TWI440875B - 穿隧磁電阻結構以及集成式３軸向磁場感測器與感測電路的製造方法 - Google Patents

穿隧磁電阻結構以及集成式３軸向磁場感測器與感測電路的製造方法 Download PDF

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Description

穿隧磁電阻結構以及集成式3軸向磁場感測器與感測 電路的製造方法
本發明是關於磁場感測裝置，更具體而言是關於可用作電子羅盤(electronic compass)的單晶片集成式3軸磁場感測器(3-axis magnetic field sensor)。
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。
異向性磁電阻器磁場感測器已經商品化，但僅限於最多2軸(2-axis)的集成式晶片類型。異向性磁電阻器可以使用45度的短路條，即是所謂螺絲紋條狀桿偏壓結構(Barber pole bias)，從而以雙向(bipolar)模式工作。巨磁 電阻器具有比異向性磁電阻器大的磁阻比(magneto-resistance ratio，MR)，然而巨磁電阻器卻難以在雙向模式下操作，一般僅使用單向(unipolar)模式來感測磁場的數值。近年來，高磁阻比的穿隧式磁電阻器的實現引起更大的注意力，而僅有少數單軸磁場感測器產品有成品出售。非預期地，典型穿隧式磁電阻器的結構和磁性薄膜的特性反而限制其多軸磁場感測器的可行性。
圖1A至圖1B為用於磁場感測的典型穿隧式磁電阻器95的俯視與剖面圖式，其包括：位於基板90上由導電金屬形成的底板作為形成於基板90上的底部電極92；磁性穿隧接面(Magnetic Tunneling Junction，MTJ)元件110，形成於底部電極92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上的頂部電極96。從磁性穿隧接面元件110的俯視圖，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)170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92與頂部電極96之間。磁性材料的固定層112形成於底部電極92上，且具有與一固定方向平行的固定磁矩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170平行的自由磁矩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170垂直的磁場。於退火製程之後，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的形狀異向性會使自由磁矩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170。另外，水平極化材料的磁性膜層通常具有極強的去磁磁場(demagnetization field)，限制自由層和固定層的磁矩僅能在躺在磁性薄膜的平面上轉動，但難以站立於磁性薄膜的平面。因此，典型穿隧式磁電阻器95僅可適用於在平面(in-plane)磁場感測器。
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。圖2A至圖2為全範圍與半範圍惠斯頓電橋電路(Wheatstone bridge circuit)的示意圖式。如圖2A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，電橋的每個感測元件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，因此兩個感測元件R21、R12必須被遮蔽(如圖2B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。
如上所述的磁性薄膜特性的限制，若是要使用磁電阻器來感測方向與基板垂直的磁場，一般是將磁電阻器置於製作於基板上的斜面上，藉由感測於斜面上的磁場分量的方式來達成。異向性磁電阻器的挑戰是在於其需要大的斜面面積，且在斜面上製作45度的螺絲紋條狀桿對於微影(lithogrphy)和蝕刻製程是個難題。而典型穿隧式磁電阻器95的固定磁矩114受到退火製程的磁場方向限制，無法製作集成式多軸的磁場感測器。
電子羅盤應用通常需要感測X-Y-Z方向上的地磁場(geo-magnetic field)分量。到目前為止，傳統電子羅盤晶片通常包裝三個單獨的磁場感測器來分別感測地磁場的每一個方向的分量。如何設計3軸向的集成式低成本磁場感測器，在此項技術中一直是很熱門的題目。
本發明同時提出一種用以感測磁場的互補穿隧式磁電阻器(Mutual Supplement Tunneling Magneto-Resistor，MS-TMR)和一種在基板上形成3軸集成式磁場感測器的製造方法。
在本發明的實施例中，一種在平面(in-plane)磁場感測器包括基板、互補穿隧式磁電阻器和金屬線路徑。所述互 補穿隧式磁電阻器在基板上具有一固定方向與一易軸。互補穿隧式磁電阻器還包括位於基板上的底部電極、第一磁性穿隧接面元件、第二磁性穿隧接面元件、頂部電極。第一磁性穿隧接面元件包括：磁性材料的第一固定層，其位於底部電極上、具有在所述固定方向上的第一固定磁矩；非磁性材料的第一穿隧層，其設置於第一固定層上；及磁性材料的第一自由層，其設置於第一穿隧層上、具有平行於所述易軸的第一自由磁矩，且所述固定方向與易軸之間形成夾角。第二磁性穿隧接面元件與第一磁性穿隧接面元件具有相同的磁性薄膜結構與圖案，包括：磁性材料的第二固定層，其位於底部電極上、具有在所述固定方向上的第二固定磁矩；非磁性材料的第二穿隧層，其設置於第二固定層上；及磁性材料的第二自由層，其設置於第二穿隧層上、具有平行於所述易軸的第二自由磁矩。所述頂部電極連接第一自由層與第二自由層。所述金屬線路徑跨過第一磁性穿隧接面元件和第二磁性穿隧接面元件。在初始狀態下，以電流通過所述金屬線路徑而產生磁場，第一與第二磁性穿隧接面元件分別受到平行於易軸但方向相反的磁場，使得第一自由磁矩和第二自由磁矩被設定為平行於易軸但是相互反平行。所述固定方向與易軸之間的夾角實質上為45度或135度。一磁場感測方向垂直於基板上的所述易軸。
