本发明涉及一种磁传感器及其制造方法，具体地，涉及磁传感器的磁轭的构造。
背景技术：
为了在磁场感测膜的磁场感测方向上引导磁通，磁传感器可以在磁场感测膜附近设置有磁轭。wo2009/151023公开了一种磁传感器，其包括检测第一方向上的磁场的磁场感测膜和在第一方向上面向磁场感测膜的磁轭。磁轭具有在第一方向上朝向磁场感测膜突出的端部，并且在第一方向上引导磁通。jp2013-172040a公开了一种磁传感器，其中，在正交于磁场感测膜的磁场感测方向的方向(以下称为第二方向)上延伸的磁轭被布置为与磁场感测膜相邻。
技术实现要素：
wo2009/151023中公开的磁传感器中，磁轭在第一方向(横向方向)上延伸，因此为了安置磁轭在第一方向上需要较大的区域。为了限制用于布置磁轭的区域，期望以jp2013-172040a中公开的方式来设置在正交于磁场感测膜的磁场感测方向的第二方向(竖直方向)上延伸的磁轭。然而，在这种情况下，为了增大在竖直方向上布置的磁轭的磁通密度，需要增大磁轭的高度或磁轭在第二方向上的尺寸。由于磁轭是通过在晶圆工艺中通过镀敷的方式形成的，所以需要在抗蚀剂的深孔中形成镀敷。然而，这样的镀敷工艺在确保镀敷形成的精度方面是不利的。
本发明的一个目的在于提供一种磁传感器，其具有可以实现较大磁通密度并且可以被精确地形成的磁轭。
磁传感器包括：磁场检测元件，其检测第一方向上的磁场；和第一磁轭，其位于磁场检测元件附近并且在正交于第一方向的第二方向上延伸。第一磁轭包括：第一部分，其定位为至少在第一方向上远离磁场检测元件；和第二部分，其定位为在第二方向上比第一部分更远离磁场检测元件。第二部分具有和其与第一部分的界面相反的表面，该表面具有在远离第一部分的方向上突出的弯曲形状。
一种制造磁传感器的方法包括以下步骤：形成检测第一方向上的磁场的磁场检测元件的步骤；形成在正交于第一方向的第二方向上覆盖磁场检测元件的抗蚀剂的步骤；在抗蚀剂中在第一方向上远离磁场检测元件的位置处形成孔的步骤，该孔在第二方向上从抗蚀剂的上表面延伸；通过镀敷的方式在抗蚀剂的孔内和上方形成磁轭的步骤；以及去除抗蚀剂的步骤。
根据本发明的磁传感器，第二部分具有在远离第一部分的方向上突出的具有弯曲形状的表面。本发明的磁传感器的制造方法包括通过镀敷的方式在抗蚀剂的孔上方形成磁轭的步骤，使得能够形成具有超过抗蚀剂的孔的深度的高度的磁轭。因此，本发明可以提供具有可以实现较大磁通密度并且可以精确地形成的磁轭的磁传感器。
附图说明
图1是表示根据本发明的第一实施方式的磁传感器的局部截面图；
图2a、图2b是仅示出图1中的磁轭和磁场检测元件的图；
图3是示出第一和第二磁场检测元件的构造的示意图；
图4a～图7b是示出图1中的磁传感器的制造过程的图；
图8是类似于图2a和图2b示出根据本发明的第二实施例的磁传感器的图；
图9a至图9c分别是比较例1、2和实施例中的模拟磁场的结果；以及
图10a至图10c分别是图9a至图9c的局部放大图。
符号说明
1磁传感器
21第一磁场检测元件
22第二磁场检测元件
23第一磁轭
23a第一磁轭的第一部分
23b第一磁轭的第二部分
23d第一部分23a与第二部分23b之间的界面
23g第一磁轭的第三部分
24第二磁轭
25第三磁轭
31第一磁场检测元件的下导线
33磁化固定层
34间隔层
35磁化自由层
37第一磁场检测元件的上导线
38第一磁场感测膜
40第二磁场检测元件的下导线
41第二磁场检测元件的上导线
42第二磁场感测膜
x第一方向
z第二方向
具体实施方式
