JP6039697B2

JP6039697B2 - 巨大磁気抵抗効果素子およびそれを用いた電流センサ

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Publication number: JP6039697B2
Application number: JP2014559603A
Authority: JP
Inventors: 井出　洋介; 洋介井出
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2013-02-04
Filing date: 2014-01-08
Publication date: 2016-12-07
Anticipated expiration: 2034-01-08
Also published as: EP2953178A4; JPWO2014119345A1; WO2014119345A1; EP2953178A1; US9523746B2; EP2953178B1; US20150377985A1

Description

本発明は、巨大磁気抵抗効果素子（以下、ＧＭＲ（ＧｉａｎｔＭａｇｎｅｔｏＲｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子）、およびＧＭＲ素子を用いた電流センサに関する。

近年、広く利用されている磁気応用製品において、磁界を検知する磁気センサが広く用いられている。また、磁気センサの応用として、導体に流れる電流によって発生する磁界を検知することで電流を非接触で測定する電流センサも広く用いられている。さらに、電流センサには、家庭における電化製品のように比較的小さな電流を非接触で測定する用途や、電気自動車やハイブリッドカーのように比較的大きな電流を非接触で測定する用途などがある。

図８は、特許文献１に開示される電流センサの説明図である。特許文献１に開示される電流センサ１１０は、図８に示すように、半導体チップ１１６に形成されたＧＭＲ素子などの磁気抵抗効果素子１０１を、ハウジング１１７に埋設して構成されている。そして、電流センサ１１０は、電流が流れる導体１１１上の所定位置に配置されて、電流によって発生する磁界を検知することにより電流を測定している。

図９は、特許文献２に開示されるＧＭＲ素子の説明図である。特許文献２に開示されるＧＭＲ素子２０１は、図９に示すように、反強磁性層（ＰｔＭｎ）２０５、固定磁性層（ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅ）２０６、スペーサ層（ＣｕＯ）２０７、フリー磁性層（ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ）２０８、および保護層（Ｔａ）２０９の順で積層された構造を有している。

このように、特許文献２においては、フリー磁性層２０８を、スピン分極率の大きいＣｏＦｅと、軟磁気特性に優れるＮｉＦｅとの積層構造にすることで、抵抗変化率ΔＲ／Ｒ_ｍｉｎが大きいと共に、磁化曲線のヒステリシスが小さいＧＭＲ素子を実現している。

また、磁気応用製品としてはハードディスク装置の磁気ヘッドや、磁気抵抗メモリ（ＭＲＡＭ）として用いられることが多いトンネル磁気抵抗素子（以下、ＴＭＲ素子）がある。

図１０は、特許文献３に開示されるＴＭＲ素子の説明図である。特許文献３に開示されるＴＭＲ素子３０１は、図１０に示すように、反強磁性層（ＩｒＭｎ）３０５、第１固定磁性層（ＣｏＦｅ）３０６ａ、非磁性中間層（反強磁性結合層）（Ｒｕ）３０６ｂ、第２固定磁性層（ＣｏＦｅＢ）３０６ｃ、トンネルバリア層（ＭｇＯ）３０７、フリー磁性層３０８、および保護層３０９の順で積層された構造を有している。

ＴＭＲ素子３０１は、トンネルバリア層３０７のＭｇＯを、（００１）方向に結晶配向させることにより大きな抵抗変化率ΔＲ／Ｒ_ｍｉｎ（ＭＲ比）が得られることが知られている。また、ＭｇＯは、アモルファスの下地層上に成膜することによって岩塩型の（００１）方向に結晶配向することが知られている。そのため、特許文献３においては、アモルファスとして成膜される第２固定磁性層（ＣｏＦｅＢ）３０６ｃ上にトンネルバリア層（ＭｇＯ）３０７を成膜している。

特許文献３では、その後、アモルファスとして成膜された第２固定磁性層３０６ｃのＣｏＦｅＢは、熱処理を施すことでトンネルバリア層３０７のＭｇＯ界面の結晶構造に倣って結晶化させられる。その理由は、第２固定磁性層３０６ｃのＣｏＦｅＢが、トンネルバリア層（ＭｇＯ）３０７と接する面側に体心立方構造を有し、（００１）方向に結晶配向させられることで、大きな抵抗変化率ΔＲ／Ｒ_ｍｉｎが実現するためである。ところが、これは、トンネルバリア層を有するＴＭＲ素子特有の構造であり、ＧＭＲ素子に適用することはできない。

