(57)【要約】【課題】信頼性の高い圧力測定を行うことができる磁気式圧力センサを提供すること。【解決手段】本発明の磁気式圧力センサは、主面を有するガラス基板１１と、ガラス基板１１の主面上に絶縁層１４を介して形成されたＧＭＲ素子１６と、絶縁層１４上に形成されており、ＧＭＲ素子１６と電気的に接続された配線パターン１５と、ガラス基板１１との間でキャビティ２０を形成するように絶縁層１４上に接合されており、ＧＭＲ素子１６と対向するようにハード磁性層１９を有するダイヤフラム１８ａを持つシリコン基板１８と、平面視において前記接合の領域を含む領域の絶縁層１４とガラス基板１１との間に形成され、ＧＭＲ素子１６の出力をキャビティ２０外に引き出す引き出し電極１２と、配線パターン１５と引き出し電極１２とを電気的に接続する導電部材１３とを具備する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主面を有する第１基板と、前記第１基板の主面上に絶縁層を介して形成された磁気抵抗効果素子と、前記絶縁層上に形成されており、前記磁気抵抗効果素子と電気的に接続された配線パターンと、前記第１基板との間でキャビティを形成するように前記絶縁層上に接合されており、前記磁気抵抗効果素子と対向するようにハード磁性層を有するダイヤフラムを持つ第２基板と、平面視において前記接合の領域を含む領域の前記絶縁層と前記第１基板との間に形成され、前記磁気抵抗効果素子の出力を前記キャビティ外に引き出す引き出し電極と、前記配線パターンと前記引き出し電極とを電気的に接続する導電部材と、を具備することを特徴とする磁気式圧力センサ。
【請求項２】
前記引き出し電極は、配線層と、前記配線層を挟持する一対のバリア層と、により構成されており、前記導電部材と前記配線層とが電気的に接続されていることを特徴とする請求項１記載の磁気式圧力センサ。
【請求項３】
前記引き出し電極は、前記キャビティ外で導電部材により電極パッドと電気的に接続されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の磁気式圧力センサ。
【請求項４】
第１基板の主面上に引き出し電極を形成する工程と、前記引き出し電極上に柱状の導電部材を立設する工程と、前記導電部材を埋め込むように前記第１基板上に絶縁層を形成し、前記絶縁層を平坦化して前記導電部材を露出させる工程と、前記絶縁層上に磁気抵抗効果素子を形成する工程と、前記導電部材及び前記磁気抵抗効果素子と電気的に接続するように前記絶縁層上に配線パターンを形成する工程と、第２基板にハード磁性層を有するダイヤフラムを形成する工程と、前記磁気抵抗効果素子と前記ハード磁性層とが対向するように前記第２基板を前記絶縁層に接合する工程と、を具備することを特徴とする磁気式圧力センサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁力を用いて圧力を検知する磁気式圧力センサ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧力センサとして、静電容量型圧力センサの固定電極の代わりに磁気抵抗効果素子を用い、ダイヤフラム側にハード磁性層を用いて磁石を形成した磁気式圧力センサが開発されている（特許文献１）。この磁気式圧力センサにおいては、２つの基板で形成されたキャビティ内に磁気抵抗効果素子及びハード磁性層が配設されており、ダイヤフラムに圧力が加わるとダイヤフラムが変形し、これによりダイヤフラムに設けられたハード磁性層を用いて形成した磁石と磁気抵抗効果素子との間隔が変わる。この間隔の変化により磁気抵抗効果素子に印加される磁界が変化し、この磁界の変化に基づく磁気抵抗効果素子の磁気抵抗の変化を利用して圧力の変化を検出する。
