JP5343936B2 - 磁気センサ装置 - Google Patents

Description

本発明は、磁気センサ装置に関する。

従来より、フリー磁性層とピン磁性層とを有するＧＭＲ素子（Giant Magneto Resistance；ＧＭＲ）やＴＭＲ素子（Tunneling Magneto Resistance；ＴＭＲ）を用いて物体の回転角を検出する磁気センサが知られている。これらの素子を有する回転角センサでは、出力信号はｓｉｎ曲線となるため、１素子での３６０°検出はできない。

そこで、フリー磁性層とピン磁性層とを有する素子部をセンサ基板に複数設けた回転角検出センサが、例えば特許文献１で提案されている。この回転角検出センサでは、ピン磁性層の磁化の向きがπ／２ずつずれた４個の素子部、つまり磁化の向きが逆の２対の素子部が設けられている。そして、素子部上に配置された磁石が物体の回転と共に回転すると各素子部の抵抗値が変化することによって物体の回転角が検出されるようになっている。

また、特許文献１では、ピン磁性層の磁化の向きがπ／２ずつずれた素子部をそれぞれ着磁するために、４本の角柱状棒磁石を互いに磁極の極性が反対になるように束ねて棒磁石ブロックを作成し、この棒磁石ブロックの下端面をセンサ基板の表面に近接させる方法が提案されている。この場合、センサ基板に棒磁石ブロックを近接させた状態で、真空中で数時間、高温のアニールを行い、ピン磁性層の着磁を行う。

特開２００２−３０３５３６号公報

しかしながら、上記従来の技術では、棒磁石ブロックは４本の棒磁石が束ねられているので、１つの棒磁石ブロックでありながら４本分の棒磁石の相互作用が生じてしまうという問題がある。このため、棒磁石の相互作用によって対となる素子部間での着磁力にバラツキが発生し、ひいては回転角検出の際に出力される抵抗値にバラツキが生じてしまう。

本発明は上記点に鑑み、複数の素子部の抵抗値のバラツキを低減（抑制）することができる磁気センサ装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、上部絶縁層（２７、４４）と、上部絶縁層（２７、４４）の上方に形成され、外部の磁場の影響を受けて磁化の向きが変化するフリー磁性層（３０）とフリー磁性層（３０）よりも上部絶縁層（２７、４４）側に位置すると共に磁化の向きおよび磁化の大きさが固定されるピン磁性層（２８）とを有する複数の磁気抵抗素子部（１４）と、を備え、複数の磁気抵抗素子部（１４）が外部の磁場の影響を受けたときの複数の磁気抵抗素子部（１４）の抵抗値の変化に基づいて物理量を検出するように構成されている。

また、上部絶縁層（２７、４４）の下方には、上部絶縁層（２７、４４）の一面（２７ａ、４４ａ）に平行な面方向に電流が流れることで複数の磁気抵抗素子部（１４）のピン磁性層（２８）の磁化の向きおよび磁化の大きさを固定する導体部（３２）が備えられている。

そして、導体部（３２）には、面方向において、複数の磁気抵抗素子部（１４）に流れる電流の方向に対してそれぞれ傾けられた方向に電流が流れるようになっており、導体部（３２）に電流が流れて導体部（３２）の周囲に磁界が形成されることにより、複数の磁気抵抗素子部（１４）のピン磁性層（２８）の磁化の向きおよび大きさが固定されるようになっていることを特徴とする。

これによると、複数の磁気抵抗素子部（１４）のピン磁性層（２８）は、導体部（３２）に電流が流れて導体部（３２）の周囲に形成される磁界によって磁化の向きおよび大きさ（強度）がそれぞれ固定される。つまり、磁石等による着磁によってピン磁性層（２８）の磁化の向きおよび大きさを固定するよりも相互作用が生じ難い構成となっている。このため、複数の磁気抵抗素子部（１４）の間で抵抗値のバラツキを低減することができる。

例えば、請求項２に記載の発明のように、導体部（３２）には複数の磁気抵抗素子部（１４）毎に同一の電流が流れるようになっていることで各ピン磁性層（２８）の磁化の大きさ（強度）を揃えることができ、抵抗値のバラツキを低減できる。また、請求項３に記載の発明のように、導体部（３２）には複数の磁気抵抗素子部（１４）毎に異なる電流が流れるようになっていることで各磁気抵抗素子部（１４）に製造誤差などがあったとしても、当該異なる電流によって各ピン磁性層（２８）の磁化の大きさ（強度）を調整することができる。これにより、複数の磁気抵抗素子部（１４）の抵抗値を揃えることができ、各磁気抵抗素子部（１４）の抵抗値のバラツキを低減することができる。

また、請求項４に記載の発明のように、一面（２６）を有し、半導体基板として構成された基板（１３）を備えており、導体部（３２）は基板（１３）のうちの一面（２６）側にイオン注入により形成された拡散層とすることができる。

一方、請求項５に記載の発明のように、一面（２６）を有し、半導体基板として構成された基板（１３）を備えており、基板（１３）は当該基板（１３）の一面（２６）が凹んだトレンチ（４０）と、トレンチ（４０）の側壁に形成された絶縁膜（４１）と、を備えており、導体部（３２）は、絶縁膜（４１）を介してトレンチ（４０）に埋め込まれると共に金属材料もしくはポリシリコンで形成されたものであり、絶縁層（２７）は、金属材料で構成された導体部（３２）を覆うように基板（１３）の一面（２６）に形成されたものとすることができる。

