JP4507932B2

JP4507932B2 - 巨大磁気抵抗効果素子を備える磁気センサ

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Publication number: JP4507932B2
Application number: JP2005083241A
Authority: JP
Inventors: 功吉相曽
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Priority date: 2005-03-23
Filing date: 2005-03-23
Publication date: 2010-07-21
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Also published as: JP2006266777A

Description

本発明は、巨大磁気抵抗効果素子を備える磁気センサに関する。

従来から知られる巨大磁気抵抗効果素子（以下、「ＧＭＲ素子」とも称呼する。）は、固定層と、フリー層と、スペーサ層と、を有するスピンバルブ膜から構成されている。固定層は、強磁性膜であるピンド層及び同ピンド層の磁化の向きを固定するための反強磁性膜等からなるピニング層からなっている。フリー層は、外部磁界に応じて磁化の向きが変化する強磁性膜からなっている。スペーサ層は、ピンド層とフリー層との間に配置される非磁性導電膜からなっている。ピンド層の磁化の向きは、固定層の固定された磁化の向きということができる。

このＧＭＲ素子の抵抗値は、固定層の固定された磁化の向きとフリー層の磁化の向きのなす角度に応じて変化する。ＧＭＲ素子の抵抗値は、固定層の固定された磁化の向きとフリー層の磁化の向きが平行（相対角度０°）であるとき最小となり、固定層の固定された磁化の向きとフリー層の磁化の向きが反平行（相対角度１８０°）であるとき最大となる。

一方、一般に、フリー層の磁化の向きは、外部磁界が加わっていないときに固定層と直交する向きになるように設定されている。固定層の固定された磁化の向きと直交する外部磁界の成分が一定又は無視できるほど小さい場合には、フリー層の磁化の向きは、固定層の固定された磁化の向きに沿う外部磁界の成分の大きさに基づいて回転する。従って、ＧＭＲ素子の抵抗値は、外部磁界の固定層層の磁化の向きに沿う成分の大きさに応じて変化する。換言すると、ＧＭＲ素子は、固定層の固定された磁化の向きに沿って大きさが変化する磁界を検出することができる。

ここで、説明の便宜上、「ＧＭＲ素子の磁界検出向き」を、「固定層の固定された磁化の向きと反平行の向き（固定層の固定された磁化の向きと逆向き、固定層の固定された磁化の向きと１８０°異なる向き）」と定義する。この定義によれば、ＧＭＲ素子は、その磁界検出向きの磁界の大きさが大きくなるほど大きくなる抵抗値を呈し、磁界検出向きと逆向き（反平行）の磁界の大きさが大きくなるほど小さくなる抵抗値を呈する。

一方、固定層の磁化は、例えば、ピンド層となる強磁性膜にピニング層となる反強磁性膜を積層し、その積層された膜に所定の向きの磁界を加えながら同膜を高温下に置く磁場中熱処理を行うことにより同所定の向きに固定される。

他方、このようなＧＭＲ素子を利用した磁気センサは、図１８の（Ａ）に示したように、磁界検出向きが所定の向きの二つのＧＭＲ素子１０１，１０２及び磁界検出向きが前記所定の向きと１８０度異なる二つのＧＭＲ素子１０３，１０４を単一の基板上に備え、これらの素子をフルブリッジ接続して図示した接続箇所Ｐ１及びＰ２間の電位差を出力Ｖとして取り出している。図１８の（Ｂ）は、図１８の（Ａ）に示した磁気センサの磁界検出向きの外部磁界Ｈに対する出力Ｖを示す。

このブリッジ接続により、従来の磁気センサは、微小な磁界に対しても大きな出力を得ることが可能となる。また、各素子の温度は同様に変化するから、各素子の抵抗値も同様に変化する。即ち、例えば、一つの素子の温度が上昇したとき他の素子の温度も同様に上昇するから、各素子の抵抗値は同様に変化する。従って、出力Ｖは素子温度の変化の影響を受け難いので、上記磁気センサは素子温度が変化した場合にも外部磁界を精度良く検出することができる（例えば、特許文献１を参照。）。
特開２００４−１６３４１９号

磁界検出向きを決定するピンド層の磁化の向きは磁場中熱処理において固定層となる層に与えられる磁界により定まる。従って、上記ブリッジ接続に用いる磁界検出向きが互いに１８０度異なる複数のＧＭＲ素子を単一の基板上に形成するためには、向きが１８０度異なる磁界を「複数のＧＭＲ素子となる膜を形成した基板」に付与しなければならない。しかしながら、向きが１８０度異なる磁界を微小な領域に発生させることは容易でない。このため、ＧＭＲ素子間の距離をある程度大きくせざるを得ず、その結果、磁気センサが大型化するという問題がある。

本発明による磁気センサは、上述した問題に鑑みてなされたものであって、単一の基板上に形成された第１巨大磁気抵抗効果素子と第２巨大磁気抵抗効果素子とを備える。

第１巨大磁気抵抗効果素子は、
磁化の向きが所定の向きに固定された固定層、
前記固定層に接するように形成された非磁性導電体からなるスペーサ層、及び
前記スペーサ層に接し前記固定層との間に同スペーサ層を挟むように形成された第１強磁性膜と、同第１強磁性膜に接するように形成された交換結合膜と、同交換結合膜に接し且つ同第１強磁性膜との間に同交換結合膜を挟むように形成されることにより同第１強磁性膜と交換結合するとともに同第１強磁性膜の膜厚より大きい膜厚を有することにより磁化の向きが外部磁界の向きに近づくように変化する第２強磁性膜と、を含むフリー層、
を有する。

第２巨大磁気抵抗効果素子は、
磁化の向きが前記所定の向きに固定された固定層、
前記固定層に接するように形成された非磁性導電体からなるスペーサ層、及び
前記スペーサ層に接し前記固定層との間に同スペーサ層を挟むように形成されるとともに磁化の向きが外部磁界の向きに近づくように変化する強磁性膜を含むフリー層、
を有する。

このように、第１巨大磁気抵抗効果素子と第２巨大磁気抵抗効果素子とは、フリー層の構成のみが相違している。これらの巨大磁気抵抗効果素子において、基板の上方に向かってフリー層、スペーサ層、固定層の順にこれらの層が積層されてもよく、基板の上方に向かって固定層、スペーサ層、フリー層の順にこれらの層が積層されてもよい。この点は、本明細書における巨大磁気抵抗効果素子の総てに共通に適用される。

ところで、膜厚が相対的に大きい強磁性膜と膜厚が相対的に小さい強磁性膜とを交換結合膜（例えば、Ｒｕからなる薄膜）を挟むように形成すると、両強磁性膜の磁化の向きは交換結合により反平行の向き（１８０°異なる向き）となる。更に、膜厚が相対的に大きい強磁性膜の磁化の向きは、外部磁界の向きに近づくように変化する。加えて、巨大磁気抵抗効果素子の抵抗値は、「固定層の固定された磁化の向き」と「スペーサ層に接するとともに同スペーサ層を介して固定層と対向する強磁性膜の磁化の向き」のなす角度に依存して変化する。この「スペーサ層を介して固定層と対向する強磁性膜の磁化の向き」を、本明細書においては、以下、「フリー層の磁化の向き」とも称呼する。

上記第１巨大磁気抵抗効果素子において、「スペーサ層を介して固定層と対向する強磁性膜」は、膜厚が相対的に小さい第１強磁性膜である。第１強磁性膜は、交換結合膜を介して第２強磁性膜と交換結合している。従って、第１強磁性膜の磁化の向きは第２強磁性膜の磁化の向きと反平行の向きとなる。第２強磁性膜の磁化の向きは、第２強磁性膜の膜厚が相対的に大きいから、外部磁界の磁化の向きに近づくように動く。この結果、第１強磁性膜の磁化の向きは外部磁界の磁化の向きと反平行の向きとなる。換言すると、第１巨大磁気抵抗効果素子の「フリー層の磁化の向き」は外部磁界の磁化の向きと反平行の向きとなる。

これに対し、
上記第２巨大磁気抵抗効果素子において、「スペーサ層を介して固定層と対向する強磁性膜」は、その磁化の向きが外部磁界の向きに近づくように変化する強磁性膜である。換言すると、第２巨大磁気抵抗効果素子の「フリー層の磁化の向き」は外部磁界の磁化の向きと平行の向きとなる。

この結果、第１巨大磁気抵抗効果素子及び第２巨大磁気抵抗効果素子は、各固定層の磁化の向きが互いに同一の所定の向きでありながらも、磁界検出向きが１８０°異なる二つの巨大磁気抵抗効果素子となる。換言すると、前述した磁場中熱処理において各固定層に加える磁界の向きを同じ向きとしても、磁界検出向きが１８０°異なる二つの巨大磁気抵抗効果素子を得ることができる。この結果、上記構成を備える磁気センサは、第１巨大磁気抵抗効果素子及び第２巨大磁気抵抗効果素子を近接配置することができるので、小型な磁気センサとなり得る。

