JP5174911B2 - 磁気センサ及び磁気センサモジュール - Google Patents

Description

本発明は、例えば地磁気センサとして使用される磁気抵抗効果素子を用いた磁気センサに関する。

磁気抵抗効果素子を用いた磁気センサは例えば、携帯電話等の携帯機器に組み込まれる地磁気を検知する地磁気センサとして使用できる。磁気抵抗効果素子は感度軸方向からの磁場の強さに対して電気抵抗値が変動する。

下記特許文献１には、幅狭帯状部１１ａ１〜１１ａ６、複数の端部バイアス磁石膜１１ｂ１〜１１ｂ７、一対の端子部１１ｃ１，１１ｃ２及び複数の中央部バイアス磁石膜１１ｄ１〜１１ｄ６を備えて構成されるＧＭＲ素子が開示されている。（特許文献１の［００２２］〜［００３１］、図２，図３等）。

端部バイアス磁石膜１１ｂ１〜１１ｂ７及び中央部バイアス磁石膜１１ｄ１〜１１ｄ７は、幅狭帯状部１１ａ１〜１１ａ６を構成し、外部磁界に対して磁化変動するフリー磁性層Ｆにバイアス磁界を供給するために設けられている（特許文献１の［００３８］欄）。

特許文献１の図３に示すように、中央部バイアス磁石膜１１ｄ１〜１１ｄ７、及び端部バイアス磁石膜１１ｂ１〜１１ｂ７は、基板１０ａ上に形成される。そして、幅狭帯状部１１ａ１〜１１ａ６が、基板１０ａ上から端部バイアス磁石膜１１ｂ１〜１１ｂ７上及び、中央部バイアス磁石膜１１ｄ１〜１１ｄ７上にかけて形成される。すなわち幅狭帯状部１１ａ１〜１１ａ６は、中央部バイアス磁石膜１１ｄ１〜１１ｄ７上、及び端部バイアス磁石膜１１ｂ１〜１１ｂ７上に乗り上げて形成されている。

しかしながらこのような構成では、幅狭帯状部１１ａ１〜１１ａ６がうねって形成されてしまう。また、バイアス磁石膜の上方に位置するフリー磁性層Ｆや固定磁性層Ｐには、バイアス磁石膜から上方へ回り込む漏洩磁界が作用する。この結果、フリー磁性層Ｆや固定磁性層Ｐの一軸異方性が低下し、検出精度の向上を図ることができないといった問題があった。

また特許文献１のように、永久磁石層の上に素子部（幅狭帯状部）を形成する構成でなく、積層順を逆にし、すなわち、図１４のように固定磁性層、非磁性層及びフリー磁性層の積層部分を有する素子部７０の上面に永久磁石層７１を設けた構成にしても、永久磁石層７１から下方に漏れる漏洩磁界だけでフリー磁性層の磁化を制御することになり、フリー磁性層の一軸異方性を向上させることができない。
特開２００６−６６８２１号公報

そこで本発明は、上記従来の課題を解決するためのものであり、特に、固定磁性層とフリー磁性層の双方の一軸異方性を向上させることが可能な磁気センサ及び磁気センサモジュールを提供することを目的とする。

本発明は、磁気抵抗効果素子を備えた磁気センサであって、
磁気抵抗効果素子を備えた磁気センサであって、
前記磁気抵抗効果素子は、磁化方向が固定される固定磁性層と、前記固定磁性層に非磁性層を介して積層された外部磁場を受けて磁化方向が変動するフリー磁性層とを有し、前記固定磁性層の固定磁化方向が感度軸方向である素子幅方向に向けられた素子部を備え、
前記素子部には、前記素子幅方向に直交する素子長さ方向の途中の複数位置に、膜厚方向に向けて凹部が形成され、この凹部に第１の永久磁石層が設けられ、前記素子部と前記第１の永久磁石層とで素子連設体が構成され、
前記凹部は、前記フリー磁性層から前記非磁性層の上面、下面あるいは、前記非磁性層の膜厚方向への途中位置にかけて形成されており、前記凹部に形成された前記第１の永久磁石層と前記フリー磁性層の全厚とが前記素子長さ方向にて対向しており、前記固定磁性層は分断されずに前記素子連設体の素子長さ方向の全域に延在していることを特徴とするものである。

これにより、フリー磁性層及び固定磁性層の一軸異方性を向上でき、検出精度の向上を図ることが出来る。

本発明では、前記素子部は、下から前記固定磁性層、前記非磁性層、及び前記フリー磁性層の順に積層されていることが好ましい。これにより素子部を永久磁石層より先に形成でき、また素子部を平面上に形成でき、素子部を適切且つ容易に形成できる。

