JP2011064653A - 磁気センサおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】コンパクトな構成でありながら磁場の検出性能に優れ、かつ容易に製造可能な磁気センサを提供する。
【解決手段】第１から第４のＭＲ素子を構成する積層体１１，２１，３１，４１は、信号磁場に応じて磁化Ｊ６１の向きが変化する磁化自由層６１と、非磁性の介在層６２と、磁化固着層６３と、を順にそれぞれ含むものである。磁化固着層６３は、非磁性の結合層６３３を介して交互に積層されて互いに反強磁性結合する第１および第２の強磁性層６３１，６３２をそれぞれ１つまたは複数有する。但し、第１および第３のＭＲ素子を構成する積層体１１，３１における磁化固着層６３は、第１の強磁性層６３１を第２の強磁性層６３２よりも１つ多く含み、第２および第４のＭＲ素子を構成する磁化固着層６３は、磁化自由層６１の側から順に第２の強磁性層６３２と第１の強磁性層６３１とを同数ずつ含む。
【選択図】図３

Description

本発明は、磁場の変化を高感度に検出可能な磁気センサおよびその製造方法に関する。

一般に、制御機器の回路に流れる微小な制御電流を正確に検知するにあたっては、その回路内に抵抗を直列接続し、この抵抗の電圧降下を測定する方法を用いる。しかし、この場合には、制御系とは異なる負荷が加わることとなり制御系に対して何らかの悪影響を与える可能性が生じてしまう。このため、制御電流によって発生する電流磁界の勾配を検出することによって間接的に測定する方法が用いられている。具体的には、例えば、トロイダルコアに被測定線を巻き、制御電流をその測定線に供給することによりトロイダルコアの中心部分に生じる磁束をホール素子によって検出するする方法である。

ところが、上記の方法を実現する電流センサでは、小型化が困難であることや直線性あるいは高周波応答性の面で不十分であるなどの問題点が指摘されるようになった。このため、巨大磁気抵抗効果（Giant Magneto-Resistive effect）を発現する巨大磁気抵抗効果素子（以下、ＧＭＲ素子）を制御電流による誘導磁場中に配置し、その勾配を検出するようにした磁気センサが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。また、これに関連するものとして、ＧＭＲ素子を備えた磁気センサを利用し、金属基板の表面等の探傷を行うようにした技術も開示されている。このようなＧＭＲ素子を用いた磁気センサであれば、比較的検出感度や応答性が向上するうえ、温度変化に対しても安定した検出特性が得られる。特に、誘導磁場を検出を、４つのＧＭＲ素子を含むホイートストンブリッジ回路を用いて行うことにより、ＧＭＲ素子を１つのみ用いて行う場合と比べ、感度および精度をいっそう向上させることができる。

但し、そのホイートストンブリッジ回路は、４つのうちの２つのＧＭＲ素子（第１および第２のＧＭＲ素子）が、残りの２つのＧＭＲ素子（第３および第４のＧＭＲ素子）と正反対の振る舞いをするように構成する必要がある。すなわち、例えば第１および第２のＧＭＲ素子におけるピンド層の磁化と、第３および第４のＧＭＲ素子におけるピンド層の磁化とが正反対の向きに固定されていなければならない。また、ホイートストンブリッジ回路を構成する４つのＧＭＲ素子は、可能な限り互いに均質な磁気特性を有することが望ましい。こうした事情から、本出願人は、同一ウェハ上に複数のＧＭＲ素子を一括形成し、それら複数のＧＭＲ素子を個別にウェハごと切り出したのち、それらのなかから選択された４つのＧＭＲ素子を一の基板に適切な向きとなるように配置した磁気センサを既に提案している（例えば特許文献２参照）。あるいは、第１の方向の磁場中において２つのＧＭＲ素子を堆積させたのち、第１の方向と逆方向の磁場中において残りの２つのＧＭＲ素子を堆積させるようにした磁気センサの製造方法も提案されている（例えば特許文献３参照）。さらに、例えば特許文献４には、所定方向の外部磁場を印加した状態で個別に加熱処理（例えばレーザパルスや電子ビーム等を照射する処理）を行い、一の基板上に配置された４つのＧＭＲ素子におけるピンド層の磁化が各々適切な向きとなるようにする方法が提案されている。

米国特許第５６２１３７７号明細書 特開２００８−１１１８０１号公報 特表２００３−５０２６７４号公報 特表２００３−５０２８７６号公報

しかしながら、上述の特許文献２，３に記載された磁気センサ等では、製造過程がやや煩雑であり、生産性の面で不利である。また、上記特許文献３では、先に形成したＧＭＲ素子におけるピンド層の磁化の向きが、後に形成するＧＭＲ素子の形成時に印加される逆方向の磁場の影響を受けてしまい、所定の向きから外れてしまうおそれもある。また、特許文献４の場合には、レーザ照射装置や電子ビーム照射装置などの特殊設備が必要となるうえ、やはり生産性の面で不利である。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その第１の目的は、コンパクトな構成でありながら磁場の検出性能に優れ、かつ容易に製造可能な磁気センサを提供することにある。本発明の第２の目的は、そのような磁気センサを簡便に製造可能な磁気センサの製造方法を提供することにある。

本発明の第１の磁気センサは、信号磁場に応じて磁化の向きが変化する磁化自由層と、非磁性の介在層と、非磁性の結合層を介して交互に積層されて互いに反強磁性結合する第１および第２の強磁性層をそれぞれ１つまたは複数有する磁化固着層と、第１および第２の強磁性層の各々における磁化の向きを固着する反強磁性層とを順にそれぞれ含む第１および第２の磁気抵抗効果素子を備える。第１の磁気抵抗効果素子における磁化固着層は、第１の強磁性層を第２の強磁性層よりも１つ多く含むものであり、第２の磁気抵抗効果素子における磁化固着層は、磁化自由層の側から順に第２の強磁性層と第１の強磁性層とを同数ずつ含むものである。

