JPWO2018037634A1 - 磁気センサおよび電流センサ - Google Patents
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Abstract
Description
(構成1)固定磁性層とフリー磁性層とが非磁性材料層を介して積層された積層構造を備える磁気抵抗効果素子であって、フリー磁性層における非磁性材料層に対向する側の反対側に、フリー磁性層との間で交換結合バイアスを生じさせ前記フリー磁性層の磁化方向を磁化変動可能な状態で所定方向に揃えることができる第1反強磁性層を備え、フリー磁性層は、第1反強磁性層に接するように設けられ前記フリー磁性層の第1反強磁性層に対する格子非整合を低減させるミスフィット低減層、およびミスフィット低減層における第1反強磁性層に対向する側の反対側に設けられた強磁性材料からなる強磁性層を備え、この強磁性層は、NiFeM層(NiFeMからなる層であって、Mは、Ta、Cr、Nb、Rh、Zr、Mo、Al、Au、Pd、Pt、およびSiから選択される1種または2種以上の元素からなる。)を備える磁気抵抗効果素子。(構成2)固定磁性層とフリー磁性層とが非磁性材料層を介して積層された積層構造を備える磁気抵抗効果素子であって、フリー磁性層における非磁性材料層に対向する側の反対側に、フリー磁性層との間で交換結合バイアスを生じさせフリー磁性層の磁化方向を磁化変動可能な状態で所定方向に揃えることができる第1反強磁性層を備え、フリー磁性層は、鉄族元素の1種または2種以上および白金族元素の1種または2種以上を含有し第1反強磁性層に接するように設けられる第1層、および第1層における第1反強磁性層に対向する側の反対側に設けられた強磁性材料からなる強磁性層を備え、この強磁性層は、NiFeM層(NiFeMからなる層であって、Mは、Ta、Cr、Nb、Rh、Zr、Mo、Al、Au、Pd、Pt、およびSiから選択される1種または2種以上の元素からなる。)を備える磁気抵抗効果素子。
絶縁膜を有する基板29上に、下からシード層20;NiFeCr(42)/固定磁性層21[第1磁性層21a;Co40Fe60(19)/非磁性中間層21b;Ru(3.6)/第2磁性層21c;Co90Fe10(24)]/非磁性材料層22;Cu(20.5)/フリー磁性層23[強磁性層23a;{導電性強磁性層232a;Co90Fe10(18)/NiFeM層231a;Ni81.8Fe13.4Nb4.8(60)}/ミスフィット低減層23b;Co54Fe6Pt40(10)]/第1反強磁性層24;Ir22Mn78(60)/保護層25;Ta(100)の順に積層して得られる積層膜からなる4.0μm×80μmの長尺パターン12を得た。括弧内の数値は層厚を示し単位はÅである。長尺パターン12が備えるミスフィット低減層23bは、鉄族元素の1種または2種以上(具体的にはCoおよびFe)および白金族元素の1種または2種以上(具体的にはPt)を含有する層でもあるため、第1層としても位置付けられる。この長尺パターン12を9本備えるミアンダ形状の4つの磁気抵抗効果素子(第1磁気抵抗効果素子GMR11,GMR12および第2磁気抵抗効果素子GMR21,GMR22)を製造した。これらの4つの磁気抵抗効果素子を備え、図1に示されるフルブリッジ構造を備える磁気センサ1を作製した。なお、各磁気抵抗効果素子のミアンダ形状は次のようにして製造した。まず、基板29上に上記の積層膜を一様に形成し、リフトオフ法などを用いてこの積層膜をパターンエッチングすることにより基板29上に複数の長尺パターン12を形成した。そして、隣り合う長尺パターン12が直列に接続されるように端部を導電性材料で接続することによりミアンダ形状を得た。
