JP2014153053A - 磁界検出装置、電流検出装置、半導体集積回路、および、磁界検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】一定抵抗として用いる参照用素子を用いて、検出用素子の磁界応答性のオフセットを補正することで、磁界検出装置における０点出力の制御を容易にする。
【解決手段】２個以上の検出用素子１０１，１０２と、２個以上の参照用素子１１１，１１２と、検出用素子１０１，１０２の自由層の磁化困難軸方向にバイアス磁界を印加して検出用素子の磁界応答性におけるオフセットを補正する磁界印加用配線１５１とを備え、参照用素子および検出用素子は磁化方向が固定された固着層と外部磁界によって磁化方向が変化する自由層とが積層された構造を有し、参照用素子１１１，１１２は、固着層の磁化方向と自由層の無磁界における磁化方向とが平行の状態のものと反平行の状態のものとを含み、検出用素子１０１，１０２は、固着層の磁化方向と自由層の無磁界における磁化方向とが異なる。
【選択図】図５

Description

本発明は、磁界検出装置、電流検出装置、半導体集積回路、および、磁界検出方法に関し、特に、巨大磁気抵抗効果もしくはトンネル磁気抵抗効果により磁界検出を行う磁界検出装置、電流検出装置、半導体集積回路、および、磁界検出方法に関するものである。

近年、磁気抵抗効果素子として、従来の巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：giant-magnetoresistance）効果に対してより大きな抵抗変化率が得られるトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：tunneling magnetoresistance）効果を有するＴＭＲ素子が開発され、メモリおよび磁気ヘッドなどへの応用が進められている。

磁気抵抗（ＭＲ：magnetoresistance）効果は、磁性体に磁界を加えることにより電気抵抗が変化する現象であり、磁界検出装置や磁気ヘッドなどに利用されている。ＧＭＲ素子においては強磁性層／金属層／強磁性層からなる積層構造が用いられ、ＴＭＲ素子においては、強磁性層／絶縁層／強磁性層からなる積層構造が用いられる。これらの素子においては、外部磁界によって２つの強磁性層のスピンを互いに平行（０°）あるいは反平行（１８０°）に設定することにより、ＧＭＲ素子では、強磁性／金属層界面での電子の散乱確率に依存して抵抗が変化することを利用しており、ＴＭＲ素子では、膜面垂直方向の絶縁層を流れるトンネル電流の大きさが変化することが利用されている。ＧＭＲ素子やＴＭＲ素子では、抵抗変化を検出することにより、２層の強磁性層の相対的な磁化方向を検出することが可能である。

これらの磁気抵抗効果素子では、一方の強磁性層を反強磁性層と交換結合させて、その強磁性層の磁化を固定していわゆる固着層とし、他方の強磁性層の磁化を外部磁界で容易に反転することのできる自由層とする、いわゆるスピンバルブ型構造が知られている。

スピンバルブ型構造の磁気抵抗効果素子は、金属層や絶縁層を介した強磁性層間の磁気的な相互作用を抑制することが可能であり、高感度な磁界検出装置として用いることが可能である。スピンバルブ型磁気抵抗効果素子に外部から磁界が印加されると、固着層の磁化は理想的には完全に固定されているために、自由層の磁化のみが外部印加磁界に応じて回転する。これにより、２つの強磁性層の磁化の相対角が変化し、磁気抵抗効果により素子抵抗が変化する。この抵抗値の変化を、たとえば素子に定電流を流した状態で電圧の変化として検出する。この電圧変化が印加された磁界に応じて変化する信号として読出され、高感度の磁界検出が可能となる。

さらに、単体の磁気抵抗効果素子における抵抗変化を検出するのではなく、４個の磁気抵抗効果素子を用いてホイートストンブリッジ回路を形成し、かつ、固着層の磁化方向が逆向きの素子を組合せることで、磁界が存在しない場合の出力を０とし、高出力な磁界検出装置を形成する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、固着層の磁化方向が逆向きである２個の磁気抵抗効果素子を直列に接続したハーフブリッジ回路でも、２個の磁気抵抗効果素子の抵抗比で出力信号が決定されるため、温度や製造工程に起因した抵抗変動の影響を抑制することが可能である。

しかしながら、上記のブリッジ回路の技術を実現するために、同一基板上に固着層の磁化方向が異なる磁気抵抗効果素子を形成する必要がある。この形成工程では、それぞれの固着層に対して、熱処理中に方向の異なる磁界を印加する必要がある。より具体的には、反強磁性層とそれに接する強磁性層の交換結合が観測されなくなる、ブロッキング温度以上に固着層を加熱し、この際に局所的な磁界を印加する必要がある。一般的には、基板に対して均一な磁界を印加する磁界中の熱処理が用いられるが、この場合は形成が不可能である。一般的な均一磁界による磁界中の熱処理を用いて前述のブリッジを形成する場合は、同一基板上に複数の素子を形成した後に、基板を切断し、１８０°回転した方向に設置する必要があり、切断した基板の配置や電気的な接続をするための工程が必要となるという問題点があった。また、検出装置全体としての基板面積が増大するという問題点があった。

また、例えば特許文献２に記載の他の従来技術では、固着層の磁化方向は同一であって、自由層の磁化容易軸方向が異なる複数の磁気抵抗効果素子を用いる技術を提案している。この技術では、検出用素子と同一基板上に同時に形成される、同一の磁化方向を有する参照用素子を用いている。これにより、磁界検出用の磁気抵抗効果素子の最小抵抗、若しくは、最大抵抗を、一定抵抗として得ることを示しており、複雑な工程を経ることなく、ホイートストンブリッジやハーフブリッジを形成することが可能である。同一基板上に同一工程で検出用素子と参照用素子を形成することが可能であることから、磁気抵抗効果素子における、製造工程や温度に起因した抵抗の変動の影響を抑制することが可能である。

特許第３０１７０６１号公報 特許第４５１３８０４号公報

上記のように、例えば特許文献１に記載のように、固着層の磁化方向が逆向きの素子によるブリッジ回路においては、出力信号は大きいが、同一基板上での形成は困難であり、同一基板上に複数の素子を形成した後に、基板を切断し、１８０°回転した方向に設置する必要があり、切断した基板の配置や電気的な接続をするための工程が必要となるという問題点があった。また、検出装置全体としての基板面積が増大するという問題点があった。

また、例えば特許文献２に記載のように、固着層の磁化方向は同一であって、自由層の磁化容易軸方向が異なる複数の磁気抵抗効果素子を用いる技術を用いれば、製造工程を複雑化することなく、同一基板上に同一工程により、前述のホイートストンブリッジやハーフブリッジを形成することが可能である。これによって、ブリッジ回路の技術を用いれば、磁気抵抗効果素子の製造工程や温度に起因した抵抗変動の影響を抑制し、抵抗大きな出力信号を得ることが可能である。しかしながら、磁界検出用の磁気抵抗効果素子の自由層は、固着層からの漏れ磁界の影響やトンネル絶縁層や、非磁性層を介した固着層との磁気的な結合により、その磁化方向が傾き、無磁界における抵抗が変化するという問題点があった。これにより、参照用の磁気抵抗効果素子を用いた場合でも、磁界検出用の磁気抵抗効果素子の０点におけるオフセットが発生し、検出誤差を発生するという問題点があった。

本発明は、かかる問題点を解決するためになされたものであり、一定抵抗として用いる参照用素子を用いて、検出用素子の磁界応答性のオフセットを補正することで、磁界検出装置における０点出力の制御を容易にすることが可能な、磁界検出装置、電流検出装置、半導体集積回路、および、磁界検出方法を得ることを目的としている。

本発明は、外部磁界に応じた出力信号を出力する磁界検出装置であって、基板上に設けられた２個以上の磁界検出用磁気抵抗効果素子と、前記基板上に設けられた２個以上の参照用磁気抵抗効果素子と、前記磁界検出用磁気抵抗効果素子の自由層の磁化困難軸方向に磁界を印加するバイアス磁界印加用配線とを備え、前記参照用磁気抵抗効果素子および前記磁界検出用磁気抵抗効果素子は、それぞれ、反強磁性層と前記反強磁性層により磁化方向が固定された磁性体層とからなる固着層と、外部磁界によって磁化方向が変化する磁性体層からなる自由層とが積層された構造を有し、前記２個以上の参照用磁気抵抗効果素子は、前記固着層の磁化方向と前記自由層の無磁界における磁化方向とが平行の状態のものと反平行の状態のものとを含んでおり、前記磁界検出用磁気抵抗効果素子は、前記固着層の磁化方向と前記自由層の無磁界における磁化方向とが異なる、磁界検出装置である。

