特許 6725300 磁気センサおよびその製造方法

(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】6725300

(24)【登録日】2020年6月29日

(45)【発行日】2020年7月15日

(54)【発明の名称】磁気センサおよびその製造方法

(51)【国際特許分類】

   G01R 33/09 20060101AFI20200706BHJP

   G01R 33/02 20060101ALI20200706BHJP

   H01L 43/08 20060101ALI20200706BHJP

   H01L 43/12 20060101ALI20200706BHJP

【ＦＩ】

   G01R33/09

   G01R33/02 V

   H01L43/08 Z

   H01L43/12

【請求項の数】13

【全頁数】19

(21)【出願番号】特願2016-77674(P2016-77674)

(22)【出願日】2016年4月7日

(65)【公開番号】特開2017-187429(P2017-187429A)

(43)【公開日】2017年10月12日

【審査請求日】2019年1月18日

(73)【特許権者】

【識別番号】000010098

【氏名又は名称】アルプスアルパイン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100135183

【弁理士】

【氏名又は名称】大窪 克之

(74)【代理人】

【識別番号】100085453

【弁理士】

【氏名又は名称】野▲崎▼ 照夫

(74)【代理人】

【識別番号】100108006

【弁理士】

【氏名又は名称】松下 昌弘

(72)【発明者】

【氏名】安藤 秀人

(72)【発明者】

【氏名】尾花 雅之

【審査官】 島▲崎▼ 純一

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許出願公開第２０１３／０２９９９３０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２００６−００３１１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−２０３６４７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｒ ３３／０９

Ｇ０１Ｒ ３３／０２

Ｈ０１Ｌ ４３／０８

Ｈ０１Ｌ ４３／１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板の一面である第１面に設けられ、前記第１面の面内方向の一つである第１方向に沿った感度軸を有する磁気抵抗効果素子と、
非磁性材料からなり前記第１面から離れる向きに起立面を有する非磁性体部と、
前記起立面に設けられた軟磁性層とを備え、
外部磁界が印加されたときに、前記軟磁性層を通過した磁界成分が前記磁気抵抗効果素子に印加されるように、前記磁気抵抗効果素子と前記軟磁性層とは非接触に配置され、
前記軟磁性層の前記第１面に対向する側から前記軟磁性層に連続して前記第１方向に延びて、前記磁気抵抗効果素子の第１面に対向する側とは反対側の面の上に、前記磁気抵抗効果素子とは非接触に配置され、軟磁性材料からなる第１延出部をさらに備えること
を特徴とする磁気センサ。

【請求項2】

前記軟磁性層の前記第１面に対向する側とは反対側から前記軟磁性層に連続して前記第１方向に延びる第２延出部をさらに備える、請求項１に記載の磁気センサ。

【請求項3】

前記起立面は、互いに対向する第１の起立面および第２の起立面を有し、
前記軟磁性層は、前記第１の起立面に設けられた第１の軟磁性層および第２の起立面に設けられた第２の軟磁性層を備え、
前記磁気抵抗効果素子は、前記第１の軟磁性層から流出して前記第１方向の成分に変換された前記外部磁界が印加されるように配置された第１の磁気抵抗効果素子と、前記第２の軟磁性層から流出して前記第１方向の成分に変換された前記外部磁界が印加されるように配置された第２の磁気抵抗効果素子とを備える、請求項１または２に記載の磁気センサ。

【請求項4】

前記磁気抵抗効果素子は、前記第１方向の一方に沿った向きに磁化が固定された固定磁性層と、外部磁界により磁化の向きが変化する自由磁性層とを有し、
前記第１の磁気抵抗効果素子の前記固定磁性層の磁化の向きと、前記第２の磁気抵抗効果素子の前記固定磁性層の磁化の向きとは揃えられている、請求項３に記載の磁気センサ。

【請求項5】

前記第１の磁気抵抗効果素子と前記第２の磁気抵抗効果素子とは直列に接続されてハーフブリッジ回路を構成する、請求項４に記載の磁気センサ。

【請求項6】

前記磁気センサは、前記ハーフブリッジ回路を２つ備え、前記２つのハーフブリッジ回路はフルブリッジ回路を構成する、請求項５に記載の磁気センサ。

【請求項7】

前記フルブリッジ回路に含まれる２つの前記第１の磁気抵抗効果素子および２つの前記第２の磁気抵抗効果素子は前記第１方向に並置される、請求項６に記載の磁気センサ。

【請求項8】

前記第１の軟磁性層と前記第２の軟磁性層との離間距離は１０μｍ以上である、請求項３から７のいずれか一項に記載の磁気センサ。

【請求項9】

前記起立面は導電性を有し、前記軟磁性層はめっき析出物を含む、請求項１から８のいずれか一項に記載の磁気センサ。

【請求項10】

請求項９に記載の磁気センサの製造方法であって、
前記第１面上に前記磁気抵抗効果素子を形成し、
前記磁気抵抗効果素子を覆うように非磁性絶縁層を形成し、
前記非磁性絶縁層上に、前記起立面が導電性を有する前記非磁性体部を形成し、
前記起立面に通電する電気めっき処理を行って、前記めっき析出物を含む前記軟磁性層を前記起立面上に形成すること
を特徴とする磁気センサの製造方法。

【請求項11】

前記非磁性絶縁層の面における前記非磁性体部が形成されていない部分に対して導体化処理を行い、
前記電気めっき処理によって、前記非磁性絶縁層の面における前記非磁性体部が形成されていない部分にめっき層を形成する、請求項１０に記載の磁気センサの製造方法。

【請求項12】

前記非磁性体部における前記第１面に対向する側とは反対側の面は導電性を有し、前記電気めっき処理によって前記反対側の面にめっき層を形成する、請求項１０または１１に記載の磁気センサの製造方法。

【請求項13】

前記非磁性体部は、非磁性の導電性材料を含有するめっき析出物を含む、請求項１０から１２のいずれか一項に記載の磁気センサの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、磁気センサおよびその製造方法に関し、特に、垂直方向の磁界成分を水平方向に変換する軟磁性体を有する磁気センサおよびその磁気センサを製造する方法に関する。

