(57)【要約】【課題】磁気抵抗ブリッジ回路の中心合わせの精度が高く、複数の磁気抵抗ブリッジ回路を任意の角度で作り込むことができる磁気センサを提供する。【解決手段】基板２と、磁気抵抗部４０がそれぞれつづら折り状に形成された磁気抵抗素子である第１ＭＲ素子１１、２１、第２ＭＲ素子１２、２２、第３ＭＲ素子１３、２３、第４ＭＲ素子１４、２４をそれぞれ含んで構成された２つの磁気抵抗ブリッジ回路と、を有している。この２つの磁気抵抗ブリッジ回路は、第１ＭＲ素子１１、第２ＭＲ素子１２、第３ＭＲ素子１３、第４ＭＲ素子１４、及び、第１ＭＲ素子２１、第２ＭＲ素子２２、第３ＭＲ素子２３、第４ＭＲ素子２４のそれぞれの各一辺が互いに隣接して磁気抵抗ブリッジ層（第１ＭＲブリッジ層１０、第２ＭＲブリッジ層２０）として形成され、これらの磁気抵抗ブリッジ層を互いに所定の角度を有して基板２上に積層して、磁気センサ１を構成する。【選択図】図１
2015108527.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
磁気抵抗部がつづら折り状に形成された磁気抵抗素子をそれぞれ含んで構成された複数の磁気抵抗ブリッジ回路と、を有し、
前記複数の磁気抵抗ブリッジ回路は、それぞれ、前記磁気抵抗素子の各磁気抵抗部の端部同士が互いに接続されて磁気抵抗ブリッジ層として形成され、これらの磁気抵抗ブリッジ層は、互いに所定の角度を有して前記基板上に積層されていることを特徴とする磁気センサ。
【請求項２】
前記磁気抵抗ブリッジ層は、第１から第４の４つの磁気抵抗素子が互いに隣接して矩形に形成され、この磁気抵抗ブリッジ層のブリッジ中心の回りに前記所定の角度を有していることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
【請求項３】
前記各磁気抵抗ブリッジ層は、前記第１から第４の４つの磁気抵抗素子が９０°の方向に互い違いに隣接してフルブリッジ構成とされていることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気センサに関し、特に、磁気薄膜を多層化して構成する磁気センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体基板上に磁気薄膜を形成することにより、磁気抵抗ブリッジ回路を備えた磁気センサがある。例えば、磁気抵抗効果を有する強磁性薄膜を折り返し形状に形成した２個の強磁性薄膜パターンを備えた磁界検出層を絶縁層を挟んで基板上に積層するとともに、該両磁界検出層の間に電気的接続を行なうことによって該４個の強磁性薄膜パターンを合せた抵抗ブリッジ回路を形成した磁気センサがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この磁気センサによれば、ワンチップ当たりの磁界検出層の面積を小さく抑えながら、所要の抵抗値を実現することができ、かつ出力のオフセット電圧を抑制することができるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平８−１３０３３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記示した磁気センサ等の構成において、磁気抵抗ブリッジ回路を２以上のフルブリッジ構成にして、外部磁束の方向変化の検出と同時に位相情報の検出も行なう場合には、磁気抵抗ブリッジ回路の中心合わせの精度を高くしなければならないという問題があった。
【０００６】
従って、本発明の目的は、磁気抵抗ブリッジ回路の中心合わせの精度が高く、複数の磁気抵抗ブリッジ回路を任意の角度で作り込むことができる磁気センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
