特許 6474833 モノリシック三軸リニア磁気センサ及びその製造方法

(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】6474833

(24)【登録日】2019年2月8日

(45)【発行日】2019年2月27日

(54)【発明の名称】モノリシック三軸リニア磁気センサ及びその製造方法

(51)【国際特許分類】

   G01R 33/09 20060101AFI20190218BHJP

   G01R 33/02 20060101ALI20190218BHJP

   H01L 43/08 20060101ALI20190218BHJP

【ＦＩ】

   G01R33/09

   G01R33/02 V

   H01L43/08 Z

【請求項の数】24

【全頁数】20

(21)【出願番号】特願2016-563090(P2016-563090)

(86)(22)【出願日】2015年4月14日

(65)【公表番号】特表2017-516987(P2017-516987A)

(43)【公表日】2017年6月22日

(86)【国際出願番号】CN2015076517

(87)【国際公開番号】WO2015158243

(87)【国際公開日】20151022

【審査請求日】2017年11月10日

(31)【優先権主張番号】201410155003.2

(32)【優先日】2014年4月17日

(33)【優先権主張国】CN

(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】100166372

【弁理士】

【氏名又は名称】山内 博明

(74)【代理人】

【識別番号】100115451

【弁理士】

【氏名又は名称】山田 武史

(74)【代理人】

【識別番号】100130029

【弁理士】

【氏名又は名称】永井 道雄

(72)【発明者】

【氏名】ジェームス ゲザ ディーク

【審査官】 島▲崎▼ 純一

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００９−１７５１２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１２７７８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１６２５４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０６３２３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１３−５０６１４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１１／０６８１４６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１３／０２６５０３９（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｒ ３３／０９

Ｇ０１Ｒ ３３／０２

Ｈ０１Ｌ ４３／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

それぞれがＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向のそれぞれの磁場成分を検知するために、電気的に相互接続される一以上の同一の磁気抵抗センシング素子を備える、Ｘ軸センサ、Ｙ軸センサ及びＺ軸センサが一体化されたＸＹ平面内の基板を備え、
前記Ｘ軸センサは、参照ブリッジ及び少なくとも二つのＸ強磁性磁束ガイドを備え、前記参照ブリッジの参照アーム及びセンシングアームが交互に配列され、かつ、各々が電気的に相互接続される一以上の同一の前記磁気抵抗センシング素子を備え、前記参照アームの前記磁気抵抗センシング素子は、前記Ｘ強磁性磁束ガイドの上方又は下方に配置され、かつ、参照素子列を形成するように前記Ｘ強磁性磁束ガイドの長さ方向に沿って配列され、
前記センシングアームの前記磁気抵抗センシング素子は、隣接する二つの前記Ｘ強磁性磁束ガイド間の隙間に配置され、かつ、センシング素子列を形成するように前記Ｘ強磁性磁束ガイドの長さ方向に沿って配列され、
前記Ｙ軸センサはプッシュプルブリッジを備え、前記プッシュプルブリッジのそれぞれのプッシュアーム及びプルアームは、それらの上に少なくとも二つのＹ強磁性磁束ガイドが対応して設けられ、前記プッシュアーム及び前記プルアームが交互に配列され、かつ、各々が電気的に相互接続される一以上の同一の前記磁気抵抗センシング素子を備え、前記磁気抵抗センシング素子は各々が隣接する二つの前記Ｙ強磁性磁束ガイド間の隙間に配置され、
前記Ｚ軸センサはプッシュプルブリッジ及び少なくとも一つのＺ強磁性磁束ガイドを備え、前記プッシュプルブリッジのプッシュアーム及びプルアームが交互に配列され、かつ、各々が電気的に相互接続される一以上の同一の前記磁気抵抗センシング素子を備え、前記プッシュアーム及び前記プルアームの前記磁気抵抗センシング素子は、それぞれ前記Ｚ強磁性磁束ガイドの底部又は上部の両側に配置され、かつ、前記Ｚ強磁性磁束ガイドの長さ方向に沿って配列され、
前記Ｘ軸センサ、前記Ｙ軸センサ及び前記Ｚ軸センサにおける全ての前記磁気抵抗センシング素子の固定層の磁化方向は、全て同一であり、かつ、強磁性磁束ガイドが存在しない場合は、全ての前記磁気抵抗センシング素子のセンシング方向がＸ軸方向であり、
前記Ｘ軸、前記Ｙ軸及び前記Ｚ軸は相互に対ごとに直交する、モノリシック三軸リニア磁気センサ。

【請求項2】

前記磁気抵抗センシング素子は、ＧＭＲスピンバルブ素子又はＴＭＲセンシング素子である、請求項１記載のモノリシック三軸リニア磁気センサ。

【請求項3】

前記Ｘ強磁性磁束ガイド、前記Ｙ強磁性磁束ガイド及び前記Ｚ強磁性磁束ガイドは、全て短冊片のアレイであり、かつ、軟強磁性合金からなる、請求項１記載のモノリシック三軸リニア磁気センサ。

【請求項4】

個々の前記参照素子列は、隣接する一つの前記センシング素子列から間隔Ｌ（Ｌは自然数）の離間をしており、前記Ｘ強磁性磁束ガイドの数が偶数である場合、前記参照素子列の二つは前記Ｘ軸センサの中央で互いに隣接し、かつ、その間隔は２Ｌであり、前記Ｘ強磁性磁束ガイドの数が奇数である場合、前記センシング素子列の二つは前記Ｘ軸センサの中央で互いに隣接し、かつ、その間隔は２Ｌである、請求項１記載のモノリシック三軸リニア磁気センサ。

【請求項5】

前記Ｘ強磁性磁束ガイド間の隙間での磁場の利得係数は１＜Ａ_ｓｎｓ＜１００であり、かつ、前記Ｘ強磁性磁束ガイドの上方又は下方の磁場の減衰係数は０＜Ａ_ｒｅｆ＜１である、請求項１記載のモノリシック三軸リニア磁気センサ。

【請求項6】

前記Ｙ軸センサの場合、前記プッシュアーム及び前記プルアームの前記Ｙ強磁性磁束ガイドの数は同一であり、前記プッシュアームの前記Ｙ強磁性磁束ガイドと前記Ｘ軸の正方向との間の角度αは０°から９０°であり、かつ、前記プルアームの前記Ｙ強磁性磁束ガイドと前記Ｘ軸の正方向との間の角度βは−９０°から０°であり、又は、前記プッシュアームの前記Ｙ強磁性磁束ガイドと前記Ｘ軸の正方向との間の角度αは−９０°から０°であり、かつ、前記プルアームの前記Ｙ強磁性磁束ガイドと前記Ｘ軸の正方向との間の角度βは０°から９０°であり、｜α｜=｜β｜である、請求項１記載のモノリシック三軸リニア磁気センサ。

【請求項7】

前記Ｙ軸センサの場合、前記プッシュアーム及び前記プルアームの前記磁気抵抗センシング素子の数は同一であり、かつ、対向位置における前記磁気抵抗センシング素子は互いに平行であり、前記プッシュアーム及び前記プルアームの前記磁気抵抗センシング素子の回転角は振幅が同じであるが、方向が異なる、請求項６記載のモノリシック三軸リニア磁気センサ。

【請求項8】

前記Ｚ軸センサの場合、前記プッシュプルブリッジの前記プッシュアーム及び前記プルアームの前記磁気抵抗センシング素子の数は同一である、請求項１記載のモノリシック三軸リニア磁気センサ。

