CN109643755B - 磁传感器及电流传感器 - Google Patents

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Abstract

作为具有即使在被长时间保存在高温环境下的情况下也难以发生灵敏度下降的现象的磁阻效应元件的磁传感器，本发明提供一种磁传感器(1)，该磁传感器(1)具备磁阻效应元件(GMR11)，该磁阻效应元件(GMR11)在特定方向上具有灵敏度轴，其中，磁阻效应元件(GMR11)在自由磁性层(23)的与非磁性材料层(21b)相向一侧的相反侧具有第一反铁磁性层(24)，自由磁性层(23)具有失配减小层(23b)和铁磁性层(23a)，该失配减小层(23b)以与第一反铁磁性层(24)相接的方式设置来减小自由磁性层23相对于第一反铁磁性层(24)的晶格失配，该铁磁性层(23a)设置在失配减小层(23)的与第一反铁磁性层(24)相向一侧的相反侧并且由强磁性材料构成，铁磁性层(23a)具有NiFeM层(231a)(M由从Ta、Cr、Nb、Rh、Zr、Mo、Al、Au、Pd、Pt及Si中选出的一种或两种以上元素组成)。

Description

磁传感器及电流传感器
技术领域
本发明涉及一种磁传感器以及具有该磁传感器的电流传感器。
背景技术
在电动汽车或混合动力汽车中的马达驱动技术等领域中，由于要处理较大的电流，因此寻求一种能够通过非接触的方式测定大电流的电流传感器。作为这种电流传感器，已知一种利用了磁传感器的电流传感器，该磁传感器用于检测来自被测定电流的感应磁场。作为磁传感器用的磁检测元件，例如，举出GMR(Giant Magneto Resistive：巨磁阻)元件等磁阻效应元件。
GMR元件将固定磁性层与自由磁性层隔着非磁性材料层层叠而成的层叠结构作为基本结构。固定磁性层通过由反铁磁性层与铁磁性层的层叠结构产生的交换耦合偏置、或者由两个铁磁性层隔着非磁性中间层层叠而成的防自钉扎(Self-Pin)结构所产生的RKKY(Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida)相互作用(间接交换相互作用)，将磁化方向固定在一个方向。自由磁性层的磁化方向能够根据外部磁场变化。
在用具有GMR元件的磁传感器制成的电流传感器中，通过向GMR元件施加来自被测定电流的感应磁场，自由磁性层的磁化方向发生变化。由于GMR元件的电阻值根据该自由磁性层的磁化方向与固定磁性层的磁化方向间的相对角度而变动，因此能够通过测定该电阻值，来检测自由磁性层的磁化方向。此外，能够基于由磁传感器检测出的磁化方向，求出产生感应磁场的被测定电流的大小及其方向。
需要说明的是，电动汽车或混合动力汽车中，存在基于电流值来控制马达的驱动的情况，此外，也存在根据流入电池的电流值来调节电池的控制方法的情况。因此，作为利用磁传感器的电流传感器，寻求提高磁传感器的测定精度，以便能够更准确地检测电流值。
为了提高磁传感器的测定精度，期望实现偏移(Offset)的减小、输出信号的偏差的降低、以及线性(输出线性)的提高等。作为用于回应这些要求的优选的一种方案，举出使磁传感器所具有的GMR元件的磁滞减小的方案。作为使GMR元件的磁滞减小的方案的具体例，举出对自由磁性层施加偏置磁场，在未施加来自被测定电流的感应磁场的状态下也能使自由磁性层的磁化方向一致的例子。
作为对自由磁性层施加偏置磁场的方法，专利文献1中公开了一种使反铁磁性层与自由磁性层层叠的方法，该反铁磁性层能够在与自由磁性层之间发生交换耦合偏置从而使自由磁性层的磁化方向在能够进行磁化变动的状态下统一为规定方向。
现有技术文献
专利文献1：日本特开2012-185044号公报
发明内容
发明所要解决的问题
与在GMR元件的周围配置永磁铁来产生偏置磁场的方法相比，由上述的反铁磁性层来产生交换耦合偏置的方法具有偏置磁场的均匀性等优点。然而，在将GMR元件长时间保存在高温环境下的情况下，自由磁性层中产生的交换耦合偏置导致偏置磁场变大，结果，有时呈现GMR元件的检测灵敏度下降的趋势。
本发明的目的在于，提供一种具有磁阻效应元件(GMR元件)的磁传感器以及用该磁传感器制成的电流传感器，该磁阻效应元件将基于专利文献1中公开的交换耦合偏置的自由磁性层的单磁畴化作为基础技术，并且偏移值(在未施加外部磁场的状态下的输出值)的温度特性良好(即难以随着温度变化而发生变化)，而且即使在被长时间(举出1000小时作为具体的一例)保存在高温(举出150℃作为具体的一例)环境下的情况下也难以发生检测灵敏度下降的现象。
解决问题的技术方案
作为本发明者为了解决上述课题而探究出的结果，获得了如下的新成果，即，通过在自由磁性层内设置某种层，即使在被长时间保存在高温环境下的情况下也难以发生磁阻效应元件的检测灵敏度的下降的现象。此外，还获得了在该情况下，能够通过使自由磁性层具有阻抗温度系数低的NiFeM层，来改善磁传感器的偏移温度特性的新成果。
利用上述知识而完成的本发明的一个实施方式提供一种磁传感器，所述磁传感器具备磁阻效应元件，所述磁阻效应元件在特定方向上具有灵敏度轴，其中，所述磁阻效应元件在基板上具有将固定磁性层与自由磁性层隔着非磁性材料层层叠而成的层叠结构，所述磁阻效应元件在所述自由磁性层的与所述非磁性材料层相向一侧的相反侧具有第一反铁磁性层，所述第一反铁磁性层能够在与所述自由磁性层之间产生交换耦合偏置从而使所述自由磁性层的磁化方向在能够进行磁化变动的状态下与规定方向一致，所述自由磁性层具有失配减小层和铁磁性层，所述失配减小层以与所述第一反铁磁性层相接的方式设置来减小所述自由磁性层相对于所述第一反铁磁性层的晶格失配，所述铁磁性层设置在所述失配减小层的与所述第一反铁磁性层相向一侧的相反侧并且由强磁性材料构成，所述铁磁性层具有NiFeM层(是由NiFeM构成的层，M由从Ta、Cr、Nb、Rh、Zr、Mo、Al、Au、Pd、Pt及Si中选出的一种或两种以上元素组成)。
自由磁性层具有以与第一反铁磁性层相接的方式设置的失配减小层，由此减小自由磁性层相对于第一反铁磁性层的晶格失配。结果，即使在150℃左右的高温中被保存1000小时左右的长时间的情况下，磁阻效应元件的检测灵敏度也难以下降。并且，由于自由磁性层的铁磁性层具有阻抗温度系数低的NiFeM层，因此能够改善磁传感器的偏移温度特性(单位：μV/℃)(接近零)。
在上述的磁传感器中，优选，所述失配减小层和所述铁磁性层具有面心立方(fcc)结构，所述失配减小层的fcc(111)面中的晶格面间隔大于所述铁磁性层的fcc(111)面中的晶格面间隔。
在上述的磁传感器中，优选，所述失配减小层含有铁族元素中的一种或两种以上以及铂族元素中的一种或两种以上。
