JP4624864B2 - 薄膜磁気センサ - Google Patents
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Description
(1)ホールセンサやAMRセンサに比べて電気比抵抗の変化率の最大値(すなわち、MR比=△ρ/ρ0(△ρ=ρH−ρ0:ρHは、外部磁界Hにおける電気比抵抗、ρ0は、外部磁界ゼロにおける電気比抵抗))が極めて大きい、
(2)ホールセンサに比べて抵抗値の温度変化が小さい、
(3)巨大磁気抵抗効果を有する材料が薄膜材料であるために、マイクロ化に適している、
等の利点がある。そのため、GMRセンサは、コンピュータ、電力、自動車、家電、携帯機器等に用いられる高感度マイクロ磁気センサとしての応用が期待されているものである。
(1)強磁性層(例えば、パーマロイ等)と非磁性層(例えば、Cu、Ag、Au等)の多層膜、あるいは、反強磁性層、強磁性層(固定層)、非磁性層及び強磁性層(自由層)の4層構造を備えた多層膜(いわゆる、「スピンバルブ」)からなる金属人工格子、
(2)強磁性金属(例えば、パーマロイ等)からなるnmサイズの微粒子と、非磁性金属(例えば、Cu、Ag、Au等)からなる粒界相とを備えた金属−金属系ナノグラニュラー材料、
(3)スピン依存トンネル効果によってMR(Magneto-Resistivity)効果が生ずるトンネル接合膜、
(4)nmサイズの強磁性金属合金微粒子と、非磁性・絶縁性材料からなる粒界相とを備えた金属−絶縁体系ナノグラニュラー材料、
等が知られている。
(1)その組成を最適化すれば、室温において10%を越える高いMR比を示す、
(2)電気比抵抗が桁違いに高いので、磁気センサの超小型化と低消費電力化が同時に実現可能である、
(3)耐熱性の悪い反強磁性膜を含むスピンバルブ膜と異なり、高温環境下でも使用可能である、
等の利点がある。しかしながら、金属−絶縁体系ナノグラニュラー材料は、低磁界における磁界感度が非常に小さいという問題がある。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、アニール処理に伴うGMR膜の電気抵抗Rの変化率がセンサ毎に異なることに起因する薄膜磁気センサのS/N比の低下を抑制することにある。
また、本発明に係る薄膜磁気センサの2番目は、非磁性絶縁材料からなる下地膜と、前記下地膜上に形成された、軟磁性材料からなりかつギャップを介して対向させた一対の薄膜ヨークと、前記ギャップ内又はその近傍において、前記一対の薄膜ヨークと電気的に接続されるように形成された、前記軟磁性材料より高い電気比抵抗を有し、かつ、巨大磁気抵抗効果を有するGMR膜と、前記薄膜ヨーク及び前記GMR膜の表面を保護する保護膜と、前記下地膜と前記GMR膜との界面に形成された、非磁性絶縁材料からなる第1のバリア層とを備え、前記GMR膜は、金属−フッ化物系ナノグラニュラー材料からなり、前記第1のバリア層は、フッ化物を含む材料からなることを要旨とする。
この場合、その表面に前記下地膜が形成された、非磁性材料又は非磁性絶縁材料基板をさらに備えていても良い。また、前記GMR膜と前記保護膜との界面に形成された、非磁性絶縁材料からなる第2のバリア層をさらに備え、該第2のバリア層は、フッ化物を含む材料からなるものが好ましい。
(1)下地膜(若しくは基板)及び/又は保護膜からGMR膜へのある種の元素の拡散がGMR膜の電気抵抗Rをばらつかせる原因であること、並びに、
(2)GMR膜と下地膜(若しくは基板)及び/又は保護膜との界面にバリア層を設けることによって、GMR膜の電気抵抗Rをばらつかせる原因となる元素の拡散が抑制されること、によると考えられる。
(1)基板が半導体である場合に、絶縁性を付与するため(例えば、熱酸化SiO2)、及び、