本発明は、外部磁界に応じた出力信号を出力する磁界検出装置であって、基板上に設けられた２個以上の磁界検出用磁気抵抗効果素子と、前記基板上に設けられた２個以上の参照用磁気抵抗効果素子と、前記磁界検出用磁気抵抗効果素子の自由層の磁化困難軸方向に磁界を印加するバイアス磁界印加用配線とを備え、前記参照用磁気抵抗効果素子および前記磁界検出用磁気抵抗効果素子は、それぞれ、反強磁性層と前記反強磁性層により磁化方向が固定された磁性体層とからなる固着層と、外部磁界によって磁化方向が変化する磁性体層からなる自由層とが積層された構造を有し、前記２個以上の参照用磁気抵抗効果素子は、前記固着層の磁化方向と前記自由層の無磁界における磁化方向とが平行の状態のものと反平行の状態のものとを含んでおり、前記磁界検出用磁気抵抗効果素子は、前記固着層の磁化方向と前記自由層の無磁界における磁化方向とが異なる、磁界検出装置であるので、一定抵抗として用いる参照用素子を用いて、検出用素子の磁界応答性のオフセットを補正することで、磁界検出装置における０点出力の制御を容易にすることができる。

検出用磁気抵抗効果素子の自由層および固着層の磁化方向を説明する図である。 検出用磁気抵抗効果素子の素子抵抗の外部磁界依存性を説明する図である。 参照用磁気抵抗効果素子の自由層および固着層の磁化方向を説明する図である。 参照用磁気抵抗効果素子の素子抵抗の外部磁界依存性を説明する図である。 本発明の実施の形態１の磁界検出装置の構成を説明するための上面図である。 本発明の実施の形態１の磁界検出装置の磁気抵抗効果素子の断面構造の模式図である。 本発明の実施の形態１における検出用磁気抵抗効果素子の磁界応答性に発生するオフセットを説明する図である。 本発明の実施の形態１における磁界検出動作を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態１における検出用磁気抵抗効果素子の磁界応答性のオフセットが補正されたことを説明する図である。 本発明の実施の形態１における外部磁界に応じた磁界検出装置の出力を説明する図である。 本発明の実施の形態１におけるもう一つの磁界検出動作を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態２の磁界検出装置の構成を説明するための上面図である。 本発明の実施の形態３の磁界検出装置の構成を説明するための上面図である。 本発明の実施の形態３の磁界検出装置の変形例の構成を説明するための上面図である。 本発明の実施の形態４の電流検出装置の構成を説明するための上面図である。 本発明の実施の形態４の半導体集積回路の構成を説明するための上面図である。 本発明の実施の形態４の電流検出装置の変形例の構成を説明するための上面図である。

本発明の実施の形態について説明する前に、まず、スピンバルブ型磁気抵抗効果素子を用いた磁界検出装置の具体的な検出動作について、図１を参照して説明する。磁界検出用のスピンバルブ型磁気抵抗効果素子１は、固着層と自由層とが積層されて構成されているが、ここでは、固着層と自由層の相互作用がない、理想的な状態で考える。図１は磁界検出用の磁気抵抗効果素子１の自由層および固着層の磁化方向を示す模式図である。図１においては、スピンバルブ型磁気抵抗効果素子１の自由層の無磁界における磁化方向２と、固着層の無磁界における磁化方向３とが互いに垂直であり、それらのなす角度は９０°である。自由層の無磁界における磁化方向２は、自由層の形状によって決定されており、その長手方向となっている。このスピンバルブ型磁気抵抗効果素子１の固着層の磁化方向３に沿った方向に磁界Ｈが印加されると、自由層の磁化は外部磁界によりその方向を変化させ、磁化方向２ａとなる。この際、変化した自由層の磁化方向２ａと固着層の磁化方向３とがなす角θに応じて、磁気抵抗効果素子１の抵抗値は線形に変化する。

具体的には固着層の磁化方向３を０°とし、それに対して外部磁界Ｈが印加された際に自由層の磁化方向２ａのなす角をθとした場合、磁気抵抗効果素子１の抵抗の変化はｃｏｓθに比例する。自由層が一軸異方性を持った軟磁性膜である場合、ｃｏｓθ＝Ｈ／Ｈ_ｋとなる。つまり、所定の値Ｈ_ｋより大きな外部磁界Ｈが印加された場合は、自由層の磁化方向２ａは固着層の磁化方向に平行（０°）あるいは反平行（１８０°）に固定されてしまい、これ以上、磁気抵抗効果素子１の抵抗は変化しない。つまり、理想的には、Ｈ_ｋは自由層の飽和磁界となる。

この結果、磁気抵抗効果素子１の抵抗（素子抵抗）Ｒは、無磁界中で自由層の磁化方向２と固着層の磁化方向３とが９０°の方向である場合には、下記の式（１）となり、外部磁界Ｈに対して、図２に示すように変化する。

Ｒ＝Ｒ_ｍ＋ΔＲ／２・Ｈ／Ｈ_ｋ（ただし、−Ｈ_ｋ≦Ｈ≦Ｈ_ｋ） （１）

ここで、Ｒ_ｍは磁気抵抗効果素子１の抵抗Ｒがとり得る最大の抵抗値と最小の抵抗値との中間値であり、理想的な無磁界中での磁気抵抗効果素子１の抵抗値である。また、ΔＲは磁気抵抗効果素子１の最大の磁気抵抗変化量（すなわち、最大の抵抗値と最小の抵抗値との差）である。この磁気抵抗効果素子１の抵抗Ｒは外部磁界Ｈに対して線形に変化するため、磁気抵抗効果素子１の抵抗Ｒを得ることにより外部磁界Ｈの大きさを検出することが可能である。なお、検出される外部磁界Ｈは、固着層の磁化方向３の方向成分である。また、固着層の磁化方向において検出可能な磁界領域、すなわち動作領域は−Ｈ_ｋ≦Ｈ≦Ｈ_ｋである。

次に、図３は、参照用のスピンバルブ型磁気抵抗効果素子１１の自由層および固着層の磁化方向を示す模式図である。図３に示す参照用の磁気抵抗効果素子１１は、その長手方向が、図１に示した検出用の磁気抵抗効果素子１の長手方向に直交するように配置されている。磁気抵抗効果素子１１における固着層の磁化方向３は、図１の検出用の磁気抵抗効果素子１と同一である。図３において、図１と同様に、固着層の無磁界における磁化方向３を０°とする。図３（ａ）においては、磁気抵抗効果素子１１の自由層の磁化方向２が、固着層の無磁界における磁化方向３と同一であり、共に０°である。すなわち、予め固着層の磁化方向と自由層の無磁界における磁化方向とが平行になっている。この磁気抵抗効果素子１１においては、固着層の磁化方向３と同方向である０°方向に磁界Ｈが印加された場合は、磁界の向きが無磁界における磁化方向３と一致するため、その方向で自由層の磁化方向２ａは安定化する。一方、１８０°方向に磁界が印加された場合には、一定の磁界Ｈｃまでは磁化方向を維持した後に、磁化方向が磁界方向へと反転する。すなわち、磁界下における自由層の磁化方向２ａと固着層の磁化方向３は０°および１８０°が安定であることから、磁気抵抗効果素子１１の抵抗値は２つの値を示す。これを図４に示すが、具体的には、抵抗値は、Ｒ_ｍ±ΔＲ／２を示す。この場合、Ｒ_ｍ−ΔＲ／２の抵抗値は、Ｈ≦＋Ｈ_ｃで安定であり、Ｒ_ｍ＋ΔＲ／２の抵抗値は、Ｈ≧−Ｈ_ｃで安定である。

一方、図３（ｂ）においては、スピンバルブ型磁気抵抗効果素子１１の自由層の磁化方向２と、固着層の無磁界における磁化方向３とが逆向きであり、それらのなす角度は１８０°である。すなわち、固着層の磁化方向と自由層の無磁界における磁化方向とが反平行（平行かつ逆向き）になっている。この場合においても、磁気抵抗効果素子１１の抵抗値は、外部磁界に対し、基本的に図４に示す依存性を示す。

この参照用の磁気抵抗効果素子１１の抵抗Ｒは一定磁界までは、外部磁界に依存せずに一定の抵抗を示すために、検出用の磁気抵抗効果素子と面積が同一である場合、参照用の磁気抵抗効果素子１１の抵抗Ｒの値から、検出用磁気抵抗効果素子の最大抵抗、若しくは、最小抵抗を得ることが可能である。なお、図３（ａ）に示す参照用素子は、予め固着層と自由層の磁化が平行にしてあり、抵抗はＲ_ｍ−ΔＲ／２である。一方、図３（ｂ）に示す参照用素子は、予め固着層と自由層の磁化が反平行にしてあり、抵抗はＲ_ｍ＋ΔＲ／２である。