【背景技術】

【0002】

磁気抵抗効果素子を用いた磁気センサは、例えば携帯電話機やスマートフォン等のモバイル機器に組み込まれて、地磁気を検出するための地磁気センサとして用いることができる。地磁気センサは、水平面内において直交するＸ軸方向及びＹ軸方向と、水平面に直交する垂直方向（Ｚ軸方向）との磁界成分をそれぞれ検出することができるように構成されている。

【0003】

特許文献１には、垂直方向の磁界成分を水平方向の磁界成分に変換して、この磁界成分を検出することができる磁気センサについて記載されている。特許文献１に記載される磁気センサは垂直方向の磁界成分を水平方向の磁界成分に変換する軟磁性体を備え、軟磁性体の磁化方向が高さ方向（垂直方向）に向きやすくなるように、一例において軟磁性体のアスペクト比（高さ寸法／幅寸法）は１．５倍から４倍程度に設定される。このため、外部から強磁界が印加された場合に、軟磁性体の高さ方向に残留磁化が発生することがあった。この残留磁界の影響によりブリッジ回路の中点電位が変化し、磁気センサのオフセットずれが発生するという問題が生じうる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】国際公開第２０１１／０６８１４６号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明は、特許文献１に記載されるような磁界の特定の方向の成分を別の方向の成分に変換する機能を有する磁気センサであって、オフセットずれの問題が生じにくい構造を有する磁気センサを提供することを目的とする。また、本発明は、そのような構造上の改善が行われた磁気センサを製造する方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題を解決するために提供される本発明は、一態様として、基板の一面である第１面に設けられ、前記第１面の面内方向の一つである第１方向に沿った感度軸を有する磁気抵抗効果素子と、非磁性材料からなり前記第１面から離れる向きに起立する起立面を有する非磁性体部と、前記起立面に設けられた軟磁性層とを備え、外部磁界が印加されたときに、前記軟磁性層を通過した磁界成分が前記磁気抵抗効果素子に印加されるように、前記磁気抵抗効果素子と前記軟磁性層とは非接触に配置されることを特徴とする磁気センサである。

【0007】

本明細書において、ある部材の面に他の部材が設けられるとは、ある部材の面に直接的に接するように他の部材が位置する場合のみならず、ある部材の面と他の部材との間に別の部材（保護層、導体化処理により形成された層など）が介在する場合も含む。

【0008】

非磁性体の表面に形成された軟磁性層は、表面から内部に至る全体を軟磁性体で形成した磁気センサに比べて軟磁性体の体積が小さい。したがって、外部磁界の帯磁による残留磁化量は相対的に少なくなり、一瞬の外乱磁場印加によってブリッジ回路の中点電位が変化してオフセットずれが発生することを抑制できる。

【0009】

前記軟磁性層の前記第１面に対向する側から前記軟磁性層に連続して前記第１方向に延びて、前記磁気抵抗効果素子の第１面に対向する側とは反対側の面の上に、前記磁気抵抗効果素子とは非接触に配置される第１延出部をさらに備えていてもよい。このような構成を備えることにより、不所望な磁界成分が磁気抵抗効果素子に印加されることを防止できる。

【0010】

前記軟磁性層の前記第１面に対向する側とは反対側から前記軟磁性層に連続して前記第１方向に延びる第２延出部をさらに備えていてもよい。第２延出部においても第１面の法線方向の磁界成分を集磁することができ、磁気センサの検出感度を高めることが可能となる。

【0011】

前記起立面は、互いに対向する第１の起立面および第２の起立面を有し、前記軟磁性層は、前記第１の起立面に設けられた第１の軟磁性層および第２の起立面に設けられた第２の軟磁性層を備え、前記磁気抵抗効果素子は、前記第１の軟磁性層から流出して方向変換された前記第１方向の磁界成分が印加されるように配置された第１の磁気抵抗効果素子と、前記第２の軟磁性層から流出して方向変換された前記第１方向の磁界成分が印加されるように配置された第２の磁気抵抗効果素子とを備えてもよい。

【0012】

上記の構成において、前記磁気抵抗効果素子（第１の磁気抵抗効果素子および第２の磁気抵抗効果素子）は、前記第１方向の一方に沿った向きに磁化が固定された固定磁性層と、外部磁界により磁化の向きが変化する自由磁性層とを有し、前記第１の磁気抵抗効果素子の前記固定磁性層の磁化の向きと、前記第２の磁気抵抗効果素子の前記固定磁性層の磁化の向きとは揃えられていてもよい。

【0013】

このような構成を備える場合には、前記第１の磁気抵抗効果素子と前記第２の磁気抵抗効果素子とは直列に接続されてハーフブリッジ回路を構成することが容易となる。

【0014】

前記磁気センサは、前記ハーフブリッジ回路を２つ備え、前記２つのハーフブリッジ回路はフルブリッジ回路を構成していてもよい。センサの検出精度をより安定的に高めることができる。

【0015】

この場合において、前記フルブリッジ回路に含まれる２つの前記第１の磁気抵抗効果素子および２つの前記第２の磁気抵抗効果素子は前記第１方向に並置されていてもよい。このような構成を備える磁気センサは製造が容易となる場合がある。

【0016】

前記第１の軟磁性層と前記第２の軟磁性層との離間距離は１０μｍ以上であることが、残留磁化に基づくセンサ感度の低下を生じにくくする観点から好ましい。

【0017】

前記起立面は導電性を有し、前記軟磁性層はめっき析出物を含むことが、製造容易性を高める観点から好ましい場合もある。

【0018】

本発明は、他の一態様として、上記の軟磁性層がめっき析出物を含む構成を備える磁気センサの製造方法であって、前記第１面上に前記磁気抵抗効果素子を形成し、前記磁気抵抗効果素子を覆うように非磁性絶縁層を形成し、前記非磁性絶縁層上に、前記起立面が導電性を有する前記非磁性体部を形成し、前記起立面に通電する電気めっき処理を行って、前記めっき析出物を含む前記軟磁性層を前記起立面上に形成することを特徴とする磁気センサの製造方法である。上記の製造方法によれば、非磁性体部と軟磁性層とを有する磁界方向変換部を備える磁気センサを容易に製造することが可能である。

