JP2006351563A - 薄膜磁気センサ - Google Patents
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Abstract
【課題】 ＧＭＲ膜を用いた薄膜磁気センサにおいて、アニール処理に伴うＧＭＲ膜の電気抵抗Ｒの変化率のＧＭＲ単独膜との差、及び、センサ間の差をなくし、薄膜磁気センサのＳ／Ｎ比の低下を抑制すること。
【解決手段】 下地膜１２と、下地膜１２上に形成された薄膜ヨーク１４、１６と、ギャップｇ内又はその近傍に形成されたＧＭＲ膜１８と、薄膜ヨーク１４、１６及びＧＭＲ膜１８の表面を保護する保護膜２０と、下地膜１２とＧＭＲ膜１８の界面及び／又は保護膜２０とＧＭＲ膜１８の界面に形成されたバリア層２２、２４とを備え、ＧＭＲ膜１８は、金属−絶縁体系ナノグラニュラー材料からなり、バリア層２２、２４は、フッ化物を含む材料からなる薄膜磁気センサ１０
【選択図】 図１
【解決手段】 下地膜１２と、下地膜１２上に形成された薄膜ヨーク１４、１６と、ギャップｇ内又はその近傍に形成されたＧＭＲ膜１８と、薄膜ヨーク１４、１６及びＧＭＲ膜１８の表面を保護する保護膜２０と、下地膜１２とＧＭＲ膜１８の界面及び／又は保護膜２０とＧＭＲ膜１８の界面に形成されたバリア層２２、２４とを備え、ＧＭＲ膜１８は、金属−絶縁体系ナノグラニュラー材料からなり、バリア層２２、２４は、フッ化物を含む材料からなる薄膜磁気センサ１０
【選択図】 図１
Description
本発明は、薄膜磁気センサに関し、さらに詳しくは、自動車の車軸、ロータリーエンコーダ、産業用歯車等の回転情報の検出、油圧式シリンダ／空気式シリンダのストロークポジション、工作機械のスライド等の位置・速度情報の検出、工業用溶接ロボットのアーク電流等の電流情報の検出、地磁気方位コンパスなどに好適な薄膜磁気センサに関する。
磁気センサは、電磁気力（例えば、電流、電圧、電力、磁界、磁束など。）、力学量（例えば、位置、速度、加速度、変位、距離、張力、圧力、トルク、温度、湿度など。）、生化学量等の被検出量を、磁界を介して電圧に変換する電子デバイスである。磁気センサは、磁界の検出方法に応じて、ホールセンサ、異方的磁気抵抗（ＡＭＲ： Anisotropic Magneto-Resistiity）センサ、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ： Gaiant MR）センサ等に分類される。
これらの中でもＧＭＲセンサは、
（１）ホールセンサやＡＭＲセンサに比べて電気比抵抗の変化率の最大値（すなわち、ＭＲ比＝△ρ／ρ０（△ρ＝ρＨ−ρ０：ρＨは、外部磁界Ｈにおける電気比抵抗、ρ０は、外部磁界ゼロにおける電気比抵抗））が極めて大きい、
（２）ホールセンサに比べて抵抗値の温度変化が小さい、
（３）巨大磁気抵抗効果を有する材料が薄膜材料であるために、マイクロ化に適している、
等の利点がある。そのため、ＧＭＲセンサは、コンピュータ、電力、自動車、家電、携帯機器等に用いられる高感度マイクロ磁気センサとしての応用が期待されているものである。
（１）ホールセンサやＡＭＲセンサに比べて電気比抵抗の変化率の最大値（すなわち、ＭＲ比＝△ρ／ρ０（△ρ＝ρＨ−ρ０：ρＨは、外部磁界Ｈにおける電気比抵抗、ρ０は、外部磁界ゼロにおける電気比抵抗））が極めて大きい、
（２）ホールセンサに比べて抵抗値の温度変化が小さい、
（３）巨大磁気抵抗効果を有する材料が薄膜材料であるために、マイクロ化に適している、
等の利点がある。そのため、ＧＭＲセンサは、コンピュータ、電力、自動車、家電、携帯機器等に用いられる高感度マイクロ磁気センサとしての応用が期待されているものである。
ＧＭＲ効果を示す材料としては、
（１）強磁性層（例えば、パーマロイ等）と非磁性層（例えば、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ等）の多層膜、あるいは、反強磁性層、強磁性層（固定層）、非磁性層及び強磁性層（自由層）の４層構造を備えた多層膜（いわゆる、「スピンバルブ」）からなる金属人工格子、
（２）強磁性金属（例えば、パーマロイ等）からなるｎｍサイズの微粒子と、非磁性金属（例えば、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ等）からなる粒界相とを備えた金属−金属系ナノグラニュラー材料、
（３）スピン依存トンネル効果によってＭＲ（Magneto-Resistivity）効果が生ずるトンネル接合膜、
（４）ｎｍサイズの強磁性金属合金微粒子と、非磁性・絶縁性材料からなる粒界相とを備えた金属−絶縁体系ナノグラニュラー材料、
等が知られている。
（１）強磁性層（例えば、パーマロイ等）と非磁性層（例えば、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ等）の多層膜、あるいは、反強磁性層、強磁性層（固定層）、非磁性層及び強磁性層（自由層）の４層構造を備えた多層膜（いわゆる、「スピンバルブ」）からなる金属人工格子、
（２）強磁性金属（例えば、パーマロイ等）からなるｎｍサイズの微粒子と、非磁性金属（例えば、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ等）からなる粒界相とを備えた金属−金属系ナノグラニュラー材料、
（３）スピン依存トンネル効果によってＭＲ（Magneto-Resistivity）効果が生ずるトンネル接合膜、
（４）ｎｍサイズの強磁性金属合金微粒子と、非磁性・絶縁性材料からなる粒界相とを備えた金属−絶縁体系ナノグラニュラー材料、
等が知られている。
これらの内、スピンバルブに代表される多層膜は、一般に、低磁界における感度が高いという特徴がある。しかしながら、多層膜は、種々の材料からなる薄膜を高精度で積層する必要があるために、安定性や歩留まりが悪く、製作コストを抑えるには限界がある。そのため、この種の多層膜は、専ら付加価値の大きなデバイス（例えば、ハードディスク用の磁気ヘッド）にのみ用いられ、単価の安いＡＭＲセンサやホールセンサとの価格競争を強いられる磁気センサに応用するのは困難であると考えられている。また、多層膜間の拡散が生じやすく、ＧＭＲ効果が消失しやすいため、耐熱性が悪いという大きな欠点がある。
一方、ナノグラニュラー材料は、一般に、作製が容易で、再現性も良い。そのため、これを磁気センサに応用すれば、磁気センサを低コスト化することができる。特に、金属−絶縁体系ナノグラニュラー材料のうち、特に金属−フッ化物系ナノグラニュラー材料では、
（１）その組成を最適化すれば、室温において１０％を越える高いＭＲ比を示す、
（２）電気比抵抗が桁違いに高いので、磁気センサの超小型化と低消費電力化が同時に実現可能である、
（３）耐熱性の悪い反強磁性膜を含むスピンバルブ膜と異なり、高温環境下でも使用可能である、
等の利点がある。しかしながら、金属−絶縁体系ナノグラニュラー材料は、低磁界における磁界感度が非常に小さいという問題がある。
（１）その組成を最適化すれば、室温において１０％を越える高いＭＲ比を示す、
（２）電気比抵抗が桁違いに高いので、磁気センサの超小型化と低消費電力化が同時に実現可能である、
（３）耐熱性の悪い反強磁性膜を含むスピンバルブ膜と異なり、高温環境下でも使用可能である、
等の利点がある。しかしながら、金属−絶縁体系ナノグラニュラー材料は、低磁界における磁界感度が非常に小さいという問題がある。
