JP2014063893A - 磁気センサ、磁気センサの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ダイボンディング時の貼り付け誤差に起因して発生するバイアス磁界のオフセット成分をフリー磁性層に作用する誘導磁界から除去して、センサ出力の直線性の低下を抑制すること。
【解決手段】本発明の磁気センサ（１）は、ハーフブリッジ回路を形成するように同一センサチップ（２）上に一対の磁気抵抗効果素子（２１ａ、２１ｂ）が設けられ、一対の磁気抵抗効果素子（２１ａ、２１ｂ）が、外部磁界に対して磁化方向が変動するフリー磁性層と、交換結合によってフリー磁性層に対してバイアス磁界を印加する反強磁性層とを有し、一対の磁気抵抗効果素子（２１ａ、２１ｂ）の各フリー磁性層の磁化方向が互いに逆向きになるように、各反強磁性層に各フリー磁性層にバイアス磁界を印加させる構成にした。
【選択図】図８

Description

本発明は、電流の大きさを測定する磁気センサに関し、特に磁気抵抗効果素子を備えた磁気センサ及び磁気センサの製造方法に関する。

従来、電気自動車やソーラー電池などの分野では、被測定電流からの誘導磁界により出力信号を出力する磁気検出素子を備えた磁気センサが用いられている。磁気センサに使用される磁気検出素子としては、例えば、ＧＭＲ素子などの磁気抵抗効果素子がある。

ＧＭＲ素子は、反強磁性層、固定磁性層、非磁性層及びフリー磁性層を基本的な膜構成としている。固定磁性層は、反強磁性層上に積層されており、反強磁性層との間で生じる交換結合磁界（Ｈｅｘ）により磁化方向が一方向に固定されている。フリー磁性層は、固定磁性層上に非磁性層（非磁性中間層）を介して積層され、外部磁界により磁化方向が変化する。ＧＭＲ素子を備えた磁気センサにおいては、被測定電流からの誘導磁界（測定磁界）の印加によって変化するフリー磁性層の磁化方向と、固定層磁性の磁化方向との関係で変動するＧＭＲ素子の電気抵抗値により被測定電流の電流値を検出する。

ＧＭＲ素子を備えた磁気センサとしては、ＧＭＲ素子の電気抵抗値と外部磁界の強さとの間の直線関係を高めるために、フリー磁性層にバイアス磁界を印加するハードバイアス層を設けた磁気センサが提案されている（例えば、特許文献１参照）。かかる磁気センサにおいては、同一チップ上の各ＧＭＲ素子に対して誘導磁界の印加方向に対して直交方向にバイアス磁界が印加されており、フリー磁性層の磁化方向が同一方向に揃えられ、検出感度が向上されている。

特開２００６−６６８２１号公報

一般的に、このようなＧＭＲ素子はフリー磁性層に対して直交する方向に誘導磁界が印加されると高精度な出力が得られるように設計されている。ところで、センサチップをリードフレーム等にダイボンディングする場合、約±３度の範囲でセンサチップが傾いて貼り付けられる場合がある。この場合、バイアス磁界によるフリー磁性層の磁化方向が、誘導磁界の印加方向に対して斜めに交差する。このため、フリー磁性層に作用するバイアス磁界には誘導磁界の印加方向に平行な磁気成分が生じ、この磁気成分がフリー磁性層に作用する誘導磁界に対してオフセット成分として作用する。これにより、特許文献１に記載の磁気センサでは、センサチップが傾いて貼り付けられると、センサ出力の直線性が悪化するという問題があった。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、ダイボンディング時の貼り付け誤差に起因するセンサ出力の直線性の低下を抑制できる磁気センサ及び磁気センサの製造方法を提供することを目的とする。

本発明の磁気センサは、ハーフブリッジ回路を形成するように同一センサチップ上に一対の磁気抵抗効果素子が設けられ、前記一対の磁気抵抗効果素子が、磁化方向が固定された固定磁性層と、外部磁界に対して磁化方向が変動するフリー磁性層と、交換結合によって前記フリー磁性層に対してバイアス磁界を印加する反強磁性層とを有し、前記一対の磁気抵抗効果素子の前記固定磁性層の磁化方向は互いに逆向きであり、前記一対の磁気抵抗効果素子の各フリー磁性層の磁化方向が互いに逆向きになるように、前記各反強磁性層が前記各フリー磁性層にバイアス磁界を印加することを特徴とする。

本発明の磁気センサの製造方法は、磁化方向が固定された固定磁性層と、外部磁界に対して磁化方向が変動するフリー磁性層と、交換結合によって前記フリー磁性層に対してバイアス磁界を印加する反強磁性層とを有する一対の磁気抵抗効果素子が、ハーフブリッジ回路を形成するように同一センサチップ上に設けられた磁気センサの製造方法であって、第１の方向に磁界を印加しながら、第１の磁気抵抗効果膜を前記センサチップ上に形成するステップと、前記第１の方向に対して逆向きとなる第２の方向に磁界を印加しながら、第２の磁気抵抗効果膜を前記センサチップ上に形成するステップと、前記第１の磁気抵抗効果膜及び前記第２の磁気抵抗効果膜をエッチングし、前記一対の磁気抵抗効果素子を形成するステップとを有し、前記一対の磁気抵抗効果素子は、前記一対の磁気抵抗効果素子の前記固定磁性層の磁化方向は互いに逆向きになるように形成され、前記各フリー磁性層の磁化方向が互いに逆向きになるように、前記各反強磁性層により前記各フリー磁性層にバイアス磁界が印加されることを特徴とする。

