TWI449065B - 堆疊式自旋閥磁阻感測器及其製造方法 - Google Patents

Description

堆疊式自旋閥磁阻感測器及其製造方法

本發明是有關於一種磁阻感測器的結構，且特別是有關於一種垂直堆疊式自旋閥磁阻感測器的結構。

圖1為習知多層膜磁阻感測器(multilayer magnetoresistance sensor)的示意圖。請參照圖1，其中多層膜磁阻感測器100主要包含第一多層膜磁阻構造101、第二多層膜磁阻構造102、第三多層膜磁阻構造103和第四多層膜磁阻構造104，其彼此之間電性連接配置成惠斯登電橋(Wheatstone bridge)。而第一多層膜磁阻構造101、第二多層膜磁阻構造102、第三多層膜磁阻構造103和第四多層膜磁阻構造104皆具交替堆疊之至少一第一磁性層112和至少一第二磁性層114，以及至少一配置於第一磁性層112和第二磁性層114中之間隔層113，且外加磁場為零時第一磁性層112之磁化方向106和第二磁性層114之磁化方向108方向相反。習知多層膜磁阻感測器量測外加磁場變化時，需在第二多層膜磁阻構造102和第四多層膜磁阻構造104上覆蓋一遮蔽層110，使第二多層膜磁阻構造102和第四多層膜磁阻構造104之第一磁性層112之磁化方向106和第二磁性層114之磁化方向108以及電阻R12保持固定。外加磁場會使第一多層膜磁阻構造101、第三多層膜磁阻構造103中第一磁性層112之磁化方向106和第二磁性層114之磁化方向108之夾角產生變化，引起第一多層膜磁阻構造101、第三多層膜磁阻構造103中電阻R11之改變。由於遮蔽層110的製程較特別，並非現行半導體的標準製程，因此大大增加多層膜磁阻感測器製作上的複雜度。

圖2為另一習知自旋閥磁阻感測器(Spin-valve magnetoresistance sensor)的示意圖。請參照圖2，其中自旋閥磁阻感測器200主要包含第一自旋閥磁阻構造201、第二自旋閥磁阻構造202、第三自旋閥磁阻構造203和第四自旋閥磁阻構造204，其彼此之間電性連接配置成惠斯登電橋(Wheatstone bridge)。而第一自旋閥磁阻構造201、第二自旋閥磁阻構造202、第三自旋閥磁阻構造203和第四自旋閥磁阻構造204皆具有固定層(pinned layer)210、自由層(free layer)212、以及配置於固定層210和自由層212中之間隔層(spacer)211和偏壓層(exchange bias layer)214。第一自旋閥磁阻構造201與第三自旋閥磁阻構203之固定層210磁化方向206相同；第二自旋閥磁阻構造202與第四自旋閥磁阻構造204之固定層210磁化方向207相同，且磁化方向206和磁化方向207相反，並和外加磁場為零時自由層212之磁化方向208垂直。四個自旋閥磁阻構造具有相同之自由層212之磁化方向208，且磁化方向208會隨外加磁場而改變。習知磁阻感測器必須配置一磁化方向調整導線在四組自旋閥磁阻構造週邊，經由高溫下通電流產生磁場的方式，控制固定層210的磁化方向206、207使兩者呈現反平行狀態。外加磁場會使自由層212之磁化方向208改變，分別與固定層210之磁化方向206、磁化方向207產生不同的夾角變化，進而得到不同的R21、R22電阻值。但利用磁化方向調整導線控制固定層210方向的方式較特殊，需要在高溫下施加電流才可達成，並非現行半導體的標準製程，因此增加了自旋閥磁阻感測器製作上之複雜度。

有鑑於此，本發明的目的就是在提供一種磁阻感測器，使用自旋閥堆疊結構，其具有較簡單之製程。

本發明提出一種堆疊式自旋閥磁阻感測器，可感測單一軸向的磁場變化，由第一自旋閥堆疊結構與第二自旋閥堆疊結構所構成。其第一自旋閥堆疊結構，包含第一自旋閥磁阻元件、介電層以及第二自旋閥磁阻元件。其中，第一自旋閥磁阻元件，其具有上表面、下表面和固定不變之第一磁化方向，且第一磁化方向和上表面、下表面互相平行，介電層配置於第一自旋閥磁阻元件之上表面之上方，第二自旋閥磁阻元件配置於介電層之上方。

在本發明之一實施例中，上述第一自旋閥磁阻元件包含第一磁阻結構和第二磁阻結構。其中，第一磁阻結構具有固定不變之第一磁化方向，第二磁阻結構配置於第一磁阻結構之一側，其具有第二磁化方向，且第二磁化方向因應外加磁場之強弱而產生變化。

在本發明之一實施例中，上述第二自旋閥磁阻元件包含：第三磁阻結構和第四磁阻結構。其中，第三磁阻結構具有固定不變之第三磁化方向，第四磁阻結構配置於第三磁阻結構之一側，其具有第四磁化方向，且第四磁化方向因應外加磁場之強弱而產生變化。

在本發明之一實施例中，上述第一磁化方向和第三磁化方向成反平行方向，第二磁化方向和第四磁化方向相同。

在本發明之一實施例中，上述第一磁化方向和第三磁化方向相同，第二磁化方向和第四磁化方向成反平行方向。

在本發明之一實施例中，上述第一磁阻結構、第二磁阻結構、第三磁阻結構和第四磁阻結構，其中任一磁阻結構可為合成反鐵磁結構(synthetic antiferromagnet，簡稱SAF)。

