JP5924694B2 - Magnetic field detection device, current detection device, semiconductor integrated circuit, and magnetic field detection method - Google Patents

Magnetic field detection device, current detection device, semiconductor integrated circuit, and magnetic field detection method Download PDF

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Description

本発明は、磁界検出装置、電流検出装置、半導体集積回路、および、磁界検出方法に関し、特に、巨大磁気抵抗効果もしくはトンネル磁気抵抗効果により磁界検出を行う磁界検出装置、電流検出装置、半導体集積回路、および、磁界検出方法に関するものである。   The present invention relates to a magnetic field detection device, a current detection device, a semiconductor integrated circuit, and a magnetic field detection method, and more particularly to a magnetic field detection device, a current detection device, and a semiconductor integrated circuit that perform magnetic field detection by a giant magnetoresistance effect or a tunnel magnetoresistance effect. And a magnetic field detection method.

近年、磁気抵抗効果素子として、従来の巨大磁気抵抗(GMR:giant-magnetoresistance)効果に対してより大きな抵抗変化率が得られるトンネル磁気抵抗(TMR:tunneling magnetoresistance)効果を有するTMR素子が開発され、メモリおよび磁気ヘッドなどへの応用が進められている。   In recent years, as a magnetoresistive effect element, a TMR element having a tunneling magnetoresistance (TMR) effect capable of obtaining a larger resistance change rate than a conventional giant magnetoresistance (GMR) effect has been developed. Applications to memory and magnetic heads are underway.

磁気抵抗(MR:magnetoresistance)効果は、磁性体に磁界を加えることにより電気抵抗が変化する現象であり、磁界検出装置や磁気ヘッドなどに利用されている。GMR素子においては強磁性層/金属層/強磁性層からなる積層構造が用いられ、TMR素子においては、強磁性層/絶縁層/強磁性層からなる積層構造が用いられる。これらの素子においては、外部磁界によって2つの強磁性層のスピンを互いに平行(0°)あるいは反平行(180°)に設定することにより、GMR素子では、強磁性/金属層界面での電子の散乱確率に依存して抵抗が変化することを利用しており、TMR素子では、膜面垂直方向の絶縁層を流れるトンネル電流の大きさが変化することが利用されている。GMR素子やTMR素子では、抵抗変化を検出することにより、2層の強磁性層の相対的な磁化方向を検出することが可能である。   The magnetoresistance (MR) effect is a phenomenon in which electric resistance changes by applying a magnetic field to a magnetic material, and is used in a magnetic field detection device, a magnetic head, or the like. In the GMR element, a laminated structure composed of a ferromagnetic layer / metal layer / ferromagnetic layer is used, and in the TMR element, a laminated structure composed of a ferromagnetic layer / insulating layer / ferromagnetic layer is used. In these elements, by setting the spins of the two ferromagnetic layers to be parallel (0 °) or antiparallel (180 °) to each other by an external magnetic field, in the GMR element, electrons at the ferromagnetic / metal layer interface Utilizing the fact that the resistance varies depending on the scattering probability, the TMR element utilizes the fact that the magnitude of the tunnel current flowing through the insulating layer in the direction perpendicular to the film surface varies. In the GMR element and the TMR element, it is possible to detect the relative magnetization directions of the two ferromagnetic layers by detecting a resistance change.

これらの磁気抵抗効果素子では、一方の強磁性層を反強磁性層と交換結合させて、その強磁性層の磁化を固定していわゆる固着層とし、他方の強磁性層の磁化を外部磁界で容易に反転することのできる自由層とする、いわゆるスピンバルブ型構造が知られている。   In these magnetoresistive elements, one ferromagnetic layer is exchange-coupled with an antiferromagnetic layer to fix the magnetization of the ferromagnetic layer to a so-called pinned layer, and the magnetization of the other ferromagnetic layer with an external magnetic field. A so-called spin-valve type structure is known, which is a free layer that can be easily inverted.

スピンバルブ型構造の磁気抵抗効果素子は、金属層や絶縁層を介した強磁性層間の磁気的な相互作用を抑制することが可能であり、高感度な磁界検出装置として用いることが可能である。スピンバルブ型磁気抵抗効果素子に外部から磁界が印加されると、固着層の磁化は理想的には完全に固定されているために、自由層の磁化のみが外部印加磁界に応じて回転する。これにより、2つの強磁性層の磁化の相対角が変化し、磁気抵抗効果により素子抵抗が変化する。この抵抗値の変化を、たとえば素子に定電流を流した状態で電圧の変化として検出する。この電圧変化が印加された磁界に応じて変化する信号として読出され、高感度の磁界検出が可能となる。   A magnetoresistive element having a spin valve structure can suppress a magnetic interaction between ferromagnetic layers through a metal layer or an insulating layer, and can be used as a highly sensitive magnetic field detection device. . When a magnetic field is applied to the spin valve magnetoresistive element from the outside, the magnetization of the pinned layer is ideally completely fixed, so that only the magnetization of the free layer rotates according to the externally applied magnetic field. As a result, the relative angle of magnetization of the two ferromagnetic layers changes, and the element resistance changes due to the magnetoresistive effect. This change in resistance value is detected as a change in voltage with a constant current flowing through the element, for example. This voltage change is read out as a signal that changes in accordance with the applied magnetic field, so that highly sensitive magnetic field detection is possible.

さらに、単体の磁気抵抗効果素子における抵抗変化を検出するのではなく、4個の磁気抵抗効果素子を用いてホイートストンブリッジ回路を形成し、かつ、固着層の磁化方向が逆向きの素子を組合せることで、磁界が存在しない場合の出力を0とし、高出力な磁界検出装置を形成する技術が提案されている(例えば、特許文献1参照)。   Furthermore, instead of detecting a resistance change in a single magnetoresistive effect element, a Wheatstone bridge circuit is formed using four magnetoresistive effect elements, and elements whose magnetization directions of the pinned layer are reversed are combined. Thus, a technique has been proposed in which the output in the absence of a magnetic field is 0, and a high-power magnetic field detection device is formed (see, for example, Patent Document 1).

また、固着層の磁化方向が逆向きである2個の磁気抵抗効果素子を直列に接続したハーフブリッジ回路でも、2個の磁気抵抗効果素子の抵抗比で出力信号が決定されるため、温度や製造工程に起因した抵抗変動の影響を抑制することが可能である。   Even in a half-bridge circuit in which two magnetoresistive elements whose magnetization directions of the pinned layer are opposite to each other are connected in series, the output signal is determined by the resistance ratio of the two magnetoresistive elements. It is possible to suppress the influence of resistance fluctuation caused by the manufacturing process.

しかしながら、上記のブリッジ回路の技術を実現するために、同一基板上に固着層の磁化方向が異なる磁気抵抗効果素子を形成する必要がある。この形成工程では、それぞれの固着層に対して、熱処理中に方向の異なる磁界を印加する必要がある。より具体的には、反強磁性層とそれに接する強磁性層の交換結合が観測されなくなる、ブロッキング温度以上に固着層を加熱し、この際に局所的な磁界を印加する必要がある。一般的には、基板に対して均一な磁界を印加する磁界中の熱処理が用いられるが、この場合は形成が不可能である。一般的な均一磁界による磁界中の熱処理を用いて前述のブリッジを形成する場合は、同一基板上に複数の素子を形成した後に、基板を切断し、180°回転した方向に設置する必要があり、切断した基板の配置や電気的な接続をするための工程が必要となるという問題点があった。また、検出装置全体としての基板面積が増大するという問題点があった。   However, in order to realize the above-described bridge circuit technology, it is necessary to form magnetoresistive elements having different magnetization directions of the pinned layer on the same substrate. In this formation process, it is necessary to apply magnetic fields having different directions to each fixed layer during the heat treatment. More specifically, it is necessary to heat the pinned layer at a temperature higher than the blocking temperature and to apply a local magnetic field at which the exchange coupling between the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer in contact therewith is not observed. In general, heat treatment in a magnetic field that applies a uniform magnetic field to the substrate is used, but in this case, formation is impossible. When the above-mentioned bridge is formed using a heat treatment in a magnetic field with a general uniform magnetic field, it is necessary to form a plurality of elements on the same substrate, then cut the substrate and place it in a direction rotated by 180 ° There is a problem in that a process for arranging the cut substrates and making electrical connections is required. In addition, there is a problem that the substrate area of the entire detection device increases.

また、例えば特許文献2に記載の他の従来技術では、固着層の磁化方向は同一であって、自由層の磁化容易軸方向が異なる複数の磁気抵抗効果素子を用いる技術を提案している。この技術では、検出用素子と同一基板上に同時に形成される、同一の磁化方向を有する参照用素子を用いている。これにより、磁界検出用の磁気抵抗効果素子の最小抵抗、若しくは、最大抵抗を、一定抵抗として得ることを示しており、複雑な工程を経ることなく、ホイートストンブリッジやハーフブリッジを形成することが可能である。同一基板上に同一工程で検出用素子と参照用素子を形成することが可能であることから、磁気抵抗効果素子における、製造工程や温度に起因した抵抗の変動の影響を抑制することが可能である。   For example, another conventional technique described in Patent Document 2 proposes a technique that uses a plurality of magnetoresistive elements having the same magnetization direction of the pinned layer and different magnetization easy axis directions of the free layer. In this technique, a reference element having the same magnetization direction and simultaneously formed on the same substrate as the detection element is used. This indicates that the minimum resistance or maximum resistance of the magnetoresistive effect element for detecting a magnetic field is obtained as a constant resistance, and it is possible to form a Wheatstone bridge or a half bridge without complicated processes. It is. Since it is possible to form the detecting element and the reference element on the same substrate in the same process, it is possible to suppress the influence of the resistance variation caused by the manufacturing process and temperature in the magnetoresistive effect element. is there.

特許第3017061号公報Japanese Patent No. 3017061 特許第4513804号公報Japanese Patent No. 4513804

上記のように、例えば特許文献1に記載のように、固着層の磁化方向が逆向きの素子によるブリッジ回路においては、出力信号は大きいが、同一基板上での形成は困難であり、同一基板上に複数の素子を形成した後に、基板を切断し、180°回転した方向に設置する必要があり、切断した基板の配置や電気的な接続をするための工程が必要となるという問題点があった。また、検出装置全体としての基板面積が増大するという問題点があった。   As described above, for example, as described in Patent Document 1, in a bridge circuit using an element in which the magnetization direction of the pinned layer is reversed, the output signal is large, but formation on the same substrate is difficult. After forming a plurality of elements on the substrate, it is necessary to cut the substrate and install it in a direction rotated by 180 °, which requires a process for arranging the cut substrate and making electrical connection. there were. In addition, there is a problem that the substrate area of the entire detection device increases.

また、例えば特許文献2に記載のように、固着層の磁化方向は同一であって、自由層の磁化容易軸方向が異なる複数の磁気抵抗効果素子を用いる技術を用いれば、製造工程を複雑化することなく、同一基板上に同一工程により、前述のホイートストンブリッジやハーフブリッジを形成することが可能である。これによって、ブリッジ回路の技術を用いれば、磁気抵抗効果素子の製造工程や温度に起因した抵抗変動の影響を抑制し、抵抗大きな出力信号を得ることが可能である。しかしながら、磁界検出用の磁気抵抗効果素子の自由層は、固着層からの漏れ磁界の影響やトンネル絶縁層や、非磁性層を介した固着層との磁気的な結合により、その磁化方向が傾き、無磁界における抵抗が変化するという問題点があった。これにより、参照用の磁気抵抗効果素子を用いた場合でも、磁界検出用の磁気抵抗効果素子の0点におけるオフセットが発生し、検出誤差を発生するという問題点があった。   Further, for example, as described in Patent Document 2, if a technique using a plurality of magnetoresistive effect elements having the same magnetization direction of the pinned layer and different easy axis directions of the free layer is used, the manufacturing process is complicated. It is possible to form the aforementioned Wheatstone bridge or half bridge on the same substrate by the same process. Thus, if the bridge circuit technique is used, it is possible to suppress the influence of the resistance fluctuation caused by the manufacturing process and temperature of the magnetoresistive effect element, and to obtain an output signal having a large resistance. However, the free layer of the magnetoresistive effect element for detecting the magnetic field is tilted due to the influence of the leakage magnetic field from the pinned layer and the magnetic coupling with the pinned layer via the tunnel insulating layer and the nonmagnetic layer. There is a problem that the resistance in a magnetic field changes. As a result, even when a magnetoresistive effect element for reference is used, there is a problem in that an offset occurs at the zero point of the magnetoresistive effect element for detecting a magnetic field, thereby generating a detection error.

本発明は、かかる問題点を解決するためになされたものであり、一定抵抗として用いる参照用素子を用いて、検出用素子の磁界応答性のオフセットを補正することで、磁界検出装置における0点出力の制御を容易にすることが可能な、磁界検出装置、電流検出装置、半導体集積回路、および、磁界検出方法を得ることを目的としている。   The present invention has been made to solve such a problem. The reference element used as a constant resistance is used to correct the offset of the magnetic field responsiveness of the detection element. An object of the present invention is to obtain a magnetic field detection device, a current detection device, a semiconductor integrated circuit, and a magnetic field detection method capable of easily controlling output.

本発明は、外部磁界に応じた出力信号を出力する磁界検出装置であって、基板上に設けられた2個以上の磁界検出用磁気抵抗効果素子と、前記基板上に設けられた2個以上の参照用磁気抵抗効果素子と、前記磁界検出用磁気抵抗効果素子の自由層の磁化困難軸方向に磁界を印加するバイアス磁界印加用配線とを備え、前記参照用磁気抵抗効果素子および前記磁界検出用磁気抵抗効果素子は、それぞれ、反強磁性層と前記反強磁性層により磁化方向が固定された磁性体層とからなる固着層と、外部磁界によって磁化方向が変化する磁性体層からなる自由層とが積層された構造を有し、前記2個以上の参照用磁気抵抗効果素子は、前記固着層の磁化方向と前記自由層の無磁界における磁化方向とが平行の状態のものと反平行の状態のものとを含んでおり、前記磁界検出用磁気抵抗効果素子は、前記固着層の磁化方向と前記自由層の無磁界における磁化方向とが異な前記検出用磁気抵抗効果素子に磁界を印加するバイアス磁界印加用配線は、同時に、前記参照用磁気抵抗効果素子にも前記磁界を印加する、磁界検出装置である。 The present invention is a magnetic field detection device that outputs an output signal corresponding to an external magnetic field, and includes two or more magnetoresistive effect elements for detecting a magnetic field provided on a substrate and two or more provided on the substrate. Magnetoresistive effect element for reference, and bias magnetic field applying wiring for applying a magnetic field in the direction of hard magnetization of the free layer of the magnetoresistive effect element for detecting magnetic field, and the magnetoresistive effect element for reference and the magnetic field detecting The magnetoresistive effect element is a free layer composed of an antiferromagnetic layer, a fixed layer composed of a magnetic layer whose magnetization direction is fixed by the antiferromagnetic layer, and a magnetic layer whose magnetization direction is changed by an external magnetic field. The two or more reference magnetoresistive elements have a structure in which the magnetization direction of the pinned layer and the magnetization direction of the free layer in the absence of a magnetic field are parallel to each other. Including those in the state of Cage, wherein the magnetic field detecting magnetoresistive element, the Ri and the magnetization direction of the pinned layer and the magnetization direction in the free field of the free layer Do different, the bias magnetic field applying wiring for applying a magnetic field to the detection magnetoresistive element Is a magnetic field detection device that simultaneously applies the magnetic field to the reference magnetoresistive element .

