(57)【要約】【課題】高密度に集積化が可能な、高感度でかつ高信頼性の小型３軸磁気センシング装置およびその製造方法を提供する。【解決手段】３軸磁気センシング装置において、基板の表面上の平坦部にあるＸ軸に感磁軸を有するように形成されたＸ軸薄膜磁気センサーと、Ｘ軸に対して９０°のＹ軸に感磁軸を有するように形成されたＹ軸薄膜磁気センサーと、基板の上面に平坦部と所定の角度をなすように設けられた傾斜面を有した凹部と、基板の表面に対して垂直方向に伸びるＺ軸に感磁軸を有するように形成されたＺ軸薄膜磁気センサーと、を具備し、Ｚ軸薄膜磁気センサーが、磁気検知素子と磁気誘導部材からなり、磁気検知素子は基板表面の平坦部に形成され、磁気誘導部材は傾斜面に形成されると共に、磁気検知素子と磁気誘導部材とが磁気的に結合されている構成となっている。【選択図】図１
2009216390.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
同一基板に少なくとも３個以上の薄膜磁気センサーが配置されて形成される３軸磁気センシング装置であって、
前記基板の表面上の平坦部にあるＸ軸に感磁軸を有するように前記平坦部に形成されたＸ軸薄膜磁気センサーと、
前記基板の表面上の平坦部にあり前記Ｘ軸に対して９０°のＹ軸に感磁軸を有するように前記平坦部に形成されたＹ軸薄膜磁気センサーと、
前記基板の上面に前記平坦部と所定の角度をなすように設けられた傾斜面を有した凹部と、
前記基板の表面に対して垂直方向に伸びるＺ軸に感磁軸を有するように前記平坦部および前記傾斜面に形成されたＺ軸薄膜磁気センサーと、を具備し、
前記Ｚ軸薄膜磁気センサーが、磁気検知素子と磁気誘導部材からなり、前記磁気検知素子は前記平坦部に形成され、前記磁気誘導部材は前記傾斜面に形成されると共に、前記磁気検知素子と前記磁気誘導部材とが磁気的に結合されていることを特徴とする３軸磁気センシング装置。
【請求項２】
前記Ｘ軸およびＹ軸薄膜磁気センサーが、それぞれピンド層とフリー層を有する磁気検知素子からなり、前記Ｘ軸およびＹ軸薄膜磁気センサーのピンド層およびフリー層は、それぞれ長辺と短辺を定義できる異方性を有する形状となっており、その長辺方向が互いに直交するように形成されると共に、それぞれの磁化の方向も直交しており、前記Ｚ軸薄膜地磁気センサーの磁気検知素子が、ピンド層とフリー層を有しており、前記磁気誘導部材が、前記Ｚ軸薄膜地磁気センサーにおける前記ピンド層とフリー層の磁化方向が直行するように磁界を誘導する形状異方性を有していることを特徴とする請求項１に記載の３軸磁気センシング装置。
【請求項３】
前記磁気検知素子がＴＭＲ（Tunneling Magneto Resistance）素子であることを特徴とする請求項２に記載の３軸磁気センシング装置。
【請求項４】
前記磁気検知素子がＧＭＲ（Giant Magneto Resistance）素子であることを特徴とする請求項２に記載の３軸磁気センシング装置。
【請求項５】
前記Ｚ軸薄膜磁気センサーの磁気誘導部材がフリー層として機能することを特徴とする請求項２に記載の３軸磁気センシング装置。
【請求項６】
前記傾斜面が、前記基板にＳｉウエハを用いて異方性エッチングにより形成した（１１１）面であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の３軸磁気センシング装置。
【請求項７】
同一基板に少なくとも３個以上の薄膜磁気センサーが配置されて形成される３軸磁気センシング装置の製造方法であって、
前記基板に傾斜面を有する凹部を形成する工程と、
前記基板の表面上の平坦部にあるＸ軸に感磁軸を有するＸ軸薄膜磁気センサーと、前記平坦部にあり、前記Ｘ軸に対して９０°のＹ軸に感磁軸を有するＹ軸薄膜磁気センサーと、前記基板の表面に対して垂直方向に伸びるＺ軸に感磁軸を有するＺ軸薄膜磁気センサーと、を形成するため磁性体膜からなるピンド層をそれぞれ形成する工程と、
前記基板に所定方向から磁界を印加して着磁する工程と、
前記各ピンド層上にフリー層を形成する工程と、
前記基板に所定方向から磁界を印加して着磁する工程と、
前記Ｚ軸薄膜磁気センサーにおいて前記フリー層と磁気的に結合するように磁気誘導部材を前記傾斜面に形成する工程と、を有することを特徴とする３軸磁気センシング装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、同一基板に少なくとも３個以上の薄膜磁気センサーが配置されて形成される３軸磁気センシング装置に関し、特に、高密度に集積化が可能な、高感度でかつ高信頼性の小型３軸磁気センシング装置およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、磁気センサとして、磁気抵抗効果素子が知られており、これには、異方性磁気抵抗効果素子（ＡＭＲ素子）、巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）、および磁気トンネル効果素子（ＴＭＲ素子）がある。ＡＭＲ素子は、ＭＲ膜からなり、外部磁界により、この膜の磁化が回転することにより、ＭＲ膜の抵抗値が変化するので、この出力により外部磁界の向きを検出することができる。
一方、ＧＭＲ素子、ＴＭＲ素子は、磁界の変化をより感度よく検出することができることで知られており、これらの磁気抵抗効果素子は、磁化の向きが所定の向きにピン（固定）されたピンド層と、磁化の向きが外部磁界に応じて変化するフリー層とを備えており、ピンド層の磁化の向きと、フリー層の磁化の向きの相対関係に応じた抵抗値を出力として示す。
