JP2014516406A - 単一チップブリッジ型磁界センサおよびその製造方法 - Google Patents

単一チップブリッジ型磁界センサおよびその製造方法 Download PDF

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Abstract

単一チップ磁気センサブリッジの設計および製造方法を開示する。センサブリッジは、４つの磁気抵抗素子を備える。４つの磁気抵抗素子のそれぞれにおける固定層の磁化は、同じ方向に設定されているが、ブリッジの隣接するアームの磁気抵抗素子における自由層の磁化方向は、固定層の磁化方向に対して異なる角度に設定されている。４つの全ての磁気抵抗素子における自由層の磁化方向の角度の絶対値は、それらの固定層に対して同じである。開示された磁気バイアス方法によれば、従来の磁気抵抗センサ設計に比べて、良好な性能、低コスト且つ製造容易性を実現しながら、プッシュプルホイートストンブリッジ磁界センサを単一チップに実装することができる。
【選択図】図７

Description

本発明は、ＧＭＲブリッジセンサおよびＭＴＪブリッジセンサの設計および製造方法に関するものであり、特に、単一チップ磁界センサブリッジ、ならびにハーフブリッジ磁界センサおよびフルブリッジ磁界センサの製造方法に関するものである。
磁気トンネル接合（ＭＴＪ, Magnetic Tunnel Junction）センサは、最近さまざまな用途に用いられている磁気抵抗センサの新しいタイプであって、磁性多層膜を備えており、その磁気抵抗効果はトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ,Tunnel Magnetoresistance）効果と呼ばれる。ＴＭＲ効果は、磁性多層膜を構成する複数の強磁性層の磁化の向きと関連がある。ＴＭＲは、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）効果、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）効果またはホール効果等の一般に使用されている技術よりも大きな磁気抵抗効果を発揮するため有利であり、これによって、より大きな信号が生成される。ホール効果と比較して、ＴＭＲは、良好な温度安定性を有する。また、ＴＭＲには、高抵抗率というさらなる利点があるため、低消費電力を実現できる。要約すると、ＭＪＪ素子は、ＡＭＲ素子、ＧＭＲ素子またはホール素子よりも感度が高く、消費電力が少なく、線形性に優れ、ダイナミックレンジが広く、且つ温度特性が良い。その結果、ＴＭＲ素子のノイズ性能はより高くなる。さらに、ＭＴＪ材料は、既存の半導体プロセスを用いて作成できるため、非常に小さいサイズのＭＴＪセンサを製造することが可能になる。
磁界センサを製造するために、単一センサ素子ではなく、プッシュプルセンサブリッジを用いることが一般的である。なぜなら、ブリッジセンサの方が高感度であり、ドリフトを抑制する固有温度補償機能を有するからである。従来の磁気抵抗プッシュプルセンサブリッジは、プッシュプル効果をもたらすために、固定層の磁化が反対方向に設定された、隣接する２つのブリッジアームを必要とする。低コスト化のため、このような固定層の磁化方向が反対の２つのセンサアームは、同じシリコン基板上に堆積させることが好ましい。しかし、これは、隣接するアームの磁化方向を設定する標準的な方法がないことから、製造上は理想的ではない。通常、センサアームは、同じ方向に設けられる。現在のプッシュプルブリッジ磁気抵抗センサの製造方法は、固定層の磁化が異なる方向に設定された別々の膜を堆積する二重積層を含む。しかし、この製造方法は、ブリッジの脚部を一致させるのが難しく、さらに一方の脚部のアニーリングを行うと、他方の性能が変化することがあるので、困難である。
マルチチップパッケージング（ＭＣＰ）技術：この技術は、異なるブリッジアームの固定層の磁化が反対方向に設定されたプッシュプルセンサを製造するのに用いられることがある。ＭＣＰ技術を用いる場合、パッケージにおける異なるセンサチップの性能を一致させることが重要である。パッケージにおける異なるセンサチップは、同じシリコンウェハーから作られるべきだが、そうでなければ検査され、選別されなければならない。次に、これらのチップは、プッシュプルブリッジを形成するために、一方が他方に対して１８０度回転した状態でパッケージ内に搭載される。この技術は製造に適しているが、温度補償はそれほど良くなく、パッケージのサイズおよびチップの搭載によってコストが高くなり、１８０度で正確にチップを配置するのが難しい。また、比較的大きなバイアス電圧非対称性等が存在し得るように、２つのチップの性能を一致させることも困難である。要するに、この簡単な製造プロセスは、新たな問題を生じる。
局所レーザ加熱を利用した磁気反転技術：この方法では、ＧＭＲウェハーまたはＭＴＪウェハーは、最初に、強磁場下において高温でアニーリングされることにより、異なるブリッジアームの磁化が同じ方向に設定される。後の工程において、走査レーザビームと共に反転磁場を用いて、固定層を逆向きにする必要がある領域のウェハーを局所的に加熱する。概念上は簡単に聞こえるが、局所レーザ加熱方法には市販されていない特別な機器が必要であり、その機器の開発は費用がかかる。また、ウェハー全体を処理するのに長時間を要するため、この方法を利用するにも費用がかかる。さらに、この方法によると、プッシュプルセンサアームの他の性能を適切に一致させるのが難しいこともあるため、性能にも問題がある。