そこでこの問題を解決するために、特許文献１には、巨大磁気抵抗薄膜の両端に軟磁性薄膜を配置し、巨大磁気抵抗薄膜の磁界感度を上げる点が記載されている。また、同文献には、基板上に膜厚２μｍのパーマロイ薄膜（軟磁性膜）を形成し、パーマロイ薄膜にイオンビームエッチング装置を用いて幅約９μｍの隙間を作製し、隙間の部分にＣｏ３８．６Ｙ４１．０Ｏ４７．４組成を有するナノグラニュラーＧＭＲ膜を積層する薄膜磁気センサの製造方法が記載されている。
また、特許文献２には、巨大磁気抵抗薄膜の両端に軟磁性薄膜を配置した薄膜磁気抵抗素子において、磁界感度をさらに向上させるために、巨大磁気抵抗薄膜の膜厚を軟磁性薄膜の膜厚以下とする点が記載されている。
薄膜磁気センサは、フォトリソグラフィ技術を用いて、薄膜の積層及びエッチングを複数回繰り返すことにより作製される。各薄膜は、一般に、結晶構造が異なっているので、成膜直後の薄膜磁気センサには、相対的大きな残留応力が発生している。また、金属−絶縁体系ナノグラニュラー材料からなるＧＭＲ膜の場合、成膜直後は、金属ナノ粒子が部分的に短絡しているために、その電気抵抗Ｒは相対的に小さい。そのため、薄膜磁気センサは、通常、成膜後に各積層膜の残留応力を除去し、電磁気特性を調製したり、あるいは、電気抵抗Ｒを調整するために、アニール処理が行われている。
一方、ＧＭＲ膜の電気抵抗Ｒは、温度によって変化する。ＧＭＲ膜の電気抵抗Ｒが外部磁界以外の要因で変動すると、測定誤差の原因となる。そのため、薄膜磁気センサは、温度による基準電位の変動を防ぐために、通常、２個のセンサを直列に接続（ハーフブリッジ）し、中点電位を計測することによって外部磁界の検出を行うようになっている。また、出力を倍にしたり、外乱ノイズを低下するために、４個のセンサを用いてブリッジ回路（フルブリッジ）を構成する場合もある。
しかしながら、センサ内に作り込まれたＧＭＲ膜と、他の適当な安定な基板上に形成された単独のＧＭＲ膜とでは、その組成が同一であっても、アニール処理に伴う電気抵抗Ｒの変化率が異なったり、磁気抵抗変化率のアニール挙動に差の生じる場合がある。しかも、ＧＭＲ膜のアニール処理に伴う電気抵抗Ｒの変化率や磁気抵抗変化率のアニール変化は、同一基板上に隣接して作り込まれたセンサであっても大きく異なる場合がある。そのため、このようなセンサを用いてハーフブリッジ又はフルブリッジを構成しても、中点電位が温度によって変動し、Ｓ／Ｎ比を低下させるという問題がある。
本発明が解決しようとする課題は、ＧＭＲ膜を用いた薄膜磁気センサにおいて、アニール処理に伴うＧＭＲ膜の電気抵抗Ｒの変化率を、安定基板上に作られたＧＭＲ膜単独の理想の場合の変化率に近づけることにある。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、アニール処理に伴うＧＭＲ膜の電気抵抗Ｒの変化率がセンサ毎に異なることに起因する薄膜磁気センサのＳ／Ｎ比の低下を抑制することにある。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、アニール処理に伴うＧＭＲ膜の電気抵抗Ｒの変化率がセンサ毎に異なることに起因する薄膜磁気センサのＳ／Ｎ比の低下を抑制することにある。
上記課題を解決するために本発明に係る薄膜磁気センサは、非磁性絶縁材料からなる基板と、前記基板上に形成された、軟磁性材料からなりかつギャップを介して対向させた一対の薄膜ヨークと、前記ギャップ内又はその近傍において、前記一対の薄膜ヨークと電気的に接続されるように形成された、前記軟磁性材料より高い電気比抵抗を有し、かつ、巨大磁気抵抗効果を有するＧＭＲ膜と、前記薄膜ヨーク及び前記ＧＭＲ膜の表面を保護する保護膜と、前記基板と前記ＧＭＲ膜との界面に形成された、非磁性絶縁材料からなる第１のバリア層とを備え、前記ＧＭＲ膜は、金属−フッ化物系ナノグラニュラー材料からなり、前記第１のバリア層は、フッ化物を含む材料からなることを要旨とする。
また、本発明に係る薄膜磁気センサの２番目は、非磁性絶縁材料からなる下地膜と、前記下地膜上に形成された、軟磁性材料からなりかつギャップを介して対向させた一対の薄膜ヨークと、前記ギャップ内又はその近傍において、前記一対の薄膜ヨークと電気的に接続されるように形成された、前記軟磁性材料より高い電気比抵抗を有し、かつ、巨大磁気抵抗効果を有するＧＭＲ膜と、前記薄膜ヨーク及び前記ＧＭＲ膜の表面を保護する保護膜と、前記下地膜と前記ＧＭＲ膜との界面に形成された、非磁性絶縁材料からなる第１のバリア層とを備え、前記ＧＭＲ膜は、金属−フッ化物系ナノグラニュラー材料からなり、前記第１のバリア層は、フッ化物を含む材料からなることを要旨とする。
この場合、その表面に前記下地膜が形成された、非磁性材料又は非磁性絶縁材料基板をさらに備えていても良い。また、前記ＧＭＲ膜と前記保護膜との界面に形成された、非磁性絶縁材料からなる第２のバリア層をさらに備え、該第２のバリア層は、フッ化物を含む材料からなるものが好ましい。
また、本発明に係る薄膜磁気センサの２番目は、非磁性絶縁材料からなる下地膜と、前記下地膜上に形成された、軟磁性材料からなりかつギャップを介して対向させた一対の薄膜ヨークと、前記ギャップ内又はその近傍において、前記一対の薄膜ヨークと電気的に接続されるように形成された、前記軟磁性材料より高い電気比抵抗を有し、かつ、巨大磁気抵抗効果を有するＧＭＲ膜と、前記薄膜ヨーク及び前記ＧＭＲ膜の表面を保護する保護膜と、前記下地膜と前記ＧＭＲ膜との界面に形成された、非磁性絶縁材料からなる第１のバリア層とを備え、前記ＧＭＲ膜は、金属−フッ化物系ナノグラニュラー材料からなり、前記第１のバリア層は、フッ化物を含む材料からなることを要旨とする。
この場合、その表面に前記下地膜が形成された、非磁性材料又は非磁性絶縁材料基板をさらに備えていても良い。また、前記ＧＭＲ膜と前記保護膜との界面に形成された、非磁性絶縁材料からなる第２のバリア層をさらに備え、該第２のバリア層は、フッ化物を含む材料からなるものが好ましい。
金属−フッ化物系ナノグラニュラー材料からなるＧＭＲ膜と下地膜（若しくは基板）及び／又は保護膜との界面に、フッ化物を含む材料からなるバリア層を形成すると、アニール処理後のＧＭＲ膜の電気抵抗Ｒの変化率、及び、磁気抵抗変化率のアニールによる変化が、ＧＭＲ膜単独の場合とほぼ同等になる。また、これと同時に、同一基板上に作り込まれた各センサのアニール処理後の電気抵抗Ｒの変化率、及び、磁気抵抗変化率のアニールによる変化は、ほぼ等しくなる。これは、
（１）下地膜（若しくは基板）及び／又は保護膜からＧＭＲ膜へのある種の元素の拡散がＧＭＲ膜の電気抵抗Ｒをばらつかせる原因であること、並びに、
（２）ＧＭＲ膜と下地膜（若しくは基板）及び／又は保護膜との界面にバリア層を設けることによって、ＧＭＲ膜の電気抵抗Ｒをばらつかせる原因となる元素の拡散が抑制されること、によると考えられる。
（１）下地膜（若しくは基板）及び／又は保護膜からＧＭＲ膜へのある種の元素の拡散がＧＭＲ膜の電気抵抗Ｒをばらつかせる原因であること、並びに、
（２）ＧＭＲ膜と下地膜（若しくは基板）及び／又は保護膜との界面にバリア層を設けることによって、ＧＭＲ膜の電気抵抗Ｒをばらつかせる原因となる元素の拡散が抑制されること、によると考えられる。
以下に、本発明の一実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。図１（ａ）、図１（ｂ）及び図１（ｃ）に、本発明の第１の実施の形態に係る薄膜磁気センサの平面図、そのＡ−Ａ’線断面図及びギャップ近傍の拡大断面図を示す。