［１］本発明は、上記目的を達成するため、基板と、磁気抵抗部がつづら折り状に形成された磁気抵抗素子をそれぞれ含んで構成された複数の磁気抵抗ブリッジ回路と、を有し、前記複数の磁気抵抗ブリッジ回路は、それぞれ、前記磁気抵抗素子の各磁気抵抗部の端部同士が互いに接続されて磁気抵抗ブリッジ層として形成され、これらの磁気抵抗ブリッジ層は、互いに所定の角度を有して前記基板上に積層されていることを特徴とする磁気センサを提供する。
【０００８】
［２］前記磁気抵抗ブリッジ層は、第１から第４の４つの磁気抵抗素子が互いに隣接して矩形に形成され、この磁気抵抗ブリッジ層のブリッジ中心の回りに前記所定の角度を有していることを特徴とする上記［１］に記載の磁気センサであってもよい。
【０００９】
［３］また、前記各磁気抵抗ブリッジ層は、前記第１から第４の４つの磁気抵抗素子が９０°の方向に互い違いに隣接してフルブリッジ構成とされていることを特徴とする上記［１］又は［２］に記載の磁気センサであってもよい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の一形態によれば、磁気抵抗ブリッジ回路の中心合わせの精度が高く、複数の磁気抵抗ブリッジ回路を任意の角度で作り込むことができる磁気センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１（ａ）は、本発明の第１の実施の形態に係る磁気センサの第２ＭＲブリッジ層の回路図であり、図１（ｂ）は、第１ＭＲブリッジ層の回路図であり、図１（ｃ）は、第１ＭＲブリッジ層及び第２ＭＲブリッジ層が基板上に積層される構成であることを示す分解斜視図である。
【図２】図２は、図１（ｃ）におけるＡ−Ａ断面を示す基板上に積層して形成された磁気センサの断面図である。
【図３】図３（ａ）は、本発明の第２の実施の形態に係る磁気センサの回路図であり、図３（ｂ）は、第１ＭＲブリッジ層と第２ＭＲブリッジ層が４５°の回転角度差を有して基板上に積層された構成であることを示す上平面であり、図３（ｃ）は、第１ＭＲブリッジ層と第２ＭＲブリッジ層により検出される検出信号Ｓ１、Ｓ２を示す信号波形図である。
【図４】図４（ａ）は、本発明の第３の実施の形態に係る磁気センサの回路図であり、図４（ｂ）は、第１ＭＲブリッジ層、第２ＭＲブリッジ層、及び第３ＭＲブリッジ層がそれぞれ１２０°の回転角度差を有して基板上に積層された構成であることを示す上平面であり、図４（ｃ）は、第１ＭＲブリッジ層、第２ＭＲブリッジ層、及び第３ＭＲブリッジ層により検出される検出信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３を示す信号波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（本発明の第１の実施の形態）
（磁気センサ１の構成）
図１（ａ）は、本発明の第１の実施の形態に係る磁気センサの第２ＭＲブリッジ層の回路図であり、図１（ｂ）は、第１ＭＲブリッジ層の回路図であり、図１（ｃ）は、第１ＭＲブリッジ層及び第２ＭＲブリッジ層が基板上に積層される構成であることを示す分解斜視図である。
【００１３】
第１の実施の形態に係る磁気センサ１は、基板２と、磁気抵抗部４０がそれぞれつづら折り状に形成された磁気抵抗素子である第１ＭＲ(Magneto Resistance)素子１１、２１、第２ＭＲ素子１２、２２、第３ＭＲ素子１３、２３、第４ＭＲ素子１４、２４をそれぞれ含んで構成された２つの磁気抵抗ブリッジ回路と、を有している。この２つの磁気抵抗ブリッジ回路は、第１ＭＲ素子１１、第２ＭＲ素子１２、第３ＭＲ素子１３、第４ＭＲ素子１４、及び、第１ＭＲ素子２１、第２ＭＲ素子２２、第３ＭＲ素子２３、第４ＭＲ素子２４のそれぞれの端部同士が互いに接続されて磁気抵抗ブリッジ層（第１ＭＲブリッジ層１０、第２ＭＲブリッジ層２０）として形成され、これらの磁気抵抗ブリッジ層が互いに所定の角度を有して基板２上に積層されて、磁気センサ１を構成している。なお、つづら折り状とは、図１等に示すように、折り返し形状が連続して形成されたものである。
