JP6594806B2 - 磁気センサ - Google Patents

Description

本発明は磁気センサに関する。

磁場を検出する磁気センサとしてＧＭＲ（巨大磁気抵抗）効果やＴＭＲ（トンネル磁気抵抗）効果を用いたＭＲ磁気センサがある。
ＭＲ磁気センサは、非磁性体を強磁性体で挟んだ構造（強磁性体／非磁性／強磁性体）を有し、一方の磁性体の磁化を反強磁性体で固定し（磁化固定層）、もう一方の強磁性体（磁化自由層）の磁化は外部磁場に対して自由に回転できる構造を有している（スピンバルブ構造）。ＭＲ磁気センサは、外部磁場Ｈが加わり、磁化固定層の磁化と磁化自由層の磁化との相対角が変化すると、非磁性体である中間層を流れる電流が変化するため、磁場を検出することができる（例えば、特許文献１参照）。

ＭＲ磁気センサは微小な磁場で大きな磁気抵抗（ＭＲ）変化を示すことが知られており、主にハードディスクの磁気ヘッドなどに用いられている。また、ＭＲ磁気センサは、ホール効果を用いた磁気センサと比較して高感度（微小磁場の検出が可能）であることが知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開平９−１９９７６９号公報 特開２００５−２２１３８３号公報

上述したように、ＧＭＲ効果やＴＭＲ効果を用いたＭＲ磁気センサは、ホール効果を用いた磁気センサと比較して高感度（微小磁場の検出が可能）である。その一方で、ＭＲ磁気センサは、磁場に応じて抵抗が変化する範囲、すなわち検出可能な磁場範囲（ダイナミックレンジ）が、ホール効果を用いた磁気センサと比較して狭いという欠点がある。
そこで、本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、より広い検出可能な磁場範囲を実現することが可能な磁気センサを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る磁気センサは、基板と、前記基板上に配置された感磁ユニットと、を備え、前記感磁ユニットは、外部磁場に応じて磁化が変化する磁化自由層と、第１の方向に磁化が固定された磁化固定層と、前記磁化自由層と前記磁化固定層との間に配置された非磁性層と、を含む積層部を有し、平面視において、前記磁化固定層は、前記磁化自由層と重複する位置で、かつ、前記第１の方向に垂直な第２の方向で前記磁化自由層の面積を２分割する軸から外れた位置、に配置されていることを特徴とする。

本発明の一態様に係る磁気センサによれば、より広い検出可能な磁場範囲を実現することの可能な磁気センサを提供することができる。

本実施形態に係る磁気センサ１の構成例を模式的に示す図である。 本実施形態に係る磁気センサ２の構成例を模式的に示す図である。 本実施形態に係る磁気センサ３の構成例を模式的に示す図である。 本実施形態に係る磁気センサ４の構成例を模式的に示す図である。 磁気センサ４が備える複数の感磁ユニットを直列に接続する場合を模式的に示す図である。 磁気センサ４が備える複数の積層部を並列に接続する場合を模式的に示す図である。 本実施形態に係る磁気センサ５の構成例を模式的に示す図である。 本実施形態に係る磁気センサ６の構成例を模式的に示す図である。 本実施形態に係る磁気センサ４の製造方法を工程順に示す図である。 実施例１に係る磁気センサの構成例を模式的に示す図である。 実施例２に係る磁気センサの構成例を模式的に示す図である。 実施例３に係る磁気センサの構成例を模式的に示す図である。 実施例４に係る磁気センサの構成例を模式的に示す図である。 比較例１に係る磁気センサの構成を模式的に示す図である。 比較例２に係る磁気センサの構成を模式的に示す図である。 軸方向の定義及び座標の定義を説明するための図である。 実施例１と比較例１の磁気抵抗曲線を示す図である。 実施例１１で取得した磁区像を示す図である。 実施例１１の平均コントラスト値を縦軸、その時の印加磁場を横軸としてプロットしたグラフである。 比較例１１の平均コントラスト値を縦軸、その時の印加磁場を横軸としてプロットしたグラフである。 実施例１２で取得した磁区像を示す図である。 実施例１２の平均コントラスト値を縦軸、その時の印加磁場を横軸としてプロットしたグラフである。 比較例１２の平均コントラスト値を縦軸、その時の印加磁場を横軸としてプロットしたグラフである。

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。

＜磁気センサ＞
本実施形態に係る磁気センサは、基板と、基板上に配置された感磁ユニットと、を備える。感磁ユニットは、外部磁場に応じて磁化が変化する磁化自由層と、第１の方向に磁化が固定された磁化固定層と、磁化自由層と磁化固定層との間に配置された非磁性層と、を含む積層部を有する。平面視において、磁化固定層は、磁化自由層と重複する位置で、かつ、第１の方向に垂直な第２の方向で磁化自由層の面積を２分割する軸から外れた位置、に配置されている。すなわち、平面視において、磁化固定層は、磁化自由層と重複する位置で、かつ、第２の方向で磁化自由層の面積を２分割する軸を覆わない位置、に配置されている。これにより、本実施形態に係る磁気センサは、従来の磁気センサと比べて、検出可能な磁場範囲が増大する。