【請求項9】

前記Ｚ軸センサの前記磁気抵抗センシング素子の長さと幅との比は１よりも大きい、請求項１記載のモノリシック三軸リニア磁気センサ。

【請求項10】

前記Ｚ強磁性磁束ガイドの隣接する二つの間の隙間Ｓは、前記Ｚ強磁性磁束ガイドの幅Ｌ_ｘ以上である、請求項１記載のモノリシック三軸リニア磁気センサ。

【請求項11】

前記Ｚ強磁性磁束ガイドの隣接する二つの間の前記隙間Ｓは２Ｌ_ｘより大きい、請求項１０記載のモノリシック三軸リニア磁気センサ。

【請求項12】

前記Ｚ軸センサにおける前記磁気抵抗センシング素子は、前記Ｚ強磁性磁束ガイドの上部又は底部の両側の端部の外側に位置している、請求項１記載のモノリシック三軸リニア磁気センサ。

【請求項13】

前記Ｚ軸センサのセンシティビティは、前記Ｚ軸センサにおける前記磁気抵抗センシング素子と前記Ｚ強磁性磁束ガイドの底部の端部との間の隙間を減少させることによって、又は、前記Ｚ強磁性磁束ガイドの厚さＬｚを増加させることによって、又は、前記強磁性磁束ガイドの幅Ｌ_ｘを減少させることによって増加させることが可能である、請求項１記載のモノリシック三軸リニア磁気センサ。

【請求項14】

外部磁場が存在しない場合、前記磁気抵抗センシング素子は、永久磁石バイアス、二重交換相互作用、形状異方性、又は、それらのいずれかの組み合わせによって、前記固定層の磁化方向に対して垂直な磁化自由層の磁化方向を達成する、請求項１記載のモノリシック三軸リニア磁気センサ。

【請求項15】

前記参照ブリッジ及び前記プッシュプルブリッジは、いずれもハーフブリッジ、フルブリッジ又は疑似ブリッジ構造である、請求項１記載のモノリシック三軸リニア磁気センサ。

【請求項16】

前記基板はその上のＡＳＩＣチップと一体化される、又は、前記基板は独立したＡＳＩＣチップに電気的に接続される、請求項１記載のモノリシック三軸リニア磁気センサ。

【請求項17】

前記モノリシック三軸リニア磁気センサの半導体パッケージ方法は、ボンディングパッ
ドのワイヤボンディング、フリップチップ、ボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）、ウェハレベルパッケージ（ＷＬＰ）又はチップオンボード（ＣＯＢ）を備える、請求項１記載のモノリシック三軸リニア磁気センサ。

【請求項18】

前記Ｘ軸センサ、前記Ｙ軸センサ及び前記Ｚ軸センサは、センシティビティが同一である、請求項１又は請求項１３記載のモノリシック三軸リニア磁気センサ。

【請求項19】

（１）ウェハに磁気抵抗材料薄膜積層を堆積させ、かつ、磁場中の熱アニールによって前記磁気抵抗材料薄膜積層に、固定層の磁化方向、前記固定層の磁気特性、自由層の磁気特性、及び、トンネル接合の電気特性を設定するステップと、
（２）下部電極を構築し、かつ、同時に前記磁気抵抗材料薄膜積層のＸ軸センサ、Ｙ軸センサ及びＺ軸センサの磁気抵抗センシング素子を構築するステップと、
（３）前記磁気抵抗センシング素子の上方に絶縁層Ｉを堆積させ、かつ、前記絶縁層Ｉに前記磁気抵抗センシング素子用の電気的接続チャネルを提供するビアを形成するステップと、
（４） 前記ビアの上方に上部金属層を堆積させ、前記上部金属層に上部電極を構築し、かつ前記素子間の配線を行うステップと、
（５）前記上部金属層の上方に絶縁層ＩＩを堆積させてから、前記絶縁層ＩＩの上方に軟強磁性合金材料層を堆積させ、かつ、同時に前記軟強磁性合金材料層にＸ強磁性磁束ガイド、Ｙ強磁性磁束ガイド及びＺ強磁性磁束ガイドを構築するステップと、
（６）同時に前記Ｘ強磁性磁束ガイド、前記Ｙ強磁性磁束ガイド及び前記Ｚ強磁性磁束ガイドの全ての上方にパッシベーション層を堆積させ、前記下部電極及び前記上部電極に対応する位置で前記パッシベーション層及び開口ビアをエッチングし、かつ、外部接続されるボンディングパッドを形成するステップと、
を含むモノリシック三軸リニア磁気センサの製造方法。

【請求項20】

前記磁気抵抗材料薄膜積層では、前記固定層はブロッキング温度がＴＢ１である反強磁性材料を用いることによって固定され、かつ、前記自由層はブロッキング温度が前記ＴＢ１よりも低いＴＢ２である第二の反強磁性材料を用いることによってバイアスがかけられ、前記磁場中で行われる熱アニーリングは、まず、前記ＴＢ１よりも高い温度Ｔ１で磁場中で前記ウェハをアニーリングするステップと、次に、前記ＴＢ１よりも低くＴＢ２よりも高い温度Ｔ２に磁場中で冷却するステップと、前記ウェハの温度が前記Ｔ２まで冷却された後に前記ウェハ又は外部磁場の方向を９０度回転させるステップと、それから、前記ＴＢ２よりも低い温度Ｔ３まで前記ウェハを冷却してから前記外部磁場を除去するステップと、最後に、前記ウェハを常温まで冷却するステップとを備える、二ステップの熱磁気アニーリングである、請求項１９記載の製造方法。

【請求項21】

前記ステップ（２）では、前記Ｘ軸センサ、前記Ｙ軸センサ及び前記Ｚ軸センサにおける前記磁気抵抗センシング素子は、リソグラフィ、イオンエッチング、反応性イオンエッチング、ウェットエッチング、リフトオフ又はハードマスキングによって、前記磁気抵抗材料薄膜積層に同時に構築される、請求項１９記載の製造方法。

【請求項22】

前記ステップ（３）では、前記ビアは、リソグラフィ、イオンエッチング、反応性イオンエッチング又はウェットエッチングによって形成される、請求項１９記載の製造方法。

【請求項23】

前記ステップ（３）における前記ビアは、リフトオフプロセス又はハードマスクプロセスによって形成されるセルフアラインコンタクトホールである、請求項１９記載の製造方法。

【請求項24】

前記上部金属層の上方に絶縁層ＩＩを堆積させてから、前記絶縁層ＩＩの上方に軟強磁性合金材料層を堆積させることは、
前記絶縁層ＩＩに電磁コイル構築用の導体を堆積させること、
前記導体上に絶縁層ＩＩＩを堆積すること、
前記絶縁層ＩＩＩに前記軟強磁性合金材料層を堆積することを備える、請求項１９記載の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、リニア磁気センサに関し、特に、モノリシック三軸磁気センサ及びその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

磁気センサ技術の発展に伴い、磁気センサは、初期の単軸磁気センサから、後期の二軸磁気センサ、その後、Ｘ、Ｙ及びＺの三方向の磁場信号を同時に検出することができる現在の三軸磁気センサまで発展した。