【特許文献１】米国特許第６，５０７，１８７号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上述した磁気式圧力センサにおいては、キャビティ内に配設されている磁気抵抗効果素子の出力を取り出す際に、通常２つの基板の接合部分に引き出し電極を設ける。この場合、２つの基板の接合部分に引き出し電極が存在するために、キャビティ内の気密性が低下してしまい、圧力測定の信頼性が低下するという問題がある。
【０００４】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、信頼性の高い圧力測定を行うことができる磁気式圧力センサ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】
本発明の磁気式圧力センサは、主面を有する第１基板と、前記第１基板の主面上に絶縁層を介して形成された磁気抵抗効果素子と、前記絶縁層上に形成されており、前記磁気抵抗効果素子と電気的に接続された配線パターンと、前記第１基板との間でキャビティを形成するように前記絶縁層上に接合されており、前記磁気抵抗効果素子と対向するようにハード磁性層を有するダイヤフラムを持つ第２基板と、平面視において前記接合の領域を含む領域の前記絶縁層と前記第１基板との間に形成され、前記磁気抵抗効果素子の出力を前記キャビティ外に引き出す引き出し電極と、前記配線パターンと前記引き出し電極とを電気的に接続する導電部材と、を具備することを特徴とする。
【０００６】
この構成によれば、絶縁層と第２基板との間の接合領域を用いることなしに磁気抵抗効果素子の出力をキャビティ外に引き出しているので、キャビティ内の気密性を確保することができ、これにより圧力測定の信頼性を高めることができる。
【０００７】
本発明の磁気式圧力センサにおいては、前記引き出し電極は、配線層と、前記配線層を挟持する一対のバリア層と、により構成されており、前記導電部材と前記配線層とが電気的に接続されていることが好ましい。
【０００８】
本発明の磁気式圧力センサにおいては、前記引き出し電極は、前記キャビティ外で導電部材により電極パッドと電気的に接続されていることが好ましい。
【０００９】
本発明の磁気式圧力センサの製造方法は、第１基板の主面上に引き出し電極を形成する工程と、前記引き出し電極上に柱状の導電部材を立設する工程と、前記導電部材を埋め込むように前記第１基板上に絶縁層を形成し、前記絶縁層を平坦化して前記導電部材を露出させる工程と、前記絶縁層上に磁気抵抗効果素子を形成する工程と、前記導電部材及び前記磁気抵抗効果素子と電気的に接続するように前記絶縁層上に配線パターンを形成する工程と、第２基板にハード磁性層を有するダイヤフラムを形成する工程と、前記磁気抵抗効果素子と前記ハード磁性層とが対向するように前記第２基板を前記絶縁層に接合する工程と、を具備することを特徴とする。
【００１０】
この方法によれば、キャビティ内の気密性を確保することができ、これにより圧力測定の信頼性を高めた磁気式圧力センサを得ることができる。また、この方法によれば、絶縁層を平坦化した後に磁気抵抗効果素子を形成しているので、磁気抵抗効果素子とハード磁性層との間の間隔を正確に確保することができ、圧力測定の信頼性を高めることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の磁気式圧力センサによれば、主面を有する第１基板と、前記第１基板の主面上に絶縁層を介して形成された磁気抵抗効果素子と、前記絶縁層上に形成されており、前記磁気抵抗効果素子と電気的に接続された配線パターンと、前記第１基板との間でキャビティを形成するように前記絶縁層上に接合されており、前記磁気抵抗効果素子と対向するようにハード磁性層を有するダイヤフラムを持つ第２基板と、平面視において前記接合の領域を含む領域の前記絶縁層と前記第１基板との間に形成され、前記磁気抵抗効果素子の出力を前記キャビティ外に引き出す引き出し電極と、前記配線パターンと前記引き出し電極とを電気的に接続する導電部材と、を具備するので、磁気抵抗効果素子及びハード磁性層が配設されるキャビティ内の気密性を高く保つことができ、信頼性を高く維持した状態で圧力測定を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る磁気式圧力センサの断面図である。また、図２は、本発明の実施の形態に係る磁気式圧力センサの平面図である。
