KR102183263B1 - 자기 센서 및 전류 센서 - Google Patents
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Abstract
고온 환경하에 장시간 보존된 경우여도 감도 저하가 잘 발생하지 않는 자기 저항 효과 소자를 구비하는 자기 센서로서, 특정의 방향으로 감도축을 갖는 자기 저항 효과 소자 (GMR11) 를 구비한 자기 센서 (1) 로서, 자기 저항 효과 소자 (GMR11) 는, 프리 자성층 (23) 에 있어서의 비자성 재료층 (21b) 에 대향하는 측의 반대측에 제 1 반강자성층 (24) 을 구비하고, 프리 자성층 (23) 은, 제 1 반강자성층 (24) 에 접하도록 형성되고 프리 자성층 (23) 의 제 1 반강자성층 (24) 에 대한 격자 비정합을 저감시키는 미스피트 저감층 (23b), 및 미스피트 저감층 (23b) 에 있어서의 제 1 반강자성층 (24) 에 대향하는 측의 반대측에 강자성층 (23a) 을 구비하고, 강자성층 (23a) 은, NiFeM 층 (M 은, Ta, Cr, Nb, Rh, Zr, Mo, Al, Au, Pd, Pt, 및 Si 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소로 이루어진다) (231a) 을 구비하는 자기 센서 (1) 가 제공된다.
Description
본 발명은, 자기 센서 및 당해 자기 센서를 구비한 전류 센서에 관한 것이다.
전기 자동차나 하이브리드 카에 있어서의 모터 구동 기술 등의 분야에서는, 비교적 큰 전류가 취급되기 때문에, 대전류를 비접촉으로 측정하는 것이 가능한 전류 센서가 요구되고 있다. 이와 같은 전류 센서로는, 피측정 전류로부터의 유도 자계를 검출하는 자기 센서를 사용한 것이 알려져 있다. 자기 센서용 자기 검출 소자로서 예를 들어, GMR 소자 등의 자기 저항 효과 소자를 들 수 있다.
GMR 소자는, 고정 자성층과 프리 자성층이 비자성 재료층을 개재하여 적층된 적층 구조를 기본 구조로 한다. 고정 자성층은, 반강자성층과 강자성층의 적층 구조에 의한 교환 결합 바이어스나, 2 개의 강자성층이 비자성 중간층을 개재하여 적층되는 셀프 핀 고정 구조에 의한 RKKY 상호 작용 (간접 교환 상호 작용) 에 의해, 자화 방향이 일방향으로 고정되어 있다. 프리 자성층은 외부 자장에 따라 자화 방향이 변화 가능하게 되어 있다.
GMR 소자를 구비한 자기 센서를 사용하여 이루어지는 전류 센서에서는, 피측정 전류로부터의 유도 자계가 GMR 소자에 인가됨으로써, 프리 자성층의 자화 방향이 변화한다. 이 프리 자성층의 자화 방향과, 고정 자성층의 자화 방향의 상대 각도에 따라 GMR 소자의 전기 저항값이 변동하기 때문에, 이 전기 저항값을 측정함으로써, 프리 자성층의 자화 방향을 검출할 수 있다. 그리고, 자기 센서에 의해 검출된 자화 방향에 기초하여, 유도 자계를 부여한 피측정 전류의 크기 및 그 방향을 구하는 것이 가능하다.
그런데, 전기 자동차나 하이브리드 카에 있어서는, 모터의 구동을 전류치에 기초하여 제어하는 경우가 있고, 또, 배터리에 흘러드는 전류치에 따라 배터리의 제어 방법을 조정하는 경우가 있다. 따라서, 자기 센서를 사용하여 이루어지는 전류 센서에는, 전류치를 보다 정확하게 검출할 수 있도록, 자기 센서의 측정 정밀도를 높이는 것이 요구되고 있다.
자기 센서의 측정 정밀도를 향상시키기 위해서는, 오프셋의 저감, 출력 신호의 편차의 저감, 및 리니어리티 (출력 선형성) 의 향상 등을 실현하는 것이 요구된다. 이들의 요구에 부응하기 위한 바람직한 일 수단으로서, 자기 센서가 갖는 GMR 소자의 히스테리시스를 저감시키는 것을 들 수 있다. GMR 소자의 히스테리시스를 저감시키는 수단의 구체예로서, 프리 자성층에 바이어스 자계를 인가하여, 피측정 전류로부터의 유도 자계가 인가되고 있지 않은 상태에 있어서도 프리 자성층의 자화 방향을 정렬하는 것을 들 수 있다.
프리 자성층에 바이어스 자계를 인가하는 방법으로서, 특허문헌 1 에는, 프리 자성층과의 사이에서 교환 결합 바이어스를 발생시키고 프리 자성층의 자화 방향을 자화 변동 가능한 상태에서 소정 방향으로 정렬할 수 있는 반강자성층을 프리 자성층에 적층시키는 방법이 개시되어 있다.
상기의 반강자성층에 의한 교환 결합 바이어스를 발생시키는 방법은, GMR 소자의 주위에 영구 자석을 배치하여 바이어스 자계를 발생시키는 방법에 비하여 바이어스 자계의 균일성 등 유리한 점을 갖는다. 그러나, GMR 소자를 고온 환경하에 장시간 보존한 경우에 프리 자성층에 발생하는 교환 결합 바이어스에 의한 바이어스 자계가 커지고, 그 결과, GMR 소자의 검출 감도가 저하되는 경향을 나타내는 경우가 있다.
본 발명은, 특허문헌 1 에 개시되는 교환 결합 바이어스에 기초하는 프리 자성층의 단자구화 (單磁區化) 를 기초 기술로 하면서, 오프셋치 (외부 자장이 인가되고 있지 않은 상태에서의 출력치) 의 온도 특성이 양호 (온도 변화에 수반하여 잘 변화되지 않는 것을 의미한다) 하고, 게다가 고온 (구체적인 일례로서 150 ℃ 를 들 수 있다) 환경하에 장시간 (구체적인 일례로서 1000 시간을 들 수 있다) 보존된 경우여도 검출 감도의 저하가 잘 발생하지 않는 자기 저항 효과 소자 (GMR 소자) 를 구비하는 자기 센서 및 당해 자기 센서를 사용하여 이루어지는 전류 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 과제를 해결하기 위하여 본 발명자들이 검토한 결과, 프리 자성층 내에 어느 종의 층을 존재시킴으로써, 고온 환경하에 장시간 보존된 경우여도, 자기 저항 효과 소자의 검출 감도의 저하를 잘 발생하지 않게 할 수 있다는 새로운 지견을 얻었다. 또, 이와 같은 경우에 있어서도, 저항 온도 계수가 낮은 NiFeM 층을 프리 자성층이 구비함으로써, 자기 센서의 오프셋 온도 특성을 개선하는 것이 가능하다는 새로운 지견도 얻었다.
이러한 지견에 의해 완성된 본 발명은, 일 양태에 있어서, 특정의 방향으로 감도축을 갖는 자기 저항 효과 소자를 구비한 자기 센서로서, 상기 자기 저항 효과 소자는, 고정 자성층과 프리 자성층이 비자성 재료층을 개재하여 적층된 적층 구조를 기판 상에 갖고, 상기 프리 자성층에 있어서의 상기 비자성 재료층에 대향하는 측의 반대측에, 상기 프리 자성층과의 사이에서 교환 결합 바이어스를 발생시키고 상기 프리 자성층의 자화 방향을 자화 변동 가능한 상태에서 소정 방향으로 정렬할 수 있는 제 1 반강자성층을 구비하고, 상기 프리 자성층은, 상기 제 1 반강자성층에 접하도록 형성되고 상기 프리 자성층의 상기 제 1 반강자성층에 대한 격자 비정합을 저감시키는 미스피트 저감층, 및 상기 미스피트 저감층에 있어서의 상기 제 1 반강자성층에 대향하는 측의 반대측에 형성된 강자성 재료로 이루어지는 강자성층을 구비하고, 상기 강자성층은, NiFeM 층 (NiFeM 으로 이루어지는 층으로서, M 은, Ta, Cr, Nb, Rh, Zr, Mo, Al, Au, Pd, Pt, 및 Si 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소로 이루어진다) 을 구비하는 것을 특징으로 하는 자기 센서이다.
프리 자성층이, 제 1 반강자성층에 접하도록 형성된 미스피트 저감층을 구비함으로써, 프리 자성층의 제 1 반강자성층에 대한 격자 비정합이 저감된다. 그 결과, 150 ℃ 정도의 고온에 1000 시간 정도의 장시간 보존된 경우여도, 자기 저항 효과 소자의 검출 감도가 잘 저하되지 않게 된다. 게다가, 프리 자성층의 강자성층이 저항 온도 계수가 낮은 NiFeM 층을 갖기 때문에, 자기 센서의 오프셋 온도 특성 (단위 : μV/℃) 을 개선할 (제로에 근접시킬) 수 있다.
상기의 자기 센서에 있어서, 상기 미스피트 저감층 및 상기 강자성층은 면심 입방 (fcc) 구조를 갖고, 상기 미스피트 저감층의 fcc (111) 면에 있어서의 격자면 간격은, 상기 강자성층의 fcc (111) 면에 있어서의 격자면 간격보다 큰 것이 바람직하다.
상기의 자기 센서에 있어서, 상기 미스피트 저감층은, 철족 원소의 1 종 또는 2 종 이상 및 백금족 원소의 1 종 또는 2 종 이상을 함유하는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 일 양태는, 특정의 방향으로 감도축을 갖는 자기 저항 효과 소자를 구비한 자기 센서로서, 상기 자기 저항 효과 소자는, 고정 자성층과 프리 자성층이 비자성 재료층을 개재하여 적층된 적층 구조를 기판 상에 갖고, 상기 프리 자성층에 있어서의 상기 비자성 재료층에 대향하는 측의 반대측에, 상기 프리 자성층과의 사이에서 교환 결합 바이어스를 발생시키고 상기 프리 자성층의 자화 방향을 자화 변동 가능한 상태에서 소정 방향으로 정렬할 수 있는 제 1 반강자성층을 구비하고, 상기 프리 자성층은, 철족 원소의 1 종 또는 2 종 이상 및 백금족 원소의 1 종 또는 2 종 이상을 함유하고 상기 제 1 반강자성층에 접하도록 형성되는 제 1 층, 및 상기 제 1 층에 있어서의 상기 제 1 반강자성층에 대향하는 측의 반대측에 형성된 강자성 재료로 이루어지는 강자성층을 구비하고, 상기 강자성층은, NiFeM 층 (NiFeM 으로 이루어지는 층으로서, M 은, Ta, Cr, Nb, Rh, Zr, Mo, Al, Au, Pd, Pt, 및 Si 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소로 이루어진다) 을 구비하는 것을 특징으로 하는 자기 센서이다.