本发明的另一实施方式提供一种磁传感器，所述磁传感器具备磁阻效应元件，所述磁阻效应元件在特定方向上具有灵敏度轴，其中，所述磁阻效应元件在基板上具有将固定磁性层与自由磁性层隔着非磁性材料层层叠而成的层叠结构，所述磁阻效应元件在所述自由磁性层的与所述非磁性材料层相向一侧的相反侧具有第一反铁磁性层，所述第一反铁磁性层能够在与所述自由磁性层之间产生交换耦合偏置从而使所述自由磁性层的磁化方向在能够进行磁化变动的状态下与规定方向一致，所述自由磁性层具有第一层和铁磁性层，所述第一层含有铁族元素中的一种或两种以上以及铂族元素中的一种或两种以上，并且以与所述第一反铁磁性层相接的方式设置，所述铁磁性层设置在所述第一层的与所述第一反铁磁性层相向一侧的相反侧并且由强磁性材料构成，所述铁磁性层具有NiFeM层(是由NiFeM构成的层，M由从Ta、Cr、Nb、Rh、Zr、Mo、Al、Au、Pd、Pt及Si中选出的一种或两种以上元素组成)。
在自由磁性层内具有以与第一反铁磁性层相接的方式设置的第一层，由此减小自由磁性层相对于第一反铁磁性层的晶格失配。结果，即使在150℃左右的高温中被保存1000小时左右的长时间的情况下，磁阻效应元件的检测灵敏度也难以下降。并且，由于自由磁性层的铁磁性层具有阻抗温度系数低的NiFeM层，因此能够改善磁传感器的偏移温度特性(单位：μV/℃)(接近零)。
在上述的磁传感器中，优选，所述第一反铁磁性层含有铂族元素和Mn。
在上述的磁传感器中，优选，所述第一反铁磁性层由IrMn和PtMn中的至少一者形成。
在上述的磁传感器中，所述NiFeM层可以由NiFeNb构成。由此NiFeNb的阻抗温度系数特别低，因此根据改善磁传感器的偏移温度特性的观点而优选NiFeN。
在上述的磁传感器中，优选，所述铁磁性层还具有导电性铁磁性层，所述导电性铁磁性层比所述NiFeM层更靠近所述非磁性材料层侧，并且所述导电性铁磁性层的电阻率比所述NiFeM层的电阻率低。在该情况下容易发生GMR效应。在该情况下，优选，导电性铁磁性层与所述非磁性材料层相接，即，在导电性铁磁性层与非磁性材料层之间不存在导电性相对较低的铁磁性层。举出CoFe层作为导电性铁磁性层的具体例。
根据减小外部应力对磁传感器的影响的观点，优选，所述导电性铁磁性层含有面心立方结构的CoFe类合金。在有些情况下，尤其优选，所述导电性铁磁性层由面心立方结构的CoFe类合金构成，并且所述导电性铁磁性层厚度为
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以上/>
Figure BDA0001975838000000042
以下。
本发明的又一实施方式是一种电流传感器，其中，具有上述的本发明的磁传感器。
发明效果
根据本发明，提供一种具有磁阻效应元件的磁传感器，该磁阻效应元件是使自由磁性层产生交换耦合偏置的方式的磁阻效应元件，并且偏移温度特性良好，即使在被长时间保存在高温环境下的情况下也难以发生灵敏度下降的现象。此外，还提供一种利用该磁传感器的电流传感器。
附图说明
图1是本发明的一个实施方式的磁传感器的电路图。
图2是图1所示的磁传感器所具有的磁阻效应元件的放大俯视图。
图3是图2所示的II-II线箭头方向的剖视图。
图4是示出在不施加实施例1的磁传感器以及比较例1的磁传感器的外部磁场的状态下的传感器输出Vout的值的温度特性的坐标图。
图5是示出实施例2的结果的坐标图。
图6是示出实施例3的结果的坐标图。
具体实施方式
图1是本发明的一个实施方式的磁传感器的电路图，图2是图1所示的磁传感器所具有的磁阻效应元件的示意图(俯视图)，图3是图2所示的II-II线箭头方向的剖视图。
如图1所示，本发明的一个实施方式的磁传感器1具有全桥电路31，该全桥电路31具备两种磁阻效应元件(第一磁阻效应元件GMR11、GMR12以及第二磁阻效应元件GMR21、GMR22)各两个。
从第一磁阻效应元件GMR11与第二磁阻效应元件GMR21串联连接而成的第一半桥电路32输出第一中点电位V1，从第一磁阻效应元件GMR12与第二磁阻效应元件GMR22串联连接而成的第二半桥电路33输出第二中点电位V2。第一半桥电路32与第二半桥电路33在输入端子Vdd与接地端子GND之间并联连接来构成全桥电路31。
如图1所示，第一中点电位V1与第二中点电位V2的差由差动放大器40放大并作为传感器输出Vout输出。另外，本实施方式中，全桥电路31由4个磁阻效应元件(第一磁阻效应元件GMR11、GMR12以及第二磁阻效应元件GMR21、GMR22)构成，但不限于此，为了使输出增大，也可以使用更多的磁阻效应元件。
第一磁阻效应元件GMR11、GMR12以及第二磁阻效应元件GMR21、GMR22的感磁部(后述的长条图案12)的结构相同，并且在设定灵敏度轴方向时的磁化方向相反。因此，上述4个磁阻效应元件(第一磁阻效应元件GMR11、GMR12以及第二磁阻效应元件GMR21、GMR22)的检测灵敏度原则上相等。因此，由于在未施加外部磁场的情况下，第一中点电位V1与第二中点电位V2相等，因此传感器输出Vout的电位原则上为0V。当施加外部磁场时，第一中点电位V1与第二中点电位V2的差随着该外部磁场的大小而变大，传感器输出Vout的电位不再为0V，成为与外部磁场的强度对应的电位。因此，能够通过测定传感器输出Vout的电位，来求出施加的外部磁场的强度。
利用图2与图3说明磁传感器1所具有的4个磁阻效应元件(第一磁阻效应元件GMR11、GMR12以及第二磁阻效应元件GMR21、GMR22)的结构。如上所述，由于4个磁阻效应元件的感磁部的结构相同，因此下面以第一磁阻效应元件GMR11为例进行说明。
第一磁阻效应元件GMR11具有多个带状的长条图案12(长条)，并且具有以该长条长度方向D1(以下也简称为“长度方向D1”)相互平行的方式配置的多个长条图案12(长条)折回的形状(弯折形状)。在该弯折形状的第一磁阻效应元件GMR11中，灵敏度轴方向是与长条图案12的长度方向D1正交的方向D2(以下也简称为“宽度方向D2”)。基本结构与第一磁阻效应元件GMR11相同的第一磁阻效应元件GMR12以及第二磁阻效应元件GMR21、GMR22也是同样。因此，具有该弯折形状的第一磁阻效应元件GMR11的磁传感器1在使用时，以沿着宽度方向D2的方式施加被测定磁场及抵消磁场。
相互平行地配置的多个带状的长条图案12中的、除了位于排列方向端部的长条图案12以外的各个长条图案12，在端部与最近位置的其他带状的长条图案12通过导电部13进行连接。位于排列方向端部的长条图案12经由导电部13与连接端子14连接。如此，第一磁阻效应元件GMR11在两个连接端子14、14间具有多个长条图案12通过导电部13串联连接的结构。虽然导电部13及连接端子14不区分非磁性或磁性，但优选由电阻小的材料构成。
第一磁阻效应元件GMR11具有的两个连接端子14、14中的一个连接端子14与输入端子Vdd连接，另一个连接端子14与输出第一中点电位V1的部分连接。在使用磁传感器1时，来自第一磁阻效应元件GMR11的信号作为第一中点电位V1被输入给差动放大器40，根据与第二中点电位V2的差来计算传感器输出Vout。
如图3所示，第一磁阻效应元件GMR11的各个长条图案12在基板29上隔着未图示的绝缘层等，从下至上按照种子(Seed)层20、固定磁性层21、非磁性材料层22、自由磁性层23、第一反铁磁性层24、以及保护层25的顺序层叠成膜。这些层的成膜方法并无限定。例如也可以溅射成膜。
