WO2008059913A1 - Elément à effet de magnétorésistance, capteur magnétique et procédé de fabrication d'un élément à effet de magnétorésistance - Google Patents

Elément à effet de magnétorésistance, capteur magnétique et procédé de fabrication d'un élément à effet de magnétorésistance Download PDF

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WO2008059913A1
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PCT/JP2007/072165
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Shinji Sugihara
Hideto Ando
Shinichi Sasaki
Takuya Seino
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Alps Electric Co., Ltd.
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Definitions

  • Magnetoresistance effect element Magnetoresistance effect element, magnetic sensor, and method of manufacturing the magnetoresistance effect element
  • the present invention relates to a magnetoresistance effect element used for a magnetic sensor, and a magnetoresistance effect capable of reducing the variation of the interlayer coupling magnetic field Hin with an interlayer coupling magnetic field Hin of 10 (Oe) or more.
  • the present invention relates to an element, a magnetic sensor using the element, and a method of manufacturing the magnetoresistive element.
  • the magnetoresistive effect element is used for the thin film magnetic head mounted on the hard disk drive shown in the following patent documents;! To 3 and the application of the magnetic sensor built in the mobile phone etc. shown in patent document 4 There is.
  • Hall elements and the like have conventionally been used for magnetic sensors, but the adoption of a magnetoresistive element that can detect a magnetic field even if the external magnetic field is relatively weak and can be expected to be resistant to environmental changes and have a long life is notable. It is done.
  • the interlayer coupling magnetic field Hin acting between the fixed magnetic layer constituting the magnetoresistive element and the free magnetic layer is adjusted to be 0 (Oe). Ru.
  • the interlayer coupling magnetic field Hin is set to a larger value than 0 (Oe), and a magnetoresistance effect element having an RH curve having hysteresis is employed.
  • the magnetoresistive element having the RH curve is used for a magnetic sensor.
  • the magnetoresistive effect element is installed on the display unit side of a foldable mobile phone, and a magnet is installed on the operation unit side.
  • the external magnetic field applied to the magnetoresistive element gradually increases as the magnet approaches the magnetoresistive element, and the external magnetic field having a predetermined magnitude or more becomes magnetoresistive.
  • the electric resistance value of the magnetoresistive element starts to change.
  • the magnetic field detection signal is output to identify the opening and closing of the mobile phone.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-215417
  • Patent Document 2 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-208120
  • Patent Document 3 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-332318
  • Patent Document 4 Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2006-266777
  • the interlayer coupling magnetic field Hin is a magnetoresistive element. It is known that the film thickness changes as the thickness of the Cu film provided between the free magnetic layer and the pinned magnetic layer changes.
  • FIG. 11 is a graph showing the relationship between the Cu film thickness and the interlayer coupling magnetic field Hin.
  • the film configuration used in the experiment is, from the bottom, a substrate / seed layer; NiFeCr (42) / antiferromagnetic layer; IrMn (60) / fixed magnetic layer; [Fe Co. (14) / Ru (8. 7) / Co Fe (20)] / nonmagnetic interlayer; Cu (X) / free magnetic layer [Co Fe (10) / Ni Fe (30)] / Ta (30).
  • the film thickness is shown and the unit is A.
  • the magnetization direction of the pinned magnetic layer is fixed in a predetermined direction by an annealing in a magnetic field in which the annealing temperature is 270 ° C., the annealing time is 1.5 hours, and the magnetic field is 15 kOe. There is.
  • the interlayer coupling magnetic field Hin sharply increases, and although the interlayer coupling magnetic field Hin of 10 (Oe) or more can be easily obtained, the Cu film thickness is
  • the interlayer coupling magnetic field Hin changes rapidly even if the Cu film thickness slightly fluctuates. I will move. Specifically, as shown in FIG. 11, even if the Cu film thickness changes by about 1 A, the interlayer coupling magnetic field Hin fluctuates by about 5 to 10 (Oe). Therefore, the variation in interlayer coupling magnetic field Hin is large with respect to the change in Cu thickness.
  • the RH curve 60 shown in FIG. 5 largely varies in the lateral direction of the drawing on the external magnetic field of the horizontal axis.
  • Such a variation of the RH curve 60 means that the output timing of the magnetic field detection signal with respect to the intensity change of the external magnetic field is dispersed in each magnetic sensor. Since such variations in output timing naturally become a problem in terms of force and quality, it is important to suppress the variations in the interlayer coupling magnetic field Hin described above in order to suppress the output variations.
  • the film thickness error may be formed with high accuracy within an allowable range thinner than 1 A.
  • the interlayer coupling magnetic field of the magnetoresistance effect element becomes smaller than 10 (Oe), so that a weak external magnetic field changes.
  • the magnetoresistance effect element easily changes in electrical resistance.
  • the problem occurs when a disturbance magnetic field acting as a noise source other than the external magnetic field acting from the magnet acts on the magnetoresistive effect element, and the resistance value of the magnetoresistive effect element is changed by the disturbance magnetic field. If it does, it becomes noise and operation stability falls. Therefore, the interlayer coupling magnetic field Hin is set to 10 (Oe) or more!
  • the present invention is intended to solve the above-described conventional problems, and in particular, by adjusting the IrMn film thickness as well as the Cu film thickness, the interlayer coupling magnetic field Hin is 10 (Oe) or more, and It is an object of the present invention to provide a magnetoresistive effect element capable of reducing variations in the interlayer coupling magnetic field Hin, a magnetic sensor using the magnetoresistive effect element, and a method of manufacturing the magnetoresistive effect element. Means to solve the problem
  • an antiferromagnetic layer a pinned magnetic layer formed in contact with the antiferromagnetic layer and having a fixed magnetization direction, and an opposing magnetic field facing the pinned magnetic layer via a nonmagnetic intermediate layer are provided.
  • a magnetoresistance effect element for use in a magnetic sensor comprising: a laminated structure having a free magnetic layer that receives a magnetic field to change the magnetization direction,
  • the antiferromagnetic layer is formed of IrMn
  • the nonmagnetic intermediate layer is formed of Cu
  • the thicknesses of the antiferromagnetic layer and the nonmagnetic intermediate layer are
  • a boundary e (including the boundary e) on a straight line connecting the point A and the point D;
  • a boundary line f (including the boundary line f) of a straight line connecting the point C and the point F;
  • the interlayer The coupling magnetic field Hin can be 10 (0 e) or more, and the variation of the interlayer coupling magnetic field Hin can be 2 (Oe) or less. Then, within the range surrounded by the above-mentioned boundary lines a to f, the Cu film thickness range in which the above-mentioned variation can be made 2 (Oe or less) at that time is set wider than in the prior art. it can.
  • the present invention is characterized in that not only the Cu film thickness but also the IrMn film thickness is adjusted. That is, conventionally, adjustment of the interlayer coupling magnetic field Hin is performed by adjusting the Cu film thickness! /, However, it has been found that IrMn thickness is also related to the interlayer coupling magnetic field Hin, and the above range is derived by experiment It came out.
  • the range surrounded by the above-mentioned boundary lines a to f is the maximum value and the minimum value of the interlayer coupling magnetic field Hin obtained when the IrMn film thickness is changed, and the Cu film thickness within the allowable range is changed at that time. The difference between the values (bottom value) is less than 2 (Oe).
  • the allowable range of the Cu film thickness which can be dispersed as 2 (Oe) or less as described above can be set wider than before, and therefore, even if there are some film forming errors, it is 10 (Oe) or more. And, it becomes possible to appropriately and easily obtain a magnetoresistive element having an interlayer coupling magnetic field Hin with a variation of 2 (Oe) or less.
  • the thicknesses of the antiferromagnetic layer and the nonmagnetic intermediate layer are the thicknesses of the antiferromagnetic layer and the nonmagnetic intermediate layer.
  • a boundary line k (including on the boundary line k) of a straight line connecting the point G and the preceding point;
  • a boundary line 1 (including on the boundary line 1) of a straight line connecting the point I and the point L;
  • the interlayer coupling magnetic field Hin can be 10 (Oe) or more, and the variation of the interlayer coupling magnetic field Hin can be 1 (Oe) or less.
  • the Cu film thickness range in which the variation can be made equal to or less than l (Oe) can be set wider than in the past, regardless of the IrMn film thickness. . Therefore, it is possible to appropriately and easily obtain a magnetoresistance effect element having an interlayer coupling magnetic field Hin which is 10 (Oe) or more and the variation is 1 (Oe) or less even if there are some film formation errors.
  • the magnetoresistive element described above and the magnetoresistive element are connected to each other, and an electrical resistance to the external magnetic field of the magnetoresistive element is obtained. It is characterized in that it has an integrated circuit that generates and outputs a magnetic field detection signal based on the anti-change.
  • two of the magnetoresistive effect elements are prepared, and a bridge circuit is configured with a fixed resistance element whose electric resistance value does not change with respect to an external magnetic field! ,. If such a bridge circuit is configured, the output value can be doubled by the differential output, and highly accurate magnetic field detection can be performed.
  • two magnetoresistance effect elements are provided, and both of the interlayer coupling magnetic fields Hin of these magnetoresistance effect elements can be formed to be 10 (Oe) or more and have a small variation, and hence operation It is possible to perform stable magnetic field detection
  • the present invention also relates to a method of manufacturing a plurality of magnetoresistance effect elements for a magnetic sensor on the same substrate in the same film forming process.
  • the magnetoresistive element includes an antiferromagnetic layer, a pinned magnetic layer formed in contact with the antiferromagnetic layer and having a fixed magnetization direction fixed, and a nonmagnetic intermediate layer facing the pinned magnetic layer via an external magnetic field. Forming a laminated structure having a free magnetic layer in which the magnetization direction is changed.
  • the antiferromagnetic layer is formed of IrMn, and the nonmagnetic intermediate layer is formed of Cu, where the thicknesses of the antiferromagnetic layer and the nonmagnetic intermediate layer are
  • a boundary line d (including on the boundary line d) of a straight line connecting the E point and the F point (IrMn film thickness, Cu film thickness) (15 ⁇ , 28. 2 A), A boundary e of a straight line connecting the point A and the point D (including on the boundary e) and a boundary f of a straight line connecting the point C and the point F (including the boundary f)
  • d including on the boundary line d
  • d a straight line connecting the E point and the F point
  • the interlayer coupling magnetic field Hin can be obtained.
  • the variation of the interlayer coupling magnetic field Hin can be reduced to 2 (Oe) or less, as it is greater than 10 (Oe). Then, within the range surrounded by the boundaries a to f, the Cu film thickness range in which the variation can be made 2 (Oe) or less at any time can be set wider than in the prior art, regardless of the IrMn film thickness.
  • the interlayer coupling magnetic field Hin of each of the magnetoresistive elements is 10 (Oe).
  • the magnetoresistance effect element can be easily and appropriately manufactured so that the variation of the interlayer coupling magnetic field Hin is 2 (Oe) or less, and the yield can be improved. It can.
  • the thicknesses of the antiferromagnetic layer and the nonmagnetic intermediate layer are the thicknesses of the antiferromagnetic layer and the nonmagnetic intermediate layer.
  • a boundary line k (including on the boundary line k) of a straight line connecting the point G and the preceding point;
  • a boundary line 1 (including on the boundary line 1) of a straight line connecting the point I and the point L;
  • the thickness of the antiferromagnetic layer (IrMn) is within the range surrounded by the boundaries a to f.
  • the interlayer coupling magnetic field Hin can be 10 (Oe) or more, and the variation of the interlayer coupling magnetic field Hin can be 2 (Oe) or less.
  • the Cu film thickness range in which the variation can be made 2 (Oe) or less can be set wider than in the prior art regardless of the IrMn film thickness at any time.