本発明の第２の磁気センサは、信号磁場に応じて磁化の向きが変化する磁化自由層と、非磁性の介在層と、非磁性の結合層を介して交互に積層されて互いに反強磁性結合する第１および第２の強磁性層をそれぞれ１つまたは複数有する磁化固着層と、第１および第２の強磁性層の各々における磁化の向きを固着する反強磁性層とを順にそれぞれ含む第１から第４の磁気抵抗効果素子を備える。第１および第３の磁気抵抗効果素子における磁化固着層は、それぞれ、第１の強磁性層を第２の強磁性層よりも１つ多く含むものであり、第２および第４の磁気抵抗効果素子における磁化固着層は、それぞれ、磁化自由層の側から順に第２の強磁性層と第１の強磁性層とを同数ずつ含むものである。ここで、第１および第２の磁気抵抗効果素子の一端同士が第１の接続点において接続され、第３および第４の磁気抵抗効果素子の一端同士が第２の接続点において接続され、第１の磁気抵抗効果素子の他端と第４の磁気抵抗効果素子の他端とが第３の接続点において接続され、第２の磁気抵抗効果素子の他端と第３の磁気抵抗効果素子の他端とが第４の接続点において接続されることによりブリッジ回路が形成されている。

本発明の第１および第２の磁気センサでは、互いに反強磁性結合する第１および第２の強磁性層が非磁性の結合層を介して交互に積層されてなる磁化固着層を反強磁性層と隣接するように設け、第１の磁気抵抗効果素子（および第３の磁気抵抗効果素子）では第１の強磁性層が第２の強磁性層よりも１つ多く存在し、第２の磁気抵抗効果素子（および第４の磁気抵抗効果素子）では第１および第２の強磁性層が同数存在するように構成した。さらに、第１の磁気抵抗効果素子（および第３の磁気抵抗効果素子）では第１の強磁性層が第２の強磁性層よりも磁化自由層の近くに位置する一方、第２の磁気抵抗効果素子（および第４の磁気抵抗効果素子）では第２の強磁性層が第１の強磁性層よりも磁化自由層の近くに位置するようにした。このため、信号磁場に対して第１の磁気抵抗効果素子（および第３の磁気抵抗効果素子）と第２の磁気抵抗効果素子（および第４の磁気抵抗効果素子）とが互いに反対向きの抵抗変化を示すこととなる。ここで、「抵抗変化」とは、「抵抗値の増減」を意味する。すなわち、「互いに反対向きの抵抗変化を示す」とは、信号磁場が印加された際、例えば第１の磁気抵抗効果素子の抵抗値が増加する場合には第２の磁気抵抗効果素子の抵抗値は必ず減少する関係にあることを意味する。このような構成の第１および第２の磁気センサは、例えば、製造過程において一定方向の印加磁場を付与しながら熱アニール処理を行うことにより、各磁化固着層における第１および第２の強磁性層の磁化がそれぞれ所定の向きに一括して設定され得るものである。

本発明の第１および第２の磁気センサでは、第１および第２の磁気抵抗効果素子（第１から第４の磁気抵抗効果素子）は、同一基板上に設けられていることが望ましい。

本発明の磁気センサの製造方法は、反強磁性層と、複数の強磁性層が非磁性の結合層を介して反強磁性結合する磁化固着層と、非磁性の介在層と、信号磁場に応じて磁化の向きが変化する磁化自由層とを順にそれぞれ含む第１および第２の磁気抵抗効果素子を、基板上における互いに異なる領域を占めるように選択的に形成する工程と、第１および第２の磁気抵抗効果素子に対して一定方向の磁場を印加しつつ加熱することにより、磁化固着層における強磁性層の磁化の向きを一括して設定する工程とを含むものである。ここで、第１の磁気抵抗効果素子を形成する際には、奇数個の強磁性層を有するように磁化固着層を形成し、第２の磁気抵抗効果素子を形成する際には、偶数個の強磁性層を有するように磁化固着層を形成する。

本発明の磁気センサの製造方法では、第１の磁気抵抗効果素子における磁化固着層を奇数個の強磁性層を有するように形成し、第２の磁気抵抗効果素子における磁化固着層を偶数個の強磁性層を有するように形成したので、第１の磁気抵抗効果素子の磁化固着層において最も磁化自由層の近くに位置する強磁性層の磁化の向きが、第２の磁気抵抗効果素子の磁化固着層において最も磁化自由層の近くに位置する強磁性層の磁化の向きと反対向きとなる。このため、信号磁場に対して第１の磁気抵抗効果素子と第２の磁気抵抗効果素子とが互いに反対向きの抵抗変化を示すこととなる。

本発明の磁気センサの製造方法では、例えば第１の磁気抵抗効果素子における磁化固着層を、第１の方向の磁化を有する第１の強磁性層と、第１の方向と反対の第２の方向の磁化を有する第２の強磁性層とが結合層を介して交互に積層される５層構造とし、第２の磁気抵抗効果素子における磁化固着層を、磁化自由層の側から配置される第２の強磁性層と結合層と第１の強磁性層との３層構造とするとよい。

本発明の第１および第２の磁気センサによれば、結合層を介して互いに反強磁性結合する第１および第２の強磁性層の数を調整することにより、信号磁場に対して第１の磁気抵抗効果素子（および第３の磁気抵抗効果素子）と第２の磁気抵抗効果素子（および第４の磁気抵抗効果素子）とが互いに反対向きの抵抗変化を示すようにしたので、第１および第２の磁気抵抗効果素子（第１から第４の磁気抵抗効果素子）をハーフブリッジ接続（フルブリッジ接続）することにより、容易に製造可能、かつ、コンパクトな構成を確保しつつ、良好な磁場検出を実現することができる。また、本発明の磁気センサの製造方法によれば、上記本発明の第１の磁気センサを簡便かつ高精度に製造することができる。

