JP2006308544A

JP2006308544A - 磁気センサおよびその製法

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Publication number: JP2006308544A
Application number: JP2005250616A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Naito; 寛内藤
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 2005-03-29
Filing date: 2005-08-31
Publication date: 2006-11-09
Anticipated expiration: 2025-08-31
Also published as: JP5028769B2

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、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、三軸方向の磁界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備え、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、基板に形成された山部の斜面に基板面に対し垂直方向の磁気成分に感度を持つ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、基板に形成された山部の斜面に１以上の基板面に対し垂直方向の磁気成分に感度を持つ磁気抵抗素子が配置され、基板の平坦面に２以上の基板面に対し平行方向の磁気成分に感度を持つ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、この段差形成部を含む基板上に絶縁膜を堆積して、段差形成部に対応する凸部を形成し、ついでプラズマエッチングまたはマイクロ波エッチングによりこの凸部に斜面を形成して山部としたのち、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、基板上に絶縁物からなる凸部を形成し、ついでプラズマエッチングまたはマイクロ波エッチングによりこの凸部に斜面を形成して山部としたのち、こ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５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または４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５〜３０μｍに、山部５の長さは５０〜２００μｍとなっている。

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−鉄強磁性層と白金−マンガン反磁性層との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。

このような構造の巨大磁気抵抗素子は、周知技術のスパッタ、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を形成する方法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３００〜１５００ｎｍ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２〜１５μｍ、長さ５０〜２００μｍ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を成膜し、この金属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。

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、凸部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、プラズマＣＶＤ法、オゾンＣＶＤ法などの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。

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、段差形成部１３とほぼ同様の形状を有する凸部１５が形成される。この凸部１５の高さは３〜５μｍ、幅３〜６μｍ、長さ５０〜２００μｍ程度とされる。
なお、この凸部１５を複数並べて基板１上に形成する場合には、その間隔を少なくとも５μｍ以上とすることが好ましい。

つぎに、この状態の基板１１に対して、プラズマエッチングまたはマイクロ波エッチングを施して、図５に示すように、凸部１５の上部の隅部をテーパーエッチングして、斜面１６、１６を備えた山部１７とする。

プラズマエッチングには、平行平板型プラズマ装置が用いられ、電極板に対して、基板１１を約３０〜６０度傾斜させつつ回転させて、アルゴン、酸素あるいはこれらの混合ガス雰囲気中でエッチングを行う。処理条件は、例えばアルゴン流量５０〜２００ｓｃｃｍ、圧力６．７〜２６．７Ｐａ、高周波出力７５０〜１５００Ｗ、周波数１３．５６ＭＨｚとされる。

マイクロ波エッチングには、石英管内部にガスを導入し、導波管から石英管内部にマイクロ波を供給し、プラズマを発生させる装置が用いられ、アルゴン、酸素あるいはこれらの混合ガス雰囲気中でエッチングが行われ、処理条件は、例えば酸素流量５０〜２００ｓｃｃｍ、圧力６．７〜１３．３Ｐａ、マイクロ波０．１〜０．５ｍＡ、周波数２．４５ＧＨｚ、ＲＦパワー１００〜２００Ｗ（１３．５６ＭＨｚ）とされる。

このエッチングにより、第２絶縁膜１４からなる凸部１５の上部の隅部が削り取られ、この削り取られた酸化ケイ素が凸部１５の下部に付着し、図５に示したような斜面１６、１６が形成されることになる。この斜面１６の傾斜角は、３０〜６０度、好ましくは４５度程度とされ、傾斜面の幅は、５〜７μｍ程度とされる。

