JP2004533120A - 第２の磁気素子に対して第１の磁気素子の磁化軸を配向する方法、センサを実現するための半製品、および、磁界を測定するためのセンサ - Google Patents

Abstract

第２の磁気素子（３）に対して第１の磁気素子（２）の磁化軸を配向する方法であって、第１の磁気素子（２）および第２の磁気素子（３）が基板（１）上に存在し、それぞれの磁気素子は、磁化軸（１１）を備えた第１の磁性層（１０）を有し、前記方法は、磁束集束手段（２０）のパターンを第１の磁気素子（２）の近くに配置し、その後に、印加磁界中において、前記第１の磁気素子（２）の磁化軸（１１）を配向する段階を含む。磁界を測定するためのセンサを実現するための半製品は、基板（１）と、基板（１）上にブリッジ構造として存在する第１の磁気素子（２）、第２の磁気素子（３）、第３の磁気素子（４）、および、第４の磁気素子（５）とを備え、前記ブリッジ構造は、第１の接点（６）と第２の接点（７）との間に、第１の磁気素子（２）および第２の磁気素子（３）が電気的に直列に接続された第１のブリッジ部分（８）と、第３の磁気素子（４）および第４の磁気素子（５）が電気的に直列に接続された第２のブリッジ部分（９）とを備える。それぞれの磁気素子は、磁化軸（１１）を有する第１の磁性層（１０）を含み、第１のブリッジ部分（８）に存在する磁気素子（２、３）の第１の磁性層の磁化軸（１１）さらには第２のブリッジ部分（９）に存在する磁気素子（４、５）の磁化軸は、反対方向に延びるように配向される。それぞれの接点（６、７）の近くにおいて、第１のブリッジ部分（８）に存在する磁気素子の磁化軸（１１）は、第２のブリッジ部分（９）に存在する磁気素子とは反対に配向される。磁束集束手段（１４）が、第１のブリッジ部分（８）の第１の磁気素子（２）および第１の磁気素子（２）と同じ磁化軸（１１）の向きを有する第２のブリッジ部分（９）の磁気素子のために存在する。センサの感度を改善するために、磁束集束手段（１４）が、磁気素子ごとに設けられる。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、第２の磁気素子に対して第１の磁気素子の磁化軸を配向する方法に関し、第１の磁気素子および第２の磁気素子は、基板上に存在し、それぞれの磁気素子は、磁化軸を有する磁性層を少なくとも備える。
【０００２】
また、本発明はセンサを実現するための半製品に関し、その半製品は、基板と、その基板上にブリッジ構造として配置された第１の磁気要素、第２の磁気要素、第３の磁気要素、および、第４の磁気要素とを備え、そのブリッジは、第１の接点と第２の接点との間に第１の磁気素子および第２の磁気素子が直列に配置された第１のブリッジ部分と、第３の磁気素子および第４の磁気素子が直列に配置された第２のブリッジ部分とを備え、磁気素子のそれぞれは、磁化軸を備えた磁性層を少なくとも備え、第１のブリッジ部分にある磁気素子の磁性層が有する磁化軸および第２のブリッジ部分にある磁気素子の磁性層が有する磁化軸は、反対方向へ延びるように配向され、それぞれの接点の近くにおいて、一方のブリッジ部分の磁気素子の磁化軸が、他方のブリッジ部分の磁気素子の磁化軸とは反対に配向される。
【０００３】
また、本発明は磁界を測定するためのセンサに関し、そのセンサは、基板と、その基板上にブリッジ構造として配置された第１の磁気要素、第２の磁気要素、第３の磁気要素、および、第４の磁気要素とを備え、そのブリッジは、第１の接点と第２の接点との間に、第１の磁気素子および第２の磁気素子が直列に配置された第１のブリッジ部分と、第３の磁気素子および第４の磁気素子が直列に配置された第２のブリッジ部分とを備え、磁気素子のそれぞれは、磁化軸を備えた磁性層を少なくとも備え、第１のブリッジ部分にある磁気素子の強磁性層が有する磁化軸および第２のブリッジ部分にある磁気素子の強磁性層が有する磁化軸は、反対方向へ延びるように配向され、それぞれの接点の近くにおいて、一方のブリッジ部分の磁気素子の磁化軸が、他方のブリッジ部分の磁気素子の磁化軸とは反対に配向される。
【従来の技術】
【０００４】
ヨーロッパ特許第ＥＰ０７１０８５０号に記載される方法においては、電気的な導体が第１の磁気素子の近くに設けられ、その導体は磁気素子から電気的に絶縁される。導体に数百ｍＡの電流を流すことによって、典型的には１５０エルステッド（Ｏｅ）の磁界が、第１の磁気素子の磁性層の位置において、局所的に生成される。前記局所的に生成された磁界は、磁気素子の磁化軸を、生成された磁界の方向に配向し、第２の磁気素子の磁化軸はそれの元々の向きのままである。
【０００５】
従来の方法の欠点は前記方法が、一般的には、異なる磁性材料の磁化軸を配向するのに使用できないことである。様々な磁性材料の磁化軸を配向するためには、典型的には、数千エルステッドの磁界が必要とされる。導体に電流を流すことによって生成することのできる磁界はきわめて小さい。さらに、限られた数の磁気素子しか同時には配向することができない。なぜなら、導体の長さは、それが長すぎれば、大きな直列抵抗となり、大きな電流においては、損失が大きくなりすぎ、導体を損傷することがあるのであまり長くなりすぎてはいけないからである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題および課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の目的は上述したような種類の方法を提供することであり、その方法は様々な磁性材料の磁化軸を容易に配向するのを可能にするものである。
【０００７】
本発明によれば、本発明の目的は磁束集束手段のパターンを少なくとも第１の磁気素子の近くに提供し、その後に磁界を印加することによって、第１の磁気素子の磁性層の磁化軸を配向することによって達成される。
【０００８】
