特許 6247631 単一チップ参照フルブリッジ磁場センサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6247631

(24)【登録日】2017年11月24日

(45)【発行日】2017年12月13日

(54)【発明の名称】単一チップ参照フルブリッジ磁場センサ

(51)【国際特許分類】

   G01R 33/09 20060101AFI20171204BHJP

   H01L 43/08 20060101ALI20171204BHJP

   G01R 33/02 20060101ALI20171204BHJP

   G11B 5/39 20060101ALI20171204BHJP

【ＦＩ】

   G01R33/06 R

   H01L43/08 B

   H01L43/08 Z

   G01R33/02 V

   G11B5/39

【請求項の数】9

【全頁数】18

(21)【出願番号】特願2014-505493(P2014-505493)

(86)(22)【出願日】2012年4月6日

(65)【公表番号】特表2014-517264(P2014-517264A)

(43)【公表日】2014年7月17日

(86)【国際出願番号】CN2012073604

(87)【国際公開番号】WO2012142915

(87)【国際公開日】20121026

【審査請求日】2015年1月23日

(31)【優先権主張番号】201110100226.5

(32)【優先日】2011年4月21日

(33)【優先権主張国】CN

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】514116947

【氏名又は名称】江▲蘇▼多▲維▼科技有限公司

【氏名又は名称原語表記】ＭＵＬＴＩＤＩＭＥＮＳＩＯＮ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＣＯ．， ＬＴＤ．

(74)【代理人】

【識別番号】110000729

【氏名又は名称】特許業務法人 ユニアス国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】ディーク、ジェイムス ジーザ

(72)【発明者】

【氏名】ジン、インシク

(72)【発明者】

【氏名】レイ、シャオフォン

(72)【発明者】

【氏名】シェン、ウェイフォン

(72)【発明者】

【氏名】シュエ、ソンシュン

【審査官】 續山 浩二

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２００９／０８４４３３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開平１０−３１３１３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−３４５４９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００２−５２２７９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−１５２２４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０５−２８１３１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−１１２８８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−１７０３６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０６−１４８３０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１０／０３２０５５０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２００９／１３７８０２（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｒ ３３／０９

Ｇ０１Ｒ ３３／０２

Ｇ１１Ｂ ５／３９

Ｈ０１Ｌ ４３／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

参照フルブリッジ磁場センサチップであって、
空間的に交互配置され、電気的に互いに接続されてホイートストンブリッジを形成する２つの参照アームと２つの感知アームであって、
各参照アームがＭＴＪ磁気抵抗参照素子を１つ以上含み、
各感知アームがＭＴＪ磁気抵抗感知素子を１つ以上含み、
前記感知アームおよび参照アームの比抵抗は、前記ＭＴＪ磁気抵抗感知素子の数に基づいて、前記感知アームおよび参照アームのそれぞれの抵抗値が、前記ホイートストンブリッジの出力でのオフセットおよび対称性が最適化されるように互いに異なる値に設定されて、調整されて、
前記感知素子が、増幅特性曲線の印加された磁場に線形依存する部分を利用し、前記参照アームの感度が前記感知アームの感度よりも低い、２つの参照アームと２つの感知アーム、および
該参照フルブリッジ磁場センサチップをＡＳＩＣまたは半導体パッケージのリードフレームに電気的に接続するのに用いられるボンドパッド群を含む、参照フルブリッジ磁場センサチップ。

【請求項2】

前記参照素子の位置において磁場を減少させるために、前記参照アームが導磁性の高い強磁性材料からなる磁気遮蔽によって覆われている、請求項１に記載の参照フルブリッジ磁場センサチップ。

【請求項3】

前記感知素子の位置において印加された磁場を増加させるために、前記ＭＴＪ磁気抵抗感知素子の近傍に導磁性の高い強磁性材料をさらに含む、請求項２に記載の参照フルブリッジ磁場センサチップ。

【請求項4】

前記ＭＴＪ磁気抵抗参照素子が、前記ＭＴＪ磁気抵抗感知素子よりも薄くて長い、請求項１、２または３に記載の参照フルブリッジ磁場センサチップ。

【請求項5】

前記参照アームは、自由層の上または下に設けられる反強磁性層または永久磁石層を含み、前記反強磁性層からの交換結合または前記永久磁石層からの漂遊磁界結合を用いて前記参照アームに磁気的にバイアスをかける、請求項１、２、３または４に記載の参照フルブリッジ磁場センサチップ。

【請求項6】

前記参照アームおよび前記感知アームは、自由層の上または下に設けられる反強磁性層または永久磁石層を含み、前記反強磁性層からの交換結合または前記永久磁石層からの漂遊磁界結合を用いて前記参照アームおよび感知アームに磁気的にバイアスをかける、請求項１、２、３または４に記載の参照フルブリッジ磁場センサチップ。

【請求項7】

前記感知素子および前記参照素子の近傍に位置する永久磁石群をさらに含み、前記永久磁石群の向きおよび前記永久磁石の磁化を用いて前記参照フルブリッジ磁場センサチップの応答を調整する、請求項１、２、３または４に記載の参照フルブリッジ磁場センサチップ。

【請求項8】

前記参照アームを囲む前記永久磁石間の間隔が、前記感知アームを囲む前記永久磁石間の間隔よりも小さい、請求項７に記載の参照フルブリッジ磁場センサチップ。

【請求項9】

前記参照アームを囲む前記永久磁石の幅が、前記感知アームを囲む前記永久磁石の幅よりも大きい、請求項７または８に記載の参照フルブリッジ磁場センサチップ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、磁場検出の一般的分野に関し、特に低コストで高性能な単一チップブリッジセンサの製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

