JP2006032710A - Manufacturing method for magnetic sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、スピンバルブ型磁気抵抗効果素子を備えた磁気センサの製造方法に関するものである。 The present invention relates to a method for manufacturing a magnetic sensor including a spin valve magnetoresistive element.
従来より、スピンバルブ型の巨大磁気抵抗効果素子(以下、「GMR素子」とも称する。)を用いた磁気センサが提案され、実用に供されている。
このGMR素子は、磁化の向きが所定の向きにピン止めされたピンド層と、磁化の向きが外部磁界に対応して変化するフリー層とを備え、外部磁界が加わった場合に、ピンド層の磁化の向きとフリー層の磁化の向きとの相対関係に応じた抵抗値を呈するようになっている。
そして、磁気センサでは、このGMR素子の抵抗値を測定することで外部磁界を検出し、その強さを測定している。
Conventionally, magnetic sensors using spin-valve type giant magnetoresistive elements (hereinafter also referred to as “GMR elements”) have been proposed and put into practical use.
This GMR element includes a pinned layer whose magnetization direction is pinned in a predetermined direction, and a free layer whose magnetization direction changes corresponding to an external magnetic field. When an external magnetic field is applied, the GMR element A resistance value corresponding to the relative relationship between the magnetization direction and the magnetization direction of the free layer is exhibited.
The magnetic sensor detects the external magnetic field by measuring the resistance value of the GMR element, and measures its strength.
GMR素子のピンド層の磁化の向きは、ピニング層によりGMR素子の帯状短手方向にピン止めされているため、フリー層の磁化の向きは、外部磁界が加わっていない初期状態にあっては、ピンド層の磁化の向きと90°の角度をなすGMR素子の帯状長手方向に揃っている必要がある。この初期状態におけるフリー層の磁化の向きを「フリー層容易軸方向」という。 Since the magnetization direction of the pinned layer of the GMR element is pinned by the pinning layer in the short band direction of the GMR element, the magnetization direction of the free layer is in the initial state where no external magnetic field is applied. It is necessary to align with the longitudinal direction of the GMR element forming an angle of 90 ° with the magnetization direction of the pinned layer. The direction of magnetization of the free layer in this initial state is referred to as the “free layer easy axis direction”.
フリー層容易軸方向をGMR素子の帯状長手方向とするには、帯状のアスペクト比の素子パターンとすることで、GMR素子の磁気異方性を制御し、磁気センサの外部磁界に対する安定性を確保する方法が知られている。
あるいは、GMR素子の両端部にマグネット膜からなるバイアス磁石層を配置し、バイアスを印加して、強制的にフリー層容易軸方向をGMR素子の帯状長手方向に制御する方法も提案されている(例えば、特許文献1参照)。この方法では、バイアス磁石層をフリー層容易軸方向に着磁し、その磁化でフリー層磁化を制御するため、磁気センサの外部磁界に対する安定性を向上させることができる。
Alternatively, a method has also been proposed in which a bias magnet layer made of a magnet film is disposed at both ends of the GMR element, and a bias is applied to forcibly control the easy axis direction of the free layer to the belt-like longitudinal direction of the GMR element ( For example, see Patent Document 1). In this method, since the bias magnet layer is magnetized in the free layer easy axis direction and the free layer magnetization is controlled by the magnetization, the stability of the magnetic sensor with respect to the external magnetic field can be improved.
しかしながら、GMR素子を帯状のアスペクト比のパターンとする方法だけでは、外部磁界に対するフリー層磁化の安定性に欠け、比較的弱い磁界にさらされると、センサの出力値が変動してしまうという問題があった。 However, only the method of making the GMR element into a strip-like aspect ratio pattern lacks the stability of free layer magnetization with respect to an external magnetic field, and the sensor output value fluctuates when exposed to a relatively weak magnetic field. there were.
また、GMR素子の両端部に磁石層を配置する方法にあっては、外部磁界が大きくなるにつれて、フリー層磁化を元の初期状態に復元させることが徐々に困難になるという問題があった。図19は、従来のGMR素子におけるフリー層の磁化の向きを模式的に示した平面図である。図19に示すように、帯状長手方向に揃ったフリー層の磁化の両側に、外部磁界によって磁化された磁壁(エッジカーリングウォール)が形成されている。これにより、外部磁界が変化してもフリー層の磁化が動きにくくなり、センサの感度が低下したり、あるいは外部磁界が消滅しても磁壁が残ってしまうため、初期状態における帯状長手方向より若干ずれた方向にフリー層の磁化の向きが揃ってしまい、磁気センサの出力が不安定になったり、上述したフリー層磁化を元の初期状態に復元させることできないという問題があった。 Further, in the method of arranging the magnet layers at both ends of the GMR element, there is a problem that it becomes difficult to restore the free layer magnetization to the original initial state as the external magnetic field increases. FIG. 19 is a plan view schematically showing the magnetization direction of the free layer in the conventional GMR element. As shown in FIG. 19, domain walls (edge curling walls) magnetized by an external magnetic field are formed on both sides of the magnetization of the free layer aligned in the longitudinal direction of the belt. As a result, the magnetization of the free layer becomes difficult to move even if the external magnetic field changes, and the sensitivity of the sensor decreases or the domain wall remains even if the external magnetic field disappears. There is a problem that the magnetization direction of the free layer is aligned in the shifted direction, the output of the magnetic sensor becomes unstable, and the above-described free layer magnetization cannot be restored to the original initial state.
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み、外部磁界に対するGMR素子の磁気異方性を十分に制御でき、外部磁界に対する磁気センサの出力安定性を確保し、強磁界が印加された後でも、フリー層の磁化の向きを正確に初期状態に復帰させることのできる磁気センサを製造する方法を提供することを目的とする。 In view of the above problems of the prior art, the present invention can sufficiently control the magnetic anisotropy of the GMR element with respect to an external magnetic field, ensure the output stability of the magnetic sensor with respect to the external magnetic field, and even after a strong magnetic field is applied. An object of the present invention is to provide a method of manufacturing a magnetic sensor capable of accurately returning the magnetization direction of the free layer to the initial state.