図１（ａ）〜図１（ｃ）において、薄膜磁気センサ１０は、下地膜１２と、一対の薄膜ヨーク１４、１６と、ＧＭＲ膜１８と、保護膜２０と、バリア層２２、２４とを備えている。
下地膜１２は、基板（図示せず）上に形成される。下地膜１２は、
（１）基板が半導体である場合に、絶縁性を付与するため（例えば、熱酸化ＳｉＯ２）、及び、
（２）基板が多結晶体である場合や粒状混合物系の場合（例えば、電気伝導度、硬さ、剛性、熱伝導性等が異なる異種材料（例えば、Ａｌ２Ｏ３とＴｉＯ２）を混合して固めたもの）に、基板表面に平滑性を付与するため（例えば、スパッタＡｌ２Ｏ３）、に形成される。
従って、基板そのものが絶縁性及び平滑性を有している場合は、下地膜１２を省略し、基板の上に直接、各薄膜を形成しても良い。
また、下地膜１２を形成する場合、薄膜磁気センサ１０は、基板上に各種の薄膜が積層された状態で使用しても良く、あるいは、基板を取り除いた状態で使用しても良い。
下地膜１２には、非磁性絶縁材料が用いられる。また、下地膜１２は、一般に、その表面を平滑にするために成膜後に精密研磨が行われるので、緻密性、平滑性、研磨容易性を備えた材料を用いるのが好ましい。このような条件を備えた下地膜１２の材質としては、具体的には、ＳｉＯ２（シリカ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、ジルコニア（ＺｒＯ２）、マグネシア（ＭｇＯ）などがある。
下地膜１２の厚さは、特に限定されるものではなく、基板表面に絶縁性・平滑性を付与できる程度の厚さ、あるいは、基板を取り除いた後に自立できる程度の厚さがあれば良い。
（１）基板が半導体である場合に、絶縁性を付与するため（例えば、熱酸化ＳｉＯ２）、及び、
（２）基板が多結晶体である場合や粒状混合物系の場合（例えば、電気伝導度、硬さ、剛性、熱伝導性等が異なる異種材料（例えば、Ａｌ２Ｏ３とＴｉＯ２）を混合して固めたもの）に、基板表面に平滑性を付与するため（例えば、スパッタＡｌ２Ｏ３）、に形成される。
従って、基板そのものが絶縁性及び平滑性を有している場合は、下地膜１２を省略し、基板の上に直接、各薄膜を形成しても良い。
また、下地膜１２を形成する場合、薄膜磁気センサ１０は、基板上に各種の薄膜が積層された状態で使用しても良く、あるいは、基板を取り除いた状態で使用しても良い。
下地膜１２には、非磁性絶縁材料が用いられる。また、下地膜１２は、一般に、その表面を平滑にするために成膜後に精密研磨が行われるので、緻密性、平滑性、研磨容易性を備えた材料を用いるのが好ましい。このような条件を備えた下地膜１２の材質としては、具体的には、ＳｉＯ２（シリカ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、ジルコニア（ＺｒＯ２）、マグネシア（ＭｇＯ）などがある。
下地膜１２の厚さは、特に限定されるものではなく、基板表面に絶縁性・平滑性を付与できる程度の厚さ、あるいは、基板を取り除いた後に自立できる程度の厚さがあれば良い。
基板には、非磁性材料又は非磁性絶縁材料が用いられる。また、下地膜１２を省略する場合には、基板には、非磁性絶縁材料が用いられる。さらに、基板は、製造工程中で破損しない程度の剛性、製造工程中に発生する熱を効率よく逃がすことができる程度の熱伝導性、及び、小チップ切断を高精度でできる程度の脆性を有しているものが好ましい。このような基板としては、具体的には、（１）ガラス、（２）Ｓｉ、（３）アルミナ、アルミナ・チタンカーバイド等のセラミックス、などがある。また、基板表面に下地膜１２を形成する場合には、基板として、アルミニウム、Ｃｕなどの非磁性材料を用いることもできる。
一対の薄膜ヨーク１４、１６は、下地膜１２上に形成され、ギャップｇを介して対向している。各薄膜ヨーク１４、１６の外側の端部には、それぞれ、電極２６、２８が形成されている。
薄膜ヨーク１４、１６は、ＧＭＲ膜１８の磁界感度を高めるためのものであり、軟磁性材料からなる。弱磁界に対する高い磁界感度を得るためには、薄膜ヨーク１４、１６には、透磁率μ及び／又は飽和磁化Ｍｓの高い材料を用いるのが好ましい。具体的には、その透磁率μは、１００以上が好ましく、さらに好ましくは、１０００以上である。また、その飽和磁化Ｍｓは、５（ｋＧａｕｓｓ）以上が好ましく、さらに好ましくは、１０（ｋＧａｕｓｓ）以上である。
薄膜ヨーク１４、１６の材質としては、具体的には、パーマロイ（４０〜９０％Ｎｉ−Ｆｅ合金）、センダスト（Ｆｅ７４Ｓｉ９Ａｌ１７）、ハードパーム（Ｆｅ１２Ｎｉ８２Ｎｂ６）、Ｃｏ８８Ｎｂ６Ｚｒ６アモルファス合金、(Ｃｏ９４Ｆｅ６)７０Ｓｉ１５Ｂ１５アモルファス合金、ファインメット（Ｆｅ７５．６Ｓｉ１３．２Ｂ８．５Ｎｂ１．９Ｃｕ０．８）、ナノマックス（Ｆｅ８３ＨＦ６Ｃ１１）、Ｆｅ８５Ｚｒ１０Ｂ５合金、Ｆｅ９３Ｓｉ３Ｎ４合金、Ｆｅ７１Ｂ１１Ｎ１８合金、Ｆｅ７１．３Ｎｄ９．６Ｏ１９．１ナノグラニュラー合金、Ｃｏ７０Ａｌ１０Ｏ２０ナノグラニュラー合金、Ｃｏ６５Ｆｅ５Ａｌ１０Ｏ２０合金等が好適である。
薄膜ヨーク１４、１６は、外部磁界を増幅させ、ＧＭＲ膜１８の磁界感度を高める作用があるが、この増幅作用は、薄膜ヨーク１４、１６の材質だけでなく、形状を最適化することによっても高めることができる。ＧＭＲ膜１８の磁界感度をさらに高めるためには、薄膜ヨーク１４、１６の形状は、以下のような条件を満たしていることが好ましい。
第１に、薄膜ヨーク１４、１６は、ギャップｇ側の断面積が外部磁界の流入・流出端（外側の端部）の断面積より小さくなっていることが望ましい。ギャップｇ側の断面積を小さくすると、ギャップｇ先端における磁束密度が大きくなり、ＧＭＲ膜１８に強い磁界を作用させることができる。
第２に、薄膜ヨーク１４、１６は、外側端部の横幅Ｗに対するそのギャップ長方向の長さＬの比（Ｌ／Ｗ）が、適度に大きいことが望ましい。薄膜ヨーク１４、１６のギャップ長方向の長さが相対的に長くなるほど、ギャップ長方向に発生する反磁界が小さくなるので、外側の端面を外部磁界の流入・流出端として有効に機能させることができる。
第３に、各薄膜ヨーク１４、１６の形状は、ギャップｇを挟んで左右対称になっていることが望ましい。各薄膜ヨーク１４、１６の形状が左右非対称であると、磁気特性の悪い薄膜ヨークによって薄膜磁気センサ１０の特性が支配されるので好ましくない。
第４に、ギャップｇを介して対向する各薄膜ヨーク１４、１６と、ＧＭＲ膜１８とが接触している最短距離（すなわち、「ギャップ長」）は、短いことが望ましい。ギャップ長が短くなるほど、薄膜ヨーク１４、１６の先端から漏れた磁束の空間への分散が抑制され、ＧＭＲ膜１８に強い磁界を作用させることができる。ギャップ長の長さは、ＧＭＲ膜１８に作用する磁界の大きさ、電気抵抗Ｒの仕様等に応じて、最適な長さとするのが好ましい。
なお、薄膜ヨーク１４、１６の厚さは、特に限定されるものではなく、薄膜ヨーク１４、１６の材質、薄膜磁気センサ１０に要求される特性等に応じて、最適な厚さを選択すればよい。
また、図１（ａ）に示す例において、薄膜ヨーク１４、１６の先端側（ギャップｇ側）に平行部が設けられているが、この平行部は、なくても良い。但し、薄膜ヨーク１４、１６先端に平行部を設けると、薄膜ヨーク１４、１６先端における磁束の周囲への分散が抑制されるので、ＧＭＲ膜１８により強い磁界を作用させることができ、さらに、性能がより安定化して歩留まりが向上するという利点がある。
