JP2018136212A - 磁気センサとその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】ヨークの高さを確保し、かつ磁束を感磁膜の感磁方向に誘導する。【解決手段】磁気センサは、第1の方向Xの磁界を検出する第1の感磁膜38を有する第1の磁界検出素子21と、第1の方向Xに関し第1の感磁膜38の側方に位置する第1の部分23aと、第1の方向Xと直交する方向Zにおいて第1の部分23aに隣接する第2の部分23bと、を備え、第2の部分23bの第1の方向Xの平均寸法が第1の部分23aの第1の方向Xの平均寸法より大きい第1のヨーク23と、を有する。【選択図】図2

Description

本発明は磁気センサとその製造方法に関し、特に磁気センサのヨークの構成に関する。
磁気センサでは、磁束を感磁膜の感磁方向に誘導する目的で、感磁膜の近傍にヨークが設けられることがある。特許文献1〜3には、第1の方向に感磁方向を有する感磁膜の近傍に、第1の方向と直交する第2の方向に延びるヨークを配置した磁気センサが開示されている。ヨークの先端部から放出される磁束は第1の方向の成分を持ち、感磁膜はこの第1の方向の成分を検出する。感磁膜は第1の方向に複数個形成され、ヨークは感磁膜と交互に配置されている。
特許文献4,5にはヨークの感磁膜に近接する端部をテーパ形状とした磁気センサが開示されている。
特開2013−172040号公報 特開2015−94732号公報 国際公開第2011/68146号 国際公開第2015/170509号 特開平7−210833号公報
磁束を第1の方向に誘導するためには、ヨークの先端部は第1の方向において感磁膜の側方にあることが望ましい。また、磁気センサの小型化のためには、互いに隣接する感磁膜とヨークの先端部の、第1の方向における配置スペースをできるだけ縮小することが望ましい。一方、ヨークの磁束密度を高めるためには、ヨークの高さ、すなわちヨークの第2の方向の寸法を増加させることが有効である。ヨークはウエハプロセスにおいてメッキで作成される。このため、感磁膜の側方の狭く深い穴にメッキを形成する必要がある。しかし、このようなメッキのプロセスはメッキの形成精度を確保するうえで不利である。
本発明は、ヨークの高さを確保し、かつ磁束を感磁膜の感磁方向に誘導することが容易な磁気センサを提供することを目的とする。
本発明の磁気センサは、第1の方向の磁界を検出する第1の感磁膜を有する第1の磁界検出素子と、第1の方向に関し第1の感磁膜の側方に位置する第1の部分と、第1の方向と直交する方向において第1の部分に隣接する第2の部分と、を備え、第2の部分の第1の方向の平均寸法が第1の部分の第1の方向の平均寸法より大きい第1のヨークと、を有する。
本発明によれば、第1のヨークの第1の部分が第1の方向に関し概ね第1の感磁膜の側方に位置するため、磁束を第1の感磁膜の感磁方向に誘導することが容易である。また、第2の部分の第1の方向の平均寸法は第1の部分の第1の方向の平均寸法より大きくされている。このため、第2の部分が形成されるレジストの穴を幅広に形成することができ、メッキの形成精度を確保しやすくなる。従って、本発明によれば、ヨークの高さを確保し、かつ磁束を感磁膜の感磁方向に誘導することが容易な磁気センサを提供することができる。
本発明の一実施形態に係る磁気センサの部分断面図である。 図1においてヨークと磁界検出素子だけを示す図である。 第1及び第2の磁界検出素子の概略構成図である。 図1に示す磁気センサの製造プロセスを示す図である。 図1に示す磁気センサの製造プロセスを示す図である。 図1に示す磁気センサの製造プロセスを示す図である。 図1に示す磁気センサの製造プロセスを示す図である。 図1に示す磁気センサの製造プロセスを示す図である。 実施例と比較例の磁界のシミュレーション結果である。 図9の部分拡大図である。
