DE102021105660A1

DE102021105660A1 - Magnetischer sensor und sein herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE102021105660A1
Application number: DE102021105660.8A
Authority: DE
Inventors: Kenzo Makino; Takafumi Kobayashi
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2020-03-27
Filing date: 2021-03-09
Publication date: 2021-09-30
Also published as: US11573276B2; JP7107330B2; US20230135336A1; US20210302511A1; CN113447866A; JP2021156733A

Abstract

Ein magnetischer Sensor umfasst ein MR-Element und ein Trägerelement. Eine obere Fläche des Trägerelements enthält einen geneigten Abschnitt. Das MR-Element umfasst einen MR-Element-Hauptkörper, eine untere Elektrode und eine obere Elektrode. Die untere Elektrode umfasst ein erstes Ende, das dem unteren Ende des geneigten Abschnitts am nächsten ist, und ein zweites Ende, das dem oberen Ende des geneigten Abschnitts am nächsten ist. Der MR-Element-Hauptkörper befindet sich an einer Position, die näher am zweiten Ende liegt als am ersten Ende.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen magnetischen Sensor aufweisend ein magnetoresistives Element und ein Herstellungsverfahren eines solchen.
Beschreibung des Standes der Technik
Magnetische Sensoren wurden für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt. Beispiele für bekannte magnetische Sensoren umfassen einen Sensor, der ein magnetoresistives Element mit Spin-Ventil verwendet, welches auf einem Substrat bereitgestellt wird. Das magnetoresistive Spin-Ventil-Element umfasst eine magnetisierungsfixierte Schicht mit einer Magnetisierung, deren Richtung fest ist, eine freie Schicht mit einer Magnetisierung, deren Richtung variable ist, abhängig von der Richtung eines angelegten Magnetfeldes, und eine Spaltschicht, die sich zwischen der magnetisierungsfixierten Schicht und der freien Schicht befindet. In vielen Fällen ist das auf einem Substrat vorgesehene magnetoresistive Element mit Spin-Ventil so konfiguriert, dass es eine Empfindlichkeit gegenüber einem Magnetfeld in einer Richtung parallel zur Oberfläche des Substrats aufweist. Ein solches magnetoresistives Element ist daher geeignet, ein Magnetfeld zu detektieren, das seine Richtung in einer Ebene parallel zur Substratoberfläche ändert.
Andererseits kann ein System, das einen Magnetsensor enthält, dazu bestimmt sein, ein Magnetfeld zu erfassen, das eine Komponente in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche eines Substrats enthält, indem ein auf dem Substrat vorgesehenes magnetoresistives Element verwendet wird. In einem solchen Fall kann das Magnetfeld, das die Komponente in der Richtung senkrecht zur Oberfläche des Substrats enthält, durch Bereitstellen eines weichmagnetischen Körpers zur Umwandlung eines Magnetfelds in der Richtung senkrecht zur Oberfläche des Substrats in ein Magnetfeld in der Richtung parallel zur Oberfläche des Substrats oder durch Anordnen des magnetoresistiven Elements auf einer geneigten Oberfläche, die auf dem Substrat ausgebildet ist, erfasst werden.
JP 2001-102659 A beschreibt ein magnetoresistives Element, das auf einem Substrat ausgebildet ist und eine Vielzahl von in Reihe geschalteten magnetischen Tunnelverbindungsstrukturen enthält. In diesem magnetoresistiven Element verbinden untere und obere Elektroden ein Paar von benachbarten magnetischen Tunnelverbindungsstrukturen. JP 2001-102659 A beschreibt auch die Bildung einer geschichteten Struktur, die untere Elektroden auf dem Substrat enthält, durch Abätzen der äußeren peripheren Enden der unteren Elektroden durch Ionenstrahlätzen (Ionenfräsen) unter Verwendung einer Ionenfräsvorrichtung.
EP 3199965 A1 beschreibt einen magnetischen Sensor mit einer magnetischen Erfassungseinheit, die eine Vielzahl von auf einem Substrat ausgebildeten magnetoresistiven Elementen enthält und eine magnetische Erfassungsachse in einer Richtung parallel zur Ebene des Substrats aufweist. In diesem Magnetsensor verbinden eine untere und eine obere Elektrode zwei benachbarte magnetoresistive Elemente. Dieser Magnetsensor enthält außerdem eine magnetische Konvergenzeinheit mit einer Vielzahl von magnetischen Konvergenzelementen aus einem weichmagnetischen Material. Dieser Magnetsensor erfasst Magnetfelder in den Richtungen der X-, Y- und Z-Achse, indem er die Richtung eines externen Magnetfelds mit der Vielzahl der magnetischen Konvergenzelemente in die Richtung der magnetischen Erfassungsachse umwandelt.
EP 1860450 A1 beschreibt einen magnetischen Sensor mit X-, Y- und Z-Achsen-Sensoren, die auf einem dicken Substratfilm angeordnet sind. In diesem Magnetsensor befinden sich mehrere magnetische Abtastabschnitte eines riesigen magnetoresistiven Elements, das den Z-Achsen-Sensor bildet, auf den Mittelabschnitten der geneigten Oberflächen einer V-förmigen Nut, die in der dicken Substratschicht ausgebildet ist. Dieser Magnetsensor enthält auch einen Vormagnetisierungsabschnitt, der zwei magnetische Abtastabschnitte verbindet, die auf zwei benachbarten geneigten Flächen ausgebildet sind. EP 1860450 A1 beschreibt auch die Bildung des Vormagnetisierungsabschnitts durch Aufbringen eines Magnetfilms zur Herstellung des Vormagnetisierungsabschnitts über die gesamte Substratoberfläche und anschließendes Entfernen nicht benötigter Abschnitte durch Ätzen.
Wie der in EP 1860450 A1 beschriebene Z-Achsen-Sensor kann ein magnetischer Sensor, der ein magnetoresistives Element enthält, das sich auf einer geneigten Oberfläche befindet, die Belegungsfläche des magnetoresistiven Elements pro Flächeneinheit im Vergleich zu dem in EP 3199965 A1 beschriebenen magnetischen Sensor erhöhen. Angenommen, ein magnetischer Sensor enthält eine Vielzahl von magnetoresistiven Elementen, die sich auf einer geneigten Fläche befinden. In diesem Magnetsensor ist die Vielzahl der magnetoresistiven Elemente, die sich auf der einen geneigten Fläche befinden, durch untere und obere Elektroden verbunden. Die Belegungsfläche der magnetoresistiven Elemente pro Flächeneinheit kann durch Verkleinerung einer Abmessung (im Folgenden als Breite bezeichnet) der geneigten Fläche in einer Richtung (im Folgenden als Breitenrichtung bezeichnet) orthogonal zur Anordnungsrichtung der Vielzahl der magnetoresistiven Elemente erhöht werden.
Je kleiner jedoch die Breite der geneigten Fläche ist, desto kleiner ist auch die Breite der unteren Elektroden. Im Hinblick auf die Erhöhung der Belegungsfläche der magnetoresistiven Elemente pro Flächeneinheit, wird außerdem die Breite der magnetoresistiven Elemente durch die Verringerung der Breite der geneigten Fläche nicht viel reduziert. Mit anderen Worten: Je kleiner die Breite der geneigten Fläche ist, desto kleiner wird die Breite der unteren Elektroden relativ zur Breite der magnetoresistiven Elemente. Infolgedessen verringern sich die Abstände von beiden Enden der unteren Elektroden in Breitenrichtung zu den magnetoresistiven Elementen.
Wie in JP 2001-102659 A und EP 1860450 A1 beschrieben, werden die unteren Elektroden z. B. durch Ätzen eines Metallfilms durch Ionenfräsen gebildet. Wenn der Metallfilm durch Ionenfräsen geätzt wird, können geätzte und verstreute Bestandteile des Metallfilms an dem Metallfilm haften und dergleichen, wobei sich Wiederabscheidungsfilme auf der Oberfläche der unteren Elektroden usw. bilden können. Die Wiederabscheidungsfilme werden in Bereichen innerhalb eines vorgegebenen Bereichs von beiden Enden der unteren Elektroden gebildet. Wenn sich die Abstände von beiden Enden der unteren Elektroden zu den magnetoresistiven Elementen wie oben beschrieben verringern, treten Probleme auf, wie z. B. die Bildung der magnetoresistiven Elemente auf den Wiederabscheidungsfilmen und ein Kurzschluss, der durch den Kontakt der Wiederabscheidungsfilme mit den oberen Elektroden verursacht wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, einen magnetischen Sensor bereitzustellen, der ein magnetoresistives Element enthält, das sich auf einem geneigten Abschnitt befindet und so konfiguriert ist, dass das Auftreten der Probleme aufgrund einer Verringerung der Breite des geneigten Abschnitts verhindert werden kann, sowie sein Herstellungsverfahren.
Ein magnetischer Sensor gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst ein magnetoresistives Element, dessen Widerstand sich mit einem externen Magnetfeld ändert, und ein Trägerelement, das das magnetoresistive Element trägt. Das Trägerelement umfasst eine obere Fläche, die dem magnetoresistiven Element gegenüberliegt, und eine untere Fläche, die sich auf einer der oberen Fläche gegenüberliegenden Seite befindet. Die obere Fläche des Trägerelements enthält einen geneigten Abschnitt, der relativ zur unteren Fläche geneigt ist.
