JP5596906B2

JP5596906B2 - 磁場角センサの製造方法

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Description

本発明は、３６０度の測定範囲にわたって磁場角を測定するための磁場角センサ、およびこの磁場角センサに用いる磁気トンネル接合素子、並びに磁場角センサの製造方法に関する。

磁場角センサ（磁気位置検出センサ）は、動的物体の動きを非接触で検出する手段として一般的になりつつある。回転運動あるいは直線運動をする物体に第１の磁石またはセンサ素子を取り付ける一方、固定位置に相補的な第２のセンサ素子または磁石を設置することによって、磁場の相対方向を電気的に定量化することができる。また、複数のセンサ素子あるいは磁石を用いることによって、広範な角度測定や直線上の位置測定の性能を高めることが可能になる。非特許文献１では、素子として異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）素子を用いた磁場角センサについて記載されている。

図９はこのＡＭＲ素子を用いた従来の磁場角センサの構成を表すものである。磁場角センサ５は、パーマロイのような異方性磁気抵抗材料を用いた４つの同じＡＭＲ素子１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄを結合してホイートストンブリッジ回路を構成したものである。

ＡＭＲ素子１０ａ〜１０ｄは端子１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄによって、隣り合う素子同士が接続されると共に、各素子が菱形状に配置されたものとなっている。対向する２つの端子１２ａ，１２ｂ間には直流電源（Ｖ_s）１５が接続されている。他の二つの対向する端子１２ｃ，１２ｄが出力端子となる。各ＡＭＲ素子１０ａ〜１０ｄではｃｏｓ²（θ）に比例して抵抗が変化する。ここで、θは、磁気モーメント（Ｍ）のベクトル方向２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄと、直流電源１５により各ＡＭＲ素子１０ａ〜１０ｄを流れる電流（Ｉ）２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄの方向との間のなす角度である。

この磁場角センサ５では、磁界の無い（０ガウス）環境下、出力端子１２ｃ，１２ｄの各電位は、ＡＭＲ素子１０ａ〜１０ｄ上の製作公差により僅かなオフセット電位が発生することを除いて等しくなる。磁界中においては、出力端子１２ｃ，１２ｄ間に、供給電圧Ｖ_s ³ＡＭＲ素子１０ａ〜１０ｄの抵抗比、ＡＭＲ素子１０ａ〜１０ｄを流れる素子電流２０ａ〜２０ｄと磁気モーメント（Ｍ）のベクトル２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄとの間のなす角度（θ）の関数で表される差動電圧が生ずる。

このような構成の磁場角センサ５では、その測定範囲は±４５度に限定される。測定範囲を±９０度に広げるには、上記ホイートストンブリッジ構成のセンサを２つ用い、これらを互いに４５度の角度をなすように配置する必要がある。更に、測定範囲を３６０度にするためには、このような構成の２つのセンサに加えて、ホール効果素子が必要になる。ホール効果センサはシリコン半導体材料により形成されており、パイアス電流が流れるセンサ基板を直角に横切る磁場ベクトルに比例する電位を発生し、衝突磁場のベクトル成分を検出信号として出力する。しかしながら、このようなホール効果センサを用いたセンサでは、１チップに集積化することは困難であるという問題があった。

これに対して、非特許文献２では、測定範囲が３６０度の磁場角センサ（Angular Sensor) のマイクロチップ化を図る試みがなされている。ここでは、磁場角センサは固定され、センサ近くの回転シャフトに付設したディスク型永久磁石と組み合わせて用いられる。永久磁石はシャフトとともに回転する磁場を作り出すように面内に磁化されている。フリー層の磁化方向は、永久磁石による発生した磁場に応じて変化し、回転する。このように固定磁化リファレンス層に対して、フリー層の磁化方向が面内で回転することにより磁気抵抗が変化するものであるが，その大きさは回転する永久磁石と固定されたセンサとがなす角度の余弦（cosine) の関数により表される。

この磁場角センサは、４つのスピンバルブからなるホイートストンブリッジ回路を有し、環境による温度変化を補償している。１つのハーフブリッジは他のハーフブリッジから位相が９０度遅れており、その結果、余弦および正弦（sine) 関数により、０〜３６０度の範囲にわたって永久磁石とセンサとのなすあらゆる角度を一義的に決定できる。なお、この種のセンサに関連するものとして他に特許文献１〜１２がある。
HYPERLINK "http://www.ssec.honeywell.com/magnetic/datasheets/an211.pdf,March"www.ssec.honeywell.com/magnetic/datasheets/an211.pdf,March 20,2007 、"磁気位置センサの応用"Honeywell Application Note-AN211 "360 度Angle Sensor Using Spin Valve Materials with SAF Structure",Wang et al ., IEEE Transactions on Magnetics, Oct.2005, Volume : 41, Issue: 10, pp.: 3700-3702 欧州特許ＥＰ０９１０８０２号公報欧州特許ＥＰ０７６０９３１号公報欧州特許ＥＰ１４８１２５６号公報米国特許５７６４５６７号公報米国特許６０１１３９０号公報米国特許６１００６８６号公報米国特許６６３３４６２号公報米国特許６７５６７８２号公報米国特許６７７１４７２号公報米国特許６８９１３６８号公報米国特許６９９２８６９号公報米国特許７０５４１１４号公報