このような素子を、直交する２方向（ここでは、以下「直交する２方向」を「Ｘ軸方向、Ｙ軸方向」とする。）の磁界の変化をそれぞれ検出するように、それぞれ１個ずつ直交するように配置して、それぞれの素子の出力（抵抗値の変化）を得ることにより、外部磁界の向きを検出する技術が知られている。
【０００３】
また、近年、携帯端末の高機能化、高性能化が進展し、地図情報を元に、所望の位置に誘導するいわゆるナビゲーション機能を搭載した携帯電話も急速に普及しつつある。このようなアプリケーションには、地磁気情報を有効に活用することにより、利便性は飛躍的に向上する。地磁気はベクトル量であり、その強度は、一般に０．３〜０．５Ｏｅ（エルステッド）と言われており非常に弱いものである。
このように非常に弱い強度の地磁気を高精度に検知するためには、検出素子そのものの特性向上も重要な技術課題となるが、それと同時に、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸のいわゆる３軸の地磁気の検知に対応できるかどうかが重要な技術要素となる。
一般に知られているように、地磁気は地球上の両磁極から発生する磁力線によるものであるために、平面ではない地球上でこの地磁気を検知する場合には、水平面のみの情報、つまり２次元情報のみでは不十分であることは言うまでもないことである。したがって、地磁気に関する情報を有効に活用するためには、地磁気の情報を３次元で検知する必要がある。
【０００４】
従来このような課題の解決のためには、個々に作製した複数の磁気センサーを実装によって組み上げてモジュール化し、ひとつの磁気センサーがひとつの軸の磁気を検知する構造とすることで全体で多軸に対応した磁気センシング装置、すなわち、同一基板に少なくとも３個以上の薄膜磁気センサーが配置されて形成される３軸磁気センシング装置が知られていた。
具体的な従来の多軸磁気センシング装置又は方法として、以下のような提案例が挙げられる。
第１の従来技術としては、１組の薄膜ヨークがギャップを介して配置され、そのギャップ部にＧＭＲ膜を設けてなる磁気センサーのうち、Ｚ軸検知用素子についてはその感磁軸が基板表面に対して平行にならないように傾斜面に形成することによりＺ軸方向の磁気情報を検知するものが提案されている（特許文献１）。
第２の従来技術としては、２つ、もしくは３つの磁気センサーの出力に基づいて少なくとも直交する２軸もしくは３軸方向の磁界成分を検出する磁界検出装置において、２つもしくは３つの磁気センサーの配置について特徴をもたせ、具体的には、２つ、もしくは３つの磁気センサーのうち、少なくとも２つの磁気センサーの感度方向が、磁気センサーがパッケージされている部材の表面に対して斜めに配置されており、このような配置にすることで互いに直交する３軸方向の磁気センサー成分を検出できるというものが提案されている（特許文献２）。
【０００５】
第３の従来技術としては、基板上に形成された同一の３個磁気抵抗効果膜の磁化の向きが、互いに三次元方向に交差するように形成されており、そのため、ひとつの磁気抵抗効果膜は基板に加工した傾斜面に形成するというものが提案されている（特許文献３）。
第４の従来技術としては、磁電変換素子に一致するように設けられたテーパー状の溝に磁性体膜を形成し、磁電変換素子に磁束を収束させることで高感度を実現するようにしたもので、磁電変換素子は平坦部に形成し、磁束を収束させるための磁性体膜がテーパー状の溝、つまり傾斜面に形成しているものが提案されている（特許文献４）。
第５の従来技術としては、磁気センサーの高感度化を目的とし、磁気センサーをＴＭＲ素子又はＧＭＲ素子を用いて形成し、素子の一面に配されて抗磁力が磁性層の抗磁力よりも低く、かつ、その異方性軸が磁性層の異方性軸とは独立して設定された磁界感知補用軟磁性膜を備えるものが提案されている（特許文献５）。
【特許文献１】特開２００４−３５４１８２公報
【特許文献２】特開２００５−２４９５５４公報
【特許文献３】特開２００４−６７５２公報
【特許文献４】特開２０００−３４９３６３公報
【特許文献５】特開２００２−２０７０７１公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献２、４、５に記載の従来技術では、一般的に３軸とするには、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸それぞれに対応する磁気センサー素子を実装で組み上げるために、センシング装置全体の小型化、特に高さ方向の小型化には限界があり、さらには、複数の磁気センサー素子を配線部材やワイヤーなどで接続していたために、長期の安定性や信頼性に対しては十分な対応はできていないという問題を抱えていた。
ここで、まず、多軸の磁気センサーを実現するためにこれまで一般的に提案されてきた技術に関して簡単に説明する。
【０００７】
図７は、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸方向の磁界の変化を検知する３つの磁気センサー１０１、１０３、１０５をセンサー支持体１００のそれぞれｘ軸、ｙ軸、ｚ軸に平行な面に実装技術を用いて配置し、３つの磁気センサーで３次元の磁界の変化を検知できるように組み上げた様子を模式的に示したものである。
このようにすれば、３軸方向の磁気情報を得ることができ、使用される場所や姿勢などが特定できない携帯端末などに組み込んだ場合、非常に有効な情報を入手できるものとなる。
しかしながら、この場合、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸方向の磁界の変化を検知する３つの磁気センサーを実装技術で組み上げているために、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸どの方向にも同程度の寸法が求められ、如何に磁気センサーそのものを薄膜化しても、望まれる小型化に関しては全く対応ができないという問題を抱えている。特に、近年の携帯端末は、小型化、薄型化、軽量化が急速に進展し、小型化が困難な部品、装置については早急に改善されることが強く望まれている。
