JP6381341B2 - 磁気センサ、磁気検出装置及び磁気センサの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、導体を流れる電流の変化を測定することにより、磁気を高感度に検出可能な磁気センサ及び磁気センサの製造方法に関する。

従来の磁気センサに用いられる電流センサは、Ｕ字状の湾曲導体に制御電流を供給し、その湾曲導体の周囲に生じる電流磁界の変化をホール素子によって検出していた（例えば、特許文献１参照）。また、従来の磁気センサに用いられる電流センサは、ホール素子の替わりに巨大磁気抵抗効果（ＧｉａｎｔＭａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ−ｅｆｆｅｃｔ）を発現する巨大磁気抵抗効果素子（以下、ＧＭＲ素子）を用いて、電流を検出していた（例えば、特許文献２参照）。
［特許文献１］ 特公平７−１２３０９０号公報
［特許文献２］ 特開２００７−１０１２５２号公報
［特許文献３］ 特開２０１４−６１２７号公報

しかしながら、ホール素子もしくはＧＭＲ素子を用いた従来の磁気センサに用いられる電流センサは、微小で精密な磁場変動の測定ができない。ホール素子及びＧＭＲ素子は、その構造上、十分に小型化することができない。

本発明の第１の態様においては、磁化が第１の方向に固定された第１のピンド層と、第１のピンド層と離間して形成されたトンネル接合層とを有し、ループ状に形成された導電層と、第１のピンド層上に形成された第１のトンネル層と、第１のトンネル層上に形成され、磁化の方向が、外部磁場の変動によって生じたコイル電流により生じる磁場によって変化する第１のフリー層とを備えた磁気センサを提供する。

本発明の第２の態様においては、基板上にループ状のピンド層を形成する工程と、ピンド層上にトンネル層を形成する工程と、トンネル層上にフリー層を形成する工程と、フリー層及びトンネル層をエッチングして、互いに離間した第１のトンネル層及び第２のトンネル層と、第１のトンネル層上の第１のフリー層と、第２のトンネル層上の第２のフリー層とを形成する工程と、第１のフリー層上に第１の上部配線層を形成し、第２のフリー層上に第２の上部配線層を形成する工程と、ピンド層上に、第１の外部接続端子と第２の外部接続端子とを形成する工程と、第１の上部配線層に第３の外部接続端子を形成し、第２の上部配線層に第４の外部接続端子を形成する工程とを備えた磁気センサの製造方法を提供する。

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

磁気抵抗効果素子１の構成の一例を示す。 磁気抵抗効果素子１の状態の一例を示す。 磁気抵抗効果素子１の状態の一例を示す。 磁気抵抗効果素子１の膜面に平行方向の抵抗値と電流起因磁場との関係を示す。 実施形態１に係る磁気センサ１００を示す。 実施形態１に係る磁気センサ１００のＡ断面図を示す。 実施形態１に係る磁気センサ１００のＢ断面図を示す。 実施形態１に係る磁気センサ１００のＣ断面図を示す。 実施形態１に係る磁気センサ１００のＡ断面図を示す。 実施形態１に係る磁気センサ１００のＢ断面図を示す。 実施形態１に係る磁気センサ１００のＣ断面図を示す。 実施形態１に係る磁気センサ１００の回路概念図を示す。 コイル電流Ｉｃが流れたときにフリー層４０にかかる磁場を示す模式図である。 実施形態２に係る磁気センサ１００を示す。 実施形態２に係る磁気センサ１００のＡ断面図を示す。 実施形態２に係る磁気センサ１００のＢ断面図を示す。 実施形態２に係る磁気センサ１００のＣ断面図を示す。 実施形態３に係る磁気センサ１００を示す。 実施形態３に係る磁気センサ１００のＡ断面図を示す。 実施形態３に係る磁気センサ１００のＢ断面図を示す。 実施形態３に係る磁気センサ１００のＣ断面図を示す。 実施形態３に係る磁気センサ１００のＤ断面図を示す。 実施形態３に係る磁気センサ１００の回路概念図を示す。 ピンド層２０が形成された基板９０を示す。 ピンド層２０の磁化を固定する工程を示す。 ピンド層２０上にトンネル層３０を形成する工程を示す。 磁気センサ１００の素子分離工程を示す。 ＴＭＲ素子をパターニングする工程を示す。 第２の絶縁膜９２を堆積させる工程を示す。 上部配線層６０が形成された磁気センサ１００を示す。 磁気検出装置２００の一例を示す。 増幅回路９５の出力の一例を示す。 振幅検出回路９６の出力の一例を示す。 周波数検出回路９７の出力の一例を示す。 周波数カウンタ９９の出力の一例を示す。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、磁気抵抗効果素子１の構成の一例を示す。磁気抵抗効果素子１は、ピンド層２０、トンネル層３０及びフリー層４０を備える。磁気抵抗効果素子１は、ピンド層２０とフリー層４０との相対的な磁化の角度によって抵抗値が変化する。抵抗値の変化とは、磁気抵抗効果素子１の膜面に水平方向の抵抗値、及び膜面に垂直方向の抵抗値の少なくとも一方の変化を指す。本例の磁気抵抗効果素子１は、Ｘ軸の方向に１ｕｍ、Ｙ軸の方向に１０ｕｍの矩形形状を有する。矢印は、磁化の方向を指す。

ピンド層２０は、磁化が予め定められた方向に固定されている磁性材料からなる。ピンド層２０は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ等の材料の組み合わせにより形成される。例えば、ピンド層２０の磁化は、磁気抵抗効果の膜を形成した後、磁場中での熱処理（アニール処理）によりｘ軸方向に固定される。磁気抵抗効果の膜とは、外部磁場等により電気抵抗が変化する膜を指す。