特開２００７−１２１２８３号公報特開２００４−１６４８３７号公報特開２０１０−０９７９８１号公報

ところで、比較的小さな電流から大きな電流までを高精度に測定可能なＧＭＲ素子を用いた電流センサを実現するためには、ＧＭＲ素子のヒステリシスを抑制しつつ、ＧＭＲ素子の磁界の変化に対して出力の線形性を有する範囲である出力線形範囲を広くする必要がある。出力線形範囲を広くする方法は、２つある。第１の方法は、ＧＭＲ素子の長尺パターンの長尺方向に直交する幅方向の寸法を短くして形状磁気異方性を大きくすることである。しかし、長尺パターンの幅方向の寸法を短くするのには限界があり、すでに小型化、低コストなどの要求から幅方向の寸法は殆ど限界まで短くなっている。第２の方法は、フリー磁性層の磁気モーメントＭｓ・ｔを大きくすることである。しかし、従来のＣｏＦｅ合金とＮｉＦｅ合金を積層させたフリー磁性層の膜厚ｔを大きくして磁気モーメントＭｓ・ｔを大きくする方法では、抵抗変化率ΔＲ／Ｒ_ｍｉｎが大きく低下してしまう。

本発明の目的は、このような課題を顧みてなされたものであり、抵抗変化率ΔＲ／Ｒ_ｍｉｎが大きいと共に、出力線形範囲の広い巨大磁気抵抗効果素子と、それを用いた電流センサを提供することである。

本発明の巨大磁気抵抗効果素子は、磁化が固定されている固定磁性層と、磁化が外部磁界によって変化するフリー磁性層と、前記固定磁性層と前記フリー磁性層との間に位置するスペーサ層とを有する巨大磁気抵抗効果素子であって、前記フリー磁性層が、ＣｏＦｅ合金とアモルファス構造のＣｏＦｅＢ合金とが積層されてなり、前記ＣｏＦｅ合金の膜厚が、２ｎｍ以上４ｎｍ以下で、且つ前記ＣｏＦｅＢ合金の膜厚が、５ｎｍ以上１４ｎｍ以下であることを特徴とする

このような態様であれば、ＣｏＦｅＢ合金の抵抗率が大きいため、ＧＭＲ素子の抵抗変化率ΔＲ／Ｒ_ｍｉｎを大きくすることができる。

このような態様であれば、フリー磁性層の磁気モーメントＭｓ・ｔを大きくして、ＧＭＲ素子の出力線形範囲を広くする際に、抵抗変化率ΔＲ／Ｒ_ｍｉｎの低下を小さく抑えることができる。

よって、本発明によれば、抵抗変化率ΔＲ／Ｒ_ｍｉｎが大きいと共に、出力線形範囲の広いＧＭＲ素子を提供することができる。

また、磁歪を±１ｐｐｍ以下に抑えることができるため、応力により発生するヒステリシスが抑制されるので、高精度なＧＭＲ素子を実現できる。

前記ＣｏＦｅ合金をＣｏ_ＸＦｅ_{１００−Ｘ}合金、および前記ＣｏＦｅＢ合金を（Ｃｏ_ＹＦｅ_{１００−Ｙ}）_{１００−Ｚ}Ｂ_Ｚ合金とするとき、Ｘが８０原子％≦Ｘ＜１００原子％、Ｙが８０原子％≦Ｙ＜１００原子％、およびＺが１０原子％≦Ｚ≦３０原子％であることが好ましい。このような態様であれば、良好な特性を有するＧＭＲ素子を実現できる。

本発明の電流センサは、請求項１または請求項２に記載の巨大磁気抵抗効果素子を用いたことを特徴とする。

このような態様であれば、抵抗変化率ΔＲ／Ｒ_ｍｉｎが大きいと共に、出力線形範囲の広いＧＭＲ素子を用いた電流センサを提供することができる。

よって、本発明によれば、抵抗変化率ΔＲ／Ｒ_ｍｉｎが大きいと共に、出力線形範囲の広いＧＭＲ素子と、それを用いた電流センサを提供することができる。

本発明の実施形態に係るＧＭＲ素子の層構成を示す説明図である。本発明の実施形態に係る電流センサの説明図である。抵抗変化率ΔＲ／Ｒ_ｍｉｎとＭｓ・ｔの関係を示す実験データである。抵抗変化率ΔＲ／Ｒ_ｍｉｎとフリー磁性層の膜厚の関係を示す実験データである。フリー磁性層の磁歪λとフリー磁性層の膜厚の関係を示す実験データである。電流センサにおける出力線形範囲と感度の関係を示す実験データである。変形例に係る電流センサの説明図である。特許文献１に開示される電流センサの説明図である。特許文献２に開示されるＧＭＲ素子の説明図である。特許文献３に開示されるＴＭＲ素子の説明図である。