本発明の一実施の形態としての磁気センサの全体構成を表す平面図である。 図１に示した磁気センサの要部構成を拡大して表す斜視図である。 図２に示した第１〜第４のＭＲ素子に含まれる積層体の積層構造を表す断面図である。 図１に示した磁気センサにおける磁場検出回路の構成を示す回路図である。 図１に示した磁気センサの製造方法を説明する一工程を表す断面図である。 図５に続く一工程を表す断面図である。 図６に続く一工程を表す平面図および断面図である。 図７に続く一工程を表す平面図および断面図である。 図８に続く一工程を表す平面図および断面図である。 図９に続く一工程を表す平面図および断面図である。 図１０に続く一工程を表す平面図および断面図である。 図１１に続く一工程を表す平面図および断面図である。 図１２に続く一工程を表す平面図および断面図である。 図１３に続く一工程を表す平面図および断面図である。 図１４に続く一工程を表す平面図および断面図である。 図１５に続く一工程を表す平面図および断面図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

最初に、図１などを参照して、本発明における一実施の形態としての磁気センサの構成について説明する。図１は、本実施の形態の磁気センサの全体構成を表す上面図である。また、図２は、この磁気センサの要部構成を拡大して表す斜視図である。

本実施の形態の磁気センサは、基板１００の上に、第１〜第４の磁気抵抗効果（ＭＲ；Magneto-Resistive effect）素子１〜４、パッド５１〜５４、導線Ｌ１〜Ｌ６、差分検出器ＡＭＰ（後出）などが設けられたものである。この磁気センサは、例えば＋Ｙ方向へ印加される信号磁場Ｈｍの大きさを検出するものである。より具体的には、例えばＸ軸方向へ延在する導体（図示せず）の近傍に配置され、その導体を流れる電流によって誘導される誘導磁場を信号磁場Ｈｍとして検出し、その電流を間接的に測定する電流センサとして用いられる。例えば、パッド５１は電源Ｖｃｃ（後出）と接続され、パッド５２は接地され、パッド５３，５４は、差分検出器ＡＭＰの入力側端子とそれぞれ接続されている。

基板１００は、磁気センサ全体を支持する矩形状のものであり、例えば、ガラス、硅素（Ｓｉ）、酸化アルミニウム（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）またはＡｌＴｉＣ（Ａｌ₂ Ｏ₃ −ＴｉＣ）などのセラミックスによって構成されている。なお、基板１００を覆うように、例えば酸化硅素（ＳｉＯ₂ ）やＡｌ₂ Ｏ₃ などのセラミックスを含有する絶縁層（図示せず）を設けるようにしてもよい。

第１〜第４のＭＲ素子１〜４は、それぞれ、磁気トンネル接合構造を有する積層体１１，２１，３１，４１を複数（図１，２では、８つの場合を例示する）含んでいる。図１，２では、第１〜第４のＭＲ素子１〜４が、積層体１１，２１，３１，４１を８つずつ含む場合について例示しているが、これに限定されるものではない。信号磁場Ｈｍが印加されると、第１および第３のＭＲ素子１，３の各抵抗値は、信号磁場Ｈｍに応じて互いに同じ向きに変化し、第２および第４のＭＲ素子２，４の各抵抗値は、いずれも、信号磁場Ｈｍに応じて第１および第３のＭＲ素子１，３とは反対向きに変化する。なお、第１〜第４のＭＲ素子１〜４は、積層体１１，２１，３１，４１の構成を除き、他は実質的に同様の構成を有している。このため、以下では、積層体１１，２１，３１，４１の説明を除き、主に図２を参照して、第１〜第４のＭＲ素子１〜４を代表して第１のＭＲ素子１について説明を行う。

図２に示したように、例えば第１のＭＲ素子１では、各積層体１１（１１Ａ〜１１Ｈ）が、厚み方向（積層方向）において上部電極１２（１２Ａ〜１２Ｈ）と下部電極１３（１３Ａ〜１３Ｈ）との間に挟まれるように配置され、各上部電極１２の一端と各下部電極１３の一端とを繋いでいる。一端が積層体１１と接続された上部電極１２の他端は、隣の積層体１１と一端が接続された下部電極１３の他端と、柱状の接続部１４（１４Ａ〜１４Ｈ）によって接続されている。すなわち、全ての積層体１１Ａ〜１１Ｈが、上部電極１２Ａ〜１２Ｈ、下部電極１３Ａ〜１３Ｈ、および接続部１４Ａ〜１４Ｈによって直列に接続されている。第１のＭＲ素子１の一端に位置する上部電極１２Ａは、積層体１１Ａと接続されると共に導線Ｌ１（図１参照）とも接続されている。また、第１のＭＲ素子１の他端に位置する下部電極１３Ｈは、積層体１１Ｈと接続されると共に導線Ｌ２（図１参照）とも接続されている。このような構成により、導線Ｌ１から電流が供給されると、その電流は積層体１１Ａ〜１１Ｈを順次経由して導線Ｌ２へ流れることとなる。その際、各積層体１１では、上部電極１２から下部電極１３へ向かう方向（−Ｚ方向）へ電流が流れる。上部電極１２、下部電極１３および接続部１４は、いずれも、例えば銅（Ｃｕ）などの非磁性の高導電性材料によって構成されている。

図１に示したように、第２〜第４のＭＲ素子２〜４は、第１のＭＲ素子１における上部電極１２、下部電極１３および接続部１４の各々に対応して、それぞれ上部電極２２，３２，４２、下部電極２３，３３，４３および接続部２４，３４，４４を備えている。第２のＭＲ素子２においては、その一端に位置する上部電極２２が導線Ｌ１と接続され、その他端に位置する下部電極２３は導線Ｌ３と接続されている。また、第３のＭＲ素子３においては、その一端に位置する上部電極３２が導線Ｌ３と接続され、その他端に位置する下部電極３３が導線Ｌ４と接続されている。さらに、第４のＭＲ素子４においては、その一端に位置する上部電極４２が導線Ｌ２と接続され、その他端に位置する下部電極４３が導線Ｌ４と接続されている。また、導線Ｌ２は、導線Ｌ５を介してパッド５３と接続されており、導線Ｌ３は、導線Ｌ６を介してパッド５４と接続されている。

