JP2017511489A - モノシリック３次元磁界センサ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

モノリシック３次元線形磁界センサとその製造方法であって、そのセンサは、同一の基板（１）に集積化されたＸ軸センサ（３）、Ｙ軸センサ（４）及びＺ軸センサ（５）を備え、Ｘ軸センサ（３）及びＹ軸センサ（４）が同一の構造を有する。すなわち、両者とも参照ブリッジ構造のものである。参照アームの磁気抵抗検出素子（１２，１４）は、対応する磁束ガイド（８、９）の下方に配置され、磁気抵抗検出素子（１１、１３）は、対応する磁束ガイド（８，９）の間隙に配置される。しかし、これらの２つのセンサの磁気抵抗素子は、相互に直交するように配列されていて、これらの磁気抵抗素子の固定層の磁化方向が相互に直交する。Ｚ軸センサ（５）は、プッシュ・プルブリッジ構造のものであり、磁気抵抗素子（１５、１６）のプッシュ・アームとプル・アームは、それぞれ、磁束ガイドの端部の上部又は下部に配列されている。モノリシック３次元線形磁界センサの製造方法も開示されている。このセンサは、使いやすく、且つ、ダイナミックレンジが広いという利点を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、磁界センサの技術分野に関するものであり、特に、モノリシック３次元磁界センサとその製造方法に関する。

磁界センサ技術の発達に伴い、磁界センサは、初期の１次元元磁界センサからその後の２次元磁界センサ、更にその後の３次元磁界センサまで開発されてきており、これらが空間内において包括的にＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の３方向の磁界信号を検出できるようになっている。

ＡＭＲ、ＧＭＲ及びＴＭＲといった磁界センサについていえば、磁界の検出方向は、薄膜平面内にあるため、平面内におけるＸ軸及びＹ軸の磁界成分の測定は、２つのセンサを直交させることにより実施することもでき、これにより、ＸＹ２次元磁界テストシステムを実施することができる。しかしながら、Ｚ軸の磁界成分についていえば、解決方法は、独立した１軸の平面磁界センサを２軸平面センサ上に垂直に立てることである。この例は、中国特許出願２０１１１０２５１９０２．９に「３次元磁界センサ」という表題で開示されている３次元磁界センサである。しかし、この方法には、次に述べる欠点がある：
１）Ｘ，Ｙの２軸磁界センサとＺの１軸は、実装される前は、別々の素子であるので、３軸の磁界センサを統合的に製造することができず、従って、製造工程の複雑性が増加する。

２）統合的な製造システムと比較して、組立てることにより製造された３軸磁界センサシステムにおける素子の位置精度が低く、これにより、センサの測定精度が影響される。

３）Ｚの単軸磁界センサの検出方向は、Ｘ、Ｙの２軸磁界センサに垂直であるので、３軸磁界センサのＺ軸方向の寸法が増大してしまう。よって、装置のサイズが増大してしまい、また、包装における困難性も増大してしまう。

もう一つの解決策は、「３軸磁界センサ」という表題のＣＮＵ−２０２５４８３０８に開示されているような、Ｚ方向の磁気信号を検出するための磁界センサユニットを配置するために傾斜を用いることである。

しかしながら、この構造においてセンサ内に傾斜を形成するための角度を制御することは困難であり、傾斜に磁気抵抗薄膜を積層する工程においてシャドウイング効果が発生し易い。従って、磁界センサ素子の性能が落ちてしまう。更には、Ｚ軸方向の磁気信号を計算するためにアルゴリズムが必要となる。

もう一つの解決策は、「三次元デジタルコンパス」という表題の中国特許出願２０１３１０２０２８０１．１に開示されている解決策であり、これにおいては、磁界におかれた磁束凝縮器の歪関数を用いることにより、平面に垂直なＺ軸方向の磁界成分をＸＹ平面の磁界成分に変換する。これにより、Ｚ軸方向における磁気信号の測定を実施する。しかしながら、この構成における磁界センサは、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の３次元における磁気信号を得るためには、ＡＳＩＣチップ又はアルゴリズムを用いた計算を必要とする。

現在において、三次元磁界センサは、主に、基板の基板層をエッチングすることにより
傾斜を形成し、その傾斜に磁気抵抗物質フィルムを積層することを２層分行う方法により製造される。例えば、「三次元磁界センサ」という表題のＣＮＵ−２０２５４８３０８は、ウェーハの基板層をエッチングすることにより２つの傾斜を形成する工程と、その２つの傾斜の各々に磁気抵抗物質フィルムを二重に積層する工程と、アニーリングを二重に行う工程を本質的に備え、これにより、ＸＺ方向の検出ユニットとＹＺ方向に検出ユニットが製造される。ヨーロッパ特許ＥＰ２２６７４７０Ｂ１には、三次元センサを製造する方法が開示されており、これにおいては、傾斜を形成するために基板がエッチングされ、Ｚ軸方向の磁界成分を測定するために検出ユニットがスロープ状に形成される。これらの２つの特許においては、エッチングされた傾斜の程度を制御することは困難であり、また、磁気抵抗物質フィルムをスロープに積層することが困難である。従って、実施困難である。

上記課題を解決するため、本発明は、モノリシック三次元磁界センサとそれを製造するための方法を提供する。

このモノリシック３次元磁界センサは、アルゴリズムの計算を実行することなしに、直接的にＸ、Ｙ及びＺの３方向における磁界信号を出力することができる。更に、この製造方法は、傾斜を形成するため溝を形成する必要がなく、また、この３次元磁界センサは、２重積層により直接的に取得することができる。その２重積層においては、Ｘ軸センサとＹ軸センサは、相互に直交し、また、それらの内部に構成されている磁気抵抗検出素子の固定層の磁化方向も相互に直交する。

