JP2004080056A - 磁気検出素子および磁気検出装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】基板上に、集積回路、下地層および金属パッドを順次形成してなり、
上記下地層の表面と上記金属パッドの表面との段差を吸収するために、上記下地層および上記金属パッド上に形成された段差緩衝層と、上記段差緩衝層上に形成された巨大磁気抵抗素子とを備える。
【選択図】図17
Description
このようなMR素子は、電流方向と磁化方向が直角に交わるときに抵抗値が最小になり、電流方向と磁化方向のなす角が0度、すなわち同一あるいは全く逆の方向になるときにその抵抗値が最大になる。このような抵抗値の変化をMR変化率と呼び、一般にNi−Feで2〜3%、Ni−Coで5〜6%である。
図34に示すように、従来の磁気検出装置は、回転軸41と、少なくとも1つ以上の凹凸を有し、回転軸41の回転に同期して回転する磁性回転体42と、この磁性回転体42と所定の間隙をもって配置されたMR素子43と、MR素子43に磁界を与える磁石44と、MR素子43の出力を処理する集積回路45とからなり、MR素子43は、磁気抵抗パターン46と、薄膜面(感磁面)47とを備える。
このような磁気検出装置おいて、磁性回転体42が回転することでMR素子43の感磁面である薄膜面47を貫く磁界が変化し、磁気抵抗パターン46の抵抗値が変化する。
しかし、このような磁気検出装置で用いられている磁気検出素子のMR素子は出力レベルが小さいため、精度の高い検出ができず、これを解決するために、出力レベルの大きな巨大磁気抵抗素子(以下、GMR(Giant Magnetoresistance)素子という)を用いた磁気検出素子が、近時提案されている。
図36の特性を示すGMR素子は、日本応用磁気学会誌Vol.15,No.51991,第813〜821頁の「人工格子の磁気抵抗効果」と題する論文に記載されている数オングストロームから数十オングストロームの厚さの磁性層と非磁性層とを交互に積層させたいわゆる人工格子膜としての積層体(Fe/Cr、パーマロイ/Cu/Co/Cu、Co/Cu、FeCo/Cu)である。この積層体は、上述のMR素子と比較して格段に大きなMR効果(MR変化率)を有すると共に、外部磁界の向きが電流に対してどのような角度であっても同じ抵抗値の変化が得られる素子である。
磁界の変化を検出するためにGMR素子で実質的に感磁面を形成し、その感磁面の各端に電極を形成してブリッジ回路を形成し、このブリッジ回路の対向する2つの電極間に定電圧、定電流の電源を接続し、GMR素子の抵抗値変化を電圧変化に変換して、このGMR素子に作用している磁界変化を検出することが考えられる。
図37および図38において、この磁気検出装置は、回転軸41と、少なくとも1つ以上の凹凸を有し、回転軸41の回転に同期して回転する磁界変化付与手段としての磁性回転体42と、この磁性回転体42と所定の間隙をもって配置されたGMR素子48と、このGMR素子48に磁界を与える磁界発生手段としての磁石44と、GMR素子48の出力を処理する集積回路45とからなり、GMR素子48は、感磁パターンとしての磁気抵抗パターン49と、薄膜面50とを有する。
このような磁気検出装置では、磁性回転体42が回転することで、GMR素子48の薄膜面(感磁面)47を貫く磁界が変化し、磁気抵抗パターン49の抵抗値が変化する。
図40は従来のGMR素子を用いた磁気検出装置の詳細を示すブロック図である。
図39および図40に示す磁気検出装置は、磁性回転体42と所定の間隙をもって配置され、磁石44より磁界が与えられるGMR素子48を用いたホイートストンブリッジ回路51と、このホイートストンブリッジ回路51の出力を増幅する差動増幅回路52と、この差動増幅回路52の出力を基準値と比較して“0”または“1”の信号を出力する比較回路53と、この比較回路の出力を受けてスイッチングする出力回路54とを備える。
図41において、ホイートストンブリッジ回路51は、例えば各辺にそれぞれGMR素子48a、48b、48cおよび48dを有し、GMR素子48aと48cは電源端子VCCに接続され、GMR素子48bと48dは接地され、GMR素子48aと48bの各他端は接続点55に接続され、GMR素子48cと48dの各他端は接続点56に接続される。
