(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｘ軸およびＹ軸が垂直であり、ＸＹ平面内の基板と、
前記ＸＹ平面内にあり、２本または４本の磁気抵抗センサアームを形成するために電気的に相互接続され、少なくとも１本の磁気抵抗センサアームが前記Ｙ軸に沿って磁場を感知し、ＴＭＲまたはＧＭＲセンサ素子であり、前記Ｙ軸に平行な長軸及び前記Ｘ軸に平行な短軸を有する、複数の磁気抵抗センサ素子と、
磁気ヒステリシスを低下させるように、および自由層磁化ＭＭＲが磁気的に飽和されないことを回避するように、ＨｃｒｏｓｓがＨｋよりも僅かに高く設定されている前記Ｘ軸に沿った成分、および、前記センサ素子のＨｏ以下の振幅を有する前記Ｙ軸に沿った成分を持つバイアス磁場を発生させるために、前記Ｘ軸に対して０度より大きく９０度よりも小さい角度で傾斜する長軸を有し、かつ前記Ｙ軸に対し角θＰＭで配向する残留磁化ＭＰＭを有する前記基板上の少なくとも１対の細長い永久磁石棒と、
前記感知アームのそれぞれの側に電気的に接続された前記基板上のワイヤ・ボンド・パッドと、を備え、
前記Ｈｃｒｏｓｓは、感知自由層の磁化に磁気的にバイアスをかける目的のため、感知方向と垂直に、かつ、センサチップ平面内で印加された磁場であり、
前記Ｈｋは、前記感知自由層の正味の実効的な単軸異方性磁場であり、
前記Ｈｏの値は、オレンジピールまたはニールカップリングと呼ばれ、
前記磁気抵抗センサアームは、センサブリッジを形成するために電気的に相互接続されている磁気抵抗センサ。
【請求項２】
前記磁気抵抗センサ素子はプッシュプル方式ブリッジ型センサとして構成され、前記プッシュプル方式ブリッジ型センサは、２本又は４本の感知アームを含み、前記４本のうちの１又は２本の感知アームの磁場伝達曲線の関数としての抵抗が、前記磁気抵抗センサの前記動作磁場範囲内の同じ印加磁場に応答する残りの１又は２本の感知アームの抵抗に関して逆に変化する、請求項１に記載の磁気抵抗センサ。
【請求項３】
前記プッシュプル方式ブリッジ型センサは、同じウェハから切り取られた２つのセンサダイを備え、各ダイは、１又は２本の感知アームを収容する前記ＸＹ平面と平行である表面を有し、前記２つのダイは、互いに１８０度回転させられている、請求項２に記載の磁気抵抗センサ。
【請求項４】
前記感知アームは、ワイヤ・ボンディングによって前記ボンド・パッドに電気的に相互接続されている請求項３に記載の磁気抵抗センサ。
【請求項５】
前記ブリッジ型センサは、１又は２本の感知アームおよび１又は２本の参照アームを含む被参照ブリッジ型センサであり、前記参照アームは、磁気抵抗センサ素子を備え、前記被参照ブリッジ型センサは、前記参照アームおよび前記感知アームを構成している磁気抵抗センサ素子が位置している前記ＸＹ平面と平行である表面を持つ基板を含む１つのセンサダイを備え、前記感知アームの印加磁場応答の関数としての抵抗の勾配の大きさが前記磁気抵抗センサの動作磁場範囲内で前記参照アームの抵抗の勾配の大きさよりかなり大きい、請求項１に記載の磁気抵抗センサ。
【請求項６】
前記Ｘ軸に沿った前記参照アーム磁気抵抗素子の長さが前記Ｙ軸に沿った前記参照アーム磁気抵抗素子の長さより長く、かつ、前記Ｘ軸に沿った前記感知アーム磁気抵抗素子の長さより長い、請求項５に記載の磁気抵抗センサ。
【請求項７】
前記参照アームの前記磁気抵抗センサ素子は、高透磁率強磁性層によって遮蔽されている、請求項５に記載の磁気抵抗センサ。
【請求項８】
前記参照アームに隣接した１対の細長い永久磁石棒によって発生させられた磁場のＸ軸成分が、前記感知アームに隣接した１対の細長い永久磁石棒によって発生させられた磁場のＸ軸成分より大きい、請求項５に記載の磁気抵抗センサ。
【請求項９】
前記参照アームの前記磁気抵抗センサ素子および前記感知アームの前記磁気抵抗センサ素子は、１つ以上の永久磁石バイアス層によって覆われている、請求項５に記載の磁気抵抗センサ。
【請求項１０】
前記参照アームの前記磁気抵抗センサ素子は、単層化または多層化された交換バイアス結合層によって覆われている、請求項５に記載の磁気抵抗センサ。
【請求項１１】
前記ブリッジ型センサは、２本の感知アームを含むプッシュプル方式ハーフブリッジ型センサである、請求項３に記載の磁気抵抗センサ。
【請求項１２】
前記磁気抵抗センサは、プッシュプル方式準フルブリッジ型センサを形成するために、２つの独立した電流源および２本の感知アームを備える、請求項１１に記載の磁気抵抗センサ。
【請求項１３】
前記ブリッジ型センサは、２本の感知アームを含むプッシュプル方式フルブリッジ型センサである、請求項２に記載の磁気抵抗センサ。
【請求項１４】
前記ブリッジ型センサは、１本の感知アームおよび１本の参照アームを含む被参照ハーフブリッジセンサである、請求項５に記載の磁気抵抗センサ。
【請求項１５】
前記ブリッジ型センサは、１本の感知アームおよび１本の参照アームを含む被参照フルブリッジセンサである、請求項５に記載の磁気抵抗センサ。
【請求項１６】
被参照準フルブリッジ型センサを形成するために、２つの独立した電流源および２本の感知アームを備える、請求項５に記載の磁気抵抗センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁場検出センサ、より詳しくは、磁気抵抗磁場センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気センサは、限定されることはないが、磁場強度、電流、位置、運動、方位などを含む物理的パラメータを測定または検出するために現代のシステムにおいて広く用いられている。磁場およびその他のパラメータを測定する従来技術における多種多様のセンサが存在する。しかし、これらのセンサ全ては、たとえば、過大なサイズ、不適当な感度および／またはダイナミックレンジ、コスト、信頼性およびその他の要因といった当技術分野において周知である様々な制限に悩まされている。それ故に、改良された磁気センサ、特に、半導体デバイスおよび半導体回路と容易に一体化される可能性があるセンサと、これらのセンサの製造方法との必要性が依然として存在する。
【０００３】
磁気トンネル接合（ＭＴＪ；Magnetic tunnel junction）センサは、高感度、小型サイズ、低コスト、および低消費電力という優位性を持っている。ＭＴＪデバイスは、標準的な半導体製造工程と両立し得るが、低コスト大量生産を目的とした十分な歩留まりで高感度デバイスを構築する方法は、十分に開発されていない。とりわけ、ＭＴＪセンサの磁気抵抗応答のずれに起因する歩留まり問題と、ブリッジ型センサを形成するために組み合わされたときにＭＴＪ素子の磁気抵抗応答を一致させる問題とが困難であることが分かった。
【０００４】