磁気センサは、現代システムにおいて、磁場の強度、電流、位置、動き、向きなどを含むがこれらに限定されない物理パラメータを測定または検出するのに広く用いられる。先行技術においては、磁場および他のパラメータを測定するために、多くの異なる種類のセンサがある。しかしながら、それらはすべて、当該技術分野において周知である様々な制限、例えば、過度な大きさ、不十分な感度および／またはダイナミックレンジ、コスト、信頼性、ならびに他の要因に難点がある。したがって、改良された磁気センサ、特に半導体装置および集積回路に容易に組み込むことができるセンサ、ならびにその製造方法が必要とされ続けている。

【0003】

磁気トンネル接合（ＭＴＪ）センサには、高感度、小型、低コスト、および低電力消費という利点がある。ＭＴＪやＧＭＲ（巨大磁気抵抗）センサ装置は、標準的な半導体製造プロセスに対応できるが、高感度な装置を十分な歩留まりで、かつ、低コストで大量生産する方法は、まだ十分に開発されていない。特に、ＭＴＪまたはＧＭＲセンサの磁気抵抗応答におけるオフセット、および組み合わせてブリッジセンサを形成する場合に、ＭＴＪまたはＧＭＲ素子の磁気抵抗応答を整合させる困難さのために、歩留まりに問題があることがわかっている。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本発明の目的は、センサの線形応答が、バイアス磁界および永久磁石の角度を制御することで最適化される単一チップ参照フルブリッジ磁場センサを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0005】

上記目的を達成するために、本発明は、空間的に交互配置され、電気的に互いに接続されてホイートストンブリッジを形成する２つの参照アーム(reference arm(s))および２つの感知アーム（sensing arm(s)）であって、各参照アームがＭＴＪまたはＧＭＲ磁気抵抗参照素子を１つ以上含み、各感知アームがＭＴＪまたはＧＭＲ磁気抵抗感知素子を１つ以上含み、前記感知素子が、増幅特性曲線の印加された磁場に線形依存する部分を利用する、２つの参照アームおよび２つの感知アームを含む単一チップ参照フルブリッジ磁場センサを提供し、前記磁場センサはさらに、前記感知素子および参照素子の近傍に位置する永久磁石群であって、前記永久磁石構造の向きおよび前記永久磁石の磁化を用いてセンサチップの応答を調整する永久磁石群、および該参照フルブリッジセンサチップをＡＳＩＣまたは半導体パッケージのリードフレームに電気的に接続するのに用いられるボンドパッド群を含む。

【0006】

本発明はまた、空間的に交互配置され、電気的に互いに接続されてホイートストンブリッジを形成する２つの参照アームと２つの感知アームであって、各参照アームがＭＴＪまたはＧＭＲ磁気抵抗参照素子を１つ以上含み、各感知アームがＭＴＪまたはＧＭＲ磁気抵抗感知素子を１つ以上含み、前記感知素子が、増幅特性曲線の印加された磁場に線形依存する部分を利用し、前記ＭＴＪまたはＧＭＲ磁気抵抗参照素子が前記ＭＴＪまたはＧＭＲ磁気抵抗感知素子よりも薄くて長い、２つの参照アームと２つの感知アーム、および該参照フルブリッジセンサチップをＡＳＩＣまたは半導体パッケージのリードフレームに電気的に接続するのに用いられるボンドパッド群を含む、単一チップ参照フルブリッジ磁場センサを提供する。

【0007】

本発明はまた、空間的に交互配置され、電気的に互いに接続されてホイートストンブリッジを形成する２つの参照アームと２つの感知アームであって、各参照アームがＭＴＪまたはＧＭＲ磁気抵抗参照素子を１つ以上含み、各感知アームがＭＴＪまたはＧＭＲ磁気抵抗感知素子を１つ以上含み、前記感知素子が、増幅特性曲線の印加された磁場に線形依存する部分を利用し、前記参照アームが導磁性の高い強磁性材料からなる磁気遮蔽によって覆われている、２つの参照アームと２つの感知アーム、および該参照フルブリッジセンサチップをＡＳＩＣまたは半導体パッケージのリードフレームに電気的に接続するのに用いられるボンドパッド群を含む、単一チップ参照フルブリッジ磁場センサを提供する。

【0008】

本発明はまた、空間的に交互配置され、電気的に互いに接続されてホイートストンブリッジを形成する２つの参照アームと２つの感知アームであって、各参照アームがＭＴＪまたはＧＭＲ磁気抵抗参照素子を１つ以上含み、各感知アームがＭＴＪまたはＧＭＲ磁気抵抗感知素子を１つ以上含み、前記感知素子が、増幅特性曲線の印加された磁場に線形依存する部分を利用する、２つの参照アームと２つの感知アーム、前記参照アームの自由層の上または下に設けられる反強磁性層または永久磁石層であって、前記反強磁性層からの交換結合または前記永久磁石層からの漂遊磁界結合を用いて前記参照アームに磁気的にバイアスをかける反強磁性層または永久磁石層、および該参照フルブリッジセンサチップをＡＳＩＣまたは半導体パッケージのリードフレームに電気的に接続するのに用いられるボンドパッド群を含む、単一チップ参照フルブリッジ磁場センサを提供する。