また、アンプ59の出力端子は抵抗器63を介して自己の反転入力端子に接続されると共に、比較回路64のアンプ65反転入力端子に接続され、アンプ65の非反転入力端子は、電源端子VCCから供給される電圧に基づいて基準電圧を構成する分圧回路56に接続されると共に、抵抗器57を介してアンプ65の出力端子に接続される。
そして、比較回路64の出力端は、出力回路68のトランジスタ69のベースに接続され、トランジスタ69のコレクタは、出力回路68の出力端子70に接続されると共に、抵抗器61を介して電源端子VCCに接続され、そのエミッタは接地される。
図43は、従来の磁気検出素子の動作を示す特性図である。
図42に示すように、ホイートストンブリッジは、GMR素子48(48a、48b、48cおよび48dから構成される)を備える。
磁性回転体42が回転すると、図43に示すように、GMR素子48(48aないし48d)に供給される磁界が変化し、差動増幅回路58の出力端には図43に示すように、磁性回転体42の凹凸に対応した出力が得られる。
この差動増幅回路58の出力は、比較回路64に供給されて、その比較レベルである基準値と比較されて“0”または“1”の信号に変換され、この信号は更に出力回路68で波形成形され、この結果、その出力端子70には図43に示すようにその立上り、立下りの急峻な“0”または“1”の出力が得られる。
このため、GMR素子と集積回路を別に構成し、それらを電気的に接続しなければならず、生産性が低く、製造コストが高くなるという課題があった。
また、比較回路の出力は、磁性回転体と磁気検出素子との間隙の大きさに依存して変動するため、いわゆる、間隙特性が悪いという課題があった。
実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1に係る磁気検出素子の構成を示す平面図および断面図である。
図2は、図1のA−A線断面図である。
また、図3および図4は、この発明の実施の形態1に係る磁気検出装置の構成を示す側面図および斜視図である。また、図5はこの発明の実施の形態1に係る磁気検出装置の内部構成を概略的に示すブロック図である。
また、図1には、2つのGMR素子7を太線で示してある。
図3および図4に示すように、磁気検出装置は、外周に沿って少なくとも1つ以上の凹凸を有し、回転軸29の回転に同期して回転する磁性回転体30と、この磁性回転体30と所定の間隙をもって磁性回転体30の外周に対向するように配置された磁気検出素子28と、磁気検出素子28のGMR素子7に磁界を与える磁石31と、GMR素子7の出力を処理する集積回路3とを備える。
前述したように、GMR素子は、膜厚が数Å〜十数Åという超薄膜層から構成されているため、GMR素子を設置する下地層の表面のわずかな凹凸の影響も受けやすい。
下地層の表面の凹凸が著しい時には、GMR素子は全く抵抗変化を示さなくなる。下地層の表面が平滑になる程、GMR素子の抵抗変化率は大きくなるが、抵抗変化を生じさせるための磁界も同様に大きなものが要求される。
図6に示す単位磁界当たりの抵抗変化率(以下では、磁界感度と称す)は、GMR素子を設置する基板として、Si、Si熱酸化膜、CVD(Chemical Vapor Deposition)やスパッタリングで作製した酸化シリコン、窒化シリコン、酸化タンタル膜などの下地層を形成した基板や、ソーダガラス基板および各種のセラミック基板を用いた場合の特性を示すものである。
下地の表面の平滑性は、AFM(Atomic Force Microscope)等を用いて測定可能であり、図6では粗さの平均値(Ra)という値で表現している。
また、GMR素子と集積回路は、集積回路を形成する過程において形成される金属膜によって電気的に接続されている。集積回路内においては、トランジスタや抵抗といった各素子は金属膜により電気的に接続されており、一般的に、この金属膜としてはアルミ膜が用いられている。このアルミ膜を、GMR素子と集積回路を接続するために必要な所定の領域に形成することにより、GMR素子と集積回路の電気的な接続を行っている。