(2)基板が多結晶体である場合や粒状混合物系の場合(例えば、電気伝導度、硬さ、剛性、熱伝導性等が異なる異種材料(例えば、Al2O3とTiO2)を混合して固めたもの)に、基板表面に平滑性を付与するため(例えば、スパッタAl2O3)、に形成される。
従って、基板そのものが絶縁性及び平滑性を有している場合は、下地膜12を省略し、基板の上に直接、各薄膜を形成しても良い。
また、下地膜12を形成する場合、薄膜磁気センサ10は、基板上に各種の薄膜が積層された状態で使用しても良く、あるいは、基板を取り除いた状態で使用しても良い。
下地膜12には、非磁性絶縁材料が用いられる。また、下地膜12は、一般に、その表面を平滑にするために成膜後に精密研磨が行われるので、緻密性、平滑性、研磨容易性を備えた材料を用いるのが好ましい。このような条件を備えた下地膜12の材質としては、具体的には、SiO2(シリカ)、アルミナ(Al2O3)、ジルコニア(ZrO2)、マグネシア(MgO)などがある。
下地膜12の厚さは、特に限定されるものではなく、基板表面に絶縁性・平滑性を付与できる程度の厚さ、あるいは、基板を取り除いた後に自立できる程度の厚さがあれば良い。
また、図1(a)に示す例において、薄膜ヨーク14、16の先端側(ギャップg側)に平行部が設けられているが、この平行部は、なくても良い。但し、薄膜ヨーク14、16先端に平行部を設けると、薄膜ヨーク14、16先端における磁束の周囲への分散が抑制されるので、GMR膜18により強い磁界を作用させることができ、さらに、性能がより安定化して歩留まりが向上するという利点がある。
ここで、「ギャップg近傍」とは、薄膜ヨーク14、16先端に発生する増幅された大きな磁界の影響を受ける領域であって、ギャップg中磁界の最小値に対して、1/2以上の大きさの磁界を持つ領域をいう。薄膜ヨーク14、16間に発生する磁界は、ギャップg内が最も大きくなるので、GMR膜18は、ギャップg内に形成するのが最も好ましいが、GMR膜18に作用する磁界が実用上十分な大きさであるときは、その全部又は一部がギャップg外(例えば、薄膜ヨーク14、16の上面側又は下面側)にあっても良いことを意味する。
本実施の形態においては、図1(c)に示すように、GMR膜18は、薄膜ヨーク14、16の下面側に形成されている。
GMR膜18の形状及び寸法は、特に限定されるものではなく、GMR膜18の電気抵抗値が目的とする値となるように定める。
保護膜20は、絶縁性・非磁性材料からなる。保護膜20、30の材質としては、具体的には、Al2O3、SiO2、Si3N4、200℃以上でハードベークしたフォトレジスト等が好適である。
第1に、バリア層22、24は、非磁性絶縁材料からなる。バリア層22、24として導電性材料を用いると、薄膜ヨーク14、16間が電気的に短絡するので好ましくない。また、バリア層22、24として磁性材料を用いると、磁束がバリア層22、24を通過し、GMR膜18内を通る磁束が減少するので好ましくない。
フッ化物を含む材料は、下地膜12(若しくは基板)及び保護膜20の材質によらず、GMR膜18のアニールによる電気伝導度変化を安定化させたり、MR効果のアニール変化を安定化させる作用が大きいので、バリア層22、24の材料として好適である。この場合、バリア層22、24に含まれるフッ化物は、GMR膜18を構成するフッ化物と同一であっても良く、あるいは、異なるものでも良い。バリア層22、24を構成するフッ化物としては、具体的には、MgF2、CaF2、SrF2、AgF2、AlF3、BaF2、CrF3、MnF3、MoF6、NbF5、PbF2、TiF3、又は、これらの混合物などがある。
なお、GMR膜18の電気抵抗Rのばらつきを抑制するためには、GMR膜18の両面にバリア層22、24を設けるのが最も好ましいが、GMR膜18と下地膜12(又は、基板)の界面にのみ、バリア層22を形成するだけでも、相対的に大きな効果が得られる。これは、一般に、GMR膜18と下地膜12(又は、基板)との界面の面積の方が、GMR膜18と保護膜20との界面の面積より大きく、元素の拡散による影響が大きいためである。