モノリシック３次元磁界センサは、
当該基板の内部において集積化されたＸ軸センサ、Ｙ軸センサ及びＺ軸センサであって、その各々がＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の磁界を検出するためのものを備えるＸＹ平面内の基板を備え、
前記Ｘ軸センサ及び前記Ｙ軸センサは、それぞれ、参照ブリッジと少なくとも２つの磁束ガイドを備え；前記参照ブリッジの参照アームと検出アームは、それぞれ、相互に電気的に接続されている１又は２以上の同一の磁気抵抗検出素子を備え、前記参照アーム上の前記磁気抵抗検出素子は、前記磁束ガイドの上方又は下方に配置されていて、また、前記磁束ガイドの長手方向に沿って配列されていることにより参照素子列を形成し、前記検出アーム上の前記磁気抵抗検出素子は、隣接する２つの前記磁束ガイドの間隔で配置され、また、前記磁束ガイドの長手方向に沿って配列されていることにより、検出素子列を形成し、前記参照素子列と前記検出素子列は、互い違いとなっていて、前記参照素子列の各素子は、前記検出素子列の少なくとも１つの素子に隣接していて；前記検出素子列の各素子は、前記参照素子列の少なくとも１つの素子に隣接していて、
前記Ｙ軸センサ内の素子の配列方向は、前記Ｘ軸センサ内の対応する素子の配列方向に対して垂直であり、
前記Ｘ軸センサ内及び前記Ｙ軸センサ内の各隣接する２つの前記磁束ガイドの間隙における磁界の全ての利得係数Ａｓｎｓは、１＜Ａｓｎｓ＜１００の関係を満たし、前記Ｘ軸センサ内及び前記Ｙ軸センサ内の前記磁束ガイドの上方又は下方における磁界の全ての減衰係数Ａｒｅｆは、０＜Ａｒｅｆ＜１の関係を満たし、
前記Ｚ軸センサは、プッシュ・プル・ブリッジと少なくとも１つの磁束ガイドを備え、ここで、前記プッシュ・プル・ブリッジのプッシュ・アームとプル・アームは、互い違いであり、その各々は、電気的に相互に接続された１又は２以上の同一の磁気抵抗検出素子を備え、前記プッシュ・アーム上の磁気抵抗検出素子と前記プル・アーム上の磁気抵抗検出素子は、Ｚ軸センサ内の前記磁束ガイドの長手方向に沿って配置されていて、また、前記Ｚ軸センサ内の前記磁束ガイドの底部又は頂部において２系列をなしてそれぞれ配置されていて、
前記Ｘ軸センサ及び前記Ｙ軸センサの前記磁気抵抗検出素子の固定層は、異なった材質により成り、前記固定層の磁化方向は、相互に垂直であり、前記Ｚ軸センサと前記Ｘ軸センサの固定層の磁化方向は同一であり、外部磁界が存在しないときには、全ての前記磁気抵抗検出素子の無磁化層の磁化方向は、前記固定層の磁化方向に対して垂直であり、
Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸は、どの２つの組合せをとっても相互に直交するものである。

好ましくは、磁気抵抗検出素子は、ＧＭＲスピン・バルブ素子又はＴＭＲ検出素子である。

好ましくは、磁束ガイドは、矩形ストリップの配列であり、磁気抵抗検出素子の固定層の磁化方向に対して垂直な方向に沿った、その長さは、磁気抵抗検出素子の固定層の磁化方向に沿った、その長さよりも長く、磁束ガイドは、柔強磁性の合金より成る。

好ましくは、Ｘ軸センサ及びＹ軸センサの検出アーム及び参照アームの各々における磁気抵抗検出素子の数は、相互に同一である。

好ましくは、固定層の磁化方向に対して垂直な方向に沿った磁気抵抗検出素子の長さは、固定層の磁化方向に沿った磁気抵抗検出素子の長さよりも長い。

好ましくは、Ｚ軸センサの隣接する２つの隣接する前記磁束ガイドの間隙Ｓは、前記Ｚ軸センサの前記磁束ガイドの３方向の寸法の最小値よりも狭くない。

好ましくは、外部磁界がないときには、前記磁気抵抗検出素子は、無磁化層の磁化方向が、永久磁石バイアス、二重交換相互作用、形状異方性又はこれらの何れかの組合せによる、固定層の磁化方向に対して垂直になることを達成する。

好ましくは、参照ブリッジ及びプッシュ・プルブリッジは、共に、ハーフ・ブリッジ、フル・ブリッジ又は擬似ブリッジ構造のものである。

好ましくは、基板は、その上に置かれるＡＳＩＣチップと集積化され、又は、基板は、別個のＡＳＩＣチップと電気的に接続される。

好ましくは、当該モノリシック３次元磁界センサが、少なくとも３つの結合パッドを備え、又は、前記Ｘ軸センサ、前記Ｙ軸センサ及び前記Ｚ軸センサの各々が少なくとも３つの貫通シリコン・ビアスを持つ。