【0019】

前記非磁性絶縁層の面における前記非磁性体部が形成されていない部分に対して導体化処理を行い、前記電気めっき処理によって、前記非磁性絶縁層の面における前記非磁性体部が形成されていない部分にめっき層を形成してもよい。この部分に形成されためっき層は、前述の第１延出部として機能することができる。

【0020】

前記非磁性体部における前記第１面に対向する側とは反対側の面は導電性を有し、前記電気めっき処理によって前記反対側の面にめっき層を形成してもよい。この部分に形成されためっき層は、前述の第２延出部として機能することができる。

【0021】

前記非磁性体部は、非磁性の導電性材料を含有するめっき析出物を含んでいてもよい。この場合には、その後のめっき処理により、非磁性体部の起立面上に軟磁性層を形成することや、非磁性体部における第１面に対向する側とは反対側の面上に第２延出部を形成することが容易となる。

【発明の効果】

【0022】

本発明によれば、磁界の特定の方向の成分を別の方向の成分に変換する機能を有する磁気センサであって、オフセットずれの問題が生じにくい構造を有する磁気センサが提供される。また、本発明によれば、上記の磁気センサの製造方法も提供される。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】第１の実施形態における磁気センサの斜視図である。

【図2】図１のＩＩ−ＩＩ線で切断して矢印方向から見たときの磁気センサの断面図である。

【図3】磁気センサを構成する磁気抵抗効果素子の平面図である。

【図4】図３のＶ−Ｖ線で切断して矢印方向から見たときの磁気抵抗効果素子の部分拡大断面図である。

【図5】２つの磁気抵抗効果素子により構成されるハーフブリッジ回路の回路図である。

【図6】第２の実施形態の磁気センサを示し、磁気抵抗効果素子の平面図である。

【図7】図６のＸＩＩ−ＸＩＩ線で切断して矢印方向から見たときの磁気センサの断面図である。

【図8】本実施形態のフルブリッジ回路の回路図である。

【図9】シミュレーションに用いた磁気センサの構成を説明する図である。

【図10】シミュレーション結果を示すグラフである。

【図11】シミュレーション結果を示すグラフである。

【図12】シミュレーション結果を示すグラフである。

【図13】本発明の一実施形態に係る磁気センサの製造方法を説明する図である。

【図14】本発明の一実施形態に係る磁気センサの製造方法を説明する図である。

【図15】本発明の一実施形態に係る磁気センサの製造方法を説明する図である。

【図16】本発明の一実施形態に係る磁気センサの製造方法を説明する図である。

【図17】本発明の一実施形態に係る磁気センサの製造方法を説明する図である。

【図18】本発明の一実施形態に係る磁気センサの製造方法を説明する図である。

【図19】本発明の一実施形態に係る磁気センサの製造方法を説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0024】

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。本発明の説明のために参照する図面の寸法は適宜変更して示している。

【0025】

図１は、第１の実施形態における磁気センサの斜視図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線で切断して矢印方向から見たときの磁気センサの断面図である。

【0026】

本実施形態の磁気センサ１０は、例えば、垂直方向の磁界成分を検出するＺ軸磁気センサとして用いることができ、モバイル機器等に搭載される地磁気センサとして構成される。

【0027】

図１に示すように、本実施形態の磁気センサ１０は、基板１５の一面である第１面１５Ａの上に設けられた第１の磁気抵抗効果素子２１および第２の磁気抵抗効果素子２２と、磁界方向変換部３０とを有して構成される。図２に示すように、磁界方向変換部３０は、非磁性体部４０、第１の軟磁性層３５および第２の軟磁性層３６、一方の第１延出部３８１および他方の第１延出部３８２、ならびに第２の延出部３７を備える。

【0028】

非磁性体部４０は、非磁性材料からなり第１面１５Ａから離れる向き（具体的には、図２に示すＺ１方向）に起立する部材である。

【0029】

図１および図２に示されるように、本実施形態に係る磁気センサ１０の非磁性体部４０はＹ１−Ｙ２方向を長軸とする直方体の形状を有する。したがって、非磁性体部４０における、非磁性体部４０のＸ１−Ｘ２方向（第１方向）に並んで対向する２つの面である第１の起立面４０Ｓ１および第２の起立面４０Ｓ２は、いずれも、Ｘ１−Ｘ２方向（第１方向）に法線を有する。第１の起立面４０Ｓ１の上には、めっき析出物からなる第１の軟磁性層３５が設けられている。第２の起立面４０Ｓ２の上には、めっき析出物からなる第２の軟磁性層３６が設けられている。第１の軟磁性層３５および第２の軟磁性層３６は、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＳｉＢ、ＣｏＺｒＴｉ、ＣｏＺｒＮｂから選ばれた少なくとも１つの材料が含まれる軟磁性材料から形成される。

【0030】

このように、本実施形態に係る磁気センサ１０は、第１の軟磁性層３５および第２の軟磁性層３６は、非磁性体部４０の一部の表面を覆うように形成されている。そのため、表面から内部に至る全体を軟磁性体で形成した磁気センサと比べ、本実施形態に係る磁気センサ１０は、軟磁性体の体積が少ないため、外部磁界による帯磁を低減することができる。

【0031】

図２に示すように、Ｚ１−Ｚ２方向（垂直方向、第１面１５Ａの法線方向）の成分５１を有する外部磁界が印加されたときに、この外部磁界のＺ１−Ｚ２方向（垂直方向、第１面１５Ａの法線方向）の成分（垂直磁界成分）５１は、これらの第１の軟磁性層３５および第２の軟磁性層３６を通過して、第１の軟磁性層３５および第２の軟磁性層３６における第１面１５Ａ側から、第１の軟磁性層３５および第２の軟磁性層３６と第１面１５Ａとの間に位置する領域に流出する。この領域には、非磁性絶縁層１６ならびに非磁性絶縁層１６に埋設された状態にある第１の磁気抵抗効果素子２１および第２の磁気抵抗効果素子２２が位置する。この領域に流れ出た磁界成分は、非磁性絶縁層１６内で流れの方向が変化して、Ｘ１−Ｘ２方向（第１方向）に沿った水平方向の磁界成分となる。こうして方向が変換された磁界成分は、第１の磁気抵抗効果素子２１および第２の磁気抵抗効果素子２２に印加され、これらの磁気抵抗効果素子で測定可能となる。

