(57)【要約】【課題】より一層の小型化、低コスト化を図ることができる半導体磁気センサ装置を提供する。【解決手段】半導体磁気センサ装置１０を、薄膜磁気インピーダンス素子１１と、その素子１１を用いて磁気検出を行なうための抵抗、発振回路及び増幅回路等の周辺回路とを同一の半導体基板１７上に形成する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄膜磁気インピーダンス素子と、この薄膜磁気インピーダンス素子を用いて磁気検出を行なうための周辺回路とを、同一の半導体基板上に形成したことを特徴とする半導体磁気センサ装置。
【請求項２】
前記薄膜磁気インピーダンス素子の両端側に接続されるＡｌ系材料配線の先端部分を、テーパ状に形成したことを特徴とする請求項１記載の半導体磁気センサ装置。
【請求項３】
前記薄膜磁気インピーダンス素子と前記Ａｌ系材料配線との接続部分に、Ｔｉ系バリア金属膜を配置したことを特徴とする請求項１または２記載の半導体磁気センサ装置。
【請求項４】
前記薄膜磁気インピーダンス素子の両端側と、Ａｌ系材料配線の先端部分とを、導体金属膜を介して接続したことを特徴とする請求項１記載の半導体磁気センサ装置。
【請求項５】
前記薄膜磁気インピーダンス素子及び前記Ａｌ系材料配線と前記導体金属膜との間に、層間絶縁膜を配置したことを特徴とする請求項４記載の半導体磁気センサ装置。
【請求項６】
前記導体金属膜を、Ｔｉ系材料とすることを特徴とする請求項４又は５記載の半導体磁気センサ装置。
【請求項７】
前記導体金属膜を、Ａｌ系材料、Ｃｕ系材料、Ａｌ系材料／Ｔｉ系材料またはＣｕ系材料／Ｔｉ系材料とすることを特徴とする請求項５記載の半導体磁気センサ装置。
【請求項８】
前記薄膜磁気インピーダンス素子を、ＮｉＦｅ系の材料で構成したことを特徴とする請求項１乃至７の何れかに記載の半導体磁気センサ装置。
【請求項９】
前記半導体基板と前記薄膜磁気インピーダンス素子との間に、加熱処理時において前記半導体基板に作用する応力を緩和するための応力緩和膜を配置したことを特徴とする請求項１乃至８の何れかに記載の半導体磁気センサ装置。
【請求項１０】
前記応力緩和膜は、ポリイミドを材料とすることを特徴とする請求項９記載の半導体磁気センサ装置。
【請求項１１】
前記薄膜磁気インピーダンス素子膜上に酸化防止膜を配置したことを特徴とする請求項１乃至１０の何れかに記載の半導体磁気センサ装置。
【請求項１２】
前記薄膜磁気インピーダンス素子膜上に酸化防止膜がシリコン酸化膜系またはシリコン窒化膜系またはシリコン酸化膜系とシリコン窒化膜系の複合膜からなることを特徴とする請求項１１記載の半導体磁気センサ装置。
【請求項１３】
請求項１乃至１２の何れかに記載の半導体磁気センサ装置を形成する方法であって、
前記半導体基板の上層に、加熱処理時において当該半導体基板に作用する応力を緩和するための応力緩和膜を形成し、
前記応力緩和膜の上層に前記薄膜磁気インピーダンス素子を形成することを特徴とする半導体磁気センサ装置の製造方法。
【請求項１４】
前記応力緩和膜は、ポリイミドを材料とすることを特徴とする請求項１３記載の半導体磁気センサ装置の製造方法。
【請求項１５】
請求項１乃至１２の何れかに記載の半導体磁気センサ装置を形成する方法であって、
前記薄膜磁気インピーダンス素子膜上に酸化防止膜を形成したことを特徴とする半導体磁気センサ装置の製造方法。
【請求項１６】
