[发明专利]穿隧磁阻参考单元及其磁场感测电路

说明书

技术领域

本发明涉及磁场感测技术，特别涉及穿隧磁阻参考单元以及使用此穿隧磁阻参考单元的磁场感测电路。

背景技术

由于消费性电子产品像是智能手机的需求高涨，对于使用磁场感测技术电子罗盘的需求已逐渐提高。霍尔传感器(Hall sensor)及异向性磁电阻器(anisotropic magneto-resistor，AMR)传感器，将是该等最流行的磁场传感器，但都遭受对磁场的低灵敏度以及元件面积庞大的问题。使用穿隧磁阻(tunneling magneto-resistor，TMR)作为磁场传感器，比起该霍尔传感器以及ARM传感器，将能够受益于较高灵敏度和较小的元件面积。然而，该TMR对于磁场只能展现单轴向感测以及缺乏磁场反应线性度。因此，较难应用在电子罗盘上。

作为一磁场传感器的一典型TMR 100，如图1A及图1B所示。该TMR 100包括一由导电物质形成的下板，作为设置在一基板90上的一下电极，一磁性穿隧接面(Magnetic Tunneling Junction，MTJ)装置110设置在该下电极102上，以及一由导电物质形成的上板作为一上电极106，其中该上电极106设置在该MTJ装置110上。如该MTJ装置的该结构图所示，该MTJ能够定义出在一交叉点于中心处的十字线，其中该长度较长的线被称为一长轴(majoraxis)101以及该长度较短的线被称为一短轴(minor axis)103。一线被称为一易轴(easy-axis)180，与该长轴101共线。该MTJ装置包括一固定层(pinnedlayer)112，一穿隧层(tunneling layer)115及一自由层(free layer)116，亦即，其中该MJT装置110被夹在该下电极102及该上电极106之间。由磁性物质构成的该固定层112设置在该下电极102上方且有一第一固定磁矩114，与一固定方向平行。由非磁性物质构成的该穿隧层115设置在该固定层112上。由磁性物质构成的该自由层116设置在该穿隧层115上且有一第一自由磁矩118，初始与该易轴180平行。

在形成该M TJ装置(亦即，堆迭磁性薄膜及蚀刻图案)之前或之后，在一退火过程中通过施加磁场给该M TJ装置以设定该固定方向。在该退火过程后，由于形状异向性，该固定方向会与所施加磁场的方向平行，且该自由磁矩会与该易轴平行。因此，该TMR的该磁场感测方向与该易轴180垂直。此外，该磁性薄膜是典型的水平极化物质且受到一非常强烈去磁化场的困扰，该磁性薄膜内平面的自由层及固定层的磁矩活动力会受到局限。亦即，旋转在该水平面上的该自由磁矩是容易的，但该自由磁矩几乎不会与该磁性薄膜的平面垂直。因此，该TMR的典型架构仅可用于一单轴向磁场传感器。

图2A及图2B分别显示一互补穿隧磁阻(mutal supplement tunnelingmagneto-resistor，称作MS-TMR)沿其易轴上的线的剖面图、以及俯视图，其中该MS-TMR有良好的磁场反应线性度。在图2A和图2B中，该MS-TMR 150包括由导电物质形成的一下电极102，其中该下电极102设置在一基板90上，由导电物质形成的一上电极106，以及设置在该下电极102及该上电极106之间的第一和第二磁性穿隧接面(MTJ)装置110a，110b。该第一和第二MTJ装置110a，110b有一共线，为易轴180。该第一MTJ装置110a包括一为磁性物质的第一固定层112a设置在该下电极102上且有着一第一固定磁矩114a与一固定方向140平行，其中固定磁矩114a与该易轴180有一夹角为45度。非磁性物质的一第一穿隧层115a设置在该第一固定层112a上。磁性物质的一第一自由层116a设置在该第一穿隧层115a上且有一第一自由磁矩118a，初始状态与该易轴180平行。该上电极106连接到该第一自由层116a。

该第二MTJ装置110b有着如该第一MTJ装置110a相同的构造图案和薄膜堆迭。该第二MTJ装置110b包括磁性物质的一第二固定层112b设置在该下电极102上且有一第二固定磁矩114b也与该相同固定方向140平行。非磁性物质的一第二穿隧层115b设置在该第二固定层112b上。磁性物质的一第二自由层116b设置在该第二穿隧层115b上且有一第二自由磁矩118b，初始状态与该易轴180平行，但与该第一自由磁矩118a反平行。该上电极106连接到该自由层116b。