JP2017534855A - シングルチップ型差動自由層プッシュプル磁界センサブリッジおよび製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
X−Y平面上の基板と、
スタガード状に配列される、X軸およびY軸に平行な側面を有する複数の軟磁性フラックスコンセントレータを有するスタガード型軟磁性フラックスコンセントレータアレイと、前記軟磁性フラックスコンセントレータの4つの隅を左上の位置から時計回りに順番にA、B、CおよびDと称する、
前記軟磁性フラックスコンセントレータの複数の間隙それぞれに配置される複数の磁気抵抗センシングユニットを有する、前記基板上の磁気抵抗センシングユニットアレイとを具備し、
前記磁気抵抗センシングユニットのうち、前記軟磁性フラックスコンセントレータの隅Aおよび隅Cに近傍の磁気抵抗センシングユニットは、プッシュ型磁気抵抗センシングユニットであり、
前記磁気抵抗センシングユニットのうち、前記軟磁性フラックスコンセントレータの隅Bおよび隅Dに近傍の磁気抵抗センシングユニットは、プル型磁気抵抗センシングユニットであり、
前記全てのプッシュ型磁気抵抗センシングユニットは、1以上のプッシュアームに電気的に相互接続され、
前記全てのプル型磁気抵抗センシングユニットは、1以上のプルアームに電気的に相互接続され、
前記全てのプッシュアームと前記全てのプルアームは電気的に相互接続され、プッシュプルセンサブリッジを構成する。
外部磁界が存在しない場合、前記全ての磁気抵抗センシングユニットのピンニング層の磁化方向はY軸方向に平行であり、前記全ての磁気抵抗センシングユニットの自由層の磁化方向はX軸方向に平行である。
前記第1の軟磁性フラックスコンセントレータおよび前記第2の軟磁性フラックスコンセントレータは、Y軸方向に平行な列とX軸方向に平行な行とに配列され、
前記軟磁性フラックスコンセントレータのY軸方向の長さをLy、X軸方向の長さをLxと表記し、前記第1、第2の軟磁性フラックスコンセントレータの前記Y軸方向に関する間隙はygapと表記し、前記第2の軟磁性フラックスコンセントレータの列が前記第1の軟磁性フラックスコンセントレータの列に対して前記Y軸方向に沿って(Ly+ygap)/2の距離だけずれている。
前記プッシュ型磁気抵抗センシングユニットは前記第1、第2の軟磁性フラックスコンセントレータの隅の位置A、Cに対応し、前記第2の軟磁性フラックスコンセントレータは前記第1の軟磁性フラックスコンセントレータに対して正のY軸方向にずれており、前記プル型磁気抵抗センシングユニットは前記第1、第2の軟磁性フラックスコンセントレータの隅の位置B、Dに同時に対応し、前記第2の軟磁性フラックスコンセントレータは、前記第1の軟磁性フラックスコンセントレータに対して負のY軸方向にずれている。
前記磁気抵抗センシングユニットアレイは、前記プッシュ型磁気抵抗センシングユニットの行と前記プル型磁気抵抗センシングユニットの行との交互配列を有し、
前記プッシュ型磁気抵抗センシングユニットの行は、前記プッシュ型磁気抵抗センシングユニットにより形成され、
前記プル型磁気抵抗センシングユニットの行は、前記プル型磁気抵抗センシングユニットにより形成される。
前記磁気抵抗センシングユニットアレイの列は、前記プッシュ型磁気抵抗センシングユニットの列と前記プル型磁気抵抗センシングユニットの列との交互配列を有し、
前記プッシュ型磁気抵抗センシングユニットの列は、前記プッシュ型磁気抵抗センシングユニットにより形成され、
前記プル型磁気抵抗センシングユニットの列は、前記プル型磁気抵抗センシングユニットにより形成される。
1) ウエハ表面に磁気抵抗センシングユニットの薄膜材料の積層を堆積し、前記薄膜材料のピンニング層の磁化方向を設定するステップと、
2) 底部電極を確立し、第1の関連過程の利用により前記磁気抵抗センシングユニットの薄膜材料に前記磁気抵抗センシングユニットをパターニングするステップと、
3) 前記磁気抵抗センシングユニットの上方に第2の絶縁層を堆積し、第2の関連過程を利用することにより、前記磁気抵抗センシングユニットを電気的に相互接続するためのスルーホールを構成するステップと、
4) 前記スルーホールの上方に上部メタル層を堆積し、前記第1の関連過程により上部電極を形成し、前記磁気抵抗センシングユニット間をワイヤ配線するステップと、
5) 前記上部メタル層の上方に第3の絶縁層を堆積するステップと、
6) 前記第3の絶縁層の上方に軟磁性フラックスコンセントレータをパターニングするステップと、
