(57)【要約】【課題】  磁気抵抗素子を備えた電子デバイスにおいて、十分な出力が得られ、かつ小型化を図ることができる電子デバイスを提供する。【解決手段】  基板１上に集積回路が設けられ、その上に磁場検出ユニット３が設けられ、磁場検出ユニット３は、半導体基板１の厚み方向に積層された複数の素子層４、５を有し、素子層４が磁気抵抗素子４ａ、４ｂを備え、素子層５が磁気抵抗素子４ｃ、４ｄを備えている。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に磁場検出ユニットが設けられ、該磁場検出ユニットは、前記基板の厚み方向に積層された複数の素子層を備え、これら素子層が、それぞれ少なくとも１つの磁気抵抗素子を備えていることを特徴とする電子デバイス。
【請求項２】
前記素子層が、外部磁界の第一成分を検出する第一成分磁気抵抗素子と、外部磁界の第二成分を検出する第二成分磁気抵抗素子とを備えていることを特徴とする請求項１に記載の電子デバイス。
【請求項３】
前記素子層が４以上設けられ、これらのうち２以上が外部磁界の第一成分を検出する第一成分磁気抵抗素子を備え、これら以外のもののうち２以上が外部磁界の第二成分を検出する第二成分磁気抵抗素子を有することを特徴とする請求項１に記載の電子デバイス。
【請求項４】
前記第一および第二成分磁気抵抗素子が、ホイートストンブリッジを構成することを特徴とする請求項２または３に記載の電子デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗素子を有する磁場検出ユニットを備えた電子デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、シリコンウエハなどの半導体基板上に磁気抵抗センサを設けた半導体装置などの電子デバイスが用いられている（例えば、特許文献１および特許文献２を参照）
図１４は、電子デバイスの一例である半導体装置を示すもので、この半導体装置では、半導体基板１０１上に、集積回路１０２と、磁気抵抗センサとしての磁場検出ユニット１０３とが並んで設けられている。
図１５は、半導体装置の他の例を示すもので、この半導体装置では、半導体基板１０１上に集積回路１０２が設けられ、その上に絶縁層１０４を介して磁場検出ユニット１０３が設けられている。
【０００３】
図１６は、磁場検出ユニット１０３を示すもので、磁場検出ユニット１０３は、外部磁界のＸ軸成分を検出する２つの磁気抵抗素子１０３ａ、１０３ｃと、外部磁界のＹ軸成分を検出する２つの磁気抵抗素子１０３ａ、１０３ｃとを備えている。
磁気抵抗素子１０３ａ、１０３ｃは、Ｘ軸方向に延びる複数の配線をつづら折り状に構成したものである。磁気抵抗素子１０３ｂ、１０３ｄは、Ｙ軸方向に延びる複数の配線をつづら折り状に構成したものである。磁気抵抗素子１０３ａ〜１０３ｄは、パーマロイなどの強磁性体で構成される。
磁気抵抗素子１０３ａ〜１０３ｄは、ホイートストンブリッジを構成し、検出端ｖ１、ｖ２のブリッジ電圧を測定することで、磁場の変化を検出することができる。
【特許文献１】特開２００３−３５７５７号公報
【特許文献２】特開２００１−２９６１２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記半導体装置では、次に示す問題があった。
基板１０１上に集積回路１０２と並んで磁場検出ユニット１０３を設けた場合には、装置のサイズが大きくなるという問題があった。
また、基板１０１上に集積回路１０２を設け、その上に絶縁層１０４を介して磁場検出ユニット１０３を設けた場合には、磁場検出ユニット１０３の大きさを集積回路１０２の大きさに合わせて小さくする必要がある。このため、磁気抵抗素子１０３ａ〜１０３ｄの設計に制約が大きく、十分な出力を得るのが難しかった。