前記酸化防止膜は、シリコン酸化膜系またはシリコン窒化膜系またはシリコン酸化膜系とシリコン窒化膜系の複合膜を材料とすることを特徴とする請求項１５記載の半導体磁気センサ装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄膜磁気インピーダンス素子に高周波電流を供給した場合に、当該素子に生じるインピーダンスの変動に基づいて磁気を検出する半導体磁気センサ装置、及びその半導体磁気センサ装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、磁気センサを用いた制御システムの小型化、低コスト化が進められており、それに伴って磁気センサ自体も小型で低コストとなる構成が要求されている。中でも、磁気インピーダンス素子を用いた磁気センサは感度が高いことで注目されており、様々なシステムに対する応用が検討されている。例えば、特許文献１には、薄膜磁気インピーダンス素子を用いることで小型化した磁気インピーダンスヘッドモジュールが開示されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−３１８１３１
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１では、薄膜磁気インピーダンス素子１と、当該素子に高周波電流を供給する駆動回路や、当該素子に生じるインピーダンスの変動を検出する検出回路などの周辺回路２が夫々ディスクリートの回路素子で、又はディスクリートの回路素子を用いて構成されており、それらの全体はハイブリッドＩＣ３として構成されている（図１０参照）。斯様な構成では、周辺回路を含んだ磁気センサとしての小型化や低コスト化には限界があった。
【０００５】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、より一層の小型化、低コスト化を図ることができる半導体磁気センサ装置、及びその半導体磁気センサ装置の製造方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の半導体磁気センサ装置によれば、薄膜磁気インピーダンス素子と、薄膜磁気インピーダンス素子を用いて磁気検出を行なうための周辺回路とを同一の半導体基板上に形成する。ここで、周辺回路とは、例えば、薄膜磁気インピーダンス素子に高周波電流を供給する駆動回路や、薄膜磁気インピーダンス素子に生じるインピーダンスの変動を検出する検出回路等を言う。
【０００７】
本発明は、薄膜磁気インピーダンス素子と周辺回路とを同一の半導体基板上に形成するので、半導体磁気センサ装置としての全体構成を極めて小型且つ低コストで構成することが可能となる。
【０００８】
請求項２記載の半導体磁気センサ装置によれば、薄膜磁気インピーダンス素子の両端側に接続されるＡｌ系材料配線の先端部分をテーパ状に形成したので、配線を形成した後、薄膜磁気インピーダンス素子を積層して形成する際に、前記先端部分においてステップカバレージによる「段切れ」の問題が発生することを防止できる。
【０００９】
請求項３記載の半導体磁気センサ装置によれば、薄膜磁気インピーダンス素子とＡｌ系材料配線との接続部分にＴｉ系バリア金属膜を配置する。即ち、薄膜磁気インピーダンス素子とＡｌ系材料配線との接続部分にＴｉ系バリア金属膜を配置することにより薄膜磁気インピーダンス素子とＡｌ系材料配線との良好なオーミック接続を得ることができる。
【００１０】
請求項４記載の半導体磁気センサ装置によれば、薄膜磁気インピーダンス素子の両端側とＡｌ系材料配線の先端部分とを導体金属膜を介して接続する。この様に接続することで薄膜磁気インピーダンス素子とＡｌ系材料配線との良好なオーミック接続を得ることができる。
【００１１】
請求項５記載の半導体磁気センサ装置によれば、薄膜磁気インピーダンス素子及びＡｌ系材料配線と導体金属膜との間に層間絶縁膜を配置する。この様に接続することで薄膜磁気インピーダンス素子とＡｌ系材料配線との良好なオーミック接続を得ることができる。
【００１２】
請求項６記載の半導体磁気センサ装置によれば、導体金属膜をＴｉ系材料とするので、薄膜磁気インピーダンス素子とＡｌ系材料配線との良好なオーミック接続を得ることができる。