7) 前記軟磁性フラックスコンセントレータの上方に保護層を堆積し、前記底部電極および前記上部電極に対応する位置の上方の保護層をエッチングし、前記スルーホールを形成し、前記基板の上部に外部接続用のボンディングパッドを形成するステップとを有する。
前記ステップ1)は、前記第1の絶縁層の表面に前記磁気抵抗センシングユニットの薄膜材料の積層を堆積し、前記磁気抵抗センシングユニットの薄膜材料のピンニング層の磁化方向を設定するステップである。
前記ステップ7)は、前記軟磁性フラックスコンセントレータの上方に前記保護層を堆積し、その後、前記底部電極および前記上部電極とともにリセットコイル電極およびテストコイル電極に対応する位置の上の前記保護層をエッチングし、前記スルーホールを形成し、前記外部接続用のボンディングパッドを構成するステップである。
1) DRIE過程により基板にディープTSVホールを形成するステップと、
2) 前記ディープホールにTSV Cuピラーを電気めっきするステップと、
3) 前記基板の表面より高い、前記電気めっきされたTSV Cuピラーを平坦化するステップと、
4) 電極の位置がエッチングされた窓の前記TSV Cuピラーに接続されるように、前記基板に磁気抵抗薄膜材料の積層を堆積し、前記磁気抵抗薄膜材料のピンニング層の磁化方向を設定するステップと、
5) 底部電極を確立し、第1の関連過程の利用により前記磁気抵抗薄膜材料に磁気抵抗センシングユニットのパターンを確立するステップと、
6) 前記磁気抵抗センシングユニットの上方に第2の絶縁層を堆積し、第2の関連過程により前記磁気抵抗センシングユニットを電気的に相互接続するためのスルーホールを形成するステップと、
7) 前記スルーホールの上方に上部メタル層を堆積し、前記第1の関連過程により上部電極を形成し、前記磁気抵抗センシングユニット間を配線するステップと、
8) 前記上部メタル層の上方に第3の絶縁層を堆積するステップと、
9) 前記第3の絶縁層の上方に軟磁性フラックスコンセントレータを形成するステップと、
10) 前記軟磁性フラックスコンセントレータの上方に保護層を堆積するステップと、
11) 前記基板の背部を薄くし、前記TSV Cuピラーを露出させるステップと、
12) 前記基板の底部にTSVボンディングパッドを形成し、前記TSV Cuピラーに前記TSVボンディングパッドを接続するステップとを有する。
前記ステップ4)は、
前記第1の絶縁層の窓をエッチングし、前記エッチングされた窓の前記TSV Cuピラーに電極の位置が接続されるように前記第1の絶縁層の表面における基板に前記磁気抵抗薄膜材料の積層を堆積し、前記磁気抵抗薄膜材料のピンニング層の磁化方向を設定するステップである。
図1は、4つのブリッジアームR1、R2、R3、R4を備える、プッシュプル型磁気抵抗センサのフルブリッジ構造図であり、R1およびR4はプッシュアーム、R2およびR3はプルアームである。磁気抵抗センサに対して、プッシュアームおよびプルアームは、外部磁界の作用下では、反対方向の磁界変化を特徴とし、GMRスピンバルブおよびTMR型の磁気抵抗センシングユニットに対しては、自由層の磁化方向とピンニング層の磁化方向との間の刃先角は、それぞれ増加(減少)および減少(増加)し、同じような振幅で変化する。
図3は、本発明で提示した軟磁性フラックスコンセントレータを利用することにより、同じY軸方向の測定の外部磁界Hから変換された2つの反対方向のX成分を有する磁界の磁界分布および対応するプッシュ型磁気抵抗センシングユニットおよびプル型磁気抵抗センシングユニットの位置の図である。軟磁性フラックスコンセントレータ1は、X軸およびY軸に平行な側面を有し、左上の位置から時計回りにA、B、CおよびDと順番にラベル付けされた4つの隅を有する。Y軸方向の外部磁界Hが、フラックスコンセントレータ1を通過する際、フラックスコンセントレータ1近傍で歪み、Y軸磁界成分に加えて、X軸磁界成分も存在する。ここで、隅の位置Dおよび隅の位置B近傍の磁界は正のX軸磁界成分を有し、隅の位置Aおよび隅の位置C近傍の磁界は、負のX軸磁界成分を有するため、隅Aおよび隅Cに近傍の磁気抵抗センシングユニット31、33は、プッシュ型磁気抵抗センシングユニットとして機能し、隅Bおよび隅Dに近傍の磁気抵抗センシングユニット32、34は、プル型磁気抵抗センシングユニットとして機能する。4つの磁気抵抗センシングユニット31、32、33および34のピンニング層の方向はX軸方向であり、自由層の磁化方向はY軸方向である。本実施形態は、以下のものを備えるシングルチップ型差動自由層プッシュプル磁界センサブリッジを開示する。