在本發明的實施例中，一種2軸的在平面磁場感測器包括基板、第一互補穿隧式磁電阻器、第一金屬線路徑和 第二互補穿隧式磁電阻器、第二金屬線路徑。所述第一互補穿隧式磁電阻器在基板上具有第一固定方向和第一易軸。所述第二互補穿隧式磁電阻器在基板上具有第二固定方向和第二易軸。所述第一易軸正交於第二易軸，且所述第一固定方向和第二固定方向都平行於平分方向(bisection direction)，所述平分方向分別與第一易軸和第二易軸具有45度角。所述第一互補穿隧式磁電阻器包括：位於基板上的第一底部電極；第一磁性穿隧接面元件，包括：磁性材料的第一固定層，所述第一固定層位於第一底部電極上、具有在第一固定方向上的第一固定磁矩；非磁性材料的第一穿隧層，其設置於所述第一固定層上；和磁性材料的第一自由層，其設置於所述第一穿隧層上、具有平行於第一易軸的第一自由磁矩，且第一固定方向與第一易軸之間形成第一夾角；第二磁性穿隧接面元件，包括：磁性材料的第二固定層，其位於第一底部電極上、具有處於所述第一固定方向的第二固定磁矩；非磁性材料的第二穿隧層，其設置於所述第二固定層上；和磁性材料的第二自由層，其設置於所述第二穿隧層上、具有平行於所述第一易軸的第二自由磁矩；以及第一頂部電極，其連接所述第一自由層與所述第二自由層。所述第一金屬線路徑跨過所述第一磁性穿隧接面元件和所述第二磁性穿隧接面元件。在初始狀態下，以電流通過所述第一金屬線路徑而產生磁場，第一與第二磁性穿隧接面元件分別受到平行於第一易軸但方向相反的磁場，使得第一自由磁矩和第二自由 磁矩被設定為平行於第一易軸但是相互反平行。所述第一固定方向與第一易軸之間的第一夾角實質上為45度或135度。第一磁場感測方向垂直於基板上的第一易軸。所述第二互補穿隧式磁電阻器包括：位於基板上的第二底部電極；第三磁性穿隧接面元件，包括：磁性材料的第三固定層，所述第三固定層位於第三底部電極上、具有在第二固定方向上的第三固定磁矩；非磁性材料的第三穿隧層，其設置於所述第三固定層上；和磁性材料的第三自由層，其設置於所述第三穿隧層上、具有平行於第二易軸的第三自由磁矩，且第二固定方向與第二易軸之間形成第二夾角；第四磁性穿隧接面元件，包括：磁性材料的第四固定層，其位於第二底部電極上、具有處於所述第二固定方向的第四固定磁矩；非磁性材料的第四穿隧層，其設置於所述第四固定層上；和磁性材料的第四自由層，其設置於所述第四穿隧層上、具有平行於所述第二易軸的第四自由磁矩。第二頂部電極連接所述第三自由層與所述第四自由層；且第二金屬線路徑跨過所述第三磁性穿隧接面元件和所述第四磁性穿隧接面元件。在初始狀態下，以電流通過所述第二金屬線路徑而產生磁場，第三與第四磁性穿隧接面元件分別受到平行於第二易軸但方向相反的磁場，使得第三自由磁矩和第四自由磁矩被設定為平行於第二易軸但是相互反平行。所述第二固定方向與第二易軸之間的第二夾角實質上為45度或135度，其中第二磁場感測方向垂直於基板上的第二易軸。
在本發明的實施例中，一種製作於基板上具有感測磁場方向垂直於基板的出平面磁場感測器(out-of-plane magnetic field sensor)，包括製作於基板上的凹槽結構或凸起結構、第三互補穿隧式磁電阻器、第四互補穿隧式磁電阻器、和第三金屬線路徑。基板上的所述凹槽結構或凸起結構具有第一斜面和第二斜面。第一斜面與第二斜面相對於基板具有相同的斜角(bevel)且對於所述凹槽或凸起結構的中軸線具有對稱翻轉的關係。第三互補穿隧式磁電阻器形成於第一斜面上且具有第三固定方向和第三易軸，所述第三互補穿隧式磁電阻器包括：位於第一斜面上的第三底部電極；第五磁性穿隧接面元件，包括：磁性材料的第五固定層，所述第五固定層位於第三底部電極上、具有在第三固定方向上的第五固定磁矩；非磁性材料的第五穿隧層，其設置於所述第五固定層上；和磁性材料的第五自由層，其設置於所述第五穿隧層上、具有平行於第三易軸的第五自由磁矩，且第三固定方向與第三易軸之間形成第三夾角；第六磁性穿隧接面元件，包括：磁性材料的第六固定層，其位於第三底部電極上、具有處於所述第三固定方向的第六固定磁矩；非磁性材料的第六穿隧層，其設置於所述第六固定層上；和磁性材料的第六自由層，其設置於所述第六穿隧層上、具有平行於所述第三易軸的第六自由磁矩；以及第三頂部電極，其連接所述第五自由層與所述第六自由層。第四互補穿隧式磁電阻器形成於第二斜面上，具有第四固定方向和第四易軸，所述第四互補穿隧式 磁電阻器包括：位於第二斜面上的第四底部電極；第七磁性穿隧接面元件，包括：磁性材料的第七固定層，所述第七固定層位於第四底部電極上、具有在第四固定方向上的第七固定磁矩；非磁性材料的第七穿隧層，其設置於所述第七固定層上；和磁性材料的第七自由層，其設置於所述第七穿隧層上、具有平行於第四易軸的第七自由磁矩，且第四固定方向與第四易軸之間形成第四夾角；第八磁性穿隧接面元件，其包括：磁性材料的第八固定層，其位於第四底部電極上、具有處於所述第四固定方向的第八固定磁矩；非磁性材料的第八穿隧層，其設置於所述第八固定層上；和磁性材料的第八自由層，其設置於所述第八穿隧層上、具有平行於所述第四易軸的第八自由磁矩；以及第四頂部電極，其連接所述第七磁性自由層與所述第八磁性自由層。所述第三金屬線路徑跨過所述第五磁性穿隧接面元件、所述第六磁性穿隧接面元件、所述第七磁性穿隧接面元件和所述第八磁性穿隧接面元件，且流過所述第三金屬線路徑的電流可產生平行於第三易軸但方向相反的磁場以將第五自由磁矩和第六自由磁矩的初始狀態設定為平行於所述第三易軸但相互反平行，所述第三易軸與第三固定方向之間的第三夾角實質上為45度或135度，且產生平行於所述第四易軸但方向相反的磁場以將第七自由磁矩和第八自由磁矩的初始狀態設定為平行於第四易軸但相互反平行，所述第四易軸與第四固定方向之間的第四夾角實質上為45度或135度。第三易軸和第四易軸平行於所述凹槽結 構或凸起結構的中軸線。第三互補穿隧式磁電阻器磁場感測結構的第三底部電極與第四互補穿隧式磁電阻器磁場感測結構的第四底部電極相連接。第三互補穿隧式磁電阻器的第三頂部電極與第四互補穿隧式磁電阻器的第四頂部電極相連接。
在本發明的實施例中，一種3軸集成式磁場感測器包括基板、前述2軸的在平面磁場感測器和前述出平面磁場感測器，其中所述出平面磁場感測器的凹槽結構或凸起結構的中軸線平行於所述2軸的兩個在平面磁場感測器的平分方向。
在本發明的實施例中，提供一種同時設定3軸集成式磁場感測器的各軸向的穿隧式磁電阻器的固定方向的方法。通過在退火製程期間施加一傾斜磁場(slantwise field)，該磁場與垂直於基板的Z軸具有仰角(zenith angle)，其在基板上的投影也與X軸及Y軸具有45度的方位角，所述仰角的正切等於前述出平面磁場感測器所述斜面之斜角的正弦。
根據本發明，提供一種同時設定3軸集成式磁場感測器的各軸向的穿隧式磁電阻器的固定方向的方法。通過在退火製程期間施加雙向磁場方式，即同時施加水平方向和垂直方向的磁場。垂直磁場平行於基板的Z軸，水平磁場與X軸和Y軸具有45度的方位角且與垂直磁場的量值比等於前述出平面磁場感測器所述斜面之斜角的正弦。
在本發明的實施例中，提供一種用以將所感測磁場轉換為電子信號的感測電路。所述電路由偏壓電壓單元、鉗位電壓電流鏡單元和信號轉變放大單元構成。使用相同的磁場感測器作為零磁場參考器，但其自由磁矩在磁場感測期間，被電流產生的磁場而鎖定於初始狀態。所述偏壓電壓單元產生鉗位電壓施加給鉗位電壓電流鏡，並將該偏壓電壓施加至磁場感測器和零磁場參考器。鉗位電壓電流鏡單元將零磁場參考器的參考電流映像給磁場感測器。磁場感測器的電導因感測磁場而改變，所以流過磁場感測器的電流是零磁場參考電流與電導變化的感測電流的總和。電導變化的感測電流通過信號轉變放大單元的電阻器而被轉換為感測電壓。
應可理解，前述概括描述及以下詳細描述皆為示例性的，且旨在提供對所主張的本發明的進一步解釋。
為進一步理解本發明，在本說明中包含附圖，這些附圖包含於本說明書中並構成本說明書的一部分。這些附圖繪示本發明的實施例並與本說明一起用於解釋本發明的原理。
在本發明中，同時提出一種用以感測磁場的穿隧式磁電阻器結構以及一種在基板上形成積體式3軸集成式穿隧式磁電阻器磁場感測器的配置和方法。提供若干實施例進行說明，然而，本發明並不僅限於所述實施例。
為方便描述與清楚，本發明說明書內容之元件名稱全名均以英文簡寫名稱替代，合先敘明。
