JP2009260164A - 磁気センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 トンネル型磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）を用いて磁気センサに係り、特に、従来に比べて、ＥＳＤ耐性を向上させた磁気センサを提供することを目的とする。
【解決手段】 外部磁界に対して電気抵抗値が変動する磁気抵抗効果を利用した素子部を備える磁気センサＳ１であって、素子部は、トンネル型磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）２１を有して構成され、ＴＭＲ素子２１の上下には電極層２３，２４が設けられており、ＴＭＲ素子２１の側方には前記電極間に位置しＴＭＲ素子２１と並列に接続されるコンデンサ層４２が設けられ、前記コンデンサ層４２の静電容量Ｃ２は、前記ＴＭＲ素子２１の静電容量Ｃ１より大きい。
【選択図】図１

Description

本発明は、トンネル型磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）を用いて磁気センサに係り、特に、従来に比べて、ＥＳＤ耐性を向上させた磁気センサに関する。

外部磁界に対して電気抵抗値が変動する磁気抵抗効果を利用した磁気抵抗効果素子は磁気センサとして使用できる。

磁気抵抗効果素子にはトンネル型磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）を使用できる。
ＴＭＲ素子は巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）に比べて高出力という特性を備え、また温度特性にも優れるため、適切に磁気センサの出力特性を向上させることができる。また増幅ＩＣを簡略化しても高精度な出力特性を得やすく、増幅ＩＣを簡略化したこと等による低コスト化を実現できる。
特開平１１−１１２０５４号公報

しかしながら、ＴＭＲ素子自体はＥＳＤ耐性が低く、静電気等のサージにより過電圧や過電流が流れると破壊されるといった問題があった。

例えば特許文献１に記載された発明には、ＴＭＲ素子を直列に複数個接続した構成が開示されている。これにより、電圧は分圧されるため、個々のＴＭＲ素子に印加される電圧を小さくできる。しかしながらこのような構成にしてもＥＳＤ耐性強化の観点からは不十分であった。

そこで本発明は上記従来の課題を解決するためのものであり、トンネル型磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）を用いて磁気センサに係り、特に、従来に比べて、ＥＳＤ耐性を向上させた磁気センサを提供することを目的とする。

本発明は、外部磁界に対して電気抵抗値が変動する磁気抵抗効果を利用した素子部を備える磁気センサであって、
前記素子部は、トンネル型磁気抵抗効果素子を有して構成され、前記トンネル型磁気抵抗効果素子の上下には電極層が設けられており、前記トンネル型磁気抵抗効果素子の側方には前記電極間に位置し前記トンネル型磁気抵抗効果素子と並列に接続されるコンデンサ層が設けられ、前記コンデンサ層の静電容量は、前記トンネル型磁気抵抗効果素子の静電容量より大きいことを特徴とするものである。これにより従来に比べてＥＳＤ耐性を効果的に向上させることができる。

本発明では、前記コンデンサ層は、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＭｇＯ、Ｓｉ₃Ｎ₄、Ｔａ₂Ｏ₅、ＨｆＯ₂、ＴｉＯ₂、ＳｒＴｉＯ₃、（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ₃の少なくともいずれか１種で構成されることが好ましい。上記した材質の比誘電率は高く、前記コンデンサ層の静電容量を、前記トンネル型磁気抵抗効果素子の静電容量より適切に大きくできる。

また本発明では、前記コンデンサ層は、前記トンネル型磁気抵抗効果素子を構成する絶縁障壁層よりも高誘電率であることが好ましい。これにより、効果的に、前記コンデンサ層の静電容量を、前記トンネル型磁気抵抗効果素子の静電容量より大きくできる。

また本発明では、前記トンネル型磁気抵抗効果素子を構成する絶縁障壁層は、Ａｌ₂Ｏ₃、あるいは、ＭｇＯで形成され、前記コンデンサ層は、Ｔａ₂Ｏ₅、ＨｆＯ₂、ＴｉＯ₂、ＳｒＴｉＯ₃、（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ₃の少なくともいずれか１種で構成されることが好ましい。