本発明は、上記事情に基づいてなされたもので、磁気抵抗素子を備えた電子デバイスにおいて、十分な出力が得られ、かつ小型化を図ることができる電子デバイスを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の請求項１に係る電子デバイスは、基板上に磁場検出ユニットが設けられ、該磁場検出ユニットが、前記基板の厚み方向に積層された複数の素子層を備え、これら素子層が、それぞれ少なくとも１つの磁気抵抗素子を備えていることを特徴とする。
本発明の請求項２に係る電子デバイスは、請求項１において、前記素子層が、外部磁界の第一成分を検出する第一成分磁気抵抗素子と、外部磁界の第二成分を検出する第二成分磁気抵抗素子とを備えていることを特徴とする。
本発明の請求項３に係る電子デバイスは、請求項１において、前記素子層が４以上設けられ、これらのうち２以上が外部磁界の第一成分を検出する第一成分磁気抵抗素子を備え、これら以外のもののうち２以上が外部磁界の第二成分を検出する第二成分磁気抵抗素子を有することを特徴とする。
本発明の請求項４に係る電子デバイスは、請求項２または３において、前記第一および第二成分磁気抵抗素子が、ホイートストンブリッジを構成することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明に係る電子デバイスは、磁気抵抗素子を有する複数の素子層が積層された磁場検出ユニットを備えているので、すべての磁気抵抗素子が１つの層に設けられた構成のものに比べ、磁気抵抗素子が占有する面積を大幅に小さくすることができる。従って、装置の小型化を図ることができる。
また、磁気抵抗素子の占有面積を小さくできるため、磁気抵抗素子の大きさや形状に関して制約が少なくなり、設計自由度が大きくなる。このため、磁気抵抗素子を、十分な出力電圧が得られるように設計するのが容易となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明の電子デバイスの第１の例である半導体装置を、図１〜図４を参照しつつ、具体的に説明する。
図１〜図４において、（ａ）は装置の平面図を示し、（ｂ）は、磁気抵抗素子４ａ、４ｂに沿うＢ−Ｂ’断面（図２（ａ）を参照）を模式的に示す図である。（ｃ）は、電極Ａ４を含む部分のＣ−Ｃ’断面を模式的に示す図である。
【０００８】
図１に示すように、集積回路（図示せず）およびこれに接続された電極Ａ１〜Ａ４が形成された半導体基板１を用意し、半導体基板１上に第１絶縁層２を形成する。
半導体基板１はシリコンなどからなる。なお、本発明では、半導体基板に限らず、セラミックス、ＰＣＢ樹脂、ガラスなどからなる基板を使用することもできる。
電極Ａ１〜Ａ４の材料には、Ａｌ、Ａｌ−Ｓｉなどが好適に用いられる。
【０００９】
第１絶縁層２は、酸化物（ＳｉＯ２など）、窒化物（ＳｉＮなど）、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、シリコン樹脂などからなる。第１絶縁層２の厚さは、０．１〜２０μｍとすることができる。
第１絶縁層２に酸化物、窒化物を用いる場合には、製造方法としてプラズマＣＶＤ法が採用でき、樹脂を用いる場合には回転塗布法、印刷法、ラミネート法などが採用できる。
【００１０】
第１絶縁層２には、電極Ａ１〜Ａ３に整合する位置に開口部２Ａ１〜２Ａ３を形成する。
開口部２Ａ１〜２Ａ３の形成には、例えばポリイミド樹脂等からなる樹脂膜を基板１表面に形成した後に、フォトリゾグラフィ技術によりパターニングする方法をとることができる。また、ＲＩＥ法を用いて開口部２Ａ１〜２Ａ３を形成することもできる。
図２に示すように、開口部２Ａ１〜２Ａ３には、それぞれ電極Ａ１〜Ａ３に接続された配線部３Ａ１〜３Ａ３（パッド部）が形成される。配線部３Ａ１〜３Ａ３には、例えばＣｕ、Ａｌ、Ａｌ−Ｓｉ、Ｔｉ／Ｃｕ、ＴｉＮ、Ａｕ、Ｃｒのうち１つまたは２以上が用いられる。配線部３Ａ１〜３Ａ３を形成するには、スパッタ法、真空蒸着、ＣＶＤ、めっき法などが採用できる。
【００１１】
