WO2011111649A1 - 磁気センサ及びその製造方法 - Google Patents
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Definitions
- the positions in the height direction of the respective magnetoresistance effect elements 102a to 102d are different from each other, for example, assuming that the magnetic component is disposed above the page with respect to the magnetic sensor in FIG.
- the distances from the components to the respective magnetoresistance effect elements 102a to 102d differ from one another, which may cause a sensitivity difference due to a difference in sensitivity axis.
- wiring can not be easily routed, additional processes such as formation of contact holes are required, and the manufacturing process becomes complicated. There is a problem of
- the present invention has been made in view of the foregoing, and it is an object of the present invention to provide a magnetic sensor having no sensitivity difference due to a difference in sensitivity axis, and a manufacturing method by which such a magnetic sensor can be easily obtained.
- a plurality of magnetoresistive elements different in sensitivity axis direction can be provided closely on the same substrate. Therefore, the position in the height direction (the position in the height direction of the magnetoresistive element from the substrate) does not change between the magnetoresistive elements. As a result, it is possible to realize a state in which there is no difference in sensitivity due to the difference in sensitivity axes. Furthermore, in the magnetic sensor according to the present invention, no step is produced in the formation of the magnetoresistive element, so there is no need to secure a space between the magnetoresistive elements for permitting the step, thus achieving further miniaturization. It becomes possible.
- the coercive force of the material forming the second ferromagnetic film is preferably 50 Oe or less.
- a self-pinned ferromagnetic fixed layer formed by antiferromagnetically coupling the two ferromagnetic films, a nonmagnetic intermediate layer, and a soft magnetic free layer, and the sensitivity axis in the direction different from the specific direction
- the wiring can be easily formed, and an additional process such as increasing the thickness of the wiring or forming a through hole becomes unnecessary. For this reason, it is possible to easily manufacture a magnetic sensor in which a plurality of magnetoresistive effect elements different in sensitivity axis direction are provided close to each other on the same substrate.
- a magnetic field be applied in the direction in which the magnetization of the ferromagnetic fixed layer is fixed when the first ferromagnetic film is formed.
- a plurality of magnetoresistive elements are directly formed on the same substrate, and the magnetoresistive elements comprise a first ferromagnetic film and a second ferromagnetic film through an antiparallel coupling film.
- a self-pinned ferromagnetic pinned layer formed antiferromagnetically coupled to a film, a nonmagnetic intermediate layer, and a soft magnetic free layer, wherein the first ferromagnetic film and the second strong layer
- the magnetic films have substantially the same Curie temperature, and the difference in the magnetization amount is substantially zero, and the magnetization directions of the ferromagnetic fixed layers of the respective magnetoresistance effect elements are different, and the same height on the substrate is the same.
- the magnetic sensors can be realized without any difference in sensitivity due to differences in sensitivity axes.
- FIG. 1 is a view showing a magnetic sensor according to an embodiment of the present invention.
- the magnetic sensor 1 is used, for example, to detect the magnetic field of a magnet rotatable in the direction of the arrow as shown in FIG. 1 (magnetic encoder).
- the first ferromagnetic film 13 and the second strong film can be obtained. Strong antiferromagnetic coupling can be provided with the magnetic film 15.
- the magnetization amount (Ms ⁇ t) of the first ferromagnetic film 13 and the magnetization amount (Ms ⁇ t) of the second ferromagnetic film 15 are substantially the same. That is, the difference in the amount of magnetization between the first ferromagnetic film 13 and the second ferromagnetic film 15 is substantially zero. For this reason, the effective anisotropic magnetic field of the SFP layer is large. Therefore, the magnetization stability of the ferromagnetic pinned layer (Pin layer) can be sufficiently secured without using an antiferromagnetic material.
- the film configuration for confirming the characteristics of the first ferromagnetic film is as follows: substrate / NiFeCr (seed layer: 4 nm) / Fe 60 Co 40 (first ferromagnetic film: X) / Ru (antiparallel coupling film: 0) .4 nm) / Cu (nonmagnetic intermediate layer: 2 nm) / Ta (protective layer: 5 nm), and the film configuration for confirming .DELTA.MR is NiFeCr (seed layer: 4 nm) / Fe 60 Co 40 (first strong) Magnetic film: X) / Ru (antiparallel coupling film: 0.4 nm) / Co 90 Fe 10 (second ferromagnetic film: optimization) / Cu (nonmagnetic interlayer: 2 nm) / Co 90 Fe 10 (soft Magnetic free layer: 1 nm) / NiFe (soft magnetic free layer: 2 nm) / Ta (protective layer: 5 nm).
- the thickness of the first ferromagnetic film 13 is increased, the coercivity of the first ferromagnetic film 13 is increased, and as a result, ⁇ MR is increased and saturation is stabilized.
- the magnetic film 15 is provided with induced magnetic anisotropy. As a result, both films 13 and 15 are magnetized antiparallel to the stripe width direction.
- the magnetic field for fixing the magnetization of the ferromagnetic fixed layer is preferably, for example, 60 Oe or more.
