WO2015146593A1 - 磁気センサおよび磁気センサの製造方法ならびに電流センサ - Google Patents

磁気センサおよび磁気センサの製造方法ならびに電流センサ Download PDF

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井出　洋介
斎藤　正路
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アルプス電気株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a magnetic sensor, a method for manufacturing the magnetic sensor, and a current sensor including the magnetic sensor.
  • a current sensor capable of measuring a large current without contact is required.
  • a sensor using a magnetic sensor that detects an induced magnetic field from a current to be measured is known.
  • the magnetic detection element for the magnetic sensor include a magnetoresistive effect element such as a GMR element.
  • the GMR element has a basic structure of a laminated structure in which a fixed magnetic layer and a free magnetic layer are laminated via a nonmagnetic material layer.
  • the pinned magnetic layer has an exchange coupling bias due to a laminated structure of an antiferromagnetic layer and a ferromagnetic layer, and an RKKY interaction (indirect exchange mutual interaction) due to a self-pinned structure in which two ferromagnetic layers are laminated via a nonmagnetic intermediate layer. (Operation), the magnetization direction is fixed in one direction.
  • the free magnetic layer can change the magnetization direction in accordance with an external magnetic field.
  • an induced magnetic field from a current to be measured is applied to the GMR element, whereby the magnetization direction of the free magnetic layer changes. Since the electric resistance value of the GMR element varies depending on the relationship between the magnetization direction of the free magnetic layer and the magnetization direction of the pinned magnetic layer, the magnetization direction of the free magnetic layer can be detected by measuring the electric resistance value. Can do. Based on the magnetization direction detected by the magnetic sensor, it is possible to determine the magnitude and direction of the current to be measured to which the induced magnetic field is applied.
  • a current sensor using a magnetic sensor is required to increase the measurement accuracy of the magnetic sensor so that the current value can be detected more accurately.
  • it is required to realize a reduction in offset, a reduction in output signal variation, an improvement in linearity (output linearity), and the like.
  • One preferable means for meeting these requirements is to reduce the hysteresis of the GMR element included in the magnetic sensor.
  • a bias magnetic field is applied to the free magnetic layer so that the magnetization direction of the free magnetic layer is aligned even when no induced magnetic field from the current to be measured is applied. It is done.
  • Patent Document 1 discloses a method of providing a hard bias layer made of a permanent magnet. Further, in Patent Document 2, an anti-ferromagnetic layer capable of causing an exchange coupling bias with a free magnetic layer and aligning the magnetization direction of the free magnetic layer in a predetermined direction in a state where the magnetization can be varied is used as the free magnetic layer. A method of laminating is disclosed.
  • the present invention provides a magnetic sensor and a magnetic sensor capable of reducing hysteresis of a magnetoresistive effect element while using a single magnetic domain of a free magnetic layer based on an exchange coupling bias disclosed in Patent Document 2 as a basic technology. It is an object of the present invention to provide a method and a current sensor using a magnetic sensor.
  • an external magnetic field such as an induced magnetic field from a current to be measured (in this specification, an external magnetic field to be measured is also referred to as a “magnetic field to be measured”) is applied to the free magnetic layer by an exchange coupling bias.
  • the magnetization direction based on the exchange coupling bias generated in the free magnetic layer is also referred to as “initial magnetization direction”
  • a component orthogonal to the initial magnetization direction of the residual magnetization in the free magnetic layer is also referred to as “residual orthogonal component”).
  • residual orthogonal component By applying a magnetic field having an antiparallel component to the orthogonal component from the outside, the residual orthogonal component can be reduced.
  • the magnetization direction of the free magnetic layer is affected by the measured magnetic field from the initial magnetization direction. Receive and rotate. By measuring the variation of the element resistance value based on this magnetization rotation, the magnitude and direction of the magnetic field to be measured can be detected. However, even after the application of the magnetic field to be measured is completed, the magnetization direction of the free magnetic layer does not completely return to the initial magnetization direction, and a component orthogonal to the initial magnetization direction remains in the magnetization direction of the free magnetic layer. This contributes to the hysteresis of the magnetoresistive effect element.
  • the magnetic field applied to the free magnetic layer for this purpose is also referred to as “hysteresis canceling magnetic field” or “HC magnetic field”.
  • the hard bias layer is often a basic laminated structure of a magnetoresistive effect element (seed layer / fixed magnetic layer / nonmagnetic). Therefore, the positional relationship between the hard bias layer and the free magnetic layer is likely to vary, and the magnitude and direction of the HC magnetic field may vary.
  • a ferromagnetic layer in this specification, “hysteresis cancel layer” or It was found that the HC magnetic field can be efficiently applied to the free magnetic layer by laminating the “HC layer”.
  • an exchange coupling bias with the antiferromagnetic layer is generated in the HC layer as in the free magnetic layer.
  • the magnetization direction of the HC layer also rotates due to the influence of the magnetic field to be measured.
  • magnetization having a component orthogonal to the magnetization direction based on the exchange coupling bias remains. Therefore, by setting the magnetization direction based on the exchange coupling bias with the antiferromagnetic layer in the HC layer to be equal to the initial magnetization direction in the free magnetic layer, the reflux magnetic field based on the remanent magnetization of the HC layer is changed to the free magnetic layer.
  • the free magnetic layer It is possible to act on the free magnetic layer as an external magnetic field having a component antiparallel to the residual orthogonal component. As a result, the residual orthogonal component of the free magnetic layer is reduced, and the hysteresis of the GMR element can be reduced.
  • the temperature dependence of the reflux magnetic field applied from the HC layer to the free magnetic layer has the same basic tendency as the temperature dependence of the magnitude of the exchange coupling bias between the free magnetic layer and the antiferromagnetic layer.
  • the HC layer also functions as a temperature compensation mechanism for the magnetoresistive effect element, and can reduce fluctuations caused by temperature changes in the measured values of the magnetic sensor.
  • an exchange coupling bias is generated between the free magnetic layer and the side opposite to the nonmagnetic material layer, and the magnetization direction of the free magnetic layer can be varied.
  • An antiferromagnetic layer that can be aligned in a predetermined direction is provided, and an exchange coupling bias between the antiferromagnetic layer and the side opposite to the free magnetic layer in the antiferromagnetic layer is provided.
  • a magnetization direction based on the exchange coupling bias generated in the free magnetic layer is provided in the ferromagnetic layer.
  • the resulting exchange The magnetization direction is the same as the magnetization direction based on a coupling bias, and the ferromagnetic layer is capable of applying a reflux magnetic field having a component in a direction along the sensitivity axis to the free magnetic layer.
  • the magnitude of the exchange coupling bias generated in the ferromagnetic layer and the thickness of the ferromagnetic layer are set so as to reduce the component in the direction along the sensitivity axis of the remanent magnetization of the free magnetic layer.
  • a first magnetic layer and a second magnetic layer in contact with the nonmagnetic material layer are laminated via a nonmagnetic intermediate layer, and the first magnetic layer and the second magnetic layer are The magnetic sensor according to any one of (1) to (3), wherein the magnetic sensor is a self-pinning type in which magnetization is fixed in antiparallel.
  • the magnitude of the exchange coupling bias generated in the ferromagnetic layer and the thickness of the ferromagnetic layer are set so as to reduce the high temperature storage time dependency of the sensitivity of the free magnetic layer (1) ) To (4).
  • a method of manufacturing a magnetic sensor comprising a step of laminating a seed layer, a pinned magnetic layer, a nonmagnetic material layer, a free magnetic layer, an antiferromagnetic layer, and a ferromagnetic layer in this order on a substrate, the laminating direction
  • a first magnetic layer is stacked on the seed layer while applying a magnetic field in a first direction orthogonal to the first layer, and then a nonmagnetic intermediate layer and a second magnetic layer are sequentially stacked to provide a self-pinned structure.
  • a method of manufacturing a magnetic sensor comprising: a free layer stacking step of sequentially stacking the free magnetic layer, the antiferromagnetic layer, and the ferromagnetic layer on the nonmagnetic material layer while applying a magnetic field.
  • the structure of the ferromagnetic layer is set so that a reflux magnetic field in a direction parallel to the first direction can be applied from the ferromagnetic layer to the free magnetic layer.
  • a current sensor including the magnetic sensor according to any one of (1) to (5) above.
  • a magnetic sensor capable of reducing the hysteresis of the magnetoresistive effect element.
  • a method for manufacturing the magnetic sensor and a current sensor using the magnetic sensor are also provided.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line II-II shown in FIG. It is a graph which shows the design stripe width dependence of zero magnetic field hysteresis. It is a graph which shows the sensitivity dependence of zero magnetic field hysteresis. It is a graph which shows the dependence with respect to the change rate of the magnitude
  • FIG. 1 is a conceptual diagram (plan view) of a magnetic sensor according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line II-II shown in FIG.
