JP5464198B2 - 三次元磁界センサおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、外部磁界の三次元的な方向を検出するための三次元磁界センサおよびその製造方法に関する。

近年、地磁気の三次元的な方向を検出する等の用途で、外部磁界の三次元的な方向を検出するための三次元磁界センサが利用されている。一般的に、三次元磁界センサは、それぞれ外部磁界の直交する３方向の成分の強度を検出する３つの検出素子を備えている。従来、三次元磁界センサを構成するにあたっては、３つの検出素子が感度を有する方向を互いに直交する３方向に設定する必要があるため、３つの検出素子の配置等に工夫が必要であった。三次元磁界センサを構成するための技術としては、以下のように、種々のものが提案されている。

特許文献１には、１つの基板に対して、基板の面に平行なＸ軸方向の地磁気成分を検出するホール素子を内蔵した磁気センサモジュールと、基板の面に平行で且つＸ軸方向に対し直交するＹ軸方向の地磁気成分を検出するホール素子を内蔵した磁気センサモジュールとをそれぞれ側面実装し、基板の面に垂直なＺ軸方向の地磁気成分を検出するホール素子をベア実装する技術が記載されている。

特許文献２には、基板に楔型溝を形成し、基板の表面上に、Ｘ軸方向の磁界を検出する磁気抵抗素子とＹ軸方向の磁界を検出する磁気抵抗素子とを配置し、楔型溝の斜面上にＺ軸方向の磁界を検出する磁気抵抗素子を配置する技術が記載されている。

特許文献３には、複数のホール素子を有する半導体チップに対して、磁力線の方向を変える磁場コンセントレータを積層して、外部磁場の３方向の成分を検出できるようにした技術が記載されている。

特許文献４には、同一基板上に、Ｚ軸方向に磁界の感知軸を有するホール素子と、Ｘ軸方向に磁界の感知軸を有する磁気抵抗効果素子と、Ｙ軸方向に磁界の感知軸を有する磁気抵抗効果素子とを配置する技術が記載されている。

特許第４２９３９２２号公報 特開２００７−２５６２９３号公報 特開２００２−７１３８１号公報 特開２００６−２７５７６４号公報

前記の特許文献１ないし４に記載された各技術によれば、三次元磁界センサを構成することが可能である。しかし、各技術には、それぞれ、以下のような問題点がある。

特許文献１に記載された技術では、基板に対して２つの磁気センサモジュールを側面実装するのに手間がかかり、三次元磁界センサの製造コストが増大するという問題点がある。

特許文献２に記載された技術では、基板に楔型溝を形成したり、楔型溝の斜面上に磁気抵抗素子を配置したりするのに手間がかかり、三次元磁界センサの製造コストが増大するという問題点がある。

特許文献３に記載された技術では、複数のホール素子を有する半導体チップに対して磁場コンセントレータを積層する工程が必要になるため、三次元磁界センサの製造コストが増大するという問題点がある。

特許文献４に記載された技術では、半導体素子であるホール素子の形成工程が、２つの磁気抵抗効果素子の形成工程と大きく異なることから、三次元磁界センサの製造コストが増大するという問題点がある。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、構成が簡単で、製造コストを低減できるようにした三次元磁界センサおよびその製造方法を提供することにある。

本発明の三次元磁界センサは、外部磁界の三次元的な方向を検出するためのものである。この三次元磁界センサは、平面である素子配置面を有する基板と、この基板の素子配置面側に配置されて基板と一体化された第１、第２および第３の磁気抵抗効果素子とを備えている。第１、第２および第３の磁気抵抗効果素子は、いずれも、素子配置面に対して垂直な方向に積層された磁化固定層、非磁性層および自由層を有している。第１、第２および第３の磁気抵抗効果素子のいずれにおいても、非磁性層は磁化固定層と自由層の間に配置され、自由層の磁化の方向は外部磁界の方向に応じて変化する。

第１の磁気抵抗効果素子の磁化固定層の磁化の方向は、素子配置面に平行な第１の方向に固定されている。第２の磁気抵抗効果素子の磁化固定層の磁化の方向は、素子配置面に平行であって第１の方向とは異なる第２の方向に固定されている。第３の磁気抵抗効果素子の磁化固定層の磁化の方向は、素子配置面に垂直な第３の方向に固定されている。第１の磁気抵抗効果素子は外部磁界の第１の方向の成分の強度を検出し、第２の磁気抵抗効果素子は外部磁界の第２の方向の成分の強度を検出し、第３の磁気抵抗効果素子は外部磁界の第３の方向の成分の強度を検出する。

本発明の三次元磁界センサにおいて、第２の方向は、第１の方向に対して直交していてもよい。また、本発明の三次元磁界センサは、更に、第１、第２および第３の磁気抵抗効果素子の出力に基づいて、外部磁界の三次元的な方向を表すデータを生成する演算回路を備えていてもよい。

また、本発明の三次元磁界センサにおいて、第２の磁気抵抗効果素子の磁化固定層、非磁性層および自由層の各々の材料は、第１の磁気抵抗効果素子の磁化固定層、非磁性層および自由層の各々の材料と同じであってもよい。

また、本発明の三次元磁界センサにおいて、第３の磁気抵抗効果素子の磁化固定層は、規則合金、多層膜よりなる人工格子、およびアモルファス合金のうちの１つ以上を含んでいてもよい。また、第３の磁気抵抗効果素子の自由層は、第３の方向についての保磁力が、第３の磁気抵抗効果素子の磁化固定層よりも小さいものであってもよい。