また、図１（ａ）に示す例において、薄膜ヨーク１４、１６の先端側（ギャップｇ側）に平行部が設けられているが、この平行部は、なくても良い。但し、薄膜ヨーク１４、１６先端に平行部を設けると、薄膜ヨーク１４、１６先端における磁束の周囲への分散が抑制されるので、ＧＭＲ膜１８により強い磁界を作用させることができ、さらに、性能がより安定化して歩留まりが向上するという利点がある。
ＧＭＲ膜１８は、ギャップｇ内又はその近傍において、一対の薄膜ヨーク１４、１６と電気的に接続されるように形成される。
ここで、「ギャップｇ近傍」とは、薄膜ヨーク１４、１６先端に発生する増幅された大きな磁界の影響を受ける領域であって、ギャップｇ中磁界の最小値に対して、１／２以上の大きさの磁界を持つ領域をいう。薄膜ヨーク１４、１６間に発生する磁界は、ギャップｇ内が最も大きくなるので、ＧＭＲ膜１８は、ギャップｇ内に形成するのが最も好ましいが、ＧＭＲ膜１８に作用する磁界が実用上十分な大きさであるときは、その全部又は一部がギャップｇ外（例えば、薄膜ヨーク１４、１６の上面側又は下面側）にあっても良いことを意味する。
本実施の形態においては、図１（ｃ）に示すように、ＧＭＲ膜１８は、薄膜ヨーク１４、１６の下面側に形成されている。
ここで、「ギャップｇ近傍」とは、薄膜ヨーク１４、１６先端に発生する増幅された大きな磁界の影響を受ける領域であって、ギャップｇ中磁界の最小値に対して、１／２以上の大きさの磁界を持つ領域をいう。薄膜ヨーク１４、１６間に発生する磁界は、ギャップｇ内が最も大きくなるので、ＧＭＲ膜１８は、ギャップｇ内に形成するのが最も好ましいが、ＧＭＲ膜１８に作用する磁界が実用上十分な大きさであるときは、その全部又は一部がギャップｇ外（例えば、薄膜ヨーク１４、１６の上面側又は下面側）にあっても良いことを意味する。
本実施の形態においては、図１（ｃ）に示すように、ＧＭＲ膜１８は、薄膜ヨーク１４、１６の下面側に形成されている。
ＧＭＲ膜１８は、外部磁界の変化を電気抵抗Ｒの変化として感じ、結果的に電圧の変化として検出するためのものであり、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）効果を有する材料からなる。外部磁界の変化を高い感度で検出するためには、ＧＭＲ膜１８自身のＭＲ比の絶対値は、外部磁界Ｈが１０（ｋＯｅ）以下で、５％以上が好ましく、さらに好ましくは、１０％以上である。
本発明において、ＧＭＲ膜１８は、薄膜ヨーク１４、１６と直接、電気的に接続されるので、薄膜ヨーク１４、１６より高い電気比抵抗ρを有するものが用いられる。一般に、電気比抵抗ρが小さすぎる材料の場合には、薄膜ヨーク１４、１６間が電気的に短絡するので好ましくない。一方、電気比抵抗ρが高すぎる材料の場合には、ノイズが増加し、外部磁界の変化を電圧変化として検出するのが困難となる。ＧＭＲ膜１８の電気比抵抗ρは、１０３μΩｃｍ以上１０１２μΩｃｍ以下が好ましく、さらに好ましくは、１０４μΩｃｍ以上１０１１μΩｃｍ以下である。
ＧＭＲ膜１８の形状及び寸法は、特に限定されるものではなく、ＧＭＲ膜１８の電気抵抗値が目的とする値となるように定める。
ＧＭＲ膜１８の形状及び寸法は、特に限定されるものではなく、ＧＭＲ膜１８の電気抵抗値が目的とする値となるように定める。
本発明において、ＧＭＲ膜１８には、金属−絶縁体系ナノグラニュラー材料の中でも、特にＭＲ比の高い金属−フッ化物系ナノグラニュラー材料が用いられる。金属−フッ化物系ナノグラニュラー材料は、高いＭＲ比と、高い電気比抵抗ρを有するだけでなく、僅かな組成変動によってＭＲ比が大きく変動することがないので、安定した磁気特性を有する薄膜を、再現性良く、かつ低コストで作製することができるという利点がある。
ＧＭＲ膜１８として用いられる金属−フッ化物系ナノグラニュラー材料としては、具体的には、Ｆｅ−ＭｇＦ２、ＦｅＣｏ−ＭｇＦ２、Ｆｅ−ＣａＦ２などがある。
保護膜２０は、薄膜ヨーク１４、１６及びＧＭＲ膜１８を大気環境から遮断し、これらを保護するためのものである。
保護膜２０は、絶縁性・非磁性材料からなる。保護膜２０、３０の材質としては、具体的には、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、２００℃以上でハードベークしたフォトレジスト等が好適である。
保護膜２０は、絶縁性・非磁性材料からなる。保護膜２０、３０の材質としては、具体的には、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、２００℃以上でハードベークしたフォトレジスト等が好適である。
バリア層（第１のバリア層）２２、及び、バリア層（第２のバリア層）２４は、ＧＭＲ膜１８の周囲であって、薄膜ヨーク１４、１６との電気的接触部界面以外の部分の形成される。図１（ｃ）に示す例において、第１のバリア層２２は、下地膜１２とＧＭＲ膜１８との界面に形成され、第２のバリア層２４は、ＧＭＲ膜１８と保護膜２０との界面に形成されている。
バリア層２２、２４は、以下の条件を満たすものからなる。
第１に、バリア層２２、２４は、非磁性絶縁材料からなる。バリア層２２、２４として導電性材料を用いると、薄膜ヨーク１４、１６間が電気的に短絡するので好ましくない。また、バリア層２２、２４として磁性材料を用いると、磁束がバリア層２２、２４を通過し、ＧＭＲ膜１８内を通る磁束が減少するので好ましくない。
第１に、バリア層２２、２４は、非磁性絶縁材料からなる。バリア層２２、２４として導電性材料を用いると、薄膜ヨーク１４、１６間が電気的に短絡するので好ましくない。また、バリア層２２、２４として磁性材料を用いると、磁束がバリア層２２、２４を通過し、ＧＭＲ膜１８内を通る磁束が減少するので好ましくない。
第２に、バリア層２２、２４は、アニール処理の際に生ずる下地膜１２（若しくは、図示しない基板）及び／又は保護膜２０からＧＭＲ膜１８への元素の拡散に起因するＧＭＲ膜１８の性能劣化を抑制する機能を有する材料からなる。成膜直後のＧＭＲ膜１８は、一般に、磁性ナノ粒子が部分的に短絡したり、非磁性絶縁被膜であるフッ化物の結晶性が悪く、かつ、相互に一部混合しているため、電気抵抗Ｒは、相対的に低い。これをアニール処理すると、磁性ナノ粒子が分離し、フッ化物の結晶性が上がり、かつ、金属・合金磁性ナノ粒子と非磁性絶縁体のフッ化物被膜が相分離するため、電気抵抗Ｒが増大しつつ、ＭＲ特性も改善する。しかしながら、安定で適当な基板表面に形成されたＧＭＲ単独膜と、薄膜磁気センサ１０内のＧＭＲ膜１８とでは、アニール処理の際に生ずる電気抵抗Ｒの変化やＭＲ比のアニール変化が異なる場合がある。また、基板上に隣接して作り込まれたセンサであっても、ＧＭＲ膜１８の電気抵抗Ｒの変化率やＭＲ比のアニール変化は、センサ毎に異なる場合がある。バリア層２２、２４は、このようなＧＭＲ膜１８の電気抵抗Ｒのばらつきを抑制するためのものである。
バリア層２２、２４の材質は、ＧＭＲ膜１８が金属−フッ化物ナノグラニュラー材料である場合、フッ化物を含む材料が最適である。
フッ化物を含む材料は、下地膜１２（若しくは基板）及び保護膜２０の材質によらず、ＧＭＲ膜１８のアニールによる電気伝導度変化を安定化させたり、ＭＲ効果のアニール変化を安定化させる作用が大きいので、バリア層２２、２４の材料として好適である。この場合、バリア層２２、２４に含まれるフッ化物は、ＧＭＲ膜１８を構成するフッ化物と同一であっても良く、あるいは、異なるものでも良い。バリア層２２、２４を構成するフッ化物としては、具体的には、ＭｇＦ２、ＣａＦ２、ＳｒＦ２、ＡｇＦ２、ＡｌＦ３、ＢａＦ２、ＣｒＦ３、ＭｎＦ３、ＭｏＦ６、ＮｂＦ５、ＰｂＦ２、ＴｉＦ３、又は、これらの混合物などがある。
