JP2006032710A - Manufacturing method for magnetic sensor - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a manufacturing method for a magnetic sensor capable of sufficiently controlling the magnetic anisotropy of a GMR element to an external magnetic field, ensuring the output stability of the magnetic sensor to the external magnetic field, and accurately returning the orientation of the magnetization of a free layer to an initial state even after a ferromagnetic field is applied. <P>SOLUTION: In the manufacturing method for the magnetic sensor 31, a beltlike magnetoresistance effect element 5 is arranged on a substrate, and bias magnet layers 6, 6,... each composed of a magnet film are connected at both ends of the magnetoresistance effect element 5, respectively. The manufacturing method has at least a process A in which a resist is applied on the magnetoresistance effect element 5 and a pattern is formed, a process B in which the resist is made to flow and an inclined resist film is formed, and a process C in which ion beams are projected to the substrate from the oblique direction and the magnetoresistance effect element 5 is milled. In the manufacturing method, side faces 8, 8,... in the beltlike longitudinal direction of the magnetoresistance effect element 5 are machined into tapered shapes. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、スピンバルブ型磁気抵抗効果素子を備えた磁気センサの製造方法に関するものである。   The present invention relates to a method for manufacturing a magnetic sensor including a spin valve magnetoresistive element.

従来より、スピンバルブ型の巨大磁気抵抗効果素子(以下、「GMR素子」とも称する。)を用いた磁気センサが提案され、実用に供されている。
このGMR素子は、磁化の向きが所定の向きにピン止めされたピンド層と、磁化の向きが外部磁界に対応して変化するフリー層とを備え、外部磁界が加わった場合に、ピンド層の磁化の向きとフリー層の磁化の向きとの相対関係に応じた抵抗値を呈するようになっている。
そして、磁気センサでは、このGMR素子の抵抗値を測定することで外部磁界を検出し、その強さを測定している。
Conventionally, magnetic sensors using spin-valve type giant magnetoresistive elements (hereinafter also referred to as “GMR elements”) have been proposed and put into practical use.
This GMR element includes a pinned layer whose magnetization direction is pinned in a predetermined direction, and a free layer whose magnetization direction changes corresponding to an external magnetic field. When an external magnetic field is applied, the GMR element A resistance value corresponding to the relative relationship between the magnetization direction and the magnetization direction of the free layer is exhibited.
The magnetic sensor detects the external magnetic field by measuring the resistance value of the GMR element, and measures its strength.

GMR素子のピンド層の磁化の向きは、ピニング層によりGMR素子の帯状短手方向にピン止めされているため、フリー層の磁化の向きは、外部磁界が加わっていない初期状態にあっては、ピンド層の磁化の向きと90°の角度をなすGMR素子の帯状長手方向に揃っている必要がある。この初期状態におけるフリー層の磁化の向きを「フリー層容易軸方向」という。   Since the magnetization direction of the pinned layer of the GMR element is pinned by the pinning layer in the short band direction of the GMR element, the magnetization direction of the free layer is in the initial state where no external magnetic field is applied. It is necessary to align with the longitudinal direction of the GMR element forming an angle of 90 ° with the magnetization direction of the pinned layer. The direction of magnetization of the free layer in this initial state is referred to as the “free layer easy axis direction”.

フリー層容易軸方向をGMR素子の帯状長手方向とするには、帯状のアスペクト比の素子パターンとすることで、GMR素子の磁気異方性を制御し、磁気センサの外部磁界に対する安定性を確保する方法が知られている。
あるいは、GMR素子の両端部にマグネット膜からなるバイアス磁石層を配置し、バイアスを印加して、強制的にフリー層容易軸方向をGMR素子の帯状長手方向に制御する方法も提案されている(例えば、特許文献1参照)。この方法では、バイアス磁石層をフリー層容易軸方向に着磁し、その磁化でフリー層磁化を制御するため、磁気センサの外部磁界に対する安定性を向上させることができる。
特開2004−163419号公報
To make the easy axis direction of the free layer the longitudinal direction of the band of the GMR element, the element pattern of the band-shaped aspect ratio is used to control the magnetic anisotropy of the GMR element and ensure the stability of the magnetic sensor against the external magnetic field. How to do is known.
Alternatively, a method has also been proposed in which a bias magnet layer made of a magnet film is disposed at both ends of the GMR element, and a bias is applied to forcibly control the easy axis direction of the free layer to the belt-like longitudinal direction of the GMR element ( For example, see Patent Document 1). In this method, since the bias magnet layer is magnetized in the free layer easy axis direction and the free layer magnetization is controlled by the magnetization, the stability of the magnetic sensor with respect to the external magnetic field can be improved.
JP 2004-163419 A

しかしながら、GMR素子を帯状のアスペクト比のパターンとする方法だけでは、外部磁界に対するフリー層磁化の安定性に欠け、比較的弱い磁界にさらされると、センサの出力値が変動してしまうという問題があった。   However, only the method of making the GMR element into a strip-like aspect ratio pattern lacks the stability of free layer magnetization with respect to an external magnetic field, and the sensor output value fluctuates when exposed to a relatively weak magnetic field. there were.

また、GMR素子の両端部に磁石層を配置する方法にあっては、外部磁界が大きくなるにつれて、フリー層磁化を元の初期状態に復元させることが徐々に困難になるという問題があった。図19は、従来のGMR素子におけるフリー層の磁化の向きを模式的に示した平面図である。図19に示すように、帯状長手方向に揃ったフリー層の磁化の両側に、外部磁界によって磁化された磁壁(エッジカーリングウォール)が形成されている。これにより、外部磁界が変化してもフリー層の磁化が動きにくくなり、センサの感度が低下したり、あるいは外部磁界が消滅しても磁壁が残ってしまうため、初期状態における帯状長手方向より若干ずれた方向にフリー層の磁化の向きが揃ってしまい、磁気センサの出力が不安定になったり、上述したフリー層磁化を元の初期状態に復元させることできないという問題があった。   Further, in the method of arranging the magnet layers at both ends of the GMR element, there is a problem that it becomes difficult to restore the free layer magnetization to the original initial state as the external magnetic field increases. FIG. 19 is a plan view schematically showing the magnetization direction of the free layer in the conventional GMR element. As shown in FIG. 19, domain walls (edge curling walls) magnetized by an external magnetic field are formed on both sides of the magnetization of the free layer aligned in the longitudinal direction of the belt. As a result, the magnetization of the free layer becomes difficult to move even if the external magnetic field changes, and the sensitivity of the sensor decreases or the domain wall remains even if the external magnetic field disappears. There is a problem that the magnetization direction of the free layer is aligned in the shifted direction, the output of the magnetic sensor becomes unstable, and the above-described free layer magnetization cannot be restored to the original initial state.

本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み、外部磁界に対するGMR素子の磁気異方性を十分に制御でき、外部磁界に対する磁気センサの出力安定性を確保し、強磁界が印加された後でも、フリー層の磁化の向きを正確に初期状態に復帰させることのできる磁気センサを製造する方法を提供することを目的とする。   In view of the above problems of the prior art, the present invention can sufficiently control the magnetic anisotropy of the GMR element with respect to an external magnetic field, ensure the output stability of the magnetic sensor with respect to the external magnetic field, and even after a strong magnetic field is applied. An object of the present invention is to provide a method of manufacturing a magnetic sensor capable of accurately returning the magnetization direction of the free layer to the initial state.

かかる課題を解決するため、
請求項1にかかる発明は、基板上に帯状の磁気抵抗効果素子が配され、該磁気抵抗効果素子の両端部にはマグネット膜からなるバイアス磁石層がそれぞれ接続されてなる磁気センサを製造する方法において、前記磁気抵抗効果素子上にレジストを塗布し、パターンを形成する工程Aと、該レジストをリフローさせ、傾斜形状のレジスト膜を形成する工程Bと、イオンビームを基板に対して斜め方向から入射して、前記磁気抵抗効果素子をミリングする工程Cとを少なくとも備え、前記磁気抵抗効果素子の帯状長手方向の側面をテーパー加工することを特徴とする磁気センサの製造方法である。
To solve this problem,
The invention according to claim 1 is a method of manufacturing a magnetic sensor in which a band-like magnetoresistive effect element is disposed on a substrate, and a bias magnet layer made of a magnet film is connected to both ends of the magnetoresistive effect element. In step A, a resist is coated on the magnetoresistive effect element to form a pattern, step B is performed to reflow the resist to form an inclined resist film, and an ion beam is obliquely formed with respect to the substrate. And a step C of milling the magnetoresistive effect element, and tapering the side surface in the longitudinal direction of the band of the magnetoresistive effect element.

請求項2にかかる発明は、前記工程Cの後、前記イオンビームを基板に対して垂直方向から入射して、前記磁気抵抗効果素子をミリングする工程Dを備えたことを特徴とする請求項1に記載の磁気センサの製造方法である。   The invention according to claim 2 is characterized by comprising, after the step C, a step D of making the magnetoresistive element mill by making the ion beam incident from a direction perpendicular to the substrate. The manufacturing method of the magnetic sensor as described in 1 above.