図4は、本発明で提示したシングルチップ型差動自由層プッシュプル型磁気抵抗センサの構造図であり、図5は、X軸方向およびY軸方向での外部磁界の測定原理の図であり、X−Y平面上の基板と、軟磁性フラックスコンセントレータ1がスタガード状に配列されてなる第1、第2の軟磁性フラックスコンセントレータアレイ11、12と、プッシュ型磁気抵抗センシングユニットおよびプル型磁気抵抗センシングユニットにより形成される磁気抵抗センサアレイ35とを備える。軟磁性フラックスコンセントレータアレイの行の方向はX軸に平行であり、軟磁性フラックスコンセントレータアレイの列の方向はY軸に平行であり、軟磁性フラックスコンセントレータ1のY軸方向の間隙はygapであり、X軸方向の間隙はxgapおよびrgapであり、すなわち、正のX軸方向に沿っており、第1の軟磁性フラックスコンセントレータの第1の列と、第1の軟磁性フラックスコンセントレータに隣接する第2の軟磁性フラックスコンセントレータの第1の列との間のX軸方向の間隙は、xgapである一方、第2の軟磁性フラックスコンセントレータの第1の列と、第1の軟磁性フラックスコンセントレータの第2の列との間のX軸方向の間隙はrgapである。本実施形態では、xgapおよびrgapに同じ値を与える。軟磁性フラックスコンセントレータのY軸方向の長さはLyであり、X軸方向の長さはLxであり、軟磁性フラックスコンセントレータの列11,12は、正または負の(Ly+ygap)/2の距離だけY軸方向に沿って相対的にずれている。磁気抵抗センサアレイ35は、軟磁性フラックスコンセントレータの列11と軟磁性フラックスコンセントレータの列12との間隙に配置され、磁気抵抗センサアレイ35の行の方向はX軸方向に平行であり、列の方向はY軸方向に平行であり、プッシュ型磁気抵抗センシングユニットは、隅Aおよび隅C近傍に同時に配置され、プル型磁気抵抗センシングユニットは、隅Bおよび隅D近傍に同時に配置される。プッシュ型磁気抵抗センシングユニットは、1以上のプッシュアームに電気的に相互接続され、プル型磁気抵抗センシングユニットは、1以上のプルアームに電気的に相互接続され、プッシュアームおよびプルアームは電気的に相互接続され、プッシュプル電気抵抗センサブリッジを構成する。先の構造では、第1の列および第1の行における軟磁性フラックスコンセントレータのBおよびCと、第2の列ならびに第1および第2の行における軟磁性フラックスコンセントレータのDおよびAは、連続的な磁気フラックスパスを構成する。
図6は、シングルチップ型差動自由層プッシュプル型磁気抵抗センサの第1の構造図であり、図6は、実際には、図4および図5における特殊な例であり、Y軸方向の磁気抵抗センサの各列は、プッシュ型磁気抵抗センシングユニットおよび交互に配列されるプル型磁気抵抗センシングユニットから構成される一方、X軸方向の各行は、プッシュ型磁気抵抗センシングユニットまたはプル型磁気抵抗センシングユニットから完全に構成され、プッシュ型磁気抵抗行センシングユニット35およびプル型磁気抵抗行センシングユニット36は交互に配列されることを特徴とする。この時点で、xgapおよびrgapは異なっていてもよい。本実施形態では、磁気抵抗センシングユニットが配置されるxgapに磁界が可能な限り集中することを確実にするために、xgapはrgapより少ない。
図7は、シングルチップ型差動自由層プッシュプル型磁気抵抗センサの第2の構造図であり、図7は、実際には、図4および図5における別の特殊な例でもあり、X軸方向の磁気抵抗センサの各行は、プッシュ型磁気抵抗センシングユニットおよび交互に配列されるプル型磁気抵抗センシングユニットから構成される一方、Y軸方向の各列は、プッシュ型磁気抵抗センシングユニットまたはプル型磁気抵抗センシングユニットから完全に構成され、プッシュ型磁気抵抗センシングユニットの列37およびプル型磁気抵抗センシングユニットの列38は交互に配列されることを特徴とする。この時点で、磁気抵抗センサの行が確実に同じ磁界強度を有するように、xgapはrgapに等しい。
図8および図10は、n1〜n8が各行の8つの磁気抵抗センシングユニットにそれぞれ対応し、4つのプッシュ型磁気抵抗センシングユニットおよび4つのプル型磁気抵抗センシングユニットを有する、シングルチップ型差動自由層プッシュプル磁界センサがY磁界を検査するときの、Y軸方向に沿った磁気抵抗センサアレイの列No.1から列No.5までのX軸方向の磁界成分分布図である。反対方向のX軸方向の磁界方向が、プッシュ型磁気抵抗センシングユニットおよびプル型磁気抵抗センシングユニットが配置される位置にあり、加えて、振幅がほぼ同じであることから、プッシュプルブリッジが形成されることが、図10から理解できる。
実施形態7
