並在X軸反方向之一端部附近。gmr 元件12之釘住層的釘住磁化方向為X軸反方向，如圖1之黑 貫線前頭所示。第三X軸GMR元件1 3係形成於一部分中， 该部分從晶片1 〇a之Y軸方向的幾乎中心部分稍微向上，並 在X軸正方向之一端部附近。GMR元件13之釘住層的釘住 磁化方向為X軸正方向，如圖1之黑實線箭頭所示。第四X ® 軸〇]^尺元件14係形成於一部分中，該部分從晶片l〇a之Y軸 方向的幾乎中心部分稍微向下，並在X軸正方向之一端部 附近。GMR元件14之釘住層的釘住磁化方向為X軸正方向 ，如圖1之黑實線箭頭所示。 第一 丫軸GMR元件2 1係形成於一部分中，該部分從晶片 10a之X軸方向的幾乎中心部分稍微向左，並在γ軸正方向 之一端邵附近。GMR元件21之釘住層的釘住磁化方向為γ 軸正方向，如圖1之黑實線箭頭所示。第二γ軸GMR元件22 _ 係形成於一部分中，該部分從晶片10a之X軸方向的幾乎中 心邵分稍微向右，並在Y軸正方向之一端部附近。GMR元 件22之釘住層的釘住磁化方向為Y軸正方向，如圖1之黑實 線箭頭所示。第三Y軸GMR元件23係形成於一部分中，該 部分從晶片1 〇a之X轴方向的幾乎中心邵分稍微向右，並在 Y軸反方向之一端部附近。GMR元件23之釘住層的釘住磁 化方向為Y軸反方向，如圖1之黑實線箭頭所示。第四Y軸 GMR元件24係形成於一部分中，該部分從晶片l〇a之X軸方 87920.DOC -19- 1244785 向的幾乎中心部分稍微向左，並在Y軸反方向之一端部附 近。GMR元件24之釘住層的釘住磁化方向為γ軸反方向， 如圖1之黑實線箭頭所示。 除在晶片10a上的位置以外，該等GMR元件11至14及21 至24之每個具有實質相同結構。因此，該第一X軸GMR元 件11係在下文中當作一代表性範例，用以解釋其結構。 該第一 X軸GMR元件11包括複數個窄帶部分Ua.....Ua (其係由一旋轉閥膜SV製作，並具有在Y軸方向上之一縱向 • 方向）及偏磁膜（即硬鐵磁薄膜，並藉由磁化而成為永久磁 體）llb••…llb(其係由硬鐵磁製作，並具有高強制力及高垂 直度比率，例如CoCrPt)，如圖2(其係一平面圖）及圖3(其 係該第一 X軸GMR元件11之一示意斷面圖，該圖由沿圖2 之線條1 -1的一平面切割）所示。該等窄帶部分1丨a…u a 之每個沿X軸方向在該等偏磁膜丨lb··.·· 1 lb之每個的上表 面上延伸，並接合鄰近窄帶部分lla從而形成一所謂的「据 齒形形狀」，並從而在該等偏磁膜llb ·····lib之每個的上表 馨面上磁性接合該等偏磁膜llb ·····lib之每個。 如解說該偏磁膜結構之圖4所示，該第一 X軸gmr元件 11之該旋轉閥膜SV包括一自由層f，一導電間隔層s(其由 Cu製作，厚度為2·4 nm(24A))、一固定層（釘住層）p及一覆 蓋層C(其由鈦（Ti)或艇（Ta)製作，厚度為2.5 nm(25A))，該 等層係以此順序層壓在作為一基板之晶片1 〇a上。 該自由層F之磁化方向依據該外部磁場之方向而改變， 並包括一CoZrNb非晶磁層丨丨屮其直接形成在該基板i〇a 87920.DOC -20- 1244785 上，並具有一膜厚8 nm(80A))、一 NiFe磁層11-2(其係形成 在該CoZrNb非晶磁層Π-1上，並具有一膜厚3.3 nm(33A)) 及一 CoFe層11-3(其係形成在該NiFe磁層11-2上，並具有一 膜厚接近1至3 nm(10至30A))。該CoZrNb非晶磁層丨丨^及 NiFe磁層11 -2組成一軟鐵磁材料薄膜層。該coFe層11 -3防 止該NiFe磁層11-2之Ni及該間隔層11-4 S之Cu擴散。 該固定層（釘住層）P係藉由重疊一 coFe磁層u_5(其具有 膜尽2.2 nm(22A))及一反鐵磁膜11-6(其係由含45至55 • mol%的PtiptMn合金形成，並具有一膜厚24nm(24〇A))而 製作。该CoFe磁層11 -5係採用一交換搞合方法用於該磁化 反鐵磁膜11-6。因此，該CoFe磁層11-5之磁化方向係釘住 (固定）在以上所說明的X軸反方向。 該等偏磁膜1 lb····· 1 lb提供一偏磁場至該γ軸反方向（由 圖1及2之輪廓箭頭所示方向）（該反方向為該自由層ρ之縱 向方向）之該自由層F，以便保持該自由層F之單軸各向異 性。 瞻如此配置的該第一 X轴GMR元件11呈現一電阻數值，該 數值幾乎與該外部磁場成正比而改變，該外部磁場隨該X 軸在-He至+Hc之範圍内改變，如圖5之實線所指示；並且 呈現藏外邵磁場之一幾乎恆定的電阻數值，該外部磁場隨 該Y軸改變，如圖5之虛線所指示。 隨後解釋該等初始化線圈3 1至34及41至44。該等初始化 線圈3 1至34及41至44係埋存於該等絕緣層之該最上層1〇Μ 下面的下絕緣層1 〇b2中。該等初始化線圈3 1至34及41至44
87920.DOC -21 - 1244785 係分別鄰近而固定在該等（}1^11元件丨丨至14及21至24之每 個的正下方。該等初始化線圈31至34及41至44具有彼此相 同的形狀，而且其與每個線圈正上方的對應GMR元件之相 對位置關係彼此相同。該等初始化線圈3丨至34及4丨至44之 每個在圖1之輪廓箭頭所示的方向施加初始化磁場至每個 對應GMR元件。 以下藉由將该初始化線圈3 1作為一代表性範例進行解釋 。纏繞該初始化線圈31，以便從平面看具有一接近矩形之 ® 外形’並包括複數個初始化磁場產生區段3 1 a.....3 1 a，該等 區段在該第一X軸GMR元件11正下方（從平面看）之一區域 在垂直於該第一 X軸GMR元件丨丨之該等窄帶部分Ua之縱 向方向的方向（X軸方向）上線性延伸。此外，該初始化線 圈3 1之一末端3 1 b及另一末端3 1 c係分別與一恆定電壓來源 之一正極及一負極連接。當建立一預定狀況時，產生預定 電流流經該初始化線圈31，從而在該γ軸反方向施加該初 始化磁場至圖1之輪廓箭頭所示的該第一 乂軸GMR元件i i Φ 之窄帶部分11 a。 隨後解釋分別由該等GMR元件11至14及21至24組成的 一 X軸磁感測器（具有一磁場偵測方向（其為該X軸方向）之 一磁感測器）及一 Y軸磁感測器（具有一磁場偵測方向（其為 該Y軸方向）之一磁感測器）。