- the Curie temperature of ferromagnetic materials such as CoFe is much higher than the blocking temperature of antiferromagnetic materials. Therefore, high magnetization stability is achieved by matching the Curie temperatures of the ferromagnetic materials of the first ferromagnetic film and the second ferromagnetic film and keeping the difference in the amount of magnetization (Ms ⁇ t) at zero even in a high temperature region. Can be maintained.
- the amount of magnetization of the first ferromagnetic film is generated (in order to generate an exchange coupling magnetic field in the direction of the applied magnetic field during annealing). It is necessary to intentionally make a difference between Ms ⁇ t) and the magnetization amount (Ms ⁇ t) of the second ferromagnetic film.
- the magnetoresistive element of the magnetic sensor according to the present invention does not contain an antiferromagnetic material, the material cost and the manufacturing cost can also be suppressed.
- a self-pinned type in which a first ferromagnetic film and a second ferromagnetic film are antiferromagnetically coupled on a substrate via an antiparallel coupling film.
- first forming step Forming a first laminated film of a magnetoresistive effect element having a ferromagnetic fixed layer, a nonmagnetic intermediate layer, and a soft magnetic free layer and having a sensitivity axis in a specific direction (first forming step); A first ferromagnetic film is removed via an antiparallel coupling film on the substrate from which the first laminated film in the region other than the region where the laminated film is to be left is removed from the substrate (removal step) and the first laminated film is removed.
- a direction different from the specific direction including a self-pinned ferromagnetic fixed layer formed by antiferromagnetically coupling a film and a second ferromagnetic film, a nonmagnetic intermediate layer, and a soft magnetic free layer Forming a second laminated film of the magnetoresistance effect element having a sensitivity axis at the second position (second formation step).
- the magnetoresistive effect elements having different magnetization directions of the ferromagnetic pinned layer can be provided closely on the same substrate.
- a plurality of magnetoresistive elements different in the magnetization direction of the ferromagnetic fixed layer can be provided closely on the same substrate.
- FIGS. 4 (a) to 4 (c) and 5 (a) to 5 (c) are diagrams for explaining the method of manufacturing the magnetoresistive element in the magnetic sensor according to the embodiment of the present invention.
- the seed layer 12a, the first ferromagnetic film 13a, the antiparallel coupling film 14a, the second ferromagnetic film 15a, the nonmagnetic intermediate layer 16a, and the soft A magnetic free layer (free magnetic layer) 17a and a protective layer 18a are sequentially formed.
- a magnetic field is applied in the stripe width direction of the meander shape.
- the applied magnetic field direction is from the back side to the front side in the drawing
- the applied magnetic field direction is from the front side to the drawing side.
- a resist layer 20 is formed on the protective layer 18a, and the resist layer 20 is left on the region on the magnetoresistive effect element 1a side by photolithography and etching.
- the exposed laminated film is removed by ion milling or the like to expose the substrate 11 in the region where the magnetoresistive effect elements 1b, 1c, and 1d are provided.
- the seed layer 12b, the first ferromagnetic film 13b, the antiparallel coupling film 14b, the second ferromagnetic film 15b, and the nonmagnetic intermediate layer 16b are sequentially formed.
- the soft magnetic free layer (free magnetic layer) 17b and the protective layer 18b are sequentially formed.
- a magnetic field is applied in the stripe width direction of the meander shape.
- the applied magnetic field direction is from the back side to the front side in the drawing
- the applied magnetic field direction is from the front side to the drawing side.
- a magnetic field is applied in the stripe longitudinal direction of the meander shape.
- a resist layer is formed on the protective layers 18a and 18b, and the resist layer is left on the region on the magnetoresistive effect elements 1a and 1b side by photolithography and etching.
- the exposed laminated film is removed by ion milling or the like to expose the substrate 11 in the region where the magnetoresistive effect elements 1c and 1d are provided.
- a seed layer to a protective layer are formed in the region where the magnetoresistive effect elements 1c and 1d are provided. In this manner, the magnetoresistance effect elements 1a, 1b, 1c and 1d are formed on the substrate 11 in the arrangement as shown in FIG.
- a resist layer 20 is formed on the protective layers 18a and 18b, and the resist layer 20 is left on the formation regions of the magnetoresistive elements 1a and 1b by photolithography and etching.
- the exposed laminated film is removed by ion milling or the like to form magnetoresistance effect elements 1a and 1b.
- the present invention is not limited to the above embodiment, and can be implemented with various modifications.
- the materials in the above-described embodiment, the connection relationship between elements, the thickness, the size, the manufacturing method, and the like can be appropriately changed and implemented.
- the present invention can be implemented with appropriate modifications without departing from the scope of the present invention.
- the present invention is applicable to magnetic sensors such as magnetic encoders.
