JP2014153054A - 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】参照用磁気抵抗効果素子の抵抗値を安定化し、検出用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により、検出誤差を抑制する。
【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、参照用素子１１１，１１２の自由層の磁化容易軸方向にバイアス磁界を印加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、平行の状態のものと反平行の状態のものに印加するバイアス磁界の向きは互いに１８０°異なり、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、一定抵抗として用いる参照用の磁気抵抗効果素子は、自由層の形状磁気異方性によってその磁化方向を維持しており、外部磁界によって磁化方向が傾く場合や反転する場合があり、抵抗値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点における抵抗値を安定的に確保することは困難であった。このために、参照用の磁気抵抗効果素子の抵抗値が変化することにより、検出誤差を発生し、検出磁界の大きさにも制約を与え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磁気抵抗効果素子の抵抗値を安定化させ、検出用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により、検出誤差を抑制し、安定した出力信号を示すことが可能で、かつ、製造も容易な、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。

この発明は、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２個以上の参照用磁気抵抗効果素子の自由層の磁化容易軸方向に磁界を同時に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、前記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、前記バイアス磁界印加用配線が印加する磁界の方向は、前記２個以上の参照用磁気抵抗効果素子のうち、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に対する磁界と、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反平行の状態のものに対する磁界とで、互いに１８０°異なり、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。

この発明は、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２個以上の参照用磁気抵抗効果素子の自由層の磁化容易軸方向に磁界を同時に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、前記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、前記バイアス磁界印加用配線が印加する磁界の方向は、前記２個以上の参照用磁気抵抗効果素子のうち、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に対する磁界と、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反平行の状態のものに対する磁界とで、互いに１８０°異なり、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、製造工程が容易で、かつ、一定抵抗として用いる参照用磁気抵抗効果素子の抵抗値を安定化させ、検出用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により、検出誤差を抑制し、安定した出力信号を示すことができる。

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における磁界検出装置の出力信号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４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４の変形例における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５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５の電流検出装置の適用例を説明するための上面図である。 本発明の実施の形態５の変形例における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６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６におけ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。 本発明の実施の形態６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６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６の変形例における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に沿った方向に外部磁界Ｈが印加されると、自由層の磁化は外部磁界Ｈ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。すなわち、検出用の磁気抵抗効果素子１の長手方向と、参照用の磁気抵抗効果素子１１の長手方向とが、互いに、９０°異なるように、それらの素子１，１１は基板上に配置される。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。）を有している。これらの磁気抵抗効果素子は、上面から見た場合に、それぞれ、同面積かつ同形状の角丸長方形を有しており、検出用素子と参照用素子とで、長手方向が９０°異なるように配置されている。また、検出用素子の個数と、参照用素子の個数とは、共に４個で、同数となっている。

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（図示せず）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、外部に設けられた信号検出回路（図示せず）へと接続されている。このように、図５の磁気検出装置は、ブリッジ回路を形成している。

検出用素子１０１ａ、１０１ｂと、検出用素子１０２ａ、１０２ｂとは、並行に配置されている。検出用素子１０１ａ、１０１ｂと、検出用素子１０２ａ、１０２ｂとの間は、所定の距離、離間している。また、参照用素子１１１ａ、１１１ｂと、参照用素子１１２ａ、１１２ｂとは、並行に配置されている。また、参照用素子１１１ａ、１１１ｂと、参照用素子１１２ａ、１１２ｂとの間は、所定の距離、離間している。

また、参照用素子１１１ａ、１１１ｂ、１１２ａ、１１２ｂの直下には、それらの素子に対して電気的に絶縁された磁界印加用配線１５１が配置されており、磁界印加用配線１５１の長手方向（軸方向または配線方向）が、参照用素子１１１ａ、１１１ｂ、１１２ａ、１１２ｂの長手方向に直交する方向に配置されている。この磁界印加用配線１５１は、電流を流した場合に、参照用素子１１１ａ、１１２ａでは紙面左向きに、参照用素子１１１ｂ、１１２ｂには紙面右向きに、同時に、磁界Ｈ_ｂｉａｓを印加することが可能であるように、コの字型に折り返されて配置されている。すなわち、磁界印加用配線１５１は、同一平面内で、１８０°折り返した１本の配線から構成されている。

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および参照用素子１１１ａ、１１１ｂ、１１２ａ、１１２ｂの自由層６８は、それらの素子の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。