  • the magnetic sensor 1 includes a stripe-shaped magnetoresistive element 11 as shown in FIG.
  • the magnetoresistive element 11 has a plurality of strip-like long patterns 12 (stripes) arranged so that the stripe longitudinal direction D1 (hereinafter also simply referred to as “longitudinal direction D1”) is parallel to each other. And has a shape (a meander shape).
  • the sensitivity axis direction is a direction D2 orthogonal to the longitudinal direction D1 of the long pattern 12 (hereinafter also simply referred to as “width direction D2”). Accordingly, when the magnetic sensor 1 including the meander-shaped magnetoresistive element 11 is used, the magnetic field to be measured and the canceling magnetic field are applied along the width direction D2.
  • each of the long patterns 12 other than those located at the end portion in the arrangement direction is the other strip-like long portion closest to the end portion.
  • the pattern 12 and the conductive portion 13 are connected.
  • the long pattern 12 positioned at the end in the arrangement direction is connected to the connection terminal 14 via the conductive portion 13.
  • the magnetoresistive effect element 11 has a configuration in which the plurality of long patterns 12 are connected in series by the conductive portion 13 between the two connection terminals 14 and 14.
  • the conductive portion 13 and the connection terminal 14 may be nonmagnetic or magnetic, but are preferably made of a material with low electrical resistance.
  • the magnetic sensor 1 can output signals from the magnetoresistive effect element 11 from the two connection terminals 14 and 14.
  • a signal from the magnetoresistive effect element 11 output from the connection terminals 14 and 14 is input to a calculation unit (not shown), and the measurement unit calculates power to be measured based on the signal.
  • each of the long patterns 12 of the magnetoresistive effect element 11 is formed on the chip 29 from below through an insulating layer (not shown), from the seed layer 20, the fixed magnetic layer 21, the nonmagnetic material.
  • the layer 22, the free magnetic layer 23, the antiferromagnetic layer 24, the HC layer 25, and the protective layer 26 are stacked in this order.
  • the method for forming these layers is not limited.
  • the film may be formed by sputtering.
  • the seed layer 20 is formed of NiFeCr or Cr.
  • the pinned magnetic layer 21 has a self-pinned structure of a first magnetic layer 21a, a second magnetic layer 21c, and a nonmagnetic intermediate layer 21b located between the first magnetic layer 21a and the second magnetic layer 21c.
  • the fixed magnetization direction of the first magnetic layer 21a and the fixed magnetization direction of the second magnetic layer 21c are antiparallel.
  • the fixed magnetization direction of the second magnetic layer 21c is the fixed magnetization direction in the fixed magnetic layer 21, that is, the sensitivity axis direction.
  • the first magnetic layer 21a is formed on the seed layer 20, and the second magnetic layer 21c is formed in contact with a nonmagnetic material layer 22 described later.
  • the first magnetic layer 21a in the present embodiment is preferably formed of a FeCo alloy that is a higher coercive force material than the second magnetic layer 21c.
  • the second magnetic layer 21c in contact with the nonmagnetic material layer 22 is a layer that contributes to the magnetoresistance effect (specifically, the GMR effect), and the second magnetic layer 21c has conduction electrons having up spins and down spins.
  • a magnetic material that can increase the mean free path difference of conduction electrons is selected.
  • the difference in the magnetization amount (saturation magnetization Ms and film thickness t) between the first magnetic layer 21a and the second magnetic layer 21c is adjusted to be substantially zero.
  • the pinned magnetic layer 21 in this embodiment has a self-pinned structure, it does not include an antiferromagnetic layer. Thereby, the temperature characteristic of the magnetoresistive effect element 11 is not restricted by the blocking temperature of the antiferromagnetic layer.
  • the coercive force Hc of the first magnetic layer 21a is increased, and the difference in magnetization between the first magnetic layer 21a and the second magnetic layer 21c is adjusted to substantially zero.
  • the nonmagnetic material layer 22 is made of Cu (copper) or the like.
  • the free magnetic layer 23 shown in FIG. 2 has a single layer structure such as NiFe or CoFe or a laminated structure, but is not limited thereto.
  • the material constituting the protective layer 26 is not limited. Examples include Ta (tantalum).
  • an antiferromagnetic layer 24 is formed on the upper surface of the free magnetic layer 23.
  • the antiferromagnetic layer 24 is preferably formed of IrMn that can generate an exchange coupling bias (exchange coupling magnetic field; Hex) without performing an annealing process in the magnetic field with the free magnetic layer 23.
  • an exchange coupling bias exchange coupling magnetic field; Hex
  • an annealing process in a magnetic field is required. It is preferable not to use PtMn or NiMn.
  • the thickness of the antiferromagnetic layer 24 and the magnitude of the exchange coupling bias generated in the free magnetic layer 23 are limited as long as the magnetization direction of the free magnetic layer 23 can be aligned in a state in which the magnetization can be varied with respect to the magnetic field to be measured.
  • the film thickness of the antiferromagnetic layer 24 is about 40 to 80 mm.
  • the magnitude of the exchange coupling bias generated in the free magnetic layer 23 is about 50 to 300 Oe (about 4 kA / m to about 24 kA / m).
  • the magnetization direction F of the free magnetic layer in FIG. 2 indicates the initial magnetization direction, and the magnetization direction F of the free magnetic layer 23 is relative to the fixed magnetization direction of the fixed magnetic layer 21 (the fixed magnetization direction of the second magnetic layer 21c). They are aligned in the orthogonal direction.
  • the antiferromagnetic layer 24 is formed on the entire upper surface of the free magnetic layer 23, but the present invention is not limited to this, and a defective portion may be formed in a part of the antiferromagnetic layer 24.
  • the antiferromagnetic layer 24 is formed on the entire surface of the free magnetic layer 23, the entire free magnetic layer 23 can be appropriately single-domained in one direction and the hysteresis can be further reduced, so that the measurement accuracy can be improved. This is preferable.
  • the magnetoresistive element 11 has an antiferromagnetic layer on the side opposite to the side facing the free magnetic layer 23 in the antiferromagnetic layer 24, that is, on the upper surface side of the antiferromagnetic layer 24 in FIG. 2.
  • An HC layer 25 is provided in which an exchange coupling bias is generated between the magnetic layer 24 and the magnetization direction thereof can be aligned in a predetermined direction in a state where the magnetization can be varied.
  • the HC layer 25 is a ferromagnetic layer made of a ferromagnetic material so that an exchange coupling bias can be appropriately generated between the HC layer 25 and the antiferromagnetic layer 24.
  • the exchange coupling bias generated in the free magnetic layer 23 due to the antiferromagnetic layer 24 is opposite to the exchange coupling bias generated in the HC layer 25 due to the antiferromagnetic layer 24 so that the magnetization directions are equal.
  • the ferromagnetic layer 24 and the HC layer 25 are set. Further, the HC layer 25 can apply a reflux magnetic field having a component in the direction along the sensitivity axis, that is, the width direction D2, to the free magnetic layer 23. If the magnetoresistive effect element 11 is configured to include a plurality of long patterns 12 spaced apart from each other as shown in FIG.
  • the HC layer 25 has a special structure such as extremely thin, Usually, it is easy to give the component in the direction along the sensitivity axis in the reflux magnetic field from the HC layer 25 to the free magnetic layer 23.
  • the component along the sensitivity axis in the reflux magnetic field from the HC layer 25 is also referred to as “reflux orthogonal component”.
  • the magnetization direction of the HC layer 25 rotates along the direction of the measured magnetic field such as an induced magnetic field from the measured current, similarly to the free magnetic layer 23, the magnetization direction of the HC layer 25 is from the HC layer 25 applied to the free magnetic layer 23.
  • the return quadrature component is opposite to the direction of the magnetic field to be measured. Therefore, when the application of the magnetic field to be measured is completed and a residual orthogonal component exists in the free magnetic layer 23, the return orthogonal component based on the residual magnetization of the HC layer 25 is the residual orthogonal component of the free magnetic layer 23. This is in the opposite direction to the component and acts to erase the residual orthogonal component of the free magnetic layer 23. Therefore, the magnetoresistive effect element 11 according to one embodiment of the present invention is likely to reduce hysteresis.
  • the material constituting the HC layer 25 is not limited as long as it is a ferromagnetic material.
  • examples of such materials include NiFeNb materials, NiFe materials, and CoFe materials.