続いて、図６に示すように、この山部１７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１８を成膜し、この巨大磁気抵抗素子膜１８上にレジスト１９を塗布する。巨大磁気抵抗素子膜１８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７に示すように、レジスト１９に露光、現像し、山部１７の斜面１６、１６に形成された巨大磁気抵抗素子膜１８の上部のレジスト１９以外の部分を除去し、山部１７の斜面１６、１６に形成された巨大磁気抵抗素子膜１８の一部をレジスト１９で被覆した状態とする。
この際、巨大磁気抵抗素子膜１８の、山頂に近い方側（斜面１６の上側）の端部におけるレジスト１９の厚さ、すなわちレジスト１９の頂点から巨大磁気抵抗素子膜１８の端部までの距離が、１．０〜２．０μｍ、好ましくは１．５μｍとなるように、レジスト１９の厚さを調整する。
さらに、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１８の一部を同様にレジスト１９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ようにすることが好ましい。

ついで、図８に示すように、残っているレジスト１９を加熱処理してその形状を変化させたのち、レジスト１９で被覆されていない部分の巨大磁気抵抗素子膜１８をミリング処理などによって除去し、さらに巨大磁気抵抗素子膜１８上に残っているレジスト１９を有機溶剤等で溶解して除去する。
これにより、図９に示すように、山部１７の斜面１６、１６の中腹部分に巨大磁気抵抗素子２０、２０が形成される。また、図７に示したように、第２絶縁膜１４の平坦面にレジスト１９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、Ｙ軸感知用巨大磁気抵抗素子とすることができる。

図１０は、このようにして得られた巨大磁気抵抗素子２０を示す斜視図である。山部１７の斜面１７の中腹部分に形成された巨大磁気抵抗素子２０は、その長手方向の端部が図示のようにその角部が丸みをおびた形状となっている。、
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１１ないし図１３は、本発明における山部の形成方法の他の例を示すものである。
まず、図１１に示すように、基板１１上の第１絶縁膜１２の上に、酸化ケイ素からなる第３絶縁膜２１を成膜する。この第３絶縁膜２１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、プラズマＣＶＤ法、オゾンＣＶＤ法などの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。

この後、第３絶縁膜２１をエッチングして、図１２に示すように、先の例の凸部１５と同様の形状の凸部２２を形成する。この凸部２２の高さは３〜５μｍ、幅３〜２５μｍ、長さ５０〜２００μｍ程度とされる。この凸部２２を複数並べて基板１上に形成する場合には、その間隔を少なくとも５μｍ以上とすることは先の例と同様である。

ついで、この凸部２２に対して、先の例と同様にして、プラズマエッチングまたはマイクロ波エッチングを施し、図１３に示すように凸部２２の上部の隅部をテーパーエッチングして、凸部２２を山部２３に加工する。
この山部２３の斜面に巨大磁気抵抗素子を形成する方法は、先の例と同じである。

この例の方法では、アルミニウム、アルミニウム合金などの金属からなる段差形成部１３を作り、この上に第２絶縁膜１４を成膜する必要がなく、プロセスが短縮される。また、基板１１の平坦面に第２絶縁膜１４が存在しないので、基板１１への応力が小さくなる利点もある。

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一例の工程を示す概略断面図である。本発明で得られた巨大磁気抵抗素子を示す一部断面視した斜視図である。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の工程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、２０・・・巨大磁気抵抗素子、６、１７、２２・・・山部、１３・・・段差形成部、１５、２２・・・凸部

Claims

基板に形成された山部の斜面に基板面に対し垂直方向の磁気成分に感度を持つ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。
基板に形成された山部の斜面に１以上の基板面に対し垂直方向の磁気成分に感度を持つ磁気抵抗素子が配置され、基板の平坦面に２以上の基板面に対し平行方向の磁気成分に感度を持つ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。
基板上に凸状の段差形成部を形成し、この段差形成部を含む基板上に絶縁膜を堆積して、段差形成部に対応する凸部を形成し、ついでプラズマエッチングまたはマイクロ波エッチングによりこの凸部に斜面を形成して山部としたのち、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。
基板上に絶縁物からなる凸部を形成し、ついでプラズマエッチングまたはマイクロ波エッチングによりこの凸部に斜面を形成して山部としたのち、こ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。
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または４記載の磁気センサの製法。