JP6076345B2 - ３軸磁場センサ - Google Patents
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Description
本発明は、ブリッジ型磁場センサ、特に３軸磁場センサの設計に関する。
近年、磁気トンネル接合（ＭＴＪ,Magnetic Tunnel Junction）センサは、磁気多層材料のトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ,Tunnel Magnetoresistance）効果を利用して、新しい型の磁気抵抗センサとして、産業上の利用において認められ始めている。ＴＭＲ効果において、多層膜の抵抗は、多層膜に印加された磁界の大きさおよび方向によって変化する。ＴＭＲ効果は、ＡＭＲ（異方磁気抵抗）効果よりも大きく、またホール効果（Hall Effect）よりも優れた温度安定性を有することが知られている。その結果、ＴＭＲ磁場センサは、ＡＭＲ装置、ＧＭＲ装置またはホール装置と比較して、高感度、低電力消費、優れた線形性、広ダイナミックレンジ、優れた温度特性、低ノイズといった利点を有する。更にＭＴＪは、既存のチップ製造技術を用いて容易に製作され得ることから、超小型一体型磁場センサの製造が容易になる。
直交性の優れたベクトル測定性能を提供するために、多軸磁場センサは、一般に、パッケージに一体化された複数のセンサチップを有する。磁界はベクトル場であるため、多軸磁場センサは、非常に幅広い範囲の用途、特に地球磁場を測定するために２軸または３軸センサを用いる電子コンパス向けの用途がある。この一般的な用途の結果、高度に一体化された単一チップ多軸磁場センサの製造方法の簡略化が強く求められている。
同一のウエハー上に堆積された場合、異なるセンサ軸に用いられるＧＭＲ材料およびＭＴＪ材料は同じ磁気モーメントを有し、アニール後は同じピン層方向を有するため、単一チップ３軸センサの製作が困難になる。そのため、最も一般的なＧＭＲ３軸センサの製造方法は、３つの異なる基板に堆積されたＸ軸センサ、Ｙ軸センサおよびＺ軸センサをパッケージすることである。しかしながら、そのようなＧＭＲ３軸センサは、寸法が大きくなりすぎたり、パッケージ費用が高額になったりする等の制約を受け、ＭＴＪセンサと比較して感度が低く電力消費も高い。
上記から分かるように、現在のＡＭＲ、ホールおよびＧＭＲ３軸センサは、過大な寸法、高額なパッケージ費用、低感度、高電力消費であり、その製造方法は実用的でないという点で不利である。
上記の問題を解決するために、本発明は、高感度で低電力消費のコンパクトな３軸センサを提供する。
本発明において採用された技術的な解決法は以下の通りである。２軸センサと一体化された基板と、Ｚ軸に沿った検知方向を有するＺ軸センサと、ＡＳＩＣとを備えた３軸磁気抵抗センサである。前記２軸磁場センサは、Ｘ軸に沿った検知方向を有するＸ軸磁場センサと、Ｙ軸に沿った検知方向を有するＹ軸磁場センサとを備える。前記Ｚ軸磁場センサおよび前記２軸磁場センサは、前記ＡＳＩＣに電気的に相互接続されている。前記Ｘ軸、前記Ｙ軸および前記Ｚ軸のいずれか２つは互いに直交している。
好ましくは、前記Ｘ軸磁場センサおよび前記Ｙ軸磁場センサは、ＭＴＪ磁場センサブリッジである。
好ましくは、前記Ｘ軸ブリッジセンサは参照ブリッジセンサ（referenced bridge sensor）であり、前記Ｙ軸ブリッジセンサはプッシュプルセンサである。
好ましくは、前記２軸磁場センサは、単一のダイ（die）に設けられ得るが、別個のダイを用いて設けられてもよい。
好ましくは、前記２軸磁場センサは、金ワイヤボンド（gold wire bond）を用いて前記ＡＳＩＣに電気的に相互接続されている。
好ましくは、前記２軸磁場センサは、半田バンプを用いて前記ＡＳＩＣに電気的に相互接続されている。
好ましくは、前記Ｚ軸磁場センサは、半田バンプ接続を用いて前記基板に水平に位置づけられたＭＴＪセンサであって、前記Ｚ軸磁場センサは、前記Ｚ軸センサの表面に垂直な検知方向を有する。
好ましくは、前記Ｚ軸磁場センサは、検知方向が前記チップ表面に平行なＭＴＪ磁場センサであって、前記Ｚ軸ＭＴＪセンサは、半田バンプ接続を用いて前記基板に垂直に配置されている。
好ましくは、前記Ｚ軸磁場センサはＭＴＪセンサであって、前記Ｚ軸センサチップは前記基板上に斜めに（obliquely）回転されている。
好ましくは、前記Ｚ軸磁場センサは、ホール効果（Hall Effect）磁場センサまたは巨大ホール効果（giant Hall Effect）磁場センサである。