この問題の解決方法として、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸方向の磁界の変化を検知する３つの磁気センサーの実装の仕方を工夫して小型化を実現しようとする技術が提案されている。
それが、先に従来技術として紹介した、特許文献２である。その技術の内容を図８を参照して説明する。図８は、従来におけるｘ軸、ｙ軸、ｚ軸方向の磁界の変化を検知する３つの磁気センサーの実装の仕方を示す模式図である。
【０００８】
ここでは、図８に示すように、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸方向の磁界の変化を検知する３つのホール素子（磁気センサー）２０１、２０３、２０５をそれぞれ９０度直交させて実装するのではなく、基板２００に対してθａ、θｂといった９０度以下の角度をなして配置することで小型化を実現しようとするものである。
しかしながら、この従来技術は、あくまでも素子単体を個別に形成した後に、斜めに配置するという実装上の工夫で３軸化の対応を実現する技術であるために、小型化に寄与する効果は小さく、また、各磁気センサー間を接続する配線もワイヤーボンディング技術などを利用した実装技術を使う必要があり、この点でも小型化に限界があるばかりか、工程の複雑化、経時的信頼性の確保といった点を考慮した場合、改善の必要な技術である。
ここで説明した実装技術による３軸対応の磁気センシング装置の実現とは異なる技術の提案としては、前記特許文献１、３が挙げられる。
この２件の特許文献では、実装技術を用いて３軸対応を実現するものではなく、磁気センサーそのものを傾斜面に形成することで、３軸対応の磁気センシングシステムを実現することを提案しているものである。このような方法によれば、確かに実装技術による方法に比べて小型化、高信頼性化を実現できる可能性がある。
しかしながら、上記２件の従来技術（特許文献１、３）は、磁気センサーそのものを傾斜面に形成する構成であるために、磁気センサー自体の作製に大きな困難さを伴うものである。主な項目として２点挙げられるが、以下、この２点について具体的に説明する。
【０００９】
まず１点目は、基板の表面性についてである。磁気センサー、特に、ＴＭＲ、ＧＭＲといった薄膜積層体構造を用いる磁気センサーの作製に当たっては、その薄膜積層構造体の各層の膜厚がナノメートルオーダーという超薄膜であるために、下地となる基板の平坦性が非常に重要になってくることは言うまでもない。つまり、基板の平坦性がもし、ミクロンオーダー、サブミクロンオーダーといったところにナノメートルオーダーの膜厚の薄膜を積層構造として形成した場合は、設計どおりの薄膜積層体構造を実現することは不可能であり、結果的に所望の性能を実現することはできないという問題が発生することは明白である。このように、膜厚がナノメートルオーダーの薄膜積層体構造を用いる磁気センサーの実現のためには、ナノメートルオーダー、望ましくはサブナノメートルオーダーの表面性の達成が必須となる。
しかしながら、このような傾斜面をナノメートルオーダー、望ましくはサブナノメートルオーダーの表面性で加工することは非常に困難であり、達成しようとしても、量産技術に応用可能な現実的な加工方法はないというのが現実である。
【００１０】
もうひとつの問題は、微細加工に関する問題である。ＴＭＲ、ＧＭＲといった薄膜積層体構造を用いる磁気センサーは、一般的な半導体形成プロセスを利用することができる点が大きな特徴であるが、一般的な半導体形成プロセスはあくまでも基板の平坦部に素子や配線を形成することを前提に開発されており、傾斜面に対してそのまま適応可能な製造プロセスとはなっていない。もちろん立体構造を形成することも可能な微細加工技術として、ＭＥＭＳ技術やマイクロマシン技術に代表される傾斜面に加工対象物があってもある程度加工できる技術は存在する。
しかしながら、傾斜面への微細加工技術において必須の技術であるフォトリソグラフィー技術やエッチング技術においては、傾斜面へのフォトレジストの均一コーティングが困難であることや、露光後のレジストパターン寸法の設計値との誤差が無視できないほど大きくなるといった問題が発生し、結果的に、傾斜面においては設計どおりの形状、寸法を有する磁気センサーを得ることは不可能であるといった問題が避けられない。
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、高密度に集積化が可能な、高感度でかつ高信頼性の小型多軸磁気センシング装置およびその製造方法を提供することである。
本発明の他の目的は、多軸対応の磁気センサーを形成する際に基板の傾斜面を有効に使って基板に集積する構造でありながら、高密度に集積化することが可能な、高感度で、信頼性の高い小型多軸磁気センシング装置およびその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述の目的を達成するために、請求項１記載の発明は、同一基板に少なくとも３個以上の薄膜磁気センサーが配置されて形成される３軸磁気センシング装置であって、前記基板の表面上の平坦部にあるＸ軸に感磁軸を有するように前記基板の表面上の平坦部に形成されたＸ軸薄膜磁気センサーと、前記基板の表面上の平坦部にあり前記Ｘ軸に対して９０°のＹ軸に感磁軸を有するように基板の表面上の平坦部に形成されたＹ軸薄膜磁気センサーと、前記基板の上面に前記平坦部と所定の角度をなすように設けられた傾斜面を有した凹部と、前記基板の表面に対して垂直方向に伸びるＺ軸に感磁軸を有するように前記基板の表面上の平坦部および前記傾斜面に形成されたＺ軸薄膜磁気センサーと、を具備し、前記Ｚ軸薄膜磁気センサーが、磁気検知素子と磁気誘導部材からなり、前記磁気検知素子は前記基板表面の平坦部に形成され、前記磁気誘導部材は前記傾斜面に形成されると共に、前記磁気検知素子と前記磁気誘導部材とが磁気的に結合されていることを特徴とする。