図５では、前述したように、４個の参照用素子に同時に磁界を印加するための磁界印加用配線１５１が備えられている。この磁界印加用配線１５１は、参照用素子１１１ａ、１１２ａと、参照用素子１１１ｂ、１１２ｂとのそれぞれに対し、同時に磁界を印加することが可能であるが、参照用素子１１１ａ、１１２ａの真下と、参照用素子１１１ｂ、１１２ｂの直下とにおける、磁界印加用配線１５１を流れる電流の向きは逆方向となっている。このため、それぞれの素子に印加される磁界は、参照用素子１１１ａおよび１１２ａでは紙面左向き、参照用素子１１１ｂおよび１１２ｂでは紙面右向きとなる。すなわち、磁界印加用配線１５１は、参照用素子１１１ａ、１１２ａの自由層の磁化容易軸方向と、参照用素子１１１ｂ、１１２ｂの自由層の磁化容易軸方向とのそれぞれに、互いに１８０°異なる方向の磁界を同時に印加することができる。

磁界印加用配線１５１に、図４に示すＨｃよりも大きな値の磁界Ｈ_ｂｉａｓを発生する電流Ｉ_ｂｉａｓを流すことによって、参照用素子１１１ａ、１１２ａは、固着層と自由層の磁化が反平行になり、抵抗値はＲ_ｍ＋ΔＲ／２となる。参照用素子１１１ｂと１１２ｂでは平行状態となり、抵抗値はＲ_ｍ−ΔＲ／２となる。これらの参照用素子の磁界に対する抵抗は、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Ｉ_ｂｉａｓ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、参照用素子１１１ａと１１１ｂ、および、参照用素子１１２ａと１１２ｂは、それぞれ、直列に接続されているため、それぞれの直列抵抗は、２Ｒ_ｍとなる。検出用素子についても同様に、検出用素子１０１ａと１０１ｂ、および、検出用素子１０２ａと１０２ｂは、それぞれ、直列に接続されており、無磁界での抵抗は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、トンネル絶縁層である非磁性層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において強磁性層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膜が非磁性層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。非磁性層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、固着層の強磁性層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６５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６８となる強磁性層である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。

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、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Ｖ２と金属配線５８の電位Ｖ１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、磁界下の状態を考える。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Ｈ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Ｖ１−Ｖ２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個の参照用素子の抵抗の和は、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。また、一旦、その抵抗状態になると、磁界印加用配線１５１の電流を用いない限り、２個の参照用抵抗による２Ｒ_ｍの抵抗は得られない。

以上から、磁界印加用配線１５１に電流を流していない状態においては、参照用素子のＨ_ｃが磁界検出装置の動作領域に制約を与えることとなる。

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、参照用素子１１１ａ、１１２ａと、参照用素子１１１ｂ、１１２ｂのそれぞれに対し、同時に磁界Ｈ_ｂｉａｓを印加することが可能である。参照用素子１１１ａ、１１２ａと、参照用素子１１１ｂ、１１２ｂとのそれぞれの直下における電流の向きは逆方向となっている。このため、それぞれの素子に印加される磁界Ｈ_ｂｉａｓは、参照用素子１１１ａおよび１１２ａでは紙面左向き、参照用素子１１１ｂおよび１１２ｂでは紙面右向きとなる。

この電流Ｉ_ｂｉａｓによって、磁界Ｈ_ｂｉａｓが発生するとした場合、参照用素子１１１aおよび１１１ｂを直列に接続した外部磁界に対する抵抗変化は、図７に示すようになる。図７を参照して、参照用素子１１１aおよび１１１ｂはそれぞれ、図４に示した特性を有しているが、ここでは外部磁界Ｈ以外に一定磁界のＨ_ｂｉａｓが印加されている。これにより、参照用素子１１１ａでは、ヒステリシス全体がＨ_ｂｉａｓ分だけ正の方向へシフトする。これによって単体の抵抗は、Ｈ≧−Ｈ_ｃ−Ｈ_ｂｉａｓにおいて、Ｒ_ｍ−ΔＲ／２で安定化する。参照用素子１１１ｂでは、ヒステリシス全体がＨ_ｂｉａｓ分だけ負の方向へとシフトする。これによって単体の抵抗は、Ｈ≦Ｈ_ｃ＋Ｈ_ｂｉａｓにおいて、Ｒ_ｍ＋ΔＲ／２で安定化する。すなわち、｜Ｈ｜≦Ｈ_ｃ＋Ｈ_ｂｉａｓの領域で２個が直列接続された検出用素子の抵抗の中点である２Ｒ_ｍを得ることが可能である。前述したとおり、Ｈ_ｂｉａｓがない場合は｜Ｈ｜≧Ｈ_ｃの領域であったことから、参照用素子が機能する領域を２Ｈ_ｂｉａｓ分、大きくすることが可能である。

