JPWO2010137606A1 - 磁気センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 特に、１チップ構成で複数の磁気抵抗効果素子の固定磁性層の磁化方向を反平行に調整でき、しかも低コストで高い検出精度を備える磁気センサを提供することを目的とする。【解決手段】 同一基板に第１磁気抵抗効果素子１３，１４と第２磁気抵抗効果素子１５，１６とが成膜される。第１磁気抵抗効果素子１３，１４の固定磁性層４２は、磁性層４９，５１，５３が３層の積層フェリ構造であり、第２磁気抵抗効果素子１５，１６の固定磁性層５５は、磁性層５６，５８が２層の積層フェリ構造である。第１磁気抵抗効果素子１３，１４の第３磁性層５３の磁化方向と、第２磁気抵抗効果素子１５，１６の第２磁性層５８の磁化方向とは互いに反平行となっている。【選択図】図３

Description

本発明は、同一基板に複数の磁気抵抗効果素子を備え、磁気抵抗効果素子を構成する固定磁性層が複数の磁性層と、各磁性層の間に介在する非磁性中間層との積層フェリ構造で形成された磁気センサに関する。

複数の磁気抵抗効果素子を用いて構成されたブリッジ回路（検出回路）を備える磁気センサは、出力を大きくすべく、外部磁場に対して逆の電気特性となる２種類の磁気抵抗効果素子を使用する。磁気抵抗効果素子としてＧＭＲ素子（巨大磁気抵抗効果素子）を用いた場合、ＧＭＲ素子を構成する固定磁性層の磁化方向を一方の磁気抵抗効果素子と他方の磁気抵抗効果素子とで反対にすれば、電気特性を逆にすることが出来る。

これらＧＭＲ素子を、まず同一基板上に形成し、また磁場中熱処理にて、全てのＧＭＲ素子の固定磁性層の磁化方向を同一方向に調整する。そして、例えば複数のＧＭＲ素子を組として各組毎に基板を分断してチップ化し、一方のチップに配置されたＧＭＲ素子の固定磁性層の磁化方向と、他方のチップに配置されたＧＭＲ素子の固定磁性層の磁化方向とが反平行になるように、一方のチップを他方のチップに対して１８０度回転させた状態で、一方のチップと他方のチップを共通の支持基板上に設置する。さらに指示基板の電極部と各チップのパッド間をワイヤボンディングする。

国際公開第９４／１５２２３号 特開２００２−１４０８０５号公報

しかしながら、上記により製造された磁気センサでは、固定磁性層の磁化方向が異なるＧＭＲ素子を備える各チップを、支持基板に並設しなければならず、さらに各チップと支持基板間をワイヤボンディングするためにワイヤボンディング領域が必要になる等、磁気センサが大型化する問題があった。

また従来では、基板を複数に切断した後、一方のチップを１８０度反転させて、さらに各チップを支持基板上に貼り付ける（ダイボンディング）という一連の作業工程が必要になり、また１つの基板から製造できる取り個数が少なくなり製造工程の煩雑化及び製造コストの上昇が問題となった。また製造ばらつきが生じやすく磁気センサの検出精度にもばらつきが生じやすくなった。

特許文献に記載された発明は、固定磁性層の磁化方向が異なる複数の磁気抵抗効果素子にて外部磁場に対する検出回路が構成された磁気センサに関する発明でなく、上記した従来課題に対する解決手段は記載されていない。

そこで本発明は、上記従来の課題を解決するためのものであり、特に、１チップ構成で複数の磁気抵抗効果素子の固定磁性層の磁化方向を反平行に調整でき、しかも低コストで高い検出精度を備える磁気センサを提供することを目的とする。

本発明は、複数の磁気抵抗効果素子にて外部磁場に対する検出回路が構成された磁気センサであって、
前記磁気抵抗効果素子は、磁化方向が固定される固定磁性層と、前記固定磁性層に非磁性層を介して積層された外部磁場を受けて磁化方向が変動するフリー磁性層と、前記固定磁性層の前記非磁性層とは反対側の面に形成され、前記固定磁性層との間で磁場中熱処理により交換結合磁界を生じさせる反強磁性層と、を有する積層構造を備えており、
前記固定磁性層は、複数の磁性層と前記磁性層の間に介在する非磁性中間層との積層フェリ構造で構成されており、
複数の前記磁気抵抗効果素子のうち、前記磁性層の数が奇数の第１磁気抵抗効果素子と、前記磁性層の数が偶数の第２磁気抵抗効果素子とが同一基板に成膜されており、
前記第１磁気抵抗効果素子の前記固定磁性層を構成する前記磁性層のうち前記非磁性層に接する前記磁性層の磁化方向と、前記第２磁気抵抗効果素子の前記固定磁性層を構成する前記磁性層のうち前記非磁性層に接する前記磁性層の磁化方向とが互いに反平行となっていることを特徴とするものである。

本発明では１チップで構成でき、これにより磁気センサの小型化を促進でき、また製造ばらつきを小さくでき、さらに取り個数を増やすことができる。これにより、製造コストを抑えることが出来るとともに、高い検出精度を備えることができる。

本発明では、前記第１磁気抵抗効果素子と前記第２磁気抵抗効果素子の抵抗変化率（ΔＭＲ）及び温度特性（ＴＣΔＭＲ）がほぼ等しいことが好ましい。本発明では、例えば、第１磁気抵抗効果素子を構成する磁性層のうち、非磁性層に接する磁性層及び反強磁性層に接する磁性層の膜厚を夫々調整することで、簡単且つ適切に第１磁気抵抗効果素子の抵抗変化率（ΔＭＲ）及び温度特性（ＴＣΔＭＲ）を、第２磁気抵抗効果素子に合わせ込むことが出来る。