  • FIG. 1 is a perspective view showing the magnetic sensor of the present embodiment
  • FIG. 2 is a longitudinal sectional view taken along line II of the magnetic sensor of FIG. 1
  • FIG. 3 is a circuit diagram of the magnetic sensor
  • FIG. FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view cut from the film thickness direction showing the film configuration of the magnetoresistive element (GMR element) of the present embodiment
  • FIG. 5 is an RH curve diagram of the magnetoresistive element of the present embodiment.
  • the magnetoresistive effect element 10, the fixed resistance element 20, and the integrated circuit 3 are integrated into a package, and the sensor is compact and thin.
  • the magnetic sensor 1 can obtain an ON output S when a magnetic field generating member such as a magnet M approaches.
  • a magnetic field generating member such as a magnet M
  • the magnetic sensor 1 is incorporated in an operation unit in which a key touch is arranged in a foldable mobile phone.
  • a magnet M is incorporated in a display unit provided with a liquid crystal device or the like, and when the operation unit and the display unit are in a folded state, the magnet M approaches the magnetic sensor 1 and a magnet M is generated.
  • An external magnetic field is detected by the magnetic sensor 1, and a magnetic field detection signal (ON signal) is output from the magnetic sensor 1.
  • the magnetoresistance effect element 10 and the fixed resistance element 20 are formed by the planar shape force S meander pattern, and the basic electric resistance value is high.
  • the magnetoresistive effect element 10 and the fixed resistance element 20 are respectively provided one by one, and a force S directly connected via the output lead-out portion 17a, as shown in FIG. It is preferable that two each of the magnetoresistive effect element 10 and the fixed resistance element 20 be provided to form a bridge circuit.
  • the magnetic sensor 1 in the present embodiment includes various active elements 33 and 40 such as a differential amplifier and a comparator, a wiring layer 35, and a resistor on a substrate 2 of silicon (Si).
  • active elements 33 and 40 such as a differential amplifier and a comparator, a wiring layer 35, and a resistor on a substrate 2 of silicon (Si).
  • An integrated circuit 3 is formed, which is composed of 44 units, etc.!
  • the wiring layer 35 is formed of a low resistance material, such as aluminum.
  • the top of the integrated circuit 3 is covered with an insulating layer 4.
  • the insulating layer 4 is, for example, the A passivation layer formed of, for example, silicon tetranitride (Si.sub.N) covering the circuit 3;
  • the surface is formed in a laminated structure with a planarizing layer such as a resist formed on the planarizing surface.
  • the magnetoresistance effect element 10 and the fixed resistance element 20 are formed on the insulating layer 4.
  • an electrode layer 15 formed of a low resistance material is provided at one end of the magnetoresistance effect element 10, and is also formed of the low resistance material at the other end.
  • An electrode layer 18 is provided.
  • An electrode layer 16 formed of a low resistance material is provided at one end of the fixed resistance element 20, and an electrode layer 19 formed of a low resistance material is provided at the other end.
  • the electrode layer 15 of the magnetoresistive effect element 10 and the electrode layer 16 of the fixed resistance element 20 are connected by the force lead layer 17, and the magnetoresistive effect element 10 and the fixed resistance element 20 are connected in series.
  • the lead layer 17 penetrates the inside of the insulating layer 4 and is connected onto the wiring layer 35, and the portion of the lead layer 17 connected to the wiring layer 35 is an output. It has become the extraction part 17a.
  • the top of the magnetoresistance effect element 10 and the fixed resistance element 20 is made of alumina (A 1
  • the power supply pad 32, the ground pad 34, and the output pad 42 are exposed.
  • power supply voltage Vcc is applied to power supply pad 32, and ground pad 34 is set to the ground potential.
  • ground pad 34 is set to the ground potential.
  • the output extraction portions 17a and 17b of the bridge circuit are connected to the differential amplifier 37.
  • the output voltage obtained from the bridge circuit is differentially amplified by the differential amplifier 37. This output is further converted to a rectangular wave from which noise is removed through a Schmitt trigger type comparator 39, and an output potential determined by the output transistor 41 and the output resistor 43 is applied to the output pad 42 shown in FIG. .
  • the bridge circuit is formed by the magnetoresistance effect element 10 and the fixed resistance element 20, these resistance elements are preferably formed on the same substrate. Also, as shown in Figure 1
  • the sensor unit may be configured by one series circuit in which the magnetoresistance effect element 10 and the fixed resistance element 20 are provided one by one, the bridge as shown in FIG. When the circuit is configured, the output can be doubled, which is preferable because the detection accuracy can be improved.
  • the magnetoresistance effect element 10 is formed on the insulating layer 4 whose surface provided on the substrate 2 is flattened.
  • the magnetoresistive effect element 10 is formed by stacking the seed layer 50, the antiferromagnetic layer 51, the pinned magnetic layer 52, the nonmagnetic intermediate layer 53, the free magnetic layer 54, and the protective layer 55 in this order from the bottom! Ru.
  • the seed layer 50 is formed of NiFeCr, Cr or the like.
  • the formation of the seed layer 50 is not essential, but the formation of the seed layer 50 is preferable because it can improve the crystal orientation of each layer formed thereon.
  • the antiferromagnetic layer 51 is formed of an IrMn alloy.
  • the composition ratio of Ir is preferably in the range of 10 at% to 80 at%, where the composition ratio of Ir and the composition ratio of Mn are 100 at%.
  • the fixed magnetic layer 52 is formed in a laminated ferri structure in the form of FIG. As shown in FIG. 4, the pinned magnetic layer 52 is formed by laminating the first pinned magnetic layer 52a, the nonmagnetic conductive layer 52b and the second pinned magnetic layer 52c in this order from the bottom.
  • the first pinned magnetic layer 52a and the second pinned magnetic layer 52c are formed of a magnetic material such as a CoFe alloy, a NiFe alloy, or a CoFeNi alloy.
  • the nonmagnetic conductive layer 52b is formed of a nonmagnetic conductive material such as Ru.
  • the composition ratio of Co is in the range of 20 at% to 100 at% when the composition ratio of Co and the composition ratio of Fe are 100 at%. It is preferred that they be formed internally.
  • the second pinned magnetic layer 52c is formed of a CoFe alloy
  • the composition ratio of Co is 10 at% to 100 at% when the composition ratio of Co and the composition ratio of Fe are 100 at%. It is preferable to form in the range of%.
  • the first pinned magnetic layer 52a and the second pinned magnetic layer 52c are magnetized antiparallel.
  • An exchange coupling magnetic field (Hex) is generated between the first pinned magnetic layer 52a and the antiferromagnetic layer 51 by heat treatment in a magnetic field, and between the first pinned magnetic layer 52a and the second pinned magnetic layer 52c. RKKY interaction occurs, and the magnetizations of the first pinned magnetic layer 52a and the second pinned magnetic layer 52c are antiparallel The line is fixed.
  • the “Pin” direction shown in FIG. 1 indicates the magnetization direction of the second pinned magnetic layer 52c.
  • the fixed magnetic layer 52 may be formed of a single layer structure or a laminated structure of a magnetic material! //
  • the nonmagnetic intermediate layer 53 is formed of Cu! /.
  • the free magnetic layer 54 includes a soft magnetic layer 54 b formed of NiFe or the like, and a diffusion preventing layer 54 a formed of a CoFe alloy or the like between the soft magnetic layer 54 b and the nonmagnetic intermediate layer 53. It consists of The Ni composition ratio of the NiFe alloy constituting the soft magnetic layer 54b is preferably formed within the range of 40 at% and 90 at% when the composition ratio of Ni and the composition ratio of Fe are 100 at%. is there. Further, the Co composition ratio of the CoFe alloy constituting the diffusion prevention layer 54a is formed in the range of 20 at% to 100 at% when the composition ratio of Co and the composition ratio of Fe are 100 at%. Is preferred.
  • Fixed resistance element 20 is formed of the same material layer as magnetoresistance effect element 10 shown in FIG. 4 and has a configuration in which free magnetic layer 54 and nonmagnetic intermediate layer 53 are reversely laminated.
  • the resistance value can be set to be the same as that of the magnetoresistance effect element 10, and the midpoint potential can be obtained from the output extraction portions 17a and 17b when no external magnetic field is acting.
  • the free magnetic layer 54 and the nonmagnetic intermediate layer 53 are reversely stacked, the pinned magnetic layer 52 and the free magnetic layer 54 are in direct contact with each other, so the magnetization of the free magnetic layer 54 is the same as the pinned magnetic layer 52. It is fixed without fluctuation by the external magnetic field, and therefore no longer functions as the free magnetic layer 54.
  • the fixed resistance element 20 whose resistance does not change with respect to the external magnetic field can be obtained.
  • the magnetoresistive effect element 10 of the present embodiment has an RH curve 60 shown in FIG. In the graph of FIG. 5, the horizontal axis represents the external magnetic field H, and the vertical axis represents the resistance R of the magnetoresistance effect element 10.
  • the RH curve 60 is a loop portion surrounded by the first curve CV1 and the second curve CV2.
  • the spread width (so-called hysteresis) of the loop portion LP in the horizontal axis direction is defined by 2 X coercivity H c, and the central value of the spread width is the “middle point” of the loop portion LP.
  • the interlayer coupling magnetic field Hin of the magnetoresistive effect element 10 of the present embodiment has 10 (Oe) or more.
  • l (Oe) is about 79 A / m.
  • the film thickness of the antiferromagnetic layer (IrMn) 51 constituting the magnetoresistive effect element 10 of the present embodiment (hereinafter referred to as “IrMn film thickness”), and the film thickness of the nonmagnetic intermediate layer (Cu) 52 (Hereafter referred to as Cu film thickness) (Ma,
  • a boundary e (including the boundary e) on a straight line connecting the point A and the point D;
  • a boundary line f (including the boundary line f) of a straight line connecting the point C and the point F;
  • the IrMn film thickness is in the range of 90 A to 150 A. If the IrMn film thickness is smaller than 9 ⁇ , the Cu film thickness range in which the interlayer coupling magnetic field Hin of 10 (Oe) or more can be obtained with a small variation can not be set widely. On the other hand, if the IrMn film thickness is larger than 150 A, the resistance change rate (A R / R) of the magnetoresistance effect element 10 becomes small and the detection accuracy is unfavorably lowered.
  • the characteristic point is that the IrMn film thickness is adjusted in order to obtain the interlayer coupling magnetic field Hin of 10 (Oe) or more.
  • the interlayer coupling magnetic field Hin can be 10 (Oe) or more, and the interlayer coupling magnetic field Hin The variation can be less than 2 (Oe).
  • the Cu film thickness range in which the variation can be made 2 (Oe) or less at any time of the IrMn film thickness can be set wider than before. Therefore, it is possible to appropriately and easily obtain a magnetoresistance effect element having an interlayer coupling magnetic field Hin having a variation of 10 (Oe) or more and a variation of 2 (Oe) or less even if there are some film formation errors.
  • the IrMn film thickness and the Cu film thickness are the same.
  • a boundary line k (including on the boundary line k) of a straight line connecting the point G and the preceding point;
  • a boundary line 1 (including on the boundary line 1) of a straight line connecting the point I and the point L;
  • the interlayer coupling magnetic field Hin can be 10 (Oe) or more, and the variation of the interlayer coupling magnetic field Hin can be 1 (Oe) or less.
  • the Cu film thickness range that can make the variation 1 or less at that time regardless of the IrMn film thickness at any time can be set wider than before. . Therefore, it is possible to appropriately and easily obtain a magnetoresistance effect element having an interlayer coupling magnetic field Hin which is 10 (Oe) or more and the variation is 1 (Oe) or less even if there are some film formation errors.
  • the magnetoresistance effect element 10 was formed by the following laminate.
