JP4640370B2

JP4640370B2 - 磁気センサ

Info

Publication number: JP4640370B2
Application number: JP2007102148A
Authority: JP
Inventors: 幸夫涌井
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 2007-04-09
Filing date: 2007-04-09
Publication date: 2011-03-02
Anticipated expiration: 2023-07-18
Also published as: JP2007243204A

Description

本発明は、耐環境性に優れる磁気センサに関するものである。

従来、巨大磁気抵抗素子（以下、「ＧＭＲ素子」とも称する。）などの抵抗値を呈するスピンバルブ型の磁気抵抗効果素子を用いた磁気センサが提案され、実用に供されている。
このＧＭＲ素子は、磁化の向きが所定の向きにピン止めされたピンド層と、磁化の向きが外部磁界に対応して変化するフリー層とを備え、外部磁界が加わった場合に、ピンド層の磁化の向きとフリー層の磁化の向きとの相対関係に応じた抵抗値を呈するもので、この抵抗値を測定することで外部磁界を検出するようになっている。

図１１は、従来の磁気センサの概略構成を示す断面図である。
この磁気センサは、所定の厚みを有する石英またはシリコンウエハからなる基板１０１と、この基板１０１上に配されたＧＭＲ素子からなる磁気抵抗効果素子１０２と、この磁気抵抗効果素子１０２の両端にそれぞれ接続され、基板１０１上に非磁性材料からなる下地膜１０３を介して配された永久磁石膜からなるバイアス磁石層１０４と、磁気抵抗素子１０２およびバイアス磁石層１０４の上面を全て被覆するように設けられた酸化ケイ素膜からなる第一保護膜１０５と、窒化ケイ素膜からなる第二保護膜１０６とから概略構成されている（例えば、特許文献１参照。）。
ここで、第一保護膜１０５と第二保護膜１０６を併せて保護膜１０７と言うこともある。

この磁気センサでは、磁気抵抗効果素子１０２の両端の下面が、バイアス磁石層１０４の上面の全域を覆っていない。そのため、バイアス磁石層１０４の上面の一部にかかった状態で接続されている。このような磁気センサは、熱冷サイクル試験などによって、バイアス磁石層１０４と保護膜１０７の界面において、保護膜１０７が剥離することがあった。

特開平１２−１３７９０６号公報

本発明は、前記事情に鑑みてなされたもので、耐環境性に優れる磁気センサを提供することを課題とする。

本発明は、上記課題を解決するために、基板上にスピンバルブ型の磁気抵抗効果素子が配され、該磁気抵抗効果素子の両端部には永久磁石膜からなるバイアス磁石層がそれぞれ接続されており、該磁気抵抗効果素子および該バイアス磁石層の上面を被覆するように保護膜が設けられた磁気センサにおいて、前記バイアス磁石層および前記磁気抵抗効果素子は、これらの厚み方向下部から上部へ向けて漸次外形が小さくなるように、基板に対して傾斜した側面を有し、平面視にて、該磁気抵抗効果素子の両端部における前記永久磁石膜の上面におけるバイアス磁石層の形成領域の外形が、同面上の磁気抵抗効果素子形成領域の外形よりも大きく、前記永久磁石膜の上面におけるバイアス磁石層の形成領域の外形と、同面上の磁気抵抗効果素子形成領域の外形との間隔が、３μｍを超えないことを特徴とする磁気センサを提供する。

本発明の磁気センサは、磁気抵抗効果素子の両端部の下面が、バイアス磁石層の上面の略全域を覆うように、磁気抵抗効果素子を設けることにより、バイアス磁石層と保護膜との密着性が向上し、耐環境性、特に温度変化に対する耐性に優れ、信頼性の高いものとなる。

以下、本発明の磁気センサについて図面に基づき詳細に説明する。
図１は、本発明の磁気センサの一実施形態を示す概略断面図である。図２は、本発明の磁気センサの一実施形態における保護膜側から磁気抵抗効果素子を見た状態を示す概略平面図であり、（ａ）は全体図、（ｂ）はバイアス磁石の周縁部を示す部分図である。

この実施形態の磁気センサ１０は、所定の厚みを有する石英またはシリコンウエハからなる基板１１と、この基板１１上に配されたＧＭＲ素子をなす磁気抵抗効果素子１２と、この磁気抵抗効果素子１２の両端部にそれぞれ接続され、基板１１上に非磁性材料からなる下地膜１３を介して配された永久磁石膜からなるバイアス磁石層１４と、磁気抵抗素子１２およびバイアス磁石層１４の上面を全て被覆するように設けられた第一保護膜１５と、この第一保護膜１５の上面に設けられた第二保護膜１６とから概略構成されている。
ここで、第一保護膜１５と第二保護膜１６を併せて保護膜１７と言うこともある。

