JP2007258402A - 磁気センサ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 磁気センサ10は、磁気抵抗効果を有する磁性膜36と、その磁性膜36上に形成されている導電性の中間膜35と、中間膜35の一部35aを介して磁性膜36に電気的に接続されている第1電極32と、中間膜35の他の一部35bを介して磁性膜36に電気的に接続されている第2電極38を備えている。磁気センサ10はさらに、中間膜35上に形成されている絶縁性の保護膜34を備えている。中間膜35は、導電性の粒子が絶縁性の膜に分散して混入している形態であることを特徴としている。
【選択図】 図1
Description
磁気センサ100は、シリコン(Si)の基板110と、その基板110上に形成されている酸化シリコン(SiO2)の絶縁膜120を備えている。絶縁膜120上には、磁界強度を検出するためのセンサ部が形成されている。磁気センサ100のセンサ部は、磁気抵抗効果を有する磁性膜136と、その磁性膜136上に形成されている導電性の中間膜135と、中間膜135の一部135aを介して磁性膜136に電気的に接続されている第1電極132と、中間膜135の他の一部135bを介して磁性膜136に電気的に接続されている第2電極138を備えている。磁気センサ100のセンサ部はさらに、第1電極132の少なくとも一部及び第2電極138の少なくとも一部が除外されている状態で、中間膜135上に形成されている絶縁性の保護膜134を備えている。
本発明は、従来とは異なる技術思想によって、コンタクト抵抗と中間膜に起因する固定抵抗の間のトレードオフ関係を改善することを目的とする。
従来の中間膜は、一種類の材料又は合金が用いられている。この場合、中間膜はほぼ均質な形態を備えており、厚み方向及び面内方向のいずれの方向にも、結晶性が連続した形態を備えている。このため、中間膜の厚み方向の抵抗(比抵抗/接触面積にほぼ比例する)と、シート抵抗(比抵抗/膜厚にほぼ比例する)は、比抵抗に対して等方的な特性を示す。即ち、中間膜に用いられる材料が決定されれば、その材料の比抵抗と中間膜の形状に基づいて、中間膜の厚み方向の抵抗とシート抵抗は決定され、両者の抵抗は連関して変動する。
一方、本発明の中間膜は、導電性の粒子が絶縁性の膜に分散して混入している。中間膜は、薄板状の形状を有しており、厚み方向の距離は短く、面内方向の距離は長い。距離が短い厚み方向では、粒子を介して電気伝導するので、厚み方向の抵抗は小さい。一方、距離が長い面内方向では、粒子と粒子の間の絶縁性の膜を介してトンネル伝導する機会が増大するので、面内方向の抵抗は高い。本発明の中間膜では、厚み方向の電流が流れる仕組みと、面内方向を電流が流れる仕組みが異なっている。このため、厚み方向と面内方向の抵抗は、比抵抗の等方的な関係から逸脱し、中間膜の厚み方向の抵抗が小さく、中間膜の面内方向の抵抗が大きいという特性が得られる。従来の中間膜とは異質な形態を採用することにより、磁気センサの中間膜に必要とされる特性を具備することができる。本発明の中間膜を利用すれば、コンタクト抵抗と中間膜に起因する固定抵抗の間のトレードオフ関係を改善することができる。
上記の形態の中間膜では、厚み方向と面内方向の抵抗は、比抵抗の等方的な関係から逸脱し、中間膜の厚み方向の抵抗が小さく、中間膜の面内方向の抵抗が大きいという特性が得られる。これにより、本発明の中間膜を利用すれば、コンタクト抵抗と中間膜に起因する固定抵抗の間のトレードオフ関係を改善することができる。
上記の材料を用いると、導電性の粒子と絶縁性の膜の間が良好に相分離され、導電性の粒子が絶縁性の膜に分散して混入している形態が得られる。