  • the laminate used in the experiment is, from the bottom, a substrate / seed layer; NiFeCr (42) / antiferromagnetic layer; Ir Mn (60A, 90A, 130A, 150A) / Fixed magnetic layer; [Fe Co (14)
  • the above laminate was subjected to an annealing in a magnetic field at an annealing temperature of 270 ° C., an annealing time of 1.5 hours, and a magnetic field strength of 15 kOe to fix the magnetization of the pinned magnetic layer in a predetermined direction.
  • the IrMn film thickness is varied to 60 A (conventional example), 9 ⁇ , 13 ⁇ , and 150 A, and the Cu film thickness is further varied variously at each IrMn film thickness.
  • a plurality of magnetoresistive elements different in Cu film thickness were formed, and the interlayer coupling magnetic field Hin of each magnetoresistive element was measured from the RH curve 60 shown in FIG. The experimental results are shown in FIG.
  • Interlayer coupling magnetic field Hin is about 20.5 A to It was 23A. That is, when the IrMn film thickness is 60A and the Cu film thickness is set to 20.5A to 23A, the fluctuation of the interlayer coupling magnetic field Hin can be suppressed to 2 (Oe) or less.
  • the interlayer coupling magnetic field H which is 2 (Oe) higher than the minimum value (bottom value)
  • the range of Cu film thickness to be in was 21 ⁇ 3 ⁇ to 24 ⁇ 6 ⁇ . That is, when the IrMn film thickness is 90 A and the Cu film thickness is set to 21.3 A to 24.6 A, the fluctuation of the interlayer coupling magnetic field Hin can be suppressed to within 20 e. In this Cu thickness range, it was found that the interlayer coupling magnetic field Hin can be made 11 (Oe) or more.
  • the inter-layer coupling magnetic field Hin can be made 13 (Oe) or more.
  • the interlaminar coupling magnetic field Hin that is high by 2 (Oe) from the minimum value (bottom value) is obtained.
  • the range of the Cu film thickness is 22.5 A to 28.2 A, and It was found that in the Cu thickness range, the inter-layer coupling magnetic field Hin can be made 14 (Oe) or more.
  • the interlayer coupling magnetic field Hin is set to 10
  • the Cu thickness range where the difference between the maximum value and the minimum value of the interlayer coupling magnetic field Hin can be 2 (Oe) or less when the Cu film thickness is changed It turned out that it can set widely.
  • the force S can be obtained by setting the Cu film thickness to 20.5 A or less in order to obtain the interlayer coupling magnetic field Hin of 10 (Oe) or more.
  • the allowable Cu film thickness range was less than 1 A in order to keep the variation of 2 or less (Oe) or less.
  • the interlayer coupling magnetic field Hin can be 10 (Oe) or more, and the variation of the interlayer coupling magnetic field Hin can be 2 (Oe) or less. It turned out that the above can be secured.
  • points A to F shown in FIG. 8 are placed on a graph in which the abscissa represents the film thickness of IrMn and the ordinate represents the film thickness of Cu, and the point between A and B is , Connect by straight line a, Connect point B with point C with straight line b, Connect point D with point E with straight line c, Connect point E with point F, straight Line boundary line d connects, point A and point D are connected by straight line boundary line e, point C and point F are connected by straight line boundary line f, and these boundary lines a to f
  • the range enclosed by the line is set as the IrMn film thickness and the Cu film thickness that can be selected in this embodiment.
  • the interlayer coupling magnetic field Hin can be 10 (Oe) or more, and the interlayer coupling magnetic field Hin The variance can be reduced to 2 (Oe) or less. And, within the range surrounded by the above boundary lines a to f, Ir Even when the Mn film thickness is uneven or deviated, the Cu film thickness range in which the variation can be reduced to 2 (Oe) or less can be set wider than in the prior art.
  • FIG. 9 shows a Cu film thickness range having an interlayer coupling magnetic field Hin which is 1 (Oe) higher than the bottom value of the interlayer coupling magnetic field Hin of each IrMn film thickness magnetic, using the same experimental result as FIG. It is a graph obtained from each IrMn film thickness.
  • the allowable range of variation in the interlayer coupling magnetic field Hin is set to 1 (Oe)
  • the allowable range of the Cu film thickness for each IrMn film thickness becomes narrower than in the case of FIG.
  • the interlayer coupling magnetic field Hin can be 10 (Oe) or more, and the Cu film thickness range in which the variation of the interlayer coupling magnetic field Hin is 1 (Oe) or less can be set wider than before. .
  • the IrMn film thickness is 90 A
  • the IrMn film thickness is 130 A between the G point and J point
  • the Ir Mn film thickness is 150 A when the IrMn film thickness is 130 A
  • the point between the point I and the point L is a Cu film thickness range in which the difference between the maximum value and the minimum value of the interlayer coupling magnetic field Hin can be made equal to or less than l (Oe) even if the Cu film thickness is varied within this range.
  • points G to L shown in FIG. 9 are placed on a graph in which the abscissa represents the film thickness of IrMn and the ordinate represents the film thickness of Cu, and the point between G and H is A straight line border g connects, H point and I point are connected by a straight line border h, a J point and a K point are connected by a straight line border i, a K point and an L point are The boundary line j of the straight line is connected, the point G is connected with the boundary line k of the straight line, and the point I and the point L are connected with the boundary 1 of the straight line.
  • the interlayer coupling magnetic field Hin is set to 10 (Oe) or more by adjusting the film thickness of IrMn and the film thickness of Cu within the range surrounded by these boundary lines g to l (all including the boundary lines).
  • the variation in the interlayer coupling magnetic field Hin can be suppressed to l (Oe) or less.
  • the Cu film thickness range that can be tolerated at any time of IrMn film thickness can be set wider compared to the prior art regardless of the IrMn film thickness.
  • a Cu film thickness range of at least 2 A or more can be secured.
  • the interlayer coupling magnetic field Hin is 1 (Oe) within the range where the interlayer coupling magnetic field Hin of 10 (Oe) or more can be obtained.
  • the Cu film thickness range is less than 0.5 A to suppress the following variations.
  • the rate of change in resistance (AR / R) of a plurality of magnetoresistance effect elements having different Cu film thicknesses and IrMn film thicknesses used in the experiments of FIG. 6 and FIG. 7 was measured.
  • the experimental results are shown in FIG. In FIG. 10, the abscissa represents the Cu film thickness and the ordinate represents the resistance change rate (A R / R).
  • the resistance change rate ( ⁇ R / R) is preferably high! /, Because the magnetic field detection accuracy decreases when the resistance change rate (A R / R) decreases.
  • a resistance change rate ( ⁇ R / R 2) of 10 (%) or more is defined as “! /”. As shown in FIG. 10, it was found that when the IrMn film thickness is set to 90 A to 150 A, the resistance change rate ( ⁇ R / R) of 10 (%) or more can be obtained.
  • the upper limit value of the IrMn film thickness is set to 150A.
  • an interlayer coupling magnetic field Hin with 10 (Oe) or more and small variation can be obtained easily and appropriately as compared with the conventional case. .
  • the present embodiment is described.
  • the variation in interlayer coupling magnetic field Hin in each magnetoresistance effect element 10 is l (Oe ) Can be suppressed within.
  • the Cu film thickness is about several A Even if there is manufacturing variation, the variation of the interlayer coupling magnetic field Hin of each magnetoresistance effect element 10 can be removed by / J, the force.
  • the variation in the interlayer coupling magnetic field Hin is suppressed to 2 (Oe) or less or 1 (Oe) or less as the film thickness of S and IrMn increases.
  • the allowable range of Cu film thickness that can be taken can be taken widely, and the yield can be improved.
  • the interlayer coupling magnetic field Hin of the magnetoresistance effect element 10 can ensure 10 (Oe) or more, so the external magnetic field from the magnet M The resistance changes with respect to other disturbance magnetic fields, thus improving the operation stability.
  • the variation of the interlayer coupling magnetic field Hin of the magnetoresistive effect element 10 mounted in each magnetic sensor 1 can be reduced, the variation in output timing of the magnetic field detection signal in each magnetic sensor 1 can be reduced.
  • both interlayer coupling magnetic fields Hin of the respective magnetoresistance effect elements 10 can be obtained.
  • the resistance change of each magnetoresistance effect element 10 with respect to the external magnetic field can be easily achieved because the dispersion of the interlayer coupling magnetic field Hin can be easily suppressed to 2 (Oe) or less, preferably 1 (Oe) or less at 10 (Oe) or more. Can be reduced, and magnetic field detection with excellent operation stability can be performed.
  • the integrated circuit 3 and the insulating layer 4 are formed on the wafer.
  • the layers shown in FIG. 4 constituting the magnetoresistive effect element 10 are formed on the insulating layer 4 by a sputtering method or the like.
  • the antiferromagnetic layer 51 is formed of IrMn and formed into a film within a film thickness range of 90A to 150A.
  • the nonmagnetic intermediate layer 53 is formed of Cu.
  • the film shown in FIG. The Cu film thickness is determined by the thickness. For example, when the IrMn film thickness is 90 A, the Cu film thickness between point A and point D shown in FIG. 6 is selected.
  • the interlayer coupling magnetic field Hin on the graph of the Mn film thickness of 90 A has a bottom value (minimum value). As shown in FIG. 8, regardless of the IrMn film thickness, if the Cu film thickness is increased or decreased from the Cu film thickness at the bottom value, the interlayer coupling magnetic field Hin tends to increase approximately symmetrically on the curve.
  • nonmagnetic intermediate layer 53 (Cu)
  • a boundary line a to a boundary line f shown in FIG. 6 or a range surrounded by boundary line g to boundary line 1 shown in FIG. it is preferable to select the Cu film thickness at the midpoint of the allowable Cu film thickness range for each IrMn film thickness.
  • the laminated structure shown in FIG. 4 After depositing the laminated structure shown in FIG. 4, it is processed into a magnetoresistive effect element shape by etching, and at this time, a plurality of the magnetoresistive effect elements are formed on the same wafer. Also, the fixed resistance element 20 and various electrodes are formed.
  • the wafer is cut into one set of one magnetoresistance effect element or a plurality of magnetoresistance effect elements, and the magnetic sensor 1 is singulated.
  • the magnetic sensor 1 in the present embodiment can also be used for open / close detection, rotation detection, position detection, etc. of electronic devices other than foldable mobile phones.
  • FIG. 1 A perspective view showing a magnetic sensor of the present embodiment
  • FIG. 2 A longitudinal sectional view of the magnetic sensor of Fig. 1 along the line II,
  • FIG. 4 An enlarged cross-sectional view cut from the film thickness direction showing the film configuration of the magnetoresistive effect element (GMR element) of the present embodiment
  • FIG. 6 A first graph for defining the thickness of the antiferromagnetic layer (IrMn) and the thickness of the nonmagnetic intermediate layer (Cu) of the magnetoresistive element of the present embodiment
  • FIG. 7 A second graph for defining the film thickness of the antiferromagnetic layer (IrMn) and the film thickness of the nonmagnetic intermediate layer (Cu) of the magnetoresistive element of the present embodiment
  • FIG. 8 The relationship between the Cu film thickness and the interlayer coupling magnetic field in the magnetoresistance effect element in which the IrMn film thickness is different from 6 ⁇ , 9 ⁇ , 130A and 150A, and the bottom of the interlayer coupling magnetic field Hin A graph for defining the Cu film thickness range in which the interlayer coupling magnetic field Hin can be obtained which is higher than the value (minimum value) by 2 (Oe),
  • FIG. 9 The relationship between the Cu film thickness and the interlayer coupling magnetic field in the magnetoresistance effect element in which the IrMn film thickness is different from 6 ⁇ , 9 ⁇ , 130A and 150A, and the bottom value of the interlayer coupling magnetic field Hin (minimum value ) To 1 (Oe) graph to define the Cu film thickness range where high interlayer coupling magnetic field Hin can be obtained,
  • FIG. 10 A graph showing the relationship between the Cu film thickness and the rate of change in resistance (A R / R) in magnetoresistance effect elements in which the IrMn film thickness is different from 6 ⁇ , 9 ⁇ , 130 A and 150 A.

