JP2014512003A - シングルチッププッシュプルブリッジ型磁界センサ - Google Patents

Abstract

本発明は、磁気抵抗素子で構成されオンチップ永久磁石を利用するシングルチッププッシュプルブリッジ型磁気抵抗センサの設計を開示している。永久磁石は、隣接するセンサブリッジアームの磁気自由層の磁化方向をプリセットすることにより、それらが同じ感知方向に対して異なる方向を指し、プッシュプル操作が可能になるように配向される。本発明のシングルチッププッシュプルブリッジ型磁気抵抗センサは、シングルチップ上で一体化されている。さらに、磁気抵抗素子の磁気自由層の磁化方向をリセットまたは検量するために、オンチップコイルが開示されている。
【選択図】図８

Description

本発明は、磁界センサ、特に、シングルチッププッシュプルブリッジ型磁界センサに関する。

磁界センサは、磁界の方向、強度および磁性体の位置を検出する目的で用いられる。磁気抵抗センサは、低オフセット、高感度および良好な温度安定性という利点を備えた高性能のプッシュプルブリッジ型センサを製造する目的で用いることができる。磁気トンネル接合（ＭＴＪ,Magnetic Tunnel Junction）センサは、近年様々な用途に用いられている新しいタイプの磁気抵抗センサである。それは磁気多重層を利用しており、その磁気抵抗効果はトンネリング磁気抵抗（ＴＭＲ,Tunnel Magnetoresistance）と呼ばれる。ＴＭＲ効果は、磁気多重層を構成する強磁性層の磁化の磁気配向と関連がある。ＴＭＲは、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）効果や巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）効果またはホール効果といった、一般的に用いられる技術と比べてより大きい磁気抵抗効果であるため、より大きな信号が生成されるという点で優れている。ホール効果と比較すると、ＴＭＲは温度安定性がよい。さらにＴＭＲには高抵抗性という利点があるため、消費電力が非常に少なくて済む。つまりＭＴＪデバイスは、ＡＭＲデバイス、ＧＭＲデバイスまたはホールデバイスよりも、より高い感度、より低い消費電力、より良好な線形性、より広いダイナミックレンジ、および、より良好な熱補償性を持つ。高い感度のおかげで、ＴＭＲセンサのノイズ性能がよりよくなる。それに加え、ＭＴＪ材料は既存の半導体プロセスを用いて作製できるので、非常に小型のＭＴＪセンサを製造することができる。

磁界センサを製造するには、シングルセンサ素子よりもプッシュプルブリッジ型センサを用いるのが一般的である。というのも、ブリッジ型センサはより感度が高く、またブリッジ構成によりオフセットが解消され、熱磁気抵抗効果(thermal effects magnetoresistive)が抑制されるからである。しかしながら製造上、これは理想的ではない。なぜなら、隣接するアームの磁化方向を設定するための標準的な方法がないからである。現在のプッシュプルブリッジ型磁気抵抗センサを製造する技術は以下の通りである。
（１） 二重蒸着(double deposition)
ここでは、同じウェハ上に別々に配向された固定層であるＧＭＲ膜またはＴＭＲ膜を蒸着するために、２度の蒸着プロセスが用いられる。この方法は複合製造プロセスであり、膜の特定の性質によっては、第２のアニーリングが必要な場合、第１膜の蒸着に大きな影響が出る可能性がある。２つの別々の蒸着ステップが用いられているので、異なる膜から作られたブリッジレッグの性能と抵抗とを合致させるのが困難であり、センサの全体的な性能が悪化する。
（２）マルチチップ実装技術
このプロセスでは、抵抗および性能特性がよく合致するように，同じウェハから切り分けた２つまたはそれ以上のセンサチップを一緒に実装しているが、プッシュプル型ハーフブリッジを製造する目的で、実装中にマルチチップ実装体内で一方をもう一方に対して１８０°回転させる。この方法により、良好な感度および相当な温度補償性を備えた、正常に動作するプッシュプル型ブリッジが合理的に製造される。しかしながら、マルチチップ実装技術に起因する性能およびコスト上の欠点がある。実装体の寸法が大きく、製造コストが高く、整合が困難で正確に１８０°のフリップが常に実現できるとは限らない。センサチップ位置が１８０°で適切に整合されていなければ、２つのチップの性能特性は上手く合致しないであろう。つまり、マルチチップ実装プロセスは標準的なプロセスであり良好なプッシュプルブリッジ型センサを製造することが可能であるが、コストおよび電位性能の問題を引き起こす。
（３）レーザ支援局所的アニーリング
この方法では、ＧＭＲウェハまたはＭＴＪウェハが、まず強磁界内において高温でアニーリングされ、その結果、異なるブリッジアームの磁化が同じ方向で設定される。プロセス中の後のステップでは、固定層を逆転させる必要がある領域内でウェハを局所的に加熱する目的で、走査レーザビームに加えて逆転磁場が用いられる。概念としては簡単なようであるが、局所的レーザ加熱法は、市場で入手不可能な特殊な設備を必要とし、また、その設備の開発には費用がかかる。ウェハ全体を加工するのに長い時間がかかるため、プロセスの利用には費用がかかる。性能も問題になる。なぜなら、そのプロセスを生じるプッシュおよびプル型センサアームの他の性能を適宜合致させるのが困難になり得るからであり、異なるブリッジアームの整合性を保証することができないからである。

