JP4878190B2 - 磁気センサ - Google Patents
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Description
本発明は、磁界強度を検出する磁気センサに関する。
外部から印加される磁界強度に応じて抵抗値が変化する磁性膜が知られている。この磁性膜を利用して、磁界強度を検出する磁気センサが開発されている。例えば、この種の磁気センサは、歯車の外周面に対向する位置に配置され、歯車の外周面に形成されている凹凸に応じた磁界強度の強弱の変化を検出し、その強弱の変化から歯車の回転数を測定するために用いられている。
図５（Ａ）に、この種の磁気センサ１００の要部断面図を模式的に示す。
磁気センサ１００は、シリコン（Ｓｉ）の基板１１０と、その基板１１０上に形成されている酸化シリコン（ＳｉＯ２）の絶縁膜１２０を備えている。絶縁膜１２０上には、磁界強度を検出するためのセンサ部が形成されている。磁気センサ１００のセンサ部は、磁気抵抗効果を有する磁性膜１３６と、その磁性膜１３６上に形成されている導電性の中間膜１３５と、中間膜１３５の一部１３５ａを介して磁性膜１３６に電気的に接続されている第１電極１３２と、中間膜１３５の他の一部１３５ｂを介して磁性膜１３６に電気的に接続されている第２電極１３８を備えている。磁気センサ１００のセンサ部はさらに、第１電極１３２の少なくとも一部及び第２電極１３８の少なくとも一部が除外されている状態で、中間膜１３５上に形成されている絶縁性の保護膜１３４を備えている。
磁気センサ１００は、シリコン（Ｓｉ）の基板１１０と、その基板１１０上に形成されている酸化シリコン（ＳｉＯ２）の絶縁膜１２０を備えている。絶縁膜１２０上には、磁界強度を検出するためのセンサ部が形成されている。磁気センサ１００のセンサ部は、磁気抵抗効果を有する磁性膜１３６と、その磁性膜１３６上に形成されている導電性の中間膜１３５と、中間膜１３５の一部１３５ａを介して磁性膜１３６に電気的に接続されている第１電極１３２と、中間膜１３５の他の一部１３５ｂを介して磁性膜１３６に電気的に接続されている第２電極１３８を備えている。磁気センサ１００のセンサ部はさらに、第１電極１３２の少なくとも一部及び第２電極１３８の少なくとも一部が除外されている状態で、中間膜１３５上に形成されている絶縁性の保護膜１３４を備えている。
磁性膜１３６には、ニッケル（Ｎｉ）と鉄（Ｆｅ）の合金などが用いられることが多い。保護膜１３４は、外部環境からセンサ部を保護しており、磁性膜１３６等が酸化されるのを防止する。保護膜１３４には、窒化シリコンなどが用いられていることが多い。中間膜１３５は、保護膜１３４と磁性膜１３６を隔てており、保護膜１３４に含まれる原子と磁性膜１３６に含まれる原子が相互拡散するのを防止する。中間膜１３５はさらに、電極１３２、１３８と磁性膜１３６も隔てており、電極１３２、１３８に含まれる原子と磁性膜１３６に含まれる原子が相互拡散するのを防止する。
図５（Ｂ）に、磁気センサ１００の等価回路を示す。磁気センサ１００は、中間膜１３５の一部１３５ａを介して第１電極１３２と磁性膜１３６が接続する部分に、コンタクト抵抗１３５ａを備えている。同様に、磁気センサ１００は、中間膜１３５の他の一部１３５ｂを介して第２電極１３８と磁性膜１３６が接続する部分に、コンタクト抵抗１３５ｂを備えている。磁気センサ１００は、その一方のコンタクト抵抗１３５ａと他方のコンタクト抵抗１３５ｂの間に、磁性膜１３６に起因する可変抵抗１３６と中間膜１３５に起因する固定抵抗１３５を有する並列回路を備えている。
図５（Ｂ）の等価回路に示すように、磁気センサ１００の感度を向上させるためには、コンタクト抵抗１３５ａ、１３５ｂを小さくし、中間膜１３５に起因する固定抵抗１３５を大きくすること必要とされる。コンタクト抵抗１３５ａ、１３５ｂは、電極１３２、１３８と中間膜１３５の間の接触抵抗と、中間膜１３５の厚み方向の抵抗（比抵抗／接触面積にほぼ比例する）の合計によって概ね決定される。中間膜１３５に起因する固定抵抗１３５は、中間膜１３５の面内方向の抵抗、即ち、中間膜１３５のシート抵抗（比抵抗／膜厚にほぼ比例する）によって概ね決定される。
特許文献１には、中間膜１３５に窒化タンタル（ＴａＮ）を用いた例が示されている。特許文献２には、中間膜１３５に金（Ａｕ）又は白金（Ｐｔ）を用いた例が示されている。これらの材料は、比抵抗が小さく、電極１３２、１３８とのオーミック性に優れていることを特徴としている。
特許文献１及び特許文献２では、コンタクト抵抗１３５ａ、１３５ｂを低減するために、中間膜１３５の材料に上記の金属が採用されている。特に、特許文献１及び特許文献２の中間膜１３５では、比抵抗が小さい材料を採用し、コンタクト抵抗１３５ａ、１３５ｂのうちの厚み方向の抵抗（比抵抗／接触面積にほぼ比例する）の低減を図っている。しかしながら、比抵抗の小さい材料は、シート抵抗（比抵抗／膜厚にほぼ比例する）も必然的に小さくなってしまう。このため、コンタクト抵抗を改善したとしても、中間膜１３５の面内方向の抵抗が小さくなり、磁気センサ１００の感度を低下させてしまう。特許文献１及び特許文献２の磁気センサには、コンタクト抵抗１３５ａ、１３５ｂと、中間膜１３５に起因する固定抵抗１３５の間にトレードオフ関係が存在しており、磁気センサ１００の感度の向上には限界がある。
本発明は、従来とは異なる技術思想によって、コンタクト抵抗と中間膜に起因する固定抵抗の間のトレードオフ関係を改善することを目的とする。
本発明は、従来とは異なる技術思想によって、コンタクト抵抗と中間膜に起因する固定抵抗の間のトレードオフ関係を改善することを目的とする。