図12は、第1の構造に対応するシングルチップ型差動自由層プッシュプル型磁気抵抗センサの電気的接続の図であり、図12から、プッシュ型磁気抵抗センシングユニットおよびプル型磁気抵抗センシングユニットはプッシュアームおよびプルアームに電気的に相互接続され、プッシュアームおよびプルアームは、コンダクタメタル41を通じてフルブリッジ構造のプッシュプル型磁気抵抗センサブリッジを構成するように電気的に相互接続され、バイアス電極8、接地電極7ならびに出力電極5および出力電極6にそれぞれ接続されることが理解できる。フルブリッジに加えて、プッシュプルブリッジも、ハーフブリッジまたは擬似ブリッジの一種であってもよい。
実施形態8
図13は、テストコイルが、2つのセグメント91および92を有し、プッシュ型磁気抵抗センシングユニットおよびプル型磁気抵抗センシングユニットにそれぞれ配置される、シングルチップ型差動自由層プッシュプル型磁気抵抗センサがテストコイルを備える状況でのチップ上のテストコイルの分布図であり、電流の流れる方向はY軸方向であり、反対方向である。プッシュ型磁気抵抗センシングユニットの上を流れるテストコイルセグメントが確実に平行であり、プル型磁気抵抗センシングユニットの上を流れるテストコイルセグメントも互いに確実に平行であるように、テストコイルはジグザグ状の幾何学形に並ぶ。電流がテストコイルを通るとき、セグメント9における電流およびセグメント92における電流は大きさが同じであり、方向が反対であることから、セグメント91はプッシュ型磁気抵抗センシングユニットにおいてX軸方向の磁界H1を生成させ、セグメント92はプル型磁気抵抗センシングユニットにおいてX軸方向の磁界H1を生成させ、これらは同じ大きさであり、磁界の絶対値は磁界を流れる電流Iに直接比例する。このように、外部磁界がY軸方向に沿っている状況では、テストコイルを流れる電流Iを用いることで、軟磁性フラックスコンセントレータを通してプッシュ電気抵抗センシングユニットおよびプル電気抵抗センシングユニットにおいて外部磁界により生成される磁界を刺激できる。このように、シングルチップ型差動自由層プッシュプル磁界センサは、テストコイルにより、すなわち、一定の電流により較正できる。このケースでは、チップの出力端における信号の変化を直接測定し、出力電圧が一定の範囲内にある場合には、チップは正常に利用可能なチップであり、出力電圧が範囲内にない場合には、チップは欠陥チップである。
図14は、シングルチップ型差動自由層プッシュプル磁界センサがリセットコイル93を備える状況でのチップ上のリセットコイル93の分布図であり、図14から、リセットコイル93はジグザグ状に並び、プッシュ型磁気抵抗センシングユニットおよびプル型磁気抵抗センシングユニットにより形成される列の上をそれぞれ通る直線のセグメントを備え、直線のセグメントはX軸方向に平行であり、同じ電流の方向を有することが理解できる。リセットコイル93の目的は以下の通りである。シングルチップ型差動自由層プッシュプル磁界センサが強磁界に位置付けられるときに、自由層に含まれる磁区の、磁化過程で生じる、不可逆的な磁壁運動過程が理由で、自由層は、外部磁界の作用下で巨大な磁気ヒステリシスを有し、当初の標準テスト曲線から外れる。このケースでは、リセットコイル93により作られる電流の磁界方向により、プッシュ型磁気抵抗センシングユニットおよびプル型磁気抵抗センシングユニットにおいて生成される磁界はY軸方向である。この時点では、ピンニング層の磁化方向はX軸方向であり、自由層の磁化方向はY軸方向であるため、リセットコイル中の電流の周期的な変化および生成されるY磁界の周期的な変化を調整することにより、自由層の磁化方向および磁化状態は適切な状態に調整され、これにより、シングルチップ型差動自由層プッシュプル磁界センサは正常な動作を再開する。
図15は、シングルチップ型差動自由層プッシュプル磁界センサがテストコイルおよびリセットコイルを備えないケースでの、チップの断面図であり、図16は、シングルチップ型差動自由層プッシュプル磁界センサがテストコイルおよびリセットコイルを備えるケースでの、チップの断面図である。図15では、チップは、底部から上部まで、順番に、基板4と、シード層および底部の電導電極310と、マルチ層の薄膜材料の積層311と、マルチ層の薄膜材料の積層311が埋め込まれた絶縁層600および上部の電導電極312を有する、基板4に配置される磁気抵抗センサ3と、さらに、上部の電導電極312と軟磁性フラックスコンセントレータ1との間に配置される絶縁層410と、さらに、上部電極312の上および軟磁性フラックスコンセントレータ1の上に配置される保護層500と、上部電極層312の上に配置されるボンディングパッド700とを備える。