【００１２】
また、請求項２記載の発明は、前記Ｘ軸およびＹ軸薄膜磁気センサーが、それぞれピンド層とフリー層を有する磁気検知素子からなり、前記Ｘ軸およびＹ軸薄膜磁気センサーのピンド層およびフリー層は、それぞれ長辺と短辺を定義できる異方性を有する形状となっており、その長辺方向が互いに直交するように形成されると共に、それぞれの磁化の方向も直交しており、前記Ｚ軸薄膜地磁気センサーの磁気検知素子が、ピンド層とフリー層を有しており、前記磁気誘導部材が、前記Ｚ軸薄膜地磁気センサーにおける前記ピンド層とフリー層の磁化方向が直行するように磁界を誘導する形状異方性を有していることを特徴とする。
また、請求項３記載の発明は、前記磁気検知素子がＴＭＲ（Tunneling Magneto Resistance）素子であることを特徴とする。
また、請求項４記載の発明は、前記磁気検知素子がＧＭＲ（Giant Magneto Resistance）素子であることを特徴とする。
【００１３】
また、請求項５記載の発明は、前記Ｚ軸薄膜磁気センサーの磁気誘導部材がフリー層として機能することを特徴とする。
また、請求項６記載の発明は、前記傾斜面が、前記基板にＳｉウエハを用いて異方性エッチングにより形成した（１１１）面であることを特徴とする。
また、請求項７記載の発明は、同一基板に少なくとも３個以上の薄膜磁気センサーが配置されて形成される３軸磁気センシング装置の製造方法であって、前記基板に傾斜面を有する凹部を形成する工程と、前記基板の表面上の平坦部にあるＸ軸に感磁軸を有するＸ軸薄膜磁気センサーと、前記基板の表面上の平坦部にあり、前記Ｘ軸に対して９０°のＹ軸に感磁軸を有するＹ軸薄膜磁気センサーと、前記基板の表面に対して垂直方向に伸びるＺ軸に感磁軸を有するＺ軸薄膜磁気センサーと、を形成するため磁性体膜からなるピンド層をそれぞれ形成する工程と、前記基板に所定方向から磁界を印加して着磁する工程と、前記各ピンド層上にフリー層を形成する工程と、前記基板に所定方向から磁界を印加して着磁する工程と、前記Ｚ軸薄膜磁気センサーにおいて前記フリー層と磁気的に結合するように磁気誘導部材を前記傾斜面に形成する工程と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、すべての薄膜磁気センサーが基板表面の平坦部に形成するので、一般的な半導体製造プロセスを利用して、設計寸法に従った磁気センサーを再現性よく形成できると共に、Ｚ軸検知用の薄膜磁気センサーには、傾斜面に形成された磁気誘導部材が磁気的に結合して形成されているので、磁気検知素子は平面でありながら、Ｚ軸方向の磁気を検知することができる。従って、平坦部に形成されたＸ軸、及びＹ軸用薄膜磁気センサーとの組み合わせによって、小型で、高精度な３軸磁気センシング装置を実現できる。
また、本発明によれば、さらに、各軸のピンド層とフリー層の形状、磁化方向が直交しているので、地磁気のような弱磁界の環境下でも、高感度で磁気検知をすることが可能な３軸磁気センシング装置を実現できる。
また、本発明によれば、磁気検知素子がＴＭＲ（Tunneling Magneto Resistance）素子であるために高感度、高信頼性の３軸地磁気センシング装置を実現できる。
また、本発明によれば、磁気検知素子はＧＭＲ（Giant Magneto Resistance）素子であるために高感度、高信頼性の３軸地磁気センシング装置を実現できる。
また、本発明によれば、Ｚ軸薄膜磁気センサーの磁気誘導部材がフリー層として機能するために、性能を維持したまま製造プロセスの簡略化、低コスト化が可能となる。
また、本発明によれば、傾斜面は基板にＳｉウエハを用いて異方性エッチングにより形成した（１１１）面であるために、常に一定の傾斜角度を再現性よく形成することができるとともに、結晶学的に正確に算出できる傾斜角度度を元に磁界強度を計算することが可能となり磁気情報を高精度で得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に添付の図を参照してこの発明の実施形態を詳細に説明する。
【実施例】
【００１６】
まず、本発明の要旨としては、多軸磁気センシング装置において、磁気センサーの検知部そのものは、良好な表面性を確保しやすく、一般的な半導体形成プロセスを用いて設計どおりの微細加工が容易な基板の平坦部に形成し、基板とは平行でない方向の磁気の情報を得るための磁気センサーについてのみ、傾斜面に磁気誘導部材を形成して、それを基板とは平行でない方向の磁気の情報を得るための磁気センサーに磁気的に結合させて配置するようにしたものである。
図１は、本発明による３軸磁気センシング装置の一実施形態の説明図であり、基板上にＸ軸薄膜磁気センサー、Ｙ軸薄膜磁気センサー、及びＺ軸薄膜磁気センサーが形成されている様子を示した上面図である。
【００１７】
図１に示すように、この３軸磁気センシング装置は、単結晶Ｓｉウエハを用いた基板１と、基板１の表面上の平坦部１ａにあるＸ軸に感磁軸を有するように基板１の表面上の平坦部１ａに形成されたＸ軸薄膜磁気センサー５と、基板１の表面上の平坦部１ａにあり、Ｘ軸に対して９０°のＹ軸に感磁軸を有するように平坦部１ａに形成されたＹ軸薄膜磁気センサー７と、基板１の上面に平坦部１ａとある角度をなすように設けられた傾斜面９ａを有した凹部９と、基板１の表面に対して垂直方向に伸びるＺ軸に感磁軸を有するように基板１の表面上の平坦部１ａおよび傾斜面９ａに形成されたＺ軸薄膜磁気センサー１１とを具備している。