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Abstract
感度軸の違いによる感度差がない磁気センサ、そのような磁気センサを簡単に得ることができる製造方法を提供すること。本発明の磁気センサの製造方法は、基板上に、反平行結合膜を介して第１の強磁性膜と第２の強磁性膜とを反強磁性的に結合させてなるセルフピン止め型の強磁性固定層と、非磁性中間層と、軟磁性自由層とを有し、特定方向に感度軸を持つ磁気抵抗効果素子の第１積層膜を形成する第１形成工程と、前記第１積層膜を残存させる領域以外の領域の前記第１積層膜を前記基板から除去する除去工程と、前記第１積層膜を除去した基板上に、反平行結合膜を介して第１の強磁性膜と第２の強磁性膜とを反強磁性的に結合させてなるセルフピン止め型の強磁性固定層と、非磁性中間層と、軟磁性自由層とを有し、前記特定方向と異なる方向に感度軸を持つ磁気抵抗効果素子の第２積層膜を形成する第２形成工程と、を具備することを特徴とする。
Description
本発明は、磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子、ＧＭＲ素子）を用いた磁気センサ及びその製造方法に関する。
従来、ステッピングモータなどのロータの回転方向や回転角度を検出するための磁気エンコーダ用の磁気センサとして、巨大磁気抵抗効果を利用した磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ（Giant Magneto Resistive）素子）を用いた磁気センサが用いられている。このような磁気センサにおいて、３６０°のセンサ稼動能力を発生させるために、各々９０°ずつ着磁方向が異なる構成を有するものが開示されている（特許文献１）。
特許文献１に開示されている磁気センサは、図６に示すように、基板１０１上に、特定の方向に感度軸を持つ磁気抵抗効果素子１０２ａを形成し、その上に絶縁膜１０３を形成することにより第１層を設け、同様にして、磁気抵抗効果素子１０２ｂ及び絶縁膜１０３を形成して第２層を設け、磁気抵抗効果素子１０２ｃ及び絶縁膜１０３を形成して第３層を設け、磁気抵抗効果素子１０２ｄ及び絶縁膜１０３を形成して第４層を設けてなるものである。この場合において、磁気抵抗効果素子１０２ａ～１０２ｄは、それぞれ９０°ずつ着磁方向が異なっている。
しかしながら、特許文献１に開示された磁気センサにおいては、各層で磁気抵抗効果素子を素子形成する必要がある。また、磁気抵抗効果素子１０２ａ～１０２ｄが絶縁膜１０３を介して積層する場合、積層を重ねることで徐々に段差が発生するため、フォトレジストの塗布状態に影響を及ぼす。このため、フォトレジストの塗布状態に影響を及ぼさないようにするためには、平面視において、各磁気抵抗効果素子を離して設ける必要があり、近接して磁気抵抗効果素子を作り込むことができず、素子の小型化に制約がある。また、磁気センサにおいて各磁気抵抗効果素子１０２ａ～１０２ｄの高さ方向の位置がそれぞれ異なっているので、例えば、図６において、磁気センサに対して紙面上方に磁気部品が配置されるとすると、磁気部品から各磁気抵抗効果素子１０２ａ～１０２ｄまでの距離がそれぞれ異なってしまい、感度軸の違いによる感度差が生じてしまう恐れがある。さらに、磁気センサにおいて各磁気抵抗効果素子１０２ａ～１０２ｄの高さ方向の位置がそれぞれ異なっているので、配線の引き回しが難しく、コンタクトホールの形成などの追加プロセスも必要となり、製造プロセスが複雑になるという問題がある。
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、感度軸の違いによる感度差がない磁気センサ、そのような磁気センサを簡単に得ることができる製造方法を提供することを目的とする。
本発明の磁気センサは、同一基板上に複数の磁気抵抗効果素子が直接形成されてなる磁気センサであって、前記磁気抵抗効果素子は、反平行結合膜を介して第１の強磁性膜と第２の強磁性膜とを反強磁性的に結合させてなるセルフピン止め型の強磁性固定層と、非磁性中間層と、軟磁性自由層とを有し、前記第１の強磁性膜及び前記第２の強磁性膜は、キュリー温度が略同じであり、かつ、磁化量の差が実質的にゼロであり、各磁気抵抗効果素子の強磁性固定層の磁化方向が異なっており、前記基板上に同じ高さで並設されていることを特徴とする。
この構成によれば、感度軸方向がそれぞれ異なる複数の磁気抵抗効果素子を同一基板上に近接して設けることができる。このため、各磁気抵抗効果素子間で高さ方向の位置（基板からの磁気抵抗効果素子の高さ方向の位置）が変わらない。その結果、感度軸の違いによる感度差がない状態を実現することができる。さらに、本発明に係る磁気センサにおいては、磁気抵抗効果素子の作り込みにおいて段差が生じないので、段差を許容するための磁気抵抗効果素子間のスペースを確保する必要が無く、より小型化を図ることが可能となる。