【００１３】
図１に示す磁気式圧力センサ１は、ベース基板であるガラス基板１１を有する。ベース基板としては、ガラス基板以外にアルミナ基板、シリコン基板、ＬＴＣＣ基板（低温焼成セラミック基板）、ＨＴＣＣ基板（高温焼成セラミック基板などを挙げることができる。ガラス基板１１の一方の主面上には、後述する磁気抵抗効果素子の出力をキャビティ２０外に引き出す引き出し電極１２が形成されている。この引き出し電極１２は、後述する第２基板であるシリコン基板１８との間の接合領域Ａに対応するガラス基板１１上の領域にわたって形成される。なお、この引き出し電極１２は、キャビティ２０内に配置された磁気抵抗効果素子の出力をキャビティ２０外に引き出す機能を果たすので、少なくとも接合領域Ａに対応するガラス基板１１上の領域に形成されていれば良い。
【００１４】
ガラス基板１１及び引き出し電極１２上には、絶縁層１４が形成されている。したがって、引き出し電極１２は、絶縁層１４とガラス基板１２との間に形成される。絶縁層１４を構成する材料としては、アルミナ、シリコン酸化物などを挙げることができる。絶縁層１４上のキャビティ２０内の領域には、磁気抵抗効果素子としてＧＭＲ（Giant MagnetoResistance）素子１６及びそのＧＭＲ素子１６と電気的に接続する配線パターン１５が形成されている。したがって、ＧＭＲ素子１６は、キャビティ２０内のキャビティ２０内の領域においてガラス基板１１上に絶縁層１４を介して形成されている。また、絶縁層１４上のキャビティ２０外の領域には、ボンディングパッドである電極パッド１７が形成されている。
【００１５】
キャビティ２０内における絶縁層１４内には、配線パターン１５と引き出し電極１２とを電気的に接続する導電部材１３が埋め込まれるように形成されており、キャビティ２０外における絶縁層１４内には、電極パッド１７と引き出し電極１２とを電気的に接続する導電部材１３が埋め込まれるように形成されている。このように、キャビティ２０内においてＧＭＲ素子１６と配線パターン１５とが電気的に接続されており、配線パターン１５と導電部材１３とが電気的に接続されており、導電部材１３と接合領域Ａを跨ぐ引き出し電極１２とが絶縁層１４内で電気的に接続されており、キャビティ２０外において導電部材１３と引き出し電極１２とが電気的に接続されており、導電部材１３と電極パッド１７とが電気的に接続されているので、ＧＭＲ素子１６は、シリコン基板１８との間の接合領域Ａでシリコン基板１８と接触しないように、配線パターン１５、絶縁層１４内に埋め込まれた導電部材１３及び引き出し電極１２によりキャビティ２０外の電極パッド１７と電気的に接続されている。導電部材１３については、図２に示すように、平面視において配線パターン１５と引き出し電極１２とがオーバーラップしている領域で絶縁層１４を貫通する導電部材１３により鉛直方向に沿って両者が電気的に接続されており、電極パッド１７と引き出し電極１２とがオーバーラップしている領域で絶縁層１４を貫通する導電部材１３により鉛直方向に沿って両者が電気的に接続されている。なお、導電部材１３を構成する材料としては、シリコン、Ｃｕ，Ｎｉ，Ａｕなどの金属を挙げることができる。なお、導電部材１３を構成する材料をＡｕにすることにより、電極パッド１７を設けずに、絶縁層１４で露出した導電部材１３をボンディングパッドとすることができ、Ａｕ線のワイヤボンディングを導電部材１３上に直接行うことができる。なお、図２において参照符号２１は固定抵抗を示す。
【００１６】