本発明は、斬新な形態を有する中間膜を採用することによって、コンタクト抵抗と中間膜に起因する固定抵抗の間のトレードオフ関係を改善する。本発明の中間膜は、導電性の粒子が絶縁性の膜に分散して混入している形態であることを特徴としている。本発明の中間膜は、従来の中間膜とは異質の形態を備えていることを特徴としている。
従来の中間膜は、一種類の材料又は合金が用いられている。この場合、中間膜はほぼ均質な形態を備えており、厚み方向及び面内方向のいずれの方向にも、結晶性が連続した形態を備えている。このため、中間膜の厚み方向の抵抗（比抵抗／接触面積にほぼ比例する）と、シート抵抗（比抵抗／膜厚にほぼ比例する）は、比抵抗に対して等方的な特性を示す。即ち、中間膜に用いられる材料が決定されれば、その材料の比抵抗と中間膜の形状に基づいて、中間膜の厚み方向の抵抗とシート抵抗は決定され、両者の抵抗は連関して変動する。
一方、本発明の中間膜は、導電性の粒子が絶縁性の膜に分散して混入している。中間膜は、薄板状の形状を有しており、厚み方向の距離は短く、面内方向の距離は長い。距離が短い厚み方向では、粒子を介して電気伝導するので、厚み方向の抵抗は小さい。一方、距離が長い面内方向では、粒子と粒子の間の絶縁性の膜を介してトンネル伝導する機会が増大するので、面内方向の抵抗は高い。本発明の中間膜では、厚み方向の電流が流れる仕組みと、面内方向を電流が流れる仕組みが異なっている。このため、厚み方向と面内方向の抵抗は、比抵抗の等方的な関係から逸脱し、中間膜の厚み方向の抵抗が小さく、中間膜の面内方向の抵抗が大きいという特性が得られる。従来の中間膜とは異質な形態を採用することにより、磁気センサの中間膜に必要とされる特性を具備することができる。本発明の中間膜を利用すれば、コンタクト抵抗と中間膜に起因する固定抵抗の間のトレードオフ関係を改善することができる。
従来の中間膜は、一種類の材料又は合金が用いられている。この場合、中間膜はほぼ均質な形態を備えており、厚み方向及び面内方向のいずれの方向にも、結晶性が連続した形態を備えている。このため、中間膜の厚み方向の抵抗（比抵抗／接触面積にほぼ比例する）と、シート抵抗（比抵抗／膜厚にほぼ比例する）は、比抵抗に対して等方的な特性を示す。即ち、中間膜に用いられる材料が決定されれば、その材料の比抵抗と中間膜の形状に基づいて、中間膜の厚み方向の抵抗とシート抵抗は決定され、両者の抵抗は連関して変動する。
一方、本発明の中間膜は、導電性の粒子が絶縁性の膜に分散して混入している。中間膜は、薄板状の形状を有しており、厚み方向の距離は短く、面内方向の距離は長い。距離が短い厚み方向では、粒子を介して電気伝導するので、厚み方向の抵抗は小さい。一方、距離が長い面内方向では、粒子と粒子の間の絶縁性の膜を介してトンネル伝導する機会が増大するので、面内方向の抵抗は高い。本発明の中間膜では、厚み方向の電流が流れる仕組みと、面内方向を電流が流れる仕組みが異なっている。このため、厚み方向と面内方向の抵抗は、比抵抗の等方的な関係から逸脱し、中間膜の厚み方向の抵抗が小さく、中間膜の面内方向の抵抗が大きいという特性が得られる。従来の中間膜とは異質な形態を採用することにより、磁気センサの中間膜に必要とされる特性を具備することができる。本発明の中間膜を利用すれば、コンタクト抵抗と中間膜に起因する固定抵抗の間のトレードオフ関係を改善することができる。
本発明は、磁界強度を検出する磁気センサに具現化することができる。本発明の磁気センサは、磁気抵抗効果を有する磁性膜と、その磁性膜上に形成されている導電性の中間膜と、中間膜の一部を介して磁性膜に電気的に接続されている第１電極と、中間膜の他の一部を介して磁性膜に電気的に接続されている第２電極を備えている。本発明の磁気センサはさらに、中間膜上に形成されている絶縁性の保護膜を備えている。本発明の中間膜は、導電性の粒子が絶縁性の膜に分散して混入している形態であることを特徴としている。
上記の形態の中間膜では、厚み方向と面内方向の抵抗は、比抵抗の等方的な関係から逸脱し、中間膜の厚み方向の抵抗が小さく、中間膜の面内方向の抵抗が大きいという特性が得られる。これにより、本発明の中間膜を利用すれば、コンタクト抵抗と中間膜に起因する固定抵抗の間のトレードオフ関係を改善することができる。
上記の形態の中間膜では、厚み方向と面内方向の抵抗は、比抵抗の等方的な関係から逸脱し、中間膜の厚み方向の抵抗が小さく、中間膜の面内方向の抵抗が大きいという特性が得られる。これにより、本発明の中間膜を利用すれば、コンタクト抵抗と中間膜に起因する固定抵抗の間のトレードオフ関係を改善することができる。
本発明の中間膜の導電性の粒子には、鉄族、貴金属又はそれらの混合物を主成分とする金属が用いられていることが好ましい。
上記の材料を用いると、導電性の粒子と絶縁性の膜の間が良好に相分離され、導電性の粒子が絶縁性の膜に分散して混入している形態が得られる。
上記の材料を用いると、導電性の粒子と絶縁性の膜の間が良好に相分離され、導電性の粒子が絶縁性の膜に分散して混入している形態が得られる。
本発明の中間膜の導電性の粒子には、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）又はそれらの混合物が用いられていることが好ましい。
これらの材料は、酸化され難い材料である。このため、導電性の粒子と絶縁性の膜の間において、酸化反応を介した化学結合の形成が抑制される。これにより、導電性の粒子と絶縁性の膜の間が良好に相分離され、導電性の粒子が絶縁性の膜に分散して混入している形態が得られる。さらに、ニッケル及びコバルトは、通常の半導体製造プロセスで利用可能な材料であることから、製造の面からも有利である。
これらの材料は、酸化され難い材料である。このため、導電性の粒子と絶縁性の膜の間において、酸化反応を介した化学結合の形成が抑制される。これにより、導電性の粒子と絶縁性の膜の間が良好に相分離され、導電性の粒子が絶縁性の膜に分散して混入している形態が得られる。さらに、ニッケル及びコバルトは、通常の半導体製造プロセスで利用可能な材料であることから、製造の面からも有利である。