磁気センサ１０では、磁気抵抗効果素子１２の両端部の下面１２ａが、バイアス磁石層１４の上面１４ａのほぼ全域を覆うように設けられている。

ここで、磁気抵抗効果素子１２の両端部の下面１２ａが、バイアス磁石層１４の上面１４ａのほぼ全域を覆うとは、次のようなことを示している。すなわち、図２に示すように、バイアス磁石層１４の周縁部１４ｄにおいて、磁気抵抗効果素子１２の側面１２ｂと、バイアス磁石層１４の側面１４ｂが同一面上に配されることなく、かつ、磁気抵抗効果素子１２の側面１２ｃと、バイアス磁石層１４の側面１４ｃが同一面上に配されることなく、磁気抵抗効果素子１２の両端の下面１２ａが、上面１４ａを覆っていることを示している。

また、磁気センサ１０では、バイアス磁石層１４の周縁部１４ｄにおいて、保護膜１７側から磁気抵抗効果素子１２を見たときに、磁気抵抗効果素子１２の両端部の側面と、バイアス磁石層１４の側面との間隔が３μｍを超えないように、磁気抵抗効果素子１２の両端の下面１２ａが、上面１４ａを覆っている。すなわち、図２（ｂ）に示すように、バイアス磁石層１４の周縁部１４ｄにおいて、磁気抵抗効果素子１２の側面１２ｂと、バイアス磁石層１４の側面１４ｂとの間隔ｄ_１、および、磁気抵抗効果素子１２の側面１２ｃと、バイアス磁石層１４の側面１４ｃとの間隔ｄ_２が３μｍを超えないようになっている。

磁気抵抗効果素子１２の両端部の側面と、バイアス磁石層１４の側面との間隔が３μｍを超えると、バイアス磁石層１４と保護膜１７との密着性が不十分となり、熱冷サイクル試験などによって、外部から剪断応力を繰り返し加えた場合、バイアス磁石層１４と保護膜１７の界面において、保護膜１７が剥離するおそれがある。

磁気抵抗効果素子１２は、例えば、フリー層、銅（Ｃｕ）からなる導電性のスペーサ層、コバルト−鉄（ＣｏＦｅ）合金からなるピンド層、白金−マンガン（ＰｔＭｎ）合金からなるピニング層、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）などの金属薄膜からなるキャッピング層が順次積層されてなるものである。

フリー層は、外部磁界の向きに応じて磁化の向きが変化する層であり、例えば、コバルト−ジルコニウム−ニオブ（ＣｏＺｒＮｂ）アモルファス磁性層と、ＣｏＺｒＮｂアモルファス磁性層上に積層されたニッケル−鉄（ＮｉＦｅ）磁性層と、ＮｉＦｅ磁性層上に積層されたコバルト−鉄（ＣｏＦｅ）層とから構成されている。
このフリー層には、その一軸異方性を維持するために、所定の方向にバイアス磁石層１４によりバイアス磁界が付与されている。

ＣｏＺｒＮｂアモルファス磁性層とＮｉＦｅ磁性層は、軟質の強磁性体であり、ＣｏＦｅ層はＮｉＦｅ磁性層のニッケルおよびスペーサ層の銅の拡散を防止するものである。

スペーサ層は、銅もしくは銅合金からなる金属薄膜である。
ピンド層は、コバルト−鉄（ＣｏＦｅ）磁性層により構成されている。このＣｏＦｅ磁性層は、後述する反強磁性膜に交換結合的に裏打されることにより磁化の向きがピン止め（固着）されている。

ピニング層は、ＣｏＦｅ磁性層上に積層された白金を４５〜５５ｍｏｌ％含むＰｔＭｎ合金からなる反強磁性膜により構成されている。
これらピンド層とピニング層を併せてピン層と称する。

下地膜１３は、膜厚４０ｎｍ程度のクロム（Ｃｒ）からなる金属薄膜である。
バイアス磁石層１４は、膜厚９０ｎｍ程度のコバルト−白金−クロム（ＣｏＣｒＰｔ）合金からなる金属薄膜である。

第一保護膜１５は、酸化ケイ素（ＳｉＯ_ｘ膜）からなる薄膜である。
第二保護膜１６は、窒化ケイ素（ＳｉＮ_ｙ膜）からなる薄膜である。

次に、図３および図４〜図１０を用いて本発明に係る磁気センサの製造方法について説明する。
図３は、本発明に係る磁気センサの製造方法の手順を示すフローチャートである。図４〜図１０は、本発明に係る磁気センサの製造方法を示す概略断面図である。