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Description

明 細 書
磁気抵抗効果素子及び磁気センサ、ならびに前記磁気抵抗効果素子の 製造方法
技術分野
[0001] 本発明は、磁気センサ用に使用される磁気抵抗効果素子に係り、層間結合磁界 Hi nを 10 (Oe)以上で、且つ、前記層間結合磁界 Hinのばらつきを小さくできる磁気抵 抗効果素子及びそれを用いた磁気センサ、ならびに前記磁気抵抗効果素子の製造 方法に関する。
背景技術
[0002] 磁気抵抗効果素子は、以下の特許文献;!〜 3に示されるハードディスク装置に搭載 される薄膜磁気ヘッドの用途と、特許文献 4に示す携帯電話等に内臓される磁気セ ンサの用途とがある。
[0003] 磁気センサには従来からホール素子等が用いられてきたが、外部磁界が比較的弱 くても磁界検出でき、環境変化に強くまた高寿命を期待できる磁気抵抗効果素子の 採用が注目されている。
[0004] 上記したハードディスク装置に搭載される薄膜磁気ヘッドの場合、磁気抵抗効果素 子を構成する固定磁性層とフリー磁性層間に作用する層間結合磁界 Hinは 0 (Oe) となるように調整される。
[0005] 一方、磁気センサでは、図 5に示すような前記層間結合磁界 Hinを 0 (Oe)よりも大 きい値に設定し、ヒステリシスを有する RH曲線を有する磁気抵抗効果素子を採用す
[0006] 上記 RH曲線を有する前記磁気抵抗効果素子を磁気センサに用いる。例えば折畳 み式携帯電話の表示部側に前記磁気抵抗効果素子が設置され、操作部側に磁石 が設置される。折畳み式携帯電話を閉じると、前記磁石が磁気抵抗効果素子に近づ くことで、前記磁気抵抗効果素子に及ぶ外部磁界が徐々に大きくなり、ある所定の大 きさ以上の外部磁界が磁気抵抗効果素子に侵入すると、磁気抵抗効果素子の電気 抵抗値が変化し始める。そして前記磁気抵抗効果素子の抵抗変化に基づいて、集 積回路では、磁界検出信号を出力し携帯電話の開閉が識別される。
特許文献 1：特開 2000 - 215417号公報
特許文献 2 :特開 2002— 208120号公報
特許文献 3：特開 2000— 332318号公報
特許文献 4 :特開 2006— 266777号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0007] EDGAR MWILLIAMS著の「DESIGN AND ANALYSIS OF MAGNETORESISTI VE RECORDING HEADS」（A Wiley-Interscience社、 2001年発行）の第 180頁 にも記載されているように、層間結合磁界 Hinは磁気抵抗効果素子のフリー磁性層と 固定磁性層との間に設けられる Cu膜厚を変化させると変化することが知られている。
[0008] よって、従来では、磁気センサ用の磁気抵抗効果素子において、層間結合磁界 Hi nの調整は、 Cu膜厚を調整することで行って!/、た。
[0009] 図 11は、 Cu膜厚と層間結合磁界 Hinとの関係を示すグラフである。実験で使用し た膜構成は、下から、基板/シード層； NiFeCr (42) /反強磁性層； IrMn (60) /固 定磁性層； [Fe Co . (14) /Ru (8. 7) /Co Fe (20) ]/非磁性中間 層； Cu (X) /フリー磁性層 [Co Fe (10) /Ni Fe (30) ]/Ta (30) であった。なお括弧書きは膜厚を示し単位は Aである。
[0010] 実験では、上記膜構成に対してァニール温度を 270°C、ァニール時間を 1. 5時間 、磁場を 15kOeに設定した磁場中ァニールによって固定磁性層の磁化方向を所定 方向に固定している。
[0011] 図 11に示すように、 Cu膜厚を薄くしていくと Cu膜厚が 21. 5A付近を境にして急 激に層間結合磁界 Hinが上昇することがわ力 た。
[0012] 図 11に示すように、 Cu膜厚を 2；!〜 23A程度にすると、層間結合磁界 Hinのばら つきを小さくできる力 層間結合磁界 Hinが 10 (Oe)を下回ってしまう。
[0013] 一方、 Cu膜厚を 21 A以下に設定すると、層間結合磁界 Hinが急激に大きくなり、 容易に、 10 (Oe)以上の層間結合磁界 Hinを得ることが出来るものの、 Cu膜厚を 21 A以下に設定すると、わずかに Cu膜厚が変動しても急激に層間結合磁界 Hinが変 動してしまう。具体的には、図 11に示すように、 Cu膜厚が 1 A程度変化しただけでも 、層間結合磁界 Hinは、 5〜； 10 (Oe)程度変動してしまう。したがって Cu厚変化に対 して層間結合磁界 Hinのばらつきが大きい。
[0014] 前記層間結合磁界 Hinのばらつきが大きいと、図 5に示す RH曲線 60が横軸の外 部磁界上を紙面左右方向に大きくばらつくことになる。このような RH曲線 60のばらつ きは、各磁気センサにおいて磁界検出信号の外部磁界の強度変化に対する出カタ イミングがばらつくことを意味する。このような出力タイミングのばらつきは当然のことな 力 ¾品質上問題となるため、出力ばらつきを抑制すべく上記した層間結合磁界 Hin のばらつきを抑制することが重要であった。
[0015] そこで、図 11に示すように、 10 (Oe)以上の層間結合磁界 Hinを得ることができる 範囲において、例えば層間結合磁界 Hinのばらつきを 2 (Oe)以下に抑えるには、 C u膜厚誤差を 1 Aよりも薄い許容範囲で高精度に成膜すればよい。
[0016] しかし実際には成膜誤差を考えると、 Cu膜厚を 1 A以下の誤差範囲で抑えることは 不可能である。したがって従来では、図 11に示す「急峻なエリア」を使用できず、層 間結合磁界 Hinが 10 (Oe)よりも低ぐ Cu厚変化に対する層間結合磁界 Hinのばら つきが小さ!/、「平坦なエリア」でし力、使用できなかった。
[0017] これによつて、層間結合磁界 Hinの Cu厚変化に対するばらつきを抑制できるもの の、磁気抵抗効果素子の層間結合磁界は 10 (Oe)よりも小さくなるため、微弱な外部 磁界の変化に対して磁気抵抗効果素子が電気抵抗変化しやすくなる。このとき、問 題となるのは磁石から作用する外部磁界以外のノイズ元となる外乱磁界が磁気抵抗 効果素子に作用した場合であり、前記外乱磁界によって磁気抵抗効果素子の抵抗 値が変化してしまうと、ノイズとなり動作安定性が低下する。よって前記層間結合磁界 Hinは 10 (Oe)以上に設定した!/、。
[0018] 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、 Cu膜厚のみ なず IrMn膜厚を調整することで、層間結合磁界 Hinを 10 (Oe)以上で、且つ、前記 層間結合磁界 Hinのばらつきを小さくできる磁気抵抗効果素子及び前記磁気抵抗 効果素子を用いた磁気センサ、ならびに前記磁気抵抗効果素子の製造方法を提供 することを目白勺としている。 課題を解決するための手段
[0019] 本発明は、反強磁性層と、前記反強磁性層に接して形成され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中間層を介して対向し外部磁界を受け て磁化方向が変動するフリー磁性層とを有する積層構造を備えた、磁気センサ用に 用いられる磁気抵抗効果素子であって、
前記反強磁性層は IrMnで形成され、前記非磁性中間層は Cuで形成され、 前記反強磁性層及び前記非磁性中間層の膜厚は、
横軸を IrMnの膜厚、縦軸を Cuの膜厚とした図 6のグラフ上で、
A点（IrMn膜厚， Cu膜厚） = (9θΑ, 21. 3 A)と、 B点（IrMn膜厚， Cu膜厚） = (1
30 A, 22. 7 A)とを結んだ直線の境界線 a (境界線 a上を含む）と、
前記 B点と、 C点（IrMn膜厚， Cu膜厚） = (15θΑ, 23. 5 A)とを結んだ直線の境 界線 b (境界線 b上を含む）と、
D点（IrMn膜厚， Cu膜厚） = (9θΑ, 24. 6 A)と E点（IrMn膜厚， Cu膜厚） = (13
OA, 26. 5 A)とを結んだ直線の境界線 c (境界線 c上を含む）と、
前記 E点と F点（IrMn膜厚， Cu膜厚） = (15θΑ, 28. 2 A)とを結んだ直線の境界 線 d (境界線 d上を含む）と、
前記 A点と前記 D点とを結んだ直線の境界線 e (境界線 e上を含む）と、
前記 C点と前記 F点とを結んだ直線の境界線 f (境界線 f上を含む）と、
で囲まれた範囲内で範囲内であることを特徴とするものである。
[0020] 本発明では、上記境界線 a〜fによって囲まれた範囲内で、反強磁性層（IrMn)の 膜厚、及び非磁性中間層（Cu)の膜厚を調整することで、層間結合磁界 Hinを 10 (0 e)以上に出来るとともに、層間結合磁界 Hinのばらつきを 2 (Oe)以下にできる。そし て、上記境界線 a〜fによって囲まれた範囲内では IrMn膜厚がいずれのときでも、そ のとき前記ばらつきを 2 (Oe)以下に出来る Cu膜厚範囲を、従来に比べて広く設定で きる。
[0021] 本発明では Cu膜厚のみならず、 IrMn膜厚も合わせて調整する点に特徴的部分が ある。すなわち従来では層間結合磁界 Hinの調整は Cu膜厚の調整で行って!/、たが 、 IrMn厚も層間結合磁界 Hinに関係することを見出し、実験により、上記範囲を導き 出したのである。上記境界線 a〜fによって囲まれた範囲は、 IrMn膜厚がいずれのと きでも、そのとき許容範囲にある Cu膜厚を変動させたときに、得られる層間結合磁界 Hinの最大値と最小値 (ボトム値）の差が 2 (Oe)以下となっている。そして本発明で は、上記のように 2 (Oe)以下のばらつきにできる Cu膜厚の許容範囲を従来よりも広く 設定でき、よって、多少の成膜誤差があっても 10 (Oe)以上で且つばらつきが 2 (Oe) 以下の層間結合磁界 Hinを有する磁気抵抗効果素子を適切且つ容易に得ることが 可能になる。
[0022] また本発明では、前記反強磁性層及び前記非磁性中間層の膜厚は、
横軸を IrMnの膜厚、縦軸を Cuの膜厚とした図 7のグラフ上で、
G点（IrMn膜厚， Cu膜厚） = (9θΑ, 21. 5 A)と、 H点（IrMn膜厚, Cu膜厚） = (
130A, 23. OA)とを結んだ直線の境界線 g (境界線 g上を含む）と、
前記 H点と、 I点（IrMn膜厚， Cu膜厚） = (15θΑ, 24. 3 A)とを結んだ直線の境 界線 h (境界線 h上を含む）と、
J点（IrMn膜厚， Cu膜厚） = (90A, 23. 7 A)と K点（IrMn膜厚, Cu膜厚） = (13
OA, 26. OA)とを結んだ直線の境界線 i (境界線 i上を含む）と、
前記 K点と L点（IrMn膜厚， Cu膜厚） = (15θΑ, 27. 5 A)とを結んだ直線の境界 線 K境界線 j上を含む）と、