これらの構成によれば、被測定電流からの誘導磁界の印加方向に対して感度軸方向が傾くように基板が配置されると、一方の磁気抵抗効果素子のフリー磁性層では誘導磁界に対してバイアス磁界がプラス方向に作用し、他方の磁気抵抗効果素子のフリー磁性層では誘導磁界に対してバイアス磁界がマイナス方向に作用する。したがって、バイアス磁界のオフセット成分によって一対の磁気抵抗効果素子の感度が互いに逆向き変化するため、一対の磁気抵抗効果素子の感度変化が相殺されてセンサ出力の直線性の低下が抑制される。また、フリー磁性層と反強磁性層との間の交換結合によってバイアス磁界が印加されるため、強磁場によって磁気抵抗効果素子が磁気的に破壊されることがない。さらに、バイアス磁界の印加方向が、フリー磁性層と反強磁性層の成膜時の磁界印加方向で決定されるため、容易に製造することができる。

本発明の磁気センサにおいては、前記一対の磁気抵抗効果素子によって形成される複数の前記ハーフブリッジ回路からなるフルブリッジ回路を有する。この構成によれば、各ハーフブリッジ回路においてセンサ出力の直線性の低下が抑制されるため、当該ハーフブリッジを組み合わせたフルブリッジ回路においてもセンサ出力の直線性の低下が抑制される。

本発明の磁気センサによれば、強磁場に対する耐性が強く、容易に製造可能であり、さらにダイボンディング時の貼り付け誤差に起因するセンサ出力の直線性の低下を抑制できる。

磁気センサの直線性低下の説明図である。 磁気センサの誘導磁界とセンサ出力との関係を示す図である。 磁気センサにおいて、センサチップ毎の直線性データの説明図である。 磁気センサにおいて、一対のセンサチップの差動出力の直線性の説明図である。 磁気センサにおいて、一対のセンサチップの差動出力の直線性の説明図である。 本実施の形態に係る磁気センサの模式図である。 本実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の断面模式図である。 本実施の形態に係る磁気センサによる直線性低下の抑制原理の説明図である。 本実施の形態に係る測定電流に対する直線性のシミュレーション結果の説明図である。 本実施の形態に係るバイアス構成の説明図である。 本実施の形態に係るセンサチップの製造方法の説明図である。 本実施の形態に係るセンサチップの製造方法の説明図である。 比較例に係る磁気センサの出力線形性の説明図である。 比較例に係る磁気センサの出力線形性の説明図である。 本実施の形態に係る磁気センサの出力線形性の説明図である。

図１Ａに示すように、磁気抵抗効果素子を備える磁気センサにおいて、センサチップ５１をリードフレームにダイボンディングする場合、センサチップ５１の感度軸方向（磁気抵抗効果素子５２ａ、５２ｂのＰｉｎ方向）を電流路から発生する誘導磁界（外部磁界）の印加方向に一致させることが望まれている。しかしながら、ダイボンディングにおいてセンサチップ５１を高精度に貼り付けることが困難であり、±３度の範囲でセンサチップ５１が傾いて貼り付けられる場合がある。この場合、センサチップ５１の感度軸方向と電流路から発生する誘導磁界の印加方向に角度誤差が生じ、磁気センサのセンサ出力の直線性が低下する。

より詳細には、センサチップ５１上には、一対の磁気抵抗効果素子５２ａ、５２ｂがＰｉｎ方向に対して直交方向に隣接して配置され、一対の磁気抵抗効果素子５２ａ、５２ｂによってハーフブリッジ回路が形成されている。また、センサチップ５１上には、一対の磁気抵抗効果素子５２ａ、５２ｂを挟むようにハードバイアス層５３が形成されている。各ハードバイアス層５３は、一対の磁気抵抗効果素子５２ａ、５２ｂのＰｉｎ方向に直交する一方向にバイアス磁界を発生しており、このバイアス磁界を一対の磁気抵抗効果素子５２ａ、５２ｂのフリー磁性層に作用させている。

センサチップ５１が傾いて貼り付けられると、センサチップ５１の感度軸方向と誘導磁界の印加方向（理想感度軸方向）との間に角度差が生じ、図１Ｂに示すようにバイアス磁界Ｆｂによるフリー磁性層の磁化方向が、誘導磁界Ｆａの印加方向に対して斜めに交差する。これにより、フリー磁性層に作用するバイアス磁界Ｆｂには誘導磁界Ｆａの印加方向に平行な磁気成分が生じ、フリー磁性層に作用する誘導磁界に対してオフセット成分Ｆｃとして作用する。このとき、プラス方向（一方向）に印加された誘導磁界Ｆａに対しては、バイアス磁界Ｆｂのオフセット成分Ｆｃがマイナス方向に作用し、一対の磁気抵抗効果素子５２ａ、５２ｂのプラス方向の感度を共に減少させる。一方、図１Ｃに示すようにマイナス方向（逆方向）に印加された誘導磁界Ｆａに対しては、バイアス磁界Ｆｂのオフセット成分Ｆｃがマイナス方向に作用し、一対の磁気抵抗効果素子５２ａ、５２ｂのマイナス方向の感度を共に増加させる。

このように、理想感度軸方向に対してセンサチップ５１の感度軸方向が傾くことで、誘導磁界がプラス方向及びマイナス方向のいずれに印加されても、磁気センサのセンサ出力の直線性が低下する。図２に示すように、この磁気センサの出力特性は、誘導磁界をプラス方向に大きくした場合には、磁気センサの理想の出力特性に対してセンサ出力が減少する方向に離間し、誘導磁界をマイナス方向に大きくした場合には、磁気センサの理想の出力特性に対してセンサ出力が増加する方向に離間する。図３に示すように、この直線性の悪化は、センサチップ５１の傾きに依存しており、傾きが大きくなるほど顕著になる。例えば、センサチップ５１が±３．０度傾くと、直線性が０．４５［％ＦＳ］悪化する。これは、誘導磁界から電流値を１／１００００の精度で測定する場合に大きな誤差となる。