フッ化物を含む材料は、下地膜１２（若しくは基板）及び保護膜２０の材質によらず、ＧＭＲ膜１８のアニールによる電気伝導度変化を安定化させたり、ＭＲ効果のアニール変化を安定化させる作用が大きいので、バリア層２２、２４の材料として好適である。この場合、バリア層２２、２４に含まれるフッ化物は、ＧＭＲ膜１８を構成するフッ化物と同一であっても良く、あるいは、異なるものでも良い。バリア層２２、２４を構成するフッ化物としては、具体的には、ＭｇＦ２、ＣａＦ２、ＳｒＦ２、ＡｇＦ２、ＡｌＦ３、ＢａＦ２、ＣｒＦ３、ＭｎＦ３、ＭｏＦ６、ＮｂＦ５、ＰｂＦ２、ＴｉＦ３、又は、これらの混合物などがある。
バリア層２２、２４の厚さは、特に限定されるものではなく、ＧＭＲ膜１８の電気抵抗Ｒのばらつきを抑制できる程度の厚さ以上であればよい。また、バリア層２２、２４の厚さを必要以上に厚くすることは、実益がない。
なお、ＧＭＲ膜１８の電気抵抗Ｒのばらつきを抑制するためには、ＧＭＲ膜１８の両面にバリア層２２、２４を設けるのが最も好ましいが、ＧＭＲ膜１８と下地膜１２（又は、基板）の界面にのみ、バリア層２２を形成するだけでも、相対的に大きな効果が得られる。これは、一般に、ＧＭＲ膜１８と下地膜１２（又は、基板）との界面の面積の方が、ＧＭＲ膜１８と保護膜２０との界面の面積より大きく、元素の拡散による影響が大きいためである。
なお、ＧＭＲ膜１８の電気抵抗Ｒのばらつきを抑制するためには、ＧＭＲ膜１８の両面にバリア層２２、２４を設けるのが最も好ましいが、ＧＭＲ膜１８と下地膜１２（又は、基板）の界面にのみ、バリア層２２を形成するだけでも、相対的に大きな効果が得られる。これは、一般に、ＧＭＲ膜１８と下地膜１２（又は、基板）との界面の面積の方が、ＧＭＲ膜１８と保護膜２０との界面の面積より大きく、元素の拡散による影響が大きいためである。
電極２６、２８は、出力を取り出すためのものであり、導電性材料が用いられる。具体的には、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ等が好適である。また、電極２６、２８と薄膜ヨーク１４、１６の界面には、密着性向上と拡散防止のための膜（例えば、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｉ等からなる薄膜）を介在させるのが好ましい。電極２６、２８の形状は、特に限定されるものではなく、薄膜磁気センサ１０の大きさ、薄膜ヨーク１４、１６の形状等に応じて、最適な形状を選択すればよい。
図１（ａ）〜図１（ｃ）に示す構成を備えた薄膜磁気センサ１０は、単独で使用することもできるが、複数個の薄膜磁気センサ１０を電気的に接続して使用しても良い。
例えば、２個の薄膜磁気センサ１０を直列に接続し、かつ、２個の薄膜センサ１０の感磁軸が互いに直交するように配置しても良い。このような構成を取ると、中点電位を計測することによって、温度による基準電位の変動の影響を受けることなく、外部磁界を検出することができる。
また、例えば、４個の薄膜磁気センサ１０を用いて、ブリッジ回路を構成しても良い。ブリッジ回路を構成すると、中点電位の差分を取ることによって、その出力を、２個の薄膜磁気センサ１０を用いた場合の２倍にしたり、外乱ノイズを低下させることができる。
さらに、複数個の薄膜磁気センサ１０を用いてハーフブリッジ又はフルブリッジを構成する場合、各薄膜磁気センサ１０は、同一基板上に隣接して作り込まれたものでも良く、あるいは、別個の基板上に作られた個々の薄膜磁気センサ１０をリード線で接続したものでも良い。
例えば、２個の薄膜磁気センサ１０を直列に接続し、かつ、２個の薄膜センサ１０の感磁軸が互いに直交するように配置しても良い。このような構成を取ると、中点電位を計測することによって、温度による基準電位の変動の影響を受けることなく、外部磁界を検出することができる。
また、例えば、４個の薄膜磁気センサ１０を用いて、ブリッジ回路を構成しても良い。ブリッジ回路を構成すると、中点電位の差分を取ることによって、その出力を、２個の薄膜磁気センサ１０を用いた場合の２倍にしたり、外乱ノイズを低下させることができる。
さらに、複数個の薄膜磁気センサ１０を用いてハーフブリッジ又はフルブリッジを構成する場合、各薄膜磁気センサ１０は、同一基板上に隣接して作り込まれたものでも良く、あるいは、別個の基板上に作られた個々の薄膜磁気センサ１０をリード線で接続したものでも良い。
次に、本発明の第２の実施の形態に係る薄膜磁気センサについて説明する。図１（ｄ）に、本実施の形態に係る薄膜磁気センサ１０’のギャップｇ近傍の拡大断面図を示す。
図１（ｄ）において、薄膜磁気センサ１０’は、下地膜１２と、一対の薄膜ヨーク１４、１６と、ＧＭＲ膜１８’と、保護膜２０と、バリア層（第１のバリア層）２２、バリア層（第２のバリア層）２４とを備えている。
図１（ｄ）において、薄膜磁気センサ１０’は、下地膜１２と、一対の薄膜ヨーク１４、１６と、ＧＭＲ膜１８’と、保護膜２０と、バリア層（第１のバリア層）２２、バリア層（第２のバリア層）２４とを備えている。
本実施の形態において、ＧＭＲ膜１８’は、ギャップｇ内に形成されており、ギャップｇの磁界方向長さ（ギャップ長）がＧＭＲ膜１８’の膜厚に等しくなっている。この点が、第１の実施の形態とは異なる。
ＧＭＲ膜１８’は、「Ｌ字型」を呈している。バリア層２２は、下地膜１２とＧＭＲ膜１８’の底面との界面に形成され、バリア層２４は、ＧＭＲ膜１８’の上面と保護膜２０との界面に形成されている。
なお、下地膜１２、ＧＭＲ膜１８’、保護膜２０、バリア層２２、２４に関するその他の点、基板の材質によっては下地膜１２を省略しても良い点、相対的に大きな効果を得るためには、少なくとも第１のバリア層２２を形成するのが好ましい点等については、第１の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
ＧＭＲ膜１８’は、「Ｌ字型」を呈している。バリア層２２は、下地膜１２とＧＭＲ膜１８’の底面との界面に形成され、バリア層２４は、ＧＭＲ膜１８’の上面と保護膜２０との界面に形成されている。
なお、下地膜１２、ＧＭＲ膜１８’、保護膜２０、バリア層２２、２４に関するその他の点、基板の材質によっては下地膜１２を省略しても良い点、相対的に大きな効果を得るためには、少なくとも第１のバリア層２２を形成するのが好ましい点等については、第１の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
次に、本発明に係る薄膜磁気センサ１０、１０’の製造方法について説明する。
本発明に係る薄膜磁気センサ１０、１０’は、フォトリソグラフィ技術を用いて各薄膜を所定の順序で積層することにより得られる。
本発明に係る薄膜磁気センサ１０、１０’は、フォトリソグラフィ技術を用いて各薄膜を所定の順序で積層することにより得られる。
例えば、図１（ａ）〜（ｃ）に示す薄膜磁気センサ１０は、以下の手順により作製することができる。
（１）基板上に下地膜１２を形成する。
（２）下地膜１２表面であって、ＧＭＲ膜１８が形成される位置に、バリア層２２を形成する。
（３）バリア層２２の上に、ＧＭＲ膜１８を形成する。
（４）ＧＭＲ膜１８の上に、バリア層２４を形成する。
（５）ＧＭＲ膜１８の両側に、薄膜ヨーク１４、１６を形成する。
（６）薄膜ヨーク１４、１６の両端に電極２６、２８を形成する。
（７）薄膜ヨーク１４、１６の表面に、保護膜２０を形成する。
（１）基板上に下地膜１２を形成する。
（２）下地膜１２表面であって、ＧＭＲ膜１８が形成される位置に、バリア層２２を形成する。
（３）バリア層２２の上に、ＧＭＲ膜１８を形成する。