在本發明之一實施例中，上述第一合成反鐵磁結構包含第一磁性層、第二磁性層和耦合層。其中，第二磁性層配置於第一磁性層之一側，耦合層配置於第一磁性層和第二磁性層之間。

在本發明之一實施例中，上述磁阻感測器之第二自旋閥堆疊結構，更包含第三自旋閥磁阻元件、介電層和第四自旋閥磁阻元件。其中，第三自旋閥磁阻元件具有上表面、下表面和固定不變之第一磁化方向，且第一磁化方向和上表面、下表面互相平行，介電層配置於第三自旋閥磁阻元件之上表面之上方，第四自旋閥磁阻元件配置於介電層之上方，其中，第三自旋閥磁阻元件分別與第二自旋閥磁阻元件和第四自旋閥磁阻元件電性連接，第一自旋閥磁阻元件分別與第四自旋閥磁阻元件和第二自旋閥磁阻元件電性連接。

在本發明之一實施例中，上述第三自旋閥磁阻元件包含第一磁阻結構和第二磁阻結構。其中，第一磁阻結構具有固定不變之第一磁化方向，第二磁阻結構配置於第一磁阻結構之一側，其具有第二磁化方向，且第二磁化方向因應外加磁場之強弱而產生變化。

在本發明之一實施例中，上述第四自旋閥磁阻元件包含第三磁阻結構和第四磁阻結構。其中，第三磁阻結構具有固定不變之第三磁化方向，第四磁阻結構配置於第三磁阻結構之一側，其具有第四磁化方向，且第四磁化方向因應外加磁場之強弱而產生變化。

在本發明之一實施例中，上述自旋閥堆疊結構當外加磁場為零時，第二磁化方向和第四磁化方向相同可為垂直第一軸向，第一磁化方向和第三磁化方向成反向平行且和第二磁化方向間夾直角。

在本發明之一實施例中，上述自旋閥堆疊結構當外加磁場為零時，第二磁化方向和第四磁化方向可為垂直第一軸向成反向平行，第一磁化方向和第三磁化方向相同且分別和第二磁化方向和第四磁化方向間夾直角。

本發明提出另一種堆疊式自旋閥磁阻感測器，可感測兩個軸向的磁場變化，由四組自旋閥堆疊結構所構成。除了上述的第一自旋閥堆疊結構與第二自旋閥堆疊結構之外，更包含第三自旋閥堆疊結構與第四自旋閥堆疊結構。其第三自旋閥堆疊結構，包含第五自旋閥磁阻元件、第六自旋閥磁阻元件；第四自旋閥堆疊結構，包含第七自旋閥磁阻元件和第八自旋閥磁阻元件。其中，第五自旋閥磁阻元件、第六自旋閥磁阻元件、第七自旋閥磁阻元件和第八自旋閥磁阻元件分別和第一自旋閥磁阻元件、第二自旋閥磁阻元件、第三自旋閥磁阻元件和第四自旋閥磁阻元件夾90度角，其中，第七自旋閥磁阻元件分別與第六自旋閥磁阻元件和第八自旋閥磁阻元件電性連接，第五自旋閥磁阻元件分別與第八自旋閥磁阻元件和第六自旋閥磁阻元件電性連接，為第二軸向的磁阻感測器。

在本發明之一實施例中，上述第五自旋閥磁阻元件和第七自旋閥磁阻元件其包含第一磁阻結構和第二磁阻結構。其中，第一磁阻結構具有固定不變之第五磁化方向，第五磁化方向和第一磁化方向同向，第二磁阻結構配置於第一磁阻結構之一側，其具有第六磁化方向，且第六磁化方向因應外加磁場之強弱而產生變化，在外加磁場為零時，第六磁化方向和第二磁化方向夾90度角。

在本發明之一實施例中，上述第六自旋閥磁阻元件和第八自旋閥磁阻元件包含第三磁阻結構和第四磁阻結構。其中，第三磁阻結構具有固定不變之第七磁化方向，第七磁化方向和第三磁化方向同向，第四磁阻結構配置第三磁阻結構之一側，其具有第八磁化方向，且第八磁化方向因應外加磁場之強弱而產生變化，在外加磁場為零時，第八磁化方向和第四磁化方向夾90度角。

在本發明之一實施例中，上述磁阻堆疊結構當外加磁場為零時，第二磁化方向和第四磁化方向相同可為垂直第一軸向，第一磁化方向和第三磁化方向成反向平行且和第二磁化方向間夾銳角，第六磁化方向和第八磁化方向相同可為垂直第二軸向，第五磁化方向和第七磁化方向成反向平行且和第六磁化方向間夾銳角。

在本發明之一實施例中，上述磁阻堆疊結構當外加磁場為零時，第二磁化方向和第四磁化方向可為垂直第一軸向成反向平行，第一磁化方向和第三磁化方向相同且分別和第二磁化方向和第四磁化方向間夾銳角；第六磁化方向和第八磁化方向可為垂直第二軸向成反向平行，第五磁化方向和第七磁化方向相同且分別和第六磁化方向和第八磁化方向間夾銳角。