以下、本発明の実施形態のＧＭＲ素子と、それを用いた電流センサについて図面を用いて詳細に説明する。なお、各図面の寸法は適宜変更して示している。

図１は、本発明の実施形態に係る巨大磁気抵抗効果素子の層構成を示す説明図である。図２は、本発明の実施形態に係る電流センサの説明図である。

本実施形態の電流センサ１０は、磁気比例式電流センサである。本実施形態の電流センサ１０は、図２に示すように、磁気検知素子である２つのＧＭＲ素子１ａ、１ｂと、２つの固定抵抗素子２ａ、２ｂと、を含むブリッジ回路を備えている。そして、電流センサ１０は、被測定電流Ｉが通流する導体１１の近傍に配置されて、被測定電流Ｉにより生じる誘導磁界Ｈを検知する。その際、電流センサ１０は、被測定電流Ｉにより生じる誘導磁界Ｈに略比例する出力を得る。

図２に示されるブリッジ回路において、ＧＭＲ素子１ｂと固定抵抗素子２ａの一方の端子はそれぞれ電源端子Ｖ_ｄｄに接続され、ＧＭＲ素子１ａと固定抵抗素子２ｂの一方の端子はそれぞれグランド端子ＧＮＤに接続されている。ＧＭＲ素子１ａと固定抵抗素子２ａの他方の端子はそれぞれ接続されて、第１出力Ｏｕｔ_１となっており、ＧＭＲ素子１ｂと固定抵抗素子２ｂの他方の端子はそれぞれ接続されて第２出力Ｏｕｔ_２となっている。

ＧＭＲ素子１ａ、１ｂは、被測定電流Ｉにより生じる誘導磁界Ｈが印加されることで電気抵抗が変化するという特性を備えているため、被測定電流Ｉにより生じる誘導磁界Ｈに応じて第１出力Ｏｕｔ_１と第２出力Ｏｕｔ_２が変化する。第１出力Ｏｕｔ_１と第２出力Ｏｕｔ_２の電圧差は誘導磁界Ｈに略比例し、この電圧差が電流センサ１０の出力である。なお、ブリッジ回路の構成は、図２に示すものに限定されない。たとえば、１つのＧＭＲ素子と３つの固定抵抗素子を組み合わせてブリッジ回路を構成しても良いし、４つのＧＭＲ素子を組み合わせてブリッジ回路を構成しても良い。また、ブリッジ回路を含むものに限定されない。たとえば、ＧＭＲ素子と固定抵抗素子を直列に接続して、ＧＭＲ素子と固定抵抗素子の間から出力を取り出すことも可能である。

本実施形態に係るＧＭＲ素子１は、図１に示すように、下部ギャップ層３、シード層４、反強磁性層５、固定磁性層６、スペーサ層７、フリー磁性層８、保護層９の順で積層された構造を有している。

下部ギャップ層３は、シリコン基板（図示せず）などの上に形成されており、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）などの絶縁材料からなる。シード層４は、反強磁性層５および反強磁性層５上に積層される各層の結晶成長を整えるための下地層であり、ＮｉＦｅ合金、ＮｉＣｒ合金、ＮｉＦｅＣｒ合金、Ｃｒなどで形成される。

反強磁性層５は、熱処理により固定磁性層６との間に大きな交換結合磁界を発生させ、固定磁性層６の磁化方向を固定する（固定磁化方向）。この反強磁性層５は、ＰｔＭｎ合金またはＸ−Ｍｎ（ただしＸは、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｎｉ、Ｆｅのいずれか１種または２種以上の元素である）合金で形成される。あるいは、Ｐｔ−Ｍｎ−Ｙ（ただしＹは、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｏｓ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ａｒ、Ｎｅ、Ｘｅ、Ｋｒのいずれか１種または２種以上の元素である）合金で形成される。これらの合金は、成膜直後の状態では不規則系の面心立方構造（ｆｃｃ）であるが、熱処理が施されるとＣｕＡｕＩ（ＣｕＡｕ１）型の規則型の面心正方構造（ｆｃｔ）に構造変態する。よって、上記合金を用いて反強磁性層５を形成すれば、熱処理を施すことで、固定磁性層６との間に大きな交換結合磁界を生じさせることができる。

固定磁性層６は、第１固定磁性層６ａ、非磁性中間層６ｂ、第２固定磁性層６ｃからなる積層フェリピンド構造をなしており、第１固定磁性層６ａの磁化が反強磁性層５との交換結合により長尺パターンの幅方向に固定され、第２固定磁性層６ｃの磁化が非磁性中間層６ｂを介して第１固定磁性層６ａの磁化方向と１８０°異なる向き（反平行）に固定されている。このように固定磁性層６が積層フェリピンド構造をとれば、非磁性中間層６ｂを介して生じる第１および第２固定磁性層６ａ、６ｃ間の反平行結合と、第１固定磁性層６ａおよび反強磁性層５間の交換結合との相乗効果により、固定磁性層６の磁化方向をより安定に固定することができる。なお、固定磁性層６を単層構造としてもよいのは勿論である。

