JP2023128866A - 磁気センサおよび磁気センサの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】磁場の検出感度を向上させることができる磁気センサおよび磁気センサの製造方法を提供する。【解決手段】センサ部１２が、磁化方向が変化可能に設けられた磁気検知層２１と、非磁性体を含み、磁気検知層２１の一方の表面側に配置された障壁層２２と、磁化方向が固定され、障壁層２２の磁気検知層２１とは反対の面側に配置された参照層２３とを有する。磁気収束層１３が、磁気検知層２１と同じ物質から成り、磁気検知層２１の側方に、磁気検知層２１の側面との間に間隔をあけて配置されている。磁気検知層２１と磁気収束層１３とを構成する層を成膜した後、その層を厚み方向に貫通する溝１５を形成することにより、磁気検知層２１と磁気収束層１３とに分割する。【選択図】図１

Description

本発明は、磁気センサおよび磁気センサの製造方法に関する。

従来、磁気抵抗効果を利用した磁気センサとして、例えばトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子のＴＭＲ効果等を利用したＭＲセンサ（磁気抵抗センサ）がある。この磁気センサでは、磁場を検知するための素子が、磁化方向が変化可能に設けられた磁気検知層と、非磁性体を含み、前記磁気検知層の一方の表面側に配置された障壁層と、磁化方向が固定され、前記障壁層の前記磁気検知層とは反対の面側に配置された参照層とを有している（例えば、特許文献１参照）。

また、集磁効率を向上させて磁場の検出感度を高めるために、素子の近傍に磁気収束板を備えた磁気センサが広く使用されている。磁気収束板を備えた磁気センサでは、例えば、図５に示すように、シリコンウエハなどの基板上に形成された素子を絶縁するために、素子の側面全体や上面を覆うよう設けられた層間絶縁膜を有し、素子を挟むよう、保護層の上に設けられた１対の磁気収束板が設けられている（例えば、特許文献２参照）。

特開２０２１－５２０５０号公報 特開２０１８－１９４５３４号公報

図５や特許文献２に記載のような、従来の磁気収束板を有する磁気センサでは、磁場の検出感度を高めるために、素子と磁気収束板との位置関係を高精度で制御する必要がある。しかしながら、素子の各層と磁気収束板とを別々に成膜するため、製造工程でのマスクやパターニング等の精度のバラツキにより、素子に対する磁気収束板の位置がずれてしまうことがあり、磁場の検出感度を期待通りに向上させることができないという課題があった。

本発明は、このような課題に着目してなされたもので、磁場の検出感度を向上させることができる磁気センサおよび磁気センサの製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る磁気センサは、磁化方向が変化可能に設けられた磁気検知層と、非磁性体を含み、前記磁気検知層の一方の表面側に配置された障壁層と、磁化方向が固定され、前記障壁層の前記磁気検知層とは反対の面側に配置された参照層とを有するセンサ部と、前記磁気検知層と同じ物質から成り、前記磁気検知層の側方に、前記磁気検知層の側面との間に間隔をあけて配置された磁気収束層とを、有することを特徴とする。

本発明に係る磁気センサの製造方法は、本発明に係る磁気センサを製造するための磁気センサの製造方法であって、前記磁気検知層と前記磁気収束層とを構成する層を成膜した後、その層を厚み方向に貫通する溝を形成することにより、前記磁気検知層と前記磁気収束層とに分割することを特徴とする。

本発明に係る磁気センサの製造方法は、本発明に係る磁気センサを好適に製造することができる。本発明に係る磁気センサの製造方法は、成膜した層に対し、厚み方向に貫通する溝を形成して分割することにより、磁気検知層と磁気収束層とを形成することができる。溝を形成するだけで磁気検知層と磁気収束層とを同時に形成することができるため、磁気検知層に対する磁気収束層の位置精度を高めることができる。また、溝の幅により、磁気検知層と磁気収束層との間隔を容易に調整することができる。このように、本発明に係る磁気センサおよび磁気センサの製造方法は、磁気検知層を含むセンサ部に対する磁気収束層の位置精度を高めることができ、磁場の検出感度を向上させることができる。