以下、本発明の実施の形態について、その具体例を図に基づいて説明する。

実施の形態１.
図５は、本発明の実施の形態１における磁界検出装置の構成を示す上面図である。ここに示す磁界検出装置は、４個の検出用磁気抵抗効果素子１０１ａ、１０１ｂ、１０２ａ、１０２ｂ（以下、検出用素子と表記する。）と４個の参照用磁気抵抗効果素子１１１ａ、１１１ｂ、１１２ａ、１１２ｂ（以下、参照用素子と表記する。）とを備えている。これらの検出用素子１０１，１０２および参照用素子１１１，１１２は、すべて、上面から見た場合に、外部形状が、同面積かつ同一形状（角丸長方形）となっている。但し、検出用素子１０１，１０２と参照用素子１１１，１１２の配置方向は、それらの長手方向が互いに９０°異なるように配置されている。すなわち、検出用素子の長手方向が紙面縦方向で、参照用素子の長手方向が紙面横方向となっている。

検出用素子１０１ａと１０１ｂ、１０２ａと１０２ｂは、それぞれ金属配線５１、５２により直列接続されている。また、参照用素子１１１ａと１１１ｂ、１１２ａと１１２ｂは、それぞれ金属配線５３、５４により直列接続されている。更に、検出用素子１０１ａと参照用素子１１１ａが金属配線５５により接続され、検出用素子１０２ｂと参照用素子１１２ｂが金属配線５６により接続され、検出用素子１０２ａと参照用素子１１１ｂが金属配線５７により接続され、検出用素子１０１ｂと参照用素子１１２ａが金属配線５８により接続されている。なお、金属配線５５は電源に接続されており、金属配線５６は接地されている。金属配線５７と５８は、それぞれ、外部に設置された信号検出回路（図示せず）へと接続されている。

また、検出用素子１０１ａと１０２ａ、１０１ｂと１０２ｂは、それぞれ、互いに隣接して並んで設けられている。検出用素子１０１ａ、１０１ｂ、１０２ａ、１０２ｂの直下には、電気的に検出用素子と絶縁された磁界印加用配線１５１が設けられており、磁界印加用配線１５１の長手方向が、検出用素子１０１ａ、１０１ｂ、１０２ａ、１０２ｂの長手方向に平行な方向になるように配置されている。この磁界印加用配線１５１は、バイアス用の電流Ｉ_ｂｉａｓを流した場合に、検出用素子１０１ａ、１０１ｂ、１０２ａ、１０２ｂに、同時に、紙面右向き（すなわち、検出用素子の長手方向に直交する方向（磁化困難軸方向））にバイアス用の磁界Ｈ_ｂｉａｓを印加することが可能であるように配置されている。

検出用素子１０１ａ、１０１ｂ、１０２ａ、１０２ｂと参照用素子１１１ａ、１１１ｂ、１１２ａ、１１２ｂは全て同一の積層構造を有しており、その断面構造の模式図を図６に示す。

図６において、基板６１上に電極層６２が形成され、次に反強磁性層６３が形成されている。次に、この反強磁性層６３により磁化方向が固定された強磁性層６４が形成されている。続いて非磁性層６５、強磁性層６６が形成され、さらに、トンネル絶縁層となる非磁性層６７を形成し、その上層に外部磁界によって磁化方向が変化する磁性体からなる自由層６８が形成されている。自由層６８の上層には電極層６９が形成されている。強磁性層６４と６６については、非磁性層６５を介して磁気的に反平行結合している。ここでは、反強磁性層６３、強磁性層６４、非磁性層６５、および、強磁性層６６からなる積層構造が固着層７０として機能する。なお、以後の説明では、説明の簡単化のために、強磁性層６６の磁化を固着層７０の磁化と呼ぶ。

この固着層７０は２層の強磁性層６４と６６とが反平行に結合していることから、固着層７０全体の見掛け上の磁化を抑制することが可能であり、自由層６８への磁気的な影響や、固着層７０が磁界から受ける影響を抑制することが可能となる。

ここでは、反強磁性層６３から自由層６８が順次積層される構成を示したが、構成はこれにとらわれるものではなく、逆に、自由層６８を一番下にして、自由層６８から逆の順序で積層しても素子を構成することができる。

検出用素子１０１ａ、１０１ｂ、１０２ａ、１０２ｂおよび参照素子１１１ａ、１１１ｂ、１１２ａ、１１２ｂの自由層６８は、素子形状が長方形であることから、長手方向を有するため、形状磁気異方性により、自由層６８の磁化方向は、これらの素子のそれぞれの長手方向となる。固着層７０の磁化方向は、検出用素子と参照用素子とで同一であるため、４個の検出用素子１０１ａ、１０１ｂ、１０２ａ、１０２ｂにおいては、固着層７０の磁化方向が、無磁界における自由層６８の磁化方向に対して、素子平面内で直交している（９０°）。これに対して、４個の参照用素子１１１ａ、１１１ｂ、１１２ａ、１１２ｂの固着層７０の磁化方向は、無磁界における自由層６８の磁化方向と平行（０°）若しくは反平行（１８０°）となっている。

参照用素子１１１ａ、１１２ａは、予め固着層と自由層の磁化が反平行状態にしてあり、抵抗値はＲ_ｍ＋ΔＲ／２である。参照用素子１１１ｂと１１２ｂでは、予め固着層と自由層の磁化が平行状態としてあり、抵抗値はＲ_ｍ−ΔＲ／２である。参照用素子の磁界に対する抵抗値は、図４に示すように、ヒシテリシスを有することから、磁界印加用配線１５１の電流を停止した後も、前述の抵抗値を維持することが可能である。この状態では、１１１ａと１１１ｂ、１１２ａと１１２ｂは直列に接続されているため、それぞれの直列抵抗の抵抗値は、２Ｒ_ｍとなる。検出用素子も、１０１ａと１０１ｂ、１０２ａと１０２ｂが直列接続されており、無磁界での抵抗値は２Ｒ_ｍとなり互いに等しい抵抗となる。

ここで、それぞれの素子の自由層６８および固着層７０における強磁性体を構成する材料としては、強磁性層６４ではＣｏ−Ｆｅ合金を、強磁性層６６ではＣｏ−Ｆｅ−Ｂ合金を用いており、自由層６８ではＣｏ−Ｆｅ−Ｂ合金を用いている。これに限らず、Ｆｅ、Ｃｏ等のＣｏ、ＮｉおよびＦｅの少なくともいずれかを主成分とする強磁性膜であればよく、これらを積層した強磁性膜であってもよい。

また、トンネル絶縁層である非磁性層６７は、ＭｇＯ膜からなっている。なお、トンネル絶縁層６７はこれに限定されず、他の金属の酸化膜であるＡｌ_２Ｏ_３やＨｆＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４等であってもよく、酸化物に限らず、窒化物や弗化物であってもよい。

固着層７０において強磁性膜６４の磁化を固着する反強磁性層６３は、Ｉｒ−Ｍｎ合金膜からなっている。なお、反強磁性層層００１ｃはＩｒ−Ｍｎ合金膜に限定されず、Ｐｔ−Ｍｎ合金、Ｆｅ−Ｍｎ合金、Ｎｉ−Ｍｎ合金等の反強磁性膜であればよく、同様な効果を得ることが可能である。

固着層７０における非磁性層６５は、Ｒｕ膜からなっている。なお、非磁性層６５はＲｕ膜に限定されず、Ｒｔ、Ｒｂ等の主に白金族からなる遷移金属の非磁性膜であればよく、同様な効果を得ることが可能である。

下部電極層６２および上部電極層６９は、各々、Ｔａ（タンタル）膜からなっている。なお、下部電極層６２および上部電極層６９は、各々、例えばＲｕ膜等の他の金属であってもよく、これに限定されない。下部電極層６２および上部電極層６９は図６に示すそれぞれの金属配線に接続される。金属配線には、各々、Ｃｕ（銅）が用いられている。なお、金属配線は、例えばＡｌ（アルミニウム）の他の金属であっても良く、各々、これに限定されない。

次に、本実施の形態１の磁気抵抗効果素子および磁界検出装置の製造方法について説明する。

図６を参照して、磁気抵抗効果素子を構成するそれぞれの金属膜は、基板６１上にＤＣ（直流）マグネトロンスパッタリングにより形成される。基板６１はＳｉ（ケイ素）、ＳｉＣ（炭化ケイ素）、ＧａＮ（窒化ガリウム）、ＧａＡｓ（ヒ化ガリウム）、ガラスなどが用いられる。なお、基板６１はこれに限定されず、その他の材料であってもよい。ここでは、予め磁界印加用配線１５１が磁気抵抗効果素子の直下に形成された基板を用いている。磁気抵抗効果素子の下には、その他の配線やトランジスタ、ダイオード等の電子回路が形成されていてもよい。

