磁感应器

摘要

一种磁感应器，适用于感应一外部磁场，包括一磁性穿隧接面元件。磁性穿隧接面元件用以感应该外部磁场在垂直于磁性穿隧接面元件的一垂直(Z轴)磁场分量，包括一第一固定磁性层、一穿隧层以及一磁性感应层。第一固定磁性层有一固定磁化强度，垂直于该第一固定磁性层。穿隧层设置于该第一固定磁性层上。磁性感应层，设置于该穿隧层上，其中该磁性感应层有一预定厚度使一磁矩变化处于对垂直于磁性感应层的垂直(Z轴)磁场灵敏度高于水平(X、Y轴)磁场灵敏度的超顺磁特性，以灵敏感应垂直于感应层的该外部磁场的垂直(Z轴)磁场。该固定磁性层、该穿隧层、该磁性感应层是依序或是反依序迭置。

权利要求

1.一种磁感应器，适用于感应一外部磁场，该磁感应器包括：

一磁性穿隧接面元件，用以感应该外部磁场在垂直于该磁性穿隧接面元件的一垂直(Z轴)磁场分量，其中该磁性穿隧接面元件包括：一固定磁性层，有一固定磁场垂直于该固定磁性层；

一穿隧层，设置于该固定磁性层上；以及

一磁性感应层，设置于该穿隧层上，其中该磁性感应层的特性是垂直磁化异向性，该磁性感应层有一预定厚度使一磁矩变化处于一超顺磁特性，其中该超顺磁特性是对垂直于该磁性感应层的一垂直(Z轴)磁场灵敏度高于一水平(X、Y轴)磁场灵敏度，该磁性感应层以该垂直磁场灵敏度感应垂直于该磁性感应层的该外部磁场的垂直(Z轴)磁场分量，其中该固定磁性层、该穿隧层、该磁性感应层是依序或是反依序迭置。

2.如权利要求1所述的磁感应器，其中该固定磁性层是垂直式人造反铁磁结构，包括堆迭的一第一铁磁层、一非磁性金属层以及一第二铁磁层，其中该第一铁磁层比该第二铁磁层更接近该磁性感应层，该第一铁磁层有一第一磁化强度，该第二铁磁层有一第二磁化强度，且第一磁化强度与该第二磁化强度是反平行。

3.如权利要求2所述的磁感应器，其中该第一磁化强度比该第二磁化强度小，以降低该磁性穿隧接面元件的磁阻对垂直(Z轴)磁场感应曲线的偏移量。

4.如权利要求1所述的磁感应器，还包括：

一磁场偏压层，设置在该磁性感应层上方，与该固定磁性层相对，其特征在于，该磁场偏压层提供垂直于该磁场偏压层的一偏压磁场，以配合该固定磁性层以降低该磁性穿隧接面元件的磁阻对垂直(Z轴)磁场感应曲线的偏移量。

5.如权利要求4所述的磁感应器，其中该磁场偏压层的该偏压磁场与该固定磁性层的该固定磁场是反平行。

6.如权利要求4所述的磁感应器，其中该磁场偏压层是垂直式人造反铁磁结构，包括堆迭的一第一铁磁层、一非磁性金属层以及一第二铁磁层，其中该第一铁磁层比该第二铁磁层更接近该磁性感应层，该第一铁磁层有一第一磁化强度，该第二铁磁层有一第二磁化强度，且第一磁化强度与该第二磁化强度是反平行。

7.如权利要求4所述的磁感应器，其中该磁场偏压层是单层结构。

8.如权利要求1所述的磁感应器，其中该固定磁性层是单层结构。

9.如权利要求1所述的磁感应器，还包括：

一水平式磁性穿隧接面元件，用以感应该外部磁场的一水平(X、Y轴)磁场分量。

10.如权利要求1所述的磁感应器，其中该磁性穿隧接面元件还包括：

一顶盖层，设置于该磁性感应层上，使得该磁性感应层在该顶盖层与该穿隧层之间。

11.一种磁感应器，用于感应一外部磁场，包括：

一磁场集中元件，用以将该外部磁场集中，其中在该磁场集中元件的一延伸面有一X轴与一Y轴，垂直该延伸面有一Z轴，在该X轴上有一第一位置与一第二位置，在该Y轴上有一第三位置与一第四位置；以及第一到第四磁性穿隧接面元件，分别设置在该磁场集中元件的该第一到第四位置上，以分别感应在该Z轴方向上的一第一感应量、一第二感应量、一第三感应量以及一第四感应量；

