JP5726260B2

JP5726260B2 - 磁気センサおよびその製造方法

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Publication number: JP5726260B2
Application number: JP2013216109A
Authority: JP
Inventors: 隆紀杉野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-10-17
Filing date: 2013-10-17
Publication date: 2015-05-27
Anticipated expiration: 2033-10-17
Also published as: US9625536B2; DE102014203075A1; JP2015078906A; US20150108973A1; DE102014203075B4

Description

この発明は磁気センサの小型化に資する磁気センサのデバイス構造およびその製造方法に関するものである。

磁気抵抗効果を有する磁気センサ部とその信号を読み出す信号処理回路部とが同一基板上に形成されて構成された磁気センサのデイバス構造が提案され、近年、このような磁気センサデバイスの小型・高性能化が進む流れの中にあって、例えば特開２００４−２６４２０５号公報（特許文献１）あるいは特開２００９−０７６８８８号公報（特許文献２）に示すようなモノリシック構造を有する磁気センサの開発が積極的に行われている。

一方、このようなモノリシック構造を有する磁気センサデバイスにあっては、磁気センサ部からの電気信号を信号処理回路で読み出すため、例えば、アルミニウムなどのメタル配線を用いた電気的結合部が必要である。上述の特許文献１には、メタル配線層としてアルミニウムを使い、その直上に磁性材料を形成する磁気センサのデバイス構造が開示されている。

このような磁気センサのデバイス構造では、磁気センサデバイスの小型化を進める上において信号処理回路部に電気的に結合するコンタクト部の小型化が困難である。すなわち、接触抵抗値を従来型と同程度確保するためには、従来と同等のコンタクト接触面積が必要となる。このため、磁気センサデバイスの小型化が進むにつれて、磁気センサ部全体に占めるコンタクト領域の面積比率が増大することになる。したがって、特許文献１や特許文献２において開示されているデバイス構造は、磁気センサの小型化には不向きな構造であると言える。

特開２００４−２６４２０５号公報（図４）特開２００９−０７６８８８号公報

上述したように、特許文献１に開示されている従来の磁気センサのデバイス構造においては、磁性材料と電気的な結合を有するコンタクト部を小型化した場合、接触抵抗の増大を招くことから磁気センサデバイスの小型化を進めることが難しいものであった。すなわち、コンタクト面積の縮小による接触抵抗の増大は、磁気センサの抵抗変化率をコンタクト部の寄生抵抗が見かけ上打ち消すことに繋がり、磁気センサの感度を劣化させることになる。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、磁気センサ部を構成する磁性膜とこの磁性膜に電気的に結合するメタル電極とのコンタクト部を小型化することが容易であり、且つ、接触抵抗を従来と同等以下にすることができる磁気センサのデバイス構造および磁気センサの製造方法を提供することを目的としている。

この発明に係る磁気センサは、磁気センサ部と、前記磁気センサ部からの信号を読み出し処理する信号処理回路部とからなる磁気抵抗効果を利用した磁気センサであって、前記
磁気センサ部を構成する磁性膜に電気的に結合するメタル電極を有し、前記メタル電極に段差部を設け、この段差部および前記段差部を繋ぐ側壁に前記磁性膜を形成したことを特徴とするものである。
また、この発明に係る磁気センサの製造方法は、磁気センサ部と、前記磁気センサ部からの信号を読み出し処理する信号処理回路部とからなる磁気抵抗効果を利用した磁気センサの製造方法であって、支持基板上にメタル配線膜を設ける工程と、前記メタル配線膜を所望のパターン形状に加工し、段差を有するメタル電極を形成する工程と、前記メタル電極の上に磁性膜を設ける工程と、前記磁性膜の上にパッシベーション膜を設ける工程とを備えたことを特徴とするものである。

この発明によれば、メタル電極の段差部およびこの段差部を繋ぐ側壁に磁性膜を形成することによってメタル電極と磁性膜とのコンタクト接触面積が大きくなり、平面としてのコンタクト部を小型化することができる。また、感度に寄与しない部分の抵抗を抑え、磁気センサとしての感度を向上させることができる効果も得られる。