また本発明では、前記第１磁気抵抗効果素子の前記磁性層の数は３であり、前記第２磁気抵抗効果素子の前記磁性層の数は２であることが好ましい。これにより、第１磁気抵抗効果素子と第２磁気抵抗効果素子との間で、抵抗変化率（ΔＭＲ）や温度特性（ＴＣΔＭＲ）の合わせ込みを簡単且つ適切に行うことができ、また第１磁気抵抗効果素子及び第２磁気抵抗効果素子の双方が高い外乱磁場に対する耐熱信頼性や抵抗変化率（ΔＭＲ）を得ることが出来るように調整しやすい。

また本発明では、前記第１磁気抵抗効果素子を構成する前記固定磁性層は、前記反強磁性層に接する側から第１磁性層、前記非磁性中間層、第２磁性層、前記非磁性中間層、前記第３磁性層の順に積層され、前記第３磁性層は前記非磁性層に接しており、
前記第２磁性層の膜厚は、前記第１磁性層及び前記第２磁性層の膜厚よりも厚いことが好ましい。これにより、第１磁気抵抗効果素子の外乱磁場に対する耐熱信頼性を向上でき、また抵抗変化率（ΔＭＲ）の低下を適切に抑制できる。

また本発明では、前記第２磁性層の膜厚＞前記第３磁性層の膜厚＞前記第１磁性層の膜厚の関係を満たすことが好ましい。第３磁性層の膜厚を厚くすることで、抵抗変化率（ΔＭＲ）を大きくすることができ、一方、第１磁性層の膜厚を薄くすることで、反強磁性層との交換結合磁界（Ｈｅｘ）を大きくでき、固定磁性層の磁化固定力を強くすることができる。

また本発明では、０．５Å＜（前記第１磁性層の膜厚＋前記第３磁性層の膜厚−前記第２磁性層の膜厚）＜１．５Åの関係を満たすことが好ましい。これにより、より効果的に、第１磁気抵抗効果素子の外乱磁場に対する耐熱信頼性を向上でき、また高い抵抗変化率（ΔＭＲ）を得ることが出来る。

また本発明では、（前記第１磁性層の膜厚＋前記第３磁性層の膜厚−前記第２磁性層の膜厚）を−２．５Å〜−１．５Åの範囲内にて調整することも可能である。

また本発明では、上記した各磁性層の膜厚限定と合わせて、前記第１磁性層はＣｏ_xＦｅ_100-x（ｘはａｔ％であり、６０〜１００の範囲内である）で形成され、前記第２磁性層及び前記第３磁性層は、Ｃｏ_yＦｅ_100-y（ｙはａｔ％であり、８０〜１００の範囲内である）で形成されることが好ましい。

また本発明では、各磁性層の飽和磁化をＭｓ、各磁性層の膜厚をｔとしたとき、前記第２磁性層のＭｓ・ｔは、前記第１磁性層のＭｓ・ｔと前記第３磁性層の膜厚Ｍｓ・ｔとを足した値にほぼ等しいことが好ましい。これにより、より効果的に、第１磁気抵抗効果素子の外乱磁場に対する耐熱信頼性を向上でき、また高い抵抗変化率（ΔＭＲ）を得ることが出来る。

また本発明では、前記第１磁気抵抗効果素子と前記第２磁気抵抗効果素子は平面視のパターン寸法が異なり、前記第１磁気抵抗効果素子の素子抵抗値と前記第２磁気抵抗効果素子の素子抵抗値とがほぼ同じとなっていることが好ましい。

また本発明では、前記第１磁気抵抗効果素子と前記第２磁気抵抗効果素子は、絶縁層を介して積層されていることが好ましい。これにより、より効果的に磁気センサの小型化を促進できる。

本発明の磁気センサによれば、１チップで構成でき、これにより磁気センサの小型化を促進でき、また製造ばらつきを小さくでき、さらに取り個数を増やすことができる。これにより、製造コストを抑えることが出来るとともに、高い検出精度を備えることができる。

本実施形態における磁気センサの斜視図、 本実施形態の磁気センサの部分拡大縦断面図、 第１磁気抵抗効果素子及び第２磁気抵抗効果素子の積層構造の拡大縦断面図、 本実施形態の磁気センサの回路図、 第１磁気抵抗効果素子のＲ−Ｈ特性、 第２磁気抵抗効果素子のＲ−Ｈ特性、 第１磁気抵抗効果素子の固定磁性層を構成する第２磁性層あるいは第３磁性層の膜厚と抵抗変化率（ΔＭＲ）との関係を示すグラフ、 第１磁気抵抗効果素子の固定磁性層を構成する第１磁性層の膜厚と温度特性（ＴＣΔＭＲ）との関係を示すグラフ、 第１磁気抵抗効果素子の（第１磁性層の膜厚＋第３磁性層の膜厚−第２磁性層の膜厚）と規格化Ｈｐｌとの関係を示すグラフ、 第１磁気抵抗効果素子の（第１磁性層の膜厚＋第３磁性層の膜厚−第２磁性層の膜厚）と抵抗変化率（ΔＭＲ）との関係を示すグラフ。

図１は本実施形態における磁気センサの斜視図、図２は、図１に示す磁気センサの部分拡大縦断面図、図３（ａ）（ｂ）は、第１磁気抵抗効果素子及び第２磁気抵抗効果素子の積層構造を示す拡大縦断面図、図４は、本実施形態の磁気センサの回路図、である。

本実施形態の磁気センサ１０は、図１，図２に示すように、同一の基板１１に、２つの第１磁気抵抗効果素子１３，１４と、２つの第２磁気抵抗効果素子１５，１６とが絶縁中間層を介して積層されている。

図２に示すように、基板１１上には絶縁下地層１２が形成され、この絶縁下地層１２の上に第１磁気抵抗効果素子１３，１４が形成されている。また、第２磁気抵抗効果素子１５，１６は絶縁中間層１７の平坦化面１７ａ上に形成される。図２に示すように第２磁気抵抗効果素子１５，１６上は保護層１８で覆われている。ここで絶縁下地層１２は例えば膜厚が１０００Å程度のＡｌ₂Ｏ₃で形成される。また、絶縁中間層１７は、下から、例えば膜厚が１０００Å程度のＡｌ₂Ｏ₃層と、膜厚が５０００Å〜２００００Å程度のＳｉＯ₂層又はＳｉＮ層と、膜厚が１０００Å程度のＡｌ₂Ｏ₃層との積層構造で形成される。