まず、基板６１上に、ＤＣマグネトロンスパッタリングを用いてＴａ膜が下部電極層６２として形成される。下部電極層６２としてのＴａ膜が形成された後、大気に曝されることなく同一装置内でＩｒ−Ｍｎ合金膜が反強磁性層６３として形成される。引続き、大気に曝すことなく強磁性層６４としてのＣｏ−Ｆe合金膜が形成され、次に、非磁性層６５としてのＲｕ膜、および、強磁性層６６としてのＣｏ−Ｆｅ−Ｂ合金膜が、それぞれ、形成される。引続き、大気に曝すことなくＲＦ（高周波）マグネトロンスパッタリングを用いてＭｇＯ膜がトンネル絶縁層６７として形成された後に、自由層６８の強磁性膜としてＣｏ−Ｆｅ−Ｂ合金膜が形成される。その後に、ＤＣマグネトロンスパッタリングを用いてＴａ膜が上部電極層６９として形成される。

なお、これらの膜を形成する際は、膜面方向に１００Ｏｅの磁界が印加される。これによって固着層７０を構成するＩｒ−Ｍｎ膜とＣｏ−Ｆｅ膜、およびＣｏ−Ｆｅ−Ｂ膜に磁気異方性が付与される。磁気抵抗効果素子１を構成する下部電極層６２から上部電極層６９までの膜は、全て同一装置内で形成される。トンネル絶縁層６７であるＭｇＯ膜については、ＤＣマグネトロンスパッタリングによりＭｇ膜を形成した後に、酸素を含む酸化雰囲気に曝すことで形成してもよい。

以上の膜の形成は、例えば分子線エピタキシー(ＭＢＥ)法、各種スパッタ法、化学気相成長(ＣＶＤ)法、蒸着法、鍍金によって形成されてもよい。

その後に熱処理が実施される。目的は、ＭｇＯ膜とそれを挟む２層のＣｏ−Ｆｅ−Ｂ膜の結晶化を促進するとともに、固着層７０の膜に磁気異方性を付与するためである。ここでは、固着層７０の強磁性層６４であるＣｏ−Ｆｅ−Ｂ膜と強磁性層６６であるＣｏ−Ｆｅ膜の磁化を飽和するための磁界である１０ｋＯｅが印加される。磁界印加方向は、磁気抵抗効果素子の成膜時と同様であり、検出用素子１０１，１０２の短手方向で且つ参照用素子１１１，１１２の長手方向である。熱処理温度は、磁気抵抗効果素子はＣｏ−Ｆｅ−Ｂ膜を結晶化が可能であり、且つ固着層のＩｒ−Ｍｎ膜とＣｏ−Ｆｅ膜の間の交換結合が実質的に無くなる、３００℃としている。この温度で１時間保持された。

上記の熱処理を経た後、固着層の強磁性膜６４と６６の磁化は、互いに１８０°異なる方向を向く。つまり、非磁性層６４であるＲｕ膜を挟んで対向するＣｏ−Ｆｅ合金膜の磁化とＣｏ−Ｆｅ−Ｂ合金膜の磁化は互いに反対方向を向く。

本実施の形態においては、検出用素子と参照用素子との固着層の磁化方向は同一であるため、熱処理時の印加磁界は同じ方向でよく、一様な磁界を印加することが可能である。

この後、フォトリソグラフィーにより所望のパターンが形成される。積層化された磁気抵抗効果素子を構成する膜が形成された後、フォトレジストにより所望のパターンが形成される。その後、フォトレジストにより形成された所望のパターンをマスクとして、反応性イオンエッチングにより磁気抵抗効果素子を電気的および磁気的に分離することで、磁気抵抗効果素子の形状が得られる。ここでの磁気抵抗効果素子は前述のように角丸長方形である。この際、検出用素子１０１，１０２の長手方向は、積層膜における固着層７０の形成時の磁界印加方向と直交する方向であり、参照用素子１１１，１１２の長手方向は、積層膜における固着層７０の形成時の磁界印加方向と同じ方向である。

なお、検出用磁気抵抗効果素子および参照用磁気抵抗効果素子は、同一のプロセスで同一基板上に同時に形成することが望ましく、これらのパターン形成は、電子線リソグラフィー、集束イオンビーム、イオンミリングを用いてもよい。

上記のパターン形成により、磁気抵抗効果素子においては、自由層となる強磁性層６８であるＣｏ−Ｆｅ−Ｂ膜の磁化は、形状による反磁界の影響を受け、形状の長手方向を向く。これによって、無磁界において、検出用素子と参照用素子の自由層の磁化は直交する。なお、検出用素子の固着層に対するＣｏ−Ｆｅ−Ｂ膜の磁化方向の決定は、局所的に磁界を印加することで可能である。或いは、検出用素子を、固着層側から電流が流れる素子と自由層側から電流が流れる素子とで接続することにより、スピン注入を用いた設定も可能である。

この後に、図５に示すように、金属配線５１〜５８を磁気抵抗効果素子１０１，１０２，１１１，１１２に接続する。これによって、金属配線５５が電源（図示せず）に接続され、金属配線５６が接地される。金属配線５７と５８はそれぞれ電圧を検出する信号検出回路へと接続される。ここでは詳細な説明は省略するが、これにより、本実施の形態の磁気抵抗効果素子を用いた磁界検出装置が形成される。

次に、本実施の形態の磁界検出装置の検出動作について図５を用いて説明する。

金属配線５５を介して、電源から、所定の一定の検出電流Ｉ_{ｓｅｎｓｅ}が流される。この際、金属配線５６は接地されているので、当該電流は、検出用素子１０１ａ，１０１ｂおよび参照用素子１１２ａを経て、参照用素子１１２ｂへと流れる電流と、参照用素子１１１ａ、１１１ｂおよび検出用素子１０２ａを経て、検出用素子１０２ｂへと流れる電流との２つの経路に分かれる。無磁界においては、理想的に、これらの経路における抵抗はともに４Ｒ_ｍであり、電流は各経路１／２・Ｉ_{ｓｅｎｓｅ}となる。更にこの場合は、２個の検出用素子と２個の参照用素子は４Ｒ_ｍであり、同一の抵抗であることから、金属配線５７の電位Ｖ１と金属配線５８の電位Ｖ２は同じ電位となり、両者の電位差（Ｖ１−Ｖ２）で表される出力電圧は０となる。すなわち、無磁界において０出力が得られる。

以上は、磁界が０の場合の説明であったが、磁界下における理想的な状態を考える。ここでは磁界印加用配線１５１に電流を流していない状態について説明する。

図５に示されるブリッジ回路での出力電圧ΔＶは、一定である検出電流Ｉ_{ｓｅｎｓｅ}が流された際のＶ１−Ｖ２を検出することで得られ、以下の式（２）で表される。

ΔＶ＝Ｉ_{ｓｅｎｓｅ}・ΔＲ／２・Ｈ／Ｈ_ｋ （２）

すなわち、磁界に対して線形の出力信号が得られる。この出力信号を磁界に換算することで、磁界の検出が可能となる。なお、Ｈ_ｃ≦Ｈ_ｋであることから、上記の出力信号は、｜Ｈ｜≦Ｈ_ｃの領域において得られる。｜Ｈ｜≧Ｈ_ｃの領域においては、２個の参照素子の抵抗の和は、２Ｒ_ｍから２（Ｒ_ｍ＋ΔＲ）若しくは２（Ｒ_ｍ−ΔＲ）へと変化することで、不連続な出力信号となる。

以上は、無磁界のもとで、２個の直列接続された検出用素子と２個の直列接続された参照用素子の抵抗値が一致する場合について述べた。しかしながら、図７に示すように、自由層６８と固着層７０の磁化の相互作用が存在する場合は、検出用素子の自由層６８の磁界応答性にオフセットＨ_ＯＳが発生する。結果として前述した無磁界における出力電圧は０でなくなり、式（２）で表した出力電圧に対して、オフセットが発生することとなる。

次に、磁界印加用配線１５１に電流を流した場合を考える。

磁界印加用配線１５１は、検出用素子１０１ａ、１０１ｂ、１０２ａ、１０２ｂに対し、自由層６８の磁化困難軸方向（素子の長手方向に直交する方向）に、同時に磁界を印加することが可能である。ここで、本実施の形態では、直列接続された２個の参照用素子の抵抗値は、２個の直列接続された検出用素子の抵抗値の中点を示す。これを用いて、磁界印加用配線１５１の電流Ｉ_ｂｉａｓを制御することで、検出用素子のオフセットＨ_ＯＳを補正することが可能である。このための動作例を図８のフローチャートに示す。