２軸磁場センサと一体化された基板と、Ｚ軸に沿った検知方向を有するＺ軸磁場センサと、ＡＳＩＣとを備えた単一チップ３軸磁場センサであって、前記２軸磁場センサは、Ｘ軸に沿った検知方向を有するＸ軸センサと、Ｙ軸に沿った検知方向を有するＹ軸センサとを備え、前記Ｘ軸、前記Ｙ軸および前記Ｚ軸のいずれか２つは互いに直交している。
好ましくは、前記Ｘ軸センサブリッジおよび前記Ｙ軸センサブリッジは、ＭＴＪセンサブリッジである。
好ましくは、前記３軸磁場センサ素子、前記絶縁層、前記ＡＳＩＣおよび前記基板は積層され、前記絶縁層は、前記３軸磁場センサ素子と前記ＡＳＩＣを接続するよう位置づけられた銅導体を備える。
好ましくは、前記絶縁層、前記ＡＳＩＣ、前記基板および前記３軸センサ素子は積層され、前記３軸センサ素子を前記ＡＳＩＣに電気的に接続するために、銅導体が前記基板に位置づけられている。
好ましくは、前記銅導体は、シリコンビア（ＴＳＶ）技術を用いて製作されている。
好ましくは、前記Ｚ軸磁場センサは、前記基板に水平に位置づけられた垂直磁気異方性ＭＴＪセンサチップ（perpendicular magnetic anisotropy MTJ sensor chip）であり、前記Ｚ軸センサの検知方向は、前記Ｚ軸ＭＴＪセンサチップの表面に垂直である。
好ましくは、前記Ｚ軸磁場センサは、ホール効果磁場センサチップまたは巨大ホール効果磁場センサチップである。
好ましくは、前記Ｚ軸センサはＭＴＪセンサチップであって、前記Ｚ軸センサチップは前記基板に対して斜めに回転されており、前記Ｚ軸センサは銅導体によって前記ＡＳＩＣに電気的に接続されている。
上記設計は、高度に一体化されたセンサに、高感度、低電力消費、優れた線形性、広ダイナミックレンジ、優れた温度安定性および低磁気ノイズを提供する。
図において、１はＭＴＪ素子、２は磁気ピン層、３は反強磁性層、４は強磁性層、５はトンネルバリア層、６は強磁性自由層、７は強磁性自由層の磁気方向、８は強磁性ピン層の磁気方向、９は印加磁界、１０は検知方向、１１はシード層、１２は上部電極、１３はＭＴＪ素子の抵抗、１４はＭＴＪ素子の低抵抗値、１５はＭＴＪ素子の高抵抗値、１６は電流、１７は永久磁石、１８は基板、１９はＡＳＩＣ、２０はＭＴＪブリッジセンサ、２１はＸ軸ブリッジセンサ、２３はＹ軸ブリッジセンサ、２４はＺ軸センサ、２５は金ボンドワイヤ、２６は半田バンプ、２７は絶縁層、２８は銅導体、２９は２軸センサ、３０は３軸センサ素子、４１は自由層Ｒ１の磁化方向、４２は自由層Ｒ２の磁化方向、４３は自由層Ｒ３の磁化方向、４４は自由層Ｒ４の磁化方向を示す。
本発明の利点および特徴が当業者によって容易に理解され、本発明の保護の範囲が明確に定義付けられるように、以下に、本発明の好適な実施形態を添付図面１〜１８と関連付けて詳述する。
トンネル接合磁気抵抗の概要：
図１は、標準的なＭＴＪ素子の模式図である。標準的なＭＴＪ素子１は、自由強磁性層６、強磁性ピン層２、および強磁性層の間にトンネルバリア層５を備える。自由強磁性層６は、強磁性材料から構成され、強磁性自由層の磁化方向は、外部磁界に反応して変化可能である。強磁性ピン層２は、一方向に固定された（pinned）磁化方向を有し、当該磁化方向は、通常の動作条件下では変化しない。強磁性層４は、反強磁性層３の上部に設けられても下部に設けられてもよい。一般に、ＭＴＪ構造は、導電性のシード層１１の上部に置かれ、電極１２は、ＭＴＪ構造の上部に置かれる。ＭＴＪ素子の抵抗は、シード層１１と上部電極層１２との間で測定される。その抵抗値１３は、強磁性自由層６磁化と強磁性ピン層２磁化との相対的配向を表すものである。
図１は、標準的なＭＴＪ素子の模式図である。標準的なＭＴＪ素子１は、自由強磁性層６、強磁性ピン層２、および強磁性層の間にトンネルバリア層５を備える。自由強磁性層６は、強磁性材料から構成され、強磁性自由層の磁化方向は、外部磁界に反応して変化可能である。強磁性ピン層２は、一方向に固定された（pinned）磁化方向を有し、当該磁化方向は、通常の動作条件下では変化しない。強磁性層４は、反強磁性層３の上部に設けられても下部に設けられてもよい。一般に、ＭＴＪ構造は、導電性のシード層１１の上部に置かれ、電極１２は、ＭＴＪ構造の上部に置かれる。ＭＴＪ素子の抵抗は、シード層１１と上部電極層１２との間で測定される。その抵抗値１３は、強磁性自由層６磁化と強磁性ピン層２磁化との相対的配向を表すものである。
図２は、垂直磁気異方性ＭＴＪ素子の模式図である。標準的なＭＴＪ素子と垂直磁気異方性ＭＴＪ素子との違いは、強磁性ピン層の磁化方向８および強磁性自由層の磁化方向７が、フィルム表面に垂直な方向に沿って整列されている点である。すなわち、ＭＴＪの感度方向（sensitive direction）は、フィルム（チップ）表面に対して垂直である。垂直磁気異方性ＭＴＪ素子は、標準的なＭＴＪ素子と同じシード層１１を有し、同様に、その抵抗値１３は、上部電極層１２とシード層１１との間で測定され、強磁性自由層６磁化と強磁性ピン層２磁化との相対的配向を表す。