かかる課題を解決するため、
請求項1にかかる発明は、基板上に帯状の磁気抵抗効果素子が配され、該磁気抵抗効果素子の両端部にはマグネット膜からなるバイアス磁石層がそれぞれ接続されてなる磁気センサを製造する方法において、前記磁気抵抗効果素子上にレジストを塗布し、パターンを形成する工程Aと、該レジストをリフローさせ、傾斜形状のレジスト膜を形成する工程Bと、イオンビームを基板に対して斜め方向から入射して、前記磁気抵抗効果素子をミリングする工程Cとを少なくとも備え、前記磁気抵抗効果素子の帯状長手方向の側面をテーパー加工することを特徴とする磁気センサの製造方法である。
To solve this problem,
The invention according to claim 1 is a method of manufacturing a magnetic sensor in which a band-like magnetoresistive effect element is disposed on a substrate, and a bias magnet layer made of a magnet film is connected to both ends of the magnetoresistive effect element. In step A, a resist is coated on the magnetoresistive effect element to form a pattern, step B is performed to reflow the resist to form an inclined resist film, and an ion beam is obliquely formed with respect to the substrate. And a step C of milling the magnetoresistive effect element, and tapering the side surface in the longitudinal direction of the band of the magnetoresistive effect element.
請求項2にかかる発明は、前記工程Cの後、前記イオンビームを基板に対して垂直方向から入射して、前記磁気抵抗効果素子をミリングする工程Dを備えたことを特徴とする請求項1に記載の磁気センサの製造方法である。
The invention according to
請求項3にかかる発明は、前記磁気抵抗効果素子の帯状長手方向の側面をテーパー加工することにより、外部磁界が加わっていないときの前記磁気抵抗効果素子のフリー層における磁化の向きを、前記磁気抵抗効果素子の帯状長手方向に揃えることを特徴とする請求項1又は2に記載の磁気センサの製造方法である。 According to a third aspect of the present invention, the direction of magnetization in the free layer of the magnetoresistive element when the external magnetic field is not applied is obtained by tapering the side surface in the longitudinal direction of the band of the magnetoresistive element. 3. The method of manufacturing a magnetic sensor according to claim 1, wherein the resistance effect elements are aligned in the longitudinal direction of the belt.
本発明によれば、GMR素子の帯状長手方向の側面をテーパー加工することにより、磁壁が形成されないため、外部磁界に対するGMR素子の磁気異方性を十分に制御でき、フリー層の磁化の均一性を向上させて外部磁界に対する磁気センサの出力安定性を確保し、強磁界が印加された後でも、フリー層の磁化の向きを正確に初期状態に復帰させることのできる磁気センサを製造することができる。 According to the present invention, since the domain wall is not formed by tapering the side surface in the longitudinal direction of the belt of the GMR element, the magnetic anisotropy of the GMR element with respect to the external magnetic field can be sufficiently controlled, and the magnetization uniformity of the free layer To secure the output stability of the magnetic sensor against an external magnetic field, and to manufacture a magnetic sensor capable of accurately returning the magnetization direction of the free layer to the initial state even after a strong magnetic field is applied. it can.
また、本発明の磁気センサの製造方法によれば、GMR素子の膜構造や、磁気センサのパターンを従来のものから変更することなしに、外部磁界に対する磁気センサの出力安定性を向上させることができる。 Further, according to the method for manufacturing a magnetic sensor of the present invention, the output stability of the magnetic sensor against an external magnetic field can be improved without changing the film structure of the GMR element or the pattern of the magnetic sensor from the conventional one. it can.
また、本発明の磁気センサの製造方法では、イオンビームを基板に対して斜め方向から入射して、GMR素子をミリングしているため、ミリングで削られた材料のGMR素子への再付着を防止でき、スループットの向上した精度の高い加工を行うことができる。 Further, in the method of manufacturing a magnetic sensor according to the present invention, the ion beam is incident on the substrate from an oblique direction to mill the GMR element, so that the material removed by milling is prevented from reattaching to the GMR element. And high-precision processing with improved throughput can be performed.
以下、本発明で製造した磁気センサについて、図面に基づき詳細に説明する。 Hereinafter, the magnetic sensor manufactured by this invention is demonstrated in detail based on drawing.
[第1の実施形態]
図1は、第1の実施形態に係る磁気センサの概略平面図である。本実施形態の磁気センサ1は、所定の厚みを有する石英又はシリコンウエハからなる基板2と、この基板2上に配されたX軸方向の磁界を検出するX軸磁気センサ31,32と、Y軸方向の磁界を検出するY軸磁気センサ41,42とから概略構成されている。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a schematic plan view of the magnetic sensor according to the first embodiment. The magnetic sensor 1 of this embodiment includes a
本実施形態の磁気センサ1にあっては、基板2は正方形状の石英又はシリコンウエハから構成されている。この基板2上には、基板2の正方形の四辺に沿って、各辺の中央にそれぞれ1つづつ磁気センサ31,32,41,42が設けられている。磁気センサ31,32,41,42は、その帯状長手方向を基板2の正方形各辺と平行となるように配されている。図1では、基板2の正方形の横の辺と平行な方向をX軸方向、縦の辺と平行な方向をY軸方向と規定する。また、図1における磁気センサ31,32,41,42に描かれた矢印方向は、各磁気センサにおけるピンド層の磁化の向きを表している。基板2の正方形の縦の辺(Y軸方向)と平行に配されている磁気センサをX軸磁気センサ31,32と、正方形の横の辺(X軸方向)と平行に配されている磁気センサをY軸磁気センサ41,42とする。
