JP2004093576A - 磁気センサ - Google Patents

Abstract

【課題】　単一チップ上に、互いに交差する向きの固定磁化軸を有するピンド層を備えた複数の磁気抵抗効果素子を形成すること。
【解決手段】　基板１０上には磁気抵抗効果素子として二つの磁気トンネル効果素子１１，２１となる磁性層が形成され、同磁性層を平面視において挟むようにＮｉＣоからなる磁場印加用磁性層が形成される。そして、磁場印加用磁性層に対し磁場を印加し、同磁場印加用磁性層を矢印Ａにより示した方向に磁化した後、同磁場を除去する。この結果、磁気トンネル効果素子１１，２１となる磁性層には磁場印加用磁性層の残留磁化により矢印Ｂにより示した方向の磁場が印加され、同磁気トンネル効果素子１１，２１となる磁性層のピンド層の磁化が同矢印Ｂにより示した向きにピンされる。
【選択図】　図１３

Description

　本発明は、ピンド層とフリー層とを含んでなる磁気抵抗効果素子を用いた磁気センサに関し、特に、前記ピンド層の磁化の向きが互いに交差する二以上の磁気抵抗効果素子を単一チップ上に有する磁気センサに関する。

　従来から、磁気センサに使用され得る素子として、巨大磁気抵抗素子（ＧＭＲ素子）、及び磁気トンネル効果素子（ＴＭＲ素子）等が知られている。これらの磁気抵抗効果素子は、磁化の向きが所定の向きにピン（固定）されたピンド層と、磁化の向きが外部磁界に応じて変化するフリー層とを備えていて、ピンド層の磁化の向きとフリー層の磁化の向きの相対関係に応じた抵抗値を呈する（例えば、特許文献１参照。）。
特開平１０−７０３２５号公報

　しかしながら、ピンド層の磁化の向きが互いに交差する二以上の磁気抵抗効果素子を微小な単一チップ上に形成することは困難であり、そのような単一チップは提案されておらず、従って、磁気抵抗効果素子を用いた単一チップからなる磁気センサは、ピンド層の磁化の向きの制約のために、その応用範囲を広くできないという問題があった。

　本発明の特徴は、ピンド層とフリー層とを含み同ピンド層の磁化の向きと同フリー層の磁化の向きがなす相対角度に応じて抵抗値が変化する磁気抵抗効果素子を備えた磁気センサであって、前記磁気抵抗効果素子を単一チップ上に複数個備えるとともに、同複数の磁気抵抗効果素子のうち少なくとも二つの磁気抵抗効果素子のピンド層の磁化の向きが互いに交差するように形成されてなることにある。

　本発明の他の特徴は、ピンド層とフリー層とを含み同ピンド層の磁化の向きと同フリー層の磁化の向きがなす相対角度に応じて抵抗値が変化する磁気抵抗効果素子を備えた磁気センサであって、一つの基板が切断されることにより形成された単一チップ上に前記磁気抵抗効果素子を複数個備えるとともに、同複数の磁気抵抗効果素子のうち少なくとも二つの磁気抵抗効果素子のピンド層の磁化の向きが互いに交差するように形成されてなることにある。

　このように、本発明の磁気センサによれば、ピンド層の磁化の向きが互いに交差する磁気抵抗効果素子が同一チップ上に形成されているので、小型で且つ応用範囲の広い磁気センサが提供される。

　この場合、前記単一チップに前記複数の磁気抵抗効果素子に磁界を付与するためのコイルが埋設されていてもよい。また、前記単一チップに前記複数の磁気抵抗効果素子を接続する配線が形成されていてもよい。更に、前記単一チップの上に複数のパッドが設けられるとともに同単一チップに前記複数の磁気抵抗効果素子と同複数のパッドとを接続する配線が形成されていてもよい。

　以下、本発明による磁気センサの各実施形態について図面を参照しながら説明する。第１実施形態に係る磁気センサは、平面図である図１に示したように、例えばＳｉＯ2／Ｓｉ、ガラス又は石英からなる略正方形状の基板１０と、二つの磁気トンネル効果素子（群）１１，２１と、バイアス磁界用のコイル３０と、複数の電極パッド４０ａ〜４０ｆとを備えている。磁気トンネル効果素子（群）１１，２１、及びバイアス磁界用のコイル３０は、それぞれ電極パッド４０ａ，４０ｂ、４０ｃ，４０ｄ、及び４０ｅ，４０ｆに接続されている。磁気トンネル効果素子（群）１１と磁気トンネル効果素子（群）２１は構造上同一であるので、以下においては、磁気トンネル効果素子（群）１１を代表例として説明し、磁気トンネル効果素子（群）２１についての説明を省略する。

　磁気トンネル効果素子（群）１１は、拡大平面図である図２に示したように、直列接続された複数の（この例では、２０個）の磁気トンネル効果素子からなっている。各磁気トンネル効果素子は、図２の１−１平面に沿った部分断面図である図３に示したように、基板１０の上に平面形状を長方形状にした複数の下部電極１２を備えている。下部電極１２は、横方向に所定の間隔を隔てて一列に配置されていて、導電性非磁性金属材料であるＴａ（Ｃｒ，Ｔｉでも良い。）により膜厚３０ｎｍ程度に形成されている。各下部電極１２の上には、同下部電極１２と同一平面形状に形成され、膜厚３０ｎｍ程度のＰｔＭｎからなる反強磁性膜１３がそれぞれ積層されている。

　各反強磁性膜１３の上には、膜厚２０ｎｍ程度のＮｉＦｅからなる一対の強磁性膜１４，１４が間隔を隔てて積層されている。この強磁性膜１４，１４は、平面視において長方形状を有し、各長辺が平行に対向されるように配置されていて、反強磁性膜１３により磁化の向きがピンされたピンド層を構成するものであり、部分拡大平面図である図４の矢印方向（右向き）に磁化されている。なお、反強磁性膜１３と強磁性膜（ピンド層）１４は、磁化の向きが実質的に固定された（固定磁化軸を有する）固定磁化層を構成している。

　各強磁性膜１４の上には、同強磁性膜１４と同一平面形状を有する絶縁層１５が形成されている。この絶縁層１５は、絶縁材料であるＡｌ2Ｏ3（Ａｌ−Ｏ）からなり、その膜厚は１ｎｍ程度となるように形成されている。