本発明は、外部磁界に応じた出力信号を出力する磁界検出装置であって、基板上に設けられた2個以上の磁界検出用磁気抵抗効果素子と、前記基板上に設けられた2個以上の参照用磁気抵抗効果素子と、前記磁界検出用磁気抵抗効果素子の自由層の磁化困難軸方向に磁界を印加するバイアス磁界印加用配線とを備え、前記参照用磁気抵抗効果素子および前記磁界検出用磁気抵抗効果素子は、それぞれ、反強磁性層と前記反強磁性層により磁化方向が固定された磁性体層とからなる固着層と、外部磁界によって磁化方向が変化する磁性体層からなる自由層とが積層された構造を有し、前記2個以上の参照用磁気抵抗効果素子は、前記固着層の磁化方向と前記自由層の無磁界における磁化方向とが平行の状態のものと反平行の状態のものとを含んでおり、前記磁界検出用磁気抵抗効果素子は、前記固着層の磁化方向と前記自由層の無磁界における磁化方向とが異な前記検出用磁気抵抗効果素子に磁界を印加するバイアス磁界印加用配線は、同時に、前記参照用磁気抵抗効果素子にも前記磁界を印加する、磁界検出装置であるので、一定抵抗として用いる参照用素子を用いて、検出用素子の磁界応答性のオフセットを補正することで、磁界検出装置における0点出力の制御を容易にすることができる。 The present invention is a magnetic field detection device that outputs an output signal corresponding to an external magnetic field, and includes two or more magnetoresistive effect elements for detecting a magnetic field provided on a substrate and two or more provided on the substrate. Magnetoresistive effect element for reference, and bias magnetic field applying wiring for applying a magnetic field in the direction of hard magnetization of the free layer of the magnetoresistive effect element for detecting magnetic field, and the magnetoresistive effect element for reference and the magnetic field detecting The magnetoresistive effect element is a free layer composed of an antiferromagnetic layer, a fixed layer composed of a magnetic layer whose magnetization direction is fixed by the antiferromagnetic layer, and a magnetic layer whose magnetization direction is changed by an external magnetic field. The two or more reference magnetoresistive elements have a structure in which the magnetization direction of the pinned layer and the magnetization direction of the free layer in the absence of a magnetic field are parallel to each other. Including those in the state of Cage, wherein the magnetic field detecting magnetoresistive element, the Ri and the magnetization direction of the pinned layer and the magnetization direction in the free field of the free layer Do different, the bias magnetic field applying wiring for applying a magnetic field to the detection magnetoresistive element Is a magnetic field detector that simultaneously applies the magnetic field to the reference magnetoresistive effect element, so that the reference element used as a constant resistance is used to correct the magnetic field responsiveness offset of the detection element. Thus, it is possible to easily control the zero point output in the magnetic field detection apparatus.

検出用磁気抵抗効果素子の自由層および固着層の磁化方向を説明する図である。It is a figure explaining the magnetization direction of the free layer and fixed layer of a magnetoresistive effect element for a detection. 検出用磁気抵抗効果素子の素子抵抗の外部磁界依存性を説明する図である。It is a figure explaining the external magnetic field dependence of the element resistance of the magnetoresistive effect element for a detection. 参照用磁気抵抗効果素子の自由層および固着層の磁化方向を説明する図である。It is a figure explaining the magnetization direction of the free layer and pinned layer of a magnetoresistive effect element for a reference. 参照用磁気抵抗効果素子の素子抵抗の外部磁界依存性を説明する図である。It is a figure explaining the external magnetic field dependence of the element resistance of the magnetoresistive effect element for a reference. 本発明の実施の形態1の磁界検出装置の構成を説明するための上面図である。It is a top view for demonstrating the structure of the magnetic field detection apparatus of Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1の磁界検出装置の磁気抵抗効果素子の断面構造の模式図である。It is a schematic diagram of the cross-sectional structure of the magnetoresistive effect element of the magnetic field detection apparatus of Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1における検出用磁気抵抗効果素子の磁界応答性に発生するオフセットを説明する図である。It is a figure explaining the offset which generate | occur | produces in the magnetic field response of the magnetoresistive effect element for a detection in Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1における磁界検出動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the magnetic field detection operation in Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1における検出用磁気抵抗効果素子の磁界応答性のオフセットが補正されたことを説明する図である。It is a figure explaining that the offset of the magnetic field responsiveness of the magnetoresistive effect element for a detection in Embodiment 1 of this invention was correct | amended. 本発明の実施の形態1における外部磁界に応じた磁界検出装置の出力を説明する図である。It is a figure explaining the output of the magnetic field detection apparatus according to the external magnetic field in Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1におけるもう一つの磁界検出動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows another magnetic field detection operation | movement in Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態2の磁界検出装置の構成を説明するための上面図である。It is a top view for demonstrating the structure of the magnetic field detection apparatus of Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態3の磁界検出装置の構成を説明するための上面図である。It is a top view for demonstrating the structure of the magnetic field detection apparatus of Embodiment 3 of this invention. 本発明の実施の形態3の磁界検出装置の変形例の構成を説明するための上面図である。It is a top view for demonstrating the structure of the modification of the magnetic field detection apparatus of Embodiment 3 of this invention. 本発明の実施の形態4の電流検出装置の構成を説明するための上面図である。It is a top view for demonstrating the structure of the electric current detection apparatus of Embodiment 4 of this invention. 本発明の実施の形態4の半導体集積回路の構成を説明するための上面図である。It is a top view for demonstrating the structure of the semiconductor integrated circuit of Embodiment 4 of this invention. 本発明の実施の形態4の電流検出装置の変形例の構成を説明するための上面図である。It is a top view for demonstrating the structure of the modification of the electric current detection apparatus of Embodiment 4 of this invention.

本発明の実施の形態について説明する前に、まず、スピンバルブ型磁気抵抗効果素子を用いた磁界検出装置の具体的な検出動作について、図1を参照して説明する。磁界検出用のスピンバルブ型磁気抵抗効果素子1は、固着層と自由層とが積層されて構成されているが、ここでは、固着層と自由層の相互作用がない、理想的な状態で考える。図1は磁界検出用の磁気抵抗効果素子1の自由層および固着層の磁化方向を示す模式図である。図1においては、スピンバルブ型磁気抵抗効果素子1の自由層の無磁界における磁化方向2と、固着層の無磁界における磁化方向3とが互いに垂直であり、それらのなす角度は90°である。自由層の無磁界における磁化方向2は、自由層の形状によって決定されており、その長手方向となっている。このスピンバルブ型磁気抵抗効果素子1の固着層の磁化方向3に沿った方向に磁界Hが印加されると、自由層の磁化は外部磁界によりその方向を変化させ、磁化方向2aとなる。この際、変化した自由層の磁化方向2aと固着層の磁化方向3とがなす角θに応じて、磁気抵抗効果素子1の抵抗値は線形に変化する。   Before describing the embodiment of the present invention, first, a specific detection operation of a magnetic field detection apparatus using a spin valve magnetoresistive effect element will be described with reference to FIG. The spin-valve magnetoresistive element 1 for detecting a magnetic field is configured by laminating a pinned layer and a free layer. Here, an ideal state is considered in which there is no interaction between the pinned layer and the free layer. . FIG. 1 is a schematic diagram showing the magnetization directions of the free layer and the pinned layer of the magnetoresistive element 1 for detecting a magnetic field. In FIG. 1, the magnetization direction 2 of the free layer of the spin-valve magnetoresistive element 1 in the absence of a magnetic field and the magnetization direction 3 of the fixed layer in the absence of a magnetic field are perpendicular to each other, and the angle formed by them is 90 °. . The magnetization direction 2 of the free layer in the absence of a magnetic field is determined by the shape of the free layer and is the longitudinal direction thereof. When a magnetic field H is applied in a direction along the magnetization direction 3 of the pinned layer of the spin valve magnetoresistive element 1, the magnetization of the free layer changes its direction by an external magnetic field and becomes the magnetization direction 2a. At this time, the resistance value of the magnetoresistive effect element 1 changes linearly according to the angle θ formed by the changed magnetization direction 2a of the free layer and the magnetization direction 3 of the pinned layer.

具体的には固着層の磁化方向3を0°とし、それに対して外部磁界Hが印加された際に自由層の磁化方向2aのなす角をθとした場合、磁気抵抗効果素子1の抵抗の変化はcosθに比例する。自由層が一軸異方性を持った軟磁性膜である場合、cosθ=H/Hとなる。つまり、所定の値Hより大きな外部磁界Hが印加された場合は、自由層の磁化方向2aは固着層の磁化方向に平行(0°)あるいは反平行(180°)に固定されてしまい、これ以上、磁気抵抗効果素子1の抵抗は変化しない。つまり、理想的には、Hは自由層の飽和磁界となる。 Specifically, when the magnetization direction 3 of the pinned layer is 0 °, and the angle formed by the magnetization direction 2a of the free layer when an external magnetic field H is applied to θ, the resistance of the magnetoresistive effect element 1 is The change is proportional to cos θ. If the free layer is a soft magnetic film having uniaxial anisotropy, and cosθ = H / H k. That is, if a large external magnetic field H than a predetermined value H k is applied, will magnetization direction 2a of the free layer is fixed to parallel (0 °) or antiparallel (180 °) the magnetization direction of the pinned layer, The resistance of the magnetoresistive effect element 1 does not change any more. That is, ideally, H k is the saturation magnetic field of the free layer.

この結果、磁気抵抗効果素子1の抵抗(素子抵抗)Rは、無磁界中で自由層の磁化方向2と固着層の磁化方向3とが90°の方向である場合には、下記の式(1)となり、外部磁界Hに対して、図2に示すように変化する。   As a result, the resistance (element resistance) R of the magnetoresistive effect element 1 is expressed by the following equation (2) when the magnetization direction 2 of the free layer and the magnetization direction 3 of the pinned layer are 90 ° in the absence of a magnetic field. 1), and changes as shown in FIG.

R=R+ΔR/2・H/H(ただし、−H≦H≦H) (1) R = R m + ΔR / 2 · H / H k (where −H k ≦ H ≦ H k ) (1)

ここで、Rは磁気抵抗効果素子1の抵抗Rがとり得る最大の抵抗値と最小の抵抗値との中間値であり、理想的な無磁界中での磁気抵抗効果素子1の抵抗値である。また、ΔRは磁気抵抗効果素子1の最大の磁気抵抗変化量(すなわち、最大の抵抗値と最小の抵抗値との差)である。この磁気抵抗効果素子1の抵抗Rは外部磁界Hに対して線形に変化するため、磁気抵抗効果素子1の抵抗Rを得ることにより外部磁界Hの大きさを検出することが可能である。なお、検出される外部磁界Hは、固着層の磁化方向3の方向成分である。また、固着層の磁化方向において検出可能な磁界領域、すなわち動作領域は−H≦H≦Hである。 Here, R m is the intermediate value between the maximum resistance value and minimum resistance values that can take the resistance R of the magnetoresistive element 1, by the resistance value of the magnetoresistive element 1 of the ideal no magnetic field in the is there. ΔR is the maximum magnetoresistance change amount of the magnetoresistive effect element 1 (that is, the difference between the maximum resistance value and the minimum resistance value). Since the resistance R of the magnetoresistive element 1 changes linearly with respect to the external magnetic field H, the magnitude of the external magnetic field H can be detected by obtaining the resistance R of the magnetoresistive element 1. The detected external magnetic field H is a directional component in the magnetization direction 3 of the pinned layer. The magnetic field region that can be detected in the magnetization direction of the pinned layer, that is, the operation region is −H k ≦ H ≦ H k .

次に、図3は、参照用のスピンバルブ型磁気抵抗効果素子11の自由層および固着層の磁化方向を示す模式図である。図3に示す参照用の磁気抵抗効果素子11は、その長手方向が、図1に示した検出用の磁気抵抗効果素子1の長手方向に直交するように配置されている。磁気抵抗効果素子11における固着層の磁化方向3は、図1の検出用の磁気抵抗効果素子1と同一である。図3において、図1と同様に、固着層の無磁界における磁化方向3を0°とする。図3(a)においては、磁気抵抗効果素子11の自由層の磁化方向2が、固着層の無磁界における磁化方向3と同一であり、共に0°である。すなわち、予め固着層の磁化方向と自由層の無磁界における磁化方向とが平行になっている。この磁気抵抗効果素子11においては、固着層の磁化方向3と同方向である0°方向に磁界Hが印加された場合は、磁界の向きが無磁界における磁化方向3と一致するため、その方向で自由層の磁化方向2aは安定化する。一方、180°方向に磁界が印加された場合には、一定の磁界Hcまでは磁化方向を維持した後に、磁化方向が磁界方向へと反転する。すなわち、磁界下における自由層の磁化方向2aと固着層の磁化方向3は0°および180°が安定であることから、磁気抵抗効果素子11の抵抗値は2つの値を示す。これを図4に示すが、具体的には、抵抗値は、R±ΔR/2を示す。この場合、R−ΔR/2の抵抗値は、H≦+Hで安定であり、R+ΔR/2の抵抗値は、H≧−Hで安定である。 Next, FIG. 3 is a schematic diagram showing the magnetization directions of the free layer and the pinned layer of the reference spin-valve magnetoresistive element 11. The reference magnetoresistive element 11 shown in FIG. 3 is arranged so that its longitudinal direction is orthogonal to the longitudinal direction of the magnetoresistive element 1 for detection shown in FIG. The magnetization direction 3 of the pinned layer in the magnetoresistive element 11 is the same as that of the magnetoresistive element 1 for detection shown in FIG. In FIG. 3, as in FIG. 1, the magnetization direction 3 of the pinned layer in the absence of a magnetic field is set to 0 °. In FIG. 3A, the magnetization direction 2 of the free layer of the magnetoresistive effect element 11 is the same as the magnetization direction 3 of the pinned layer in the absence of a magnetic field, and both are 0 °. That is, the magnetization direction of the pinned layer and the magnetization direction of the free layer in the absence of a magnetic field are in parallel. In this magnetoresistive effect element 11, when a magnetic field H is applied in the 0 ° direction, which is the same direction as the magnetization direction 3 of the pinned layer, the direction of the magnetic field coincides with the magnetization direction 3 in the absence of a magnetic field. Thus, the magnetization direction 2a of the free layer is stabilized. On the other hand, when a magnetic field is applied in the 180 ° direction, the magnetization direction is reversed to the magnetic field direction after maintaining the magnetization direction up to a certain magnetic field Hc. That is, since the magnetization direction 2a of the free layer and the magnetization direction 3 of the fixed layer under a magnetic field are stable at 0 ° and 180 °, the resistance value of the magnetoresistive element 11 has two values. This is shown in FIG. 4. Specifically, the resistance value represents R m ± ΔR / 2. In this case, the resistance value of R m −ΔR / 2 is stable when H ≦ + H c , and the resistance value of R m + ΔR / 2 is stable when H ≧ −H c .

