JP2014508286A - 単一パッケージブリッジ型磁界センサ - Google Patents

Abstract

磁気トンネル接合を用いた磁気抵抗センサブリッジが開示される。磁気抵抗センサブリッジは、１つ以上の磁気トンネル接合センサチップを備えることにより、標準半導体パッケージ内にハーフブリッジセンサまたはフルブリッジセンサを構成する。上記センサチップは、プッシュプルブリッジ構造を形成するために、異なるチップの固定層が互いに逆平行になるように配置される。さらに、上記センサチップは、ワイヤボンディングを用いて相互接続される。上記センサチップは、ワイヤボンディングによって様々な標準半導体のリードフレームに接続できるため、安価な標準半導体パッケージ内に実装することができる。ブリッジ設計は、プッシュプルでもよく、リファレンスであってもよい。リファレンスの場合、磁気遮蔽をせずにオンチップ基準抵抗器を実装してもよい。

Description

本発明は、磁気トンネル接合（ＭＴＪ,Magnetic Tunnel Junction）素子または巨大磁気抵抗（ＧＭＲ,Giant Magnetoresistance）素子を用いた磁界測定の分野に関するものであり、特にＭＴＪチップまたはＧＭＲチップの標準半導体パッケージへの搭載に関するものである。

磁気センサは、磁界強度、電流、位置、運動および配向等を含むがこれらに限定されない物理パラメータを、測定または検出する現代システムにおいて広く用いられている。従来技術には、磁界および他のパラメータを測定するための多様なセンサがある。しかし、これら従来のセンサは全て、例えば、過度の大きさ、不十分な感度および／またはダイナミックレンジ、コスト、信頼性およびその他の要因等の、周知のさまざまな制約を受けている。従って、改良された磁気センサ、特に半導体素子および集積回路と容易に一体化できるセンサ、およびその製造方法が必要とされ続けている。

磁気トンネル接合（ＭＴＪ）センサには、高感度、小型、低コストおよび省電力という利点がある。ＭＴＪ素子は、標準の半導体製造工程に適合するが、低コスト大量生産に対応する十分な歩留まりで高感度素子を製造する方法は、適切に開発されていない。特に、ＭＴＪ工程および後処理のパッケージング工程の難しさ、ならびに複数のＭＴＪ素子が組み合わされてブリッジセンサを形成するときに、上記ＭＴＪ素子の磁気抵抗反応を一致させることの難しさに起因する歩留まりの問題については、困難であることが証明されている。

本発明の目的は、ＭＴＪセンサチップまたはＧＭＲセンサチップと標準の半導体製造工程とを用いて、標準半導体パッケージ内に、高性能マルチチップ、プッシュプルブリッジ型線形磁気抵抗センサを作製する方法を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明の一態様は、標準半導体パッケージのリードフレームに固定される１対以上のＭＴＪ磁気抵抗センサチップまたはＧＭＲ磁気抵抗センサチップを備えた単一パッケージブリッジ型磁界センサを提供することである。前記複数のセンサチップのそれぞれは、固定抵抗値を有する基準抵抗器と、外部磁界に応じて変化する検出抵抗器とを備える。前記基準抵抗器および前記検出抵抗器は、どちらもアレイ状に相互接続された複数のＭＴＪセンサ素子またはＧＭＲセンサ素子を備える。

さらに、前記基準抵抗器および前記検出抵抗器のそれぞれは、前記センサアレイの列の間に配置された棒状永久磁石によって磁気的にバイアスがかかっている。前記検出抵抗器の抵抗値は、外部磁界に線形的に依存する。前記複数のセンサチップはボンドパッドを含み、前記ボンドパッドは、ブリッジセンサを構成するために、複数のボンディング線によって前記リードフレームおよび隣接するセンサチップに前記複数のセンサチップを電気的に接続するのに用いられる。さらに、前記複数のセンサチップおよび前記リードフレームが封入されて標準半導体パッケージを形成する。

