JP4970033B2 - 統合型セット／リセットドライバーと磁気抵抗センサー - Google Patents

Description

本発明は、概括的には、磁界と電流のセンサーに関しており、より具体的には、限定するわけではないが、磁気抵抗センサーのための信号処理に関する。

本出願は、（１）発明者Mark D. AmundsonとWilliam F. Witcraftによる２００３年６月２日出願の米国仮特許出願第６０／４７５，１７５号、Honeywell書類番号Ｈ０００４９５６「磁気抵抗センサーのためのダイ上セット／リセットドライバー」、（２）発明者Lonny L. BergとWilliam F. Witcraftによる２００３年６月２日出願の米国仮特許出願第６０／４７５，１９１号、Honeywell書類番号Ｈ０００４６０２「半導体装置の磁気抵抗センサーとの統合」、（３）発明者William F. Witcraft、Hong Wan、Cheisan J. Yue及びTamara K. Bratlandによる２００３年４月１５日出願の米国仮特許出願第６０／４６２，８７２号、Honeywell書類番号Ｈ０００４９４８「統合型ＧＰＳ受信器と磁気抵抗センサー装置」の恩典を請求する。本出願は、これらの仮特許出願それぞれの全体を、参考文献としてここに援用する。

本出願は、更に、（１）発明者Lonny L. BergとWilliam F. Witcraftによる目下出願中の米国特許出願第 号、Honeywell書類番号Ｈ０００４６０２ＵＳ「半導体装置の磁気抵抗センサーとの統合」、（２）発明者William F. Witcraft、Hong Wan、Cheisan J. Yue及びTamara K. Bratlandによる目下出願中の米国特許出願第 号、Honeywell書類番号Ｈ０００４９４８ＵＳ「統合型ＧＰＳ受信器と磁気抵抗センサー装置」とも関係しており、これらを参考文献としてここに援用する。

磁界センサーは、磁気コンパス、鉄系金属の検出及び電流の感知に利用される。磁界センサーは、機械要素内の磁界の変化、地球の磁界、地下鉱物又は電気装置及び配線を検出する。

磁気センサー、特に、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）ブリッジセンサーでは、局所磁界の強度及び／又は方向を正確に測定するために、磁気抵抗材料の薄膜が、シリコン基板上に配置されている。シリコン基板上へ薄膜を堆積させるには、半導体鋳造工場の製作プロセスを使用できるので、隣接する半導体回路要素を作る別の段階を加えることができる。これらの半導体回路要素は、センサーの薄膜と従来型の半導体製造プロセスの相性が悪いために、従来、磁気抵抗センサーと同じ基板上に併存配置されていない。

通常、磁気抵抗センサーは、磁気抵抗材料としてパーマロイ、即ちニッケルと鉄を含んでいる強磁性合金を使用する。パーマロイは、パーマロイフィルムの薄い条片として配置されることが多い。電流が個々の条片を通って流れるとき、条片の磁化方向は、電流の方向に対して或る角度を形成する。磁化の方向が変わると、条片の有効抵抗も変わる。具体的には、電流が流れる方向に平行な磁化方向では、条片に亘る抵抗が最大になり、電流が流れる方向に垂直な磁化方向では、条片に亘る抵抗が最小になる。この抵抗の変化は、電流が条片を通って流れるときの条片に亘る電圧降下を変化させる。この電圧の変化は、条片に作用する外部磁界の磁化方向の変化を表わすものとして測定することができる。

磁気抵抗センサーの磁界感知構造を形成するため、幾つかのパーマロイ条片が電気的に一つに接続されている。パーマロイ条片は、磁気抵抗センサーの基板上に「ヘリンボン」パターンの連続する抵抗器として、又は磁気抵抗材料の直線状の条片として配置され、条片の長軸に対し４５度の角度で条片を横切って導体が設けられている。この後者の構成は、「床屋の看板柱のバイアス」として知られている。これは、導体の構成の故に、条片内の電流を、条片の長軸に対して４５度の角度で流れさせる。これらの感知構造の設計については、Bharat B. Pantに発行され、本出願と同じ譲受人に譲渡されている１９８９年７月１１日の米国特許第４，８４７，５８４号で論じられている。米国特許第４，８４７，５８４号全体を、参考文献としてここに援用する。磁気センサー技術について記載している別の特許及び特許出願については、図２の議論と関連付けて以下に記載する。

磁気センサーは、感知特性を制御及び調整するために、電流が貫流する多数の向き変え要素又は「ストラップ」を含んでいることが多い。例えば、磁気センサーの設計は、セット／リセット及び／又はオフセット向き変え要素又は「ストラップ」（以後「セット／リセットストラップ」と「オフセットストラップ」と呼ぶ）を含んでいることが多い。

オフセットストラップは、外部の磁界を相殺するか補正するように作用する。セット／リセットストラップは、最高の測定精度とするために、磁気抵抗薄膜粒子構造の向きを変えるのを支援する。向き変え磁気抵抗フィルムのこのプロセスは、短時間の強烈な磁界強度を加えるのに、セット／リセットストラップの磁化を使用して、任意の向きの薄膜粒子を実質的に一つの方向に向かわせる。この短い磁界を掛けることで、薄膜が１つの方向に「セット」される。強度は同様であるが方向は反対の第２の短時間の磁界を掛けることで、薄膜粒子の方向は「リセット」される。セット及び／又はリセット磁界を繰り返すと、薄膜粒子を乱れのない状態に、比較的既知の磁気方向に確実に維持することができる。