先のものは、チップの前部ボンディングパッドを利用した形であったが、図17および図18に示すように、実際にはシリコン貫通電極(TSV)背部のボンディングパッドを利用する状況では、先のものもさらに備えられ、基板4の底部に、TSV Cuピラー800およびボンディングパッド900が備わっている点で異なっている。
図19は、以下のステップを有する、ボンディングパッドがチップの上部に配置される状況に対応する、シングルチップ型差動自由層プッシュプル磁界センサの製造過程の図である。
1) ブランクウエハ4を平坦化する。
2) ウエハの表面にリセットコイルコンダクタ93を形成し、確定させる。
3) リセットコイルコンダクタの表面に第1の絶縁層911を堆積する。
4) 第1の絶縁層の表面に、シード層、底部電極310および磁気抵抗のマルチ層の薄膜材料の積層311を堆積する。
5) 磁気抵抗のマルチ層の薄膜材料のピンニング層の磁化方向を得るために、磁気的焼鈍を行う。
6) 関連過程を利用することにより、底部電極310および磁気抵抗センシングユニット311のパターンを確立する。
7) 特定の過程を利用することにより、磁気抵抗センシングユニットの上に第2の絶縁層600を堆積し、第2の絶縁層600にスルーホールを作り、上部電極に対応する、磁気抵抗のマルチ層の薄膜材料の積層を露出させる。
8) 上部電極312を確立し、配線する。
9) 上部電極の上に第3の絶縁層410を堆積する。
10) 第3の絶縁層の上にテストコイルコンダクタ91および92を形成し、確立させる。
11) 第3の絶縁層の上に軟磁性フラックスコンセントレータ1を形成し、確立させる。
12) 軟磁性フラックスコンセントレータの上に保護層500を堆積する。
13) 特定の機械加工過程を利用することにより、ボンディングパッドエリアを形成するために保護層を除去し、ボンディングパッドエリア700を形成する。
1) DRIE過程を利用することにより、基板4にディープTSVホールを形成する。
2) ディープTSVホールにTSV Cuピラー800を電気めっきする。
3) 基板の表面より高い、電気めっきされたCuピラー800を平坦化する。
4) リセットコイルコンダクタ93の電極の出力端および入力端がTSV Cuピラー800に接続されるように、リセットコイルコンダクタ93を形成し、パターニングする(任意選択)。
5) リセットコイルコンダクタ93の表面に第1の絶縁層911を堆積する(任意選択)。
6) 第1の絶縁層911の窓をエッチングし、エッチングされた窓のCuピラー800に底部電極310の位置が接続されるように、第1の絶縁層911の表面に磁気抵抗薄膜材料の積層311を形成し、磁気抵抗薄膜材料311のピンニング層の磁化方向を設定する。
7) 関連過程を利用することにより、底部電極310を確立し、磁気抵抗薄膜材料311において磁気抵抗センシングユニットのパターンを確立する。
8) 磁気抵抗センシングユニットの上に第2の絶縁層600を堆積し、関連過程により磁気抵抗センシングユニット311に電気的に相互接続されたスルーホールを形成する
9) スルーホールの上に上部メタル層312を形成し、関連過程により上部電極を形成し、磁気抵抗センシングユニット間を配線する。
10) 上部メタル層312の上に第3の絶縁層410を堆積し、絶縁層の窓を開け、その後、テストコイルコンダクタ91および92の入力電極および出力電極がCuピラー800に接続されるように第3の絶縁層の上にテストコイルコンダクタ91、92を形成し、パターニングする(任意選択)。
11) 第3の絶縁層の上に軟磁性フラックスコンセントレータ1を形成する。
12) 軟磁性フラックスコンセントレータ1の上に保護層500を堆積する。
13) 基板4の背部を薄くし、Cuピラー800を露出させる。
14) TSVボンディングパッド900を形成し、TSV Cuピラー800にTSVボンディングパッドを接続する。
Claims (28)
- X−Y平面上の基板と、
スタガード状に配列される、X軸およびY軸に平行な側面を有する複数の軟磁性フラックスコンセントレータを有するスタガード型軟磁性フラックスコンセントレータアレイと、前記軟磁性フラックスコンセントレータの4つの隅を左上の位置から時計回りに順番にA、B、CおよびDと称する、
前記軟磁性フラックスコンセントレータの複数の間隙それぞれに配置される複数の磁気抵抗センシングユニットを有する、前記基板上の磁気抵抗センシングユニットアレイとを具備し、
前記磁気抵抗センシングユニットのうち、前記軟磁性フラックスコンセントレータの隅Aおよび隅Cに近傍の磁気抵抗センシングユニットは、プッシュ型磁気抵抗センシングユニットであり、