あるいは本発明では、前記トンネル型磁気抵抗効果素子を構成する絶縁障壁層は、ＴｉＯ₂で形成され、前記コンデンサ層は、ＳｒＴｉＯ₃、（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ₃の少なくともいずれか１種で構成されることが好ましい。

また本発明では、前記素子部は、複数の前記トンネル型磁気抵抗効果素子が前記電極層を介して直列接続された構成であり、各トンネル型磁気抵抗効果素子の側方に前記トンネル型磁気抵抗効果素子と並列に接続される前記コンデンサ層が夫々設けられていることが好ましい。これにより、従来に比べて、より効果的にＥＳＤ耐性を向上させることができる。

本発明の磁気センサによれば、従来に比べてＥＳＤ耐性を向上できる。

図１は、本実施形態における磁気センサを構成する一つの素子部の部分断面図、図２は図１に示す素子部の部分平面図、図３は、本実施形態における磁気センサの回路構成図、図４は、トンネル型磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）及びその付近を膜厚方向から切断しその切断面を示す部分拡大断面図、である。

図３に示すように本実施形態の磁気センサＳ１は、４つの素子部１〜４がブリッジ回路を構成している。

図３に示すように、第１素子部１と第２素子部２は出力取出し部６を介して直列接続されている。また第３素子部３と第４素子部４は出力取出し部７を介して直列接続されている。図３に示すように出力取出し部６，７は差動増幅器８に接続される。図３に示すように第２素子部２と第３素子部３は入力端子９を介して接続されており、第１素子部１と第４素子部４はグランド端子１０を介して接続されている。また前記差動増幅器８の出力側には外部出力端子１１が接続されている。

図３の第１素子部１を拡大した回路構成に示すように、第１素子部１は、複数個のトンネル型磁気抵抗効果素子（以下、ＴＭＲ素子という）が直列に接続された構成である。第２素子部２、第３素子部３及び第４素子部４も、第１素子部１と同じ構成である。

以下では第１素子部１の構成として説明するが、第２素子部２、第３素子部３及び第４素子部４にも当てはまる。

図１に示すように、基板２０上には、図示Ｙ方向に延びる下側電極層２３が所定の間隔を空けて形成されている。各下側電極層２３間は絶縁層４０で埋められている。

各下側電極層２３上には、図示Ｙ方向に間隔を空けてＴＭＲ素子２１が各下側電極２３上に２個ずつ形成されている。

図１に示すように図示中央に形成された２個のＴＭＲ素子２１上は上側電極層２４により接続され、また図示左側のＴＭＲ素子２１上と図示右側のＴＭＲ素子２１上は夫々図示しない隣側のＴＭＲ素子２１上と上側電極層２４により接続されている。図１に示すように上側電極層２４は図示Ｙ方向に延び、各上側電極層２４間には所定の間隔が空けられている。各上側電極層２４間は絶縁層４０により埋められている。

図１に示す構成により、複数のＴＭＲ素子２１が下側電極層２３及び上側電極層２４を介して直列接続された構成となっている（図３も参照）。

図４に示すように、ＴＭＲ素子２１は、例えば下から下地層３０、反強磁性層３１、固定磁性層３２、絶縁障壁層３３、フリー磁性層３４及び保護層３５の順に積層される。例えば下地層３０はＴａ、反強磁性層３１はＩｒＭｎ、固定磁性層３２は、ＣｏＦｅＢ、絶縁障壁層３３はＭｇＯ、フリー磁性層３４はＣｏＦｅＢ、保護層３５はＴａである。積層構造は図４の構成に限定されない。例えば固定磁性層３２は第１磁性層／非磁性中間層／第２磁性層の積層フェリ構造に出来る。

また、図２に示すように、基板表面と平行な面（Ｘ−Ｙ面）方向からのＴＭＲ素子２１の断面形状は略円形状であることが好適である。これにより形状異方性を小さくでき、外部磁界がどの方向から及んでも、ＴＭＲ素子２１を構成するフリー磁性層３４が、感度良く反応し、検知精度の向上を図ることが出来る。