其中所述第一到第四磁性穿隧接面元件的其中至少一个磁性穿隧接面元件包括：一固定磁性层，有一固定磁场垂直于该固定磁性层；

一穿隧层，设置于该固定磁性层上；以及

一磁性感应层，设置于该穿隧层上，其中该磁性感应层的特性是垂直磁化异向性，该磁性感应层有一预定厚度使一磁矩变化处于一超顺磁特性，其中垂直于该磁性感应层的一垂直(Z轴)磁场灵敏度高于一水平(X、Y轴)磁场灵敏度，该磁性感应层以该垂直磁场灵敏度感应该外部磁场所产生在垂直于该磁性感应层的一垂直(Z轴)磁场分量，其中该固定磁性层、该穿隧层、该磁性感应层是依序或是反依序迭置。

12.如权利要求11所述的磁感应器，其中该第一感应量为a*Bx+b*Bz，该第二感应量为-a*Bx+b*Bz，该第三感应量为c*By+d*Bz，该第四感应量为-c*By+d*Bz，其中a、b、c、d是该磁场集中元件的多个磁场集中特性系数，Bx、By、Bz是该外部磁场在该X轴、该Y轴、该Z轴的三个磁场分量，根据该第一到第四感应量的计算所得。

13.如权利要求12所述的磁感应器，其中该磁场集中元件是对称结构，且这些磁场集中特性系数是a＝c以及b＝d。

14.如权利要求11所述的磁感应器，其中该固定磁性层是垂直式人造反铁磁结构，包括堆迭的一第一铁磁层、一非磁性金属层以及一第二铁磁层，其中该第一铁磁层比该第二铁磁层更接近该磁性感应层，该第一铁磁层有一第一磁化强度，该第二铁磁层有一第二磁化强度，且第一磁化强度与该第二磁化强度是反平行。

15.如权利要求14所述的磁感应器，其中该第一磁化强度比该第二磁化强度小，以降低该磁性穿隧接面元件的磁阻对垂直(Z轴)磁场感应曲线的偏移量。

16.如权利要求11所述的磁感应器，其中所述第一到第四磁性穿隧接面元件中的该磁性穿隧接面元件还包括：一磁场偏压层，设置在该磁性感应层上方，与该固定磁性层相对，其中该磁场偏压层提供垂直于该磁场偏压层的一偏压磁场，以配合该固定磁性层降低该磁性穿隧接面元件的磁阻对垂直(Z轴)磁场感应曲线的偏移量。

17.如权利要求16所述的磁感应器，其中该磁场偏压层的该偏压磁场与该固定磁性层的该固定磁场是反平行。

18.如权利要求16所述的磁感应器，其中该磁场偏压层是垂直式人造反铁磁结构，包括堆迭的一第一铁磁层、一非磁性金属层以及一第二铁磁层，其中该第一铁磁层比该第二铁磁层更接近该磁性感应层，该第一铁磁层有一第一磁化强度，该第二铁磁层有一第二磁化强度，且第一磁化强度与该第二磁化强度是反平行。

19.如权利要求16所述的磁感应器，其中该磁场偏压层是单层结构。

20.如权利要求11所述的磁感应器，其中该固定磁性层是单层结构。

说明书

磁感应器

技术领域

[0001] 本发明是关于一种感应器，且特别是关于一种磁感应器。

背景技术

[0002] 磁感应器可以用来感应外部磁场(例如地磁)的分量。磁感应器已经广泛的应用于汽车、自动化、医疗与电子罗盘等领域，其中电子罗盘更需要能感测外部磁场的三维分量。目前几乎每一支智能手机都有电子罗盘。电子罗盘需感应地磁，因此需有三轴的磁性感测功能，而且要很灵敏，因为地磁大小大约是20-60μT。

[0003] 磁感应器可以有多种方式的设计，其中磁性穿隧接面(MTJ，Magnetictunneling junction)元件已广泛被用来感测外部磁场的水平分量。以下，磁性穿隧接面元件也可以用“MTJ元件”来表示。这种传统MTJ元件的磁性感应层是由水平磁化异向性(in-plane magnetic anisotropy，IMA)材质所制成，其对水平磁场分量的检测较敏感，但是对垂直磁场分量的检测较不敏感。也就是说，即使传统MTJ元件的磁性感应层的厚度是控制在超顺磁的条件下，其对水平X、Y轴(In-Plane)的磁场分量较为敏感，但是对Z轴(垂直)的磁场并不敏感。主要是因IMA超顺磁虽然磁矩是呈现等向分布，但仍是In-Plane特性，因此对垂直(Z轴)磁场的反应仍需克服去磁场才能使磁矩垂直磁性感应层，因此对Z轴磁场感应很不敏感。