セット／リセットストラップ自体は、通常、チップ上に配置されているが、このストラップのためのドライバー回路は、通常、チップ外に配置されるので、空間が非効率的になる。チップ外に配置する場合、通常は電流が１つ又は複数のストラップ（通常は金属）を通して磁気抵抗センサーブリッジにパルス状に送られるが、スイッチを切り替えて電流パルスを生成するのに、外部のボードレベルの回路が用いられる。

同様に、演算増幅器、トランジスタ、コンデンサなどのような他の構成要素は、通常、磁気センサーとは別のチップ上に実装される。例えば、信号調整及び静電放電回路は、通常、チップ外に配置される。これは、幾つかの製品には好ましいが、物理的空間が貴重な別の製品では、これらの半導体構成要素の内の１つ又はそれ以上を、磁気センサーと同じチップの一部として有していることが望ましい。従って、単一チップ設計、特に、チップ上に配置されているセット／リセットドライバー回路を有する設計が望ましい。

磁気感知装置とそれを作成する方法及びそれを使用する方法を開示している。感知装置は、磁界を検出又は測定するための１つ又は複数の磁気抵抗感知要素と、磁気抵抗感知要素を調整するための１つ又は複数の向き変え要素と、向き変え要素を制御又は駆動するためのドライバー回路を有する半導体回路とを含んでいる。磁気抵抗感知要素、向き変え要素、及び半導体回路は、全て、単一のパッケージ内に配置されているか、及び／又は単一つのチップ上にモノリシックに形成されている。

本発明の好適な実施形態を、添付図面に関連付けて以下説明するが、各図面を通して、同様な要素には同様な参照番号を付している。

本発明の原理を適用することのできる多種多様な実施形態に鑑み、図示の実施形態は、単なる例であり、本発明の範囲を限定するものではない旨理解頂きたい。

代表的な構造
図１は、或る実施形態による、１つ又は複数の半導体装置構成要素の１つ又は複数の磁気抵抗感知要素との統合を示す単純化したブロック図である。一般に、「統合」又は「統合された」という用語は、１つ又は複数のサブシステムが、より大きなシステムの中に含まれていることを意味している。他方、「一体化された」とは、そのサブシステム、構造及び機能が、より大きなシステムの別の部分と混合されていることを示している。特に指定しない限り、本説明では、「一体化された」及び「統合された」という用語は、どちらか又は両方の定義による複合アッセンブリを述べるのに互換可能に用いている。

装置１００は、第１及び第２部分１０２、１０４を含んでいる。第１部分１０２は、磁気抵抗感知要素（以後、まとめて「ＭＲセンサー」と呼ぶ）と、薄膜トレースのような配線とを含んでいる。第２部分１０４は、セット／リセットドライバー回路のような１つ又は複数の半導体装置構成要素を含んでいる。或る好適な実施形態では、第２部分１０４は、更に、信号調整回路と、第１部分１０２のＭＲセンサーのためのＥＳＤ（静電放電）保護用回路を含んでいる。以下に論じるように、第２部分１０４は、ＣＭＯＳ（相補形金属酸化膜半導体）に用いられるような標準的な半導体製作技法には、特に適している。

第１及び第２部分１０２、１０４は、同じチップ内に配置されているので、装置１００は、個別の、１つのチップの、即ちモノリシック設計である。半導体装置をＭＲセンサーと統合する先行技術による試みでは、通常、少なくとも２つのダイが印刷回路板上に個々に配置され、末端のユーザーの装置（例えば、携帯電話、携帯装置、時計、自動車のセンサーなど）が大型になり、より複雑になる結果となっていた。１チップ設計の装置１００は、大きさを小さくし、機能を追加することができる。

第１及び第２部分１０２、１０４は、例えばＣＭＯＳ、バイポーラ、バイポーラＣＭＯＳ、ＧａＡｓ（ヒ化ガリウム）及びＩｎＰ（リン化インジウム）のように、標準的なＲＦマイクロ波処理を使って製造することができる。ＧａＡｓのような技術は、処理速度の点では利点を提供できるが、ＳＯＩ（絶縁体上シリコン）又はＭＯＩ（絶縁体上マイクロ波）、ＳＯＩの変更例を含む技法のような他の技法を使用すると、電力消費を最大限に削減することができる。或る実施形態では、ＳＯＩの０．３５μ処理を使用している。

或る好適な実施形態では、第１部分１０２は、以下に参考文献として援用している特許のリストに記載されているような標準的なリソグラフィー、金属被覆及びエッチング処理を使って製造されている。しかしながら、ＭＲセンサーを製造するための他の技法を使用してもよい。第２部分１０４は、ＳＯＩの０．３５μ処理、又はＧａＡｓ処理のような別のＲＦ／マイクロ波法を使って製造するのが望ましい。

ＭＲセンサーを１つ又は複数の半導体装置構成要素と統合するのは、少なくとも２つの方法の内の１つで実現することができる。第１の実施形態では、ＭＲセンサーは、半導体装置構成要素と同じダイ上に製作することができ、信号調整及びＥＳＤ保護回路のような別の回路を含んでいてもよい。第２の実施形態では、ＭＲセンサーは第１ダイ上に製作され、半導体装置構成要素の少なくとも幾つかは第２ダイ上に製作される。

