JP2010258980A - Magnetic coupling type isolator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、磁界発生部と磁気抵抗効果素子(TMR素子、CIP−GMR素子、CPP−GMR素子)とを備える磁気結合型アイソレータに関する。 The present invention relates to a magnetically coupled isolator including a magnetic field generator and a magnetoresistive effect element (TMR element, CIP-GMR element, CPP-GMR element).
電子回路において、例えば、大電流が流れる部分と信号伝送が行われている部分とが近接すると、大電流が流れることにより信号伝送に影響を及ぼすことがある。このため、電子回路の大電流が流れる部分と信号伝送が行われている部分とを電気的に分離する回路素子が必要となる。このような素子として、フォトカプラを用いた光アイソレータがある。この光アイソレータは、受光素子及び発光素子の組み合せで構成されており、電気から光に変換し、その後光から電気に変換して信号を伝達する機能を有する回路素子である。 In an electronic circuit, for example, if a portion where a large current flows and a portion where signal transmission is performed are close to each other, the large current may affect signal transmission. For this reason, a circuit element that electrically separates a portion where a large current flows in an electronic circuit from a portion where signal transmission is performed is required. As such an element, there is an optical isolator using a photocoupler. This optical isolator is composed of a combination of a light receiving element and a light emitting element, and is a circuit element having a function of converting a signal from electricity to light and then converting the light to electricity to transmit a signal.
一方、光アイソレータよりも小型化や低消費電力化を図ることができる磁気結合型アイソレータが開発されている。例えば、特許文献1、特許文献2には、入力信号を、磁気に変換するための磁界発生部と、前記磁界発生部から生じた外部磁界を検出して電気信号に変換するための磁気抵抗効果素子とを有する磁気結合型アイソレータが開示されている。ここで、磁気抵抗効果素子としては、ホール素子、AMR素子(異方性磁気抵抗効果素子)、あるいは、GMR素子(巨大磁気抵抗効果素子)が使用される。
On the other hand, magnetically coupled isolators have been developed that can achieve smaller size and lower power consumption than optical isolators. For example, Patent Document 1 and
特許文献1,2に開示されている磁気結合型アイソレータにおいては、磁気発生部であるコイルの上部にシールド膜を設けることにより、外部環境からの不要磁場に対するシールド機能を発揮させている。このシールド膜は、コイルから磁気抵抗効果素子へ印加される磁場のコンセントレータ機能をも兼ね備えている。
In the magnetically coupled isolators disclosed in
しかしながら、特許文献1,2に開示された磁気結合型アイソレータは、コイルの上部のみにシールド膜を配置している。したがって、外部磁場やEMS(Electro Magnetic Susceptibility)に対する耐性を十分に確保できないという問題がある。
However, the magnetically coupled isolators disclosed in
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、外部磁場やEMSに対する耐性を十分に確保することができる磁気結合型アイソレータを提供することを目的とする。 This invention is made | formed in view of this point, and it aims at providing the magnetic coupling type isolator which can fully ensure the tolerance with respect to an external magnetic field or EMS.
本発明の磁気結合型アイソレータは、入力信号により外部磁界を発生させるための磁界発生部と、前記磁界発生部と電気的に絶縁されるとともに磁気的結合が可能な位置であって、平面視において前記磁界発生部と重なるように配置されており、前記外部磁界を検出して電気信号に変換するための磁気抵抗効果素子と、平面視において前記磁界発生部及び前記磁気抵抗効果素子と重なるように配置された第1シールド膜及び第2シールド膜と、前記磁気抵抗効果素子を囲繞するように配置された第3シールド膜と、を具備し、前記第1シールド膜及び/又は前記第2シールド膜は、0.5μm〜15μmの厚さを有することを特徴とする。 The magnetically coupled isolator according to the present invention includes a magnetic field generator for generating an external magnetic field by an input signal, a position that is electrically insulated from the magnetic field generator and can be magnetically coupled. A magnetoresistive effect element that is disposed so as to overlap the magnetic field generation unit and detects the external magnetic field and converts it into an electric signal, and so as to overlap the magnetic field generation unit and the magnetoresistive effect element in plan view A first shield film and a second shield film disposed; and a third shield film disposed so as to surround the magnetoresistive element; and the first shield film and / or the second shield film. Has a thickness of 0.5 μm to 15 μm.
この構成によれば、平面視において磁界発生部及び磁気抵抗効果素子と重なるように配置された所定の厚さの第1シールド膜及び第2シールド膜と、磁気抵抗効果素子を囲繞するように配置された第3シールド膜と、を具備するので、外部磁場やEMSに対する耐性を十分に確保することができる。 According to this configuration, the first shield film and the second shield film having a predetermined thickness, which are disposed so as to overlap the magnetic field generation unit and the magnetoresistive effect element in plan view, are disposed so as to surround the magnetoresistive effect element. Since the third shield film is provided, sufficient resistance to an external magnetic field and EMS can be ensured.
本発明の磁気結合型アイソレータにおいては、前記第1シールド膜、前記第2シールド膜及び/又は前記第3シールド膜は、0.5μm〜10μmの厚さを有することが好ましい。この構成によれば、磁界発生部の磁場のエンハンス効果を発揮させながら、シールド効果を発揮させることができる。 In the magnetically coupled isolator of the present invention, it is preferable that the first shield film, the second shield film, and / or the third shield film have a thickness of 0.5 μm to 10 μm. According to this configuration, it is possible to exhibit the shielding effect while exhibiting the enhancement effect of the magnetic field of the magnetic field generation unit.