このアルミ膜から配線を形成するパターニングプロセスは、ウェットエッチングにより行う。ウェットエッチングによる等方性エッチングの特性を利用することにより、配線の断面形状をテーパ形にすることができるので、GMR素子とアルミ膜との接続部を、強度的に有利な断面形状にすることができる。
図45は、図44におけるA−A'断面の構造を示す図である。
図44および図45に示すように、この発明の実施の形態1においては、金属配線6の上にGMR素子膜5bを形成してもよい。なお、図45は、GMR素子膜5bの上に、さらに、保護膜108および保護膜109を形成した状態を示している。
このように、金属配線6の上にGMR素子膜5bが形成されるように、GMR素子膜5bをパターニングすれば、金属配線6とGMR素子7とを確実に電気的に接続することができる。
この場合、金属配線6の上面および側面を全てGMR素子膜5bで被覆することが好ましいが、金属配線6の上面および側面の約半分以上を被覆することで充分な効果が得られる。
まず、図7に示すように、磁気検出素子28の集積回路形成過程において、例えばSi基板などの基板1上に形成されたSi熱酸化膜等の下地層2の表面に、集積回路3を形成するために下地層2上に形成するアルミ膜などの金属膜4を形成した後、集積回路3を形成する際に、集積回路3を形成しない部分の金属膜4(基板1上の右半面)をパターニングせずに残しておく。
そして、図8に示すように、この金属膜4に写真製版技術による転写を用いて所定の金属配線6にパターニングする。その後、図9に示すように、これらの表面全体にGMR素子膜5を形成し、図10に示すように、写真製版技術による転写を用いて所定のパターンのGMR素子7をパターニングする。
さらに、金属膜4から金属配線6を作製するためのパターニングプロセスをウェットエッチングにより行うことにより、金属配線6とGMR素子7との接続部における金属膜4の断面形状をテーパ形にできるので、当該接合部における断線の発生が大幅に抑制され、さらに金属配線6をGMR膜5bで覆うようにパターニングすることで電気的な接続も確実に行うことができ、磁気検出素子28およびこれを用いた磁気検出装置の信頼性を向上させることができる。
実施の形態1においては、パターニングされた金属膜(即ち図10に示す金属配線6)上および下地層2上に巨大磁気抵抗素子としてのGMR素子膜5を作製し(図8、図9参照)、GMR素子膜5にパターニングを行うことにより、金属配線6とGMR素子7との接続を良好にすることができた。
しかし、GMR素子7の厚さは、500Å〜2000Å程度と金属配線6を構成する金属膜4より比較的薄く、金属膜4がGMR素子7の厚さに較べて十分に厚い場合には、金属配線6とGMR素子7との接続部分における接続状態が不安定になる場合もある。これは、これらの接合部に大きな段差が生じることにより、金属配線6を構成する金属膜4よりも薄いGMR素子7が断線することがあるためである。
このような場合には、金属配線6とGMR素子7を作製する面の高さを同じ程度にすることで良好な接続状態を得ることができる。以下、その方法について説明する。
例えば金属膜4の厚さを1μmとする。図11に示すように、金属膜4をパターニングして形成された金属配線6と、下地層2の上面に、金属配線6を作製するための金属膜4の表面と、GMR素子7を形成する面との段差を少なくするための段差緩衝層として膜厚が1.5μmの酸化Si膜8を成膜する。
その後、酸化Si膜8の上面をダイヤモンド等の超微細粒子で研磨する。研磨する厚さを1.5μmよりも少し厚くすると、酸化Si膜8の表面と、金属配線6を作製するための金属膜4の表面との段差を、GMR素子7の膜厚よりも十分に小さくできるので、図12に示す研磨後の断面から分かるように、金属配線6および酸化Si膜8の表面の高さを揃えることができる。
以上の説明では、このような酸化Si膜8を用いた場合について説明したが、酸化タンタルや窒化Si等の絶縁層を用いても、上述の説明と同様の効果を得られる。
図13および図14は、この発明の実施の形態3に係る磁気検出素子の製造工程における様子を概念的に示す断面図である。