図５に示される構成で、磁界印加用配線１５１に電流を流した場合の出力信号（Ｖ１−Ｖ２）を、図８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示すことから、無磁界において正確に０出力となる特性が得られ、｜Ｈ｜≧Ｈ_ｋの領域において、外部磁界Ｈに対して線形の出力信号（Ｖ１−Ｖ２）が得られる。ここでは、Ｈ_ｃ＋Ｈ_ｂｉａｓ≧Ｈ_ｋとなるＨ_ｂｉａｓを用いていることから、参照用素子のＨ_ｃの制約を受けることなく動作することが可能である。

なお、以上は一定電流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。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。ここでの磁気抵抗硬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は参照用素子の直下に配置する例を示したが、参照用素子の自由層の膜面方向に平行で、かつ、長手方向に沿った方向（磁化容易軸方向）に磁界を印加できればよく、参照用素子の直上に配置されてもよい。この場合は、参照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、結果的に、同様な効果が得られる。また、電流Ｉ_ｂｉａｓを流す向きを反対にすれば、前述の説明と同じ向きとなるので、そのようにしてもよい。

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。更に参照用素子の平行状態と反平行状態を同時に形成し、且つ磁界検出時の各状態を安定化するための磁界印加用配線を備えているため、安定した０点出力が得られ、動作可能な磁界範囲が大きく、参照層における自由層磁化の反転を防ぐことが可能である。

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１によれば、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、参照用磁気抵抗効果素子１１１，１１２の自由層の磁化容易軸方向にバイアス磁界Ｈ_ｂｉａｓを同時に印加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６３により磁化方向が固定された強磁性層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自由層６８とが積層された構造を有し、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ものと反平行の状態のものとを含んでおり、磁界印加用配線１５１が印加する磁界の方向は、参照用磁気抵抗効果素子１１１，１１２のうち、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ものに対する磁界と、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反平行の状態のものに対する磁界とで、互いに１８０°異なり、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、磁界検出装置であるので、バイアス磁界の印加により、一定抵抗として用いる参照用磁気抵抗効果素子１１１，１１２の抵抗値を安定化させ、かつ、バイアス磁界Ｈ_ｂｉａｓを印加した分だけ動作磁界を拡大させることができるので、磁界検出用磁気抵抗効果素子１０１，１０２の抵抗値の中点を安定して得ることが可能であり、磁界検出用磁気抵抗効果素子１０１，１０２における０点出力の制御を容易にして、磁界検出用磁気抵抗効果素子１０１，１０２の安定した０点が得られ、検出誤差を抑制することができる。これにより、温度や製造工程に起因した磁気抵抗効果素子の抵抗値の変動を抑制し、製造も容易で、安定した出力信号を示す磁界検出装置を実現することが可能である。

また、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とは、同一面積で、長手方向が互いに９０°異なる向きに配置され、その個数は互いに等しいので、磁界検出用磁気抵抗効果素子１０１，１０２と参照用磁気抵抗効果素子１１１，１１２を同時に形成することを可能にするとともに、同一の抵抗値を得ることができる。

また、磁界印加用配線１５１は、同一平面内で１８０°折り返した１本の配線であるので、参照用磁気抵抗効果素子１１１，１１２の自由層６８の磁化の制御を容易にすることができる。

実施の形態２．
図９は、本発明の実施の形態２における磁界検出装置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１０１ａ，１０１ｂ，１１１ａ，１１１ｂは、実施の形態１で説明した素子１０１ａ，１１１ａ等と同じであり、詳細な説明は省略する。尚、本実施の形態においても、これらの素子１０１，１１１は、上面から見た場合に、それぞれ、同面積かつ同形状の角丸長方形を有しており、検出用素子１０１と参照用素子１１１とで、長手方向が９０°異なるように配置されている。また、検出用素子１０１の個数と、参照用素子１１１の個数とは、共に２個で、同数となっている。

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５７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５７は電位を検出するために外部に設けられた信号検出回路へと接続されている。

実施の形態１と同様に、参照用素子１１１ａ、１１１ｂの直下には、電気的に絶縁された磁界印加用配線１５１が配置されており、参照用素子１１１ａ，１１１ｂの長手方向に直交する方向に配置されている。この磁界印加用配線１５１は、電流を流した場合に、参照用素子１１１ａでは紙面左向きに、参照１１１ｂには紙面右向きに、同時に磁界を印加することが可能であるように、１８０°折り返されて配置されている。すなわち、磁界印加用配線１５１は、２個の参照用素子１１１ａ、１１１ｂのそれぞれの自由層の磁化容易軸方向に、互いに１８０°異なる方向の磁界を同時に印加することができる。この磁界印加用配線１５１の磁界によって、２個の参照用素子１１１ａ、１１１ｂの抵抗値は、実施の形態１と同様に、それぞれＲ_ｍ＋ΔＲ／２とＲ_ｍ−ΔＲ／２で保たれる。