以下、図２〜図４を参照して、第１絶縁層２上に、磁気抵抗センサとしての磁場検出ユニット３を形成する方法を説明する。
磁場検出ユニット３は、半導体基板１の厚み方向に積層された第１および第２素子層４、５と、これらの間に設けられた第２絶縁層６を備えている。
図２に示すように、第１素子層４は、外部磁界のＸ軸成分（第一成分）を検出するＸ方向磁気抵抗素子４ａ（第一成分磁気抵抗素子）と、外部磁界のＹ軸成分（第二成分）を検出するＹ方向磁気抵抗素子４ｂ（第二成分磁気抵抗素子）とを有する。
図２（ａ）において、Ｘ方向は左右方向に相当し、Ｙ方向は上下方向に相当する。
【００１２】
Ｘ方向磁気抵抗素子４ａは、例えばパーマロイ（Ｎｉ−８０ｗｔ％Ｆｅ）などの強磁性体からなり、Ｘ軸方向に延びる複数の配線を連結し、つづら折り状に構成したものである。Ｘ方向磁気抵抗素子４ａは、配線部３Ａ３から配線部３Ａ２にかけて形成されている。
Ｙ方向磁気抵抗素子４ｂは、例えばパーマロイ（Ｎｉ−８０ｗｔ％Ｆｅ）などの強磁性体からなり、Ｙ軸方向に延びる複数の配線を連結し、つづら折り状に構成したものである。Ｙ方向磁気抵抗素子４ｂは、配線部３Ａ２から配線部３Ａ１にかけて形成されている。
磁気抵抗素子４ａ、４ｂには、ＮｉＦｅ、ＦｅＣｏＳｉＢ、ＣｏＮｂＺｒなどの非晶質（アモルファス）磁性材料や結晶性磁性材料を用いることもできる。特に、搬送波信号の周波数帯において軟磁性であり、高透磁率を示す材料が好ましい。
【００１３】
磁気抵抗素子４ａ、４ｂを形成するには、例えばスパッタリング法とフォトリソグラフィ法との組合せ（エッチングもしくはリフトオフ）が採用できる。また、上記材料からなる合金ターゲットを用いたＲＦスパッタ法を採用してもよい。
このほか、イオンビームエッチング法、ドライエッチッグ加工法（反応性イオンエッチング法など）、ウェットエッチング加工法、メタルマスク法を採用してもよい。
【００１４】
次いで、図３に示すように、少なくとも磁気抵抗素子４ａ、４ｂを覆うように第２絶縁層６を形成する。第２絶縁層６は、上述の第１絶縁層２の説明で示した構成とすることができる。
第２絶縁層６には、電極Ａ１、Ａ３、Ａ４に整合する位置に、それぞれ開口部７Ａ１、７Ａ３、７Ａ４を形成する。開口部７Ａ１、７Ａ３、７Ａ４は、開口部２Ａ１〜２Ａ３と同様の方法により形成することができる。
【００１５】
図４に示すように、開口部７Ａ１、７Ａ３には、それぞれ配線部３Ａ１、３Ａ３に接続された配線部４Ａ１、４Ａ３（パッド部）が形成される。開口部７Ａ４には、電極Ａ４に接続された配線部４Ａ４（パッド部）が形成される。配線部７Ａ１、７Ａ３、７Ａ４は、配線部３Ａ１〜３Ａ３と同様にして形成することができる。
【００１６】
次いで、第２絶縁層６の上に、第２素子層５を形成する。
第２素子層５は、外部磁界のＸ軸成分を検出するＸ方向磁気抵抗素子４ｃと、Ｙ軸成分を検出するＹ方向磁気抵抗素子４ｄとを有する。
Ｘ方向磁気抵抗素子４ｃは、Ｘ軸方向に延びる複数の配線を連結し、つづら折り状に構成したものであり、配線部４Ａ１から配線部４Ａ４にかけて形成されている。
Ｙ方向磁気抵抗素子４ｄは、Ｙ軸方向に延びる複数の配線を連結し、つづら折り状に構成したものであり、Ｘ方向磁気抵抗素子４ｃから配線部４Ａ３にかけて形成されている。
磁気抵抗素子４ｃ、４ｄは、それぞれほぼ磁気抵抗素子４ｂ、４ａの上に相当する位置に形成するのが好ましい。
【００１７】
磁気抵抗素子４ｃ、４ｄは、磁気抵抗素子４ａ、４ｂと同様の材料を使用でき、磁気抵抗素子４ａ、４ｂと同様の方法で形成することができる。
磁気抵抗素子４ａ〜４ｄは、ホイートストンブリッジを構成するように接続することができる（図１６を参照）。この構成によれば、図示せぬ検出手段によって検出端のブリッジ電圧を測定することで、磁場の変化を検出することができる。
【００１８】
上記半導体装置は、磁気抵抗素子４ａ、４ｂを有する第１素子層４と、磁気抵抗素子４ｃ、４ｄを有する第２素子層５とが積層された磁場検出ユニット３を備えている。