磁束集束手段のパターンは、例えば、磁束伝導材料のパターンであってもよい。磁気素子は、例えば、磁気センサまたは磁気読み取りアクセス可能メモリ（ＭＡＲＭ）の一部分であってもよい。印加された磁界中において、磁束集束手段のパターンは第１の磁気素子を通る磁束を集束する。その結果として、第１の磁気素子の磁性層を通る磁束は、第２の磁気素子の磁性層を通る磁束よりもかなり大きくなる。第２の磁気素子は、比較的に小さな磁界にしか曝されず、その結果として、第２の磁気素子の磁化方向はわずかしか影響を受けない。このように、比較的に小さな印加磁界を用いて、第２の磁気素子の磁性層の磁化軸に対して第１の磁気素子の磁性層の磁化軸を配向することができる。
【０００９】
磁気素子は、磁束集束手段のパターンを備えた第１の磁気素子の磁化軸が反転し、それによって、印加された磁界の方向に延びるような温度にまで加熱されてもよい。温度を上昇させることによって、磁化軸はさらなる熱エネルギーを受け取り、その結果として、それらの磁化軸はより容易に反転する。その結果として、磁化軸を配向するのがより容易になる。いくつかの材料系においては、加熱は磁化軸を配向するのになくてはならないものである。例えば、磁性層の磁化軸の向きが、交換バイアス層によって与えられるのであれば、ブロッキング温度を超える程度にまで温度を上昇させることによって交換バイアス層と磁性層との結合を終了させ、それによって磁性層の磁化軸の向きを反転させるのを可能にする。加熱した結果として発生するかもしれない磁気素子の抵抗の変化は、同じようにしてすべての磁気素子の抵抗を変化させ、そのために、すべての磁気素子の抵抗は本質的に同じままである。これによって、ホイートストンブリッジのオフセット電圧は比較的に小さいものとなるので、磁気素子がホイートストンブリッジ構造として配置された磁気センサにとって、これはきわめて重要なことである。
【００１０】
第１の磁気素子の磁性層の磁化軸を配向した後、磁化軸の向きは存在する磁界中において冷却することによって固定される。原理的には、磁化軸の配向は可逆過程である。印加された磁界中において、磁化軸は印加された磁界の向きと同じになるが、磁界を遮断すると、磁化軸はそれの元々の向きを回復する。しかしながら、ある種の条件下においては、例えば、交換バイアス結合の場合に発生するように、磁化軸は磁化軸が配向され、そして、磁界の存在下において冷却される配向過程によって与えられた向きを維持する。
【００１１】
磁界を測定するためのセンサの製造においては、第３および第４の磁気素子が基板上に存在し、その第３および第４の磁気素子は第１および第２の磁気素子とともにブリッジ構造を形成する。前記ブリッジ構造は、第１の接点と第２の接点との間に、第１および第２の磁気素子が直列に配置された第１のブリッジ部分と、第３および第４の磁気素子が直列に配置された第２のブリッジ部分とを含む。第３および第４の磁気素子もまた磁化軸を有する少なくとも１つの磁性層を備える。磁気センサにおいて、磁気素子は好ましくは、ホイートストンブリッジのようなブリッジ構造として配置される。ブリッジ構造は温度変化にあまり敏感ではない。磁気センサは角度、回転速度を測定するために、また、位置を決めるために、とりわけ自動車産業において使用される。
【００１２】
巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）効果またはトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）効果に基づいた磁気素子を有するセンサの場合、ブリッジ部分に存在する磁性層の磁化軸が１８０°だけ回転すると都合が良い。もしそうであれば、第１および第２の接点間の印加電圧において、第１の磁気素子と第２の磁気素子との間および第３の磁気素子と第４の磁気素子との間に配置された出力接点間の出力信号は、ブリッジ回路によって達成することのできる最大信号となる。磁性層の磁化軸の向きは、一般的には、磁界中において磁性層を成膜するときに提供される。したがって、磁性層の磁化軸は、最初は、すべて同じ向きを有する。
【００１３】
磁束集束手段のパターンが、少なくとも１つの磁気素子の近くに設けられ、その後に前記磁気素子の磁化軸が上述したように印加された磁界中において配向される。
【００１４】
印加した磁界中において、少なくとも１つの磁気素子の近くに配置された磁束集束手段のパターンは関連する磁気素子を通る磁束を集束する。関連する磁気素子は、その他の磁気素子よりもはるかに大きな磁界に曝される。磁束を強めることは、ほとんど磁束集束手段のパターンの幅と印加された磁界の方向における磁気素子の幅とによって決まる。そのために、比較的に小さな印加磁界において個々の磁気素子の磁化を配向することが可能である。ブリッジのその他の磁気素子は比較的に小さな磁界にしか曝されず、その結果として、これらのその他の磁気素子の磁化の方向はわずかにしか影響を受けない。このようにして、少なくとも１つの磁気素子をその他の磁気素子に対して配向することができる。その後に、別の磁気素子、例えば、第２のブリッジ部分に存在する磁気素子の近くに磁束集束手段のパターンを提供することによって、同様に前記磁気素子を配向することができる。ホイートストンブリッジのようなブリッジ構造においては、ブリッジ部分に存在する磁性層の磁化軸を１８０°だけ回転させることができる。
【００１５】
磁束集束器のさらなる利点は、印加された磁界をより小さい精度で磁気素子と整列させてもよいことである。磁束集束器のパターンは、例えば、長方形であり、例えば、磁気素子の両側において磁気素子のエッジに平行に延びる。印加された磁界を正確に磁気素子と整列させなくても、すなわち、長方形の磁束集束パターンに対して完全に直角に延びるのではなく、前記印加磁界が長方形の磁束集束パターンに対して８０°の角度を含んでいても、前記長方形の磁束集束器は、確実に長方形の磁束集束器間に存在する磁束が同じように直角に磁気素子を通るようにする。磁気素子に対して印加磁界の方向がずれている場合には、長方形の磁束集束器が磁気素子のエッジに対して、整列していることが磁化軸を配向することのできる精度を決める。磁束集束器のパターンは、印加される外部磁界の方向に比べれば磁気素子に対してはるかに正確に整列させることができる。印加された磁界中において磁化軸を配向することのできる精度が改善され、かつ、より容易に整列させることができる。