なお、本発明における検出可能な磁場範囲（抵抗変化範囲、又は、ダイナミックレンジとも称する）とは、抵抗値が最大になるときの外部磁場と、抵抗値が最小になるときの外部磁場の差分である。抵抗が最大、または最小になるときの外部磁場とは、ゼロ磁場周辺の大きく抵抗変化する領域における１次近似直線と、抵抗が最大または最小となり、変化しなくなった領域における近似直線との交点における外部磁場で定義される。
本実施形態に係る磁気センサが、従来の磁気センサと比べて検出可能な磁場範囲が増大する作用は、磁化自由層の磁区構造に関わるものであると本発明者は推定している。磁区とは、スピンが同じ方向を向いている区画のことである。磁化自由層は、通常、強磁性体の持つエネルギーが最小になるようにいくつかの磁区に分かれて存在しており、これを磁区構造という。

本実施形態に係る磁気センサにおいても、磁化自由層に磁区構造が発現しうる。本実施形態に係る磁気センサから得られる磁気抵抗変化は、磁化自由層と磁化固定層の界面の磁化状態に依存する。従来の磁気センサでは磁化状態が急激に変化するため、抵抗変化範囲が非常に狭かったが、本実施形態に係る磁気センサでは磁気状態が緩やかに変化するため、抵抗変化範囲が増大している。

以下、本実施形態に係る磁気センサの各構成部について、例を挙げて説明する。
（１）基板
本実施形態の磁気センサにおける基板は、その上に所望の積層部を形成することが可能なものであれば特に制限されない。基板の一例としては、Ｓｉ基板やガラス基板が挙げられるがこの限りではない。素子との絶縁性を確保する観点から、基板は、Ｓｉ基板上にＳｉ酸化膜（ＳｉＯ_２等）を成膜したものが好ましい。このときＳｉ基板は、ＩＣ（集積回路）などとの組み合わせの目的でパターニングされたものであってもよい。

（２）積層部
本実施形態の磁気センサにおける積層部は、外部磁場に応じて磁化が変化する磁化自由層と、第１の方向に磁化が固定された磁化固定層と、磁化自由層と磁化固定層との間に配置された非磁性層と、を含む。換言すると、本実施形態の磁気センサにおける積層部は、磁化自由層と、非磁性層と、磁化固定層とがこの順で積層される。磁化自由層と、非磁性層と、磁化固定層とが、この順で積層されていれば、本発明の効果を損なわない範囲で層の上下、間に他の層が挿入されていてもよい。積層部の最上部には、酸化防止の観点から、非磁性のキャップ層を備えていることが好ましい。非磁性のキャップ層は、配線部との接続の観点から、Ａｕ、Ｒｕ、Ｔａなどの導電性材料であることが好ましい。

また、積層部は基板上に複数存在してもよい。複数の積層部は、直列もしくは並列、またはその直並列（すなわち、直列と並列との組み合わせ）に接続されていてもよい。また、配線部により接続された積層部の群が、基板上に複数独立に存在していてもよい。
積層部は公知の方法で形成することが可能であり、一例としては、スパッタ法により形成することができる。また、複数の積層部を形成する場合、基板上に形成された積層膜を、フォトリソグラフィー法で形成されたマスク部材を用いてドライエッチングやウェットエッチングすることにより形成することができる。

（３）磁化自由層
本実施形態の磁気センサにおける磁化自由層は、外部磁場によって容易に磁化される強磁性材料で主に構成される。磁化自由層は、１つの材料で構成される必要はなく、多層膜であってもよい。強磁性材料としては、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅＳｉＢ、ＣｏＦｅなどが用いられるがこの限りではない。磁気感度向上のため、磁化自由層中にＲｕやＴａなどの非磁性層が挿入された多層膜であることが好ましい。

（４）非磁性層
本実施形態の磁気センサにおける非磁性層は、非磁性材料で構成される。一般的に、非磁性層には、ＧＭＲ素子の場合はＣｕなどの金属材料が用いられ、ＴＭＲ素子の場合はＡｌ_２Ｏ_３やＭｇＯ等の絶縁材料が用いられるが、この限りではない。高磁気感度化のため、非磁性層にＭｇＯを利用することが好ましい。

（５）磁化固定層
本実施形態の磁気センサにおける磁化固定層は、外部磁場によって磁化方向が容易に変化しないように、強磁性材料を主に用いて構成される。磁化固定層は、１つの材料で構成される必要はなく、多層膜であってもよい。一例としては、磁化固定層は、強磁性材料を反強磁性材料でピン止めした構造が用いられる。軟磁性材料としては、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅＳｉＢ、ＣｏＦｅなどが用いられるがこの限りではない。磁気感度向上のため、磁化固定層中にＲｕやＴａなどの非磁性層が挿入された多層膜であることが好ましい。また、反強磁性材料としてＩｒＭｎ、ＰｔＭｎなどが用いられるが、本発明はこの構成に限定されない。
磁化固定層は、第１の方向に磁化が固定されており、平面視において、磁化自由層と重複する位置で、かつ、第２の方向で磁化自由層の面積を２分割する軸から外れた位置、に配置されている。

