JP5965924B2 - プッシュプル型ブリッジ磁気抵抗センサ - Google Patents

Description

本発明は、標準の半導体パッケージ技術を用いて磁気センサをプッシュプル型ブリッジに一体化する方法に特に関連した、ＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）装置またはＧＭＲ（Giant Magnetoresistanse ）装置による磁界検出の一般的な分野に関する。

磁気センサは、磁界強度、電流、位置、運動および配向等を含むがこれらに限定されない物理パラメータを、測定または検出する現代システムにおいて広く用いられている。従来技術には、磁界および他のパラメータを測定するための多様なセンサがある。しかし、これら従来のセンサは全て、例えば、過度の大きさ、不十分な感度および／またはダイナミックレンジ、コスト、信頼性およびその他の要因等の、周知のさまざまな制約を受けている。従って、改良された磁気センサ、特に半導体装置および集積回路と容易に一体化できるセンサ、およびその製造方法が必要とされ続けている。

磁気トンネル接合（ＭＴＪ）センサには、高感度、小型、低コストおよび省電力という利点がある。ＭＴＪ装置は、標準の半導体製造工程に適合するが、低コスト大量生産に対応する十分な歩留まりで高感度装置を製造する方法は、適切に開発されていない。特に、ＭＴＪセンサの磁気抵抗反応におけるオフセットに起因する歩留まりの問題、および複数のＭＴＪ素子を組み合わせてブリッジセンサを形成するときに、上記ＭＴＪ素子の磁気抵抗反応を一致させることの難しさについて証明されている。

上記従来技術の問題を解決するために、本発明は、マルチチップ構成内にＭＴＪセンサまたはＧＭＲセンサを用いてプッシュプル型センサブリッジを形成する磁気抵抗センサを得るものである。

本発明の第１の可能な実施形態は、プッシュプル型ハーフブリッジ磁界センサである。前記センサは、１対以上のＭＴＪ磁気抵抗センサチップまたはＧＭＲ磁気抵抗センサチップを備え、前記センサチップは、各対において一方が他方に対して１８０度回転しており、かつ標準半導体パッケージのリードフレームに接着されている。各前記センサチップは、単一の磁気抵抗素子として、又は、複数のＭＴＪ磁気抵抗素子またはＧＭＲ磁気抵抗素子として相互接続された１つ以上のＭＴＪセンサ素子またはＧＭＲセンサ素子を含む。前記ＭＴＪ素子またはＧＭＲ素子は、それぞれの磁気抵抗伝達曲線のある部分にわたって印加磁界に線形的に比例する抵抗を有する。各前記磁気抵抗センサチップは、実質的に同じＲ_H値およびＲ_L値を有する。本明細書において、用語「実質的に等しい」または「概ね等しい大きさ」は、微小の差異、通常５％以内の差異を示す。前記センサチップのボンドパッドは、２つ以上のワイヤボンドが前記磁気抵抗素子のストリングの各側に取り付けられるように設計されている。

前記センサチップは、各前記磁気抵抗センサチップの伝達曲線の固有飽和磁界を前記センサチップの伝達曲線のオフセット磁界で引いた値が、センサブリッジの測定対象である所望最大磁界の値よりも大きくなるように設計されている。

