JP2009216390A - Triaxial magnetic sensing device, and manufacturing method therefor - Google Patents

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晃広 布施
太好 ▲高▼
Hiroyoshi Ko
Junichi Azumi
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a compact triaxial magnetic sensing device of high sensitivity and high reliability, allowing highly dense integration, and a manufacturing method therefor. <P>SOLUTION: This triaxial magnetic sensing device includes an X-axial thin-film magnetic sensor formed to have a magnetic sensitive axis along an X axis existing in a flat part on a surface of a substrate, a Y-axial thin-film magnetic sensor formed to have a magnetic sensitive axis along a Y axis with 90° with respect to the X axis, a recess having an inclined face provided to form a prescribed angle to the flat part on an upper face of the substrate, and a Z-axial thin-film magnetic sensor formed to have a magnetic sensitive axis along a Z axis extended perpendicularly to the surface of the substrate, the Z-axial thin-film magnetic sensor includes a magnetic detecting element and a magnetic induction member, the magnetic detecting element is formed in the flat part of the substrate surface, the magnetic induction member is formed in the inclined face, and the magnetic detecting element is coupled magnetically with the magnetic induction member. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、同一基板に少なくとも3個以上の薄膜磁気センサーが配置されて形成される3軸磁気センシング装置に関し、特に、高密度に集積化が可能な、高感度でかつ高信頼性の小型3軸磁気センシング装置およびその製造方法に関するものである。   The present invention relates to a three-axis magnetic sensing device formed by arranging at least three or more thin film magnetic sensors on the same substrate, and in particular, a highly sensitive and highly reliable small size 3 that can be integrated at a high density. The present invention relates to an axial magnetic sensing device and a manufacturing method thereof.

従来、磁気センサとして、磁気抵抗効果素子が知られており、これには、異方性磁気抵抗効果素子(AMR素子)、巨大磁気抵抗効果素子(GMR素子)、および磁気トンネル効果素子(TMR素子)がある。AMR素子は、MR膜からなり、外部磁界により、この膜の磁化が回転することにより、MR膜の抵抗値が変化するので、この出力により外部磁界の向きを検出することができる。
一方、GMR素子、TMR素子は、磁界の変化をより感度よく検出することができることで知られており、これらの磁気抵抗効果素子は、磁化の向きが所定の向きにピン(固定)されたピンド層と、磁化の向きが外部磁界に応じて変化するフリー層とを備えており、ピンド層の磁化の向きと、フリー層の磁化の向きの相対関係に応じた抵抗値を出力として示す。
このような素子を、直交する2方向(ここでは、以下「直交する2方向」を「X軸方向、Y軸方向」とする。)の磁界の変化をそれぞれ検出するように、それぞれ1個ずつ直交するように配置して、それぞれの素子の出力(抵抗値の変化)を得ることにより、外部磁界の向きを検出する技術が知られている。
Conventionally, a magnetoresistive effect element is known as a magnetic sensor, and includes an anisotropic magnetoresistive effect element (AMR element), a giant magnetoresistive effect element (GMR element), and a magnetic tunnel effect element (TMR element). ) The AMR element is composed of an MR film, and the resistance value of the MR film changes due to rotation of the magnetization of this film by an external magnetic field. Therefore, the direction of the external magnetic field can be detected from this output.
On the other hand, GMR elements and TMR elements are known to be able to detect magnetic field changes with higher sensitivity, and these magnetoresistive elements are pinned in which the magnetization direction is pinned (fixed) in a predetermined direction. And a free layer whose magnetization direction changes according to an external magnetic field, and shows a resistance value corresponding to the relative relationship between the magnetization direction of the pinned layer and the magnetization direction of the free layer as an output.
One such element is used to detect changes in the magnetic field in two orthogonal directions (herein, “two orthogonal directions” are referred to as “X-axis direction and Y-axis direction”). A technique for detecting the direction of an external magnetic field by arranging them so as to be orthogonal and obtaining the output of each element (change in resistance value) is known.

また、近年、携帯端末の高機能化、高性能化が進展し、地図情報を元に、所望の位置に誘導するいわゆるナビゲーション機能を搭載した携帯電話も急速に普及しつつある。このようなアプリケーションには、地磁気情報を有効に活用することにより、利便性は飛躍的に向上する。地磁気はベクトル量であり、その強度は、一般に0.3〜0.5Oe(エルステッド)と言われており非常に弱いものである。
このように非常に弱い強度の地磁気を高精度に検知するためには、検出素子そのものの特性向上も重要な技術課題となるが、それと同時に、x軸、y軸、z軸のいわゆる3軸の地磁気の検知に対応できるかどうかが重要な技術要素となる。
一般に知られているように、地磁気は地球上の両磁極から発生する磁力線によるものであるために、平面ではない地球上でこの地磁気を検知する場合には、水平面のみの情報、つまり2次元情報のみでは不十分であることは言うまでもないことである。したがって、地磁気に関する情報を有効に活用するためには、地磁気の情報を3次元で検知する必要がある。
In recent years, mobile terminals have been improved in functionality and performance, and mobile phones equipped with a so-called navigation function for guiding to a desired position based on map information are rapidly spreading. For such applications, the convenience is dramatically improved by effectively utilizing geomagnetic information. Geomagnetism is a vector quantity, and its strength is generally said to be 0.3 to 0.5 Oe (Oersted) and is very weak.
In order to detect extremely weak geomagnetism with high accuracy in this way, improving the characteristics of the detection element itself is also an important technical problem. At the same time, the so-called three-axis x-axis, y-axis, and z-axis are also used. An important technical element is whether it can cope with detection of geomagnetism.
As is generally known, since the geomagnetism is due to the magnetic field lines generated from both magnetic poles on the earth, when detecting this geomagnetism on the earth that is not a plane, information only on the horizontal plane, that is, two-dimensional information. Needless to say, it is not enough. Therefore, in order to effectively use information relating to geomagnetism, it is necessary to detect geomagnetism information in three dimensions.

従来このような課題の解決のためには、個々に作製した複数の磁気センサーを実装によって組み上げてモジュール化し、ひとつの磁気センサーがひとつの軸の磁気を検知する構造とすることで全体で多軸に対応した磁気センシング装置、すなわち、同一基板に少なくとも3個以上の薄膜磁気センサーが配置されて形成される3軸磁気センシング装置が知られていた。
具体的な従来の多軸磁気センシング装置又は方法として、以下のような提案例が挙げられる。
第1の従来技術としては、1組の薄膜ヨークがギャップを介して配置され、そのギャップ部にGMR膜を設けてなる磁気センサーのうち、Z軸検知用素子についてはその感磁軸が基板表面に対して平行にならないように傾斜面に形成することによりZ軸方向の磁気情報を検知するものが提案されている(特許文献1)。
第2の従来技術としては、2つ、もしくは3つの磁気センサーの出力に基づいて少なくとも直交する2軸もしくは3軸方向の磁界成分を検出する磁界検出装置において、2つもしくは3つの磁気センサーの配置について特徴をもたせ、具体的には、2つ、もしくは3つの磁気センサーのうち、少なくとも2つの磁気センサーの感度方向が、磁気センサーがパッケージされている部材の表面に対して斜めに配置されており、このような配置にすることで互いに直交する3軸方向の磁気センサー成分を検出できるというものが提案されている(特許文献2)。
Conventionally, in order to solve such problems, a plurality of individually produced magnetic sensors are assembled and modularized so that one magnetic sensor detects the magnetism of one axis as a whole. Is known, that is, a three-axis magnetic sensing device formed by arranging at least three or more thin film magnetic sensors on the same substrate.
Specific examples of the conventional multi-axis magnetic sensing device or method include the following proposed examples.
As a first prior art, among a magnetic sensor in which a pair of thin film yokes are arranged via a gap and a GMR film is provided in the gap, the magnetosensitive axis of the Z-axis detection element is the surface of the substrate. There has been proposed one that detects magnetic information in the Z-axis direction by forming it on an inclined surface so as not to be parallel to (Patent Document 1).
As a second prior art, in a magnetic field detection apparatus that detects magnetic field components in two or three axial directions orthogonal to each other based on outputs of two or three magnetic sensors, the arrangement of two or three magnetic sensors is used. Specifically, the sensitivity direction of at least two of the two or three magnetic sensors is arranged obliquely with respect to the surface of the member on which the magnetic sensor is packaged. In this arrangement, it has been proposed that magnetic sensor components in three axial directions perpendicular to each other can be detected (Patent Document 2).

第3の従来技術としては、基板上に形成された同一の3個磁気抵抗効果膜の磁化の向きが、互いに三次元方向に交差するように形成されており、そのため、ひとつの磁気抵抗効果膜は基板に加工した傾斜面に形成するというものが提案されている(特許文献3)。
第4の従来技術としては、磁電変換素子に一致するように設けられたテーパー状の溝に磁性体膜を形成し、磁電変換素子に磁束を収束させることで高感度を実現するようにしたもので、磁電変換素子は平坦部に形成し、磁束を収束させるための磁性体膜がテーパー状の溝、つまり傾斜面に形成しているものが提案されている(特許文献4)。
第5の従来技術としては、磁気センサーの高感度化を目的とし、磁気センサーをTMR素子又はGMR素子を用いて形成し、素子の一面に配されて抗磁力が磁性層の抗磁力よりも低く、かつ、その異方性軸が磁性層の異方性軸とは独立して設定された磁界感知補用軟磁性膜を備えるものが提案されている(特許文献5)。
特開2004−354182公報 特開2005−249554公報 特開2004−6752公報 特開2000−349363公報 特開2002−207071公報
As a third prior art, the same three magnetoresistive films formed on the substrate are formed so that the magnetization directions intersect each other in a three-dimensional direction. Therefore, one magnetoresistive film is formed. Has been proposed which is formed on an inclined surface processed into a substrate (Patent Document 3).
As a fourth prior art, a high sensitivity is realized by forming a magnetic film in a tapered groove provided so as to coincide with the magnetoelectric conversion element and converging the magnetic flux on the magnetoelectric conversion element. Thus, it has been proposed that the magnetoelectric conversion element is formed in a flat portion and a magnetic film for converging the magnetic flux is formed in a tapered groove, that is, an inclined surface (Patent Document 4).
As a fifth prior art, for the purpose of increasing the sensitivity of the magnetic sensor, the magnetic sensor is formed using a TMR element or a GMR element, and is disposed on one surface of the element so that the coercive force is lower than the coercive force of the magnetic layer. In addition, a magnetic field sensing supplement soft magnetic film whose anisotropy axis is set independently of the anisotropy axis of the magnetic layer has been proposed (Patent Document 5).
JP 2004-354182 A JP-A-2005-249554 JP 2004-6752 A JP 2000-349363 A JP 2002-207071 A

しかしながら、上記特許文献2、4、5に記載の従来技術では、一般的に3軸とするには、x軸、y軸、z軸それぞれに対応する磁気センサー素子を実装で組み上げるために、センシング装置全体の小型化、特に高さ方向の小型化には限界があり、さらには、複数の磁気センサー素子を配線部材やワイヤーなどで接続していたために、長期の安定性や信頼性に対しては十分な対応はできていないという問題を抱えていた。
ここで、まず、多軸の磁気センサーを実現するためにこれまで一般的に提案されてきた技術に関して簡単に説明する。
However, in the prior art described in Patent Documents 2, 4, and 5, in order to generally set three axes, sensing is performed in order to assemble magnetic sensor elements corresponding to the x axis, the y axis, and the z axis. There is a limit to downsizing the entire device, especially in the height direction, and moreover, because multiple magnetic sensor elements are connected by wiring members and wires, long-term stability and reliability Had the problem of not being able to respond adequately.
Here, first, a technique generally proposed so far in order to realize a multi-axis magnetic sensor will be briefly described.