【００１６】
磁束集束手段のパターンを第１の接点の近くにある第１のブリッジ部分の第１の磁気素子の近くに提供することによって、また、磁束集束手段の類似するパターンを第２の接点の近くにある第２のブリッジ部分の磁気素子の近くに提供することによって、印加された磁界中において前記磁気素子の磁化の方向を同時に配向することができる。ピン止めされた磁性層の磁化軸の向きは基本的に、同時に配向される磁気素子のそれと同じである。
【００１７】
パターンが実質的に垂直方向に磁気素子上に投影されるならば、それらのパターンと前記磁気素子との間に、オーバーラップは実質的に存在しない。配向された磁気素子の磁化軸は、その５０％が、方向を指定された向きによって配向され、残りの５０％が、１８０°だけ回転した元々の向きによって配向され、その結果として磁化が効率的に実質的にゼロとなることを確実にするためには、オーバーラップは５０％以下でなければならない。しかしながら３０％以下のオーバーラップは許容される。これはブリッジ部分に存在する２つの磁気素子の磁化軸を配向するのを可能にし、それによって、可能な限り大きな出力信号が得られる。
【００１８】
第２の接点の近くにある第１のブリッジ部分の磁気素子と、第１の接点の近くにある第２のブリッジ部分の磁気素子とを遮蔽するために、磁束遮蔽手段のパターンが、それを実質的に垂直方向に磁気素子上に投影した場合、前記磁気素子を少なくとも実質的に取り囲むような形で設けられる。わずかな量の磁束しか遮蔽器の下を通らないように、遮蔽手段のパターンは、好ましくは、磁気素子よりも大きな表面積を有する。このようにして、印加された磁界中において、磁気素子の強磁性層の磁化軸の向きがそのままほとんど変わらないでいることを達成することができる。
【００１９】
磁束集束パターンさらには磁束遮蔽パターンは同じ材料の層から同時に製造されることが有利である。それによって、１つの段階において磁束集束パターンおよび磁束遮蔽パターンの両方を、磁気素子に対する適切な位置に提供することができる。磁束集束手段のパターンを遮蔽器としても使用することができれば、面積の点から見て、きわめて都合が良い。
【００２０】
層の材料は、好ましくは、比較的に高い透磁率を有する。好ましくは、層は電気めっきによって成長させられ、そのために、また、比較的に厚い層を容易に提供することができる。十分に導電性のある材料からなる薄膜、すなわち、めっき支持体上において、磁束伝導材料のパターンがレジストパターン間に成長させられる。その後に、レジストパターンが除去され、めっき支持体がエッチングによって除去される。
【００２１】
あるいは、層は、まず最初に、電気めっきによって成長させられてもよい。標準的なリソグラフィーによって、レジストパターンが設けられる。比較的に高い透磁率を有する材料からなる層が、例えば、物理的または化学的なエッチングによってエッチングされ、その結果として磁束集束手段のパターンおよび磁束遮蔽手段のパターンの周囲にある材料が除去される。
【００２２】
印加された磁界中において磁性層の磁化軸を配向した後、磁束遮蔽手段のパターンおよび磁束集束手段のパターンが取り除かれる。磁界を測定するのに都合良く使用することができるセンサが得られる。
【００２３】
オプションとして、磁束集束手段のパターンが再度、それぞれの磁気素子の近くに設けられてもよい。すべての磁気素子による磁束集束の結果として、センサは比較的に小さい磁界を測定するためにより敏感なものとなった。また、ブリッジ部分のより高い感度の結果として、より小さなセンサを提供することができる。より小さいセンサは、動作中、外部磁界の勾配および温度変化にあまり敏感ではないので、センサのより小さい表面積はきわめて都合が良い。
【００２４】
オプションとして、磁束遮蔽手段のパターンは、再度、それぞれの磁気素子の近くに設けられてもよい。遮蔽手段において、飽和が発生すると、一部の磁界だけが磁気素子を通過する。それにもかかわらず、比較的に大きな磁界を測定するためにこのセンサを使用することができる。
【００２５】
本発明は、また、上述したような種類の半製品を提供することを目的とし、その半製品によって、正確に配向された磁化軸を備えた小型のセンサが得られる。
【００２６】
本発明によるセンサを得るための半製品に関する本発明の目的は、磁束集束手段が、第１のブリッジ部分の第１の磁気素子のために、また、第１の磁気素子と同じ磁化軸の向きを有する第２のブリッジ部分の磁気素子のために存在することによって達成される。
【００２７】
ブリッジ部分の磁性層の磁化軸が、１８０°だけ回転するのであれば、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）効果またはトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）効果に基づいた磁気素子を備えた最終的なセンサにとって都合の良いことである。もしそうであれば、第１の接点と第２の接点との間の印加電圧において、ブリッジ回路の第１の磁気素子と第２の磁気素子との間および第３の磁気素子と第４の磁気素子との間に配置された出力接点間の出力信号は、ブリッジによって達成することのできる最大出力信号となる。磁束集束手段によって、ブリッジ部分に存在する磁性層いわゆるピン止め層の磁化軸は、印加された磁界中において、１８０°だけ回転する。好ましくは、配向過程中、ブリッジにおけるその他の磁気素子は、磁束遮蔽手段によって印加磁界から遮蔽される。