【００１３】
請求項７記載の半導体磁気センサ装置によれば、導体金属膜を、Ａｌ系材料、Ｃｕ系材料、Ａｌ系材料／Ｔｉ系材料またはＣｕ系材料／Ｔｉ系材料とするので、このように構成した場合も、薄膜磁気インピーダンス素子とＡｌ系材料配線との良好なオーミック接続を得ることができる。
【００１４】
請求項８記載の半導体磁気センサ装置によれば、薄膜磁気インピーダンス素子をＮｉＦｅ系の材料で構成する。斯様に構成すれば、他の材料を用いる場合に比較して磁気検出特性のダイナミックレンジを広くすることができ、検出を良好に行なうことができる。
【００１５】
請求項９記載の半導体磁気センサ装置によれば、半導体基板と薄膜磁気インピーダンス素子との間に、加熱処理時において半導体基板に作用する応力を緩和するための応力緩和膜を配置する。半導体磁気センサ装置の加熱処理時に半導体基板と薄膜磁気インピーダンス素子膜との熱膨張係数が相違するため、半導体基板に対して応力が作用し、場合によっては基板に「割れ」が生じるおそれがある。従来は、その「割れ」を防止するために薄膜磁気インピーダンス素子膜の成膜条件を変更し、薄膜磁気インピーダンス素子膜の膜質を意図的に変えるなどの工夫を行なっていた。このため、所望の薄膜磁気インピーダンス素子特性と構造成立性を両立することが難しかった。
そこで、本発明では、両者の間に応力緩和膜を配置して、基板側に作用しようとする応力を緩和膜に吸収させることで、基板の「割れ」の問題を簡単に解決することが可能となった。
【００１６】
請求項１０記載の半導体磁気センサ装置によれば、応力緩和膜の材料をポリイミドとするので、扱い易い有機物系の材料で応力緩和膜を形成することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
（第１実施例）
以下、本発明の第１実施例について図１乃至図３を参照して説明する。図３は、半導体磁気センサ装置１０の電気的構成を概略的に示すものである。例えば、ＮｉＦｅなどの材料で構成される薄膜磁気インピーダンス素子１１は、抵抗素子（周辺回路）１２と直列に接続されており、その直列回路は発振回路（駆動回路，周辺回路）１３の出力端子間に接続されている。また、前記直列回路の共通接続点は、増幅回路（検出回路，周辺回路）１４の入力端子に接続されており、その増幅回路１４からは、増幅された磁気検出信号が出力される。
【００１８】
図１は、半導体磁気センサ装置１０の構成を示す模式的な断面図である。半導体磁気センサ装置は、バイポーラプロセスによって形成されている。図１中左側に形成されているのは、例えば増幅回路１４の一部をなすＮＰＮ型のトランジスタ（周辺回路）１５であり、図１中右側には、薄膜磁気インピーダンス素子１１が配置され、磁気センサ部１６が形成されている。
【００１９】
即ち、トランジスタ１５と薄膜磁気インピーダンス素子１１とは、同一のＰ型シリコン（Ｓｉ）よりなる半導体基板１７上に形成されている。尚、トランジスタ１５は全体の一部として例示したものであり、実際には、抵抗１２，発振回路１３及び増幅回路１４の全てを含むものが半導体基板１７上に形成されている。
【００２０】
トランジスタ１５を形成するためのバイポーラプロセス自体は一般的なものであり、半導体基板１７に対して、埋め込みパターニング、埋め込み拡散、分離パターニング、分離拡散などを施した後、ベース、エミッタ、コレクタの各領域を形成するためのパターニングや拡散を行なう。
尚、後に薄膜磁気インピーダンス素子１１が形成される半導体基板１７の部位にも、分離拡散によってＮ−領域が形成されている。
【００２１】