また、第１巨大磁気抵抗効果素子及び第２巨大磁気抵抗効果素子は単一基板上の微小領域内に形成され得る。従って、第１巨大磁気抵抗効果素子及び第２巨大磁気抵抗効果素子を単一基板上の微小領域内に形成すれば、基板及び基板等を覆う樹脂等が熱や外部から加わる応力などによって変形したときであっても、両巨大磁気抵抗効果素子には一様な応力（例えば、略同一の引張応力又は略同一の圧縮応力）が加わる。これにより、各巨大磁気抵抗効果素子の抵抗値は互いに同様に増大又は減少する。この結果、これらの巨大磁気抵抗効果素子の各抵抗値の差に基づいて磁界を検出する場合、磁界検出精度を向上することができる。更に、例えば、これらの巨大磁気抵抗効果素子を用いてブリッジ回路を構成した場合、そのブリッジ回路のバランスが崩れてしまう可能性が低減するから、そのブリッジ回路により磁界を精度良く検出することができる。

更に、前記第２巨大磁気抵抗効果素子のフリー層は、
前記スペーサ層に接し前記固定層との間に同スペーサ層を挟むように形成されるとともに磁化の向きが外部磁界の向きに近づくように変化する第３強磁性膜と、同第３強磁性膜に接するように形成された交換結合膜と、同交換結合膜に接し且つ同第３強磁性膜との間に同交換結合膜を挟むように形成されることにより同第３強磁性膜と交換結合するとともに同第３強磁性膜の膜厚より小さい膜厚を有する第４強磁性膜と、から構成される。

これによれば、第１巨大磁気抵抗効果素子と同じように、第２巨大磁気抵抗効果素子のフリー層において交換結合膜による交換結合を利用した磁気センサが提供される。また、通常のフリー層Ｆ（本発明を適用していないフリー層）には磁化の向きが外部磁界により変化しない反磁界領域がエッヂ部（磁界方向の両端部）に発生する。これに対し、上記巨大磁気抵抗効果素子のように、フリー層Ｆにおいて互いに膜厚が異なる二つの強磁性膜を交換結合させると、反磁界領域の幅が減少する。従って、本発明による巨大磁気抵抗効果素子は、素子幅を小さくしても、ＭＲ比が低下しない。この結果、巨大磁気抵抗効果素子を一層小さい素子とすることができるので、より小型な磁気センサが提供され得る。

本発明による他の磁気センサは、第１乃至第４巨大磁気抵抗効果素子（少なくとも４つの巨大磁気抵抗効果素子）を単一の基板上に備える。

第１巨大磁気抵抗効果素子及び第２巨大磁気抵抗効果素子は、その固定層の固定された磁化の向きが第１の向きである点を除き、前述した第１巨大磁気抵抗効果素子及び第２巨大磁気抵抗効果素子と同一の構成を備えている。

第３巨大磁気抵抗効果素子は、磁化の向きが前記第１巨大磁気抵抗効果素子の固定層の層面と平行な面内において前記第１の向きと直交する第２の向きに固定されている点を除き、同第１巨大磁気抵抗効果素子と類似の膜構成を備えている。

具体的に述べると、第３巨大磁気抵抗効果素子は、
磁化の向きが前記第１巨大磁気抵抗効果素子の固定層の層面と平行な面内において前記第１の向きと直交する第２の向きに固定された固定層、
前記固定層に接するように形成された非磁性導電体からなるスペーサ層、及び
前記スペーサ層に接し前記固定層との間に同スペーサ層を挟むように形成された第５強磁性膜と、同第５強磁性膜に接するように形成された交換結合膜と、同交換結合膜に接し且つ同第５強磁性膜との間に同交換結合膜を挟むように形成されることにより同第５強磁性膜と交換結合するとともに同第５強磁性膜の膜厚より大きい膜厚を有することにより磁化の向きが外部磁界の向きに近づくように変化する第６強磁性膜と、を含むフリー層、
を有する。

第４巨大磁気抵抗効果素子は、第３巨大磁気抵抗効果素子に対し、フリー層の構成のみが相違している。具体的に述べると、第４巨大磁気抵抗効果素子のフリー層は、前記スペーサ層に接し前記固定層との間に同スペーサ層を挟むように形成されるとともに磁化の向きが外部磁界の向きに近づくように変化する強磁性膜を含む。即ち、固定層の固定された磁化の向きを除き、第３巨大磁気抵抗効果素子と第４巨大磁気抵抗効果素子との関係は、第１巨大磁気抵抗効果素子と第２巨大磁気抵抗効果素子との関係と同じである。

このように構成された磁気センサは、磁界検出向きが第１の向きと平行の第１巨大磁気抵抗効果素子と、磁界検出向きが第１の向きと反平行の第２巨大磁気抵抗効果素子と、磁界検出向きが第１の向きと直交する第２の向きと平行の第３巨大磁気抵抗効果素子と、磁界検出向きが第２の向きと反平行の第４巨大磁気抵抗効果素子と、を１つの基板上に備えることになる。従って、互いに直交する２つの向き（第１の向き及び第２の向きからなる２軸）のそれぞれにおける外部磁界の成分を検出でき、外部磁界の面内方位を検出できる磁気センサが提供される。

前述したように第１巨大磁気抵抗効果素子と第２巨大磁気抵抗効果素子とは単一基板上の微小領域内に形成され得る。従って、基板及び基板等を覆う樹脂等が熱や外部から加わる応力などによって変形したときであっても、これらの素子には一様な応力（例えば、略同一の引張応力又は略同一の圧縮応力）が加わる。これにより、各巨大磁気抵抗効果素子の抵抗値は互いに同様に増大又は減少するので、例えば、これらの素子を接続してブリッヂ回路を構成した場合、そのブリッジ回路のバランスが崩れてしまう可能性が低減する。この結果、上記磁気センサは第１の向きの磁界を精度良く検出することができる。

同様に、第３巨大磁気抵抗効果素子と第４巨大磁気抵抗効果素子とは単一基板上の微小領域内に形成され得る。従って、これらの素子には一様な応力が加わるので、各巨大磁気抵抗効果素子の抵抗値は互いに同様に増大又は減少する。従って、例えば、これらの素子を接続してブリッヂ回路を構成した場合、そのブリッジ回路のバランスが崩れてしまう可能性が低減する。この結果、上記磁気センサは第２の向きの磁界も精度良く検出することができる。

更に、前記第２巨大磁気抵抗効果素子のフリー層は、
前記スペーサ層に接し前記固定層との間に同スペーサ層を挟むように形成されるとともに磁化の向きが外部磁界の向きに近づくように変化する第３強磁性膜と、同第３強磁性膜に接するように形成された交換結合膜と、同交換結合膜に接し且つ同第３強磁性膜との間に同交換結合膜を挟むように形成されることにより同第３強磁性膜と交換結合するとともに同第３強磁性膜の膜厚より小さい膜厚を有する第４強磁性膜と、から構成され、
前記第４巨大磁気抵抗効果素子のフリー層は、
前記スペーサ層に接し前記固定層との間に同スペーサ層を挟むように形成されるとともに磁化の向きが外部磁界の向きに近づくように変化する第７強磁性膜と、同第７強磁性膜に接するように形成された交換結合膜と、同交換結合膜に接し且つ同第７強磁性膜との間に同交換結合膜を挟むように形成されることにより同第７強磁性膜と交換結合するとともに同第７強磁性膜の膜厚より小さい膜厚を有する第８強磁性膜と、から構成される。

これによれば、第１巨大磁気抵抗効果素子と同じように第２巨大磁気抵抗効果素子のフリー層において交換結合膜による交換結合を利用し、第３巨大磁気抵抗効果素子と同じように第４巨大磁気抵抗効果素子のフリー層において交換結合膜による交換結合を利用した磁気センサが提供される。上述したように、この構成においても、各巨大磁気抵抗効果素子は、フリー層Ｆにおいて互いに膜厚が異なる二つの強磁性膜を交換結合させている。従って、反磁界領域の幅が減少するので、素子幅を小さくしてもＭＲ比が低下しない。この結果、巨大磁気抵抗効果素子を一層小さい素子とすることができるので、より小型な磁気センサが提供され得る。

以下、本発明による磁気センサの各実施形態について図面を参照しながら説明する。
＜第１実施形態＞
図１に平面図を示した本発明の第１実施形態に係る磁気センサ１０は、単一の基板（モノリシックチップ）１１と、第１巨大磁気抵抗効果素子（第１ＧＭＲ素子）２０と、第２巨大磁気抵抗効果素子（第２ＧＭＲ素子）３０とを備えている。

