JP2013016609A - 磁気検出素子及びそれを用いた磁気センサ、並びに、磁気検出素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 特に固定磁性層をセルフピン止め型とした構成において、Ｔａ保護層の膜厚を適正化し、従来に比べて安定して優れた軟磁気特性を得ることが可能な磁気検出素子及びそれを用いた磁気センサ、並びに磁気検出素子の製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】 本実施形態の磁気検出素子１は、固定磁性層３とフリー磁性層５とが非磁性材料層４を介して積層された積層膜を備え、前記固定磁性層３は、第１磁性層３ａと第２磁性層３ｃとが非磁性中間層３ｂを介して積層され、前記第１磁性層３ａと前記第２磁性層３ｃとが反平行に磁化固定されたセルフピン止め型であり、前記積層膜の最上層は、Ｔａからなる保護層６であり、前記保護層６の成膜時における成膜時膜厚は５５Å以上であることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、セルフピン止め型の磁気検出素子に関する。

従来、反強磁性層を用いて固定磁性層を交換結合磁界（Ｈｅｘ）により磁化固定する方法では、反強磁性層の結晶配向制御や固定磁性層の磁化分散を低減（単磁区化の促進）させるために、磁場中アニール（熱処理）を真空中で行うのが一般的であった。なお、真空中アニールでは酸化等の影響が小さいためにＴａによる保護層の膜厚を３０Å〜５０Å程度に薄くしてもΔＭＲ（抵抗変化率）等の特性に対する影響は小さかった。

しかしながら磁場中アニール装置は高価であり、また真空中アニール時間が長時間になる問題があった。

特許文献１，２は、固定磁性層をセルフピン止め型とし反強磁性層を設けていない。特許文献１，２ではＴａ保護層の膜厚を４０Åにしている。

セルフピン止め構造とすれば、磁場中アニール処理は不要となるが、磁気検出素子の成膜後、磁気センサの製造工程で曝される高温プロセスや、磁気センサの高温環境下での使用によっても特性変動が生じないように、無磁場でのアニール処理を行うことが必要である。このとき使用されるアニール装置は通常、低価格でアニール時間も短時間で済むが、特許文献１，２に示すようにＴａ保護層の膜厚を４０Å程度に設定すると、特性劣化が問題になることが、今回の実験によりわかった。

また特許文献３には固定磁性層をセルフピン止め型とし、Ｒｕ保護層を設けた発明が開示されている。特許文献３ではＴａ保護層を比較例として用いているが、膜厚が定かでない。ただし実施例に記載されているＲｕ保護層と同じ膜厚であると仮定すれば３０Åである。そして３０Åの膜厚では、４０Åの場合と同様に特性劣化が問題になる。

また特許文献４も固定磁性層をセルフピン止め型としているが保護層の材質及び膜厚が定かでない。

ＵＳ ７，０１９，９４９ Ｂ２ ＵＳ ７，１９６，８７８ Ｂ２ 特開２００８−３０６１１２号公報 特開２００９−１８０６０４号公報

そこで本発明は、上記従来の課題を解決するためのものであり、特に固定磁性層をセルフピン止め型とした構成において、Ｔａ保護層の膜厚を適正化し、従来に比べて安定して優れた軟磁気特性を得ることが可能な磁気検出素子及びそれを用いた磁気センサ、並びに磁気検出素子の製造方法を提供することを目的とする。

本発明における磁気検出素子は、固定磁性層とフリー磁性層とが非磁性材料層を介して積層された積層膜を備え、
前記固定磁性層は、第１磁性層と第２磁性層とが非磁性中間層を介して積層され、前記第１磁性層と前記第２磁性層とが反平行に磁化固定されたセルフピン止め型であり、
前記積層膜の最上層は、Ｔａからなる保護層であり、前記保護層の成膜時における成膜時膜厚は５５Å以上であることを特徴とするものである。

また本発明は、固定磁性層とフリー磁性層とが非磁性材料層を介して積層された積層膜を備えた磁気検出素子の製造方法において、
前記固定磁性層を、第１磁性層と第２磁性層とが非磁性中間層を介して積層され、前記第１磁性層と前記第２磁性層とが反平行に磁化固定されたセルフピン止め型で形成し、
前記積層膜の最上層を、成膜時膜厚が５５Å以上のＴａからなる保護層で形成し、
大気中あるいは不活性ガスフロー中にて無磁場でのアニール処理を行うことを特徴とするものである。

本発明では、固定磁性層をセルフピン止め型とした構成において、Ｔａ保護層の成膜時の成膜時膜厚を、後述の実験結果に基づいて５５Å以上に設定した。Ｔａ保護層の膜厚の下限値を５５Åとしたのは、５５Åよりも小さいと、フリー磁性層と固定磁性層間に作用する層間結合磁界Ｈｉｎが急激に大きくなり、ΔＭＲが急激に低下するためである。また、Ｔａ保護層の膜厚の上限値は特に限定しないが、Ｔａ保護層の膜厚を厚くしすぎるとＴａ保護層に分流する電流量が増えてしまい（シャントロス）、ΔＭＲが小さくなりやすい。よって、Ｔａ保護層の膜厚上限値を調整することで他の磁気特性の信頼性を劣化させることなくΔＭＲ値の調整が可能になる。

以上により本発明によれば、固定磁性層をセルフピン止め型とした構成において、安定して優れた軟磁気特性を得ることが可能である。

なお本発明における５５Å以上としたＴａ保護層の膜厚は成膜時におけるものである。よって成膜後にアニール処理を行うことで、Ｔａ保護層の一部が酸化されて保護層の膜厚は成膜時より厚くなる。このとき後述する実験結果に示すように、アニール後の状態の分析によりＴａ保護層の成膜時の膜厚を予測することが可能である。