図１，図４に示すように各ＴＭＲ素子２１の図示Ｙ方向の両側には拡散防止層４１を介してコンデンサ層４２が形成されている。拡散防止層４１は主に、絶縁障壁層３３（図４参照）とコンデンサ層４２間の元素拡散を防止するための層であるが拡散防止層４１の形成の有無は任意である。拡散防止層４１はＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃等で形成される。

コンデンサ層４２は、下側電極層２３と上側電極層２４との間に形成されており、ＴＭＲ素子２１と並列に接続される。

図３に示すＣ１は、ＴＭＲ素子２１の静電容量であり、Ｃ２はコンデンサ層４２の静電容量を示している。

本実施形態ではコンデンサ層４２の静電容量Ｃ２は、ＴＭＲ素子２１の静電容量Ｃ１より大きくなっている。

図５はＴＭＲ素子２１への突入電圧の時間変化を示すグラフである。コンデンサ層４２を設けない構成では瞬時に極めて高いピーク値の突入電圧がＴＭＲ素子２１に印加されるが、コンデンサ層４２をＴＭＲ素子２１に並列に接続し、コンデンサ層４２の静電容量Ｃ２を大きくするほど突入電圧のピーク値を小さくし、勾配を緩やかにできる。

したがって、ＴＭＲ素子２１の静電容量Ｃ１よりも大きい静電容量Ｃ２を備えるコンデンサ層４２をＴＭＲ素子２１と並列に接続することでＥＳＤ耐性を効果的に向上させることが可能である。

具体的にはＴＭＲ素子２１の静電容量Ｃ１は、１〜２０ｐＦ程度であり、コンデンサ層４２の静電容量Ｃ２は、２０ｐＦ〜１ｎＦ程度であることが好ましい。
コンデンサ層４２の静電容量Ｃ２は、以下の数式で求められる。

数１に示すようにコンデンサ層４２の静電容量Ｃ２を大きくするには、コンデンサ層４２に比誘電率εｒが高い材質を使用することが好適である。

具体的には、コンデンサ層４２は、ＳｉＯ₂（３．９〜４．０）、Ａｌ₂Ｏ₃（８〜１０）、ＭｇＯ（１０）、Ｓｉ₃Ｎ₄（８〜９）、Ｔａ₂Ｏ₅（２０〜５０）、ＨｆＯ₂（２０〜３０）、ＴｉＯ₂（２０〜８０）、ＳｒＴｉＯ₃（９０〜２４０）、（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ₃（１６０〜６００）のうちいずれか１種あるいは２種以上で構成されることが好ましい。括弧内の数値は比誘電率であり、これら材質はいずれも比誘電率が高い。（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ₃の（Ｂａ，Ｓｒ）は、ＢａとＳｒの双方を含む意味である。

本実施形態では、コンデンサ層４２は、ＴＭＲ素子２１を構成する絶縁障壁層３３よりも高誘電率であることが好適である。ところで、上記数１に示したように、コンデンサ層４２の静電容量Ｃ２は、電極面積を大きくしたり、電極間距離（膜厚）を小さくすることで大きくできる。図１，図４の構成では、電極間距離（膜厚）は、ＴＭＲ素子２１の膜厚と同じである。このとき、電極間距離（膜厚）をより小さくしようとすれば、例えば上側電極層２４の形成面が凹凸面となってしまい、上側電極層２４を適切に形成することが出来なくなる。よって上側電極層２４の形成面は図１，図４のようにＴＭＲ素子２１の形成面と同じ平坦面とすべく、電極間距離（膜厚）を、ＴＭＲ素子２１の膜厚と同等にすることが好ましい。また電極面積を大きくすると、各素子部１〜４の形成領域を大きくしなければならなくなり磁気センサＳ１の小型化を促進できない。よってコンデンサ層４２には、ＴＭＲ素子２１を構成する絶縁障壁層３３よりも高誘電率の材質を使用し、これにより電極面積や電極間距離（膜厚）が従来のままでも、効果的に、コンデンサ層４２の静電容量Ｃ２を、ＴＭＲ素子２１の静電容量Ｃ１より大きくできる。