請求項６に記載の発明では、基板（１３）と、基板（１３）の上に形成された下部絶縁層（４３）と、を備えており、導体部（３２）は下部絶縁層（４３）の上に設けられ、上部絶縁層（４４）は導体部（３２）の上に設けられ、複数の磁気抵抗素子部（１４）は上部絶縁層（４４）の上にそれぞれ設けられていることを特徴とする。このように、導体部（３２）は基板（１３）の上に設けられた構造とすることもできる。

請求項７に記載の発明のように、請求項６に係る磁気センサ装置において、導体部（３２）は、下部絶縁層（４３）の上に金属材料もしくはポリシリコンで形成されたものでも良い。

請求項８に記載の発明では、導体部（３２）は、ストライプ状に設けられていることを特徴とする。これによると、導体部（３２）に流れる電流が導体部（３２）の幅方向に分散されないので、導体部（３２）に流れる電流の向きを固定することができる。これにより、導体部（３２）の周囲に形成される磁界を安定させることができる。

請求項９に記載の発明では、導体部（３２）は、面方向において、磁気抵抗素子部（１４）に流れる電流の方向に対して直交する方向に電流が流れるようになっていることを特徴とする。これにより、磁化の向きを安定させることができる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の第１実施形態に係る磁気センサ装置の模式図である。 図１に示されるセンサチップの平面図である。 （ａ）は図２のＡ−Ａ’断面図であり、（ｂ）は図２のＢ−Ｂ’断面図である。 図２のセンサチップに形成された導体部の平面図である。 図２に示されるセンサチップの製造工程を示した図である。 本発明の第２実施形態に係るセンサチップの平面図である。 （ａ）は図６のＣ−Ｃ’断面図であり、（ｂ）は図６のＤ−Ｄ’断面図である。 本発明の第３実施形態に係るセンサチップの平面図である。 （ａ）は図８のＥ−Ｅ’断面図であり、（ｂ）は図８のＦ−Ｆ’断面図である。 図８のセンサチップに形成された導体部の平面図である。 本発明の第４実施形態に係る導体部の製造工程を示した図である。 本発明の第５実施形態に係る導体部の製造工程を示した図である。 他の実施形態を説明するための図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図を参照して説明する。本実施形態に係る磁気センサ装置は、例えば自動車用のエンジン回転数検出やハンドル回転角検出等に使用されるものである。本実施形態では、磁気センサ装置として回転角を検出する回転角センサを例に説明する。

図１は、本実施形態に係る磁気センサ装置の模式図である。この図に示されるように、磁気センサ装置は、円板状の磁石１０とセンサチップ１１とを備えて構成されている。磁石１０には磁石１０の中心軸上に位置するシャフト１２が差し込まれており、このシャフト１２が回転対象物の回転、例えばハンドルの回転に伴って中心軸を中心として回転するように構成されている。また、センサチップ１１は、磁石１０の中心軸上であって、磁石１０のうちシャフト１２の延設側とは反対側に配置されている。

磁石１０の周辺には、磁石１０によって磁場が形成されている。このため、センサチップ１１は磁石１０の磁場の影響を受けることとなる。この場合、ハンドルの回転に伴って磁石１０が回転するとセンサチップ１１に与えられる磁石１０の磁場が変化するので、センサチップ１１が磁石１０から受ける磁場の変化に基づいてシャフト１２の回転角、すなわちハンドルの回転角を検出できるようになっている。

続いて、センサチップ１１の構成について、図２および図３を参照して説明する。図２はセンサチップ１１の平面図である。また、図３（ａ）は図２のＡ−Ａ’断面図であり、図３（ｂ）は図２のＢ−Ｂ’断面図である。

図２に示されるように、センサチップ１１は基板１３の上に２つの磁気抵抗素子部１４を備えている。磁気抵抗素子部１４は、外部の磁場の影響を受けたときに抵抗値が変化する素子である。本実施形態に係る磁気抵抗素子部１４は、トンネル磁気抵抗素子（ＴＭＲ素子）として構成されている。

これら２つの磁気抵抗素子部１４のうちの一方は配線部１５を介して素子部電流印加用パッド１６に接続され、他方は配線部１７を介して素子部電流取り出し用パッド１８に接続されている。そして、２つの磁気抵抗素子部１４は下地配線部１９を介して接続されている。これにより、電流は素子部電流印加用パッド１６から配線部１５、一方の磁気抵抗素子部１４、下地配線部１９、他方の磁気抵抗素子部１４、配線部１７を経由して素子部電流取り出し用パッド１８に流れる。

また、各磁気抵抗素子部１４の隣には各磁気抵抗素子部１４を挟むように導体部電流印加用配線２０と導体部電流取り出し用配線２１とが設けられている。導体部電流印加用配線２０は配線部２２を介して導体部電流印加用パッド２３に接続され、導体部電流取り出し用配線２１は配線部２４を介して導体部電流取り出し用パッド２５に接続されている。

基板１３は、図３（ａ）および図３（ｂ）に示されるように、基板１３は一面２６を有し、この一面２６に形成された絶縁層２７を有している。基板１３は、シリコン基板等の半導体基板で構成されている。また、絶縁層２７として、誘電率の高い熱酸化膜、ＣＶＤ酸化膜、ＣＶＤ酸化膜、ＴＥＯＳ等の絶縁材料が用いられている。