また本発明では、前記保護層の成膜時における成膜時膜厚は１００Å以下であることが好ましい。Ｔａ保護層の成膜時膜厚を３０Åとした成膜時（As Depo）のΔＭＲを基準値とすると、Ｔａ保護層の成膜時膜厚を１００Å以下とすることで、無磁場アニール時のΔＭＲを基準値から最大で５％程度の低下で抑えることができるとわかった。また、前記保護層の前記フリー磁性層と接触する部分は金属Ｔａであることが好ましい。

また本発明では、前記保護層の膜厚は７０Å以上で１００Å以下であることが好ましい。Ｔａ保護層の膜厚の下限値を５５Åから７０Åにずらすことで、多少、成膜時の膜厚が狙い値よりずれても、安定して優れた軟磁気特性を得ることが可能になる。

また本発明における磁気センサは、同一基板上に、感度軸方向の異なる複数の上記に記載された磁気検出素子が配置されていることを特徴とするものである。

本発明の磁気センサでは、上記したセルフピン止め型の磁気検出素子を使用することにより、様々な用途で、安定して優れた出力特性を得ることができる。

本発明では、固定磁性層をセルフピン止め型とした構成において、従来に比べて、安定して優れた軟磁気特性を得ることが可能である。

本実施形態における磁気検出素子の部分拡大縦断面図、 図１に示す磁気検出素子と、磁気検出素子に接続されるハードバイアス層との位置関係を示す部分縦断面図、 本実施形態における磁気センサの回路構成図、 本実施形態における磁気センサの製造方法を示す一工程図（平面図）、 （ａ）〜（ｄ）は、Ｔａ保護層の膜厚を代えた各磁気検出素子の成膜時（As Depo）におけるヒステリシスループ、（ｅ）〜（ｈ）は、Ｔａ保護層の膜厚を代えた各磁気検出素子のアニール処理後におけるヒステリシスループ、（ｉ）、（ｊ）は、（ｅ）、（ｆ）と同じ磁気検出素子を用い、（ｅ）、（ｆ）に比べて外部磁界のレンジを広げたヒステリシスループ、 アニール処理後、及び成膜時（As Depo）における、Ｔａ保護層の膜厚とΔＭＲとの関係を示すグラフ、 図６の縦軸を拡大して示したグラフ、 アニール処理後、及び成膜時（As Depo）における、Ｔａ保護層の膜厚とＨｉｎとの関係を示すグラフ、 （ａ）は、Ｔａ保護層の膜厚を５０Åとした磁気検出素子の成膜時（As Depo）におけるオージェ・デプス・プロファイル、（ｂ）は、Ｔａ保護層の膜厚を５０Åとした磁気検出素子のアニール処理後におけるオージェ・デプス・プロファイル、（ｃ）は、Ｔａ保護層の膜厚を７０Åとした磁気検出素子のアニール処理後におけるオージェ・デプス・プロファイル、 （ａ）は、Ｔａ保護層の膜厚を３０Åとした磁気検出素子のアニール処理後におけるＴＥＭ写真、（ｂ）は、Ｔａ保護層の膜厚を７０Åとした磁気検出素子のアニール処理後におけるＴＥＭ写真、（ｃ）は、Ｔａ保護層の膜厚を５０Åとした磁気検出素子の成膜時（As Depo）におけるＴＥＭ写真。

図１は、本実施形態における磁気検出素子の部分拡大縦断面図である。
図１に示すように本実施形態の磁気検出素子（ＧＭＲ素子）１は、下から、シード層２、固定磁性層３、非磁性材料層４、フリー磁性層５及び保護層６の順に積層されて成膜される。磁気検出素子１を構成する各層は、例えばスパッタにて成膜される。

シード層２は、ＮｉＦｅＣｒあるいはＣｒ等で形成される。またシード層２の膜厚は、３６〜６０Å程度である。シード層２と、図示しない基板との間に、Ｔａ，Ｈｆ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｗ等からなる下地層が形成されていてもよい。

固定磁性層３は、第１磁性層３ａと第２磁性層３ｃと、第１磁性層３ａ及び第２磁性層３ｃ間に介在する非磁性中間層３ｂとのＡＡＦ（artificial antiferromagnetic structure）構造である。

図１に示すように第１磁性層３ａの固定磁化方向（Ｐ１）と、第２磁性層３ｃの固定磁化方向（Ｐ２）は反平行となっている。

図１に示すように、第１磁性層３ａはシード層２上に形成されており、第２磁性層３ｃは、後述する非磁性材料層４に接して形成されている。

本実施形態における第１磁性層３ａは、第２磁性層３ｃよりも高保磁力材料のＦｅ_xＣｏ_100-x（ｘは、５５ａｔ％以上６５ａｔ％以下であることが好ましい）で形成される。

また図１に示すように、第１磁性層３ａの膜厚は、例えば、１４Å以上２０．５Å以下の範囲内であり、第２磁性層３ｃの膜厚よりも薄くされている。

これにより本実施形態では第１磁性層３ａの保磁力Ｈｃを高く安定した値にできる。例えば、５０（ｋＡ／ｍ）以上の保磁力Ｈｃを得ることが可能である。

非磁性材料層４に接する第２磁性層３ｃは磁気抵抗効果（ＧＭＲ効果）に寄与する層であり、第２磁性層３ｃには、アップスピンを持つ伝導電子とダウンスピンを持つ伝導電子の平均自由行程差を大きくできる磁性材料が選択される。