そして、Ｚ軸薄膜磁気センサー１１が、磁気検知素子と磁気誘導部材からなり、磁気検知素子は基板表面の平坦部１ａに形成され、磁気誘導部材は傾斜面９ａに形成されると共に、磁気検知素子と磁気誘導部材とが磁気的に結合しているようになっている。
なお、Ｘ軸薄膜磁気センサー５は、凹部９の第１の辺９ａに隣接して設けられ、Ｙ軸薄膜磁気センサー７は、Ｘ軸薄膜磁気センサー５に対して９０度ずれた位置関係となるよう凹部９の第２の辺９ｂに隣接して設けられると共に、Ｚ軸薄膜磁気センサー１１は、凹部９の第３の辺９ｃに隣接した平坦部１ａおよび傾斜面９ａに設けられている。
【００１８】
図２は、図１に示した３軸磁気センシング装置の断面図であり、（ａ）は、図１のＢ−Ｂ’線に沿った断面図、（ｂ）は、図１のＡ−Ａ’線に沿った断面図である。
図１および図２（ａ）、（ｂ）に示すように、Ｘ軸薄膜磁気センサー５およびＹ軸薄膜磁気センサー７は、それぞれ、ＴＭＲピンド層＋下部層５ａ、７ａとフリー層５ｂ、７ｂがジャンクション層５ｃ、７ｃを介して接合された磁気検知素子から形成されており、それぞれのＴＭＲピンド層＋下部層５ａ、７ａとフリー層５ｂ、７ｂは、長辺、短辺を定義できる異方性を有しており、図示したごとく、その長辺方向が互いに直交して形成されている。また、図示したように、ＴＭＲピンド層＋下部層５ａ、７ａの磁化方向（ハッチングした矢印で図示）とフリー層５ｂ、７ｂの磁化の方向（白抜きの矢印で図示）もそれぞれ直交するように形成されている。
【００１９】
また、図１からわかるように、Ｘ軸薄膜磁気センサー５とＹ軸薄膜磁気センサー７は、９０度ずれた位置関係となるように形成されており、Ｘ軸薄膜磁気センサー５とＹ軸薄膜磁気センサー７とはすべての構成要素が基板１上の平坦部１ａに形成されている。
図１および図２（ｂ）に示すように、Ｚ軸薄膜磁気センサー１１は、ＴＭＲピンド層＋下部層１１ａとフリー層１１ｂとがジャンクション層１１ｃを介して接合した磁気検知素子が、基板１の平坦部１ａに形成されており、さらに磁気誘導部材１１ｄが、この磁気検知素子に磁気的に結合するように形成されており、磁気誘導部材１１ｄが基板に形成された凹部９を形成する傾斜面９ａにまで形成されている構造となっている。この点が本発明の大きな特徴である。また、磁気誘導部材１１ｄがフリー層１１ｂとしても機能するようになっている。
Ｚ軸薄膜磁気センサー１１をこのように構成することにより、磁気検知素子そのものは平坦部に形成してあってもＺ軸方向の磁気を検知可能となる。
また、Ｘ軸薄膜磁気センサー５およびＹ軸薄膜磁気センサー７のＴＭＲピンド層＋下部層５ａ、７ａおよびＺ軸薄膜磁気センサー１１のＴＭＲピンド層＋下部層１１ａは、基板１上に形成された絶縁膜１３によって保護されるようになっている。
【００２０】
次に、このような構成の３軸磁気センシング装置の薄膜磁気センサーがどのようにして機能するかについて、ＴＭＲ素子を例に以下に詳細に説明する。
図５は、ＴＭＲ素子が磁気抵抗素子として機能する様子を模式的に示した説明図である。
ＴＭＲ素子は、極薄い絶縁層（酸化アルミ層や酸化マグネシウムなど）をピンド層とフリー層ではさんだ構成を基本構成とするものであり、ＴＭＲ素子を磁気センサーとして用いる場合、一般的にピンド層は、Ｉｒ−Ｍｎ合金系とＣｏ−Ｆｅ合金系の積層体が多用され、フリー層としては、弱磁性体であるＮｉ−Ｆｅ合金系が多く用いられる。
ピンド層は磁化方向が固定されているのに対し、フリー層は外部の磁界の方向に倣って磁化方向が変化する。このときのピンド層、フリー層の磁化方向によって、抵抗値が大きく変化する現象が磁気抵抗効果である。
【００２１】
その様子を図５（ａ）の平行状態と（ｂ）の反平行状態を用いて説明する。図５（ａ）の平行状態は、ピンド層とフリー層の磁化方向が平行の場合を示しており、この場合は、太い矢印Ａで示しているように電流は流れやすくなり、検出される抵抗値は低抵抗となる。
それに対して、図５（ｂ）反平行状態では、細い矢印Ｂで示しているように電流は流れにくくなり、検出される抵抗値は高抵抗となる。このように、ピンド層とフリー層における磁化方向の向きの違いによって、大きな抵抗値の変化として検出できるためにＴＭＲ素子が磁気センサーとして機能する。この模式図から判るように、ＴＭＲ素子が検知できる磁化方向は膜面に平行な成分に対して最も高い感度が得られるものであり、膜面に垂直方向の磁界についてはほとんど検知できないということになる。
このような特性を有するために、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に感度を有するための磁気センシング装置を構成するためには、Ｚ軸用の磁気センサーはＸ軸、Ｙ軸用の磁気センサーとは平行ではない面に形成する必要が生じる。これを実現するために従来技術として、Ｚ軸用の磁気センサーを傾斜面、つまりＸ軸、Ｙ軸用の磁気センサーとは異なる面に形成するというものが提案されてきた。
【００２２】
しかし、先に述べたように、ＴＭＲ素子のような極薄膜からなる磁気センサーを傾斜面に形成することは非常に困難なことである。
そこで、本発明では、良好な下地の表面性や高い加工精度を必要とする磁気センサーは平坦部に形成し、それに磁気的に結合する磁気誘導部材を傾斜面に形成することで、磁性体によって磁気が誘導される特性を利用して、Ｚ軸方向の磁界を平坦部に形成した磁気センサーにまで誘導することでＺ軸対応として機能する磁気センサーを形成するようにしている。