基板１１は、シリコンからなっている。基板１１は、平面視において互いに直交するＸ軸及びＹ軸に沿った辺を有する長方形状を有し、Ｘ軸及びＹ軸に直交するＺ軸方向に小さな厚みを有する薄板体である。

第１ＧＭＲ素子２０は、基板１１の上面（主面）の上に形成されている。第１ＧＭＲ素子２０は、拡大平面図である図２及び図２の１−１線に沿った平面にて第１ＧＭＲ素子２０を切断した概略断面図である図３に示したように、複数の（この例では６個の）幅狭帯状部２０ａ１〜２０ａ６と、複数の（この例では７個の）バイアス磁石膜２０ｂ１〜２０ｂ７と、一対の端子部２０ｃ１，２０ｃ２と、を備えている。

幅狭帯状部２０ａ１〜２０ａ６の各々はＹ軸方向に長手方向を有している。最もＸ軸正方向側に位置する幅狭帯状部２０ａ１のＹ軸負方向側の端部は、バイアス磁石膜２０ｂ１の上に形成されている。バイアス磁石膜２０ｂ１は接続部２０ｃ１と接続されている。幅狭帯状部２０ａ１のＹ軸正方向側の端部は、バイアス磁石膜２０ｂ２の上に形成されている。

幅狭帯状部２０ａ２は、幅狭帯状部２０ａ１のＸ軸負側において幅狭帯状部２０ａ１に隣接配置されている。幅狭帯状部２０ａ２の一つの端部はバイアス磁石膜２０ｂ２の上に形成されるとともに、バイアス磁石膜２０ｂ２上において幅狭帯状部２０ａ１と接続されている。幅狭帯状部２０ａ２の他の端部はバイアス磁石膜２０ｂ３の上に形成されている。

幅狭帯状部２０ａ３は、幅狭帯状部２０ａ２のＸ軸負側において幅狭帯状部２０ａ２に隣接配置されている。幅狭帯状部２０ａ３の一つの端部はバイアス磁石膜２０ｂ３の上に形成されるとともに、バイアス磁石膜２０ｂ３上において幅狭帯状部２０ａ２と接続されている。幅狭帯状部２０ａ３の他の端部はバイアス磁石膜２０ｂ４の上に形成されている。

幅狭帯状部２０ａ４は、幅狭帯状部２０ａ３のＸ軸負側において幅狭帯状部２０ａ３に隣接配置されている。幅狭帯状部２０ａ４の一つの端部はバイアス磁石膜２０ｂ４の上に形成されるとともに、バイアス磁石膜２０ｂ４上において幅狭帯状部２０ａ３と接続されている。幅狭帯状部２０ａ４の他の端部はバイアス磁石膜２０ｂ５の上に形成されている。

幅狭帯状部２０ａ５は、幅狭帯状部２０ａ４のＸ軸負側において幅狭帯状部２０ａ４に隣接配置されている。幅狭帯状部２０ａ５の一つの端部はバイアス磁石膜２０ｂ５の上に形成されるとともに、バイアス磁石膜２０ｂ５上において幅狭帯状部２０ａ４と接続されている。幅狭帯状部２０ａ５の他の端部はバイアス磁石膜２０ｂ６の上に形成されている。

幅狭帯状部２０ａ６は、幅狭帯状部２０ａ５のＸ軸負側において幅狭帯状部２０ａ５に隣接配置されている。幅狭帯状部２０ａ６の一つの端部はバイアス磁石膜２０ｂ６の上に形成されるとともに、バイアス磁石膜２０ｂ６上において幅狭帯状部２０ａ５と接続されている。幅狭帯状部２０ａ６の他の端部はバイアス磁石膜２０ｂ７の上に形成されている。バイアス磁石膜２０ｂ７は接続部２０ｃ２と接続されている。このように、第１ＧＭＲ素子２０は、複数の幅狭帯状部をジグザグ状（つづら折れ状）に配列し、それらを直列接続した素子である。

幅狭帯状部２０ａ１〜２０ａ６の各々は、図４の（Ａ）に膜構成を示したスピンバルブ膜ＳＶ１からなっている。このスピンバルブ膜（ＧＭＲ膜）ＳＶ１は、基板１１の上に形成されたベース層Ｂ、ベース層Ｂの上に形成されたフリー層Ｆ、フリー層Ｆの上に形成されたスペーサ層Ｓ、スペーサ層Ｓの上に形成された固定層Ｐ及び固定層Ｐの上に形成された保護層（キャッピング層）Ｃを備えている。

ベース層Ｂは、Ｔａからなる膜２１からなっている。ベース層Ｂは、フリー層Ｆと固定層Ｐの層間結合を抑制することを目的とし、スピンバルブ膜ＳＶ１を結晶配向させる下地層を構成する。

フリー層Ｆは、ＣＯＦｅ（又はＮｉＦｅ等）からなる強磁性膜２２、Ｒｕからなる交換結合膜２３、ＣＯＦｅ（又はＮｉＦｅ等）からなる強磁性膜２４を含んでいる。強磁性膜２２はベース層Ｂの膜２１の直上に積層され、交換結合膜２３は強磁性膜２２の直上に積層され、強磁性膜２４は交換結合膜２３の直上に形成されている。

強磁性膜２２の膜厚は４ｎｍ程度である。交換結合膜２３の膜厚は０．５〜１ｎｍ程度又はそれ以下である。強磁性膜２４の膜厚は２ｎｍ程度である。強磁性膜２２の膜厚は、強磁性膜２４の膜厚の１．５乃至３倍程度である。以下、便宜上、スペーサ層Ｓの非磁性導電体膜２５に接している（隣接している）強磁性膜２４を第１強磁性膜と称呼し、強磁性膜２２を第２強磁性膜と称呼する。

ところで、膜厚が相対的に大きい強磁性膜と膜厚が相対的に小さい強磁性膜とを交換結合膜（例えば、Ｒｕからなる薄膜）を挟むように形成すると、両膜は交換結合し、それらの磁化の向きは互いに反平行の向き（１８０°異なる向き）となる。更に、この場合、膜厚が相対的に大きい強磁性膜の磁化の向きは外部磁界の向きに近づくように変化する。

従って、上記強磁性膜の称呼方法によれば、第１ＧＭＲ素子２０のフリー層Ｆは、スペーサ層Ｓに接し固定層Ｐとの間にスペーサ層Ｓを挟むように形成された第１強磁性膜２４と、第１強磁性膜２４に接するように形成された交換結合膜２３と、交換結合膜２３に接し且つ第１強磁性膜と２４の間に交換結合膜２３を挟むように形成されることにより第１強磁性膜２４と交換結合するとともに第１強磁性膜２４の膜厚より大きい膜厚を有することにより磁化の向きが外部磁界の向きに近づくように変化する第２強磁性膜２２と、を含むと云うことができる。

フリー層Ｆは、幅狭帯状部２０ａ１〜２０ａ６のそれぞれが長手方向を有していることから、Ｙ軸方向に沿った長手方向を有した形状となっている。従って、フリー層Ｆに外部磁界が付与されていない場合の同フリー層Ｆの磁化の向き（以下、「初期状態における磁化の向き」と称呼する。）は、形状異方性によりフリー層Ｆの長手方向（第１ＧＭＲ素子２０の場合はＹ軸方向）となっている。

スペーサ層Ｓは、非磁性導電体（例えば、Ｃｕ）の膜２５である。

固定層（固着層、磁化固定層）Ｐは、ＣｏＦｅからなる強磁性膜２６と、Ｐｔを４５〜５５ｍｏｌ％含むＰｔＭｎ合金から形成した反強磁性膜２７とを重ね合わせた膜である。強磁性膜２６は、スペーサ層Ｓである膜２５の直上に形成されている。強磁性膜２６は、ピニング層を構成する反強磁性膜２７に交換結合的に裏打されることにより磁化（磁化ベクトル）の向きがＸ軸正方向（所定の向き、第１の向き）にピン（固着）されるピンド層を構成している。強磁性膜２６の磁化の向きが、第１ＧＭＲ素子２０のピンド層の固定された磁化の向き（固定層の固定された磁化の向き）である。

保護層Ｃは、チタン（Ｔｉ）又はタンタル（Ｔａ）の薄膜２８からなっている。

再び、図２及び図３を参照すると、バイアス磁石膜２０ｂ１〜２０ｂ７は、ＣｏＣｒＰｔ等の硬質強磁性体であって高保磁力及び高角型比を有する材質からなっている。バイアス磁石膜２０ｂ１〜２０ｂ７は、着磁されて永久磁石膜（ハードマグネット膜）となっている。バイアス磁石膜２０ｂ１〜２０ｂ７は、それぞれの直上部に形成されたフリー層Ｆと磁気的に結合し、フリー層Ｆに対して同フリー層Ｆの長手方向（第１ＧＭＲ素子２０の場合、Ｙ軸方向）にバイアス磁界を与えるようになっている。