先ず、ステップＳ１で、無磁界において、配線１５１に、所定の一定の電流Ｉ_ｂｉａｓを流し、出力信号Ｖ１−Ｖ２を検出する。次に、ステップＳ２で、Ｖ１−Ｖ２が０か否かを判定する。Ｖ１−Ｖ２が０とならない場合は、ステップＳ６で、電流Ｉ_ｂｉａｓを変更し、ステップＳ１、Ｓ２、Ｓ６の処理を繰り返し、Ｖ１−Ｖ２が０となる電流Ｉ_ｂｉａｓを得る。ステップＳ２の判定で、Ｖ１−Ｖ２＝０と判定された場合には、ステップＳ３に進み、電流Ｉ_ｂｉａｓを、磁界検出装置内の記憶装置、若しくは、外部の記憶装置に記憶する。このＶ１−Ｖ２＝０となる電流Ｉ_ｂｉａｓを流している状態のときは、検出用素子が中点の抵抗値となる磁界Ｈ_ｂｉａｓが印加されており、換言すれば、検出用素子の磁界応答性のオフセットＨ_ＯＳは補正されている。これを図９に示す。続いて、ステップＳ４に進み、先のステップＳ２で得たＶ１−Ｖ２＝０となる電流Ｉ_ｂｉａｓを配線１５１に流しながら、磁界Ｈを印加した状態の磁界下において、出力信号Ｖ１−Ｖ２を検出する。次に、ステップＳ５で、検出した出力信号Ｖ１−Ｖ２を、磁界に換算して、磁界Ｈの検出を行う。

以上によって得られる出力信号（Ｖ１−Ｖ２）を図１０に示す。参照用素子の抵抗値が検出用素子の中点となる抵抗値を利用して、検出用素子のオフセットＨ_ＯＳを補正することから、無磁界において正確に０出力となる特性が得られ、｜Ｈ｜≧Ｈ_ｃの領域において、外部磁界Ｈに対して線形の出力信号が得られる。

もう一つの動作例を図１１に示す。ここでは、磁気平衡方式による動作において、オフセットＨ_ＯＳを補正する手法を説明する。

先ず、ステップＳ１で、無磁界において、配線１５１に、所定の一定の電流Ｉ_ｂｉａｓを流し、出力信号Ｖ１−Ｖ２を検出する。ステップＳ２で、これが０となるか判定し、０とならない場合は、ステップＳ６で、電流Ｉ_ｂｉａｓを変更し、再度、ステップＳ１に戻って、ステップＳ１，Ｓ２，Ｓ６の処理を繰り返し、Ｖ１−Ｖ２が０となる電流Ｉ_ｂｉａｓを得る。こうして得た電流Ｉ_ｂｉａｓの値を、ステップＳ３で、磁界検出装置内の記憶装置、若しくは、外部の記憶装置に記憶する。この状態で、検出用素子には、中点の抵抗となる磁界Ｈ_ｂｉａｓが印加されており、換言すれば、検出用素子の磁界応答性のオフセットＨ_ＯＳは補正されている。ここまでは、図８で説明した動作と同様である。

この後、図１１では、続いて、磁界Ｈを印加した磁界下の状態において、電流Ｉ_ｂｉａｓを変更し、Ｖ１−Ｖ２＝０となる電流Ｉ_ｂｉａｓを得る。磁界下においてＶ１−Ｖ２が０となる電流Ｉ_ｂｉａｓは、外部の磁界と検出用素子の磁界応答性のオフセットを相殺して、検出用素子の抵抗に中点とする電流である。

すなわち、図１１では、ステップＳ１１で、磁界Ｈを印加した磁界下の状態において、配線１５１に、上記の所定の電流Ｉ_ｂｉａｓを流し、出力信号Ｖ１−Ｖ２を検出する。ステップＳ１２で、これが０となるか判定し、０とならない場合は、ステップＳ１５で、電流Ｉ_ｂｉａｓを変更し、再度、ステップＳ１１に戻って、ステップＳ１１，Ｓ１２，Ｓ１５の処理を繰り返し、ステップＳ１３で、Ｖ１−Ｖ２が０となる電流Ｉ_ｂｉａｓを得る。こうして得られた電流Ｉ_ｂｉａｓを、先のステップＳ３で記憶したＩ_ｂｉａｓと比較することで、検出用素子の磁界応答性のオフセットの影響を除外する。こうして最終的に得られた配線１５１の電流値Ｉ_ｂｉａｓを磁界に換算することで、外部磁界Ｈを検出することが可能である。

上記の磁気平衡方式の動作では、磁界に対する０点が得られればよく、検出用素子の線形性を必ずしも必要としない。また、外部磁界を相殺する磁界が印加されており、常に素子が０磁界付近で動作することから、素子の特性に依存せず広い磁界の範囲で動作が可能となる。

なお、以上は、一定電流Ｉ_ｂｉａｓを用いた検出動作を例に説明したが、一定電圧であってもよい。この場合は、金属配線５５を一定電圧Ｖ_ｃｃとして動作する。その場合の出力信号ΔＶは、以下の式（３）で表される。

ΔＶ＝−Ｖ_ｃｃ・ΔＲ／２・Ｈ／Ｈ_ｋ／（４Ｒ_ｍ＋ΔＲ・Ｈ／Ｈ_ｋ） （３）

上記の一定電圧Ｖ_ｃｃの動作においては、製造工程や温度に起因して、磁気抵抗効果素子の抵抗が変化した場合でも、抵抗の相対関係により出力信号が決定される。ここでの磁気抵抗効果素子は全て同一工程で形成しているため、製造工程や温度に起因した抵抗変動の影響は、全ての素子で同じように受けることとなる。このため、製造工程や温度に起因した抵抗変動の影響を抑制することが可能となる。

なお、ここでは、磁界印加用配線１５１は検出用素子の直下に配置する例を示したが、検出用素子の自由層の膜面方向に平行、かつ、長手方向に直交する方向（磁化困難軸方向）に磁界を印加できればよく、検出用素子の直上に配置されてもよい。この場合は、検出用素子に印加される磁界方向が、前述の説明に対して逆向きとなるが、逆向きの電流Ｉ_ｂｉａｓを流すようにすれば、同様の効果が得られる。

本実施の形態によれば、検出用素子と、それと同面積で磁化が平行状態と反平行状態の組合せによる参照用素子とを用いていることによって、検出用素子の中点の抵抗を得ることが可能である。磁界検出用素子の磁界応答性にオフセットが存在する場合でも、前記の中点抵抗との比較により、正確なオフセットの補正が可能である。これによって安定した０点出力が得られる。

これらは、製造工程を複雑化することなく実現することが可能である。

以上のように、本実施の形態によれば、外部磁界Ｈに応じた出力信号（Ｖ１−Ｖ２）を出力する磁界検出装置であって、基板６１上に設けられた４個の磁界検出用磁気抵抗効果素子１０１，１０２と、基板６１上に設けられた４個の参照用磁気抵抗効果素子１１１，１１２と、磁界検出用磁気抵抗効果素子１０１，１０２にバイアス磁界Ｉ_ｂｉａｓを印加して、磁界検出用磁気抵抗効果素子１０１，１０２の磁界応答性におけるオフセットＨ_ｏｓを補正する磁界印加用配線１５１とを備え、参照用磁気抵抗効果素子１１１，１１２および磁界検出用磁気抵抗効果素子１０１，１０２は、それぞれ、反強磁性層６３と反強磁性層により磁化方向が固定された磁性体層である強磁性層６６，６４とからなる固着層７０と、外部磁界Ｈによって磁化方向が変化する磁性体層からなる自由層６８とが積層された構造を有し、磁界印加用配線１５１は、磁界検出用磁気抵抗効果素子１０１．１０２の自由層の磁化困難軸方向に磁界を印加し、４個の参照用磁気抵抗効果素子１１１，１１２は、固着層７０の磁化方向と自由層６８の無磁界における磁化方向とが平行の状態の参照用素子１１１ｂ、１１２ｂと反平行の状態の参照用素子１１１ａ，１１２ａとを含んでおり、磁界検出用磁気抵抗効果素子１０１，１０２は、固着層７０の磁化方向と自由層６８の無磁界における磁化方向とが異なる構成とした。これにより、検出用素子１０１，１０２の特性が磁界に対してオフセットを有する場合でも、参照用素子１１１，１１２の抵抗を利用することで、正確なオフセットの補正が可能となり、温度や製造工程に起因した磁気抵抗効果素子の抵抗の変動の影響を抑制し、安定した０点が得られ、検出誤差を抑制することができ、製造工程が容易で、安定した出力信号を示す磁界検出装置を得ることができる。

また、参照用素子１１１，１１２と検出用素子１０１，１０２とは、同一面積で、かつ、同一形状を有し、互いに９０°回転した向きに配置され、その個数は互いに等しいように構成した。これにより、検出用素子１０１，１０２と参照用素子１１１，１１２を同時に形成可能とし、同一の抵抗を得ることが可能となる。

また、外部磁界が印加されていない無磁界の状態で出力信号（Ｖ１−Ｖ２）が０となる電流値の電流Ｉ_ｂｉａｓを磁界印加用配線１５１に流すことによりオフセットＨ_ｏｓを補正した状態で、外部磁界Ｈに応じた出力信号を生成する。これにより、磁気平衡方式を適用可能であり、０点が得られれば検出用素子１１１，１１２の線形性を必要としない。これにより、素子の特性に依存せず、広い磁界の範囲で動作を実現することができる。