トンネル層３０は、薄膜の絶縁体である。トンネル層３０は、ピンド層２０上に形成される。例えば、磁気抵抗効果素子１が、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Ｔｕｎｎｅｌ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子の場合、トンネル層３０は、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯ等で形成される。ＴＭＲ素子とは、磁性体薄膜の間に極薄の絶縁膜を挟んだ素子を指す。ＴＭＲ素子では、絶縁膜の両端の磁性体薄膜の磁化の向きによって、絶縁膜の抵抗が変化する。

フリー層４０は、外部磁場に応じて磁化の向きが変化する磁性体である。例えば、フリー層４０は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ等の材料の組み合わせにより形成される軟磁性材料である。フリー層４０は、トンネル層３０上に形成される。

図２は、磁気抵抗効果素子１の状態の一例を示す。本例の磁気抵抗効果素子１は、フリー層４０の磁化容易軸がピンド層２０の磁化の向きと直交する方向に誘導された状態を示す。磁化容易軸とは、結晶磁気異方性を持つ磁性体において、磁化され易い結晶方位を指す。

図３は、磁気抵抗効果素子１の状態の一例を示す。本例の磁気抵抗効果素子１は、フリー層４０の磁化がｙ軸方向に誘導された状態を示す。つまり、フリー層４０の磁化の向きは、ピンド層２０の磁化の向きと直交する。フリー層４０の磁化の向きは、ピンド層２０に流れる電流により生じる磁場によって変化する。

図４は、磁気抵抗効果素子１の膜面に平行方向の抵抗値と電流起因磁場との関係を示す。縦軸は磁気抵抗効果素子１の抵抗値、横軸は電流起因磁場の強度を示す。電流起因磁場とは、ピンド層２０に流れる電流に起因して発生する磁場を指す。電流起因磁場の向きは、ピンド層２０の固定された磁化の向きを正として示す。

電流起因磁場無しの状態では、ピンド層２０とフリー層４０の磁化は直交している。正の向きに弱い電流起因磁場を印加した場合、フリー層４０の磁化がピンド層２０の磁化の向きに揃う方向に動く。磁化の向きが揃う場合、磁化が不規則に並んでいる場合よりも、磁化の電子に対する影響が小さくなり、磁気抵抗効果素子１の抵抗値が減少する。電流起因磁場の大きさが一定以上になると、フリー層４０の磁化はピンド層２０の磁化の向きと揃う。磁化の向きが揃うと、磁気抵抗効果素子１の抵抗値は飽和する。

負の向きに弱い電流起因磁場を印加した場合、フリー層４０の磁化がピンド層２０の磁化の向きと逆方向に動き、磁気抵抗効果素子１の抵抗値が上昇する。電流起因磁場の大きさが一定以上になると、フリー層４０の磁化がピンド層２０の磁化の向きと逆方向に向く。磁化の向きが逆方向を向くと、磁気抵抗効果素子１の抵抗値は飽和する。しかし、さらに強い電流起因磁場を印加すると、固定されていたピンド層２０の磁化が負の向きを向き始める。即ち、磁化の向きが揃う方向になるため、磁気抵抗効果素子１の抵抗値が減少する。

以上の通り、ピンド層２０の磁化の向きを感度軸としてとることにより、磁気抵抗効果素子１の抵抗値が線形に変化する。但し、抵抗値を線形に変化させるには、電流起因磁場の絶対値が予め定められた値よりも小さいことが必要である。

＜実施形態１＞
実施形態１の磁気センサ１００について図５から図９を用いて説明する。図５は、磁気センサ１００を上面から見た配置図である。図６Ａから図６Ｃ及び図７Ａから図７Ｃは、点線Ａ−Ａ'、点線Ｂ−Ｂ'、点線Ｃ−Ｃ'における磁気センサ１００の断面図である。

磁気センサ１００は、導電層２７、第１のトンネル層３１、第１のフリー層４１、トンネル接合部３５及び抵抗検出回路８５を備える。導電層２７には、第１のピンド層２１、中間層２５及び配線層２６が含まれる。本例の導電層２７は、全てピンド層２０で形成される。導電層２７は、ループ状に形成されるので、外部磁場の変動に応じてコイル電流Ｉｃが流れる。磁気センサ１００は、導電層２７に流れるコイル電流Ｉｃを検出することにより、磁場を検出する。ループ状とは、閉じたループ状であればよく、丸形状、四角形状、多角形形状、角丸多角形形状、凹字形状、凸字形状等、どのような形状であってもよい。また、ループ状とは、巻き数が１の場合に限られず、複数の巻き数を有する場合であってよい。導電層２７の形状は、本例の形状に限られずレイアウトに応じて適宜変更されてよい。磁気センサ１００は、ループ状に形成された導電層２７に対して、垂直方向に入力される外部磁場の変動を検出できる。

図６Ａは、図５で示した点線Ａ−Ａ'における磁気センサ１００の各断面図を示す。Ａ断面は、第１のピンド層２１、トンネル接合部３５、中間層２５、配線層２６、第１のトンネル層３１及び第１のフリー層４１の断面に相当する。第１のトンネル層３１、第１のフリー層４１、第１のカバー層５１及び第１の上部配線層６１は、トンネル接合部３５及び第２の上部配線層６２と互いに離間して配置される。離間とは、各層の間に空間を有することを指す。また、空間の代わりに、絶縁膜等の非磁性体層を備えてもよい。なお、第１のピンド層２１、中間層２５及び配線層２６は、同一の材料で形成される場合、導電層２７として一体に形成されてよい。