[0004] 如何在MTJ元件的结构下，简易检测地磁的垂直(Z轴)磁场分量仍是在继续研发中。

发明内容

[0005] 为解决上述问题，本发明提供一种磁感应器，采用磁性穿隧接面元件的架构，可以感应一外部磁场的垂直(Z轴)磁场分量，进而可以简易感应(X、Y、Z)三维磁场分量。

[0006] 本发明提供一种磁感应器，适用于感应一外部磁场，其包括一磁性穿隧接面元件。磁性穿隧接面元件用以感应该外部磁场在垂直于磁性穿隧接面元件的一垂直(Z轴)磁场分量，包括一第一固定磁性层、一穿隧层以及一磁性感应层。第一固定磁性层有一固定磁化强度，垂直于该第一固定磁性层。穿隧层设置于该第一固定磁性层上。磁性感应层设置于该穿隧层上，其中该磁性感应层有一预定厚度使一磁矩变化处于一超顺磁特性，该超顺磁特性是对垂直于磁性感应层的垂直(Z轴)磁场灵敏度高于水平(X、Y轴)磁场灵敏度，以相对较灵敏感应垂直于磁场感应层的该外部磁场的垂直(Z轴)磁场分量。该固定磁性层、该穿隧层、该磁性感应层是依序或是反依序迭置。

[0007] 本发明公开一种磁感应器，适用于感应一外部磁场，该磁感应器包括：

[0008] 一磁性穿隧接面(Magnetic Tunneling Junction，MTJ)元件，用以感应该外部磁场在垂直于该磁性穿隧接面元件的一垂直(Z轴)磁场分量，其中该磁性穿隧接面元件包括：

[0009] 一固定磁性层，有一固定磁矩垂直于该固定磁性层；

[0010] 一穿隧层，设置于该固定磁性层上；以及

[0011] 一磁性感应层，设置于该穿隧层上，其中该磁性感应层有一预定厚度使一磁矩变化处于一超顺磁特性，其中该超顺磁特性是对垂直于该磁性感应层的一垂直(Z轴)磁场灵敏度高于一水平(X、Y轴)磁场灵敏度，以相对较灵敏感应垂直于该磁性感应层的该外部磁场的垂直(Z轴)磁场分量，其中该固定磁性层、该穿隧层、该磁性感应层是依序或是反依序迭置。

[0012] 所述的磁感应器，该固定磁性层是垂直式人造反铁磁结构，包括堆迭的一第一铁磁层、一非磁性金属层以及一第二铁磁层，其中该第一铁磁层比该第二铁磁层更接近该磁性感应层，该第一铁磁层有一第一磁化强度，该第二铁磁层有一第二磁化强度，且第一磁化强度与该第二磁化强度是反平行。

[0013] 所述的磁感应器，该第一磁化强度比该第二磁化强度小，以降低该磁性穿隧接面元件的磁阻对垂直(Z轴)磁场感应曲线的偏移量。

[0014] 所述的磁感应器，还包括：

[0015] 一磁场偏压层，设置在该磁性感应层上方，与该固定磁性层相对，该磁场偏压层提供垂直于该磁场偏压层的一偏压磁场，以配合该固定磁性层以降低该磁性穿隧接面元件的磁阻对垂直(Z轴)磁场感应曲线的偏移量。

[0016] 所述的磁感应器，该磁场偏压层的该偏压磁场与该固定磁性层的该固定磁场是反平行。

[0017] 所述的磁感应器，该磁场偏压层是垂直式人造反铁磁结构，包括堆迭的一第一铁磁层、一非磁性金属层以及一第二铁磁层，

[0018] 其中该第一铁磁层比该第二铁磁层更接近该磁性感应层，该第一铁磁层有一第一磁化强度，该第二铁磁层有一第二磁化强度，且第一磁化强度与该第二磁化强度是反平行。

[0019] 所述的磁感应器，该磁场偏压层是单层结构。

[0020] 所述的磁感应器，该固定磁性层是单层结构。

[0021] 所述的磁感应器，还包括：

[0022] 一水平式磁性穿隧接面元件，用以感应该外部磁场的一水平(X、Y轴)磁场分量。

[0023] 所述的磁感应器，该磁性穿隧接面元件还包括：

[0024] 一顶盖层，设置于该磁性感应层上。

[0025] 本发明公开一种磁感应器，用于感应一外部磁场，包括：

[0026] 一磁场集中元件，用以将该外部磁场集中，其中在该磁场集中元件的一延伸面有一X轴与一Y轴，垂直该延伸面有一Z轴，在该X轴上有一第一位置与一第二位置，在该Y轴上有一第三位置与一第四位置；以及