そして、ＳｉＯ２酸化膜１８に対するパターニングを行なった後、Ａｌ材料からなるアルミ配線（Ａｌ系材料からなる）１９を施す。アルミ配線１９のパターニングを行なう際に、を配置する部分をエッチングで除去するが、その場合、後に薄膜磁気インピーダンス素子１１との電気的接続が図られる先端部１９ａの形状がテーパ状をなすように形成する。
【００２２】
それから、薄膜磁気インピーダンス素子１１の材料であるＮｉＦｅ（ニッケルと鉄との合金）を磁場中でスパッタリングして、膜厚を１μ〜５μｍ程度に形成する。このとき、アルミ配線１９の先端部１９ａがテーパ状に形成されているため、ステップカバレージによる薄膜磁気インピーダンス素子１１の「段切れ」は極めて発生しにくくなる。尚、図２は薄膜磁気インピーダンス素子１１部分を示す平面図である。
【００２３】
次に、薄膜磁気インピーダンス素子１１の磁気特性を向上させるため、真空中において３００℃程度で磁場中熱処理（アニール）を行ない、最後に、ＳｉＮやＳｉＯ２などからなる保護膜２０を成膜する。
【００２４】
以上のように本実施例によれば、半導体磁気センサ装置１０を、薄膜磁気インピーダンス素子１１と、その素子１１を用いて磁気検出を行なうための抵抗１２、発振回路１３及び増幅回路１４等の周辺回路とを同一の半導体基板１７上に形成した。従って、半導体磁気センサ装置１０としての全体構成を極めて小型且つ低コストで構成することが可能となる。
【００２５】
この場合、薄膜磁気インピーダンス素子１１は、アモルファス・ワイヤを用いるものに比較して極めて薄く形成でき、発振回路１３及び増幅回路１４等を同一の半導体基板１７上に形成するため、小型な磁気センサを実現できる。
【００２６】
また、薄膜磁気インピーダンス素子１１の両端側に接続されるアルミ配線１９の先端部分１９ａをテーパ状に形成したので、アルミ配線１９を形成した後、薄膜磁気インピーダンス素子１１を積層して形成する際に、先端部１９ａにおけるステップカバレージが良好となり「段切れ」の問題が発生することを防止できる。
【００２７】
（第２実施例）
図４は本発明の第２実施例であり、第１実施例と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、以下異なる部分についてのみ説明する。第２実施例では、アルミ配線１９の形成を行う前の段階で、アルミ配線１９と薄膜磁気インピーダンス素子１１Ａの両端とが夫々電気的に接続される部分に、Ｔｉ（チタン）系の材料からなる導体金属膜２１を形成しておく。
【００２８】
そして、アルミ配線１９と、薄膜磁気インピーダンス素子１１Ａとを、その導体金属膜２１を介して両者が電気的に接続されるように形成する。最後に、保護膜２２を形成する。以上が半導体磁気センサ装置２３を構成している。
【００２９】
以上のように構成された第２実施例によれば、薄膜磁気インピーダンス素子１１Ａの両端側とアルミ配線１９の先端部分とを、Ｔｉ系材料からなる導体金属膜２１を介して接続するようにしたので、薄膜磁気インピーダンス素子１１Ａとアルミ配線１９との良好なオーミック接続を得ることができる。
【００３０】
（第３実施例）
図５は本発明の第３実施例であり、第１又は第２実施例と異なる部分についてのみ説明する。第３実施例では、薄膜磁気インピーダンス素子１１Ｂとアルミ配線１９とを第２実施例と略同様に形成した後、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）やシリコン窒化膜（ＳｉＮ）等によって層間絶縁膜２４を形成する。
【００３１】
そして、層間絶縁膜２４に薄膜磁気インピーダンス素子１１Ｂとアルミ配線１９との接続を図るための穴を形成して、そこにＡｌ系材料，Ｃｕ系材料またはＡｌ系／Ｔｉ系合金材料等からなる導体金属膜２５を積層・充填し、両者を接続する。最後に保護膜２６を形成する。以上が半導体磁気センサ装置２７を構成している。
【００３２】
