DE102017123789B4

DE102017123789B4 - Dreiachsiger Magnetsensor und Verfahren zur Herstellung desselben

Info

Publication number: DE102017123789B4
Application number: DE102017123789.5A
Authority: DE
Inventors: Naoki Ohta; Hirokazu Takahashi; Satoshi Miura
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2016-12-20
Filing date: 2017-10-12
Publication date: 2023-03-02
Anticipated expiration: 2037-10-13
Also published as: CN108205119B; DE102017123789A1; JP2018100883A; JP6330896B1; US10698043B2; US20180172781A1; CN108205119A

Abstract

Dreiachsiger Magnetsensor (1), aufweisend:
ein Substrat (2), umfassend eine erste Fläche (21) und eine zweite Fläche (22) gegenüber der ersten Fläche (21); und
eine Gruppe von Magnet-Sensorelementen (3), die auf der ersten Fläche (21) des Substrats (2) bereitgestellt ist;
wobei die Gruppe von Magnet-Sensorelementen (3) ein erstes Magnetsensor-Element (31) zur Erfassung von Magnetismus in einer ersten Achsrichtung, ein zweites Magnetsensor-Element (32) zur Erfassung von Magnetismus in einer zweiten Achsrichtung und ein drittes Magnetsensor-Element (33) zur Erfassung von Magnetismus in einer dritten Achsrichtung, umfasst;
die erste Achsrichtung und die zweite Achsrichtung sind zueinander orthogonale Richtungen in einer Ebene, die die erste Achsrichtung und die zweite Achsrichtung enthält;
die dritte Achsrichtung ist eine Richtung orthogonal zu der Ebene, die die erste Achsrichtung und die zweite Achsrichtung enthält;
die ersten bis dritten Magnetsensor-Elemente (31, 32, 33) enthalten jeweils erste bis dritte Elemente (4X, 4Y, 4Z) mit magnetoresistivem Effekt;
die ersten bis dritten Elemente (4X, 4Y, 4Z) mit magnetoresistivem Effekt sind alle Schichtkörper, die zumindest eine Schicht (42) mit fixierter Magnetisierung und eine freie Schicht (44) enthalten; und
die Magnetisierungsrichtung (M421, M422, M423) jeder der Schichten (42) mit fixierter Magnetisierung der ersten bis dritten Elemente (4X, 4Y, 4Z) mit magnetoresistivem Effekt ist in einer unter einem vorgegebenen Winkel (θ_M42) geneigten Richtung bezüglich der ersten Fläche (21) des Substrats (2) fixiert.