【0003】

ＡＭＲ、ＧＭＲ及びＴＭＲのような磁気センサの場合、磁場センシング方向は薄膜材料の平面内にあり、その平面内のＸ軸及びＹ軸の磁場成分の測定は、二つのセンサを直交させることによって実装することができ、それによって、ＸＹ二軸磁場センサシステムが実装されている。しかし、Ｚ軸の磁場成分に対しては、通常の解決手段は、二軸平面センサ上に別個に傾斜した単軸平面磁気センサを設置することであり、例えば、発明の名称が「三軸磁場センサ」である中国特許出願番号第２０１１１０２５１９０２．９の明細書に記載されている三軸磁場センサである。しかし、この方法は、以下の改善点を有する。
１）Ｘ，Ｙ二軸磁気センサ及びＺ単軸磁気センサは、取り付け前はディスクリート素子であるので、一体化された三軸磁気センサの製造を実施することができず、これにより、製造プロセスの複雑さが増大する。
２）一体化された製造方法と比較して、ディスクリート素子を組み立てることによって製造される三軸磁気センサの素子の位置精度は低下するので、センサの測定精度が悪化する。
３）Ｚ単軸磁気センサのセンシング軸は、Ｘ、Ｙ二軸磁気センサ平面に垂直であるので、三軸磁気センサのＺ方向の寸法が増大し、これにより、デバイスのサイズ及びパッケージングの困難性が増加する。

【0004】

別の解決手段は、考案の名称が「三軸磁気センサ」である中国実用新案公告第２０２５４８３０８号明細書に開示されているように、Ｚ方向の磁気信号を検出する磁気センサユニットに設けられる傾斜面を用いることである。しかし、この構成のセンサの傾斜面の角度を制御することは大変であり、かつ、傾斜面に磁気抵抗薄膜を堆積するプロセスでは、シャドーイング効果が簡単に生じてしまい、これにより、磁気センサ素子の性能が低下する。さらに、この解決手段は、Ｚ軸方向の磁気信号を計算するためのアルゴリズムが必要である。

【0005】

別の解決手段は、発明の名称が「三軸デジタルコンパス」である中国特許出願番号第２０１３１０２０２８０１．１号明細書に開示される解決手段であり、ある平面に対して垂直なＺ軸磁場成分を、磁束コンセントレータによる磁場の歪みを用いて、ＸＹ平面内の磁場成分に変換し、それにより、Ｚ軸方向の磁気信号の測定を実施する。しかし、この構造の磁気センサは、ＡＳＩＣチップ、又は、Ｘ、Ｙ及びＺの三方向の磁気信号を取得するためのアルゴリズムを用いる計算が必要となる。

【0006】

現在、三軸磁気センサは、主として、傾斜面を形成するように基板層をエッチングし、傾斜面に磁気抵抗材料薄膜を堆積させ、センサ材料の二重堆積するなどの方法によって製造されており、例えば、考案の名称が「三軸磁気センサ」である中国実用新案登録公告第２０２５４８３０８号明細書に開示されているセンサの製造プロセスは、実質的に、二つの傾斜面を形成するようにウェハの基板層をエッチングし、二つの傾斜面にそれぞれ磁気抵抗材料薄膜を二重堆積し、ＸＺ方向及びＹＺ方向の測定用のセンサユニットを製造する
ために二重アニーリングを行うことを含む。欧州特許第２２６７４７０Ｂ１号明細書にも、傾斜面を形成するように基板がエッチングされ、かつ、Ｚ軸方向の磁場成分測定用のセンサユニットが傾斜面に製造される、三軸センサの製造方法が開示されている。いずれの実施でもエッチングされた傾斜面の角度を制御することは大変であり、かつ、傾斜面に磁気抵抗材料薄膜を堆積することには困難であるため、実際には、これらは実施されていない。加えて、ＥＶＥＲＳＰＩＮ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ社の発明の名称が「単一チップ三軸磁場センサのプロセスの一体化」である中国特許出願第１０２９１８４１３号明細書でも、三軸磁場を一体化する方法が開示されているが、ここでは、底部及び側部を有する第一及び第二の複数のトレンチを第一の誘電体層内にエッチングし、前記第一の複数のトレンチの各々の少なくとも側部に高透磁率の第一の材料を堆積させ、前記第一の複数のトレンチに第二の材料を堆積させ、かつ、前記第二の複数のトレンチに第三の導電性材料を堆積させ、前記第一の誘電体層と前記第一及び第二の複数のトレンチとに第二の誘電体層を堆積させ、前記第二の誘電体層をとおって前記第二のトレンチの第一の部分の前記第三の材料まで到達する第一の複数の導電性チャネルを形成し、前記第一の複数のトレンチの側部に隣接して位置する前記第二の誘電体層にそれぞれが前記第一の複数のチャネルの一つに電気的に結合されている第一の複数の薄膜磁気抵抗磁場センサ素子を形成し、前記第二の誘電体層及び前記第一の複数の薄膜磁気抵抗磁場センサ素子に第三の誘電体層を堆積させる。この方法は、相対的に複雑であり、かつ、作業プロセスを制御することは容易ではない。従来技術では、三軸磁気センサは、磁束コンセントレータを用いることによって形成されることもできるが、その磁気抵抗素子の固定層の磁化方向が同じ方向に整列しておらず、その実施は相対的に困難である。

【発明の概要】

【0007】

上記課題を解決するために、本発明は、モノリシック三軸リニア磁気センサ及びその製造方法を提案する。モノリシック三軸リニア磁気センサは、Ｘ、Ｙ及びＺ三センシング方向からの磁気信号を直接出力することができる。したがって、計算アルゴリズムを用いる必要はない。加えて、製造プロセスにおいて、溝をエッチングすること、又は、傾斜面を形成することは不要であり、二重堆積はいずれも必要ではなく、さらに、Ｘ軸センサ、Ｙ軸センサ及びＺ軸センサにおける磁気抵抗センシング素子の固定層の方向は、同一であり、かつ、全てＸ軸方向に沿って配向している。

【0008】

本発明で提供されるモノリシック三軸リニア磁気センサは、
それぞれがＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向のそれぞれの磁場成分を検知するために、電気的に相互接続される一以上の同一の磁気抵抗センシング素子を含む、Ｘ軸センサ、Ｙ軸センサ及びＺ軸センサが一体化されたＸＹ平面内にある基板を含み、
前記Ｘ軸センサは、参照ブリッジ及び少なくとも二つのＸ強磁性磁束ガイドを含み、前記参照ブリッジの参照アーム及びセンシングアームが交互に配列され、かつ、各々が電気的に相互接続される一以上の同一の前記磁気抵抗センシング素子を含み、前記参照アームの前記磁気抵抗センシング素子は、前記Ｘ強磁性磁束ガイドの上方又は下方に配置され、かつ、参照素子列を形成するように前記Ｘ強磁性磁束ガイドの長さ方向に沿って配列され、
前記センシングアームの前記磁気抵抗センシング素子は、隣接する二つの前記Ｘ強磁性磁束ガイド間の隙間に配置され、かつ、センシング素子列を形成するように前記Ｘ強磁性磁束ガイドの長さ方向に沿って配列され、
前記Ｙ軸センサはプッシュプルブリッジを含み、前記プッシュプルブリッジのそれぞれのプッシュアーム及びプルアームは、それらの上に少なくとも二つのＹ強磁性磁束ガイドが対応して設けられ、前記プッシュアーム及び前記プルアームは、交互に配列され、かつ、各々が電気的に相互接続される一以上の同一の前記磁気抵抗センシング素子を含み、前記磁気抵抗センシング素子は各々が隣接する二つの前記Ｙ強磁性磁束ガイド間の隙間に配置され、
前記Ｚ軸センサはプッシュプルブリッジ及び少なくとも一つのＺ強磁性磁束ガイドを含み、前記プッシュプルブリッジのプッシュアーム及びプルアームが交互に配列され、かつ、各々が電気的に相互接続される一以上の同一の前記磁気抵抗センシング素子を含み、前記プッシュアーム及び前記プルアームの前記磁気抵抗センシング素子は、それぞれ前記Ｚ強磁性磁束ガイドの底部又は上部の両側に配置され、かつ、前記Ｚ強磁性磁束ガイドの長さ方向に沿って配列され、
前記Ｘ軸センサ、前記Ｙ軸センサ及び前記Ｚ軸センサにおける全ての前記磁気抵抗センシング素子の固定層の磁化方向は、全て同一であり、かつ、強磁性磁束ガイドが存在しない場合は、全ての前記磁気抵抗センシング素子のセンシング方向がＸ軸方向であり、
前記Ｘ軸、前記Ｙ軸及び前記Ｚ軸は相互に対ごとに直交する。