프리 자성층 내가, 제 1 반강자성층에 접하도록 형성된 제 1 층을 구비함으로써, 프리 자성층의 제 1 반강자성층에 대한 격자 비정합이 저감된다. 그 결과, 150 ℃ 정도의 고온에 1000 시간 정도의 장시간 보존된 경우여도, 자기 저항 효과 소자의 검출 감도가 잘 저하되지 않게 된다. 게다가, 프리 자성층의 강자성층이 저항 온도 계수가 낮은 NiFeM 층을 갖기 때문에, 자기 센서의 오프셋 온도 특성 (단위 : μV/℃) 을 개선할 (제로에 근접시킬) 수 있다.
상기의 자기 센서에 있어서, 상기 제 1 반강성층은 백금족 원소 및 Mn 을 함유하는 것이 바람직하다.
상기의 자기 센서에 있어서, 상기 제 1 반강자성층은, IrMn 및 PtMn 중 적어도 일방으로 형성되는 것이 바람직하다.
상기의 자기 센서에 있어서, 상기 NiFeM 층은 NiFeNb 로 구성되어 있어도 된다. NiFeNb 는 특히 저항 온도 계수가 낮기 때문에, 자기 센서의 오프셋 온도 특성을 개선하는 관점에서 바람직하다.
상기의 자기 센서에 있어서, 상기 강자성층은, 상기 NiFeM 층보다 상기 비자성 재료층측에 위치하고 상기 NiFeM 층보다 저항률이 낮은 도전성 강자성층을 추가로 구비하는 것이 바람직하다. 이 경우에는 GMR 효과가 발생하기 쉽다. 이 경우에 있어서, 도전성 강자성층은 상기 비자성 재료층에 접하도록 위치하는 것, 즉, 도전성 강자성층과 비자성 재료층 사이에 상대적으로 도전성이 낮은 강자성층이 존재하지 않는 것이 바람직하다. 도전성 강자성층의 구체예로서 CoFe 층이 예시된다.
상기 도전성 강자성층은, 면심 입방 구조의 CoFe 계 합금을 함유하는 것이, 외부 응력이 자기 센서에 주는 영향을 줄이는 관점에서 바람직하다. 상기 도전성 강자성층은, 면심 입방 구조의 CoFe 계 합금으로 이루어지고, 두께가 10 Å 이상 40 Å 이하인 것이 특히 바람직한 경우가 있다.
본 발명의 또 다른 일 양태는, 상기의 본 발명에 관련된 자기 센서를 구비하는 전류 센서이다.
본 발명에 의하면, 프리 자성층에 교환 결합 바이어스를 발생시키는 방식이면서, 오프셋 온도 특성이 양호하고, 고온 환경하에 장시간 보존된 경우여도 감도 저하가 잘 발생하지 않는 자기 저항 효과 소자를 구비하는 자기 센서가 제공된다. 또, 이러한 자기 센서를 사용하여 이루어지는 전류 센서도 제공된다.
도 1 은 본 발명의 일 실시형태에 관련된 자기 센서의 회로도이다.
도 2 는 도 1 에 나타내는 자기 센서가 구비하는 자기 저항 효과 소자의 확대 평면도이다.
도 3 은 도 2 에 나타내는 Ⅱ-Ⅱ 선에 있어서의 화살표 단면도이다.
도 4 는 실시예 1 에 관련된 자기 센서 및 비교예 1 에 관련된 자기 센서의 외부 자장을 인가하지 않는 상태에서의 센서 출력 (Vout) 의 값의 온도 특성을 나타내는 그래프이다.
도 5 는 실시예 2 의 결과를 나타내는 그래프이다.
도 6 은 실시예 3 의 결과를 나타내는 그래프이다.
도 2 는 도 1 에 나타내는 자기 센서가 구비하는 자기 저항 효과 소자의 확대 평면도이다.
도 3 은 도 2 에 나타내는 Ⅱ-Ⅱ 선에 있어서의 화살표 단면도이다.
도 4 는 실시예 1 에 관련된 자기 센서 및 비교예 1 에 관련된 자기 센서의 외부 자장을 인가하지 않는 상태에서의 센서 출력 (Vout) 의 값의 온도 특성을 나타내는 그래프이다.
도 5 는 실시예 2 의 결과를 나타내는 그래프이다.
도 6 은 실시예 3 의 결과를 나타내는 그래프이다.
도 1 은, 본 발명의 일 실시형태에 관련된 자기 센서의 회로도이고, 도 2 는 도 1 에 나타내는 자기 센서가 구비하는 자기 저항 효과 소자의 개념도 (평면도) 이고, 도 3 은, 도 2 에 나타내는 Ⅱ-Ⅱ 선에 있어서의 화살표 단면도이다.
본 발명의 일 실시형태에 관련된 자기 센서 (1) 는, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 2 종류의 자기 저항 효과 소자를 각각 2 개 (제 1 자기 저항 효과 소자 (GMR11, GMR12) 및 제 2 자기 저항 효과 소자 (GMR21, GMR22)) 구비하는 풀 브릿지 회로 (31) 를 갖는다.
제 1 자기 저항 효과 소자 (GMR11) 와 제 2 자기 저항 효과 소자 (GMR21) 가 직렬 접속된 제 1 하프 브릿지 회로 (32) 로부터 제 1 중점 전위 (V1) 가 출력되고, 제 1 자기 저항 효과 소자 (GMR12) 와 제 2 자기 저항 효과 소자 (GMR22) 가 직렬 접속된 제 2 하프 브릿지 회로 (33) 로부터 제 2 중점 전위 (V2) 가 출력된다. 입력 단자 (Vdd) 와 그라운드 단자 (GND) 사이에서, 제 1 하프 브릿지 회로 (32) 와 제 2 하프 브릿지 회로 (33) 가 병렬 접속되어 풀 브릿지 회로 (31) 를 구성한다.
도 1 에 나타내는 바와 같이, 제 1 중점 전위 (V1) 와 제 2 중점 전위 (V2) 의 차분이 차동 증폭기 (40) 에 의해 증폭되어 센서 출력 (Vout) 으로서 출력된다. 또한, 본 실시형태에서는, 풀 브릿지 회로 (31) 는 4 개의 자기 저항 효과 소자 (제 1 자기 저항 효과 소자 (GMR11, GMR12) 및 제 2 자기 저항 효과 소자 (GMR21, GMR22)) 로 구성되어 있지만, 이것에 한정되지 않고, 출력을 크게 하기 위하여 보다 다수의 자기 저항 효과 소자를 사용할 수도 있다.
제 1 자기 저항 효과 소자 (GMR11, GMR12) 와 제 2 자기 저항 효과 소자 (GMR21, GMR22) 는, 감자부 (感磁部) (후술하는 장척 패턴 (12)) 의 구조는 공통이고, 감도축 방향을 설정할 때의 자화의 방향이 반대 방향으로 되어 있다. 이 때문에, 상기의 4 개의 자기 저항 효과 소자 (제 1 자기 저항 효과 소자 (GMR11, GMR12) 및 제 2 자기 저항 효과 소자 (GMR21, GMR22)) 의 검출 감도는 원리적으로는 동등하다. 그러므로, 외부 자장이 인가되고 있지 않은 경우에는, 제 1 중점 전위 (V1) 와 제 2 중점 전위 (V2) 는 동등하기 때문에, 센서 출력 (Vout) 의 전위는, 원리적으로는 0 V 가 된다. 외부 자장이 인가되면, 그 크기에 따라 제 1 중점 전위 (V1) 와 제 2 중점 전위 (V2) 의 차가 커져, 센서 출력 (Vout) 의 전위는 0 V 로부터 벌어지고, 외부 자장의 강도에 따른 전위가 된다. 따라서, 센서 출력 (Vout) 의 전위를 측정함으로써, 인가된 외부 자장의 강도를 구하는 것이 가능하다.
자기 센서 (1) 가 구비하는 4 개의 자기 저항 효과 소자 (제 1 자기 저항 효과 소자 (GMR11, GMR12) 및 제 2 자기 저항 효과 소자 (GMR21, GMR22)) 의 구조에 대해, 도 2 및 도 3 을 사용하여 설명한다. 상기한 바와 같이, 4 개의 자기 저항 효과 소자의 감자부의 구조는 공통이기 때문에 제 1 자기 저항 효과 소자 (GMR11) 를 예로서 이하에 설명한다.
제 1 자기 저항 효과 소자 (GMR11) 는, 복수의 띠상의 장척 패턴 (12) (스트라이프) 을 구비하고, 그 스트라이프 길이 방향 (D1) (이하, 간단히「길이 방향 (D1) 」이라고도 한다) 이 서로 평행해지도록 배치된 복수의 장척 패턴 (12) (스트라이프) 가 되접혀 이루어지는 형상 (미앤더 형상) 을 갖는다. 이 미앤더 형상의 제 1 자기 저항 효과 소자 (GMR11) 에 있어서, 감도축 방향은, 장척 패턴 (12) 의 길이 방향 (D1) 에 대해 직교하는 방향 (D2) (이하, 간단히「폭 방향 (D2) 」이라고도 한다) 이다. 제 1 자기 저항 효과 소자 (GMR11) 와 기본 구성이 공통되는 제 1 자기 저항 효과 소자 (GMR12) 및 제 2 자기 저항 효과 소자 (GMR21, GMR22) 도 동일하다. 따라서, 이 미앤더 형상의 제 1 자기 저항 효과 소자 (GMR11) 를 구비하는 자기 센서 (1) 는, 사용시에 피측정 자계 및 캔슬 자계가 폭 방향 (D2) 을 따르도록 인가된다.
서로 평행해지도록 배치된 복수의 띠상의 장척 패턴 (12) 중, 배열 방향 단부에 위치하는 것 이외의 장척 패턴 (12) 의 각각은, 단부에 있어서 최근위의 다른 띠상의 장척 패턴 (12) 과 도전부 (13) 에 의해 접속되어 있다. 배열 방향 단부에 위치하는 장척 패턴 (12) 은, 도전부 (13) 를 통하여 접속 단자 (14) 에 접속되어 있다. 이렇게 하여, 2 개의 접속 단자 (14, 14) 간에, 복수의 장척 패턴 (12) 이 직렬로 도전부 (13) 에 의해 접속된 구성을, 제 1 자기 저항 효과 소자 (GMR11) 는 구비한다. 도전부 (13) 및 접속 단자 (14) 는 비자성, 자성의 구별을 불문하지만, 전기 저항이 낮은 재료로 구성하는 것이 바람직하다.