【0032】

第１の軟磁性層３５のＸ１−Ｘ２方向（第１方向）の長さ（厚さ）Ｗａは、Ｚ１−Ｚ２方向（垂直方向、第１面１５Ａの法線方向）の磁界成分５１を第１面１５Ａ側に伝えることができる限り、任意である。具体的には、上記の厚さＷａは、０．０５μｍ以上であることが好ましい場合があり、０．１μｍ以上であることがより好ましい場合があり、０．２μｍ以上であることが特に好ましい場合がある。第２の軟磁性層３６のＸ１−Ｘ２方向（第１方向）の幅についても同様である。

【0033】

一方の第１延出部３８１は、第１の軟磁性層３５の第１面１５Ａに対向する側から第１の軟磁性層３５に連続してＸ１側に延び、第１の磁気抵抗効果素子２１の第１面１５Ａに対向する側と反対側の面の上に、第１の磁気抵抗効果素子２１と非接触に配置されている。第１延出部３８１は第１の軟磁性層３５と同様に軟磁性材料からなり、第１の軟磁性層３５に磁気的に接続される。なお、本明細書において、「磁気的に接続される」とは、透磁率が同等である複数の部材が実質的に隙間なく配置されている状態をいう。この状態を実現できる限り、磁気的に接続される接続される２つの部材間に他の部材が介在していてもよい。

【0034】

第１延出部３８１は軟磁性材料からなるため、第１の軟磁性層３５における残留磁化に基づく磁界成分は、非磁性絶縁層１６内に流れ出るよりも、第１の軟磁性層３５から第１延出部３８１へと流れやすい。したがって、不所望な方向の磁界成分が第１の磁気抵抗効果素子２１に印加されにくく、第１の磁気抵抗効果素子２１の磁気シールドとして機能する場合もある。

【0035】

他方の第１延出部３８２は、第２の軟磁性層３６の第１面１５Ａに対向する側から第２の軟磁性層３６に連続してＸ２側に延び、第２の磁気抵抗効果素子２２の第１面１５Ａに対向する側と反対側の面の上に、第２の磁気抵抗効果素子２２と非接触に配置されている。他方の第１延出部３８２は軟磁性材料からなり、第２の軟磁性層３６に磁気的に接続される。このため、一方の第１延出部３８１の場合と同様に、他方の第１延出部３８２によって、第２の軟磁性層３６における残留磁化に基づく磁界成分が非磁性絶縁層１６内に流れ出ることが抑制され、不所望な方向の磁界成分が第２の磁気抵抗効果素子２２に印加されにくくなる。他方の第１延出部３８２も第２の磁気抵抗効果素子２２の磁気シールドとして機能する場合もある。

【0036】

第２延出部３７は、第１の軟磁性層３５および第２の軟磁性層３６の第１面１５Ａに対向する側とは反対側から、第１の軟磁性層３５および第２の軟磁性層３６のそれぞれに連続してＸ１−Ｘ２方向（第１方向）に延びて、非磁性体部４０における第１面１５Ａに対向する側とは反対側の面４０ａの上に設けられる。第２延出部３７は、Ｚ１−Ｚ２方向（垂直方向、第１面の法線方向）の磁界成分を集めて第１の軟磁性層３５および第２の軟磁性層３６を流れるＺ１−Ｚ２方向（垂直方向、第１面の法線方向）の磁界成分５１を強めることができる。

【0037】

非磁性体部４０のＸ１−Ｘ２方向（第１方向）の長さ（幅）Ｗｂは、ある程度広いことが好ましい。上記の幅Ｗｂは第１の軟磁性層３５と第２の軟磁性層３６との離間距離に等しいため、上記の幅Ｗｂが過度に狭い場合には、互いに隣に位置する軟磁性層に流れる磁束同士が影響して、第１の軟磁性層３５におけるＺ１−Ｚ２方向（垂直方向、第１面１５Ａの法線方向）の磁界成分５１と、第２の軟磁性層３６におけるＺ１−Ｚ２方向（垂直方向、第１面１５Ａの法線方向）の磁界成分５１とがキャンセルしてしまう。軟磁性層３５と第２の軟磁性層３６との間隔が広がると、こうした負の影響が少なくなるため、第１の軟磁性層３５と第２の軟磁性層３６のそれぞれに流れるＺ１−Ｚ２方向（垂直方向、第１面１５Ａの法線方向）の磁界成分５１が低下しにくい。限定されない例示をすれば、上記の幅Ｗｂは、１０μｍ以上であることが好ましい場合があり、１５μｍ以上であることがより好ましい場合がある。

【0038】

非磁性体部４０のＺ１−Ｚ２方向（第１面１５Ａの法線方向）の長さ（高さ）Ｈｂは、特に限定されない。上記の高さＨｂが過度に低い場合には、Ｚ１−Ｚ２方向（垂直方向、第１面１５Ａの法線方向）に沿って磁界成分を流す機能が低下して、非磁性絶縁層１６に流れ出る磁界成分の強度が低下する可能性があり、上記の非磁性体部４０の高さＨｂが過度に高い場合には、非磁性体部４０の製造容易性が低下して、非磁性体部４０の形状精度や配置精度が低下する可能性があることを考慮して適宜設定すればよい。限定されない例示として、非磁性体部４０の高さＨｂは、２μｍ以上であることが好ましい場合があり、４μｍ以上であることがより好ましい場合があり、６μｍ以上であることが特に好ましい場合がある。非磁性体部４０の高さＨｂは、１０μｍ以下であることが好ましい場合があり、９μｍ以下であることがより好ましい場合があり、８μｍ以下であることが特に好ましい場合がある。