本発明の磁気センサにおいては、前記第１の強磁性膜を構成する材料の保磁力が５００Ｏｅ以上であり、前記第２の強磁性膜を構成する材料の結晶構造が前記非磁性中間層を構成する材料の結晶構造と同じであることが好ましい。
本発明の磁気センサにおいては、前記第２の強磁性膜を構成する材料の保磁力が５０Ｏｅ以下であることが好ましい。
本発明の磁気センサにおいては、前記第１の強磁性膜が４０原子％～８０原子％のＦｅを含むＣｏＦｅ合金で構成され、前記第２の強磁性膜が０原子％～４０原子％のＦｅを含むＣｏＦｅ合金で構成されていることが好ましい。
本発明の磁気センサの製造方法は、基板上に、反平行結合膜を介して第１の強磁性膜と第２の強磁性膜とを反強磁性的に結合させてなるセルフピン止め型の強磁性固定層と、非磁性中間層と、軟磁性自由層とを有し、特定方向に感度軸を持つ磁気抵抗効果素子の第１積層膜を形成する第１形成工程と、前記第１積層膜を残存させる領域以外の領域の前記第１積層膜を前記基板から除去する除去工程と、前記第１積層膜を除去した基板上に、反平行結合膜を介して第１の強磁性膜と第２の強磁性膜とを反強磁性的に結合させてなるセルフピン止め型の強磁性固定層と、非磁性中間層と、軟磁性自由層とを有し、前記特定方向と異なる方向に感度軸を持つ磁気抵抗効果素子の第２積層膜を形成する第２形成工程と、を具備することを特徴とする。
この方法によれば、磁気抵抗効果素子の作り込みにおいて段差が生じないので、配線形成が容易であり、配線の厚さを厚くしたり、スルーホール形成などの追加の工程が不要となる。このため、感度軸方向がそれぞれ異なる複数の磁気抵抗効果素子を同一基板上に近接して設けてなる磁気センサを簡易に製造することができる。
本発明の磁気センサの製造方法においては、前記第１の強磁性膜の成膜時に、前記強磁性固定層の磁化を固定する方向に磁場を印加することが好ましい。
本発明の磁気センサの製造方法においては、前記除去工程及び前記第２形成工程を繰り返して行い、各積層膜における強磁性固定層の磁化方向を異ならせることが好ましい。
本発明の磁気センサは、同一基板上に複数の磁気抵抗効果素子が直接形成されてなり、前記磁気抵抗効果素子は、反平行結合膜を介して第１の強磁性膜と第２の強磁性膜とを反強磁性的に結合させてなるセルフピン止め型の強磁性固定層と、非磁性中間層と、軟磁性自由層とを有し、前記第１の強磁性膜及び前記第２の強磁性膜は、キュリー温度が略同じであり、かつ、磁化量の差が実質的にゼロであり、各磁気抵抗効果素子の強磁性固定層の磁化方向が異なっており、前記基板上に同じ高さで並設されているので、感度軸の違いによる感度差がない磁気センサを実現することができる。
以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る磁気センサを示す図である。この磁気センサ１は、例えば、図１に示すように、矢印方向に回転可能な磁石の磁界を検出するために使用される（磁気エンコーダ）。
図１は、本発明の実施の形態に係る磁気センサを示す図である。この磁気センサ１は、例えば、図１に示すように、矢印方向に回転可能な磁石の磁界を検出するために使用される（磁気エンコーダ）。
図１に示す磁気センサ１は、４つの磁気抵抗効果素子１ａ～１ｄを含んで構成されている。磁気抵抗効果素子１ａは、図１の紙面向かって右側から左側に向かう方向を感度軸方向としており、磁気抵抗効果素子１ｂは、図１の紙面向かって下側から上側に向かう方向を感度軸方向としており、磁気抵抗効果素子１ｃは、図１の紙面向かって上側から下側に向かう方向を感度軸方向としており、磁気抵抗効果素子１ｄは、図１の紙面向かって左側から右側に向かう方向を感度軸方向としている。また、これらの磁気抵抗効果素子１ａ～１ｄは、すべて同一の基板１１上に直接形成されており、高さ方向における位置がほぼ同じである。すなわち、これらの磁気抵抗効果素子１ａ～１ｄは、基板１１上に同じ高さで並設されている。なお、図１において、参照符号１ｅは電極パッドを示す。
磁気抵抗効果素子としては、その長手方向が互いに平行になるように配置された複数の帯状の長尺パターン（ストライプ）が折り返してなる形状（ミアンダ形状）を有するＧＭＲ素子であることが好ましい。このミアンダ形状において、感度軸方向（Ｐｉｎ方向）は矢印方向である。