上記の通り、標準的な半導体プロセスを用いて、性能の良好な低コストのＭＴＪまたはＧＭＲセンサブリッジを製造するための良好な選択肢は、ほとんど存在しない。

本発明は、シングルチッププッシュプルブリッジ型磁界センサの設計および量産方法を提供するものであり、それには、電気的に相互接続された磁気抵抗素子（これらは、ＭＴＪ、ＡＭＲまたはＧＭＲ素子であってもよい）で構成された、複数のセンサアームが含まれる。磁気抵抗素子は、軸に沿って印加された磁界を感知する。磁気抵抗素子をバイアスするために、永久磁石（これは検知軸に対して所定の角度で配向してもよい）が設けられている。

永久磁石間の磁界を均一にするために、各永久磁石の長さが、隣接する永久磁石間の間隙より大きくなっているのが好ましい。

磁気抵抗素子の２辺に配置された一対の永久磁石のそれぞれが、磁気抵抗素子に最も近接した縁部を持ち、その場合、永久磁石の縁部は磁気抵抗素子の感知方向に対し所定の角度を形成するように設定され、前記角度が鋭角または鈍角であるのが好ましい。

磁気抵抗素子辺上の一対の永久磁石が、バイアス方向に沿ってバイアス磁界を発生させるのが好ましい。

バイアス磁界を変化させる目的で、永久磁石の厚さを変えることができるのが好ましい。

磁気抵抗素子の２辺に配置された一対の永久磁石のそれぞれが磁気抵抗素子に最も近接した縁部を持ち、永久磁石バイアス磁界の強度が、永久磁石材料の磁化方向の配向、または、感知方向に対する縁部の境界線の角度を変動させることにより調節可能であるのが好ましい。