本発明の中間膜の導電性の粒子の平均粒径が、1〜10nmであることが好ましい。
粒子の平均粒径が1nm以下になると、厚み方向の抵抗が大きくなり、良好なコンタクト抵抗が得られないことがある。粒子の平均粒径が10nm以上であると、面内方向の抵抗が小さくなり、面内方向に良好なシート抵抗が得られないことがある。中間膜の導電性の粒子の平均粒径が1〜10nmであると、磁気センサの中間膜に必要とされる特性を高い水準で得ることができる。
粒子の平均粒径が1nm以下になると、厚み方向の抵抗が大きくなり、良好なコンタクト抵抗が得られないことがある。粒子の平均粒径が10nm以上であると、面内方向の抵抗が小さくなり、面内方向に良好なシート抵抗が得られないことがある。中間膜の導電性の粒子の平均粒径が1〜10nmであると、磁気センサの中間膜に必要とされる特性を高い水準で得ることができる。
本発明の中間膜の絶縁性の膜には、導電性の粒子よりも酸化され易い金属酸化物が用いられていることが好ましい。
導電性の粒子には酸化され難い材料が採用され、絶縁性の膜には酸化され易い材料が採用されると、導電性の粒子と絶縁性の膜の間が良好に相分離され、導電性の粒子が絶縁性の膜に分散して混入している形態が得られる。
導電性の粒子には酸化され難い材料が採用され、絶縁性の膜には酸化され易い材料が採用されると、導電性の粒子と絶縁性の膜の間が良好に相分離され、導電性の粒子が絶縁性の膜に分散して混入している形態が得られる。
本発明の中間膜の絶縁性の膜には、酸化シリコン（ＳｉＯＸ）、酸化アルミニウム（ＡｌＸＯＹ）又はそれらの混合物が用いられていることが好ましい。
これらの材料は、酸化され易い材料である。このため、導電性の粒子と絶縁性の膜の間が良好に相分離され、導電性の粒子が絶縁性の膜に分散して混入している形態が得られる。さらに、酸化シリコン及び酸化アルミニウムは、通常の半導体製造プロセスで利用可能な材料であることから、製造の面からも有利である。
これらの材料は、酸化され易い材料である。このため、導電性の粒子と絶縁性の膜の間が良好に相分離され、導電性の粒子が絶縁性の膜に分散して混入している形態が得られる。さらに、酸化シリコン及び酸化アルミニウムは、通常の半導体製造プロセスで利用可能な材料であることから、製造の面からも有利である。
本発明の中間膜の厚みが、5〜100nmであることが好ましい。
中間膜の厚みが5nmよりも小さくなると、中間膜の厚みを均一に制御して製造することが困難になる。このため、中間膜の厚みが、その面内において不均一に形成されてしまう。このため、中間膜と電極の間の接触抵抗が増大し、良好なコンタクト抵抗が得られないことがある。中間膜の厚みが100nmよりも大きくなると、面内方向の抵抗が小さくなり、良好なシート抵抗が得られないことがある。このため、中間膜の厚みが5〜100nmであると、磁気センサの中間膜に必要とされる特性を高い水準で得ることができる。
中間膜の厚みが5nmよりも小さくなると、中間膜の厚みを均一に制御して製造することが困難になる。このため、中間膜の厚みが、その面内において不均一に形成されてしまう。このため、中間膜と電極の間の接触抵抗が増大し、良好なコンタクト抵抗が得られないことがある。中間膜の厚みが100nmよりも大きくなると、面内方向の抵抗が小さくなり、良好なシート抵抗が得られないことがある。このため、中間膜の厚みが5〜100nmであると、磁気センサの中間膜に必要とされる特性を高い水準で得ることができる。
中間膜と第１電極が接する面積、及び中間膜と第２電極が接する面積はいずれも、２５μｍ2〜２５００μｍ2の範囲であることが好ましい。
上記の接触面積が確保されていると、磁性膜と電極の間のコンタクト抵抗は良好なものとなる。それに加えて、本発明の他の特徴によって、中間膜の面内方向のシート抵抗が従来の構造では達成し得ない値が得られる。極めて有用な磁気センサを得ることができる。
上記の接触面積が確保されていると、磁性膜と電極の間のコンタクト抵抗は良好なものとなる。それに加えて、本発明の他の特徴によって、中間膜の面内方向のシート抵抗が従来の構造では達成し得ない値が得られる。極めて有用な磁気センサを得ることができる。
中間膜と第１電極が接する面積、及び中間膜と第２電極が接する面積がいずれも、２５μｍ2〜２５００μｍ2の範囲であるときに、その中間膜のシート抵抗が、１０００Ω／□以上であることが好ましい。
上記の接触面積が確保され、磁性膜と電極の間のコンタクト抵抗に良好な値が確保されているときに、中間膜のシート抵抗が１０００Ω／□以上を達成できるのは、本発明の技術によって初めて達成されたものである。コンタクト抵抗とシート抵抗の間の上記関係は、従来の関係から逸脱し、本発明の技術によって初めて達成されたものである。
上記の接触面積が確保され、磁性膜と電極の間のコンタクト抵抗に良好な値が確保されているときに、中間膜のシート抵抗が１０００Ω／□以上を達成できるのは、本発明の技術によって初めて達成されたものである。コンタクト抵抗とシート抵抗の間の上記関係は、従来の関係から逸脱し、本発明の技術によって初めて達成されたものである。
本発明の中間膜を利用すると、中間膜の厚み方向の抵抗（比抵抗／接触面積にほぼ比例する）と、シート抵抗（比抵抗／断面積にほぼ比例する）の間のトレードオフ関係を打破することができる。本発明の中間膜を利用すると、高感度な磁気センサを得ることができる。
本発明の特徴を列記する。