このような直線性の悪化は、図４Ａに示すように、差動出力を得るための一対のセンサチップ５１ａ、５１ｂ間の角度差によっても発生する。この場合、各センサチップ５１ａ、５１ｂの一対の磁気抵抗効果素子５２ａ、５２ｂによって、差動出力用のフルブリッジ回路が構成されている。また、センサチップ５１ａ、５１ｂのバイアス磁界の印加方向は、同一方向に向けられている。各センサチップ５１ａ、５１ｂが、互いに逆向きに傾いた状態では、誘導磁界の印加方向と各センサチップ５１ａ、５１ｂの感度軸方向とがなす角度α、βに角度差が生じる（α−β≠０）。この場合、図４Ｂに示すように、一方のセンサチップ５１ａでは、傾きが＋１．５度から離れるのにつれてセンサ出力の直線性が悪化し、他方のセンサチップ５１ｂでは、傾きが−２．０度から離れるのにつれてセンサ出力の直線性が悪化する。このため、両センサチップ５１ａ、５１ｂのセンサ出力の差動出力を取る場合でも直線性の悪化を抑制できない。

一方、図５Ａに示すように、各センサチップ５１ａ、５１ｂが、同一方向に同じ角度だけ傾いた状態では、誘導磁界の印加方向と各センサチップ５１ａ、５１ｂの感度軸方向とがなす角度α、βに角度差が生じない（α−β＝０）。この場合、図５Ｂに示すように、両方のセンサチップ５１ａ、５１ｂの傾きに対して同じようにセンサ出力の直線性が悪化するため、両センサチップ５１ａ、５１ｂのセンサ出力の差動出力を取ることで直線性の悪化を抑制できる。しかしながら、センサチップ５１ａ、５１ｂのダイボンディング時に、両センサチップ５１ａ、５１ｂの角度差を無くすようにリードフレームに貼り付けることは困難である。

本発明者は、センサチップの傾きによって、一対の磁気抵抗効果素子のフリー磁性層に作用する誘導磁界に対してバイアス磁界の磁気成分がオフセット成分として作用することを発見し、本発明をするに至った。すなわち、本発明者は、一対の磁気抵抗効果素子のフリー磁性層に対してバイアス磁界の磁気成分を逆向きに作用させることで、一対の磁気抵抗効果素子における出力感度の変動を相殺し、センサチップの貼り付け精度に起因したセンサ出力の直線性の低下を抑制することを見出した。また、本実施の形態の磁気センサでは、ハードバイアスを用いた場合には強磁場によって磁気的に破壊されるだけでなく、製造プロセスが煩雑になることから、ハードバイアスの代わりにエクスチェンジバイアス（Exchange Bias）を用いるようにしている。

以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
図６は、本実施の形態に係る磁気センサの模式図である。磁気センサ１は、磁気比例式磁気センサであり、被測定電流が流れる電流線の近傍に配置される。この磁気センサ１は、一対の磁気抵抗効果素子２１が作り込まれた一対のセンサチップ２ａ、２ｂを有している。センサチップ２ａ上には一対の磁気抵抗効果素子２１ａ、２１ｂによってハーフブリッジ回路が形成され、センサチップ２ｂ上には一対の磁気抵抗効果素子２１ｃ、２１ｄによってハーフブリッジ回路が形成されている。磁気比例式磁気センサには、センサチップ２ａ、２ｂの磁気抵抗効果素子２１ａ−２１ｄによって、被測定電流による誘導磁界（測定磁界）に基づいて電流線に流れる電流値を測定するフルブリッジ回路２５が形成されている。

この場合、同一センサチップ２ａ上の磁気抵抗効果素子２１ａ、２１ｂは、Ｐｉｎ方向が互いに逆向き（反平行）に向けられている。同様に、同一センサチップ２ｂ上の磁気抵抗効果素子２１ｃ、２１ｄは、Ｐｉｎ方向が互いに逆向き（反平行）に向けられている。また、誘導磁界の印加方向に隣接する磁気抵抗効果素子２１ａ、２１ｃは、Ｐｉｎ方向が互いに逆向き（反平行）に向けられ、同様に誘導磁界の印加方向に隣接する磁気抵抗効果素子２１ｂ、２１ｄは、Ｐｉｎ方向が互いに逆向き（反平行）に向けられている。磁気抵抗効果素子２１ａ、２１ｂは同一センサチップ２ａ上に同時にパターニング（蝕刻）されたものであり、磁気抵抗効果素子２１ｃ、２１ｄは同一センサチップ２ｂ上に同時にパターニング（蝕刻）されたものである。

このように構成されたフルブリッジ回路２５では、電流線からの誘導磁界に応じて２つのセンサ出力が出力される。フルブリッジ回路２５では、磁気抵抗効果素子２１ａと磁気抵抗効果素子２１ｃとの間の接続点に電源Ｖｃｃが印加され、磁気抵抗効果素子２１ｂ及び磁気抵抗効果素子２１ｄのそれぞれにグラウンド（ＧＮＤ）が接続されている。磁気抵抗効果素子２１ａと磁気抵抗効果素子２１ｂとの間の接続点から第一のセンサ出力（Ｏｕｔ１）が取り出され、磁気抵抗効果素子２１ｃと磁気抵抗効果素子２１ｄとの接続点から第二のセンサ出力（Ｏｕｔ２）が取り出される。