図7は、x軸、y軸、z軸方向の磁界の変化を検知する3つの磁気センサー101、103、105をセンサー支持体100のそれぞれx軸、y軸、z軸に平行な面に実装技術を用いて配置し、3つの磁気センサーで3次元の磁界の変化を検知できるように組み上げた様子を模式的に示したものである。
このようにすれば、3軸方向の磁気情報を得ることができ、使用される場所や姿勢などが特定できない携帯端末などに組み込んだ場合、非常に有効な情報を入手できるものとなる。
しかしながら、この場合、x軸、y軸、z軸方向の磁界の変化を検知する3つの磁気センサーを実装技術で組み上げているために、x軸、y軸、z軸どの方向にも同程度の寸法が求められ、如何に磁気センサーそのものを薄膜化しても、望まれる小型化に関しては全く対応ができないという問題を抱えている。特に、近年の携帯端末は、小型化、薄型化、軽量化が急速に進展し、小型化が困難な部品、装置については早急に改善されることが強く望まれている。
この問題の解決方法として、x軸、y軸、z軸方向の磁界の変化を検知する3つの磁気センサーの実装の仕方を工夫して小型化を実現しようとする技術が提案されている。
それが、先に従来技術として紹介した、特許文献2である。その技術の内容を図8を参照して説明する。図8は、従来におけるx軸、y軸、z軸方向の磁界の変化を検知する3つの磁気センサーの実装の仕方を示す模式図である。
FIG. 7 shows that three magnetic sensors 101, 103, and 105 that detect changes in the magnetic field in the x-axis, y-axis, and z-axis directions are mounted on surfaces parallel to the x-axis, y-axis, and z-axis of the sensor support 100, respectively. This is a schematic view showing the state of assembly using technology and assembly so that three magnetic sensors can detect a three-dimensional magnetic field change.
In this way, magnetic information in three axial directions can be obtained, and when it is incorporated in a portable terminal or the like in which the location or posture to be used cannot be specified, very effective information can be obtained.
However, in this case, since three magnetic sensors that detect changes in the magnetic field in the x-axis, y-axis, and z-axis directions are assembled by mounting technology, the same degree can be obtained in any direction of the x-axis, y-axis, and z-axis. The size is required, and no matter how thin the magnetic sensor itself is, there is a problem that it cannot cope with the desired miniaturization at all. In particular, recent portable terminals have been rapidly reduced in size, thickness, and weight, and it is strongly desired that parts and devices that are difficult to be reduced be improved immediately.
As a solution to this problem, there has been proposed a technique for reducing the size by devising how to mount three magnetic sensors that detect magnetic field changes in the x-axis, y-axis, and z-axis directions.
That is Patent Document 2 introduced as the prior art. The contents of the technique will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a schematic diagram showing how to mount three magnetic sensors that detect changes in magnetic fields in the x-axis, y-axis, and z-axis directions in the related art.

ここでは、図8に示すように、x軸、y軸、z軸方向の磁界の変化を検知する3つのホール素子(磁気センサー)201、203、205をそれぞれ90度直交させて実装するのではなく、基板200に対してθa、θbといった90度以下の角度をなして配置することで小型化を実現しようとするものである。
しかしながら、この従来技術は、あくまでも素子単体を個別に形成した後に、斜めに配置するという実装上の工夫で3軸化の対応を実現する技術であるために、小型化に寄与する効果は小さく、また、各磁気センサー間を接続する配線もワイヤーボンディング技術などを利用した実装技術を使う必要があり、この点でも小型化に限界があるばかりか、工程の複雑化、経時的信頼性の確保といった点を考慮した場合、改善の必要な技術である。
ここで説明した実装技術による3軸対応の磁気センシング装置の実現とは異なる技術の提案としては、前記特許文献1、3が挙げられる。
この2件の特許文献では、実装技術を用いて3軸対応を実現するものではなく、磁気センサーそのものを傾斜面に形成することで、3軸対応の磁気センシングシステムを実現することを提案しているものである。このような方法によれば、確かに実装技術による方法に比べて小型化、高信頼性化を実現できる可能性がある。
しかしながら、上記2件の従来技術(特許文献1、3)は、磁気センサーそのものを傾斜面に形成する構成であるために、磁気センサー自体の作製に大きな困難さを伴うものである。主な項目として2点挙げられるが、以下、この2点について具体的に説明する。
Here, as shown in FIG. 8, the three Hall elements (magnetic sensors) 201, 203, and 205 that detect changes in the magnetic field in the x-axis, y-axis, and z-axis directions are mounted 90 degrees orthogonal to each other. Instead, it is intended to reduce the size by arranging the substrate 200 at an angle of 90 degrees or less such as θa and θb.
However, since this conventional technology is a technology that realizes the correspondence of three axes by means of mounting that is arranged obliquely after forming individual elements individually, the effect of contributing to miniaturization is small, In addition, it is necessary to use mounting technology that uses wire bonding technology for the wiring connecting each magnetic sensor. In this respect as well, there is a limit to miniaturization, complexity of the process, ensuring temporal reliability, etc. Considering this point, it is a technology that needs improvement.
As a proposal of a technique different from the realization of the three-axis magnetic sensing device by the mounting technique described here, Patent Documents 1 and 3 are cited.
In these two patent documents, it is proposed not to realize three-axis support using mounting technology, but to realize a three-axis compatible magnetic sensing system by forming the magnetic sensor itself on an inclined surface. It is what. According to such a method, there is a possibility that downsizing and high reliability can be realized as compared with the method using the mounting technique.
However, the above-mentioned two prior arts (Patent Documents 1 and 3) are configured to form the magnetic sensor itself on an inclined surface, and thus involve great difficulty in producing the magnetic sensor itself. There are two main items, but these two points will be specifically described below.

まず1点目は、基板の表面性についてである。磁気センサー、特に、TMR、GMRといった薄膜積層体構造を用いる磁気センサーの作製に当たっては、その薄膜積層構造体の各層の膜厚がナノメートルオーダーという超薄膜であるために、下地となる基板の平坦性が非常に重要になってくることは言うまでもない。つまり、基板の平坦性がもし、ミクロンオーダー、サブミクロンオーダーといったところにナノメートルオーダーの膜厚の薄膜を積層構造として形成した場合は、設計どおりの薄膜積層体構造を実現することは不可能であり、結果的に所望の性能を実現することはできないという問題が発生することは明白である。このように、膜厚がナノメートルオーダーの薄膜積層体構造を用いる磁気センサーの実現のためには、ナノメートルオーダー、望ましくはサブナノメートルオーダーの表面性の達成が必須となる。
しかしながら、このような傾斜面をナノメートルオーダー、望ましくはサブナノメートルオーダーの表面性で加工することは非常に困難であり、達成しようとしても、量産技術に応用可能な現実的な加工方法はないというのが現実である。
The first point is about the surface property of the substrate. When manufacturing a magnetic sensor, particularly a magnetic sensor using a thin film laminated structure such as TMR or GMR, the thickness of each layer of the thin film laminated structure is an ultra-thin film of nanometer order, so that the underlying substrate is flat. Needless to say, sex becomes very important. In other words, if a thin film with a thickness of nanometer order is formed as a laminated structure on the order of micron order or submicron order, it is impossible to realize a thin film laminate structure as designed. Obviously, there arises a problem that the desired performance cannot be realized as a result. Thus, in order to realize a magnetic sensor using a thin film laminate structure having a film thickness of nanometer order, it is essential to achieve surface properties of nanometer order, preferably sub-nanometer order.
However, it is very difficult to process such inclined surfaces with nanometer order, preferably sub-nanometer order surface properties, and there is no realistic processing method that can be applied to mass production technology. Is the reality.

もうひとつの問題は、微細加工に関する問題である。TMR、GMRといった薄膜積層体構造を用いる磁気センサーは、一般的な半導体形成プロセスを利用することができる点が大きな特徴であるが、一般的な半導体形成プロセスはあくまでも基板の平坦部に素子や配線を形成することを前提に開発されており、傾斜面に対してそのまま適応可能な製造プロセスとはなっていない。もちろん立体構造を形成することも可能な微細加工技術として、MEMS技術やマイクロマシン技術に代表される傾斜面に加工対象物があってもある程度加工できる技術は存在する。
しかしながら、傾斜面への微細加工技術において必須の技術であるフォトリソグラフィー技術やエッチング技術においては、傾斜面へのフォトレジストの均一コーティングが困難であることや、露光後のレジストパターン寸法の設計値との誤差が無視できないほど大きくなるといった問題が発生し、結果的に、傾斜面においては設計どおりの形状、寸法を有する磁気センサーを得ることは不可能であるといった問題が避けられない。
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、高密度に集積化が可能な、高感度でかつ高信頼性の小型多軸磁気センシング装置およびその製造方法を提供することである。
本発明の他の目的は、多軸対応の磁気センサーを形成する際に基板の傾斜面を有効に使って基板に集積する構造でありながら、高密度に集積化することが可能な、高感度で、信頼性の高い小型多軸磁気センシング装置およびその製造方法を提供することである。
Another problem is related to microfabrication. A magnetic sensor using a thin film laminate structure such as TMR or GMR is characterized in that a general semiconductor formation process can be used. However, the general semiconductor formation process is not limited to a flat portion of a substrate. It has been developed on the premise of forming, and is not a manufacturing process that can be applied as it is to an inclined surface. Of course, as a fine processing technology that can form a three-dimensional structure, there is a technology that can be processed to some extent even if an object to be processed exists on an inclined surface represented by a MEMS technology or a micromachine technology.
However, in the photolithographic technique and the etching technique, which are indispensable techniques for the microfabrication technology on the inclined surface, it is difficult to uniformly coat the photoresist on the inclined surface, and the design value of the resist pattern dimension after the exposure As a result, a problem arises that it is impossible to obtain a magnetic sensor having the shape and dimensions as designed on the inclined surface.
The present invention has been made to solve such problems, and an object of the present invention is to provide a highly sensitive and highly reliable small multi-axis magnetic sensing device that can be integrated at a high density and a method for manufacturing the same. Is to provide.
Another object of the present invention is a high-sensitivity structure that can be integrated at a high density while having a structure in which an inclined surface of the substrate is effectively used when forming a multi-axis compatible magnetic sensor. Therefore, it is to provide a highly reliable small-sized multi-axis magnetic sensing device and a manufacturing method thereof.