更に、前記センサチップは、それぞれの伝達曲線特性をさらに一致させるために、組立前に検査および選別される。

更に、２軸磁界センサを製造するために、２つのハーフブリッジセンサが互いに対して９０度の向きに配置されてもよい。

最後に、前記リードフレームおよび前記センサチップがプラスチックに封入されることにより、標準半導体パッケージを形成する。

本発明の別の可能な実施形態は、１対以上の同一のＭＴＪ磁気抵抗センサチップまたはＧＭＲ磁気抵抗センサチップを備えたフルブリッジプッシュプル型磁界センサである。前記センサチップは、各対において一方が他方に対して１８０度回転しており、かつ標準半導体パッケージのリードフレームに接着されている。各前記センサチップは１対の磁気抵抗素子として構成され、前記１対の磁気抵抗素子のそれぞれは１つ以上のＧＭＲ磁気抵抗センサ素子またはＭＴＪ磁気抵抗センサ素子のストリングを含む。前記ＭＴＪ素子またはＧＭＲ素子は、それぞれの磁気抵抗伝達曲線のある部分にわたって印加磁界に線形的に比例する抵抗を有する。各前記磁気抵抗センサチップは、実質的に同じＲ_H値およびＲ_L値を有する。各前記センサチップのボンドパッドは、２つ以上のワイヤボンドが前記磁気抵抗素子の各ストリングの各側に取り付けられるように設計されている。前記２つの同一のチップのワイヤボンディングを可能にしてワイヤボンドを交差させることなくプッシュプル型フルブリッジセンサを形成するために、各前記磁気抵抗センサチップは、前記センサチップの一方の側の前記ボンドパッドが前記磁気抵抗素子に対して適切な位置に置き換えられるように、上部導体および下部導体に交差部を有する。前記磁気抵抗センサチップから構成されているブリッジの入力接続および出力接続は、前記リードフレームにワイヤボンディングされている。

更に、前記センサチップは、各前記磁気抵抗センサチップの固有飽和磁界を前記センサチップの伝達曲線のオフセット磁界で引いた値が、前記センサブリッジの測定対象である所望最大磁界の値よりも大きくなるように設計されている。前記センサチップは、それぞれの伝達曲線特性をさらに一致させるために、組立前に検査および選別されてもよい。最後に、前記リードフレームおよび前記センサチップがプラスチックに封入されることにより、標準半導体パッケージを形成する。

第２の実施形態である２軸タイプは、２つのフルブリッジセンサが互いに対して９０度の向きに配置された単一パッケージセンサ内に製造されてもよい。

従来技術と比較して、本発明は以下の点で有利である。本発明は、１対以上のＭＴＪセンサチップを備えた標準半導体パッケージ内に容易に製造されるプッシュプル型ブリッジであって、一方のチップが他方のチップに対して１８０度回転していることを特徴とするプッシュプル型ブリッジを提供する。この配置において、センサ製造中に発生する磁気抵抗反応における非理想のオフセットをキャンセルし、ほぼ理想的な反応を有する線形センサを提供する。

図１は、基準層の磁化が負のＨ方向に向いているスピンバルブ検出素子の磁気抵抗反応の模式図である。 図２は、基準層の磁化が正のＨ方向に向いているスピンバルブ検出素子の磁気抵抗反応の模式図である。 図３は、磁気抵抗センサから構成されているハーフブリッジの模式図である。 図４は、Ｒ₊がＶ_biasに接続され、Ｒ_-がグランドに接続されたプッシュプル型ハーフブリッジの出力を示す図である。 図５は、Ｒ_-がＶ_biasに接続され、Ｒ₊がグランドに接続されたプッシュプル型ハーフブリッジの出力を示す図である。 図６は、ハーフブリッジセンサを形成するために、２つの磁気抵抗センサチップがいかに互いに対して配置され、相互接続され得るかを示す図である。 図７は、プッシュプル型ハーフブリッジを形成するために、２つの磁気抵抗センサチップがいかに標準半導体パッケージ内に配置され得るかを示す図である。 図８は、標準半導体パッケージ内の完成したハーフブリッジセンサを示す図である。 図９は、磁気抵抗素子から構成されているフルブリッジセンサの模式図である。 図１０は、プッシュプル型フルブリッジ磁気抵抗センサの出力の磁界依存性を示す図である。 図１１は、プッシュプル型フルブリッジを形成するために、２つの磁気抵抗チップがいかに互いに対して配置され、相互接続され得るかを示す模式図である。 図１２は、プッシュプル型フルブリッジを形成するために、２つの磁気抵抗センサチップがいかに標準半導体パッケージ内に配置され得るかを示す図である。 図１３は、標準半導体パッケージ内の完成したフルブリッジセンサを示す図である。