磁気抵抗効果素子２１ａ−２１ｄは、電流線からの誘導磁界が印加されることで抵抗値が変化する特性を備えている。図７に示すように、磁気抵抗効果素子２１ａ−２１ｄは、エクスチェンジバイアス構造のＧＭＲ（Giant Magneto Resistance）素子であり、センサチップ２ａ上にシード層３１、強磁性固定層（固定磁性層）３２、非磁性中間層３３、フリー磁性層３４、反強磁性層３５、保護膜３６を積層して形成されている。また、強磁性固定層３２は、第１の強磁性層３７、反平行結合膜３８、第２の強磁性層３９を積層して形成される。この場合、例えば、シード層３１はＮｉＦｅＣｒ、第１の強磁性層３７は６０ＦｅＣｏ、反平行結合膜３８はＲｕ、第２の強磁性層３９は９０ＣｏＦｅ、非磁性中間層３３はＣｕ、フリー磁性層３４はＮｉＦｅ、反強磁性層３５はＩｒＭｎ、保護膜３６はＴａでそれぞれ構成されている。

磁気抵抗効果素子２１ａ−２１ｄは、誘導磁界の印加によって強磁性固定層３２のピン方向に対してフリー磁性層の磁化方向が変化することで抵抗値が変化する。このような構成により、誘導磁界の大きさに応じて第一、第二のセンサ出力（Ｏｕｔ１、Ｏｕｔ２）が変化する。第一、第二のセンサ出力は、差動増幅器３で差動増幅され、誘導磁界に略比例した磁気センサ１のセンサ出力として出力される。また、反強磁性層３５とフリー磁性層３４の間では交換結合が生じており、この交換結合によってフリー磁性層３４に対してバイアス磁界（交換結合磁界）が印加されている。この場合、同一センサチップ２ａ上の磁気抵抗効果素子２１ａ、２１ｂは、バイアス磁界の印加方向が互いに逆向き（反平行）に向けられている。同様に、同一センサチップ２ｂ上の磁気抵抗効果素子２１ｃ、２１ｄは、バイアス磁界の印加方向が互いに逆向き（反平行）に向けられている。

このように構成された磁気センサ１では、センサチップ２が傾いた場合であっても、フリー磁性層に作用する誘導磁界にオフセット成分として作用するバイアス磁界の磁気成分が除去される。このオフセット成分の除去により、磁気センサ１のセンサ出力の直線性（理想直線に対する乖離率）の低下が抑制される。また、磁気抵抗効果素子２１ａ−２１ｄは、外乱磁場に耐性が強いエクスチェンジバイアス構造を採用しているため、強磁場によってハードバイアス構造のように磁気的に破壊されることがなく、製造プロセスも簡略化できる。

図８を参照して、センサチップが傾けて貼り付けられる場合に、磁気センサの直線性の低下が抑制される原理について詳細に説明する。図８は、本実施の形態に係る磁気センサによる直線性の低下の抑制原理の説明図である。なお、図８においては、一対のセンサチップのうち一方のセンサチップを例示して説明するが、他方のセンサチップについても同様な理由で直線性の低下が抑制される。

ここでは、図８Ａに示すように、センサチップ２ａが、誘導磁界の印加方向、すなわち理想感度軸方向に対して一対の磁気抵抗効果素子２１ａ、２１ｂの感度軸方向を約３度傾いて、リードフレーム上に貼り付けられているものとする。各磁気抵抗効果素子２１ａ、２１ｂでは、フリー磁性層と反強磁性層との間の交換結合によるバイアス磁界の印加方向が一対の磁気抵抗効果素子２１ａ、２１ｂのピン方向に対して直交している。このため、バイアス磁界による一対の磁気抵抗効果素子２１ａ、２１ｂのフリー磁性層の磁化方向が、それぞれ誘導磁界の印加方向に対して直交せずに斜めに交差する。

上述したように、バイアス磁界は、一対の磁気抵抗効果素子２１ａ、２１ｂで互いに逆向きとなるようにそれぞれに印加されている。よって、一方の磁気抵抗効果素子２１ａでは、バイアス磁界によるフリー磁性層の磁化方向が、誘導磁界の印加方向との角度を拡げる方向（時計回り）に約３度回転する。他方の磁気抵抗効果素子２１ｂでは、バイアス磁界によるフリー磁性層の磁化方向が、誘導磁界の印加方向との角度を狭める方向（時計回り方向）に約３度回転する。したがって、一対の磁気抵抗効果素子２１ａ、２１ｂのフリー磁性層の磁化方向は、一対の磁気抵抗効果素子２１ａ、２１ｂの間の回転中心Ｐを基準として点対称の関係となる。なお、回転中心Ｐは磁気抵抗効果素子２１ａ、２１ｂの間に設定される。

この場合、図８Ｂに示すように、磁気抵抗効果素子２１ａのフリー磁性層では、バイアス磁界Ｆｂが誘導磁界Ｆａの印加方向（理想感度軸方向）に平行な磁気成分Ｆｃを含んでいる。この磁気成分Ｆｃは、磁気抵抗効果素子２１ａのフリー磁性層に対しプラス方向に印加される誘導磁界Ｆａに対し、オフセット成分としてマイナス方向に作用する。一方、図８Ｃに示すように、磁気抵抗効果素子２１ｂのフリー磁性層では、バイアス磁界Ｆｂが誘導磁界Ｆａの印加方向（理想感度軸方向）に平行な磁気成分Ｆｃを含んでいる。この磁気成分Ｆｃは、磁気抵抗効果素子２１ｂのフリー磁性層に対してプラス方向に印加される誘導磁界Ｆａに対し、オフセット成分としてプラス方向に作用する。