  • a material having a relatively high volume resistivity such as a NiFeNb-based material for the HC layer 25.
  • the HC layer 25 may have a single layer structure or a laminated structure.
  • the HC layer 25 has a laminated structure and a NiFe-based material on the antiferromagnetic layer 24
  • a relatively thin layer made of a material that easily generates an exchange coupling bias as described above is positioned in contact with the antiferromagnetic layer 24, and is relatively distal to the antiferromagnetic layer 24. It is preferable to locate a relatively thick layer of a material having a relatively high volume resistivity, such as a system material.
  • the linearity of the magnetic sensor including the magnetoresistive effect element 11 can be improved by adjusting the composition and thickness of each layer. Further, the linearity of the magnetic sensor including the magnetoresistive effect element 11 can be improved by annealing the magnetoresistive effect element 11 including the HC layer 25 (application of a magnetic field is not necessary in this annealing process). Sometimes you can.
  • the HC layer 25 can also function as a temperature compensation mechanism for the magnetoresistive effect element 11 as described below.
  • the exchange coupling bias generated between the antiferromagnetic layer 24 and the free magnetic layer 23 and the HC layer 25 has a high temperature due to various factors (composition variation, bonding interface mismatch, mutual diffusion, etc.). As a basic tendency, the exchange coupling bias increases as the storage time in a high-temperature environment increases.
  • the exchange coupling bias generated in the HC layer 25 is basically the same as the exchange coupling bias generated in the free magnetic layer 23. Therefore, the reflux magnetic field from the HC layer 25 becomes larger as the storage time in the high temperature environment is shorter, and becomes smaller as the storage time in the high temperature environment is longer.
  • the reflux orthogonal component from the HC layer 25 that acts to lower the magnetization rotation angle is relatively large.
  • the reflux orthogonal component from the HC layer 25 that acts to lower the magnetization rotation angle is relatively small.
  • the change in the magnetization rotation of the free magnetic layer 23 based on the change in the storage time in the high temperature environment is less likely to occur, and the variation in the measurement value due to the storage time in the high temperature environment is less likely to occur.
  • the configuration (composition, thickness, etc.) of the HC layer 25 may be set appropriately.
  • the HC layer 25 is formed over the entire upper surface of the antiferromagnetic layer 24, but the present invention is not limited to this, and a defective portion may be formed in a part of the HC layer 25. However, it is preferable that the HC layer 25 is formed on the entire surface of the antiferromagnetic layer 24 because the residual orthogonal component of the free magnetic layer 23 can be appropriately reduced and the measurement accuracy can be improved.
  • Method for Manufacturing Magnetic Sensor A method for manufacturing a magnetic sensor according to an embodiment of the present invention is not limited. According to the method described below, the magnetic sensor according to this embodiment can be efficiently manufactured.
  • a seed layer 20 is formed on a substrate 29 via an insulating layer (not shown in FIG. 2), and a pinned magnetic layer 21 having a self-pinning structure is laminated thereon.
  • a first magnetic layer 21a, a nonmagnetic intermediate layer 21b, and a second magnetic layer 21c are sequentially stacked as shown in FIG.
  • the film forming means for each layer is not limited. Sputtering is exemplified. If the first magnetic layer 21a is magnetized along the width direction D2 in FIG. 1 by applying a magnetic field when forming the first magnetic layer 21a, the second magnetic layer 21c is caused by the RKKY interaction. Can be strongly magnetized in a direction antiparallel to the magnetization direction of the first magnetic layer 21a. The second magnetic layer 21c magnetized in this way can maintain a state magnetized in the width direction D2 without being affected by a magnetic field having a direction different from its magnetization direction in a subsequent manufacturing process. Is possible.
  • a nonmagnetic material layer 22 is laminated on the pinned magnetic layer 21.
  • the method for stacking the nonmagnetic material layer 22 is not limited, and a specific example is sputtering.
  • the free magnetic layer 23, the antiferromagnetic layer 24, and the HC layer 25 are sequentially stacked on the nonmagnetic material layer 22 while applying a magnetic field in the direction along the longitudinal direction D1.
  • the method for laminating these layers is not limited, and a specific example is sputtering.
  • an exchange coupling bias is generated between the antiferromagnetic layer 24 in the direction along the magnetization direction of the free magnetic layer 23, and in the direction equal to the magnetization direction of the free magnetic layer 23.
  • an exchange coupling bias is generated between the magnetized HC layer 25 and the antiferromagnetic layer 24 in the direction along the magnetization direction.
  • the free magnetic layer 23 and the HC layer 25 are in the same direction in the longitudinal direction D1 due to the exchange coupling bias generated between the antiferromagnetic layer 24.
  • a magnetic field is also applied to the fixed magnetic layer 21, but the fixed magnetic layer 21 has a pinning structure based on the RKKY interaction, so Does not change the magnetization direction.
  • the material constituting the antiferromagnetic layer 24 when an IrMn-based material is used as the material constituting the antiferromagnetic layer 24, it is possible to align the magnetization direction of the antiferromagnetic layer 24 by film formation in a magnetic field without special heat treatment. is there. Therefore, it is possible to make the process in which the annealing process in the magnetic field is not performed throughout the process of manufacturing the magnetoresistive effect element 11.
  • the magnetoresistive effect element 11 having different sensitivity axes (including the case where the magnetization directions are opposite to each other) on the same substrate by making the manufacturing process of the magnetoresistive effect element 11 an annealing free process in a magnetic field as described above. Can be easily manufactured.
  • the manufacturing process of the magnetoresistive effect element 11 requires annealing in the magnetic field, if the annealing in the magnetic field is performed a plurality of times, the effect of the annealing in the magnetic field previously performed is reduced, and the magnetization direction is appropriately set. May be difficult to do.
  • the protective layer 26 is finally stacked.
  • the method for laminating the protective layer 26 is not limited, and a specific example is sputtering.
  • Removal processing is performed on the laminated structure obtained by the above film forming process, and a plurality of long patterns 12 are arranged in the width direction D2.
  • a conductive portion 13 for connecting the plurality of long patterns 12 and a connection terminal 14 for connecting to the conductive portion 13 are formed to obtain the magnetoresistive element 11 having a meander shape shown in FIG.
  • a magnetic sensor including a magnetoresistive effect element according to an embodiment of the present invention can be suitably used as a current sensor.
  • Such a current sensor may have a configuration including one magnetoresistive effect element, but as described in Patent Document 1 and Patent Document 2, it is preferable to use four elements and build a bridge circuit to improve measurement accuracy.
  • the method for manufacturing a magnetoresistive element according to an embodiment of the present invention does not include annealing in a magnetic field, and therefore it is easy to manufacture a plurality of magnetoresistive elements on the same substrate.
  • a magnetic proportional current sensor is a magnetoresistive effect element according to an embodiment of the present invention (a magnetoresistive effect element having a laminated structure in which a pinned magnetic layer and a free magnetic layer are laminated via a nonmagnetic material layer).
  • an exchange coupling bias is generated between the free magnetic layer and the magnetization direction of the free magnetic layer is aligned in a predetermined direction so that the magnetization can be varied.
  • An antiferromagnetic layer is provided, and an exchange coupling bias is generated between the antiferromagnetic layer and the side opposite to the free magnetic layer in the antiferromagnetic layer, and the magnetization direction can be varied.
  • a ferromagnetic layer that can be aligned in a predetermined direction is provided, and the magnetization direction based on the exchange coupling bias generated in the free magnetic layer is the same direction as the magnetization direction based on the exchange coupling bias generated in the ferromagnetic layer.
  • the ferromagnetic layer is configured to include at least one magnetoresistive element capable of applying a reflux magnetic field having a component in the direction along the sensitivity axis to the free magnetic layer.
  • a magnetic field detection bridge circuit having two outputs that generate a voltage difference according to the induced magnetic field from the current is provided.
  • the current to be measured is measured by the potential difference output from the magnetic field detection bridge circuit according to the induced magnetic field.
  • a magnetic balance type current sensor includes at least one magnetoresistive effect element according to an embodiment of the present invention, and includes a magnetic field detection bridge having two outputs that generate a voltage difference corresponding to an induced magnetic field from a current to be measured.
  • a circuit and a feedback coil that is disposed in the vicinity of the magnetoresistive effect element and generates a canceling magnetic field that cancels the induced magnetic field.
  • the current to be measured is measured based on the current flowing in the feedback coil when the feedback coil is energized by the voltage difference and the induced magnetic field cancels the canceling magnetic field.
  • a conventional hard bias layer may be supplementarily used together with the antiferromagnetic layer 24 that does not require annealing in a magnetic field as the magnetization control of the free magnetic layer 23.