【0009】

本発明はまた、空間的に交互配置され、電気的に互いに接続されてホイートストンブリッジを形成する２つの参照アームと２つの感知アームであって、各参照アームがＭＴＪまたはＧＭＲ磁気抵抗参照素子を１つ以上含み、各感知アームがＭＴＪまたはＧＭＲ磁気抵抗感知素子を１つ以上含み、前記感知素子が、増幅特性曲線の印加された磁場に線形依存する部分を利用する、２つの参照アームと２つの感知アーム、前記参照アームの自由層の上または下に設けられる反強磁性層または永久磁石層であって、前記反強磁性層からの交換結合または前記永久磁石層からの漂遊磁界結合を用いて前記参照アームに磁気的にバイアスをかけ、前記ＭＴＪまたはＧＭＲ磁気抵抗参照素子が、前記ＭＴＪまたはＧＭＲ磁気抵抗感知素子よりも薄くて長い反強磁性層または永久磁石層、および該参照フルブリッジセンサチップをＡＳＩＣまたは半導体パッケージのリードフレームに電気的に接続するのに用いられるボンドパッド群を含む、単一チップ参照フルブリッジ磁場センサを提供する。

【0010】

本発明はまた、空間的に交互配置され、電気的に互いに接続されてホイートストンブリッジを形成する２つの参照アームと２つの感知アームであって、各参照アームがＭＴＪまたはＧＭＲ磁気抵抗参照素子を１つ以上含み、各感知アームがＭＴＪまたはＧＭＲ磁気抵抗感知素子を１つ以上含み、前記感知素子が、増幅特性曲線の印加された磁場に線形依存する部分を利用する、２つの参照アームおよび２つの感知アーム、前記参照アームの自由層の上または下に設けられる反強磁性層または永久磁石層であって、前記反強磁性層からの交換結合または前記永久磁石層からの漂遊磁界結合を用いて前記参照アームに磁気的にバイアスをかけ、前記参照アームが導磁性の高い強磁性材料からなる磁気遮蔽に覆われる、反強磁性層または永久磁石層、および該参照フルブリッジセンサチップをＡＳＩＣまたは半導体パッケージのリードフレームに電気的に接続するのに用いられるボンドパッド群を含む単一チップ参照フルブリッジ磁場センサを提供する。

【0011】

上記技法を用いることで、単一チップ参照磁場センサのブリッジは、優れた温度安定性、低オフセット電圧、および優れた電圧対称性を示す。標準的な半導体製造プロセスを用いて、この単一チップ参照磁場センサのブリッジを製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】図１は、負のＨ方向を指す参照層の磁化を有するスピンバルブ感知素子の磁気抵抗応答の概略図である。

【図2】図２は、磁気抵抗素子からなる参照フルブリッジセンサの概略図である。

【図3】図３は、参照フルブリッジ磁気抵抗センサの参照アームおよび感知アームの例示的な増幅特性曲線である。

【図4】図４は、参照フルブリッジ磁気抵抗センサの例示的な増幅特性曲線である。

【図5】図５は、参照アームおよびセンサアームの抵抗の不整合の関数として、ブリッジのオフセットをプロットしたものである。５０％から２００％の範囲の磁気抵抗の関数として、異なるグラフをいくつかプロットしている。

【図6】図６は、参照アームおよびセンサアームの抵抗の不整合の関数として、ブリッジセンサの増幅特性曲線の非対称性をプロットしたものである。５０％から２００％の範囲の磁気抵抗の関数として、異なるグラフをいくつかプロットしている。

【図7】図７は、ＭＴＪセンサ素子に対する永久磁石の位置を示す図である。

【図8】図８は、図７に示される永久磁石およびＭＴＪまたはＧＭＲ素子を通る断面であり、一組の永久磁石板の周囲の磁場のパターンを示している。

【図9】図９は、ＭＴＪの増幅特性曲線のオフセットおよび飽和磁界を制御するための、ＭＴＪ素子における磁界強度および向きに関する様々な角度を示す図である。

【図10】図１０は、磁石の幅および磁石間の間隙の関数として表される、一組の永久磁石板の中央における磁場強度である。

【図11】図１１は、複数のＭＴＪまたはＧＭＲ素子を結合して単一の磁気抵抗素子に一体化する方法を示す概略図である。

【図12】図１２は、ブリッジ増幅特性曲線を最適化する参照アームおよびセンサアームのバイアス点を設定するために傾斜磁石を利用する、例示的なセンサダイの配置図である。

【図13】図１３は、センサアーム内に永久磁石バイアスおよび０度回転ＭＴＪまたはＧＭＲ素子を用いる、例示的なダイの配置図である。シールドを参照アーム上に配置して、ブリッジの感度を増加させている。

【図14】図１４は、センサアーム内に永久磁石バイアスおよび９０度回転ＭＴＪまたはＧＭＲ素子を用いる、例示的なダイの配置図である。

【図15】図１５は、９０度回転ＭＴＪまたはＧＭＲセンサ素子に対して飽和磁界を設定するのに必要な直交軸バイアス磁界を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0013】

線形磁場の測定に適したＧＭＲまたはＭＴＪ磁気センサ素子の磁気抵抗増幅特性曲線の一般的な形状が、図１に模式的に示されている。図に表された増幅特性曲線は、それぞれＲ_LおよびＲ_Hで示される低抵抗値１および高抵抗値２で飽和する。飽和間の領域においては、増幅特性曲線は印加した磁場Ｈに線形依存する。増幅特性曲線は、グラフ上のＨ＝０の点において対称である必要はない。飽和磁界５、６は、典型的に、ＲＬ飽和領域がＨ＝０の点に近づくように、量Ｈ₀分のオフセットを有する。Ｈ₀の値は、しばしば「オレンジピール(Orange Peel)」または「ネールカップリング(Neel Coupling)」と呼ばれ、典型的には１〜２５Ｏｅの範囲である。Ｈ₀はＧＭＲおよびＭＴＪ構造内の強磁性膜の粗さに関連し、材料および製造プロセスに依存する。