上述の目的を達成するために、請求項1記載の発明は、同一基板に少なくとも3個以上の薄膜磁気センサーが配置されて形成される3軸磁気センシング装置であって、前記基板の表面上の平坦部にあるX軸に感磁軸を有するように前記基板の表面上の平坦部に形成されたX軸薄膜磁気センサーと、前記基板の表面上の平坦部にあり前記X軸に対して90°のY軸に感磁軸を有するように基板の表面上の平坦部に形成されたY軸薄膜磁気センサーと、前記基板の上面に前記平坦部と所定の角度をなすように設けられた傾斜面を有した凹部と、前記基板の表面に対して垂直方向に伸びるZ軸に感磁軸を有するように前記基板の表面上の平坦部および前記傾斜面に形成されたZ軸薄膜磁気センサーと、を具備し、前記Z軸薄膜磁気センサーが、磁気検知素子と磁気誘導部材からなり、前記磁気検知素子は前記基板表面の平坦部に形成され、前記磁気誘導部材は前記傾斜面に形成されると共に、前記磁気検知素子と前記磁気誘導部材とが磁気的に結合されていることを特徴とする。   To achieve the above object, the invention described in claim 1 is a three-axis magnetic sensing device formed by disposing at least three or more thin film magnetic sensors on the same substrate, on the surface of the substrate. An X-axis thin film magnetic sensor formed on a flat portion on the surface of the substrate so that the X axis in the flat portion has a magnetosensitive axis; and 90 X relative to the X axis in the flat portion on the surface of the substrate. A Y-axis thin film magnetic sensor formed on a flat portion on the surface of the substrate so as to have a magnetosensitive axis on the Y-axis of °, and an inclination provided on the upper surface of the substrate so as to form a predetermined angle with the flat portion A concave portion having a surface, and a Z-axis thin film magnetic sensor formed on the flat portion on the surface of the substrate and the inclined surface so as to have a magnetosensitive axis in the Z-axis extending in a direction perpendicular to the surface of the substrate. The Z-axis thin film magnetic sensor is magnetic. The magnetic sensing element is formed on a flat portion of the substrate surface, the magnetic guiding member is formed on the inclined surface, and the magnetic sensing element and the magnetic guiding member are magnetized. It is characterized by being connected.

また、請求項2記載の発明は、前記X軸およびY軸薄膜磁気センサーが、それぞれピンド層とフリー層を有する磁気検知素子からなり、前記X軸およびY軸薄膜磁気センサーのピンド層およびフリー層は、それぞれ長辺と短辺を定義できる異方性を有する形状となっており、その長辺方向が互いに直交するように形成されると共に、それぞれの磁化の方向も直交しており、前記Z軸薄膜地磁気センサーの磁気検知素子が、ピンド層とフリー層を有しており、前記磁気誘導部材が、前記Z軸薄膜地磁気センサーにおける前記ピンド層とフリー層の磁化方向が直行するように磁界を誘導する形状異方性を有していることを特徴とする。
また、請求項3記載の発明は、前記磁気検知素子がTMR(Tunneling Magneto Resistance)素子であることを特徴とする。
また、請求項4記載の発明は、前記磁気検知素子がGMR(Giant Magneto Resistance)素子であることを特徴とする。
According to a second aspect of the present invention, the X-axis and Y-axis thin film magnetic sensor includes magnetic sensing elements each having a pinned layer and a free layer, and the pinned layer and the free layer of the X-axis and Y-axis thin film magnetic sensor. Each has an anisotropy shape that can define a long side and a short side, the long side directions are formed to be orthogonal to each other, and the directions of magnetization are also orthogonal to each other. The magnetic sensing element of the axial thin film geomagnetic sensor has a pinned layer and a free layer, and the magnetic induction member generates a magnetic field so that the magnetization directions of the pinned layer and the free layer in the Z axis thin film geomagnetic sensor are perpendicular to each other. It has a shape anisotropy to induce.
The invention according to claim 3 is characterized in that the magnetic sensing element is a TMR (Tunneling Magneto Resistance) element.
According to a fourth aspect of the present invention, the magnetic sensing element is a GMR (Giant Magneto Resistance) element.

また、請求項5記載の発明は、前記Z軸薄膜磁気センサーの磁気誘導部材がフリー層として機能することを特徴とする。
また、請求項6記載の発明は、前記傾斜面が、前記基板にSiウエハを用いて異方性エッチングにより形成した(111)面であることを特徴とする。
また、請求項7記載の発明は、同一基板に少なくとも3個以上の薄膜磁気センサーが配置されて形成される3軸磁気センシング装置の製造方法であって、前記基板に傾斜面を有する凹部を形成する工程と、前記基板の表面上の平坦部にあるX軸に感磁軸を有するX軸薄膜磁気センサーと、前記基板の表面上の平坦部にあり、前記X軸に対して90°のY軸に感磁軸を有するY軸薄膜磁気センサーと、前記基板の表面に対して垂直方向に伸びるZ軸に感磁軸を有するZ軸薄膜磁気センサーと、を形成するため磁性体膜からなるピンド層をそれぞれ形成する工程と、前記基板に所定方向から磁界を印加して着磁する工程と、前記各ピンド層上にフリー層を形成する工程と、前記基板に所定方向から磁界を印加して着磁する工程と、前記Z軸薄膜磁気センサーにおいて前記フリー層と磁気的に結合するように磁気誘導部材を前記傾斜面に形成する工程と、を有することを特徴とする。
The invention according to claim 5 is characterized in that the magnetic induction member of the Z-axis thin film magnetic sensor functions as a free layer.
The invention according to claim 6 is characterized in that the inclined surface is a (111) surface formed by anisotropic etching using a Si wafer on the substrate.
The invention according to claim 7 is a method of manufacturing a three-axis magnetic sensing device in which at least three or more thin film magnetic sensors are arranged on the same substrate, and the concave portion having an inclined surface is formed on the substrate. And an X-axis thin film magnetic sensor having a magnetosensitive axis on the X-axis on the flat part on the surface of the substrate, and a Y at 90 ° with respect to the X-axis on the flat part on the surface of the substrate A pinned magnetic film for forming a Y-axis thin film magnetic sensor having a magnetosensitive axis on the axis and a Z-axis thin film magnetic sensor having a magnetosensitive axis on the Z axis extending in a direction perpendicular to the surface of the substrate. Forming each layer, applying a magnetic field to the substrate from a predetermined direction, magnetizing, forming a free layer on each pinned layer, applying a magnetic field from the predetermined direction to the substrate Magnetizing step and the Z-axis thin film magnet Forming a magnetic induction member to magnetically couple with the free layer on the inclined surface at the sensor, and having a.

本発明によれば、すべての薄膜磁気センサーが基板表面の平坦部に形成するので、一般的な半導体製造プロセスを利用して、設計寸法に従った磁気センサーを再現性よく形成できると共に、Z軸検知用の薄膜磁気センサーには、傾斜面に形成された磁気誘導部材が磁気的に結合して形成されているので、磁気検知素子は平面でありながら、Z軸方向の磁気を検知することができる。従って、平坦部に形成されたX軸、及びY軸用薄膜磁気センサーとの組み合わせによって、小型で、高精度な3軸磁気センシング装置を実現できる。
また、本発明によれば、さらに、各軸のピンド層とフリー層の形状、磁化方向が直交しているので、地磁気のような弱磁界の環境下でも、高感度で磁気検知をすることが可能な3軸磁気センシング装置を実現できる。
また、本発明によれば、磁気検知素子がTMR(Tunneling Magneto Resistance)素子であるために高感度、高信頼性の3軸地磁気センシング装置を実現できる。
また、本発明によれば、磁気検知素子はGMR(Giant Magneto Resistance)素子であるために高感度、高信頼性の3軸地磁気センシング装置を実現できる。
また、本発明によれば、Z軸薄膜磁気センサーの磁気誘導部材がフリー層として機能するために、性能を維持したまま製造プロセスの簡略化、低コスト化が可能となる。
また、本発明によれば、傾斜面は基板にSiウエハを用いて異方性エッチングにより形成した(111)面であるために、常に一定の傾斜角度を再現性よく形成することができるとともに、結晶学的に正確に算出できる傾斜角度度を元に磁界強度を計算することが可能となり磁気情報を高精度で得ることができる。
According to the present invention, since all the thin film magnetic sensors are formed on the flat portion of the substrate surface, the magnetic sensor according to the design dimensions can be formed with good reproducibility using a general semiconductor manufacturing process, and the Z axis Since the thin film magnetic sensor for detection is formed by magnetically coupling the magnetic induction member formed on the inclined surface, the magnetic detection element can detect the magnetism in the Z-axis direction while being flat. it can. Therefore, a small and highly accurate three-axis magnetic sensing device can be realized by a combination with the X-axis and Y-axis thin film magnetic sensors formed on the flat portion.
In addition, according to the present invention, since the shape and magnetization direction of the pinned layer and the free layer of each axis are orthogonal, magnetic detection can be performed with high sensitivity even in a weak magnetic field environment such as geomagnetism. A possible three-axis magnetic sensing device can be realized.
Further, according to the present invention, since the magnetic sensing element is a TMR (Tunneling Magneto Resistance) element, a highly sensitive and highly reliable triaxial geomagnetic sensing device can be realized.
Further, according to the present invention, since the magnetic sensing element is a GMR (Giant Magneto Resistance) element, a highly sensitive and highly reliable triaxial geomagnetic sensing device can be realized.
Further, according to the present invention, since the magnetic induction member of the Z-axis thin film magnetic sensor functions as a free layer, it is possible to simplify the manufacturing process and reduce the cost while maintaining the performance.
Further, according to the present invention, since the inclined surface is a (111) surface formed by anisotropic etching using a Si wafer as a substrate, a constant inclination angle can always be formed with good reproducibility, The magnetic field strength can be calculated based on the tilt angle that can be accurately calculated crystallographically, and magnetic information can be obtained with high accuracy.