在本發明之自旋閥堆疊結構中，由於是兩個自旋閥磁阻元件垂直堆疊結構，相較於傳統平面配置的結構，可使用不同的自旋閥元件作堆疊組合，並縮小磁阻感測器的面積。

為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

圖3為本發明之一實施例中自旋閥堆疊結構的剖面示意圖。請參照圖3，自旋閥堆疊結構300包含第一自旋閥磁阻元件301、介電層394、第二自旋閥磁阻元件302。其中，第一自旋閥磁阻元件301具有上表面392和下表面390，其包含第一磁阻結構310(固定層)、第二磁阻結構320(自由層)以及間隔層350配置於第一磁阻結構310和第二磁阻結構320之間以連接彼此，第一磁阻結構310具有固定不變之第一磁化方向D1，第一磁化方向D1和上表面392、下表面390互相平行。第二磁阻結構320配置於第一磁阻結構310之一側，其具有第二磁化方向D2，第二磁化方向D2會因應外加磁場之強弱而產生變化。介電層394配置於第一自旋閥磁阻元件301之上表面392上方。第二自旋閥磁阻元件302配置於介電層394之上方，其包含第三磁阻結構330(固定層)和第四磁阻結構340(自由層)，間隔層370配置於第三磁阻結構330和第四磁阻結構340之間以連接彼此，第三磁阻結構330具有固定不變之第三磁化方向D3，第四磁阻結構340配置於第三磁阻結構330之一側，其具有第四磁化方向D4，且第四磁化方向D4因應外加磁場之強弱而產生變化。

為將自旋閥堆疊結構300配置成磁阻感測器以供實際使用，在本實施例中，第一磁化方向D1和第三磁化方向D3成反向平行，不隨外加磁場而改變；第一磁化方向D1和第三磁化方向D3可為沿著自旋閥的難軸(hard axis)方向，亦是感測外加磁場的方向。而第二磁化方向D2和第四磁化方向D4則成同向平行，可隨外加磁場而改變；當外加磁場為零時，第二磁化方向D2和第四磁化方向D4可為沿自旋閥之易軸(easy axis)方向。

為達上述目的，上述任一磁阻結構都可使用合成反鐵磁結構(synthetic antiferromagnet，簡稱SAF)。合成反鐵磁結構包含第一磁性層312、第二磁性層314配置於第一磁性層312之一側，耦合層316配置於第一磁性層312和第二磁性層314之間。因此，在本發明中，自旋閥堆疊結構可能有數種變化。圖3至圖5為本發明之一實施例中自旋閥堆疊結構的剖面示意圖。請參照圖3，自旋閥堆疊結構300中之第一磁阻結構310可使用合成反鐵磁結構，其餘磁阻結構皆為單一磁性層。第一磁阻結構310之合成反鐵磁結構是以第二磁性層314和間隔層350相連。利用同一次退火製程，施加磁場利用偏壓層360固定第一磁性層312之磁化方向D11；同樣，利用偏壓層380也固定了第三磁阻結構330之第三磁化方向D3，並使其與磁化方向D11同向。第一磁阻結構310之合成反鐵磁結構，可藉由耦合層316之厚度，使第二磁性層314之第一磁化方向D1與磁化方向D11相反，在本實施例中，耦合層316之厚度，以釕(ruthenium,Ru)為例，約為8埃()，如此可同時定義第一磁化方向D1和第三磁化方向D3，且使第三磁化方向D3與第一磁化方向D1相反。

上述之自旋閥磁阻元件種類可為巨磁阻(GMR,giant magnetoresistance)型自旋閥與穿遂磁阻(TMR,tunneling magnetoresistance)型自旋閥。其中巨磁阻型自旋閥可使用非鐵磁性金屬(non-ferromagnetic metal)材料作為間隔層，如銅；穿遂磁阻型自旋閥則可使用穿遂氧化物(tunneling oxide)材料作為間隔層，如氧化鋁(AlOx)與氧化鎂(MgO)。兩種自旋閥的固定層與自由層皆使用含鐵磁性材料(ferromagnet)之單層，如NiFe、CoFe、CoFeB或上述單層所組合之複合層，如合成反鐵磁結構。偏壓層則使用反鐵磁材料(anti-ferromagnet)，如FeMn、PtMn、IrMn。

此外，請參照圖4，自旋閥堆疊結構400除了如上述第一自旋閥磁阻元件301中之第一磁阻結構310可使用合成反鐵磁結構，固定第一磁化方向D1，使其與第三磁阻結構330之第三磁化方向D3相反。在第二自旋閥磁阻元件302中，第四磁阻結構340也可使用合成反鐵磁結構，其反鐵磁結構是以第一磁性層342和間隔層370相連。第一磁性層342具有第四磁化方向D4，在沒有外加磁場時，第四磁化方向D4和第二磁化方向D2相同。而第四磁阻結構340中之合成反鐵磁結構，可藉由控制耦合層346之厚度，使第二磁性層344之磁化方向D41和第四磁化方向D4相反。在本實施例中，耦合層346厚度，以釕(ruthenium,Ru)為例，約為8埃。自旋閥堆疊結構400設計的特點在於結構簡化，第一自旋閥磁阻元件301與第二自旋閥磁阻元件302可以使用相同的磁性層材料與堆疊順序(磁性層312=磁性層330、磁性層314=磁性層342、磁性層320=磁性層344)，如此，只需對調耦合層與間隔層的位置，第一自旋閥磁阻元件301與第二自旋閥磁阻元件302可以得到相同的電阻值與磁阻變化量。