【００２８】
磁束遮蔽手段は、第１のブリッジ部分の第２の磁気素子のために、また、第２の磁気素子と同じ磁化軸の向きを有する第２のブリッジ部分の磁気素子のために存在する。
【００２９】
磁束遮蔽手段が、ホイートストンブリッジ上にそのまま存在すれば、それらはホイートストンブリッジの一方の部分において測定されるべき磁界をほとんど遮蔽する。その結果として出力信号の１／２しかブリッジから出力されない。磁束集束手段が、ブリッジの他方の部分に配置され、その結果として、ブリッジの前記部分ははるかにより敏感なものとなる。不平衡なブリッジは、適切に使用することができないので、最終的なセンサにおいては、磁束集束手段および磁束遮蔽手段は半製品から取り除かれる。
【００３０】
好ましくは、それぞれの磁気素子は少なくとも１つの磁路を備えるが、一般的には、それぞれの磁気素子は金属によって直列に接続された複数の磁路を備え、それによって、例えば、数キロオームの大きな抵抗値が得られる。これは、ブリッジ回路の出力における電子回路内に配置された増幅器の入力インピーダンスとしては都合の良い値である。磁化の方向は、好ましくは磁路と直角をなす。
【００３１】
好ましくは、磁束集束手段は、いくつかの隣接して並べられたストリップを備える。これらのストリップの輪郭は、実質的に垂直方向において磁気素子上に投影した場合、それらの輪郭が磁気素子の磁路の少なくとも実質的に外側に配置されるような輪郭である。印加される磁界の方向における磁路の幅に対するストリップの幅の比は、磁束を強める度合いを決める。磁束を強める度合いは、すべての磁気素子においてどこも均一である。ストリップは、垂直方向に投影して見れば、継ぎ目なく磁路に連結し、最終的には、小型のセンサを形成するのに都合の良い構造が得られる。しかしながら、ストリップと磁路との間に、ある程度のオーバーラップが存在すれば、磁路のオーバーラップした部分は、印加される磁界中において配向されない。例えば、酸化アルミニウム、窒化珪素、または、酸化珪素のような絶縁体が磁気素子とストリップとの間に存在する。有利には、ストリップの材料の透磁率は、約１，０００というきわめて高いものである。いくつかの適切な材料は、例えば、ＮｉＦｅ、ＣｏＮｂＺｒ、または、ＦｅＡｌＳｉである。
【００３２】
磁束遮蔽手段はいくつかの隣接して並べられたストリップを備えることが有利である。そのストリップはエッジを有し、磁束遮蔽手段を実質的に垂直方向において磁気素子上に投影した場合、磁気素子の磁路はそれらのエッジの範囲内に含まれる。磁路を覆う遮蔽ストリップは、磁路よりも大きいので、磁気素子全体にわたってより均一に遮蔽することができる。好ましくは、磁路と遮蔽手段のストリップとの距離は小さい。大きな厚さおよび高い透磁率の場合、磁束はほとんどすべてが磁束伝導ストリップを通過する。ストリップの材料は、印加された磁界中において飽和しないことが重要である。その理由は、飽和した場合、残りの磁束が磁気素子を通過するからである。とりわけ、交換バイアスによってピン止めされた層を除けば、材料に依存して、数千エルステッドという値の磁界が磁性層の磁化軸を配向するのに必要とされる。このようにして、遮蔽ストリップの材料の飽和磁化が得られ、その飽和磁化は、少なくともこの値よりもかなり大きい。
【００３３】
面積の点から見れば、それぞれの磁気素子の磁路が曲がりくねった経路であり、かつ、前記曲がりくねった経路が入れ子にされていれば都合が良い。曲がりくねった経路を入れ子にすることによって、さらに、磁気素子の材料において、高い均一性が得られる。局所的な温度変化はあまり重要ではない。なぜならブリッジに存在するすべての磁気素子は実質的に同じように配置され、そのために、それらの温度は実質的に同じであるからである。好ましくは、曲がりくねった経路に平行なストリップとして実施される磁束集束手段は、第１の磁気素子のための磁束集束器および第２のブリッジ部分の第１の接点の近くにある磁気素子のための磁束遮蔽器として同時に使用されてもよい。磁気素子を配向した後、ストリップは、取り除かれる。センサは、磁界を測定する準備ができる。
【００３４】
大きな利点は、入れ子によって、センサがきわめて小さい面積しか占めないことである。さらに、測定されるべき磁界中におけるセンサのオフセットおよびオフセット電圧ドリフトは減少する。
【００３５】
面積の点から見れば、曲がりくねった経路がＵ字形となるように曲げられることはさらに都合が良い。好ましくは、曲がりくねった経路に平行なストリップの形で延びる磁束集束手段は、第１の磁気素子のための磁束集束器および第２の磁気素子のための磁束遮蔽器として同時に使用されてもよい。磁気素子を配向し、かつ、ストリップを取り除いた後、センサは最低限の表面積しか占めない。磁気素子を接触させるためには、ただ１つの構造化された導体しか必要としない。さらに、接点は、ここでは、一方の側に配置され、その結果として、センサは、例えば、ボンディングによって、さらに容易に接触させることができる。
【００３６】
本発明は、さらに、上述した種類のセンサを提供することを目的とし、そのセンサは比較的に小さな磁界に対してより敏感なものである。
【００３７】
センサに関する本発明の目的は、磁束集束手段が、それぞれの磁気素子のために存在することによって達成される。
【００３８】
磁気集束手段は、すべての磁気素子を通る磁界を強めるので、測定されるべき磁界に対してのブリッジ部分の感度は増大する。センサは比較的に小さな磁界を大きな感度で測定することができる。
【００３９】
ブリッジ部分のより大きな感度の結果として、さらに、より小さいセンサを製造することが可能である。センサのより小さい表面積はきわめて都合が良い。なぜなら、より小さいセンサは、動作中、外部磁界の勾配および温度変化に対してあまり敏感でないからである。
【００４０】