トンネル接合部３５は、配線層２６上に形成される。トンネル接合部３５は、第１のピンド層２１に電気的に接続される。また、トンネル接合部３５は、コイル電流Ｉｃが第２の上部配線層６２側に流れるのを防止する。

図６Ｂは、図５で示した点線Ｂ−Ｂ'における磁気センサ１００の断面図を示す。Ｂ断面は、第１の上部配線層６１及び配線層２６の断面に相当する。第１の上部配線層６１は、配線層２６と離間して形成される。

図６Ｃは、図５で示した点線Ｃ−Ｃ'における磁気センサ１００の断面図を示す。Ｃ断面は、第１のピンド層２１、第１のトンネル層３１、第１のフリー層４１、第１のカバー層５１及び第１の上部配線層６１の断面図に相当する。第１のピンド層２１、第１のトンネル層３１、第１のフリー層４１、第１のカバー層５１及び第１の上部配線層６１の各層は、この順に積層して形成される。なお、第１のピンド層２１の幅は、第１のトンネル層３１、第１のフリー層４１及び第１のカバー層５１の各々の幅より大きくてもよい。第１のピンド層２１の幅とは、コイル電流Ｉｃの流れる方向と垂直な方向の第１のピンド層２１の厚さを指す。

図７Ａは、図５で示した点線Ａ−Ａ'における磁気センサ１００の断面図を示す。図７Ａは、トンネル接合部３５の一例を示す。本例のトンネル接合部３５は、第２のピンド層２２、第２のトンネル層３２、第２のフリー層４２及び第２のカバー層５２を有する。第２のピンド層２２は、第１のピンド層２１と直列に設けられ、コイル電流Ｉｃが流れる。図７Ｂは、図５で示した点線Ｂ−Ｂ'における磁気センサ１００の断面図を示す。図７Ｃは、図５で示した点線Ｃ−Ｃ'における磁気センサ１００の断面図を示す。図７Ｂ及び図７Ｃは、図６Ｂ及び図６Ｃとそれぞれ同一である。次に、図５に示された磁気センサ１００について、図７ＡからＣの断面図を参照して説明する。

第１のピンド層２１は、磁化が予め定められた方向に固定される。第１のピンド層２１は、配線層２６と同一の材料で形成される場合、配線層２６と一体に形成されてよい。この場合、第１のピンド層２１は、上部に第１のトンネル層３１が形成される点で配線層２６と異なる。

中間層２５は、第１のピンド層２１と第２のピンド層２２とを接続し、コイル電流Ｉｃが流れる。本例の中間層２５は、ピンド層２０と同一の材料で形成される。なお、中間層２５は、第１のピンド層２１と第２のピンド層２２とを接続可能な材料であれば、ピンド層２０と同一の材料に限られない。

第２のピンド層２２は、磁化が予め定められた方向に固定される。本例の第２のピンド層２２は、第１のピンド層２１と同じ方向に磁化が固定される。第２のピンド層２２は、配線層２６と同一の材料で形成される場合、配線層２６と一体に形成されてよい。この場合、第２のピンド層２２は、上部に第２のトンネル層３２が形成される点で配線層２６と異なる。なお、第１のピンド層２１、第２のピンド層２２、中間層２５及び配線層２６は、導電層２７として一体に形成されてよい。

第１のトンネル層３１は、第１のピンド層２１上に形成される。第１のトンネル層３１は、第１のピンド層２１に流れるコイル電流Ｉｃが第１の上部配線層６１側に流れるのを防止する。本例の第１のトンネル層３１は、第１のピンド層２１と膜面の断面形状が同一である。第１のトンネル層３１は、第１のピンド層２１と膜面の断面形状が異なってよい。

第１のフリー層４１は、第１のトンネル層３１上に形成される。第１のフリー層４１は、第１のピンド層２１に流れるコイル電流Ｉｃにより生じる外部磁場の変動により、磁化の方向が変化する。本例の第１のフリー層４１は、第１のトンネル層３１と膜面の断面形状が同一である。

第１のカバー層５１は、第１のフリー層４１の上部を保護する。第１のカバー層５１は、第１のフリー層４１上に連続して形成される。第１のカバー層５１は、抵抗値の小さな材料で形成されるのが好ましい。

第２のトンネル層３２は、第２のピンド層２２上に形成される。第２のトンネル層３２は、第２のピンド層２２に流れるコイル電流Ｉｃが第２の上部配線層６２側に流れるのを防止する。本例の第２のトンネル層３２は、第２のピンド層２２と膜面の断面形状が同一である。第２のトンネル層３２は、第２のピンド層２２と異なる断面形状を有してよい。

第２のフリー層４２は、第２のトンネル層３２上に形成される。第２のフリー層４２は、第２のピンド層２２に流れるコイル電流Ｉｃにより生じる外部磁場の変動により、磁化の方向が変化する。本例の第２のフリー層４２は、第２のトンネル層３２と膜面の断面形状が同一である。

第２のカバー層５２は、第２のフリー層４２の上部を保護する。第２のカバー層５２は、第２のフリー層４２上に連続して形成される。第２のカバー層５２は、抵抗値の小さな材料で形成されるのが好ましい。

第１の上部配線層６１は、抵抗検出回路８５と接続される第１の外部接続端子７１を備える。第１の上部配線層６１は、第１のピンド層２１と離間して形成される。

第２の上部配線層６２は、抵抗検出回路８５と接続される第２の外部接続端子７２を備える。第２の上部配線層６２は、第２のピンド層２２と離間して形成される。

抵抗検出回路８５は、電圧計ＶＭ１、電流計ＩＭ及び第１の定電流源ＩＳ１を備える。抵抗検出回路８５は、第１の外部接続端子７１及び第２の外部接続端子７２に接続される。第１の定電流源ＩＳ１は、測定用の一定電流を流す。抵抗検出回路８５は、電圧計ＶＭ１及び電流計ＩＭを用いて抵抗値を検出する。