Das magnetoresistive Element umfasst einen Hauptkörper sowie eine untere Elektrode und eine obere Elektrode, die den Hauptkörper mit Strom versorgen. Der Hauptkörper befindet sich auf dem geneigten Abschnitt. Die untere Elektrode ist zwischen dem Hauptkörper und dem geneigten Abschnitt angeordnet. Die obere Elektrode befindet sich auf dem Hauptkörper.
Der geneigte Abschnitt umfasst ein unteres Ende, das der unteren Fläche am nächsten ist, und ein oberes Ende, das am weitesten von der unteren Fläche entfernt ist. Die untere Elektrode umfasst ein erstes Ende, das dem unteren Ende des geneigten Abschnitts am nächsten ist, und ein zweites Ende, das dem oberen Ende des geneigten Abschnitts am nächsten ist. Der Hauptkörper befindet sich an einer Position, die näher am zweiten Ende der unteren Elektrode liegt als am ersten Ende der unteren Elektrode.
Bei dem Magnetsensor gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein Abstand vom oberen Ende des geneigten Abschnitts zum ersten Ende der unteren Elektrode kleiner oder größer sein als ein Abstand vom oberen Ende des geneigten Abschnitts zum unteren Ende des geneigten Abschnitts.
In dem Magnetsensor gemäß der vorliegenden Erfindung kann die obere Elektrode ein drittes Ende umfassen, das dem unteren Ende des geneigten Abschnitts am nächsten liegt. Ein Abstand von dem Hauptkörper zu dem dritten Ende der oberen Elektrode kann kleiner sein als ein Abstand von dem Hauptkörper zu dem ersten Ende der unteren Elektrode.
Ein Herstellungsverfahren für einen magnetischen Sensor gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst einen Schritt zur Bildung des magnetoresistiven Elements und einen Schritt der Bildung des Trägerelements. Der Schritt der Bildung des magnetoresistiven Elements umfasst einen Schritt der Bildung des Hauptkörpers, einen Schritt der Bildung der unteren Elektrode und einen Schritt zur Bildung der oberen Elektrode.
Der Schritt der Bildung der unteren Elektrode umfasst einen Schritt der Bildung eines Metallfilms auf dem Trägerelement, einen Schritt der Bildung einer Ätzmaske und einen Ätzschritt des Ätzens des Metallfilms unter Verwendung der Ätzmaske, so dass der Metallfilm die untere Elektrode bildet. Die Ätzmaske hat eine Hinterschneidung, der einen Raum zwischen der Ätzmaske und einer Unterschicht der Ätzmaske bildet.
Bei dem Herstellungsverfahren für einen magnetischen Sensor gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Hinterschneidung einen ersten Raum, der dem unteren Ende des geneigten Abschnitts am nächsten ist, und einen zweiten Raum, der dem oberen Ende des geneigten Abschnitts am nächsten ist, bilden. Eine maximale Abmessung des ersten Raums in einer ersten Richtung senkrecht zur unteren Fläche des Trägerelements kann größer sein als eine maximale Abmessung des zweiten Raums in der ersten Richtung. Eine Abmessung des ersten Raums in einer zweiten Richtung parallel zu einer Richtung vom unteren Ende zum oberen Ende des geneigten Abschnitts kann größer sein als eine Abmessung des zweiten Raums in der zweiten Richtung.
Bei dem Herstellungsverfahren für einen magnetischen Sensor gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Schritt der Bildung der Ätzmaske das Bilden der Ätzmaske auf dem Metallfilm umfassen. In einem solchen Fall kann der Schritt der Bildung des Hauptkörpers nach dem Ätzschritt durchgeführt werden.
In dem magnetischen Sensor und seinem Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst das magnetoresistive Element den Hauptkörper, die untere Elektrode und die obere Elektrode. Die untere Elektrode umfasst das erste Ende, das dem unteren Ende des geneigten Abschnitts am nächsten ist, und das zweite Ende, das dem oberen Ende des geneigten Abschnitts am nächsten ist. Der Hauptkörper befindet sich an einer Position näher am zweiten Ende der unteren Elektrode als am ersten Ende der unteren Elektrode. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Magnetsensor mit dem magnetoresistiven Element, das sich auf dem geneigten Abschnitt befindet, somit das Auftreten der Probleme aufgrund einer Verringerung der Breite des geneigten Abschnitts verhindern.
Andere und weitere Objekte, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung vollständiger hervorgehen.
Figurenliste

1 ist eine perspektivische Ansicht, die einen schematischen Aufbau eines Magnetsensorsystems einer Ausführungsform der Erfindung zeigt.
2 ist eine perspektivische Ansicht, die einen magnetischen Sensor gemäß der Ausführungsform der Erfindung zeigt.
3 ist eine Draufsicht, die einen magnetischen Sensor gemäß der Ausführungsform der Erfindung zeigt.
4 ist eine Schnittdarstellung, die einen Querschnitt des magnetischen Sensors gemäß der Ausführungsform der Erfindung zeigt.
5 ist ein Schaltplan, der die Schaltungsanordnung des magnetischen Sensors gemäß der Ausführungsform der Erfindung zeigt.
6 ist eine Querschnittsansicht, die einen Schritt eines Herstellungsverfahrens für den magnetischen Sensor gemäß der Ausführungsform der Erfindung zeigt.
7 ist eine Querschnittsansicht, die einen Schritt zeigt, die auf den Schritt in 6 folgt.
8 ist eine Querschnittsansicht, die einen Schritt zeigt, die auf den Schritt in 7 folgt.
9 ist eine Querschnittsansicht, die einen Schritt zeigt, die auf den Schritt in 8 folgt.
10 ist eine Querschnittsansicht, die einen Schritt zeigt, die auf den Schritt in 9 folgt.
11 ist eine Querschnittsansicht, die einen Querschnitt durch ein Modifikationsbeispiel des magnetischen Sensors gemäß der Ausführungsform der Erfindung zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Detail beschrieben. Eine Skizze eines Magnetsensorsystems mit einem magnetischen Sensor gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird zunächst unter Bezugnahme auf 1 beschrieben. Ein Magnetsensorsystem 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform umfasst einen Magnetsensor 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform und einen Magnetfeldgenerator 5. Der Magnetfeldgenerator 5 erzeugt ein Zielmagnetfeld MF, das ein für den Magnetsensor 1 zu detektierendes Magnetfeld ist (zu detektierendes Magnetfeld).
Der Magnetfeldgenerator 5 ist um die Rotationsachse C drehbar. Der Magnetfeldgenerator 5 umfasst ein Paar an Magneten 6A und 6B. Die Magnete 6A und 6B sind an symmetrischen Positionen mit einer virtuellen Ebene angeordnet, die die Rotationsachse C im Zentrum enthält. Die Magnete 6A und 6B haben jeweils einen N-Pol und einen S-Pol. Die Magnete 6A und 6B sind so ausgerichtet, dass der N-Pol des Magneten 6A dem S-Pol des Magneten 6B gegenüber liegt. Der Magnetfeldgenerator 5 erzeugt das Zielmagnetfeld MF in der Richtung vom N-Pol des Magneten 6A zum S-Pol des Magneten 6B.
Der Magnetsensor 1 befindet sich an einer Position, an der das Zielmagnetfeld MF an einer vorgegebenen Referenzposition erfasst werden kann. Die Referenzposition kann sich auf einer Rotationsachse C befinden. In der folgenden Beschreibung befindet sich die Referenzposition auf der Rotationsachse C. Der Magnetsensor 1 erfasst das vom Magnetfeldgenerator 5 erzeugte Zielmagnetfeld MF und erzeugt einen Erfassungswert V_S. Der Erfassungswert V_S steht im Zusammenhang mit einer relativen Position, insbesondere Drehposition, des Magnetfeldgenerators 5 in Bezug auf den Magnetsensor 1.
Das Magnetsensorsystem 100 kann als Vorrichtung zur Erfassung der Drehposition eines drehbaren, beweglichen Teils in einer Vorrichtung verwendet werden, die das bewegliche Teil enthält. Beispiele für eine solche Vorrichtung sind ein Gelenk eines Industrieroboters. 1 zeigt ein Beispiel, bei dem das Magnetsensorsystem 100 an einem Industrieroboter 200 eingesetzt wird.
Der in 1 dargestellte Industrieroboter 200 umfasst ein bewegliches Teil 201 und eine Stützeinheit 202, die das bewegliche Teil 201 drehbar lagert. Das bewegliche Teil 201 und die Trägereinheit 202 sind an einem Gelenk verbunden. Das bewegliche Teil 201 dreht sich um eine Drehachse C. Wenn das Magnetsensorsystem 100 beispielsweise am Gelenk des Industrieroboters 200 angebracht ist, kann der Magnetsensor 1 an der Stützeinheit 202 befestigt werden, und die Magnete 6A und 6B können am beweglichen Teil 201 befestigt werden.