請參照圖5，自旋閥堆疊結構500除了如上述第一自旋閥磁阻元件301之第一磁阻結構310使用合成反鐵磁結構，固定第一磁化方向D1。在第三磁阻結構330也使用合成反鐵磁結構。於同一次退火製程，可使第一自旋閥磁阻元件301具有第一磁化方向D1，使第三磁阻結構330具有第三磁化方向D3。而第三磁阻結構330之合成反鐵磁結構中，藉由耦合層336之厚度使第一磁性層332和第二磁性層334都具有第三磁化方向D3，且使第三磁化方向D3和第一磁化方向D1相反。在本發明之一實施例中，第三磁阻結構330中之耦合層336，以釕(ruthenium,Ru)為例，可約為13埃。相較於圖3使用單一磁性層的做法，自旋閥堆疊結構500使用合成反鐵磁結構作為第三磁阻結構330，其優點在於第一自旋閥磁阻元件301與第二自旋閥磁阻元件302可以得到幾近相同的材料與構造，進而得到相近的電阻值與磁阻變化量。

在本發明之其他實施例中，為將自旋閥堆疊結構配置成磁阻感測器以供實際使用，也可使第一磁化方向D1和第三磁化方向D3相同，平行於自旋閥的難軸(hard axis)方向，亦是感測外加磁場的方向。而第二磁化方向D2和第四磁化方向D4成反平行方向，平行於自旋閥的易軸(easy axis)方向，亦是外加磁場為零時的磁化方向。

圖6至圖7為本發明之一實施例中自旋閥堆疊結構剖面示意圖。請參照圖6，自旋閥堆疊結構600中之第二磁阻結構320和第四磁阻結構340分別使用第一合成反鐵磁結構和第二合成反鐵磁結構，其餘磁阻結構皆為單一磁性層。其中第一合成反鐵磁結構中的第一磁阻層322可與第二合成反鐵磁結構中的第二磁阻層344相同，具有與外加磁場相同的磁化方向；第一合成反鐵磁結構中的第二磁阻層324可與第二合成反鐵磁結構中的第一磁阻層342相同，具有與外加磁場相反的磁化方向。第一合成反鐵磁結構的耦合層326可與第二合成反鐵磁結構的耦合層346相同，以釕(ruthenium,Ru)為例，可約為8埃。第一合成反鐵磁結構中以第一磁性層322和間隔層350相接，而第二合成反鐵磁結構中則是以第一磁阻層342和間隔層370相接。如同上述原理，作為固定層的第一磁阻結構310與第三磁阻結構330，其對應之第一磁化方向D1與第三磁化方向D3可於同一次退火製程成為同向。在沒有外加磁場時第二磁化方向D2和第二合成反鐵磁結構中之第二磁性層之磁化方向D41相同，又因為耦合層346的作用使第四磁化方向D4與磁化方向D41相反，因此第二磁化方向D2與第四磁化方向D4成反平行方向。

請參照圖7，自旋閥堆疊結構700也可能是第一磁阻結構310、第二磁阻結構320、第三磁阻結構330、和第四磁阻結構340都分別使用第一合成反鐵磁結構、第二合成反鐵磁結構、第三合成反鐵磁結構、第四合成反鐵磁結構。如此，可於同一次退火製程，利用合成反鐵磁結構中每個耦合層，使第一磁化方向D1和第三磁化方向D3相同，且第二磁化方向D2在沒有外加磁場時和第四磁化方向D4成反向平行。值得注意的是，第一合成反鐵磁結構以第二磁性層314和間隔層350相接，第二磁性層314可表現出第一磁化方向D1，第一磁性層312之磁化方向D11和第一磁化方向D1相反。第二合成反鐵磁結構以第一磁性層322和間隔層350相接，可表現出第二磁化方向D2，第二磁性層324之磁化方向D21和第一磁化方向D2相反。第三合成反鐵磁結構以第二磁性層334和間隔層370相接，可表現出第三磁化方向D3，第一磁性層332之磁化方向D31和第三磁化方向D3相反。第四合成反鐵磁結構以第一磁性層342和間隔層370相接，可表現出第四磁化方向D4，第二磁性層344之磁化方向D41和第一磁化方向D4相反。在本發明中，每個合成反鐵磁結構皆呈現反平行耦合，因此耦合層之厚度，以釕(ruthenium,Ru)為例，約為8埃。自旋閥堆疊結構700設計的優點在於結構簡化，第一自旋閥磁阻元件301與第二自旋閥磁阻元件302可以使用相同的合成反鐵磁層材料但相反的堆疊順序(磁性層312=磁性層334、磁性層314=磁性層332、磁性層322=磁性層344、磁性層324=磁性層342)。如此一來，第一自旋閥磁阻元件301與第二自旋閥磁阻元件302可以得到相同的電阻值與磁阻變化量。

值得一提的是，在本發明之其他實施例中，上述之數種自旋閥堆疊結構，其中第一磁阻結構310和第二磁阻結構320配置之相對位置並無限制，第三磁阻結構330和第四磁阻結構340配置之相對位置也並無限制，第一自旋閥磁阻元件301和第二自旋閥磁阻元件302之相對位置也並無限制。