また本発明では、前記凹部は、前記フリー磁性層から前記非磁性層の膜厚方向への途中位置にかけて形成されていることが好ましい。これにより、永久磁石層の形成領域にフリー磁性層の一部を残すことなく、また凹部形成の際に固定磁性層に対してダメージを与えることが無く、電気的コンタクトの面でも抵抗値の低い非磁性層とコンタクトできる。

また本発明では、前記永久磁石層の前記固定磁性層側に向く面と逆面には、前記永久磁石層よりも抵抗値が小さい非磁性低抵抗層が重ねて形成されていることが好ましい。これにより素子抵抗以外の寄生抵抗分を小さくできる。

また本発明では、前記素子部の前記素子長さ方向の両側に、素子部と接してまたは素子部と間隔を置いて第２の永久磁石層が設けられていることが好ましい。このとき、前記素子部には、前記凹部が素子長さ方向の両側位置にも設けられ、該凹部に第２の永久磁石層が形成されていることが好ましい。

また本発明では、前記第１の永久磁石層の素子長さ方向の長さよりも第２の永久磁石層の素子長さ方向の長さを長く形成することで、中央付近より外側のバイアス磁界が弱くなることを防ぐことができる。

また本発明では、前記第１の永久磁石層および第２の永久磁石層の幅が前記素子幅より広く形成することで、永久磁性層パターンの角部近傍でバイアス磁界が極端に強くなっている部分を素子部に直接影響を及ぼさないようにできる。

また本発明では、前記素子連設体が複数、素子幅方向に間隔を空けて配置され、各素子部連結体の両側に設けられた外側永久磁石層間が非磁性接続層により電気的に接続されてミアンダ形状で形成されている。ミアンダ形状とすることで素子抵抗を大きくでき消費電力の低減を図ることができる。

また本発明における磁気センサモジュールは、上記のいずれかに記載の磁気センサを複数有し、少なくとも前記複数の磁気センサのうち一組の磁気抵抗効果素子の感度軸が直交するように各磁気抵抗効果素子が配置されていることを特徴とするものである。例えば、本発明の磁気センサモジュールは地磁気センサとして使用できる。

本発明の磁気センサによれば、フリー磁性層及び固定磁性層の一軸異方性を向上でき、検出精度の向上を図ることが出来る。

図１（ａ）は第１実施形態における磁気センサの特に磁気抵抗効果素子の部分を示す平面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ線に沿って高さ方向（図示Ｚ方向）に切断し矢印方向から見た部分断面図、図２は、第２実施形態における磁気センサの特に磁気抵抗効果素子の部分を示す平面図、図３は、図２に示すＤ−Ｄ線に沿って高さ方向（図示Ｚ方向）に切断し矢印方向から見た部分拡大断面図、図４は好ましい素子連設体を示す部分拡大平面図、図５は本実施形態における固定磁性層の平面図、図６は、図３の部分拡大断面図、図７は、他の実施形態における素子連設体の部分断面図、図８は、磁気抵抗効果素子の固定磁性層の固定磁化方向及びフリー磁性層の磁化方向と、電気抵抗値との関係を説明するための図、図９は、素子部を膜厚方向から切断した際の切断面を示す断面図、図１０は、本実施形態の磁気センサの回路図、図１１は本実施形態における地磁気センサ（磁気センサモジュール）の部分斜視図、図１２は比較例の素子連設体の断面図、図１３は比較例の固定磁性層及び永久磁石層の平面図及び磁区構造を示す模式図、図１４は従来例の素子部及び永久磁石層の断面図、である。

本実施形態における磁気抵抗効果素子を備えた磁気センサ１を用いた磁気センサモジュールは例えば携帯電話等の携帯機器に搭載される地磁気センサとして使用される。

前記磁気センサ１は、図１０に示すように、磁気抵抗効果素子２，３と固定抵抗素子４，５とがブリッジ接続されてなるセンサ部６と、センサ部６と電気接続された入力端子７、グランド端子８、差動増幅器９及び外部出力端子１０等を備えた集積回路（ＩＣ）１１とで構成される。

図１（ａ）に示すように、素子部１２と中間永久磁石層（第１の永久磁石層）６０とが図示Ｘ方向に交互に形成され、図示Ｘ方向の両側に位置する素子部１２の両側には、外側永久磁石層（第２の永久磁石層）６５が設けられる。素子部１２、中間永久磁石層６０及び外側永久磁石層６５により帯状に延びる素子連設体６１が構成される。図１（ａ）に示すように素子連設体６１の素子長さＬ１（外側永久磁石層６５の部分を含めない）は、素子幅Ｗ１に比べて長く形成されている。

素子連設体６１は、素子幅方向（Ｙ方向）に間隔を空けて複数本並設され、各素子連設体６１の両端部に設けられた外側永久磁石層６５間が電極層６２にて接続されてミアンダ形状の磁気抵抗効果素子２，３が構成されている。

