JP2017040628A

JP2017040628A - 磁気センサ

Info

Publication number: JP2017040628A
Application number: JP2015164058A
Authority: JP
Inventors: 敏史矢野; Satoshi Yano; 建一青; Jian Yi Qing; 青　　建一; 康夫安藤; Yasuo Ando; 幹彦大兼; Mikihiko Okane
Original assignee: Tohoku University NUC; Denso Corp
Current assignee: Tohoku University NUC; Denso Corp
Priority date: 2015-08-21
Filing date: 2015-08-21
Publication date: 2017-02-23

Abstract

【課題】磁気抵抗素子に対して新たに磁性膜を追加しなくてもピン層からの漏れ磁界を抑制できる構造の磁気センサを提供する。
【解決手段】センサ領域５０と対向するヨーク領域６０を備え、ヨーク領域６０に備えたピン層６０ａの磁化方向を、ヨーク領域６０と対応するセンサ領域５０に備えられたピン層２０の磁化方向と同方向とする。これにより、ヨーク領域６０のピン層６０ａとセンサ領域５０のピン層２０との間で磁気回路が形成される。このため、ヨーク領域６０のピン層６０ａが発生させる磁界の影響で、センサ領域５０のピン層２０の漏れ磁界の経路が変化し、漏れ磁界がヨーク領域６０側に導かれる。よって、ピン層２０の漏れ磁界が中間層３０を超えて更にフリー層４０に至ることを抑制できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ピン層、中間層およびフリー層を有する磁気抵抗素子を備えた磁気センサに関するものである。

従来より、磁化固定層に相当するピン層、中間層および磁界検出層に相当するフリー層を有する磁気抵抗素子を備えた磁気センサがある。磁気センサでは、ピン層からの漏れ磁界が検出精度を悪化させる要因の一つとなっている。具体的には、ピン層からの漏れ磁界が計測磁界を検知するフリー層に影響し、フリー層の磁化が変化することによって磁気センサの検出精度を悪化させている。

これを解決する構造として、特許文献１において、磁気抵抗素子に新たな磁性膜を追加する構造が提案されている。すなわち、ピン層、中間層およびフリー層を有する磁気抵抗素子のうちのピン層側の一面およびフリー層側の一面に、磁性膜として垂直材料層を配置した構造としている。このような構造とすることで、追加した磁性膜の磁界によって漏れ磁界を打ち消し、漏れ磁界に起因する磁気センサの検出精度の悪化を抑制している。

特開２０１４−１３０９４６号公報

しかしながら、新たに磁性膜を追加することになることから、磁気抵抗素子を構成する膜全体の結晶性を変化させてしまい、抵抗変化率等のセンサ特性の悪化につながるという懸念がある。また、新たに磁性膜を追加することによる成膜工程の複雑化、および、それに伴うコストアップを招く。

本発明は上記点に鑑みて、磁気抵抗素子に対して新たに磁性膜を追加しなくてもピン層からの漏れ磁界を抑制できる構造の磁気センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、基板（１０）と、基板の上に薄膜状に形成され、基板の面方向に対して平行な一方向を磁化方向として固定された磁化固定層（２０）と、磁化固定層の上に形成された薄膜状の中間層（３０）と、中間層の上に薄膜状に形成され、外部磁界によって磁化方向が変化する磁界検出層（４０）と、を有するセンサ領域（５０）と、平面状とされ、磁化固定層の側面と対向する側面を有し、磁化固定層における磁化方向と同方向もしくは反対方向の少なくとも一方に配置され、空気よりも高透磁率で構成された高透磁率膜（６０ａ）を有するヨーク領域（６０）と、を備えていることを特徴としている。

このように、センサ領域と対応するヨーク領域を備え、ヨーク領域の高透磁率膜をセンサ領域の磁化固定層と磁化方向を一致させている。これにより、磁化固定層の漏れ磁界が中間層を超えて更に磁界検出層に至ることを抑制でき、漏れ磁界が磁界検出層に与える影響を抑制することが可能となる。よって、磁気抵抗素子に対して新たに磁性膜を追加しなくても、磁化固定層からの漏れ磁界を抑制できる構造の磁気センサとすることが可能となる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。