圖3A至圖3B是根據本發明實施例之在平面磁場感測器的俯視圖與互補穿隧式磁電阻器沿著易軸的剖視圖。。在圖3A至圖3B中，第一互補穿隧式磁電阻器100包括在基板90上由導電材料(例如Ta、Ti、TiN、TaN、Al、Cu、Ru、...等等)形成的底部電極102和由導電材料(例如Ta、Ti、TiN、TaN、Al、Cu、Ru、...等等)形成的頂部電極106、以及設置於底部電極102與頂部電極106之間的第一磁性穿隧接面(Magnetic Tunneling Junction，MTJ)元件110a及第二磁性穿隧接面元件110b。第一磁性穿隧接面元件110a及第二磁性穿隧接面元件110b具有共線的第一易軸180。第一磁性穿隧接面元件110a包括形成於底部電極102上的第一固定層(pinned layer)112a，其由磁性材料例如NiFe、CoFe、CoFeB、...等等所形成，且具有平行於第一固定方向140的第一固定磁矩114a，所述第一固定方向140與第一易軸180夾有45度角。由非磁性材料例如AlO、MgO、...等等所形成的第一穿隧層115a形成於第一固定層112a上。由磁性材料例如NiFe、CoFe、CoFeB、...等等所形成的第一自由層116a形成於第一穿隧層115a上，且具有在初始時與第一易軸180平行的第一自由磁矩118a。頂部電極106連接第一自由層116a。
第二磁性穿隧接面元件110b具有與第一磁性穿隧接面元件110a相同的圖案和磁性薄膜堆疊(film stack)。第 二磁性穿隧接面元件110b包括形成於底部電極102上而由磁性材料所形成的第二固定層112b，且具有也平行於相同第一固定方向140的第二固定磁矩114b。由非磁性材料形成的第二穿隧層115b形成於第二固定層112b上。由磁性材料形成的第二自由層116b形成於第二穿隧層115b上，且具有第二自由磁矩118b，其在初始時平行於第一易軸180但與第一自由磁矩118a反平行。頂部電極106連接第二自由層116b。
第一金屬線路徑108跨過第一磁性穿隧接面元件110a和第二磁性穿隧接面元件110b，且可施加設定電流ISET使其產生磁場。施加於第一磁性穿隧接面元件110a和第二磁性穿隧接面元件110b的磁場都平行於第一易軸180但在方向上相反，使第一自由磁矩118a與第二自由磁矩118b設定為反平行。
根據以上揭露內容，可自方程式(1)獲得第一互補穿隧式磁電阻器100的電導。圖4A至圖4B為正規化電導對施加磁場的計算與結果，其中也展示典型穿隧式磁電阻器的電導以供參考。
，其中
方程式(2)和方程式(3)分別是第一磁性穿隧接面元件110a和第二磁性穿隧接面元件110b的導電率。第一磁性穿隧接面元件110a與第二磁性穿隧接面元件110b假設具有相同材料參數，其中MR是磁阻比(magneto-resistance ratio)，GP是磁性穿隧接面元件的自由層磁矩與固定層磁矩平行排列時的電導，且θ是在所施加磁場H⊥垂直於第一易軸時磁性穿隧接面元件的自由層磁矩與第一易軸之間的夾角。假定所施加的磁場小於磁性 穿隧接面元件的矯頑場(coercivity)HC，則，則可 如方程式(4)所述，電導與施加磁場呈線性關係。
圖5A至圖5B展示第一互補穿隧式磁電阻器100的微磁學模擬，證明電導與施加磁場的線性關係，其中第一磁性穿隧接面元件110a與第二磁性穿隧接面元件110b具有相同的橢圓形狀(長軸為2微米，且短軸為1微米)、相同的自由層厚度10Å、自由層和固定層的飽和磁化量Ms=1000emu/cc與異向性常數Ku=800erg/cc。在此實例 中，第一互補穿隧式磁電阻器100的電導隨著所施加磁場的增大而線性的減小。當固定方向反向時，則電導隨著所施加磁場的增大而線性的增大。
圖6是根據本發明實施例之2軸的在平面磁場感測器的圖式。在2軸的在平面磁場感測器的以下實施例中，例如所述多個互補穿隧式磁電阻器等的元件被標記為具有重新開始的元件編號以易於描述。X軸磁場感測器包括具有平行於Y軸的第一易軸180和第一固定方向140的第一互補穿隧式磁電阻器100以及第一金屬線路徑108。Y軸磁場感測器包括具有平行於X軸的第二易軸280和第二固定方向240的第二互補穿隧式磁電阻器200以及第二金屬線路徑208。第一固定方向140和第二固定方向240都平行於座標系的平分方向350，相對於基板上的X軸和Y軸具有45度角。第一互補穿隧式磁電阻器100在本發明的所有實例中都與圖3A至圖3B中所述具有相同的結構和編號以易於描述，且下文不再贅述。第一互補穿隧式磁電阻器100包括：具有第一固定磁矩114a和第一自由磁矩118a的第一磁性穿隧接面元件110a；以及具有第二固定磁矩114b和第二自由磁矩118b的第二磁性穿隧接面元件110b。第一固定磁矩114a和第二固定磁矩114b都平行於第一固定方向140。第一自由磁矩118a與第二自由磁矩118b在初始時是平行於第一易軸180但相互反平行。第二互補穿隧式磁電阻器200與圖3A至圖3B中所述具有相同的結構，且包括：具有第三固定磁矩214a和第三自由磁 矩218a的第三磁性穿隧接面元件210a；以及具有第四固定磁矩214b和第四自由磁矩218b的第四磁性穿隧接面元件210b。第三固定磁矩214a和第四固定磁矩214b平行於第二固定方向240。第三自由磁矩218a與第四自由磁矩218b在開始時平行於第二易軸280但相互反平行。
在圖7A至圖7C中，描述一Z軸向磁場感測器的俯視圖及沿A-A’的剖視圖。在下文中所述之實施例的編號是接續上文所述實施例之編號，以易於描述。Z軸向磁場感測器295是並聯連接位於基板上的凹槽結構370或凸起結構390的第一斜面360a上的第一典型穿隧式磁電阻器310與第二斜面360b上的第二典型穿隧式磁電阻器320所組成。第一典型穿隧式磁電阻器310和第二典型穿隧式磁電阻器320與圖1A至圖1B中所述的典型穿隧式磁電阻器具有相同結構。位於基板上的凹槽結構370或凸起結構390的第一斜面360a與第二斜面360b相對於基板具有相同的斜角，且相對於基板上的凹槽結構370或凸起結構390的中軸線305具有對稱翻轉的關係。第一典型穿隧式磁電阻器310與第二典型穿隧式磁電阻器320具有相同的圖案和相同的磁性薄膜堆疊。第一典型穿隧式磁電阻器310具有在初始時平行於第三易軸380a的(左側)自由磁矩318和具有平行於第三固定方向345a的(左側)固定磁矩314。第三易軸380a平行於基板上的中軸線305，且固定方向345a是沿第一斜面360a並垂直於第一斜面360a上的第三易軸380a。第二典型穿隧式磁電阻器320具有在初始時平行於 第四易軸380b的(右側)自由磁矩328和具有平行於固定方向345b的(右側)固定磁矩324。第四易軸380b也平行於基板上的中軸線305，且(右側)固定方向345b沿第二斜面360b並垂直於第二斜面360b上的第四易軸380b。(左側)固定方向345a和(右側)固定方向345b可以都是向上或者向下。因為每一個典型穿隧式磁電阻器都具有垂直於其易軸的固定方向，所以(左側)自由磁矩318與(右側)自由磁矩328在初始時可以使是平行或反平行。在第一斜面360a上的第一典型穿隧式磁電阻器310的磁場感測方向沿第一斜面360a並與第三易軸380a垂直線。同樣，在第二斜面360b上的第二典型穿隧式磁電阻器320的磁場感測方向是沿第二斜面360b並與第四易軸380b垂直。(左側)固定磁矩314的固定方向345a和(右側)固定磁矩324的固定方向345b可以在退火製程期間施加垂直於基板的磁場來設定。