ミアンダ形状に形成された両端にある素子連設体６１の一方には入力端子７、グランド端子８、出力取出し部１４（図１０参照）に接続される電極層６２が接続されている。電極層６２は永久磁石層６０，６５よりも低抵抗であり、Ａｌ、Ｔａ、Ａｕ等の非磁性導電材料で形成される。

磁気抵抗効果素子２，３を構成する各素子部１２は、全て図９に示す同じ積層構造で構成される。なお図９は、素子幅Ｗ１と平行な方向から膜厚方向に切断した切断面を示している。

素子部１２は、例えば下から反強磁性層３３、固定磁性層３４、非磁性層３５、およびフリー磁性層３６の順に積層されて成膜され、フリー磁性層３６の表面が保護層３７で覆われている。素子部１２は例えばスパッタにて形成される。

反強磁性層３３は、Ｉｒ−Ｍｎ合金（イリジウム−マンガン合金）などの反強磁性材料で形成されている。固定磁性層３４はＣｏ−Ｆｅ合金（コバルト−鉄合金）などの軟磁性材料で形成されている。非磁性層３５はＣｕ（銅）などである。フリー磁性層３６は、Ｎｉ−Ｆｅ合金（ニッケル−鉄合金）などの軟磁性材料で形成されている。保護層３７はＴａ（タンタル）などである。上記構成では非磁性層３５がＣｕ等の非磁性導電材料で形成された巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）であるが、Ａｌ₂Ｏ₃等の絶縁材料で形成されたトンネル型磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）であってもよい。また図９に示す素子部１２の積層構成は一例であって他の積層構成であってもよい。

素子部１２では、反強磁性層３３と固定磁性層３４との反強磁性結合により、固定磁性層３４の磁化方向が固定されている。図１及び図９に示すように、固定磁性層３４の固定磁化方向（Ｐ方向）は、素子幅方向（Ｙ方向）に向いている。すなわち固定磁性層３４の固定磁化方向（Ｐ方向）は、素子連設体６１の長手方向に対して直交している。

一方、フリー磁性層３６の磁化方向（Ｆ方向）は、外部磁場により変動する。本実施形態では、永久磁石層６０，６５から素子部１２に図示Ｘ方向へのバイアス磁界が作用している。よって素子部１２を構成するフリー磁性層３６の磁化は無磁場状態では図示Ｘ方向に向けられている。

図８に示すように、固定磁性層３４の固定磁化方向（Ｐ方向）と同一方向から外部磁場Ｙ１が作用してフリー磁性層３６の磁化方向（Ｆ方向）が外部磁場Ｙ１方向に向くと、固定磁性層３４の固定磁化方向（Ｐ方向）とフリー磁性層３６の磁化方向（Ｆ方向）とが平行に近づき電気抵抗値が低下する。

一方、図８に示すように、固定磁性層３４の固定磁化方向（Ｐ方向）と反対方向から外部磁場Ｙ２が作用してフリー磁性層３６の磁化方向（Ｆ方向）が外部磁場Ｙ２方向に向くと、固定磁性層３４の固定磁化方向（Ｐ方向）とフリー磁性層３６の磁化方向（Ｆ方向）とが反平行に近づき電気抵抗値が増大する。

図１（ｂ）に示すように磁気抵抗効果素子２，３は基板１６上に形成される。磁気抵抗効果素子２，３上はＡｌ₂Ｏ₃やＳｉＯ₂等の絶縁層１７に覆われる。また磁気抵抗効果素子２，３を構成する素子連設体６１間も絶縁層１７で埋められる。絶縁層１７は例えばスパッタにて形成される。

図１（ｂ）のように絶縁層１７の上面は、例えばＣＭＰ技術を用いて平坦面に形成されている。ただし、絶縁層１７の上面は、素子連設体６１と基板１６間の段差に倣って、凹凸面で形成されていてもよい。

図１に示す実施形態では、磁気抵抗効果素子２，３を構成する各素子連設体６１の間、及び最も外側に位置する素子連設体６１の外側に磁気シールド効果を発揮する軟磁性体１８が設けられている。軟磁性体１８は例えばスパッタやメッキにて薄膜形成される。軟磁性体１８は、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＳｉＢやＣｏＺｒＮｂ等で形成される。軟磁性体１８の長さ寸法Ｌ２は素子連設体６１の素子長さＬ１よりも長く、図１（ａ）に示すように、軟磁性体１８は、素子連設体６１の長手方向（Ｘ方向）の両側から長手方向に延出する延出部１８ａを備える。

図１（ｂ）に示すように、軟磁性体１８は、素子部１２間にある絶縁層１７上に形成される。また図示しないが軟磁性体１８上及び軟磁性体１８間は絶縁性の保護層にて覆われている。