図15は、この発明の実施の形態3に係る磁気検出素子を概念的に示す断面図である。
実施の形態3では、実施の形態2における段差緩衝層に相当するレジストやポリイミドあるいはPVSQ(シリコンラダーポリマ)等の樹脂層をスピンコート法で塗布することにより、配線と巨大磁気抵抗素子としてのGMR素子を作製する面の高さを揃える。
例えば実施の形態2と同様に、厚さ1μmの金属膜をパターニングして金属配線6を作製した後、段差緩衝層として全面に2μm厚のレジスト10をスピンコート法によって塗布すれば、図13に示すようにレジスト10の上面は段差のない平坦な面になる。
そして、レジスト10の上面をレジストアッシング等の方法で除去してレジスト10を均等に薄くしていく。金属配線6の上面が現れるまでレジスト10を除去すれば、レジストアッシング後の断面は、図14に示すようにレジスト10の表面と、金属配線6を作製するための金属膜4の表面との段差を、GMR素子9の膜厚よりも十分に小さくできるので、金属配線6の上面とGMR素子9を作製する面の高さをほぼ揃えることができる。
以下は、図15に示すように、実施の形態2と同様にGMR素子9を作製する。
また、GMR素子9を作製する前にレジスト10上に1000Åの酸化Si膜11を作製する理由は、レジスト自体が溶剤等に弱いため、GMR素子9をパターニングする際にレジスト10が除去されるのを防止するためである。
なお、GMR素子9のパターニング工程で、レジスト層を溶かすような溶剤を用いない場合は、このような酸化Si膜11を作製しなくてもよい。
図16はこの発明の実施の形態4に係る磁気検出素子の要部を示す図である。
実施の形態4では、巨大磁気抵抗素子としてのGMR素子を作製するためのGMR素子膜5aを下地層2および金属配線6の上面全体に形成した後、集積回路上に形成したGMR素子膜5aを除去せずに残して、GMR素子7をパターニングする。即ち、GMR素子を形成するために、集積回路3および金属配線6の上面全体に成膜された巨大磁気抵抗素子膜のうち、集積回路3上に形成されたGMR素子膜5aを除去せずに残しておき、イオンの衝撃から保護するための保護膜として用いる。
図17および図18は、この発明の実施の形態5に係る磁気検出装置の構成を示す側面図および斜視図である。
実施の形態5では、図17および図18に示すように、巨大磁気抵抗素子としてのGMR素子9を集積回路3上に作製する。
図19、図20および図21は、この発明の実施の形態5に係る磁気検出装置に用いられる磁気検出素子の製造工程における断面構造を概念的に示す図である。
酸化Si膜36は、下地層2の表面と金属パッド11の表面の最大段差d(図19中の矢印参照)より厚く成膜することが必要である。例えば、最大段差dの2倍程度の膜厚とし、酸化Si膜36の上面を実施の形態2の場合と同様に平坦に研磨する。
このとき研磨する酸化Si膜36の厚さは、集積回路3の最大段差dより少し薄い程度とする。
なお、図19ないし図21は、集積回路3上に直接金属パッド11が形成されている部分を示すが、絶縁層である下地層2上に金属パッド11が形成され、金属パッド11と集積回路3が絶縁されている部分もある。
さらに写真製版技術による転写を用いた後、金属膜12をエッチングすることにより、酸化Si膜36上に形成された金属膜12のみを除去すると、孔部13内部のみに金属膜12を残すことができ、孔部13を金属膜12で埋め込むことができる。
このとき、下地層2の表面と金属パッド11の表面にあったような段差(図19参照)は酸化Si膜36上には存在しなくなり、GMR素子9を作製するのに十分に平坦な表面を有する酸化Si膜36を作製できる。
これにより、基板1の面積の削減が可能となるため、コスト低減を図ることができると共に、磁気検出素子32およびこれを用いた磁気検出装置を小型化することができる。
なお、一般には集積回路3の上面には段差があり、GMR素子9は下地層2表面のわずかな段差によっても強く影響を受けるため、この段差をなくしてから、GMR素子9を形成する。
図22および図23は、この発明の実施の形態6の磁気検出素子の断面構造を概念的に示す図である。