本発明の磁気結合型アイソレータにおいては、前記磁界発生部は、外部磁界が互いに反対方向に発生する第1磁界発生部と第2磁界発生部とを有して構成され、前記第1磁界発生部と対向配置される前記磁気抵抗効果素子と、前記第2磁界発生部と対向配置される前記磁気抵抗効果素子とを備え、各磁気抵抗効果素子は、全て同じ層構成であり、前記第1磁界発生部と対向配置される前記磁気抵抗効果素子と、前記第2磁界発生部と対向配置される前記磁気抵抗効果素子とがブリッジ回路を構成していることが好ましい。 In the magnetically coupled isolator according to the present invention, the magnetic field generation unit includes a first magnetic field generation unit and a second magnetic field generation unit that generate external magnetic fields in opposite directions, and the first magnetic field generation unit And the magnetoresistive effect element arranged opposite to the second magnetic field generation unit, and each magnetoresistive effect element has the same layer configuration, and the first magnetic field It is preferable that the magnetoresistive effect element arranged to face the generating part and the magnetoresistive effect element arranged to face the second magnetic field generating part constitute a bridge circuit.
本発明の磁気結合型アイソレータにおいては、前記第1シールド膜は、前記磁界発生部から前記ブリッジ回路に印加される磁界をエンハンスする機能を有することが好ましい。 In the magnetically coupled isolator according to the present invention, it is preferable that the first shield film has a function of enhancing a magnetic field applied to the bridge circuit from the magnetic field generator.
本発明の磁気結合型アイソレータにおいては、前記第1シールド膜、前記第2シールド膜及び/又は前記第3シールド膜が高透磁率材料で構成されていることが好ましい。 In the magnetically coupled isolator of the present invention, it is preferable that the first shield film, the second shield film, and / or the third shield film are made of a high magnetic permeability material.
本発明の磁気結合型アイソレータにおいては、前記第1シールド膜、前記第2シールド膜及び/又は前記第3シールド膜は、平面視において点対称な形状を有しており、それぞれの対称の中心が一致していることが好ましい。 In the magnetically coupled isolator according to the present invention, the first shield film, the second shield film, and / or the third shield film have a point-symmetric shape in plan view, and the center of each symmetry is It is preferable that they match.
本発明の磁気結合型アイソレータは、入力信号により外部磁界を発生させるための磁界発生部と、前記磁界発生部と電気的に絶縁されるとともに磁気的結合が可能な位置であって、平面視において前記磁界発生部と重なるように配置されており、前記外部磁界を検出して電気信号に変換するための磁気抵抗効果素子と、平面視において前記磁界発生部及び前記磁気抵抗効果素子と重なるように配置された第1シールド膜及び第2シールド膜と、前記磁気抵抗効果素子を囲繞するように配置された第3シールド膜と、を具備し、前記第1シールド膜及び/又は前記第2シールド膜は、0.5μm〜15μmの厚さを有するので、外部磁場やEMSに対する耐性を十分に確保することができる。 The magnetically coupled isolator according to the present invention includes a magnetic field generator for generating an external magnetic field by an input signal, a position that is electrically insulated from the magnetic field generator and can be magnetically coupled. A magnetoresistive effect element that is disposed so as to overlap the magnetic field generation unit and detects the external magnetic field and converts it into an electric signal, and so as to overlap the magnetic field generation unit and the magnetoresistive effect element in plan view A first shield film and a second shield film disposed; and a third shield film disposed so as to surround the magnetoresistive element; and the first shield film and / or the second shield film. Since it has a thickness of 0.5 μm to 15 μm, sufficient resistance to an external magnetic field and EMS can be ensured.