実施の形態２．
図１２は、本発明の実施の形態２における磁界検出装置の構成を示す上面図である。ここに示す磁界検出装置は、２個の検出用素子１０１ａ、１０１ｂと２個の参照用素子１１１ａ、１１１ｂを有している。これらの素子は、実施の形態１で説明した素子と同じであり、構成および製造方法、並びに、動作については、ここでは詳細な説明は省略する。

検出用素子１０１ａと１０１ｂは、金属配線５１により直列接続されている。また、参照用素子１１１ａと１１１ｂは、金属配線５３により直列接続されている。更に検出用素子１０１ｂと参照用素子１１１ａが金属配線５８により接続されている。検出用素子１０１ａは、金属配線５５により電源（図示せず）に接続されており、参照用素子１１１ｂは金属配線５６により接地されている。金属配線５８は、電位Ｖ_ｏｕｔを検出するために、外部に設けられた信号検出回路（図示せず）へと接続されている。

実施の形態１と同様に、検出用素子１０１ａ，１０１ｂの直下には、電気的に絶縁された磁界印加用配線１５１が配置されている。磁界印加用配線１５１は、その長手方向が、検出用素子１０１ａ，１０１ｂの長手方向に沿った方向に配置され、電流を流した場合に、検出用素子１０１ａ、１０１ｂに対して、紙面右向き（長手方向に直交する方向（磁化困難軸方向））に、バイアス磁界Ｈ_ｂｉａｓを印加することが可能であるように配置されている。２個の参照用素子１１１ａ、１１１ｂの抵抗は、実施の形態１と同様に、予めそれぞれＲ_ｍ＋ΔＲ／２とＲ_ｍ−ΔＲ／２としている。

検出用素子１０１ａ，１０１ｂおよび参照用素子１１１ａ，１１１ｂの断面構造や製造方法は実施の形態１と同様であり、説明を省略する。

次に、本実施の形態の磁界検出装置の検出動作について図１２を用いて説明する。

金属配線５５を一定電圧Ｖ_ｃｃに保つ。この際、金属配線５６は接地されているので、金属配線５８における電位Ｖ_ｏｕｔは、理想的に、以下の式（４）で表される。

Ｖ_ｏｕｔ＝Ｖ_ｃｃ・２Ｒ_ｍ／（４Ｒ_ｍ＋ΔＲ・Ｈ／Ｈ_ｋ） （４）

これにより、無磁界においては、Ｖ_ｃｃ／２の出力信号が得られ、外部から磁界が印加された場合は、外部磁界Ｈに依存した電圧が得られる。

しかしながら、実施の形態１と同様に、検出用素子の磁界応答性にオフセットが存在する場合は、この特性が得られない。このため、オフセットを相殺する必要がある。本実施の形態においても、実施の形態１と同様に、磁界印加用配線１５１に電流を流し、検出用素子１０１ａ、１０１ｂに対し、バイアス磁界Ｈ_ｂｉａｓを印加するが、この際の動作は、図８での説明と同様であるが、ここでは、Ｖ１−Ｖ２＝０となる電流Ｉ_ｂｉａｓではなく、Ｖ_ｏｕｔ＝１／２Ｖ_ｃｃとなる電流Ｉ_ｂｉａｓを用いる。従って、図８のステップＳ１、Ｓ４で、Ｖ１−Ｖ２を検出する代わりに、Ｖ_ｏｕｔを検出し、ステップＳ２で、Ｖ１−Ｖ２が０か否かを判定する代わりに、Ｖ_ｏｕｔ＝１／２Ｖ_ｃｃとなるか否かを判定し、ステップＳ５で、Ｖ１−Ｖ２を磁界に換算する代わりに、Ｖ_ｏｕｔを磁界に換算する。こうすることで、本実施の形態２においても、実施の形態１と同様な効果が得られる。

なお、ここでは、磁界印加用配線１５１は検出用素子１０１ａ，１０１ｂの直下に配置する例を示したが、検出用素子１０１ａ，１０１ｂの自由層の膜面方向に平行で、長手方向に直交する方向に磁界を印加できればよく、従って、磁界印加用配線１５１は、検出用素子１０１ａ，１０１ｂの直上に配置されてもよい。この場合は、検出用素子に印加される磁界方向が前述の説明に対して逆向きとなってしまうので、それを避けるために、電流Ｉ_ｂｉａｓの向きを逆向きとすることで同様な効果が得られる。

本実施の形態の構成では、実施の形態１と同様に、製造工程や温度に起因して、磁気抵抗効果素子の抵抗が変化した場合や検出用素子の磁界応答性がオフセットを有する場合でも、その影響を抑制することが可能となる。

本実施の形態２によれば、検出用素子１０１ａ，１０１ｂと、それと同面積でかつ同形状の磁化方向が平行状態と反平行状態との組合せによる２つの参照用素子１１１ａｂ，１１１ａとを用いていることによって、検出用素子１０１ａ，１０１ｂの中点の抵抗を得ることが可能である。検出用素子１０１ａ，１０１ｂの磁界応答性にオフセットＨ_ＯＳが存在する場合でも、前記の中点抵抗との比較により、正確なオフセットの補正が可能である。これによって実施の形態１と同様に、安定した０点出力が得られる。

これらは、製造工程を複雑化することなく実現することが可能である。

以上のように、本実施の形態２においては、外部磁界Ｈに応じた出力信号（Ｖ_ｏｕｔ）を出力する磁界検出装置であって、基板６１上に設けられた２個の磁界検出用磁気抵抗効果素子１０１ａ，１０１ｂと、基板６１上に設けられた２個の参照用磁気抵抗効果素子１１１ａ，１１１ｂと、磁界検出用磁気抵抗効果素子１０１ａ，１０１ｂにバイアス磁界Ｉ_ｂｉａｓを印加して、磁界検出用磁気抵抗効果素子１０１ａ，１０１ｂの磁界応答性におけるオフセットＨ_ｏｓを補正する磁界印加用配線１５１とを備え、参照用磁気抵抗効果素子１１１ａ，１１１ｂおよび磁界検出用磁気抵抗効果素子１０１ａ，１０１ｂは、それぞれ、反強磁性層６３と反強磁性層により磁化方向が固定された磁性体層である強磁性層６６，６４とからなる固着層７０と、外部磁界Ｈによって磁化方向が変化する磁性体層からなる自由層６８とが積層された構造を有し、磁界印加用配線１５１は、磁界検出用磁気抵抗効果素子１０１ａ，１０１ｂの自由層６８の磁化困難軸方向に磁界を印加し、２個の参照用磁気抵抗効果素子１１１ａ，１１１ｂは、固着層７０の磁化方向と自由層６８の無磁界における磁化方向とが平行の状態の参照用素子１１１ｂと反平行の状態の参照用素子１１１ａとを含んでおり、磁界検出用磁気抵抗効果素子１０１ａ，１０１ｂは、固着層７０の磁化方向と自由層６８の無磁界における磁化方向とが異なる構成とした。これにより、検出用素子１０１ａ，１０１ｂの特性が磁界に対してオフセットを有する場合でも、参照用素子１１１ａ，１１１ｂの抵抗を利用することで、正確なオフセットの補正が可能となり、温度や製造工程に起因した磁気抵抗効果素子の抵抗の変動の影響を抑制し、安定した０点が得られ、検出誤差を抑制することができ、製造工程が容易で、安定した出力信号を示す磁界検出装置を得ることができる。

また、参照用素子１１１ａ，１１１ｂと検出用素子１０１ａ，１０１ｂとは、同一面積で、かつ、同一形状を有し、互いに９０°回転した向きに配置され、その個数は互いに等しいように構成した。これにより、検出用素子１０１ａ，１０１ｂと参照用素子１１１ａ，１１１ｂを同時に形成可能とし、同一の抵抗を得ることが可能となる。

また、外部磁界が印加されていない無磁界の状態で出力信号（Ｖ_ｏｕｔ）が１／２Ｖ_ｃｃとなる電流値の電流Ｉ_ｂｉａｓを磁界印加用配線１５１に流すことによりオフセットＨ_ｏｓを補正した状態で、外部磁界Ｈに応じた出力信号（Ｖ_ｏｕｔ）を生成する。これにより、磁気平衡方式を適用可能であり、０点が得られれば、検出用素子１１１ａ，１１１ｂの線形性を必要としない。これにより、素子の特性に依存せず、広い磁界の範囲で動作を実現することができる。