以下に添付の図を参照してこの発明の実施形態を詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

まず、本発明の要旨としては、多軸磁気センシング装置において、磁気センサーの検知部そのものは、良好な表面性を確保しやすく、一般的な半導体形成プロセスを用いて設計どおりの微細加工が容易な基板の平坦部に形成し、基板とは平行でない方向の磁気の情報を得るための磁気センサーについてのみ、傾斜面に磁気誘導部材を形成して、それを基板とは平行でない方向の磁気の情報を得るための磁気センサーに磁気的に結合させて配置するようにしたものである。
図1は、本発明による3軸磁気センシング装置の一実施形態の説明図であり、基板上にX軸薄膜磁気センサー、Y軸薄膜磁気センサー、及びZ軸薄膜磁気センサーが形成されている様子を示した上面図である。
First, as a gist of the present invention, in a multi-axis magnetic sensing device, the detection part of the magnetic sensor itself is easy to ensure good surface properties, and fine processing as designed using a general semiconductor formation process is easy. Only for magnetic sensors that are formed on the flat part of the substrate and obtain magnetic information in a direction that is not parallel to the substrate, a magnetic induction member is formed on the inclined surface, and the magnetic information in a direction that is not parallel to the substrate. It is arranged to be magnetically coupled to the magnetic sensor for obtaining the sensor.
FIG. 1 is an explanatory view of an embodiment of a three-axis magnetic sensing device according to the present invention, in which an X-axis thin film magnetic sensor, a Y-axis thin film magnetic sensor, and a Z-axis thin film magnetic sensor are formed on a substrate. It is the top view shown.

図1に示すように、この3軸磁気センシング装置は、単結晶Siウエハを用いた基板1と、基板1の表面上の平坦部1aにあるX軸に感磁軸を有するように基板1の表面上の平坦部1aに形成されたX軸薄膜磁気センサー5と、基板1の表面上の平坦部1aにあり、X軸に対して90°のY軸に感磁軸を有するように平坦部1aに形成されたY軸薄膜磁気センサー7と、基板1の上面に平坦部1aとある角度をなすように設けられた傾斜面9aを有した凹部9と、基板1の表面に対して垂直方向に伸びるZ軸に感磁軸を有するように基板1の表面上の平坦部1aおよび傾斜面9aに形成されたZ軸薄膜磁気センサー11とを具備している。
そして、Z軸薄膜磁気センサー11が、磁気検知素子と磁気誘導部材からなり、磁気検知素子は基板表面の平坦部1aに形成され、磁気誘導部材は傾斜面9aに形成されると共に、磁気検知素子と磁気誘導部材とが磁気的に結合しているようになっている。
なお、X軸薄膜磁気センサー5は、凹部9の第1の辺9aに隣接して設けられ、Y軸薄膜磁気センサー7は、X軸薄膜磁気センサー5に対して90度ずれた位置関係となるよう凹部9の第2の辺9bに隣接して設けられると共に、Z軸薄膜磁気センサー11は、凹部9の第3の辺9cに隣接した平坦部1aおよび傾斜面9aに設けられている。
As shown in FIG. 1, the three-axis magnetic sensing device includes a substrate 1 using a single crystal Si wafer and a substrate 1 having a magnetosensitive axis on the X axis in the flat portion 1a on the surface of the substrate 1. The X-axis thin film magnetic sensor 5 formed on the flat portion 1a on the surface and the flat portion on the flat portion 1a on the surface of the substrate 1 so as to have a magnetosensitive axis on the Y axis at 90 ° with respect to the X axis. A Y-axis thin film magnetic sensor 7 formed on 1 a, a recess 9 having an inclined surface 9 a provided on the upper surface of the substrate 1 so as to form an angle with the flat portion 1 a, and a direction perpendicular to the surface of the substrate 1 A flat portion 1a on the surface of the substrate 1 and a Z-axis thin film magnetic sensor 11 formed on the inclined surface 9a so as to have a magnetosensitive axis in the Z-axis extending in the direction.
The Z-axis thin film magnetic sensor 11 includes a magnetic detection element and a magnetic induction member. The magnetic detection element is formed on the flat portion 1a of the substrate surface, the magnetic induction member is formed on the inclined surface 9a, and the magnetic detection element. And the magnetic induction member are magnetically coupled.
The X-axis thin film magnetic sensor 5 is provided adjacent to the first side 9 a of the recess 9, and the Y-axis thin film magnetic sensor 7 has a positional relationship shifted by 90 degrees with respect to the X-axis thin film magnetic sensor 5. The Z-axis thin film magnetic sensor 11 is provided on the flat portion 1 a and the inclined surface 9 a adjacent to the third side 9 c of the recess 9.

図2は、図1に示した3軸磁気センシング装置の断面図であり、(a)は、図1のB−B’線に沿った断面図、(b)は、図1のA−A’線に沿った断面図である。
図1および図2(a)、(b)に示すように、X軸薄膜磁気センサー5およびY軸薄膜磁気センサー7は、それぞれ、TMRピンド層+下部層5a、7aとフリー層5b、7bがジャンクション層5c、7cを介して接合された磁気検知素子から形成されており、それぞれのTMRピンド層+下部層5a、7aとフリー層5b、7bは、長辺、短辺を定義できる異方性を有しており、図示したごとく、その長辺方向が互いに直交して形成されている。また、図示したように、TMRピンド層+下部層5a、7aの磁化方向(ハッチングした矢印で図示)とフリー層5b、7bの磁化の方向(白抜きの矢印で図示)もそれぞれ直交するように形成されている。
2 is a cross-sectional view of the three-axis magnetic sensing device shown in FIG. 1, wherein (a) is a cross-sectional view taken along line BB ′ of FIG. 1, and (b) is a cross-sectional view taken along line AA of FIG. It is sectional drawing along a line.
As shown in FIGS. 1 and 2 (a) and 2 (b), the X-axis thin film magnetic sensor 5 and the Y-axis thin film magnetic sensor 7 have a TMR pinned layer + lower layers 5a and 7a and free layers 5b and 7b, respectively. It is formed of magnetic sensing elements joined via junction layers 5c and 7c, and each TMR pinned layer + lower layer 5a and 7a and free layers 5b and 7b are anisotropic capable of defining long sides and short sides. As shown in the figure, the long sides are formed so as to be orthogonal to each other. Further, as shown in the figure, the magnetization directions of the TMR pinned layer + lower layers 5a and 7a (shown by hatched arrows) and the magnetization directions of the free layers 5b and 7b (shown by white arrows) are also orthogonal to each other. Is formed.

また、図1からわかるように、X軸薄膜磁気センサー5とY軸薄膜磁気センサー7は、90度ずれた位置関係となるように形成されており、X軸薄膜磁気センサー5とY軸薄膜磁気センサー7とはすべての構成要素が基板1上の平坦部1aに形成されている。
図1および図2(b)に示すように、Z軸薄膜磁気センサー11は、TMRピンド層+下部層11aとフリー層11bとがジャンクション層11cを介して接合した磁気検知素子が、基板1の平坦部1aに形成されており、さらに磁気誘導部材11dが、この磁気検知素子に磁気的に結合するように形成されており、磁気誘導部材11dが基板に形成された凹部9を形成する傾斜面9aにまで形成されている構造となっている。この点が本発明の大きな特徴である。また、磁気誘導部材11dがフリー層11bとしても機能するようになっている。
Z軸薄膜磁気センサー11をこのように構成することにより、磁気検知素子そのものは平坦部に形成してあってもZ軸方向の磁気を検知可能となる。
また、X軸薄膜磁気センサー5およびY軸薄膜磁気センサー7のTMRピンド層+下部層5a、7aおよびZ軸薄膜磁気センサー11のTMRピンド層+下部層11aは、基板1上に形成された絶縁膜13によって保護されるようになっている。
As can be seen from FIG. 1, the X-axis thin film magnetic sensor 5 and the Y-axis thin film magnetic sensor 7 are formed so as to have a positional relationship shifted by 90 degrees. All components of the sensor 7 are formed on the flat portion 1 a on the substrate 1.
As shown in FIG. 1 and FIG. 2B, the Z-axis thin film magnetic sensor 11 includes a TMR pinned layer + lower layer 11a and a free layer 11b joined via a junction layer 11c. The inclined surface is formed in the flat portion 1a, and the magnetic induction member 11d is formed so as to be magnetically coupled to the magnetic sensing element, and the magnetic induction member 11d forms the recess 9 formed in the substrate. The structure is formed up to 9a. This is a major feature of the present invention. The magnetic induction member 11d also functions as the free layer 11b.
By configuring the Z-axis thin film magnetic sensor 11 in this way, it is possible to detect magnetism in the Z-axis direction even if the magnetic detection element itself is formed on a flat portion.
The TMR pinned layer + lower layer 5a, 7a of the X-axis thin film magnetic sensor 5 and the Y-axis thin film magnetic sensor 7 and the TMR pinned layer + lower layer 11a of the Z-axis thin film magnetic sensor 11 are insulated on the substrate 1. The film 13 is protected.

次に、このような構成の3軸磁気センシング装置の薄膜磁気センサーがどのようにして機能するかについて、TMR素子を例に以下に詳細に説明する。
図5は、TMR素子が磁気抵抗素子として機能する様子を模式的に示した説明図である。
TMR素子は、極薄い絶縁層(酸化アルミ層や酸化マグネシウムなど)をピンド層とフリー層ではさんだ構成を基本構成とするものであり、TMR素子を磁気センサーとして用いる場合、一般的にピンド層は、Ir−Mn合金系とCo−Fe合金系の積層体が多用され、フリー層としては、弱磁性体であるNi−Fe合金系が多く用いられる。
ピンド層は磁化方向が固定されているのに対し、フリー層は外部の磁界の方向に倣って磁化方向が変化する。このときのピンド層、フリー層の磁化方向によって、抵抗値が大きく変化する現象が磁気抵抗効果である。
Next, how the thin film magnetic sensor of the three-axis magnetic sensing device having such a configuration functions will be described in detail below using a TMR element as an example.
FIG. 5 is an explanatory diagram schematically showing how the TMR element functions as a magnetoresistive element.
A TMR element has a basic structure in which a very thin insulating layer (such as an aluminum oxide layer or magnesium oxide) is sandwiched between a pinned layer and a free layer. When a TMR element is used as a magnetic sensor, Ir-Mn alloy-based and Co-Fe alloy-based laminates are often used, and as the free layer, a weakly magnetic Ni-Fe alloy system is often used.
The pinned layer has a fixed magnetization direction, while the free layer changes its magnetization direction following the direction of the external magnetic field. A phenomenon in which the resistance value varies greatly depending on the magnetization directions of the pinned layer and the free layer at this time is the magnetoresistive effect.