各寸法について説明する。
磁気抵抗効果素子２，３を構成する素子部１２の素子幅Ｗ１は、２〜１０μｍの範囲内である（図１（ａ）参照）。また素子部１２の素子長さＬ５は、１〜１０μｍの範囲内である（図１（ａ）参照）。また、素子部１２の膜厚Ｔ２は、２００〜４００Åの範囲内である（図１（ｂ）参照）。素子部１２のアスペクト比（素子長さＬ５／素子幅Ｗ１）は、０．１〜４である。

中間永久磁石層６０の長さ寸法Ｌ３は、０．５〜５μｍの範囲内である（図１（ａ）参照）。また中間永久磁石層６０の幅寸法Ｗ３は、３〜１２μｍの範囲内である（図１（ａ）参照）。Ｗ３はＷ１より広いことが好ましい。中間永久磁石層６０の膜厚は、１５０〜１０００Åの範囲内である。

外側永久磁石層６５の長さ寸法Ｌ４は、５〜１０μｍの範囲内である（図１（ａ）参照）。また、外側永久磁石層６５の膜厚は、中間永久磁石層１３の膜厚と等しいことが好ましい。

各素子連設体６１間の素子幅方向への間隔Ｔ５は、２〜１０μｍの範囲内である（図１（ａ）参照）。

また素子連設体６１の長さ寸法Ｌ１は、５０〜２００μｍの範囲内である。
また軟磁性体１８の幅寸法Ｗ２は、この実施形態では、地磁気センサとして使用する場合、１〜６μｍの範囲内である（図１（ａ）参照）。また軟磁性体１８の長さ寸法Ｌ２は、８０〜２００μｍの範囲内である（図１（ａ）参照）。また、軟磁性体１８の膜厚Ｔ３は、０．２〜１μｍの範囲内である（図１（ｂ）参照）。軟磁性体１８の延出部１８ａの長さ寸法Ｔ８は、１０μｍ以上である（図１（ａ）参照）。

図１の実施形態における各軟磁性体１８間の距離（Ｙ方向への距離）Ｔ１は、軟磁性体１８の幅寸法Ｗ２以上で２〜８μｍである（図１（ｂ）参照）。また、素子部１２と隣接した位置にある軟磁性体１８とのＹ方向への距離Ｔ４は、０＜Ｔ４＜３μｍである（図１（ｂ）参照）。また、軟磁性体１８と素子部１２間の高さ方向（Ｚ方向）への距離Ｔ５は、０．１〜１μｍである（図１（ｂ）参照）。

図１に示す磁気センサ１は、図示Ｙ方向（素子幅方向）と平行な方向からの地磁気を検知するためのものである。よって図示Ｙ方向が感度軸方向であり、図示Ｙ方向に直交するＸ方向（素子長さ方向）が素子連設体６１の長手方向である。固定磁性層３４の固定磁化方向（Ｐ方向）は感度軸方向である図示Ｙ方向に向けられている。

図２は図１の変形例である。図２に示す実施形態では、磁気抵抗効果素子２，３は、素子連設体６１の端部間を接続する電極層６２が、Ｙ方向に直線状（帯状）で形成され、電極層６２が、絶縁層を介し軟磁性体１８の下側を通っている。すなわち、電極層６２と軟磁性体１８とが高さ方向（図示Ｚ方向）にて交差している。素子連設体６１を接続する部分の電極層６２は軟磁性体１８と電気的に絶縁されていれば、下部での形成に限定されず、上部に形成されてもよい。

図１では、電極層６２が平面的に軟磁性体１８を迂回するように形成されていたが、図２では、電極層６２と軟磁性体１８とを高さ方向（図示Ｚ方向）にて交差させているため、磁気抵抗効果素子２，３の図示Ｘ方向への長さ寸法を小さくでき、電極層６２の配線抵抗も低減できる。また電極層６２と軟磁性体１８間の絶縁性（図１（ｂ）に示す絶縁層１７が介在している）が低く、仮にショートしたとしても、センサ特性にさほどの影響は無い。また電極層６２を非磁性の良導体で形成することで、電極層６２を永久磁石層で形成する形態に比べて寄生抵抗を低減できるし、永久磁石層で形成するとバイアス磁界の影響が軟磁性体１８に影響しシールド効果が低下するが、本実施形態では、そのような問題も生じない。

本実施形態では、図３の断面図に示すように、各素子部１２を構成する反強磁性層３３、固定磁性層３４及び非磁性層３５は永久磁石層６０，６５の形成位置で分断されておらず素子連設体６１の素子長さ方向（図示Ｘ方向）の全域に延在している。すなわち、永久磁石層６０，６５の形成位置では、素子部１２を構成する保護層３７及びフリー磁性層３６がイオンミリング等で削られて凹部６３が形成されている。よって凹部６３の底面６３ａには非磁性層３５が露出している。そして、この凹部６３内に永久磁石層６０，６５が設けられている。反強磁性層３３、固定磁性層３４、非磁性層３５、フリー磁性層３６及び保護層３７の各層の界面はＸ−Ｙ平面と平行な面である（図３，図６）。