在下文中，将参考附图来描述本发明的一些实施方式。图1是根据本发明的第一实施方式的磁传感器的局部截面图。磁传感器1具有多个磁场检测元件和多个磁轭。磁轭在磁场检测元件的磁场感测方向上引导磁通，通过磁场检测元件检测由磁轭在磁场感测方向上引导的磁通。磁场检测元件通过桥接电路(未图示)等互连，并且由此磁传感器1可以测量外部磁场。图1示出磁传感器1，其包括彼此相邻的第一和第二磁场检测元件21、22以及布置在磁场检测元件21、22附近的第一至第三磁轭23、24、25。图2a是仅示出图1中的第一和第二磁场检测元件21、22以及第一至第三磁轭23、24、25的图，以便于描述。
在下面的描述中，第一方向是第一和第二磁场感测膜38、42检测磁场的磁场感测方向。第一方向也对应于布置第一磁场感测膜38和第二磁场感测膜42的方向。第二方向与第一方向正交。第二方向对应于布置第一磁场检测元件21的上导线37和下导线31的方向。第二方向也对应于布置第二磁场检测元件22的上导线41和下导线40的方向。第一方向与第一和第二磁场感测膜38、42的膜厚度方向正交，并且第二方向与第一和第二磁场感测膜38、42的膜厚度方向平行。第三方向与第一方向和第二方向两者都正交。第一方向、第二方向和第三方向可以分别称为方向x、方向z和方向y。应当注意，在本实施方式中，是假设磁通从第二和第三磁轭24、25流向第一磁轭23，但是即使当磁通从第一磁轭23流向第二和第三磁轭24、25时，本实施方式的构造和效果也没有差异。
磁传感器1包括：基板2；第二和第三磁轭24、25，其经由第一绝缘层3形成在基板2上；第一和第二磁场检测元件21和22，设置在第二磁轭24和第三磁轭25上方；第一磁轭23，其在第一方向x上设置在第一磁场检测元件21与第二磁场检测元件22之间。在本实施例中，第一磁轭23在第二方向z上远离第一和第二磁场检测元件21、22。第一至第三磁轭23、24、25由例如nife的软磁材料形成。在镀敷步骤中形成的第一电极膜4设置在第一绝缘层3与第二和第三磁轭24、25之间。
第一磁场检测元件21包括检测第一方向x上的磁场的第一磁场感测膜38和一对第一导线31、37。第一导线31、37在第二方向z上夹着第一磁场感测膜38并且将感测电流供应至第一磁场感测膜38。第二磁场检测元件22包括检测第一方向x上的磁场的第二磁场感测膜42和一对第二导线40、41。第二导线40、41在第二方向z上夹着第二磁场感测膜42并且将感测电流供应至第二磁场感测膜42。感测电流在第二方向z上流动。在下文中，第一和第二导线对的位于基板2侧的导线分别称为下导线31、40，并且位于相对于第一和第二磁场感测膜38、42与下导线31、40相反的一侧的导线分别称为上导线37、41。第二磁场检测元件22布置为在第一方向x上远离第一磁场检测元件21。第一磁场感测膜38和第二磁场感测膜42设置在相对于第一磁轭23在方向z上的中心线对称的位置处。
第一磁轭23在方向x上设置在第二磁轭24与第三磁轭25之间。更具体地，第二磁轭24位于相对于第一磁场感测膜38与第一磁轭23相反的一侧并且位于连接第一磁轭23的中心23c至第一磁场感测膜38的中心38a的直线l1的延长线上。第三磁轭25位于相对于第二磁场感测膜42与第一磁轭23相反的一侧并且位于连接第一磁轭23的中心23c至第二磁场感测膜42的中心42a的直线l2的延长线上。中心23c、38a、42a与重心同义。图1示意性地示出穿过第一至第三磁轭23、24、25的磁通的流动。从第二和第三磁轭24、25发出的磁通沿图1中的斜向上的方向前进，并且被吸收于第一磁轭23中。具体地，在第二和第三磁轭24、25中沿方向z前进的磁通改变其方向，使得其在被吸收于第一磁轭23中之前，该方向在第二和第三磁轭24、25与第一磁轭23之间具有方向x的分量，并且然后在第一磁轭23中沿方向z前进。第一磁场感测膜38位于介于第一磁轭23与第二磁轭24之间的具有较大的磁通的方向x的分量的区域中，因此可以有效地检测方向x上的磁通。这同样适用于第二磁场感测膜42。
