磁阻感测装置及其磁阻感测元件

摘要

一种磁阻感测装置及其磁阻感测元件，该磁阻感测元件包括基材、磁性层、第一电极以及第二电极。基材具有一个基准平面，其中第一电极和第二电极均位于基准平面上方。磁性层位于基准平面上，并与基准平面夹一个非平角，且具有一个磁化方向以及一个用来导通第一电极与第二电极的电流导通路径，其中此一电流导通路径与磁化方向夹一个角度。

权利要求

1.一种磁阻感测元件，其特征在于：该磁阻感测元件包括一基材、一第一电极、一第二电极及一第一磁性层；该基材具有一基准平面；该第一电极位于该基准平面上方；该第二电极位于该基准平面上方；该第一磁性层，位于该基准平面上方，并与该基准平面夹一第一非平角，且该第一磁性层具有一第一磁化方向以及用来导通该第一电极和该第二电极的一第一电流导通路径，其中该第一电流导通路径与该第一磁化方向夹一第一角度。

2.如权利要求1所述的磁阻感测元件，其特征在于：该基材为表层覆盖一绝缘材料的一硅基板，或是具有一前段逻辑电晶体元件的一硅晶片。

3.如权利要求1所述的磁阻感测元件，其特征在于：该第一电流导通路径，导通该第一电极的一上部与该第二电极的一下部。

4.如权利要求3所述的磁阻感测元件，其特征在于：该第一电极的该上部和该第二电极的一上部，分别为一第一图案化金属层的一部分；且该第一电极的一下部和该第二电极的该下部，分别为一第二图案化金属层的一部分。

5.如权利要求1所述的磁阻感测元件，更包括一第三电极及一第二磁性层；该第三电极位于该基准平面上；该第二磁性层位于该基准平面上方，与该基准平面夹一第二非平角，且该第二磁性层具有一第二磁化方向，以及导通该第三电极和该第二电极的一第二电流导通路径，其中该第二电流导通路径，与该第二磁化方向夹一第二角度。

6.如权利要求5所述的磁阻感测元件，其特征在于：该第二电流导通路径，导通该第二电极的一上部与该第三电极的一下部。

7.如权利要求6所述的磁阻感测元件，其特征在于：该第一非平角与该第二非平角，二者实质相等；且该第一磁化方向与该第二磁化方向，实质同向。

8.如权利要求7所述的磁阻感测元件，其特征在于：该第一磁性层与该第二磁性层，二者是共平面的一体成型结构，且彼此相连。

9.如权利要求8所述的磁阻感测元件，其特征在于：该第一磁性层跨接于该第一电极的该上部和该第二电极的该上部之间，且具有一跨接电阻值；该第一电流导通路径具有一第一电阻值，该第二电极具有一第二电阻值；且该跨接电阻值实质大于该第一电阻值和该第二电阻值二者的总和。

10.如权利要求5所述的磁阻感测元件，更包括一第三磁性层、一第四磁性层及一第五磁性层；该第三磁性层位于该第一电极上方，且电性连接该第一电极与该第一磁性层；该第四磁性层位于该第三电极上方，且电性连接该第三电极与该第二磁性层；该第五磁性层位于该第二电极上方，电性连接该第一磁性层、该第二电极与该第二磁性层。

11.如权利要求10所述的磁阻感测元件，其特征在于：该第一磁性层、该第二磁性层、该第三磁性层、该第四磁性层与该第五磁性层，是一单一磁性材料结构。

12.一种磁阻感测装置，其特征在于：该磁阻感测装置包括四个如权利要求1所述的磁阻感测元件:第一磁阻感测元件、第二磁阻感测元件、第三磁阻感测元件及第四磁阻感测元件；该四个磁阻感测元件彼此电性连结，并组成一惠氏登电桥回路(Wheatstone bridge circuit)；该四个磁阻感测元件的该些基准平面相同，并共用一基材。

13.如权利要求12所述的磁阻感测装置，其特征在于：该第一磁阻感测元件的该第一角度为一第一锐角；该第二磁阻感测元件的该第一角度为实质与该第一锐角相同的一第二锐角；且在相同的一垂直基准平面的磁场作用下，该第一锐角会产生正向的一角度变化量；