  • seed layer 20 NiFeCr (42) / pinned magnetic layer 21 [first magnetic layer 21a; Fe 60 Co 40 (19) / nonmagnetic intermediate layer 21b; Ru (3.6) from below.
  • Second magnetic layer 21c Co 90 Fe 10 (24)] / nonmagnetic material layer 22; Cu (22) / free magnetic layer 23 [Co 90 Fe 10 (10) / Ni 81 Fe 19 (90) / Co 90 Fe 10 (10)] / antiferromagnetic layer 24; Ir 22 Mn 78 (60) / HC layer 25 [Ni 81 Fe 19 (10) / Ni 82 Fe 13 Nb 5 (100)] / protective layer 26; Ta ( 100) to obtain a laminate 1.
  • the numerical value in parentheses indicates the film thickness and the unit is ⁇ .
  • the magnetic field direction of the magnetic field application magnet when forming the fixed magnetic layer 21 and the magnetic field direction of the magnetic field application magnet when forming the free magnetic layer 23, the antiferromagnetic layer 24, and the HC layer 25 are changed by 90 °. Each layer was formed in a magnetic field.
  • the obtained laminate 1 was milled to obtain a structure in which a plurality of long patterns are arranged in a stripe shape. Conductive portions were formed at the ends of the plurality of long patterns, and connection terminals were formed so as to be connected to the conductive portions, thereby forming a magnetoresistive effect element having a meander shape.
  • the laminate 2 was produced by the same production method as the laminate 1 except that the HC layer 25 was not formed. A magnetoresistive effect element having no HC layer was produced from the laminate 2.
  • a plurality of magnetoresistive elements having different design stripe widths were produced by changing the milling conditions of the laminates 1 and 2 described above.
  • an external magnetic field of ⁇ 500 Oe ( ⁇ about 8 kA / m) was applied, and zero magnetic field hysteresis (unit: percentage relative to full scale) was measured.
  • a result as shown in FIG. 3 was obtained. It was confirmed that by introducing the HC layer, the zero magnetic field hysteresis of the magnetoresistive element can be reduced without reducing the design stripe width.
  • a magnetoresistive element having no HC layer (based on Structure 2) was heated at 150 ° C. and stored for a certain period of time.
  • the relationship between the average sensitivity change rate (vertical axis) and the exchange coupling bias magnitude change rate (horizontal axis) based on the value before the heat treatment at 150 ° C. was graphed. The result is shown in FIG.
  • Each plot is stored from the left before heat treatment for 100 hours, 200 hours, 500 hours, 700 hours, and 1000 hours.
  • FIG. 5 it was confirmed that the rate of change in the magnitude of the exchange coupling bias gradually increased and the average sensitivity rate of change decreased as the storage time at high temperature increased.
  • the magnitude of the exchange coupling bias of the free magnetic layer 23 and the magnitude of the exchange coupling bias of the HC layer 25 change in the same manner as a result of high-temperature storage, and the HC layer regardless of whether or not high-temperature storage is present. It can be seen that the reflux magnetic field from 25 can appropriately reduce the hysteresis.
  • the magnetoresistive effect element based on the structures 1 and 2 was heated at 150 ° C.
  • the high temperature storage time dependence of the average sensitivity change rate on the basis of the value before a 150 degreeC heat processing was measured. The result is shown in FIG.
  • FIG. 6 by introducing the HC layer, it is possible to reduce the sensitivity change caused by the high temperature storage of the magnetoresistive effect element.
  • the magnetic sensor including the magnetoresistive effect element according to the embodiment of the present invention can be suitably used as a component of a current sensor such as a hybrid car in an electric vehicle.

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Abstract