これらの材料は、酸化され難い材料である。このため、導電性の粒子と絶縁性の膜の間において、酸化反応を介した化学結合の形成が抑制される。これにより、導電性の粒子と絶縁性の膜の間が良好に相分離され、導電性の粒子が絶縁性の膜に分散して混入している形態が得られる。さらに、ニッケル及びコバルトは、通常の半導体製造プロセスで利用可能な材料であることから、製造の面からも有利である。
粒子の平均粒径が1nm以下になると、厚み方向の抵抗が大きくなり、良好なコンタクト抵抗が得られないことがある。粒子の平均粒径が10nm以上であると、面内方向の抵抗が小さくなり、面内方向に良好なシート抵抗が得られないことがある。中間膜の導電性の粒子の平均粒径が1〜10nmであると、磁気センサの中間膜に必要とされる特性を高い水準で得ることができる。
導電性の粒子には酸化され難い材料が採用され、絶縁性の膜には酸化され易い材料が採用されると、導電性の粒子と絶縁性の膜の間が良好に相分離され、導電性の粒子が絶縁性の膜に分散して混入している形態が得られる。
これらの材料は、酸化され易い材料である。このため、導電性の粒子と絶縁性の膜の間が良好に相分離され、導電性の粒子が絶縁性の膜に分散して混入している形態が得られる。さらに、酸化シリコン及び酸化アルミニウムは、通常の半導体製造プロセスで利用可能な材料であることから、製造の面からも有利である。
中間膜の厚みが5nmよりも小さくなると、中間膜の厚みを均一に制御して製造することが困難になる。このため、中間膜の厚みが、その面内において不均一に形成されてしまう。このため、中間膜と電極の間の接触抵抗が増大し、良好なコンタクト抵抗が得られないことがある。中間膜の厚みが100nmよりも大きくなると、面内方向の抵抗が小さくなり、良好なシート抵抗が得られないことがある。このため、中間膜の厚みが5〜100nmであると、磁気センサの中間膜に必要とされる特性を高い水準で得ることができる。
上記の接触面積が確保されていると、磁性膜と電極の間のコンタクト抵抗は良好なものとなる。それに加えて、本発明の他の特徴によって、中間膜の面内方向のシート抵抗が従来の構造では達成し得ない値が得られる。極めて有用な磁気センサを得ることができる。
上記の接触面積が確保され、磁性膜と電極の間のコンタクト抵抗に良好な値が確保されているときに、中間膜のシート抵抗が1000Ω/□以上を達成できるのは、本発明の技術によって初めて達成されたものである。コンタクト抵抗とシート抵抗の間の上記関係は、従来の関係から逸脱し、本発明の技術によって初めて達成されたものである。
(第1形態) 磁性膜には、ニッケルと鉄の合金、又はニッケルとコバルトの合金の単層構造体を採用することができる。あるいは、磁性膜には、強磁性の層と非磁性の層の組合せが繰返して積層されている積層構造体を採用することもできる。強磁性の層には、コバルト、クロムなどを用いることができ、非磁性の層には銅、鉄などを用いることができる。
(第2形態) 中間膜のシート抵抗が、1000Ω/□以上である。従来の構造では、コンタクト抵抗及びMR比を維持しながら、シート抵抗が1000Ω/□以上の中間膜を得ることは不可能である。一方、本発明の中間膜を利用すれば、そのような数値を初めて達成することができる。仮に、従来の構造でも、中間膜に比抵抗の大きい材料を用いれば、中間膜のシート抵抗を1000Ω/□以上にすることができ得る。しかしながら、そのような比抵抗を有する材料を用いると、コンタクト抵抗が顕著に増加する。それを抑制するためには、中間膜と電極の接触面積を大きくするしかなく、この場合は、磁気センサが極めて大型化され、磁気センサの設置可能な適用範囲を限定してしまう。本発明は、これらの問題を解決することができ、極めて有用な磁気センサを提供することができる。