以下、図面を参照して本発明のいくつかの実施形態について説明する。図1は本発明の一実施形態に係る磁気センサの部分断面図である。磁気センサ1は複数の磁界検出素子と複数のヨークを有している。ヨークは磁界検出素子の感磁方向に磁束を誘導し、ヨークによって感磁方向に誘導された磁束が磁界検出素子で検出される。複数の磁界検出素子は図示しないブリッジ回路などで相互に接続されており、これによって、磁気センサ1は外部磁界を測定することができる。図1はこのような磁気センサ1において、互いに隣接する第1及び第2の磁界検出素子21,22と、これらに近接して配置された第1〜第3のヨーク23,24,25を示している。図2は説明の便宜上、図1から第1及び第2の磁界検出素子21,22と第1〜3のヨーク23,24,25を取り出して示す図である。
以下の説明において、第1の方向は第1及び第2の感磁膜38,42が磁界を検出する感磁方向であり、第1の感磁膜38と第2の感磁膜42の配列する方向と一致している。第2の方向は第1の方向と直交する方向であり、第1の磁界検出素子21の上部リード37と下部リード31の配列方向、あるいは第2の磁界検出素子22の上部リード41と下部リード40の配列方向と一致している。第1の方向は第1及び第2の感磁膜38,42の膜厚方向と直交する方向であり、第2の方向は第1及び第2の感磁膜38,42の膜厚方向と平行な方向である。第3の方向は第1の方向及び第2の方向と直交する方向である。第1の方向をX方向、第2の方向をZ方向、第3の方向をY方向という場合がある。なお、本実施形態では磁束は第2及び第3のヨーク24,25から第1のヨーク23に流れると仮定しているが、第1のヨーク23から第2及び第3のヨーク24,25に流れる場合も、本実施形態の構成及び効果は同様である。
磁気センサ1は、基板2と、基板2の上に第1の絶縁層3を介して形成された第2及び第3のヨーク24,25と、第2及び第3のヨーク24,25の上方に設けられた第1及び第2の磁界検出素子21,22と、第1の磁界検出素子21と第2の磁界検出素子22の間に設けられた第1のヨーク23と、を有している。第1〜第3のヨーク23,24,25はNiFeなどの軟磁性体で形成されている。第1の絶縁層3と第2及び第3のヨーク24,25の間にはメッキ工程で形成される第1の電極膜4が設けられている。
第1の磁界検出素子21は第1の方向Xの磁界を検出する第1の感磁膜38と、第2の方向Zに第1の感磁膜38を挟み、第1の感磁膜38にセンス電流を供給する第1のリード対31,37と、を有している。第2の磁界検出素子22は第1の方向Xの磁界を検出する第2の感磁膜42と、第2の方向Zに第2の感磁膜42を挟み、第2の感磁膜42にセンス電流を供給する第2のリード対40,41と、を有している。センス電流は第2の方向Zに流れる。以下、第1及び第2のリード対の基板2側のリードを下部リード31,40、第1及び第2の感磁膜38,42に関し下部リード31,40の反対側のリードを上部リード37,41という。第2の磁界検出素子22は第1の方向Xに第1の磁界検出素子21と間隔をあけて配置されている。第1の感磁膜38と第2の感磁膜42は第1のヨーク23のZ方向中心線に関し対称の位置に設けられている。
第1のヨーク23はX方向に関し第2のヨーク24と第3のヨーク25の中間、かつ第1の感磁膜38と第2の感磁膜42の間に設けられている。より詳細には、第2のヨーク24は第1の感磁膜38に関し第1のヨーク23の反対側に位置し、第1のヨーク23の中心23cと第1の感磁膜38の中心38aとを結ぶ直線L1の延長線上を通っている。第3のヨーク25は、第2の感磁膜42に関し第1のヨーク23の反対側に位置し、第1のヨーク23の中心23cと第2の感磁膜42の中心42aとを結ぶ直線L2の延長線上を通っている。中心23c,38a,42aは重心と同義である。図1には、第1〜第3のヨーク23,24,25を通る磁束の流れを矢印で概念的に示している。第2及び第3のヨーク24,25から放出された磁束は図1において斜め上方に進み、第1のヨーク23に吸収される。つまり、第2及び第3のヨーク24,25をZ方向に進む磁束は、第2及び第3のヨーク24,25と第1のヨーク23との間でX方向成分を有するように向きを変えて第1のヨーク23に吸収され、その後第1のヨーク23をZ方向に進む。第1の感磁膜38は、第1のヨーク23と第2のヨーク24との間の、磁束のX方向成分が大きい領域にあるため、X方向の磁束を効率的に検出することができる。第2の感磁膜42についても同様である。
