JP2006194733A - 磁気センサおよびその製法 - Google Patents

Abstract

【課題】一枚の基板上に３個以上の磁気抵抗素子を搭載し、その内の１個以上の磁気抵抗素子にＺ方向の磁界の強さを感知させうるようにし、三軸方向の磁界の強さを測定することができる磁気センサを得る。
【解決手段】基板１の平坦面に、４個の巨大磁気抵抗素子２、３、４、５を設ける。４個の巨大磁気抵抗素子のうち、２個の巨大磁気抵抗素子２、３は、Ｘ軸方向にその感知軸を持ち、残りの２個の巨大磁気抵抗素子４、５は、その感知軸がＹ軸方向に向いたものである。基板１に、高密度プラズマＣＶＤ法により山部６を形成し、この山部６の長手方向の両方の斜面にそれぞれ１個の巨大磁気抵抗素子７、８を設ける。これら巨大磁気抵抗素子７、８は、ともに斜面に平行な方向、すなわち基板１の斜め上方に向く方向に感知軸を有するものとなるため、三軸方向の磁場の強さを検知できるセンサとなる。
【選択図】図１

Description

この発明は、基板に磁気抵抗素子を搭載してなる磁気センサに関し、特に磁気センサの表面に垂直な方向の磁界の強さを測定できる磁気抵抗素子を有し、三軸方向の磁界の強さを測定できるようにしたものである。

一枚の基板上に３個以上の巨大磁気抵抗素子などの磁気抵抗素子をそれぞれの感知軸を異ならせて配置し、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の三軸方向の磁界の強さを測定できるようにした磁気センサが特開２００４−６７５２号公報に提案されている。
この先行発明では、基板の平坦面に、それぞれＸ軸方向およびＹ軸方向を感知軸とする２個以上の巨大磁気抵抗素子を配設する一方、基板にＶ字溝を形成し、このＶ字溝の斜面に１個以上の巨大磁気抵抗素子を配設し、この斜面に配設された巨大磁気抵抗素子でＺ軸方向の磁界の強さを感知するようにしている。
特開２００４−６７５２号公報

本発明は、この先行発明に関連するもので、その課題は上述の先行発明と同様に、一枚の基板上に３個以上の磁気抵抗素子を搭載し、その内の１個以上の磁気抵抗素子にＺ軸方向の磁界の強さを感知させうるようにし、三軸方向の磁界の強さを測定することができる磁気センサを得ることにある。

かかる課題を解決するため、
請求項１に記載の発明は、段差形成部を有する基板上の絶縁膜に形成された山部の斜面に磁気抵抗素子が配置されていることを特徴とする磁気センサである。
請求項２に記載の発明は、段差形成部を有する基板上の絶縁膜に形成された山部の斜面に１以上の磁気抵抗素子が配置され、基板の平坦面に２以上の磁気抵抗素子が配置され、前記斜面に形成された磁気抵抗素子と前記平坦面に形成された磁気抵抗素子との感度方向が、互いに異なっていることを特徴とする磁気センサである。

請求項３に記載の発明は、基板上に凸状の段差形成部を形成し、この段差形成部上に高密度プラズマＣＶＤ法により酸化ケイ素を堆積して、段差形成部上に山部を形成したのち、この山部の斜面に磁気抵抗素子を形成することを特徴とする磁気センサの製法である。

請求項４に記載の発明は、２以上の山部を隣接して形成することを特徴とする請求項３記載の磁気センサの製法である。
請求項５に記載の発明は、山部の横断面形状を台形または三角形とすることを特徴とする請求項３または４記載の磁気センサの製法である。
請求項６に記載の発明は、山部の斜面に磁気抵抗素子を形成すると同時に基板の平坦面に磁気抵抗素子を形成することを特徴とする請求項３ないし５のいずれかに記載の磁気センサの製法である。

本発明によれば、基板上にＺ軸方向の磁界の強さを感知しうる磁気抵抗素子を設けることができる。このため、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に感知軸を有する磁気抵抗素子を基板の平坦面にさらに設けることにより、三軸磁気センサとすることができる。
また、これらの磁気抵抗素子を同時に同一の薄膜形成プロセスで形成することができる。

