JP2022139466A - 磁気センサ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】多層構造を有する強磁性膜を備えた磁気センサを改良する。【解決手段】磁気センサ１のセンサチップ１０は、感磁素子Ｒ１と、感磁素子Ｒ１を覆う絶縁膜３２上に設けられ、感磁素子Ｒ１と重なる磁気ギャップＧ１を形成する強磁性膜Ｍ１，Ｍ２と、磁気ギャップＧ１を埋めるよう強磁性膜Ｍ１，Ｍ２上に設けられたパッシベーション膜３３とを備える。強磁性膜Ｍ１，Ｍ２は、下部磁性膜４１と上部磁性膜４２とを含み、磁気ギャップＧ１の幅は、下部磁性膜４１間における幅Ｗ１よりも上部磁性膜４２間における幅Ｗ２の方が広く、下部磁性膜４１は上部磁性膜４２よりも透磁率が高い材料からなる。これにより、感磁素子に磁束が効率よく印加されることから、高い検出感度を得ることが可能となる。【選択図】図４

Description

本発明は磁気センサ及びその製造方法に関し、特に、感磁素子に磁束を集めるための強磁性膜を備える磁気センサ及びその製造方法に関する。

特許文献１には、感磁素子に磁束を集めるための強磁性膜を有する磁気センサが開示されている。例えば、特許文献１の図２０には、強磁性膜を２層構造とした例が挙げられている。

特開２０１９－２１９１８２号公報

しかしながら、強磁性膜を多層構造とした場合、使用する磁性材料や成膜方法によっては、十分な検出感度が得られない、或いは、検出感度にばらつきが生じるといった問題があった。

したがって、本発明は、多層構造を有する強磁性膜を備える改良された磁気センサ及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明による磁気センサは、第１の方向を感磁方向とする感磁素子と、感磁素子を覆う絶縁膜と、絶縁膜上に離間して設けられた第１及び第２の強磁性膜と、第１強磁性膜の端部と第２の強磁性膜の端部との間の離間部を埋めるよう第１及び第２の強磁性膜上に設けられたパッシベーション膜とを備え、感磁素子は平面視で離間部と重なりを有し、第１及び第２の強磁性膜は、絶縁膜の表面に設けられた下部磁性膜と、下部磁性膜上に設けられた上部磁性膜とを含み、離間部の第１の方向における離間幅は、下部磁性膜間における離間幅よりも上部磁性膜間における離間幅の方が広く、下部磁性膜は上部磁性膜よりも透磁率が高い材料からなることを特徴とする。

本発明によれば、下部磁性膜が上部磁性膜よりも透磁率の高い材料からなることから、感磁素子に磁束が効率よく印加される。これにより、高い検出感度を得ることが可能となる。

本発明において、下部磁性膜と上部磁性膜は、他の金属材料からなる膜を介することなく直接接していても構わない。これによれば、下部磁性膜と上部磁性膜の間の磁気抵抗が低下することから、より高い検出感度を得ることが可能となる。

本発明による磁気センサの製造方法は、第１の方向を感磁方向とする感磁素子を絶縁膜で覆う第１の工程と、絶縁膜上に第１及び第２の強磁性膜の下部磁性膜をスパッタリング法によって形成する第２の工程と、第１及び第２の強磁性膜の下部磁性膜上に第１及び第２の強磁性膜の上部磁性膜を電解メッキによって形成する第３の工程と、第１及び第２の強磁性膜上にパッシベーション膜を形成する第４の工程とを備え、第２の工程においては、平面視で、感磁素子の第１の方向における一方の端部が第１の強磁性膜の下部磁性膜と重なり、感磁素子の第１の方向における他方の端部が第２の強磁性膜の下部磁性膜と重なり、感磁素子の一方の端部と他方の端部の間の領域が第１及び第２の強磁性膜の下部磁性膜のいずれとも重ならないよう、下部磁性膜を形成し、第３の工程においては、第１の強磁性膜の下部磁性膜の端部と第２の強磁性膜の下部磁性膜の端部との間の第１の方向における離間幅よりも、第１の強磁性膜の上部磁性膜の端部と第２の強磁性膜の上部磁性膜の端部との間の第１の方向における離間幅の方が広くなるよう、上部磁性膜を形成することを特徴とする。