而该第二锐角会产生负向的该角度变化量。

14.如权利要求13所述的磁阻感测装置，其特征在于：该第三磁阻感测元件与该第一磁阻感测元件具相同一磁阻变化量；该第四磁阻感测元件与该第二磁阻感测元件具相同的一磁阻变化量。

15.一种磁阻感测元件，其特征在于：该磁阻感测元件包括一基材、一第一磁性层、一第二磁性层及一第三磁性层；该基材具有一基准平面；该第一磁性层位于该基准平面上方，并与该基准平面夹一第一非平角；该第一磁性层具有一第一磁化方向；该第二磁性层，位于该基准平面上方，并与该基准平面平行；该第二磁性层具有一第二磁化方向；该第三磁性层，位于该基准平面上方，并与该基准平面平行，且该第三磁性层具有一第三磁化方向，该第三磁化方向和该第二磁化方向垂直。

16.如权利要求15所述的磁阻感测元件，其特征在于：该磁阻感测元件更包括一第一电极及一第二电极，该第一电极与该第一磁性层上方接触，该第二电极与该第一磁性层下方接触。

17.如权利要求15所述的磁阻感测元件，其特征在于：该磁阻感测元件更包括复数个电极，该些电极与该第二磁性层电性接触。

18.如权利要求15所述的磁阻感测元件，其特征在于：该磁阻感测元件更包括复数个电极，该些电极与该第三磁性层电性接触。

19.如权利要求15所述的磁阻感测元件，其特征在于：该基材为表层覆盖一绝缘材料的硅基板，或是具有一前段逻辑电晶体元件的硅晶片。

说明书

磁阻感测装置及其磁阻感测元件

技术领域

[0001] 本发明是有关于一种磁感测元件，且特别是有关于一种通过半导体制程所建构的磁阻感测元件及具有该磁阻感测元件的磁阻感测装置。

背景技术

[0002] 由于消费电子产品如手机、电子罗盘的出现，再加上马达、制动器等传统产品，使磁阻式磁感测装置（简称磁阻感测装置）的需求日益增加。尤其是三维磁阻感测装置，可感测出互为正交的X、Y、Z三轴的磁场变化，而电子罗盘便是利用三维磁阻感测装置，精准的量测出地球磁场。

[0003] 目前以半导体制程制作二维式平面磁阻感测器的技术已相当成熟。然而，现有技术并无法在单一半导体基材中提供一种可量测垂直基材水平面的Z轴方向的磁场变化的磁阻感测装置，而是必须采用两个分别具有不同基材的平面磁阻感测晶片来进行垂直组立封装，方可达到量测垂直基材水平面的Z轴方向磁场变化的目的。抑或者是采用磁通量集中器(flux concentrator)，将垂直基材水平面的Z轴方向的磁力线导引转向至平行基材水平面的X-Y轴方向，再以X-Y轴方向的磁阻感测装置加以量测。

[0004] 但是上述作法，不仅结构较为复杂，制程步骤烦琐、耗时，制程成本高，且必须额外考量晶片组立封装的制程变异，对于制程良率有负面影响。

[0005] 有鉴于此，有需要提供一种先进的磁阻感测装置及其制造方法，可通过一次半导体制程来制备可量测Z轴方向磁场变化的磁阻感测装置。

发明内容

[0006] 本发明提供一种磁阻感测元件。

[0007] 为达上述优点，本发明提供一种磁阻感测元件，包括一基材、一第一电极、一第二电极及一第一磁性层；该基材具有一基准平面；该第一电极位于该基准平面上方；该第二电极位于该基准平面上方；该第一磁性层，位于该基准平面上方，并与该基准平面夹一第一非平角，且该第一磁性层具有一第一磁化方向以及用来导通该第一电极和该第二电极的一第一电流导通路径，其中该第一电流导通路径与该第一磁化方向夹一第一角度。