种子层20由NiFeCr或Cr等形成。
固定磁性层21是第一磁性层21a和第二磁性层21c、以及位于第一磁性层21a与第二磁性层21c间的非磁性中间层21b的防自钉扎(Self-Pin)结构。如图3所示，第一磁性层21a的固定磁化方向(图3中为向右)与第二磁性层21c的固定磁化方向(图3中为向左)反向平行。此外，第二磁性层21c的固定磁化方向是固定磁性层21的固定磁化方向，即灵敏度轴方向。
第一磁阻效应元件GMR12中，固定磁性层21的固定磁化方向的朝向与第一磁阻效应元件GMR11相同。即，第一磁阻效应元件GMR12与第一磁阻效应元件GMR11包括磁化在内是相同的。与此相对，第二磁阻效应元件GMR21、GMR22中的固定磁性层21的固定磁化方向的朝向与第一磁阻效应元件GMR11、GMR12相反(反向平行)。因此，在沿着灵敏度轴方向施加外部磁场时，第一磁阻效应元件GMR11、GMR12与第二磁阻效应元件GMR21、GMR22对于外部磁场的阻抗变化的方向相反。
如图3所示，第一磁性层21a形成在种子层20上，第二磁性层21c与后述的非磁性材料层22相接形成。优选第一磁性层21a由矫顽力比第二磁性层21c高的高矫顽力材料的CoFe合金形成。
与非磁性材料层22相接的第二磁性层21c是有助于磁阻效应(具体而言是GMR效应)的层，对于第二磁性层21c，选择能够使具有向上自旋(Upspin)的导电电子与具有向下自旋(Downspin)的导电电子的平均自由行程差增大的磁性材料。
在图3所示的第一磁阻效应元件GMR11中，将第一磁性层21a与第二磁性层21c的磁化量(饱和磁化强度Ms、层厚t)的差调节为实际为零。
由于图3所示的第一磁阻效应元件GMR11的固定磁性层21是防自钉扎结构，因此不具有反铁磁性层。由此，第一磁阻效应元件GMR11的温度特性不受反铁磁性层的阻断温度的制约。
为了提高固定磁性层21的磁化固定力，重点在于增大第一磁性层21a的矫顽力Hc、将第一磁性层21a与第二磁性层21c的磁化量的差调节为实际为零、以及调节非磁性中间层21b的厚度来增强因第一磁性层21a与第二磁性层21c间产生的RKKY相互作用而产生的反向平行耦合磁场。通过像这样地进行适当调节，能够使固定磁性层21不受来自外部的磁场的影响，更牢固地固定磁化。
非磁性材料层22是Cu(铜)等。
图3所示的第一磁阻效应元件GMR11的自由磁性层23由铁磁性层23a及失配减小层23b构成。本发明的一个实施方式的磁传感器1所具有的第一磁阻效应元件GMR11的铁磁性层23a具有NiFeM层(由NiFeM构成的层，M由从Ta、Cr、Nb、Rh、Zr、Mo、Al、Au、Pd、Pt及Si中选择的一种或两种以上的元素组成)231a及导电性铁磁性层232a。铁磁性层23a和失配减小层23b一同与第一反铁磁性层24交换耦合。
构成第一磁阻效应元件GMR11的各种层(固定磁性层21、自由磁性层23、第一反铁磁性层24等)的厚度偏差能够导致第一磁阻效应元件GMR11的特性偏差。如图1所示的磁传感器1所具有的全桥结构的电路中，在构成4个磁阻效应元件(第一磁阻效应元件GMR11、GMR12以及第二磁阻效应元件GMR21、GMR22)的各个磁阻效应元件的各膜的厚度相等而没有偏差的情况下，在不施加外部磁场的状态下的传感器输出Vout的电位为0V。然而，现实中，由于制造工艺的偏差，构成各个磁阻效应元件的各种层的厚度存在偏差。由于这种层厚的偏差，在不施加外部磁场的情况下的传感器输出Vout的电位不为0V，而是具有规定的偏移值。
此外，该偏移值随着环境温度的变化而变动，该变动的容易程度(偏移温度特性)也受到各个磁阻效应元件的偏差的影响。该偏移温度特性容易受到构成磁阻效应元件的各种层的材料的阻抗温度系数(单位：10-6/℃)的影响。具体而言，在磁传感器具有的多个磁阻效应元件中由阻抗温度系数较大的材料构成的层的厚度不同的情况下，磁传感器的偏移温度特性变大(偏移值容易随着环境温度的变化而变动)。
根据在第一磁阻效应元件GMR11中适当地生成自旋阀(SpinValve)的观点，铁磁性层23a在第一磁阻效应元件GMR11所具有的各种层中形成得相对较厚(例如
Figure BDA0001975838000000091
以上)。因此，铁磁性层23a容易受到制造工艺的偏差的影响，是厚度的偏差相对较大的层。在这种厚度的偏差相对较大的层的阻抗温度系数大的情况下，所获得的具有多个磁阻效应元件的磁传感器1的偏移温度特性容易变得较大(基于温度变化的偏移值的变动较大)。
因此，本发明的一个实施方式的磁传感器1所具有的第一磁阻效应元件GMR11的铁磁性层23a具有阻抗温度系数较小的NiFeM层231a。与可以用作铁磁性层23a的结构材料的其他强磁性材料相比，NiFeM层231a的阻抗温度系数小，举出NiFe(Ni82.5Fe17.5)以及90CoFe(Co90Fe10)作为上述其他强磁性材料的具体例。
因此，即使在磁传感器1所具有的4个磁阻效应元件中的各个磁阻效应元件的NiFeM层231a的厚度存在偏差的情况下，该厚度的偏差也难以对偏移温度特性产生影响。构成NiFeM层231a中的M的元素可以是一种也可以是两种以上。此外，只要使NiFeM层231a具有适当的磁特性(显示强磁性)，构成M的元素的原子比可以是任意的。根据更稳定地满足减小阻抗温度系数的条件以及显示强磁性的条件的观点，优选NiFeM层231a中的M是Nb，即，优选NiFeM层231a由NiFeNb构成。
本发明的一个实施方式的磁传感器1所具有的第一磁阻效应元件GMR11的铁磁性层23a具有位置比NiFeM层231a更靠近非磁性材料层22侧并且电阻率比NiFeM层231a更低的导电性铁磁性层232a。由于导电性铁磁性层232a的位置比NiFeM层231a更靠近非磁性材料层22侧，因此能够通过GMR效应稳定地确保自旋相关散射大的区域。作为导电性铁磁性层232a的具体例，举出由90CoFe(Co90Fe10)等CoFe类合金构成的层(CoFe层)。根据通过GMR效应来更稳定地确保自旋相关扩散大的区域的观点，优选导电性铁磁性层232a位于与非磁性材料层22相接的位置。在像这样的具有导电性铁磁性层232a的情况下，根据降低分流损耗的观点，优选NiFeM层231a由电阻率较高的材料组成。根据该观点，还优选构成NiFeM层231a中的M的元素由Nb组成，即，NiFeM层231a由NiFeNb构成。