【0014】

５と６との間では、装置の操作を説明する目的で、図１の増幅特性曲線は以下のように近似され得る：

【0015】

【数1】

【0016】

参照ホイートストンブリッジを形成するために、センサ素子を図２に示されるように互いに連結してもよい。ここで、２つのセンサ素子は印加された磁場に強く依存する増幅特性曲線を有し、この素子２０、２１は、感知アームと呼ばれる。２つの追加センサ素子２２および２３は、印加された磁場に対して弱い依存性を示す増幅特性曲線を有する。この素子２２、２３は参照アームと呼ばれる。さらに、基板上に配置された場合、センサは、電圧バイアス（Ｖ_bias、２４）、アース（ＧＮＤ、２５）および２つのハーフブリッジセンタータップ（Ｖ₁、２６、Ｖ₂、２７）のためのコンタクトパッドを必要とする。センタータップにおける電圧は、以下で与えられる：

【0017】

【数2】

【0018】

【数3】

【0019】

ブリッジセンサの出力は以下のように定義される：

【0020】

【数4】

【0021】

例示的なセンサアームおよび参照アームの増幅特性曲線Ｒ_sns（３０）およびＲ_ref（３１）を図３に示す。なお、Ｒ_refは

【0022】

【数5】

【0023】

で飽和し、Ｒ_snsは

【0024】

【数6】

【0025】

で飽和する。また、センサアームおよび参照アームの増幅特性曲線は、磁場ゼロが中心ではなく、Ｒ_snsでの

【0026】

【数7】

【0027】

からＲ_refでの

【0028】

【数8】

【0029】

の範囲のオフセットを有する。オフセット値が異なっているにもかかわらず、ブリッジの増幅特性曲線４０は、図４に示されるように線形であり、きちんと中央にある。

【0030】

【数9】

【0031】

であり、

【0032】

【数10】

【0033】

である理想的な場合において、ブリッジの応答は、以下の通りである。

【0034】

【数11】

【0035】

以下の場合、出力は線形である。

【0036】

【数12】

【0037】

“＜＜”が大きさのオーダー（order）を表すと仮定すると、以下の通りである：

【0038】

【数13】

【0039】

実際には、線形領域は、良いリニアセンサを製造するのに十分広い。磁気抵抗を有するセンサでは、

【0040】

【数14】

【0041】

で、

【0042】

【数15】

【0043】

である。したがって、センサの線形領域の程度は以下のオーダーである。

【0044】

【数16】

【0045】

所望する線形動作領域の約２．５倍大きい程度である場合は、これら典型的な値を用いて、装置はリニアセンサとして補正なしで動作することになる。

【0046】

参照ブリッジセンサは、センサ素子の磁気抵抗が大きくなるにつれてより明らかになる独特な特徴をいくつか有する。図４はまた、磁界軸に沿ってオフセットを有し、電圧応答が非対称である参照ブリッジの増幅特性曲線を４１に示す。この理想的でない挙動は、大きな磁気抵抗比を有する磁気抵抗素子を用いる場合に起因であるにちがいない参照フルブリッジセンサの特徴である。

【0047】

理想的でない応答に寄与する要因をより良く説明するため、および参照ブリッジの応答を最適化する方法を開示するために、電圧の非対称性を定量化するのに有用なブリッジのオフセットの計量を定義する必要がある。ブリッジのオフセット（ＯＦＦＳＥＴ）は、増幅特性曲線の４４から簡単に読み取られる。図４に示される最大および最小電圧値に相当するＶ−（４３）およびＶ＋（４２）を用いて、非対称性（ＡＳＹＭ）を定義することができる：

【0048】

【数17】

【0049】

図５は、

【0050】

【数18】

【0051】

である理想的な場合をプロットした、ＤＲ／Ｒおよび参照レッグおよびセンサレッグの抵抗値の関数としてのブリッジセンサのＯＦＦＳＥＴを示す。センサアームおよび参照アームの増幅特性曲線は、本来は中央にあるにもかかわらず、ブリッジの出力は、磁気抵抗および抵抗の整合によるオフセットの変化を示す。

【0052】

図６は、同じ条件下におけるブリッジセンサの電圧非対称性のプロットを示す。やはり、センサアームおよび参照アームの増幅特性曲線は、本来は中央にあるにもかかわらず、ブリッジの出力は、参照アームおよびセンサアームが同様に整合する場合に非対称性が高くなり得る。したがって、異なるブリッジアームにおけるオフセットを最小化すること、ならびに参照アームおよびセンサアームの抵抗値を整合することで、中央にある、対称形のブリッジ応答が必ずしも得られるわけではない。

【0053】

理想的な参照ブリッジは、異なる磁界において飽和する参照素子およびセンサ素子を有し、その抵抗は１でなくてもよい所定の比率に設定され、参照アームに対してセンサアームの応答をシフトするのに、オフセット磁界が用いられてもよい。

【0054】

ブリッジセンサを組み立てる際にまず考慮すべきことは、ブリッジのセンサアームおよび参照アームの相対的な感度を設定するのに用いる方法である。磁気抵抗素子の感度は、印加された磁場の関数としての抵抗の変化として定義される。これは以下のように表し得る：