永久磁石により付与されるバイアス磁界が、均一であることが好ましい。

磁気抵抗素子が、互いに平行であるのが好ましい。

センサを検量しオフセットを補償する目的で、磁気抵抗素子の近傍に電気コイルが設けられ、磁気抵抗素子と電気コイルとの間に絶縁層があるのが好ましい。

図１は、磁気トンネル接合の概略図である。 図２は、磁気トンネル接合の磁界出力応答の関数としての理想的な抵抗である。 図３に、ＭＴＪを直列に相互接続してブリッジアームを形成する方法を示す。 図４に、固定層磁化方向に対し垂直に印加された磁界への応答におけるＭＴＪ構造の抵抗の変化を示す。 図５に、自由層をバイアスする目的で、同じ基板上で一体化され永久磁石を用いる２つの同一のＭＴＪを示す。 図６に、異なるブリッジアームの自由層をバイアスする目的で、永久磁石および形状異方性を用いることを示す。 図７に、ハーフブリッジプッシュプル型磁界センサの設計概念を示す。 図８に、フルブリッジプッシュプル型磁界センサの設計概念を示す。 図９に、フルブリッジプッシュプル型センサ用として考えられる配置例を示す。 図１０に、感知方向がセンサ素子の容易軸に対し垂直であるフルブリッジプッシュプル型センサを例示する。 図１１に、感知方向がセンサ素子の容易軸に対し平行であるフルブリッジプッシュプル型センサを例示する。 図１２に、オフセット補償および検量に用いることのできるコイルの一体化の構成例を示す。 図１３に、オフセット補償および検量に用いられるコイルの配置例を示す。

発明の詳細な説明

本発明の利点および特徴が当業者にとって一層容易に理解され、本発明の権利保護範囲がより明確に定義されるように、以下図１〜１３を参照して、本発明の好ましい実施態様を詳細に説明する。

図１に、標準的なＭＴＪ素子を例示する。標準的なＭＴＪ素子１は磁気自由層６および磁気固定層２を含み、それらはトンネルバリア層５によって分離されている。磁気自由層６は強磁性材料からなり、磁気自由層６の磁化方向７は外部磁界の変化に応じて変化し得る。磁気固定層２の磁化方向は変化せず、方向８に設定されている。磁気固定層は、強磁性層４の上方または下方の反強磁性層３で構成されることが多い。ＭＴＪ構造は通常は導電性シード層１６上に蒸着されており、最上部の電極層１７で覆われている。ＭＴＪ素子１６の抵抗は、シード層１６と上部電極層１７との間で測定される。測定されたＭＴＪの抵抗値１８は、磁気自由層６と磁気固定層２との間の磁化方向の相対的な配向を表す。

図２に、ＭＴＪ素子の理想的な出力応答を例示する。飽和状態では、Ｒ_L２０およびＲ_H２１が低抵抗状態および高抵抗状態を表す。磁気自由層の磁化方向７と磁気固定層の磁化方向８とが平行であるとき、測定されたＭＴＪ素子の抵抗値１８は低抵抗状態２０である。一方で磁気自由層の磁化方向７と磁気固定層の磁化方向８とが逆平行であるとき、ＭＴＪ素子の抵抗値１８は高抵抗状態２１である。公知の技術によって、ＭＴＪ素子１を、印加された磁界と共に線状に変動する抵抗を示すように作成してもよい。ＭＴＪの線状操作磁界範囲は、−Ｈ_SとＨ_Sの間である。

図３に、ブリッジアームを形成するためにＭＴＪ素子を相互接続する方法を例示する。ＭＴＪ素子の長い鎖状接続体は、センサノイズを低減しデバイスの安定性を向上させる。これは、ＭＴＪ鎖の各ＭＴＪ１上のバイアス電圧が、ＭＴＪの数の増加に従い減少することにより生じる。その上、大きな出力電圧を生成するのに必要な電流が、ＭＴＪ数の増加に伴い減少し、その結果ショットノイズが減少してＥＳＤイミュニティが向上する。加えて、ＭＴＪ素子１の数の増加に伴って、各ＭＴＪ素子の無相関ランダムばらつきが平均化されるため、ＭＴＪノイズはさらに低減する。

図４に、磁気自由層と磁気固定層の磁化の相対的な方向を示す。図示されているように、磁気自由層の磁化方向７と磁気固定層の磁化方向８とは、角度αの関係にある。感知方向９に沿って印加された磁界により、異なる角度αで配向されたＭＴＪ素子に対して異なる応答が生成される。異なる永久磁石バイアス磁界方向を設定することによって、磁気自由層の異なる磁化方向７を磁気固定層の磁化方向８に対して正しい角度で設定することができる。異なるバイアス磁界によって生成された異なる磁気自由層の磁化方向７により、ＭＴＪ素子の磁気自由層が、印加された磁界９と逆方向に応答するようになる。磁化方向７（図４の実線矢印）が固定層磁化方向８に対してより平行になるよう回転することにより、対応するＭＴＪ素子の抵抗が低減する。磁化方向（７）（図４の点線矢印）が固定層磁化方向８に対しより逆平行になるよう回転することにより、対応するＭＴＪ素子の抵抗が増加する。したがって、この設計により、印加された磁界に対し逆の反応を有する素子が製造されることは明らかである。

図５に、磁気自由層の磁化方向をバイアスするための２つの帯状永久磁石の使用を例示する。ここで、各永久磁石の長さ１２は、間隙の末端で生じる磁界のむらを避けるため、磁石間の間隙１３と比べ相対的に大きくなっている。永久磁石は同じ方向に磁化されているが、間隙のバイアス磁界１０は永久磁石の表面に対し垂直である。

図６に、磁気自由層の磁化方向を制御するための永久磁石および形状異方性を用いる設計を例示する。ただし、磁気自由層の磁化方向７は形状異方性およびバイアス磁界１０の両方に依存する。磁気抵抗素子の形状は一般的には矩形、ダイアモンド状または楕円形であってもよい。これらの長円形によって、磁気抵抗素子の長さ方向に沿って磁気自由層の磁化方向７を整合させる傾向のある異方性が生じる。形状異方性の強度を、長軸および短軸の比率を変化させることによって制御してもよい。磁性の配向は、形状異方性とバイアス磁界１０との競合の結果によって決まる。永久磁石のバイアス磁界１０の強度は、永久磁石の磁化１１の整合が原因で表面磁極密度に依存し、磁化が界面１４に対し垂直になればなるほど、表面磁荷密度がより集積し、ＭＴＪ素子においてより大きなバイアス磁界が生成される。表面磁荷密度はｓｉｎθに比例し、その場合θは界面１４と永久磁石の磁化１１方向との角度であり、両磁化方向間の角度である。バイアス磁界１０と磁気抵抗素子の形状異方性を調節することにより、磁気抵抗素子の磁性を角度αにプリセットできる。この設計では、感知方向９が磁気固定層の磁化方向８に対して垂直である。

図７に、ハーフブリッジプッシュプル型磁界センサについての設計概念を示す。同図からわかるように、磁気抵抗器Ｒ１１およびＲ１２がハーフブリッジを構成する。両ブリッジアームは同じ磁気固定層の磁化方向８を共有している。ブリッジアームを備える２つの磁気抵抗素子は同じ角度αだけ逆方向に傾いた磁気自由層の磁化方向７を持つ。磁気自由層の磁化方向７は、形状異方性とバイアス磁界１０との間の競合に依存する。このハーフブリッジプッシュプル型センサが感知方向９に沿って磁界に晒されると、抵抗器Ｒ１１の磁気自由層の磁化方向７が回転して磁気固定層の磁化方向８に対し平行になり、抵抗はそれに応じた減少を呈する。同時に、Ｒ１２の磁気自由層の磁化方向（７）が磁気固定層の磁化方向８から遠ざかるように回転し、それに応じて抵抗に増加が認められる。定電圧Ｖ_BIASがブリッジをバイアスするために印加されると、ブリッジの出力電圧Ｖ_OUTがその磁界に応じて変化する。これは、プッシュプル型ハーフブリッジについては予想通りの応答である。

以下に、プッシュプル型ハーフブリッジのバイアス方法を述べる。まず、永久磁石の磁化を設定するために、図７に示すようにプッシュプル型ハーフブリッジの磁化方向１１に沿って大きな磁界を印加および除去する。その結果、間隙の縁部１４において仮想磁荷により永久磁石１５間の間隙１３に発生した磁界１０は、間隙縁部に対し垂直になる。図７中の矢印１０は、正確なバイアス方向を示す。