（４）ＧＭＲ膜１８の上に、バリア層２４を形成する。
（５）ＧＭＲ膜１８の両側に、薄膜ヨーク１４、１６を形成する。
（６）薄膜ヨーク１４、１６の両端に電極２６、２８を形成する。
（７）薄膜ヨーク１４、１６の表面に、保護膜２０を形成する。
この場合、所定の形状を有する薄膜は、具体的には、
（１）基板表面全面に、所定の組成を有する薄膜を形成し、所定の形状パターンに従って、薄膜の不要部分をエッチング（例えば、Ａｒイオンビームエッチング、薬品によるウエットエッチング、あるいは反応性エッチングなど）により除去する方法（以下、これを「エッチング法」という）、あるいは、
（２）基板表面にフォトレジスト等を用いて、所定の形状パターンを有するマスクを形成し、マスクの表面全体に所定の組成を有する薄膜を形成し、マスクを除去する方法（以下、これを「マスク法」という）、
により作製することができる。
（１）基板表面全面に、所定の組成を有する薄膜を形成し、所定の形状パターンに従って、薄膜の不要部分をエッチング（例えば、Ａｒイオンビームエッチング、薬品によるウエットエッチング、あるいは反応性エッチングなど）により除去する方法（以下、これを「エッチング法」という）、あるいは、
（２）基板表面にフォトレジスト等を用いて、所定の形状パターンを有するマスクを形成し、マスクの表面全体に所定の組成を有する薄膜を形成し、マスクを除去する方法（以下、これを「マスク法」という）、
により作製することができる。
なお、各薄膜の積層順序は、薄膜の形状等が許す場合には、多少前後しても良い。例えば、ＧＭＲ膜１８、バリア層２４及び薄膜ヨーク１４、１６をこの順序で積層することに代えて、ＧＭＲ膜１８、薄膜ヨーク１４、１６及びバリア層２４の順で積層しても良い。
また、各薄膜の形成方法としては、スパッタリング、真空蒸着、ＰＣＤ、ＣＶＤ、熱酸化等の公知の方法を用いることができる。具体的な薄膜の形成方法は、薄膜の組成に応じて最適なものを選択する。
また、各薄膜の形成方法としては、スパッタリング、真空蒸着、ＰＣＤ、ＣＶＤ、熱酸化等の公知の方法を用いることができる。具体的な薄膜の形成方法は、薄膜の組成に応じて最適なものを選択する。
また、例えば、図１（ｄ）に示す断面構造を有する薄膜磁気センサ１０’は、以下の手順により作製することができる。
（１）基板上に下地膜１２を形成する。
（２）下地膜１２表面に、一方の薄膜ヨーク１４を形成する。
（３）下地膜１２表面であって、ＧＭＲ膜１８が形成される位置に、バリア層２２を形成する。
（４）薄膜ヨーク１４の先端面にＧＭＲ膜１８’を形成する。
（５）ＧＭＲ膜１８’の表面に、他方の薄膜ヨーク１６を形成する。
（６）ＧＭＲ膜１８’の上端面に、バリア層２４を形成する。
（７）薄膜ヨーク１４、１６の両端に電極２６、２８を形成する。
（８）薄膜ヨーク１４、１６の表面に、保護膜２０を形成する。
この場合、薄膜形成法として、エッチング法又はマスク法を用いることができる点、薄膜の形状等が許す場合には、各薄膜の積層順序を多少前後させても良い点は、第１の実施の形態と同様である。
（１）基板上に下地膜１２を形成する。
（２）下地膜１２表面に、一方の薄膜ヨーク１４を形成する。
（３）下地膜１２表面であって、ＧＭＲ膜１８が形成される位置に、バリア層２２を形成する。
（４）薄膜ヨーク１４の先端面にＧＭＲ膜１８’を形成する。
（５）ＧＭＲ膜１８’の表面に、他方の薄膜ヨーク１６を形成する。
（６）ＧＭＲ膜１８’の上端面に、バリア層２４を形成する。
（７）薄膜ヨーク１４、１６の両端に電極２６、２８を形成する。
（８）薄膜ヨーク１４、１６の表面に、保護膜２０を形成する。
この場合、薄膜形成法として、エッチング法又はマスク法を用いることができる点、薄膜の形状等が許す場合には、各薄膜の積層順序を多少前後させても良い点は、第１の実施の形態と同様である。
同一又は別個の基板上に１個又は複数個の薄膜磁気センサ１０、１０’を作り込んだ後、アニール処理を行う。アニール処理は、積層された薄膜内部の残留応力を取り除くため、薄膜ヨーク１４、１６の磁気特性の異方性を解消するため、及び、ＧＭＲ膜１８の電気抵抗Ｒを適度な値にするために行われる。アニール処理条件は、特に限定されるものではなく、目的とする特性が得られるように、各薄膜の材質に応じて最適な条件を選択する。通常は、真空中又は不活性ガス中において、１６０℃〜２６０℃で０．１時間〜５時間程度のアニール処理を行う。
さらに、必要に応じて、ハンダ付け、樹脂による封止等を行うと、本発明に係る薄膜磁気センサ１０、１０’が得られる。
さらに、必要に応じて、ハンダ付け、樹脂による封止等を行うと、本発明に係る薄膜磁気センサ１０、１０’が得られる。
次に、本発明に係る薄膜磁気センサの作用について説明する。
薄膜磁気センサは、一般に結晶構造の異なる複数の薄膜が積層された構造を取るため、成膜直後の薄膜磁気センサ内部には、相対的に大きな残留応力が発生している。また、成膜直後の薄膜ヨーク１４、１６は、磁気特性に異方性がある場合がある。さらに、金属−絶縁体系ナノグラニュラー材料は、非磁性絶縁材料からなるマトリックス中に磁性金属ナノ粒子が分散したものであるが、成膜直後は、磁性金属ナノ粒子の一部が接触しており、電気抵抗Ｒは、相対的に低い。また、成膜直後の薄膜ヨーク１４、１６は、ヒステリシスを持つ場合がある。
薄膜磁気センサは、一般に結晶構造の異なる複数の薄膜が積層された構造を取るため、成膜直後の薄膜磁気センサ内部には、相対的に大きな残留応力が発生している。また、成膜直後の薄膜ヨーク１４、１６は、磁気特性に異方性がある場合がある。さらに、金属−絶縁体系ナノグラニュラー材料は、非磁性絶縁材料からなるマトリックス中に磁性金属ナノ粒子が分散したものであるが、成膜直後は、磁性金属ナノ粒子の一部が接触しており、電気抵抗Ｒは、相対的に低い。また、成膜直後の薄膜ヨーク１４、１６は、ヒステリシスを持つ場合がある。
そのため、ギャップ内又はその近傍に、巨大磁気抵抗効果を示すナノグラニュラー材料が形成された薄膜磁気センサ（ナノグラニュラー・イン・ギャップセンサ。以下、これを「ＧＩＧｓ」という。）においては、ＭＲ特性を向上させるために、アニール処理が行われる。成膜直後のＧＩＧｓに対してアニール処理を行うと、ＭＲ波形がスムースになり、軟磁性薄膜ヨークの異方性が低下し、あるいは、電気抵抗Ｒが適度な値に調整される。
しかしながら、従来のＧＩＧｓにおいては、アニールによるＧＩＧｓの電気抵抗Ｒの上昇率は、ＧＭＲ単独膜（安定な適当な基板表面に形成された同一組成を有するＧＭＲ膜のみからなる膜）のそれとは大きく異なる挙動を示す場合がある。すなわち、大きなバラツキを生じる。
また、同一基板上に隣接してＧＩＧｓを作り込んだ場合において、隣接するセンサ間の距離が極めて短い場合（例えば、１ｍｍ程度）であっても、アニールによる電気抵抗Ｒの上昇率は、センサ間で異なる挙動を示す場合がある。複数個のセンサを用いてハーフブリッジ又はフルブリッジ回路を構成した場合において、アニール処理後の電気抵抗Ｒの上昇率がセンサ毎に異なると、中点電位が外部環境の温度によって変化し、Ｓ／Ｎ比を低下させる原因となる。
さらに、従来のＧＩＧｓのＭＲ比は、ＧＭＲ膜本来のＭＲ比より低い値にとどまる場合があった。
また、同一基板上に隣接してＧＩＧｓを作り込んだ場合において、隣接するセンサ間の距離が極めて短い場合（例えば、１ｍｍ程度）であっても、アニールによる電気抵抗Ｒの上昇率は、センサ間で異なる挙動を示す場合がある。複数個のセンサを用いてハーフブリッジ又はフルブリッジ回路を構成した場合において、アニール処理後の電気抵抗Ｒの上昇率がセンサ毎に異なると、中点電位が外部環境の温度によって変化し、Ｓ／Ｎ比を低下させる原因となる。