そして、磁気抵抗素子部１４は、絶縁層２７の上に形成されている。より詳細には、絶縁層２７の一面２７ａに下地配線部１９が形成されており、この下地配線部１９の上（すなわち、絶縁層２７の上方）に磁気抵抗素子部１４が設けられている。

磁気抵抗素子部１４は、下地配線部１９の上にピン磁性層２８、トンネル層２９、フリー磁性層３０が順に形成されてＴＭＲ素子が構成されたものである。ピン磁性層２８はフリー磁性層３０よりも絶縁膜４１側に位置すると共に磁化の向きが固定される強磁性金属層である。トンネル層２９はトンネル効果によりフリー磁性層３０からピン磁性層２８に電流を流すための磁性金属層である。フリー磁性層３０は、外部の磁場の影響を受けて磁化の向きが変化する強磁性金属層である。

このような磁気抵抗素子部１４は、図２に示されるように、基板１３の一面２６に平行な面方向において素子部電流印加用パッド１６と素子部電流取り出し用パッド１８とが並べられた方向に直線部分を含んだレイアウトになっている。

磁気抵抗素子部１４の上、すなわちフリー磁性層３０の上には磁気抵抗素子部１４を保護するためのキャップメタル３１が形成されている。このような磁気抵抗素子部１４およびキャップメタル３１の積層構造の周囲には積層構造の側面に接するように絶縁層２７が形成されている。

そして、キャップメタル３１を覆うように絶縁層２７の上に配線部１５が形成されている。これにより、配線部１５からキャップメタル３１および一方の磁気抵抗素子部１４（素子部電流印加用パッド１６側）にトンネル電流である電流Ｉｔが流れるようになっている。この電流Ｉｔは図３（ｂ）に示されるように下地配線部１９に流れ、他方の磁気抵抗素子部１４のピン磁性層２８に流れることとなる。

上記のような構成において、基板１３は、基板１３のうち一面２６側（すなわち絶縁層２７の下方）に形成された導体部３２を備えている。この導体部３２は、ピン磁性層２８に対して着磁を行うものである。すなわち、導体部３２は当該導体部３２に電流が流れることによって導体部３２の周囲に形成される磁界により、磁気抵抗素子部１４の直線部分に対応したピン磁性層２８の磁化の向きおよび磁化の大きさ（強度）を固定する役割を果たすものである。本実施形態では、導体部３２は基板１３に対するイオン注入によって基板１３の不純物濃度が増加させられた拡散層である。導体部３２と磁気抵抗素子部１４とは絶縁層２７により電気的に分離されている。

図４は、基板１３に形成された導体部３２のレイアウトを示した図である。この図に示されるように、導体部３２は、基板１３のうちの一面２６側において、一方の磁気抵抗素子部１４の直線部分に対応する位置に形成されている。また、導体部３２は、基板１３の一面２６の面方向において、磁気抵抗素子部１４に流れる電流の方向（本実施形態では基板１３の一面２６に垂直な方向）に対して傾けられた方向に電流が流れるように設けられている。言い換えると、導体部３２は磁気抵抗素子部１４の直線部分の長手方向に対して直交する方向に電流が流れるようにストライプ状に基板１３に設けられている。すなわち、導体部３２は磁気抵抗素子部１４の直線部分の長手方向に対し、垂直な方向に並列に並べられている。これにより、磁気抵抗素子部１４の長手方向に対して直交方向に電流が流れるため、導体部３２によって形成された磁界によってピン磁性層２８の磁化の向きが安定する。また、導体部３２がストライプ状に幅狭に形成されたことで、導体部３２に流れる電流が導体部３２の幅方向に分散されないので、導体部３２に流れる電流の向きが固定される。このため、導体部３２の周囲に形成される磁界が安定する。

そして、図３（ａ）および図４に示されるように、絶縁層２７には、導体部３２のうちの正極となる部分と負極となる部分とに達するように孔部３３が設けられている。そして、孔部３３を介して導体部３２のうちの正極となる部分の上に導体部電流印加用配線２０が形成されており、孔部３３を介して導体部３２のうちの負極となる部分の上に導体部電流取り出し用配線２１が形成されている。このような配線構造により図３に示されるように電流Ｉｃが流れる。

上記では、一方の磁気抵抗素子部１４に対応した導体部３２に関して説明したが、他方の磁気抵抗素子部１４に対応した導体部３２についても同様の構成である。以上が、本実施形態に係る磁気センサ装置の全体構成である。

次に、上記構成の磁気センサ装置の製造方法について、図５を参照して説明する。なお、図５では、左列の各図が図２のＡ−Ａ’断面に相当し、右列の各図が図２のＢ−Ｂ’断面に相当する。

まず、図５（ａ）に示す工程では、基板１３として半導体基板を用意し、基板１３のうちの一面２６側に例えばマスクを用いてイオン注入を行い、熱拡散処理を行うことで拡散層をストライプ状に形成する。この拡散層が導体部３２となる。この場合、イオン注入は基板１３のうち磁気抵抗素子部１４の形成予定位置を考慮して基板１３に対して行う。また、基板１３の一面２６の面方向において、磁気抵抗素子部１４の直線部分の長手方向に対して直交方向に電流が流れるように導体部３２を形成する。

続いて、図５（ｂ）に示す工程では、基板１３の一面２６に、導体部３２のうちの正極となる部分と負極となる部分とが少なくとも露出するようにフォトリソグラフィ・エッチング工程により絶縁層２７を形成する。なお、基板１３の一面２６に絶縁層２７を形成した後、絶縁層２７のうち導体部３２の正極となる部分と負極となる部分とを開口しても良い。