【0009】

好ましくは、前記磁気抵抗センシング素子は、ＧＭＲスピンバルブ素子又はＴＭＲセンシング素子である。

【0010】

好ましくは、前記Ｘ強磁性磁束ガイド、前記Ｙ強磁性磁束ガイド及び前記Ｚ強磁性磁束ガイドは、全て短冊状のストリップのアレイであり、かつ、全て軟強磁性合金からなる。

【0011】

好ましくは、個々の前記参照素子列は、隣接する一つの前記センシング素子列から間隔Ｌ（Ｌは自然数）の離間をしており、前記Ｘ強磁性磁束ガイドの数が偶数である場合、前記参照素子列の二つは前記Ｘ軸センサの中央で互いに隣接し、かつ、その間隔は２Ｌであり、前記Ｘ強磁性磁束ガイドの数が奇数である場合、前記センシング素子列の二つは前記Ｘ軸センサの中央で互いに隣接し、かつ、その間隔は２Ｌである。

【0012】

好ましくは、前記Ｘ強磁性磁束ガイド間の隙間での磁場の利得係数は１＜Ａ_ｓｎｓ＜１００であり、かつ、前記Ｘ強磁性磁束ガイドの上方又は下方の磁場の減衰係数は０＜Ａ_ｒｅｆ＜１である。

【0013】

好ましくは、前記Ｙ軸センサの場合、前記プッシュアーム及び前記プルアームの前記Ｙ強磁性磁束ガイドの数は同一であり、前記プッシュアームの前記Ｙ強磁性磁束ガイドと前記Ｘ軸の正方向との間の角度αは０°から９０°であり、かつ、前記プルアームの前記Ｙ強磁性磁束ガイドと前記Ｘ軸の正方向との間の角度βは−９０°から０°であり、又は、前記プッシュアームの前記Ｙ強磁性磁束ガイドと前記Ｘ軸の正方向との間の角度αは−９０°から０°であり、かつ、前記プルアームの前記Ｙ強磁性磁束ガイドと前記Ｘ軸の正方向との間の角度βは０°から９０°であり、｜α｜=｜β｜である。

【0014】

好ましくは、前記Ｙ軸センサの場合、前記プッシュアーム及び前記プルアームの前記磁気抵抗センシング素子の数は同一であり、かつ、対向位置における前記磁気抵抗センシング素子は互いに平行であり、前記プッシュアーム及び前記プルアームの前記磁気抵抗センシング素子の回転角は振幅が同じであるが、方向が異なる。

【0015】

好ましくは、前記Ｚ軸センサの場合、前記プッシュプルブリッジの前記プッシュアーム及び前記プルアームの前記磁気抵抗センシング素子の数は同一である。

【0016】

好ましくは、前記Ｚ軸センサの前記磁気抵抗センシング素子の長さと幅との比は１よりも大きい。

【0017】

好ましくは、前記Ｚ強磁性磁束ガイドの隣接する二つの間の隙間Ｓは、前記Ｚ強磁性磁束ガイドの幅Ｌ_ｘ以上である。

【0018】

好ましくは、前記Ｚ強磁性磁束ガイドの隣接する二つの間の前記隙間Ｓは２Ｌ_ｘより大
きい。

【0019】

好ましくは、前記Ｚ軸センサにおける前記磁気抵抗センシング素子は、前記Ｚ強磁性磁束ガイドの上部又は底部の両側の端部の外側に位置している。

【0020】

好ましくは、前記Ｚ軸センサのセンシティビティは、前記Ｚ軸センサにおける前記磁気抵抗センシング素子と前記Ｚ強磁性磁束ガイドの底部の端部との間の隙間を減少させることによって、又は、前記Ｚ強磁性磁束ガイドの厚さＬｚを増加させることによって、又は、前記強磁性磁束ガイドの幅Ｌ_ｘを減少させることによって増加させることが可能である。

【0021】

好ましくは、外部磁場が存在しない場合、前記磁気抵抗センシング素子は、永久磁石バイアス、二重交換相互作用、形状異方性、又は、それらのいずれかの組み合わせによって、前記固定層の磁化方向に対して垂直な磁化自由層の磁化方向を達成する。

【0022】

好ましくは、前記参照ブリッジ及び前記プッシュプルブリッジは、いずれもハーフブリッジ、フルブリッジ又は疑似ブリッジ構造である。

【0023】

好ましくは、前記基板はその上のＡＳＩＣチップと一体化される、又は、前記基板は独立したＡＳＩＣチップに電気的に接続される。

【0024】

好ましくは、前記モノリシック三軸リニア磁気センサの半導体パッケージは、ボンディングパッドのワイヤボンディング、フリップチップ、ボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）、ウェハレベルパッケージ（ＷＬＰ）又はチップオンボード（ＣＯＢ）を含む。

【0025】

好ましくは、前記Ｘ軸センサ、前記Ｙ軸センサ及び前記Ｚ軸センサは、センシティビティが同一である。

【0026】

本発明は、さらに、
（１）ウェハに磁気抵抗材料薄膜積層を堆積させ、かつ、磁場中の熱アニールによって前記磁気抵抗材料薄膜積層に、固定層の磁化方向、前記固定層の磁気特性、自由層の磁気特性、及び、トンネル接合の電気特性を設定するステップと、
（２）下部電極を構築し、かつ、同時に前記磁気抵抗材料薄膜積層のＸ軸センサ、Ｙ軸センサ及びＺ軸センサの磁気抵抗センシング素子を構築するステップと、
（３）前記磁気抵抗センシング素子の上方に絶縁層Ｉを堆積させ、かつ、前記絶縁層Ｉに前記磁気抵抗センシング素子用の電気的接続チャネルを提供するビアを形成するステップと、
（４） 前記ビアの上方に上部金属層を堆積させ、前記上部金属層に上部電極を構築し、かつ前記素子間の配線を行うステップと、
（５）前記上部金属層の上方に絶縁層ＩＩを堆積させてから、前記絶縁層ＩＩの上方に軟強磁性合金材料層を堆積させ、かつ、同時に前記軟強磁性合金材料層にＸ強磁性磁束ガイド、Ｙ強磁性磁束ガイド及びＺ強磁性磁束ガイドを構築するステップと、
（６）同時に前記Ｘ強磁性磁束ガイド、前記Ｙ強磁性磁束ガイド及び前記Ｚ強磁性磁束ガイドの全ての上方にパッシベーション層を堆積させ、前記下部電極及び前記上部電極に対応する位置で前記パッシベーション層及び開口ビアをエッチングし、かつ、外部接続されるボンディングパッドを形成するステップと、
を含む、モノリシック三軸リニア磁気センサの製造方法を提供する。