圖8為本發明中之一實施例中堆疊式自旋閥磁阻感測器800的剖面示意圖。請參考圖8，本發明之磁阻感測器800由第一自旋閥堆疊結構與第二自旋閥堆疊結構所組成，兩者具有相同的自旋閥堆疊結構與相對應之磁化方向。其中第一自旋閥堆疊結構包含第一自旋閥磁阻元件301、第二自旋閥磁阻元件302和配置於上述兩者之間之介電層394；第二自旋閥堆疊結構包含第三自旋閥磁阻元件303、第四自旋閥磁阻元件304和配置於上述兩者之間之介電層394。各自旋閥磁阻元件可以串連的方式重複配置。其中，第一自旋閥磁阻元件301與第三自旋閥磁阻元件303具有上表面和下表面，其包含第一磁阻結構310和第二磁阻結構320，間隔層350配置於第一磁阻結構310和第二磁阻結構320之間以連接彼此。第一磁阻結構310具有固定不變之第一磁化方向D1，和上表面392、下表面390及感測磁場軸向互相平行。第二磁阻結構320配置於第一磁阻結構310之一側，其具有第二磁化方向D2，且第二磁化方向D2因應外加磁場之強弱而產生變化。介電層394配置於第一自旋閥磁阻元件301與第三自旋閥磁阻元件303之上表面之上方。第二自旋閥磁阻元件302與第四自旋閥磁阻元件304配置於介電層394之上方，其包含第三磁阻結構330、第四磁阻結構340，間隔層370配置於第三磁阻結構330和第四磁阻結構340之間以連接彼此。第三磁阻結構330具有固定不變之第三磁化方向D3，其與第一磁化方向D1呈反平行。第四磁阻結構340配置於第三磁阻結構330之一側，其具有第四磁化方向D4，且第四磁化方向D4可因應外加磁場之強弱而產生變化，與第二磁化方向D2平行。上述之磁化方向(D1、D2、D3、D4)皆定義為磁阻結構(310、320、330、340)中，與間隔層相連接之磁性層磁化方向。值得注意的是，第三自旋閥磁阻元件303可和第一自旋閥磁阻元件301可於同一製程中完成，第二自旋閥磁阻元件302可和第四自旋閥磁阻元件304也可於同一製程中完成。

接著，將第三自旋閥磁阻元件303分別與第二自旋閥磁阻元件302和第四自旋閥磁阻元件304電性連接，第一自旋閥磁阻元件301分別與第四自旋閥磁阻元件304和第二自旋閥磁阻元件302電性連接配置成惠斯登電橋(Wheatstone bridge)，將之稱為為第一磁阻感測器800，用以偵測第一軸向(第一磁化方向D1或第三磁化方向D3)的磁場強度，當外加磁場為零時，第二磁化方向和第四磁化方向為垂直第一軸向成同向平行，第一磁化方向和第三磁化方向相反且分別和第二磁化方向和第四磁化方向間夾直角。其中810為輸入電壓端點，830為參考電壓端點，820為第一輸出電壓端點，840為第二輸出電壓端點。自旋 閥磁阻元件的電性連接方式可為水平串接法(CIP,Current-in-Plane，出/入接點在自旋閥磁阻元件間隔層之同一側或兩側)或垂直串接法(CPP,Current-Perpendicular-to-Plane，出/入接點在自旋閥磁阻元件間隔層之兩側)，視自旋閥磁阻元件種類而定。

當感測外加磁場強弱時，習知自旋閥磁阻感測器中，需於惠斯登電橋任一對角線上之兩自旋閥磁阻元件上覆蓋遮蔽層或外加載流線圈，產生自旋閥磁阻元件參考電阻值或設定自旋閥磁阻元件之固定層磁化方向，造成製程上的複雜度。在本發明之一實施例中，利用上述自旋閥磁阻元件中第一磁化方向D1和第三磁化方向D3成反平行方向，而第二磁化方向D2和第四磁化方向D4相同，如此一來，可使第一自旋閥磁阻元件301和第三自旋閥磁阻元件303以及第二自旋閥磁阻元件302和第四自旋閥磁阻元件304分別擁有相同之第一電阻值和第二電阻值，不只增添了感測外加磁場時，自旋閥磁阻感測器之靈敏度，也不需如習知自旋閥磁阻感測器，要外加遮蔽層或外加載流線圈，才可以感測外加磁場之強弱。

圖9為本發明之又一實施例中堆疊式自旋閥磁阻感測器900的剖面示意圖。請參考圖9，磁阻感測器900也可利用上述自旋閥磁阻元件中第一磁化方向D1和第三磁化方向D3相同，平行於外加磁場軸向(第一軸向)；第二磁化方向D2和第四磁化方向D4因應外加磁場之強弱而產生變化，彼此成反平行方向。使第一自旋閥磁阻元件301和第三自旋閥磁阻元件303以及第二自旋閥磁阻元件302和第四自旋閥磁阻元件304也分別擁有相同之第一電阻值和第二電阻值，藉以感測外加磁場之強弱。

圖10為本發明之再一實施例中堆疊式自旋閥磁阻感測器1000的實際結構剖面示意圖，可利用垂直配置自旋閥磁阻元件組成。在實際晶片製程中，自旋閥堆疊結構的形成步驟可包含：(1)連續沉積下自旋閥磁阻元件膜層(包含第一自旋閥磁阻元件301、第三自旋閥磁阻元件303)、介電層、上自旋閥磁阻元件膜層(包含第二自旋閥磁阻元件302、第四自旋閥磁阻元件304)、以及最後的硬遮罩層；(2)微影製程定義自旋閥堆疊結構圖形；(3)依序蝕刻硬遮罩層、上自旋閥磁阻元件膜層、介電層、下自旋閥磁阻元件膜層，完成自旋閥堆疊結構製作。另一自旋閥堆疊結構的形成步驟可包含：(1)形成下自旋閥磁阻元件；(2)沉積介電層；(3)形成上自旋閥磁阻元件。接著利用透孔接觸導線(via contact)與金屬導線將第三自旋閥磁阻元件分別與第二自旋閥磁阻元件和第四自旋閥磁阻元件電性連接，第一自旋閥磁阻元件分別與第四自旋閥磁阻元件和第二自旋閥磁阻元件電性連接配置成惠斯登電橋(Wheatstone bridge)。在此自旋閥磁阻元件的電性連接方式以水平串接法(CIP)為例。其中上電極導線810可電性連接至輸入電壓端點，上電極導線830可電性連接至參考電壓端點，上電極導線820可電性連接至第一輸出電壓端點，上電極導線840可電性連接至第二輸出電壓端點。