前記磁気抵抗センシングユニットのうち、前記軟磁性フラックスコンセントレータの隅Bおよび隅Dに近傍の磁気抵抗センシングユニットは、プル型磁気抵抗センシングユニットであり、
前記全てのプッシュ型磁気抵抗センシングユニットは、1以上のプッシュアームに電気的に相互接続され、
前記全てのプル型磁気抵抗センシングユニットは、1以上のプルアームに電気的に相互接続され、
前記全てのプッシュアームと前記全てのプルアームは電気的に相互接続され、プッシュプルセンサブリッジを構成するシングルチップ型差動自由層プッシュプル磁界センサブリッジ。 - 前記磁気抵抗センシングユニットは、GMRスピンバルブまたはTMRセンシングユニットであり、
外部磁界が存在しない場合、前記全ての磁気抵抗センシングユニットのピンニング層の磁化方向はY軸方向に平行であり、前記全ての磁気抵抗センシングユニットの自由層の磁化方向はX軸方向に平行である、請求項1に記載のシングルチップ型差動自由層プッシュプル磁界センサブリッジ。 - 前記スタガード型軟磁性フラックスコンセントレータアレイは、第1の軟磁性フラックスコンセントレータと第2の軟磁性フラックスコンセントレータとを有し、
前記第1の軟磁性フラックスコンセントレータおよび前記第2の軟磁性フラックスコンセントレータは、Y軸方向に平行な列とX軸方向に平行な行とに配列され、
前記軟磁性フラックスコンセントレータのY軸方向の長さをLy、X軸方向の長さをLxと表記し、前記第1、第2の軟磁性フラックスコンセントレータの前記Y軸方向に関する間隙はygapと表記し、前記第2の軟磁性フラックスコンセントレータの列が前記第1の軟磁性フラックスコンセントレータの列に対して前記Y軸方向に沿って(Ly+ygap)/2の距離だけずれている、請求項1に記載のシングルチップ型差動自由層プッシュプル磁界センサブリッジ。 - 前記磁気抵抗センシングユニットアレイの行方向は前記X軸方向に平行であり、前記磁気抵抗センシングユニットアレイの列方向は前記Y軸方向に平行であり、前記磁気抵抗センシングユニットアレイの列は前記第1の軟磁性フラックスコンセントレータの列と前記第2の軟磁性フラックスコンセントレータの列の間隙の中心に配置され、
前記プッシュ型磁気抵抗センシングユニットは前記第1、第2の軟磁性フラックスコンセントレータの隅の位置A、Cに対応し、前記第2の軟磁性フラックスコンセントレータは前記第1の軟磁性フラックスコンセントレータに対して正のY軸方向にずれており、前記プル型磁気抵抗センシングユニットは前記第1、第2の軟磁性フラックスコンセントレータの隅の位置B、Dに同時に対応し、前記第2の軟磁性フラックスコンセントレータは、前記第1の軟磁性フラックスコンセントレータに対して負のY軸方向にずれている、請求項3に記載のシングルチップ型差動自由層プッシュプル磁界センサブリッジ。 - 前記磁気センシングユニットアレイの各列および各行はそれぞれ前記プッシュ型磁気抵抗センシングユニットと前記プル型磁気抵抗センシングユニットの交互配列により形成される、請求項1、請求項3又は請求項4に記載のシングルチップ型差動自由層プッシュプル磁界センサブリッジ。
- 前記磁気抵抗センシングユニットアレイの各列は、前記プッシュ型磁気抵抗センシングユニットと前記プル型磁気抵抗センシングユニットとの交互配列を有し、
前記磁気抵抗センシングユニットアレイは、前記プッシュ型磁気抵抗センシングユニットの行と前記プル型磁気抵抗センシングユニットの行との交互配列を有し、
前記プッシュ型磁気抵抗センシングユニットの行は、前記プッシュ型磁気抵抗センシングユニットにより形成され、
前記プル型磁気抵抗センシングユニットの行は、前記プル型磁気抵抗センシングユニットにより形成される、請求項1、請求項3または請求項4に記載のシングルチップ型差動自由層プッシュプル磁界センサブリッジ。 - 前記磁気抵抗センシングユニットアレイの各行は、前記プッシュ型磁気抵抗センシングユニットと前記プル型磁気抵抗センシングユニットとの交互配列を有し、
前記磁気抵抗センシングユニットアレイの列は、前記プッシュ型磁気抵抗センシングユニットの列と前記プル型磁気抵抗センシングユニットの列との交互配列を有し、
前記プッシュ型磁気抵抗センシングユニットの列は、前記プッシュ型磁気抵抗センシングユニットにより形成され、
前記プル型磁気抵抗センシングユニットの列は、前記プル型磁気抵抗センシングユニットにより形成される、請求項1、請求項3または請求項4に記載のシングルチップ型差動自由層プッシュプル磁界センサブリッジ。 - プッシュプル磁界センサブリッジのバイアス電圧、接地および信号出力端は、前記基板の上部のボンディングパッドに電気的に相互接続され、又はTSVにより前記基板の底部のボンディングパッドに接続される、請求項1に記載のシングルチップ型差動自由層プッシュプル磁界センサブリッジ。