（第１形態） 磁性膜には、ニッケルと鉄の合金、又はニッケルとコバルトの合金の単層構造体を採用することができる。あるいは、磁性膜には、強磁性の層と非磁性の層の組合せが繰返して積層されている積層構造体を採用することもできる。強磁性の層には、コバルト、クロムなどを用いることができ、非磁性の層には銅、鉄などを用いることができる。
（第２形態） 中間膜のシート抵抗が、1000Ω／□以上である。従来の構造では、コンタクト抵抗及びＭＲ比を維持しながら、シート抵抗が1000Ω／□以上の中間膜を得ることは不可能である。一方、本発明の中間膜を利用すれば、そのような数値を初めて達成することができる。仮に、従来の構造でも、中間膜に比抵抗の大きい材料を用いれば、中間膜のシート抵抗を1000Ω／□以上にすることができ得る。しかしながら、そのような比抵抗を有する材料を用いると、コンタクト抵抗が顕著に増加する。それを抑制するためには、中間膜と電極の接触面積を大きくするしかなく、この場合は、磁気センサが極めて大型化され、磁気センサの設置可能な適用範囲を限定してしまう。本発明は、これらの問題を解決することができ、極めて有用な磁気センサを提供することができる。
（第３形態） 中間膜と電極の接触する面積が、２５μｍ2〜２５００μｍ2の範囲であるときに、中間膜の厚みが概ね１０〜５０nmの範囲に調整されており、且つ中間膜の導電性の粒子の平均粒径が概ね３〜７nmの範囲に調整されているのが好ましい。この条件に合致していると、コンタクト抵抗を従来の磁気センサと同等に維持しながら、シート抵抗を従来の磁気センサに対して１０倍以上に増加させることができる。
（第１形態） 磁性膜には、ニッケルと鉄の合金、又はニッケルとコバルトの合金の単層構造体を採用することができる。あるいは、磁性膜には、強磁性の層と非磁性の層の組合せが繰返して積層されている積層構造体を採用することもできる。強磁性の層には、コバルト、クロムなどを用いることができ、非磁性の層には銅、鉄などを用いることができる。
（第２形態） 中間膜のシート抵抗が、1000Ω／□以上である。従来の構造では、コンタクト抵抗及びＭＲ比を維持しながら、シート抵抗が1000Ω／□以上の中間膜を得ることは不可能である。一方、本発明の中間膜を利用すれば、そのような数値を初めて達成することができる。仮に、従来の構造でも、中間膜に比抵抗の大きい材料を用いれば、中間膜のシート抵抗を1000Ω／□以上にすることができ得る。しかしながら、そのような比抵抗を有する材料を用いると、コンタクト抵抗が顕著に増加する。それを抑制するためには、中間膜と電極の接触面積を大きくするしかなく、この場合は、磁気センサが極めて大型化され、磁気センサの設置可能な適用範囲を限定してしまう。本発明は、これらの問題を解決することができ、極めて有用な磁気センサを提供することができる。
（第３形態） 中間膜と電極の接触する面積が、２５μｍ2〜２５００μｍ2の範囲であるときに、中間膜の厚みが概ね１０〜５０nmの範囲に調整されており、且つ中間膜の導電性の粒子の平均粒径が概ね３〜７nmの範囲に調整されているのが好ましい。この条件に合致していると、コンタクト抵抗を従来の磁気センサと同等に維持しながら、シート抵抗を従来の磁気センサに対して１０倍以上に増加させることができる。
図１に、磁気センサ１０の要部断面図を模式的に示す。
磁気センサ１０は、シリコン（Ｓｉ）の基板１０と、その基板１０上に形成されている酸化シリコン（ＳｉＯ２）の絶縁膜２０を備えている。絶縁膜２０上には、磁界強度を検出するためのセンサ部が形成されている。絶縁膜２０は、センサ部と基板１０を電気的に分離している。
磁気センサ１０のセンサ部は、磁気抵抗効果を有する磁性膜３６と、その磁性膜３６上に形成されている導電性の中間膜３５と、中間膜３５の一部３５ａを介して磁性膜３６に電気的に接続されている第１電極３２と、中間膜３５の他の一部３５ｂを介して磁性膜３６に電気的に接続されている第２電極３８を備えている。磁気センサ１０のセンサ部はさらに、第１電極３２の少なくとも一部及び第２電極３８の少なくとも一部を除外している状態で、中間膜３５上に形成されている絶縁性の保護膜３４を備えている。
磁気センサ１０は、シリコン（Ｓｉ）の基板１０と、その基板１０上に形成されている酸化シリコン（ＳｉＯ２）の絶縁膜２０を備えている。絶縁膜２０上には、磁界強度を検出するためのセンサ部が形成されている。絶縁膜２０は、センサ部と基板１０を電気的に分離している。
磁気センサ１０のセンサ部は、磁気抵抗効果を有する磁性膜３６と、その磁性膜３６上に形成されている導電性の中間膜３５と、中間膜３５の一部３５ａを介して磁性膜３６に電気的に接続されている第１電極３２と、中間膜３５の他の一部３５ｂを介して磁性膜３６に電気的に接続されている第２電極３８を備えている。磁気センサ１０のセンサ部はさらに、第１電極３２の少なくとも一部及び第２電極３８の少なくとも一部を除外している状態で、中間膜３５上に形成されている絶縁性の保護膜３４を備えている。
磁性膜３６には、磁気抵抗効果を有する様々な材料を用いることができる。磁性膜３６は、単層構造体、積層構造体、あるいはその他の構造体で形成することができる。本実施例の磁性膜３６には、ニッケル（Ｎｉ）と鉄（Ｆｅ）の合金が用いられている。磁性膜３６は、薄板状の形状を有しており、その平面形状は、長手方向を有する矩形状である。磁性膜３６の長手方向は、Ｘ方向に伸びており、第１電極３２と第２電極３８の間に亘っている。磁性膜３６の平面形状は、幅が20μmであり、長さが200μmである。
保護膜３４は、外部環境からセンサ部を保護しており、磁性膜３６等が酸化されるのを防止する。保護膜３４には、絶縁性の材料が用いられ、センサ部を電気的に外部から分離する。本実施例の保護膜３４には、窒化シリコン（ＳｉＮ）が用いられている。
