JP2018006598A - 磁気センサ - Google Patents

Abstract

【課題】漏れ磁界に起因する検出精度低下を良好に抑制すること。
【解決手段】磁気センサ１は、主面２１を有する基板２と、主面２１と平行な面内方向の磁化容易軸方向を有する自由層３と、基板２と自由層３との間に設けられた中間層４と、基板２と中間層４との間に設けられた固定層５とを備える。固定層５は、主面２１と非平行な第一方向Ｚ１に磁化方向が固定された第一強磁性体層５１と、主面２１の法線と平行な方向の成分が第一方向Ｚ１とは反対となる第二方向Ｚ２に磁化方向が固定された第二強磁性体層５２と、第一強磁性体層５１と第二強磁性体層５２との間に設けられた非磁性体層５３とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気センサに関する。

磁気抵抗素子を用いて外部磁界を検出する磁気センサが知られている（例えば特許文献１等参照）。この種の磁気センサは、磁化方向が固定された固定層（即ちピン層又は磁化固定層）と、磁化方向が外部磁界に応じて変化する自由層（即ち磁化自由層）と、固定層と自由層との間に設けられた中間層とを備えている。

特開２０１４−１５７９８５号公報

この種の磁気センサにおいて、固定層からの漏れ磁界が自由層に影響することで検出精度が低下するという懸念がある。本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、漏れ磁界に起因する検出精度の低下を良好に抑制することを目的とする。

請求項１に記載の発明に係る磁気センサ（１）は、主面（２１）を有する基板（２）と、前記主面と平行な面内方向の磁化容易軸方向を有する自由層（３）と、固定層（５）と、前記自由層と前記固定層との間に設けられた中間層（４）とを備えている。前記固定層は、前記主面と非平行な第一方向（Ｚ１）に磁化方向が固定された第一強磁性体層（５１）と、前記主面の法線と平行な方向の成分が前記第一方向とは反対となる第二方向（Ｚ２）に磁化方向が固定された第二強磁性体層（５２）と、前記第一強磁性体層と前記第二強磁性体層との間に設けられた非磁性体層（５３）と、を有している。

上記構成において、前記固定層は、磁化方向における前記法線と平行な方向の成分（即ち垂直磁化方向成分）が互いに逆となる前記第一強磁性体層と前記第二強磁性体層との間に前記非磁性体層を挟んだ、いわゆる積層フェリ構造を有している。故に、前記固定層からの磁界の漏れが可及的に抑制され得る。したがって、上記構成によれば、漏れ磁界に起因する検出精度の低下を良好に抑制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実施形態に係る磁気センサの概略構成を示す斜視図である。 本発明の第２実施形態に係る磁気センサの概略構成を示す斜視図である。 本発明の第３実施形態に係る磁気センサの概略構成を示す斜視図である。 本発明の第４実施形態に係る磁気センサの概略構成を示す平面図である。

以下、本発明の実施形態を、図面に基づいて説明する。なお、以下の説明において、各実施形態の相互で互いに同一又は均等である部分には同一符号を付す。

（第１実施形態）
図１を参照すると、第１実施形態に係る磁気センサ１は、いわゆる磁気抵抗素子であって、基板２と、自由層３と、中間層４と、固定層５とを備えている。基板２は、均一な厚さを有する薄板材であって、例えばシリコンウエハ等を用いて形成されている。基板２は、厚さ方向と直交する平坦な表面である主面２１を有する。主面２１は、図中ＸＹ平面と平行に設けられているものとする。この場合、図中Ｚ軸方向は、主面２１の法線と平行な方向となり、これを以下「面直方向」と称する。これに対し、主面２１と平行な方向を、以下「面内方向」と称する。

自由層３は、図中破線矢印で示されているように、面内方向の磁化容易軸方向を有するように形成されている。このような面内磁化の自由層３は、公知の材料（例えば、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちの少なくとも一つとＢとを含有するアモルファス状態の合金、等）を用いて形成することが可能である。