【００１４】
図１（ｃ）に示すように、第１ＭＲブリッジ層１０は、第１ＭＲ素子１１、第２ＭＲ素子１２、第３ＭＲ素子１３、第４ＭＲ素子１４が互いに隣接して矩形に形成されている。また、第２ＭＲブリッジ層２０は、第１ＭＲ素子２１、第２ＭＲ素子２２、第３ＭＲ素子２３、第４ＭＲ素子２４が互いに隣接して矩形に形成されている。第１ＭＲブリッジ層１０の中心Ｃ１と第２ＭＲブリッジ層２０の中心Ｃ２は、同じ回転中心とされ、第１ＭＲブリッジ層１０と第２ＭＲブリッジ層２０とは、この回転中心の回りに所定の角度を有して形成されている。本実施の形態では、角度０°である。
【００１５】
また、図１（ｃ）に示すように、第１ＭＲブリッジ層１０は、第１ＭＲ素子１１、第２ＭＲ素子１２、第３ＭＲ素子１３、第４ＭＲ素子１４が９０°の方向に互い違いに隣接してフルブリッジ構成とされている。同様に、第２ＭＲブリッジ層２０も、第１ＭＲ素子２１、第２ＭＲ素子２２、第３ＭＲ素子２３、第４ＭＲ素子２４が９０°の方向に互い違いに隣接してフルブリッジ構成とされている。
【００１６】
この第１ＭＲブリッジ層１０、第２ＭＲブリッジ層２０を構成する第１ＭＲ素子１１、第２ＭＲ素子１２、第３ＭＲ素子１３、第４ＭＲ素子１４、第１ＭＲ素子２１、第２ＭＲ素子２２、第３ＭＲ素子２３、第４ＭＲ素子２４は、基板２上にニッケル鉄（ＮｉＦｅ）、ニッケルコバルト（ＮｉＣｏ）、またはニッケル鉄コバルト（ＮｉＦｅＣｏ）等の強磁性体である磁気抵抗部４０を後述する製造方法によって積層することによって作製されている。
【００１７】
図１（ａ）〜（ｃ）に示すように、各ＭＲ素子１１〜１４、２１〜２４は、磁気抵抗部４０がつづら折り状とされて略矩形に構成されている。この略矩形に構成された各ＭＲ素子１１〜１４、２１〜２４は、フルブリッジを構成する各抵抗として機能する。また、各ＭＲ素子１１〜１４、２１〜２４は、それぞれ磁気抵抗部４０であるので、磁束の方向によって抵抗値が変化するＭＲ(Magneto Resistance)素子として機能する。
【００１８】
図１（ａ）、（ｃ）に示すように、ＭＲ素子１１〜１４は、それぞれの端部同士が電気的に接続され、ブリッジ回路として構成されている。各端部５ａ〜５ｄが電気的に接続され、５ａは電源電圧Ｖｃｃ、５ｃはグランドＧＮＤに接続されている。また、５ｂ、５ｄは、中間電圧を出力するための端子Ｐ１１、Ｐ１２に接続されている。
【００１９】
上記したように、各ＭＲ素子１１〜１４は、磁気抵抗部４０がつづら折り状とされて略矩形に構成されているが、それぞれの磁気抵抗部４０の全長は同一の磁界条件において実質的に同一抵抗値に設定されている。これにより、第１ＭＲブリッジ層１０は、磁気抵抗ブリッジ回路として機能する。
【００２０】
同様に、図１（ｂ）、（ｃ）に示すように、ＭＲ素子２１〜２４は、それぞれの端部同士が電気的に接続され、ブリッジ回路として構成されている。各端部６ａ〜６ｄが電気的に接続され、６ａは電源電圧Ｖｃｃ、６ｃはグランドＧＮＤに接続されている。また、６ｂ、６ｄは、中間電圧を出力するための端子Ｐ２１、Ｐ２２に接続されている。各ＭＲ素子２１〜２４は、磁気抵抗部４０がつづら折り状とされて略矩形に構成されているが、それぞれの磁気抵抗部４０の全長は同一の磁界条件において実質的に同一抵抗値に設定されている。これにより、第２ＭＲブリッジ層２０は、磁気抵抗ブリッジ回路として機能する。