In the magnetic sensor 1 of the present embodiment, the
図2は、第1の実施形態に係るX軸磁気センサ31の概略図であり、(a)は平面図、(b)はA−A’断面図である。残りの磁気センサは、ピンド層の磁化の向きのピン止め(固着)方向が異なる以外は同様の構造であるため、それらの説明は省略する。このX軸磁気センサ31(以下、「磁気センサ」という)は、基板2(図示せず)上に積層された配線取り出し部7,7と、その上に積層された下地膜10,10・・・と、下地膜10,10・・・上に積層されたバイアス磁石層6,6・・・と、バイアス磁石層6,6・・・上に積層された帯状のGMR素子5とから概略構成されている。
2A and 2B are schematic views of the X-axis
本実施形態に係るGMR素子5は、4個の幅狭帯状部51,51・・・が、その帯状長手方向を平行に揃えて、所定の間隔を持って配置されている。そして、隣り合った上段2個の幅狭帯状部51,51の左端部は、長方形をした第1連結部52と接合している。また、上段から2番目の幅狭帯状部51の右端部と、その下段に位置する3番目の幅狭帯状部51の右端部は、長方形をした第2連結部53と接合しており、さらに、上段から3番目の幅狭帯状部51の左端部と、最下段に位置する幅狭帯状部51の左端部は、長方形をした第3連結部54と接合している。そして、4個の幅狭帯状部51,51・・・は、第1連結部52、第2連結部53、第3連結部54を介して接合することで、全体でつづら折り形状をなすように配されて、GMR素子5を形成している。
In the GMR
また、最上段と最下段の幅狭帯状部51,51の右端部は、それぞれ1個のバイアス磁石層6,6上に積層されている。また、第1連結部52、第2連結部53、第3連結部54の下には、バイアス磁石層6,6・・・が設けられている。
そして、バイアス磁石層6,6・・・の下には、膜厚40nm程度のクロムからなる下地膜10,10・・が設けられている。
また、最上段と最下段の幅狭帯状部51,51の右端部に接続されたバイアス磁石層6,6と下地膜10,10・・・は、帯状形状の配線取り出し部7,7の各左端部上に形成されている。
In addition, the right end portions of the
And under the bias magnet layers 6, 6,...,
Further, the bias magnet layers 6, 6 and the
GMR素子5、バイアス磁石層6,6・・・、下地膜10,10・・・、配線取り出し部7,7は、各端部が接続していて全体でつづら折り形状をなすように配されており、GMR素子5は、バイアス磁石層6,6・・・、下地膜10,10・・・を介して配線取り出し部7,7と電気的に接続されている。これら全体が直列に電気的に接続した構造となっているため、全体で抵抗回路として機能することができ、回路に外部から電流を流して電圧を測定することによって、GMR素子5の抵抗値を求め、この抵抗値から外部磁界の強さを算出できるようになっている。
The
次に、GMR素子5について説明する。図3は、第1の実施形態に係るGMR素子5の構造を示す概略断面図である。このGMR素子5は、図2における幅狭帯状部51,51・・・の部分であり、基板2上に、フリー層F、銅(Cu)からなる導電性のスペーサ層S、コバルト−鉄(CoFe)合金からなるピンド層PD、白金−マンガン(PtMn)合金からなるピニング層PN、チタン(Ti)、タンタル(Ta)等の金属薄膜からなるキャッピング層Cが順次積層されてなるものである。
Next, the
このフリー層Fは、外部磁界の向きに応じて磁化の向きが変化する層であり、例えば、コバルト−ジルコニウム−ニオブ(CoZrNb)アモルファス磁性層と、CoZrNbアモルファス磁性層上に積層されたニッケル−鉄(NiFe)磁性層と、NiFe磁性層上に積層されたコバルト−鉄(CoFe)層とから構成されている。
このフリー層Fには、その磁化の一軸異方性(フリー層容易軸方向)を維持するために、GMR素子5の帯状長手方向にバイアス磁石層6,6・・・によりバイアス磁界が付与されている。
なお、GMR素子5の帯状長手方向とは、図2における幅狭帯状部51,51・・・の帯状長手方向と一致する方向のことであり、GMR素子5の帯状短手方向とは、図2における幅狭帯状部51,51・・・の帯状短手方向と一致する方向のことをいう。
The free layer F is a layer whose magnetization direction changes according to the direction of the external magnetic field. For example, a cobalt-zirconium-niobium (CoZrNb) amorphous magnetic layer and a nickel-iron layer laminated on the CoZrNb amorphous magnetic layer. It is composed of a (NiFe) magnetic layer and a cobalt-iron (CoFe) layer laminated on the NiFe magnetic layer.
A bias magnetic field is applied to the free layer F by the bias magnet layers 6, 6... In the longitudinal direction of the
The longitudinal direction of the band of the
フリー層Fを構成するCoZrNbアモルファス磁性層とNiFe磁性層は、軟質の強磁性体であり、それらの上に形成されたCoFe層は、NiFe磁性層のニッケルおよびスペーサ層Sの銅の拡散を防止するものである。 The CoZrNb amorphous magnetic layer and the NiFe magnetic layer constituting the free layer F are soft ferromagnets, and the CoFe layer formed thereon prevents diffusion of nickel in the NiFe magnetic layer and copper in the spacer layer S To do.
スペーサ層Sは、銅もしくは銅合金からなる導電性の金属薄膜である。
また、ピンド層PDは、コバルト−鉄(CoFe)磁性層により構成されている。このCoFe磁性層は、後述するピニング層PNの反強磁性膜に交換結合的に裏打されることにより、磁化の向きが図1に示す矢印方向に相当するGMR素子5の帯状短手方向にピン止め(固着)されている。
The spacer layer S is a conductive metal thin film made of copper or a copper alloy.
The pinned layer PD is composed of a cobalt-iron (CoFe) magnetic layer. This CoFe magnetic layer is back-coupled to the antiferromagnetic film of the pinning layer PN, which will be described later, in an exchange coupling manner, so that the direction of magnetization is pinned in the short band direction of the
ピニング層PNは、CoFe磁性層上に積層され、白金を45〜55mol%含むPtMn合金からなる反強磁性膜により構成されている。この反強磁性膜は、所定の方向に磁界が印加された状態で規則化熱処理されて形成されたものである。
これらピンド層PDとピニング層PNを併せてピン層と称する。
The pinning layer PN is laminated on the CoFe magnetic layer and is made of an antiferromagnetic film made of a PtMn alloy containing 45 to 55 mol% of platinum. This antiferromagnetic film is formed by a regular heat treatment in a state where a magnetic field is applied in a predetermined direction.
The pinned layer PD and the pinning layer PN are collectively referred to as a pinned layer.
キャッピング層Cは、チタン(Ti)又はタンタル(Ta)等からなる金属薄膜であり、ピニング層PNの酸化防止と保護を目的とするものである。 The capping layer C is a metal thin film made of titanium (Ti), tantalum (Ta) or the like, and is intended to prevent oxidation and protect the pinning layer PN.
また、図4は、第1の実施形態に係るGMR素子5の概略斜視図である。図4では、右方向を短手方向とし、それと直交する奥行き方向を長手方向としている。短手方向に沿った側面が、GMR素子5の帯状短手方向の側面9であり、長手方向に沿った側面が、帯状長手方向の側面8である。
本実施形態に係るGMR素子5は、その帯状長手方向の側面8が、基板2に対して角度θをなすようにテーパー加工されており、すそ広がりの形状となっている。GMR素子5の帯状長手方向の側面8をテーパー加工することにより、外部磁界が加わっていないときのGMR素子5のフリー層における磁化の向きを、GMR素子5の帯状長手方向に揃えることができる。
FIG. 4 is a schematic perspective view of the
In the
この角度θは50〜85°であるのが好ましい。この角度θを前記範囲内とすることで、角度が90°である場合と比較して磁区(ドメイン)の形成が変化するため、図19に示した磁壁(エッジカーリングウォール)の形成を防止し、フリー層の磁化の均一性を向上させて外部磁界に対する磁気センサの出力を安定させることができる。さらに、強磁界が印加された後でも、フリー層の磁化の向きを正確に初期状態の帯状長手方向に復帰させることができる。 This angle θ is preferably 50 to 85 °. By setting the angle θ within the above range, the formation of the magnetic domain (domain) changes compared to the case where the angle is 90 °, so that the formation of the domain wall (edge curling wall) shown in FIG. 19 is prevented. The uniformity of the magnetization of the free layer can be improved and the output of the magnetic sensor with respect to the external magnetic field can be stabilized. Furthermore, even after a strong magnetic field is applied, the magnetization direction of the free layer can be accurately returned to the initial strip-like longitudinal direction.
また、GMR素子5と接続したバイアス磁石層6,6・・・は、膜厚90nm程度の高保磁力、高角型比を有するコバルト−白金−クロム(CoCrPt)合金のマグネット膜からなる金属薄膜である。このバイアス磁石層6,6・・・は、成膜後に外部磁界によりその磁化の向きがGMR素子5の帯状長手方向に沿う方向となるように着磁されている。
The bias magnet layers 6, 6... Connected to the
ピンド層PDの磁化の向きは、上述したように図1に示す矢印方向に相当するGMR素子5の帯状短手方向であり、バイアス磁石層6,6・・・の磁化の向きは、帯状長手方向であるため、GMR素子5のピンド層PDの磁化の向きとバイアス磁石層6,6・・・の磁化の向きとは90°の角度をなすことになる。
このバイアス磁石層6,6・・・の磁化によって、GMR素子5のフリー層の磁化の向きが、GMR素子5の帯状長手方向に磁化されるため、フリー層の一軸異方性(フリー層容易軸方向)を維持することができる。
As described above, the magnetization direction of the pinned layer PD is the short band direction of the
The magnetization direction of the free layer of the
本実施形態の磁気センサは、GMR素子5の形状がつづら折りした帯状であり、その両端部と連結部にバイアス磁石層6,6・・・を接続し、さらにGMR素子5の帯状長手方向の側面8,8・・・をテーパー加工することにより、外部磁界に対するGMR素子の磁気異方性を十分に制御でき、フリー層の磁化の均一性を向上させて外部磁界に対する磁気センサの出力安定性を確保し、強磁界が印加された後でも、フリー層の磁化の向きを正確に初期状態に復帰させることができる。
The magnetic sensor of the present embodiment has a belt-like shape in which the shape of the
また、本実施形態の磁気センサは、GMR素子の膜構造や、磁気センサのパターンを従来のものから変更することなしに、外部磁界に対する磁気センサの出力安定性を向上させることができる。 In addition, the magnetic sensor of this embodiment can improve the output stability of the magnetic sensor against an external magnetic field without changing the film structure of the GMR element and the pattern of the magnetic sensor from the conventional one.
次に、本実施形態の磁気センサの製造方法について説明する。
図5は、第1の実施形態に係る磁気センサの製造方法の手順を示すフローチャートである。図6〜図11、図14は、第1の実施形態に係る磁気センサの製造方法を示す概略断面図である。
Next, a method for manufacturing the magnetic sensor of this embodiment will be described.
FIG. 5 is a flowchart showing the procedure of the method for manufacturing the magnetic sensor according to the first embodiment. 6 to 11 and 14 are schematic cross-sectional views illustrating the method of manufacturing the magnetic sensor according to the first embodiment.
本実施形態に係る磁気センサの製造方法では、まず石英又はシリコンウエハからなる基板2を用意する。基板2には、あらかじめ磁気センサ制御用のLSI部分を形成しておくことができる。その場合には、前工程(工程ア)において、公知の方法にてトランジスタ等の素子、および配線、絶縁膜、コンタクト等を形成し、さらに保護膜を形成して、この保護膜に接続用の開口部を形成しておく。
In the method for manufacturing a magnetic sensor according to this embodiment, first, a
次いで、マグネット膜成膜(工程イ)として、図6に示すように、石英又はシリコンウエハからなる基板2の上面にスパッタリング法により、膜厚40nm程度のクロムからなる下地膜10を形成する。続いて、下地膜10の上面にスパッタリング法により、膜厚90nm程度のコバルト−白金−クロム(CoCrPt)合金からなるバイアス磁石層6を形成する。
Next, as a magnet film formation (step A), as shown in FIG. 6, a
次いで、マグネットカット(工程ウ)として、図7に示すように、バイアス磁石層6の上面に、スピンコート法、ディップコート法等により任意の厚みのフォトレジストを塗布し、このフォトレジストの表面に任意のパターンのマスクを配置して露光した後、現像処理を行って不必要なフォトレジストを除去し、レジスト膜11を形成する。続いて、フォトレジストを加熱してリフローさせ、両端部が曲面をなすようにリフロー後のレジスト膜11’を形成する。
Next, as a magnet cut (process c), as shown in FIG. 7, a photoresist having an arbitrary thickness is applied to the upper surface of the
次いで、マグネットミリング(工程エ)として、図8に示すように、イオンミリング(図中の矢印)により、リフロー後のレジスト膜11’で覆われていない部分の下地膜10およびバイアス磁石層6を除去すると同時に、下地膜10およびバイアス磁石層6を所定の形状に形成する。この工程エにおいて、リフロー後のレジスト膜11’の両端部の曲面形状に応じて、イオンミリングにより、下地膜10およびバイアス磁石層6の側面が基板2に対して傾斜するように形成される。
Next, as shown in FIG. 8, as the magnet milling (process d), the portion of the
次いで、レジスト除去(工程オ)として、図9に示すように、アセトン、N−メチル−2−ピロリドン等の洗浄液でレジスト膜11’を除去し、バイアス磁石層6の表面を洗浄し、レジスト膜11’を除去する。
Next, as shown in FIG. 9, the resist
次いで、GMR成膜(工程カ)として、図10に示すように、基板2の上面、下地膜10の側面、バイアス磁石層6の上面および側面に、イオンビームスパッタ法、マグネトロンスパッタ法等により、GMR素子5を形成する。
Next, as shown in FIG. 10, as GMR film formation (step F), ion beam sputtering, magnetron sputtering, or the like is performed on the upper surface of the
次いで、マグネットアレイセット(工程キ)として、外部空間に設けたマグネットアレイを、バイアス磁石層6に対して所定の位置に配置し、GMR素子5のピン層に対して所定の方向に磁場を印加する。
Next, as a magnet array set (process key), a magnet array provided in the external space is arranged at a predetermined position with respect to the
次いで、規則化熱処理(工程ク)として、マグネットアレイと、バイアス磁石層6との配置を固定したまま、真空中にて、280℃で4時間熱処理する。これにより、GMR素子5のピン層のうち、ピニング層の規則化熱処理を行い、ピンド層の磁化の向きをGMR素子5の帯状短手方向にピン止め(固着)する。
Next, heat treatment is performed at 280 ° C. for 4 hours in a vacuum while fixing the arrangement of the magnet array and the
次いで、マグネットアレイを所定の位置から取り外す(工程ケ)。 Next, the magnet array is removed from a predetermined position (process step).
次いで、GMRパターン形成(工程A)として、図11に示すように、GMR素子5の上面に、スピンコート法、ディップコート法等により、厚さ0.3〜5μmのフォトレジストを塗布し、このフォトレジストの表面に任意のパターンのマスクを配置して露光した後、現像処理を行って不必要なフォトレジストを除去し、レジスト膜20を形成する。なお、図11及び図14中のA−A’方向は、図12(a)のA−A’方向に相当し、その一部分の断面図である。塗布するレジストの厚さを上記範囲とすることにより、レジストリフロー後のレジスト膜20’の帯状長手方向の傾斜角度βを小さくすることができる。
Next, as GMR pattern formation (step A), as shown in FIG. 11, a photoresist having a thickness of 0.3 to 5 μm is applied to the upper surface of the
続いて、レジストリフロー(工程B)として、レジスト膜20を120〜180℃で、1〜30分加熱してリフローさせ、レジスト膜20の帯状長手方向、短手方向の各両端部が曲面をなすようにし、傾斜形状のリフロー後のレジスト膜20’を形成する。従来の加熱温度である100℃よりも高い温度でリフローし、さらに、加熱時間を上記範囲とすることにより、リフロー後のレジスト膜20’の帯状長手方向の傾斜角度βを小さくすることができる。
Subsequently, as a registry flow (step B), the resist
図12は、第1の実施形態に係るGMRパターン形成(工程A)後及びレジストリフロー(工程B)後のGMR素子5とレジスト膜20、リフロー後のレジスト膜20’の概略図であり、(a)は平面図、(b)は全体の概略断面図、(c)はA−A’断面の一部拡大断面図、(d)はB−B’断面図である。
FIG. 12 is a schematic diagram of the
工程A後のレジスト膜20は、図12(c)、(d)の点線で示すように直方体の形状であり、帯状短手方向、長手方向のレジスト端面がGMR素子5上面となす傾斜角度α、βはすべて90°である。
このレジスト膜20を加熱し、リフローを行う。リフローは基板全体で行うので、帯状短手方向、長手方向のどちらも同じ条件で加熱されるが、リフロー後のレジスト端面の形状はレジストのパターンに依存する。図12(c)、(d)の断面図に、リフロー後のレジスト膜20’の形状を実線で示す。図12(c)のA−A’断面の一部拡大断面図に示したように、リフロー後のレジスト膜20’の帯状短手方向の端面がGMR素子5上面となす傾斜角度αは30〜80°と小さくなり、一方、図12(d)のB−B’断面図に示したように、リフロー後のレジスト膜20’の帯状長手方向の端面がGMR素子5上面となす傾斜角度βは50〜85°とそれよりも大きくなる。
The resist
The resist
次いで、GMRミリング(工程C)として、イオンビームを基板に対して斜め方向から入射して、GMR素子5をミリングすることにより、リフロー後のレジスト膜20’で覆われていない部分のGMR素子5を除去すると同時に、GMR素子5の帯状長手方向の側面8,8・・・をテーパー加工する。
Next, as GMR milling (step C), an ion beam is incident on the substrate from an oblique direction, and the
この工程Cにおいて、リフロー後のレジスト膜20’の帯状短手方向、長手方向の両端部の曲面形状に応じて、イオンミリングにより、GMR素子5の帯状長手方向の側面8,8・・・と短手方向の側面9,9・・・はそれぞれ異なるテーパー角度で基板2に対して傾斜するように形成される。
In this step C, the side surfaces 8, 8... Of the
イオンミリングに用いるビームには、アルゴン、酸素、CF4等のガスを使用することができる。そのなかでもアルゴンが好ましい。また、ビームの入射角度は、基板に対して斜め方向であり、その角度は基板2面の法線に対して5〜30°であるのが好ましい。また、ミリング条件は、圧力0.01〜0.1Pa、加速電圧0.3〜0.8kV、ミリング時間1〜3分で行うのが好ましい。
As a beam used for ion milling, a gas such as argon, oxygen, or CF 4 can be used. Among these, argon is preferable. The incident angle of the beam is oblique to the substrate, and the angle is preferably 5 to 30 ° with respect to the normal line of the
図13は、第1の実施形態に係るGMRミリング(工程C)のイオンビームの入射方向とGMR素子5のテーパー加工との関係を示す概略断面図であり、(a)は垂直ミリングした場合のB−B’断面図、(b)は左方向斜め入射ミリングした場合のB−B’断面図、(c)は右方向斜め入射ミリングした場合のB−B’断面図、(d)は垂直ミリングした場合のA−A’断面の一部拡大断面図、(e)は左方向斜め入射ミリングした場合のA−A’断面の一部拡大断面図、(f)は右方向斜め入射ミリングした場合のA−A’断面の一部拡大断面図である。
FIG. 13 is a schematic cross-sectional view showing the relationship between the ion beam incident direction of the GMR milling (step C) and taper processing of the
イオンビームを基板に対して垂直方向(90°)から入射してミリングする垂直ミリングを行うと、GMR素子5の帯状長手方向では、図13(a)の垂直ミリングした場合のB−B’断面図に示したように、リフロー後のレジスト膜20’の帯状長手方向の傾斜角度βは大きいため、GMR素子5の帯状長手方向の側面8,8はレジスト膜20’の幅にならった形状となり、側面8,8のテーパー角度θがほぼ90°になる。
When vertical milling is performed in which the ion beam is incident on the substrate from the vertical direction (90 °) and milled, the cross-section BB ′ in the case of vertical milling in FIG. As shown in the drawing, since the inclination angle β in the strip longitudinal direction of the resist
一方、イオンビームを基板に対して左斜め上方向又は右斜め上方向から、基板2面の法線に対して5〜30°の角度で入射してミリングする斜め入射ミリング(左方向斜め入射ミリング又は右方向斜め入射ミリング)を行うと、GMR素子5の帯状長手方向では、図13(b)の左方向斜め入射ミリングした場合のB−B’断面図又は図13(c)の右方向斜め入射ミリングした場合のB−B’断面図に示したように、左右方向から入射されることとなり、最終的には側面8,8のテーパー角度θがほぼ50〜85°になる。
このようにして、GMR素子5の帯状長手方向の側面8,8をテーパー加工することにより、外部磁界が加わっていないときのGMR素子5のフリー層における磁化の向きを、GMR素子5の帯状長手方向に揃えることができる。
On the other hand, an oblique incidence milling (left oblique incidence milling) in which an ion beam is incident and milled at an angle of 5 to 30 ° with respect to the normal line of the surface of the
In this way, by tapering the side surfaces 8 and 8 of the
次に、このGMR素子5をA−A’断面図からみると、イオンビームを基板に対して垂直方向(90°)から入射してミリングする垂直ミリングを行うと、GMR素子5の帯状短手方向では、図13(d)の垂直ミリングした場合のA−A’断面の一部拡大断面図に示したように、リフロー後のレジスト膜20’の帯状短手方向の傾斜角度αは、帯状長手方向の傾斜角度βより小さいにもかかわらず、レジスト膜20’の厚さによっては肩部が削られる程度であって、帯状短手方向のテーパーはつきにくい。
Next, when the
一方、イオンビームを基板に対して左斜め上方向又は右斜め上方向から、基板2面の法線に対して5〜30°の角度で入射してミリングする斜め入射ミリング(左方向斜め入射ミリング又は右方向斜め入射ミリング)を行うと、GMR素子5の帯状短手方向では、図13(e)の左方向斜め入射ミリングした場合のA−A’断面の一部拡大断面図又は図13(f)の右方向斜め入射ミリングした場合のA−A’断面の一部拡大断面図に示したように、左右方向から入射されることとなり、最終的には側面9のテーパー角度がほぼ30〜80°になる。
On the other hand, an oblique incidence milling (left oblique incidence milling) in which an ion beam is incident and milled at an angle of 5 to 30 ° with respect to the normal line of the surface of the
なお、このGMR素子5の帯状長手方向の側面8,8・・・は、リフロー前のレジスト膜20に対して斜め入射ミリングを行っても、上記範囲50〜85°のテーパー角度θを有するように加工することはできない。リフロー前のレジスト膜20では、その長手方向のレジスト端面がGMR素子5上面となす傾斜角度βが90°であるため、斜め入射ミリングをしても、側面8,8・・・のテーパー角度θはほぼ90°になってしまうからである。つまり、レジスト膜20をリフローして、その傾斜角度βが上記範囲50〜85°内となるリフロー後のレジスト膜20’に形状を変化させた後に、斜め入射ミリングを行うことにより、初めてθが50〜85°の角度を持ったGMR素子5の帯状長手方向の側面8,8・・・を形成することができる。
また、GMR素子5の帯状短手方向の側面9,9・・・も、レジストリフロー(工程B)と斜め入射ミリング(工程C)により、テーパー加工され、その傾斜角度は30〜80°である。
It should be noted that the side surfaces 8, 8... Of the
Further, the side surfaces 9, 9... Of the
また、ミリングを垂直ミリングで行うと、GMR素子5の帯状長手方向の側面8,8・・・に、ミリングで削られた材料が再付着しやすいという問題がある。本発明では、斜め入射ミリングを行う際に基板2を回転させて、図13に示すように全方位から斜め入射ミリングを行うと、この再付着を防止し、加工精度を向上させることができる。
Further, when the milling is performed by vertical milling, there is a problem that the material shaved by milling is likely to be reattached to the side surfaces 8, 8. In the present invention, when the
また、GMR素子5は金属又は磁性体であるため、リフロー後のレジスト膜20’よりもミリング速度は速い。斜め入射ミリングを行うことにより、垂直ミリングと比べてGMR素子5の帯状長手方向の側面8,8・・・を速くテーパー加工できるため、スループットを向上させることができる。
Further, since the
リフロー後のレジスト膜20’の端面のGMR素子5上面となす傾斜角度が大きい場合、斜め入射ミリングを行うと、イオンの照射されない影の部分のGMR素子5の側面は、すそを曳いた形状になる。また、この部分にミリングで削られた材料が再付着しやすい。上述したように基板2を回転させながら斜め入射ミリングを行うと、この再付着物を除去することができる。
また、GMR素子5の側面のすそ曳き形状を改善するには、工程Cの斜め入射ミリングの後、イオンビームを基板に対して垂直方向から入射して、GMR素子5をミリングする工程Dを行うとよい。工程Cの後、工程Dの垂直ミリングを行っても、GMR素子5の帯状長手方向の側面8,8・・・は、すでにテーパー加工が施されているので、ミリングで削られた材料の再付着は起こらない。