一方、図3(b)においては、スピンバルブ型磁気抵抗効果素子11の自由層の磁化方向2と、固着層の無磁界における磁化方向3とが逆向きであり、それらのなす角度は180°である。すなわち、固着層の磁化方向と自由層の無磁界における磁化方向とが反平行(平行かつ逆向き)になっている。この場合においても、磁気抵抗効果素子11の抵抗値は、外部磁界に対し、基本的に図4に示す依存性を示す。   On the other hand, in FIG. 3B, the magnetization direction 2 of the free layer of the spin valve magnetoresistive element 11 and the magnetization direction 3 of the pinned layer in the absence of a magnetic field are opposite, and the angle formed by them is 180 °. It is. That is, the magnetization direction of the pinned layer and the magnetization direction of the free layer in the absence of a magnetic field are antiparallel (parallel and reverse). Also in this case, the resistance value of the magnetoresistive effect element 11 basically shows the dependency shown in FIG. 4 with respect to the external magnetic field.

この参照用の磁気抵抗効果素子11の抵抗Rは一定磁界までは、外部磁界に依存せずに一定の抵抗を示すために、検出用の磁気抵抗効果素子と面積が同一である場合、参照用の磁気抵抗効果素子11の抵抗Rの値から、検出用磁気抵抗効果素子の最大抵抗、若しくは、最小抵抗を得ることが可能である。なお、図3(a)に示す参照用素子は、予め固着層と自由層の磁化が平行にしてあり、抵抗はR−ΔR/2である。一方、図3(b)に示す参照用素子は、予め固着層と自由層の磁化が反平行にしてあり、抵抗はR+ΔR/2である。 The resistance R of the magnetoresistive effect element 11 for reference exhibits a constant resistance up to a constant magnetic field without depending on the external magnetic field. Therefore, when the area of the magnetoresistive effect element for detection is the same, The maximum resistance or the minimum resistance of the magnetoresistive element for detection can be obtained from the value of the resistance R of the magnetoresistive element 11. In the reference element shown in FIG. 3A, the magnetizations of the pinned layer and the free layer are previously in parallel, and the resistance is R m −ΔR / 2. On the other hand, in the reference element shown in FIG. 3B, the magnetization of the pinned layer and the free layer is antiparallel in advance, and the resistance is R m + ΔR / 2.

以下、本発明の実施の形態について、その具体例を図に基づいて説明する。   Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

実施の形態1.
図5は、本発明の実施の形態1における磁界検出装置の構成を示す上面図である。ここに示す磁界検出装置は、4個の検出用磁気抵抗効果素子101a、101b、102a、102b(以下、検出用素子と表記する。)と4個の参照用磁気抵抗効果素子111a、111b、112a、112b(以下、参照用素子と表記する。)とを備えている。これらの検出用素子101,102および参照用素子111,112は、すべて、上面から見た場合に、外部形状が、同面積かつ同一形状(角丸長方形)となっている。但し、検出用素子101,102と参照用素子111,112の配置方向は、それらの長手方向が互いに90°異なるように配置されている。すなわち、検出用素子の長手方向が紙面縦方向で、参照用素子の長手方向が紙面横方向となっている。
Embodiment 1.
FIG. 5 is a top view showing the configuration of the magnetic field detection apparatus according to Embodiment 1 of the present invention. The magnetic field detection apparatus shown here includes four detection magnetoresistance effect elements 101a, 101b, 102a, and 102b (hereinafter referred to as detection elements) and four reference magnetoresistance effect elements 111a, 111b, and 112a. 112b (hereinafter referred to as a reference element). The detection elements 101 and 102 and the reference elements 111 and 112 all have the same area and the same shape (rounded rectangle) when viewed from above. However, the detection elements 101 and 102 and the reference elements 111 and 112 are arranged such that their longitudinal directions are different from each other by 90 °. That is, the longitudinal direction of the detection element is the vertical direction on the paper surface, and the longitudinal direction of the reference element is the horizontal direction on the paper surface.

検出用素子101aと101b、102aと102bは、それぞれ金属配線51、52により直列接続されている。また、参照用素子111aと111b、112aと112bは、それぞれ金属配線53、54により直列接続されている。更に、検出用素子101aと参照用素子111aが金属配線55により接続され、検出用素子102bと参照用素子112bが金属配線56により接続され、検出用素子102aと参照用素子111bが金属配線57により接続され、検出用素子101bと参照用素子112aが金属配線58により接続されている。なお、金属配線55は電源に接続されており、金属配線56は接地されている。金属配線57と58は、それぞれ、外部に設置された信号検出回路(図示せず)へと接続されている。   The detection elements 101a and 101b and 102a and 102b are connected in series by metal wirings 51 and 52, respectively. The reference elements 111a and 111b and 112a and 112b are connected in series by metal wirings 53 and 54, respectively. Further, the detection element 101 a and the reference element 111 a are connected by the metal wiring 55, the detection element 102 b and the reference element 112 b are connected by the metal wiring 56, and the detection element 102 a and the reference element 111 b are connected by the metal wiring 57. The detection element 101b and the reference element 112a are connected by a metal wiring 58. The metal wiring 55 is connected to a power source, and the metal wiring 56 is grounded. The metal wirings 57 and 58 are each connected to a signal detection circuit (not shown) installed outside.

また、検出用素子101aと102a、101bと102bは、それぞれ、互いに隣接して並んで設けられている。検出用素子101a、101b、102a、102bの直下には、電気的に検出用素子と絶縁された磁界印加用配線151が設けられており、磁界印加用配線151の長手方向が、検出用素子101a、101b、102a、102bの長手方向に平行な方向になるように配置されている。この磁界印加用配線151は、バイアス用の電流Ibiasを流した場合に、検出用素子101a、101b、102a、102bに、同時に、紙面右向き(すなわち、検出用素子の長手方向に直交する方向(磁化困難軸方向))にバイアス用の磁界Hbiasを印加することが可能であるように配置されている。 The detection elements 101a and 102a and 101b and 102b are provided adjacent to each other. Immediately below the detection elements 101a, 101b, 102a, and 102b, a magnetic field application wiring 151 that is electrically insulated from the detection elements is provided, and the longitudinal direction of the magnetic field application wiring 151 is the detection element 101a. , 101b, 102a, 102b are arranged in a direction parallel to the longitudinal direction. When the bias current I bias is passed, the magnetic field applying wiring 151 is simultaneously directed to the detection elements 101a, 101b, 102a, and 102b rightward on the paper surface (that is, in a direction orthogonal to the longitudinal direction of the detection element ( The magnetic field H bias for biasing is arranged so as to be applied in the hard axis direction)).

検出用素子101a、101b、102a、102bと参照用素子111a、111b、112a、112bは全て同一の積層構造を有しており、その断面構造の模式図を図6に示す。   The detection elements 101a, 101b, 102a, and 102b and the reference elements 111a, 111b, 112a, and 112b all have the same laminated structure, and a schematic diagram of the cross-sectional structure is shown in FIG.

図6において、基板61上に電極層62が形成され、次に反強磁性層63が形成されている。次に、この反強磁性層63により磁化方向が固定された強磁性層64が形成されている。続いて非磁性層65、強磁性層66が形成され、さらに、トンネル絶縁層となる非磁性層67を形成し、その上層に外部磁界によって磁化方向が変化する磁性体からなる自由層68が形成されている。自由層68の上層には電極層69が形成されている。強磁性層64と66については、非磁性層65を介して磁気的に反平行結合している。ここでは、反強磁性層63、強磁性層64、非磁性層65、および、強磁性層66からなる積層構造が固着層70として機能する。なお、以後の説明では、説明の簡単化のために、強磁性層66の磁化を固着層70の磁化と呼ぶ。   In FIG. 6, an electrode layer 62 is formed on a substrate 61, and then an antiferromagnetic layer 63 is formed. Next, the antiferromagnetic layer 63 forms a ferromagnetic layer 64 whose magnetization direction is fixed. Subsequently, a nonmagnetic layer 65 and a ferromagnetic layer 66 are formed, a nonmagnetic layer 67 to be a tunnel insulating layer is formed, and a free layer 68 made of a magnetic material whose magnetization direction is changed by an external magnetic field is formed thereon. Has been. An electrode layer 69 is formed on the free layer 68. The ferromagnetic layers 64 and 66 are magnetically antiparallel coupled via the nonmagnetic layer 65. Here, a laminated structure including the antiferromagnetic layer 63, the ferromagnetic layer 64, the nonmagnetic layer 65, and the ferromagnetic layer 66 functions as the fixed layer 70. In the following description, the magnetization of the ferromagnetic layer 66 is referred to as the magnetization of the pinned layer 70 for simplicity of description.

この固着層70は2層の強磁性層64と66とが反平行に結合していることから、固着層70全体の見掛け上の磁化を抑制することが可能であり、自由層68への磁気的な影響や、固着層70が磁界から受ける影響を抑制することが可能となる。   In this pinned layer 70, since the two ferromagnetic layers 64 and 66 are coupled in antiparallel, the apparent magnetization of the entire pinned layer 70 can be suppressed, and the magnetic force applied to the free layer 68 can be reduced. It is possible to suppress a general influence and an influence that the fixed layer 70 receives from a magnetic field.

ここでは、反強磁性層63から自由層68が順次積層される構成を示したが、構成はこれにとらわれるものではなく、逆に、自由層68を一番下にして、自由層68から逆の順序で積層しても素子を構成することができる。   Here, the configuration in which the antiferromagnetic layer 63 to the free layer 68 are sequentially stacked is shown, but the configuration is not limited to this, and conversely, the free layer 68 is at the bottom and the free layer 68 is reversed. The elements can also be configured by stacking in this order.

検出用素子101a、101b、102a、102bおよび参照素子111a、111b、112a、112bの自由層68は、素子形状が長方形であることから、長手方向を有するため、形状磁気異方性により、自由層68の磁化方向は、これらの素子のそれぞれの長手方向となる。固着層70の磁化方向は、検出用素子と参照用素子とで同一であるため、4個の検出用素子101a、101b、102a、102bにおいては、固着層70の磁化方向が、無磁界における自由層68の磁化方向に対して、素子平面内で直交している(90°)。これに対して、4個の参照用素子111a、111b、112a、112bの固着層70の磁化方向は、無磁界における自由層68の磁化方向と平行(0°)若しくは反平行(180°)となっている。   Since the free layers 68 of the detection elements 101a, 101b, 102a, 102b and the reference elements 111a, 111b, 112a, 112b have a rectangular shape and have a longitudinal direction, the free layer 68 has a shape magnetic anisotropy. The magnetization direction of 68 is the longitudinal direction of each of these elements. Since the magnetization direction of the pinned layer 70 is the same for the detection element and the reference element, in the four detection elements 101a, 101b, 102a, and 102b, the magnetization direction of the pinned layer 70 is free in a non-magnetic field. It is orthogonal to the magnetization direction of the layer 68 in the element plane (90 °). On the other hand, the magnetization direction of the pinned layer 70 of the four reference elements 111a, 111b, 112a, 112b is parallel (0 °) or antiparallel (180 °) to the magnetization direction of the free layer 68 in the absence of a magnetic field. It has become.

参照用素子111a、112aは、予め固着層と自由層の磁化が反平行状態にしてあり、抵抗値はR+ΔR/2である。参照用素子111bと112bでは、予め固着層と自由層の磁化が平行状態としてあり、抵抗値はR−ΔR/2である。参照用素子の磁界に対する抵抗値は、図4に示すように、ヒシテリシスを有することから、磁界印加用配線151の電流を停止した後も、前述の抵抗値を維持することが可能である。この状態では、111aと111b、112aと112bは直列に接続されているため、それぞれの直列抵抗の抵抗値は、2Rとなる。検出用素子も、101aと101b、102aと102bが直列接続されており、無磁界での抵抗値は2Rとなり互いに等しい抵抗となる。 In the reference elements 111a and 112a, the magnetization of the pinned layer and the free layer is in an antiparallel state in advance, and the resistance value is R m + ΔR / 2. In the reference elements 111b and 112b, the magnetizations of the fixed layer and the free layer are in a parallel state in advance, and the resistance value is R m −ΔR / 2. Since the resistance value of the reference element with respect to the magnetic field has hysteresis as shown in FIG. 4, the resistance value can be maintained even after the current of the magnetic field application wiring 151 is stopped. In this state, 111a and 111b, 112a and 112b because it is connected in series, the resistance value of each of the series resistors, the 2R m. Detection element also, 101a and 101b, and 102a and 102b are connected in series, the resistance value in a non-magnetic field becomes mutually equal resistance becomes 2R m.

ここで、それぞれの素子の自由層68および固着層70における強磁性体を構成する材料としては、強磁性層64ではCo−Fe合金を、強磁性層66ではCo−Fe−B合金を用いており、自由層68ではCo−Fe−B合金を用いている。これに限らず、Fe、Co等のCo、NiおよびFeの少なくともいずれかを主成分とする強磁性膜であればよく、これらを積層した強磁性膜であってもよい。   Here, as a material constituting the ferromagnet in the free layer 68 and the pinned layer 70 of each element, the ferromagnetic layer 64 uses a Co—Fe alloy, and the ferromagnetic layer 66 uses a Co—Fe—B alloy. In the free layer 68, a Co—Fe—B alloy is used. However, the present invention is not limited to this, and any ferromagnetic film that has at least one of Co, Ni, and Fe such as Fe and Co as a main component may be used.

また、トンネル絶縁層である非磁性層67は、MgO膜からなっている。なお、トンネル絶縁層67はこれに限定されず、他の金属の酸化膜であるAlやHfO、Ta、MgAl等であってもよく、酸化物に限らず、窒化物や弗化物であってもよい。 The nonmagnetic layer 67 that is a tunnel insulating layer is made of an MgO film. The tunnel insulating layer 67 is not limited to this, and may be Al 2 O 3 , HfO 2 , Ta 2 O 5 , MgAl 2 O 4, etc., which are oxide films of other metals, and is not limited to oxides. Nitride and fluoride may be used.

固着層70において強磁性膜64の磁化を固着する反強磁性層63は、Ir−Mn合金膜からなっている。なお、反強磁性層層001cはIr−Mn合金膜に限定されず、Pt−Mn合金、Fe−Mn合金、Ni−Mn合金等の反強磁性膜であればよく、同様な効果を得ることが可能である。   The antiferromagnetic layer 63 that fixes the magnetization of the ferromagnetic film 64 in the fixed layer 70 is made of an Ir—Mn alloy film. Note that the antiferromagnetic layer 001c is not limited to the Ir—Mn alloy film, and may be any antiferromagnetic film such as a Pt—Mn alloy, an Fe—Mn alloy, or a Ni—Mn alloy, and obtains the same effect. Is possible.

固着層70における非磁性層65は、Ru膜からなっている。なお、非磁性層65はRu膜に限定されず、Rt、Rb等の主に白金族からなる遷移金属の非磁性膜であればよく、同様な効果を得ることが可能である。   The nonmagnetic layer 65 in the pinned layer 70 is made of a Ru film. The nonmagnetic layer 65 is not limited to the Ru film, and may be any nonmagnetic film of a transition metal mainly composed of a platinum group such as Rt, Rb, and the like, and the same effect can be obtained.