【００２１】
（磁気センサの製造方法）
図２は、図１（ｃ）におけるＡ−Ａ断面を示す基板上に積層して形成された磁気センサの断面図である。磁気センサ１は、一例として、シリコンウエハである基板２上に、磁気膜スパッタ、フォトリソグラフィ等を用いて製造される。
【００２２】
（１）第１ＭＲブリッジ層のパターニング
まずフィールド酸化膜３が、基板２上に形成され、続いて第１ＭＲブリッジ層１０を形成するための磁気膜がスパッタリング等により成膜される。ＭＲ素子１１〜１４のパターンが描かれたフォトマスクが露光装置にセットされ、ＭＲ素子１１〜１４のパターンが基板２上に転写される。
【００２３】
磁気抵抗部４０であるＭＲ素子１１〜１４は、ニッケル鉄（ＮｉＦｅ）、ニッケルコバルト（ＮｉＣｏ）、またはニッケル鉄コバルト（ＮｉＦｅＣｏ）等の強磁性体を用いて成膜される。
【００２４】
（２）層間絶縁膜の形成及び配線
層間絶縁膜４が、第１ＭＲブリッジ層１０が成膜された基板２上に形成される。続いてフォトリソ工程によって接続部となるコンタクト部が形成され、必要箇所がアルミ（Ａｌ）等によって配線される。
【００２５】
（３）第２ＭＲブリッジ層のパターニング
続いて第２ＭＲブリッジ層２０を形成するための磁気膜がスパッタリング等により成膜される。ＭＲ素子２１〜２４のパターンが描かれたフォトマスクが露光装置にセットされ、ＭＲ素子２１〜２４のパターンが基板２上に転写される。なお、本実施の形態では、上記（１）の工程で使用したＭＲ素子１１〜１４のパターンを使用して第１ＭＲブリッジ層１０の中心Ｃ１と第２ＭＲブリッジ層２０の中心Ｃ２を一致させて回転角ゼロで、第２ＭＲブリッジ層のパターニングを行なう。
【００２６】
第１ＭＲブリッジ層１０と同様に、磁気抵抗部４０であるＭＲ素子２１〜２４は、ニッケル鉄（ＮｉＦｅ）、ニッケルコバルト（ＮｉＣｏ）、またはニッケル鉄コバルト（ＮｉＦｅＣｏ）等の強磁性体を用いて成膜される。
【００２７】
（４）配線
第１ＭＲブリッジ層１０と第２ＭＲブリッジ層２０において、図１に示す各端部５ａ〜５ｄ及び６ａ〜６ｃがコンタクト部としてそれぞれ電気的に接続されるようＡｌ配線される。図２では、端部５ａと６ａが配線８ａで電源Ｖｃｃに接続され、端部５ｃと６ｃが配線８ｂでグランドＧＮＤに接続された図を示している。
【００２８】
また、図１で示す中間電位を取り出すＰ１１、Ｐ１２、Ｐ２１、Ｐ２２点等は、同一基板上に形成される回路、例えば、オペアンプ等に配線される。なお、第１ＭＲブリッジ層１０と第２ＭＲブリッジ層２０とＡｌ配線の接続方法は、どの構造であっても良くこれに限定されない。
【００２９】
（５）保護膜形成
保護膜としてパシベーション９が、第２ＭＲブリッジ層２０の上に形成され、磁気センサ１が完成する。なお、図１で示す中間電位を取り出すＰ１１、Ｐ１２、Ｐ２１、Ｐ２２点が外部の装置等とワイヤで接続される構成の場合には、Ｐ１１、Ｐ１２、Ｐ２１、Ｐ２２点には接続用の各パッドが形成され、この表面には保護膜は形成されない。
【００３０】
上記の工程はブリッジ層が２層の場合について説明したが、３層以上のブリッジ層を備えた複数の磁気抵抗ブリッジ回路を有する磁気センサの場合でも、同様の工程を複数回適用することにより製造が可能である。
【００３１】
（第１の実施の形態の効果）
第１の実施の形態によれば、以下の効果を有する。
（１）第１ＭＲブリッジ層１０と第２ＭＲブリッジ層２０は、同じ回転中心を持って積層された２つのＭＲセンサとなるので、この２つのＭＲセンサの高精度な位置決めが可能となる。
（２）各ＭＲブリッジ層は、２層に限らず積層工程により何層でも作り込むことが可能である。