非磁性体層である中間層４は、自由層３と固定層５との間に設けられている。本実施形態においては、中間層４は、基板２と自由層３との間に設けられている。中間層４は、例えば、ＭｇＯ、ＡｌＯ等の絶縁体によって形成され得る。この場合、磁気センサ１は、トンネル磁気抵抗素子としての構成を有している。トンネル磁気抵抗素子はＴＭＲ素子とも称される。ＴＭＲはTunneling Magneto Resistanceの略である。あるいは、中間層４は、例えば、Ｃｕ、Ａｇ等の導電体によって形成され得る。この場合、磁気センサ１は、巨大磁気抵抗素子としての構成を有している。巨大磁気抵抗素子はＧＭＲ素子とも称される。ＧＭＲはGiant Magneto Resistanceの略である。

固定層５は、中間層４を挟んで自由層３と対向配置されている。具体的には、本実施形態においては、固定層５は、基板２と中間層４との間に設けられている。即ち、自由層３と、中間層４と、固定層５と、基板２とが、この順に面直方向に積層されている。本実施形態においては、固定層５は、磁化方向が全体として面直方向を向くように構成されている。即ち、固定層５は、外部磁界を検出する動作に際し、垂直磁化膜としての機能を奏するように構成されている。具体的には、固定層５は、第一強磁性体層５１と、第二強磁性体層５２と、非磁性体層５３と、を有している。

第一強磁性体層５１は、主面２１と非平行な方向に磁化方向が固定された強磁性体膜である。具体的には、本実施形態においては、第一強磁性体層５１は、図中黒塗り矢印で示されているように、磁化方向が面直方向と平行な図中Ｚ１方向（即ちＺ軸正方向）となる、いわゆる垂直磁化膜である。第一強磁性体層５１は、例えば、以下に例示する公知の薄膜を用いて形成することが可能である。Ｃｏ／Ｐｔ多層膜、Ｃｏ／Ｐｄ多層膜、ＣｏＣｒ合金にＰｔ，Ｔａ，Ｂ，Ｎｂ等を添加した薄膜、Ｃｏ／（Ｐｔ又はＰｄ）多層膜とＣｏ−Ｘａ／（Ｐｔ又はＰｄ）多層膜層（ＸａはＣｒ，Ｂ，Ｔａ，Ｍｎ，Ｖ）との積層磁性膜、Ｃｏ／（Ｐｔ又はＰｄ）多層膜とＣｏ／｛（Ｐｔ−Ｙａ）又は（Ｐｄ−Ｙａ）｝多層膜層（ＹａはＢ，Ｔａ，Ｒｕ，Ｒｅ，Ｉｒ，Ｍｎ，Ｍｇ，Ｚｒ，Ｎｂ）との積層磁性膜、ＣｏＣｒ合金膜とＣｏ／（Ｐｔ又はＰｄ）多層膜との積層磁性膜、ＦｅＰｔ合金、ＣｏＰｔ合金。

第二強磁性体層５２は、主面２１と非平行な方向に磁化方向が固定された強磁性体膜である。第二強磁性体層５２の磁化方向における面直方向の成分が、第一強磁性体層５１の磁化方向における面直方向の成分と反対方向となるように、第二強磁性体層５２の磁化方向が設定されている。具体的には、本実施形態においては、第二強磁性体層５２は、図中黒塗り矢印で示されているように、磁化方向が第一強磁性体層５１の磁化方向と反平行な図中Ｚ２方向（即ちＺ軸負方向）となる、いわゆる垂直磁化膜である。第二強磁性体層５２は、例えば、上記に例示した公知の薄膜を用いて形成することが可能である。

非磁性体層５３は、Ｒｕ等の非磁性体によって形成された薄膜であって、第一強磁性体層５１と第二強磁性体層５２との間に設けられている。即ち、固定層５は、互いの磁化方向が反平行となる第一強磁性体層５１と第二強磁性体層５２との間に非磁性体層５３を介在させた、いわゆる積層フェリ構造を有している。また、本実施形態においては、固定層５は、第一強磁性体層５１と第二強磁性体層５２との磁化量の差が実質的にゼロとなるように構成されている。具体的には、本実施形態においては、第一強磁性体層５１と第二強磁性体層５２とは、同一の材料及び同一の厚さで形成されている。