図８は、実施形態１の磁気センサ１００の回路概念図である。磁気センサ１００の回路図は、第１のセンサ抵抗（ＴＭＲ１）、第２のセンサ抵抗（ＴＭＲ２）及び中間層抵抗（ＲＰＣ）を用いて簡略的に表されている。ＴＭＲ１は、第１のピンド層２１から第１のフリー層４１までの層間の第１のセンサ抵抗を示す。ＴＭＲ２は、第２のピンド層２２から第２のフリー層４２までの層間の第２のセンサ抵抗を示す。ＲＰＣは、中間層２５の抵抗を示す。ＴＭＲ１及びＴＭＲ２は、ＲＰＣを挟んで接続される。

抵抗検出回路８５は、第１のフリー層４１と第２のフリー層４２との間の抵抗値を検出することにより、コイル電流Ｉｃを検出する。第１のフリー層４１と第２のフリー層４２との間の抵抗値とは、ＴＭＲ１とＲＰＣとＴＭＲ２との抵抗値の和を指す。抵抗検出回路８５は、電流Ｉｍを測定用の電流として第１の外部接続端子７１に入力する。測定用の電流は、直列に接続されたＴＭＲ１、ＲＰＣ及びＴＭＲ２を流れる。測定用の電流は、第２の外部接続端子７２から抵抗検出回路８５に戻る。

本例のＴＭＲ１及びＴＭＲ２はそれぞれ数ｋΩ程度であり、ＲＰＣは数Ωである。そのため、ＴＭＲ１及びＴＭＲ２における電圧ドロップと比較して、中間層２５のＲＰＣにおける電圧ドロップを無視できる。よって、磁気センサ１００は、図８に示した回路概念図を用いて、コイル電流Ｉｃの電流値を測定し、外部磁場を検出できる。また、ＴＭＲ１及びＴＭＲ２には、コイル電流Ｉｃが流れないので、精確に外部磁場を検出できる。なお、導電層２７にコイル電流Ｉｃが流れると、右ねじの法則に従って電流起因磁場（ＡＣ磁場）が発生する。

抵抗検出回路８５の検出する抵抗値は、下記の式で求められる。
ＴＭＲ１＋ＴＭＲ２＝ＶＭ１／ＩＭ
但し、
ＲＰＣ＜＜ＴＭＲ１＋ＴＭＲ２
Ｉｉｎ＊ＲＰＣ＜＜ＶＭ
ここで、ＶＭ１は、電圧計ＶＭ１が計測した電圧値であり、ＩＭは、電流計ＩＭが計測した電流値である。ＶＭは、第１の外部接続端子７１と第２の外部接続端子７２との間の電圧値である。本例では、ＶＭ＝ＶＭ１となる。

図９は、コイル電流Ｉｃが流れたときにフリー層４０にかかる電流起因磁場Ｂｃを示す模式図である。図９は図７ＣのＣ断面を示す。点線は、第１のピンド層２１に流れるコイル電流Ｉｃにより生じる電流起因磁場Ｂｃを示す。

第１のピンド層２１にコイル電流Ｉｃが流れると、右ねじの法則に従って第１のピンド層２１の周りに電流起因磁場Ｂｃが発生する。第１のピンド層２１の中心点に大きさＩの線電流が流れていると考える。第１のピンド層２１に流れる線電流を中心とした半径ｒの位置に発生する電流起因磁場Ｂｃの大きさは、下記の式（１）により表される。
Ｂｃ＝（４π＊μ_０＊Ｉ）／（２＊ｒ）・・・式（１）
ここで、μ_０は、真空の透磁率を示す。

本例の第１のピンド層２１、第１のトンネル層３１、第１のフリー層４１及び第１のカバー層５１は、それぞれ数十オングストローム程度の厚みである。例えば、コイル電流Ｉｃの大きさを１μＡ、第１のピンド層２１から第１のフリー層４１までの平均的な距離を５０オングストローム（５ｎｍ）とする。この場合、式（１）を用いると、その地点にできる磁場Ｂｃの大きさは、下記の通りとなる。
Ｂｃ＝（４＊３．１４＊１０^−７＊１μＡ）／（２＊５ｎｍ）
＝１２６μＴ

このオーダの磁場の大きさがあれば、磁気センサ１００自身のノイズや抵抗検出回路８５のノイズよりも大きなセンサ信号出力が得られる。即ち、コイル電流Ｉｃにより生じる外部磁場の変動に応じて、第１のフリー層４１の磁化方向が変化し、センサ抵抗値であるＴＭＲ１とＴＭＲ２が変化する。抵抗検出回路８５は、ＴＭＲ１とＴＭＲ２の抵抗値を検出することにより、コイル電流Ｉｃをセンシングできる。

従来の磁気センサは、交流電流経路とセンサをそれぞれ別途の配線及び素子で構成して近接配置しているので、センサ部に発生する磁場が小さい。よって、従来の磁気センサは、ｍＡオーダの電流を流さないと、センサ自身のノイズや検出回路のノイズにより、その交流電流値や交流電流の周波数を検知できない。一方、本例の磁気センサ１００は、センサ抵抗直下のピンド層２０に流れる電流を検出するので、高精度に小さな外部磁場の変動により生じる電流変化を検出できる。即ち、磁気センサ１００は、非常に小さな領域の外部磁場の変動を検出できる。また、ピンド層２０と電流起因磁場を検出するフリー層４０が一体となっているため、経年変化による位置関係のずれがなく、小さな領域の外部磁場の変動を長期的に安定して測定できる。また、本例の磁気センサ１００は、プロセス工程を新たに追加することなく、小面積で安価に製造できる。