センサで用いられる磁気抵抗素子応答は、感知材料の積層の範囲内で１つ以上の感知層の磁化の配向の関数である。望ましい磁気感知を達成することは、磁化を感度が良く、しかも、安定した動作点へ磁気的に「バイアス」するために磁場を印加することを必要とすることがよくある。これらの「バイアス磁場」は、これまでは、電力、コストおよびサイズの観点から望ましくない外部コイルまたは永久磁石を使用することを必要としていた。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記問題を解決するために、本発明は、標準的な半導体製造工程を使用するリニア磁気抵抗センサブリッジの大量生産のための磁気設計および製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、Ｘ軸およびＹ軸が垂直であり、磁気抵抗センサがＹ軸に沿って磁場を感知するＸＹ平面内の基板と、Ｙ軸に平行である長さ寸法およびＸ軸に平行である幅方向を持つ磁気抵抗センサ素子を含むＸＹ平面内の少なくとも１つの感知アームと、Ｘ軸に沿った成分およびＹ軸に沿った成分を持つバイアス磁場を発生させる基板上の少なくとも１対の細長い永久磁石棒と、感知アームのそれぞれの側に電気的に接続された基板上のワイヤ・ボンド・パッドと、を備える磁場センサを開示する。
【０００７】
好ましくは、磁気抵抗センサ素子は、バイアス磁場によってＸ軸に沿って飽和させられる。
【０００８】
好ましくは、ＭＲセンサ素子の磁気抵抗伝達曲線は、磁気抵抗センサの動作磁場範囲内の印加磁場に応答して、高い線形性と、高感度と、低ヒステリシスとを有する。
【０００９】
好ましくは、磁気抵抗センサの伝達曲線は、１対以上の細長い永久磁石棒の磁化振幅および方向を制御することにより調節される。
【００１０】
好ましくは、磁気抵抗センサ素子は、ＭＴＪ素子またはＧＭＲ素子である。
【００１１】
好ましくは、磁気抵抗センサは、ブリッジ型センサである。
【００１２】
好ましくは、ブリッジ型センサは、プッシュプル方式フルブリッジ型センサである。
【００１３】
好ましくは、プッシュプル方式フルブリッジ型センサは、４本の感知アームを含み、４本のうちの２本の感知アームの磁場伝達曲線の関数としての抵抗は、磁気抵抗センサの動作磁場範囲内の同じ印加磁場に応答する他の２本の感知アームの抵抗に関して逆に変化する。
【００１４】
好ましくは、プッシュプル方式フルブリッジ型センサは、同じウェハから切り取られた２つのセンサダイを備え、各ダイは、２本の感知アームを収容するＸＹ平面と平行である表面を有し、２つのダイは、互いに１８０度回転させられている。
【００１５】
好ましくは、感知アームは、ワイヤ・ボンディングによってボンド・パッドに電気的に相互接続されている。
【００１６】
好ましくは、ブリッジ型センサは、感知アームおよび参照アームを含む被参照フルブリッジ型センサであり、参照アームは、磁気抵抗センサ素子を備える。
【００１７】
好ましくは、被参照フルブリッジ型センサは、２本の感知アームおよび２本の参照アームを備え、感知アームの印加磁場応答の関数としての抵抗の勾配は、磁気抵抗センサの動作磁場範囲内で参照アームの抵抗の勾配よりかなり大きい。
【００１８】
好ましくは、被参照フルブリッジ型センサは、参照アームおよび感知アームを両方ともに構成する磁気抵抗センサ素子が位置しているＸＹ平面と平行である表面を持つ基板を含む１つのセンサダイを備える。
【００１９】
好ましくは、Ｘ軸に沿った参照アーム磁気抵抗素子の長さは、Ｙ軸に沿った参照アーム磁気抵抗素子の長さより長く、かつ、Ｘ軸に沿った感知アーム磁気抵抗素子の長さより長い。
【００２０】
好ましくは、参照アームの磁気抵抗センサ素子は、高透磁率強磁性層によって遮蔽されている。
【００２１】
好ましくは、参照アームに隣接した１対の細長い永久磁石棒によって発生させられた磁場のＸ軸成分は、感知アームに隣接した１対の細長い永久磁石棒によって発生させられた磁場のＸ軸成分より大きい。
【００２２】
好ましくは、参照アームの磁気抵抗センサ素子または感知アームの磁気抵抗センサ素子は、１つ以上の永久磁石バイアス層によって覆われている。
【００２３】
好ましくは、参照アームの磁気抵抗センサ素子は、単層化または多層化された交換バイアス結合層によって覆われている。
【００２４】
好ましくは、ブリッジ型センサは、２本の感知アームを含むプッシュプル方式ハーフブリッジ型センサである。
【００２５】
好ましくは、プッシュプル方式ハーフブリッジ型センサは、２本の感知アームを含み、２本の感知アームのうちの一方の印加磁場伝達曲線の関数としての抵抗は、磁気抵抗センサの動作磁場範囲内で同じ印加磁場に応答するもう一方のこの抵抗に関して逆に変化する。
【００２６】
好ましくは、プッシュプル方式ハーフブリッジ型センサは、同じウェハから切り取られた２つのセンサダイを備え、各ダイは、１本の感知アームを収容するＸＹ平面と平行である表面を有し、２つのダイは、互いに１８０度回転させられている。
【００２７】
好ましくは、感知アームは、ワイヤ・ボンディングによってボンド・パッドに電気的に相互接続されている。
【００２８】
好ましくは、ブリッジ型センサは、感知アームおよび参照アームを含む被参照ハーフブリッジ型センサであり、参照アームは、磁気抵抗センサ素子を備える。
【００２９】
好ましくは、被参照ハーフブリッジ型センサは、１本の感知アームおよび１本の参照アームを備え、感知アームの印加磁場応答の関数としての抵抗の勾配は、磁気抵抗センサの動作磁場範囲内で参照アームの抵抗の勾配よりかなり大きい。
【００３０】
好ましくは、被参照ハーフブリッジ型センサは、参照アームおよび感知アームを構成している磁気抵抗センサ素子が位置しているＸＹ平面と平行である表面を持つ基板を含む１つのセンサダイを備える。
【００３１】
好ましくは、Ｘ軸に沿った参照アームの磁気抵抗センサ素子の長さは、Ｙ軸に沿った長さ、および、Ｘ軸に沿った感知アームの磁気抵抗センサ素子の長さより長い。
【００３２】
好ましくは、参照アームの磁気抵抗センサ素子は、高透磁率強磁性層によって遮蔽されている。
【００３３】
好ましくは、参照アームに隣接した１対の細長い永久磁石棒によって発生させられた磁場のＸ軸成分は、感知アームに隣接した１対の細長い永久磁石棒によって発生させられた磁場のＸ軸成分より大きい。
【００３４】
好ましくは、参照アームの磁気抵抗センサ素子および感知アームの磁気抵抗センサ素子は、１つ以上の永久磁石バイアス層によって覆われている。
【００３５】
好ましくは、参照アームの磁気抵抗センサ素子は、単層化または多層化された交換バイアス結合層によって覆われている。
【００３６】
好ましくは、磁気抵抗センサは、２つの独立した電流源および２本の感知アームを備えるプッシュプル方式準フルブリッジ型センサである。
【００３７】
好ましくは、２本の感知アームのうちの一方の印加磁場伝達曲線の関数としての抵抗は、磁気抵抗センサの動作磁場範囲内で同じ印加磁場に応答するもう一方のこの抵抗に関して逆に変化する。
【００３８】
好ましくは、プッシュプル方式準フルブリッジ型センサは、同じウェハから切り取られた２つのセンサダイを備え、各ダイは、１本の感知アームを収容するＸＹ平面と平行である表面を有し、２つのダイは、互いに１８０度回転させられている。
【００３９】
好ましくは、感知アームは、ワイヤ・ボンディングによってボンド・パッドに電気的に相互接続されている。
【００４０】
好ましくは、磁気抵抗センサは、２つの独立した電流源と、１本の感知アームと、１本の参照アームとを備える被参照準フルブリッジ型センサである。
【００４１】