以上の構成により、第１ＧＭＲ素子２０の抵抗値は、幅狭帯状部２０ａ１〜２０ａ６の各抵抗値の和として、接続部２０ｃ１及び接続部２０ｃ２から取得される。前述したように、固定層Ｐ（ピンド層である強磁性膜２６）の固定された磁化の向きは、Ｘ軸正方向である。また、第１ＧＭＲ素子２０の抵抗値を決定するフリー層Ｆの磁化の向きは、第１強磁性膜２４の磁化の向きであり、図４の（Ｂ）に示したように、外部磁界に応じて変化する第２強磁性膜２２の向きと反平行の向きである。

この結果、第１ＧＭＲ素子２０は、図４の（Ｃ）に示したように、−Ｈｃ〜＋Ｈｃの範囲において、固定層Ｐの固定された磁化の向き（Ｘ軸正方向）の外部磁界Ｈｘの大きさが大きくなるにしたがって増大する抵抗値を示す。即ち、第１ＧＭＲ素子２０の磁界検出向きはＸ軸正方向である。

第２ＧＭＲ素子３０は、図１に示したように、基板１１の上面であって、第１ＧＭＲ素子２０にＹ軸方向において近接した位置に形成されている。第２ＧＭＲ素子３０は、フリー層の膜構成を除き、第１ＧＭＲ素子２０と同一の構成を備えている。

具体的に述べると、第２ＧＭＲ素子３０は、図５の（Ａ）に膜構成を示したスピンバルブ膜ＳＶ２からなっている。このスピンバルブ膜ＳＶ２は、スピンバルブ膜ＳＶ１と同様に、基板１１の上に形成されたベース層Ｂ、ベース層Ｂの上に形成されたフリー層Ｆ、フリー層Ｆの上に形成されたスペーサ層Ｓ、スペーサ層Ｓの上に形成された固定層Ｐ及び固定層Ｐの上に形成された保護層Ｃを備えている。このうち、ベース層Ｂをなす膜３１、スペーサ層Ｓをなす非磁性導電体膜３５、固定層Ｐをなす強磁性膜３６及び反強磁性膜３７及び保護層Ｃをなす膜３８は、第１ＧＭＲ素子２０のスピンバルブ膜ＳＶ１のそれら各膜（２５〜２８）に対応する膜と同一である。第２ＧＭＲ素子３０のピンド層の固定された磁化の向きは、第１ＧＭＲ素子２０のピンド層の固定された磁化の向きと同じＸ軸正方向である。

第２ＧＭＲ素子３０のフリー層Ｆは、ＣＯＦｅ（又はＮｉＦｅ等）からなる強磁性膜３２、Ｒｕからなる交換結合膜３３、ＣＯＦｅ（又はＮｉＦｅ等）からなる強磁性膜３４を含んでいる。強磁性膜３２はベース層Ｂの膜３１の直上に積層され、交換結合膜３３は強磁性膜３２の直上に積層され、強磁性膜３４は交換結合膜３３の直上に形成されている。

強磁性膜３２の膜厚は２ｎｍ程度である。交換結合膜３３の膜厚は０．５〜１ｎｍ程度又はそれ以下である。強磁性膜３４の膜厚は４ｎｍ程度である。強磁性膜３４の膜厚は、強磁性膜３２の膜厚の１．５乃至３倍程度である。以下、便宜上、スペーサ層Ｓの非磁性導電体膜３５に接している（隣接している）強磁性膜３４を第３強磁性膜と称呼し、強磁性膜３２を第４強磁性膜と称呼する。

従って、この強磁性膜の称呼方法によれば、第２ＧＭＲ素子３０のフリー層Ｆは、
スペーサ層Ｓに接し固定層Ｐとの間にスペーサ層Ｓを挟むように形成されるとともに磁化の向きが外部磁界の向きに近づくように変化する第３強磁性膜３４と、第３強磁性膜３４に接するように形成された交換結合膜３３と、交換結合膜３３に接し且つ第３強磁性膜３４との間に交換結合膜３３を挟むように形成されることにより第３強磁性膜３４と交換結合するとともに第３強磁性膜３４の膜厚より小さい膜厚を有する第４強磁性膜３２と、からなると云うことができる。

更に、第２ＧＭＲ素子３０は、磁化の向きが所定の向きに固定された固定層Ｐ、固定層Ｐに接するように形成された非磁性導電体からなるスペーサ層Ｓ、及び、スペーサ層Ｓに接し固定層Ｐとの間にスペーサ層Ｓを挟むように形成されるとともに磁化の向きが外部磁界の向きに近づくように変化する強磁性膜３４を含むフリー層、を有する素子と云うことができる。

なお、第２ＧＭＲ素子３０のフリー層Ｆも、第１ＧＭＲ素子２０のフリー層Ｆと同様、Ｙ軸方向に長手方向を有する幅狭帯状部の形状を有している。従って、初期状態における磁化の向きは、形状異方性によりＹ軸方向となっている。また、第２ＧＭＲ素子３０の図示しないバイアス磁石膜も、第２ＧＭＲ素子のフリー層ＦにＹ軸方向のバイアス磁界を与えるようになっている。第２ＧＭＲ素子３０の抵抗値を決定するフリー層Ｆの磁化の向きは、第３強磁性膜３４の磁化の向きである。

以上の構成により、第２ＧＭＲ素子３０の抵抗値は、図５の（Ｂ）に示したように、固定層Ｐ（ピンド層である強磁性膜３６）の固定された磁化の向きであるＸ軸正方向と、第３強磁性膜３４の磁化の向きとのなす角度により定まる。この結果、第２ＧＭＲ素子３０は、図５の（Ｃ）に示したように、−Ｈｃ〜＋Ｈｃの範囲において、固定層Ｐの固定された磁化の向き（Ｘ軸正方向）の外部磁界Ｈｘの大きさが大きくなるにしたがって減少する抵抗値を示す。即ち、第２ＧＭＲ素子３０の磁界検出向きはＸ軸負方向である。

磁気センサ１０は、図６の（Ａ）に示したように、第１ＧＭＲ素子２０と第２ＧＭＲ素子３０を接続したハーブブリッヂ回路により構成されている。具体的に述べると、第２ＧＭＲ素子３０の一端は定電圧源の正極に接続され、電圧Ｖｄが付与される。第２ＧＭＲ素子３０の他端と第１ＧＭＲ素子２０の一端は、接続点Ｔ１にて接続される。第１ＧＭＲ素子２０の他端は接地される。そして、磁気センサ１０は、接続点Ｔ１の電位を出力Voxとして出力するようになっている。なお、素子２０，３０の各々に隣接した位置に示されたグラフは、各グラフに隣接した素子の特性（外部磁界ＨのＸ軸正方向成分に対する抵抗値Ｒの変化）を示している。

これにより、磁気センサ１０は、図６の（Ｂ）に示したように、Ｘ軸正方向に沿う磁界の成分Ｈｘに比例した電圧Voxを出力するようになっている。

以上、説明したように、第１実施形態に係る磁気センサ１０が備える第１ＧＭＲ素子２０及び第２ＧＭＲ素子３０は、各固定層Ｐの磁化の向きが互いに同一の所定の向き（Ｘ軸正方向）でありながらも、磁界検出向きが１８０°異なる二つの巨大磁気抵抗効果素子となっている。換言すると、磁場中熱処理において各素子２０及び３０の固定層に加える磁界の向きを同じ向きであるＸ軸正方向としながら、磁界検出向きが１８０°異なる二つのＧＭＲ素子を得ることができる。この結果、磁気センサ１０は、第１ＧＭＲ素子２０及び第２ＧＭＲ素子３０を基板１１上にて近接配置することができるので、小型な磁気センサとなっている。

また、第１ＧＭＲ素子２０及び第２ＧＭＲ素子３０は単一基板１１の上の微小領域内に形成されている。従って、基板１１及び基板１１等を覆う樹脂等が熱や外部から加わる応力などによって変形したときであっても、両ＧＭＲ素子２０，３０には一様な応力（例えば、略同一の引張応力又は略同一の圧縮応力）が加わる。従って、各ＧＭＲ素子の抵抗値は互いに同様に増大又は減少する。また、磁気センサ１０は、これらのＧＭＲ素子２０，３０の各抵抗値の差に基づいて磁界を検出するために、ブリッジ回路を備えている。従って、上述した応力により、そのブリッジ回路のバランスが崩れてしまう可能性が低減する。その結果、磁気センサ１０は応力の影響を受けることなく、より磁界を精度良く検出することができる。