圖8A至圖8B是在本發明中用以說明實施例的斜面相對於基板的幾何座標關係的圖式。對於如圖8A至圖8B中所示的基板上的斜面，我們可以定義：在基板上的方向A沿著於斜面長度方向；在基板上的方向D垂直於基板上的方向A，且與X軸具有方位角α；垂直於基板的方向為Z軸。此外，從圖8B所示的剖視圖來看，方向B可定義為沿斜面與方向D具有斜角β。方向C垂直於斜面。因此，磁場可以用斜面的方向A、方向B和方向C來表示。
根據以上描述，當第一典型穿隧式磁電阻器310和第 二典型穿隧式磁電阻器320感測磁場時，則其電導可分別以方程式(5)和方程式(6)來表示。
當將其並聯連接時，X軸向磁場與Y軸向磁場的電導變化會相互抵消，只有Z軸向磁場的電導變化存在，可寫為方程式(7)。
實際上，對於如圖7A至圖7B所述的Z軸向磁場感測器295，這兩個典型穿隧式磁電阻器可以用兩個互補穿隧式磁電阻器取代。圖9是根據本發明實施例之Z軸向磁場感測器的俯視圖。在圖9中，揭露出一感測磁場方向垂直於基板的出平面磁場感測器的實施例，根據先前描述，以兩個相同的互補穿隧式磁電阻器取代第一斜面和第二斜面 上的這兩個典型穿隧式磁電阻器。第一斜面360a和第二斜面360b位於凹槽結構370或凸起結構390上。第三互補穿隧式磁電阻器300a具有第三固定方向340a，所述第三固定方向340a在第一斜面360a上與第三易軸380a具有45度角，第四互補穿隧式磁電阻器300b具有第四固定方向340b，所述第四固定方向340b在第二斜面360b上與第四易軸380b具有45度夾角。
第三互補穿隧式磁電阻器300a置於第一斜面360a上，包括第五磁性穿隧接面元件310a和第六磁性穿隧接面元件310b，具有如圖3B中所述相同的結構。第五磁性穿隧接面元件310a具有第五自由磁矩318a和第五固定磁矩314a；第六磁性穿隧接面元件310b具有第六自由磁矩318b和第六固定磁矩314b。第五固定磁矩314a和第六固定磁矩314b都平行於第三固定方向340a，第五自由磁矩318a和第六自由磁矩318b在初始時都平行於第三易軸380a，並以流通於第三金屬線路徑308的電流所產生的磁場而被設定為相互反平行。第五磁性穿隧接面元件310a和第六磁性穿隧接面元件310b設置於頂部電極與底部電極之間。
第四互補穿隧式磁電阻器300b置於第二斜面360b上，包括第七磁性穿隧接面元件320a和第八磁性穿隧接面元件320b，具有如圖3B中所述相同的結構。第七磁性穿隧接面元件320a具有第七自由磁矩328a和第七固定磁矩324a。第八磁性穿隧接面元件320b具有第八自由磁矩328b和第八固定磁矩324b。同樣，第七磁性穿隧接面元件320a 和第八磁性穿隧接面元件320b設置於頂部電極與底部電極之間。在第三互補穿隧式磁電阻器300a和第四互補穿隧式磁電阻器300b中，兩個頂部電極連接在一起，且兩個底部電極連接在一起。第七固定磁矩324a和第八固定磁矩324b都平行於第四固定方向340b，第七自由磁矩328a和第八自由磁矩328b在初始時都平行於第四易軸380b，並以流通於第三金屬線路徑308的電流所產生的磁場而被設定為相互反平行。第七磁性穿隧接面元件320a和第八磁性穿隧接面元件320b設置於頂部電極與底部電極之間，且與圖3A至圖3B中所述具有相同的結構。
第三易軸380a和第四易軸380b平行於基板上的凹槽結構370或凸起結構390的中軸線305。第三固定方向340a和第四固定方向340b在基板上對中軸線305具有對稱翻轉的關係，且在其自身斜面上分別與其易軸具有45度角。Z軸向磁場感測器300的電導可寫為方程式(8)。
圖10是根據本發明實施例的3軸集成式磁場感測器的俯視圖。在圖10中，3軸集成式磁場感測器包括一2軸的在平面磁場感測器和一Z軸的出平面磁場感測器，其中為易於說明，沒有展示磁場感測器中用於產生磁場以設定自由磁矩的初始狀態下的金屬線路徑。為易於理解，對第一 互補穿隧式磁電阻器100和第二互補穿隧式磁電阻器200的詳細結構說明可使用原始編號，且第一互補穿隧式磁電阻器100和第二互補穿隧式磁電阻器200以及第三互補穿隧式磁電阻器300a和第四互補穿隧式磁電阻器300b所結合的詳細結構則如圖10中所述。2軸的在平面磁場感測器如圖6中所述，包括第一互補穿隧式磁電阻器100和第二互補穿隧式磁電阻器200，及分別跨過兩個穿隧式磁電阻器的金屬線路徑，在以下實施例中不再重複其細節。所述2軸的在平面磁場感測器包括：感測X軸向磁場的第一互補穿隧式磁電阻器100，其具有平行於Y軸的第一易軸180，與平行於平分方向350的第一固定方向140；感測Y軸向磁場的第二互補穿隧式磁電阻器200，其具有平行於X軸的第二易軸280，與同樣平行於相同的平分方向350的第二固定方向240。所述出平面磁場感測器為Z軸向磁場感測器300是由並聯連接設置於凹槽結構370或凸起結構390的第一斜面360a上的第三互補穿隧式磁電阻器300a與第二斜面360b上的第四互補穿隧式磁電阻器300b所組成，其中的第一斜面360a與第二斜面360b對於中軸線305具有對稱翻轉的關係；第三互補穿隧式磁電阻器300a具有第三易軸380a和第三固定方向340a，且第四互補穿隧式磁電阻器300b具有第四易軸380b和第四固定方向340b。第三易軸380a和第四易軸380b平行於基板上相同的中軸線305。中軸線305平行於平分方向350，平分方向350相對於X軸和Y軸具有45度角。在第一斜 面360a上的第三固定方向340a與在第二斜面360b上的第四固定方向340b分別相對於第三易軸380a及和第四易軸380b具有45度角。Z軸向磁場感測器300包括如圖9中所述跨過第三互補穿隧式磁電阻器300a及第四互補穿隧式磁電阻器300b的金屬線路徑，且在以下實例中不再重複其細節。
第一互補穿隧式磁電阻器100包括有具第一自由磁矩118a和第一固定磁矩114a的第一磁性穿隧接面元件110a、以及具第二自由磁矩118b和第二固定磁矩114b的第二磁性穿隧接面元件110b。第一固定磁矩114a和第二固定磁矩114b平行於第一固定方向140。第一自由磁矩118a與第二自由磁矩118b在初始時被設定為平行於第一易軸180但相互反平行。第二互補穿隧式磁電阻器200包括有具第三自由磁矩218a和第三固定磁矩214a的第三磁性穿隧接面元件210a、以及具第四自由磁矩218b和第四固定磁矩214b的第四磁性穿隧接面元件210b。第三固定磁矩214a和第四固定磁矩214b平行於第二固定方向240。第三自由磁矩218a與第四自由磁矩218b在初始時被設定為平行於第二易軸280但相互反平行。第三互補穿隧式磁電阻器300a包括有具第五自由磁矩318a和第五固定磁矩314a的第五磁性穿隧接面元件310a及具第六自由磁矩318b和第六固定磁矩314b的第六磁性穿隧接面元件310b。第五固定磁矩314a和第六固定磁矩314b都平行於第三固定方向340a。第五自由磁矩318a與第六自由磁矩 318b在初始時被設定為平行於第三易軸380a但相互反平行。第四互補穿隧式磁電阻器300b包括具有第七自由磁矩328a和第七固定磁矩324a的第七磁性穿隧接面元件320a、以及具第八自由磁矩328b和第八固定磁矩324b的第八磁性穿隧接面元件320b。第七固定磁矩324a和第八固定磁矩324b都平行於第四固定方向340b。第七自由磁矩328a與第八自由磁矩328b在初始時被設定為平行於第四易軸380b但相互反平行。