本発明の三次元磁界センサの製造方法は、第１の磁気抵抗効果素子を形成する工程と、第２の磁気抵抗効果素子を形成する工程と、第３の磁気抵抗効果素子を形成する工程とを備えている。第１の磁気抵抗効果素子を形成する工程は、後に磁化の方向が固定されて第１の磁気抵抗効果素子の磁化固定層となる第１の膜、第１の磁気抵抗効果素子の非磁性層および第１の磁気抵抗効果素子の自由層を含む第１の積層体を形成する工程と、第１の膜が第１の磁気抵抗効果素子の磁化固定層となるように、第１の膜の磁化の方向を固定する工程とを含んでいる。第２の磁気抵抗効果素子を形成する工程は、後に磁化の方向が固定されて第２の磁気抵抗効果素子の磁化固定層となる第２の膜、第２の磁気抵抗効果素子の非磁性層および第２の磁気抵抗効果素子の自由層を含む第２の積層体を形成する工程と、第２の膜が第２の磁気抵抗効果素子の磁化固定層となるように、第２の膜の磁化の方向を固定する工程とを含んでいる。第１の積層体を形成する工程と第２の積層体を形成する工程は、同時に行われる。第１の膜の磁化の方向を固定する工程と第２の膜の磁化の方向を固定する工程は、別々に行われる。

本発明の三次元磁界センサおよびその製造方法では、基板の素子配置面側に、いずれも素子配置面に対して垂直な方向に積層された磁化固定層、非磁性層および自由層を有する第１ないし第３の磁気抵抗効果素子が配置されている。このように、本発明の三次元磁界センサの構成は、比較的簡単である。また、第１ないし第３の磁気抵抗効果素子のそれぞれの形成工程は、ホール素子と磁気抵抗効果素子の形成工程の違いほど大きく異なることはない。従って、本発明の三次元磁界センサの製造は、比較的容易である。これらのことから、本発明によれば、構成が簡単で、製造コストを低減できるようにした三次元磁界センサを実現することができるという効果を奏する。

また、本発明の三次元磁界センサの製造方法によれば、更に、第１の積層体を形成する工程と第２の積層体を形成する工程が同時に行われることから、三次元磁界センサの製造コストをより低減することが可能になるという効果を奏する。

本発明の第１の実施の形態に係る三次元磁界センサの概略の構成を示す斜視図である。 本発明の第１の実施の形態に係る三次元磁界センサの構成を示す平面図である。 図２における３−３線断面図である。 本発明の第１の実施の形態における第１および第２の磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図である。 本発明の第１の実施の形態における第３の磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る三次元磁界センサの製造方法における一工程を示す説明図である。 図６に示した工程に続く工程を示す説明図である。 図７に示した工程に続く工程を示す説明図である。 図８に示した工程に続く工程を示す説明図である。 図９に示した工程に続く工程を示す説明図である。 図１０に示した工程に続く工程を示す説明図である。 図１１に示した工程に続く工程を示す説明図である。 本発明の第２の実施の形態に係る三次元磁界センサの回路構成を示す回路図である。

［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。始めに、図１を参照して、本発明の第１の実施の形態に係る三次元磁界センサの概略の構成について説明する。図１は、本実施の形態に係る三次元磁界センサの概略の構成を示す斜視図である。

図１に示したように、本実施の形態に係る三次元磁界センサ１は、平面である素子配置面４０ａを有する基板４０と、この基板４０の素子配置面４０ａ側に配置されて基板４０と一体化された第１の磁気抵抗効果素子（以下、ＭＲ素子と記す。）１０、第２のＭＲ素子２０および第３のＭＲ素子３０を備えている。ＭＲ素子１０は、素子配置面４０ａに対して垂直な方向に積層された磁化固定層１１、非磁性層１２および自由層１３を有している。ＭＲ素子２０は、素子配置面４０ａに対して垂直な方向に積層された磁化固定層２１、非磁性層２２および自由層２３を有している。ＭＲ素子３０は、素子配置面４０ａに対して垂直な方向に積層された磁化固定層３１、非磁性層３２および自由層３３を有している。

ＭＲ素子１０，２０，３０のいずれにおいても、非磁性層１２，２２，３２は磁化固定層１１，２１，３１と自由層１３，２３，３３の間に配置されている。また、自由層１３，２３，３３の磁化の方向は、外部磁界Ｈの方向に応じて変化する。

図１には、磁化固定層１１，２１，３１と自由層１３，２３，３３のうち、磁化固定層１１，２１，３１の方が素子配置面４０ａに近い位置に配置された例を示している。しかし、ＭＲ素子１０，２０，３０のうちの１つ以上において、自由層の方が素子配置面４０ａに近い位置に配置されていてもよい。

ＭＲ素子１０の磁化固定層１１の磁化の方向は、素子配置面４０ａに平行な第１の方向に固定されている。ＭＲ素子２０の磁化固定層２１の磁化の方向は、素子配置面４０ａに平行であって第１の方向とは異なる第２の方向に固定されている。ＭＲ素子３０の磁化固定層３１の磁化の方向は、素子配置面４０ａに垂直な第３の方向に固定されている。

第２の方向は、第１の方向に対して直交していることが好ましい。以下、第２の方向が第１の方向に対して直交しているものとし、第１の方向、第２の方向、第３の方向をそれぞれＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向と定義する。また、外部磁界ＨのＸ方向の成分の強度、Ｙ方向の成分の強度、Ｚ方向の成分の強度を、それぞれ記号Ｈ_Ｘ，Ｈ_Ｙ，Ｈ_Ｚで表す。ＭＲ素子１０は強度Ｈ_Ｘを検出し、ＭＲ素子２０は強度Ｈ_Ｙを検出し、ＭＲ素子３０は強度Ｈ_Ｚを検出する。なお、図１において、記号Ｐ_ＸＹで示す平面はＸＹ平面であり、記号Ｐ_ＸＺで示す平面はＸＺ平面であり、記号Ｐ_ＹＺで示す平面はＹＺ平面である。