　固定磁性層（21）とフリー磁性層（23）とが非磁性材料層（22）を介して積層された磁気抵抗効果素子（11）と，前記フリー磁性層の前記非磁性材料層に対向する側と反対側に，前記フリー磁性層との間で交換結合バイアスを生じさせ前記フリー磁性層の磁化方向を磁化変動可能な状態で所定方向に揃える反強磁性層（24）が設けられ，前記反強磁性層の前記フリー磁性層に対向する側と反対側に，前記反強磁性層との間で交換結合バイアスが生じてその磁化方向を磁化変動可能な状態で所定方向に揃える強磁性層（25）が設けられて，前記フリー磁性層に生じた交換結合バイアスに基づく磁化方向は前記強磁性層に生じた交換結合バイアスに基づく磁化方向と等しい方向であって，前記強磁性層は，前記フリー磁性層に対して，感度軸（D2）に沿った方向の成分を有する還流磁場を付与可能である磁気センサ（1）を提供する。

Description

磁気センサおよび磁気センサの製造方法ならびに電流センサ
　本発明は、磁気センサおよび磁気センサの製造方法ならびに磁気センサを備えた電流センサに関する。
　電気自動車やハイブリッドカーにおけるモータ駆動技術などの分野では、比較的大きな電流が取り扱われるため、大電流を非接触で測定することが可能な電流センサが求められている。このような電流センサとしては、被測定電流からの誘導磁界を検出する磁気センサを用いたものが知られている。磁気センサ用の磁気検出素子として、例えば、ＧＭＲ素子などの磁気抵抗効果素子が挙げられる。
　ＧＭＲ素子は、固定磁性層とフリー磁性層とが非磁性材料層を介して積層された積層構造を基本構造とする。固定磁性層は、反強磁性層と強磁性層との積層構造による交換結合バイアスや、２つの強磁性層が非磁性中間層を介して積層されるセルフピン止め構造によるＲＫＫＹ相互作用（間接交換相互作用）により、磁化方向が一方向に固定されている。フリー磁性層は外部磁界に応じて磁化方向が変化可能とされている。
　ＧＭＲ素子を備えた磁気センサを用いてなる電流センサでは、被測定電流からの誘導磁界がＧＭＲ素子に印加されることにより、フリー磁性層の磁化方向が変化する。このフリー磁性層の磁化方向と、固定磁性層の磁化方向との関係でＧＭＲ素子の電気抵抗値が変動するため、この電気抵抗値を測定することにより、フリー磁性層の磁化方向を検出することができる。そして、磁気センサにより検出された磁化方向に基づいて、誘導磁界を与えた被測定電流の大きさおよびその向きを求めることが可能である。
　ところで、電気自動車やハイブリッドカーにおいては、モータの駆動を電流値に基づいて制御する場合があり、また、バッテリーに流れ込む電流値に応じてバッテリーの制御方法を調整する場合がある。したがって、磁気センサを用いてなる電流センサには、電流値をより正確に検出できるように、磁気センサの測定精度を高めることが求められている。
　磁気センサの測定精度を向上させるためには、オフセットの低減、出力信号のばらつきの低減、およびリニアリティ（出力線形性）の向上などを実現することが求められる。これらの要求に応えるための好ましい一手段として、磁気センサが有するＧＭＲ素子のヒステリシスを低減させることが挙げられる。ＧＭＲ素子のヒステリシスを低減させる手段の具体例として、フリー磁性層にバイアス磁界を印加して、被測定電流からの誘導磁界が印加されていない状態においてもフリー磁性層の磁化方向を揃えることが挙げられる。
　フリー磁性層にバイアス磁界を印加する方法として、特許文献１には、永久磁石からなるハードバイアス層を設ける方法が開示されている。また、特許文献２には、フリー磁性層との間で交換結合バイアスを生じさせフリー磁性層の磁化方向を磁化変動可能な状態で所定方向に揃えることができる反強磁性層をフリー磁性層に積層させる方法が開示されている。
国際公開第２０１２／０８１３７７号 特開２０１２－１８５０４４号公報
　本発明は、特許文献２に開示される交換結合バイアスに基づくフリー磁性層の単磁区化を基礎技術としつつ、さらに磁気抵抗効果素子のヒステリシスを低減させることが可能な磁気センサおよび磁気センサの製造方法ならびに磁気センサを用いてなる電流センサを提供することを目的とする。
　上記課題を解決するために本発明者らが検討した結果、次の新たな知見が得られた。すなわち、被測定電流からの誘導磁界などの外部磁界（本明細書において、測定対象となる外部磁界を「被測定磁界」ともいう。）が印加されていない状態において交換結合バイアスによりフリー磁性層の磁化方向を揃える方法（本明細書において、フリー磁性層に生じた交換結合バイアスに基づく磁化方向を、「初期磁化方向」ともいう。）において、被測定磁界の印加が終了しても初期磁化方向とは異なる方向への磁化が残留している場合（本明細書において、このフリー磁性層における残留磁化のうち初期磁化方向に直交する成分を、「残留直交成分」ともいう。）には、残留直交成分と反平行な成分を有する磁場を外部から印加することにより、残留直交成分を低減させることができる。
　上記知見を具体的に説明すれば、被測定電流からの誘導磁界などの外部磁界がフリー磁性層に印加されることにより、フリー磁性層の磁化方向は、初期磁化方向から被測定磁界の影響を受けて回転する。この磁化回転に基づく素子抵抗値の変動を測定することにより、被測定磁界の大きさおよび向きを検出することができる。ところが、被測定磁界の印加が終了しても、フリー磁性層の磁化方向は、初期磁化方向に完全には戻らず、フリー磁性層の磁化方向には、初期磁化方向に直交する成分が残留し、これが磁気抵抗効果素子のヒステリシスの一因となる。そこで、フリー磁性層の残留直交成分と反平行の磁場を外部から付与することにより、残留直交成分の大きさを低減させることができ、フリー磁性層の磁化方向を初期磁化方向に戻すことが容易になる。本明細書において、この目的でフリー磁性層に付与される磁場を「ヒステリシスキャンセル磁場」または「ＨＣ磁場」ともいう。
　ＨＣ磁場を、ハードバイアス層を用いて付与することも可能であるが、ハードバイアス層は、多くの場合には、磁気抵抗効果素子の基本的な積層構造（シード層／固定磁性層／非磁性材料層／フリー磁性層）とは異なる構造として配置されるため、ハードバイアス層とフリー磁性層との位置関係にばらつきが生じやすく、ＨＣ磁場の大きさや向きにばらつきが生じるおそれがある。
　そこでさらに検討した結果、フリー磁性層の磁化方向を揃える目的で積層された反強磁性層のフリー磁性層に対向する側と反対側に強磁性層（本明細書において、「ヒステリシスキャンセル層」または「ＨＣ層」ともいう。）を積層することにより、フリー磁性層にＨＣ磁場を効率的に印加できるとの知見を得た。
　すなわち、被測定磁界が印加されていない状態では、ＨＣ層には、フリー磁性層と同様に反強磁性層との交換結合バイアスが生じている。そして、ＨＣ層を備える磁気抵抗効果素子に対して被測定磁界が印加されるとＨＣ層の磁化方向も被測定磁界の影響で回転し、被測定磁界の印加が終了すると、フリー磁性層と同様に、交換結合バイアスに基づく磁化方向に対して直交する成分を有する磁化が残留する。そこで、ＨＣ層における反強磁性層との交換結合バイアスに基づく磁化方向を、フリー磁性層における初期磁化方向と等しい向きにしておくことにより、ＨＣ層の残留磁化に基づく還流磁場を、フリー磁性層の残留直交成分とは反平行の成分を有する外部磁場として、フリー磁性層に対して作用させることができる。その結果、フリー磁性層の残留直交成分は小さくなり、ＧＭＲ素子のヒステリシスを低減させることが可能となる。
　また、ＨＣ層からフリー磁性層に印加される還流磁場の温度依存性は、フリー磁性層と反強磁性層との交換結合バイアスの大きさの温度依存性と基本的な傾向が等しいことから、ＨＣ層は、磁気抵抗効果素子の温度補償機構としても働き、磁気センサの測定値の温度変化に起因する変動を低減させることができる。
　かかる知見に基づき完成された本発明は次のとおりである。
（１）特定の方向に感度軸を持つ磁気抵抗効果素子を備えた磁気センサであって、前記磁気抵抗効果素子は、固定磁性層とフリー磁性層とが非磁性材料層を介して積層された積層構造を備え、前記フリー磁性層における前記非磁性材料層に対向する側と反対側には、前記フリー磁性層との間で交換結合バイアスを生じさせ前記フリー磁性層の磁化方向を磁化変動可能な状態で所定方向に揃えることができる反強磁性層が設けられ、前記反強磁性層における前記フリー磁性層に対向する側と反対側には、前記反強磁性層との間で交換結合バイアスが生じてその磁化方向を磁化変動可能な状態で所定方向に揃えることができる強磁性層が設けられており、前記フリー磁性層に生じた交換結合バイアスに基づく磁化方向は、前記強磁性層に生じた交換結合バイアスに基づく磁化方向と等しい向きであって、前記強磁性層は、前記フリー磁性層に対して、前記感度軸に沿った方向の成分を有する還流磁場を付与可能であることを特徴とする磁気センサ。
（２）前記強磁性層に生じた交換結合バイアスの大きさおよび前記強磁性層の厚さは、前記フリー磁性層の残留磁化の前記感度軸に沿った方向の成分を低減させるように設定される、上記（１）記載の磁気センサ。
（３）前記反強磁性層は、ＩｒＭｎにより形成される、上記（１）または（２）に記載の磁気センサ。
（４）前記固定磁性層は、第１磁性層と前記非磁性材料層に接する第２磁性層とが非磁性中間層を介して積層され、前記第１磁性層と前記第２磁性層とが反平行に磁化固定されたセルフピン止め型である、上記（１）から（３）のいずれかに記載の磁気センサ。
（５）前記強磁性層に生じた交換結合バイアスの大きさおよび前記強磁性層の厚さは、前記フリー磁性層の感度の高温保存時間依存性を低減させるように設定される、上記（１）から（４）のいずれかに記載の磁気センサ。