また、磁化固定層が磁化自由層と重複する位置に複数存在する場合であって、複数の磁化固定層のうちの一部（少なくとも１つ以上）の磁化固定層が、第２の方向で磁化自由層の面積を２分割する軸を覆う位置にある場合でも、この軸を覆う位置にある磁化固定層が、軸を覆わない位置（すなわち、軸から外れた位置）にある磁化固定層と電気的に接続されていなければ、本実施形態に該当する。
磁化自由層と重複する位置に磁化固定層を形成する場合、磁化固定層は、公知の方法で形成することが可能であり、一例としては、フォトリソグラフィー法で形成されたマスク部材を形成し、ドライエッチングなどの技術を用いて不要な磁化固定層を除去することで形成することができる。

（６）保護層
本実施形態に係る磁気センサにおける保護層は、配線部と積層部との絶縁を保つために用いる。保護層の材料は積層部と配線部を絶縁可能なものであれば特に制限されず、一例として酸化ケイ素、窒化ケイ素が挙げられる。保護層は積層部の表面全体を覆うように形成され、配線部との接合部分に通電窓（すなわち、開口部）が存在する。本発明において通電窓の位置や形状は限定されない。

（７）配線部
本実施形態に係る磁気センサにおける配線部は、絶縁層上に形成された通電窓を介して電極と積層部とを接続する。また、直列接続、並列接続を行う場合、積層部同士を電気的に接続するためにも用いる。
配線部の材料としては、積層部同士、電極間を電気的に接続することが可能な導電性の材料（例えばＡｕ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｔａ、Ｒｕなど）であれば特に制限されない。また、配線部は単一の材料からなってもよいし、複数の材料の混合又は積層であってもよい。配線部は公知の方法で形成することが可能であり、一例としては、フォトリソグラフィー法で形成されたマスク部材、及び、積層部の全面に、蒸着法やスパッタリング法により導電性材料を形成し、さらに剥離液を用いてマスク部材を剥離すること（すなわち、リフトオフ法）により形成することができる。基板上に電極を形成する場合、電極も配線部と同一プロセスで作製することができる。

（８）その他
本実施形態に係る磁気センサは、外部から電力を供給するための外部接続配線をさらに備えていてもよい。外部接続配線は、外部端子と電極とを電気的に接続する部材であり、例えば金属細線（ボンディングワイヤー）や、金属バンプ等を用いることができる。
また、本実施形態に係る磁気センサは、第１の方向に平行な磁場を磁化固定層に印加するバイアス磁石をさらに備えていてもよい。例えば、積層部の上方に保護層（絶縁層）を介してバイアス磁石が配置されていてもよい。

＜具体例＞
以下、本実施形態をより詳細に説明するために、図面を用いて具体例を示す。なお、以下に説明する各図において、同一の構成を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

（１）構成の一例
（１．１）第１の例
図１は、本実施形態に係る磁気センサ１の構成例を模式的に示す図である。図１（ａ）は平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）におけるＸ１−Ｘ´１間の断面図である。
図１に示す磁気センサ１は、基板１０と、基板１０上に配置された感磁ユニット１１と、を備える。感磁ユニット１１は、外部磁場に応じて磁化が変化する磁化自由層２１と、非磁性層２２と、第１の方向（図１中の矢印の方向であり、紙上で左から右の方向）に磁化が固定された磁化固定層２３と、がこの順で基板１上に配置された積層部２０を有する。平面視において、磁化固定層２３は、磁化自由層２１と重複する位置で、かつ、第１の方向に垂直な第２の方向で磁化自由層２１の面積を２分割する軸（すなわち、直線）Ａ−Ａ’から外れた位置、に配置されている。
なお、図１では、感磁ユニット１１が１つの積層部２０を有する場合を例示している。また、図１では、保護層及び配線部の図示を省略している。さらに、図１では、第１の方向と第２の方向とにそれぞれ垂直な方向として、第３の方向を示している。第３の方向は、磁気センサの厚さの方向に相当する。

（１．２）第２の例
図２は、本実施形態に係る磁気センサ２の構成例を模式的に示す平面図である。磁気センサ２において、磁気センサ１と異なる点は磁化自由層２１の形状にある。これ以外は、磁気センサ２は磁気センサ１と同じ構成である。平面視において、磁化自由層２１の重心である第１の点（Ｐ１）から磁化自由層２１の外縁までの最長距離をなす方向αと、第１の方向と、がなす角度θ１が４５度以上１３５度以下となっている。重心とは、物体の各部分に働く重力の合力が作用すると考えられる点のことであり、質量中心、又は重力中心とも称される。