上記のように、標準半導体プロセスを用いて、低コストのＭＴＪセンサブリッジまたはＧＭＲセンサブリッジを製造する好適な選択肢はほとんどない。
本願の目的は、単一チップ磁界センサブリッジ、ならびにハーフブリッジ単一チップ磁界センサおよびフルブリッジ単一チップ磁界センサと、その簡単な製造方法を提供することである。
上記目的を達成するために、本発明は、４つの磁気抵抗センサアームを備えた単一チップフルブリッジ磁界センサを提供する。磁気抵抗素子のそれぞれは、直列接続された１つ以上のＧＭＲ検出素子またはＭＴＪ検出素子からなる。前記検出素子は、磁性自由層および磁性固定層を含むスピンバルブとして構成されている。全ての前記磁気抵抗素子における前記固定層の磁化は、同じ方向に揃っている。センサブリッジの全ての前記磁気抵抗素子では、前記自由層の磁化の方向と前記固定層の前記磁化との角度の絶対値が同じである。対向する２つの前記磁気抵抗素子における前記自由層の前記磁化は、極性が同じで、且つ同じ方向に揃っているが、隣接する前記磁気抵抗素子の磁化方向は、極性が逆である。
本発明の第２の態様は、単一チップフルブリッジ磁界センサの製造方法を提供する。前記製造方法において、１つ以上のＧＭＲ検出素子またはＭＴＪ検出素子が直列接続されて４つのセンサアームを形成し、前記４つのセンサアームが接続されてフルブリッジ磁界センサを形成する。磁気抵抗素子は磁化容易軸を有する形状であり、自由層の磁化が前記磁化容易軸に揃っていることが好ましい。
本発明の第３の態様は、単一チップフルブリッジ磁界センサの製造方法を提供する。前記製造方法において、１つ以上のＧＭＲ検出素子またはＭＴＪ検出素子がそれぞれ直列接続されて４つのセンサアームを形成し、前記４つのセンサアームが接続されてフルブリッジ磁界センサを形成する。前記検出素子の自由層の磁化にバイアスをかけるための一体型磁石（integrated magnet）が設けられている。
本発明の第４の態様は、単一チップフルブリッジ磁界センサの製造方法を提供する。前記製造方法において、１つ以上のＧＭＲ検出素子またはＭＴＪ検出素子がそれぞれ直列接続されて４つのセンサアームを形成し、前記４つのセンサアームが接続されてフルブリッジ磁界センサを形成する。磁気抵抗検出素子の自由層の磁化方向にバイアスをかける磁界を発生させるための電流が流れる一体型導体が設けられ、前記電流は、前記導体内を、前記ＧＭＲ磁気抵抗素子または前記ＭＴＪ磁気抵抗素子の固定層の磁気モーメントの方向と同じ方向に流れる。
本発明の第５の態様は、単一チップフルブリッジ磁界センサの製造方法を提供する。前記製造方法において、１つ以上のＧＭＲ検出素子またはＭＴＪ検出素子がそれぞれ直列接続されて４つのセンサアームを形成し、前記４つのセンサアームが接続されてフルブリッジ磁界センサを形成する。自由層と固定層とのネール結合場（Neel-coupling field）により、前記自由層の磁気モーメントにバイアスがかけられる。
本発明の第６の態様は、単一チップフルブリッジ磁界センサの製造方法を提供する。前記製造方法において、１つ以上のＧＭＲ検出素子またはＭＴＪ検出素子がそれぞれ直列接続されて４つのセンサアームを形成し、前記４つのセンサアームが接続されてフルブリッジ磁界センサを形成する。自由層と前記自由層の上に堆積された磁性層との弱い反強磁性結合により、前記自由層の磁気モーメントにバイアスがかけられる。
本発明の第７の態様は、単一チップフルブリッジ磁界センサの製造方法を提供する。前記製造方法において、１つ以上のＧＭＲ検出素子またはＭＴＪ検出素子がそれぞれ直列接続されて４つのセンサアームを形成し、前記４つのセンサアームが接続されてフルブリッジ磁界センサを形成する。請求項８〜１２に記載された１つ以上の方法を組み合わせることにより、自由層の磁気モーメントにバイアスがかけられる。
本発明は、２つのセンサアームを備えた単一チップハーフブリッジ磁界センサも提供する。前記センサアームのそれぞれは、直列接続された１つ以上のＧＭＲ検出素子またはＭＴＪ検出素子からなる。前記検出素子はスピンバルブとして構成されており、前記検出素子のそれぞれは、自由層および固定層を含む。前記２つのセンサアームにおいて、前記固定層の磁化は同じ方向に揃っているが、前記自由層の磁化は同じ方向に揃っていない。前記２つのセンサアームは、前記自由層の磁化方向と前記固定層の磁化方向との角度の大きさが同じである。
本発明は、単一チップハーフブリッジ磁界センサの製造方法も提供する。前記製造方法において、１つ以上のＧＭＲ検出素子またはＭＴＪ検出素子がそれぞれ直列接続されて２つのセンサアームを形成し、前記２つのセンサアームが接続されてハーフブリッジ磁界センサを形成する。磁気抵抗検出素子は磁化容易軸を有する形状であり、自由層の磁化が前記磁化容易軸に揃っていることが好ましい。
本発明は、単一チップハーフブリッジ磁界センサの製造方法も提供する。前記製造方法において、１つ以上のＧＭＲ検出素子またはＭＴＪ検出素子がそれぞれ直列接続されて２つのセンサアームを形成し、前記２つのセンサアームが接続されてハーフブリッジ磁界センサを形成する。自由層の磁気モーメントにバイアスをかけるための一体型磁石が設けられている。
