JP2016125901A

JP2016125901A - 磁界検知装置

Info

Publication number: JP2016125901A
Application number: JP2014266833A
Authority: JP
Inventors: 尚信大川; Naonobu Okawa; 雅之尾花; Masayuki Obana; 亨宮武; Toru Miyatake
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2014-12-27
Filing date: 2014-12-27
Publication date: 2016-07-11

Abstract

【課題】磁界誘導層の熱応力および熱応力に基づく残留応力を低下させて、磁界誘導層からのバイアス磁界を低減できる磁界検知装置を提供する。
【解決手段】磁気抵抗効果素子などの磁気センサ２０は、アルミナで形成された上部絶縁層４２で覆われており、その上にニッケル−鉄合金によって磁界誘導層３０が形成されている。上部絶縁層４２と磁界誘導層３０は、窒化ケイ素で形成された保護層４３で覆われている。磁界誘導層３０と保護層４３との間に応力緩和層４４が形成されており、応力緩和層４４は、磁界誘導層３０ならびに保護層４３のよりもヤング率が低い材料で形成されている。
【選択図】図５

Description

本発明は、磁気センサの感度軸方向へ外部磁界を誘導する磁界誘導層が設けられた磁界検知装置に関する。

特許文献１に記載された磁界検知装置は、感度軸が水平方向に向けられた磁気抵抗効果素子でブリッジ回路が構成されており、磁気抵抗効果素子には、垂直方向に延びる軟磁性材料で形成された磁性体が対向して設けられている。垂直方向の磁界成分は、前記磁性体によって誘導され、磁性体の下端部からの漏れ磁束のうちの水平方向成分が磁気抵抗効果素子で検知される。これにより、垂直方向の磁界の強度を検知することが可能となっている。

磁界検知装置の構造としては、基板上に形成された磁気抵抗効果素子がアルミナの絶縁層で覆われており、絶縁層の表面が平坦化されて、その上にニッケル−鉄合金などの軟磁性材料を用いてメッキ工程などで前記磁性体が形成されている。

国際公開ＷＯ２０１１／０６８１４６Ａ１

前記磁性体を構成しているニッケル−鉄合金（ＮｉＦｅ）の熱膨張係数は、１．３×１０^−５／℃程度で、絶縁層であるアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）の熱膨張係数は、１．０８×１０^−５／℃程度である。実際の磁界検知装置では、ニッケル−鉄合金の前記磁性体が保護層で覆われており、この保護層が窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）で形成されるのが一般的である。窒化ケイ素は、熱膨張係数が０．２８×１０^−５／℃程度である。

前記磁性体と保護層との熱膨張係数の差、ならびに絶縁層と保護層との熱膨張係数の差により、温度変化が生じたときに前記磁性体に熱応力が発生する。例えば、磁界検知装置を基板に実装する際の半田リフロー工程では温度が２６０℃程度に上昇し、前記磁性体に熱応力が発生する。その後に常温に戻したときには、前記磁性体に、前記熱応力による応力が残留する。

ニッケル−鉄合金のヤング率は１９０Ｇｐａ程度、アルミナのヤング率は２２０ＧＰａ程度で、窒化ケイ素のヤング率は２１０Ｇｐａ程度であり、いずれもヤング率が高い材料である。そのため、加熱時ならびに常温に戻ったときにニッケル−鉄合金と窒化ケイ素との間で応力を緩和できず、ニッケル−鉄合金とアルミナとの間でも応力を緩和できず、常温に戻ったときに前記磁性体に大きな応力が残留しやすい。

ここで、磁性体は逆磁歪効果を発揮する。逆磁歪効果は、磁性体が磁化すると歪みを発生する磁歪効果とは逆の現象であり、磁性体に歪みを与えると磁化する現象である。この逆磁歪効果により、前記残留応力による残留歪みが生じると磁性体が磁化されて磁界を発生することになり、この磁界が磁気抵抗効果素子に作用して、外部磁界の測定値に対してバイアスノイズが重畳することになる。しかも、磁性体に残留する応力は環境温度の変化に応じて変動し、前記バイアスノイズが変動するため、外部磁界の正確な測定に支障を来すことになる。

特に、磁界検知装置で地磁気を検知する場合には、測定しようとする外部磁場が微弱であるため、前記バイアスノイズの影響が磁界の測定に大きな影響を与える。

本発明は上記従来の課題を解決するものであり、磁界誘導層とこれを覆う保護層との間、および磁気センサを覆う絶縁層と保護層との間で応力を緩和できるようにすることで、磁界誘導層に応力が残留しにくい構造とした磁界検知装置を提供することを目的としている。