この後、図５（ｃ）に示す工程では、絶縁層２７の上に、磁気抵抗素子部１４を形成する。このため、まずは絶縁層２７の上に下地配線部１９を形成する。下地配線部１９は、金属材料やポリシリコン等の半導体材料等で形成する。そして、ピン磁性層２８、トンネル層２９、フリー磁性層３０をスパッタリングにより順に形成する。こうして、磁気抵抗素子部１４を形成する。さらに、磁気抵抗素子部１４の上に保護用のキャップメタル３１をスパッタリングにより形成する。

図５（ｄ）に示す工程では、基板１３の一面２６上であって磁気抵抗素子部１４の側面を覆うように絶縁層２７をＣＶＤ法等で形成する。また、導体部３２のうちの正極となる部分および負極となる部分が露出するように、絶縁層２７に孔部３３をフォトリソグラフィ・エッチング工程により形成する。

この後、孔部３３にスパッタリングによりＡｌやＣｕ等の金属材料を埋め込むことで導体部３２のうちの正極となる部分の上に導体部電流印加用配線２０を形成し、導体部３２のうちの負極となる部分の上に導体部電流取り出し用配線２１を形成する。また、絶縁層２７の上に導体部電流印加用配線２０に接続された配線部２２および導体部電流印加用パッド２３や導体部電流取り出し用配線２１に接続された配線部２４および導体部電流取り出し用パッド２５をスパッタリング等で形成する。

これら配線部２２、２４等と同時に、一方の磁気抵抗素子部１４を覆うキャップメタル３１の上に配線部１５を形成し、この配線部１５に接続された素子部電流印加用パッド１６を形成する。また、他方の磁気抵抗素子部１４を覆うキャップメタル３１の上に配線部１７を形成し、この配線部１７に接続された素子部電流取り出し用パッド１８を形成する。

以上により、本実施形態に係るセンサチップ１１が完成する。上記では１つのセンサチップ１１の製造について説明したが、実際にはシリコンウェハに多数の構成を形成した後にウェハをダイシングカットすることでセンサチップ１１を得ることとなる。

次に、各磁気抵抗素子部１４のピン磁性層２８の磁化の向きおよび大きさの固定方法について説明する。ピン磁性層２８を着磁するためには、図３に示されるように、導体部電流印加用パッド２３から導体部３２を経由して導体部電流取り出し用パッド２５に電流Ｉｃを流し、この電流Ｉｃによって導体部３２の周囲に磁界を発生させる。電流Ｉｃは、外部制御回路、例えばＥＣＵ等が流すこととなる。このように、導体部３２に電流Ｉｃが流れて導体部３２の周囲に磁界が形成されることにより、磁気抵抗素子部１４の直線部分に対応したピン磁性層２８の磁化の向きおよび磁化の大きさ（強度）が固定される。

本実施形態では、２つの磁気抵抗素子部１４にそれぞれ対応した各導体部３２は並列接続されているので、各導体部３２に同じの大きさの電流が流れることとなる。これにより、各磁気抵抗素子部１４のピン磁性層２８の磁化の向きおよび大きさ（強度）を揃え易くすることができる。

また、導体部３２に流す電流を停止することでピン磁性層２８に導体部３２の磁界が影響しなくなるが、これによりピン磁性層２８の磁化の向きや大きさが磁気抵抗素子部１４毎にばらつく可能性がある。しかし、導体部３２に電流を流す度にピン磁性層２８の磁化の向きおよび大きさを固定しているので、導体部３２に電流を流す度に各磁気抵抗素子部１４の抵抗値を揃えることができ、抵抗値のバラツキを低減することができる。つまり、導体部３２に電流を流す度に導体部３２によってピン磁性層２８の着磁を毎回行っている。

もちろん、電流Ｉｃの向きを変えることでピン磁性層２８の磁化方向を反転させることができる。また、導体部３２に流す電流Ｉｃを制御することで、導体部３２の周囲に形成される磁場の大きさを制御できる。つまり、ピン磁性層２８の磁化量を調節することができる。ここで、「電流Ｉｃを制御する」とは、電流Ｉｃの大きさを調節することに相当する。

以上のように、各磁気抵抗素子部１４のピン磁性層２８の磁化の向きおよび大きさ（強度）を同一電流でそれぞれ固定した後、図１に示される磁石１０がハンドル操作によって回転すると、フリー磁性層３０が磁石１０から受ける磁界が変化する。すなわち、磁気抵抗素子部１４が外部の磁場の影響を受けたことにより、各磁気抵抗素子部１４の抵抗値の変化に基づいて電流Ｉｔが変化するので、この電流Ｉｔを検出することにより磁石１０の回転角度を検出することができる。

なお、回転角を検出するための物理量としては電流Ｉｔに限らず、素子部電流印加用パッド１６と素子部電流取り出し用パッド１８との間の電圧を検出して角度を求めても良い。また、導体部３２に流す電流Ｉｃは回転角度検出中に流し続けても良い。

以上説明したように、本実施形態では、基板１３導体部３２を設けた構成とし、この導体部３２に電流を流すこと各磁気抵抗素子部１４のピン磁性層２８の磁化の向きおよび磁化の大きさを固定することが特徴となっている。