磁気抵抗効果素子の膜構成は、例えば、図２に示すものである。すなわち、磁気抵抗効果素子は、図２に示すように、基板１１に設けられた積層膜構造を有する。なお、図２においては、説明を簡単にするために、基板１１には磁気抵抗効果素子以外の下地層などは省略して図示している。磁気抵抗効果素子は、シード層１２、第１の強磁性膜１３、反平行結合膜１４、第２の強磁性膜１５、非磁性中間層１６、軟磁性自由層（フリー磁性層）１７、及び保護層１８を含む。
シード層１２は、ＮｉＦｅＣｒあるいはＣｒなどで構成される。保護層１８は、Ｔａ，Ｒｕなどで構成される。なお、上記積層構造において、基板１１とシード層１２との間に、例えば、Ｔａ，Ｈｆ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｗのうち少なくとも１つの元素などの非磁性材料で構成される下地層を設けても良い。
この磁気抵抗効果素子においては、反平行結合膜１４を介して第１の強磁性膜１３と第２の強磁性膜１５とを反強磁性的に結合させており、いわゆるセルフピン止め型の強磁性固定層（ＳＦＰ：Synthetic Ferri Pinned層）が構成されている。
この強磁性固定層において、反平行結合膜１４の厚さを０．３ｎｍ～０．４５ｎｍ、もしくは、０．７５ｎｍ～０．９５ｎｍにすることにより、第１の強磁性膜１３と第２の強磁性膜１５との間に強い反強磁性結合をもたらすことができる。
また、第１の強磁性膜１３の磁化量（Ｍｓ・ｔ）と第２の強磁性膜１５の磁化量（Ｍｓ・ｔ）が実質的に同じである。すなわち、第１の強磁性膜１３と第２の強磁性膜１５間で磁化量の差が実質的にゼロである。このため、ＳＦＰ層の実効的な異方性磁界が大きい。したがって、反強磁性材料を用いなくても、強磁性固定層（Ｐｉｎ層）の磁化安定性を十分に確保できる。これは、第１の強磁性膜の膜厚をｔ１とし、第２の強磁性膜の膜厚をｔ２とし、両層の磁化及び誘導磁気異方性定数をそれぞれＭｓ,Ｋとすると、ＳＦＰ層の実効的な異方性磁界が次式（１）で示されるためである。
式（１）
eff Ｈｋ＝２（Ｋ・ｔ１＋Ｋ・ｔ２）／（Ｍｓ・ｔ１－Ｍｓ・ｔ２）
したがって、本発明の磁気センサに用いる磁気抵抗効果素子は、反強磁性層を有しない積層膜構成を有する。
式（１）
eff Ｈｋ＝２（Ｋ・ｔ１＋Ｋ・ｔ２）／（Ｍｓ・ｔ１－Ｍｓ・ｔ２）
したがって、本発明の磁気センサに用いる磁気抵抗効果素子は、反強磁性層を有しない積層膜構成を有する。
第１の強磁性膜１３のキュリー温度（Ｔｃ）と第２の強磁性膜１５のキュリー温度（Ｔｃ）とは、略同じである。これにより、高温環境においても両膜１３，１５の磁化量（Ｍｓ・ｔ）差が略ゼロとなり、高い磁化安定性を維持することができる。
第１の強磁性膜１３を構成する材料は、大きい保磁力、５００Ｏｅ（×１０３／４π Ａ／ｍ）以上、特に、６００Ｏｅ以上の保磁力を有することが好ましい。ここで、第１の強磁性膜（Ｐｉｎ１）の膜厚と保磁力Ｈｃ及びΔＭＲとの間の関係について調べた。その結果を図３に示す。第１の強磁性膜の特性を確認するための膜構成を、基板／ＮｉＦｅＣｒ（シード層：４ｎｍ）／Ｆｅ６０Ｃｏ４０（第１の強磁性膜：Ｘ）／Ｒｕ（反平行結合膜：０．４ｎｍ）／Ｃｕ（非磁性中間層：２ｎｍ）／Ｔａ（保護層：５ｎｍ）とし、ΔＭＲを確認するための膜構成を、ＮｉＦｅＣｒ（シード層：４ｎｍ）／Ｆｅ６０Ｃｏ４０（第１の強磁性膜：Ｘ）／Ｒｕ（反平行結合膜：０．４ｎｍ）／Ｃｏ９０Ｆｅ１０（第２の強磁性膜：最適化）／Ｃｕ（非磁性中間層：２ｎｍ）／Ｃｏ９０Ｆｅ１０（軟磁性自由層：１ｎｍ）／ＮｉＦｅ（軟磁性自由層：２ｎｍ）／Ｔａ（保護層：５ｎｍ）とした。
図３から分かるように、第１の強磁性膜１３の厚さを増加させると、第１の強磁性膜１３の保磁力が増加し、その結果ΔＭＲが増加して飽和安定する。このため、安定なΔＭＲを得るためには、少なくとも５００Ｏｅ以上、好ましくは６００Ｏｅ以上であることが好ましい。
また、第２の強磁性膜１５を構成する材料は、小さい保磁力、５０Ｏｅ以下の保磁力を有することが好ましい。また、第２の強磁性膜１５を構成する材料は、非磁性中間層を構成する材料の結晶構造と同じ結晶構造であることが好ましい。例えば、非磁性中間層を構成する材料がＣｕである場合には、第２の強磁性膜１５を構成する材料は、面心立方格子（ｆｃｃ）の結晶構造を持つことが好ましい。このように設定することにより、保磁力の大きい第１の強磁性膜１３の磁化方向が優先される。
第１の強磁性膜１３は、４０原子％～８０原子％のＦｅを含むＣｏＦｅ合金で構成されていることが好ましい。これは、この組成範囲のＣｏＦｅ合金が、大きな保磁力を有し、外部磁場に対して磁化を安定に維持できるからである。また、第２の強磁性膜１５は、０原子％～４０原子％のＦｅを含むＣｏＦｅ合金で構成されていることが好ましい。これは、この組成範囲のＣｏＦｅ合金が小さな保磁力を有し、第１の強磁性膜１３が優先的に磁化する方向に対して反平行方向（１８０°異なる方向）に磁化し易くなるためである。この結果、上記式（１）で示すＨｋをより大きくすることが可能となる。また、第２の強磁性膜１５をこの組成範囲に限定することで、磁気抵抗効果素子の抵抗変化率を大きくすることができる。