ＭＲ素子１０，２０，３０は、例えばスピンバルブ型ＧＭＲ（Giant Magnetoresistive）素子またはＴＭＲ（Tunneling Magnetoresistive）素子である。非磁性層１２，２２，３２は、スピンバルブ型ＧＭＲ素子においては非磁性導電層であり、ＴＭＲ素子においてはトンネルバリア層である。一般的には、トンネルバリア層は、酸化アルミニウムや酸化マグネシウム等の絶縁材料によって形成された絶縁層である。ＭＲ素子２０の磁化固定層２１、非磁性層２２および自由層２３の各々の材料は、ＭＲ素子１０の磁化固定層１１、非磁性層１２および自由層１３の各々の材料と同じであってもよい。ＭＲ素子１０，２０，３０には、それぞれ、磁界強度検出用の電流（以下、センス電流という。）が、ＭＲ素子を構成する各層の面と交差する方向、例えばＭＲ素子を構成する各層の面に対して垂直な方向に流される。

ＭＲ素子１０では強度Ｈ_Ｘに応じて抵抗値が変化し、ＭＲ素子２０では強度Ｈ_Ｙに応じて抵抗値が変化し、ＭＲ素子３０では強度Ｈ_Ｚに応じて抵抗値が変化する。従って、ＭＲ素子１０，２０，３０にそれぞれ一定のセンス電流を供給したとき、ＭＲ素子１０の両端間の電位差は強度Ｈ_Ｘに応じて変化し、ＭＲ素子２０の両端間の電位差は強度Ｈ_Ｙに応じて変化し、ＭＲ素子３０の両端間の電位差は強度Ｈ_Ｚに応じて変化する。このようにして、ＭＲ素子１０，２０，３０によって、それぞれ強度Ｈ_Ｘ，Ｈ_Ｙ，Ｈ_Ｚを検出することができる。ＭＲ素子１０，２０，３０の各出力は、例えばＭＲ素子１０，２０，３０の各々の両端間の電位差とすることができる。

次に、図２および図３を参照して、三次元磁界センサ１の具体的な構成の一例について説明する。図２は、三次元磁界センサ１の構成を示す平面図である。図３は、図２における３−３線断面図である。図３は、三次元磁界センサ１のうちのＭＲ素子１０の周辺の部分の構成を示しているが、ＭＲ素子２０，３０のそれぞれの周辺の部分の構成も、図３と同様である。図２および図３に示した例では、基板４０は、Ｓｉ等の半導体よりなる半導体基板４１と、この半導体基板４１の上面上に形成された絶縁層４２とを有している。絶縁層４２の上面は、平面である素子配置面４０ａになっている。なお、基板４０は、半導体基板４１と絶縁層４２を有するものに限らず、例えば絶縁基板のみによって構成されていてもよい。

図２および図３に示した例では、三次元磁界センサ１は、基板４０の素子配置面４０ａ上に配置された下部リード１５，２５，３５と、素子配置面４０ａ上において下部リード１５，２５，３５の周囲に配置された絶縁層４３を備えている。ＭＲ素子１０は下部リード１５の上に配置され、ＭＲ素子２０は下部リード２５の上に配置され、ＭＲ素子３０は下部リード３５の上に配置されている。三次元磁界センサ１は、更に、下部リード１５，２５，３５および絶縁層４３の上においてＭＲ素子１０，２０，３０の周囲に配置された絶縁層４４を備えている。

三次元磁界センサ１は、更に、ＭＲ素子１０および絶縁層４４の上に配置された上部リード１６と、ＭＲ素子２０および絶縁層４４の上に配置された上部リード２６と、ＭＲ素子３０および絶縁層４４の上に配置された上部リード３６とを備えている。三次元磁界センサ１は、更に、上部リード１６，２６，３６および絶縁層４４を覆う、絶縁材料よりなる保護膜４５を備えている。

三次元磁界センサ１は、更に、保護膜４５と絶縁層４４を貫通して下部リード１５，２５，３５の上面に達する３つのコンタクトホール４６Ａと、保護膜４５を貫通して上部リード１６，２６，３６の上面に達する３つのコンタクトホール４６Ｂとを備えている。

三次元磁界センサ１は、更に、下部リード１５上のコンタクトホール４６Ａを通過して下部リード１５に接続された端子１７と、下部リード２５上のコンタクトホール４６Ａを通過して下部リード２５に接続された端子２７と、下部リード３５上のコンタクトホール４６Ａを通過して下部リード３５に接続された端子３７とを備えている。

三次元磁界センサ１は、更に、上部リード１６上のコンタクトホール４６Ｂを通過して上部リード１６に接続された端子１８と、上部リード２６上のコンタクトホール４６Ｂを通過して上部リード２６に接続された端子２８と、上部リード３６上のコンタクトホール４６Ｂを通過して上部リード３６に接続された端子３８とを備えている。

端子１７，２７，３７，１８，２８，３８は、それぞれ、保護膜４５上に配置されたパッドを含んでいる。下部リード１５，２５，３５、上部リード１６，２６，３５および端子１７，２７，３７，１８，２８，３８は、いずれも導電材料によって形成されている。

ＭＲ素子１０には、下部リード１５、上部リード１６および端子１７，１８を介してセンス電流が供給される。ＭＲ素子２０には、下部リード２５、上部リード２６および端子２７，２８を介してセンス電流が供給される。ＭＲ素子３０には、下部リード３５、上部リード３６および端子３７，３８を介してセンス電流が供給される。

なお、三次元磁界センサ１の具体的な構成は、図２および図３に示したものに限られない。例えば、下部リード１５，２５，３５に接続された端子１７，２７，３７は、基板４０を貫通すると共に、基板４０の下面に配置されたパッドを含んでいてもよい。

次に、図４を参照して、ＭＲ素子１０，２０の構成の一例について説明する。図４は、ＭＲ素子１０，２０の構成を示す断面図である。図４に示した例では、ＭＲ素子１０は、磁化固定層１１、非磁性層１２および自由層１３の他に、反強磁性材料よりなる反強磁性層１４を有している。そして、反強磁性層１４の上に、磁化固定層１１、非磁性層１２および自由層１３が順に積層されている。反強磁性層１４は、磁化固定層１１との交換結合により、磁化固定層１１の磁化の方向を固定する層である。