実施の形態6は、実施の形態5で用いた酸化Si膜の代わりに、レジストを「下地層2の表面と金属パッド11の表面との段差を吸収するために下地層2および金属パッド11上に形成する段差緩衝層」として用いて磁気検出素子を作成するものである。
図22に示すように、基板1上に集積回路3を形成した後、集積回路3と電気的接続を取るための金属パッド11を形成し、金属パッド11がむき出しになった面および下地層2の表面全体に、「下地層2の表面と金属パッド11の表面との段差を吸収するために下地層2および金属パッド11上に形成する段差緩衝層」としてのレジスト14をスピンコート法で塗布する。塗布するレジスト14の厚さは、下地層2の表面と金属パッド11の表面との最大段差dより厚くしてやればよい。ここでは、レジスト14を、例えば集積回路3の表面の最大段差dの2倍程度の厚さに形成する。
なお、ここでは酸化Si膜15を用いたが、他の材質の膜を用いてもよい。
次に写真製版技術による転写とRIE法およびレジストアッシング法を行うことにより、金属パッド11上の酸化Si膜15とレジスト14を除去し、金属パッド11の上部に孔部13を形成する。
なお、レジスト14上に酸化Si膜15を形成するのは、孔部13を形成するために用いるエッチング溶液にレジスト14が溶けやすいので、孔部13を作製する部分以外のレジストがエッチング工程において溶解することを防止するためである。従って、エッチング工程で、レジスト14を溶かすことのない溶剤を用いる場合は、酸化Si膜15を形成する必要はない。
さらに、写真製版技術による転写およびエッチングを行うことにより、金属パッド11上部以外の金属膜16を除去する。
この結果、図23に示すように、金属パッド11上の孔部13を金属膜16で埋め込むことができる。
集積回路3上にあった段差はなくなり、GMR素子9を作製するのに十分に平坦な面を得ることができる。
この結果、基板1の面積の削減が可能となるため、コスト低減を図ることができると共に、磁気検出素子33およびこれを用いた磁気検出装置を小型化できる。
また、上述の説明では、レジストを用いたが、ポリイミド、PVSQ等の樹脂層をスピンコートで塗布しても同様の効果を得ることができる。
図24および図25は、この発明の実施の形態7の磁気検出素子の表面および裏面の構成を示す図である。
図26および図27は、この発明の実施の形態7の磁気検出素子の斜視図および側面図である。
実施の形態7では、巨大磁気抵抗素子としてのGMR素子9を集積回路が形成された基板平面とは異なる平面上に構成するものである。
このとき、基板17に配設され、GMR素子9と集積回路3を接続するための配線としての金属配線18と、基板1のGMR素子9が形成された面側の金属パッド19を半田37によって電気的に接続する。そして、基板1の集積回路3が形成された面側の金属パッド11と、基板17の金属配線18をワイヤ20で電気的に接続する。
このように、実施の形態7では、GMR素子9を集積回路3が形成された基板1の面とは異なる面上に形成し、さらに接続のための金属パッド19を設けたので、基板1の面積を縮小して磁気検出素子34およびこれを用いた磁気検出装置を小型化できると共に、低コスト化を図ることができる。
なお、ここでは、GMR素子9を形成した面を基板17に合わせるように基板1を配設したが、集積回路3を形成した面を基板17に合わせるようにして基板1を配設しても、同様の効果を得ることができる。
図28および図29は、この発明の実施の形態8の磁気検出素子を表す正面図および裏面図である。
図30および図31は、この発明の実施の形態8の磁気検出素子を表す斜視図および側面図である。
実施の形態8では、基板1の両面に巨大磁気抵抗素子としてのGMR素子9を形成する。即ち、集積回路3が形成された面には、実施の形態5と同様に集積回路3の上にGMR素子9を形成し、また、反対側の面にもGMR素子9を形成する。なお、GMR素子9の作製方法等は他の実施の形態と同様の方法で行う。
このように、基板1の両面にGMR素子9を形成すると、精度の高い磁気検出素子が得られる。さらに、基板の面積を縮小することができ、低コストの磁気検出素子を得ることができ、磁気検出素子を小型化できるという効果もある。