図１におけるＸ部の引き出し電極１２は、例えば、図３に示す構成を有することが好ましい。すなわち、引き出し電極１２は、配線層１２２と、配線層１２２を挟持する一対のバリア層１２１，１２３とにより構成されており、導電部材１３と配線層１２２とが電気的に接続されていることが好ましい。配線層１２２を構成する材料としては、Ｃｕ，Ａｕなどを挙げることができ、バリア層１２１，１２３を構成する材料としては、Ｃｒ，Ｔｉなどを挙げることができる。例えば、配線層１２２及びバリア層１２１，１２３の組み合わせとしては、Ｃｒ／Ｃｕ／Ｃｒ，Ｔｉ／Ｃｕ／Ｔｉ，Ｔｉ／Ａｕ／Ｔｉ，Ｃｒ／Ａｕ／Ａｕなどを挙げることができる。
【００１７】
絶縁層１４上には、ガラス基板１１との間でキャビティ２０を形成するようにシリコン基板１８が接合されている。絶縁層１４とシリコン基板１８との間の接合においては、ＧＭＲ素子１６の耐熱温度を考慮して、加熱温度を約３００以下で行うことが好ましい。また、絶縁層１４とシリコン基板１８との間の接合領域ＡにＳｉＯ2などで構成される層を形成し、表面を活性化することにより、比較的低温の接合処理で絶縁層１４とシリコン基板１８との間の接合強度を向上させることができる。
【００１８】
シリコン基板１８は、ＧＭＲ素子１６と対向する位置に磁石であるハード磁性層１９を有するダイヤフラム１８ａを持つ。ハード磁性層１９を構成する材料としては、ＣｏＰｔ合金、ＣｏＣｒＰｔ合金などを挙げることができる。このように絶縁層１４とシリコン基板１８とが接合されることにより、絶縁層１４とシリコン基板１８との間にキャビティ２０が形成され、このキャビティ２０内に互いに対向してＧＭＲ素子１６及びハード磁性層１９が配置される。これにより、ＧＭＲ素子１６に磁界が印加できるようになっている。
【００１９】
ＧＭＲ素子１６は、図４に示すように、絶縁層１４上に下から順に、ＩｒＭｎやＰｔＭｎなどで形成された反強磁性層１６１、ＮｉＦｅやＣｏＦｅなどの強磁性材料で形成された固定磁性層１６２、Ｃｕなどで形成された非磁性材料層１６３及びＮｉＦｅやＣｏＦｅなどの強磁性材料で形成されたフリー磁性層１６４の積層構造を有する。図４に示す形態においては、反強磁性層１６１の下に結晶配向を整えるためにＮｉＦｅＣｒあるいはＣｒで形成されたシード層１６５が設けられているが、シード層１６５は必須ではない。
【００２０】
また、フリー磁性層１６４の上には、Ｔａなどで形成された保護層１６６が形成されている。ＧＭＲ素子１６では、反強磁性層１６１と固定磁性層１６２とが接して形成されているため、磁場中で熱処理を施すことにより反強磁性層１６１と固定磁性層１６２との間の界面に交換結合磁界（Ｈｅｘ）が生じ、固定磁性層１６２の磁化方向１６２ａは一方向に固定される。図４では、磁化方向１６２ａは図示Ｘ１方向に固定される。
【００２１】
一方、フリー磁性層１６４の磁化方向１６４ａは、例えば、図４の形態では、固定磁性層１６２の磁化方向１６２ａと反平行に揃えられている。すなわち、磁化方向１６４ａは図示Ｘ２方向に向けられる。フリー磁性層１６４は、固定磁性層１６２のように磁化固定されておらず外部磁場により磁化方向は変動する。
【００２２】
ハード磁性層１９から発せられる外部磁場のうち、磁気抵抗効果素子を構成する各層の膜面と平行な方向に向く水平磁場Ｈが図４に示すように図示Ｘ１方向に作用すると、フリー磁性層１６４の磁化方向１６４ａが変動し、固定磁性層１６２の磁化方向１６２ａとフリー磁性層１６４の磁化方向１６４ａの関係で電気抵抗が変化する。これはスピンバルブ型の巨大磁気抵抗（Giant  MagnetoResistance）効果と呼ばれ、巨大磁気抵抗効果を発現させるには、上記のような反強磁性層１６１、固定磁性層１６２、非磁性材料層１６３及びフリー磁性層１６４の４層基本構造が必要となる。また、磁気抵抗効果素子として、ＧＭＲ素子１６でなく、トンネル磁気抵抗効果を有するトンネル磁気抵抗（Tunnel  MagnetoResistance  :  ＴＭＲ）素子を用いても良い。ＴＭＲ素子の場合には、非磁性材料層１６３がトンネル障壁の材料である酸化アルミニウムや酸化マグネシウムなどの非磁性絶縁材料に置き換えられる。
【００２３】