本発明は、モノリシック３次元線形磁界センサの製造方法であって、
（１）半導体ウエーハ上に第１の磁気抵抗物質フィルムの積層物であって、その固定層として阻害温度ＴＢ１の反強磁性層が用いられ、Ｘ軸センサとＺ軸センサを構築するために用いられる第１の磁気抵抗物質フィルムの積層物を堆積させ、前記第１の磁気抵抗物質フィルムの積層物の磁化方向を設定する工程、又は、半導体ウエーハ上に同様な第１の磁気抵抗物質フィルムの積層物を堆積させ、アニーリングにより前記第１の磁気抵抗物質フィルムの積層物の磁化方向を設定する工程と、
（２）前記半導体ウエーハ上の幾つかの領域を選択し、選択された領域において前記第１の磁気抵抗物質フィルムの積層物を除去する工程と、
（３）前記半導体ウエーハ上に第２の磁気抵抗物質フィルムであって、その固定層として阻害温度ＴＢ２（但し、ＴＢ１＞ＴＢ２）の反強磁性層が用いられ、Ｙ軸センサを構築するために用いられる第２の磁気抵抗物質フィルムを堆積し、前記Ｘ軸センサと前記Ｚ軸センサの前記固定層の磁化方向に平行な方向の外部磁界とＴＢ１よりも高い温度で第１の高温アニーリングを実施し、温度をＴＢ１からＴＢ２の間まで下げ、前記外部磁界の方向
がＹ軸センサの固定層の磁化方向と同一になるように外部磁界を回転させ、室温まで温度を下げ、前記外部磁界をゼロ磁界になるまで下げる工程と、
（４）前記第１の磁気抵抗物質フィルムと前記第２の磁気抵抗物質フィルムをマスクで覆い、前記第２の磁気抵抗物質フィルムの積層物の前記第１の磁気抵抗物質フィルムの積層物と重複している部分を除去する工程と、
（５）底部電極を構築し、該構築の前に又は後で、同一の構造形成工程で前記Ｘ軸センサ、前記Ｙ軸センサ及び前記Ｚ軸センサ内に磁気抵抗検出素子を構築する工程と、
（６）前記磁気抵抗検出素子の上に絶縁層Ｉを積層し、リフト・オフ・プロセスを有する自動整列技術又はフォトリソグラフィ・プロセス又はエッチング・プロセスを用いて前記絶縁層Ｉを通して前記磁気抵抗検出素子の頂部において下方に向かって穴を空けることにより、前記絶縁層Ｉを介して前記磁気抵抗検出素子の頂部に接触穴を形成する工程と、
（７）前記磁気抵抗検出素子の上面層に電気的に接続された上面導電層を堆積し、パターニング処理により上面電極を形成し、素子間配線をする工程と、
（８）絶縁層ＩＩを堆積する工程、又は、絶縁層ＩＩＩを堆積し、前記絶縁層ＩＩＩの上に導電層を堆積することにより電磁コイル層を構築し、前記電磁コイル層の上面に絶縁層ＩＶを堆積する工程と、
（９）前記絶縁層ＩＩ又は絶縁層ＩＶの上に複数の磁束ガイドを同一の軟強磁性物質を用いて同時に形成する工程と、
（１０）全ての前記磁束ガイドの上方に保護層を堆積し、前記保護層をエッチングし、前記上面導電体と前記底面電極に対応する位置にビアスを空け、センサ・チップに接続される結合パッドを形成する工程；又は、
全ての前記磁束ガイドの上方に保護層を堆積し、前記保護層をエッチングし、前記上面電極と前記底面電極に対応する位置にビアスを空け、センサチップに接続される結合用パッドを形成し、前記結合用パッド頂部に導電性金属をスパッタ蒸着又は電気めっきする工程と、
を有することを特徴とするモノリシック３次元線形磁界センサの製造方法を提供する。

好ましくは、半導体ウエーハは、集積回路がドープされているシリコン・ウエーハ、化学的機械的研磨されるシリコン・ウエーハ、又は、保護膜が被さった平坦な表面を持つブランク・シリコン・ウエーハである。

本発明の実施例におけるこの技術における技術的解決をより明確に記述するために、実施例においてこの技術で用いられる必要がある添付図面を簡単に説明する。明らかに、以下に続く添付図面は、本発明の単なる例示に過ぎず、当業者は、いかなる創造的な作業をしなくても添付図面に従って更なる添付図面を得ることができる。

本発明によるモノリシック３次元磁界センサの模式的構造図である。 本発明によるモノリシック３次元磁界センサのデジタル信号処理回路の模式図である。 Ｘ軸センサ及びＹ軸センサの模式的構造図である。 Ｘ軸センサ内の磁気抵抗素子周辺の磁界分布の図である。 Ｘ軸センサ内のＭＴＪ素子の位置と検出された磁界の強度の関係曲線の図である。 Ｘ軸センサの反応曲線の図である。 Ｘ軸センサの模式的回路図である。 Ｚ軸センサの模式的構造図である。 Ｚ方向の磁界におけるＺ軸センサの磁束ガイド周辺における磁界分布の図である。 Ｚ軸センサの模式的回路図である。 Ｘ方向磁界内におけるＺ軸センサの磁束ガイド周辺における磁界分布の図である。 Ｙ軸方向磁界内におけるＺ軸センサの磁束ガイド周辺における磁界分布の模式図である。 Ｚ軸センサの反応曲線である。 本発明におけるモノリシック３次元磁界センサの製造方法の模式的フローチャートである。 ウエーハの二重堆積後のＸ軸センサ、Ｙ軸センサ及びＺ軸センサ上の固定層の磁化方向の模式図である。 製造されたモノリシック３次元磁界センサの模式的断面図である。 ウエーハ切断工程の前におけるウエーハ上の３次元磁界センサの構造的配置の模式図である。

以下、添付図面を参照し、また、実施例を交えて、本発明を詳細に説明する。

図１は、本発明によるモノリシック３次元磁界センサのＸＹ平面の模式的構造図である。

このセンサは、基板１を備える。当該基板１においては、Ｘ軸センサ３、Ｙ軸センサ４、Ｚ軸センサ５及び複数の入出力用の結合パッド２が集約されており、また、Ｘ軸センサ３とＹ軸センサ４は、同一の構造を有するが、配置方向が異なり、相互に直交する。

