JP2014006126A

JP2014006126A - 磁気センサ

Info

Publication number: JP2014006126A
Application number: JP2012141357A
Authority: JP
Inventors: Hiromi Fujita; 浩己藤田
Original assignee: Asahi Kasei Electronics Co Ltd
Current assignee: Asahi Kasei Electronics Co Ltd
Priority date: 2012-06-22
Filing date: 2012-06-22
Publication date: 2014-01-16

Abstract

【課題】本発明の目的は、磁気抵抗効果素子からなり、簡便なプロセスにより作製することが可能な、小型の磁気センサを提供することを目的とする。
【解決手段】本発明の磁気センサは、ピンド層の磁化が１方向を向き、その方向と平行、又は直交する方向に磁化容易軸が誘導されたフリー層を有する複数の磁気抵抗効果素子を備え、複数の磁気抵抗効果素子がホイートストンブリッジを構成することを特徴とする。これにより、ピンド層の磁化が１つの方向であるため、従来の２つ以上の異なる方向に磁化が固定されたピンド層を有する磁気抵抗効果素子と比較して、容易に製造できるホイートストンブリッジ型磁気センサを提供することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子からなる磁気センサに関し、より詳細には磁化容易軸の誘導されたフリー層を有する磁気抵抗効果素子からなる磁気センサに関する。

磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子：Magneto Resistive effect Device）を使用して磁場を検出する場合、４つの抵抗体を使用したホイートストンブリッジを構成し、それぞれの抵抗体の磁場に対する変化の仕方を変える方法が一般的である。

特許文献１において、ホイートストンブリッジを構成する４つの抵抗体において、互いに逆方向にピンド層が磁化された２種類の磁気抵抗効果素子を使用する方法が開示されている。

一方、特許文献２において、ホイートストンブリッジを構成する４つの抵抗体において、２つの通常の磁気抵抗効果素子と、磁気収束板により磁場のシールドがされた２つの磁気抵抗効果素子を使用する方法が開示されている。

特開２００７−２１２２７５号公報米国特許第５６１７０７１号明細書

しかしながら、特許文献１にある方法では、異なる方向にピンド層の磁化を固定するために、永久磁石のアレイを使用した磁場中での熱処理を行っており、こうした処理は製造工程を複雑化し、コストがアップするという課題がある。

特許文献２にある方法では、磁気収束板を形成するという工程が必要となり、また、磁気収束板を形成するためにチップ面積が大きくなることから、製造のためのコストがアップするという課題がある。

本発明は、以上のような問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、磁気抵抗効果素子からなり、簡便なプロセスにより作製することが可能な、小型の磁気センサを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載の磁気センサは、ピンド層の磁化が１方向を向き、その方向と平行、又は直交する方向に磁化容易軸が誘導されたフリー層を有する複数の磁気抵抗効果素子を備え、上記複数の磁気抵抗効果素子によりホイートストンブリッジを構成することを特徴とする。

本発明の請求項２に記載の磁気センサは、上記磁気抵抗効果素子がＴＭＲからなることを特徴とする。

本発明の請求項３に記載の磁気センサは、上記磁気抵抗効果素子の上記フリー層の磁化容易軸が、形状異方性により誘導されていることを特徴とする。

本発明の請求項４に記載の磁気センサは、上記ホイートストンブリッジを構成する磁気抵抗効果素子のフリー層が、少なくとも２種類のアスペクト比の異なる形状を有し、ピンド層の磁化の向きと直交する向きに長軸方向を有する形状を含むことを特徴とする。

本発明の請求項５に記載の磁気センサは、上記ホイートストンブリッジを構成する磁気抵抗効果素子のフリー層が、少なくとも２種類のアスペクト比の異なる形状を有し、ピンド層の磁化の向きと平行の向きに長軸方向を有する形状、及びピンド層の磁化の向きと直交する向きに長軸方向を有する形状を含むことを特徴とする。