제 1 자기 저항 효과 소자 (GMR11) 가 갖는 2 개의 접속 단자 (14, 14) 중, 일방이 입력 단자 (Vdd) 와 접속되고, 타방이 제 1 중점 전위 (V1) 를 출력하는 부분에 접속된다. 자기 센서 (1) 의 사용시에는, 제 1 자기 저항 효과 소자 (GMR11) 로부터의 신호는, 제 1 중점 전위 (V1) 로서 차동 증폭기 (40) 에 입력되고, 제 2 중점 전위 (V2) 와의 차에 의해 센서 출력 (Vout) 이 산출된다.
도 3 에 나타내는 바와 같이, 제 1 자기 저항 효과 소자 (GMR11) 의 장척 패턴 (12) 의 각각은, 기판 (29) 상에, 도시되지 않은 절연층 등을 개재하여, 아래에서부터, 시드층 (20), 고정 자성층 (21), 비자성 재료층 (22), 프리 자성층 (23), 제 1 반강자성층 (24), 및 보호층 (25) 의 순으로 적층되어 성막된다. 이들의 층의 성막 방법은 한정되지 않는다. 예를 들어 스퍼터로 성막해도 된다.
시드층 (20) 은, NiFeCr 혹은 Cr 등으로 형성된다.
고정 자성층 (21) 은, 제 1 자성층 (21a) 과 제 2 자성층 (21c) 과, 제 1 자성층 (21a) 과 제 2 자성층 (21c) 사이에 위치하는 비자성 중간층 (21b) 의 셀프 핀 고정 구조이다. 도 3 에 나타내는 바와 같이, 제 1 자성층 (21a) 의 고정 자화 방향 (도 3 에서는 우측 방향) 과, 제 2 자성층 (21c) 의 고정 자화 방향 (도 3 에서는 좌측 방향) 은 반 (反) 평행으로 되어 있다. 그리고, 제 2 자성층 (21c) 의 고정 자화 방향이, 고정 자성층 (21) 에 있어서의 고정 자화 방향, 즉 감도축 방향이다.
제 1 자기 저항 효과 소자 (GMR12) 는, 고정 자성층 (21) 에 있어서의 고정 자화 방향의 방향이 제 1 자기 저항 효과 소자 (GMR11) 와 동등하다. 즉, 제 1 자기 저항 효과 소자 (GMR12) 는 제 1 자기 저항 효과 소자 (GMR11) 와 자화를 포함하여 구성이 공통된다. 이에 반하여, 제 2 자기 저항 효과 소자 (GMR21, GMR22) 는, 제 1 자기 저항 효과 소자 (GMR11, GMR12) 와 대비하여, 고정 자성층 (21) 에 있어서의 고정 자화 방향의 방향이 반대 방향 (반평행) 이다. 이 때문에, 감도축 방향을 따라 외부 자장이 인가되었을 때에, 제 1 자기 저항 효과 소자 (GMR11, GMR12) 와 제 2 자기 저항 효과 소자 (GMR21, GMR22) 는 외부 자장에 대한 저항 변화의 방향이 반대가 된다.
도 3 에 나타내는 바와 같이, 제 1 자성층 (21a) 은 시드층 (20) 상에 형성되어 있고, 제 2 자성층 (21c) 은, 후술하는 비자성 재료층 (22) 에 접하여 형성되어 있다. 제 1 자성층 (21a) 은, 제 2 자성층 (21c) 보다 높은 보자력 재료인 CoFe 합금으로 형성되는 것이 바람직하다.
비자성 재료층 (22) 에 접하는 제 2 자성층 (21c) 은 자기 저항 효과 (구체적으로는 GMR 효과) 에 기여하는 층이고, 제 2 자성층 (21c) 에는, 업 스핀을 갖는 전도 전자와 다운 스핀을 갖는 전도 전자의 평균 자유 행정차를 크게 할 수 있는 자성 재료가 선택된다.
도 3 에 나타내는 제 1 자기 저항 효과 소자 (GMR11) 에서는, 제 1 자성층 (21a) 과 제 2 자성층 (21c) 의 자화량 (포화 자화 (Ms)·층두께 (t)) 의 차가 실질적으로 제로가 되도록 조정되어 있다.
도 3 에 나타내는 제 1 자기 저항 효과 소자 (GMR11) 의 고정 자성층 (21) 은, 셀프 핀 고정 구조이기 때문에, 반강자성층을 구비하지 않는다. 이로써 제 1 자기 저항 효과 소자 (GMR11) 의 온도 특성이 반강자성층의 블로킹 온도에 제약을 받지 않는다.
고정 자성층 (21) 의 자화 고정력을 높이려면, 제 1 자성층 (21a) 의 보자력 (Hc) 을 높이는 것, 제 1 자성층 (21a) 과 제 2 자성층 (21c) 의 자화량의 차를 실질적으로 제로로 조정하는 것, 또한 비자성 중간층 (21b) 의 두께를 조정하여 제 1 자성층 (21a) 과 제 2 자성층 (21c) 사이에 발생하는 RKKY 상호 작용에 의한 반평행 결합 자계를 강하게 하는 것이 중요해지고 있다. 이와 같이 적절히 조정함으로써, 고정 자성층 (21) 이 외부로부터의 자계에 대해 영향을 받지 않고, 자화가 보다 강고하게 고정된다.
비자성 재료층 (22) 은, Cu (구리) 등이다.
도 3 에 나타내는 제 1 자기 저항 효과 소자 (GMR11) 의 프리 자성층 (23) 은, 강자성층 (23a) 및 미스피트 저감층 (23b) 으로 구성된다. 본 발명의 일 실시형태에 관련된 자기 센서 (1) 가 구비하는 제 1 자기 저항 효과 소자 (GMR11) 의 강자성층 (23a) 은, NiFeM 층 (NiFeM 으로 이루어지는 층으로서, M 은, Ta, Cr, Nb, Rh, Zr, Mo, Al, Au, Pd, Pt, 및 Si 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소로 이루어진다) (231a) 및 도전성 강자성층 (232a) 을 구비한다. 강자성층 (23a) 은, 미스피트 저감층 (23b) 과 함께 제 1 반강자성층 (24) 과 교환 결합되어 있다.
제 1 자기 저항 효과 소자 (GMR11) 를 구성하는 각종 층 (고정 자성층 (21), 프리 자성층 (23), 제 1 반강자성층 (24) 등) 의 두께의 편차는, 제 1 자기 저항 효과 소자 (GMR11) 의 특성 편차를 초래할 수 있다. 도 1 에 나타내는 자기 센서 (1) 가 구비하는 풀 브릿지 구조의 회로에서는, 구성하는 4 개의 자기 저항 효과 소자 (제 1 자기 저항 효과 소자 (GMR11, GMR12) 및 제 2 자기 저항 효과 소자 (GMR21, GMR22)) 의 각각을 구성하는 각종 막의 두께가 편차없이 동등한 경우에, 외부 자장이 인가되고 있지 않은 상태에서의 센서 출력 (Vout) 의 전위는 0 V 로 된다. 그러나, 현실에는, 제조 프로세스의 편차에서 기인하여, 각각의 자기 저항 효과 소자를 구성하는 각종 층의 두께에는 편차가 존재한다. 이 층두께의 편차에 의해, 외부 자장을 인가하고 있지 않은 경우의 센서 출력 (Vout) 의 전위는 0 V 로 되지 않고, 소정의 오프셋치를 갖게 된다.
또, 이 오프셋치는 환경 온도의 변화에 따라 변동하고, 그 변동 용이성 (오프셋 온도 특성) 도, 개개의 자기 저항 효과 소자의 편차의 영향을 받는다. 이 오프셋 온도 특성은, 자기 저항 효과 소자의 각종 층을 구성하는 재료의 저항 온도 계수 (단위 : 10-6/℃) 의 영향을 받기 쉽다. 구체적으로는, 자기 센서가 구비하는 복수의 자기 저항 효과 소자에 있어서 저항 온도 계수가 비교적 큰 재료로 이루어지는 층의 두께가 상이한 경우에는, 자기 센서의 오프셋 온도 특성이 커진다 (오프셋치가 환경 온도의 변화에 따라 변동되기 쉽다).
강자성층 (23a) 은, 제 1 자기 저항 효과 소자 (GMR11) 에 있어서 스핀 밸브를 적절히 발생시키는 관점에서, 제 1 자기 저항 효과 소자 (GMR11) 가 구비하는 각종 층 중에서도 비교적 두껍게 (예를 들어 5 Å 이상) 형성된다. 이 때문에, 제조 프로세스의 편차의 영향을 받기 쉽고, 강자성층 (23a) 은 두께의 편차가 상대적으로 큰 층이다. 이와 같은 두께의 편차가 상대적으로 큰 층의 저항 온도 계수가 큰 경우에는, 얻어진 자기 저항 효과 소자의 복수를 구비하는 자기 센서 (1) 의 오프셋 온도 특성이 비교적 커지기 쉽다 (온도 변화에 기초하는 오프셋치의 변동이 크다).
그래서, 본 발명의 일 실시형태에 관련된 자기 센서 (1) 가 구비하는 제 1 자기 저항 효과 소자 (GMR11) 의 강자성층 (23a) 은, 저항 온도 계수가 비교적 작은 NiFeM 층 (231a) 을 구비한다. NiFeM 층 (231a) 은, 강자성층 (23a) 의 구성 재료로서 사용될 수 있는 다른 강자성 재료, 구체예로서 NiFe (Ni82.5Fe17.5) 및 90CoFe (Co90Fe10) 를 들 수 있음, 에 비하여, 저항 온도 계수가 작다.
이 때문에, 자기 센서 (1) 가 구비하는 4 개의 자기 저항 효과 소자에 있어서의 각각의 NiFeM 층 (231a) 의 두께에 편차가 발생한 경우여도, 그 두께의 편차가 오프셋 온도 특성에 영향을 주기 어렵다. NiFeM 층 (231a) 에 있어서의 M 을 구성하는 원소는 1 종류여도 되고 2 종류 이상이어도 된다. 또, M 을 구성하는 원소의 원자비는, NiFeM 층 (231a) 이 적절한 자기 특성을 갖는 (강자성을 나타내는) 한 임의이다. 저항 온도 계수를 작게 하는 것 및 강자성을 나타내는 것을 보다 안정적으로 만족하는 관점에서, NiFeM 층 (231a) 에 있어서의 M 은 Nb 인 것, 즉, NiFeM 층 (231a) 은 NiFeNb 로 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시형태에 관련된 자기 센서 (1) 가 구비하는 제 1 자기 저항 효과 소자 (GMR11) 의 강자성층 (23a) 은, NiFeM 층 (231a) 보다 비자성 재료층 (22) 측에 위치하고 NiFeM 층 (231a) 보다 저항률이 낮은 도전성 강자성층 (232a) 을 구비한다. 도전성 강자성층 (232a) 이 NiFeM 층 (231a) 보다 비자성 재료층 (22) 측에 위치함으로써, GMR 효과에 의해 스핀 의존 산란이 큰 영역을 안정적으로 확보할 수 있다. 도전성 강자성층 (232a) 의 구체예로서 90CoFe (Co90Fe10) 등 CoFe 계 합금으로 이루어지는 층 (CoFe 층) 을 들 수 있다. GMR 효과에 의해 스핀 의존 산란이 큰 영역을 보다 안정적으로 확보하는 관점에서, 도전성 강자성층 (232a) 은 비자성 재료층 (22) 에 접하도록 위치하는 것이 바람직하다. 이와 같이 도전성 강자성층 (232a) 을 구비하는 경우에는, NiFeM 층 (231a) 은 비교적 저항률이 높은 재료로 구성되는 것이, 션트 로스를 저감시키는 관점에서 바람직하다. 이 관점에서도, NiFeM 층 (231a) 에 있어서의 M 을 구성하는 원소는 Nb 로 이루어지는 것, 즉, NiFeM 층 (231a) 은 NiFeNb 로 이루어지는 것이 바람직하다.