【0055】

【数19】

【0056】

センサアームに対して参照アームのＤＲ／Ｒを変化させることは現実的でないので、感度は、Ｈ_sを修正することで最も容易に調整される。これは、いくつかの異なる技法のうちの１つまたはその組み合わせによって達成され得る。

【0057】

遮蔽−ここで、印加された磁場を減衰させるために、ブリッジの参照アーム上に導磁性の高い強磁性板を設ける。

【0058】

形状異方性の安定化−参照ＭＴＪ素子およびセンサＭＴＪ素子は大きさが異なり、したがって形状異方性が異なる。最も一般的な手法は、参照ＭＴＪ素子をセンサＭＴＪ素子よりも細長くすることであり、その結果、センサＭＴＪ素子よりも参照ＭＴＪ素子において、感知軸に平行な方向の減磁率が大きくなる。

【0059】

交換バイアス−本技法では、ＭＴＪ素子の自由層を隣接した反強磁性層または永久磁石層に交換結合することによって、感知軸に垂直な方向に有効磁界が作られる。交換バイアスの強度を減じるために、自由層と交換バイアスがかかった層との間に、ＣｕまたはＴａのような材料からなる薄いスペーサ層を置くことが望ましいかもしれない。代表的な層化順序は以下の通りである：
シード層／ＡＦ１／ＦＭ／Ｒｕ／ＦＭ／バリア層／ＦＭ／スペーサ／ＡＦ２／キャップ層
シード層／ＡＦ１／ＦＭ／Ｒｕ／ＦＭ／バリア層／ＦＭ／スペーサ／ＰＭ／キャップ層
シード層／ＡＦ１／ＦＭ／Ｒｕ／ＦＭ／バリア層／ＦＭ／ＡＦ２／キャップ層
シード層／ＡＦ１／ＦＭ／Ｒｕ／ＦＭ／バリア層／ＦＭ／ＰＭ／キャップ層
ここで、ＡＦ１およびＡＦ２は、ＰｔＭｎ、ＩｒＭｎ、ＦｅＭｎなどの反強磁性材料からなる。ＦＭは、強磁性層、またはＮｉＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅ、およびＮｉＦｅＣｏを含むがこれらに限定されるものではない多くの異なる可能な強磁性合金からなる多層を表すのに用いられる。バリア層は、スピン偏極トンネル効果と親和性のある、Ａｌ₂Ｏ₃またはＭｇＯなどの任意の絶縁材料であってよい。スペーサは、通常、非磁性層であり、一般にはＴａ、ＲｕまたはＣｕの薄層である。異なる反強磁性層、ＡＦ１およびＡＦ２は、通常、ＡＦ２のブロッキング温度がＡＦ１のブロッキング温度よりも低くなるように選択され、その結果、ＦＭ／Ｒｕ／ＦＭピンニング層は、自由層上のＦＭ２によって作られる交換バイアス磁界に直交する方向に設定することができる。

【0060】

磁場バイアス−本技法では、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｒ、およびＰｔの合金などの永久磁石材料を、センサ基板またはＭＴＪスタックに設け、これを用いてＭＴＪ素子の増幅特性曲線にバイアスをかける漂遊磁界を生じさせる。永久磁石バイアスの利点は、ブリッジ製造後、大きな磁場を用いて永久磁石を初期状態にすることができるという点である。さらなる、そして非常に重要な利点は、応答を安定化および線形化するために、バイアス磁界を用いてＭＴＪまたはＧＭＲセンサ素子からドメインを除去することができる点である。これらの利点は、後述する製造ばらつきの原因となる設計調整に、高い柔軟性を提供する。スタック内の設計には、以下の模式的な層化順序が可能である。
シード層／ＡＦ１／ＦＭ／Ｒｕ／ＦＭ／バリア層／ＦＭ／厚いスペーサ／ＰＭ／キャップ層。

【0061】

ＭＴＪまたはＧＭＲ素子の感度を設定するのに交差バイアス磁界を用いる場合は、交差バイアス磁界Ｈ_crossとＨ_sとの間に以下の関係がある：

【0062】

【数20】

【0063】

式中、Ｋ_sは自由層の形状異方性であり、Ｍ_sは自由層の飽和磁化である。したがって、感度は、以下のようにＨ_crossに逆依存する：

【0064】

【数21】

【0065】

Ｈ_crossを与える好ましい方法が図７に示されている。ここで、磁気抵抗性センサ７０は２つの磁石７１の間に位置している。磁石は「間隙」７２によって隔てられており、幅「Ｗ」７３、厚さ「ｔ」７４、および長さ「Ｌｙ」７５を有する。磁石は、ブリッジセンサの感知軸７６に垂直な方向に交差バイアス磁界を与えるように設計されている。永久磁石は、大きな磁場を用いて初期状態にされ、その結果、その磁化７７は、名目上はブリッジセンサの感知方向７６に対して垂直である。結果として得られる磁石７１のまわりの磁力線のパターンは、図８の８０に示されている。

【0066】

永久磁石からの磁界は、図９の９０および９１に示されるような、磁化の境界条件の結果として永久磁石板の端に形成される仮想的な磁荷によると考えることができる。磁荷は、以下のように、永久磁石板の端の向き“ｑｒｅｆ”または“ｑｓｎｓ”９３に対する残留磁化“Ｍｒ”の大きさおよび向き“ｑｍａｇ”９２に伴って変化する：