以上のように構成された第３実施例によれば、薄膜磁気インピーダンス素子１１Ｂとアルミ配線１９との上層に層間絶縁膜２４を形成し、薄膜磁気インピーダンス素子１１Ｂの両端側とアルミ配線１９の先端部分とを、導体金属膜２５を介して接続するようにした。この場合、両者の電気的接続を上層側で行うことでオーム接触状態を良好に確保することが比較的容易となり、接続部分の信頼性を向上させることができる。
【００３３】
（第４実施例）
図６は本発明の第４実施例であり、第１実施例と異なる部分についてのみ説明する。第４実施例では、第１実施例においてアルミ配線１９を形成すると、テーパ状に加工した先端部１９ａとその近傍部分にＴｉ系材料からなるバリアメタル（バリア金属膜）２８を形成する。それから、第１実施例と同様に、薄膜磁気インピーダンス素子１１及び保護膜２０を形成する。以上が半導体磁気センサ装置２９を構成している。
【００３４】
以上のように構成された第４実施例によれば、アルミ配線１９の先端部１９ａとその近傍部分にバリアメタル２８を形成したので、薄膜磁気インピーダンス素子１１との接続部分が三層構造となる。この様に接続することで薄膜磁気インピーダンス素子とＡｌ系材料配線との良好なオーミック接続を得ることができる。
【００３５】
（第５実施例）
図７は本発明の第５実施例であり、第１実施例と異なる部分についてのみ説明する。第５実施例では、第１実施例と同様のプロセスにおいて、アルミ配線１９を形成する前の段階で、ポリイミドを材料とする応力緩和膜３０を形成する。尚、図７は、薄膜磁気インピーダンス素子１１側のみを示している。即ち、半導体基板１７にＳｉＯ２酸化膜１８を形成し、その上層に応力緩和膜３０を形成した後、アルミ配線１９を施す。尚、応力緩和膜３０の膜厚は、上層の薄膜磁気インピーダンス素子１１の膜厚に応じて設定されるが、例えば、１μ〜１０μｍ程度である。
【００３６】
それから、薄膜磁気インピーダンス素子１１の材料であるＮｉＦｅをスパッタリングして、膜厚を１μ〜５μｍ程度に形成する。次に、薄膜磁気インピーダンス素子１１の磁気特性を向上させるため、真空中において３００℃程度で磁場中熱処理（アニール）を行ない、最後に、ＳｉＮやＳｉＯ２などからなる保護膜２０を成膜する。以上が半導体磁気センサ装置３１を構成している。
【００３７】
即ち、薄膜磁気インピーダンス素子１１に対して上記のように熱処理を行なうと、半導体基板１７と薄膜磁気インピーダンス素子１１のパターンとの熱膨張係数が相違するため、半導体基板１７に対して応力が作用し、場合によっては基板１７に「割れ」が生じるおそれがある。
【００３８】
従来は、その「割れ」を防止するために成膜条件を変更したり、薄膜磁気インピーダンス素子膜の膜質を意図的に変えるなどの工夫を行なっていた。また、例えば、特開２００１−２２８２２９には、熱処理時において薄膜磁気インピーダンス素子の両端部が基板から剥離するという問題を解決するために、薄膜磁気インピーダンス素子の両端部形状をテーパ形状にしたり、段つき形状にする技術が開示されている。しかしながら、ここで挙げたような半導体基板１７に対する「割れ」の問題については全く言及されていない。
【００３９】
そこで、第５実施例では、半導体基板１７と薄膜磁気インピーダンス素子１１との間に応力緩和膜３０を配置して、基板１７側に作用しようとする応力を緩和膜３０に吸収させることで、基板１７の「割れ」の問題を簡単に解決することが可能となった。そして、応力緩和膜３０の材料をポリイミドとしたので、扱い易い有機物系の材料で応力緩和膜を形成することができる。
【００４０】
（第６実施例）