여기서, 다음에 설명하는 바와 같이, 외부 응력이 자기 센서 (1) 에 주는 영향을 줄이는 관점에서, 도전성 강자성층 (232a) 은 면심 입방 (fcc) 구조의 CoFe 계 합금을 함유하는 것이 바람직하다. CoFe 계 합금은, 상기의 90CoFe (Co90Fe10) 등, Co 함유량이 80 원자％ 이상인 경우에 fcc 구조가 안정이 된다. 이 fcc 구조의 CoFe 계 합금은, bcc 구조의 CoFe 계 합금에 비하여 자왜 정수 (定數) (λs) 가 작다 (절대치가 낮다). 이 때문에, 도전성 강자성층 (232a) 이 fcc 구조의 CoFe 계 합금을 지배적으로 함유하는 경우에는, 제 1 자기 저항 효과 소자 (GMR11) 가 외부로부터 응력을 받아도, 프리 자성층 (23) 에 있어서 자기 탄성 이방성 (역자왜 효과) 이 잘 현재화되지 않는다. 이 역자왜 효과가 현재화되면, 외부 응력에 기초하여 프리 자성층 (23) 의 자화 방향이 변화하기 쉬워지기 때문에, 제 1 자기 저항 효과 소자 (GMR11) 의 특성 안정성이 저하된다. 그 결과, 제 1 자기 저항 효과 소자 (GMR11) 의 외부 자장에 대한 감도가 저하되는 경우도 있다. 제 1 자기 저항 효과 소자 (GMR11) 에 외력이 부여되는 경우의 구체예로서, 제 1 자기 저항 효과 소자 (GMR11) 를 구비하는 칩을 수지 몰드에 의해 패키지화하는 것을 들 수 있다. 도전성 강자성층 (232a) 이 fcc 구조의 CoFe 계 합금을 함유하는 경우에는, 패키지 공정에서 제 1 자기 저항 효과 소자 (GMR11) 에 응력이 부여되는 조건으로 수지 성형이 실시되어도, 그 응력에서 기인하여 특성의 편차가 커지는 문제가 잘 발생하지 않는다.
도전성 강자성층 (232a) 이 fcc 구조의 CoFe 계 합금을 함유하는 경우에 있어서, 도전성 강자성층 (232a) 의 구체적인 조성이나 두께는, 프리 자성층 (23) 의 자왜 정수 (λs) 가 가능한 한 작아지도록 적절히 설정하면 된다. 예를 들어, 도전성 강자성층 (232a) 이 90CoFe (Co90Fe10) 로 이루어지는 경우에는, 도전성 강자성층 (232a) 의 두께가 10 Å 이상 40 Å 이하의 범위에서, 바람직하게는 20 Å 이상 30 Å 이하의 범위에서, 제 1 자기 저항 효과 소자 (GMR11) 의 저항 변화율 ΔR/R 을 높일 수 있다. 또, 도전성 강자성층 (232a) 이 90CoFe (Co90Fe10) 로 이루어지는 하층 (fcc 구조) 과 70CoFe (Co70Fe30) 로 이루어지는 상층 (bcc 구조) 의 적층 구조인 경우에는, 상층의 두께가 일정한 막두께보다 얇은 경우, 70CoFe 층의 성막시에 하층인 90CoFe 의 영향으로 fcc 구조로서 성장하기 쉽기 때문에, 프리 자성층 (23) 의 자왜 정수 (λs) 는 작다. 그러나, 상층의 두께가 일정한 막두께보다 두꺼워지면 70CoFe (Co70Fe30) 에 있어서 안정적인 bcc 구조의 성분이 많아지기 때문에, 프리 자성층 (23) 의 자왜 정수 (λs) 는 커진다. 이 점에 관해서는 실시예에 있어서 상세히 서술한다.
미스피트 저감층 (23b) 은, 프리 자성층 (23) 의 제 1 반강자성층 (24) 에 대한 격자 비정합을 저감시키는 층이다. 본 발명의 일 실시형태에 관련된 자기 센서 (1) 가 구비하는 제 1 자기 저항 효과 소자 (GMR11) 에서는, 미스피트 저감층 (23b) 이 제 1 반강자성층 (24) 에 접하도록 형성되어 있다.
프리 자성층의 제 1 반강자성층에 대한 격자 비정합에 관하여, 프리 자성층을 구성하는 재료가 NiFe 를 포함하고, 제 1 반강자성층을 구성하는 재료가 IrMn 인 경우를 예로서 설명하면, NiFe 를 포함하는 프리 자성층과 IrMn 으로 이루어지는 제 1 반강자성층을 적층한 상태에서 X 선 회절 스펙트럼을 측정하면, 프리 자성층의 fcc (111) 면에 기초하는 피크가 51.5°정도에 정점을 갖고 측정되고, 제 1 반강자성층의 fcc (111) 면에 기초하는 피크가 48.5°정도에 정점을 갖고 측정된다. 이들의 측정 결과에 기초하면, 제 1 반강자성층을 구성하는 IrMn 의 격자면 간격은 2.18 Å, 프리 자성층을 구성하는 NiFe 의 격자면 간격은 2.06 Å 으로 산출되어, 6 ％ 정도의 격자 비정합이 존재하는 것으로 추측된다.
이에 대하여, 제 1 자기 저항 효과 소자 (GMR11) 와 같이, 프리 자성층 (23) 이 미스피트 저감층 (23b) 을 갖는 경우에는, 프리 자성층 (23) 과 IrMn 으로 이루어지는 제 1 반강자성층 (24) 을 적층한 상태에서 X 선 회절 스펙트럼을 측정하면, 프리 자성층 (23) 에 기초하는 피크는 저각도측으로 시프트되고, 프리 자성층 (23) 과 제 1 반강자성층 (24) 의 격자 비정합이 저감된다. 제 1 자기 저항 효과 소자 (GMR11) 는, 일 구체예에 있어서, 미스피트 저감층 (23b) 이, 그 격자면 간격이 강자성층 (23a) 의 격자면 간격보다 커지도록 구성된다. 미스피트 저감층 (23b) 의 격자면 간격이 강자성층 (23a) 의 격자면 간격보다 크기 때문에, 미스피트 저감층 (23b) 및 강자성층 (23a) 을 구비하는 프리 자성층 (23) 의 격자면 간격이, 제 1 반강자성층 (24) 의 격자면 간격에 가까워지도록 넓어지고, 프리 자성층 (23) 과 제 1 반강자성층 (24) 의 격자 비정합이 저감된 것으로 생각된다. 이와 같이, 미스피트 저감층 (23b) 의 일 구체예는, 그 fcc (111) 면에 있어서의 격자면 간격이, 강자성층 (23a) 의 fcc (111) 면에 있어서의 격자면 간격보다 크다.
이와 같이 프리 자성층 (23) 과 제 1 반강자성층 (24) 의 격자 비정합이 저감됨으로써, 제 1 자기 저항 효과 소자 (GMR11) 를 구비하는 자기 센서 (1) 는, 격자 비정합이 큰 경우에 비하여, 고온 환경하에 장시간 보존된 경우에 있어서의 검출 감도의 저하가 잘 발생되지 않게 된다.
프리 자성층 (23) 과 제 1 반강자성층 (24) 의 격자 비정합이 저감됨으로써, 자기 센서 (1) 의 고온 환경하에 장시간 보존된 경우에 있어서의 검출 감도의 저하가 잘 발생되지 않게 되는 이유는, 제 1 반강자성층 (24) 과의 격자의 정합성이 높아진 결과, 제 1 반강자성층 (24) 에 함유되는 원자가 움직이기 어려워지기 때문에, 고온 환경하에 장시간 보존된 전후의 교환 결합 자계의 변동이 작아진 것에서 기인하고 있는 것으로 생각된다.
프리 자성층 (23) 과 제 1 반강자성층 (24) 의 격자 비정합을 저감시키는 것에 기여하는 한, 미스피트 저감층 (23b) 의 조성은 한정되지 않는다. 상기와 같이, 미스피트 저감층 (23b) 은, 강자성층 (23a) 을 구성하는 재료보다 원자 반경이 큰 재료를 함유하는 것이 바람직하다. 또, 미스피트 저감층 (23b) 은 단층 구조를 갖고 있어도 되고, 적층 구조를 갖고 있어도 된다. 강자성층 (23a) 을 구성하는 재료가 NiFe 계 재료 (NiFeM 을 포함한다) 나 CoFe 계 재료로서, 제 1 반강자성층 (24) 을 구성하는 재료가 IrMn 이나 PtMn 인 경우에는, 미스피트 저감층 (23b) 은, 철족 원소 (구체적으로는, Fe, Ni 및 Co 가 예시된다) 의 1 종 또는 2 종 이상 및 백금족 원소 (구체적으로는, Pt, Pd, Rh, Ir, Ru 및 Os 가 예시된다) 의 1 종 또는 2 종 이상을 함유하는 제 1 층을 구비하고 있어도 된다. 제 1 층의 구체예로서 CoFePt, NiFePt 등을 들 수 있다. Pt 의 fcc (111) 면의 격자면 간격은 2.26 Å 이고, 상기와 같이, 제 1 반강자성층 (24) 을 구성하는 재료가 IrMn 인 경우에는, 제 1 반강자성층 (24) 의 fcc (111) 면의 격자면 간격은 2.18 Å 정도이다. 따라서, 미스피트 저감층 (23b) 이 Pt 등의 백금족 원소가 철족 원소와 함께 존재하는 제 1 층을 가질 때에는, 미스피트 저감층 (23b) 의 fcc (111) 면의 격자면 간격은, 그 백금족 원소의 함유량에 따라 넓어지고, 그 결과, 프리 자성층 (23) 의 fcc (111) 면의 격자면 간격도 넓어지게 된다. 또한, 제 1 층이 NiFeX (X 는 백금족 원소에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소) 인 경우에는 저항 온도 계수가 비교적 낮은 점에서, 제 1 층은 미스피트 저감층 (23b) 으로서의 기능을 가짐과 함께, 강자성층 (23a) 의 NiFeM 층 (231a) 과 마찬가지로, 자기 센서 (1) 의 오프셋 온도 특성의 개선에 기여할 수 있다.