此处，如下所述，根据减小外部应力对磁传感器1产生的影响的观点，优选导电性铁磁性层232a含有面心立方(fcc)结构的CoFe类合金。对于CoFe类合金，上述的90CoFe(Co90Fe10)等在Co含量为80原子％以上的情况下fcc结构稳定。该fcc结构的CoFe类合金的磁致伸缩常数λs比bcc结构的CoFe类合金小(绝对值更小)。因此，在导电性铁磁性层232a主要含有fcc结构的CoFe类合金的情况下，即使第一磁阻效应元件GMR11从外部受到应力，也难以在自由磁性层23中显现磁致弹性各向异性(逆磁致伸缩效应)。若显现该逆磁致伸缩效应，则由于自由磁性层23的磁化方向容易基于外部应力而变化，因此第一磁阻效应元件GMR11的特性稳定性下降。结果，第一磁阻效应元件GMR11对外部磁场的灵敏度也下降。作为对第一磁阻效应元件GMR11施加外力的情况的具体例，举出用树脂模具来封装具有第一磁阻效应元件GMR11的芯片的情况。在导电性铁磁性层232a含有fcc结构的CoFe类合金的情况下，即使在封装工序中在对第一磁阻效应元件GMR11施加应力的条件下进行树脂成形，也难以产生因该应力导致特性的偏差变大的缺陷。
在导电性铁磁性层232a含有fcc结构的CoFe类合金的情况下，对导电性铁磁性层232a的具体组成、厚度进行适当设定使得自由磁性层23的磁致伸缩系数λs尽可能小即可。例如，在导电性铁磁性层232a由90CoFe(Co90Fe10)组成的情况下，可以在导电性铁磁性层232a的厚度为
Figure BDA0001975838000000103
以上/>
Figure BDA0001975838000000104
以下的范围内，优选/>
Figure BDA0001975838000000101
以上/>
Figure BDA0001975838000000102
以下的范围内，提高第一磁阻效应元件GMR11的阻抗变化率ΔR/R。此外，在导电性铁磁性层232a是由90CoFe(Co90Fe10)组成的下层(fcc结构)与由70CoFe(Co70Fe30)组成的上层(bcc结构)的层叠结构的情况下，当上层的厚度小于一定的膜厚时，由于70CoFe层在成膜时受到作为下层的90CoFe的影响而容易成为fcc结构，因此自由磁性层23的磁致伸缩系数λs小。然而，由于当上层的厚度大于一定的膜厚时，70CoFe(Co70Fe30)中稳定的bcc结构的成分多，因此自由磁性层23的磁致伸缩系数λs变大。这一点将在实施例中详细说明。
失配减小层23b是减小自由磁性层23相对于第一反铁磁性层24的晶格失配的层。本发明的一个实施方式的磁传感器1所具有的第一磁阻效应元件GMR11中，失配减小层23b被设置为与第一反铁磁性层24相接。
关于自由磁性层相对于第一反铁磁性层的晶格失配，若以构成自由磁性层的材料包括NiFe、构成第一反铁磁性层的材料为IrMn的情况为例进行说明，则在将包括NiFe的自由磁性层与由IrMn构成的第一反铁磁性层层叠的状态下测定X射线衍射光谱时，测定出基于自由磁性层的fcc(111)面的峰在51.5°左右具有顶点，并且测定出基于第一反铁磁性层的fcc(111)面的峰在48.5°左右具有顶点。基于这些测定结果，计算出构成第一反铁磁性层的IrMn的晶格面间隔为
Figure BDA0001975838000000111
构成自由磁性层的NiFe的晶格面间隔为/>
Figure BDA0001975838000000112
估计存在6％左右的晶格失配。
与此相对，在像第一磁阻效应元件GMR11这样，自由磁性层23具有失配减小层23b的情况下，若在将自由磁性层23与由IrMn组成的第一反铁磁性层24层叠的状态下测定X射线衍射光谱，则基于自由磁性层23的峰向低角度侧偏移，自由磁性层23与第一反铁磁性层24的晶格失配减小。在一具体例中，第一磁阻效应元件GMR11中，失配减小层23b构成为其晶格面间隔大于铁磁性层23a的晶格面间隔。由于失配减小层23b的晶格面间隔大于铁磁性层23a的晶格面间隔，因此认为具有失配减小层23b以及铁磁性层23a的自由磁性层23的晶格面间隔变大以便接近第一反铁磁性层24的晶格面间隔，自由磁性层23与第一反铁磁性层24的晶格失配减小。如此，在失配减小层23b的一具体例中，其fcc(111)面的晶格面间隔大于铁磁性层23a的fcc(111)面的晶格面间隔。
通过像这样地使自由磁性层23与第一反铁磁性层24的晶格失配减小，与晶格失配大的情况相比，具有第一磁阻效应元件GMR11的磁传感器1在被长时间保存在高温环境下的情况下也难以发生检测灵敏度下降的现象。
通过使自由磁性层23与第一反铁磁性层24的晶格失配减小，使得磁传感器1在被长时间保存在高温环境下的情况下也难以发生检测灵敏度下降的现象的理由在于，与第一反铁磁性层24的晶格的匹配性变高，导致第一反铁磁性层24中含有的原子难以运动，在被长时间保存在高温环境下的前后，交换耦合磁场的变动变小。
只要有助于减小自由磁性层23与第一反铁磁性层24的晶格失配，失配减小层23b的组成并无限定。如上所述，优选失配减小层23b含有原子半径比构成铁磁性层23a的材料大的材料。此外，失配减小层23b可以具有单层结构，也可以具有层叠结构。构成铁磁性层23a的材料是NiFe类材料(包括NiFeM)或CoFe类材料，在构成第一反铁磁性层24的材料是IrMn或PtMn的情况下，失配减小层23b可以具有如下的第一层，该第一层含有铁族元素(具体而言，举例示出Fe、Ni及Co)中的一种或两种以上以及铂族元素(具体而言，举例示出Pt、Pd、Rh、Ir、R以及Os)中的一种或两种以上。作为第一层的具体例，举出CoFePt、NiFePt等。Pt的fcc(111)面的晶格面间隔为
Figure BDA0001975838000000121
如上所述，在构成第一反铁磁性层24的材料为IrMn的情况下，第一反铁磁性层24的fcc(111)面的晶格面间隔为/>
Figure BDA0001975838000000122
左右。因此，在失配减小层23b具有同时存在Pt等铂族元素与铁族元素的第一层时，失配减小层23b的fcc(111)面的晶格面间隔随着其铂族元素的含量而变大，结果，自由磁性层23的fcc(111)面的晶格面间隔也变大。另外，在第一层为NiFeX(X为铂族元素中选出的一种或两种以上元素)的情况下由于阻抗温度系数较低，因此第一层具有作为失配减小层23b的功能，并且能够与铁磁性层23a的NiFeM层231a同样地有助于改善磁传感器1的偏移温度特性。
如上所述，只要能够使自由磁性层23的fcc(111)面的晶格面间隔变大，并且满足使自由磁性层23具有适当的磁特性的条件，具体而言，满足使自由磁性层23与第一反铁磁性层24之间适当地发生交换耦合的条件，那么第一层内的铁族元素的含量与铂族元素的含量的关系就没有限定。如后述的实施例所示，通过增大第一层内的铂族的含量，能够减小由第一层组成的自由磁性层23的fcc(111)面与由IrMn组成的第一反铁磁性层24的fcc(111)面的晶格失配。另一方面，存在第一层内的铂族元素的含量增大导致自由磁性层23的饱和磁化强度Ms(单位：T)下降的情况，在该情况下，若第一层的铂族元素的含量过度增大，则难以在自由磁性层23适当地产生交换耦合偏置。
只要有助于减小自由磁性层23与第一反铁磁性层24的晶格失配，失配减小层23b的厚度并无限制。考虑在失配减小层23b过薄的情况下难以减小自由磁性层23与第一反铁磁性层24的晶格失配，而在失配减小层23b过厚的情况下很可能难以在自由磁性层23适当地发生交换耦合偏置的情况，适当地设定即可。在构成铁磁性层23a的材料含有NiFe类材料(包括NiFeM)或CoFe类材料、构成第一反铁磁性层24的材料由IrMn或PtMn构成、并且失配减小层23b由CoFePt构成的情况下，优选失配减小层23b为