[0008] 本发明还提供一种磁阻感测装置，包括四个上述的磁阻感测元件:第一磁阻感测元件、第二磁阻感测元件、第三磁阻感测元件及第四磁阻感测元件；该四个磁阻感测元件彼此电性连结，并组成一惠氏登电桥回路（Wheatstone bridge circuit）；该四个磁阻感测元件的该些基准平面相同，并共用一基材。

[0009] 本发明还提供一种三维磁阻感测元件，包括一基材、一第一磁性层、一第二磁性层及一第三磁性层；该基材具有一基准平面；该第一磁性层位于该基准平面上方，并与该基准平面夹一第一非平角；该第一磁性层具有一第一磁化方向；该第二磁性层，位于该基准平面上方，并与该基准平面平行；该第二磁性层具有一第二磁化方向；该第三磁性层，位于该基准平面上方，并与该基准平面平行，且该第三磁性层具有一第三磁化方向，该第三磁化方向和该第二磁化方向垂直。

[0010] 本发明的磁阻感测元件和磁阻感测装置的有益效果：通过与基材的基准平面夹有一个非平角的磁性层来导通两相邻电极，利用磁性层的形状异向性，搭配电极与磁性层的空间配置，使磁性层的磁化方向，与流经磁性层的电流导通路径夹一个角度，以形成一个可量测垂直基准平面Z轴方向的磁场变化的磁阻感测元件；在同一半导体晶片中，提供量测X-Y轴基准平面的磁场变化的磁阻感测元件，进而将三维磁阻感测元件整合于单一半导体晶片中；由于不需额外采用磁通量集中器设计，结构相对简单，因此可进一步简化制程，大幅降低制作成本，提高制程良率，达到上述发明的目的。

[0011] 为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举数个实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。因此为了方便说明起见，相同的元件将使用相同的元件符号。

附图说明

[0012] 图1是根据本发明的一实施例，所绘示的磁阻感测单元的结构立体透视图。

[0013] 图2是根据本发明的另一实施例，所绘示的磁阻感测单元的结构立体透视图。

[0014] 图3是根据本发明的一实施例，所绘示的一种磁阻感测元件的结构立体透视图。

[0015] 图4是根据本发明的又一实施例，所绘示的磁阻感测元件的结构立体透视图。

[0016] 图5是根据本发明的又另一实施例，所绘示的磁阻感测单元的结构立体透视图。

[0017] 图6A是根据本发明的再另一实施例所绘示，具有蜿蜒结构的磁阻感测元件的部份结构上视图。

[0018] 图6B是沿着图6A切线B1-B1’，所绘示的磁阻感测元件部份结构侧视图。

[0019] 图7A是根据本发明的一实施例，所绘示的磁阻感测装置的布线示意图（外加磁场为零）。

[0020] 图7B是根据本发明的又一实施例，所绘示的磁阻感测装置的布线示意图（外加磁场不为零）。

[0021] 图7C是根据本发明的又再一实施例，所绘示的磁阻感测装置的布线示意图（外加磁场不为零）。

[0022] 图8是根据本发明的一实施例，所绘示的一种三维磁阻感测元件的结构俯视图。

具体实施方式

[0023] 本发明的目的，是通过半导体制程来提供一种磁阻感测元件，可用来量测垂直基准平面上的Z轴方向的磁场变化。为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举数个异向性磁阻(Anisotropic Magnetic Resistance，AMR)感测元件，作为实施例，并配合所附图式，其详细说明如下：

[0024] 请参照图1，图1是根据本发明的一实施例所绘示的磁阻感测单元100的结构立体透视图。

[0025] 其中，异向性磁阻感测单元100包括基板101、磁性层102、电极103以及电极104。其中，基板101可为表层覆盖绝缘材料的硅基板，或是具有前段逻辑电晶体元件的硅晶片。
基板101具有一个基准平面101a。电极103以及电极104，位于基板101的基准平面101a上方。

[0026] 在本发明的一些实施例中，电极103以及电极104彼此分离，并且包埋在位于基准平面101a上方的介电层(图未示)中。在本发明的一些实施例中，电极103和电极104是由两个不共面的图案化金属层105、106，以及连接图案化金属层105、106的介层插塞107a、107b所构成。