＜実施形態２＞
図１０及び図１１Ａから図１１Ｃは、実施形態２に係る磁気センサ１００を示す。本例の磁気センサ１００は、第１のピンド層２１と第２のピンド層２２との間に、中間層２５の代わりに金属配線層６５を有する。図１１Ａ、図１１Ｂ及び図１１Ｃは、点線Ａ−Ａ'、点線Ｂ−Ｂ'、点線Ｃ−Ｃ'における磁気センサ１００の各断面図である。なお、配線層２６を金属配線層６５と同一の材料で形成してもよい。

金属配線層６５は、中間層２５と比較して抵抗を小さくできるので、第１のピンド層２１と第２のピンド層２２との間のＲＰＣを低減できる。金属配線層６５は、第１の上部配線層６１及び第２の上部配線層６２と同じ材料で形成されてよい。この場合、金属配線層６５は、第１の上部配線層６１及び第２の上部配線層６２と同一の工程で形成することができる。そのため、本実施形態に係る磁気センサ１００は、実施形態１に係る製造工程から、新たなプロセス工程を設けることなく製造できる。

＜実施形態３＞
図１２から図１４は、実施形態３に係る磁気センサ１００を示す。実施形態１に係る磁気センサ１００では、ＲＰＣにより電流の測定範囲が制限される領域が発生する。一方、本例の磁気センサ１００は、ピンド層２０から第３の外部接続端子７３及び第４の外部接続端子７４をそれぞれ引き出すことにより、ＲＰＣの抵抗を無くすことができる。

図１２は、磁気センサ１００を上面から見た配置図である。図１３Ａ、図１３Ｂ、図１３Ｃ及び図１３Ｄは、点線Ａ−Ａ'、点線Ｂ−Ｂ'、点線Ｃ−Ｃ'、点線Ｄ−Ｄ'における磁気センサ１００の各断面図である。本例の磁気センサ１００は、第３のピンド層２３、第３のトンネル層３３、第３のフリー層４３、第３のカバー層５３、第４のピンド層２４、第４のトンネル層３４、第４のフリー層４４、第４のカバー層５４、第３の上部配線層６３、第４の上部配線層６４、第３の外部接続端子７３及び第４の外部接続端子７４をさらに備える。本例の抵抗検出回路８５は、電圧計ＶＭ２をさらに備える。

第３のピンド層２３は、第１のピンド層２１から延出して形成される。第３のピンド層２３は、第１のピンド層２１と同時に形成されてもよい。第３のピンド層２３の他端は、第３の外部接続端子７３に接続される。

第３のトンネル層３３は、第３のピンド層２３上に形成される。第３のトンネル層３３は、第３のピンド層２３に流れるコイル電流Ｉｃが第３の上部配線層６３側に流れるのを防止する。本例の第３のトンネル層３３は、第３のピンド層２３上の少なくとも一部に形成される。

第３のフリー層４３は、第３のトンネル層３３上に形成される。本例の第３のフリー層４３は、第３のトンネル層３３と膜面の断面形状が同一である。

第３のカバー層５３は、第３のフリー層４３の上部を保護する。第３のカバー層５３は、第３のフリー層４３上に連続して形成される。

第３の上部配線層６３は、抵抗検出回路８５と接続される第３の外部接続端子７３を備える。第３の上部配線層６３は、第３のピンド層２３と離間して形成される。

第４のピンド層２４は、第２のピンド層２２から延出して形成される。第４のピンド層２４は、第２のピンド層２２と同時に形成されてもよい。第４のピンド層２４の他端は、第４の外部接続端子７４に接続される。

第４のトンネル層３４は、第４のピンド層２４上に形成される。第４のトンネル層３４は、第４のピンド層２４に流れるコイル電流Ｉｃが第４の上部配線層６４側に流れるのを防止する。本例の第４のトンネル層３４は、第４のピンド層２４上の少なくとも一部に形成される。

第４のフリー層４４は、第４のトンネル層３４上に形成される。本例の第４のフリー層４４は、第４のトンネル層３４と膜面の断面形状が同一である。

第３のフリー層４３及び第４のフリー層４４は、磁化の方向が、電流起因磁場Ｂｃにより変化されない。即ち、第３のピンド層２３及び第４のピンド層２４には、コイル電流Ｉｃが流れない。コイル電流Ｉｃが流れないとは、完全にコイル電流Ｉｃが流れない場合に加えて、第３のフリー層４３及び第４のフリー層４４の磁化の方向が、電流起因磁場Ｂｃにより変化されない程度のコイル電流Ｉｃが流れる場合を含んでよい。

第４のカバー層５４は、第４のフリー層４４の上部を保護する。第４のカバー層５４は、第４のフリー層４４上に連続して形成される。

第４の上部配線層６４は、抵抗検出回路８５と接続される第４の外部接続端子７４を備える。第４の上部配線層６４は、第４のピンド層２４と離間して形成される。

図１４は、実施形態３に係る磁気センサ１００の回路概念図である。本例の磁気センサ１００の回路概念図には、図８と比較して、抵抗ＲＳ３及びＲＳ４がさらに追加されている。ＲＳ３は、第３のピンド層２３の抵抗値と第３のピンド層２３から第３のフリー層４３までの抵抗値との和である。ＲＳ４は、第４のピンド層２４の抵抗値と第４のピンド層２４から第４のフリー層４４までの抵抗値との和である。ＲＳ３及びＲＳ４は、ＲＰＣを挟んで接続される。