(第3形態) 中間膜と電極の接触する面積が、25μm2〜2500μm2の範囲であるときに、中間膜の厚みが概ね10〜50nmの範囲に調整されており、且つ中間膜の導電性の粒子の平均粒径が概ね3〜7nmの範囲に調整されているのが好ましい。この条件に合致していると、コンタクト抵抗を従来の磁気センサと同等に維持しながら、シート抵抗を従来の磁気センサに対して10倍以上に増加させることができる。
磁気センサ10は、シリコン(Si)の基板10と、その基板10上に形成されている酸化シリコン(SiO2)の絶縁膜20を備えている。絶縁膜20上には、磁界強度を検出するためのセンサ部が形成されている。絶縁膜20は、センサ部と基板10を電気的に分離している。
磁気センサ10のセンサ部は、磁気抵抗効果を有する磁性膜36と、その磁性膜36上に形成されている導電性の中間膜35と、中間膜35の一部35aを介して磁性膜36に電気的に接続されている第1電極32と、中間膜35の他の一部35bを介して磁性膜36に電気的に接続されている第2電極38を備えている。磁気センサ10のセンサ部はさらに、第1電極32の少なくとも一部及び第2電極38の少なくとも一部を除外している状態で、中間膜35上に形成されている絶縁性の保護膜34を備えている。
中間膜35は、従来の中間膜の形態とは全く異なっており、斬新な形態を有していることを特徴としている。中間膜35は、導電性の粒子35Pが絶縁性の膜35Mに分散して混入している形態であることを特徴としている。導電性の粒子35Pには、コバルト(Co)が用いられている。絶縁性の膜35Mには、酸化アルミニウム(Al2O3)が用いられている。中間膜35の厚み(Y方向の厚み)は、概ね5〜100nmの範囲に調整されている。導電性の粒子35Pの平均粒径は、概ね1〜10nmの範囲に調整されている。なお、ここでいう平均粒径は、透過電子顕微鏡(TEM)によって計測された値を参考にしている。ただし、その他の手法を用いて計測してもよい。例えば、X線回折のピーク幅から、シュラー式によって平均粒径を算出しても良い。この場合でも、導電性の粒子35Pの平均粒径は、概ね1〜10nmの範囲に調整されていることが好ましい。
(1)中間膜35の導電性の粒子35Pには、酸化され難い材料を採用し、絶縁性の膜35Mには、酸化され易い材料を採用するのが好ましい。例えば、導電性の粒子35Pには、鉄族、貴金属又はそれらの混合物を採用するのが好ましい。この場合、導電性の粒子35Pと絶縁性の膜35Mの間において、酸化反応を介した化学結合の形成が抑制される。これにより、導電性の粒子35Pと絶縁性の膜35Mの間が良好に相分離され、導電性の粒子35Pが絶縁性の膜35Mに分散して混入している形態が得られる。
(2)中間膜35の導電性の粒子35Pには、ニッケル又はコバルトを採用し、絶縁性の膜35Mには、酸化シリコン又は酸化アルミニウムを採用するのが好ましい。ニッケル及びコバルトは、酸化シリコン及び酸化アルミニウムよりも酸化され難い材料である。さらに、これらの材料はいずれも、通常の半導体製造プロセスで利用可能な材料であることから、製造の面からも有利である。
(3)中間膜35の厚みは、概ね5〜100nmの範囲に調整されているのが好ましい。中間膜35の厚みが5nmよりも小さくなると、中間膜35の厚みを均一に制御して製造することが困難になる。このため、中間膜35の厚みが、その面内において不均一に形成されてしまう。このため、中間膜35と電極32、38の間の接触抵抗が増大し、良好なコンタクト抵抗が得られないことがある。中間膜35の厚みが100nmよりも大きくなると、面内方向(X方向)の抵抗が小さくなり、良好なシート抵抗が得られないことがある。このため、磁気センサ10の中間膜35に必要とされる特性を高い水準で満足するためには、中間膜35の厚みが5〜100nmであることが好ましい。
(4)中間膜35の導電性の粒子35Pの平均粒径は、概ね1〜10nmの範囲に調整されているのが好ましい。粒子35Pの平均粒径が1nm以下になると、厚み方向(Y方向)の抵抗が大きくなり、良好なコンタクト抵抗が得られないことがある。粒子35Pの平均粒径が10nm以上であると、面内方向(X方向)の抵抗が小さくなり、良好なシート抵抗が得られないことがある。磁気センサ10の中間膜35に必要とされる特性を高い水準で満足するためには、中間膜35の導電性の粒子35Pの平均粒径が1〜10nmであることが好ましい。
(5)中間膜35の厚みが概ね5〜100nmの範囲に調整されており、且つ中間膜35の導電性の粒子35Pの平均粒径が概ね1〜10nmの範囲に調整されているのが好ましい。磁気センサ10の中間膜35に必要とされる特性を高い水準で満足することができる。さらに、中間膜35と第1電極32の接触する面積、及び中間膜35と第2電極38の接触する面積が、25μm2〜2500μm2の範囲であるときに、中間膜35の厚みが概ね10〜50nmの範囲に調整されており、且つ中間膜35の導電性の粒子35Pの平均粒径が概ね3〜7nmの範囲に調整されているのが好ましい。この場合、磁気センサの他の構造が従来と同一であるならば、コンタクト抵抗を同等に維持しながら、中間膜35のシート抵抗を従来に比して約10倍以上に向上させることができる。特に、中間膜35のシート抵抗を1000Ω/□以上にすることができる。コンタクト抵抗を従来の構造と同等に維持しながら、中間膜35のシート抵抗が1000Ω/□以上の値は、従来の構造では得られない値であり、本実施例によって初めて得られる値である。
図3及び図4を参照して、磁気センサ10の製造方法を説明する。
まず、図3に示すように、シリコン単結晶の基板10を準備する。次に、熱酸化法を利用して、その基板10上に酸化シリコン(SiO2)の絶縁膜20を形成する。絶縁膜20の厚みは、概ね500nmに調整される。次に、ニッケル(Ni)と鉄(Fe)をターゲットにし、スパッタ法を利用して、絶縁膜20上に磁性膜36を形成する。磁性膜36の組成は、Ni80Fe20に調整される。磁性膜36の厚みは、概ね40nmに調整される。さらに、コバルト(Co)と酸化アルミニウム(AlXOY)をターゲットにし、スパッタ法を利用して、磁性膜36上に中間膜35を形成する。中間膜35の組成は、例えば、Co62Al17O25に調整される。中間膜35は、上記の材料を用いることによって、コバルトの粒子が酸化アルミニウムの膜に分散して混入した形態で形成される(図2参照)。コバルトの粒子35Pの平均粒径は、概ね5nmに調整される。なお、コバルトの平均粒径は、スパッタパワー、ガス圧等の製造条件を調整することによって、所望の大きさに調整することが可能である。次に、ドライエッチングを利用して、磁性膜36と中間膜35の積層構造体を、所定の形状にパターニングする。磁性膜36と中間膜35の積層構造体の平面形状は、幅が20μmであり、長さが200μmに加工される。
上記の製造方法を経て得られる磁気センサ10の特性を評価した。特性評価は、中間膜35の組成比、又は材料を変更した実施品1〜4に関して評価した。また、比較例として、中間膜35にチタン・タングステン(TiW)を用いた比較品1と、中間膜35に窒化タンタル(TaN)を用いた比較品2も評価した。評価項目は、中間膜35のシート抵抗と電極部のコンタクト抵抗と磁気センサの感度を表すMR比である。MR比は、磁界が0のときの抵抗値をR0とし、磁界が1kOeのときの抵抗値をR1とし、ΔR/R0=(R0−R1)/R0で定義した。これらの特性値のうち、中間膜35のシート抵抗を実測し、そのシート抵抗と磁気センサ10の形状から比抵抗を算出した。コンタクト抵抗は、電極32、38と中間膜35の間の接触抵抗、及び中間膜35の厚み方向の抵抗の合計であり、中間膜35の比抵抗及び20μm×20μmの接触面積等の形状から求められた推測値である。MR比は、中間膜35がないときの実測値が3.5%であったので、図5(B)の等価回路を使用してシート抵抗値、コンタクト抵抗値から計算される値である。評価結果を表1に示す。