[0027] 在本实施例中，电极103的上部103a和电极104的上部104a，分别为图案化金属层105的一部分；而电极103的下部103b和电极104的下部104b，则分别为图案化金属层106的一部分。电极103的上部103a通过介层插塞107a与其下部103b连结；且电极104的上部103a通过介层插塞107b与其下部104b连结。

[0028] 磁性层102位于基准平面101a上方，并与基板101的基准平面101a夹一个非平角Φ1，且电极103和电极104二者，是通过磁性层102来加以导通。构成磁性层102的材料，可为铁磁材料、反铁磁材料、非铁磁性金属材料、穿隧氧化物材料之一或其组合(但不以此为限)。当外加磁场为零时，磁性层102受形状异向性（shape anisotropy）的作用，具有平行其磁性层膜面的磁化方向M1。

[0029] 在本发明的一些实施例中，磁性层102，可以是一种立设于基准平面101a上方的单层磁性材料结构，或多层磁性材料堆叠结构；且磁性层102的膜面与基板101的基准平面101a夹有一个非平角Φ1，该非平角Φ1实值介于70°至90°。在本实施例中，磁性层102分别与电极103的上部103a和电极104的下部104b直接接触，进而使电极103和电极104二者电性连接。当电极103和电极104导通时，流经磁性层102的电流，会在磁性层
102中，决定出一条电阻最小的电流导通路径I1，并且与磁化方向M1夹一个特定角度θ1，在外加磁场为零的情况下，角度θ1较佳为45°。

[0030] 但在另一些实施例中，为了增加磁性层102与电极103、104的接触面积降低接触电阻。可以采用平行基准平面101a的其他磁性层或金属线，来使磁性层102与电极103、104间接接触。例如，请参照图2，图2是根据本发明的另一实施例所绘示的磁阻感测单元
200的结构立体透视图。

[0031] 其中，磁阻感测单元100和磁阻感测单元200的结构大致相同，差别仅在于，磁阻感测单元200采用平行基准平面101a的磁性层201，使磁性层102与电极103的上部103a电性连结。也就是说，导入电极103的电流，可经过磁性层201先导通至磁性层102，再导通至电极104。其中构成磁性层201的材质，可以与磁性层102的材料相同或不同。当磁性层201的材质与磁性层102相同时，可为同一制程所制备的一体成型结构。在本发明的一些实施例中，磁性层201也可以由金属导线层来加以取代。

[0032] 同理，为了增加磁性层102与电极104的接触面积降低接触电阻，在本发明的另外一些实施例中，亦可采用其他的磁性层(图未示)，使磁性层102与电极104的下部104b电性连结。由于该磁性层的功能与结构大致与磁性层201相同，故不在此赘述。

[0033] 请再参照图1，当磁阻感测单元100受到实质上平行磁性层102的外加磁场作用时，随着外加磁场强度改变，磁化方向M1将受到带动产生相对变化。若电流导通方向固定，则角度θ1的数值也会跟着改变，进而造成磁阻值亦随之上升或下降。由于磁化方向M1是在磁性层102的膜面上产生变化，加上磁性层102与基板101的基准平面101a夹有一个非平角Φ1。因此，磁阻感测单元100，可用来感测垂直介电层水平面的Z轴方向的磁场变化。

[0034] 值得注意的是，虽然在上述的实施例中，磁阻感测单元100、200均由单一层磁性层(即磁性层102)所构成的异向性磁阻感测结构。但在本发明的一些实施例中，磁阻感测单元100也可以是由多层不同磁性层彼此堆叠所构成的巨磁阻(Giant Magnetoresistance,GMR)结构、穿隧式磁阻(Tunneling Magnetoresistance,TMR)结构或庞磁阻(Colossal Magnetoresistance，CMR)结构。

[0035] 另外，为了增进磁阻感测元件的感测能力，可将复数个磁阻感测单元加以整合，进而形成感测讯号较强的磁阻感测元件。例如，图3是根据本发明的一实施例，所绘示的一种磁阻感测元件30的结构立体透视图。磁阻感测元件30，除了包括图2所绘示的磁阻感测单元200外，更包括另一个电极303，以及用来连接电极104和电极303的磁性层301和磁性层302。电极104、电极303、磁性层301以及磁性层302组成另一个磁阻感测单元300。