以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
図1は、本実施の形態の磁気結合型アイソレータ(磁気カプラ)の全体の回路構成図であり、図2は、磁気抵抗効果素子R1〜R4にて構成されるブリッジ回路図であり、図3は、本実施の形態における磁気結合型アイソレータの部分平面図であり、図4は、図3に示すA−A線に沿って厚さ方向に切断し矢印方向から見た部分断面図である。なお、図3では、絶縁層を図示せず、またコイル2の内縁及び外縁のみを示し、コイル2下に位置する磁気抵抗効果素子R1〜R4を透視して示した。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
1 is an overall circuit configuration diagram of a magnetically coupled isolator (magnetic coupler) according to the present embodiment, and FIG. 2 is a bridge circuit diagram including magnetoresistive effect elements R1 to R4. These are the fragmentary top views of the magnetic coupling type isolator in this Embodiment, and FIG. 4 is the fragmentary sectional view cut | disconnected in the thickness direction along the AA line shown in FIG. In FIG. 3, the insulating layer is not shown, only the inner edge and the outer edge of the
図1に示すように、磁気結合型アイソレータ1は、入力信号により外部磁界を発生させるための磁界発生部としてのコイル2と、外部磁界を検出して電気信号に変換するための磁気抵抗効果素子R1〜R4とを有して構成される。コイル2と各磁気抵抗効果素子R1〜R4は、図示しない絶縁層を介して電気的に絶縁されているが、磁気的結合が可能な間隔を空けて配置される。すなわち、コイル2と磁気抵抗効果素子R1〜R4とは、電気的に絶縁されるとともに磁気的結合が可能な位置に配置され、平面視において重なるように配置される。
As shown in FIG. 1, a magnetically coupled isolator 1 includes a
ここで図1では、差動増幅器15や外部出力端子16等の信号処理回路(IC)までも含めて、磁気結合型アイソレータ1を定義しているが、磁気結合型アイソレータ1に前記信号処理回路(IC)を含めず、コイル2、磁気抵抗効果素子R1〜R4及び、図3に示す各端子10〜14を備える形態を、磁気結合型アイソレータ1と定義することもできる。かかる場合は、磁気結合型アイソレータ1を、電子機器側の信号処理回路(IC)と電気的に繋ぐことが必要になる。
Here, in FIG. 1, the magnetic coupling type isolator 1 including the signal processing circuit (IC) such as the
コイル2は、図3に示すように、X1−X2方向に帯状に延びる第1磁界発生部3と第2磁界発生部4とを有する。第1磁界発生部3と第2磁界発生部4は、図示Y1−Y2方向に間隔を空けて対向している。第1磁界発生部3と第2磁界発生部4とは、連結部17,18を介して連結されている。連結部17,18は、湾曲状となっているが形態を限定するものではない。第1磁界発生部3、第2磁界発生部4、及び連結部17,18に囲まれて空間部19が形成されている。
As shown in FIG. 3, the
図4に示すように、コイル2は、幅寸法T4で形成されたコイル片2’が所定の間隔T5を空けて、複数回、巻回形成された形状である。よって、図4に示すように、第1磁界発生部3及び第2磁界発生部4は、複数本のコイル片2’がY1−Y2方向に並設された構成となっている。
As shown in FIG. 4, the
コイル2に接続される2つの電極パッド5,6が設けられている。電極パッド5,6は円形状であるが特に形状を限定するものではない。さらにコイル2は電極パッド5,6を介して図1に示すように送信回路7に接続されている。送信回路7から入力信号に基づく電流が流れると、コイル2から外部磁界が発生する。図4に示すように、第1磁界発生部3を構成するコイル片2’、及び第2磁界発生部4を構成するコイル片2’では電流の流れる向きが反平行である。よって、第1磁界発生部3を構成するコイル片2’により発生する外部磁界H1と、第2磁界発生部4を構成するコイル片2’により発生する外部磁界H2とは逆向きである。図3及び図4に示すように、第1磁界発生部3の下方(上方でもよい)、及び第2磁界発生部の下方(上方でもよい)には、夫々磁気抵抗効果素子R1〜R4が絶縁層(図示せず)を介して対向配置されている。そして、第1磁界発生部3と対向配置された第1磁気抵抗効果素子R1及び第4磁気抵抗効果素子R4に対して前記第1磁界発生部3より作用する外部磁界H3と、第2磁界発生部4と対向配置された第2磁気抵抗効果素子R2及び第3磁気抵抗効果素子R3に対して前記第2磁界発生部4より作用する外部磁界H4とは反平行である。
Two
図2に示すように、第1磁気抵抗効果素子R1と第2磁気抵抗効果素子R2とは直列接続され、第3磁気抵抗効果素子R3と第4磁気抵抗効果素子R4とは直列接続されている。また、第1磁気抵抗効果素子R1と第3磁気抵抗効果素子R3とは入力端子(入力パッド)10に接続されている。この実施の形態では、入力端子10は1つである。また、第2磁気抵抗効果素子R2と第4磁気抵抗効果素子R4とは夫々、別々のグランド端子(グランドパッド)11,12に接続されている。よって、この実施の形態では、グランド端子11,12は2つある。
As shown in FIG. 2, the first magnetoresistive element R1 and the second magnetoresistive element R2 are connected in series, and the third magnetoresistive element R3 and the fourth magnetoresistive element R4 are connected in series. . The first magnetoresistive element R1 and the third magnetoresistive element R3 are connected to an input terminal (input pad) 10. In this embodiment, there is one