請求項3にかかる発明は、前記磁気抵抗効果素子の帯状長手方向の側面をテーパー加工することにより、外部磁界が加わっていないときの前記磁気抵抗効果素子のフリー層における磁化の向きを、前記磁気抵抗効果素子の帯状長手方向に揃えることを特徴とする請求項1又は2に記載の磁気センサの製造方法である。   According to a third aspect of the present invention, the direction of magnetization in the free layer of the magnetoresistive element when the external magnetic field is not applied is obtained by tapering the side surface in the longitudinal direction of the band of the magnetoresistive element. 3. The method of manufacturing a magnetic sensor according to claim 1, wherein the resistance effect elements are aligned in the longitudinal direction of the belt.

本発明によれば、GMR素子の帯状長手方向の側面をテーパー加工することにより、磁壁が形成されないため、外部磁界に対するGMR素子の磁気異方性を十分に制御でき、フリー層の磁化の均一性を向上させて外部磁界に対する磁気センサの出力安定性を確保し、強磁界が印加された後でも、フリー層の磁化の向きを正確に初期状態に復帰させることのできる磁気センサを製造することができる。   According to the present invention, since the domain wall is not formed by tapering the side surface in the longitudinal direction of the belt of the GMR element, the magnetic anisotropy of the GMR element with respect to the external magnetic field can be sufficiently controlled, and the magnetization uniformity of the free layer To secure the output stability of the magnetic sensor against an external magnetic field, and to manufacture a magnetic sensor capable of accurately returning the magnetization direction of the free layer to the initial state even after a strong magnetic field is applied. it can.

また、本発明の磁気センサの製造方法によれば、GMR素子の膜構造や、磁気センサのパターンを従来のものから変更することなしに、外部磁界に対する磁気センサの出力安定性を向上させることができる。   Further, according to the method for manufacturing a magnetic sensor of the present invention, the output stability of the magnetic sensor against an external magnetic field can be improved without changing the film structure of the GMR element or the pattern of the magnetic sensor from the conventional one. it can.

また、本発明の磁気センサの製造方法では、イオンビームを基板に対して斜め方向から入射して、GMR素子をミリングしているため、ミリングで削られた材料のGMR素子への再付着を防止でき、スループットの向上した精度の高い加工を行うことができる。   Further, in the method of manufacturing a magnetic sensor according to the present invention, the ion beam is incident on the substrate from an oblique direction to mill the GMR element, so that the material removed by milling is prevented from reattaching to the GMR element. And high-precision processing with improved throughput can be performed.

以下、本発明で製造した磁気センサについて、図面に基づき詳細に説明する。   Hereinafter, the magnetic sensor manufactured by this invention is demonstrated in detail based on drawing.

[第1の実施形態]
図1は、第1の実施形態に係る磁気センサの概略平面図である。本実施形態の磁気センサ1は、所定の厚みを有する石英又はシリコンウエハからなる基板2と、この基板2上に配されたX軸方向の磁界を検出するX軸磁気センサ31,32と、Y軸方向の磁界を検出するY軸磁気センサ41,42とから概略構成されている。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a schematic plan view of the magnetic sensor according to the first embodiment. The magnetic sensor 1 of this embodiment includes a substrate 2 made of a quartz or silicon wafer having a predetermined thickness, X-axis magnetic sensors 31 and 32 for detecting a magnetic field in the X-axis direction disposed on the substrate 2, and Y A Y-axis magnetic sensor 41, 42 for detecting an axial magnetic field is schematically configured.

本実施形態の磁気センサ1にあっては、基板2は正方形状の石英又はシリコンウエハから構成されている。この基板2上には、基板2の正方形の四辺に沿って、各辺の中央にそれぞれ1つづつ磁気センサ31,32,41,42が設けられている。磁気センサ31,32,41,42は、その帯状長手方向を基板2の正方形各辺と平行となるように配されている。図1では、基板2の正方形の横の辺と平行な方向をX軸方向、縦の辺と平行な方向をY軸方向と規定する。また、図1における磁気センサ31,32,41,42に描かれた矢印方向は、各磁気センサにおけるピンド層の磁化の向きを表している。基板2の正方形の縦の辺(Y軸方向)と平行に配されている磁気センサをX軸磁気センサ31,32と、正方形の横の辺(X軸方向)と平行に配されている磁気センサをY軸磁気センサ41,42とする。   In the magnetic sensor 1 of the present embodiment, the substrate 2 is made of a square quartz or silicon wafer. On the substrate 2, magnetic sensors 31, 32, 41, and 42 are provided along the four sides of the substrate 2 at the center of each side. The magnetic sensors 31, 32, 41, 42 are arranged so that the belt-like longitudinal direction is parallel to the square sides of the substrate 2. In FIG. 1, the direction parallel to the horizontal side of the square of the substrate 2 is defined as the X-axis direction, and the direction parallel to the vertical side is defined as the Y-axis direction. Moreover, the arrow direction drawn on the magnetic sensors 31, 32, 41, and 42 in FIG. 1 represents the direction of magnetization of the pinned layer in each magnetic sensor. Magnetic sensors arranged in parallel with the square vertical side (Y-axis direction) of the substrate 2 are arranged in parallel with the X-axis magnetic sensors 31 and 32 and the horizontal side of the square (X-axis direction). The sensors are Y-axis magnetic sensors 41 and 42.

図2は、第1の実施形態に係るX軸磁気センサ31の概略図であり、(a)は平面図、(b)はA−A’断面図である。残りの磁気センサは、ピンド層の磁化の向きのピン止め(固着)方向が異なる以外は同様の構造であるため、それらの説明は省略する。このX軸磁気センサ31(以下、「磁気センサ」という)は、基板2(図示せず)上に積層された配線取り出し部7,7と、その上に積層された下地膜10,10・・・と、下地膜10,10・・・上に積層されたバイアス磁石層6,6・・・と、バイアス磁石層6,6・・・上に積層された帯状のGMR素子5とから概略構成されている。   2A and 2B are schematic views of the X-axis magnetic sensor 31 according to the first embodiment, where FIG. 2A is a plan view and FIG. 2B is a cross-sectional view taken along line A-A ′. Since the remaining magnetic sensors have the same structure except that the pinning (fixed) direction of the magnetization direction of the pinned layer is different, description thereof will be omitted. The X-axis magnetic sensor 31 (hereinafter referred to as “magnetic sensor”) includes wiring take-out portions 7 and 7 stacked on a substrate 2 (not shown), and underlying films 10, 10. .., And bias magnet layers 6, 6... Stacked on the base films 10, 10..., And a strip-shaped GMR element 5 stacked on the bias magnet layers 6, 6. Has been.

本実施形態に係るGMR素子5は、4個の幅狭帯状部51,51・・・が、その帯状長手方向を平行に揃えて、所定の間隔を持って配置されている。そして、隣り合った上段2個の幅狭帯状部51,51の左端部は、長方形をした第1連結部52と接合している。また、上段から2番目の幅狭帯状部51の右端部と、その下段に位置する3番目の幅狭帯状部51の右端部は、長方形をした第2連結部53と接合しており、さらに、上段から3番目の幅狭帯状部51の左端部と、最下段に位置する幅狭帯状部51の左端部は、長方形をした第3連結部54と接合している。そして、4個の幅狭帯状部51,51・・・は、第1連結部52、第2連結部53、第3連結部54を介して接合することで、全体でつづら折り形状をなすように配されて、GMR素子5を形成している。   In the GMR element 5 according to the present embodiment, four narrow strip portions 51, 51... Are arranged with a predetermined interval with the strip longitudinal directions aligned in parallel. Then, the left end portions of the two adjacent upper narrow-width portions 51, 51 are joined to a rectangular first connection portion 52. Further, the right end of the second narrow strip 51 from the top and the right end of the third narrow strip 51 located at the bottom are joined to the rectangular second connecting portion 53, and The left end portion of the third narrow strip portion 51 from the upper stage and the left end portion of the narrow strip portion 51 located at the lowermost step are joined to the rectangular third connecting portion 54. The four narrow strips 51, 51... Are joined together via the first connecting part 52, the second connecting part 53, and the third connecting part 54 so as to form a zigzag folded shape as a whole. The GMR element 5 is formed.

また、最上段と最下段の幅狭帯状部51,51の右端部は、それぞれ1個のバイアス磁石層6,6上に積層されている。また、第1連結部52、第2連結部53、第3連結部54の下には、バイアス磁石層6,6・・・が設けられている。
そして、バイアス磁石層6,6・・・の下には、膜厚40nm程度のクロムからなる下地膜10,10・・が設けられている。
また、最上段と最下段の幅狭帯状部51,51の右端部に接続されたバイアス磁石層6,6と下地膜10,10・・・は、帯状形状の配線取り出し部7,7の各左端部上に形成されている。
In addition, the right end portions of the narrowest strip portions 51 and 51 at the uppermost and lowermost layers are laminated on one bias magnet layer 6 and 6, respectively. Further, bias magnet layers 6, 6,... Are provided below the first connecting portion 52, the second connecting portion 53, and the third connecting portion 54.
And under the bias magnet layers 6, 6,..., Base films 10, 10,.
Further, the bias magnet layers 6, 6 and the base films 10, 10... Connected to the right end portions of the narrowest strip-shaped portions 51, 51 at the uppermost and lowermost steps are respectively connected to the strip-shaped wiring lead-out portions 7, 7. It is formed on the left end.