この磁気センサの製造方法では、まず石英またはシリコンウエハからなる基板１１を用意する。基板１１には、あらかじめ磁気センサ制御用のＬＳＩ部分を形成しておくことができる。その場合には、工程Ａにおいて、公知の方法にてトランジスタなどの素子、および配線、絶縁膜、コンタクトなどを形成し保護膜を形成し、この保護膜に接続用の開口部を形成しておく。

次いで、図４に示すように、石英またはシリコンウエハからなる基板１１の上面にスパッタリング法により、膜厚４０ｎｍ程度のクロムからなる下地膜１３を形成する。続いて、下地膜１３の上面にスパッタリング法により、膜厚９０ｎｍ程度のコバルト−白金−クロム合金からなるバイアス磁石層１４を形成する（工程Ｂ−１）。

次いで、図５に示すように、バイアス磁石層１４の上面に、スピンコート法、ディップコート法などにより任意の厚みのフォトレジストを塗布し、このフォトレジストの表面に任意のパターンのマスクを配置して露光した後、現像処理を行って不必要なフォトレジストを除去する。続いて、フォトレジストを加熱してリフローさせ、両端部が曲面をなすようにレジスト膜２０を形成する（工程Ｂ−２）。

次いで、図６に示すように、イオンミリングにより、レジスト膜２０で覆われていない部分の下地膜１３およびバイアス磁石層１４を除去すると同時に、下地膜１３およびバイアス磁石層１４を所定の形状に形成する（工程Ｂ−３）。この工程Ｂ−３において、レジスト膜２０の両端部の曲面形状に応じて、イオンミリングにより、下地膜１３およびバイアス磁石層１４の側面が基板１１に対して傾斜するように形成される。

次いで、図７に示すように、アセトン、Ｎ−メチル−２−ピロリドンなどの洗浄液でレジスト膜２０を除去し、バイアス磁石層１４の表面を洗浄し、レジスト膜２０を除去する（工程Ｂ−４）。

次いで、図８に示すように、基板１１の上面、下地膜１３の側面、バイアス磁石層１４の上面および側面に、イオンビームスパッタ法、マグネトロンスパッタ法などにより、磁気抵抗効果素子１２を形成する（工程Ｂ−５）。

次いで、外部空間に設けたマグネットアレイを、バイアス磁石層１４に対して所定の位置に配置し、ピン層に対して所定の方向に磁場を印加する（工程Ｂ−６）。

次いで、マグネットアレイと、バイアス磁石層１４との配置を固定したまま、真空中にて、２８０℃で４時間熱処理する。これにより、磁気抵抗効果素子１２のピン層のうち、ピニング層の規則化熱処理を行う（工程Ｂ−７）。

次いで、マグネットアレイを所定の位置から取り外す（工程Ｂ−８）。

次いで、図９に示すように、磁気抵抗効果素子１２の上面に、スピンコート法、ディップコート法などにより任意の厚みのフォトレジストを塗布し、このフォトレジストの表面に任意のパターンのマスクを配置して露光した後、現像処理を行って不必要なフォトレジストを除去する。続いて、フォトレジストを加熱してリフローさせ、両端部が曲面をなすようにレジスト膜２１を形成する（工程Ｂ−９）。

次いで、イオンミリングにより、レジスト膜２１で覆われていない部分の磁気抵抗効果素子１２を除去すると同時に、磁気抵抗効果素子１２を所定の形状に形成する（工程Ｂ−１０）。この工程Ｂ−１０において、レジスト膜２１の両端部の曲面形状に応じて、イオンミリングにより、磁気抵抗効果素子１２の側面が基板１１に対して傾斜するように形成される。

次いで、アセトン、Ｎ−メチル−２−ピロリドンなどの洗浄液でレジスト膜２１を除去し、磁気抵抗効果素子１２の表面を洗浄し、レジスト膜２１を除去する（工程Ｂ−１１）。

次いで、磁気抵抗効果素子１２の上面に、プラズマＣＶＤ法により、膜厚１５０ｎｍ程度の酸化ケイ素膜からなる第一保護膜１５を形成する（工程Ｂ−１２）。

次いで、第一保護膜１５の上面に、プラズマＣＶＤ法により、膜厚３００ｎｍ程度の窒化ケイ素膜からなる第二保護膜１６を形成する（工程Ｂ−１３）。
ここで、第一保護膜１５および第二保護膜１６の上に、さらにポリイミド樹脂からなる第三保護膜を設けてもよい。

次いで、工程Ｃにおいて、第一保護膜１５および第二保護膜１６の所定の箇所において開口し、パッドを形成した後、ウエハをダイシングして個々のチップに切断する。そして、個々のチップは樹脂により封止される。