本発明の実施の形態１に係る磁気センサの製造工程における外観を示す斜視図である。図１における磁気センサの要部を示す断面図である。図２における磁気センサの要部製造工程を示す断面図である。図２における磁気センサの要部を示す平面図である。本発明の実施の形態２における磁気センサの要部製造工程を示す断面図である。図５における磁気センサの要部を示す平面図である。本発明の実施の形態３における磁気センサの要部製造工程を示す断面図である。

実施の形態１．
以下、この発明を実施例である図に基づいて詳細に説明する。
図１は、この発明の実施の形態１に係る磁気センサの製造工程における外観を示す斜視図である。
図において、磁気センサデバイス１は、磁気に反応し、電気信号として読み出す「磁気センサ部と信号処理回路部」１００と、デバイスを駆動する電圧等を供給し、信号を外部に出力するためのボンディングパッド部１０１とにより構成されている。これらの「磁気センサ部と信号処理回路部」１００およびボンディングパッド部１０１は、半導体基板上に複数の素子部が配列されて同時に製造される。

図２は、このような磁気センサデバイス１の単体における磁気センサ部２００の断面を示すもので、支持基板２０１上に順次、酸化膜２０２、メタル配線膜２０３、磁性膜２０４、パッシベーション膜２０５が形成されて構成される。また、磁気センサ部２００に並置されて、信号処理回路部３００が同様に製造されているが、以下では本発明が対象とする磁気センサ部２００についてのみ説明し、信号処理回路部３００の製造工程については説明を省略する。

図３は、本発明の実施の形態１による磁気センサデバイス１の製造工程を示す断面図である。以下、図に従って実施の形態１にかかる製造工程を説明する。
まず、図（３Ａ）に示すように、ベアのシリコン（Ｓｉ）基板２０１上に酸化膜２０２を例えば５００ｎｍの膜厚まで形成した支持基板を用意する。次に、図（３Ｂ）に示すように、例えばＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）装置により、アルミニウム（Ａｌ）やチタン（Ｔｉ）やプラチナ（Ｐｔ）などの金属を堆積し、メタル配線膜２０３を形成する。このメタル配線膜２０３は、磁気センサ部２００のメタル電極となる。ここで、メタル配線膜２０３は、電気的な抵抗値が低い材料であれば、特段の制約を受けるものではない。

次に、図（３Ｃ）に示すように、例えば写真製版等の技術を用いてメタル配線膜２０３の一部をエッチング除去し、所望のパターンからなるメタル電極３０１を形成する。このメタル電極３０１のパターンは、酸化膜２０２の上面が露出するまでメタル配線膜２０３を除去し、かつ、断面が台形状となる段差を形成するとともに、図４に示すように平面が櫛形状となるように形成されている。なお、櫛形状でなく、両端部が連結したはしご形状としてもよい。
その後、図（３Ｄ）に示すように、メタル配線膜２０３の上にＰＶＤ装置を用いて磁性膜２０４を堆積する。なお、この磁性膜２０４の磁性材料として、特段膜の仕様や特徴を定めるものではなく、如何なる積層構造や膜種及び、材料、膜厚であっても、磁気抵抗効果を有する磁性膜であればよい。

次に、磁性膜２０４の一部を写真製版等の技術を用い選択的にエッチング除去し、所望のパターンを形成する。ここで、磁性膜２０４は、例えばＩＢＥ装置（Ion Beam Etching）を用い、磁気センサ部２００として用をなさない箇所の磁性膜２０４の全部をエッチング除去し、且つ、メタル電極３０１が電極としての機能を失わないエッチング時間にて選択的にエッチングを行う。なお、電極としての機能を有するとは、電気的及び物理的なストレスがメタル電極３０１層に加わった場合であっても、最低１０年間は信頼性が確保される膜厚を意味している。すなわち、端的にはマイグレーション耐性が確保される膜厚を意味している。