図2に示すように、第1磁気抵抗効果素子R1と第2磁気抵抗効果素子R2との間には第1出力端子(第1出力パッド,OUT1)13が接続されており、第3磁気抵抗効果素子R3と第4磁気抵抗効果素子R4との間には第2出力端子(第2出力パッド,OUT2)14が接続されている。また、図1,図2に示すように、第1出力端子13及び第2出力端子14の出力側が差動増幅器15に接続されている。そして図1に示すように、差動増幅器15の出力側は、外部出力端子16に接続されている。
As shown in FIG. 2, a first output terminal (first output pad, OUT1) 13 is connected between the first magnetoresistive element R1 and the second magnetoresistive element R2, and the third magnetoresistive element A second output terminal (second output pad, OUT2) 14 is connected between the effect element R3 and the fourth magnetoresistive effect element R4. As shown in FIGS. 1 and 2, the output sides of the
図3に示すように、コイル2の第1磁界発生部3と対向配置される第1磁気抵抗効果素子R1はX1側に、第4磁気抵抗効果素子R4はX2側に配置される。また、コイル2の第2磁界発生部4と対向配置される第2磁気抵抗効果素子R2はX1側に、第3磁気抵抗効果素子R3はX2側に配置される。
As shown in FIG. 3, the first magnetoresistive effect element R <b> 1 arranged to face the first magnetic field generating unit 3 of the
図3に示すように、第1磁気抵抗効果素子R1と第3磁気抵抗効果素子R3との間が第1配線パターン20にて接続される。第1配線パターン20は、平面視にて、各素子R1〜R4間を直線的に囲んだ囲み領域Sの内部に位置している。第1配線パターン20はX1−X2方向及びY1−Y2方向から見て斜めに傾いて形成されている。第1配線パターン20から第2配線パターン21が分岐している。第2配線パターン21は囲み領域Sの内部位置から、前記囲み領域Sの外方へ延出し、入力端子10に接続されている。
As shown in FIG. 3, the
また、図3に示すように、第1磁気抵抗効果素子R1と第2磁気抵抗効果素子R2との間が第3配線パターン22により接続される。第3配線パターン22は、Y1−Y2方向に延出して形成されている。さらに、第3配線パターン22から囲み領域Sの外方に向けて第4配線パターン23が分岐している。第4配線パターン23は第1出力端子13に接続される。
Further, as shown in FIG. 3, the first magnetoresistive element R <b> 1 and the second magnetoresistive element R <b> 2 are connected by the
また、図3に示すように、第3磁気抵抗効果素子R3と第4磁気抵抗効果素子R4との間が第5配線パターン24により接続される。第5配線パターン24は、Y1−Y2方向に延出して形成されている。さらに、第5配線パターン24から囲み領域Sの外方に向けて第6配線パターン25が分岐している。第6配線パターン25は第2出力端子14に接続される。
Further, as shown in FIG. 3, the
さらに、図3に示すように、第2磁気抵抗効果素子R2と第1グランド端子11との間が第7配線パターン26で接続される。また、第4磁気抵抗効果素子R4と第2グランド端子12との間が第8配線パターン27により接続される。
Further, as shown in FIG. 3, the seventh magnetoresistive effect element R <b> 2 and the
図3に示すように、各端子10〜14は、X1−X2方向に所定の間隔を空けて一列に配列されている。よって信号処理回路(IC)側との配線(電気的接続)を簡単に行える。そして、これら端子10〜14の真ん中の位置に、1つだけ設けられた入力端子10が配置されている。このように配置することにより、平面視にて配線パターン同士が重ならないように引き回すことができる。
As illustrated in FIG. 3, the
ただし配線パターンの形態は図3に限定されるものではない。平面視にて配線パターン同士に重なる部分があってもよい。また、図3の形態に代えて、入力端子10の位置にグランド端子を、グランド端子11,12の位置に入力端子を設ける形態でもよい。かかる場合、グランド端子が1つ、入力端子が2つとなる。
However, the form of the wiring pattern is not limited to FIG. There may be a portion overlapping the wiring patterns in a plan view. Further, instead of the configuration of FIG. 3, a configuration in which a ground terminal is provided at the position of the
図3に示すように、平面視において磁界発生部であるコイル2及び磁気抵抗効果素子R1〜R4と重なるように上部シールド膜(第1シールド膜)41及び下部シールド膜(第2シールド膜)42が設けられている。また、磁気抵抗効果素子R1〜R4を囲繞するようにミドルシールド(第3シールド膜)43が設けられている。
As shown in FIG. 3, an upper shield film (first shield film) 41 and a lower shield film (second shield film) 42 so as to overlap with the
図5は、本発明の実施の形態に係る磁気結合型アイソレータの部分断面図である。図5に示す磁気結合型アイソレータにおいては、基板であるシリコン基板51上に絶縁層であるシリコン酸化膜52が形成されている。シリコン酸化膜52には、熱酸化によるシリコン酸化膜やCVD成膜されたシリコン酸化膜が用いられる。
FIG. 5 is a partial cross-sectional view of the magnetically coupled isolator according to the embodiment of the present invention. In the magnetically coupled isolator shown in FIG. 5, a