図１において、Ｘ軸センサ３の要素は、長手方向に配置されていて、Ｙ軸センサ４の要素は、横方向に配置されているが、Ｘ軸センサ３の要素が、横方向に配置されていて、Ｙ軸センサ４の要素が、長手方向に配置されていてもよい。

Ｘ軸センサ３は、複数の検出素子列１１、複数の参照素子列１２及び複数のＸ磁束ガイド８を備え、Ｙ軸センサ４は、複数の検出素子列１３、複数の参照素子列１４及び複数のＹ磁束ガイド９を備える。ここで、複数の参照素子列１２、１４の各々は、それぞれ、Ｘ磁束ガイド８の下、Ｙ磁束ガイド９の下に配置される。また、検出素子列１１、１３は、それぞれ、２つの隣接したＸ磁束ガイド８の間、２つの隣接したＹ磁束ガイド９の間に配置される。更に、検出素子列１１、１３及び参照素子列１２、１４は、それぞれ、１又は２以上の同一の磁気抵抗検出素子を電気的に接続することにより形成される。

Ｚ軸センサ５は、Ｚ磁束ガイド１０及び磁気抵抗検出素子１５、１６を備える。ここで
、磁気抵抗検出素子１５、１６は、それぞれ、列状に電気的に接続されていて、Ｚ磁束ガイド１０の底部において２系列をなして配置されている。

更に、参照素子列１２、１４を形成している磁気抵抗検出素子は、それぞれ、Ｘ磁束ガイド８の上方、Ｙ磁束ガイド９の上方に配置されていてもよく、この点からみると、Ｚ軸センサ内の磁気抵抗検出素子１５、１６は、Ｚ磁束ガイド１０の頂部において２系列をなして配置されていてもよい。

全ての磁気抵抗検出素子は、ＧＭＲスピンバルブ又はＴＭＲ検出素子であり、また、これらは、正方形、菱形又は楕円形に形成されていてもよいし、他の形状に形成されていてもよい。Ｘ軸センサ３の磁気抵抗検出素子の固定層の磁化方向６と、Ｚ軸センサ５の磁気抵抗検出素子の固定層の磁化方向６は、同一であり、共に、Ｘ軸に沿っているが、Ｘ軸センサ３の磁気抵抗検出素子の固定層の磁化方向６と、Ｙ軸センサ４の磁気抵抗検出素子の固定層の磁化方向７は、相互に直交する。外部磁界が無いときは、磁気抵抗検出素子は、永久磁化バイアス、二重交換相互作用若しくは形状的な異方性又はこれらの組合せにより、固定層の磁化方向に対して直交する無磁化層の磁化方向を達成する。全ての磁束ガイドは、それぞれ、矩形ストリップの配列であり、磁気抵抗検出素子の固定層の磁化方向に対して垂直な方向に沿ったその長さは、磁気抵抗検出素子の固定層の磁化方向に沿ったその長さよりも長く、全ての磁束ガイドは、柔強磁性の合金より成る。ここで、合金は、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｓｉ、Ｂ、Ｎｉ、Ｚｒ又はＡｌのうちの１又は２以上の要素を含んでいてもよいし、そうでなくてもよい。基板１は、ＡＳＩＣを備えていてもよいし、追加された別個のＡＳＩＣに電気的に接続されていてもよいが、ＡＳＩＣは、図面には示されていない。この例においては、モノリシック３次元線形磁界センサは、結合パッドのワイヤ結合を用いることにより、パッケージ化されているが、貫通シリコン・ビアス、フリップ・チップ、ボール・グリッド・アレイ（ＢＧＡ）、ウエハー・レベル・パッケージ（ＷＬＰ）及びチップ・オン・ボード（ＣＯＢ）のような技術を用いることにより、パッケージ化されてもよい。

図２は、モノリシック３次元線形磁界センサのデジタル信号処理回路の模式図である。Ｘ軸センサ３、Ｙ軸センサ４及びＺ軸センサ５により検出される磁気信号は、デジタル信号処理回路５０内のＡＤＣ４１を用いることによりアナログからデジタルに変換され、変換後のデジタル信号は、データ・プロセッサ４２に送信され、そこで処理された信号は、Ｉ／Ｏにより外部に出力される。これにより、外部磁界の測定が実施される。デジタル信号処理回路５０は、基板１、他のアナログＡＳＩＣチップ、基板１に電気的に接続されたＡＳＩＣチップに載置されてもよい。

図３は、図１に示すＸ軸センサの模式的構造図である。Ｘ軸センサは、参照完全ブリッジ構成のものであり、参照アーム、検出アームを備える。参照アームは、Ｘ磁束ガイドの下に配置された複数の参照素子列１２を備え、検出アームは、Ｘ磁束ガイドのギャップ９に配置された複数の検出素子列１１を備える。検出素子列１１と参照素子列１２は、両者間で互い違いに、そして、それぞれが、Ｘ磁束ガイドの長軸方向に沿って配置される。ここで、参照素子列１２の各素子は、少なくとも１つの検出素子列１１に隣接していて、検出素子列１１の各素子は、少なくとも１つの参照素子列１２にしている。検出素子列１１の各素子は、参照素子列１２のうちの隣接する１つの素子から間隔Ｌだけ離間している。ここで、間隔Ｌは、非常に狭く、好ましくは２０乃至１００ミクロンである。検出アーム、参照アーム及び結合パッド１７乃至２０は、電気的結合導体２１により接続されていてもよい。結合パッド１７乃至２０は、それぞれ、入力端部Ｖ_ｂｉａｓ、接地端部ＧＮＤ及び出力端部Ｖ１、Ｖ２として用いられ、図１における左端の４つの結合パッドに対応する。