GMR素子5、バイアス磁石層6,6・・・、下地膜10,10・・・、配線取り出し部7,7は、各端部が接続していて全体でつづら折り形状をなすように配されており、GMR素子5は、バイアス磁石層6,6・・・、下地膜10,10・・・を介して配線取り出し部7,7と電気的に接続されている。これら全体が直列に電気的に接続した構造となっているため、全体で抵抗回路として機能することができ、回路に外部から電流を流して電圧を測定することによって、GMR素子5の抵抗値を求め、この抵抗値から外部磁界の強さを算出できるようになっている。   The GMR element 5, the bias magnet layers 6, 6..., The base films 10, 10..., And the wiring take-out portions 7 and 7 are arranged so that each end is connected and forms a zigzag shape as a whole. The GMR element 5 is electrically connected to the wiring extraction portions 7 and 7 through the bias magnet layers 6, 6... And the base films 10, 10. Since the entire structure is electrically connected in series, it can function as a resistance circuit as a whole, and the resistance value of the GMR element 5 is determined by measuring the voltage by applying a current from the outside to the circuit. The strength of the external magnetic field can be calculated from this resistance value.

次に、GMR素子5について説明する。図3は、第1の実施形態に係るGMR素子5の構造を示す概略断面図である。このGMR素子5は、図2における幅狭帯状部51,51・・・の部分であり、基板2上に、フリー層F、銅(Cu)からなる導電性のスペーサ層S、コバルト−鉄(CoFe)合金からなるピンド層PD、白金−マンガン(PtMn)合金からなるピニング層PN、チタン(Ti)、タンタル(Ta)等の金属薄膜からなるキャッピング層Cが順次積層されてなるものである。   Next, the GMR element 5 will be described. FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the GMR element 5 according to the first embodiment. The GMR element 5 is a portion of the narrow band portions 51, 51... In FIG. 2, and on the substrate 2, a free layer F, a conductive spacer layer S made of copper (Cu), cobalt-iron ( A pinned layer PD made of a CoFe) alloy, a pinning layer PN made of a platinum-manganese (PtMn) alloy, and a capping layer C made of a metal thin film such as titanium (Ti) or tantalum (Ta) are sequentially laminated.

このフリー層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、例えば、コバルト−ジルコニウム−ニオブ(CoZrNb)アモルファス磁性層と、CoZrNbアモルファス磁性層上に積層されたニッケル−鉄(NiFe)磁性層と、NiFe磁性層上に積層されたコバルト−鉄(CoFe)層とから構成されている。
このフリー層Fには、その磁化の一軸異方性(フリー層容易軸方向)を維持するために、GMR素子5の帯状長手方向にバイアス磁石層6,6・・・によりバイアス磁界が付与されている。
なお、GMR素子5の帯状長手方向とは、図2における幅狭帯状部51,51・・・の帯状長手方向と一致する方向のことであり、GMR素子5の帯状短手方向とは、図2における幅狭帯状部51,51・・・の帯状短手方向と一致する方向のことをいう。
The free layer F is a layer whose magnetization direction changes according to the direction of the external magnetic field. For example, a cobalt-zirconium-niobium (CoZrNb) amorphous magnetic layer and a nickel-iron layer laminated on the CoZrNb amorphous magnetic layer. It is composed of a (NiFe) magnetic layer and a cobalt-iron (CoFe) layer laminated on the NiFe magnetic layer.
A bias magnetic field is applied to the free layer F by the bias magnet layers 6, 6... In the longitudinal direction of the GMR element 5 in order to maintain the uniaxial anisotropy (the free layer easy axis direction) of the magnetization. ing.
The longitudinal direction of the band of the GMR element 5 is a direction that coincides with the longitudinal direction of the band of the narrow band-like portions 51, 51... In FIG. 2 is a direction coinciding with the short band direction of the narrow band portions 51, 51.

フリー層Fを構成するCoZrNbアモルファス磁性層とNiFe磁性層は、軟質の強磁性体であり、それらの上に形成されたCoFe層は、NiFe磁性層のニッケルおよびスペーサ層Sの銅の拡散を防止するものである。   The CoZrNb amorphous magnetic layer and the NiFe magnetic layer constituting the free layer F are soft ferromagnets, and the CoFe layer formed thereon prevents diffusion of nickel in the NiFe magnetic layer and copper in the spacer layer S To do.

スペーサ層Sは、銅もしくは銅合金からなる導電性の金属薄膜である。
また、ピンド層PDは、コバルト−鉄(CoFe)磁性層により構成されている。このCoFe磁性層は、後述するピニング層PNの反強磁性膜に交換結合的に裏打されることにより、磁化の向きが図1に示す矢印方向に相当するGMR素子5の帯状短手方向にピン止め(固着)されている。
The spacer layer S is a conductive metal thin film made of copper or a copper alloy.
The pinned layer PD is composed of a cobalt-iron (CoFe) magnetic layer. This CoFe magnetic layer is back-coupled to the antiferromagnetic film of the pinning layer PN, which will be described later, in an exchange coupling manner, so that the direction of magnetization is pinned in the short band direction of the GMR element 5 corresponding to the arrow direction shown in FIG. Stopped (fixed).

ピニング層PNは、CoFe磁性層上に積層され、白金を45〜55mol%含むPtMn合金からなる反強磁性膜により構成されている。この反強磁性膜は、所定の方向に磁界が印加された状態で規則化熱処理されて形成されたものである。
これらピンド層PDとピニング層PNを併せてピン層と称する。
The pinning layer PN is laminated on the CoFe magnetic layer and is made of an antiferromagnetic film made of a PtMn alloy containing 45 to 55 mol% of platinum. This antiferromagnetic film is formed by a regular heat treatment in a state where a magnetic field is applied in a predetermined direction.
The pinned layer PD and the pinning layer PN are collectively referred to as a pinned layer.

キャッピング層Cは、チタン(Ti)又はタンタル(Ta)等からなる金属薄膜であり、ピニング層PNの酸化防止と保護を目的とするものである。   The capping layer C is a metal thin film made of titanium (Ti), tantalum (Ta) or the like, and is intended to prevent oxidation and protect the pinning layer PN.

また、図4は、第1の実施形態に係るGMR素子5の概略斜視図である。図4では、右方向を短手方向とし、それと直交する奥行き方向を長手方向としている。短手方向に沿った側面が、GMR素子5の帯状短手方向の側面9であり、長手方向に沿った側面が、帯状長手方向の側面8である。
本実施形態に係るGMR素子5は、その帯状長手方向の側面8が、基板2に対して角度θをなすようにテーパー加工されており、すそ広がりの形状となっている。GMR素子5の帯状長手方向の側面8をテーパー加工することにより、外部磁界が加わっていないときのGMR素子5のフリー層における磁化の向きを、GMR素子5の帯状長手方向に揃えることができる。
FIG. 4 is a schematic perspective view of the GMR element 5 according to the first embodiment. In FIG. 4, the right direction is the short direction, and the depth direction perpendicular thereto is the long direction. The side surface along the short direction is the side surface 9 in the belt-like short direction of the GMR element 5, and the side surface along the longitudinal direction is the side surface 8 in the belt-like longitudinal direction.
In the GMR element 5 according to the present embodiment, the side surface 8 in the belt-like longitudinal direction is tapered so as to form an angle θ with respect to the substrate 2, and has a flared shape. By tapering the band-like longitudinal side surface 8 of the GMR element 5, the magnetization direction in the free layer of the GMR element 5 when no external magnetic field is applied can be aligned with the band-like longitudinal direction of the GMR element 5.

この角度θは50〜85°であるのが好ましい。この角度θを前記範囲内とすることで、角度が90°である場合と比較して磁区(ドメイン)の形成が変化するため、図19に示した磁壁(エッジカーリングウォール)の形成を防止し、フリー層の磁化の均一性を向上させて外部磁界に対する磁気センサの出力を安定させることができる。さらに、強磁界が印加された後でも、フリー層の磁化の向きを正確に初期状態の帯状長手方向に復帰させることができる。   This angle θ is preferably 50 to 85 °. By setting the angle θ within the above range, the formation of the magnetic domain (domain) changes compared to the case where the angle is 90 °, so that the formation of the domain wall (edge curling wall) shown in FIG. 19 is prevented. The uniformity of the magnetization of the free layer can be improved and the output of the magnetic sensor with respect to the external magnetic field can be stabilized. Furthermore, even after a strong magnetic field is applied, the magnetization direction of the free layer can be accurately returned to the initial strip-like longitudinal direction.

また、GMR素子5と接続したバイアス磁石層6,6・・・は、膜厚90nm程度の高保磁力、高角型比を有するコバルト−白金−クロム(CoCrPt)合金のマグネット膜からなる金属薄膜である。このバイアス磁石層6,6・・・は、成膜後に外部磁界によりその磁化の向きがGMR素子5の帯状長手方向に沿う方向となるように着磁されている。   The bias magnet layers 6, 6... Connected to the GMR element 5 are metal thin films made of a cobalt-platinum-chromium (CoCrPt) alloy magnet film having a high coercive force and a high squareness ratio of about 90 nm. . The bias magnet layers 6, 6... Are magnetized by an external magnetic field after film formation so that the magnetization direction is in the direction along the longitudinal direction of the GMR element 5.