また、この例では、磁化固定層１１は、反強磁性層１４の上に順に積層されたアウター層１１１、非磁性中間層１１２およびインナー層１１３を有し、いわゆるシンセティック固定層になっている。非磁性層１２は、インナー層１１３の上に配置されている。アウター層１１１とインナー層１１３は、それぞれ強磁性層である。アウター層１１１は、反強磁性層１４との交換結合により、磁化の方向が固定されている。非磁性中間層１１２は、例えば、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｅ、Ｃｒ、ＺｒおよびＣｕからなる群のうち少なくとも１種を含む非磁性材料により構成されている。非磁性中間層１１２は、アウター層１１１とインナー層１１３の間に反強磁性交換結合を生じさせ、アウター層１１１の磁化の方向とインナー層１１３の磁化の方向を互いに反対方向に固定する。ＭＲ素子１０では、インナー層１１３の磁化の方向がＸ方向に固定されている。

ＭＲ素子２０は、ＭＲ素子１０と同様の構成であり、磁化固定層２１、非磁性層２２および自由層２３の他に反強磁性層２４を有している、そして、反強磁性層２４の上に、磁化固定層２１、非磁性層２２および自由層２３が順に積層されている。磁化固定層２１は、反強磁性層２４の上に順に積層されたアウター層２１１、非磁性中間層２１２およびインナー層２１３を有している。ＭＲ素子２０では、インナー層２１３の磁化の方向がＹ方向に固定されている。

なお、ＭＲ素子１０，２０の構成は、図４に示したものに限られない。例えば、ＭＲ素子１０，２０が反強磁性層１４，２４を有さずに、磁化固定層１１，２１が保磁力の大きい磁性層によって構成されていてもよい。また、磁化固定層１１，２１は、シンセティック固定層に限られず、１つ以上の強磁性層のみからなるものであってもよい。

次に、図５を参照して、ＭＲ素子３０の構成の一例について説明する。図５は、ＭＲ素子３０の構成を示す断面図である。図５に示した例では、ＭＲ素子３０は、下から磁化固定層３１、非磁性層３２および自由層３３が順に積層されて構成されている。

磁化固定層３１の磁化の方向は、Ｚ方向に固定されている。磁化固定層３１は、垂直磁気異方性を有している。一方、自由層３３の磁化は、その方向が外部磁界Ｈの方向に応じて変化すると共に、Ｚ方向の成分を含み得る。自由層３３の磁化は、Ｚ方向の成分を含むことができれば、Ｚ方向以外の方向の成分を含んでいてもよい。

磁化固定層３１の材料としては、いわゆる垂直磁化膜に用いられる材料を用いることができる。具体的には、磁化固定層３１は、ＣｏＰｔ、ＦｅＰｔ等のＬ１_０の結晶構造を有する規則合金、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｐｄ等の多層膜よりなる人工格子、およびＣｏＣｒ、ＴｂＦｅＣｏ、ＣｏＦｅＢ等のアモルファス合金のうちの１つ以上を含むように構成することができる。

自由層３３の材料にも、上記の垂直磁化膜に用いられる材料を用いることが可能である。ただし、自由層３３は、その磁化の方向が、外部磁界Ｈの方向の変化に応じて容易に変化するものである必要がある。従って、自由層３３は、Ｚ方向についての保磁力が、磁化固定層３１よりも小さいものである必要がある。また、自由層３３は、磁化固定層３１よりも小さい垂直磁気異方性を有していることが好ましい。このように性質の異なる磁化固定層３１と自由層３３は、例えば、各層を構成する１つ以上の材料の選択や、各層を構成する１つ以上の膜の厚みの調整によって実現することが可能である。例えば、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｐｄ等のＣｏ層を含む人工格子では、Ｃｏ層の厚みによって垂直磁気異方性が変化することが知られている。そのため、Ｃｏ層を含む人工格子におけるＣｏ層の厚みを調整して、磁化固定層３１や自由層３３を実現することが可能である。

また、文献“S Ikeda et al; Nature Materials Vol.9, September 2010,p.721-724”には、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）層に接するＣｏＦｅＢ層の厚みによって、ＣｏＦｅＢ層の垂直磁気異方性が変化することが記載されている。この技術を利用して、非磁性層３２をＭｇＯ層とし、それぞれ厚みを調整したＣｏＦｅＢ層によって磁化固定層３１と自由層３３を実現してもよい。

また、文献“Kay Yakushiji et al; Applied Physics Express 3 (2010) 053003,p.1-3”には、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）よりなるトンネルバリア層と、Ｃｏ／Ｐｔ多層膜およびＣｏＦｅＢ／ＣｏＦｅよりなる界面層を有する自由層と、ＴｂＦｅＣｏ層およびＣｏＦｅＢ／ＣｏＦｅよりなる界面層を有する参照層とを備えたＴＭＲ素子が記載されている。ＭＲ素子３０をこのような構成としてもよい。

次に、本実施の形態に係る三次元磁界センサ１の製造方法について説明する。三次元磁界センサ１の製造方法は、ＭＲ素子１０を形成する工程と、ＭＲ素子２０を形成する工程と、ＭＲ素子３０を形成する工程とを備えている。以下、図６ないし図１２を参照して、本実施の形態に係る三次元磁界センサ１の製造方法について詳しく説明する。ここでは、三次元磁界センサ１の構成が図２および図３に示した構成であるものとする。図６ないし図１２において、（ａ）は三次元磁界センサ１の製造過程における積層体の平面図である。図６ないし図１２において、（ｂ）は、（ａ）におけるｎＢ−ｎＢ線（ｎは６〜１２の整数）で示す位置の断面図である。

三次元磁界センサ１の製造方法では、まず、図６に示したように、例えば半導体基板４１と絶縁層４２とを有する基板４０を用意する。

図７は、次の工程を示す。この工程では、まず、基板４０の素子配置面４０ａ上に下部リード１５，２５，３５を形成する。次に、素子配置面４０ａ上における下部リード１５，２５，３５の周囲に絶縁層４３を形成する。