제 1 층에 있어서의 철족 원소의 함유량과 백금족 원소의 함유량의 관계는, 상기와 같이, 프리 자성층 (23) 의 fcc (111) 면의 격자면 간격을 넓힐 수 있음과 함께, 프리 자성층 (23) 이 적절한 자기 특성을 갖는 것, 구체적으로는, 프리 자성층 (23) 과 제 1 반강자성층 (24) 의 사이에 교환 결합이 적절히 발생하는 것이 만족되는 한, 한정되지 않는다. 후술하는 실시예에 있어서 나타내는 바와 같이, 제 1 층에 있어서의 백금족의 함유량을 증대시킴으로써, 제 1 층으로 이루어지는 프리 자성층 (23) 의 fcc (111) 면과 IrMn 으로 이루어지는 제 1 반강자성층 (24) 의 fcc (111) 면의 격자 비정합을 저감시킬 수 있다. 그 한편으로, 제 1 층에 있어서의 백금족 원소의 함유량의 증대는 프리 자성층 (23) 의 포화 자화 (Ms) (단위 : T) 의 저하를 초래하는 경우가 있고, 이 경우에는, 제 1 층의 백금족 원소의 함유량이 과도하게 증대하면, 프리 자성층 (23) 에 교환 결합 바이어스가 적절히 발생하기 어려워진다.
프리 자성층 (23) 과 제 1 반강자성층 (24) 의 격자 비정합을 저감시키는 것에 기여하는 한, 미스피트 저감층 (23b) 의 두께는 한정되지 않는다. 미스피트 저감층 (23b) 이 과도하게 얇은 경우에는, 프리 자성층 (23) 과 제 1 반강자성층 (24) 의 격자 비정합을 저감시키는 것이 곤란해지고, 미스피트 저감층 (23b) 이 과도하게 두꺼운 경우에는, 프리 자성층 (23) 에 교환 결합 바이어스가 적절히 발생하기 어려워질 가능성이 높아지는 것을 고려하여, 적절히 설정하면 된다. 강자성층 (23a) 을 구성하는 재료가 NiFe 계 재료 (NiFeM 을 포함한다) 나 CoFe 계 재료를 포함하고, 제 1 반강자성층 (24) 을 구성하는 재료가 IrMn 이나 PtMn 으로 이루어지고, 또한 미스피트 저감층 (23b) 이 CoFePt 로 이루어지는 경우에는, 미스피트 저감층 (23b) 을 3 Å 이상 100 Å 이하로 하는 것이 바람직하다.
보호층 (25) 을 구성하는 재료는 한정되지 않는다. Ta (탄탈) 등이 예시된다. 도 2 에 나타내는 제 1 자기 저항 효과 소자 (GMR11) 에 있어서의 프리 자성층 (23) 의 자화 방향 (F) 은 초기 자화 방향을 나타내고 있고, 프리 자성층 (23) 의 자화 방향 (F) 은 고정 자성층 (21) 의 고정 자화 방향 (제 2 자성층 (21c) 의 고정 자화 방향) 에 대해 직교하는 방향으로 정렬되어 있다.
도 3 에 나타내는 제 1 자기 저항 효과 소자 (GMR11) 에서는, 제 1 반강자성층 (24) 이 프리 자성층 (23) 의 상면 전체에 성막되어 있는데, 이것에 한정되지 않고, 제 1 반강자성층 (24) 을 프리 자성층 (23) 의 상면에 비연속적으로 형성해도 된다. 단, 제 1 반강자성층 (24) 이 프리 자성층 (23) 의 전체면에 형성되어 있는 편이, 프리 자성층 (23) 전체를 적절히 일방향으로 단자구화할 수 있고, 히스테리시스를 보다 저감시킬 수 있기 때문에, 측정 정밀도를 향상시킬 수 있어 바람직하다.
본 발명의 일 실시형태에 관련된 자기 센서가 구비하는 자기 저항 효과 소자의 제조 방법은 한정되지 않는다. 다음에 설명하는 방법에 의하면, 본 실시형태에 관련된 자기 센서가 구비하는 자기 저항 효과 소자 (제 1 자기 저항 효과 소자 (GMR11)) 를 효율적으로 제조하는 것이 가능하다.
기판 (29) 상에, 도 3 에서는 도시되지 않은 절연층을 개재하여 시드층 (20) 을 성막하고, 그 위에, 셀프 핀 고정 구조를 갖는 고정 자성층 (21) 을 적층한다. 구체적으로는, 도 3 에 나타내는 바와 같은, 제 1 자성층 (21a), 비자성 중간층 (21b) 및 제 2 자성층 (21c) 을 순차 적층한다. 각 층의 성막 수단은 한정되지 않는다. 스퍼터가 예시된다. 제 1 자성층 (21a) 을 성막할 때에 자장을 인가하면서 실시함으로써, 제 1 자성층 (21a) 을 도 2 에 있어서의 폭 방향 (D2) 을 따르도록 자화시키면, RKKY 상호 작용에 의해 제 2 자성층 (21c) 을 제 1 자성층 (21a) 의 자화 방향과 반평행한 방향으로 강하게 자화하는 것이 가능하다. 이렇게 하여 자화된 제 2 자성층 (21c) 은, 그 후의 제조 과정에 있어서 스스로의 자화 방향과 다른 방향의 자장이 인가되어도, 그 영향을 받지 않고 폭 방향 (D2) 으로 자화된 상태를 유지하는 것이 가능하다.
다음으로, 고정 자성층 (21) 상에 비자성 재료층 (22) 을 적층한다. 비자성 재료층 (22) 의 적층 방법은 한정되지 않고, 스퍼터를 구체예로서 들 수 있다.
계속해서, 비자성 재료층 (22) 상에, 길이 방향 (D1) 을 따른 방향의 자장을 인가하면서, 프리 자성층 (23) (도전성 강자성층 (232a), NiFeM 층 (231a) 및 미스피트 저감층 (23b)), 제 1 반강자성층 (24) 및 보호층 (25) 을 순차 적층한다. 이들 층의 적층 방법은 한정되지 않고, 스퍼터를 구체예로서 들 수 있다. 이와 같이 자장 중 성막을 실시함으로써, 프리 자성층 (23) 의 자화 방향을 따른 방향으로 제 1 반강자성층 (24) 과의 사이에서 교환 결합 바이어스가 발생한다. 또한, 이들 층의 성막 중에는, 고정 자성층 (21) 에 대해서도 자장이 인가되지만, 고정 자성층 (21) 은 RKKY 상호 작용에 기초하는 핀 고정 구조를 갖기 때문에, 이 인가된 자장에 의해서는 자화 방향이 변동되는 경우는 없다. 프리 자성층 (23) 의 미스피트 저감층 (23b) 이 CoFePt, NiFePt 등 철족 원소와 백금족 원소의 동시 성막으로 이루어지는 제 1 층을 갖는 경우에는, 철족 원소의 성막 속도 (구체예로서 스퍼터 레이트를 들 수 있다) 와 백금족 원소 성막 속도 (구체예로서 스퍼터 레이트를 들 수 있다) 를 조정함으로써, 제 1 층의 합금 조성을 조정하는 것이 가능하다.
여기서, 제 1 반강자성층 (24) 을 구성하는 재료로서 IrMn 계의 재료를 사용한 경우에는, 특단의 가열 처리를 수반하지 않는 자장 중 성막에 의해 제 1 반강자성층 (24) 의 교환 결합 방향을 정렬하는 것이 가능하다. 따라서, 제 1 자기 저항 효과 소자 (GMR11) 를 제조하는 프로세스 전체를 통하여 자장 중 어닐 처리를 실시하지 않는 프로세스로 하는 것이 가능하다. 제 1 자기 저항 효과 소자 (GMR11) 의 제조 프로세스를 상기와 같이 자장 중 어닐 프리 프로세스로 함으로써, 동일한 기판 (29) 상에 상이한 감도축 (자화 방향이 반대 방향인 경우를 포함한다) 을 갖는 자기 저항 효과 소자 (제 2 자기 저항 효과 소자 (GMR21, GMR22)) 를 용이하게 제조하는 것이 가능해진다.
이렇게 하여, 자장 중 성막에 의해 프리 자성층 및 제 1 반강자성층 (24) 을 적층하면, 마지막으로, 보호층 (25) 을 적층한다. 보호층 (25) 의 적층 방법은 한정되지 않고, 스퍼터를 구체예로서 들 수 있다.
이상의 성막 공정에 의해 얻어진 적층 구조체에 대해 제거 가공 (밀링) 을 실시하고, 복수의 장척 패턴 (12) 이 폭 방향 (D2) 을 따라 배열된 상태로 한다. 이들 복수의 장척 패턴 (12) 을 접속하는 도전부 (13) 및 도전부 (13) 에 접속하는 접속 단자 (14) 를 형성하여, 도 2 에 나타내는 미앤더 형상을 갖는 제 1 자기 저항 효과 소자 (GMR11) 를 얻는다.
본 발명의 일 실시형태에 관련된 자기 저항 효과 소자를 구비한 자기 센서는, 전류 센서로서 바람직하게 사용될 수 있다. 이러한 전류 센서는, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 4 개의 자기 저항 효과 소자 (제 1 자기 저항 효과 소자 (GMR11, GMR12) 및 제 2 자기 저항 효과 소자 (GMR21, GMR22)) 를 사용하고, 브릿지 회로를 편성하여 측정 정밀도를 높이는 것이 바람직하다. 본 발명의 일 실시형태에 관련된 자기 저항 효과 소자의 제조 방법은, 바람직한 일례에 있어서 자장 중 어닐 처리를 구비하지 않기 때문에, 복수의 자기 저항 효과 소자를 동일 기판 상에 제조하는 것이 용이하다.
본 발명의 일 실시형태에 관련된 전류 센서의 구체예로서, 자기 비례식 전류 센서 및 자기 평형식 전류 센서를 들 수 있다.
자기 비례식 전류 센서는, 본 발명의 일 실시형태에 관련된 자기 저항 효과 소자를 적어도 1 개 포함하여 구성되고, 피측정 전류로부터의 유도 자계에 따른 전위차를 발생시키는 2 개의 출력을 구비하는 자계 검출 브릿지 회로를 갖는다. 그리고, 자기 비례식 전류 센서에서는, 유도 자계에 따라 자계 검출 브릿지 회로로부터 출력되는 전위차에 의해, 피측정 전류가 측정된다.