上記第１および第２固定磁性層６ａ、６ｃは、強磁性材料により形成されるもので、たとえばＮｉＦｅ合金、Ｃｏ、ＣｏＮｉＦｅ合金、ＣｏＦｅ合金またはＣｏＮｉ合金などによって形成される。特に、ＣｏＦｅ合金またはＣｏによって形成されることが好ましい。また、第１固定磁性層６ａおよび第２固定磁性層６ｃは、同一の材料で形成されることが好ましい。非磁性中間層６ｂは、非磁性材料により形成されるもので、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ａｕのうちいずれか１種または２種以上で形成することができる。特にＲｕ又はＣｕで形成されることが好ましい。

スペーサ層７は、固定磁性層６とフリー磁性層８との磁気的な結合を防止する層であると共に、検知電流が主に流れる層である。このスペーサ層７は、Ｃｕ、Ｃｒ、ＡｕまたはＡｇ等の導電性を有する非磁性材料によって形成される。特にＣｕによって形成されることが好ましい。

フリー磁性層８は、図１に示すように、第１フリー磁性層８ａと第２フリー磁性層８ｂが積層されて構成されている。第１フリー磁性層８ａはＣｏＦｅ合金であり、第２フリー磁性層８ｂはアモルファス構造のＣｏＦｅＢ合金である。そして、第１フリー磁性層８ａのＣｏＦｅ合金をＣｏ_ＸＦｅ_{１００−Ｘ}合金、および第２フリー磁性層８ｂのＣｏＦｅＢ合金を（Ｃｏ_ＹＦｅ_{１００−Ｙ}）_{１００−Ｚ}Ｂ_Ｚ合金と表わすとき、Ｘが８０原子％≦Ｘ＜１００原子％、Ｙが８０原子％≦Ｙ＜１００原子％、およびＺが１０原子％≦Ｚ≦３０原子％である。なお、Ｃｏ_ＸＦｅ_{１００−Ｘ}、および（Ｃｏ_ＹＦｅ_{１００−Ｙ}）_{１００−Ｚ}Ｂ_Ｚと表わすとき、それぞれの添付数、すなわちＸ、１００−Ｘ、Ｙ、１００−Ｙ、１００−Ｚ、Ｚは、添付された元素の含有量を意味する。また、ＣｏＦｅ合金とＣｏＦｅＢ合金共に、若干他の不純物が含有されていることも可能である。保護層９は、Ｔａ（タンタル）などから形成されている。

ＧＭＲ素子の電気抵抗Ｒは、フリー磁性層の磁化方向により変化する。ＧＭＲ素子の電気抵抗Ｒは、フリー磁性層の磁化方向が固定磁性層の固定磁化方向と平行な方向に向いているときに最少の電気抵抗Ｒ_ｍｉｎになる。それは、図１に示すように、スペーサ層７に加えて、フリー磁性層８、すなわち第１フリー磁性層８ａと第２フリー磁性層８ｂも、電子の通流に寄与するからである。

フリー磁性層の磁化方向が固定磁性層の固定磁化方向と平行以外の方向に向くに従い、ＧＭＲ素子の電気抵抗Ｒは大きくなる。そして、ＧＭＲ素子の電気抵抗Ｒは、フリー磁性層の磁化方向が固定磁性層の固定磁化方向と反平行な方向に向いているときに最大の電気抵抗Ｒ_ｍａｘになる。その際、抵抗差Ｒ−Ｒ_ｍｉｎの変化は、通常ΔＲとして表され、抵抗変化率ΔＲ／Ｒ_ｍｉｎが規定される。

なお、フリー磁性層８の磁化方向が固定磁性層６の固定磁化方向と反平行な方向に向いているときに、電子がフリー磁性層８、すなわち第１フリー磁性層８ａと第２フリー磁性層８ｂに分流している（シャントロス）。そのため、最大の電気抵抗Ｒ_ｍａｘを更に大きくして、抵抗変化率ΔＲ／Ｒ_ｍｉｎを大きくするためには、分流する電子（シャントロス）を低減することが必要である。よって、分流する電子（シャントロス）を低減するために、第２フリー磁性層８ｂ（ＣｏＦｅＢ合金）の電気抵抗は大きいことが好ましい。

図３は、抵抗変化率ΔＲ／Ｒ_ｍｉｎとＭｓ・ｔの関係を示す実験データである。図３では、フリー磁性層がＣｏ_９０Ｆｅ_１０／（Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０）_８０Ｂ_２０積層膜である本実施形態に係るＧＭＲ素子１（図１に図示）の場合（以下、実施例と記す）を、フリー磁性層がＣｏ_９０Ｆｅ_１０／ＮｉＦｅ積層膜である特許文献２に開示される従来技術のＧＭＲ素子２０１（図９に図示）の場合（以下、比較例と記す）に対して、抵抗変化率ΔＲ／Ｒ_ｍｉｎとフリー磁性層のＭｓ・ｔの関係が比較されている。なお、（Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０）_８０Ｂ_２０は、Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０合金にＢ（ボロン）を２０原子％添加したものを意味する。