（３）ＭＲセンサは、高精度に任意の回転角度を持たせられる。本実施の形態では、回転角度ゼロであり、同一の検出信号が出力されることから、高精度な２重系の検出装置として使用することが可能となる。
（４）各ＭＲブリッジ層の結線又はワイヤボンディングは不要であり、信頼性の高い磁気センサが可能となる。さらに、同一基板上に各ＭＲブリッジ層とＣＭＯＳ等による回路部を同一の半導体プロセスにより作製する場合には、磁気センサと回路部との配線が不要であり、信頼性の高い磁気センサ及び磁気センサを含む半導体装置が可能となる。
【００３２】
（本発明の第２の実施の形態）
第２の実施の形態係る磁気センサ１は、第１の実施の形態に係る磁気センサにおいて、第１ＭＲブリッジ層１０と第２ＭＲブリッジ層２０が、ゼロ以外の回転角度である４５°に設定されて積層形成されたものである。その他の構成、製造方法は同じであるので、以下に異なる構成、製造方法についてのみ説明する。
【００３３】
図３（ａ）は、本発明の第２の実施の形態に係る磁気センサの回路図であり、図３（ｂ）は、第１ＭＲブリッジ層と第２ＭＲブリッジ層が４５°の回転角度差を有して基板上に積層された構成であることを示す上平面であり、図３（ｃ）は、第１ＭＲブリッジ層と第２ＭＲブリッジ層により検出される検出信号Ｓ１、Ｓ２を示す信号波形図である。
【００３４】
図３（ａ）は、２つのフルブリッジが４５°の回転角度を有して配置されている構成を示している。第１ＭＲブリッジ層１０の５ｂ、５ｄからは中間電圧がオペアンプ（差動アンプ）ＯＰ１に入力されて、検出信号Ｓ１が差動信号として検出できる構成とされている。同様に、第２ＭＲブリッジ層２０の６ｂ、６ｄからは中間電圧がオペアンプ（差動アンプ）ＯＰ２に入力されて、検出信号Ｓ２が差動信号として検出できる構成とされている。
【００３５】
第１の実施の形態で説明した磁気センサの製造方法において、第２ＭＲブリッジ層のパターニングを行なう場合に、第１ＭＲブリッジ層のパターニングの工程で使用したＭＲ素子１１〜１４のパターンを使用して第１ＭＲブリッジ層１０の中心と第２ＭＲブリッジ層２０の中心をＣ３として一致させる。ここで、パターン又は基板を回転角４５°だけ回転させて、第２ＭＲブリッジ層のパターニングを行なう。これにより、図３（ｂ）に示すように、第１ＭＲブリッジ層１０と第２ＭＲブリッジ層２０が、同じ回転中心Ｃ３を有して相対的に４５°の角度差を有して積層される。
【００３６】
（第２の実施の形態の効果）
第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態の効果に加えて以下のような効果を有する。
【００３７】
上記のように作製された磁気センサは、この磁気センサに対向して配置された検出対象の外部磁場の変化として検出信号Ｓ１、Ｓ２を出力し、図３（ｃ）に示すように、４５°の位相差を有して検出することができる。例えば、この２つの検出信号Ｓ１、Ｓ２を割算してアークタンジェントをとるＡｒｃｔａｎ処理を行なうことにより、記憶部にテーブルとして記憶されたＡｒｃｔａｎ表を参照して、磁場のベクトル角度を算出することができる。
【００３８】
（本発明の第３の実施の形態）
第３の実施の形態係る磁気センサ１は、３層のＭＲブリッジ層が積層された構成である。また、第１ＭＲブリッジ層１０、第２ＭＲブリッジ層２０、及び、第３ＭＲブリッジ層３０が、同じ回転中心を有して相対的に１２０°の角度差を互いに有して積層された構成とされるものである。その他の構成、製造方法は同じであるので、以下に異なる構成、製造方法についてのみ説明する。
【００３９】