実施の形態３．
本発明の実施の形態３における磁界検出装置の上面図を図１３に示す。図１３に示される構成は、磁界印加用の配線１５１Ａを除いては、図５に示した実施の形態１と同じ構成によるものである。ここでは、図１３に示すように、磁界印加用の配線１５１Ａが、検出用素子１０１ａ，１０１ｂ，１０２ａ，１０２ｂだけでなく、参照用素子１１１ａ，１１１ｂ，１１２ａ，１１２ｂの直下にも延在し、磁界印加用の配線１５１Ａは、それぞれの参照用素子の長手方向に直交した方向を向くように配置されている。本実施の形態３における磁界印加用配線１５１Ａは、図１３に示すように、コの字型に複数回折り返す配置になることで、直列接続された２個の参照用素子１１１ａ，１１２ａに対しては、他の素子に印加される磁界とは逆向きの磁界が印加される。また、実施の形態１においては、検出用素子１０１ａ，１０１ｂと、検出用素子１０２ａ，１０２ｂとが隣接して配置されていたが、本実施の形態３においては、検出用素子１０１ａ，１０１ｂと、検出用素子１０２ａ，１０２ｂとが、所定の距離をおいて、離間して、配置されている。なお、磁界印加用配線１５１Ａの折り返し角度が、図１３では、９０°になっているが、これに限らず、Ｕ字型になるように、曲折させてもよい。磁界印加用配線１５１Ａは、１８０°に１回以上折り曲げられた１本の配線から構成されているため、検出用素子および参照用素子の自由層の磁化の制御が容易である。他の構成については、実施の形態１と同じであるため、ここでは、その説明を省略する。

本実施の形態３における磁界印加用の配線１５１Ａは、図１３に示すように、検出用素子１０１ｂ、１０１ａの真下に、それらの素子の長手方向と同じ向きに配置された後、コの字形状になるように、右９０°に２回折り曲げられて、参照用素子１１１ａ，１１２ａの真下を、それらの素子の短手方向と同じ向きになるように配置され、その後、コの字形状になるように、左９０°に２回折り曲げられて、参照用素子１１２ｂ、検出用素子１０２ｂ，１０２ａ、参照用素子１１１ｂの順に、それらの素子の真下を通るように配置されている。このとき、磁界印加用の配線１５１Ａは、参照用素子１１２ｂの短手方向、検出用素子１０２ｂ，１０２ａの長手方向、参照用素子１１１ｂの短手方向の向きに配置される。

この実施の形態３に依れば、検出用素子１０１ａ，１０１ｂ，１０２ａ，１０２ｂに印加する磁界Ｈ_ｂｉａｓが、参照用素子１１１ａ，１１２ａ，１１１ｂ，１１２ｂの長手方向にも同時に印加される。この際、配線１５１Ａによる磁界Ｈ_ｂｉａｓは、一方の参照用素子１１１ａと１１２ａに対しては紙面左向き方向に、他方の参照用素子１１１ｂと１１２ｂに対しては紙面右向きとなっている。この磁界によって、検出用素子の反転磁界を、Ｈ_ｃに対してそれぞれ磁界Ｈ_ｂｉａｓ分だけ、大きくすることが可能である。すなわち、参照用素子の抵抗の安定化を図りながら、同時に検出用素子の磁界応答性におけるオフセットを補正することが可能である。

この構造においては、参照用素子の反転磁界を大きくする効果が得られることから、参照用素子における磁界応答性のオフセットの影響も抑制することが可能である。

検出用素子１０１ａ，１０１ｂおよび参照用素子１１１ａ，１１１ｂの断面構造や製造方法は実施の形態１と同様であり、説明を省略する。また、磁界検出装置の検出動作についても、実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。

以上の構成と動作を用いれば、図８により説明した動作による効果に加え、磁気平衡方式を用いていることから、検出用素子の特性は０点を安定して示せばよく、必ずしも線形である必要がない。

本実施の形態３によれば、磁界検出装置の０点を安定して得ることが可能となり、温度や製造工程に起因した素子の抵抗変化や、磁界応答性のオフセットによる影響を抑制した、安定した動作の磁界検出装置を実現可能とする。

なお、ここでは、磁界印加用の配線１５１Ａは、参照用素子１１１ａ，１１１ｂ，１１２ａ，１１２ｂの直下に配置する例を示したが、検出用素子１０１ａ，１０１ｂ，１０２ａ，１０２ｂの自由層の膜面方向に平行で、かつ、それの長手方向に直交する方向に磁界を印加できればよく、検出用素子の直上に配置されてもよい。この場合は、検出用素子に印加される磁界方向が、前述の説明に対して逆向きとなるが、逆向きの電流Ｉ_ｂｉａｓを用いることで同様な効果が得られる。

ここでの動作は、磁界印加用の配線１５１Ａの延在方向が異なるだけであることから、実施の形態１および２で説明した磁界検出装置を変形した適用が可能である。図１４には、例として、図１２に示した実施の形態２による磁界検出装置を、本実施の形態３により変形した例を示す。すなわち、図１４においては、磁界印加用の配線１５１Ａが、図１２に示した検出用素子１０１ａ，１０１ｂの真下だけでなく、参照用素子１１１ａ，１１１ｂの真下にも、配置されている。磁界印加用の配線１５１Ａは、１８０°に折り返された１本の配線から構成されている。他の構成および動作等については実施の形態２と同様であるため、説明を省略する。

以上のように、本実施の形態３においては、上記の実施の形態１と同様に、外部磁界Ｈに応じた出力信号（Ｖ１−Ｖ２）を出力する磁界検出装置であって、基板６１上に設けられた４個の磁界検出用磁気抵抗効果素子１０１，１０２と、基板６１上に設けられた４個の参照用磁気抵抗効果素子１１１，１１２と、磁界検出用磁気抵抗効果素子１０１，１０２にバイアス磁界Ｉ_ｂｉａｓを印加して、磁界検出用磁気抵抗効果素子１０１，１０２の磁界応答性におけるオフセットＨ_ｏｓを補正する磁界印加用配線１５１Ａとを備え、参照用磁気抵抗効果素子１１１，１１２および磁界検出用磁気抵抗効果素子１０１，１０２は、それぞれ、反強磁性層６３と反強磁性層により磁化方向が固定された磁性体層である強磁性層６６，６４とからなる固着層７０と、外部磁界Ｈによって磁化方向が変化する磁性体層からなる自由層６８とが積層された構造を有し、磁界印加用配線１５１Ａは、磁界検出用磁気抵抗効果素子１０１．１０２の自由層の磁化困難軸方向に磁界を印加し、４個の参照用磁気抵抗効果素子１１１，１１２は、固着層７０の磁化方向と自由層６８の無磁界における磁化方向とが平行の状態の参照用素子１１１ｂ、１１２ｂと反平行の状態の参照用素子１１１ａ，１１２ａとを含んでおり、磁界検出用磁気抵抗効果素子１０１，１０２は、固着層７０の磁化方向と自由層６８の無磁界における磁化方向とが異なる構成とした。これにより、検出用素子１０１，１０２の特性が磁界に対してオフセットを有する場合でも、参照用素子１１１，１１２の抵抗を利用することで、正確なオフセットの補正が可能となり、温度や製造工程に起因した磁気抵抗効果素子の抵抗の変動の影響を抑制し、安定した０点が得られ、検出誤差を抑制することができ、製造工程が容易で、安定した出力信号を示す磁界検出装置を得ることができる。

また、参照用素子１１１，１１２と検出用素子１０１，１０２とは、同一面積で、かつ、同一形状を有し、互いに９０°回転した向きに配置され、その個数は互いに等しいように構成した。これにより、検出用素子１０１，１０２と参照用素子１１１，１１２を同時に形成可能とし、同一の抵抗を得ることが可能となる。

また、外部磁界が印加されていない無磁界の状態で出力信号（Ｖ１−Ｖ２）が０となる電流値の電流Ｉ_ｂｉａｓを磁界印加用配線１５１に流すことによりオフセットＨ_ｏｓを補正した状態で、外部磁界Ｈに応じた出力信号を生成する。これにより、磁気平衡方式を適用可能であり、０点が得られれば検出用素子１１１，１１２の線形性を必要としない。これにより、素子の特性に依存せず、広い磁界の範囲で動作を実現することができる。

また、検出用磁気抵抗効果素子１０１ａ，１０１ｂ，１０２ａ，１０２ｂに磁界Ｈ_ｂｉａｓを印加する磁界印加用配線１５１Ａは、同時に、参照用磁気抵抗効果素子１１１ａ，１１１ｂ，１１２ａ，１１２ｂにも磁界Ｈ_ｂｉａｓを印加する構成としたので、参照用素子１１１ａ，１１１ｂ，１１２ａ，１１２ｂの自由層６８の磁化の制御を容易にする。