第2及び第3のヨーク24,25の側方には第2の絶縁層5が、下部リード31,40の側方には第3の絶縁層7が、第1及び第2の感磁膜38,42の側方には第4の絶縁層8が、上部リード37,41の側方には第5の絶縁層9が、第1のヨーク23の第2の部分23b(後述)の側方には第6の絶縁層11が形成されている。第2及び第3のヨーク24,25と下部リード31,40との間には第1の中間絶縁層6が、上部リード37,41と第6の絶縁層11との間には第2の中間絶縁層10が形成されている。第1〜第6の絶縁層3,5,7,8,9,11及び第1及び第2の中間絶縁層6,10はAlで形成されている。なお、第1の中間絶縁層6は第1及び第2の磁界検出素子21,22を支持する支持層である。
次に、第1及び第2の磁界検出素子21,22について説明する。第1の磁界検出素子21と第2の磁界検出素子22は同じ構造であるため、ここでは第1の磁界検出素子21について説明する。図3は第1の磁界検出素子21のより詳細な構成を示す断面図である。第1の磁界検出素子21の第1の感磁膜38は、磁化自由層35と、磁化固定層33と、磁化自由層35と磁化固定層33とに挟まれ、磁気抵抗効果を有するスペーサ層34と、を有する。磁化自由層35はNiFeなどの軟磁性体で形成され、外部磁界に対する磁化方向が第1の方向Xと第3の方向Yを含む平面内で回転する。磁化自由層35はY方向長さがX方向長さより十分に大きく、形状異方性によって磁化方向がY方向に揃えられている。磁化方向をY方向に揃えるため、磁化自由層35のY方向両側に硬磁性体からなるバイアス層を設けてもよい。磁化固定層33はCoFeなどの軟磁性体で形成され、磁化方向が外部磁界に対し固定されている。スペーサ層34はAlなどの非磁性絶縁体で形成されるトンネルバリア層である。従って、本実施形態の第1の磁界検出素子21はTMR(Tunnel Magneto Resistive)素子であるが、スペーサ層34にCuなどの非磁性金属層を用いた、いわゆるGMR(Giant Magneto Resistive)素子であってもよい。
磁化固定層33は第1の磁化固定層33aと、非磁性中間層33bと、第2の磁化固定層33cがこの順番に積層されたもので、第1の磁化固定層33aはTaやRuで形成された下地層32の上に形成されている。第2の磁化固定層33cはスペーサ層34と接している。第1の磁化固定層33aと第2の磁化固定層33cはCoFeなどの軟磁性体で形成され、非磁性中間層33bはRuで形成されている。第1の磁化固定層33aと第2の磁化固定層33cは非磁性中間層33bを介して反強磁性結合をする。第1の磁化固定層33aの下に、IrMnなどからなり、第1の磁化固定層33aと交換結合をする反強磁性層を設けてもよい。磁化自由層35はTaなどで形成された保護層36で覆われている。なお、第1の磁界検出素子21と第2の磁界検出素子22は第1の方向Xの磁界を検出することができる限り、TMR素子やGMR素子に限定されず、例えばAMR(An-Isotropic Magneto Resistive)素子などの磁界検出素子であってもよい。
