JP2020165817A

JP2020165817A - 磁気センサ及びその製造方法

Info

Publication number: JP2020165817A
Application number: JP2019066787A
Authority: JP
Inventors: 香奈松井; Kana Matsui; 寿士重谷; Hisashi Omotani; 貴士島田; Takashi Shimada
Original assignee: Taiyo Yuden Co Ltd
Current assignee: Taiyo Yuden Co Ltd
Priority date: 2019-03-29
Filing date: 2019-03-29
Publication date: 2020-10-08

Abstract

【課題】磁界感度の更なる向上を図ることができる磁気センサ及びその製造方法を提供する。【解決手段】最初に第一軟磁性薄膜１２を形成し、次に、前記第一軟磁性薄膜１２に接してＴＭＲ薄膜２０を形成し、次に、前記第一軟磁性薄膜１２に対して前記ＴＭＲ薄膜２０を挟むように第二軟磁性薄膜３２を形成する。そして、前記ＴＭＲ薄膜２０の表面をエッチングして、膜厚を小さくする。その後、前記第一軟磁性薄膜１２及び第二軟磁性薄膜３２に電極５２１，５２２を形成するとともに、前記第一軟磁性薄膜１２，ＴＭＲ薄膜２０，第二軟磁性薄膜３２の上に、第二保護膜５６を形成する。ＴＭＲ薄膜２０の膜厚を第一軟磁性薄膜１２及び第二軟磁性薄膜３２の膜厚よりも小さくすることで、第一軟磁性薄膜１２及び第二軟磁性薄膜３２からの漏れ磁束の磁束密度を高めてＴＭＲ薄膜２０に作用するようになり、感度が向上する。【選択図】図１

Description

本発明は、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Tunnel Magneto Resistance）効果を利用した磁気センサの改良に関する。

トンネル磁気抵抗効果を利用した磁気センサは、ＭＲ比（磁気抵抗変化率）が高い，ＴＭＲ効果を有する材料が薄膜であるため小型化に適している，等の利点がある。ＴＭＲ効果を示す材料としては、例えば金属−絶縁体系ナノグラニュラー膜がある。しかし、金属-絶縁体系ナノグラニュラー膜は、低磁界における磁界感度が非常に小さい。

このような欠点を改善するものとして、下記特許文献記載の背景技術がある。まず、下記特許文献１記載の「薄膜磁界センサ」には、ＴＭＲ薄膜の両端に軟磁性薄膜を配置し、ＴＭＲ薄膜の磁界感度を上げる点が開示されている（同公報図１参照）。下記特許文献２には、軟磁性薄膜から漏れる磁束を効率よくＴＭＲ薄膜に作用させるために、ＴＭＲ薄膜が配置される軟磁性薄膜間のギャップ長を短くし、またＴＭＲ薄膜と軟磁性薄膜間の電気的接触状態のばらつきを低減させるようにした磁気センサ及びその製造方法が開示されている（同公報図２参照）。下記特許文献３には、軟磁性薄膜からの漏れ磁束の磁束密度を高めてＴＭＲ薄膜へ作用させることができるよう、軟磁性薄膜の膜厚（同公報図３のｔｆ）に対するＴＭＲ薄膜の膜厚（同公報図３のｔｇ）の比ｔｇ／ｔｆが１以下、好ましくは０．９〜０．８以下とすることが開示されている。

特開平１１−８７８０４号公報特開２００４−３５６３３８号公報特開２００４−３５４１８１号公報

しかしながら、上述した背景技術のうち、特許文献２では、ギャップ長を短くできる，ＴＭＲ薄膜と軟磁性薄膜の接触状態を安定させることができる，といった点で有利であるが、軟磁性薄膜の膜厚とＴＭＲ薄膜の膜厚の比は「１」にすることはできても、「１」以下にすることは難しく、更なる感度の向上を図ることが難しい。