本発明は、単一チップハーフブリッジ磁界センサの製造方法も提供する。前記製造方法において、１つ以上のＧＭＲ検出素子またはＭＴＪ検出素子がそれぞれ直列接続されて２つのセンサアームを形成し、前記２つのセンサアームが接続されてハーフブリッジ磁界センサを形成する。前記検出素子の自由層の磁気モーメントにバイアスをかけるのに用いられる一体型電流導体（integrated current conductor）が設けられ、前記導体の電流は、前記ＧＭＲ磁気抵抗素子または前記ＭＴＪ磁気抵抗素子の固定層の磁気モーメントの方向と同じ方向に流れる。
本発明は、単一チップハーフブリッジ磁界センサの製造方法も提供する。前記製造方法において、１つ以上のＧＭＲ検出素子またはＭＴＪ検出素子がそれぞれ直列接続されて２つのセンサアームを形成し、前記２つのセンサアームが接続されてハーフブリッジ磁界センサを形成する。自由層と固定層とのネール結合場により、前記自由層の磁気モーメントにバイアスがかけられる。
本発明は、単一チップハーフブリッジ磁界センサの製造方法も提供する。前記製造方法において、１つ以上のＧＭＲ検出素子またはＭＴＪ検出素子がそれぞれ直列接続されて２つのセンサアームを形成し、前記２つのセンサアームが接続されてハーフブリッジ磁界センサを形成する。自由層と前記自由層の上に堆積された磁性層との弱い反強磁性結合により、前記自由層の磁気モーメントにバイアスがかけられる。
本発明は、単一チップハーフブリッジ磁界センサの製造方法も提供する。前記製造方法において、１つ以上のＧＭＲ検出素子またはＭＴＪ検出素子がそれぞれ直列接続されて２つのセンサアームを形成し、前記２つのセンサアームが接続されてハーフブリッジ磁界センサを形成する。請求項１９〜２３に記載された方法の１つまたはそれらの組み合わせにより、自由層の磁気モーメントにバイアスがかけられる。
図１は、磁気トンネル接合構造の概略図である。 図２は、ＭＴＪ構造の磁界反応の関数として、理想的な抵抗を示す図である。 図３は、固定層の磁化方向に対して垂直に印加された磁界に応じたＭＴＪ構造の抵抗変化を示す図である。 図４は、同じ基板上に実装されており、自由層にバイアスをかけるために永久磁石を用いる２つの同一ＭＴＪを示す図である。 図５は、従来のプッシュプルフルブリッジセンサの概略図である。 図６は、プッシュプルフルブリッジ磁界センサの好ましい実施形態を示す図である。 図７は、検出方向、固定層の方向および自由層の磁気モーメントを示す図である。 図８は、プッシュプル動作時に、適切にセンサブリッジにバイアスをかけるための永久磁石を形成する一つの考えられる方法を示すである。 図９は、検出素子の自由層の磁化にバイアスをかけるのに用いられる一体型導体を示す図である。 図１０は、プッシュプルフルブリッジ磁界センサの好ましい実施形態を示す図である。 図１１は、単一チッププッシュプル磁界センサの別の実施形態を示す図である。 図１２は、センサブリッジの出力を示す図である。 図１３は、プッシュプルハーフブリッジ磁界センサの設計概念を示す図である。 図１４は、プッシュプルハーフブリッジ磁界センサの好ましい実施形態を示す図である。 図１５は、プッシュプルハーフブリッジ磁界センサの別の実施形態を示す図である。 図１６は、好ましい実施形態のセンサアームに用いられるＭＴＪ素子の拡大図である。 図１７は、別の好ましい実施形態のセンサアームに用いられるＭＴＪ素子の拡大図である。
本発明は、４つのセンサアームを備えた単一チップフルブリッジ磁界センサを提供する。各センサアームは、直列接続された１つ以上のＧＭＲ検出素子またはＭＴＪ検出素子を含む。上記検出素子は、強磁性自由層および強磁性固定層を含むスピンバルブとして構成されている。センサブリッジにおける全ての検出素子の固定層の磁化は、同じ方向に設定されている。センサブリッジにおける全ての検出素子の自由層の磁化は、固定層の磁化方向に対して、全て同じ大きさの角度で揃うように設定されているが、隣接するブリッジアームは、固定層の磁化方向に対する角度が反対になるように設定されている。
自由層の磁化方向は、検出素子の形状によって制御される。検出素子は、楕円、矩形または菱形にパターニングされてもよい。
自由層の磁化方向にバイアスをかけるために、フルブリッジ内に複数の永久磁石が設けられている。
自由層の磁化方向にバイアスをかける磁界を発生させるための電流が流れる一体型導体が設けられており、上記電流は、ＧＭＲ検出素子またはＭＴＪ検出素子の固定層の磁化方向と同じ方向に流れる。
自由層と固定層とのネール結合を用いて、自由層の磁化方向にバイアスをかけてもよい。
自由層の上に堆積された反強磁性層を設けて、この反強磁性層と自由層との間に弱い磁気結合を生じさせることにより、自由層の磁化方向にバイアスをかけてもよい。
フルブリッジセンサが４つのセンサアームを備えるときの製造方法であって、１つ以上のＧＭＲ検出素子またはＭＴＪ検出素子が電気的に直列に相互接続されてそれぞれのセンサアームを形成し、４つのＧＭＲセンサアームまたはＭＴＪセンサアームが電気的に相互接続されてホイートストンブリッジを形成し、ＧＭＲ検出素子またはＭＴＪ検出素子が磁化容易軸を有する形状にパターニングされ、自由層の磁化方向がパターニングされた磁気抵抗素子の磁化容易軸の方向を示す、製造方法である。
上記製造方法において、ＧＭＲ検出素子またはＭＴＪ検出素子から構成されるセンサアームは、電気的に相互接続されてホイーストンブリッジを形成し、１組の永久磁石を用いて、上記検出素子の自由層に電気的にバイアスがかけられる。
単一チップフルブリッジ磁界センサの製造方法は、自由層の磁化方向にバイアスをかける磁界を発生させるための電流が流れる一体型導体をさらに含み、上記電流は、ＧＭＲ検出素子またはＭＴＪ検出素子の固定層の磁化方向と同じ方向に流れる。