特許請求の範囲を参照する場合、特許請求の範囲に記載された様々な特徴を組み合わせてもよいことに注意されたい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
本発明による方法のこれらの特徴およびその他の特徴を、以下に記載される実施形態を参照してより詳細に説明する。
【００４２】
第２の磁気素子３の磁化軸に対して第１の磁気素子２の磁化軸を配向する方法においては、図１に示されるように、第１の磁気素子２および第２の磁気素子３が、基板１上に存在する。これらの磁気素子は、ハードディスクまたはテープのヘッドにおいて磁界を測定するための磁気センサの一部分であってもよく、あるいは、それらの磁気素子は、例えば、磁気メモリ（ＭＲＡＭ）の一部分であってもよい。
【００４３】
磁気素子２および３のそれぞれは、磁化軸１１を備えた磁性層１０を少なくとも備える。センサの磁気素子は、スピンバルブまたは磁気トンネル接合であってもよい。ＧＭＲ効果に基づいたスピンバルブ構造は以下のようにして製造されてもよい。基板１は、例えば、適切な材料構造、この場合には、（１１１）方位テクスチャを得ることのできる３．５ｎｍのＴａ／２．０ｎｍのＰｙからなるバッファ層、および、磁化軸１１を備えたピン止め層としての磁性層１０を連続的に備える多層構造を有し、その磁性層１０は、
１０ｎｍのＩｒ_１９Ｍｎ_８１からなる交換バイアス層および３．５ｎｍのＣｏ_９０Ｆｅ_１０／０．８ｎｍのＲｕ／３．０ｎｍのＣｏ_９０Ｆｅ_１０からなる人工反強磁性体と、
３ｎｍのＣｕからなる非磁性スペーサ層１２と、
５．０ｎｍのＰｙからなる強磁性層１３、すなわち、フリー層（その下には、例えば、ＧＭＲ効果を強め、かつ、層間拡散を制限し、それによって大きな熱的安定性を得ることのできる１．０ｎｍのＣｏ_９０Ｆｅ_１０からなる薄膜が延びる）と、
を備える。その多層上に塗布された１０ｎｍのＴａが保護層として使用される。
【００４４】
あるいは、磁気素子は、例えば、３．５ｎｍのＴａ／２．０ｎｍのＮｉＦｅからなるバッファ層、１５．０ｎｍのＩｒＭｎ／４．０ｎｍのＣｏＦｅ／０．８ｎｍのＲｕ／４．０ｎｍのＣｏＦｅからなる磁性層としての交換バイアス層およびピン止め層（ＡＡＦ）、２．０ｎｍのＡｌ_２Ｏ_３からなる非磁性スペーサ層、および、例えば、６．０ｎｍのＣｏＦｅからなるフリー層としての第２の強磁性層とを備えた磁気トンネル接合であってもよい。
【００４５】
これらの層は、例えば、すべての層が１回の成膜処理で提供されるような形でスパッタリングによって提供され、それによって、それぞれの磁気素子において、清浄な界面および均一性を確実に達成することができる。可能な限り、すべての素子はある程度の磁気抵抗効果と、同一の温度係数とを有する。これらの層は、印加される１５０エルステッドの磁界中において成膜されるので、これまでは、すべての磁気素子２および３の強磁性層１０の磁化軸１１は同じ方向に延びていた。
【００４６】
第１の磁気素子２の磁性層１０の磁化軸１１は、磁束集束手段２０のパターンを少なくとも第１の磁気素子２の近くに提供し、かつ、その後に、磁界Ｈを印加することによって、第２の磁気素子３に対して配向される。図１ｂは、磁束集束手段２０のパターンを提供した後の中間製品の断面図である。パターンは、例えば、ＮｉＦｅのような磁束伝導材料からなる構造化された層である。
【００４７】
あるいは、その代わりとして、磁気素子が設けられる前に、パターン２０がすでに設けられていてもよい。印加磁界Ｈ中において、第１の磁気素子２の磁化軸１１が、配向される。
【００４８】
図示される層構造のための磁界に要求されることは、大体において以下のようなことである。
【００４９】
１．磁化の方向を回転させるために、約２，０００Ｏｅ以上の磁界が必要である。
【００５０】
２．磁界が、３０から４０Ｏｅよりも小さければ、磁化の方向は回転しない。
【００５１】
図面は、一定の比率で示されてはいないが、方法のこの実施形態においては、磁束集束手段２０は磁束を約７０倍に強める。印加磁界はほんの３０Ｏｅであればよいが、磁束集束手段２０は２，０００Ｏｅ以上の磁界を発生させる。磁束を７０倍に強めることができるが、一般的にはきわめて非実用的である。なぜなら、磁束伝導体は、磁気素子の７０倍の大きさでなければならないからである。その結果として小さなセンサを実現することができない。
【００５２】
配向される前に、磁気素子２および３は、反強磁性材料のブロッキング温度よりも高い温度にまで加熱され、その結果として、交換結合によってピン止めされたＡＡＦ層は、反強磁性層から引き離される。温度が変化する中で良好な安定性を得るのを可能にする高いブロッキング温度（約５６０Ｋ）を有するので、Ｉｒ_１９Ｍｎ_８１（交換バイアス層）が交換バイアス材料として使用される。ＡＡＦピン止め層を使用することによって、小さな正味磁化によって、優れた磁気的安定性が得られる。加熱する温度は、典型的には、約５６０Ｋである。その後に、加熱された磁気素子は第１の磁気素子２の交換バイアス層の磁化方向を回転させるのに十分な磁界強度を有する磁界に曝され、第２の磁気素子３の元々の磁化方向はほとんどそのままに維持される。
【００５３】
その後、それらの磁気素子は、一定磁界の存在下において室温にまで冷却される。磁気素子を配向するのに使用される磁界の典型的な値は約３０Ｏｅである。
【００５４】
図１ｃには、きわめて都合の良い方法が示される。磁束集束手段は、また、隣接する磁気素子の磁束を遮蔽するのに使用される。破線は、垂直方向に投影して見れば、磁束集束手段と磁気素子２とのある程度のオーバーラップが存在してもよいことを示している。図２に示される実施形態においては、この方法が使用される。
【００５５】