具体的には第２磁性層３ｃは、Ｃｏ_yＦｅ_100-y（ｙは８５ａｔ％以上で１００ａｔ％よりも小さいことが好ましい）あるいはＣｏで形成される。

そして第２磁性層３ｃの膜厚は、例えば、１６．５Å以上２６Å以下の範囲内であり、第１磁性層３ａの膜厚よりも厚く形成されている。

第１磁性層３ａ及び第２磁性層３ｃの各膜厚は、第１磁性層３ａと第２磁性層３ｃの磁化量（飽和磁化Ｍｓ・膜厚ｔ）の差が実質的にゼロとなるように調整されている。

本実施形態における固定磁性層３は、ＳＦＰ構造によるセルフピン止め型である。すなわち反強磁性層を備えない構成であり、これにより磁気検出素子１の温度特性が反強磁性層のブロッキング温度に制約を受ける問題を解決できる。

ここで、固定磁性層３の磁化固定力を高めるには、上記したように、第１磁性層３ａの保磁力Ｈｃを高めること、第１磁性層３ａと第２磁性層３ｃの磁化量の差を実質的にゼロに調整すること、更に非磁性中間層３ｂの膜厚を調整して第１磁性層３ａと第２磁性層３ｃ間に生じるＲＫＫＹ相互作用による反平行結合磁界を強めることが重要とされている。

第１磁性層３ａと第２磁性層３ｃの間に位置する非磁性中間層３ｂはＲｕで形成され、非磁性中間層３ｂの膜厚は、３．４Å以上４．２Å以下であることが好ましい。

非磁性材料層４は、Ｃｕ（銅）などの非磁性導電材料で形成される。また、非磁性材料層４は絶縁層で形成されＴＭＲ素子にも適用できる。フリー磁性層５は、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＮｉなどの軟磁性材料で形成される。図１に示す構造では、フリー磁性層５は、ＣｏＦｅ合金層５ａとＮｉＦｅ合金層５ｂとの積層構造であるが、フリー磁性層５の構造は限定されるものでない。すなわちフリー磁性層５の材質を限定するものでなく、また、単層構造、積層構造、及び積層フェリ構造の別を問わない。

積層膜の最上層に位置する保護層６は、Ｔａ（タンタル）で形成される。以下、Ｔａ保護層６と称する。Ｔａ保護層６の膜厚ｔ１は、成膜時、５５Å以上で形成される。特に断らない限り膜厚ｔ１は成膜時膜厚を指す。

図２は、図１に示す磁気検出素子１と、磁気検出素子１に接続されるハードバイアス層との位置関係を示す部分縦断面図である。

図２（ａ）に示すように、磁気検出素子１は、支持基板９上に絶縁層５０を介して形成されている。図２（ａ）に示すように磁気検出素子１上には、絶縁層５１が設けられ、各ハードバイアス層３６が絶縁層５１の平坦化面上に形成される。

あるいは図２（ｂ）に示すように、磁気検出素子１の一部を除去して、その除去された凹部１ａ上にハードバイアス層３６を形成してもよい。または図２（ｃ）に示すように、ハードバイアス層３６の形成位置における磁気検出素子１を全て削除して、分離した各磁気検出素子１の間に各ハードバイアス層３６を介在させる構成とすることも出来る。

これにより、磁気検出素子１を構成するフリー磁性層５（図１参照）にＹ方向からバイアス磁界が供給され、フリー磁性層５の磁化は、固定磁性層３の固定磁化方向に対して直交する方向に向けられる。

本実施形態では図２に示すＹ方向に長く延びる磁気検出素子１がＸ方向に間隔を空けて複数本、配置され、各磁気検出素子１の端部間が導電層により接続されたミアンダ形状となっている。

この実施形態では、磁気検出素子１を構成する非磁性材料層４はＣｕ等の非磁性導電層であり、電流が積層膜の膜面と略平行な方向に流される。

ミアンダ形状にて構成された磁気検出素子１は、複数個、設けられ、図３に示すブリッジ回路を構成する。図３では、各磁気検出素子１を区別するために第１磁気検出素子１ｂ〜１ｅ、第２磁気検出素子１ｆ〜１ｉと符号を付すこととする。

図３に示すように、本実施形態の磁気センサＳは、４個の第１磁気検出素子１ｂ〜１ｅにより構成された第１ブリッジ回路１０と、４個の第２磁気検出素子１ｆ〜１ｉにより構成された第２ブリッジ回路１１とを有して構成される。

図３に示すように、第１ブリッジ回路１０を構成する第１磁気検出素子１ｂ，１ｅの感度軸方向（図１に示す固定磁性層３を構成する第２磁性層３ｃの固定磁化方向（Ｐ２））と、第１磁気検出素子１ｃ，１ｄの感度軸方向とは、反平行にされている。そして、第１磁気検出素子１ｂと第１磁気検出素子１ｃ、及び、第１磁気検出素子１ｄと第１磁気検出素子１ｅとが、夫々、直列に接続される。第１磁気検出素子１ｂ，１ｄは、入力端子（Ｖｄｄ）２０に接続され、第１磁気検出素子１ｃ，１ｅはグランド端子（ＧＮＤ）２１に接続され、第１磁気検出素子１ｂと第１磁気検出素子１ｃとの間、及び第１磁気検出素子１ｄと第１磁気検出素子１ｅとの間に夫々、出力端子（ＶＸ１，ＶＸ２）２２，２３が接続されている。