すなわち、各磁気抵抗素子部１４のピン磁性層２８は導体部３２に電流が流れて導体部３２の周囲に形成される磁界によってそれぞれ着磁するので、導体部３２に流れる電流の大きさを調節することで各磁気抵抗素子部１４のピン磁性層２８の磁化の向きおよび磁化の大きさを磁気抵抗素子部１４毎に揃えることができる。本実施形態では、各磁気抵抗素子部１４に対応した各導体部３２に同一の電流を流しているので、この同一の電流によって各磁気抵抗素子部１４の抵抗値を揃えることができる。そして、このような着磁方法では、一方の磁気抵抗素子部１４のピン磁性層２８の着磁（磁化の向きおよび大きさの固定）が、他方の磁気抵抗素子部１４のピン磁性層２８の着磁（磁化の向きおよび大きさの固定）の影響を受けることはない。したがって、複数の磁気抵抗素子部１４の抵抗値のバラツキを低減することができる。

また、本実施形態では、棒磁石ブロック等の磁石を用いた着磁ではなく、電流が周囲に作り出す磁界によって着磁を行うため、電流の大きさを調節することでピン磁性層２８の着磁力すなわち磁化の大きさ（強度）が弱くなることもなく、十分な保持力を得ることができる。

さらに、磁気センサ装置の動作時に導体部３２に電流Ｉｃを流してピン磁性層２８の磁化の向きを固定するため、センサチップ１１の製造工程において「着磁」という工程が不要である。すなわち、ピン磁性層２８を形成して長時間のアニールによる着磁をする必要が無い。また、導体部３２に電流Ｉｃを流し続ければピン磁性層２８の磁化方向を常時ピニングすることができるため、磁化量の変動が小さく、磁気抵抗素子部１４にて理想的な抵抗変化を得ることができる。

なお、本実施形態の記載と特許請求の範囲の記載との対応関係については、絶縁層２７が特許請求の範囲の「上部絶縁層」に対応する。

（第２実施形態）
本実施形態では、第１実施形態と異なる部分について説明する。図６は本実施形態に係るセンサチップ１１の平面図である。また、図７（ａ）は図６のＣ−Ｃ’断面図であり、図７（ｂ）は図６のＤ−Ｄ’断面図である。

本実施形態では、第１実施形態で用いられていた下地配線部１９は設けられておらず、図６に示されるように、ピン磁性層２８が２つの磁気抵抗素子部１４を繋ぐように形成されている。すなわち、ピン磁性層２８が２つの磁気抵抗素子部１４を接続する配線としての役割も果たしている。つまり、ピン磁性層２８は各磁気抵抗素子部１４で共通しているので、ピン磁性層２８の端部が各磁気抵抗素子部１４の一部となる。

したがって、図７（ａ）に示されるように、電流Ｉｔはフリー磁性層３０からトンネル層２９を経て一方の磁気抵抗素子部１４の一部であるピン磁性層２８まで流れ、図７（ｂ）に示されるように、ピン磁性層２８を流れて他方の磁気抵抗素子部１４側に流れる。

以上のように、ピン磁性層２８を配線として構成することができる。なお、本実施形態では下地配線部１９は不要であるので、センサチップ１１を製造する際には図５（ｃ）に示す工程において絶縁層２７の上にピン磁性層２８を直接形成することとなる。

（第３実施形態）
本実施形態では、第１、第２実施形態と異なる部分について説明する。上記各実施形態では、磁気抵抗素子部１４はＴＭＲ素子として構成されていたが、本実施形態では磁気抵抗素子部１４はＧＭＲ素子として構成されていることが特徴となっている。

図８は本実施形態に係るセンサチップ１１の平面図である。また、図９（ａ）は図８のＥ−Ｅ’断面図であり、図９（ｂ）は図８のＦ−Ｆ’断面図である。

図８は１つの磁気抵抗素子部１４を示した平面図であり、図８に示された磁気抵抗素子部１４が組み合わされて１つのセンシング部が構成される。センシング部は、例えば２つの磁気抵抗素子部１４が直列に接続されて構成される場合や、４つの磁気抵抗素子部１４がブリッジを組むように接続されて構成される場合等が一般的である。

図８に示されるように、磁気抵抗素子部１４は基板１３の一面２６の面方向において複数の直線部分を含むように、波状に折り返された形状になっている。このような磁気抵抗素子部１４の一端は配線部３４に接続され、この配線部３４は素子部電流印加用パッド１６に接続されている。一方、磁気抵抗素子部１４の他端は配線部３５に接続され、この配線部３５は素子部電流取り出し用パッド１８に接続されている。

また、磁気抵抗素子部１４の各直線部分を挟むように、直線部分毎に導体部電流印加用配線２０および導体部電流取り出し用配線２１が設けられている。そして、磁気抵抗素子部１４の各直線部分の間に位置する導体部電流印加用配線２０および導体部電流取り出し用配線２１は配線部３６を介してそれぞれ接続されている。

さらに、磁気抵抗素子部１４の各直線部分のうち一端側の直線部分に沿って設けられた導体部電流印加用配線２０は配線部３７を介して導体部電流印加用パッド２３に接続されている。また、磁気抵抗素子部１４の各直線部分のうち他端側の直線部分に沿って設けられた導体部電流取り出し用配線２１は配線部３８を介して導体部電流取り出し用パッド２５に接続されている。