第1のヨーク23はZ方向において、第1の部分23aと第2の部分23bとに区画されている。第1の部分23aは第1の感磁膜38と第2の感磁膜42の概ね中間に位置している。「概ね中間」とは、第1の部分23aのZ方向中心軸が、第1の感磁膜38の中心と第2の感磁膜42の中心の中点からX方向に若干ずれる場合と、第1の部分23aが第1の感磁膜38の中心と第2の感磁膜42の中心に対してZ方向に若干ずれる場合の両者を含む。第2の部分23bはZ方向に関し第1の部分23aより第1及び第2の感磁膜38,42から離れた位置に、第1の部分23aと隣接して形成されている。第1の部分23aは、第2の部分23bからみてZ方向に第1及び第2の感磁膜38,42の先まで延びている。換言すれば、第1の部分23aの第2の部分23bと反対側の端部23dは、第1の方向Xにおいて第2及び第3のヨーク24,25と対向している。第1の部分23aの第2の部分23bと接合された端部23eは、Z方向に関し第1及び第2の感磁膜38,42より第2の部分23b側にあり、第1の部分23aの端部23dはその反対側にある。つまり、第1の部分23aは第1の感磁膜38と第2の感磁膜42の間を貫通しており、第1の部分23aの一部は、第2の部分23bからZ方向にみて第1及び第2の感磁膜38,42の先まで延びている。しかし、X方向の磁束の成分が十分に大きい場合、第1の部分23aは第1の感磁膜38と第2の感磁膜42より第2の部分23b側で終端していてもよい。第1の部分23aの外周にはメッキ工程で形成される第2の電極膜12が設けられている。
第1のヨーク23のX方向寸法は、Z方向下側から上側に、すなわち第2及び第3のヨーク24,25から遠ざかる方向に単調に増加している。従って、第2の部分23bのX方向寸法の平均値は第1の部分23aのX方向寸法の平均値より大きい。ここで、第1の部分23aのX方向寸法の平均値はそのZ方向における平均値を意味し、換言すれば、図2において、第1の部分23aと面積及びZ方向寸法が同じ仮想長方形23fのX方向幅W1を意味する。同様に、第2の部分23bのX方向寸法の平均値はそのZ方向における平均値を意味し、換言すれば、図2において、第2の部分23bと面積及びZ方向寸法が同じ仮想長方形23gのX方向幅W2を意味する。第1の部分23aと第2の部分23bのいずれかまたは双方のX方向寸法がZ方向に一定であってもよい。すなわち、第1の部分23aは仮想長方形23fの形状に一致してもよく、第2の部分23bは仮想長方形23gの形状に一致してもよい。
第1の部分23aの第1及び第2の感磁膜38,42と対向する対向面は、第1及び第2の感磁膜38,42から後退する方向に凹んだ曲面23h、23h’を有している。対向面の形状はこれに限らず、例えば平面形状であってもよい。曲面23h、23h’は第1の感磁膜38側と第2の感磁膜42側のいずれか一方だけに設けてもよい。
次に、図4〜8を参照して、以上説明した磁気センサ1の製造方法を説明する。
まず、図4(a)に示すように、基板2上に第1の絶縁層3を形成する。次に図4(b)に示すように、第1の絶縁層3上に第1の電極膜4を形成する。次に、図4(c)に示すように、第1の電極膜4の上に第1のフォトレジスト43を形成し、露光及び現像プロセスによって第2及び第3のヨーク24,25が形成される第1の穴44を形成する。次に、図4(d)に示すように、第1の穴44にメッキで第2及び第3のヨーク24,25を形成する。
次に、図5(a)に示すように、第1のフォトレジスト43を剥離する。次に、図5(b)に示すように、第1の電極膜4を、第2及び第3のヨーク24,25と接している部分を除き、ミリングによって除去する。次に、図5(c)に示すように、第2の絶縁層5を形成し、第2及び第3のヨーク24,25の上に形成された第2の絶縁層5を、CMPによって除去する。この結果、第2及び第3のヨーク24,25の側方が第2の絶縁層5でリフィルされる。
次に、図6(a)に示すように、第2の絶縁層5の上に、スパッタリングによって第1の中間絶縁層6を形成する。次に、第1の中間絶縁層6(支持層)の上に、スパッタリングによって第1及び第2の磁界検出素子21,22の下部リード層31,40を形成し、それらの側方を第3の絶縁層7でリフィルする。次に、第1及び第2の磁界検出素子21,22の下部リード層31,40の上に、スパッタリングによって、第1及び第2の磁界検出素子21,22の感磁膜38,42を形成し、それらの側方を第4の絶縁層8でリフィルする。次に、第1及び第2の磁界検出素子21,22の感磁膜38,42の上に、スパッタリングによって、第1及び第2の磁界検出素子21,22の上部リード層37,41を形成し、それらの側方を第5の絶縁層9でリフィルする。その後、第1及び第2の磁界検出素子21,22の上部リード層37,41と第5の絶縁層9の上に、スパッタリングによって第2の中間絶縁層10を形成する。次に、図6(b)に示すように、第2の中間絶縁層10の上に第2のフォトレジスト45を形成し、露光及び現像プロセスによって、第1のヨーク23の第1の部分23aが形成される部分の直上に第2の穴46を形成する。