なお、検出用素子１０１ａ，１０１ｂおよび参照用素子１１１ａ，１１１ｂの断面構造や形成方法は実施の形態１と同様であるため、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９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５７における電位Ｖ_ｏｕｔは、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Ｈが印加された場合は、磁界Ｈに依存した電圧が得られる。

実施の形態１と同様に、磁界印加用配線１５１に電流を流した場合は、参照用素子１１１ａ、１１１ｂに対し、同時に逆方向のバイアス磁界Ｈ_ｂｉａｓが印加される。図７に示したように、｜Ｈ｜≦Ｈ_ｃ＋Ｈ_ｂｉａｓの領域で、直列接続された２個の検出用素子１０１ａ，１０１ｂの抵抗値の中点である２Ｒ_ｍを得ることが可能である。本実施の形態においても、Ｈ_ｃ＋Ｈ_ｂｉａｓ≧Ｈ_ｋとなるＨ_ｂｉａｓを用いていることで、参照用素子のＨ_ｃの制約を受けることなく動作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、参照用素子１１１ａ，１１１ｂの直下に配置する例を示したが、参照用素子１１１ａ，１１１ｂの自由層の膜面方向に平行で、かつ、長手方向に磁界を印加できればよく、参照用素子１１１ａ，１１１ｂの直上に配置されてもよい。この場合は、参照用素子１１ａ，１１１ｂ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、同様な効果が得られる。また、電流Ｉ_ｂｉａｓを流す向きを逆向きとしてもよい。

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値が変化した場合でも、その影響を抑制することが可能となる。

本実施の形態によれば、検出用素子１０１ａ，１０１ｂ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１１１ａ、１１１ｂとを用いていることによって、検出用素子１０１ａ、１０１ｂの中点の抵抗値を得ることが可能である。更に、参照用素子１１１ａ、１１１ｂの平行状態と反平行状態を同時に形成し、且つ、磁界検出時の各状態を安定化するための磁界印加用配線１５１を備えているため、動作可能な磁界範囲が大きく、参照用素子１１１ａ，１１１ｂにおける自由層の磁化の反転を防ぐことが可能である。

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、参照用磁気抵抗効果素子１１１ａ，１１１ｂの自由層の磁化容易軸方向にバイアス磁界Ｈ_ｂｉａｓを同時に印加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６３により磁化方向が固定された強磁性層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自由層６８とが積層された構造を有し、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ものと反平行の状態のものとを含んでおり、磁界印加用配線１５１が印加する磁界の方向は、参照用磁気抵抗効果素子１１１ａ，１１１ｂのうち、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ものに対する磁界と、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反平行の状態のものに対する磁界とで、互いに１８０°異なり、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ので、一定抵抗として用いる参照用磁気抵抗効果素子１１１の抵抗値を安定化し、磁界検出用磁気抵抗効果素子１０１の抵抗値の中点を安定して得ることが可能であり、磁界検出用磁気抵抗効果素子１０１における０点出力の制御を容易にして、磁界検出用磁気抵抗効果素子１０１の安定した０点が得られ、検出誤差を抑制することができる。これにより、温度や製造工程に起因した磁気抵抗効果素子の抵抗値の変動を抑制し、製造も容易で、安定した出力信号を示す磁界検出装置を実現することが可能である。

また、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とは、同一面積で、長手方向が互いに９０°異なる向きに配置され、その個数は互いに等しいので、磁界検出用磁気抵抗効果素子１０１ａ，１０１ｂと参照用磁気抵抗効果素子１１１ａ，１１１ｂを同時に形成することを可能にするとともに、同一の抵抗値を得ることができる。

また、磁界印加用配線１５１は、同一平面内で１８０°折り返した１本の配線であるので、参照用磁気抵抗効果素子１１１ａ，１１１ｂの自由層６８の磁化の制御を容易にすることができる。

実施の形態３．
図１０は、本発明の実施の形態３における磁界検出装置を示す上面図である。本実施の形態の磁界検出装置は、図５に示した実施の形態１の磁界検出装置における検出用素子１０１ａ，１０１ｂ、１０２ａ、１０２ｂおよび参照用素子１１１ａ、１１１ｂ、１１２ａ、１１２ｂを、それぞれ同数で並列接続したものである。