圖11是根據本發明實施例，用以說明一種在退火製程中施加單一傾斜磁場或雙重磁場來設定每個互補穿隧式磁電阻器的固定方向的方法。為易於理解，對第一互補穿隧式磁電阻器100和第二互補穿隧式磁電阻器200的詳細結構說明可使用原始編號，且第三互補穿隧式磁電阻器300a和第四互補穿隧式磁電阻器300b的詳細結構可使用如圖10中所述的原始編號。提供一種通過在單次退火製程中施加單一磁場來設定每一個互補穿隧式磁電阻器的固定方向的方法(稱為傾斜磁場退火)。3軸磁場感測器的佈局包括：2軸的在平面磁場感測器，包括感測X軸向磁場的第一互補穿隧式磁電阻器100，具有平行於Y軸的第一易軸180與平行於平分方向350的第一固定方向140；感測Y軸向磁場的第二互補穿隧式磁電阻器200，具有平行於X軸的第二易軸280與平行於平分方向350的第二固定方向240；感測出平面磁場的Z軸向磁場感測器300，具有平行於平分方向350的中軸線305以及第三固定方向340a 和第四固定方向340b。在退火製程期間施加傾斜磁場400，所述傾斜磁場400與垂直於基板的Z軸具有仰角γ，且在基板上的投影磁場平行於平分方向350，且與X軸和Y軸具有45度的方位角。因此第一固定方向140和第二固定方向240可設定為平行於平分方向350。仰角γ可根據Z軸向磁場感測器300的斜面的斜角β來設定，並寫為方程式(9)。
(9)γ=tan-1(sinβ)。
因此，傾斜磁場在第一斜面360a和第二斜面360b上的投影磁場將與第三易軸380a和第四易軸380b具有45度角。結果，第三固定方向340a和第四固定方向340b被設定為分別平行於傾斜磁場在第一斜面360a、第二斜面360b上的投影磁場。舉例來說，當斜角β=54°時，則傾斜磁場的設定為仰角γ=39°且方位角α=45°。
在實際情況下，典型的退火設備的磁場裝置為笨重且固定於單一(水平或垂直)方向產生磁場，因此，可藉由旋轉及傾斜基板的方式來設定方位角和仰角而達成傾斜磁場的效果。然而使基板傾斜與旋轉的操作是複雜的且受限於機械裝置的精確度，因此往往會影響良率(yield)。本發明提供另一實施例，稱為雙重磁場退火(dual field anneal)的方法來提高傾斜磁場方向的準確度並且也展示於圖11。所述傾斜磁場可視為一垂直磁場420(HZ)與一水平磁場440(HAZ)的組合。垂直磁場420平行於Z軸，水平 磁場440平行於平分方向350，且其關係可寫為方程式(10)。
(10)HAZ=HZ sin β。
將傾斜與旋轉基板的機械操作改成由對水平方向及垂直方向的磁場產生器的電子信號控制，確實能提高精確度與良率。實際上，退火設備容易裝置產生水平和垂直方向磁場的磁場產生器。因此，可通過在退火製程期間同時施加水平磁場440(HAZ)和垂直磁場420(HZ)達成同時設定每個互補穿隧式磁電阻器的固定方向。
基於上述本發明的實施例，如上所述的磁場感測器可安排於CMOS的後段製程，容易與感測電路的前段製程整合。圖12是根據本發明實施例，一種用於將所感測磁場轉換為電子信號的電路圖式。與傳統的惠斯頓電橋方法相比，使用另一個相同的磁場感測器作為零磁場參考器，且不需要任何遮蔽。在感測磁場期間，通電流於零磁場參考器的金屬路徑以產生磁場，使零磁場參考器的自由磁矩都而凍結或鎖定於在初始時的平行於易軸但相互反平行的狀態，使其自由磁矩不受感測磁場影響，相當於所述磁場感測器處於零磁場的狀態。
在圖12中，感測電路500包括三個部件：偏壓電壓單元502、鉗位電壓電流鏡單元504與信號轉換放大單元506。以X軸向的磁場感測器為實施例說明，零磁場參考 器510和磁場感測器520的底部電極連接至節點C。零磁場參考器的頂部電極連接至節點D，且磁場感測器520的頂部電極連接至節點E。如可理解，此實例中X軸向的磁場感測器，亦可以Y軸向的磁場感測器或Z軸向磁場感測器來取代。
偏壓電壓單元502包括分壓電路(voltage dividing branch)、電壓相減電路(voltage subtraction circuit)和電壓源VM。分壓電路是在VDD與GND之間串聯連接的四個相同電阻器R，使得節點A和節點B的電位分別是VA=VDD/2與VB=VA/2=VDD/4。電壓源VM供應固定電壓(即互補穿隧式磁電阻器兩端的偏壓電壓)至零磁場參考器和磁場感測器。電壓相減電路包括第二運算放大器OP2，具有OP2的正輸入端連接至節點B，一電阻器R連接於OP2的負輸入端與OP2輸出端之間，另一電阻器R連接於OP2負輸入端與電壓源VM之間，OP2輸出端接至節點C連並具有電位VC=VA-VM。
鉗位電壓電流鏡單元504包括電流鏡和電壓鉗位器。所述電流鏡包括第一PMOS Q1和第二PMOS Q2，Q1和Q2的尺寸相同且其源極皆連接至VDD。Q1的汲極接合至節點D，Q2的汲極接合至節點E，Q1的閘極連接至Q2的閘極。所述電壓鉗位器包括第一運算放大器OP1，具有OP1正輸入端接合至節點A以及OP1負輸入端接合至節點D，OP1輸出端並且接合至Q1和Q2的閘極。信號轉換放大單元506包括第三運算放大器OP3，具有OP3負輸入端 接合至節點E，OP3正輸入端接合至節點A，且電阻器RM連接於節點E與OP3輸出之間。
運算放大器OP1、OP2和OP3的電源均為單一VDD。由於OP1的輸出經由PMOS Q1回饋回OP1負輸入端，而且OP3的輸出也經由電阻器RM回饋至OP3的負輸入端，所以OP1與OP3的正負輸入端會處於虛擬接地狀態使得正負輸入端之間的電位差為零。因此，且節點D和節點E的電位分別被鉗位至節點A的電位VA=VDD/2。此設計使得信號轉換放大單元506的輸出在零磁場時為VDD/2，可獲得全範圍信號放大且對於類比到數位轉換器ADC是有利的。由於節點D和節點E的電位被鉗位於VDD/2且Q1與Q2的閘極均接合至OP1的輸出端，所以Q2的汲極電流與Q1的汲極電流是相同。零磁場參考器510與磁場感測器520均操作於固定偏壓VD-VC=VA-(VA-VM)=VM。磁場感測器520的電導因感測磁場而改變，所以流過磁場感測器520的電流為電導變化的感測電流與零磁場參考器510的電流的總和。由運算放大器OP3的輸出端流出或流入的感測電流經過電阻器RM轉換為感應電壓，使得OP3的輸出端電位Vout變為零磁場時的VDD/2與感應電壓的相加。如前所述，感測電路並不僅限於在平面磁場感測器的實例，出平面磁場感測器來亦可用於所述電路。
磁場感測器可安排於CMOS的後段製程與感測電路的CMOS前段製程整合成為同一基板製作的積體電路。然而，應用電路也可單獨製造，且應用電路並不僅限於所提 出的電路。還應注意，每個互補穿隧式磁電阻器中用於連接該對磁性穿隧接面元件的底部電極和頂部電極不限於夾住磁性穿隧接面元件的實施例，而是也可為其他適當實施方式。
本發明同時提出用以感測磁場的互補式穿隧式磁電阻器以及在基板上形成3軸穿隧式磁電阻器磁場感測器的製作方法，從而極大地降低複雜度、降低製造費用並且還提高靈敏度和準確性。
所屬領域的技術人員將顯而易見，可在不脫離本發明的範圍或精神的條件下對本發明的結構作出各種修飾及更動。根據以上所述，旨在使本發明涵蓋本發明的修飾及更動形式，只要這些修飾及更動形式處於上文權利要求書及其等效內容的範圍內即可。