抵抗検出回路８５は、第１のフリー層４１と第３のフリー層４３との間の抵抗値、及び第２のフリー層４２と第４のフリー層４４との間の抵抗値を検出することにより、コイル電流Ｉｃを検出する。第１のフリー層４１と第３のフリー層４３との間の抵抗値とは、ＴＭＲ１とＲＳ３との抵抗値の和を指す。第２のフリー層４２と第４のフリー層４４との間の抵抗値とは、ＴＭＲ２とＲＳ４との抵抗値の和を指す。抵抗検出回路８５は、第１の外部接続端子７１から第２の外部接続端子７２に検出用の電流を流す。

電圧計ＶＭ１は、ＴＭＲ１及びＲＳ３に直列に接続され、第１のセンサ抵抗ＴＭＲ１を測定する。即ち、電圧計ＶＭ１の電圧測定回路ループがＲＰＣを組み込まない。よって、電圧計ＶＭ１は、ＲＰＣの影響を受けずに第１のセンサ抵抗ＴＭＲ１を測定できる。

電圧計ＶＭ２は、ＴＭＲ２及びＲＳ４に直列に接続され、第２のセンサ抵抗ＴＭＲ２を測定する。即ち、電圧計ＶＭ２の電圧測定回路ループがＲＰＣを組み込まない。よって、電圧計ＶＭ２は、ＲＰＣの影響を受けずに第２のセンサ抵抗ＴＭＲ２を測定できる。これにより、抵抗検出回路８５は、ＲＰＣの影響をなくすことができる。

＜製造方法＞
図１５Ａから図１５Ｇは、磁気センサ１００の製造方法の一例を示す。図１５Ａは、ピンド層２０が形成された基板９０を示す。本例の基板９０は、シリコンで形成される。本例の基板９０表面は、第１の絶縁膜９１により覆われている。例えば、第１の絶縁膜９１は、二酸化シリコンＳｉＯ_２等の一般的な製造工程で用いられる絶縁膜である。ピンド層２０は、スパッタにより形成される。ピンド層２０を形成するスパッタは、磁場をかけた状態で実施されてよい。

図１５Ｂは、ピンド層２０の磁化を固定する工程を示す。ピンド層２０は、磁場中での熱処理により、磁化が固定される。例えば、磁場は、ピンド層２０の磁化が固定される方向に向けられる。

図１５Ｃは、ＴＭＲ素子を形成する工程を示す。ピンド層２０上には、トンネル層３０、フリー層４０及びカバー層５０が形成される。

図１５Ｄは、磁気センサ１００の素子分離工程を示す。磁気センサ１００は、フォトリソグラフィー工程、イオンミリング工程等を用いて、カバー層５０からピンド層２０までの不要な部分を取り除く。これにより、素子分離されたＴＭＲ素子が形成される。

図１５Ｅは、ＴＭＲ素子をパターニングする工程を示す。磁気センサ１００は、フォトリソグラフィー工程、イオンミリング工程等を用いて、不要なフリー層４０及びカバー層５０が除去される。なお、不要なフリー層４０及びカバー層５０と同様のパターンで、トンネル層３０まで除去してもよい。

また、実施形態２のように中間層２５の代わりに金属配線層６５を形成する場合、フォトリソグラフィー工程、イオンミリング工程等を用いて、金属配線層６５が形成される領域のピンド層２０を除去する。その後、ピンド層２０が除去された領域に金属配線層６５を堆積させる。これにより、中間層２５の代わりに金属配線層６５を形成できる。

図１５Ｆは、第２の絶縁膜９２を堆積させる工程を示す。基板９０の全面には、第２の絶縁膜９２が形成される。本例の第２の絶縁膜９２は、二酸化シリコンＳｉＯ_２で形成される。第２の絶縁膜９２は、第１の絶縁膜９１と同一の材料であっても異なる材料であってもよい。

図１５Ｇは、上部配線層６０が形成された磁気センサ１００を示す。フォトリソグラフィー工程、イオンミリング工程等により、第２の絶縁膜９２上に上部配線層６０のパターンで開口する。その後、金属のスパッタ、リフトオフ工程により、上部配線層６０が形成される。これにより、各磁気抵抗効果素子ＴＭＲの間を接続する引き回し配線及び外部との接続配線が形成される。なお、ピンド層２０は複数の巻き数のコイルに接続されてよい。この場合、磁気センサ１００のチップ内に、複数の配線層２６を設けることにより、コイルの巻き数を調整できる。コイルの巻き数は、測定する外部磁場の変動の大きさに応じて適宜変更される。

以上の通り、本例の磁気センサ１００は、従来と同様の製造工程を用いることにより製造される。また、磁気センサ１００は、従来の磁気センサと比較して、高精度に電流を検出することにより微小で精密な外部磁場の変動を安定して測定でき、且つ小型に形成できる。

図１６は、磁気検出装置２００の一例を示す。磁気検出装置２００は、磁気センサ１００、電圧生成回路８６、増幅回路９５、振幅検出回路９６及び周波数検出回路９７を備える。磁気検出装置２００は、後段の回路を用いて、磁気センサ１００で検出した信号を処理することにより、外部磁場の周波数及び振幅を検出する。

磁気センサ１００は、外部磁場の変動に応じた抵抗値（ＴＭＲ１、ＴＭＲ２）を検出してセンサ入力信号Ｖｉｎを出力する。本例の抵抗検出回路８５は、第１の定電流源ＩＳ１の一端が接地電位（ＧＮＤ）に接続され、抵抗値（ＴＭＲ１、ＴＭＲ２）に応じたセンサ入力信号Ｖｉｎを電流計ＩＭの一端から出力する。なお、抵抗検出回路８５は、第１の定電流源ＩＳ１の一端を接地電位に接続するのではなく、電流計ＩＭ及び第１の定電流源ＩＳ１のそれぞれの端部の信号を差動で出力してもよい。