具体的には、ＴＭＲ素子２１を構成する絶縁障壁層３３が、Ａｌ₂Ｏ₃、あるいは、ＭｇＯで形成されるとき、コンデンサ層４２は絶縁障壁層３３よりも高誘電率であるＴａ₂Ｏ₅、ＨｆＯ₂、ＴｉＯ₂、ＳｒＴｉＯ₃、（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ₃等のうち少なくともいずれか１種で形成される。

あるいは、ＴＭＲ素子２１を構成する絶縁障壁層３３がＴｉＯ₂で形成されるとき、コンデンサ層４２は絶縁障壁層３３よりも高誘電率のＳｒＴｉＯ₃、（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ₃等のうち少なくともいずれか１種で形成される。

コンデンサ層４２を構成する材質の比誘電率は、絶縁障壁層３３を構成する材質の比誘電率の５倍以上、より好ましくは１０倍以上であると好適である。

コンデンサ層４２は単層構造でもよいし、異なる材質の層を重ねて構成したもの等でもよい。

本実施形態では各素子部１〜４を構成するＴＭＲ素子２１は１個でもよいが、複数個設けることで、電圧は分圧されるため、従来に比べて、より効果的にＥＳＤ耐性を向上させることができる。

また例えば、図３に示す第１素子部１を構成する各ＴＭＲ素子２１と第３素子部３を構成する各ＴＭＲ素子２１の固定磁性層３２の固定磁化方向（ＰＩＮ方向）は共に同じ方向であり、一方、第２素子部２及び第４素子部４を構成するＴＭＲ素子２１の固定磁化方向（ＰＩＮ方向）は第１素子部１とは反対方向である（図３参照）。

これにより図３に示すブリッジ回路において、第１素子部１及び第３素子部３の電気抵抗値が上昇するときは、第２素子部２及び第４素子部４の電気抵抗値は低下する関係にあり、第１素子部１及び第３素子部３の電気抵抗値が低下するときは、第２素子部２及び第４素子部４の電気抵抗値は上昇する関係にある。よって差動増幅器８にて大きい差動出力を得ることができる。なおＴＭＲ素子２１はＧＭＲ素子に比べて高出力にできるため、ブリッジ回路でなく、出力取出し部６を介して直列接続された第１素子部１と第２素子部２のみを備える回路構成でもよい。

また全ての素子部１〜４がＴＭＲ素子２１を備える構成でなくてもよい。例えば第２素子部２及び第４素子部４は固定抵抗でもよい。また図３に示すように各素子部１〜４内においても、ＴＭＲ素子２１に直列に固定抵抗（外部抵抗）４５が接続されていてもよい。これにより電圧がより分圧されるため、ＥＳＤ耐性をより効果的に向上させることができる。

本実施形態の磁気センサＳ１は携帯電話等の開閉スイッチ（磁気スイッチ）として使用できる。例えば携帯電話の画面表示のある筐体内に磁石を内蔵し、操作釦のある筐体内に本実施形態の磁気センサＳ１を内蔵すると、筐体間の開閉時に、磁石から磁気センサＳ１に及ぼす外部磁界強度が変化することで、スイッチング出力（ＯＮ・ＯＦＦ）を得ることが出来る。

本実施形態では、開閉スイッチ以外に、エンコーダ、ポテンショメータ等の他の磁気センサにも適用可能である。

人体帯電モデル静電破壊試験を行った。人体帯電モデル（Human Body Model）回路は、図６の通りである。

Ｃ１はＴＭＲ素子２１の静電容量であり、Ｃ２はＴＭＲ素子２１の上下の電極層２３，２４に設けられ、ＴＭＲ素子２１に並列に接続されるコンデンサ層４２の静電容量である。

電源電圧は３５０Ｖであり、コンデンサ５０の静電容量Ｃは１５０ｐＦ、抵抗５１の抵抗値Ｒは３３０Ωであった。ＴＭＲ素子２１の絶縁障壁層３３にはＭｇＯ（比誘電率 １０）を使用した。素子サイズは１０μｍΦ（Ｘ−Ｙ平面）であり、絶縁障壁層３３の膜厚は２０Åであった。ＴＭＲ素子２１の素子抵抗値は１０Ωであり、静電容量Ｃ１は、３．５ｐＦであった。