90‧‧‧基板
92‧‧‧底部電極
95‧‧‧典型穿隧式磁電阻器
96‧‧‧頂部電極
100‧‧‧第一互補穿隧式磁電阻器
101‧‧‧長軸
102‧‧‧底部電極
103‧‧‧短軸
106‧‧‧頂部電極
108‧‧‧第一金屬線路徑
110‧‧‧典型磁性穿隧接面元件
110a‧‧‧第一磁性穿隧接面元件
110b‧‧‧第二磁性穿隧接面元件
112‧‧‧固定層
112a‧‧‧第一固定層
112b‧‧‧第二固定層
114‧‧‧固定磁矩
114a‧‧‧第一固定磁矩
114b‧‧‧第二固定磁矩
115‧‧‧穿隧層
115a‧‧‧第一穿隧層
115b‧‧‧第二穿隧層
116‧‧‧自由層
116a‧‧‧第一自由層
116b‧‧‧第二自由層
118‧‧‧自由磁矩
118a‧‧‧第一自由磁矩
118b‧‧‧第二自由磁矩
140‧‧‧第一固定方向
170‧‧‧易軸
180‧‧‧第一易軸
200‧‧‧第二互補穿隧式磁電阻器
208‧‧‧第二金屬線路徑
210a‧‧‧第三磁性穿隧接面元件
210b‧‧‧第四磁性穿隧接面元件
214a‧‧‧第三固定磁矩
214b‧‧‧第四固定磁矩
218a‧‧‧第三自由磁矩
218b‧‧‧第四自由磁矩
240‧‧‧第二固定方向
280‧‧‧第二易軸
295‧‧‧Z軸向磁場感測器
300‧‧‧Z軸向磁場感測器
300a‧‧‧第三互補穿隧式磁電阻器
300b‧‧‧第四互補穿隧式磁電阻器
305‧‧‧中軸線
308‧‧‧第三金屬線路徑
310‧‧‧第一典型穿隧式磁電阻器
310a‧‧‧第五磁性穿隧接面元件
310b‧‧‧第六磁性穿隧接面元件
314‧‧‧固定磁矩
314a‧‧‧第五固定磁矩
314b‧‧‧第六固定磁矩
318‧‧‧自由磁矩
318a‧‧‧第五自由磁矩
318b‧‧‧第六自由磁矩
320‧‧‧第二典型穿隧式磁電阻器
320a‧‧‧第七磁性穿隧接面元件
320b‧‧‧第八磁性穿隧接面元件
324‧‧‧固定磁矩
324a‧‧‧第七固定磁矩
324b‧‧‧第八固定磁矩
328‧‧‧自由磁矩
328a‧‧‧第七自由磁矩
328b‧‧‧第八自由磁矩
340a‧‧‧第三固定方向
340b‧‧‧第四固定方向
345a‧‧‧固定方向
345b‧‧‧固定方向
350‧‧‧平分方向
360a‧‧‧第一斜面
360b‧‧‧第二斜面
370‧‧‧凹槽結構
380a‧‧‧第三易軸
380b‧‧‧第四易軸
390‧‧‧凸起結構
400‧‧‧傾斜磁場
420‧‧‧垂直磁場
440‧‧‧水平磁場
500‧‧‧感測電路
502‧‧‧偏壓電壓單元
504‧‧‧鉗位電壓電流鏡單元
506‧‧‧信號轉換放大單元
510‧‧‧零磁場參考器
520‧‧‧磁場感測器
A‧‧‧節點
B‧‧‧節點
C‧‧‧節點
D‧‧‧節點
E‧‧‧節點
OP1‧‧‧第一運算放大器
OP2‧‧‧第二運算放大器
OP3‧‧‧第三運算放大器
Q1‧‧‧第一PMOS
Q2‧‧‧第二PMOS
R‧‧‧電阻器
R11‧‧‧感測元件
R12‧‧‧感測元件
R21‧‧‧感測元件
R22‧‧‧感測元件
RM‧‧‧電阻器
圖1A至圖1B是典型穿隧式磁電阻器結構的磁場感測器的俯視圖與沿著易軸的剖視圖。
圖2A至圖2B是全範圍與半範圍的惠斯頓電橋電路圖式。
圖3A至圖3B是根據本發明實施例之在平面磁場感測器的俯視圖與互補穿隧式磁電阻器沿著易軸的剖視圖。
圖4A至圖4B是根據本發明實施例之正規化電導對施加磁場的計算。
圖5A至圖5B是根據本發明實施例之微磁學模擬，用 以證明電導對施加磁場的線性關係。
圖6是根據本發明實施例之2軸的在平面磁場感測器圖式。
圖7A至圖7C是在本發明中所引伸之Z軸磁場感測器的俯視圖和剖視圖。
圖8A至圖8B是在本發明中用以說明實施例的斜面相對於基板的幾何座標關係的圖式。
圖9是根據本發明實施例之Z軸向的出平面磁場感測器的俯視圖。
圖10是根據本發明實施例之3軸磁場感測器的俯視圖。
圖11是根據本發明實施例，說明在退火製程期間施加單一傾斜磁場或雙重磁場來設定每個互補穿隧式磁電阻器的固定方向的方法。
圖12是根據本發明實施例，一種用於將所感測磁場轉換為電子信號的電路圖式。
100‧‧‧第一互補穿隧式磁電阻器
110a‧‧‧第一磁性穿隧接面元件
110b‧‧‧第二磁性穿隧接面元件
114a‧‧‧第一固定磁矩
114b‧‧‧第二固定磁矩
118a‧‧‧第一自由磁矩
118b‧‧‧第二自由磁矩
140‧‧‧第一固定方向
180‧‧‧第一易軸
200‧‧‧第二互補穿隧式磁電阻器
210a‧‧‧第三磁性穿隧接面元件
210b‧‧‧第四磁性穿隧接面元件
214a‧‧‧第三固定磁矩
214b‧‧‧第四固定磁矩
218a‧‧‧第三自由磁矩
218b‧‧‧第四自由磁矩
240‧‧‧第二固定方向
280‧‧‧第二易軸
300‧‧‧Z軸向磁場感測器
300a‧‧‧第三互補穿隧式磁電阻器
300b‧‧‧第四互補穿隧式磁電阻器
305‧‧‧中軸線
310a‧‧‧第五磁性穿隧接面元件
310b‧‧‧第六磁性穿隧接面元件
314a‧‧‧第五固定磁距
314b‧‧‧第六固定磁距
318a‧‧‧第五自由磁距
318b‧‧‧第六自由磁距
320a‧‧‧第七磁性穿隧接面元件
320b‧‧‧第八磁性穿隧接面元件
324a‧‧‧/第七固定磁距
324b‧‧‧/第八固定磁距
328a‧‧‧/第七自由磁距
328b‧‧‧/第八自由磁距
340a‧‧‧第三固定方向
340b‧‧‧第四固定方向
350‧‧‧平分方向
360a‧‧‧第一斜面
360b‧‧‧第二斜面
380a‧‧‧第三易軸
380b‧‧‧第四易軸

Claims (15)

  1. 一種在平面磁場感測器，包括：一基板；以及一互補穿隧式磁電阻器(MS-TMR)，位於該基板上，其中該互補穿隧式磁電阻器包括：一底部電極；一第一磁性穿隧接面元件，包括：一磁性材料的第一固定層，位於該底部電極上、具有處於一固定方向上的第一固定磁矩；一非磁性材料的第一穿隧層，設置於該第一固定層上；以及一磁性材料的第一自由層，設置於該第一穿隧層上、具有平行於易軸的一第一自由磁矩，且該固定方向與該易軸之間形成一夾角；一第二磁性穿隧接面元件與該第一磁性穿隧接面元件具有相同圖案與磁性薄膜結構，包括：一磁性材料的第二固定層，位於該底部電極上、具有在該固定方向上的一第二固定磁矩；一非磁性材料的第二穿隧層，設置於該第二固定層上；以及一磁性材料的第二自由層，設置於該第二穿隧層上、具有平行於該易軸的一第二自由磁矩；以及一頂部電極，連接該第一自由層與該第二自由層；其中該固定方向與該易軸之間的該夾角實質為45度 或135度，其中一磁場感測方向垂直於該基板上的該易軸。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之在平面磁場感測器，更包括一金屬線路徑，跨過該穿隧式磁電阻器磁場感測結構的該第一磁性穿隧接面元件和該第二磁性穿隧接面元件；在一初始狀態時，以電流通過該金屬線路徑會在該第一磁性穿隧接面元件與該第二磁性穿隧接面元件分別產生平行於該易軸但方向相反的磁場，使得該第一自由磁矩和該第二自由磁矩被設定為沿著該易軸但相互反平行。