Figure BDA0001975838000000131
以上/>
Figure BDA0001975838000000132
以下。/>
构成保护层25的材料并无限定。举例示出Ta(钽)等。图2所示的第一磁阻效应元件GMR11中的自由磁性层23的磁化方向F表示初始磁化方向，自由磁性层23的磁化方向F是与固定磁性层21的固定磁化方向(第二磁性层21c的固定磁化方向)正交的方向。
在图3所示的第一磁阻效应元件GMR11中，第一反铁磁性层24在自由磁性层23的整个上表面成膜，但不限于此，也可以使第一反铁磁性层24在自由磁性层23的上表面不连续地形成。但是，由于第一反铁磁性层24在自由磁性层23的整个上表面形成的情况能够更适当地使整个自由磁性层23向一个方向单磁畴化，并且能够进一步降低磁滞，因此能够提高测定精度。
本发明的一个实施方式的磁传感器所具有的磁阻效应元件的制造方法并无限定。可以根据如下说明的方法，高效地制造本实施方式的磁传感器所具有的磁阻效应元件(第一磁阻效应元件GMR11)。
在基板29上隔着图3中未图示的绝缘层形成种子层20，并且在该种子层20上层叠具有防自钉扎结构的固定磁性层21。具体而言，如图3所示，依次层叠第一磁性层21a、非磁性中间层21b以及第二磁性层21c。各层的成膜方法并无限定。举出溅射为例。若通过一边施加磁场一边形成第一磁性层21a，并使第一磁性层21a沿着图2中的宽度方向D2磁化，则通过RKKY相互作用能够使第二磁性层21c沿与第一磁性层21a的磁化方向反向平行的方向强烈地磁化。如此，即使被磁化后的第二磁性层21c在之后的制造过程中被施加与自身的磁化方向不同的方向的磁场，也能够不受其影响而维持在沿宽度方向D2被磁化的状态。
然后，在固定磁性层21上层叠非磁性材料层22。非磁性材料层22的层叠方法并无限定，举出溅射作为具体例。
接下来，一边施加沿着长度方向D1的方向的磁场，一边在非磁性材料层22上依次层叠自由磁性层23(导电性铁磁性层232a、NiFeM层231a及失配减小层23b)、第一反铁磁性层24及保护层25。这些层的层叠方法并无限定，举出溅射作为具体例。通过像这样地在磁场中进行成膜，在沿着自由磁性层23的磁化方向的方向上与第一反铁磁性层24之间产生交换耦合偏置。需要说明的是，在这些层的成膜过程中，也对固定磁性层21施加磁场，但由于固定磁性层21具有基于RKKY相互作用的防自钉扎结构，因此该施加的磁场不会使得磁化方向发生变动。在自由磁性层23的失配减小层23b具有由CoFePt、NiFePt等铁族元素与铂族元素同时成膜而构成的第一层的情况下，能够通过调节铁族元素的成膜速度(举出溅射速率作为具体例)与铂族元素成膜速度(举出溅射速率作为具体例)，来调节第一层的合金组成。
此处，在使用IrMn类材料作为构成第一反铁磁性层24的材料的情况下，能够通过无需特殊的加热处理的磁场中成膜来使第一反铁磁性层24的交换耦合方向一致。因此，能够实现通过制造第一磁阻效应元件GMR11的整个工艺而不进行磁场中退火处理的工艺。通过如上所述将第一磁阻效应元件GMR11的制造工艺设置为磁场中无退火工艺，能够容易地在同一基板29上制造具有不同灵敏度轴(包括磁化方向相反的情况)的磁阻效应元件(第二磁阻效应元件GMR21、GMR22)。
如此，通过磁场中成膜来层叠自由磁性层23及第一反铁磁性层24，最后层叠保护层25。保护层25的层叠方法并无限定，举出溅射作为具体例。
对于通过以上的成膜工序得到的层叠结构体进行去除加工(磨削)，使多个长条图案12成为沿着宽度方向D2排列的状态。形成将这些多个长条图案12连接的导电部13以及与导电部13连接的连接端子14，得到具有图2所示的弯折形状的第一磁阻效应元件GMR11。
具有本发明的一个实施方式的磁阻效应元件的磁传感器可以适当地用作电流传感器。如图1所示，优选，该电流传感器使用4个磁阻效应元件(第一磁阻效应元件GMR11、GMR12以及第二磁阻效应元件GMR21、GMR22)，组成桥式电路来提高测定精度。由于本发明的一个实施方式的磁阻效应元件的制造方法在优选的一例中不包括磁场中退火处理，因此容易将多个磁阻效应元件制造在同一基板上。
作为本发明的一个实施方式的电流传感器的具体例，举出磁比例式电流传感器及磁平衡式电流传感器。
磁比例式电流传感器构成为至少具有一个本发明的一个实施方式的磁阻效应元件，并且具有磁场检测桥式电路，该磁场检测桥式电路具有可产生与来自被测定电流的感应磁场对应的电位差的两个输出。此外，在磁比例式电流传感器中，根据与感应磁场对应地从磁场检测桥式电路输出的电位差，来测定被测定电流。
磁平衡式电流传感器构成为至少具有一个本发明的一个实施方式的磁阻效应元件，并且具有磁场检测桥式电路与反馈线圈，该磁场检测桥式电路具有可产生与来自被测定电流的感应磁场对应的电位差的两个输出，该反馈线圈配置在磁阻效应元件的附近，并且产生用于抵消感应磁场的抵消磁场。此外，在磁平衡式电流传感器中，基于在处于根据电位差对反馈线圈通电从而使感应磁场与抵消磁场抵消的平衡状态时的反馈线圈中流过的电流，来测定被测定电流。
另外，本发明的一个实施方式的磁阻效应元件具有以下的结构1及结构2中的至少一种结构。
(结构1)一种磁阻效应元件，具有将固定磁性层与自由磁性层隔着非磁性材料层层叠而成的层叠结构，该磁阻效应元件在与自由磁性层的非磁性材料层相向一侧的相反侧具有第一反铁磁性层，该第一反铁磁性层能够在与自由磁性层之间产生交换耦合偏置从而使所述自由磁性层的磁化方向在能够进行磁化变动的状态下与规定方向一致，自由磁性层具有失配减小层和铁磁性层，该失配减小层以与第一反铁磁性层相接的方式设置来来减小所述自由磁性层相对于第一反铁磁性层的晶格失配，该铁磁性层设置在失配减小层的与第一反铁磁性层相向一侧的相反侧并且由强磁性材料构成，该铁磁性层具有NiFeM层(是由NiFeM构成的层，M由从Ta、Cr、Nb、Rh、Zr、Mo、Al、Au、Pd、Pt及Si中选出的一种或两种以上元素组成)。(结构2)一种磁阻效应元件，具有将固定磁性层与自由磁性层隔着非磁性材料层层叠而成的层叠结构，该磁阻效应元件在自由磁性层的与非磁性材料层相向一侧的相反侧具有第一反铁磁性层，该第一反铁磁性层能够在与自由磁性层之间产生交换耦合偏置从而使该自由磁性层的磁化方向在能够进行磁化变动的状态下与规定方向一致，自由磁性层具有第一层和铁磁性层，该第一层含有铁族元素中的一种或两种以上及铂族元素中的一种或两种以上并且设置为与第一反铁磁性层相接，该铁磁性层设置在第一层的与第一反铁磁性层相向一侧的相反侧并且由强磁性材料构成，该铁磁性层具有NiFeM层(是由NiFeM组成的层，M由从Ta、Cr、Nb、Rh、Zr、Mo、Al、Au、Pd、Pt及Si中选出的一种或两种以上元素组成)。