Description

[TECHNISCHES GEBIET]
Die vorliegende Erfindung betrifft einen dreiachsigen Magnetsensor und ein Verfahren zur Herstellung dieses dreiachsigen Magnetsensors.
[HINTERGRUND DER ERFINDUNG]
Herkömmlich wurde ein elektronischer Kompass zur Richtungsmessung durch das Erfassen von Erdmagnetismus mittels eines Magnetsensor-Elements in mobilen Endgeräten, zum Beispiel Mobiltelefonen, und in Fahrzeugen montierten Navigationssystemen verbaut. Als dreiachsiger Magnetsensor, der für das Erfassen von Magnetfeldkomponenten in drei zueinander orthogonalen Achsrichtungen (x-Achse, y-Achse, z-Achse) die bei dieser Art von elektronischem Kompass verwendet werden, ist ein Sensor bekannt, bei dem drei Magnetsensor-Elemente, welche ein x-Achsen-Magnetsensor-Element, ein y-Achsen-Magnetsensor-Element und ein z-Achsen-Magnetsensor-Element sind, die auf einer einzelnen Substratfläche montiert sind.
Bei einem derartigen, dreiachsigen Magnetsensor ist es erforderlich, dass die Richtung des Ansprechvermögens auf Magnetfelder bei jedem der Magnetsensor-Elemente orthogonal ist, um Magnetfeldkomponenten in drei jeweils zueinander orthogonalen Achsrichtungen durch die drei Magnetsensor-Elemente zu erfassen. Bei Verwendung eines Elements mit magnetoresistivem Effekt (zum Beispiel ein TMR-Element) als Magnetsensorelement, bei dem es sich um einen Schichtkörper mit einer freien Schicht und einer Schicht mit fixierter Magnetisierung handelt, bei dem sich die Magnetisierungsrichtung der freien Schicht mit hoher Empfindlichkeit entsprechend einem äußeren Magnetfeld ändert und bei dem sich der Widerstand einhergehend damit verändert, ist jedes Magnetsensor-Element derart positioniert, dass die Magnetisierungsrichtung der Schicht mit fixierter Magnetisierung jedes Magnetsensor-Elements in jede der Richtungen weist.
Zum Beispiel, wie in 16 gezeigt, sind ein x-Achsen-TMR-Element 301 und ein y-Achsen-TMR-Element 302 auf einer ersten Fläche 201 eines Substrats 200 mit einer ersten Fläche 201 und einer der ersten Fläche 201 gegenüberliegenden zweiten Fläche 202 aufgeschichtet und ausgebildet, und ein z-Achsen-TMR-Element 303 ist in einer zu der ersten Fläche 201 orthogonalen Richtung aufgeschichtet und gebildet. In 16 zeigen Pfeile, die über jedem der TMR Elemente 301 bis 303 liegen, die Magnetisierungsrichtung der Schicht mit fixierter Magnetisierung jedes der TMR-Elemente 301 bis 303 an. Bei einem dreiachsigen Magnetsensor mit dieser Art von Ausgestaltung können die Magnetisierungsrichtungen der Schichten mit fixierter Magnetisierung von jedem der TMR-Elemente 301~303 jeweils dazu gebracht werden, den drei Achsrichtungen zugewandt zu sein (siehe Nicht-Patentliteratur 1).
[STAND DER TECHNIK]
[NICHT-PATENTLITERATUR] „Development of Tunneling Magneto-resistive Sensors“, Futoyoshi KOU, Ricoh Technical Report, Nr. 31, 2005.
[PATENTLITERATUR]
Ferner sind aus der DE 11 2013 004 975 T5 und aus der JP 2016 - 72 555 A Bauelemente mit in verschiedenen Ausrichtungen angeordneten Magnetfeldsensoren bekannt. Aus der EP 1 830 407 A1 sind Substrate für Magnetfeldsensoren verschiedener Ausrichtungen bekannt. Aus der DE 10 2016 104 208 A1 sind Magnetsensoren zur Winkelerfassung mit einer Magnetfeld-Erfassungseinheit bekannt.
[DARSTELLUNG DER ERFINDUNG]
[AUFGABE DER ERFINDUNG]
Bei dem in 16 gezeigten dreiachsigen Magnetsensor werden das x-Achsen-TMR-Element 301 und das y-Achsen-TMR-Element 302 durch das gleiche Verfahren hergestellt, und somit können die Eigenschaften dieser auf einfache Weise so hergestellt werden, dass sie zueinander passen.
Die Beschichtungsrichtung des z-Achsen-TMR-Elements 303 unterscheidet sich jedoch von (ist orthogonal zu) dem x-Achsen-TMR-Element 301 und dem y-Achsen-TMR-Element 302 , weshalb es extrem schwierig ist, das z-Achsen-TMR-Element 303 durch das gleiche Verfahren wie das x-Achsen-TMR-Element 301 und das y-Achsen-TMR-Element 302 herzustellen.
Folglich ist es extrem schwer, die Eigenschaften des x-Achsen-TMR-Elements 301 und des y-Achsen-TMR-Elements 302, und des z-Achsen-TMR-Elements 303 so zu fertigen, dass sie zueinander passen, und als Ergebnis, besteht ein Problem dahingehend, dass die Magnetfeld-Erfassungspräzision in den drei Achsrichtungen abnimmt.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen dreiachsigen Magnetsensor, der Magnetfelder in drei Achsrichtungen mit hoher Präzision erfassen kann, und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Magnetsensors, anzugeben.
[MITTEL ZUR LÖSUNG DER AUFGABE]
Um das oben beschriebene Problem zu lösen, wird in der vorliegenden Erfindung ein dreiachsiger Magnetsensor bereitgestellt, der versehen ist mit: einem Substrat, das eine erste Fläche und eine der ersten Fläche gegenüberliegende zweite Fläche umfasst; und eine Gruppe von Magnet-Sensorelementen, die auf der ersten Fläche des Substrats vorgesehen ist; wobei die Gruppe von Magnet-Sensorelementen ein erstes Magnetsensor-Element zur Erfassung von Magnetismus in einer ersten Achsrichtung, ein zweites Magnetsensor-Element zur Erfassung von Magnetismus in einer zweiten Achsrichtung, und ein drittes Magnetsensor-Element zur Erfassung von Magnetismus in einer dritten Achsrichtung, umfasst; die erste Achsrichtung und die zweite Achsrichtung zueinander orthogonale Richtungen in einer Ebene sind, die die erste Achsrichtung und die zweite Achsrichtung enthält; die dritte Achsrichtung eine Richtung orthogonal zu der Ebene ist, die die erste Achsrichtung und die zweite Achsrichtung enthält; die ersten bis dritten Magnetsensor-Elemente jeweils erste bis dritte Elemente mit magnetoresistivem Effekt enthalten; alle der ersten bis dritten Elemente mit magnetoresistivem Effekt Schichtkörper sind, die zumindest eine Schicht mit fixierter Magnetisierung und eine freie Schicht enthalten; und die Magnetisierungsrichtung jeder der Schichten mit fixierter Magnetisierung der ersten bis dritten Elemente mit magnetoresistivem Effekt in einer unter einem vorgegebenen Winkel geneigten Richtung bezüglich der ersten Fläche des Substrats fixiert ist (Erfindung 1).
Bei der oben beschriebenen Erfindung (Erfindung 1) sind die ersten bis dritten Elemente mit magnetoresistivem Effekt jeweils bevorzugt ein Schichtkörper, bei dem die Schicht mit fixierter Magnetisierung und die freie Schicht entlang einer zu der ersten Fläche des Substrats orthogonalen Richtung aufgeschichtet sind (Erfindung 2).
Bei der oben beschriebenen Erfindung (Erfindung 1) ist die Magnetisierungsrichtung von jeder der Schichten mit fixierter Magnetisierung des ersten bis dritten Elements mit magnetoresistivem Effekt bevorzugt in einer unter einem Winkel von 15-55° bezüglich der ersten Fläche des Substrats geneigten Richtung fixiert (Erfindung 3).
Bei der oben beschriebenen Erfindung (Erfindung 1), in Draufsicht von oberhalb der ersten Fläche des Substrats betrachtet, wenn die Magnetisierungsrichtung der Schicht mit fixierter Magnetisierung des ersten Elements mit magnetoresistivem Effekt, die Magnetisierungsrichtung der Schicht mit fixierter Magnetisierung des zweiten Elements mit magnetoresistivem Effekt und die Magnetisierungsrichtung der Schicht mit fixierter Magnetisierung des dritten Elements mit magnetoresistivem Effekt jeweils auf die erste Fläche des Substrats projiziert werden, sind die projizierten Magnetisierungsrichtungen bevorzugt fixiert, um Richtungen zugewandt zu sein, die sich voneinander um 110-130° unterscheiden (Erfindung 4).
Bei der oben beschriebenen Erfindung (Erfindung 1) können GMR-Elemente oder TMR-Elemente als Elemente mit magnetoresistivem Effekt verwendet werden (Erfindung 5).
Die vorliegende Erfindung stellt zudem ein Verfahren zur Herstellung eines dreiachsigen Magnetsensors bereit, bei dem es sich um ein Verfahren zur Herstellung des dreiachsigen Magnetsensors gemäß der oben beschriebenen Erfindung (Erfindung 1) handelt, wobei dieses Verfahren umfasst: einen Vorgang zur Bildung eines geschichteten Films beinhaltend zumindest einen antiferromagnetischen Film, der die Schicht mit fixierter Magnetisierung ausbildet, und einen magnetischen Film, der die freie Schicht aufweist, auf der ersten Fläche des Substrats; einen Vorgang zur Bildung der ersten bis dritten Schichtaufbauten durch Fräsen des geschichteten Films; und einen Vorgang, bei dem durch zeitgleiches Anlegen eines Magnetfelds an den ersten bis dritten Schichtaufbauten bewirkt wird, dass die Magnetisierungsrichtung der Schicht mit fixierter Magnetisierung unter einem vorgegebenen Winkel bezüglich der ersten Fläche des Substrats fixiert wird (Erfindung 6).
Bei der oben beschriebenen Erfindung (Erfindung 6) wird die Magnetisierungsrichtung der Schicht mit fixierter Magnetisierung bevorzugt unter einem Winkel von 15~55° bezüglich der ersten Fläche des Substrats fixiert (Erfindung 7), und in der Draufsicht von oberhalb der ersten Fläche des Substrats betrachtet, wenn die Magnetisierungsrichtung der Schicht mit fixierter Magnetisierung des ersten Schichtaufbaus, die Magnetisierungsrichtung der Schicht mit fixierter Magnetisierung des zweiten Schichtaufbaus und die Magnetisierungsrichtung der Schicht mit fixierter Magnetisierung des dritten Schichtaufbaus jeweils auf die erste Fläche des Substrats projiziert werden, werden die projizierten Magnetisierungsrichtungen bevorzugt so fixiert, dass sie Richtungen zugewandt sind, die sich voneinander um 110~130° unterscheiden (Erfindung 8).
Bei der oben beschriebenen Erfindung (Erfindung 6) ist bevorzugt, dass in der Draufsicht von oberhalb der ersten Fläche des Substrats betrachtet die ersten bis dritten Schichtaufbauten mit einer Beabstandung von 120° in der Umfangsrichtung positioniert sind, zentriert an einem vorgegebenen Punkt auf der ersten Fläche; und ein Magnetfeld von einer Magnetfeld-Anlegevorrichtung an den ersten bis dritten Schichtaufbauten angelegt wird, während die Magnetfeld-Anlegevorrichtung an einer Position auf der zweiten Flächenseite des Substrats, die einem vorgegebenen Punkt auf der ersten Fläche zugewandt ist, positioniert ist (Erfindung 9).
[WIRKUNG DER ERFINDUNG]
Mit der vorliegenden Erfindung kann ein dreiachsiger Magnetsensor, der Magnetfelder in drei Achsrichtungen mit hoher Präzision erfassen kann, und ein Verfahren zu dessen Herstellung, bereitgestellt werden.
Figurenliste