此外，為同時測量互相垂直之第一軸向和第二軸向的磁場強弱，圖11為本發明之再一實施例中堆疊式自旋閥磁阻感測器的剖面示意圖。請參考圖11，堆疊式自旋閥磁阻感測器1100可配置為一組第一磁阻感測器，並將另一組第一磁阻感測器旋轉九十度方向，稱為第二磁阻感測器，用以偵測第二軸向的磁場強度。第二磁阻感測器包含第五自旋閥磁阻元件305、第六自旋閥磁阻元件306、第七自旋閥磁阻元件307和第八自旋閥磁阻元件308。其中，第五自旋閥磁阻元件305、第六自旋閥磁阻元件306、第七自旋閥磁阻元件307和第八自旋閥磁阻元件308分別和第一自旋閥磁阻元件301、第二自旋閥磁阻元件302、第三自旋閥磁阻元件303和第四自旋閥磁阻元件304夾90度角。將第七自旋閥磁阻元件307分別與第六自旋閥磁阻元件306和第八自旋閥磁阻元件308電性連接，第五自旋閥磁阻元件305分別與第八自旋閥磁阻元件308和第六自旋閥磁阻元件306電性連接，完成兩組惠斯登電橋。

其中，上述第五自旋閥磁阻元件305和第七自旋閥磁阻元件307包含第一磁阻結構310和第二磁阻結構320，其可於同一製程中形成。第一磁阻結構310具有固定不變之第五磁化方向D5，第五磁化方向D5和第一磁化方向D1相同。第二磁阻結構320配置於第一磁阻結構310之一側，其具有第六磁化方向D6，且第六磁化方向D6因應外加磁場之強弱而產生變化，在外加磁場為零時，第六磁化方向D6和第二磁化方向D2夾90度角，兩者皆沿著該自旋閥磁阻元件之易軸方向。第六自旋閥磁阻元件306和第八自旋閥磁阻元件308包含第三磁阻結構330和第四磁阻結構340。其中，第三磁阻結構330具有固定不變之第七磁化方向D7，第七磁化方向D7和第三磁化方向D3同向，第四磁阻結構340配置第三磁阻結構330之一側，其具有第八磁化方向D8，且第八磁化方向D8因應外加磁場之強弱而產生變化，在外加磁場為零時，第八磁化方向D8和第四磁化方向D4夾90度角，同樣地兩者皆沿著該自旋閥磁阻元件之易軸方向。

請參照圖11，於第一磁阻感測器1101中，在無外加磁場時，第二磁化方向D2和第四磁化方向D4相同，可垂直第一軸向Dx(沿第二軸向D-y延伸)。第一磁化方向D1和第三磁化方向D3成反向平行，分別和第二磁化方向D2和第四磁化方向D4夾一銳角θ。於第二磁阻感測器中，在無外加磁場時，第六磁化方向D6和第八磁化方向方向D8相同，可垂直第二軸向Dy(沿著第一軸向D+x)延伸。第五磁化方向D5和第七磁化方向D7成反向平行，分別和第六磁化方向D6和第八磁化方向D8夾一銳角θ。在本發明之實施例中，銳角θ可為一45度角。在此第一軸向之磁阻感測器1101用以偵測沿著X軸方向(D+x、D-x)之磁場強度，而第二軸向之磁阻感測器1102則用以偵測沿著Y軸方向(D+y、D-y)之磁場強度。

圖12為本發明之再一實施例中堆疊式自旋閥磁阻感測器的剖面示意圖。請參考圖12，在本發明之再一實施例中，為達相同目的，可同時感測互相垂直之第一軸向X軸和第二軸向Y軸的磁場強弱，在無外加磁場時，堆疊式自旋閥磁阻感測器1200中之第一磁阻感測器中，也可以是第二磁化方向D2和第四磁化方向D4成反向平行，垂直第一軸向Dx，分別沿第二軸向Dy、D-y延伸，而第一磁化方向D1和第三磁化方向D3相同，分別和第二磁化方向D2和第四磁化方向D4夾一銳角θ。而在第二磁阻感測器中，第六磁化方向D6和第八磁化方向D8，可垂直第二軸向Dy，沿著第一軸向Dx、D-x延伸，但方向成反向平行，第五磁化方向D5和第七磁化方向D7相同，分別和第六磁化方向D6和第八磁化方向D8夾一銳角θ。本發明之實施例中，銳角θ可為45度角。

綜上所述，在本發明之自旋閥堆疊結構中，由於是兩個自旋閥磁阻元件垂直堆疊結構，相較於傳統平面配置的結構，可使用不同的自旋閥元件作堆疊組合，並縮小磁阻感測器的面積。且自旋閥堆疊結構中的自旋閥磁阻元件可於同一退火製程中定義出相反之固定層或自由層磁化方向。在製程後續的磁阻感測器中，由於有兩組不同之磁化方向，故無需外加遮蔽層或載流線圈，降低了在製程上的複雜度。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100．．．多層膜磁阻感測器