このため、すべての磁気抵抗素子が１つの層に設けられた構成のものに比べ（図１４、１５を参照）、磁気抵抗素子４ａ〜４ｄが占有する面積を大幅に小さくすることができる。従って、装置の小型化を図ることができる。
また、磁気抵抗素子４ａ〜４ｄの占有面積を小さくできるため、磁気抵抗素子４ａ〜４ｄの大きさや形状に関して制約が少なくなり、設計自由度が大きくなる。このため、磁気抵抗素子４ａ〜４ｄを、十分な出力電圧が得られるように設計するのが容易となる。
【００１９】
さらには、素子層４、５が、それぞれ２つの磁気抵抗素子を備えているので、１つの素子層に１つの磁気抵抗素子を設ける場合に比べ、素子層の数を少なくし、全体の厚さを抑えることができる。
【００２０】
図５は、図４に示す半導体装置（積層型）と、半導体基板上に集積回路に並んで磁場検出ユニットを設けた従来型の半導体装置（平面型）（図１４を参照）において、磁気抵抗素子の占有面積と、磁場検出ユニットの出力電圧との関係を示すものである。
なお、積層型については、第１素子層４の磁気抵抗素子４ａ、４ｂの占有面積と、第２素子層５の磁気抵抗素子４ｃ、４ｄの占有面積との和を、磁気抵抗素子の占有面積としてプロットしたため、この図における占有面積は、装置に組み込んだ際に磁気抵抗素子４ａ〜４ｄが占有する面積の約２倍に相当する。
図５に示すように、積層型の半導体装置は、磁気抵抗素子４ａ〜４ｄの占有面積の和が、平面型の磁気抵抗素子の占有面積にほぼ等しい場合に、ほぼ同等の出力が得られた。
この結果から、積層型では、装置化した場合の磁気抵抗素子４ａ〜４ｄの占有面積が平面型の約半分となるにもかかわらず、平面型と同等の出力が得られたことがわかる。
【００２１】
次に、本発明の半導体装置の第２の例を説明する。
この例の半導体装置は、各素子層に１つずつの磁気抵抗素子を備えている点で図４に示す半導体装置と異なる。
図６〜図８、図１１、図１２において、（ａ）は装置の平面図を示し、（ｂ）は、磁気抵抗素子１４ａに沿うＤ−Ｄ’断面（図７（ａ）を参照）を模式的に示す図である。（ｃ）は、電極Ａ１を含む部分のＥ−Ｅ’断面を模式的に示す図である。
図９、図１０、図１３において、（ａ）は装置の平面図を示し、（ｂ）は、磁気抵抗素子１４ｂに沿うＦ−Ｆ’断面（図９（ａ）を参照）を模式的に示す図である。（ｃ）は、電極Ａ１を含む部分のＥ−Ｅ’断面（図７（ａ）を参照）を模式的に示す図である。
【００２２】
図６に示すように、集積回路（図示せず）およびこれに接続された電極Ａ１〜Ａ４を形成した半導体基板１を用意し、半導体基板１上に第１絶縁層２を形成する。第１絶縁層２には、電極Ａ１、Ａ２に整合する位置に開口部１２Ａ１、１２Ａ２を形成する。
【００２３】
以下、図７〜図１３を参照して、第１絶縁層２上に、磁場検出ユニット２０を形成する方法を説明する。
図７に示すように、開口部１２Ａ１、１２Ａ２に、それぞれ電極Ａ１、Ａ２に接続された配線部１３Ａ１、１３Ａ２を形成する。
次いで、第１絶縁層２上に、Ｘ方向磁気抵抗素子１４ａを備えた第１素子層２１を形成する。Ｘ方向磁気抵抗素子１４ａは、配線部１３Ａ１から配線部１３Ａ２にかけて形成する。
【００２４】
図８に示すように、少なくともＸ方向磁気抵抗素子１４ａを覆うように第２絶縁層８を形成する。第２絶縁層８は、第１絶縁層２と同様の構成とすることができる。第２絶縁層８には、配線部１３Ａ２、電極Ａ３に整合する位置に、それぞれ開口部１５Ａ２、１５Ａ３を形成する。
【００２５】
図９に示すように、開口部１５Ａ２、１５Ａ３にそれぞれ配線部１６Ａ２、１６Ａ３を形成する。配線部１６Ａ２、１６Ａ３は、それぞれ配線部１３Ａ２、電極Ａ３に接続されるように形成する。
次いで、第２絶縁層８の上に、Ｙ方向磁気抵抗素子１４ｂを備えた第２素子層２２を形成する。Ｙ方向磁気抵抗素子１４ｂは、配線部１６Ａ２から配線部１６Ａ３にかけて形成する。
【００２６】
図１０に示すように、少なくともＹ方向磁気抵抗素子１４ｂを覆うように第３絶縁層９を形成する。第３絶縁層９は、第１絶縁層２と同様の構成とすることができる。第３絶縁層９には、配線部１６Ａ３、電極Ａ４に整合する位置に、それぞれ開口部１７Ａ３、１７Ａ４を形成する。