【0067】

【数22】

【0068】

この仮想的な磁荷は、以下の式にしたがって磁場を生じさせる。

【0069】

【数23】

【0070】

ｑｍａｇ＝ｑｒｅｆまたはｑｒｅｆ＝π／２である場合、残留磁化Ｍｒの関数であるＭＴＪの中心における磁場は以下の通り与えられる。

【0071】

【数24】

【0072】

Ｗ７３および間隙７２の関数として、式１６を図１０にてプロットし、永久磁石構造７１の寸法を変更することによって参照アームおよびセンサアームの飽和磁界がお互いに対してどのように変化し得るかを示す。ここで例えば、センサアームおよび参照アームに同じＭＴＪスタック、ＭＴＪ素子の寸法、および永久磁石膜を用いると、Ｈ_cross１００および１０１で６．５倍の違いが得られ、その結果、参照レッグはセンサレッグよりも６．５倍高い磁界で飽和する。これは参照ブリッジにとって十分であり、適切に設計すれば１０倍を越える違いを得るのは比較的容易である。

【0073】

図９はまた、対称性、オフセット、および感度に対するブリッジの応答を最適化するためにＭＴＪ素子の増幅特性曲線をオフセットさせることに加えてＭＴＪ素子の飽和値を設定することのいずれも行うために、感知方向に対する磁石の向きを用いてＨ_cross９５およびオフセット磁界Ｈ_off９６のいずれも生じさせることが可能であるということを示す。さらに、装置の製造後、Ｍｒを感知方向に対する角度９２に設定できることで、オフセットまたはＡＳＹＭを最小化するために製造後の装置を微調整することができる。この機能を用いて、製造歩留まりを向上させることができる。

【0074】

ＭＴＪまたはＧＭＲ素子は、そのサイズが小さいので、感度を増加させ、１／Ｆノイズを減少させ、静電気放電に対する抵抗性を向上させるために、図１１に示されるように、共に一列に接続することができる。ＭＴＪ素子１１０は、下部電極１１１と上部電極１１２との間に挟まれており、電流１１３が、ＭＴＪ１１０と上部導電層および下部導電層からパターニングされた導体を交互に垂直に流れるように、互いに連結される。装置が、製造中のエッチバイアスの影響を受けにくくなるので、ブリッジの参照アームおよびセンサアームに同じサイズのＭＴＪまたはＧＭＲ接合を維持することは有利である。それゆえ、このＭＴＪまたはＧＭＲ素子列のさらなる利点は、ブリッジの参照アームとセンサアームとの間の最適な抵抗比を設定するために、各列の素子の数を変化させることが可能であることである。

【0075】

図１２は、参照アームおよびセンサアームに異なる幅と間隔の傾斜永久磁石を用いて最適な参照フルブリッジセンサを製造する、例示的なダイの配置を示す。この設計において、ＭＴＪ素子列は、ブリッジの参照アーム領域１２２、１２３およびセンサアーム領域１２４、１２５において異なる角度で傾斜している永久磁石板の間に位置しており、最適化は、参照アームおよびセンサアームのいずれのオフセットもゼロにすること、および参照ＭＴＪ列およびセンサＭＴＪ列のＭＴＪ素子の相対数を調整する、あるいは参照列のみまたはセンサ列のみをオフセットさせることで達成され得る。

【0076】

参照アームおよびセンサアームは、電気的に直列に接続されている多数の磁気抵抗素子からなっているので、各アームの素子数によってアームの抵抗が決定され、その結果、参照アームまたはセンサアームの磁気抵抗素子の素子数が変更される場合は、オフセットが変化し得る。参照アームの磁気抵抗素子の数を用いて参照アームの抵抗を調整することができ、またセンサアームの磁気抵抗素子の数によってセンサアームの抵抗を制御するので、参照アームおよびセンサアームの素子数の比によって、抵抗比が決定される。式（４）から、参照アームに対するセンサアームのオフセットを以下のように設定することによって、ブリッジの応答を中央におき、比較的に対称にすることができるということを示すことができる。

【0077】

【数25】

【0078】

これは、ｑ_refをπ／２に、ｑ_snsをπ／４からπ／２の範囲に設定することで達成される。

【0079】

図１３は、種々の永久磁石バイアス１３４、１３５と組み合わせて遮蔽１３１、１３２を用い、参照アームおよびセンサアームの異なる飽和磁界を設定する参照フルブリッジセンサ設計の別の実施態様を示す。参照アームにおいて狭い間隔で配置された磁石と組み合わされた遮蔽は、遮蔽または永久磁石バイアスのみを用いて達成することができるものよりも約１０倍参照アームの感度を下げる。交換結合などの他の形態のバイアスを加えること、または形状異方性を用いることによって、参照アームおよびセンサアームの感度の差をさらに増大させることができる。本項に記載されている技術を用いると、設計調整に高い柔軟性が得られる。

【0080】

図１４は、形状異方性と低い

【0081】

【数26】

【0082】

を生じるバイアス磁界との間の競合を利用することで、高感度センサを構築するのに用いることができる設計に別の可能な変形を施すためのダイの配置を示す。ここで、センサＭＴＪまたはＧＭＲ素子１４１、１４２は、参照素子１４３、１４４に対して９０度回転している。センサアーム領域の磁石は、感知軸に垂直な方向でセンサＭＴＪまたはＧＭＲ素子を飽和させるように設計されている。したがって、感知方向１４５に沿って印加される磁界は、センサ素子の磁化を感知方向１４５に向けて比例的に傾ける。