図６の拡大断面図に示すように、凹部６３の底面６３ａは、非磁性層３５の膜厚方向（図示Ｚ方向）の途中位置であることが好適である。底面６３ａは、非磁性層３５の上面３５ａあるいは下面３６ｂの位置であってもよいが、底面６３ａを非磁性層３５の膜厚方向の途中位置にすることで、凹部６３（永久磁石６０，６５）下にフリー磁性層３６の一部が残されることが無い。すなわち凹部６３の形成位置では、フリー磁性層３６が全て除去される。また、凹部６３をイオンミリング等で形成する際に、固定磁性層３４の一部が削り取られる不具合も生じない。また、固定磁性層３４と永久磁石層６０，６５との間に非磁性層３５が介在することで、固定磁性層３４と永久磁石層６０，６５間の磁気的結合を防止できる。

本実施形態では、図３及び図６に示すようにフリー磁性層３６の全厚が、永久磁石層６０，６５と素子長さ方向（Ｘ方向）にて対向する。よって、永久磁石層６０，６５からフリー磁性層３６の全体に適切に素子長さ方向（図示Ｘ方向）へのバイアス磁界を供給でき、フリー磁性層３６の一軸異方性を向上できる。

また本実施形態では、図３、図５、図６に示すように固定磁性層３４は永久磁石層６０，６５の形成位置で分断されることなく素子連設体６１の素子長さ方向（図示Ｘ方向）の全域に形成された単一の層として構成されている。

ここで固定磁性層３４を凹部６３の形成位置で分断してしまうと、次に説明するように固定磁性層３４の一軸異方性を向上させることができなくなる。

固定磁性層３４を分断して形成した比較例（図１２）を説明する。図１２では、永久磁石層６０，６５の形成位置における素子部１２を完全に除去して分断している。そして分断された各素子部１２の間に永久磁石層６０，６５を介在させている。図１２の形態では、固定磁性層３４が永久磁石層６０の形成位置で分断され、固定磁性層３４の側面に永久磁石層６０，６５が対向配置される。単一の層として形成されていた固定磁性層３４を個々に分断することで、各固定磁性層３４の磁区構造が弱まる（不安定化する）。しかも、フリー磁性層３６と同じように、固定磁性層３４の全体に永久磁石層６０，６５から素子長さ方向（図示Ｘ方向）へのバイアス磁界が供給されるため、図１３（分断された固定磁性層の平面図）に示すように、固定磁性層３４の側部付近の磁化が、感度軸方向（Ｙ方向）から傾きやすくなり、固定磁性層３４の一軸異方性が低下する。

これに対して本実施形態では、固定磁性層３４を永久磁石層６０，６５の下側にもそのまま残し、図３，図５，図６のように固定磁性層３４を分断せずに単一の層として構成している。このため、図１２，図１３に示す比較例のように、固定磁性層３４の磁区構造が分断されない。さらに固定磁性層３４が分断されることなく素子連設体６１の素子長さ方向（Ｘ方向）の全域に延在して形成されているため、反強磁性層３３との間で生じる感度軸方向への交換結合磁界（Ｈｅｘ）やＨｐｌをより効果的に大きくできる。また、固定磁性層３４と永久磁石層６０，６５とが素子長さ方向（Ｘ方向）にて対向していないので、比較例のように、永久磁石層６０，６５から固定磁性層３４に直接的に強いバイアス磁界が供給されることが無い。

本実施形態では、永久磁石層６０，６５の下側に位置する固定磁性層３４には、永久磁石層６０，６５から下方に回り込む漏洩磁界が若干、作用するものの、本実施形態のように固定磁性層３４を分断せず、単一の層として構成したことで、固定磁性層３４全域の単磁区化を促進でき、一軸異方性の向上を効果的に図ることが可能である。

以上により本実施形態によれば、固定磁性層３４及びフリー磁性層３６の一軸異方性を向上でき、検出精度の向上を図ることが出来る。

また固定磁性層３４及び反強磁性層３３まで分断して各素子部１２間に永久磁石層６０，６５を設けた図１２，図１３の比較例では、永久磁石層６０，６５と素子部１２との電気的コンタクトは各側面となるため寄生抵抗が大きくなりやすいが、本実施形態のように永久磁石層６０，６５と素子部１２との電気的コンタクトが平面接触となることで寄生抵抗を低減させることが出来る。

また図３に示すように中間永久磁石層６０の上面（固定磁性層３４側に向く面の逆面）には、中間永久磁石層６０よりも抵抗値が小さい低抵抗層６４が重ねて形成されている。低抵抗層６４はＡｕ、Ａｌ、Ｃｕ等の非磁性の良導体で形成されることが好適である。低抵抗層６４は、中間永久磁石層６０と同様にスパッタあるいはメッキ等で形成される。図３に示すように中間永久磁石層６０上に低抵抗層６４を重ねて形成することで、より効果的に、寄生抵抗を低減できる。なお外側永久磁石層６５上には上記したように低抵抗層としての電極層６２が重ねられて形成されており、磁気抵抗変化に寄与しない寄生抵抗成分を効果的に低減できる構成となっている。