図４は、図３における検出素子群１１と参照素子群１２の周辺の磁界分布を示す。Ｘ磁束ガイド８のギャップにおいて検出素子群１１により検出される磁界強度が増加していることと、Ｘ磁束ガイド８の下方に配置される参照素子群１２により検出される磁界強度が減少していることとが図面よりがわかり、従って、Ｘ磁束ガイド８が、磁界を減衰させる役割を務めていることは明白である。

図５は、図３における検出素子列１１及び参照素子列１２の位置と、検出された磁界強度の関係曲線である。ここで、Ｂ_ｓｎｓ３４は、検出素子列１１により検出された磁界強度を示し、Ｂ_ｒｅｆ３５は、参照素子列１２により検出された磁界強度を示し、外部磁界強度Ｂ_ｅｘｔは、１００Ｇである。この図面より、Ｂ_ｓｎｓは１６０Ｇであり、Ｂ_ｒｅｆは２５Ｇであることを得ることができる。対応する増幅係数Ａ_ｓｎｓの大きさと、対応する減衰係数Ａ_ｒｅｆの大きさは、次の式（１）、（２）により得ることができる。

図６は、図３におけるＸ軸センサの出力電圧と外部磁界の関係曲線である。Ｘ軸センサは、Ｘ軸方向の磁界成分のみを検出することができ、出力電圧Ｖｘ３６は、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の磁界成分には反応しないこと、電圧Ｖｙ３７、Ｖｚ３８は共にゼロであること、Ｖｘ３６は、原点０に関して対称であることが図面よりわかる。

図７は、図３のＸ軸センサの回路図である。この図面において、２つの検出アーム５２、５２’と２つの参照アーム５３、５３’が、完全ブリッジを形成するように間隔をおいて接続されていることがわかり、完全ブリッジの出力電圧は、下式の通りである。

従って、Ｘ軸センサの感度は、次のように表せる。

非常に弱い磁界に対しては、つまり、磁界強度Ｂが非常に小さければ、上記の式（４）を、次の近似式で表すことができる。

Ｙ軸センサ４は、Ｘ軸センサ３と同一の構造のものであり、従って、これの動作原理、周辺磁界分布、反応曲線は、全て、Ｘ軸センサ３のものと同一であるので重複する説明を省略する。

図８は、Ｚ軸センサの模式的構造図である。Ｚ軸センサは、プッシュ・プル完全ブリッジ構造のものである。Ｚ軸センサは、複数の磁気抵抗検出素子１５、１６、複数のＺ磁束ガイド１０、電気的接続導体２７及び結合パッド２８乃至３１を備える。ここで、結合パッド２８乃至３１は、それぞれ、電源供給端部Ｖ_Ｂｉａｓ、接地端部ＧＮＤ及び電圧出力端部Ｖ＋、Ｖ−として用いられ、図１に示す結合パッド２における右端の４つの結合パッドに対応する。全ての磁気抵抗検出素子１５は、完全ブリッジのプッシュ・アームを形成するために電気的に相互に接続されていて、全ての磁気抵抗検出素子１６は、完全ブリッジのプル・アームを形成するために電気的に相互に接続されている。プッシュ・アームは、プル・アームから離間するように配列されていて、プッシュ・アーム、プル・アーム及び結合パッド２８乃至３１は、プッシュ・プル完全ブリッジを形成するために電気的結合導体２７を介して接続されている。磁気抵抗検出素子１５、１６は、Ｚ磁束ガイド１０の長さ方向に沿って配列されている。図８において、磁気抵抗検出素子１５、１６は、列をなしているＺ磁束ガイド１０の底面において２系列に配列されている。プッシュ・アーム磁気抵抗検出素子１５の列と、プル・アーム磁気抵抗検出素子１６の列は、各Ｚ磁束ガイド１０（最上端、最下端及び中央のものを除く。）の底部において２系列をなして配列されていて、もしも必要ならば、磁気抵抗検出素子１５、１６は、３つのＺ磁束ガイド１０の下方に配列されてもよい。

図９は、Ｚ軸方向の外部磁界１０６下におけるＺ軸センサの磁場分布図である。図における磁力線の分布より、外部磁界がＺ磁束ガイド１０の近傍で歪んでいることがわかる。従って、Ｘ軸方向の磁界成分が生成され、Ｚ磁束ガイド１０の下方にある磁気抵抗素子１５、１６が丁度この成分を検出することができるが、これらの素子により検出される磁界成分の方向１０７、１０８が相互に反対方向であることがわかる。与えられた外部磁界の強度は、検出されたＸ軸磁界成分から知ることができる。

図１０は、Ｚ軸センサの模式的回路図である。幾つかの磁気抵抗検出素子１５は、等価磁気抵抗素子Ｒ２、Ｒ２’を形成するために電気的に接続されている。また、幾つかの磁気抵抗検出素子１６は、等価磁気抵抗素子Ｒ３、Ｒ３’を形成するために電気的に接続されている。そして、これらの４つの磁気抵抗素子は、完全ブリッジを形成するため接続されている。Ｚ軸方向の外部磁界が与えられた時には、変化状況が磁気抵抗素子Ｒ２、Ｒ２’と磁気抵抗素子Ｒ３、Ｒ３’間では、相互に反対であり、従って、プッシュ・プル出力を形成する。一般的に、Ｒ２’＝Ｒ２、Ｒ３’＝Ｒ３である。図１０より、この回路の出力電圧は、次の通りである。

この式における感度は、次の通りである。

図１１は、Ｘ軸方向の外部磁界１００下におけるＺ軸センサ近傍における磁界分布図である。この図より、磁気抵抗検出素子１５により検出される磁界と磁気抵抗検出素子１６により検出される磁界が同じであることがわかる。従って、変化状況が磁気抵抗素子Ｒ２、Ｒ２’と磁気抵抗素子Ｒ３、Ｒ３’間では、同一であり、従って、プッシュ・プル出力が形成されず、センサは反応しないことになる。