ここで、絶縁中間層１７は、上記のように３層構造とすることが好ましい。下から第１の絶縁層、第２の絶縁層、第３の絶縁層の順に積層され、第１の絶縁層を構成するＡｌ₂Ｏ₃層は、第１磁気抵抗効果素子１３，１４を酸化等から保護する。また第２の絶縁層を構成するＳｉＯ₂層又はＳｉＮ層は、第１磁気抵抗効果素子１３，１４と第２磁気抵抗効果素子１５，１６間を電気的に分離し且つ耐ＥＳＤに必要十分な膜厚を有する。また、第３の絶縁層を構成するＡｌ₂Ｏ₃層は、第２磁気抵抗効果素子１５，１６のＧＭＲ特性の安定を得る目的のため設けられる。特に、ＥＳＤ耐性を確保するために、第２の絶縁層の膜厚は５０００Å以上で、更に好ましくは１００００Å以上必要である。また、第２の絶縁層の膜厚は厚すぎると成膜プロセス及び電極の上下コンタクト用の貫通孔を形成するためのエッチングプロセス時間が長くなるため、２００００Å以下、特に好ましくは１５０００Å以下とすることが好ましい。

また保護層１８は、２０００Å程度のＡｌ₂Ｏ₃層やＳｉＯ₂層で形成される。なお上記の絶縁構成はあくまでも一例である。上記では無機絶縁材料を使用したが有機絶縁材料を用いることもできる。

図１に示すように第１磁気抵抗効果素子１３，１４Å及び第２磁気抵抗効果素子１５，１６はミアンダ形状で形成されている。また図２に示すように、第１磁気抵抗効果素子１３，１４と第２磁気抵抗効果素子１５，１６は、絶縁中間層１７を介して重なるように形成されている。

図１に示すように、２つの出力電極２０，２１と、入力電極２２とグランド電極２３とが、絶縁中間層１７を貫いて形成されている。各電極には、第１磁気抵抗効果素子の一方の端部と第２磁気抵抗効果素子の一方の端部が電気的に接続され図４に示すブリッジ回路（検出回路）が構成されている。

図１，図２に示す磁気センサ１０の製造方法について説明する。例えばまず、第１磁気抵抗効果素子を構成する積層膜を基板１１の面内全域にスパッタ法等で形成し、エッチング法を用いて、ミアンダ形状の第１磁気抵抗効果素子１３，１４を形成する。また第１磁気抵抗効果素子１３，１４の端部を各電極の形成領域まで引き延ばして形成する。

そして、第１磁気抵抗効果素子１３，１４上に絶縁中間層１７を形成し、前記絶縁中間層１７上に、第２磁気抵抗効果素子１５，１６を形成する。例えば第２磁気抵抗効果素子を構成する積層膜を基板１１の面内全域にスパッタ法等で形成し、エッチング法を用いて、ミアンダ形状の第２磁気抵抗効果素子１５，１６を形成する。このとき、第２磁気抵抗効果素子１５，１６の端部を各電極の形成領域まで引き延ばして形成する。

続いて、エッチングにて、各電極２０〜２３の形成領域の絶縁中間層１７に貫通孔を形成し、この貫通孔内に、電極２０〜２３となる導電層をメッキ等で埋め込み形成する。これにより、各磁気抵抗効果素子１３〜１６の端部と各電極２０〜２３とを電気的に接続する。

図３（ａ）は、第１磁気抵抗効果素子１３，１４の積層構造を示す縦断面図であり、図３（ｂ）は、第２磁気抵抗効果素子１５，１６の積層構造を示す縦断面図である。

図３（ａ）に示すように、第１磁気抵抗効果素子１３，１４は、下からシード層４０、反強磁性層４１、固定磁性層４２、非磁性層４３、フリー磁性層４４及び保護層４５の順に積層された巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）である。

シード層４０は例えばＮｉ−Ｆｅ−Ｃｒで形成される。反強磁性層４１は、Ｉｒ−Ｍｎ合金（イリジウム−マンガン合金）やＰｔ−Ｍｎ合金（プラチナ−マンガン合金）などの反強磁性材料で形成されている。非磁性層４３はＣｕ（銅）などである。フリー磁性層４４は、Ｎｉ−Ｆｅ合金（ニッケル−鉄合金）などの軟磁性材料で形成されている。この実施形態ではフリー磁性層４４は３層の積層構造であり、下から第１Ｃｏ−Ｆｅ層４６，第２Ｃｏ−Ｆｅ層４７及びＮｉ−Ｆｅ層４８の順に積層されている。第１Ｃｏ−Ｆｅ層４６のＣｏ濃度のほうが、第２Ｃｏ−Ｆｅ層４７のＣｏ濃度よりも高いことが好適である。例えば、第１Ｃｏ−Ｆｅ層４６は、Ｃｏ_zＦｅ_100-z（ｚはａｔ％であり、８０〜１００の範囲内である）で形成され、第２Ｃｏ−Ｆｅ層４７は、Ｃｏ_wＦｅ_100-w（ｗはａｔ％であり、６０〜１００の範囲内である）で形成される。またフリー磁性層４４は２層構造でも単層構造であってもよい。保護層４５はＴａ（タンタル）などである。

図３（ａ）に示すように第１磁気抵抗効果素子１３，１４の固定磁性層４２は、下から第１磁性層４９、非磁性中間層５０、第２磁性層５１、非磁性中間層５２、及び第３磁性層５３の順に積層された積層フェリ構造である。例えば、第１磁性層４９、第２磁性層５１及び第３磁性層５３は共にＣｏ−Ｆｅ合金で形成され、非磁性中間層５０，５２はＲｕ（ルテニウム）等で形成される。

反強磁性層４１と第１磁性層４９の間では磁場中熱処理により交換結合磁界（Ｈｅｘ）が生じるとともに、第１磁性層４９と第２磁性層５１の間、及び、第２磁性層５１と第３磁性層５３の間ではＲＫＫＹ的相互作用が生じて、非磁性中間層５０，５２を介して対向する各磁性層４９，５１，５３の磁化方向は互いに反平行状態で固定される。図３（ａ）に示すように、例えば、第１磁性層４９，第３磁性層５３の磁化方向はＸ１方向で、第２磁性層５１の磁化方向はＸ２方向である。

また図３（ｂ）に示すように、第２磁気抵抗効果素子１５，１６は、下からシード層４０、反強磁性層４１、固定磁性層５５、非磁性層４３、フリー磁性層４４及び保護層４５の順に積層された巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）である。図３（ｂ）に示すように、第２磁気抵抗効果素子１５，１６を構成する固定磁性層５５は、下から第１磁性層５６、非磁性中間層５７、第２磁性層５８の順に積層された積層フェリ構造である。例えば、第１磁性層５６及び第２磁性層５８は共にＣｏ−Ｆｅ合金で形成され、非磁性中間層５７はＲｕ（ルテニウム）等で形成される。

反強磁性層４１と第１磁性層５６の間では磁場中熱処理により交換結合磁界（Ｈｅｘ）が生じるとともに、第１磁性層５６と第２磁性層５８の間の間ではＲＫＫＹ的相互作用が生じて、第１磁性層５６と第２磁性層５８の磁化方向が反平行状態で固定される。図３（ｂ）に示すように、例えば、第１磁性層５６の磁化方向はＸ１方向で、第２磁性層５８の磁化方向はＸ２方向である。

本実施形態では、図３（ａ）（ｂ）に示すように、第１磁気抵抗効果素子１３，１４の固定磁性層４２を構成する磁性層のうち、非磁性層４３に接する第３磁性層５３の磁化方向（Ｘ１方向）と、第２磁気抵抗効果素子１５，１６の固定磁性層５５を構成する磁性層のうち、非磁性層４３に接する第２磁性層５８の磁化方向（Ｘ２方向）とが反平行になっている。

一方、フリー磁性層４４の磁化方向は、外部磁場により変動する。例えば、外部磁場がＸ１方向に作用するとフリー磁性層４４の磁化はＸ１方向に向く。このとき第１磁気抵抗効果素子１３，１４の非磁性層４３に接する第３磁性層５３の磁化方向（Ｘ１方向）とフリー磁性層４４の磁化方向とが平行になり第１磁気抵抗効果素子１３，１４の電気抵抗値は最小値（Ｒｍｉｎ）になる。一方、第２磁気抵抗効果素子１５，１６の非磁性層４３に接する第２磁性層５８の磁化方向（Ｘ２方向）とフリー磁性層４４の磁化方向とが反平行になり第２磁気抵抗効果素子１５，１６の電気抵抗値は最大値（Ｒｍａｘ）になる。このように第１磁気抵抗効果素子１３，１４の電気特性と、第２磁気抵抗効果素子１５，１６の電気特性は逆になる。

以下、第１磁気抵抗効果素子１３，１４及び第２磁気抵抗効果素子１５，１６のＲ−Ｈ特性の一例を示す。実験で使用した各磁気抵抗効果素子の膜構成は以下の通りである。

第１磁気抵抗効果素子１３，１４の膜構成を下から、基板／シード層４０：ＮｉＦｅＣｒ／反強磁性層：ＩｒＭｎ／固定磁性層４２：［第１磁性層４９：Ｃｏ_70at%Ｆｅ_30at%（Ｘ）／非磁性中間層５０：Ｒｕ／第２磁性層５１：Ｃｏ_90at%Ｆｅ_10at%（Ｙ）／非磁性中間層５２：Ｒｕ／第３磁性層：Ｃｏ_90at%Ｆｅ_10at%（Ｚ）］／非磁性層４３：Ｃｕ／フリー磁性層４４：［ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ］／保護層：Ｔａとした。

また、第２磁気抵抗効果素子１５，１６の膜構成を下から、基板／シード層４０：ＮｉＦｅＣｒ／反強磁性層：ＩｒＭｎ／固定磁性層５５：［第１磁性層５６：ＣｏＦｅ／非磁性中間層５７：Ｒｕ／第２磁性層５８：ＣｏＦｅ］／非磁性層４３：Ｃｕ／フリー磁性層４４：［ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ］／保護層：Ｔａとした。

なお、上記の膜構成において括弧内のＸ，Ｙ，Ｚは膜厚を示す。
上記した磁気抵抗効果素子を成膜後、磁場中熱処理を施した。

図５は、第１磁気抵抗効果素子１３，１４のＲ−Ｈ特性であり、図６は、第２磁気抵抗効果素子１５，１６のＲ−Ｈ特性である。図５，図６の上段にはメジャーループを、図５，図６の下段にはマイナーループを示す。

また図５，図６のグラフの横軸は外部磁場の大きさ及び方向を示し、縦軸は抵抗変化率（ΔＭＲ）を示す。

図５，図６に示すように、第１磁気抵抗効果素子１３，１４の電気特性と、第２磁気抵抗効果素子１５，１６の電気特性は外部磁場に対して逆になることがわかる。ここで１Ｏｅは約８０Ａ／ｍである。

そして、本実施形態における第１磁気抵抗効果素子１３，１４及び第２磁気抵抗効果素子１５，１６により図４に示すブリッジ回路が構成され、図４に示すブリッジ回路の出力電極２０，２１からの出力は、第１磁気抵抗効果素子１３，１４及び第２磁気抵抗効果素子１５，１６の電気抵抗値の変動に基づいて変化する。出力電極２０，２１は、図示しない集積回路の差動増幅器に接続され、これにより差動出力を得ることが出来る。