図33は、この発明の実施の形態8に係る磁気検出素子の動作を示す特性図である。
図32に示すように、この発明の実施の形態8の磁気検出装置は、磁性回転体21と所定の間隙をもって配置され、磁石22より磁界が与えられるGMR素子9を用いたホイートストンブリッジ回路23と、このホイートストンブリッジ回路23の出力を増幅する差動増幅回路24と、この差動増幅回路24の出力を基準値と比較して“0”または“1”の信号を出力する比較回路25と、この比較回路25の出力を受けてスイッチングする出力回路26とを備える。
なお、図32に示すホイートストンブリッジ回路23の回路構成は、従来のもの(図41参照)と同様であるため、その説明を省略する。
また、GMR素子9と磁性回転体21との間隙の変化に対する差動増幅回路の出力特性として、間隙の大きさに拘わらず、同一の出力となる点A、Bが存在する。
従って、この点A、Bを通過するように比較回路の基準値を設定すれば、間隙の大小に依らず一定の位置で比較回路の出力を変化させることができ、いわゆる間隙特性を良好にすることが可能になる。この結果、磁性回転体21の回転移動量を正確に把握することができる。
なお、ここでは、GMR素子9が形成された面を下側にする構成について説明を行ったが、集積回路が形成された面を下側にしても同様の効果を得ることができる。
図46ないし図50は、この発明の実施の形態9に係る磁気検出素子の構造を示す図である。
特に図46および図48は、磁気検出素子の上面側を透過的に示す概念図であり、図47および図49は、図46および図48のそれぞれにおけるA−A'線による断面およびB−B'線による断面を示す図である。また、図50は、この発明の実施の形態9に係る磁気検出素子の断面構造を示す図である。
なお、図46に示すGMR素子7は、図44に示すGMR素子7と同様に、図1に示すGMR素子7とは表し方が異なるが、これらは同一構造のGMR素子を示している。
集積回路3のコンデンサ部としての電極部3bは、絶縁膜102を介してSi基板1との間でコンデンサ107を構成するため、その上部には、比較的広い面積の平坦面が存在する。この平坦面は、GMR素子7を作製するのに十分な平坦さを有する。
このように、この発明の実施の形態9に係る磁気検出素子100は、実施の形態5で説明した磁気検出素子と同様に、図17および図18に示す磁気検出装置に用いられる磁気検出素子であるが、特に、巨大磁気抵抗素子としてのGMR素子7を、集積回路3の電極部3b上に形成するものである。
そして、写真製版工程とエッチング工程により金属層104をパターニングすることにより形成される配線としての金属配線106を形成した後、金属配線106上および下地層2上に、巨大磁気抵抗素子としてのGMR素子7を形成する。
そして、GMR素子7および保護膜108を形成した後に、さらに、保護膜109を形成すれば、図50に示す構造の磁気検出素子100を作製することができる。
さらに図46および図47に示すように、GMR素子7と金属配線106との接続部のみならず、金属配線106を全体的にGMR素子膜で覆うように、GMR素子膜をパターニングすることにより、金属配線106とGMR素子7と電気的に確実に接続することができる。この場合、金属配線106の上面および側面を全てGMR素子膜で被覆することが好ましいが、金属配線106の上面および側面の約半分以上を被覆することで、金属配線106とGMR素子7との間の充分な電気的接続を確保することができる。
しかしながら、このように金属層104を金属配線106としてパターニングするだけでなく、金属配線106の一部を第2の集積回路(図示せず)としてパターニングする場合には、下地層2は、集積回路3と第2の集積回路との間では、層間絶縁膜として機能することになる。
このように金属配線106の一部を第2の集積回路としてパターニングする場合でも、集積回路3の電極部3b上には、平坦な表面を有する層間絶縁膜(下地層2と同一の膜質を有する)が存在するので、当該層間絶縁膜の上にGMR素子7を形成すればよい。
図51および図52は、この発明の実施の形態10に係る磁気検出素子を表す正面図および断面図である。