本発明によれば、下部磁性膜をスパッタリング法によって形成していることから、感磁素子に対する位置精度が高められる。これにより、製品間における検出感度のばらつきを低減することが可能となる。しかも、上部磁性膜を電解メッキによって形成していることから、短時間で十分な膜厚を得ることが可能となる。

第３の工程においては、下部磁性膜をシード層として電解メッキを行っても構わない。これによれば、下部磁性膜と上部磁性膜の間に他の金属材料からなるシード層が介在しないことから、下部磁性膜と上部磁性膜の間の磁気抵抗が低下し、より高い検出感度を得ることが可能となる。

第４の工程においては、スパッタリング法によってパッシベーション膜を形成しても構わない。これによれば、感磁素子が高温に晒されることがないため、感磁素子の特性劣化を防止することができる。

本発明において、下部磁性膜は上部磁性膜よりも透磁率が高い材料からなるものであっても構わない。これによれば、感磁素子に磁束が効率よく印加されることから、高い検出感度を得ることが可能となる。

このように、本発明によれば、磁気センサの検出感度を高めることができるとともに、検出感度のばらつきを低減することが可能となる。

図１は、本発明の一実施形態による磁気センサ１の構造を説明するための略斜視図である。 図２は、磁気センサ１の略分解斜視図である。 図３は、センサチップ１０の略平面図である。 図４は、図３に示すＡ－Ａ線に沿った略断面図である。 図５は、第１の変形例によるセンサチップ１０の略断面図である。 図６は、第２の変形例によるセンサチップ１０の略断面図である。 図７は、センサチップ１０の製造方法を説明するための工程図である。 図８は、センサチップ１０の製造方法を説明するための工程図である。 図９は、センサチップ１０の製造方法を説明するための工程図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態による磁気センサ１の構造を説明するための略斜視図である。また、図２は、磁気センサ１の略分解斜視図である。

図１及び図２に示すように、本実施形態による磁気センサ１は、センサチップ１０と、センサチップ１０に磁束を集める外部磁性体２１，２２とを備えている。センサチップ１０は、ｙｚ面を構成する素子形成面１１及び裏面１２と、ｘｙ面を構成する側面１３，１４と、ｘｚ面を構成する側面１５，１６とを有している。センサチップ１０の素子形成面１１上には、後述する感磁素子及び強磁性膜Ｍ１～Ｍ３が形成されている。外部磁性体２１はｘ方向を長手方向とする棒状体であり、そのｘ方向における一端は、強磁性膜Ｍ１の一部を覆うよう素子形成面１１のｚ方向における略中央部に位置決めされている。外部磁性体２２は、ｘ方向を長手方向とする棒状形状を有しており、強磁性膜Ｍ２，Ｍ３の一部を覆うとともに、センサチップ１０の裏面１２及び側面１３，１４を覆っている。

図３は、センサチップ１０の略平面図である。

図３に示すように、センサチップ１０の素子形成面１１には、４つの感磁素子Ｒ１～Ｒ４と、３つの強磁性膜Ｍ１～Ｍ３が形成されている。感磁素子Ｒ１～Ｒ４は、磁束の向きによって電気抵抗が変化する素子であれば特に限定されず、例えばＭＲ素子などを用いることができる。感磁素子Ｒ１～Ｒ４の固定磁化方向は、互いに同じ向き（例えばｚ方向におけるプラス側）に揃えられている。

ここで、強磁性膜Ｍ１～Ｍ３のうち、ｙ方向における一方側（図３における上側）に位置する部分を強磁性膜Ｍ１１，Ｍ２１，Ｍ３１と定義し、ｙ方向における他方側（図３における下側）に位置する部分を強磁性膜Ｍ１２，Ｍ２２，Ｍ３２と定義した場合、平面視で（ｘ方向から見て）、感磁素子Ｒ１は強磁性膜Ｍ１１と強磁性膜Ｍ２１によって形成される磁気ギャップＧ１と重なる位置に配置され、感磁素子Ｒ２は強磁性膜Ｍ１２と強磁性膜Ｍ２２によって形成される磁気ギャップＧ２と重なる位置に配置され、感磁素子Ｒ３は強磁性膜Ｍ１１と強磁性膜Ｍ３１によって形成される磁気ギャップＧ３と重なる位置に配置され、感磁素子Ｒ４は強磁性膜Ｍ１２と強磁性膜Ｍ３２によって形成される磁気ギャップＧ４と重なる位置に配置される。これにより、磁気ギャップＧ１～Ｇ４を通過する磁界が感磁素子Ｒ１～Ｒ４に印加される。ここで、感磁素子Ｒ１，Ｒ２に印加される磁界の向きと、感磁素子Ｒ３，Ｒ４に印加される磁界の向きは、互いに１８０°異なることから、感磁素子Ｒ１～Ｒ４をブリッジ接続することにより、外部磁性体２１を介して印加される磁束の向き及び強度を検出することができる。