下部電極層62および上部電極層69は、各々、Ta(タンタル)膜からなっている。なお、下部電極層62および上部電極層69は、各々、例えばRu膜等の他の金属であってもよく、これに限定されない。下部電極層62および上部電極層69は図6に示すそれぞれの金属配線に接続される。金属配線には、各々、Cu(銅)が用いられている。なお、金属配線は、例えばAl(アルミニウム)の他の金属であっても良く、各々、これに限定されない。   The lower electrode layer 62 and the upper electrode layer 69 are each made of a Ta (tantalum) film. Each of the lower electrode layer 62 and the upper electrode layer 69 may be another metal such as a Ru film, but is not limited thereto. Lower electrode layer 62 and upper electrode layer 69 are connected to respective metal wirings shown in FIG. Cu (copper) is used for each metal wiring. The metal wiring may be other metal such as Al (aluminum), and is not limited to this.

次に、本実施の形態1の磁気抵抗効果素子および磁界検出装置の製造方法について説明する。   Next, a method for manufacturing the magnetoresistive effect element and the magnetic field detection device according to the first embodiment will be described.

図6を参照して、磁気抵抗効果素子を構成するそれぞれの金属膜は、基板61上にDC(直流)マグネトロンスパッタリングにより形成される。基板61はSi(ケイ素)、SiC(炭化ケイ素)、GaN(窒化ガリウム)、GaAs(ヒ化ガリウム)、ガラスなどが用いられる。なお、基板61はこれに限定されず、その他の材料であってもよい。ここでは、予め磁界印加用配線151が磁気抵抗効果素子の直下に形成された基板を用いている。磁気抵抗効果素子の下には、その他の配線やトランジスタ、ダイオード等の電子回路が形成されていてもよい。   Referring to FIG. 6, each metal film constituting the magnetoresistive effect element is formed on substrate 61 by DC (direct current) magnetron sputtering. The substrate 61 is made of Si (silicon), SiC (silicon carbide), GaN (gallium nitride), GaAs (gallium arsenide), glass, or the like. In addition, the board | substrate 61 is not limited to this, Other materials may be sufficient. Here, a substrate is used in which the magnetic field application wiring 151 is formed directly below the magnetoresistive effect element. Other wirings, electronic circuits such as transistors and diodes may be formed under the magnetoresistive element.

まず、基板61上に、DCマグネトロンスパッタリングを用いてTa膜が下部電極層62として形成される。下部電極層62としてのTa膜が形成された後、大気に曝されることなく同一装置内でIr−Mn合金膜が反強磁性層63として形成される。引続き、大気に曝すことなく強磁性層64としてのCo−Fe合金膜が形成され、次に、非磁性層65としてのRu膜、および、強磁性層66としてのCo−Fe−B合金膜が、それぞれ、形成される。引続き、大気に曝すことなくRF(高周波)マグネトロンスパッタリングを用いてMgO膜がトンネル絶縁層67として形成された後に、自由層68の強磁性膜としてCo−Fe−B合金膜が形成される。その後に、DCマグネトロンスパッタリングを用いてTa膜が上部電極層69として形成される。   First, a Ta film is formed on the substrate 61 as the lower electrode layer 62 using DC magnetron sputtering. After the Ta film as the lower electrode layer 62 is formed, an Ir—Mn alloy film is formed as the antiferromagnetic layer 63 in the same apparatus without being exposed to the atmosphere. Subsequently, a Co—Fe alloy film as the ferromagnetic layer 64 is formed without being exposed to the atmosphere. Next, a Ru film as the nonmagnetic layer 65 and a Co—Fe—B alloy film as the ferromagnetic layer 66 are formed. , Respectively. Subsequently, after the MgO film is formed as the tunnel insulating layer 67 using RF (radio frequency) magnetron sputtering without being exposed to the atmosphere, a Co—Fe—B alloy film is formed as the ferromagnetic film of the free layer 68. Thereafter, a Ta film is formed as the upper electrode layer 69 using DC magnetron sputtering.

なお、これらの膜を形成する際は、膜面方向に100Oeの磁界が印加される。これによって固着層70を構成するIr−Mn膜とCo−Fe膜、およびCo−Fe−B膜に磁気異方性が付与される。磁気抵抗効果素子1を構成する下部電極層62から上部電極層69までの膜は、全て同一装置内で形成される。トンネル絶縁層67であるMgO膜については、DCマグネトロンスパッタリングによりMg膜を形成した後に、酸素を含む酸化雰囲気に曝すことで形成してもよい。   When these films are formed, a magnetic field of 100 Oe is applied in the film surface direction. Thereby, magnetic anisotropy is imparted to the Ir—Mn film, the Co—Fe film, and the Co—Fe—B film constituting the fixed layer 70. The films from the lower electrode layer 62 to the upper electrode layer 69 constituting the magnetoresistive effect element 1 are all formed in the same device. The MgO film that is the tunnel insulating layer 67 may be formed by exposing to an oxidizing atmosphere containing oxygen after the Mg film is formed by DC magnetron sputtering.

以上の膜の形成は、例えば分子線エピタキシー(MBE)法、各種スパッタ法、化学気相成長(CVD)法、蒸着法、鍍金によって形成されてもよい。   The above film may be formed by, for example, molecular beam epitaxy (MBE) method, various sputtering methods, chemical vapor deposition (CVD) method, vapor deposition method, or plating.

その後に熱処理が実施される。目的は、MgO膜とそれを挟む2層のCo−Fe−B膜の結晶化を促進するとともに、固着層70の膜に磁気異方性を付与するためである。ここでは、固着層70の強磁性層64であるCo−Fe−B膜と強磁性層66であるCo−Fe膜の磁化を飽和するための磁界である10kOeが印加される。磁界印加方向は、磁気抵抗効果素子の成膜時と同様であり、検出用素子101,102の短手方向で且つ参照用素子111,112の長手方向である。熱処理温度は、磁気抵抗効果素子はCo−Fe−B膜を結晶化が可能であり、且つ固着層のIr−Mn膜とCo−Fe膜の間の交換結合が実質的に無くなる、300℃としている。この温度で1時間保持された。   Thereafter, heat treatment is performed. The purpose is to promote crystallization of the MgO film and the two Co-Fe-B films sandwiching it, and to impart magnetic anisotropy to the film of the pinned layer 70. Here, 10 kOe, which is a magnetic field for saturating the magnetizations of the Co—Fe—B film as the ferromagnetic layer 64 of the pinned layer 70 and the Co—Fe film as the ferromagnetic layer 66, is applied. The direction of the magnetic field application is the same as that during film formation of the magnetoresistive effect element, and is the short direction of the detection elements 101 and 102 and the long direction of the reference elements 111 and 112. The heat treatment temperature is 300 ° C., in which the magnetoresistive element can crystallize the Co—Fe—B film, and the exchange coupling between the Ir—Mn film and the Co—Fe film of the pinned layer is substantially eliminated. Yes. This temperature was maintained for 1 hour.

上記の熱処理を経た後、固着層の強磁性膜64と66の磁化は、互いに180°異なる方向を向く。つまり、非磁性層64であるRu膜を挟んで対向するCo−Fe合金膜の磁化とCo−Fe−B合金膜の磁化は互いに反対方向を向く。   After the heat treatment described above, the magnetizations of the ferromagnetic films 64 and 66 of the pinned layer are oriented in directions different from each other by 180 °. That is, the magnetization of the Co—Fe alloy film and the magnetization of the Co—Fe—B alloy film facing each other across the Ru film which is the nonmagnetic layer 64 are opposite to each other.

本実施の形態においては、検出用素子と参照用素子との固着層の磁化方向は同一であるため、熱処理時の印加磁界は同じ方向でよく、一様な磁界を印加することが可能である。   In this embodiment, since the magnetization directions of the pinned layers of the detection element and the reference element are the same, the applied magnetic field during the heat treatment may be the same direction, and a uniform magnetic field can be applied. .

この後、フォトリソグラフィーにより所望のパターンが形成される。積層化された磁気抵抗効果素子を構成する膜が形成された後、フォトレジストにより所望のパターンが形成される。その後、フォトレジストにより形成された所望のパターンをマスクとして、反応性イオンエッチングにより磁気抵抗効果素子を電気的および磁気的に分離することで、磁気抵抗効果素子の形状が得られる。ここでの磁気抵抗効果素子は前述のように角丸長方形である。この際、検出用素子101,102の長手方向は、積層膜における固着層70の形成時の磁界印加方向と直交する方向であり、参照用素子111,112の長手方向は、積層膜における固着層70の形成時の磁界印加方向と同じ方向である。   Thereafter, a desired pattern is formed by photolithography. After a film constituting the laminated magnetoresistive effect element is formed, a desired pattern is formed by a photoresist. Thereafter, the magnetoresistive effect element is electrically and magnetically separated by reactive ion etching using a desired pattern formed of a photoresist as a mask, thereby obtaining the shape of the magnetoresistive effect element. The magnetoresistive effect element here is a rounded rectangle as described above. At this time, the longitudinal direction of the detection elements 101 and 102 is a direction orthogonal to the magnetic field application direction at the time of forming the fixing layer 70 in the laminated film, and the longitudinal direction of the reference elements 111 and 112 is the fixing layer in the laminated film. This is the same direction as the magnetic field application direction when forming 70.

なお、検出用磁気抵抗効果素子および参照用磁気抵抗効果素子は、同一のプロセスで同一基板上に同時に形成することが望ましく、これらのパターン形成は、電子線リソグラフィー、集束イオンビーム、イオンミリングを用いてもよい。   The magnetoresistive effect element for detection and the magnetoresistive effect element for reference are preferably formed simultaneously on the same substrate in the same process, and these patterns are formed using electron beam lithography, focused ion beam, or ion milling. May be.

上記のパターン形成により、磁気抵抗効果素子においては、自由層となる強磁性層68であるCo−Fe−B膜の磁化は、形状による反磁界の影響を受け、形状の長手方向を向く。これによって、無磁界において、検出用素子と参照用素子の自由層の磁化は直交する。なお、検出用素子の固着層に対するCo−Fe−B膜の磁化方向の決定は、局所的に磁界を印加することで可能である。或いは、検出用素子を、固着層側から電流が流れる素子と自由層側から電流が流れる素子とで接続することにより、スピン注入を用いた設定も可能である。   With the above pattern formation, in the magnetoresistive effect element, the magnetization of the Co—Fe—B film, which is the ferromagnetic layer 68 serving as a free layer, is affected by the demagnetizing field depending on the shape and faces the longitudinal direction of the shape. Thereby, in the absence of a magnetic field, the magnetizations of the free layers of the detection element and the reference element are orthogonal. Note that the magnetization direction of the Co—Fe—B film with respect to the fixed layer of the detection element can be determined by locally applying a magnetic field. Alternatively, the setting using spin injection is possible by connecting the detection element by an element in which current flows from the fixed layer side and an element in which current flows from the free layer side.

この後に、図5に示すように、金属配線51〜58を磁気抵抗効果素子101,102,111,112に接続する。これによって、金属配線55が電源(図示せず)に接続され、金属配線56が接地される。金属配線57と58はそれぞれ電圧を検出する信号検出回路へと接続される。ここでは詳細な説明は省略するが、これにより、本実施の形態の磁気抵抗効果素子を用いた磁界検出装置が形成される。   Thereafter, as shown in FIG. 5, the metal wirings 51 to 58 are connected to the magnetoresistive effect elements 101, 102, 111, and 112. As a result, the metal wiring 55 is connected to a power source (not shown), and the metal wiring 56 is grounded. The metal wires 57 and 58 are connected to a signal detection circuit that detects a voltage, respectively. Although a detailed description is omitted here, a magnetic field detection device using the magnetoresistive effect element of the present embodiment is thereby formed.

次に、本実施の形態の磁界検出装置の検出動作について図5を用いて説明する。   Next, the detection operation of the magnetic field detection apparatus according to the present embodiment will be described with reference to FIG.

金属配線55を介して、電源から、所定の一定の検出電流Isenseが流される。この際、金属配線56は接地されているので、当該電流は、検出用素子101a,101bおよび参照用素子112aを経て、参照用素子112bへと流れる電流と、参照用素子111a、111bおよび検出用素子102aを経て、検出用素子102bへと流れる電流との2つの経路に分かれる。無磁界においては、理想的に、これらの経路における抵抗はともに4Rであり、電流は各経路1/2・Isenseとなる。更にこの場合は、2個の検出用素子と2個の参照用素子は4Rであり、同一の抵抗であることから、金属配線57の電位V1と金属配線58の電位V2は同じ電位となり、両者の電位差(V1−V2)で表される出力電圧は0となる。すなわち、無磁界において0出力が得られる。 A predetermined constant detection current I sense is supplied from the power supply via the metal wiring 55. At this time, since the metal wiring 56 is grounded, the current flows through the detection elements 101a and 101b and the reference element 112a to the reference element 112b, and the reference elements 111a and 111b and the detection element. There are two paths for the current flowing through the element 102a to the detecting element 102b. In no magnetic field, ideally, resistance in these pathways are both 4R m, current is the route 1/2 · I sense. Further in this case, two detection elements and two reference elements are 4R m, since the same resistance, the potential V2 of the potential V1 and the metal wiring 58 of the metal wire 57 becomes the same potential, The output voltage represented by the potential difference (V1−V2) is 0. That is, 0 output can be obtained without a magnetic field.

以上は、磁界が0の場合の説明であったが、磁界下における理想的な状態を考える。ここでは磁界印加用配線151に電流を流していない状態について説明する。   The above is a description of the case where the magnetic field is 0, but an ideal state under a magnetic field is considered. Here, a state where no current is flowing through the magnetic field application wiring 151 will be described.

図5に示されるブリッジ回路での出力電圧ΔVは、一定である検出電流Isenseが流された際のV1−V2を検出することで得られ、以下の式(2)で表される。 The output voltage ΔV in the bridge circuit shown in FIG. 5 is obtained by detecting V1-V2 when a constant detection current Isense is flowed, and is expressed by the following equation (2).

ΔV=Isense・ΔR/2・H/H (2) ΔV = I sense · ΔR / 2 · H / H k (2)

すなわち、磁界に対して線形の出力信号が得られる。この出力信号を磁界に換算することで、磁界の検出が可能となる。なお、H≦Hであることから、上記の出力信号は、|H|≦Hの領域において得られる。|H|≧Hの領域においては、2個の参照素子の抵抗の和は、2Rから2(R+ΔR)若しくは2(R−ΔR)へと変化することで、不連続な出力信号となる。 That is, an output signal linear with respect to the magnetic field is obtained. By converting this output signal into a magnetic field, the magnetic field can be detected. Since H c ≦ H k , the above output signal is obtained in the region of | H | ≦ H c . In the region of | H | ≧ H c , the sum of the resistances of the two reference elements changes from 2R m to 2 (R m + ΔR) or 2 (R m −ΔR), thereby providing a discontinuous output. Signal.

以上は、無磁界のもとで、2個の直列接続された検出用素子と2個の直列接続された参照用素子の抵抗値が一致する場合について述べた。しかしながら、図7に示すように、自由層68と固着層70の磁化の相互作用が存在する場合は、検出用素子の自由層68の磁界応答性にオフセットHOSが発生する。結果として前述した無磁界における出力電圧は0でなくなり、式(2)で表した出力電圧に対して、オフセットが発生することとなる。 The above describes the case where the resistance values of two detection elements connected in series and two reference elements connected in series match each other under no magnetic field. However, as shown in FIG. 7, if the interaction of the magnetization of the free layer 68 and pinned layer 70 is present, the offset H OS is generated in the magnetic field response of the free layer 68 of the detection element. As a result, the output voltage in the above-described non-magnetic field is not 0, and an offset is generated with respect to the output voltage represented by Expression (2).