図３は、ＭＴＪ素子の理想的な出力反応曲線である。低抵抗状態ＲL１４および高インピーダンス状態ＲH１５における出力曲線は、飽和したＭＴＪの低抵抗状態１４および高抵抗状態１５を表す。磁気自由層の磁化方向７と磁気ピン層の磁化方向８が平行である場合、ＭＴＪの測定抵抗値１３は低抵抗状態になり、強磁性自由層の磁化方向７と強磁性ピン層の磁化方向８が逆平行である場合、ＭＴＪ素子の抵抗値１３は高抵抗値１５になる。公知の手法によって、ＭＴＪ素子１の抵抗は、印加磁界に応じて、高抵抗状態から低抵抗状態までの磁界範囲において線形化される。飽和磁界−ＨSおよびＨSは、ＭＴＪ素子の線形範囲を規定する。
図４は、垂直磁気異方性ＭＴＪ素子の理想的な反応を示す。フィルム表面に平行な印加磁界の成分が０である場合、垂直磁気異方性ＭＴＪ素子の出力曲線は、高感度かつ低飽和磁界を有し得る。しかしながら、通常のケースにおいて、フィルム表面方向に平行な外部磁界成分は０ではない。そのような状況下、垂直磁気異方性ＭＴＪ素子は、標準的なＭＴＪ素子と比べて低感度かつ高飽和磁界ＨS値を有するが、ホール素子および巨大ホール素子と比較すると遥かに良好であり、有利である。
図５は、数個のＭＴＪを直列に接続して磁気抵抗素子を形成した場合の模式図である。接続されたＭＴＪ１のストリングは、ノイズを減らし、センサの安定性を向上させ得る。ＭＴＪ磁気抵抗素子２４において、各ＭＴＪ１のバイアス電圧は、ストリングのＭＴＪの数に比例して減少する。これにより、大電圧出力を生成するのに必要な電流を減らし、ショット雑音を減らし、センサのＥＳＤ耐量も向上させる。出力信号の向上およびＥＳＤ耐量の増加に加え、ＭＴＪの数を増やすことによって、ノイズ特性は向上する。なぜなら、各それぞれのＭＴＪ素子の無相関ランダム挙動（uncorrelated random behavior）が平均されるからである。
図６は、ホール素子または巨大ホール素子の模式図である。ここで、Ｉin+およびＩin-は、電流入出力端子であり、Ｖ１およびＶ２は、電圧出力端子である。定常電流Ｉ＋がＩin?およびＩin+間を流れる場合、ホール素子または巨大ホール素子に印加される磁界（電流端子と電圧端子によって形成される、面に垂直な方向）は、端子Ｖ１およびＶ２間に差動電圧（differential voltage）を生じさせる。図７にその理想的な出力曲線を示す。
プッシュプルブリッジセンサの設計：
図８は、ＭＴＪプッシュプルフルブリッジセンサの模式図である。４つのＭＴＪ素子Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３およびＲ４がフルブリッジとして相互接続されている。各ＭＴＪ素子は、直列接続された１つ以上のＭＴＪ１から構成される（図２）。各磁気抵抗素子に関して、ピン層の磁化方向は同じであり、ピン層の磁化方向に対する自由層の磁化方向は角度θ（３０度から９０度の間）をなし、当該角度θは同じ大きさ（magnitude）である。磁気抵抗素子のペア（Ｒ１とＲ３、Ｒ２とＲ４）は同じ自由層磁化方向（４１と４３、４２と４４）を有し、隣り合う磁気抵抗素子（Ｒ１とＲ２、Ｒ３とＲ４）は異なる方向（４１と４２、４３と４４）に整列された自由層磁化を有する。この特定のフルブリッジ構成において、感度方向１０は、強磁性ピン層の磁化方向に対して垂直である。各磁気抵抗素子の磁気ピン層の磁化方向８は同じであるため、当該プッシュプルフルブリッジセンサの設計は単一チップ上で実施され、マルチチップパッケージ工程を用いたり局部レーザー加熱を行ったりする必要なく、プッシュプルフルブリッジセンサを形成することができる。
図８は、ＭＴＪプッシュプルフルブリッジセンサの模式図である。４つのＭＴＪ素子Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３およびＲ４がフルブリッジとして相互接続されている。各ＭＴＪ素子は、直列接続された１つ以上のＭＴＪ１から構成される（図２）。各磁気抵抗素子に関して、ピン層の磁化方向は同じであり、ピン層の磁化方向に対する自由層の磁化方向は角度θ（３０度から９０度の間）をなし、当該角度θは同じ大きさ（magnitude）である。磁気抵抗素子のペア（Ｒ１とＲ３、Ｒ２とＲ４）は同じ自由層磁化方向（４１と４３、４２と４４）を有し、隣り合う磁気抵抗素子（Ｒ１とＲ２、Ｒ３とＲ４）は異なる方向（４１と４２、４３と４４）に整列された自由層磁化を有する。この特定のフルブリッジ構成において、感度方向１０は、強磁性ピン層の磁化方向に対して垂直である。各磁気抵抗素子の磁気ピン層の磁化方向８は同じであるため、当該プッシュプルフルブリッジセンサの設計は単一チップ上で実施され、マルチチップパッケージ工程を用いたり局部レーザー加熱を行ったりする必要なく、プッシュプルフルブリッジセンサを形成することができる。