如圖6A之一等效電路所示， 該X軸磁感測器係形成以便第一至第四X軸元件丨丨至 14係經由圖1中未顯示的一導體而全橋連接。在圖$ a中， 在鄰近於咸等弟一至第四GMR元件11至14之每個的位置 87920.DOC -22- 1244785 處之每個圖形指示鄰近於每個圖形的GMR元件之一特徵 (關於外部磁場的電阻數值R方面的變化）。在圖7至9中也有 此事實。該等圖形中的符號Hx及Hy分別指示外部磁場，其 幅度沿該X軸及Y軸而改變。 在此組態中，介於該第一 X軸GMR元件11與該第四X軸 GMR元件14之間的一連接點，及介於該第二X軸GMR元件 12與該第三X軸GMR元件13之間的一連接點，係分別與該 恆定電壓來源之正極及負極（接地）連接，因此一 +V電位 •(在此具體實施例中為5(V))及一 -V電位（在此具體實施例 中為〇(ν))係分別施加於其中。然後介於該第一 X軸GMR元 件11與該第三X軸GMR元件13之一連接點，與該第四X軸 GMR元件14與該第二X軸GMR元件12之一連接點之間的一 電位差乂⑽係作為一感測器輸出。因此，如圖6B所示，該X 軸磁感測器輸出一輸出電壓Vm，該電壓之變化接近與隨 該X軸而改變的該外部磁場Hx成正比。 如圖7 A之一等效電路所示，該Y軸磁感測器係形成以便 # 該等第一至第四Y軸GMR元件21至24係經由圖1中未顯示 的一導體而全橋連接。介於該第一 Y軸GMR元件21與該第 四Y軸GMR元件24之間的一連接點，及介於該第二Y軸 GMR元件22與該第三Y軸GMR元件23之間的一連接點，係 分別與該恆定電壓來源之正極及負極（接地）連接，因此一 +V電位（在此具體實施例中為5(V))及一 -V電位（在此具體 實施例中為0(V))係分別施加於其中。然後介於該第一 Y軸 GMR元件21與該第三Y軸GMR元件23之一連接點，與該第 87920.DOC -23 - 1244785 四Y軸GMR元件24與該第二γ軸GMR元件22之一連接點之 間的一電位差丫”係作為一感測器輸出。因此，如圖7B所示 ，該Y軸磁感測器輸出一輸出電壓V”，該電壓之變化接近 與沿該Y軸而改變的該外部磁場Hy成正比。以上說明係關 於該N型磁感測器1〇之組態。 另一方面，該S型磁感測器50包括圖1所示的GMR元件51 至54及61至64，以及初始化線圈71至74及81至84。該S型 磁感測器50具有實質與磁感測器1〇相同的結構，並包括X # 軸磁感測器及Y軸磁感測器。 明確地說，如圖8 A之一等效電路所示，該X軸磁感測器 係形成以便該等第一至第四X軸GMR元件5 1至54係經由圖 1中未顯示的一導體而全橋連接。在此組態中，介於該第一 X軸GMR元件51與該第四X軸GMR元件54之間的一連接點 ，及介於該第二X軸GMR元件52與該第三X軸GMR元件53 之間的一連接點，係分別與該恆定電壓來源之正極及負極 (接地）連接，因此一+V電位（在此具體實施例中為5(V))及 鲁一 -V電位（在此具體實施例中為〇(V))係分別施加於其中。 然後介於該第一 X軸GMR元件51與該第三X軸GMR元件53 之一連接點，與該第四X軸GMR元件54與該第二X軸GMR 元件52之一連接點之間的一電位差乂。\係作為一感測器輸 出。因此，如圖8B所示，該X軸磁感測器輸出一輸出電壓 V〇x，該電壓之變化接近與沿該X軸而改變的該外部磁場Hx 成正比。
此外，如圖9A之一等效電路所示，該磁感測器50之該Y 87920.DOC -24- 1244785 軸磁感測咨係形成以便該等第一至第四Y軸GMR元件6 1至 64係經由圖1中未顯示的一導體而全橋連接。介於該第一 γ 轴GMR元件6丨與該第四丫軸gMr元件64之間的一連接點， 及介於咸第二Y軸GMR元件62與該第三γ軸GMR元件63之 間的一連接點，係分別與該恆定電壓來源之正極及負極 (接地）連接，因此一+V電位（在此具體實施例中為5(v))及 一 -V電位（在此具體實施例中為〇(v))係分別施加於其中。 然後介於該第一 γ軸GMR元件61與該第三γ軸GMR元件63 _ 之一連接點，與該第四Y軸GMR元件64與該第二Y軸GMR 元件62之一連接點之間的一電位差乂巧係作為一感測器輸 出。因此，如圖9B所示，該Y軸磁感測器輸出一輸出電壓
Voy，該電壓之變化接近與沿該γ軸而改變的該外部磁場Hy 成正比。 隨後解釋用以製造如以上說明的如此配置之磁感測器i 〇 及50之程序。首先，每個絕緣層i〇b係層壓在一矩形石英 玻璃（晶圓）1 Oal上，該石英玻璃成為該等基板1 〇a&後來的 ® 50a，同時形成一預定線路或大規模積體電路（LSI)，隨後 形成該等初始化線圈3 1至34、41至44、7 1至74及8 1至84於 該等絕緣層10b2中，接著形成該最上絕緣層i〇bl (參見圖} 至3)。 然後，包括該等GMR元件11至14、21至24、51至54及61 至64之複數個膜Μ係形成為一島狀物。明確地說，形成該 等偏磁膜lib而且將成為GMR元件11至14、21至24、51至 54及61至64之該等複數個膜Μ係形成在該等偏磁膜1 ib上。 87920.DOC -25- 1244785 此膜形成係藉由使用一超高真空裝置以一連續層壓方式採 用一精確厚度而實行。圖案化該等膜Μ從而形成將成為核 等GMR元件之複數個島狀料。因此當該石英玻璃 沿圖1 〇中之虛線藉由一隨後切劃程序而切割以分成如圖1 所示的個別磁感測器10及50時，該等膜厘係形成以配σ 圖1所示的該等（5廳元件11至14、21至24、51至54及61至 64之每個位置。 土 隨後’如圖11(其為—平面圖）所示，製備—矩形金屬板 91 ’其僅具有複數個正方形通孔配置在一四方晶格上（即正 方形通孔（其每個具有侧面平行於該X軸及Υ轴）係沿該X軸 及Υ軸配置以便間隔相等)。永久磁棒92··…92(其且有_矩 形平行六面體之形狀’該六面體具有一正方形斷面接近等 万;母個通孔)《母個係***每個通孔，以便具有形成於其 上的永久磁棒92·...·92之—磁極的邊緣表Φ係平行於該金 屬板91 °此時’永久磁棒92 ....·92係配置以便該磁極之極性 不同於-平面上的由最短線路隔開之鄰近磁極，該平面包 括該等永久磁棒92.....92之每個邊緣表面。應注意所使用 的永久兹杯9292之每個具有磁荷’其幅度係接近相等。 然後如圖12(其代表沿χ_ζ平面之一斷圖）所示，製備 由-透明石英破璃製作的一板93’該石英玻璃厚度為約 0.5 mm’並具有_矩形形狀接近等於該金屬板9卜並後， 該等永久磁棒9292之上表面（該表面㈣磁極之形成所 、 祁對）及咸板9 3 <下表面係藉由黏著劑而 焊接在-起，接著’該金屬板91係從下面移除。在此階段