さらに、図（３Ｅ）に示すように、磁気センサ部２００の表面を保護するために、ＰＥＣＶＤ（Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition）装置を用い、所謂パッシベーション膜２０５としての機能が十分に担保される膜厚まで例えば窒化珪素膜を堆積する。
なお、パッシベーション膜として十分な機能を有するとは、磁気センサ部２００の表面に物理的な衝撃、或いは化学的なストレスが加わった場合であっても、最低でも１０年間は、デバイスとしての信頼性が確保される膜厚を意味している。
最後に、ここでは図示しないボンディングパッド部１０１を写真製版技術とＲＩＥ（Reactive Ion Etching）装置によりエッチング除去して形成する。
また、同様な工程にて信号処理回路部３００を形成し、櫛形状のメタル電極３０１を有する磁気センサデバイス１が製造される。

このように、本実施の形態１における磁気センサデバイス１においては、メタル電極３０１を櫛形状またははしご形状に形成することによって段差部を設け、この段差部を繋ぐ側壁に沿っても磁性膜２０４を形成することができ、メタル電極３０１と磁性膜２０４とを電気的に結合させることができる。したがって、従来の磁気センサ構造に比して、メタル電極３０１と磁性膜２０４とのコンタクト接触面積を大きくすることができる。言い換えると、従来と同等のコンタクト抵抗を必要とするデバイスを設計した場合、電極部に必要とされる平面積を小さくすることができ、デバイスの小型化が容易となる。

実施の形態２.
図５は、本発明の実施の形態２による磁気センサデバイス１の製造工程を示す断面図である。以下、図に従って実施の形態２にかかる製造工程を説明する。

まず、図（５Ａ）に示すように、ベアのシリコン（Ｓｉ）基板２０１上に酸化膜２０２を例えば５００ｎｍの膜厚まで形成した支持基板を用意し、図（５Ｂ）に示すように、例えばＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）装置により、アルミニウム（Ａｌ）やチタン（Ｔｉ）やプラチナ（Ｐｔ）などの金属を堆積し、メタル配線膜２０３を形成する。このメタル配線膜２０３は、磁気センサ部２００のメタル電極となる。ここで、メタル配線膜２０３は、電気的な抵抗値が低い材料であれば、特段の制約を受けるものではない。

次に、図（５Ｃ）に示すように、例えば写真製版等の技術を用いてメタル配線膜２０３をエッチング除去し、所望のパターンからなるメタル電極４０１を形成する。このメタル電極４０１のパターンは、酸化膜２０２の上面が露出するまでメタル配線膜２０３を除去し、かつ、断面を台形状として段差を設けるとともに、図６に示すように平面がドット形状となるように形成されている。なお、ここで言うドット形状とは、円、楕円、多角形を含む全ての矩形であってもよいことは言うまでもない。
その後、実施の形態１と同様に磁性膜２０４（図５Ｄ）およびパッシベーション膜２０５（図５Ｅ）を順次形成して磁気センサ部２００を製造する。
最後に、図示しないボンディングパッド部１０１および信号処理回路部３００を形成し、ドット形状のメタル電極４０１を有する磁気センサデバイス１が完成される。

このように、本実施の形態２における磁気センサデバイス１においては、メタル電極４０１をドット形状にすることによって段差部を設け、この段差部を繋ぐ側壁に沿っても磁性膜２０４と磁性膜２０４を形成することができ、メタル電極３０１と磁性膜２０４とを電気的に結合させることができる。したがって、従来の磁気センサ構造に比して、磁性膜とのコンタクト接触面積を大きくすることができる。言い換えると、従来と同等のコンタクト抵抗を必要とするデバイスを設計した場合、電極部に必要とされる平面積を小さくすることができ、デバイスの小型化が容易となる。

実施の形態３
図７は、本発明の実施の形態３による磁気センサデバイス１の製造工程を示す断面図である。以下、実施の形態３にかかる製造工程を説明する。

まず、図（７Ａ）に示すように、ベアのシリコン（Ｓｉ）基板２０１上に酸化膜２０２を例えば５００ｎｍの膜厚まで形成した支持基板を用意し、図（７Ｂ）に示すように、例えばＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）装置により、アルミニウム（Ａｌ）やチタン（Ｔｉ）やプラチナ（Ｐｔ）などの金属を堆積し、メタル配線膜２０３を形成する。このメタル配線膜２０３は、磁気センサ部２００のメタル電極となる。ここで、メタル配線膜２０３は、電気的な抵抗値が低い材料であれば、特段の制約を受けるものではない。