[0027] 第一到第四磁性穿隧接面元件，分别设置在该磁场集中元件的该第一到第四位置上，以分别感应在该Z轴方向上的一第一感应量、一第二感应量、一第三感应量以及一第四感应量；

[0028] 其中所述第一到第四磁性穿隧接面元件的其中至少一个磁性穿隧接面元件包括：

[0029] 一固定磁性层，有一固定磁场垂直于该固定磁性层；

[0030] 一穿隧层，设置于该固定磁性层上；以及

[0031] 一磁性感应层，设置于该穿隧层上，其中该磁性感应层有一预定厚度使一磁矩变化处于一超顺磁特性，其中垂直于该磁性感应层的一垂直(Z轴)磁场灵敏度高于一水平(X、Y轴)磁场灵敏度，以相对较灵敏感应该外部磁场所产生在垂直于该磁性感应层的一垂直(Z轴)磁场分量，其中该固定磁性层、该穿隧层、该磁性感应层是依序或是反依序迭置。

[0032] 所述的磁感应器，该第一感应量为a*Bx+b*Bz，该第二感应量为-a*Bx+b*Bz，该第三感应量为c*By+d*Bz，该第四感应量为-c*By+d*Bz，其中a、b、c、d是该磁场集中元件的多个磁场集中特性系数，Bx、By、Bz是该外部磁场在该X轴、该Y轴、该Z轴的三个磁场分量，根据该第一到第四感应量的计算所得。

[0033] 所述的磁感应器，该磁场集中元件是对称结构，且这些磁场集中特性系数是a＝c以及b＝d。

[0034] 所述的磁感应器，该固定磁性层是垂直式人造反铁磁结构，包括堆迭的一第一铁磁层、一非磁性金属层以及一第二铁磁层，其中该第一铁磁层比该第二铁磁层更接近该磁性感应层，该第一铁磁层有一第一磁化强度，该第二铁磁层有一第二磁化强度，且第一磁化强度与该第二磁化强度是反平行。

[0035] 所述的磁感应器，该第一磁化强度比该第二磁化强度小，以降低该磁性穿隧接面元件的磁阻对垂直(Z轴)磁场感应曲线的偏移量。

[0036] 所述的磁感应器，所述第一到第四磁性穿隧接面元件中的该磁性穿隧接面元件还包括：

[0037] 一磁场偏压层，设置在该磁性感应层上方，与该固定磁性层相对，其中该磁场偏压层提供垂直于该磁场偏压层的一偏压磁场，以配合该固定磁性层降低该磁性穿隧接面元件的磁阻对垂直(Z轴)磁场感应曲线的偏移量。

[0038] 所述的磁感应器，该磁场偏压层的该偏压磁场与该固定磁性层的该固定磁场是反平行。

[0039] 所述的磁感应器，该磁场偏压层是垂直式人造反铁磁结构，包括堆迭的一第一铁磁层、一非磁性金属层以及一第二铁磁层，

[0040] 其中该第一铁磁层比该第二铁磁层更接近该磁性感应层，该第一铁磁层有一第一磁化强度，该第二铁磁层有一第二磁化强度，且第一磁化强度与该第二磁化强度是反平行。

[0041] 所述的磁感应器，该磁场偏压层是单层结构。

[0042] 所述的磁感应器，该固定磁性层是单层结构。

[0043] 本发明也提供一种磁感应器，用于感应一外部磁场，包括一磁场集中元件，用以将该外部磁场集中，其中在该磁场集中元件的一延伸面有一X轴与一Y轴，垂直该延伸面有一Z轴，在该X轴上有一第一位置与一第二位置，在该Y轴上有一第三位置与一第四位置。第一到第四磁性穿隧接面元件，分别设置在该磁场集中元件的该第一到第四位置上，以分别感应在该Z轴方向上的一第一感应量、一第二感应量、一第三感应量以及一第四感应量。其中所述第一到第四磁性穿隧接面元件的其中至少一个磁性穿隧接面元件包括一固定磁性层，有一固定磁场垂直于该固定磁性层；一穿隧层，设置于该固定磁性层上；以及一磁性感应层，设置于该穿隧层，其中该磁性感应层有一预定厚度使一磁矩变化处于一超顺磁特性，其中该超顺磁特性是对垂直于磁性感应层的垂直(Z轴)磁场灵敏度高于水平(X、Y轴)磁场灵敏度，以相对较灵敏感应由该外部磁场所产生垂直于磁性感应层的垂直(Z轴)磁场分量。该固定磁性层、该穿隧层、该磁性感应层是依序或是反依序迭置。

