JP6330896B1

JP6330896B1 - ３軸磁気センサ及びその製造方法

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Publication number: JP6330896B1
Application number: JP2016246618A
Authority: JP
Inventors: 尚城太田; 高橋　宏和; 宏和高橋; 三浦　聡; 聡三浦
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2016-12-20
Filing date: 2016-12-20
Publication date: 2018-05-30
Anticipated expiration: 2036-12-20
Also published as: US20180172781A1; JP2018100883A; DE102017123789B4; US10698043B2; CN108205119A; DE102017123789A1; CN108205119B

Abstract

【課題】３軸方位の磁界を高精度に検出することのできる３軸磁気センサ及びその製造方法を提供する。【解決手段】３軸磁気センサ１は、第１面２１及びそれに対向する第２面２２を有する基板２と、第１面２１上に設けられてなる磁気センサ素子群３とを備える。磁気センサ素子群３は、Ｘ軸方向の磁気検出用の第１磁気センサ素子３１と、Ｙ軸方向の磁気検出用の第２磁気センサ素子３２と、Ｚ軸方向の磁気検出用の第３磁気センサ素子３３とを含む。第１〜第３磁気センサ素子３１〜３３は、それぞれ、磁化固定層４２及び自由層４４を少なくとも含む積層体により構成される第１〜第３磁気抵抗効果素子４を含み、第１〜第３磁気抵抗効果素子４の各磁化固定層４２の磁化方向Ｍ４２は、第１面２１に対して所定の角度θM42で傾斜する方向に固定されている。【選択図】図３

Description

本発明は、３軸磁気センサ及び当該３軸磁気センサを製造する方法に関する。

従来、磁気センサ素子によって地磁気を検出することで方位を計測する電子コンパスが車載型ナビゲーションシステム、携帯電話等の携帯端末等に搭載されている。このような電子コンパスに用いられる、相互に直交する３軸（Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸）方位の磁界成分を検出するために用いられる３軸磁気センサとしては、Ｘ軸用磁気センサ素子、Ｙ軸用磁気センサ素子及びＺ軸用磁気センサ素子の３つの磁気センサ素子を一の基板面に取り付けてなるものが知られている。

かかる３軸磁気センサにおいて、３つの磁気センサ素子のそれぞれにより、相互に直交する３軸方位の磁界成分を検出するために、各磁気センサ素子における磁場の感知方向を直交させる必要がある。磁気センサ素子として、自由層と磁化固定層とを有する積層体であって、外部磁界に応じて自由層の磁化方向が高感度に変化し、それに伴い抵抗が変化する磁気抵抗効果素子（例えばＴＭＲ素子）を用いる場合、各磁気センサ素子の磁化固定層の磁化方向が各方位に向くように、各磁気センサ素子が配置される。

例えば、図１６に示すように、第１面２０１及びそれに対向する第２面２０２を有する基板２００の第１面２０１上にＸ軸用ＴＭＲ素子３０１及びＹ軸用ＴＭＲ素子３０２を積層形成するとともに、第１面２０１に直交する方向にＺ軸用ＴＭＲ素子３０３を積層形成する。図１６において、各ＴＭＲ素子３０１〜３０３に重ねて表示されている矢印は、各ＴＭＲ素子３０１〜３０３の磁化固定層の磁化方向を示す。このような構成を有する３軸磁気センサにおいては、各ＴＭＲ素子３０１〜３０３の磁化固定層の磁化方向を、３軸方位のぞれぞれに向かせることができる（非特許文献１参照）。

"Development of Tunneling Magnet-resistive Sensors", Futoyoshi KOU, Ricoh Technical Report, No. 31, 2005

図１６に示す３軸磁気センサにおいて、Ｘ軸用ＴＭＲ素子３０１及びＹ軸用ＴＭＲ素子３０２は、同一のプロセスにより作製され得るため、それらの特性を容易に一致させることができる。

しかし、Ｚ軸用ＴＭＲ素子３０３の積層方向は、Ｘ軸用ＴＭＲ素子３０１及びＹ軸用ＴＭＲ素子３０２と異なる（直交する）ため、Ｚ軸用ＴＭＲ素子３０３を、Ｘ軸用ＴＭＲ素子３０１及びＹ軸用ＴＭＲ素子３０２と同一のプロセスにより作製することは極めて困難である。

そのため、Ｘ軸用ＴＭＲ素子３０１及びＹ軸用ＴＭＲ素子３０２と、Ｚ軸用ＴＭＲ素子３０３との特性を一致させることが極めて困難であり、それにより、３軸方位の磁界検出精度が低下してしまうという問題がある。