導線Ｌ１〜Ｌ６は、例えば銅（Ｃｕ）などの非磁性の高導電性材料によって構成されている。導線Ｌ１，Ｌ３〜Ｌ６は、例えば上部電極１２，２２，３２，４２と同じ階層に位置し、導線Ｌ２は、例えば下部電極１３，２３，３３，４３と同じ階層に位置する。なお、例えば導線Ｌ２および導線Ｌ５は、互いに異なる階層に位置するが、それらは厚み方向において銅などからなる柱状部材（図示せず）によって繋がれている。

次に、図３（Ａ），３（Ｂ）を参照して、積層体１１，２１，３１，４１の構成を説明する。図３（Ａ）に、積層体１１，３１の概略断面構成を表し、図３（Ｂ）に、積層体２１，４１の概略断面構成を表す。積層体１１，２１，３１，４１は、いずれも、上部電極１２，２２，３２，４２の側から、磁化自由層６１と、介在層６２と、磁化固着層６３と、反強磁性層６４とを順に有するものである。なお、磁化自由層６１の、上部電極１２，２２，３２，４２側の面を覆うように保護膜を設けるようにしてもよい。また、反強磁性層６４と基板１００との間に、シード層を設けるようにしてもよい。

磁化自由層６１は、信号磁場などの外部磁場に応じて磁化Ｊ６１の向きが変化する軟質強磁性層であり、例えばＸ軸方向の磁化容易軸を有するものである。磁化自由層６１は、例えばコバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）、ニッケル鉄合金（ＮｉＦｅ）あるいはコバルト鉄硼素（ＣｏＦｅＢ）、などによって構成される。

介在層６２は、例えば酸化マグネシウム（ＭｇＯ）からなる非磁性のトンネルバリア層であり、量子力学に基づくトンネル電流が通過可能な程度に厚みの薄いものである。ＭｇＯからなるトンネルバリア層は、例えば、ＭｇＯからなるターゲットを用いたスパッタリング処理のほか、マグネシウム（Ｍｇ）の薄膜の酸化処理、あるいは酸素雰囲気中でマグネシウムのスパッタリングを行う反応性スパッタリング処理などによって得られる。また、ＭｇＯのほか、アルミニウム（Ａｌ），タンタル（Ｔａ），ハフニウム（Ｈｆ）の各酸化物もしくは窒化物を用いて介在層６２を構成することも可能である。

磁化固着層６３は、第１の強磁性層６３１と第２の強磁性層６３２とが非磁性の結合層６３３を介して交互に積層されて反強磁性結合するシンセティック構造を有している。但し、積層体１１，３１における磁化固着層６３と、積層体２１，４１における磁化固着層６３とでは、各々を構成する第１および第２の磁化固着層６３１，６３２の数が異なっている。

例えば積層体１１，３１における磁化固着層６３は、第１の強磁性層６３１を第２の強磁性層６３２よりも１つ多く含むものである。詳細には、磁化自由層６１の側から順に第１の強磁性層６３１Ａ、結合層６３３、第２の強磁性層６３２、結合層６３３、第１の強磁性層６３１Ｂが積層された５層構造をなしている。ここで、第１の強磁性層６３１（６３１Ａ，６３１Ｂ）の磁化Ｊ６３１の向きは、積層面内において、第２の強磁性層６３２の磁化Ｊ６３２の向きと反平行となっている。なお、図３（Ａ）では、積層体１１，３１における磁化固着層６３として５層構造のものを例示したがこれに限定されるものではない。すなわち、積層体１１，３１における磁化固着層６３は、第１の強磁性層６３１を第２の強磁性層６３２よりも１つ多く含むものであればよく、例えば結合層６３３を含めて９層構造としてもよい。

一方、積層体２１，４１における磁化固着層６３は、磁化自由層６１の側から順に第２の強磁性層６３２と第１の強磁性層６３１とが結合層６３３を介して交互に同数ずつ積層されたものである。すなわち、第１の強磁性層６３１と第２の強磁性層６３２とが結合層６３３を介して反強磁性結合するシンセティック構造を有している。なお、図３（Ｂ）では、第１および第２の強磁性層６３１，６３２が結合層６３３を挟むように各々１層ずつ設けられた３層構造を例示している。しかしながら、積層体２１，４１における磁化固着層６３は、これに限定されるものではなく、第１および第２の強磁性層６３１，６３２を各々複数含むものであってもよい。すなわち、積層体２１，４１における磁化固着層６３では、第２の強磁性層６３２が第１の強磁性層６３１よりも磁化自由層６１に近い位置にあり、かつ第１および第２の強磁性層６３１，６３２が同数ずつ含まれていればよく、例えば結合層６３３を含めて７層構造としてもよい。

このように、積層体１１，３１における磁化固着層６３が、−Ｙ方向に固着された磁化Ｊ６３１を有する第１の強磁性層６３１を最も磁化自由層６１の側に含む一方、積層体２１，４１における磁化固着層６３が、＋Ｙ方向に固着された磁化Ｊ６３２を有する第２の強磁性層６３２を最も磁化自由層６１の側に含むようにしたので、信号磁場Ｈｍに対して積層体１１，３１と積層体２１，４１とが互いに反対向きの抵抗変化を示すこととなる。すなわち、例えば＋Ｙ方向の信号磁場Ｈｍが付与されると、積層体１１，３１では磁化Ｊ６１が磁化Ｊ６３１と反平行な向きとなるので高抵抗状態となり、積層体２１，４１では磁化Ｊ６１が磁化Ｊ６３２と平行な向きとなるので低抵抗状態となる。したがって、この磁気センサでは、信号磁場Ｈｍが印加されると第１および第３のＭＲ素子１，３の抵抗値は第２および第４のＭＲ素子２，４の抵抗値と逆向きの変化を示す。なお、積層体１１，３１における磁化固着層６３と、積層体２１，４１における磁化固着層６３とでは、全ての第１の強磁性層６３１の総磁気モーメントの合計、および全ての第２の強磁性層６３２の総磁気モーメントの合計がそれぞれ互いに等しいことが望ましい。磁気センサとしての検出精度がより向上するからである。なお、ここでいう「総磁気モーメント」とは、その強磁性層を構成する材料の「単位体積あたりの磁気モーメント」と、その強磁性層の体積との積（単位体積当たりの磁気モーメント×体積）である。