図１２は、Ｙ軸方向の外部磁界１０１下におけるＺ軸センサの磁界分布図である。この図より、Ｚ磁束ガイド１０がＹ軸方向の外部磁界を完全に遮蔽するため、磁気抵抗素子１５、１６がＹ軸方向の磁界に反応しない。

図１３は、Ｚ軸センサの出力電圧と外部磁界の関係曲線である。この図より、Ｚ軸センサがＺ軸方向の磁界成分のみを検出することができることと、出力電圧Ｖｚ３８がＸ軸方向とＹ軸方向の磁界成分には反応しないことと、電圧Ｖｘ３６、Ｖｙ３７が共にゼロであることと、電圧Ｖｚ３８が原点０について対称であることがわかる。

上記は、Ｘ軸センサ、Ｙ軸センサ及びＺ軸センサのブリッジが完全ブリッジであるときの状況を説明したものである。半ブリッジと擬似ブリッジについては、動作原理がこれと同一であるので、重複する説明を省略する。上記で得られた結論は、半ブリッジ構造と擬似ブリッジ構造におけるモノリシック３軸線形磁界センサにも適用できる。

図１４は、本発明によるモノリシック３次元磁界センサの製造工程流れ図である。センサの製造方法は、次の工程を有する。

（１）半導体ウエーハ上にＸ軸センサ及びＹ軸センサとして用いられることになる第１の磁気抵抗物質フィルムの積層物を堆積させた上で、好ましくは、磁界内での高温アニーリングによる固定層の磁化方向を設定するような関連したプロセスを用いることにより、前記第１の磁気抵抗物質フィルムの積層物の磁化方向を設定する工程；
（２）半導体ウエーハ上の領域を選択し、選択された領域において前記第１の磁気抵抗物質フィルムの積層物を、フォトリソグラフィ、イオン・エッチング又はその他の技術を利用して除去し、Ｙ軸センサを構成するために用いられることになる第２の磁気抵抗物質フィルムの積層物を堆積する工程；
（３）第１の磁気抵抗物質フィルムの積層物の領域に堆積している第２の磁気抵抗物質フィルムの積層物を除去して、第２の磁気抵抗物質フィルムの積層物の固定層の磁化方向が、第１の磁気抵抗物質フィルムの積層物の固定層の磁化方向に対して垂直になるように設定するためにアニールを２回実施する工程；
二重の積層の後に、ウエーハ上のセンサの固定層の磁化方向は、図１５に示すようになる。ここで、Ｘ軸センサとＹ軸センサの固定層の磁化方向は、符号６に示す通りであり、Ｙ軸センサの固定層の磁化方向は、符号７に示す通りである。

（４）マスキングを実行して、第２の磁気抵抗物質フィルムの積層物の、第１の磁気抵抗物質フィルムの積層物との重複部分を除去し、好ましくは、リフト・オフ・プロセスを用いることにより、第２の磁気抵抗物質フィルムの積層物の当該重複部分を除去する。

（５）底面電極を形成し、同一のフォトリソグラフィと除去パターニングステップでＸ軸センサ、Ｙ軸センサ及びＺ軸センサの磁気抵抗検出素子のパターンを形成する。ここで、除去パターニングステップは、ウェットエッチング、イオンエッチング及び反応的イオンエッチングのような方法を有する。

（６）上面導電層を積層し、フォトリソグラフィと除去パターニングにより上面の電極を形成し、素子間配線をする。

（７）絶縁層を積層し、絶縁層の上方にＸ磁束ガイド、Ｙ磁束ガイド及びＺ磁束ガイドを、同一の軟強磁性物質を用いて、同時に電気めっきし、もしも必要ならば、絶縁層の上に導電層を積層して電磁コイル層を形成し、コイル層の上にもう一つの絶縁層を積層し、そして、Ｘ磁束ガイド、Ｙ磁束ガイド及びＺ磁束ガイドを電気めっきする。

（８）全てのＸ磁束ガイド、Ｙ磁束ガイド及びＺ磁束ガイドの上方を保護層で覆い、保護層をエッチングして、上面電極と底面電極に対応する位置にビアスを空け、外部と接続された結合パッドを形成する。コイル層があるときは、センサ・チップに接続された結合パッドを形成するために、ビアスは、上面電極と下面電極に対応する位置にある保護層とコイル層に空けられていてもよい。好ましくは、導体金属は、結合パッドの上面において、更にスパッタされ、又は、電気メッキされてもよい。

上記の工程が実行された後の単一のモノリシック３軸センサを、図１６の模式的断面図に示す。図１７は、ウエーハ上の全ての３軸センサの模式図である。

上記の工程におけるウエーハは、集積回路のあるシリコン・ウエーハ、化学的機械的研磨されるシリコン・ウエーハ、又は、保護膜が被さった平坦な表面を持つブランク・シリコン・ウエーハであり、また、ウエーハは、コイルを備えていてもよい。更に、第１の磁気抵抗物質フィルムの積層物内の固定層上の反強磁性層は、第２の磁気抵抗物質フィルムの積層物内の固定層上の反強磁性層とは異なる。第１の磁気抵抗物質フィルムの積層物の構成は、PtMn/SAF/tunnel barrier/free layer/IrMnであり、第２の磁気抵抗物質フィルムの積層物の構成は、IrMn/SAF/tunnel barrier/free layer/PtMnであり、これらの２つの積層物は、また、相互交換することができる。PtMnの阻害温度ＴＢ１は、IrMnの阻害温度ＴＢ２よりも高く、このようにして、Ｘ軸センサとＹ軸センサを構成するために用いられるフィルムは、同一の工程でアニールされてもよく、バイアス層と固定層の磁化方向は、同時に交差していてもよい。工程（２）で実行される二重のアニーリングとは、ＴＢ１
よりも高い高温及びＸ軸に沿った磁界の下で第１のアニーリングを実行し、それから、ＴＢ１からＴＢ２までの低温及びウエーハにかけられる磁界方向が、第１のアニーリングの高温磁界の方向に対して直交するような磁界の下でアニーリングを実行することである。