また、図２に示すように、上述のＧＭＲ素子１６は２つ並べて形成されており、ＧＭＲ素子１６の固定磁性層１６２の磁化方向は、２つのＧＭＲ素子と同じ方向になっている。また、図２に示すように、ＧＭＲ素子１６は、固定抵抗２１を介して配線パターンで接続されており、いわゆるブリッジ回路を構成している。この場合、例えば、導電部材１３ａの一方をＧＮＤとし、導電部材１３ａ−１３ａ間に電源電圧を印加し、導電部材１３ｂ−１３ｂ間の出力電圧を磁気式圧力センサの出力とすることができる。
【００２４】
このような構成を有する磁気式圧力センサにおいては、ハード磁性層１９によりＧＭＲ素子１６に磁界が印加されている。ダイヤフラム１８ａに圧力が加わると、ダイヤフラム１８ａが圧力に応じて可動する。これにより、ダイヤフラム１８ａが変位して、ハード磁性層１９とＧＭＲ素子１６との間隔が変わる。このとき、ＧＭＲ素子１６に印加される磁界が変化する。したがって、この磁界の変化に基づくＧＭＲ素子１６の磁気抵抗の変化をパラメータとして、その変化を圧力変化とすることができる。
【００２５】
この磁気式圧力センサにおいては、絶縁層１４とシリコン基板１８との間の接合領域Ａを用いることなしにＧＭＲ素子１６の出力をキャビティ２０外に引き出しているので、キャビティ２０内の気密性を確保することができ、これにより圧力測定の信頼性を高めることができる。
【００２６】
次に、本実施の形態の磁気式圧力センサの製造方法について説明する。図５（ａ）〜（ｃ）及び図６（ａ）〜（ｅ）は、本発明の実施の形態に係る磁気式圧力センサの製造方法を説明するための図である。
【００２７】
本発明の磁気式圧力センサにおいては、ガラス基板１１の主面上に引き出し電極１２を形成し、引き出し電極１２上に柱状の導電部材１３を立設し、導電部材１３を埋め込むようにガラス基板上に絶縁層１４を形成し、絶縁層１４を平坦化して導電部材１３を露出させ、絶縁層１４上にＧＭＲ素子１６を形成し、導電部材１３及びＧＭＲ素子１６と電気的に接続するように絶縁層１４上に配線パターン１５を形成し、シリコン基板１８にハード磁性層１９を有するダイヤフラム１８ａを形成し、ＧＭＲ素子１６とハード磁性層１９とが対向するようにシリコン基板１８を絶縁層１４に接合する。
【００２８】
図５（ａ）に示すように、ガラス基板１１の一方の主面の接合領域を含む領域に引き出し電極１２を形成する。引き出し電極１２は、ガラス基板１１に電極材料をスパッタリング法などにより被着し、フォトリソグラフィ及びエッチングを行うことにより形成する。次いで、平面視において、引き出し電極１２と配線パターン１５及び電極パッド１７とがオーバーラップする引き出し電極１２の領域に導電部材１３を立設する。導電部材１３は、メッキなどの方法により形成する。次いで、図５（ｂ）に示すように、導電部材１３を埋め込むように、ガラス基板１１上に絶縁層１４を形成する。絶縁層１４は、スパッタリングなどの方法により形成する。次いで、図５（ｃ）に示すように、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）により絶縁層１４を平坦化処理して、導電部材１３を露出させる。これにより配線パターン１５や導電パッド１７のコンタクト部が形成される。このように絶縁層１４を平坦化処理することにより、ＧＭＲ素子１６とハード磁性層１９との間の間隔を正確に確保することができ、圧力測定の信頼性を高めることができる。
【００２９】
ここで、図５（ｃ）に示す構造を作製する際の詳細な工程について説明する。まず、図６（ａ）に示すように、ガラス基板１１上にバリア層１２１、配線層１２２及びバリア層１２３を積層する。この積層膜は、それぞれの層を構成する材料をスパッタリングすることにより形成する。次いで、図６（ｂ）に示すように、配線層１２２と導電部材１３とを接触させるように、上層のバリア層１２３に開口部１２３ａを形成して配線層１２２を露出させる。この場合、開口部１２３ａは、フォトリソグラフィ及びエッチングを行うことにより形成する。
【００３０】