【0027】

好ましくは、前記磁気抵抗材料薄膜積層では、前記固定層はブロッキング温度がＴＢ１である反強磁性材料を用いることによって固定され、かつ、前記自由層はブロッキング温
度が前記ＴＢ１よりも低いＴＢ２である第二の反強磁性材料を用いることによってバイアスがかけられ、前記磁場中で行われる熱アニーリングは、まず、前記ＴＢ１よりも高い温度Ｔ１で磁場中で前記ウェハをアニーリングするステップと、次に、前記ＴＢ１よりも低くＴＢ２よりも高い温度Ｔ２に磁場中で冷却するステップと、前記ウェハの温度が前記Ｔ２まで冷却された後に前記ウェハ又は外部磁場の方向を９０度回転させるステップと、それから、前記ＴＢ２よりも低い温度Ｔ３まで前記ウェハを冷却してから前記外部磁場を除去するステップと、最後に、前記ウェハを常温まで冷却するステップとを含む、二ステップの熱磁気アニーリングである。

【0028】

好ましくは、前記ステップ（２）では、前記Ｘ軸センサ、前記Ｙ軸センサ及び前記Ｚ軸センサにおける前記磁気抵抗センシング素子は、リソグラフィ、イオンエッチング、反応性イオンエッチング、ウェットエッチング、リフトオフ又はハードマスキングによって、前記磁気抵抗材料薄膜積層に同時に構築される。

【0029】

好ましくは、前記ステップ（３）では、前記ビアは、リソグラフィ、イオンエッチング、反応性イオンエッチング又はウェットエッチングによって形成される。

【0030】

好ましくは、前記ステップ（３）における前記ビアは、リフトオフプロセス又はハードマスクプロセスによって形成されるセルフアラインコンタクトホールである。

【0031】

好ましくは、前記上部金属層の上方に絶縁層ＩＩを堆積させることは、前記上部金属層の上方に第一の絶縁副層を堆積させること、前記第一の絶縁副層に電磁コイル構築用の導体を堆積させること、前記電磁コイル、前記第一の絶縁副層、前記第二の絶縁副層及び前記絶縁層ＩＩを形成する導体に第二の絶縁副層を堆積することを含み、かつ、前記絶縁層ＩＩの上方に軟強磁性合金材料層を堆積することは、前記第二の絶縁副層に前記軟強磁性合金材料層を堆積することを含む。

【図面の簡単な説明】

【0032】

本発明の実施形態における技術の技術的な解決手段をさらに明確に説明するために、本実施形態の技術に用いられる必要のある添付図面を簡単に紹介する。以下に説明される添付図面は、本発明のいくつかの実施形態にすぎず、かつ、当業者は、如何なる創造的努力なしに、添付図面に従って、他の添付図面をさらに取得することができることは明らかである。

【0033】

【図1】本発明のモノリシック三軸リニア磁気センサの概略構成図である。

【図2】本発明のモノリシック三軸リニア磁気センサのデジタル信号処理回路の概略図である。

【図3】Ｘ軸センサの概略構成図である。

【図4】Ｘ軸センサにおける磁気抵抗素子周辺の磁場の分布図である。

【図5】Ｘ軸センサにおけるＭＴＪ素子の位置に対するセンスされる磁場強度の関係曲線である。

【図6】Ｘ軸センサの反応曲線である。

【図7】Ｘ軸センサの概略回路図である。

【図8】Ｙ軸センサの概略構成図である。

【図9】Ｙ軸センサの他の概略構成図である。

【図10】Y方向磁場におけるＹ軸センサの磁場の分布図である。

【図11】X方向磁場におけるＹ軸センサの磁場の分布図である。

【図12】Ｙ軸センサの反応曲線である。

【図13】Ｙ軸センサの概略回路図である。

【図14】Ｚ軸センサの概略回路図である。

【図15】Ｚ方向磁場におけるＺ軸センサの強磁性磁束ガイドの周辺磁場の分布図である。

【図16】Ｚ軸センサの概略回路図である。

【図17】Ｘ方向磁場におけるＺ軸センサの強磁性磁束ガイドの周辺磁場の分布図である。

【図18】Ｙ方向磁場におけるＺ軸センサの強磁性磁束ガイドの周辺磁場の分布図である。

【図19】Ｚ軸センサの反応曲線である。

【図20】本発明のモノリシック三軸リニア磁気センサの製造方法の概略フローチャートである。

【図21】製造されるモノリシック三軸リニア磁気センサの概略断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0034】

本発明は、添付図面と実施形態との組み合わせを参照して、以下に詳細に説明されるであろう。

【0035】

実施形態１
図１は、ＸＹ平面内の本発明のモノリシック三軸リニア磁気センサの概略構造図である。本センサは、基板１を含み、かつ、基板１は、その上に、Ｘ軸センサ３、Ｙ軸センサ４、Ｚ軸センサ５、及び、入出力用の複数のボンディングパッド２が一体化されている。Ｘ軸センサ３は、センシング素子列１１、参照素子列１２、及び、Ｘ強磁性磁束ガイド８を含み、参照素子列１２はＸ強磁性磁束ガイド８の下方に配置され、かつ、センシング素子列１１はＸ強磁性磁束ガイド８の隣接する二つの間の間隙に配置される。センシング素子列１１及び参照素子列１２は、それぞれ、電気的に接続される一以上の同一の磁気抵抗センシング素子によって形成される。Ｙ軸センサ４は、Ｙ強磁性磁束ガイド２３、２４及び磁気抵抗センシング素子１３、１４を備え、磁気抵抗センシング素子１３はＹ強磁性磁束ガイド２３の隣接する二つの間の間隙に列状に配列され、かつ、磁気抵抗センシング素子１４はＹ強磁性磁束ガイド２４の隣接する二つの間の間隙に列状に配列され、磁気抵抗センシング素子１３の数及び磁気抵抗センシング素子１４の数は同一であり、Ｙ強磁性磁束ガイド２３の数とＹ強磁性磁束ガイド２４の数も同一であり、Ｙ強磁性磁束ガイド２３はＸ軸正方向と正の角度を形成し、かつ、Ｙ強磁性磁束ガイド２４はＸ軸正方向と負の角度を形成し、好ましくは二つの角度の絶対値は同一である。加えて、Ｙ強磁性磁束ガイド２３は、Ｘ軸正方向と負の角度を形成してもよく、一方で、Ｙ強磁性磁束ガイド２４は、Ｘ軸正方向と正の角度を形成してもよい。Ｚ軸センサは、Ｚ強磁性磁束ガイド１０及び磁気抵抗センシング素子１５、１６を含み、磁気抵抗センシング素子１５、１６は、それぞれ、Ｚ強磁性磁束ガイド１０の下部の両側に列状に電気的に接続される。加えて、Ｘ軸センサ中の参照素子列１２を形成する磁気抵抗センシング素子は、Ｘ強磁性磁束ガイド８の上方に配置されてもよい。ここで、Ｚ軸センサ中の磁気抵抗センシング素子１５、１６は、Ｚ強磁性磁束ガイド１０の上部の両側に配置される。