図９（ａ）および図９（ｂ）に示されるように、基板１３には第１、第２実施形態と同様に導体部３２が形成されている。この導体部３２は、図１０に示されるように、基板１３の一面２６の面方向において、磁気抵抗素子部１４の直線部分の長手方向に対して直交する方向に電流が流れるようにストライプ状に基板１３に設けられている。

また、基板１３の上には絶縁層２７が形成され、この絶縁層２７の一面２７ａに磁気抵抗素子部１４が形成されている。磁気抵抗素子部１４は、ピン磁性層２８、非磁性金属層３９、フリー磁性層３０が順に形成されてＧＭＲ素子が構成されたものである。このうち、非磁性金属層３９としてはＣｕ等の金属材料が用いられる。

さらに、磁気抵抗素子部１４の積層構造の周囲には積層構造の側面に接するように絶縁層２７が形成されている。そして、第１、第２実施形態と同様に、導体部３２の正極となる部分と負極となる部分とが開口するように絶縁層２７に孔部３３が設けられ、各孔部３３に導体部電流印加用配線２０や導体部電流取り出し用配線２１が埋め込まれている。

以上のような構成の磁気抵抗素子部１４には、図９（ａ）および図９（ｂ）に示されるように、基板１３の一面２６に平行な方向に電流Ｉｇが流れる。このような素子はＣＩＰ−ＧＭＲ（Current In Plain GMR）と呼ばれる素子である。このようなＧＭＲ素子は、波状に折り曲げられているため、磁気抵抗素子部１４の各直線部分に流れる電流Ｉｇが互いに逆向きになるのでノイズ成分をキャンセルすることができる。このため、磁気抵抗素子部１４の抵抗値の検出精度が向上する。

以上のように、磁気抵抗素子部１４をＧＭＲ素子として構成することもできる。磁気抵抗素子部１４のピン磁性層２８の着磁は、上述のように、導体部３２に電流Ｉｃを流すことによって導体部３２の周囲に形成される磁界により行うことができる。本実施形態では磁気抵抗素子部１４は波状になっているので、各直線部分に対応した各導体部３２に同一の電流を流すことによって各直線部分のピン磁性層２８の磁化の向きおよび大きさを揃えている。

また、図８に示される磁気抵抗素子部１４を複数組み合わせてセンシング部を構成することになるため、各磁気抵抗素子部１４の導体部３２に流す電流をそれぞれ制御することで、各ピン磁性層２８の磁化量（磁化の大きさ）を揃えることができる。もちろん、各磁気抵抗素子部１４の各導体部３２に同一の電流を流しても各磁気抵抗素子部の磁化の大きさを揃えても良い。以上により、各磁気抵抗素子部１４の抵抗値のバラツキを無くすことができる。

（第４実施形態）
本実施形態では、第１〜第３実施形態と異なる部分について説明する。上記各実施形態では、導体部３２は半導体基板に形成された拡散層であったが、本実施形態では基板１３にトレンチを設けてこのトレンチに導体部３２を埋め込んだことが特徴となっている。

図１１は、本実施形態に係る導体部３２の製造工程を示した図である。なお、本実施形態では、図２に示されたＴＭＲ素子としての磁気抵抗素子部１４を例として説明する。また、図１１の左列の各図が図２のＡ−Ａ’断面に相当し、右列の各図が図２のＢ−Ｂ’断面に相当する。

まず、図１１（ａ）に示す工程では、基板１３としてシリコン基板等の半導体基板を用意する。そして、基板１３のうちの一面２６側にトレンチ４０を形成し、このトレンチ４０の側壁に熱酸化やＣＶＤ法等でＳｉＯ_２等の絶縁膜４１を形成する。

図１１（ｂ）に示す工程では、絶縁膜４１の上にＣＶＤ法等で金属材料であるＡｌ等の金属層４２を形成する。なお、金属材料に限らず、ポリシリコン等の導電性材料でも良い。

続いて、図１１（ｃ）に示す工程では、基板１３の一面２６の上に形成された絶縁膜４１および金属層４２をＣＭＰ等で除去し、基板１３の一面２６を平坦化する。これにより、トレンチ４０には絶縁膜４１を介して埋め込まれた金属層４２の一部が残る。この金属層４２の一部が導体部３２となる。

図１１（ｄ）に示す工程では、図５（ｂ）に示す工程と同様に、基板１３の一面２６に、導体部３２のうちの正極となる部分と負極となる部分とが露出するように絶縁層２７を形成する。

この後、図５（ｃ）に示す工程以降の工程を行うことで図２および図３に示されるセンサチップ１１が完成する。

以上により、基板１３は、半導体基板で構成され、一面２６が凹んだトレンチ４０と、トレンチ４０の側壁に形成された絶縁膜４１と、を備えた構造となる。また、導体部３２は絶縁膜４１を介してトレンチ４０に埋め込まれると共に金属材料で形成されたものとなり、絶縁層２７は金属材料で構成された導体部３２を覆うように基板１３の一面２６に形成される。

これによると、トレンチ４０の幅によって導体部３２の幅が制限されるので、導体部３２が拡散層である場合よりも導体部３２の幅を精度良く設計することができる。

（第５実施形態）
本実施形態では、第１〜第４実施形態と異なる部分について説明する。上記各実施形態では、基板１３の内部に導体部３２を設けていたが、本実施形態では基板１３の上に導体部３２を設けたことが特徴となっている。

