JP2007242989A - 磁気センサ、その製造方法および電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】検知する磁界が２点以上ある磁気センサに用いることが可能な、低磁界側から高磁界側まで広い領域で磁気抵抗が変化し、膜応力の影響が小さく、かつ工程上の制限の少ない合金金属薄膜を使用する磁気センサ、その製造方法および磁気センサを使用した電子機器を得ること。
【解決手段】各種電子機器に適用する磁気センサに用いる合金金属薄膜の組成比が、Ｎｉの組成比をｘ重量％、Ｃｏの組成比をｙ重量％とすると、２１ｘ＋１９ｙ≦１８６９、５ｘ＋２８ｙ≧５４６、ｙ≦１１、ｘ＋ｙ≧８５を同時に満たす組成範囲内にある。もしくは、この合金金属薄膜の磁歪定数の絶対値が１．５×１０^-5以下であり、かつ異方性磁界(Ｈ_k)が８Ｏｅ以上１６Ｏｅ以下であり、かつ磁気抵抗変化率が２．５％以上である。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気抵抗効果を利用して磁界を検出する磁気センサ、その製造方法および磁気センサを用いた電子機器に係わり、特に磁界を２点以上検知することのできる磁気センサ、その製造方法および磁気センサを用いて一部の筐体の変位を検出する折り畳み型携帯電話機等の電子機器に関する。

異方性磁気抵抗効果を用いて磁界を検知する磁気センサは、ＭＲ（Magnet-Resistance）センサとも呼ばれている。磁気センサは、たとえば物体の回転を検出する回転検出素子や、物体間での相対位置を検出する位置検出素子、あるいは携帯電話機やノートパソコン等の電気製品を構成する部材の開閉を検出する開閉検出素子に盛んに使用されている。

これらのＭＲセンサの多くには、異方性磁気抵抗効果を示す素子材料としてＮｉＦｅ（パーマロイ）が用いられている。ＮｉＦｅは、異方性磁界が４Ｏｅ（エルステッド）程度と小さく良好な軟磁気特性を示しており、高感度磁気センサの材料として適しているためである。

また、ＮｉＦｅＣｏの三元系合金である磁気抵抗効果薄膜を磁気センサの材料に用いようとする第１の提案もある（たとえば特許文献１参照）。この第１の提案は、三元系合金である磁気抵抗効果薄膜による高磁気抵抗効果や高感度を目指したものである。第１の提案の磁気抵抗効果薄膜は、Ｎｉの組成比が８０重量％以上、８３重量％以下であり、しかもＣｏの組成比が６重量％以上９重量％以下であるＮｉ、Ｆｅ、Ｃｏを主成分とするもので、磁気抵抗変化率（ＭＲ比）が５．１％以上で、異方性磁界が１０Ｏｅ以下となっている。ただし、この磁気抵抗変化率を得るには磁気抵抗効果薄膜のパターン化工程の前に２００℃以上４００℃以下の熱処理が必要であり、工程上の制限がある。

一方、Ｎｉ_1-x-y-zＣｏ_zＸ_xＹ_yを磁気抵抗素子に用いることが第２の提案として提案されている（たとえば特許文献２参照）。ここで、Ｘは、Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆ，Ｍｏ，ＴａおよびＷから選んだ遷移金属元素、Ｙは、Ｂ，Ｃ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｇｅ，Ｇａ，ＩｎおよびＳｎから選んだ半金属元素であり、ｘ，ｙおよびｚは、いずれも原子％で、ｘ：０．００５〜１０％、ｙ：０．００５〜６％、ｚ：１０〜７０％である。この第２の提案を用いることで、高感度、小ヒステリシス、抵抗および抵抗変化率の温度係数の少ない磁気抵抗効果合金および磁気センサを得ることができる。

これら第１および第２の提案は、共に、磁気感度特性として高感度を狙ったものである。
特許番号第２５４５９３５号（特許請求の範囲、第２図） 特許番号第２８４１６５８号（表、第３図）

ところで、磁気センサに関しては、これを使用する機器側から新たな機能が要請されている。その１つが、２あるいは３以上の磁界で検知を行う検知出力機能である。これを折り畳み型携帯電話を例にとって説明する。

図１５は、折り畳み型携帯電話機が閉じた状態と、２つの異なった角度で開いた様子を表わしている。折り畳み型携帯電話機の第１の筐体１０１に対して第２の筐体１０２が密着した状態が、閉じた状態である。第１の筐体１０１の内部に磁気センサ１０３が配置されているものとして、ヒンジ機構１０４によって開閉自在とされた第２の筐体１０２の内部に磁石１０５が配置されているものとする。

第２の筐体１０２が閉じた状態では、第１の筐体１０１との距離が最も短いので、磁気センサ１０３が検出する磁界は大きい。第１の筐体１０１が図示の位置に固定されているものとして、第２の筐体１０２を矢印１０６方向に開いていくと、磁気センサ１０３が検出する磁界は次第に小さくなっていく。従来では、磁気センサ１０３が検出する磁界がある程度小さくなった時点をその出力する電圧変化によって検出し、たとえば第２の筐体１０２に配置された図示しないディスプレイのバックライトを、ある回転角度で点灯させる制御を行っていた。この際、磁気センサ１０３が検知する磁界の値は１種類でよい。

一方、たとえば第２の筐体１０２を角度θ₁だけ開いたときに、そのディスプレイに第１の情報を表示し、更に角度θ₂開いたときには第２の情報に切り替えて表示するような折り畳み型携帯電話機の登場が要請されたとする。このような要請に対しては、磁気センサ１０３が第１の筐体１０１に対して角度θ₁だけ開いたときに第１の磁界を検知し、更に角度θ₂開いたときに第２の磁界を検知する２検知出力型であればよいことになる。

このように２つあるいは３つ以上の磁界を検知する複数磁界検知型の磁気センサは、従来の単一磁界検知型の磁気センサとは異なる磁気抵抗効果特性を持った磁性薄膜を使用する必要がある。単一磁界検知型の磁気センサの場合には、たとえば弱い磁界を検知できる磁界感度の高い磁気センサを開発すればよい。ところが、複数磁界検知型の磁気センサの場合には、検知する磁界範囲が２カ所以上と広くなる。このために、低磁界側から高磁界側まで広い領域で磁気抵抗が変化する磁気抵抗効果薄膜が必要になる。

特に、２．５ｍＴ（ミリテスラ）以上の高磁界を検知する磁気センサを実現しようとする場合には、磁気感度は高いものの磁気抵抗が変化する磁界領域の狭い特性の従来のＮｉＦｅ薄膜では対応することができない。また、第２の提案によるＮｉＦｅＣｏ三元系薄膜の場合には、どの組成範囲がこうした低磁界側から高磁界側まで広い領域で磁気抵抗が変化する領域なのかは、詳しい実験結果が得られていない。

更に、磁気センサに用いる磁気抵抗薄膜に磁歪定数の高いものを用いると、成膜、フォトレジスト加工、パッケージングの際のそれぞれにおける応力に応じて、磁気特性が大きく変化する。この結果、磁気特性を狙い通りの範囲内に納めるのが困難になり、磁気センサの歩留まりを低下させることになる。このようなことから、磁歪定数が低い磁気抵抗薄膜が求められる。

また、磁気抵抗効果薄膜を得るには工程上の制限の少ないことが、コスト削減の点からも望ましい。

そこで本発明の目的は、検知する磁界が２点以上ある磁気センサに用いることが可能な、低磁界側から高磁界側まで広い領域で磁気抵抗が変化し、膜応力の影響が小さく、かつ工程上の制限の少ない合金金属薄膜を使用する磁気センサ、その製造方法および磁気センサを使用した電子機器を得ることにある。

本発明の磁気センサは、有する合金金属薄膜が、（イ）Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏを主成分とする磁気抵抗効果を示す合金金属薄膜であって、（ロ）この合金金属薄膜の組成比が、Ｎｉの組成比をｘ重量％、Ｃｏの組成比をｙ重量％とすると、
２１ｘ＋１９ｙ≦１８６９、５ｘ＋２８ｙ≧５４６、ｙ≦１１、ｘ＋ｙ≧８５
を同時に満たす組成範囲内にあることを特徴としている。

また、本発明の磁気センサは、有する合金金属薄膜が、（イ）Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏを主成分とする磁気抵抗効果を示す合金金属薄膜であって、（ロ）この合金金属薄膜の磁歪定数の絶対値が１．５×１０^-5以下であり、かつ異方性磁界(Ｈ_k)が８Ｏｅ以上１６Ｏｅ以下であり、かつ磁気抵抗変化率が２．５％以上であることを特徴としている。

また、本発明の磁気センサは、請求項１または請求項２記載の合金金属薄膜を磁界の検出部に有することを特徴としている。

また、本発明の磁気センサは、（イ）検知磁界が２点以上あり、（ロ）そのうち少なくとも１点での検知磁界が２．５ｍＴ以上であり、（ハ）検知磁界となる複数の磁界のうち、最小検知磁界と最大検知磁界が０．５ｍＴ以上離れていることを特徴としている。
また、本発明の磁気センサは、強さの異なる複数の磁界を検知する制御用の集積回路を基板上に形成する集積回路上に絶縁膜を介して合金金属薄膜が成膜されている。

また、本発明では、（イ）強さの異なる複数の磁界を検知する制御用の集積回路を基板上に形成する集積回路形成ステップと、（ロ）この集積回路形成ステップで形成した集積回路の上に合金金属薄膜を成膜する合金金属薄膜成膜ステップとを磁気センサの製造方法に具備させる。

また、本発明では、（イ）強さの異なる複数の磁界を検知する磁気センサと、（ロ）この磁気センサの磁界についての複数の検知結果で制御を異ならせる制御回路とを電子機器に具備させている。

また、本発明では、（イ）磁石と、（ロ）この磁石により生じる磁界を検出する請求項１または請求項２記載の合金金属薄膜を有する磁気センサと、（ハ）この磁気センサの磁界についての複数の検知結果で制御を異ならせる制御回路とを電子機器に具備させている。

このように本発明では、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏを主成分とする磁気抵抗効果を示す合金金属薄膜、あるいはこの合金金属薄膜を有する磁気センサ、あるいはこれらの製造方法および電子機器であって、合金金属薄膜の組成比が、Ｎｉの組成比をｘ重量％、Ｃｏの組成比をｙ重量％とすると、
２１ｘ＋１９ｙ≦１８６９、５ｘ＋２８ｙ≧５４６、ｙ≦１１、ｘ＋ｙ≧８５
を同時に満たす組成範囲内にあるようになっている。このため、この合金金属薄膜を用いて、外部磁界がある一定磁界以上になると検知する磁気センサを構成すると、検知磁界が１個のセンサで２点以上あり、そのうち少なくとも１点での検知磁界が２．５ｍＴ以上であり、検知磁界となる複数の磁界のうち、最小検知磁界と最大検知磁界が０．５ｍＴ以上離れているセンサやこのセンサを使用した電子機器を構成することができる。

また、本発明では、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏを主成分とする磁気抵抗効果を示す合金金属薄膜、あるいはこの合金金属薄膜を有する磁気センサ、あるいはこれらの製造方法および電子機器であって、合金金属薄膜の磁歪定数（λ）の絶対値が１．５×１０^-5以下であり、かつ異方性磁界(Ｈ_k)が８Ｏｅ以上１６Ｏｅ以下であり、かつ磁気抵抗変化率(ＭＲ比)が２．５％以上であるようになっている。このため、この合金金属薄膜を用いて、外部磁界がある一定磁界以上になると検知する磁気センサを構成すると、検知磁界が１個のセンサで２点以上あり、そのうち少なくとも１点での検知磁界が２．５ｍＴ以上であり、検知磁界となる複数の磁界のうち、最小検知磁界と最大検知磁界が０．５ｍＴ以上離れているセンサやこのセンサを使用した電子機器を構成することができる。

磁気センサに用いる磁気抵抗効果を示す合金金属薄膜をＮｉ、Ｆｅ、Ｃｏを主成分とする薄膜とし、その組成比が、Ｎｉの組成比をｘ重量％、Ｃｏの組成比をｙ重量％とすると、
２１ｘ＋１９ｙ≦１８６９、５ｘ＋２８ｙ≧５４６、ｙ≦１１、ｘ＋ｙ≧８５
を同時に満たす組成範囲内とする。この組成範囲とすることにより、合金金属薄膜の磁気特性が、磁歪定数（λ）の絶対値が１．５×１０^-5以下であり、かつ異方性磁界(Ｈ_k)が６Ｏｅ以上８Ｏｅ以下であり、かつ磁気抵抗変化率(ＭＲ比)が２．５％以上とすることができる。

これらの磁気特性を満たすことにより、検知磁界が１個のセンサで２点以上あり、そのうち少なくとも１点での検知磁界が２．５ｍＴ以上であり、検知磁界となる複数の磁界のうち、最小検知磁界と最大検知磁界が０．５ｍＴ以上離れている磁気センサにおいても、十分に動作することが可能になる。

また、組成範囲が上記の範囲を外れていても、成膜方法（成膜方式、基板温度等）、加工方法を調節し、上記の磁気特性、すなわち磁歪定数（λ）の絶対値が１．５×１０^-5以下であり、かつ異方性磁界(Ｈ_k)が８Ｏｅ以上１６Ｏｅ以下であり、かつ磁気抵抗変化率(ＭＲ比)が２．５％以上とすることができれば、所望の磁気センサを得ることができる。

以上説明したように本発明によれば、低磁界側から高磁界側まで広い領域で磁気抵抗が変化し、膜応力の影響が小さく、磁気抵抗効果膜のパターン化工程前のアニールが不要な工程上の制限の少ない磁気抵抗効果膜を得ることができる。その結果、検知磁界が１個のセンサで２点以上あり、そのうち少なくとも１点での検知磁界が２．５ｍＴ以上であり、検知磁界となる複数の磁界のうち、最小検知磁界と最大検知磁界が０．５ｍＴ以上離れている磁気センサやこれを使用した電子機器を製作することが可能になる。

以下実施例につき本発明を詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施例における磁気センサに使用する合金金属薄膜としての磁気抵抗効果膜（以下、適宜「磁性膜」という。）の組成範囲を示したものである。本実施例で使用する磁気抵抗効果膜は、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏを主成分とする合金金属薄膜である。この合金金属薄膜の組成比は、Ｎｉの組成比をｘ重量％、Ｃｏの組成比をｙ重量％とすると、次の（１）〜（４）式を同時に満たす組成範囲内にある。

２１ｘ＋１９ｙ≦１８６９ ……（１）
５ｘ＋２８ｙ≧５４６ ……（２）
ｙ≦１１ ……（３）
ｘ＋ｙ≧８５ ……（４）

（１）〜（４）式を同時に満たす組成範囲内は、この図１の四角形２０１の内部になる。四角形２０１の交点はおおよそ（Ｎｉ_85.1、Ｆｅ_10.6、Ｃｏ_4.3）、（Ｎｉ_79.0、Ｆｅ_10.0、Ｃｏ_11.0）、（Ｎｉ_79.7、Ｆｅ_15.0、Ｃｏ_5.3）、（Ｎｉ_74.0、Ｆｅ_15.0、Ｃｏ_11.0）となる。

膜厚が４０ｎｍでこの組成範囲内の磁性膜を成膜すると、磁歪定数（λ）の絶対値が１．５×１０^-5以下、異方性磁界（Ｈ_k）が８Ｏｅ以上１６Ｏｅ以下、磁気抵抗変化率（ＭＲ比）が２．５％以上となる。なお、磁性膜は２０ｎｍ以上、６０ｎｍ以下であることが望ましい。磁性膜の厚さが２０ｎｍ未満では磁性膜幅の連続性やマイグレーション耐性に問題が生じる。磁性膜の厚さが６０ｎｍを超えると、抵抗低下に伴う消費電流の増加の問題が生じる。

この磁性膜の成膜は真空蒸着法を用いるのが望ましい。スパッタ法を用いた場合は、磁性膜にＧｐａ（パスカル）オーダの圧縮応力がかかる傾向がある。このため、熱の発生するプロセス工程を行うたびに応力緩和の影響で磁気特性が変化し、狙い通りの磁気特性を得るのが困難になる。

磁性膜の組成範囲と、膜の磁気特性の関係を更に詳しく説明する。なお、これらの磁気特性を得るために、成膜直後のアニールは必要ない。

図２は、本実施例で真空蒸着法を用いて成膜したＮｉＦｅＣｏの磁歪定数（λ）の三元状態を表わしたものである。磁性膜の厚さは５２ｎｍである。Ｎｉの組成比をｘ、Ｃｏの組成比をｙとしたとき、「λ＝−１．５×１０^-5」の境界の一部が「２１ｘ＋１９ｙ＝１８６９」の直線に接している。この直線に接している領域では、「２１ｘ＋１９ｙ≦１８６９」のとき、「｜λ｜≦１．５×１０^-5」の範囲となる。

図３は、「λ＝−１．１×１０^-5」のＮｉ₈₀Ｆｅ₁₂Ｃｏ₈と、「λ＝−１．７×１０^-5」のＮｉ₈₂Ｆｅ₁₀Ｃｏ₈との抵抗変化率を示したものである。ラフネスのあるＩＣ（Integrated Circuit）基板上に成膜したものと、平坦なＳｉＯ₂／Ｓｉ基板上に成膜したものとをそれぞれ示している。ＩＣ基板上ではラフネスのため保護膜から磁性層膜にかかる応力が小さくなるが、平坦なＳｉＯ₂／Ｓｉ基板上では保護膜からかかる応力が大きい。磁歪の絶対値の大きなＮｉ₈₂Ｆｅ₁₀Ｃｏ₈は、応力にセンシティブであり、両基板による差異が大きい。これでは、熱の加わる加工工程のたびに熱応力により抵抗変化率曲線が大幅に変化し、製品化した際の抵抗変化率曲線を狙い通りに定めるのが困難になる。このように応力にセンシティブであると、成膜加工工程直後は良品であっても、熱応力のかかるパッケージング工程後に不良品が多発するということが起こる。

図４は、「λ＝−１．７×１０^-5」のＮｉ₈₂Ｆｅ₁₀Ｃｏ₈と、「λ＝−１．１×１０^-5」のＮｉ₈₀Ｆｅ₁₂Ｃｏ₈との抵抗変化率の初期磁化方向依存性を示したものである。同図（１）がＮｉ₈₂Ｆｅ₁₀Ｃｏ₈の場合を示しており、同図（２）がＮｉ₈₀Ｆｅ₁₂Ｃｏ₈の場合を示している。

この図４で、実線は磁気センサの通常磁界の印加方向から９０°方向にまず強磁界を永久磁石等の磁石でかけておき、それから０°方向に磁界をかけて抵抗変化率を測定したものである。点線は、その後磁界をいったんゼロに戻し、もう一度０°方向に磁界をかけて抵抗変化率を測定したものである。Ｎｉ₈₂Ｆｅ₁₀Ｃｏ₈は初期磁界印加方向依存性が高く、両者の差が大きい。これに対して、Ｎｉ₈₀Ｆｅ₁₂Ｃｏ₈は初期磁界印加方向依存性が低く、両者の差が小さい。９０°磁界の影響が大きいＮｉ₈₂Ｆｅ₁₀Ｃｏ₈は外部磁界の外乱に弱いので、磁界センサとして適さない。

図５は、磁気センサの一部を底面と垂直な所定の面で切断したと仮定した際のその切断面の端面構造を表わしたものである。磁気センサ２１０は、ＩＣ基板２１１の上にＡｌパッド部分２１２が露出しており、このＡｌパッド部分２１２以外はＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＳｉＯ₂等からなる絶縁性保護膜２１３で覆われている。この上に、磁気抵抗効果膜２１４、チタン２１５および金２１６をそれぞれ真空蒸着法により蒸着している。磁気抵抗効果膜２１４は、本実施例における前記した組成範囲内となっており、前記した磁気特性を示しているものである。金２１６はボンディングコンタクト用であり、チタン２１５は金２１６と磁気抵抗効果膜２１４であるＮｉＦｅＣｏ合金との密着性を向上させるために成膜されている。金２１６の一部はボンディングのために露出しており他の部分の上部には、絶縁膜２１７が覆っている。磁気抵抗効果膜２１４は例えば図１０のようなつづら折れ型の形状に加工される。

このような磁気センサ２１０では、磁気抵抗効果膜２１４の図１０のようなパターニングを行い、外部磁界がないときはつづら折れの長辺方向が磁化方向になるように設計されている。しかし負の磁歪定数が大きい場合には、応力の影響を受けやすく、パッケージング時の圧縮応力により、磁化方向が長辺方向に対して角度を持ちやすくなってしまう。これでは９０°磁界印加後に元の長辺方向に磁界が戻らず、初期磁界印加方向依存性が高くなる。

図３および図４で説明した理由から、応力の影響を排除し、歩留まりを高めるためには磁性膜の磁歪定数（λ）を「｜λ｜≦１．５×１０^-5」の範囲とする必要がある。

図６は、真空蒸着法を用いて成膜したＮｉＦｅＣｏの異方性磁界（Ｈ_k）の三元状態図を示したものである。磁性膜は４０ｎｍである。「Ｈ_k＝８Ｏｅ」の境界の一部が「５ｘ＋２８ｙ＝５４６」の直線に、「Ｈ_k＝１６Ｏｅ」の境界の一部が「ｙ≦１１」の直線に接している。直線に接している領域では「５ｘ＋２８ｙ≧５４６、ｙ≦１１」のときに「８Ｏｅ≦Ｈ_k≦１６Ｏｅ」となる。これを同図の斜線部分２２１で示す。

図７は、異方性磁界（Ｈ_k）が６ＯｅのＮｉ₈₃Ｆｅ₁₄Ｃｏ₃と１２ＯｅのＮｉ₈₀Ｆｅ₁₂Ｃｏ₈と１８ＯｅのＮｉ₇₆Ｆｅ₁₀Ｃｏ₁₄との比較を示したものである。Ｎｉ₈₃Ｆｅ₁₄Ｃｏ₃は磁界に対する立ち上がりが鋭く、１．０〜１．５ｍＴ間で０．５％抵抗が変化するが、２．５ｍＴ付近から抵抗変化率の上昇が緩やかになり、３．０〜３．５ｍＴ間の抵抗変化は０．１％に過ぎない。そのため、高磁界で磁界を検知するのは困難である。

一方、Ｎｉ₇₆Ｆｅ₁₀Ｃｏ₁₄は磁界に対する立ち上がりが鈍く、３．０〜３．５ｍＴ間の抵抗変化は０．５％であるが、１．０〜１．５ｍＴ間の抵抗変化は０．２％に過ぎない。したがって、高磁界側の検知はできても、低磁界側の検知は困難であり、複数磁界検知型の磁気センサには向かない。Ｎｉ₈₀Ｆｅ₁₂Ｃｏ₈は、１．０〜１．５ｍＴ間で０．４％、３．０〜３．５ｍＴ間で０．４％変化している。２もしくは３以上の磁界の検知出力を出す磁気センサでは、このように広い磁界範囲で抵抗が変化する磁性膜が必要である。一例を挙げれば、１．０〜１．５ｍＴ間、３．０〜３．５ｍＴ間で０．３％以上、抵抗値が変化する磁性膜となる。このような磁性膜を満足するためには、異方性磁界（Ｈ_k）を８Ｏｅ以上、１６Ｏｅ以下にする必要がある。

図８は、真空蒸着法を用いて成膜したＮｉＦｅＣｏのＭＲ比の三元状態図を示したものである。磁性膜は４０ｎｍである。この図では、ＭＲ比２．５％を示す境界の一部が「ｘ＋ｙ＝８５」の直線に接している。この境界線の右上にあたる「ｘ＋ｙ≧８５」の範囲の領域では、ＭＲ比が２．５％以上になる。

図９は、６ｍＴで磁気抵抗変化率２．６％のＮｉ₈₀Ｆｅ₁₂Ｃｏ₈と、抵抗変化率２．３％のＮｉ₈₀Ｆｅ₁₆Ｃｏ₄を示している。Ｎｉ₈₀Ｆｅ₁₆Ｃｏ₄はＮｉ₈₀Ｆｅ₁₂Ｃｏ₈に比べて抵抗の変化が小さく、１．０〜１．５ｍＴ間で０．３％、３．０〜３．５ｍＴ間で０．２％と小さい。このため、複数磁界検知型の磁気センサには適さない。この種の磁気センサに用いるには抵抗変化率２．５％以上が必要である。

以上説明したように、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏを主成分とする磁気抵抗効果を示す合金金属薄膜でＮｉの組成比をｘ、Ｃｏの組成比をｙとしたとき、前記した（１）〜（４）式の条件を同時に満たす組成範囲内の磁性膜を用いることにより、その磁性膜は磁歪定数（λ）の絶対値が１．５×１０^-5以下であり、かつ異方性磁界(Ｈ_k)が８Ｏｅ以上で１６Ｏｅ以下であり、かつ磁気抵抗変化率(ＭＲ比)が２．５％以上となる磁気的性質を持つことになる。その結果として、検知磁界が１個のセンサで２点以上あり、そのうち少なくとも一方の検知磁界が２．５ｍＴ以上であり、検知磁界となる複数の磁界のうち、最小検知磁界と最大検知磁界が０．５ｍＴ以上離れている磁気センサを製造することが可能になる。

なお、成膜手法あるいは成膜条件を変更することにより、前記した（１）〜（４）式のすべてを満たさなくとも、磁歪定数（λ）の絶対値が１．５×１０^-5以下であり、かつ異方性磁界(Ｈ_k)が８Ｏｅ以上で１６Ｏｅ以下であり、かつ磁気抵抗変化率(ＭＲ比)が２．５％以上となる磁気的性質を持つ磁性膜を成膜することができる場合がある。このような場合には、１個のセンサで検知磁界が２点以上あり、そのうち少なくとも１点での検知磁界が２．５ｍＴ以上であり、検知磁界となる複数の磁界のうち、最小検知磁界と最大検知磁界が０．５ｍＴ以上離れている磁気センサを製造することが可能になる。変更の対象となる成膜手法とは、真空蒸着法以外の各種の手法、例えばスパッタ法やＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法を指している。また、変更の対象となる成膜条件とは、成膜時の基板温度や加工時の基板温度や磁性膜の膜厚等の条件を指している。

図５に示した磁気センサ２１０について、次にその製造方法を説明する。この図に示した磁気センサ２１０は、Ａｌパッド部分２１２とそれ以外のＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＳｉＯ₂等の絶縁性保護膜２１３の上に、磁気抵抗効果膜２１４、チタン２１５および金２１６をそれぞれ真空蒸着法により蒸着する。次に、これら金、チタン、ＮｉＦｅＣｏからなる積層膜は、抵抗体のブリッジ構造状に加工する。

図１０は、この積層膜が抵抗体のブリッジ構造状に加工された様子を表わしたものである。この図１０で仮に矢印２３１方向に磁界を印加するものとする。抵抗体のブリッジ構造２３２のうちで、磁界印加方向と長辺方向が直交する構造部分２３３、２３４は、磁界の印加により抵抗が上昇する。これに対して、磁界印加方向と長辺方向が平行な構造部分２３５、２３６では、磁界を印加しても抵抗の変化は小さい。

次にＡｌパッド部分２１２の上部を除いた磁性体部分の金２１６をミリング（milling）およびウェットエッチング（Wet etching）により取り除き、パッド上にのみ金２１６が残るようにする。最後にこれらにＳｉＯ₂等の絶縁膜２１７を被せて、Ａｌパッド部分２１２の絶縁膜をリアクティブイオンエッチングにより取り除く。これにより、図５に示した磁気センサ２１０がウェハ上に完成する。

図１１は、このようにして完成した磁気センサの断面構造を表わしたものである。図示しないウェハ上の磁気センサをチップごとに裁断する。得られたチップ２４１を一対の金属端子２４２、２４３に金の細線２４４、２４５を用いてワイヤボンディングし、樹脂パッケージ２４６内にパッケージングする。このようにして磁気センサ２５０が完成する。
上記に説明した工程はあくまで一例であり、例えば金の取り除き方にリフトオフ法を用いるなど、他の加工方法を使用してもかまわない。

図１２は、この磁気センサを使用して２つの磁界を検知する複数磁界検知回路の一例を表わしたものである。２つの固定抵抗２５１、２５２と２つの可変抵抗２５３、２５４をブリッジ状に接続した回路部分が、磁気抵抗効果膜を加工することで得られたブリッジ抵抗２５５である。固定抵抗２５１と可変抵抗２５３の接続点２５６が、第１および第２のコンパレータ２５７、２５８のマイナス側の入力端子に接続されている。また、固定抵抗２５２と可変抵抗２５４の接続点２５９が、第１および第２のコンパレータ２５７、２５８のプラス側の入力端子に接続されている。固定抵抗２５１と可変抵抗２５４の接続点２６１は第１のコンパレータ２５７のプラス側電源端子と第２のコンパレータ２５８のプラス側電源端子と共にプラス側の電源Ｖ_ddの電源端子２６３に接続されており、固定抵抗２５２と可変抵抗２５３の接続点２６２は第１のコンパレータ２５７のマイナス側電源端子と第２のコンパレータ２５８のマイナス側電源端子と共にグランドＧＮＤのアース端子２６４に接続されている。第１のコンパレータ２５７の出力側には第１のＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）駆動回路２６５の入力側が接続され、その出力側は第１の出力端子２６６に接続されている。第２のコンパレータ２５８の出力側には第２のＭＯＳ駆動回路２６７の入力側が接続され、その出力側は第２の出力端子２６８に接続されている。

このような複数磁界検知回路２６９では、磁界を印加することにより、ブリッジ抵抗２５５を構成する２つの可変抵抗２５３、２５４の抵抗値が変化することになる。これら２つの可変抵抗２５３、２５４の抵抗値の変化による分圧抵抗の差分が、第１および第２のコンパレータ２５７、２５８で検出される。第１および第２のコンパレータ２５７、２５８の一方を、高磁界変化に対応する電圧変化に反応するように調整する。この場合、第１および第２のコンパレータ２５７、２５８の他方は、低磁界変化に対応する電圧変化に反応するように調整する。これら第１および第２のコンパレータ２５７、２５８の比較結果としての電圧変化は、第１および第２のＭＯＳ駆動回路２６５、２６７の対応するものの出力端子２６６、２６８から、グランドＧＮＤに対する電圧変化として読み出すことができる。

以上説明した実施例の合金金属薄膜を使用した磁気センサは、図１５に示した折り畳み型携帯電話機に使用することで、複数の回転角度の検出を行う開閉センサとして使用することができる。

なお、このような複数磁界検知機能を持つ磁気センサを、検知機能の低感度側ないし高感度側の一方のみを使用し、複数ではなく単一の磁界を検知する従来と同様の磁気検知センサに流用することも可能である。複数のセンサを用意することなく高感度にも低感度にも使用できるので、使用者には在庫品を減らす効果がある。

もちろん、折り畳み型携帯電話機に限らず、折り畳み型ＰＨＳ（Personal Handy-phone System）、ノート型のコンピュータ等の各種の電子機器に使用することができる。また、磁気センサを使用したセンサとしては、水道やガスメータの流量カウント用センサ、シリンダやカメラのオートフォーカス機構等の位置検出センサ、パチンコ玉検出センサ、ドア等の開閉センサ等の多種多様なセンサに使用することができる。更に、本発明の組成ないし磁気特性を持つＮｉＦｅＣｏ合金金属薄膜は、磁気ヘッドにも使用することができる。

また、磁気センサを電子機器に適用する場合には、図１５に示したような折り畳み型携帯電話機に適用するだけでなく、その他、一部の筐体の変位を検出する電子機器にも適用することができる。

図１３は、一部の筐体が他方の筐体に対してスライド状に位置を変動させる電子機器の例を示したものである。携帯電話機に代表される電子機器３００では、第１の筐体３０１に対して第２の筐体３０２が矢印３０３方向に往復動自在となっている。第１の筐体３０１の内部には磁気センサ１０３が配置されており、第２の筐体３０２の内部には磁石１０５が配置されている。これらの部品の配置は逆であってもよい。

図１４は、一部の筐体が他方の筐体に対して同一平面上を回転自在となった電子機器の例を示したものである。携帯電話機に代表される電子機器３１０では、第１の筐体３１１に対して第２の筐体３１２が矢印３１３方向に回動自在となっている。第１の筐体３１１の内部には磁気センサ１０３が配置されており、第２の筐体３１２の内部には磁石１０５が配置されている。これらの部品の配置は逆であってもよい。

これら以外の変位に対しても、磁気センサ１０３と磁石１０５の距離が変動するものであれば、本発明を同様に適用することができる。なお、磁石１０５は１つ配置される必要はなく、複数配置されて、それらの合成された磁界を磁気センサ１０３が検出するようなものであってもよい。いずれの場合でも、本発明により複数の変位の検出とこれに基づく回路動作を実現することが可能になる。

本発明の一実施例における磁気センサに使用する磁気抵抗効果膜の組成範囲を示した説明図である。 本実施例で真空蒸着法を用いて成膜したＮｉＦｅＣｏの磁歪定数（λ）の三元状態図を表わした説明図である。 本実施例でＩＣ基板上およびＳｉ基板上のＮｉ₈₀Ｆｅ₁₂Ｃｏ₈とＮｉ₈₂Ｆｅ₁₀Ｃｏ₈の磁界に対する抵抗変化率を示した特性図である。 本実施例でＮｉ₈₂Ｆｅ₁₀Ｃｏ₈とＮｉ₈₀Ｆｅ₁₂Ｃｏ₈の抵抗変化率の初期磁化方向依存性を示した特性図である。 本実施例の磁気センサを底面と垂直な所定の面で切断した切断面の端面図である。 本実施例で真空蒸着法を用いて成膜したＮｉＦｅＣｏの異方性磁界（Ｈ_k）の三元状態図を示した説明図である。 本実施例で異方性磁界が６ＯｅのＮｉ₈₃Ｆｅ₁₄Ｃｏ₃と１２ＯｅのＮｉ₈₀Ｆｅ₁₂Ｃｏ₈と１８ＯｅのＮｉ₈₀Ｆｅ₇Ｃｏ₁₃を比較した特性図である。 本実施例で真空蒸着法を用いて成膜したＮｉＦｅＣｏのＭＲ比の三元状態図を示した説明図である。 本実施例でＮｉ₈₀Ｆｅ₁₂Ｃｏ₈とＮｉ₈₀Ｆｅ₁₆Ｃｏ₄を比較した特性図である。 本実施例で積層膜が抵抗体のブリッジ構造状に加工された様子を表わした平面図である。 本実施例の磁気センサの断面構造を表わした断面図である。 本実施例の複数磁界検知回路の一例を表わした回路図である。 一方の筐体が他方の筐体に対して往復動する電子機器の平面図である。 一方の筐体が他方の筐体に対して回動する電子機器の平面図である。 折り畳み型携帯電話機が閉じた状態と、２つの異なった角度で開いた様子を表わした説明図である。

符号の説明

１０３、２１０ 磁気センサ
１０５ 磁石
２１４ 磁気抵抗効果膜
２６９ 複数磁界検知回路
３００、３１０ 電子機器
３１１ 第１の筐体
３１２ 第２の筐体

Claims (13)

1. Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏを主成分とする磁気抵抗効果を示す合金金属薄膜を有する磁気センサであって、
   この合金金属薄膜の組成比が、Ｎｉの組成比をｘ重量％、Ｃｏの組成比をｙ重量％とすると、
   ２１ｘ＋１９ｙ≦１８６９、５ｘ＋２８ｙ≧５４６、ｙ≦１１、ｘ＋ｙ≧８５
   を同時に満たす組成範囲内にあって、
   検知磁界が２点以上あり、
   そのうち少なくとも１点での検知磁界が２．５ｍＴ以上であり、
   検知磁界となる複数の磁界のうち、最小検知磁界と最大検知磁界が０．５ｍＴ以上離れている
   ことを特徴とする磁気センサ。
2. Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏを主成分とする磁気抵抗効果を示す合金金属薄膜を有する磁気センサであって、
   この合金金属薄膜の磁歪定数の絶対値が１．５×１０^-5以下であり、かつ異方性磁界(Ｈ_k)が８Ｏｅ以上１６Ｏｅ以下であり、かつ磁気抵抗変化率が２．５％以上であって検知磁界が２点以上あり、
   そのうち少なくとも１点での検知磁界が２．５ｍＴ以上であり、
   検知磁界となる複数の磁界のうち、最小検知磁界と最大検知磁界が０．５ｍＴ以上離れている
   ことを特徴とする磁気センサ。
3. 前記合金金属薄膜の膜厚が２０ｎｍ以上６０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の合金金属薄膜を有する磁気センサ。
4. 前記合金金属薄膜を真空蒸着法により成膜したことを特徴とする請求項１または請求項２記載の合金金属薄膜を有する磁気センサ。
5. 前記合金金属薄膜がシリコンウェハ上に形成された集積回路の上部に絶縁層膜を介して成膜されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の合金金属薄膜を有する磁気センサ。
6. 保護膜、前記合金金属薄膜、保護膜、制御用の集積回路、シリコン基板という構造をもつウェハをチップ化し、金属端子と樹脂でパッケージングした
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項２に記載の磁気センサ。
7. 組成比が、Ｎｉの組成比をｘ重量％、Ｃｏの組成比をｙ重量％とすると、
   ２１ｘ＋１９ｙ≦１８６９、５ｘ＋２８ｙ≧５４６、ｙ≦１１、ｘ＋ｙ≧８５
   を同時に満たす組成範囲内にあるＮｉ、Ｆｅ、Ｃｏを主成分とする磁気抵抗効果を示す合金金属薄膜を成膜する成膜ステップ
   を具備し、
   前記合金金属薄膜は検知磁界が２点以上あり、
   そのうち少なくとも１点での検知磁界が２．５ｍＴ以上であり、
   検知磁界となる複数の磁界のうち、最小検知磁界と最大検知磁界が０．５ｍＴ以上離れている
   ことを特徴とする磁気センサの製造方法。
8. 磁歪定数の絶対値が１．５×１０^-5以下であり、かつ異方性磁界(Ｈ_k)が８Ｏｅ以上１６Ｏｅ以下であり、かつ磁気抵抗変化率が２．５％以上となる
   Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏを主成分とする磁気抵抗効果を示す合金金属薄膜を成膜する成膜ステップ
   を具備し、
   前記合金金属薄膜は検知磁界が２点以上あり、
   そのうち少なくとも１点での検知磁界が２．５ｍＴ以上であり、
   検知磁界となる複数の磁界のうち、最小検知磁界と最大検知磁界が０．５ｍＴ以上離れている
   ことを特徴とする磁気センサの製造方法。
9. 前記合金金属薄膜の膜厚が２０ｎｍ以上６０ｎｍ以下となるように成膜することを特徴とする請求項７もしくは請求項８記載の磁気センサの製造方法。
10. 前記成膜ステップは真空蒸着法で行うことを特徴とする請求項７もしくは請求項８記載の磁気センサの製造方法。
11. 強さの異なる複数の磁界を検知する制御用の集積回路を基板上に形成する集積回路形成ステップと、
    この集積回路形成ステップで形成した集積回路の上に前記合金金属薄膜を成膜する合金金属薄膜成膜ステップ
    とを具備することを特徴とする請求項７もしくは請求項８記載の磁気センサの製造方法。
12. 強さの異なる複数の磁界を検知する磁気センサと、
    この磁気センサの磁界についての複数の検知結果で制御を異ならせる制御回路
    とを具備することを特徴とする電子機器。
13. 磁石と、
    この磁石により生じる磁界を検出する請求項１または請求項２記載の合金金属薄膜を有する磁気センサと、
    この磁気センサの磁界についての複数の検知結果で制御を異ならせる制御回路
    とを具備することを特徴とする電子機器。

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