前記 G点と前言 点とを結んだ直線の境界線 k (境界線 k上を含む）と、
前記 I点と前記 L点とを結んだ直線の境界線 1 (境界線 1上を含む）と、
で囲まれた範囲内で範囲内であることがより好ましい。これにより、層間結合磁界 Hi nを 10 (Oe)以上に出来るとともに、層間結合磁界 Hinのばらつきを 1 (Oe)以下にで きる。そして、上記境界線 g〜lによって囲まれた範囲内では IrMn膜厚がいずれのと きでも、そのとき前記ばらつきを l (Oe)以下に出来る Cu膜厚範囲を、従来に比べて 広く設定できる。よって、多少の成膜誤差があっても 10 (Oe)以上で且つばらつきが l (Oe)以下の層間結合磁界 Hinを有する磁気抵抗効果素子を適切且つ容易に得る ことが可能になる。
[0023] また本発明における磁気センサは、上記に記載された磁気抵抗効果素子と、前記 磁気抵抗効果素子と接続され、前記磁気抵抗効果素子の外部磁界に対する電気抵 抗変化に基づいて、磁界検出信号を生成して出力する集積回路とを有することを特 ί毁とするあのである。
[0024] これにより、外乱磁界に対して強ぐ動作安定性に優れ、且つ、磁界検出信号の出 力タイミングのばらつきが小さい磁気センサを得ることが出来る。
[0025] また本発明では、前記磁気抵抗効果素子は 2個用意され、外部磁界に対して電気 抵抗値が変化しない固定抵抗素子と共にブリッジ回路を構成して!/、ること力 S好ましレ、 。このようなブリッジ回路を構成すると差動出力により出力値を倍にでき、高精度な磁 界検出を行うことが出来る。また本発明では、磁気抵抗効果素子が 2個設けられてお り、これら磁気抵抗効果素子の層間結合磁界 Hinを、共に、 10 (Oe)以上で、且つ、 ばらつきが小さく形成でき、よって、動作安定性に優れた磁界検出を行うことが出来
[0026] また本発明は、磁気センサ用の磁気抵抗効果素子を、複数個、同一基板上に同じ 成膜過程で形成する製造方法にお!/、て、
前記磁気抵抗効果素子を、反強磁性層と、前記反強磁性層に接して形成され磁化 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中間層を介して対向し 外部磁界を受けて磁化方向が変動するフリー磁性層とを有する積層構造を有して形 成し、
前記反強磁性層を IrMnで形成し、前記非磁性中間層を Cuで形成し、 このとき、前記反強磁性層及び前記非磁性中間層の膜厚を、
横軸を IrMnの膜厚、縦軸を Cuの膜厚とした図 6のグラフ上で、
A点（IrMn膜厚， Cu膜厚） = (9θΑ, 21. 3 A)と、 B点（IrMn膜厚， Cu膜厚） = (1
30 A, 22. 7 A)とを結んだ直線の境界線 a (境界線 a上を含む）と、
前記 B点と、 C点（IrMn膜厚， Cu膜厚） = (15θΑ, 23. 5 A)とを結んだ直線の境 界線 b (境界線 b上を含む）と、
D点（IrMn膜厚， Cu膜厚） = (9θΑ, 24. 6 A)と E点（IrMn膜厚， Cu膜厚） = (13
OA, 26. 5 A)とを結んだ直線の境界線 c (境界線 c上を含む）と、
前記 E点と F点（IrMn膜厚， Cu膜厚） = (15θΑ, 28. 2 A)とを結んだ直線の境界 線 d (境界線 d上を含む）と、 前記 A点と前記 D点とを結んだ直線の境界線 e (境界線 e上を含む）と、 前記 C点と前記 F点とを結んだ直線の境界線 f (境界線 f上を含む）と、
で囲まれた範囲内で範囲内で形成することを特徴とするものである。
[0027] 上記境界線 a〜fによって囲まれた範囲内で、反強磁性層（IrMn)の膜厚、及び非 磁性中間層（Cu)の膜厚を調整することで、層間結合磁界 Hinを 10 (Oe)以上に出 来るとともに、層間結合磁界 Hinのばらつきを 2 (Oe)以下にできる。そして、上記境 界線 a〜fによって囲まれた範囲内では IrMn膜厚がいずれのときでも、そのとき前記 ばらつきを 2 (Oe)以下に出来る Cu膜厚範囲を、従来に比べて広く設定できる。
[0028] よって同一基板上に複数の磁気抵抗効果素子を同じ成膜プロセスで形成するとき に、成膜誤差があっても、これら各磁気抵抗効果素子の層間結合磁界 Hinが、 10 ( Oe)以上で且つ、層間結合磁界 Hinのばらつきが 2 (Oe)以下となるように、前記磁 気抵抗効果素子を容易に且つ適切に製造することが可能であり、また歩留まりの向 上を図ることが出来る。
[0029] また本発明では、前記反強磁性層及び前記非磁性中間層の膜厚を、
横軸を IrMnの膜厚、縦軸を Cuの膜厚とした図 7のグラフ上で、
G点（IrMn膜厚， Cu膜厚） = (9θΑ, 21. 5 A)と、 H点（IrMn膜厚, Cu膜厚） = ( 130A, 23. OA)とを結んだ直線の境界線 g (境界線 g上を含む）と、
前記 H点と、 I点（IrMn膜厚， Cu膜厚） = (15θΑ, 24. 3 A)とを結んだ直線の境 界線 h (境界線 h上を含む）と、
J点（IrMn膜厚， Cu膜厚） = (90A, 23. 7 A)と K点（IrMn膜厚， Cu膜厚） = (13 OA, 26. OA)とを結んだ直線の境界線 i (境界線 i上を含む）と、
前記 K点と L点（IrMn膜厚， Cu膜厚） = (15θΑ, 27. 5 A)とを結んだ直線の境界 線 K境界線 j上を含む）と、
前記 G点と前言 点とを結んだ直線の境界線 k (境界線 k上を含む）と、
前記 I点と前記 L点とを結んだ直線の境界線 1 (境界線 1上を含む）と、
で囲まれた範囲内で範囲内で形成することが好ましい。
発明の効果
[0030] 本発明では、境界線 a〜fによって囲まれた範囲内で、反強磁性層（IrMn)の膜厚 、及び非磁性中間層（Cu)の膜厚を調整することで、層間結合磁界 Hinを 10 (Oe)以 上に出来るとともに、層間結合磁界 Hinのばらつきを 2 (Oe)以下にできる。そして、 前記境界線 a〜fによって囲まれた範囲内では IrMn膜厚がいずれのときでも、前記 ばらつきを 2 (Oe)以下にできる Cu膜厚範囲を、従来に比べて広く設定できる。 発明を実施するための最良の形態
[0031] 図 1は本実施形態の磁気センサを示す斜視図、図 2は、図 1の磁気センサの II II 線での縦断面図、図 3は磁気センサの回路構成図、図 4は、本実施形態の磁気抵抗 効果素子 (GMR素子）の膜構成を示す膜厚方向から切断した拡大断面図、図 5は、 本実施形態の磁気抵抗効果素子の RH曲線図、である。
[0032] 図 1に示す磁気センサ 1は、磁気抵抗効果素子 10と固定抵抗素子 20および集積 回路 3が一体化されてパッケージ化されており、小型で且つ薄型に構成されている。 この磁気センサ 1は、磁石 Mなどの磁界発生部材が接近したときに、 ON出力を得る こと力 Sできる。例えば、この磁気センサ 1は、折り畳み式の携帯電話においてキースィ ツチが配列された操作部内に内蔵される。液晶デバイスなどが設けられた表示部内 には、磁石 Mが内蔵され、前記操作部と前記表示部が折り畳み状態となったときに、 前記磁石 Mが磁気センサ 1に接近し、磁石 M力 発せられる外部磁界が磁気センサ 1で検出されて、この磁気センサ 1から磁界検出信号 (ON信号）が出力される。
[0033] 図 1に示すように、磁気抵抗効果素子 10及び固定抵抗素子 20は、その平面形状 力 Sミアンダパターンで形成されており、その基本的な電気抵抗値が高くなつている。
[0034] 図 1に示す形態では、前記磁気抵抗効果素子 10及び固定抵抗素子 20が夫々 1個 ずつ設けられ、出力取り出し部 17aを介して直接接続されている力 S、図 3に示すよう に前記磁気抵抗効果素子 10及び固定抵抗素子 20が夫々 2個ずつ設けられてブリツ ジ回路を構成することが好適である。
[0035] 図 2に示すように、本実施形態における磁気センサ 1は、ケィ素（Si)の基板 2上に、 差動増幅器やコンパレータ等の各種の能動素子 33, 40、配線層 35、抵抗器 44等 力、ら構成される集積回路 3が形成されて!/、る。
前記配線層 35は、低抵抗材料で形成され、例えばアルミニウムで形成される。
[0036] 前記集積回路 3上は絶縁層 4で覆われて!/、る。前記絶縁層 4は、例えば、前記集積 回路 3上を覆う四窒化ケィ素（Si N )などで形成されたパッシベーシヨン層と、前記パ
3 4
ッシベーシヨン層上を覆い、表面が平坦化面で形成されたレジスト等の平坦化層との 積層構造で形成される。
前記絶縁層 4上に前記磁気抵抗効果素子 10および固定抵抗素子 20が形成され
[0037] 図 1に示すように、磁気抵抗効果素子 10の一方の端部には、低抵抗材料で形成さ れた電極層 15が設けられ、他方の端部には同じく低抵抗材料で形成された電極層 1 8が設けられている。固定抵抗素子 20の一方の端部には、低抵抗材料で形成された 電極層 16が設けられ、他方の端部にも、低抵抗材料で形成された電極層 19が設け られている。そして、磁気抵抗効果素子 10の電極層 15と固定抵抗素子 20の電極層 16と力 リード層 17で接続され、磁気抵抗効果素子 10と固定抵抗素子 20とが直列 に接続されている。
[0038] また図 2に示すように前記リード層 17は前記絶縁層 4内を貫通して前記配線層 35 上に接続され、前記リード層 17の前記配線層 35と接続された部分が、出力取り出し 部 17aとなっている。
[0039] 図 2に示すように、磁気抵抗効果素子 10及び固定抵抗素子 20上は、アルミナ (A1
2
O )、二酸化ケイ素（SiO )等の絶縁層 6によって保護されている。また図 1に示すよ
3 2
うに磁気センサ 1の表面には、電源パッド 32、接地パッド 34、出力パッド 42が露出し ている。
[0040] 図 3に示すように、電源パッド 32に電源電圧 Vccが与えられ、接地パッド 34が接地 電位に設定される。図 3に示すように、磁気抵抗効果素子 10と固定抵抗素子 20とで ブリッジ回路が構成されている場合、前記ブリッジ回路の各出力取り出し部 17a, 17 bが差動増幅器 37に接続される。前記ブリッジ回路から得られた出力電圧は、前記 差動増幅器 37で差動増幅される。この出力は、さらにシュミットトリガー型のコンパレ ータ 39を経てノイズが除去された矩形波とされ、出力トランジスタ 41と出力抵抗 43と で決められる出力電位が、図 1に示す出力パッド 42に与えられる。
[0041] 図 3のように、磁気抵抗効果素子 10と固定抵抗素子 20とでブリッジ回路を構成する とき、これら各抵抗素子は同一基板上に形成されることが好ましい。また、図 1のよう に、磁気抵抗効果素子 10と固定抵抗素子 20とが一個ずつ設けられてなる 1つの直 列回路でセンサ部が構成されてもよいが、力、かる場合に比べて、図 3のようにブリッジ 回路を構成すると、出力を倍にでき、検出精度を向上でき好適である。