第二绝缘层5形成在第二和第三磁轭24、25的侧边。第三绝缘层7形成在下导线31、40的侧边。第四绝缘层8形成在第一和第二磁场感测膜38、42的侧边。第五绝缘层9形成在上导线37、41的侧边。第六绝缘层11形成在第一磁轭23的侧边。第一中间绝缘层6形成在第二和第三磁轭24、25与下导线31、40之间。第二中间绝缘层10形成在上导线37、41与第六绝缘层11之间。第一至第六绝缘层3、5、7、8、9、11以及第一和第二中间绝缘层6、10由al2o3形成。应当注意，第一中间绝缘层6是支撑第一和第二磁场检测元件21、22的支撑层。
接下来，将描述第一和第二磁场检测元件21、22。由于第一磁场检测元件21和第二磁场检测元件22具有相同的结构，所以这里仅描述第一磁场检测元件21。图3是更详细地示出第一磁场检测元件21的构造的截面图。第一磁场检测元件21的第一磁场感测膜38包括磁化自由层35、磁化固定层33以及夹在磁化自由层35与磁化固定层33之间的间隔层34。间隔层34呈现磁阻效应。磁化自由层35由例如nife的软磁材料形成。磁化自由层35相对于外部磁场的磁化方向在包括第一方向x和第三方向y的平面内旋转。磁化自由层35在方向y上具有比在方向x上足够大的长度，以使得由于形状各向异性效应而使磁化方向被定向在方向x上。由硬磁材料形成的偏置层可以设置在磁化自由层35的在方向x上的两侧，以便在方向x上定向磁化方向。磁化固定层33由例如cofe的软磁材料形成，并且相对于外部磁场固定磁化方向。间隔层34是由例如al2o3的非磁性绝缘材料形成的隧道阻挡层。因此，本实施方式的第一磁场检测元件21是tmr(隧道磁阻)元件，并且也可以是所谓的gmr(巨磁阻)元件，其中间隔层34由例如cu的非磁性金属层形成。
通过依次堆叠第一磁化固定层33a、非磁性中间层33b和第二磁化固定层33c而形成磁化固定层33。第一磁化固定层33a形成在由ta或ru形成的晶种层32上。第二磁化固定层33c与隔离层34接触。第一磁化固定层33a和第二磁化固定层33c由例如cofe的软磁材料形成，并且非磁性中间层33b由ru形成。通过非磁性中间层33b反铁磁耦合第一磁化固定层33a和第二磁化固定层33c。由irmn等形成并且与第一磁化固定层33a交换耦合的反铁磁层可以设置在第一磁化固定层33a下方。由ta等形成的保护层36覆盖磁化自由层35。应当注意，第一磁场检测元件21和第二磁场检测元件22不限于tmr元件或gmr元件，并且只要它们可以检测第一方向x上的磁场，也可以是例如amr(各向异性磁阻)元件的任何类型的磁场检测元件。
第一磁轭23在方向z上划分为第一部分23a和第二部分23b。第一部分23a定位为在第一方向x和第二方向z两者上都远离第一和第二磁场检测元件21、22(即，在图1、图2a和图2b中，第一部分23a定位在斜向上位置处)并且在第二方向z上延伸。第一部分23a形成为在方向z上比第二部分23b更靠近第一和第二磁场检测元件21、22。第二部分23b形成为比第一部分23a更远离第一和第二磁场检测元件21、22，并且在方向z上与第一部分23a接触。第一部分23a相对于第一磁场感测膜38和第二磁场感测膜42终止于第二部分23b的一侧上。在镀敷步骤中形成的第二电极膜12设置在中间绝缘层10与第一磁轭23之间。