第１及び第２ダイは、互いに近接して配置され、単一の統合された回路（集積回路）チップ内にパッケージしてもよい。何れの場合も、具体的な用途次第で、半導体装置構成要素とＭＲセンサーの間に１つ又は複数の接続を含んでいるのが好都合である。例えば、そのような接続は、フィードバックを提供する。代わりに、半導体装置構成要素とＭＲセンサーは、互いに物理的には近接しているが、意図的な電気的相互作用は無くてもよい。

従来式の半導体処理技法を使用できるので、具体的な半導体装置回路は、柔軟性があるためここでは開示していない。従って、ＣＭＯＳ／バイポーラ／バイポーラＣＭＯＳで実施可能な従来式の半導体設計は、目下開示している実施形態に従って使用することができる。実施することのできる代表的な半導体装置には、限定するわけではないが、コンデンサ、誘導子、演算増幅器、ＭＲセンサー用のセット／リセット回路、加速度計、圧力センサー、位置感知回路、コンパス回路などがある。

半導体装置構成要素の中には、ＭＲセンサーの作動に影響を与えるほどの電磁場を生成するものもある。従って、統合装置１００のＭＲセンサー部分１０２の高感度部分は、センサーの作動を最適にするため、半導体装置部分１０４の部分と物理的に分離されていなければならない。分離の量は、例えば理論的又は実験的手段を使って判定される。統合装置１００の干渉する恐れのある部分の間に物理的な分離を導入する代わりに、米国仮特許出願第６０／４７５１９１号に記載されているように、遮蔽層を設けてもよい。
代表的製作技法
図２は、装置２００の代表的な断面を示しており、セット／リセットドライバー回路と共に使用される半導体構成要素ような１つ又は複数の半導体構成要素が、ＭＲセンサーと共に実装されている。この例では、ＣＭＯＳ／バイポーラ半導体技術を想定している。半導体装置構成要素（ＭＲセンサー部分に関連するセット及び／又はオフセットストラップ用のあらゆる信号調整回路とドライバーを含む）は、主にＣＭＯＳ／バイポーラ下層内に製作され、ＭＲセンサーは、接点ガラス層２０８の上方の層２０２−２０６内に製作されている。更に、図２には、様々な接点Ｖ１−Ｖ３及び金属被覆Ｍ１−Ｍ３と、ＮｉＦｅパーマロイ構造（第１絶縁体層２０６を参照）が示されている。下層２１０、接点ガラス層２０８及び第１絶縁体層２０６に加えて、第２絶縁体層２０４と、不活性化層２０２も図示されている。

或る実施形態では、層２０２−２０６は、標準的なリソグラフィー、金属被覆及びエッチング処理を使って形成されており、層２０８−２１０は、ＳＯＩの０．３５μ処理か、ＧａＡｓ処理のようなＲＦ／マイクロ波法を使って形成されている。ＭＲセンサーの別の構成要素（セット、リセット及びオフセットストラップ；信号調整回路、及びＥＳＤ保護回路）は、層２０６−２１０内の様々な場所に含まれており、それら全てを図２に示してはいない。
代表的磁気抵抗設計
ＭＲセンサーの設計に関して更に良く分かるように、以下のHoneywellの特許及び／又は特許出願を参照してゆくが、その全体を、参考文献としてここに援用する。
（１）Bohlingerらへの米国特許第６，５２９，１１４号「磁界感知装置」
この装置は、水晶の異方性磁界方向を有するＭＲ材料で形成されている２つのセンサーユニットを含む、磁界を測定するための２軸統合装置を含んでいる。２つのセンサーユニットの内の第１センサーの要素は、第１方向に全異方性磁界を有している。２つのセンサーユニットの内の第２センサーの要素は、第１方向に垂直な第２方向に全異方性磁界を有している。第１及び第２センサーユニットの要素内の磁化の方向を設定するための手段が提供されている。第１センサーユニットの出力は、第１方向に垂直な磁界成分を表し、第２センサーの出力は、第２方向に垂直な磁界の成分を表す。
（２）Pantらへの米国特許第６，２３２，７７６号（「Ｐａｎｔらの特許」）「センサー面で入射磁界を等方的に感知するための磁界センサー」
Ｐａｎｔらの特許は、入射磁界を等方的に感知する磁界センサーを提供している。これは、入射磁界を感知するための１つ又は複数の円形のＭＲセンサー要素を有する磁界センサー装置を備えることによって実現するのが望ましい。使用されるＭＲ材料は、等方性であるのが望ましく、並外れた磁気抵抗（ＣＭＲ）材料か、又は或る形態の巨大な磁気抵抗（ＧＭＲ）材料である。センサー要素は円形なので、形状異方性は最小となる。従って、出来上がった磁界センサー装置は、センサー面での入射磁界の方向には比較的依存しない出力を提供する。