87920.DOC -26 - 1244785 ，-磁陣列μα係暫時藉&永久磁棒92 ·· .··92及板93形成， 其中複數個永久磁體（每個磁體具有—接近矩形平行六面 體形狀中垂直於該矩形平行六體形狀之—中心轴的斷 面形狀係接近正方形）係配置，以便具有接近方形的邊緣 表面之重心係與該四方晶格之一晶格點匹配，而且如此配 置的每個永久磁體之磁極的極性係不同於由最短路線隔開 的另一鄰近永久磁體之磁極的極性。
圖13為顯示一狀態之透視圖，其中僅取四個永久磁棒 92.•…92。從此圖可以明白，具有磁場形成於該永久磁棒 92....92之邊緣表面（其上形成磁極之邊緣表面）上，該等磁 場係從一N極指向該等S極，該等3極鄰近於由最短線路隔 開的此N極，而且每個磁場具有在9〇度角度内之一不同方 向。在此具體實施例中，此磁場係用作磁化每個GMR元件 11至14、21至24、51至54及61至64之每個偏磁膜llb至14b 、2 lb至24b、5 lb至54b及6 lb至64b之一磁場，並用作固定 每個固定層P(該固定層P之釘住層）之磁化方向之一磁場。 明確地說，如圖14所示，該石英玻璃i〇al(膜μ將在其上 成為該GMR元件）係首先配置，以便該表面（其具有該膜μ ’該膜將成為形成於該表面上的GMR元件）與板93接觸，然 後該板9 3及該石英玻璃1 〇 a 1係藉由一夾具c相互固定。此 時’如圖1 5 (其為一平面圖，用以藉由注意對應於二個磁感 測器10及50之斷面而放大後來成為該等磁感測器10及50之 區段）所示，該石英玻璃l〇al及該磁陣列MA係相對而配置 ’以便該石英玻璃l〇al(其成為該等磁感測器10及50之每
87920.DOC - 27- 1244785 個側面）之切割平面線條CL的每個交叉點CP，係與該等永 久磁棒92……92之個別重心匹配。因此，如圖1 5所示，一磁 場係在每個膜Μ之窄帶部分的縱向方向，在石英玻璃1 〇ai 係放置在板93的上表面之狀態中，施加於將成為GMR元件 之每個膜Μ。 本具體實施例利用此磁場來磁化該等偏磁膜Π b至14b、 21b至24b、51b至54b及61b至64b，並將該自由層F之每個 磁域内的磁化方向與最初狀態方向匹配。即初始化該自由 _層F之每個磁域内的磁化。 隨後，該石英玻璃l〇a 1 (其具有該膜Μ，該膜將成為形成 於孩石英玻璃上的GMR元件）與該磁陣列ΜΑ(板93)之間的 相對關係係改變，如圖1 6之一平面圖所示，因此該表面 (薇膜Μ將在該表面上成為該GMR元件）係配置以與該板％ 之上表面接觸。此時，該石英玻璃丨〇a丨及該磁陣列Ma係相 對而配置，以便石英玻璃1 〇 a 1 (其成為該等磁感測器1 〇及 50之每個側面）之切割平面線條cl的每個交叉點，係與四 個鄰近永久磁棒92.····92之個別重心匹配。因此，如圖16 所π，一磁場係在垂直於每個膜％之窄帶部分的縱向方向 《万向，在石英玻璃10al係放置在板93的上表面之狀態中 ，施加於將成為上述GMR元件之每個膜M。 本具體實施例利用此磁場實行熱處理（根據需要而退火） ，以固足該自由層P(該固定層p之釘住層）之磁化方向。明 確地說，該板93及該石英玻璃10al係藉由該夾具c而相互 固足，其狀態如圖16所示，然後合成物係在一真空中加熱
87920.DOC -28 - 1244785 至2 5 0至2 8 0 C ’並在此狀態中保持數個小時。 其後，該石英玻璃1 〇a 1係移除以形成一線路或同等物， 用以連接每個膜Μ，最後該石英玻璃⑺“係沿圖1〇等之虛 線（或上述切割線CL)而切割。如以上所說明，圖1所示的 大量磁感測器10及50係同時產生。 如以上所說明，依據本發明之具體實施例的一磁感測器 具有偏磁膜1 lb·····1 lb，該等偏磁膜係在縱向方向提供在 該自由層F之兩端，以在一預定方向（在該自由層之縱向） #在孩自由層中產生一偏磁膜，因此當一外部磁場未出現時 ’泫自由層之每個磁域内的磁化方向可以穩定地保持在該 預定方向。 此外’該等初始化線圈31至34及41至44係在一預定狀況 下通電，從而產生一初始化磁場，用以藉由該等偏磁膜將 該自由層之每個磁域内的磁化方向返回至與該偏磁場之方 向相同的方向（即該自由層之縱向方向），因此即使該磁化 万向係因施加一強磁場於該自由層而干擾，該自由層之每 •個磁域内的磁化方向也可以確實返回至最初狀態。因此， 當外邵磁場接近於「零」時所出現的關於外部磁場之變化 的磁滯，可以保持為該等磁感測器10及50之較小值。因此 ，該磁感測器能採用高精度長時間偵測一細微磁場。 此外，依據本發明之具體實施例的磁感測器之製程，製 備磁陣列Μ A，其係配置以便複數個永久磁體係配置在 一四方晶格之一晶格點上，而且每個永久磁體之磁極的極 性不同於由最短路線隔開的另一鄰近磁極的極性。因此，
87920.DOC -29- 1244785 該自由層之每個磁域内的磁化方向係初始化，而且該等偏 磁膜係磁化；此外，釘住係藉由釘住該磁層（其成為一釘住 層）之磁化方向而實行。因此，具有不同磁場偵測方向（相 互垂直）之複數個GMR元件可以輕易而有效率地形成於單 一晶片上，從而能以低成本製造單一晶片之磁感測器，該 磁感測器能偵測至少個別磁場，該等磁場之幅度係在相互 垂直的方向上改變。 應注意在以上具體實施例中，用於GMR膜之膜μ(將成 _ 為該等GMR元件之膜Μ)係在該等偏磁膜（用於磁體之膜） 係圖案化後形成，而且用於GMR膜之膜Μ係在該等（}]^11膜 係圖案化後根據需要而退火。但是，根據需要的退火程序 可以在用於GMR膜之膜]ν[係圖案化之前實行。此外，該等 偏磁膜可以在用於GMR膜之膜μ係圖案化之後形成。 接著將說明依據本發明之磁感測器的另一具體實施例 (第二具體實施例）。此磁感測器也分類為N型（如圖21所示 ，此為Ν型感測器之一平面圖）及3型（如圖22所示，此為§ β 型感測器之一平面圖）。該N型磁感測器i 1〇及該8型磁感測 詻150具有貫質相同形狀及相同組態，以下情況除外：圖2i 及22採用黑貫線箭頭所顯示的一釘住層之固定磁化方向， 與圖21及22採用輪廓箭頭所示之自由層的最初狀態中之磁 化方向互不相同。應注意圖21及22省略初始化線圈。 该N型磁感測器11〇具有與N型磁感測器1〇相同的結構， 認等GMR元件及該等初始化線圈之位置除外。該N型磁感 測器11〇包括-單一晶片110a(其與單_晶片1〇a相同）、絕