本発明は、磁気センサと、磁気センサを覆う絶縁層と、前記絶縁層の上に形成されて外部磁界を前記磁気センサの感度軸方向へ誘導する軟磁性材料製の磁界誘導層と、前記磁界誘導層を覆う保護層とが設けられた磁界検知装置において、
前記磁界誘導層と前記保護層との間に、前記保護層よりもヤング率の低い応力緩和層が介在していることを特徴とするものである。

また、本発明の磁界検知装置は、前記応力緩和層が、前記磁界誘導層と前記絶縁層との間にも形成されており、前記応力緩和層のヤング率が前記絶縁層よりも低いことが好ましい。

本発明の磁界検知装置は、例えば、前記保護層が窒化ケイ素であり、前記応力緩和層が酸化ケイ素で形成されている。

本発明の磁界検知装置は、磁界誘導層とこれを覆う保護層との間の応力、または磁気センサを覆う絶縁層と保護層との間の応力を緩和でき、加熱時での磁界誘導層の内部応力、および常温時における磁界誘導層の残留応力を低減でき、磁界誘導層で大きなバイアス磁界が生成されるのを防止できる。

本発明の実施の形態の磁界検知装置の全体構造を示す平面図、図１に示す磁界検知装置の等価回路図、磁界検知装置に設けられている磁気センサの拡大断面図、（Ａ）は、磁界誘導層で誘導された磁界成分が第１の抵抗変化部と第２の抵抗変化部で検知される動作を示す説明図、（Ｂ）は、磁界誘導層で誘導された磁界成分が第３の抵抗変化部と第４の抵抗変化部で検知される動作を示す説明図、第１の実施の形態の磁界検知装置の積層構造を示す断面図、第２の実施の形態の磁界検知装置の積層構造を示す断面図、比較例の磁界検知装置の積層構造を示す断面図、第１の実施の形態の磁界検知装置の内部応力の分布に関するシミュレーション結果を示す説明図、第２の実施の形態の磁界検知装置の内部応力の分布に関するシミュレーション結果を示す説明図、比較例の磁界検知装置の内部応力に関するシミュレーション結果を示す説明図、

図１に示す磁界検知装置Ｓｚは外部磁界のうちのＺ方向（第１の）の成分を検知するものである。磁界検知装置Ｓｚは、外部磁界のうちのＸ方向（第２の方向）の成分を検知する磁界検知装置ＳｘならびにＹ方向の成分を検知する磁界検知装置Ｓｙと組み合わされて、直交する３方向の外部磁界を検知できるものとなる。この磁気センサは地磁気センサなどとして使用される。

図１に示すように、磁界検知装置Ｓｚは、第１の抵抗変化部１と第２の抵抗変化部２ならびに第３の抵抗変化部３と第４の抵抗変化部４とから構成されている。

図２の等価回路図にも示されているように、第１の抵抗変化部１と第３の抵抗変化部３とが直列に接続され、第２の抵抗変化部２と第４の抵抗変化部４とが直列に接続されている。第２の抵抗変化部２と第３の抵抗変化部３は配線部５ａを介して端子５に接続され、端子５に電源電圧Ｖｃｃが印加される。第１の抵抗変化部１と第４の抵抗変化部４との接続部は、配線部６ａを介して端子６に接続され、端子６は接地されている。第１の抵抗変化部１と第３の抵抗変化部３との接続中間部は配線部７ａを介して第１の検知端子７に接続され、第２の抵抗変化部２と第４の抵抗変化部４との接続中間点は配線部８ａを介して第２の検知端子８に接続されている。第１の検知端子７の出力と第２の検知端子８の出力との差動出力が磁界検知装置Ｓｚの検知出力となる。

第１の抵抗変化部１ないし第４の抵抗変化部４には、Ｙ方向へ細長い磁気センサ２０が２本ずつ設けられている。

図１に示すように、第１の抵抗変化部１では、２本の磁気センサ２０のＹ１側の端部が導通連結層９ａによって接続され、第１の抵抗変化部１は磁気センサ２０がいわゆるミアンダパターンで接続され、Ｙ方向への磁気センサの実質的な寸法が長くなっている。同様に、第２の抵抗変化部２では、２本の磁気センサ２０のＹ１側の端部が導通連結層９ｂで接続され、第３の抵抗変化部３では、２本の磁気センサ２０のＹ１側の端部が導通連結層９ｃで接続され、第４の抵抗変化部４では、２本の磁気センサ２０のＹ１側の端部が導通連結層９ｄで接続されている。抵抗変化部２，３，４では、それぞれ磁気センサ２０がミアンダパターンで接続されている。