感度方向１０に沿って磁界が印加されると、ピン層磁化に対する自由層磁化の相対的配向が変化する。その結果、磁気抵抗素子のうち、Ｒ１とＲ３の抵抗は増加し、他の２つの磁気抵抗素子Ｒ２とＲ４の抵抗は減少する。磁界が反対方向に印加されると、Ｒ１とＲ３の抵抗は減少し、Ｒ２とＲ４の抵抗は増加する。印加磁界に対して逆の反応を示す磁気抵抗素子の２組の組み合わせ（すなわち、一組のＭＴＪ素子は増加する抵抗を有し、もう一組は減少する抵抗を有する）を使用することにより、ブリッジ回路の反応は効果的に倍増され、いわゆる「プッシュプル」ブリッジを形成する。理想的なケースにおいて、抵抗器の抵抗値がＲ１＝（Ｒ１＋ΔＲ）、Ｒ３＝（Ｒ１＋ΔＲ）、Ｒ２＝（Ｒ２−ΔＲ）、Ｒ４＝（Ｒ２−ΔＲ）である場合、ブリッジの出力は以下のようになる。
理想的には、Ｒ１＝Ｒ２＞ΔＲの場合、数式はさらに簡単になる。
図９に、当該プッシュプルブリッジ回路のシミュレート反応を示す。
強磁性自由層と強磁性ピン層との間の所要磁化角度は、以下の方法で達成され得る
（１）形状異方性：磁気自由層の磁化方向にバイアスをかけるために、ＭＴＪ素子の形状異方性を用いて簡単な磁化軸を形成する。ＭＴＪ素子の形状異方性は、ＭＴＪ素子の幅に対する長さを変えたり、当該素子を回転することによって調整できる
（２）永久磁石バイアス：ＭＴＪ素子の周りに永久磁石を設置して、自由層の磁化方向にバイアスをかける磁界を生じさせる
（３）コイルバイアス：磁気自由層方向にバイアスをかける磁界を生じさせるために、磁界を生じさせる電流を流すのに用いられるメタルワイヤをＭＴＪ素子の上層または下層に置く
（４）ニールカップリング：強磁性ピン層と強磁性自由層との間にニールカップリング磁界を用いて強磁性自由層の磁化にバイアスをかける
（５）交換バイアス：この技術では、自由層上の近隣する反強磁性層に対する弱い交換結合（exchange coupling）によって、効果的なバイアス磁界を形成する。Ｃｕ層またはＴａ層を反強磁性層と自由層との間に配置することによって、強度を調整することができる。この場合、交換バイアスの強度は減少する。
（１）形状異方性：磁気自由層の磁化方向にバイアスをかけるために、ＭＴＪ素子の形状異方性を用いて簡単な磁化軸を形成する。ＭＴＪ素子の形状異方性は、ＭＴＪ素子の幅に対する長さを変えたり、当該素子を回転することによって調整できる
（２）永久磁石バイアス：ＭＴＪ素子の周りに永久磁石を設置して、自由層の磁化方向にバイアスをかける磁界を生じさせる
（３）コイルバイアス：磁気自由層方向にバイアスをかける磁界を生じさせるために、磁界を生じさせる電流を流すのに用いられるメタルワイヤをＭＴＪ素子の上層または下層に置く
（４）ニールカップリング：強磁性ピン層と強磁性自由層との間にニールカップリング磁界を用いて強磁性自由層の磁化にバイアスをかける
（５）交換バイアス：この技術では、自由層上の近隣する反強磁性層に対する弱い交換結合（exchange coupling）によって、効果的なバイアス磁界を形成する。Ｃｕ層またはＴａ層を反強磁性層と自由層との間に配置することによって、強度を調整することができる。この場合、交換バイアスの強度は減少する。
参照フルブリッジ磁場センサの設計：
図１０は、参照フルブリッジＭＴＪセンサの模式図を示す。ここで、４つのＭＴＪ磁気抵抗素子Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３およびＲ４は、相互接続されてブリッジを形成している。各磁気抵抗素子は、直列接続された１つ以上のＭＴＪから構成される（図２）。当該設計において、磁気抵抗素子Ｒ１およびＲ３の出力曲線は印加磁界９に強く依存し、これらの素子はセンサアームと称される。一方、素子Ｒ２およびＲ４の磁気抵抗反応は印加磁界９に僅かに依存するのみであり、これらの素子は参照アーム（reference arms）と称される。当該参照フルブリッジ構造の感度方向１０は、ピン方向８に平行である。この特定の参照ブリッジの設計は、全てのブリッジアームに同じ強磁性ピン層方向を用いているため、マルチチップパッケージ工程や局部レーザー加熱を用いることなく、プッシュプルフルブリッジセンサとして同じチップ上に構築され得る。
図１０は、参照フルブリッジＭＴＪセンサの模式図を示す。ここで、４つのＭＴＪ磁気抵抗素子Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３およびＲ４は、相互接続されてブリッジを形成している。各磁気抵抗素子は、直列接続された１つ以上のＭＴＪから構成される（図２）。当該設計において、磁気抵抗素子Ｒ１およびＲ３の出力曲線は印加磁界９に強く依存し、これらの素子はセンサアームと称される。一方、素子Ｒ２およびＲ４の磁気抵抗反応は印加磁界９に僅かに依存するのみであり、これらの素子は参照アーム（reference arms）と称される。当該参照フルブリッジ構造の感度方向１０は、ピン方向８に平行である。この特定の参照ブリッジの設計は、全てのブリッジアームに同じ強磁性ピン層方向を用いているため、マルチチップパッケージ工程や局部レーザー加熱を用いることなく、プッシュプルフルブリッジセンサとして同じチップ上に構築され得る。
参照プッシュプルフルブリッジセンサに磁界が印加されると、感度方向に沿った磁界成分によってセンサアームＲ１およびＲ３の抵抗は増加または減少するが、参照アーム素子Ｒ２およびＲ４の抵抗はそれ程変化しない。実際には、参照ＭＴＪフルブリッジセンサの出力は、広い磁界範囲に亘って線形である。図１１は、シミュレーション出力反応曲線を示す。
実用的な参照ブリッジセンサを構築するには、センサアームと参照アームに異なる感度を設定することが重要である。磁気抵抗素子の感度を、印加磁界に応じた抵抗の変化として定義する。
参照アームの磁気抵抗をセンサアームに対して減らすことは実用的ではない。参照アームとセンサアームとの間の感度の相対的変化は、ＨSを変化させることによって最適に達成される。これは、以下の方法のいずれか一つまたはそれらを組み合わせて達成され得る
（１）磁気シールディング：高透強磁性層を参照アーム上に堆積して、印加磁界を減衰させる
（２）形状異方性：参照素子およびセンサ素子を異なる大きさにパターン化して、それらに異なる形状異方性エネルギーと異なる感度を持たせる。参照素子の反磁界がセンサ素子の反磁界よりも遥かに大きくなるように、センサ素子の長さと幅の比を変化させるのが最も一般的な方法である
（３）交換バイアス：この技術は、反強磁性層に弱い交換結合を用いることによって、ＭＴＪ素子の感度方向に対して垂直に、ＭＴＪ素子の自由層上にバイアス磁界を形成するために用いられる。Ｃｕバリア層またはＴａバリア層を自由層と交換バイアス層との間に設けて、交換バイアスの強度を減少させてもよい
（４）インスタックバイアス（In-Stack Bias）：この技術では、永久磁石合金Ｆｅ、Ｃｏ、ＣｒまたはＰｔが磁気トンネル接合のセンサ素子の表面上に堆積され、得られた漂遊磁界（stray field）がＭＴＪ素子にバイアスをかける。大きな磁界は、異なる角度でセンサを初期化する（initialize）ために用いられ得る。非常に重要な利点は、バイアス磁界は、ＭＴＪ素子の磁区を取り除くことによってＭＴＪ素子の安定性および線形性を向上させ、また、磁化方向は、調整されることによって反応の調整において優れた柔軟性を提供できる点である。
（１）磁気シールディング：高透強磁性層を参照アーム上に堆積して、印加磁界を減衰させる
（２）形状異方性：参照素子およびセンサ素子を異なる大きさにパターン化して、それらに異なる形状異方性エネルギーと異なる感度を持たせる。参照素子の反磁界がセンサ素子の反磁界よりも遥かに大きくなるように、センサ素子の長さと幅の比を変化させるのが最も一般的な方法である
（３）交換バイアス：この技術は、反強磁性層に弱い交換結合を用いることによって、ＭＴＪ素子の感度方向に対して垂直に、ＭＴＪ素子の自由層上にバイアス磁界を形成するために用いられる。Ｃｕバリア層またはＴａバリア層を自由層と交換バイアス層との間に設けて、交換バイアスの強度を減少させてもよい
（４）インスタックバイアス（In-Stack Bias）：この技術では、永久磁石合金Ｆｅ、Ｃｏ、ＣｒまたはＰｔが磁気トンネル接合のセンサ素子の表面上に堆積され、得られた漂遊磁界（stray field）がＭＴＪ素子にバイアスをかける。大きな磁界は、異なる角度でセンサを初期化する（initialize）ために用いられ得る。非常に重要な利点は、バイアス磁界は、ＭＴＪ素子の磁区を取り除くことによってＭＴＪ素子の安定性および線形性を向上させ、また、磁化方向は、調整されることによって反応の調整において優れた柔軟性を提供できる点である。
単一チップ２軸磁場センサの設計：
センサは、同一のウエハー上に同時に堆積された磁気抵抗フィルムから構成されているため、異なるセンサ軸を形成するために用いられるエリアのピン層磁化方向は同じである。残念ながら、２軸磁場センサは２つのブリッジセンサから構成され、互いに対して９０度に回転させる必要がある。以下に、単一チップ２軸磁場センサの実現化について説明する。単一チップＭＴＪ軸磁場センサの設計は、以下の方法またはいくつかの方法の組み合わせによって達成され得る
方法１：局所的レーザー加熱：堆積後、異なるセンサブリッジのピン層を互いに平行になるように整列する。磁界の存在下で局所的なレーザパルスをかけて、特定エリアにおけるピン層を再整列する