次いで、図６（ｃ）に示すように、引き出し電極１２を形成したガラス基板１１上にメッキレジスト層２２を形成し、フォトリソグラフィにより配線層１２２が露出された領域を含む領域に開口部２２ａを形成する。次いで、図６（ｄ）に示すように、レジスト層２２をマスクとして配線層１２２上にメッキにより導電部材１３を形成する。その後、レジスト層２２を除去した後に、図６（ｅ）に示すように、導電部材１３を埋め込むように、ガラス基板１１上に絶縁層１４を形成する。次いで、ＣＭＰにより絶縁層１４を平坦化処理して導電部材１３を露出させる。
【００３１】
次いで、キャビティ形成領域の絶縁層１４にＧＭＲ素子１６を形成する。ＧＭＲ素子１６は、例えばスパッタリング、リフトオフにより形成する。次いで、キャビティ形成領域の絶縁層１４にＧＭＲ素子１６と電気的に接続するように配線パターン１５を形成する。配線１５は、絶縁層１４に配線材料をスパッタリング法などにより被着し、フォトリソグラフィ及びエッチングを行うことにより形成する。次いで、キャビティ外の絶縁層１４に、導電部材１３と電気的に接続するように電極パッド１７を形成する。電極パッド１７は、絶縁層１４上に電極材料を被着し、フォトリソグラフィ及びエッチングを行うことにより形成する。
【００３２】
次いで、シリコン基板１８のダイヤフラム用の凹部の底面上にハード磁性層で形成した磁石（ハード磁性層）１９を形成する。ハード磁性層１９は、シリコン基板１８上にハード磁性材料を被着し、フォトリソグラフィ及びエッチングを行うことにより形成する。その後、シリコン基板１８を研磨して、数十μｍ程度の所定の厚さのダイヤフラム１８ａを形成する。
【００３３】
次いで、ハード磁性層１９がＧＭＲ素子１６と所定の間隔をおいて位置するようにして、絶縁層１４側にシリコン基板１８を載置して絶縁層１４上にシリコン基板１８を接合する。このようにして図１に示す構成の磁気式圧力センサが作製される。
【００３４】
このようにして得られた磁気式圧力センサおいては、キャビティ内の気密性を確保することができ、これにより圧力測定の信頼性を高めることができる。また、上記のような方法によれば、絶縁層１４を平坦化した後にＧＭＲ素子１６を形成しているので、ＧＭＲ素子１６とハード磁性層１９との間の間隔を正確に確保することができ、圧力測定の信頼性を高めることができる。
【００３５】
本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。例えば、上記実施の形態で説明した素子構造、寸法、材質については特に制限はない。また、上記実施の形態で説明したプロセスについてはこれに限定されず、工程間の適宜順序を変えて実施しても良い。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施の形態に係る磁気式圧力センサを示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る磁気式圧力センサを示す平面図である。
【図３】図１に示す磁気式圧力センサのＸ部を示す拡大図である。
【図４】ＧＭＲ素子を説明するための図である。
【図５】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形態に係る磁気式圧力センサの製造方法を説明するための図である。
【図６】（ａ）〜（ｅ）は、本発明の実施の形態に係る磁気式圧力センサの製造方法を説明するための図である。
【符号の説明】
【００３７】
１１  ガラス基板
１２  引き出し電極
１３，１３ａ，１３ｂ  導電部材
１４  絶縁層
１５  配線パターン
１６  ＧＭＲ素子
１７  電極パッド
１８  シリコン基板
１８ａ  ダイヤフラム
１９  ハード磁性層で形成した磁石
２０  キャビティ
２１  固定抵抗
２２  レジスト層
２２ａ，１２３ａ  開口部
１２１，１２３  バリア層
１２２  配線層
【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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