- 外部磁界が存在しない場合、前記磁気抵抗センシングユニットは、永久磁石バイアス、二重交換相互作用および形状異方性のうちの少なくとも1つにより、前記磁気抵抗センシングユニットの磁気自由層の磁化方向を、前記磁気抵抗センシングユニットの磁気ピンニング層の磁化方向に対して垂直にさせる、請求項1に記載のシングルチップ型差動自由層プッシュプル磁界センサブリッジ。
- 前記プッシュアーム上の磁気抵抗センシングユニットの数と、前記プルアーム上の磁気抵抗センシングユニットの数は同一である、請求項1に記載のシングルチップ型差動自由層プッシュプル磁界センサブリッジ。
- 前記プッシュアーム上の磁気抵抗センシングユニットおよび前記プルアーム上の磁気抵抗センシングユニットの自由層の、それぞれのピンニング層の磁化方向に対する回転角度は、振幅が同じであり、方向が反対である、請求項1または請求項2に記載のシングルチップ型差動自由層プッシュプル磁界センサブリッジ。
- 前記プッシュプル磁界センサブリッジは、ハーフブリッジ、フルブリッジまたは擬似ブリッジである、請求項1に記載のシングルチップ型差動自由層プッシュプル磁界センサブリッジ。
- 前記基板は、ガラスまたはシリコンウエハからなり、前記基板は、ASICチップを有し、又は前記基板は別のASICチップに接続される、請求項1に記載のシングルチップ型差動自由層プッシュプル磁界センサブリッジ。
- 前記軟磁性フラックスコンセントレータは、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)およびコバルト(Co)の元素のうちの1以上を有する合金軟磁性材料である、請求項1に記載のシングルチップ型差動自由層プッシュプル磁界センサブリッジ。
- テストコイルをさらに備え、前記テストコイルは、前記磁気抵抗センシングユニットの直上または直下にそれぞれ配置され、前記テストコイルの電流の方向は前記Y軸方向に平行であり、検査中は前記プッシュ型磁気抵抗センシングユニットおよび前記プル型磁気抵抗センシングユニットにそれぞれ対応する前記テストコイルを流れる電流は、方向が反対であり、絶対値は同じである、請求項1に記載のシングルチップ型差動自由層プッシュプル磁界センサブリッジ。
- リセットコイルをさらに備え、前記リセットコイルは、前記磁気抵抗センサの直上または直下に配置され、前記リセットコイルの電流の方向は前記X軸方向に平行であり、前記プッシュ型磁気抵抗センシングユニットおよび前記プル型磁気抵抗センシングユニットにそれぞれ対応する前記リセットコイルを流れる電流は絶対値が同じであり、方向も同じである、請求項1に記載のシングルチップ型差動自由層プッシュプル磁界センサブリッジ。
- シングルチップ型差動自由層プッシュプル磁界センサブリッジの製造方法において、前記方法は、
1) ウエハ表面に磁気抵抗センシングユニットの薄膜材料の積層を堆積し、前記薄膜材料のピンニング層の磁化方向を設定するステップと、
2) 底部電極を確立し、第1の関連過程の利用により前記磁気抵抗センシングユニットの薄膜材料に前記磁気抵抗センシングユニットをパターニングするステップと、
3) 前記磁気抵抗センシングユニットの上方に第2の絶縁層を堆積し、第2の関連過程を利用することにより、前記磁気抵抗センシングユニットを電気的に相互接続するためのスルーホールを構成するステップと、
4) 前記スルーホールの上方に上部メタル層を堆積し、前記第1の関連過程により上部電極を形成し、前記磁気抵抗センシングユニット間をワイヤ配線するステップと、
5) 前記上部メタル層の上方に第3の絶縁層を堆積するステップと、
6) 前記第3の絶縁層の上方に軟磁性フラックスコンセントレータをパターニングするステップと、
7) 前記軟磁性フラックスコンセントレータの上方に保護層を堆積し、前記底部電極および前記上部電極に対応する位置の上方の保護層をエッチングし、前記スルーホールを形成し、前記基板の上部に外部接続用のボンディングパッドを形成するステップとを有する、シングルチップ型差動自由層プッシュプル磁界センサブリッジの製造方法。 - 前記ステップ1)の前に、前記ウエハの表面にリセットコイルコンダクタをパターニングし、前記リセットコイルコンダクタの表面に第1の絶縁層を堆積するステップをさらに有し、
前記ステップ1)は、前記第1の絶縁層の表面に前記磁気抵抗センシングユニットの薄膜材料の積層を堆積し、前記磁気抵抗センシングユニットの薄膜材料のピンニング層の磁化方向を設定するステップである、請求項17に記載の製造方法。 - 前記ステップ5)の前に、前記第3の絶縁層の上方にテストコイルコンダクタをパターニングするステップをさらに有し、