　絶縁層１５の上には、同絶縁層１５と同一平面形状を有し、膜厚８０ｎｍ程度のＮｉＦｅからなる強磁性膜１６が形成されている。この強磁性膜１６は、その磁化の向きが外部磁界の向きに応じて変化するフリー層（自由磁化層）を構成し、前記強磁性膜１４からなるピンド層と前記絶縁層１５とともに磁気トンネル接合構造を形成している。即ち、反強磁性膜１３、強磁性膜１４、絶縁層１５、及び強磁性膜１６により、一つの磁気トンネル効果素子（電極等を除く）が構成される。

　各強磁性膜１６の上には、同各強磁性膜１６と同一平面形状のダミー膜１７がそれぞれ形成されている。このダミー膜１７は、膜厚４０ｎｍ程度のＴａ膜からなる導電性非磁性金属材料により構成されている。

　基板１０、下部電極１２、反強磁性膜１３、強磁性膜１４、絶縁層１５、強磁性膜１６、及びダミー膜１７を覆う領域には、複数の下部電極１２及び反強磁性膜１３をそれぞれ絶縁分離するとともに、各反強磁性膜１３上に設けた一対の強磁性膜１４、絶縁層１５、強磁性膜１６及びダミー膜１７をそれぞれ絶縁分離するための層間絶縁層１８が設けられている。層間絶縁層１８はＳｉＯ2からなり、その膜厚は２５０ｎｍ程度である。

　この層間絶縁層１８には、各ダミー膜１７上にてコンタクトホール１８ａがそれぞれ形成されている。このコンタクトホール１８ａを埋設するとともに、異なる下部電極１２（及び反強磁性膜１３）上に設けた一対のダミー膜１７，１７の各一方間を互いに電気的に接続するように、例えば膜厚３００ｎｍのＡｌからなる上部電極１９，１９がそれぞれ形成されている。このように、下部電極１２及び反強磁性膜１３と、上部電極１９とにより、隣り合う一対の磁気トンネル接合構造の各強磁性膜１６，１６（各ダミー膜１７，１７）と各反強磁性膜１３，１３とをそれぞれ交互に順次電気的に接続することで、ピンド層の磁化の向きが同一であって、且つ、複数の磁気トンネル接合構造を直列に接続した磁気トンネル効果素子（群）１１が形成される。なお、上部電極１９，１９の上には図示を省略したＳｉＯ及びＳｉＮからなる保護膜が形成されている。

　コイル３０は、上記磁気トンネル効果素子（群）１１，２１に交流のバイアス磁界を付与するためのものであって、磁気トンネル効果素子（群）１１，２１の下方を同磁気トンネル効果素子（群）１１，２１のピンド層の磁化の向きと平行な向きに延びるように、基板１０の上部内に埋設されている。

　次に、上記磁気トンネル効果素子の製造方法について図５〜図１７を参照しながら説明する。なお、図５〜図１２及び図１４〜図１７においては、説明のため、４個の磁気トンネル効果素子が直列接続されてなる磁気トンネル効果素子群が示されている。また、これらの図においてはコイル３０が省略されている。

　先ず、図５に示したように、基板１０（この段階では、後のダイシングにより複数の磁気センサが得られる一枚の基板である。）の上に下部電極１２を構成するＴａからなる膜を膜厚３０ｎｍ程度にスパッタリングにより形成し、次いで固定磁化層の反強磁性膜１３及び強磁性膜（ピンド層）１４を構成するためのＰｔＭｎからなる膜及びＮｉＦｅからなる膜を、それぞれ膜厚が３０ｎｍ及び２０ｎｍとなるようにスパッタリングにより形成する。ここでは、下部電極１２、反強磁性膜１３となるＰｔＭｎ膜、及び強磁性膜１４となるＦｅＮｉ膜を下磁性層ＳＪと称呼する。

　その後、Ａｌを１ｎｍだけ積層し、酸素ガスによってこれを酸化させて絶縁層１５となるＡｌ2Ｏ3（Ａｌ−Ｏ）からなる膜を形成する。次いで、フリー層の強磁性膜１６を構成するＮｉＦｅからなる膜を例えばスパッタリングにより膜厚が８０ｎｍとなるように形成し、その上にダミー膜１７を構成するＴａからなる膜を膜厚が４０ｎｍとなるように形成する。ここでは、強磁性膜１６及びダミー膜１７を上磁性層ＵＪと称呼する。次いで、イオンミリング等により図６に示したように上磁化層ＵＪを加工して分離し、図７に示したように下磁性層ＳＪを加工して分離する。

　次に、図８に示したように、層間絶縁層１８を構成するＳｉＯ2からなる膜を膜厚が素子上で２５０ｎｍとなるようにスパッタリングによって形成し、その上にメッキ下地膜としてＣｒからなる膜及びＮｉＦｅからなる膜をそれぞれの膜厚が１００ｎｍおよび５０ｎｍとなるようにスパッタリングにより形成する。次に、図９に示したようにレジスト５１を塗布する。レジスト５１は後にメッキを行う部分を覆わないように、所定の形状にパターニングされる。

　次いで、図１０に示したように、磁場印加用磁性層としてＮｉＣｏをメッキする。このＮｉＣоの厚さは、例えば１０μｍとする。そして、図１１に示したようにレジストを除去した後、図１２に示したように全面に対するミリング（Ａｒミリング）により、メッキ下地膜として形成したＮｉＦｅを除去する。

　図１３は、かかる状態のウエハの平面図である。なお、図１３においては、後のダイシングにより分割される基板の各々に便宜上符号１０を付している。図１３に示したように、先のレジストのパターニングにより、磁場印加用磁性層（ＮｉＣо）は個々が略正方形状であって、その中心が隣り合う４個の後に個々に分割される基板１０の中心上となるように形成され、縦方向及び横方向において磁気トンネル効果素子（群）１１，２１の直上部を除くように（即ち、平面視において、ピンド層となる磁性層を含む下磁性層ＳＪ（ピン層となる磁性層）が形成された磁気トンネル効果素子（群）１１，２１となる層を挟むように）配設される。この状態で、各磁場印加用磁性層のなす正方形の対角線に平行な方向に約１０００（Ｏｅ）の強さの磁場を与え、同磁場印加用磁性層を図１３の矢印Ａにて示した向きに磁化（着磁）させる。