本発明の第１実施形態にかかる磁気抵抗素子を備えた磁気センサの斜視図である。図１中の破線で囲んだ領域IIの部分の拡大正面図である。本発明の第２実施形態にかかる磁気抵抗素子を備えた磁気センサの斜視図である。複数のセンサ領域を挟むようにヨーク領域を備える場合の漏れ磁界の様子を示した斜視図である。本発明の第３実施形態にかかる磁気抵抗素子を備えた磁気センサの斜視図である。本発明の第４実施形態にかかる磁気抵抗素子を備えた磁気センサの斜視図である。本発明の第５実施形態にかかる磁気抵抗素子を備えた磁気センサの上面図である。図７に示す磁気センサの斜視図である。本発明の第６実施形態にかかる磁気抵抗素子を備えた磁気センサの正面図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について図面を参照しつつ説明する。本実施形態にかかる磁気抵抗素子を備えた磁気センサは、図１に示されるように、表面が平坦面とされたシリコン等で構成される基板１０上に、ピン層２０、中間層３０、フリー層４０を順に積層した磁気抵抗素子にて構成されるセンサ領域５０を備えている。本実施形態の場合、センサ領域５０は、磁気センサを４つの領域Ｒ１〜Ｒ４に区画した場合のそれぞれの領域に複数個ずつ備えられている。また、磁気センサは、各領域Ｒ１〜Ｒ４それぞれにおいて、センサ領域５０を挟んだ両側にヨーク領域６０を備えている。すなわち、各領域Ｒ１〜Ｒ４それぞれに１組のヨーク領域６０を備え、１組のヨーク領域６０の間にセンサ領域５０が配置されるようにしている。

センサ領域５０は、複数個ずつ、例えば図１に示すように４つずつが４つの領域Ｒ１〜Ｒ４それぞれに備えられ、各領域Ｒ１〜Ｒ４において各センサ領域５０が一列に並べられて配置されている。各領域Ｒ１〜Ｒ４に備えられるセンサ領域５０の個数については任意であり、１つであっても構わない。ただし、センサ領域５０の個数を多くするほど、センサ領域５０の抵抗値変化を大きくできることから、磁気検出に必要とされる消費電流を小さくできて好ましい。そして、４つの領域Ｒ１〜Ｒ４に区画された各センサ領域５０が図示しない配線部を通じてブリッジ状、例えばホイートストンブリッジ状に電気的に接続されることで、ブリッジ回路を有する磁気センサが構成されている。

ピン層２０は、第１磁化固定層に相当し、磁化方向が固定される磁化固定層を構成するものであり、上面形状が四角形状にパターニングされている。ピン層２０は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉのうちの少なくとも１つ以上の元素を含む合金等で構成されており、基板１０の上に薄膜状に形成されている。ピン層２０の磁化の強さは、ピン層２０の構成材料の物性によって決まることから、要求する磁化の強さを満たす構成材料を選択してピン層２０を構成している。

各領域Ｒ１〜Ｒ４において、ピン層２０の磁化方向はそれぞれ基板１０の平面方向と平行な一方向に固定されている。本実施形態の場合、ピン層２０の磁化方向は、各領域Ｒ１〜Ｒ４に備えられたセンサ領域５０の配列方向に対する垂直方向とされている。具体的には、図１中に矢印で示したように、領域Ｒ１では紙面右方向、領域Ｒ２では紙面左方向、領域Ｒ３では紙面左方向、領域Ｒ４では紙面右方向が磁化方向とされている。つまり、領域Ｒ１と領域Ｒ２では、紙面逆方向かつ互いに離れる方向が磁化方向とされ、領域Ｒ３と領域Ｒ４では、紙面逆方向かつ互いに向かい合う方向が磁化方向とされている。そして、各領域Ｒ１〜Ｒ４のセンサ領域５０が図示しない配線部を介してブリッジ状に接続されてブリッジ回路が構成されている。