しかしながら、この磁場角センサにおいても、複数の構成要素が必要であって１チップへの集積化は困難であり、そのためコストがかかり、かつ検出エラーが発生する虞があるという問題があった。

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、３６０度の測定範囲にわたって磁場角を精度良く測定可能であり、１チップ化も可能な磁場角センサの製造方法を提供することにある。

本発明の磁場角センサの製造方法は、上記本発明の磁場角センサを製造する方法であって、基板上に複数の磁気トンネル接合素子を形成する工程を有する。この磁気トンネル接合素子の形成工程は、基板上に設けられた下部電極上に反強磁性層を形成する工程と、反強磁性層上にピンドシンセティック複合層を形成する工程と、リファレンス軸方向ヘの所定の大きさの磁場中において、複数の磁気トンネル接合素子に対して第１の熱処理を施す工程と、第１の熱処理ののち、複数の磁気トンネル接合素子を、各素子が所定のアスペクト比を有し、そのピンドシンセティック複合層が形状異方性を有するようにパターニングする工程と、複数の磁気トンネル接合素子をパターニングしたのち、外部磁場のない雰囲気中において第２の熱処理をし、交換ピンニング磁場を減少する共に、発生応力によりピンドシンセティック複合層に異方性を生じさせ、ピンドシンセティック複合層の磁化方向を複数の磁気トンネル接合素子の各長軸方向に整列させる工程とを含むものである。

本発明の磁場角センサの製造方法によれば、ホール効果素子を用いることなく、３６０度の測定範囲にわたって磁場角を精度良く測定可能であり、１チップ化も可能となる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。

図１は本発明の一実施の形態に係る磁場角センサの構成を表すものである。本実施の形態の磁場角センサは、３６０度の測定範囲にわたって磁場角を測定するためのものであり、３つのタイプのＭＴＪ（magnetic tunnel junction：磁気トンネル接合）素子アレイ（Ａ〜Ｂ）を備えている。

第１タイプのＭＴＪ素子アレイ（Ａ）１００は、基板上に複数（ここでは４個）のＭＴＪ素子１０５を配置したものであり、これらＭＴＪ素子１０５は共通の上部電極および下部電極（図示せず）間にそれぞれ並列に接続されている。各ＭＴＪ素子１０５のリファレンス層（reference magnetic layer）の磁化方向１０７は、図の水平方向のリファレンス軸（Ｘ）に対して第１角度（例えば，−４５度）を持つように固定されている。

第２タイプのＭＴＪ素子アレイ（Ｂ）１１０も同じく、複数（４個）のＭＴＪ素子１１５により構成され、これらＭＴＪ素子１１５も共通の上部電極および下部電極（図示せず）間にそれぞれ並列に接続されている。各ＭＴＪ素子１１５のリファレンス層の磁化方向１１７は、リファレンス軸（Ｘ）に対して平行（０度）となっている。

同様に、第３タイプのＭＴＪ素子アレイ（Ｃ）１２０は、複数（４個）のＭＴＪ素子１２５により構成され、これらＭＴＪ素子１２５も共通の上部電極および下部電極（図示せず）間にそれぞれ並列に接続されている。各ＭＴＪ素子１２５のリファレンス層の磁化方向１２７は、リファレンス軸（Ｘ）に対して第２角度（例えば，＋４５度）を持つように固定されている。ここに、第２角度と第１角度とはリファレンス軸（Ｘ）について相補的であり、約１５度から約６５度の絶対値の範囲の大きさを有するものである。

第１〜第３タイプのＭＴＪ素子アレイ（Ａ）〜（Ｃ）１００〜１２０では、各アレイ毎に向きが異なることを除いて、全て同じ工程で形成され、ＭＴＪ素子１０５，１１５，１２５は同一の形状を有している。具体的に、ＭＴＪ素子１０５，１１５，１２５は、その平面形状が大きなアスペクト比（長さ／幅）を有する楕円となっている。

上部電極および下部電極の平面形状は、ともに大きなアスペクト比を有する矩形状であり、その比により各ＭＴＪ素子に大きな引張応力を引き起こしている。本実施の形態においては、その応力は各アレイの（Ａ）〜（Ｃ）の上部電極および下部電極の長手方向に直交する方向（幅方向）に生じており、その結果、全てのＭＴＪ素子において、そのピンドシンセティック複合層の磁化方向が磁気トンネル接合素子の長軸方向に整列している。

図２は、上記ＭＴＪ素子アレイ（Ａ）〜（Ｃ）に共通の断面構造を表すものである。ＭＴＪ素子１６０（図１のＭＴＪ素子１０５，１１５，１２５に相当）は、図１にも示したように平面形状が楕円状の小セルにパターニングされている。これらのＭＴＪ素子１６０は、タイプの異なるＭＴＪ素子アレイ（Ａ）〜（Ｃ）毎に、各長軸が同じ方向に揃っており、基板１５０上に設けられた下部電極１５５と上部電極１６５との間で並列に接続されている。複数のＭＴＪ素子１６０間は誘電体層１８０により埋め込まれている。