図２、図３において素子部１２と中間永久磁石層６０が素子幅と直交方向に直列に接続されその外側に外側永久磁石層６５が形成される場合、素子中央において永久磁性層のバイアス磁界が積算されるため、外側のバイアス磁界が中央付近と比較すると弱くなる。そのため、外側永久磁石層６５の素子直交方向長さを中間永久磁石層６０長さより長くすることが好ましい。また、形成プロセスを分けることで、外側永久磁石層６５の膜厚を中間永久磁石層６０の膜厚より厚くすることでも同様の効果を得ることが出来る。

さらに中間永久磁石層６０および外側永久磁石層６５の角部近傍では磁界が極端に強くなるため、素子幅Ｗ１よりも永久磁石層の幅寸法Ｗ３を広くすることで、磁界強度の最も強い部分を素子部１２に直接影響しないようにでき、パターン形成の合わせ精度のマージンも上げることが出来る。

また永久磁石層６０，６５間に挟まれた部分の素子部１２のアスペクト比（素子長さＬ５／素子幅Ｗ１）（図４参照）が大きくなると、永久磁石層６０，６５からのバイアス磁界が素子部１２を構成するフリー磁性層３６の素子長さ方向の全域に供給されにくくなり効果的に一軸異方性を向上できなくなる。したがって、フリー磁性層３６の素子長さ方向の全域に適切にバイアス磁界を供給するため素子部１２のアスペクト比は小さいことが好ましい。具体的には素子部１２のアスペクト比は３以下であることが好ましく、１より小さいことがより好ましい。

図３に示す凹部６３は、例えば、素子部１２上にリフトオフ用レジストを形成し、リフトオフ用レジストに覆われていない素子部１２を構成する保護層３７，フリー磁性層３６（さらには非磁性層３５まで）をエッチングにて削ることで形成できる。リフトオフ用レジストをそのまま残した状態で、永久磁石層６０，６５をスパッタ等で成膜し、さらに永久磁石層６０，６５の上に低抵抗層６４をスパッタ等で成膜する。そしてリフトオフ用レジストを除去することで形成できる。

外側永久磁石層６５の形成位置では、素子部１２全体が除去され（すなわち固定磁性層や反強磁性層の部分も除去され）、素子部１２の側面と外側永久磁石層６５の側面とが対向する位置関係であってもよい。外側永久磁石層６５の位置では素子部１２の最外周位置であるため、固定磁性層を除去しても素子部１２全体としては固定磁性層が分断されず一体形状で存在するためである。また、中間永久磁石層６０と同様に、素子部１２に凹部を形成し、この凹部に外側永久磁石層６５を形成する構成としてもよい。この構成においては、両側位置でのフリー磁性層３６の磁化の揺らぎを押さえ、フリー磁性層３６全体を適切に一方向に磁化固定できるため特性が向上するうえ、外側永久磁石層６５と中間永久磁石層６０を同一の工程で形成することができる。

図１，図２に示す実施形態では、軟磁性体１８が設けられている。また、軟磁性体１８は、各素子連設体６１の素子長さ方向（Ｘ方向）の両側から素子長さ方向に延出する延出部１８ａを備えることが好ましく、これにより直交磁場（Ｘ方向からの磁場）は、より効果的に、軟磁性体１８を通過しやすい。本実施形態では軟磁性体１８を設けたことで、直交磁場に対する磁気シールド効果を向上でき、また、感度軸方向（Ｙ方向）からの磁場に対する検出精度を向上させることが出来る。
なお、本実施形態において、軟磁性体１８を設けるか否かは任意である。

また、磁気抵抗効果素子２，３を構成する素子部１２は一つだけでもよいが、複数設けてミアンダ形状にすることで、素子抵抗を大きくでき消費電力の低減を図ることができ好適である。

また、磁気抵抗効果素子２，３及び固定抵抗素子４，５は一つずつでもよいが、図１０のようにブリッジ回路を構成し、出力取出し部１４から得られた出力を差動増幅器９にて差動出力とすることで、出力値を大きくでき高精度な磁場検知を行うことが出来る。

また、図１，図２では、軟磁性体１８は、素子連設体６１の両側方に設けられていたが、軟磁性体１８は、素子連設体６１の真上、あるいは真下に絶縁層を介して設けられる構造でもよい。

固定磁性層３４の固定磁化方向（Ｐ方向）を、同チップ内で変えたり、あるいは、同じ固定磁化方向（Ｐ方向）を備えるチップを２つ用いてフルブリッジの構成とすることも可能である。