方法２：複数堆積（multiple depositions）：異なる磁気抵抗フィルムをチップの異なるエリアに堆積して、各センサの正確なピン層配向を達成する。
センサは、同一のウエハー上に同時に堆積された磁気抵抗フィルムから構成されているため、異なるセンサ軸を形成するために用いられるエリアのピン層磁化方向は同じである。残念ながら、２軸磁場センサは２つのブリッジセンサから構成され、互いに対して９０度に回転させる必要がある。以下に、単一チップ２軸磁場センサの実現化について説明する。単一チップＭＴＪ軸磁場センサの設計は、以下の方法またはいくつかの方法の組み合わせによって達成され得る
方法１：局所的レーザー加熱：堆積後、異なるセンサブリッジのピン層を互いに平行になるように整列する。磁界の存在下で局所的なレーザパルスをかけて、特定エリアにおけるピン層を再整列する
方法２：複数堆積（multiple depositions）：異なる磁気抵抗フィルムをチップの異なるエリアに堆積して、各センサの正確なピン層配向を達成する。
方法３：基準／プッシュプル：単一チップＭＴＪ２軸磁場センサを、図１２に示すように達成してもよい。ピン層方向に平行または垂直な磁界に対して感度を有するフルブリッジセンサおよび基準ブリッジセンサを開発することができる。これらのフルブリッジセンサは、同じステップおよび同じ強磁性ピン層の設置方向８を用いて、同じ基板上に構築され得る。
３軸磁場センサの設計：
３軸磁場センサは基板を備え、基板は２軸磁場センサ２９、Ｚ軸磁場センサ素子２４、ＡＳＩＣ１９を備える。当該２軸磁場センサ２９は、基板１８上に一体化されており、Ｘ方向の磁界に感度を有するＸ軸ブリッジ磁場センサ２２、Ｙ方向の磁界に感度を有するＹ軸ブリッジ磁場センサ２３を含む。当該２軸磁場センサ２９およびＺ軸磁場センサ２４はＡＳＩＣ１９に接続されており、各Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸は互いに直交している。ＡＳＩＣは、信号調整のために用いられる。
３軸磁場センサは基板を備え、基板は２軸磁場センサ２９、Ｚ軸磁場センサ素子２４、ＡＳＩＣ１９を備える。当該２軸磁場センサ２９は、基板１８上に一体化されており、Ｘ方向の磁界に感度を有するＸ軸ブリッジ磁場センサ２２、Ｙ方向の磁界に感度を有するＹ軸ブリッジ磁場センサ２３を含む。当該２軸磁場センサ２９およびＺ軸磁場センサ２４はＡＳＩＣ１９に接続されており、各Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸は互いに直交している。ＡＳＩＣは、信号調整のために用いられる。
図１５は、スタックおよびワイヤボンド工程を用いて製作された３軸磁場センサチップを示す。当該工程において、ＡＳＩＣ素子１９は、２軸磁場センサ２９チップおよびＺ軸磁場センサ２４チップに結合されている。２軸磁場センサ２９は、Ｘ軸フルブリッジ磁場センサ２２とＹ軸磁界フルブリッジセンサ２３とを含む。２軸磁場センサ２９およびＺ軸磁場センサ２４は、ＡＳＩＣ１９の表面に積層され、金ワイヤボンド２５は、２軸磁場センサ２９とＺ軸磁場センサ２４とＡＳＩＣ１９とを電気的に相互接続するために用いられる。
図１６は、３軸磁場センサを構築するためのスタックおよびフリップチップ工程を示す。ここで、ＡＳＩＣ１９は、２軸磁場センサ２９およびＺ軸磁場センサ２４と組み合わされる。当該２軸磁場センサ２９は、Ｘ軸フルブリッジ磁場センサ２２とＹ軸フルブリッジ磁場センサ２３とを含む。図１６に示されているように、２軸磁場センサ２９およびＺ軸磁場センサ２４は、ＡＳＩＣ１９の表面に積層され、錫半田ボール２６は、２軸磁場センサ２９およびＺ軸磁場センサ２４をＡＳＩＣ１９に電気的かつ機械的に接続するために用いられる。
Ｚ軸検知能力を提供するために、Ｚ軸センサは、以下を含むいくつかの方法によって達成され得る。
（１）図１３に示されているように、ＭＴＪブリッジセンサは傾斜面に構築され得る。図１３は、傾斜面に取り付けられたＭＴＪブリッジセンサチップの模式図である。ＭＴＪセンサチップは、その表面に平行な磁界成分に対して感度を有するが、組み合わせによって印加磁界のＺ軸成分を検出することができる。これにより、ＭＴＪセンサチップは、Ｚ軸方向に印加された磁界に対してのみ感度を有する。
図１３の第１の実施形態において、基板１８は、ウェットエッチングによって面取りされた溝を形成している。ＭＴＪ素子は、対向する斜面に載置され、半田バンプを介してＡＳＩＣ成分に接続されている。ＭＴＪチップの相対的配置（relative placement）は、Ｘ軸とＹ軸との軸交感度（cross-axis sensitivity）を取り消し、Ｚ軸方向における磁界の感度を増加させ得る。Ｚ軸方向の感度を高めるために、図８および図１０に示されたような様々な実装を用いて、ＭＴＪセンサをフルブリッジにすることができる。