上記課題に鑑みて、本発明は、３軸方位の磁界を高精度に検出することのできる３軸磁気センサ及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、第１面及び当該第１面に対向する第２面を有する基板と、前記基板の前記第１面上に設けられてなる磁気センサ素子群とを備え、前記磁気センサ素子群は、第１軸方向の磁気を検出するための第１磁気センサ素子と、第２軸方向の磁気を検出するための第２磁気センサ素子と、第３軸方向の磁気を検出するための第３磁気センサ素子とを含み、前記第１軸方向と前記第２軸方向とは、前記第１軸方向と前記第２軸方向とを含む平面上において相互に直交する方向であり、前記第３軸方向は、前記第１軸方向と前記第２軸方向とを含む前記平面に直交する方向であり、前記第１〜第３磁気センサ素子は、それぞれ、第１〜第３磁気抵抗効果素子を含み、前記第１〜第３磁気抵抗効果素子は、いずれも、磁化固定層及び自由層を少なくとも含む積層体であり、前記第１〜第３磁気抵抗効果素子の各磁化固定層の磁化方向は、前記基板の前記第１面に対して所定の角度で傾斜する方向に固定されていることを特徴とする３軸磁気センサを提供する（発明１）。

上記発明（発明１）において、前記第１〜第３磁気抵抗効果素子は、いずれも、前記基板の前記第１面に対して直交する方向に沿って前記磁化固定層及び前記自由層が積層されてなる積層体であるのが好ましい（発明２）。

上記発明（発明１，２）において、前記第１〜第３磁気抵抗効果素子の各磁化固定層の磁化方向は、前記基板の前記第１面に対して１５〜５５°の角度で傾斜する方向に固定されているのが好ましい（発明３）。

上記発明（発明１〜３）において、前記基板の前記第１面の上方から見た平面視において、前記第１磁気抵抗効果素子の前記磁化固定層の磁化方向と、前記第２磁気抵抗効果素子の前記磁化固定層の磁化方向と、前記第３磁気抵抗効果素子の前記磁化固定層の磁化方向とをそれぞれ前記基板の前記第１面に投影したときに、投影された前記磁化方向は、相互に１１０〜１３０°異なる方向を向くように固定されているのが好ましい（発明４）。

上記発明（発明１〜４）において、前記磁気抵抗効果素子として、ＧＭＲ素子又はＴＭＲ素子を用いることができる（発明５）。

また、本発明は、上記発明（発明１〜５）に係る３軸磁気センサを製造する方法であって、前記基板の前記第１面上に前記磁化固定層を構成する反強磁性膜及び前記自由層を構成する磁性膜を少なくとも含む積層膜を形成する工程と、前記積層膜をミリングすることで、第１〜第３積層構造体を形成する工程と、前記第１〜第３積層構造体に同時に磁場を印加することで、前記磁化固定層の磁化方向を前記基板の前記第１面に対して所定の角度で傾斜させて固定させる工程とを含むことを特徴とする３軸磁気センサの製造方法を提供する（発明６）。

上記発明（発明６）において、前記磁化固定層の磁化方向を、前記基板の前記第１面に対して１５〜５５°の角度で傾斜させて固定させるのが好ましく（発明７）、前記基板の前記第１面の上方から見た平面視において、前記第１積層構造体の前記磁化固定層の磁化方向と、前記第２積層構造体の前記磁化固定層の磁化方向と、前記第３積層構造体の前記磁化固定層の磁化方向とをそれぞれ前記基板の前記第１面に投影したときに、投影された前記磁化方向を、相互に１１０〜１３０°異なる方向を向くように固定させるのが好ましい（発明８）。

上記発明（発明６〜８）において、前記基板の前記第１面の上方から見た平面視において、前記第１〜第３積層構造体を、前記第１面上における所定の点を中心として周方向に１２０°の間隔で配置されるように形成し、前記第１面上における所定の点に対向する、前記基板の前記第２面側における位置に磁場印加装置を配置し、当該磁場印加装置から前記第１〜第３積層構造体に磁場を印加するのが好ましい（発明９）。