このように、この実施形態では、基板１に垂直な方向（Ｚ軸方向）の磁界を受けた磁気誘導部材１１ｄが磁気センサーを構成するフリー層１１ｂまでその磁界を誘導し、結果的に磁気センサーの膜面に垂直な方向の磁界を磁気センサーに平行な成分に変換することで、Ｚ軸用の磁気センサーを実現するものである。
この磁気センサーにおいては、ピンド層、フリー層の磁化方向が非常に重要な要素となるが、ピンド層、フリー層それぞれの磁化方向をそれらの形状異方性を用いることにより、効率的で、制御性に優れた着磁工程が実施できるという特徴を有している。その様子について以下に説明する。
【００２３】
図３は、ピンド層の着磁工程について説明した説明図である。同じ構成要素には図１と同じ参照番号を付して説明する。図３に示すように、ここでは、ピンド層の形状を異方性を有するように形成している。ここでいう形状の異方性とは、長辺寸法と短辺寸法が規定できる形状であればよく、必ずしも図３に示したような長方形に限定されるわけではない。長方形以外の具体的な例としては、楕円形やひし形などでも本発明の効果は実現できるものである。
図３では、基板１に傾斜面９ａを有する凹部９を設け、その周囲にＸ軸薄膜磁気センサー５、Ｙ軸薄膜磁気センサー７、及びＺ軸薄膜磁気センサー１１の一部となるＴＭＲピンド層と下部層５ａ、７ａ、１１ａがそれぞれ図示したような位置関係で形成されている様子を示している。
このように形成したＴＭＲピンド層と下部層５ａ、７ａ、１１ａに対して、磁界の印加方向として示した矢印Ｄで示される向きに磁界を印加すると、それぞれのＴＭＲピンド層は磁性体は形状に倣って磁化されるという特徴をもつために、それぞれ斜線の矢印で示した方向に磁化される。つまり、Ｘ軸薄膜磁気センサー５用のピンド層とＹ軸薄膜磁気センサー７用のピンド層ではそれぞれ直行した向きに磁化され、Ｚ軸薄膜磁気センサー１１用のピンド層はＸ軸薄膜磁気センサー５用のピンド層と同じ方向に磁化される。
【００２４】
このようにしてピンド層の着磁を行なったあとに、フリー層及び磁気誘導部材の形成と着磁を行なう工程について模式的に示したものが図４である。同じ構成要素には図１と同じ参照番号を付して説明する。図４は、ピンド層の着磁を行なったあとに、フリー層及び磁気誘導部材の形成と着磁を行なう工程について模式的に示した説明図である。
ここで、フリー層もピンド層と同様に長辺寸法と短辺寸法が規定できる異方性を有する形状になるように形成するが、ここで重要なことは、ピンド層とフリー層の長辺方向が直行するように形成することである。Ｘ軸薄膜磁気センサー５およびＹ軸薄膜磁気センサー７は平坦部１ａに形成するので、それぞれのピンド層５ａ、７ａとフリー層５ｂ、７ｂの長辺方向が単純に直行するように形成することは全く問題ないが、Ｚ軸薄膜磁気センサー１１用のフリー層１１ｂ及びそれに磁気的に結合している磁気誘導部材１１ｄについて工夫している点が本発明の大きな特徴である。
具体的には、Ｚ軸薄膜磁気センサー１１用のフリー層１１ｂそのものはピンド層と概ね直交するように形成し、その後フリー層１１ｂに磁気的に結合するように、傾斜面９ａに磁気誘導部材１１ｄを形成する。
このとき、傾斜面９ａに形成する磁気誘導部材１１ｄの形状を異方性を有するように形成し、かつその長辺方向はピンド層の長辺方向と直交するように形成する。それぞれのフリー層５ｂ、７ｂ、１１ｂ及び磁気誘導部材１１ｄを図４に示したように形成した後に、磁界の印加方向Ｄとして示した矢印で示される向きに磁界を印加すると、それぞれのフリー層５ｂ、７ｂ、１１ｂ及び磁気誘導部材１１ｄは図中の矢印で示される方向に磁化することができる。
Ｚ軸薄膜磁気センサー１１用のフリー層１１ｂに磁気的に結合している磁気誘導部材１１ｄもその形状異方性のために、図中の矢印の方向に磁化され、その磁化方向がフリー層１１ｂにまで影響を与えるために、結果的にフリー層１１ｂの磁化方向は点線の矢印で示した方向となり、ピンド層と直交する方向に磁化された状態に形成される。
【００２５】
次に、図６を参照して、上記３軸磁気センシング装置の製造工程について説明する。図６は、図１に示した３軸磁気センシング装置の製造工程のフローチャートである。
ここで、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸用の薄膜磁気センサー及び磁気誘導部材の形成方法は、成膜時にステンシルマスクを用いる方法や、予め薄膜材料が不要となる領域にレジストパターンを形成しておき、その上に薄膜材料を形成した後にリフトオフ法で、不要となる領域の薄膜材料をレジストごと除去する方法や、一般的なドライエッチング法、Ａｒイオンミリング法など、薄膜材料の種類に応じて適宜選択できるものである。
まず、図６のステップ１０１において、基板１として（１００）単結晶Ｓｉウエハを用い、最初に、傾斜面９ａを有する凹部９を形成するために、凹部９を形成する部分以外の領域に窒化シリコン膜を形成し、これをマスクとして、濃度が３２％、温度８０℃のＫＯＨによりＳｉウエハの異方性エッチングを行なって、露出した（１１１）面からなる傾斜面９ａを有する凹部９を形成する（図３参照）。なお、ここでは、この傾斜面９ａは、基板１の平坦部１ａに対して約４５°傾斜している。なお、この傾斜角度は適宜選択することができる。
【００２６】
次に、薄膜磁気センサーや磁気誘導部材を形成する基板表面の絶縁性を保つために、基板全体に熱酸化膜を形成する（ステップ１０３）。熱酸化はホットウォール型熱酸化炉を用いて、条件は、酸素流量が１ＳＬＭ、温度が１１００度の条件で１．５時間行なう。これで、基板の露出している表面はすべて絶縁膜で被覆された形状となる。