ＧＭＲ素子またはＭＴＪ素子を用いた単一チップフルブリッジ磁界センサの製造方法において、自由層と固定層とのネール結合により、自由層の磁化方向にバイアスがかけられる。
ＧＭＲ素子またはＭＴＪ素子を用いた単一チップフルブリッジ磁界センサの製造方法において、自由層の上に磁性層を堆積し、この磁性層と自由層との弱い反強磁性結合により、自由層の磁化方向にバイアスがかけられる。
ＧＭＲ素子またはＭＴＪ素子を用いた単一チップフルブリッジ磁界センサの製造方法において、自由層の磁化方向にバイアスをかける方法は、上記１つ以上のバイアス方法の組み合わせを含む。
本発明は、２つのセンサアームを備えた単一チップハーフブリッジ磁界センサも提供する。各センサアームは、直列接続された１つ以上のＧＭＲ検出素子またはＭＴＪ検出素子を含む。上記検出素子は、強磁性自由層および強磁性固定層を含むスピンバルブとして構成されている。センサブリッジにおける全ての検出素子の固定層の磁化は、同じ方向に設定されている。センサブリッジにおける全ての検出素子の自由層の磁化は、固定層の磁化方向に対して、全て同じ大きさの角度で揃うように設定されているが、隣接するブリッジアームは、固定層の磁化方向に対する角度が反対になるように設定されている。
自由層の磁化方向は、検出素子の形状によって制御される。検出素子は、楕円、矩形または菱形にパターニングされてもよい。
単一チップハーフブリッジ磁界センサは、上記検出素子の自由層の磁化方向にバイアスをかける複数の永久磁石をさらに備える。
単一チップハーフブリッジ磁界センサは、自由層の磁化方向にバイアスをかける磁界を発生させるための電流が流れる一体型導体を用いてもよく、上記電流は、ＧＭＲ検出素子またはＭＴＪ検出素子の固定層の磁化方向と同じ方向に流れる。
自由層と固定層とのネール結合を用いて、自由層の磁化方向にバイアスをかけてもよい。
単一チップハーフブリッジ磁界センサの製造方法において、自由層の上に磁性層を堆積し、この磁性層と自由層との弱い反強磁性結合により、自由層の磁化方向にバイアスがかけられる。
単一チップハーフブリッジ磁界センサの製造方法であって、前記ハーフブリッジセンサが２つのセンサアームを備えるとき、１つ以上のＧＭＲ検出素子またはＭＴＪ検出素子が電気的に直列に相互接続されてそれぞれのセンサアームを形成し、２つのＧＭＲセンサアームまたはＭＴＪセンサアームが電気的に相互接続されてハーフブリッジを形成し、ＧＭＲ検出素子またはＭＴＪ検出素子が磁化容易軸を有する形状にパターニングされ、自由層の磁化方向がパターニングされた磁気抵抗素子の磁化容易軸の方向を示す、製造方法である。
単一チップハーフブリッジ磁界センサの製造方法において、１つ以上のＧＭＲセンサまたはＭＴＪセンサが電気的に直列接続されて２つの磁気抵抗アームをそれぞれ形成する。これらのセンサアームが接続されてハーフブリッジを形成する。バイアス磁石を用いて、ブリッジアームの自由層の方向が設定される。
単一チップハーフブリッジ磁界センサの製造方法は、自由層の磁化方向にバイアスをかける磁界を発生させるための電流が流れる一体型導体をさらに含み、上記電流は、ＧＭＲ検出素子またはＭＴＪ検出素子の固定層の磁化方向と同じ方向に流れる。
単一チップハーフブリッジ磁界センサの製造方法において、１つ以上のＧＭＲセンサまたはＭＴＪセンサが電気的に直列接続されて２つの磁気抵抗アームをそれぞれ形成する。これらのセンサアームが接続されてハーフブリッジを形成する。自由層と固定層とのネール結合により、自由層の磁化方向にバイアスがかけられる。
単一チップハーフブリッジ磁界センサの製造方法において、１つ以上のＧＭＲセンサまたはＭＴＪセンサが電気的に直列接続されて２つの磁気抵抗アームをそれぞれ形成する。これらのセンサアームが接続されてハーフブリッジを形成する。自由層の上に磁性層を堆積し、この磁性層と自由層との弱い反強磁性結合により、自由層の磁化方向にバイアスがかけられる。
単一チップハーフブリッジ磁界センサの製造方法において、１つ以上のＧＭＲセンサまたはＭＴＪセンサが電気的に直列接続されて２つの磁気抵抗アームをそれぞれ形成する。これらのセンサアームが接続されてハーフブリッジを形成する。上記１つ以上のバイアス方法により、ブリッジアームの自由層の磁化方向にバイアスがかけられる。
図１に示されているように、ＭＴＪは、反強磁性固定層１、磁性固定層２、非磁性絶縁層３および磁性自由層４を含むナノスケールの多層膜からなる。磁性固定層２の磁気モーメントは、方向５に固定されている。磁性自由層４の磁気モーメントは、磁界に応じて回転することができるが、印加磁界がない場合には、軸６に揃っていることが好ましい。他の磁気バイアスが印加されていないと、磁性固定層２の磁化方向５は、磁性自由層４の磁化方向６に対して垂直に近い。磁性自由層４の磁化方向６は、検出軸７に沿って印加された磁界に応じて変化する。
ＴＭＲ効果の作動原理とは、基本的には、磁性自由層４の磁化方向６と磁性固定層２の磁化方向５との相対角度が変化するにつれて、ＭＴＪの抵抗が変化することである。磁性固定層２の磁化方向５は変化しないので、磁性自由層４の磁化方向６が抵抗の変化をもたらすことになる。
図２に示されているように、印加磁界７の方向が磁性固定層２の磁化方向５に平行であり、且つ印加磁界７の強度がＨ１よりも大きい場合、磁性自由層４の磁化は、参照符号８で示されるように、磁性固定層２の磁化方向５と平行に揃うため、ＭＴＪの抵抗は最小となる。印加磁界７が磁性固定層２の磁化方向５に逆平行であり、且つ外部磁界の強度がＨ２よりも大きい場合、磁性自由層４の磁気モーメントは、参照符号９で示されるように、磁性固定層２の磁化方向５に逆平行である印加磁界７の方向に揃うため、ＭＴＪの抵抗は最大となる。Ｈ１とＨ２との間の磁界の範囲は、磁界動作範囲である。