本発明に係る磁気センサおよび磁気センサの製造方法は、磁気検知層および磁気収束層の表面が、同一平面上に位置するため、例えば、センサ部をエッチング等により加工する際、磁気収束層の表面の位置をモニターしながら加工することにより、加工精度を高めることができる。特に、センサ部を、障壁層を貫通して磁気検知層の表面までエッチングする際には、磁気収束層の表面と同じ高さでエッチングを停止することができ、障壁層の厚みが数ｎｍと非常に薄い場合であっても、高精度で加工することができる。

本発明に係る磁気センサおよび磁気センサの製造方法で、磁気検知層、参照層および磁気収束層は、強磁性体を含んでいることが好ましい。障壁層は、絶縁性の非磁性体から成ることが好ましい。本発明に係る磁気センサおよび磁気センサの製造方法は、センサ部の磁気検知層側の表面および参照層側の表面に、他の層を有していてもよい。また、磁気検知層と障壁層との間、および、障壁層と参照層との間に、他の層が挿入されていてもよい。また、本発明に係る磁気センサの製造方法では、磁気検知層と前記磁気収束層とを分割する溝を形成する前に、障壁層や参照層を成膜してもよく、溝を形成後、障壁層や参照層を成膜してもよい。また、本発明に係る磁気センサは、例えば、ＴＭＲセンサ、ＡＭＲセンサ、ＧＭＲセンサ、ＭＩセンサ、フラックスゲートセンサなど、センサ部を有するものであればいかなるものであってもよい。

本発明に係る磁気センサで、前記磁気収束層は１対から成り、前記磁気検知層の側方から前記磁気検知層を挟むよう配置されていることが好ましい。本発明に係る磁気センサの製造方法は、前記磁気検知層の両脇に前記溝を形成し、前記磁気検知層の側方から前記磁気検知層を挟むよう、前記磁気収束層を１対形成することが好ましい。これらの場合、集磁効率をより高めることができ、磁場の検出感度をさらに向上させることができる。また、製造する際に、シリコンウエハなどの基板上に効率よく配置することができ、製造効率を高めることができる。

本発明に係る磁気センサで、前記磁気検知層は、前記磁気収束層と電気的に絶縁されていることが好ましい。本発明に係る磁気センサの製造方法は、前記磁気検知層と前記磁気収束層との間に形成した前記溝に、絶縁膜を設けることが好ましい。これらの場合、ノイズを遮断して、磁場の検出感度を向上させることができる。

本発明に係る磁気センサは、一方の表面側に、前記センサ部と前記磁気収束層とが形成された基板を有し、前記センサ部は、前記磁気検知層が前記基板側になるよう、前記基板の上に形成されていることが好ましい。本発明に係る磁気センサの製造方法は、基板の一方の表面側に、前記磁気検知層と前記磁気収束層とを形成した後、前記磁気検知層の前記基板とは反対の表面側に、前記障壁層と前記参照層とを形成することが好ましい。これらの場合、磁気収束層を形成しやすい。

本発明に係る磁気センサは、前記磁気検知層から前記参照層に向かう積層方向に沿って、前記磁気収束層との間に間隔をあけて、前記磁気収束層の表面に対して平行に配置され、前記磁気収束層を前記積層方向に投影した範囲の内側に設けられた磁気収束板を有していてもよい。本発明に係る磁気センサの製造方法は、前記磁気検知層から前記参照層に向かう積層方向に沿って、前記磁気収束層との間に間隔をあけて、前記磁気収束層の表面に対して平行、かつ、前記磁気収束層を前記積層方向に投影した範囲の内側に、磁気収束板を形成してもよい。これらの場合、磁気収束板により、さらに集磁効率を高めることができ、磁場の検出感度をさらに向上させることができる。