本発明の別の態様は、標準半導体パッケージのリードフレームに固定される１対以上のＭＴＪ磁気抵抗センサチップまたはＧＭＲ磁気抵抗センサチップを備えた単一パッケージブリッジ型磁界センサを提供することである。前記複数のセンサチップのそれぞれは、固定された基準抵抗器と、外部磁界に反応する検出抵抗器とを備える。前記基準抵抗器および前記検出抵抗器のそれぞれは、マトリックス状に配置され、かつ単一の磁気抵抗素子を形成するように相互接続された複数のＭＴＪ磁気抵抗素子またはＧＭＲ磁気抵抗素子を備える。前記検出抵抗器の抵抗値は、外部磁界に線形的に比例する。前記複数のセンサチップはボンドパッドを含むため、前記複数の磁気抵抗素子の各ピンがボンディングワイヤに接続される。前記ボンディングワイヤは、前記複数のセンサチップを相互接続するとともに、ブリッジセンサの製造を可能にするために、前記リードフレームに前記複数のセンサチップを接続するのに用いられる。さらに、前記リードフレームおよび前記複数のセンサチップがプラスチックに封入されて標準半導体パッケージを形成する。

従来技術と比較して、本発明は、製造し易く、低コストであり、かつ大量生産に適した高性能線形磁気抵抗センサの製造方法を記載している点で有利である。

図１は、基準層の磁化が負のＨ方向に向いているスピンバルブ検出素子の磁気抵抗反応の模式図である。 図２は、固定基準抵抗器と検出抵抗器とを備えたハーフブリッジの模式図である。 図３は、磁気抵抗センサチップにおけるハーフブリッジの一実施形態を示す図であり、基準抵抗器および検出抵抗器は、どちらも横方向に並んで配置された複数のＭＴＪ素子からなり、複数の棒状永久磁石が上記ＭＴＪ素子にバイアスをかけるのに用いられている。 図４は、磁気抵抗センサチップにおけるハーフブリッジの一実施形態を示す図であり、基準抵抗器および検出抵抗器は、どちらもマトリックス状に配置された複数のＭＴＪ素子からなる。 図５は、標準半導体パッケージ内に配置されているハーフブリッジ磁気抵抗センサチップを示す図である。 図６は、フルブリッジセンサの模式図である。 図７は、標準半導体パッケージ内に配置されている２つのハーフブリッジ磁気抵抗センサチップを備えたフルブリッジセンサを示す図である。

これらのセンサ素子はスピンバルブとして構成されており、複数の磁性層のうち、一方の磁性層は、基準となるために磁化の方向が固定されている。この固定層は、単一の磁性層でもよく、または合成反強磁性構造でもよい。合成反強磁性構造は、基準強磁性層に交換結合された固定強磁性層からなり、固定強磁性層は、反強磁性層と交換結合することによって磁気的に反応しなくなる。他方の磁性層は、いわゆる自由層であるが、印加磁界に応じて回転する。スピンバルブの抵抗は、自由強磁性層および固定強磁性層の磁化の方向の相対的な違いに比例して変化する。自由層が印加磁界に応じて回転するので、センサは、印加磁界を感知しやすい。ＭＴＪ素子において、自由層および固定層は、トンネル障壁によって隔てられている。電流は、このトンネル障壁を通って流れる。ＧＭＲ素子において、自由層および固定層は、非磁性金属層によって隔てられている。電流は、多層薄膜の面内を流れることも、当該面に対して垂直に流れることもある。

図１は、線形磁界測定に適したＧＭＲ磁気センサ素子またはＭＴＪ磁気センサ素子の磁気抵抗伝達曲線の一般的な形状を模式的に示している。図示された伝達曲線は、参照符号１の低い抵抗値Ｒ_Lおよび参照符号２の高い抵抗値Ｒ_Hのそれぞれにおいて飽和する。これらの飽和状態の間の領域では、伝達曲線は、印加磁界Ｈに線形的に依存する。理想的でない場合、伝達曲線は、図表におけるＨ＝０の点に対して対称ではない。飽和磁界４および５は、通常、自由層と固定層との層間結合によって決まる量だけずれている。いわゆるネール結合または「オレンジピール」結合と呼ばれる層間結合の主な原因は、ＧＭＲ構造およびＭＴＪ構造の内部の強磁性膜の粗さに関係があり、材料および製造工程に左右される。