図８は、次の工程を示す。この工程では、下部リード１５および絶縁層４３の上にＭＲ積層体１０Ｐを形成し、下部リード２５および絶縁層４３の上にＭＲ積層体２０Ｐを形成し、下部リード３５および絶縁層４３の上にＭＲ積層体３０Ｐを形成する。ＭＲ積層体１０Ｐ，２０Ｐ，３０Ｐは、それぞれ、後にパターニングされてＭＲ素子１０，２０，３０となる多層膜である。従って、ＭＲ積層体１０Ｐ，２０Ｐ，３０Ｐは、それぞれ、後にパターニングされてＭＲ素子１０，２０，３０を構成する複数の層となる複数の膜を有している。ＭＲ積層体１０Ｐ，２０Ｐ，３０Ｐは、互いに分離した状態になるように形成される。

本実施の形態では、ＭＲ素子１０，２０の構成は、磁化固定層１１，２１の磁化の方向が異なる点を除いて同じものにすることができる。磁化固定層１１，２１の磁化の方向の固定は、図８に示した工程で行ってもよいし、ＭＲ積層体１０Ｐ，２０Ｐ，３０Ｐをパターニングした後に行ってもよい。

磁化固定層１１，２１の磁化の方向の固定を図８に示した工程で行う場合には、例えば、ＭＲ積層体１０Ｐ，２０Ｐを別々の工程で形成する。そして、ＭＲ積層体１０Ｐ，２０Ｐの各々を形成する際に、磁界中成膜によって磁化固定層１１，２１となる膜を形成するか、磁化固定層１１，２１となる膜を磁界中熱処理することによって、磁化固定層１１，２１となる膜の磁化の方向を固定する。この場合、磁化固定層１１となる膜と磁化固定層２１となる膜のうち、先に磁化の方向を固定する膜は、後で磁化の方向を固定する膜よりも保磁力が大きいものとする。これにより、磁化固定層１１，２１となる膜の磁化の方向を互いに異なる方向に固定することが可能になる。

磁化固定層１１，２１の磁化の方向の固定を、ＭＲ積層体１０Ｐ，２０Ｐ，３０Ｐをパターニングした後に行う場合には、ＭＲ積層体１０Ｐ，２０Ｐを同時に形成してもよい。この場合の磁化固定層１１，２１の磁化の方向の固定方法については、後で説明する。

ＭＲ積層体３０Ｐの構成は、ＭＲ積層体１０Ｐ，２０Ｐの構成とは異なるため、ＭＲ積層体３０Ｐは、ＭＲ積層体１０Ｐ，２０Ｐとは別の工程で形成する。ＭＲ積層体３０Ｐの形成する際には、磁化固定層３１となる膜の磁化の方向を固定する。この磁化の方向は、素子配置面４０ａに対して垂直な上向きまたは下向きである。この磁化の方向の固定方法としては、例えば磁界中熱処理を用いることができる。

図９は、次の工程を示す。この工程では、まず、ＭＲ積層体１０Ｐ，２０Ｐ，３０Ｐをエッチングによってパターニングして、ＭＲ素子１０，２０，３０を形成する。次に、下部リード１５，２５，３５および絶縁層４３の上におけるＭＲ素子１０，２０，３０の周囲に絶縁層４４を形成する。

ここで、ＭＲ積層体１０Ｐ，２０Ｐ，３０Ｐをパターニングした後に、磁化固定層１１，２１の磁化の方向を固定する方法の一例について説明する。この方法では、まず、パターニング後のＭＲ積層体１０Ｐ，２０Ｐ，３０Ｐを含む積層体に対してＸ方向の磁界を印加しながら、ＭＲ積層体１０Ｐに局所的にレーザ光を照射することによって、ＭＲ積層体１０Ｐの磁化固定層１１となる膜の温度を上昇させた後、下降させて、磁化固定層１１となる膜の磁化の方向をＸ方向に固定する。これにより、この膜は磁化固定層１１となる。次に、同様に、パターニング後のＭＲ積層体１０Ｐ，２０Ｐ，３０Ｐを含む積層体に対してＹ方向の磁界を印加しながら、ＭＲ積層体２０Ｐに局所的にレーザ光を照射することによって、ＭＲ積層体２０Ｐの磁化固定層２１となる膜の温度を上昇させた後、下降させて、磁化固定層２１となる膜の磁化の方向をＹ方向に固定する。これにより、この膜は磁化固定層２１となる。なお、磁化固定層２１となる膜の磁化の方向をＹ方向に固定した後に、磁化固定層１１となる膜の磁化の方向をＸ方向に固定してもよい。

上述のように磁化固定層１１，２１の磁化の方向を別々に固定する場合には、ＭＲ積層体１０Ｐ，２０Ｐを同時に形成してもよい。この場合における三次元磁界センサ１の製造方法では、ＭＲ素子１０を形成する工程は、後に磁化の方向が固定されて磁化固定層１１となる第１の膜、非磁性層１２および自由層１３を含むＭＲ積層体１０Ｐを形成する工程と、第１の膜が磁化固定層１１となるように、第１の膜の磁化の方向を固定する工程とを含んでいる。また、ＭＲ素子２０を形成する工程は、後に磁化の方向が固定されて磁化固定層２１となる第２の膜、非磁性層２２および自由層２３を含むＭＲ積層体２０Ｐを形成する工程と、第２の膜が磁化固定層２１となるように、第２の膜の磁化の方向を固定する工程とを含んでいる。ＭＲ積層体１０Ｐは、本発明における第１の積層体に対応する。ＭＲ積層体２０Ｐは、本発明における第２の積層体に対応する。そして、ＭＲ積層体１０Ｐを形成する工程とＭＲ積層体２０Ｐを形成する工程は、同時に行われる。一方、第１の膜の磁化の方向を固定する工程と第２の膜の磁化の方向を固定する工程は、別々に行われる。

図１０は、次の工程を示す。この工程では、ＭＲ素子１０および絶縁層４４の上に上部リード１６を形成し、ＭＲ素子２０および絶縁層４４の上に上部リード２６を形成し、ＭＲ素子３０および絶縁層４４の上に上部リード３６を形成する。