例えば、2個の薄膜磁気センサ10を直列に接続し、かつ、2個の薄膜センサ10の感磁軸が互いに直交するように配置しても良い。このような構成を取ると、中点電位を計測することによって、温度による基準電位の変動の影響を受けることなく、外部磁界を検出することができる。
また、例えば、4個の薄膜磁気センサ10を用いて、ブリッジ回路を構成しても良い。ブリッジ回路を構成すると、中点電位の差分を取ることによって、その出力を、2個の薄膜磁気センサ10を用いた場合の2倍にしたり、外乱ノイズを低下させることができる。
さらに、複数個の薄膜磁気センサ10を用いてハーフブリッジ又はフルブリッジを構成する場合、各薄膜磁気センサ10は、同一基板上に隣接して作り込まれたものでも良く、あるいは、別個の基板上に作られた個々の薄膜磁気センサ10をリード線で接続したものでも良い。
図1(d)において、薄膜磁気センサ10’は、下地膜12と、一対の薄膜ヨーク14、16と、GMR膜18’と、保護膜20と、バリア層(第1のバリア層)22、バリア層(第2のバリア層)24とを備えている。
GMR膜18’は、「L字型」を呈している。バリア層22は、下地膜12とGMR膜18’の底面との界面に形成され、バリア層24は、GMR膜18’の上面と保護膜20との界面に形成されている。
なお、下地膜12、GMR膜18’、保護膜20、バリア層22、24に関するその他の点、基板の材質によっては下地膜12を省略しても良い点、相対的に大きな効果を得るためには、少なくとも第1のバリア層22を形成するのが好ましい点等については、第1の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
本発明に係る薄膜磁気センサ10、10’は、フォトリソグラフィ技術を用いて各薄膜を所定の順序で積層することにより得られる。
(1)基板上に下地膜12を形成する。
(2)下地膜12表面であって、GMR膜18が形成される位置に、バリア層22を形成する。
(3)バリア層22の上に、GMR膜18を形成する。
(4)GMR膜18の上に、バリア層24を形成する。
(5)GMR膜18の両側に、薄膜ヨーク14、16を形成する。
(6)薄膜ヨーク14、16の両端に電極26、28を形成する。
(7)薄膜ヨーク14、16の表面に、保護膜20を形成する。
(1)基板表面全面に、所定の組成を有する薄膜を形成し、所定の形状パターンに従って、薄膜の不要部分をエッチング(例えば、Arイオンビームエッチング、薬品によるウエットエッチング、あるいは反応性エッチングなど)により除去する方法(以下、これを「エッチング法」という)、あるいは、
(2)基板表面にフォトレジスト等を用いて、所定の形状パターンを有するマスクを形成し、マスクの表面全体に所定の組成を有する薄膜を形成し、マスクを除去する方法(以下、これを「マスク法」という)、
により作製することができる。
また、各薄膜の形成方法としては、スパッタリング、真空蒸着、PCD、CVD、熱酸化等の公知の方法を用いることができる。具体的な薄膜の形成方法は、薄膜の組成に応じて最適なものを選択する。
(1)基板上に下地膜12を形成する。
(2)下地膜12表面に、一方の薄膜ヨーク14を形成する。
(3)下地膜12表面であって、GMR膜18が形成される位置に、バリア層22を形成する。
(4)薄膜ヨーク14の先端面にGMR膜18’を形成する。
(5)GMR膜18’の表面に、他方の薄膜ヨーク16を形成する。
(6)GMR膜18’の上端面に、バリア層24を形成する。
(7)薄膜ヨーク14、16の両端に電極26、28を形成する。
(8)薄膜ヨーク14、16の表面に、保護膜20を形成する。