101．．．第一多層膜磁阻構造

102．．．第二多層膜磁阻構造

103．．．第三多層膜磁阻構造

104．．．第四多層膜磁阻構造

106、108、206、207、208、D11、D21、D31、D41．．．磁化方向

110．．．遮蔽層

112．．．第一磁性層

113、211．．．間隔層

114．．．第二磁性層

200．．．自旋閥磁阻感測器

201．．．第一自旋閥磁阻構造

202．．．第二自旋閥磁阻構造

203．．．第三自旋閥磁阻構造

204．．．第四自旋閥磁阻構造

210．．．固定層

212．．．自由層

214．．．偏壓層

R11、R12、R21、R22．．．電阻

300、400、500、600、700．．．自旋閥堆疊結構

800、900、1000、1100、1200．．．堆疊式自旋閥磁阻感測器

301．．．第一自旋閥磁阻元件

302．．．第二自旋閥磁阻元件

303．．．第三自旋閥磁阻元件

304．．．第四自旋閥磁阻元件

305．．．第五自旋閥磁阻元件

306．．．第六自旋閥磁阻元件

307．．．第七自旋閥磁阻元件

308．．．第八自旋閥磁阻元件

310．．．第一磁阻結構

312、322、332、342．．．第一磁性層

314、324、334、344．．．第二磁性層

316、326、336、346‧‧‧耦合層

320‧‧‧第二磁阻結構

330‧‧‧第三磁阻結構

340‧‧‧第四磁阻結構

350、370‧‧‧間隔層

360、380‧‧‧偏壓層

810‧‧‧輸入電壓端點

820‧‧‧第一輸出電壓端點

830‧‧‧參考電壓端點

840‧‧‧第二輸出電壓端點

1101‧‧‧第一磁阻感測器

1102‧‧‧第二磁阻感測器

D1‧‧‧第一磁化方向

D2‧‧‧第二磁化方向

D3‧‧‧第三磁化方向

D4‧‧‧第四磁化方向

D5‧‧‧第五磁化方向

D6‧‧‧第六磁化方向

D7‧‧‧第七磁化方向

D8‧‧‧第八磁化方向

Dx‧‧‧第一軸向

Dy‧‧‧第二軸向

θ‧‧‧銳角

圖1繪示為習知多層膜磁阻感測器的示意圖。

圖2繪示為為另一習知自旋閥磁阻感測器的示意圖。

圖3至圖7為本發明之一實施例中自旋閥堆疊結構的剖面示意圖。

圖8為本發明中之另一實施例中堆疊式自旋閥磁阻感測器的剖面示意圖。

圖9為本發明中之又一實施例中堆疊式自旋閥磁阻感測器的剖面示意圖。

圖10至圖12為本發明中之再一實施例中堆疊式自旋閥磁阻感測器的剖面示意圖。

800．．．堆疊式自旋閥磁阻感測器

301．．．第一自旋閥磁阻元件

302．．．第二自旋閥磁阻元件

303．．．第三自旋閥磁阻元件

304．．．第四自旋閥磁阻元件

310．．．第一磁阻結構

320．．．第二磁阻結構

330．．．第三磁阻結構

340．．．第四磁阻結構

350、370．．．間隔層

360、380．．．偏壓層

390．．．第一磁阻結構下表面

392．．．第一磁阻結構上表面

394．．．介電層

810．．．輸入電壓端點

820．．．第一輸出電壓端點

830．．．參考電壓端點

840．．．第二輸出電壓端點

D1．．．第一磁化方向

D2．．．第二磁化方向

D3．．．第三磁化方向

D4．．．第四磁化方向

Claims (17)