When the angle of inclination between the end face of the resist
Further, in order to improve the side profile of the
次いで、レジスト除去(工程コ)として、アセトン、N−メチル−2−ピロリドン等の洗浄液でリフロー後のレジスト膜20’を除去し、GMR素子5の表面を洗浄し、リフロー後のレジスト膜20’を除去する。
Next, as resist removal (process c), the resist
次いで、SiOx成膜(工程サ)として、図14に示すように、GMR素子5の上面に、プラズマCVD法により、膜厚150nm程度の酸化ケイ素膜からなる第一保護膜15を形成する。
Next, as SiO x film formation (process step), as shown in FIG. 14, a first
次いで、SiN成膜(工程シ)として、図14に示すように、第一保護膜15の上面に、プラズマCVD法により、膜厚300nm程度の窒化ケイ素膜からなる第二保護膜16を形成する。
ここで、第一保護膜15と第二保護膜16を併せて保護膜17と言うこともある。また、ここで、第一保護膜15および第二保護膜16の上に、さらにポリイミド樹脂からなる第三保護膜を設けてもよい。
Next, as a SiN film formation (process step), as shown in FIG. 14, a second
Here, the first
次いで、後工程(工程ス)として、第一保護膜15および第二保護膜16の所定の箇所において開口し、パッドを形成した後、基板をダイシングして個々のチップに切断する。そして、個々のチップは樹脂により封止される。
Next, as a post-process (process), openings are formed at predetermined locations of the first
本発明で製造した磁気センサは、外部磁界に対するGMR素子の磁気異方性を十分に制御でき、フリー層の磁化の均一性を向上させて外部磁界に対する磁気センサの出力安定性を確保し、強磁界が印加された後でも、フリー層の磁化の向きを正確に初期状態に復帰させることができる。 The magnetic sensor manufactured by the present invention can sufficiently control the magnetic anisotropy of the GMR element with respect to the external magnetic field, improve the uniformity of magnetization of the free layer, and ensure the output stability of the magnetic sensor with respect to the external magnetic field. Even after the magnetic field is applied, the magnetization direction of the free layer can be accurately returned to the initial state.
また、本発明の磁気センサの製造方法によれば、GMR素子の膜構造や、磁気センサのパターンを従来のものから変更することなしに、外部磁界に対する磁気センサの出力安定性を向上させることができる。 Further, according to the method for manufacturing a magnetic sensor of the present invention, the output stability of the magnetic sensor against an external magnetic field can be improved without changing the film structure of the GMR element or the pattern of the magnetic sensor from the conventional one. it can.
[第2の実施形態]
図15は、第2の実施形態に係る磁気センサ31の概略図であり、(a)は平面図、(b)はA−A’断面図である。本実施形態に係る磁気センサ31は、(b)のA−A’断面図に示したように、GMR素子5の底面が、バイアス磁石層6,6・・・の上平面よりもやや小さめに形成されていて、段差が設けられている以外は、第1の実施形態と同じであるので、それらの説明は省略する。GMR素子5とバイアス磁石層6,6・・・との間に段差を設けることで、バイアス磁石層6,6・・・上にGMR素子5を形成する際の位置精度にマージンを持たせることができる。
[Second Embodiment]
15A and 15B are schematic views of the
[第3の実施形態]
図16は、第3の実施形態に係る磁気センサ31の概略図であり、(a)は平面図、(b)はA−A’断面図である。第1連結部52、第2連結部53、第3連結部54の大きさを第1の実施形態の場合よりも小さくし、幅狭帯状部51,51・・・の接合する部分に切欠き部100,100・・・を設けた以外は、第1の実施形態と同じであるので、それらの説明は省略する。切欠き部100,100・・・を設けることで、フリー層磁化の均一性をより向上させることができる。
[Third Embodiment]
16A and 16B are schematic views of a
[第4の実施形態]
図17は、第4の実施形態に係る磁気センサ31の概略図であり、(a)は平面図、(b)はA−A’断面図、(c)はB−B’断面図である。第1連結部52、第2連結部53、第3連結部54と幅狭帯状部51,51・・・とが接合する部分に切欠き部100,100・・・を設け、さらに第1連結部52、第2連結部53、第3連結部54がバイアス磁石層6,6・・・の上面及び側面を覆うように形成されている以外は、第1の実施形態と同じであるので、それらの説明は省略する。
[Fourth Embodiment]
17A and 17B are schematic views of a
以下、実施例により、本発明をさらに詳しく説明する。本発明は、下記実施例に何ら制限されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of examples. The present invention is not limited to the following examples.
[実施例]
上述の本発明の磁気センサの製造方法に従って、膜厚40nmのGMR素子を有する磁気センサを作製した。この磁気センサは、アスペクト比が16の帯状のGMR素子からなり、その両端部にバイアス磁石層が配されており、GMR素子の帯状長手方向の側面にはθが75°のテーパー加工がなされている。
得られた磁気センサに外部磁界を印加した後、それを取り除き、次いでフリー層容易軸方向(GMR素子の帯状長手方向)に40Oeの初期化磁界を印加した後、磁気センサの出力値を測定し、初期状態での磁気センサの出力値との差(出力変動)(デジタルカウント値、単位なし)を測定した。この初期状態からの出力変動が小さいほど、フリー層の磁化の向きが初期状態の帯状長手方向に正確に復帰していることになる。
外部印加磁界と測定したセンサの初期状態からの出力変動の関係を、図18のグラフに示す。
[Example]
A magnetic sensor having a GMR element with a film thickness of 40 nm was manufactured according to the above-described method for manufacturing a magnetic sensor of the present invention. This magnetic sensor is composed of a strip-shaped GMR element having an aspect ratio of 16, and a bias magnet layer is disposed at both ends thereof, and a taper machining with θ of 75 ° is performed on the side surface in the strip-shaped longitudinal direction of the GMR element. Yes.