図３に示されているように、自由層の磁化方向は印加磁界に応じて自由に変わるので、この印加磁界によって抵抗が変化する。ＭＴＪ素子の場合、固定層の磁化方向２１が固定されており、磁性自由層は第１の方向２３を示しているが、別の自由層の磁化は第２の方向２４を示している。次に、印加磁界２２を加えると、第１の方向の磁化は、この印加磁界２２によって、参照符号２３Ａで示されるように回転する。一方、第２の自由層の磁化方向２４は、参照符号２４Ａで示される量だけ回転する。この構成において、第１の方向２３の場合、固定層の磁化方向２１に対する自由層の磁化方向が減少するため、参照符号２３Ｂで示されるように、抵抗は減少する。第２の方向２４の場合、固定層の磁化方向２１に対する自由層の磁化の角度が増加するため、参照符号２４Ｂで示されるように、磁気抵抗は増加する。
図４に示されているように、ＭＴＪは、複数の永久磁石片２３Ｃと共にチップ上に実装されてもよい。永久磁石片２３Ｃは、自由層の磁化方向に対して第１の方向２３にバイアスをかける。複数の永久磁石片２４Ｃを用いて、第２の自由層の磁化方向に対して第２の方向２４にバイアスをかけてもよい。これらの磁石２３Ｃおよび２４Ｃは、それぞれの自由層の磁化の角度が異なるように、共に用いることができる。
図５は、従来のプッシュプルフルブリッジＭＴＪセンサまたはＧＭＲセンサの作動原理を示す。４つのＭＴＪまたはＧＭＲの磁気抵抗素子、すなわち、第１の抵抗器３１Ｒ−、第２の抵抗器３２Ｒ＋、第３の抵抗器３３Ｒ＋および第４の抵抗器３４Ｒ−が設けられている。第１の抵抗器３１Ｒ−および第４の抵抗器３４Ｒ−は、互いに平行な固定層の磁化方向３１Ａおよび３４Ａを有する。第２の抵抗器３２Ｒ＋および第３の抵抗器３３Ｒ＋は、互いに平行な固定層の磁化方向３２Ａおよび３３Ａを有する。第１の抵抗器３１Ｒ−の第１のモーメント３１Ａは、第２の抵抗器３２Ｒ＋の磁気モーメント３２Ａに平行な方向とは反対の方向を示している。外部磁界がない場合には、４つの抵抗器３１、３２、３３、３４における自由層の磁化方向３１Ｂ、３２Ｂ、３３Ｂ、３４Ｂは、全てが互いに平行であり、且つそれぞれの固定層の磁化方向に対して垂直である。バイアス磁界が方向３５に沿って印加されると、隣接する２つのブリッジにおいて、隣接する２つのＭＴＪセンサアームまたはＧＭＲセンサアームの抵抗は、それぞれ増加または減少する。すなわち、２つのブリッジアームは抵抗が増加するのに対して、もう２つのブリッジアームは抵抗が減少する。このように、異なるブリッジアームを組み合わせて、プッシュプルブリッジ磁界センサを形成してもよい。図５から明らかなように、４つの抵抗器は、プッシュプルフルブリッジを形成するために、固定層の磁化方向を異ならせる必要がある。ただし、単一チップ上に製造することは容易ではない。このため、マルチチップパッケージングまたは局所レーザアニーリングを用いて、フルブリッジプッシュプル磁界センサを製造する必要がある。
図６は、単一チップフルブリッジプッシュプル磁界センサの動作原理を示す。４つのＭＴＪセンサアームまたはＧＭＲセンサアームが設けられている。各センサアームは、１つの磁気抵抗素子からなり、すなわち、第１の抵抗器４１Ｒ１、第２の抵抗器４２Ｒ２、第３の抵抗器４３Ｒ２および第４の抵抗器４４Ｒ１として表される。全てのセンサアームにおいて、固定層の磁化方向は同じである。磁気抵抗センサ素子のそれぞれについて、固定層の磁化方向と自由層の磁化方向との角度の大きさは同じだが、隣接する磁気抵抗センサ素子の自由層の磁化は、極性が逆である。最適な構成では、４つのセンサアームの固定層の磁化方向４１Ａ、４２Ａ、４３Ａ、４４Ａは互いに平行であり、且つ同じ方向を示している。ブリッジの対向する位置にある第１の抵抗器４１Ｒ１および第４の抵抗器４４Ｒ１は、それぞれ自由層の磁化４１Ｂ、４４Ｂの角度が同じであり、固定層の磁化方向４１Ａ、４４Ａに対して４５度である。ブリッジの対向する位置にある第２の抵抗器４２Ｒ２および第３の抵抗器４３Ｒ２は、それぞれ第２および第３の自由層の磁化方向４２Ｂ、４３Ｂが、第２および第３の固定層の磁化方向４２Ａ、４３Ａに対して同じである。この場合も同様に、理想的な角度の大きさは４５度である。上記構成において、第１の抵抗器４１Ｒ１の第１の磁化方向４１Ｂは、第２の抵抗器４２Ｒ２の磁化方向４２Ｂに垂直である。このフルブリッジセンサは、４つの全てのセンサアームに対して固定方向４５を有しており、検出方向４６は固定方向４５に垂直である。図５および図６を比較すると明らかなように、４つの全てのセンサアームの固定層が同じ方向を示しているため、単一チッププッシュプルセンサとしてこのセンサを作成し易くなる。これは、従来技術の設計に対して有利な点である。また、本願の設計には、マルチチップパッケージング技術を必要とせず、局所レーザ等の特殊な製造技術も必要ない。