第１の強磁性膜１３及び第２の強磁性膜１５は、その成膜中にミアンダ形状のストライプ幅方向に磁場が印加され、成膜後の第１の強磁性膜１３及び第２の強磁性膜１５に誘導磁気異方性が付与されることが好ましい。これにより、両膜１３，１５はストライプ幅方向に反平行に磁化することになる。また、第１の強磁性膜１３及び第２の強磁性膜１５の磁化方向（磁化を固定する方向）は、第１の強磁性膜１３の成膜時の磁場印加方向で決まるため、第１の強磁性膜１３の成膜時の磁場印加方向を変えることにより、同一基板上に磁化方向が異なる強磁性固定層を持つ複数の磁気抵抗効果素子を形成することが可能である。
ここで、強磁性固定層の磁化を固定するための磁場は、例えば、６０Ｏｅ以上であることが望ましい。特に、基板内の素子特性ばらつきを低減させるために、±１ｄｅｇ以内の磁場角度分布を有する永久磁石あるいは電磁石を用いることが望ましい。
強磁性固定層の反平行結合膜１４は、Ｒｕなどにより構成される。また、軟磁性自由層（フリー層）１７は、ＣｏＦｅ合金、ＮｉＦｅ合金、ＣｏＦｅＮｉ合金などの磁性材料で構成される。また、非磁性中間層１６は、Ｃｕなどにより構成される。また、軟磁性自由層１７は、その成膜中にミアンダ形状のストライプ長手方向に磁場が印加され、成膜後の軟磁性自由層１７には誘導磁気異方性が付与されることが好ましい。これにより、磁気抵抗効果素子においては、ストライプ幅方向の外部磁場に対して線形的に抵抗変化し、ヒステリシスを小さくすることができる。このような磁気抵抗効果素子においては、強磁性固定層、非磁性中間層及び軟磁性自由層により、スピンバルブ構成を採っている。
本発明の磁気センサで用いる磁気抵抗効果素子の膜構成の例としては、例えば、ＮｉＦｅＣｒ（シード層：４ｎｍ）／Ｆｅ６０Ｃｏ４０（第１の強磁性膜：２．１ｎｍ）／Ｒｕ（反平行結合膜：０．４ｎｍ）／Ｃｏ９０Ｆｅ１０（第２の強磁性膜：２ｎｍ）／Ｃｕ（非磁性中間層：２．２ｎｍ）／Ｃｏ９０Ｆｅ１０（軟磁性自由層：１ｎｍ）／Ｎｉ８２Ｆｅ１８（軟磁性自由層：４ｎｍ）／Ｔａ（保護層：５ｎｍ）である。
上述した磁気センサによれば、感度軸方向がそれぞれ異なる複数の磁気抵抗効果素子を同一基板上に近接して設けることができる。このため、各磁気抵抗効果素子間で高さ方向の位置（基板からの磁気抵抗効果素子の高さ方向の位置）が変わらない。このため、図１に示すように、磁気センサ１を磁石２に対して対向配置させたときに、各磁気抵抗効果素子１ａ～１ｄと磁石２との間の距離が変わらない。その結果、感度軸の違いによる感度差がない状態を実現することができる。さらに、本発明に係る磁気センサにおいては、磁気抵抗効果素子の作り込みにおいて段差が生じないので、段差を許容するための磁気抵抗効果素子間のスペースを確保する必要が無く、より小型化を図ることが可能となる。
反強磁性膜で固定磁性層の磁化を固定するタイプの磁気抵抗効果素子を用いる場合、反強磁性材料のブロッキング温度（交換結合磁界が消失する温度）がおよそ３００℃～４００℃であり、この温度に向けて交換結合磁界が徐々に低下していくため、高温になるほど固定磁性層の特性が不安定となる。本発明に係る磁気センサでは、反強磁性膜を用いていないため、固定磁性層の特性は主に固定磁性層を構成する強磁性材料のキュリー温度に依存する。一般に、ＣｏＦｅなどの強磁性材料のキュリー温度は反強磁性材料のブロッキング温度よりもはるかに高い。したがって、第１の強磁性膜と第２の強磁性膜の強磁性材料のキュリー温度を一致させて高温領域においても磁化量（Ｍｓ・ｔ）差をゼロに保つことにより、高い磁化安定性を維持することができる。
また、反強磁性膜で固定磁性層の磁化を固定するタイプの磁気抵抗効果素子を用いる場合、アニール時の印加磁場方向に交換結合磁界を発生させるため、第１の強磁性膜の磁化量（Ｍｓ・ｔ）と第２の強磁性膜の磁化量（Ｍｓ・ｔ）とで意図的に差を付ける必要がある。これは、磁化量差がゼロの場合、第１の強磁性膜及び第２の強磁性膜が共に飽和する磁界が、アニール時に印加できる磁場（～１５ｋＯｅ）を超えてしまい、その結果、アニール後の第１の強磁性膜及び第２の強磁性膜の磁化分散が大きくなって、ΔＲ／Ｒの劣化を引き起こすためである。また、ΔＲ／Ｒをより大きくするため、第１の強磁性膜よりも第２の強磁性膜の膜厚を厚く（磁化量を大きく）する場合が多い。一般に、第２の強磁性膜の方が第１の強磁性膜より磁化量が多い場合、素子側壁において第２の強磁性膜から軟磁性自由層へ印加される還流磁界が大きくなり、出力のアシンメトリへ与える影響が大きくなる。また、この還流磁界は温度依存が大きいため、アシンメトリの温度依存も大きくなる。本発明に係る磁気センサにおいては、磁気抵抗効果素子の第１の強磁性膜と第２の強磁性膜の磁化量差がゼロであるため、このような問題を解決することもできる。