また、図７の（Ａ）に示したように、通常のフリー層Ｆには磁化の向きが外部磁界により変化しない反磁界領域Ａがエッヂ部に発生する。これに対し、第１ＧＭＲ素子２０及び第２ＧＭＲ素子３０のように、フリー層Ｆにおいて互いに膜厚が異なる二つの強磁性膜を交換結合させると、図７の（Ｂ）に示したように、反磁界領域Ａの幅が減少する。従って、第１ＧＭＲ素子２０及び第２ＧＭＲ素子３０は、素子幅（幅狭帯状部の短手方向の長さ）を小さくしても、ＭＲ比が低下しない。この結果、第１ＧＭＲ素子２０及び第２ＧＭＲ素子３０は一層小さい素子となり得るので、磁気センサ１０を一層小型化することもできる。

なお、第１ＧＭＲ素子２０は、磁化の向きが固定された固定層Ｐと、外部磁界に応じて磁化の向きが変化するフリー層Ｆと、固定層Ｐとフリー層Ｆとの間に配置された非磁性導電体からなるスペーサ層Ｓと、を備えた巨大磁気抵抗効果素子であり、フリー層Ｆは、第１強磁性膜２４と、第１強磁性膜２４の膜厚より大きい膜厚を有する第２強磁性膜２２と、第１強磁性膜２４と第２強磁性膜２２との間に配置され第１強磁性膜２４と第２強磁性膜２２とを交換結合する交換結合膜２３と、を備えた素子であると云うこともできる。

＜第２実施形態＞
図８に平面図を示した本発明の第２実施形態に係る磁気センサ４０は、単一の基板（モノリシックチップ）４０ａと、合計で８個の巨大磁気抵抗効果素子４１〜４４，５１〜５４と、を含んでいる。磁気センサ４０は、便宜上「Ｎタイプの磁気センサ４０」と称呼される。

基板４０ａは、シリコンからなっている。基板４０ａは、平面視において互いに直交するＸ軸及びＹ軸に沿った辺を有する長方形状（略正方形状）を有し、Ｘ軸及びＹ軸に直交するＺ軸方向に小さな厚みを有する薄板体である。

巨大磁気抵抗効果素子４１，４２，４３及び４４はそれぞれ第１，第２，第３及び第４Ｘ軸ＧＭＲ素子と称呼され、巨大磁気抵抗効果素子５１，５２，５３及び５４はそれぞれ第１，第２，第３及び第４Ｙ軸ＧＭＲ素子と称呼される。

第１Ｘ軸ＧＭＲ素子４１は、前述した第１ＧＭＲ素子２０と同一の構成を備えた素子である。第１Ｘ軸ＧＭＲ素子４１は、基板４０ａのＹ軸方向略中央部下方でＸ軸正方向端部近傍に形成されている。第１Ｘ軸ＧＭＲ素子４１の磁界検出向きはＸ軸正方向となっている。

第２Ｘ軸ＧＭＲ素子４２は、前述した第２ＧＭＲ素子３０と同一の構成を備えた素子である。第２Ｘ軸ＧＭＲ素子４２は、基板４０ａのＹ軸方向略中央部上方でＸ軸正方向端部近傍に形成されている。第２Ｘ軸ＧＭＲ素子４２の磁界検出向きはＸ軸負方向となっている。

第３Ｘ軸ＧＭＲ素子４３は、前述した第１ＧＭＲ素子２０と同一の構成を備えた素子である。第３Ｘ軸ＧＭＲ素子４３は、基板４０ａのＹ軸方向略中央部下方で第１Ｘ軸ＧＭＲ素子４１から僅かな距離だけＸ軸負方向に離れた位置に形成されている。第３Ｘ軸ＧＭＲ素子４３の磁界検出向きはＸ軸正方向となっている。

第４Ｘ軸ＧＭＲ素子４４は、前述した第２ＧＭＲ素子３０と同一の構成を備えた素子である。第４Ｘ軸ＧＭＲ素子４４は、基板４０ａのＹ軸方向略中央部上方で第２Ｘ軸ＧＭＲ素子４２から僅かな距離だけＸ軸負方向に離れた位置に形成されている。第４Ｘ軸ＧＭＲ素子４４の磁界検出向きはＸ軸負方向となっている。

このように、第１〜第４Ｘ軸ＧＭＲ素子４１〜４４は、基板４０ａ上のＸ軸正方向端部近傍において互いに近接した位置（第１微小領域内）に形成されている。

第１Ｙ軸ＧＭＲ素子５１は、前述した第１ＧＭＲ素子２０（従って、第１ＧＭＲ素子４１）を平面視においてＺ軸の周りに反時計方向に９０°回転した素子と同一の構成を備えた素子である。第１Ｙ軸ＧＭＲ素子５１は、基板４０ａのＸ軸方向略中央部右方でＹ軸正方向端部近傍に形成されている。第１Ｙ軸ＧＭＲ素子５１の磁界検出向きはＹ軸正方向となっている。

第２Ｙ軸ＧＭＲ素子５２は、前述した第２ＧＭＲ素子３０（従って、第２ＧＭＲ素子４２）を平面視においてＺ軸の周りに反時計方向に９０°回転した素子と同一の構成を備えた素子である。第２Ｙ軸ＧＭＲ素子５２は、基板４０ａのＸ軸方向略中央部左方でＹ軸正方向端部近傍に形成されている。第２Ｙ軸ＧＭＲ素子５２の磁界検出向きはＹ軸負方向となっている。

第３Ｙ軸ＧＭＲ素子５３は、第１Ｙ軸ＧＭＲ素子５１と同一の構成を備えた素子である。第３Ｙ軸ＧＭＲ素子５３は、基板４０ａのＸ軸方向略中央部右方で第１Ｙ軸ＧＭＲ素子５１から僅かな距離だけＹ軸負方向に離れた位置に形成されている。第３Ｙ軸ＧＭＲ素子５３の磁界検出向きはＹ軸正方向となっている。

第４Ｙ軸ＧＭＲ素子５４は、前述した第２Ｙ軸ＧＭＲ素子５２と同一の構成を備えた素子である。第４Ｙ軸ＧＭＲ素子５４は、基板４０ａのＸ軸方向略中央部左方で第２Ｙ軸ＧＭＲ素子５２から僅かな距離だけＹ軸負方向に離れた位置に形成されている。第４Ｙ軸ＧＭＲ素子５４の磁界検出向きはＹ軸負方向となっている。

このように、第１〜第４Ｙ軸ＧＭＲ素子５１〜５４は、基板４０ａ上のＹ軸正方向端部近傍において互いに近接した位置（第２微小領域内）に形成されている。

磁気センサ４０は、第１〜第４Ｘ軸ＧＭＲ素子４１〜４４からなるＸ軸磁気センサ（Ｘ軸方向を磁界検出向きとする磁気センサ）及び第１〜第４Ｙ軸ＧＭＲ素子５１〜５４からなるＹ軸磁気センサ（Ｙ軸方向を磁界検出向きとする磁気センサ）を備えている。

Ｘ軸磁気センサは、図９の（Ａ）に等価回路を示したように、第１〜第４Ｘ軸ＧＭＲ素子４１〜４４がフルブリッジ接続されることにより構成されている。Ｘ軸磁気センサにおいては、第１Ｘ軸ＧＭＲ素子４１の一端と第２Ｘ軸ＧＭＲ素子４２の一端とが接続されて第１回路要素が構成されている。第２Ｘ軸ＧＭＲ素子４２の他端には第１電位（図示しない定電圧源により与えられる一定電圧）＋Ｖが付与されている。第１Ｘ軸ＧＭＲ素子４１の他端は、接地されている（ＧＮＤに接続されている。）。即ち、第１Ｘ軸ＧＭＲ素子４１の他端には、第１電位と異なる第２電位が付与されている。

更に、第３Ｘ軸ＧＭＲ素子４３の一端と第４Ｘ軸ＧＭＲ素子４４の一端とが接続されて第２回路要素が構成されている。第３Ｘ軸ＧＭＲ素子４３の他端には第１電位＋Ｖが付与されている。第４Ｘ軸ＧＭＲ素子４４の他端は、接地されている（ＧＮＤに接続されている。）。即ち、第４Ｘ軸ＧＭＲ素子４４の他端には、第１電位と異なる第２電位が付与されている。