中間層３０は、第１中間層に相当し、ピン層２０の上に薄膜状に構成されたものであり、ピン層２０と同形状にパターニングされている。例えば、中間層３０をＭｇＯ、ＡｌＯ等で構成した場合には、磁気抵抗素子としてトンネル磁気抵抗（以下、ＴＭＲ（Tunneling Magneto Resistance）という）素子が構成される。また、中間層３０をＣｕ、Ａｇ等で構成した場合には、磁気抵抗素子として巨大磁気抵抗（以下、ＧＭＲ（Giant Magneto Resistance）という）素子が構成される。

フリー層４０は、第１磁界検出層に相当し、中間層３０上に薄膜状に形成されており、ピン層２０および中間層３０と同形状にパターニングされている。フリー層４０は、外部磁界によって磁化方向が変化する磁界検出層としての機能を発揮する。フリー層４０についても、ピン層２０と同材料によって構成することができるが、外部磁界によって磁化方向が変化する構成となるように、フリー層４０の構成材料の特性を選択している。

このように、ピン層２０、中間層３０およびフリー層４０の積層構造によってセンサ領域５０が構成されている。

なお、図１は、ピン層２０を基板１０の上に直接形成した図となっているが、例えばＴＭＲ素子の場合、ピン層２０の下に配線部を構成するパターン配線が形成されることで電気的接続が行われる。また、ＴＭＲ素子の場合、フリー層５０については、図示しないボンディングワイヤなどの配線部を通じて電気的接続が行われる。ＧＭＲ素子の場合、ＴＭＲ素子と同様の構成とすることもできるし、金属によって構成される中間層３０自体を電極として、中間層３０に配線部を電気的に接続する構造とすることもできる。

また、図１に示すように、各領域Ｒ１〜Ｒ４それぞれの領域において、センサ領域５０を挟んだ両側にヨーク領域６０が備えられている。本実施形態では、各領域Ｒ１〜Ｒ４それぞれにおいて、２つのヨーク領域６０が備えられており、２つのヨーク領域６０の間に複数個のセンサ領域５０が配置されている。センサ領域５０に対して２つのヨーク領域６０が配置された方向は、センサ領域５０におけるピン層２０の磁化方向と同方向および反対方向であり、ピン層２０の磁化方向の両側においてセンサ領域５０がヨーク領域６０に挟まれた構造とされている。

ヨーク領域６０は、基板１０の上に平面状に構成されたものであり、本実施形態の場合には、センサ領域５０と同じ構成材料によって構成されている。すなわち、ヨーク領域６０は、ピン層６０ａ、中間層６０ｂおよびフリー層６０ｃを有した構成とされており、各層６０ａ〜６０ｃがセンサ領域５０を構成するピン層２０、中間層３０およびフリー層４０と同じ厚み、同じ材質で構成されている。これらヨーク領域６０に備えられるピン層６０ａ、中間層６０ｂおよびフリー層６０ｃがそれぞれ第２磁化固定層、第２中間層、第２磁界検出層に相当する。各ヨーク領域６０は、上面形状が四角形状とされ、上面形状が四角形状とされたセンサ領域５０の一辺を構成する側面と対向する側面を有している。そして、対向する各側面の間に所定距離のギャップが設けられるように、各ヨーク領域６０と各センサ領域５０とが離れされて配置されている。そして、ピン層６０ａは、磁化固定層とされており、対応するセンサ領域５０に備えられたピン層２０と同方向に磁場固定されている。

このようにして、本実施形態にかかる磁気抵抗素子を備えた磁気センサが構成されている。このように構成された磁気センサは、次のようにして製造可能である。例えば、基板１０の上に、ピン層２０、６０ａの構成材料と、中間層３０、６０ｂの構成材料と、フリー層４０、６０ｃの構成材料を順に成膜する。そして、フリー層４０、６０ｃの構成材料の上に図示しないマスクを配置したのち、マスクを用いて各構成材料を一括してエッチングする。これにより、図１に示すレイアウトにパターニングされた磁気センサを製造することができる。