1 ist eine Draufsicht, die eine allgemeine Ausgestaltung eines dreiachsigen Magnetsensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist eine Querschnittsansicht entlang Linie A-A in 1, die eine allgemeine Ausgestaltung des dreiachsigen Magnetsensors gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
3 ist eine Querschnittsansicht, die eine allgemeine Ausgestaltung eines Schichtkörpers mit magnetoresistivem Effekt in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
4 ist eine Draufsicht zum Beschreiben der Magnetisierungsrichtungen der Schichten mit fixierter Magnetisierung von drei Schichtkörpern mit magnetoresistivem Effekt in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5A ist ein Prozessdiagramm (Teil 1), das in einer Draufsicht einen Herstellungsprozess für den dreiachsigen Magnetsensor gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, und 5B ist eine entlang Linie I-I in 5A aufgenommene Querschnittsansicht.
6A ist ein Prozessdiagramm (Teil 2), das in einer Draufsicht einen Herstellungsprozess für den dreiachsigen Magnetsensor gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, und 6B ist eine entlang Linie I-I in 6A aufgenommene Querschnittsansicht.
7A ist ein Prozessdiagramm (Teil 3), das in einer Draufsicht einen Herstellungsprozess für den dreiachsigen Magnetsensor gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, und 7B ist eine entlang Linie I-I in 7A aufgenommene Querschnittsansicht.
8A ist eine Prozessdiagramm (Teil 4), das in einer Draufsicht einen Herstellungsprozess für den dreiachsigen Magnetsensor gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, und 8B ist eine entlang Linie I-I in 8A aufgenommene Querschnittsansicht.
9A ist ein Prozessdiagramm (Teil 5), das in einer Draufsicht einen Herstellungsprozess für den dreiachsigen Magnetsensor gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, und 9B ist eine entlang Linie I-I in 9A aufgenommene Querschnittsansicht.
10A ist ein Prozessdiagramm (Teil 6), das in einer Draufsicht einen Herstellungsprozess für den dreiachsigen Magnetsensor gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, und 10B ist eine entlang Linie I-I in 10A aufgenommene Querschnittsansicht.
11A ist ein Prozessdiagramm (Teil 7), das in einer Draufsicht einen Herstellungsprozess für den dreiachsigen Magnetsensor gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, und 11B ist eine entlang Linie I-I in 11A aufgenommene Querschnittsansicht.
12A ist ein Prozessdiagramm (Teil 8), das in einer Draufsicht einen Herstellungsprozess für den dreiachsigen Magnetsensor gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, und 12B ist eine entlang Linie 1-1 in 12A aufgenommene Querschnittsansicht.
13A ist eine Prozessdiagramm (Teil 9), das in einer Draufsicht einen Herstellungsprozess für den dreiachsigen Magnetsensor gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, und 13B ist eine entlang Linie I-I in 13A aufgenommene Querschnittsansicht.
14A ist ein Prozessdiagramm (Teil 10), das in einer Draufsicht einen Herstellungsprozess für den dreiachsigen Magnetsensor gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, und 14B ist eine entlang Linie I-I in 14A aufgenommene Querschnittsansicht.
15A ist ein Prozessdiagramm (Teil 11), das in einer Draufsicht einen Herstellungsprozess für den dreiachsigen Magnetsensor gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, und 15B ist eine entlang Linie I-I in 15A aufgenommene Querschnittsansicht.
16 ist eine Draufsicht, die die allgemeine Ausgestaltung eines herkömmlichen dreiachsigen Magnetsensors zeigt.

[DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG]
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. 1 ist eine Draufsicht, die eine allgemeine Ausgestaltung des dreiachsigen Magnetsensors gemäß dieser Ausführungsform zeigt, 2 ist eine Querschnittsansicht, die eine allgemeine Ausgestaltung des dreiachsigen Magnetsensors gemäß dieser Ausführungsform zeigt, 3 ist eine Querschnittsansicht, die eine Allgemeine Ausgestaltung eines Schichtkörpers mit magnetoresistivem Effekt in dieser Ausführungsform zeigt, und 4 ist eine Draufsicht zur Beschreibung der Magnetisierungsrichtungen der Schichten mit fixierter Magnetisierung von drei Schichtkörpern mit magnetoresistivem Effekt in dieser Ausführungsform.
Wie in 1 und 2 gezeigt umfasst ein dreiachsiger Magnetsensor 1 gemäß dieser Ausführungsform ein Substrat 2, das eine erste Fläche 21 und eine zweite der ersten Fläche 21 gegenüberliegende Fläche 22 hat, und eine Gruppe von Magnet-Sensorelementen 3, die auf der ersten Fläche 21 des Substrats 2 vorgesehen ist. Als Substrat 2 kann zum Beispiel Folgendes verwendet werden: ein Halbleitersubstrat wie zum Beispiel ein Siliziumwafer oder dergleichen; ein Keramiksubstrat wie zum Beispiel ein AlTiC-Substrat, ein Aluminiumoxid-Substrat oder dergleichen; ein Kunststoffsubstrat; ein Glassubstrat, oder dergleichen. Eine Isolierschicht, die Al₂O₃ oder dergleichen enthält, kann auf der ersten Fläche 21 des Substrats 2 gemäß der Art des Substrats 2 platziert sein.
Die Gruppe von Magnet-Sensorelementen 3 umfasst ein x-Achsen-Element mit magnetoresistivem Effekt 31, das zum Erfassen von Magnetfeldern in der x-Achsrichtung verwendet wird, ein y-Achsen-Element mit magnetoresistivem Effekt 32, das zum Erfassen von Magnetfeldern in der y-Achsrichtung verwendet wird, und ein z-Achsen-Element mit magnetoresistivem Effekt 33, das zum Erfassen von Magnetfeldern in der z-Achsrichtung verwendet wird. Die x-Achsrichtung und die y-Achsrichtung sind zueinander orthogonale Richtungen in einer vorgegeben Ebene, und die z-Achsrichtung ist eine Richtung, die zu der Ebene, die die x-Achsrichtung und die y-Achsrichtung enthält, orthogonal ist.
Das x-Achsen-Element mit magnetoresistivem Effekt 31, das y-Achsen-Element mit magnetoresistivem Effekt 32 und das z-Achsen-Element mit magnetoresistivem Effekt 33 sind alle GMR-Elemente oder TMR-Elemente, und mit einem Schichtkörper 4 mit magnetoresistivem Effekt, und ersten und zweiten Anschlusselektroden 5 und 6, die elektrisch mit dem Schichtkörper 4 mit magnetoresistivem Effekt verbunden sind, versehen.
Die erste Anschlusselektrode 5 und die zweite Anschlusselektrode 6 sind durch eine Art von leitendem Material aus zum Beispiel Cu, Al, Au, Ta, Ti, oder dergleichen, oder einem Verbundfilm aus zwei oder mehr leitenden Materialien gebildet. Die Dicke dieser ist jeweils ca. 0,3-2,0 µm.
Die erste Anschlusselektrode 5 ist auf der ersten Fläche 21 des Halbleitersubstrats 2 platziert. Die zweite Anschlusselektrode 6 ist so platziert, dass sie jeden Schichtkörper 4 mit magnetoresistivem Effekt bedeckt, der auf der ersten Fläche 21 des Halbleitersubstrats 2 platziert ist. Die erste und zweite Anschlusselektrode 5 und 6 sind in dieser Ausführungsform in Draufsicht im Wesentlichen L-förmig, jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf eine derartige Ausführungsform beschränkt.
Wie in den 1~3 gezeigt, hat der Schichtkörper 4 mit magnetoresistivem Effekt eine Schicht 42 mit fixierter Magnetisierung, bei der die Magnetisierungsrichtung fixiert ist, eine freie Schicht 44, bei der sich die Magnetisierungsrichtung entsprechend der Richtung eines angelegten Magnetfelds verändert, eine nichtmagnetische Schicht 43, die zwischen der Schicht 42 mit fixierter Magnetisierung und der freien Schicht 44 positioniert ist, und eine antiferromagnetische Schicht 41, und ist in Draufsicht im Wesentlichen kreisförmig.
Der Schichtkörper 4 mit magnetoresistivem Effekt hat einen Aufbau, bei dem die antiferromagnetische Schicht 41, die Schicht 42 mit fixierter Magnetisierung, die nichtmagnetische Schicht 43 und die freie Schicht 44 in dieser Reihenfolge, ausgehend von der Seite der ersten Anschlusselektrode 5, geschichtet sind. Die freie Schicht 44 ist mit der zweiten Anschlusselektrode 6 elektrisch verbunden, und die antiferromagnetische Schicht 41 ist mit der ersten Anschlusselektrode 5 elektrisch verbunden. Der Schichtkörper 4 mit magnetoresistivem Effekt kann auch einen Aufbau haben, bei dem die freie Schicht 44, die nichtmagnetische Schicht 43, die Schicht 42 mit fixierter Magnetisierung und die antiferromagnetische Schicht 41 in dieser Reihenfolge, ausgehend von der Seite der ersten Anschlusselektrode 5, geschichtet sind.
Als Material, aus dem sich die freie Schicht 44 zusammensetzt, kann verwendet werden: ein legiertes, weichmagnetisches Material wie zum Beispiel Ni-Fe, Co-Fe oder dergleichen; ein nichtkristallines bzw. amorphes weichmagnetisches Material wie zum Beispiel Co-Fe-B, Co-Fe-Si-B oder dergleichen; eine Heusler-Legierung wie zum Beispiel Co-Mn-Si, Co-Fe-Mn-Si, Co-Fe-Ge-Ga, Co-Mn-Al oder dergleichen; eine Legierung, die eine vertikale magnetische Anisotropie hat, wie zum Beispiel Co-Pt, Fe-Pt, Mn-Ga oder dergleichen; oder ein Mehrschicht-Filmmaterial, das eine vertikale magnetische Anisotropie hat, wie zum Beispiel [Co/Pd]_n, [Co/Pt]_n, [CoFe/Ni]_n (wobei n für die Anzahl der Schichten als Wiederholungseinheit für den Schichtaufbau in den Klammern ist, und eine Ganzzahl von 2 oder größer ist). Die freie Schicht 44 kann durch einen Einschichtfilm aus den oben beschriebenen Materialien oder durch einen geschichteten Film mit zwei oder mehr Arten, die beliebig aus den oben beschriebenen Materialien ausgewählt sind, ausgebildet sein.
Die freie Schicht 44 kann mit einem Schichtaufbau gebildet sein, bei dem eine erste freie Schicht, eine Zwischenschicht aus nichtmagnetischem Material wie zum Beispiel Ta, Ru, W oder dergleichen, und eine zweite freie Schicht in dieser Reihenfolge geschichtet sind. Da die freie Schicht 44 durch diese Art von Schichtaufbau gebildet ist, kann eine Verschlechterung in dem MR-Verhältnis unterbunden werden. Materialien, die die erste freie Schicht und die zweite freie Schicht bilden, können in diesem Fall beliebig aus den oben beschriebenen Materialen ausgewählt werden.
Die freie Schicht 44 kann aus Materialien gebildet sein, so dass eine einachsige magnetische Anisotropie, bei der die vertikale Richtung zur Filmoberfläche die Achse leichter Magnetisierung ist, induziert wird. Dadurch wirken die einachsige magnetische Anisotropie-Energie Ku und die Formanisotropie-Energie Kd, erzeugt durch ein diamagnetisches Feld, das auf die freie Schicht 44 wirkt, einander entgegen und die effektive vertikale magnetische Anisotropie-Energie Keff wird im Wesentlichen Null, sodass es leicht ist zu bewirken, dass die Magnetisierungsrichtung der freien Schicht 44 in verschiedene Richtungen gerichtet wird.
Durch Verwendung eines Materials mit vertikaler magnetischer Anisotropie wie zum Beispiel Co-Pt, Fe-Pt, [Co/Pd]_n oder dergleichen als Material, das die freie Schicht 44 bildet, kann eine einachsige magnetische Anisotropie angemessen induziert werden, bei der die vertikale Richtung zur Filmoberfläche die Achse leichter Magnetisierung in der freien Schicht 44 ist. Ferner, wenn die unten beschriebene nichtmagnetische Schicht 43 durch ein Metalloxid (zum Beispiel MgO) gebildet ist, kann durch Ausbilden der Schicht bei der freien Schicht 44, die die nichtmagnetischen Schicht 43 berührt, durch Co-Fe-B die vertikale magnetische Anisotropie der Grenzfläche, die an der Grenzfläche zwischen dem Metalloxid und dem ferromagnetischen Material wirkt, als die oben beschriebene einachsige magnetische Anisotropie verwendet werden.
Die einachsige magnetische Anisotropieenergie Ku und die Formanisotropie-Energie Kd in der freien Schicht 44 können durch die Zusammensetzung des Legierungsmaterials, das die freie Schicht 44 bildet, die Filmdicke (die Filmdicke jeder Schicht, wenn die freie Schicht 44 durch eine Vielzahl von Schichten von geschichteten Filmen gebildet ist), und die Form, Abmessungen und dergleichen der freien Schicht 44 angepasst werden.
Es kann das gleiche Material aus den verschiedenen Materialarten, die als die oben beschriebene freie Schicht 44 verwendet wurden, als das Material, das die Schicht 42 mit fixierter Magnetisierung bildet, verwendet werden, und die Schicht 42 mit fixierter Magnetisierung ist als ein einfach geschichteter Film aus den oben beschriebenen Materialien oder als ein geschichteter Film von zwei oder mehr Arten, die beliebig aus den oben beschriebenen Materialien ausgewählt wurden, gebildet.
Die Schicht 42 mit fixierter Magnetisierung kann einen Schichtaufbau haben, bei dem eine erste Magnetisierungsschicht, eine Zwischenschicht aus nichtmagnetischem Material, wie zum Beispiel Ru, Rh, Cr, Ir, Cu oder dergleichen, und eine zweite Schicht mit fixierter Magnetisierung in dieser Reihenfolge geschichtet sind, und kann einen synthetischen antiferromagnetischen (SAF) Aufbau haben, bei dem die Magnetisierung der ersten Schicht mit fixierter Magnetisierung und die Magnetisierung der zweiten Schicht mit fixierter Magnetisierung in einer zueinander antiparallelen Weise gekoppelt sind. Es ist möglich, eine starke Austauschkopplung zwischen den beiden ferromagnetischen Schichten vorgesehen ist (die erste Schicht mit fixierter Magnetisierung und die zweite Schicht mit fixierter Magnetisierung), um die Schicht 42 mit fixierter Magnetisierung bilden, und um die Austauschkopplungskraft der antiferromagnetischen Schicht 41 effektiv zu erhöhen. Außerdem wird es möglich, die Wirkung zu verringern, die das statische Magnetfeld, das von der Schicht 42 mit fixierter Magnetisierung erzeugte wird, auf die freie Schicht 44 ausübt.