磁場角の検出動作中において、上部電極１６５と下部電極１５５を図において水平方向に流れる検出電流１７０は、これらのＭＴＪ素子１６０で均一に分割され、垂直方向の電流１７５となる。外部磁界が存在するとき、これらのＭＴＪ素子１６０は個別に応答する。各アレイによる検出信号は、これら複数のＭＴＪ素子１６０での検出値の平均値となる。

図３（Ａ）〜（Ｃ）は、ＭＴＪ素子１６０のピンドリファレンス層での磁化モーメント（ＲＥＦ_A，ＲＥＦ_B，ＲＥＦ_C）に対する、印加磁界により生ずる磁気モーメントの角度の算出を方法を説明するためのものである。印加磁界は、磁場角検出中、その磁界によって全てのＭＴＪ素子のフリー層の磁化方向（Ｍ_A，Ｍ_B，Ｍ_C）を同方向に整列させるのに十分な大きさとすると、３つのタイプのＭＴＪ素子アレイ（Ａ）〜（Ｃ）の抵抗値はそれぞれ次式で表される。

Ｒ_A＝Ｒ＋∂Ｒ・｛１−ｃｏｓ（π／４＋θ）／２｝ …（１）
Ｒ_B＝Ｒ＋∂Ｒ・｛１−ｃｏｓ（θ）／２｝ …（２）
Ｒ_C＝Ｒ＋∂Ｒ・｛１−ｃｏｓ（π／４−θ）／２｝ …（３）
ここに、Ｒは、フリー層およびピンドリファレンス層の磁化方向が平行であるときの抵抗値、∂Ｒは、フリー層およびピンドリファレンス層の磁化方向が反平行に変化したときの抵抗値の変化量、θは、リファレンス軸（Ｘ）と印加磁界による磁気モーメントとがなす角度をそれぞれ表している。

図４は、上記ＭＴＪ素子アレイＡ〜Ｃを用いた磁場角センサ２００の全体構成を表すものである。この磁場角センサ２００は、第１ホイートストンブリッジ回路２０５および第２ホイートストンブリッジ回路２１０を備えている。第１ホイートストンブリッジ回路２０５の２つ出力端子２１５ｃ，２１５ｄでの検出信号（Ｖ_A，Ｖ_B）は第１アンプ２２５、第２ホイートストンブリッジ回路２１０の２つ出力端子２１５ｃ，２１５ｄでの各検出信号（Ｖ_C，Ｖ_D）は第２アンプ２３０へそれぞれ入力されるようになっている。第１アンプ２２５では入力信号の差分（ΔＶ₁＝Ｖ_A−Ｖ_B）、同じく第２アンプ２３０では入力信号の差分（ΔＶ₂＝Ｖ_C−Ｖ_D）をそれぞれ増幅して信号ΔＵ₁，ΔＵ₂としてマイクロコントローラ２３５へ出力するようになっている。これら第１ホイートストンブリッジ回路２０５、第２ホイートストンブリッジ回路２１０、第１アンプ２２５、第２アンプ２３０およびマイクロコントローラ２３５は１チップに集積化されている。

第１ホイートストンブリッジ回路２０５の第１枝路には、直列接続された２つのＭＴＪ素子２０６ａ，２０６ｂからなる第１タイプのＭＴＪ素子アレイ（Ａ）が配置されている。同様に、第１ホイートストンブリッジ回路２０５の第２枝路には、直列接続された２つのＭＴＪ素子２０７ａ，２０７ｂからなる第３タイプのＭＴＪ素子アレイ（Ｃ）が配置されている。第１ホイートストンブリッジ回路２０５の第３枝路には、直列接続された２つのＭＴＪ素子２０８ａ，２０８ｂからなる第３タイプのＭＴＪ素子アレイ（Ｃ）が配置されている。第１ホイートストンブリッジ回路２０５の第４枝路には、直列接続された２つのＭＴＪ素子２０９ａ，２０９ｂからなる第１タイプのＭＴＪ素子アレイ（Ａ）が配置されている。

一方、第２ホイートストンブリッジ回路２１０の第１枝路では、ＭＴＪ素子２１１ａからなる第１タイプのＭＴＪ素子アレイ（Ａ）とＭＴＪ素子２１１ｂからなる第３タイプのＭＴＪ素子アレイ（Ｃ）とが直列接続されている。第２ホイートストンブリッジ回路２１０の第２枝路には、直列接続された２つのＭＴＪ素子２１２ａ，２１２ｂからなる第２タイプのＭＴＪ素子アレイ（Ｂ）が配置されている。第２ホイートストンブリッジ回路２１０の第３枝路には、直列接続された２つのＭＴＪ素子２１３ａ，２１３ｂからなる第２タイプのＭＴＪ素子アレイ（Ｂ）が配置されている。第２ホイートストンブリッジ回路２１０の第４枝路では、ＭＴＪ素子２１４ａからなる第１タイプのＭＴＪ素子アレイ（Ａ）とＭＴＪ素子２１４ｂからなる第３タイプのＭＴＪ素子アレイ（Ｃ）とが直列接続されている。