図１，図２に示すように、本実施形態では、同一の基板１１に、第１磁気抵抗効果素子１３，１４と第２磁気抵抗効果素子１５，１６とを絶縁中間層１７を介して積層しており、１チップにて磁気センサ１０を構成でき、従来のようなワイヤボンディング領域を必要としない。これにより、磁気センサ１０の小型化を促進できる。また従来のように複数のチップで磁気センサ１０を構成する場合に比べて、各チップ間の位置決め等が必要なく製造ばらつきを小さくでき、さらに取り個数を増やすことができる。これにより、製造コストを抑えることができるとともに、検出精度を向上させることができる。

しかも本実施形態では、第１磁気抵抗効果素子１３，１４の固定磁性層４２を構成する磁性層４９，５１，５３の数を奇数とし、第２磁気抵抗効果素子１５，１６の固定磁性層５５を構成する磁性層５６，５８の数を偶数とすることで、１チップ構成でも、１回の磁場中熱処理にて、第１磁気抵抗効果素子１３，１４の非磁性層４３に接する磁性層（第３磁性層）５３の磁化方向と、第２磁気抵抗効果素子１５，１６の非磁性層４３に接する磁性層（第２磁性層）５８の磁化方向とを反平行にすることが出来る。

磁場中熱処理は、上記したように、反強磁性層４１と第１磁性層４９，５６間に交換結合磁界（Ｈｅｘ）を生じさせるために行う。この磁場中熱処理は、第１磁気抵抗効果素子１３，１４及び第２磁気抵抗効果素子１５，１６の双方を形成した後、第１磁気抵抗効果素子１３，１４及び第２磁気抵抗効果素子１５，１６に対して同時に行なうことが可能である。

本実施形態では、第１磁気抵抗効果素子１３，１４と第２磁気抵抗効果素子１５，１６の抵抗変化率（ΔＭＲ）及び温度特性（ＴＣΔＭＲやＴＣＲ）をほぼ等しくすることで、安定して高い検出精度を得ることが出来る。ここで「ほぼ等しい」とは比率で、±１０％程度の誤差を含む概念である。

本実施形態では、例えば、各磁気抵抗効果素子の固定磁性層を構成する磁性層の膜厚を調整することで、第１磁気抵抗効果素子１３，１４と第２磁気抵抗効果素子１５，１６の抵抗変化率（ΔＭＲ）と温度特性（ＴＣΔＭＲ）とをほぼ等しく出来る。

具体的には、以下のようにして、抵抗変化率（ΔＭＲ）と温度特性（ＴＣΔＭＲ）とを調整することが出来る。

今、固定磁性層５５を構成する磁性層５６，５８が２層の第２磁気抵抗効果素子１５，１６の抵抗変化率（ΔＭＲ）と温度特性（ＴＣΔＭＲ）に対して、固定磁性層４２を構成する磁性層４９，５１，５３が３層の第１磁気抵抗効果素子１３，１４の抵抗変化率（ΔＭＲ）と温度特性（ＴＣΔＭＲ）を合わせ込むこととする。

第２磁気抵抗効果素子１５，１６には、上記した図６の実験で使用した積層膜を用い、このとき、第２磁気抵抗効果素子１５，１６の抵抗変化率（ここでの抵抗変化率（ΔＭＲ）は、１１．０％程度であった。

また、第２磁気抵抗効果素子１５，１６には、上記した図６の実験で使用した積層膜を用い、このとき、第２磁気抵抗効果素子１５，１６の抵抗変化率の温度特性（ＴＣΔＭＲ）は、−３０６０（ｐｐｍ／℃）程度であった。

次に、第１磁気抵抗効果素子１３，１４の膜構成を下から、基板／シード層４０：ＮｉＦｅＣｒ／反強磁性層：ＩｒＭｎ／固定磁性層４２：［第１磁性層４９：Ｃｏ_70at%Ｆｅ_30at%（Ｘ）／非磁性中間層５０：Ｒｕ／第２磁性層５１：Ｃｏ_90at%Ｆｅ_10at%（Ｙ）／非磁性中間層５２：Ｒｕ／第３磁性層：Ｃｏ_90at%Ｆｅ_10at%（Ｚ）］／非磁性層４３：Ｃｕ／フリー磁性層４４：［ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ］／保護層：Ｔａとした。そして、素子成膜後、磁場中熱処理を施した。

ここで、第１磁性層４９の膜厚（Ｘ）と、第２磁性層５１の膜厚（Ｙ）を固定し、第３磁性層５３の膜厚（Ｚ）を変化させて、第１磁気抵抗効果素子１３，１４の抵抗変化率（ΔＭＲ）を求めた。

また、第１磁性層４９の膜厚（Ｘ）と、第３磁性層５３の膜厚（Ｚ）を固定し、第２磁性層の膜厚（Ｙ）を変化させて、第１磁気抵抗効果素子１３，１４の抵抗変化率（ΔＭＲ）を求めた。その実験結果が図７に示されている。

図７に示すように、第３磁性層５３の膜厚（Ｚ）を厚くしていくと抵抗変化率（ΔＭＲ）が徐々に大きくなることがわかった。図７に示すように、第３磁性層５３の膜厚（Ｚ）を変化させることで、第２磁気抵抗効果素子１５，１６の抵抗変化率（ΔＭＲ）とほぼ等しい抵抗変化率（ΔＭＲ）を得ることが可能であるとわかった。

次に、上記の膜構成の第１磁気抵抗効果素子１３，１４を用い、第２磁性層５１の膜厚（Ｙ）と、第３磁性層５３の膜厚（Ｚ）を固定し、第１磁性層４９の膜厚（Ｘ）を変化させて、第１磁気抵抗効果素子１３，１４の温度特性（ＴＣΔＭＲ）を測定した。その実験結果が図８に示されている。