本発明によれば、３軸方位の磁界を高精度に検出することのできる３軸磁気センサ及びその製造方法を提供することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る３軸磁気センサの概略構成を示す平面図である。図２は、本発明の一実施形態に係る３軸磁気センサの概略構成を示す、図１におけるＡ−Ａ線断面図である。図３は、本発明の一実施形態における磁気抵抗効果積層体の概略構成を示す断面図である。図４は、本発明の一実施形態における３つの磁気抵抗効果積層体の磁化固定層の磁化方向を説明するための平面図である。図５は、本発明の一実施形態に係る３軸磁気センサの製造工程を示す工程図（その１）であって、図５（Ａ）は平面図、図５（Ｂ）は図５（Ａ）におけるＩ−Ｉ線断面図である。図６は、本発明の一実施形態に係る３軸磁気センサの製造工程を示す工程図（その２）であって、図６（Ａ）は平面図、図６（Ｂ）は図６（Ａ）におけるＩ−Ｉ線断面図である。図７は、本発明の一実施形態に係る３軸磁気センサの製造工程を示す工程図（その３）であって、図７（Ａ）は平面図、図７（Ｂ）は図７（Ａ）におけるＩ−Ｉ線断面図である。図８は、本発明の一実施形態に係る３軸磁気センサの製造工程を示す工程図（その４）であって、図８（Ａ）は平面図、図８（Ｂ）は図８（Ａ）におけるＩ−Ｉ線断面図である。図９は、本発明の一実施形態に係る３軸磁気センサの製造工程を示す工程図（その５）であって、図９（Ａ）は平面図、図９（Ｂ）は図９（Ａ）におけるＩ−Ｉ線断面図である。図１０は、本発明の一実施形態に係る３軸磁気センサの製造工程を示す工程図（その６）であって、図１０（Ａ）は平面図、図１０（Ｂ）は図１０（Ａ）におけるＩ−Ｉ線断面図である。図１１は、本発明の一実施形態に係る３軸磁気センサの製造工程を示す工程図（その７）であって、図１１（Ａ）は平面図、図１１（Ｂ）は図１１（Ａ）におけるＩ−Ｉ線断面図である。図１２は、本発明の一実施形態に係る３軸磁気センサの製造工程を示す工程図（その８）であって、図１２（Ａ）は平面図、図１２（Ｂ）は図１２（Ａ）におけるＩ−Ｉ線断面図である。図１３は、本発明の一実施形態に係る３軸磁気センサの製造工程を示す工程図（その９）であって、図１３（Ａ）は平面図、図１３（Ｂ）は図１３（Ａ）におけるＩ−Ｉ線断面図である。図１４は、本発明の一実施形態に係る３軸磁気センサの製造工程を示す工程図（その１０）であって、図１４（Ａ）は平面図、図１４（Ｂ）は図１４（Ａ）におけるＩ−Ｉ線断面図である。図１５は、本発明の一実施形態に係る３軸磁気センサの製造工程を示す工程図（その１１）であって、図１５（Ａ）は平面図、図１５（Ｂ）は図１５（Ａ）におけるＩ−Ｉ線断面図である。図１６は、従来の３軸磁気センサの概略構成を示す斜視図である。

本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係る３軸磁気センサの概略構成を示す平面図であり、図２は、本実施形態における磁気抵抗効果積層体の概略構成を示す断面図であり、図３は、本実施形態における磁気抵抗効果積層体の概略構成を示す断面図であり、図４は、本実施形態における３つの磁気抵抗効果積層体の磁化固定層の磁化方向を説明するための平面図である。

図１及び図２に示すように、本実施形態に係る３軸磁気センサ１は、第１面２１及び第１面２１に対向する第２面２２を有する基板２と、基板２の第１面２１上に設けられている磁気センサ素子群３とを備える。基板２としては、例えば、シリコンウェハ等の半導体基板；ＡｌＴｉＣ基板、アルミナ基板等のセラミック基板；樹脂基板；ガラス基板等が挙げられる。基板２の種類に応じ、基板２の第１面２１上にＡｌ₂Ｏ₃等を含む絶縁層が設けられていてもよい。

磁気センサ素子群３は、Ｘ軸方向の磁場を検出するために用いられるＸ軸用磁気抵抗効果素子３１と、Ｙ軸方向の磁場を検出するために用いられるＹ軸用磁気抵抗効果素子３２と、Ｚ軸方向の磁場を検出するために用いられるＺ軸用磁気抵抗効果素子３３とを含む。Ｘ軸方向及びＹ軸方向は、所定の平面上において互いに直交する方向であり、Ｚ軸方向は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向を含む平面に直交する方向である。

Ｘ軸用磁気抵抗効果素子３１、Ｙ軸用磁気抵抗効果素子３２及びＺ軸用磁気抵抗効果素子３３は、いずれもＧＭＲ素子又はＴＭＲ素子であり、磁気抵抗効果積層体４と、磁気抵抗効果積層体４に電気的に接続される第１及び第２リード電極５，６とを備える。

第１リード電極５及び第２リード電極６は、例えば、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｕ、Ｔａ、Ｔｉ等のうちの１種の導電材料又は２種以上の導電材料の複合膜により構成され、その厚さは、それぞれ０．３〜２．０μｍ程度である。

第１リード電極５は、半導体基板２の第１面２１上に設けられている。第２リード電極６は、半導体基板２の第１面２１上に設けられた各磁気抵抗効果積層体４を被覆するように設けられている。本実施形態における第１及び第２リード電極５，６は、平面視において略Ｌ字状を有するが、このような態様に限定されるものではない。

図１〜３に示すように、磁気抵抗効果積層体４は、磁化方向が固定された磁化固定層４２と、印加される磁界の方向に応じて磁化方向が変化する自由層４４と、磁化固定層４２及び自由層４４の間に配置される非磁性層４３と、反強磁性層４１とを有し、平面視において略円形状を有する。