そして、第１Ｘ軸ＧＭＲ素子４１の一端と第２Ｘ軸ＧＭＲ素子４２の一端との接続箇所Ｑ１の電位VQ1と、第３Ｘ軸ＧＭＲ素子４３の一端と第４Ｘ軸ＧＭＲ素子４４の一端との接続箇所Ｑ２の電位VQ2と、の電位差Vox（＝VQ2−VQ1）がセンサの出力値（第１出力値）として取り出される。この結果、Ｘ軸磁気センサは、図９の（Ｂ）に示したように、外部磁界Ｈｘに略比例するとともに、外部磁界Ｈｘが大きいほど小さくなる電圧Voxを出力するようになっている。

Ｙ軸磁気センサは、図１０の（Ａ）に等価回路を示したように、第１〜第４Ｙ軸ＧＭＲ素子５１〜５４がフルブリッジ接続されることにより構成されている。Ｙ軸磁気センサにおいては、第１Ｙ軸ＧＭＲ素子５１の一端と第２Ｙ軸ＧＭＲ素子５３の一端とが接続されて第３回路要素が構成されている。第２Ｙ軸ＧＭＲ素子５３の他端には第１電位＋Ｖが付与されている。第１Ｙ軸ＧＭＲ素子５１の他端は、接地されている（ＧＮＤに接続されている。）。即ち、第１Ｙ軸ＧＭＲ素子５１の他端には、第１電位と異なる第２電位が付与されている。

更に、第３Ｙ軸ＧＭＲ素子５３の一端と第４Ｙ軸ＧＭＲ素子５４の一端とが接続されて第４回路要素が構成されている。第３Ｙ軸ＧＭＲ素子５３の他端には第１電位＋Ｖが付与されている。第４Ｙ軸ＧＭＲ素子５４の他端は、接地されている（ＧＮＤに接続されている。）。即ち、第４Ｙ軸ＧＭＲ素子５４の他端には、第１電位と異なる第２電位が付与されている。

そして、第１Ｙ軸ＧＭＲ素子５１の一端と第２Ｙ軸ＧＭＲ素子５２の一端との接続箇所Ｑ３の電位VQ3と、第３Ｙ軸ＧＭＲ素子５３の一端と第４Ｙ軸ＧＭＲ素子５４の一端との接続箇所Ｑ４の電位VQ4と、の電位差Voy（＝VQ3−VQ4）がセンサの出力値（第２出力値）として取り出される。この結果、Ｙ軸磁気センサは、図１０の（Ｂ）に示したように、Ｙ軸に沿って変化する外部磁界Ｈｙに略比例するとともに、外部磁界Ｈｙが大きいほど大きくなる電圧Voyを出力するようになっている。

（磁気センサ４０の製造方法：ピンド層の磁化固定方法）
次に、磁気センサ４０の製造方法（特に、第１〜第４Ｘ軸ＧＭＲ素子４１〜４４及び第１〜第４Ｙ軸ＧＭＲ素子５１〜５４の各ピンド層の磁化の固定方法）について説明する。

先ず、平面図である図１１に示したように、後に基板４０ａとなる基板４０ａ−１の上に、第１〜第４Ｘ軸ＧＭＲ素子４１〜４４及び第１〜第４Ｙ軸ＧＭＲ素子５１〜５４を構成する膜Ｍを島状に複数形成する。これらの膜Ｍは、基板４０ａ−１が後の切断工程により図１１の鎖線にて示した切断線ＣＬに沿って切断されて図８に示した個々の磁気センサ４０に分割されたとき、第１〜第４Ｘ軸ＧＭＲ素子４１〜４４及び第１〜第４Ｙ軸ＧＭＲ素子５１〜５４が図８に示した基板４０ａ上の各位置に配置されるように形成される。

次に、図１２及び図１３に示したマグネットアレイ６０を準備する。図１２は、マグネットアレイ６０の平面図である。図１３は、図１２の２−２線に沿った平面にてマグネットアレイ６０を切断したマグネットアレイ６０の断面図である。このマグネットアレイ６０は、それぞれが直方体形状の複数の永久磁石（永久棒磁石）６１…６１と透明な石英ガラスからなるプレート６２と、を備えている。永久磁石６１…６１は正方格子状に配列され、各上面がプレート６２の下面に固定されている。永久磁石６１…６１は、永久磁石６１…６１の各端面を含む平面において、最短距離で隣接する磁極の極性が異なるように配列されている。

即ち、マグネットアレイ６０は、略直方体形状であって同直方体の一つの中心軸に直交する断面の形状が略正方形である複数の永久磁石６１を、同略正方形を有する端面の重心が正方格子の格子点に一致するように配設するとともに、同配設された各永久磁石６１の磁極の極性が最短距離を隔てて隣接する他の永久磁石６１の磁極の極性と異なるように配置・構成されたマグネットアレイである。

図１４は、上記永久磁石６１…６１を５個だけ取り出した状態を示す同永久磁石の斜視図である。この図から明らかなように、永久磁石６１…６１の端面（前記磁極が形成された端面）では、一つのＮ極から同Ｎ極に最短距離で隣接するＳ極に向かう９０°ずつ方向が異なる磁界が形成される。本実施形態においては、この磁界を第１〜第４Ｘ軸ＧＭＲ素子４１〜４４及び第１〜第４Ｙ軸ＧＭＲ素子５１〜５４のピンド層の磁化の向きを固定する際の磁界として使用する。

次に、上記膜Ｍが形成された基板４０ａ−１をマグネットアレイ６０の上に配置する。このとき、図１５の平面図に示したように、基板４０ａ−１を切断線ＣＬにて切断したときに形成される正方形の膜Ｍが隣接して形成されていない２辺及びその２辺の交点を、２本の切断線ＣＬ及びその２本の切断線ＣＬの交点とそれぞれ一致させるように、基板４０ａ−１とマグネットアレイ６０とを相対的に配置する。この結果、図１４及び図１５に矢印にて示したように、各膜Ｍに同各膜Ｍの幅狭帯状部の長手方向と直交する向きの磁界が加わる。

そして、この状態にある基板４０ａ−１及びマグネットアレイ６０を真空中で２５０℃〜２８０℃に加熱し、その後、４時間ほど放置する磁場中熱処理を実施する。これにより、固定層Ｐの磁化の向きが固定される。

磁場中熱処理を実施した後、バイアス磁石膜等の着磁などの必要な処理を行い、図１５に示した切断線ＣＬに沿って基板４０ａ−１を切断する。これにより、図８に示した磁気センサ４０と図１６に示した磁気センサ７０とが同時に多数個製造される。

この磁気センサ７０は、便宜上「Ｓタイプの磁気センサ７０」と称呼される。ここで磁気センサ７０について簡単に説明すると、磁気センサ７０は、第１〜第４Ｘ軸ＧＭＲ素子７１〜７４及び第１〜第４Ｙ軸ＧＭＲ素子８１〜８４を備えている。これらの素子の固定層Ｐの固定された磁化の向き及び磁界検出向きは、図１６に示した通りである。

また、第１〜第４Ｘ軸ＧＭＲ素子７１〜７４は、磁気センサ４０の第１〜第４Ｘ軸ＧＭＲ素子４１〜４４と同様にフルブリッジ接続されてＸ軸磁気センサを構成する。同様に、第１〜第４Ｙ軸ＧＭＲ素子８１〜８４は、第１〜第４Ｙ軸ＧＭＲ素子５１〜５４と同様にフルブリッジ接続されてＹ軸磁気センサを構成する。

このように、第２実施形態に係る磁気センサ４０（又は７０）は、少なくとも以下（（１）〜（４）に示した）の四個のＧＭＲ素子４１，４２，５１，５２（７１，７２，８１，８２）を備え、それらの素子が単一の基板４０ａの上に形成されてなる磁気センサである。

この磁気センサ４０の構造によれば、第１微小領域内に形成した４個のＧＭＲ素子となる膜４１〜４４にＸ軸正方向の磁界を与えるだけで、磁界検出向きがＸ軸正方向及びＸ軸負方向の巨大磁気抵抗効果素子が形成される。従って、基板４０ａのＸ軸方向両端部のそれぞれに巨大磁気抵抗効果素子を形成する必要がないので、磁気センサ４０は小型となる。同様に、第２微小領域内に形成した４個のＧＭＲ素子となる膜５１〜５４にＹ軸正方向の磁界を与えるだけで、磁界検出向きがＹ軸正方向及びＹ軸負方向の巨大磁気抵抗効果素子が形成される。従って、基板４０ａのＹ軸方向両端部のそれぞれに巨大磁気抵抗効果素子を形成する必要がないので、磁気センサ４０は小型となる。