Ｐａｎｔらの特許の或る実施形態では、磁界センサーは、第１脚と第２脚を含んでいる。第１脚は、出力ネットと第１電力供給端子の間に接続されている。第２脚は、出力ネットと第２電力供給端子の間に接続されている。入射磁界を等方的に感知するために、ＭＲ材料で形成されている少なくとも１つの円形のセンサー要素が、第１脚と第２脚の内の少なくとも１つに組み込まれている。２つ以上の円形のＭＲセンサー要素が、第１脚か第２脚の一方に組み込まれ、他方の脚は、非磁気抵抗材料で形成されているのが望ましい。２つ又はそれ以上の円形センサー要素は、多数の非磁気抵抗コネクタを介して直列に接続され対応する脚を形成しているのが望ましい。

磁気センサー装置の感度を最大にするには、円形センサー要素は、ＣＭＲ材料で形成するのが望ましい。しかしながら、ＧＭＲ材料を使用することも考えられる。図示のＣＭＲ材料は、一般的に式（ＬｎＡ）ＭｎＯ_３で表され、ここに、ＬｎはＬａ、Ｎｄ又はＰｒであり、ＡはＣａ、Ｓｒ、Ｂａ又はＰｂである。ＣＭＲ材料は、ＬａＣａＭｎＯで、Ｌａの濃度が２６−３２原子百分率、Ｃａの濃度が９−２０原子百分率、Ｍｎの濃度が４７−６４原子百分率であるのが望ましい。

Ｐａｎｔらの特許の別の実施形態では、磁界センサーは、第１脚、第２脚、第３脚及び第４脚を含んでいる。第１脚と第２脚は、第１出力ネット及び第２出力ネットそれぞれと第１電力供給端子との間に接続されているのが望ましい。第３脚と第４脚は、第１出力ネット及び第２出力ネットそれぞれと第２電力供給端子との間に接続されているのが望ましい。入射磁界を等方的に感知するために、ＭＲ材料で形成されている少なくとも１つの円形のセンサー要素が、第１脚、第２脚、第３脚及び第４脚の内の少なくとも１つに組み込まれている。第１脚と第４脚は、それぞれ、２つ又はそれ以上の円形のＭＲセンサー要素で形成され、第２脚と第３脚は、非磁気抵抗材料で形成されているのが望ましい。第１脚と第４脚のそれぞれは、対応する２つ又はそれ以上の円形センサー要素が、多数の非磁気抵抗コネクタによって直列に接続され対応する脚を形成しているのが望ましい。円形のＭＲセンサー要素は、先に述べたのと同じＣＭＲ材料で形成されているのが望ましい。
（３）Ｗａｎへの米国特許第５，９５２，８２５号（「Ｗａｎの特許」）「磁界を作るための一体化されたコイルを有する磁界感知装置」
Ｗａｎの特許は、設定／再設定特性と、固有のコイル配置を使用して磁気感知要素に既知の磁界を作る独立した特性の両方を提供している。これらの両方の特性が磁界センサーに存在していると、センサーの機能性が、２つの特性を有する個々の機能の総計を遥かに超えて増大する。

これをやり易くするため、Ｗａｎの特許は、電気的橋絡ネットワーク内に配置されたＭＲセンサー内の磁気領域を設定及び再設定するための手段と、相対する橋絡要素内の磁化の方向を設定するための電流ストラップとを含む非常に小さな低電力の装置を使用している。相対する橋絡要素内の磁化の方向は、具体的な設計次第で、同じ方向に設定してもよいし、反対方向に設定してもよい。電流ストラップは、磁界感知要素に既知の磁界を作り出す。既知の磁界は、試験、設定、補正、校正のような機能、並びにフィードバックアプリケーションに用いられる。
（４）Ｗｉｔｃｒａｆｔらへの米国特許第５，８２０，９２４号「磁気抵抗センサーを製作する方法」
Ｗｉｔｃｒａｆｔらの特許は、（ｉ）シリコン基板を提供する段階を含む磁界センサーを製作する段階と、（ii）前記基板上に絶縁層を形成し、第１磁界を新しいラインとして生成する段階と、（iii）前記絶縁層上の前記ＭＲ材料の第１磁界が存在する中に層を形成する段階と、（iv）異方性磁界の第１値を求める段階と、（ｖ）所望の異方性磁界を提供するように選択された温度でアニーリングする段階と、を含む方法を提供している。
（５）Ｐａｎｔらへの米国特許第５，２４７，２７８号（「Ｐａｎｔらの特許II」）「磁界感知装置」
Ｐａｎｔらの特許IIは、設定／再設定特性と、磁気感知要素に既知の磁界を作り出す独立した機能とを提供している。これらの両方の特性が磁界センサーに存在していると、センサーの機能性が、２つの特性を有する個々の機能の総計を遥かに超えて増大する。

或る態様では、Ｐａｎｔらの特許IIは、電気的橋絡ネットワーク内に配置されたＭＲ感知要素内の磁気領域を設定及び再設定するための装置を含んでいる。電流ストラップは、具体的な設計次第で、相対する橋絡要素内の磁化の方向を、同じ方向か、又は反対方向に設定するように設けられている。本発明の別の態様では、第２電流ストラップは、磁界感知要素に既知の磁界を作り出す。既知の磁界は、試験、設定、及び校正のような機能に用いられる。
（６）Ｗｉｔｃｒａｆｔらの米国特許出願第０９／９４７，７３３号（「Ｗｉｔｃｒａｆｔらの特許II」）「磁気センサー上のセット及びオフセットストラップの効率を改良するための方法及びシステム」
Ｗｉｔｃｒａｆｔらの特許IIは、キーパー材料を磁界感知構造に近接して提供する段階を含む、磁界センサーを製造するための方法を提供している。センサーは、基板、電流ストラップ及び磁界感知構造を含んでいる。