電圧生成回路８６は、次段の増幅回路９５へ基準信号Ｖｒｅｆを出力する。電圧生成回路８６は、第２の定電流源ＩＳ２及び参照抵抗Ｒｒｅｆを備える。参照抵抗Ｒｒｅｆは、磁気センサ１００の合成抵抗値（ＴＭＲ１＋ＴＭＲ２又はＴＭＲ１＋ＴＭＲ２＋ＲＰＣ等）と同程度の抵抗値を有する。例えば、磁気センサ１００の合成抵抗値と同程度とは、コイル電流Ｉｃが流れない場合の磁気センサ１００の合成抵抗値である。第２の定電流源ＩＳ２は、抵抗検出回路８５の第１の定電流源ＩＳ１の出力する参照電流ＩＳ１と同程度の電流値を有する参照電流ＩＳ２を流す。これにより、電圧生成回路８６は、センサ入力信号Ｖｉｎと同程度の基準信号Ｖｒｅｆを生成し、動作点を確保できる。

増幅回路９５には、抵抗検出回路８５のセンサ入力信号Ｖｉｎと、電圧生成回路８６の基準信号Ｖｒｅｆとが入力される。増幅回路９５は、センサ入力信号Ｖｉｎと基準信号Ｖｒｅｆの差分を増幅率Ｇａｉｎで増幅した増幅信号Ｖｇを出力する。なお、抵抗検出回路８５の出力を差動とする場合、抵抗検出回路８５は、電圧生成回路８６の基準信号Ｖｒｅｆをコモン電圧として差動増幅してよい。

振幅検出回路９６は、増幅回路９５の増幅信号Ｖｇを入力として、振幅信号Ｖａを出力する。振幅検出回路９６は、ダイオードＤｒ、コンデンサＣｒ及び負荷抵抗Ｒｒを備える。ダイオードＤｒに順方向バイアスが印加される場合、コンデンサＣｒに電荷が蓄えられる。また、ダイオードＤｒに逆方向バイアスが印加される場合、コンデンサＣｒに蓄えられた電荷が放出される。振幅検出回路９６は、増幅回路９５からの入力された信号を半波整流する整流器である。振幅信号Ｖａからは、外部磁場信号の振幅を検出することができる。なお、外部磁場信号とは、磁気検出装置２００に入力された外部磁場として検出する信号を指す。

周波数検出回路９７は、増幅回路９５の増幅信号Ｖｇを入力として、周波数信号Ｄｆを出力する。周波数検出回路９７は、コンパレータ９８及び周波数カウンタ９９を備える。コンパレータ９８は、増幅回路９５の増幅信号Ｖｇと接地電位（ＧＮＤ）とを比較して、コンパレータ出力信号Ｖｃを出力する。周波数カウンタ９９は、コンパレータ９８のコンパレータ出力信号Ｖｃをカウントして、周波数信号Ｄｆを生成する。

図１７Ａから図１７Ｄは、各信号の波形例を示す。本例では、周波数が徐々に小さくなる外部磁場信号が磁気検出装置２００に入力される。また、本例の外部磁場信号は、周波数が徐々に小さくなると同時に、振幅も徐々に小さくなる。

図１７Ａは、増幅回路９５の出力の一例を示す。増幅信号Ｖｇは、磁気センサ１００のセンサ入力信号Ｖｉｎが増幅された信号である。実線は、増幅信号Ｖｇを示す。破線は、増幅信号Ｖｇの極大値もしくは極小値をおおよそ結ぶ線である。本例の増幅信号Ｖｇは、周波数及び振幅が徐々に減少する。

図１７Ｂは、振幅検出回路９６の出力の一例を示す。実線は、振幅信号Ｖａを示す。破線は、増幅信号Ｖｇの絶対値を示す。磁気検出装置２００の検出する外部磁場信号が大きい振幅の外部磁場信号から小さい振幅の外部磁場信号へ変化する場合、振幅検出回路９６の振幅信号Ｖａは、その外部磁場信号の振幅の変化に合わせて徐々に小さくなる。

図１７Ｃは、コンパレータ９８の出力の一例を示す。実線は出力信号Ｖｃを示し、破線は増幅信号Ｖｇを示す。増幅回路９５の増幅信号Ｖｇが予め定められた値よりも大きくなった場合、コンパレータ出力信号Ｖｃはハイとなる。一方、増幅回路９５の増幅信号Ｖｇが予め定められた値よりも小さい場合、コンパレータ出力信号Ｖｃはローとなる。コンパレータ９８が増幅信号Ｖｇと比較する信号は、接地電位からの信号に限られず、任意の信号であってよい。

図１７Ｄは、周波数カウンタ９９の周波数信号Ｄｆの一例を示す。磁気検出装置２００の検出する外部磁場信号の周波数が徐々に小さくなる場合、周波数カウンタ９９の周波数信号Ｄｆは、その外部磁場の周波数の変化に合わせて徐々に小さくなる。

以上の通り、磁気検出装置２００は、外部磁場信号の周波数及び振幅の変化を検出できる。磁気検出装置２００は、磁気センサ１００を備えるので、非常に小さな領域の外部磁場の変動を検出できる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。