ピンド層PDの磁化の向きは、上述したように図1に示す矢印方向に相当するGMR素子5の帯状短手方向であり、バイアス磁石層6,6・・・の磁化の向きは、帯状長手方向であるため、GMR素子5のピンド層PDの磁化の向きとバイアス磁石層6,6・・・の磁化の向きとは90°の角度をなすことになる。
このバイアス磁石層6,6・・・の磁化によって、GMR素子5のフリー層の磁化の向きが、GMR素子5の帯状長手方向に磁化されるため、フリー層の一軸異方性(フリー層容易軸方向)を維持することができる。
As described above, the magnetization direction of the pinned layer PD is the short band direction of the GMR element 5 corresponding to the arrow direction shown in FIG. 1, and the magnetization direction of the bias magnet layers 6, 6. Therefore, the magnetization direction of the pinned layer PD of the GMR element 5 and the magnetization direction of the bias magnet layers 6, 6... Form an angle of 90 °.
The magnetization direction of the free layer of the GMR element 5 is magnetized in the longitudinal direction of the band of the GMR element 5 by the magnetization of the bias magnet layers 6, 6. Axial direction) can be maintained.

本実施形態の磁気センサは、GMR素子5の形状がつづら折りした帯状であり、その両端部と連結部にバイアス磁石層6,6・・・を接続し、さらにGMR素子5の帯状長手方向の側面8,8・・・をテーパー加工することにより、外部磁界に対するGMR素子の磁気異方性を十分に制御でき、フリー層の磁化の均一性を向上させて外部磁界に対する磁気センサの出力安定性を確保し、強磁界が印加された後でも、フリー層の磁化の向きを正確に初期状態に復帰させることができる。   The magnetic sensor of the present embodiment has a belt-like shape in which the shape of the GMR element 5 is folded, and the bias magnet layers 6, 6... 8, 8... Can be sufficiently controlled to control the magnetic anisotropy of the GMR element with respect to the external magnetic field, improve the uniformity of magnetization of the free layer, and improve the output stability of the magnetic sensor with respect to the external magnetic field. Even after the strong magnetic field is applied, the magnetization direction of the free layer can be accurately returned to the initial state.

また、本実施形態の磁気センサは、GMR素子の膜構造や、磁気センサのパターンを従来のものから変更することなしに、外部磁界に対する磁気センサの出力安定性を向上させることができる。   In addition, the magnetic sensor of this embodiment can improve the output stability of the magnetic sensor against an external magnetic field without changing the film structure of the GMR element and the pattern of the magnetic sensor from the conventional one.

次に、本実施形態の磁気センサの製造方法について説明する。
図5は、第1の実施形態に係る磁気センサの製造方法の手順を示すフローチャートである。図6〜図11、図14は、第1の実施形態に係る磁気センサの製造方法を示す概略断面図である。
Next, a method for manufacturing the magnetic sensor of this embodiment will be described.
FIG. 5 is a flowchart showing the procedure of the method for manufacturing the magnetic sensor according to the first embodiment. 6 to 11 and 14 are schematic cross-sectional views illustrating the method of manufacturing the magnetic sensor according to the first embodiment.

本実施形態に係る磁気センサの製造方法では、まず石英又はシリコンウエハからなる基板2を用意する。基板2には、あらかじめ磁気センサ制御用のLSI部分を形成しておくことができる。その場合には、前工程(工程ア)において、公知の方法にてトランジスタ等の素子、および配線、絶縁膜、コンタクト等を形成し、さらに保護膜を形成して、この保護膜に接続用の開口部を形成しておく。   In the method for manufacturing a magnetic sensor according to this embodiment, first, a substrate 2 made of quartz or a silicon wafer is prepared. An LSI portion for controlling the magnetic sensor can be formed in advance on the substrate 2. In that case, in the previous process (process A), an element such as a transistor and wiring, an insulating film, a contact, etc. are formed by a known method, and a protective film is further formed. An opening is formed.

次いで、マグネット膜成膜(工程イ)として、図6に示すように、石英又はシリコンウエハからなる基板2の上面にスパッタリング法により、膜厚40nm程度のクロムからなる下地膜10を形成する。続いて、下地膜10の上面にスパッタリング法により、膜厚90nm程度のコバルト−白金−クロム(CoCrPt)合金からなるバイアス磁石層6を形成する。   Next, as a magnet film formation (step A), as shown in FIG. 6, a base film 10 made of chromium having a thickness of about 40 nm is formed on the upper surface of the substrate 2 made of quartz or a silicon wafer by sputtering. Subsequently, a bias magnet layer 6 made of a cobalt-platinum-chromium (CoCrPt) alloy having a thickness of about 90 nm is formed on the upper surface of the base film 10 by sputtering.

次いで、マグネットカット(工程ウ)として、図7に示すように、バイアス磁石層6の上面に、スピンコート法、ディップコート法等により任意の厚みのフォトレジストを塗布し、このフォトレジストの表面に任意のパターンのマスクを配置して露光した後、現像処理を行って不必要なフォトレジストを除去し、レジスト膜11を形成する。続いて、フォトレジストを加熱してリフローさせ、両端部が曲面をなすようにリフロー後のレジスト膜11’を形成する。   Next, as a magnet cut (process c), as shown in FIG. 7, a photoresist having an arbitrary thickness is applied to the upper surface of the bias magnet layer 6 by a spin coating method, a dip coating method, or the like. After arranging and exposing a mask having an arbitrary pattern, development processing is performed to remove unnecessary photoresist, and a resist film 11 is formed. Subsequently, the photoresist is heated and reflowed to form a reflowed resist film 11 ′ so that both end portions are curved.

次いで、マグネットミリング(工程エ)として、図8に示すように、イオンミリング(図中の矢印)により、リフロー後のレジスト膜11’で覆われていない部分の下地膜10およびバイアス磁石層6を除去すると同時に、下地膜10およびバイアス磁石層6を所定の形状に形成する。この工程エにおいて、リフロー後のレジスト膜11’の両端部の曲面形状に応じて、イオンミリングにより、下地膜10およびバイアス磁石層6の側面が基板2に対して傾斜するように形成される。   Next, as shown in FIG. 8, as the magnet milling (process d), the portion of the base film 10 and the bias magnet layer 6 that are not covered with the reflowed resist film 11 ′ are formed by ion milling (arrows in the figure). Simultaneously with the removal, the base film 10 and the bias magnet layer 6 are formed in a predetermined shape. In this step D, the side surfaces of the base film 10 and the bias magnet layer 6 are formed so as to be inclined with respect to the substrate 2 by ion milling according to the curved surface shape of both end portions of the resist film 11 ′ after reflow.

次いで、レジスト除去(工程オ)として、図9に示すように、アセトン、N−メチル−2−ピロリドン等の洗浄液でレジスト膜11’を除去し、バイアス磁石層6の表面を洗浄し、レジスト膜11’を除去する。   Next, as shown in FIG. 9, the resist film 11 ′ is removed with a cleaning solution such as acetone or N-methyl-2-pyrrolidone, and the surface of the bias magnet layer 6 is cleaned as a resist removal (process o), as shown in FIG. 11 'is removed.

次いで、GMR成膜(工程カ)として、図10に示すように、基板2の上面、下地膜10の側面、バイアス磁石層6の上面および側面に、イオンビームスパッタ法、マグネトロンスパッタ法等により、GMR素子5を形成する。   Next, as shown in FIG. 10, as GMR film formation (step F), ion beam sputtering, magnetron sputtering, or the like is performed on the upper surface of the substrate 2, the side surface of the base film 10, and the upper surface and side surfaces of the bias magnet layer 6. A GMR element 5 is formed.

次いで、マグネットアレイセット(工程キ)として、外部空間に設けたマグネットアレイを、バイアス磁石層6に対して所定の位置に配置し、GMR素子5のピン層に対して所定の方向に磁場を印加する。   Next, as a magnet array set (process key), a magnet array provided in the external space is arranged at a predetermined position with respect to the bias magnet layer 6, and a magnetic field is applied to the pinned layer of the GMR element 5 in a predetermined direction. To do.

次いで、規則化熱処理(工程ク)として、マグネットアレイと、バイアス磁石層6との配置を固定したまま、真空中にて、280℃で4時間熱処理する。これにより、GMR素子5のピン層のうち、ピニング層の規則化熱処理を行い、ピンド層の磁化の向きをGMR素子5の帯状短手方向にピン止め(固着)する。   Next, heat treatment is performed at 280 ° C. for 4 hours in a vacuum while fixing the arrangement of the magnet array and the bias magnet layer 6 as regularizing heat treatment (process k). As a result, the pinning layer of the pinned layer of the GMR element 5 is subjected to a regularized heat treatment, and the pinned layer is pinned (fixed) in the direction of the band-like short direction of the GMR element 5.

次いで、マグネットアレイを所定の位置から取り外す(工程ケ)。   Next, the magnet array is removed from a predetermined position (process step).