Die Schicht 42 mit fixierter Magnetisierung ist durch Materialien derart gebildet, dass einachsige magnetische Anisotropie, bei der die vertikale Richtung zur Filmoberfläche die Achse leichter Magnetisierung ist, induziert werden kann. Bei der Schicht 42 mit fixierter Magnetisierung ist es möglich, nach Einstellen der effektiven vertikalen magnetischen Anisotropie-Energie Keff, die von der einachsigen magnetischen Anisotropie-Energie Ku und der Formanisotropie-Energie Kd von dem diamagnetischen Feld bereitgestellt wird, das auf der Schicht 42 mit fixierter Magnetisierung innerhalb eines vorgegebenen Bereichs (ein vorgegebener Bereich nahe Null) wirkt, durch Induzieren einer gemäßigten magnetischen Austauschanisotropie zwischen der antiferromagnetischen Schicht 41 und der Schicht 42 mit fixierter Magnetisierung (einseitig gerichtete magnetische Anisotropie-Energie Jk) in einem vorgegebenen Winkel, die Magnetisierungsrichtung der Schicht 42 mit fixierter Magnetisierung in einer Neigung mit einem vorgegebenen Winkel zur Schichtoberfläche fixiert werden (erste Oberfläche 21 des Halbleitersubstrats 2).
Wie bei der freien Schicht 44 können die einachsige magnetische Anisotropie-Energie Ku und die Formanisotropie-Energie Kd bei der Schicht 42 mit fixierter Magnetisierung durch die Zusammensetzung des Legierungsmaterials, das die Schicht 42 mit fixierter Magnetisierung bildet, die Filmdicke (die Filmdicke jeder Schicht, wenn die Schicht 42 mit fixierter Magnetisierung durch eine Vielzahl von Schichten geschichteten Filmen gebildet ist), die Form, die Abmessungen, und dergleichen der Schicht 42 mit fixierter Magnetisierung angemessen angepasst werden.
Wie oben beschrieben können das Material und die Filmdicke und dergleichen der freien Schicht 44 und der Schicht 42 mit fixierter Magnetisierung durch die einachsige magnetische Anisotropie-Energie Ku und die Formanisotropie-Energie Kd eingestellt werden. Folglich werden die Dicken der freien Schicht 44 und der Schicht 42 mit fixierter Magnetisierung jeweils auf z.B. etwa 1~10 nm eingestellt, nach Berücksichtigung der effektiven vertikalen magnetischen Anisotropie-Energie Keff, die von der einachsigen magnetischen Anisotropie-Energie Ku und der Formanisotropie-Energie Kd bereitgestellt wird.
Bei der nichtmagnetischen Schicht 43 handelt es sich um eine Beabstandungsschicht und ein notwendiger Film, um einen magnetischen Tunnelwiderstands-Effekt (TMR-Effekt) oder einen Riesenmagnetowiderstands-Effekt (GMR-Effekt) in dem Schichtkörper 4 mit magnetoresistivem Effekt bei dieser Ausführungsform zu verwirklichen. Als Materialien, die die nichtmagnetische Schicht 43 bilden, können die folgenden angeführt werden: Oxide wie MgO, Mg-Al-O, Al-O oder dergleichen; Metallmaterialien wie Cu, Au, Ag, Cr, Ag-Zn, Ni-Al oder dergleichen; oder dergleichen. Die Dicke der nichtmagnetischen Schicht 43 ist etwa 0,1~5 nm.
Die antiferromagnetische Schicht 41 ist durch zumindest eine Art von Element ausgewählt aus der Gruppe von Pt, Ru, Rh, Pd, Ni, Cu, Ir, Cr und Fe, ein antiferromagnetisches Material das Mn enthält, und ein ferromagnetisches Oxidmaterial wie CoO, Cr₂O₃, oder dergleichen, gebildet. Der Mn-Anteil in dem Mn enthaltenden antiferromagnetischen Material ist beispielweise etwa 35-95 Atom-%. Das Mn enthaltende antiferromagnetische Material kann eine geordnete Legierung wie zum Beispiel L12-Mn₃Ir, L10-PtMn oder dergleichen sein, oder eine ungeordnete Legierung wie zum Beispiel γ-MnIr oder dergleichen. Die antiferromagnetische Schicht 41, die durch das antiferromagnetische Material gebildet ist, hat die Funktion, die Magnetisierungsrichtung der Schicht 42 mit fixierter Magnetisierung mittels Austauschkopplung mit der Schicht 42 mit fixierter Magnetisierung zu fixieren.
Der Schichtkörper 4 mit magnetoresistivem Effekt kann bei dieser Ausführungsform eine Unterschicht enthalten, die zwischen der antiferromagnetischen Schicht 41 und der ersten Anschlusselektrode 5 positioniert ist, und kann eine Deckschicht enthalten, die zwischen der freien Schicht 44 und der zweiten Anschlusselektrode 6 positioniert ist.
Als das Material, das die Unterschicht bildet, kann beispielsweise ein Metall wie Ta, Cr, Hf, Nb, Zr, Ti, Mo, W, Ru, Pt, Rh, Ir, Cu, Ag, Au oder dergleichen, oder ein Legierungsmaterial wie zum Beispiel NiCn, CrTi oder dergleichen verwendet werden. Die Unterschicht kann einen einschichtigen Aufbau haben oder kann einen Schichtaufbau aus zwei oder mehr Arten haben. Wenn Mn-Ir als Material verwendet wird, das die antiferromagnetische Schicht 41 bildet, kann eine große unidirektionale magnetische Anisotropie-Energie Jk induziert werden, falls die Unterschicht durch Ta/Ru oder Ta/NiCr gebildet ist.
Als Material, das die Deckschicht bildet, kann beispielweise ein Metallmaterial wie Ru, Ta, W, Ti, Cr, Cu, Ag, Au oder dergleichen, oder eine Legierung oder dergleichen, die zumindest eines dieser Materialien enthält, verwendet werden. Die Deckschicht kann eine Isoliermaterial-Schicht aus einem extrem dünnen Film (zum Beispiel, etwa 0,5 nm) aus MgO, Al-O oder dergleichen, enthalten. Durch das Material der Deckschicht, die die freie Schicht 44 berührt, kann die einachsige magnetische Anisotropie-Energie Ku der freien Schicht 44 angepasst werden.
Bei dieser Ausführungsform ist die Magnetisierungsrichtung M42 jeder der Schichten 42 mit fixierter Magnetisierung des x-Achsen-Elements 31 mit magnetoresistivem Effekt, des y-Achsen-Elements 32 mit magnetoresistivem Effekt und des z-Achsen Elements 33 mit magnetoresistivem Effekt in einer Richtung fixiert, die unter einem vorgegebenen Winkel zu der ersten Fläche 21 des Halbleitersubstrats 2 geneigt ist. Bevorzugt ist die Magnetisierungsrichtung M42 in einer Richtung, die unter einem Winkel θ_M42 von 15~55° zu der ersten Fläche 21 des Halbleitersubstrats 2 geneigt ist, fixiert, und ist besonders bevorzugt in einer Richtung, die unter einem Winkel von 25~45° geneigt ist, fixiert. Da die Magnetisierungsrichtung M42 jeder Schicht 42 mit fixierter Magnetisierung einen Elevationswinkel bezüglich der ersten Fläche 21 des Halbleitersubstrats 2 hat, können die Magnetisierungsrichtungen M42 jeder der Schichten 42 mit fixierter Magnetisierung zueinander orthogonal sein. Daher können bei dem X-Achsen-Element 31 mit magnetoresistivem Effekt Magnetfeldkomponenten in der Ausrichtung der Magnetisierungsrichtung (x-Achsrichtung) dieser Schicht 42 mit fixierter Magnetisierung erfasst werden, und auf ähnliche Weise kann bei dem Y-Achsen-Element 32 mit magnetoresistivem Effekt und dem Z-Achsen-Element 33 mit magnetoresistivem Effekt die Magnetfeldkomponente in der Ausrichtung der Magnetisierungsrichtung (Y-Achsrichtung und Z-Achsrichtung) jeder der Schichten 42 mit fixierter Magnetisierung erfasst werden.
Wie in 4 veranschaulicht, wenn die Magnetisierungsrichtungen M421-M423 der Schichten 42 mit fixierter Magnetisierung jeder der Schichtkörper 4 (4X, 4Y und 4Z) mit magnetoresistivem Effekt des x-Achsen-Elements 31 mit magnetoresistivem Effekt, des y-Achsen-Elements 32 mit magnetoresistivem Effekt und des z-Achsen-Elements 33 mit magnetoresistivem Effekt auf die erste Fläche 21 des Halbleitersubstrats 2 projiziert werden, sind die verschiedenen auf die erste Fläche 21 projizierten Magnetisierungsrichtungen M421~M423 so fixiert, dass sie in Richtungen zeigen, die sich voneinander um 110~130° unterscheiden. Das bedeutet, der Winkel θxy zwischen der Magnetisierungsrichtung M421 der Schicht 42 mit fixierter Magnetisierung des x-Achsen-Elements 31 mit magnetoresistivem Effekt und der Magnetisierungsrichtung M422 der Schicht 42 mit fixierter Magnetisierung des y-Achsen-Elements 32 mit magnetoresistivem Effekt, der Winkel θxz zwischen der Magnetisierungsrichtung M421 der Schicht 42 mit fixierter Magnetisierung des x-Achsen-Elements 31 mit magnetoresistivem Effekt und der der Magnetisierungsrichtung M423 der Schicht 42 mit fixierter Magnetisierung des z-Achsen-Elements 33 mit magnetoresistivem Effekt und der Winkel θyz zwischen der Magnetisierungsrichtung M422 der Schicht 42 mit fixierter Magnetisierung des y-Achsen-Elements 32 mit magnetoresistivem Effekt und der der Magnetisierungsrichtung M423 der Schicht 42 mit fixierter Magnetisierung des z-Achsen-Elements 33 mit magnetoresistivem Effekt jeweils 110°~130° beträgt. Dadurch, dass die Magnetisierungsrichtung M42 (M421-M423) jeder der Schichten 42 mit fixierter Magnetisierung unter einem vorgegebenen Winkel θ_M42 bezüglich der ersten Fläche 21 des Halbleitersubstrats 2 geneigt fixiert ist und auch Richtungen zugewandt ist, die sich voneinander um 110~130° unterscheiden, ist es möglich, die Magnetisierungsrichtungen M42 (M421~M423) jeder der Schichten 42 mit fixierter Magnetisierung im Wesentlich orthogonal zueinander sein zu lassen, und es ist möglich, Magnetfelder der drei Achsrichtungen mit hoher Präzision zu erfassen.