上記の説明は、本発明の単なる好適な例のものであり、本発明を限定することを意図したものではない。当業者にとってみれば、本発明は、様々な変形と変更を有する。本発明の精神と原理から離れることのない、如何なる変形、等価置換、改良等も、本発明の保護範囲に入るものである。

Claims (12)

1. モノリシック３次元磁界センサであって、
   当該基板の内部において集積化されたＸ軸センサ、Ｙ軸センサ及びＺ軸センサであって、その各々がＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の磁界を検出するためのものを備えるＸＹ平面内の基板を備え、
   前記Ｘ軸センサ及び前記Ｙ軸センサは、それぞれ、参照ブリッジと少なくとも２つの磁束ガイドを備え；前記参照ブリッジの参照アームと検出アームは、それぞれ、相互に電気的に接続されている１又は２以上の同一の磁気抵抗検出素子を備え、前記参照アーム上の前記磁気抵抗検出素子は、前記磁束ガイドの上方又は下方に配置されていて、また、前記磁束ガイドの長手方向に沿って配列されていることにより参照素子列を形成し、前記検出アーム上の前記磁気抵抗検出素子は、隣接する２つの前記磁束ガイドの間隔で配置され、また、前記磁束ガイドの長手方向に沿って配列されていることにより、検出素子列を形成し、前記参照素子列と前記検出素子列は、互い違いとなっていて；前記参照素子列の各素子は、前記検出素子列の少なくとも１つの素子に隣接していて、前記検出素子列の各素子は、前記参照素子列の少なくとも１つの素子に隣接していて、
   前記Ｙ軸センサ内の素子の配列方向は、前記Ｘ軸センサ内の対応する素子の配列方向に対して垂直であり、
   前記Ｘ軸センサ内及び前記Ｙ軸センサ内の各隣接する２つの前記磁束ガイドの間隙における磁界の全ての利得係数Ａｓｎｓは、１＜Ａｓｎｓ＜１００の関係を満たし、前記Ｘ軸センサ内及び前記Ｙ軸センサ内の前記磁束ガイドの上方又は下方における磁界の全ての減衰係数Ａｒｅｆは、０＜Ａｒｅｆ＜１の関係を満たし、
   前記Ｚ軸センサは、プッシュ・プル・ブリッジと少なくとも１つの磁束ガイドを備え、ここで、前記プッシュ・プル・ブリッジのプッシュ・アームとプル・アームは、互い違いであり、その各々は、電気的に相互に接続された１又は２以上の同一の磁気抵抗検出素子を備え、前記プッシュ・アーム上の磁気抵抗検出素子と前記プル・アーム上の磁気抵抗検出素子は、Ｚ軸センサ内の前記磁束ガイドの長手方向に沿って配置されていて、また、前記Ｚ軸センサ内の前記磁束ガイドの底部又は頂部において２系列をなしてそれぞれ配置されていて、
   前記Ｘ軸センサ及び前記Ｙ軸センサの前記磁気抵抗検出素子の固定層は、異なった材質により成り、前記固定層の磁化方向は、相互に垂直であり、前記Ｚ軸センサと前記Ｘ軸センサの固定層の磁化方向は同一であり、外部磁界が存在しないときには、全ての前記磁気抵抗検出素子の無磁化層の磁化方向は、前記固定層の磁化方向に対して垂直であり、
   Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸は、どの２つの組合せをとっても相互に直交することを特徴とするモノリシック３次元磁界センサ。
2. 請求項１に記載のモノリシック３次元磁界センサであって、
   前記磁気抵抗検出素子は、ＧＭＲスピン・バルブ素子又はＴＭＲ検出素子であることを特徴とするモノリシック３次元磁界センサ。
3. 請求項１に記載のモノリシック３次元磁界センサであって、
   前記磁束ガイドは、矩形ストリップの配列であり、磁気抵抗検出素子の固定層の磁化方向に対して垂直な方向に沿ったその長さは、前記磁気抵抗検出素子の固定層の磁化方向に沿ったその長さよりも長く、前記磁束ガイドは、柔強磁性の合金より成ることを特徴とするモノリシック３次元磁界センサ。
4. 請求項１乃至３の何れか１項に記載のモノリシック３次元磁界センサであって、
   前記Ｘ軸センサ及び前記Ｙ軸センサの前記検出アーム及び前記参照アームの各々における磁気抵抗検出素子の数は、相互に同一であることを特徴とするモノリシック３次元磁界センサ。
5. 請求項１乃至３の何れか１項に記載のモノリシック３次元磁界センサであって、
   前記固定層の磁化方向に対して垂直な方向に沿った前記磁気抵抗検出素子の長さは、前記固定層の磁化方向に沿った前記磁気抵抗検出素子の長さよりも長いことを特徴とするモノリシック３次元磁界センサ。
6. 請求項１乃至３の何れか１項に記載のモノリシック３次元磁界センサであって、
   Ｚ軸センサの隣接する２つの隣接する前記磁束ガイドの間隙Ｓは、前記Ｚ軸センサの前記磁束ガイドの３方向の寸法の最小値よりも狭くないことを特徴とするモノリシック３次元磁界センサ。
7. 請求項１乃至３の何れか１項に記載のモノリシック３次元磁界センサであって、