本発明によれば、磁場の検出感度を向上させることができる磁気センサおよび磁気センサの製造方法を提供することができる。

本発明の実施の形態の磁気センサの（ａ）絶縁膜を透過した平面図、（ｂ）断面図である。 本発明の実施の形態の磁気センサの変形例を示す（ａ）絶縁膜を透過した平面図、（ｂ）断面図である。 本発明の実施の形態の磁気センサおよび磁気センサの製造方法の、（ａ）比較例の磁気検知層の設計パターン、（ｂ）磁気検知層および磁気収束層の設計パターンである。 （ａ）図３（ａ）に示す比較例の磁気抵抗曲線、（ｂ）図３（ｂ）に示す本発明の実施の形態の磁気センサの磁気抵抗曲線である。 従来の磁気センサの（ａ）層間絶縁膜を透過した平面図、（ｂ）断面図である。

以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態について説明する。
図１乃至図４は、本発明の実施の形態の磁気センサおよび磁気センサの製造方法を示している。
図１に示すように、磁気センサ１０は、基板１１とセンサ部１２と磁気収束層１３と絶縁膜１４とを有している。

基板１１は、市販のシリコンウエハから成っている。センサ部１２は、基板１１の一方の表面の上に設けられ、磁気検知層２１と障壁層２２と参照層２３とを有している。磁気検知層２１は、強磁性体から成り、基板１１の上に形成されている。磁気検知層２１は、外部からの磁束の影響を受けて、層の表面に平行な方向で、磁化方向が変化可能に設けられている。磁気検知層２１は、例えば、軟質磁性材料のＣｏＦｅＳｉＢ、ＦｅＣｕＮｂＳｉＢ、ＮｉＦｅ等から成り、層厚が１０ｎｍ～２００ｎｍ程度である。

障壁層２２は、絶縁性の非磁性体から成り、磁気検知層２１の基板１１とは反対の表面の上に形成されている。障壁層２２は、例えば、ＭｇＯ、Ｍｇ－Ａｌ－Ｏ、ＡｌＯｘ等から成り、層厚が１ｎｍ～１０ｎｍ程度である。参照層２３は、強磁性体から成り、障壁層２２の磁気検知層２１とは反対の表面の上に形成されている。参照層２３は、磁化方向が層の表面に平行な方向で固定されている。参照層２３は、例えばＣｏＦｅＢから成り、層厚が２ｎｍ～１０ｎｍ程度である。

なお、センサ部１２は、参照層２３が基板１１の側になるよう、各層が積層されていてもよい。また、磁気検知層２１および参照層２３は、複数の層から成っていてもよく、例えば、複数の磁性層と、各磁性層の間に挟まれた挿入層とを有していてもよい。この場合、挿入層を挟んで、各磁性層が静磁結合するよう構成されていることが好ましい。また、挿入層は、例えば、Ｒｕ、Ｔａ、ＴａＢ等から成り、層厚が２ｎｍ以上であることが好ましい。また、センサ部１２は、磁気検知層２１と障壁層２２との間、および、障壁層２２と参照層２３との間に、他の層が挿入されていてもよい。

磁気収束層１３は、磁気検知層２１と同じ材料の強磁性体から成り、磁気検知層２１と同じ層厚を有している。磁気収束層１３は、磁気検知層２１の側方の基板１１の上に、磁気検知層２１の側面との間に間隔をあけて形成されている。磁気収束層１３は、磁気検知層２１との間に溝１５を有して配置されている。図１に示す具体的な一例では、磁気収束層１３は、１対から成り、磁気検知層２１の側方から磁気検知層２１を挟むよう配置されている。

絶縁膜１４は、センサ部１２および磁気収束層１３を覆うよう、基板１１、センサ部１２および磁気収束層１３の表面に設けられている。絶縁膜１４は、表面が平坦になるよう形成されている。絶縁膜１４は、磁気検知層２１と磁気収束層１３との間にも入り込んでおり、磁気検知層２１と磁気収束層１３とを電気的に絶縁している。絶縁膜１４は、例えば、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化アルミニウム等、センサ部１２を絶縁可能なものであれば、いかなるものから成っていてもよい。

なお、図１に示す具体的な一例では、障壁層２２および参照層２３の表面は同じ大きさを成し、磁気検知層２１の表面よりも小さく形成されている。また、障壁層２２および参照層２３は、１対から成り、１つの磁気検知層２１の上に、所定の間隔をあけて、並行に配置されている。１対の障壁層２２および参照層２３の並び方向は、磁気検知層２１および１対の磁気収束層１３の並び方向に対して、垂直を成している。