在图2中，第一部分23a在方向x上的尺寸在方向z上从下至上(即，在远离第二和第三磁轭24、25或基板2的方向或朝向第二部分23b的方向上)单调递增。第一部分23a在方向x上的尺寸在方向z上也可以是恒定的。换言之，第一部分23a的截面可以为矩形。
第二部分23b在方向x上的尺寸在方向z上从下至上(即，在远离第二和第三磁轭24、25的方向上或在远离第一部分23a的方向上)单调递减。第二部分23b的和其与第一部分23a的界面23d相反的表面23f具有在远离第一部分23a的方向上突出的弯曲形状。在图2a中所示的实施方式中，第二部分23b具有基本上为圆顶形的截面。在图2b中所示的变形例中，第二部分23b具有基本上平坦的顶面。在任何情况下，第二部分23b在方向x上的每个侧部23e都形成弯曲形状。第二部分23b的每个侧部23e的曲率半径都约为介于第一部分23a与第二部分23b之间的界面23d在第一方向x上的宽度w的约1/4以上且约1/2以下。然而，第二部分23b在方向x上的每个侧部23e的表面不需要都为具有恒定曲率半径的曲面，并且可以由彼此连接的具有不同曲率半径的曲线形成。第二部分23b可以相对于第一部分23a在方向z上的中心线为非对称。第二部分23b的最大高度h优选地约为介于第一部分23a与第二部分23b之间的界面23d在第一方向x上的宽度w的约1/4以上且约1/2以下。当在方向z上观察时，第二部分23b优选地不从介于第一部分23a与第二部分23b之间的界面23d横向突出。
接下来，将参考图4a至图7b来描述制造上述磁传感器1的方法。
首先，如图4a所示，在基板2上形成第一绝缘层3。接下来，如图4b所示，在第一绝缘层3上形成第一电极膜4。然后，如图4c所示，在第一电极膜4上形成第一光刻胶43，并且通过曝光和显影工艺形成第一孔44，以用于在该孔中形成第二和第三磁轭24、25。接下来，如图4d所示，通过镀敷的方式在第一孔44中形成第二和第三磁轭24、25。
接下来，如图5a所示，腐蚀第一光刻胶43。然后，如图5b所示，除了第一电极膜4与第二和第三磁轭24、25接触的部分之外，通过铣削去除第一电极膜4。接下来，如图5c所示，形成第二绝缘层5，并且通过cmp去除形成在第二和第三磁轭24、25的顶部上的第二绝缘层5。结果，利用第二绝缘层5填充第二和第三磁轭24、25的侧边空间。
然后，如图6a所示，通过溅射的方式在第二绝缘层5上形成第一中间绝缘层6。接下来，通过溅射的方式在第一中间绝缘层6(支撑层)上形成第一和第二磁场检测元件21、22的下导线层31、40，并且利用第三绝缘层7填充下导线层31、40的侧边空间。接下来，通过溅射的方式在第一和第二磁场检测元件21、22的下导线层31、40上形成第一和第二磁场检测元件21、22的磁场感测膜38、42，然后利用第四绝缘层8填充磁场感测膜38、42的侧边空间。然后，通过溅射的方式在第一和第二磁场检测元件21、22的磁场感测膜38、42上形成第一和第二磁场检测元件21、22的上导线层37、41，然后利用第五绝缘层9填充上导线层37、41的侧边空间。之后，通过溅射的方式在第一和第二磁场检测元件21、22的上导线层37、41上以及在第五绝缘层9上形成第二中间绝缘层10。接下来，如图6b所示，在第二中间绝缘层10上形成第二电极膜12。