第１ホイートストンブリッジ回路２０５の端子２１５ａと第２ホイートストンブリッジ回路２１０の端子２２０ａとの接続点には電圧源から電源電圧（４Ｖ₀）が供給されるようになっている。第１ホイートストンブリッジ回路２０５の端子２１５ｂと第２ホイートストンブリッジ回路２１０の端子２２０ｂとの接続点は接地されている。電位Ｖ_A，Ｖ_B，Ｖ_C，Ｖ_Dは、それぞれ以下の式によって算出される。

Ｖ_A＝（４Ｖ₀）＊Ｒ_A／（Ｒ_A＋Ｒ_C） …（４）
ここで、Ｖ_AはＭＴＪ素子２０６ｂ，２０７ａの接続点（出力端子２１５ｃ）での電位、Ｒ_AはＭＴＪ素子２０６ａ，２０６ｂからなる第１タイプのＭＴＪ素子アレイ（Ａ）の抵抗、Ｒ_CはＭＴＪ素子２０７ａ，２０７ｂからなる第３タイプのＭＴＪ素子アレイ（Ｃ）の抵抗、４Ｖ₀は電圧源の電圧レベルをそれぞれ表す。

Ｖ_B＝（４Ｖ₀）＊Ｒ_C／（Ｒ_A＋Ｒ_C） …（５）
ここで、Ｖ_BはＭＴＪ素子２０８ｂ，２０９ａの接続点（出力端子２１５ｄ）での電位、Ｒ_AはＭＴＪ素子２０９ａ，２０９ｂからなる第１タイプのＭＴＪ素子アレイ（Ａ）の抵抗、Ｒ_CはＭＴＪ素子２０８ａ，２０８ｂからなる第３タイプのＭＴＪ素子アレイ（Ｃ）の抵抗をそれぞれ表す。

Ｖ_C＝（４Ｖ₀）＊２Ｒ_B／（Ｒ_A＋Ｒ_C＋２Ｒ_B） …（６）
ここで、Ｖ_CはＭＴＪ素子２１１ｂ，２１２ａの接続点（出力端子２２０ｃ）での電位、Ｒ_AはＭＴＪ素子２１１ａからなる第１タイプのＭＴＪ素子アレイ（Ａ）の抵抗、Ｒ_BはＭＴＪ素子２１２ａ，２１２ｂからなる第２タイプのＭＴＪ素子アレイ（Ｂ）の抵抗、Ｒ_CはＭＴＪ素子２１１ｂからなるの第３タイプのＭＴＪ素子アレイ（Ｃ）の抵抗をそれぞれ表す。

Ｖ_D＝（４Ｖ₀）＊（Ｒ_A＋Ｒ_C）／（Ｒ_A＋Ｒ_C＋２Ｒ_B）…（７）
ここで、Ｖ_DはＭＴＪ素子２１３ｂ，２１４ａの接続点（出力端子２２０ｄ）での電位、Ｒ_AはＭＴＪ素子２１４ａからなる第１タイプのＭＴＪ素子アレイ（Ａ）の抵抗、Ｒ_BはＭＴＪ素子２１３ａ，２１３ｂからなる第２タイプのＭＴＪ素子アレイ（Ｂ）の抵抗、Ｒ_CはＭＴＪ素子２１４ｂからなる第３タイプのＭＴＪ素子アレイ（Ｃ）の抵抗をそれぞれ表す。

第１の電圧差（ΔＶ₁）は、接続端子２１５ｃでの電圧Ｖ_Aと接続端子２１５ｄでのＶ_Bとの間の電位差である。第２の電圧差（ΔＶ₂）は、接続端子２２０ｃでの電圧Ｖ_Cと接続端子２２０ｄでのＶ_Dとの間の電位差である。磁場の無い（０ガウス）環境下では、第１電圧差（ΔＶ₁）と第２電圧差（ΔＶ₂）はともに零ボルトとなる。一方、磁場の有る環境下では、ΔＶ₁およびΔＶ₂はそれぞれ次式によって算出される。

ΔＶ₁＝ｋ₁（Ｒ_A−Ｒ_C）
＝ｋ₁∂Ｒ［｛ｃｏｓ（π／４−θ）−ｃｏｓ（π／４＋θ）｝／２］
＝ｋ₁∂Ｒ（√２／２）・ｓｉｎ（θ） …（８）
ΔＶ₂＝ｋ₂｛（Ｒ_A＋Ｒ_C）／２｝−Ｒ_B
＝ｋ₂∂Ｒ［［ｃｏｓ（θ）−｛ｃｏｓ（π／４−θ）−ｃｏｓ（π／４−θ）｝／２］／２］
＝ｋ₂∂Ｒ｛（１−√２／２）／２｝ｃｏｓ（θ） …（９）
ここで、ｋ₁，ｋ₂は定数、Ｒ_AはＭＴＪ素子２１４ａからなる第１タイプのＭＴＪ素子アレイ（Ａ）の抵抗、Ｒ_BはＭＴＪ素子２１３ａ，２１３ｂからなる第２タイプのＭＴＪ素子アレイ（Ｂ）の抵抗、∂Ｒはフリー層の磁化方向がピンドリファレンス層の磁化方向に対して反平行に変化したときの抵抗の変化量、θはリファレンス軸（Ｘ）と印加磁界による磁気モーメントとの間の角度それぞれ表す。