本発明は、かかる点に着目したもので、磁界感度の更なる向上を図ることができる磁気センサ及びその製造方法を提供することを、その目的とする。

本発明の磁気センサの製造方法は、ＴＭＲ薄膜が第一軟磁性薄膜と第二軟磁性薄膜とによって挟まれている磁気センサの製造方法であって、第一軟磁性薄膜を形成する第一軟磁性薄膜形成工程と、前記第一軟磁性薄膜に接してＴＭＲ薄膜を形成するＴＭＲ薄膜形成工程と、前記第一軟磁性薄膜に対して前記ＴＭＲ薄膜を挟むように第二軟磁性薄膜を形成する第二軟磁性薄膜形成工程と、前記ＴＭＲ薄膜の表面をエッチングするＴＭＲ薄膜エッチング工程と、前記第一軟磁性薄膜及び第二軟磁性薄膜に電極を形成する電極形成工程と、前記第一軟磁性薄膜，ＴＭＲ薄膜，第二軟磁性薄膜の上に、表面保護膜を形成する表面保護膜形成工程と、を備えたことを特徴とする。主要な形態の一つによれば、前記ＴＭＲ薄膜エッチング工程におけるエッチングをイオンミリングにより行うことを特徴とする。

本発明の磁気センサは、前記製造方法で製造した磁気センサであって、ＴＭＲ薄膜の膜厚が第一軟磁性薄膜及び第二軟磁性薄膜の膜厚よりも小さいことを特徴とする。主要な形態の一つによれば、前記ＴＭＲ薄膜が、金属−絶縁体系ナノグラニュラー膜，金属−金属系ナノグラニュラー膜，もしくは、磁性体で絶縁体を挟んで積層した積層膜であることを特徴とする。本発明の前記及び他の目的，特徴，利点は、以下の詳細な説明及び添付図面から明瞭になろう。

本発明によれば、ＴＭＲ薄膜をエッチング工程によりエッチングし、ＴＭＲ薄膜の膜厚を第一軟磁性薄膜及び第二軟磁性薄膜の膜厚よりも小さくすることとしたので、第一軟磁性薄膜及び第二軟磁性薄膜からの漏れ磁束の磁束密度を高めてＴＭＲ薄膜に作用するようになり、感度の向上を図ることができる。

本発明の一実施例における第一軟磁性薄膜形成工程を示す図である。前記実施例におけるＴＭＲ薄膜形成工程を示す図である。前記実施例における第二軟磁性薄膜形成工程を示す図である。前記実施例におけるＴＭＲ薄膜エッチング工程を示す図である。前記実施例における電極形成工程及び表面保護膜形成工程を示す図である。 (A)は前記実施例におけるＴＭＲ薄膜エッチング工程後の様子を示す図であり、(B)及び(C)は他の開口の例を示す図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、実施例に基づいて詳細に説明する。

最初に、本発明の磁気センサの製造方法の実施例から説明する。本実施例の製造方法は、
ａ，第一軟磁性薄膜形成工程，
ｂ，ＴＭＲ薄膜形成工程，
ｃ，第二軟磁性薄膜形成工程，
ｄ，ＴＭＲ薄膜エッチング工程，
ｅ，電極形成工程，
ｆ，表面保護膜形成工程，
を備えている。

まず、図１を参照して、第一軟磁性薄膜形成工程から説明すると、絶縁性・非磁性の基板１０の主面に、第一軟磁性層１２Ａを堆積する（同図(A)参照）。次に、その上にフォトレジスト層１４Ａを塗布した後、所定のパターンを有するマスク１６を配置して露光を行う（同図(B)参照）。そして、現像処理によりフォトレジスト層１４Ａの感光部を除去することで、第一軟磁性薄膜１２を形成する部分に、フォトレジスト膜１４Ｂが形成される（同図(C)参照）。必要があれば、フォトレジスト膜１４Ｂに対してポストベーク処理を施す。この状態でイオンビームなどによるエッチング処理を行って、不要な第一軟磁性層１２Ａを除去し、第一軟磁性薄膜１２を形成する（同図(D)参照）。このとき、エッチング条件を適宜設定することで、第一軟磁性薄膜１２の端面に傾斜角θが形成される。その後、フォトレジスト膜１４Ｂは除去される（同図(E)参照）。以上のようにして、基板１０上に第一軟磁性膜１２が形成される。

次に、図２を参照して、ＴＭＲ薄膜形成工程を説明すると、まず、主面の全体にＴＭＲ層２０Ａを堆積させ（同図(A)参照）、ＴＭＲ薄膜２０となる部分にフォトレジスト膜２２を形成する（同図(B)参照）。この状態でイオンビームなどによるエッチング処理を行って、不要なＴＭＲ層２０Ａを除去し、ＴＭＲ薄膜２０を形成する（同図(C)参照）。その後、フォトレジスト膜２２は除去される（同図(D)参照）。以上のようにして、第一軟磁性薄膜１２の表面から傾斜面に掛けて、ＴＭＲ薄膜２０が形成される。