また、本発明に係る磁気センサの磁気抵抗効果素子は反強磁性材料を含まないため、材料コストや、製造コストを抑制することもできる。
本発明の磁気センサの製造方法においては、基板上に、反平行結合膜を介して第１の強磁性膜と第２の強磁性膜とを反強磁性的に結合させてなるセルフピン止め型の強磁性固定層と、非磁性中間層と、軟磁性自由層とを有し、特定方向に感度軸を持つ磁気抵抗効果素子の第１積層膜を形成し（第１形成工程）、前記第１積層膜を残存させる領域以外の領域の前記第１積層膜を前記基板から除去し（除去工程）、前記第１積層膜を除去した基板上に、反平行結合膜を介して第１の強磁性膜と第２の強磁性膜とを反強磁性的に結合させてなるセルフピン止め型の強磁性固定層と、非磁性中間層と、軟磁性自由層とを有し、前記特定方向と異なる方向に感度軸を持つ磁気抵抗効果素子の第２積層膜を形成する（第２形成工程）。これにより、強磁性固定層の磁化方向が異なる磁気抵抗効果素子を同一基板上に近接して設けることができる。また、上記除去工程及び第２形成工程を繰り返して行うことにより、強磁性固定層の磁化方向が異なる複数の磁気抵抗効果素子を同一基板上に近接して設けることができる。
図４（ａ）～（ｃ）及び図５（ａ）～（ｃ）は、本発明の実施の形態に係る磁気センサにおける磁気抵抗効果素子の製造方法を説明するための図である。まず、図４（ａ）に示すように、基板１１上に、シード層１２ａ、第１の強磁性膜１３ａ、反平行結合膜１４ａ、第２の強磁性膜１５ａ、非磁性中間層１６ａ、軟磁性自由層（フリー磁性層）１７ａ、及び保護層１８ａを順次形成する。第１の強磁性膜１３ａ及び第２の強磁性膜１５ａの成膜中には、ミアンダ形状のストライプ幅方向に磁場を印加する。図４において、第１の強磁性膜１３ａについては、印加磁場方向は紙面奥側から手前側に向かう方向であり、第２の強磁性膜１５ａについては、印加磁場方向は紙面手前側から奥側に向かう方向である。ただし、第２の強磁性膜１５ａについては、必ずしもこの方向に磁場を印加する必要はない。第１の強磁性膜１３ａと同じ方向でも、無磁場でも良い。これは、反平行結合膜１４ａを介して交換結合が働き、第１の強磁性膜１３ａと反平行結合膜１４ａに必ず磁化方向が決まるからである。この場合、反平行結合膜１４ａの膜厚最適化と第１の強磁性膜１３ａ及び第２の強磁性膜１５ａのＭｓ・ｔの一致が重要となる。また、軟磁性自由層（フリー磁性層）１７ａの成膜中には、ミアンダ形状のストライプ長手方向に磁場を印加する。
次いで、図４（ｂ）に示すように、保護層１８ａ上にレジスト層２０を形成し、フォトリソグラフィ及びエッチングにより、磁気抵抗効果素子１ａ側の領域上にレジスト層２０を残存させる。次いで、図４（ｃ）に示すように、イオンミリングなどにより、露出した積層膜を除去して、磁気抵抗効果素子１ｂ，１ｃ，１ｄを設ける領域の基板１１を露出させる。
次いで、図５（ａ）に示すように、露出した基板１１上に、シード層１２ｂ、第１の強磁性膜１３ｂ、反平行結合膜１４ｂ、第２の強磁性膜１５ｂ、非磁性中間層１６ｂ、軟磁性自由層（フリー磁性層）１７ｂ、及び保護層１８ｂを順次形成する。第１の強磁性膜１３ｂ及び第２の強磁性膜１５ｂの成膜中には、ミアンダ形状のストライプ幅方向に磁場を印加する。図４において、第１の強磁性膜１３ｂについては、印加磁場方向は紙面奥側から手前側に向かう方向であり、第２の強磁性膜１５ｂについては、印加磁場方向は紙面手前側から奥側に向かう方向である。また、軟磁性自由層（フリー磁性層）１７ｂの成膜中には、ミアンダ形状のストライプ長手方向に磁場を印加する。
次いで、保護層１８ａ，１８ｂ上にレジスト層を形成し、フォトリソグラフィ及びエッチングにより、磁気抵抗効果素子１ａ，１ｂ側の領域上にレジスト層を残存させる。次いで、イオンミリングなどにより、露出した積層膜を除去して、磁気抵抗効果素子１ｃ，１ｄを設ける領域の基板１１を露出させる。同様にして、磁気抵抗効果素子１ｃ，１ｄを設ける領域にシード層～保護層を形成する。このようにして、基板１１上に、図１に示すようは配置で、磁気抵抗効果素子１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄを形成する。