以上说明的实施方式是为了便于理解本发明而记载的，并非用来限定本发明。因此，上述实施方式中公开的各要素也包括属于本发明的技术范围内的全部设计变更或等同要素。
例如，图3所示的第一磁阻效应元件GMR11是以固定磁性层21位于自由磁性层23与基板29之间的方式层叠的结构，即所谓的底部钉扎(Bottom Pin)结构，但也可以是以自由磁性层位于固定磁性层与基板之间的方式层叠的结构，即所谓的顶部钉扎(Top Pin)结构。此外，第一磁阻效应元件GMR11中的固定磁性层21也可以具有反铁磁性层与铁磁性层的层叠结构来代替自钉扎结构，通过与反铁磁性层的交换耦合将铁磁性层向特定的方向(图3中为向左)磁化，来进行固定磁性层21的磁化。
实施例
下面，通过实施例等来更具体地对本发明进行说明，但本发明的范围并不限定于这些实施例等。
(实施例1)
在具有绝缘膜的基板29上获得由层叠膜构成的4.0μm×80μm的长条图案12，该层叠膜是通过从下至上按照如下的顺序将种子层20；NiFeCr(42)/固定磁性层21[第一磁性层21a；Co40Fe60(19)/非磁性中间层21b；Ru(3.6)/第二磁性层21c；Co90Fe10(24)]/非磁性材料层22；Cu(20.5)/自由磁性层23[铁磁性层23a；{导电性铁磁性层232a；Co90Fe10(18)/NiFeM层231a；Ni81.8Fe13.4Nb4.8(60)}/失配减小层23b；Co54Fe6Pt40(10)]/第一反铁磁性层24；Ir22Mn78(60)/保护层25；Ta(100)层叠而得到的。括号内的数值表示层厚，单位为
Figure BDA0001975838000000161
由于长条图案12所具有的失配减小层23b也是含有铁族元素中的一种或两种以上(具体而言是Co及Fe)以及铂族元素中的一种或两种以上(具体而言是Pt)的层，因此也位于第一层。制造出4个磁阻效应元件(第一磁阻效应元件GMR11、GMR12以及第二磁阻效应元件GMR21、GMR22)，该磁阻效应元件具有9个该长条图案12的弯折形状。制造出具有这4个磁阻效应元件、并且具有图1所示的全桥结构的磁传感器1。另外，按照如下的方式来制造出各磁阻效应元件的弯折形状。首先，在基板29上同样形成上述的层叠膜，通过利用剥离(Lift Off)法等对该层叠膜进行图案蚀刻从而在基板29上形成多个长条图案12。然后，用导电性材料将端部连接，以使相邻的长条图案12串联连接，由此得到弯折形状。
(实施例2)
在具有绝缘膜的基板29上，从下至上按照如下的顺序将种子层20；NiFeCr(42)/固定磁性层21[第一磁性层21a；Co40Fe60(19)/非磁性中间层21b；Ru(3.6)/第二磁性层21c；Co90Fe10(24)]/非磁性材料层22；Cu(20.5)/自由磁性层23[铁磁性层23a；{导电性铁磁性层232a；Co90Fe10(10)/Ni82.5Fe17.5(10)/NiFeM层231a；Ni81.8Fe13.4Nb4.8(60)}/失配减小层23b；Co54Fe6Pt40(10)]/第一反铁磁性层24；Ir22Mn78(60)/保护层25；Ta(100)层叠而得到长条图案12。括号内的数值表示层厚，单位为
Figure BDA0001975838000000172
由于长条图案12所具有的失配减小层23b也是含有铁族元素中的一种或两种以上(具体而言是Co及Fe)以及铂族元素中的一种或两种以上(具体而言是Pt)的层，因此也位于第一层。制造出4个磁阻效应元件(第一磁阻效应元件GMR11、GMR12以及第二磁阻效应元件GMR21、GMR22)，该磁阻效应元件具有9个该长条图案12的弯折形状。制造出具有这4个磁阻效应元件并且具有图1所示的全桥结构的磁传感器1。
(比较例1)
在具有绝缘膜的基板上，从下至上按照如下的顺序将种子层；NiFeCr(42)/固定磁性层[第一磁性层；Co40Fe60(19)/非磁性中间层；Ru(3.6)/第二磁性层；Co90Fe10(24)]/非磁性材料层；Cu(20.5)/自由磁性层[铁磁性层；{Co90Fe10(10)/Ni82.5Fe17.5(60)}/失配减小层；Co54Fe6Pt40(10)]/第一反铁磁性层；Ir22Mn78(60)/保护层25；Ta(100)层叠而得到长条图案。括号内的数值表示层厚，单位为
Figure BDA0001975838000000171
由于长条图案所具有的失配减小层也是含有铁族元素中的一种或两种以上(具体而言是Ni及Fe)以及铂族元素中的一种或两种以上(具体而言是Pt)的层，因此也位于第一层。制造出4个磁阻效应元件，该磁阻效应元件具有9个该长条图案的弯折形状。制造出具有这4个磁阻效应元件并且具有图1所示的全桥结构的磁传感器。
(比较例2)
在具有绝缘膜的基板上，从下至上按照如下的顺序将种子层；NiFeCr(42)/固定磁性层[第一磁性层；Co40Fe60(19)/非磁性中间层；Ru(3.6)/第二磁性层；Co90Fe10(24)]/非磁性材料层；Cu(20.5)/自由磁性层[Co90Fe10(10)/Ni82.5Fe17.5(70)]/反铁磁性层；Ir22Mn78(80)/保护层；Ta(100)层叠而得到长条图案。括号内的数值表示层厚，单位为
Figure BDA0001975838000000181
制造出4个磁阻效应元件，该磁阻效应元件具有9个该长条图案的弯折形状。制造出具有这4个磁阻效应元件并且具有图1所示的全桥结构的磁传感器。
(磁传感器的特性评价)
对于通过实施例1和2以及比较例1和2制作的磁传感器进行了下面的测定。
首先，测定了环境温度为25℃的情况下和85℃的情况下交换耦合偏置的大小(单位：Oe)。其结果如表1所示。
测定了将输入端子Vdd的电压设为3V，将测定磁场设为±2mT的情况下的比例灵敏度(单位：mV/mT)(环境温度：25℃)。其结果如表1所示。
一边使环境温度在25℃至85℃的范围内变化，一边测定上述的比例灵敏度，并且测定了比例灵敏度温度特性(ppm/℃)。其结果如表1所示。
通过将环境温度设为150℃并保持1000小时，测定了与保存前的状态相比，比例灵敏度变化了何种程度(比例灵敏度漂移，单位：％)。其结果如表1所示。
使外部施加磁场变化而得到磁滞回线(Hysteresis Loop)，测定了不能维持外部施加磁场与输出的线性的输出范围占输出的整个范围的比例(线性，单位：％/F.S.)。其结果如表1所示。
测定了上述的磁滞回线中的外部施加磁场为零时的磁滞占输出的全部磁滞的比例(零磁场磁滞，单位：％/F.S.)。结果如表1所示。
对于各磁传感器所具有的磁阻效应元件，测定了元件阻抗(单位：Ω)以及阻抗温度系数(TCR，单位：ppm/℃)。这些结果如表1所示。
[表1]
实施例1 实施例2 比较例1 比较例2
比例灵敏度(mV/mT) 15.7 16.0 14.0 14.0
比例灵敏度温度特性(ppm/℃) -430 -500 -550 -420
比例灵敏度漂移(％) -0.6 -0.6 -0.6 -3.5
线性(％/F.S.) 0.41 0.38 0.43 0.55