なお、図１においては、いわゆる磁気抵抗素子としての主要な構成が図示されている。即ち、ＴＭＲ素子等の実際の素子構成に必要な細部（例えば、配線部、保護層、下地層、等）については、図１において図示が省略されている。図２以降に示される他の実施形態についても同様である。

本実施形態の構成においては、面内磁化の自由層３が設けられている。図中実線の白抜き矢印で示されているような、自由層３の磁化困難軸方向である面直方向の外部磁界の検出に際して、自由層の磁化反転は緩やかである。このため、本実施形態の構成によれば、広い磁界範囲での磁界強度の検出が可能となる。また、固定層５は、垂直磁化方向成分が互いに逆となる第一強磁性体層５１と第二強磁性体層５２との間に非磁性体層５３を挟んだ、積層フェリ構造を有している。このため、固定層５からの磁界の漏れが可及的に抑制され得る。即ち、固定層５からの漏れ磁界に起因する検出精度の低下が良好に抑制され得る。したがって、本実施形態の構成によれば、広い磁界範囲にて良好な精度の磁界強度検出が可能となる。さらに、本実施形態の構成においては、基板２側に固定層５が形成されている。かかる構成によれば、基板２の結晶性を固定層５に反映させやすくなる。故に、かかる構成によれば、固定層５の結晶性が向上し、故に固定層５の磁化特性が向上する。

（第２実施形態）
図２を参照すると、第２実施形態に係る磁気センサ１は、第一強磁性体層５１と第二強磁性体層５２との磁化量の差が実質的にゼロではない点で、第１実施形態の構成と異なる。具体的には、本実施形態においては、第一強磁性体層５１と第二強磁性体層５２とは、同一の材料で形成されている。一方、第一強磁性体層５１と第二強磁性体層５２とは、異なる厚さに形成されている。図２の例では、非磁性体層５３よりも中間層４側に位置しＺ１方向に磁化される第一強磁性体層５１の方が、非磁性体層５３を挟んで中間層４とは反対側に位置しＺ２方向に磁化される第二強磁性体層５２よりも厚く形成されている。即ち、中間層４側の第一強磁性体層５１の方が、第二強磁性体層５２よりも、磁化量が大きい。故に、面直方向における、固定層５の全体としての磁化量は、ゼロとはならず、Ｚ１方向の所定量となる。但し、それ以外は、第２実施形態に係る磁気センサ１は、第１実施形態と同様の構成を有している。よって、以下の説明においては、第１実施形態と同様の構成及び作用効果については説明を省略する。

かかる構成においても、固定層５を積層フェリ構造とすることで、固定層５からの漏れ磁界に起因する検出精度の低下が良好に抑制され得る。したがって、本実施形態の構成によれば、広い磁界範囲にて良好な精度の磁界強度検出が可能となる。また、固定層５の全体としての磁化量（即ち第一強磁性体層５１の磁化量と第二強磁性体層５２との磁化量とをベクトル的に加算したもの）が実質的にゼロではない所定量をとるように、固定層５が構成される。故に、複数の磁気抵抗素子部を接続したブリッジ回路を共通の基板２の上に形成した構成（例えば後述の第４実施形態に示す構成）が、簡略な製造工程により容易に実現可能となる。

（第３実施形態）
図３を参照すると、第３実施形態に係る磁気センサ１は、固定層５の層数以外は第１実施形態及び第２実施形態の構成と同様である。よって、以下の説明においては、第１実施形態及び第２実施形態と同様の構成及び作用効果については説明を省略する。

第３実施形態に係る磁気センサ１の固定層５は、第一強磁性体層５１、第二強磁性体層５２、及び非磁性体層５３に加えて、さらに非磁性体層５４と第三強磁性体層５５とを有している。非磁性体層５４は、第二強磁性体層５２を挟んで非磁性体層５３とは反対側に設けられている。第三強磁性体層５５は、基板２と非磁性体層５３との間に設けられている。