図１３の第２の実施形態において、ウェットエッチングによって面取り溝が形成された基板１８を準備する。次に、ＭＴＪブリッジセンサは、溝の対向する斜面に載置され、半田バンプを介してＡＳＩＣ１９に接続される。ＭＴＪブリッジの対応配置（corresponding placement）は、Ｘ軸とＹ軸との軸交感度を取り消し、Ｚ軸方向における磁界の感度を増加させ得る。２つのＭＴＪブリッジ磁場センサを、プッシュプルフルブリッジセンサ（図８）または参照フルブリッジセンサ（図１０）にすることができる。
（２）図１４は、垂直に装着されたＭＴＪブリッジセンサを示す。図１４は、垂直に装着されたＭＴＪブリッジセンサの概略を示している。ＭＴＪブリッジセンサ２０は、その端部に、ＭＴＪブリッジセンサ２０をＡＳＩＣ素子１９に対して９０度の角度で設置するための半田バンプ２１を有し、バンプ２１は、ＡＳＩＣ１９に電気接続を提供する。これで、チップは、Ｚ軸磁界に対して感度を有する。
（３）図２に示されているように、磁界ブリッジセンサは、垂直磁気異方性ＭＴＪ素子を備えてもよく、これらはプッシュプルブリッジセンサまたは参照ブリッジセンサとして構成され得る。垂直磁気異方性ＭＴＪブリッジセンサは、ＡＳＩＣ１９に積層され、かつＡＳＩＣ１９に電気的に相互接続される。
（４）Ｚ軸センサは、ホール効果センサまたは巨大ホール効果センサから構築され得る。図６に示されているように、ホール効果センサまたは巨大ホール効果センサの出力端子は、電流および印加磁界の方向に垂直である。従って、センサを表面に載置することによってセンサがＺ軸の磁界を検知するように、出力端子Ｖ1およびＶ2は平行であり、かつ、電流端子はフィルム表面に対して平行になるように、センサは構成され得る。
単一チップ３軸ＴＭＲ磁場センサの設計：
図１７は、単一チップ３軸ＭＴＪ磁場センサの模式図である。図１７に示されているように、基板１８はＡＳＩＣ１９回路を含み、ＡＳＩＣ成分の表面は酸化物不活性化層２７であり、不活性化層２７は化学機械研磨を用いて平滑化される。研磨後、３軸磁場センサユニット３０が、ＡＳＩＣ素子１９上に構築される。３軸磁場センサユニット３０は、Ｘ軸ブリッジセンサ２２、Ｙ軸ブリッジセンサ２３、Ｚ軸ブリッジセンサ２４を備える。ＡＳＩＣ１９、Ｘ軸磁界ブリッジセンサ２２、Ｙ軸ブリッジ磁場センサ２３、Ｚ軸磁界ブリッジセンサ２４は、銅ビア（copper vias）２８を介して電気的に相互接続されている。銅ビア２８は、標準的な半導体過程、例えばフォトレジストコーティング、露出、めっき（堆積）、第２の露出ステップ等を用いて製造され得る。
図１７は、単一チップ３軸ＭＴＪ磁場センサの模式図である。図１７に示されているように、基板１８はＡＳＩＣ１９回路を含み、ＡＳＩＣ成分の表面は酸化物不活性化層２７であり、不活性化層２７は化学機械研磨を用いて平滑化される。研磨後、３軸磁場センサユニット３０が、ＡＳＩＣ素子１９上に構築される。３軸磁場センサユニット３０は、Ｘ軸ブリッジセンサ２２、Ｙ軸ブリッジセンサ２３、Ｚ軸ブリッジセンサ２４を備える。ＡＳＩＣ１９、Ｘ軸磁界ブリッジセンサ２２、Ｙ軸ブリッジ磁場センサ２３、Ｚ軸磁界ブリッジセンサ２４は、銅ビア（copper vias）２８を介して電気的に相互接続されている。銅ビア２８は、標準的な半導体過程、例えばフォトレジストコーティング、露出、めっき（堆積）、第２の露出ステップ等を用いて製造され得る。
Ｘ軸センサにはＸブリッジ型磁場センサ２２が用いられ、Ｙ軸センサにはＹ軸ブリッジ磁場センサ２３が用いられる。センサブリッジは、従来のＭＴＪ素子１を利用している。当該実装は、図１２に示されている。
Ｚ軸センサは、斜面に固定されたＺ軸磁場センサ２４チップ（図１３）であってもよく、垂直磁気異方性ＭＴＪセンサ（図２を参照）であってもよく、または、ホール効果磁場センサもしくは巨大ホール効果磁場センサ（図７）であり得る。
図１８は、別の単一チップＭＴＪ軸磁場センサの模式図である。図１７に示されているように、基板１８はＡＳＩＣ素子１９を含み、酸化物不活性化層２７はＡＳＩＣ１９の表面に配置されている。３軸磁場センサユニット３０はベースシート１８の裏面に設置され、３軸磁場センサユニット３０はＸ軸２２、Ｙ軸２３、Ｚ軸２４向けのセンサブリッジを備える。ＡＳＩＣ成分１９、Ｘ軸磁場センサ２２、Ｙ軸ブリッジ磁場センサ２３、Ｚ軸磁場センサ２４は、銅ビア２８を介して相互接続されている。銅ビア２８は、半導体工程、例えばウェットエッチング、ドライエッチング、電気めっき（堆積）等を利用して、シリコンビアを介して製造される。