すなわち、具体的には、図５に示した実施の形態１の磁界検出装置における検出用素子１０１ａ，１０１ｂからなる直列体の代わりに、図９では、検出用素子１０１ａと１０１ｂとが金属配線５１で接続された直列体と、検出用素子１０１ａ’と１０１ｂ’とが金属配線５１’で接続された直列体とが、互いに並列に接続されたブリッジ回路が設けられている。

同様に、図５に示した実施の形態１の磁界検出装置における検出用素子１０２ａ、１０２ｂからなる直列体の代わりに、図９では、検出用素子１０２ａと１０２ｂとが金属配線５２で接続された直列体と、検出用素子１０２ａ’と１０２ｂ’とが金属配線５２’で接続された直列体とが、互いに並列に接続されたブリッジ回路が設けられている。

同様に、図５に示した実施の形態１の磁界検出装置における参照用素子１１１ａ，１１１ｂからなる直列体の代わりに、図９では、参照用素子１１１ａと１１１ｂとが金属配線５３で接続された直列体と、参照用素子１１１ａ’と１１１ｂ’とが金属配線５３’で接続された直列体とが、互いに並列に接続されたブリッジ回路が設けられている。

同様に、図５に示した実施の形態１の磁界検出装置における参照用素子１１２ａ，１１２ｂからなる直列体の代わりに、図９では、参照用素子１１２ａと１１２ｂとが金属配線５４で接続された直列体と、参照用素子１１２ａ’と１１２ｂ’とが金属配線５４’で接続された直列体とが、互いに並列に接続されたブリッジ回路が設けられている。

その他の動作や構成は実施の形態１と同じであるため、説明の詳細は省略する。

本実施の形態においては、検出用素子１０１，１０２と参照用素子１１１，１１２とも、素子数が実施の形態１の２倍となっており（すなわち、実施の形態１では検出用素子がのべ４個、参照用素子がのべ４個に対し、実施の形態３では、検出用素子がのべ８個、参照用素子がのべ８個設けられている）、素子間の特性ばらつきがたとえ発生した場合にも、素子の個数が多い分、その特性を平均化することが可能である。

また、図示しないが、４個の素子をブリッジ回路にせずに、４個ずつすべて直列接続した場合や、直列接続と並列接続とを組み合わせた場合でも、同様な効果が得られる。これらの接続は、抵抗の調整においても有効である。また、ここでは、実施の形態１で示した構成に適用させた例を説明したが、実施の形態２の構成に適用させても、有効なことは明らかである。

以上のように、本実施の形態によれば、実施の形態１と同様の効果が得られる。さらに、本実施の形態においては、検出用素子１０１，１０２と参照用素子１１１，１１２とも、素子数が実施の形態１の２倍にしたので、素子間の特性ばらつきがたとえ発生した場合にも、素子の個数が多い分、その特性を平均化することが可能である。

実施の形態４．
本発明の実施の形態４について、図１１を参照して説明する。図１１に示される構成は、磁界印加用配線１５１を除いては、実施の形態１と同じ構成である。本実施の形態では、図１１に示すように、磁界印加用配線１５１Ａが、検出用素子１０１ａ，１０１ｂおよび１０２ａ、１０２ｂの真下にも延在し、その部分においては、それぞれの検出用素子の長手方向と直交する方向を向いている。

すなわち、本実施の形態においては、磁界印加用配線１５１Ａが、すべての素子の真下を通り、かつ、すべての素子の長手方向と直交する方向に配置されている。具体的には、磁界印加用配線１５１Ａが、まず、参照用素子１１１ａの真下を通り、その後、９０°折り曲げられ、検出用素子１０１ａの真下を通り、その後、コの字形状になるように、２回、９０°に折り曲げられ、検出用素子１０１ｂの真下を通り、その後、９０°折り曲げられて、参照用素子１１２ａの真下を通り、その後、コの字形状になるように、２回、９０°に折り曲げられ、参照用素子１１２ｂの真下を通り、その後、９０°折り曲げられ、検出用素子１０２ｂの真下を通り、その後、コの字形状になるように、２回、９０°に折り曲げられ、検出用素子１０２ａの真下を通り、その後、９０°折り曲げられて、参照用素子１１１ｂの真下を通っている。