次いで、GMRパターン形成(工程A)として、図11に示すように、GMR素子5の上面に、スピンコート法、ディップコート法等により、厚さ0.3〜5μmのフォトレジストを塗布し、このフォトレジストの表面に任意のパターンのマスクを配置して露光した後、現像処理を行って不必要なフォトレジストを除去し、レジスト膜20を形成する。なお、図11及び図14中のA−A’方向は、図12(a)のA−A’方向に相当し、その一部分の断面図である。塗布するレジストの厚さを上記範囲とすることにより、レジストリフロー後のレジスト膜20’の帯状長手方向の傾斜角度βを小さくすることができる。   Next, as GMR pattern formation (step A), as shown in FIG. 11, a photoresist having a thickness of 0.3 to 5 μm is applied to the upper surface of the GMR element 5 by spin coating, dip coating, or the like. After a mask having an arbitrary pattern is placed on the surface of the photoresist and exposed, development is performed to remove unnecessary photoresist, and a resist film 20 is formed. The A-A ′ direction in FIGS. 11 and 14 corresponds to the A-A ′ direction in FIG. 12A and is a partial cross-sectional view. By setting the thickness of the resist to be applied within the above range, it is possible to reduce the inclination angle β in the strip-like longitudinal direction of the resist film 20 ′ after the registry flow.

続いて、レジストリフロー(工程B)として、レジスト膜20を120〜180℃で、1〜30分加熱してリフローさせ、レジスト膜20の帯状長手方向、短手方向の各両端部が曲面をなすようにし、傾斜形状のリフロー後のレジスト膜20’を形成する。従来の加熱温度である100℃よりも高い温度でリフローし、さらに、加熱時間を上記範囲とすることにより、リフロー後のレジスト膜20’の帯状長手方向の傾斜角度βを小さくすることができる。   Subsequently, as a registry flow (step B), the resist film 20 is heated at 120 to 180 ° C. for 1 to 30 minutes to be reflowed, and both end portions of the resist film 20 in the longitudinal and lateral directions form curved surfaces. In this way, an inclined reflowed resist film 20 ′ is formed. By reflowing at a temperature higher than the conventional heating temperature of 100 ° C. and further setting the heating time within the above range, the inclination angle β in the strip-like longitudinal direction of the resist film 20 ′ after reflow can be reduced.

図12は、第1の実施形態に係るGMRパターン形成(工程A)後及びレジストリフロー(工程B)後のGMR素子5とレジスト膜20、リフロー後のレジスト膜20’の概略図であり、(a)は平面図、(b)は全体の概略断面図、(c)はA−A’断面の一部拡大断面図、(d)はB−B’断面図である。   FIG. 12 is a schematic diagram of the GMR element 5 and the resist film 20 after the GMR pattern formation (step A) and the registry flow (step B) according to the first embodiment, and the resist film 20 ′ after the reflow. (a) is a plan view, (b) is a schematic sectional view of the whole, (c) is a partially enlarged sectional view of the AA ′ section, and (d) is a BB ′ sectional view.

工程A後のレジスト膜20は、図12(c)、(d)の点線で示すように直方体の形状であり、帯状短手方向、長手方向のレジスト端面がGMR素子5上面となす傾斜角度α、βはすべて90°である。
このレジスト膜20を加熱し、リフローを行う。リフローは基板全体で行うので、帯状短手方向、長手方向のどちらも同じ条件で加熱されるが、リフロー後のレジスト端面の形状はレジストのパターンに依存する。図12(c)、(d)の断面図に、リフロー後のレジスト膜20’の形状を実線で示す。図12(c)のA−A’断面の一部拡大断面図に示したように、リフロー後のレジスト膜20’の帯状短手方向の端面がGMR素子5上面となす傾斜角度αは30〜80°と小さくなり、一方、図12(d)のB−B’断面図に示したように、リフロー後のレジスト膜20’の帯状長手方向の端面がGMR素子5上面となす傾斜角度βは50〜85°とそれよりも大きくなる。
The resist film 20 after the process A has a rectangular parallelepiped shape as indicated by the dotted lines in FIGS. 12C and 12D, and an inclination angle α formed by the resist end surface in the strip-like lateral direction and the longitudinal direction with the upper surface of the GMR element 5. , Β are all 90 °.
The resist film 20 is heated and reflowed. Since reflow is performed on the entire substrate, heating is performed under the same conditions in both the strip-like lateral direction and the longitudinal direction, but the shape of the resist end face after reflowing depends on the resist pattern. In the cross-sectional views of FIGS. 12C and 12D, the shape of the resist film 20 ′ after reflow is indicated by a solid line. As shown in the partially enlarged cross-sectional view of the AA ′ cross section in FIG. 12C, the inclination angle α formed by the end surface in the strip-like short direction of the resist film 20 ′ after reflow with the upper surface of the GMR element 5 is 30˜. On the other hand, as shown in the BB ′ cross-sectional view of FIG. 12D, the inclination angle β formed by the end surface in the strip-like longitudinal direction of the resist film 20 ′ after reflow with the upper surface of the GMR element 5 is as shown in FIG. 50 to 85 ° and larger.

次いで、GMRミリング(工程C)として、イオンビームを基板に対して斜め方向から入射して、GMR素子5をミリングすることにより、リフロー後のレジスト膜20’で覆われていない部分のGMR素子5を除去すると同時に、GMR素子5の帯状長手方向の側面8,8・・・をテーパー加工する。   Next, as GMR milling (step C), an ion beam is incident on the substrate from an oblique direction, and the GMR element 5 is milled, whereby a portion of the GMR element 5 not covered with the reflowed resist film 20 ′ is obtained. At the same time, the side surfaces 8, 8... In the belt-like longitudinal direction of the GMR element 5 are tapered.

この工程Cにおいて、リフロー後のレジスト膜20’の帯状短手方向、長手方向の両端部の曲面形状に応じて、イオンミリングにより、GMR素子5の帯状長手方向の側面8,8・・・と短手方向の側面9,9・・・はそれぞれ異なるテーパー角度で基板2に対して傾斜するように形成される。   In this step C, the side surfaces 8, 8... Of the GMR element 5 in the longitudinal direction of the GMR element 5 are formed by ion milling according to the curved shape of the both ends in the longitudinal direction and the longitudinal direction of the resist film 20 ′ after reflow. The side surfaces 9, 9... In the short direction are formed to be inclined with respect to the substrate 2 at different taper angles.

イオンミリングに用いるビームには、アルゴン、酸素、CF等のガスを使用することができる。そのなかでもアルゴンが好ましい。また、ビームの入射角度は、基板に対して斜め方向であり、その角度は基板2面の法線に対して5〜30°であるのが好ましい。また、ミリング条件は、圧力0.01〜0.1Pa、加速電圧0.3〜0.8kV、ミリング時間1〜3分で行うのが好ましい。 As a beam used for ion milling, a gas such as argon, oxygen, or CF 4 can be used. Among these, argon is preferable. The incident angle of the beam is oblique to the substrate, and the angle is preferably 5 to 30 ° with respect to the normal line of the substrate 2 surface. The milling conditions are preferably performed under a pressure of 0.01 to 0.1 Pa, an acceleration voltage of 0.3 to 0.8 kV, and a milling time of 1 to 3 minutes.

図13は、第1の実施形態に係るGMRミリング(工程C)のイオンビームの入射方向とGMR素子5のテーパー加工との関係を示す概略断面図であり、(a)は垂直ミリングした場合のB−B’断面図、(b)は左方向斜め入射ミリングした場合のB−B’断面図、(c)は右方向斜め入射ミリングした場合のB−B’断面図、(d)は垂直ミリングした場合のA−A’断面の一部拡大断面図、(e)は左方向斜め入射ミリングした場合のA−A’断面の一部拡大断面図、(f)は右方向斜め入射ミリングした場合のA−A’断面の一部拡大断面図である。   FIG. 13 is a schematic cross-sectional view showing the relationship between the ion beam incident direction of the GMR milling (step C) and taper processing of the GMR element 5 according to the first embodiment, and FIG. 13A shows the case of vertical milling. BB 'sectional view, (b) is a BB' sectional view when left oblique incidence milling, (c) is a BB 'sectional view when right oblique incidence milling, (d) is vertical A partially enlarged cross-sectional view of the AA ′ cross section when milled, (e) is a partially enlarged cross-sectional view of the AA ′ cross section when left obliquely incident milled, and (f) is a right oblique oblique incident milled. It is a partially expanded sectional view of the AA 'cross section in the case.

イオンビームを基板に対して垂直方向(90°)から入射してミリングする垂直ミリングを行うと、GMR素子5の帯状長手方向では、図13(a)の垂直ミリングした場合のB−B’断面図に示したように、リフロー後のレジスト膜20’の帯状長手方向の傾斜角度βは大きいため、GMR素子5の帯状長手方向の側面8,8はレジスト膜20’の幅にならった形状となり、側面8,8のテーパー角度θがほぼ90°になる。   When vertical milling is performed in which the ion beam is incident on the substrate from the vertical direction (90 °) and milled, the cross-section BB ′ in the case of vertical milling in FIG. As shown in the drawing, since the inclination angle β in the strip longitudinal direction of the resist film 20 ′ after reflow is large, the side surfaces 8 and 8 in the strip longitudinal direction of the GMR element 5 are shaped according to the width of the resist film 20 ′. The taper angle θ of the side surfaces 8 and 8 is approximately 90 °.