Ｍｓ・ｔは、磁性層の単位面積あたりの磁気モーメント（磁気的膜厚）であり、磁性層の飽和磁化Ｍｓと磁性層の膜厚ｔの積（Ｍｓ×ｔ）である。図３の横軸に図示するＭｓ・ｔは、それぞれのフリー磁性層の飽和磁化Ｍｓとフリー磁性層の膜厚ｔの積である。なお、図３に図示するＭｓ・ｔは、それぞれの飽和磁化Ｍｓが一定のもとで、実施例のＧＭＲ素子１では（Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０）_８０Ｂ_２０合金の膜厚を変えることで、比較例のＧＭＲ素子２０１ではＮｉＦｅ合金の膜厚を変えることで、変化させられている。なお、図３の縦軸は、抵抗変化率ΔＲ／Ｒ_ｍｉｎである。

図３に示されるように、実施例のＧＭＲ素子１が、比較例のＧＭＲ素子２０１に比べて抵抗変化率ΔＲ／Ｒ_ｍｉｎが大きい。そのため、比較例のＧＭＲ素子２０１に比べて、実施例のＧＭＲ素子１は、抵抗変化率ΔＲ／Ｒ_ｍｉｎが大きく、外部磁界の変動に対して感度が高い。そのため、本実施形態に係るＧＭＲ素子１を用いた電流センサ１０（図２に図示）は、従来技術のＧＭＲ素子２０１を用いた電流センサに比べて、被測定電流Ｉ（図２に図示）の変動に対して感度が高い。

また、実施例のＧＭＲ素子１は、比較例のＧＭＲ素子２０１に比べてＭ_Ｓ・ｔの増加に伴うΔＲ／Ｒ_ｍｉｎの低下が小さい。そのため、出力線形範囲を大きくしても抵抗変化率ΔＲ／Ｒ_ｍｉｎが大きなＧＭＲ素子１を実現できる。また、実施例のＧＭＲ素子１は、比較例のＧＭＲ素子２０１に比べて、フリー磁性層の膜厚ばらつきによる抵抗変化率ΔＲ／Ｒ_ｍｉｎの変化が小さい。よって、本実施形態に係るＧＭＲ素子１、およびＧＭＲ素子１を用いた電流センサ１０（図２に図示）は、従来技術のフリー磁性層Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０／ＮｉＦｅを備えるＧＭＲ素子２０１、およびＧＭＲ素子２０１を用いた電流センサに比べて、抵抗変化率ΔＲ／Ｒ_ｍｉｎが安定しており、高精度である。

実施例のＧＭＲ素子１が、比較例のＧＭＲ素子２０１に比べてΔＲ／Ｒ_ｍｉｎが大きいこと、およびＭ_Ｓ・ｔの増加に伴うΔＲ／Ｒ_ｍｉｎの低下が小さい理由は、ＮｉＦｅ合金の抵抗率（およそ２０μΩｃｍ）に対して、ＣｏＦｅＢ合金の抵抗率（およそ１００μΩｃｍ）がおよそ５倍と大きいため、ＮｉＦｅ合金に分流する電子に比べてＣｏＦｅＢ合金に分流する電子、すなわちシャントロスを抑えることができるからである。

よって、本実施形態によれば、抵抗変化率ΔＲ／Ｒ_ｍｉｎが大きいＧＭＲ素子と、それを用いた電流センサを提供することができる。

図４は、抵抗変化率ΔＲ／Ｒ_ｍｉｎとフリー磁性層の膜厚の関係を示す実験データであり、フリー磁性層がＣｏ_９０Ｆｅ_１０／（Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０）_８０Ｂ_２０積層膜の場合である。図４の縦軸は、抵抗変化率ΔＲ／Ｒ_ｍｉｎであり、横軸は、第１フリー磁性層８ａ（Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０合金）の膜厚である。そして、第２フリー磁性層８ｂ（（Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０）_８０Ｂ_２０）の膜厚をパラメータとして、抵抗変化率ΔＲ／Ｒ_ｍｉｎと第１フリー磁性層８ａの膜厚の関係を図示している。