一方、実施品1〜4は、そのトレードオフ関係から逸脱した値を示している。即ち、実施品1〜4の中間膜35は、導電性の粒子35Pが絶縁性の膜35Mに分散して混入している形態を有しており、従来の中間膜35とは異質な形態が採用されている。これにより、従来のコンタクト抵抗とシート抵抗の間にトレードオフ関係から逸脱することができる。実施品1〜4は、従来の中間膜では決して得ることができない範囲で、低い値のコンタクト抵抗と大きな値のシート抵抗を得ることができる。磁気センサ10の中間膜35に必要とされる特性を具備することができる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
20:絶縁膜
32、38:電極
34:保護膜
35:中間膜
36:磁性膜
Claims (13)
- 磁界強度を検出する磁気センサであって、
磁気抵抗効果を有する磁性膜と、
その磁性膜上に形成されている導電性の中間膜と、
中間膜の一部を介して磁性膜に電気的に接続されている第1電極と、
中間膜の他の一部を介して磁性膜に電気的に接続されている第2電極と、
中間膜上に形成されている絶縁性の保護膜を備えており、
前記中間膜は、導電性の粒子が絶縁性の膜に分散して混入している形態であることを特徴とする磁気センサ。 - 前記中間膜の導電性の粒子には、鉄族、貴金属又はそれらの混合物を主成分とする金属が用いられていることを特徴とする請求項1の磁気センサ。
- 前記中間膜の導電性の粒子には、ニッケル、コバルト又はそれらの混合物が用いられていることを特徴とする請求項2の磁気センサ。
- 前記中間膜の導電性の粒子の平均粒径が、1〜10nmであることを特徴とする請求項1〜3のいずれかの磁気センサ。
- 前記中間膜の絶縁性の膜には、導電性の粒子よりも酸化され易い金属酸化物が用いられていることを特徴とする請求項1〜4のいずれかの磁気センサ。
- 前記中間膜の絶縁性の膜には、酸化シリコン、酸化アルミニウム又はそれらの混合物が用いられていることを特徴とする請求項5の磁気センサ。
- 前記中間膜の厚みが、5〜100nmであることを特徴とする請求項1〜6のいずれかの磁気センサ。
- 中間膜と第1電極が接する面積、及び中間膜と第2電極が接する面積はいずれも、25μm2〜2500μm2の範囲であることを特徴とする請求項1〜7のいずれかの磁気センサ。
- 前記中間膜のシート抵抗が、1000Ω/□以上であることを特徴とする請求項8の磁気センサ。
- 前記中間膜の導電性の粒子には、ニッケル、コバルト又はそれらの混合物が用いられており、
前記中間膜の絶縁性の膜には、酸化シリコン、酸化アルミニウム又はそれらの混合物が用いられていることを特徴とする請求項1の磁気センサ。 - 前記中間膜の導電性の粒子の平均粒径が、1〜10nmであり
前記中間膜の厚みが、5〜100nmであることを特徴とする請求項10の磁気センサ。 - 中間膜と第1電極が接する面積、及び中間膜と第2電極が接する面積はいずれも、25μm2〜2500μm2の範囲であることを特徴とする請求項11の磁気センサ。
- 前記中間膜のシート抵抗が、1000Ω/□以上であることを特徴とする請求項12の磁気センサ。
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