　次いで、上記磁場を除去する。このとき、磁場印加用磁性層の残留磁化により、図１３の矢印Ｂにて示したように、各磁場印加用磁性層の上辺から隣接する磁場印加用磁性層の下辺に向う磁場と、同各磁場印加用磁性層の右辺から隣接する磁場印加用磁性層の左辺に向う磁場が生じる。このため、磁気トンネル効果素子（群）１１，２１となる部分には、同部分の長手方向に平行な磁場が印加される。そして、ＰｔＭｎからなる反強磁性膜１３を規則合金化するとともに交換結合磁界Ｈｅｘを付与するため、ウエハを高温環境下に置く高温アニ−ル処理を施す。この結果、同一基板１０の上に形成される磁気トンネル効果素子（群）１１，２１が、互いに異なる向き（この場合には、互いに直交する向き）に磁化された（ピンされた）ピンド層を有するようになる。即ち、各磁気トンネル効果素子（群）１１，２１は、図１に矢印にて示した方向の磁化固定軸を有するようになる。

　次いで、図１４に示したように、メッキ膜であるＮｉＣｏ及びスパッタされた（メッキ下地膜の）ＮｉＦｅを酸により除去し、図１５に示したようにミリングによってＣｒを除去する。その後、図１６に示したようにコンタクトホール１８ａを層間絶縁層１８に形成し、図１７に示したようにＡｌ膜をその膜厚が３００ｎｍとなるようにスパッタリングにより形成し、これを配線形状に加工して上部電極１９を形成する。

　そして、基板１０の上に図１に示した電極パッド４０ａ〜４０ｆを形成して、同電極パッド４０ａ〜４０ｆを磁気トンネル効果素子（群）１１，２１、及びコイル３０とそれぞれ接続する。最後に、ＣＶＤにより１５０ｎｍの膜厚を有するＳｉＯからなる膜（図示省略）、及び１０００ｎｍの膜厚を有するＳｉＮからなる膜（図示省略）を保護膜（パッシベーション膜）として形成する。この後、保護膜の一部をミリング、ＲＩＥ、又はレジストマスクを用いたエッチングにより開孔し、電極パッド４０ａ〜４０ｆを露出させる。次いで、基板のバックグラウンド（研削して薄くする）を行い、ダイシングにより個々の磁気センサに分離し、最後にパッケージングを行う。

　このように製造された図１に示した磁気トンネル効果素子（群）１１に対し、図１のＸ軸方向と同Ｘ軸に直交するＹ軸方向のそれぞれの軸に沿って大きさが変化する外部磁界を与え、そのときの抵抗変化率ＭＲ（ＭＲ比）を測定した。その結果を図１８及び図１９に示す。図１８及び図１９から明らかなように、磁気トンネル効果素子（群）１１のＭＲ比は、Ｘ軸方向に変化する外部磁界に対する方が、Ｙ軸方向に変化する外部磁界に対するよりも大きく変化した。これにより、磁気トンネル効果素子（群）１１は、そのピンド層の磁化の向きがＸ軸に平行となっていることが確認された。

　同様に、図１に示した磁気トンネル効果素子（群）２１に対し、Ｘ軸方向とＹ軸方向のそれぞれの軸に沿って大きさが変化する外部磁界を与え、そのときの抵抗変化率ＭＲ（ＭＲ比）を測定した。その結果を図２０及び図２１に示す。図２０及び図２１から明らかなように、磁気トンネル効果素子（群）２１のＭＲ比は、Ｙ軸方向に変化する外部磁界に対する方が、Ｘ軸方向に変化する外部磁界に対するよりも大きく変化した。これにより、磁気トンネル効果素子（群）２１は、そのピンド層の磁化の向きがＹ軸に平行となっていることが確認された。即ち、この磁気センサは、同一基板１０上に磁化の向きが互いに異なるように（磁化の向きが互いに交差するように）ピンされたピンド層を有する二つの磁気トンネル効果素子（磁気抵抗効果素子）を有していることが確認された。

　次に、第２実施形態に係る磁気センサについて説明すると、第２実施形態は、第１実施形態の固定磁化層がＰｔＭｎとＮｉＦｅとから構成されていたのに対し、第２実施形態の固定磁化層が膜厚が３０ｎｍのＭｎＲｈからなる膜と膜厚が４０ｎｍのＮｉＦｅ（ピンド層）からなる膜とにより構成されている点においてのみ同第１実施形態と異なる。一方、この固定磁化層の材質の相違により、第２実施形態の製造方法は第１実施形態のそれと若干だけ異なるので、以下に説明する。

　即ち、第２実施形態においては、図２２に示したように、基板１０の上に３０ｎｍの膜厚を有するＴａからなる膜、３０ｎｍの膜厚を有するＭｎＲｈからなる膜、及び４０ｎｍの膜厚を有するＮｉＦｅからなる膜をスパッタリングにより形成し下磁性層ＳＪを形成する。次いで１ｎｍのＡｌを成膜してこれを酸化し、絶縁層１５を形成する。その上に４０ｎｍの膜厚を有するＮｉＦｅからなる膜及び４０ｎｍの膜厚を有するＴａからなる膜を形成して上磁性層ＵＪを形成する。

　次いで、図２３に示したように上磁化層ＵＪを加工して分離し、図２４に示したように下磁性層ＳＪを加工して分離する。次に、図２５に示したように、ＳｉＯ2をその膜厚が２５０ｎｍとなるようにスパッタリングして層間絶縁層１８を形成し、続いて図２６に示したように同層間絶縁層１８にコンタクトホール１８ａを形成する。次いで、図２７に示したようにＡｌをその膜厚が３００ｎｍとなるようにスパッタリングし、これを配線形状に加工して上部電極１９を形成する。そして、図２８に示したようにＳｉＯ及びＳｉＮからなる保護膜２０をＣＶＤにより形成する。

　次に、図２９に示したように、メッキ下地膜としてＣｒからなる膜及びＮｉＦｅからなる膜をそれぞれの膜厚が１００ｎｍおよび５０ｎｍとなるようにスパッタリングにより形成し、続いて図３０に示したようにレジスト５１を塗布する。レジスト５１は後にメッキを行う部分を覆わないように、所定の形状にパターニングされる。

　次いで、図３１に示したように、磁場印加用磁性層としてＮｉＣｏをメッキする。このＮｉＣоの厚さは、例えば１０μｍとする。そして、図３２に示したようにレジストを除去した後、図３３に示したように全面に対するミリング（Ａｒミリング）により、メッキ下地膜として形成したＮｉＦｅを除去する。この時点で、図１３に示した状態となるので、各磁場印加用磁性層のなす正方形の対角線に平行な方向に約１０００（Ｏｅ）の強さの磁場を与え、同磁場印加用磁性層を図１３の矢印Ａにて示した向きに磁化（着磁）させ、その後、同磁場を除去する。

　このとき、後に各磁気トンネル効果素子（群）１１´，２１´となる部分には、ＮｉＣоの残留磁化により、同部分の長手方向に平行な磁場が印加されることになる。そして、ウエハを高温環境下に置く高温アニ−ル処理を施す。この結果、同一基板１０´上に形成される磁気トンネル効果素子（群）１１´，２１´が、互いに異なる向き（この場合には、互いに直交する向き）に磁化された（ピンされた）ピンド層を有することになる。高温アニール処理が終了した後は、図３４に示したように酸によってメッキ膜ＮｉＣо及びメッキ下地膜のＮｉＦｅを除去し、図３５に示したようにミリングによってメッキ下地膜Ｃｒを除去する。その後は、第１実施形態と同様の処理を施す。

　このように製造された図１に示した磁気トンネル効果素子（群）１１´に対し、Ｘ軸方向とＹ軸方向のそれぞれの軸に沿って大きさが変化する外部磁界を与え、そのときの抵抗変化率ＭＲ（ＭＲ比）を測定した。その結果を図３６及び図３７に示す。図３６及び図３７から明らかなように、磁気トンネル効果素子（群）１１´のＭＲ比は、Ｘ軸方向に変化する外部磁界に対する方が、Ｙ軸方向に変化する外部磁界に対するよりも大きく変化した。これにより、磁気トンネル効果素子（群）１１´は、そのピンド層の磁化の向きがＸ軸に平行となっていることが確認された。

　同様に、図１に示した磁気トンネル効果素子（群）２１´に対し、Ｘ軸方向とＹ軸方向のそれぞれの軸に沿って大きさが変化する外部磁界を与え、そのときの抵抗変化率ＭＲ（ＭＲ比）を測定した。その結果を図３８及び図３９に示す。図３８及び図３９から明らかなように、磁気トンネル効果素子（群）２１´のＭＲ比は、Ｙ軸方向に変化する外部磁界に対する方が、Ｘ軸方向に変化する外部磁界に対するよりも大きく変化した。これにより、磁気トンネル効果素子（群）２１´は、そのピンド層の磁化の向きがＹ軸に平行となっていることが確認された。即ち、この第２実施形態に係る磁気センサは、同一基板１０´上に磁化の向きが互いに交差する（異なる）ようにピンされたピンド層を有する二つの磁気トンネル効果素子（磁気抵抗効果素子）を有していることが確認された。

　以上、説明したように、第１，第２実施形態の磁気センサはピンド層の磁化の向きが互いに交差する（少なくとも二つのピンド層の磁化の向きのなす角度が０°、及び１８０°以外の角度である）磁気トンネル効果素子を同一基板上（単一チップ上）に有している。このため、異なる向きの磁界を検出する必要がある小型磁気センサ（例えば、地磁気センサ等）として用いることができる。また、上記各実施形態の製造方法によれば、このようなセンサを容易に製造することができる。

　なお、第１実施形態では固定磁化層のピン層にＰｔＭｎを使用しているが、ＰｔＭｎは最初に高温とするタイミングでピンド層をピンさせる必要があるため、保護膜形成のためのＣＶＤ等の高温処理がなされる前の段階で高温アニール処理を行う。これに対し、第２実施形態では固定磁化層のピン層にＭｎＲｈを使用していて、ＭｎＲｈの膜質は高温アニール処理後に他の高温処理があると劣化する。そこで、第２実施形態においては、高温アニール処理を保護膜形成のためのＣＶＤ等の高温処理後に行うこととした。

　また、上記第１，第２実施形態の製造方法によれば、検出しようとする外部磁界に対して偶関数特性を示す磁気トンネル効果素子（群）を得ることができる。即ち、磁気トンネル効果素子群１１，２１，１１´，２１´に対してピンド層の磁化の向きと直交する方向内で大きさが変化する磁界を付与すると、同ピンド層の磁化は図４０のラインLPにより示したように滑らかに変化する。一方、これらの素子のフリー層は、形状異方性により前記外部磁界の向きに敏感に反応し、図４０のラインLFにより示したように外部磁界の大きさが「０」近傍となるとステップ的に変化する。この結果、ピンド層の磁化の向きとフリー層の磁化の向きの相対角度は、外部磁界が「０」のとき最大（略９０°）となり、外部磁界の大きさ（絶対値）が大きくなるほど減少する。このことは、図１９、図２０、図３７、及び図３８により確認できる。

　更に、図１３からも明らかなように、各磁場印加磁性層であるメッキ膜（ＮｉＣо）を同図１３中矢印Ａで示す一定の方向に磁化させた場合、同各メッキ膜の残留磁化により同各メッキ膜間に発生する磁場の向きは同メッキ膜の磁化の向きとは異なり、同図中矢印Ｂで示したように同メッキ膜Ｍの端面に垂直な向きとなる。従って、例えば、図４１に示したようにメッキ膜Ｍの端面形状を設計し同メッキ膜を矢印Ｃの向きに磁化すれば、ウエハ上の適宜の箇所に局所的に所望の向き（矢印Ｄにて示す向き）を有する磁場を発生させることができるので、これを利用して単一基板上に所望の向きの固定磁化軸を有する磁気トンネル効果素子（単一チップ上でピンド層の磁化の向きが互いに交差する磁気トンネル効果素子）TMR1，TMR2を製造することが可能となる。

　次に、本発明の第３実施形態に係る磁気センサについて説明すると、上記第１，第２実施形態の磁気センサはＴＭＲ素子により構成されていたのに対し、第３実施形態の磁気センサはＧＭＲ素子により構成されている。また、この磁気センサは、Ｘ軸方向の磁界を検出するＸ軸磁気センサと、前記Ｘ軸に直交するＹ軸方向の磁界を検出するＹ軸磁気センサとを備えている。

　より具体的に述べると、この磁気センサ６０は、図４２に示したように、平面視で互いに直交するＸ軸、及びＹ軸に沿った辺を有する長方形状（略正方形状）であって、Ｘ軸、及びＹ軸に直交するＺ軸方向に小さな厚みを有する石英ガラスからなる単一のチップ（同一基板）６０ａと、同チップ６０ａの上に形成された合計で８個のＧＭＲ素子６１〜６４，７１〜７４と、同チップ６０ａの上に形成された合計で８個のパッド６５〜６８，７５〜７８、及び各パッドと各素子とを接続する接続線を含んでいる。

　第１Ｘ軸ＧＭＲ素子６１は、チップ６０ａのＹ軸方向略中央部下方でＸ軸負方向端部近傍に形成されていて、図４２の矢印にて示したように、ピンド層のピンされた磁化の向きはＸ軸負方向となっている。第２Ｘ軸ＧＭＲ素子６２は、チップ６０ａのＹ軸方向略中央部上方でＸ軸負方向端部近傍に形成されていて、図４２の矢印にて示したように、ピンド層のピンされた磁化の向きはＸ軸負方向となっている。第３Ｘ軸ＧＭＲ素子６３は、チップ６０ａのＹ軸方向略中央部上方でＸ軸正方向端部近傍に形成されていて、図４２の矢印にて示したように、ピンド層のピンされた磁化の向きはＸ軸正方向となっている。第４Ｘ軸ＧＭＲ素子６４は、チップ６０ａのＹ軸方向略中央部下方でＸ軸正方向端部近傍に形成されていて、図４２の矢印にて示したように、ピンド層のピンされた磁化の向きはＸ軸正方向となっている。

　第１Ｙ軸ＧＭＲ素子７１は、チップ６０ａのＸ軸方向略中央部左方でＹ軸正方向端部近傍に形成されていて、図４２の矢印にて示したように、ピンド層のピンされた磁化の向きはＹ軸正方向となっている。第２Ｙ軸ＧＭＲ素子７２は、チップ６０ａのＸ軸方向略中央部右方でＹ軸正方向端部近傍に形成されていて、図４２の矢印にて示したように、ピンド層のピンされた磁化の向きはＹ軸正方向となっている。第３Ｙ軸ＧＭＲ素子７３は、チップ６０ａのＸ軸方向略中央部右方でＹ軸負方向端部近傍に形成されていて、図４２の矢印にて示したように、ピンド層のピンされた磁化の向きはＹ軸負方向となっている。第４Ｙ軸ＧＭＲ素子７４は、チップ６０ａのＸ軸方向略中央部左方でＹ軸負方向端部近傍に形成されていて、図４２の矢印にて示したように、ピンド層のピンされた磁化の向きはＹ軸負方向となっている。

　各ＧＭＲ素子６１〜６４，７１〜７４は、チップ６０ａにおける配置（チップ６０ａに対するピンド層のピンされた磁化の向き）が異なる点を除き、互いに実質的に同一の構造を備えている。従って、以下、第１Ｘ軸ＧＭＲ素子６１を代表例として、その構造について説明する。

　第１Ｘ軸ＧＭＲ素子６１は、平面図である図４３、及び、図４３の２−２線に沿った平面にて第１Ｘ軸ＧＭＲ素子６１を切断した概略断面図である図４４に示したように、スピンバルブ膜ＳＶからなりＹ軸方向に長手方向を有する複数の幅狭帯状部６１ａ…６１ａと、各幅狭帯状部６１ａのＹ軸方向両端部の下方に形成されたＣｏＣｒＰｔ等の硬質強磁性体であって、高保磁力、高角型比を有する材質からなるバイアス磁石膜（硬質強磁性体薄膜層）６１ｂ…６１ｂとを備えている。各幅狭帯状部６１ａ…６１ａは、各バイアス磁石膜６１ｂの上面にてＸ軸方向に伸びて隣接する幅狭帯状部６１ａと接合している。

　第１Ｘ軸ＧＭＲ素子６１のスピンバルブ膜ＳＶは、図４５に膜構成を示したように、基板であるチップ６０ａの上に順に積層されたフリー層（自由層、自由磁化層）Ｆ、膜厚が２．４ｎｍ（２４Å）のＣｕからなる導電性のスペーサ層Ｓ、ピン層（固着層、固定磁化層）Ｐ、及び膜厚が２．５ｎｍ（２５Å）のチタン（Ｔｉ）又はタンタル（Ｔａ）からなるキャッピング層Ｃからなっている。

　フリー層Ｆは、外部磁界の向きに応じて磁化の向きが変化する層であり、基板６０ａの直上に形成された膜厚が８ｎｍ（８０Å）のＣｏＺｒＮｂアモルファス磁性層６１−１と、ＣｏＺｒＮｂアモルファス磁性層６１−１の上に形成された膜厚が３．３ｎｍ（３３Å）のＮｉＦｅ磁性層６１−２と、ＮｉＦｅ磁性層６１−２の上に形成された１〜３ｎｍ（１０〜３０Å）程度の膜厚のＣｏＦｅ層６１−３とからなっている。ＣｏＺｒＮｂアモルファス磁性層６１−１とＮｉＦｅ磁性層６１−２は軟質強磁性体薄膜層を構成している。ＣｏＦｅ層６１−３はＮｉＦｅ層６１−２のＮｉ、及びスペーサ層ＳのＣｕ６１−４の拡散を防止するものである。なお、前述したバイアス磁石膜６１ｂ…６１ｂは、フリー層Ｆの一軸異方性を維持するため、同フリー層Ｆに対してＹ軸方向（図４３の矢印にて示した左右方向）にバイアス磁界を与えている。

　ピン層Ｐは、膜厚が２．２ｎｍ（２２Å）のＣｏＦｅ磁性層６１−５と、Ｐｔを４５〜５５ｍｏｌ％含むＰｔＭｎ合金から形成した膜厚が２４ｎｍ（２４０Å）の反強磁性膜６１−６とを重ね合わせたものである。ＣｏＦｅ磁性層６１−５は、着磁（磁化）された反強磁性膜６１−６に交換結合的に裏打されることにより磁化（磁化ベクトル）の向きがＸ軸負方向にピン（固着）されるピンド層を構成している。

　このように構成された第１Ｘ軸ＧＭＲ素子６１は、図４６の実線にて示したように、Ｘ軸に沿って変化する外部磁界に対し、−Ｈｃ〜＋Ｈｃの範囲において、同外部磁界に略比例して変化する抵抗値を呈し、図４６の破線にて示したように、Ｙ軸に沿って変化する外部磁界に対しては略一定の抵抗値を呈する。

　Ｘ軸磁気センサは、図４７に等価回路を示したように、第１〜第４Ｘ軸ＧＭＲ素子６１〜６４がフルブリッヂ接続されることにより構成されている。なお、図４７において、矢印は各ＧＭＲ素子６１〜６４の固着層のピンされた磁化の向きを示している。このような構成において、パッド６７、及びパッド６８は、それぞれ図示しない定電圧源の正極，負極に接続され、電位Ｖxin+（本例では５（Ｖ））と電位Ｖxin-（本例では０（Ｖ））が付与される。そして、パッド６５とパッド６６の電位がそれぞれ電位Ｖxout+と電位Ｖxout-として取り出され、その電位差（Ｖxout+ − Ｖxout-）がセンサ出力Ｖxoutとして取り出される。この結果、Ｘ軸磁気センサは、図４８の実線にて示したように、Ｘ軸に沿って変化する外部磁界に対し、−Ｈｃ〜＋Ｈｃの範囲において、同外部磁界に略比例して変化する出力電圧Ｖxoutを示し、図４８の破線にて示したように、Ｙ軸に沿って変化する外部磁界に対しては略「０」の出力電圧を示す。

　Ｙ軸磁気センサは、Ｘ軸磁気センサと同様に、第１〜第４Ｙ軸ＧＭＲ素子７１〜７４がフルブリッヂ接続されることにより構成されている。そして、パッド７７、及びパッド７８は、図示しない定電圧源の正極，負極に接続され、電位Ｖyin+（本例では５（Ｖ））と電位Ｖyin-（本例では０（Ｖ））が付与され、パッド７５とパッド７６の電位差がセンサ出力Ｖyoutとして取り出される。この結果、Ｙ軸磁気センサは、図４９の破線にて示したように、Ｙ軸に沿って変化する外部磁界に対し、−Ｈｃ〜＋Ｈｃの範囲において、同外部磁界に略比例して変化する出力電圧Ｖyoutを示し、図４９の実線にて示したように、Ｘ軸に沿って変化する外部磁界に対しては略「０」の出力電圧を示す。

　次に、上記のように構成される磁気センサ６０の製造方法について説明する。まず、平面図である図５０に示したように、長方形の石英ガラス６０ａ１の上に、上記スピンバルブ膜ＳＶと上記バイアス磁石膜６１ｂとからなり、後に個々のＧＭＲ素子を構成する膜Ｍを島状に複数形成する。この成膜は、超高真空装置を用いて精密な厚さに連続積層で行われる。これらの膜Ｍは、石英ガラス６０ａ１が後の切断工程により図５０の破線に沿って切断されて図４２に示した個々のチップ６０ａに分割されたとき、同図４２に示したＧＭＲ素子６１〜６４，７１〜７４の位置に配置されるように形成される。また、石英ガラス６０ａ１の四隅には、長方形から十字形を除いた形状のアライメント（位置決め）マーク６０ｂを設けておく。

　次いで、平面図である図５１、及び図５１の３−３線に沿った断面で切断した断面図である図５２に示したように、正方形の貫通孔が正方格子状に複数個だけ設けられた（即ち、Ｘ軸及びＹ軸に平行な辺を有する正方形の貫通孔が、同Ｘ軸及び同Ｙ軸にそって互いに等距離を隔てて設けられた）長方形の金属プレート８１を準備し、同金属プレート８１の各貫通孔に同貫通孔と略同一の正方形断面を有する直方体形状の永久棒磁石８２…８２を、同永久棒磁石８２…８２の磁極が形成される端面が同金属プレート８１と平行になるように、挿入する。このとき、最短距離で隣接する磁極の極性が異なるように同永久棒磁石８２…８２を配置する。なお、各永久棒磁石８２…８２の磁荷の大きさは全て略等しいものを使用する。

　次に、平面図である図５３に示したように、厚さが約０．５ｍｍであって前記金属プレート８１と略同一形状の長方形を有する透明な石英ガラスからなるプレート８３を準備する。このプレート８３には、上記石英ガラス６０ａ１のアライメントマーク６０ｂと協働して位置決めを行うため、四隅に十字形のアライメント（位置決め）マーク８３ａを設けておく。また、中央部には、上記金属プレート８１に挿入された永久棒磁石８２…８２の外形に対応する位置にアライメントマーク８３ｂを設けておく。次いで、図５４に示したように、永久棒磁石８２…８２の上面とプレート８３の下面を接着剤により接着する。このとき、アライメントマーク８３ｂを用いて永久棒磁石８２…８２と、プレート８３との相対的な位置を決定する。そして、金属プレート８１を下方から取り去る。この段階で、永久棒磁石８２…８２とプレート８３とにより、磁極を構成する端面が略正方形の複数の永久磁石を正方格子の格子点に配設するとともに各永久磁石の磁極の極性が最短距離を隔てて隣接する他の磁極の極性と異なるように構成したマグネットアレイが形成される。

　次に、図５５に示したように、ＧＭＲ素子となる膜（ピンド層となる磁性層を含む層、すなわちピン層となる磁性層を含む層）が形成された石英ガラス６０ａ１を、同ＧＭＲ素子となる膜が形成された面がプレート８３の上面と接するように配置する。石英ガラス６０ａ１と、プレート８３の相対位置は、前記アライメントマーク６０ｂの十字形に削除された部分と、アライメントマーク８３ａの十字形とを一致させることで正確に決定される。

　図５６は、上記永久棒磁石８２…８２を四個だけ取り出した状態を示す斜視図である。この図から明らかなように、永久棒磁石８２…８２の上面では、一つのＮ極から同Ｎ極に最短距離で隣接するＳ極に向かう９０°ずつ方向が異なる磁界が形成されている。従って、図５５に示したプレート８３の上面に石英ガラス６０ａ１が載置された状態においては、図５７に模式的に示したように、一つのＮ極の正方形端面の各辺に平行に配置されたＧＭＲとなる各膜には、Ｙ軸正方向、Ｘ軸正方向、Ｙ軸負方向、及びＸ軸負方向の磁界が加わる。

　本実施形態においては、かかる磁界を利用して固着層Ｐ（固着層Ｐのピンド層）の磁化の向きを固定する熱処理を行う。即ち、図５５に示した状態で、プレート８３と石英ガラス６０ａ１とをクランプＣＬにより互いに固定し、真空中でこれらを２５０℃〜２８０℃に過熱し、その状態で４時間ほど放置する。

　その後、石英ガラス６０ａ１を取り出し、図４２に示した各パッド６５〜６８，７５〜７８を形成するとともに、これらを接続する配線を形成し、最後に図５０に示した破線に沿って石英ガラス６０ａ１を切断する。以上により、図４２に示した磁気センサ６０が製造される。

　次に、上記磁気センサ６０を使用して地磁気を測定した結果について説明する。この測定においては、図５８に示したように、磁気センサ６０のＹ軸正方向が南を向いているときに方位θ（測定角度）を０°と定義している。測定結果を、図５９に示す。図５９から明らかなように、実線で示したＸ軸磁気センサ出力Ｓｘは正弦波状に変化し、破線で示したＹ軸磁気センサ出力Ｓｙは余弦波状に変化した。この結果は、図４８及び図４９にて示した特性から予測される通りであった。

　この場合、（１）Ｘ軸磁気センサ出力Ｓｘ、及びＹ軸磁気センサの出力Ｓｙの値が共に正の値のときθ＝arctan（Ｓｘ/Ｓｙ）、（２）Ｙ軸磁気センサの出力Ｓｙの値が負の値のときθ＝１８０°＋arctan（Ｓｘ/Ｓｙ）、（３）Ｘ軸磁気センサ出力Ｓｘの値が負の値、及びＹ軸磁気センサの出力Ｓｙが正の値のときθ＝３６０°＋arctan（Ｓｘ/Ｓｙ）により方位を求めることができるので、磁気センサ６０は、例えば、携帯電話機等の携帯型電子装置に搭載され得る地磁気（方位）センサとして使用することが可能である。なお、方位が２７０〜３６０°にあるとき、−９０〜０°として表示することを許容する場合には、出力Ｓｙが正のときθ＝arctan（Ｓｘ/Ｓｙ）、出力Ｓｙが負のときθ＝１８０°＋arctan（Ｓｘ/Ｓｙ）としてもよい。

　以上、説明したように、第３実施形態によれば、複数の永久磁石を正方格子の格子点に配設するとともに各永久磁石の磁極の極性が最短距離を隔てて隣接する他の磁極の極性と異なるように構成したマグネットアレイを準備し、同マグネットアレイが形成する磁界により前記ピンド層となる磁性層の磁化の向きをピンさせるので、ピンド層のピンされた磁化の向きが互いに異なる（互いに直交する）ＧＭＲ素子を、容易に単一チップ上に形成することができる。また、この方法によれば、ピンド層のピンされた磁化の向きが互いに異なるＧＭＲ素子を備えた単一チップを一時に大量に製造することができるので、同単一チップの製造コストを低下させることができる。

　なお、本発明は上記実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、上記第１，第２実施形態においては、メッキ膜として残留磁化の大きいＮｉＣоが採用されていたが、これに代え残留磁化が大きい他の材料（例えばＣｏ等）を採用してもよい。また、上記第１，第２実施形態の固着層の磁化の向きを固定する方法は、第３実施形態のようなピンド層（固定磁化軸を有する層）を備える他の磁気抵抗効果素子にも適用することができる。また、上記３実施形態のピン層Ｐには、ＰｔＭｎを使用していたが、このＰｔＭｎに代え、ＦｅＭｎ又はＩｒＭｎ等を用いても良い。

本発明の第１実施形態及び第２実施形態に係る磁気センサの概念的な平面図である。 図１に示した磁気トンネル効果素子（群）の拡大平面図である。 図２に示した磁気トンネル効果素子（群）を１−１線に沿った平面で切断した断面図である。 図３に示した磁気トンネル効果素子の反強磁性膜と強磁性膜（ピンド層）を示す同素子の概略平面図である。 製造途中にある第１実施形態の磁気センサの概略断面図である。 製造途中にある第１実施形態の磁気センサの概略断面図である。 製造途中にある第１実施形態の磁気センサの概略断面図である。 製造途中にある第１実施形態の磁気センサの概略断面図である。 製造途中にある第１実施形態の磁気センサの概略断面図である。 製造途中にある第１実施形態の磁気センサの概略断面図である。 製造途中にある第１実施形態の磁気センサの概略断面図である。 製造途中にある第１実施形態の磁気センサの概略断面図である。 製造途中にある第１実施形態の磁気センサの概略平面図である。 製造途中にある第１実施形態の磁気センサの概略断面図である。 製造途中にある第１実施形態の磁気センサの概略断面図である。 製造途中にある第１実施形態の磁気センサの概略断面図である。 製造途中にある第１実施形態の磁気センサの概略断面図である。 図１に示した一つの磁気トンネル効果素子（群）に対し、同素子の長手方向（Ｘ軸方向）において大きさが変化する外部磁界を付与したときの同素子のＭＲ比の変化を示すグラフである。 図１に示した一つの磁気トンネル効果素子（群）に対し、同素子の長手方向と直交する方向（Ｙ軸方向）において大きさが変化する外部磁界を付与したときの同素子のＭＲ比の変化を示すグラフである。 図１に示した他の磁気トンネル効果素子（群）に対し、同素子の長手方向と直交する方向（Ｘ軸方向）において大きさが変化する外部磁界を付与したときの同素子のＭＲ比の変化を示すグラフである。 図１に示した他の磁気トンネル効果素子（群）に対し、同素子の長手方向（Ｙ軸方向）において大きさが変化する外部磁界を付与したときの同素子のＭＲ比の変化を示すグラフである。 製造途中にある第２実施形態の磁気センサの概略断面図である。 製造途中にある第２実施形態の磁気センサの概略断面図である。 製造途中にある第２実施形態の磁気センサの概略断面図である。 製造途中にある第２実施形態の磁気センサの概略断面図である。 製造途中にある第２実施形態の磁気センサの概略断面図である。 製造途中にある第２実施形態の磁気センサの概略断面図である。 製造途中にある第２実施形態の磁気センサの概略断面図である。 製造途中にある第２実施形態の磁気センサの概略断面図である。 製造途中にある第２実施形態の磁気センサの概略断面図である。 製造途中にある第２実施形態の磁気センサの概略断面図である。 製造途中にある第２実施形態の磁気センサの概略断面図である。 製造途中にある第２実施形態の磁気センサの概略断面図である。 製造途中にある第２実施形態の磁気センサの概略断面図である。 製造途中にある第２実施形態の磁気センサの概略断面図である。 第２実施形態に係る一つの磁気トンネル効果素子（群）に対し、同素子の長手方向（図１のＸ軸方向）において大きさが変化する外部磁界を付与したときの同素子のＭＲ比の変化を示すグラフである。 第２実施形態に係る一つの磁気トンネル効果素子（群）に対し、同素子の長手方向と直交する方向（図１のＹ軸方向）において大きさが変化する外部磁界を付与したときの同素子のＭＲ比の変化を示すグラフである。 第２実施形態に係る他の磁気トンネル効果素子（群）に対し、同素子の長手方向と直交する方向（図１のＸ軸方向）において大きさが変化する外部磁界を付与したときの同素子のＭＲ比の変化を示すグラフである。 第２実施形態に係る他の磁気トンネル効果素子（群）に対し、同素子の長手方向（図１のＹ軸方向）において大きさが変化する外部磁界を付与したときの同素子のＭＲ比の変化を示すグラフである。 第１及び第２実施形態に係る磁気トンネル効果素子群に対してピンド層の磁化の向きと直交する方向内で大きさが変化する磁界を付与した際のピンド層及びフリー層の磁化曲線を示すグラフである。 別の形状を有するメッキ膜を形成した基板の平面図である。 本発明による第３実施形態に係る磁気センサの概略平面図である。 図４２に示した第１Ｘ軸ＧＭＲ素子の概略拡大平面図である。 図４３に示した第１Ｘ軸ＧＭＲ素子を同図４３の２−２線に沿った平面にて切断した概略断面図である。 図４３に示した第１Ｘ軸ＧＭＲ素子のスピンバルブ膜構成を示す図である。 図４３に示した第１Ｘ軸ＧＭＲ素子のＸ軸方向に変化する磁界に対する抵抗値（実線）、及びＹ軸方向に変化する磁界に対する抵抗値（破線）の変化を示したグラフである。 図４２に示した磁気センサが備えるＸ軸磁気センサの等価回路図である。 図４７に示したＸ軸磁気センサのＸ軸方向に変化する磁界に対する出力電圧（実線）、及びＹ軸方向に変化する磁界に対する出力電圧（破線）の変化を示したグラフである。 図４２に示した磁気センサが備えるＹ軸磁気センサのＸ軸方向に変化する磁界に対する出力電圧（実線）、及びＹ軸方向に変化する磁界に対する出力電圧（破線）の変化を示したグラフである。 図４２に示した磁気センサを製造する途中のスピンバルブ膜が形成された石英ガラスの平面図である。 図４２に示した磁気センサを製造する際に使用するマグネットアレイを準備するための金属プレートの平面図である。 図５１に示した金属プレート及び永久棒磁石を同図５１の３−３線に沿った平面にて切断した断面図である。 図４２に示した磁気センサを製造する際に使用するマグネットアレイを形成するためのプレートの平面図である。 図４２に示した磁気センサを製造する際に使用するマグネットアレイの断面図である。 図４２に示した磁気センサを製造する工程を示した断面図である。 図５４に示したマグネットアレイの磁石の一部を取り出した斜視図である。 図４２に示した磁気センサの各ＧＭＲ素子のピンド層の磁化の向きをピンする方法を示した概念図である。 図４２に示した磁気センサと方位との関係を示した図である。 図４２に示した磁気センサの方位に対する出力電圧を示したグラフである。

符号の説明

　１０…基板、１２…下部電極、１３…反強磁性膜、１４…強磁性膜、１５…絶縁層、１６…強磁性膜、１７…ダミー膜、１８…層間絶縁層、１８ａ…コンタクトホール、１９…上部電極、２０…保護膜、３０…コイル、１１，２１…磁気トンネル効果素子群、５１…レジスト。

Claims (5)

1. 　ピンド層とフリー層とを含み同ピンド層の磁化の向きと同フリー層の磁化の向きがなす相対角度に応じて抵抗値が変化する磁気抵抗効果素子を備えた磁気センサであって、
   　前記磁気抵抗効果素子を単一チップ上に複数個備えるとともに、同複数の磁気抵抗効果素子のうち少なくとも二つの磁気抵抗効果素子のピンド層の磁化の向きが互いに交差するように形成されてなる磁気センサ。
2. 　ピンド層とフリー層とを含み同ピンド層の磁化の向きと同フリー層の磁化の向きがなす相対角度に応じて抵抗値が変化する磁気抵抗効果素子を備えた磁気センサであって、
   　一つの基板が切断されることにより形成された単一チップ上に前記磁気抵抗効果素子を複数個備えるとともに、同複数の磁気抵抗効果素子のうち少なくとも二つの磁気抵抗効果素子のピンド層の磁化の向きが互いに交差するように形成されてなる磁気センサ。
3. 　請求項１又は請求項２に記載の磁気センサであって、
   　前記単一チップに前記複数の磁気抵抗効果素子に磁界を付与するためのコイルが埋設されてなる磁気センサ。
4. 　請求項１又は請求項２に記載の磁気センサであって、
   　前記単一チップに前記複数の磁気抵抗効果素子を接続する配線が形成されてなる磁気センサ。
5. 　請求項１又は請求項２に記載の磁気センサであって、
   　前記単一チップの上に複数のパッドが設けられるとともに同単一チップに前記複数の磁気抵抗効果素子と同複数のパッドとを接続する配線が形成されてなる磁気センサ。
   

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