この実施の形態に依れば、４個の参照用素子１１１，１１２の長手方向に印加される磁界Ｈ_ｂｉａｓが、同時に、４個の検出用素子１０１，１０２の長手方向に印加される。すなわち、磁界印加用配線１５１Ａにより、４個の参照用素子１１１，１１２の自由層の磁化容易軸方向と、４個の検出用素子１０１，１０２の自由層の磁化容易軸方向とに、同時に、磁界Ｈ_ｂｉａｓが印加される。この磁界Ｈ_ｂｉａｓによって、検出用素子１０１，１０２の自由層において、長手方向の磁気異方性が追加的に付与される。これによって、ヒステリシスの発生を抑制することが可能となる。また、この自由層の見掛け上の異方性磁界は以下の式（５）となる。

Ｈ_ｋ’＝Ｈ_ｋ＋Ｈ_ｂｉａｓ （５）

すなわち、参照用素子１１１，１１２の抵抗値の安定化を図りながら、同時に、検出用素子１０１，１０２の感度や動作磁界の制御が可能となる。

図１１では、配線１５１Ａによる磁界Ｈ_ｂｉａｓは、検出用素子１０１ａと１０２ａに対しては紙面上向きに、検出用素子１０１ｂと１０２ｂでは紙面下向きというように、互いに逆向きになっている。これについては、限定されるものではなく、共に同じ向きに磁界が印加される配置であってもよい。

但し、磁界印加用配線１５１Ａによる磁界Ｈ_ｂｉａｓが、図１１に示すように、検出用素子１０１ａ、１０２ａと検出用素子１０１ｂ、１０２ｂとで逆向きになっている構成を用いた場合には、膜形成や熱処理時等の製造工程に起因して発生し得る、固着層の磁化が傾きの影響を抑制することが可能である。外部磁界Ｈが印加された場合に、検出用素子１０１ａ、１０２ａと１０１ｂ、１０２ｂでは、逆方向に自由層磁化が回転する。仮に固着層磁化が想定（長手方向に対して直交する向き）に対して傾きが発生した場合、無磁界での自由層と固着層との磁化のなす角の絶対値は、それぞれで増加と減少と逆方向に作用するため、影響を相殺することが可能となる。

本実施の形態によれば、参照用素子の抵抗値の安定化を図りながら、同時に検出用素子の自由層のヒステリシスの抑制が可能であり、感度や動作磁界の制御も可能である。更に固着層の磁化が傾いた場合の影響も抑制することが可能である。

なお、ここでは、磁界印加用配線１５１Ａは参照用素子の直下に配置する例を示したが、参照用素子の自由層の膜面方向に平行で、長手方向に沿った方向に磁界を印加できればよく、参照用素子の直上に配置されてもよい。この場合は、参照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、結果的に同様な効果が得られる。また、電流Ｉ_ｂｉａｓを流す向きを逆向きにしてもよい。

ここでの動作は、磁界印加用配線１５１Ａの延在方向が異なるだけであり、図１１では、実施の形態１の構成に適用させた例を示した。しかしながら、これに限定されるものではなく、本実施の形態は、実施の形態２や実施の形態３にも適用可能であることは明らかである。図１２には、例として、実施の形態２で示した磁界検出装置への適用例を示す。

以上のように、本実施の形態によれば、実施の形態１〜３と同様の効果が得られるとともに、さらに、本実施の形態においては、磁界印加用配線１５１Ａおよび１５１Ｂは、参照用磁気抵抗効果素子１１１，１１２と同時に、磁界検出用磁気抵抗効果素子１０１，１０２にもバイアス磁界を印加するので、参照用素子１１１，１１２の自由層６８の磁化の制御を容易にすることができる。

実施の形態５．
図１３は、本発明の実施の形態５における電流検出装置を示す上面図である。図１３の構成は、図５に示した実施の形態１と基本的に同じ構成の磁界検出器を用いているが、図１３では、検出用素子１０１ａ、１０１ｂと、検出用素子１０２ａ、１０２ｂとが、それぞれ、互いに隣接する位置に配置されている。本発明の実施の形態５における電流検出装置では、これらの検出用素子１０１、１０２の直下には、これらの検出用素子とは電気的に絶縁された、検出用測定対象となる電流Ｉ_ｌｉｎｅが流れる金属配線１５２が設けられている。この金属配線１５２は、検出用素子１０１，１０２の長手方向に沿った方向に配置されている。

ここでは、測定対象となる金属配線１５２に電流Ｉ_ｌｉｎｅが流れた場合に、この電流の作用により、金属配線１５２と垂直な方向に環状磁界が発生する。この磁界Ｈ_ｌｉｎｅの大きさは次式（６）で表される。

Ｈ_ｌｉｎｅ＝ｋ・Ｉ_ｌｉｎｅ／ｒ （６）

上記式（６）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１０１または１０２の距離である。検出用素子と金属配線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。