シリコン酸化膜52上の所定の位置、すなわち厚さ方向においてコイル2の形成領域の下方(平面視においてコイル2及び磁気抵抗効果素子R1〜R4と重なる位置)には、下部シールド膜42が形成されている。下部シールド膜42を構成する材料としては、アモルファス磁性材料、パーマロイ系磁性材料、又は鉄系微結晶材料等の高透磁率材料を用いることができる。下部シールド膜42は、前記材料を成膜した後に、フォトリソグラフィ及びエッチングにより形成することができる。
A
下部シールド膜42を形成したシリコン酸化膜52上には、絶縁層としてポリイミド層53が形成されている。ポリイミド層53は、ポリイミド材料を塗布し、硬化することにより形成することができる。
A
ポリイミド層53上には、シリコン酸化膜54及びアルミニウム酸化膜55が順次形成されている。シリコン酸化膜54及びアルミニウム酸化膜55は、例えば、スパッタリングなどの方法により成膜することができる。
A
アルミニウム酸化膜55上には、磁気抵抗効果素子R1〜R4が形成されている。各磁気抵抗効果素子R1〜R4は全て同じ層構成で形成されている。各磁気検出素子R1〜R4は、例えば図6に示す構造で形成される。
On the
図6に示す参照符号30は下部電極層である。下部電極層30上に多層膜31が形成されている。多層膜31は、下から反強磁性層32、固定磁性層33、絶縁障壁層34、フリー磁性層35、保護層36の順に積層されて構成されている。なお、下からフリー磁性層35、絶縁障壁層34、固定磁性層33及び反強磁性層32の順に積層されてもよい。
反強磁性層32は、例えば、元素α(ただしαは、Pt,Pd,Ir,Rh,Ru,Osのうち1種又は2種以上の元素である)とMnとを含有する反強磁性材料で形成される。反強磁性層32と、下部電極層30との間に、結晶配向を整えるためのシード層が設けられていてもよい。
The
固定磁性層33は、反強磁性層32との界面で生じる交換結合磁界(Hex)により図示Y方向に磁化固定されている。ここで磁化固定とは、少なくとも、コイル2から磁気抵抗効果素子R1〜R4に作用する外部磁界に対して磁化変動しない状態を指す。図6では、固定磁性層33は、CoFe等の単層構造であるが、積層構造、特に磁性層/非磁性中間層/磁性層で形成された積層フェリ構造であることが、固定磁性層33の磁化固定力を大きくでき好適である。
The pinned
固定磁性層33上には、絶縁障壁層34が形成されている。絶縁障壁層34は、例えば、酸化チタン(Ti−O)や、酸化マグネシウム(Mg−O)で形成される。絶縁障壁層34上には、フリー磁性層35が形成されている。図6では、フリー磁性層35は単層構造であるが、磁性層の積層構造で形成することも出来る。フリー磁性層35は、NiFeの単層構造か、NiFeを含む積層構造で形成されることが好適である。前記フリー磁性層35上には、Ta等の非磁性金属材料で形成された保護層36が形成されている。
An insulating
上記した多層膜31のX1−X2方向(X方向)の両側端面31a,31aは、下側から上側に向けて徐々にX方向への幅寸法が狭くなるように傾斜面で形成される。ただし傾斜面でなく垂直面であってもよい。
Both
図6に示すように、下部電極層30上から各側端面31a,31a上にかけて絶縁層37が形成される。絶縁層37はAl2O3やSiO2等の既存の絶縁材料で形成される。さらに絶縁層37上から多層膜31上にかけて上部電極層40が形成される。
As shown in FIG. 6, an insulating
続いて外部磁界に対するブリッジ回路の出力について説明する。例えば、各磁気抵抗効果素子R1−R4の固定磁性層33の磁化がY1方向に固定されているとして、図4に示す夫々の外部磁界H3,H4が各磁気抵抗効果素子R1〜R4に侵入すると、第1磁気抵抗効果素子R1及び第4磁気抵抗効果素子R4のフリー磁性層35の磁化はY1方向に向けて傾く。よって第1磁気抵抗効果素子R1及び第4磁気抵抗効果素子R4の電気抵抗値は小さくなる。一方、第2磁気抵抗効果素子R2及び第3磁気抵抗効果素子R3の磁化はY2方向に向けて傾く。よって第2磁気抵抗効果素子R2及び第3磁気抵抗効果素子R3の電気抵抗値は大きくなる。これにより、第1磁気抵抗効果素子R1と第2磁気抵抗効果素子R2間の中点電位、及び第3磁気抵抗効果素子R3と第4磁気抵抗効果素子R4間の中点電位が変動し、差動出力を得ることが出来る。このように磁気結合型アイソレータ1では、コイル2から磁気抵抗効果素子R1〜R4を経て、電気信号の伝達を行うことが出来る。
Next, the output of the bridge circuit with respect to the external magnetic field will be described. For example, assuming that the magnetization of the fixed
本実施の形態では、全ての磁気抵抗効果素子R1〜R4が、同じ層構成で形成される。ここで「層構成」とは積層順や材質のみならず、固定磁性層33の磁化方向も含まれる。そして、図3に示すように、コイル2の第1磁界発生部3と対向する位置に第1磁気抵抗効果素子R1及び第4磁気抵抗効果素子R4を配置し、第2磁界発生部4と対向する位置に第2磁気抵抗効果素子R2及び第3磁気抵抗効果素子R3を配置している。そして図3のように配線して、磁気抵抗効果素子R1〜R4によりブリッジ回路を構成している。本実施の形態では、全ての磁気抵抗効果素子R1〜R4が、同じ層構成で形成されるから、全ての磁気抵抗効果素子R1〜R4の抵抗値や温度特性を一致させやすく、また各磁気抵抗効果素子R1〜R4の形成も容易且つ適切に行える。そして図3に示すように、磁気抵抗効果素子R1〜R4とコイル2とを配置することで、簡単かつ適切にブリッジ回路を構成できる。
In the present embodiment, all magnetoresistive elements R1 to R4 are formed with the same layer configuration. Here, the “layer configuration” includes not only the stacking order and material, but also the magnetization direction of the pinned
この実施の形態における磁気抵抗効果素子R1〜R4は、TMR素子(トンネル型磁気抵抗効果素子)である。よって多層膜31の上下に電極層30,40が設けられる。そして、電流が多層膜31の各層の膜面に対し垂直方向に流れる。このような磁気抵抗効果素子は、CPP(current perpendicular to the plane)型と呼ばれる。CPP型には、TMR素子のほかにCPP−GMR素子もある。CPP−GMR素子では、図6に示す絶縁障壁層34に代えてCu等の非磁性導電層が用いられる。