例えば、平面視において、磁化自由層２１は、第１の方向よりも第２の方向に長い長方形となっている。第２の方向に長い長方形とは、第２の方向と、長方形の長手方向とがなす角が４５度未満であることを意味し、好ましくは３０度以下であり、より好ましくは２５度以下である。
このような構成であれば、磁性体内での反磁場の効果が大きくなる。このため、抵抗変化範囲（ダイナミックレンジ）の増大という観点から、磁気センサ１よりも磁気センサ２の方が好ましい場合がある。上記の角度θ１が６０度以上１２０度以下であればより好ましい。なお、図２では、保護層及び配線部の図示を省略している。

（１．３）第３の例
図３は、本実施形態に係る磁気センサ３の構成例を模式的に示す図である。図３（ａ）は平面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）におけるＸ３−Ｘ´３間の断面図である。
磁化自由層２１の磁化状態は、還流磁区構造をとりうる。還流磁区構造とは、各磁区の磁化が等価な方向を向き、磁束の流れが還流する磁区構造のことである。磁化自由層２１の磁化状態が還流磁区構造をとることで、磁極が外に現れず、静磁的に安定な構造となる。後述の図１８（実施例１１、比較例１１）、図２１（実施例１２、比較例１２）も還流磁区構造をとっている。
磁化自由層２１の磁化状態が還流磁区構造をとる場合、ノイズ低減のため面積を確保する観点から、磁化固定層は、平面視で次の条件を満たすように形成されていることが好ましい。

すなわち、図３に示すように、平面視において、第１の点（Ｐ１）から磁化固定層２３の外縁までの最長距離をなす、磁化固定層の外縁上の点を第２の点（Ｐ２）とする。また、第２の方向であって第１の点（Ｐ１）を通る軸Ａ−Ａ’からの距離が最短となる磁化固定層２３の外縁上の点であって、第１の点との距離が最長となる点を第３の点（Ｐ３）とする。平面視において、この第２の点（Ｐ２）から第３の点（Ｐ３）への方向βと、第１の方向と、がなす角度θ２が１０度以上１７０度以下であることが好ましい。例えば、平面視において、磁化固定層２３の形状は台形である。なお、図３では、保護層及び配線部の図示を省略している。

（１．４）第４の例
図４は、本実施形態に係る磁気センサ４の構成例を模式的に示す断面図である。図４（ａ）は平面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）におけるＸ４−Ｘ´４間の断面図である。
本実施形態では、積層部２０を直列、または並列に接続するため、図４に示すように、平面視において、磁化自由層２１と重複する位置に２つ以上の磁化固定層２３が存在している。すなわち、磁化自由層２１の一方の面側に複数の磁化固定層２３が配置されている。なお、図４では、保護層及び配線部の図示を省略している。

図５は、磁気センサ４が備える複数の感磁ユニット１１を直列に接続する場合を模式的に示す図であり、図５（ａ）は平面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）におけるＸ５−Ｘ´５間の断面図である。
図５に示すように、磁気センサ４は複数の感磁ユニット１１を有する。そして、これら複数の感磁ユニット１１は、配線部４０によって直列接続される。通電の際、電流は、配線部４０→（第１の）感磁ユニット１１→配線部４０→（第２の）感磁ユニット１１→配線部４０→…の順で流れる。

また、各感磁ユニット１１の内部では、非磁性層２２による接合界面を介して、配線部４０→磁化自由層２１→配線部４０→…の順で流れる。すなわち、配線部４０→磁化固定層２３→非磁性層２２→磁化自由層２１→非磁性層２２→磁化固定層２３→配線部４０→…の順で流れる。なお、配線部４０の幅は特に限定されない。
図６は、磁気センサ４が備える複数の積層部２０を並列に接続する場合を模式的に示す平面図である。図６に示すように、複数の積層部２０は、２つ以上の磁化固定層２３が同一の配線部４０で覆われることにより、並列に接続される。
本実施形態では、図５又は図６に示したように、電気的に接続された磁化固定層２３が軸Ａ−Ａ’から外れた位置（すなわち、軸Ａ−Ａ’を覆わない位置）にあれば、その位置や数は制限されない。なお、図５（ａ）、図６では、保護層３０の図示を省略している。

（１．５）第５の構成例
図７は、本実施形態に係る磁気センサ５の構成例を模式的に示す断面図である。図７（ａ）は平面図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）におけるＸ７−Ｘ´７間の断面図である。図７に示すように、本実施形態では、磁化固定層２３が基板１０側に存在していてもよい。この場合、磁化自由層２１と基板１０との間に保護層（絶縁層）３１が配置されていてもよい。なお、図７では、保護層及び配線部の図示を省略している。

（１．６）第６の構成例
図８は、本実施形態に係る磁気センサ６の構成例を模式的に示す断面図である。図８（ａ）は平面図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）におけるＸ８−Ｘ´８間の断面図である。本実施形態において、磁化自由層２１の平面視による形状は、矩形（正方形、長方形等）に限定されない。例えば図８に示すように、磁化自由層２１の平面視による形状は円形（楕円、正円等）であってもよい。また、図示しないが、磁化自由層２１の平面視による形状は、矩形、円形以外の形であってもよい。なお、図８では、保護層及び配線部の図示を省略している。
以上に記載した第１〜第６の構成例は任意に組み合わせてもよい。そのように組み合わせた態様も、本実施形態に含まれる。

