[发明专利]三轴磁场传感器、制作磁场感测结构的方法与感测电路

说明书

技术领域

本发明涉及一种磁场感测装置，更具体而言涉及可用作电子罗盘（electronic compass）的单芯片集成式三轴磁场传感器（3-axis magnetic fieldsensor）。

背景技术

电子罗盘已设置于各种电子产品中以用于改进性能。举例来说，电子罗盘可用于全球定位系统（GPS）中以改进感测能力。GPS中的前进方向是通过物体的移动来确定。然而，当速度慢或甚至处于静止位置时，GPS便无法精确地确定方位。电子罗盘则可提供方位角信息以帮助确定方向。

各种方式感测磁场的机制已被提出，例如典型的霍尔元件（Hall device）或磁电阻元件（magneto-resistive device）。磁阻元件包括异向性磁电阻器（anisotropic magneto-resistor，AMR）、巨磁电阻器（giant magneto-resistor，GMR）和穿隧式磁电阻器（tunneling magneto-resistor，TMR）的磁阻元件，具有比霍尔元件灵敏度大的优点，且其后端工艺也容易与CMOS的前端工艺相整合。

异向性磁电阻器磁场传感器已经商品化，但仅限于最多2轴（2-axis）的集成式芯片类型。异向性磁电阻器可以使用45度的短路条，即是所谓螺丝纹条状杆偏压结构(Barber pole bias），从而以双向（bipolar）模式工作。巨磁电阻器具有比异向性磁电阻器大的磁阻比（magneto-resistance ratio，MR），然而巨磁电阻器却难以在双向模式下操作，一般仅使用单向（unipolar）模式来感测磁场的数值。近年来，高磁阻比的穿隧式磁电阻器的实现引起更大的注意力，而仅有少数单轴磁场传感器产品有成品出售。非预期地，穿隧式磁电阻器和磁性薄膜的特性反而限制其多轴磁场传感器的可行性。

图1A至图1B为用于磁场传感器95的典型穿隧式磁电阻器图示，其包括：由导电金属形成的底板作为形成于基板90上的底部电极102；磁性穿隧接面（Magnetic Tunneling Junction，MTJ）元件110，形成于底部电极102上；及由导电材料形成的顶板作为形成于磁性穿隧接面元件110上的顶部电极106。从磁性穿隧接面元件的结构图案，我们可以定义一相交点于中心处的十字形线，其中较长的线称为长轴101，且较短的线称为短轴103，另外，称作易轴（easy-axis）180的线与长轴101共线。磁性穿隧接面元件110包括固定层112、穿隧层115和自由层116，其中磁性穿隧接面元件110设置于底部电极102与顶部电极106之间。磁性材料的固定层112形成于底部电极102上，且具有与一固定方向平行的固定磁矩114。非磁性材料的穿隧层115形成于固定层112上。磁性材料的自由层116形成于穿隧层115上，且具有在初始时与易轴180平行的自由磁矩118。

在形成磁性穿隧接面元件之后，例如是磁性薄膜堆迭和图案蚀刻后，通过在退火工艺期间施加一方向为与易轴180垂直的磁场。在退火工艺之后，固定磁矩114将会平行所述磁场的方向，而磁性穿隧接面元件110的形状异向性会使自由磁矩118倾向与易轴平行。因此，穿隧式磁电阻器的磁场感测方向垂直于基板的易轴180。另外，水平极化材料的磁性膜层通常具有极强的去磁场（demagnetization field），限制自由层和固定层的磁矩仅能躺在磁性薄膜的平面上转动，但难以站立于磁性薄膜的平面。因此，穿隧式磁电阻器的典型结构仅可适用于在平面(in-plane)磁场传感器。

如上所述的磁性薄膜特性的限制，如果是要使用磁电阻器来感测方向与基板垂直的磁场，一般是将磁电阻器置于制作于基板上的斜面上，通过感测于斜面上的磁场分量的方式来达成。异向性磁电阻器的挑战是在于其需要大的斜面面积，且45度的螺丝纹条状杆对于微影（lithogrphy）和蚀刻工艺是个难题。而典型穿隧式磁电阻器的固定磁矩方向受到退火工艺的磁场方向限制，无法制作集成式多轴的磁场传感器。

电子罗盘应用通常需要感测X-Y-Z方向上的地磁场（geo-magnetic field）分量。到目前为止，传统电子罗盘芯片通常包装至少二个或三个2轴/单轴的磁场传感器来分别感测地磁场的每一个方向的分量。如何设计三轴向的集成式低成本磁场传感器，在此项技术中一直是很热门的题目。

发明内容