附图说明

[0044] 图1A是依据本发明一实施例绘示一种磁性穿隧接面元件的剖面结构示意图；

[0045] 图1B绘示依据本发发明一实施例，对于图1A的磁性穿隧接面元件在超顺磁特性的磁阻值与磁场的线性关系示意图；

[0046] 图2绘示图1A的人造反铁磁层的剖面结构示意图；

[0047] 图3绘示垂直式磁性穿隧接面元件的超顺磁的线性特性示意图；

[0048] 图4是依据本发明另一实施例绘示磁性穿隧接面元件的剖面结构示意图；

[0049] 图5是依据本发明又一实施例绘示磁性穿隧接面元件的剖面结构示意图；

[0050] 图6是依据本发明更一实施例绘示磁性穿隧接面元件的剖面结构示意图；

[0051] 图7A是依据本发明一实施例绘示一种三维磁场感应器结构示意图；

[0052] 图7B是依据本发明实施例绘示图7A所示三维磁场感应器结构下视(俯视)示意图。

[0053] 附图标记

[0054] 90：基板

[0055] 100：固定磁性层

[0056] 100a、100c：铁磁层

[0057] 100b：非磁性中间层

[0058] 102：穿隧层

[0059] 104：磁性感应层

[0060] 106：顶盖层

[0061] 108：非磁性中间层

[0062] 110：磁场偏压层

[0063] 110a、110c：铁磁层

[0064] 110b：非磁性中间层

[0065] 112：磁化强度

[0066] 120、122：磁化强度

[0067] 200：固定磁性层

[0068] 202：磁性偏压层

[0069] 300：磁场集中元件

[0070] 302、304、306、308：MTJ元件

具体实施方式

[0071] 下面结合附图，对本发明做进一步的详细描述。

[0072] 本案提出一种垂直式(out-of-plane or perpendicular)的磁性穿隧接面(magnetic tunneling junction，以下称MTJ)元件与使用该MTJ元件的磁感应器。MTJ元件的结构包括固定磁性层、穿隧层以及磁性感应层所迭置而成。其中磁性感应层膜面的材料是使用垂直磁化异向性(perpendicular magnetic anisotropy，以下称PMA)材质，其易轴(easyaxis)的方向是垂直于磁性感应层，即是沿着Z轴的方向，而磁性感应层的水平面一般称为X、Y平面。本发明提出可感应Z轴地磁的结构。电子罗盘可以采用本发明所提出的结构而解决高制造成本等问题。

[0073] 根据本发明，磁性材料在小于某一厚度后会因热扰动而呈现超顺磁(superparamagnetic)的特性，使其微磁矩方向在零磁场环境下呈现混乱排列，因此在没有外加磁场时其总和磁矩为零。当有外加磁场时，其磁矩(magnetic moment)会随外加磁场呈现变化，而磁化强度(magnetization)在零磁场附近会有一大范围的线性区域，最后会达饱和。所述磁化强度也称为磁矩向量。

[0074] 如果MTJ元件的感应层是超顺磁，固定层的磁矩向量垂直膜面，且零磁场的磁阻在中间态，则磁阻值会与垂直膜面的轴向(Z轴)的磁场有一线性感应区域。此磁阻值不会随着与膜面呈水平的轴向(X、Y轴)的磁场而变化，因此可用于感应Z轴磁场，此磁场的方向是与固定层磁矩同轴向。

[0075] 图1A是依据本发明一实施例所绘示一种磁感应器的剖面示意图。磁感应器包含垂直式MTJ元件，而此MTJ元件主要包含固定磁性层100、穿隧层102以及磁性感应层104所迭置。另外，依据实际设计需求，在磁性感应层104上也可以有一顶盖层(capped layer)106。磁性感应层104是使用垂直磁化异向性(PMA)材质，且厚度是设定在具有超顺磁特性的厚度范围内。其磁化强度在垂直方向的变化是与外部磁场的垂直(Z轴)磁场的变化有高灵敏度的线性相依关系，因此可以感应Z轴的磁场。

[0076] 固定磁性层100可以为一单一膜层，或是多层膜所合成的人造反铁磁层(SAF，Synthetic antiferromagnet)。本实施例先以人造反铁磁层的结构为例，其稍后会于图2做详细的说明。凭借对MTJ元件量取磁阻值，可以得知Z轴方向的磁场大小。在无外部磁场的磁阻值趋近于中间态。因为固定层的磁矩方向与感应层的磁矩方向在平行态与反平行态是两个极值，因此磁阻值相对于中间态的正负值代表磁场在Z轴的方向与大小。