以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

（実施例）
上述の本発明に係る磁気センサの製造方法に従って、膜厚５ｎｍの磁気抵抗効果素子を有する磁気センサを作製した。
この際、バイアス磁石層の周縁部において、保護膜（素子の上面）側から磁気抵抗効果素子を見たとき、磁気抵抗効果素子の両端部の側面と、バイアス磁石層の側面との間隔ｄが１μｍ、２μｍ、３μｍの磁気センサを作製した。
また、得られた磁気センサを用いて、プラスチックモールドパッケージを作製した。

（１）密着性試験
磁気センサの上面（保護膜が設けられている側の面）にスコッチ３Ｍ社製のメンディングテープを貼付した後、このメンディングテープを引き剥がして、磁気センサのバイアス磁石層と保護膜の界面における剥離の有無を調べた。同様の試験を磁気センサ１００個について行い、界面における剥離が生じた磁気センサの数を数えた。結果を表１に示す。

（２）熱冷サイクル試験
磁気センサのプラスチックモールドパッケージを、−６５℃で３０分間保持、５分間で室温まで昇温、室温で３０分間保持、５分間で１５０℃まで昇温、１５０℃で３０分間保持、５分間で室温まで降温、室温で３０分間保持、５分間で−６５℃まで降温の温度サイクルを１サイクルとして５００回繰り返し温度変化させる環境に放置した。
その後、このプラスチックモールドパッケージを、発煙硝酸を用いるエッチングにより開封し、磁気センサのバイアス磁石層と保護膜の界面における剥離の有無を調べた。同様の試験を磁気センサのプラスチックモールドパッケージ２０個について行い、界面における剥離が生じた磁気センサの数を数えた。結果を表１に示す。

（比較例）
上述の本発明に係る磁気センサの製造方法に準じて、膜厚５０ｎｍの磁気抵抗効果素子を有する磁気センサを作製した。
この際、バイアス磁石層の周縁部において、保護膜側から磁気抵抗効果素子を見たとき、磁気抵抗効果素子の両端部の側面と、バイアス磁石層の側面との間隔ｄが１５μｍの磁気センサを作製した。
また、得られた磁気センサを用いて、プラスチックモールドパッケージを作製した。

実施例と同様にして、得られた磁気センサおよび磁気センサのプラスチックモールドパッケージについて、密着性試験および熱冷サイクル試験を行った。結果を表１に示す。

表１の結果から、実施例の磁気センサは、バイアス磁石層と保護膜との密着性に優れ、耐環境性にも優れたものであることが確認された。
一方、比較例の磁気センサは、バイアス磁石層と保護膜との密着性が不十分であるため、耐環境性にも劣るものであることが確認された。

本発明の磁気センサの一実施形態を示す概略断面図である。本発明の磁気センサの一実施形態における保護膜側から磁気抵抗効果素子を見た状態を示す概略平面図であり、（ａ）は全体図、（ｂ）はバイアス磁石の周縁部を示す部分図である。本発明に係る磁気センサの製造方法の手順を示すフローチャートである。本発明に係る磁気センサの製造方法を示す概略断面図である。本発明に係る磁気センサの製造方法を示す概略断面図である。本発明に係る磁気センサの製造方法を示す概略断面図である。本発明に係る磁気センサの製造方法を示す概略断面図である。本発明に係る磁気センサの製造方法を示す概略断面図である。本発明に係る磁気センサの製造方法を示す概略断面図である。本発明に係る磁気センサの製造方法を示す概略断面図である。従来の磁気センサの概略構成を示す断面図である。

符号の説明

１０・・・磁気センサ、１１・・・基板、１２・・・磁気抵抗効果素子、１３・・・下地膜、１４・・・バイアス磁石層、１４ｄ・・・周縁部、１５・・・第一保護膜、１６・・・第二保護膜、１７・・・保護膜、２０，２１・・・レジスト膜。

Claims

基板上にスピンバルブ型の磁気抵抗効果素子が配され、該磁気抵抗効果素子の両端部には永久磁石膜からなるバイアス磁石層がそれぞれ接続されており、該磁気抵抗効果素子および該バイアス磁石層の上面を被覆するように保護膜が設けられた磁気センサにおいて、
前記バイアス磁石層および前記磁気抵抗効果素子は、これらの厚み方向下部から上部へ向けて漸次外形が小さくなるように、基板に対して傾斜した側面を有し、
平面視にて、該磁気抵抗効果素子の両端部における前記永久磁石膜の上面におけるバイアス磁石層の形成領域の外形が、同面上の磁気抵抗効果素子形成領域の外形よりも大きく、
前記永久磁石膜の上面におけるバイアス磁石層の形成領域の外形と、同面上の磁気抵抗効果素子形成領域の外形との間隔が、３μｍを超えないことを特徴とする磁気センサ。