その様子を図5(a)の平行状態と(b)の反平行状態を用いて説明する。図5(a)の平行状態は、ピンド層とフリー層の磁化方向が平行の場合を示しており、この場合は、太い矢印Aで示しているように電流は流れやすくなり、検出される抵抗値は低抵抗となる。
それに対して、図5(b)反平行状態では、細い矢印Bで示しているように電流は流れにくくなり、検出される抵抗値は高抵抗となる。このように、ピンド層とフリー層における磁化方向の向きの違いによって、大きな抵抗値の変化として検出できるためにTMR素子が磁気センサーとして機能する。この模式図から判るように、TMR素子が検知できる磁化方向は膜面に平行な成分に対して最も高い感度が得られるものであり、膜面に垂直方向の磁界についてはほとんど検知できないということになる。
このような特性を有するために、X軸、Y軸、Z軸方向に感度を有するための磁気センシング装置を構成するためには、Z軸用の磁気センサーはX軸、Y軸用の磁気センサーとは平行ではない面に形成する必要が生じる。これを実現するために従来技術として、Z軸用の磁気センサーを傾斜面、つまりX軸、Y軸用の磁気センサーとは異なる面に形成するというものが提案されてきた。
This will be described using the parallel state of FIG. 5A and the antiparallel state of FIG. The parallel state of FIG. 5A shows the case where the magnetization directions of the pinned layer and the free layer are parallel. In this case, as shown by the thick arrow A, the current easily flows, and the detected resistance The value is low resistance.
On the other hand, in the anti-parallel state in FIG. 5B, the current hardly flows as indicated by the thin arrow B, and the detected resistance value is high. In this way, the TMR element functions as a magnetic sensor because it can be detected as a large change in resistance value due to the difference in direction of the magnetization direction between the pinned layer and the free layer. As can be seen from this schematic diagram, the magnetization direction that can be detected by the TMR element has the highest sensitivity with respect to the component parallel to the film surface, and almost no magnetic field perpendicular to the film surface can be detected. Become.
In order to configure a magnetic sensing device for having sensitivity in the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions to have such characteristics, the Z-axis magnetic sensor is the X-axis, Y-axis magnetic sensor. It is necessary to form on a surface that is not parallel to the surface. In order to realize this, a conventional technique has been proposed in which a Z-axis magnetic sensor is formed on an inclined surface, that is, a surface different from the X-axis and Y-axis magnetic sensors.

しかし、先に述べたように、TMR素子のような極薄膜からなる磁気センサーを傾斜面に形成することは非常に困難なことである。
そこで、本発明では、良好な下地の表面性や高い加工精度を必要とする磁気センサーは平坦部に形成し、それに磁気的に結合する磁気誘導部材を傾斜面に形成することで、磁性体によって磁気が誘導される特性を利用して、Z軸方向の磁界を平坦部に形成した磁気センサーにまで誘導することでZ軸対応として機能する磁気センサーを形成するようにしている。
このように、この実施形態では、基板1に垂直な方向(Z軸方向)の磁界を受けた磁気誘導部材11dが磁気センサーを構成するフリー層11bまでその磁界を誘導し、結果的に磁気センサーの膜面に垂直な方向の磁界を磁気センサーに平行な成分に変換することで、Z軸用の磁気センサーを実現するものである。
この磁気センサーにおいては、ピンド層、フリー層の磁化方向が非常に重要な要素となるが、ピンド層、フリー層それぞれの磁化方向をそれらの形状異方性を用いることにより、効率的で、制御性に優れた着磁工程が実施できるという特徴を有している。その様子について以下に説明する。
However, as described above, it is very difficult to form a magnetic sensor made of an extremely thin film such as a TMR element on an inclined surface.
Therefore, in the present invention, a magnetic sensor that requires good surface properties and high processing accuracy is formed on a flat portion, and a magnetic induction member that is magnetically coupled to the magnetic sensor is formed on an inclined surface, so that A magnetic sensor that functions in correspondence with the Z-axis is formed by guiding the magnetic field in the Z-axis direction to the magnetic sensor formed in the flat portion by utilizing the property that the magnetism is induced.
As described above, in this embodiment, the magnetic induction member 11d that receives the magnetic field in the direction perpendicular to the substrate 1 (Z-axis direction) induces the magnetic field to the free layer 11b constituting the magnetic sensor, and as a result, the magnetic sensor By converting a magnetic field perpendicular to the film surface into a component parallel to the magnetic sensor, a Z-axis magnetic sensor is realized.
In this magnetic sensor, the magnetization direction of the pinned layer and free layer is a very important factor, but the magnetization direction of each of the pinned layer and free layer can be controlled efficiently by using their shape anisotropy. It has the feature that a magnetizing process with excellent properties can be performed. This will be described below.

図3は、ピンド層の着磁工程について説明した説明図である。同じ構成要素には図1と同じ参照番号を付して説明する。図3に示すように、ここでは、ピンド層の形状を異方性を有するように形成している。ここでいう形状の異方性とは、長辺寸法と短辺寸法が規定できる形状であればよく、必ずしも図3に示したような長方形に限定されるわけではない。長方形以外の具体的な例としては、楕円形やひし形などでも本発明の効果は実現できるものである。
図3では、基板1に傾斜面9aを有する凹部9を設け、その周囲にX軸薄膜磁気センサー5、Y軸薄膜磁気センサー7、及びZ軸薄膜磁気センサー11の一部となるTMRピンド層と下部層5a、7a、11aがそれぞれ図示したような位置関係で形成されている様子を示している。
このように形成したTMRピンド層と下部層5a、7a、11aに対して、磁界の印加方向として示した矢印Dで示される向きに磁界を印加すると、それぞれのTMRピンド層は磁性体は形状に倣って磁化されるという特徴をもつために、それぞれ斜線の矢印で示した方向に磁化される。つまり、X軸薄膜磁気センサー5用のピンド層とY軸薄膜磁気センサー7用のピンド層ではそれぞれ直行した向きに磁化され、Z軸薄膜磁気センサー11用のピンド層はX軸薄膜磁気センサー5用のピンド層と同じ方向に磁化される。
FIG. 3 is an explanatory view for explaining the magnetization process of the pinned layer. The same components will be described with the same reference numerals as in FIG. As shown in FIG. 3, here, the pinned layer is formed so as to have anisotropy. The anisotropy of the shape here is not limited to the rectangle as shown in FIG. 3 as long as the long side dimension and the short side dimension can be defined. As a specific example other than the rectangle, the effect of the present invention can be realized by an ellipse or a rhombus.
In FIG. 3, a recess 9 having an inclined surface 9 a is provided in the substrate 1, and a TMR pinned layer that becomes a part of the X-axis thin film magnetic sensor 5, the Y-axis thin film magnetic sensor 7, and the Z-axis thin film magnetic sensor 11 is formed around the recess 9. The lower layers 5a, 7a, and 11a are formed in the positional relationship as shown in the figure.
When a magnetic field is applied to the TMR pinned layer and the lower layers 5a, 7a, and 11a formed as described above in the direction indicated by the arrow D, the magnetic material of each TMR pinned layer is shaped. In order to have the characteristic of being magnetized by copying, they are magnetized in the directions indicated by the hatched arrows. That is, the pinned layer for the X-axis thin film magnetic sensor 5 and the pinned layer for the Y-axis thin film magnetic sensor 7 are magnetized in directions orthogonal to each other, and the pinned layer for the Z-axis thin film magnetic sensor 11 is used for the X-axis thin film magnetic sensor 5. It is magnetized in the same direction as the pinned layer.

このようにしてピンド層の着磁を行なったあとに、フリー層及び磁気誘導部材の形成と着磁を行なう工程について模式的に示したものが図4である。同じ構成要素には図1と同じ参照番号を付して説明する。図4は、ピンド層の着磁を行なったあとに、フリー層及び磁気誘導部材の形成と着磁を行なう工程について模式的に示した説明図である。
ここで、フリー層もピンド層と同様に長辺寸法と短辺寸法が規定できる異方性を有する形状になるように形成するが、ここで重要なことは、ピンド層とフリー層の長辺方向が直行するように形成することである。X軸薄膜磁気センサー5およびY軸薄膜磁気センサー7は平坦部1aに形成するので、それぞれのピンド層5a、7aとフリー層5b、7bの長辺方向が単純に直行するように形成することは全く問題ないが、Z軸薄膜磁気センサー11用のフリー層11b及びそれに磁気的に結合している磁気誘導部材11dについて工夫している点が本発明の大きな特徴である。
具体的には、Z軸薄膜磁気センサー11用のフリー層11bそのものはピンド層と概ね直交するように形成し、その後フリー層11bに磁気的に結合するように、傾斜面9aに磁気誘導部材11dを形成する。
このとき、傾斜面9aに形成する磁気誘導部材11dの形状を異方性を有するように形成し、かつその長辺方向はピンド層の長辺方向と直交するように形成する。それぞれのフリー層5b、7b、11b及び磁気誘導部材11dを図4に示したように形成した後に、磁界の印加方向Dとして示した矢印で示される向きに磁界を印加すると、それぞれのフリー層5b、7b、11b及び磁気誘導部材11dは図中の矢印で示される方向に磁化することができる。
Z軸薄膜磁気センサー11用のフリー層11bに磁気的に結合している磁気誘導部材11dもその形状異方性のために、図中の矢印の方向に磁化され、その磁化方向がフリー層11bにまで影響を与えるために、結果的にフリー層11bの磁化方向は点線の矢印で示した方向となり、ピンド層と直交する方向に磁化された状態に形成される。
FIG. 4 schematically shows a step of forming and magnetizing the free layer and the magnetic induction member after the pinned layer is magnetized in this way. The same components will be described with the same reference numerals as in FIG. FIG. 4 is an explanatory view schematically showing a process of forming and magnetizing the free layer and the magnetic induction member after the pinned layer is magnetized.
Here, as with the pinned layer, the free layer is formed so as to have anisotropy that can define the long side dimension and the short side dimension, but the important thing here is the long side of the pinned layer and the free layer. It is formed so that the direction is perpendicular. Since the X-axis thin film magnetic sensor 5 and the Y-axis thin film magnetic sensor 7 are formed on the flat portion 1a, it is not possible to form the pinned layers 5a, 7a and the free layers 5b, 7b so that the long side direction is simply perpendicular. Although there is no problem at all, the major feature of the present invention is that the free layer 11b for the Z-axis thin film magnetic sensor 11 and the magnetic induction member 11d magnetically coupled thereto are devised.
Specifically, the free layer 11b itself for the Z-axis thin film magnetic sensor 11 is formed so as to be substantially perpendicular to the pinned layer, and then magnetically coupled to the inclined surface 9a so as to be magnetically coupled to the free layer 11b. Form.
At this time, the shape of the magnetic induction member 11d formed on the inclined surface 9a is formed so as to have anisotropy, and the long side direction thereof is formed to be orthogonal to the long side direction of the pinned layer. After the free layers 5b, 7b, 11b and the magnetic induction member 11d are formed as shown in FIG. 4, when a magnetic field is applied in the direction indicated by the arrow shown as the magnetic field application direction D, each free layer 5b , 7b, 11b and the magnetic induction member 11d can be magnetized in the direction indicated by the arrows in the figure.
The magnetic induction member 11d magnetically coupled to the free layer 11b for the Z-axis thin film magnetic sensor 11 is also magnetized in the direction of the arrow in the figure due to its shape anisotropy, and the magnetization direction is the free layer 11b. As a result, the magnetization direction of the free layer 11b becomes the direction indicated by the dotted arrow, and is formed in a state of being magnetized in the direction orthogonal to the pinned layer.