次に、磁界印加用配線151に電流を流した場合を考える。   Next, consider a case where a current is passed through the magnetic field application wiring 151.

磁界印加用配線151は、検出用素子101a、101b、102a、102bに対し、自由層68の磁化困難軸方向(素子の長手方向に直交する方向)に、同時に磁界を印加することが可能である。ここで、本実施の形態では、直列接続された2個の参照用素子の抵抗値は、2個の直列接続された検出用素子の抵抗値の中点を示す。これを用いて、磁界印加用配線151の電流Ibiasを制御することで、検出用素子のオフセットHOSを補正することが可能である。このための動作例を図8のフローチャートに示す。 The magnetic field application wiring 151 can simultaneously apply a magnetic field to the detection elements 101a, 101b, 102a, and 102b in the hard axis direction of the free layer 68 (direction perpendicular to the longitudinal direction of the element). . Here, in the present embodiment, the resistance values of the two reference elements connected in series indicate the midpoint of the resistance values of the two detection elements connected in series. By using this to control the current I bias of the magnetic field application wiring 151, it is possible to correct the offset H OS of the detection element. An example of the operation for this is shown in the flowchart of FIG.

先ず、ステップS1で、無磁界において、配線151に、所定の一定の電流Ibiasを流し、出力信号V1−V2を検出する。次に、ステップS2で、V1−V2が0か否かを判定する。V1−V2が0とならない場合は、ステップS6で、電流Ibiasを変更し、ステップS1、S2、S6の処理を繰り返し、V1−V2が0となる電流Ibiasを得る。ステップS2の判定で、V1−V2=0と判定された場合には、ステップS3に進み、電流Ibiasを、磁界検出装置内の記憶装置、若しくは、外部の記憶装置に記憶する。このV1−V2=0となる電流Ibiasを流している状態のときは、検出用素子が中点の抵抗値となる磁界Hbiasが印加されており、換言すれば、検出用素子の磁界応答性のオフセットHOSは補正されている。これを図9に示す。続いて、ステップS4に進み、先のステップS2で得たV1−V2=0となる電流Ibiasを配線151に流しながら、磁界Hを印加した状態の磁界下において、出力信号V1−V2を検出する。次に、ステップS5で、検出した出力信号V1−V2を、磁界に換算して、磁界Hの検出を行う。 First, in step S1, a predetermined constant current Ibias is supplied to the wiring 151 in the absence of a magnetic field, and the output signals V1-V2 are detected. Next, in step S2, it is determined whether V1-V2 is 0 or not. If V1-V2 is not 0, the current Ibias is changed in step S6, and the processing in steps S1, S2, and S6 is repeated to obtain a current Ibias in which V1-V2 is 0. If it is determined in step S2 that V1-V2 = 0, the process proceeds to step S3, and the current Ibias is stored in a storage device in the magnetic field detection device or an external storage device. When the current I bias at which V1−V2 = 0 is flowing, a magnetic field H bias having a resistance value at the midpoint is applied to the detection element, in other words, the magnetic field response of the detection element. sexual offset H OS is corrected. This is shown in FIG. Subsequently, the process proceeds to step S4, and the output signal V1-V2 is detected under the magnetic field in the state where the magnetic field H is applied while the current Ibias obtained in the previous step S2 at which V1-V2 = 0 is passed through the wiring 151. To do. Next, in step S5, the detected output signal V1-V2 is converted into a magnetic field, and the magnetic field H is detected.

以上によって得られる出力信号(V1−V2)を図10に示す。参照用素子の抵抗値が検出用素子の中点となる抵抗値を利用して、検出用素子のオフセットHOSを補正することから、無磁界において正確に0出力となる特性が得られ、|H|≧Hの領域において、外部磁界Hに対して線形の出力信号が得られる。 The output signal (V1-V2) obtained by the above is shown in FIG. The resistance value of the reference element by using the resistance value of the middle point of the detecting element, since it corrects the offset H OS of the detection elements, characteristics to be exactly 0 output in no magnetic field is obtained, | H | in the region of ≧ H c, linear output signal is obtained for the external magnetic field H.

もう一つの動作例を図11に示す。ここでは、磁気平衡方式による動作において、オフセットHOSを補正する手法を説明する。 Another operation example is shown in FIG. Here, in the operation by the magnetic balance system, illustrating a method for correcting an offset H OS.

先ず、ステップS1で、無磁界において、配線151に、所定の一定の電流Ibiasを流し、出力信号V1−V2を検出する。ステップS2で、これが0となるか判定し、0とならない場合は、ステップS6で、電流Ibiasを変更し、再度、ステップS1に戻って、ステップS1,S2,S6の処理を繰り返し、V1−V2が0となる電流Ibiasを得る。こうして得た電流Ibiasの値を、ステップS3で、磁界検出装置内の記憶装置、若しくは、外部の記憶装置に記憶する。この状態で、検出用素子には、中点の抵抗となる磁界Hbiasが印加されており、換言すれば、検出用素子の磁界応答性のオフセットHOSは補正されている。ここまでは、図8で説明した動作と同様である。 First, in step S1, a predetermined constant current Ibias is supplied to the wiring 151 in the absence of a magnetic field, and the output signals V1-V2 are detected. In step S2, it is determined whether or not this value is 0. If not, in step S6, the current Ibias is changed, the process returns to step S1 again, and the processes in steps S1, S2, and S6 are repeated, and V1- A current Ibias at which V2 becomes 0 is obtained. The value of the current Ibias thus obtained is stored in a storage device in the magnetic field detection device or an external storage device in step S3. In this state, a magnetic field H bias serving as a midpoint resistance is applied to the detection element. In other words, the magnetic field responsive offset H OS of the detection element is corrected. Up to this point, the operation is the same as that described with reference to FIG.

この後、図11では、続いて、磁界Hを印加した磁界下の状態において、電流Ibiasを変更し、V1−V2=0となる電流Ibiasを得る。磁界下においてV1−V2が0となる電流Ibiasは、外部の磁界と検出用素子の磁界応答性のオフセットを相殺して、検出用素子の抵抗に中点とする電流である。 Thereafter, in Figure 11, followed by, in the state under a magnetic field a magnetic field is applied to H, and change the current I bias, obtain current I bias for the V1-V2 = 0. The current I bias at which V 1 −V 2 becomes 0 under a magnetic field is a current that neutralizes the external magnetic field and the offset of the magnetic field responsiveness of the detection element and makes the resistance of the detection element a middle point.

すなわち、図11では、ステップS11で、磁界Hを印加した磁界下の状態において、配線151に、上記の所定の電流Ibiasを流し、出力信号V1−V2を検出する。ステップS12で、これが0となるか判定し、0とならない場合は、ステップS15で、電流Ibiasを変更し、再度、ステップS11に戻って、ステップS11,S12,S15の処理を繰り返し、ステップS13で、V1−V2が0となる電流Ibiasを得る。こうして得られた電流Ibiasを、先のステップS3で記憶したIbiasと比較することで、検出用素子の磁界応答性のオフセットの影響を除外する。こうして最終的に得られた配線151の電流値Ibiasを磁界に換算することで、外部磁界Hを検出することが可能である。 That is, in FIG. 11, in step S11, in the state under the magnetic field to which the magnetic field H is applied, the predetermined current I bias is passed through the wiring 151, and the output signals V1-V2 are detected. In step S12, it is determined whether or not this value is 0. If not, in step S15, the current Ibias is changed, the process returns to step S11 again, and the processes in steps S11, S12, and S15 are repeated, and step S13 is repeated. Thus, a current I bias where V1−V2 becomes 0 is obtained. The current I bias thus obtained, is compared with I bias stored in the previous step S3, it excludes the influence of the offset of the magnetic field response of the sensing element. The external magnetic field H can be detected by converting the current value I bias of the wiring 151 finally obtained in this way into a magnetic field.

上記の磁気平衡方式の動作では、磁界に対する0点が得られればよく、検出用素子の線形性を必ずしも必要としない。また、外部磁界を相殺する磁界が印加されており、常に素子が0磁界付近で動作することから、素子の特性に依存せず広い磁界の範囲で動作が可能となる。   In the above-described magnetic balance system operation, it is only necessary to obtain a zero point with respect to the magnetic field, and the linearity of the detection element is not necessarily required. In addition, since a magnetic field that cancels the external magnetic field is applied and the element always operates in the vicinity of zero magnetic field, it can operate in a wide magnetic field range without depending on the characteristics of the element.

なお、以上は、一定電流Ibiasを用いた検出動作を例に説明したが、一定電圧であってもよい。この場合は、金属配線55を一定電圧Vccとして動作する。その場合の出力信号ΔVは、以下の式(3)で表される。 In the above, the detection operation using the constant current Ibias has been described as an example, but a constant voltage may be used. In this case, the metal wiring 55 operates with a constant voltage Vcc . The output signal ΔV in that case is expressed by the following equation (3).

ΔV=−Vcc・ΔR/2・H/H/(4R+ΔR・H/H) (3) ΔV = -V cc · ΔR / 2 · H / H k / (4R m + ΔR · H / H k) (3)

上記の一定電圧Vccの動作においては、製造工程や温度に起因して、磁気抵抗効果素子の抵抗が変化した場合でも、抵抗の相対関係により出力信号が決定される。ここでの磁気抵抗効果素子は全て同一工程で形成しているため、製造工程や温度に起因した抵抗変動の影響は、全ての素子で同じように受けることとなる。このため、製造工程や温度に起因した抵抗変動の影響を抑制することが可能となる。 In the operation of the constant voltage V cc described above, even when the resistance of the magnetoresistive effect element changes due to the manufacturing process and temperature, the output signal is determined by the relative relationship of resistance. Since all the magnetoresistive effect elements here are formed in the same process, the influence of the resistance variation caused by the manufacturing process and temperature is similarly received by all the elements. For this reason, it becomes possible to suppress the influence of the resistance fluctuation resulting from a manufacturing process or temperature.

なお、ここでは、磁界印加用配線151は検出用素子の直下に配置する例を示したが、検出用素子の自由層の膜面方向に平行、かつ、長手方向に直交する方向(磁化困難軸方向)に磁界を印加できればよく、検出用素子の直上に配置されてもよい。この場合は、検出用素子に印加される磁界方向が、前述の説明に対して逆向きとなるが、逆向きの電流Ibiasを流すようにすれば、同様の効果が得られる。 Here, an example in which the magnetic field application wiring 151 is arranged immediately below the detection element is shown, but the direction parallel to the film surface direction of the free layer of the detection element and orthogonal to the longitudinal direction (hard magnetization axis) It is sufficient that a magnetic field can be applied in the direction), and it may be arranged immediately above the detection element. In this case, the direction of the magnetic field applied to the detection element is opposite to that described above, but the same effect can be obtained if a reverse current Ibias is passed.

本実施の形態によれば、検出用素子と、それと同面積で磁化が平行状態と反平行状態の組合せによる参照用素子とを用いていることによって、検出用素子の中点の抵抗を得ることが可能である。磁界検出用素子の磁界応答性にオフセットが存在する場合でも、前記の中点抵抗との比較により、正確なオフセットの補正が可能である。これによって安定した0点出力が得られる。   According to the present embodiment, by using the detection element and the reference element having the same area and the magnetization being in the parallel state and the antiparallel state, the resistance at the midpoint of the detection element is obtained. Is possible. Even when there is an offset in the magnetic field responsiveness of the magnetic field detecting element, it is possible to correct the offset accurately by comparison with the midpoint resistance. As a result, a stable 0-point output can be obtained.

これらは、製造工程を複雑化することなく実現することが可能である。   These can be realized without complicating the manufacturing process.

以上のように、本実施の形態によれば、外部磁界Hに応じた出力信号(V1−V2)を出力する磁界検出装置であって、基板61上に設けられた4個の磁界検出用磁気抵抗効果素子101,102と、基板61上に設けられた4個の参照用磁気抵抗効果素子111,112と、磁界検出用磁気抵抗効果素子101,102にバイアス磁界Ibiasを印加して、磁界検出用磁気抵抗効果素子101,102の磁界応答性におけるオフセットHosを補正する磁界印加用配線151とを備え、参照用磁気抵抗効果素子111,112および磁界検出用磁気抵抗効果素子101,102は、それぞれ、反強磁性層63と反強磁性層により磁化方向が固定された磁性体層である強磁性層66,64とからなる固着層70と、外部磁界Hによって磁化方向が変化する磁性体層からなる自由層68とが積層された構造を有し、磁界印加用配線151は、磁界検出用磁気抵抗効果素子101.102の自由層の磁化困難軸方向に磁界を印加し、4個の参照用磁気抵抗効果素子111,112は、固着層70の磁化方向と自由層68の無磁界における磁化方向とが平行の状態の参照用素子111b、112bと反平行の状態の参照用素子111a,112aとを含んでおり、磁界検出用磁気抵抗効果素子101,102は、固着層70の磁化方向と自由層68の無磁界における磁化方向とが異なる構成とした。これにより、検出用素子101,102の特性が磁界に対してオフセットを有する場合でも、参照用素子111,112の抵抗を利用することで、正確なオフセットの補正が可能となり、温度や製造工程に起因した磁気抵抗効果素子の抵抗の変動の影響を抑制し、安定した0点が得られ、検出誤差を抑制することができ、製造工程が容易で、安定した出力信号を示す磁界検出装置を得ることができる。 As described above, according to the present embodiment, the magnetic field detection device that outputs the output signal (V1-V2) according to the external magnetic field H, and includes four magnetic field detection magnets provided on the substrate 61. A bias magnetic field I bias is applied to the resistance effect elements 101 and 102, the four reference magnetoresistive effect elements 111 and 112 provided on the substrate 61, and the magnetic field detection magnetoresistive effect elements 101 and 102, and the magnetic field A magnetic field applying wiring 151 for correcting an offset Hos in the magnetic field responsiveness of the detecting magnetoresistive effect elements 101 and 102. The reference magnetoresistive effect elements 111 and 112 and the magnetic field detecting magnetoresistive effect elements 101 and 102 are The fixed layer 70 composed of the antiferromagnetic layer 63 and the ferromagnetic layers 66 and 64 which are magnetic layers whose magnetization directions are fixed by the antiferromagnetic layer, and the magnetic field by the external magnetic field H, respectively. The magnetic layer applying wiring 151 has a structure in which a free layer 68 made of a magnetic layer whose direction is changed is stacked, and the magnetic field applying wiring 151 applies a magnetic field in the hard axis direction of the free layer of the magnetoresistive effect element 101.102 for detecting a magnetic field. The four reference magnetoresistive elements 111 and 112 are applied in a state of being antiparallel to the reference elements 111b and 112b in which the magnetization direction of the pinned layer 70 and the magnetization direction of the free layer 68 in the non-magnetic field are parallel to each other. The magnetoresistive effect elements 101 and 102 for magnetic field detection have a configuration in which the magnetization direction of the pinned layer 70 and the magnetization direction of the free layer 68 in the absence of a magnetic field are different. Thereby, even when the characteristics of the detection elements 101 and 102 have an offset with respect to the magnetic field, the offset of the reference elements 111 and 112 can be corrected accurately by using the resistance of the reference elements 111 and 112. The influence of the resistance variation of the magnetoresistive effect element is suppressed, a stable zero point is obtained, a detection error can be suppressed, a manufacturing process is easy, and a magnetic field detection device showing a stable output signal is obtained. be able to.