Magnetoresistive elements R1 to R4 in this embodiment are TMR elements (tunnel type magnetoresistive elements). Therefore, the electrode layers 30 and 40 are provided above and below the
図4に示すように、配線パターン24は下部電極層30と一体的に形成されている。配線パターン24は下部電極層30と別に形成されてもよいが、かかる場合でも配線パターン24と下部電極層30とは電気的に接続される。また、配線パターン27が上部電極層40と一体的に形成されている。配線パターン27は上部電極層40と別に形成されてもよいが、かかる場合でも配線パターン27と上部電極層40とは電気的に接続される。このようにTMR素子では、多層膜31の上下に電極層30,40が形成されるため、電極層30,40に接続される配線パターンは、複数の階層に分けて形成されることになる。
As shown in FIG. 4, the
図3に示す態様では、配線パターン20,21,26,27が上段に形成され、配線パターン22,23,24,25が下段に形成される。なお、その逆であってもよい。
In the mode shown in FIG. 3, the
図5に戻り、アルミニウム酸化膜55上には、磁気抵抗効果素子R1〜R4の上部電極層40と電気的に接続するように電極56が形成されている。また、後述するパッドと電気的に接続するように、ミドルシールド膜よりも外側に電極56が形成されている。電極56は、電極材料を成膜した後に、フォトリソグラフィ及びエッチングにより形成することができる。
Returning to FIG. 5, an
また、アルミニウム酸化膜55上には、磁気抵抗効果素子R1〜R4を囲繞するようにミドルシールド膜43が形成されている。ミドルシールド膜43を構成する材料としては、アモルファス磁性材料、パーマロイ系磁性材料、又は鉄系微結晶材料等の高透磁率材料を用いることができる。ミドルシールド膜43の厚さとしては、膜応力を考慮すると、0.5μm〜10μmであることが好ましい。ミドルシールド膜43は、前記材料を成膜した後に、フォトリソグラフィ及びエッチングにより形成することができる。あるいは、ミドルシールド膜43は、下地材料を成膜した後に、フォトリソグラフィ及びめっきにより形成することができる。
On the
磁気抵抗効果素子R1〜R4、電極56及びミドルシールド膜43を形成したアルミニウム酸化膜55上には、絶縁層としてポリイミド層57が形成されている。ポリイミド層57は、ポリイミド材料を塗布し、硬化することにより形成することができる。
A
ポリイミド層57上には、シリコン酸化膜58が形成されている。シリコン酸化膜58は、例えば、スパッタリングなどの方法により成膜することができる。
A
シリコン酸化膜58上には、コイル2が形成されている。コイル2は、コイル材料を成膜した後に、フォトリソグラフィ及びエッチングにより形成することができる。あるいは、コイル2は、下地材料を成膜した後に、フォトリソグラフィ及びめっきにより形成することができる。また、シリコン酸化膜58上には、コイル電極59が形成されている。コイル電極59は、電極材料を成膜した後に、フォトリソグラフィ及びエッチングにより形成することができる。あるいは、コイル電極59は、下地材料を成膜した後に、フォトリソグラフィ及びめっきにより形成することができる。
A
コイル2及びコイル電極59を形成したシリコン酸化膜58上には、絶縁層としてポリイミド層60が形成されている。ポリイミド層60は、ポリイミド材料を塗布し、硬化することにより形成することができる。
On the
ポリイミド層60上の所定の位置、すなわち厚さ方向においてコイル2の上方(平面視においてコイル2及び磁気抵抗効果素子R1〜R4と重なる位置)には、上部シールド膜41が形成されている。上部シールド膜41を構成する材料としては、アモルファス磁性材料、パーマロイ系磁性材料、又は鉄系微結晶材料等の高透磁率材料を用いることができる。上部シールド膜41は、前記材料を成膜した後に、フォトリソグラフィ及びエッチングにより形成することができる。あるいは、上部シールド膜41は、下地材料を成膜した後に、フォトリソグラフィ及びめっきにより形成することができる。
An
上部シールド膜41を形成したポリイミド層60上には、オーバーコート層としてシリコン酸化膜62が形成されている。このシリコン酸化膜62、ポリイミド層57,60及びシリコン酸化膜58のコイル電極59及びパッド用の電極56の領域には、コンタクトホールが形成され、そのコンタクトホール内にパッド61が形成されている。これにより、パッド61とコイル電極59との間が電気的に接続され、パッド61と電極56との間が電気的に接続される。
On the
なお、図5に示す構成において、シリコン酸化膜54,58は設けなくても良い。
In the configuration shown in FIG. 5, the
図5から分かるように、本実施の形態に係る磁気結合型アイソレータは、コイル2及び磁気抵抗効果素子R1〜R4と重なるように配置された上部シールド膜41及び下部シールド膜42と、磁気抵抗効果素子R1〜R4を囲繞するように配置されたミドルシールド43とを有する。このように、磁気抵抗効果素子R1〜R4の周囲に、所定の厚さを持つ上部シールド膜41、下部シールド膜42及びミドルシールド膜43を配設するので、外部磁場やEMSに対する耐性を十分に確保することができる。
As can be seen from FIG. 5, the magnetically coupled isolator according to the present embodiment includes an
上部シールド膜は、コイル2から磁気抵抗効果素子R1〜R4で構成されるブリッジ回路に印加される磁界をエンハンスする機能を有することが好ましい。また、上部シールド膜41、下部シールド膜42及び/又はミドルシールド膜43は、平面視において点対称な形状を有しており、それぞれの対称の中心が一致していることが好ましい。このような形状にすることにより、磁気抵抗効果素子R1〜R4に印加される磁界の大きさをより均一にして中点電位のずれを緩和することができる。
The upper shield film preferably has a function of enhancing the magnetic field applied from the