   外部磁界がないときには、前記磁気抵抗検出素子は、無磁化層の磁化方向が、永久磁石バイアス、二重交換相互作用、形状異方性又はこれらの何れかの組合せによる、固定層の磁化方向に対して垂直になることを達成することを特徴とするモノリシック３次元磁界センサ。
8. 請求項１乃至３の何れか１項に記載のモノリシック３次元磁界センサであって、
   前記参照ブリッジ及び前記プッシュ・プルブリッジは、共に、ハーフ・ブリッジ、フル・ブリッジ又は擬似ブリッジ構造のものであることを特徴とするモノリシック３次元磁界センサ。
9. 請求項１乃至３の何れか１項に記載のモノリシック３次元磁界センサであって、
   基板は、その上に置かれるＡＳＩＣチップと集積化され、又は、基板は、別個のＡＳＩＣチップと電気的に接続されることを特徴とするモノリシック３次元磁界センサ。
10. 請求項１乃至３の何れか１項に記載のモノリシック３次元磁界センサであって、
    当該モノリシック３次元磁界センサが、少なくとも３つの結合パッドを備え、又は、前記Ｘ軸センサ、前記Ｙ軸センサ及び前記Ｚ軸センサの各々が少なくとも３つの貫通シリコン・ビアスを更に備えることを特徴とするモノリシック３次元磁界センサ。
11. モノリシック３次元線形磁界センサの製造方法であって、
    （１）半導体ウエーハ上に第１の磁気抵抗物質フィルムの積層物であって、その固定層として阻害温度ＴＢ１の反強磁性層が用いられ、Ｘ軸センサとＺ軸センサを構築するために用いられる第１の磁気抵抗物質フィルムの積層物を堆積させ、前記第１の磁気抵抗物質フィルムの積層物の磁化方向を設定する工程、又は、半導体ウエーハ上に同様な第１の磁気抵抗物質フィルムの積層物を堆積させ、アニーリングにより前記第１の磁気抵抗物質フィルムの積層物の磁化方向を設定する工程と、
    （２）前記半導体ウエーハ上の幾つかの領域を選択し、選択された領域において前記第１の磁気抵抗物質フィルムの積層物を除去する工程と、
    （３）前記半導体ウエーハ上に第２の磁気抵抗物質フィルムであって、その固定層として阻害温度ＴＢ２（但し、ＴＢ１＞ＴＢ２）の反強磁性層が用いられ、Ｙ軸センサを構築するために用いられる第２の磁気抵抗物質フィルムを堆積し、前記Ｘ軸センサと前記Ｚ軸センサの前記固定層の磁化方向に平行な方向の外部磁界とＴＢ１よりも高い温度で第１の高温アニーリングを実施し、温度をＴＢ１からＴＢ２の間まで下げ、前記外部磁界の方向がＹ軸センサの固定層の磁化方向と同一になるように外部磁界を回転させ、室温まで温度を下げ、前記外部磁界をゼロ磁界になるまで下げる工程と、
    （４）前記第１の磁気抵抗物質フィルムと前記第２の磁気抵抗物質フィルムをマスクで覆い、前記第２の磁気抵抗物質フィルムの積層物の前記第１の磁気抵抗物質フィルムの積層物と重複している部分を除去する工程と、
    （５）底部電極を構築し、該構築の前に又は後で、同一の構造形成工程で前記Ｘ軸センサ、前記Ｙ軸センサ及び前記Ｚ軸センサ内に磁気抵抗検出素子を構築する工程と、
    （６）前記磁気抵抗検出素子の上に絶縁層Ｉを積層し、リフト・オフ・プロセスを有する自動整列技術又はフォトリソグラフィ・プロセス又はエッチング・プロセスを用いて前記絶縁層Ｉを通して前記磁気抵抗検出素子の頂部において下方に向かって穴を空けることにより、前記絶縁層Ｉを介して前記磁気抵抗検出素子の頂部に接触穴を形成する工程と、
    （７）前記磁気抵抗検出素子の上面層に電気的に接続された上面導電層を堆積し、パターニング処理により上面電極を形成し、素子間配線をする工程と、
    （ ８）絶縁層ＩＩを堆積する工程、又は、絶縁層ＩＩＩを堆積し、前記絶縁層ＩＩＩの上に導電層を堆積することにより電磁コイル層を構築し、前記電磁コイル層の上面に絶縁層ＩＶを堆積する工程と、
    （９）前記絶縁層ＩＩ又は絶縁層ＩＶの上に複数の磁束ガイドを同一の軟強磁性物質を用いて同時に形成する工程と、
    （１０）全ての前記磁束ガイドの上方に保護層を堆積し、前記保護層をエッチングし、前記上面導電体と前記底面電極に対応する位置にビアスを空け、センサ・チップに接続される結合パッドを形成する工程；又は、
    全ての前記磁束ガイドの上方に保護層を堆積し、前記保護層をエッチングし、前記上面電極と前記底面電極に対応する位置にビアスを空け、センサチップに接続される結合用パッドを形成し、前記結合用パッド頂部に導電性金属をスパッタ蒸着又は電気めっきする工程と、
    を有することを特徴とするモノリシック３次元線形磁界センサの製造方法。
12. 請求項１１に記載のノリシック３次元線形磁界センサの製造方法であって、
    前記半導体ウエーハは、集積回路がドープされているシリコン・ウエーハ、化学的機械的研磨されるシリコン・ウエーハ、又は、保護膜が被さった平坦な表面を持つブランク・シリコン・ウエーハであることを特徴とするモノリシック３次元線形磁界センサの製造方法。

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