また、参照用素子111,112と検出用素子101,102とは、同一面積で、かつ、同一形状を有し、互いに90°回転した向きに配置され、その個数は互いに等しいように構成した。これにより、検出用素子101,102と参照用素子111,112を同時に形成可能とし、同一の抵抗を得ることが可能となる。   The reference elements 111 and 112 and the detection elements 101 and 102 have the same area, the same shape, are arranged in directions rotated by 90 °, and the number of the elements is equal to each other. Thereby, the detection elements 101 and 102 and the reference elements 111 and 112 can be formed simultaneously, and the same resistance can be obtained.

また、外部磁界が印加されていない無磁界の状態で出力信号(V1−V2)が0となる電流値の電流Ibiasを磁界印加用配線151に流すことによりオフセットHosを補正した状態で、外部磁界Hに応じた出力信号を生成する。これにより、磁気平衡方式を適用可能であり、0点が得られれば検出用素子111,112の線形性を必要としない。これにより、素子の特性に依存せず、広い磁界の範囲で動作を実現することができる。 Further, in a state where the offset Hos is corrected by flowing a current Ibias having a current value at which the output signal (V1-V2) becomes 0 in a state of no magnetic field in which no external magnetic field is applied, to the magnetic field application wiring 151, An output signal corresponding to the external magnetic field H is generated. Thereby, the magnetic balance method can be applied, and if the zero point is obtained, the linearity of the detection elements 111 and 112 is not required. As a result, the operation can be realized in a wide magnetic field range without depending on the element characteristics.

実施の形態2.
図12は、本発明の実施の形態2における磁界検出装置の構成を示す上面図である。ここに示す磁界検出装置は、2個の検出用素子101a、101bと2個の参照用素子111a、111bを有している。これらの素子は、実施の形態1で説明した素子と同じであり、構成および製造方法、並びに、動作については、ここでは詳細な説明は省略する。
Embodiment 2. FIG.
FIG. 12 is a top view showing the configuration of the magnetic field detection apparatus according to Embodiment 2 of the present invention. The magnetic field detection apparatus shown here has two detection elements 101a and 101b and two reference elements 111a and 111b. These elements are the same as those described in the first embodiment, and detailed description of the configuration, manufacturing method, and operation is omitted here.

検出用素子101aと101bは、金属配線51により直列接続されている。また、参照用素子111aと111bは、金属配線53により直列接続されている。更に検出用素子101bと参照用素子111aが金属配線58により接続されている。検出用素子101aは、金属配線55により電源(図示せず)に接続されており、参照用素子111bは金属配線56により接地されている。金属配線58は、電位Voutを検出するために、外部に設けられた信号検出回路(図示せず)へと接続されている。 The detection elements 101 a and 101 b are connected in series by a metal wiring 51. The reference elements 111 a and 111 b are connected in series by a metal wiring 53. Further, the detection element 101 b and the reference element 111 a are connected by a metal wiring 58. The detection element 101 a is connected to a power source (not shown) by a metal wiring 55, and the reference element 111 b is grounded by a metal wiring 56. The metal wiring 58 is connected to a signal detection circuit (not shown) provided outside in order to detect the potential Vout .

実施の形態1と同様に、検出用素子101a,101bの直下には、電気的に絶縁された磁界印加用配線151が配置されている。磁界印加用配線151は、その長手方向が、検出用素子101a,101bの長手方向に沿った方向に配置され、電流を流した場合に、検出用素子101a、101bに対して、紙面右向き(長手方向に直交する方向(磁化困難軸方向))に、バイアス磁界Hbiasを印加することが可能であるように配置されている。2個の参照用素子111a、111bの抵抗は、実施の形態1と同様に、予めそれぞれR+ΔR/2とR−ΔR/2としている。 As in the first embodiment, a magnetic field application wiring 151 that is electrically insulated is disposed immediately below the detection elements 101a and 101b. The magnetic field application wiring 151 is arranged in a direction along the longitudinal direction of the detection elements 101a and 101b, and when current is passed, the magnetic field application wiring 151 is directed rightward (longitudinal) with respect to the detection elements 101a and 101b. The bias magnetic field Hbias can be applied in a direction perpendicular to the direction (direction of hard axis). The resistances of the two reference elements 111a and 111b are set to R m + ΔR / 2 and R m −ΔR / 2, respectively, in the same manner as in the first embodiment.

検出用素子101a,101bおよび参照用素子111a,111bの断面構造や製造方法は実施の形態1と同様であり、説明を省略する。   The cross-sectional structures and manufacturing methods of the detection elements 101a and 101b and the reference elements 111a and 111b are the same as those in the first embodiment, and a description thereof is omitted.

次に、本実施の形態の磁界検出装置の検出動作について図12を用いて説明する。   Next, the detection operation of the magnetic field detection apparatus according to the present embodiment will be described with reference to FIG.

金属配線55を一定電圧Vccに保つ。この際、金属配線56は接地されているので、金属配線58における電位Voutは、理想的に、以下の式(4)で表される。 The metal wiring 55 is kept at a constant voltage Vcc . At this time, since the metal wiring 56 is grounded, the potential V out in the metal wiring 58 is ideally expressed by the following formula (4).

out=Vcc・2R/(4R+ΔR・H/H) (4) V out = V cc · 2R m / (4R m + ΔR · H / H k) (4)

これにより、無磁界においては、Vcc/2の出力信号が得られ、外部から磁界が印加された場合は、外部磁界Hに依存した電圧が得られる。 Thereby, an output signal of V cc / 2 is obtained in the absence of a magnetic field, and a voltage depending on the external magnetic field H is obtained when a magnetic field is applied from the outside.

しかしながら、実施の形態1と同様に、検出用素子の磁界応答性にオフセットが存在する場合は、この特性が得られない。このため、オフセットを相殺する必要がある。本実施の形態においても、実施の形態1と同様に、磁界印加用配線151に電流を流し、検出用素子101a、101bに対し、バイアス磁界Hbiasを印加するが、この際の動作は、図8での説明と同様であるが、ここでは、V1−V2=0となる電流Ibiasではなく、Vout=1/2Vccとなる電流Ibiasを用いる。従って、図8のステップS1、S4で、V1−V2を検出する代わりに、Voutを検出し、ステップS2で、V1−V2が0か否かを判定する代わりに、Vout=1/2Vccとなるか否かを判定し、ステップS5で、V1−V2を磁界に換算する代わりに、Voutを磁界に換算する。こうすることで、本実施の形態2においても、実施の形態1と同様な効果が得られる。 However, as in the first embodiment, this characteristic cannot be obtained if there is an offset in the magnetic field response of the detection element. For this reason, it is necessary to cancel the offset. Also in the present embodiment, as in the first embodiment, a current is applied to the magnetic field application wiring 151 and a bias magnetic field H bias is applied to the detection elements 101a and 101b. Although 8 is similar to the description in, here, instead of the current I bias becomes V1-V2 = 0, using the current I bias to be V out = 1 / 2V cc. Therefore, instead of detecting V1-V2 in steps S1 and S4 in FIG. 8, instead of detecting Vout and determining in step S2 whether V1-V2 is 0 or not, Vout = 1 / 2V In step S5, Vout is converted into a magnetic field instead of converting V1-V2 into a magnetic field. By doing so, the same effects as in the first embodiment can be obtained in the second embodiment.

なお、ここでは、磁界印加用配線151は検出用素子101a,101bの直下に配置する例を示したが、検出用素子101a,101bの自由層の膜面方向に平行で、長手方向に直交する方向に磁界を印加できればよく、従って、磁界印加用配線151は、検出用素子101a,101bの直上に配置されてもよい。この場合は、検出用素子に印加される磁界方向が前述の説明に対して逆向きとなってしまうので、それを避けるために、電流Ibiasの向きを逆向きとすることで同様な効果が得られる。 Here, an example in which the magnetic field application wiring 151 is disposed immediately below the detection elements 101a and 101b is shown, but is parallel to the film surface direction of the free layer of the detection elements 101a and 101b and orthogonal to the longitudinal direction. Therefore, the magnetic field application wiring 151 may be disposed immediately above the detection elements 101a and 101b. In this case, the direction of the magnetic field applied to the detection element is opposite to that described above. To avoid this, the same effect can be obtained by changing the direction of the current I bias to the opposite direction. can get.

本実施の形態の構成では、実施の形態1と同様に、製造工程や温度に起因して、磁気抵抗効果素子の抵抗が変化した場合や検出用素子の磁界応答性がオフセットを有する場合でも、その影響を抑制することが可能となる。   In the configuration of the present embodiment, similarly to the first embodiment, even when the resistance of the magnetoresistive effect element changes due to the manufacturing process or temperature, or when the magnetic field responsiveness of the detection element has an offset, The influence can be suppressed.

本実施の形態2によれば、検出用素子101a,101bと、それと同面積でかつ同形状の磁化方向が平行状態と反平行状態との組合せによる2つの参照用素子111ab,111aとを用いていることによって、検出用素子101a,101bの中点の抵抗を得ることが可能である。検出用素子101a,101bの磁界応答性にオフセットHOSが存在する場合でも、前記の中点抵抗との比較により、正確なオフセットの補正が可能である。これによって実施の形態1と同様に、安定した0点出力が得られる。 According to the second embodiment, the detection elements 101a and 101b and the two reference elements 111ab and 111a having the same area and the same shape and the same magnetization direction in a parallel state and an antiparallel state are used. Therefore, it is possible to obtain a resistance at the midpoint of the detection elements 101a and 101b. Detection element 101a, even when the offset H OS magnetic field response of 101b is present, by comparison with the midpoint resistance, it is possible to correct the correct offset. As a result, a stable zero-point output can be obtained as in the first embodiment.

これらは、製造工程を複雑化することなく実現することが可能である。   These can be realized without complicating the manufacturing process.

以上のように、本実施の形態2においては、外部磁界Hに応じた出力信号(Vout)を出力する磁界検出装置であって、基板61上に設けられた2個の磁界検出用磁気抵抗効果素子101a,101bと、基板61上に設けられた2個の参照用磁気抵抗効果素子111a,111bと、磁界検出用磁気抵抗効果素子101a,101bにバイアス磁界Ibiasを印加して、磁界検出用磁気抵抗効果素子101a,101bの磁界応答性におけるオフセットHosを補正する磁界印加用配線151とを備え、参照用磁気抵抗効果素子111a,111bおよび磁界検出用磁気抵抗効果素子101a,101bは、それぞれ、反強磁性層63と反強磁性層により磁化方向が固定された磁性体層である強磁性層66,64とからなる固着層70と、外部磁界Hによって磁化方向が変化する磁性体層からなる自由層68とが積層された構造を有し、磁界印加用配線151は、磁界検出用磁気抵抗効果素子101a,101bの自由層68の磁化困難軸方向に磁界を印加し、2個の参照用磁気抵抗効果素子111a,111bは、固着層70の磁化方向と自由層68の無磁界における磁化方向とが平行の状態の参照用素子111bと反平行の状態の参照用素子111aとを含んでおり、磁界検出用磁気抵抗効果素子101a,101bは、固着層70の磁化方向と自由層68の無磁界における磁化方向とが異なる構成とした。これにより、検出用素子101a,101bの特性が磁界に対してオフセットを有する場合でも、参照用素子111a,111bの抵抗を利用することで、正確なオフセットの補正が可能となり、温度や製造工程に起因した磁気抵抗効果素子の抵抗の変動の影響を抑制し、安定した0点が得られ、検出誤差を抑制することができ、製造工程が容易で、安定した出力信号を示す磁界検出装置を得ることができる。 As described above, the second embodiment is a magnetic field detection device that outputs an output signal (V out ) according to the external magnetic field H, and includes two magnetic field detection magnetoresistors provided on the substrate 61. Magnetic field detection is performed by applying a bias magnetic field I bias to the effect elements 101a and 101b, the two magnetoresistive effect elements for reference 111a and 111b provided on the substrate 61, and the magnetoresistive effect elements for magnetic field detection 101a and 101b. Magnetic resistance applying elements 151a and 111b and magnetic field detecting magnetoresistive elements 101a and 101b are provided with a magnetic field applying wiring 151 for correcting offset Hos in the magnetic field responsiveness of the magnetoresistive elements 101a and 101b. Each of the fixed layers 7 is composed of an antiferromagnetic layer 63 and ferromagnetic layers 66 and 64 which are magnetic layers whose magnetization directions are fixed by the antiferromagnetic layer. 0 and a free layer 68 made of a magnetic layer whose magnetization direction is changed by an external magnetic field H, and the magnetic field applying wiring 151 is a free layer of the magnetoresistive effect elements 101a and 101b for detecting magnetic fields. The reference magnetoresistive elements 111a and 111b are applied for reference in a state in which the magnetization direction of the pinned layer 70 and the magnetization direction of the free layer 68 in the absence of a magnetic field are parallel. The element 111b and the reference element 111a in the antiparallel state are included, and the magnetoresistive effect elements 101a and 101b for detecting the magnetic field have a configuration in which the magnetization direction of the fixed layer 70 and the magnetization direction of the free layer 68 in a non-magnetic field are different. It was. Thereby, even when the characteristics of the detection elements 101a and 101b have an offset with respect to the magnetic field, the offset of the reference elements 111a and 111b can be corrected accurately, and the temperature and the manufacturing process can be corrected. The influence of the resistance variation of the magnetoresistive effect element is suppressed, a stable zero point is obtained, a detection error can be suppressed, a manufacturing process is easy, and a magnetic field detection device showing a stable output signal is obtained. be able to.

また、参照用素子111a,111bと検出用素子101a,101bとは、同一面積で、かつ、同一形状を有し、互いに90°回転した向きに配置され、その個数は互いに等しいように構成した。これにより、検出用素子101a,101bと参照用素子111a,111bを同時に形成可能とし、同一の抵抗を得ることが可能となる。   The reference elements 111a and 111b and the detection elements 101a and 101b have the same area, the same shape, are arranged in directions rotated by 90 ° from each other, and the number thereof is configured to be equal to each other. Accordingly, the detection elements 101a and 101b and the reference elements 111a and 111b can be formed at the same time, and the same resistance can be obtained.

また、外部磁界が印加されていない無磁界の状態で出力信号(Vout)が1/2Vccとなる電流値の電流Ibiasを磁界印加用配線151に流すことによりオフセットHosを補正した状態で、外部磁界Hに応じた出力信号(Vout)を生成する。これにより、磁気平衡方式を適用可能であり、0点が得られれば、検出用素子111a,111bの線形性を必要としない。これにより、素子の特性に依存せず、広い磁界の範囲で動作を実現することができる。 In addition, the state in which the offset Hos is corrected by causing the current Ibias having a current value at which the output signal ( Vout ) is 1/2 Vcc to flow in the magnetic field application wiring 151 in the absence of a magnetic field with no external magnetic field applied. Thus, an output signal (V out ) corresponding to the external magnetic field H is generated. Thereby, the magnetic balance method can be applied, and if the zero point is obtained, the linearity of the detection elements 111a and 111b is not required. As a result, the operation can be realized in a wide magnetic field range without depending on the element characteristics.