好ましくは、感知アームの印加磁場応答の関数としての抵抗の勾配は、磁気抵抗センサの動作磁場範囲内で参照アームの抵抗の勾配よりかなり大きい。
【００４２】
好ましくは、被参照準フルブリッジ型センサは、被参照アームおよび感知アームを構成している磁気抵抗センサ素子が位置しているＸＹ平面と平行である表面を持つ基板を含む１つのセンサダイを備える。
【００４３】
好ましくは、Ｘ軸に沿った参照アームの磁気抵抗センサ素子の長さは、Ｙ軸に沿った長さ、および、Ｘ軸に沿った感知アームの磁気抵抗センサ素子の長さより長い。
【００４４】
好ましくは、参照アームの磁気抵抗センサ素子は、高透磁率強磁性層によって遮蔽されている。
【００４５】
好ましくは、参照アームに隣接した１対の細長い永久磁石棒によって発生させられた磁場のＸ軸成分は、感知アームに隣接した１対の細長い永久磁石棒によって発生させられた磁場のＸ軸成分より大きい。
【００４６】
好ましくは、参照アームの磁気抵抗センサ素子および感知アームの磁気抵抗センサ素子は、１つ以上の永久磁石バイアス層によって覆われている。
【００４７】
好ましくは、参照アームの磁気抵抗センサ素子は、単層化または多層化された交換バイアス結合層によって覆われている。
【００４８】
本発明は、線形磁気抵抗センサブリッジの大量生産で用いられる標準的な半導体製造技術を適合させる。結果として得られるセンサブリッジは、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）または巨大磁気抵抗（ＧＭＲ；giant magnetoresistance）多層膜の使用から生じる高感度を有する。これらは、センサ素子にバイアスをかけ、オフセットを補償するために使用される型どおりのオンチップ永久磁石をさらに収容する。高感度は、感知方向と垂直である永久磁石バイアス磁場が内部形状と材料異方性磁場とのバランスを取るときに、そして、低オフセットは、磁石バイアス磁場の成分が感知軸に沿って向けられるときに達成される可能性がある。これらの技術革新の結果として、磁気抵抗センサブリッジの実際的な用途の数を増加させるものである低ドリフト、高い線形性、および優れた温度安定性を有する高感度磁気抵抗センサブリッジが構築される可能性がある。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】磁気トンネル接合（ＭＴＪ）素子の上部導線および下部導線がＭＴＪの抵抗値を測定するオーム計に接続されているＭＴＪ断面の概略図である。
【００５０】
【図２】参照層磁化が負のＨ方向に向かうスピンバルブ感知素子の磁気抵抗応答の概略図である。
【００５１】
【図３】高感度ＭＴＪ素子の例証となる抵抗対印加磁場曲線を示す図である。
【図４】１８０度回転させられたダイ（反転ダイ）の例証となる抵抗対印加磁場応答曲線を示す図である。
【００５２】
【図５】複数のＭＴＪ素子を単一の磁気抵抗素子に組み合わせる方法を示す概略図である。
【００５３】
【図６】プッシュプル方式フルブリッジ型センサ回路を示す図である。
【００５４】
【図７】被参照フルブリッジ型センサ回路を示す図である。
【００５５】
【図８】プッシュプル方式ハーフブリッジ型センサ回路を示す図である。
【００５６】
【図９】被参照ハーフブリッジ型センサ回路を示す図である。
【００５７】
【図１０】プッシュプル方式準フルブリッジ型センサ回路を示す図である。
【００５８】
【図１１】被参照準フルブリッジ型センサ回路を示す図である。
【００５９】
【図１２】「プッシュプル方式反転ダイ」配置における４本の高感度ＭＴＪ感知アームを有するフルブリッジに対するブリッジ電圧出力対印加磁場曲線の例証となるプロットである。
【００６０】
【図１３】感知軸と平行である長軸を持つＭＴＪセンサ素子に関して永久磁石の場所を例示する図である。
【００６１】
【図１４】１対の永久磁石板の周りの磁場線のパターンを例示する、図１３に示された永久磁石およびＭＴＪ素子を通る断面図である。
【００６２】
【図１５】磁石幅および磁石対磁石ギャップの関数として、感知素子が存在するであろう１対の永久磁石板の中心での磁場強度を示す図である。
【００６３】
【図１６】ＭＴＪ伝達曲線のオフセットおよび飽和磁場を制御するためにＭＴＪ素子で磁場強度および配向を設定することに関連付けられた様々な角度を示す図である。
【００６４】
【図１７】図１６に例示された配置に関連付けられた磁場の成分を例示する図である。
【図１８】計算された感度対Ｈｃｒｏｓｓ／Ｈｋのプロットである。
【００６５】
【図１９】各々が２本の感知アームを有する２つのダイが４本の感知アームを持つフルブリッジを形成するために使用される例証となるセンサダイのレイアウトを示す図である。２つのダイは、同一であるが、一方がもう一方に対してセンサ基板平面と垂直な軸の周りに１８０度回転させられている。
【００６６】
【図２０】ブリッジ伝達曲線を最適化するために、センサアームバイアスを設定するための傾斜磁石と参照アームを設定するための直線状磁石とを利用する例証となるセンサダイのレイアウトを示す図である。自由選択の遮蔽体が示されている。
【発明を実施するための形態】
【００６７】
磁気トンネル接合（ＭＴＪ）の抵抗の構成および電気的測定の概要が図１に示される。ＭＴＪ積層１は、強磁性層４と、反強磁性体である可能性がある固定層３とで構成され、これらは、固定磁性層２を形成するために一つに磁気結合されている。ＭｇＯまたはＡｌ２Ｏ３で作られたトンネルバリア５は、強磁性層４の上部に直接的に形成される。強磁性層６は、バリア５の上部に形成される。“固定”層磁化ベクトル８および“感知”層磁化ベクトル７の方向は、これらの矢印の向きによって示される。固定層磁化ベクトル８の方向は、適度のサイズの磁場が存在する場合、比較的固定されるように設計される。感知層磁化ベクトル７の方向は、固定層のこれの方向と比べて比較的“自由”に回転するように設計される。この回転自由度は、片側矢印８に対比して両側矢印７によって示される。層３、４、５および６の典型的な厚さは、０．１ｎｍから１００ｎｍである。
【００６８】
下部電極１６および上部電極１７は、これらのそれぞれの層３および６と直接電気的に接触する。電極は、通常は、非磁性導電性金属であり、オーム計１８への入力に電流を搬送するため適当でなければならない。オーム計は、積層全体の両端間に既知の電流電位（または電圧）を印加し、結果的に起こる結果として生じる電圧（または電流）を測定する。通常は、トンネルバリア５は、このようなデバイスにおける抵抗の大部分であり、たとえば、１０００オームであり、残りのリード線抵抗の全部は、１０オームである。下部導電層１６は、絶縁基板材料９によって支えられ、これのエッジは、層１６のエッジを越えて延在する。絶縁基板材料９は、次に、他の本体基板材料１０によって支えられることがある。本体基板材料は、最も一般的にはシリコンであるが、ガラス、パイレックス、ＧａＡｓ、ＡｌＴｉＣ、または、適切なウェハ完全性を提供する何か他の材料である可能性がある。シリコンは、回路への加工の簡単さが重んじられるが、このような回路は、磁気センサのためいつでも必要とされるものではない。
【００６９】