然后，如图7a所示，在第二电极膜12上形成第二光刻胶45，并且通过曝光和显影工艺形成第二孔46，以用于在该第二孔中形成第一磁轭23的第一部分23a。第二孔46在第二方向z上从光刻胶45的上表面延伸。接下来，如图7b所示，通过镀敷的方式在第二孔46中形成第一磁轭23的第一部分23a。第二孔46完全填充有第一部分23a。另外，在形成第一部分23a之后，进一步进行镀敷步骤，并且在第一部分23a上形成第二部分23b。由于第二部分23b形成在第二光刻胶45外侧，所以第二部分23b由于熔化的镀敷材料的表面张力而形成为弯曲形状。当在方向z上观察时，在第二部分23b横向突出到第一部分23a外侧之前完成镀敷步骤。然后，腐蚀第二光刻胶45，去除不与第一磁轭23接触的第二电极膜12，在第一磁轭23的第一部分23a和第二部分23b的侧边空间形成第六绝缘层11，并获得图1所示的构造。
图8是类似于图2a和图2b示出本发明的第二实施方式的磁传感器的图。在本实施方式中，第一磁轭23包括位于相对于第一部分23a与第二部分23b相反的一侧的第三部分23g。第三部分23g相对于第一方向x面向第一和第二磁场检测元件21、22，特别是第一和第二磁场检测元件21、22的磁场感测膜38、42。由于第一磁轭23形成得如此深使得第一磁轭23在第一方向x上面向第一和第二磁场检测元件21、22，所以磁通在第一和第二磁场检测元件21、22的位置处进一步朝向方向x倾斜。结果，可以进一步增强方向x上的磁传感器1的输出。
图9a至图9c分别示出比较例1、2和实施例中的模拟磁场的结果。图10a至图10c示出第一和第二磁场检测元件21、22附近的放大视图。图10a至图10c分别示出图9a的部分a的放大视图、图9b的部分b的放大视图以及图9c的部分c的放大视图。图10a至图10c中的白方格大致表示第一磁场感测膜38的位置。图9a和图10a示出第一磁轭123的总高度较小的比较例1的模拟结果。在该图中，箭头的长度表示磁通的强度，箭头的方向表示磁通的方向。由于第一磁场感测膜38检测方向x的磁场，所以优选地尽可能使箭头向方向x倾斜，并且在第一磁场感测膜38的位置处尽量长。图9b和图10b示出第一磁轭223的总高度高于比较例1的总高度的比较例2的模拟结果。与比较例1相比，磁通在第一磁场感测膜38的位置处倾斜大致相同的水平，但是磁通的强度增加。图9c和图10c示出第二部分23b具有圆形端部的实施例的模拟结果。第一部分23a的总高度与比较例1的第一磁轭123的总高度大致相同，并且第一磁轭23的总高度与比较例2的第一磁轭223的总高度大致相同。磁通倾斜与比较例1、2大致相同的水平。磁通的强度稍小于比较例2的强度，但是大于比较例1的强度。
另一方面，如上述制造方法中描述的，通过镀敷的方式在第二光刻胶45的第二孔46中形成第一磁轭23。因此，在比较例2的通常为细长形的第一磁轭223的情况下，第二孔46也是深且细长的。然而，镀敷工艺难以确保深且细长的孔的精确形状，并且这可能导致形成第一磁轭223的精度变差。然而，在实施例中，如上所述，因为第二部分23b由于表面张力而形成为圆形端部形状，所以不需要使用光刻胶来形成第一磁轭23的具有圆形端部的第二部分23b。因此，第一磁轭23可以形成在光刻胶的具有与比较例1的深度大致相同的深度的孔中，并且因此容易确保精确地形成磁轭23。
因此，在本实施方式中，能够获得容易确保精确地形成有第一磁轭23并且其中第一磁轭23具有较大磁通密度的磁场传感器。