ＧＭＲ素子またはＭＴＪ素子は、それ自体の形状異方性を用いて、自由層の磁化にバイアスをかけることができる。素子の形状は、楕円、矩形、菱形および他の横長の形状が一般的である。多様な形状において、通常、長手方向は磁化容易軸であり、自由層の磁化が磁化容易軸に揃っていることが好ましい。これは、磁気異方性として公知である。形状の長さの幅に対する比を調整することにより、磁気異方性を変化させることができ、その結果、入出力特性が変化する。図７に示されているように、参照符号４６は、測定される外部磁界に沿った検出方向であり、ブリッジアームは、第１の抵抗器４１、第２の抵抗器４２、第３の抵抗器４３および第４の抵抗器４４である。隣接するアームの抵抗は、印加磁界に応じて、一方の抵抗が小さくなり、他方の抵抗が大きくなるように、反対方向に変化する。本発明のこの特徴こそが、フルブリッジプッシュプル磁界センサの形成を可能にしている。特に、外部磁界が検出方向４６に加わると共に、自由層の第１の方向４１Ｂ、第２の方向４２Ｂ、第３の方向４３Ｂおよび第４の方向４４Ｂは、それぞれ新しい方向４１Ｃ、４２Ｃ、４３Ｃおよび４４Ｃを示すようになる。従って、第１の抵抗器Ｒ１および第４の抵抗器Ｒ４はＲ１＋ΔＲとなり、第２の抵抗器Ｒ２および第３の抵抗器Ｒ３はＲ２−ΔＲとなる。ゆえに、ブリッジの出力は、
理論上は、初期値Ｒ１＝Ｒ２＞ΔＲである。
このようにして、フルブリッジの出力が得られる。
図８は、パターニングされたオンチップマグネットシートの考えられる一実施形態により、どのように自由層の磁気モーメントにバイアスがかけられるかを示す。オンチップマグネットシートは、磁界によって方向５０に磁化されている。マグネットシートは、シートの縁に垂直な方向に沿って磁界を発生させる。マグネットシートによって発生した磁界と磁化方向５７との角度は９０度よりも小さい。図示されているように、１対の永久磁石５１、５３によって発生したバイアス場は、センサ素子の長軸に沿って右側を示している。従って、第３の抵抗器４３の自由層には、長軸に沿ってバイアスがかけられている。同様に、第１、第２および第４の抵抗器４１、４２、４４には、それぞれ１対の永久磁石シート５１と５２、５４と５６および５５と５６によってバイアスがかけられている。
図９は、一体型電流導体によって発生した磁界により、どのように自由層にバイアスがかけられるかを示す。電流導体５７、５８、５９は、バイアスをかける必要がある抵抗器の真上に配置されており、且つ自由層にバイアスがかかるべき方向に対して垂直に設けられている。ＢｉａｓとＧｎｄとの間にバイアス電流が印加されると、自由層の磁気モーメントには、適切な方向にバイアスがかけられる。自由層の磁気モーメントにバイアスをかける他の方法、すなわち、自由層と磁性固定層とのネール結合場を用いる方法や、自由層とこの磁性自由層の上に堆積された磁性層と弱い反強磁性結合を用いる方法もある。
図１０は、フルブリッジプッシュプル磁界センサの好ましい実施形態を示す。このセンサは、プッシュプルフルブリッジを構成する４つのセンサアーム（４１、４２、４３、４４）を備え、固定層の磁化方向４５は垂直方向の上側を示しており、検出方向４６は水平であり、永久磁石の磁化方向５７は水平方向の右側を示している。センサ素子は楕円形状であり、外部バイアス磁界がない状態の自由層の磁気モーメントは、楕円の長軸である、磁化容易軸の方向を示している。このフルブリッジは、離間して配置された永久磁石対（６１、６２、６３、６４）を含む。これらの永久磁石は、異なる形状にパターニングすることができ、垂直方向に対する傾斜が異なることにより、傾斜角θによって磁気抵抗素子の抵抗を変化させることができる。センサ性能を調整するために、この設計における通常の傾斜角θは３０度〜６０度の範囲であり、磁界センサフルブリッジの最良の性能をもたらす最適な角度は４５度である。フルブリッジは、多くの場合、応答モードを調整するために、磁界センサの固定層の磁化方向４５、永久磁石シートの磁化方向６７および４つの抵抗器の磁化容易軸の方向を変えることができる。一般に、以下の３つの方法を用いてセンサの応答を調整できる。
磁気抵抗センサの磁性自由層の形状を変えることにより、その異方性を変化させて、センサの軸方向、すなわち楕円形状の場合は長軸、矩形の場合は長辺を調整する。
センサチップの初期設定を変更することにより、永久磁石の磁化方向６５を変える。
永久磁石の厚さを変えてバイアス場の大きさを変更し、自由層の厚さを変え、異なる大きさのセンサ素子を用いて飽和磁界を調整する。
図１１は、単一フルブリッジプッシュプルセンサの考えられる一実施形態を示す。参照符号４５は固定方向を表し、参照符号４６は検出方向を表す。プッシュプルフルブリッジの各アームは、直列に相互接続された、一連の磁気トンネル接合素子からなる。磁気トンネル接合素子のそれぞれは、楕円形状であり、自由層の磁化にバイアスをかけるための永久磁石を有する。チップとパッケージのリードフレームまたはＡＳＩＣ（特定用途集積回路:application specific integrated circuit）とを電気的に相互接続するために、複数のボンドパッド６５が設けられて、複数のリード線を接続できるようになっている。図１２は、図１１の設計における出力特性を示す。
図１３は、ハーフブリッジプッシュプル磁界センサの概念図である。ハーフブリッジプッシュプル磁界センサ８０は、２つのアームを備える。各センサアームは、直列接続された１つ以上のＧＭＲ素子またはＭＴＪ素子からなる。上記センサ素子は、その形状異方性を利用するように、楕円、矩形または菱形にパターニングすることができる。第１の抵抗器８１Ｒ１および第２の抵抗器８３Ｒ２は、それぞれ固定層の磁化方向８１Ａおよび８３Ａが固定方向８５と同じである。第１の抵抗器８１Ｒ１および第２の抵抗器８３Ｒ２の自由層の磁化方向は、それぞれ８１Ｂおよび８３Ｂである。これらの自由層の磁化方向８１Ｂおよび８３Ｂは、固定層の磁化方向に対する角度の絶対値が同じであるが、極性は逆である。自由層の磁化方向８１Ｂと固定層の磁化方向８１Ａとの最適な角度の大きさは４５である。第２の自由層の磁化方向８３Ｂは、第２の固定層の磁化方向８３Ａに対して４５度で配置されている。このセンサは、ＧＮＤとバイアス（bias）との間に電圧または電流を印加することによって作動する。上記構成において、方向８６に沿った正の磁界により、センサアーム８１Ｒ１の抵抗が増加し、センサアーム８３Ｒ２の抵抗が減少するため、出力Ｖｏが減少することになる。これは、標準的なプッシュプルブリッジの動作である。