次に、図7(a)に示すように、第2の穴46を通したミリングによって、第1のヨーク23の第1の部分23aが形成される第3の穴47を形成し、第2のフォトレジスト45を剥離する。次に、図7(b)に示すように、第3の穴47の内壁と第2の中間絶縁層10に第2の電極膜12を形成する。
次に、図8(a)に示すように、第3のフォトレジスト48を形成し、露光及び現像プロセスによって、第1のヨーク23の第2の部分23bが形成される部分に第4の穴49を形成する。次に、図8(b)に示すように、第3の穴47と第4の穴49にメッキで第1のヨーク23を形成する。その後、第3のフォトレジスト48を剥離し、第2の電極膜12を除去し、第1のヨーク23の第2の部分23bの側方に第6の絶縁層11を形成し、図1に示す状態となる。
図9は、実施例と比較例における磁界のシミュレーション結果を、図10は第1及び第2の磁界検出素子21,22の近傍の拡大図を示している。図10(a)は図9(a)のA部の、図10(b)は図9(b)のB部の、図10(c)は図9(c)のC部の拡大図である。図10の白い四角は第1の感磁膜38の概略位置を示している。図9(a)及び図10(a)は第1のヨーク23の下端が第1の感磁膜38より上方にある比較例1のシミュレーション結果である。第1のヨーク23のX方向寸法は、第1の磁界検出素子21と第2の磁界検出素子22の間の間隔より少し小さく、Z方向に一定である。図中の矢印の長さは磁束の強度を、矢印の向きは磁束の向きを示している。第1の感磁膜38の感磁方向はX方向であるので、矢印は第1の感磁膜38の位置でできるだけX方向に傾いていることが好ましい。図9(b)及び図10(b)は第1のヨーク23の下端が第1の感磁膜38より下方にある比較例2のシミュレーション結果である。比較例1と比べて、第1の感磁膜38の位置での磁束がよりX方向に傾いている。図9(c)及び図10(c)は第1のヨーク23の下端が第1の感磁膜38より下方にあり、かつ第1のヨーク23の第1の感磁膜38と対向する部分が凹面となった実施例のシミュレーション結果である。磁束は比較例2と比べるとZ方向に若干傾いているが、比較例1よりはX方向に傾いている。
一方、上述の製造方法で説明したように、第1のヨーク23をメッキで形成する場合は、第1及び第2の磁界検出素子21,22の側方の第3の穴47と第3のフォトレジスト48の第4の穴49をあらかじめ形成し、これらの第3及び第4の穴47,49にメッキで第1のヨーク23を形成する。従って、比較例2のように、全体が細長い第1のヨーク23の場合、第4の穴49も深く細長いものとなる。しかし、深く細長い穴へのメッキは形状の精度を確保することが難しく、第1のヨーク23の形成精度が低下する可能性がある。これに対して、実施例では第1のヨーク23がX方向寸法の小さい第1の部分23aと、X方向寸法の大きい第2の部分23bからなっており、従って、第4の穴49のX方向寸法は第3の穴47のX方向寸法より大きく、第1のヨーク23の形成精度を確保することが容易である。
以上のことから、本実施形態では第1のヨーク23の形成精度の確保が容易で、かつ第1及び第2の感磁膜38,42の位置で磁束がよりX方向に傾いた磁界センサを得ることが可能となる。なお、上述の実施形態は複数の磁界検出素子と複数のヨークを有しているが、本発明は1つの磁界検出素子と1つの第1のヨーク23が最小限の構成要素であり、このような構成も本発明に含まれる。
1 磁気センサ
21 第1の磁界検出素子
22 第2の磁界検出素子
23 第1のヨーク