Ｗｉｔｃｒａｆｔらの特許IIは、更に、電流ストラップとしてセット−リセットストラップかオフセットストラップのどちらかを提供している。この実施形態は、更に、同じセンサー内にセット−リセットストラップとオフセットストラップの両方を含んでいてもよい。別の実施形態では、磁界感知構造は、更に、互いに、及び出力端子に電気的に接続されているパーマロイ条片を含んでおり、ここで磁界表示が作り出される。
（７）Ｗａｎらの米国特許出願第１０／００２，４５４号（「Ｗａｎらの特許II」）「３６０度の回転式位置センサー」
Ｗａｎらの特許IIでは、３６０度回転式位置センサーは、ホールセンサーとＭＲセンサーを備えている。磁石又は３６０度回転式位置センサーの一方は、回転軸に取り付けられている。３６０度回転式位置センサーは、磁石に相当近接して配置されているので、磁石が生成した磁界を検出することができる。ホールセンサーは、磁界の極性を検出する。ＭＲセンサーは、磁界の角度位置を１８０度まで検出する。ホールセンサーからの出力とＭＲセンサーからの出力を組み合わせると、磁界の角度位置を３６０度まで感知できる。
（８）Ｄｅｔｔｍａｎｎらへの米国特許第５／５２１，５０１号（「Ｄｅｔｔｍａｎｎらの特許」）「再磁化線と１つ又は複数の磁気抵抗抵抗器で作られている磁界センサー」
Ｄｅｔｔｍａｎｎらの特許は、磁界依存抵抗器の長手方向に垂直に、絶縁様式で配置されている高伝導薄膜導体条片上に１つ又は複数のＭＲ薄膜条片を備えている単一の磁界依存抵抗器を提供している。高伝導薄膜導体条片には、蛇行構造が設けられている。交番磁界方向を有する蛇行条片が互いに隣接して配置され、抵抗が測定対象の磁界の影響の下で全てのサブレンジで等方向に変化しているにもかかわらず、電流の流れの下で抵抗を作り出すために、ＭＲ薄膜条片は、条片の長手方向に対して或る角度で反対方向に傾斜している床屋の看板柱様構造を有する領域に分割されている。

高伝導薄膜導体条片は蛇行しているので、磁化の方向を逆転させるのに必要な電流が僅かで済むことになり好都合である。更に、互いに隣接して配置されている蛇行条片の磁界は、反対方向であるために互いに大きく相殺し合うので、センサーチップの外側に存在する漂遊磁界は、非常に低い。従って、磁界センサーは、互いに近接して作動させることができる。同じ理由で、再磁化導体のインダクタンスも非常に低いので、インダクタンスによる測定周波数の制限は生じない。

磁界センサーをＭＲ抵抗器で作動させる場合、ＭＲ抵抗器には定電流が供給される。ＭＲ抵抗器の電圧は、出力信号として測定される。或る方向の電流パルスが高伝導薄膜導体条片を通って流れると、ＭＲ抵抗器の領域内の自己磁化は、或る方式で設定される。この状態では、測定対象の磁界は、ＭＲ抵抗器の抵抗値を増大させる。これは、出力信号が、磁界の無い場合より大きいことを意味している。次いで先のパルスと反対方向の電流のパルスが高伝導薄膜導体条片に送られると、自己磁化の方向が逆転する。従って、測定対象の磁界は抵抗が減少し、出力電圧は、磁界が無い場合より小さくなる。パルスの方向が一定に変化すれば、測定対象の磁界に比例する振幅を有するＡＣ電圧が、出力に存在することになる。ＭＲ薄膜条片の抵抗値の低速ドリフトに繋がる温度のような全ての影響は、ＡＣ出力電圧に影響を与えない。しかし、出力ＡＣ電圧振幅における温度が高くなると、ＭＲ効果の減少が認められる。

従って、別の実施形態では、更に高伝導の薄膜条片が、全てのＭＲ薄膜条片の下に設けられている。これらの高伝導薄膜条片を通る電流は、測定対象の掛けられる磁界が電流によって丁度相殺されるように、センサーの出力電圧によって制御される。この場合、ＭＲ磁界センサーはゼロ検出器として作用する。この装置の出力量は、補正電流の量であり、装置の温度には依存しない。同様に、センサーは変調されないので、非線形性は、センサー特性曲線に何の役割も果たさない。

Ｄｅｔｔｍａｎｎらの特許の別の実施形態では、それぞれが複数の領域を備えている４つの平行ＭＲ抵抗器が、薄層の再磁化導体と高伝導補正導体の上に設けられている。領域には、それぞれが床屋の看板柱様構造の正及び負の角度の交互する領域で始まるように、ＭＲ薄膜条片の長手方向から正の角度と負の角度に交互する床屋の看板柱様構造が設けられている。４つの抵抗器は、ホイートストンブリッジを形成するように接続されている。再磁化導体を互いに反対方向に交番するパルスで再作動させると、ブリッジの出力にＡＣ電圧信号が現れる。この信号には、ブリッジの恐らく同じでない４つの抵抗値から生じる１つの直流電圧信号だけが重ねられる。しかしながら、この直流電圧成分は、１つの抵抗器を使用した場合より相当に小さく、単純な評価が可能となる。勿論、ここでも測定対象磁界の補正を採用してもよい。