Jeder der Schichtkörper 4 mit magnetoresistivem Effekt des x-Achsen-Elements 31 mit magnetoresistivem Effekt, des y-Achsen-Elements 32 mit magnetoresistivem Effekt und des z-Achsen-Elements 33 mit magnetoresistivem Effekt ist mit einer Beabstandung von ungefähr 120° in einer Umfangsrichtung um einen vorgegebenen Punkt P positioniert. Mit anderen Worten ist jeder der Schichtkörper 4 mit magnetoresistivem Effekt des x-Achsen-Elements 31 mit magnetoresistivem Effekt, des y-Achsen-Elements 32 mit magnetoresistivem Effekt und des z-Achsen-Elements 33 mit magnetoresistivem Effekt so positioniert, dass er ein gleichseitiges Dreieck definiert, dessen Mitte in dem vorgegebenen Punkt P liegt.
Der dreiachsige Magnetsensor 1 gemäß dieser Ausführungsform ist mit einer Schutzschicht 7, die die zweite Anschlusselektrode 6 bedeckt, und einem ersten Elektrodenpad 81 und einem zweiten Elektrodenpad 82 aus Au oder dergleichen versehen und jeweils mit der ersten Anschlusselektrode 5 und der zweiten Anschlusselektrode 6 elektrisch verbunden.
Es folgt eine Beschreibung des Verfahrens zur Herstellung des dreiachsigen Magnetsensors 1 mit der oben beschriebenen Ausgestaltung. Die 5A~15A sind Prozessdiagramme, die nacheinander den Herstellungsvorgang für den dreiachsigen Magnetsensor 1 gemäß dieser Ausführungsform in einer Draufsicht zeigen, und die 5B~15B sind entlang der Linie I-I in 5A-15A aufgenommene Querschnittsansichten.
Eine Isolierschicht IL1 und ein erster Leitmaterial-Film 50 werden durch Sputtern oder dergleichen in dieser Reihenfolge auf der ersten Oberfläche 21 des Halbleitersubstrats 2 geschichtet und gebildet, und mittels eines fotolithographischen Prozesses wird jeweils die erste Anschlusselektrode 5 des x-Achsen-Elements 31 mit magnetoresistivem Effekt, des y-Achsen-Elements 32 mit magnetoresistivem Effekt und des z-Achsen-Elements 33 mit magnetoresistivem Effekt gebildet. Eine Isolierschicht IL2 wird gebildet, um die erste Anschlusselektrode 5 zu umgeben (siehe 5A~8A, 5B~8B).
Als nächstes wird ein Film 40 mit magnetoresistivem Effekt (ein geschichteter Film, bei dem ein antiferromagnetischer Film, ein ferromagnetischer Film, ein nichtmagnetischer Film und eine ferromagnetischer Film in dieser Reihenfolge geschichtet sind) durch Sputtern oder dergleichen gebildet, um die erste Anschlusselektrode 5 zu bedecken (siehe 9A und 9B), und mittels eines fotolithografischen Prozesses wird der Schichtkörper 4 mit magnetoresistivem Effekt, der in der Draufsicht betrachtet im Wesentlichen kreisförmig ist, in einem vorgegebenen Bereich der ersten Anschlusselektrode 5 gebildet, und eine Isolierschicht IL3 wird gebildet, um den Schichtkörper 4 mit magnetoresistivem Effekt zu umgeben (siehe 10A~11A, 10B~11B). Jeder der Schichtkörper 4 mit magnetoresistivem Effekt wird gebildet, um mit einer Beabstandung von 120° in der Umfangsrichtung positioniert zu sein, zentriert an einem vorgegebenen Punkt P.
Als nächstes wird ein Magnetfeld mithilfe einer Solenoid-Vorrichtung oder dergleichen angelegt, während der Schichtkörper 4 mit magnetoresistivem Effekt einer Glühbehandlung unterzogen wird (siehe 12A, 12B). Zu dieser Zeit wird die Solenoid-Vorrichtung an einer Position montiert, die in vertikaler Richtung zur zweiten Oberfläche 22 des Halbleitersubstrats 2 von einer Position getrennt ist, die dem vorgegebenen Punkt P in der zweiten Oberfläche 22 des Halbleitersubstrats 2 entspricht. Ferner wird ein Magnetfeld in einer Richtung, die in einem gewünschten Winkel bezüglich der ersten Oberfläche 21 des Halbleitersubstrats 2 geneigt ist, an jedem der Schichtkörper 4 mit magnetoresistivem Effekt angelegt, um eine vorgegebene magnetische Austauschanisotropie zwischen der antiferromagnetischen Schicht 41 und der Schicht 42 mit fixierter Magnetisierung zu induzieren, in Übereinstimmung mit den Bestandteilen der verschiedenen Schichten jeder der Schichtkörper 4 mit magnetoresistivem Effekt, den Filmdicken, Abmessungen und Formen jeder der Schichten, und der effektiven vertikalen magnetischen Anisotropie-Energie Keff, die von der vertikalen magnetischen Anisotropie-Energie Ku der Schicht 42 mit fixierter Magnetisierung und der Formanisotropie-Energie Kd bereitgestellt wird. Beispielsweise durch Kontrollieren des angelegten elektrischen Stroms an der Spule der Solenoid-Vorrichtung und des Abstandes zwischen der Solenoid-Vorrichtung und der zweiten Oberfläche 22 des Halbleitersubstrats 2 in Übereinstimmung mit dem Magnetisierungswinkel (Winkel bezüglich der in-Ebene Richtung des Films) der Schicht 42 mit fixierter Magnetisierung in dem Zustand vor Anlegen des Magnetfelds, kann ein Magnetfeld in einer Richtung, die in dem gewünschten Winkel geneigt ist, an jedem der Schichtkörper 4 mit magnetoresistivem Effekt angelegt werden. Hierdurch kann die Magnetisierungsrichtung der Schicht 42 mit fixierter Magnetisierung in jedem der Schichtkörper 4 mit magnetoresistivem Effekt in einer Richtung, die unter einem Winkel θ_M42 von 15~55°, und bevorzugt 25~45°, bezüglich der ersten Oberfläche 21 des Halbleitersubstrats 2 geneigt ist, fixiert werden und gleichzeitig Richtungen zugewandt sein, die sich voneinander um 110~130° unterscheiden.
Ein zweiter Leitmaterial-Film wird durch Sputtern oder dergleichen auf jedem der Schichtkörper 4 mit magnetoresistivem Effekt gebildet, die zweite Anschlusselektrode 6, die mit jedem der Schichtkörper 4 mit magnetoresistivem Effekt elektrisch verbunden ist, wird mittels eines fotolithografischen Prozesses gebildet, und die Schutzschicht 7, die die zweite Anschlusselektrode 6 bedeckt, wird gebildet (siehe 13A, 13B).
Dann werden Kontaktlöcher CH1 und CH2 in der Schutzschicht 7 gebildet, und ein Abschnitt der ersten Anschlusselektrode 5 und der zweiten Anschlusselektrode 6 liegt frei (siehe 14A, 14B). Schließlich wird Au oder dergleichen in die Kontaktlöcher CH1 und CH2 eingebracht, um das erste und zweite Elektrodenpad 81 und 82 zu bilden (siehe 15A, 15B). Auf diese Weise wird der dreiachsige Magnetsensor 1 gemäß dieser Ausführungsform hergestellt.
Wie oben beschrieben enthalten bei dem dreiachsigen Magnetsensor 1 gemäß dieser Ausführungsform das x-Achsen-Element 31 mit magnetoresistivem Effekt, das y-Achsen-Element 32 mit magnetoresistivem Effekt und das z-Achsen-Element 33 mit magnetoresistivem Effekt alle die Schichtkörper 4 mit magnetoresistivem Effekt, die in Schichten in einer Richtung, die bezüglich der ersten Fläche 21 des Halbleitersubstrats 2 im Wesentlichen orthogonal ist, gebildet sind, und jeder der Schichtkörper 4 mit magnetoresistivem Effekt wird durch das gleiche Verfahren hergestellt und hat somit im Wesentlichen die gleichen Eigenschaften. Ferner, da die Magnetisierungsrichtung der Schicht 42 mit fixierter Magnetisierung jeder der Schichtkörper 4 mit magnetoresistivem Effekt in einer Richtung, die unter einem Winkel θ_M42 von 15~55°, und bevorzugt 25~45°, bezüglich der ersten Fläche 21 des Halbleitersubstrats 2 geneigt ist, fixiert ist und Richtungen, die sich voneinander um 110~130° unterscheiden, zugewandt ist, sind sie zueinander orthogonal, um jeweils den drei Achsrichtungen zu entsprechen. Entsprechend können mit dem dreiachsigen Magnetsensor 1 gemäß dieser Ausführungsform Magnetfelder in den drei Achsrichtungen mit hoher Präzision erfasst werden.
Die oben beschriebene Ausführungsform wurde beschrieben, um die Verständlichkeit dieser Erfindung zu erleichtern und soll die Erfindung nicht beschränken. Dementsprechend sollen die verschiedenen Elemente, die in der oben beschriebenen Ausführungsform offenbart werden, so ausgelegt werden, dass sie alle Gestaltungsvariationen, Entsprechungen und so weiter, die zum technischen Schutzumfang der Erfindung gehören, umfassen.
[AUSFÜHRUNGSFORMEN]
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung in weiterem Detail durch Anführen von Ausführungsformen beschrieben, ohne jedoch hierauf beschränkt zu sein.
[AUSFÜHRUNGSFORM 1]
Das x-Achsen-Element 31 mit magnetoresistivem Effekt, das y-Achsen-Element 32 mit magnetoresistivem Effekt und das z-Achsen-Element 33 mit magnetoresistivem Effekt, die die Schichtkörper 4 mit magnetoresistivem Effekt beinhalten, die den in 1~4 gezeigten Aufbau, eine Abmessung von ϕ 1 µm, eine kreisrunde Form in Draufsicht, und den Schichtaufbau, Bestandteile und Filmdicke jeder Schicht, wie in Tabelle 1 angegeben, haben, wurden auf der ersten Fläche 21 eines Si-Substrats 2 durch das Verfahren, das in 5A-15A und 5B~15B gezeigt wird, hergestellt. Weil die effektive vertikale magnetische Anisotropie-Energie Keff, die von der vertikalen magnetischen Anisotropie-Energie Ku und der Formanisotropie-Energie Kd der Schicht 42 mit fixierter Magnetisierung bereitgestellt wird, gleich -0,16 erg/cm² ist, wurde ein Magnetfeld in einer Richtung angelegt, die um 24° zum Lot der Fläche jeder der Schichtkörper 4 mit magnetoresistivem Effekt geneigt ist, um eine vorgegebene Austauschanisotropie-Energie (Jk = 0,3 erg/cm²) zwischen der Schicht 42 mit fixierter Magnetisierung und der antiferromagnetischen Schicht 41 zu induzieren. Im Ergebnis, konnte die Magnetisierungsrichtung der Schicht 42 mit fixierter Magnetisierung in einer Richtung, die unter einem Winkel von 35,3° zu der ersten Fläche 31 des Si-Substrats 2 geneigt war, fixiert werden.