（２）製造方法の一例
次に、本実施形態に係る磁気センサ４の製造方法について説明する。
図９は、本実施形態に係る磁気センサ４の製造方法を工程順に示す断面図である。
図９（ａ）に示すように、まず基板１０上にマグネトロンスパッタ法などの公知の方法で積層膜２０’を製膜する。次に、この積層膜２０’上にフォトリソグラフィー法等により第１のマスク部材５０を形成する。第１のマスク部材５０は、積層膜２０’上に所望の箇所に所望の形状で形成してよい。そして、この第１のマスク部材５０をマスクに、ドライエッチング等の公知の方法で積層膜２０’をエッチングして分離する。これにより、図９（ｂ）に示すように、複数の分離された積層膜２０’を基板１０上に形成する。その後、第１のマスク部材５０を除去する。

次に、フォトリソグラフィー法等により、磁化固定層２３を形成するための第２のマスク部材５１を形成する。そして、この第２のマスク部材５１をマスクに、ドライエッチング等の公知の方法で、磁化固定層２３をエッチングする。この時、第２のマスク部材５１に覆われていない非磁性層２２の一部またはすべてがエッチングされてもよい。さらに、第２のマスク部材５１に覆われていない磁化自由層２１の一部がエッチングされてもよい。これにより、図９（ｃ）に示すように、磁化固定層２３を磁化自由層２１と重複する位置に形成し、複数の積層部２０を基板１０上に形成する。その後、第２のマスク部材５１を除去する。

次に、複数の積層部２０上の全面にＰＣＶＤ法など公知の方法を利用して絶縁膜を成膜する。次に、フォトリソグラフィー法等により、配線部との接続のための通電窓を形成したい部分を露出し、それ以外の領域を覆う第３のマスク部材５２を絶縁膜上に形成する。そして、この第３のマスク部材５２をマスクに、ドライエッチング等の公知の方法で絶縁膜をエッチングする。これにより、配線部との接続のための通電窓３０ａを有する保護層（絶縁層）３０を形成する。その後、第３のマスク部材５２を除去する。
次に、図９（ｄ）に示すように、フォトリソグラフィー法等により、配線部が形成される領域と電極が形成される領域とを露出し、それ以外の領域を覆う第４のマスク部材５３を保護層３０上に形成する。そして、この第４のマスク部材５３をマスクに配線部及び端部電極の材料となる導電膜（例えば、金属膜）を基板１０の上方に成膜する。その後、リフトオフ法等の公知の方法により第４のマスク部材５３を除去し、配線部及び電極を形成する。その後、必要に応じて、全体を保護し、電極部のみ開口した保護層（絶縁層）を成膜してもよい。

次に、磁化固定層２３の磁化を第１の方向に固定するため、第１の方向に磁場をかけながら熱処理を行う。この時、磁化固定層２３と磁化自由層２１の磁化方向を直交化させるため、まず第２の方向に磁場をかけながら第１の熱処理を行い、その後、第１の熱処理よりも低い温度で、第１の方向に磁場をかけながら第２の熱処理を行ってもよい。第１、第２の熱処理の温度はそれぞれ２５０℃以上４００℃以下が好ましい。熱処理（第１、第２の熱処理）後、めっき膜やバイアス磁石をさらにその上に形成してもよい。
以上の工程により本実施形態に係る磁気センサ４を得ることができる。

＜実施形態の効果＞
本発明の実施形態によれば、平面視において、第１の方向に磁化が固定された磁化固定層２３が、磁化自由層２１と重複する位置で、かつ、第２の方向で磁化自由層２１の面積を２分割する軸Ａ−Ａ’から外れた位置に配置される。これにより、後述の図１３（比較例１）、図１４（比較例２）に示した磁気センサと比べて、磁気センサの検出可能な磁場範囲（ダイナミックレンジ）増大させることができる。

以下、本発明の実施例について説明する。
実施例１〜４と比較例１、２では、磁化固定層の位置の違いによる、抵抗変化範囲について検討した。
また、実施例１１、１２と比較例１１、１２では、磁化自由層の磁区構造観察を行い、抵抗変化因について考察した。

＜抵抗変化範囲＞
本実施例、比較例における検出可能な磁場範囲（抵抗変化範囲）は、抵抗値が最大になるときの外部磁場と、抵抗値が最小になるときの外部磁場の差分であり、抵抗が最大、または最小になるときの外部磁場をゼロ磁場周辺の大きく抵抗変化する領域における１次近似直線と、抵抗が最大または最小となり、変化しなくなった領域における近似直線との交点として算出した。