線形磁場測定のため適したＧＭＲまたはＭＴＪ磁気センサ素子の磁気抵抗（ＭＲ）伝達曲線の一般形式［すなわち、抵抗対印加磁場のプロット］は、図２に概略的に示されている。同図に描かれた伝達曲線２０は、低い方２１の抵抗値ＲＬおよび高い方２２の抵抗値ＲＨでそれぞれ飽和する。飽和の間の領域において、伝達曲線は、印加磁場Ｈ、すなわち、Ｈｓｅｎｓｅに線形従属する。印加磁場Ｈｓｅｎｓｅは、センサ素子の感知軸と平行に印加される。固定層磁化層８は、感知軸と逆平行であり、すなわち、−Ｈ方向に向けられている。抵抗曲線２０は、自由層磁化ベクトル７が固定層８の磁化ベクトルと逆平行であるときにこれの最大値を取り、８に平行であるときにこれの最小値を取る。抵抗曲線２０の中間値は、自由層６に対して取得され、固定層４の磁化角度は、中間角度を取る。伝達曲線２０は、プロット中のＨ＝０の点の周りで対称性を持つ必要がない。飽和磁場２５、２６は、ＲＬ飽和領域がＨ＝０点により接近するように、典型的に量Ｈｏ、２３によってオフセットさせられる。ＨＯの値は、多くの場合に、“オレンジピール”または“ニールカップリング”と呼ばれ、典型的に１Ｏｅから４０Ｏｅまで変動する。これは、ＭＲ構造体内部の強磁性膜の粗さに関連し、材料および製造工程に依存する。
【００７０】
図２に示されるように、飽和磁場２５と２６との間で、デバイス動作を例示する目的のため、伝達曲線の動作範囲は：
【数１】
0006420665.tif 000002
として近似されることがあり、式中、Ｈｓは飽和磁場である。Ｈｓは、非対称性を除去するためにＨｏだけ曲線をシフトした後に、低い磁場伝達曲線接線が正および負の飽和接線とそれぞれに交差する磁場として定量的に定義される。
【００７１】
図２における伝達曲線２０は、いくつかの方法で理想化されている。１つの方法は、この伝達曲線が抵抗Ｒと印加磁場Ｈｓｅｎｓｅとの間で完全に線形関係を示し、磁気ヒステリシスを示さないことである。実際の事例では、磁場と共に変化する磁気抵抗応答曲線は、ヒステリシスと呼ばれる遅れ現象を有する。磁場が周期的に印加されるとき、磁気抵抗装置で用いられる強磁性材料に対する伝達曲線は、ヒステリシスとして周知である時間遅れ現象またはループの開きを示す。しかしながら、適切に最適化されたとき、この影響は、小さくなる可能性があり、伝達曲線は、完全に線形であるとみなされる可能性がある。しかしながら、現実のセンサでは、伝達曲線２０をかなり湾曲させる磁気設計制約および材料不良が存在する。本発明は、現実の生産において実施されたとき、優れた感知動作を実現させる設計、構造体、および工程に関する。
【００７２】
Ｒ対Ｈｓｅｎｓｅをプロットする伝達曲線３０は、低い方のＲＬおよび高い方のＲＨの抵抗値２１および２２をそれぞれ有する。この伝達曲線は、零磁場およびほぼ零磁場の領域内の中心で、おおよそ高飽和２５と低飽和２６との間の領域の中の約１／３の領域において、高感度である。曲線３０に対するＨ＝０接線は、接線３３としてプロットされている。この線の勾配は、センサの感度に正比例する。零磁場接線３３は、磁場値（−Ｈｓ＋Ｈｏ）、２５および（＋Ｈｓ＋Ｈｏ）、２６でそれぞれ低磁場接線３４および高磁場接線３５と交差する。図３に示されるように、曲線３０上の最高および最低抵抗値は、それぞれ、磁化配向７および８が逆平行であるときと、平行であるときとに現れる。７および８が垂直であるときに抵抗値は、ＲＬとＲＨとの中間にある。これは、線形磁気センサのための理想的な「動作点」である。図４に示されるように、センサ平面に垂直である軸の周りに１８０度回転させられた同じダイ（基板材料が多くのダイに切られ、各ダイが単一のデバイスを収容している）に対するＲ対Ｈｓｅｎｓｅ曲線。固定層磁化配向８は、今度は、主要なプロットの場合のように逆平行ではなく、Ｈｓｅｎｓｅと平行である。このようにして、Ｒ対Ｈｓｅｎｓｅ曲線の勾配は、同じＨｓｅｎｓｅ内の回転されていないダイの勾配に対して厳密に負になる。この事実は、そうではない場合に可能である出力より大きい出力を持つ抵抗ブリッジを作製するのに役立つことが分かる。
【００７３】
ＭＴＪ素子は、これらのサイズが小さいので、図５に示されるように、感度を高め、１／Ｆノイズを低減し、静電放電への耐性を改善するために、一列にまとめて接続される可能性がある。この列は、より複雑な回路の磁気抵抗アームとしての機能を果たす可能性がある。ＭＴＪ素子４０は、下部電極４１と上部電極４２との間に挟まれ、電流４３がＭＴＪ４０を垂直に、そして、上部導電層および下部導電層からパターン化された交流導体を通って水平に流れるように相互接続されている。下部電極４１は、絶縁層９およびできる限り付加的な基板本体１０に支持されている。各素子の列の端部には、他の部品またはオーム計１８が回路の他の部分に接続されることがあるボンディング・パッドがある。電流の流れの方向は、通常では、ブリッジアームの抵抗値に影響を与えない。ブリッジの参照アームおよびセンサアームにおいて同じサイズのＭＴＪ接合を維持するのが有利であり、なぜならば、これは、製造中にエッチバイアスに対してデバイスをより低感度にするからであり、その結果、ＭＴＪ素子のこれらの列のさらなる利点は、各列内の素子の数がブリッジの参照アームとセンサアームとの間で最適な抵抗比を設定するために変えられる可能性があることである。
【００７４】
電気ブリッジは、抵抗トランスデューサから容易に増幅される電圧に信号を変換するのに用いられる。これは、信号対ノイズを改善し、同相信号を相殺し、熱効果を低減するためであり、多くのその他の理由。前述のＭＲ素子の列は、ホイートストンブリッジまたはこのブリッジの関連した変形を形成するために簡単にまとめて接続される可能性がある。
【００７５】
図６は、プッシュプル方式フルブリッジ型センサの概略図を示す。プッシュプル方式磁場センサは、４本のフルブリッジ型センサアームを含み、センサの動作範囲内でブリッジの２本のアームの磁気抵抗は、同じ印加磁場に応答するブリッジのその他の２本のアームと反対に変化する。
【００７６】
プッシュプル方式フルブリッジ型磁場センサは、同じウェハから切り取られた２つのセンサダイを備え、各ダイは、２本の感知アームを収容するＸＹ平面と平行である表面を有し、２つのダイは、互いに１８０度回転させられている。
【００７７】
感知アームは、ワイヤ・ボンディングによってボンド・パッドに電気的に相互接続されている。
【００７８】
図７は、被参照フルブリッジ型センサの概略図である。
【００７９】
磁場センサとして構成された被参照フルブリッジ型センサは、２本の感知アームおよび２本の参照アームを備え、参照アームおよびセンサアームは、磁気抵抗センサ素子で構成されている。
【００８０】
被参照フルブリッジ型センサは、２本の感知アームおよび２本の参照アームを備え、感知アームの印加磁場応答の関数としての抵抗の勾配は、磁気抵抗センサの動作範囲内で参照アームの抵抗の勾配よりかなり大きい。
【００８１】
被参照フルブリッジ型センサは、参照アームおよび感知アームを両方ともに構成する磁気抵抗センサ素子が位置しているＸＹ平面と平行である表面を持つ基板を含む１つのセンサダイを備える。
【００８２】
図８は、プッシュプル方式ハーフブリッジ型センサ回路の概略図を示す。
【００８３】
磁場センサとして構成されたプッシュプル方式ハーフブリッジ型センサは、２本の感知アームを含む。
【００８４】