絶縁膜を有する基板29上に、下からシード層20;NiFeCr(42)/固定磁性層21[第1磁性層21a;Co40Fe60(19)/非磁性中間層21b;Ru(3.6)/第2磁性層21c;Co90Fe10(24)]/非磁性材料層22;Cu(20.5)/フリー磁性層23[強磁性層23a;{導電性強磁性層232a;Co90Fe10(10)/Ni82.5Fe17.5(10)/NiFeM層231a;Ni81.8Fe13.4Nb4.8(60)}/ミスフィット低減層23b;Co54Fe6Pt40(10)]/第1反強磁性層24;Ir22Mn78(60)/保護層25;Ta(100)の順に積層して長尺パターン12を得た。括弧内の数値は層厚を示し単位はÅである。長尺パターン12が備えるミスフィット低減層23bは、鉄族元素の1種または2種以上(具体的にはCoおよびFe)および白金族元素の1種または2種以上(具体的にはPt)を含有する層でもあるため、第1層としても位置付けられる。この長尺パターン12を9本備えるミアンダ形状の4つの磁気抵抗効果素子(第1磁気抵抗効果素子GMR11,GMR12および第2磁気抵抗効果素子GMR21,GMR22)を製造した。これらの4つの磁気抵抗効果素子を備え、図1に示されるフルブリッジ構造を備える磁気センサ1を作製した。
絶縁膜を有する基板上に、下からシード層;NiFeCr(42)/固定磁性層[第1磁性層;Co40Fe60(19)/非磁性中間層;Ru(3.6)/第2磁性層;Co90Fe10(24)]/非磁性材料層;Cu(20.5)/フリー磁性層[強磁性層;{Co90Fe10(10)/Ni82.5Fe17.5(60)}/ミスフィット低減層;Co54Fe6Pt40(10)]/第1反強磁性層;Ir22Mn78(60)/保護層25;Ta(100)の順に積層して長尺パターンを得た。括弧内の数値は層厚を示し単位はÅである。長尺パターンが備えるミスフィット低減層は、鉄族元素の1種または2種以上(具体的にはNiおよびFe)および白金族元素の1種または2種以上(具体的にはPt)を含有する層でもあるため、第1層としても位置付けられる。この長尺パターンを9本備えるミアンダ形状の4つの磁気抵抗効果素子を製造した。これらの4つの磁気抵抗効果素子を備え、図1に示されるフルブリッジ構造を備える磁気センサを作製した。
絶縁膜を有する基板上に、下からシード層;NiFeCr(42)/固定磁性層[第1磁性層;Co40Fe60(19)/非磁性中間層;Ru(3.6)/第2磁性層;Co90Fe10(24)]/非磁性材料層;Cu(20.5)/フリー磁性層[Co90Fe10(10)/Ni82.5Fe17.5(70)]/反強磁性層;Ir22Mn78(80)/保護層;Ta(100)の順に積層して長尺パターンを得た。括弧内の数値は層厚を示し単位はÅである。この長尺パターンを9本備えるミアンダ形状の4つの磁気抵抗効果素子を製造した。これらの4つの磁気抵抗効果素子を備え、図1に示されるフルブリッジ構造を備える磁気センサを作製した。
実施例1および2ならびに比較例1および2により作製した磁気センサについて、次の測定を行った。
まず、環境温度が25℃の場合および85℃の場合について交換結合バイアスの大きさ(単位:Oe)を測定した。その結果を表1に示す。
入力端子Vddにおける電圧を3V、測定磁場を±2mTにした場合における比例感度(単位:mV/mT)を測定した(環境温度:25℃)。その結果を表1に示す。
環境温度を25℃から85℃の範囲で変化させながら上記の比例感度を測定し、比例感度温度特性(ppm/℃)を測定した。その結果を表1に示す。
環境温度を150℃として1000時間保存したことによって、保存前の状態に比べてどの程度比例感度が変化したか(比例感度ドリフト、単位:%)を測定した。その結果を表1に示す。
外部印加磁場を変化させてヒステリシスループを得て、外部印加磁場と出力との線形性が維持されなくなった出力範囲の、出力のフルスケールに対する割合(線形性、単位:%/F.S.)を測定した。その結果を表1に示す。
上記のヒステリシスループにおける、外部印加磁場がゼロのときのヒステリシスの、出力のフルスケールに対する割合(ゼロ磁場ヒステリシス、単位:%/F.S.)を測定した。その結果を表1に示す。
各磁気センサが備える磁気抵抗効果素子について、素子抵抗(単位:Ω)および抵抗温度係数(TCR、単位:ppm/℃)を測定した。これらの結果を表1に示す。
実施例1に係る磁気センサおよび比較例1に係る磁気センサを、それぞれ、ウエハ10枚分作製し、外部磁場を印加しない状態でのセンサ出力Voutの値の温度特性(オフセット温度特性、環境温度範囲:25℃〜85℃、単位:μV/℃)を測定した。測定結果(平均値および3σ値)を表2および図4に示す。