図８に示すように第１磁性層４９の膜厚（Ｘ）が大きくなると、徐々に、第１磁気抵抗効果素子１３，１４の温度特性（ＴＣΔＭＲ）は低下することがわかった。そして図８に示すように、第１磁性層４９の膜厚（Ｘ）を変化させることで、第２磁気抵抗効果素子１５，１６の温度特性（ＴＣΔＭＲ）とほぼ等しい温度特性（ＴＣΔＭＲ）を得ることが可能であるとわかった。

このように、例えば第１磁気抵抗効果素子１３，１４を構成する磁性層のうち、非磁性層に接する磁性層（第３磁性層５３）や反強磁性層４１に接する磁性層（第１磁性層４９）の膜厚を調整することで、簡単且つ適切に第１磁気抵抗効果素子１３，１４の抵抗変化率（ΔＭＲ）及び温度特性（ＴＣΔＭＲ）を、第２磁気抵抗効果素子１５，１６に合わせ込むことが出来る。

本実施形態では、第１磁気抵抗効果素子１３，１４の固定磁性層４２を構成する磁性層の数を奇数、第２磁気抵抗効果素子１５，１６の固定磁性層５５を構成する磁性層の数を偶数としているが、図３に示すように第１磁気抵抗効果素子１３，１４では前記磁性層４９，５１，５３の数が３で、第２磁気抵抗効果素子１５，１６では前記磁性層５６，５８の数が２であることが好適である。これにより、第１磁気抵抗効果素子１３，１４と第２磁気抵抗効果素子１５，１６との間で、図７，図８の実験に示した抵抗変化率（ΔＭＲ）や温度特性（ＴＣΔＭＲ）、さらには素子抵抗値Ｒの合わせ込みを簡単且つ適切に行うことができ、また次に説明する第１磁気抵抗効果素子１３，１４及び第２磁気抵抗効果素子１５，１６の双方の耐熱信頼性や抵抗変化率（ΔＭＲ）を簡単且つ適切に向上させることができる。

次に本実施形態では、図３（ａ）に示す磁性層４９，５１，５３が３層の第１磁気抵抗効果素子１３，１４において、外乱磁場に対する耐熱信頼性を確保し、また、抵抗変化率（ΔＭＲ）の低下を抑制するために、各磁性層４９，５１，５３の膜厚に対する以下の実験を行った。

第１磁気抵抗効果素子１３，１４の膜構成を下から、基板／シード層４０：ＮｉＦｅＣｒ／反強磁性層：ＩｒＭｎ／固定磁性層４２：［第１磁性層４９：Ｃｏ_70at%Ｆｅ_30at%（Ｘ）／非磁性中間層５０：Ｒｕ／第２磁性層５１：Ｃｏ_90at%Ｆｅ_10at%（Ｙ）／非磁性中間層５２：Ｒｕ／第３磁性層：Ｃｏ_90at%Ｆｅ_10at%（Ｚ）］／非磁性層４３：Ｃｕ（２０）／フリー磁性層４４：［ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ］／保護層：Ｔａとした。そして、素子成膜後、磁場中熱処理を施した。

実験では、（第１磁性層４９の膜厚＋第３磁性層５３の膜厚−第２磁性層５１の膜厚）を変化させながら、規格化Ｈｐｌを求めた。ここで「Ｈｐｌ」とは、図５，図６に示すＲ−Ｈ特性において、抵抗変化率（ΔＭＲ）（ここで言う抵抗変化率（ΔＭＲ）とは、図５，図６に示す縦軸の最大値を指す）が２％低下したときの外部磁場強度を指す。そして第１磁気抵抗効果素子１３，１４に対して約３００℃の加熱下で、固定磁性層４２の磁化方向に対して直交する方向に外乱磁場を印加した状態で数時間保持し、常温に戻した後に上記したＨｐｌを求め、このときのＨｐｌをＨｐｌ１とした。また、上記の加熱もせずに常温の状態で且つ直交外乱磁場も印加しない状態で、Ｈｐｌを求め、このときのＨｐｌをＨｐｌ２とした。そして、Ｈｐｌ１／Ｈｐｌ２を規格化Ｈｐｌとした。

図９は、（第１磁性層４９の膜厚＋第３磁性層５３の膜厚−第２磁性層５１の膜厚）と、規格化Ｈｐｌとの関係を示す実験結果のグラフである。ここで、規格化Ｈｐｌは、１に近いほど、外乱磁場に対する耐熱信頼性が高いことを意味する。

図９には、図６の実験で使用した積層膜により測定した第２磁気抵抗効果素子１５，１６の規格化Ｈｐｌも掲載されている。第２磁気抵抗効果素子１５，１６には、第３磁性層は設けられていないので、横軸は、第１磁性層５６の膜厚−第２磁性層５８の膜厚で示される。

図９に示すように第２磁気抵抗効果素子１５，１６の規格化Ｈｐｌは０．７程度であった。よって、第１磁気抵抗効果素子１３，１４も同程度以上の規格化Ｈｐｌが得られることが望ましい。

図９に示すように、（第１磁性層４９の膜厚＋第３磁性層５３の膜厚−第２磁性層５１の膜厚）が約２Åよりも大きくなると規格化Ｈｐｌが大きく低下しやすいことがわかった。また、（第１磁性層４９の膜厚＋第３磁性層５３の膜厚−第２磁性層５１の膜厚）が−２．５Å程度までは高い規格化Ｈｐｌが得られることがわかった。

続いて、図９の実験で使用した第１磁気抵抗効果素子１３、１４を用いて、第３磁性層５３の膜厚（Ｚ）を変化させて、（第１磁性層４９の膜厚＋第３磁性層５３の膜厚−第２磁性層５１の膜厚）を変化させながら、抵抗変化率（ΔＭＲ）を求めた。

図１０は、（第１磁性層４９の膜厚＋第３磁性層５３の膜厚−第２磁性層５１の膜厚）と、抵抗変化率（ΔＭＲ）との関係を示す実験結果のグラフである。図１０には、図６の実験で使用した積層膜により測定した第２磁気抵抗効果素子１５，１６の抵抗変化率（ΔＭＲ）も掲載されている。第２磁気抵抗効果素子１５，１６には、第３磁性層は設けられていないので、横軸は、第１磁性層５６の膜厚−第２磁性層５８の膜厚で示される。