飽和磁界４および５の間には、理論上はＭＴＪ抵抗またはＧＭＲ抵抗の反応が線形である動作磁界領域がある。ＭＴＪ素子の感度、すなわち図１における伝達曲線の傾き３は、印加磁界に応じた自由層の剛性に依存する。傾き３は、具体的な設計および目的に対する磁界感度を実現するために、ＭＴＪ素子の形状によって調整することができる。通常、ＭＴＪ素子は、楕円、矩形および菱形等を含むがこれらに限定されない細長い形状にパターニングされ、固定層と直交する方向に配置される。ある場合には、自由層は、固定層に垂直な方向において、永久磁石によってバイアスがかけられる、または安定化されることがある。また、ある場合には、高い磁界感度を得るため、磁界集束装置または磁束ガイドが磁界センサに一体化されて、ＭＴＪ素子の自由層に印加される磁界を増幅させることもある。

図２は、直列接続された基準抵抗器１３および検出抵抗器１４にバイアス電圧１５が印加されるハーフブリッジ構成１０の模式図である。基準抵抗器１３は固定抵抗を有するが、検出抵抗器１４の抵抗は印加磁界に反応する。ゆえに、出力電圧１２は、検出抵抗器の両端の電圧差である。

図３は、磁気抵抗チップ２０におけるハーフブリッジの設計を示す。基準抵抗器２３および検出抵抗器２４は、それぞれ複数のＭＴＪ素子２３１および複数のＭＴＪ素子２４１からなり、上記複数のＭＴＪ素子は、いくつかの列に並んで配置されている。上記複数のＭＴＪ素子は、直列接続されて基準抵抗器および検出抵抗器を形成している。ＭＴＪ素子の列の間には、固定層に垂直な方向に、ＭＴＪ自由層にバイアスをかけるために、棒状永久磁石（ＰＭ）２６が存在する。この場合、棒状永久磁石は、固定層の磁化方向に配置されている。チップ製造において、永久磁石は、自由層に安定化磁界を提供するために、固定層に垂直な方向に磁化されなければならない。永久磁石は、必ずしもＭＴＪと同一平面内に形成されるとは限らない。しかし、十分なバイアス磁界強度を得るためには、両者は近接している方がよい。基準抵抗器は印加磁界に容易に反応するべきではないので、形状異方性および印加磁界に対する磁気剛性を得るために、基準ＭＴＪ素子２３１は、検出ＭＴＪ素子２４１とは、形状および／または形状のアスペクト比が異なっていてもよい。あるいは、チップ内に磁気遮蔽２７を組み込んで、基準ＭＴＪ素子に対して磁界／磁束を遮蔽するようにしてもよい。一般に、磁気遮蔽は、基準ＭＴＪ素子の上面に配置された一片の軟磁石であり、全ての素子を覆うことによって磁界から素子を保護するものである。また、周縁部における遮蔽のフリンジ磁界もＭＴＪ素子に影響を及ぼさない。

図４は、磁気抵抗チップ３０におけるハーフブリッジの第２の設計を示す。基準抵抗器３３および検出抵抗器３４は、それぞれ複数のＭＴＪ素子３３１および複数のＭＴＪ素子３４１からなり、上記複数のＭＴＪ素子は、高い面積利用率を実現するために、マトリックス構成で配置されている。上記複数のＭＴＪ素子は、基準抵抗器および検出抵抗器の両方において、直列接続されている。基準抵抗器は印加磁界に容易に反応するべきではないので、形状異方性および印加磁界に対する磁気剛性を得るために、基準ＭＴＪ素子３３１は、検出ＭＴＪ素子３４１とは、形状および／または形状のアスペクト比が異なっていてもよい。

あるいは、チップ内に磁気遮蔽３７を組み込んで、基準ＭＴＪ素子に対して磁界／磁束を遮蔽するようにしてもよい。一般に、磁気遮蔽は、基準ＭＴＪ素子の上面に配置された一片の軟磁石であり、全ての素子を覆うことによって磁界から素子を保護するものである。また、周縁部における遮蔽のフリンジ磁界もＭＴＪ素子に影響を及ぼさない。