＜実施例１＞
まず実施例１について説明する。
［軸方向の定義］
説明の簡単化のため軸方向を以下のように定義する。（図１６参照）
ｘ方向：磁化固定層２３の磁化方向であり、第１の方向
ｙ方向：平面視において第１の方向に垂直な第２の方向
ｚ方向：ｘ方向、ｙ方向に垂直な第３の方向

［座標の定義］
説明の簡単化のため、平面視で、磁化自由層２１における各位置の座標を以下のように定義する。
（０．０）：磁化自由層２１の重心の座標位置（図１６参照）、基準座標とする
（ｘ，ｙ）：
ｘ：磁化自由層２１におけるｘ方向の座標位置
ｙ：磁化自由層２１におけるｙ方向の座標位置
なお、ｘ、ｙの単位はμｍとする。

［磁気センサの形成と測定］
図１０は、実施例１に係る磁気センサの構成例を模式的に示す平面図である。
図１０に示す実施例１では、表面にＳｉＯ_２が１μｍ程度製膜された基板１０上に、シード層としてＴａ、磁化自由層２１としてＮｉＦｅ、Ｒｕ、ＣｏＦｅＢ、非磁性層としてＭｇＯ、磁化固定層２３としてＣｏＦｅＢ、Ｒｕ、ＣｏＦｅ、キャップ層としてＴａ、Ｒｕをこの順で積層し、積層膜を形成した。
次にこの積層膜上にフォトリソグラフィー法により、１００μｍ角のサイズの第１のマスク部材を複数形成した。次に、ＥＣＲプラズマエッチング装置を用いて、第１のマスク部材で覆われていない積層膜を除去し、１００μｍ角サイズの分離された積層膜を複数形成した。その後、第１のマスク部材を除去した。

次に、フォトリソグラフィー法により、磁化固定層２３を形成するための第２のマスク部材を、分離された複数の積層膜すべての上に２つずつ形成した。２つの第２のマスク部材を１０μｍ角のサイズに形成するとともに、その重心が磁化自由層２１の（−４０，２５）、（−４０，−２５）の座標位置にそれぞれ位置するように形成した。次に、ＥＣＲプラズマエッチング装置を用いて、第２のマスク部材で覆われていない積層膜を非磁性層まで除去した。これにより、複数の積層部を基板１０上に形成した。その後、第２のマスク部材を除去した。

次に、複数の積層部が形成された基板１０上に、ＳｉＯ_２からなる保護膜を成膜した。次に、通電窓作製のためフォトリソグラフィー法により、すべての磁化固定層２３の中央付近のみ露出し、それ以外の領域を覆う第３のマスク部材を保護膜上に形成した。そして、この第３のマスク部材をマスクに、ＲＩＥエッチング装置を用いて保護膜の露出部分をエッチングした。これにより、配線部との接続のための通電窓を有する保護層を形成した。その後、第３のマスク部材を除去した。
次に、フォトリソグラフィー法により、各通電窓を直列に接続するような配線部が形成される領域と、電極が形成される領域とを露出し、それ以外の領域を覆う第４のマスク部材を保護層３０上に形成した。次に、マグネトロンスパッタ装置を用いて全面に金属膜を積層した。その後、リフトオフ法により第４のマスク部材を除去し、金属膜から配線部４０及び電極を形成した。
次に、磁場中熱処理装置を用いて、ｙ方向に磁場をかけながら３２５℃で１時間熱処理（第１の熱処理）を行った。その後さらに、ｘ方向に磁場をかけながら３００℃で２０分熱処理（第２の熱処理）を行った。以上の処理により、磁気センサを作製した。
作製した磁気センサに１００ｍＶの電圧をかけながら、ｘ方向から外部磁場を−５０Ｏｅ〜５０Ｏｅまで変化させ、磁気抵抗変化の測定を行った。

＜実施例２＞
次に実施例２について説明する。
図１１は、実施例２に係る磁気センサの構成例を模式的に示す平面図である。
図１１に示す実施例２では、磁化固定層２３を形成する際、２つの第２のマスク部材を１０μｍ角のサイズに形成するとともに、その重心が磁化自由層２１の（４０，２５）、（４０，−２５）の座標位置にそれぞれ位置するように形成した。これ以外は、実施例１と同様の方法で、磁気センサの形成と、磁気抵抗変化の測定とを行った。

＜実施例３＞
次に実施例３について説明する。
図１２は、実施例３に係る磁気センサの構成例を模式的に示す平面図である。
図１２に示す実施例３では、磁化固定層２３を形成する際、２つの第２のマスク部材を１０μｍ角のサイズに形成するとともに、その重心が磁化自由層２１の（−４０，０）、（４０，０）の座標位置にそれぞれ位置するように形成した。これ以外は、実施例１と同様の方法で、磁気センサの形成と、磁気抵抗変化の測定とを行った。