実施の形態3.
本発明の実施の形態3における磁界検出装置の上面図を図13に示す。図13に示される構成は、磁界印加用の配線151Aを除いては、図5に示した実施の形態1と同じ構成によるものである。ここでは、図13に示すように、磁界印加用の配線151Aが、検出用素子101a,101b,102a,102bだけでなく、参照用素子111a,111b,112a,112bの直下にも延在し、磁界印加用の配線151Aは、それぞれの参照用素子の長手方向に直交した方向を向くように配置されている。本実施の形態3における磁界印加用配線151Aは、図13に示すように、コの字型に複数回折り返す配置になることで、直列接続された2個の参照用素子111a,112aに対しては、他の素子に印加される磁界とは逆向きの磁界が印加される。また、実施の形態1においては、検出用素子101a,101bと、検出用素子102a,102bとが隣接して配置されていたが、本実施の形態3においては、検出用素子101a,101bと、検出用素子102a,102bとが、所定の距離をおいて、離間して、配置されている。なお、磁界印加用配線151Aの折り返し角度が、図13では、90°になっているが、これに限らず、U字型になるように、曲折させてもよい。磁界印加用配線151Aは、180°に1回以上折り曲げられた1本の配線から構成されているため、検出用素子および参照用素子の自由層の磁化の制御が容易である。他の構成については、実施の形態1と同じであるため、ここでは、その説明を省略する。
Embodiment 3 FIG.
FIG. 13 shows a top view of the magnetic field detection apparatus according to the third embodiment of the present invention. The configuration shown in FIG. 13 is the same as that of the first embodiment shown in FIG. 5 except for the magnetic field application wiring 151A. Here, as shown in FIG. 13, the magnetic field application wiring 151A extends not only to the detection elements 101a, 101b, 102a, and 102b but also directly below the reference elements 111a, 111b, 112a, and 112b, The magnetic field application wiring 151 </ b> A is arranged to face a direction orthogonal to the longitudinal direction of each reference element. As shown in FIG. 13, the magnetic field applying wiring 151A according to the third embodiment is arranged in a U-shape so as to be folded back multiple times, so that the two reference elements 111a and 112a connected in series are arranged. Is applied with a magnetic field opposite to the magnetic field applied to the other elements. In the first embodiment, the detection elements 101a and 101b and the detection elements 102a and 102b are disposed adjacent to each other. However, in the third embodiment, the detection elements 101a and 101b The detection elements 102a and 102b are spaced apart from each other with a predetermined distance. Note that the folding angle of the magnetic field application wiring 151A is 90 ° in FIG. 13, but the present invention is not limited to this, and it may be bent so as to be U-shaped. Since the magnetic field application wiring 151A is composed of one wiring bent at least once at 180 °, it is easy to control the magnetization of the free layers of the detection element and the reference element. Since other configurations are the same as those in the first embodiment, the description thereof is omitted here.

本実施の形態3における磁界印加用の配線151Aは、図13に示すように、検出用素子101b、101aの真下に、それらの素子の長手方向と同じ向きに配置された後、コの字形状になるように、右90°に2回折り曲げられて、参照用素子111a,112aの真下を、それらの素子の短手方向と同じ向きになるように配置され、その後、コの字形状になるように、左90°に2回折り曲げられて、参照用素子112b、検出用素子102b,102a、参照用素子111bの順に、それらの素子の真下を通るように配置されている。このとき、磁界印加用の配線151Aは、参照用素子112bの短手方向、検出用素子102b,102aの長手方向、参照用素子111bの短手方向の向きに配置される。   As shown in FIG. 13, the magnetic field applying wiring 151 </ b> A according to the third embodiment is arranged in the same direction as the longitudinal direction of the elements 101 b and 101 a immediately below the detection elements 101 b and 101 a, and then has a U shape. So that it is bent 90 degrees to the right so that it is placed in the same direction as the short direction of the reference elements 111a and 112a, and then becomes a U-shape. In this way, the reference element 112b, the detection elements 102b and 102a, and the reference element 111b are arranged in such a manner that they are bent 90 degrees to the left and passed directly under these elements in this order. At this time, the magnetic field applying wiring 151A is arranged in the short direction of the reference element 112b, the long direction of the detection elements 102b and 102a, and the short direction of the reference element 111b.

この実施の形態3に依れば、検出用素子101a,101b,102a,102bに印加する磁界Hbiasが、参照用素子111a,112a,111b,112bの長手方向にも同時に印加される。この際、配線151Aによる磁界Hbiasは、一方の参照用素子111aと112aに対しては紙面左向き方向に、他方の参照用素子111bと112bに対しては紙面右向きとなっている。この磁界によって、検出用素子の反転磁界を、Hに対してそれぞれ磁界Hbias分だけ、大きくすることが可能である。すなわち、参照用素子の抵抗の安定化を図りながら、同時に検出用素子の磁界応答性におけるオフセットを補正することが可能である。 According to the third embodiment, the magnetic field H bias applied to the detection elements 101a, 101b, 102a, and 102b is simultaneously applied also in the longitudinal direction of the reference elements 111a, 112a, 111b, and 112b. At this time, the magnetic field H bias due to the wiring 151A, relative to the one of the reference elements 111a and 112a to the paper leftward direction, and has a paper rightward relative to the other reference device 111b and 112b. With this magnetic field, it is possible to increase the reversal magnetic field of the detection element by a magnetic field H bias with respect to H c . That is, it is possible to correct the offset in the magnetic field responsiveness of the detection element while stabilizing the resistance of the reference element.

この構造においては、参照用素子の反転磁界を大きくする効果が得られることから、参照用素子における磁界応答性のオフセットの影響も抑制することが可能である。   In this structure, since the effect of increasing the reversal magnetic field of the reference element can be obtained, the influence of the offset of the magnetic field response in the reference element can be suppressed.

検出用素子101a,101bおよび参照用素子111a,111bの断面構造や製造方法は実施の形態1と同様であり、説明を省略する。また、磁界検出装置の検出動作についても、実施の形態1と同様であるため、説明を省略する。   The cross-sectional structures and manufacturing methods of the detection elements 101a and 101b and the reference elements 111a and 111b are the same as those in the first embodiment, and a description thereof is omitted. Also, the detection operation of the magnetic field detection device is the same as that in the first embodiment, and thus the description thereof is omitted.

以上の構成と動作を用いれば、図8により説明した動作による効果に加え、磁気平衡方式を用いていることから、検出用素子の特性は0点を安定して示せばよく、必ずしも線形である必要がない。   If the above configuration and operation are used, in addition to the effect of the operation described with reference to FIG. 8, the magnetic balance method is used. Therefore, the characteristics of the detection element need only stably indicate the zero point, and are necessarily linear. There is no need.

本実施の形態3によれば、磁界検出装置の0点を安定して得ることが可能となり、温度や製造工程に起因した素子の抵抗変化や、磁界応答性のオフセットによる影響を抑制した、安定した動作の磁界検出装置を実現可能とする。   According to the third embodiment, it is possible to stably obtain the zero point of the magnetic field detection device, and to suppress the influence of the resistance change of the element due to the temperature and the manufacturing process and the offset of the magnetic field responsiveness. It is possible to realize a magnetic field detection device with the above operation.

なお、ここでは、磁界印加用の配線151Aは、参照用素子111a,111b,112a,112bの直下に配置する例を示したが、検出用素子101a,101b,102a,102bの自由層の膜面方向に平行で、かつ、それの長手方向に直交する方向に磁界を印加できればよく、検出用素子の直上に配置されてもよい。この場合は、検出用素子に印加される磁界方向が、前述の説明に対して逆向きとなるが、逆向きの電流Ibiasを用いることで同様な効果が得られる。 In this example, the magnetic field application wiring 151A is arranged immediately below the reference elements 111a, 111b, 112a, and 112b. However, the free layer film surfaces of the detection elements 101a, 101b, 102a, and 102b are shown. The magnetic field may be applied in a direction parallel to the direction and perpendicular to the longitudinal direction thereof, and may be arranged directly above the detection element. In this case, the direction of the magnetic field applied to the detection element is opposite to that described above, but a similar effect can be obtained by using the reverse current Ibias .

ここでの動作は、磁界印加用の配線151Aの延在方向が異なるだけであることから、実施の形態1および2で説明した磁界検出装置を変形した適用が可能である。図14には、例として、図12に示した実施の形態2による磁界検出装置を、本実施の形態3により変形した例を示す。すなわち、図14においては、磁界印加用の配線151Aが、図12に示した検出用素子101a,101bの真下だけでなく、参照用素子111a,111bの真下にも、配置されている。磁界印加用の配線151Aは、180°に折り返された1本の配線から構成されている。他の構成および動作等については実施の形態2と同様であるため、説明を省略する。   Since the operation here is only different in the extending direction of the magnetic field application wiring 151A, the magnetic field detection device described in the first and second embodiments can be modified. FIG. 14 shows an example in which the magnetic field detection apparatus according to the second embodiment shown in FIG. 12 is modified according to the third embodiment. That is, in FIG. 14, the magnetic field applying wiring 151A is arranged not only immediately below the detection elements 101a and 101b shown in FIG. 12, but also directly below the reference elements 111a and 111b. The magnetic field application wiring 151 </ b> A is composed of one wiring folded back at 180 °. Other configurations, operations, and the like are the same as those in the second embodiment, and thus description thereof is omitted.

以上のように、本実施の形態3においては、上記の実施の形態1と同様に、外部磁界Hに応じた出力信号(V1−V2)を出力する磁界検出装置であって、基板61上に設けられた4個の磁界検出用磁気抵抗効果素子101,102と、基板61上に設けられた4個の参照用磁気抵抗効果素子111,112と、磁界検出用磁気抵抗効果素子101,102にバイアス磁界Ibiasを印加して、磁界検出用磁気抵抗効果素子101,102の磁界応答性におけるオフセットHosを補正する磁界印加用配線151Aとを備え、参照用磁気抵抗効果素子111,112および磁界検出用磁気抵抗効果素子101,102は、それぞれ、反強磁性層63と反強磁性層により磁化方向が固定された磁性体層である強磁性層66,64とからなる固着層70と、外部磁界Hによって磁化方向が変化する磁性体層からなる自由層68とが積層された構造を有し、磁界印加用配線151Aは、磁界検出用磁気抵抗効果素子101.102の自由層の磁化困難軸方向に磁界を印加し、4個の参照用磁気抵抗効果素子111,112は、固着層70の磁化方向と自由層68の無磁界における磁化方向とが平行の状態の参照用素子111b、112bと反平行の状態の参照用素子111a,112aとを含んでおり、磁界検出用磁気抵抗効果素子101,102は、固着層70の磁化方向と自由層68の無磁界における磁化方向とが異なる構成とした。これにより、検出用素子101,102の特性が磁界に対してオフセットを有する場合でも、参照用素子111,112の抵抗を利用することで、正確なオフセットの補正が可能となり、温度や製造工程に起因した磁気抵抗効果素子の抵抗の変動の影響を抑制し、安定した0点が得られ、検出誤差を抑制することができ、製造工程が容易で、安定した出力信号を示す磁界検出装置を得ることができる。 As described above, the third embodiment is a magnetic field detection device that outputs an output signal (V1-V2) corresponding to the external magnetic field H, as in the first embodiment. Four magnetic field detecting magnetoresistive effect elements 101 and 102 provided, four reference magnetoresistive effect elements 111 and 112 provided on the substrate 61, and magnetic field detecting magnetoresistive effect elements 101 and 102 are provided. by applying a bias magnetic field I bias, and a magnetic field application wire 151A to correct the offset H os in the magnetic field response of the magnetic field detecting magnetoresistive elements 101 and 102, the reference magnetoresistive elements 111 and 112 and the magnetic field The magnetoresistive effect elements 101 and 102 for detection are composed of an antiferromagnetic layer 63 and ferromagnetic layers 66 and 64 which are magnetic layers whose magnetization directions are fixed by the antiferromagnetic layer, respectively. The adhesion layer 70 and a free layer 68 made of a magnetic layer whose magnetization direction is changed by the external magnetic field H are laminated. The magnetic field application wiring 151A is formed by the magnetoresistance effect element 101.102 for detecting the magnetic field. A magnetic field is applied in the direction of the hard axis of the free layer, and the four magnetoresistive elements 111 and 112 for reference refer to a state in which the magnetization direction of the fixed layer 70 and the magnetization direction of the free layer 68 in the absence of a magnetic field are parallel. Element 111b, 112b and reference elements 111a, 112a in an antiparallel state. Magnetic field detecting magnetoresistive elements 101, 102 are magnetized in the magnetization direction of pinned layer 70 and free layer 68 in the absence of a magnetic field. The configuration is different from the direction. Thereby, even when the characteristics of the detection elements 101 and 102 have an offset with respect to the magnetic field, the offset of the reference elements 111 and 112 can be corrected accurately by using the resistance of the reference elements 111 and 112. The influence of the resistance variation of the magnetoresistive effect element is suppressed, a stable zero point is obtained, a detection error can be suppressed, a manufacturing process is easy, and a magnetic field detection device showing a stable output signal is obtained. be able to.

また、参照用素子111,112と検出用素子101,102とは、同一面積で、かつ、同一形状を有し、互いに90°回転した向きに配置され、その個数は互いに等しいように構成した。これにより、検出用素子101,102と参照用素子111,112を同時に形成可能とし、同一の抵抗を得ることが可能となる。   The reference elements 111 and 112 and the detection elements 101 and 102 have the same area, the same shape, are arranged in directions rotated by 90 °, and the number of the elements is equal to each other. Thereby, the detection elements 101 and 102 and the reference elements 111 and 112 can be formed simultaneously, and the same resistance can be obtained.

また、外部磁界が印加されていない無磁界の状態で出力信号(V1−V2)が0となる電流値の電流Ibiasを磁界印加用配線151に流すことによりオフセットHosを補正した状態で、外部磁界Hに応じた出力信号を生成する。これにより、磁気平衡方式を適用可能であり、0点が得られれば検出用素子111,112の線形性を必要としない。これにより、素子の特性に依存せず、広い磁界の範囲で動作を実現することができる。 Further, in a state where the offset Hos is corrected by flowing a current Ibias having a current value at which the output signal (V1-V2) becomes 0 in a state of no magnetic field in which no external magnetic field is applied, to the magnetic field application wiring 151, An output signal corresponding to the external magnetic field H is generated. Thereby, the magnetic balance method can be applied, and if the zero point is obtained, the linearity of the detection elements 111 and 112 is not required. As a result, the operation can be realized in a wide magnetic field range without depending on the element characteristics.

また、検出用磁気抵抗効果素子101a,101b,102a,102bに磁界Hbiasを印加する磁界印加用配線151Aは、同時に、参照用磁気抵抗効果素子111a,111b,112a,112bにも磁界Hbiasを印加する構成としたので、参照用素子111a,111b,112a,112bの自由層68の磁化の制御を容易にする。 Further, the detection magnetoresistive element 101a, 101b, 102a, a magnetic field application wire 151A for applying a magnetic field H bias to 102b, at the same time, the reference magnetoresistive element 111a, 111b, 112a, the magnetic field H bias to 112b Since the structure is applied, the magnetization of the free layer 68 of the reference elements 111a, 111b, 112a, 112b can be easily controlled.