ブリッジ装置は、偶数の領域から形成されている４つの抵抗器を備えている。床屋の看板柱様構造の角度の順序だけが、抵抗器毎に変わっている。再磁化の方向は、領域内で、再磁化導体を通る第１の強力な電流パルスによって設定される。センサーブリッジは、磁界に反応するので、更に再磁化すること無く従来の方法で使用することができる。ブリッジの４つ全ての抵抗器が同じ領域を備えているので、センサー装置の温度が変化しても、全抵抗器で同じ変化が起こるものと期待される。これは、層電圧変動、及びその結果としての磁気歪みのために生じる変動成分にも当てはまる。従って、センサーブリッジは、既知のセンサーブリッジ装置に比べてゼロポイントが小さく、従って、より小さい磁界を従来方式で測定するのにも適している。再磁化導体を通る定電流は、一定の安定した磁界を生成するように作用し、それによって一定のセンサー感度が設定される。従って、Ｄｅｔｔｍａｎｎらの特許の装置は、磁界測定の様々な評価方法に用いることができ好都合である。
代表的な金属−絶縁体−金属コンデンサーの統合
セット／リセットドライバ回路の機能性を持たせるために、図２の装置２００は、多数の半導体装置構成要素を含んでいる。更に、第１誘電層２０６内に示されている金属‐絶縁体‐金属（ＭＩＭ）コンデンサー３５０のような１つ又は複数の特殊なコンデンサーが含まれている。図示のように、ＭＩＭコンデンサー３５０は、接点Ｖ１と、低抵抗金属被覆Ｍ１の上に重なっている窒化物層との間に配置されている。ＭＩＭコンデンサー３５０は、第１誘電層２０６内に配置されるように図示しているが、替わりに、不活性化層２０２、第２誘電層２０４又はＣＭＯＳ／バイポーラ下層２１０のような別の場所にあってもよい。統合型ＭＩＭコンデンサーは、小型で、多分全体のパッケージが小さくなるため、先行技術のＭＲセンサーと共に使用される線形コンデンサーを改良したものとなる。

装置２００は、ＭＲセンサーに適した構成であり、パーマロイ及び構造が異なる他の構成を替わりに使用してもよい。更に別の実施形態では、ＭＩＭ蓄電器３５０を、装置２００内に組み込み、ＣＭＯＳ／バイポーラ下層２１０を、削除するか、又は何か別のベース又は基板材料と置き換えることもできる。
統合型又は一体型セット／リセット回路
図３は、代表的な実施形態による、ダイ上に、又はＭＲセンサーとモノリシックに実装される代表的なセット／リセット回路３６０、３６２を示す概略図である。図３に示す回路設計は、多くの可能な設計の一例であり、本発明を限定するものではない。

代表的な回路３６０は、ＭＲセンサーの信号ゲインを上げる増幅回路である。負のフィードバックループを有する２つの演算増幅器は、磁気抵抗ブリッジの脚を横切って感知される、局所磁界の変化を示す差動電圧信号を提供する。示された抵抗器値は、或る好適な実施形態に特に適しており、別の抵抗器値と構成は、別のＭＲセンサー設計により適している。同様に、２つの演算増幅器を回路３６０用に示しているが、別の設計では、これより多いか又は少ない演算増幅器を使用しており、これより多いか又は少ないバイアス抵抗器を備えている。

代表的な回路３６２は、セット／リセットストラップを通るセット／リセット電流パルスを生成し、ブリッジ回路の薄膜磁気領域を適切な方向に適切に向ける切替回路である。回路３６２は、セット／リセットパルスを提供するようにＥＳＤＲリレーによって切替られる相補対の電界効果トランジスタを含んでいる。回路３６０と同様に、特定の磁気抵抗器センサーを設計選択すると、切替回路が変わることになる。図示の抵抗器値は、或る好適な実施形態に合った値である。

回路３６４は、完全に随意的なものであり、試験目的で用いられる。これは、本発明の意図する範囲から逸脱することなく、多くのアプリケーション特定の特性をセット／リセットドライバー回路に含ませることができるという柔軟性を示している。図３に示している全ての回路には、様々な修正を施すことができる。例えば、熱ドリフトを防ぐために熱又は温度補正回路が含まれている。
代表的な半導体回路の統合
図４は、セット／リセットドライバー回路が、チップ上に、又はＭＲセンサーとモノリシックに統合されている装置３００の１つの実施形態の平面図である。装置３００の代表的な部分は、磁気抵抗ブリッジ３０１、セット／リセットストラップ３０２、オフセットストラップ３０４、セット／リセット回路３０６−３０８、（ブリッジ３０１の脚のインピーダンスを整合させるための）レーザートリムサイト３１０、ＥＳＤ保護ダイオード３１２、ＭＩＭコンデンサー３１４、演算増幅器３１６、接点３１８及び試験サイト３２０を含んでいる。更なる情報については、先に援用した特許及び特許出願を参照されたい。

図５−６は、ＭＲセンサーと統合されている半導体回路の型式の例を示す単純化した回路図５００−６００である。これらの代表的な線図は、ＭＲセンサーと統合され、又は一体化されている回路の網羅的又は柔軟性のないリストを意図したものではなく、むしろ、そのように組み合わせられている回路の幅を示すためのものである。