（１）磁化の向きが第１の向き（Ｘ軸正方向）に固定された固定層Ｐ、
前記固定層に接するように形成された非磁性導電体からなるスペーサ層、及び
前記スペーサ層に接し前記固定層との間に同スペーサ層を挟むように形成された第１強磁性膜（２４に相当）と、同第１強磁性膜に接するように形成された交換結合膜（２３に相当）と、同交換結合膜に接し且つ同第１強磁性膜との間に同交換結合膜を挟むように形成されることにより同第１強磁性膜と交換結合するとともに同第１強磁性膜の膜厚より大きい膜厚を有することにより磁化の向きが外部磁界の向きに近づくように変化する第２強磁性膜（２２に相当）と、を含むフリー層、
を有する第１ＧＭＲ素子４１。

（２）磁化の向きが前記第１の向きに固定された固定層、
前記固定層に接するように形成された非磁性導電体からなるスペーサ層、及び
前記スペーサ層に接し前記固定層との間に同スペーサ層を挟むように形成されるとともに磁化の向きが外部磁界の向きに近づくように変化する強磁性膜（３４に相当）を含むフリー層、
を有する第２ＧＭＲ素子４２。

この場合、第２ＧＭＲ素子４２のフリー層は、
前記スペーサ層に接し前記固定層との間に同スペーサ層を挟むように形成されるとともに磁化の向きが外部磁界の向きに近づくように変化する第３強磁性膜（３４に相当）と、同第３強磁性膜に接するように形成された交換結合膜（３３に相当）と、同交換結合膜に接し且つ同第３強磁性膜との間に同交換結合膜を挟むように形成されることにより同第３強磁性膜と交換結合するとともに同第３強磁性膜の膜厚より小さい膜厚を有する第４強磁性膜（３２に相当）と、からなる。

（３）磁化の向きが前記第１ＧＭＲ素子４１の固定層の層面と平行な面内において前記第１の向きと直交する第２の向き（Ｙ軸正方向）に固定された固定層、
前記固定層に接するように形成された非磁性導電体からなるスペーサ層、及び
前記スペーサ層に接し前記固定層との間に同スペーサ層を挟むように形成された第５強磁性膜（２４に相当）と、同第５強磁性膜に接するように形成された交換結合膜（２３に相当）と、同交換結合膜に接し且つ同第５強磁性膜との間に同交換結合膜を挟むように形成されることにより同第５強磁性膜と交換結合するとともに同第５強磁性膜の膜厚より大きい膜厚を有することにより磁化の向きが外部磁界の向きに近づくように変化する第６強磁性膜（２２に相当）と、を含むフリー層、
を有する第３ＧＭＲ素子５１。

（４）磁化の向きが前記第２の向きに固定された固定層、
前記固定層に接するように形成された非磁性導電体からなるスペーサ層、及び
前記スペーサ層に接し前記固定層との間に同スペーサ層を挟むように形成されるとともに磁化の向きが外部磁界の向きに近づくように変化する強磁性膜（３４に相当）を含むフリー層、
を有する第４ＧＭＲ素子５２。

この場合、第４ＧＭＲ素子５２のフリー層は、
前記スペーサ層に接し前記固定層との間に同スペーサ層を挟むように形成されるとともに磁化の向きが外部磁界の向きに近づくように変化する第７強磁性膜（３４に相当）と、同第７強磁性膜に接するように形成された交換結合膜（３３に相当）と、同交換結合膜に接し且つ同第７強磁性膜との間に同交換結合膜を挟むように形成されることにより同第７強磁性膜と交換結合するとともに同第７強磁性膜の膜厚より小さい膜厚を有する第８強磁性膜（３２に相当）と、からなる。

従って、磁気センサ４０は、磁界検出向きが第１の向きと平行（Ｘ軸正方向）の第１巨大磁気抵抗効果素子４１と、磁界検出向きが第１の向きと反平行（Ｘ軸負方向）の第２巨大磁気抵抗効果素子４２と、磁界検出向きが第１の向きと直交する第２の向きと平行（Ｙ軸正方向）の第３巨大磁気抵抗効果素子５１と、磁界検出向きが第２の向きと反平行（Ｙ軸負方向）の第４巨大磁気抵抗効果素子５２と、を１つの基板４０ａ上に備えることになる。従って、互いに直交する２つの向き（第１の向き及び第２の向きからなる２軸）のそれぞれにおける外部磁界の成分を検出できる磁気センサが提供される。

また、第１〜第４Ｘ軸ＧＭＲ素子４１〜４４は微小領域内に形成され、第１〜第４Ｙ軸ＧＭＲ素子５１〜５４は他の微小領域内に形成される。従って、磁気センサ４０は、基板４０ａ等からの応力の影響を受け難い磁気センサとなっている。

なお、本発明は上記各実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、各ＧＭＲ素子を、所謂「シンセティックスピンバルブ膜」からなる巨大磁気抵抗効果素子（以下、「ＳＡＦ素子」と称呼する。）としてもよい。

このシンセティックスピンバルブ膜は、ベース層Ｂ、フリー層Ｆ、スペーサ層Ｓ及び保護層Ｃは、上述した各実施形態のベース層Ｂ、フリー層、スペーサ層Ｓ及び保護層Ｃとそれぞれ同一の構成を備える。その一方、固定層Ｐ’は、図１７に膜構成を示したように、ＣｏＦｅからなる第１強磁性膜Ｐ１と、第１強磁性膜Ｐ１の上に積層されたＲｕからなる交換結合膜Ｅｘと、交換結合膜Ｅｘの上に積層されたＣｏＦｅからなる第２強磁性膜Ｐ２と、第２強磁性膜Ｐ２の上に積層されるとともにＰｔを４５〜５５ｍｏｌ％含むＰｔＭｎ合金からなる交換バイアス膜（反強磁性膜）Ｅｂとを重ね合わせた多重膜積層固定層である。

交換結合膜Ｅｘは、第１強磁性膜Ｐ１と第２強磁性膜Ｐ２とにサンドイッチ状に挟まれている。第１強磁性膜Ｐ１は、交換結合膜Ｅｘ及び第２強磁性膜Ｐ２と協働して磁化の向きが外部磁界の変化に対して変化しないように固定されるピンド層を構成している。交換バイアス膜Ｅｂは、第２強磁性膜Ｐ２及び交換結合膜Ｅｘを介してピンド層である第１強磁性膜Ｐ１の磁化の向きを固定するピニング層を構成している。なお、第１強磁性膜Ｐ１、交換結合膜Ｅｘ及び第２強磁性膜Ｐ２をピンド層と呼ぶこともできる。

交換バイアス膜Ｅｂは第２強磁性膜Ｐ２と交換結合し、第２強磁性膜Ｐ２の磁化（磁化ベクトル）の向きを所定の方向に固定している。また、第１強磁性膜Ｐ１と第２強磁性膜Ｐ２は、交換結合膜Ｅｘを介して互いに交換結合している。このとき、第１強磁性膜Ｐ１の磁化の向きと第２強磁性膜Ｐ２の磁化の向きは反平行となる。

なお、上記本発明に係る実施形態の巨大磁気抵抗効果素子は、
磁化の向きが固定された固定層と、外部磁界に応じて磁化の向きが変化するフリー層と、同固定層と同フリー層との間に配置された非磁性導電体からなるスペーサ層と、を備えた巨大磁気抵抗効果素子において、
前記フリー層は、第１強磁性膜と、同第１強磁性膜の膜厚より大きい膜厚を有する第２強磁性膜と、同第１強磁性膜と同第２強磁性膜との間に配置され同第１強磁性膜と同第２強磁性膜とを交換結合する交換結合膜と、を備えたことを特徴とする巨大磁気抵抗効果素子であるということができる。

上述したように、この構成の巨大磁気抵抗効果素子は、フリー層Ｆにおいて互いに膜厚が異なる二つの強磁性膜を交換結合させている。従って、反磁界領域の幅が減少するので、素子幅を小さくしてもＭＲ比が低下しない。この結果、巨大磁気抵抗効果素子を一層小さい素子とすることができる。

この場合、前記第１強磁性膜が前記スペーサ層に接し前記固定層との間に同スペーサ層を挟むように形成されることが好適である。

このような構成の巨大磁気抵抗効果素子となる膜を、通常の巨大磁気抵抗効果素子となる膜と隣接配置し、磁場中熱処理において両者に同一方向の磁界を加えることによって、磁界検出向きが１８０°異なる二つの巨大磁気抵抗効果素子を得ることができる。加えて、このような構成の巨大磁気抵抗効果素子となる膜と、前記第２強磁性膜が前記スペーサ層に接し前記固定層との間に前記スペーサ層を挟むように形成される膜と、を隣接配置し、磁場中熱処理において両者に同一方向の磁界を加えることによっても、磁界検出向きが１８０°異なる二つの巨大磁気抵抗効果素子を得ることができる。従って、小型の磁気センサが提供され得る。