図３において、符号２１ａで示す領域は外部磁性体２１によって覆われる領域を示し、符号２２ａ，２２ｂで示す領域は外部磁性体２２によって覆われる領域を示している。図３に示すように、外部磁性体２１は強磁性膜Ｍ１を覆い、外部磁性体２２は強磁性膜Ｍ２，Ｍ３を覆う。

図４は、図３に示すＡ－Ａ線に沿った略断面図である。

図４に示すように、センサチップ１０は、基板３０とその表面に設けられた絶縁膜３１を有しており、絶縁膜３１の表面が素子形成面１１を構成する。素子形成面１１には、感磁素子Ｒ１～Ｒ４が設けられている。感磁素子Ｒ１～Ｒ４は絶縁膜３２で覆われ、絶縁膜３２の表面には強磁性膜Ｍ１～Ｍ３が設けられる。強磁性膜Ｍ１～Ｍ３は、パッシベーション膜３３によって覆われる。

強磁性膜Ｍ１～Ｍ３は、絶縁膜３２と接する下部磁性膜４１と、下部磁性膜４１上に設けられた上部磁性膜４２によって構成されている。下部磁性膜４１と上部磁性膜４２は互いに異なる磁性材料からなり、下部磁性膜４１の方が上部磁性膜４２よりも透磁率が高く、上部磁性膜４２の方が下部磁性膜４１よりも膜厚が厚い。一例として、下部磁性膜４１の材料としてパーマロイなどのＮｉＦｅ系材料を用い、上部磁性膜４２の材料としてＣｏＦｅ系材料を用いることができる。下部磁性膜４１は感磁素子Ｒ１～Ｒ４に効率よく磁束を印加する役割を果たし、上部磁性膜４２は強磁性膜Ｍ１～Ｍ３全体の磁気抵抗を小さくする役割を果たす。

下部磁性膜４１のｚ方向における端部は、平面視で（ｘ方向から見て）対応する感磁素子Ｒ１～Ｒ４と重なりを有している。図４に示す断面では、感磁素子Ｒ１のｚ方向における一端は強磁性膜Ｍ１を構成する下部磁性膜４１と重なり、感磁素子Ｒ１のｚ方向における他端は強磁性膜Ｍ２を構成する下部磁性膜４１と重なる。感磁素子Ｒ１のうち、下部磁性膜４１と重ならない領域は、磁気ギャップＧ１と重なっている。

ここで、磁気ギャップＧ１～Ｇ４を構成する下部磁性膜４１のｚ方向における離間幅をＷ１とし、磁気ギャップＧ１～Ｇ４を構成する上部磁性膜４２のｚ方向における離間幅をＷ２とした場合、Ｗ１＜Ｗ２である。このような構造により、磁気ギャップＧ１～Ｇ４を通過する磁束は、透磁率の高い下部磁性膜４１のエッジに集中するため、感磁素子Ｒ１～Ｒ４に効率よく磁束が印加され、高い検出感度を得ることが可能となる。これに対し、下部磁性膜４１の方が上部磁性膜４２よりも透磁率が低いと、磁気ギャップＧ１～Ｇ４を通過する磁束が上部磁性膜４２間をバイパスしてしまい、感磁素子Ｒ１～Ｒ４に印加される磁束が減少してしまう。本実施形態においては、下部磁性膜４１の方が上部磁性膜４２よりも透磁率が高い材料を用いていることから、このようなバイパス現象による検出感度の低下を抑えることが可能となる。

しかも、上部磁性膜４２によって形成される磁気ギャップＧ１～Ｇ４の離間幅がＷ２に拡大されていることから、離間幅Ｗ１が狭い場合であっても、磁気ギャップＧ１～Ｇ４をパッシベーション膜３３によって確実に埋め込むことが可能となり、製品の信頼性が高められる。