実施の形態4.
本発明の実施の形態1〜3における磁界検出装置を用いることにより、安定した0点を出力可能な電流検出装置を実現できる。図15にその構成を示す。なお、図15は、図5に示した実施の形態1における磁界検出装置を用いた例を示している。図5と図15との構成の違いは、図15においては、図5の構成に対して、電流検出装置の測定対象となる電流が流れる金属配線152が追加されている点である。他の構成については、図5と同じである。
Embodiment 4 FIG.
By using the magnetic field detection device according to the first to third embodiments of the present invention, a current detection device capable of outputting a stable zero point can be realized. FIG. 15 shows the configuration. FIG. 15 shows an example using the magnetic field detection apparatus according to the first embodiment shown in FIG. 15 differs from the configuration in FIG. 15 in that a metal wiring 152 through which a current to be measured by the current detection device flows is added to the configuration in FIG. Other configurations are the same as those in FIG.

測定対象となる電流Ilineが流れる金属配線152は、磁気抵抗効果素子とは電気的に絶縁されており、検出用素子101a,101b,102a,102bの直下、若しくは、直上に配置される。電流Ilineが流れた場合に、この電流の作用により、金属配線152に対して垂直な方向に環状磁界Hlineが発生する。この環状磁界Hlineの大きさは次式(5)で表される。 The metal wiring 152 through which the current I line to be measured flows is electrically insulated from the magnetoresistive effect element, and is disposed immediately below or immediately above the detection elements 101a, 101b, 102a, 102b. When the current I line flows, an annular magnetic field H line is generated in a direction perpendicular to the metal wiring 152 by the action of the current. The magnitude of the annular magnetic field H line is expressed by the following equation (5).

line=k・Iline/r (5) H line = k · I line / r (5)

上記式(5)においてkは比例定数であり、rは金属配線152から検出用素子101a,101b,102aまたは102bまでの距離である。検出用素子101a,101b,102aまたは102bと金属配線152との距離rを測定しておけば、比例定数kは既知であるので、磁界Hlineを測定することにより、電流Ilineを測定することが可能である。 In the above formula (5), k is a proportionality constant, and r is the distance from the metal wiring 152 to the detection element 101a, 101b, 102a or 102b. If the distance r between the detection element 101a, 101b, 102a or 102b and the metal wiring 152 is measured, the proportionality constant k is known, so that the current I line is measured by measuring the magnetic field H line. Is possible.

スピンバルブ型磁気抵抗効果素子を用いた磁界検出器は、固着層磁化方向に沿った磁界成分を検出する。このため、磁界方向は常に同方向である磁界検出に適している。金属配線152の方向と位置が固定された電流によって発生する磁界は、常に同方向である。このため、実施の形態1で示した磁界検出装置は、磁界を検出することによる電流の検出にも適している。   A magnetic field detector using a spin valve magnetoresistive element detects a magnetic field component along the pinned layer magnetization direction. For this reason, the magnetic field direction is always suitable for magnetic field detection in the same direction. The magnetic field generated by the current whose position and position of the metal wiring 152 are fixed is always in the same direction. For this reason, the magnetic field detection apparatus shown in the first embodiment is also suitable for current detection by detecting a magnetic field.

また、本実施の形態によれば、実施の形態1で説明した効果を利用し、半導体集積回路等に設けられた金属配線152における電流Ilineの検出が可能となる。半導体集積回路に適用した場合、検出用素子101,102と被測定物である配線152との距離は、層間絶縁膜によって決定されるため、検出用素子101,102と被測定物である配線152との距離を小さくすることが可能であり、結果として、高感度な電流の検出が可能である。 Further, according to the present embodiment, it is possible to detect the current I line in the metal wiring 152 provided in the semiconductor integrated circuit or the like by using the effect described in the first embodiment. When applied to a semiconductor integrated circuit, the distance between the detection elements 101 and 102 and the wiring 152 which is the object to be measured is determined by the interlayer insulating film, and therefore the detection elements 101 and 102 and the wiring 152 which is the measurement object. Can be reduced, and as a result, a highly sensitive current can be detected.

図16に、これを適用した半導体集積回路の例を示す。図16の半導体集積回路においては、電力を供給する電源供給部202に、メモリ部204と演算回路部205とが、電源線206,207により接続され、電力が供給されている。これらの電源線206,207には、磁界検出装置で構成される電流検出装置201が設けられている。電流検出装置201は、メモリ部204と演算回路部205の電源線206,207の電流を常時検出し、検出した電流値を、制御回路203へとフィードバックする。   FIG. 16 shows an example of a semiconductor integrated circuit to which this is applied. In the semiconductor integrated circuit of FIG. 16, a memory unit 204 and an arithmetic circuit unit 205 are connected to a power supply unit 202 that supplies power by power lines 206 and 207 and power is supplied. These power supply lines 206 and 207 are provided with a current detection device 201 configured by a magnetic field detection device. The current detection device 201 constantly detects the currents of the power supply lines 206 and 207 of the memory unit 204 and the arithmetic circuit unit 205 and feeds back the detected current value to the control circuit 203.

本構成によれば、半導体集積回路に影響を与えず、高精度且つ高感度な電流の検出を実現することが可能となる。この結果、環境に依存した半導体集積回路の動作状況をモニタリングおよびフィードバックを実施することで、半導体集積回路の低消費電力化が可能となる。   According to this configuration, it is possible to realize current detection with high accuracy and high sensitivity without affecting the semiconductor integrated circuit. As a result, the power consumption of the semiconductor integrated circuit can be reduced by monitoring and feedbacking the operation status of the semiconductor integrated circuit depending on the environment.

ここでの動作は磁界により電流を検出していることから、実施の形態1から3で説明した磁界検出装置の適用が可能である。図17には、例として、実施の形態2で示した磁界検出装置の適用例を示す。   Since the current is detected by a magnetic field in this operation, the magnetic field detection device described in Embodiments 1 to 3 can be applied. FIG. 17 shows an application example of the magnetic field detection apparatus shown in Embodiment 2 as an example.

以上のように、本実施の形態においては、実施の形態1〜3で示した磁界検出装置を用いて電流検出装置を構成するようにしたので、前述の実施の形態1〜3の磁界検出装置を応用することで、実施の形態1〜3で得られた効果が得られ、安定した電流検出装置を実現することができる。   As described above, in the present embodiment, since the current detection device is configured using the magnetic field detection device shown in the first to third embodiments, the magnetic field detection device of the first to third embodiments described above. Is applied, the effects obtained in the first to third embodiments are obtained, and a stable current detection device can be realized.

また、本実施の形態においては、実施の形態1〜3で示した磁界検出装置を用いた電流検出装置を備えた半導体集積回路としたので、半導体集積回路の低消費電力化を実現するとともに、磁界検出装置および電流検出装置の機能の集積化も実現することができる。   In the present embodiment, since the semiconductor integrated circuit includes the current detection device using the magnetic field detection device described in the first to third embodiments, the power consumption of the semiconductor integrated circuit can be reduced, and Integration of the functions of the magnetic field detection device and the current detection device can also be realized.

上記の実施の形態1〜4においては、磁界検出装置およびこれを用いた電流検出装置について説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、被測定物が磁界を発する検出装置であれば類似する他の装置に広く適用することができる。   In the first to fourth embodiments described above, the magnetic field detection device and the current detection device using the magnetic field detection device have been described. However, the present invention is not limited thereto, and any device can be used as long as the device under test generates a magnetic field. It can be widely applied to other similar devices.

また、磁気抵抗効果素子にトンネル磁気抵抗効果素子を用いることが好ましいが、これに限定されるものではなく、巨大磁気抵抗効果素子など、一方の磁化方向が固定された強磁性層を含むその他の磁気抵抗効果素子であってもよい。   In addition, although it is preferable to use a tunnel magnetoresistive effect element as the magnetoresistive effect element, the present invention is not limited to this, and other magnetoresistive effect elements such as a giant magnetoresistive effect element including a ferromagnetic layer in which one magnetization direction is fixed are used. A magnetoresistive element may be used.

1,101,102 検出用磁気抵抗効果素子(検出用素子)、2 無磁界における自由層の磁化方向、2a 磁界が印加された場合の自由層の磁化方向、3 固着層の磁化方向、11,111,112 参照用磁気抵抗効果素子(参照用素子)、51,52,53,54,55,56,57,58 金属配線、61 基板、62 下部電極層、63 反強磁性層、64,66 強磁性層、65 非磁性層、67 トンネル絶縁層、68 自由層、69 上部電極層、70 固着層、151 磁界印加用配線(配線)、152 金属配線、201 電流検出装置。   1, 101, 102 Magnetoresistive effect element for detection (detection element), 2 Magnetization direction of free layer in non-magnetic field, 2a Magnetization direction of free layer when magnetic field is applied, 3 Magnetization direction of pinned layer, 11, 111, 112 Reference magnetoresistance effect element (reference element), 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58 Metal wiring, 61 Substrate, 62 Lower electrode layer, 63 Antiferromagnetic layer, 64, 66 Ferromagnetic layer, 65 Nonmagnetic layer, 67 Tunnel insulating layer, 68 Free layer, 69 Upper electrode layer, 70 Fixed layer, 151 Magnetic field application wiring (wiring), 152 Metal wiring, 201 Current detection device.

Claims (4)

外部磁界に応じた出力信号を出力する磁界検出装置であって、
基板上に設けられた2個以上の磁界検出用磁気抵抗効果素子と、
前記基板上に設けられた2個以上の参照用磁気抵抗効果素子と、
前記磁界検出用磁気抵抗効果素子の自由層の磁化困難軸方向に磁界を印加するバイアス磁界印加用配線と
を備え、
前記参照用磁気抵抗効果素子および前記磁界検出用磁気抵抗効果素子は、それぞれ、反強磁性層と前記反強磁性層により磁化方向が固定された磁性体層とからなる固着層と、外部磁界によって磁化方向が変化する磁性体層からなる自由層とが積層された構造を有し、
前記2個以上の参照用磁気抵抗効果素子は、前記固着層の磁化方向と前記自由層の無磁界における磁化方向とが平行の状態のものと反平行の状態のものとを含んでおり、
前記磁界検出用磁気抵抗効果素子は、前記固着層の磁化方向と前記自由層の無磁界における磁化方向とが異な
前記検出用磁気抵抗効果素子に磁界を印加するバイアス磁界印加用配線は、同時に、前記参照用磁気抵抗効果素子にも前記磁界を印加する
磁界検出装置。
A magnetic field detection device that outputs an output signal corresponding to an external magnetic field,
Two or more magnetoresistive elements for detecting a magnetic field provided on a substrate;
Two or more reference magnetoresistive elements provided on the substrate;
A bias magnetic field application wiring for applying a magnetic field in the direction of the hard axis of the free layer of the magnetoresistive effect element for magnetic field detection,
The magnetoresistive effect element for reference and the magnetoresistive effect element for magnetic field detection are each composed of an antiferromagnetic layer and a fixed layer composed of a magnetic layer whose magnetization direction is fixed by the antiferromagnetic layer, and an external magnetic field. It has a structure in which a free layer made of a magnetic layer whose magnetization direction changes is laminated,
The two or more reference magnetoresistive effect elements include ones in which the magnetization direction of the pinned layer and the magnetization direction of the free layer in a non-magnetic field are parallel and anti-parallel,
Wherein the magnetic field detecting magnetoresistive element, Ri and magnetization direction Do different under no magnetic field of the free layer and the magnetization direction of the pinned layer,
The bias magnetic field applying wiring for applying a magnetic field to the detection magnetoresistive effect element simultaneously applies the magnetic field to the reference magnetoresistive effect element .
請求項1に記載の磁界検出装置を用いた電流検出装置。 A current detection device using the magnetic field detection device according to claim 1 . 請求項2に記載の電流検出装置を備えた半導体集積回路。 A semiconductor integrated circuit comprising the current detection device according to claim 2 . 外部磁界に応じた出力信号を出力する磁界検出方法であって、
基板上に設けられた2個以上の磁界検出用磁気抵抗効果素子と、前記基板上に設けられた2個以上の参照用磁気抵抗効果素子と、前記磁界検出用磁気抵抗効果素子の自由層の磁化困難軸方向に磁界を印加するバイアス磁界印加用配線とを備えた磁界検出装置を用意するステップと、
前記外部磁界を印加しない無磁界において、前記バイアス磁界印加用配線にバイアス用電流を流すことにより、前記磁界検出用磁気抵抗効果素子の前記自由層の磁化困難軸方向に磁界を印加した状態で、前記出力信号を検出するステップと、
前記出力信号が所定値か否かを判定し、前記出力信号が所定値になる前記バイアス用電流の値を求めるステップと、
前記外部磁界を印加した磁界下において、前記バイアス磁界印加用配線に、前記出力信号が所定値になる前記バイアス用電流を流すことにより、前記磁界検出用磁気抵抗効果素子にバイアス磁界を印加した状態で、前記出力信号を検出するステップと
を備え、
前記参照用磁気抵抗効果素子および前記磁界検出用磁気抵抗効果素子は、それぞれ、反強磁性層と前記反強磁性層により磁化方向が固定された磁性体層とからなる固着層と、外部磁界によって磁化方向が変化する磁性体層からなる自由層とが積層された構造を有し、
前記2個以上の参照用磁気抵抗効果素子は、前記固着層の磁化方向と前記自由層の無磁界における磁化方向とが平行の状態のものと反平行の状態のものとを含んでおり、
前記磁界検出用磁気抵抗効果素子は、前記固着層の磁化方向と前記自由層の無磁界における磁化方向とが異なる、
磁界検出方法。
A magnetic field detection method for outputting an output signal corresponding to an external magnetic field,
Two or more magnetoresistive effect elements for magnetic field detection provided on a substrate, two or more magnetoresistive effect elements for reference provided on the substrate, and a free layer of the magnetoresistive effect element for magnetic field detection Preparing a magnetic field detection device comprising a bias magnetic field application wiring for applying a magnetic field in the direction of the hard axis of magnetization;
In a state where a magnetic field is applied in the direction of the hard axis of the free layer of the magnetoresistive effect element for magnetic field detection by flowing a bias current through the bias magnetic field application wiring in a magnetic field without applying the external magnetic field, Detecting the output signal;
Determining whether the output signal is a predetermined value, and obtaining a value of the bias current at which the output signal becomes a predetermined value;
A state in which a bias magnetic field is applied to the magnetoresistive element for detecting a magnetic field by flowing the bias current at which the output signal has a predetermined value through the bias magnetic field applying wiring under a magnetic field to which the external magnetic field is applied And detecting the output signal, and
The magnetoresistive effect element for reference and the magnetoresistive effect element for magnetic field detection are each composed of an antiferromagnetic layer and a fixed layer composed of a magnetic layer whose magnetization direction is fixed by the antiferromagnetic layer, and an external magnetic field. It has a structure in which a free layer made of a magnetic layer whose magnetization direction changes is laminated,
The two or more reference magnetoresistive effect elements include ones in which the magnetization direction of the pinned layer and the magnetization direction of the free layer in a non-magnetic field are parallel and anti-parallel,
In the magnetoresistive effect element for detecting a magnetic field, the magnetization direction of the pinned layer and the magnetization direction of the free layer in the absence of a magnetic field are different.
Magnetic field detection method.
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