87920.DOC -30- 1244785 緣層（其與絕緣層10b相同）、總共八個GMR元件111至114、 121至124(其形成於該等絕緣層之最上層上）及總共八個初 始化線圈（用以初始化的線圈）。該等GMR元件lu至丨14、 121至124與該八個初始化線圈之間的相對位置關係，同該 等GMR元件11至14、21至24與該等初始化線圈31至34、41 至44之間的相對位置關係相同。該等gmr元件lu至114藉 由類似於該等GMR元件11至14之全橋連接方式而形成一 χ 軸磁感測器。該等GMR元件121至124藉由類似於該等GMR _ 元件21至24之全橋連接方式而形成一 γ軸磁感測器。 第一 X軸GMR元件111係形成於晶片丨丨⑽之γ軸方向一幾 乎中心部分，並在X軸反方向之一端部附近。第二又軸^“尺 元件112係形成於晶片ii〇a之γ軸方向一幾乎中心部分，並 在由一預足短距離在該第一 χ軸GMR元件111之χ軸正方向 隔開的一部分中。第三X軸GMR元件113係形成於晶片11〇a 之Y軸方向一幾乎中心部分，並在χ軸正方向之一端部附 近。第四X軸GMR元件114係形成於晶片110a<Y軸方向一 _ 幾乎中心部分，並在由一預定短距離在該第三X軸GMRS 件113之X軸反方向隔開的一部分中。該等第一至第四乂轴 GMR元件111至114之縱向方向的每個係平行於該γ軸方向。 第一 Y軸GMR元件121係形成於晶片ii〇a之χ軸方向一幾 乎中心部分，並在Y軸正方向之一端部附近。·第二Y軸gmr 元件122係形成於晶片1 l〇a之X軸方向一幾乎中心部分，並 在由一預定短距離在該第一 丫軸GMR元件121之γ軸反方向 隔開的一部分中。第三Y軸GMR元件123係形成於晶片丨丨〇a 87920.DOC -31- 1244785 之X軸方向一幾乎中心部分，並在γ軸反方向之一端部附 近。第四Υ軸GMR元件124係形成於晶片110a之X軸方向一 幾乎中心部分，並在由一預定短距離在該第三γ軸GMR元 件123之Y軸正方向隔開的一部分中。該等第一至第四γ軸 GMR元件121至124之縱向方向的每個係平行於該X軸方 向。 該S型磁感測器150具有與S型磁感測器50相同的結構， 除了該等GMR元件及該等初始化線圈之位置之外。該磁感 # 測器丨5〇包括一單一晶片150a(其與上述單一晶片50a相同） 、絕緣層（其與上述絕緣層l〇b相同）、總共八個GMR元件 151至154、161至164(其形成於該等絕緣層之最上層上）及 總共八個初始化線圈（用以初始化的線圈）。該等GMR元件 15 1至154、161至164與該八個初始化線圈之間的相對位置 關係，與該等GMR元件5 1至54、61至64與該等初始化線圈 71至74、81至84之間的相對位置關係相同。該等GMR元件 15 1至15 4藉由類似於該等GMR元件51至54之全橋連接方 鲁式而形成一 X軸磁感測器。該等GMR元件161至164藉由類 似於遠等GMR元件61至64之全橋連接方式而形成一 γ軸磁 感測器。 該等第一至第四X軸GMR元件151至154與該基板150a之 間的位置關係，同該等第一至第四X軸GMR元件111至114 與該基板110a之間的位置關係相同。該等第一至第四gMR 元件151至154之縱向方向的每個係平行於該γ軸方向。該 等第一至第四Υ軸GMR元件161至164與該基板15如之間的 87920.DOC •32- 1244785 位置關係，同該等第一至第四Y軸GMR元件121至124與該 基板110a之間的位置關係相同。該等第一至第四GMR元件 161至1 64之縱向方向的每個係平行於該X軸方向。 P逍後解釋用以製造如以上說明的如此配置之磁感測器 110及15 0之程序。在此程序中，使用以上說明的磁陣列μα 及不同於該磁陣列ΜΑ之一磁陣列mb。
首先，該磁陣列MA係藉由上述程序製備，而該磁陣列 MB係藉由以下程序製備。在解釋用以製作該磁陣列MB之 程序前，先解釋組成磁陣列MB之每個零件。該磁陣列MB 包括一軛（軛板）2〇〇、一基板（用於製造磁陣列）21〇及複數 個永久磁體（永久磁棒）230。 該軛200係顯示在圖23、24及25中。圖23為該軛2〇〇之一 片#又平面圖，圖24為圖23之一放大平面圖，而圖25為圖24 所π的該軛之一斷面圖，該圖係由一平面沿圖24之一線條 2-2切割。此軛2〇〇為一薄板，其由一磁材料形成，該材料 (例如42合金、Fe_42Ni合金及同等物）之導磁率大於空氣。 軛200最好可以由具有高飽和及高導磁率之材料（例如高導 磁合金或矽鋼（矽薄片））形成。該軛之平面形狀為矩形。在 此範例中，孩軛2〇〇之板厚為〇15 mm。該軛2〇〇具有複數 個通孔201。從平面看，該通孔2〇1具有一接近正方形形狀 。該等複數個通孔201係配置在一四方晶格上。明確地說， 該等通孔2G1係置放以便該等通孔之每個重心係與圖24 所π的四方晶格之一晶格點卯匹配。從平面看，形成該等 通孔20丨的側面之某侧係平行於形成鄰近通孔2〇ι的側面之
87920.DOC -33- 1244785 某側。換言之，形成該通孔20 1的側面之某側，與形成定位 於该四方晶格之相同列或（行）的另一通孔2〇 1的側面之某 側係在一相同直線上。