以下、本発明を詳しく説明する。以下の説明では、磁気抵抗素子として巨大磁気抵抗素子を例示して記述を行うが、本発明では、これ以外の異方性磁気抵抗素子、磁気トンネル効果素子も同様に適用できる。
図１および図２は、本発明の磁気センサの一例を模式的に示すものである。
これらの図において、符号１は、基板を示す。この基板１は、シリコンなどの半導体基板に磁気センサの駆動回路、信号処理回路などとなる半導体集積回路（図示略）が予め形成されており、その表面には酸化ケイ素、窒化ケイ素などからなる絶縁膜（図示略）が被覆されてなるものである。

この基板１の表面の平坦面には、４個の巨大磁気抵抗素子２、３、４、５が設けられている。４個の巨大磁気抵抗素子のうち、２個の巨大磁気抵抗素子２、３は、図１に示した座標軸におけるＸ軸方向にその感知軸を持つもので、基板１の一方の周辺部に並んで設けられている。
また、残りの２個の巨大磁気抵抗素子４、５は、その感知軸が同じくＹ軸方向に向いたもので、基板１の他方の周辺部に並んで設けられている。

また、基板１の表面には、山部６が形成されている。この山部６は、横断面形状が台形で全体形状が畝状のものである。この山部６の斜面の角度は約３０〜６０度に、斜面の幅は５〜７μｍ程度に、山部６の底部の幅は３〜５μｍに、山部５の長さは１０〜２０μｍとなっている。
また、この山部６は、図２に示すように、基板１に形成された段差形成部１３の上部に成膜された酸化ケイ素などの絶縁膜１４に形成されたものである。

さらに、図２に示すように、この山部６の長手方向の両方の斜面には、それぞれ１個の巨大磁気抵抗素子７、８が設けられている。これら巨大磁気抵抗素子７、８は、ともに斜面に平行な方向、すなわち基板１の斜め上方に向く方向に感知軸を有するものである。このため、これら２個の巨大磁気抵抗素子７、８は、Ｚ軸方向の磁界の強さに感度を有し、Ｚ軸方向の磁界の強さを測定できるものとなる。
なお、図１および図２に示した矢印は、それぞれの巨大磁気抵抗素子の感知軸の向きを示すものである。

よって、この磁気センサは、Ｘ軸、Ｙ軸およびＸ軸の三軸方向の磁界の強さを測定できるものとなる。
さらに、これら６個の巨大磁気抵抗素子２〜８が設けられた基板１の表面には、図示しない酸化ケイ素、窒化ケイ素などからなる保護膜で被覆されており、これら巨大磁気抵抗素子等が外界から保護されるようになっている。

なお、基板１に設けられた６個の巨大磁気抵抗素子２〜８は、周知の構成のもので、複数の帯状の素子本体と、これら素子本体を接続するバイアス磁石とからなり、素子本体は、磁化の向きが所定の向きに固定（ピン）されたピンド層と、磁化の向きが外部磁界の向きに応じて変化するフリー層を備えたものである。

具体的には、素子本体はフリー層上に導電性のスペーサー層、ピンド層、キャピング層を順次積層してなる多層金属薄膜積層物から構成されており、例えばフリー層には、コバルト−ジルコニウム−ニオブのアモルファス磁性層とニッケル−コバルトの磁性層とコバルト−鉄の磁性層との３層からなるものが、スペーサー層には、銅からなるものが、ピンド層には、コバルト−鉄の強磁性層と白金−マンガンの反磁性層との２層からなるものが、キャッピング層にはタンタルからなるものが用いられる。

このような巨大磁気抵抗素子は、周知のスパッタ、蒸着、イオンプレーティングなどの薄膜形成手段とホトリソグラフィによって作製することができる。

図３ないし図９は、上述の山部６およびその斜面に巨大磁気抵抗素子を形成する方法の一例を示すものである。これらの図において、符号１１は、基板を示す。この基板１１は、図１に示したものと同様のもので、この基板１１の表面には、第１絶縁膜１２が設けられている。
この第１絶縁膜１２は、酸化ケイ素、窒化ケイ素などからなる厚さ５０〜１００ｎｍ程度のものである。