このため、一方の磁気抵抗効果素子２１ａの感度が減少され、他方の磁気抵抗効果素子２１ｂの感度が増加する。よって、一対の磁気抵抗効果素子２１ａ、２１ｂにおけるオフセット成分による感度変化が相殺され、センサチップ２が傾いた状態でもセンサ出力の直線性の低下が抑制される。なお、上記した例では、プラス方向に誘導磁界が印加される構成としたが、マイナス方向に誘導磁界Ｆが印加されても、同様にセンサ出力の直線性の低下が抑制される。

また、本実施の形態においては、各センサチップ２ａ、２ｂにおいて直線性の低下が抑制されるため、センサチップ２ａ、２ｂを組み合わせてフルブリッジ回路を構成しても直線性が悪化することがない。すなわち、誘導磁界の印加方向に対して各センサチップ２ａ、２ｂの感度軸方向に角度差が生じていても、センサチップ２ａ、２ｂ個々のセンサ出力の直線性が向上されているため、両センサチップ２ａ、２ｂのセンサ出力の差動出力を取る場合でも直線性が悪化することがない。

図９を参照して、センサチップを傾けた場合の被測定電流に対する直線性のシミュレーション結果について説明する。図９は、被測定電流に対する直線性のシミュレーション結果の説明図である。比較例に係るセンサチップは、図１Ａに示すように、一対の磁気抵抗効果素子でバイアス磁界の向きが同一方向である点について、本実施の形態に係るセンサチップと異なる。

図９において、本実施の形態に係るセンサチップ２は、被測定電流の大きさを変えても、センサ出力の直線性が略０．０［％ＦＳ］付近となっている。これは、上述したように、センサチップ２の傾きによる一対の磁気抵抗効果素子２１ａ、２１ｂの感度変化が相殺されるからである。これに対して比較例に係るセンサチップ５１（図１参照）では、センサ出力の直線性が被測定電流の変化に応じてお椀型に変化する。具体的には、被測定電流が流れていない状態でもセンサ出力の直線性が略０．２０［％ＦＳ］となっている。これは、各磁気抵抗効果素子５２ａ、５２ｂのフリー磁性層に作用するバイアス磁界が、理想感度軸方向である誘導磁界の印加方向に平行な磁気成分を生じさせるためである。

そして、被測定電流が０［Ａ］から２０［Ａ］に変化すると、センサ出力の直線性が０．２０［％ＦＳ］から−０．４５［％ＦＳ］に変化する。同様に、被測定電流が０［Ａ］から−２０［Ａ］に変化すると、センサ出力の直線性が０．２０［％ＦＳ］から−０．４５［％ＦＳ］に変化する。このように、比較例に係るセンサチップ５１では、センサ出力の直線性が大きく変化するため、誘導磁界から電流値を高精度に測定する場合に大きな誤差を生じる。

図１３から図１５を参照して、比較例と比較しながら本実施の形態に係る磁気センサの出力線形性について説明する。図１３及び図１４は、比較例に係る磁気センサの出力線形性の説明図である。図１５は、本実施の形態に係る磁気センサの出力線形性の説明図である。

比較例に係る一対の磁気抵抗効果素子６１ａ、６１ｂは、それぞれ磁界ゼロ状態でフリー磁性層の磁化方向とピン方向とが平行となるように調整されている（図１３Ａは、バイアス磁界が印加された状態を示す）。また、磁気抵抗効果素子６１ａ、６１ｂのピン方向は同一方向に向けられている。この場合、図１３Ａに示すように、外部磁界Ｈに対する抵抗変化率は、外部磁場Ｈ＝０でピークとなる曲線Ｃで示される。曲線Ｃは、低磁場側と高磁場側で非線形となっており、低磁場側と高磁場側の間の傾斜部分が線形領域Ｌ１、Ｌ２になっている。このため、外部磁界Ｈの変化を精度よく検出するためには線形領域Ｌ１、Ｌ２の中心のバイアス点ＢＰ１、ＢＰ２に対応するバイアス磁界を印加する必要がある。このように、バイアス磁界を印加すると、外部磁界ゼロ状態では、フリー磁性層の磁化方向とピン方向とが約４５°で交差する。

この比較例に係る一対の磁気抵抗効果素子６１ａ、６１ｂにおいてセンサチップが傾いて貼り付けられると、センサ出力が線形領域Ｌ１、Ｌ２から外れてしまう。具体的には、図１３Ｂに示すように、センサチップの傾きがない場合には、フリー磁性層の磁化方向の回転角度が±θ１の範囲で回転される。この範囲内では、センサ出力が線形領域Ｌ２の範囲内に収まっている。これに対して、図１３Ｃに示すように、センサチップの傾きがある場合には、外部磁界方向も傾き、フリー磁性層の磁化方向の回転角度が±θ１よりも大きな±θ２の範囲で回転される。これは、図１４Ａに示すように、外部磁界ゼロ状態のフリー磁性層の磁化方向がバイアス磁界によって約４５°に向けられており、フリー磁性層の初期の磁化方向に直交する外部磁界の成分Ｈａが強くなるためである。

図１３Ｃに示すように、フリー磁性層の磁化方向の回転角度が大きくなると、センサ出力が線形領域Ｌ２の範囲内に収まらなくなる。また、図１４Ｂに示すように、一対の磁気抵抗効果素子６１ａ、６１ｂでブリッジ回路を形成すると、センサチップの傾きがない場合には線形性が得られるのに対し、センサチップの傾きがある場合には線形成が得られない。具体的には、一対の磁気抵抗効果素子６１ａ、６１ｂでは高磁場側で感度が小さくなり、差動出力も高磁場側で感度が小さくなっている。