第１フリー磁性層８ａ（ＣｏＦｅ合金）（図１に図示）の膜厚が、図４に示すように、２ｎｍ以上４ｎｍ以下の範囲で、第２フリー磁性層８ｂ（図１に図示）の膜厚によらず、ＧＭＲ素子１（図１に図示）の抵抗変化率ΔＲ／Ｒ_ｍｉｎが大きいことが分かる。よって、第１フリー磁性層８ａ（図１に図示）の膜厚が２ｎｍ以上４ｎｍ以下の範囲であれば、本実施形態に係るＧＭＲ素子１（図１に図示）は、外部磁界の変動に対して感度が高い。そのため、ＧＭＲ素子１（図１に図示）を用いた電流センサ１０（図２に図示）は、第１フリー磁性層８ａ（図１に図示）の膜厚が２ｎｍ以上４ｎｍ以下の範囲であれば、被測定電流Ｉ（図２に図示）の変動に対して感度が高い。よって、第１フリー磁性層８ａ（ＣｏＦｅ合金）（図１に図示）の膜厚は、２ｎｍ以上４ｎｍ以下であることが好ましい。

図５は、フリー磁性層の磁歪λとフリー磁性層の膜厚の関係を示す実験データであり、フリー磁性層がＣｏ_９０Ｆｅ_１０／（Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０）_８０Ｂ_２０積層膜の場合である。図５の縦軸は、フリー磁性層の磁歪λであり、横軸は、第１フリー磁性層８ａ（Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０）の膜厚である。そして、第２フリー磁性層８ｂ（（Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０）_８０Ｂ_２０）の膜厚をパラメータとして、フリー磁性層の磁歪λと第１フリー磁性層８ａの膜厚の関係を図示している。

一般的に、基板から切り出されたＧＭＲ素子などを備えるチップがＰＫＧに封入されると、チップに応力が生じる。その応力によって、フリー磁性層には弾性磁気異方性（逆磁歪効果）が生じるため、ＧＭＲ素子の特性曲線、たとえば、磁化曲線や、電気抵抗と被測定電流Ｉ（図２に図示）との相関図などにヒステリシスが生じやすくなる。これを抑制するためにフリー磁性層の磁歪λはゼロ近傍であることが好ましい。

図５に示すように、抵抗変化率ΔＲ／Ｒ_ｍｉｎを大きくできる第１フリー磁性層８ａの膜厚が２ｎｍ以上４ｎｍ以下の範囲に着目すると、第２フリー磁性層８ｂの膜厚が５ｎｍ以上１４ｎｍ以下の範囲で、フリー磁性層の磁歪λが±１ｐｐｍ以下であり好ましい。

このように、第２フリー磁性層８ｂの膜厚が５ｎｍ以上１４ｎｍ以下であれば、本実施形態に係るＧＭＲ素子１（図１に図示）の応力により発生するヒステリシスが抑制される。よって、第２フリー磁性層８ｂの膜厚が５ｎｍ以上１４ｎｍ以下であれば、高精度なＧＭＲ素子が可能であり、高精度なＧＭＲ素子を用いた電流センサを実現できる。

図６は、電流センサにおける出力線形範囲と感度の関係を示す実験データである。図６の縦軸は、電流センサの出力の線形性が得られる出力線形範囲であり、出力曲線とその線形近似直線との最大ずれ量（ｍＶ）を、出力曲線の最大値と最小値の差（フルスケール）で割った百分率が０．３％以下である誘導磁界Ｈ（図２に図示）の範囲（±ｍＴ）である。図６の横軸は、誘導磁界Ｈ（ｍＴ）に対する出力（ｍＶ）の傾き、すなわち感度（ｍＶ／ｍＴ）である。図６では、フリー磁性層がＣｏ_９０Ｆｅ_１０／Ｎｉ_８１Ｆｅ_１９である従来のＧＭＲ素子を用いた電流センサと、フリー磁性層がＣｏ_９０Ｆｅ_１０／（Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０）_８０Ｂ_２０である本実施形態のＧＭＲ素子を用いた電流センサ１０（図２に図示）と、を比較評価している。そして、図６は、本実施形態のＣｏ_９０Ｆｅ_１０および（Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０）_８０Ｂ_２０の膜厚を、２．５ｎｍおよび６．０ｎｍと、２．５ｎｍおよび７．５ｎｍに替えて、また、従来技術のＣｏ_９０Ｆｅ_１０およびＮｉ_８１Ｆｅ_１９の膜厚を、１．０ｎｍおよび７．０ｎｍと、１．０ｎｍおよび９．０ｎｍに替えて、図示している。

本実施形態の電流センサ１０（図２に図示）は、図６に示すように、従来技術の電流センサに比べて同じ感度で比較したときの出力線形範囲が広くなっている。また、本実施形態の電流センサ１０（図２に図示）は、図６に示すように、従来技術の電流センサに比べて同じ出力線形範囲で比較したときの感度が大きい。