また、図３に示すように第２ブリッジ回路１１を構成する第２磁気検出素子１ｆ，１ｉの感度軸方向（図３では、「Ｐ３」で示す）と、第２磁気検出素子１ｇ，１ｈの感度軸方向とは、反平行にされている。そして、第２磁気検出素子１ｆと第２磁気検出素子１ｇ、及び、第２磁気検出素子１ｈと第２磁気検出素子１ｉとが、夫々、直列に接続される。第２磁気検出素子１ｆ，１ｈは、入力端子（Ｖｄｄ）２０に接続され、第２磁気検出素子１ｇ，１ｉはグランド端子（ＧＮＤ）２１に接続され、第２磁気検出素子１ｆと第２磁気検出素子１ｇとの間、及び第２磁気検出素子１ｈと第２磁気検出素子１ｉとの間に夫々、出力端子（ＶＹ１，ＶＹ２）２４，２５が接続されている。

図３に示すように各第１磁気検出素子１ｂ〜１ｅの感度軸方向（Ｐ２）と、各第２磁気検出素子１ｆ〜１ｉの感度軸方向（Ｐ３）とは直交している。

図３に示す磁気センサＳには、例えば、図示しない磁石が高さ方向（Ｚ）に間隔を空けて対向している。そして磁石から各磁気検出素子１ｂ〜１ｉに外部磁界Ｈが作用する。

例えば外部磁界Ｈが図３に示す方向に作用したとすると、第１ブリッジ回路１０を構成する第１磁気検出素子１ｂ，１ｅでは感度軸方向と外部磁界Ｈの方向が一致するため電気抵抗値は小さくなり、一方、第１磁気検出素子１ｃ，１ｄでは、感度軸方向と外部磁界Ｈの方向が反対であるため電気抵抗値は大きくなり、出力端子２２，２３の中点電位が変動することでセンサ出力を得ることが出来る。一方、第２ブリッジ回路１１では、外部磁界Ｈが各感度軸方向（Ｐ３）に対して直交する方向から作用するため、各第２磁気検出素子１ｆ〜１ｉの電気抵抗値は等しくなり、出力端子２４，２５の中点電位は変動しない（センサ出力はゼロである）。外部磁界Ｈの方向が変動すれば、それに伴い各ブリッジ回路１０，１１のセンサ出力も変動する。

そして、各ブリッジ回路１０、１１から得られるセンサ出力に基づいて、磁石の移動方向や移動量（相対位置）を知ることができる。

本実施形態の磁気センサＳは、例えば、磁気検出素子が基板上に１個で、残りが固定抵抗からなるブリッジ回路とすることも可能である。

本実施形態の磁気センサＳは、地磁気センサ、回転センサ、磁気スイッチ等、特に用途が限定されるものでない。

本実施形態における磁気検出素子１の特徴的部分は、Ｔａ保護層６の膜厚ｔ１が、成膜時、５５Å以上にて調整される点である。

本実施形態のように、積層膜内に反強磁性層を有さず、固定磁性層３をセルフピン止め型とした構成では、磁場中アニールが不要である。ただし、磁気検出素子１の成膜後、磁気センサＳの製造工程で曝される高温プロセスや、磁気センサＳの高温環境下での使用によっても特性変動が生じないように、大気中あるいは窒素不活性ガスフロー中にて無磁場でのアニール処理（以下、無磁場アニールという）を行うことが必要である。このとき使用されるアニール装置は通常、低価格でアニール時間も短時間で済むが、Ｔａ保護層６の膜厚ｔ１を薄くすると、Ｔａ保護層６及びＴａ保護層６下の積層膜が酸化の影響を受けて、特性劣化が問題になることが、今回の実験によりわかった。

そこで、本実施形態では、固定磁性層３をセルフピン止め型とした構成において、Ｔａ保護層６の成膜時における膜厚ｔ１を、後述の実験結果に基づいて５５Å以上に設定した。Ｔａ保護層６の膜厚ｔ１の下限値を５５Åとしたのは、５５Åよりも小さいと、フリー磁性層５と固定磁性層３間に作用する層間結合磁界Ｈｉｎが急激に大きくなり、ΔＭＲ（抵抗変化率）が急激に低下するためである。Ｔａ保護層６の膜厚ｔ１を５５Å以上とすることで、無磁場アニールに曝しても、Ｔａ保護層６の表面側は酸化されるものの一部の金属Ｔａが残留し、酸素が、Ｔａ保護層６の直下に位置するフリー磁性層５にまで届いておらず、あるいはフリー磁性層５に届く酸素量を極力、小さくできる。この結果、フリー磁性層５の内部状態、及びフリー磁性層５と非磁性材料層４との界面状態等を、成膜時（As Depo）とほぼ同じ状態に維持できると推測され、これにより、安定して優れた軟磁気特性が得られるものと考えられる。また、Ｔａ保護層６の膜厚の上限値は特に限定しないが、Ｔａ保護層６の膜厚を厚くしすぎるとＴａ保護層６に分流する電流量が増えてしまい（シャントロス）、ΔＭＲが小さくなりやすい。よってＴａ保護層６の膜厚を厚くすることで、Ｔａ保護層６に分流する電流量を増やし、ΔＭＲ値を微調整することができる。このため、Ｔａ保護層の膜厚上限値を調整することで他の磁気特性の信頼性を劣化させることなくΔＭＲ値の調整が可能になる。

本実施形態では，Ｔａ保護層６の膜厚上限は１００Åであることが好ましい。後述する実験では、Ｔａ保護層６の膜厚を３０Åとした成膜時（As Depo）のΔＭＲを基準値とすると、Ｔａ保護層６の膜厚ｔ１を１００Å以下とすることで、無磁場アニール時のΔＭＲを基準値から最大で５％程度の低下で抑えることができるとわかった。