図８は本発明の第６実施例であり、第３又は第５実施例と異なる部分についてのみ説明する。第６実施例は、第３実施例における半導体磁気センサ装置２７に、第６実施例において用いたような応力緩和膜３２を用いた構成である。従って、層間絶縁膜２４に薄膜磁気インピーダンス素子１１Ｂとアルミ配線１９との接続を図るための穴を形成する場合には、層間絶縁膜２４の下層にある応力緩和膜３２も貫通するように穴を形成して接続を図るようにする。以上が半導体磁気センサ装置３３を構成している。
以上のように構成された第６実施例によれば、第３実施例，第５実施例と同様の効果を得ることができる。
【００４１】
（第７実施例）
図９は本発明の第７実施例を示すものであり、第１実施例と異なる部分についてのみ説明する。第７実施例は、第１実施例における薄膜磁気インピーダンス素子１１の表面部分にＳｉＮ膜又はＳｉＯ２膜よりなる酸化防止膜３４を配置したもので、その他の構成は第１実施例と同様である。以上が半導体磁気センサ装置３５を構成している。
【００４２】
即ち、薄膜磁気インピーダンス素子１１の磁気特性は薄膜磁性膜の表皮効果を用いているため、薄膜磁気インピーダンス膜の表皮部分が酸化すると磁気検出特性が劣化する。そこで、第７実施例では、酸化防止膜３４を配置することで薄膜磁気インピーダンス膜の酸化を防止することができ、薄膜磁気インピーダンス素子１１の磁気特性を良好に維持することができる。
【００４３】
本発明は上記し且つ図面に記載した実施例にのみ限定されるものではなく、以下のような変形または拡張が可能である。
薄膜磁気インピーダンス素子を形成する材料は、ＮｉＦｅなどに限ることなく、その他の材料を用いても良い。
周辺回路には、その他、調整回路や外部装置との間で信号を取り扱うためのインターフェイス回路などを備えても良い。
半導体磁気センサ装置はバイポーラプロセスを用いて形成するものに限ることなく、ＭＯＳプロセスやＢｉＣＭＯＳプロセスを用いて形成しても良い。
第５実施例において、応力緩和膜の材料はポリイミドに限ることなく、その他の有機系の材料や薄膜成膜技術で作製した無機系材料を用いても良い。
第７実施例における酸化防止膜３４を、第２乃至第６実施例において、薄膜磁気インピーダンス素子１１等の表面部分に配置するようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例であり、半導体磁気センサ装置の構成を示す模式的な断面図
【図２】薄膜磁気インピーダンス素子部分を示す平面図
【図３】半導体磁気センサ装置の電気的構成を概略的に示す図
【図４】本発明の第２実施例を示す図１相当図
【図５】本発明の第３実施例を示す図１相当図
【図６】本発明の第４実施例を示す図１相当図
【図７】本発明の第５実施例を示す図１相当図（薄膜磁気インピーダンス素子部分のみを示す）
【図８】本発明の第６実施例を示す図３相当図
【図９】本発明の第７実施例を示す図１相当図
【図１０】特許文献１に開示されている薄膜磁気インピーダンス素子及びその周辺回路の平面図
【符号の説明】
１０は半導体磁気センサ装置、１１，１１Ａ，１１Ｂは薄膜磁気インピーダンス素子、１２は抵抗素子（周辺回路）、１３は発振回路（駆動回路，周辺回路）、１４は増幅回路（検出回路，周辺回路）、１５はＮＰＮトランジスタ（周辺回路）、１７は半導体基板、１９はアルミ配線（Ａｌ系材料配線）、１９ａは先端部、２１は導体金属膜、２３は半導体磁気センサ装置、２４は層間絶縁膜、２５は導体金属膜、２７は半導体磁気センサ装置、２８はバリアメタル（バリア金属膜）、２９は半導体磁気センサ装置、３０は応力緩和膜、３１は半導体磁気センサ装置、３２は応力緩和膜、３３は半導体磁気センサ装置、３４は酸化防止膜、３５は半導体磁気センサ装置を示す。
【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】
2004279325.tif 000011
【図１０】
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