零磁场磁滞(％/F.S.) 0.25 0.26 0.24 0.42
元件电阻(Ω) 2860 2820 2180 2100
TCR(ppm/℃) 1030 1060 1800 1810
由于比较例1的磁传感器中，该磁传感器所具有的磁阻效应元件具有失配减小层，因此与比较例2的磁传感器相比，改善了比例灵敏度漂移。实施例的磁传感器也与比较例1的磁传感器同样，与比较例2的磁传感器相比改善了比例灵敏度漂移。由于实施例的磁传感器所具有的磁阻效应元件的自由磁性层具有NiFeM层(具体而言M为Nb)，因此与比较例的磁传感器所具有的磁阻效应元件相比，元件阻抗增大并且TCR下降。
(偏移温度特性的测定)
分别制造10张实施例1的磁传感器及比较例1的磁传感器的晶片，测定了不施加外部磁场的状态下的传感器输出Vout的值的温度特性(偏移温度特性，环境温度范围：25℃～85℃，单位：μV/℃)。测定结果(平均值及3σ值)如表2及图4所示。
[表2]
比较例1 实施例1
平均值(μV/℃) 4.1 0.6
3σ(μV/℃) 5.8 3.9
如表2以及图4所示，与比较例1的磁传感器相比，本发明的实施例1的磁传感器的偏移温度特性的值更接近0μV/℃。因此，可以确认即使环境温度发生了变化，本发明的磁传感器也难以发生偏移，测定精度优越。
(实施例2)
在具有绝缘膜的基板29上从下至上将种子层20；NiFeCr(42)/固定磁性层21[第一磁性层21a；Co40Fe60(19)/非磁性中间层21b；Ru(3.6)/第二磁性层21c；Co90Fe10(24)]/非磁性材料层22；Cu(20.5)/自由磁性层23[铁磁性层23a；{导电性铁磁性层232a；Co90Fe10(X)/NiFeM层231a；Ni81.8Fe13.4Nb4.8(40)}/失配减小层23b；Co54Fe6Pt40(10)]/第一反铁磁性层24；Ir22Mn78(60)/保护层25；Ta(100)顺次层叠而得到4.0μm×80μm的长条图案12。括号内的数值表示层厚，单位为
Figure BDA0001975838000000201
导电性铁磁性层232a的厚度X(单位：/>
Figure BDA0001975838000000202
)在/>
Figure BDA0001975838000000203
至/>
Figure BDA0001975838000000204
的范围内，每隔/>
Figure BDA0001975838000000205
设定了多个值(实施例2-1至实施例2-9)。由于这些长条图案12所具有的失配减小层23b也是含有铁族元素中的一种或两种以上(具体而言是Co及Fe)以及铂族元素中的一种或两种以上(具体而言是Pt)的层，因此也位于第一层。制造出具有9个该长条图案12的弯折形状的第一磁阻效应元件GMR11。
测定了制造出的第一磁阻效应元件GMR11的阻抗变化率ΔR/Rmin(单位：％)。测定结果如表3及图5所示。
[表3]
Figure BDA0001975838000000206
如表3以及图5所示，在导电性铁磁性层232a由Co90Fe10组成的情况下，稳定地实现了其厚度为
Figure BDA0001975838000000207
以上/>
Figure BDA0001975838000000208
以下时第一磁阻效应元件GMR11的阻抗变化率ΔR/Rmin为8％以上。导电性铁磁性层232a的厚度为/>
Figure BDA0001975838000000209
以上/>
Figure BDA00019758380000002010
以下时稳定地实现了使磁阻效应元件的阻抗变化率ΔR/Rmin为8.5％以上。
(实施例3)
在具有绝缘膜的基板29上，从下至上按照如下的顺序将种子层20；NiFeCr(42)/固定磁性层21[第一磁性层21a；Co40Fe60(19)/非磁性中间层21b；Ru(3.6)/第二磁性层21c；Co90Fe10(24)]/非磁性材料层22；Cu(20.5)/自由磁性层23[铁磁性层23a；{导电性铁磁性层232a；(Co90Fe10(25-X)/Co70Fe30(X))/NiFeM层231a；Ni81.8Fe12.4Nb4.8(40)}/失配减小层23b；Co54Fe6Pt40(10)]/第一反铁磁性层24；Ir22Mn78(60)/保护层25；Ta(100)层叠而得到具有磁阻效应的层叠膜。括号内的数值表示层厚，单位为
Figure BDA0001975838000000216
导电性铁磁性层232a的整体厚度为
Figure BDA0001975838000000215
上由Co90Fe10组成的下层与由Co70Fe30组成的上层的层叠结构(除了实施例3-1及实施例3-9)，由Co70Fe30组成的上层的厚度X(单位：/>
Figure BDA0001975838000000212
)在/>
Figure BDA0001975838000000213
至/>
Figure BDA0001975838000000214
的范围内设定了不同的多个值(实施例3-1至实施例3-9)。
对于得到的层叠膜在原本的状态下，即，在与实施例1和实施例2以及比较例1和比较例2不同的不成为弯折形状的状态下，测定了自由磁性层23的磁致伸缩系数λs(单位：ppm)。测定结果如表4以及图6所示。
[表4]
Figure BDA0001975838000000211
如表4以及图6所示，在由Co70Fe30组成的上层的厚度在
Figure BDA0001975838000000217
至/>
Figure BDA0001975838000000218
的范围内，即，由Co90Fe10组成的下层的厚度在/>
Figure BDA00019758380000002110
至/>
Figure BDA0001975838000000219
的范围内的情况下，结果导电性铁磁性层232a的磁致伸缩特性主要受到由Co90Fe10组成的下层的影响，自由磁性层23的磁致伸缩系数λs变小。具体而言，由Co90Fe10组成的下层在/>
Figure BDA00019758380000002112
至/>
Figure BDA00019758380000002111
的范围内磁致伸缩系数λs的绝对值小于2.5ppm。与此相对，在由Co70Fe30组成的上层的厚度为/>
Figure BDA0001975838000000221
以上的情况下，导电性铁磁性层232a的磁致伸缩特性主要受到该上层的影响，磁致伸缩系数λs随着上层的厚度而大幅变动，在导电性铁磁性层232a由Co70Fe30组成的情况下，磁致伸缩系数λs增大至6ppm。认为这是因为由Co70Fe30组成的上层因本来的bcc结构而稳定，而在该上层的厚度为/>
Figure BDA0001975838000000222
以上的情况下bcc结构的成分增加。反之，认为若由Co70Fe30组成的上层比/>
Figure BDA0001975838000000223