【0083】

図１５は、短径に沿って交差バイアスを印加された長径６ｎｍ、短径２ｎｍの楕円型ＭＴＪまたはＧＭＲ素子の長軸に沿って測定された飽和磁界を示す。自由層の厚さ８ｎｍおよび１６ｎｍに対して、２つの曲線１５１および１５２がプロットされている。設計が適切であれば、狭い磁界範囲で非常に高感度のリニアセンサを製造することが可能である。この種の設計は、ｅ−コンパスなどの応用に有用である。

【0084】

本発明において、第１の実施形態は、空間的に交互配置され、電気的に互いに接続されてホイートストンブリッジを形成する２つの参照アームと２つの感知アームであって、各参照アームがＭＴＪまたはＧＭＲ磁気抵抗参照素子を１つ以上含み、各感知アームがＭＴＪまたはＧＭＲ磁気抵抗感知素子を１つ以上含み、前記感知素子が、増幅特性曲線の印加された磁場に線形依存する部分を利用する、２つの参照アームと２つの感知アームを含む単一チップ参照フルブリッジ磁場センサを提供し、磁場センサはさらに、前記感知素子および参照素子の近傍に位置する永久磁石群であって、前記永久磁石構造の向きおよび前記永久磁石の磁化を用いてセンサチップの応答を調整する永久磁石群、および該参照フルブリッジセンサチップをＡＳＩＣまたは半導体パッケージのリードフレームに電気的に接続するのに用いられるボンドパッド群を含む。

【0085】

好ましくは、前記参照フルブリッジ磁場センサチップの温度安定性および均一性を向上させるために、前記参照アームおよび感知アームが同じ製造工程を利用して同時に製造される。前記感知アームと参照アームとの間の抵抗比を設定してセンサの性能を調整することができるように、ＭＴＪまたはＧＭＲ磁気抵抗参照素子の数を変更することで各参照アームの抵抗が調整可能であり、前記ＭＴＪまたはＧＭＲ磁気抵抗感知素子の数を変更することで各感知アームの抵抗が調整可能である。磁場センサはさらに、前記参照アームを覆う導磁性の高い強磁性材料からなる磁気遮蔽を含み、その目的は参照アームの磁場を減少させることであって、それによりセンサブリッジの感度を増加させる。前記参照フルブリッジ磁場センサチップはさらに、前記感知素子の位置において磁場を増加させるために、前記ＭＴＪまたはＧＭＲ磁気抵抗感知素子の近傍に導磁性の高い強磁性材料を含み、それによりセンサの磁場感度を増加させる。

【0086】

本発明の第２の実施形態において、単一チップ参照フルブリッジ磁場センサは、空間的に交互配置され、電気的に互いに接続されてホイートストンブリッジを形成する２つの参照アームと２つの感知アームであって、各参照アームがＭＴＪまたはＧＭＲ磁気抵抗参照素子を１つ以上含み、各感知アームがＭＴＪまたはＧＭＲ磁気抵抗感知素子を１つ以上含み、前記感知素子が、増幅特性曲線の印加された磁場に線形依存する部分を利用し、前記ＭＴＪまたはＧＭＲ磁気抵抗参照素子が前記ＭＴＪまたはＧＭＲ磁気抵抗感知素子よりも薄くて長い、２つの参照アームと２つの感知アーム、および該参照フルブリッジセンサチップをＡＳＩＣまたは半導体パッケージのリードフレームに電気的に接続するのに用いられるボンドパッド群を含む。

【0087】

好ましくは、前記参照フルブリッジ磁場センサチップの温度安定性および均一性を向上させるために、前記参照アームおよび感知アームが同じ製造工程を利用して同時に製造される。感知アームと参照アームとの間の抵抗比を設定してセンサの性能を調整することができるようにＭＴＪまたはＧＭＲ磁気抵抗参照素子の数を変更することで各参照アームの抵抗が調整可能であり、前記ＭＴＪまたはＧＭＲ磁気抵抗感知素子の数を変更することで各感知アームの抵抗が調整可能である。前記参照アームが導磁性の高い強磁性材料からなる磁気遮蔽によって覆われており、その目的は参照素子近くの磁場を減少させ、それによりブリッジセンサの感度を増加させることである。磁場センサはさらに前記感知素子の位置において磁場を増加させるために、前記ＭＴＪまたはＧＭＲ磁気抵抗感知素子の近傍に導磁性の高い強磁性材料をさらに含み、磁場センサの感度をさらに増加させる。

【0088】

本発明の第３の実施態様は、空間的に交互配置され、電気的に互いに接続されてホイートストンブリッジを形成する２つの参照アームと２つの感知アームであって、各参照アームがＭＴＪまたはＧＭＲ磁気抵抗参照素子を１つ以上含み、各感知アームがＭＴＪまたはＧＭＲ磁気抵抗感知素子を１つ以上含み、前記感知素子が、増幅特性曲線の印加された磁場に線形依存する部分を利用し、前記参照アームが導磁性の高い強磁性材料からなる磁気遮蔽によって覆われている、２つの参照アームと２つの感知アーム、および該参照フルブリッジセンサチップをＡＳＩＣまたは半導体パッケージのリードフレームに電気的に接続するのに用いられるボンドパッド群を含む、単一チップ参照フルブリッジ磁場センサである。