本発明の請求項６に記載の磁気センサは、上記磁気抵抗効果素子のフリー層が、１０Ｏｅ以上の保磁力を有することを特徴とする。

本発明の請求項７に記載の磁気センサは、上記磁気抵抗効果素子のフリー層が、硬質磁性体からなることを特徴とする。

以上のように、本発明の磁気センサによれば、ピンド層の磁化が１つの方向であるため、従来の２つ以上の異なる方向に磁化が固定されたピンド層を有する磁気抵抗効果素子と比較して、容易に製造できるホイートストンブリッジ型磁気センサを提供することができる。

磁気抵抗効果素子の一般的な基本構成を示す図である。本発明のＴＭＲ素子の表面、および断面の模式図である。本発明のＴＭＲ素子のＭＲ比の外部磁場依存性についての実験結果を示す図である。本発明の第１の実施形態に係る磁気センサであるホイートストンブリッジの模式図である。本発明の第２の実施形態に係る磁気センサであるホイートストンブリッジの模式図である。本発明の第１の実施形態に係る磁気センサのシミュレーション結果を示す図であり、図６（ａ）は、異なるアスペクト比を有する磁気抵抗効果素子のＭＲ比の外部磁場依存性の模式図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）に示す磁気抵抗素子を使用して構成した第１の実施形態に係る磁気センサの出力特性を示す模式図である。本発明の第２の実施形態に係る磁気センサのシミュレーション結果を示す図であり、図７（ａ）は、異なるアスペクト比を有する磁気抵抗効果素子のＭＲ比の外部磁場依存性の模式図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）に示す磁気抵抗素子を使用して構成した第２の実施形態に係る磁気センサの出力特性を示す模式図である。本発明の第２の実施形態に係るＴＭＲ素子からなるホイートストンブリッジ型磁気センサの出力電圧の外部磁場依存性についての実験結果を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。

図１は、磁気抵抗効果素子の基本構成１００を示す斜視図である。

図１において、磁気抵抗効果素子１００は、大きくは、ピンド層１０１と、中間層１０２と、フリー層１０３とを備え、ピンド層とフリー層との相対的な磁化の角度によって、膜面に水平方向または垂直方向の抵抗が変化する特徴を有する。特に、ＴＭＲ(Tunnel Magneto Resistance)の場合は、中間層１０３は、Ａｌ_２Ｏ_３あるいはＭｇＯなどの絶縁層からなる。また、図１において、フリー層１０３の表面の矢印は、フリー層の磁化方向を示し、ピンド層１０２の矢印は、ピンド層の磁化方向を示す。

図２は、ＴＭＲ素子２００の表面、および断面の模式図であり、図２（ａ）は、２つのトンネル接合を有するＴＭＲ素子２００の表面模式図であり、図２（ｂ）乃至図２（ｄ）は、図２（ａ）の点線部における断面模式図である。本発明において、トンネル接合の数が２つであることは必須用件ではなく、１つのトンネル接合、あるいは複数のトンネル接合を直列、又は並列に接続したＴＭＲ素子であっても構わない。

図２において、ＴＭＲ素子２００のパターン形成は、フォトリソグラフィー及びイオンミリングを使用したエッチングにより行い、図２（ｂ）は、ピンド層２０１を削りきりエッチングを停止した場合の断面形状２１０を示し、図２（ｃ）は、絶縁層２０２を削りきり、ピンド層２０１の途中でエッチングを停止した場合の断面形状２２０を示し、図２（ｄ）は、絶縁層２０２の途中でエッチングを停止した場合の断面形状２３０を示す。

図２（ｂ）乃至図２（ｄ）において、電流は、ＴＭＲ素子の一方のトンネル接合のフリー層２０３から注入され、絶縁層２０２を抜けてピンド層２０１又は下部電極２０４へ到達する。続いて、ピンド層２０１又は下部電極２０４を通じて、隣のトンネル接合に到達し、ピンド層２０１、絶縁層２０２を抜けてフリー層２０３を経由して、外部に取り出される。図２（ｃ）、図２（ｄ）においては、下部電極２０４を積極的に形成せず、ピンド層２０１を下部電極２０４として利用することも可能である。