Nun definieren wir die X-, Y- und Z-Richtung wie in 1 gezeigt. Die X-, Y- und Z-Richtungen sind orthogonal zueinander. In der vorliegenden Ausführungsform wird eine Richtung parallel zur Drehachse C (in 1 eine Richtung außerhalb der Zeichenebene) als X-Richtung bezeichnet. In 1 ist die Y-Richtung als eine Richtung nach rechts und die Z-Richtung als eine Richtung nach oben dargestellt. Die zur X-, Y- und Z-Richtung entgegengesetzten Richtungen werden als -X-, -Y- bzw. -Z-Richtung bezeichnet. Die Richtung des Zielmagnetfelds MF dreht sich in der YZ-Ebene um die Referenzposition auf der Drehachse C.
Als nächstes wird eine Konfiguration des magnetischen Sensors 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform mit Bezug auf die 2 bis 5 beschrieben. 2 ist eine perspektivische Ansicht, die einen magnetischen Sensor 1 zeigt. 3 ist eine Draufsicht, die einen magnetischen Sensor 1 zeigt. 4 ist eine Schnittansicht, die einen Querschnitt des magnetischen Sensors 1 zeigt. 5 ist ein Schaltplan, der die Schaltungsanordnung des magnetischen Sensors 1 zeigt.
Der Magnetsensor 1 umfasst mindestens ein magnetoresistives Element, dessen Widerstand sich mit einem externen Magnetfeld ändert, und ein Trägerelement 60, das das mindestens eine magnetoresistive Element trägt. Ein magnetoresistives Element wird im Folgenden als MR-Element bezeichnet. Das mindestens eine MR-Element ist jeweils so konfiguriert, dass es das Zielmagnetfeld MF erfassen kann. In der vorliegenden Ausführungsform umfasst der Magnetsensor 1 vier MR-Elemente 10, 20, 30 und 40 als das mindestens eine MR-Element.
Wie in den 2 und 4 gezeigt, umfasst das Trägerelement 60 eine obere Fläche 60a, die den MR-Elementen 10, 20, 30 und 40 gegenüberliegt, und eine untere Fläche 60b, die sich auf einer der oberen Fläche 60a gegenüberliegenden Seite befindet. Die obere Fläche 60a befindet sich an einem Ende des Trägerelements 60 in Z-Richtung. Die untere Fläche 60b befindet sich an einem Ende des Trägerelements 60 in der -Z-Richtung. Die untere Fläche 60b ist parallel zur XY-Ebene.
Die obere Fläche 60a des Trägerelements 60 umfasst mindestens einen geneigten Abschnitt, der relativ zur unteren Fläche 60b geneigt ist. In der vorliegenden Ausführungsform umfasst die obere Fläche 60a des Trägerelement 60 zwei geneigte Abschnitte 60a1 und 60a2, die symmetrisch zu einer ZX-Ebene sind. Die Gesamtheit jedes der geneigten Abschnitte 60a1 und 60a2 ist senkrecht zur YZ-Ebene und relativ zur XY-Ebene geneigt.
Wie in 4 gezeigt, umfasst der geneigte Abschnitt 60a1 ein unteres Ende Ea, das der unteren Fläche 60b am nächsten liegt, und ein oberes Ende Eb, das am weitesten von der unteren Fläche 60b entfernt ist. Das untere Ende Ea des geneigten Abschnitts 60a1 befindet sich an einem Ende des geneigten Abschnitts 60a1 in Y-Richtung. Das obere Ende Eb des geneigten Abschnitts 60a1 befindet sich an einem Ende des geneigten Abschnitts 60a1 in der -Y-Richtung.
Wie in 4 gezeigt, umfasst der geneigte Abschnitt 60a2 ein unteres Ende Ec, das der unteren Fläche 60b am nächsten liegt, und ein oberes Ende Ed, das am weitesten von der unteren Fläche 60b entfernt ist. Das untere Ende Ec des geneigten Abschnitts 60a2 befindet sich an einem Ende des geneigten Abschnitts 60a2 in der -Y-Richtung. Das obere Ende Ed des geneigten Abschnitts 60a2 befindet sich an einem Ende des geneigten Abschnitts 60a2 in der Y-Richtung.
Die obere Fläche 60a des Trägerelements 60 umfasst außerdem drei flache Abschnitte 60a3, 60a4 und 60a5. Der flache Abschnitt 60a3 ist mit dem unteren Ende Ea des geneigten Abschnitts 60a1 verbunden. Der flache Abschnitt 60a4 ist mit dem unteren Ende Ec des geneigten Abschnitts 60a2 verbunden. Der flache Abschnitt 60a5 ist mit dem oberen Ende Eb des geneigten Abschnitts 60a1 und dem oberen Ende Ed des geneigten Abschnitts 60a2 verbunden. Alle flachen Abschnitte 60a3 bis 60a5 sind parallel zur XY-Ebene.
Im Hinblick auf die Fertigungsgenauigkeit und dergleichen des magnetischen Sensors 1 können die geneigten Abschnitte 60a1 und 60a2 gekrümmt sein. In einem solchen Fall können das obere Ende Eb des geneigten Abschnitts 60a1 und das obere Ende Ed des geneigten Abschnitts 60a2 miteinander verbunden sein.
Die MR-Elemente 10 und 20 befinden sich auf dem geneigten Abschnitt 60a1. Die MR-Elemente 30 und 40 befinden sich auf dem geneigten Abschnitt 60a2. Wie in 2 und 3 gezeigt, sind die MR-Elemente 10 und 20 in dieser Reihenfolge entlang der -X-Richtung in einer Reihe angeordnet. Die MR-Elemente 30 und 40 sind in dieser Reihenfolge entlang der -X-Richtung in einer Reihe angeordnet, und zwar an Positionen, die in der -Y-Richtung vor den MR-Elementen 10 und 20 liegen. Der Satz von MR-Elementen 10 und 20 und der Satz von MR-Elementen 30 und 40 können symmetrisch um die XZ-Ebene angeordnet sein.
Jedes der MR-Elemente 10, 20, 30 und 40 umfasst mindestens einen MR-Element-Hauptkörper sowie mindestens eine untere Elektrode und mindestens eine obere Elektrode, die dem mindestens einen MR-Element-Hauptkörper einen Strom zuführen. Als den mindestens einen MR-Element-Hauptkörper und die mindestens eine untere Elektrode und mindestens eine obere Elektrode umfasst gemäß der vorliegenden Ausführungsform jedes der MR-Elemente 10, 20, 30 und 40 zwei MR-Element-Hauptkörper, eine untere Elektrode und zwei obere Elektroden.
Die MR-Elemente 10 und 20 haben die gleiche Konfiguration. Die folgende Beschreibung dient sowohl als Beschreibung des MR-Elements 10 (mit Bezugsziffern vor Klammern) als auch als Beschreibung des MR-Elements 20 (mit eingeklammerten Bezugsziffern). Das MR-Element 10 (20) umfasst MR-Element-Hauptkörper 11 und 12 (21 und 22), eine untere Elektrode 13 (23) und obere Elektroden 14 und 15 (24 und 25) und befindet sich auf dem geneigten Abschnitt 60a1. Die untere Elektrode 13 (23) ist zwischen den MR-Element-Hauptkörpern 11 und 12 (21 und 22) und dem geneigten Abschnitt 60a1 angeordnet. Die obere Elektrode 14 (24) befindet sich auf dem MR-Element-Hauptkörper 11 (21). Die obere Elektrode 15 (25) befindet sich auf dem MR-Element-Hauptkörper 12 (22). Jeder der MR-Element-Hauptkörper 11 und 12 (21 und 22) hat eine untere, der unteren Elektrode 13 (23) zugewandte Fläche und eine obere Fläche auf der gegenüberliegenden Seite.
Die MR-Elemente 30 und 40 haben die gleiche Konfiguration. Die folgende Beschreibung dient sowohl als Beschreibung des MR-Elements 30 (mit Bezugsziffern vor Klammern) als auch als Beschreibung des MR-Elements 40 (mit eingeklammerten Bezugsziffern). Das MR-Element 30 (40) umfasst MR-Element-Hauptkörper 31 und 32 (41 und 42), eine untere Elektrode 33 (43) und obere Elektroden 34 und 35 (44 und 45) und befindet sich auf dem geneigten Abschnitt 60a2. Die untere Elektrode 33 (43) ist zwischen den MR-Element-Hauptkörpern 31 und 32 (41 und 42) und dem geneigten Abschnitt 60a2 angeordnet. Die obere Elektrode 34 (44) befindet sich auf dem MR-Element-Hauptkörper 31 (41). Die obere Elektrode 35 (45) befindet sich auf dem MR-Element-Hauptkörper 32 (42). Jeder der MR-Element-Hauptkörper 31 und 32 (41 und 42) hat eine untere, der unteren Elektrode 33 (43) zugewandte Fläche und eine obere Fläche auf der gegenüberliegenden Seite.
Wie in 2 und 3 gezeigt, sind die MR-Element-Hauptkörper 11, 12, 21 und 22 in dieser Reihenfolge entlang der -X-Richtung in einer Reihe angeordnet. Die MR-Element-Hauptkörper 31, 32, 41 und 42 sind in dieser Reihenfolge entlang der -X-Richtung in einer Reihe angeordnet, an Positionen vor den MR-Element-Hauptkörpern 11, 12, 21 und 22 in der -Y-Richtung. Der Satz von MR-Element-Hauptkörpern 11, 12, 21 und 22 und der Satz von MR-Element-Hauptkörpern 31, 32, 41 und 42 können symmetrisch um die XZ-Ebene angeordnet sein.