[TABELLE 1]

Schichtstruktur	Bestandteile	Filmdicke (nm)
Deckschicht	Ru	8
	Ta	1
	Ru	1
Freie Schicht	[Co/Pd]₄	1,6 (Co=0,2, Pd=0,2)
	Ta	0,2
	CoFeB	1,5
	CoFe	0,4
Nichtmagnetische Schicht	MgO	2
Schicht mit fixierter Magnetisierung	CoFeB	1
Schicht mit fixierter Magnetisierung	CoFe	0,5
Antiferromagnetische Schicht	MnIr	8
Unterschicht	Ru	2
Unterschicht	Ta	2

[AUSFÜHRUNGSFORM 2]
Das x-Achsen-Element 31 mit magnetoresistivem Effekt, das y-Achsen-Element 32 mit magnetoresistivem Effekt und das z-Achsen-Element 33 mit magnetoresistivem Effekt, die die Schichtkörper 4 mit magnetoresistivem Effekt beinhalten, die den in 1-4 gezeigten Aufbau, eine Abmessung von ϕ 1 µm, eine kreisrunde in Draufsicht, und den Schichtaufbau, Bestandteile und Filmdicke jeder Schicht, wie in Tabelle 2 angegeben, haben, wurden auf der ersten Fläche 21 eines Si-Substrats 2 durch das Verfahren, das in 5A~15A und 5B~15B gezeigt wird, hergestellt. Weil die effektive vertikale magnetische Anisotropie-Energie Keff, die von der vertikalen magnetischen Anisotropie-Energie Ku und der Formanisotropie-Energie Kd der Schicht 42 mit fixierter Magnetisierung bereitgestellt wird, gleich 0,15 erg/cm² ist, wurde ein Magnetfeld in einer Richtung, die um 75° zum Lot der Fläche jeder der Schichtkörper 4 mit magnetoresistivem Effekt geneigt ist, um eine vorgegebene Austauschanisotropie-Energie (Jk = 0,4 erg/cm²) zwischen der Schicht 42 mit fixierter Magnetisierung und der antiferromagnetischen Schicht 41 zu induzieren. Im Ergebnis konnte die Magnetisierungsrichtung der Schicht 42 mit fixierter Magnetisierung in einer Richtung, die unter einem Winkel von 35,3° zu der ersten Fläche 31 des Si-Substrats 2 geneigt ist, fixiert werden.