当業者に本発明の利点および特徴をより明確化し、且つ本発明の保護範囲を定義するために、本発明の好適な実施形態の組み合わせを詳述する。

図１および図２は、線形磁界測定に適したＧＭＲ磁気センサ素子またはＭＴＪ磁気センサ素子の磁気抵抗伝達曲線の一般的な形状を模式的に示している。図示された伝達曲線は、参照符号１の低い抵抗値Ｒ_Lおよび参照符号２の高い抵抗値Ｒ_Hのそれぞれにおいて飽和する。これらの飽和状態の間の領域では、伝達曲線は、印加磁界Ｈに線形的に依存する。伝達曲線は、図表におけるＨ＝０の点に対して対称である必要はない。飽和磁界４、５、１４および１５は、一般的に、Ｒ_L飽和領域がＨ＝０の点に近くなるようにＨ₀の量だけオフセットされている。しばしば「オレンジピール(Orange-peel)」結合またはネール(Neel)結合と呼ばれるＨ₀の値は、通常１〜２５Ｏｅの範囲である。Ｈ₀の値は、ＧＭＲ構造およびＭＴＪ構造の内部の強磁性膜の粗さに関係があり、材料および製造工程に左右される。

図１および図２の伝達曲線は互いのミラーイメージであり、センサ素子に対する印加磁界の２つの異なる向きを表す。ここで、+／−は、測定方向に対するピン(pinned)層の磁化方向を示す。各検出アームの抵抗は、以下のように表され得る。

これらの磁気抵抗素子２３（Ｒ_-）および２４（Ｒ₊）が、図３に示されているように直列にハーフブリッジ形状に接続され、電圧Ｖ_bias２０を用いてバイアスをかけられるとすると、逆向きに配置されたピン層を有する２つの検出アームから構成されているハーフブリッジの出力は、センサ素子２３または２４のどちらがグランド２１およびＶ_bias２０に接続されているかによって、２つの異なる方法のうち１つの方法で表され得る。図３に関して、ハーフブリッジ反応は、以下のように表され得る。

また、Ｖ_biasとＧＮＤが置き換えられた場合、上記ハーフブリッジ反応は、さらに以下のように表され得る。

図４および図５は、別のハーフブリッジ伝達曲線３０および４０を示す図である。印加磁界において、上記ハーフブリッジ反応が線形になる領域３５および４５が存在する。個々のセンサ素子は、Ｈ＝０に対して対称でないにも関わらず、この線形領域は、Ｈ＝０、Ｖ＝Ｖ_bias／２の点３６、４６に対して対称である。さらに、線形領域３０、４０の範囲は、個々のセンサ素子伝達曲線Ｒ₊３およびＲ_-１３のそれぞれの線形領域よりも小さい。

磁気抵抗の観点から、式を表すことができる。磁気抵抗がＭＲ＝（Ｒ_H−Ｒ_L）／Ｒ_Lで表されるとすると、以下のようになる。

これらの式は、線形領域３５、４５に適用される。

上記ハーフブリッジ反応は、電圧レスポンスにおいて単極であり、零電圧から点３６、４６で示されたＶ_bias／２の量だけオフセットされている。式５および式６から、感度は、ＭＲが増加するにつれて増加し、Ｈ_sが増加するにつれて減少することが予想される。

ハーフブリッジにおける線形領域の範囲は、２Ｈ_sから以下のように減少する。

したがって、装置はＨ_oがＨ_s未満であれば線形センサとして機能するが、線形磁界範囲は減少する。これは、Ｒ₊センサ素子およびＲ_-センサ素子内のオフセットが反対方向の場合、全てのプッシュプル型ブリッジに共通する挙動である。

ブリッジが所望磁界範囲にわたって線形であることを保証するために、センサブリッジの測定対象であり且つ下記式により得られる最大磁界よりも、ブリッジ内の各磁気抵抗素子のＨ_sが大きくなるように、線形センサを設計すべきである。

ここで、Ｈ_maxは、ブリッジセンサの測定対象である最大磁界を示す。

図６は、軸５０に沿った磁界を感知するハーフブリッジ磁界センサ向け磁気抵抗センサチップの１つの可能な配置および設計を示している。ここで、２つのセンサチップ５１、５２は、図６の矢印により図示されているように、それぞれの基準層が反対方向に向くように、互いに対して１８０度回転している。ハーフブリッジは、電気接続Ｖ_bias、Ｖ_A／Ｖ_BおよびＧＮＤにそれぞれ用いられる３つの端子５５、５６および５７を備えている。上記センサチップは、その抵抗を増加させるために、ＭＴＪ素子またはＧＭＲ素子のアレイまたは直列接続ストリング５４を含んでいてもよい。上記センサチップは、ワイヤボンド５３を用いて相互接続されている。ボンドパッドは、磁気抵抗素子５４の各側が２つ以上のワイヤボンドを有することができるように設計されている。

図７は、プッシュプル型磁気抵抗センサ向け標準半導体パッケージの１つの可能なボンディングを示す模式図である。逆向きに配置されたセンサチップ５１、５２は、リードフレームパドル６７に接着され、リードフレーム端子６５、６６および６７にワイヤボンディングされている。リードフレームは、図８に示されているようにプラスチックに封入され、リードフレーム端子６５、６６および６７は、プラスチックパッケージ６８の接続ピンを形成している。図７および図８は、多数の可能なパッケージ構成の一つを示しているに過ぎない。

図９は、フルブリッジプッシュプル型センサを模式的に示している。上記センサは、基本的に２つのハーフブリッジを含み、一方のタイプＶ_A（Ｈ）および他方のタイプＶ_B（Ｈ）は、Ｖ_bias７０およびグランド７１の間に平行に接続されている。このように、上記センサは、４つの磁気抵抗素子、すなわち２つのタイプＲ_-７５、７７および２つのタイプＲ₊７４、７６から構成されている。

上記フルブリッジに関して、出力は以下のように表される。

この反応８０を図１０に示す。Ｈ＝０付近の８０と８２の間の限られた磁界範囲にわたって、上記出力は線形であり、磁界と以下のように関係している。

上記フルブリッジ反応Ｖ（Ｈ）８０は、上記ハーフブリッジ反応３０および４０とは異なり、電圧レスポンスにおいて二極であり、磁界Ｈに対する反応は２倍の強さである。上記フルブリッジ反応を、磁気抵抗の観点から以下のように表すことができる。

ハーフブリッジセンサと同様に、フルブリッジの感度は、ＭＲが増加するにつれて増加し、Ｈ_Sが増加するにつれて減少する。ＭＲ＞＞（Ｈ_S＋Ｈ_O）／（２Ｈ_S）に関して、上記フルブリッジ反応はそれほど増加しない。ポイント・オブ・ノー・リターンは、約ＭＲ＞５００％である。

図１１は、互いに対して１８０度回転した２つのセンサチップ９１および９２がフルブリッジのレイアウトを形成している図である。各センサチップ９４は、１対の磁気抵抗構成を含む。各磁気抵抗素子は、１つ以上のＭＴＪ検出ユニットまたはＧＭＲ検出ユニットのストリングから成る。上記センサチップは、例えばクロスオーバー９５のような、チップの反対側のボンドパッドの位置を置き換えるための手段を有する。これにより、チップ９５の各側のボンドパッドを交換することが可能になる。その目的は、外部リード９３へのワイヤボンディングを可能にして、ボンドワイヤを交差させることなくプッシュプル型フルブリッジセンサを形成することである。フルブリッジセンサは、磁界の基準層共線軸９０方向に沿った磁界の検出に用いられる。

図１２は、パッケージリードフレーム１００に固定された２つのセンサチップ９１および９２の１つの可能な配置を示している。ここで、２つのセンサチップ１０３は、ボンディングワイヤを用いてピンＶ_A１０１、Ｖ_B１０２、Ｖ_Bias１０４およびＧＮＤ１０５に相互接続されている。

図１３は、センサチップおよびリードフレームをプラスチック１０３内に封入して標準半導体パッケージ１１０を形成している図である。必要であれば、センサチップは、それぞれの反応を実質的に一致させ、且つより良い性能を提供するために、実装および選別前に検査することができる。この検査は、シリコンウエハーレベル検査で行うことができ、チップの選別にはビニングおよびマーキング法を用いることができる。

当業者には、本発明の範囲または精神から逸脱することなく、提案された発明にさまざまな修正を加え得ることが明らかであろう。さらに、本発明は、本発明の修正および変更が添付の特許請求およびその均等物の範囲内である場合に限り、そのような修正および変更を包含することを意図するものである。

Claims (11)

1. １対以上のＭＴＪ磁気抵抗センサチップまたはＧＭＲ磁気抵抗センサチップを備えた単一パッケージプッシュプル型ハーフブリッジ磁界センサであって、
   前記ＭＴＪ磁気抵抗センサチップまたはＧＭＲ磁気抵抗センサチップは、各対において一方が他方に対して１８０度回転しており、かつ標準半導体パッケージのリードフレームに接着されており、
   各前記ＭＴＪ磁気抵抗センサチップまたはＧＭＲ磁気抵抗センサチップは、単一の磁気抵抗素子として、又は、複数のＭＴＪ磁気抵抗素子またはＧＭＲ磁気抵抗素子として相互接続された１つ以上のＭＴＪセンサ素子またはＧＭＲセンサ素子を含み、前記単一の素子または前記複数の素子はブリッジアームと称され、
   前記ＭＴＪ磁気抵抗素子またはＧＭＲ磁気抵抗素子は、それぞれの磁気抵抗伝達曲線のある部分にわたって印加磁界に線形的に比例する抵抗を有し、
   各前記ＭＴＪ磁気抵抗センサチップまたはＧＭＲ磁気抵抗センサチップは、実質的に同じＲ_H値およびＲ_L値を有し、
   前記ＭＴＪ磁気抵抗センサチップまたはＧＭＲ磁気抵抗センサチップのボンドパッドは、２つ以上のワイヤボンドが前記ブリッジアームの各側に取り付けられるように設計されており、
   プッシュプル型ハーフブリッジセンサを製造するために、前記ＭＴＪ磁気抵抗センサチップまたはＧＭＲ磁気抵抗センサチップは互いにワイヤボンディングされ、前記標準半導体パッケージのリードフレームにもワイヤボンディングされ、
   各前記ＭＴＪ磁気抵抗センサチップまたはＧＭＲ磁気抵抗センサチップの伝達曲線の固有飽和磁界を前記ＭＴＪ磁気抵抗センサチップまたはＧＭＲ磁気抵抗センサチップの伝達曲線のオフセット磁界で引いた値が、前記プッシュプル型ハーフブリッジセンサの測定対象である所望最大磁界の値よりも大きいことを特徴とする単一パッケージプッシュプル型ハーフブリッジ磁界センサ。
2. 各前記ＭＴＪ磁気抵抗センサチップまたはＧＭＲ磁気抵抗センサチップは、伝達曲線特性が一致している、請求項１に記載の単一パッケージプッシュプル型ハーフブリッジ磁界センサ。
3. ２軸磁界センサを製造するために、２つのプッシュプル型ハーフブリッジセンサが互いに対して９０度の向きに配置されている、請求項２に記載の単一パッケージプッシュプル型ハーフブリッジ磁界センサ。
4. 前記半導体パッケージのリードフレームおよび前記ＭＴＪ磁気抵抗センサチップまたはＧＭＲ磁気抵抗センサチップがプラスチックに封入されることにより、標準半導体パッケージを形成する、請求項１に記載の単一パッケージプッシュプル型ハーフブリッジ磁界センサ。
5. １対以上の同一のＭＴＪ磁気抵抗センサチップまたはＧＭＲ磁気抵抗センサチップを備えた単一パッケージプッシュプル型フルブリッジ磁界センサであって、
   前記ＭＴＪ磁気抵抗センサチップまたはＧＭＲ磁気抵抗センサチップは、各対において一方が他方に対して１８０度回転しており、かつ半導体パッケージのリードフレームに接着されており、
   各前記ＭＴＪ磁気抵抗センサチップまたはＧＭＲ磁気抵抗センサチップは１対の磁気抵抗素子として構成され、前記１対の磁気抵抗素子のそれぞれは１つ以上のＧＭＲ磁気抵抗センサ素子またはＭＴＪ磁気抵抗センサ素子のストリングを含み、１つ以上の前記ＧＭＲ磁気抵抗センサ素子またはＭＴＪ磁気抵抗センサ素子はブリッジアームと称され、
   前記ＭＴＪ磁気抵抗センサ素子またはＧＭＲ磁気抵抗センサ素子は、それぞれの磁気抵抗伝達曲線のある部分にわたって印加磁界に線形的に比例する抵抗を有し、
   各前記磁気抵抗センサチップは、実質的に同じＲ_H値およびＲ_L値を有し、
   各前記センサチップのボンドパッドは、２つ以上のワイヤボンドが各前記ブリッジアームの各側に取り付けられるように設計されており、
   前記２つの同一のＭＴＪ磁気抵抗センサチップまたはＧＭＲ磁気抵抗センサチップのワイヤボンディングを可能にしてワイヤボンドを交差させることなくプッシュプル型フルブリッジセンサを形成するために、各前記ＭＴＪ磁気抵抗センサチップまたはＧＭＲ磁気抵抗センサチップは、前記ＭＴＪ磁気抵抗センサチップまたはＧＭＲ磁気抵抗センサチップの一方の側の前記ボンドパッドが前記磁気抵抗素子に対して適切な位置に置き換えられるように、上部導体および下部導体に交差部を有し、
   前記ＭＴＪ磁気抵抗センサチップまたはＧＭＲ磁気抵抗センサチップの入力接続および出力接続は、前記半導体パッケージのリードフレームにワイヤボンディングされ、
   各前記ＭＴＪ磁気抵抗センサチップまたはＧＭＲ磁気抵抗センサチップの伝達曲線の固有飽和磁界を前記ＭＴＪ磁気抵抗センサチップまたはＧＭＲ磁気抵抗センサチップの伝達曲線のオフセット磁界で引いた値が、前記プッシュプル型フルブリッジセンサの測定対象である所望最大磁界の値よりも大きいことを特徴とする単一パッケージプッシュプル型フルブリッジ磁界センサ。
6. 前記ＭＴＪ磁気抵抗センサチップまたはＧＭＲ磁気抵抗センサチップは、伝達曲線特性が一致している、請求項５に記載の単一パッケージプッシュプル型フルブリッジ磁界センサ。
7. 前記半導体パッケージのリードフレームおよび前記ＭＴＪ磁気抵抗センサチップまたはＧＭＲ磁気抵抗センサチップがプラスチックに封入されることにより、標準半導体パッケージを形成する、請求項６に記載の単一パッケージプッシュプル型フルブリッジ磁界センサ。
8. ２軸磁界センサを製造するために、２つのプッシュプル型フルブリッジセンサが互いに対して９０度の向きに配置されている、請求項５に記載の単一パッケージプッシュプル型フルブリッジ磁界センサ。
9. 各前記ＭＴＪ磁気抵抗センサチップまたはＧＭＲ磁気抵抗センサチップの伝達曲線の固有飽和磁界を前記ＭＴＪ磁気抵抗センサチップまたはＧＭＲ磁気抵抗センサチップの伝達曲線のオフセット磁界で引いた値が、前記２軸磁界センサの測定対象である所望最大磁界の値と等しくなるように設計された、請求項８に記載の単一パッケージプッシュプル型フルブリッジ磁界センサ。
10. 前記ＭＴＪ磁気抵抗センサチップまたはＧＭＲ磁気抵抗センサチップは、伝達曲線特性が一致している、請求項９に記載の単一パッケージプッシュプル型フルブリッジ磁界センサ。
11. 前記半導体パッケージのリードフレームおよび前記ＭＴＪ磁気抵抗センサチップまたはＧＭＲ磁気抵抗センサチップがプラスチックに封入されることにより、標準半導体パッケージを形成する、請求項１０に記載の単一パッケージプッシュプル型フルブリッジ磁界センサ。

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