図１１は、次の工程を示す。この工程では、上部リード１６，２６，３６および絶縁層４４を覆うように保護膜４５を形成する。

図１２は、次の工程を示す。この工程では、例えばウエットエッチングによって、図１１に示した積層体に対して、保護膜４５と絶縁層４４を貫通して下部リード１５，２５，３５の上面に達する３つのコンタクトホール４６Ａと、保護膜４５を貫通して上部リード１６，２６，３６の上面に達する３つのコンタクトホール４６Ｂとを形成する。

次に、図２および図３に示したように、例えばめっき法によって、端子１７，２７，３７，１８，２８，３８を形成する。これにより、三次元磁界センサ１が完成する。

次に、本実施の形態に係る三次元磁界センサ１およびその製造方法の効果について説明する。本実施の形態に係る三次元磁界センサ１によれば、それぞれ磁化固定層１１，２１，３１の磁化の方向がＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向に固定されたＭＲ素子１０，２０，３０によって、外部磁界ＨのＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向の各成分の強度Ｈ_Ｘ，Ｈ_Ｙ，Ｈ_Ｚを検出することができる。これにより、本実施の形態によれば、外部磁界Ｈの三次元的な方向を検出することが可能になる。

なお、磁化固定層１１の磁化の方向と磁化固定層２１の磁化の方向は、互いに直交している場合に限らず、素子配置面４０ａに平行な方向であって、互いに９０°以外の角度をなす異なる方向であってもよい。この場合にも、ＭＲ素子１０，２０，３０によって、外部磁界Ｈの三次元的な方向を検出することが可能である。

また、本実施の形態に係る三次元磁界センサ１では、平面である基板４０の素子配置面４０ａ側に、いずれも素子配置面４０ａに対して垂直な方向に積層された磁化固定層、非磁性層および自由層を有する第１ないし第３のＭＲ素子１０，２０，３０が配置されている。このように、三次元磁界センサ１の構成は、比較的簡単である。例えば、三次元磁界センサ１の構成は、特許文献１ないし４に記載された磁気センサのどれと比較しても単純である。また、第１ないし第３のＭＲ素子１０，２０，３０のそれぞれの形成工程は、ホール素子とＭＲ素子の形成工程の違いほど大きく異なることはない。従って、三次元磁界センサ１の製造は比較的容易である。これらのことから、本実施の形態によれば、構成が簡単で、製造コストを低減することができるようにした三次元磁界センサ１を実現することが可能になる。

また、本実施の形態に係る三次元磁界センサ１の製造方法において、ＭＲ積層体１０Ｐを形成する工程とＭＲ積層体２０Ｐを形成する工程が同時に行われる場合には、三次元磁界センサ１の製造コストをより低減することが可能になる。

［第２の実施の形態］
次に、図１３を参照して、本発明の第２の実施の形態に係る三次元磁気センサについて説明する。図１３は、本実施の形態に係る三次元磁界センサの回路構成を示す回路図である。

本実施の形態に係る三次元磁界センサは、第１の実施の形態における第１ないし第３のＭＲ素子１０，２０，３０を２組備えている。以下、第１の組のＭＲ素子１０，２０，３０をＭＲ素子１０Ａ，２０Ａ，３０Ａと表記し、第２の組のＭＲ素子１０，２０，３０をＭＲ素子１０Ｂ，２０Ｂ，３０Ｂと表記する。

ＭＲ素子１０Ａ，２０Ａ，３０Ａと、ＭＲ素子１０Ｂ，２０Ｂ，３０Ｂは、１つの基板４０の素子配置面４０ａ側に配置されて基板４０と一体化されていてもよい。あるいは、ＭＲ素子１０Ａ，２０Ａ，３０Ａは、１つの基板４０の素子配置面４０ａ側に配置されてこの基板４０と一体化され、ＭＲ素子１０Ｂ，２０Ｂ，３０Ｂは、他の１つの基板４０の素子配置面４０ａ側に配置されてこの基板４０と一体化されていてもよい。すなわち、この場合は、本実施の形態に係る三次元磁界センサは、図１ないし図３に示した第１の実施の形態に係る三次元磁界センサ１を１つのユニットとすると、このユニットを２つ備えていることになる。２つのユニットは、それぞれの基板４０の素子配置面４０ａが互いに平行になるように配置される。

ＭＲ素子１０Ａ，１０Ｂのそれぞれの磁化固定層１１の磁化の方向は、互いに反対方向に固定されている。ＭＲ素子２０Ａ，２０Ｂのそれぞれの磁化固定層２１の磁化の方向も、互いに反対方向に固定されている。ＭＲ素子３０Ａ，３０Ｂのそれぞれの磁化固定層３１の磁化の方向も、互いに反対方向に固定されている。

図１３に示したように、ＭＲ素子１０Ａ，１０Ｂは直列に接続されてハーフブリッジ回路を構成している。同様に、ＭＲ素子２０Ａ，２０Ｂも直列に接続されてハーフブリッジ回路を構成し、ＭＲ素子３０Ａ，３０Ｂも直列に接続されてハーフブリッジ回路を構成している。より詳しく説明すると、ＭＲ素子１０Ａの一端は、センス電流を供給する電源に接続され、ＭＲ素子１０Ａの他端は、ＭＲ素子１０Ｂの一端に接続されている。ＭＲ素子１０Ｂの他端は接地されている。同様に、ＭＲ素子２０Ａの一端は、センス電流を供給する電源に接続され、ＭＲ素子２０Ａの他端は、ＭＲ素子２０Ｂの一端に接続されている。ＭＲ素子２０Ｂの他端は接地されている。また、ＭＲ素子３０Ａの一端は、センス電流を供給する電源に接続され、ＭＲ素子３０Ａの他端は、ＭＲ素子３０Ｂの一端に接続されている。ＭＲ素子３０Ｂの他端は接地されている。なお、図１３において、塗りつぶした矢印は磁化固定層の磁化の方向を表し、白抜きの矢印は自由層の磁化の方向を表している。