配線部５ａ，６ａ，７ａ，８ａ，と端子５，６，７，８、ならびに導通連結層９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄは、銅や銀などの低抵抗材料で形成されている。

図３には、磁気センサ２０をＹ−Ｚ面と平行な切断面で切断し且つ拡大した拡大断面図が示されている。

図５と図６に示すように、シリコン（Ｓｉ）で形成された基板４０の上に、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）によって下部絶縁層４１が形成されている。下部絶縁層４１の表面が平坦面に加工され、その上に金属が多層に積層された磁気センサ２０が形成されている。磁気センサ２０を構成する金属層はスパッタ工程やＣＶＤ工程で成膜されている。

図３に拡大して示すように、磁気センサ２０は、巨大抵抗効果を発揮する磁気抵抗効果素子層（ＧＭＲ層）であり、下部絶縁層４１の上に下地層２１が形成され、下地層２１の上に、固定磁性層２２と非磁性層２３とフリー磁性層２４が順に積層され、フリー磁性層２４が素子保護層２５で覆われている。図５と図６に示すように、磁気センサ２０の上は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）で形成された上部絶縁層４２で覆われている。

磁気抵抗効果素子層を構成する固定磁性層２２は、第１の固定層２２ａと第２の固定層２２ｂ、ならびに第１の固定層２２ａと第２の固定層２２ｂとの間に位置する非磁性中間層２２ｃを有する積層フェリ構造である。第１の固定層２２ａと第２の固定層２２ｂは、ＣｏＦｅ合金（コバルト−鉄合金）などの軟磁性材料で形成されている。非磁性中間層２２ｃはＲｕ（ルテニウム）などである。積層フェリ構造の固定磁性層２２は、第１の固定層２２ａと第２の固定層２２ｂの磁化が反平行に固定されたいわゆるセルフピン構造である。

固定磁性層２２の磁化の固定方向は第２の固定層２２ｂの磁化方向であり、全ての抵抗変化部１，２，３，４において、固定磁性層２２の固定磁化Ｐの方向が第２の方向であるＸ２方向に向けられている。

図３に示す非磁性層２３はＣｕ（銅）などの非磁性材料で形成されている。フリー磁性層２４は、ＮｉＦｅ合金（ニッケル−鉄合金）などの軟磁性材料で形成されている。フリー磁性層２４は、縦方向（Ｙ方向）の長さ寸法が横方向（Ｘ方向）の幅寸法よりも十分に大きく、その形状異方性によって、磁化がＸ２方向へ向けて揃えられている。フリー磁性層２４を覆う素子保護層２５はＴａ（タンタル）などで形成されている。

図５に示すように、全ての抵抗変化部１，２，３，４では、磁気センサ２０を覆う前記上部絶縁層４２の表面が平坦面となるように加工されており、その平坦面上に、それぞれの磁気センサ２０に対してＺ方向に対向する磁界誘導層３０が形成されている。図１に示すように、磁界誘導層３０は複数設けられており、Ｙ方向に直線的に延びて互いに平行に配置されている。磁界誘導層３０は、ニッケル−鉄合金（ＮｉＦｅ）やコバルトー鉄合金（ＣｏＦｅ）などの軟磁性材料でめっき工程によって形成されている。

図４（Ａ）に示すように、第１の抵抗変化部１と第２の抵抗変化部２では、磁気センサ２０の中心が磁界誘導層３０の下端面３０ａのＸ方向の幅中心に対してＸ１方向へ位置ずれして配置されている。図４（Ｂ）に示すように、第３の抵抗変化部３と第４の抵抗変化部４では、磁気センサ２０の中心が、磁界誘導層３０の下端面３０ａのＸ方向の幅中心に対してＸ２方向へ位置ずれして配置されている。

図４には、磁界検知装置ＳｚがＺ１方向の磁界成分Ｈｖを検知している状態が示されている。Ｚ１方向の磁界成分Ｈｖは磁界誘導層３０で誘導されるが、磁界誘導層３０の下端面３０ａから出た磁界が平面的に分散される。図４（Ａ）に示すように、第１の抵抗変化部１と第２の抵抗変化部２では、磁気センサ２０で、Ｘ１方向へ向かう磁界成分Ｈｈ１が検知される。図４（Ｂ）に示すように、第３の抵抗変化部３と第４の抵抗変化部４では、磁気センサ２０で、Ｘ２方向へ向かう磁界成分Ｈｈ２が検知される。