このように構成された磁気センサは、例えば電流センサや回転角センサなどに用いられる。すなわち、磁気センサは、電流変化や回転角変化に応じて外部磁界が変化すると、その変化に応じたセンサ信号を出力する。具体的には、各領域Ｒ１〜Ｒ４に備えられたセンサ領域５０は、それぞれ、外部磁界の磁界強度に応じてセンサ信号がリニア（線形的）に変化する。そして、各領域Ｒ１〜Ｒ４において、ピン層２０の磁化方向が上記した方向とされ、各領域Ｒ１〜Ｒ４のセンサ領域５０によってブリッジ回路が構成されている。このため、ブリッジ回路の中点電位をセンサ信号として出力することで、磁気センサを通る外部磁界の変化を検出することが可能となる。例えば、領域Ｒ１、Ｒ２のセンサ領域５０を接続したハーフブリッジ回路と領域Ｒ３、Ｒ４のセンサ領域５０を接続したハーフブリッジ回路によってホイートストンブリッジ回路を構成する。そして、各ハーフブリッジ回路が各センサ領域５０の合成抵抗によって構成され、各センサ領域５０の抵抗値が印加される外部磁界に応じて変化することから、各ハーフブリッジ回路の中点電位の電位差をセンサ信号として出力することで、磁気センサを通る外部磁界の変化を検出することが可能となる。

このように構成された磁気センサにおいて、本実施形態では、センサ領域５０の両側にヨーク領域６０を備え、ヨーク領域６０に備えたピン層６０ａの磁化方向を、ヨーク領域６０と対応するセンサ領域５０に備えられたピン層２０の磁化方向と同方向にしている。このため、ヨーク領域６０に備えたピン層６０ａと、当該ヨーク領域６０と対応するセンサ領域５０に備えられたピン層２０との間で磁気回路が形成される。このため、図２に示すように、ヨーク領域６０のピン層６０ａが発生させる磁界の影響で、センサ領域５０のピン層２０の漏れ磁界の経路が変化し、漏れ磁界がヨーク領域６０側に導かれる。

したがって、図２中に破線矢印で示したようなピン層２０の漏れ磁界が中間層３０を超えて更にフリー層４０に至ることを抑制でき、漏れ磁界がフリー層４０に与える影響を抑制することが可能となる。これにより、磁気抵抗素子に対して新たに磁性膜を追加しなくても、ピン層２０からの漏れ磁界を抑制できる。そして、ピン層２０からの漏れ磁界がフリー層４０に与える影響を抑制できることから、磁気センサの検出精度の悪化を抑制することが可能となる。

このように、センサ領域５０と対応するヨーク領域６０を備え、ヨーク領域６０のピン層６０ａをセンサ領域５０のピン層２０と磁化方向を一致させることで、磁気抵抗素子に対して新たに磁性膜を追加しなくても、ピン層２０からの漏れ磁界を抑制できる構造の磁気センサとすることが可能となる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対してヨーク領域６０の構成を変更したものであり、その他については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図３に示すように、本実施形態では、各領域Ｒ１〜Ｒ４に備えられたヨーク領域６０を短冊状に分割し、複数個のセンサ領域５０のそれぞれに対して１組ずつヨーク領域６０が備えられるようにし、各組のヨーク領域６０の間に各センサ領域５０が配置されるようにしている。すなわち、１つのセンサ領域５０を挟んだ両側に１つずつ短冊状のヨーク領域６０が配置されるようにしている。そして、好ましくは、短冊状のヨーク領域６０の側面（センサ領域５０と対向する先端面）がセンサ領域５０の側面と同じ面積となるようにしている。

図４に示すように、第１実施形態のような複数個のセンサ領域５０を１組のヨーク領域６０の間に配置する構造の場合、ヨーク領域６０のうちセンサ領域５０と対向していない部分から発生する漏れ磁界がセンサ領域５０を通ってもう一方のヨーク領域６０に導かれることとなる。この場合、ヨーク領域６０からの漏れ磁界は、抑制したいセンサ領域５０の漏れ磁界の方向と違う方向となることから、できるだけ少ない方が好ましい。