プッシュプル方式ハーフブリッジ型磁場センサは、２本の感知アームを含み、２本の感知アームのうちの一方の印加磁場伝達曲線の関数としての抵抗は、磁気抵抗センサの動作磁場範囲内で同じ印加磁場に応答するもう一方の感知アームの抵抗に関して逆に変化する。
【００８５】
プッシュプル方式ハーフブリッジ型磁場センサは、同じウェハから切り取られた２つのセンサダイを備え、各ダイは、１本の感知アームを収容するＸＹ平面と平行である表面を有し、２つのダイは、互いに１８０度回転させられている。
【００８６】
プッシュプル方式ハーフブリッジ型磁場センサの感知アームは、ワイヤ・ボンディングによってオンチップ・ボンド・パッドに電気的に相互接続されている。
【００８７】
図９は、被参照ハーフブリッジ型回路の概略図を示す。
【００８８】
被参照ハーフブリッジ型回路が被参照ハーフブリッジ型磁場センサとして構成されているとき、これは、感知アームおよび参照アームを含み、感知アームおよび参照アームは、磁気抵抗素子で構成されている。
【００８９】
被参照ハーフブリッジ型磁場センサは、１本の感知アームおよび１本の参照アームを備え、感知アームの印加磁場応答の関数としての抵抗の勾配は、磁気抵抗センサの動作範囲内で参照アームの抵抗の勾配よりかなり大きい。
【００９０】
被参照ハーフブリッジ型磁場センサは、参照アームおよび感知アームを構成する磁気抵抗センサ素子が位置しているＸＹ平面に平行である表面を持つ基板を含む１つのセンサダイを備える。
【００９１】
図１０は、準フルブリッジ型回路の概略図を例示する。
【００９２】
準フルブリッジ型磁場センサとして構成されたプッシュプル方式準フルブリッジは、２つの独立した電流源および２本の感知アームを備える。
【００９３】
準フルブリッジ型磁場センサにおいて、２本の感知アームのうちの一方の印加磁場伝達曲線の関数としての抵抗は、同じ印加磁場に応答するもう一方の感知アームの抵抗に関して逆に変化する。
【００９４】
プッシュプル方式準フルブリッジ型磁場センサは、同じウェハから切り取られた２つのセンサダイを備え、各ダイは、１本の感知アームを収容するＸＹ平面に平行である表面を有し、２つのダイは、互いに１８０度回転させられている。
【００９５】
プッシュプル方式準フルブリッジ型磁場センサの感知アームは、ワイヤ・ボンディングによってボンド・パッドに電気的に相互接続されている。
【００９６】
図１１は、準フルブリッジ型回路の概略図を例示する。
【００９７】
準フルブリッジ型被参照磁場センサとして構成された、準フルブリッジ型センサは、２つの独立した電流源と、１本の感知アームと、１本の参照アームとを備える。
【００９８】
感知アームの印加磁場応答の関数としての抵抗の勾配は、磁気抵抗センサの動作範囲内で参照アームの抵抗の勾配よりかなり大きい。
【００９９】
被参照準フルブリッジ型センサは、参照アームおよび感知アームを構成する磁気抵抗センサ素子が位置しているＸＹ平面に平行である表面を持つ基板を含む１つのセンサダイを備える。
【０１００】
１つの好ましい変形は、Ｈｓｅｎｓｅに能動的に応答する全部で４本の抵抗アームを有する“フルブリッジ”５０であり、このようなアームは、“感知アーム”と呼ばれる。ボンディング・パッドは、センサの端部を接続するために必要である。明瞭にするため、ボンディング・パッドは、例示されていない。感知アーム５２および５２’は、これらのＲ対Ｈｓｅｎｓｅ曲線に対して正の勾配を有し、感知アーム５４および５４’は、これらのＲ対Ｈｓｅｎｓｅ曲線に対して負の勾配を有する。感知アーム５２および５４の上の矢印の方向は、これらのそれぞれの抵抗対印加磁場曲線の勾配の符号を示唆する。
【０１０１】
上部から始めて、ダイヤモンド形状をしたプッシュプル方式フルブリッジ型磁場センサ５０の周囲を動き回ると、センサは、電圧バイアス（Ｖｂｉａｓ４５）、ハーフブリッジ・センタータップ（Ｖ２、４８）、グラウンド（ＧＮＤ、４６）、およびハーフブリッジ・センタータップ（Ｖ１、４７）のための接点パッドが必要である。感知アームは、基板１０上の絶縁層９に用意されることがある。ブリッジアームと外部半田ブリッジとを接続する多くの方法がある。典型的な接続構造体は集積回路上の完全集積化、ワイヤ・ボンディング、および半田ボール接続を含む。
【０１０２】
図３における曲線３０のＲＨ値およびＲＬ値からこの曲線を導き出すために、第一に、極めて正のＨｓｅｎｓｅに対して電圧差Ｖ１−Ｖ２を計算する。この感知条件では、感知アーム（５２、５２’）および（５４、５４’）の値は、それぞれＲＨおよびＲＬである。ＶｂｉａｓからＧＮＤまでのブリッジの正味の抵抗は：
Ｒｎｅｔ＝［ＲＨ＋ＲＬ］パラレル［ＲＬ＋ＲＨ］＝［ＲＬ＋ＲＨ］／２      （２）
である。ブリッジの左側と右側とは、等しい抵抗値を有するので、ブリッジを流れる電流は、ブリッジの右側と左側との間で均等に分割される。
【数２】
0006420665.tif 000003
左側のＶ１における電圧は、
【数３】
0006420665.tif 000004
である。右側のＶ２における電圧は、
【数４】
0006420665.tif 000005
である。ブリッジ型センサの出力は、これらの間の差：
【数５】
0006420665.tif 000006
として定義される。従って、これは、図６で＋Ｖｐｅａｋ、６１として示された正のＨｓｅｎｓｅに対する最高Ｖ出力値である。外観検査によって、接線６３は、原点を通過し、Ｈｓｅｎｓｅ＝Ｈｓａｔで＋Ｖｐｅａｋ値６１を横切ることが分かる可能性がある。従って、Ｈ＝零におけるブリッジ出力の勾配によって定義されたブリッジ出力電圧感度は：
【数６】
0006420665.tif 000007
である。後から、
ＨＳａｔ＝Ｈｃｒｏｓｓ−Ｈｋ              （８）
であることが示され、式中、Ｈｃｒｏｓｓは、感知自由層７の磁化に磁気的に「バイアスをかける」目的のため、感知方向と垂直に、かつ、センサチップ平面内で印加された磁場であり、Ｈｋは、層７の正味の実効的な単軸異方性磁場である。Ｈｋは、振動試料型磁力計（ＶＳＭ）または超伝導量子干渉デバイス（ＳＱＵＩＤ）磁力計のような独立した方法を使用して測定される可能性がある。この時点で、図１２におけるＶｏｕｔ対Ｖｓｅｎｓｅの感度を獲得するために裏付けなしで式８を式７に代入する：
【数７】
0006420665.tif 000008
以上、プッシュプル方式フルブリッジ型磁場センサ５０の感度の計算を詳細に説明した。
【０１０３】
本節では、６つの関連するブリッジタイプの感度が完全な導出なしで比較のため表に記載されている。ブリッジの構造は、図６から図１１に示される。結果として得られる感度およびピーク電圧値は、表１に要約される。
【０１０４】
【表１】
0006420665.tif 000009
感知アーム（５２、５２’）および参照アーム（５３、５３’）を含んでいる被参照フルブリッジ５１が図７に示される。参照アーム５３は、矢印を持たず、これの抵抗対印加磁場曲線の非常に小さい勾配を示唆する。
【０１０５】
図６に示されたプッシュプル方式フルブリッジ５０は、Ｒ−Ｈｓｅｎｓｅ曲線の勾配が５２と５４とに対して反対であるような２種類の感知アーム、すなわち、（５２、５２’）および（５４、５４’）を有する。感知アーム５２および５４上の矢印の方向は、これらのそれぞれの抵抗対印加磁場曲線の勾配の符号を示唆する。