（６）基板上に、シード層、固定磁性層、非磁性材料層、フリー磁性層、反強磁性層および強磁性層をこの順に積層する工程を備える磁気センサの製造方法であって、積層方向に直交する第１の方向に磁場を印加しながら第１磁性層を前記シード層上に積層し、続いて非磁性中間層および第２磁性層を順次積層することにより、セルフピン止め構造を備える積層体からなる前記固定磁性層を得るピン層積層工程；前記第２磁性層上に非磁性材料層を積層する非磁性層積層工程；および前記第１の方向とは異なる方向である第２の磁場を印加しながら、前記非磁性材料層上に、前記フリー磁性層、前記反強磁性層および前記強磁性層を順次積層するフリー層積層工程を備えることを特徴とする磁気センサの製造方法。
（７）前記強磁性層から前記フリー磁性層に対して、前記第１の方向に平行な方向への還流磁場が印加可能に、前記強磁性層の構造は設定される、上記（６）に記載の磁気センサの製造方法。
（８）前記シード層を積層する工程から、前記強磁性層を積層する工程まで、磁場中アニール処理が行われない、上記（６）または（７）に記載の磁気センサの製造方法。
（９）前記反強磁性層を、ＩｒＭｎにより形成する上記（８）に記載の磁気センサの製造方法。
（１０）上記（１）から（５）のいずれかに記載される磁気センサを備える電流センサ。
　本発明によれば、磁気抵抗効果素子のヒステリシスを低減させることが可能な磁気センサが提供される。また、かかる磁気センサの製造方法およびかかる磁気センサを用いてなる電流センサも提供される。
本発明の一実施形態に係る磁気センサを構成する磁気抵抗効果素子の拡大平面図である。 図１に示すＩＩ－ＩＩ線における矢視断面図である。 ゼロ磁場ヒステリシスの設計ストライプ幅依存性を示すグラフである。 ゼロ磁場ヒステリシスの感度依存性を示すグラフである。 平均感度変化率の交換結合バイアスの大きさの変化率に対する依存性を示すグラフである。 平均感度変化率の１５０℃加熱時間に対する依存性を示すグラフである。
１．磁気センサ
　図１は、本発明の一実施形態に係る磁気センサの概念図（平面図）、図２は、図１に示すＩＩ－ＩＩ線における矢視断面図である。
　本発明の一実施形態に係る磁気センサ１は、図１に示すように、ストライプ形状の磁気抵抗効果素子１１を有する。磁気抵抗効果素子１１は、そのストライプ長手方向Ｄ１（以下、単に「長手方向Ｄ１」もともいう。）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１２（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。このミアンダ形状の磁気抵抗効果素子１１において、感度軸方向は、長尺パターン１２の長手方向Ｄ１に対して直交する方向Ｄ２（以下、単に「幅方向Ｄ２」もともいう。）である。したがって、このミアンダ形状の磁気抵抗効果素子１１を備える磁気センサ１は、使用の際に、被測定磁界およびキャンセル磁界が、幅方向Ｄ２に沿うように印加される。
　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１２のうち、配列方向端部に位置するもの以外の長尺パターン１２のそれぞれは、端部において最近位の他の帯状の長尺パターン１２と導電部１３により接続されている。配列方向端部に位置する長尺パターン１２は、導電部１３を介して接続端子１４に接続されている。こうして、２つの接続端子１４，１４間に、複数の長尺パターン１２が直列に導電部１３により接続された構成を、磁気抵抗効果素子１１は備える。導電部１３および接続端子１４は非磁性、磁性の別を問わないが、電気抵抗の低い材料から構成することが好ましい。磁気センサ１は、２つの接続端子１４，１４から磁気抵抗効果素子１１からの信号を出力可能である。接続端子１４，１４から出力される磁気抵抗効果素子１１からの信号は、図示しない演算部に入力され、演算部において当該信号に基づいて被測定電力が算出される。
　図２に示すように、磁気抵抗効果素子１１の長尺パターン１２のそれぞれは、チップ２９上に、図示しない絶縁層等を介して、下から、シード層２０、固定磁性層２１、非磁性材料層２２、フリー磁性層２３、反強磁性層２４、ＨＣ層２５、および保護層２６の順に積層されて成膜される。これらの層の成膜方法は限定されない。例えばスパッタにて成膜してもよい。
　シード層２０は、ＮｉＦｅＣｒあるいはＣｒ等で形成される。
　固定磁性層２１は、第１磁性層２１ａと第２磁性層２１ｃと、第１磁性層２１ａと第２磁性層２１ｃと間に位置する非磁性中間層２１ｂとのセルフピン止め構造である。
　図２に示すように、第１磁性層２１ａの固定磁化方向と、第２磁性層２１ｃの固定磁化方向とは反平行となっている。そして、第２磁性層２１ｃの固定磁化方向が、固定磁性層２１における固定磁化方向、すなわち感度軸方向である。
　図２に示すように、第１磁性層２１ａはシード層２０上に形成されており、第２磁性層２１ｃは、後述する非磁性材料層２２に接して形成されている。
　本実施形態における第１磁性層２１ａは、第２磁性層２１ｃよりも高保磁力材料のＦｅＣｏ合金で形成されることが好適である。
　非磁性材料層２２に接する第２磁性層２１ｃは磁気抵抗効果（具体的にはＧＭＲ効果）に寄与する層であり、第２磁性層２１ｃには、アップスピンを持つ伝導電子とダウンスピンを持つ伝導電子の平均自由行程差を大きくできる磁性材料が選択される。
　図２に示す構成では、第１磁性層２１ａと第２磁性層２１ｃとの磁化量（飽和磁化Ｍｓ・膜厚ｔ）の差が実質的にゼロとなるように調整されている。
　本実施形態における固定磁性層２１は、セルフピン止め構造であるから、反強磁性層を備えない。これにより磁気抵抗効果素子１１の温度特性が反強磁性層のブロッキング温度に制約を受けない。
　固定磁性層２１の磁化固定力を高めるには、第１磁性層２１ａの保磁力Ｈｃを高めること、第１磁性層２１ａと第２磁性層２１ｃの磁化量の差を実質的にゼロに調整すること、更に非磁性中間層２１ｂの膜厚を調整して第１磁性層２１ａと第２磁性層２１ｃ間に生じるＲＫＫＹ相互作用による反平行結合磁界を強めることが重要とされている。このように適宜調整することで、固定磁性層２１が外部からの磁界に対して影響を受けることなく、磁化がより強固に固定される。
　非磁性材料層２２は、Ｃｕ（銅）などである。また図２に示すフリー磁性層２３はＮｉＦｅやＣｏＦｅ等の単層構造、あるいは積層構造で構成されるが、これに限定されるものでない。保護層２６を構成する材料は限定されない。Ｔａ（タンタル）などが例示される。
　図２に示すようにフリー磁性層２３の上面には反強磁性層２４が形成されている。反強磁性層２４はフリー磁性層２３との間で磁場中でのアニール処理を行うことなく交換結合バイアス（交換結合磁界；Ｈｅｘ）を生じさせることができるＩｒＭｎで形成されることが好ましい。このように磁場中でのアニール処理を施すことなくフリー磁性層２３との間で交換結合バイアスを生じさせることができる反強磁性層２４を用いる場合には、磁場中でのアニール処理を必要とするＰｔＭｎやＮｉＭｎは使用しないことが好ましい。
　反強磁性層２４の膜厚およびフリー磁性層２３に生じる交換結合バイアスの大きさは、フリー磁性層２３の磁化方向を被測定磁界に対して磁化変動可能な状態で揃えることができる限り、限定されない。一例を挙げれば、反強磁性層２４の膜厚は、４０～８０Å程度である。またフリー磁性層２３に生じる交換結合バイアスの大きさは５０～３００Ｏｅ（約４ｋＡ／ｍ～約２４ｋＡ/ｍ）程度である。図２のフリー磁性層の磁化方向Ｆは初期磁化方向を示しており、フリー磁性層２３の磁化方向Ｆは固定磁性層２１の固定磁化方向（第２磁性層２１ｃの固定磁化方向）に対して直交する方向に揃えられている。
　図２では、反強磁性層２４がフリー磁性層２３の上面全体に成膜されているが、これに限定されず、反強磁性層２４の一部に欠陥部を形成してもよい。ただし、反強磁性層２４がフリー磁性層２３の全面に形成されているほうが、フリー磁性層２３全体を適切に一方向に単磁区化でき、ヒステリシスをより低減できるため、測定精度を向上させることができ好適である。
　本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子１１は、反強磁性層２４におけるフリー磁性層２３に対向する側と反対側、すなわち、図２では反強磁性層２４の上面側に、反強磁性層２４との間で交換結合バイアスが生じてその磁化方向を磁化変動可能な状態で所定方向に揃えることができるＨＣ層２５が設けられている。ＨＣ層２５は、反強磁性層２４との間で交換結合バイアスが適切に生じうるように、強磁性材料からなる強磁性層である。
　反強磁性層２４に起因してフリー磁性層２３に生じた交換結合バイアスと、反強磁性層２４に起因してＨＣ層２５に生じた交換結合バイアスとは磁化方向が等しくなるように、反強磁性層２４およびＨＣ層２５は設定される。また、ＨＣ層２５は、フリー磁性層２３に対して、感度軸に沿った方向、すなわち幅方向Ｄ２の成分を有する還流磁場を付与可能である。磁気抵抗効果素子１１が、図１に示されるように、互いに離間した複数の長尺パターン１２を備える構成であれば、ＨＣ層２５が極端に薄いなどの特段の構造を有していない限り、通常、ＨＣ層２５からの還流磁場における感度軸に沿った方向の成分を、フリー磁性層２３に対して付与することは容易である。以下の説明において、ＨＣ層２５からの還流磁場における感度軸に沿った方向の成分を「還流直交成分」ともいう。