実験では、表１に示す５つの試料を用いた。試料Ｎｏ１は、コンデンサ層４２を設けない構成である。よって静電容量Ｃ２は０ｐＦである。また試料Ｎｏ２〜５はいずれも表に示される材質を使用した。表１の「電極面積−素子面積」が、数１に示す電極面積Ｓであり、表１の「電極間距離ｄ」が数１に示す電極間距離（膜厚）ｄである。

実験では、まず図６の状態でコンデンサ５０に電荷を蓄え、スイッチ５２を切り換えて、ＴＭＲ素子２１側に放電した。このとき、ＴＭＲ素子２１に印加される実効電圧の時間変化を測定した。

図７は表１の試料Ｎｏ１における実験結果、図８は表１の試料Ｎｏ２における実験結果、図９は表１の試料Ｎｏ３における実験結果、図１０は表１の試料Ｎｏ４における実験結果、図１１は表１の試料Ｎｏ５における実験結果である。いずれもシミュレーション結果である。

図７に示すように、ＴＭＲ素子２１と並列に接続されるコンデンサ層４２を設けない場合、ＴＭＲ素子２１に印加される実効電圧ピークが１０Ｖを超えた。

一方、ＴＭＲ素子２１と並列に接続されるコンデンサ層４２を設け、しかもコンデンサ層４２の静電容量Ｃ２をＴＭＲ素子２１の静電容量Ｃ１より大きくすることでＥＳＤ耐性を向上できるが、図８、図９のように、コンデンサ層４２の静電容量Ｃ２がＴＭＲ素子静電容量Ｃ１に近いと実効電圧ピークを大きく下げることができなかった。

表１に示すように試料Ｎｏ２，Ｎｏ３はいずれもＴＭＲ素子２１の絶縁障壁層３３に用いられるＭｇＯと同等の比誘電率か、あるいはＭｇＯよりも比誘電率が小さい。一方、表１に示す試料Ｎｏ４，Ｎｏ５は、ＭｇＯに比べて非常に高い比誘電率を有する材質をコンデンサ層４２に用いており、コンデンサ層４２の静電容量Ｃ２はＴＭＲ素子２１の静電容量Ｃ１に比べて非常に大きくなっている。このため図１０，図１１に示すように効果的にＴＭＲ素子２１に印加される実効電圧ピークを下げることが出来るとわかった。

図６に示す人体帯電モデル回路を用いて、上記構成のＴＭＲ素子２１の実効ＥＳＤ破壊電圧（Ｖ_TMR）を求めた。
実効ＥＳＤ破壊電圧（Ｖ_TMR）は以下の数２に示す数式で求められる。

ＨＢＭ電源電圧（Ｖ_HBM）を徐々に上げていき、ＴＭＲ素子２１が破壊したときのＶ_HBMから数２を用いて実行ＥＳＤ破壊電圧（Ｖ_TMR）を求めたところ、実効ＥＳＤ破壊電圧（Ｖ_TMR）は約１０Ｖであった。

以下の表２は、コンデンサ層４２の静電容量Ｃ２とＴＭＲ素子２１に印加される実効電圧ピーク値との関係であり、この表２をグラフにしたものが図１２である。

このようにコンデンサ層４２の静電容量Ｃ２を大きくすれば、ＴＭＲ素子２１に印加される実効電圧ピーク値を徐々に下げることができ、ＥＳＤ耐性を向上できることがわかった。

この実験例では、電源電圧を３５０Ωとしたとき、２０ｐＦ以上のコンデンサ層４２をＴＭＲ素子２１（抵抗値１０Ω）に並列に接続することで確実にＥＳＤ破壊を防止できることがわかった。