磁気抵抗効果積層体４は、第１リード電極５側から反強磁性層４１、磁化固定層４２、非磁性層４３及び自由層４４がこの順に積層された構造を有する。自由層４４は、第２リード電極６に電気的に接続され、反強磁性層４１は、第１リード電極５に電気的に接続されている。なお、磁気抵抗効果積層体４は、第１リード電極５側から自由層４４、非磁性層４３、磁化固定層４２及び反強磁性層４１がこの順に積層された構造を有していてもよい。

自由層４４を構成する材料としては、例えば、Ｎｉ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ等の合金軟磁性材料；Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ等のアモルファス軟磁性材料；Ｃｏ−Ｍｎ−Ｓｉ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｍｎ−Ｓｉ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｇｅ−Ｇａ、Ｃｏ−Ｍｎ−Ａｌ等のホイスラー合金；Ｃｏ−Ｐｔ、Ｆｅ−Ｐｔ、Ｍｎ−Ｇａ等の垂直磁気異方性を有する合金；[Ｃｏ／Ｐｄ]_n、[Ｃｏ／Ｐｔ]_n、[ＣｏＦｅ／Ｎｉ]_n（ｎは括弧内の積層構造を繰り返し単位とする積層回数であって、２以上の整数である。）等の垂直磁気異方性を有する多層膜材料等を用いることができる。自由層４４は、上記材料の単層膜又は上記材料から任意に選択された２種以上による積層膜として構成され得る。

自由層４４は、第１自由層と、Ｔａ、Ｒｕ、Ｗ等の非磁性材料からなる中間層と、第２自由層とがこの順に積層された積層構造により構成されていてもよい。自由層４４がこのような積層構造により構成されることで、ＭＲ比の劣化を抑制することができる。この場合における第１自由層及び第２自由層を構成する材料としては、上記の材料の中から任意に選択され得る。

自由層４４は、膜面垂直方向を磁化容易軸とする一軸磁気異方性が誘導され得るような材料により構成されていてもよい。これにより、一軸磁気異方性エネルギーＫｕと自由層４４に働く反磁界によって生じる形状異方性エネルギーＫｄとが打ち消しあい、実効的な垂直磁気異方性エネルギーＫｅｆｆが実質的にゼロになるため、自由層４４の磁化方向を様々な方向に向かせることが容易となる。

自由層４４を構成する材料として、Ｃｏ−Ｐｔ、Ｆｅ−Ｐｔ、[Ｃｏ／Ｐｄ]ｎ等の垂直磁気異方性を有する材料を用いることで、膜面垂直方向を磁化容易軸とする一軸磁気異方性を自由層４４に好適に誘導することができる。また、後述する非磁性層４３が金属酸化物（例えばＭｇＯ）により構成される場合、自由層４４のうち、非磁性層４３に接する層をＣｏ−Ｆｅ−Ｂにより構成することで、金属酸化物と強磁性材料との界面に働く界面垂直磁気異方性を、上記一軸磁気異方性として利用することができる。

自由層４４における一軸磁気異方性エネルギーＫｕと形状異方性エネルギーＫｄとは、自由層４４を構成する合金材料の組成、膜厚（自由層４４が複数層の積層膜により構成される場合には各層の膜厚）、自由層４４の形状、寸法等により適宜調整され得る。

磁化固定層４２を構成する材料としては、上述した自由層４４として用いられ得る種々の材料と同一材料を用いることができ、磁化固定層４２は、上記材料の単層膜又は上記材料から任意に選択された２種以上による積層膜として構成され得る。

磁化固定層４２は、第１磁化固定層と、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｃｒ、Ｉｒ、Ｃｕ等の非磁性材料からなる中間層と、第２磁化固定層とがこの順に積層された積層構造であって、第１磁化固定層の磁化と第２磁化固定層の磁化とが相互に反平行に結合される合成反強磁性（Synthetic Antiferromagnets，ＳＡＦ）構造を有していてもよい。磁化固定層４２を構成する２つの強磁性層（第１磁化固定層及び第２磁化固定層）間に強い交換結合を与え、反強磁性層４１からの交換結合力を実効的に増大させることができ、しかも磁化固定層４２から発生する静磁界が自由層４４に及ぼす影響を減らすことも可能となる。

磁化固定層４２は、膜面垂直方向を磁化容易軸とする一軸磁気異方性が誘導され得るような材料により構成される。磁化固定層４２において、一軸磁気異方性エネルギーＫｕと磁化固定層４２に働く反磁界による形状異方性エネルギーＫｄとから与えられる実効的な垂直磁気異方性エネルギーＫｅｆｆを所定の範囲（ゼロに近い所定の範囲）に設定した上で、反強磁性層４１と磁化固定層４２との間に適度な交換磁気異方性（一方向磁気異方性エネルギーＪｋ）を所定の角度に誘導することで、磁化固定層４２の磁化方向を膜面（半導体基板２の第１面２１）から所定の角度をもって傾斜させて固定することができる。