ここで、上部シールド膜41、下部シールド膜42及びミドルシールド膜43の望ましい厚さについて説明する。磁気抵抗効果素子R1〜R4の周囲に上部シールド膜41及び下部シールド膜42を設け、ミドルシールド膜43を設けない構成において、上部シールド膜41及び下部シールド膜42の厚さを同様に変えた磁気結合型アイソレータに、それぞれ20mTの外部磁界を図5の矢印A方向(上部シールド膜41に対して上方向)から印加した場合の磁気抵抗効果素子に印加される磁界の割合をそれぞれ調べた。その結果を図7に示す。外部磁界を印加した場合の磁気抵抗効果素子に印加される磁界の割合については、ゼロに近いほどシールド効果が高いことを示す。なお、上部シールド膜及び下部シールド膜は200μm×200μmの正方形とし、ミドルシールド膜は外部半径340μm、内部半径290μmのリング状とした。また、下部シールド膜42と磁気抵抗効果素子との間の距離を20μmとし、磁気抵抗効果素子と上部シールド膜41との間の距離を17μmとした。
Here, the desirable thicknesses of the
図7から分かるように、上部シールド膜41及び下部シールド膜を0μm(無し)からシールド膜の厚さを厚くするとシールド効果は急激に高まり、厚さ15μmまでは高いシールド効果を維持している。上部シールド膜41及び下部シールド膜42の厚さが0.5μm以上あれば外部磁場の30%以下まで低減できるため好ましい。すなわち、上部シールド膜41及び下部シールド膜42の厚さが0.5μm〜15μmである場合に、外部磁界に対するシールド効果が高くなる。
As can be seen from FIG. 7, when the thickness of the shield film is increased from 0 μm (none) to the
次いで、磁気抵抗効果素子R1〜R4の周囲に上部シールド膜41及び下部シールド膜42を設け、ミドルシールド膜43を設けない構成において、下部シールド膜42の厚さを1μmに固定し、上部シールド膜41の厚さを変えた磁気結合型アイソレータに、それぞれ20mTの外部磁界を図5の矢印A方向(上部シールド膜41に対して上方向)から印加した場合の磁気抵抗効果素子に印加される磁界の割合をそれぞれ調べた。その結果を図8に示す。なお、上部シールド膜及び下部シールド膜は200μm×200μmの正方形とし、ミドルシールド膜は外部半径340μm、内部半径290μmのリング状とした。また、下部シールド膜42と磁気抵抗効果素子との間の距離を20μmとし、磁気抵抗効果素子と上部シールド膜41との間の距離を17μmとした。
Next, in the configuration in which the
図8から分かるように、この場合においても、上部シールド膜41を0μm(無し)からシールド膜の厚さを厚くするとシールド効果は急激に高まり、厚さ15μmまでは高いシールド効果を維持している。上部シールド膜41の厚さが0.5μm以上あれば外部磁場の20%以下まで低減できるため好ましい。すなわち、上部シールド膜41の厚さが0.5μm〜15μmである場合に、外部磁界に対するシールド効果が高くなる。
As can be seen from FIG. 8, even in this case, when the thickness of the shielding film is increased from 0 μm (none) to the shielding film, the shielding effect is rapidly increased, and the high shielding effect is maintained up to a thickness of 15 μm. . A thickness of the
次いで、磁気抵抗効果素子R1〜R4の周囲に上部シールド膜41及び下部シールド膜42を設け、ミドルシールド膜43を設けない構成において、上部シールド膜41の厚さを1μmに固定し、下部シールド膜42の厚さを変えた磁気結合型アイソレータに、それぞれ20mTの外部磁界を図5の矢印B方向(下部シールド膜42に対して下方向)から印加した場合の磁気抵抗効果素子に印加される磁界の割合をそれぞれ調べた。その結果を図9に示す。なお、上部シールド膜及び下部シールド膜は200μm×200μmの正方形とし、ミドルシールド膜は外部半径340μm、内部半径290μmのリング状とした。また、下部シールド膜42と磁気抵抗効果素子との間の距離を20μmとし、磁気抵抗効果素子と上部シールド膜41との間の距離を17μmとした。
Next, in the configuration in which the
図9から分かるように、この場合においても、下部シールド膜42を0μm(無し)からシールド膜の厚さを厚くするとシールド効果は急激に高まり、厚さ15μmまでは高いシールド効果を維持している。下部シールド膜42の厚さが0.5μm以上あれば外部磁場の20%以下まで低減できるため好ましい。すなわち、下部シールド膜42の厚さが0.5μm〜15μmである場合に、外部磁界に対するシールド効果が高くなる。
As can be seen from FIG. 9, even in this case, when the thickness of the shielding film is increased from 0 μm (none) to the
次いで、磁気抵抗効果素子R1〜R4の周囲に上部シールド膜41及び下部シールド膜42を設け、ミドルシールド膜43を設けない構成において、上部シールド膜41及び下部シールド膜42の厚さを同様に変えた磁気結合型アイソレータのコイル2(線幅:2μm、厚さ:2.2μm、8ターン)に10mAの電流を流したときに、コイル2から磁気抵抗効果素子に印加される膜面方向の磁場の大きさをそれぞれ調べた。その結果を図10に示す。なお、図10の縦軸は飽和値で規格化した値を示す。この磁場の大きさは大きいほど好ましい。
Next, in the configuration in which the
図10から分かるように、シールド膜の厚さがおよそ10μm以上で磁場の大きさが飽和している。また、シールド膜の厚さが0.5μm以上あれば飽和値の90%以上の値が得られるため好ましい。すなわち、シールド膜の厚さが0.5μm〜10μmである場合に、コイル2の磁場のエンハンス効果を発揮させながら、シールド効果を発揮させることができる。
As can be seen from FIG. 10, the magnitude of the magnetic field is saturated when the thickness of the shield film is approximately 10 μm or more. Further, it is preferable that the thickness of the shield film is 0.5 μm or more because a value of 90% or more of the saturation value can be obtained. That is, when the thickness of the shield film is 0.5 μm to 10 μm, the shield effect can be exhibited while the enhancement effect of the magnetic field of the