次に、基板１の表面上の平坦部にあるＸ軸に感磁軸を有するＸ軸薄膜磁気センサーと、前記Ｘ軸に対して９０°のＹ軸に感磁軸を有するＹ軸薄膜磁気センサーと、前記基板の表面に対して垂直方向に伸びるＺ軸に感磁軸を有するＺ軸薄膜磁気センサーと、を形成するために、まず、基板表面全体にマグネトロンスパッタリング法により、ＴＭＲ素子を形成するための磁性体膜を成膜し、トンネリング層として、アルミニウムを成膜した後に、酸素プラズマに晒して酸化させたものを用いる。フリー層以外の磁性体膜を成膜した後に所望の形状となるように、フォトマスクを用いてフォトリソグラフィーを行ない、その後にドライエッチング技術を用いて磁性体膜の微細加工を行なう（ステップ１０５）。このとき、ＴＭＲピンド層と下部層の形状を図３に示したように長辺寸法と短辺寸法が定義できる異方性を有する形状とした。
このような形状に各ＴＭＲピンド層と下部層を形成した後に、基板１に斜め左からの矢印Ｄで示した方向から磁界を印加し（図３参照）、温度３００℃に設定した真空中で着磁を行なう（ステップ１０７）。このようにすると、磁性材料は形状に倣って磁化されるという特性を有するために各ＴＭＲピンド層の着磁の方向は図３に示したように制御することができる。
【００２７】
次に、以下の方法でピンド層上にフリー層の形成を行なう（ステップ１０９）。フリー層としてはＮｉ８０−Ｆｅ２０のパーマロイ合金を用いる。所望の形状が得られるように設計したＳＵＳ３０４製のステンシルマスクを用いてマグネトロンスパッタリング法を用いて形成する。ここでいう所望の形状とは、図４で示したフリー層５ｂ、７ｂ、１１ｂのように先に形成したＴＭＲピンド層と直交するような異方性を有する形状である。これにより、フリー層５ｂ、７ｂ、１１ｂとピンド層５ａ、７ａ、１１ａとの間にジャンクション層５ｃ、７ｃ、１１ｃが形成される（図５参照）。
フリー層をこのような形状に形成した後に、図４で磁界の印加方向Ｄとして示した方向から基板１に磁界を印加し（図４参照）、温度２４０℃に設定した真空中で着磁を行なう（ステップ１１１）。先に行なった各ＴＭＲピンド層の着磁と同様に形状に倣って磁化されるためにフリー層の着磁の方向は図４に示したように制御することが可能となる。このようにＴＭＲピンド層とフリー層の形状異方性が直交するように形成することにより、その着磁方向も直行するように制御することが可能となる。
【００２８】
次に、第一の層間絶縁膜の成膜、第一のコンタクトホール形成に続いてアルミニウムで配線、パッド部を形成し、最後に、磁気誘導部材を形成するために、Ｚ軸用磁気センサーに対してのみ以下の工程を行なう。第二の層間絶縁膜を形成し、第二のコンタクトホール形成に続いて、磁気誘導部材１１ｄを形成する（ステップ１１３）。ここで、磁気誘導部材１１ｄは、ＳＵＳ３０４製のステンシルマスクを用いてマグネトロンスパッタリング法を用いてＮｉ８０−Ｆｅ２０のパーマロイ合金を形成する。このとき磁気誘導部材１１ｄは、傾斜面９ａに形成され、Ｚ軸用磁気センサー１１のフリー層１１ｂと磁気的に結合するように形成することが重要である。本実施形態では、傾斜面９ａは凹部９の一部である傾斜面を用いたが、絶縁性材料の成膜などにより形成した凸部の一部の傾斜面を利用しても本発明の効果は実現できる。
このようにして形成した３軸磁気センシング装置において、このときの各軸用の磁気センサーから出力される信号について、Ｚ軸用磁気センサー１１の角度情報を考慮して演算処理を行ない、３次元の磁気情報を正しく得ることができた。
【００２９】
次に、本発明による３軸磁気センシング装置の変形例について説明する。
この第１の変形例は、凹部の形成の際にドライエッチング法を用いて行ったものである。前記実施形態と同様に基板１として（１００）単結晶Ｓｉウエハを用い、最初に、傾斜面を有する凹部９（図３参照）を形成するために、凹部９を形成する領域において膜厚が連続的に変化するように形成したレジストパターンをマスクとして、ＣＦ４ガスと水素ガスを用いたドライエッチング法を用いて傾斜面９ａを有する凹部９を形成するようにしている。
凹部９を形成した以降のＴＭＲ素子の形成工程、着磁工程は前記実施形態と同様の工程を実施し、３軸それぞれの磁気センサーを形成する。
最終プロセスの磁気誘導部材１１ｄの形成は、前記実施形態とは異なり、マグネトロンスパッタリング法を用いて全面にＮｉ８０−Ｆｅ２０のパーマロイ合金を成膜し、一般的なフォトリソグラフィー、ドライエッチング法を用いて所望のパターンとなるように加工し、磁気誘導部材１１ｄを形成して３軸センシング装置を完成させる。
このようにして形成した３軸センシング装置において、このときの各軸用の磁気センサーから出力される信号について、Ｚ軸用磁気センサー１１の角度情報を考慮して演算処理を行ない、３次元の磁気情報を正しく得ることができた。  次に、本発明による３軸磁気センシング装置の他の変形例について説明する。
【００３０】
この第２の変形例は、磁気センサーとしてＧＭＲ素子を用いたものである。まず、前記実施形態と同様に、基板１として（１００）単結晶Ｓｉウエハを用い、ＫＯＨによる異方性エッチングにより（１１１）面からなる傾斜面９ａを有する凹部９を形成する。その後、絶縁膜としてモノシランと水素を原料ガスとするプラズマＣＶＤ法により、凹部９を含めた基板全体に８００ｎｍの膜厚のシリコン酸化膜を形成し、次に基板表面全体にマグネトロンスパッタリング法により、ＧＭＲ素子を形成するための磁性体膜と非磁性体膜を交互に成膜する。この変形例では、磁性体膜としてＣｏ、非磁性体膜としてＣｕを用いた。それぞれの材料はこれらに限定されるものではなく、磁性体、非磁性体の中から適宜選択が可能である。また、最表層にはフリー層としてマグネトロンスパッタリング法によりＮｉ８０−Ｆｅ２０のパーマロイ合金を形成した。
磁気センサーとしてはＧＭＲ素子を用いたが、形状は、前記実施形態と同様に図３に示したような異方性を有する形状とする。