図２に示されるホイートストンブリッジ構造において、第３の磁気素子４および第４の磁気素子５が、基板１上に存在する。第１の接点６と第２の接点７との間にある第１のブリッジ部分８において、第１の磁気素子２および第２の磁気素子３は、電気的に直列に配置される。第２のブリッジ部分９において、第３の磁気素子４および第４の磁気素子５は、直列に配置される。層構造の点から見れば、第３の磁気素子４および第４の磁気素子５は、第１の磁気素子２および第２の磁気素子３と同じものである。
【００５６】
このようにして得られたセンサについて説明すると、このセンサの動作はＧＭＲ素子およびＴＭＲ素子に基づくものであり、ホイートストンブリッジの出力信号は、対角関係にある２つの磁気素子の磁化軸が同一方向に配向され、さらに、他方の対角関係にある２つの磁気素子に対して、１８０°だけ回転していれば最大出力信号となる。磁束集束手段２０のパターンが、少なくとも１つの磁気素子の近くに設けられ、その後、前記磁気素子が、印加磁界中において配向される。しかしながら、磁気素子を個々に配向することは、ブリッジ構造の対角関係にある２つの磁気素子を同時に配向することよりも手間のかかることである。図２ａに示される断面図においては、磁束集束手段２０のパターンは、第１の磁気素子２および対角関係にある磁気素子４の近くに設けられる。磁束集束手段２０のパターンは、この構造における磁束を約４倍に強める。印加される５５０Ｏｅの磁界によって、磁界は局所的に２，０００Ｏｅを超え、その結果として、温度がブロッキング温度を超えると、第１の磁気素子２および対角関係にある磁気素子４は、ブリッジ構造における他方の磁気素子３および５に対して、同時に配向される。
【００５７】
他方の磁気素子３および５の磁化軸が、印加磁界中において、わずかに回転するのを防止するために、磁束遮蔽手段が、設けられる。図２ｂにおいては、磁束遮蔽手段は、エッジ２２を備えたパターン２１の形で設けられる。それを実質的に垂直方向において磁気素子上に投影した場合、前記磁気素子３および５は、少なくともこの実施形態においては、エッジ２２の範囲内に完全に含まれる。印加される５５０Ｏｅの磁界において、磁束は遮蔽された磁気素子３および５によって、１／１５から１／２０に弱められ、磁界は、３０Ｏｅよりも小さくなる。遮蔽された磁気素子３および５の磁化軸は、それらの元々の向きを維持する。
【００５８】
磁束集束パターン２０および磁束遮蔽パターン２１は同時に製造されてもよい。レジストパターンが、標準的な光学的リソグラフィーによって、例えば６６ｎｍのＮｉ_８０Ｆｅ_２０からなるめっき支持体上に設けられる。例えば４ｎｍの厚さｔを有するＮｉ_８０Ｆｅ_２０の層が、電気めっきによってレジストパターン間に設けられる。その後に、レジストパターンが除去され、めっき支持体がエッチングによって除去される。Ｎｉ_８０Ｆｅ_２０は、２，０００という高い透磁率を有する。
【００５９】
遮蔽効果に関しては、パターン化されたＮｉ_８０Ｆｅ_２０の反磁界Ｈ_ｄｅｍが、磁気素子を配向するのに使用される印加磁界よりも大きいことが重要である。反磁界は、パターンの形状に依存し、次の近似式、Ｈ_ｄｅｍ＝ｔ／ＷＢ_ｓａｔ、によって表現され、ここで、Ｗは図２に示される遮蔽ストリップの幅である。Ｎｉ_８０Ｆｅ_２０は、室温において、約１０^４エルステッドの飽和磁化Ｂ_ｓａｔを有する。図示される層構造の磁性層を配向するためには、印加される約２，０００Ｏｅの磁界が必要である。その結果として、仮定している４ｎｍの厚さにおいて、完全な遮蔽を達成するためには、パターンは約１８ｎｍの幅Ｗを有する。磁束遮蔽ストリップと磁気素子との距離は、好ましくは、できる限り小さいほうがよい。図示される実施形態においては、距離は１５０ｎｍである。
【００６０】
ピン止め層１０の磁化軸１１を印加磁界中において配向した後、磁束遮蔽手段２１および磁束集束手段２０が取り除かれると、ブリッジの感度はかなり増大する。パターン２０および２１が形成されるＮｉ_８０Ｆｅ_２０は、リン酸および過酸化水素の溶液によって、必要であれば、それにＨＦを添加することによって容易にエッチングすることができる。
【００６１】
パターン２０および２１を除去した後、磁界の測定に都合良く使用することのできるセンサが得られる。
【００６２】
オプションとして、感度をさらに増大させるために、磁束集束手段２０のパターンが再度、それぞれの磁気素子の近くに設けられてもよい。
【００６３】
図２に示される半製品においては、第１のブリッジ部分８に存在する２つの磁気素子のピン止め層１０の磁化軸１１、さらには、第２のブリッジ部分９に存在する２つの磁気素子のピン止め層１０の磁化軸１１は、反対に配向され、かつ、第１のブリッジ部分８に存在する２つの磁気素子は、第２のブリッジ部分９に存在する２つの磁気素子とは反対に配向される。この段階において、製品は、まだ、半製品と呼ばれる。なぜなら、ブリッジは、第１のブリッジ部分８の第１の磁気素子２および第１の磁気素子２と同じ磁化軸の向きを有する第２のブリッジ部分９の第４の磁気素子５のための磁束集束手段１４が存在するために、平衡ではないからである。
【００６４】
ブリッジの前記不平衡状態は、磁束集束手段１４を取り除くことによって修正され、その後に、磁界の測定にきわめて都合良く使用することのできるセンサが得られる。センサの第１の実施形態が、図２ｃに示される。
【００６５】
ブリッジ構造に存在する磁気素子の磁化軸１１のこの向きにおいて、ＧＭＲ効果およびＴＭＲ効果に基づいたセンサは接点６および７間の印加電圧における最大出力信号をもたらす。
【００６６】
図２に示される半製品の実施形態においては、磁気素子２、３、４、５のそれぞれは、金属１７によって直列に接続されたいくつかの磁路１６を備える。前記金属は、例えば、マスクと物理的または化学的なエッチングとによってパターン化されたＡｌまたはＣｕである。
【００６７】
小型センサのための半製品の図示された実施形態においては、磁束集束手段１４は、いくつかの隣接して並べられたストリップ１８であるように実施される。ストリップの材料は、高い透磁率および大きな飽和磁化値を有する。適切な材料は、例えば、ＦｅおよびＮｉの配合物である。
【００６８】
図２ａは、この実施形態において、磁束集束手段１４の輪郭は、その輪郭を実質的に垂直方向において磁気素子２、３、４、５上に投影した場合、磁気素子の磁路１６の少なくとも実質的に外側に配置されていることを示す。図示される実施形態においては、磁束集束ストリップ１８は、垂直方向において、磁気素子から約１５０ｎｍの距離だけ離れている。この構成において、典型的には１８μｍであるストリップ１８の幅と、典型的には５μｍである磁気素子の幅との比は、約４である。この実施形態において、ブリッジの感度は、約４倍に増大する。
【００６９】
磁束遮蔽手段１５は、例えば、任意の形状を有する領域である。磁束遮蔽手段１５は、第１のブリッジ部分８の第２の磁気素子３、および、第２の磁気素子３と同じ磁化軸１１の向きを有する第２のブリッジ部分９の磁気素子のために存在する。図２に示される実施形態においては、磁束遮蔽手段１５はいくつかの隣接して並べられたストリップ３０であるように実施される。ストリップ３０が、ホイートストンブリッジにそのまま存在すれば、それらのストリップ３０は、ホイートストンブリッジの一方の部分において測定されるべき磁界を完全に遮蔽する。その結果として、出力信号の１／２だけがブリッジから出力される。ブリッジの他方の部分においては、磁束集束器が配置され、その結果として、図示される実施形態においては、ブリッジの前記他方の部分は、約４倍だけより敏感なものとなる。
【００７０】
磁束遮蔽ストリップ３０は、好ましくは、磁気素子からできる限り小さい距離で配置される。遮蔽効果は、ストリップ３０を磁気素子の両側に配置することによって改善される。この実施形態においては、ストリップ３０の寸法は磁束遮蔽手段１５を実質的に垂直方向において磁気素子２、３、４、５上に投影した場合に磁気素子２、３、４、５の磁路１６がストリップ３０のエッジ３１の範囲内に含まれるような寸法である。ストリップ３０の材料が電気的な導体であれば、好ましくは、例えばＡｌＯｘ、ＳｉＯ_２、または、Ｓｉ_３Ｎ_４からなる絶縁体の薄膜が磁気素子と磁気ストリップ３０との間に設けられる。磁気素子を最大限に遮蔽するために、ストリップ３０の材料は、好ましくは、高い透磁率を有する。例えば、ＮｉＦｅ、ＣｏＮＢＺｒ、ＦｅＡｌＳｉを用いて、２，０００という値の透磁率を達成することができる。
【００７１】
一般的には、領域の厚さは磁気素子の厚さよりもかなり大きく、例えば、１００倍であり、それによって、印加された磁界のできるだけ多くの磁束線が、配向中に、磁気素子を通過するのではなくストリップ３０を通過するのを確実にする。
【００７２】
センサの第２の実施形態が図３に示される。図３において、対応する構成要素は図２に示されるものと同じ符号で示される。図３ａおよび図３ｂにおいて、半製品の第２の実施形態が示され、それによれば、きわめて小型のセンサが製造される。半製品において、磁束集束手段１４および磁束遮蔽手段１５は、ストリップ１８またはストリップ３０であるように実施され、それらのストリップ１８またはストリップ３０は、好ましくは、磁路を上に延ばし（図３ｂ）、また、下にも延ばす（図３ａ）。
【００７３】
図３ｃに示されるセンサはきわめて小型であり、かつ、最小限の面積を占める。それぞれの磁気素子２、３、４、５の磁路１６は曲がりくねった経路である。この曲がりくねった経路は入れ子にされている。この第２の実施形態においては、曲がりくねった経路はＵ字形となるように曲げられている。
【００７４】
図４は、図２ｃに示される第１の実施形態によるＧＭＲホイートストンブリッジ構造の出力電圧を示す。５Ｖのバイアス電圧において、センサは、小さな磁界に対しては２０から２００°Ｃの大きな温度範囲において線形の出力特性を有する。したがって、小さな磁界を正確に測定することができる。ＧＭＲ効果は６％であり、ヒステリシスは小さく、オフセット電圧ドリフトは０．７Ｖ／Ｋである。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１ａ】第２の磁気素子に対して第１の磁気素子の磁化軸を配向する方法を示す概略図であって、磁束集束手段のパターンを提供した後の中間製品の平面図である。
【図１ｂ】磁束集束手段のパターンを提供した後の中間製品の断面図である。
【図１ｃ】磁束集束手段のパターンを提供した後の中間製品の断面図であり、そのパターンは、また、その他の磁気素子のための磁束遮蔽手段のパターンとして適切に使用されてもよい。
【図２】本発明による半製品の第１の実施形態の平面図である。
【図２ａ】第１の実施形態による半製品の一部分を示す線分Ａ−Ａに沿った断面図である。
【図２ｂ】第１の実施形態による半製品の一部分を示す線分Ｂ−Ｂに沿った断面図である。
【図２ｃ】第１の実施形態による半製品から製造されたセンサの平面図である。
【図３ａ】本発明の第２の実施形態による半製品の平面図。
【図３ｂ】本発明の第２の実施形態による半製品の変形の平面図。
【図３ｃ】第２の実施形態によるセンサの平面図である。
【図４】第１の実施形態によるセンサの出力特性を示す図である。

Claims (20)

1. 第１の磁気素子および第２の磁気素子が基板上に存在し、磁気素子のそれぞれが磁化軸を有する磁性層を備え、第２の磁気素子に対して第１の磁気素子の磁化軸を配向する方法であって、
   磁束集束手段のパターンを少なくとも第１の磁気素子の近くに設け、かつ、その後に磁界を印加することによって、第１の磁気素子の磁性層の磁化軸が配向されることを特徴とする方法。
2. 磁気素子が、第１の磁気素子の磁化軸が印加された磁界の方向に平行かつ同じ方向に延びるように配向される温度にまで加熱されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 磁界の存在下において冷却することによって、磁化軸の向きが固定されることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
4. 請求項１または３に記載の磁界を測定するためのセンサを製造する方法であって、第３の磁気素子および第４の磁気素子が基板上に存在し、その第３および第４の磁気素子が第１の磁気素子および第２の磁気素子とともにブリッジ構造を形成し、前記ブリッジ構造が、第１の接点と第２の接点との間に第１のブリッジ部分および第２のブリッジ部分を備え、前記第１のブリッジ部分には、第１の磁気素子および第２の磁気素子が直列に配置され、前記第２のブリッジ部分には、第３の磁気素子および第４の磁気素子が直列に配置され、第３の磁気素子および第４の磁気素子もまた磁化軸を有する磁性層を少なくとも備えたことを特徴とする方法。
5. 磁束集束手段のパターンが、第１のブリッジ部分の第１の接点に近い第１の磁気素子の近くに設けられ、磁束集束手段の類似したパターンが、第２のブリッジ部分の第２の接点に近い磁気素子の近くに設けられ、それらのパターンを実質的に垂直方向において磁気素子上に投影した場合、前記磁気素子が実質的にオーバーラップしていないことを特徴とする、請求項４に記載の方法。
6. 磁束遮蔽手段が、第１のブリッジ部分の第２の接点に近い第２の磁気素子の近くに形成され、磁束集束手段の類似したパターンが、第２のブリッジ部分の第１の接点に近い磁気素子の近くに設けられ、磁束遮蔽手段のパターンがエッジを有し、それらのパターンを実質的に垂直方向において磁気素子上に投影した場合、前記磁気素子が前記エッジの範囲内に実質的に含まれることを特徴とする、請求項４または５に記載の方法。
7. 磁束集束手段のパターンおよび磁束遮蔽手段のパターンが同時に形成されることを特徴とする、請求項６に記載の方法。
8. パターンが比較的に高い透磁率を有する材料からなる１つの層から形成されることを特徴とする、請求項７に記載の方法。
9. 磁束集束手段のパターンおよび磁束遮蔽手段のパターンが、磁性層の磁化軸を印加磁界中において配向した後に取り除かれることを特徴とする、請求項８に記載の方法。
10. 磁束集束手段のパターンが、それぞれの磁気素子の近くに設けられたことを特徴とする、請求項９に記載の方法。
11. 磁束遮蔽手段のパターンが、それぞれの磁気素子の近くに設けられたことを特徴とする、請求項９に記載の方法。
12. 磁気素子の磁化軸が、請求項５または６に記載の方法を用いることによって配向されたことを特徴とする、請求項５または６に記載の方法を用いて得られた半製品。
13. 基板と、基板上にブリッジ構造として存在する第１の磁気素子、第２の磁気素子、第３の磁気素子、および、第４の磁気素子とを備え、前記ブリッジ構造は、第１の接点と第２の接点との間に、第１の磁気素子および第２の磁気素子が直列に配置された第１のブリッジ部分と、第３の磁気素子および第４の磁気素子が直列に配置された第２のブリッジ部分とを備え、磁気素子のそれぞれが、磁化軸を有する磁性層を少なくとも備え、第１のブリッジ部分に存在する磁気素子の磁性層の前記磁化軸、さらには、第２のブリッジ部分に存在する磁気素子の磁性層の前記磁化軸が、反対に配向され、それぞれの接点の近くにおいて、第１のブリッジ部分に存在する磁気素子の磁化軸が、第２のブリッジ部分に存在する磁気素子の磁化軸に対して反対に配向された、センサを得るための半製品であって、
    磁束集束手段が、第１のブリッジ部分の第１の磁気素子および第１の磁気素子と同じ磁化軸の向きを有する第２のブリッジ部分の磁気素子のために存在することを特徴とする、半製品。
14. 磁束遮蔽手段が、第１のブリッジ部分の第２の磁気素子および第２の磁気素子と同じ磁化軸の向きを有する第２のブリッジ部分の磁気素子のために存在することを特徴とする、請求項１３に記載の半製品。
15. それぞれの磁気素子が、金属によって直列に接続された少なくとも１つの磁路を備えたことを特徴とする、請求項１３に記載の半製品。
16. 磁束集束手段がいくつかの隣接して並べられたストリップを備え、そのストリップは、輪郭を有し、その磁束集束手段を実質的に垂直方向において磁気素子上に投影した場合、磁気素子が、実質的にオーバーラップしていないすることを特徴とする、請求項１５に記載の半製品。
17. 磁束遮蔽手段がいくつかの隣接して並べられたストリップを備え、そのストリップが、エッジを有し、その磁束遮蔽手段を実質的に垂直方向において磁気素子上に投影した場合、磁気素子の磁路が、エッジの範囲内に実質的に含まれることを特徴とする、請求項１５または１６に記載の半製品。
18. それぞれの磁気素子が曲がりくねった経路を形成する磁路を有し、その曲がりくねった経路が入れ子にされたことを特徴とする、請求項１５から１７のいずれか一項に記載の半製品。
19. 曲がりくねった経路がＵ字形になるように曲げられたことを特徴とする、請求項１８に記載の半製品。
20. 基板と、基板上にブリッジ構造として存在する第１の磁気素子、第２の磁気素子、第３の磁気素子、および、第４の磁気素子とを備え、前記ブリッジ構造は、第１の接点と第２の接点との間に、第１の磁気素子および第２の磁気素子が直列に配置された第１のブリッジ部分と、第３の磁気素子および第４の磁気素子が直列に配置された第２のブリッジ部分とを備え、磁気素子のそれぞれが、磁化軸を有する磁性層を少なくとも備え、第１のブリッジ部分に存在する磁気素子の磁性層の前記磁化軸、さらには、第２のブリッジ部分に存在する磁気素子の磁性層の前記磁化軸が、反対に配向され、それぞれの接点の近くにおいて、第１のブリッジ部分に存在する磁気素子の磁化軸が、第２のブリッジ部分に存在する磁気素子の磁化軸に対して反対に配向された、磁界を測定するためのセンサであって、
    磁束集束手段が、磁気素子ごとに存在することを特徴とする、半製品。

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