＜実施例４＞
次に実施例４について説明する。
図１３は、実施例４に係る磁気センサの構成例を模式的に示す平面図である。
図１３に示す実施例４では、磁化固定層２３を形成する際、複数の第２のマスク部材を１５μｍ角のサイズに形成するとともに、その重心が磁化自由層２１の（−３７．５，１５．５）、（−３７．５，３５．５）、（−３７．５，−１５．５）、（−３７．５，−３５．５）の座標位置にそれぞれ位置するように形成した。また、配線部４０を形成する際は、２つずつ磁化固定層２３を並列接続し、各磁化自由層２１は直列に接続した。これ以外は、実施例１と同様の方法で、磁気センサの形成と、磁気抵抗変化の測定とを行った。

＜比較例１＞
次に、比較例１について説明する。
図１４は、比較例１に係る磁気センサの構成を模式的に示す平面図である。
図１４に示す比較例１では、磁化固定層２３を形成する際、２つの第２のマスク部材５１を１０μｍ角のサイズに形成するとともに、その重心が磁化自由層２１の（０，２５）、（０，−２５）の座標位置にそれぞれ位置するように形成した。これ以外は、実施例１と同様の方法で、磁気センサの形成と、磁気抵抗変化の測定とを行った。

＜比較例２＞
次に比較例２について説明する。
図１５は、比較例２に係る磁気センサの構成を模式的に示す平面図である。
図１５に示す比較例２では、磁化固定層２３を形成する際、１０個のうち５個の磁化自由層２１について、ｙ方向で磁化自由層２１の面積を２分割する軸Ａ−Ａ’上に４つの第２のマスク部材を１５μｍ角のサイズで形成した。また、配線部４０を形成する際は、２つずつ磁化固定層２３を並列接続し、各磁化自由層２１は直列に接続した。これ以外は、実施例１と同様の方法で、磁気センサの形成と、磁気抵抗変化の測定とを行った。

＜実施例、比較例の比較＞
上述の実施例１〜４及び比較例１、２の各パラメータを表１に示す。
また、実施例１と比較例１の磁気抵抗曲線を図１７に示す。図１７の横軸は外部磁場を示し、縦軸は抵抗変化率を示している。

表１に各実施例、比較例の抵抗変化範囲を示す。前述のように、実施例と比較例の違いは磁化固定層の位置のみである。表１に示すように、本発明の実施例１〜４はいずれも比較例１、２よりも抵抗変化範囲が広いことが分かり、明らかに本発明の効果があることが分かる。

＜磁区構造観察＞
本発明の抵抗変化の原理は、すでに公知である、ＧＭＲ効果（Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｅｆｆｅｃｔ）またはＴＭＲ効果（Ｔｕｎｎｅｌ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｅｆｆｅｃｔ）によるものである。ＴＭＲ効果による抵抗値の変化は、磁化自由層の磁化と磁化固定層の磁化の相対角の変化によるものであり、これらの界面において抵抗が変化する。本発明は、磁化自由層の一部と磁化固定層が重複した位置にあることから、磁化固定層と重複した位置の磁化自由層の磁化状態で決定されると推測できる。そこで、本発明による抵抗変化範囲の増大は、磁化自由層の磁区構造に由来するものであると考え、これを確かめるために磁区観察顕微鏡を用いて磁化自由層の磁化状態を確認した。

磁区観察顕微鏡は、縦Ｋｅｒｒ効果を用いて光学的に磁化の向きを検出するための機器であり、入射光と平行な磁化の量に応じて、コントラストが変化する。順平行、反平行がそれぞれ白、黒に対応し、それ以外は磁化方向の向きに応じた明るさの灰色となる。すなわち、所望領域の平均コントラスト値をとることで、相対的な磁化状態の比較が可能となる。そこで磁化自由層のみのサンプルを作製して磁化自由層表面を観察し、一部の領域の平均コントラスト値を抜き出して比較することで、磁化状態の領域依存性を確認した。

＜実施例１１＞
実施例１１について説明する。
［磁区観察用素子の形成と測定］
磁区観察は、磁化自由層表面の観察を行うため、実施例、比較例の素子構造では測定できない。そこで、磁化自由層２１のみを持つ素子を作製した。
まず実施例１と同様の手順で、１００μｍ角サイズの分離された積層膜を形成した。次に、ＥＣＲプラズマエッチング装置を用いて、積層膜を非磁性層２２まで除去した。次に、ＴＥＯＳ−ＣＶＤを利用し、ＳｉＯ_２からなる保護膜を成膜した。

次に、磁場中熱処理装置を用いて、ｙ方向に磁場をかけながら３２５℃で１時間熱処理（第１の熱処理）を行った。その後さらに、ｘ方向に磁場をかけながら３００℃で２０分熱処理（第２の熱処理）を行った。以上の処理により、磁区観察用素子を作製した。
次に、磁区観察顕微鏡を用いて、ｘ方向に−２０Ｏｅ〜２０Ｏｅを印加したときの、作製した磁区観察用素子の縦Ｋｅｒｒ効果による磁区像（図１８）を取得した。その後、解析ソフトを用いて、磁化自由層２１の（−３０，２５）の座標位置を重心とした、１０μｍ角サイズの領域（図１８のａ位置）の平均コントラスト値を取得した。