第三強磁性体層５５は、主面２１と非平行な方向に磁化方向が固定された強磁性体膜である。第三強磁性体層５５の磁化方向における面直方向の成分が、第二強磁性体層５２の磁化方向における面直方向の成分と反対方向となるように、第三強磁性体層５５の磁化方向が設定されている。具体的には、本実施形態においては、第三強磁性体層５５は、図中黒塗り矢印で示されているように、磁化方向が第二強磁性体層５２の磁化方向と反平行な図中Ｚ１方向となる、いわゆる垂直磁化膜である。第三強磁性体層５５は、例えば、上記に例示した公知の薄膜を用いて形成することが可能である。

上述のように、本実施形態においては、固定層５は、いわゆる多層積層フェリ構造を有している。第一強磁性体層５１、第二強磁性体層５２、及び第三強磁性体層５５の磁化量は、材料、膜厚等のパラメータを用いて適宜調整され得る。これにより、図１に示されているような固定層５の全体としての磁化量が実質的にゼロとなる構成も、図２に示されているような固定層５の全体としての磁化量が実質的にゼロとはならない構成も、安定的に実現することが可能となる。即ち、本実施形態の構成によれば、製造時における、各層の膜厚及び／又は組成のばらつきに対するロバスト性が向上する。

（第４実施形態）
図４を参照すると、第４実施形態に係る磁気センサ１は、第一素子部１０１と、第二素子部１０２と、第三素子部１０３と、第四素子部１０４とを備えている。第一素子部１０１は、図２に示された第２実施形態の磁気センサ１と同様の構成を有する磁気抵抗素子である。即ち、第一素子部１０１は、図２に示された基板２と、自由層３と、中間層４と、固定層５とを備えている。

第二素子部１０２は、図２に示された第２実施形態の磁気センサ１における固定層５の全体としての磁化方向を逆転させた構成を有する磁気抵抗素子である。以下、本実施形態の説明において、図２及び図４を参照すると、第一素子部１０１と第二素子部１０２とでは、固定層５の全体としての磁化方向が異なる。具体的には、本実施形態においては、第一素子部１０１と第二素子部１０２とで、第一強磁性体層５１の厚さは同一であるが磁化方向は逆になっている。同様に、第一素子部１０１と第二素子部１０２とで、第二強磁性体層５２の厚さは同一であるが磁化方向は逆になっている。第一素子部１０１及び第四素子部１０４においては、Ｚ１方向に磁化された第一強磁性体層５１の方が、Ｚ２方向に磁化された第二強磁性体層５２よりも厚いため、固定層５の全体としての磁化方向がＺ１方向となっている。これに対し、第二素子部１０２及び第三素子部１０３においては、Ｚ２方向に磁化された第一強磁性体層５１の方が、Ｚ１方向に磁化された第二強磁性体層５２よりも厚いため、固定層５の全体としての磁化方向がＺ２方向となっている。

第三素子部１０３は、第二素子部１０２と同様の構成を有する磁気抵抗素子である。即ち、第二素子部１０２と第三素子部１０３とで、固定層５の全体としての磁化方向が同一である。具体的には、本実施形態においては、第二素子部１０２と第三素子部１０３とで、第一強磁性体層５１の厚さ及び磁化方向が同じとなっている。第二強磁性体層５２についても同様である。第四素子部１０４は、第一素子部１０１と同様の構成を有する磁気抵抗素子である。即ち、第一素子部１０１と第四素子部１０４とで、固定層５の全体としての磁化方向が同一である。

第一素子部１０１と、第二素子部１０２と、第三素子部１０３と、第四素子部１０４とは、共通の基板２の上に形成されている。即ち、本実施形態においては、基板２の上に、図２に示された自由層３と中間層４と固定層５とを備えた磁気抵抗素子部が複数設けられている。

第一素子部１０１と第二素子部１０２とは、電源電圧端子間にて直列接続されている。第三素子部１０３と第四素子部１０４とは、電源電圧端子間にて直列接続されている。第一素子部１０１と第二素子部１０２との直列接続体と、第三素子部１０３と第四素子部１０４との直列接続体とは、電源電圧端子間にて並列接続されている。即ち、第一素子部１０１と、第二素子部１０２と、第三素子部１０３と、第四素子部１０４とにより、いわゆるフルブリッジ回路又はホイートストンブリッジ回路が形成されている。