この第１絶縁膜１２上の所定の位置には、アルミニウム、アルミニウム合金などの金属や酸化ケイ素などの絶縁物からなる凸状の段差形成部１３が設けられている。この段差形成部１３は、外形が直方体状のもので、高さ１〜３μｍ、幅２〜５μｍ、長さ５〜１０μｍ程度の寸法を有するものである。

この段差形成部１３は、第２絶縁膜１２上に蒸着、スパッタなど薄膜形成手段によって厚さ１〜３μｍのアルミニウム、アルミニウム合金などからなる金属薄膜や酸化ケイ素などからなる絶縁膜を成膜し、この薄膜をホトリソグラフィによって、不要部分をエッチングにより除去する方法で形成することができる。
なお、この段差形成部１３が金属からなる場合には、この上に酸化ケイ素などからなる保護膜（図示略）を形成することが好ましい。

次ぎに、図４に示すように、段差形成部１３を含む第１絶縁膜１２上に第２絶縁膜１４を堆積して、山部１５を形成する。この第２絶縁膜１４は、シラン、テトラエトキシシランなどを原料化合物として、高密度プラズマＣＶＤ法によって成膜された酸化ケイ素からなるもので、その厚さが３〜５μｍ程度のものである。

高密度プラズマＣＶＤ法とは、プラズマ密度が高い状態、例えば電子密度１×１０^９〜５×１０^１０／ｃｍ^３で上記原料化合物から酸化ケイ素を合成し、この合成された酸化ケイ素を堆積すると同時に、堆積された酸化ケイ素の一部をプラズマによりエッチングして行くものである。
この高密度プラズマＣＶＤ法の作用により、段差形成部１３上に堆積され、周辺部分よりも上方に突出した酸化ケイ素の堆積物は、その上部の隅部が削り取られ、斜面を有する形状となる。

この高密度プラズマＣＶＤ法での成膜条件としては、例えばモノシラン流量５０〜１５０ｓｃｃｍ、酸素流量１００〜２００ｓｃｃｍ、圧力１〜１０Ｐａ、温度２５０〜４５０℃、高周波出力２ｋＷ〜５ｋＷ、周波数１０ＭＨｚ〜２０ＭＨｚ程度とされる。

この第２絶縁膜１４の形成により、段差形成部１３に対応する位置において、横断面形状が台形の山部１５が形成される。この山部１５の高さは３〜５μｍ、斜面１６の幅５〜７μｍ、長さ５〜１０μｍ、斜面１６の傾斜角程度３０〜６０度とされる。

また、段差形成部１３が存在しない基板１１面には厚さ３〜５μｍの平坦な絶縁層が形成される。
なお、この山部１５を複数並べて基板１上に形成する場合には、山部１５の裾が隣接する山部で互いに接してもよく、数μｍ程度離して形成してもよい。

続いて、図５に示すように、この山部１５の斜面１６、１６を含む第２絶縁膜１４上に巨大磁気抵抗素子膜１７を成膜し、この巨大磁気抵抗素子膜１７上にレジスト１８を塗布する。巨大磁気抵抗素子膜１７は、スパッタ、蒸着、イオンプレーティングなどによって成膜されたもので、その膜構成は、先に述べたものと同様のものである。

ついで、図６に示すように、レジスト１８に露光、現像し、山部１５の斜面１６、１６に形成された巨大磁気抵抗素子膜１７の上部のレジスト１８以外の部分を除去し、山部１５の斜面１６、１６に形成された巨大磁気抵抗素子膜１７をレジスト１８で被覆した状態とする。
この際、図６に示すように、基板１１上の第２絶縁膜１４の平坦面に形成された巨大磁気抵抗素子膜１７の一部を同様にレジスト１８で被覆された状態としておき、この平坦面にＸ軸感知用巨大磁気抵抗素子とＹ軸感知用巨大磁気抵抗素子とを同時に形成することもできる。

ついで、図７に示すように、残っているレジスト１８を加熱処理してその形状を変化させたのち、レジスト１８で被覆されていない部分の巨大磁気抵抗素子膜１７をミリング処理等により除去し、さらに巨大磁気抵抗素子膜１７上に残っているレジスト１８を有機溶剤等で溶解して除去する。