１・・・磁気抵抗効果素子、２０・・・ピンド層、２１・・・第１のピンド層、２２・・・第２のピンド層、２３・・・第３のピンド層、２４・・・第４のピンド層、２５・・・中間層、２６・・・配線層、３０・・・トンネル層、３１・・・第１のトンネル層、３２・・・第２のトンネル層、３３・・・第３のトンネル層、３４・・・第４のトンネル層、３５・・・トンネル接合部、４０・・・フリー層、４１・・・第１のフリー層、４２・・・第２のフリー層、４３・・・第３のフリー層、４４・・・第４のフリー層、５０・・・カバー層、５１・・・第１のカバー層、５２・・・第２のカバー層、５３・・・第３のカバー層、５４・・・第４のカバー層、６０・・・上部配線層、６１・・・第１の上部配線層、６２・・・第２の上部配線層、６３・・・第３の上部配線層、６４・・・第４の上部配線層、６５・・・金属配線層、７１・・・第１の外部接続端子、７２・・・第２の外部接続端子、７３・・・第３の外部接続端子、７４・・・第４の外部接続端子、８５・・・抵抗検出回路、９０・・・基板、９１・・・第１の絶縁膜、９２・・・第２の絶縁膜、９５・・・増幅回路、９６・・・振幅検出回路、９７・・・周波数検出回路、９８・・・コンパレータ、９９・・・周波数カウンタ、１００・・・磁気センサ、２００・・・磁気検出装置

Claims (11)

1. 磁化が第１の方向に固定された第１のピンド層と、
   前記第１のピンド層を有し、ループ状に形成された導電層と、
   前記導電層の上に、前記第１のピンド層と離間して形成されたトンネル接合層と、
   前記第１のピンド層上に形成された第１のトンネル層と、
   前記第１のトンネル層上に形成され、磁化の方向が、外部磁場の変動によって前記導電層に生じたコイル電流により生じる磁場によって変化する第１のフリー層と
   を備えた磁気センサ。
2. 前記トンネル接合層は、
   前記第１のピンド層と直列に設けられ、前記コイル電流が流れ、且つ、磁化が第１の方向に固定された第２のピンド層と、
   前記第２のピンド層上に形成された第２のトンネル層と、
   前記第２のトンネル層上に形成され、磁化の方向が、前記外部磁場の変動によって前記導電層に生じたコイル電流により生じる磁場によって変化する第２のフリー層と
   を備える請求項１に記載の磁気センサ。
3. 前記導電層から延出して形成された第３のピンド層と、
   前記導電層から延出して形成された第４のピンド層と、
   前記第３のピンド層上に形成された第３のトンネル層と、
   前記第４のピンド層上に形成された第４のトンネル層と、
   前記第３のトンネル層上に形成され、磁化の方向が、前記コイル電流によって生じる磁場により変化されない第３のフリー層と、
   前記第４のトンネル層上に形成され、磁化の方向が、前記コイル電流によって生じる磁場により変化されない第４のフリー層と
   を備えた請求項２に記載の磁気センサ。
4. 前記第３のピンド層及び前記第４のピンド層には、前記コイル電流が流れない請求項３に記載の磁気センサ。
5. 前記第１のフリー層と前記第２のフリー層との間の抵抗値に基づいて前記外部磁場の変動を検出する抵抗検出回路を備える請求項２から４のいずれか一項に記載の磁気センサ。
6. 前記第１のフリー層と前記第３のフリー層との間の抵抗値、及び前記第２のフリー層と前記第４のフリー層との間の抵抗値を検出することで、前記外部磁場の変動を検出する抵抗検出回路を備える請求項３に記載の磁気センサ。
7. 前記導電層は、ピンド層により形成される請求項２から６のいずれか一項に記載の磁気センサ。
8. 前記第１のフリー層上に形成された第１の上部配線層と、
   前記第２のフリー層上に形成された第２の上部配線層と
   をさらに備える請求項２から７のいずれか一項に記載の磁気センサ。
9. 請求項２から８のいずれか一項に記載の磁気センサと、
   前記第１のフリー層と前記第２のフリー層との間の抵抗値を検出する抵抗検出回路と、
   を備える磁気検出装置。
10. 前記抵抗検出回路の出力信号から、前記出力信号の振幅を検出する振幅検出回路と、
    前記抵抗検出回路の前記出力信号から、前記出力信号の周波数を検出する周波数検出回路と
    をさらに備える請求項９に記載の磁気検出装置。
11. 基板上に第１のピンド層及び第２のピンド層を含むループ状のピンド層と、一端が前記第１のピンド層に接続され、前記第１のピンド層から延出して形成された第３のピンド層と、一端が前記第２のピンド層に接続され、前記第２のピンド層から延出して形成された第４のピンド層とを形成する工程と、
    前記ループ状のピンド層上にトンネル層を形成する工程と、
    前記トンネル層上にフリー層を形成する工程と、
    前記フリー層及び前記トンネル層をエッチングして、互いに離間した第１のトンネル層及び第２のトンネル層と、前記第１のトンネル層上の第１のフリー層と、前記第２のトンネル層上の第２のフリー層とを形成する工程と、
    前記第１のフリー層上に第１の上部配線層を形成し、前記第２のフリー層上に第２の上部配線層を形成する工程と、
    第１の上部配線層に第１の外部接続端子を形成し、前記第２の上部配線層に第２の外部接続端子を形成する工程と、
    第３のトンネル層と、前記第３のトンネル層上の第３のフリー層とを介して、前記第３のピンド層の他端と電気的に接続された第３の外部接続端子と、第４のトンネル層と、前記第４のトンネル層上の第４のフリー層とを介して、前記第４のピンド層の他端と電気的に接続された第４の外部接続端子とを形成する工程と、
    を備えた磁気センサの製造方法。

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