したがって、本実施形態のように、ヨーク領域６０を短冊状として各センサ領域５０の両側に配置することで、ヨーク領域６０が発生させる漏れ磁界を低減することが可能となる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対してセンサ領域５０およびヨーク領域６０の構成を変更したものであり、その他については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図５に示すように、本実施形態では、基板１０の各領域Ｒ１〜Ｒ４にセンサ領域５０を備えつつ、ヨーク領域６０については、センサ領域５０が形成された基板１０を第１基板として、第１基板とは異なる第２基板となる基板７０の上に形成している。つまりセンサ領域５０を形成したチップとヨーク領域６０を形成したチップとを別チップとしている。

そして、ヨーク領域６０が形成された基板７０をセンサ領域５０が形成された基板１０に隣り合わせて配置し、ヨーク領域６０がセンサ領域５０に対向して配置されるようにしている。

このように、ヨーク領域６０をセンサ領域５０とは別チップに形成しても、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。なお、この場合、各領域Ｒ１〜Ｒ４のセンサ領域５０の一方側にしかヨーク領域６０が配置されていない構造になるが、少なくともセンサ領域５０の一方側にヨーク領域６０が備えられていれば、センサ領域５０の漏れ磁界を所定方向に導くことができる。したがって、本実施形態の構造としても第１実施形態の効果を得ることができる。

（第４実施形態）
本発明の第４実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対してヨーク領域６０の構成を変更したものであり、その他については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図６に示すように、本実施形態では、ヨーク領域６０を空気よりも高透磁率を有する膜によって構成された単層構造の膜によって構成している。

このように、ヨーク領域６０を高透磁率の単層構造の膜としても、センサ領域５０の漏れ磁界を所定方向に導くことができる。したがって、本実施形態の構造としても第１実施形態の効果を得ることができる。

（第５実施形態）
本発明の第５実施形態について説明する。本実施形態も、第１実施形態に対してヨーク領域６０の構成を変更したものであり、その他については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図７および図８に示すように、本実施形態では、領域Ｒ１〜Ｒ４毎に、ヨーク領域６０がセンサ領域５０を囲むように配置されている。このように、ヨーク領域６０の内側にセンサ領域５０が配置される構造であっても、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

（第６実施形態）
本発明の第６実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して磁気センサの構造を変更したものであり、その他については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図９に示すように、本実施形態では、基板１０を第１基板１１と第２基板１２とに分割し、第１基板１１側に領域Ｒ２、Ｒ３の構成のセンサ領域５０およびヨーク領域６０を形成すると共に、第２基板１２側に領域Ｒ１、Ｒ４の構成のセンサ領域５０およびヨーク領域６０を形成している。そして、第１基板１１と第２基板１２をセンサ領域５０およびヨーク領域６０側を向かい合わせて配置している。具体的には、領域Ｒ１と領域Ｒ３とが向かい合わされ、領域Ｒ２と領域Ｒ４とが向かい合わされるようにして配置されている。そして、第１基板１１と第２基板１２の外縁部などにおいて、はんだバンプなどの接続部材１３を介して各センサ領域５０が電気的に接続され、ブリッジ回路が構成されている。

このように、第１、第２基板１１、１２を向かい合わせて貼り合せることで、上下のセンサ領域５０におけるピン層２０の磁化方向が逆方向となるため、上下の磁気抵抗素子同士で閉磁ループを形成することができ、漏れ磁界をキャンセルする効果を向上させることが可能となる。また、閉磁ループとされることで、ヨーク領域６０からの漏れ磁界を抑制することが可能となる。

これにより、閉磁ループを形成することで、より漏れ磁界を抑制することが可能となって、さらに第１実施形態に示した効果を得ることが可能となる。

（他の実施形態）
本発明は上記した第１実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。

例えば、上記第１、第２、第４〜第６実施形態において、ヨーク領域６０をセンサ領域５０におけるピン層２０の磁化方向と同方向および反対方向の両方に配置するようにしたが、少なくとも一方に配置されていれば良い。