また、磁気センサ１０は、センサ部１２の参照層２３と絶縁膜１４との間に、他の層を有していてもよい。また、図１に示す具体的な一例では、磁気センサ１０は、ＴＭＲセンサから成っているが、ＴＭＲセンサに限らず、例えば、ＡＭＲセンサ、ＧＭＲセンサ、ＭＩセンサ、フラックスゲートセンサなどから成っていてもよい。

磁気センサ１０は、本発明の実施の形態の磁気センサの製造方法により好適に製造される。本発明の実施の形態の磁気センサの製造方法では、まず、基板１１の一方の表面の上に、磁気検知層２１と磁気収束層１３とを構成する層を成膜した後、その層を厚み方向に基板１１まで貫通する溝１５を形成して、磁気検知層２１と磁気収束層１３とに分割する。その後、磁気検知層２１の上、すなわち磁気検知層２１の基板１１とは反対の表面側に、障壁層２２と参照層２３とを成膜する。こうして、センサ部１２と磁気収束層１３とを形成する。なお、磁気検知層２１と磁気収束層１３とを分割する溝１５の形成は、エッチングなどいかなる加工方法であってもよい。また、溝１５を形成する前に、磁気検知層２１となる部分の上に障壁層２２と参照層２３とを成膜し、その後、溝１５を形成して磁気検知層２１と磁気収束層１３とに分割してもよい。

センサ部１２と磁気収束層１３とを形成後、センサ部１２および磁気収束層１３を覆うよう、基板１１、センサ部１２および磁気収束層１３の表面に、絶縁膜１４を成膜する。このとき、磁気検知層２１と磁気収束層１３との間に形成した溝１５にも、絶縁膜１４を形成する。こうして、磁気センサ１０を製造することができる。なお、各層を成膜する方法としては、スパッタリングや蒸着など、成膜可能な方法であればいかなる方法であってもよい。

本発明の実施の形態の磁気センサの製造方法は、溝１５を形成するだけで磁気検知層２１と磁気収束層１３とを同時に形成することができるため、磁気検知層２１に対する磁気収束層１３の位置精度を高めることができる。また、溝１５の幅により、磁気検知層２１と磁気収束層１３との間隔を容易に調整することができる。このように、本発明の実施の形態の磁気センサ１０および磁気センサの製造方法は、磁気検知層２１を含むセンサ部１２に対する磁気収束層１３の位置精度を高めることができ、磁場の検出感度を向上させることができる。

本発明の実施の形態の磁気センサ１０および磁気センサの製造方法は、磁気検知層２１および磁気収束層１３の表面が、同一平面上に位置するため、例えば、センサ部１２をエッチング等により加工する際、磁気収束層１３の表面の位置をモニターしながら加工することにより、加工精度を高めることができる。特に、センサ部１２を、障壁層２２を貫通して磁気検知層２１の表面までエッチングする際には、磁気収束層１３の表面と同じ高さでエッチングを停止することができ、障壁層２２の厚みが数ｎｍと非常に薄い場合であっても、高精度で加工することができる。

本発明の実施の形態の磁気センサ１０および磁気センサの製造方法は、１対から成る磁気収束層１３が、磁気検知層２１の側方から磁気検知層２１を挟むよう配置されているため、集磁効率をより高めることができ、磁場の検出感度をさらに向上させることができる。また、製造する際に、シリコンウエハなどの基板１１の上に効率よく配置することができ、製造効率を高めることができる。

また、本発明の実施の形態の磁気センサ１０および磁気センサの製造方法は、磁気検知層２１と磁気収束層１３との間の溝１５にも絶縁膜１４が形成され、磁気検知層２１と磁気収束層１３とが電気的に絶縁されているため、ノイズを遮断して、磁場の検出感度を向上させることができる。