図５は、ＭＲセンサーと統合されているコンパス回路５０２を示す単純化した回路図５００である。この実施形態では、ＭＲセンサーは、第１及び第２磁気抵抗感知要素５０４、５０６で形成されている。第１及び第２磁気抵抗感知要素５０４、５０６は、直交する磁界を感知し、それに応答して第１及び第２出力を提供する。三次元座標システムでは、例えば、第１磁気抵抗感知要素５０４は、「Ｘ」方向の磁界を感知し、第２磁気抵抗感知要素５０６は、「Ｙ」方向の磁界を感知する。Ｘ−Ｙ面は、勿論、座標システムによっては回転させてもよい。

セット／リセット及び／又はオフセットストラップ（図示せず）の形態をした１つ又は複数の向き変え要素は、第１及び第２磁気抵抗感知要素５０４、５０６の上に形成されるか、又はこれと統合されている。先に述べたように、これらの向き変え要素は、第１及び第２磁気抵抗感知要素５０４、５０６の感知特性を制御及び調整するのに用いられる。

コンパス回路５０２は、（ｉ）第１及び／又は第２磁気抵抗感知要素５０４、５０６のオフセット調整を行うためのオフセットストラップドライバー回路５０８と、（ii）第１及び／又は第２磁気抵抗感知要素５０４、５０６のセット／リセットの順序付けを行うためのセット／リセットストラップドライバー回路５１０と、（iii）第１及び第２磁気抵抗感知要素５０４、５０６の出力を機能的に調整するための第１及び第２演算増幅器５１２、５１４と、を含んでいる。ストラップドライバー回路５０８、セット／リセットストラップドライバー回路５１０、及び第１及び第２差動増幅器５１２、５１４は、第１及び第２磁気抵抗感知要素５０４、５０６と同じパッケージに展開されている。替わりに、この回路は、同じダイ上に、第１及び第２磁気抵抗感知要素５０４、５０６とモノリシックに形成してもよい。

コンパス回路５０２は、ＭＲセンサーの温度の悪影響を阻止する温度補正回路を含んでいる。温度補正は、例えば、サーミスター、パーマロイ要素及び／又は能動調製回路の形態をしている。能動調製回路は、変化、即ち、温度の影響による電圧又は電流の減少又は増加を感知し、それに応じて電流及び／又は電圧の形態の補正を提供する。

コンパス回路５０２は、別の要素も含んでいる。コンパス回路５０２の構成要素の詳細については、本開示に加えて、先に援用した特許及び特許出願を参照されたい。

図６は、ＭＲセンサーと統合されている第２コンパス回路６０２を示す単純化した回路図６００である。この実施形態では、ＭＲセンサーは、３つの直交磁界を感知できる第１、第２及び第３磁気抵抗感知要素６０４−６０８で形成されている。第１及び第２磁気抵抗感知要素６０４、６０６は、第１ダイ上に製作されており、第３磁気抵抗感知要素６０８は、第２ダイ上に製作されている。第２ダイは、本実施形態では、第１及び第２磁気抵抗感知要素６０４、６０６と共にパッケージングしてもよいし、そうでなくてもよい。

三次元の座標システムでは、第１磁気抵抗感知要素６０４は、「Ｘ」方向の磁界を感知し、第２磁気抵抗感知要素６０６は、「Ｙ」方向の磁界を感知する。第３磁気抵抗感知要素６０８は、「Ｚ」方向の磁界を感知する。

コンパス回路５０２と同様に、セット／リセット及び／又はオフセットストラップ（図示せず）の形態をした１つ又は複数の向き変え要素は、第１、第２及び第３磁気抵抗感知要素６０４−６０８上に形成され、又はこれと統合されている。コンパス回路６０２も、セット／リセット−ストラップ−ドライバー回路６１０と、第１、第２及び第３差動増幅器６１２−６１６と共に展開されている。セット／リセットストラップドライバー回路６１０は、第１、第２及び／又は第３磁気抵抗感知要素６０４−６０８のセット／リセット順序付けを行う。第１、第２及び第３差動増幅器６１２−６１６は、第１、第２及び第３磁気抵抗感知要素６０４−６０８の出力を、それぞれ機能的に調整するのに用いられる。

本実施形態では、セット／リセット−ストラップ−ドライバー回路６１０と、第１、第２及び第３差動増幅器６１２−６１６の全ては、第１ダイ上に形成されている。しかしながら、第３磁気抵抗感知要素６０８とセット／リセットストラップが第２ダイ上に形成されていれば、セット／リセット−ストラップ−ドライバー回路６１０と第３差動増幅器６１６は、第２ダイと相互接続されている。従って、ノード６１８でコンパス回路６０２に加えられるセット／リセットパルスは、第１ダイを通り、セット／リセットインターフェース６２０を出て、第３磁気抵抗感知要素６０８のセット／リセット順序付けを実行するために、第２ダイに進む。同様に、第３差動増幅器６１６へと予定されている第３磁気抵抗感知要素６０８の出力信号は、センサーインターフェース６２２を通って第１ダイへ進む。