一般的に、フリー磁性層の磁気モーメントＭｓ・ｔを大きくすれば、ＧＭＲ素子の出力線形範囲が広くできることが知られている。そのため、磁気モーメントＭｓ・ｔが大きいＧＭＲ素子を用いた電流センサの出力線形範囲は広い。しかし、磁気モーメントＭｓ・ｔを大きくすると、図３に示すように、ＧＭＲ素子の抵抗変化率ΔＲ／Ｒ_ｍｉｎが小さくなる。ところが、本実施形態は、図３に示すように、特許文献２に開示される従来技術に比べて、磁気モーメントＭｓ・ｔを大きくしても、抵抗変化率ΔＲ／Ｒ_ｍｉｎの低下を小さく抑えることができる。よって、本実施形態に係るＧＭＲ素子１（図１に図示）、および本実施形態に係るＧＭＲ素子１を用いた電流センサ１０（図２に図示）は、従来技術の電流センサに比べて同じ感度で比較したときの出力線形範囲を広くできる共に、従来技術の電流センサに比べて同じ出力線形範囲で比較したときの感度を大きくできる。

ＧＭＲ素子のフリー磁性層がＣｏ_９０Ｆｅ_１０合金／（Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０）_８０Ｂ_２０合金であれば、図３〜図６に示すように、ＧＭＲ素子の特性が良好であることが分かる。よって、フリー磁性層を、Ｃｏ_ＸＦｅ_{１００−Ｘ}合金／（Ｃｏ_ＹＦｅ_{１００−Ｙ}）_{１００−Ｚ}Ｂ_Ｚ合金と表わすとき、ＸおよびＹは９０原子％の近傍が好ましく、Ｚは２０原子％の近傍が好ましい。特に、ＸおよびＹは、８０原子％以上１００原子％未満であることが好ましい。また、Ｚは１０原子％以上３０原子％以下であることが好ましい。

Ｚが１０原子％よりも小さくなると、第２フリー磁性層８ｂ、すなわち（Ｃｏ_ＹＦｅ_{１００−Ｙ}）_{１００−Ｚ}Ｂ_Ｚ合金がアモルファス構造から結晶構造に変化するようになり、第２フリー磁性層８ｂの電気抵抗が小さくなり、抵抗変化率ΔＲ／Ｒ_ｍｉｎが小さくなる。また、Ｚが３０原子％よりも大きくなると、第２フリー磁性層８ｂ、すなわち（Ｃｏ_ＹＦｅ_{１００−Ｙ}）_{１００−Ｚ}Ｂ_Ｚ合金の飽和磁化Ｍｓが低下して、膜厚ｔを厚くしても磁気モーメントＭｓ・ｔを大きくし難くなる。よって、Ｚを１０原子％以上３０原子％以下であることが好ましい。

よって、Ｚを１０原子％以上３０原子％以下とすることで、第２フリー磁性層８ｂ、すなわち（Ｃｏ_ＹＦｅ_{１００−Ｙ}）_{１００−Ｚ}Ｂ_Ｚ合金の強磁性特性を維持すると共に、第２フリー磁性層８ｂ、すなわち（Ｃｏ_ＹＦｅ_{１００−Ｙ}）_{１００−Ｚ}Ｂ_Ｚ合金をアモルファス構造とすることができ、ＧＭＲ素子の抵抗変化率ΔＲ／Ｒ_ｍｉｎを大きくすることができる。よって、抵抗変化率ΔＲ／Ｒ_ｍｉｎが大きいＧＭＲ素子を用いた電流センサを実現できる。

本実施形態のＧＭＲ素子は電流センサに用いたが、これに限定されるものではない。たとえば、リニアに移動する磁性体（磁石）の位置を検知する磁気センサなどのように、リニアな出力を得る磁気センサに用いることが可能である。

図２に図示する電流センサ１０の製造方法について説明する。シリコン基板などの基板上に、絶縁層であるアルミニウム酸化膜などが、スパッタリングなどの方法で成膜される。次に、図２に図示するＧＭＲ素子１ａ、１ｂを構成する積層膜、図１に示すように、すなわち反強磁性層５、固定磁性層６、スペーサ層７、フリー磁性層８などがスパッタリングなどの方法で成膜され、フォトリソグラフィ及びエッチングにより、ＧＭＲ素子１ａ、１ｂが形成される。そして、熱処理（たとえば、２７０℃で２時間保持）を施し、反強磁性層５と固定磁性層６との間に大きな交換結合磁界を発生させ、固定磁性層６の磁化方向を固定する。次に、図２に図示する固定抵抗素子２ａ、２ｂを構成する膜も、スパッタリングなどの方法で成膜され、フォトリソグラフィ及びエッチングなどにより、固定抵抗素子２ａ、２ｂが形成される

電極材料がスパッタリングなどの方法で成膜され、フォトリソグラフィ及びエッチングなどにより、ＧＭＲ素子１ａ、１ｂと固定抵抗素子２ａ、２ｂを電気的に接続する電極などが形成される。