絶縁膜を有する基板29上に、下からシード層20;NiFeCr(42)/固定磁性層21[第1磁性層21a;Co40Fe60(19)/非磁性中間層21b;Ru(3.6)/第2磁性層21c;Co90Fe10(24)]/非磁性材料層22;Cu(20.5)/フリー磁性層23[強磁性層23a;{導電性強磁性層232a;Co90Fe10(X)/NiFeM層231a;Ni81.8Fe13.4Nb4.8(40)}/ミスフィット低減層23b;Co54Fe6Pt40(10)]/第1反強磁性層24;Ir22Mn78(60)/保護層25;Ta(100)の順に積層して4.0μm×80μmの長尺パターン12を得た。括弧内の数値は層厚を示し単位はÅである。導電性強磁性層232aの厚さX(単位:Å)は、5Åから45Åの範囲で、5Åごとに異なる複数の値を設定した(実施例2−1から実施例2−9)。これらの長尺パターン12が備えるミスフィット低減層23bは、鉄族元素の1種または2種以上(具体的にはCoおよびFe)および白金族元素の1種または2種以上(具体的にはPt)を含有する層でもあるため、第1層としても位置付けられる。この長尺パターン12を9本備えるミアンダ形状の第1磁気抵抗効果素子GMR11を製造した。
製造した第1磁気抵抗効果素子GMR11の抵抗変化率ΔR/Rmin(単位:%)を測定した。測定結果を表3および図5に示す。
絶縁膜を有する基板29上に、下からシード層20;NiFeCr(42)/固定磁性層21[第1磁性層21a;Co40Fe60(19)/非磁性中間層21b;Ru(3.6)/第2磁性層21c;Co90Fe10(24)]/非磁性材料層22;Cu(20.5)/フリー磁性層23[強磁性層23a;{導電性強磁性層232a;(Co90Fe10(25−X)/Co70Fe30(X))/NiFeM層231a;Ni81.8Fe12.4Nb4.8(40)}/ミスフィット低減層23b;Co54Fe6Pt40(10)]/第1反強磁性層24;Ir22Mn78(60)/保護層25;Ta(100)の順に積層して、磁気抵抗効果を有する積層膜を得た。括弧内の数値は層厚を示し単位はÅである。導電性強磁性層232aは全体の厚さが25Åであって、Co90Fe10からなる下層とCo70Fe30からなる上層との積層構造(実施例3−1および実施例3−9を除く。)であり、Co70Fe30からなる上層の厚さX(単位:Å)は、0Åから25Åの範囲で異なる複数の値を設定した(実施例3−1から実施例3−9)。
絶縁膜を有する基板29上に、下からシード層20;NiFeCr(42)/固定磁性層21[第1磁性層21a;Co40Fe60(19)/非磁性中間層21b;Ru(3.6)/第2磁性層21c;Co90Fe10(24)]/非磁性材料層22;Cu(20.5)/フリー磁性層23[強磁性層23a;{導電性強磁性層232a;(Co90Fe10(13)/Co70Fe30(12))/NiFeM層231a;Ni81.8Fe13.4Nb4.8(40)}/ミスフィット低減層23b;Co54Fe6Pt40(10)]/第1反強磁性層24;Ir22Mn78(60)/保護層25;Ta(100)の順に積層して4.0μm×80μmの長尺パターン12を得た。括弧内の数値は層厚を示し単位はÅである。長尺パターン12が備えるミスフィット低減層23bは、鉄族元素の1種または2種以上(具体的にはCoおよびFe)および白金族元素の1種または2種以上(具体的にはPt)を含有する層でもあるため、第1層としても位置付けられる。この長尺パターン12を9本備えるミアンダ形状の4つの磁気抵抗効果素子(第1磁気抵抗効果素子GMR11,GMR12および第2磁気抵抗効果素子GMR21,GMR22)を製造した。これらの4つの磁気抵抗効果素子を備え、図1に示されるフルブリッジ構造を備える磁気センサ1を作製した。得られた磁気センサ1を成形用樹脂で封止することによりモールドパッケージを作製した。
導電性強磁性層232aをCo90Fe10からなる25Åの厚さの層により構成した点以外は実施例4−1と同様にして、磁気抵抗効果素子を製造し、さらにこれらの磁気抵抗効果素子を用いて実施例4−1と同様にしてモールドパッケージを作製した。
GMR11,12 第1磁気抵抗効果素子
GMR21,22 第2磁気抵抗効果素子
31 フルブリッジ回路
32 第1ハーフブリッジ回路