＜実施例１２＞
次に実施例１２について説明する。実施例１２では、磁化自由層２１のｘ方向長さを６０μｍ、ｙ方向長さを１４０μｍとして形成した。これ以外は、実施例１１と同様の方法で、磁区観察用素子の形成と、磁区像（図２１）の取得及び測定を行い、磁化自由層２１の（−２５，０）の座標位置における、１０μｍ角サイズの領域（図２１のＤ位置）の平均コントラスト値を取得した。

＜比較例１１＞
実施例１１と同様の磁区像において、磁化自由層２１の（０，２５）の座標位置における、１０μｍ角サイズの領域（図１８のｂ位置）の平均コントラスト値を取得した。
＜比較例１２＞
実施例１２と同様の磁区像において、磁化自由層２１の（０，５５）の座標位置における、１０μｍ角サイズの領域（図２１のＣ位置）の平均コントラスト値を取得した。

＜磁区観察結果の比較＞
実施例１１、比較例１１、実施例１２、比較例１２の平均コントラスト値を縦軸、その時の印加磁場を横軸としてプロットしたものをそれぞれ、図１９、図２０、図２２、図２３に示す。
いずれの比較でも、実施例の方が比較例と比べて、平均コントラスト値の変化を検出可能な磁場範囲（ダイナミックレンジ）が広いことが分かる。コントラスト値の変化は磁化状態の変化に対応し、抵抗値の変化に対応する。すなわち、実施例１〜４と比較例１、２の違いは、実施例１１、１２と比較例１１、１２の違いに起因するものであると推定される。
また、実施例１１と実施例１２を比較すると、実施例１２の方が、抵抗変化範囲が広くゼロ磁場付近の抵抗値のジャンプが抑制されている。抵抗変化範囲の拡大は、磁化自由層２１のｘ方向の幅の縮小による効果も含まれるが、より高い線形性を確保できるという点で実施例１２の方がより好ましい。

図１８、図１９によると、磁化が±ｘ方向を向いている場合、黒または白くなり、磁化が±ｙ方向を向いている場合、灰色となっている。したがって、磁区構造は、還流磁区構造をとっていることが分かる。還流磁区構造の場合、ｘ＝０の軸上だけでなく、中央付近から４隅の角に向かって広がるように、磁化変化が急激な領域が存在している。すなわち、図３に示したように、磁化固定層２３の平面視による形状を台形等にして、磁化変化が急激な領域を避けるように磁化固定層２３を形成することができればより好ましい。
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および方法における動作、手順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、および図面中の順序に関して、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。

１〜６ 磁気センサ
１０ 基板
１１ 感磁ユニット
２０ 積層部
２０’ 積層膜
２１ 磁化自由層
２２ 非磁性層
２３ 磁化固定層
３０、３１ 保護層
４０ 配線部
５０ 第１のマスク部材
５１ 第２のマスク部材
５２ 第３のマスク部材
５３ 第４のマスク部材

Claims (8)

1. 基板と、
   前記基板上に配置された感磁ユニットと、を備え、
   前記感磁ユニットは、外部磁場に応じて磁化が変化する磁化自由層と、第１の方向に磁化が固定された磁化固定層と、前記磁化自由層と前記磁化固定層との間に配置された非磁性層と、を含む積層部を有し、
   平面視において、前記磁化固定層は、前記磁化自由層と重複する位置で、かつ、前記第１の方向に垂直な第２の方向で前記磁化自由層の面積を２分割する軸から外れた位置、に配置されている磁気センサ。
2. 平面視において、前記磁化自由層の重心である第１の点から前記磁化自由層の外縁までの最長距離をなす方向と、前記第１の方向と、がなす角度が４５度以上１３５度以下である請求項１に記載の磁気センサ。
3. 平面視において、前記磁化自由層は、前記第１の方向よりも前記第２の方向に長い長方形である請求項１又は請求項２に記載の磁気センサ。
4. 平面視において、前記磁化自由層の重心である第１の点から前記磁化固定層の外縁までの最長距離をなす前記磁化固定層の外縁上の点を第２の点とし、
   前記第２の方向であって前記第１の点を通る軸からの距離が最短となる前記磁化固定層の外縁上の点であって、前記第１の点との距離が最長となる点を第３の点としたとき、
   前記第２の点から前記第３の点への方向と、前記第１の方向と、がなす角度が１０度以上１７０度以下である請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の磁気センサ。
5. 平面視において、前記磁化固定層の形状は台形である請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の磁気センサ。
6. 前記磁化自由層の一方の面側に複数の前記磁化固定層が配置されている請求項１から請求項５の何れか一項に記載の磁気センサ。
7. 前記感磁ユニットを複数備え、
   前記複数の感磁ユニットは電気的に直列接続される請求項１から請求項６の何れか一項に記載の磁気センサ。
8. 前記第１の方向に平行な磁場を前記磁化固定層に印加するバイアス磁石をさらに備える請求項１から請求項７の何れか一項に記載の磁気センサ。