次に、図３を参照して、第二軟磁性薄膜形成工程を説明すると、前記図１(B)〜(C)と同様にして、所定部分を除いてフォトレジスト膜３０を形成する（同図(A)参照）。そして、主面全体に第二軟磁性層３２Ａを形成し（同図(B)参照）、その後、フォトレジスト膜３０を除去（リフトオフ）すると、第一軟磁性薄膜１２とＴＭＲ薄膜２０の上の第二軟磁性層３２Ａが残る（同図(C)参照）。この状態では、第一軟磁性薄膜１２と第二軟磁性層３２Ａとが直接接しているので、これをＴＭＲ薄膜２０を挟むように、不要部分を除去する必要がある。そこで、まず、主面の全体に、絶縁性かつ非磁性の第一保護膜３４Ａを堆積させる（同図(D)参照）。この第一保護膜３４Ａは、その下の凹凸を平坦化するためと、第一軟磁性薄膜１２とＴＭＲ薄膜２０を保護するために設けられる。そして、第一軟磁性薄膜１２と第二軟磁性層３２Ａとが直接接触している部分がなくなるまで、機械研磨その他の適宜の方法により主面側を除去する（同図(E)，(F)参照）。

このようにして、第二軟磁性薄膜３２が形成される（図４(A)参照）。すなわち、所定の傾斜角θを有する対向面を備えた第一軟磁性薄膜１２と、前記傾斜角θの対向面上に堆積させたＴＭＲ薄膜２０と、このＴＭＲ薄膜２０に堆積させた第二軟磁性薄膜３２とによる積層構造が得られる。以上の各工程は、上述した特許文献２の方法と同様である。

ところで、本実施例では、図４に示すように、ＴＭＲ薄膜２０の膜厚を、第一軟磁性薄膜１２及び第二軟磁性薄膜３２よりも小さくするためのＴＭＲ薄膜エッチング工程による処理が行われる。図４(A)において、第一軟磁性薄膜１２の膜厚（基板１０からの高さ，以下同様）をｔａ，第二軟磁性薄膜３２の膜厚をｔｂ，ＴＭＲ薄膜２０の膜厚をｔｃとすると、ｔａ≒ｔｂ≒ｔｃとなり、ｔｃ／ｔａ≒１，ｔｃ／ｔｂ≒１である。本実施例では、比が１以下となるように、ＴＭＲ薄膜２０の膜厚ｔｃが低減される。まず、主面上にフォトレジスト層４０を形成し、フォトリソグラフィにより、ＴＭＲ薄膜２０が露出する開口４２を形成する（同図(B)参照）。この状態でエッチング処理を施すと、開口４２に露出しているＴＭＲ薄膜２０やその周囲の第一軟磁性薄膜１２及び第二軟磁性薄膜３２がエッチングされ、膜厚がｔｃからｔｄとなる（同図(C)参照）。その後、フォトレジスト層４０は除去される（同図(D)参照）。この図４(D)の状態を斜視図で示すと、図６(A)のようになる。上記図４(C)のエッチング処理としては、各種の公知の方法を適用してよいが、例えば、イオンミリングが好適である。

次に、図５(A)〜(C)を参照して、電極形成工程について説明する。上述した図４(D)の状態から、フォトリソグラフィにより、電極を形成する領域を除いて、フォトレジスト層５０を形成する（図５(A)参照）。そして、主面上に導電性材料により導電性薄膜５２Ａを堆積し（同図(B)参照）、フォトレジスト層５０を除去（リフトオフ）する。これにより、第一軟磁性薄膜１２の端部には電極５２１が形成され、第二軟磁性薄膜３２の端部には電極５２２が形成される（同図(C)参照）。

次に、図５(D)〜(F)を参照して、表面保護膜形成工程について説明する。まず、フォトリソグラフィにより、保護膜を形成する領域を除いて、フォトレジスト層５４を形成する（同図(D)参照）。そして、主面の全体に、所定の厚さを有する第二保護層５６Ａを堆積させ（同図(E)参照）、フォトレジスト層５４を除去（リフトオフ）する。これにより、第一軟磁性薄膜１２，ＴＭＲ薄膜２０，第二軟磁性薄膜３２の表面が、電極５２１，５２２が露出するように、第二保護膜５６で覆われるようになる。以上の電極形成工程及び表面保護工程は、上述した特許文献２と同様である。