Der Magnetsensor 1 umfasst außerdem eine Zuleitungselektrode 51, die mit dem Rand der oberen Elektroden 15 und 24 verbunden ist, und eine Zuleitungselektrode 52, die mit dem Rand der oberen Elektroden 35 und 44 verbunden ist. Die unteren Elektroden 13, 23, 33 und 43, die oberen Elektroden 14, 15, 24, 25, 34, 35, 44 und 45 sowie die Zuleitungselektroden 51 und 52 sind aus einem leitfähigen Material wie z. B. Cu gefertigt. In 2 sind die oberen Elektroden 14, 15, 24, 25, 34, 35, 44 und 45 sowie die Zuleitungselektroden 51 und 52 weggelassen.
Wie in den 2 und 4 gezeigt, umfasst das Trägerelement 60 ein Substrat 61 und eine Isolierschicht 62, die sich auf dem Substrat 61 befindet. Das Substrat 61 ist ein Halbleitersubstrat, das aus einem Halbleiter wie z. B. Si besteht. Das Substrat 61 hat eine obere Fläche, die sich an einem Ende des Substrats 61 in der Z-Richtung befindet, und eine untere Fläche, die sich an einem Ende des Substrats 61 in der -Z-Richtung befindet. Die untere Fläche 60b des Trägerelements 60 wird durch die untere Fläche des Substrats 61 gebildet. Das Substrat 61 hat eine konstante Dicke (Abmessung in Z-Richtung).
Die Isolierschicht 62 ist aus einem isolierenden Material wie z. B. SiO₂ gefertigt. Die Isolierschicht 62 umfasst eine obere Fläche, die sich an einem Ende in Z-Richtung befindet. Die obere Fläche 60a des Trägerelements 60 wird durch die obere Fläche der Isolierschicht 62 gebildet. Die Isolierschicht 62 hat eine minimale Dicke (Abmessung in Z-Richtung) in der Nähe der Enden der Isolierschicht 62 in der Y- und -Y-Richtung und eine maximale Dicke in der Nähe der Mitte der Isolierschicht 62 in einer Richtung parallel zur Y-Richtung.
Die unteren Elektroden 13, 23, 33 und 43 befinden sich auf der oberen Fläche 60a des Trägerelements 60, d. h. auf der oberen Fläche der Isolierschicht 62. Wie in 4 gezeigt, umfasst der magnetische Sensor 1 ferner Isolierschichten 63, 64 und 65. Die Isolierschicht 63 befindet sich auf der Oberseite der Isolierschicht 62, um die unteren Elektroden 13, 23, 33 und 43 herum. Wie in 2 gezeigt, befinden sich die MR-Element-Hauptkörper 11, 12, 21, 22, 31, 32, 41 und 42 auf den unteren Elektroden 13, 23, 33 und 43.
Die Isolierschicht 64 befindet sich auf den unteren Elektroden 13, 23, 33 und 43 und die Isolierschicht 63 um die MR-Element-Hauptkörper 11, 12, 21, 22, 31, 32, 41 und 42. Die oberen Elektroden 14, 15, 24, 25, 34, 35, 44 und 45 befinden sich jeweils auf den MR-Element-Hauptkörpern 11, 12, 21, 22, 31, 32, 41 und 42 (siehe 3) und auf der Isolierschicht 64 (siehe 4).
Die Zuleitungselektroden 51 und 52 befinden sich auf der Isolierschicht 64. Die Isolierschicht 65 befindet sich auf der Isolierschicht 64, um die oberen Elektroden 14, 15, 24, 25, 34, 35, 44 und 45 und die Zuleitungselektroden 51 und 52. In 2 und 3 sind die Isolierschichten 63 bis 65 weggelassen.
Der magnetische Sensor 1 kann ferner eine nicht dargestellte Isolierschicht enthalten, die die vorgenannten oberen Elektroden, die Zuleitungselektroden 51 und 52 und die Isolierschicht 65 bedeckt. Die Isolierschichten 63 bis 65 und die nicht gezeigte Isolierschicht bestehen aus einem isolierenden Material wie z. B. SiO₂.
Wie in 5 gezeigt, umfasst der Magnetsensor 1 außerdem die Stromversorgungsknoten V1 und V2, die Erdungsknoten G1 und G2 sowie die Signalausgangsknoten E11 und E12. An die Stromversorgungsknoten V1 und V2 werden Versorgungsspannungen vorbestimmter Größe angelegt. Die Erdungsknoten G1 und G2 sind geerdet.
Das MR-Element 10 ist zwischen dem Stromversorgungsknoten V1 und dem Signalausgangsknoten E1 angeordnet. Die MR-Element-Hauptkörper 11 und 12 sind in dieser Reihenfolge von der Seite des Versorgungsknotens V1 aus in Reihe geschaltet. Die obere Elektrode 14 ist elektrisch mit dem Stromversorgungsknoten V1 verbunden. Die obere Elektrode 15 ist über die Zuleitungselektrode 51 elektrisch mit dem Signalausgangsknoten E1 verbunden.
Das MR-Element 20 ist zwischen dem Signalausgangsknoten E1 und dem Masseknoten G1 angeordnet. Die MR-Element-Hauptkörper 21 und 22 sind in dieser Reihenfolge vom Signalausgangsknoten E1 her in Reihe geschaltet. Die obere Elektrode 24 ist über die Zuleitungselektrode 51 elektrisch mit dem Signalausgangsknoten E1 verbunden. Die obere Elektrode 25 ist elektrisch mit dem Erdungsknoten G1 verbunden.
Das MR-Element 30 ist zwischen dem Stromversorgungsknoten V2 und dem Signalausgangsknoten E2 angeordnet. Die MR-Element-Hauptkörper 31 und 32 sind in dieser Reihenfolge von der Seite des Versorgungsknotens V2 aus in Reihe geschaltet. Die obere Elektrode 34 ist elektrisch mit dem Versorgungsknoten V2 verbunden. Die obere Elektrode 35 ist über die Zuleitungselektrode 52 elektrisch mit dem Signalausgangsknoten E2 verbunden.
Das MR-Element 40 ist zwischen dem Signalausgangsknoten E2 und dem Masseknoten G2 angeordnet. Die MR-Element-Hauptkörper 41 und 42 sind in dieser Reihenfolge vom Signalausgangsknoten E2 her in Reihe geschaltet. Die obere Elektrode 44 ist über die Zuleitungselektrode 52 elektrisch mit dem Signalausgangsknoten E2 verbunden. Die obere Elektrode 45 ist elektrisch mit dem Erdungsknoten G2 verbunden.
Schaltungstechnisch sind die MR-Element-Hauptkörper 12 und 21 in Reihe geschaltet. Der Signalausgangsknoten E1 gibt als Messsignal S1 ein Signal aus, das dem Potential des Verbindungspunktes zwischen den MR-Element-Hauptkörpern 12 und 21 entspricht.
Schaltungstechnisch sind die MR-Element-Hauptkörper 32 und 41 in Reihe geschaltet. Der Signalausgangsknoten E2 gibt als Messsignal S2 ein Signal aus, das dem Potential des Verbindungspunktes zwischen den MR-Element-Hauptkörpern 32 und 41 entspricht.
Der Magnetsensor 1 enthält weiterhin eine Messwert-Erzeugungsschaltung 53, die auf der Basis der Messsignale S1 und S2 den Messwert V_S erzeugt. Der Messwert V_S ist abhängig von den Messsignalen S1 und S2. Die Messwert-Erzeugungsschaltung 53 umfasst z. B. eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) oder einen Mikrocomputer.
Das Substrat 61 und die auf dem Substrat 61 gestapelten Teile des Magnetsensors 1 werden zusammen als Messeinheit bezeichnet. In den 1 bis 4 ist die Messeinheit dargestellt. Die Messwert-Erzeugungsschaltung 53 kann in die Messeinheit integriert oder von ihr getrennt sein.