After applying an external magnetic field to the obtained magnetic sensor, it was removed, and then an initialization magnetic field of 40 Oe was applied in the free layer easy axis direction (the longitudinal direction of the GMR element), and then the output value of the magnetic sensor was measured. The difference (output fluctuation) (digital count value, no unit) from the output value of the magnetic sensor in the initial state was measured. The smaller the output fluctuation from the initial state, the more accurately the magnetization direction of the free layer is restored to the belt-like longitudinal direction in the initial state.
The relationship between the externally applied magnetic field and the measured output fluctuation from the initial state of the sensor is shown in the graph of FIG.
[比較例1]
上述の本発明の磁気センサの製造方法に準じて、膜厚40nmのGMR素子を有する磁気センサを作製した。この磁気センサは、アスペクト比が16の帯状のGMR素子からなるものである。
実施例と同様にして、センサの初期状態からの出力変動を測定した。
比較例1のセンサの外部印加磁界と測定したセンサの初期状態からの出力変動の関係を、図18のグラフに示す。
[Comparative Example 1]
A magnetic sensor having a GMR element with a film thickness of 40 nm was manufactured according to the above-described method for manufacturing a magnetic sensor of the present invention. This magnetic sensor is composed of a strip-shaped GMR element having an aspect ratio of 16.
In the same manner as in the example, the output fluctuation from the initial state of the sensor was measured.
The relationship between the externally applied magnetic field of the sensor of Comparative Example 1 and the output fluctuation from the initial state of the measured sensor is shown in the graph of FIG.
[比較例2]
上述の本発明の磁気センサの製造方法に準じて、膜厚40nmのGMR素子を有する磁気センサを作製した。この磁気センサは、アスペクト比が16の帯状のGMR素子からなり、その両端部にバイアス磁石層が配されているものである。
実施例と同様にして、センサの初期状態からの出力変動を測定した。
比較例2のセンサの外部印加磁界と測定したセンサの初期状態からの出力変動の関係を、図18のグラフに示す。
[Comparative Example 2]
A magnetic sensor having a GMR element with a film thickness of 40 nm was manufactured according to the above-described method for manufacturing a magnetic sensor of the present invention. This magnetic sensor is composed of a strip-shaped GMR element having an aspect ratio of 16, and bias magnet layers are arranged at both ends thereof.
In the same manner as in the example, the output fluctuation from the initial state of the sensor was measured.
The relationship between the externally applied magnetic field of the sensor of Comparative Example 2 and the output fluctuation from the initial state of the measured sensor is shown in the graph of FIG.
図18の結果から、比較例1の帯状形状のみのセンサと比較例2の帯状形状とバイアス磁石層を有するセンサでは、強磁界印加後のフリー層の磁化の向きは、初期状態の帯状長手方向からずれていることがわかった。それに対し、実施例の帯状形状でバイアス磁石層を有し、帯状長手方向の側面にテーパー加工がなされたセンサでは、強磁界印加後もフリー層の磁化が、初期状態の帯状長手方向に正確に復帰していることがわかった。 From the results shown in FIG. 18, in the sensor having only the band shape of Comparative Example 1 and the sensor having the band shape of Comparative Example 2 and the bias magnet layer, the magnetization direction of the free layer after application of the strong magnetic field is in the initial band longitudinal direction. I found out of the way. On the other hand, in the sensor having the belt-shaped bias magnet layer in the embodiment and tapering the side surface in the longitudinal direction of the belt, the magnetization of the free layer is accurate in the longitudinal direction of the belt in the initial state even after applying the strong magnetic field. I found out that I have returned.
以上の結果から、本発明の製造方法によれば、強磁界が印加された後でも、フリー層の磁化の向きを正確に初期状態に復帰させることのできる磁気センサが得られることが確認された。 From the above results, it was confirmed that according to the manufacturing method of the present invention, a magnetic sensor capable of accurately returning the magnetization direction of the free layer to the initial state even after a strong magnetic field was applied was obtained. .
1・・・磁気センサ、2・・・基板、5・・・磁気抵抗効果素子(GMR素子)、6・・・バイアス磁石層、8・・・帯状長手方向の側面、11,20・・・レジスト膜、11’,20’ ・・・リフロー後のレジスト膜、31・・・磁気センサ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Magnetic sensor, 2 ... Board | substrate, 5 ... Magnetoresistive element (GMR element), 6 ... Bias magnet layer, 8 ... Side surface of a strip | belt-shaped longitudinal direction, 11, 20 ... Resist film, 11 ', 20' ... Reflow resist film, 31 ... Magnetic sensor
Claims (3)
前記磁気抵抗効果素子上にレジストを塗布し、パターンを形成する工程Aと、
該レジストをリフローさせ、傾斜形状のレジスト膜を形成する工程Bと、
イオンビームを基板に対して斜め方向から入射して、前記磁気抵抗効果素子をミリングする工程Cとを少なくとも備え、
前記磁気抵抗効果素子の帯状長手方向の側面をテーパー加工することを特徴とする磁気センサの製造方法。 In a method of manufacturing a magnetic sensor in which a strip-like magnetoresistive effect element is disposed on a substrate, and a bias magnet layer made of a magnet film is connected to both ends of the magnetoresistive effect element,
A step of applying a resist on the magnetoresistive element and forming a pattern; and
Reflowing the resist to form an inclined resist film; and
And at least a step C of making an ion beam incident on the substrate from an oblique direction and milling the magnetoresistive element.
A method of manufacturing a magnetic sensor, comprising: tapering a side surface in a longitudinal direction of the belt-like shape of the magnetoresistive effect element.
The direction of magnetization in the free layer of the magnetoresistive effect element when the external magnetic field is not applied is tapered in the longitudinal direction of the strip of the magnetoresistive effect element by tapering the side surface in the longitudinal direction of the strip of the magnetoresistive effect element. The method for manufacturing a magnetic sensor according to claim 1, wherein the magnetic sensor is aligned.
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