固定抵抗素子２ａ、２ｂは、外部磁界によって電気抵抗が変化しない素子である。そのため、ＣｕやＡｌなどの電極材料で形成することもできるが、図１に図示するＧＭＲ素子１において、スペーサ層７とフリー磁性層８を逆順にして構成することもできる。後者のように構成すれば、固定磁性層６によってフリー磁性層８の磁化方向は固定されるので、外部磁界によって電気抵抗は変化しない。また、ＧＭＲ素子１ａ、１ｂと固定抵抗素子２ａ、２ｂが、同じ電極材料により構成されるので、温度の変動に対して電気抵抗が同じように変化し、温度特性に優れる。

＜変形例＞
図７は、変形例に係る電流センサの説明図である。本実施形態の電流センサ１０は、図２に示すように、磁気比例式電流センサであるとしたが、これに限定されるものではなく、磁気平衡式電流センサも可能である。

変形例である磁気平衡式電流センサ２０は、図７に示すように、被測定電流Ｉが流れる導体１１の近傍に配置される。この磁気平衡式電流センサ２０は、導体１１に流れる被測定電流Ｉによる誘導磁界Ｈを打ち消す磁界（キャンセル磁界）を生じさせるフィードバック回路１５を備えている。このフィードバック回路１５は、被測定電流Ｉによって発生する磁界を打ち消す方向に巻回されたフィードバックコイル１２と、磁気検知素子である２つのＧＭＲ素子１ａ、２ｂと、２つの固定抵抗素子２ａ、２ｂとを有する。

２つのＧＭＲ素子１ａ、１ｂは、被測定電流Ｉからの誘導磁界Ｈの印加により電気抵抗が変化する。２つのＧＭＲ素子１ａ、１ｂは、２つの固定抵抗素子２ａ、２ｂと共にブリッジ回路を構成している。このようにブリッジ回路を用いることにより、高感度の磁気平衡式電流センサ２０を実現することができる。

図７に示すブリッジ回路においては、ＧＭＲ素子１ｂと固定抵抗素子２ａとの間の接続点に電源端子Ｖ_ｄｄが接続されており、ＧＭＲ素子１ａと固定抵抗素子２ｂとの間の接続点にグランド端子ＧＮＤが接続されている。さらに、このブリッジ回路においては、ＧＭＲ素子１ａと固定抵抗素子２ａとの間の接続点から一つの出力を取り出し、ＧＭＲ素子１ｂと固定抵抗素子２ｂとの間の接続点からもう一つの出力を取り出している。これらの２つの出力は増幅器１３で増幅され、フィードバックコイル１２に電流（フィードバック電流）として与えられる。このフィードバック電流は、誘導磁界に応じた電圧差に対応する。このとき、フィードバックコイル１２には、誘導磁界を相殺するキャンセル磁界が発生する。そして、誘導磁界とキャンセル磁界とが相殺される平衡状態となったときのフィードバックコイル１２に流れる電流に応じる検出電圧Ｖにより被測定電流Ｉが測定される。

１、１ａ、１ｂＧＭＲ素子
２ａ、２ｂ固定抵抗素子
３下部ギャップ層
４シード層
５反強磁性層
６固定磁性層
６ａ第１固定磁性層
６ｂ非磁性中間層
６ｃ第２固定磁性層
７スペーサ層
８フリー磁性層
８ａ第１フリー磁性層
８ｂ第２フリー磁性層
９保護層
１０電流センサ
１１導体１２フィードバックコイル
１３増幅器
１５フィードバックコイル回路

Claims

磁化が固定されている固定磁性層と、
磁化が外部磁界によって変化するフリー磁性層と、
前記固定磁性層と前記フリー磁性層との間に位置するスペーサ層と、を有する巨大磁気抵抗効果素子であって、
前記フリー磁性層が、ＣｏＦｅ合金とアモルファス構造のＣｏＦｅＢ合金とが積層されてなり、
前記ＣｏＦｅ合金の膜厚が、２ｎｍ以上４ｎｍ以下で、且つ前記ＣｏＦｅＢ合金の膜厚が、５ｎｍ以上１４ｎｍ以下であることを特徴とする巨大磁気抵抗効果素子。
前記ＣｏＦｅ合金をＣｏ_ＸＦｅ_{１００−Ｘ}合金、および前記ＣｏＦｅＢ合金を（Ｃｏ_ＹＦｅ_{１００−Ｙ}）_{１００−Ｚ}Ｂ_Ｚ合金とするとき、Ｘが８０原子％≦Ｘ＜１００原子％、Ｙが８０原子％≦Ｙ＜１００原子％、およびＺが１０原子％≦Ｚ≦３０原子％であることを特徴とする請求項１に記載の巨大磁気抵抗効果素子。
請求項１または請求項２に記載の巨大磁気抵抗効果素子を用いたことを特徴とする電流センサ。