[0042] 次に磁気抵抗効果素子 10の構成について説明する。上記したように前記磁気抵 抗効果素子 10は基板 2上に設けられた表面が平坦化された絶縁層 4上に形成され ている。
[0043] 前記磁気抵抗効果素子 10は下からシード層 50、反強磁性層 51、固定磁性層 52、 非磁性中間層 53、フリー磁性層 54及び保護層 55の順に積層形成されて!/ヽる。
[0044] 前記シード層 50は、 NiFeCrあるいは Cr等で形成される。前記シード層 50の形成 は必須ではないが、形成されたほうが、その上に形成される各層の結晶配向性を向 上でき好適である。
[0045] 前記反強磁性層 51は IrMn合金で形成される。 Irの組成比は、 Irの組成比と Mnの 組成比とを足して 100at%としたとき、 10at%〜80at%の範囲内で形成されることが 好適である。
[0046] 前記固定磁性層 52は図 4の形態では積層フェリ構造で形成されている。図 4に示 すように前記固定磁性層 52は下から第 1固定磁性層 52a、非磁性導電層 52b及び 第 2固定磁性層 52cの順に積層形成されている。
[0047] 前記第 1固定磁性層 52a及び第 2固定磁性層 52cは CoFe合金や、 NiFe合金、 C oFeNi合金等の磁性材料で形成される。前記非磁性導電層 52bは Ru等の非磁性 導電材料で形成される。前記第 1固定磁性層 52aが CoFe合金で形成されるとき、 C oの組成比は、 Coの組成比と Feの組成比とを足して 100at%としたとき、 20at%〜l 00at%の範囲内で形成されることが好適である。また、前記第 2固定磁性層 52cが C oFe合金で形成されるとき、 Coの組成比は、 Coの組成比と Feの組成比とを足して 1 00at%としたとき、 10at%〜； 100at%の範囲内で形成されることが好適である。
[0048] 前記第 1固定磁性層 52aと第 2固定磁性層 52cは反平行に磁化されている。前記 第 1固定磁性層 52aと前記反強磁性層 51との間には磁場中熱処理によって交換結 合磁界 (Hex)が生じ、また第 1固定磁性層 52aと第 2固定磁性層 52c間には RKKY 相互作用が生じ、前記第 1固定磁性層 52aと前記第 2固定磁性層 52cの磁化は反平 行に固定されている。なお図 1に示す「Pin」方向は、第 2固定磁性層 52cの磁化方 向を示している。
[0049] 前記固定磁性層 52は磁性材料の単層構造あるいは積層構造で形成されてもよ!/、 前記非磁性中間層 53は Cuで形成されて!/、る。
[0050] 前記フリー磁性層 54は、 NiFe等で形成された軟磁性層 54bと、前記軟磁性層 54b と前記非磁性中間層 53との間に CoFe合金等で形成された拡散防止層 54aとで構 成される。前記軟磁性層 54bを構成する NiFe合金の Ni組成比は、 Niの組成比と Fe の組成比とを足して 100at%としたとき、 40at% 90at%の範囲内で形成されること が好適である。また、拡散防止層 54aを構成する CoFe合金の Co組成比は、 Coの組 成比と Feの組成比とを足して 100at%としたとき、 20at%〜； 100at%の範囲内で形 成されることが好適である。
[0051] なお固定抵抗素子 20は、図 4に示す磁気抵抗効果素子 10と同じ材料層で構成さ れ且つ、フリー磁性層 54と非磁性中間層 53とが逆積層された構成であることが、前 記磁気抵抗効果素子 10と抵抗値を同じに設定でき、外部磁界が作用していない際 の出力取り出し部 17a, 17bから中点電位を得ることができ好適である。前記フリー磁 性層 54と前記非磁性中間層 53とを逆積層すると、固定磁性層 52とフリー磁性層 54 とが直接接触するため、前記固定磁性層 52と同様にフリー磁性層 54の磁化は外部 磁界によっても変動することなく固定され、よって、もはやフリー磁性層 54として機能 しない。このように図 4に示す積層構造中、フリー磁性層 54と非磁性中間層 53とを逆 積層することで外部磁界に対して抵抗値が変化しない固定抵抗素子 20にできる。
[0052] 本実施形態の磁気抵抗効果素子 10は図 5に示す RH曲線 60を有している。図 5の グラフは横軸を外部磁界 H、縦軸を磁気抵抗効果素子 10の抵抗値 Rとしており、 RH 曲線 60は、第 1の曲線 CV1と第 2の曲線 CV2とで囲まれたループ部 LPを有している
[0053] 前記磁気抵抗効果素子 10の固定磁性層 52とフリー磁性層 54間に作用する層間 結合磁界 Hinは、外部磁界 H = 0 (Oe)のラインからループ部 LPの中点までの磁界 の強さで定義される。磁気抵抗効果素子 10の最大抵抗値と最小抵抗値の中間値で の前記ループ部 LPの横軸方向への広がり幅（いわゆるヒステリシス）が 2 X保磁力 H cで定義され、その広がり幅の中心値が、前記ループ部 LPの「中点」である。
[0054] 本実施形態の磁気抵抗効果素子 10の前記層間結合磁界 Hinは、 10 (Oe)以上を 有している。 l (Oe)は約 79A/mである。
[0055] 本実施形態の磁気抵抗効果素子 10を構成する反強磁性層（IrMn) 51の膜厚（以 下、 IrMn膜厚と称する）、及び、非磁性中間層（Cu) 52の膜厚 (以下、 Cu膜厚と称 する） (ま、
横軸を IrMnの膜厚、縦軸を Cuの膜厚とした図 6のグラフ上で、
A点（IrMn膜厚， Cu膜厚） = (9θΑ, 21. 3 A)と、 B点（IrMn膜厚， Cu膜厚） = (1 30 A, 22. 7 A)とを結んだ直線の境界線 a (境界線 a上を含む）と、
前記 B点と、 C点（IrMn膜厚， Cu膜厚） = (15θΑ, 23. 5 A)とを結んだ直線の境 界線 b (境界線 b上を含む）と、
D点（IrMn膜厚， Cu膜厚） = (9θΑ, 24. 6 A)と E点（IrMn膜厚， Cu膜厚） = (13 OA, 26. 5 A)とを結んだ直線の境界線 c (境界線 c上を含む）と、
前記 E点と F点（IrMn膜厚， Cu膜厚） = (15θΑ, 28. 2 A)とを結んだ直線の境界 線 d (境界線 d上を含む）と、
前記 A点と前記 D点とを結んだ直線の境界線 e (境界線 e上を含む）と、
前記 C点と前記 F点とを結んだ直線の境界線 f (境界線 f上を含む）と、
で囲まれた範囲内で調整されている。
[0056] 図 6に示すように、 IrMn膜厚は 90A〜； 150Aの範囲内である。 IrMn膜厚が 9θΑ よりも小さいと、 10 (Oe)以上の層間結合磁界 Hinを小さいばらつきで得ることが出来 る Cu膜厚範囲を広く設定できない。また、 IrMn膜厚が 150Aよりも大きいと、前記磁 気抵抗効果素子 10の抵抗変化率（A R/R)が小さくなつてしまい検出精度が低下 するので好ましくない。
[0057] 本実施形態では、このように、 IrMn膜厚を、 10 (Oe)以上の層間結合磁界 Hinを 得るために、調整する点に特徴的部分がある。図 6に示す境界線 a〜fに囲まれた範 囲内で IrMn膜厚、及び Cu膜厚を選択することで、層間結合磁界 Hinを 10 (Oe)以 上に出来るとともに、層間結合磁界 Hinのばらつきを 2 (Oe)以下にできる。そして、 上記境界線 a〜fによって囲まれた範囲内では、 IrMn膜厚がいずれのときでも、その とき前記ばらつきを 2 (Oe)以下にできる Cu膜厚範囲を、従来に比べて広く設定でき る。よって、多少の成膜誤差があっても 10 (Oe)以上で且つばらつきが 2 (Oe)以下 の層間結合磁界 Hinを有する磁気抵抗効果素子を適切且つ容易に得ることが可 能になる。
[0058] また本実施形態では、前記 IrMn膜厚、及び、 Cu膜厚は、
横軸を IrMnの膜厚、縦軸を Cuの膜厚とした図 7のグラフ上で、
G点（IrMn膜厚， Cu膜厚） = (9θΑ, 21. 5 A)と、 H点（IrMn膜厚, Cu膜厚） = (
130A, 23. OA)とを結んだ直線の境界線 g (境界線 g上を含む）と、
前記 H点と、 I点（IrMn膜厚， Cu膜厚） = (15θΑ, 24. 3 A)とを結んだ直線の境 界線 h (境界線 h上を含む）と、
J点（IrMn膜厚， Cu膜厚） = (90A, 23. 7 A)と K点（IrMn膜厚, Cu膜厚） = (13
OA, 26. OA)とを結んだ直線の境界線 i (境界線 i上を含む）と、
前記 K点と L点（IrMn膜厚， Cu膜厚） = (15θΑ, 27. 5 A)とを結んだ直線の境界 線 K境界線 j上を含む）と、
前記 G点と前言 点とを結んだ直線の境界線 k (境界線 k上を含む）と、
前記 I点と前記 L点とを結んだ直線の境界線 1 (境界線 1上を含む）と、
で囲まれた範囲内で範囲内であることがより好ましい。これにより、層間結合磁界 Hi nを 10 (Oe)以上に出来るとともに、層間結合磁界 Hinのばらつきを 1 (Oe)以下にで きる。そして、上記境界線 g〜lによって囲まれた範囲内では IrMn膜厚がいずれのと きでも、そのとき前記ばらつきを 1 (Oe)以下にできる Cu膜厚範囲を、従来に比べて 広く設定できる。よって、多少の成膜誤差があっても 10 (Oe)以上で且つばらつきが l (Oe)以下の層間結合磁界 Hinを有する磁気抵抗効果素子を適切且つ容易に得る ことが可能になる。
[0059] 図 6,図 7に示す A点〜 F点及び G点〜 L点は、図 8、図 9に示す実験結果から得た ものである。以下、図 8,図 9の実験について説明する。
[0060] 実験では、以下の積層体により磁気抵抗効果素子 10を形成した。
実験で使用した積層体は、下から、基板/シード層； NiFeCr (42) /反強磁性層； Ir Mn (60A, 90A, 130A, 150A) /固定磁性層； [Fe Co (14)
/Ru (8. 7) /Co Fe (20) ]/非磁性中間層； Cu (X) /フリー磁性層 [Co
Fe (10) /Ni Fe (30) ]/Ta (30)であった。
[0061] 前記積層体に対して、ァニール温度を 270°C、ァニール時間を 1. 5時間、磁場の 強さを 15kOeとして磁場中ァニールを施し固定磁性層の磁化を所定方向に固定し た。
[0062] 実験では、 IrMn膜厚を 60 A (従来例）， 9θΑ, 13θΑ,及び 150 Aに異ならせると ともに、さらに各 IrMn膜厚のときの Cu膜厚を種々異ならせ、このように IrMn及び Cu 膜厚が異なる複数の磁気抵抗効果素子を形成し、各磁気抵抗効果素子の層間結合 磁界 Hinを図 5に示す RH曲線 60から測定した。その実験結果を図 8に示す。
[0063] 図 8に示すように、 IrMn膜厚が薄いほど、層間結合磁界 Hinの最小値 (ボトム値） が低くなることがわ力、つた。これら最小値 (ボトム値)から 2 (Oe)高い層間結合磁界 Hi nを有する Cu膜厚の範囲を各 IrMn膜厚から求めた。横軸方向に矢印のある範囲が 前記 Cu膜厚の範囲を示して!/、る。