また図１０には、第１磁気抵抗効果素子１３、１４における（第１磁性層４９の膜厚＋第３磁性層５３の膜厚−第２磁性層５１の膜厚）と抵抗変化率（ΔＭＲ）との関係の理論線も図示されている。

図１０に示すように（第１磁性層４９の膜厚＋第３磁性層５３の膜厚−第２磁性層５１の膜厚）が０に近づくと、抵抗変化率（ΔＭＲ）が理論値から外れ小さくなることがわかった。

図９，図１０に示す実験結果から、第２磁性層５１の膜厚を第１磁性層４９及び第３磁性層５３の膜厚よりも厚くして、（第１磁性層４９の膜厚＋第３磁性層５３の膜厚−第２磁性層５１の膜厚）を、０よりもややプラス寄りあるいはマイナス寄りにすることが、第１磁気抵抗効果素子１３，１４の外乱磁場に対する耐熱信頼性を向上できるとともに、抵抗変化率（ΔＭＲ）の低下を適切に抑制できることがわかった。

また、第２磁性層５１の膜厚＞第３磁性層５３の膜厚＞第１磁性層４９の膜厚の関係を示すことが好ましい。図７に示すように第３磁性層５３の膜厚を厚くすることで、効果的に、抵抗変化率（ΔＭＲ）を向上させることができ、一方、第１磁性層４９の膜厚を薄くすることで、反強磁性層４１との交換結合磁界（Ｈｅｘ）を大きくすることが可能であり、固定磁性層４２を安定して磁化固定できる。図９，図１０の実験では、第１磁性層４９の膜厚は１１Åで、第２磁性層５１の膜厚は２７Åであり、高い規格化Ｈｐｌと抵抗変化率（ΔＭＲ）を得るべく、（第１磁性層４９の膜厚＋第３磁性層５３の膜厚−第２磁性層５１の膜厚）を１Å程度とすると、第３磁性層５３の膜厚は１７Å程度となり、第２磁性層５１の膜厚＞第３磁性層５３の膜厚＞第１磁性層４９の膜厚の関係を満たすことがわかった。

ここで、図９に示すように、（第１磁性層４９の膜厚＋第３磁性層５３の膜厚−第２磁性層５１の膜厚）を０Åにすると、規格化Ｈｐｌを非常に大きくできて好ましいが、その一方で、図１０に示すように、抵抗変化率（ΔＭＲ）が小さくなりやすいことがわかった。

そこで、（第１磁性層４９の膜厚＋第３磁性層５３の膜厚−第２磁性層５１の膜厚）を０Åに調整するのは避けたほうが好ましく、具体的には、０．５Å＜（第１磁性層４９の膜厚＋第３磁性層５３の膜厚−第２磁性層５１の膜厚）＜１．５Åの関係を満たすことが好ましいと設定した。これにより、図９，図１０に示すように、より効果的に、固定磁性層４２の磁性層４９，５１，５３が３層とされた第１磁気抵抗効果素子１３，１４の外乱磁場に対する耐熱信頼性を向上でき、また高い抵抗変化率（ΔＭＲ）を得ることが出来る。

また、−２．５Å＜第１磁性層４９の膜厚＋第３磁性層５３の膜厚−第２磁性層５１の膜厚＜−１．５Åの関係を満たすように設定することも可能である。

ただし、（第１磁性層４９の膜厚＋第３磁性層５３の膜厚−第２磁性層５１の膜厚）を０．５Å〜１．５Åの範囲内としたほうが、より確実に、第１磁気抵抗効果素子１３，１４の外乱磁場に対する耐熱信頼性を向上でき、また高い抵抗変化率（ΔＭＲ）を得ることが出来て好適である。

また本実施形態では、上記したように第１磁気抵抗効果素子１３，１４の固定磁性層４２を構成する磁性層４９，５１，５３の膜厚を規定したが、磁性層の材質としては、第１磁性層４９をＣｏ_xＦｅ_100-x（ｘはａｔ％であり、６０〜１００の範囲内である）で形成し、第２磁性層５１及び第３磁性層５３を、Ｃｏ_yＦｅ_100-y（ｙはａｔ％であり、８０〜１００の範囲内である）で形成することが好適である。

また本実施形態では、固定磁性層４２の磁性層４９，５１，５３が３層とされた第１磁気抵抗効果素子１３，１４において、各磁性層の飽和磁化をＭｓ、各磁性層の膜厚をｔとしたとき、第２磁性層５１のＭｓ・ｔを、第１磁性層４９のＭｓ・ｔと第３磁性層５３の膜厚Ｍｓ・ｔとを足した値にほぼ等しくすることが好適である。ここで「ほぼ等しい」とは比率で、±１０％程度の誤差を含む概念である。

なお、固定磁性層５５の磁性層５６，５８が２層とされた第２磁気抵抗効果素子１５，１６においても、第１磁性層５６のＭｓ・ｔと第２磁性層５８のＭｓ・ｔとをほぼ等しくすることが好適である。

このようにＭｓ・ｔを調整することで、より効果的に、第１磁気抵抗効果素子１３，１４の外乱磁場に対する耐熱信頼性を向上でき、また高い抵抗変化率（ΔＭＲ）を得ることが出来る。

また、第１磁気抵抗効果素子１３，１４と第２磁気抵抗効果素子１５，１６とでは、積層構造が異なるため、平面視パターンを同寸法に設計すると、第１磁気抵抗効果素子１３，１４と第２磁気抵抗効果素子１５，１６の素子抵抗値Ｒ（外部磁場が作用していない無磁場状態での抵抗値）が異なることになり、図４に示すブリッジ回路において高精度に中点電位を得ることができなくなる。そこで、本実施形態では、第１磁気抵抗効果素子１３，１４と第２磁気抵抗効果素子１５，１６の平面視パターン寸法を異ならせて、第１磁気抵抗効果素子１３，１４の素子抵抗値Ｒと第２磁気抵抗効果素子１５，１６の素子抵抗値Ｒとをほぼ同じに調整することが好適である。ここで「ほぼ同じ」とは比率で、±１０％程度の誤差を含む概念である。