スピンバルブ型素子を用いた磁界検出器は、固着層の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。配線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を用いた本実施の形態に係る電流検出装置は、磁界を検出することによる電流の検出に適している。

なお、図１３では、実施の形態１の構成に本実施の形態を適用させた電流検出装置を示したが、この場合に限らず、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４で説明したすべての磁界検出装置への適用が可能である。図１５には、例として、図９に示した実施の形態２で示した磁界検出装置の適用例を示す。図１５では、図９の構成に、測定対象となる金属配線１５２が追加されている。

なお、本実施の形態では、図１３および図１５で、磁界印加用配線１５１および測定対象となる金属配線１５２は、それぞれ参照用素子と検出用素子の直下に配置する例を示したが、これらの素子の直上に配置されてもよい。この場合は、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、同様な効果が得られる。

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、半導体集積回路の配線における電流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、磁気検出用素子と被測定物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１４に、これを適用した半導体集積回路の例を示す。図１４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、実施の形態１〜４で示した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。

以上のように、本実施の形態によれば、実施の形態１〜４で示した磁界検出装置を用いた電流検出装置としたので、実施の形態１〜４と同様の効果が得られるとともに、実施の形態１〜４の磁界検出装置を応用することで、安定した電流検出装置を実現することができる。また、そのような電流検出器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。

実施の形態６．
本発明の実施の形態６における磁界検出装置の上面図を図１６に示す。図１６に示される構成は、磁界印加用の配線１５１Ｃを除いては、実施の形態１と同じ構成によるものである。ここでは、磁界印加用配線１５１Ｃが、参照用素子１１１、１１２だけでなく、検出用素子１０１、１０２の直下にも延在し、検出用素子１０１、１０２においては、それぞれの素子の長手方向に沿った方向を向いて磁界印加用配線１５１Ｃが配置されている。

磁界印加用配線１５１Ｃは、検出用素子１０１ｂ、１０１ａの真下を通り、その後、コの字形状になるように、２回、９０°に折り曲げられて、参照用素子１１１ａ、１１２ａの真下を通り、その後、コの字形状になるように、２回、９０°に折り曲げられて、参照用素子１１２ｂ、検出用素子１０２ｂ、１０２ａ、参照用素子１１１ｂの順に、それらの真下を通っている。すなわち、磁界印加用配線１５１Ｃは、同一平面内で１８０°に２回折り返した１本の配線である。

この実施の形態に依れば、参照用素子１１１、１１２の長手方向（参照用素子の自由層の磁化容易軸方向）に印加される磁界Ｈ_ｂｉａｓが、検出用素子１０１、１０２の長手方向に直交する方向（検出用素子の自由層の磁化困難軸方向）に同時に印加される。この際、磁界印加用配線１５１による磁界Ｈ_ｂｉａｓは、検出用素子１０１ａと１０２ａ、１０１ｂと１０２ｂに対してすべて紙面右向きとなっている。この磁界Ｈ_ｂｉａｓによって、検出用素子１０１，１０２の磁界応答性を磁界Ｈ_ｂｉａｓ分だけ、オフセットすることが可能である。すなわち、参照用素子１１１，１１２の抵抗値の安定化を図りながら、同時に検出用素子１０１，１０２の動作領域を変更することが可能である。

磁気抵抗効果素子においては、製造工程に起因して、固着層の磁化から発生する漏れ磁界や、トンネル絶縁膜を介した磁気的な交換結合等、固着層磁化と自由層磁化に相互作用が発生し、自由層の磁界応答性にオフセットが発生し得る。本実施の形態を用いれば、検出用素子のオフセットの影響を、磁界Ｈ_ｂｉａｓを用いて補正することが可能となる。これを図１７に示す。図１７に示すように、磁界Ｈ_ｂｉａｓにより、検出用素子１０１、１０２の自由層に発生した磁界応答性のオフセットが補正され、安定した０点出力が得られることがわかる。なお、参照用素子１１１，１１２におけるオフセットの影響については、実施の形態１の図７で説明した効果と同様な理由により抑制することが可能である。

図１８に、本実施の形態における動作例を示す。ここでは、参照用素子が検出用素子の中点の抵抗を示す特徴を利用し、検出用素子の磁界応答性のオフセットを補正する手法について説明する。

先ず、ステップＳ１で、無磁界において、配線１５１Ｃ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。

もう一つの動作例を図１９に示す。ここでは、磁気平衡方式による動作において、検出用素子の磁界応答性のオフセット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１５１Ｃ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１８で説明した動作と同様である。

この後、図１９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１９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。