なお、この発明の実施の形態10に係る磁気検出素子105は、実施の形態5で説明した磁気検出素子と同様に、図17および図18に示す磁気検出装置に用いられる磁気検出素子である。
このように下地層2の膜厚を厚くするのは、下地層2に十分な膜厚があれば、下地層2が金属配線6の上に形成されている場合でも、下地層2に熱処理を行えば、GMR素子7を形成するのために十分な平坦さを有する面を、容易に作製することができるからである。
そこで、実施の形態10に係る磁気検出素子105では、下地層2に孔部111を形成し、孔部111を通じて、金属層104をパターニングすることによって形成される金属配線106と、金属配線6とをボンディングワイヤ103によって接続している。
このように、下地層2を厚く形成する場合には、ボンディングワイヤ103を用いることにより、金属配線6と金属配線106とを電気的に接続することができる。このようにして下地層2の膜厚を厚くすることができれば、金属配線6の上に位置する下地層に、リフローなどの簡単な熱処理を加えるだけで、下地層2の表面に十分に平坦な面を作製することができる。
以上より、この発明の実施の形態10に係る磁気検出素子105では、熱処理などの簡単な平坦化処理だけでGMR素子7を作製するための平坦面を作製することができるので、基板1の面積を縮小して、磁気検出素子およびこれを用いた磁気検出装置の小型化を図ることができる。また、GMR素子7と金属配線106との接続をより安定なものにすることができるので、コスト低減を図ることができる。
図53は、この発明の実施の形態11に係る磁気検出素子のGMR素子の耐熱を示す特性図である。
図53の特性図において、横軸はGMR素子7の上に保護膜を形成する際の基板温度を示しており、縦軸はGMR素子7の磁気抵抗変化率(MR比:Magneto Resistance Ratio)を示している。実施の形態11では、GMR素子7として、Fe(x)Co(1-x)(0≦x≦0.3)膜とCu膜とを繰り返し積層した膜を用いている。この積層体におけるCu膜1層の膜厚は、Cu1層のMR比が第2のピーク近傍となる膜厚(約20Å)に設定してある。
図53の特性からは、GMR素子7は、300℃以上に加熱されると、MR比が急激に低下することが分かる。
この発明の実施の形態10に係る磁気検出素子は、Fe(x)Co(1-x)(0≦x≦0.3)膜とCu膜との積層体からなるGMR素子7の上に保護膜108および保護膜109を形成する工程において、基板温度を300℃以下に制限するものである。
しかし、この保護膜の形成に際して、基板温度を300℃以上に設定すると、図53に示すように、GMR素子7の特性を劣化させてしまう。従って、この保護膜108および保護膜109は、GMR素子7の膜質を低下させることのないスパッタ法や低温プラズマCVD法等によって形成する必要がある。
スパッタ法や低温プラズマCVD法等によって保護膜108および109を形成すれば、基板温度が300℃以上になることはないので、GMR素子7の特性を悪化させることなく、充分な耐久性を有する磁気検出素子を提供することができる。
実施の形態1ないし実施の形態10に係る磁気検出素子において、GMR素子7のパターニングは、一般的にIBE法によって行われるものである。
従って、例えば、実施の形態1のようにGMR素子7として用いる部分のみを残してパターニングを行い、他の部分を除去するような場合には、イオンの衝突により、磁気検出素子の表面に電荷が生じる。この電荷は、GMR素子7の側壁部を通じて集積回路3に達し、集積回路3にダメージを与えるおそれがある。
実施の形態12に係る磁気検出素子は、集積回路3とGMR素子7との境に保護ダイオード110を備える。この保護ダイオード110は、GMR素子7のパターニングを行うためのIBEプロセスにおいて、磁気検出素子の表面に電荷が帯電しても、電荷の集積回路3への流入を防止することができる。なお、保護ダイオード110は、上述したIBEプロセス中に集積回路3の表面に電荷が生じた場合のみならず、例えば下地層2を成膜するプロセス等の他のプロセスにおいて磁気検出素子の表面に電荷が生じた場合にも、集積回路3への電荷の流入を阻止することができる。