図５は、標準半導体パッケージ内に配置され、かつ接続されたハーフブリッジ磁気抵抗チップ４３を示す図である。上記接続にはワイヤボンディング技術が用いられている。複数の磁気抵抗センサチップは、ワイヤボンディングによって互いに接続されるとともに、リードフレームにも接続されている。ハーフブリッジチップは、図３および図４に示された上記実施形態の一方でもよい。パッケージの向き４７に対する磁界検出方向４６も図示されている。

図６は、Ｖ_bias５５とＧＮＤ５１との間に平行に接続されている基本的に２つのハーフブリッジを備えたフルブリッジ５０の模式図である。一方のハーフブリッジは、基準抵抗器Ｒ_ref1５３１および検出抵抗器Ｒ_s1５４１を含み、他方のハーフブリッジは、基準抵抗器Ｒ_ref2５３２および検出抵抗器Ｒ_s2５４２を含む。出力は、Ｖ₊とＶ_-との間の電圧差である。

図７は、標準半導体パッケージ内に配置された２つの電気的に相互接続されている磁気抵抗チップ６３１および６３２を備えたフルブリッジセンサを示す図である。上記電気的接続にはワイヤボンディング技術が用いられている。複数の磁気抵抗センサチップは、ワイヤボンディングによって互いに接続されるとともに、リードフレームにも接続されている。上記２つの磁気抵抗チップの種類は、図３および図４に示された上記実施形態の一方でもよい。パッケージの向き６７に対する磁界検出方向６８も図示されている。このフルブリッジセンサの実施形態では、上記２つの磁気抵抗チップが互いに逆向きに配置されているため、それぞれの検出抵抗器の印加磁界に対する反応は、極性が反対になる。ゼロ磁界における基準抵抗器の抵抗と検出抵抗器の抵抗とは、互いに十分に一致しなければならないので、同じ製造工程で全てのＭＴＪ素子を完成させる。さらに、基準抵抗器および検出抵抗器におけるＭＴＪ素子の形状および／または形状のアスペクト比は、抵抗整合という制約のもとでのみ調整可能である。

プッシュプルフルブリッジセンサは、従来のフルブリッジセンサよりも高い感度および大きな出力電圧をもたらすことができる。固定抵抗を有する２つの基準抵抗器を備える代わりに、４つの全ての抵抗器が印加磁界に反応するような方法で、プッシュプルフルブリッジを構成する。

当業者には、本発明の範囲または精神から逸脱することなく、提案された発明にさまざまな修正を加え得ることが明らかであろう。さらに、本発明は、本発明の修正および変更が添付の特許請求およびその均等物の範囲内である場合に限り、そのような修正および変更を包含することを意図するものである。

Claims (14)