以上の構成と動作を用いれば、図１８で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、磁界印加用配線１５１Ｃは、参照用素子１１１、１１２の直下に配置する例を示したが、参照用素子１１１、１１２の自由層の膜面方向に平行で長手方向に沿った方向に磁界を印加できればよく、参照用素子１１１、１１２の直上に配置されてもよい。この場合は、参照用素子１１１、１１２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、結果的に同様な効果が得られる。また、電流Ｉ_ｂｉａｓの流れる向きを逆向きにしてもよい。

ここでの動作は、磁界印加用配線１５１Ｃの延在方向が異なるだけであることから、実施の形態１から３で説明したすべての磁界検出装置を変形した適用が可能である。図２０には、例として、図９に示した実施の形態２による磁界検出装置に、本実施の形態を適用させた変形例を示す。図２０においては、磁界印加用配線１５１が、検出用素子１０１ａ、１０１ｂ、参照用素子１１１ａ、１１１ｂの順に、それらの素子の真下を通っている。この場合は、図１８および図１９のフローチャートで説明した動作において、Ｖ１−Ｖ２が０となるＩ_ｂｉａｓを、Ｖ_ｏｕｔが１／２・Ｖ_ｃｃとなるＩ_ｂｉａｓとすることで、同様な効果が得られる。

以上のように、本実施の形態によれば、実施の形態１から３と同様の効果が得られるとともに、さらに、本実施の形態においては、磁界印加用配線１５１Ｃが、参照用磁気抵抗効果素子１１１，１１２と同時に、磁界検出用磁気抵抗効果素子１０１，１０２にもバイアス磁界を印加するようにしたので、参照用素子１１１，１１２の自由層６８の磁化の制御を容易にすることができる。

なお、上記の実施の形態１〜６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および半導体集積回路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。

また、磁界印加用配線１５１の折り曲げ角度を９０°として説明したが、その場合に限らず、要は、同一平面内で１８０°折り返した１本の配線であればよいため、折り曲げ角度は、任意の角度で、折り曲げ回数も何回でもよい。あるいは、角度を設けずに、Ｕ字型等に曲折させてもよい。

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、１５１ 磁界印加用配線、１５２ 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、２０１ 電流検出装置。

Claims (10)

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２個以上の参照用磁気抵抗効果素子の自由層の磁化容易軸方向に磁界を同時に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、前記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、
   前記バイアス磁界印加用配線が印加する磁界の方向は、前記２個以上の参照用磁気抵抗効果素子のうち、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に対する磁界と、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反平行の状態のものに対する磁界とで、互いに１８０°異なり、
   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磁界検出用磁気抵抗効果素子とは、同一面積で、長手方向が互いに９０°異なる向きに配置され、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. 前記バイアス磁界印加用配線は、同一平面内で１８０°折り返した１本の配線であることを特徴とする請求項１または２に記載の磁界検出装置。
4. 前記バイアス磁界印加用配線は、前記参照用磁気抵抗効果素子と同時に、前記磁界検出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. 前記バイアス磁界印加用配線は、前記参照用磁気抵抗効果素子の自由層の磁化容易軸方向と前記磁界検出用磁気抵抗効果素子の自由層の磁化容易軸方向に同時に前記磁界を印加する
   請求項４に記載の磁界検出装置。
6. 前記バイアス磁界印加用配線は、前記参照用磁気抵抗効果素子の自由層の磁化容易軸方向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同時に前記磁界を印加する
   請求項４に記載の磁界検出装置。
7. 請求項１から６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。
8. 請求項７記載の電流検出器を備えた半導体集積回路。
9. 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２個以上の参照用磁気抵抗効果素子の自由層の磁化容易軸方向にバイアス磁界を同時に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た磁界下において、前記バイアス磁界印加用配線により前記参照用磁気抵抗効果素子に所定の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、
   前記バイアス磁界印加用配線が印加する磁界の方向は、前記２個以上の参照用磁気抵抗効果素子のうち、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に対する磁界と、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反平行の状態のものに対する磁界とで、互いに１８０°異なり、
   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。
10. 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２個以上の参照用磁気抵抗効果素子の自由層の磁化容易軸方向、かつ、前記２個以上の磁界検出用磁気抵抗素子の自由層の磁化困難軸方向に同時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、参照用磁気抵抗効果素子の自由層の磁化容易軸方向および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および前記参照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、
    前記バイアス磁界印加用配線が印加する磁界の方向は、前記２個以上の参照用磁気抵抗効果素子のうち、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に対する磁界と、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反平行の状態のものに対する磁界とで、互いに１８０°異なり、
    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。

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