자기 평형식 전류 센서는, 본 발명의 일 실시형태에 관련된 자기 저항 효과 소자를 적어도 1 개 포함하여 구성되고, 피측정 전류로부터의 유도 자계에 따른 전위차를 발생시키는 2 개의 출력을 구비하는 자계 검출 브릿지 회로와, 자기 저항 효과 소자의 근방에 배치되고, 유도 자계를 상쇄하는 캔슬 자계를 발생시키는 피드백 코일을 구비한다. 그리고, 자기 평형식 전류 센서에서는, 전위차에 의해 피드백 코일에 통전하여 유도 자계와 캔슬 자계가 상쇄되는 평형 상태로 되었을 때의 피드백 코일에 흐르는 전류에 기초하여, 피측정 전류가 측정된다.
또한, 본 발명의 일 실시형태에 관련된 자기 저항 효과 소자는 이하의 구성 1 및 구성 2 중 적어도 일방을 구비한다.
(구성 1) 고정 자성층과 프리 자성층이 비자성 재료층을 개재하여 적층된 적층 구조를 구비하는 자기 저항 효과 소자로서, 프리 자성층에 있어서의 비자성 재료층에 대향하는 측의 반대측에, 프리 자성층과의 사이에서 교환 결합 바이어스를 발생시키고 상기 프리 자성층의 자화 방향을 자화 변동 가능한 상태에서 소정 방향으로 정렬할 수 있는 제 1 반강자성층을 구비하고, 프리 자성층은, 제 1 반강자성층에 접하도록 형성되고 상기 프리 자성층의 제 1 반강자성층에 대한 격자 비정합을 저감시키는 미스피트 저감층, 및 미스피트 저감층에 있어서의 제 1 반강자성층에 대향하는 측의 반대측에 형성된 강자성 재료로 이루어지는 강자성층을 구비하고, 이 강자성층은, NiFeM 층 (NiFeM 으로 이루어지는 층으로서, M 은, Ta, Cr, Nb, Rh, Zr, Mo, Al, Au, Pd, Pt, 및 Si 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소로 이루어진다) 을 구비하는 자기 저항 효과 소자. (구성 2) 고정 자성층과 프리 자성층이 비자성 재료층을 개재하여 적층된 적층 구조를 구비하는 자기 저항 효과 소자로서, 프리 자성층에 있어서의 비자성 재료층에 대향하는 측의 반대측에, 프리 자성층과의 사이에서 교환 결합 바이어스를 발생시키고 프리 자성층의 자화 방향을 자화 변동 가능한 상태에서 소정 방향으로 정렬할 수 있는 제 1 반강자성층을 구비하고, 프리 자성층은, 철족 원소의 1 종 또는 2 종 이상 및 백금족 원소의 1 종 또는 2 종 이상을 함유하고 제 1 반강자성층에 접하도록 형성되는 제 1 층, 및 제 1 층에 있어서의 제 1 반강자성층에 대향하는 측의 반대측에 형성된 강자성 재료로 이루어지는 강자성층을 구비하고, 이 강자성층은, NiFeM 층 (NiFeM 으로 이루어지는 층으로서, M 은, Ta, Cr, Nb, Rh, Zr, Mo, Al, Au, Pd, Pt, 및 Si 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소로 이루어진다) 을 구비하는 자기 저항 효과 소자.
이상 설명한 실시형태는, 본 발명의 이해를 용이하게 하기 위하여 기재된 것이지, 본 발명을 한정하기 위하여 기재된 것은 아니다. 따라서, 상기 실시형태에 개시된 각 요소는, 본 발명의 기술적 범위에 속하는 모든 설계 변경이나 균등물도 포함하는 취지이다.
예를 들어, 도 3 에 나타내는 제 1 자기 저항 효과 소자 (GMR11) 는, 고정 자성층 (21) 이 프리 자성층 (23) 과 기판 (29) 사이에 위치하도록 적층되는, 소위 보텀 핀 구조이지만, 프리 자성층이 고정 자성층과 기판 사이에 위치하도록 적층되는, 이른바 탑 핀 구조여도 된다. 또, 제 1 자기 저항 효과 소자 (GMR11) 에 있어서의 고정 자성층 (21) 이 셀프 핀 구조 대신에 반강자성층과 강자성층의 적층 구조를 구비하고, 반강자성층과의 교환 결합에 의해 강자성층이 특정의 방향 (도 3 에서는 좌측 방향) 으로 자화됨으로써, 고정 자성층 (21) 의 자화가 실시되어 있어도 된다.
실시예
이하, 실시예 등에 의해 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하지만, 본 발명의 범위는 이들의 실시예 등에 한정되는 것은 아니다.
(실시예 1)
절연막을 갖는 기판 (29) 상에, 아래에서부터 시드층 (20) ; NiFeCr (42)/고정 자성층 (21) [제 1 자성층 (21a) ; Co40Fe60 (19)/비자성 중간층 (21b) ; Ru (3.6)/제 2 자성층 (21c) ; Co90Fe10 (24)]/비자성 재료층 (22) ; Cu (20.5)/프리 자성층 (23) [강자성층 (23a) ; {도전성 강자성층 (232a) ; Co90Fe10 (18)/NiFeM 층 (231a) ; Ni81.8Fe13.4Nb4.8 (60)}/미스피트 저감층 (23b) ; Co54Fe6Pt40 (10)]/제 1 반강자성층 (24) ; Ir22Mn78 (60)/보호층 (25) ; Ta (100) 의 순으로 적층하여 얻어지는 적층막으로 이루어지는 4.0 ㎛ × 80 ㎛ 의 장척 패턴 (12) 을 얻었다. 괄호 내의 수치는 층두께를 나타내고 단위는 Å 이다. 장척 패턴 (12) 이 구비하는 미스피트 저감층 (23b) 은, 철족 원소의 1 종 또는 2 종 이상 (구체적으로는 Co 및 Fe) 및 백금족 원소의 1 종 또는 2 종 이상 (구체적으로는 Pt) 을 함유하는 층이기도 하기 때문에, 제 1 층으로서도 위치지워진다. 이 장척 패턴 (12) 을 9 개 구비하는 미앤더 형상의 4 개의 자기 저항 효과 소자 (제 1 자기 저항 효과 소자 (GMR11, GMR12) 및 제 2 자기 저항 효과 소자 (GMR21, GMR22)) 를 제조하였다. 이들 4 개의 자기 저항 효과 소자를 구비하고, 도 1 에 나타내는 풀 브릿지 구조를 구비하는 자기 센서 (1) 를 제작하였다. 또한, 각 자기 저항 효과 소자의 미앤더 형상은 다음과 같이 하여 제조하였다. 먼저, 기판 (29) 상에 상기의 적층막을 일정하게 형성하고, 리프트 오프법 등을 사용하여 이 적층막을 패턴 에칭함으로써 기판 (29) 상에 복수의 장척 패턴 (12) 을 형성하였다. 그리고, 이웃하는 장척 패턴 (12) 이 직렬로 접속되도록 단부를 도전성 재료로 접속함으로써 미앤더 형상을 얻었다.
(실시예 2)
절연막을 갖는 기판 (29) 상에, 아래에서부터 시드층 (20) ; NiFeCr (42)/고정 자성층 (21) [제 1 자성층 (21a) ; Co40Fe60 (19)/비자성 중간층 (21b) ; Ru (3.6)/제 2 자성층 (21c) ; Co90Fe10 (24)]/비자성 재료층 (22) ; Cu (20.5)/프리 자성층 (23) [강자성층 (23a) ; {도전성 강자성층 (232a) ; Co90Fe10 (10)/Ni82.5Fe17.5 (10)/NiFeM 층 (231a) ; Ni81.8Fe13.4Nb4.8 (60)}/미스피트 저감층 (23b) ; Co54Fe6Pt40 (10)]/제 1 반강자성층 (24) ; Ir22Mn78 (60)/보호층 (25) ; Ta (100) 의 순으로 적층하여 장척 패턴 (12) 을 얻었다. 괄호 내의 수치는 층두께를 나타내고 단위는 Å 이다. 장척 패턴 (12) 이 구비하는 미스피트 저감층 (23b) 은, 철족 원소의 1 종 또는 2 종 이상 (구체적으로는 Co 및 Fe) 및 백금족 원소의 1 종 또는 2 종 이상 (구체적으로는 Pt) 을 함유하는 층이기도 하기 때문에, 제 1 층으로서도 위치지워진다. 이 장척 패턴 (12) 을 9 개 구비하는 미앤더 형상의 4 개의 자기 저항 효과 소자 (제 1 자기 저항 효과 소자 (GMR11, GMR12) 및 제 2 자기 저항 효과 소자 (GMR21, GMR22)) 를 제조하였다. 이들 4 개의 자기 저항 효과 소자를 구비하고, 도 1 에 나타내는 풀 브릿지 구조를 구비하는 자기 센서 (1) 를 제작하였다.
(비교예 1)
절연막을 갖는 기판 상에, 아래에서부터 시드층 ; NiFeCr (42)/고정 자성층 [제 1 자성층 ; Co40Fe60 (19)/비자성 중간층 ; Ru (3.6)/제 2 자성층 ; Co90Fe10 (24)]/비자성 재료층 ; Cu (20.5)/프리 자성층 [강자성층 ; {Co90Fe10 (10)/Ni82.5Fe17.5 (60)}/미스피트 저감층 ; Co54Fe6Pt40 (10)]/제 1 반강자성층 ; Ir22Mn78 (60)/보호층 (25) ; Ta (100) 의 순으로 적층하여 장척 패턴을 얻었다. 괄호 내의 수치는 층두께를 나타내고 단위는 Å 이다. 장척 패턴이 구비하는 미스피트 저감층은, 철족 원소의 1 종 또는 2 종 이상 (구체적으로는 Ni 및 Fe) 및 백금족 원소의 1 종 또는 2 종 이상 (구체적으로는 Pt) 을 함유하는 층이기도 하기 때문에, 제 1 층으로서도 위치지워진다. 이 장척 패턴을 9 개 구비하는 미앤더 형상의 4 개의 자기 저항 효과 소자를 제조하였다. 이들 4 개의 자기 저항 효과 소자를 구비하고, 도 1 에 나타내는 풀 브릿지 구조를 구비하는 자기 센서를 제작하였다.
(비교예 2)
절연막을 갖는 기판 상에, 아래에서부터 시드층 ; NiFeCr (42)/고정 자성층 [제 1 자성층 ; Co40Fe60 (19)/비자성 중간층 ; Ru (3.6)/제 2 자성층 ; Co90Fe10 (24)]/비자성 재료층 ; Cu (20.5)/프리 자성층 [Co90Fe10 (10)/Ni82.5Fe17.5 (70)]/반강자성층 ; Ir22Mn78 (80)/보호층 ; Ta (100) 의 순으로 적층하여 장척 패턴을 얻었다. 괄호 내의 수치는 층두께를 나타내고 단위는 Å 이다. 이 장척 패턴을 9 개 구비하는 미앤더 형상의 4 개의 자기 저항 효과 소자를 제조하였다. 이들 4 개의 자기 저항 효과 소자를 구비하고, 도 1 에 나타내는 풀 브릿지 구조를 구비하는 자기 센서를 제작하였다.