[0064] IrMn膜厚が 60 A (従来例）のとき、最小値 (ボトム値)から 2 (Oe)高!/、層間結合磁 界 Hinとなる Cu膜厚の範囲は、約 20. 5A〜23Aであった。すなわち、 IrMn膜厚が 60Aのとき、 Cu膜厚を、 20. 5A〜23Aに設定すると、層間結合磁界 Hinの変動を 2 (Oe)以内に抑えることができる。
[0065] しかし、図 8に示すように、 Cu膜厚が 20. 5A〜23Aに設定されると層間結合磁界 Hinが 10 (Oe)よりも小さくなることがわかった。一方、図 11でも説明したように、前記 Cu膜厚を薄くしていくと、層間結合磁界 Hinが大きくなり 10 (Oe)以上の層間結合磁 界 Hinを得ることが可能になる力 S、今度は、わずかに Cu膜厚が変化しても層間結合 磁界 Hinが非常に大きく変動し、 Cu厚変化に対するばらつきが大きくなる問題があ つた。換言すれば、 IrMn膜厚を 60Aと設定したとき、 Cu膜厚を 20. 5A以下とすれ ば 10 (Oe)以上の層間結合磁界 Hinを得ることが出来る力 S、層間結合磁界 Hinのば らっきを 2 (Oe)以下に抑えるのに許容できる Cu膜厚の誤差範囲は 1 Aも無いことが
[0066] 次に、 IrMn膜厚が 90Aのとき、最小値 (ボトム値)から 2 (Oe)高い層間結合磁界 H inとなる Cu膜厚の範囲は、 21 · 3Α〜24· 6Αであった。すなわち、 IrMn膜厚が 90 Aのとき、 Cu膜厚を、 21. 3A〜24. 6Aに設定すると、層間結合磁界 Hinの変動を 2〇e以内に抑えることができる。し力、も、この Cu厚範囲では、層間結合磁界 Hinを 11 (Oe)以上に出来ることがわかった。
[0067] また、 IrMn膜厚が 130Aのとき、最小値 (ボトム値)から 2 (Oe)高い層間結合磁界 Hinとなる Cu膜厚の範囲は、 22· 7A-26. 5Aであり、且つこの Cu厚範囲では、層 間結合磁界 Hinを 13 (Oe)以上に出来ることがわかった。
[0068] また、 IrMn膜厚が 150Aのとき、最小値 (ボトム値)から 2 (Oe)高い層間結合磁界 Hinとなる Cu膜厚の範囲は、 23· 5A〜28. 2Aであり、且つこの Cu厚範囲では、層 間結合磁界 Hinを 14 (Oe)以上に出来ることがわかった。
[0069] このように、 IrMn膜厚を 9θΑ〜15θΑの範囲内とすれば、層間結合磁界 Hinを 10
(Oe)以上で、且つ、各 IrMn膜厚において、 Cu膜厚を変化させたときに層間結合磁 界 Hinの最大値と最小値の差を 2 (Oe)以下にできる Cu厚範囲を従来よりも広く設定 できることがわかった。従来例である IrMn膜厚が 60 Aのとき、 10 (Oe)以上の層間 結合磁界 Hinを得るには、 Cu膜厚を 20. 5A以下に設定すれば可能である力 S、層間 結合磁界 Hinのばらつきを 2 (Oe)以下に抑えるには、許容できる Cu膜厚範囲が 1 A にも満たなかった。これに対し、 IrMn膜厚を 9θΑ〜15θΑにすると、層間結合磁界 Hinを 10 (Oe)以上に出来るとともに、層間結合磁界 Hinのばらつきを 2 (Oe)以下に できる Cu膜厚範囲を、少なくとも 3A以上確保できることがわかった。
[0070] そして、図 8に示した A点〜 F点を、図 6に示す横軸を IrMnの膜厚、縦軸を Cuの膜 厚としたグラフ上に載せ、 A点と B点間を、直線の境界線 aで結び、 B点と C点間を、 直線の境界線 bで結び、 D点と E点間を、直線の境界線 cで結び、 E点と F点間を、直 線の境界線 dで結び、 A点と D点間を、直線の境界線 eで結び、 C点と F点間を、直線 の境界線 fで結び、これら境界線 a〜f (いずれも境界線上を含む）に囲まれた範囲内 を、本実施形態にて選択可能な IrMn膜厚及び Cu膜厚と設定した。
[0071] 前記境界線 a〜fに囲まれた範囲内にて IrMnの膜厚及び Cuの膜厚を調整すること で、層間結合磁界 Hinを 10 (Oe)以上にできるとともに、層間結合磁界 Hinのばらつ きを 2 (Oe)以下に出来る。そして、上記境界線 a〜fによって囲まれた範囲内では Ir Mn膜厚がレ、ずれのときでも、そのとき前記ばらつきを 2 (Oe)以下にできる Cu膜厚範 囲を、従来に比べて広く設定できる。
[0072] 次に、図 9は、図 8と同じ実験結果を用いて、各 IrMn膜厚磁の層間結合磁界 Hin のボトム値から 1 (Oe)高い層間結合磁界 Hinを有する Cu膜厚範囲を各 IrMn膜厚か ら求めたグラフである。当然のことながら、層間結合磁界 Hinのばらつきの許容範囲 を 1 (Oe)に設定すれば、図 8の場合に比べて、各 IrMn膜厚に対する Cu膜厚の許 容範囲は狭くなる力 IrMn膜厚を 9θΑ〜15θΑの範囲内とすれば、層間結合磁界 Hinを 10 (Oe)以上できるとともに、層間結合磁界 Hinのばらつきを 1 (Oe)以下に出 来る Cu膜厚範囲を従来より広く設定できる。
[0073] 図 9に示すように、 IrMn膜厚が 90Aのとき、 G点一 J点間、 IrMn膜厚が 130 Aのと き、 H点— K点間、 IrMn膜厚が 150Aのとき、 I点— L点間が夫々、この範囲内にて Cu膜厚を変動させても層間結合磁界 Hinの最大値と最小値の差を l (Oe)以下にで きる Cu膜厚範囲である。
[0074] そして、図 9に示した G点〜 L点を、図 7に示す横軸を IrMnの膜厚、縦軸を Cuの膜 厚としたグラフ上に載せ、 G点と H点間を、直線の境界線 gで結び、 H点と I点間を、直 線の境界線 hで結び、 J点と K点間を、直線の境界線 iで結び、 K点と L点間を、直線 の境界線 jで結び、 G点 点間を、直線の境界線 kで結び、 I点と L点間を、直線の境 界線 1で結んだ。
[0075] これら境界線 g〜l (いずれも境界線上を含む）に囲まれた範囲内にて IrMnの膜厚 及び Cuの膜厚を調整することで、層間結合磁界 Hinを 10 (Oe)以上にできるとともに 、前記層間結合磁界 Hinのばらつきを l (Oe)以下に抑えることができる。そして、上 記境界線 g〜lによって囲まれた範囲内では IrMn膜厚がいずれのときでも許容できる Cu膜厚範囲を、 IrMn膜厚がいずれのときでも、従来に比べて広く設定できる。図 9 に示すように、本実施形態では Cu膜厚範囲を最低でも 2A以上確保できる。一方、 従来例である IrMn膜厚が 60 Aのとき、図 9を見てわかるように、 10 (Oe)以上の層間 結合磁界 Hinを得られる範囲で、且つ層間結合磁界 Hinを 1 (Oe)以下のばらつきに 抑えるには、 Cu膜厚範囲は、 0. 5Aにも満たない。
[0076] このように本実施形態では、 10 (Oe)以上で且つ l (Oe)以下のばらつきとなる層間 結合磁界 Hinを得ることが出来る Cu膜厚範囲を従来に比べて広く設定できるから、 多少の成膜誤差があっても、従来に比べて、層間結合磁界 Hinを 10 (Oe)以上で、 ばらつきが小さい磁気抵抗効果素子を簡単且つ適切に製造できる。
[0077] また、図 6及び図 7の実験で使用した Cu膜厚及び IrMn膜厚の異なる複数の磁気 抵抗効果素子の抵抗変化率（A R/R)を測定した。その実験結果が図 10である。図 10では横軸を Cu膜厚とし縦軸を抵抗変化率（ A R/R)としている。
[0078] 図 10に示すように、 IrMn膜厚が厚くなると、抵抗変化率（ A R/R)が小さくなること がわかった。また Cu膜厚が厚くなつても抵抗変化率（ A R/R)が低下する傾向が見 られた。
[0079] 抵抗変化率（ A R/R)が低くなると磁界検出精度が低下するので、抵抗変化率（ Δ R/R)は高!/、ことが好まし!/、。本実施形態では 10 (%)以上の抵抗変化率（ Δ R/R )が好まし!/、と規定した。図 10に示すように IrMn膜厚を 90 A〜 150 Aに設定すれば 、 10 (%)以上の抵抗変化率（ Δ R/R)が得られることがわかった。
[0080] IrMn膜厚を 150 Aよりも厚くすると図 10の傾向から抵抗変化率（A R/R)が小さく なり、抵抗変化率（A R/R)が 10 (%)以下になりやすいと推測されるので、本実施 形態では、 IrMn膜厚の上限値を 150 Aとした。
[0081] 以上のように本実施形態の磁気抵抗効果素子 10によれば、 10 (Oe)以上で、且つ 、ばらつきが小さい層間結合磁界 Hinを従来に比べて、簡単且つ適切に得ることが 出来る。
[0082] 前記磁気抵抗効果素子 10は、ウェハー上に多数個、同時に形成されるが、製造プ 口セスの成膜精度によりウェハー全面に均一な膜厚で各層を積層できない場合でも 、本実施形態では、 10 (Oe)以上で且つばらつきが小さい層間結合磁界 Hinを有す る磁気抵抗効果素子 10を多数個同時に製造できる。すなわち例えば IrMn膜厚を概 ね 90 Aで形成したとき、 Cu膜厚を図 6に示す A点（21. 3A)と D点（24. 6A)の範 囲内で形成すれば、各磁気抵抗効果素子 10において層間結合磁界 Hinのばらつき を 2 (Oe)以内に抑えることができる。また Cu膜厚を図 7に示す G点（21. 5 ）<^点（ 23. 7 A)の範囲内で形成すれば、各磁気抵抗効果素子 10において層間結合磁界 Hinのばらつきを l (Oe)以内に抑えることができる。このように Cu膜厚に数 A程度の 製造ばらつきがあっても、各磁気抵抗効果素子 10の層間結合磁界 Hinのばらつきを /J、さくすること力でさる。
[0083] またどの程度の層間結合磁界 Hinが必要かにもよる力 S、 IrMn膜厚を厚くするほど、 層間結合磁界 Hinのばらつきを 2 (Oe)以下、あるいは、 1 (Oe)以下に抑制できる Cu 膜厚の許容範囲を広く取ることが出来、歩留まりを向上させることが可能である。
[0084] 本実施形態における磁気抵抗効果素子 10を磁気センサ 1に搭載することで、まず 磁気抵抗効果素子 10の層間結合磁界 Hinは 10 (Oe)以上を確保できるため、磁石 Mからの外部磁界以外の外乱磁界に対して抵抗変化しに《なり、よって動作安定 性を向上できる。加えて、各磁気センサ 1に搭載された磁気抵抗効果素子 10の層間 結合磁界 Hinのばらつきを小さくできるから、各磁気センサ 1における磁界検出信号 の出力タイミングのばらつきを小さくすることができる。
[0085] また図 3に示すように同じ磁気センサ 1内に 2個の磁気抵抗効果素子 10が搭載され たブリッジ回路を組み込んだときも、各磁気抵抗効果素子 10の層間結合磁界 Hinを 共に、 10 (Oe)以上で、且つ、層間結合磁界 Hinのばらつきを 2 (Oe)以下、好ましく は 1 (Oe)以下に抑えることが容易にできるので、外部磁界に対する各磁気抵抗効果 素子 10の抵抗変化のばらつきを小さくでき、動作安定性に優れた磁界検出を行うこ とが出来る。