磁化固定層４２における一軸磁気異方性エネルギーＫｕと形状異方性エネルギーＫｄとは、自由層４４と同様、磁化固定層４２を構成する合金材料の組成、膜厚（磁化固定層４２が複数層の積層膜により構成される場合には各層の膜厚）、磁化固定層４２の形状、寸法等により適宜調整され得る。

上述したように、自由層４４及び磁化固定層４２の材料、膜厚等は、一軸磁気異方性エネルギーＫｕと形状異方性エネルギーＫｄとにより設定され得る。そのため、自由層４４及び磁化固定層４２の厚さは、一軸磁気異方性エネルギーＫｕと形状異方性エネルギーＫｄとから与えられる実効的な垂直磁気異方性エネルギーＫｅｆｆを考慮した上で、それぞれ、例えば１〜１０ｎｍ程度で設定され得る。

非磁性層４３は、スペーサ層であり、本実施形態における磁気抵抗効果積層体４にトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ効果）又は巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ効果）を発現させるための必須の膜である。非磁性層４３を構成する材料としては、ＭｇＯ、Ｍｇ−Ａｌ−Ｏ、Ａｌ−Ｏ等の酸化物；Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｒ、Ａｇ−Ｚｎ、Ｎｉ−Ａｌ等の金属材料；等が挙げられる。なお、非磁性層４３の厚さは、０．１〜５ｎｍ程度である。

反強磁性層４１は、例えば、Ｐｔ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｉｒ，Ｃｒ及びＦｅのグループの中から選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｍｎとを含むＭｎ含有反強磁性材料や、ＣｏＯ、Ｃｒ₂Ｏ₃等の酸化物反強磁性材料等により構成される。このＭｎ含有反強磁性材料におけるＭｎの含有量は、例えば３５〜９５原子％程度である。Ｍｎ含有反強磁性材料は、Ｌ１２−Ｍｎ₃Ｉｒ、Ｌ１０−ＰｔＭｎ等の規則合金であってもよいし、γ−ＭｎＩｒ等の不規則合金であってもよい。反強磁性材料により構成される反強磁性層４１は、磁化固定層４２との間での交換結合により、磁化固定層４２の磁化の方向を固定する役割を果たす。

なお、本実施形態における磁気抵抗効果積層体４は、反強磁性層４１と第１リード電極５との間に位置する下地層を含んでいてもよく、自由層４４と第２リード電極６との間に位置するキャップ層を含んでいてもよい。

下地層を構成する材料としては、例えば、Ｔａ，Ｃｒ，Ｈｆ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｗ，Ｒｕ，Ｐｔ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕ等の金属材料；ＮｉＣｒ，ＣｒＴｉ等の合金材料等を用いることができ、下地層は、これらの単層構造であってもよいし、２種以上の積層構造であってもよい。反強磁性層４１を構成する材料としてＭｎ−Ｉｒを用いる場合、下地層がＴａ／Ｒｕ、Ｔａ／ＮｉＣｒにより構成されると、大きな一方向磁気異方性エネルギーＪｋが誘導され得る。

キャップ層を構成する材料としては、例えば、Ｒｕ，Ｔａ，Ｗ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕ等の金属材料や、これらのうちの少なくとも１種を含む合金材料等を用いることができる。キャップ層は、極めて薄膜（例えば０．５ｎｍ程度）のＭｇＯ、Ａｌ−Ｏ等の絶縁材料層を含んでいてもよい。自由層４４に接触するキャップ層の材料によって、自由層４４の一軸磁気異方性エネルギーＫｕを調整可能である。

本実施形態において、Ｘ軸用磁気抵抗効果素子３１、Ｙ軸用磁気抵抗効果素子３２及びＺ軸用磁気抵抗効果素子３３の各磁化固定層４２の磁化方向Ｍ４２は、半導体基板２の第１面２１に対して所定の角度で傾斜する方向に固定されている。好ましくは、当該磁化方向Ｍ４２は、半導体基板２の第１面２１に対して１５〜５５°の角度θ_M42で傾斜する方向に固定され、特に好ましくは、２５〜４５°の角度で傾斜する方向に固定される。各磁化固定層４２の磁化方向Ｍ４２が半導体基板２の第１面２１に対して仰角を有することで、各磁化固定層４２の磁化方向Ｍ４２を相互に直交させることができる。よって、Ｘ軸用磁気抵抗効果素子３１においては、その磁化固定層４２の磁化方向の向き（Ｘ軸方向）の磁場成分を検出することができ、同様に、Ｙ軸用磁気抵抗効果素子３２及びＺ軸用磁気抵抗効果素子３３においては、それぞれ、各磁化固定層４２の磁化方向の向き（Ｙ軸方向及びＺ軸方向）の磁場成分を検出することができる。