第１および第２の強磁性層６３１，６３２は、いずれもコバルト（Ｃｏ）やコバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）、コバルト鉄ボロン合金（ＣｏＦｅＢ）などの強磁性材料からなり、結合層６３３は、ルテニウム（Ｒｕ）などの非磁性の高導電性材料からなる。なお、磁化固着層６３の好ましい構成例は、以下の通りである。

＜積層体１１，３１の磁化固着層６３＞
第１の強磁性層６３１Ｂ：ＣｏＦｅ層（１．５ｎｍ厚）
結合層６３３：Ｒｕ層（０．８ｎｍ厚）
第２の強磁性層６３２：ＣｏＦｅ層（３．０ｎｍ厚）
結合層６３３：Ｒｕ層（０．８ｎｍ厚）
第１の強磁性層６３１Ａ：ＣｏＦｅ層（２．０ｎｍ厚）

＜積層体２１，４１の磁化固着層６３＞
第１の強磁性層６３１：ＣｏＦｅ層（２．５ｎｍ厚）
結合層６３３：Ｒｕ層（０．８ｎｍ厚）
第２の強磁性層６３２：ＣｏＦｅ層（２．０ｎｍ厚）

反強磁性層６４は、白金マンガン合金（ＰｔＭｎ）やイリジウムマンガン合金（ＩｒＭｎ）などの反強磁性材料により構成されている。反強磁性層６４は、例えば＋Ｙ方向のスピン磁気モーメントと、−Ｙ方向のスピン磁気モーメントとが完全に打ち消し合った状態にあり、隣接する磁化固着層６３における第１および第２の強磁性層６３１，６３２の磁化Ｊ６３１，Ｊ６３２の向きを、＋Ｙ方向または−Ｙ方向へ固着するように作用する。

図４は、磁気センサにおける磁場検出回路の構成を示す概略図である。第１のＭＲ素子１および第２のＭＲ素子２の一端同士が第１の接続点Ｐ１において接続され、第３のＭＲ素子３および第４のＭＲ素子４の一端同士が第２の接続点Ｐ２において接続され、第１のＭＲ素子１の他端と第４のＭＲ素子４の他端とが第３の接続点Ｐ３において接続され、第２のＭＲ素子２の他端と第３のＭＲ素子３の他端とが第４の接続点Ｐ４において接続されることにより、ブリッジ回路が構成されている。ここで、第１の接続点Ｐ１は、導線Ｌ１によって電源Ｖｃｃと接続されており、第２の接続点Ｐ２は、導線Ｌ４を介して接地されている。第３の接続点Ｐ３および第４の接続点Ｐ４は、それぞれ、導線Ｌ５，Ｌ６を介して差分検出器ＡＭＰの入力側端子と接続されている。この差分検出器ＡＭＰは、第１の接続点Ｐ１と第２の接続点Ｐ２との間に電圧が印加されたときの第３の接続点Ｐ３と第４の接続点Ｐ４との間の電位差（第１および第２のＭＲ素子１，２のそれぞれに生ずる電圧降下の差分）を検出し、差分信号ＳＳとして出力するものである。

次に、本実施の形態の磁気センサを使用し、差分信号ＳＳに基づいて検出対象とする信号磁場Ｈｍを検出する方法について以下に説明する。

図４において、まず、信号磁場Ｈｍが印加されていない状態を考える。ここで、電源Ｖｃｃから読出電流Ｉ０を流したときの第１〜第４のＭＲ素子１〜４における各々の抵抗値をｒ１〜ｒ４とする。電源Ｖｃｃからの読出電流Ｉ０は、第１の接続点Ｐ１において読出電流Ｉ１および読出電流Ｉ２の２つに分流される。そののち、第１のＭＲ素子１と第３のＭＲ素子３とを通過した読出電流Ｉ１と、第２のＭＲ素子２と第４のＭＲ素子４とを通過した読出電流Ｉ２とが第２の接続点Ｐ２において合流する。この場合、第１の接続点Ｐ１と第２の接続点Ｐ２との間の電位差Ｖは、
Ｖ＝Ｉ１×ｒ４＋Ｉ１×ｒ１＝Ｉ２×ｒ３＋Ｉ２×ｒ２
＝Ｉ１×（ｒ４＋ｒ１）＝Ｉ２×（ｒ３＋ｒ２） ……（１）
と表すことができる。
また、第３の接続点Ｐ３における電位Ｖ１および第４の接続点Ｐ４における電位Ｖ２は、それぞれ、
Ｖ１＝Ｖ−Ｖ４
＝Ｖ−Ｉ１×ｒ４
Ｖ２＝Ｖ−Ｖ３
＝Ｖ−Ｉ２×ｒ３
と表せる。よって、第３の接続点Ｐ３と第４の接続点Ｐ４との間の電位差Ｖ０は、
Ｖ０＝Ｖ１−Ｖ２
＝（Ｖ−Ｉ１×ｒ４）−（Ｖ−Ｉ２×ｒ３）
＝Ｉ２×ｒ３−Ｉ１×ｒ４ ……（２）
ここで、（１）式から
Ｖ０＝ｒ３／（ｒ３＋ｒ２）×Ｖ−ｒ４／（ｒ４＋ｒ１）×Ｖ
＝｛ｒ３／（ｒ３＋ｒ２）−ｒ４／（ｒ４＋ｒ１）｝×Ｖ ……（３）
となる。このブリッジ回路では、信号磁場Ｈｍが印加されたときに、上記の式（３）で示された第３および第４の接続点Ｐ３，Ｐ４間の電圧Ｖ０を測定することにより、抵抗変化量が得られる。ここで、信号磁場Ｈｍが印加されたときに、抵抗値ｒ１〜ｒ４がそれぞれ変化量ΔＲ１〜ΔＲ４だけ増加したとすると、すなわち、信号磁場Ｈｍを印加したときの抵抗値Ｒ１〜Ｒ４がそれぞれ、
Ｒ１＝ｒ１＋ΔＲ１
Ｒ２＝ｒ２＋ΔＲ２
Ｒ３＝ｒ３＋ΔＲ３
Ｒ４＝ｒ４＋ΔＲ４
であるとすると、信号磁場Ｈｍを印加した際の電位差Ｖ０は、式（３）より、
Ｖ０＝｛（ｒ３＋ΔＲ３）／（ｒ３＋ΔＲ３＋ｒ２＋ΔＲ２）−（ｒ４＋ΔＲ４）／（ｒ４＋ΔＲ４＋ｒ１＋ΔＲ１）｝×Ｖ ……（４）
となる。すでに述べたように、この磁気センサでは、第１および第３のＭＲ素子１，３の抵抗値Ｒ１，Ｒ３と第２および第４のＭＲ素子２，４の抵抗値Ｒ２，Ｒ４とが逆方向に変化するので、変化量ΔＲ３と変化量ΔＲ２とが打ち消し合うと共に変化量ΔＲ４と変化量ΔＲ１とが打ち消し合うこととなる。このため、信号磁場Ｈｍの印加前後を比較した場合、式（４）の各項における分母の増加はほとんど無い。一方、各項の分子については、変化量ΔＲ３と変化量ΔＲ４とは必ず反対の符号を有するので、打ち消し合うことなく増減が現れることとなる。信号磁場Ｈｍが印加されることにより、第２および第４のＭＲ素子２，４では、抵抗値は変化量ΔＲ２，ΔＲ４（ΔＲ２，ΔＲ４＜０）の分だけそれぞれ変化する（実質的に低下する）一方で、第１および第３のＭＲ素子１，３では、抵抗値は変化量ΔＲ１，ΔＲ３（ΔＲ１，ΔＲ３＞０）の分だけそれぞれ変化する（実質的に増加する）からである。