33 第2ハーフブリッジ回路
Vdd 入力端子
V1 第1中点電位
V2 第2中点電位
Vout センサ出力
40 差動増幅器
12 長尺パターン
13 導電部
14 接続端子
D1 長手方向
D2 幅方向
20 シード層
21 固定磁性層
21a 第1磁性層
21b 非磁性中間層
21c 第2磁性層
22 非磁性材料層
23 フリー磁性層
23a 強磁性層
231a NiFeM層
232a 導電性強磁性層
23b ミスフィット低減層
24 第1反強磁性層
25 保護層
29 基板
F 磁化方向
Claims (13)
- 特定の方向に感度軸を持つ磁気抵抗効果素子を備えた磁気センサであって、
前記磁気抵抗効果素子は、固定磁性層とフリー磁性層とが非磁性材料層を介して積層された積層構造を基板上に有し、
前記フリー磁性層における前記非磁性材料層に対向する側の反対側に、前記フリー磁性層との間で交換結合バイアスを生じさせ前記フリー磁性層の磁化方向を磁化変動可能な状態で所定方向に揃えることができる第1反強磁性層を備え、
前記フリー磁性層は、前記第1反強磁性層に接するように設けられ前記フリー磁性層の前記第1反強磁性層に対する格子非整合を低減させるミスフィット低減層、および前記ミスフィット低減層における前記第1反強磁性層に対向する側の反対側に設けられた強磁性材料からなる強磁性層を備え、
前記強磁性層は、NiFeM層(Mは、Ta、Cr、Nb、Rh、Zr、Mo、Al、Au、Pd、Pt、およびSiから選択される1種または2種以上の元素からなる。)を備えること
を特徴とする磁気センサ。 - 前記ミスフィット低減層および前記強磁性層は面心立方(fcc)構造を有し、前記ミスフィット低減層のfcc(111)面における格子面間隔は、前記強磁性層のfcc(111)面における格子面間隔よりも大きい、請求項1に記載の磁気センサ。
- 前記ミスフィット低減層は、鉄族元素の1種または2種以上および白金族元素の1種または2種以上を含有する、請求項1または2に記載の磁気センサ。
- 特定の方向に感度軸を持つ磁気抵抗効果素子を備えた磁気センサであって、
前記磁気抵抗効果素子は、固定磁性層とフリー磁性層とが非磁性材料層を介して積層された積層構造を基板上に有し、
前記フリー磁性層における前記非磁性材料層に対向する側の反対側に、前記フリー磁性層との間で交換結合バイアスを生じさせ前記フリー磁性層の磁化方向を磁化変動可能な状態で所定方向に揃えることができる第1反強磁性層を備え、
前記フリー磁性層は、鉄族元素の1種または2種以上および白金族元素の1種または2種以上を含有し前記第1反強磁性層に接するように設けられる第1層、および前記第1層における前記第1反強磁性層に対向する側の反対側に設けられた強磁性材料からなる強磁性層を備え、
前記強磁性層は、NiFeM層(Mは、Ta、Cr、Nb、Rh、Zr、Mo、Al、Au、Pd、Pt、およびSiから選択される1種または2種以上の元素からなる。)を備えること
を特徴とする磁気センサ。 - 前記第1反強磁性層は白金族元素およびMnを含有する、請求項1から4のいずれか一項に記載の磁気センサ。
- 前記第1反強磁性層は、IrMnおよびPtMnの少なくとも一方から形成される、請求項1から5のいずれか一項に記載の磁気センサ。
- 前記NiFeM層はNiFeNbからなる、請求項1から6のいずれか一項に記載の磁気センサ。
- 前記強磁性層は、前記NiFeM層よりも前記非磁性材料層側に位置して前記NiFeM層よりも抵抗率が低い導電性強磁性層をさらに備える、請求項1から7のいずれか一項に記載の磁気センサ。
- 前記導電性強磁性層は前記非磁性材料層に接するように位置する、請求項8に記載の磁気センサ。
- 前記導電性強磁性層はCoFe層からなる、請求項8または9に記載の磁気センサ。
- 前記導電性強磁性層は、面心立方構造のCoFe系合金を含有する、請求項8または9に記載の磁気センサ。
- 前記導電性強磁性層は、面心立方構造のCoFe系合金からなり、厚さが10Å以上40Å以下である、請求項11に記載の磁気センサ。
- 請求項1から12のいずれか一項に記載される磁気センサを備える電流センサ。
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