【0039】

図３は、第１の実施形態に係る磁気センサの平面図である。図４は、図３のＶ−Ｖ線で切断して矢印方向から見たときの磁気抵抗効果素子の部分拡大断面図である。

【0040】

本実施形態において、第１の磁気抵抗効果素子２１および第２の磁気抵抗効果素子２２としてＧＭＲ（Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子が用いられる。図４に示すように、第１の磁気抵抗効果素子２１は、膜面内に印加される外部磁界を検出することができる磁気抵抗効果膜４３を有して構成される。磁気抵抗効果膜４３は、絶縁膜４２およびシード層４９を介してシリコン基板４１の面の上に形成されている。磁気抵抗効果膜４３は、磁化の向きが固定された固定磁性層４５と、外部磁界により磁化の向きが変化する自由磁性層４７とを有し、図４に示すように、固定磁性層４５、非磁性層４６、および自由磁性層４７の順に積層されて、自由磁性層４７の表面が保護膜４８で覆われて構成されている。なお、図４では第１の磁気抵抗効果素子２１について示しているが、他の磁気抵抗効果素子（第２の磁気抵抗効果素子２２など）においても同様の構成である。

【0041】

本実施形態において、固定磁性層４５は第１の固定磁性層４５ｃ／非磁性結合層４５ｅ／第２の固定磁性層４５ｄからなる、いわゆるセルフピン型の積層構成となっている。第１の固定磁性層４５ｃがシード層４９と接しており、また、第２の固定磁性層４５ｄが非磁性層４６と接する。第１の固定磁性層４５ｃの磁化と第２の固定磁性層４５ｄの磁化とは、導電電子による間接的な交換相互作用（ＲＫＫＹ的相互作用）により１８０°異なる向き（図４中、符号４５ａおよび４５ｂで示される。）に設定されている。非磁性層４６を挟む自由磁性層４７の磁化の向きと第２の固定磁性層４５ｄの磁化の向きとの相対関係が磁気抵抗効果に寄与するため、第２の固定磁性層４５ｄの磁化の向きが、図３に示す固定磁性層の磁化の向き４５ａとなる。

【0042】

本実施形態において、絶縁膜４２はシリコン基板４１を熱酸化したシリコン酸化膜であり、スパッタ法等で成膜したアルミナ膜、酸化膜等であってもよい。固定磁性層４５の第１の固定磁性層４５ｃと第２の固定磁性層４５ｄは、ＣｏＦｅ合金（コバルト鉄合金）などの軟磁性材料等で形成されている。非磁性結合層４５ｅは導電性のＲｕ等が用いられる。非磁性層４６は、Ｃｕ（銅）等である。自由磁性層４７は、保磁力が小さく透磁率が大きいＮｉＦｅ合金（ニッケル鉄合金）などの軟磁性材料が用いられる。また、本実施形態において自由磁性層４７を単層で示しているが、例えばＮｉＦｅ層とＣｏＦｅ層とを積層した構成とすることも可能である。保護膜４８は、Ｔａ（タンタル）等である。

【0043】

図３に示すように、第１の磁気抵抗効果素子２１および第２の磁気抵抗効果素子２２は、それぞれＹ１−Ｙ２方向に細長く延びる平面矩形状に形成されており、Ｘ１−Ｘ２方向において互いに間隔を設けて配置されている。図３には、固定磁性層の磁化の向き４５ａと、自由磁性層の磁化の向き４７ａとをそれぞれ矢印で模式的に示している。第１の磁気抵抗効果素子２１の固定磁性層の磁化の向き４５ａと、第２の磁気抵抗効果素子２２の固定磁性層の磁化の向き４５ａとは揃えられている。図３では、一具体例として、延出方向（第１面１５Ａの法線方向）に対して直交する方向のうち、Ｘ１−Ｘ２方向Ｘ２側の向きに揃えられている。また、自由磁性層の磁化の向き４７ａは、第１の磁気抵抗効果素子２１および第２の磁気抵抗効果素子２２のそれぞれの形状異方性により延出方向（Ｙ１−Ｙ２方向）で互いに同じ向き（例えばＹ１側）に向けられている。固定磁性層の磁化の向き４５ａと自由磁性層の磁化の向き４７ａとは、それぞれ第１の磁気抵抗効果素子２１および第２の磁気抵抗効果素子２２の面内に向けられており、外部磁界が印加されていない状態において互いに直交するように設定されている。

【0044】

固定磁性層の磁化の向き（Ｘ１−Ｘ２方向Ｘ２側）４５ａに沿った向きに外部磁界が印加された場合には、自由磁性層の磁化の向き４７ａが、外部磁界の向き（Ｘ１−Ｘ２方向Ｘ２側）に揃うように変動して固定磁性層の磁化の向き４５ａと平行に近づき、電気抵抗値が低下する。

【0045】

一方、固定磁性層の磁化の向き（Ｘ１−Ｘ２方向Ｘ２側）４５ａとは反対向き（Ｘ１−Ｘ２方向Ｘ１側）に外部磁界が印加された場合には、自由磁性層の磁化の向き４７ａが、外部磁界の向き（Ｘ１−Ｘ２方向Ｘ１側）に揃うように変動して固定磁性層の磁化の向き４５ａと反平行に近づき、電気抵抗値が増大する。

【0046】

図３に示すように、第１の磁気抵抗効果素子２１と第２の磁気抵抗効果素子２２とは、例えばＣｕ等の非磁性材料を用いて形成された配線部２５によりＹ１−Ｙ２方向Ｙ１側において接続されている。また、第１の磁気抵抗効果素子２１と第２の磁気抵抗効果素子２２のＹ１−Ｙ２方向Ｙ２側は、配線部２５を介して外部回路等に接続される。

【0047】

図５は、２つの磁気抵抗効果素子により構成されるハーフブリッジ回路の回路図を示す。図５に示すように、磁気抵抗効果素子２１と磁気抵抗効果素子２２とは、入力端子（Ｖ_ｄｄ）とグラウンド端子（ＧＮＤ）との間で直列接続されてハーフブリッジ回路２７を構成している。そして、磁気抵抗効果素子２１と磁気抵抗効果素子２２との間の中点電位（Ｖ_１）が、差動増幅器５４により増幅されて、磁気センサ１０の出力信号として外部回路（図示しない）に出力される。