図１５Ａに示すように、本実施の形態に係る磁気抵抗効果素子２１ａ、２１ｂでは、外部磁界ゼロ状態でバイアス磁化印加時のフリー磁性層の磁化方向が逆向きになっている。このため、図１５Ｂに示すように、磁気抵抗効果素子２１ａは、外部磁界Ｈをプラス方向に大きくした場合には、理想の出力特性に対してセンサ出力が増加する方向に離間し、外部磁界Ｈをマイナス方向に大きくした場合には、理想の出力特性に対してセンサ出力が減少する方向に離間する。また、磁気抵抗効果素子２１ｂは、外部磁界Ｈをプラス方向に大きくした場合には、理想の出力特性に対してセンサ出力が減少する方向に離間し、外部磁界Ｈをマイナス方向に大きくした場合には、磁気センサの理想の出力特性に対してセンサ出力が増加する方向に離間する。よって、一対の磁気抵抗効果素子２１ａ、２１ｂの差動出力をとることで、センサチップ２の傾きによる一対の磁気抵抗効果素子２１ａ、２１ｂの感度変化が相殺され、良好な線形性を得ることができる。

図１０を参照して、本実施の形態に係るエクスチェンジバイアス構成について説明する。ここでは、ハードバイアス構成と比較しつつ、エクスチェンジバイアス構成について説明する。図１０は、バイアス構成の説明図である。図１０Ａは、上記した比較例に係るハードバイアス構成であり、図１０Ｂは、ハードバイアス構成の変形例であり、図１０Ｃは、本実施の形態に係るエクスチェンジバイアス構成である。

図１０Ａに示すハードバイアス構成では、磁気抵抗効果素子５２ａ、５２ｂとハードバイアス層５３とが交互に配置されている。磁気抵抗効果素子５２ａ、５２ｂは、一方のハードバイアス層５３側から他方のハードバイアス層５３側に向って帯状に延在する複数の素子部５７を有している。複数の素子部５７は、一対のハードバイアス層５３間において平行に配置されており、隣接する素子部５７間が導電部５８によってミアンダ形状に接続されている。各磁気抵抗効果素子５２ａ、５２ｂにおいて、平面視において素子部５７の延在方向に対する直交方向がＰｉｎ方向になっている。

このハードバイアス構成では、各ハードバイアス層５３が素子部５７の延在方向に平行な一方向に着磁されている。したがって、磁気抵抗効果素子５２ａ、５２ｂに対して同一方向のバイアス磁界が印加される。このため、比較例に係るハードバイアス構成では、センサ出力の直線性の低下を抑制することができない。この場合、ハードバイアス層５３の着磁方向を個々に変えることで、一対の磁気抵抗効果素子５２ａ、５２ｂに対して互いに逆方向のバイアス磁界を印加することも考えられるが、ハードバイアス層５３の着磁方向を個々に変えることは困難である。

これに対し、図１０Ｂに示すハードバイアス構成の変形例では、ハードバイアス層４３の着磁方向を個々に変えることなく一対の磁気抵抗効果素子４１ａ、４１ｂに互いに逆向きのバイアス磁界を印加するように構成されている。図１０Ｂでは、ハードバイアス層４３を三角形に形成した例を示している。このハードバイアス構成では、複数の素子部４４毎に一対のハードバイアス層４３が形成されており、複数の素子部４４はそれぞれの延在方向において一対のハードバイアス層４３に挟まれている。一方のハードバイアス層４３は、素子部４４の一端に隣接する側面４２がハードバイアスの着磁方向に向って当該一端から離れるように傾斜している。よって、一方のハードバイアス層４３は、着磁方向に交差する側面４２から素子部４４の延在方向に対して平行な漏洩磁界を発生する。

他方のハードバイアス層４３は、一方のハードバイアス層４３の三角形を１８０度回転させた形状を有しており、素子部４４の他端に隣接する側面４２がハードバイアスの着磁方向に向って当該他端に近付くように傾斜している。よって、他方のハードバイアス層４３は、着磁方向に交差する側面４２から素子部４４を介して漏洩磁界を吸収する。このようにハードバイアス層４３からの漏洩磁界によって、素子部４４の延在方向にバイアス磁界が印加される。また、このハードバイアス構成は、磁気抵抗効果素子４１ａ、４１ｂ間を横切る中心線Ｃを基準として対称に形成されている。よって、磁気抵抗効果素子４１ａ、４１ｂで互いに逆向きのバイアス磁界を印加することが可能となっている。

このように、ハードバイアス構成の変形例では、一対のハードバイアス層４３が着磁方向に交差する側面４２によって、ハードバイアス層４３の漏洩磁界を各素子部４４に印加するように構成されている。これにより、ハードバイアス層４３を一方向に着磁するだけで、一対の磁気抵抗効果素子４１ａ、４１ｂに対して互いに逆向きのバイアス磁界を印加することを可能にしている。しかしながら、このハードバイアス層４３は、強磁場の影響により磁気的に破壊される可能性がある。例えば、磁気センサの近傍の電流路に大電流が流れて強磁場が発生すると、ハードバイアス層４３の磁化方向が乱れた状態で保持されて初期状態に戻らない場合がある。また、ハードバイアス層４３の形状や位置によってバイアス磁界の印加方向が定まるため、容易に製造することができない。

図１０Ｃに示す本実施の形態に係るエクスチェンジバイアス構成では、ハードバイアス層を形成することなく、一対の磁気抵抗効果素子２１ａ、２１ｂに互いに逆向きのバイアス磁界を印加するように構成されている。このエクスチェンジバイアス構成でも、上記ハードバイアス構成と同様に、帯状に延在する複数の素子部２６を平行に配置して、複数の素子部２６官を導電部２７によってミアンダ形状に接続している。各磁気抵抗効果素子２１ａ、２１ｂにおいて、平面視において素子部２６の延在方向に対する直交方向がＰｉｎ方向になっている。