図８に、プッシュプル型フルブリッジの設計概略図を示す。ブリッジアームを備えた磁気抵抗素子Ｒ２１、Ｒ２２、Ｒ２３およびＲ２４がフルブリッジを構成して接続される。角度の大きさは、全ブリッジアームについて同じである。４つのブリッジアームの磁気固定層は、同じ磁化方向８を持つ。対向するブリッジアーム磁気抵抗素子（Ｒ２１はＲ２３と対向、Ｒ２２はＲ２４と対向）の磁気自由層の磁化方向７は平行である。隣接するブリッジアーム磁気抵抗素子（Ｒ２１とＲ２２、Ｒ２２とＲ２３、Ｒ２３とＲ２４、およびＲ２４とＲ２１）の磁気自由層の磁化方向７は異なる。プッシュプル型フルブリッジにその感知方向９に沿った磁界を印加すると、磁気抵抗素子Ｒ２１およびＲ２３の磁気自由層の磁化方向７が回転して磁気固定層の磁化方向８になり、その結果Ｒ２１とＲ２３の抵抗が減少する。一方で、磁気抵抗素子Ｒ２２およびＲ２４の磁気自由層の磁化方向（７）は固定層磁化方向８と逆方向に回転し、その結果Ｒ２１とＲ２４の抵抗が増加する。定電圧Ｖ_BIASをブリッジに印加した場合、端子Ｖ１とＶ２との間の電圧は反対方向に変化する。これにより、プッシュプル効果が生じる。理想的には、Ｒ２１とＲ２３の抵抗値Ｒ１が（Ｒ１＋ΔＲ）として変化し、一方ではＲ２１とＲ２３の抵抗値Ｒ２が（Ｒ２−ΔＲ）として変化し、結果的にセンサの出力が以下のようになる。

理想的には、Ｒ１＝Ｒ２＞ΔＲであり、同数式は以下のように約分される。

これにより、フルブリッジプッシュプル応答が示される。

プッシュプル型フルブリッジ磁界センサをバイアスする方法を、以下説明する。まず、図８に示すようなプッシュプル型フルブリッジ用の永久磁石を設定するために、参照番号１１で示される軸に沿って磁界を印加および除去する。その結果、永久磁石１５間の間隙１０において磁界１０が、磁石縁部での仮想磁荷によって生成され、縁部１４に対し垂直なバイアス磁界となる。図８中の矢印１０は、正確なバイアス方向を示す。

図７と図８の比較から観察されるように、プッシュプル型フルブリッジセンサの固定層の磁気固定層の磁化方向８は、全ブリッジアームについて同じである。このことから、シングルチップ上に単一のプロセスでプッシュプル型フルブリッジセンサを製造することが可能であることが分かる。複雑なマルチチップアセンブリプロセス、局所的レーザアニーリングまたは二重蒸着は不要である。

図９に、プッシュプル型フルブリッジ磁界センサの配列の概略を示す。図に示されるように、幾つかのＭＴＪ素子１が直列接続されてブリッジアームを形成している。永久磁石が適切に磁化されていれば、磁気自由層の磁化方向７は、ＭＴＪ素子１の両側の永久磁石１５によって生成された磁界１０によってバイアスされることになる。センサブリッジは、自身の磁気固定層の磁化方向８に対して垂直な感知方向９を持つ。センサのパッド２３を、ボンディングワイヤを通じてＡＳＩＣまたはリードフレームのピンに接続することができる。

図１０に、感知方向が自身の磁化容易軸、また自身の誘導出力に対し垂直であるプッシュプル型ブリッジの別の設計を示す。上側の２図は、永久磁石からのバイアス磁界がそれぞれ５０Ｏｅおよび１００Ｏｅであるときの、２つの隣接する磁気抵抗素子の出力である。下側の２図は、対応する５０Ｏｅおよび１００Ｏｅのバイアス磁界を用いた場合の、飽和磁界を伴うフルブリッジ出力である。

図１１に、感知方向が自身の磁化容易軸、また、自身の誘導出力に対し平行であるプッシュプル型ブリッジの設計を示す。上側の２図は、永久磁石からのバイアス磁界がそれぞれ５０Ｏｅおよび１００Ｏｅであるときの、２つの隣接する磁気抵抗素子の出力である。下側の２図は、対応する５０Ｏｅおよび１００Ｏｅのバイアス磁界を用いた場合の、飽和磁界を伴うフルブリッジ出力を示す。