Ｘ軸センサにはＸブリッジ型磁場センサ２２が用いられ、Ｙ軸センサにはＹ軸ブリッジ磁場センサ２３が用いられる。センサブリッジは、従来のＭＴＪ素子１を利用している。当該実装は、図１に示されている。
Ｚ軸の検知には、Ｚ軸磁場センサ２４として、斜面に固定されたＭＴＪ磁場センサチップ（図１３）を使用してもよく、垂直磁気ＭＴＪ磁場センサ（図２を参照）も使用してもよく、または、ホール効果磁場センサもしくは巨大ホール効果磁場センサ（図７）を使用することもできる。
上述の実施形態は、本発明の特定の実装を実証するものであり、本発明の範囲または精神を越えない他の特定の実装が存在することは明らかである。当業者には、本発明の範囲または精神から逸脱することなく、本発明にさまざまな修正を加え得ることが明らかであろう。
Claims (16)
- ２軸センサと一体化された基板と、Ｚ軸に沿った検知方向を有するＺ軸センサと、ＡＳＩＣとを備えた３軸磁気抵抗センサであって、
前記２軸センサは、Ｘ軸に沿った検知方向を有するＸ軸ブリッジセンサと、Ｙ軸に沿った検知方向を有するＹ軸ブリッジセンサとを備え、前記Ｘ軸、前記Ｙ軸および前記Ｚ軸のいずれか２つは互いに直交し、
前記Ｚ軸センサおよび前記２軸センサは、共に前記ＡＳＩＣに接続されており、
前記Ｘ軸ブリッジセンサは参照ブリッジセンサであり、前記Ｙ軸ブリッジセンサはプッシュプルセンサであり、
前記Ｘ軸ブリッジセンサおよび前記Ｙ軸ブリッジセンサのピン層の磁化方向は同じであることを特徴とする３軸磁気抵抗センサ。 - 前記Ｘ軸センサおよび前記Ｙ軸センサは、ＭＴＪブリッジセンサである、請求項１に記載の３軸磁気抵抗センサ。
- 前記２軸センサは、単一の基板または異なる基板に設けられる、請求項１に記載の３軸磁気抵抗センサ。
- 前記２軸センサは、金ボンディングワイヤによって前記ＡＳＩＣに電気的に接続されている、請求項１に記載の３軸磁気抵抗センサ。
- 前記２軸センサは、半田バンプを用いて前記ＡＳＩＣに電気的に接続されている、請求項１に記載の３軸磁気抵抗センサ。
- 前記Ｚ軸センサは、前記基板に水平に位置づけられた垂直磁気異方性ＭＴＪセンサであり、
前記Ｚ軸センサは、前記Ｚ軸センサのフィルム表面に垂直な検知方向を有する、請求項１に記載の３軸磁気抵抗センサ。 - 前記Ｚ軸センサは、前記基板に垂直に位置づけられ且つ半田バンプによって前記ＡＳＩＣに接続されたＭＴＪセンサであって、
前記Ｚ軸センサの検知方向は、前記Ｚ軸センサのフィルム表面に平行である、請求項１に記載の３軸磁気抵抗センサ。 - 前記Ｚ軸センサはＭＴＪセンサであって、
前記Ｚ軸センサは前記基板上に斜めに回転されており、半田バンプによって前記ＡＳＩＣに電気的かつ物理的に接続されている、請求項１に記載の３軸磁気抵抗センサ。 - 前記Ｚ軸センサは、ホールセンサまたはＧＭＲセンサである、請求項１に記載の３軸磁気抵抗センサ。
- ３軸磁場センサ素子と一体化された基板と、ＡＳＩＣとを備えた３軸磁気抵抗センサであって、
前記３軸磁場センサ素子は、Ｘ軸に沿った検知方向を有するＸ軸ブリッジセンサと、Ｙ軸に沿った検知方向を有するＹ軸ブリッジセンサと、Ｚ軸に沿った検知方向を有するＺ軸センサとを備え、
前記Ｘ軸、前記Ｙ軸および前記Ｚ軸のいずれか２つは互いに直交しており、
前記Ｘ軸ブリッジセンサは参照ブリッジセンサであり、前記Ｙ軸ブリッジセンサはプッシュプルセンサであり、
前記Ｘ軸ブリッジセンサおよび前記Ｙ軸ブリッジセンサのピン層の磁化方向は同じであることを特徴とする３軸磁気抵抗センサ。 - 前記Ｘ軸ブリッジセンサおよび前記Ｙ軸ブリッジセンサは、ＭＴＪブリッジセンサである、請求項１０に記載の３軸磁気抵抗センサ。
- 前記３軸磁場センサ素子、絶縁層、前記ＡＳＩＣおよび前記基板は積層され、
前記絶縁層は、前記３軸磁場センサ素子の成分と前記ＡＳＩＣの成分との間の電気的な相互接続を達成するよう位置づけられた銅導体を備える、請求項１０に記載の３軸磁気抵抗センサ。 - 絶縁層、前記ＡＳＩＣ、前記基板および３軸磁場センサ素子は積み重ねて配置され、
前記３軸磁場センサ素子を前記ＡＳＩＣに相互接続するために、銅導体が前記基板に位置づけられている、請求項１０に記載の３軸磁気抵抗センサ。 - 前記Ｚ軸センサは、検知方向が前記Ｚ軸センサのフィルム表面に対して垂直になるよう前記基板に水平に位置づけられた垂直異方性ＭＴＪセンサである、請求項１０に記載の３軸磁気抵抗センサ。
- 前記Ｚ軸センサは、ホール効果磁場センサまたは巨大ホール効果磁場センサである、請求項１０に記載の３軸磁気抵抗センサ。
- 前記Ｚ軸センサはＭＴＪセンサであって、
前記Ｚ軸センサは前記基板に対して斜めに回転されており、銅導体によって前記ＡＳＩＣに電気的かつ物理的に接続されている、請求項１０に記載の３軸磁気抵抗センサ。
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