ＭＲ素子１０Ａにおける電圧降下の大きさと、ＭＲ素子１０Ｂにおける電圧降下の大きさは、いずれも、外部磁界ＨのＸ方向の成分の強度Ｈ_Ｘに応じて変化する。ただし、ＭＲ素子１０Ａ，１０Ｂのそれぞれの磁化固定層１１の磁化の方向が互いに反対方向に固定されていることから、ＭＲ素子１０Ａにおける電圧降下の大きさの変化の方向と、ＭＲ素子１０Ｂにおける電圧降下の大きさの変化の方向は反対になる。その結果、ＭＲ素子１０Ａ，１０Ｂの接続点の電位は、外部磁界ＨのＸ方向の成分の強度Ｈ_Ｘに応じて変化する。同様に、ＭＲ素子２０Ａ，２０Ｂの接続点の電位は、外部磁界ＨのＹ方向の成分の強度Ｈ_Ｙに応じて変化し、ＭＲ素子３０Ａ，３０Ｂの接続点の電位は、外部磁界ＨのＺ方向の成分の強度Ｈ_Ｚに応じて変化する。

以下、ＭＲ素子１０Ａ，１０Ｂの接続点の電位を信号Ｓ_Ｘとし、ＭＲ素子２０Ａ，２０Ｂの接続点の電位を信号Ｓ_Ｙとし、ＭＲ素子３０Ａ，３０Ｂの接続点の電位を信号Ｓ_Ｚとする。信号Ｓ_Ｘは本発明における第１の磁気抵抗効果素子の出力に対応し、信号Ｓ_Ｙは本発明における第２の磁気抵抗効果素子の出力に対応し、信号Ｓ_Ｚは本発明における第３の磁気抵抗効果素子の出力に対応する。

本実施の形態に係る三次元磁界センサは、更に、３つのゲインコントロールアンプ（以下、ＧＣＡと記す。）５１，５２，５３と、３つのアナログ−デジタル変換器（以下、Ａ／Ｄ変換器と記す。）６１，６２，６３と、演算回路７０と、表示装置７１とを備えている。

ＧＣＡ５１の入力端は、ＭＲ素子１０Ａ，１０Ｂの接続点に接続され、ＧＣＡ５１の出力端は、Ａ／Ｄ変換器６１の入力端に接続されている。ＧＣＡ５２の入力端は、ＭＲ素子２０Ａ，２０Ｂの接続点に接続され、ＧＣＡ５２の出力端は、Ａ／Ｄ変換器６２の入力端に接続されている。ＧＣＡ５３の入力端は、ＭＲ素子３０Ａ，３０Ｂの接続点に接続され、ＧＣＡ５３の出力端は、Ａ／Ｄ変換器６３の入力端に接続されている。演算回路７０は、３つの入力端を有し、これらはそれぞれＡ／Ｄ変換器６１，６２，６３の出力端に接続されている。演算回路７０の出力端は、表示装置７１の入力端に接続されている。

ＧＣＡ５１，５２，５３は、ゲインを調整可能な増幅器（アンプ）である。ＧＣＡ５１，５２，５３のゲインは、強度Ｈ_Ｘ，Ｈ_Ｙ，Ｈ_Ｚが等しいときに信号Ｓ_Ｘ，Ｓ_Ｙ，Ｓ_Ｚのレベルが等しくなるように設定される。ＧＣＡ５１，５２，５３のゲインは、信号Ｓ_Ｘ，Ｓ_Ｙ，Ｓ_Ｚのレベルの補正処理を行った際に変更され、通常時は一定に保たれる。信号Ｓ_Ｘ，Ｓ_Ｙ，Ｓ_Ｚのレベルの補正処理では、例えば、外部磁界Ｈと三次元磁界センサの相対的位置関係を変化させて、強度Ｈ_Ｘ，Ｈ_Ｙ，Ｈ_Ｚを、互いに等しい最大値と互いに等しい最小値とを含むように変化させ、強度Ｈ_Ｘ，Ｈ_Ｙ，Ｈ_Ｚに応じた信号Ｓ_Ｘ，Ｓ_Ｙ，Ｓ_Ｚを得る。そして、信号Ｓ_Ｘ，Ｓ_Ｙ，Ｓ_Ｚのレベルを比較して、前述のように強度Ｈ_Ｘ，Ｈ_Ｙ，Ｈ_Ｚが等しいときに信号Ｓ_Ｘ，Ｓ_Ｙ，Ｓ_Ｚのレベルが等しくなるようにＧＣＡ５１，５２，５３のゲインを調整する。

Ａ／Ｄ変換器６１，６２，６３は、それぞれ、ＧＣＡ５１，５２，５３より出力されるアナログ信号をデジタル信号に変換して演算回路７０に送る。演算回路７０は、Ａ／Ｄ変換器６１，６２，６３の出力信号に基づいて、外部磁界Ｈの三次元的な方向を表すデータ（以下、三次元方向データと記す。）を生成する。演算回路７０は、例えばマイクロコンピュータによって実現することができる。表示装置７１は、演算回路７０によって生成された三次元方向データを表示する。

三次元方向データは、例えば、強度Ｈ_Ｘ，Ｈ_Ｙ，Ｈ_Ｚの検出値、あるいはそれらと一定の関係を有する値であってもよい。また、三次元方向データは、例えば、外部磁界Ｈの方向を示す角度データであってもよい。角度データは、例えば、図１において外部磁界Ｈを表すベクトルをＸＹ平面Ｐ_ＸＹに投影してできるベクトルがＸ方向に対してなす角度θ_Ｘと、外部磁界Ｈを表すベクトルがＸＹ平面Ｐ_ＸＹに対してなす角度θ_Ｚであってもよい。ここで、強度Ｈ_Ｘ，Ｈ_Ｙ，Ｈ_Ｚの検出値も記号Ｈ_Ｘ，Ｈ_Ｙ，Ｈ_Ｚで表すと、角度θ_Ｘは、ａｔａｎ（Ｈ_Ｙ／Ｈ_Ｘ）の演算によって求められる。“ａｔａｎ”は、アークタンジェントを表す。角度θ_Ｚは、ａｔａｎ｛Ｈ_Ｚ／√（Ｈ_Ｘ ^２＋Ｈ_Ｙ ^２）｝の演算によって求められる。また、演算回路７０は、このようにして求められた角度θ_Ｘ、θ_Ｚに基づいて、外部磁界Ｈを表すベクトルを画像として表示するための画像データを生成し、表示装置７１がこの画像データに基づいて、外部磁界Ｈを表すベクトルを画像として表示してもよい。