図４に示すように、Ｘ軸用磁気抵抗効果素子３１、Ｙ軸用磁気抵抗効果素子３２及びＺ軸用磁気抵抗効果素子３３の各磁気抵抗効果積層体４（４Ｘ，４Ｙ，４Ｚ）の磁化固定層４２の磁化方向Ｍ４２１〜Ｍ４２３を半導体基板２の第１面２１に投影したとき、第１面２１に投影された各磁化方向Ｍ４２１〜Ｍ４２３は、相互に１１０〜１３０°異なる方向を向くように固定されている。すなわち、Ｘ軸用磁気抵抗効果素子３１の磁化固定層４２の磁化方向Ｍ４２１とＹ軸用磁気抵抗効果素子３２の磁化固定層４２の磁化方向Ｍ４２２とのなす角度θ_XY、Ｘ軸用磁気抵抗効果素子３１の磁化固定層４２の磁化方向Ｍ４２１とＺ軸用磁気抵抗効果素子３３の磁化固定層４２の磁化方向Ｍ４２３とのなす角度θ_XZ、Ｙ軸用磁気抵抗効果素子３２の磁化固定層４２の磁化方向Ｍ４２２とＺ軸用磁気抵抗効果素子３３の磁化固定層４２の磁化方向Ｍ４２３とのなす角度θ_YZは、いずれも１１０〜１３０°である。各磁化固定層４２の磁化方向Ｍ４２（Ｍ４２１〜Ｍ４２３）が半導体基板２の第１面２１に対して所定の角度θ_M42で傾斜するとともに、相互に１１０〜１３０°異なる方向を向くように固定されていることで、各磁化固定層４２の磁化方向Ｍ４２（Ｍ４２１〜Ｍ４２３）が相互に実質的に直交し、３軸方位の磁場を高精度に検出することができる。

Ｘ軸用磁気抵抗効果素子３１、Ｙ軸用磁気抵抗効果素子３２及びＺ軸用磁気抵抗効果素子３３の各磁気抵抗効果積層体４は、所定の点Ｐを中心として周方向に略１２０°の間隔で配置されている。すなわち、Ｘ軸用磁気抵抗効果素子３１、Ｙ軸用磁気抵抗効果素子３２及びＺ軸用磁気抵抗効果素子３３の各磁気抵抗効果積層体４は、所定の点Ｐを重心とする正三角形の各頂点に位置するように配置されている。

なお、本実施形態に係る３軸磁気センサ１は、第２リード電極６を覆う保護層７と、第１リード電極５及び第２リード電極６のそれぞれに電気的に接続される、Ａｕ等からなる第１電極パッド８１及び第２電極パッド８２をさらに備える。

上述した構成を有する３軸磁気センサ１の製造方法を説明する。図５〜１５は、本実施形態に係る３軸磁気センサ１の製造工程を順に示す工程図であって、各図（Ａ）は平面図であり、各図（Ｂ）は、各図（Ａ）におけるＩ−Ｉ線断面図である。

半導体基板２の第１面２１上に絶縁層ＩＬ１及び第１導電材料膜５０をこの順にスパッタリング等により積層形成し、フォトリソグラフィー工程を経てＸ軸用磁気抵抗効果素子３１、Ｙ軸用磁気抵抗効果素子３２及びＺ軸用磁気抵抗効果素子３３のそれぞれの第１リード電極５を形成し、第１リード電極５の周囲に絶縁層ＩＬ２を形成する（図５（Ａ）〜８（Ａ）、図５（Ｂ）〜８（Ｂ）参照）。

次に、第１リード電極５を被覆するようにして磁気抵抗効果膜（反強磁性膜、強磁性膜、非磁性膜及び強磁性膜をこの順で積層した積層膜）４０をスパッタリング等により形成し（図９（Ａ），（Ｂ）参照）、フォトリソグラフィー工程を経て第１リード電極５上の所定の領域に、平面視略円形状の磁気抵抗効果積層体４を形成し、磁気抵抗効果積層体４の周囲に絶縁層ＩＬ３を形成する（図１０（Ａ）〜１１（Ａ）、図１０（Ｂ）〜１１（Ｂ）参照）。各磁気抵抗効果積層体４は、所定の点Ｐを中心として周方向に１２０°の間隔で配置されるようにして形成される。