仮に、第１〜第４のＭＲ素子１〜４の全てが完全に同一の特性を有するものとした場合、すなわち、ｒ１＝ｒ２＝ｒ３＝ｒ４＝Ｒ、かつ、ΔＲ１＝−ΔＲ２＝ΔＲ３＝−ΔＲ４＝ΔＲであるとした場合、式（４）は、
Ｖ０＝｛（Ｒ＋ΔＲ）／（２・Ｒ）−（Ｒ−ΔＲ）／（２・Ｒ）｝×Ｖ
＝（ΔＲ／Ｒ）×Ｖ ……（５）
となる。

以上により、信号磁場Ｈｍと抵抗値の変化量ΔＲ（もしくはΔＲ１〜ΔＲ４）との関係が既知である第１〜第４のＭＲ素子１〜４を用いるようにすれば、式（４）または式（５）に基づき、信号磁場Ｈｍの大きさを求めることができる。

次に、図５〜図１６を参照して、磁気センサの製造方法について説明する。なお、図５〜図１６は、第１のＭＲ素子１と第２のＭＲ素子２との境界部分近傍を拡大して表すものである。また、図７（Ａ）〜図１６（Ａ）は、上面から眺めた図であり、図７（Ｂ）〜図１６（Ｂ）は、図７（Ａ）〜図１６（Ａ）の各々に示した切断線に対応する断面図である。

まず、図５に示したように、上記した所定材料からなる基板１００を用意し、必要に応じてその表面に絶縁層Ｚ１を設ける。次に、基板１００または絶縁層Ｚ１を全面に亘って覆うように、のちに下部電極１３，２３，３３，４３となる金属膜Ｍ１を、銅などの所定の材料によって形成する。さらに、金属膜Ｍ１を全面に亘って覆うように、のちに積層体１１，３１となるＭＲ膜Ｓ１を形成する。ＭＲ膜Ｓ１は、例えばスパッタリング法により、金属膜Ｍ１の上に反強磁性層６４、磁化固着層６３、介在層６２および磁化自由層６１を上述の材料を用いて順次積層することにより得られる。但し、磁化固着層６３を形成する際には、のちに第１および第２の強磁性層６３１，６３２となる強磁性膜（図示せず）を奇数含むように形成する。例えば、反強磁性層６４の上に、強磁性膜、非磁性膜、強磁性膜、非磁性膜および強磁性膜を順次積層し、磁化固着層６３を得る。ＭＲ膜Ｓ１の形成ののち、それを全面に亘って覆うように保護膜Ｃとしてカーボンなどのハードマスクを必要に応じて形成する。

こののち、図６に示したように、第１のＭＲ素子１および第３のＭＲ素子３が形成されることとなる領域Ｒ１のみを覆うように、レジストマスクＲＭ１を選択的に形成する。そののち、図７（Ａ），７（Ｂ）に示したように、領域Ｒ１における保護膜ＣおよびＭＲ膜Ｓ１を残すように、露出した領域の保護膜ＣおよびＭＲ膜Ｓ１をミリングによって選択的に除去する。ここでのミリングは、金属膜Ｍ１に到達した時点で終了する。

続いて、レジストマスクＲＭ１を溶解除去したのち、全面に亘って覆うように、のちに積層体２１，４１となるＭＲ膜Ｓ２を形成する（図８（Ａ），８（Ｂ）参照）。なお、ＭＲ膜Ｓ２は、例えばＭＲ膜Ｓ１と同様の手順により形成することができる。但し、磁化固着層６３を形成する際に、のちに第１および第２の強磁性層６３１，６３２となる強磁性膜（図示せず）を偶数含むように形成する点が異なる。

ＭＲ膜Ｓ２を形成したのち、図９（Ａ），９（Ｂ）に示したように、第２のＭＲ素子２および第４のＭＲ素子４が形成されることとなる領域Ｒ２のみを覆うように、レジストマスクＲＭ２を選択的に形成する。そののち、図１０（Ａ），１０（Ｂ）に示したように、領域Ｒ２におけるＭＲ膜Ｓ２を残すように、露出した領域のＭＲ膜Ｓ２をミリングによって選択的に除去する。ここでのミリングは、金属膜Ｍ１もしくは保護膜Ｃに到達した時点で終了する。