以上により本実施形態によれば、固定磁性層３をセルフピン止め型とした構成において、安定して優れた軟磁気特性を得ることが可能である。本実施形態では、Ｈｉｎを２０Ｏｅ以下に、好ましくはほぼゼロにまで小さくでき、またアニール処理前と同等以上のΔＭＲを得ることができる。

したがって図３に示す磁気センサＳでは、本実施形態のセルフピン止め型の磁気検出素子１を使用することで、安定して優れた軟磁気特性を得ることができ、様々な用途で出力特性に優れた使用が可能である。

なお本実施形態における５５Å以上としたＴａ保護層６の膜厚ｔ１は成膜時（As Depo）におけるものである。よって成膜後に無磁場アニールを行うことで、Ｔａ保護層６の一部が酸化されて保護層の膜厚は成膜時より厚くなるが、後述する実験結果に示すように、アニール後の状態からＴａ保護層６の成膜時の膜厚ｔ１を予測することが可能である。Ｔａ保護層６の膜厚ｔ１を５５Åとした場合、無磁場アニール後にて金属Ｔａとして残される膜厚は５Å程度で、酸化Ｔａとなる膜厚は１００Å程度である。また、Ｔａ保護層６の膜厚ｔ１を７０Åとした場合、金属Ｔａとして残される膜厚は２０Å程度で、酸化Ｔａとなる膜厚は１００Å程度である。アニール温度及びアニール時間によって、無磁場アニール後の膜厚は変動するが、アニール温度を２５０〜３００℃程度、アニール時間を１〜４時間程度とすれば、概ね、上記の膜厚範囲内に収めることが可能である。後述するように例えば、ＴＥＭ写真により、酸化Ｔａの膜厚と、金属Ｔａの膜厚を知ることができる。この酸化Ｔａの膜厚値と、金属Ｔａの膜厚値、及び膜厚比率から、成膜時のＴａ保護層６の膜厚ｔ１を推測することが可能である。

また本実施形態では、Ｔａ保護層６の膜厚ｔ１を７０Å以上で１００Å以下の範囲内にて調整することが好ましい。Ｔａ保護層６の膜厚ｔ１の下限値を５５Åから７０Åにずらすことで、多少、成膜時の膜厚ｔ１が狙い値から外れても、安定して優れた軟磁気特性を得ることが可能である。

図３に示す磁気センサＳは、例えば、次のようにして製造することができる。図４（ａ）〜図４（ｂ）は本実施形態における磁気センサＳの製造方法を示す一工程図である。各図は製造工程中における平面図を示している。

図４（ａ）では、基板６５を用意する。基板６５は、第１センサ領域６５ａと、第２センサ領域６５ｂとを有している。

図４（ａ）の工程では、基板６５の第１センサ領域６５ａ及び第２センサ領域６５ｂに夫々、２個ずつ第１磁気検出素子１ｂ〜１ｅを形成する。磁場中成膜を施してＡＡＦ構造からなるセルフピン止め型の固定磁性層３（図１参照）を同じＸ方向に磁化固定する。図４（ａ）に示すＰ２は、各第１磁気検出素子１ｂ〜１ｅを構成する固定磁性層３の第２磁性層３ｃの固定磁化方向（感度軸方向）を示している。

次に、図４（ｂ）の工程では、基材６５の第１センサ領域６５ａ及び第２センサ領域６５ｂに夫々、２個ずつ第２磁気検出素子１ｆ〜１ｉを形成する。磁場中成膜を施してＡＡＦ構造からなるセルフピン止め構造の固定磁性層３を同じＹ方向に磁化固定する。図４（ｂ）に示すＰ３は、各第２磁気検出素子１ｆ〜１ｉを構成する固定磁性層３の第２磁性層３ｃの固定磁化方向（感度軸方向）を示している。

本実施形態では、各固定磁性層３の磁化固定制御に対してアニール処理を施さないため、図４（ｂ）の工程で、第２磁気検出素子１ｆ〜１ｉの固定磁性層３をＹ方向に磁化固定するために磁場を施しても、図４（ａ）の工程にて、既に形成された第１磁気検出素子１ｂ〜１ｅの固定磁性層３の固定磁化方向（Ｐ２）をＸ方向に向けた状態のまま適切に保つことが出来る。

本実施形態では、各磁気検出素子１ｂ〜１ｉのＴａ保護層６を、５５Å以上、好ましくは５５Å以上で１００Å以下、さらに好ましくは７０Å以上で１００Å以下の範囲内にて成膜する。

その後、各磁気検出素子１ｂ〜１ｉの両側にハードバイアス層３６を配置し、各磁気検出素子１ｂ〜１ｉとハードバイアス層３６とを組み合わせた平面形状をミアンダ状にする。

本実施形態では、各磁気検出素子１ｂ〜１ｉの成膜後、大気中、あるいは不活性ガスフロー中（例えば安価な窒素不活性ガスを用いる）にて、無磁場アニールを施す。無磁場アニールのタイミングは、各磁気検出素子１ｂ〜１ｉの成膜後であれば特に問わないが、磁気センサＳの製造工程で曝される高温プロセス前や、前記高温プロセスを有さない場合には、磁気センサＳの製造工程中に行われる。

ここでアニール温度としては、２５０〜３００℃程度、アニール時間としては、１〜４時間程度である。

その後、図４に示す第１センサ領域６５ａと第２センサ領域６５ｂとを分離し、第２センサ領域６５ｂを第１センサ領域６５ａに対して１８０度反転させた状態として、図３に示す入力端子２０、グランド端子２１及び各出力端子２２〜２５との間で電気的接続を行う。これにより図３に示す第１ブリッジ回路１０と第２ブリッジ回路１１とを形成することが出来る。