[0036] 其中，磁性层302的膜面方向，与基板101的基准平面101a夹一非平角Φ3；磁性层301跨接于磁性层302与电极104的上部104a之间，使二者电性连结。当电极104和电极303导通时，电流会在磁性层302中，决定出一条电流导通路径I3，而与磁化方向M3夹一个特定角度θ3，在外加磁场为零的情况下，角度θ3较佳为45°。

[0037] 在本实施例中，磁性层302与磁性层102可为共平面；磁性层301也可与磁性层201共平面且平行基准平面101a。因此，磁性层302膜面方向与基准平面101a所夹的非平角Φ3，以及磁性层102膜面方向与基准平面101a所夹的非平角Φ1，二者相同实值介于
70°至90°；磁性层302的磁化方向M3可和磁性层102的磁化方向M1相同；且磁性层302的电流导通路径I3，可与磁性层102的电流导通路径I1平行。在外加磁场为零的情况下，角度θ1与θ3，较佳均为45°。通过串连磁阻感测单元200和磁阻感测单元300，可使磁阻感测元件30量测到较强的感测讯号。

[0038] 请参照图4，图4是根据本发明的又一实施例所绘示的磁阻感测元件40的结构立体透视图。其中磁阻感测元件40的结构，大致与磁阻感测元件30相同。差别在于，磁阻感测元件40相邻的两个磁阻感测单元200、300，共用同一个磁性层402。

[0039] 对比于图3磁阻感测元件30，磁性层402是由相同材质以同一制程所制备的一体成型结构，与基板101的基准平面101a夹一非平角Φ4，该非平角Φ4实值介于70°至90°。磁性层402具有单一的磁化方向M4，且同时与电极103、电极104和电极303接触，可用来导通电极103、电极104和电极303，并在磁性层402中定义出导通电极104与电极
103之间的电流导通路径I1，和导通电极104与电极303之间的电流导通路径I3。在本发实施例中，电流导通路径I1和电流导通路径I3分别与磁化方向M4夹一个角度θ4，在外加磁场为零的情况下，角度θ4较佳均为45°。

[0040] 由于磁性层402是直接跨接于电极103、104、303之间。因此假若电极103、电极104、电极303之间的直线距离过短，则可能会因为跨接于电极103、电极104、电极303之间的平面跨接电阻Re过小，使大部份的电流直接穿过磁性层402的跨接部份，而不流经电流导通路径I1和电流导通路径I3，进而导致磁阻感测单元400失效。因此，以电流导通路径I1为例，若要使由电极103所导入的电流，流经电流导通路径I1，则介于磁性层201与磁性层301之间的磁性层402平面跨接电阻R，必须远大于由导通路径I1（电阻值为Ra）、电极
104的下部104b（电阻值为Rb）、金属介层插塞107b（电阻值为Rc）、电极104的上部104a（电阻值为Rd）以及磁性层301（电阻值为Re）所组成的路径的电阻值总和。

[0041] 数学式如下：Ra+Rb+Rc+Rd+Re<

[0042] 由于共用磁性层402，相较于彼此分离的磁性层(例如图3的磁性层102和302)具有较长的尺寸，可以降低改变磁化方向M4的翻转场，因此对于外在磁场变化，敏感度较高，具有较佳的感测能力。请参照图5，图5是根据本发明的又另一实施例所绘示的磁阻感测单元500的结构立体透视图。

[0043] 其中，磁阻感测元件500包括至少一个基材101、电极503、电极504、磁性层502、505以及506。磁性层502、505、506和电极503、504都位于基材101基准平面101a上方。
电极503和504分别为两层不共平面的图案化金属层。磁性层502位于基准平面101a上方，并与基准平面101a夹一个实值介于70°至90°非平角Φ5。