さらに、従来のＧＩＧｓのＭＲ比は、ＧＭＲ膜本来のＭＲ比より低い値にとどまる場合があった。
これに対し、金属−フッ化物系ナノグラニュラー材料よりなるＧＭＲ膜１８の周囲であって、薄膜ヨーク１４、１６との電気的接触部界面以外の部分に、フッ化物を含む材料からなるバリア層２２、２４を形成すると、アニールによる薄膜磁気センサ１０の電気抵抗Ｒの上昇率は、ＧＭＲ単独膜にほぼ一致する。また、同一基板上に隣接して複数個のセンサを作り込んだ場合において、アニールによる各センサの電気抵抗Ｒの上昇率は、互いにほぼ一致する。さらに、センサ内のＧＭＲ膜１８のＭＲ比は、ＧＭＲ単独膜のＭＲ比とほぼ同等になる。
バリア層２２、２４を設けることによってこのような効果が得られる理由の詳細は不明であるが、おそらく、
（１）下地膜１２（若しくは基板）及び／又は保護膜２０からＧＭＲ膜１８、１８’へのある種の元素の拡散がＧＭＲ膜１８、１８’の電気抵抗Ｒをばらつかせる原因であること、並びに、
（２）ＧＭＲ膜１８、１８’と下地膜１２（若しくは基板）及び／又は保護膜２０の界面にバリア層２２、２４を設けることによって、ＧＭＲ膜１８、１８’の電気抵抗Ｒをばらつかせる原因となる元素の拡散が抑制されること、
によると考えられる。
バリア層２２、２４を設けることによってこのような効果が得られる理由の詳細は不明であるが、おそらく、
（１）下地膜１２（若しくは基板）及び／又は保護膜２０からＧＭＲ膜１８、１８’へのある種の元素の拡散がＧＭＲ膜１８、１８’の電気抵抗Ｒをばらつかせる原因であること、並びに、
（２）ＧＭＲ膜１８、１８’と下地膜１２（若しくは基板）及び／又は保護膜２０の界面にバリア層２２、２４を設けることによって、ＧＭＲ膜１８、１８’の電気抵抗Ｒをばらつかせる原因となる元素の拡散が抑制されること、
によると考えられる。
例えば、ＳｉＯ２膜やＡｌ２Ｏ３膜は、電気絶縁性及び平滑性に優れており、下地膜１２又は保護膜２０の材料として好適である。しかしながら、これらの膜は、非平衡的な薄膜作製技術で作られるため、製膜条件によっては、Ｓｉ：Ｏの比率が１：２からずれやすく、あるいは、Ａｌ：Ｏの比率が２：３からずれ易く、かつ、多くの欠陥を含みやすいという性質を持つ。金属−フッ化物系ナノグラニュラー材料は、微少な空隙を多く含むので、このような材料からなるＧＭＲ膜１０に不定比化合物を含む下地膜１２（若しくは基板）及び／又は保護膜２０を接触させて加熱すると、下地膜１２等から陽イオン又は陰イオンがＧＭＲ膜１８に容易に拡散する。金属−フッ化物系ナノグラニュラー材料にある種の陽イオン又は陰イオンが拡散すると、絶縁体の結晶構造や組成が変わり、伝導電子の散乱状態が変化する。その結果、ＧＭＲ膜１８の電気抵抗Ｒがばらついたり、ＭＲ効果に変化を生じると考えられる。
これに対し、フッ化物は、潮解性があるという欠点はあるが、当該ＧＭＲ膜の構成要素と同一又は類似の化合物であるため、仮に拡散してもＧＭＲ膜が類似の構造のまま維持され、また、イオン結合性が強く、不定比化合物を生成しにくい。そのため、下地膜１２等として不定比化合物を含む材料を用いた場合であっても、ＧＭＲ膜の構成要素と同一又は類似の化合物からなるバリア層２２、２４が下地膜１２等からの元素の拡散を抑制し、熱処理に伴うＧＭＲ膜１８の電気抵抗Ｒの変化を抑制することができる。また、製造コスト、薄膜磁気センサ１０、１０’の用途や使用環境等によって、下地膜１２等の材料選択が制約される場合であっても、電気抵抗Ｒのばらつきの少ない薄膜磁気センサ１０、１０’が得られる。
これに対し、フッ化物は、潮解性があるという欠点はあるが、当該ＧＭＲ膜の構成要素と同一又は類似の化合物であるため、仮に拡散してもＧＭＲ膜が類似の構造のまま維持され、また、イオン結合性が強く、不定比化合物を生成しにくい。そのため、下地膜１２等として不定比化合物を含む材料を用いた場合であっても、ＧＭＲ膜の構成要素と同一又は類似の化合物からなるバリア層２２、２４が下地膜１２等からの元素の拡散を抑制し、熱処理に伴うＧＭＲ膜１８の電気抵抗Ｒの変化を抑制することができる。また、製造コスト、薄膜磁気センサ１０、１０’の用途や使用環境等によって、下地膜１２等の材料選択が制約される場合であっても、電気抵抗Ｒのばらつきの少ない薄膜磁気センサ１０、１０’が得られる。
（実施例１〜５）
図２（ａ）に示すように、直列に接続され、かつ、その感磁軸が互いに直交している２個のセンサＡ、Ｂを備えた薄膜磁気センサ３０（ＧＩＧｓ１（実施例１）〜ＧＩＧｓ５（実施例５））を作製した。
なお、各センサＡ、Ｂは、図１（ｃ）に示す断面構造を有するものである。また、各部の材料には、以下のものを用いた。
基板： Ａｌ２Ｏ３・ＴｉＯ２基板
下地膜１２： ＳｉＯ２膜Ａ又はＳｉＯ２膜Ｂ（両者は、製造条件が異なる。）
ＧＭＲ膜１８： ＣｏＦｅ−ＭｇＦ２系ナノグラニュラー材料
薄膜ヨーク１４、１６： ＣｏＦｅＳｉＢアモルファス膜。
バリア層２２、２４： ＭｇＦ２、ＣａＦ２又はＳｒＦ２。
保護膜２０： ＳｉＯ２膜Ａ又はＳｉＯ２膜Ｂ
電極２６、２８： Ａｕ／Ｃｕ／Ｃｒ積層膜。
図２（ａ）に示すように、直列に接続され、かつ、その感磁軸が互いに直交している２個のセンサＡ、Ｂを備えた薄膜磁気センサ３０（ＧＩＧｓ１（実施例１）〜ＧＩＧｓ５（実施例５））を作製した。
なお、各センサＡ、Ｂは、図１（ｃ）に示す断面構造を有するものである。また、各部の材料には、以下のものを用いた。
基板： Ａｌ２Ｏ３・ＴｉＯ２基板
下地膜１２： ＳｉＯ２膜Ａ又はＳｉＯ２膜Ｂ（両者は、製造条件が異なる。）
ＧＭＲ膜１８： ＣｏＦｅ−ＭｇＦ２系ナノグラニュラー材料
薄膜ヨーク１４、１６： ＣｏＦｅＳｉＢアモルファス膜。
バリア層２２、２４： ＭｇＦ２、ＣａＦ２又はＳｒＦ２。
保護膜２０： ＳｉＯ２膜Ａ又はＳｉＯ２膜Ｂ
電極２６、２８： Ａｕ／Ｃｕ／Ｃｒ積層膜。
（比較例１〜３）
ＧＭＲ膜１８の上面及び下面にバリア層２２、２４を形成しなかった以外は、実施例１〜５と同様の構造を有する薄膜磁気センサ３０（ＧＩＧｓ６（比較例１）〜ＧＩＧｓ８（比較例３））を作製した。
なお、ＧＩＧｓ６〜ＧＩＧｓ８は、構造は同一であるが、下地膜１２及び保護膜２０の種類が異なっているものである。
ＧＭＲ膜１８の上面及び下面にバリア層２２、２４を形成しなかった以外は、実施例１〜５と同様の構造を有する薄膜磁気センサ３０（ＧＩＧｓ６（比較例１）〜ＧＩＧｓ８（比較例３））を作製した。
なお、ＧＩＧｓ６〜ＧＩＧｓ８は、構造は同一であるが、下地膜１２及び保護膜２０の種類が異なっているものである。
実施例１〜５及び比較例１〜３で得られたＧＩＧｓ１〜８について、２１０℃で１時間のアニール処理を行った。アニール処理後、薄膜磁気センサ３０の一端をアースし、他端に５（Ｖ）の電圧を印加し、無磁界におけるＡＢ間中点電位差を測定した。
なお、「ＡＢ間中点電位」とは、２．５Ｖを基準電位（０Ｖ）とした時の基準電位からのずれの量をいう。また、「ＡＢ間中点電位差」とは、図２（ｂ）に示すように、外部温度が６０℃であるときのＡＢ間中点電位から外部温度が−３０℃であるときのＡＢ間中点電位を差し引いた値をいう。表１に、その結果を示す。なお、表１には、各薄膜磁気センサ３０の構成材料も併せて示した。また、ＡＢ間中点電位差は、各センサとも、５サンプルの平均値である。