別の実施形態では、セット／リセット−ストラップ−ドライバー回路６１０と、第１、第２及び第３差動増幅器６１２−６１６の内の幾つかは、第１ダイ上に形成されている。例えばセット／リセット−ストラップ−ドライバー回路６１０と第３差動増幅器６１６のような別の部分は、第２ダイ上に形成され、第１ダイに相互接続されている。当業者には理解頂けるように、コンパス回路６０２の構成要素の別の組み合わせも可能である。

コンパス回路５０２と同様に、差動増幅器６１２−６１６は、それぞれ、磁気抵抗要素６０４−６０８の望ましくない変化を、有益に補正及び／又は取り消す随意の調節可能なオフセット及びゲインと共に展開されている。コンパス回路６０２は、先に述べたような、ＭＲセンサーの温度の悪影響を阻止する温度補正回路も含んでいる。
半導体構成要素をＭＲセンサーと統合するための代表的なプロセス
下記表１は、セット／リセット回路のような１つ又は複数の半導体装置構成要素をＭＲセンサーと統合するための単純化した代表的なプロセスを示している。過去には、半導体鋳造工場は、そのプロセスが、磁気センサーを製造するのに通常用いられる材料によって汚染されるのを防ぐために相当に苦労したので、そのようなプロセスが独特なものになっていると考えられる。更に、磁気関連事業の会社（例えば、ディスクドライブヘッド製造業者など）は、電子機器会社とは区別されており、その特殊な製造技法は、互いに大きく隔たっている。

或る好適な実施形態では、半導体装置処理はフロントエンドで行われ、ＭＲセンサー作成に関連するリソグラフィーとエッチング段階は、バックエンドで行われる。表１は、多くのＭＲセンサー製造プロセスに一般的に適用できるように意図したものであり、そのため、具体的な構成をどのように得るかについての詳細事項を含んでいない。図２に示す構成では、誘電体と金属被覆の複数の層を得るために、バックエンド段階を数回繰り返すことになる。勿論、追加の洗浄及び他の段階も、適宜実行される。

以上、ＭＲセンサー装置と統合されているセット／リセットドライバー回路を有する装置と、代表的な処理オプションについて説明してきた。そのような統合された装置は、単一のチップとして製造することができるので、ユーザーは、特に、小型で多機能であるという利点を実現することができる。

結論
以上の詳細な説明では、ここに記載している代表的な実施形態を完全に理解して貰えるように、数多くの特定の詳細事項について説明している。しかしながら、理解頂けるように、これらの実施形態は、特定の詳細事項無しに実施することができる。別の例では、周知の方法、手順、構成要素及び回路については、後続の説明を混乱させないように、詳細に説明していない。

更に、開示している実施形態は、例を示すためのものであり、別の実施形態を、開示している実施形態の代わりに使用してもよいし、これと組み合わせてもよい。更に、上記装置と構成要素を、上記技法だけでなく、シリコン／ガリウムヒ化物（Ｓｉ／ＧａＡｓ）、シリコン／ゲルマニウム（ＳｉＧｅ）、及び／又はシリコン／炭化物（ＳｉＣ）製作技法を使って製作することも考えられる。これらの技法の中には、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）製作プロセス、及び／又は、金属半導体電界効果トランジスタ（ＭＥＳＦＥＴ）製作プロセスが含まれている。

ここに記載している代表的な実施形態は、約０．４、５、１０、１２、２４及び４８ボルトの直流、及び約２４及び１２０ボルトの交流などの適切な電圧を供給する、バッテリー、同期発電機などのような適切な電圧源を含むか、又はそれらと共に使用される様々な設備及び他の装置に展開することができる。

以上、代表的な実施形態について図示し、説明してきた。更に、請求項は、その効果について述べていない場合は、記載している順序又は要素に限定しているわけではない。更に、「手段」という用語を使用している請求項については、Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１２、６の行使を意図しており、「手段」という用語の無い請求項は、そう意図していないということである。

代表的な実施形態による、１つ又は複数の半導体装置構成要素の磁気抵抗センサーとの統合を示す簡単なブロック図である。 代表的な実施形態による、統合されたセット／リセットドライバー回路を有する磁気抵抗センサーの図である。 代表的な実施形態による、セット／リセット回路と共にダイ上に実装された磁気抵抗センサーを示す概略図である。 代表的な実施形態による、半導体構成要素を有する磁気抵抗センサーの平面図である。 代表的な実施形態による、磁気抵抗センサーと統合された第１コンパス回路を示す第１の単純化した回路図である。 代表的な実施形態による、磁気抵抗センサーと統合された第２コンパス回路を示す第２の単純化した回路図である。

Claims (1)

1. 感知装置において、
   少なくとも１つの磁気抵抗感知要素と、
   前記少なくとも１つの磁気抵抗感知要素を調整するための少なくとも１つの向き変え要素と、
   前記少なくとも１つの向き変え要素を制御するためのドライバー回路を有する半導体回路と、を備えており、
   前記少なくとも１つの磁気抵抗感知要素と、前記少なくとも１つの向き変え要素と、前記半導体回路は、単一のパッケージ内に配置され、前記半導体回路の少なくとも一部分と前記少なくとも１つの磁気抵抗感知要素は、第１のチップ上にモノリシックに形成され、前記半導体回路の少なくとも一部分は、第２のチップ上にモノリシックに形成されている、ことを特徴とする感知装置。

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