【0048】

前述のように、本実施形態に係る磁気センサ１０において、磁界方向変換部３０に集磁されたＺ１−Ｚ２方向（垂直方向、第１面１５Ａの法線方向）の磁界成分５１は、第１の軟磁性層３５および第２の軟磁性層３６を通過し、第１面１５Ａに近位側から流出して基板１５の第１面１５Ａの面内方向（水平方向）の磁界成分に変換される。そして、図２に示すように、第１面１５Ａの面内方向（水平方向）のうち第１方向に変換された磁界成分は、第１の磁気抵抗効果素子２１にはＸ２側の向きに印加され、第２の磁気抵抗効果素子２２にはＸ１側の向きに印加され、互いに逆向きに作用する。

【0049】

よって、図３に示す第１の磁気抵抗効果素子２１の自由磁性層の磁化の向き４７ａは、電気抵抗値が増大する方向に向けられ、第２の磁気抵抗効果素子２２の自由磁性層の磁化の向き４７ａは、電気抵抗値が減少する方向に向けられる。したがって、図５に示すハーフブリッジ回路２７の中点電位（Ｖ_１）が変化し、これにより、垂直方向（第１面１５Ａの法線方向、Ｚ１−Ｚ２方向）の磁界成分５１を検出することができる。

【0050】

本実施形態に係る磁気センサ１０は２つの磁気抵抗効果素子（第１の磁気抵抗効果素子２１、第２の磁気抵抗効果素子２２）を備えるが、本発明の一実施形態に係る磁気センサが備える磁気抵抗効果素子の数は限定されない。本発明の一実施形態に係る磁気センサが備える磁気抵抗効果素子の数は１つであってもよい。この場合の構造の具体的な一例として、磁気センサ１０が第２の磁気抵抗効果素子２２を備えない場合の構造が挙げられる。

【0051】

本発明の一実施形態に係る磁気センサが備える磁気抵抗効果素子の数が３以上である場合の具体例として、磁気センサがハーフブリッジ回路２７を２つ備え、これらの２つのハーフブリッジ回路２７がフルブリッジ回路を構成する場合が挙げられる。以下、このような磁気センサを本発明の第２の実施形態に係る磁気センサとして説明する。

【0052】

図６は、第２の実施形態の磁気センサを示し、磁気センサを構成する磁気抵抗効果素子の平面図である。図７は、図６のＸＩＩ−ＸＩＩ線で切断して矢印方向から見たときの磁気センサの断面図である。また、図８は、４つの磁気抵抗効果素子により構成されるフルブリッジ回路の回路図である。

【0053】

本実施形態の磁気センサ１１は、第１の軟磁性層３５および第２の軟磁性層３６が複数設けられている点が異なっている。図７に示すように、第１の軟磁性層３５と第２の軟磁性層３６とが交互にＸ１−Ｘ２方向に連続して形成されている。隣り合う第２の軟磁性層３６と第１の軟磁性層３５とは、第１面１５Ａに近位側において第１延出部３８により接続されて、また、第１面１５Ａに遠位側において第２延出部３７により接続されており、第１延出部３８と第２延出部３７とは、Ｘ１−Ｘ２方向において交互に設けられている。複数の第１の軟磁性層３５と複数の第２の軟磁性層３６とがＸ１−Ｘ２方向に繋がって形成されて１つの磁界方向変換部３２を構成している。

【0054】

図７に示すように、複数の第１の軟磁性層３５および複数の第２の軟磁性層３６の第１面１５Ａに近位側にそれぞれ磁気抵抗効果素子（第１の磁気抵抗効果素子２１，２３および第２の磁気抵抗効果素子２２，２４）が配置されている。図６に示すように、４つの磁気抵抗効果素子（第１の磁気抵抗効果素子２１，２３および第２の磁気抵抗効果素子２２，２４）のそれぞれの固定磁性層の磁化の向き４５ａはいずれも同一の向き（Ｘ１−Ｘ２方向Ｘ２側）に向けられている。また、外部磁界が印加されていない状態において、自由磁性層の磁化の向き４７ａは、形状異方性により磁気抵抗効果素子（第１の磁気抵抗効果素子２１，２３および第２の磁気抵抗効果素子２２，２４）の延出方向（Ｙ１−Ｙ２方向）のＹ１側に向けられている。

【0055】

本実施形態において、図８に示すように、４つの磁気抵抗効果素子（第１の磁気抵抗効果素子２１，２３および第２の磁気抵抗効果素子２２，２４）によりフルブリッジ回路２９が構成されている。第１の磁気抵抗効果素子２１と第２の磁気抵抗効果素子２２とが直列接続されたハーフブリッジ回路２７から中点電位（Ｖ_１）が出力され、第１の磁気抵抗効果素子２３と第２の磁気抵抗効果素子２４とが直列接続されたハーフブリッジ回路２８から中点電位（Ｖ_２）が出力される。入力端子（Ｖ_ｄｄ）とグラウンド端子（ＧＮＤ）との間で、ハーフブリッジ回路２７とハーフブリッジ回路２８とが並列接続されてフルブリッジ回路２９を構成する。図８に示すように、中点電位（Ｖ_１）と中点電位（Ｖ_２）との差分が差動増幅器５４により増幅されてセンサ出力（Ｖ_ｏｕｔ）として出力される。なお、本実施形態では、フルブリッジ回路２９は４つの磁気抵抗効果素子（第１の磁気抵抗効果素子２１，２３および第２の磁気抵抗効果素子２２，２４）から構成されているが、これに限定されず、出力を大きくするためにより多数の磁気抵抗効果素子を用いることもできる。

【0056】

このように、フルブリッジ回路２９を構成することにより、４つの磁気抵抗効果素子（第１の磁気抵抗効果素子２１，２３および第２の磁気抵抗効果素子２２，２４）のそれぞれについて水平方向（第１面１５Ａの面内方向）の磁界成分に起因する抵抗変化が同じになるため、フルブリッジ回路２９からセンサ出力として出力されず、垂直方向（第１面１５Ａの法線方向、Ｚ１−Ｚ２方向）の磁界成分による抵抗変化のみが出力される。