抵抗変化部１，２，３，４において、全ての磁気センサ２０は、固定磁性層２２の固定磁化Ｐの方向がＸ２方向である。図４（Ａ）に示す第１の抵抗変化部１と第２の抵抗変化部２では、Ｚ１方向への磁界成分Ｈｖの強度が高くなるにしたがって、磁気センサ２０の電気抵抗値が大きくなり、図４（Ｂ）に示す第３の抵抗変化部３と第４の抵抗変化部４では、Ｚ１方向への磁界成分Ｈｖの強度が高くなるにしたがって、磁気センサ２０の電気抵抗値が小さくなる。

その結果、図２の等価回路図に示すように、直列に接続された第３の抵抗変化部３と第１の抵抗変化部１との中間に位置する検知端子７の電圧が変動し、直列に接続された第２の抵抗変化部２と第４の抵抗変化部４の中間に位置する検知端子８の電圧が変動する。検知端子７と検知端子８とで電圧の変化が逆極性となるため、検知端子７と検知端子８との電圧の差動を取ることで、Ｚ１方向の磁界成分Ｈｖの強度を検知することができる。

図５には、第１の抵抗変化部１と第２の抵抗変化部２の積層構造の第１の実施の形態が示されている。なお、第３の抵抗変化部３と第４の抵抗変化部４の積層構造も同じである。

磁気センサ２０を覆う上部絶縁層４２の上に磁界誘導層３０が、めっき工程で形成されている。上部絶縁層４２の表面と磁界誘導層３０の表面に応力緩和層４４が連続して形成されており、その表面が保護層４３で覆われている。保護層４３は窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）で形成されており、応力緩和層４４は、酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）で形成されている。

図６には、第１の抵抗変化部１と第２の抵抗変化部２の積層構造の第２の実施の形態が示されている。なお、第３の抵抗変化部３と第４の抵抗変化部４の積層構造も同じである。

第２の実施の形態では、応力緩和層４４が、磁界誘導層３０と保護層４３との間に形成されているのみならず、応力緩和層４４が、磁気センサ２０を覆う上部絶縁層４２と磁界誘導層３０との間にも形成されている。

磁界誘導層３０がニッケル−鉄合金（ＮｉＦｅ）で形成されている場合、熱膨張係数は、１．３×１０^−５／℃程度であり、上部絶縁層４２を構成するアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）の熱膨張係数は、１．０８×１０^−６／℃程度である。これに対し、保護層４３を構成する窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）は、熱膨張係数が０．２８×１０^−５／℃程度である。なお、応力緩和層４４を構成する酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）の熱膨張係数は０．０５５×１０^−５／℃程度である。

次に、磁界誘導層３０がニッケル−鉄合金で構成される場合、ヤング率は１９０Ｇｐａ程度である。上部絶縁層４２を構成するアルミナのヤング率は２２０ＧＰａ程度であり、保護層４３を構成する窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）のヤング率は、２１０ＧＰａである。これに対して、応力緩和層４４を構成する酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）のヤング率は、７４ＧＰａ程度である。

上記のように、磁界誘導層３０を構成するニッケル−鉄と、保護層４３を構成する窒化ケイ素とで熱膨張係数に差があり、上部絶縁層４２を構成するアルミナと、保護層４３を構成する窒化ケイ素との間でも熱膨張係数の差がある。そのため、環境温度が変化すると磁界誘導層３０と上部絶縁層４２に熱応力が作用しやすい。

例えば、磁界検知装置を収納した検知パッケージを各種基板に半田付けする際、リフロー工程では２６０℃程度に加熱される。そのときに磁界誘導層３０に熱応力が発生し、上部絶縁層４２にも熱応力が発生する。この熱応力の発生により、常温に戻った後もそれぞれの層に応力が残留しやすい。特に、磁界誘導層３０と保護層４３ならびに上部絶縁層４２は、いずれもヤング率が高いため、磁界誘導層３０と保護層４３とが直接に接合されている場合や、上部絶縁層４２と保護層４３とが直接に接合されている場合には、熱膨張の差により磁界誘導層３０に発生する熱応力が層間で緩和されることがなく、常温に戻ったときには磁界誘導層３０に大きな応力が残留しやすい。

しかし、図５に示す第１の実施の形態では、磁界誘導層３０と保護層４３との間に、ヤング率が低い応力緩和層４４が介在している。そのため、例えばリフロー工程で２６０℃程度に加熱されたときの磁界誘導層３０と保護層４３との間の熱応力を緩和でき、常温に戻されたときの磁界誘導層３０の残留応力を低減することができる。