【0089】

好ましくは、感知アームと参照アームとの間の抵抗比を設定してセンサの性能を調整することができるように、ＭＴＪまたはＧＭＲ磁気抵抗参照素子の数を変更することで各参照アームの抵抗が調整可能であり、前記ＭＴＪまたはＧＭＲ磁気抵抗感知素子の数を変更することで各感知アームの抵抗が調整可能である。磁場センサはさらに、前記感知素子の位置において磁場を増加させるために、前記ＭＴＪまたはＧＭＲ磁気抵抗感知素子の近傍に導磁性の高い強磁性材料を含み、それによりセンサの磁場感度を増加させる。

【0090】

本発明の第４の可能な実施態様は、空間的に交互配置され、電気的に互いに接続されてホイートストンブリッジを形成する２つの参照アームと２つの感知アームであって、各参照アームがＭＴＪまたはＧＭＲ磁気抵抗参照素子を１つ以上含み、各感知アームがＭＴＪまたはＧＭＲ磁気抵抗感知素子を１つ以上含み、前記感知素子が、増幅特性曲線の印加された磁場に線形依存する部分を利用する、２つの参照アームと２つの感知アーム、前記参照アームの自由層の上または下に設けられる反強磁性層または永久磁石層であって、前記反強磁性層からの交換結合または前記永久磁石層からの漂遊磁界結合を用いて前記参照アームに磁気的にバイアスをかける反強磁性層または永久磁石層、および該参照フルブリッジセンサチップをＡＳＩＣまたは半導体パッケージのリードフレームに電気的に接続するのに用いられるボンドパッド群を含む、単一チップ参照フルブリッジ磁場センサである。

【0091】

好ましくは、前記ＭＴＪまたはＧＭＲ磁気抵抗参照素子が、前記ＭＴＪまたはＧＭＲ磁気抵抗感知素子よりも薄くて長い。前記参照アームが導磁性の高い強磁性材料からなる磁気遮蔽によって覆われており、その目的は参照素子近くの磁場を減少させ、それによりブリッジセンサの感度を増加させることである。磁場センサはさらに、前記感知素子の位置において磁場を増加させるために、前記ＭＴＪまたはＧＭＲ磁気抵抗感知素子の近傍に導磁性の高い強磁性材料を含み、磁場センサの感度をさらに増加させる。

【0092】

本発明の第５の可能な実施態様は、空間的に交互配置され、電気的に互いに接続されてホイートストンブリッジを形成する２つの参照アームと２つの感知アームであって、各参照アームがＭＴＪまたはＧＭＲ磁気抵抗参照素子を１つ以上含み、各感知アームがＭＴＪまたはＧＭＲ磁気抵抗感知素子を１つ以上含み、前記感知素子が、増幅特性曲線の印加された磁場に線形依存する部分を利用する、２つの参照アームと２つの感知アーム、前記参照アームの自由層の上または下に設けられる反強磁性層または永久磁石層であって、前記反強磁性層からの交換結合または前記永久磁石層からの漂遊磁界結合を用いて前記参照アームに磁気的にバイアスをかけ、前記ＭＴＪまたはＧＭＲ磁気抵抗参照素子が、前記ＭＴＪまたはＧＭＲ磁気抵抗感知素子よりも薄くて長い反強磁性層または永久磁石層、および該参照フルブリッジセンサチップをＡＳＩＣまたは半導体パッケージのリードフレームに電気的に接続するのに用いられるボンドパッド群を含む、単一チップ参照フルブリッジ磁場センサである。

【0093】

好ましくは、磁場センサはさらに、導磁性の高い強磁性材料からなる磁気遮蔽によって覆われている前記参照アームを含み、その目的は参照素子近くの磁場を減少させ、それによりブリッジセンサの感度を増加させることである。磁場センサはさらに、前記感知素子の位置において磁場を増加させるために、前記ＭＴＪまたはＧＭＲ磁気抵抗感知素子の近傍に導磁性の高い強磁性材料を含み、磁場センサの感度をさらに増加させる。

【0094】

本発明の第６の可能な実施態様は、空間的に交互配置され、電気的に互いに接続されてホイートストンブリッジを形成する２つの参照アームと２つの感知アームであって、各参照アームがＭＴＪまたはＧＭＲ磁気抵抗参照素子を１つ以上含み、各感知アームがＭＴＪまたはＧＭＲ磁気抵抗感知素子を１つ以上含み、前記感知素子が、増幅特性曲線の印加された磁場に線形依存する部分を利用する、２つの参照アームおよび２つの感知アーム、前記参照アームの自由層の上または下に設けられる反強磁性層または永久磁石層であって、前記反強磁性層からの交換結合または前記永久磁石層からの漂遊磁界結合を用いて前記参照アームに磁気的にバイアスをかけ、前記参照アームが導磁性の高い強磁性材料からなる磁気遮蔽によって覆われる、反強磁性層または永久磁石層、および該参照フルブリッジセンサチップをＡＳＩＣまたは半導体パッケージのリードフレームに電気的に接続するのに用いられるボンドパッド群を含む、単一チップ参照フルブリッジ磁場センサである。

【0095】

好ましくは、磁場センサはさらに、前記感知素子の位置において磁場を増加させるために、前記ＭＴＪまたはＧＭＲ磁気抵抗感知素子の近傍に導磁性の高い強磁性材料を含み、さらに磁場センサの感度を増加させる。

【0096】

本発明の範囲または趣旨から逸脱することなく、提案される本発明に対して様々な改変がなされることは当業者にとって明らかであろう。さらに、改変および変形が添付の特許請求の範囲およびその等価物の範囲内にある場合、本発明は、本発明の改変および変形を含むことが意図される。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】