Die Konfiguration der MR-Elemente 10, 20, 30 und 40 wird nun im Detail beschrieben. In der vorliegenden Ausführungsform ist insbesondere jedes der MR-Elemente 10, 20, 30 und 40 ein Spin-Ventil-MR-Element. Jeder der MR-Element-Hauptkörper 11, 12, 21, 22, 31, 32, 41 und 42 umfasst eine magnetisierungsfixierte Schicht mit einer Magnetisierung, deren Richtung fest ist, eine freie Schicht mit einer Magnetisierung, deren Richtung in Abhängigkeit von der Richtung eines externen Magnetfeldes variabel ist, und eine Spaltschicht, die sich zwischen der magnetisierungsfixierten Schicht und der freien Schicht befindet. Jedes der MR-Elemente 10, 20, 30 und 40 kann ein tunnel-magnetoresistives Element (TMR-Element) oder ein riesiges Riesenmagnetowiderstands-Element (engl. giant magnetoresistive element, GMR-Element) sein. Bei dem TMR-Element ist die Spaltschicht eine Tunnelsperrschicht. Beim GMR-Element ist die Spaltschicht eine nichtmagnetische leitfähige Schicht. Die Widerstände der MR-Elemente 10, 20, 30 und 40 ändern sich mit einem Winkel, den die Richtung der Magnetisierung der freien Schicht zur Richtung der Magnetisierung der magnetisierten Schicht bildet. Der Widerstand ist minimiert, wenn der Winkel 0 ist°. Der Widerstand ist maximiert, wenn der Winkel 180 beträgt°. In jedem der MR-Elemente 10, 20, 30 und 40 weist die freie Schicht eine Formanisotropie auf, die die Richtung der leicht zu magnetisierenden Achse orthogonal zur Magnetisierungsrichtung der magnetisierbaren Schicht setzt. In 5 zeigen die gefüllten Pfeile die Richtungen der Magnetisierungen der magnetisierungsfixierten Schichten an, die in den jeweiligen MR-Element-Hauptkörpern 11, 12, 21, 22, 31, 32, 41 und 42 enthalten sind.
Als nächstes wird die elektrische Verbindungsbeziehung zwischen den MR-Element-Hauptkörpern, den unteren Elektroden und den oberen Elektroden in den MR-Elementen 10, 20, 30 und 40 beschrieben. Die folgende Beschreibung dient sowohl als Beschreibung der elektrischen Verbindungsbeziehung in den MR-Elementen 10 und 20 (mit Bezugsziffern vor Klammern) als auch als Beschreibung der elektrischen Verbindungsbeziehung in den MR-Elementen 30 und 40 (mit eingeklammerten Bezugsziffern). Die untere Elektrode 13 (33) verbindet die untere Fläche der jeweiligen MR-Element-Hauptkörper 11 und 12 (31 und 32) elektrisch. Die oberen Elektroden 15 und 24 (35 und 44) verbinden elektrisch die Oberseiten der jeweiligen MR-Element-Hauptkörper 12 und 21 (32 und 42). Die untere Elektrode 23 (43) verbindet elektrisch die unteren Oberflächen der jeweiligen MR-Element-Hauptkörper 21 und 22 (41 und 42).
Als nächstes wird die Lagebeziehung zwischen den MR-Element-Hauptkörpern, der unteren Elektrode und den oberen Elektroden in jedem der MR-Elemente 10, 20, 30 und 40 beschrieben. Die Lagebeziehung zwischen den MR-Element-Hauptkörpern 11 und 12 und der unteren Elektrode 13 im MR-Element 10 wird zunächst unter Bezugnahme auf 4 beschrieben. Die untere Elektrode 13 umfasst ein erstes Ende 13a, das dem unteren Ende Ea des geneigten Abschnitts 60a1 am nächsten liegt, und ein zweites Ende 13b, das dem oberen Ende Eb des geneigten Abschnitts 60a1 am nächsten liegt.
Die gesamte untere Elektrode 13 befindet sich auf dem geneigten Abschnitt 60a1. Der Abstand vom oberen Ende Eb des geneigten Abschnitts 60a1 zum ersten Ende 13a der unteren Elektrode 13 ist kleiner als der vom oberen Ende Eb zum unteren Ende Ea des geneigten Abschnitts 60a1.
Der MR-Element-Hauptkörper 11 befindet sich an einer Position näher am zweiten Ende 13b als am ersten Ende 13a. Der Abstand vom zweiten Ende 13b zum MR-Element-Hauptkörper 11 ist kleiner als der vom ersten Ende 13a zum MR-Element-Hauptkörper 11. Das Gleiche gilt für den MR-Element-Hauptkörper 12.
Die Beschreibung der Lagebeziehung zwischen den MR-Element-Hauptkörpern 11 und 12 und der unteren Elektrode 13 im MR-Element 10 gilt auch für die Lagebeziehung zwischen den MR-Element-Hauptkörpern 21 und 22 und der unteren Elektrode 23 im MR-Element 20, wenn die Bezugsziffern 11, 12 und 13 durch die Bezugsziffern 21, 22 bzw. 23 ersetzt werden.
Als nächstes wird die Lagebeziehung zwischen den MR-Element-Hauptkörpern 31 und 32 und der unteren Elektrode 33 im MR-Element 30 unter Bezugnahme auf 4 beschrieben. Die untere Elektrode 33 hat ein erstes Ende 33a, das dem unteren Ende Ec des geneigten Abschnitts 60a2 am nächsten ist, und ein zweites Ende 33b, das dem oberen Ende Ed des geneigten Abschnitts 60a2 am nächsten ist. Die Beschreibung der Lagebeziehung zwischen den MR-Element-Hauptkörpern 11 und 12 und der unteren Elektrode 13 im MR-Element 10 gilt auch für die Lagebeziehung zwischen den MR-Element-Hauptkörpern 31 und 32 und der unteren Elektrode 33 im MR-Element 30, wenn die Bezugsziffern 11, 12, 13, 13a, 13b, 60a1, Ea und Eb durch die Bezugsziffern 31, 32, 33, 33a, 33b, 60a2, Ec bzw. Ed ersetzt werden. Die Beschreibung der Lagebeziehung zwischen den MR-Element-Hauptkörpern 31 und 32 und der unteren Elektrode 33 im MR-Element 30 gilt auch für die Lagebeziehung zwischen den MR-Element-Hauptkörpern 41 und 42 und der unteren Elektrode 43 im MR-Element 40, wenn die Bezugsziffern 31, 32 und 33 jeweils durch die Bezugsziffern 41, 42 und 43 ersetzt werden.
Nun wird ein Herstellungsverfahren für den Magnetsensor 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform unter Bezugnahme auf 6 bis 10 beschrieben. Das Herstellungsverfahren für den magnetischen Sensor 1 umfasst Schritte der Bildung der in den 1 bis 4 gezeigten Teile des magnetischen Sensors 1, d.h. der Messeinheit, und Schritte zur Fertigstellung des magnetischen Sensors 1 unter Verwendung der Messeinheit. Die 6 bis 10 zeigen die Schritte zur Bildung der Messeinheit.
Wie in 6 gezeigt, wird bei den Schritten der Bildung der Messeinheit zunächst die Isolierschicht 62 auf dem Substrat 61 gebildet. Die Isolierschicht 62 kann durch Bilden einer Fotolackmaske auf dem Substrat 61 und anschließendes Bilden eines Isolierfilms gebildet werden. Die Isolierschicht 62 kann durch Bilden einer Isolierschicht auf dem Substrat 61 und anschließendes Ätzen eines Teils der Isolierschicht gebildet werden. Die Bildung der Isolierschicht 62 vervollständigt das Trägerelement 60. Als Nächstes wird auf der Isolierschicht 62, d. h. auf dem Trägerelement 60, ein Metallfilm 71 für die spätere Herstellung der unteren Elektroden 13, 23, 33 und 43 gebildet. Der Metallfilm 71 wird so ausgebildet, dass er die gesamte obere Fläche der Isolierschicht 62 bedeckt.
In 7 ist der nächste Schritt dargestellt. In diesem Schritt werden zunächst die erste bis vierte Ätzmaske 81 auf der Metallfolie 71 gebildet. Die erste, zweite, dritte und vierte Ätzmaske 81 werden zur Bildung der unteren Elektroden 13, 23, 33 bzw. 43 verwendet. 7 zeigt die erste Ätzmaske 81.
Jede der ersten bis vierten Ätzmasken 81 hat eine Hinterschneidung 81C. Die Hinterschneidung 81C bildet einen Raum zwischen der Ätzmaske 81 und einer Unterschicht der Ätzmaske 81. In der vorliegenden Ausführungsform umfasst jede der ersten bis vierten Ätzmasken 81 eine untere Schicht 81A, die sich auf der Metallfolie 71 befindet, und eine obere Schicht 81B, die sich auf der unteren Schicht 81A befindet. Die obere Schicht 81B besteht aus einem Fotolack, der durch Photolithographie strukturiert wurde. Die untere Schicht 81A besteht aus einem Material, das sich in einem Entwickler auflöst, der z. B. bei der Strukturierung der oberen Schicht 81B verwendet wird. Die Hinterschneidung 81C wird durch Entfernen eines Teils der unteren Schicht 81Abei der Strukturierung der oberen Schicht 81B gebildet.
In dem in 7 gezeigten Schritt wird dann ein Ätzschritt zum Ätzen des Metallfilms 71 durch Ionenfräsen durchgeführt, z. B. unter Verwendung der ersten bis vierten Ätzmaske 81, so dass der Metallfilm 71 die unteren Elektroden 13, 23, 33 und 43 bildet. Wie oben beschrieben, hat jede der ersten bis vierten Ätzmasken 81 die Hinterschneidung 81C. Im Ätzschritt treten geätzte und verstreute Substanzen des Metallfilms 71 in den durch die Hinterschneidung 81C gebildeten Raum ein, um einen Wiederabscheidungsfilm auf der Oberfläche jeder der unteren Elektroden 13, 23, 33 und 43 zu bilden. In 7 stellt die Bezugsziffer 91 den Wiederabscheidungsfilm dar, der auf der Oberfläche der unteren Elektrode 13 in der Nähe des ersten Endes 13a der unteren Elektrode 13 gebildet wird. Die Bezugsziffer 92 steht für den auf der Oberfläche der unteren Elektrode 13 in der Nähe des zweiten Endes 13b der unteren Elektrode 13 gebildeten Ablagerungsfilm.