一対の磁気抵抗効果素子２１ａ、２１ｂでは、フリー磁性層と反強磁性層の界面における交換結合により、反強磁性層からフリー磁性層に対して、素子部２６の延在方向に沿ったバイアス磁界が印加される。フリー磁性層及び反強磁性層は、一対の磁気抵抗効果素子２１ａ、２１ｂの製造プロセスにおいて磁界を印加しながら成膜されている。このとき、一対の磁気抵抗効果素子２１ａ、２１ｂで磁界の印加方向を逆にしてフリー磁性層と反強磁性層を成膜することで、磁気抵抗効果素子２１ａ、２１ｂで互いに逆向きのバイアス磁界を印加することを可能にしている。

エクスチェンジバイアス構成の一対の磁気抵抗効果素子２１ａ、２１ｂは、ハードバイアス構成とは異なり、大電流等で強磁場が印加されてもゼロ磁場に戻ることで、フリー磁性層を初期の磁化状態に戻すことが可能となっている。また、バイアス磁界の印加方向が、フリー磁性層と反強磁性層の成膜時の磁界印加方向で決定されるため、製造プロセスを簡略化できる。

以下、図１１及び図１２を参照して、磁気センサのセンサチップの製造方法について説明する。図１１及び図１２は、センサチップの製造方法の説明図である。なお、図１１及び図１２は、センサチップの製造方法の一例を示すものであり、これに限定されるものではない。

図１１Ａに示すように、磁気センサ１においては、基板１１（ウェーハ）上に応力緩和層として熱シリコン酸化膜１２が形成される。熱シリコン酸化膜１２上には、アルミニウム酸化膜１３が形成される。アルミニウム酸化膜１３は、例えば、スパッタリング等の方法により成膜することができる。また、基板１１としては、シリコン基板等が用いられる。

次に、図１１Ｂに示すように、アルミニウム酸化膜１３上に第１の磁気抵抗効果膜１４ａが形成される。このとき、第１の磁気抵抗効果膜１４ａのフリー磁性層及び反強磁性層の成膜中に第１の方向に磁界が印加される。第１の方向は、素子部２６の延在方向に沿う方向であり、ピン方向に直交する方向である。これにより、フリー磁性層と反強磁性層の間の交換結合により、フリー磁性層に対して第１の方向にバイアス磁界が印加される。

次に、図１１Ｃに示すように、第１の磁気抵抗効果膜１４ａ上にレジスト層１５が形成され、フォトリソグラフィ及びエッチングにより第１の磁気抵抗効果膜１４ａ上の所定エリアにレジスト層１５が残存する。次に、図１１Ｄに示すように、イオンミリングによってレジスト層１５から露出した第１の磁気抵抗効果膜１４ａが除去される。このとき、第１の磁気抵抗効果膜１４ａの下層のアルミニウム酸化膜１３も所定深さまで除去される。次に、図１１Ｅに示すように、イオンミリングによるアルミニウム酸化膜１３の除去部分を埋めるように、再びアルミニウム酸化膜１３が形成される。ここでは、レジスト層１５の表面にもアルミニウム酸化膜１６が形成される。

次に、図１２Ａに示すように、イオンミリングによって露出したアルミニウム酸化膜１３上に第２の磁気抵抗効果膜１４ｂが形成される。このとき、第２の磁気抵抗効果膜１４ｂのフリー磁性層及び反強磁性層の成膜中に、第２の方向に磁界が印加される。第２の方向は、第１の方向に対して逆向きの方向であり、ピン方向に直交する方向である。これにより、フリー磁性層と反強磁性層の間の交換結合により、フリー磁性層に対して反強磁性層から第２の方向にバイアス磁界が印加される。また、レジスト層１５上にも、第２の磁気抵抗効果膜１４ｂが形成されるが、レジスト層１５の表面のアルミニウム酸化膜１６により、第２の磁気抵抗効果膜１４ｂの形成時の熱によるレジストアウトガスの発生が抑制されている。

次に、図１２Ｂに示すように、リフトオフによりレジスト層１５と共に余分な第２の磁気抵抗効果膜１４ｂが除去されて、第１の磁気抵抗効果膜１４ａの上面が露出される。次に、図１２Ｃに示すように、第１、第２の磁気抵抗効果膜１４ａ、１４ｂ上に再びレジスト層１７が形成され、フォトリソグラフィ及びエッチングにより第１、第２の磁気抵抗効果膜１４ａ、１４ｂ上にストライプ状にレジスト層１７が残存する。次に、図１２Ｄに示すように、イオンミリングによってストライプ状のレジスト層１７から露出した第１、第２の磁気抵抗効果膜１４ａ、１４ｂが除去される。次に、図１２Ｅに示すように、リフトオフによりストライプ状のレジスト層１７が除去されて、一対の磁気抵抗効果素子２１ａ、２１ｂが形成される。一対の磁気抵抗効果素子２１ａ、２１ｂは、フリー磁性層の磁化方向が互いに逆向きになるように、各反強磁性層が各フリー磁性層にバイアス磁界を印加している。

そして、各センサチップに一対の磁気抵抗効果素子２１ａ、２１ｂによって磁界検出用のハーフブリッジ回路が作り込まれる。磁気抵抗効果素子２１ａ、２１ｂとしては、ＴＭＲ素子（トンネル型磁気抵抗効果素子）、ＧＭＲ素子（巨大磁気抵抗効果素子）などを用いることができる。例えば、ＧＭＲ素子として、反強磁性層、固定磁性層、非磁性層、フリー磁性層を有する多層膜で構成されるスピンバルブ型ＧＭＲ素子やスピンバルブ型ＴＭＲ素子を用いることができる。