（Ｔａ保護層の膜厚を変化させたときのＲＨカーブの実験）
以下の積層膜を有する磁気検出素子を作製した。
基板／シード層：ＮｉＦｅＣｒ（４２）／固定磁性層［第１磁性層：Ｆｅ_60at%Ｃｏ_40at%（１８．７）／非磁性中間層：Ｒｕ（３．６）／第２磁性層Ｃｏ_90at%Ｆｅ_10at%（２４）］／非磁性材料層：Ｃｕ（２２）／フリー磁性層［Ｃｏ_90at%Ｆｅ_10at%（１２）／ＮｉＦｅ（２０）］／保護層：Ｔａ（Ｘ）
各層における括弧内の数値は膜厚を示し、単位はÅである。

まず成膜時（As Depo）のＲＨカーブを測定した。
実験では、Ｔａ保護層の膜厚を３０Å、５０Å、５５Å及び７０Åとして、各磁気検出素子のＲＨカーブを測定した。図５（ａ）は、Ｔａ保護層の膜厚を３０Åとした磁気検出素子のＲＨカーブ（成膜時（As Depo））、図５（ｂ）は、Ｔａ保護層の膜厚を５０Åとした磁気検出素子のＲＨカーブ（成膜時（As Depo））、図５（ｃ）は、Ｔａ保護層の膜厚を５５Åとした磁気検出素子のＲＨカーブ（成膜時（As Depo））、図５（ｄ）は、Ｔａ保護層の膜厚を７０Åとした磁気検出素子のＲＨカーブ（成膜時（As Depo））である。なお実験では磁気検出素子に印加する外部磁界を±１００Ｏｅの範囲とした。ここで外部磁界のプラス値は、固定磁性層の固定磁化方向に対して反対方向であり、外部磁界のマイナス値は、固定磁性層の固定磁化方向と同方向である。

フリー磁性層と固定磁性層との間に作用する層間結合磁界Ｈｉｎは、各図５（ａ）〜図５（ｄ）におけるＲＨカーブの最大ΔＭＲ及び最小ΔＭＲの中間値であって、ヒステリシスループの広がり幅の中心値を「中点」としたとき、前記中点から外部磁界Ｈ＝０（Ｏｅ）のラインまでの磁界の強さで決定される。図５（ａ）に中点Ｏを示した。図５（ａ）に示すように中点Ｏは、ほぼ外部磁界Ｈ＝０のライン上にある。よって、Ｈｉｎはほぼ０（Ｏｅ）である。

図５（ａ）〜図５（ｄ）に示すように、Ｔａ保護層の膜厚にかかわらず、成膜時（As Depo）のＨｉｎは、ほぼ０（Ｏｅ）になることがわかった。

次に、各磁気検出素子に対し、窒素不活性フロー中にてアニール処理を２７０℃、アニール時間を３時間とした無磁場アニールを行った。そして、各磁気検出素子のＲＨカーブを測定した。図５（ｅ）は、Ｔａ保護層の膜厚を３０Åとした磁気検出素子のＲＨカーブ（無磁場アニール後）、図５（ｆ）は、Ｔａ保護層の膜厚を５０Åとした磁気検出素子のＲＨカーブ（無磁場アニール後）、図５（ｇ）は、Ｔａ保護層の膜厚を５５Åとした磁気検出素子のＲＨカーブ（無磁場アニール後）、図５（ｈ）は、Ｔａ保護層の膜厚を７０Åとした磁気検出素子のＲＨカーブ（無磁場アニール後）である。なお実験では、外部磁界を±１００Ｏｅの範囲とした。

図５（ｇ）（ｈ）に示すように、Ｔａ保護層の膜厚を５５Å、７０Åとした場合、無磁場アニールを行うと、成膜時（As Depo）と比べて、若干、保磁力Ｈｃが大きくなったが（ヒステリシスループの前記中点を通る横軸方向への広がり幅が保磁力の２倍に相当する）、ΔＭＲ及びＨｉｎについては、あまり変化しないことがわかった。むしろ、後述するように、無磁場アニール後のΔＭＲは、成膜時のΔＭＲよりもやや高くなった。

これに対して、図５（ｅ）に示すように、Ｔａ保護層の膜厚を３０Åとした場合、外部磁界を±１００Ｏｅの範囲とすると、ΔＭＲは飽和せずに変動領域にあるため、ヒステリシスループ全体が見えるように、外部磁界のレンジを±５００Ｏｅまで広げたのが図５（ｉ）である。図５（ｉ）に示すようにヒステリシスループの中点Ｏは外部磁界Ｈ＝０のラインから大きく外れてしまい、Ｈｉｎが大幅に上昇していることがわかった。具体的にはＨｉｎは、９０Ｏｅ程度にまで大きくなっている。またΔＭＲについて見ると、１００Ｏｅの外部磁界が作用したときのΔＭＲ（図５（ｅ）参照）は、図５（ａ）の成膜時に比べて大幅に低下することがわかった。

図５（ｆ）は、Ｔａ保護層の膜厚を５０Åとした場合のＲＨカーブ（外部磁界を±１００Ｏｅ）、図５（ｊ）は、Ｔａ保護層の膜厚を５０Åとした場合のＲＨカーブ（外部磁界を±５００Ｏｅ）である。図５（ｆ）（ｊ）に示すように、ヒステリシスループの中点Ｏは外部磁界Ｈ＝０のラインから外れて、Ｈｉｎが５０Ｏｅ程度にまで上昇していることがわかった。またΔＭＲについて見ると、１００Ｏｅの外部磁界が作用したときのΔＭＲ（図５（ｆ）参照）は、図５（ｂ）の成膜時に比べて明らかに低下することがわかった。