必要以上にシールド膜厚を厚くすると、シールド膜に対して不要外部磁場が垂直方向から印加された場合(例えば、外部磁場が上部シールド膜の上方から印加された場合)に、磁気抵抗効果素子の受ける不要磁場を大きくしてしまうことが考えられる。なぜならば、シールド膜厚が厚くなると、膜厚方向の反磁界が小さくなるため、膜面に対する磁化の垂直成分が大きくなり易くなり(膜厚方向の透磁率が増加する)、その結果、上部シールド膜及び下部シールド膜から出た不要磁束が磁気抵抗効果素子に印加され易くなるからである。このため、シールド膜の面内方向の透磁率は大きく、垂直方向の透磁率は小さくすることが好ましい。したがって、シールド膜厚は必要以上に厚くせず、適度な膜厚とすることが好ましい。 If the shield film thickness is increased more than necessary, when an unnecessary external magnetic field is applied to the shield film from the vertical direction (for example, when an external magnetic field is applied from above the upper shield film), the magnetoresistive element It is conceivable to increase the unnecessary magnetic field. This is because, as the shield film thickness increases, the demagnetizing field in the film thickness direction decreases, and the perpendicular component of the magnetization with respect to the film surface tends to increase (the permeability in the film thickness direction increases). As a result, the upper shield This is because unnecessary magnetic flux emitted from the film and the lower shield film is easily applied to the magnetoresistive element. For this reason, it is preferable that the magnetic permeability in the in-plane direction of the shield film is large and the magnetic permeability in the vertical direction is small. Therefore, it is preferable to set the shield film thickness to an appropriate thickness without making it thicker than necessary.
本発明は上記実施の形態に限定されず、適宜変更して実施することができる。例えば、上記実施の形態における材料、各層の配置位置、厚さ、大きさ、製法などは適宜変更して実施することが可能である。その他、本発明は、本発明の範囲を逸脱しないで適宜変更して実施することができる。 The present invention is not limited to the above embodiment, and can be implemented with appropriate modifications. For example, the material, the arrangement position of each layer, the thickness, the size, the manufacturing method, and the like in the above embodiment can be changed as appropriate. In addition, the present invention can be implemented with appropriate modifications without departing from the scope of the present invention.
本発明は、磁気カプラや電流センサなどに適用することが可能である。 The present invention can be applied to a magnetic coupler, a current sensor, and the like.
1 磁気結合型アイソレータ
2 コイル
2’ コイル片
3 第1磁界発生部
4 第2磁界発生部
7 送信回路
10 入力端子
11,12 グランド端子
13,14 出力端子
15 差動増幅器
16 外部出力端子
20〜27 配線パターン
30 下部電極層
31 多層膜
32 反強磁性層
33 固定磁性層
34 絶縁障壁層
35 フリー磁性層
37 絶縁層
40 上部電極層
41 上部シールド膜
42 下部シールド膜
43 ミドルシールド膜
H1〜H4 外部磁界
R1〜R4 磁気抵抗効果素子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Magnetic
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JP2009109611A JP2010258980A (en) | 2009-04-28 | 2009-04-28 | Magnetic coupling type isolator |
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---|---|---|---|---|
JPWO2011046091A1 (en) * | 2009-10-13 | 2013-03-07 | 日本電気株式会社 | Magnetic device |
JP2015008216A (en) * | 2013-06-25 | 2015-01-15 | ルネサスエレクトロニクス株式会社 | Magnetic shield, semiconductor device, and semiconductor package |
-
2009
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