【０１０６】
表１では、４本のアーム全てが信号に寄与しているのでフルブリッジが被参照フルブリッジより高い感度を有することが分かる。
【０１０７】
図８に示されるように、プッシュプル方式ハーフブリッジ５５は、２本の反対称性感知アーム５２、５４を有し、その一方で、図９に示された被参照ハーフブリッジ５６は、１本の感知アーム５２および１本の参照アーム５３だけを有する。
【０１０８】
図１０に示されるように、プッシュプル方式準フルブリッジ５７および被参照準フルブリッジ５８は、２つの反対称性感知アーム５２、５４を有する。これは、バイアス電圧ではなく定電流源５９によって電気的に駆動される。
【０１０９】
図１１に示されるように、被参照準フルブリッジ、１本の感知アーム５２および参照アーム５３だけ。これは、バイアス電圧ではなく定電流源５９によって電気的に駆動される。
【０１１０】
添付された図６および７に示されるように、プッシュプル方式ブリッジ型センサ５０および参照ブリッジ型センサ５１の上部から時計回りに一巡する接続部は、バイアス電圧（Ｖｂｉａｓ）、右側ハーフブリッジ・センタータップ（Ｖ２）、グラウンド（ＧＮＤ）および右側ハーフブリッジ・センタータップ（Ｖ１）である。４つの接続部は、各ブリッジアームを越えて接続する。これらは、通常は、ブリッジ型回路出力電圧の指標を与える差分（Ｖ１−Ｖ２）を測定するためにＶ１とＶ２との間の電圧計に接続される。
【０１１１】
添付された図８および図９に示されるように、プッシュプル方式ハーフブリッジ型センサ回路５５および被参照ハーフブリッジ型センサ回路５６は、３つのワイヤ・ボンディング・パッドを有し、上から下へ進むと、これらはバイアス電圧（Ｖｂｉａｓ）、センタータップＶ１およびグラウンド（ＧＮＤ）である。
【０１１２】
プッシュプル方式ハーフブリッジ型センサ回路５５および被参照ハーフブリッジ型センサ回路５６の出力は、様々な周知技術によって測定され得る。１つの方法は、Ｖ１とＧＮＤとの間に電圧計を接続することであり、Ｖ１とＧＮＤとの間の電位差（Ｖ１−ＧＮＤ）が出力電圧である。別の方法は、Ｖ１と安定した電圧基準Ｖｒｅｆとを比較することであり、Ｖ１とＶｒｅｆとの間の電位差（Ｖ１−Ｖｒｅｆ）が出力信号である。Ｖｒｅｆは、逆バイアスダイオード、分圧器またはその他の周知の方法で作られる可能性がある。
【０１１３】
図１０および１１は、プッシュプル方式準フルブリッジ５７および被参照フルブリッジ５８を示し、３つの外部コネクタを示し、これらの接続部は、上から時計回りに、出力電圧タップＶ２、グラウンドＧＮＤ、および出力電圧タップＶ１である。２つの定電流源Ｉ１（５９）およびＩ２（５９’）は、電圧タップとＧＮＤとの間につながる。
【０１１４】
プッシュプル方式準フルブリッジ型センサ５７および被参照準フルブリッジ型センサ５８の出力電圧は、多くの周知の方法によって測定され得る。１つの方法は、ブリッジ型回路出力電圧を示す差分（Ｖ１−Ｖ２）を測定するためにＶ１およびＶ２に接続された電圧計を使用することである。
【０１１５】
プッシュプル方式準フルブリッジ型センサ５７および被参照準ブリッジ型センサ５８の電流源Ｉ１およびＩ２のための電流源は、多くの周知の方法で作られ得る。磁気抵抗素子の電圧を監視し調節するために電圧フィードバックループを利用する。別の方法は、電流を制御するために回路内で磁気抵抗素子を使用することである。本方法では、感知アームまたは参照アームより大きい抵抗を持つ磁気抵抗素子が使用される。ここで、より大きい抵抗は、ブリッジアーム抵抗値の変化に対して電流を安定化させるために作用し、従って、これは、電流源に類似する。
【０１１６】
前節では、被参照フルブリッジ型センサ５１、被参照ハーフブリッジ型センサ５６、および被参照準フルブリッジ型センサ５８は、センサの動作磁場範囲内で感知アームと比べて非常に低い感度を有するべきである“参照アーム”（５３）を必要とする。センサアームに関して参照アームのΔＲ／Ｒを変更することは実際的ではないので、感度は、Ｈｓを修正することによって最も簡単に調節される。これは、いくつかの異なった技術のうちの１つまたは組み合わせによって達成されることがある：
磁気遮蔽−ここで、高透磁率強磁性プレートが印加磁場を減衰させるためにブリッジの参照アームの上部に堆積させられる。
【０１１７】
形状異方性安定化−参照ＭＲ素子およびセンサＭＲ素子は、異なったサイズ、従って、異なった形状異方性を有する。最も一般的なアプローチは、感知軸と平行である方向における消磁率が感知ＭＲ素子の場合より参照ＭＲ素子に対してかなり大きくなるように、参照ＭＲ素子をセンサＭＲ素子より長くかつ狭くすることであろう。
【０１１８】
交換バイアス−本技術では、実効磁場がＭＲ素子の自由層を隣接した反強磁性または永久磁石層に交換結合することにより感知軸と垂直な方向に作られる。交換バイアスの強度を低下させるためにＣｕまたはＴａのような材料製の薄いスペーサ層を自由層とこの自由層が交換バイアスされた層との間に置くのが望ましいことがある。代表的な積層順序は、次のとおりである：
...シード／ＡＦ１／ＦＭ／Ｒｕ／ＦＭ／バリア／ＦＭ／スペーサ／ＡＦ２／キャップ...
...シード／ＡＦ１／ＦＭ／Ｒｕ／ＦＭ／バリア／ＦＭ／スペーサ／ＰＭ／キャップ...
...シード／ＡＦ１／ＦＭ／Ｒｕ／ＦＭ／バリア／ＦＭ／ＡＦ２／キャップ...
...シード／ＡＦ１／ＦＭ／Ｒｕ／ＦＭ／バリア／ＦＭ／ＰＭ／キャップ...
ここで、ＡＦ１およびＡＦ２は、ＰｔＭｎ、ＩｒＭｎ、ＦｅＭｎのような反強磁性材料である。ＦＭは、限定されることはないが、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅおよびＮｉＦｅＣｏを含む多くの異なった可能な強磁性合金から構成された強磁性層または多層を表すために使用される。バリアは、Ａｌ２Ｏ３またはＭｇＯのようなスピン分極トンネリングと両立するどのような絶縁材料でもよい。スペーサは、概して、非磁性層であり、通常は、Ｔａ、ＲｕまたはＣｕの薄層である。異なった反強磁性層ＡＦ１およびＡＦ２は、ＡＦ２のブロッキング温度がＡＦ１のブロッキング温度より低くなるように概して選択されるものであり、その結果、ＦＭ／Ｒｕ／ＦＭ固定層が自由層上でＦＭ２によって作り出された交換バイアス磁場と直交する方向に設定される可能性がある。
【０１１９】
磁場バイアス−本技術では、Ｆｅ、Ｃｏ、ＣｒおよびＰｔの合金のような永久磁石材料は、センサ基板上またはＭＲ積層内に堆積させられ、ＭＲ素子伝達曲線にバイアスをかける漂遊磁場を生成するために使用される。永久磁石バイアス方式の利点は、ブリッジが製作された後、永久磁石が大きい磁場を使用して初期化される可能性があることである。さらなる非常に重要な利点は、バイアス磁場がＭＲセンサ素子の応答を安定化および線形化するためにこれらのＭＲセンサ素子から磁区を除去するために使用される可能性があることである。これらの利点は、後述されるように製造ばらつきを考慮するために設計を調整する際に大きい柔軟性を与える。積層内設計に関して、以下の概略的な積層順序
...シード／ＡＦ１／ＦＭ／Ｒｕ／ＦＭ／バリア／ＦＭ／厚いスペーサ／ＰＭ／キャップ...