  3. 一種2軸的在平面磁場感測器，包括：一基板；以及一第一互補穿隧式磁電阻器，其位於該基板上、具有第一固定方向和第一易軸；以及一第二互補穿隧式磁電阻器，其位於該基板上、具有一第二固定方向和一第二易軸，其中該第一易軸與該第二易軸的夾角為90度角，且該第一固定方向和該第二固定方向皆平行於一平分方向，該平分方向與該第一易軸和該第二易軸的夾角皆為45度角，其中該第一互補穿隧式磁電阻器包括：一第一底部電極，位於該基板上；一第一磁性穿隧接面元件，包括：一磁性材料的第一固定層，位於該第一底部電極上、具有處於該第一固定方向上的第一固定磁矩；一非磁性材料的第一穿隧層，設置於該第一固 定層上；以及一磁性材料的第一自由層，設置於該第一穿隧層上、具有平行於該第一易軸的一第一自由磁矩，且該第一固定方向與該第一易軸之間形成第一夾角；一第二磁性穿隧接面元件，包括：一磁性材料的第二固定層，位於該第一底部電極上、具有處於該第一固定方向上的一第二固定磁矩；一非磁性材料的第二穿隧層，設置於該第二固定層上；以及一磁性材料的第二自由層，設置於該第二穿隧層上、具有平行於該第一易軸的第二自由磁矩；以及一第一頂部電極，其連接該第一自由層與該第二自由層，其中該第一自由磁矩和該第二自由磁矩在初始狀態下平行於該第一易軸但相互反平行，且該第一固定方向與該第一易軸之間的該第一夾角實質為45度或135度，其中第一磁場感測方向垂直於該基板上的該第一易軸，其中該第二互補穿隧式磁電阻器，包括：一第二底部電極，位於該基板上；一第三磁性穿隧接面元件，包括：一磁性材料的第三固定層，位於該第二底部電 極上、具有在該第二固定方向上的第三固定磁矩；一非磁性材料的第三穿隧層，設置於該第三固定層上；以及一磁性材料的第三自由層，設置於該第三穿隧層上、具有平行於該第二易軸的第三自由磁矩，且該第二固定方向與該第二易軸之間形成一第二夾角；一第四磁性穿隧接面元件，包括：一磁性材料的第四固定層，其位於該第二底部電極上、具有在該第二固定方向上的第四固定磁矩；一非磁性材料的第四穿隧層，其設置於該第四固定層上；以及一磁性材料的第四自由層，其設置於該第四穿隧層上、具有平行於該第二易軸的一第四自由磁矩；以及一第二頂部電極，其連接該第三磁性自由層與該第四磁性自由層；其中該第三自由磁矩和該第四自由磁矩在該初始狀態時平行於該第二易軸但相互反平行，且該第二固定方向與該第二易軸之間的該第二夾角實質為45度或135度，其中第二磁場感測方向垂直於該基板上的該第二易軸。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之2軸的在平面磁場感測器，其中該第一在平面磁場感測器更包括：一第一金屬線路徑跨過該第一磁性穿隧接面元件和該 第二磁性穿隧接面元件，其中在一初始狀態時，以電流通過該第一金屬線路徑會在該第一磁性穿隧接面元件與該第二磁性穿隧接面元件分別產生平行於該第一易軸但方向相反的磁場，使得該第一自由磁矩和該第二自由磁矩被設定為沿著該第一易軸但相互反平行；以及一第二金屬線路徑跨過該第三磁性穿隧接面元件和該第四磁性穿隧接面元件，其中在該初始狀態時，以電流通過該第二金屬線路徑會在該第三磁性穿隧接面元件與該第四磁性穿隧接面元件分別產生平行於該第二易軸但方向相反的磁場，使得該第三自由磁矩和該第四自由磁矩被設定為沿著該第二易軸但相互反平行。
  5. 一種3軸集成式磁場感測器，包括：一基板；一第一互補穿隧式磁電阻器，位於該基板上以感測一X軸向磁場、並具有一第一固定方向和一第一易軸，其中該第一易軸被視為一Y軸；一第二互補穿隧式磁電阻器，位於該基板上以感測一Y軸向磁場、並具有一第二固定方向和一第二易軸，其中該第二易軸被視為一X軸，其中該第一易軸與該第二易軸的夾角為90度角，且該基板上的一平分方向分別與該第一易軸及該第二易軸夾有45度角；以及一出平面磁場感測器，其位於該基板上以感測一Z軸向磁場、並具有一中軸線平行於該平分方向。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之3軸集成式磁場感測器，其中該第一互補穿隧式磁電阻器包括：一第一底部電極，位於該基板上；一第一磁性穿隧接面元件，包括：一磁性材料的第一固定層，位於該第一底部電極上、具有處於該第一固定方向上的一第一固定磁矩；一非磁性材料的第一穿隧層，其設置於該第一固定層上；以及一磁性材料的第一自由層，其設置於該第一穿隧層上、具有平行於該第一易軸的一第一自由磁矩，且該第一固定方向與該第一易軸之間形成一第一夾角；一第二磁性穿隧接面元件，包括：一磁性材料的第二固定層，位於該第一底部電極上、具有處於該第一固定方向上的一第二固定磁矩；一非磁性材料的第二穿隧層，設置於該第二固定層上；以及一磁性材料的第二自由層，設置於該第二穿隧層上、具有平行於該第一易軸的一第二自由磁矩；以及一第一頂部電極，其連接該第一自由層與該第二自由層； 其中該第一自由磁矩和該第二自由磁矩在初始狀態時平行於該第一易軸但相互反平行，且該第一固定方向與該第一易軸之間的該第一夾角實質為45度或135度，其中第一磁場感測方向垂直於該基板上的該第一易軸，其中該第二互補穿隧式磁電阻器包括：一第二底部電極，位於該基板上；一第三磁性穿隧接面元件，包括：一磁性材料的第三固定層，位於該第二底部電極上、具有在該第二固定方向上的一第三固定磁矩；一非磁性材料的第三穿隧層，設置於該第三固定層上；以及一磁性材料的第三自由層，設置於該第三穿隧層上、具有平行於該第二易軸的一第三自由磁矩，且該第二固定方向與該第二易軸之間形成一第二夾角；一第四磁性穿隧接面元件，包括：一磁性材料的第四固定層，位於該第二底部電極上、具有在該第二固定方向上的一第四固定磁矩；一非磁性材料的第四穿隧層，設置於該第四固定層上；以及一磁性材料的第四自由層，設置於該第四穿隧層上、具有平行於該第二易軸的一第四自由磁矩；以及 一第二頂部電極，連接該第三自由層與該第四自由層；其中該第三自由磁矩和該第四自由磁矩在該初始狀態時平行於該第二易軸但相互反平行，且該第二固定方向與該第二易軸之間的該第二夾角實質為45度或135度，其中一第二磁場感測方向垂直於該基板上的該第二易軸。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之3軸集成式磁場感測器，其中該出平面磁場感測器，包括：一凹槽結構或一凸起結構，位於該基板上、具有一第一斜面和一第二斜面，其中該第一斜面和該第二斜面相對於該基板具有相同的斜角且相對於該凹槽結構或該凸起結構的一中軸線具有對稱翻轉的關係；一第三互補穿隧式磁電阻器，形成於該第一斜面上、具有一第三固定方向和一第三易軸，該第三互補穿隧式磁電阻器包括：一第三底部電極，位於該第一斜面上；一第五磁性穿隧接面元件，包括：一磁性材料的第五固定層，位於該第三底部電極上、具有處於該第三固定方向上的一第五固定磁矩；一非磁性材料的第五穿隧層，設置於該第五固定層上；以及一磁性材料的第五自由層，設置於該第五穿隧層上、具有平行於該第三易軸的一第五自由磁 矩，且該第三固定方向與該第三易軸之間形成一第三夾角，該第三固定方向與該第三易軸之間的該第三夾角實質為45度或135度；一第六磁性穿隧接面元件，包括：一磁性材料的第六固定層，位於該第三底部電極上、具有處於一第四固定方向上的一第六固定磁矩；一非磁性材料的第六穿隧層，設置於該第六固定層上；以及一磁性材料的第六自由層，設置於該第六穿隧層上、具有平行於該第三易軸的一第六自由磁矩；以及一第三頂部電極，其連接該第五自由層與該第六自由層，其中該第五自由磁矩和該第六自由磁矩在該初始狀態下平行於該第三易軸但相互反平行；以及一第四互補穿隧式磁電阻器，其形成於該第二斜面上、具有一第四固定方向和一第四易軸，該第四互補穿隧式磁電阻器包括：一第四底部電極，位於該第二斜面上；一第七磁性穿隧接面元件，包括：一磁性材料的第七固定層，位於該第四底部電極上、具有處於一第七固定方向上的一第七固定磁矩； 