図１４は、ハーフブリッジプッシュプル磁界センサの考えられる好ましい実施形態を示す。このセンサは、チップ上の一体型磁石を用いて、センサアーム８１Ｒ１および８３Ｒ２に対して、それぞれの自由層の磁化方向が８１Ｂおよび８３Ｂになるようにバイアスをかけている。２つのセンサアームの固定層は垂直方向の上側を示しており、それぞれの磁化容易軸も垂直方向の上側を示している。永久磁石によって発生したバイアス場は、右側を示している。
図１５は、ハーフブリッジプッシュプル磁界センサの考えられる別の好ましい実施形態を示す。図示されているように、チップ上の一体型永久磁石を用いて、センサアーム８１Ｒ１および８３Ｒ２に対して、それぞれの自由層の向きが８１Ｂおよび８３Ｂになるようにバイアスをかけている。２つのセンサアームの固定層は垂直方向の上側を示しており、それぞれの磁化容易軸も垂直方向を示している。磁石は垂直方向に設けられており、検出方向は水平である。
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 (24)

  1. ４つの磁気抵抗センサアームを備えた単一チップフルブリッジ磁界センサであって、
    前記磁気抵抗センサアームのそれぞれは、１つ以上のＧＭＲ磁気抵抗検出素子またはＭＴＪ磁気抵抗検出素子を含み、
    前記１つ以上のＧＭＲ磁気抵抗検出素子またはＭＴＪ磁気抵抗検出素子のそれぞれは、自由層および固定層を含むスピンバルブとして構成されており、
    前記１つ以上のＧＭＲ磁気抵抗検出素子またはＭＴＪ磁気抵抗検出素子のそれぞれにおける前記固定層の磁化方向は、同じ方向に設定されており、
    前記１つ以上のＧＭＲ磁気抵抗検出素子またはＭＴＪ磁気抵抗検出素子のそれぞれにおける前記自由層の磁化方向の角度は、印加磁界がない場合には、全ての自由層の磁化の角度の絶対値が同じになるように設定されており、
    前記センサアームにおいて、対角線上に向かい合って配置された前記ＧＭＲ磁気抵抗検出素子または前記ＭＴＪ磁気抵抗検出素子の前記固定層の前記磁化方向に対する前記自由層の前記磁化方向の極性は同じであるが、隣接する前記センサアームにおける隣接する前記ＧＭＲ磁気抵抗検出素子または前記ＭＴＪ磁気抵抗検出素子の前記自由層の前記磁化方向は、前記固定層の前記磁化方向に対して極性が異なることを特徴とする単一チップフルブリッジ磁界センサ。
  2. 前記１つ以上のＧＭＲ磁気抵抗検出素子またはＭＴＪ磁気抵抗検出素子のそれぞれにおける前記自由層の前記磁化方向は、前記ＧＭＲ磁気抵抗検出素子または前記ＭＴＪ磁気抵抗検出素子の磁化容易軸に平行であり、前記ＧＭＲ磁気抵抗検出素子または前記ＭＴＪ磁気抵抗検出素子は、楕円、矩形または菱形にパターニングされている請求項１に記載の単一チップフルブリッジ磁界センサ。
  3. 前記１つ以上のＧＭＲ磁気抵抗検出素子またはＭＴＪ磁気抵抗検出素子の前記自由層の前記磁化方向にバイアスをかける複数の永久磁石をさらに備える請求項１に記載の単一チップフルブリッジ磁界センサ。
  4. 前記自由層の前記磁化方向にバイアスをかける磁界を発生させるための電流が流れる一体型導体をさらに備え、前記電流は、前記１つ以上のＧＭＲ磁気抵抗検出素子またはＭＴＪ磁気抵抗検出素子の前記固定層の前記磁化方向と同じ方向に流れる請求項１に記載の単一チップフルブリッジ磁界センサ。
  5. 前記自由層と前記固定層とのネール結合により、前記自由層の前記磁化方向にバイアスがかけられる請求項１に記載の単一チップフルブリッジ磁界センサ。
  6. 前記自由層の上に堆積された磁性層をさらに備え、前記磁性層と前記自由層との弱い反強磁性結合により、前記自由層の前記磁化方向にバイアスがかけられる請求項１に記載の単一チップフルブリッジ磁界センサ。
  7. 単一チップフルブリッジ磁界センサの製造方法であって、
    前記フルブリッジセンサが４つのセンサアームを備えるとき、１つ以上のＧＭＲ磁気抵抗検出素子またはＭＴＪ磁気抵抗検出素子を電気的に直列に相互接続してそれぞれのセンサアームを形成する工程と、
    前記４つのセンサアームを電気的に相互接続してホイートストンブリッジを形成する工程と、
    前記１つ以上のＧＭＲ磁気抵抗検出素子またはＭＴＪ磁気抵抗検出素子を、磁化容易軸を有する形状にパターニングする工程とを含み、
    自由層の磁化方向が前記パターニングされたＧＭＲ磁気抵抗検出素子またはＭＴＪ磁気抵抗検出素子の前記磁化容易軸の方向を示す、単一チップフルブリッジ磁界センサの製造方法。
  8. 前記１つ以上のＧＭＲ磁気抵抗検出素子またはＭＪＴ磁気抵抗検出素子から構成される前記センサアームは、電気的に相互接続されてホイートストンブリッジを形成し、１組の永久磁石を用いて、前記１つ以上のＧＭＲ磁気抵抗検出素子またはＭＪＴ磁気抵抗検出素子の前記自由層に電気的にバイアスがかけられる請求項７に記載の単一チップフルブリッジ磁界センサの製造方法。