このように、本実施例によれば、ＴＭＲ薄膜エッチング工程により、ＴＭＲ薄膜２０の膜厚ｔｄが第一軟磁性薄膜１２の膜厚ｔａ及び第二軟磁性薄膜３２の膜厚ｔｂよりも小さくなり、膜厚の比ｔｄ／ｔａ＜１，ｔｄ／ｔｂ＜１となる。このため、第一軟磁性薄膜１２，第二軟磁性薄膜３２からの漏れ磁束の磁束密度を高めてＴＭＲ薄膜２０に作用するようになり、感度の向上を図ることができる。

なお、本発明は、上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加えることができる。例えば、以下のものも含まれる。
(1)ＴＭＲ薄膜２０を形成した開口４２の形状としては、図６(A)に示した逆台形状の他、同図(B)に示す開口４２Ａのように略矩形状としてもよいし、同図(C)に示す開口４２Ｂのように略円弧形状としてもよい。
(2)各部を形成する材料としては、上述した特許文献１〜３に記載されたものをそのまま適用することができる。また、エッチングなど各工程の手法も同様である。
(3)前記実施例では、図６(A)に示したように、特許文献１記載の平面形状となっているが、特許文献２や特許文献３のような平面形状としてもよい。
(4)ＴＭＲ薄膜２０としては、金属−絶縁体系ナノグラニュラー膜が好適であるが、金属−金属系ナノグラニュラー膜や、磁性体で絶縁体を挟んで積層した積層膜であってもよい。積層膜の場合、第一軟磁性薄膜１２と第二軟磁性薄膜３２との間に、磁性体ー絶縁体ー磁性体の積層膜が挟まれることになる。

本発明によれば、ＴＭＲ薄膜をエッチング工程によりエッチングし、ＴＭＲ薄膜の膜厚を第一軟磁性薄膜及び第二軟磁性薄膜の膜厚よりも小さくすることとしたので、第一軟磁性薄膜及び第二軟磁性薄膜からの漏れ磁束の磁束密度を高めてＴＭＲ薄膜に作用するようになり、感度の向上を図ることができるので、磁気センサに好適である。

１０：基板
１２：第一軟磁性薄膜
１２Ａ：第一軟磁性層
１４Ａ：フォトレジスト層
１４Ｂ：フォトレジスト膜
１６：マスク
２０：ＴＭＲ薄膜
２０Ａ：ＴＭＲ層
２２：フォトレジスト膜
３０：フォトレジスト膜
３２：第二軟磁性薄膜
３２Ａ：第二軟磁性層
３４Ａ：第一保護膜
４０：フォトレジスト層
４２，４２Ａ，４２Ｂ：開口
５０：フォトレジスト層
５２Ａ：導電性薄膜
５４：フォトレジスト層
５６：第二保護膜
５６Ａ：第二保護層
５２１，５２２：電極

Claims

ＴＭＲ薄膜が第一軟磁性薄膜と第二軟磁性薄膜とによって挟まれている磁気センサの製造方法であって、
第一軟磁性薄膜を形成する第一軟磁性薄膜形成工程と、
前記第一軟磁性薄膜に接してＴＭＲ薄膜を形成するＴＭＲ薄膜形成工程と、
前記第一軟磁性薄膜に対して前記ＴＭＲ薄膜を挟むように第二軟磁性薄膜を形成する第二軟磁性薄膜形成工程と、
前記ＴＭＲ薄膜の表面をエッチングするＴＭＲ薄膜エッチング工程と、
前記第一軟磁性薄膜及び第二軟磁性薄膜に電極を形成する電極形成工程と、
前記第一軟磁性薄膜，ＴＭＲ薄膜，第二軟磁性薄膜の上に、表面保護膜を形成する表面保護膜形成工程と、
を備えたことを特徴とする磁気センサの製造方法。
前記ＴＭＲ薄膜エッチング工程におけるエッチングをイオンミリングにより行うことを特徴とする請求項１記載の磁気センサの製造方法。
請求項１又は２記載の製造方法で製造した磁気センサであって、ＴＭＲ薄膜の膜厚が第一軟磁性薄膜及び第二軟磁性薄膜の膜厚よりも小さいことを特徴とする磁気センサ。
前記ＴＭＲ薄膜が、金属−絶縁体系ナノグラニュラー膜，金属−金属系ナノグラニュラー膜，もしくは、磁性体で絶縁体を挟んで積層した積層膜であることを特徴とする請求項３記載の磁気センサ。