このような構成の磁場角センサでは、第１電圧差（ΔＶ₁）および第２電圧差（ΔＶ₂）の大きさは互いに異なるが、それらは、リファレンス軸（Ｘ）と印加される磁気モーメントとの間の角度（θ）の正弦（sine) および余弦（cosine）の値に依存する。第１電圧差（ΔＶ₁）を示す信号は第１ホイートストンブリッジ回路２０５から第１アンプ２２５、第２電圧差（ΔＶ₂）を示す信号は第２ホイートストンブリッジ回路２１０から第２アンプ２３０へそれぞれ出力される。

第１アンプ２２５および第２アンプ２３０のゲインは、出力信号ΔＵ₁，ΔＵ₂が等しい大きさを持ち、ΔＵ₁に対しては正弦（ΔＵ₁＝Ａｓｉｎ（θ））、ΔＵ₂に対しては余弦（ΔＵ₂＝Ａｃｏｓ（θ））の関数としてのみ変化するように調整される。その角度θは、ΔＵ₁とΔＵ₂と比の逆正接（arc tangent)（θ＝ａｒｃｔａｎ（ΔＵ₁／ΔＵ₂）で表すことができ、これはマイクロコントローラ２３５においてメモリマップを用いることによって容易に求めることができる。すなわち、第１アンプ２２５および第２アンプ２３０の出力信号ΔＵ₁，ΔＵ₂はマイクロコントローラ２３５に入力され、このマイクロコントローラ２３５において角度θが算出され、そのまま角度信号として出力されるか、あるいはマイクロコントローラ２３５内で更なる処理がなされる。

図５は上記磁場角センサ２００を構成するＭＴＪ素子の断面構造、図６はその製造プロセスの流れ（ステップＳ４００〜４６５）を表すものである。

本実施の形態の磁場角センサ２００では、まず、複数の素子に共通の基板３００上に、下部電極３０５を形成し、パターニングする（ステップＳ４００）。次いで、下部電極３０５上に下地層３１０を形成する（ステップＳ４０５）。続いて、下地層３１０上に、ＩｒＭｎ，ＰｔＭｎ，ＦｅＭｎおよびＮｉＯのうちの少なくとも１種からなる反強磁性（ＡＦＭ）層３１５を形成する（ステップＳ４１０）。次に、反強磁性層３１５上にシンセティックピンド複合層３６０を形成する（ステップＳ４１５）。すなわち、反強磁性層３１５上にピンド層３２０、スペーサ層３２５およびリファレンス層３３０をこの順に連続して形成する（ステップＳ４１６，４１７，４１８）。

なお、ピンド層３２０は、例えばＮｉ（ニッケル），Ｆｅ（鉄），Ｃｏ（コバルト）およびＢ（ボロン）を含む軟磁性合金からなる軟磁性層である。この軟磁性合金は、正の大きな磁気歪定数を持つ。スペーサ層３２５は、Ｒｕ（ルテニウム），Ｒｈ（ロジウム）およびＣｒ（クロム）からなる群から選択された非磁性材料からなる薄い非磁性層である。リファレンス層３３０は、ＣｏＦｅＢ，ＣａＦｅの合金、あるいはこれらの組み合わせからなる複合層である。リファレンス層３３０の材料も、正の大きな磁気歪定数を持つように選択される。

次に、リファレンス層３３０上に、ＡｌＯｘ，ＡｌＮｘ，ＡｌＮｘＯｙ，ＭｇＯのような誘電体材料からなるトンネル障壁層３２５を形成する（ステップＳ４２０）。続いて、このトンネル障壁層３２４５上に、ＮｉＦｅのようなほぼ零に近い磁化定数を有する軟磁性材料、あるいはＮｉ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｂを含む軟磁性合金により、厚み１．５ｎｍ〜５ｎｍのフリー層３４０を形成する（ステップＳ４２５）。このフリー層３４０は、スペーサ層によって隔てられた複数のより薄い分割フリー層（multiple separate smaller free layers ）からなるシンセティック構造を有する。スペーサ層は、上記スペーサ層３２５と同様の材料により形成する。次に、フリー層３４０上にキャップ層３４５を形成する（ステップＳ４３０）。

続いて、このようにして形成されたＭＴＪ素子に、リファレンス軸（Ｘ）方向への強磁場の存在下において第１の熱処理を施す（ステップＳ４３５）。具体的には、リファレンス軸（Ｘ）方向への１０００ガウスを超える巨大磁場の存在下、５分から１００分間、２００度から３００℃の温度範囲で加熱する。