この場合、薄膜形成法として、エッチング法又はマスク法を用いることができる点、薄膜の形状等が許す場合には、各薄膜の積層順序を多少前後させても良い点は、第1の実施の形態と同様である。
さらに、必要に応じて、ハンダ付け、樹脂による封止等を行うと、本発明に係る薄膜磁気センサ10、10’が得られる。
薄膜磁気センサは、一般に結晶構造の異なる複数の薄膜が積層された構造を取るため、成膜直後の薄膜磁気センサ内部には、相対的に大きな残留応力が発生している。また、成膜直後の薄膜ヨーク14、16は、磁気特性に異方性がある場合がある。さらに、金属−絶縁体系ナノグラニュラー材料は、非磁性絶縁材料からなるマトリックス中に磁性金属ナノ粒子が分散したものであるが、成膜直後は、磁性金属ナノ粒子の一部が接触しており、電気抵抗Rは、相対的に低い。また、成膜直後の薄膜ヨーク14、16は、ヒステリシスを持つ場合がある。
また、同一基板上に隣接してGIGsを作り込んだ場合において、隣接するセンサ間の距離が極めて短い場合(例えば、1mm程度)であっても、アニールによる電気抵抗Rの上昇率は、センサ間で異なる挙動を示す場合がある。複数個のセンサを用いてハーフブリッジ又はフルブリッジ回路を構成した場合において、アニール処理後の電気抵抗Rの上昇率がセンサ毎に異なると、中点電位が外部環境の温度によって変化し、S/N比を低下させる原因となる。
さらに、従来のGIGsのMR比は、GMR膜本来のMR比より低い値にとどまる場合があった。
バリア層22、24を設けることによってこのような効果が得られる理由の詳細は不明であるが、おそらく、
(1)下地膜12(若しくは基板)及び/又は保護膜20からGMR膜18、18’へのある種の元素の拡散がGMR膜18、18’の電気抵抗Rをばらつかせる原因であること、並びに、
(2)GMR膜18、18’と下地膜12(若しくは基板)及び/又は保護膜20の界面にバリア層22、24を設けることによって、GMR膜18、18’の電気抵抗Rをばらつかせる原因となる元素の拡散が抑制されること、
によると考えられる。
これに対し、フッ化物は、潮解性があるという欠点はあるが、当該GMR膜の構成要素と同一又は類似の化合物であるため、仮に拡散してもGMR膜が類似の構造のまま維持され、また、イオン結合性が強く、不定比化合物を生成しにくい。そのため、下地膜12等として不定比化合物を含む材料を用いた場合であっても、GMR膜の構成要素と同一又は類似の化合物からなるバリア層22、24が下地膜12等からの元素の拡散を抑制し、熱処理に伴うGMR膜18の電気抵抗Rの変化を抑制することができる。また、製造コスト、薄膜磁気センサ10、10’の用途や使用環境等によって、下地膜12等の材料選択が制約される場合であっても、電気抵抗Rのばらつきの少ない薄膜磁気センサ10、10’が得られる。
図2(a)に示すように、直列に接続され、かつ、その感磁軸が互いに直交している2個のセンサA、Bを備えた薄膜磁気センサ30(GIGs1(実施例1)〜GIGs5(実施例5))を作製した。
なお、各センサA、Bは、図1(c)に示す断面構造を有するものである。また、各部の材料には、以下のものを用いた。
基板: Al2O3・TiO2基板
下地膜12: SiO2膜A又はSiO2膜B(両者は、製造条件が異なる。)
GMR膜18: CoFe−MgF2系ナノグラニュラー材料
薄膜ヨーク14、16: CoFeSiBアモルファス膜。
バリア層22、24: MgF2、CaF2又はSrF2。
保護膜20: SiO2膜A又はSiO2膜B
電極26、28: Au/Cu/Cr積層膜。
GMR膜18の上面及び下面にバリア層22、24を形成しなかった以外は、実施例1〜5と同様の構造を有する薄膜磁気センサ30(GIGs6(比較例1)〜GIGs8(比較例3))を作製した。
なお、GIGs6〜GIGs8は、構造は同一であるが、下地膜12及び保護膜20の種類が異なっているものである。