第１電極３２は、磁性膜３６及び中間膜３５の一方端に接している。第２電極３８は、磁性膜３６及び中間膜３５の他方端に接している。中間膜３５と第１電極３２が接する面積、及び中間膜３５と第２電極３８が接する面積はいずれも、20μm×20μmである。第１電極３２及び第２電極３８には、アルミニウム（Ａｌ）が用いられている。第１電極３２及び第２電極３８の一部は、保護膜３４に形成されているコンタクトホールを介して外部に露出している。第１電極３２及び第２電極３８は、この露出する部分を介して、外部に設けられている検出回路（図示せず）に接続されている。検出回路は、定電流源と電圧測定回路を備えており、磁性膜３６の抵抗変化を電圧変化として検出する。
中間膜３５は、保護膜３４と磁性膜３６を隔てており、保護膜３４に含まれる原子と磁性膜３６に含まれる原子が相互拡散するのを防止する。中間膜３５はさらに、電極３２、３８と磁性膜３６も隔てており、電極３２、３８に含まれる原子と磁性膜３６に含まれる原子が相互拡散するのを防止する。
図２に、中間膜３５の拡大断面図を模式的に示す。
中間膜３５は、従来の中間膜の形態とは全く異なっており、斬新な形態を有していることを特徴としている。中間膜３５は、導電性の粒子３５Ｐが絶縁性の膜３５Ｍに分散して混入している形態であることを特徴としている。導電性の粒子３５Ｐには、コバルト（Ｃｏ）が用いられている。絶縁性の膜３５Ｍには、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）が用いられている。中間膜３５の厚み（Ｙ方向の厚み）は、概ね5〜100nmの範囲に調整されている。導電性の粒子３５Ｐの平均粒径は、概ね1〜10nmの範囲に調整されている。なお、ここでいう平均粒径は、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）によって計測された値を参考にしている。ただし、その他の手法を用いて計測してもよい。例えば、Ｘ線回折のピーク幅から、シュラー式によって平均粒径を算出しても良い。この場合でも、導電性の粒子３５Ｐの平均粒径は、概ね1〜10nmの範囲に調整されていることが好ましい。
中間膜３５は、従来の中間膜の形態とは全く異なっており、斬新な形態を有していることを特徴としている。中間膜３５は、導電性の粒子３５Ｐが絶縁性の膜３５Ｍに分散して混入している形態であることを特徴としている。導電性の粒子３５Ｐには、コバルト（Ｃｏ）が用いられている。絶縁性の膜３５Ｍには、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）が用いられている。中間膜３５の厚み（Ｙ方向の厚み）は、概ね5〜100nmの範囲に調整されている。導電性の粒子３５Ｐの平均粒径は、概ね1〜10nmの範囲に調整されている。なお、ここでいう平均粒径は、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）によって計測された値を参考にしている。ただし、その他の手法を用いて計測してもよい。例えば、Ｘ線回折のピーク幅から、シュラー式によって平均粒径を算出しても良い。この場合でも、導電性の粒子３５Ｐの平均粒径は、概ね1〜10nmの範囲に調整されていることが好ましい。
中間膜３５は、薄板状の形状を有しており、厚み方向（Ｙ方向）の距離は短く、面内方向（Ｘ方向）の距離は長い。中間膜３５が図２に示す形態を有していると、距離が短い厚み方向（Ｙ方向）では、電流が粒子３５Ｐを介して電気伝導することができる。このため、中間膜３５の厚み方向（Ｙ方向）の抵抗は小さい。一方、距離が長い面内方向（Ｘ方向）では、粒子３５Ｐと粒子３５Ｐの間に、絶縁性の膜３５Ｍが介在する部分３５Ｇが多量に形成されている。面内方向（Ｘ方向）を流れる電流は、その介在する部分３５Ｇを介してトンネル伝導する。このため、中間膜３５の面内方向の抵抗は高くなる。
従来の磁気センサの中間膜には、一種類の材料又は合金が用いられている。この場合、その中間膜はほぼ均質な形態を備えている。この種の中間膜は、厚み方向（Ｙ方向）及び面内方向（Ｘ方向）のいずれの方向にも、結晶性が連続した形態を備えている。このため、中間膜の厚み方向の抵抗（比抵抗／接触面積にほぼ比例する）と、シート抵抗（比抵抗／断面積にほぼ比例する）は、比抵抗に対して等方的な特性を示す。即ち、中間膜に用いられる材料が決定されれば、その材料の比抵抗及び中間膜の形状に基づいて、中間膜の厚み方向の抵抗とシート抵抗は決定され、両者の抵抗は連関して変動する。
一方、本実施例の中間膜３５は、異質な形態を有しており、厚み方向（Ｙ方向）と面内方向（Ｘ方向）の抵抗は、比抵抗の等方的な関係から逸脱することができる。中間膜３５の厚み方向（Ｙ方向）の抵抗と面内方向（Ｘ方向）の抵抗の関係は、従来の中間膜では得られない範囲に設定することができる。中間膜３５の厚み方向（Ｙ方向）の抵抗を従来と同等に維持しながら、中間膜３５の面内方向（Ｘ方向）の抵抗が大きいという特性を得ることができる。
中間膜３５が上記の特性を備えていると、電極３２、３５と磁性膜３５の間のコンタクト抵抗が小さく、中間膜３５の面内方向のシート抵抗が小さくなる。これにより、一対の電極３２、３５の間の抵抗値のうち、前記コンタクト抵抗とシート抵抗の影響が低減される。このため、外部から印加される磁界強度に応じて磁性膜３６の抵抗値が変化すると、その変化分は、一対の電極３２、３５の間の抵抗値の変化として大きく反映される。磁気センサ１０は、磁界強度の変化を高感度に測定することができる。
上記の作用効果を高水準で具備するためには、以下の特徴を備えているのが好ましい。
（１）中間膜３５の導電性の粒子３５Ｐには、酸化され難い材料を採用し、絶縁性の膜３５Ｍには、酸化され易い材料を採用するのが好ましい。例えば、導電性の粒子３５Ｐには、鉄族、貴金属又はそれらの混合物を採用するのが好ましい。この場合、導電性の粒子３５Ｐと絶縁性の膜３５Ｍの間において、酸化反応を介した化学結合の形成が抑制される。これにより、導電性の粒子３５Ｐと絶縁性の膜３５Ｍの間が良好に相分離され、導電性の粒子３５Ｐが絶縁性の膜３５Ｍに分散して混入している形態が得られる。