[0086] 本実施形態の磁気抵抗効果素子 10の製造方法について説明する。
まず磁気抵抗効果素子 10を形成する前に、ウェハー上に集積回路 3及び絶縁層 4 を形成する。
[0087] 次に、前記磁気抵抗効果素子 10を構成する図 4の各層を前記絶縁層 4上に、スパ ッタ法等によって成膜する。このとき反強磁性層 51を IrMnで形成するとともに 90 A 〜150Aの膜厚範囲内で成膜する。また非磁性中間層 53を Cuで成膜する。このと き基板上に形成される多数個の磁気抵抗効果素子のそれぞれの層間結合磁界 Hin のばらつきを 2 (Oe)以下にする場合は、図 6のグラフを用い、反強磁性層 51の膜厚 によって Cu膜厚を決定する。例えば IrMn膜厚を 90Aとした場合、図 6に示す A点 D点間の Cu膜厚を選択する。このとき、 A点 D点の中間点を狙って Cu膜厚を成 膜することが好ましい。 A点 B点の中間点での Cu膜厚を選択すると、図 8に示す Ir Mn膜厚が 90 Aのグラフ上での層間結合磁界 Hinはボトム値 (最小値）となる。図 8に 示すように IrMn膜厚がいずれの場合であっても、前記ボトム値での Cu膜厚から、 Cu 膜厚を増減させると層間結合磁界 Hinは曲線上にほぼ対称に増加する傾向がある ため、ちょうど層間結合磁界 Hinがボトム値 (最小値）となる Cu膜厚を狙うと、多少、成 膜誤差があっても、層間結合磁界 Hinのばらつきを非常に小さく抑えることができる。
[0088] よって非磁性中間層 53 (Cu)を成膜するとき、図 6に示す境界線 a〜境界線 fあるい は、図 7に示す境界線 g〜境界線 1に囲まれた範囲内において、各 IrMn膜厚におけ る許容された Cu膜厚範囲のちょうど中間点での Cu膜厚を選択することが好ましい。
[0089] 図 4に示す積層構造を成膜後、エッチングにて磁気抵抗効果素子形状に加工し、 このとき、前記磁気抵抗効果素子を同一ウェハー上に複数個形成する。また固定抵 抗素子 20や各種電極の形成を行う。
[0090] そして磁気抵抗効果素子を 1個ずつあるいは複数の磁気抵抗効果素子を 1セットと してウェハーを切断し磁気センサ 1に個片化する。
[0091] 本実施形態における磁気センサ 1は、折畳み式携帯電話以外の電子機器の開閉 検知、回転検知ゃ位置検出等にも使用できる。
図面の簡単な説明
[0092] [図 1]本実施形態の磁気センサを示す斜視図、
[図 2]図 1の磁気センサの II II線での縦断面図、
[図 3]磁気センサの回路構成図、
[図 4]本実施形態の磁気抵抗効果素子 (GMR素子）の膜構成を示す膜厚方向から 切断した拡大断面図、
[図 5]本実施形態の磁気抵抗効果素子の RH曲線図、
[図 6]本実施形態の磁気抵抗効果素子の反強磁性層（IrMn)の膜厚、及び非磁性 中間層（Cu)の膜厚を規定するための第 1のグラフ、
[図 7]本実施形態の磁気抵抗効果素子の反強磁性層（IrMn)の膜厚、及び非磁性 中間層（Cu)の膜厚を規定するための第 2のグラフ、
[図 8]IrMn膜厚を 6θΑ、 9θΑ、 130 A及び 150 Aと異ならした磁気抵抗効果素子に おける Cu膜厚と層間結合磁界との関係を示すとともに、層間結合磁界 Hinのボトム 値 (最小値)から 2 (Oe)高い層間結合磁界 Hinが得られる Cu膜厚範囲を規定するた めのグラフ、
[図 9]IrMn膜厚を 6θΑ、 9θΑ、 130 A及び 150 Aと異ならした磁気抵抗効果素子に おける Cu膜厚と層間結合磁界との関係を示すとともに、層間結合磁界 Hinのボトム 値 (最小値)から 1 (Oe)高い層間結合磁界 Hinが得られる Cu膜厚範囲を規定するた めのグラフ、
[図 10]IrMn膜厚を 6θΑ、 9θΑ、 130 A及び 150 Aと異ならした磁気抵抗効果素子 における Cu膜厚と抵抗変化率（ A R/R)との関係を示すグラフ、
園 11]磁気抵抗効果素子の反強磁性層（IrMn)の膜厚を 60 Aとした従来例におけ る非磁性中間層（Cu)の膜厚と層間結合磁界 Hinとの関係を示すグラフ、 符号の説明
1 磁気センサ
2 基板
3 集積回路
4 絶縁層
10 磁気抵抗効果素子
17 リード層
20 固定抵抗素子
32 電源パッド 32
33、 40 能動素子
34 接地パッド
35 配線層
37 差動増幅器
39 コンパレータ
41 出力トランジスタ
42 出力パッド
51 反強磁性層（IrMn)
52 固定磁性層 非磁性中間層（Cu) フリー磁性層 保護層
RH曲線
層間結合磁界

Claims

請求の範囲
[1] 反強磁性層と、前記反強磁性層に接して形成され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中間層を介して対向し外部磁界を受けて磁化方向 が変動するフリー磁性層とを有する積層構造を備えた、磁気センサ用に用いられる 磁気抵抗効果素子であって、
前記反強磁性層は IrMnで形成され、前記非磁性中間層は Cuで形成され、 前記反強磁性層及び前記非磁性中間層の膜厚は、
横軸を IrMnの膜厚、縦軸を Cuの膜厚とした図 6のグラフ上で、
A点（IrMn膜厚， Cu膜厚） = (9θΑ, 21. 3 A)と、 B点（IrMn膜厚， Cu膜厚） = (1
30 A, 22. 7 A)とを結んだ直線の境界線 a (境界線 a上を含む）と、
前記 B点と、 C点（IrMn膜厚， Cu膜厚） = (15θΑ, 23. 5 A)とを結んだ直線の境 界線 b (境界線 b上を含む）と、
D点（IrMn膜厚， Cu膜厚） = (9θΑ, 24. 6 A)と E点（IrMn膜厚， Cu膜厚） = (13
OA, 26. 5 A)とを結んだ直線の境界線 c (境界線 c上を含む）と、
前記 E点と F点（IrMn膜厚， Cu膜厚） = (15θΑ, 28. 2 A)とを結んだ直線の境界 線 d (境界線 d上を含む）と、
前記 A点と前記 D点とを結んだ直線の境界線 e (境界線 e上を含む）と、
前記 C点と前記 F点とを結んだ直線の境界線 f (境界線 f上を含む）と、
で囲まれた範囲内であることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
[2] 前記反強磁性層及び前記非磁性中間層の膜厚は、
横軸を IrMnの膜厚、縦軸を Cuの膜厚とした図 7のグラフ上で、
G点（IrMn膜厚， Cu膜厚） = (9θΑ, 21. 5 A)と、 H点（IrMn膜厚, Cu膜厚） = (
130A, 23. OA)とを結んだ直線の境界線 g (境界線 g上を含む）と、
前記 H点と、 I点（IrMn膜厚， Cu膜厚） = (15θΑ, 24. 3 A)とを結んだ直線の境 界線 h (境界線 h上を含む）と、
J点（IrMn膜厚， Cu膜厚） = (90A, 23. 7 A)と K点（IrMn膜厚, Cu膜厚） = (13
OA, 26. OA)とを結んだ直線の境界線 i (境界線 i上を含む）と、
前記 K点と L点（IrMn膜厚， Cu膜厚） = (15θΑ, 27. 5 A)とを結んだ直線の境界 線 K境界線 j上を含む）と、
前記 G点と前言 点とを結んだ直線の境界線 k (境界線 k上を含む）と、
前記 I点と前記 L点とを結んだ直線の境界線 1 (境界線 1上を含む）と、
で囲まれた範囲内である請求項 1記載の磁気抵抗効果素子。
[3] 請求項 1あるいは 2に記載された磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子と 接続され、前記磁気抵抗効果素子の外部磁界に対する電気抵抗変化に基づいて、 磁界検出信号を生成して出力する集積回路とを有することを特徴とする磁気センサ。
[4] 前記磁気抵抗効果素子は 2個用意され、外部磁界に対して電気抵抗値が変化しな い固定抵抗素子と共にブリッジ回路を構成している請求項 3記載の磁気センサ。
[5] 磁気センサ用の磁気抵抗効果素子を、複数個、同一基板上に同じ成膜過程で形 成する製造方法において、
前記磁気抵抗効果素子を、反強磁性層と、前記反強磁性層に接して形成され磁化 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中間層を介して対向し 外部磁界を受け
て磁化方向が変動するフリー磁性層とを有する積層構造を有して形成し、
前記反強磁性層を IrMnで形成し、前記非磁性中間層を Cuで形成し、 このとき、前記反強磁性層及び前記非磁性中間層の膜厚を、
横軸を IrMnの膜厚、縦軸を Cuの膜厚とした図 6のグラフ上で、
A点（IrMn膜厚， Cu膜厚） = (9θΑ, 21. 3 A)と、 B点（IrMn膜厚， Cu膜厚） = (1
30 A, 22. 7 A)とを結んだ直線の境界線 a (境界線 a上を含む）と、
前記 B点と、 C点（IrMn膜厚， Cu膜厚） = (15θΑ, 23. 5 A)とを結んだ直線の境 界線 b (境界線 b上を含む）と、
D点（IrMn膜厚， Cu膜厚） = (9θΑ, 24. 6 A)と E点（IrMn膜厚， Cu膜厚） = (13
OA, 26. 5 A)とを結んだ直線の境界線 c (境界線 c上を含む）と、
前記 E点と F点（IrMn膜厚， Cu膜厚） = (15θΑ, 28. 2 A)とを結んだ直線の境界 線 d (境界線 d上を含む）と、
前記 A点と前記 D点とを結んだ直線の境界線 e (境界線 e上を含む）と、
前記 C点と前記 F点とを結んだ直線の境界線 f (境界線 f上を含む）と、 で囲まれた範囲内で範囲内で形成することを特徴とする磁気抵抗効果素子の製造 方法。
前記反強磁性層及び前記非磁性中間層の膜厚を、
横軸を IrMnの膜厚、縦軸を Cuの膜厚とした図 7のグラフ上で、
G点（IrMn膜厚， Cu膜厚） = (9θΑ, 21. 5 A)と、 H点（IrMn膜厚, Cu膜厚） = (
130A, 23. OA)とを結んだ直線の境界線 g (境界線 g上を含む）と、
前記 H点と、 I点（IrMn膜厚， Cu膜厚） = (15θΑ, 24. 3 A)とを結んだ直線の境 界線 h (境界線 h上を含む）と、
J点（IrMn膜厚， Cu膜厚） = (90A, 23. 7 A)と K点（IrMn膜厚, Cu膜厚） = (13
OA, 26. OA)とを結んだ直線の境界線 i (境界線 i上を含む）と、
前記 K点と L点（IrMn膜厚， Cu膜厚） = (15θΑ, 27. 5 A)とを結んだ直線の境界 線 K境界線 j上を含む）と、
前記 G点と前言 点とを結んだ直線の境界線 k (境界線 k上を含む）と、
前記 I点と前記 L点とを結んだ直線の境界線 1 (境界線 1上を含む）と、
で囲まれた範囲内で範囲内で形成する請求項 5記載の磁気抵抗効果素子の製造 方法。
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