本実施形態における磁気センサを構成する一つの素子部の部分断面図、 図１に示す素子部の部分平面図、 本実施形態における磁気センサの回路構成図、 トンネル型磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）及びその付近を膜厚方向から切断しその切断面を示す部分拡大断面図、 ＴＭＲ素子への突入電圧の時間変化ダメージを示すグラフ、 実験で使用した人体帯電モデル（Human Body Model）回路、 図６に示すコンデンサ層の静電容量が０ｐＦであるときの、ＴＭＲ素子に印加される実効電圧の時間変化を示すグラフ、 図６に示すコンデンサ層の静電容量が１４．１ｐＦであるときの、ＴＭＲ素子に印加される実効電圧の時間変化を示すグラフ、 図６に示すコンデンサ層の静電容量が２８．２ｐＦであるときの、ＴＭＲ素子に印加される実効電圧の時間変化を示すグラフ、 図６に示すコンデンサ層の静電容量が２８２．１ｐＦであるときの、ＴＭＲ素子に印加される実効電圧の時間変化を示すグラフ、 図６に示すコンデンサ層の静電容量が８４６．３ｐＦであるときの、ＴＭＲ素子に印加される実効電圧の時間変化を示すグラフ、 コンデンサ層の静電容量Ｃ２とＴＭＲ素子２１に印加される実効電圧ピーク値との関係を示すグラフ、

符号の説明

１ 第１素子部
２ 第２素子部
３ 第３素子部
４ 第４素子部
６、７ 出力取り出し部
８ 差動増幅器
９ 入力端子
１０ グランド端子
１１ 外部出力端子
２０ 基板
２１ ＴＭＲ素子
２３ 下側電極層
２４ 上側電極層
３１ 反強磁性層
３２ 固定磁性層
３３ 絶縁障壁層
３４ フリー磁性層
３５ 保護層
４０ 絶縁層
４１ 拡散防止層
４２ コンデンサ層
４５ 固定抵抗（外部抵抗）

Claims (6)

1. 外部磁界に対して電気抵抗値が変動する磁気抵抗効果を利用した素子部を備える磁気センサであって、
   前記素子部は、トンネル型磁気抵抗効果素子を有して構成され、前記トンネル型磁気抵抗効果素子の上下には電極層が設けられており、前記トンネル型磁気抵抗効果素子の側方には前記電極間に位置し前記トンネル型磁気抵抗効果素子と並列に接続されるコンデンサ層が設けられ、前記コンデンサ層の静電容量は、前記トンネル型磁気抵抗効果素子の静電容量より大きいことを特徴とする磁気センサ。
2. 前記コンデンサ層は、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＭｇＯ、Ｓｉ₃Ｎ₄、Ｔａ₂Ｏ₅、ＨｆＯ₂、ＴｉＯ₂、ＳｒＴｉＯ₃、（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ₃の少なくともいずれか１種で構成される請求項１記載の磁気センサ。
3. 前記コンデンサ層は、前記トンネル型磁気抵抗効果素子を構成する絶縁障壁層よりも高誘電率である請求項１又は２に記載の磁気センサ。
4. 前記トンネル型磁気抵抗効果素子を構成する絶縁障壁層は、Ａｌ₂Ｏ₃、あるいは、ＭｇＯで形成され、前記コンデンサ層は、Ｔａ₂Ｏ₅、ＨｆＯ₂、ＴｉＯ₂、ＳｒＴｉＯ₃、（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ₃の少なくともいずれか１種で構成される請求項３記載の磁気センサ。
5. 前記トンネル型磁気抵抗効果素子を構成する絶縁障壁層は、ＴｉＯ₂で形成され、前記コンデンサ層は、ＳｒＴｉＯ₃、（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ₃の少なくともいずれか１種で構成される請求項３記載の磁気センサ。
6. 前記素子部は、複数の前記トンネル型磁気抵抗効果素子が前記電極層を介して直列接続された構成であり、各トンネル型磁気抵抗効果素子の側方に前記トンネル型磁気抵抗効果素子と並列に接続される前記コンデンサ層が夫々設けられている請求項１ないし５のいずれかに記載の磁気センサ。

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