  9. 前記自由層の前記磁化方向にバイアスをかける磁界を発生させるための電流が流れる導体を実装する工程をさらに含み、前記電流は、前記１つ以上のＧＭＲ磁気抵抗検出素子またはＭＴＪ磁気抵抗検出素子の固定層の磁化方向と同じ方向に流れる請求項７に記載の単一チップフルブリッジ磁界センサの製造方法。
  10. 前記自由層と固定層とのネール結合により、前記自由層の前記磁化方向にバイアスがかけられる請求項７に記載の単一チップフルブリッジ磁界センサの製造方法。
  11. 前記自由層の上に磁性層を堆積する工程をさらに含み、前記磁性層と前記自由層との弱い反強磁性結合により、前記自由層の前記磁化方向にバイアスがかけられる請求項７に記載の単一チップフルブリッジ磁界センサの製造方法。
  12. 請求項８〜１１に記載された前記バイアス方法を組み合わせることにより、前記自由層の前記磁化方向にバイアスをかける工程をさらに含む、請求項７に記載の単一チップフルブリッジ磁界センサの製造方法。
  13. ２つの磁気抵抗センサアームを備えた単一チップハーフブリッジ磁界センサであって、
    前記磁気抵抗センサアームのそれぞれは、１つ以上のＧＭＲ磁気抵抗検出素子またはＭＴＪ磁気抵抗検出素子を含み、
    前記１つ以上のＧＭＲ磁気抵抗検出素子またはＭＴＪ磁気抵抗検出素子のそれぞれは、自由層および固定層を含むスピンバルブとして構成されており、
    前記１つ以上のＧＭＲ磁気抵抗検出素子またはＭＴＪ磁気抵抗検出素子のそれぞれにおける前記固定層の磁化方向は、同じ方向に設定されており、
    前記１つ以上のＧＭＲ磁気抵抗検出素子またはＭＴＪ磁気抵抗検出素子のそれぞれにおける前記自由層の磁化方向の角度は、印加磁界がない場合には、全ての自由層の磁化の角度の絶対値が同じになるように設定されており、
    隣接する前記磁気抵抗センサアームにおける前記自由層の前記磁化方向は、前記固定層の前記磁化方向に対して極性が異なることを特徴とする単一チップハーフブリッジ磁界センサ。
  14. 前記１つ以上のＧＭＲ磁気抵抗検出素子またはＭＴＪ磁気抵抗検出素子のそれぞれにおける前記自由層の前記磁化方向は、前記ＧＭＲ磁気抵抗検出素子または前記ＭＴＪ磁気抵抗検出素子の磁化容易軸に平行であり、前記ＧＭＲ磁気抵抗検出素子または前記ＭＴＪ磁気抵抗検出素子は、楕円、矩形または菱形にパターニングされている請求項１３に記載の単一チップハーフブリッジ磁界センサ。
  15. 前記１つ以上のＧＭＲ磁気抵抗検出素子またはＭＴＪ磁気抵抗検出素子の前記自由層の前記磁化方向にバイアスをかける複数の永久磁石をさらに備える請求項１３に記載の単一チップハーフブリッジ磁界センサ。
  16. 前記自由層の前記磁化方向にバイアスをかける磁界を発生させるための電流が流れる一体型導体をさらに備え、前記電流は、前記１つ以上のＧＭＲ磁気抵抗検出素子またはＭＴＪ磁気抵抗検出素子の前記固定層の前記磁化方向と同じ方向に流れる請求項１３に記載の単一チップハーフブリッジ磁界センサ。
  17. 前記自由層と前記固定層とのネール結合により、前記自由層の前記磁化方向にバイアスがかけられる請求項１３に記載の単一チップハーフブリッジ磁界センサ。
  18. 前記自由層の上に堆積された磁性層をさらに備え、前記磁性層と前記自由層との弱い反強磁性結合により、前記自由層の前記磁化方向にバイアスがかけられる請求項１３に記載の単一チップハーフブリッジ磁界センサ。
  19. 単一チップハーフブリッジ磁界センサの製造方法であって、
    前記ハーフブリッジセンサが２つのセンサアームを備えるとき、１つ以上のＧＭＲ磁気抵抗検出素子またはＭＴＪ磁気抵抗検出素子を電気的に直列に相互接続してそれぞれのセンサアームを形成する工程と、
    前記２つのセンサアームを電気的に相互接続してハーフブリッジを形成する工程と、
    前記１つ以上のＧＭＲ磁気抵抗検出素子またはＭＴＪ磁気抵抗検出素子を、磁化容易軸を有する形状にパターニングする工程とを含み、
    自由層の磁化方向が前記パターニングされた磁気抵抗検出素子の前記磁化容易軸の方向を示す、単一チップハーフブリッジ磁界センサの製造方法。
  20. 永久磁石を用いて、前記１つ以上のＧＭＲ磁気抵抗検出素子またはＭＴＪ磁気抵抗検出素子の前記自由層の前記磁化方向にバイアスをかける工程をさらに含む請求項１９に記載の単一チップハーフブリッジ磁界センサの製造方法。
  21. 前記自由層の前記磁化方向にバイアスをかける磁界を発生させるための電流が流れる導体を実装する工程をさらに含み、前記電流は、前記１つ以上のＧＭＲ磁気抵抗検出素子またはＭＴＪ磁気抵抗検出素子の固定層の磁化方向と同じ方向に流れる請求項１９に記載の単一チップハーフブリッジ磁界センサの製造方法。
  22. 前記自由層と固定層とのネール結合により、前記自由層の前記磁化方向にバイアスがかけられる請求項１９に記載の単一チップハーフブリッジ磁界センサの製造方法。
  23. 前記自由層の上に磁性層を堆積する工程をさらに含み、前記磁性層と前記自由層との弱い反強磁性結合により、前記自由層の前記磁化方向にバイアスがかけられる請求項１９に記載の単一チップハーフブリッジ磁界センサの製造方法。
  24. 請求項２０〜２３に記載された前記バイアス方法を組み合わせることにより、前記自由層の前記磁化方向を設定する工程をさらに含む請求項１９に記載の単一チップハーフブリッジ磁界センサの製造方法。
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