なお、「ＡＢ間中点電位」とは、２．５Ｖを基準電位（０Ｖ）とした時の基準電位からのずれの量をいう。また、「ＡＢ間中点電位差」とは、図２（ｂ）に示すように、外部温度が６０℃であるときのＡＢ間中点電位から外部温度が−３０℃であるときのＡＢ間中点電位を差し引いた値をいう。表１に、その結果を示す。なお、表１には、各薄膜磁気センサ３０の構成材料も併せて示した。また、ＡＢ間中点電位差は、各センサとも、５サンプルの平均値である。
ＧＩＧｓ６〜８は、いずれも、ＡＢ間中点電位差の絶対値が２０ｍＶを超えていた。これに対し、ＧＭＲ膜１８の上面又は下面のいずれか一方にバリア層を設けたＧＩＧｓ４、５の場合、ＡＢ間中点電位差の絶対値は、１０ｍＶ以下となった。さらに、ＧＭＲ膜１８の上面及び下面にバリア層を設けたＧＩＧｓ１〜３の場合、ＡＢ間中点電位差の絶対値は、１ｍＶ以下であった。表１より、アニール処理に伴うＡＢ間中点電位の変動を抑制するには、ＧＭＲ膜の上面及び／又は下面にバリア層を形成することが有効であることがわかる。
次に、実施例１〜３で得られたＧＩＧｓ１〜３及び比較例１〜３で得られたＧＩＧｓ６〜８について、種々の温度でアニール処理し、アニールに伴う無磁界電気抵抗値の変化率を測定した。
なお、「無磁界電気抵抗値」とは、ゼロ磁界のときのセンサＡ又はＢ両端の電気抵抗値をいう。また、「無磁界電気抵抗値の変化率」とは、アニール前のセンサＡ又はＢの電気抵抗値（Ｒ０）に対するアニール処理後のセンサＡ又はＢの電気抵抗値（ＲＴ）の比（ＲＴ／Ｒ０）をいう。
なお、「無磁界電気抵抗値」とは、ゼロ磁界のときのセンサＡ又はＢ両端の電気抵抗値をいう。また、「無磁界電気抵抗値の変化率」とは、アニール前のセンサＡ又はＢの電気抵抗値（Ｒ０）に対するアニール処理後のセンサＡ又はＢの電気抵抗値（ＲＴ）の比（ＲＴ／Ｒ０）をいう。
図３〜５に、アニールに伴う無磁界電気抵抗値の変化率を示す。なお、図３〜５には、ＧＭＲ単独膜（無アルカリガラス基板上にＭｇＦ２膜を形成し、その上にＧＭＲ膜のみを形成したもの）の結果も併せて示した。
ＧＩＧｓ６（比較例１）の場合、図４（ｂ）に示すように、アニール温度１８０℃までは、その無磁界電気抵抗値変化率は、ＧＭＲ単独膜とほぼ同等であり、センサＡ−センサＢ間の差もほとんどなかった。しかしながら、アニール温度が１８０℃を超えると、無磁界電気抵抗値変化率のＧＭＲ単独膜との差、及び、センサ間の差は、拡大した。
ＧＩＧｓ６（比較例１）の場合、図４（ｂ）に示すように、アニール温度１８０℃までは、その無磁界電気抵抗値変化率は、ＧＭＲ単独膜とほぼ同等であり、センサＡ−センサＢ間の差もほとんどなかった。しかしながら、アニール温度が１８０℃を超えると、無磁界電気抵抗値変化率のＧＭＲ単独膜との差、及び、センサ間の差は、拡大した。
また、ＧＩＧｓ７（比較例２）の場合、図５（ａ）に示すように、アニール温度１８０℃の時点で、すでにセンサＡ及びセンサＢの無磁界電気抵抗値変化率は、ＧＭＲ単独膜より小さくなった。また、センサＡの無磁界電気抵抗値変化率は、センサＢとは異なる値を示した。さらに、アニール温度が高くなるほど、無磁界電気抵抗値変化率のＧＭＲ単独膜との差、及び、センサ間の差は、拡大した。
さらに、ＧＩＧｓ８（比較例３）の場合、図５（ｂ）に示すように、アニール温度１８０℃の時点で既に、無磁界電気抵抗値変化率のＧＭＲ単独膜との差、及びセンサ間の差は、ＧＩＧｓ６、７より拡大した。また、その格差は、アニール温度が高くなるほど、さらに拡大した。
さらに、ＧＩＧｓ８（比較例３）の場合、図５（ｂ）に示すように、アニール温度１８０℃の時点で既に、無磁界電気抵抗値変化率のＧＭＲ単独膜との差、及びセンサ間の差は、ＧＩＧｓ６、７より拡大した。また、その格差は、アニール温度が高くなるほど、さらに拡大した。
これに対し、ＧＩＧｓ１〜３（実施例１〜３）の場合、図３及び図４（ａ）に示すように、アニール処理温度が２４０℃であっても、センサＡとセンサＢの無磁界電気抵抗値変化率は、ＧＭＲ単独膜とほぼ同等であった。また、アニール温度が２４０℃であっても、センサＡ−Ｂ間の無磁界電気抵抗値変化率の差は、ほとんどなかった。
以上の結果から、アニール処理に伴う無磁界電気抵抗値変化率のＧＭＲ単独膜との差及びセンサＡ−Ｂ間の差をなくすためには、ＧＭＲ膜の上下面にバリア層を形成するのが有効であることがわかった。
以上の結果から、アニール処理に伴う無磁界電気抵抗値変化率のＧＭＲ単独膜との差及びセンサＡ−Ｂ間の差をなくすためには、ＧＭＲ膜の上下面にバリア層を形成するのが有効であることがわかった。
以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は、上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。
本発明に係る薄膜磁気センサは、自動車の車軸、ロータリーエンコーダ、産業用歯車等の回転情報の検出、油圧式シリンダ／空気式シリンダのストロークポジション、工作機械のスライド等の位置・速度情報の検出、工業用溶接ロボットのアーク電流等の電流情報の検出、地磁気方位コンパスなどに用いることができる。
また、ＧＭＲ膜とその両端に配置された薄膜ヨークを備えた磁気抵抗素子は、磁気センサとして特に好適であるが、磁気抵抗素子の用途は、これに限定されるものではなく、磁気メモリ、磁気ヘッド等としても用いることができる。
また、ＧＭＲ膜とその両端に配置された薄膜ヨークを備えた磁気抵抗素子は、磁気センサとして特に好適であるが、磁気抵抗素子の用途は、これに限定されるものではなく、磁気メモリ、磁気ヘッド等としても用いることができる。
１０、１０’ 薄膜磁気センサ
１２ 下地膜
１４、１６ 薄膜ヨーク
１８、１８’ ＧＭＲ膜
２０ 保護膜
２２、２４ バリア層
１２ 下地膜
１４、１６ 薄膜ヨーク
１８、１８’ ＧＭＲ膜
２０ 保護膜
２２、２４ バリア層
Claims (4)
- 非磁性絶縁材料からなる基板と、
前記基板上に形成された、軟磁性材料からなりかつギャップを介して対向させた一対の薄膜ヨークと、
前記ギャップ内又はその近傍において、前記一対の薄膜ヨークと電気的に接続されるように形成された、前記軟磁性材料より高い電気比抵抗を有し、かつ、巨大磁気抵抗効果を有するＧＭＲ膜と、
前記薄膜ヨーク及び前記ＧＭＲ膜の表面を保護する保護膜と、
前記基板と前記ＧＭＲ膜との界面に形成された、非磁性絶縁材料からなる第１のバリア層とを備え、
前記ＧＭＲ膜は、金属−フッ化物系ナノグラニュラー材料からなり、
前記第１のバリア層は、フッ化物を含む材料からなる薄膜磁気センサ。 - 非磁性絶縁材料からなる下地膜と、
前記下地膜上に形成された、軟磁性材料からなりかつギャップを介して対向させた一対の薄膜ヨークと、
前記ギャップ内又はその近傍において、前記一対の薄膜ヨークと電気的に接続されるように形成された、前記軟磁性材料より高い電気比抵抗を有し、かつ、巨大磁気抵抗効果を有するＧＭＲ膜と、
前記薄膜ヨーク及び前記ＧＭＲ膜の表面を保護する保護膜と、
前記下地膜と前記ＧＭＲ膜との界面に形成された、非磁性絶縁材料からなる第１のバリア層とを備え、
前記ＧＭＲ膜は、金属−フッ化物系ナノグラニュラー材料からなり、
前記第１のバリア層は、フッ化物を含む材料からなる薄膜磁気センサ。 - その表面に前記下地膜が形成された、非磁性材料又は非磁性絶縁材料からなる基板をさらに備えた請求項２に記載の薄膜磁気センサ。
- 前記ＧＭＲ膜と前記保護膜との界面に形成された、非磁性絶縁材料からなる第２のバリア層をさらに備え、
該第２のバリア層は、フッ化物を含む材料からなる請求項１から３までのいずれかに記載の薄膜磁気センサ。
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