次いで、図１１（Ａ），１１（Ｂ）に示したように、レジストマスクＲＭ２を溶解除去すると共に保護膜Ｃをアッシングにより除去したのち、ＭＲ膜Ｓ１，Ｓ２に対するアニール処理を行う。詳細には、例えば＋Ｙ方向に印加磁場Ｈ１を印加しつつ、ＭＲ膜Ｓ１，Ｓ２を所定の温度（例えば２８０℃）に加熱することにより、磁化固着層６３の磁化Ｊ６３１，６３２の向きを一括して設定する。このアニール処理により、積層体１１，２１，３１，４１における全ての磁化固着層６３では、反強磁性層６４と隣接する強磁性層が−Ｙ方向の磁化Ｊ６３１を有する第１の強磁性層６３１となる。具体的には、強磁性膜を奇数含む積層体１１，３１における磁化固着層６３では、−Ｙ方向の磁化Ｊ６３１を有する第１の強磁性層６３１Ｂが反強磁性層６４と最も近い位置に存在し、同じく−Ｙ方向の磁化Ｊ６３１を有する第１の強磁性層６３１Ａが磁化自由層６１と最も近い位置に存在することとなる。また、積層体１１，３１における磁化固着層６３では、−Ｙ方向の磁化Ｊ６３１を有する第１の強磁性層６３１が＋Ｙ方向の磁化Ｊ６３２を有する第２の強磁性層６３２よりも１層多く存在することとなる。一方、強磁性膜を奇数含む積層体２１，４１における磁化固着層６３では、−Ｙ方向の磁化Ｊ６３１を有する第１の強磁性層６３１と、＋Ｙ方向の磁化Ｊ６３２を有する第２の強磁性層６３２とが同数ずつ存在することとなる。また、−Ｙ方向の磁化Ｊ６３１を有する第１の強磁性層６３１が反強磁性層６４と最も近い位置に存在する一方で、磁化自由層６１と最も近い位置には＋Ｙ方向の磁化Ｊ６３２を有する第２の強磁性層６３２が存在することとなる。なお、ここでの印加磁場Ｈ１は、磁化固着層６３のシンセティック構造における交換結合磁場を上回る強度、すなわち第１強磁性層６３１と第２強磁性層６３２との交換結合磁場よりも大きな強度であることが望ましい。

アニール処理ののち、ＭＲ膜Ｓ１，Ｓ２をパターニングすることにより、所定の位置に、所定の平面形状および寸法を有する柱状の積層体１１，２１，３１，４１を形成し、さらにその周囲を埋めるようにＡｌ₂ Ｏ₃ などによって絶縁層Ｚ２を形成する（図１２（Ａ），１２（Ｂ）参照）。但し、図１２（Ａ），１２（Ｂ）では、積層体３１，４１を図示していない。なお、ここではアニール処理ののちＭＲ膜Ｓ１，Ｓ２をパターニングするようにしたが、その操作を逆にしてもよい。すなわち、ＭＲ膜Ｓ１，Ｓ２をパターニングすることにより柱状の積層体１１，２１，３１，４１を形成したのち、それらに対してアニール処理を行うようにしてもよい。

さらに、図１３（Ａ），１３（Ｂ）に示したように、所定の位置に立設するように接続部１４，２４，３４，４４（但し、ここでは接続部３４，４４を図示せず）を形成したのち、図１４（Ａ），１４（Ｂ）に示したように、積層体１１，２１，３１，４１および接続部１４，２４，３４，４４、ならびにその近傍領域をレジストマスクＲＭ３によって選択的に覆い、未保護領域の金属膜Ｍ１に対するミリングを行う。その結果、下部電極１３，２３，３３，４３、および導線Ｌ２を得る。

こののち、図１５（Ａ），１５（Ｂ）に示したように、ミリングによって金属膜Ｍ１を除去した領域を埋めるようにＡｌ₂ Ｏ₃ などによって絶縁層Ｚ３を形成したのち、レジストマスクＲＭ３を溶解除去する。

続いて、図１６（Ａ），１６（Ｂ）に示したように、積層体１１，２１，３１，４１および接続部１４，２４，３４，４４の上面と接するように所定形状の上部電極１２，２２，３２，４２（ここでは上部電極１２，２２のみ図示する）を形成すると共に、導線Ｌ１，Ｌ３〜Ｌ６（ここでは導線Ｌ３のみ図示する）を形成する。最後に、パッド５１〜５４を形成するなど、所定の工程を経ることで本実施の形態の磁気センサが完成する。

以上説明したように、本実施の形態によれば、結合層６３３を介して互いに反強磁性結合する第１および第２の強磁性層６３１，６３２の数を調整することにより、信号磁場Ｈｍに対して第１および第３のＭＲ素子１，３と第２および第４のＭＲ素子２，４とが互いに反対向きの抵抗変化を示すようにした。このため、本実施の形態の磁気センサは、同一の基板１００上においてフルブリッジ接続された第１〜第４のＭＲ素子１〜４からなる磁場検出回路を有するコンパクトな構成でありながら、高精度な磁場検出を可能とする。また、本実施の形態の磁気センサの製造方法によれば、この磁気センサを簡便かつ高精度に製造することができる。これは、本実施の形態の磁気センサが、レーザ照射装置や電子ビーム照射装置などの特殊設備を用いなくとも、一方向の印加磁場Ｈ１を付与しつつ加熱処理を行うことにより磁化固着層６３の磁化方向を設定することができるからである。

以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上記実施の形態では、４つのＭＲ素子を含む検出回路（フルブリッジ回路）を用いて信号磁場の検出を行う場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば信号磁場によって互いに反対向きの抵抗変化を示す第１および第２のＭＲ素子を備えた検出回路（いわゆるハーフブリッジ回路）を用いて信号磁場の検出を行うようにしてもよい。