かかる構成の磁気センサ１においては、第一素子部１０１と第二素子部１０２との接続部分における端子電位Ｖ０１と、第三素子部１０３と第四素子部１０４との接続部分における端子電位Ｖ０２との電位差に基づいて、磁界検出が行われる。かかる構成の磁気センサ１によれば、磁界検出時の外乱（例えば温度）の影響が、可及的に抑制され得る。

かかる構成の磁気センサ１は、成膜条件及び着磁条件を含む公知の製造条件を適宜調整することで、一つの基板２の上に良好に実現され得る。即ち、図４に示されている構成の磁気センサ１が、簡略な成膜プロセス及び着磁プロセスを用いて安定的に製造され得る。

（変形例）
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、上記実施形態に対しては適宜変更が可能である。以下、代表的な変形例について説明する。以下の変形例の説明においては、上記実施形態と異なる部分についてのみ説明する。したがって、以下の変形例の説明において、上記実施形態と同一の符号を有する構成要素に関しては、技術的に矛盾しない限り、上記実施形態における説明が適宜援用され得る。

基板２は、単層構造であってもよく、多層構造であってもよい。自由層３は、単層構造であってもよく、多層構造であってもよい。中間層４は、単層構造であってもよく、多層構造であってもよい。固定層５を構成する各層は、単層構造であってもよく、多層構造であってもよい。上述の説明と一部重複するが、自由層３の上、自由層３と中間層４との間、中間層４と固定層５との間、及び固定層５と基板２との間には、任意の層が設けられ得る。磁気センサ１を構成する各層の材料も、上記の例示に限定されない。

固定層５を構成する第一強磁性体層５１等の構成も、上記実施形態に示された具体的態様に限定されない。例えば、図２において、第一強磁性体層５１よりも第二強磁性体層５２の方が厚く形成されていてもよい。第一強磁性体層５１を構成する材料と、第二強磁性体層５２を構成する材料とは、同一であってもよいし、異なっていてもよい。同様に、第一強磁性体層５１を構成する材料と、第三強磁性体層５５とは、同一であってもよいし、異なっていてもよい。即ち、面直方向における、固定層５の全体としての磁化量は、各層の単位寸法あたりの磁化量と、各層の寸法とによって、適宜設定され得る。

具体的には、図１及び図２の例において、第一強磁性体層５１と第二強磁性体層５２とで、面内方向の断面積が同じであるとする。この前提で、第一強磁性体層５１の単位厚さあたりの磁化量をＭｓ１、第一強磁性体層５１の厚さをｔ１とする。同様に、第二強磁性体層５２の単位厚さあたりの磁化量をＭｓ２、第二強磁性体層５１の厚さをｔ２とする。但し、Ｍｓ１及びＭｓ２は、磁化方向がＺ１の場合に正、Ｚ２の場合に負の値をとるものとする。Ｍｓ１及びＭｓ２の絶対値は、材料の選択等によって適宜設定され得る。この場合、固定層５のＺ１方向の磁化量Ｍｓは、下記の式によって得られる（即ちＭｓの値が負の場合、固定層５の全体としての磁化状態は、絶対値が−Ｍｓで磁化方向がＺ２となる。）。第１実施形態ではＭｓが実質的にゼロとなるように、第２実施形態ではＭｓが正又は負の所定値をとるように、各層の材料及び厚さが適宜設定され得る。

Ｍｓ＝Ｍｓ１×ｔ１＋Ｍｓ２×ｔ２
よって、例えば、図２の構成において、第一強磁性体層５１の厚さｔ１＝ｔａ、磁化量Ｍｓ１＞０、第二強磁性体層５２の厚さｔ２＝ｔｂ（但しｔａ＞ｔｂ）、磁化量Ｍｓ２＝−Ｍｓ１とすることで、固定層５の磁化方向がＺ１方向となる。一方、この条件を、第一強磁性体層５１の厚さｔ１＝ｔｂ、第二強磁性体層５２の厚さｔ２＝ｔａと変更することで、固定層５の磁化方向がＺ２方向となる。このようにして、磁化量が同一で固定層５の磁化方向が反転した、ブリッジ回路用の２種類の素子部を用意することができる。また、図２において第一強磁性体層５１よりも第二強磁性体層５２の方を厚くした場合（即ちｔ１＜ｔ２）、第一強磁性体層５１の磁化方向がＺ１となり第二強磁性体層５２の磁化方向がＺ２となるように、固定層５の着磁を行うことで、全体としてＺ２方向に磁化された固定層５を形成することができる。さらに、図１の構成（即ちｔ１＝ｔ２）においてＭｓ１の絶対値とＭｓ２の絶対値とに差を設けることで、固定層５の全体としての磁化方向を任意に設定することが可能である。