次に、公知のフォトリソグラフィー技術により、上記ＭＴＪ素子膜をパターニングすることにより、大きなアスペクトを有する形状の複数の小型ＭＴＪ素子を形成する（ステップＳ４４０）。その形状は短軸および長軸を有する楕円形状とすることが好ましい。このとき、その長軸方向が第１の熱処理により生じた交換異方性強磁性ピンド方向、すなわち、下部電極３０５および上部電極３５０を通じて素子に流れる電流３５５による誘導磁界方向に平行な方向となるようにする。なお、ＭＴＪ素子のパターニング形状は、楕円状に限るものではなく、大きなアスペクト比を有するものであれば、矩形状でも、その他の形状であってもよい。

ＭＴＪ素子のパターニング（ステップＳ４４０）において、図１に示した第１タイプのＭＴＪ素子アレイ（Ａ）、第２タイプのＭＴＪ素子アレイ（Ｂ）および第３タイプのＭＴＪ素子アレイ（Ｃ）ではそれぞれ少なくとも１個、好ましくは１０個以上のＭＴＪ素子が形成されるようにする。また、これら第１タイプのＭＴＪ素子アレイ（Ａ）、第２タイプのＭＴＪ素子アレイ（Ｂ）および第３タイプのＭＴＪ素子アレイ（Ｃ）の配置関係は図１に示したように設定する。

ＭＴＪ素子膜をパターニングした後、ＭＴＪ素子間に誘電体層１８０を埋め込み（ステップＳ４４５）、引き続き、化学的機械研磨（ＣＭＰ）法により基板３００の表面を平坦化する（ステップＳ４５０）。

次に、上部電極３５０を積層したのち（ステップＳ４５５）、この上部電極３５０を全てのＭＴＪ素子に共通するようにアスペクト比の大きな矩形状にパターニングする（ステップＳ４６０）。この上部電極３５０のパターニング工程により、各ＭＴＪ素子には、上部電極３５０の長さ方向に垂直な幅方向に大きな引張応力が発生する。

続いて、複数のＭＴＪ素子に対して、外部磁場が存在しない環境の下、好ましくは５分から１００分間、２００度から２５０℃の範囲の温度で第２の熱処理を施す（ステップＳ４６５）。この熱処理過程において、ピンドシンセティックリ複合層３６０の交換（ＡＦＭ）ピンド方向が設定される。すなわち、交換ピンニング磁場（exchange pinning field）はほぼ零に低下し、上記発生した応力によりピンド層に異方性が生じ、そのためピンド層の磁化方向が各ＭＴＪ素子アレイ毎にＭＴＪ素子の長軸方向に沿うように揃えられる。このように第２熱処理が終了すると、ピンド層の磁化方向は各ＭＴＪ素子の長軸方向に沿ってＡＦＭ層の磁化方向に固定される。

以上のようにして作製された磁場角センサでは、ホール効果素子を用いることなく、３６０度の測定範囲にわたって磁場角を精度良く測定することができる。また、１チップ化も可能となり、コストを低減することができると共に、誤動作の虞もない。

図７は、上記磁場角センサ５００（磁場角センサ２００に相当）を組み込んだ磁場角検出システムの構成を表すものである。磁場角センサ５００は、モータ５１５のシャフト５１０に付設された磁石５０５による磁界５２５の範囲内に設置される。シャフト５１０の回転によって磁界５２５が回転すると、磁場角センサ５００への磁場の作用角が変化する。すなわち、磁場角センサ５００により、磁場５２５の角度、言い換えると、シャフト５１０の回転速度が測定される。磁場角センサ５００により求められた磁場角（角速度）信号はコントローラ５２０に送られる。コントローラ５２０では、入力信号に基づき、モータ５１５に対して回転制御信号を送る。

このようにして、本実施の形態の磁場角検出システムでは、磁場角センサ５００の検出信号に基づき、モータ５１５の回転制御が行われる。なお、図７に示した例は典型例である。本実施の形態の磁場角センサを備えることにより、回転運動に限らず、磁石が付設された運動体の直線運動を検出し、その運動を制御でき、あるいは、磁場角の変化をモニタリングすることが可能である。

以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形が可能である。例えば、第１タイプのＭＴＪ素子アレイ（Ａ）、第２タイプのＭＴＪ素子アレイ（Ｂ）および第３タイプのＭＴＪ素子アレイ（Ｃ）の構成は、図２に示した例に限らず、例えば図８に示したような構成としてもよい。

図８に示した磁場角センサは、複数のＭＴＪ素子６０５からなる第１タイプのＭＴＪ素子アレイ（Ａ）６００、複数のＭＴＪ素子６１５からなる第２タイプのＭＴＪ素子アレイ（Ｂ）６１５、および複数のＭＴＪ素子６２５からなる第３タイプのＭＴＪ素子アレイ（Ｃ）６２０を備えている。ここでは、上記実施の形態の場合とは異なる誘電体材料およびプロセスによって、ＭＴＪ素子６０５，６１５，６２５の各層には、上記実施の形態（図１）とは異なる方向に引張応力が発生している。すなわち、各アレイにおいて、ＭＴＪ素子６０５，６１５，６２５はその長軸が上部電極および下部電極の中心線に沿うように揃って配列されており、引張応力は、上部電極と下部電極との間のこれらＭＴＪ素子６０５，６１５，６２５に対して、上部電極および下部電極の長手方向に生じている。これにより各ＭＴＪ素子のピンド層６０５，６１５，６２５には、その長軸方向にこの引張応力により誘起された異方性が発生する。すなわち、各ピンド層の磁化方向６０７，６１７，６２７は、上部電極および下部電極の長手方向に平行となる。なお、これらピンド磁気層の磁化方向６０７，６１７，６２７を設定するための熱処理工程は、上記実施の形態の場合と同様である。その他の作用効果も同じであるので、その説明は省略する。