前記ステップ7)は、前記軟磁性フラックスコンセントレータの上方に前記保護層を堆積し、その後、前記底部電極および前記上部電極とともにリセットコイル電極およびテストコイル電極に対応する位置の上の前記保護層をエッチングし、前記スルーホールを形成し、前記外部接続用のボンディングパッドを構成するステップである、請求項17または請求項18に記載の製造方法。 - シングルチップ型差動自由層プッシュプル磁界センサブリッジの製造方法において、前記方法は、
1) DRIE過程により基板にディープTSVホールを形成するステップと、
2) 前記ディープホールにTSV Cuピラーを電気めっきするステップと、
3) 前記基板の表面より高い、前記電気めっきされたTSV Cuピラーを平坦化するステップと、
4) 電極の位置がエッチングされた窓の前記TSV Cuピラーに接続されるように、前記基板に磁気抵抗薄膜材料の積層を堆積し、前記磁気抵抗薄膜材料のピンニング層の磁化方向を設定するステップと、
5) 底部電極を確立し、第1の関連過程の利用により前記磁気抵抗薄膜材料に磁気抵抗センシングユニットのパターンを確立するステップと、
6) 前記磁気抵抗センシングユニットの上方に第2の絶縁層を堆積し、第2の関連過程により前記磁気抵抗センシングユニットを電気的に相互接続するためのスルーホールを形成するステップと、
7) 前記スルーホールの上方に上部メタル層を堆積し、前記第1の関連過程により上部電極を形成し、前記磁気抵抗センシングユニット間を配線するステップと、
8) 前記上部メタル層の上方に第3の絶縁層を堆積するステップと、
9) 前記第3の絶縁層の上方に軟磁性フラックスコンセントレータを形成するステップと、
10) 前記軟磁性フラックスコンセントレータの上方に保護層を堆積するステップと、
11) 前記基板の背部を薄くし、前記TSV Cuピラーを露出させるステップと、
12) 前記基板の底部にTSVボンディングパッドを形成し、前記TSV Cuピラーに前記TSVボンディングパッドを接続するステップとを有する、シングルチップ型差動自由層プッシュプル磁界センサブリッジの製造方法。 - 前記ステップ3)と前記ステップ4)の間に、前記基板に前記リセットコイルコンダクタをパターニングして前記リセットコイルコンダクタの電極の出力端と入力端とを前記TSV Cuピラーに接続し、前記リセットコイルコンダクタの表面に第1の絶縁層を堆積するステップをさらに有し、
前記ステップ4)は、
前記第1の絶縁層の窓をエッチングし、前記エッチングされた窓の前記TSV Cuピラーに電極の位置が接続されるように前記第1の絶縁層の表面における基板に前記磁気抵抗薄膜材料の積層を堆積し、前記磁気抵抗薄膜材料のピンニング層の磁化方向を設定するステップである、請求項20に記載の製造方法。 - 前記ステップ8)は、前記上部メタル層の上に前記第3の絶縁層を堆積し、前記第3の絶縁層の窓を開け、前記テストコイルコンダクタの入力電極および出力電極が前記TSV Cuピラーに接続されるように前記第3の絶縁層の上にテストコイルコンダクタを形成し、パターニングするステップである、請求項20または請求項21に記載の製造方法。
- 前記絶縁層は、酸化アルミニウム、窒化ケイ素、酸化ケイ素、ポリイミドまたはフォトレジストである、請求項17または請求項20に記載の製造方法。
- 前記保護層は、ダイアモンドライクカーボン、窒化ケイ素、酸化アルミニウムまたは金からなる、請求項17または請求項20に記載の製造方法。
- 前記磁気抵抗薄膜材料のピンニング層の磁化方向は、磁界において高温焼鈍により設定される、請求項17または請求項20に記載の製造方法。
- 前記第1の関連過程は、フォトエッチング、イオンエッチング、反応性イオンエッチング、ウェットエッチング、ストリッピングまたはハードマスキングを有する、請求項17または請求項20に記載の製造方法。
- 前記第2の関連過程は、フォトエッチング、イオンエッチング、反応性イオンエッチングまたはウェットエッチングを有する、請求項17または請求項20に記載の製造方法。
- 前記スルーホールは、自己整合されたコンタクトホールであり、前記自己整合されたコンタクトホールは、前記磁気抵抗薄膜材料のストリッピングにより形成され、イオンエッチング過程を利用することにより、または、ハードマスキングおよび化学的機械研磨過程を利用することにより、形成される、請求項17または請求項20に記載の製造方法。
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