【0057】

また、図６に示すように複数の第１の軟磁性層３５および第２の軟磁性層３６を連続して設けた場合であっても、図７に示される構成を備えることから、Ｚ１−Ｚ２方向における残留磁化の発生によりブリッジ回路の中点電位が変化することを抑制することができ、センサ出力のオフセットずれの発生を抑制することができる。

【0058】

また、本実施形態において、複数の第１の軟磁性層３５および複数の第２の軟磁性層３６を連続して設けていることから、水平方向の磁界成分（Ｘ１−Ｘ２方向の磁界成分およびＹ１−Ｙ２方向の磁界成分）が、連続する第１の軟磁性層３５および第２の軟磁性層３６に効果的に集められる。したがって、水平方向の磁界成分（Ｘ１−Ｘ２方向の磁界成分およびＹ１−Ｙ２方向の磁界成分）が各磁気抵抗効果素子２１〜２４に印加されることを抑制して、垂直方向（第１面１５Ａの法線方向、Ｚ１−Ｚ２方向）の磁界成分５１を確実に検出することができるため、センサ感度を安定させることができる。

【0059】

図９は、シミュレーションに用いた磁気センサの断面図である。図９に示されるように、シミュレーションに用いた磁気センサ１２では、非磁性体部４０のＸ１−Ｘ２方向（第１方向）の幅ＷおよびＺ１−Ｚ２方向（第１面１５Ａの法線方向）の高さＴが所定の値に設定される。第１の軟磁性層３５および第２の軟磁性層３６、第１延出部３８ならびに第２延出部３７は、等しい厚さｔに設定されて、非磁性絶縁層１６の面や非磁性体部４０の面の上に位置している。第１の軟磁性層３５および第２の軟磁性層３６から流れ出てＸ１−Ｘ２方向（第１方向）に変換された磁界成分が印加されるように、４つの磁気抵抗効果素子（第１の磁気抵抗効果素子２１，２３および第２の磁気抵抗効果素子２２，２４）は配置されている。

【0060】

非磁性体部４０の幅Ｗおよび高さＴならびに第１の軟磁性層３５等の厚さｔを変化させた磁気センサ１２に対して垂直方向（第１面１５Ａの法線方向、Ｚ１−Ｚ２方向）に外部磁界として２．４ｍＴを印加したときに、これらの磁気抵抗効果素子のそれぞれの感度軸方向に印加される磁界（検知磁界、単位：ｍＴ）について計算した。

【0061】

図１０は、非磁性体部４０の幅Ｗが１０μｍであって、第１の軟磁性層３５等の厚さｔが１μｍである場合に、非磁性体部４０の高さＴを変化させたときのシミュレーション結果である。図１０中のＮｏ．１からＮｏ．４は、４つの磁気抵抗効果素子（第１の磁気抵抗効果素子２１，２３および第２の磁気抵抗効果素子２２，２４）のそれぞれを意味する。図１０に示されるように、非磁性体部４０の高さＴが６μｍに至るまでは、非磁性体部４０の高さＴと検知磁界とには正の相関が認められるが、非磁性体部４０の高さＴが６μｍ以降は、検知磁界は非磁性体部４０の高さＴの影響を受けにくくなることが示された。前述のように、非磁性体部４０の高さＴを大きくすることは製造容易性を低下させる場合があるため、このシミュレーションの条件では、非磁性体部４０の高さＴを６μｍとすることが好ましいことが理解される。

【0062】

図１１は、非磁性体部４０の高さＴが６μｍであって、第１の軟磁性層３５等の厚さｔが１μｍである場合に、非磁性体部４０の幅Ｗを変化させたときのシミュレーション結果である。図１１中のＮｏ．１からＮｏ．４は、４つの磁気抵抗効果素子（第１の磁気抵抗効果素子２１，２３および第２の磁気抵抗効果素子２２，２４）のそれぞれを意味する。図１１に示されるように、非磁性体部４０の幅Ｗが１０μｍに至るまで、非磁性体部４０の幅Ｗと検知磁界とには正の相関が認められた。非磁性体部４０の幅Ｗが小さくなるほど検知磁界は低下する傾向がみられる。これは互いに隣に位置する軟磁性層に流れこむ磁束同士が影響してしまうためと考えられる。非磁性体部４０の幅Ｗが１５μｍ程度以上の場合には、非磁性体部４０の幅Ｗと検知磁界との相関性は低くなる可能性がある。

【0063】

図１２は、非磁性体部４０の幅Ｗが１０μｍであってその高さＴが５μｍである場合に、第１の軟磁性層３５等の厚さｔを変化させたときのシミュレーション結果である。図１２中のＮｏ．１からＮｏ．４は、４つの磁気抵抗効果素子（第１の磁気抵抗効果素子２１，２３および第２の磁気抵抗効果素子２２，２４）のそれぞれを意味する。図１２に示されるように、第１の軟磁性層３５等の厚さｔが０．２μｍ以上の場合には、検知磁界はほぼ一定（１．５ｍＴ程度）となる結果が示された。このシミュレーションの条件では、第１の軟磁性層３５等の厚さｔを０．２μｍとすることが好ましいことが理解される。

【0064】

本発明のいくつかの実施形態に係る磁気センサの製造方法は限定されない。以下、図１に示される磁気センサ１０を製造する方法を、本発明の一実施形態に係る磁気センサの製造方法として説明する。図１３から図１９は本発明の一実施形態に係る磁気センサの製造方法を説明する図である。

【0065】

本発明の一実施形態に係る磁気センサの製造方法では、まず、シリコンなどからなる基板１５の第１面１５Ａの上に、第１の磁気抵抗効果素子２１および第２の磁気抵抗効果素子２２を形成する（図１３）。前述のように、これらの磁気抵抗効果素子は磁気抵抗効果膜４３を有するため、磁気抵抗効果膜４３を構成する各層を順次積層することが行われる。第１の磁気抵抗効果素子２１の第２の固定磁性層４５ｄは、Ｘ１−Ｘ２方向（第１方向）Ｘ２側の向きに磁化されるように磁場中製膜が行われる。第２の磁気抵抗効果素子２２は第１の磁気抵抗効果素子２１と同時に製造されるため、第２の磁気抵抗効果素子２２にも第１の磁気抵抗効果素子２１と同様の磁化が行われる。