また、図５に示すように、上部磁性膜４２の上部エッジは傾斜面であっても構わない。これによれば、上部磁性膜４２によって形成される磁気ギャップＧ１～Ｇ４の離間幅Ｗ２が上方ほど広くなることから、パッシベーション膜３３を磁気ギャップＧ１～Ｇ４により埋め込みやすくなる。さらに、図６に示すように、上部磁性膜４２上にさらなる上部磁性膜４３を設けても構わない。この場合、磁気ギャップＧ１～Ｇ４を構成する上部磁性膜４３のｚ方向における離間幅をＷ３とした場合、Ｗ２＜Ｗ３とすることにより、パッシベーション膜３３を磁気ギャップＧ１～Ｇ４により埋め込みやすくなる。この場合であっても、下部磁性膜４１は、上部磁性膜４２，４３よりも透磁率の高い材料が用いられる。

次に、センサチップ１０の製造方法について説明する。

図７～図９は、センサチップ１０の製造方法を説明するための工程図であり、図３に示すＡ－Ａ線に沿った断面に対応している。

まず、図７に示すように、基板３０上に絶縁膜３１を形成した後、絶縁膜３１の表面に感磁素子Ｒ１～Ｒ４を形成し、感磁素子Ｒ１～Ｒ４を絶縁膜３２によって覆う。次に、スパッタリング法によって、絶縁膜３２の全面に下部磁性膜４１を形成する。スパッタリング法を用いて下部磁性膜４１を成膜すれば、下部磁性膜４１の膜厚を高精度に制御することが可能である。次に、図８に示すように、下部磁性膜４１上にマスク５１を形成し、マスク５１で覆われていない領域の下部磁性膜４１をエッチングにより除去する。これにより、下部磁性膜４１が強磁性膜Ｍ１～Ｍ３を構成する部分に分離される。ここで、マスク５１はフォトリソグラフィー法によってパターニングすることによって形成されることから、感磁素子Ｒ１～Ｒ４に対する高い位置精度を確保することが可能である。或いは、図示しないメタルマスクなどを介してスパッタリングを行うことにより、強磁性膜Ｍ１～Ｍ３を構成する部分に分離された下部磁性膜４１を形成しても構わない。この場合であっても、メタルマスクを高精度にアライメントすることにより、下部磁性膜４１の位置精度が高められる。

次に、マスク５１を除去した後、図９に示すようにレジスト５２を形成し、この状態で下部磁性膜４１をシード層（給電体）とした電解メッキを行うことにより、上部磁性膜４２を形成する。電解メッキによる成膜は、スパッタリング法と比べると位置精度が低いものの、短時間で十分な膜厚を得ることが可能である。しかも、下部磁性膜４１をそのままシード層として用いていることから、下部磁性膜４１と上部磁性膜４２の間に他の金属材料からなる膜が残存しない。つまり、下部磁性膜４１と上部磁性膜４２が直接接する構造が得られることから、下部磁性膜４１と上部磁性膜４２の間の磁気抵抗を十分に低くすることが可能となる。

そして、レジスト５２を除去した後、磁気ギャップＧ１～Ｇ４を埋めるよう、強磁性膜Ｍ１～Ｍ３を覆うパッシベーション膜３３を形成すれば、本実施形態において使用するセンサチップ１０が完成する。パッシベーション膜３３の成膜方法としては、スパッタリング法を用いることが好ましい。これは、ＣＶＤ法などの高温プロセスを用いてパッシベーション膜３３を成膜すると、感磁素子Ｒ１～Ｒ４が高温に晒され、特性が劣化するおそれがあるからである。これに対し、低温プロセスであるスパッタリング法によってパッシベーション膜３３を成膜すれば、感磁素子Ｒ１～Ｒ４の特性劣化を防止することができる。一方で、ＣＶＤ法に比べるとスパッタリング法はカバレッジ性が低いため、磁気ギャップＧ１～Ｇ４が狭いと、磁気ギャップＧ１～Ｇ４がパッシベーション膜３３によって完全に埋め込まれず、ボイドが生じるおそれがある。しかしながら、本実施形態においては、磁気ギャップＧ１～Ｇ４の上方における離間幅がＷ２に拡大されており、且つ、離間幅Ｗ１を構成する下部磁性膜４１の膜厚が薄いことから、スパッタリング法を用いた場合であっても、ボイドが生じることなく、パッシベーション膜３３によって磁気ギャップＧ１～Ｇ４を完全に埋めることが可能となる。