なお、図２に示すように、磁気センサ１０は、絶縁膜１４の磁気収束層１３とは反対側の表面に、磁気収束層１３との間に間隔をあけて、磁気収束層１３の表面に対して平行に配置された磁気収束板３１を有していてもよい。磁気収束板３１は、磁気収束層１３を磁気検知層２１から参照層２３に向かう積層方向に投影した範囲の内側に設けられている。この場合、磁気収束板３１により、さらに集磁効率を高めることができ、磁場の検出感度をさらに向上させることができる。

図１に示す磁気センサ１０を製造し、磁気抵抗曲線の測定を行った。製造した磁気センサ１０は、磁気検知層２１および磁気収束層１３が、層厚１４０ｎｍのＣｏＦｅＳｉＢアモルファスから成り、障壁層２２が、層厚２ｎｍのＭｇＯから成り、参照層２３が、層厚３ｎｍのＣｏＦｅＢから成っている。また、絶縁膜１４は、磁気検知層２１および磁気収束層１３の表面からの厚みが２００ｎｍである。また、磁気検知層２１と磁気収束層１３との間隔は、５０００ｎｍである。なお、比較例として、磁気収束層１３を有さないものも製造した。製造した比較例の磁気検知層２１の設計パターン、ならびに、磁気センサ１０の磁気検知層２１および磁気収束層１３の設計パターンを、それぞれ図３（ａ）ならびに（ｂ）に示す。

比較例および磁気センサ１０の磁気抵抗曲線を、それぞれ図４（ａ）および（ｂ）に示す。図４（ａ）と（ｂ）とを比較すると、図４（ｂ）の磁気センサ１０の磁気抵抗曲線の方が、図４（ａ）の比較例のものと比べて、異方性磁界Ｈｋが小さくなっていることが確認された。この結果から、磁気収束層１３により、磁気異方性が小さくなり、磁場の検出感度が非常に高くなるといえる。

また、磁気センサ１０では、センサ部１２などをエッチングする際、磁気収束層１３も同時にエッチングすることになるため、広い面積からの大きな信号を用いてエッチングの終点を検出することができる。エッチングの終点検知には、例えばプラズマ分光や二次イオン質量分析を用いることができる。例えば、図３（ｂ）の設計パターンによる磁気センサ１０は、図３（ａ）の設計パターンによる比較例と比べて、エッチング時の開口面積が１４１倍になるため、エッチングの終点を精度良く検出することができ、エッチングによる加工精度を高めることができる。

１０ 磁気センサ
１１ 基板
１２ センサ部
２１ 磁気検知層
２２ 障壁層
２３ 参照層
１３ 磁気収束層
１４ 絶縁膜
１５ 溝

３１ 磁気収束板

Claims (6)

1. 磁化方向が変化可能に設けられた磁気検知層と、非磁性体を含み、前記磁気検知層の一方の表面側に配置された障壁層と、磁化方向が固定され、前記障壁層の前記磁気検知層とは反対の面側に配置された参照層とを有するセンサ部と、
   前記磁気検知層と同じ物質から成り、前記磁気検知層の側方に、前記磁気検知層の側面との間に間隔をあけて配置された磁気収束層とを、
   有することを特徴とする磁気センサ。
2. 前記磁気収束層は１対から成り、前記磁気検知層の側方から前記磁気検知層を挟むよう配置されていることを特徴とする請求項１記載の磁気センサ。
3. 前記磁気検知層は、前記磁気収束層と電気的に絶縁されていることを特徴とする請求項１または２記載の磁気センサ。
4. 一方の表面側に、前記センサ部と前記磁気収束層とが形成された基板を有し、
   前記センサ部は、前記磁気検知層が前記基板側になるよう、前記基板の上に形成されていることを
   特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の磁気センサ。
5. 前記磁気検知層から前記参照層に向かう積層方向に沿って、前記磁気収束層との間に間隔をあけて、前記磁気収束層の表面に対して平行に配置され、前記磁気収束層を前記積層方向に投影した範囲の内側に設けられた磁気収束板を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の磁気センサ。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の磁気センサを製造するための磁気センサの製造方法であって、
   前記磁気検知層と前記磁気収束層とを構成する層を成膜した後、その層を厚み方向に貫通する溝を形成することにより、前記磁気検知層と前記磁気収束層とに分割することを
   特徴とする磁気センサの製造方法。