【0066】

次に、第１の磁気抵抗効果素子２１および第２の磁気抵抗効果素子２２を覆うように非磁性絶縁層１６を形成する（図１４）。非磁性絶縁層１６を構成する材料として、アルミナが例示される。非磁性絶縁層１６の厚さは限定されない。第１の磁気抵抗効果素子２１および第２の磁気抵抗効果素子２２の厚さは通常０．１μｍ程度であり、磁界方向変換部３０から流れ出した磁界は非磁性絶縁層１６の内部で水平方向（第１面１５Ａの面内方向）に進むため、非磁性絶縁層１６は０．２μｍ程度またはそれ以上の厚さを有することが好ましい場合がある。非磁性絶縁層１６を形成する前に、第１の磁気抵抗効果素子２１および第２の磁気抵抗効果素子２２に接続される配線層（図示せず）を形成してもよい。

【0067】

続いて、非磁性絶縁層１６の面の上に導電層ＭＬを形成する（図１５）。蒸着、スパッタリングなどの乾式堆積技術を用いて導体化を行ってもよいし、無電解めっきのような湿式堆積技術を用いて導体化を行ってもよい。導電層を構成する材料は、非磁性材料であることが好ましい場合がある。導体化処理により形成される導電層ＭＬの厚さは、後述するめっき処理を可能とする限り任意である。本実施の形態においても、導電層ＭＬの厚さは数十ｎｍまたはそれ以下であって、その後のめっき処理（電気めっき処理を含む。）により形成されるめっき析出物（非磁性材料、磁性材料）の厚さとの対比で無視しうる。

【0068】

こうして非磁性絶縁層１６の面の上に導電層ＭＬを形成したら、その上にレジストの層ＲＭを形成し、その一部に貫通孔ＶＨを形成する（図１６）。貫通孔の平面視の形状（Ｚ１−Ｚ２方向からみた形状）は第１面１５Ａの上に設けられることになる非磁性体部４０の平面視の形状に対応する。

【0069】

続いて、金、銅などの非磁性材料を析出させるめっき処理を行う（図１７）。図１６の状態で導電層ＭＬが露出している部分にめっき析出物を堆積させるため、電気めっき処理を行うことが好ましい。非磁性体部４０はこうして堆積した非磁性材料のめっき析出物からなる。

【0070】

その後、レジストの層ＲＭを除去することにより、非磁性体部４０が第１面１５Ａの上に突出した状態となり、第１の起立面４０Ｓ１および第２の起立面４０Ｓ２が露出する（図１８）。この面はめっき析出物からなるため、導電性を有する。また、非磁性絶縁層１６の面の上に位置する導電層ＭＬも、非磁性体部４０が位置する部分以外は露出した状態となる。

【0071】

この状態で、鉄‐ニッケル合金などの磁性材料を析出させる電気めっき処理を行う。この電気めっき処理によって、非磁性体部４０の第１の起立面４０Ｓ１および第２の起立面４０Ｓ２、非磁性体部４０における第１面１５Ａに対向する側とは反対側の面４０ａ、ならびに導電層ＭＬの面における非磁性体部４０が設けられる部分以外の部分に磁性材料のめっき層が形成される。非磁性体部４０の第１の起立面４０Ｓ１の上に形成されためっき層は第１の軟磁性層３５となる。非磁性体部４０の第２の起立面４０Ｓ２の上に形成されためっき層は第２の軟磁性層３６となる。非磁性体部４０における第１面１５Ａに対向する側とは反対側の面４０ａの上に形成されためっき層は第２延出部３７となる。導電層ＭＬの面における非磁性体部４０が位置する部分以外の部分に形成されためっき層の一部は第１延出部（一方の第１延出部３８１、他方の第１延出部３８２）となる。

【0072】

以上の製造方法により、磁気センサ１０が製造される。

【0073】

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。例えば、本発明の効果が適切に得られる限り、図などにおいて積層されるように示される各構成要素間に他の層が設けられていてもよい。

【符号の説明】

【0074】

１０，１１，１２ 磁気センサ
１５ 基板
１５Ａ 第１面
２１，２３ 第１の磁気抵抗効果素子
２２，２４ 第２の磁気抵抗効果素子
３０，３２ 磁界方向変換部
４０ 非磁性体部
３５ 第１の軟磁性層
３６ 第２の軟磁性層
３８１ 一方の第１延出部
３８２ 他方の第１延出部
３７ 第２延出部
４０Ｓ１ 第１の起立面
４０Ｓ２ 第２の起立面
５１ 外部磁界のＺ１−Ｚ２方向の成分（Ｚ１−Ｚ２方向の磁界成分）
１６ 非磁性絶縁層
４０ａ 非磁性体部４０における第１面１５Ａに対向する側とは反対側の面
Ｗａ 第１の軟磁性層３５のＸ１−Ｘ２方向（第１方向）の長さ（厚さ）
Ｗｂ 非磁性体部４０のＸ１−Ｘ２方向（第１方向）の長さ（幅）
Ｈｂ 非磁性体部４０のＺ１−Ｚ２方向（第１面１５Ａの法線方向）の長さ（高さ）
４３ 磁気抵抗効果膜
４２ 絶縁膜
４９ シード層
４１ シリコン基板
４５ 固定磁性層
４７ 自由磁性層
４６ 非磁性層
４８ 保護膜
４５ｃ 第１の固定磁性層
４５ｅ 非磁性結合層
４５ｄ 第２の固定磁性層
４５ａ 固定磁性層の磁化の向き
４５ｂ 第１の固定磁性層の磁化の向き
４７ａ 自由磁性層の磁化の向き
２５ 配線部
２７，２８ ハーフブリッジ回路
５４ 差動増幅器
３８ 第１延出部
２９ フルブリッジ回路
ＲＭ レジストの層
ＶＨ 貫通孔
ＭＬ 導電層

【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】