例えばトリミング処理により第１磁気抵抗効果素子１３，１４と第２磁気抵抗効果素子１５，１６のパターン寸法を調整して、第１磁気抵抗効果素子１３，１４の素子抵抗値Ｒと第２磁気抵抗効果素子１５，１６の素子抵抗値Ｒとをほぼ同じにすることが可能である。

なお図１，図２では、第１磁気抵抗効果素子１３，１４が図示下側（基板１１側）で、第２磁気抵抗効果素子１５，１６が図示上側に位置しているが逆であってもよい。

また本実施形態では、第１磁気抵抗効果素子１３，１４と第２磁気抵抗効果素子１５，１６とを基板１１の上方に設けられた絶縁下地層１２上に並設してもよいが、かかる場合、磁気センサ１０の平面視形状が大きくなるので、図２に示すように絶縁中間層１７を介して第１磁気抵抗効果素子１３，１４と第２磁気抵抗効果素子１５，１６とを積層させることが磁気センサ１０の小型化を図るうえで好ましい。

１０ 磁気センサ
１１ 基板
１３，１４ 第１磁気抵抗効果素子
１５，１６ 第２磁気抵抗効果素子
１７ 絶縁中間層
１８ 保護層
２０，２１ 出力電極
２２ 入力電極
２３，２４ グランド電極
４１ 反強磁性層
４２，５５ 固定磁性層
４３ 非磁性層
４４ フリー磁性層
４９、５６ 第１磁性層
５０、５２、５７ 非磁性中間層
５１、５８ 第２磁性層
５３ 第３磁性層

Claims (11)

1. 複数の磁気抵抗効果素子にて外部磁場に対する検出回路が構成された磁気センサであって、
   前記磁気抵抗効果素子は、磁化方向が固定される固定磁性層と、前記固定磁性層に非磁性層を介して積層された外部磁場を受けて磁化方向が変動するフリー磁性層と、前記固定磁性層の前記非磁性層とは反対側の面に形成され、前記固定磁性層との間で磁場中熱処理により交換結合磁界を生じさせる反強磁性層と、を有する積層構造を備えており、
   前記固定磁性層は、複数の磁性層と前記磁性層の間に介在する非磁性中間層との積層フェリ構造で構成されており、
   複数の前記磁気抵抗効果素子のうち、前記磁性層の数が奇数の第１磁気抵抗効果素子と、前記磁性層の数が偶数の第２磁気抵抗効果素子とが同一基板に成膜されており、
   前記第１磁気抵抗効果素子の前記固定磁性層を構成する前記磁性層のうち前記非磁性層に接する前記磁性層の磁化方向と、前記第２磁気抵抗効果素子の前記固定磁性層を構成する前記磁性層のうち前記非磁性層に接する前記磁性層の磁化方向とが互いに反平行となっていることを特徴とする磁気センサ。
2. 前記第１磁気抵抗効果素子と前記第２磁気抵抗効果素子の抵抗変化率（ΔＭＲ）及び温度特性（ＴＣΔＭＲ）がほぼ等しい請求項１記載の磁気センサ。
3. 前記第１磁気抵抗効果素子の前記磁性層の数は３であり、前記第２磁気抵抗効果素子の前記磁性層の数は２である請求項１又は２に記載の磁気センサ。
4. 前記第１磁気抵抗効果素子を構成する前記固定磁性層は、前記反強磁性層に接する側から第１磁性層、前記非磁性中間層、第２磁性層、前記非磁性中間層、前記第３磁性層の順に積層され、前記第３磁性層は前記非磁性層に接しており、
   前記第２磁性層の膜厚は、前記第１磁性層及び前記第２磁性層の膜厚よりも厚い請求項３記載の磁気センサ。
5. 前記第２磁性層の膜厚＞前記第３磁性層の膜厚＞前記第１磁性層の膜厚の関係を満たす請求項４記載の磁気センサ。
6. ０．５Å＜（前記第１磁性層の膜厚＋前記第３磁性層の膜厚−前記第２磁性層の膜厚）＜１．５Åの関係を満たす請求項４又は５に記載の磁気センサ。
7. −２．５Å＜（前記第１磁性層の膜厚＋前記第３磁性層の膜厚−前記第２磁性層の膜厚）＜−１．５Åの関係を満たす請求項４又は５に記載の磁気センサ。
8. 前記第１磁性層はＣｏ_xＦｅ_100-x（ｘはａｔ％であり、６０〜１００の範囲内である）で形成され、前記第２磁性層及び前記第３磁性層は、Ｃｏ_yＦｅ_100-y（ｙはａｔ％であり、８０〜１００の範囲内である）で形成される請求項４ないし７のいずれか１項に記載の磁気センサ。
9. 各磁性層の飽和磁化をＭｓ、各磁性層の膜厚をｔとしたとき、前記第２磁性層のＭｓ・ｔは、前記第１磁性層のＭｓ・ｔと前記第３磁性層の膜厚Ｍｓ・ｔとを足した値にほぼ等しい請求項３ないし８のいずれか１項に記載の磁気センサ。
10. 前記第１磁気抵抗効果素子と前記第２磁気抵抗効果素子は平面視のパターン寸法が異なり、前記第１磁気抵抗効果素子の素子抵抗値と前記第２磁気抵抗効果素子の素子抵抗値とがほぼ同じとなっている請求項１ないし９のいずれか１項に記載の磁気センサ。
11. 前記第１磁気抵抗効果素子と前記第２磁気抵抗効果素子は、絶縁中間層を介して積層されている請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の磁気センサ。

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