【0036】

全ての磁気抵抗センシング素子は、ＧＭＲスピンバルブ又はＴＭＲセンシング素子であり、かつ、これらに限定されるものではないが、四角形状、菱形状、又は、長円形状とすることができる。全ての磁気抵抗センシング素子の固定層の磁化方向６は、同一であり、かつ、全てＸ軸に沿って配向される。外部磁場が存在しない場合、磁気抵抗センシング素子は、永久磁石バイアス、二重交換相互作用、形状異方性、又はそれらの任意の組み合わせによって、固定層の磁化方向に対して垂直な磁化自由層の磁化方向を達成する。全ての強磁性磁束ガイドは、それぞれ短冊片のアレイであり、かつ、全て軟強磁性合金からなり、合金は、これらに限定されるものではないが、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｓｉ、Ｂ、Ｎｉ、Ｚｒ及びＡｌを含む一以上の元素を含んでもよい。ボンディングパッド２は、Ｘ軸センサ、Ｙ軸センサ及びＺ軸センサ中に、入出力接続ボンディングパッドを含む。基板１は、ＡＳ
ＩＣを含むことができ、又は、図面には示されていないが追加のＡＳＩＣチップに電気的に接続されてもよい。モノリシック三軸リニア磁気センサは、ボンディングパッドのワイヤボンディング、フリップチップ、ボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）、ウェハレベルパッケージ（ＷＬＰ）、又はチップボードオンボード（ＣＯＢ）を用いてパッケージされてもよい。

【0037】

Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸は、相互に、対ごとに直交している。Ｘ軸センサ３、Ｙ軸センサ４及びＺ軸センサ５は、同一のセンシティビティを有する。

【0038】

図２は、モノリシック三軸リニア磁気センサのデジタル信号処理回路の概略図である。Ｘ軸センサ３、Ｙ軸センサ４及びＺ軸センサ５によってセンスされる磁気信号は、デジタル信号処理回路５０内のＡＤＣ４１を用いてアナログからデジタルへ変換され、変換されたデジタル信号はデータ処理器４２に送信され、処理された信号はＩ／Ｏ４３によって出力され、こうして外部磁場の測定を実現する。デジタル信号処理回路５０は、基板１に配置され又は基板１に電気的に接続される他のＡＳＩＣチップに配置されてもよい。

【0039】

図３は、図１におけるＸ軸センサの概略構造図である。Ｘ軸センサは、参照フルブリッジ構造のセンサであり、参照アーム及びセンシングアームを含む。参照アームはＸ強磁性磁束ガイドの下方に配置される複数の参照素子列１２を含み、かつ、センシングアームはＸ強磁性磁束ガイドの間隙９に配置される複数のセンシング素子列１１を含む。センシング素子列１１及び参照素子列は、互い違いになるように、かつ、Ｘ強磁性磁束ガイドの長さ方向に沿って配列され、センシング素子列１１の各々一つは、参照素子列１２の隣接する一つから間隔Ｌが離間されている。しかし、図２に示される偶数（８つ）のＸ強磁性磁束ガイドの場合には、中央の２つの参照素子列１２は互いに隣接し、かつ、その間の間隔は２Ｌである。Ｘ強磁性磁束ガイドが奇数である場合には、中央で互いに隣接する２つのセンシング素子列１１が存在するであろう。この状況は、図２には示されていないが、その隣接間隔も２Ｌである。間隔Ｌは、非常に小さく、好ましくは２０ミクロン〜１００ミクロンである。センシングアーム、参照アーム及びボンディングパッド１７〜２０は、電気接続導体２１によって接続されてもよい。ボンディングパッド１７〜２０は、それぞれ入力端Ｖ_ｂｉａｓ、接地端ＧＮＤ、及び出力端Ｖ１、Ｖ２として用いられ、図１の左端の４つのボンディングパッドに対応する。

【0040】

図４は、図３のセンシング素子列１１及び参照素子列１２周辺の磁場の分布を示す。Ｘ強磁性磁束ガイド８の間隙でのセンシング素子列１１によってセンスされる磁場の大きさが増大すること、及び、Ｘ強磁性磁束ガイド８の下方に配置される参照素子列１２によってセンスされる磁場の大きさが減少することが本図からわかり、したがって、Ｘ強磁性磁束ガイド８が磁場を減衰させる役割を果たすことができることは明らかとなる。

【0041】

図５は、図３におけるセンシング素子列１１及び参照素子列１２の位置に対する、センスされる磁場の強度の関係曲線であり、Ｂ_ｓｎｓ３４はセンシング素子列１１によってセンスされる磁場の強度であり、Ｂ_ｒｅｆ３５は参照素子列１２によってセンスされる磁場の強度であり、かつ、外部磁場の強度はＢ_ｅｘｔ＝１００Ｇである。本図からＢ_ｓｎｓ＝１６０Ｇ、Ｂ_ｒｅｆ＝２５Ｇであると取得される。対応する利得係数Ａ_ｓｎｓ及び対応する減衰係数Ａ_ｒｅｆの大きさは、以下の数式（１）及び（２）に従って取得することができる。

【0042】

【数1】

【数2】

Ｂ_ｅｘｔ＝１００Ｇ、Ｂ_ｓｎｓ＝１６０Ｇ、及びＢ_ｒｅｆ＝２５Ｇを上記数式に代入して、１＜Ａ_ｓｎｓ＝１．６＜１００、０＜Ａ_ｒｅｆ＝０．２５＜１を取得する。Ａ_ｓｎｓ／Ａ_ｒｅｆの比が大きいほど、センサのセンシティビティが高いことを示す。一般的に、Ａ_ｓｎｓ／Ａ_ｒｅｆ＞５であることが理想的であり、この場合、センサは高いセンシティビティを有する。この設計では、Ａ_ｓｎｓ／Ａ_ｒｅｆ＝１．６／０．２５＝６．４＞５であり、したがって、この出願のＸ軸センサが高いセンシティビティを有することは明らかである。

【0043】

図６は、図３のＸ軸センサにおける出力電圧に対する外部磁場の関係曲線である。Ｘ軸センサはＸ軸方向の磁場成分だけをセンスすることができ、出力電圧Ｖｘ３６はＹ軸方向及びＺ軸方向の磁場成分に反応せず、電圧Ｖｙ３７及びＶｚ３８は共にゼロであり、かつＶｘ３６は原点０に対して対称であることが本図からわかる。

【0044】

図７は、図３におけるＸ軸センサの概略回路図である。本図では、二つのセンシングアーム５２、５２’及び二つの参照アーム５３、５３’はフルブリッジを構築するために間隔を空けて接続され、かつ、フルブリッジの出力電圧は、数式（３）となる。

【数3】

また、Ｘ軸センサのセンシティビティは、数式４のように表すことができる。

【数4】

非常に小さい外部磁場、すなわち、磁場強度Ｂは、非常に小さい場合には、上記数式（４）は次の数式５のように近似してもよい。

【数5】

図８は、図１におけるＹ軸センサの概略構造図である。このセンサは、プッシュプルフルブリッジ構造のセンサであって、斜めに配される複数のＹ強磁性磁束ガイド２３、２４、及び、プッシュアーム及びプルアームを形成するように電気的に接続される磁気抵抗センシング素子１３、１４を含む。磁気抵抗センシング素子１３は、Ｙ強磁性磁束ガイド２３の隣接する二つの間の隙間に配置され、磁気抵抗センシング素子１４は、Ｙ強磁性磁束ガイド２４の隣接する二つの間の隙間に配置され、Ｙ強磁性磁束ガイド２３、２４とＸ軸との間の角度はそれぞれα２５及びβ２６である。好ましくは、｜α｜=｜β｜、かつ、α及びβの範囲はそれぞれ０°から９０°、−９０°から０°である。この実施形態では、α＝４５°かつ、β＝−４５°である。磁気抵抗センシング素子１３、１４の数は同一であり、かつ、対向する位置にある磁気抵抗センシング素子１３、１４は相互に平行であり、それらは回転することもでき、かつ、それらの回転角度は同一の振幅であるが、方向は異なる。Ｙ軸センサの入出力のボンディングパッドは、本図には示されていないが、図１のボンディングパッド２の真中の４つのボンディングパッドに対応する。