[0077] 由于固定磁性层100的两层铁磁层与磁性感应层104的距离不同，因此固定磁性层100的这两层铁磁层的磁化强度如果维持相同的话，在磁性感应层104就会产生不等程度的磁场。亦即，固定磁性层100对磁性感应层104施加的总磁场不为零，使得磁阻值的中间态不是在零磁场的状态。对于此问题，可以凭借调整固定磁性层100的这二层铁磁层的磁化强度，以降低元件磁阻对垂直(Z轴)磁场感应曲线的偏移量。于本实施例中，磁化强度的调整可以利用改变铁磁层的厚度或膜层结构来调整。

[0078] 图1B是依据本发明一实施例绘示图1A的磁感应器在超顺磁特性的状态下，磁阻值与磁场的关系示意图。参阅图1B，其横轴是图1A的Z轴上的磁场H的大小，纵轴是图1A的MTJ元件的磁阻值变化。在零磁场区域，磁阻值是随磁场H的大小有线性变化。因此，操作在此零磁场区域的磁感应器可以感应Z轴上的磁场H。于此，虚线是固定磁性层100尚未修正的情形下，磁场对磁阻感应曲线所产生的偏移的其中一种现象，而实线是固定磁性层100修正后理想的磁阻感应曲线。

[0079] 图2绘示图1A的人造反铁磁层(即固定磁性层100)的剖面结构示意图。参阅图2，垂直式的人造反铁磁层100的基本结构包含一第二铁磁层100a、一非磁性金属层100b与第一铁磁层100c。第二铁磁层100a有垂直方向的一磁化强度120。要调整磁化强度120，例如可以凭借调整第二铁磁层100a的厚度来达成。第二铁磁层100a是人造的铁磁层，一般会形成于一基板90上。非磁性金属层100b配置在第二铁磁层100a上。第一铁磁层100c配置在非磁性金属层100b上。第一铁磁层100c具有垂直方向的一磁化强度122。要调整磁化强度122，例如可以凭借调整第一铁磁层100c的厚度来达成。所述磁化强度120的磁矩方向与磁化强度122的磁矩方向互为反平行。再利用半导体制程的方式配合后续的迭层结构，制成磁性穿隧元件(例如图1A的穿隧层102)。要调整固定磁性层100对磁性感应层
104施加的总磁场强度，例如可以简单控制第二铁磁层100a、非磁性金属层100b、第一铁磁层100c与/或穿隧层102的厚度或膜层结构来达成。

[0080] 又，人造反铁磁层100也不限于三层的结构，可以在增加更多层膜来组成。于本实施例中，非磁性金属层100b为Ru、Ir或其他非磁性的金属，而非磁性金属层100b的上下层为PMA材料的铁磁层100a、100c。本实施例所使用的PMA材料可以是Co/Ni、Co/Pt、Co/Pd或其他多层膜，或是CoPt、CoPd、FePt或其他合金，或是如MgO(或AlOx)/CoFeB、MgO(或AlOx)/Co、MgO(或AlOx)/Fe等界面诱导(Interfacial-induced)PMA材料。又或是，前述各种PMA材料的混合组合。

[0081] 在本实施例中，人造反铁磁层100在磁性感应层104上所产生的磁场降低元件磁阻对垂直(Z轴)磁场感应曲线的偏移量，例如使得图1B中实线，其磁阻中间态会在零磁场的位置。

[0082] 继续参考图1A，穿隧层102的材质可以是氧化物，例如是氧化铝、氧化镁、氧化钛等。磁性感应层104的结构是足够薄的PMA材料，以达到超顺磁特性，例如10至11埃()的CoFeB覆盖5至10埃( )的Ta。此结构在360℃下经过2hr的退火后呈现超顺磁特性。之后可以在MTJ元件上镀制顶盖层106。完成顶盖层106的镀膜制程后再进行后退火步骤。然后进行微影与蚀刻步骤完成MTJ元件。视实际设计需求，MTJ元件外表可以覆盖绝缘介电层，以保护MTJ元件。就晶片电路而言，其会后续完成MTJ元件上方的金属配线步骤。

[0083] 图3绘示垂直式的MTJ元件的超顺磁的线性特性示意图。MTJ元件的迭层结构以Ta30/MgO12/CoFeB/Ta10/Ru30/Ta100的迭层结构为例，其中CoFeB是构成PMA磁性感应层104的材料。材料后面的数字代表以埃( )为单位的厚度。图3的横轴代表相关方向的磁场大小，纵轴是磁化强度。当CoFeB的厚度大于超顺磁临界厚度时，其磁场对磁化强度的特性绘示于方块130中。当CoFeB的厚度小于超顺磁临界厚度时，其磁场对磁化强度的特性绘示于方块132中。