（２）中間膜３５の導電性の粒子３５Ｐには、ニッケル又はコバルトを採用し、絶縁性の膜３５Ｍには、酸化シリコン又は酸化アルミニウムを採用するのが好ましい。ニッケル及びコバルトは、酸化シリコン及び酸化アルミニウムよりも酸化され難い材料である。さらに、これらの材料はいずれも、通常の半導体製造プロセスで利用可能な材料であることから、製造の面からも有利である。
（３）中間膜３５の厚みは、概ね5〜100nmの範囲に調整されているのが好ましい。中間膜３５の厚みが5nmよりも小さくなると、中間膜３５の厚みを均一に制御して製造することが困難になる。このため、中間膜３５の厚みが、その面内において不均一に形成されてしまう。このため、中間膜３５と電極３２、３８の間の接触抵抗が増大し、良好なコンタクト抵抗が得られないことがある。中間膜３５の厚みが100nmよりも大きくなると、面内方向（Ｘ方向）の抵抗が小さくなり、良好なシート抵抗が得られないことがある。このため、磁気センサ１０の中間膜３５に必要とされる特性を高い水準で満足するためには、中間膜３５の厚みが5〜100nmであることが好ましい。
（４）中間膜３５の導電性の粒子３５Ｐの平均粒径は、概ね1〜10nmの範囲に調整されているのが好ましい。粒子３５Ｐの平均粒径が1nm以下になると、厚み方向（Ｙ方向）の抵抗が大きくなり、良好なコンタクト抵抗が得られないことがある。粒子３５Ｐの平均粒径が10nm以上であると、面内方向（Ｘ方向）の抵抗が小さくなり、良好なシート抵抗が得られないことがある。磁気センサ１０の中間膜３５に必要とされる特性を高い水準で満足するためには、中間膜３５の導電性の粒子３５Ｐの平均粒径が1〜10nmであることが好ましい。
（５）中間膜３５の厚みが概ね5〜100nmの範囲に調整されており、且つ中間膜３５の導電性の粒子３５Ｐの平均粒径が概ね1〜10nmの範囲に調整されているのが好ましい。磁気センサ１０の中間膜３５に必要とされる特性を高い水準で満足することができる。さらに、中間膜３５と第１電極３２の接触する面積、及び中間膜３５と第２電極３８の接触する面積が、２５μｍ2〜２５００μｍ2の範囲であるときに、中間膜３５の厚みが概ね１０〜５０nmの範囲に調整されており、且つ中間膜３５の導電性の粒子３５Ｐの平均粒径が概ね３〜７nmの範囲に調整されているのが好ましい。この場合、磁気センサの他の構造が従来と同一であるならば、コンタクト抵抗を同等に維持しながら、中間膜３５のシート抵抗を従来に比して約１０倍以上に向上させることができる。特に、中間膜３５のシート抵抗を１０００Ω／□以上にすることができる。コンタクト抵抗を従来の構造と同等に維持しながら、中間膜３５のシート抵抗が１０００Ω／□以上の値は、従来の構造では得られない値であり、本実施例によって初めて得られる値である。
（１）中間膜３５の導電性の粒子３５Ｐには、酸化され難い材料を採用し、絶縁性の膜３５Ｍには、酸化され易い材料を採用するのが好ましい。例えば、導電性の粒子３５Ｐには、鉄族、貴金属又はそれらの混合物を採用するのが好ましい。この場合、導電性の粒子３５Ｐと絶縁性の膜３５Ｍの間において、酸化反応を介した化学結合の形成が抑制される。これにより、導電性の粒子３５Ｐと絶縁性の膜３５Ｍの間が良好に相分離され、導電性の粒子３５Ｐが絶縁性の膜３５Ｍに分散して混入している形態が得られる。
（２）中間膜３５の導電性の粒子３５Ｐには、ニッケル又はコバルトを採用し、絶縁性の膜３５Ｍには、酸化シリコン又は酸化アルミニウムを採用するのが好ましい。ニッケル及びコバルトは、酸化シリコン及び酸化アルミニウムよりも酸化され難い材料である。さらに、これらの材料はいずれも、通常の半導体製造プロセスで利用可能な材料であることから、製造の面からも有利である。
（３）中間膜３５の厚みは、概ね5〜100nmの範囲に調整されているのが好ましい。中間膜３５の厚みが5nmよりも小さくなると、中間膜３５の厚みを均一に制御して製造することが困難になる。このため、中間膜３５の厚みが、その面内において不均一に形成されてしまう。このため、中間膜３５と電極３２、３８の間の接触抵抗が増大し、良好なコンタクト抵抗が得られないことがある。中間膜３５の厚みが100nmよりも大きくなると、面内方向（Ｘ方向）の抵抗が小さくなり、良好なシート抵抗が得られないことがある。このため、磁気センサ１０の中間膜３５に必要とされる特性を高い水準で満足するためには、中間膜３５の厚みが5〜100nmであることが好ましい。
（４）中間膜３５の導電性の粒子３５Ｐの平均粒径は、概ね1〜10nmの範囲に調整されているのが好ましい。粒子３５Ｐの平均粒径が1nm以下になると、厚み方向（Ｙ方向）の抵抗が大きくなり、良好なコンタクト抵抗が得られないことがある。粒子３５Ｐの平均粒径が10nm以上であると、面内方向（Ｘ方向）の抵抗が小さくなり、良好なシート抵抗が得られないことがある。磁気センサ１０の中間膜３５に必要とされる特性を高い水準で満足するためには、中間膜３５の導電性の粒子３５Ｐの平均粒径が1〜10nmであることが好ましい。