【0045】

図９は、Ｙ軸センサの別の概略構造図である。図８の磁気抵抗素子１３、１４は、本図に示される構造を取得するためにそれぞれ±４５°回転し、かつ、図９は、磁気抵抗素子１３、１４がそれぞれＹ強磁性磁束ガイド２３、２４に対して平行である点で図８とは異なる。

【0046】

図１０は、Ｙ方向磁場中におけるＹ軸センサの磁場の分布図である。本図では、外部磁場の方向１０１はＹ軸に平行であり、かつ、測定方向１００はＸ軸に平行である。センサに入る外部磁場はＹ強磁性磁束ガイド２３、２４によってバイアスがかけられ、Ｙ強磁性磁束ガイド２３の隙間での磁場方向は符号１０２であり、かつ、Ｙ強磁性磁束ガイド２４の隙間での磁場方向は符号１０３であることが本図からわかる。磁場方向１０２及び１０３は、Ｙ軸に対して対称である。この実施形態では、外部磁場Ｂｙ＝１００Ｇ、測定されるＸ軸磁場のサイズＢ_ｘ＋＝９０Ｇ、Ｂｘ₋＝−９０Ｇ、したがって、利得係数Ａ_ｘｙ＝Ｂ_ｘ／Ｂ_ｙ＝（Ｂ_ｘ＋−Ｂ_ｘ?）／Ｂ_ｙ＝１８０／１００＝１．８である。

【0047】

図１１は、Ｘ方向磁場におけるＹ軸センサの磁場の分布図である。本図では、外部磁場の方向及び測定方向は、共にＸ軸に対して平行である方向１００となる。Ｙ強磁性磁束ガイド２３の隙間での磁場方向は符号１０４であり、かつ、Ｙ強磁性磁束ガイド２４の隙間での磁場方向は符号１０５である。磁場方向１０４及び１０５は、Ｘ軸に対して対称である。この実施形態では、外部磁場Ｂｘ＝１００Ｇ、測定されるＸ軸磁場のサイズＢ_ｘ＋＝１０１Ｇ、Ｂ_ｘ−＝−１０１Ｇ、したがって、利得係数Ａ_ｘｘ＝（Ｂ_ｘ＋−Ｂ_ｘ?）／Ｂ_ｘ＝（１０１−１０１）／１００＝０である。したがって、Ｘ軸での二つのブリッジアームの磁場成分が相互に相殺され、かつ、Ｘ軸磁場信号は検出されることがないことは明らかである。

【0048】

図１２は、Ｙ軸センサの出力電圧に対する外部磁場の関係曲線である。Ｙ軸センサがＹ軸方向の磁気成分だけをセンスすることができ、出力電圧Ｖｙ３７がＸ軸及びＺ軸の磁場成分に反応せず、電圧Ｖｘ３６及びＶｚ３８が共に０であり、Ｖ_ｙ３７が原点０に対して対称であることが本図からわかるであろう。

【0049】

図１３は、Ｙ軸センサの概略回路図である。いくつかの磁気抵抗センシング素子１３は、等価の磁気抵抗器Ｒ３９及びＲ３９’を形成するように電気的に接続され、いくつかの磁気抵抗センシング素子１４は、等価の磁気抵抗器Ｒ４０及びＲ４０’を形成するように電気的に接続され、かつ、４つの磁気抵抗器は、フルブリッジを構築するように接続される。
これらの磁化固定層の磁化方向は同一であり、対向する位置にある磁気抵抗器（Ｒ３９及びＲ３９’、Ｒ４０及びＲ４０’）の磁気自由層の磁化方向は同一であり、かつ、隣接する位置の磁気抵抗器（Ｒ３９及びＲ４０、Ｒ３９及びＲ４０’、Ｒ３９’及びＲ４０、Ｒ３９’及びＲ４０’）の磁気自由層の磁化方向は異なる。外部磁場が磁気抵抗センシング素子１３及び１４のセンシング方向に沿って印加される場合、磁気抵抗器Ｒ３９、Ｒ３９’の抵抗の変化状況は、磁気抵抗器Ｒ４０、Ｒ４０’の抵抗の変化状況とは反対となるようなプッシュプル出力が構築される。フルブリッジの出力電圧は、数式（６）である。

【数6】

一般的に、Ｒ３９＝Ｒ３９’、Ｒ４０＝Ｒ４０’、かつ、上記数式は、数式（７）のように簡略化することができる。

【数7】

それから、Ｙ軸センサのセンシティビティは、数式（８）のように表すこともできる。

【数8】

図１４は、Ｚ軸センサの概略構造図である。Ｚ軸センサは、プッシュプルフルブリッジ構造のセンサである。Ｚ軸センサは、複数の磁気抵抗センシング素子１５及び１６、複数のＺ強磁性磁束ガイド１０、電気接続導体２７、及び、ボンディングパッド２８〜３０を含み、ボンディングパッド２８〜３０は、それぞれ電源端Ｖ_{Ｂｉａｓ、}接地端ＧＮＤ、及び出力電圧端Ｖ＋、Ｖ−として用いられ、図１のボンディングパッド２における右端４つのボンディングパッドにそれぞれ対応する。全ての磁気抵抗センシング素子１５はフルブリッジのプッシュアームを形成するように電気的に相互接続され、かつ、全ての磁気抵抗センシング素子１６はフルブリッジのプルアームを形成するように電気的に相互接続される。プッシュアームはプルアームから離間されるように配列され、かつ、プッシュアーム、プルアームとボンディングパッド２８〜３０とは、プッシュプルフルブルッジを形成するように電気接続導体２７によって接続される。磁気抵抗センシング素子１５、１６は、Ｚ強磁性磁束ガイド１０の長さ方向に沿って配列される。図１４では、磁気抵抗センシング素子１５、１６は、Ｚ強磁性磁束ガイド１０の底部の両側に列状に配列され、かつ、Ｚ強磁性磁束ガイド１０によって覆われる。上端、下端、及び中央の三つのＺ強磁性磁束ガイド１０を除いて、プッシュアーム磁気抵抗センシング素子１５の列及びプルアーム磁気抵抗センシング素子１６の列は、各々、Ｚ強磁性磁束ガイド１０の底部の両側に配列され、かつ、必要であれば、磁気抵抗センシング素子１５、１６は、三つのＺ強磁性磁束ガイド１０の下方に配列することもできる。図１５は、Ｚ軸方向における外部磁場１０６のＺ軸センサの磁場の分布図である。外部磁場がＺ強磁性磁束ガイド１０の近傍で歪められることによって、Ｘ軸方向の磁場成分が生成されるので、Ｚ強磁性磁束ガイド１０の下方の磁気抵抗センシング素子１５及び１６がこの成分をまさに検知することができるが、これらによって検知される磁場成分の方向は相互に反対となり、かつ、それぞれ符号１０７及び１０８であることが、本図の磁力線分布からわかる。印加される外部磁場の大きさは、検知されるＸ軸磁場成分に応じて知ることができる。