図１２は、本実施形態に係る導体部３２の製造工程を示した図である。なお、本実施形態では、図２に示されたＴＭＲ素子としての磁気抵抗素子部１４を例として説明する。また、図１２の左列の各図が図２のＡ−Ａ’断面に相当し、右列の各図が図２のＢ−Ｂ’断面に相当する。

まず、図１２（ａ）に示す工程では、基板１３を用意する。ここで、基板１３は半導体基板に限らず、ガラス基板等でも良い。そして、基板１３の一面２６に熱酸化やＣＶＤ法等でＳｉＯ_２等の第１絶縁層４３を形成する。

次に、図１２（ｂ）に示す工程では、第１絶縁層４３の上にＡｌ等の金属材料の導体部３２を形成する。なお、金属材料に限らず、ポリシリコン等の導電性材料でも良い。

続いて、図１２（ｃ）に示す工程では、導体部３２の上に、導体部３２のうちの正極となる部分と負極となる部分とが露出するようにＣＶＤ法等で第２絶縁層４４を形成する。この第２絶縁層４４の一面４４ａに磁気抵抗素子部１４が形成されることとなる。

このように、基板１３に導体部３２を形成した後、例えば図５（ｃ）に示す工程以降の工程を行うことで図２および図３に示されるセンサチップ１１が完成する。

なお、本実施形態では、図５（ｃ）に示す工程では第２絶縁層４４の上に磁気抵抗素子部１４を形成する。また、図５（ｄ）に示す工程では、第２絶縁層４４から露出した導体部３２のうちの正極となる部分の上に導体部電流印加用配線２０を形成し、第２絶縁層４４から露出した導体部３２のうちの負極となる部分の上に導体部電流取り出し用配線２１を形成する。磁気抵抗素子部１４の側面を覆うように第２絶縁層４４を形成した場合は、第２絶縁層４４に孔部３３を設けて孔部３３に導体部電流印加用配線２０や導体部電流取り出し用配線２１を埋め込む。

したがって、本実施形態では、基板１３は、当該基板１３の一面２６に形成された第１絶縁層４３と、第１絶縁層４３の上に形成され、磁気抵抗素子部１４の直線部分に対応する位置に複数の磁気抵抗素子部１４毎に形成された導体部３２と、導体部３２の上に形成された第２絶縁層４４と、を備えたものとなる。なお、導体部３２には第２絶縁層４４の一面４４ａに平行な面方向に電流が流れることとなる。

これによると、導体部３２を基板１３の内部に形成する必要がないため、導体部３２の製造工程が容易になるという利点がある。すなわち、上記各実施形態のように、基板１３にイオン注入を行ったり、トレンチ４０を形成したりする工程が不要になる。

なお、本実施形態の記載と特許請求の範囲の記載との対応関係については、第１絶縁層４３が特許請求の範囲の「下部絶縁層」に対応し、第２絶縁層４４が特許請求の範囲の「上部絶縁層」に対応する。

（他の実施形態）
上記各実施形態で示された構造は一例であり、上記で示した構造に限定されることなく、本発明の特徴を含んだ他の構造とすることもできる。例えば、磁気抵抗素子部１４の構成は一般的であり、他の構成でも良い。また、第１実施形態ではセンサチップ１１に磁気抵抗素子部１４であるＴＭＲ素子は２つ設けられているが、２つに限らず３つ以上でも良い。
さらに、上記では、磁気抵抗素子部１４に流れる電流の方向が異なるということで、ＴＭＲ素子とＧＭＲ素子とを区別をしてきたが、ＧＭＲ素子であってもＴＭＲ素子と同じように、基板１３の一面２６に垂直な方向に電流を流して回転角度を検出するセンサが存在する。このＧＭＲ素子は、ＣＰＰ−ＧＭＲ（Current Perpendicular to Plane GMR）と呼ばれるものであり、磁気抵抗素子部１４にＣＰＰ−ＧＭＲ素子を採用することもできる。なお、ＴＭＲ素子のトンネル層２９を非磁性金属層３９に変更することでＣＰＰ−ＧＭＲ素子として使用できる。

一方、磁気抵抗素子部１４に対する外乱磁場からの影響を低減するため、磁気抵抗素子部１４の周囲を金属材料で囲んでも良い。金属材料は、基板１３に形成されたトレンチに埋め込まれている。この金属材料に電流を流しても良いが、磁気抵抗素子部１４とは独立した回路とする。また、金属材料は外部磁場の影響を受けやすい強磁性の物質が望ましい。例えばＮｉ、Ｆｅ、Ｃｏまたはそれらの合金、スピン分極率の大きいマグネタイト、ＣｒＯ_２、ＲＸＭｎＯ_３−ｙ（Ｒ：希土類、Ｘ：Ｃａ、Ｂａ、Ｓｒ）等の酸化物の他、ＮｉＭｎＳｂ、ＰｔＭｎＳｂ等のホイスラー合金、Ｚｎ−Ｍｎ−Ｏ、Ｔｉ−Ｍｎ−Ｏ、ＣｄＭｎＰ_２、ＺｎＭｎＰ_２等の磁性半導体を用いることができる。

上記各実施形態では、磁気抵抗素子部１４の直線部分の長手方向に対して直交する方向に電流が流れるように導体部３２が基板１３に設けられていたが、このような関係は一例である。すなわち、導体部３２は、磁気抵抗素子部１４の直線部分の長手方向に対して傾けられた方向に電流が流れるように基板１３に設けられていれば良い。