積層フェリ構造を垂直磁化膜にて形成すること自体は、本願の出願時点において既に周知となっている。よって、固定層５における各層を所定の方向に磁化させるための着磁方法は、周知の方法を用いることが可能である。

固定層５は、自由層３よりも外側（即ち外部磁界側）に設けられていてもよい。即ち、基板２と、自由層３と、中間層４と、固定層５とが、この順に面直方向に積層されていてもよい。自由層３を基板２側に形成した場合、基板２の結晶性を自由層３に反映させやすくなる。故に、この場合、自由層３の結晶性が向上し、故に自由層３の磁気特性が向上する。

図４における第三素子部１０３及び第四素子部１０４は、省略され得る。すなわち、磁気センサ１は、複数の磁気抵抗素子によるハーフブリッジ回路であってもよい。

上述のブリッジ回路を構成する際に、第一素子部１０１と第二素子部１０２とで、固定層５を構成する各層の磁化方向を互いに逆方向としてもよい。即ち、第一素子部１０１における第一強磁性体層５１及び第二強磁性体層５２の磁化方向がそれぞれＺ１，Ｚ２とされる一方、第二素子部１０２における第一強磁性体層５１及び第二強磁性体層５２の磁化方向がそれぞれＺ２，Ｚ１とされてもよい。

上述のブリッジ回路は、図３に示された構成の磁気抵抗素子によっても実現され得る。

変形例も、上記の例示に限定されない。また、複数の変形例が、互いに組み合わされ得る。更に、実施形態の全部又は一部と、変形例の全部又は一部とが、互いに組み合わされ得る。

１ 磁気センサ
２ 基板
２１ 主面
３ 自由層
４ 中間層
５ 固定層
５１ 第一強磁性体層
５２ 第二強磁性体層
５３ 非磁性体層

Claims (7)

1. 磁気センサ（１）であって、
   主面（２１）を有する基板（２）と、
   前記主面と平行な面内方向の磁化容易軸方向を有する自由層（３）と、
   前記主面と非平行な第一方向（Ｚ１）に磁化方向が固定された第一強磁性体層（５１）と、前記主面の法線と平行な方向の成分が前記第一方向とは反対となる第二方向（Ｚ２）に磁化方向が固定された第二強磁性体層（５２）と、前記第一強磁性体層と前記第二強磁性体層との間に設けられた非磁性体層（５３）と、を有する固定層（５）と、
   前記自由層と前記固定層との間に設けられた中間層（４）と、
   を備えた磁気センサ。
2. 前記第二方向は前記第一方向と反平行である、請求項１に記載の磁気センサ。
3. 前記第一方向は前記法線と平行である、請求項１又は２に記載の磁気センサ。
4. 前記第一強磁性体層と前記第二強磁性体層との磁化量の差が実質的にゼロである、請求項１〜３のいずれか１つに記載の磁気センサ。
5. 前記第一強磁性体層と前記第二強磁性体層との磁化量の差が実質的にゼロではない、請求項１〜３のいずれか１つに記載の磁気センサ。
6. 前記基板には、前記自由層と前記中間層と前記固定層とを備えた素子部（１０１〜１０４）が複数設けられ、
   複数の前記素子部のうちの一つである第一素子部（１０１）における前記固定層と、複数の前記素子部のうちの他の一つである第二素子部（１０２）における前記固定層とで、磁化方向が異なる、請求項１〜５のいずれか１つに記載の磁気センサ。
7. 複数の前記素子部がブリッジ回路を形成している、請求項６に記載の磁気センサ。

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