次に、図6を参照して、上記3軸磁気センシング装置の製造工程について説明する。図6は、図1に示した3軸磁気センシング装置の製造工程のフローチャートである。
ここで、X、Y、Z軸用の薄膜磁気センサー及び磁気誘導部材の形成方法は、成膜時にステンシルマスクを用いる方法や、予め薄膜材料が不要となる領域にレジストパターンを形成しておき、その上に薄膜材料を形成した後にリフトオフ法で、不要となる領域の薄膜材料をレジストごと除去する方法や、一般的なドライエッチング法、Arイオンミリング法など、薄膜材料の種類に応じて適宜選択できるものである。
まず、図6のステップ101において、基板1として(100)単結晶Siウエハを用い、最初に、傾斜面9aを有する凹部9を形成するために、凹部9を形成する部分以外の領域に窒化シリコン膜を形成し、これをマスクとして、濃度が32%、温度80℃のKOHによりSiウエハの異方性エッチングを行なって、露出した(111)面からなる傾斜面9aを有する凹部9を形成する(図3参照)。なお、ここでは、この傾斜面9aは、基板1の平坦部1aに対して約45°傾斜している。なお、この傾斜角度は適宜選択することができる。
Next, the manufacturing process of the triaxial magnetic sensing device will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a flowchart of the manufacturing process of the triaxial magnetic sensing device shown in FIG.
Here, the thin film magnetic sensor for X, Y, and Z axes and the method of forming the magnetic induction member include a method using a stencil mask at the time of film formation, or forming a resist pattern in an area where a thin film material is unnecessary in advance. After the thin film material is formed on it, the lift-off method is used to select an appropriate region depending on the type of thin film material, such as a method of removing the thin film material in unnecessary regions together with the resist, a general dry etching method, or an Ar ion milling method. It can be done.
First, in step 101 of FIG. 6, a (100) single crystal Si wafer is used as the substrate 1, and first, in order to form the recess 9 having the inclined surface 9a, silicon nitride is formed in a region other than the portion where the recess 9 is formed. A film is formed, and using this as a mask, the Si wafer is anisotropically etched with KOH having a concentration of 32% and a temperature of 80 ° C. to form a concave portion 9 having an exposed inclined surface 9 a made of (111) plane. (See FIG. 3). Here, the inclined surface 9 a is inclined by about 45 ° with respect to the flat portion 1 a of the substrate 1. This inclination angle can be selected as appropriate.

次に、薄膜磁気センサーや磁気誘導部材を形成する基板表面の絶縁性を保つために、基板全体に熱酸化膜を形成する(ステップ103)。熱酸化はホットウォール型熱酸化炉を用いて、条件は、酸素流量が1SLM、温度が1100度の条件で1.5時間行なう。これで、基板の露出している表面はすべて絶縁膜で被覆された形状となる。
次に、基板1の表面上の平坦部にあるX軸に感磁軸を有するX軸薄膜磁気センサーと、前記X軸に対して90°のY軸に感磁軸を有するY軸薄膜磁気センサーと、前記基板の表面に対して垂直方向に伸びるZ軸に感磁軸を有するZ軸薄膜磁気センサーと、を形成するために、まず、基板表面全体にマグネトロンスパッタリング法により、TMR素子を形成するための磁性体膜を成膜し、トンネリング層として、アルミニウムを成膜した後に、酸素プラズマに晒して酸化させたものを用いる。フリー層以外の磁性体膜を成膜した後に所望の形状となるように、フォトマスクを用いてフォトリソグラフィーを行ない、その後にドライエッチング技術を用いて磁性体膜の微細加工を行なう(ステップ105)。このとき、TMRピンド層と下部層の形状を図3に示したように長辺寸法と短辺寸法が定義できる異方性を有する形状とした。
このような形状に各TMRピンド層と下部層を形成した後に、基板1に斜め左からの矢印Dで示した方向から磁界を印加し(図3参照)、温度300℃に設定した真空中で着磁を行なう(ステップ107)。このようにすると、磁性材料は形状に倣って磁化されるという特性を有するために各TMRピンド層の着磁の方向は図3に示したように制御することができる。
Next, a thermal oxide film is formed on the entire substrate in order to maintain the insulating properties of the substrate surface on which the thin film magnetic sensor and the magnetic induction member are formed (step 103). Thermal oxidation is performed using a hot wall type thermal oxidation furnace under the conditions of an oxygen flow rate of 1 SLM and a temperature of 1100 degrees for 1.5 hours. Thus, the exposed surface of the substrate is entirely covered with the insulating film.
Next, an X-axis thin film magnetic sensor having a magnetosensitive axis on the X axis in the flat portion on the surface of the substrate 1, and a Y axis thin film magnetic sensor having a magnetosensitive axis on the Y axis at 90 ° to the X axis. In order to form a Z-axis thin film magnetic sensor having a magnetosensitive axis in the Z-axis extending in a direction perpendicular to the surface of the substrate, first, a TMR element is formed on the entire substrate surface by magnetron sputtering. For this purpose, a film made of aluminum is formed, and an aluminum film is formed and then oxidized by exposure to oxygen plasma. After forming a magnetic film other than the free layer, photolithography is performed using a photomask so as to obtain a desired shape, and then the magnetic film is finely processed using a dry etching technique (step 105). . At this time, the shapes of the TMR pinned layer and the lower layer were anisotropy capable of defining long side dimensions and short side dimensions as shown in FIG.
After each TMR pinned layer and lower layer are formed in such a shape, a magnetic field is applied to the substrate 1 from the direction indicated by the arrow D from the left (see FIG. 3), and in a vacuum set at a temperature of 300 ° C. Magnetization is performed (step 107). In this case, since the magnetic material has a characteristic of being magnetized following the shape, the magnetization direction of each TMR pinned layer can be controlled as shown in FIG.

次に、以下の方法でピンド層上にフリー層の形成を行なう(ステップ109)。フリー層としてはNi80−Fe20のパーマロイ合金を用いる。所望の形状が得られるように設計したSUS304製のステンシルマスクを用いてマグネトロンスパッタリング法を用いて形成する。ここでいう所望の形状とは、図4で示したフリー層5b、7b、11bのように先に形成したTMRピンド層と直交するような異方性を有する形状である。これにより、フリー層5b、7b、11bとピンド層5a、7a、11aとの間にジャンクション層5c、7c、11cが形成される(図5参照)。
フリー層をこのような形状に形成した後に、図4で磁界の印加方向Dとして示した方向から基板1に磁界を印加し(図4参照)、温度240℃に設定した真空中で着磁を行なう(ステップ111)。先に行なった各TMRピンド層の着磁と同様に形状に倣って磁化されるためにフリー層の着磁の方向は図4に示したように制御することが可能となる。このようにTMRピンド層とフリー層の形状異方性が直交するように形成することにより、その着磁方向も直行するように制御することが可能となる。
Next, a free layer is formed on the pinned layer by the following method (step 109). As the free layer, Ni80-Fe20 permalloy alloy is used. It is formed by magnetron sputtering using a SUS304 stencil mask designed to obtain a desired shape. The desired shape here is a shape having anisotropy orthogonal to the previously formed TMR pinned layer, such as the free layers 5b, 7b, and 11b shown in FIG. Thereby, junction layers 5c, 7c, and 11c are formed between the free layers 5b, 7b, and 11b and the pinned layers 5a, 7a, and 11a (see FIG. 5).
After the free layer is formed in such a shape, a magnetic field is applied to the substrate 1 from the direction shown as the magnetic field application direction D in FIG. 4 (see FIG. 4), and magnetized in a vacuum set at a temperature of 240 ° C. Perform (step 111). Similar to the magnetization of each TMR pinned layer performed previously, it is magnetized following the shape, so that the magnetization direction of the free layer can be controlled as shown in FIG. By forming the TMR pinned layer and the free layer so that the shape anisotropies thereof are orthogonal to each other, the magnetization direction can be controlled so as to be orthogonal.

次に、第一の層間絶縁膜の成膜、第一のコンタクトホール形成に続いてアルミニウムで配線、パッド部を形成し、最後に、磁気誘導部材を形成するために、Z軸用磁気センサーに対してのみ以下の工程を行なう。第二の層間絶縁膜を形成し、第二のコンタクトホール形成に続いて、磁気誘導部材11dを形成する(ステップ113)。ここで、磁気誘導部材11dは、SUS304製のステンシルマスクを用いてマグネトロンスパッタリング法を用いてNi80−Fe20のパーマロイ合金を形成する。このとき磁気誘導部材11dは、傾斜面9aに形成され、Z軸用磁気センサー11のフリー層11bと磁気的に結合するように形成することが重要である。本実施形態では、傾斜面9aは凹部9の一部である傾斜面を用いたが、絶縁性材料の成膜などにより形成した凸部の一部の傾斜面を利用しても本発明の効果は実現できる。
このようにして形成した3軸磁気センシング装置において、このときの各軸用の磁気センサーから出力される信号について、Z軸用磁気センサー11の角度情報を考慮して演算処理を行ない、3次元の磁気情報を正しく得ることができた。
Next, the formation of the first interlayer insulating film, the formation of the first contact hole, the wiring and the pad portion are formed with aluminum, and finally, the Z-axis magnetic sensor is formed to form the magnetic induction member. Only the following steps are performed. A second interlayer insulating film is formed, and a magnetic induction member 11d is formed following the formation of the second contact hole (step 113). Here, the magnetic induction member 11d forms a Ni80-Fe20 permalloy alloy using a magnetron sputtering method using a SUS304 stencil mask. At this time, it is important that the magnetic induction member 11d is formed on the inclined surface 9a so as to be magnetically coupled to the free layer 11b of the Z-axis magnetic sensor 11. In the present embodiment, the inclined surface 9a is an inclined surface that is a part of the recess 9. However, the effect of the present invention can also be obtained by using a part of the inclined surface formed by film formation of an insulating material. Can be realized.
In the three-axis magnetic sensing device formed as described above, the signal output from the magnetic sensor for each axis at this time is subjected to arithmetic processing in consideration of the angle information of the Z-axis magnetic sensor 11, and three-dimensional Magnetic information was obtained correctly.