図３は、３種類の形状を有するＴＭＲ素子２００について、その磁気抵抗効果を示すＭＲ比の磁場依存性を測定した結果を示す。ここでＴＭＲ素子２００の形状は、（ピンド層２０１の磁化に直交する方向）×（ピンド層２０１の磁化に平行な方向）の順に、ＳａｍｐｌｅＡは、４０ｕｍ×１ｕｍ、ＳａｍｐｌｅＢは、２０ｕｍ×２ｕｍ、ＳａｍｐｌｅＣは、２ｕｍ×２０ｕｍの形状を有している。また、外部磁場を印加する方向は、ピンド層２０１の磁化の方向である。

ＳａｍｐｌｅＡは、高い形状異方性によりピンド層の磁化と直交する方向にフリー層２０３の磁化を向けるバイアス効果が強いため、外部磁場は、フリー層２０３の磁化困難軸方向に印加される。そのため、外部磁場に対しては磁化回転により磁化変化を起こすことから、抵抗値は緩やかな変化を示し、ヒステリシスは小さい。

ＳａｍｐｌｅＢは、ＳａｍｐｌｅＡに比較しアスペクト比が小さくなっており、フリー層２０３の磁化に対するバイアス効果が相対的に小さくなる。そのため、外部磁場に対するフリー層２０３の磁化回転が起こりやすくなることから、抵抗値の変化は、ＳａｍｐｌｅＡに比較して大きくなる。

ＳａｍｐｌｅＣは、ピンド層２０１の磁化と平行な方向に高アスペクト比を有する形状を有する磁気抵抗効果素子であり、従って、外部磁場はフリー層２０３の磁化容易軸方向に印加される。そのため、外部磁場に対しては磁壁の移動により磁化変化を起こすことから、抵抗値は急激な変化を示し、大きなヒステリシスを有する。

磁気抵抗効果素子２００の形状のアスペクト比は、１：２〜１：２００が好ましく、１：５〜１：１００がより好ましい。

図４は、本発明の第１の実施形態に係る磁気センサであって、図２に示すＴＭＲ素子２００を使用したホイートストンブリッジを構成する磁気センサ４００の表面模式図を示す。図４において、ピンド層２０１は右向きに磁化されており、ピンド層２０１の磁化の向きに直交する向きに長軸方向を有する、２種類の形状（例えば、ＳａｍｐｌｅＡ、ＳａｍｐｌｅＢ）を有するＴＭＲ素子２００が、ホイートストンブリッジの互いに対角の位置に配置されている。

ここで長軸方向とは、磁気抵抗効果素子２００が略長方形をなす場合には、その長辺の長さ方向、略楕円形をなす場合には、その長軸の長さ方向、その他の形状をなす場合には、略長方形あるいは略楕円形の場合に類する方向を指すものとする。また、ＧＭＲ（巨大磁気抵抗効果：Giant Magneto Resistive effect）のように、磁気抵抗効果素子２００が折り返されたメアンダ形状をなす場合には、その折り返し部分を除いた略長方形の部分から決まる長辺の長さ方向を指すものとする。

図５は、本発明の第２の実施形態に係る磁気センサであって、図２に示すＴＭＲ素子２００を使用したホイートストンブリッジを構成する磁気センサ５００の表面模式図を示す。図５において、ピンド層２０１は右向きに磁化されており、ピンド層２０１の磁化の向きに平行な向きに長軸方向を有する形状（例えば、ＳａｍｐｌｅＣ）、及びピンド層２０１の磁化の向きに直交する向きに長軸方向を有する形状（例えば、ＳａｍｐｌｅＡ）のＴＭＲ素子２００が、ホイートストンブリッジの互いに対角の位置に配置されている。

図６は、本発明の第１の実施形態に係る磁気センサ４００のシミュレーション結果を示す図であり、図６（ａ）は、アスペクト比の異なる磁気抵抗効果素子ＳａｍｐｌｅＤ、ＥのＭＲ特性の模式図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）に示すＳａｍｐｌｅＤ、Ｅを使用した、図４に示す構造を有するホイートストンブリッジ型磁気センサ４００の出力特性の模式図である。ここで、ＳａｍｐｌｅＤ、Ｅは、ともにピンド層２０１の磁化と直交する方向に長軸方向を有する形状であり、Ｄと比較してＥの方がアスペクト比が高い。これにより、±２０Ｏｅの磁場範囲で線形な出力を出す磁気センサを構成することができる。このとき、ホイートストンブリッジを構成するＳａｍｐｌｅＤ、Ｅの線形な磁場範囲の狭い側が、この磁気センサの線形に利用できる磁場範囲となる。