この実験結果によりΔＭＲ低下の主要因は、Ｈｉｎの増大にあるとわかった。Ｈｉｎの増大は、後述する実験結果に示すように、酸素がフリー磁性層内部やフリー磁性層と非磁性材料層との界面にまで及びダメージを与えていることが原因の一つと考えられる。

（Ｔａ保護層の膜厚とΔＭＲとの関係、及び、Ｔａ保護層の膜厚とＨｉｎとの関係について）
上記のＲＨカーブの実験結果をもとにして、Ｔａ保護層の膜厚とΔＭＲ、及び、Ｔａ保護層の膜厚とＨｉｎとの関係について調べた。

図６は、Ｔａ保護層の膜厚とΔＭＲとの関係を示すグラフである。図６には、成膜時（As depo）でのΔＭＲ及び無磁場アニール（アニール処理；２７０℃、アニール時間；３時間 窒素不活性フロー中）後のΔＭＲの双方が示されている。なお、ΔＭＲは外部磁界を１００Ｏｅとしたときの測定結果である。

図７は、図６の横軸はそのままで縦軸を広げて示したＴａ保護層の膜厚とΔＭＲとの関係を示すグラフである。

図６，図７に示すように、Ｔａ保護層の膜厚を５５Å以上にすると、無磁場アニール後でのΔＭＲを安定した高い値に維持できることがわかった。また図６，図７に示すように、Ｔａ保護層の膜厚を５５Å以上にすると、無磁場アニール後のΔＭＲを、成膜時（As depo）のΔＭＲよりも高くできることがわかった。

図６，図７に示すように無磁場アニール後のΔＭＲは、Ｔａ保護層の膜厚を５５Åとしたときに最大値となり、Ｔａ保護層の膜厚を５５Åよりも大きくしていくと、徐々に小さくなることがわかった。これは、Ｔａ保護層の膜厚が大きくなることで、Ｔａ保護層に分流する電流値が増えたためである（シャントロス）。この効果を利用して、Ｔａ保護層の膜厚を調整することで、ΔＭＲ値、ひいてはブリッジ回路によるセンサ出力値を微調整することが出来る。

ここで、Ｔａ保護層の膜厚を３０Åとした磁気検出素子の成膜時（As depo）でのΔＭＲ（＝１１．９％）を基準値とし、無磁場アニール後のΔＭＲを、前記基準値から０．５％以内の低下に収めるにはＴａ保護層の膜厚を１００Å以下に設定することが好ましいとわかった。

またＴａ保護層の膜厚を７０Å以上とすることで、成膜時に多少、Ｔａ保護層の膜厚が狙い値より外れても、高くかつ安定したΔＭＲを得ることが出来る。

図８は、Ｔａ保護層の膜厚とＨｉｎとの関係を示すグラフである。図８には、成膜時（As depo）でのＨｉｎ及び無磁場アニール（アニール処理；２７０℃、アニール時間；３時間 窒素不活性フロー中）後のＨｉｎの双方が示されている。

図８に示すように、Ｔａ保護層の膜厚を、５５Å以上とすることで、無磁場アニール後においても、Ｈｉｎをほぼ０Ｏｅにできることがわかった。図８に示すように、Ｔａ保護層の膜厚にかかわらず、成膜時であればＨｉｎをほぼゼロにできる。一方、無磁場アニールを行うとＴａ保護層の膜厚が小さくなるほどＨｉｎが大きくなり、特に膜厚＝５５Åを境として急激に上昇することがわかった。この点については図５のＲＨカーブを示しながらも説明した。

以上の実験結果に基づいて、Ｔａ保護層の膜厚を５５Å以上、好ましくは５５Å以上で１００Å以下に設定し、さらに好ましくは７０Å以上で１００Å以下の範囲とした。

（オージェ・デプス・プロファイルによる分析結果）
続いて、Ｔａ保護層の膜厚と積層膜内の酸化状態との関係について、オージェ・デプス・プロファイルにより分析した。なお、積層膜の構造や無磁場アニール条件は上記実験と同じである。

図９（ａ）は、Ｔａ保護層の膜厚を５０Åとした磁気検出素子に対し、成膜時（As depo）に測定したオージェ・デプス・プロファイルの分析結果、図９（ｂ）は、Ｔａ保護層の膜厚を５０Åとした磁気検出素子に対し、無磁場アニール後にて測定したオージェ・デプス・プロファイルの分析結果、図９（ｃ）は、Ｔａ保護層の膜厚を７０Åとした磁気検出素子に対し、無磁場アニール後にて測定したオージェ・デプス・プロファイルの分析結果である。

図９（ａ）では、酸化は、Ｔａ保護層（膜厚５０Å）の表面から中間程度で止まり、酸素は、フリー磁性層（ＮｉＦｅ）に届いていないことがわかった。ただし図９（ａ）は、成膜時（As depo）の実験結果である。

一方、図９（ｂ）のように、Ｔａ保護層の膜厚を５０Åとし、無磁場アニールを施した場合では、Ｔａ保護層の膜厚全体がほぼ酸化されており、酸素はフリー磁性層にも達していることがわかった。したがって５０ÅのＴａ保護層では、フリー磁性層を酸化から保護できないことがわかった。

これに対して、図９（ｃ）に示すように、Ｔａ保護層の膜厚を７０Åとし、無磁場アニールを施した場合では、Ｔａ保護層の一部に金属Ｔａを残すことができ（図９（ｃ）の矢印部分）、酸素はフリー磁性層に届いていないか、届いていたとしても、酸素量を非常に小さくできることがわかった。