次に、本発明による3軸磁気センシング装置の変形例について説明する。
この第1の変形例は、凹部の形成の際にドライエッチング法を用いて行ったものである。前記実施形態と同様に基板1として(100)単結晶Siウエハを用い、最初に、傾斜面を有する凹部9(図3参照)を形成するために、凹部9を形成する領域において膜厚が連続的に変化するように形成したレジストパターンをマスクとして、CF4ガスと水素ガスを用いたドライエッチング法を用いて傾斜面9aを有する凹部9を形成するようにしている。
凹部9を形成した以降のTMR素子の形成工程、着磁工程は前記実施形態と同様の工程を実施し、3軸それぞれの磁気センサーを形成する。
最終プロセスの磁気誘導部材11dの形成は、前記実施形態とは異なり、マグネトロンスパッタリング法を用いて全面にNi80−Fe20のパーマロイ合金を成膜し、一般的なフォトリソグラフィー、ドライエッチング法を用いて所望のパターンとなるように加工し、磁気誘導部材11dを形成して3軸センシング装置を完成させる。
このようにして形成した3軸センシング装置において、このときの各軸用の磁気センサーから出力される信号について、Z軸用磁気センサー11の角度情報を考慮して演算処理を行ない、3次元の磁気情報を正しく得ることができた。 次に、本発明による3軸磁気センシング装置の他の変形例について説明する。
Next, a modification of the three-axis magnetic sensing device according to the present invention will be described.
The first modification is performed using a dry etching method when forming the recess. Similar to the above-described embodiment, a (100) single crystal Si wafer is used as the substrate 1, and in order to form the concave portion 9 (see FIG. 3) having an inclined surface, the film thickness is continuous in the region where the concave portion 9 is formed. The recess 9 having the inclined surface 9a is formed using a dry etching method using CF4 gas and hydrogen gas with the resist pattern formed to change as a mask.
The TMR element forming process and the magnetizing process after the formation of the recesses 9 are performed in the same manner as in the above-described embodiment, thereby forming magnetic sensors for each of the three axes.
Unlike the previous embodiment, the magnetic induction member 11d in the final process is formed by depositing a Ni80-Fe20 permalloy alloy on the entire surface using a magnetron sputtering method, and using a general photolithography or dry etching method. The three-axis sensing device is completed by forming the magnetic induction member 11d.
In the three-axis sensing device formed in this way, the signal output from the magnetic sensor for each axis at this time is subjected to arithmetic processing in consideration of the angle information of the Z-axis magnetic sensor 11, and three-dimensional magnetic I was able to get the information correctly. Next, another modification of the three-axis magnetic sensing device according to the present invention will be described.

この第2の変形例は、磁気センサーとしてGMR素子を用いたものである。まず、前記実施形態と同様に、基板1として(100)単結晶Siウエハを用い、KOHによる異方性エッチングにより(111)面からなる傾斜面9aを有する凹部9を形成する。その後、絶縁膜としてモノシランと水素を原料ガスとするプラズマCVD法により、凹部9を含めた基板全体に800nmの膜厚のシリコン酸化膜を形成し、次に基板表面全体にマグネトロンスパッタリング法により、GMR素子を形成するための磁性体膜と非磁性体膜を交互に成膜する。この変形例では、磁性体膜としてCo、非磁性体膜としてCuを用いた。それぞれの材料はこれらに限定されるものではなく、磁性体、非磁性体の中から適宜選択が可能である。また、最表層にはフリー層としてマグネトロンスパッタリング法によりNi80−Fe20のパーマロイ合金を形成した。
磁気センサーとしてはGMR素子を用いたが、形状は、前記実施形態と同様に図3に示したような異方性を有する形状とする。
最終プロセスの磁気誘導部材11dの形成は、前記実施形態と同様に形成する。磁気誘導部材11dは、SUS304製のステンシルマスクを用いてマグネトロンスパッタリング法を用いてNi80−Fe20のパーマロイ合金を形成する。このようにして3軸磁気センシング装置を完成させた。この3軸磁気センシング装置において、このときの各軸用の磁気センサーから出力される信号について、Z軸用磁気センサー11の角度情報を考慮して演算処理を行ない、3次元の磁気情報を正しく得ることができた。
This second modification uses a GMR element as a magnetic sensor. First, as in the above-described embodiment, a (100) single crystal Si wafer is used as the substrate 1, and the concave portion 9 having the inclined surface 9a composed of the (111) plane is formed by anisotropic etching using KOH. Thereafter, a silicon oxide film having a thickness of 800 nm is formed on the entire substrate including the concave portion 9 by plasma CVD using monosilane and hydrogen as source gases as an insulating film, and then the whole surface of the substrate is formed by GMR by magnetron sputtering. Magnetic films and nonmagnetic films for forming elements are alternately formed. In this modification, Co was used as the magnetic film and Cu was used as the nonmagnetic film. Each material is not limited to these, and can be appropriately selected from a magnetic material and a non-magnetic material. Further, a Ni80-Fe20 permalloy alloy was formed as a free layer on the outermost layer by magnetron sputtering.
Although a GMR element is used as the magnetic sensor, the shape is anisotropy as shown in FIG. 3 as in the above embodiment.
The magnetic induction member 11d in the final process is formed in the same manner as in the above embodiment. 11 d of magnetic induction members form the permalloy alloy of Ni80-Fe20 using the magnetron sputtering method using the stencil mask made from SUS304. In this way, a three-axis magnetic sensing device was completed. In this three-axis magnetic sensing device, the signal output from the magnetic sensor for each axis at this time is calculated in consideration of the angle information of the Z-axis magnetic sensor 11, and three-dimensional magnetic information is obtained correctly. I was able to.

次に、本発明による3軸磁気センシング装置の他の変形例について説明する。
この第3の変形例は、磁気センサーとしてTMR素子を用いているが、前記実施形態とは異なり、異方性を有する形状を楕円形としている。すなわち、TMRピンド層、フリー層ともに長径と短径の比を5:1としている。この変形例では、異方性を有する形状を楕円形としたが、これ以外にも、たとえば長辺と短辺が定義できる多角形や、四辺とも同じ長さではあっても長軸寸法と短軸寸法が定義できるひし形とすることで本発明の効果を得ることができる。
この変形例では、前記実施形態と同様に基板として(100)単結晶Siウエハを用いて、KOHによりSiウエハの異方性エッチングを行なって、露出した(111)面からなる傾斜面9aを有する凹部9を形成する。次いで基板表面の絶縁性を保つために、基板全体に熱酸化膜を形成した。
次に、基板表面全体にマグネトロンスパッタリング法により、TMR素子を形成するための磁性体膜を成膜する。トンネリング層として、アルミニウムを成膜した後に、酸素プラズマに晒して酸化させたものを用いる。フリー層以外の磁性体膜を成膜した後に前述の形状となるように、フォトマスクを用いてフォトリソグラフィーを行ない、その後にドライエッチング技術を用いて磁性体膜の微細加工を行ない、TMR素子による磁気センサーを形成する。このようにして、楕円形の形状を有するTMR素子を形成した。
最終プロセスの磁気誘導部材の形成は、これまでとは異なり、Ni80−Fe20のパーマロイ合金微粒子を原料とするガスデポジッション法を用いる。ガスデポジッション法とは真空中に保持した基板に対して、微粒子原料を高速の気流によって吹き付けて膜として形成する手法であり、吹きだしノズル、又は基板、若しくはその両方をX−Y方向に移動させることによりマスクレスで所望の形状のパターンを形成できる特徴を有している。
Next, another modification of the three-axis magnetic sensing device according to the present invention will be described.
In the third modification, a TMR element is used as a magnetic sensor, but unlike the above embodiment, the shape having anisotropy is an ellipse. That is, the ratio of the major axis to the minor axis is 5: 1 for both the TMR pinned layer and the free layer. In this modification, the shape having anisotropy is an ellipse. However, other than this, for example, a polygon that can define a long side and a short side, and a long axis dimension and a short side even if the four sides have the same length. The effect of the present invention can be obtained by using a rhombus whose axial dimension can be defined.
In this modification, a (100) single crystal Si wafer is used as a substrate as in the above embodiment, and the Si wafer is anisotropically etched by KOH, and has an inclined surface 9a composed of an exposed (111) plane. A recess 9 is formed. Next, a thermal oxide film was formed on the entire substrate in order to maintain the insulation of the substrate surface.
Next, a magnetic film for forming a TMR element is formed on the entire substrate surface by magnetron sputtering. As the tunneling layer, an aluminum film formed and then oxidized by exposure to oxygen plasma is used. After forming a magnetic film other than the free layer, photolithography is performed using a photomask so that the above-described shape is obtained, and then fine processing of the magnetic film is performed using a dry etching technique. Form a magnetic sensor. In this way, a TMR element having an elliptical shape was formed.
Unlike the conventional method, the magnetic induction member in the final process is formed using a gas deposition method using Ni80-Fe20 permalloy alloy fine particles as a raw material. The gas deposition method is a technique in which a fine particle raw material is sprayed by a high-speed air flow to form a film on a substrate held in a vacuum, and the blowing nozzle and / or the substrate are moved in the XY direction. Thus, a pattern having a desired shape can be formed without a mask.

また、本発明において記述しているような傾斜面に対する成膜という点では、ガスデポジッション法特有の特長が期待できる。それは、基板に対して微粒子原料を吹き付けるという膜形成法であるために、基板が平面でなくとも所望の形状が忠実に且つ容易に得られるという点である。前記実施形態においては、磁気誘導部材となるパーマロイ合金膜はステンシルマスクを用いて形成したが、この場合、ステンシルマスクと傾斜面は厳密には密着しておらず、そこで生じるギャップに起因するパターンのボケが発生する可能性がある。パターン寸法や形状の設計の工夫によって、このパターンボケの問題を実使用上は全く問題ない程度に軽減することができるが、より、設計寸法に忠実なパターン形状が求められる場合にはガスデポジッション法は非常に有効な手法となる。
このようにして3軸センシング装置を完成させた。この3軸センシング装置において、このときの各軸用の磁気センサーから出力される信号について、Z軸用磁気センサー11の角度情報を考慮して演算処理を行ない、3次元の磁気情報を正しく得ることができた。
Further, in terms of film formation on an inclined surface as described in the present invention, a characteristic peculiar to the gas deposition method can be expected. That is, since the film forming method involves spraying the fine particle material onto the substrate, the desired shape can be obtained faithfully and easily even if the substrate is not flat. In the above embodiment, the permalloy alloy film serving as the magnetic induction member is formed using a stencil mask. In this case, however, the stencil mask and the inclined surface are not strictly in contact with each other, and the pattern resulting from the gap generated there is not formed. There is a possibility of blurring. The design of the pattern size and shape can alleviate the problem of this pattern blur to the extent that there is no problem in actual use. However, if a pattern shape that is more faithful to the design size is required, gas deposition The law is a very effective method.
In this way, a three-axis sensing device was completed. In this three-axis sensing device, the signal output from the magnetic sensor for each axis at this time is calculated in consideration of the angle information of the Z-axis magnetic sensor 11, and the three-dimensional magnetic information is obtained correctly. I was able to.

本発明による3軸磁気センシング装置の一実施形態の説明図であり、基板上にX軸薄膜磁気センサー、Y軸薄膜磁気センサー、及びZ軸薄膜磁気センサーが形成されている様子を示した上面図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is an explanatory diagram of an embodiment of a three-axis magnetic sensing device according to the present invention, and is a top view illustrating a state where an X-axis thin film magnetic sensor, a Y-axis thin film magnetic sensor, and a Z-axis thin film magnetic sensor are formed on a substrate. It is. 図1に示した3軸磁気センシング装置の断面図であり、(a)は、図1のB−B’線に沿った断面図、(b)は、図1のA−A’線に沿った断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view of the three-axis magnetic sensing device shown in FIG. 1, where (a) is a cross-sectional view taken along line BB ′ in FIG. 1, and (b) is taken along line AA ′ in FIG. FIG. ピンド層の着磁工程について説明した説明図である。It is explanatory drawing explaining the magnetization process of the pinned layer. (a)(b)ピンド層の着磁を行なったあとに、フリー層及び磁気誘導部材の形成と着磁を行なう工程について模式的に示した説明図である。(A) (b) It is explanatory drawing which showed typically the process of forming and magnetizing a free layer and a magnetic induction member, after magnetizing a pinned layer. TMR素子が磁気抵抗素子として機能する様子を模式的に示した説明図であり、(a)は、平行状態で、(b)は、反平行状態である。It is explanatory drawing which showed a mode that a TMR element functioned as a magnetoresistive element typically, (a) is a parallel state, (b) is an antiparallel state. 図1に示した3軸磁気センシング装置の製造工程のフローチャートである。It is a flowchart of the manufacturing process of the 3-axis magnetic sensing apparatus shown in FIG. x軸、y軸、z軸方向の磁界の変化を検知する3つの磁気センサーをセンサー支持体のそれぞれx軸、y軸、z軸に平行な面に実装技術を用いて配置し、3つの磁気センサーで3次元の磁界の変化を検知できるように組み上げた様子を模式的に示した説明図である。Three magnetic sensors that detect changes in the magnetic field in the x-axis, y-axis, and z-axis directions are arranged on the surface of the sensor support parallel to the x-axis, y-axis, and z-axis, respectively, using mounting technology, and three magnetic sensors It is explanatory drawing which showed typically a mode that it assembled so that the change of a three-dimensional magnetic field could be detected with a sensor. 従来におけるx軸、y軸、z軸方向の磁界の変化を検知する3つの磁気センサーの実装の仕方を示す模式図である。It is a schematic diagram showing how to mount three magnetic sensors for detecting changes in magnetic fields in the x-axis, y-axis, and z-axis directions in the related art.

符号の説明Explanation of symbols

1…基板、1a…平坦部、5…X軸薄膜磁気センサー、5a…ピンド層、5a…下部層、5b…フリー層、5c…ジャンクション層、7…Y軸薄膜磁気センサー、7a…ピンド層、7a…下部層、7b…フリー層、7c…ジャンクション層、9…凹部、9a…傾斜面、9b…第1の辺、9c…第2の辺、9d…第3の辺、11…Z軸用磁気センサー、11a…下部層、11b…フリー層、11b…後フリー層、11c…ジャンクション層、11d…磁気誘導部材、13…絶縁膜   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Board | substrate, 1a ... Flat part, 5 ... X-axis thin film magnetic sensor, 5a ... Pinned layer, 5a ... Lower layer, 5b ... Free layer, 5c ... Junction layer, 7 ... Y-axis thin film magnetic sensor, 7a ... Pinned layer, 7a ... Lower layer, 7b ... Free layer, 7c ... Junction layer, 9 ... Recess, 9a ... Inclined surface, 9b ... First side, 9c ... Second side, 9d ... Third side, 11 ... For Z-axis Magnetic sensor, 11a ... lower layer, 11b ... free layer, 11b ... rear free layer, 11c ... junction layer, 11d ... magnetic induction member, 13 ... insulating film

Claims (7)

同一基板に少なくとも3個以上の薄膜磁気センサーが配置されて形成される3軸磁気センシング装置であって、
前記基板の表面上の平坦部にあるX軸に感磁軸を有するように前記平坦部に形成されたX軸薄膜磁気センサーと、
前記基板の表面上の平坦部にあり前記X軸に対して90°のY軸に感磁軸を有するように前記平坦部に形成されたY軸薄膜磁気センサーと、
前記基板の上面に前記平坦部と所定の角度をなすように設けられた傾斜面を有した凹部と、
前記基板の表面に対して垂直方向に伸びるZ軸に感磁軸を有するように前記平坦部および前記傾斜面に形成されたZ軸薄膜磁気センサーと、を具備し、
前記Z軸薄膜磁気センサーが、磁気検知素子と磁気誘導部材からなり、前記磁気検知素子は前記平坦部に形成され、前記磁気誘導部材は前記傾斜面に形成されると共に、前記磁気検知素子と前記磁気誘導部材とが磁気的に結合されていることを特徴とする3軸磁気センシング装置。
A triaxial magnetic sensing device formed by arranging at least three or more thin film magnetic sensors on the same substrate,
An X-axis thin film magnetic sensor formed on the flat part so as to have a magnetosensitive axis in the X-axis on the flat part on the surface of the substrate;
A Y-axis thin film magnetic sensor formed in the flat part so as to have a magnetosensitive axis in a Y-axis of 90 ° with respect to the X-axis, which is in a flat part on the surface of the substrate;
A concave portion having an inclined surface provided on the upper surface of the substrate so as to form a predetermined angle with the flat portion;
A Z-axis thin film magnetic sensor formed on the flat portion and the inclined surface so as to have a magnetosensitive axis in the Z-axis extending in a direction perpendicular to the surface of the substrate;
The Z-axis thin film magnetic sensor includes a magnetic detection element and a magnetic induction member, the magnetic detection element is formed on the flat portion, the magnetic induction member is formed on the inclined surface, and the magnetic detection element and the A three-axis magnetic sensing device characterized in that a magnetic induction member is magnetically coupled.
前記X軸およびY軸薄膜磁気センサーが、それぞれピンド層とフリー層を有する磁気検知素子からなり、前記X軸およびY軸薄膜磁気センサーのピンド層およびフリー層は、それぞれ長辺と短辺を定義できる異方性を有する形状となっており、その長辺方向が互いに直交するように形成されると共に、それぞれの磁化の方向も直交しており、前記Z軸薄膜地磁気センサーの磁気検知素子が、ピンド層とフリー層を有しており、前記磁気誘導部材が、前記Z軸薄膜地磁気センサーにおける前記ピンド層とフリー層の磁化方向が直行するように磁界を誘導する形状異方性を有していることを特徴とする請求項1に記載の3軸磁気センシング装置。   The X-axis and Y-axis thin film magnetic sensors are each composed of a magnetic sensing element having a pinned layer and a free layer, and the pinned layer and the free layer of the X-axis and Y-axis thin film magnetic sensors define a long side and a short side, respectively. It has a shape having anisotropy that can be formed, and the long sides thereof are formed to be orthogonal to each other, and the directions of the respective magnetizations are also orthogonal, and the magnetic sensing element of the Z-axis thin film geomagnetic sensor includes: The magnetic induction member has a shape anisotropy that induces a magnetic field so that the magnetization directions of the pinned layer and the free layer in the Z-axis thin film geomagnetic sensor are perpendicular to each other. The three-axis magnetic sensing device according to claim 1. 前記磁気検知素子がTMR(Tunneling Magneto Resistance)素子であることを特徴とする請求項2に記載の3軸磁気センシング装置。   The three-axis magnetic sensing device according to claim 2, wherein the magnetic sensing element is a TMR (Tunneling Magneto Resistance) element. 前記磁気検知素子がGMR(Giant Magneto Resistance)素子であることを特徴とする請求項2に記載の3軸磁気センシング装置。   The three-axis magnetic sensing device according to claim 2, wherein the magnetic sensing element is a GMR (Giant Magneto Resistance) element. 前記Z軸薄膜磁気センサーの磁気誘導部材がフリー層として機能することを特徴とする請求項2に記載の3軸磁気センシング装置。   The three-axis magnetic sensing device according to claim 2, wherein a magnetic induction member of the Z-axis thin film magnetic sensor functions as a free layer. 前記傾斜面が、前記基板にSiウエハを用いて異方性エッチングにより形成した(111)面であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項に記載の3軸磁気センシング装置。   6. The triaxial magnetic sensing device according to claim 1, wherein the inclined surface is a (111) surface formed by anisotropic etching using a Si wafer on the substrate. 同一基板に少なくとも3個以上の薄膜磁気センサーが配置されて形成される3軸磁気センシング装置の製造方法であって、
前記基板に傾斜面を有する凹部を形成する工程と、
前記基板の表面上の平坦部にあるX軸に感磁軸を有するX軸薄膜磁気センサーと、前記平坦部にあり、前記X軸に対して90°のY軸に感磁軸を有するY軸薄膜磁気センサーと、前記基板の表面に対して垂直方向に伸びるZ軸に感磁軸を有するZ軸薄膜磁気センサーと、を形成するため磁性体膜からなるピンド層をそれぞれ形成する工程と、
前記基板に所定方向から磁界を印加して着磁する工程と、
前記各ピンド層上にフリー層を形成する工程と、
前記基板に所定方向から磁界を印加して着磁する工程と、
前記Z軸薄膜磁気センサーにおいて前記フリー層と磁気的に結合するように磁気誘導部材を前記傾斜面に形成する工程と、を有することを特徴とする3軸磁気センシング装置の製造方法。
A method of manufacturing a three-axis magnetic sensing device formed by arranging at least three or more thin film magnetic sensors on the same substrate,
Forming a recess having an inclined surface on the substrate;
An X-axis thin film magnetic sensor having a magnetosensitive axis on the X axis on a flat portion on the surface of the substrate; and a Y axis having a magnetosensitive axis on the Y axis at 90 ° with respect to the X axis. Forming a pinned layer comprising a magnetic film to form a thin film magnetic sensor and a Z axis thin film magnetic sensor having a magnetosensitive axis in the Z axis extending in a direction perpendicular to the surface of the substrate;
Magnetizing the substrate by applying a magnetic field from a predetermined direction;
Forming a free layer on each pinned layer;
Magnetizing the substrate by applying a magnetic field from a predetermined direction;
Forming a magnetic induction member on the inclined surface so as to be magnetically coupled to the free layer in the Z-axis thin film magnetic sensor.
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