続いて、磁気抵抗効果積層体４に対してアニール処理を施しながら、ソレノイド装置等を用いて磁場を印加する（図１２（Ａ），（Ｂ）参照）。このとき、半導体基板２の第２面２２における上記所定の点Ｐに対応する位置から、半導体基板２の第２面２２に対する鉛直方向に離れた位置にソレノイド装置を設置する。そして、各磁気抵抗効果積層体４の各層の構成材料、各層の膜厚、寸法、形状、磁化固定層４２の垂直磁気異方性エネルギーＫｕと形状異方性エネルギーＫｄとから与えられる実効的な垂直磁気異方性エネルギーＫｅｆｆ等に応じ、反強磁性層４１と磁化固定層４２との間に所定の交換磁気異方性を誘導させるよう、半導体基板２の第１面２１に対して所望の角度で傾斜する方向の磁場を各磁気抵抗効果積層体４に印加する。例えば、磁場印加前の状態における磁化固定層４２の磁化の角度（膜面内方向に対する角度）に応じて、ソレノイド装置と半導体基板２の第２面２２との間の距離やソレノイド装置のコイルへの印加電流を制御することにより、所望の角度で傾斜する方向の磁場を各磁気抵抗効果積層体４に印加することができる。これにより、各磁気抵抗効果積層体４における磁化固定層４２の磁化方向を、半導体基板２の第１面２１に対して１５〜５５°、好ましくは２５〜４５°の角度θ_M42で傾斜する方向、かつ相互に１１０〜１３０°異なる方向を向くように固定することができる。

各磁気抵抗効果積層体４上に第２導電材料膜をスパッタリング等により形成し、当該各磁気抵抗効果積層体４に電気的に接続する第２リード電極６を、フォトリソグラフィー工程を経て形成し、第２リード電極６を被覆する保護層７を形成する（図１３（Ａ），（Ｂ）参照）。

続いて、保護層７にコンタクトホールＣＨ１，ＣＨ２を形成し、第１リード電極５及び第２リード電極６の一部を露出させる（図１４（Ａ），（Ｂ）参照）。最後に、当該コンタクトホールＣＨ１，ＣＨ２内にＡｕ等を埋設させて第１及び第２電極パッド８１，８２を形成する（図１５（Ａ），（Ｂ）参照）。このようにして、本実施形態に係る３軸磁気センサ１が製造され得る。

上述したように、本実施形態に係る３軸磁気センサ１においては、Ｘ軸用磁気抵抗効果素子３１、Ｙ軸用磁気抵抗効果素子３２及びＺ軸用磁気抵抗効果素子３３が、いずれも、半導体基板２の第１面２１に実質的に直交する方向に積層形成された磁気抵抗効果積層体４を含み、各磁気抵抗効果積層体４が同一プロセスにより作製されることで実質的に同一の特性を有する。そして、各磁気抵抗効果積層体４の磁化固定層４２の磁化方向が、半導体基板２の第１面２１に対して１５〜５５°、好ましくは２５〜４５°の角度θ_M42で傾斜する方向、かつ相互に１１０〜１３０°異なる方向を向くように固定されていることで、３軸方位のそれぞれに対応するように互いに直交する。したがって、本実施形態に係る３軸磁気センサ１によれば、３軸方位の磁界を高精度に検出することができる。

以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。

以下、実施例等を挙げて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は下記の実施例等に何ら限定されるものではない。

〔実施例１〕
図１〜４に示す構造を有し、寸法φ１μｍ、平面視円形状、表１に示す各層構造、各層の構成材料及び膜厚の磁気抵抗効果積層体４を含むＸ軸用磁気抵抗効果素子３１、Ｙ軸用磁気抵抗効果素子３２及びＺ軸用磁気抵抗効果素子３３を、図５〜１５に示す方法によりＳｉ基板２の第１面２１上に作製した。なお、磁化固定層４２の垂直磁気異方性エネルギーＫｕと形状異方性エネルギーＫｄとから与えられる実効的な垂直磁気異方性エネルギーＫｅｆｆが−０．１６ｅｒｇ／ｃｍ²であることから、磁化固定層４２と反強磁性層４１との間に所定の交換磁気異方性（Ｊｋ＝０．３ｅｒｇ／ｃｍ²）を誘導させるように、各磁気抵抗効果積層体４の面直に対して２４°傾いた方向に磁場を印加した。その結果、磁化固定層４２の磁化方向を、Ｓｉ基板２の第１面２１に対して３５．３°の角度で傾斜する方向に固定することができた。

〔実施例２〕
図１〜４に示す構造を有し、寸法φ１μｍ、平面視円形状、表２に示す各層構造、各層の構成材料及び膜厚の磁気抵抗効果積層体４を含むＸ軸用磁気抵抗効果素子３１、Ｙ軸用磁気抵抗効果素子３２及びＺ軸用磁気抵抗効果素子３３を、図５〜１５に示す方法によりＳｉ基板２の第１面２１上に作製した。なお、磁化固定層４２の垂直磁気異方性エネルギーＫｕと形状異方性エネルギーＫｄとから与えられる実効的な垂直磁気異方性エネルギーＫｅｆｆが０．１５ｅｒｇ／ｃｍ²であることから、磁化固定層４２と反強磁性層４１との間に所定の交換磁気異方性（Ｊｋ＝０．４ｅｒｇ／ｃｍ²）を誘導させるように、各磁気抵抗効果積層体４の面直に対して７５°傾いた方向に磁場を印加した。その結果、磁化固定層４２の磁化方向を、Ｓｉ基板２の第１面２１に対して３５．３°の角度で傾斜する方向に固定することができた。