これにより、図８に示すように、山部１５の斜面１６、１６に巨大磁気抵抗素子１９、１９が形成される。また、図６に示したように、第２絶縁膜１４の平坦面にレジスト１８を残しておけば、その部分をＸ軸感知用巨大磁気抵抗素子とＹ軸感知用巨大磁気抵抗素子とにすることができる。
その後、この上に酸化ケイ素、窒化ケイ素などからなる保護膜を成膜することで、磁気センサが作製される。

図９および図１０は、先の製法例における図６以降のプロセスの変形例を示すもので、図６までのプロセスは先の製法例を同様である。
こののち、図９に示すように、ドライエッチング、異方性エッチングによりレジスト１８で被覆されていない部分の巨大磁気抵抗素子膜１７を除去する。

次いで、図１０に示すように、残っている巨大磁気抵抗素子膜１７上のレジスト１８を有機溶剤等で溶解して除去する。この状態では、山部１５の斜面１６、１６に存在する巨大磁気抵抗素子膜１７の上先端部が、図示のように、山部１５の頂部から突出した状態となっている。このため、この突出部分をミリング処理して削り取ることで、図８に示したような形状の巨大磁気抵抗素子１９、１９が山部１５の斜面１６、１６に形成されることになる。

図１１は、本発明における山部の形成状況の他の形態を示すものである。
このものでは、基板１１の第１絶縁膜１２上に、２個の段差形成部１３、１３をその間隔が５μｍ程度まで接近させて形成し、この上に第２絶縁膜１４を堆積し、２個の山部１５、１５を形成したものである。

この場合、段差形成部１３の幅と高さをほぼ同一とし、さらに第２絶縁膜１４の膜厚を段差形成部１３の高さをほぼ同一とし、これらの値を約５μｍとすることで、図示したような山部１５、１５の横断面形状が三角形となり、かつ山部１５、１５の裾が互いに隣接した状態とすることができる。このものでは、山部１５、１５の斜面１６、１６・・に配置する巨大磁気抵抗素子の配置密度を高めることができ、磁気センサを小型化することができて好ましい。

本発明の磁気センサの一例を示す概略斜視図である。 本発明の磁気センサの一例の要部を示す概略断面図である。 本発明の磁気センサの製法の一例の工程を示す概略断面図である。 本発明の磁気センサの製法の一例の工程を示す概略断面図である。 本発明の磁気センサの製法の一例の工程を示す概略断面図である。 本発明の磁気センサの製法の一例の工程を示す概略断面図である。 本発明の磁気センサの製法の一例の工程を示す概略断面図である。 本発明の磁気センサの製法の一例の工程を示す概略断面図である。 本発明の磁気センサの製法の他の例の工程を示す概略断面図である。 本発明の磁気センサの製法の他の例の工程を示す概略断面図である。 本発明の磁気センサの製法の他の例を示す概略断面図である。

符号の説明

１、１１・・・基板、２、３、４、５、７、８、１９・・・巨大磁気抵抗素子、６、１５・・・山部、１３・・・段差形成部

Claims (6)

1. 段差形成部を有する基板上の絶縁膜に形成された山部の斜面に磁気抵抗素子が配置されていることを特徴とする磁気センサ。
2. 段差形成部を有する基板の絶縁膜に形成された山部の斜面に１以上の磁気抵抗素子が配置され、基板の平坦面に２以上の磁気抵抗素子が配置され、前記斜面に形成された磁気抵抗素子と前記平坦面に形成された磁気抵抗素子との感度方向が、互いに異なっていることを特徴とする磁気センサ。
3. 基板上に凸状の段差形成部を形成し、この段差形成部上に高密度プラズマＣＶＤ法により酸化ケイ素を堆積して、段差形成部上に山部を形成したのち、この山部の斜面に磁気抵抗素子を形成することを特徴とする磁気センサの製法。
4. ２以上の山部を隣接して形成することを特徴とする請求項３記載の磁気センサの製法。
5. 山部の横断面形状を台形または三角形とすることを特徴とする請求項３または４記載の磁気センサの製法。
6. 山部の斜面に磁気抵抗素子を形成すると同時に基板の平坦面に磁気抵抗素子を形成することを特徴とする請求項３ないし５のいずれかに記載の磁気センサの製法。
   

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