実施の形態４．
本発明の実施の形態１〜３における磁界検出装置を用いることにより、安定した０点を出力可能な電流検出装置を実現できる。図１５にその構成を示す。なお、図１５は、図５に示した実施の形態１における磁界検出装置を用いた例を示している。図５と図１５との構成の違いは、図１５においては、図５の構成に対して、電流検出装置の測定対象となる電流が流れる金属配線１５２が追加されている点である。他の構成については、図５と同じである。

測定対象となる電流Ｉ_ｌｉｎｅが流れる金属配線１５２は、磁気抵抗効果素子とは電気的に絶縁されており、検出用素子１０１ａ，１０１ｂ，１０２ａ，１０２ｂの直下、若しくは、直上に配置される。電流Ｉ_ｌｉｎｅが流れた場合に、この電流の作用により、金属配線１５２に対して垂直な方向に環状磁界Ｈ_ｌｉｎｅが発生する。この環状磁界Ｈ_ｌｉｎｅの大きさは次式（５）で表される。

Ｈ_ｌｉｎｅ＝ｋ・Ｉ_ｌｉｎｅ／ｒ （５）

上記式（５）においてｋは比例定数であり、ｒは金属配線１５２から検出用素子１０１ａ，１０１ｂ，１０２ａまたは１０２ｂまでの距離である。検出用素子１０１ａ，１０１ｂ，１０２ａまたは１０２ｂと金属配線１５２との距離ｒを測定しておけば、比例定数ｋは既知であるので、磁界Ｈ_ｌｉｎｅを測定することにより、電流Ｉ_ｌｉｎｅを測定することが可能である。

スピンバルブ型磁気抵抗効果素子を用いた磁界検出器は、固着層磁化方向に沿った磁界成分を検出する。このため、磁界方向は常に同方向である磁界検出に適している。金属配線１５２の方向と位置が固定された電流によって発生する磁界は、常に同方向である。このため、実施の形態１で示した磁界検出装置は、磁界を検出することによる電流の検出にも適している。

また、本実施の形態によれば、実施の形態１で説明した効果を利用し、半導体集積回路等に設けられた金属配線１５２における電流Ｉ_ｌｉｎｅの検出が可能となる。半導体集積回路に適用した場合、検出用素子１０１，１０２と被測定物である配線１５２との距離は、層間絶縁膜によって決定されるため、検出用素子１０１，１０２と被測定物である配線１５２との距離を小さくすることが可能であり、結果として、高感度な電流の検出が可能である。

図１６に、これを適用した半導体集積回路の例を示す。図１６の半導体集積回路においては、電力を供給する電源供給部２０２に、メモリ部２０４と演算回路部２０５とが、電源線２０６，２０７により接続され、電力が供給されている。これらの電源線２０６，２０７には、磁界検出装置で構成される電流検出装置２０１が設けられている。電流検出装置２０１は、メモリ部２０４と演算回路部２０５の電源線２０６，２０７の電流を常時検出し、検出した電流値を、制御回路２０３へとフィードバックする。

本構成によれば、半導体集積回路に影響を与えず、高精度且つ高感度な電流の検出を実現することが可能となる。この結果、環境に依存した半導体集積回路の動作状況をモニタリングおよびフィードバックを実施することで、半導体集積回路の低消費電力化が可能となる。

ここでの動作は磁界により電流を検出していることから、実施の形態１から３で説明した磁界検出装置の適用が可能である。図１７には、例として、実施の形態２で示した磁界検出装置の適用例を示す。

以上のように、本実施の形態においては、実施の形態１〜３で示した磁界検出装置を用いて電流検出装置を構成するようにしたので、前述の実施の形態１〜３の磁界検出装置を応用することで、実施の形態１〜３で得られた効果が得られ、安定した電流検出装置を実現することができる。

また、本実施の形態においては、実施の形態１〜３で示した磁界検出装置を用いた電流検出装置を備えた半導体集積回路としたので、半導体集積回路の低消費電力化を実現するとともに、磁界検出装置および電流検出装置の機能の集積化も実現することができる。

上記の実施の形態１〜４においては、磁界検出装置およびこれを用いた電流検出装置について説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、被測定物が磁界を発する検出装置であれば類似する他の装置に広く適用することができる。

また、磁気抵抗効果素子にトンネル磁気抵抗効果素子を用いることが好ましいが、これに限定されるものではなく、巨大磁気抵抗効果素子など、一方の磁化方向が固定された強磁性層を含むその他の磁気抵抗効果素子であってもよい。

１，１０１，１０２ 検出用磁気抵抗効果素子（検出用素子）、２ 無磁界における自由層の磁化方向、２ａ 磁界が印加された場合の自由層の磁化方向、３ 固着層の磁化方向、１１，１１１，１１２ 参照用磁気抵抗効果素子（参照用素子）、５１，５２，５３，５４，５５，５６，５７，５８ 金属配線、６１ 基板、６２ 下部電極層、６３ 反強磁性層、６４，６６ 強磁性層、６５ 非磁性層、６７ トンネル絶縁層、６８ 自由層、６９ 上部電極層、７０ 固着層、１５１ 磁界印加用配線（配線）、１５２ 金属配線、２０１ 電流検出装置。

Claims (7)

1. 外部磁界に応じた出力信号を出力する磁界検出装置であって、
   基板上に設けられた２個以上の磁界検出用磁気抵抗効果素子と、
   前記基板上に設けられた２個以上の参照用磁気抵抗効果素子と、
   前記磁界検出用磁気抵抗効果素子の自由層の磁化困難軸方向に磁界を印加するバイアス磁界印加用配線と
   を備え、
   前記参照用磁気抵抗効果素子および前記磁界検出用磁気抵抗効果素子は、それぞれ、反強磁性層と前記反強磁性層により磁化方向が固定された磁性体層とからなる固着層と、外部磁界によって磁化方向が変化する磁性体層からなる自由層とが積層された構造を有し、
   前記２個以上の参照用磁気抵抗効果素子は、前記固着層の磁化方向と前記自由層の無磁界における磁化方向とが平行の状態のものと反平行の状態のものとを含んでおり、
   前記磁界検出用磁気抵抗効果素子は、前記固着層の磁化方向と前記自由層の無磁界における磁化方向とが異なる、
   磁界検出装置。
2. 前記参照用磁気抵抗効果素子と前記検出用磁気抵抗効果素子とは、同一面積で、かつ、同一形状を有し、互いに９０°回転した向きに配置され、その個数は互いに等しい
   請求項１に記載の磁界検出装置。
3. 前記外部磁界が印加されていない無磁界の状態で前記出力信号が所定値となる電流値の電流を前記バイアス磁界印加用配線に流すことにより前記オフセットを補正した状態で、外部磁界に応じた前記出力信号を生成する
   請求項１または２に記載の磁界検出装置。
4. 前記検出用磁気抵抗効果素子に磁界を印加するバイアス磁界印加用配線は、同時に、前記参照用磁気抵抗効果素子にも前記磁界を印加する
   請求項１から３までのいずれか１項に記載の磁界検出装置。
5. 請求項１から４までのいずれか１項に記載の磁界検出装置を用いた電流検出装置。
6. 請求項５に記載の電流検出装置を備えた半導体集積回路。
7. 外部磁界に応じた出力信号を出力する磁界検出方法であって、
   基板上に設けられた２個以上の磁界検出用磁気抵抗効果素子と、前記基板上に設けられた２個以上の参照用磁気抵抗効果素子と、前記磁界検出用磁気抵抗効果素子の自由層の磁化困難軸方向に磁界を印加するバイアス磁界印加用配線とを備えた磁界検出装置を用意するステップと、
   前記外部磁界を印加しない無磁界において、前記バイアス磁界印加用配線にバイアス用電流を流すことにより、前記磁界検出用磁気抵抗効果素子の前記自由層の磁化困難軸方向に磁界を印加した状態で、前記出力信号を検出するステップと、
   前記出力信号が所定値か否かを判定し、前記出力信号が所定値になる前記バイアス用電流の値を求めるステップと、
   前記外部磁界を印加した磁界下において、前記バイアス磁界印加用配線に、前記出力信号が所定値になる前記バイアス用電流を流すことにより、前記磁界検出用磁気抵抗効果素子にバイアス磁界を印加した状態で、前記出力信号を検出するステップと
   を備え、
   前記参照用磁気抵抗効果素子および前記磁界検出用磁気抵抗効果素子は、それぞれ、反強磁性層と前記反強磁性層により磁化方向が固定された磁性体層とからなる固着層と、外部磁界によって磁化方向が変化する磁性体層からなる自由層とが積層された構造を有し、
   前記２個以上の参照用磁気抵抗効果素子は、前記固着層の磁化方向と前記自由層の無磁界における磁化方向とが平行の状態のものと反平行の状態のものとを含んでおり、
   前記磁界検出用磁気抵抗効果素子は、前記固着層の磁化方向と前記自由層の無磁界における磁化方向とが異なる、
   磁界検出方法。

Images