１…３軸磁気センサ
２…半導体基板（基板）
２１…第１面
２２…第２面
３…磁気センサ素子群
３１…Ｘ軸用磁気抵抗効果素子（第１磁気センサ素子）
３２…Ｙ軸用磁気抵抗効果素子（第２磁気センサ素子）
３３…Ｚ軸用磁気抵抗効果素子（第３磁気センサ素子）
４…磁気抵抗効果積層体（第１〜第３磁気抵抗効果素子）
４２…磁化固定層
４４…自由層

Claims

第１面及び当該第１面に対向する第２面を有する基板と、
前記基板の前記第１面上に設けられてなる磁気センサ素子群と
を備え、
前記磁気センサ素子群は、第１軸方向の磁気を検出するための第１磁気センサ素子と、第２軸方向の磁気を検出するための第２磁気センサ素子と、第３軸方向の磁気を検出するための第３磁気センサ素子とを含み、
前記第１軸方向と前記第２軸方向とは、前記第１軸方向と前記第２軸方向とを含む平面上において相互に直交する方向であり、
前記第３軸方向は、前記第１軸方向と前記第２軸方向とを含む前記平面に直交する方向であり、
前記第１〜第３磁気センサ素子は、それぞれ、第１〜第３磁気抵抗効果素子を含み、
前記第１〜第３磁気抵抗効果素子は、いずれも、磁化固定層及び自由層を少なくとも含む積層体であり、
前記第１〜第３磁気抵抗効果素子の各磁化固定層の磁化方向は、前記基板の前記第１面に対して所定の角度で傾斜する方向に固定されていることを特徴とする３軸磁気センサ。
前記第１〜第３磁気抵抗効果素子は、いずれも、前記基板の前記第１面に対して直交する方向に沿って前記磁化固定層及び前記自由層が積層されてなる積層体であることを特徴とする請求項１に記載の３軸磁気センサ。
前記第１〜第３磁気抵抗効果素子の各磁化固定層の磁化方向は、前記基板の前記第１面に対して１５〜５５°の角度で傾斜する方向に固定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の３軸磁気センサ。
前記基板の前記第１面の上方から見た平面視において、前記第１磁気抵抗効果素子の前記磁化固定層の磁化方向と、前記第２磁気抵抗効果素子の前記磁化固定層の磁化方向と、前記第３磁気抵抗効果素子の前記磁化固定層の磁化方向とをそれぞれ前記基板の前記第１面に投影したときに、投影された前記磁化方向は、相互に１１０〜１３０°異なる方向を向くように固定されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の３軸磁気センサ。
前記磁気抵抗効果素子が、ＧＭＲ素子又はＴＭＲ素子であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の３軸磁気センサ。
請求項１〜５のいずれかに記載の３軸磁気センサを製造する方法であって、
前記基板の前記第１面上に前記磁化固定層を構成する反強磁性膜及び前記自由層を構成する磁性膜を少なくとも含む積層膜を形成する工程と、
前記積層膜をミリングすることで、第１〜第３積層構造体を形成する工程と、
前記第１〜第３積層構造体に同時に磁場を印加することで、前記磁化固定層の磁化方向を前記基板の前記第１面に対して所定の角度で傾斜させて固定させる工程と
を含むことを特徴とする３軸磁気センサの製造方法。
前記磁化固定層の磁化方向を、前記基板の前記第１面に対して１５〜５５°の角度で傾斜させて固定させることを特徴とする請求項６に記載の３軸磁気センサの製造方法。
前記基板の前記第１面の上方から見た平面視において、前記第１積層構造体の前記磁化固定層の磁化方向と、前記第２積層構造体の前記磁化固定層の磁化方向と、前記第３積層構造体の前記磁化固定層の磁化方向とをそれぞれ前記基板の前記第１面に投影したときに、投影された前記磁化方向を、相互に１１０〜１３０°異なる方向を向くように固定させることを特徴とする請求項６又は７に記載の３軸磁気センサの製造方法。
前記基板の前記第１面の上方から見た平面視において、前記第１〜第３積層構造体を、前記第１面上における所定の点を中心として周方向に１２０°の間隔で配置されるように形成し、
前記第１面上における所定の点に対向する、前記基板の前記第２面側における位置に磁場印加装置を配置し、当該磁場印加装置から前記第１〜第３積層構造体に磁場を印加することを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載の３軸磁気センサの製造方法。