この結果、集積回路3が、電荷の流入によるダメージを受けることがなくなり、磁気検出素子の信頼性を向上させることができる。
Claims (16)
- 基板上に、集積回路、下地層および金属パッドを順次形成してなり、
上記下地層の表面と上記金属パッドの表面との段差を吸収するために、上記下地層および上記金属パッド上に形成された段差緩衝層と、
上記段差緩衝層上に形成された巨大磁気抵抗素子と
を備える磁気検出素子。 - 上記段差緩衝層は、研磨されることにより平滑化された表面を有し、上記巨大磁気抵抗素子は、上記平滑化された上記段差緩衝層の表面上に形成されることを特徴とする請求項1に記載の磁気検出素子。
- 上記段差緩衝層は、スピンコート法によって作製され、表面が平滑化されたレジスト層あるいは樹脂層から構成されており、上記巨大磁気抵抗素子は、上記平滑化されたレジスト層あるいは樹脂層上に形成されることを特徴とする請求項1に記載の磁気検出素子。
- 基板の一方の面に形成された下地層と、
上記下地層の上に形成され、磁界の変化を検出する巨大磁気抵抗素子と、
上記基板の上記巨大磁気抵抗素子が形成される面とは反対側の面に形成され、上記巨大磁気抵抗素子によって検出される磁界の変化に基づいて、所定の演算処理を行う集積回路と、
を備えることを特徴とする磁気検出素子。 - 上記基板の他方の面に形成された集積回路の上に、さらに下地層および巨大磁気抵抗素子を形成したことを特徴とする請求項4に記載の磁気検出素子。
- 基板上に、集積回路、下地層および金属層を順次形成すると共に、上記集積回路のコンデンサ部の上に巨大磁気抵抗素子を形成したことを特徴とする磁気検出素子。
- 上記金属層をパターニングすることにより形成した配線によって、上記巨大磁気抵抗素子と上記集積回路とを接続したことを特徴とする請求項6に記載の磁気検出素子。
- 上記配線の上に、上記巨大磁気抵抗素子を構成する膜と同一の膜を形成したことを特徴とする請求項6に記載の磁気検出素子。
- 上記配線の上面および側面の半分以上を、上記巨大磁気抵抗素子を構成する膜と同一の膜で被覆したことを特徴とする請求項8に記載の磁気検出素子。
- 上記巨大磁気抵抗素子と上記集積回路とをボンディングワイヤによって接続したことを特徴とする請求項1または請求項6に記載の磁気検出素子。
- 上記巨大磁気抵抗素子は、Fe(x)Co(1-x)(0≦x≦0.3)層とCu層とを繰り返し積層することにより構成されてなり、上記Cu層1層の膜厚を、該Cu層1層の磁気抵抗変化率が第2のピーク近傍となるような膜厚に設定すると共に、上記巨大磁気抵抗素子上に形成する保護膜をスパッタ法または低温プラズマCVD法で作成することを特徴とする請求項1または請求項6に記載の磁気検出素子。
- 上記巨大磁気抵抗素子と上記集積回路との間にダイオードを形成したことを特徴とする請求項1または請求項6に記載の磁気検出素子。
- 上記下地層の表面の粗さの平均値を50Å以下としたことを特徴とする請求項1ないし請求項12のいずれかに記載の磁気検出素子。
- 上記下地層の表面の粗さの平均値を1Å以上25Å以下としたことを特徴とする請求項13に記載の磁気検出素子。
- 上記巨大磁気抵抗素子の出力を上記集積回路に伝送する線路に差動増幅器および比較器をさらに備え、上記比較器は、上記巨大磁気抵抗素子と、上記巨大磁気抵抗素子の観測対象との間の距離によらず一定の値となる上記差動増幅器の出力値を、上記観測対象の位置を判断するための判定レベルに設定することを特徴とする請求項1ないし請求項14のいずれかに記載の磁気検出素子。
- 外周に沿って凹凸を有し、回転軸を中心に回転する磁性回転体と、
上記磁性回転体の外周に対向するように配設される磁石と、
上記磁石の上記磁性回転体の外周に対向する面に付設される請求項1ないし請求項15のいずれかに記載の磁気検出素子と
を備えてなり、
上記磁気検出素子は、上記磁性回転体の回転に伴う上記磁性回転体と上記磁石との間の磁界の変化を検出し、当該検出結果に基づき上記磁性回転体の回転量を検出する磁気検出装置。
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