が考えられる。その他の技術は、ＭＲ素子と横並びのバイアス磁石の使用を含む。
【０１２０】
感度を調節する技術は、個別に、または、組み合わせて適用されることがある。詳しくは、Ｈｓａｔｒｅｆを極端に高くし、それによって、ブリッジ型センサのための非常に安定した参照アームを提供する参照レッグのＳＭＴＪを低下させるためにいくつかの技術を組み合わせるのが望ましいことがある。
【０１２１】
ここで、Ｈｃｒｏｓｓを提供する好ましい方法が開示される。この方法は、図１３に例示される。ここで、磁気抵抗センサ７０は、２つのオンチップ磁石７１の上に位置している。これらのオンチップ磁石が形成された下にある半導体基板の上面は、明瞭さのため図示されていない。
【０１２２】
磁石は、“ギャップ”７２によって分離され、幅“Ｗ”７３、厚さ“ｔ”７４、および長さ“Ｌｙ”７５を有する。磁石は、感度軸、すなわち、ブリッジ型センサのＹ軸７６と垂直である方向に、しかし、主として基板の平面内に交差バイアス磁場を提供するように設計される。この軸は、交差軸またはＸ軸７８と呼ばれることがよくある。磁気抵抗素子７０は、幅ＷＭＲ、８２および長さＬＭＲ、８３を持つ楕円形状を有する。ＭＲ素子７０の断面は、図１に示される。
【０１２３】
永久磁石は、これらの残りの磁化ＭＰＭ、７７が主としてブリッジ型センサの感知軸７６と垂直であり、主として交差軸またはＸ軸７８と平行であり、かつ、ＸＹ平面内にあるように、大きい磁場を使用して初期化される。ここで、Ｘ軸およびＹ軸は、標準的な直交座標系軸であり、Ｚ軸は、基板面と垂直である。結果として得られる磁石７１の周りの磁束線のパターンのＹ＝０（またはＸＺ平面）投影は、図１４に８０として示されている。これらの磁場の大きさおよび方向がここで計算される。
【０１２４】
永久磁石からの磁場は、磁化に関する境界条件の結果として図１６に９０および９１で例示されるように永久磁石プレートのエッジに形成する仮想磁荷が原因であると考えられる。残留磁化ＭＰＭ７７の配向は、感知軸から角度“θＰＭ”９２になるように設定される。磁荷は、
ρｓ＝Ｍｒｃｏｓ（θＰＭ＋θｒｅｆ）またはρｓ＝Ｍｒｃｏｓ（θＰＭ＋θｓｎｓ）  （１６）
として、永久磁石片のエッジの方向「θｒｅｆ」または「θｓｎｓ」９３に関する残留磁化ＭＰＭ７７の大きさおよび方向「θＰＭ」９２と共に変動する。これらの仮想磁荷は、標準的な式
【数８】
0006420665.tif 000010
に従って磁場を生成する。ＭＲ素子７０の平面内の２つの磁石７１の間のギャップに結果として生じる磁場は、図１６にベクトルＨｇａｐ、９４として示される。これは、主として磁石７１のエッジと垂直である方向を有する。同じベクトルは、図１７のベクトル和線図に９４’として示される。角度加算則から、ベクトルＨｇａｐ、９４とＸ軸との間の角度θｇａｐは、
θｇａｐ＝θｓｎｓ−π／２またはθｇａｐ＝θｒｅｆ−π／２                （１８）
によって与えられることが分かる。
θＰＭ＝θｒｅｆまたはθｒｅｆ＝π／２の事例では、残留磁化Ｍｒの関数としてのＭＲ素子の中心での磁場は、
【数９】
0006420665.tif 000011
として与えられる。式１９は、参照アームおよびセンサアームの飽和磁場が永久磁石構造体７１の寸法を変えることによって互いにどのように変動させられる可能性があるかを示すために磁石幅Ｗ７３およびギャップ７２の関数として図１５においてプロットされている。ここで、たとえば、センサアームおよび参照アームにおける同じＭＴＪ積層、ＭＴＪ素子寸法、および永久磁石膜を使用して、参照レッグがセンサレッグより６．５倍高い磁場で飽和するように、Ｈｃｒｏｓｓ１００と１０１との間の差の６．５倍を得ることが可能である。これは、図５における被参照フルブリッジ５１、被参照ハーフブリッジ５６、および被参照準フルブリッジ５８のような被参照ブリッジに対して十分であり、適切な設計と比べて１０倍を超える差を得ることが比較的簡単である。フルブリッジ５０に対して、図６において、フルブリッジ内に“参照センサ”は存在しないので、１組の永久磁石膜寸法だけが必要とされることになる。
【０１２５】
図１７のベクトル和線図は、全ベクトルＨｇａｐ９４’の座標軸成分Ｈｃｒｏｓｓ、９５およびＨｏｆｆ、９６を示す。これは、１）飽和値を設定し、ＭＲ素子７０のオフセット磁場Ｈｏ、２３を補償すること、および２）対称性、オフセットおよび感度に対するブリッジ応答を最適化することの両方を目的として、Ｈｃｒｏｓｓ、９５およびオフセットキャンセル磁場Ｈｏｆｆ、９６の両方を生成するために感知方向に関して磁石７１のエッジの角度を設計することが可能であることを示す。付加的に、デバイスが製作された後、感知軸に関して角度θＰＭ、９２でＭＰＭ７７を設定する能力は、ブリッジオフセットまたは非対称性を最小化するために製造後にデバイスを微調整する能力を提供する。この能力は、製造歩留まりを高めるために使用され得る。
【０１２６】
オンチップ永久磁石を使用して交差軸磁気バイアス磁場を発生させることについての説明が終了したので、今度は、磁気抵抗性の幾何学的性質、および強磁性材料特性の点から電圧感度を示す式（９）へとつながる（８）の導出が提示される。この理論を展開するのに使われた磁性物体は、図１に示されるように、厚さＴＭＲ、１１を有するＭＴＪの自由層６である。ＸＹ平面内のＭＲ自由層６の形状は、図１３および図１６に概略的に示され、ＭＲ素子７０は、Ｙ軸７６に沿った長さＬＭＲ、８３がＸ軸７８に沿ったこれの幅ＷＭＲ、８２より長い楕円形輪郭を有する。
【０１２７】
ＭＲセンサ素子が動作するとき、これは、図１６にベクトルＨＭＲ、１０４として示された正味の外部印加磁場を受ける。この印加磁場は、Ｘ軸に対して角度θＭＲ、１０５にある。これは、ＭＲ素子７０の「自由層」６の正味の磁化ＭＭＲ、１０６を誘導する。ＭＭＲは、Ｘ軸に対して角度ΦＭＲ、１０７にある。
【０１２８】
感度は、磁場＝０におけるＲ−Ｈｓｅｎｓｅ曲線の勾配として定義される。これは、以下の解決方法：
１）θＭＲおよびΦＭＲのＨＭＲ、ＭＭＲの関数としてＭＲ素子の磁気自由エネルギーを見つける。
２）エネルギーを最小化する。
３）印加磁場の関数としてθＭＲの磁化角度について解く。
４）零印加磁場での感度を決定するためにＨＭＲ＝０でＭＭＲ対ＨＭＲの微分を取る。
を使用して計算されるであろう。
【０１２９】
ＭＲ素子寸法のこのＭＲ素子の磁性挙動への影響を説明するために、ＬＭＲ、ＷＭＲおよびＴＭＲの典型的な値は、［Ｘ：Ｙ：Ｚ］における５００：２０００：１のアスペクト比に対して、それぞれ、３０００ｎｍ、１２０００ｎｍおよび６ｎｍとして与えられる。従って、本実施例における消磁率は、
［ｄｘ，ｄｙ，ｄｚ］≒［０．０００４，０．０００１，０．９９９５］    （２０）
である。全エネルギー＝｛印加磁場に起因したエネルギー｝＋｛自己エネルギー｝は、
【数１０】
0006420665.tif 000012
である。第２項における自己磁場は、ここで、Ｘ、Ｙ、Ｚにおける定数付きの２つの１軸磁場：消磁磁場（ｄ）および材料異方性（ｋ）を含む。
【０１３０】
Ｈｄｘ＝−ＮｘＭｘ＝−（ｄｘ＋ｋｘ）Ｍｘ                      （２２）
Ｈｄｙ＝−ＮｙＭｙ＝−（ｄｙ＋ｋｙ）Ｍｙ                      （２３）
Ｈｄｚ＝−ＮｚＭｚ＝−（ｄｚ＋ｋｚ）Ｍｚ                      （２４）