【0050】

図１６は、Ｚ軸センサの概略回路図である。いくつかの磁気抵抗センシング素子１５は、等価の磁気抵抗器Ｒ２及びＲ２’を形成するように電気的に接続され、いくつかの磁気抵抗センシング素子１６は、二つの等価の磁気抵抗器Ｒ３及びＲ３’を形成するように電気的に接続され、かつ、４つの磁気抵抗器はフルブリッジを構築するように接続される。Ｚ軸方向の外部磁場が印加されると、磁気抵抗器Ｒ２、Ｒ２’及びＲ３、Ｒ３’の抵抗の変化状況は、相互に反対となるようなプッシュプル出力が構築される。一般的に、Ｒ２’＝Ｒ２、かつ、Ｒ３’＝Ｒ３である。回路の出力電圧が数式（９）であることを、図１５から取得することができる。

【数9】

そのセンシティビティは、数式（１０）である。

【数10】

図１７は、Ｘ軸方向における外部磁場１００におけるＺ軸センサの磁場分布図である。磁気抵抗センシング素子１５及び１６によって検知される磁場が同一であることが、本図からわかる。その結果、磁気抵抗器Ｒ２、Ｒ２’及びＲ３、Ｒ３’の抵抗の変化状況は同一となり、プッシュプル出力が形成されず、そのため、センサは応答しないであろう。

【0051】

図１８は、Ｙ軸方向の外部磁場１０１におけるＺ軸センサの磁場分布図である。Ｚ強磁性磁束ガイド１０は、Ｙ軸方向の外部磁場を完全に遮蔽し、かつ、磁気抵抗センシング素子１５、１６はＹ軸方向の磁場に対してセンシティビティがないことが本図からわかるであろう。そのため磁気抵抗センシング素子１５、１６はいかなる磁場成分も検知せず、かつ、Ｚ軸センサもまた応答しない。

【0052】

図１９は、Ｚ軸センサの出力電圧に対する外部磁場の関係曲線である。Ｚ軸センサがＺ軸方向の磁気成分だけをセンスすることができ、出力電圧Ｖｚ３８がＸ軸及びＹ軸方向の磁場成分に応答せず、電圧Ｖｘ３６及びＶｙ３７が共に０であり、かつ、Ｖｚ３８が原点０に対して対称であることが本図からわかる。

【0053】

上記記載は、Ｘ軸センサ、Ｙ軸センサ及びＺ軸センサにおけるブリッジがフルブリッジである場合の状況について述べたものであるが、ハーフブリッジ及び擬似ブリッジの作動原理はフルブリッジと同一であるため、ここでは繰り返さない。上記から取得される結論は、ハーフブリッジ構造及び擬似ブリッジ構造におけるモノリシック三軸リニア磁気センサに応用することも可能である。

【0054】

実施形態２
図２０は、本発明のモノリシック三軸リニア磁気センサの製造方法であり、本方法は以下のステップを含む。すなわち、
（１）ウェハに磁気抵抗材料薄膜積層を堆積させ、関連するプロセスを用いることによって磁気抵抗材料薄膜積層の固定層の磁化方向を設定し、好ましくは磁場中で熱アニーリングによって同一の方向に沿った固定層の磁化方向を設定し、かつ、インピーダンス、閾値電圧、ヒステリシス、異方性、飽和磁場等を含む、固定層の電気的特性及び磁化特性を設定するステップを含む。ここで、この磁気特性は固定層及び自由層に固有であるが、電気的特性はトンネル接合に固有である。磁気抵抗材料薄膜積層では、固定層はブロッキング温度がＴＢ１である反強磁性体材料を用いることによって固定され、かつ、自由層はブロッキング温度がＴＢ１よりも低いＴＢ２である第二の反強磁性材料を用いることによってバイアスがかけられる。また、磁場中で行われる熱アニールは、まず、ＴＢ１よりも高い温度Ｔ１で磁場中でウェハをアニーリングするステップと、次に、ＴＢ１よりも低くＴＢ２よりも高い温度Ｔ２に磁場中で冷却するステップと、ウェハの温度がＴ２まで冷却された後にウェハ又は外部磁場の方向を９０度回転させるステップと、それから、ＴＢ２よりも低い温度Ｔ３までウェハを冷却してから外部磁場を除去するステップと、最後に、ウェハを常温まで冷却するステップとを、を含む、二ステップの熱磁気アニーリングとすることができる。

【0055】

磁気抵抗材料薄膜は、シード層を含み、かつ、ＧＭＲ又はＴＭＲ素子は、シード層に生成されてもよい。

【0056】

（２）磁気抵抗材料薄膜積層が堆積されたウェハに下部電極を構築し、かつ、リソグラフィ、イオンエッチング、反応性イオンエッチング、ウェットエッチング、リフトオフ、又は、ハードマスキングなどの技術によって、同時に同じ技術プロセスにおいて、同一の磁気抵抗材料薄膜にＸ軸センサ、Ｙ軸センサ及びＺ軸センサの磁気抵抗センシング素子を構築するステップを含む。
（３）磁気抵抗センシング素子の上方に絶縁層Ｉを堆積させ、かつ、リソグラフィ、イオンエッチング、反応性イオンエッチング、ウェットエッチングのような技術によって、磁気抵抗センシング素子に電気的接続を提供するビアを形成するステップを含む。ビアは、リフトオフプロセス又はハードマスキングプロセスによって形成されるセルフアラインコンタクトホールとしてもよい。

【0057】

（４）ビアの上方に上部金属層を堆積させ、上部金属層に上部電極を構築し、かつ、素子間の配線を行うステップを含む。
（５）上部金属層の上方に絶縁層ＩＩを堆積させてから、絶縁層ＩＩの上方に軟強磁性合金材料層（例えばＮｉＦｅ）を堆積させるステップを含む。必要であれば、まず、絶縁層ＩＩに電磁コイルを構築するための導体を堆積させ、その後、電磁コイルに絶縁層ＩＩＩを堆積させ、次に絶縁層ＩＩＩに軟強磁性合金材料層を堆積させ、かつ、軟強磁性合金材料層にＸ強磁性フラックスガイド、Ｙ強磁性フラックスガイド及びＺ強磁性フラックスガイドを同時に構築することも可能である。
（６）全てのＸ強磁性磁束ガイド、Ｙ強磁性磁束ガイド及びＺ強磁性磁束ガイドの上方にパッシベーション層を同時に堆積させ、下部電極及び上部電極に対応する位置でパッシベーション層及び開口ビアをエッチングし、かつ、外部接続されるボンディングパッドを形成するステップを含む。

【0058】

上記各ステップを実施した後のモノリシック三軸リニア磁気センサの概略断面図が図２１に示されている。図２１では、Ｘ軸センサ、Ｙ軸センサ及びＺ軸センサは、左から右へ並んで対応して配置される。Ｙ軸センサにおける左のブリッジアームと右のブリッジアームとが対称であるので、単に、一つのブリッジアームのＹ強磁性磁束ガイド２３及びそれらの隙間における磁気抵抗センシング素子１３が示されている。この実施形態では、上記ステップにおける磁気抵抗効果素子は、ＭＴＪ素子である。

【0059】

上記の説明は、単に、本発明の好適な実施形態に関するものであって、本発明を限定するためのものではない。当業者にとって、本発明は様々な変更及び変形をすることができる。本発明の精神及び原理から逸脱しない如何なる変更、等価的置換、改良及びこれらに類似するものは、全て本発明の保護範囲内であるとする。

【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】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】