【００２７】
図１１に示すように、開口部１７Ａ３、１７Ａ４にそれぞれ配線部１８Ａ３、１８Ａ４を形成する。配線部１８Ａ３、１８Ａ４は、それぞれ配線部１６Ａ３、電極Ａ４に接続されるように形成する。
次いで、第３絶縁層９の上に、Ｘ方向磁気抵抗素子１４ｃを備えた第３素子層２３を形成する。Ｘ方向磁気抵抗素子１４ｃは、配線部１８Ａ３から配線部１８Ａ４にかけて形成する。
【００２８】
図１２に示すように、少なくともＸ方向磁気抵抗素子１４ｃを覆うように第４絶縁層１０を形成する。第４絶縁層１０は、第１絶縁層２と同様の構成とすることができる。第４絶縁層１０には、配線部１３Ａ１、１８Ａ４に整合する位置に、それぞれ開口部１９Ａ１、１９Ａ４を形成する。
【００２９】
図１３に示すように、開口部１９Ａ１、１９Ａ４にそれぞれ配線部２０Ａ１、２０Ａ４を形成する。配線部２０Ａ１、２０Ａ４は、それぞれ配線部１３Ａ１、１８Ａ４に接続されるように形成する。
次いで、第４絶縁層１０の上に、Ｙ方向磁気抵抗素子１４ｄを備えた第４素子層２４を形成する。Ｙ方向磁気抵抗素子１４ｄは、配線部２０Ａ１から配線部２０Ａ４にかけて形成する。
以上の過程を経て、半導体基板１の厚み方向に積層された第１〜第４素子層２１〜２４と、隣り合う素子層２１〜２４の間に設けられた絶縁層８〜１０とを備えた磁場検出ユニット２０が得られる。
磁気抵抗素子４ａ〜４ｄは、ホイートストンブリッジを構成するように接続することができる。
【００３０】
上記半導体装置は、各素子層２１〜２４に１つずつの磁気抵抗素子が設けられているので、各素子層２１〜２４をいっそう小さくすることができる。従って、さらなる小型化を図ることができる。
【００３１】
なお、Ｘ方向磁気抵抗素子の数は３以上とすることもできる。同様に、Ｙ方向磁気抵抗素子の数も３以上とすることもできる。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明の電子デバイスでは、小型化を図ることができるため、これを搭載する機器、例えば、携帯電話やＰＤＡ、腕時計、ＧＰＳなどの各種電子機器の小型化にも貢献することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明に係る半導体装置の第１の例の製造過程を示す模式図であり、（ａ）は模式的な平面図を示し、（ｂ）および（ｃ）は模式的な断面図を示す。
【図２】前図に続く製造過程を示す模式図である。
【図３】前図に続く製造過程を示す模式図である。
【図４】前図に続く製造過程を示す模式図である。
【図５】試験結果を示すグラフである。
【図６】本発明に係る半導体装置の第２の例の製造過程を示す模式図であり、（ａ）は模式的な平面図を示し、（ｂ）および（ｃ）は模式的な断面図を示す。
【図７】前図に続く製造過程を示す模式図である。
【図８】前図に続く製造過程を示す模式図である。
【図９】前図に続く製造過程を示す模式図である。
【図１０】前図に続く製造過程を示す模式図である。
【図１１】前図に続く製造過程を示す模式図である。
【図１２】前図に続く製造過程を示す模式図である。
【図１３】前図に続く製造過程を示す模式図である。
【図１４】従来の半導体装置の一例を示す模式的な平面図である。
【図１５】従来の半導体装置の一例を示す模式的な平面図である。
【図１６】磁気抵抗素子の一般的な回路構成を示す模式図である。
【符号の説明】
【００３４】
１…半導体基板、３、２０…磁場検出ユニット、４、５、２１〜２４…素子層、４ａ、１４ａ、１４ｃ…Ｘ方向磁気抵抗素子（第一成分磁気抵抗素子）、４ｂ、１４ｂ、１４ｄ…Ｙ方向磁気抵抗素子（第二成分磁気抵抗素子）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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