本発明の一実施の形態に係る磁場角センサの構成を表す図である。図１の磁場角センサを構成するＭＴＪ素子アレイの断面図である。磁気モーメント角の算出方法を説明するための図である。磁場角センサの回路構成を説明するための図である。ＭＴＪ素子の断面構造を表す図である。磁場角センサの製造工程を説明するための流れ図である。磁場角センサの適用例を説明するための図である。磁場角センサの変形例を表す図である。従来の磁場角センサの回路構成を表す図である。

符号の説明

１００，６００…第１タイプのＭＴＪ素子アレイ（Ａ）、１１０，６１０…第２タイプのＭＴＪ素子アレイ（Ｂ）、１２０，６２０…第３タイプのＭＴＪ素子アレイ（Ｃ）、１０５，１１５，１２５、６０５，６１５，６２５…ＭＴＪ素子、１５０…基板、１５５…下部電極、１６５…下部電極、２０５…第１のホイートストンブリッジ、２１０…第２のホイートストンブリッジ、２２５…第１アンプ、２３０…第２アンプ、２３５…コントローラ

Claims

３６０度の測定範囲にわたって磁場角を測定するための磁場角センサの製造方法であって、
基板上に複数の磁気トンネル接合素子を形成する工程を有し、
前記磁気トンネル接合素子の形成工程は、
前記基板上に設けられた下部電極上に反強磁性層を形成する工程と、
前記反強磁性層上にピンドシンセティック複合層を形成する工程と、
リファレンス軸方向ヘの所定の大きさの磁場中において、前記複数の磁気トンネル接合素子に対して第１の熱処理を施す工程と、
第１の熱処理ののち、前記複数の磁気トンネル接合素子を、各素子が所定のアスペクト比を有し、そのピンドシンセティック複合層が形状異方性を有するようにパターニングする工程と、
前記複数の磁気トンネル接合素子をパターニングしたのち、外部磁場のない雰囲気中において第２の熱処理をし、交換ピンニング磁場を減少させる共に、発生応力により前記ピンドシンセティック複合層に異方性を生じさせ、前記ピンドシンセティック複合層の磁化方向を前記磁気トンネル接合素子の長軸方向に整列させる工程と
を含むことを特徴とする磁場角センサの製造方法。
各長軸が前記リファレンス軸方向に対して第１の角度を有する第１タイプの複数の磁気トンネル接合素子を形成する工程と、
各長軸が前記リファレンス軸方向に対して平行な第２タイプの複数の磁気トンネル接合素子を形成する工程と、
各長軸が前記リファレンス軸方向に対して第２の角度を有する第３タイプの複数の磁気トンネル接合素子を形成する工程と
を含むことを特徴とする請求項１の磁場角センサの製造方法。
前記第２の角度の大きさは第１の角度のそれと絶対値が同じであり、かつ、その方向が逆向きである
ことを特徴とする請求項２に記載の磁場角センサの製造方法。
第１の角度および第２の角度の絶対値は、１５度から６５度の範囲である
ことを特徴とする請求項３に記載の前記磁場角センサの製造方法。
前記複数の磁気トンネル接合素子がそれぞれ電気的に接続された上部電極および下部電極を備え、前記磁気トンネル接合素子の各長軸を前記上部電極および下部電極の長手方向に対して垂直とする
ことを特徴とする請求項１に記載の磁場角センサの製造方法。
前記複数の磁気トンネル接合素子の各長軸を、前記複数の磁気トンネル接合素子に電気的に接続された上部電極および下部電極の長手方向に対して平行にする
ことを特徴とする請求項１に記載の磁場角センサの製造方法。
前記複数の磁気トンネル接合素子を上部電極と下部電極との間に並列に接続させる工程と、
前記上部電極および下部電極を、その長手方向が前記磁気トンネル接合素子それぞれの長軸に垂直となるよう矩形状にパターニングする工程と
を含むことを特徴とする請求項２の磁場角センサの製造方法。
更に、前記複数の磁気トンネル接合素子を互いに接続させることにより、第１ホイートストンブリッジ回路と第２ホイートストンブリッジ回路とを構成し、外部磁場が存在しない環境下、前記第１ホイートストンブリッジ回路の対向する２つの第１端子間の第１差分測定電圧、および前記第２ホイートストンブリッジ回路の対向する２つの第１端子間の第２差分測定電圧がともに零ボルトであるようにする工程
を含むことを特徴とする請求項２に記載の磁場角センサの製造方法。
前記第１ホイートストンブリッジ回路の第１枝路を、前記第１タイプの少なくとも１つの磁気トンネル接合素子を含むものとする
ことを特徴とする請求項８に記載の磁場角センサの製造方法。