Obwohl in den Zeichnungen nicht dargestellt, werden auch auf der Oberfläche jeder der unteren Elektroden 23, 33 und 43 Wiederabscheidungsfilme ähnlich den Wiederabscheidungsfilmen 91 und 92 gebildet. Ein Wiederabscheidungsfilm, der auf der Oberfläche einer unteren Elektrode in der Nähe des ersten Endes der unteren Elektrode gebildet wird, wird im Folgenden als erster Wiederabscheidungsfilm bezeichnet. Ein in der Nähe des zweiten Endes der unteren Elektrode gebildeter Wiederbeschichtungsfilm wird als zweiter Wiederbeschichtungsfilm bezeichnet.
In dem in 7 gezeigten Schritt wird dann die Isolierschicht 63 gebildet, wobei die erste bis vierte Ätzmaske 81 nicht entfernt wird. Die Isolierschicht 63 wird auch auf den Oberflächen der ersten bis vierten Ätzmaske 81 gebildet. In 7 ist der Teil der Isolierschicht 63, der auf der Oberfläche der ersten Ätzmaske 81 ausgebildet ist, weggelassen. Die erste bis vierte Ätzmaske 81 werden dann entfernt.
In 8 ist der nächste Schritt dargestellt. In diesem Schritt werden schließlich der Reihe nach Filme zur Herstellung der Schichten gebildet, die die MR-Element-Hauptkörper 11, 12, 21, 22, 31, 32, 41 und 42 der MR-Elemente 10, 20, 30 und 40 bilden. Dadurch wird auf den unteren Elektroden 13, 23, 33 und 43 und der Isolierschicht 63 ein geschichteter Film 72 zur späteren Herstellung der MR-Element-Hauptkörper 11, 12, 21, 22, 31, 32, 41 und 42 gebildet.
In 9 ist der nächste Schritt dargestellt. In diesem Schritt werden zunächst acht nicht dargestellte Ätzmasken zur Ausbildung der MR-Element-Hauptkörper 11, 12, 21, 22, 31, 32, 41 und 42 auf dem geschichteten Film 72 ausgebildet. Wie die erste bis vierte Ätzmaske 81 können auch die acht Ätzmasken Hinterschneidungen aufweisen. Anschließend wird der geschichtete Film 72 z. B. durch Ionenfräsen unter Verwendung der acht Ätzmasken geätzt. Der geschichtete Film 72 wird dadurch zu den MR-Element-Hauptkörpern 11, 12, 21, 22, 31, 32, 41 und 42 gemacht. Durch das Ätzen werden auch die ersten und zweiten Wiederabscheidungsfilme entfernt, die auf den Oberflächen der unteren Elektroden 13, 23, 33 und 43 im Ätzschritt gebildet wurden. Als nächstes wird die Isolierschicht 64 gebildet, wobei die acht Ätzmasken nicht entfernt werden. Als nächstes werden die acht Ätzmasken entfernt.
In 10 ist der nächste Schritt dargestellt. In diesem Schritt wird zunächst auf den MR-Element-Hauptkörpern 11, 12, 21, 22, 31, 32, 41 und 42 und der Isolierschicht 64 ein Metallfilm zur späteren Herstellung der oberen Elektroden 14, 15, 24, 25, 34, 35, 44 und 45 sowie der Zuleitungselektroden 51 und 52 gebildet. Als nächstes werden sechs nicht dargestellte Ätzmasken zur Bildung der oberen Elektroden 14, 15, 24, 25, 34, 35, 44 und 45 auf der Metallfolie ausgebildet. Anschließend wird die Metallfolie z. B. durch Ionenfräsen unter Verwendung der sechs Ätzmasken geätzt. Dadurch werden aus der Metallfolie die oberen Elektroden 14, 15, 24, 25, 34, 35, 44 und 45 und die Zuleitungselektroden 51 und 52 gebildet. Als nächstes wird die Isolierschicht 66 gebildet, wobei die sechs Ätzmasken nicht entfernt werden. Als nächstes werden die sechs Ätzmasken entfernt. Nach dem Entfernen der Ätzmasken kann eine nicht dargestellte Isolierschicht gebildet werden, die die oberen Elektroden 14, 15, 24, 25, 34, 35, 44 und 45, die Zuleitungselektroden 51 und 52 und die Isolierschicht 65 bedeckt.
Als nächstes wird eine Vielzahl von Anschlüssen, die die Stromversorgungsknoten V1 und V2 und dergleichen bilden, gebildet, um die Messeinheit des magnetischen Sensors 1 zu vervollständigen.
Im Folgenden wird die Hinterschneidung 81C jeder der ersten bis vierten Ätzmaske 81 im Detail beschrieben. Die Hinterschneidung 81C der ersten Ätzmaske 81 wird zunächst mit Bezug auf 7 beschrieben. Die Hinterschneidung 81C der ersten Ätzmaske 81 bildet einen ersten Raum SPa, der dem unteren Ende Ea des geneigten Abschnitts 60a1 am nächsten ist, und einen zweiten Raum SPb, der dem oberen Ende Eb des geneigten Abschnitts 60a1 am nächsten ist. Die untere Schicht 81A ist zwischen dem ersten Raum SPa und dem zweiten Raum SPb eingefügt. Der erste Raum SPa ist ein Raum, der sich in Y-Richtung vor der unteren Schicht 81A befindet. Der zweite Raum SPb ist ein Raum, der sich in der -Y-Richtung vor der unteren Schicht 81A befindet.
Die untere Schicht 81A der ersten Ätzmaske 81 wird durch Auftragen eines Materials mit Fließfähigkeit auf die gesamte obere Fläche des Stapels gebildet. Das Material nimmt an der Seite des unteren Endes Ea des geneigten Abschnitts 60a1 an Dicke zu und an der Seite des oberen Endes Eb des geneigten Abschnitts 60a1 ab.
Hier wird eine Richtung senkrecht zur unteren Fläche 60b des Trägerelements 60 als erste Richtung D1 definiert. Die erste Richtung D1 ist auch parallel zur Z-Richtung. Eine Abmessung in der ersten Richtung D1 wird im Folgenden als Höhe bezeichnet. Je näher am unteren Ende Ea des geneigten Abschnitts 60a1, desto größer ist die Höhe der unteren Schicht 81A der ersten Ätzmaske 81 vor der Strukturierung der oberen Schicht 81B. Wie oben beschrieben, wird die Hinterschneidung 81C durch Entfernen eines Teils der unteren Schicht 81A beim Strukturieren der oberen Schicht 81B gebildet. Jeder der ersten und zweiten Räume SPa und SPb nimmt daher in Richtung des unteren Endes Ea des geneigten Abschnitts 60a1 an Höhe zu. Außerdem ist die Höhe des ersten Raums SPa größer als die des zweiten Raums SPb. Insbesondere ist die maximale Höhe des ersten Raums SPa größer als die des zweiten Raums SPb. Die minimale Höhe des ersten Raums SPa kann größer sein als die maximale Höhe des zweiten Raums SPb.
Eine Richtung parallel zu einer Richtung vom unteren Ende Ea zum oberen Ende Eb des geneigten Abschnitts 60a1 wird als eine zweite Richtung D2u definiert. Wie oben beschrieben, ist die Höhe des ersten Raums SPa größer als die des zweiten Raums SPb. Bei der Strukturierung der oberen Schicht 81B ist es daher wahrscheinlicher, dass das Entwicklungsmittel in den ersten Raum SPa als in den zweiten Raum SPb gelangt. Infolgedessen wird die Abmessung des ersten Raums SPa in der zweiten Richtung D2u größer als die Abmessung des zweiten Raums SPb in der zweiten Richtung D2u.
Die vorangehende Beschreibung der Hinterschneidung 81C der ersten Ätzmaske 81 gilt auch für die Hinterschneidung 81C der zweiten Ätzmaske 81.
Die erste und die zweite Ätzmaske 81 sowie die dritte und die vierte Ätzmaske 81 sind plan-symmetrisch um die XZ-Ebene dazwischen. Eine Richtung parallel zu einer Richtung vom unteren Ende Ec zum oberen Ende Ed des geneigten Abschnitts 60a2 (siehe 4) wird als eine zweite Richtung D2v definiert. Die vorstehende Beschreibung der Hinterschneidung 81C jeder der ersten und zweiten Ätzmasken 81 gilt auch für die Hinterschneidung 81C jeder der dritten und vierten Ätzmasken 81, wenn die Bezugszahl und die Symbole 60a1, Ea, Eb und D2u jeweils durch die Bezugszahl und die Symbole 60a2, Ec, Ed und D2v ersetzt werden.