23a 第1のヨークの第1の部分
23b 第1のヨークの第2の部分
24 第2のヨーク
25 第3のヨーク
31 第1の磁界検出素子の下部リード
33 磁化固定層
34 スペーサ層
35 磁化自由層
37 第1の磁界検出素子の上部リード
38 第1の感磁膜
40 第2の磁界検出素子の下部リード
41 第2の磁界検出素子の上部リード
42 第2の感磁膜
X 第1の方向
Z 第2の方向
本発明の磁気センサは、基板と、基板上に設けられ、第1の方向の磁界を検出する第1の感磁膜を有する第1の磁界検出素子と、基板上に設けられ、第1の方向の磁界を検出する第2の感磁膜を備え、第1の方向に第1の磁界検出素子と間隔をあけて配置された第2の磁界検出素子と、基板上に設けられた第1のヨークと、を有している。第1のヨークは、第1の方向に関し第1の感磁膜及び第2の感磁膜の側方、且つ第1の感磁膜と第2の感磁膜の概ね中間に位置する第1の部分と、第1の方向と直交する方向において第1の部分に隣接する第2の部分と、を備え、第2の部分は第1の部分との境界から基板から離れる方向に延び、第2の部分の第1の方向の平均寸法が第1の部分の第1の方向の平均寸法より大きい。そして、第1の磁界検出素子と第2の磁界検出素子は上記直交する方向にみて第1の方向において第1のヨークと重なっている。

Claims (8)

  1. 第1の方向の磁界を検出する第1の感磁膜を有する第1の磁界検出素子と、
    前記第1の方向に関し前記第1の感磁膜の側方に位置する第1の部分と、前記第1の方向と直交する方向において前記第1の部分に隣接する第2の部分と、を備え、前記第2の部分の前記第1の方向の平均寸法が前記第1の部分の前記第1の方向の平均寸法より大きい第1のヨークと、を有する磁気センサ。
  2. 前記第1の部分の一部は、前記第2の部分から前記直交する方向にみて前記第1の感磁膜の先まで延びている、請求項1に記載の磁気センサ。
  3. 前記第1の感磁膜に関し前記第1のヨークの反対側に位置し、前記第1のヨークの中心と前記第1の感磁膜の中心とを結ぶ直線の延長線上を通る第2のヨークを有する、請求項1または2に記載の磁気センサ。
  4. 前記第1の方向の磁界を検出する第2の感磁膜を備え、前記第1の方向に前記第1の磁界検出素子と間隔をあけて配置された第2の磁界検出素子を有し、
    前記第1の部分は前記第1の感磁膜と前記第2の感磁膜の概ね中間に位置する、請求項1から3のいずれか1項に記載の磁気センサ。
  5. 前記第2の感磁膜に関し前記第2のヨークの反対側に位置し、前記第2のヨークの中心と前記第2の感磁膜の中心とを結ぶ直線の延長線上を通る第3のヨークを有し、前記第1の部分の前記第2の部分と反対側の端部は、前記第1の方向において前記第2及び第3のヨークと対向している、請求項4に記載の磁気センサ。
  6. 前記第1の部分の前記第1の感磁膜と対向する対向面は、前記第1の感磁膜から後退する方向に凹んだ曲面を有している、請求項1から5のいずれか1項に記載の磁気センサ。
  7. 前記第1の感磁膜は、外部磁界に対する磁化方向が前記第1の方向を含む平面内で回転可能な磁化自由層と、磁化方向が外部磁界に対し固定された磁化固定層と、前記磁化自由層と前記磁化固定層とに挟まれ、磁気抵抗効果を有するスペーサ層と、を有する、請求項1から6のいずれか1項に記載の磁気センサ。
  8. 第1の方向の磁界を検出する第1の感磁膜を有する第1の磁界検出素子と、前記第1の方向に関し前記第1の磁界検出素子の側方に位置する絶縁層と、を支持層に形成する工程と、
    前記絶縁層に第1の穴を形成する工程と、
    前記絶縁層の上方に、前記第1の穴と連通し前記第1の穴より第1の方向の寸法が大きい第2の穴を備えるレジストを形成する工程と、
    前記第1及び第2の穴にメッキによって第1のヨークを形成し、前記レジストを除去する工程と、を有する磁気センサの製造方法。
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