[0044] 意即，磁性层502近乎垂直地竖立于基材基准平面101a上。且磁性层502与电极503和504电性接触。在本实施例中，磁性层502通过磁性层505与电极503电性接触，通过磁性层506与电极504电性接触。其中磁性层505位于电极503的上方，且与磁性层502和电极503接触；磁性层506位于电极504的上方，且与磁性层502和电极504接触。

[0045] 由电极503导入磁性层502的电流，会选择电阻最低的路径通过磁性层502，而在磁性层502中决定出一条电流导通路径I5，以导通磁性层505和磁性层506，再流入电极504。根据磁性层502的形状异向性，当外加磁场为零时，磁性层502具有一个实质平行其磁性层膜面长轴的磁化方向M5。并且与电流导通路径I5夹一个夹角θ5，夹角θ5较佳为
45°。

[0046] 随着垂直基准平面101a外加磁场强度改变，磁化方向M5将受到带动产生相对变化。若电流导通方向固定，则夹角θ5的数值也会跟着改变，进而造成磁阻值亦随之上升或下降。由于磁化方向M5在磁性层502平面上产生变化，又与基准平面101a夹有一个非平角Φ5。因此，磁阻感测单元500可用来感测垂直基准平面101a的Z轴方向的磁场变化。

[0047] 另外，为了增进磁阻感测元件的密集度可将多个磁阻感测单元，利用串接的布线方式，配合制程的空间安排，形成具有蜿蜒结构(serpentine structure)的磁阻感测元件。请参照图6A，图6A是根据本发明的再另一实施例所绘示，具有蜿蜒结构的磁阻感测元件60的部份结构上视图。具有蜿蜒结构的磁阻感测元件60包括其复数个如图5所绘示的磁阻感测元件（由切线A1-A1’所定义），例如磁阻感测单元500a、500b和500c。

[0048] 而为了兼顾制程方便性，在本发明的一些实施例中，磁阻感测单元500a、500b和500c三者通过一连续磁性层图形串联在一起。请参照图6B，图6B是沿着图6A切线B1-B1’，所绘示的磁阻感测元件60部份结构侧视图。以磁阻感测单元500a和500b为例，磁阻感测单元500a是由电极504和503、磁性层502、505和506所构成；磁阻感测单元500b是由电极504和507、磁性层506、508和509所构成。

[0049] 磁阻感测单元500a和500b的磁性层502和508分别具有磁化方向M5a和M5b，且分别与基准平面101a夹有一个非平角Φ5a和Φ5b。根据磁性层502和508的形状异向性，当外加磁场为零时，磁性层502和508的磁化方向M5a和M5b，会分别与形成在磁性层502和508中的电流导通路径I5a和I5b夹一个夹角θ5(如图5所绘示)。

[0050] 其中，磁性层502、505、506、508和509是由单一磁性材料结构所组成。例如在本发明的一些实施例中，磁性层502、505、506、508和509，属于通过同一半导体制程步骤，所形成的同一图案化磁性层。

[0051] 进一步增进磁阻感测器感测讯号的方式，是将四个上述的磁阻感测单元或元件，进一步组成一个惠氏登电桥回路（Wheatstone bridge circuit）。例如，请参照图7A，是根据本发明的一实施例，所绘示的磁阻感测装置70的布线示意图。

[0052] 其中，异向性磁阻感测装置70是由四个如图1所示的磁阻感测单元：第一磁阻感测单元100a、第二磁阻感测单元100b、第三磁阻感测单元100c和第四磁阻感测单元100d组成的惠氏登电桥回路。在结构上四个磁阻感测单元100a、100b、100c和100d均采用相同的基准平面。若上述四磁阻感测单元的磁矩化方向相同时，第一磁阻感测单元100a的电极103的上部103a，位于磁阻层102的左上方；第一磁阻感测单元100a的电极104的下部104b，位于磁阻层102的右下方，且电极103和电极104均与磁阻层102电性相连。第二磁阻感测单元100b的电极103的上部103a，则位于磁阻层102的右上方，而磁阻感测单元
100b的电极104的下部104b，则位于磁阻层102的左下方。且第一磁阻感测单元100a的结构，与第三磁阻感测单元100c的结构一致；而第二磁阻感测单元100b的结构，与第四磁阻感测单元100d的结构一致；第一磁阻感测单元100a和第三磁阻感测单元100c二者的电极分布，刚好成一镜面反射的分布；且第二磁阻感测单元100b和第四磁阻感测单元100d二者的电极分布，刚好成一镜面反射的分布。