（５）中間膜３５の厚みが概ね5〜100nmの範囲に調整されており、且つ中間膜３５の導電性の粒子３５Ｐの平均粒径が概ね1〜10nmの範囲に調整されているのが好ましい。磁気センサ１０の中間膜３５に必要とされる特性を高い水準で満足することができる。さらに、中間膜３５と第１電極３２の接触する面積、及び中間膜３５と第２電極３８の接触する面積が、２５μｍ2〜２５００μｍ2の範囲であるときに、中間膜３５の厚みが概ね１０〜５０nmの範囲に調整されており、且つ中間膜３５の導電性の粒子３５Ｐの平均粒径が概ね３〜７nmの範囲に調整されているのが好ましい。この場合、磁気センサの他の構造が従来と同一であるならば、コンタクト抵抗を同等に維持しながら、中間膜３５のシート抵抗を従来に比して約１０倍以上に向上させることができる。特に、中間膜３５のシート抵抗を１０００Ω／□以上にすることができる。コンタクト抵抗を従来の構造と同等に維持しながら、中間膜３５のシート抵抗が１０００Ω／□以上の値は、従来の構造では得られない値であり、本実施例によって初めて得られる値である。
（磁気センサ１０の製造方法）
図３及び図４を参照して、磁気センサ１０の製造方法を説明する。
まず、図３に示すように、シリコン単結晶の基板１０を準備する。次に、熱酸化法を利用して、その基板１０上に酸化シリコン（ＳｉＯ２）の絶縁膜２０を形成する。絶縁膜２０の厚みは、概ね500nmに調整される。次に、ニッケル（Ｎｉ）と鉄（Ｆｅ）をターゲットにし、スパッタ法を利用して、絶縁膜２０上に磁性膜３６を形成する。磁性膜３６の組成は、Ｎｉ８０Ｆｅ２０に調整される。磁性膜３６の厚みは、概ね40nmに調整される。さらに、コバルト（Ｃｏ）と酸化アルミニウム（ＡｌＸＯＹ）をターゲットにし、スパッタ法を利用して、磁性膜３６上に中間膜３５を形成する。中間膜３５の組成は、例えば、Ｃｏ６２Ａｌ１７Ｏ２５に調整される。中間膜３５は、上記の材料を用いることによって、コバルトの粒子が酸化アルミニウムの膜に分散して混入した形態で形成される（図２参照）。コバルトの粒子３５Ｐの平均粒径は、概ね5nmに調整される。なお、コバルトの平均粒径は、スパッタパワー、ガス圧等の製造条件を調整することによって、所望の大きさに調整することが可能である。次に、ドライエッチングを利用して、磁性膜３６と中間膜３５の積層構造体を、所定の形状にパターニングする。磁性膜３６と中間膜３５の積層構造体の平面形状は、幅が20μmであり、長さが200μmに加工される。
図３及び図４を参照して、磁気センサ１０の製造方法を説明する。
まず、図３に示すように、シリコン単結晶の基板１０を準備する。次に、熱酸化法を利用して、その基板１０上に酸化シリコン（ＳｉＯ２）の絶縁膜２０を形成する。絶縁膜２０の厚みは、概ね500nmに調整される。次に、ニッケル（Ｎｉ）と鉄（Ｆｅ）をターゲットにし、スパッタ法を利用して、絶縁膜２０上に磁性膜３６を形成する。磁性膜３６の組成は、Ｎｉ８０Ｆｅ２０に調整される。磁性膜３６の厚みは、概ね40nmに調整される。さらに、コバルト（Ｃｏ）と酸化アルミニウム（ＡｌＸＯＹ）をターゲットにし、スパッタ法を利用して、磁性膜３６上に中間膜３５を形成する。中間膜３５の組成は、例えば、Ｃｏ６２Ａｌ１７Ｏ２５に調整される。中間膜３５は、上記の材料を用いることによって、コバルトの粒子が酸化アルミニウムの膜に分散して混入した形態で形成される（図２参照）。コバルトの粒子３５Ｐの平均粒径は、概ね5nmに調整される。なお、コバルトの平均粒径は、スパッタパワー、ガス圧等の製造条件を調整することによって、所望の大きさに調整することが可能である。次に、ドライエッチングを利用して、磁性膜３６と中間膜３５の積層構造体を、所定の形状にパターニングする。磁性膜３６と中間膜３５の積層構造体の平面形状は、幅が20μmであり、長さが200μmに加工される。
次に、図４に示すように、アルミニウム（Ａｌ）をターゲットにし、スパッタ法を利用して、絶縁膜２０及び中間膜３５上にアルミニウムの層を形成する。そのアルミニウムの層の厚みは、概ね1μmに調整される。次に、ウェットエッチングを利用して、アルミニウムの層をパターニングして、第１電極３２と第２電極３８を形成する。第１電極３２と第２電極３８のそれぞれは、磁性膜３６と中間膜３５の積層構造体の表面の一部に接している。この接する部分は、20μm×20μmに調整される。
次に、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法を利用して、絶縁膜２０と中間膜３５と電極３２、３８の表面に、窒化シリコン（ＳｉＮ）の層を形成する。その窒化シリコンの層の厚みは、概ね0.5μmに調整される。次に、熱処理温度が概ね400℃のアニールを実施し、電極３２、３８と中間膜３５の接触抵抗を低減する。次に、ドライエッチングを利用して、窒化シリコンの層の一部を貫通するコンタクトホールを形成し、電極３２、３８の一部を露出させる。これらの工程を経て、図１に示す磁気センサ１０を得ることができる。
（特性評価）
上記の製造方法を経て得られる磁気センサ１０の特性を評価した。特性評価は、中間膜３５の組成比、又は材料を変更した実施品１〜４に関して評価した。また、比較例として、中間膜３５にチタン・タングステン（ＴｉＷ）を用いた比較品１と、中間膜３５に窒化タンタル（ＴａＮ）を用いた比較品２も評価した。評価項目は、中間膜３５のシート抵抗と電極部のコンタクト抵抗と磁気センサの感度を表すＭＲ比である。ＭＲ比は、磁界が０のときの抵抗値をＲ０とし、磁界が1kOeのときの抵抗値をＲ１とし、ΔＲ／Ｒ０＝（Ｒ０−Ｒ１）／Ｒ０で定義した。これらの特性値のうち、中間膜３５のシート抵抗を実測し、そのシート抵抗と磁気センサ１０の形状から比抵抗を算出した。コンタクト抵抗は、電極３２、３８と中間膜３５の間の接触抵抗、及び中間膜３５の厚み方向の抵抗の合計であり、中間膜３５の比抵抗及び20μm×20μmの接触面積等の形状から求められた推測値である。ＭＲ比は、中間膜３５がないときの実測値が３．５％であったので、図５（Ｂ）の等価回路を使用してシート抵抗値、コンタクト抵抗値から計算される値である。評価結果を表１に示す。