薄，则由于由Co90Fe10组成的下层为fcc结构，主要受到该下层的影响，由Co70Fe30组成的上层中fcc结构增加使得磁致伸缩系数λs变小。如此，可以确认能够通过提高导电性铁磁性层232a中的fcc结构的CoFe类合金的含有比例使得自由磁性层23的磁致伸缩系数λs变小。
(实施例4-1)
在具有绝缘膜的基板29上从下至上将种子层20；NiFeCr(42)/固定磁性层21[第一磁性层21a；Co40Fe60(19)/非磁性中间层21b；Ru(3.6)/第二磁性层21c；Co90Fe10(24)]/非磁性材料层22；Cu(20.5)/自由磁性层23[铁磁性层23a；{导电性铁磁性层232a；(Co90Fe10(13)/Co70Fe30(12))/NiFeM层231a；Ni81.8Fe13.4Nb4.8(40)}/失配减小层23b；Co54Fe6Pt40(10)]/第一反铁磁性层24；Ir22Mn78(60)/保护层25；Ta(100)顺次层叠而得到4.0μm×80μm的长条图案12。括号内的数值表示层厚，单位为
Figure BDA0001975838000000224
由于长条图案12所具有的失配减小层23b也是含有铁族元素中的一种或两种以上(具体而言上Co及Fe)以及铂族元素中的一种或两种以上(具体而言上是Pt)的层，因此也位于第一层。制造了4个磁阻效应元件(第一磁阻效应元件GMR11、GMR12以及第二磁阻效应元件GMR21、GMR22)，该磁阻效应元件具有9个该长条图案12的弯折形状。制造了具有这4个磁阻效应元件并且具有图1所示的全桥结构的磁传感器1。通过将得到的磁传感器1用成形用树脂封装来制造了模制封装。/>
(实施例4-2)
除了导电性铁磁性层232a构成为由Co90Fe10组成的
Figure BDA0001975838000000225
的厚度的层以外与实施例4-1相同，制造了磁阻效应元件，并且使用这些磁阻效应元件与实施例4-1同样地制造出模制封装。
对于制造出的各实施例的模制封装的上下表面施加1.5MPa(8kgf)的压力。在施加压力前后测定了磁传感器1的零磁场的偏移电压(单位：mV)的变动量。测定结果如表5所示。此外，另外准备与上述的磁阻效应元件具有相同膜结构的层叠膜，在该层叠膜的状态(即，不成为弯折形状的状态)下测定了磁致伸缩系数λs。
[表5]
Figure BDA0001975838000000231
如表5所示，在自由磁性层23的磁致伸缩系数λs小的实施例4-1的模制封装的磁传感器1中，偏置电压的变动量小。与此相对，可以确认在自由磁性层23的磁致伸缩系数λs比实施例4-1大的实施例4-2的模制封装的磁传感器1中，偏移电压的变动量变大。
工业实用性
具有本发明的一个实施方式的磁阻效应元件的磁传感器优选作为如下的电流传感器的构成要素来使用，该电流传感器可使用在柱状变压器等的基础设施关联设备，电动汽车、混合动力汽车等的运输设备等中。
附图标记说明
1 磁传感器
GMR11、12 第一磁阻效应元件
GMR21、22 第二磁阻效应元件
31 全桥电路
32 第一半桥电路
33 第二半桥电路
Vdd 输入端子
V1 第一中点电位
V2 第二中点电位
Vout 传感器输出
40 差动放大器
12 长条图案
13 导电部
14 连接端子
D1 长度方向
D2 宽度方向
20 种子层
21 固定磁性层
21a 第一磁性层
21b 非磁性中间层
21c 第二磁性层
22 非磁性材料层
23 自由磁性层
23a 铁磁性层
231a NiFeM层
232a 导电性铁磁性层
23b 失配减小层
24 第一反铁磁性层
25 保护层
29 基板
F 磁化方向

Claims (10)

1.一种磁传感器，所述磁传感器具备磁阻效应元件，所述磁阻效应元件在特定方向上具有灵敏度轴，其中，
所述磁阻效应元件在基板上具有将固定磁性层与自由磁性层隔着非磁性材料层层叠而成的层叠结构，
所述磁阻效应元件在所述自由磁性层的与所述非磁性材料层相向一侧的相反侧具有第一反铁磁性层，所述第一反铁磁性层能够在与所述自由磁性层之间产生交换耦合偏置从而使所述自由磁性层的磁化方向在能够进行磁化变动的状态下与规定方向一致，
所述自由磁性层具有失配减小层和铁磁性层，所述失配减小层以与所述第一反铁磁性层相接的方式设置来减小所述自由磁性层相对于所述第一反铁磁性层的晶格失配，所述铁磁性层设置在所述失配减小层的与所述第一反铁磁性层相向一侧的相反侧并且由强磁性材料构成，
所述铁磁性层具有由CoFe层构成的导电性铁磁性层以及与CoFe相比阻抗温度系数低的NiFeNb层，所述导电性铁磁性层比所述NiFeNb层更靠近所述非磁性材料层侧，并且所述导电性铁磁性层的电阻率比所述NiFeNb层的电阻率低。
2.根据权利要求1所述的磁传感器，其中，
所述失配减小层和所述铁磁性层具有面心立方(fcc)结构，所述失配减小层的fcc(111)面中的晶格面间隔大于所述铁磁性层的fcc(111)面中的晶格面间隔。
3.根据权利要求1或2所述的磁传感器，其中，
所述失配减小层含有铁族元素中的一种或两种以上以及铂族元素中的一种或两种以上。
4.一种磁传感器，所述磁传感器具备磁阻效应元件，所述磁阻效应元件在特定方向上具有灵敏度轴，其中，
所述磁阻效应元件在基板上具有将固定磁性层与自由磁性层隔着非磁性材料层层叠而成的层叠结构，
所述磁阻效应元件在所述自由磁性层的与所述非磁性材料层相向一侧的相反侧具有第一反铁磁性层，所述第一反铁磁性层能够在与所述自由磁性层之间产生交换耦合偏置从而使所述自由磁性层的磁化方向在能够进行磁化变动的状态下与规定方向一致，
所述自由磁性层具有第一层和铁磁性层，所述第一层含有铁族元素中的一种或两种以上以及铂族元素中的一种或两种以上，并且以与所述第一反铁磁性层相接的方式设置，所述铁磁性层设置在所述第一层的与所述第一反铁磁性层相向一侧的相反侧并且由强磁性材料构成，
所述铁磁性层具有由CoFe层构成的导电性铁磁性层以及与CoFe相比阻抗温度系数低的NiFeNb层，所述导电性铁磁性层比所述NiFeNb层更靠近所述非磁性材料层侧，并且所述导电性铁磁性层的电阻率比所述NiFeNb层的电阻率低。
5.根据权利要求1或4所述的磁传感器，其中，
所述第一反铁磁性层含有铂族元素和Mn。
6.根据权利要求1或4所述的磁传感器，其中，
所述第一反铁磁性层由IrMn和PtMn中的至少一者形成。
7.根据权利要求1或4所述的磁传感器，其中，
所述导电性铁磁性层与所述非磁性材料层相接。
8.根据权利要求1或4所述的磁传感器，其中，
所述导电性铁磁性层含有面心立方结构的CoFe类合金。
9.根据权利要求8所述的磁传感器，其中，
所述导电性铁磁性层由面心立方结构的CoFe类合金构成，所述导电性铁磁性层的厚度为
Figure FDA0004057061740000021
以上/>
Figure FDA0004057061740000022
以下。
10.一种电流传感器，其中，
具有权利要求1～9中任一项所述的磁传感器。
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