以上説明したように、本実施形態によれば、下部磁性膜４１をスパッタリング法によって成膜し、下部磁性膜４１をシード層として上部磁性膜４２を電解メッキによって成膜していることから、高い位置精度を有し、且つ、磁気抵抗の低い強磁性膜Ｍ１～Ｍ３を短時間で作製することが可能となる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

１ 磁気センサ
１０ センサチップ
１１ 素子形成面
１２ 裏面
１３～１６ 側面
２１，２２ 外部磁性体
３０ 基板
３１，３２ 絶縁膜
３３ パッシベーション膜
４１ 下部磁性膜
４２，４３ 上部磁性膜
５１ マスク
５２ レジスト
Ｇ１～Ｇ４ 磁気ギャップ
Ｍ１～Ｍ３，Ｍ１１，Ｍ１２，Ｍ２１，Ｍ２２，Ｍ３１，Ｍ３２ 強磁性膜
Ｒ１～Ｒ４ 感磁素子

Claims (6)

1. 第１の方向を感磁方向とする感磁素子と、
   前記感磁素子を覆う絶縁膜と、
   前記絶縁膜上に離間して設けられた第１及び第２の強磁性膜と、
   前記第１強磁性膜の端部と前記第２の強磁性膜の端部との間の離間部を埋めるよう、前記第１及び第２の強磁性膜上に設けられたパッシベーション膜と、を備え、
   前記感磁素子は、平面視で前記離間部と重なりを有し、
   前記第１及び第２の強磁性膜は、前記絶縁膜の表面に設けられた下部磁性膜と、前記下部磁性膜上に設けられた上部磁性膜とを含み、
   前記離間部の前記第１の方向における離間幅は、前記下部磁性膜間における離間幅よりも前記上部磁性膜間における離間幅の方が広く、
   前記下部磁性膜は、前記上部磁性膜よりも透磁率が高い材料からなることを特徴とする磁気センサ。
2. 前記下部磁性膜と前記上部磁性膜は、他の金属材料からなる膜を介することなく直接接していることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
3. 第１の方向を感磁方向とする感磁素子を絶縁膜で覆う第１の工程と、
   前記絶縁膜上に第１及び第２の強磁性膜の下部磁性膜をスパッタリング法によって形成する第２の工程と、
   前記第１及び第２の強磁性膜の前記下部磁性膜上に前記第１及び第２の強磁性膜の上部磁性膜を電解メッキによって形成する第３の工程と、
   前記第１及び第２の強磁性膜上にパッシベーション膜を形成する第４の工程と、を備え、
   前記第２の工程においては、平面視で、前記感磁素子の前記第１の方向における一方の端部が前記第１の強磁性膜の前記下部磁性膜と重なり、前記感磁素子の第１の方向における他方の端部が前記第２の強磁性膜の前記下部磁性膜と重なり、前記感磁素子の前記一方の端部と前記他方の端部の間の領域が前記第１及び第２の強磁性膜の前記下部磁性膜のいずれとも重ならないよう、前記下部磁性膜を形成し、
   前記第３の工程においては、前記第１の強磁性膜の前記下部磁性膜の端部と前記第２の強磁性膜の前記下部磁性膜の端部との間の前記第１の方向における離間幅よりも、前記第１の強磁性膜の前記上部磁性膜の端部と前記第２の強磁性膜の前記上部磁性膜の端部との間の前記第１の方向における離間幅の方が広くなるよう、前記上部磁性膜を形成することを特徴とする磁気センサの製造方法。
4. 前記第３の工程においては、前記下部磁性膜をシード層として電解メッキを行うことを特徴とする請求項３に記載の磁気センサの製造方法。
5. 前記第４の工程においては、スパッタリング法によって前記パッシベーション膜を形成することを特徴とする請求項３又は４に記載の磁気センサの製造方法。
6. 前記下部磁性膜は、前記上部磁性膜よりも透磁率が高い材料からなることを特徴とする請求項３乃至５のいずれか一項に記載の磁気センサの製造方法。

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