また、上記各実施形態において、磁気抵抗素子部１４がＴＭＲ素子として構成された場合、図２に示されるように２つの磁気抵抗素子部１４に対応した各導体部３２に対して共通の電流Ｉｃが流れる構成となっていた。しかし、各磁気抵抗素子部１４に対応した導体部３２それぞれに導体部電流印加用配線２０および導体部電流取り出し用配線２１を設けて磁気抵抗素子部１４に対応した導体部３２毎に電流Ｉｃを制御しても良い。このように、各磁気抵抗素子部１４に対応した導体部３２毎に異なる電流を流すことによっても各磁気抵抗素子部１４の抵抗値を揃えることができる。

このように、各磁気抵抗素子部１４に対応した導体部３２にそれぞれ流れる電流Ｉｃを制御することについては、以下のような利点がある。例えば図３に示される向きの電流Ｉｃを正方向（電流方向−正）としたとき、磁石１０が回転すると磁石回転角に応じて図１３に示される抵抗変化率として実線の波形が得られる。そして、導体部３２に流す電流Ｉｃを反転させる（つまり負の方向に流す）と図６に示される実線の波形は反転し（電流方向−負）、点線で示す波形が得られる。これは、電流Ｉｃを流す向きを逆にするとピン磁性層２８の磁化方向が反転するため、外部磁場に対する抵抗変化が反転するためである。この原理を利用して、１つのチップの中に複数の磁気抵抗素子部１４を配置し、それぞれ電流の向きを変えることで、ノイズ成分の除去が可能となり、測定精度を向上させることができる。

１３ 基板
１４ 磁気抵抗素子部
２６ 基板の一面
２７ 絶縁層（上部絶縁層）
２７ａ 絶縁層の一面
２８ ピン磁性層
３０ フリー磁性層
３２ 導体部
４０ トレンチ
４１ 絶縁膜
４３ 第１絶縁層（下部絶縁層）
４４ 第２絶縁層（上部絶縁層）
４４ａ 第２絶縁層の一面

Claims (9)

1. 上部絶縁層（２７、４４）と、
   前記上部絶縁層（２７、４４）の上方に形成され、外部の磁場の影響を受けて磁化の向きが変化するフリー磁性層（３０）と前記フリー磁性層（３０）よりも前記上部絶縁層（２７、４４）側に位置すると共に磁化の向きおよび磁化の大きさが固定されるピン磁性層（２８）とを有する複数の磁気抵抗素子部（１４）と、を備え、
   前記複数の磁気抵抗素子部（１４）が外部の磁場の影響を受けたときの前記複数の磁気抵抗素子部（１４）の抵抗値の変化に基づいて物理量を検出する磁気センサ装置であって、
   前記上部絶縁層（２７、４４）の下方には、前記上部絶縁層（２７、４４）の一面（２７ａ、４４ａ）に平行な面方向に電流が流れることで前記複数の磁気抵抗素子部（１４）のピン磁性層（２８）の磁化の向きおよび磁化の大きさを固定する導体部（３２）が備えられ、
   前記導体部（３２）には、前記面方向において、前記複数の磁気抵抗素子部（１４）に流れる電流の方向に対してそれぞれ傾けられた方向に電流が流れるようになっており、
   前記導体部（３２）に電流が流れて前記導体部（３２）の周囲に磁界が形成されることにより、前記複数の磁気抵抗素子部（１４）のピン磁性層（２８）の磁化の向きおよび大きさが固定されるようになっていることを特徴とする磁気センサ装置。
2. 前記導体部（３２）には、前記複数の磁気抵抗素子部（１４）毎に同一の電流が流れるようになっていることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ装置。
3. 前記導体部（３２）には、前記複数の磁気抵抗素子部（１４）毎に異なる電流が流れるようになっていることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ装置。
4. 一面（２６）を有し、半導体基板として構成された基板（１３）を備えており、
   前記導体部（３２）は、前記基板（１３）のうちの一面（２６）側にイオン注入により形成された拡散層であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の磁気センサ装置。
5. 一面（２６）を有し、半導体基板として構成された基板（１３）を備えており、
   前記基板（１３）は、当該基板（１３）の一面（２６）が凹んだトレンチ（４０）と、前記トレンチ（４０）の側壁に形成された絶縁膜（４１）と、を備えており、
   前記導体部（３２）は、前記絶縁膜（４１）を介して前記トレンチ（４０）に埋め込まれると共に金属材料もしくはポリシリコンで形成されたものであり、
   前記絶縁層（２７）は、前記金属材料で構成された導体部（３２）を覆うように前記基板（１３）の一面（２６）に形成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の磁気センサ装置。
6. 基板（１３）と、前記基板（１３）の上に形成された下部絶縁層（４３）と、を備えており、
   前記導体部（３２）は前記下部絶縁層（４３）の上に設けられ、前記上部絶縁層（４４）は前記導体部（３２）の上に設けられ、前記複数の磁気抵抗素子部（１４）は前記上部絶縁層（４４）の上にそれぞれ設けられていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の磁気センサ装置。
7. 前記導体部（３２）は、前記下部絶縁層（４３）の上に金属材料もしくはポリシリコンで形成されたものであることを特徴とする請求項６に記載の磁気センサ装置。
8. 前記導体部（３２）は、ストライプ状に設けられていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の磁気センサ装置。
9. 前記導体部（３２）は、前記面方向において、前記磁気抵抗素子部（１４）に流れる電流の方向に対して直交する方向に電流が流れるようになっていることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１つに記載の磁気センサ装置。

Images