Eine Richtung, die parallel zu dem geneigten Abschnitt 60a1 und orthogonal zur X-Richtung verläuft, wird als U-Richtung definiert. Eine Richtung, die parallel zu dem geneigten Abschnitt 60a2 und orthogonal zur X-Richtung verläuft, wird als V-Richtung definiert. In der vorliegenden Ausführungsform ist die U-Richtung eine Richtung, die um α aus der Y-Richtung in Richtung -Z-Richtung gedreht ist. Die V-Richtung ist eine Richtung, die um α aus der Y-Richtung in Richtung Z-Richtung gedreht wird. α ist ein Winkel, welcher größer als 0° und kleiner als 90° ist. Wie in 7 gezeigt, sind die zweiten Richtungen D2u und D2v ebenfalls parallel zu den Richtungen U bzw. V.
Die Funktion und Wirkung des magnetischen Sensors 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird nun beschrieben. Bei der vorliegenden Ausführungsform weist jede der ersten bis vierten Ätzmasken 81 die Hinterschneidung 81C auf. Beim Ätzschritt treten daher geätzte und gestreute Substanzen des Metallfilms 71 in die durch die Hinterschneidung 81C gebildeten Räume ein, um den ersten und zweiten Wiederabscheidungsfilm auf der Oberfläche jeder der unteren Elektroden 13, 23, 33 und 43 zu bilden.
Beachte nun die untere Elektrode 13. Im Ätzschritt wird der erste Wiederabscheidungsfilm 91 auf der Oberfläche der unteren Elektrode 13 in der Nähe des ersten Endes 13a der unteren Elektrode 13 gebildet. Der zweite Wiederabscheidungsfilm 92 wird auf der Oberfläche der unteren Elektrode 13 in der Nähe des zweiten Endes 13b der unteren Elektrode 13 gebildet. Wie in 7 gezeigt, ist die Abmessung des ersten Raums SPa der ersten Ätzmaske 81 in der zweiten Richtung D2u größer als die Abmessung des zweiten Raums SPb in der zweiten Richtung D2u. Der Wiederabscheidungsfilm wird daher über einen größeren Bereich im ersten Raum SPa als im zweiten Raum SPb gebildet. Folglich ist die Abmessung des ersten Wiederabscheidungsfilms 91 in der zweiten Richtung D2u größer als die Abmessung des zweiten Wiederabscheidungsfilms 92 in der zweiten Richtung D2u.
Die Abmessung jedes der geneigten Abschnitte 60a1 und 60a2 in einer Richtung parallel zur Y-Richtung (im Folgenden als Breite bezeichnet) kann verringert werden, um die Belegungsfläche der MR-Element-Hauptkörper pro Flächeneinheit zu vergrößern. Je kleiner jedoch die Breite des geneigten Abschnitts 60a1 ist, desto kleiner ist auch die Breite der unteren Elektrode 13. Dadurch verringert sich der Abstand vom ersten Ende 13a der unteren Elektrode 13 zum MR-Element-Hauptkörper 11. Durch den verringerten Abstand kann der MR-Element-Hauptkörper 11 den ersten Wiederabscheidungsfilm 91 überlappen. Das Gleiche gilt für den MR-Element-Hauptkörper 12. Wenn die MR-Element-Hauptkörper 11 und 12 den ersten Wiederabscheidungsfilm 91 überlappen, werden die MR-Element-Hauptkörper 11 und 12 deformiert. Dies führt zu dem Problem, dass die Eigenschaften der MR-Element-Hauptkörper 11 und 12, d. h. die Eigenschaften des MR-Elements 10, von den gewünschten abweichen.
In der vorliegenden Ausführungsform ist hingegen jeder der MR-Element-Hauptkörper 11 und 12 an einer Position angeordnet, die näher am zweiten Ende 13b der unteren Elektrode 13 liegt als am ersten Ende 13a der unteren Elektrode 13. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann daher der Abstand vom ersten Ende 13a zum MR-Element-Hauptkörper 11 und der Abstand vom ersten Ende 13a zum MR-Element-Hauptkörper 12 vergrößert werden, um das Auftreten des vorgenannten Problems zu verhindern.
In der vorliegenden Ausführungsform ist der Abstand vom zweiten Ende 13b zu jedem der MR-Element-Hauptkörper 11 und 12 kleiner als der Abstand vom ersten Ende 13a zu jedem der MR-Element-Hauptkörper 11 und 12. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann somit die Breite des geneigten Abschnitts 60a1 im Vergleich zu dem Fall, in dem der Abstand von dem zweiten Ende 13b zu jedem der MR-Element-Hauptkörper 11 und 12 größer oder gleich dem von dem ersten Ende 13a zu jedem der MR-Element-Hauptkörper 11 und 12 ist, verringert werden, während das Auftreten des vorgenannten Problems verhindert wird. Folglich kann gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Belegungsfläche der MR-Element-Hauptkörper pro Flächeneinheit erhöht werden.
Bis zu diesem Punkt wurde die Beschreibung am Beispiel Satzes umfassend die MR-Element-Hauptkörper 11 und 12 und die unteren Elektrode 13 gegeben. Die vorangehende Beschreibung gilt auch für den Satz umfassend die MR-Element-Hauptkörper 21 und 22 und die untere Elektrode 23, den Satz umfassend die MR-Element-Hauptkörper 31 und 32 und die untere Elektrode 33 sowie den Satz umfassend die MR-Element-Hauptkörper 41 und 42 und die untere Elektrode 43. Mit anderen Worten, in der vorliegenden Ausführungsform befinden sich die MR-Element-Hauptkörper an Positionen, die näher an den zweiten Enden der unteren Elektroden liegen als an den ersten Enden der unteren Elektroden. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform können die Abstände von den ersten Enden zu den MR-Element-Hauptkörpern vergrößert werden, um das Auftreten des Problems zu verhindern, dass sich die Eigenschaften der MR-Element-Hauptkörper, d. h. die Eigenschaften der MR-Elemente, von den gewünschten unterscheiden. Darüber hinaus können gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Breiten der geneigten Abschnitte 60a1 und 60a2 im Vergleich zu dem Fall verringert werden, in dem die Abstände von den zweiten Enden zu den MR-Element-Hauptkörpern größer oder gleich den Abständen von den ersten Enden zu den MR-Element-Hauptkörpern sind, während das Auftreten des vorgenannten Problems verhindert wird.
[Modifikationsbeispiel]
Als nächstes wird ein Modifikationsbeispiel des Magnetsensors 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform unter Bezugnahme auf 11 beschrieben. Betrachten Sie nun das MR-Element 10. Im Modifikationsbeispiel ist der Abstand vom oberen Ende Eb des geneigten Abschnitts 60a1 zum ersten Ende 13a der unteren Elektrode 13 größer als der vom oberen Ende Eb zum unteren Ende Ea des geneigten Abschnitts 60a1. Insbesondere ist im Modifikationsbeispiel die untere Elektrode 13 so angeordnet, dass sie sich von dem geneigten Abschnitt 60a1 zu dem flachen Abschnitt 60a3 erstreckt. Das erste Ende 13a der unteren Elektrode 13 befindet sich auf dem flachen Abschnitt 60a3.
Im Modifikationsbeispiel ist der Abstand vom ersten Ende 13a der unteren Elektrode 13 zu jedem der MR-Element-Hauptkörper 11 und 12 des MR-Elements 10 größer als in dem Fall, in dem sich das erste Ende 13a auf dem geneigten Abschnitt 60a1 befindet. Gemäß dem Modifikationsbeispiel kann dadurch das Problem, dass die Eigenschaften der MR-Element-Hauptkörper 11 und 12, d.h. die Eigenschaften des MR-Elements 10 von den gewünschten abweichen, effektiver verhindert werden.
Die vorstehende Beschreibung des MR-Elements 10 gilt auch für das MR-Element 20, wenn die Bezugsziffern 10, 11, 12, 13 und 13a durch die Bezugsziffern 20, 21, 22, 23 bzw. 23a ersetzt werden.
Die vorstehende Beschreibung der MR-Elemente 10 und 20 gilt auch für die MR-Elemente 30 und 40, wenn die Bezugszahlen und Symbole 10, 11, 12, 13, 13a, 20, 21, 22, 23, 23a, 60a1, 60a3, Ea und Eb durch die Bezugszahlen und Symbole 30, 31, 32, 33, 33a, 40, 41, 42, 43, 43a, 60a2, 60a4, Ec bzw. Ed ersetzt werden.
Wie in 11 gezeigt, hat die obere Elektrode 14 ein drittes Ende 14a, das dem unteren Ende Ea des geneigten Abschnitts 60a1 am nächsten ist. Der Abstand zwischen dem MR-Element-Hauptkörper 11 und dem dritten Ende 14a der oberen Elektrode 14 ist kleiner als der Abstand zwischen dem MR-Element-Hauptkörper 11 und dem ersten Ende 13a der unteren Elektrode 13. Die Beschreibung der oberen Elektrode 14 gilt auch für die oberen Elektroden 15, 24, und 25.