上記の製造方法を経て得られる磁気センサ１０の特性を評価した。特性評価は、中間膜３５の組成比、又は材料を変更した実施品１〜４に関して評価した。また、比較例として、中間膜３５にチタン・タングステン（ＴｉＷ）を用いた比較品１と、中間膜３５に窒化タンタル（ＴａＮ）を用いた比較品２も評価した。評価項目は、中間膜３５のシート抵抗と電極部のコンタクト抵抗と磁気センサの感度を表すＭＲ比である。ＭＲ比は、磁界が０のときの抵抗値をＲ０とし、磁界が1kOeのときの抵抗値をＲ１とし、ΔＲ／Ｒ０＝（Ｒ０−Ｒ１）／Ｒ０で定義した。これらの特性値のうち、中間膜３５のシート抵抗を実測し、そのシート抵抗と磁気センサ１０の形状から比抵抗を算出した。コンタクト抵抗は、電極３２、３８と中間膜３５の間の接触抵抗、及び中間膜３５の厚み方向の抵抗の合計であり、中間膜３５の比抵抗及び20μm×20μmの接触面積等の形状から求められた推測値である。ＭＲ比は、中間膜３５がないときの実測値が３．５％であったので、図５（Ｂ）の等価回路を使用してシート抵抗値、コンタクト抵抗値から計算される値である。評価結果を表１に示す。
表１に示すように、実施品１〜４はいずれも、コンタクト抵抗が比較品１及び比較品２と同等の値を示すとともに、シート抵抗が顕著に増加していることが分かる。比較品１及び比較品２には合金が用いられており、その中間膜３５はほぼ均質な形態を備えている。このため、中間膜３５のコンタクト抵抗とシート抵抗は、その合金の比抵抗に対して等方的な特性を示している。即ち、従来の中間膜３５に用いられる材料では、コンタクト抵抗とシート抵抗の間にトレードオフ関係が存在しており、表１に示すコンタクト抵抗を得たならば、シート抵抗も表１に示す値しか得ることができない。
一方、実施品１〜４は、そのトレードオフ関係から逸脱した値を示している。即ち、実施品１〜４の中間膜３５は、導電性の粒子３５Ｐが絶縁性の膜３５Ｍに分散して混入している形態を有しており、従来の中間膜３５とは異質な形態が採用されている。これにより、従来のコンタクト抵抗とシート抵抗の間にトレードオフ関係から逸脱することができる。実施品１〜４は、従来の中間膜では決して得ることができない範囲で、低い値のコンタクト抵抗と大きな値のシート抵抗を得ることができる。磁気センサ１０の中間膜３５に必要とされる特性を具備することができる。
一方、実施品１〜４は、そのトレードオフ関係から逸脱した値を示している。即ち、実施品１〜４の中間膜３５は、導電性の粒子３５Ｐが絶縁性の膜３５Ｍに分散して混入している形態を有しており、従来の中間膜３５とは異質な形態が採用されている。これにより、従来のコンタクト抵抗とシート抵抗の間にトレードオフ関係から逸脱することができる。実施品１〜４は、従来の中間膜では決して得ることができない範囲で、低い値のコンタクト抵抗と大きな値のシート抵抗を得ることができる。磁気センサ１０の中間膜３５に必要とされる特性を具備することができる。
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
１０：基板
２０：絶縁膜
３２、３８：電極
３４：保護膜
３５：中間膜
３６：磁性膜
２０：絶縁膜
３２、３８：電極
３４：保護膜
３５：中間膜
３６：磁性膜
Claims (13)
- 磁界強度を検出する磁気センサであって、
磁気抵抗効果を有する磁性膜と、
その磁性膜上に形成されている導電性の中間膜と、
中間膜の一部を介して磁性膜に電気的に接続されている第１電極と、
中間膜の他の一部を介して磁性膜に電気的に接続されている第２電極と、
中間膜上に形成されている絶縁性の保護膜を備えており、
前記中間膜は、導電性の粒子が絶縁性の膜に分散して混入している形態であることを特徴とする磁気センサ。 - 前記中間膜の導電性の粒子には、鉄族、貴金属又はそれらの混合物を主成分とする金属が用いられていることを特徴とする請求項１の磁気センサ。
- 前記中間膜の導電性の粒子には、ニッケル、コバルト又はそれらの混合物が用いられていることを特徴とする請求項２の磁気センサ。
- 前記中間膜の導電性の粒子の平均粒径が、1〜10nmであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかの磁気センサ。
- 前記中間膜の絶縁性の膜には、導電性の粒子よりも酸化され易い金属酸化物が用いられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかの磁気センサ。
- 前記中間膜の絶縁性の膜には、酸化シリコン、酸化アルミニウム又はそれらの混合物が用いられていることを特徴とする請求項５の磁気センサ。
- 前記中間膜の厚みが、5〜100nmであることを特徴とする請求項１〜６のいずれかの磁気センサ。
- 中間膜と第１電極が接する面積、及び中間膜と第２電極が接する面積はいずれも、２５μｍ2〜２５００μｍ2の範囲であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかの磁気センサ。
- 前記中間膜のシート抵抗が、１０００Ω／□以上であることを特徴とする請求項８の磁気センサ。
- 前記中間膜の導電性の粒子には、ニッケル、コバルト又はそれらの混合物が用いられており、
前記中間膜の絶縁性の膜には、酸化シリコン、酸化アルミニウム又はそれらの混合物が用いられていることを特徴とする請求項１の磁気センサ。 - 前記中間膜の導電性の粒子の平均粒径が、1〜10nmであり
前記中間膜の厚みが、5〜100nmであることを特徴とする請求項１０の磁気センサ。 - 中間膜と第１電極が接する面積、及び中間膜と第２電極が接する面積はいずれも、２５μｍ2〜２５００μｍ2の範囲であることを特徴とする請求項１１の磁気センサ。
- 前記中間膜のシート抵抗が、１０００Ω／□以上であることを特徴とする請求項１２の磁気センサ。
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