[0084] 于方块130中，上图是代表X、Y面(水平面，In-plane)上对应水平(X、Y轴)磁场的变化，下图是代表在Z轴上对应垂直(Z轴)磁场的变化。当CoFeB的厚度大于超顺磁临界厚度，其水平方向(X、Y轴)的磁化强度的变化在零磁场附近虽然是线性变化，但是不灵敏。在Z轴上的磁化强度的变化虽然对磁场有足够的灵敏度，但在零磁场附近有磁滞回路，不是线性关系。

[0085] 于方块132中，上图是代表X、Y面上对应水平(X、Y轴)磁场的变化，下图是代表在Z轴上对应垂直(Z轴)磁场的变化。当CoFeB的厚度小于超顺磁临界厚度，例如是11，其水平方向(X、Y轴)的磁化强度的变化更不灵敏，但是在Z轴上的磁化强度的变化对磁场有足够的灵敏度，且在零磁场附近有线性关系。如此，垂直式的MTJ元件是可以准确感应垂直方向(Z轴)的磁场而不受水平(X、Y轴)磁场分量的干扰，以组成单轴的磁感应器。

[0086] 从方块132的磁化强度的变化来看，X、Y轴上的敏感度很低，而在Z轴上的敏感度相对地很灵敏。

[0087] 经实验证实PMA材料在厚度很薄时也会呈现超顺磁特性，但其磁场感应特征与前述IMA超顺磁特性相反。PMA薄膜在很薄时所呈现的超顺磁在Z轴感应度很好，如方块132的现象，但在X、Y轴(In-Plane)感应很不敏感。

[0088] 本发明利用此一特性提出一Z轴磁性感应MTJ元件，此一元件结构示以PMA超顺磁为磁性感应层，固定层轴向为PMA。另外可以利用在磁性感应层另一侧与固定层相反的另一层PMA固定层来调正元件磁阻对垂直(Z轴)磁场感应曲线的对称性，降低元件磁阻对垂直(Z轴)磁场感应曲线的偏移量。如此，Z轴的阻值对磁场的变化会呈现一高敏感度的线性区，但对X、Y轴则无变化，因此可用来感应Z轴磁场。

[0089] 以下描述要调整在磁性感应层104上所产生降低元件磁阻对垂直(Z轴)磁场感应曲线的偏移量的多种方式。

[0090] 图4是依据本发明另一实施例绘示MTJ元件的剖面结构示意图。参阅图4，本实施例以图1A所示的MTJ元件的结构为基础，可以在磁性感应层104与顶盖层106之间在加上一磁场偏压层110与非磁性中间层108。磁场偏压层110具有一磁化强度(偏压磁场)112，以调整固定磁性层100施加在磁性感应层104的磁场。磁化强度112的方向垂直于磁场偏压层110。磁化强度112例如是与第一铁磁层100c的磁化强度122的方向相反。于此状况，第二及第一铁磁层100a与100c的磁化强度120、122可以等强度。磁化强度120、122施加在磁性感应层104的磁场由于距离所产生的差异可以由磁化强度112做修正。又，磁场偏压层110与磁性感应层104之间的非磁性中间层108可以是低阻值的薄氧化层，也可以是非磁性金属。

[0091] 又，本实施例的磁场偏压层110是单层结构，但是也可以是人造反铁磁层的多层结构。例如，图5是依据本发明又一实施例绘示MTJ元件的剖面结构示意图。本实施例可以参照图4的相关说明。不同于图4所示实施例之处，在于图5所示实施例是以另一个人造反铁磁层实现磁场偏压层110。请参阅图5，磁场偏压层110包含第一铁磁层110a、非磁性金属层110b与第二铁磁层110c。第一铁磁层110a、非磁性金属层110b与第二铁磁层110c的实施细节可以参照图2中关于固定磁性层100的相关说明而类推之。第一铁磁层
110a与第二铁磁层110c的磁化强度是互为反平行，而构成反铁磁的状态。第一及第二铁磁层110a、110c施加在磁性感应层104的总磁场方向是反平行于第一及第二铁磁层100a、
100c施加在磁性感应层104的总磁场方向。于此结构，基于调整固定磁性层100与磁场偏压层110各自施加在磁性感应层104的总磁场，以得到磁场平衡。