また、第１〜第６実施形態において、ピン層２０、中間層３０、フリー層４０を構成する材質は、上記第１実施形態に記載の内容を満たすものであれば適宜変更可能である。また、ピン層２０やフリー層４０を単層構造とするのではなく、多層構造とするなど、適宜変更可能である。

また、第１〜第３、第５、第６実施形態において、ヨーク領域６０を多層構造で構成したが、単層構造としても良い。ただし、ヨーク領域６０をセンサ領域５０と同構造とすることで、センサ領域５０の形成時に同時にヨーク領域６０を形成できることから、磁気センサの製造工程の簡略化を加味すると、ヨーク領域６０をセンサ領域５０と同構造の多層構造とするのが好ましい。

また、第１〜第３、第５、第６実施形態において、ヨーク領域６０に含まれるピン層６０ａを磁化が固定される磁化固定層によって構成しているが、高透磁率膜で構成されていればよい。

１０基板
１３接続部材
２０、６０ａピン層
３０、６０ｂ中間層
４０、６０ｃフリー層
５０センサ領域
５０フリー層
６０ヨーク領域
７０基板

Claims

基板（１０）と、
前記基板の上に薄膜状に形成され、前記基板の面方向に対して平行な一方向を磁化方向として固定された磁化固定層（２０）と、前記磁化固定層の上に形成された薄膜状の中間層（３０）と、前記中間層の上に薄膜状に形成され、外部磁界によって磁化方向が変化する磁界検出層（４０）と、を有するセンサ領域（５０）と、
平面状とされ、前記磁化固定層の側面と対向する側面を有し、前記磁化固定層における磁化方向と同方向もしくは反対方向の少なくとも一方に配置され、空気よりも高透磁率で構成された高透磁率膜（６０ａ）を有するヨーク領域（６０）と、を備えていることを特徴とする磁気センサ。
前記ヨーク領域は、前記基板の上に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
前記センサ領域に備えられる前記磁化固定層を第１磁化固定層、前記中間層を第１中間層、前記磁界検出層を第１磁界検出層として、
前記ヨーク領域は、前記高透磁率膜が前記第１磁化固定層と同じ材料および同じ厚みで形成された第２磁化固定層とされるとともに、前記第１中間層と同じ材料および同じ厚みで形成された第２中間層と、前記第１電界検出層と同じ材料および同じ厚みで形成された第２磁界検出層と、を有した構成とされていることを特徴とする請求項２に記載の磁気センサ。
前記ヨーク領域は、前記第１磁化固定層における磁化方向と同方向および反対方向の両側に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の磁気センサ。
前記ヨーク領域は、前記センサ領域の周囲を囲んで配置されることで、前記第１磁化固定層における磁化方向と同方向および反対方向の両側に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の磁気センサ。
前記センサ領域は、複数個備えられており、
前記ヨーク領域は、短冊状とされているとともに、複数個の前記センサ領域に対応して複数個備えられていることを特徴とする請求項３または４に記載の磁気センサ。
前記センサ領域が形成された前記基板を第１基板として、
前記ヨーク領域は、前記第１基板とは別の第２基板（７０）に形成されており、
前記第２基板が前記第１基板に対して隣り合って配置されることで、前記ヨーク領域が前記センサ領域に対向して配置されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
前記基板は、第１基板（１１）と第２基板（１２）を有し、
前記第１基板および前記第２基板のそれぞれに、前記センサ領域および前記ヨーク領域が形成されており、
前記第１基板と前記第２基板とが、該第１基板および第２基板それぞれに形成された前記センサ領域および前記ヨーク領域側が向かい合わされるように配置され、前記第１基板に形成された前記センサ領域における前記磁化固定層の磁化方向と前記第２基板に形成された前記センサ領域における前記磁化固定層の磁化方向とが逆方向となって、閉磁ループが構成されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。