また、上記実施の形態等では、ＭＲ素子として磁気トンネル接合構造を有するトンネルＭＲ素子を例に挙げて説明するようにしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えばＣＰＰ型のＧＭＲ素子を採用することもできる。その場合、介在層を、トンネルバリア層ではなく、例えば銅（Ｃｕ）や金（Ａｕ）、あるいはクロム（Ｃｒ）などの高導電性の非磁性材料層とする必要がある。

また、上記実施の形態等では、磁気センサとして一定方向へ印加される信号磁場の大きさを検出するものを例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。本発明の磁気センサは、例えば、ある回転面（ＭＲ素子の積層面に平行な面）において回転する信号磁場の向きを検出する角度センサとして利用することもできる。この場合、信号磁場の大きさが一定であれば、信号磁場の印加方向と各ＭＲ素子における磁化固着層の磁化の向きとの相対角度に応じて抵抗変化量が変化するので、その関係を利用することにより信号磁場の回転角が求められる。

１００…基板、１〜４…第１〜第４のＭＲ素子、１１，２１，３１，４１…積層体、１２，２２，３２，４２…上部電極、１３，２３，３３，４３…下部電極、１４，２４，３４，４４…接続部、６１…磁化自由層、６２…介在層、６３…磁化固着層、６３１（６３１Ａ，６３１Ｂ）…第１の強磁性層、６３２…第２の強磁性層、６３３…結合層、６４…反強磁性層、Ｈｍ…信号磁場、Ｈ１…印加磁場、Ｌ１〜Ｌ６…導線、Ｐ１〜Ｐ４…接続部。

Claims (7)

1. 信号磁場に応じて磁化の向きが変化する磁化自由層と、
   非磁性の介在層と、
   非磁性の結合層を介して交互に積層されて互いに反強磁性結合する第１および第２の強磁性層をそれぞれ１つまたは複数有する磁化固着層と、
   前記第１および第２の強磁性層の各々における磁化の向きを固着する反強磁性層と
   を順にそれぞれ含む第１および第２の磁気抵抗効果素子を備え、
   前記第１の磁気抵抗効果素子における磁化固着層は、前記第１の強磁性層を前記第２の強磁性層よりも１つ多く含み、
   前記第２の磁気抵抗効果素子における磁化固着層は、前記磁化自由層の側から順に前記第２の強磁性層と前記第１の強磁性層とを同数ずつ含む
   ことを特徴とする磁気センサ。
2. 前記第１の磁気抵抗効果素子における磁化固着層は、一の前記第２の強磁性層と、これを挟んで対向する一対の前記第１の強磁性層と、前記一の第２の強磁性層と前記一対の第１の強磁性層との間に位置する一対の前記結合層との５層構造からなり、
   前記第２の磁気抵抗効果素子における磁化固着層は、前記磁化自由層の側から配置される一の前記第２の強磁性層と一の前記結合層と一の前記第１の強磁性層との３層構造からなる
   ことを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
3. 前記第１および第２の磁気抵抗効果素子は、同一基板上に設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の磁気センサ。
4. 信号磁場に応じて磁化の向きが変化する磁化自由層と、
   非磁性の介在層と、
   非磁性の結合層を介して交互に積層されて互いに反強磁性結合する第１および第２の強磁性層をそれぞれ１つまたは複数有する磁化固着層と、
   前記第１および第２の強磁性層の各々における磁化の向きを固着する反強磁性層と
   を順にそれぞれ含む第１から第４の磁気抵抗効果素子を備え、
   前記第１および第３の磁気抵抗効果素子における磁化固着層は、それぞれ、前記第１の強磁性層を前記第２の強磁性層よりも１つ多く含み、
   前記第２および第４の磁気抵抗効果素子における磁化固着層は、それぞれ、前記磁化自由層の側から順に前記第２の強磁性層と前記第１の強磁性層とを同数ずつ含み、
   前記第１および第２の磁気抵抗効果素子の一端同士が第１の接続点において接続され、前記第３および第４の磁気抵抗効果素子の一端同士が第２の接続点において接続され、前記第１の磁気抵抗効果素子の他端と前記第４の磁気抵抗効果素子の他端とが第３の接続点において接続され、前記第２の磁気抵抗効果素子の他端と前記第３の磁気抵抗効果素子の他端とが第４の接続点において接続されることによりブリッジ回路が形成されている
   ことを特徴とする磁気センサ。
5. 前記第１の接続部と前記第２の接続部との間に電圧が印加されたときの前記第３の接続部と前記第４の接続部との間の電位差を検出する差分検出部をさらに備えた
   ことを特徴とする請求項４記載の磁気センサ。
6. 反強磁性層と、複数の強磁性層が非磁性の結合層を介して反強磁性結合する磁化固着層と、非磁性の介在層と、信号磁場に応じて磁化の向きが変化する磁化自由層とを順にそれぞれ含む第１および第２の磁気抵抗効果素子を、基板上における互いに異なる領域を占めるように選択的に形成する工程と、
   前記第１および第２の磁気抵抗効果素子に対して一定方向の磁場を印加しつつ加熱することにより、前記磁化固着層における強磁性層の磁化の向きを一括して設定する工程と
   を含み、
   前記第１の磁気抵抗効果素子を形成する際には、奇数個の前記強磁性層を有するように前記磁化固着層を形成し、
   前記第２の磁気抵抗効果素子を形成する際には、偶数個の前記強磁性層を有するように前記磁化固着層を形成する
   ことを特徴とする磁気センサの製造方法。
7. 前記第１の磁気抵抗効果素子における磁化固着層を、第１の方向の磁化を有する第１の強磁性層と、前記結合層と、前記第１の方向と反対の第２の方向の磁化を有する第２の強磁性層と、前記第１の強磁性層と、前記結合層と、前記第２の強磁性層との５層構造とし、
   前記第２の磁気抵抗効果素子における磁化固着層を、前記磁化自由層の側から配置される前記第２の強磁性層と前記結合層と前記第１の強磁性層との３層構造とする
   ことを特徴とする請求項６に記載の磁気センサの製造方法。

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