（ＴＥＭ写真による分析結果）
続いて、Ｔａ保護層の状態について、ＴＥＭ写真により分析した。なお、積層膜の構造や無磁場アニール条件は上記実験と同じである。

図１０（ａ）は、Ｔａ保護層の膜厚を３０Åとした磁気検出素子の無磁場アニール後のＴＥＭ写真である。また図１０（ｂ）は、Ｔａ保護層の膜厚を７０Åとした磁気検出素子の無磁場アニール後のＴＥＭ写真である。

図１０（ａ）では、金属Ｔａの部分は見られず、Ｔａ保護層の全体が酸化していることがわかった。これによりＴａ保護層の酸化防止機能は失われ、Ｔａ保護層下の積層膜内に酸化ダメージが及んでいるものと推測される。なお、図１０（ａ）では、無磁場アニール後のＴａ保護層の膜厚は、成膜時の３０Åから約８０Åにまで膨らんでいることがわかった。

一方、図１０（ｂ）では、金属Ｔａが２０Å程度残存していることがわかった。したがってＴａ保護層の膜厚中、５０Åは酸化しており、酸化部分が１００Å程度にまで膨らんでいることがわかった。このように図１０（ｂ）では、Ｔａ保護層の酸化防止機能は失われておらず、Ｔａ保護層下の積層膜に対する酸化ダメージを抑制することが可能である。

図１０（ｃ）は、Ｔａ保護層の膜厚を５０Åとした磁気検出素子の成膜時（As Depo）でのＴＥＭ写真である。なお実験では、固定磁性層を構成する第１磁性層（ＦｅＣｏ）の膜厚を１６．５Åにし、非磁性中間層（Ｒｕ）の膜厚を４Åとし、第２磁性層（ＣｏＦｅ）の膜厚を２０Åとし、フリー磁性層を構成するＣｏＦｅ層の膜厚を１０Åとし、ＮｉＦｅ層の膜厚を４０Åとした。その他の層の膜厚は、前述した実験のものと同じである。

図１０（ｃ）に示すように、無磁場アニールをしなくても、磁気検出素子が大気中に曝されることでＴａ保護層の一部は酸化されることがわかった。図１０（ｃ）では、Ｔａ保護層の約１０Åが酸化して２０Å程度の膜厚に膨らんでいることがわかった。

図９，図１０に示す実験結果から本実施例では、無磁場アニール後においても、Ｔａ保護層の一部は金属Ｔａとして残され、Ｔａ保護層下の積層膜に対する酸化ダメージが抑制されていると推測される。そして、酸化ダメージの抑制により、本実施例の磁気検出素子では、安定して優れた磁気検出素子を得ることができると考えられる。

なお図１０に示すＴＥＭ写真などにより内部状態を観察し、Ｔａ保護層のうち、残存する金属Ｔａと酸化Ｔａとの膜厚比や、金属Ｔａ及び酸化Ｔａの各膜厚値の測定結果から、成膜時のＴａ保護層の膜厚を推測することが可能である。

Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３ 固定磁化方向（感度軸方向）
Ｓ 磁気センサ
１ 磁気検出素子
１ｂ〜１ｅ 第１磁気検出素子
１ｆ〜１ｉ 第２磁気検出素子
２ シード層
３ 固定磁性層
３ａ 第１磁性層
３ｂ 非磁性中間層
３ｃ 第２磁性層
４ 非磁性材料層
５ フリー磁性層
６ 保護層（Ｔａ保護層）
１０、１１ ブリッジ回路
３６ ハードバイアス層
６５ 基板
６５ａ、６５ｂ センサ領域

Claims (8)

1. 固定磁性層とフリー磁性層とが非磁性材料層を介して積層された積層膜を備え、
   前記固定磁性層は、第１磁性層と第２磁性層とが非磁性中間層を介して積層され、前記第１磁性層と前記第２磁性層とが反平行に磁化固定されたセルフピン止め型であり、
   前記積層膜の最上層は、Ｔａからなる保護層であり、前記保護層の成膜時における成膜時膜厚は５５Å以上であることを特徴とする磁気検出素子。
2. 前記保護層の成膜時における成膜時膜厚は１００Å以下である請求項１記載の磁気検出素子。
3. 前記保護層の前記フリー磁性層と接触する部分は金属Ｔａである請求項１又は２に記載の磁気検出素子。
4. 前記保護層の成膜時膜厚は７０Å以上で１００Å以下である請求項１ないし３のいずれか１項に記載の磁気検出素子。
5. 同一基板上に、感度軸方向の異なる複数の請求項１ないし４のいずれか１項に記載された磁気検出素子が配置されていることを特徴とする磁気センサ。
6. 固定磁性層とフリー磁性層とが非磁性材料層を介して積層された積層膜を備えた磁気検出素子の製造方法において、
   前記固定磁性層を、第１磁性層と第２磁性層とが非磁性中間層を介して積層され、前記第１磁性層と前記第２磁性層とが反平行に磁化固定されたセルフピン止め型で形成し、
   前記積層膜の最上層を、成膜時膜厚が５５Å以上のＴａからなる保護層で形成し、
   大気中あるいは不活性ガスフロー中にて無磁場でのアニール処理を行うことを特徴とする磁気検出素子の製造方法。
7. 前記成膜時膜厚が１００Å以下のＴａからなる保護層を形成する請求項６記載の磁気検出素子の製造方法。
8. 前記保護層を７０Å以上で１００Å以下の膜厚範囲内で形成する請求項６又は７に記載の磁気検出素子の製造方法。

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