1. 一種磁阻堆疊結構，其包含：一第一自旋閥磁阻元件，其具有一上表面與一下表面，且包含有一第一磁阻結構，其中該第一磁阻結構具有固定不變之一第一磁化方向，且該第一磁化方向和該上表面、該下表面互相平行；一介電層，配置於該第一自旋閥磁阻元件之該上表面之上方；以及一第二自旋閥磁阻元件，配置於該介電層之上方，包含一第三磁阻結構，其中該第三磁阻結構具有固定不變之一第三磁化方向，且該第一磁阻結構和該第三磁阻結構中任一磁阻結構為一合成反鐵磁結構。
2. 如申請專利範圍第1項所述之磁阻堆疊結構，其中該第一自旋閥磁阻元件更包含：一第二磁阻結構，配置於該第一磁阻結構之一側，其具有一第二磁化方向，且該第二磁化方向因應一外加磁場之強弱而產生和該第一磁化方向間之夾角變化，進而改變該第一自旋閥磁阻構造之一電阻值。
3. 如申請專利範圍第2項所述之磁阻堆疊結構，其中該第二自旋閥磁阻元件更包含：一第四磁阻結構，配置於該第三磁阻結構之一側，其具有 一第四磁化方向，且該第四磁化方向因應該外加磁場之強弱而產生和該第三磁化方向間之夾角變化，進而改變該第二自旋閥磁阻構造之一電阻值。
4. 如申請專利範圍第3項所述之磁阻堆疊結構，其中該第三磁化方向和該第一磁化方向成反平行方向，該第四磁化方向和該第二磁化方向相同。
5. 如申請專利範圍第3項所述之磁阻堆疊結構，其中該第三磁化方向和該第一磁化方向相同，該第四磁化方向和該第二磁化方向成反平行方向。
6. 如申請專利範圍第3項所述之磁阻堆疊結構，其中該第二磁阻結構和該第四磁阻結構，其中任一磁阻結構係為一合成反鐵磁結構(synthetic antiferromagnet)。
7. 如申請專利範圍第6項所述之磁阻堆疊結構，其中該合成反鐵磁結構，其包含：一第一磁性層；一第二磁性層，配置於該第一磁性層之一側；以及一耦合層，配置於該第一磁性層和該第二磁性層之間。
8. 如申請專利範圍第1項所述之磁阻堆疊結構，更包含：一第三自旋閥磁阻元件，其具有一上表面、一下表面和固定不變之該第一磁化方向，且該第一磁化方向和該上表面、該下表面互相平行； 一介電層，配置於該第三自旋閥磁阻元件之該上表面之上方；以及一第四自旋閥磁阻元件，配置於該介電層之上方，其中，該第三自旋閥磁阻元件分別與該第二自旋閥磁阻元件和該第四自旋閥磁阻元件電性連接，該第一自旋閥磁阻元件分別與該第四自旋閥磁阻元件和該第二自旋閥磁阻元件電性連接，組成一第一軸向之磁阻感測器。
9. 如申請專利範圍第8項所述之磁阻堆疊結構，其中該第三自旋閥磁阻元件，其包含：該第一磁阻結構，其具有固定不變之該第一磁化方向；以及該第二磁阻結構，配置於該第一磁阻結構之一側，其具有該第二磁化方向，且該第二磁化方向因應該外加磁場之強弱而產生和該第一磁化方向間之夾角變化，進而改變該第三自旋閥磁阻構造之一電阻值。
10. 如申請專利範圍第8項所述之磁阻堆疊結構，其中該第四自旋閥磁阻元件，其包含：該第三磁阻結構，其具有固定不變之第三磁化方向；以及該第四磁阻結構，配置於該第三磁阻結構之一側，其具有該第四磁化方向，且該第四磁化方向因應該外加磁場之強弱而產生和該第三磁化方向間夾角之變化，進而改變該第四自旋閥磁阻構造之一電阻值。
11. 如申請專利範圍第10項所述之磁阻堆疊結構，其中該 外加磁場為零時，該第二磁化方向和該第四磁化方向相同係為垂直該第一軸向，該第一磁化方向和該第三磁化方向成反向平行且和該第二磁化方向間夾一直角。
12. 如申請專利範圍第10項所述之磁阻堆疊結構，其中該外加磁場為零時，該第二磁化方向和該第四磁化方向係為垂直該第一軸向成反向平行，該第一磁化方向和該第三磁化方向相同且分別和該第二磁化方向和該第四磁化方向間夾一直角。
13. 如申請專利範圍第8項所述之磁阻堆疊結構，更包含一第五自旋閥磁阻元件、一第六自旋閥磁阻元件、一第七自旋閥磁阻元件和一第八自旋閥磁阻元件，其中該第五自旋閥磁阻元件、該第六自旋閥磁阻元件、該第七自旋閥磁阻元件和該第八自旋閥磁阻元件分別和該第一自旋閥磁阻元件、該第二自旋閥磁阻元件、該第三自旋閥磁阻元件和該第四自旋閥磁阻元件夾一90度角，其中，該第七自旋閥磁阻元件分別與該第六自旋閥磁阻元件和該第八自旋閥磁阻元件電性連接，該第五自旋閥磁阻元件分別與該第八自旋閥磁阻元件和該第六自旋閥磁阻元件電性連接，係為一第二軸向之磁阻感測器。
14. 如申請專利範圍第13項所述之磁阻堆疊結構，其中該第五自旋閥磁阻元件和該第七自旋閥磁阻元件，其包含：該第一磁阻結構，其具有固定不變之一第五磁化方向，該第五磁化方向和該第一磁化方向同向；以及該第二磁阻結構，配置於該第一磁阻結構之一側，其具有一第六磁化方向，且該第六磁化方向因應該外加磁場之強弱而 產生變化，在該外加磁場為零時，該第六磁化方向和該第二磁化方向夾一90度角，且該第六磁化方向因應該外加磁場之強弱而產生與第五磁化方向之夾角變化，進而改變該第五自旋閥磁阻與該第七自旋閥磁阻元件構造之一電阻值。
15. 如申請專利範圍第13項所述之磁阻堆疊結構，其中該第六自旋閥磁阻元件和該第八自旋閥磁阻元件，其包含：該第三磁阻結構，其具有固定不變之一第七磁化方向，該第七磁化方向和該第三磁化方向同向；以及該第四磁阻結構，配置於該第三磁阻結構之一側，其具有一第八磁化方向，且該第八磁化方向因應該外加磁場之強弱而產生變化，在該外加磁場為零時，該第八磁化方向和該第四磁化方向夾一90度角，且該第八磁化方向因應該外加磁場之強弱而產生與第七磁化方向之夾角變化，進而改變該第六自旋閥磁阻與該第八自旋閥磁阻元件構造之一電阻值。
16. 如申請專利範圍第15項所述之磁阻堆疊結構，其中該外加磁場為零時，該第二磁化方向和該第四磁化方向相同係為垂直該第一軸向，該第一磁化方向和該第三磁化方向成反向平行且和該第二磁化方向間夾一銳角，該第六磁化方向和該第八磁化方向相同係為垂直該第二軸向，該第五磁化方向和該第七磁化方向成反向平行且和該第六磁化方向間夾一銳角。
17. 如申請專利範圍第15項所述之磁阻堆疊結構，其中該外加磁場為零時，該第二磁化方向和該第四磁化方向係為垂直該第一軸向成反向平行，該第一磁化方向和該第三磁化方向相 同且分別和該第二磁化方向和該第四磁化方向間夾一銳角，該第六磁化方向和該第八磁化方向係為垂直該第二軸向成反向平行，該第五磁化方向和該第七磁化方向相同且分別和該第六磁化方向和該第八磁化方向間夾一銳角。