(자기 센서의 특성 평가)
실시예 1 및 2 그리고 비교예 1 및 2 에 의해 제작한 자기 센서에 대해, 다음의 측정을 실시하였다.
먼저, 환경 온도가 25 ℃ 인 경우 및 85 ℃ 인 경우에 대해 교환 결합 바이어스의 크기 (단위 : Oe) 를 측정하였다. 그 결과를 표 1 에 나타낸다.
입력 단자 (Vdd) 에 있어서의 전압을 3 V, 측정 자장을 ± 2 mT 로 한 경우에 있어서의 비례 감도 (단위 : mV/mT) 를 측정하였다 (환경 온도 : 25 ℃). 그 결과를 표 1 에 나타낸다.
환경 온도를 25 ℃ 내지 85 ℃ 의 범위에서 변화시키면서 상기의 비례 감도를 측정하고, 비례 감도 온도 특성 (ppm/℃) 을 측정하였다. 그 결과를 표 1 에 나타낸다.
환경 온도를 150 ℃ 로 하여 1000 시간 보존함으로써, 보존 전의 상태에 비하여 어느 정도 비례 감도가 변화했는지 (비례 감도 드리프트, 단위 : ％) 를 측정하였다. 그 결과를 표 1 에 나타낸다.
외부 인가 자장을 변화시켜 히스테리시스 루프를 얻어, 외부 인가 자장과 출력의 선형성이 유지되지 않게 된 출력 범위의, 출력의 풀 스케일에 대한 비율 (선형성, 단위 : ％/F.S.) 을 측정하였다. 그 결과를 표 1 에 나타낸다.
상기의 히스테리시스 루프에 있어서의, 외부 인가 자장이 제로일 때의 히스테리시스의, 출력의 풀 스케일에 대한 비율 (제로 자장 히스테리시스, 단위 : ％/F.S.) 을 측정하였다. 그 결과를 표 1 에 나타낸다.
각 자기 센서가 구비하는 자기 저항 효과 소자에 대해, 소자 저항 (단위 : Ω) 및 저항 온도 계수 (TCR, 단위 : ppm/℃) 를 측정하였다. 이들의 결과를 표 1 에 나타낸다.
비교예 1 의 자기 센서는, 이 자기 센서가 구비하는 자기 저항 효과 소자가 미스피트 저감층을 구비하기 때문에, 비교예 2 의 자기 센서에 비하여, 비례 감도 드리프트가 개선되어 있다. 실시예의 자기 센서도, 비교예 1 의 자기 센서와 마찬가지로, 비례 감도 드리프트는 비교예 2 의 자기 센서에 비하여 개선되어 있다. 실시예의 자기 센서가 구비하는 자기 저항 효과 소자는 프리 자성층이 NiFeM 층 (구체적으로는 M 은 Nb) 을 구비하기 때문에, 비교예의 자기 센서가 구비하는 자기 저항 효과 소자에 비하여, 소자 저항의 증가 및 TCR 의 저하가 확인된다.
(오프셋 온도 특성의 측정)
실시예 1 에 관련된 자기 센서 및 비교예 1 에 관련된 자기 센서를, 각각, 웨이퍼 10 장 분 제작하고, 외부 자장을 인가하지 않는 상태에서의 센서 출력 (Vout) 의 값의 온도 특성 (오프셋 온도 특성, 환경 온도 범위 : 25 ℃ ∼ 85 ℃, 단위 : μV/℃) 을 측정하였다. 측정 결과 (평균치 및 3σ 치) 를 표 2 및 도 4 에 나타낸다.
표 2 및 도 4 에 나타내는 바와 같이, 본 발명에 관련된 실시예 1 의 자기 센서는, 비교예 1 의 자기 센서에 비하여, 오프셋 온도 특성의 값이 0 μV/℃ 에 가깝다. 따라서, 본 발명에 관련된 자기 센서는, 환경 온도가 변화해도 오프셋이 잘 발생하지 않아, 측정 정밀도가 우수한 것이 확인되었다.
(실시예 2)
절연막을 갖는 기판 (29) 상에, 아래에서부터 시드층 (20) ; NiFeCr (42)/고정 자성층 (21) [제 1 자성층 (21a) ; Co40Fe60 (19)/비자성 중간층 (21b) ; Ru (3.6)/제 2 자성층 (21c) ; Co90Fe10 (24)]/비자성 재료층 (22) ; Cu (20.5)/프리 자성층 (23) [강자성층 (23a) ; {도전성 강자성층 (232a) ; Co90Fe10 (X)/NiFeM 층 (231a) ; Ni81.8Fe13.4Nb4.8 (40)}/미스피트 저감층 (23b) ; Co54Fe6Pt40 (10)]/제 1 반강자성층 (24) ; Ir22Mn78 (60)/보호층 (25) ; Ta (100) 의 순으로 적층하여 4.0 ㎛ × 80 ㎛ 의 장척 패턴 (12) 을 얻었다. 괄호 내의 수치는 층두께를 나타내고 단위는 Å 이다. 도전성 강자성층 (232a) 의 두께 (X) (단위 : Å) 는, 5 Å 내지 45 Å 의 범위에서, 5 Å 마다 상이한 복수의 값을 설정하였다 (실시예 2-1 내지 실시예 2-9). 이들의 장척 패턴 (12) 이 구비하는 미스피트 저감층 (23b) 은, 철족 원소의 1 종 또는 2 종 이상 (구체적으로는 Co 및 Fe) 및 백금족 원소의 1 종 또는 2 종 이상 (구체적으로는 Pt) 을 함유하는 층이기도 하기 때문에, 제 1 층으로서도 위치지워진다. 이 장척 패턴 (12) 을 9 개 구비하는 미앤더 형상의 제 1 자기 저항 효과 소자 (GMR11) 를 제조하였다.
제조한 제 1 자기 저항 효과 소자 (GMR11) 의 저항 변화율 ΔR/Rmin (단위 : ％) 를 측정하였다. 측정 결과를 표 3 및 도 5 에 나타낸다.
표 3 및 도 5 에 나타내는 바와 같이, 도전성 강자성층 (232a) 이 Co90Fe10 으로 이루어지는 경우에는, 그 두께가 10 Å 이상 40 Å 이하인 경우에 제 1 자기 저항 효과 소자 (GMR11) 의 저항 변화율 ΔR/Rmin 이 8 ％ 이상이 되는 것이 안정적으로 실현되었다. 도전성 강자성층 (232a) 의 두께가 20 Å 이상 30 Å 이하인 경우에는 자기 저항 효과 소자의 저항 변화율 ΔR/Rmin 을 8.5 ％ 이상으로 하는 것이 안정적으로 실현되었다.
(실시예 3)
절연막을 갖는 기판 (29) 상에, 아래에서부터 시드층 (20) ; NiFeCr (42)/고정 자성층 (21) [제 1 자성층 (21a) ; Co40Fe60 (19)/비자성 중간층 (21b) ; Ru (3.6)/제 2 자성층 (21c) ; Co90Fe10 (24)]/비자성 재료층 (22) ; Cu (20.5)/프리 자성층 (23) [강자성층 (23a) ; {도전성 강자성층 (232a) ; (Co90Fe10 (25-X)/Co70Fe30 (X))/NiFeM 층 (231a) ; Ni81.8Fe12.4Nb4.8 (40)}/미스피트 저감층 (23b) ; Co54Fe6Pt40 (10)]/제 1 반강자성층 (24) ; Ir22Mn78 (60)/보호층 (25) ; Ta (100) 의 순으로 적층하여, 자기 저항 효과를 갖는 적층막을 얻었다. 괄호 내의 수치는 층두께를 나타내고 단위는 Å 이다. 도전성 강자성층 (232a) 은 전체의 두께가 25 Å 으로서, Co90Fe10 으로 이루어지는 하층과 Co70Fe30 으로 이루어지는 상층의 적층 구조 (실시예 3-1 및 실시예 3-9 를 제외한다) 이고, Co70Fe30 으로 이루어지는 상층의 두께 (X) (단위 : Å) 는, 0 Å 내지 25 Å 의 범위에서 상이한 복수의 값을 설정하였다 (실시예 3-1 내지 실시예 3-9).
얻어진 적층막에 대해, 그대로, 즉, 실시예 1 및 실시예 2 그리고 비교예 1 및 비교예 2 와는 상이하게 미앤더 형상으로는 하지 않은 상태에서, 프리 자성층 (23) 의 자왜 정수 (λs) (단위 : ppm) 를 측정하였다. 측정 결과를 표 4 및 도 6 에 나타낸다.
표 4 및 도 6 에 나타내는 바와 같이, Co70Fe30 으로 이루어지는 상층의 두께가 0 Å 에서 18 Å, 즉, Co90Fe10 으로 이루어지는 하층의 두께가 25 Å 에서 7Å 까지의 범위에 있는 경우에는, 도전성 강자성층 (232a) 의 자왜 특성은 Co90Fe10 으로 이루어지는 하층의 영향이 지배적이 되어, 프리 자성층 (23) 의 자왜 정수 (λs) 는 작아지는 결과가 되었다. 구체적으로는, Co90Fe10 으로 이루어지는 하층이 25 Å 에서 7 Å 까지의 범위를 통하여 자왜 정수 (λs) 의 절대치는 2.5 ppm 미만이었다. 이에 반하여, Co70Fe30 으로 이루어지는 상층의 두께가 20 Å 이상인 경우에는, 도전성 강자성층 (232a) 의 자왜 특성은 이 상층의 영향이 지배적이 되어, 상층의 두께에 따라 자왜 정수 (λs) 가 크게 변동하고, 도전성 강자성층 (232a) 이 Co70Fe30 으로 이루어지는 경우에는, 자왜 정수 (λs) 는 6 ppm 으로까지 높아졌다. 이것은, Co70Fe30 으로 이루어지는 상층은 본래 bcc 구조로 됨으로써 안정되기 때문에, 당해 상층의 두께가 20 Å 이상인 경우에는 bcc 구조의 성분이 증가하는 것에서 기인하고 있는 것으로 생각된다. 반대로, Co70Fe30 으로 이루어지는 상층이 20 Å 보다 얇아지면, Co90Fe10 으로 이루어지는 하층은 fcc 구조이기 때문에, 이 하층의 영향이 지배적이 되어, Co70Fe30 으로 이루어지는 상층은 fcc 구조로 성장하고 자왜 정수 (λs) 가 작아지는 것으로 생각된다. 이와 같이, 도전성 강자성층 (232a) 에 있어서의 fcc 구조의 CoFe 계 합금의 함유 비율을 높임으로써 프리 자성층 (23) 의 자왜 정수 (λs) 를 작게 할 수 있는 것이 확인되었다.