如圖26(其顯示該通孔201之一平面形狀）所示，該等通 孔201之每個具有由一正方形部分2〇la及邊界部分2〇lb(圓 弧形邵分或R部分）組成的一形狀（從一平面看）。該正方形 邵分201a之一形狀為一正方形。該邊界部分川化從該正方 形部分201 a之每個拐角處的直角向外增大。明確地說，該 邊界部分201b之一外形（輪廓）為一圓弧形，其中wPR係在 該正方形部分20la之一對角線cr上。 作為氣隙的通口 202係形成於該通孔2〇1與另一鄰近通孔 201之間，泫另一通孔係由最短線路與前通孔1隔開（即 介於具有最短距離的鄰近通孔2〇1與2〇1之間）。從平面看， 邊通口 202<—形狀係接近於一矩形。該通口 2〇2之一較長 侧面係平行於通孔2〇1(其為同一通孔2〇2之下一通孔）之正 方形部分2〇1b之一侧φ。該通口2〇2之較長侧㈣長度係 接近等於或稍短於該正方㈣分⑽之側面的長度。該通 口 202之較短側面的長度係長於該等膜m(其|成為元 件m至^⑵至‘⑸至⑼及⑹至叫之每個的較 長側面（縱向方向上的侧面）之長度。 該輛200具有開口（用以控制磁通量之開口阳。該開口 203(從平面看）係形成區域，該區域圍繞由連接該四方 格之該等晶格點的線條所晝的-正方形之-重心SQ。該 等開口 203〈一具有—圓形’從平面看其中心係在重心sq
87920.DOC -34- 1244785 上。 車列基板210(如圖27及28所示）係藉由處理一薄板 (:¾圖29所不’其係由磁材料（例如高導磁合金）形成）而製 作。從平面看，卩車列基板21〇具有幾乎與軛2〇〇相同之形狀 。陣列基板210包括複數個凹穴（溝渠）21〇b。複數個凹穴 係形成在與輛2〇〇之通孔2〇1相同之位置（㈣定位）。 凹八2 1 Ob之形狀係幾乎與通孔2〇 1的正方形部分1 &之形 狀相同。 鲁 永久磁棒230具有一矩形平行六面體形狀（參見圖3 1)。永 久磁棒230具有一斷面形狀，該形狀垂直於矩形平行六面 體（一相對較長中心軸，該形狀為一接近正方形，與通孔 201(及凹穴210b)之形狀接近相同。永久磁棒23〇之磁極係 形成於邊緣表面之兩端，每個表面具有正方形。複數個永 久磁棒230之磁荷的每個幅度係接近相等。 隨後解釋用以製造上述磁陣列MB之程序。首先製備將 成為輛200之一薄板。通孔2〇1、通口 202及開口 203係藉由 籲蝕刻而形成於該薄板中。接著，凹穴21 Ob係藉由蝕刻（半蝕 刻）形成於將成為陣列基板210之薄板210a上。 再接著，正方形柱狀間隔物（棒）220係置放於陣列基板 210上，如圖30(其為一透視圖）及圖31 (其為一斷面圖）所示 。間隔物220係放置於由複數個凹穴2 1 Ob組成的一列與由 複數個凹穴210b組成的另一列之間（該列為下一列並平行 於前列）。當間隔物220係以此方法配置時，間隔物220沿z 軸方向之長度係短於邊緣表面（其具有永久磁棒2 3 〇之磁 87920.DOC -35- 1244785 極）兩端之間的長度。應注意圖3〇省略邊界部分201b。 隨後軛200係放置（置放或配置）於間隔物220上。此時， 軛200係以此方法配置，以便從平面看，軛200之通孔201 (正方形部分20 la)與陣列基板2 10之凹穴2 10b相符。換言之 ，在輛200係置放於間隔物220上之狀態中，凹穴2 l〇b之每 個與Z軸方向上的通孔201之每個相符。應注意用以決定其 位置之一標記（即一對準標記）可形成於軛200及陣列基板 210 上。 Φ 接著，複數個永久磁棒230之每個係***複數個通孔2〇 1 之每個。在***永久磁棒230時，使具有永久磁棒230之磁 極的邊緣表面之一鄰接（接觸）陣列基板210的凹穴21 〇b之 上表面。因此，具有永久磁棒2 3 0之磁極的其他邊緣表面 (此表面在下文也可簡稱磁棒230之「上表面」）係放置（置 放）在一相同平面（一單一平面）上。而且此時在磁棒230之 上表面所置放的平面上，每個永久磁棒230之磁極的極性 不同於由最短線路（即最短距離）隔開的另一鄰近磁極之極 _ 性（與之相反）。因此，永久磁棒230係如圖23所示配置。在 此階段，禁止永久磁棒2 3 0側向（橫向）移動，因為磁棒2 3 〇 係***輛200之通孔201及凹穴210b中。 接著，軛200係藉由利用軛200之開口 203向上（在Z軸正 方向）提起。更明確地說，二個開口 203係採用鉗子握住而 且輛200係藉由該鉗子提起。此操作係重複用於其他開口 203，而且整個輛係緩慢地向上提起。此時如圖3 3所示，輛 200之高度（軛200與陣列基板210之間的距離）係以此方法 87920.DOC -36- 1244785 調整，以便由永久磁棒230之上表面形成的平面（即具有永 久磁棒230之磁極的所有其他邊緣表面），係放置在軛2〇〇 之上表面200up與軛200之下表面200dn之間。換言之，轭 200係向上提起以便使永久磁棒230之上表面在輛2〇〇之板 厚範圍内。應瞭解由軛200之上表面20〇up形成的平面，與 由永久磁棒2 3 0之上表面形成的平面相符。然後取間隔並 將軛200與陣列基板2 10固定。磁陣列MB係如此完成。 圖34為顯示一狀態之透視圖，其中僅取四個永久磁棒 籲 230···.·230。從此圖可以明白，具有磁場從一 N極方向指向 藉由最短線路隔開的鄰近於此N極之該等s極，而且每個磁 場在永久磁棒230·.·.·230之上表面（具有磁極之邊緣表面） 上具有在90度角度内之一不同方向。在此具體實施例中， 由磁陣列MB提供的此磁場係用以磁化每個GMR元件1 Π至 114、121至124、151至154及161至164之每個偏磁膜。 此磁陣列MB具有通口 202，其作為形成於二個永久磁棒 230(之上表面）之間的氣隙，該等永久磁棒係由最短線路隔 _ 開而且彼此相鄰。採用此組態，如圖35所示，磁通量集中 在通口 202及靠近通口 202之空間中。換言之，磁陣列mb 可以提供具有一磁場的一狹窄空間本地區域，該磁場之幅 度較大而且其方向可以穩定地保持恆定。 圖3 6及3 7顯示分別由箭頭所示的磁陣列MB及磁陣列μ A 產生的磁通量之狀態。藉由將該等圖式與其他圖式比較可 以明白，磁陣列MB不僅具有上述通口 202，而且具有開口 203，因此磁陣列MB可以使磁場（其形成於彼此相鄰而且係 87920.DOC -37- 1244785 由取短線路隔開的永久磁棒之間）更具有線性，而且可以提 i、本地磁場（其更加穩定而且其幅度大於由磁陣列Μ A提供 的磁場）。 採用上述步·驟，即可製備磁陣列MA及磁陣列MB。因此 ，在下又解釋用以製造（產生）磁感測器110及150之具體程 序（方法）。 首先，製備一基板（一石英玻璃，其將成為後來參考圖39 說明的一基板110al、一晶圓），膜Μ係形成於該基板上， •該等膜將成為GMR元件111至114、121至124、151至154、 161至164。此基板係採用類似於圖1〇所示的基板i〇ai之方 法形成。孩等膜Μ係以此方法配置以便當此基板係將在後 來進行的切割程序中切割時，可獲得圖21及22所示的個別 磁感測器110及150。 接著，上述基板（將成為GMR元件的膜撾係形成於該基板 上）及磁陣列MA(板93)係配置，如圖38所示，而且基板與 磁陣列之間的相對位置關係係固定。此時，基板與磁陣列 _係採用Λ方法置放以便使一表面（將成為GMR元件之膜m 係形成於該表面上）與板93之一上表面接觸（鄰接）（參見圖 14)。此外，基板與磁陣列％八係以此方法而相對配置，以 便基板（其成為磁感測器110及15〇之每個側面）之切割平面 、、泉C L的母個父叉點c p，係與四個鄰近永久磁棒9 2 9 2之 個別重心匹配。因此，一磁場係在垂直於每個膜M之窄帶 邛刀的縱向方向之方向，在基板係放置於磁陣列ΜA的上 表面之狀悲中，施加於將成為GMR元件之每個膜M，如圖
87920.DOC -38- 1244785 3 8之箭頭所示。 此第二具體實施例利用此磁場實行熱處理，以固定該固 定層P(居固定層P之釘住層）之磁化方向。明確地說，板％ 及孩基板係藉由夾具c而相互固定（參見圖14)，其狀態如圖 38所示，然後合成物係在一真空中加熱至25〇至28〇七，並 在此狀怨中保持約四小時（即實行根據需要的退火）。 接著，如圖39所示，基板110al(將成為GMR元件的 係形成於讜基板上）係採用此方法配置，以便上述平面（將 籲成為GMR元件的膜Μ係形成於該平面上）接觸（鄰接）磁陣 列MB之輛200之上表面2〇〇Up。此時，如圖4〇(其為一片段 放大平面圖）所示，基板與磁陣列MB係以此方法而相對配 置’以便基板llOal(其成為磁感測器110及15〇之每個側面） 之切割平面線CL的每個交叉點CP，係與每個鄰近永久磁 棒230·.··.230之個別重心匹配。此時從平面看，將成為 GMR元件之膜Μ係置放於軛200之通口 202之内側。因此， 如圖40之箭頭所示，一磁場係在每個膜μ之窄帶部分的縱 ® 向方向，在基板ll〇al係放置在軛200之上表面200up上之 狀態中，施加於將成為GMR元件之每個膜Μ。 此弟一具體貫施例利用此磁場來磁化上述偏磁膜，並將 自由層F之每個磁域内的磁化方向與最初狀態方向匹配。 其後’基板110 a 1係移除以形成一線路或同等物，用以連 接每個膜Μ，最後該基板ll〇al係沿圖38及40所示的虛線而 切割。如以上所說明，圖21所示的大量單石（單晶）磁感測 器110及圖22所示的單石（單晶）磁感測器150係同時生產。 87920.DOC -39- 1244785 如以上所解釋，在第二具體實施例中，強磁場係藉由利 用磁陣列MB而提供在本地空間，並且如此提供的磁場係 用以磁化GMR兀件之偏磁膜。磁陣列MB包括軛，其具有 作為氣隙之通口 202。因此，磁陣列MB可以提供靠近通口 202的具有一磁場之區域，該磁場之幅度較大而且其方向 可以穩定地料㈣。因此，即使具有高強制力的磁材料 係用以製造偏磁膜，偏磁膜也可以確實得到磁化。因此， 可以提供具有鬲度可靠性之磁感測器110及150，其中即使 在新增強干擾（例如其幅度相對較大之磁場）於磁感測器後 ，自由層之磁化方向也可穩定地返回至最初狀態方向。 此外，軛200具有開口 203形成於磁場因從磁極造成的磁 通量線之交叉（或碰撞）而不穩定之區域中。因此，因為磁 通I線之方向變得穩定，所以通口 2〇2附近的區域内之磁 場變得更穩定。此外，開口 203係用以調整磁陣列MB之陣 列基板2 10與軛200之間的距離（即軛2〇〇之高度）。因此，因 為可以輕易並根據需要而調整轭的高度，所以可提供最佳 磁場，用於GMR元件之偏磁膜係置放以得到磁化之區域。 此外，磁陣列MB之軛200的通孔201具有並非正方形之 形狀，但是該形狀包括邊界部分2〇lb，從正方形之每個拐 角處的直角向外增大。因此，當藉由蝕刻而形成通孔2〇1 時，即使通孔之拐角並未按設計而完全蝕刻，永久磁棒23〇 也能確實***通孔20 1。應注意此類邊界部分最好可以形 成於凹穴210b之拐角處。 本發明並非受限於上述具體實施例，但是各種修改可以 87920.DOC -40- 1244785 在本發明範疇内實施。例如 元件301，該元件係作為一 ’如圖20(其代表第一 X軸GMR 代表性範例）所示，窄帶部分 301a可以在偏磁膜301b 3〇lb(置放於其兩端下面）之上 部分中分離。此外，初始化線圈3〇2可以為雙螺旋形線圈 其中具有中心點P1之螺旋形線圈302-1與具有中心點？2之 螺旋形線圈302-2係相互連接。在此情況下，第一
元件301係配置於中心點？1與中心點？2之間，導致相互平 仃之電流在相同方向（在垂直於窄帶部分3〇la之縱向方向 之方向上）流經初始化線圈302(其穿過第一 乂軸gmr元件 301下方）之每個導體區段，從而產生初始化磁場。此外， 初始化線圈可以為多層線圈或可以為螺旋管形線圈。此外 ，一測試線圈（其在垂直於由初始化線圈產生的初始化磁 琢之方向上產生測试磁場，以檢查每個GMR元件之功能） 也可以置放於初始化線圈之上方或下方（z軸方向）的絕緣 【圖式簡單說明】 結合附圖，從以上詳細說明將可更加明白本發明之上述 及其他目的、方面、特徵及優點，其中·· 圖1為依據本發明之具體實施例的磁感測器之平面圖； 圖2為圖1所示的第一 X軸gmr元件之示意放大圖； 圖3為圖2所示的由沿圖2之丨線條的一平面所切割之第 一 X軸GMR元件之示意斷面圖； 圖4顯示圖2所示的第一 χ軸gmR元件之旋轉閥膜的結 構；