一非磁性材料的第七穿隧層，設置於該第七固定層上；以及一磁性材料的第七自由層，設置於該第七穿隧層上、具有平行於該第四易軸的一第七自由磁矩，且該第四固定方向與該第四易軸之間形成一第四夾角，該第四固定方向與該第四易軸之間的該第四夾角實質為45度或135度；一第八磁性穿隧接面元件，包括：一磁性材料的第八固定層，位於該第四底部電極上、具有處於一第八固定方向上的一第八固定磁矩；一非磁性材料的第八穿隧層，設置於該第八固定層上；以及一磁性材料的第八自由層，設置於該第八穿隧層上、具有平行於該第四易軸的一第八自由磁矩；以及第四頂部電極，其連接該第七自由層與該第八自由層，其中該第七自由磁矩和該第八自由磁矩在該初始狀態下平行於該第四易軸但相互反平行，其中該第三易軸和該第四易軸平行於該凹槽結構或該凸起結構的該中軸線，該第三互補穿隧式磁電阻器的該第三底部電極與該第四互補穿隧式磁電阻器的該第四底部電極相連接，且該第三互補穿隧式磁電阻器的該第三頂部電極與該第四互補穿隧式磁電阻器的該第四頂部電極相連 接。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之3軸集成式磁場感測器，更包括可流通電流以產生磁場的一第一金屬線路徑、一第二金屬線路徑和一第三金屬線路徑，其中，該第一金屬線路徑跨過該第一磁性穿隧接面元件和該第二磁性穿隧接面元件，在該初始狀態時，以電流通過該第一金屬線路徑會在該第一磁性穿隧接面元件與該第二磁性穿隧接面元件分別產生平行於該第一易軸但方向相反的磁場，使得該第一自由磁矩和該第二自由磁矩被設定為沿著該第一易軸但相互反平行；其中，第二金屬線路徑跨過該第三磁性穿隧接面元件和該第四磁性穿隧接面元件，在該初始狀態時，以電流通過該第二金屬線路徑會在該第三磁性穿隧接面元件與該第四磁性穿隧接面元件分別產生平行於該第二易軸但方向相反的磁場，使得該第三自由磁矩和該第四自由磁矩被設定為沿著該第二易軸但相互反平行，其中，第三金屬線路徑，跨過該第五磁性穿隧接面元件和該第六磁性穿隧接面元件以及該第七磁性穿隧接面元件和該第八磁性穿隧接面元件；在該初始狀態時，以電流通過該第三金屬線路徑會在該第五磁性穿隧接面元件與該第六磁性穿隧接面元件分別產生平行於該第三易軸但方向相反的磁場與在該第七磁性穿隧接面元件與該第八磁性穿隧接面元件分別產生平行於該第四易軸但方向相反的磁場，使得該第五自由磁矩和該第六自由磁矩平行於該第三 易軸但相互反平行，使得該第七自由磁矩和該第八自由磁矩平行於該第四易軸但相互反平行。
  9. 一種用於設定磁場感測器的固定方向的方法，其中該磁場感測器是如申請專利範圍第7項所述之3軸集成式磁場感測器，該方法包括以一單次退火步驟，同時設定該第一互補穿隧式磁電阻器至該第四互補穿隧式磁電阻器的該第一固定方向至該第四固定方向。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之用於設定磁場感測器的固定方向的方法，其中該單次退火步驟包括：沿著具有一方位角α=π/4和一仰角γ=tan-1(sin β)的一方向施加一傾斜磁場，其中該方位角α為該平分方向與該X軸或該Y軸之間的夾角，該仰角γ為該傾斜磁場與垂直於該基板的該Z軸之間的夾角，且參數β為該第一斜面或該第二斜面相對於該基板的斜角。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之用於設定磁場感測器的固定方向的方法，其中該單次退火步驟包括：通過沿著該平分方向的一水平磁場H AZ 和沿著該Z軸的一垂直磁場H Z 來同時施加雙重磁場，其中該水平磁場與該垂直磁場之間的關係是H AZ =H Z sin β，且該參數β是該第一斜面或該第二斜面相對於該基板的該斜角。
  12. 一種磁場感測電路，用於將所感測磁場轉換為電子信號的，包括：一第一磁場感測器如申請專利範圍第2項所述之在平面磁場感測器或如申請專利範圍第8項所述之3軸集成式 磁場感測器的該出平面磁場感測器；一第二磁場感測器，與該第一磁場感測器相同，在感測磁場期間，該自由磁矩被在該在平面磁場感測器的該金屬線路徑或是該3軸集成式磁場感測器的該第一、第二第、第三金屬線路徑中流動的電流所產生的一磁場鎖定成為一零磁場參考器；一偏壓電壓單元，具有一第一輸出端和一第二輸出端，其中該第一輸出端連接至該零磁場參考器和該磁場感測器的該底部電極，且該第二輸出端提供一固定電位；鉗位電壓電流鏡，具有一輸入端以及一第一輸出端和一第二輸出端，其中該輸入端接合至該偏壓電壓單元的該第二輸出端以接收該固定電位，且該第一輸出端接合至該零磁場參考器的該頂部電極；以及一信號轉變放大單元，具有一第一輸入端、一第二輸入端和一輸出端，其中該第一輸入端接合至該偏壓電壓單元的該第二輸出端以接收該固定電位，該第二輸入端接合至該第一磁場感測器的該頂部電極和該鉗位電壓電流鏡的該第二輸出端，且該輸出端的電位為零磁場時的電位與所感測磁場轉換後的感測電壓之相加。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之磁場感測電路，其中該偏壓電壓單元包括：一偏壓電壓源；一分壓器，包括：相同值的一第一電阻器、一第二電阻器、一第三電 阻器和一第四電阻器，串聯連接於一電壓源與一接地之間，其中該第二電阻器與該第三電阻器的接合節點是該偏壓電壓單元的第二輸出端，且一固定電位是該電壓源的一半；以及一運算放大器，其具有一第一輸入端、一第二輸入端和一輸出端並充當該偏壓電壓單元的第一輸出端，該第一輸入端連接至該第三電阻器與該第四電阻器的一接合節點，一第五電阻器連接於該輸出端與該第二輸入端之間，一第六電阻器連接於該第二輸入端與該偏壓電壓源之間，其中該第二輸出端的電位為該電源電壓源的一半減去該偏壓電壓源。
  14. 如申請專利範圍第12項所述之磁場感測電路，其中該鉗位電壓電流鏡包括：一第一電晶體，具有一第一閘極和第一汲極並充當該鉗位電壓電流鏡的第一輸出端；一第二電晶體，具有一第二閘極連接至該第一電晶體的該第一閘極，以及一第二汲極並充當該鉗位電壓電流鏡的第二輸出端，其中自該第一電晶體的該第一汲級輸出至該零磁場參考器的一零磁場參考電流被鏡像至該第二電晶體且自該第二汲極輸出；以及一運算放大器，具有一第一輸入端和一第二輸入端以及一輸出端，其中該輸出端連接至該第一電晶體和該第二電晶體的該第一與第二閘極，該第一輸入端充當該鉗位電壓電流鏡的該輸入端，該第二輸入端連接至該鉗位電壓電 流鏡的該第一輸出端。
  15. 如申請專利範圍第12項所述之磁場感測電路，其中該信號轉變放大單元包括：一運算放大器，具有一第一輸入端、一第二輸入端及一輸出端，並分別充當該信號轉變放大單元的該第一輸入端，該第二輸入端及該輸出端；其中該第一輸入端連接到該偏壓電壓單元的該第二輸出端，該第二輸入端連接至該鉗位電壓電流鏡的該第二輸出端；以及一電阻器，連接於該運算放大器的該第二輸入端與該輸出端之間；其中自該輸出端流入或流出的感測電流，通過該電阻器而轉換並放大為一感測電壓，該輸出端的該輸出電位是該感測電壓與該第一輸入端的該固定電位之相加。
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