最終プロセスの磁気誘導部材１１ｄの形成は、前記実施形態と同様に形成する。磁気誘導部材１１ｄは、ＳＵＳ３０４製のステンシルマスクを用いてマグネトロンスパッタリング法を用いてＮｉ８０−Ｆｅ２０のパーマロイ合金を形成する。このようにして３軸磁気センシング装置を完成させた。この３軸磁気センシング装置において、このときの各軸用の磁気センサーから出力される信号について、Ｚ軸用磁気センサー１１の角度情報を考慮して演算処理を行ない、３次元の磁気情報を正しく得ることができた。
【００３１】
次に、本発明による３軸磁気センシング装置の他の変形例について説明する。
この第３の変形例は、磁気センサーとしてＴＭＲ素子を用いているが、前記実施形態とは異なり、異方性を有する形状を楕円形としている。すなわち、ＴＭＲピンド層、フリー層ともに長径と短径の比を５：１としている。この変形例では、異方性を有する形状を楕円形としたが、これ以外にも、たとえば長辺と短辺が定義できる多角形や、四辺とも同じ長さではあっても長軸寸法と短軸寸法が定義できるひし形とすることで本発明の効果を得ることができる。
この変形例では、前記実施形態と同様に基板として（１００）単結晶Ｓｉウエハを用いて、ＫＯＨによりＳｉウエハの異方性エッチングを行なって、露出した（１１１）面からなる傾斜面９ａを有する凹部９を形成する。次いで基板表面の絶縁性を保つために、基板全体に熱酸化膜を形成した。
次に、基板表面全体にマグネトロンスパッタリング法により、ＴＭＲ素子を形成するための磁性体膜を成膜する。トンネリング層として、アルミニウムを成膜した後に、酸素プラズマに晒して酸化させたものを用いる。フリー層以外の磁性体膜を成膜した後に前述の形状となるように、フォトマスクを用いてフォトリソグラフィーを行ない、その後にドライエッチング技術を用いて磁性体膜の微細加工を行ない、ＴＭＲ素子による磁気センサーを形成する。このようにして、楕円形の形状を有するＴＭＲ素子を形成した。
最終プロセスの磁気誘導部材の形成は、これまでとは異なり、Ｎｉ８０−Ｆｅ２０のパーマロイ合金微粒子を原料とするガスデポジッション法を用いる。ガスデポジッション法とは真空中に保持した基板に対して、微粒子原料を高速の気流によって吹き付けて膜として形成する手法であり、吹きだしノズル、又は基板、若しくはその両方をＸ−Ｙ方向に移動させることによりマスクレスで所望の形状のパターンを形成できる特徴を有している。
【００３２】
また、本発明において記述しているような傾斜面に対する成膜という点では、ガスデポジッション法特有の特長が期待できる。それは、基板に対して微粒子原料を吹き付けるという膜形成法であるために、基板が平面でなくとも所望の形状が忠実に且つ容易に得られるという点である。前記実施形態においては、磁気誘導部材となるパーマロイ合金膜はステンシルマスクを用いて形成したが、この場合、ステンシルマスクと傾斜面は厳密には密着しておらず、そこで生じるギャップに起因するパターンのボケが発生する可能性がある。パターン寸法や形状の設計の工夫によって、このパターンボケの問題を実使用上は全く問題ない程度に軽減することができるが、より、設計寸法に忠実なパターン形状が求められる場合にはガスデポジッション法は非常に有効な手法となる。
このようにして３軸センシング装置を完成させた。この３軸センシング装置において、このときの各軸用の磁気センサーから出力される信号について、Ｚ軸用磁気センサー１１の角度情報を考慮して演算処理を行ない、３次元の磁気情報を正しく得ることができた。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明による３軸磁気センシング装置の一実施形態の説明図であり、基板上にＸ軸薄膜磁気センサー、Ｙ軸薄膜磁気センサー、及びＺ軸薄膜磁気センサーが形成されている様子を示した上面図である。
【図２】図１に示した３軸磁気センシング装置の断面図であり、（ａ）は、図１のＢ−Ｂ’線に沿った断面図、（ｂ）は、図１のＡ−Ａ’線に沿った断面図である。
【図３】ピンド層の着磁工程について説明した説明図である。
【図４】（ａ）（ｂ）ピンド層の着磁を行なったあとに、フリー層及び磁気誘導部材の形成と着磁を行なう工程について模式的に示した説明図である。
【図５】ＴＭＲ素子が磁気抵抗素子として機能する様子を模式的に示した説明図であり、（ａ）は、平行状態で、（ｂ）は、反平行状態である。
【図６】図１に示した３軸磁気センシング装置の製造工程のフローチャートである。
【図７】ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸方向の磁界の変化を検知する３つの磁気センサーをセンサー支持体のそれぞれｘ軸、ｙ軸、ｚ軸に平行な面に実装技術を用いて配置し、３つの磁気センサーで３次元の磁界の変化を検知できるように組み上げた様子を模式的に示した説明図である。
【図８】従来におけるｘ軸、ｙ軸、ｚ軸方向の磁界の変化を検知する３つの磁気センサーの実装の仕方を示す模式図である。
【符号の説明】
【００３４】
１…基板、１ａ…平坦部、５…Ｘ軸薄膜磁気センサー、５ａ…ピンド層、５ａ…下部層、５ｂ…フリー層、５ｃ…ジャンクション層、７…Ｙ軸薄膜磁気センサー、７ａ…ピンド層、７ａ…下部層、７ｂ…フリー層、７ｃ…ジャンクション層、９…凹部、９ａ…傾斜面、９ｂ…第１の辺、９ｃ…第２の辺、９ｄ…第３の辺、１１…Ｚ軸用磁気センサー、１１ａ…下部層、１１ｂ…フリー層、１１ｂ…後フリー層、１１ｃ…ジャンクション層、１１ｄ…磁気誘導部材、１３…絶縁膜
【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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