87920.DOC -41 - 1244785 圖5為一曲線圖，藉由一貫線顯示圖丨所示的第一 χ車 GMR元件之電阻變化，用於在X軸方向改變的磁場，並藉 由一虛線顯示其電阻變化，用於在Y軸方向改變的磁場/ 圖6A為包括在圖i所示的磁感測器中之_χ軸磁感測器 之等效電路圖； 圖6Β為對於在X軸磁感測器之X軸方向改變的磁場顯示 輸出之變化之曲線圖； 圖7Α為包括在圖1所示的磁感測器中之一 γ軸磁感測哭 Φ 之等效電路圖； 圖7Β為對於在γ軸磁感測器之丫軸方向改變的礙場顯示 輸出之變化之曲線圖； ^ 圖8Α為包括在圖}所示的磁感測器中之一 χ軸磁感測哭 之另一等效電路圖； 口口 圖8B為對於在又軸磁感測器之乂軸方向改變的礤場顯示 輸出之變化之曲線圖； ’、不 圖9 A為包括在圖丨所示的磁感測器中之
輸出之變化之曲線圖； 一 γ軸礤感測器
ΉΓ π〜 /g穴 , 一金屬板之平面圖，該 /則态，並頰示插
87920.DOC 入該金 -42- 1244785 屬板之一永久磁棒； 圖1 2為用以製造圖丄所示的磁感測器的磁陣列之斷面圖； 圖1 3為取圖12所示的磁陣列之一磁體的一部分之透視 _ ， 圖14為顯示用以製造圖i所示的磁感測器的程序之一之 平面圖； 圖15為顯示磁化圖1所示的磁感測器之每個gmr元件的 一偏磁膜之一方法之概念圖； 圖1 6為顯示釘住圖1所示的磁感測器之每個gmr元件的 釘住層之磁化方向之一方法之概念圖； 圖17A、17B、17C及17D為平面圖，每個圖顯示自由層 及GMR元件之偏磁膜之磁化狀態，其中圖17A顯示在磁化 偏磁膜之前的狀態，圖17B顯示在磁化偏磁膜後的狀態， 圖17C顯示施加外部磁場的狀態，及圖丨7D顯示消除該外 部磁場後的狀態； 圖18A為顯示在磁化偏磁膜之前的狀態中，gmr元件之 外邵磁場的電阻變化之曲線圖； 圖18B為顯示在磁化偏磁膜之後的狀態中，gmr元件之 外邵磁場的電阻變化之曲線圖； 圖19A、19B、及19C為平面圖，每個圖顯示自由層及 gmr元件之偏磁膜之磁化狀態，其中圖19A顯示在磁化偏 磁膜之前而且沒有施加外部磁場的狀態，圖丨9B顯示施加 外部強磁場的狀態，以及圖19C顯示消除該外部強磁場後 的狀態； 87920.DOC -43- 1244785 圖20為依據本發明之另一具體實施例的一磁感測器之— 第一 X袖GMR元件的一示意放大平面圖； 圖2 1為依據本發明之另一項具體實施例的一磁感測器 (N型）之一平面圖； 圖22為依據本發明之另一項具體實施例的一磁感測器（S 型）之一平面圖； 圖23為依據本發明之磁陣列MB的上述軛之一片段平面 圖； 圖24為圖23所示的該軛之一片段放大平面圖； 圖25為圖24所示的由沿圖24之2-2線條的一平面所切割 之該輛的一斷面圖； 圖26為圖23所示的該軛之一通孔之一平面圖； 圖27為依據本發明之磁陣列mb的一基板之一斷面圖； 圖28為圖27所示的陣列基板之一片段平面圖； 圖29為將成為圖27所示的陣列基板之一薄板的一斷面 圖； 圖3 0為顯示用以製造磁陣列mb的程序之一之平面固· 圖3 1為顯示用以製造磁陣列mb的程序之_之平面固· 圖32為顯示用以製造磁陣列MB的程序之一 <卞面圖； 圖3 3為纟頃不用以製造磁陣列]b的程序之一 > 也工η 卞面圖； 圖34為取磁陣列MB及軛之磁體一部分之透視圖· 圖35為磁陣列MB之一片段斷面圖； 圖36為磁陣列MB之一概念平面圖，用以解釋由磁陣列 MB產生的一磁場； 87920.DOC -44- 1244785 圖3 7為磁陣列μA之一概念平面圖，用以解釋由磁陣列 MA產生的一磁場； 圖3 8為顯示釘住圖2丨及22所示的磁感測器之每個GMR 元件的釘住層之磁化方向之一方法之概念圖； 圖39為顯示當磁化圖21及22所示的磁感測器之每個 GMR元件的偏磁場時一基板與磁陣列mb之間的一相對位 置關係之斷面圖；及 圖40為顯示磁化圖21及22所示的磁感測器之每個GMr 元件的一偏磁膜之一方法之概念圖。 【圖式代表符號說明】 10 N型磁感測器 10a 早一晶片 1 Oal 晶圓 10b 絕緣層 10bl 最上層 10b2 下絕緣層 11 第一 X軸巨大磁阻效應元件 11-1 CoZrNb非晶磁層 11-2 NiFe磁層 11-3 CoFe 層 11-4 間隔層 11-5 磁層 11-6 反鐵磁膜
87920.DOC -45- 11a lib 窄帶部分 窄帶部分 偏磁膜 第二X軸巨大磁阻效應元件 第三X軸巨大磁阻效應元件 第四X軸巨大磁阻效應元件 偏磁膜 第一 Y軸巨大磁阻效應元件 偏磁膜 第二Y軸巨大磁阻效應元件 第三Y軸巨大磁阻效應元件 第四Y軸巨大磁阻效應元件 偏磁膜 初始化線圈 31a 初始化磁場產生區段 線圈末端 線圈末端 初始化線圈 初始化線圈 初始化線圈 初始化線圈 初始化線圈 -46- 初始化線圈 初始化線圈 S型磁感測器 第一 X轴巨大磁阻效應元件 偏磁膜 第二X軸巨大磁阻效應元件 第三X軸巨大磁阻效應元件 第四X軸巨大磁阻效應元件 第一 Y軸巨大磁阻效應元件 偏磁膜 第二Y軸巨大磁阻效應元件 第三Y軸巨大磁阻效應元件 第四Y軸巨大磁阻效應元件 偏磁膜 初始化線圈 初始化線圈 初始化線圈 初始化線圈 初始化線圈 初始化線圈 初始化線圈 初始化線圈 -47- 1244785
91 金屬板 92··.··92 永久磁棒 93 板 100 自由層 101 偏磁膜 102 偏磁膜 110 N型磁感測器 110a 單一晶片 111 第一 X軸巨大磁阻效應元件 112 第二X軸巨大磁阻效應元件 113 第三X軸巨大磁阻效應元件 114 第四X轴巨大磁阻效應元件 121 第一 Y軸巨大磁阻效應元件 122 第二Y軸巨大磁阻效應元件 123 第三Y軸巨大磁阻效應元件 124 第四Y車由巨大磁阻效應元件 150 S型磁感測 150a 單一晶片 200 輛 200up 上表面 200dn 下表面 201 通孑L 87920.DOC -48- 1244785
201a 正方形部分 201b 邊緣部分 202 通口 203 開口 210 基板 210a 薄板 210b 凹穴 220 柱狀間隔 230 永久磁棒 230..... 230 永久磁棒 301 巨大磁阻效應元件 301a 窄帶部分 301b … ..301b 偏磁膜 302 初始化線圈 302-1 螺旋形線圈 302-2 螺旋形線圈 C 覆蓋層 CR 對角線 F 自由層 M 板 P 固定層 PI 中心點 87920.DOC -49- 1244785 P2 中心點 PR 中心 S 導電間隔層 SP 晶格點 SQ 重心 87920.DOC -50-