図４（ａ）は、本発明の第３の実施の形態に係る磁気センサの回路図であり、図４（ｂ）は、第１ＭＲブリッジ層、第２ＭＲブリッジ層、及び第３ＭＲブリッジ層がそれぞれ１２０°の回転角度差を有して基板上に積層された構成であることを示す上平面であり、図４（ｃ）は、第１ＭＲブリッジ層、第２ＭＲブリッジ層、及び第３ＭＲブリッジ層により検出される検出信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３を示す信号波形図である。
【００４０】
図４（ａ）は、３つのフルブリッジが互いに１２０°の回転角度を有して配置されている構成を示している。第１ＭＲブリッジ層１０の５ｂ、５ｄからは中間電圧がオペアンプ（差動アンプ）ＯＰ１に入力されて、検出信号Ｓ１が差動信号として検出できる構成とされている。同様に、第２ＭＲブリッジ層２０の６ｂ、６ｄからは中間電圧がオペアンプ（差動アンプ）ＯＰ２に入力されて、検出信号Ｓ２が差動信号として検出できる構成とされている。また、第３ＭＲブリッジ層３０の７ｂ、７ｄからは中間電圧がオペアンプ（差動アンプ）ＯＰ３に入力されて、検出信号Ｓ３が差動信号として検出できる構成とされている。
【００４１】
第１の実施の形態で説明した磁気センサの製造方法において、第２ＭＲブリッジ層のパターニングを行なう場合に、第１ＭＲブリッジ層のパターニングの工程で使用したＭＲ素子１１〜１４のパターンを使用して第１ＭＲブリッジ層１０の中心と第２ＭＲブリッジ層２０の中心をＣ４として一致させる。ここで、パターン又は基板を回転角１２０°だけ回転させて、第２ＭＲブリッジ層のパターニングを行なう。これにより、図４（ｂ）に示すように、第１ＭＲブリッジ層１０と第２ＭＲブリッジ層２０が、同じ回転中心Ｃ４を有して相対的に１２０°の角度差を有して積層される。
【００４２】
第２ＭＲブリッジ層２０の上に層間絶縁膜をさらに形成し、必要な配線工程を施す。第３層として、第３ＭＲブリッジ層３０を同様のパターニングにより形成する。すなわち、第１ＭＲブリッジ層のパターニングの工程で使用したＭＲ素子１１〜１４のパターンを使用して第１ＭＲブリッジ層１０の中心と第３ＭＲブリッジ層３０の中心をＣ４として一致させる。ここで、パターン又は基板を第１ＭＲブリッジ層から回転角２４０°（第２ＭＲブリッジ層２０から回転角１２０°）だけ回転させて、第３ＭＲブリッジ層のパターニングを行なう。これにより、図４（ｂ）に示すように、第１ＭＲブリッジ層１０、第２ＭＲブリッジ層２０、及び第３ＭＲブリッジ層３０が、同じ回転中心Ｃ４を有して相対的に１２０°の角度差を有して積層される。
【００４３】
（第３の実施の形態の効果）
第３の実施の形態によれば、第１の実施の形態の効果に加えて以下のような効果を有する。
【００４４】
上記のように作製された磁気センサは、この磁気センサに対向して配置された検出対象の外部磁場の変化として検出信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３を出力し、図４（ｃ）に示すように、それぞれ１２０°の位相差を有して検出することができる。
【符号の説明】
【００４５】
１…磁気センサ、
２…基板、
３…フィールド酸化膜
４…層間絶縁膜
５ａ〜５ｄ…端部
６ａ〜６ｄ…端部
７ａ〜７ｄ…端部
８ａ、８ｂ…配線
９…パシベーション
１０…第１ＭＲブリッジ層
１１…第１ＭＲ素子、１２…第２ＭＲ素子、１３…第３ＭＲ素子、１４…第４ＭＲ素子
２０…第２ＭＲブリッジ層
２１…第１ＭＲ素子、２２…第２ＭＲ素子、２３…第３ＭＲ素子、２４…第４ＭＲ素子
３０…第３ＭＲブリッジ層
３１…第１ＭＲ素子、３２…第２ＭＲ素子、３３…第３ＭＲ素子、３４…第４ＭＲ素子
４０…磁気抵抗部
【図１】
2015108527.tif 000003
【図２】
2015108527.tif 000004
【図３】
2015108527.tif 000005
【図４】
2015108527.tif 000006