前記第１ホイートストンブリッジ回路の第１枝路に結合された第２枝路を、前記第３タイプの少なくとも１つの磁気トンネル接合素子を含むものとする
ことを特徴とする請求項９に記載の磁場角センサの製造方法。
前記第１ホイートストンブリッジ回路の第３枝路を、前記第３タイプの少なくとも１つの磁気トンネル接合素子を含むものとする
ことを特徴とする請求項１０に記載の磁場角センサの製造方法。
前記第１ホイートストンブリッジ回路の第３枝路に結合された第４枝路を、前記第１タイプの少なくとも１つの磁気トンネル接合素子を含むものとする
ことを特徴とする請求項１１に記載の磁場角センサの製造方法。
前記第２ホイートストンブリッジ回路の第１枝路を、前記第３タイプの磁気トンネル接合素子の少なくとも１つと、その素子に直列に結合された前記第１タイプの少なくとも１つの磁気トンネル接合素子とを含むものとする
ことを特徴とする請求項１１に記載の磁場角センサの製造方法。
前記第２ホイートストンブリッジ回路の第１枝路に結合された第２枝路を、前記第２タイプの少なくとも１つの磁気トンネル接合素子を含むものとする
ことを特徴とする請求項１３に記載の磁場角センサの製造方法。
前記第２ホイートストンブリッジ回路の第３枝路を、前記第２タイプの少なくとも１つの磁気トンネル接合素子を含むものとする
ことを特徴とする請求項１４に記載の磁場角センサの製造方法。
前記第２ホイートストンブリッジ回路の第３枝路に結合された第４枝路を、前記第３タイプの磁気トンネル接合素子の少なくとも１つと、その素子に直列に結合された前記第１タイプの少なくとも１つの磁気トンネル接合素子を含むものとする
ことを特徴とする請求項１５に記載の磁場角センサの製造方法。
前記各ホイートストンブリッジ回路の対向する２つの第２端子間に電源供給源を設け、２つのホイートストンブリッジ回路にバイアス電圧を供給する
ことを特徴とする請求項８の磁場角センサの製造方法。
前記第１差分測定電圧および第２差分測定電圧を、互いに等しい大きさを持つように均一化し、これにより磁場角は次式により表される
ことを特徴とする請求項８の磁場角センサの製造方法。
θ＝ａｒｃｔａｎ（ΔＵ₁／ΔＵ₂）
（ΔＵ₁＝Ａ・ｓｉｎ（θ）、ΔＵ₂＝Ａ・ｃｏｓ（θ）、θは磁場角、Ａは均一化された第１，第２差分測定電圧）
前記反強磁性層を、ＩｒＭｎ，ＰｔＭｎ，ＦｅＭｎおよびＮｉＯからなる群から選択された材料により形成する
ことを特徴とする請求項１に記載の磁場角センサの製造方法。
前記ピンドシンセティック複合層を形成する工程は、
前記反強磁性層上に直接にピンド層を形成する工程と、
前記ピンド層上にスペーサ層を形成する工程と、
前記スペーサ層上にリファレンス層を形成する工程と
を含むことを特徴とする請求項１に記載の磁場角センサの製造方法。
前記ピンド層を、０に近い磁歪定数および正の値の磁歪定数から選択された第１の磁歪定数を有する軟磁性材料により形成する
ことを特徴とする請求項２０に記載の磁場角センサの製造方法。
前記ピンド層を、Ｎｉ（ニッケル），Ｆｅ（鉄），Ｃｏ（コバルト）およびＢ（ボロン）からなる群から選択された軟磁性材料により形成する
ことを特徴とする請求項２１に記載の磁場角センサの製造方法。
前記スペーサ層を非磁性材料により形成する
ことを特徴とする請求項２０に記載の磁場角センサの製造方法。
前記スペーサ層を、Ｒｕ（ルテニウム），Ｒｈ（ロジウム）およびＣｒ（クロム）からなる群から選択された非磁性材料により形成する
ことを特徴とする請求項２３に記載の磁場角センサの製造方法。
前記リファレンス層を、大きな磁歪定数を有する材料により形成する
ことを特徴とする請求項２０に記載の磁場角センサの製造方法。
前記リファレンス層を、ＣｏＦｅＢ，ＣｏＦｅとＣｏＦｅＢおよびＣｏＦｅの多層構造からなる群から選択されたものにより形成する
ことを特徴とする請求項２５に記載の磁場角センサの製造方法。
前記複数の磁気トンネル接合素子に、リファレンス軸（Ｘ）方向への１０００ガウスを超える磁場の存在下、第１の熱処理として、５分から１００分間、２００度から３００℃の温度範囲で加熱する
ことを特徴とする請求項１に記載の磁場角センサの製造方法。
前記複数の磁気トンネル接合素子を、外部磁場が存在しない環境の下、第２の熱処理として、５分から１００分間、２００度から２５０℃の範囲の温度範囲で加熱する
ことを特徴とする請求項１に記載の磁場角センサの製造方法。