スピンバルブ型ＧＭＲ素子としては、ミアンダ形状を有するＧＭＲ素子である。このミアンダ形状においては、リニアリティを考慮すると、ピン（Ｐｉｎ）方向の幅Ｄが０．５μｍ〜１０μｍであることが好ましい。このようなミアンダ形状にすることにより、ホール素子よりも少ない端子数（２端子）で磁気抵抗効果素子の出力を採ることができる。また、スピンバルブ型ＴＭＲ素子としては、リニアリティを考慮すると、ピン方向の幅が０．５μｍ〜１０μｍの長方形であることが好ましい。

次に、図１２Ｆに示すように、一対の磁気抵抗効果素子２１ａ、２１ｂが絶縁層としてのポリイミド層１８に埋設され、ポリイミド層１８上にシリコン酸化膜１９が形成される。そして、このように回路パターンが作り込まれた基板は、ダイシングによって個々のセンサチップ２に分割され、一対のセンサチップ２をリードフレームにダイボンディングすることで磁気センサ１が形成される。

このように形成された磁気センサ１では、被測定電流からの誘導磁界の印加方向（理想感度軸方向）に対して感度軸方向が傾くようにセンサチップ２が配置された場合でもセンサ出力の直線性の低下が抑制される。すなわち、一方の磁気抵抗効果素子２１ａのフリー磁性層では、誘導磁界に対してバイアス磁界がプラス方向に作用し、他方の磁気抵抗効果素子２１ｂのフリー磁性層では、誘導磁界に対してバイアス磁界がマイナス方向に作用する。したがって、バイアス磁界のオフセット成分によって一対の磁気抵抗効果素子２１ａ、２１ｂの感度が互いに逆向き変化するため、一対の磁気抵抗効果素子２１ａ、２１ｂの感度変化が相殺されてセンサ出力の直線性の低下が抑制される。また、フリー磁性層と反強磁性層との間の交換結合によってバイアス磁界が印加されるため、強磁場によって一対の磁気抵抗効果素子２１ａ、２１ｂが磁気的に破壊されることがない。さらに、バイアス磁界の印加方向が、フリー磁性層と反強磁性層の成膜時の磁界印加方向で決定されるため、容易に製造することができる。

本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することができる。例えば、上記実施の形態における各素子の接続関係、大きさなどは適宜変更して実施することが可能である。また、上記実施の形態においては、磁気比例式磁気センサを例示して説明しているが、この構成に限定されない。本発明は、磁気平衡式磁気センサに適用することも可能である。また、本実施の形態では、フルブリッジ回路の２つのセンサ出力の差動出力を得る構成としたが、この構成に限定されない。磁気センサは、ハーフブリッジ回路の１つのセンサ出力を得るものであってもよい。また、本実施の形態では、各センサチップに形成されたハーフブリッジ回路を２つ組み合わせてフルブリッジ回路を形成する構成としたが、この構成に限定されない。１つのセンサチップにフルブリッジ回路を形成してもよい。これらの構成であっても、センサ出力の直線性の低下を抑制することが可能である。その他、本発明は、本発明の範囲を逸脱しないで適宜変更して実施することができる。

本発明は、電気自動車やハイブリッドカーのモータ駆動用の電流の大きさを検出する磁気センサ及び磁気センサの製造方法に適用することが可能である。

１ 磁気センサ
２ａ、２ｂ センサチップ
３ 差動増幅器
１４ａ 第１の磁気抵抗効果膜
１４ｂ 第２の磁気抵抗効果膜
２１ａ−２１ｄ 磁気抵抗効果素子
２５ フルブリッジ回路
２６ 素子部
２７ 導電部
３４ フリー磁性層
３５ 反強磁性層

Claims (3)

1. ハーフブリッジ回路を形成するように同一センサチップ上に一対の磁気抵抗効果素子が設けられ、
   前記一対の磁気抵抗効果素子が、磁化方向が固定された固定磁性層と、外部磁界に対して磁化方向が変動するフリー磁性層と、交換結合によって前記フリー磁性層に対してバイアス磁界を印加する反強磁性層とを有し、
   前記一対の磁気抵抗効果素子の前記固定磁性層の磁化方向は互いに逆向きであり、
   前記一対の磁気抵抗効果素子の各フリー磁性層の磁化方向が互いに逆向きになるように、前記各反強磁性層が前記各フリー磁性層にバイアス磁界を印加することを特徴とする磁気センサ。
2. 前記一対の磁気抵抗効果素子によって形成される複数の前記ハーフブリッジ回路からなるフルブリッジ回路を有することを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
3. 磁化方向が固定された固定磁性層と、外部磁界に対して磁化方向が変動するフリー磁性層と、交換結合によって前記フリー磁性層に対してバイアス磁界を印加する反強磁性層とを有する一対の磁気抵抗効果素子が、ハーフブリッジ回路を形成するように同一センサチップ上に設けられた磁気センサの製造方法であって、
   第１の方向に磁界を印加しながら、第１の磁気抵抗効果膜を前記センサチップ上に形成するステップと、
   前記第１の方向に対して逆向きとなる第２の方向に磁界を印加しながら、第２の磁気抵抗効果膜を前記センサチップ上に形成するステップと、
   前記第１の磁気抵抗効果膜及び前記第２の磁気抵抗効果膜をエッチングし、前記一対の磁気抵抗効果素子を形成するステップとを有し、
   前記一対の磁気抵抗効果素子は、前記一対の磁気抵抗効果素子の前記固定磁性層の磁化方向は互いに逆向きになるように形成され、前記各フリー磁性層の磁化方向が互いに逆向きになるように、前記各反強磁性層により前記各フリー磁性層にバイアス磁界が印加されることを特徴とする磁気センサの製造方法。

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