図３，図６では、素子部１２が下から反強磁性層３３、固定磁性層３４、非磁性層３５、フリー磁性層３６及び保護層３７の順に積層されていた。すなわち、フリー磁性層３６を固定磁性層３４よりも上側に設けた構成である。

一方、図７に示す実施形態では、素子部１２が下から下地層（形成されていなくてもよい）４０、フリー磁性層３６、非磁性層３５、固定磁性層３４、反強磁性層３３及び保護層３７の順に積層されている。すなわち図７では、フリー磁性層３６が固定磁性層３４よりも下側に形成されている。このような構成では、まず先に永久磁石層６０，６５の形成が必要である。その後、素子部１２を形成するが、このとき、素子部１２の形成面が、基板と永久磁石層６０，６５との凹凸面になるので、図３及び図６のように、フリー磁性層３６を固定磁性層３４よりも上側に設けた構成としたほうが、まず素子部１２を永久磁石層６０，６５の形成より先に基板の平面上に形成できる。したがって素子部１２の形成を適切且つ容易にできる。

なお図７に示す形態を形成するには、基板上に、永久磁石層６０，６５を形成し（低抵抗層６４を設ける場合には、永久磁石層６０，６５の形成より先に低抵抗層６４を設ける）、続いて、永久磁石層６０，６５の間に、下から下地層４０、フリー磁性層３６の順に成膜する。ここで一旦、ＣＭＰ等により、永久磁石層６０，６５の上面とフリー磁性層３６の上面を平坦な面にした後、平坦面上に、下から薄い磁性層、非磁性層３５、固定磁性層３４、反強磁性層３３及び保護層３７の順に積層する。薄い磁性層を形成するのは、基本的に、フリー磁性層３６、非磁性層３５、固定磁性層３４を連続成膜にて形成することが好ましいところ、図７の形態では、フリー磁性層３６の形成で一旦、それ以降の成膜を中断するためである。例えば数Å程度の非常に薄い磁性層なので、永久磁石層６０，６５と重なる部分では、フリー磁性層としてほとんど機能しないが、フリー磁性層３６と重なる部分ではフリー磁性層３６と一体となって機能する。あるいは、永久磁石層６０，６５の間に非磁性層３５まで成膜した後、ＣＭＰ等にて、永久磁石層６０，６５の上面と非磁性層３５の上面を平坦な面にし、続いて、平坦面上に、下から薄い非磁性層、固定磁性層３４、反強磁性層３３及び保護層３７の順に積層してもよい。なお上記の製造方法は一例であって別の製造方法で形成されても当然によい。

本実施形態における磁気センサ１は例えば、図１１に示す地磁気センサ（磁気センサモジュール）として使用される。Ｘ軸磁場検知部５０、Ｙ軸磁場検知部５１、Ｚ軸磁場検知部５２では、いずれも図１０に示すブリッジ回路のセンサ部が設けられている。Ｘ軸磁場検知部５０では磁気抵抗効果素子２，３の素子部１２の固定磁性層３４の固定磁化方向（Ｐ方向）が感度軸であるＸ方向を向いており、また、Ｙ軸磁場検知部５１では磁気抵抗効果素子２，３の素子部１２の固定磁性層３４の固定磁化方向（Ｐ方向）が感度軸であるＹ方向を向いており、さらに、Ｚ軸磁場検知部５２では磁気抵抗効果素子２，３の素子部１２の固定磁性層３４の固定磁化方向（Ｐ方向）が感度軸であるＺ方向を向いている。

Ｘ軸磁場検知部５０、Ｙ軸磁場検知部５１、Ｚ軸磁場検知部５２、及び集積回路（ＡＳＩＣ）１１はいずれも基台５３上に設けられる。Ｘ軸磁場検知部５０、及びＹ軸磁場検知部５１の磁気抵抗効果素子２，３の形成面はいずれもＸ−Ｙ平面であるが、Ｚ軸磁場検知部５２の磁気抵抗効果素子２，３の形成面はＸ−Ｚ平面であり、Ｚ軸磁場検知部５２の磁気抵抗効果素子２，３の形成面は、Ｘ軸磁場検知部５０、及びＹ軸磁場検知部５１の磁気抵抗効果素子２，３の形成面に対して直交した関係にある。

本実施形態では、Ｘ軸磁場検知部５０、Ｙ軸磁場検知部５１、及びＺ軸磁場検知部５２のうち２以上の検知部を基台５３上に設けても、各検知部において、感度軸方向と直交方向からの磁場を適切に磁気シールドできるとともに、各検知部の感度軸方向からの地磁気を適切に検知できる。