一方、イオンビームを基板に対して左斜め上方向又は右斜め上方向から、基板2面の法線に対して5〜30°の角度で入射してミリングする斜め入射ミリング(左方向斜め入射ミリング又は右方向斜め入射ミリング)を行うと、GMR素子5の帯状長手方向では、図13(b)の左方向斜め入射ミリングした場合のB−B’断面図又は図13(c)の右方向斜め入射ミリングした場合のB−B’断面図に示したように、左右方向から入射されることとなり、最終的には側面8,8のテーパー角度θがほぼ50〜85°になる。
このようにして、GMR素子5の帯状長手方向の側面8,8をテーパー加工することにより、外部磁界が加わっていないときのGMR素子5のフリー層における磁化の向きを、GMR素子5の帯状長手方向に揃えることができる。
On the other hand, an oblique incidence milling (left oblique incidence milling) in which an ion beam is incident and milled at an angle of 5 to 30 ° with respect to the normal line of the surface of the substrate 2 from an upper left direction or an upper right direction with respect to the substrate. (Or oblique oblique milling in the right direction), in the longitudinal direction of the band of the GMR element 5, the cross-sectional view taken along the line BB 'in FIG. 13 (b) and obliquely inclined in the right direction in FIG. 13 (c). As shown in the cross-sectional view along the line BB ′ in the case of incident milling, the light is incident from the left and right directions, and finally the taper angle θ of the side surfaces 8 and 8 becomes approximately 50 to 85 °.
In this way, by tapering the side surfaces 8 and 8 of the GMR element 5 in the longitudinal direction of the belt, the direction of magnetization in the free layer of the GMR element 5 when no external magnetic field is applied is changed. Can be aligned in the direction.

次に、このGMR素子5をA−A’断面図からみると、イオンビームを基板に対して垂直方向(90°)から入射してミリングする垂直ミリングを行うと、GMR素子5の帯状短手方向では、図13(d)の垂直ミリングした場合のA−A’断面の一部拡大断面図に示したように、リフロー後のレジスト膜20’の帯状短手方向の傾斜角度αは、帯状長手方向の傾斜角度βより小さいにもかかわらず、レジスト膜20’の厚さによっては肩部が削られる程度であって、帯状短手方向のテーパーはつきにくい。   Next, when the GMR element 5 is viewed from the AA ′ cross-sectional view, when vertical milling is performed in which the ion beam is incident on the substrate in a vertical direction (90 °) and milled, the GMR element 5 has a short band shape. In the direction, as shown in the partially enlarged cross-sectional view of the AA ′ cross section in the case of vertical milling in FIG. 13D, the inclination angle α in the short band direction of the resist film 20 ′ after the reflow is a band shape. Despite being smaller than the inclination angle β in the longitudinal direction, depending on the thickness of the resist film 20 ′, the shoulder is scraped, and it is difficult to taper in the belt-like short direction.

一方、イオンビームを基板に対して左斜め上方向又は右斜め上方向から、基板2面の法線に対して5〜30°の角度で入射してミリングする斜め入射ミリング(左方向斜め入射ミリング又は右方向斜め入射ミリング)を行うと、GMR素子5の帯状短手方向では、図13(e)の左方向斜め入射ミリングした場合のA−A’断面の一部拡大断面図又は図13(f)の右方向斜め入射ミリングした場合のA−A’断面の一部拡大断面図に示したように、左右方向から入射されることとなり、最終的には側面9のテーパー角度がほぼ30〜80°になる。   On the other hand, an oblique incidence milling (left oblique incidence milling) in which an ion beam is incident and milled at an angle of 5 to 30 ° with respect to the normal line of the surface of the substrate 2 from an upper left direction or an upper right direction with respect to the substrate. Alternatively, when performing oblique oblique incidence milling in the right direction, in the band-like short direction of the GMR element 5, a partially enlarged sectional view of the AA ′ section in the case of oblique oblique incidence milling in the left direction in FIG. As shown in the partially enlarged cross-sectional view of the AA ′ cross section in the case of f) oblique incidence in the right direction, the light is incident from the left and right directions, and finally the side surface 9 has a taper angle of about 30 to 30 mm. It becomes 80 °.

なお、このGMR素子5の帯状長手方向の側面8,8・・・は、リフロー前のレジスト膜20に対して斜め入射ミリングを行っても、上記範囲50〜85°のテーパー角度θを有するように加工することはできない。リフロー前のレジスト膜20では、その長手方向のレジスト端面がGMR素子5上面となす傾斜角度βが90°であるため、斜め入射ミリングをしても、側面8,8・・・のテーパー角度θはほぼ90°になってしまうからである。つまり、レジスト膜20をリフローして、その傾斜角度βが上記範囲50〜85°内となるリフロー後のレジスト膜20’に形状を変化させた後に、斜め入射ミリングを行うことにより、初めてθが50〜85°の角度を持ったGMR素子5の帯状長手方向の側面8,8・・・を形成することができる。
また、GMR素子5の帯状短手方向の側面9,9・・・も、レジストリフロー(工程B)と斜め入射ミリング(工程C)により、テーパー加工され、その傾斜角度は30〜80°である。
It should be noted that the side surfaces 8, 8... Of the GMR element 5 in the longitudinal direction of the belt have a taper angle θ in the range of 50 to 85 ° even when oblique incidence milling is performed on the resist film 20 before reflow. It cannot be processed. In the resist film 20 before reflow, the inclination angle β formed by the resist end surface in the longitudinal direction with the upper surface of the GMR element 5 is 90 °, so that the taper angle θ of the side surfaces 8, 8. This is because the angle becomes almost 90 °. That is, after reflowing the resist film 20 and changing the shape to the reflowed resist film 20 ′ whose inclination angle β is in the range of 50 to 85 °, θ is first obtained by performing oblique incident milling. The side surfaces 8, 8... Of the belt-like longitudinal direction of the GMR element 5 having an angle of 50 to 85 ° can be formed.
Further, the side surfaces 9, 9... Of the GMR element 5 in the strip-like direction are also tapered by the registry flow (process B) and the oblique incident milling (process C), and the inclination angle is 30 to 80 °. .

また、ミリングを垂直ミリングで行うと、GMR素子5の帯状長手方向の側面8,8・・・に、ミリングで削られた材料が再付着しやすいという問題がある。本発明では、斜め入射ミリングを行う際に基板2を回転させて、図13に示すように全方位から斜め入射ミリングを行うと、この再付着を防止し、加工精度を向上させることができる。   Further, when the milling is performed by vertical milling, there is a problem that the material shaved by milling is likely to be reattached to the side surfaces 8, 8. In the present invention, when the substrate 2 is rotated during oblique incidence milling and oblique incidence milling is performed from all directions as shown in FIG. 13, this reattachment can be prevented and the processing accuracy can be improved.

また、GMR素子5は金属又は磁性体であるため、リフロー後のレジスト膜20’よりもミリング速度は速い。斜め入射ミリングを行うことにより、垂直ミリングと比べてGMR素子5の帯状長手方向の側面8,8・・・を速くテーパー加工できるため、スループットを向上させることができる。   Further, since the GMR element 5 is a metal or a magnetic material, the milling speed is faster than that of the resist film 20 'after reflow. By performing oblique incidence milling, it is possible to taper the side surfaces 8, 8... Of the GMR element 5 in the longitudinal direction of the GMR element 5 faster than the vertical milling, so that the throughput can be improved.

リフロー後のレジスト膜20’の端面のGMR素子5上面となす傾斜角度が大きい場合、斜め入射ミリングを行うと、イオンの照射されない影の部分のGMR素子5の側面は、すそを曳いた形状になる。また、この部分にミリングで削られた材料が再付着しやすい。上述したように基板2を回転させながら斜め入射ミリングを行うと、この再付着物を除去することができる。
また、GMR素子5の側面のすそ曳き形状を改善するには、工程Cの斜め入射ミリングの後、イオンビームを基板に対して垂直方向から入射して、GMR素子5をミリングする工程Dを行うとよい。工程Cの後、工程Dの垂直ミリングを行っても、GMR素子5の帯状長手方向の側面8,8・・・は、すでにテーパー加工が施されているので、ミリングで削られた材料の再付着は起こらない。
When the angle of inclination between the end face of the resist film 20 ′ after reflow and the upper surface of the GMR element 5 is large, when oblique incidence milling is performed, the side surface of the GMR element 5 in the shadow portion where no ions are irradiated has a ridged shape. Become. Moreover, the material shaved by milling tends to adhere again to this part. As described above, when the oblique incident milling is performed while the substrate 2 is rotated, the reattachment can be removed.
Further, in order to improve the side profile of the GMR element 5, after the oblique incident milling in the process C, a process D in which the ion beam is incident from the vertical direction with respect to the substrate and the GMR element 5 is milled is performed. Good. After the step C, even if the vertical milling in the step D is performed, the side surfaces 8, 8... Of the GMR element 5 in the longitudinal direction of the belt are already tapered. Adhesion does not occur.

次いで、レジスト除去(工程コ)として、アセトン、N−メチル−2−ピロリドン等の洗浄液でリフロー後のレジスト膜20’を除去し、GMR素子5の表面を洗浄し、リフロー後のレジスト膜20’を除去する。   Next, as resist removal (process c), the resist film 20 ′ after reflow is removed with a cleaning solution such as acetone and N-methyl-2-pyrrolidone, the surface of the GMR element 5 is washed, and the resist film 20 ′ after reflow is washed. Remove.

次いで、SiO成膜(工程サ)として、図14に示すように、GMR素子5の上面に、プラズマCVD法により、膜厚150nm程度の酸化ケイ素膜からなる第一保護膜15を形成する。 Next, as SiO x film formation (process step), as shown in FIG. 14, a first protective film 15 made of a silicon oxide film having a thickness of about 150 nm is formed on the upper surface of the GMR element 5 by plasma CVD.