Claims (1)

1244785 拾、申請專利範園： 1. -種磁感測器，其包括一磁阻效應元件，該元件包括一 釘住層及一自由層，該磁感測器包括·· -偏磁膜，其由一永久磁體組成’該偏磁膜係用以在 該自由層中在一預定方向產生一偏磁場；及 一初始化線圈，其係提供在該自由層附近，並在與藉 由在-預足狀況下$電而產生的偏石兹場之方向相同的方 向施加一磁場至該自由層。 2· —種磁感測器之製程，其中該感測器包括在一基板上的 一釘住層、一自由層及一偏磁膜，該偏磁膜為一永久磁 體，该磁體施加一偏磁場至該自由層以形成一磁阻效應 元件，该元件之一電阻數值依據由該釘住層之一磁化方 向與該自由層之一磁化方向所形成之一相對角度而改變 ，該製程包括： 製備一磁陣列之一步驟，該磁陣列係配置以便複數個 永久磁體係配置在一四方晶格之一晶格點上，而且每個 永久磁體之一磁極的一極性不同於由最短路線隔開的另 一鄰近磁極之一極性； 製造一晶圓之一步·驟，其包括該等基板，在該等基板 上散佈有複數個島狀元件膜，每個元件膜包括成為該釘 住層之一膜、成為該自由層之一膜及成為該偏磁膜之一 膜；及 置放該晶圓於該磁陣列附近之一步·驟，以便建立該晶 圓與$衾磁卩車列之間的一預定相對位置關係，因此成為該 87920.DOC 1244785 寺復數個讀膜之該偏磁_該膜係藉由利用—磁場而 化，該磁場係形成於該磁陣列之該等磁極的一磁接與 :磁陣列μ等磁極的另一磁極之間’該另一磁極係鄰 近於由最短線路隔開的該一磁極。 如令叫專利範圍第2项之磁感測器之製程，其中 製造該晶圓之該步驟包括形成該等複數個元件膜之 成為孩自由層之每個膜之步驟，其係採用此方法以便具
有形狀，孩形狀具有—長軸及—短軸，並且採用此方 法以便成為該等複數個元件膜的該等自由層之該等膜的 車之土/個，係垂直於成為該等複數個元件膜的該 ，自由層之另—膜的長軸，以及形成在成為該自由層的 母個膜（兩端在該長軸之方向成為該偏磁膜的該膜之一 步驟，及其中 在磁化成為該偏磁膜的該膜之該步驟中的該預定相 對位置關係為該晶圓與該磁陣列之間的—相對位置關係 ’該關係將成為該偏磁膜的該膜之該磁化方向，與成為 具有該偏磁膜的該自由層之該膜的該長軸之該方向匹配 ’該偏磁膜係藉由該磁陣列形成的—磁場而提供在該自 由層兩端。 4·如申請專利範圍第3項之磁感測器之製程，進一步包括： 配置該晶圓在該磁陣列附近之一步驟，以便建立該晶 圓興居磁陣列之間的—相對位置關係，該關係不同於該 預定相對位置關係、，因此成為該等複數個元件膜之該釘 住層的孩膜之該磁化方向係藉由利用該磁陣列所形成的 87920.DOC -2- 1244785 讀磁場而舒住。 5_ :種磁陣列’其包括複數個永久磁體，每個磁體具有一 接近矩形平行六面體形狀而且具有_斷面㈣，該斷面 形狀垂直於該矩形平行六面體之—中心轴，其接近於正 万形，並且每個磁體具有形成於兩個邊緣表面之磁極， 該等邊緣表面之-具有垂直於該㈣彡平行六面體之該中 心軸之該接近正方形形狀；其中 該等複數個永久磁體係以此方法配置，以便具有該接 籲 近正方形形狀的該等邊緣表面之每個重心係與一四方晶 格之-晶格點匹配，形成置放於該四方晶格之某列的該 等複數個永久磁體之該等邊緣表面之—的側面之某側， 與形成置放於該四方晶格之相同列的其他複數個永久磁 體之該等邊緣表面之-的側面之某側係在—相同直線上 ，具有該等永久磁體之該等正方形形狀的所有邊緣表面 係放置於-接近相同的單—平面上，而且相鄰置放並由 *短線路隔開的該等永久磁體之該等磁極的該等極性之 ’ 4壬何二個係互不相同的。 6.種磁陣列’其包括複數個永久磁體，每個磁體具有一 接近矩形平行六面體形狀而且具有一斷面形狀，該斷面 形狀垂直於忒矩形平行六面體之一中心軸，其係接近於 正方形，並且每個磁體具有形成於兩個邊緣表面之磁極 ，該等邊緣表面之一具有垂直於該矩形平行六面體之該 中〜軸<藏接近正方形形狀，以及一薄板狀軛，該軛係 由一磁材料形成；其中 87920.D〇C 1244785 咸等被數個永久磁體係以此方法配置以便具有該接 近正方形形狀的该等邊緣表面之每個重心係與一四方晶 格之晶格點匹配’形成置放於該四方晶格之某列的該 等數個永久磁體之該等邊緣表面之一的側面之某側， 與形成置放於該四方晶格之相同列的其他複數個永久磁 體（藏等邊緣表面之一的側面之某侧係在一相同直線上 ，具有該等永久磁體之該等正方形形狀的所有該邊緣表 面係放置於一接近相同的單一平面上，而且相鄰置放並 由最短線路隔開的該等永久磁體之該等磁極的該等極性 之任何二個係互不相同的；以及 居輛包括複數個通孔，該等通孔之每個具有一與接近 正方Φ的该斷面形狀接近相同的形狀，而且該等通孔係 配置在孩等永久磁體所置放的該等位置，並且該軛係以 此万法配置以便當該等永久磁體係***該等通孔時，放 置於相同單一平面的該等永久磁體之所有邊緣表面都係 置放於該軛之一上表面與該軛之一下表面之間。 7.如申請專利範圍第6項之磁陣列；其中 該軛具有通口作為形成於該等通孔之間的氣隙，該等 通孔係相互鄰近而且由一最短線路隔開。 8·如申請專利範圍第7項之磁陣列；其中 汶軛在區域中具有開口，該等區域之每個係圍繞由連 接一平面圖中的該四方晶格之該等晶格點的線條所畫的 一正方形之一重心。 — 9.如申請專利範園第6至8項中任一項之磁睁列；其中 87920.DOC 1244785
該軛之該等通孔之每個具有一正方形部分，該部分具 有一正方形形狀，該形狀與一平面圖中的該永久磁體之 該斷面正方形形狀之該形狀接近相同，以及一邊界部分 ，該部分從該正方形部分之各該等拐角的該直角向外增 大0 87920.DOC
TW092129429A 2002-10-23 2003-10-23 Magnetic sensor, production process of the magnetic sensor and magnetic array suitable for the production process TWI244785B (en)

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