なお、「AB間中点電位」とは、2.5Vを基準電位(0V)とした時の基準電位からのずれの量をいう。また、「AB間中点電位差」とは、図2(b)に示すように、外部温度が60℃であるときのAB間中点電位から外部温度が−30℃であるときのAB間中点電位を差し引いた値をいう。表1に、その結果を示す。なお、表1には、各薄膜磁気センサ30の構成材料も併せて示した。また、AB間中点電位差は、各センサとも、5サンプルの平均値である。
なお、「無磁界電気抵抗値」とは、ゼロ磁界のときのセンサA又はB両端の電気抵抗値をいう。また、「無磁界電気抵抗値の変化率」とは、アニール前のセンサA又はBの電気抵抗値(R0)に対するアニール処理後のセンサA又はBの電気抵抗値(RT)の比(RT/R0)をいう。
GIGs6(比較例1)の場合、図4(b)に示すように、アニール温度180℃までは、その無磁界電気抵抗値変化率は、GMR単独膜とほぼ同等であり、センサA−センサB間の差もほとんどなかった。しかしながら、アニール温度が180℃を超えると、無磁界電気抵抗値変化率のGMR単独膜との差、及び、センサ間の差は、拡大した。
さらに、GIGs8(比較例3)の場合、図5(b)に示すように、アニール温度180℃の時点で既に、無磁界電気抵抗値変化率のGMR単独膜との差、及びセンサ間の差は、GIGs6、7より拡大した。また、その格差は、アニール温度が高くなるほど、さらに拡大した。
以上の結果から、アニール処理に伴う無磁界電気抵抗値変化率のGMR単独膜との差及びセンサA−B間の差をなくすためには、GMR膜の上下面にバリア層を形成するのが有効であることがわかった。
また、GMR膜とその両端に配置された薄膜ヨークを備えた磁気抵抗素子は、磁気センサとして特に好適であるが、磁気抵抗素子の用途は、これに限定されるものではなく、磁気メモリ、磁気ヘッド等としても用いることができる。
12 下地膜
14、16 薄膜ヨーク
18、18’ GMR膜
20 保護膜
22、24 バリア層
Claims (4)
- 非磁性絶縁材料からなる基板と、
前記基板上に形成された、軟磁性材料からなりかつギャップを介して対向させた一対の薄膜ヨークと、
前記ギャップ内又はその近傍において、前記一対の薄膜ヨークと電気的に接続されるように形成された、前記軟磁性材料より高い電気比抵抗を有し、かつ、巨大磁気抵抗効果を有するGMR膜と、
前記薄膜ヨーク及び前記GMR膜の表面を保護する保護膜と、
前記基板と前記GMR膜との界面に形成された、非磁性絶縁材料からなる第1のバリア層とを備え、
前記GMR膜は、金属−フッ化物系ナノグラニュラー材料からなり、
前記第1のバリア層は、フッ化物を含む材料からなる薄膜磁気センサ。 - 非磁性絶縁材料からなる下地膜と、
前記下地膜上に形成された、軟磁性材料からなりかつギャップを介して対向させた一対の薄膜ヨークと、
前記ギャップ内又はその近傍において、前記一対の薄膜ヨークと電気的に接続されるように形成された、前記軟磁性材料より高い電気比抵抗を有し、かつ、巨大磁気抵抗効果を有するGMR膜と、
前記薄膜ヨーク及び前記GMR膜の表面を保護する保護膜と、
前記下地膜と前記GMR膜との界面に形成された、非磁性絶縁材料からなる第1のバリア層とを備え、
前記GMR膜は、金属−フッ化物系ナノグラニュラー材料からなり、
前記第1のバリア層は、フッ化物を含む材料からなる薄膜磁気センサ。 - その表面に前記下地膜が形成された、非磁性材料又は非磁性絶縁材料からなる基板をさらに備えた請求項2に記載の薄膜磁気センサ。
- 前記GMR膜と前記保護膜との界面に形成された、非磁性絶縁材料からなる第2のバリア層をさらに備え、
該第2のバリア層は、フッ化物を含む材料からなる請求項1から3までのいずれかに記載の薄膜磁気センサ。
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