次いで、SiN成膜(工程シ)として、図14に示すように、第一保護膜15の上面に、プラズマCVD法により、膜厚300nm程度の窒化ケイ素膜からなる第二保護膜16を形成する。
ここで、第一保護膜15と第二保護膜16を併せて保護膜17と言うこともある。また、ここで、第一保護膜15および第二保護膜16の上に、さらにポリイミド樹脂からなる第三保護膜を設けてもよい。
Next, as a SiN film formation (process step), as shown in FIG. 14, a second protective film 16 made of a silicon nitride film having a thickness of about 300 nm is formed on the upper surface of the first protective film 15 by plasma CVD. .
Here, the first protective film 15 and the second protective film 16 may be collectively referred to as a protective film 17. Here, a third protective film made of polyimide resin may be further provided on the first protective film 15 and the second protective film 16.

次いで、後工程(工程ス)として、第一保護膜15および第二保護膜16の所定の箇所において開口し、パッドを形成した後、基板をダイシングして個々のチップに切断する。そして、個々のチップは樹脂により封止される。   Next, as a post-process (process), openings are formed at predetermined locations of the first protective film 15 and the second protective film 16 to form pads, and then the substrate is diced and cut into individual chips. Each chip is sealed with resin.

本発明で製造した磁気センサは、外部磁界に対するGMR素子の磁気異方性を十分に制御でき、フリー層の磁化の均一性を向上させて外部磁界に対する磁気センサの出力安定性を確保し、強磁界が印加された後でも、フリー層の磁化の向きを正確に初期状態に復帰させることができる。   The magnetic sensor manufactured by the present invention can sufficiently control the magnetic anisotropy of the GMR element with respect to the external magnetic field, improve the uniformity of magnetization of the free layer, and ensure the output stability of the magnetic sensor with respect to the external magnetic field. Even after the magnetic field is applied, the magnetization direction of the free layer can be accurately returned to the initial state.

また、本発明の磁気センサの製造方法によれば、GMR素子の膜構造や、磁気センサのパターンを従来のものから変更することなしに、外部磁界に対する磁気センサの出力安定性を向上させることができる。   Further, according to the method for manufacturing a magnetic sensor of the present invention, the output stability of the magnetic sensor against an external magnetic field can be improved without changing the film structure of the GMR element or the pattern of the magnetic sensor from the conventional one. it can.

[第2の実施形態]
図15は、第2の実施形態に係る磁気センサ31の概略図であり、(a)は平面図、(b)はA−A’断面図である。本実施形態に係る磁気センサ31は、(b)のA−A’断面図に示したように、GMR素子5の底面が、バイアス磁石層6,6・・・の上平面よりもやや小さめに形成されていて、段差が設けられている以外は、第1の実施形態と同じであるので、それらの説明は省略する。GMR素子5とバイアス磁石層6,6・・・との間に段差を設けることで、バイアス磁石層6,6・・・上にGMR素子5を形成する際の位置精度にマージンを持たせることができる。
[Second Embodiment]
15A and 15B are schematic views of the magnetic sensor 31 according to the second embodiment, in which FIG. 15A is a plan view and FIG. In the magnetic sensor 31 according to the present embodiment, the bottom surface of the GMR element 5 is slightly smaller than the upper plane of the bias magnet layers 6, 6. Since it is the same as that of 1st Embodiment except having been formed and the level | step difference is provided, those description is abbreviate | omitted. By providing a step between the GMR element 5 and the bias magnet layers 6, 6..., A margin is provided for the positional accuracy when the GMR elements 5 are formed on the bias magnet layers 6, 6. Can do.

[第3の実施形態]
図16は、第3の実施形態に係る磁気センサ31の概略図であり、(a)は平面図、(b)はA−A’断面図である。第1連結部52、第2連結部53、第3連結部54の大きさを第1の実施形態の場合よりも小さくし、幅狭帯状部51,51・・・の接合する部分に切欠き部100,100・・・を設けた以外は、第1の実施形態と同じであるので、それらの説明は省略する。切欠き部100,100・・・を設けることで、フリー層磁化の均一性をより向上させることができる。
[Third Embodiment]
16A and 16B are schematic views of a magnetic sensor 31 according to the third embodiment, in which FIG. 16A is a plan view and FIG. The size of the first connecting part 52, the second connecting part 53, and the third connecting part 54 is made smaller than that in the first embodiment, and the narrow band-like parts 51, 51. Since it is the same as 1st Embodiment except having provided the part 100,100 ..., those description is abbreviate | omitted. By providing the notches 100, 100..., The uniformity of the free layer magnetization can be further improved.

[第4の実施形態]
図17は、第4の実施形態に係る磁気センサ31の概略図であり、(a)は平面図、(b)はA−A’断面図、(c)はB−B’断面図である。第1連結部52、第2連結部53、第3連結部54と幅狭帯状部51,51・・・とが接合する部分に切欠き部100,100・・・を設け、さらに第1連結部52、第2連結部53、第3連結部54がバイアス磁石層6,6・・・の上面及び側面を覆うように形成されている以外は、第1の実施形態と同じであるので、それらの説明は省略する。
[Fourth Embodiment]
17A and 17B are schematic views of a magnetic sensor 31 according to the fourth embodiment, in which FIG. 17A is a plan view, FIG. 17B is a cross-sectional view along AA ′, and FIG. 17C is a cross-sectional view along BB ′. . The first connecting part 52, the second connecting part 53, the third connecting part 54 and the narrow band-like parts 51, 51... Are provided with notches 100, 100. Since the portion 52, the second connecting portion 53, and the third connecting portion 54 are the same as those in the first embodiment except that they are formed so as to cover the upper surfaces and side surfaces of the bias magnet layers 6, 6,. Those explanations are omitted.

以下、実施例により、本発明をさらに詳しく説明する。本発明は、下記実施例に何ら制限されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of examples. The present invention is not limited to the following examples.

[実施例]
上述の本発明の磁気センサの製造方法に従って、膜厚40nmのGMR素子を有する磁気センサを作製した。この磁気センサは、アスペクト比が16の帯状のGMR素子からなり、その両端部にバイアス磁石層が配されており、GMR素子の帯状長手方向の側面にはθが75°のテーパー加工がなされている。
得られた磁気センサに外部磁界を印加した後、それを取り除き、次いでフリー層容易軸方向(GMR素子の帯状長手方向)に40Oeの初期化磁界を印加した後、磁気センサの出力値を測定し、初期状態での磁気センサの出力値との差(出力変動)(デジタルカウント値、単位なし)を測定した。この初期状態からの出力変動が小さいほど、フリー層の磁化の向きが初期状態の帯状長手方向に正確に復帰していることになる。
外部印加磁界と測定したセンサの初期状態からの出力変動の関係を、図18のグラフに示す。
[Example]
A magnetic sensor having a GMR element with a film thickness of 40 nm was manufactured according to the above-described method for manufacturing a magnetic sensor of the present invention. This magnetic sensor is composed of a strip-shaped GMR element having an aspect ratio of 16, and a bias magnet layer is disposed at both ends thereof, and a taper machining with θ of 75 ° is performed on the side surface in the strip-shaped longitudinal direction of the GMR element. Yes.
After applying an external magnetic field to the obtained magnetic sensor, it was removed, and then an initialization magnetic field of 40 Oe was applied in the free layer easy axis direction (the longitudinal direction of the GMR element), and then the output value of the magnetic sensor was measured. The difference (output fluctuation) (digital count value, no unit) from the output value of the magnetic sensor in the initial state was measured. The smaller the output fluctuation from the initial state, the more accurately the magnetization direction of the free layer is restored to the belt-like longitudinal direction in the initial state.
The relationship between the externally applied magnetic field and the measured output fluctuation from the initial state of the sensor is shown in the graph of FIG.

[比較例1]
上述の本発明の磁気センサの製造方法に準じて、膜厚40nmのGMR素子を有する磁気センサを作製した。この磁気センサは、アスペクト比が16の帯状のGMR素子からなるものである。
実施例と同様にして、センサの初期状態からの出力変動を測定した。
比較例1のセンサの外部印加磁界と測定したセンサの初期状態からの出力変動の関係を、図18のグラフに示す。
[Comparative Example 1]
A magnetic sensor having a GMR element with a film thickness of 40 nm was manufactured according to the above-described method for manufacturing a magnetic sensor of the present invention. This magnetic sensor is composed of a strip-shaped GMR element having an aspect ratio of 16.
In the same manner as in the example, the output fluctuation from the initial state of the sensor was measured.
The relationship between the externally applied magnetic field of the sensor of Comparative Example 1 and the output fluctuation from the initial state of the measured sensor is shown in the graph of FIG.

[比較例2]
上述の本発明の磁気センサの製造方法に準じて、膜厚40nmのGMR素子を有する磁気センサを作製した。この磁気センサは、アスペクト比が16の帯状のGMR素子からなり、その両端部にバイアス磁石層が配されているものである。
実施例と同様にして、センサの初期状態からの出力変動を測定した。
比較例2のセンサの外部印加磁界と測定したセンサの初期状態からの出力変動の関係を、図18のグラフに示す。
[Comparative Example 2]
A magnetic sensor having a GMR element with a film thickness of 40 nm was manufactured according to the above-described method for manufacturing a magnetic sensor of the present invention. This magnetic sensor is composed of a strip-shaped GMR element having an aspect ratio of 16, and bias magnet layers are arranged at both ends thereof.
In the same manner as in the example, the output fluctuation from the initial state of the sensor was measured.
The relationship between the externally applied magnetic field of the sensor of Comparative Example 2 and the output fluctuation from the initial state of the measured sensor is shown in the graph of FIG.