図１１の構成以外に、図１１に示す地磁気センサと加速度センサ等を組み合わせたモジュールとすることもできる。

（ａ）は第１実施形態における磁気センサの特に磁気抵抗効果素子の部分を示す平面図、（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ線に沿って高さ方向（図示Ｚ方向）に切断し矢印方向から見た部分断面図、 第２実施形態における磁気センサの特に磁気抵抗効果素子の部分を示す平面図、 図２に示すＤ−Ｄ線に沿って高さ方向（図示Ｚ方向）に切断し矢印方向から見た部分拡大断面図、 好ましい素子連設体の部分拡大平面図、 本実施形態における固定磁性層の平面図、 図３の部分拡大断面図、 他の実施形態における素子連設体の部分断面図、 磁気抵抗効果素子の固定磁性層の固定磁化方向及びフリー磁性層の磁化方向と、電気抵抗値との関係を説明するための図、 素子部を膜厚方向から切断した際の切断面を示す断面図、 本実施形態の磁気センサの回路図、 地磁気センサ（磁気センサモジュール）の斜視図、 比較例の素子連設体の断面図、 比較例の固定磁性層及び永久磁石層の平面図及び磁区構造を示す模式図、 従来例の素子部及び永久磁石層の断面図、

１ 磁気センサ
２、３ 磁気抵抗効果素子
４、５ 固定抵抗素子
６ センサ部
７ 入力端子
８ グランド端子
９ 差動増幅器
１０ 外部出力端子
１１ 集積回路
１２ 素子部
１４ 出力取出し部
１６ 基板
１７ 絶縁層
１８ 軟磁性体
３３ 反強磁性層
３４ 固定磁性層
３５ 非磁性層
３６ フリー磁性層
３７ 保護層
５０ Ｘ軸磁場検知部
５１ Ｙ軸磁場検知部
５２ Ｚ軸磁場検知部
６０ 中間永久磁石層（第１の永久磁石層）
６５ 外側永久磁石層（第２の永久磁石層）
６１ 素子連設体
６２ 電極層
６３ 凹部
６４ 低抵抗層
Ｌ１ 素子長さ
Ｗ１ 素子幅

Claims (10)

1. 磁気抵抗効果素子を備えた磁気センサであって、
   前記磁気抵抗効果素子は、磁化方向が固定される固定磁性層と、前記固定磁性層に非磁性層を介して積層された外部磁場を受けて磁化方向が変動するフリー磁性層とを有し、前記固定磁性層の固定磁化方向が感度軸方向である素子幅方向に向けられた素子部を備え、
   前記素子部には、前記素子幅方向に直交する素子長さ方向の途中の複数位置に、膜厚方向に向けて凹部が形成され、この凹部に第１の永久磁石層が設けられ、前記素子部と前記第１の永久磁石層とで素子連設体が構成され、
   前記凹部は、前記フリー磁性層から前記非磁性層の上面、下面あるいは、前記非磁性層の膜厚方向への途中位置にかけて形成されており、前記凹部に形成された前記第１の永久磁石層と前記フリー磁性層の全厚とが前記素子長さ方向にて対向しており、前記固定磁性層は分断されずに前記素子連設体の素子長さ方向の全域に延在していることを特徴とする磁気センサ。
2. 前記素子部は、下から前記固定磁性層、前記非磁性層、及び前記フリー磁性層の順に積層されている請求項１記載の磁気センサ。
3. 前記凹部は、前記フリー磁性層から前記非磁性層の膜厚方向への途中位置にかけて形成されている請求項１又は２に記載の磁気センサ。
4. 前記第１の永久磁石層の前記固定磁性層側に向く面と逆面には、前記永久磁石層よりも抵抗値が小さい非磁性低抵抗層が重ねて形成されている請求項１ないし３のいずれかに記載の磁気センサ。
5. 前記素子部の前記素子長さ方向の両側に、素子部と接してまたは素子部と間隔を置いて第２の永久磁石層が設けられている請求項１ないし４のいずれかに記載の磁気センサ。
6. 前記素子部には、前記凹部が素子長さ方向の両側位置にも設けられ、該凹部に第２の永久磁石層が形成されている請求項５に記載の磁気センサ。
7. 前記第１の永久磁石層の素子長さ方向の長さよりも第２の永久磁石層の素子長さ方向の長さのほうが長く形成されている請求項５ないし６のいずれかに記載の磁気センサ。
8. 前記第１の永久磁石層および前記第２の永久磁石層の幅が前記素子幅より広く形成されている請求項５ないし７のいずれかに記載の磁気センサ。
9. 前記素子連設体が複数、素子幅方向に間隔を空けて配置され、各素子部連結体の両側位置に設けられた外側永久磁石層間が非磁性接続層により電気的に接続されてミアンダ形状で形成されている請求項１ないし８のいずれかに記載の磁気センサ。
10. 請求項１ないし９のいずれかに記載の磁気センサを複数有し、少なくとも前記複数の磁気センサのうち一組の磁気抵抗効果素子の感度軸が直交するように各磁気抵抗効果素子が配置されていることを特徴とする磁気センサモジュール。

Images