本発明の第１実施形態に係る磁気センサの平面図である。図１に示した第１ＧＭＲ素子の拡大平面図である。図２の１−１線に沿った平面にて第１ＧＭＲ素子を切断した概略断面図である。図４の（Ａ）は図１に示した第１ＧＭＲ素子の膜構成を示した図、図４の（Ｂ）は第１ＧＭＲ素子の各膜の磁化の向きを説明するための図、図４の（Ｃ）は第１ＧＭＲ素子の外部磁界に対する抵抗値の変化を示したグラフである。図５の（Ａ）は図１に示した第２ＧＭＲ素子の膜構成を示した図、図５の（Ｂ）は第２ＧＭＲ素子の各膜の磁化の向きを説明するための図、図５の（Ｃ）は第２ＧＭＲ素子の外部磁界に対する抵抗値の変化を示したグラフである。図６の（Ａ）は図１に示した磁気センサが備える等価回路図であり、図６の（Ｂ）は外部磁界のＸ軸正方向成分に対する同磁気センサの出力の変化を示したグラフである。図７の（Ａ）は従来のＧＭＲ素子のフリー層に生じる反磁界領域を示した図であり、図７の（Ｂ）は図１に示した第１及び第２ＧＭＲ素子のフリー層に生じる反磁界領域を示した図である。本発明の第２実施形態に係る磁気センサ（Ｎタイプ）の平面図である。図９の（Ａ）は図８に示した磁気センサが備えるＸ軸磁気センサの等価回路図であり、図９の（Ｂ）は外部磁界のＸ軸正方向成分に対する同Ｘ軸磁気センサの出力の変化を示したグラフである。図１０の（Ａ）は図８に示した磁気センサが備えるＹ軸磁気センサの等価回路図であり、図１０の（Ｂ）は外部磁界のＹ軸正方向成分に対する同Ｙ軸磁気センサの出力の変化を示したグラフである。図８に示した磁気センサを製造するためのウエハ（基板）の部分平面図である。図８に示した磁気センサのピンド層の磁化の向きを固定する際に使用するマグネットアレイの平面図である。図１２の２−２線に沿った平面にてマグネットアレイを切断した同マグネットアレイの断面図である。図１２に示したマグネットアレイの永久磁石を５個だけ取り出した状態を示す同永久磁石の斜視図である。図８に示した磁気センサのＧＭＲ素子のピンド層の磁化の向きを固定する方法を示したマグネットアレイ及びウエハの部分平面図である。本発明の第２実施形態に係る磁気センサ（Ｓタイプ）の平面図である。シンセティックスピンバルブ膜の固定層の膜構成を示した図である。図１８の（Ａ）は従来の磁気センサの等価回路図であり、図１８の（Ｂ）はは外部磁界に対する同従来の磁気センサの出力の変化を示したグラフである。

符号の説明

１０…磁気センサ、１１…基板、２０…第１巨大磁気抵抗効果素子（第１ＧＭＲ素子）、２１…Ｔａ膜、２２…第２強磁性膜、２３…交換結合膜、２４…第１強磁性膜、２５…非磁性導電体膜、２６…強磁性膜（ピンド層）、２７…反強磁性膜（ピニング層）、２８…Ｔａ膜、３０…第２巨大磁気抵抗効果素子（第２ＧＭＲ素子）、３１…Ｔａ膜、３２…第４強磁性膜、３３…交換結合膜、３４…第３強磁性膜、３５…非磁性導電体膜、３６…強磁性膜（ピンド層）、３７…反強磁性膜（ピニング層）、３８…Ｔａ膜、４０…磁気センサ、４０ａ…基板、４１…第１Ｘ軸巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ）素子、４２…第２Ｘ軸巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ）素子、４３…第３Ｘ軸巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ）素子、４４…第４Ｘ軸巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ）素子、５１…第１Ｙ軸巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ）素子、５２…第２Ｙ軸巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ）素子、５３…第３Ｙ軸巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ）素子、５４…第４Ｙ軸巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ）素子、６０…マグネットアレイ、６１…永久磁石、７０…磁気センサ、Ｐ…固定層、Ｓ…スペーサ層、Ｆ…フリー層、ＳＶ１…スピンバルブ膜、ＳＶ２…スピンバルブ膜。

Claims

磁化の向きが所定の向きに固定された固定層、
前記固定層に接するように形成された非磁性導電体からなるスペーサ層、及び
前記スペーサ層に接し前記固定層との間に同スペーサ層を挟むように形成された第１強磁性膜と、同第１強磁性膜に接するように形成された交換結合膜と、同交換結合膜に接し且つ同第１強磁性膜との間に同交換結合膜を挟むように形成されることにより同第１強磁性膜と交換結合するとともに同第１強磁性膜の膜厚より大きい膜厚を有することにより磁化の向きが外部磁界の向きに近づくように変化する第２強磁性膜と、を含むフリー層、
を有する第１巨大磁気抵抗効果素子、並びに、
磁化の向きが前記所定の向きに固定された固定層、
前記固定層に接するように形成された非磁性導電体からなるスペーサ層、及び
前記スペーサ層に接し前記固定層との間に同スペーサ層を挟むように形成されるとともに磁化の向きが外部磁界の向きに近づくように変化する第３強磁性膜と、同第３強磁性膜に接するように形成された交換結合膜と、同交換結合膜に接し且つ同第３強磁性膜との間に同交換結合膜を挟むように形成されることにより同第３強磁性膜と交換結合するとともに同第３強磁性膜の膜厚より小さい膜厚を有する第４強磁性膜と、を含むフリー層、
を有する第２巨大磁気抵抗効果素子、
を備えるとともに、
前記第１巨大磁気抵抗効果素子及び前記第２巨大磁気抵抗効果素子が単一の基板上に形成されてなる磁気センサ。
磁化の向きが第１の向きに固定された固定層、
前記固定層に接するように形成された非磁性導電体からなるスペーサ層、及び
前記スペーサ層に接し前記固定層との間に同スペーサ層を挟むように形成された第１強磁性膜と、同第１強磁性膜に接するように形成された交換結合膜と、同交換結合膜に接し且つ同第１強磁性膜との間に同交換結合膜を挟むように形成されることにより同第１強磁性膜と交換結合するとともに同第１強磁性膜の膜厚より大きい膜厚を有することにより磁化の向きが外部磁界の向きに近づくように変化する第２強磁性膜と、を含むフリー層、
を有する第１巨大磁気抵抗効果素子、
磁化の向きが前記第１の向きに固定された固定層、
前記固定層に接するように形成された非磁性導電体からなるスペーサ層、及び
前記スペーサ層に接し前記固定層との間に同スペーサ層を挟むように形成されるとともに磁化の向きが外部磁界の向きに近づくように変化する第３強磁性膜と、同第３強磁性膜に接するように形成された交換結合膜と、同交換結合膜に接し且つ同第３強磁性膜との間に同交換結合膜を挟むように形成されることにより同第３強磁性膜と交換結合するとともに同第３強磁性膜の膜厚より小さい膜厚を有する第４強磁性膜と、を含むフリー層、
を有する第２巨大磁気抵抗効果素子、
磁化の向きが前記第１巨大磁気抵抗効果素子の固定層の層面と平行な面内において前記第１の向きと直交する第２の向きに固定された固定層、
前記固定層に接するように形成された非磁性導電体からなるスペーサ層、及び
前記スペーサ層に接し前記固定層との間に同スペーサ層を挟むように形成された第５強磁性膜と、同第５強磁性膜に接するように形成された交換結合膜と、同交換結合膜に接し且つ同第５強磁性膜との間に同交換結合膜を挟むように形成されることにより同第５強磁性膜と交換結合するとともに同第５強磁性膜の膜厚より大きい膜厚を有することにより磁化の向きが外部磁界の向きに近づくように変化する第６強磁性膜と、を含むフリー層、
を有する第３巨大磁気抵抗効果素子、
並びに、
磁化の向きが前記第２の向きに固定された固定層、
前記固定層に接するように形成された非磁性導電体からなるスペーサ層、及び
前記スペーサ層に接し前記固定層との間に同スペーサ層を挟むように形成されるとともに磁化の向きが外部磁界の向きに近づくように変化する第７強磁性膜と、同第７強磁性膜に接するように形成された交換結合膜と、同交換結合膜に接し且つ同第７強磁性膜との間に同交換結合膜を挟むように形成されることにより同第７強磁性膜と交換結合するとともに同第７強磁性膜の膜厚より小さい膜厚を有する第８強磁性膜と、を含むフリー層、
を有する第４巨大磁気抵抗効果素子、
を備えるとともに、
前記第１乃至第４巨大磁気抵抗効果素子が単一の基板上に形成されてなる磁気センサ。