1. 標準半導体パッケージのリードフレームに接着される１対以上のＭＴＪ磁気抵抗センサチップまたはＧＭＲ磁気抵抗センサチップを備えた単一パッケージブリッジ型磁界センサであって、
   前記複数のセンサチップのそれぞれは、固定抵抗を有する基準抵抗器と、磁界に応じて変化する抵抗を有する検出抵抗器とを備え、
   前記複数の基準抵抗器および前記複数の検出抵抗器のそれぞれは、単一の磁気抵抗素子として、列方向に電気的に相互接続された複数のＭＴＪ磁気抵抗素子またはＧＭＲ磁気抵抗素子を備え、前記複数の磁気抵抗素子にバイアスをかけるために、複数の棒状永久磁石が前記複数の磁気抵抗素子の列の間に配置されており、
   前記複数の検出抵抗器は、動作磁界範囲において、印加磁界に線形的に比例する伝達曲線を有しており、
   前記複数のセンサチップの複数のボンドパッドは、２つ以上のワイヤボンドが前記複数の磁気抵抗素子のそれぞれの側に取り付けられるように設計されており、
   ブリッジセンサを形成するために、前記複数の磁気抵抗センサチップは、ワイヤボンディングによって互いに接続されるとともに、前記リードフレームにも接続されており、
   前記リードフレームおよび前記複数のセンサチップがプラスチックに封入されることにより、標準半導体パッケージを形成することを特徴とする単一パッケージブリッジ型磁界センサ。
2. 前記センサは、１つのセンサチップを備えたハーフブリッジセンサである請求項１に記載の単一パッケージブリッジ型磁界センサ。
3. 前記センサは、一対のセンサチップを備えたフルブリッジセンサであり、前記一対のセンサチップの一方が他方に対して１８０度回転している請求項１に記載の単一パッケージブリッジ型磁界センサ。
4. 前記複数の磁気抵抗素子は、楕円、矩形または菱形を含むがこれらに限定されない帯状にパターニングされる請求項１に記載の単一パッケージブリッジ型磁界センサ。
5. 前記基準抵抗器の前記複数の磁気抵抗素子は、前記検出抵抗器の前記複数の磁気抵抗素子とは異なる形状のアスペクト比でパターニングされる請求項１に記載の単一パッケージブリッジ型磁界センサ。
6. 前記基準抵抗器は、１つ以上の磁気遮蔽によって印加磁界から遮蔽されている請求項１に記載の単一パッケージブリッジ型磁界センサ。
7. 前記複数のセンサチップは、それぞれの伝達曲線の特徴を良好に一致させるために、組立前に検査および選別される請求項２または３に記載の単一パッケージブリッジ型磁界センサ。
8. 標準半導体パッケージのリードフレームに接着される一対以上のＭＴＪ磁気抵抗センサチップまたはＧＭＲ磁気抵抗センサチップを備えた単一パッケージブリッジ型磁界センサであって、
   前記複数のセンサチップのそれぞれは、固定抵抗を有する基準抵抗器と、磁界に応じて変化する抵抗を有する検出抵抗器とを備え、
   前記複数の基準抵抗器および前記複数の検出抵抗器のそれぞれは、単一の磁気抵抗素子として、マトリックス状に電気的に相互接続された複数のＭＴＪ磁気抵抗センサ素子またはＧＭＲ磁気抵抗センサ素子を備え、
   前記複数の検出抵抗器は、動作磁界範囲において、印加磁界に線形的に比例する伝達曲線を有しており、
   前記複数のセンサチップの複数のボンドパッドは、２つ以上のワイヤボンドが前記複数の磁気抵抗素子のそれぞれの側に取り付けられるように設計されており、
   ブリッジセンサを形成するために、前記複数の磁気抵抗センサチップは、ワイヤボンディングによって互いに接続されるとともに、前記リードフレームにも接続されており、
   前記リードフレームおよび前記複数のセンサチップがプラスチックに封入されることにより、標準半導体パッケージを形成することを特徴とする単一パッケージブリッジ型磁界センサ。
9. 前記センサは、１つのセンサチップを備えたハーフブリッジセンサである請求項８に記載の単一パッケージブリッジ型磁界センサ。
10. 前記センサは、一対のセンサチップを備えたフルブリッジセンサであり、前記一対のセンサチップの一方が他方に対して１８０度回転している請求項８に記載の単一パッケージブリッジ型磁界センサ。
11. 前記複数の磁気抵抗素子は、楕円、矩形または菱形を含むがこれらに限定されない帯状にパターニングされる請求項８に記載の単一パッケージブリッジ型磁界センサ。
12. 前記基準抵抗器の前記複数の磁気抵抗素子は、前記検出抵抗器の前記複数の磁気抵抗素子とは異なる形状のアスペクト比でパターニングされる請求項８に記載の単一パッケージブリッジ型磁界センサ。
13. 前記基準抵抗器は、１つ以上の磁気遮蔽によって印加磁界から遮蔽されている請求項８に記載の単一パッケージブリッジ型磁界センサ。
14. 前記複数のセンサチップは、それぞれの伝達曲線の特徴を良好に一致させるために、組立前に検査および選別される請求項９または１０に記載の単一パッケージブリッジ型磁界センサ。

Images