実際の測定では通常、ＭＴＪ出力曲線は図２に示すような理想的な曲線ではなく、何らかのオフセットがある。実践上は、オフセット検量を測定する手段を提供する目的で、逆方向にセンサを飽和させるために外部磁場を印加することができる。図１２に、磁気抵抗素子の上側に配置されたコイル２２を備えた設計を示す。コイル２２が付勢されると、生成された磁界が外部磁場同様、磁気自由層に印加される。この電流制御された磁場は、検量および出力のオフセットや熱ドリフトの補償目的でチップ実装の準備を行った後に実行されるよう設計される。それは、ユーザの実際のニーズに従って時折実施可能である。図示されるように、ワイヤの検量磁界発生線幅は５μｍ、および、ワイヤの検量逆電流幅は３μｍで、ワイヤ間の間隙幅は２.５μｍである。

図１３に、プリセットにより生成した磁界および検量コイルを、磁気自由層の磁化方向と比較して示す。図に示されるように、センサパッド２３は、実装ピンのリードフレームまたはリードを通じてＡＳＩＣ回路に接続されてもよい。パッド２４は、コイル入力および出力用に用いられる。

本発明の幾つかの実施態様が記載されているが、当業者であれば、本発明の原理および精神を逸脱することなくこれらの実施態様の変更を行うことが可能であるのは言うまでもなく、その権利範囲は請求項およびそれらの同等物にて定義される。

Claims (9)

1. シングルチッププッシュプルブリッジ型磁気抵抗センサであり、
   多数の磁気抵抗センサアームで構成されるセンサブリッジであって、各磁気抵抗センサアームが少なくとも１つのＭＴＪ、ＡＭＲまたはＧＭＲ磁気抵抗素子を備え、磁気抵抗素子が感知方向に沿って磁界を感知するセンサブリッジと、
   前記磁気抵抗素子の磁化方向をバイアスするために各磁気抵抗素子の２辺に配置された一対の永久磁石とを備えた、シングルチッププッシュプルブリッジ型磁気抵抗センサ。
2. 永久磁石間の磁界を均一にするために、各永久磁石の長さが、隣接する永久磁石間の間隙より大きい、請求項１に記載のシングルチッププッシュプルブリッジ型磁気抵抗センサ。
3. 磁気抵抗素子の２辺に配置された一対の永久磁石のそれぞれが磁気抵抗素子に最も近い縁部を有し、永久磁石の縁部が磁気抵抗素子の感知方向に対して所定の角度を形成するよう設定され、前記角度が鋭角または鈍角である、請求項１に記載のシングルチッププッシュプルブリッジ型磁気抵抗センサ。
4. 磁気抵抗素子の２辺にある一対の永久磁石が、バイアス方向に沿ったバイアス磁界を発生させる、請求項１に記載のシングルチッププッシュプルブリッジ型磁気抵抗センサ。
5. バイアス磁界の大きさが永久磁石の厚さに依存する、請求項４に記載のシングルチッププッシュプルブリッジ型磁気抵抗センサ。
6. 磁気抵抗素子の２辺に配置された一対の永久磁石のそれぞれが磁気抵抗素子に最も近い縁部を有し、感知方向に対する永久磁石の磁化方向の配向または縁部の境界線の角度を変動させることにより永久磁石のバイアス磁界の強さが調節できる、請求項４に記載のシングルチッププッシュプルブリッジ型磁気抵抗センサ。
7. 永久磁石によって付与されるバイアス磁界が均一である、請求項１に記載のシングルチッププッシュプルブリッジ型磁気抵抗センサ。
8. 磁気抵抗素子が互いに平行である、請求項１に記載のシングルチッププッシュプルブリッジ型磁気抵抗センサ。
9. 磁気抵抗素子の近傍に電気コイルをさらに備え、磁気抵抗素子と電気コイルとの間に絶縁層が存在する、請求項１に記載のシングルチッププッシュプルブリッジ型磁気抵抗センサ。

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