次に、いくつかの簡易近似を行う：
１）感知対象であるＨＭＲは、完全にＹ軸に沿っている。
２）Ｈｃｒｏｓｓは、完全にＸ軸に沿っている。
３）ｄｚ＞＞ｄｘ，ｄｙであるので、Ｍｚ＝０である。
【０１３１】
式２１は、次に：
【数１１】
0006420665.tif 000013
に簡略化される。（２２）および（２３）を（２５）に代入すると、全エネルギーは：
【数１２】
0006420665.tif 000014
【数１３】
0006420665.tif 000015
【数１４】
0006420665.tif 000016
になる。θの関数依存性を見つけるために（２８）を最小化すると：
【数１５】
0006420665.tif 000017
である。ＨｃｒｏｓｓがＭＲ素子磁化ＭＭＲを飽和させると仮定すると、微小θの限界を解決することが可能である：
ｈｃｒｏｓｓθ−ｈＭＲ＋（Ｎｙ−Ｎｘ）θ≒０                              （３０）
【数１６】
0006420665.tif 000018
全異方性は：
Ｈｋ＝（Ｎｘ−Ｎｙ）Ｍｓ                                              （３２）
として表現されることに注意すること。微小角近似を使用すると：
【数１７】
0006420665.tif 000019
である。零磁場での勾配は、従って：
【数１８】
0006420665.tif 000020
である。ブリッジ型センサが電圧Ｖｐで飽和すると仮定すると、感度は、
【数１９】
0006420665.tif 000021
である。これは、交差磁場と異方性磁場との間の差に関係している。感度（ボルト／ボルト／エルステッド）対［Ｈｃｒｏｓｓ／Ｈｋ］（無次元）のプロットが図１８に示される。Ｈｃｒｏｓｓ／Ｈｋが値１に向かって減少するにつれて、計算された感度は、無限大に増加することが分かる。実際には、Ｈｃｒｏｓｓは、Ｈｋより僅かに高くなるように設定されるので、センサは、磁気ヒステリシスを低下させ、自由層磁化ＭＭＲが磁気的に飽和されないことの他の望ましくない影響を回避するために、このセンサが感知できる範囲より広い磁場の範囲を有する。
【０１３２】
大規模工業生産では、磁気抵抗素子は、ウェハと呼ばれる円形基板に準備され、このウェハは、チップまたはダイとして周知の小型片に切り分けられる。特定の用途では、１つ以上の磁気抵抗ダイは、その後に封止されるブリッジを形成するために電気的に相互接続されることがある。
【０１３３】
図１９は、図１６および図１３に示された形状を持つ発明のＭＲ感知素子７０を使用するフルブリッジの例証となるダイレイアウトを示す。２つの名目上は同一であるダイ１２２および１２３は、同じセンサパッケージの中に置かれている。これらは、Ｚ軸の周りに互いに正確に１８０度回転させられ、これらの感知平面は、ＸＹ平面である。各ダイは、２つの電気的に絶縁されたＭＲ感知レッグを有する。
【０１３４】
フルブリッジ５０を形成するために必要とされる電気接続は、ワイヤ・ボンド１２５を使用して作られる。ワイヤ・ボンド・パッドは、各ダイのボンド・パッドの番号および向きを視覚的に識別するのに役立つ１つの丸みを帯びたボンド・パッドを除いて、各ダイのエッジにある大型矩形である。ダイ上の各電気ノードは、１つが内部ブリッジ接続用であり、１つがデバイス外部接続用である２つのボンド・パッド（合計８つ）を有する。これは、ダイ１２２上で図の上部にあるワイヤ・ボンド・パッドが外部のリードフレームまたはプリント基板に接合するため利用できる状態にしておく。
【０１３５】
所定のダイ上で、素子の長軸は、感知軸に沿っている。幅Ｗ、７３を持つオンチップ傾斜永久磁石が存在し、磁石間の隙間は、ギャップ７２である。これらの磁石は、角度“θｓｎｓ”９３で“傾斜”している。これらは、付加的なＨｏｆｆがＨｏｆｆ−Ｈｏ＞Ｈｓａｔを満たすために必要とされるとき、感知素子を磁気的に飽和させるために必要とされる磁気バイアス磁場を提供する。このことは、プッシュプル方式ブリッジが線形状態で動作するために必要である。フルブリッジ５０は、以下のとおり、（基板から切り取られている）ダイ上に配置され、製作される：２つのダイ配置のうちの左下にある正の感知抵抗器５２’は、ＧＮＤおよびＶ１に接続されている。右下にある正の感知抵抗器５２は、ＶｂｉａｓおよびＶ２に接続されている。両方の正の感知抵抗器５２および５２’は、負のＨｓｅｎｓｅに対して正の勾配の低い方のＲを持つ伝達曲線を有する。右上にある負の感知抵抗器５４’は、ＧＮＤとＶ２との間に接続されている。左上にある負の感知抵抗器５４は、ＶｂｉａｓとＶ１との間に接続されている。両方の負の感知抵抗器５４および５４’は、負のＨｓｅｎｓｅに対して伝達曲線の形状の高い方のＲを有する。
【０１３６】
図２０は、最適な被参照フルブリッジ型センサ５１を製造するために異なった幅、角度および参照アームとセンサアームとの隙間を持つ傾斜永久磁石を使用する例証となるダイレイアウトを示す。図示されるように、参照アームは、Ｘ軸と平行である長軸を有し、これは、感知アームの磁気抵抗素子の長さより長い。これらの感知アームおよび参照アームは、単一のステップで堆積させることが可能であり、その後、センサが小さく角切りにされる可能性があり、結果として、パッケージの中にワイヤ・ボンディングされる可能性がある真にモノリシック型のセンサ設計が得られる。本設計では、ＭＴＪ素子の列は、ブリッジの参照アーム１１５、１１６の領域とセンサアーム１１７、１１８の領域とにおいて異なった角度で傾斜している永久磁石片の間に位置している。本設計において、θｒｅｆは、π／２であり、θｓｎｓは、π／４からπ／２の範囲にある。最適化は、参照アームおよびセンサアームの両方共にオフセットを零化し、参照ＭＴＪ列およびセンサＭＴＪ列内のＭＴＪ素子の相対番号を調節することにより、または、参照列もしくはセンサ列だけをオフセットさせることにより達成されることがある。矩形遮蔽体１１９は、破線の矩形で示され、これらは、自由選択である。遮蔽体の機能は、参照アーム１１５および１１６の実効感度をさらに低下させることである。
【０１３７】
残りのセンサレイアウトは、類似する設計特徴を共有し、一つずつをここで詳細に説明することは必要ではない。
【０１３８】
結果として得られる磁気抵抗センサは、様々な磁場測定用途で用いられる可能性があり、これは、簡単に大量生産される。これは、より高い感度、低消費電力を有し、非常に小さいフォームファクタで作られる可能性がある。
【０１３９】
発明の範囲または要旨から逸脱することなく、提案された発明に様々な変更が行われる可能性があることは、当業者に明らかであろう。さらに、本発明は、本発明の変更および変形が請求項およびこれらの均等物の範囲に入る場合、このような変更および変形を網羅することが意図されている。
【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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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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