　ＨＣ層２５の磁化方向は、フリー磁性層２３と同様に、被測定電流からの誘導磁界などの被測定磁界の向きに沿うように回転するため、フリー磁性層２３に付与されるＨＣ層２５からの還流直交成分は、被測定磁界の向きと反対向きとなる。したがって、被測定磁界の印加が終了して、フリー磁性層２３に残留直交成分が存在している場合には、このＨＣ層２５の残留磁化に基づく還流直交成分は、フリー磁性層２３の残留直交成分と反対向きになり、フリー磁性層２３の残留直交成分を消去するように作用する。したがって、本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子１１は、ヒステリシスが低減しやすい。
　ＨＣ層２５を構成する材料は強磁性材料である限り限定されない。そのような材料としてＮｉＦｅＮｂ系の材料、ＮｉＦｅ系の材料、ＣｏＦｅ系の材料などが例示される。これらの中でも、シャントロスを少なくする観点から、ＨＣ層２５はＮｉＦｅＮｂ系の材料のような体積抵抗率が比較的高い材料を用いることが好ましい。
　ＨＣ層２５は単層構造であってもよいし、積層構造であってもよい。反強磁性層２４との間で交換結合バイアスを適切に生じること、被測定磁界が印加されたときにＨＣ層２５の磁化回転が適切に生じること、フリー磁性層２３の残留直交成分を低減させうる程度にＨＣ層２５からの還流直交成分が生じること、およびシャントロスを低減させることのバランスを良好にする観点から、ＨＣ層２５を積層構造とし、反強磁性層２４上にＮｉＦｅ系の材料のような交換結合バイアスが適度に発生しやすい材料からなる比較的薄い層が反強磁性層２４に接するように位置し、反強磁性層２４に対して相対的に遠位な位置に、ＮｉＦｅＮｂ系の材料のような体積抵抗率が比較的高い材料からなる比較的厚い層が位置するようにすることが好ましい。
　ＨＣ層２５が上記のように積層構造を有する場合には、各層の組成や厚さを調整することにより、磁気抵抗効果素子１１を備えた磁気センサのリニアリティを向上させることも可能である。また、ＨＣ層２５を備える磁気抵抗効果素子１１をアニール処理（このアニール処理において磁場の印加は不要である。）することにより、磁気抵抗効果素子１１を備えた磁気センサのリニアリティを向上させることができる場合もある。
　ＨＣ層２５は、次に説明するように、磁気抵抗効果素子１１の温度補償機構としても機能しうる。反強磁性層２４がフリー磁性層２３やＨＣ層２５との間で生じさせる交換結合バイアスは、様々な要因（組成のばらつき、接合界面の不整合、相互拡散など）により、その大きさに高温保存時間依存性を有し、基本的な傾向として、高温環境での保存時間が長くなると、交換結合バイアスは大きくなる。
　このため、ＨＣ層２５を有しない磁気抵抗効果素子では、測定環境温度の高い状態が長く続いた後にフリー磁性層に生じた交換結合バイアスが大きくなると、磁気抵抗効果素子に外部磁場が印加された際に、フリー磁性層の磁化回転角度は小さくなって、見かけ上、印加された磁場が低下したように測定される。したがって、この磁気抵抗効果素子を備えた磁気センサが電流センサとして用いられる場合には、高温環境下での保存時間が長くなることにより検出電流が低下してしまうことになる。これに対し、本実施形態に係る磁気抵抗効果素子１１のようにＨＣ層２５を有する場合には、ＨＣ層２５において生じる交換結合バイアスも、フリー磁性層２３に生じる交換結合バイアスと基本的な傾向が共通する高温保存時間依存性を有するため、ＨＣ層２５からの還流磁場は、高温環境下での保存時間が短いほど大きく、高温環境下での保存時間が長いほど高いほど小さくなる。
　つまり、フリー磁性層２３の磁化回転角度が比較的大きくなる高温環境下での保存時間が短い場合には、磁化回転角度を低下させるように作用するＨＣ層２５からの還流直交成分が比較的大きく、フリー磁性層２３の磁化回転角度が比較的小さくなる高温環境下での保存時間が長い場合には、磁化回転角度を低下させるように作用するＨＣ層２５からの還流直交成分が比較的小さくなる。このため、高温環境下での保存時間の変化に基づくフリー磁性層２３の磁化回転の変化は生じにくくなり、高温環境下での保存時間に起因する測定値の変動が生じにくくなる。このようなＨＣ層２５による温度補償機構を適切に機能させるためには、ＨＣ層２５の構成（組成、厚さなど）を適切に設定すればよい。
　なお、図２では、ＨＣ層２５が反強磁性層２４の上面全体に成膜されているが、これに限定されず、ＨＣ層２５の一部に欠陥部を形成してもよい。ただし、ＨＣ層２５が反強磁性層２４の全面に形成されているほうが、フリー磁性層２３の残留直交成分を適切に低減させることができ、測定精度を向上させることができ好適である。
２．磁気センサの製造方法
　本発明の一実施形態に係る磁気センサの製造方法は限定されない。次に説明する方法によれば、本実施形態に係る磁気センサを効率的に製造することが可能である。
　基板２９上に、図２では図示しない絶縁層を介してシード層２０を成膜し、その上に、セルフピン止め構造を有する固定磁性層２１を積層する。具体的には、図２に示されるような、第１磁性層２１ａ、非磁性中間層２１ｂおよび第２磁性層２１ｃを順次積層する。各層の成膜手段は限定されない。スパッタが例示される。第１磁性層２１ａを成膜する際に磁場を印加しながら行うことにより、第１磁性層２１ａを図１における幅方向Ｄ２に沿うように磁化させれば、ＲＫＫＹ相互作用により第２磁性層２１ｃを第１磁性層２１ａの磁化方向と反平行な向きに強く磁化することが可能である。こうして磁化された第２磁性層２１ｃは、その後の製造過程において自らの磁化方向と異なる向きの磁場が印加されても、その影響を受けずに幅方向Ｄ２に磁化された状態を維持することが可能である。
　次に、固定磁性層２１上に非磁性材料層２２を積層する。非磁性材料層２２の積層方法は限定されず、スパッタが具体例として挙げられる。
　続いて、非磁性材料層２２上に、長手方向Ｄ１に沿った方向の磁場を印加しながら、フリー磁性層２３、反強磁性層２４およびＨＣ層２５を順次積層する。これらの層の積層方法は限定されず、スパッタが具体例として挙げられる。このように磁場中成膜を行うことにより、フリー磁性層２３の磁化方向に沿った方向に反強磁性層２４との間で交換結合バイアスが生じ、フリー磁性層２３の磁化方向と等しい向きに磁化されたＨＣ層２５において、その磁化方向に沿った方向に反強磁性層２４との間で交換結合バイアスが生じる。それゆえ、成膜が終了して磁場の印加も終了しても、反強磁性層２４との間で生じた交換結合バイアスにより、フリー磁性層２３とＨＣ層２５とは長手方向Ｄ１の等しい向きに磁化方向が揃った状態を維持することができる。なお、これらの層の成膜中には、固定磁場層２１に対しても磁場が印加されるが、固定磁場層２１はＲＫＫＹ相互作用に基づくピン止め構造を有するため、この印加された磁場によっては磁化方向が変動することはない。
　ここで、反強磁性層２４を構成する材料としてＩｒＭｎ系の材料を用いた場合には、特段の加熱処理を伴わない磁場中成膜により反強磁性層２４の磁化方向を揃えることが可能である。したがって、磁気抵抗効果素子１１を製造するプロセス全体を通じて磁場中アニール処理を行わないプロセスとすることが可能である。磁気抵抗効果素子１１の製造プロセスを上記のように磁場中アニールフリープロセスとすることにより、同一の基板上に異なる感度軸（磁化方向が反対向きの場合を含む。）を有する磁気抵抗効果素子１１を容易に製造することが可能となる。磁気抵抗効果素子１１の製造プロセスが磁場中アニール処理を必要とする場合には、磁場中アニール処理を複数回行うと、先に行った磁場中アニール処理の効果が薄れ、磁化方向を適切に設定することが困難となるおそれがある。
　こうして、磁場中成膜によりフリー磁性層２３、反強磁性層２４およびＨＣ層２５を積層したら、最後に、保護層２６を積層する。保護層２６の積層方法は限定されず、スパッタが具体例として挙げられる。
　以上の成膜工程により得られた積層構造体に対して除去加工（ミリング）を行い、複数の長尺パターン１２が幅方向Ｄ２に沿って配列された状態とする。これらの複数の長尺パターン１２を接続する導電部１３および導電部１３に接続する接続端子１４を形成して、図１に示されるミアンダ形状を有する磁気抵抗効果素子１１を得る。
３．電流センサ
　本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子を備えた磁気センサは、電流センサとして好適に使用されうる。かかる電流センサは、磁気抵抗効果素子を１つ備える構成でもよいが、特許文献１や特許文献２に記載されるように、４つの素子を用い、ブリッジ回路を組んで測定精度を高めることが好ましい。本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子の製造方法は、好ましい一例において磁場中アニール処理を備えないため、複数の磁気抵抗効果素子を同一基板上に製造することが容易である。
　本発明の一実施形態に係る電流センサの具体例として、磁気比例式電流センサおよび磁気平衡式電流センサが挙げられる。