図７は、本発明の第２の実施形態に係る磁気センサ５００のシミュレーション結果を示す図であり、図７（ａ）は、アスペクト比の異なる磁気抵抗効果素子ＳａｍｐｌｅＥ、ＦのＭＲ特性の模式図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）に示すＳａｍｐｌｅＥ、Ｆを使用した、図５に示す構造を有するホイートストンブリッジ型磁気センサ５００の出力特性の模式図である。ここで、ＳａｍｐｌｅＥは、ピンド層の磁化と直交する方向に長軸方向を有する形状であり、ＳａｍｐｌｅＦはピンド層の磁化と平行な方向に長軸方向を有する形状である。これにより、±４０Ｏｅの磁場範囲で線形な出力を出す磁気センサを構成することができる。このとき、ホイートストンブリッジを構成するＳａｍｐｌｅＥの線形な磁場範囲、またはＳａｍｐｌｅＦのヒステリシスの見られる磁場範囲の内、狭い側が、この磁気センサの線形に利用できる磁場範囲となる。

図８は、図５に示す第２の実施形態のホイートストンブリッジ型磁気センサ５００の出力電圧の外部磁場依存性についての実験結果を示す図である。図８において、横軸は、印加した外部磁場（Ｏｅ）であり、縦軸は、０．５ｕＡの定電流源により駆動したときの出力電圧である。また、ＴＭＲ素子２００の形状は、短軸方向が１ｕｍ、長軸方向が４０ｕｍの矩形であり、１０ｋΩの抵抗値を有する。また図５に示すように、ホイートストンブリッジ型磁気センサ５００の互いに対角の位置に、この長軸方向がピンド層２０１の磁化の向きに平行、および直交する向きに形成された素子が配置されている。

ホイートストンブリッジ型磁気センサ５００を構成するそれぞれのＴＭＲ素子２００は、図３におけるＳａｍｐｌｅＡとＣと同じ形状を有するため同様のＭＲ特性を示しており、４０Ｏｅのヒステリシスを有するとともに、その内側の磁場範囲では、ＳａｍｐｌｅＡに示すような緩やかな磁場変化を示しているため、この範囲において、高い感度を有する磁気センサとして利用することができる。

またフリー層２０３を構成する材料として、ＣｏＦｅなどのより保磁力の高い材料、あるいは永久磁石などに使用されるような硬質磁性体を使用することにより、外部磁場に対して緩やかな磁場変化を示す範囲を広げることが可能である。

２００磁気抵抗効果素子
２０１ピンド層
２０２絶縁層
２０３フリー層
２０４下部電極
４００第１の実施形態に係るホイートストンブリッジ型磁気センサ
５００第２の実施形態に係るホイートストンブリッジ型磁気センサ

Claims

ピンド層の磁化が１方向を向き、その方向と平行、又は直交する方向に磁化容易軸が誘導されたフリー層を有する複数の磁気抵抗効果素子を備え、
前記複数の磁気抵抗効果素子によりホイートストンブリッジを構成することを特徴とする磁気センサ。
前記磁気抵抗効果素子がＴＭＲ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。
前記磁気抵抗効果素子の前記フリー層の磁化容易軸が、形状異方性により誘導されてい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。
前記ホイートストンブリッジを構成する磁気抵抗効果素子のフリー層が、少なくとも２種類のアスペクト比の異なる形状を有し、ピンド層の磁化の向きと直交する向きに長軸方向を有する形状を含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の磁気センサ。
前記ホイートストンブリッジを構成する磁気抵抗効果素子のフリー層が、少なくとも２種類のアスペクト比の異なる形状を有し、ピンド層の磁化の向きと平行の向きに長軸方向を有する形状、及びピンド層の磁化の向きと直交する向きに長軸方向を有する形状を含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の磁気センサ。
前記磁気抵抗効果素子のフリー層が、１０Ｏｅ以上の保磁力を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の磁気センサ。
前記磁気抵抗効果素子のフリー層が、硬質磁性体からなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の磁気センサ。