なお、本実施の形態において、ＧＣＡ５１，５２，５３を設けずに、演算回路７０を構成するマイクロコンピュータによって、信号Ｓ_Ｘ，Ｓ_Ｙ，Ｓ_Ｚのレベルの補正を行ってもよい。しかし、ＧＣＡ５１，５２，５３を設けることにより、Ａ／Ｄ変換器６１，６２，６３のダイナミックレンジを有効に利用することが可能になり、強度Ｈ_Ｘ，Ｈ_Ｙ，Ｈ_Ｚの検出精度を向上させることが可能になる。

本実施の形態におけるその他の構成、作用および効果は、第１の実施の形態と同様である。

なお、本発明は、上記各実施の形態に限定されず、種々の変更が可能である。例えば、第２の実施の形態において、１組のＭＲ素子１０，２０，３０のみを用い、ＭＲ素子１０，２０，３０のそれぞれの両端の電位差を出力として、ＧＣＡ５１，５２，５３に入力してもよい。

１…三次元磁界センサ、１０…第１のＭＲ素子、２０…第２のＭＲ素子、３０…第３のＭＲ素子、１１，２１，３１…磁化固定層、１２，２２，３２…非磁性層、１３，２３，３３…自由層、４０…基板、４０ａ…素子配置面。

Claims (7)

1. 外部磁界の三次元的な方向を検出するための三次元磁界センサであって、
   平面である素子配置面を有する基板と、
   前記基板の素子配置面側に配置されて前記基板と一体化された第１、第２および第３の磁気抵抗効果素子とを備え、
   前記第１、第２および第３の磁気抵抗効果素子は、いずれも、前記素子配置面に対して垂直な方向に積層された磁化固定層、非磁性層および自由層を有し、
   前記第１、第２および第３の磁気抵抗効果素子のいずれにおいても、前記非磁性層は前記磁化固定層と自由層の間に配置され、前記自由層の磁化の方向は前記外部磁界の方向に応じて変化し、
   前記第１の磁気抵抗効果素子の磁化固定層の磁化の方向は、前記素子配置面に平行な第１の方向に固定され、
   前記第２の磁気抵抗効果素子の磁化固定層の磁化の方向は、前記素子配置面に平行であって前記第１の方向とは異なる第２の方向に固定され、
   前記第３の磁気抵抗効果素子の磁化固定層の磁化の方向は、前記素子配置面に垂直な第３の方向に固定され、
   前記第１の磁気抵抗効果素子は、前記外部磁界の前記第１の方向の成分の強度を検出し、
   前記第２の磁気抵抗効果素子は、前記外部磁界の前記第２の方向の成分の強度を検出し、
   前記第３の磁気抵抗効果素子は、前記外部磁界の前記第３の方向の成分の強度を検出することを特徴とする三次元磁界センサ。
2. 前記第２の方向は、前記第１の方向に対して直交していることを特徴とする請求項１記載の三次元磁界センサ。
3. 更に、前記第１、第２および第３の磁気抵抗効果素子の出力に基づいて、前記外部磁界の三次元的な方向を表すデータを生成する演算回路を備えたことを特徴とする請求項１または２記載の三次元磁界センサ。
4. 前記第２の磁気抵抗効果素子の磁化固定層、非磁性層および自由層の各々の材料は、前記第１の磁気抵抗効果素子の磁化固定層、非磁性層および自由層の各々の材料と同じであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の三次元磁界センサ。
5. 前記第３の磁気抵抗効果素子の磁化固定層は、規則合金、多層膜よりなる人工格子、およびアモルファス合金のうちの１つ以上を含むことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の三次元磁界センサ。
6. 前記第３の磁気抵抗効果素子の自由層は、前記第３の方向についての保磁力が、前記第３の磁気抵抗効果素子の磁化固定層よりも小さいものであることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の三次元磁界センサ。
7. 請求項１記載の三次元磁界センサを製造する方法であって、
   前記第１の磁気抵抗効果素子を形成する工程と、
   前記第２の磁気抵抗効果素子を形成する工程と、
   前記第３の磁気抵抗効果素子を形成する工程とを備え
   前記第１の磁気抵抗効果素子を形成する工程は、後に磁化の方向が固定されて第１の磁気抵抗効果素子の磁化固定層となる第１の膜、第１の磁気抵抗効果素子の非磁性層および第１の磁気抵抗効果素子の自由層を含む第１の積層体を形成する工程と、前記第１の膜が第１の磁気抵抗効果素子の磁化固定層となるように、前記第１の膜の磁化の方向を固定する工程とを含み、
   前記第２の磁気抵抗効果素子を形成する工程は、後に磁化の方向が固定されて第２の磁気抵抗効果素子の磁化固定層となる第２の膜、第２の磁気抵抗効果素子の非磁性層および第２の磁気抵抗効果素子の自由層を含む第２の積層体を形成する工程と、前記第２の膜が第２の磁気抵抗効果素子の磁化固定層となるように、前記第２の膜の磁化の方向を固定する工程とを含み、
   前記第１の積層体を形成する工程と前記第２の積層体を形成する工程は、同時に行われ、
   前記第１の膜の磁化の方向を固定する工程と前記第２の膜の磁化の方向を固定する工程は、別々に行われることを特徴とする三次元磁界センサの製造方法。

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