次に、図（７Ｃ）に示すように、例えば写真製版等の技術を用いてメタル配線膜２０３をエッチング除去し、所望のパターンからなるメタル電極５０１を形成する。このメタル電極５０１のパターンは、上面が実施の形態１または２における電極形状と同じ櫛形状、はしご形状またはドット形状とし、かつ、エッチング処理を途中で停止して凹部の底面にもメタル配線膜２０３が残るようにしている。
その後、実施の形態1、２と同様に磁性膜２０４（図７Ｄ）およびパッシベーション膜２０５（図７Ｅ）を順次形成して磁気センサ部２００を製造する。

このように、本実施の形態３における磁気センサデバイス１においては、エッチングを途中で停止してメタル電極５０１を形成することによって段差部を設け、この段差部を繋ぐ側壁および底面に沿っても磁性膜２０４を形成することができ、メタル電極５０１と磁性膜２０４とを電気的に結合させることができる。したがって、従来の磁気センサ構造に比して、メタル電極５０１と磁性膜２０４とのコンタクト接触面積を大きくすることができる。言い換えると、従来と同等のコンタクト抵抗を必要とするデバイスを設計した場合、電極部に必要とされる平面積を小さくすることができ、デバイスの小型化が容易となる。
また、エッチングを途中で停止することにより、コンタクト接触部に設けたメタル電極の段差を低くすることができ、露光装置による微細加工を行う場合の焦点深度を浅くすることが容易である。このため、露光時のパターン精度を向上させることができる利点もある。

以上のように、この発明における磁気センサによれば、メタル電極の段差部およびこの段差部を繋ぐ側面において磁性膜を形成することができ、メタル電極と磁性膜とのコンタクト面積を大きくすることができる。結果として、磁気センサの小型化に貢献させることが可能となる。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１：磁気センサデバイス、１００：磁気センサと信号処理回路部
１０１：ボンディングパッド部、２００：磁気センサ部、２０１：支持基板、
２０２：酸化膜、２０３：メタル配線膜、２０４：磁性膜、
２０５：パッシベーション膜、３００：信号処理回路部、
３０１，４０１，５０１：メタル電極

Claims

磁気センサ部と、前記磁気センサ部からの信号を読み出し処理する信号処理回路部とからなる磁気抵抗効果を利用した磁気センサであって、
前記磁気センサ部を構成する磁性膜に電気的に結合するメタル電極を有し、前記メタル電極に段差部を設け、この段差部および前記段差部を繋ぐ側壁に前記磁性膜を形成したことを特徴とする磁気センサ。
前記メタル電極の段差部を櫛形状、はしご形状、またはドット形状のパターンに形成したことを特徴とする請求項１記載の磁気センサ。
前記メタル電極の段差部をメタル配線膜の下面まで到達して形成したことを特徴とする請求項１または２に記載の磁気センサ。
前記メタル電極の段差部をメタル配線膜の中間までに形成したことを特徴とする請求項１または２に記載の磁気センサ。
磁気センサ部と、前記磁気センサ部からの信号を読み出し処理する信号処理回路部とからなる磁気抵抗効果を利用した磁気センサの製造方法であって、支持基板上にメタル配線膜を設ける工程と、前記メタル配線膜を所望のパターン形状に加工し、段差を有するメタル電極を形成する工程と、前記メタル電極の段差部およびこの段差部を繋ぐ側壁上に磁性膜を設ける工程と、前記磁性膜の上にパッシベーション膜を設ける工程とを備えたことを特徴とする磁気センサの製造方法。
前記メタル電極に形成する工程において、前記段差を所望の深さまでエッチングすることを特徴とする請求項５記載の磁気センサの製造方法。