[0053] 当将此四磁阻感测单元100a、100b、100c、100d，如图7A的方式串连成一惠氏登电桥后，外加磁场作用下，磁阻感测单元100a与磁阻感测单元100c具有一相同的磁阻变化量；而磁阻感测单元100b与磁阻感测单元100d具有另一相同的磁阻变化量。磁阻感测单元100a、100b的磁化方向与磁阻感测单元100c、100d的磁化方向可经由外加电路（图未示）设定为彼此平行且同向(以M1表示)。在此情况下，流经磁阻感测单元100a和磁阻感测单元100c的电流二者需同向(如箭头所示)，电流导通路径I1a和电流导通路径I1c与磁化方向M1所形成的锐夹角均为θ1；且流经磁阻感测单元100b和磁阻感测单元100d的电流需同向(如箭头所示)，电流导通路径I1b和I1d与磁化方向M1所形成的锐夹角也均为θ1。

[0054] 在垂直基准平面(介电层水平表面)的Z轴方向之外加磁场为零的状态下（图7A），锐夹角θ1较佳的条件为45°。请参照图7B，当外加磁场不为零时，例如施加一向上方向的磁场H，磁阻感测单元100a、100b、100c、100d的磁化方向M1会随着外加磁场而上扬，此时磁阻感测单元100a、100c的夹角会产生正向的角度变化量，变成（θ1+Δθ），对应到磁阻值的下降；而磁阻感测单元100b、100d的夹角会产生负向的角度变化量，变成（θ1-Δθ），对应到磁阻值的上升。透过惠氏登电桥回路的布线，可以放大磁阻讯号，更灵敏地感测磁场强度的改变。

[0055] 值得注意的是，在本发明的实施例中，每一个磁阻感测单元100a、100b、100c、100d的磁化方向可设定为彼此平行且同向，亦可设定为彼此平行且反向。而流经每一个磁性层的电流导通路径11a、11b、11c和11d，则是由被导通的两电极二者之间的相对位置，以及磁性层和两电极的电阻大小，来加以决定。因此，可通过调控每一个磁阻感测单元100a、100b、100c、100d各个磁性层102的磁化方向以及电流导通路径I1a、I1b、I1c、I1d，使得惠氏登电桥回路的构成方式，产生多种不同的排列组合。如图7C所示，当第三磁阻感测单元100c’、第四磁阻感测单元100d’的磁化方向M1’与第一磁阻感测单元100a’、第二磁阻感测单元
100b’的磁化方向M1相反时，可经由调整磁阻感测单元100a’、100b’、100c’和100d’、电极103的上部103a、电极104的下部104b与磁性层102的相对位置，而改变其电流路径，使得第一磁阻感测单元100a’与第三磁阻感测单元100c'受到磁场H’的感应时，其电流路径I1a’、I1c’分别与磁化方向M1、M1’所夹的锐角同为θ1’+Δθ’；而第二磁阻感测单元
100b’与第四磁阻感测单元100d’，其电流路径I1b’、I1d’分别与磁化方向M1、M1’所夹的锐角同为θ1’-Δθ’。

[0056] 综合以上的说明该惠氏登电桥的该四个磁阻感测单元100a、100b、100c和100d(或100a’、100b’、100c’和100d’)，当感应到一相同的垂直磁场变化时，若四个磁阻感测单元100a、100b、100c和100d其中之一者(例如磁阻感测单元100a)的磁化方向与电流路径所夹的锐角，由原本的θ变成θ+Δθ时，则与该磁阻感测单元100a相邻的两个磁阻感测单元100b和100c，其磁化方向与电流路径所夹的锐角将由原本的θ变成θ-Δθ。