[TABELLE 2]

Schichtstruktur	Bestandteile	Filmdicke (nm)
Deckschicht	Ru	8
	Ta	1
	Ru	1
Freie Schicht	[Co/Pd]₄	1,6 (Co=0,2, Pd=0,2)
	Ta	0,2
	CoFeB	1,5
	CoFe	0,4
Nichtmagnetische Schicht	MgO	2
Schicht mit fixierter Magnetisierung	CoFeB	1,5
	[Pd/Co]₃	1,95 (Pd=0,45, Co=0,2)
	CoFe	1
Antiferromagnetische Schicht	MnIr	8
Unterschicht	Ru	2
Unterschicht	Ta	2

Bezugszeichenliste

1: Dreiachsiger Magnetsensor
2: Halbleitersubstrat (Substrat)
21: Erste Fläche
22: Zweite Fläche
3: Gruppe von Magnet-Sensorelementen
31: X-Achsen-Element mit magnetoresistivem Effekt (erstes Magnet-Sensorelement)
32: Y-Achsen-Element mit magnetoresistivem Effekt (zweites Magnet-Sensorelement)
33: Z-Achsen-Element mit magnetoresistivem Effekt (drittes Magnet-Sensorelement)
4: Schichtkörper mit magnetoresistivem Effekt (erste bis dritte Elemente mit magnetoresistivem Effekt)
42: Schicht mit fixierter Magnetisierung
44: Freie Schicht

Claims

Dreiachsiger Magnetsensor (1), aufweisend: ein Substrat (2), umfassend eine erste Fläche (21) und eine zweite Fläche (22) gegenüber der ersten Fläche (21); und eine Gruppe von Magnet-Sensorelementen (3), die auf der ersten Fläche (21) des Substrats (2) bereitgestellt ist; wobei die Gruppe von Magnet-Sensorelementen (3) ein erstes Magnetsensor-Element (31) zur Erfassung von Magnetismus in einer ersten Achsrichtung, ein zweites Magnetsensor-Element (32) zur Erfassung von Magnetismus in einer zweiten Achsrichtung und ein drittes Magnetsensor-Element (33) zur Erfassung von Magnetismus in einer dritten Achsrichtung, umfasst; die erste Achsrichtung und die zweite Achsrichtung sind zueinander orthogonale Richtungen in einer Ebene, die die erste Achsrichtung und die zweite Achsrichtung enthält; die dritte Achsrichtung ist eine Richtung orthogonal zu der Ebene, die die erste Achsrichtung und die zweite Achsrichtung enthält; die ersten bis dritten Magnetsensor-Elemente (31, 32, 33) enthalten jeweils erste bis dritte Elemente (4X, 4Y, 4Z) mit magnetoresistivem Effekt; die ersten bis dritten Elemente (4X, 4Y, 4Z) mit magnetoresistivem Effekt sind alle Schichtkörper, die zumindest eine Schicht (42) mit fixierter Magnetisierung und eine freie Schicht (44) enthalten; und die Magnetisierungsrichtung (M421, M422, M423) jeder der Schichten (42) mit fixierter Magnetisierung der ersten bis dritten Elemente (4X, 4Y, 4Z) mit magnetoresistivem Effekt ist in einer unter einem vorgegebenen Winkel (θ_M42) geneigten Richtung bezüglich der ersten Fläche (21) des Substrats (2) fixiert.
Dreiachsiger Magnetsensor (1) gemäß Anspruch 1, wobei jedes der ersten bis dritten Elemente (4X, 4Y, 4Z) mit magnetoresistivem Effekt ein Schichtkörper ist, bei dem die Schicht (42) mit fixierter Magnetisierung und die freie Schicht (44) entlang einer Richtung, die zu der ersten Fläche (21) des Substrats (2) orthogonal ist, geschichtet sind.
Dreiachsiger Magnetsensor (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Magnetisierungsrichtung (M421, M422, M423) jeder der Schichten (42) mit fixierter Magnetisierung der ersten bis dritten Elemente (4X, 4Y, 4Z) mit magnetoresistivem Effekt in einer unter einem Winkel von 15~55° geneigten Richtung bezüglich der ersten Fläche (21) des Substrats (2) fixiert ist.
Dreiachsiger Magnetsensor (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei in der Draufsicht von oberhalb der ersten Fläche (21) des Substrats (2) betrachtet, wenn die Magnetisierungsrichtung (M421) der Schicht (42) mit fixierter Magnetisierung des ersten Elements (4X) mit magnetoresistivem Effekt, die Magnetisierungsrichtung (M422) der Schicht (42) mit fixierter Magnetisierung des zweiten Elements (4Y) mit magnetoresistivem Effekt und die Magnetisierungsrichtung (M423) der Schicht (42) mit fixierter Magnetisierung des dritten Elements (4Z) mit magnetoresistivem Effekt jeweils auf die erste Fläche (21) des Substrats (2) projiziert werden, die projizierten Magnetisierungsrichtungen fixiert sind, um Richtungen zugewandt zu sein, die sich voneinander um 110~130° unterscheiden.
Dreiachsiger Magnetsensor (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Elemente (4X, 4Y, 4Z) mit magnetoresistivem Effekt GMR-Elemente oder TMR-Elemente sind.
Verfahren zur Herstellung des dreiachsigen Magnetsensors (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, das Verfahren umfassend: einen Vorgang zur Bildung eines geschichteten Films beinhaltend zumindest einen antiferromagnetischen Film, der die Schicht (42) mit fixierter Magnetisierung bildet, und einen magnetischen Film, der die freie Schicht (44) bildet, auf der ersten Fläche (21) des Substrats (2); einen Vorgang zur Bildung erster bis dritter Schichtaufbauten durch Fräsen des geschichteten Films; und einen Vorgang, bei dem durch zeitgleiches Anlegen eines Magnetfelds an den ersten bis dritten Schichtaufbauten bewirkt wird, dass die Magnetisierungsrichtung (M421, M422, M423) der Schicht (42) mit fixierter Magnetisierung unter einem vorgegebenen Winkel (θ_M42) bezüglich der ersten Fläche (21) des Substrats (2) fixiert wird.
Verfahren zur Herstellung des dreiachsigen Magnetsensors (1) gemäß Anspruch 6, wobei die Magnetisierungsrichtung (M421, M422, M423) der Schicht (42) mit fixierter Magnetisierung unter einem Winkel von 15~55° bezüglich der ersten Fläche (21) des Substrats (2) fixiert wird.
Verfahren zur Herstellung des dreiachsigen Magnetsensors (1) gemäß Anspruch 6 oder 7, wobei in der Draufsicht von oberhalb der ersten Fläche (21) des Substrats (2) betrachtet, wenn die Magnetisierungsrichtung (M421) der Schicht (42) mit fixierter Magnetisierung des ersten Schichtaufbaus, die Magnetisierungsrichtung (M422) der Schicht (42) mit fixierter Magnetisierung des zweiten Schichtaufbaus und die Magnetisierungsrichtung (M423) der Schicht (42) mit fixierter Magnetisierung des dritten Schichtaufbaus jeweils auf die erste Fläche (21) des Substrats (2) projiziert werden, die projizierten Magnetisierungsrichtungen fixiert werden, um Richtungen zugewandt zu sein, die sich voneinander um 110~130° unterscheiden.
Verfahren zur Herstellung des dreiachsigen Magnetsensors (1) gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei: in der Draufsicht von oberhalb der ersten Fläche (21) des Substrats (2) betrachtet, die ersten bis dritten Schichtaufbauten mit einer Beabstandung von 120° in der Umfangsrichtung positioniert werden, zentriert an einem vorgegebenen Punkt auf der ersten Fläche (21); und ein Magnetfeld an den ersten bis dritten Schichtaufbauten von einer Magnetfeld-Anlegevorrichtung angelegt wird, während die Magnetfeld-Anlegevorrichtung an einer Position auf der zweiten Flächenseite (22) des Substrats (2) positioniert ist, die einem vorgegebenen Punkt auf der ersten Fläche (21) zugewandt ist.