図18の結果から、比較例1の帯状形状のみのセンサと比較例2の帯状形状とバイアス磁石層を有するセンサでは、強磁界印加後のフリー層の磁化の向きは、初期状態の帯状長手方向からずれていることがわかった。それに対し、実施例の帯状形状でバイアス磁石層を有し、帯状長手方向の側面にテーパー加工がなされたセンサでは、強磁界印加後もフリー層の磁化が、初期状態の帯状長手方向に正確に復帰していることがわかった。   From the results shown in FIG. 18, in the sensor having only the band shape of Comparative Example 1 and the sensor having the band shape of Comparative Example 2 and the bias magnet layer, the magnetization direction of the free layer after application of the strong magnetic field is in the initial band longitudinal direction. I found out of the way. On the other hand, in the sensor having the belt-shaped bias magnet layer in the embodiment and tapering the side surface in the longitudinal direction of the belt, the magnetization of the free layer is accurate in the longitudinal direction of the belt in the initial state even after applying the strong magnetic field. I found out that I have returned.

以上の結果から、本発明の製造方法によれば、強磁界が印加された後でも、フリー層の磁化の向きを正確に初期状態に復帰させることのできる磁気センサが得られることが確認された。   From the above results, it was confirmed that according to the manufacturing method of the present invention, a magnetic sensor capable of accurately returning the magnetization direction of the free layer to the initial state even after a strong magnetic field was applied was obtained. .

第1の実施形態に係る磁気センサの概略平面図である。1 is a schematic plan view of a magnetic sensor according to a first embodiment. 第1の実施形態に係るX軸磁気センサの概略図であり、(a)は平面図、(b)はA−A’断面図である。It is the schematic of the X-axis magnetic sensor which concerns on 1st Embodiment, (a) is a top view, (b) is A-A 'sectional drawing. 第1の実施形態に係るGMR素子の構造を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the structure of the GMR element which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施形態に係るGMR素子の概略斜視図である。1 is a schematic perspective view of a GMR element according to a first embodiment. 第1の実施形態に係る磁気センサの製造方法の手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the procedure of the manufacturing method of the magnetic sensor which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施形態に係る磁気センサの製造方法を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the manufacturing method of the magnetic sensor which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施形態に係る磁気センサの製造方法を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the manufacturing method of the magnetic sensor which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施形態に係る磁気センサの製造方法を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the manufacturing method of the magnetic sensor which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施形態に係る磁気センサの製造方法を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the manufacturing method of the magnetic sensor which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施形態に係る磁気センサの製造方法を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the manufacturing method of the magnetic sensor which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施形態に係る磁気センサの製造方法を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the manufacturing method of the magnetic sensor which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施形態に係るGMRパターン形成(工程A)後及びレジストリフロー(工程B)後のGMR素子とレジスト膜、リフロー後のレジスト膜の概略図であり、(a)は平面図、(b)は全体の概略断面図、(c)はA−A’断面の一部拡大断面図、(d)はB−B’断面図である。It is the schematic of the GMR element and resist film after GMR pattern formation (process A) and registry flow (process B) which concern on 1st Embodiment, and the resist film after reflow, (a) is a top view, (b) ) Is a schematic sectional view of the whole, (c) is a partially enlarged sectional view of the AA ′ section, and (d) is a BB ′ sectional view. 第1の実施形態に係るGMRミリング(工程C)のイオンビームの入射方向とGMR素子5のテーパー加工との関係を示す概略断面図であり、(a)は垂直ミリングした場合のB−B’断面図、(b)は左方向斜め入射ミリングした場合のB−B’断面図、(c)は右方向斜め入射ミリングした場合のB−B’断面図、(d)は垂直ミリングした場合のA−A’断面の一部拡大断面図、(e)は左方向斜め入射ミリングした場合のA−A’断面の一部拡大断面図、(f)は右方向斜め入射ミリングした場合のA−A’断面の一部拡大断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the relationship between the incident direction of the ion beam of GMR milling (process C) which concerns on 1st Embodiment, and the taper process of the GMR element 5, (a) is BB 'at the time of vertical milling Cross-sectional view, (b) is a cross-sectional view taken along line BB ′ when obliquely incident leftward milling, (c) is a cross-sectional view taken along line BB ′ when obliquely incident rightward, and (d) is a case where vertical milling is performed A partially enlarged cross-sectional view of the AA ′ cross section, (e) is a partially enlarged cross-sectional view of the AA ′ cross section in the case of left-direction oblique incident milling, and (f) is an A- in the case of right-direction oblique incident milling. It is a partially expanded sectional view of A 'cross section. 第1の実施形態に係る磁気センサの製造方法を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the manufacturing method of the magnetic sensor which concerns on 1st Embodiment. 第2の実施形態に係る磁気センサの概略図であり、(a)は平面図、(b)はA−A’断面図である。It is the schematic of the magnetic sensor which concerns on 2nd Embodiment, (a) is a top view, (b) is A-A 'sectional drawing. 第3の実施形態に係る磁気センサの概略図であり、(a)は平面図、(b)はA−A’断面図である。It is the schematic of the magnetic sensor which concerns on 3rd Embodiment, (a) is a top view, (b) is A-A 'sectional drawing. 第4の実施形態に係る磁気センサの概略図であり、(a)は平面図、(b)はA−A’断面図、(c)はB−B’断面図である。It is the schematic of the magnetic sensor which concerns on 4th Embodiment, (a) is a top view, (b) is A-A 'sectional drawing, (c) is B-B' sectional drawing. 実施例と比較例1、2の磁気センサの外部印加磁界と測定したセンサの初期状態からの出力変動の関係を示したグラフである。It is the graph which showed the relationship between the externally applied magnetic field of the magnetic sensor of an Example and the comparative examples 1 and 2, and the output fluctuation from the initial state of the measured sensor. 従来のGMR素子におけるフリー層の磁化の向きを模式的に示した平面図である。It is the top view which showed typically the direction of magnetization of the free layer in the conventional GMR element.

符号の説明Explanation of symbols

1・・・磁気センサ、2・・・基板、5・・・磁気抵抗効果素子(GMR素子)、6・・・バイアス磁石層、8・・・帯状長手方向の側面、11,20・・・レジスト膜、11’,20’ ・・・リフロー後のレジスト膜、31・・・磁気センサ

DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Magnetic sensor, 2 ... Board | substrate, 5 ... Magnetoresistive element (GMR element), 6 ... Bias magnet layer, 8 ... Side surface of a strip | belt-shaped longitudinal direction, 11, 20 ... Resist film, 11 ', 20' ... Reflow resist film, 31 ... Magnetic sensor

Claims (3)

基板上に帯状の磁気抵抗効果素子が配され、該磁気抵抗効果素子の両端部にはマグネット膜からなるバイアス磁石層がそれぞれ接続されてなる磁気センサを製造する方法において、
前記磁気抵抗効果素子上にレジストを塗布し、パターンを形成する工程Aと、
該レジストをリフローさせ、傾斜形状のレジスト膜を形成する工程Bと、
イオンビームを基板に対して斜め方向から入射して、前記磁気抵抗効果素子をミリングする工程Cとを少なくとも備え、
前記磁気抵抗効果素子の帯状長手方向の側面をテーパー加工することを特徴とする磁気センサの製造方法。
In a method of manufacturing a magnetic sensor in which a strip-like magnetoresistive effect element is disposed on a substrate, and a bias magnet layer made of a magnet film is connected to both ends of the magnetoresistive effect element,
A step of applying a resist on the magnetoresistive element and forming a pattern; and
Reflowing the resist to form an inclined resist film; and
And at least a step C of making an ion beam incident on the substrate from an oblique direction and milling the magnetoresistive element.
A method of manufacturing a magnetic sensor, comprising: tapering a side surface in a longitudinal direction of the belt-like shape of the magnetoresistive effect element.
前記工程Cの後、前記イオンビームを基板に対して垂直方向から入射して、前記磁気抵抗効果素子をミリングする工程Dを備えたことを特徴とする請求項1に記載の磁気センサの製造方法。   2. The method of manufacturing a magnetic sensor according to claim 1, further comprising a step D of milling the magnetoresistive element by making the ion beam incident from a direction perpendicular to the substrate after the step C. 3. . 前記磁気抵抗効果素子の帯状長手方向の側面をテーパー加工することにより、外部磁界が加わっていないときの前記磁気抵抗効果素子のフリー層における磁化の向きを、前記磁気抵抗効果素子の帯状長手方向に揃えることを特徴とする請求項1又は2に記載の磁気センサの製造方法。


The direction of magnetization in the free layer of the magnetoresistive effect element when the external magnetic field is not applied is tapered in the longitudinal direction of the strip of the magnetoresistive effect element by tapering the side surface in the longitudinal direction of the strip of the magnetoresistive effect element. The method for manufacturing a magnetic sensor according to claim 1, wherein the magnetic sensor is aligned.


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