[0092] 图6是依据本发明更一实施例绘示MTJ元件的剖面结构示意图。本实施例可以参照图1A至图5的相关说明。不同于图5所示实现方式，图6所示实施例将以单层的固定磁性层200取代图5的固定磁性层100，以及以单层的磁场偏压层202取代图5的磁场偏压层110。于图6所示实施例中，固定磁性层200与磁性偏压层202的磁化强度是相互反平行，以使在磁性感应层104在Z轴方向降低元件磁阻对垂直(Z轴)磁场感应曲线的偏移量，例如使所产生的Z轴总磁场趋近于零。Z轴总磁场也是指垂直膜面磁场的总和。

[0093] 从前述的多个实施例可以看出，要调整在磁性感应层104的总磁场的方式，可以有不同变化，不局限于特定的方式。而实施例之间也可以相互适当结合。

[0094] 以下进一步描述根据垂直式MTJ元件来达成三维磁场的感应，如此以达到磁场的三维量测，有利于各种应用。

[0095] 图7A是依据本发明一实施例绘示一种三维磁场感应器结构示意图。请参阅图7A，三维磁场感应器用于感应一外部磁场(例如地磁)的三维(X、Y、Z轴)分量。本实施例采用一磁场集中元件(magnetic concentrator)300，用以将外部磁场集中。磁场集中元件300的一延伸面(或水平面，in-plane)有一X轴与一Y轴，垂直于该延伸面有一Z轴。外部磁场的三维分量以Bx、By、Bz表示。在图7A是针对磁场集中元件300在X、Z平面上的偏折变化，以及在X轴上的两个垂直式MTJ元件302、304的配置。所述MTJ元件302、304的实现方式可以参照前述图1A至图6的相关说明。

[0096] 在磁场集中元件300的磁场集中效应下，外部磁场的水平分量(例如在X轴的磁场Bx)会被偏转到Z轴上，但是在磁场集中元件300左右等距离的对称的两个位置上会产生正Z方向与负Z方向的差异。在此两个位置分别设置两个垂直式MTJ元件302、304。垂直式MTJ元件302会感应到一磁阻值R1，同时垂直式MTJ元件304会感应到另一磁阻值R2。其中，磁阻值R1与磁阻值R2分别为下述式1与式2：

[0097] R1＝a*Bx+b*Bz 式1；

[0098] R2＝-a*Bx+b*Bz 式2，

[0099] 其中a、b是磁场集中元件300在X轴上的磁场集中特性系数。在磁感应器的电路晶片内或是外部电路，可以进行简单的代数运算得到Bx与Bz。同理，在Y轴上也可以运算得到By与Bz。

[0100] 图7B是依据本发明实施例绘示图7A所示三维磁场感应器结构的下视(俯视)示意图。图7B所示实施例中除了图7A所示两个垂直式MTJ元件302、304之外，在Y轴上磁场集中元件300的对称位置也设置了两个垂直式MTJ元件306、308。所述MTJ元件306、308的实现方式可以参照前述图1A至图6的相关说明。依照图7A所说明的机制而类推之，MTJ元件306、磁场集中元件300与MTJ元件308亦有相类似的操作和功能。磁场集中元件300可以将外部磁场的另一水平分量(例如在Y轴的磁场By)偏转到Z轴上。因此，垂直式MTJ元件306会感应到一磁阻值R3，同时垂直式MTJ元件308会感应到另一磁阻值R4。其中，磁阻值R3与磁阻值R4分别为下述式3与式4：

[0101] R3＝c*By+d*Bz 式3；

[0102] R4＝-c*By+d*Bz 式4，

[0103] 其中c、d是磁场集中元件300在Y轴上的磁场集中特性系数。于本实施例中，磁场集中元件300可以是圆碟，直角对称的结构。由于原点对称结构的调整，可以简化磁场集中特性系数而使a＝c且b＝d。将R1到R4代入上述式1、式2、式3与式4，即可以计算出此外部磁场的X轴分量Bx、Y轴分量By与Z轴分量Bz。

[0104] 在另一种实例中，三维磁场感应器包括至少一个垂直式MTJ元件与至少一个水平式MTJ元件。所述垂直式MTJ元件的实现方式可以参照前述图1A至图6的相关说明。所述水平式MTJ元件可以是任何形式水平X、Y轴向磁场感应器，包括传统磁场感应器。所述垂直式MTJ元件可以感应外部磁场的Z轴分量Bz。所述水平式MTJ元件可以感应所述外部磁场的Y轴分量By与Z轴分量Bz。

[0105] 本发明提出垂直式MTJ元件，其磁性感应层104是在超顺磁的特性下操作，以感应垂直方向的场。对于三维磁场的感测应用而言，垂直式MTJ元件可以在配合磁场集中元件300或是水平式MTJ元件进行量测。

[0106] 本发明的技术内容及技术特点已如上公开，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。