　磁気比例式電流センサは、本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子（固定磁性層とフリー磁性層とが非磁性材料層を介して積層された積層構造を備える磁気抵抗効果素子であって、フリー磁性層における非磁性材料層に対向する側と反対側には、フリー磁性層との間で交換結合バイアスを生じさせフリー磁性層の磁化方向を磁化変動可能な状態で所定方向に揃えることができる反強磁性層が設けられ、反強磁性層におけるフリー磁性層に対向する側と反対側には、反強磁性層との間で交換結合バイアスが生じてその磁化方向を磁化変動可能な状態で所定方向に揃えることができる強磁性層が設けられており、フリー磁性層に生じた交換結合バイアスに基づく磁化方向は、強磁性層に生じた交換結合バイアスに基づく磁化方向と等しい向きであって、強磁性層は、フリー磁性層に対して、感度軸に沿った方向の成分を有する還流磁場を付与可能である、磁気抵抗効果素子。）を少なくとも１つ含んで構成され、被測定電流からの誘導磁界に応じた電圧差を生じる２つの出力を備える磁界検出ブリッジ回路を有する。そして、磁気比例式電流センサでは、誘導磁界に応じて磁界検出ブリッジ回路から出力される電位差により、被測定電流が測定される。
　磁気平衡式電流センサは、本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子を少なくとも１つ含んで構成され、被測定電流からの誘導磁界に応じた電圧差を生じる２つの出力を備える磁界検出ブリッジ回路と、磁気抵抗効果素子の近傍に配置され、誘導磁界を相殺するキャンセル磁界を発生するフィードバックコイルと、を具備する。そして、磁気平衡式電流センサでは、電圧差によりフィードバックコイルに通電して誘導磁界とキャンセル磁界とが相殺される平衡状態となったときのフィードバックコイルに流れる電流に基づいて、被測定電流が測定される。
　以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
　例えば、フリー磁性層２３の磁化制御として磁場中でのアニール処理を必要としない反強磁性層２４とともに従来におけるハードバイアス層を補助的に用いてもよい。
　以下、実施例等により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明の範囲はこれらの実施例等に限定されるものではない。
　絶縁膜を有する基板上に、下からシード層２０：ＮｉＦｅＣｒ（４２）／固定磁性層２１［第１磁性層２１ａ；Ｆｅ６０Ｃｏ４０（１９）／非磁性中間層２１ｂ；Ｒｕ（３．６）／第２磁性層２１ｃ；Ｃｏ９０Ｆｅ１０（２４）］／非磁性材料層２２；Ｃｕ（２２）／フリー磁性層２３［Ｃｏ９０Ｆｅ１０（１０）／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（９０）／Ｃｏ９０Ｆｅ１０（１０）］／反強磁性層２４；Ｉｒ２２Ｍｎ７８（６０）／ＨＣ層２５［Ｎｉ８１Ｆｅ１９（１０）／Ｎｉ８２Ｆｅ１３Ｎｂ５（１００）］／保護層２６；Ｔａ（１００）の順に積層して積層体１を得た。括弧内の数値は膜厚を示し単位はÅである。
　固定磁性層２１を成膜するときの磁場印加磁石の磁場方向と、フリー磁性層２３、反強磁性層２４およびＨＣ層２５を成膜するときの磁場印加磁石の磁場方向とを９０°変えて、各層を磁場中成膜した。
　得られた積層体１をミリングして複数の長尺パターンがストライプ状に配置された構造体を得た。これらの複数の長尺パターンの端部に導電部を形成し、さらに導電部に接続するように接続端子を形成して、ミアンダ形状を有する磁気抵抗効果素子を形成した。
　ＨＣ層２５を成膜しなかったこと以外は積層体１の製造方法と同様の製造方法により積層体２を製造した。この積層体２からＨＣ層を有しない磁気抵抗効果素子を製造した。
　上記の積層体１および２のミリング条件を変更することにより、設計ストライプ幅が異なる複数の磁気抵抗効果素子を作製した。これらの磁気抵抗効果素子について、±５００Ｏｅ（±約８ｋＡ／ｍ）の外部磁界を印加して、ゼロ磁場ヒステリシス（単位：フルスケールに対する百分率）を測定した。
　その結果、図３に示すような結果が得られた。ＨＣ層を導入することにより、設計ストライプ幅を細くすることなく、磁気抵抗効果素子のゼロ磁場ヒステリシスを低減させることができることが確認された。
　また、図３において、設計ストライプ幅を変化させることによって調整可能な感度（単位：ｍＶ／ｍＴ）を横軸にしてプロットしなおすと、図４に示されるような結果が得られた。
　ＨＣ層を有しない磁気抵抗効果素子（構造体２に基づく。）に対して１５０℃で加熱し、一定時間保存する処理を行った。処理後の磁気抵抗効果素子について、１５０℃加熱処理前の値を基準とする、平均感度変化率（縦軸）および交換結合バイアスの大きさの変化率（横軸）の関係をグラフ化した。その結果を図５に示す。なお、各プロットは、左から熱処理前、１００時間、２００時間、５００時間、７００時間、１０００時間保存したものである。図５に示されるように、高温での保存時間が長くなると交換結合バイアスの大きさの変化率は次第に大きくなり、平均感度変化率は低下することが確認された。これにより、フリー磁性層２３の交換結合バイアスの大きさと、ＨＣ層２５の交換結合バイアスの大きさとは、高温保存により同じように変化すること、および高温保存の有無や時間によらず、ＨＣ層２５からの還流磁場によって、適切にヒステリシスを低減できることが分かる。
　構造体１および２に基づく磁気抵抗効果素子に対して１５０℃で加熱する処理を行った。処理後の磁気抵抗効果素子について、１５０℃加熱処理前の値を基準とする、平均感度変化率の高温保存時間依存性を測定した。その結果を図６に示す。図６に示されるように、ＨＣ層を導入することにより、磁気抵抗効果素子が高温保存されたことに起因する感度変化を低減することが可能である。
　本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子を備えた磁気センサは、電気自動車はハイブリッドカーなどの電流センサの構成要素として好適に使用されうる。
１　　　　　　　磁気センサ
１１　　　　　　磁気抵抗効果素子
１２　　　　　　長尺パターン
２１　　　　　　固定磁性層
２１ａ　　　　　第１磁性層
２１ｂ　　　　　非磁性中間層
２１ｃ　　　　　第２磁性層
２２　　　　　　非磁性材料層
２３　　　　　　フリー磁性層
２４　　　　　　反強磁性層
２５　　　　　　ＨＣ層
２９　　　　　　チップ

Claims (10)

  1. 　特定の方向に感度軸を持つ磁気抵抗効果素子を備えた磁気センサであって、
    　前記磁気抵抗効果素子は、固定磁性層とフリー磁性層とが非磁性材料層を介して積層された積層構造を備え、
    　前記フリー磁性層における前記非磁性材料層に対向する側と反対側には、前記フリー磁性層との間で交換結合バイアスを生じさせ前記フリー磁性層の磁化方向を磁化変動可能な状態で所定方向に揃えることができる反強磁性層が設けられ、
    　前記反強磁性層における前記フリー磁性層に対向する側と反対側には、前記反強磁性層との間で交換結合バイアスが生じてその磁化方向を磁化変動可能な状態で所定方向に揃えることができる強磁性層が設けられており、
    　前記フリー磁性層に生じた交換結合バイアスに基づく磁化方向は、前記強磁性層に生じた交換結合バイアスに基づく磁化方向と等しい向きであって、
    　前記強磁性層は、前記フリー磁性層に対して、前記感度軸に沿った方向の成分を有する還流磁場を付与可能であること
    を特徴とする磁気センサ。
  2. 　前記強磁性層に生じた交換結合バイアスの大きさおよび前記強磁性層の厚さは、前記フリー磁性層の残留磁化の前記感度軸に沿った方向の成分を低減させるように設定される、請求項１に記載の磁気センサ。
  3. 　前記反強磁性層は、ＩｒＭｎにより形成される、請求項１または２に記載の磁気センサ。
  4. 　前記固定磁性層は、第１磁性層と前記非磁性材料層に接する第２磁性層とが非磁性中間層を介して積層され、前記第１磁性層と前記第２磁性層とが反平行に磁化固定されたセルフピン止め型である、請求項１から３のいずれか一項に記載の磁気センサ。
  5. 　前記強磁性層に生じた交換結合バイアスの大きさおよび前記強磁性層の厚さは、前記フリー磁性層の感度の高温保存時間依存性を低減させるように設定される、請求項１から４のいずれか一項に記載の磁気センサ。
  6. 　基板上に、シード層、固定磁性層、非磁性材料層、フリー磁性層、反強磁性層および強磁性層をこの順に積層する工程を備える磁気センサの製造方法であって、
    　積層方向に直交する第１の方向に磁場を印加しながら第１磁性層を前記シード層上に積層し、続いて非磁性中間層および第２磁性層を順次積層することにより、セルフピン止め構造を備える積層体からなる前記固定磁性層を得るピン層積層工程；
    　前記第２磁性層上に非磁性材料層を積層する非磁性層積層工程；および
    　前記第１の方向とは異なる方向である第２の磁場を印加しながら、前記非磁性材料層上に、前記フリー磁性層、前記反強磁性層および前記強磁性層を順次積層するフリー層積層工程を備えること
    を特徴とする磁気センサの製造方法。
  7. 　前記強磁性層から前記フリー磁性層に対して、前記第１の方向に平行な方向への還流磁場が印加可能に、前記強磁性層の構造は設定される、請求項６に記載の磁気センサの製造方法。
  8. 　前記シード層を積層する工程から、前記強磁性層を積層する工程まで、磁場中アニール処理が行われない、請求項６または７に記載の磁気センサの製造方法。
  9. 　前記反強磁性層を、ＩｒＭｎにより形成する請求項８に記載の磁気センサの製造方法。
  10. 　請求項１から５のいずれか一項に記載される磁気センサを備える電流センサ。
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