(실시예 4-1)
절연막을 갖는 기판 (29) 상에, 아래에서부터 시드층 (20) ; NiFeCr (42)/고정 자성층 (21) [제 1 자성층 (21a) ; Co40Fe60 (19)/비자성 중간층 (21b) ; Ru (3.6)/제 2 자성층 (21c) ; Co90Fe10 (24)]/비자성 재료층 (22) ; Cu (20.5)/프리 자성층 (23) [강자성층 (23a) ; {도전성 강자성층 (232a) ; (Co90Fe10 (13)/Co70Fe30 (12))/NiFeM 층 (231a) ; Ni81.8Fe13.4Nb4.8 (40)}/미스피트 저감층 (23b) ; Co54Fe6Pt40 (10)]/제 1 반강자성층 (24) ; Ir22Mn78 (60)/보호층 (25) ; Ta (100) 의 순으로 적층하여 4.0 ㎛ × 80 ㎛ 의 장척 패턴 (12) 을 얻었다. 괄호 내의 수치는 층두께를 나타내고 단위는 Å 이다. 장척 패턴 (12) 이 구비하는 미스피트 저감층 (23b) 은, 철족 원소의 1 종 또는 2 종 이상 (구체적으로는 Co 및 Fe) 및 백금족 원소의 1 종 또는 2 종 이상 (구체적으로는 Pt) 을 함유하는 층이기도 하기 때문에, 제 1 층으로서도 위치지워진다. 이 장척 패턴 (12) 을 9 개 구비하는 미앤더 형상의 4 개의 자기 저항 효과 소자 (제 1 자기 저항 효과 소자 (GMR11, GMR12) 및 제 2 자기 저항 효과 소자 (GMR21, GMR22)) 를 제조하였다. 이들 4 개의 자기 저항 효과 소자를 구비하고, 도 1 에 나타내는 풀 브릿지 구조를 구비하는 자기 센서 (1) 를 제작하였다. 얻어진 자기 센서 (1) 를 성형용 수지로 봉지함으로써 몰드 패키지를 제작하였다.
(실시예 4-2)
도전성 강자성층 (232a) 을 Co90Fe10 으로 이루어지는 25 Å 의 두께의 층에 의해 구성한 점 이외에는 실시예 4-1 과 마찬가지로 하여, 자기 저항 효과 소자를 제조하고, 또한 이들의 자기 저항 효과 소자를 사용하여 실시예 4-1 과 마찬가지로 하여 몰드 패키지를 제작하였다.
제조한 각 실시예에 관련된 몰드 패키지의 상하면에 1.5 ㎫ (8 ㎏f) 의 압력을 인가하였다. 압력을 인가하는 전후에서 자기 센서 (1) 의 제로 자장에서의 오프셋 전압 (단위 : mV) 의 변동량을 측정하였다. 측정 결과를 표 5 에 나타낸다. 또, 상기의 자기 저항 효과 소자와 동일한 막 구성을 갖는 적층막을 별도 준비하고, 이 적층막의 상태 (즉, 미앤더 형상으로는 하지 않은 상태) 에서 자왜 정수 (λs) 를 측정하였다.
표 5 에 나타내는 바와 같이, 프리 자성층 (23) 의 자왜 정수 (λs) 가 작은 실시예 4-1 에 관련된 몰드 패키지의 자기 센서 (1) 에서는, 오프셋 전압의 변동량은 작았다. 이에 반하여, 프리 자성층 (23) 의 자왜 정수 (λs) 가 실시예 4-1 과 비교하여 큰 실시예 4-2 에 관련된 몰드 패키지의 자기 센서 (1) 에서는, 오프셋 전압의 변동량은 커지는 것이 확인되었다.
산업상 이용가능성
본 발명의 일 실시형태에 관련된 자기 저항 효과 소자를 구비한 자기 센서는, 기둥상 트랜스 등의 인프라 관련 설비 ; 전기 자동차, 하이브리드 카 등의 수송 기기 등에 있어서 사용되는 전류 센서의 구성 요소로서 바람직하게 사용될 수 있다.
1 : 자기 센서
GMR11, 12 : 제 1 자기 저항 효과 소자
GMR21, 22 : 제 2 자기 저항 효과 소자
31 : 풀 브릿지 회로
32 : 제 1 하프 브릿지 회로
33 : 제 2 하프 브릿지 회로
Vdd : 입력 단자
V1 : 제 1 중점 전위
V2 : 제 2 중점 전위
Vout : 센서 출력
40 : 차동 증폭기
12 : 장척 패턴
13 : 도전부
14 : 접속 단자
D1 : 길이 방향
D2 : 폭 방향
20 : 시드층
21 : 고정 자성층
21a : 제 1 자성층
21b : 비자성 중간층
21c : 제 2 자성층
22 : 비자성 재료층
23 : 프리 자성층
23a : 강자성층
231a : NiFeM 층
232a : 도전성 강자성층
23b : 미스피트 저감층
24 : 제 1 반강자성층
25 : 보호층
29 : 기판
F : 자화 방향
GMR11, 12 : 제 1 자기 저항 효과 소자
GMR21, 22 : 제 2 자기 저항 효과 소자
31 : 풀 브릿지 회로
32 : 제 1 하프 브릿지 회로
33 : 제 2 하프 브릿지 회로
Vdd : 입력 단자
V1 : 제 1 중점 전위
V2 : 제 2 중점 전위
Vout : 센서 출력
40 : 차동 증폭기
12 : 장척 패턴
13 : 도전부
14 : 접속 단자
D1 : 길이 방향
D2 : 폭 방향
20 : 시드층
21 : 고정 자성층
21a : 제 1 자성층
21b : 비자성 중간층
21c : 제 2 자성층
22 : 비자성 재료층
23 : 프리 자성층
23a : 강자성층
231a : NiFeM 층
232a : 도전성 강자성층
23b : 미스피트 저감층
24 : 제 1 반강자성층
25 : 보호층
29 : 기판
F : 자화 방향
Claims (13)
- 특정의 방향으로 감도축을 갖는 자기 저항 효과 소자를 구비한 자기 센서로서,
상기 자기 저항 효과 소자는, 고정 자성층과 프리 자성층이 비자성 재료층을 개재하여 적층된 적층 구조를 기판 상에 갖고,
상기 프리 자성층에 있어서의 상기 비자성 재료층에 대향하는 측의 반대측에, 상기 프리 자성층과의 사이에서 교환 결합 바이어스를 발생시키고 상기 프리 자성층의 자화 방향을 자화 변동 가능한 상태에서 소정 방향으로 정렬할 수 있는 제 1 반강자성층을 구비하고,
상기 프리 자성층은, 상기 제 1 반강자성층에 접하도록 형성되고 상기 프리 자성층의 상기 제 1 반강자성층에 대한 격자 비정합을 저감시키는 미스피트 저감층, 및 상기 미스피트 저감층에 있어서의 상기 제 1 반강자성층에 대향하는 측의 반대측에 형성된 강자성 재료로 이루어지는 강자성층을 구비하고,
상기 강자성층은, NiFeM 층 (M 은, Ta, Cr, Nb, Rh, Zr, Mo, Al, Au, Pd, Pt, 및 Si 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소로 이루어진다) 을 구비하고,
상기 강자성층은, 상기 NiFeM 층보다 상기 비자성 재료층측에 위치하고 상기 NiFeM 층보다 저항률이 낮은 도전성 강자성층을 추가로 구비하고,
상기 도전성 강자성층은 상기 NiFeM 층 및 상기 비자성 재료층에 접하도록 위치하는 것을 특징으로 하는 자기 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 미스피트 저감층 및 상기 강자성층은 면심 입방 (fcc) 구조를 갖고, 상기 미스피트 저감층의 fcc (111) 면에 있어서의 격자면 간격은, 상기 강자성층의 fcc (111) 면에 있어서의 격자면 간격보다 큰, 자기 센서. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 미스피트 저감층은, 철족 원소의 1 종 또는 2 종 이상 및 백금족 원소의 1 종 또는 2 종 이상을 함유하는, 자기 센서. - 특정의 방향으로 감도축을 갖는 자기 저항 효과 소자를 구비한 자기 센서로서,
상기 자기 저항 효과 소자는, 고정 자성층과 프리 자성층이 비자성 재료층을 개재하여 적층된 적층 구조를 기판 상에 갖고,
상기 프리 자성층에 있어서의 상기 비자성 재료층에 대향하는 측의 반대측에, 상기 프리 자성층과의 사이에서 교환 결합 바이어스를 발생시키고 상기 프리 자성층의 자화 방향을 자화 변동 가능한 상태에서 소정 방향으로 정렬할 수 있는 제 1 반강자성층을 구비하고,
상기 프리 자성층은, 철족 원소의 1 종 또는 2 종 이상 및 백금족 원소의 1 종 또는 2 종 이상을 함유하고 상기 제 1 반강자성층에 접하도록 형성되는 제 1 층, 및 상기 제 1 층에 있어서의 상기 제 1 반강자성층에 대향하는 측의 반대측에 형성된 강자성 재료로 이루어지는 강자성층을 구비하고,
상기 강자성층은, NiFeM 층 (M 은, Ta, Cr, Nb, Rh, Zr, Mo, Al, Au, Pd, Pt, 및 Si 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소로 이루어진다) 을 구비하고,
상기 강자성층은, 상기 NiFeM 층보다 상기 비자성 재료층측에 위치하고 상기 NiFeM 층보다 저항률이 낮은 도전성 강자성층을 추가로 구비하고,
상기 도전성 강자성층은 상기 NiFeM 층 및 상기 비자성 재료층에 접하도록 위치하는 것을 특징으로 하는 자기 센서. - 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,
상기 제 1 반강자성층은 백금족 원소 및 Mn 을 함유하는, 자기 센서. - 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,
상기 제 1 반강자성층은, IrMn 및 PtMn 중 적어도 일방으로 형성되는, 자기 센서. - 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,
상기 NiFeM 층은 NiFeNb 로 이루어지는, 자기 센서. - 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,
상기 도전성 강자성층은 CoFe 층으로 이루어지는, 자기 센서. - 제 8 항에 있어서,
상기 도전성 강자성층은, 면심 입방 구조의 CoFe 계 합금을 함유하는, 자기 센서. - 제 9 항에 있어서,
상기 도전성 강자성층은, 면심 입방 구조의 CoFe 계 합금으로 이루어지고, 두께가 10 Å 이상 40 Å 이하인, 자기 센서. - 제 1 항 또는 제 4 항에 기재되는 자기 센서를 구비하는 전류 센서.
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