次いで、図５（ｂ）に示すように、保護層１８ａ，１８ｂ上にレジスト層２０を形成し、フォトリソグラフィ及びエッチングにより、磁気抵抗効果素子１ａ，１ｂの形成領域上にレジスト層２０を残存させる。次いで、図５（ｃ）に示すように、イオンミリングなどにより、露出した積層膜を除去して、磁気抵抗効果素子１ａ，１ｂを形成する。
このような磁気センサの方法によれば、磁気抵抗効果素子の作り込みにおいて段差が生じないので、配線形成が容易であり、配線の厚さを厚くしたり、スルーホール形成などの追加の工程が不要となる。このため、感度軸方向がそれぞれ異なる複数の磁気抵抗効果素子を同一基板上に近接して設けてなる磁気センサを簡易に製造することができる。
本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することができる。例えば、上記実施の形態における材料、各素子の接続関係、厚さ、大きさ、製法などは適宜変更して実施することが可能である。その他、本発明は、本発明の範囲を逸脱しないで適宜変更して実施することができる。
本発明は、磁気エンコーダなどの磁気センサに適用することが可能である。
本出願は、２０１０年３月１２日出願の特願２０１０－０５６１５８に基づく。この内容は、全てここに含めておく。
Claims (7)
- 同一基板上に複数の磁気抵抗効果素子が直接形成されてなる磁気センサであって、前記磁気抵抗効果素子は、反平行結合膜を介して第１の強磁性膜と第２の強磁性膜とを反強磁性的に結合させてなるセルフピン止め型の強磁性固定層と、非磁性中間層と、軟磁性自由層とを有し、前記第１の強磁性膜及び前記第２の強磁性膜は、キュリー温度が略同じであり、かつ、磁化量の差が実質的にゼロであり、各磁気抵抗効果素子の強磁性固定層の磁化方向が異なっており、前記基板上に同じ高さで並設されていることを特徴とする磁気センサ。
- 前記第１の強磁性膜を構成する材料の保磁力が５００Ｏｅ以上であり、前記第２の強磁性膜を構成する材料の結晶構造が前記非磁性中間層を構成する材料の結晶構造と同じであることを特徴とする請求項１記載の磁気センサ。
- 前記第２の強磁性膜を構成する材料の保磁力が５０Ｏｅ以下であることを特徴とする請求項１記載の磁気センサ。
- 前記第１の強磁性膜が４０原子％～８０原子％のＦｅを含むＣｏＦｅ合金で構成され、前記第２の強磁性膜が０原子％～４０原子％のＦｅを含むＣｏＦｅ合金で構成されていることを特徴とする請求項１記載の磁気センサ。
- 基板上に、反平行結合膜を介して第１の強磁性膜と第２の強磁性膜とを反強磁性的に結合させてなるセルフピン止め型の強磁性固定層と、非磁性中間層と、軟磁性自由層とを有し、特定方向に感度軸を持つ磁気抵抗効果素子の第１積層膜を形成する第１形成工程と、前記第１積層膜を残存させる領域以外の領域の前記第１積層膜を前記基板から除去する除去工程と、前記第１積層膜を除去した基板上に、反平行結合膜を介して第１の強磁性膜と第２の強磁性膜とを反強磁性的に結合させてなるセルフピン止め型の強磁性固定層と、非磁性中間層と、軟磁性自由層とを有し、前記特定方向と異なる方向に感度軸を持つ磁気抵抗効果素子の第２積層膜を形成する第２形成工程と、を具備することを特徴とする磁気センサの製造方法。
- 前記第１の強磁性膜の成膜時に、前記強磁性固定層の磁化を固定する方向に磁場を印加することを特徴とする請求項５記載の磁気センサの製造方法。
- 前記除去工程及び前記第２形成工程を繰り返して行い、各積層膜における強磁性固定層の磁化方向を異ならせることを特徴とする請求項５記載の磁気センサの製造方法。
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Legal Events
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| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
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| WWE | Wipo information: entry into national phase |
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| NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
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| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 11753307 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |