JP2022139466A - 磁気センサ及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】多層構造を有する強磁性膜を備えた磁気センサを改良する。【解決手段】磁気センサ1のセンサチップ10は、感磁素子R1と、感磁素子R1を覆う絶縁膜32上に設けられ、感磁素子R1と重なる磁気ギャップG1を形成する強磁性膜M1,M2と、磁気ギャップG1を埋めるよう強磁性膜M1,M2上に設けられたパッシベーション膜33とを備える。強磁性膜M1,M2は、下部磁性膜41と上部磁性膜42とを含み、磁気ギャップG1の幅は、下部磁性膜41間における幅W1よりも上部磁性膜42間における幅W2の方が広く、下部磁性膜41は上部磁性膜42よりも透磁率が高い材料からなる。これにより、感磁素子に磁束が効率よく印加されることから、高い検出感度を得ることが可能となる。【選択図】図4
Description
本発明は磁気センサ及びその製造方法に関し、特に、感磁素子に磁束を集めるための強磁性膜を備える磁気センサ及びその製造方法に関する。
特許文献1には、感磁素子に磁束を集めるための強磁性膜を有する磁気センサが開示されている。例えば、特許文献1の図20には、強磁性膜を2層構造とした例が挙げられている。
しかしながら、強磁性膜を多層構造とした場合、使用する磁性材料や成膜方法によっては、十分な検出感度が得られない、或いは、検出感度にばらつきが生じるといった問題があった。
したがって、本発明は、多層構造を有する強磁性膜を備える改良された磁気センサ及びその製造方法を提供することを目的とする。
本発明による磁気センサは、第1の方向を感磁方向とする感磁素子と、感磁素子を覆う絶縁膜と、絶縁膜上に離間して設けられた第1及び第2の強磁性膜と、第1強磁性膜の端部と第2の強磁性膜の端部との間の離間部を埋めるよう第1及び第2の強磁性膜上に設けられたパッシベーション膜とを備え、感磁素子は平面視で離間部と重なりを有し、第1及び第2の強磁性膜は、絶縁膜の表面に設けられた下部磁性膜と、下部磁性膜上に設けられた上部磁性膜とを含み、離間部の第1の方向における離間幅は、下部磁性膜間における離間幅よりも上部磁性膜間における離間幅の方が広く、下部磁性膜は上部磁性膜よりも透磁率が高い材料からなることを特徴とする。
本発明によれば、下部磁性膜が上部磁性膜よりも透磁率の高い材料からなることから、感磁素子に磁束が効率よく印加される。これにより、高い検出感度を得ることが可能となる。
本発明において、下部磁性膜と上部磁性膜は、他の金属材料からなる膜を介することなく直接接していても構わない。これによれば、下部磁性膜と上部磁性膜の間の磁気抵抗が低下することから、より高い検出感度を得ることが可能となる。
本発明による磁気センサの製造方法は、第1の方向を感磁方向とする感磁素子を絶縁膜で覆う第1の工程と、絶縁膜上に第1及び第2の強磁性膜の下部磁性膜をスパッタリング法によって形成する第2の工程と、第1及び第2の強磁性膜の下部磁性膜上に第1及び第2の強磁性膜の上部磁性膜を電解メッキによって形成する第3の工程と、第1及び第2の強磁性膜上にパッシベーション膜を形成する第4の工程とを備え、第2の工程においては、平面視で、感磁素子の第1の方向における一方の端部が第1の強磁性膜の下部磁性膜と重なり、感磁素子の第1の方向における他方の端部が第2の強磁性膜の下部磁性膜と重なり、感磁素子の一方の端部と他方の端部の間の領域が第1及び第2の強磁性膜の下部磁性膜のいずれとも重ならないよう、下部磁性膜を形成し、第3の工程においては、第1の強磁性膜の下部磁性膜の端部と第2の強磁性膜の下部磁性膜の端部との間の第1の方向における離間幅よりも、第1の強磁性膜の上部磁性膜の端部と第2の強磁性膜の上部磁性膜の端部との間の第1の方向における離間幅の方が広くなるよう、上部磁性膜を形成することを特徴とする。
本発明によれば、下部磁性膜をスパッタリング法によって形成していることから、感磁素子に対する位置精度が高められる。これにより、製品間における検出感度のばらつきを低減することが可能となる。しかも、上部磁性膜を電解メッキによって形成していることから、短時間で十分な膜厚を得ることが可能となる。
第3の工程においては、下部磁性膜をシード層として電解メッキを行っても構わない。これによれば、下部磁性膜と上部磁性膜の間に他の金属材料からなるシード層が介在しないことから、下部磁性膜と上部磁性膜の間の磁気抵抗が低下し、より高い検出感度を得ることが可能となる。
第4の工程においては、スパッタリング法によってパッシベーション膜を形成しても構わない。これによれば、感磁素子が高温に晒されることがないため、感磁素子の特性劣化を防止することができる。
本発明において、下部磁性膜は上部磁性膜よりも透磁率が高い材料からなるものであっても構わない。これによれば、感磁素子に磁束が効率よく印加されることから、高い検出感度を得ることが可能となる。
このように、本発明によれば、磁気センサの検出感度を高めることができるとともに、検出感度のばらつきを低減することが可能となる。
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。
図1は、本発明の一実施形態による磁気センサ1の構造を説明するための略斜視図である。また、図2は、磁気センサ1の略分解斜視図である。
図1及び図2に示すように、本実施形態による磁気センサ1は、センサチップ10と、センサチップ10に磁束を集める外部磁性体21,22とを備えている。センサチップ10は、yz面を構成する素子形成面11及び裏面12と、xy面を構成する側面13,14と、xz面を構成する側面15,16とを有している。センサチップ10の素子形成面11上には、後述する感磁素子及び強磁性膜M1~M3が形成されている。外部磁性体21はx方向を長手方向とする棒状体であり、そのx方向における一端は、強磁性膜M1の一部を覆うよう素子形成面11のz方向における略中央部に位置決めされている。外部磁性体22は、x方向を長手方向とする棒状形状を有しており、強磁性膜M2,M3の一部を覆うとともに、センサチップ10の裏面12及び側面13,14を覆っている。
図3は、センサチップ10の略平面図である。
図3に示すように、センサチップ10の素子形成面11には、4つの感磁素子R1~R4と、3つの強磁性膜M1~M3が形成されている。感磁素子R1~R4は、磁束の向きによって電気抵抗が変化する素子であれば特に限定されず、例えばMR素子などを用いることができる。感磁素子R1~R4の固定磁化方向は、互いに同じ向き(例えばz方向におけるプラス側)に揃えられている。
ここで、強磁性膜M1~M3のうち、y方向における一方側(図3における上側)に位置する部分を強磁性膜M11,M21,M31と定義し、y方向における他方側(図3における下側)に位置する部分を強磁性膜M12,M22,M32と定義した場合、平面視で(x方向から見て)、感磁素子R1は強磁性膜M11と強磁性膜M21によって形成される磁気ギャップG1と重なる位置に配置され、感磁素子R2は強磁性膜M12と強磁性膜M22によって形成される磁気ギャップG2と重なる位置に配置され、感磁素子R3は強磁性膜M11と強磁性膜M31によって形成される磁気ギャップG3と重なる位置に配置され、感磁素子R4は強磁性膜M12と強磁性膜M32によって形成される磁気ギャップG4と重なる位置に配置される。これにより、磁気ギャップG1~G4を通過する磁界が感磁素子R1~R4に印加される。ここで、感磁素子R1,R2に印加される磁界の向きと、感磁素子R3,R4に印加される磁界の向きは、互いに180°異なることから、感磁素子R1~R4をブリッジ接続することにより、外部磁性体21を介して印加される磁束の向き及び強度を検出することができる。
図3において、符号21aで示す領域は外部磁性体21によって覆われる領域を示し、符号22a,22bで示す領域は外部磁性体22によって覆われる領域を示している。図3に示すように、外部磁性体21は強磁性膜M1を覆い、外部磁性体22は強磁性膜M2,M3を覆う。
図4は、図3に示すA-A線に沿った略断面図である。
図4に示すように、センサチップ10は、基板30とその表面に設けられた絶縁膜31を有しており、絶縁膜31の表面が素子形成面11を構成する。素子形成面11には、感磁素子R1~R4が設けられている。感磁素子R1~R4は絶縁膜32で覆われ、絶縁膜32の表面には強磁性膜M1~M3が設けられる。強磁性膜M1~M3は、パッシベーション膜33によって覆われる。
強磁性膜M1~M3は、絶縁膜32と接する下部磁性膜41と、下部磁性膜41上に設けられた上部磁性膜42によって構成されている。下部磁性膜41と上部磁性膜42は互いに異なる磁性材料からなり、下部磁性膜41の方が上部磁性膜42よりも透磁率が高く、上部磁性膜42の方が下部磁性膜41よりも膜厚が厚い。一例として、下部磁性膜41の材料としてパーマロイなどのNiFe系材料を用い、上部磁性膜42の材料としてCoFe系材料を用いることができる。下部磁性膜41は感磁素子R1~R4に効率よく磁束を印加する役割を果たし、上部磁性膜42は強磁性膜M1~M3全体の磁気抵抗を小さくする役割を果たす。
下部磁性膜41のz方向における端部は、平面視で(x方向から見て)対応する感磁素子R1~R4と重なりを有している。図4に示す断面では、感磁素子R1のz方向における一端は強磁性膜M1を構成する下部磁性膜41と重なり、感磁素子R1のz方向における他端は強磁性膜M2を構成する下部磁性膜41と重なる。感磁素子R1のうち、下部磁性膜41と重ならない領域は、磁気ギャップG1と重なっている。
ここで、磁気ギャップG1~G4を構成する下部磁性膜41のz方向における離間幅をW1とし、磁気ギャップG1~G4を構成する上部磁性膜42のz方向における離間幅をW2とした場合、W1<W2である。このような構造により、磁気ギャップG1~G4を通過する磁束は、透磁率の高い下部磁性膜41のエッジに集中するため、感磁素子R1~R4に効率よく磁束が印加され、高い検出感度を得ることが可能となる。これに対し、下部磁性膜41の方が上部磁性膜42よりも透磁率が低いと、磁気ギャップG1~G4を通過する磁束が上部磁性膜42間をバイパスしてしまい、感磁素子R1~R4に印加される磁束が減少してしまう。本実施形態においては、下部磁性膜41の方が上部磁性膜42よりも透磁率が高い材料を用いていることから、このようなバイパス現象による検出感度の低下を抑えることが可能となる。
しかも、上部磁性膜42によって形成される磁気ギャップG1~G4の離間幅がW2に拡大されていることから、離間幅W1が狭い場合であっても、磁気ギャップG1~G4をパッシベーション膜33によって確実に埋め込むことが可能となり、製品の信頼性が高められる。
また、図5に示すように、上部磁性膜42の上部エッジは傾斜面であっても構わない。これによれば、上部磁性膜42によって形成される磁気ギャップG1~G4の離間幅W2が上方ほど広くなることから、パッシベーション膜33を磁気ギャップG1~G4により埋め込みやすくなる。さらに、図6に示すように、上部磁性膜42上にさらなる上部磁性膜43を設けても構わない。この場合、磁気ギャップG1~G4を構成する上部磁性膜43のz方向における離間幅をW3とした場合、W2<W3とすることにより、パッシベーション膜33を磁気ギャップG1~G4により埋め込みやすくなる。この場合であっても、下部磁性膜41は、上部磁性膜42,43よりも透磁率の高い材料が用いられる。
次に、センサチップ10の製造方法について説明する。
図7~図9は、センサチップ10の製造方法を説明するための工程図であり、図3に示すA-A線に沿った断面に対応している。
まず、図7に示すように、基板30上に絶縁膜31を形成した後、絶縁膜31の表面に感磁素子R1~R4を形成し、感磁素子R1~R4を絶縁膜32によって覆う。次に、スパッタリング法によって、絶縁膜32の全面に下部磁性膜41を形成する。スパッタリング法を用いて下部磁性膜41を成膜すれば、下部磁性膜41の膜厚を高精度に制御することが可能である。次に、図8に示すように、下部磁性膜41上にマスク51を形成し、マスク51で覆われていない領域の下部磁性膜41をエッチングにより除去する。これにより、下部磁性膜41が強磁性膜M1~M3を構成する部分に分離される。ここで、マスク51はフォトリソグラフィー法によってパターニングすることによって形成されることから、感磁素子R1~R4に対する高い位置精度を確保することが可能である。或いは、図示しないメタルマスクなどを介してスパッタリングを行うことにより、強磁性膜M1~M3を構成する部分に分離された下部磁性膜41を形成しても構わない。この場合であっても、メタルマスクを高精度にアライメントすることにより、下部磁性膜41の位置精度が高められる。
次に、マスク51を除去した後、図9に示すようにレジスト52を形成し、この状態で下部磁性膜41をシード層(給電体)とした電解メッキを行うことにより、上部磁性膜42を形成する。電解メッキによる成膜は、スパッタリング法と比べると位置精度が低いものの、短時間で十分な膜厚を得ることが可能である。しかも、下部磁性膜41をそのままシード層として用いていることから、下部磁性膜41と上部磁性膜42の間に他の金属材料からなる膜が残存しない。つまり、下部磁性膜41と上部磁性膜42が直接接する構造が得られることから、下部磁性膜41と上部磁性膜42の間の磁気抵抗を十分に低くすることが可能となる。
そして、レジスト52を除去した後、磁気ギャップG1~G4を埋めるよう、強磁性膜M1~M3を覆うパッシベーション膜33を形成すれば、本実施形態において使用するセンサチップ10が完成する。パッシベーション膜33の成膜方法としては、スパッタリング法を用いることが好ましい。これは、CVD法などの高温プロセスを用いてパッシベーション膜33を成膜すると、感磁素子R1~R4が高温に晒され、特性が劣化するおそれがあるからである。これに対し、低温プロセスであるスパッタリング法によってパッシベーション膜33を成膜すれば、感磁素子R1~R4の特性劣化を防止することができる。一方で、CVD法に比べるとスパッタリング法はカバレッジ性が低いため、磁気ギャップG1~G4が狭いと、磁気ギャップG1~G4がパッシベーション膜33によって完全に埋め込まれず、ボイドが生じるおそれがある。しかしながら、本実施形態においては、磁気ギャップG1~G4の上方における離間幅がW2に拡大されており、且つ、離間幅W1を構成する下部磁性膜41の膜厚が薄いことから、スパッタリング法を用いた場合であっても、ボイドが生じることなく、パッシベーション膜33によって磁気ギャップG1~G4を完全に埋めることが可能となる。
以上説明したように、本実施形態によれば、下部磁性膜41をスパッタリング法によって成膜し、下部磁性膜41をシード層として上部磁性膜42を電解メッキによって成膜していることから、高い位置精度を有し、且つ、磁気抵抗の低い強磁性膜M1~M3を短時間で作製することが可能となる。
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
1 磁気センサ
10 センサチップ
11 素子形成面
12 裏面
13~16 側面
21,22 外部磁性体
30 基板
31,32 絶縁膜
33 パッシベーション膜
41 下部磁性膜
42,43 上部磁性膜
51 マスク
52 レジスト
G1~G4 磁気ギャップ
M1~M3,M11,M12,M21,M22,M31,M32 強磁性膜
R1~R4 感磁素子
10 センサチップ
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12 裏面
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21,22 外部磁性体
30 基板
31,32 絶縁膜
33 パッシベーション膜
41 下部磁性膜
42,43 上部磁性膜
51 マスク
52 レジスト
G1~G4 磁気ギャップ
M1~M3,M11,M12,M21,M22,M31,M32 強磁性膜
R1~R4 感磁素子
Claims (6)
- 第1の方向を感磁方向とする感磁素子と、
前記感磁素子を覆う絶縁膜と、
前記絶縁膜上に離間して設けられた第1及び第2の強磁性膜と、
前記第1強磁性膜の端部と前記第2の強磁性膜の端部との間の離間部を埋めるよう、前記第1及び第2の強磁性膜上に設けられたパッシベーション膜と、を備え、
前記感磁素子は、平面視で前記離間部と重なりを有し、
前記第1及び第2の強磁性膜は、前記絶縁膜の表面に設けられた下部磁性膜と、前記下部磁性膜上に設けられた上部磁性膜とを含み、
前記離間部の前記第1の方向における離間幅は、前記下部磁性膜間における離間幅よりも前記上部磁性膜間における離間幅の方が広く、
前記下部磁性膜は、前記上部磁性膜よりも透磁率が高い材料からなることを特徴とする磁気センサ。 - 前記下部磁性膜と前記上部磁性膜は、他の金属材料からなる膜を介することなく直接接していることを特徴とする請求項1に記載の磁気センサ。
- 第1の方向を感磁方向とする感磁素子を絶縁膜で覆う第1の工程と、
前記絶縁膜上に第1及び第2の強磁性膜の下部磁性膜をスパッタリング法によって形成する第2の工程と、
前記第1及び第2の強磁性膜の前記下部磁性膜上に前記第1及び第2の強磁性膜の上部磁性膜を電解メッキによって形成する第3の工程と、
前記第1及び第2の強磁性膜上にパッシベーション膜を形成する第4の工程と、を備え、
前記第2の工程においては、平面視で、前記感磁素子の前記第1の方向における一方の端部が前記第1の強磁性膜の前記下部磁性膜と重なり、前記感磁素子の第1の方向における他方の端部が前記第2の強磁性膜の前記下部磁性膜と重なり、前記感磁素子の前記一方の端部と前記他方の端部の間の領域が前記第1及び第2の強磁性膜の前記下部磁性膜のいずれとも重ならないよう、前記下部磁性膜を形成し、
前記第3の工程においては、前記第1の強磁性膜の前記下部磁性膜の端部と前記第2の強磁性膜の前記下部磁性膜の端部との間の前記第1の方向における離間幅よりも、前記第1の強磁性膜の前記上部磁性膜の端部と前記第2の強磁性膜の前記上部磁性膜の端部との間の前記第1の方向における離間幅の方が広くなるよう、前記上部磁性膜を形成することを特徴とする磁気センサの製造方法。 - 前記第3の工程においては、前記下部磁性膜をシード層として電解メッキを行うことを特徴とする請求項3に記載の磁気センサの製造方法。
- 前記第4の工程においては、スパッタリング法によって前記パッシベーション膜を形成することを特徴とする請求項3又は4に記載の磁気センサの製造方法。
- 前記下部磁性膜は、前記上部磁性膜よりも透磁率が高い材料からなることを特徴とする請求項3乃至5のいずれか一項に記載の磁気センサの製造方法。
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