Wie in 11 gezeigt, hat die obere Elektrode 34 ein drittes Ende 34a, das dem unteren Ende Ec des geneigten Abschnitts 60a2 am nächsten liegt. Der Abstand zwischen dem MR-Element-Hauptkörper 31 und dem dritten Ende 34a der oberen Elektrode 34 ist kleiner als der Abstand zwischen dem MR-Element-Hauptkörper 31 und dem ersten Ende 33a der unteren Elektrode 33. Die Beschreibung der oberen Elektrode 34 gilt auch für die oberen Elektroden 35, 44, und 45.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorangehende Ausführungsform beschränkt, und es können verschiedene Modifikationen daran vorgenommen werden. Die Anzahl und Anordnung der MR-Elemente, die Anzahl der MR-Element-Hauptkörper, der unteren Elektroden und der oberen Elektroden sowie die Form des Trägerelements sind nicht auf die in der Ausführungsform beschriebenen Beispiele beschränkt und können frei festgelegt werden, soweit die in den Ansprüchen dargelegten Anforderungen erfüllt sind. Zum Beispiel kann die Anzahl der MR-Elemente eins sein. Alternativ kann die Anzahl der MR-Elemente auch acht betragen. In einem solchen Fall kann ein Magnetsensor gemäß der vorliegenden Erfindung eine erste Wheatstonesche Brückenschaltung mit vier MR-Elementen und eine zweite Wheatstonesche Brückenschaltung mit vier MR-Elementen umfassen.
Jedes MR-Element kann nur einen MR-Element-Hauptkörper enthalten. In diesem Fall kann jedes MR-Element nur eine untere Elektrode und nur eine obere Elektrode enthalten. Alternativ kann jedes MR-Element drei oder mehr MR-Element-Hauptkörper enthalten. In einem solchen Fall kann jedes MR-Element zwei oder mehr untere Elektroden und zwei oder mehr obere Elektroden enthalten.
Die Oberseite des Trägerelements 60 kann nur einen geneigten Abschnitt oder drei oder mehr geneigte Abschnitte aufweisen. Offensichtlich sind viele Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung im Lichte der obigen Lehren möglich. So ist es zu verstehen, dass im Rahmen der beigefügten Ansprüche und Äquivalente davon, die Erfindung in anderen Ausführungsformen als die vorstehende bevorzugte Ausführungsform ausgeführt werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2001102659 A [0004, 0009]
EP 3199965 A1 [0005, 0007]
EP 1860450 A1 [0006, 0007, 0009]

Claims

Ein magnetischer Sensor (1), umfassend: ein magnetoresistives Element (10, 20, 30, 40), dessen Widerstand sich mit einem externen Magnetfeld ändert; und ein Trägerelement (60), das das magnetoresistive Element (10, 20, 30, 40) trägt, wobei das Trägerelement (60) eine obere Fläche (60a), die dem magnetoresistiven Element (10, 20, 30, 40) gegenüberliegt, und eine untere Fläche (60b) aufweist, die sich auf einer der oberen Fläche (60a) gegenüberliegenden Seite befindet, die obere Fläche (60a) des Trägerelements (60) einen geneigten Abschnitt (60a1, 60a2) aufweist, der relativ zur unteren Fläche (60b) geneigt ist, das magnetoresistive Element (10, 20, 30, 40) einen Hauptkörper (11, 12, 21, 22, 31, 32, 41, 42) und eine untere Elektrode (13, 23, 33, 43) und eine obere Elektrode (14, 15, 24, 25, 34, 35, 44, 45) umfasst, die den Hauptkörper (11, 12, 21, 22, 31, 32, 41, 42) mit Strom versorgen, der Hauptkörper (11, 12, 21, 22, 31, 32, 41, 42) befindet sich auf dem geneigten Abschnitt (60a1, 60a2), die untere Elektrode (13, 23, 33, 43) zwischen dem Hauptkörper (11, 12, 21, 22, 31, 32, 41, 42) und dem geneigten Abschnitt (60a1, 60a2) angeordnet ist, die obere Elektrode (14, 15, 24, 25, 34, 35, 44, 45) sich auf dem Hauptkörper (11, 12, 21, 22, 31, 32, 41, 42) befindet, der geneigte Abschnitt (60a1, 60a2) ein unteres Ende (Ea, Ec), das der unteren Fläche (60b) am nächsten ist, und ein oberes Ende (Eb, Ed), das am weitesten von der unteren Fläche (60b) entfernt ist, aufweist, die untere Elektrode (13, 23, 33, 43) ein erstes Ende (13a, 33a), das dem unteren Ende (Ea, Ec) des geneigten Abschnitts (60a1, 60a2) am nächsten ist, und ein zweites Ende (13b, 33b), das dem oberen Ende (Eb, Ed) des geneigten Abschnitts (60a1, 60a2) am nächsten ist, aufweist, und der Hauptkörper (11, 12, 21, 22, 31, 32, 41, 42) sich an einer Position befindet, die näher an dem zweiten Ende (13b, 33b) der unteren Elektrode (13, 23, 33, 43) liegt als an dem ersten Ende (13a, 33a) der unteren Elektrode (13, 23, 33, 43).
Magnetischer Sensor (1) nach Anspruch 1, wobei ein Abstand von dem oberen Ende (Eb, Ed) des geneigten Abschnitts (60a1, 60a2) zu dem ersten Ende (13a, 33a) der unteren Elektrode (13, 23, 33, 43) kleiner ist als ein Abstand von dem oberen Ende (Eb, Ed) des geneigten Abschnitts (60a1, 60a2) zu dem unteren Ende (Ea, Ec) des geneigten Abschnitts (60a1, 60a2).
Magnetischer Sensor (1) nach Anspruch 1, wobei ein Abstand von dem oberen Ende (Eb, Ed) des geneigten Abschnitts (60a1, 60a2) zu dem ersten Ende (13a, 33a) der unteren Elektrode (13, 23, 33, 43) größer ist als ein Abstand von dem oberen Ende (Eb, Ed) des geneigten Abschnitts (60a1, 60a2) zu dem unteren Ende (Ea, Ec) des geneigten Abschnitts (60a1, 60a2).
Der magnetische Sensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei: die obere Elektrode (14, 15, 24, 25, 34, 35, 44, 45) ein drittes Ende (14a, 34a) aufweist, das dem unteren Ende (Ea, Ec) des geneigten Abschnitts (60a1, 60a2) am nächsten ist; und ein Abstand von dem Hauptkörper (11, 12, 21, 22, 31, 32, 41, 42) zu dem dritten Ende (14a, 34a) der oberen Elektrode (14, 15, 24, 25, 34, 35, 44, 45) kleiner ist als der von dem Hauptkörper (11, 12, 21, 22, 31, 32, 41, 42) zu dem ersten Ende (13a, 33a) der unteren Elektrode (13, 23, 33, 43).
Herstellungsverfahren für einen Magnetsensor (1) nach Anspruch 1, wobei das Herstellungsverfahren umfasst: einen Schritt der Bildung des magnetoresistiven Elements (10, 20, 30, 40); und einen Schritt zum Formen des Trägerelements (60), wobei der Schritt der Bildung des magnetoresistiven Elements (10, 20, 30, 40) umfasst einen Schritt zum Formen des Hauptkörpers (11, 12, 21, 22, 31, 32, 41, 42), einen Schritt des Ausbildens der unteren Elektrode (13, 23, 33, 43), und einen Schritt der Bildung der oberen Elektrode (14, 15, 24, 25, 34, 35, 44, 45), der Schritt der Bildung der unteren Elektrode (13, 23, 33, 43) umfasst einen Schritt der Bildung eines Metallfilms (71) auf dem Trägerelement (60), einen Schritt zum Bilden einer Ätzmaske (81), und einen Ätzschritt des Ätzens des Metallfilms (71) unter Verwendung der Ätzmaske (81), so dass der Metallfilm (71) die untere Elektrode (13, 23, 33, 43) bildet, und die Ätzmaske (81) eine Hinterschneidung (81C) aufweist, der einen Raum zwischen der Ätzmaske (81) und einer Unterschicht der Ätzmaske (81) bildet.
Herstellungsverfahren für einen magnetischen Sensor (1) nach Anspruch 5, wobei: die Hinterschneidung (81C) einen ersten Raum (SPa) bildet, der dem unteren Ende (Ea, Ec) des geneigten Abschnitts (60a1, 60a2) am nächsten ist, und einen zweiten Raum (SPb), der dem oberen Ende (Eb, Ed) des geneigten Abschnitts (60a1, 60a2) am nächsten ist; eine maximale Abmessung des ersten Raums (SPa) in einer ersten Richtung senkrecht zur unteren Fläche (60b) des Trägerelements (60) größer ist als eine maximale Abmessung des zweiten Raums (SPb) in der ersten Richtung; und eine Abmessung des ersten Raums (SPa) in einer zweiten Richtung parallel zu einer Richtung von dem unteren Ende (Ea, Ec) zu dem oberen Ende (Eb, Ed) des geneigten Abschnitts (60a1, 60a2) größer ist als eine Abmessung des zweiten Raums (SPb) in der zweiten Richtung.
Herstellungsverfahren für einen magnetischen Sensor (1) nach Anspruch 5 oder 6, wobei: der Schritt des Bildens der Ätzmaske (81) das Bilden der Ätzmaske (81) auf dem Metallfilm (71) umfasst; und der Schritt des Formens des Hauptkörpers (11, 12, 21, 22, 31, 32, 41, 42) nach dem Ätzschritt durchgeführt wird.