[0057] 若将上述的任一种感测Z轴方向磁场变化的磁阻感测元件（30、40、60）与量测平行基准平面的X-Y轴方向的磁场变化的磁阻感测元件加以整合，即可在单一基材上制作出能同时量测X、Y和Z轴方向的磁场变化的三维磁阻感测元件。

[0058] 请参照图8，图8是根据本发明的一实施例，所绘示的一种三维磁阻感测元件80的结构俯视图。

[0059] 其中三维磁阻感测元件80包括有一个感测垂直基材101基准平面101a的Z轴方向磁场变化的磁阻感测元件(以磁阻感测元件60为例，如图6A所绘示)，一个感测平行基准平面101a的Y轴方向磁场变化的磁阻感测元件81，以及一个感测平行基准平面101a的X轴方向磁场变化的磁阻感测元件82。

[0060] 该磁阻感测元件81和82可采用现有的barber pole结构设计。其中磁阻感测元件60、81和82形成于同一半导体晶片(基材101)上。Z轴方向的磁阻感测元件60的结构与操作方式，已详述如前，此处不再赘述。

[0061] Y轴方向的磁阻感测元件81，包括一个与如图6A所绘示的磁阻感测元件60的磁性层502、505、506、508和509同时(但不在此限)形成的磁性层812，以及与如图6A所绘示的磁阻感测元件60的电极503或504同时(但不在此限)形成的电极811a、811b、811c和811d（电极数量不以此为限）。其中，磁性层812的长轴方向垂直基材101基准平面101a的Y轴方向，且与电极811a、811b、811c和811d接触，并导通电极811a和811d，使导通电流分别在磁性层812，不与电极811a、811b、811c和811d接触的部份中，定义出复数条电流导通路径I81。

[0062] X轴方向的磁阻感测元件82也包括一个与如图6A所绘示的磁阻感测元件60的磁性层502、505、506、508和509同时(但不在此限)形成的磁性层822，以及与如图6A所绘示的磁阻感测元件60的电极503或504同时(但不在此限)形成的电极821a、821b、821c和821d（电极数量不以此为限）。磁性层822，其长轴方向垂直基材101基准平面101a的X轴方向，且与电极821a、821b、821c和821d接触，并导通电极821a和821d，使导通电流在磁性层802b，不与电极821a、821b、821c和821d接触的部份中，定义出复数条电流导通路径I82。

[0063] 由于，磁性层812的图形长轴方向与基材101或基准平面101a的Y轴方向垂直，受到形状异向性的作用，磁性层812的磁化方向M81在无外加磁场的情况下将垂直于基材101基准平面101a的Y轴方向，且与电流导通路径I81夹一个角度θ81，较佳为45°。由电极811a、811b、811c和811d及磁性层802a所构成的磁阻感测元件81，可用以感测平行基材101基准平面101a的Y轴方向的磁场变化。

[0064] 同样地，磁性层822的图形长轴方向与基材101基准平面101a的X轴方向垂直，受到形状异向性的作用，磁性层822的磁化方向M82在无外加磁场的情况下将垂直于基材101基准平面101a的X轴方向，且与电流导通路径I82夹一个角度θ82，较佳为45°。由电极821a、821b、821c、821d及磁性层822所构成的磁阻感测元件82，可用以感测平行基材
101基准平面101a的X轴方向的磁场变化。

[0065] 根据本发明的实施例，本发明所揭露的磁阻感测元件，可通过提供一个与基材的基准平面夹有一个非平角的磁性层，来导通两相邻电极。利用磁性层的形状异向性，搭配电极与磁性层的空间配置，使磁性层的磁化方向，与流经磁性层的电流导通路径夹一个角度，以形成一个可量测垂直基准平面Z轴方向的磁场变化的磁阻感测元件。更可于同一半导体晶片中，提供量测X-Y轴基准平面的磁场变化的磁阻感测元件，进而将三维磁阻感测元件整合于单一半导体晶片中。由于，不需额外采用磁通量集中器设计，结构相对简单，因此可进一步简化制程，大幅降低制作成本，提高制程良率，达到上述发明的目的。

[0066] 以上所述，仅是本发明的实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。