図６に示す第２の実施の形態では、磁界誘導層３０と保護層４３との間に、ヤング率が低い応力緩和層４４が介在しているのみならず、磁界誘導層３０と上部絶縁層４２との間にもヤング率が低い応力緩和層４４が介在している。そのため、第１の実施の形態に比べて、さらに磁界誘導層３０と保護層４３との間の応力を緩和でき、磁界誘導層３０の残留応力を低減することができる。

磁界誘導層３０での残留応力を低減させることで、磁界誘導層３０の残留歪みを低減でき、残留歪みにより磁界誘導層３０に生じるバイアス磁界を低減でき、このバイアス磁界が磁気センサ２０に与える影響を低下させることができるようになる。

前記実施の形態では、ヤング率が、磁界誘導層３０のニッケル−鉄合金で１９０Ｇｐａ程度、上部絶縁層４２のアルミナで２２０ＧＰａ程度、保護層４３の窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）で２１０ＧＰａであり、応力緩和層４４の酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）で７４ＧＰａ程度であり、応力緩和層４４のヤング率は、磁界誘導層３０、上部絶縁層４２、保護層４３のそれぞれのヤング率に対して４０％以下となっている。本発明では、さらに３０％以下であることが好ましい。応力緩和層４４は、前記の比率条件を満たし、さらに磁界誘導層３０を構成するニッケル−鉄合金などを腐食させない材料であれば、酸化ケイ素に限られるものではない。例えば、応力緩和層４４は、アルミニウム（ヤング率は７０ＧＰａ程度）、アルミ合金、ニッケル−リン合金（ＮｉＰ）（ヤング率は５０〜８０ＧＰａ程度）などで形成することが可能である。

また、磁界誘導層３０と保護層４３との間に介在する応力緩和層と、磁界誘導層３０と上部絶縁層４２との間に介在する応力緩和層とを、異なる材料で形成することも可能である。

図８ないし図１０は、熱応力のシミュレーション結果を示している。
このシミュレーションでは、磁界誘導層３０の機械的特性は、ヤング率を１９０ＧＰａ、ポアソン比を０．３、熱膨張係数を１．３×１０^−５／℃とした。保護層４３の機械的特性は、ヤング率を２１０ＧＰａ、ポアソン比を０．２８、熱膨張係数を０．２８×１０^−５／℃とした。上部絶縁層４２の機械的特性は、ヤング率を２２０ＧＰａ、ポアソン比を０．２２、熱膨張係数を１．０８×１０^−５／℃とした。応力緩和層４４は、ヤング率を７４ＧＰａ、ポアソン比を０．２８、熱膨張係数を０．０５５×１０^−５／℃とした。

図８は、図５に示す第１の実施の形態のシミュレーション結果、図９は、図６に示す第２の実施の形態のシミュレーション結果、図１０は、図７に示す比較例のシミュレーション結果を示している。図７に示す比較例は、応力緩和層４４が設けられておらず、保護層４３が磁界誘導層３０と上部絶縁層４２に密着している。

図８ないし図１０は、周囲温度を常温から２６０℃まで上昇させたときの各層の内部応力の強さをモノクロ画像で示しており、色が濃いほど応力が大きいことを示している。

図８に示す第１の実施の形態は、図１０に示す比較例よりも磁界誘導層３０の内部応力が低下しており、図９に示す第２の実施の形態では、磁界誘導層３０の内部応力がさらに低下している。

Ｓｚ磁気センサ
１第１の抵抗変化部
２第２の抵抗変化部
３第３の抵抗変化部
４第４の抵抗変化部
２０磁気センサ
３０磁界誘導層
４０基板
４１下部絶縁層
４２上部絶縁層
４３保護層
４４応力緩和層

Claims

磁気センサと、磁気センサを覆う絶縁層と、前記絶縁層の上に形成されて外部磁界を前記磁気センサの感度軸方向へ誘導する軟磁性材料製の磁界誘導層と、前記磁界誘導層を覆う保護層とが設けられた磁界検知装置において、
前記磁界誘導層と前記保護層との間に、前記保護層よりもヤング率の低い応力緩和層が介在していることを特徴とする磁界検知装置。
前記応力緩和層は、前記磁界誘導層と前記絶縁層との間にも形成されており、前記応力緩和層のヤング率が前記絶縁層よりも低い請求項１記載の磁界検知装置。
前記保護層が窒化ケイ素であり、前記応力緩和層が酸化ケイ素で形成されている請求項１または２記載の磁界検知装置。