WO2018079404A1 - 磁気センサおよびその製造方法 - Google Patents

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ferromagnetic
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喬干 古市
建一 青
阿部　竜一郎
康夫 安藤
幹彦 大兼
貴文 中野
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株式会社デンソー
国立大学法人東北大学
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Definitions

  • the present disclosure relates to a magnetic sensor and a manufacturing method thereof.
  • the magnetoresistive element includes a fixed layer whose magnetization direction is fixed, a free layer whose magnetization direction is variable, and an intermediate layer composed of a nonmagnetic material disposed between the fixed layer and the free layer.
  • the resistance value changes depending on the angle between the magnetization direction of the fixed layer and the magnetization direction of the free layer.
  • the magnetization direction of the fixed layer is usually determined only by heat treatment in the magnetic field of the entire chip, it is the same within the same chip. Therefore, in order to manufacture a magnetic sensor including a plurality of magnetoresistive elements whose fixed layers are magnetized in opposite directions, for example, it is necessary to arrange a plurality of separately manufactured magnetoresistive elements in combination. The manufacturing process of the magnetic sensor becomes complicated.
  • Patent Document 1 a current is passed through a wiring provided under a fixed layer, and a fixed layer having magnetic anisotropy in the in-plane direction is magnetized using a magnetic field generated thereby, and a magnetoresistive element There has been proposed a method for controlling the direction of magnetization on the chip.
  • the present disclosure is a magnetic sensor in which a plurality of magnetoresistive elements having perpendicular magnetic anisotropy are formed in the same chip, and a fixed layer provided in each magnetoresistive element is magnetized in opposite directions.
  • the purpose is to simplify the manufacturing process.
  • a magnetic sensor includes a substrate, a first magnetoresistive element and a second magnetoresistive element formed on one surface of the substrate,
  • Each of the first magnetoresistive element and the second magnetoresistive element includes a fixed layer having a magnetization easy axis perpendicular to one surface, a fixed magnetization direction, a free layer having a variable magnetization direction, and a nonmagnetic material.
  • an intermediate layer disposed between the fixed layer and the free layer, wherein the fixed layer includes a first ferromagnetic layer, a second ferromagnetic layer, a first ferromagnetic layer, and a second ferromagnetic layer.
  • a magnetization amount of a first ferromagnetic layer included in the first magnetoresistive element is larger than a magnetization amount of the second ferromagnetic layer included in the first magnetoresistive element.
  • the magnetization amount of the first ferromagnetic layer included in the second magnetoresistive element is large, and the magnetization amount of the second ferromagnetic layer included in the second magnetoresistive element is large. Smaller than the reduction amount.
  • the larger one of the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer has a larger magnetization amount during magnetization. Magnetized in the same direction as the applied external magnetic field. The smaller magnetization amount is magnetized in an opposite direction to the larger magnetization amount by antiferromagnetic coupling.
  • the ferromagnetic layer adjacent to the intermediate layer is magnetized in the opposite direction. Therefore, in a magnetic sensor in which a plurality of magnetoresistive elements having perpendicular magnetic anisotropy are formed in the same chip and the fixed layers provided in each magnetoresistive element are magnetized in opposite directions, the manufacturing process is simplified. Can do.
  • a method for manufacturing a magnetic sensor comprising: forming a first magnetoresistive element on one surface of a substrate; and forming a second magnetoresistive element on one surface.
  • the formation of the first magnetoresistive element and the formation of the second magnetoresistive element each have an easy axis of magnetization perpendicular to one surface, the first ferromagnetic layer, the second ferromagnetic layer, A nonmagnetic layer including a nonmagnetic layer disposed between the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer, and a nonmagnetic material formed on the upper surface of the first ferromagnetic layer.
  • the magnetization amount of the first ferromagnetic layer provided is larger than the magnetization amount of the second ferromagnetic layer provided in the first magnetoresistive element. It becomes, and the magnetization of the first ferromagnetic layer in which the second magnetoresistive element is provided in the form a fixed layer to be smaller than the magnetization of the second ferromagnetic layer in which the second magnetoresistive element is provided.
  • the ferromagnetic layer adjacent to the intermediate layer is formed.
  • the layer is magnetized in the opposite direction. Therefore, in a magnetic sensor in which a plurality of magnetoresistive elements having perpendicular magnetic anisotropy are formed in the same chip and the fixed layers provided in each magnetoresistive element are magnetized in opposite directions, the manufacturing process is simplified. Can do.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line II-II in FIG.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line III-III in FIG.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line III-III in FIG. 1 showing a manufacturing process of the magnetic sensor.
  • FIG. 4B is a cross-sectional view taken along the line III-III in FIG. 1 showing the manufacturing process of the magnetic sensor following FIG. 4A.
  • FIG. 4B is a cross-sectional view taken along the line III-III in FIG. 1 showing the manufacturing process of the magnetic sensor following FIG. 4B.
  • FIG. 4C is a cross-sectional view taken along the line III-III in FIG.
  • FIG. 4D is a cross-sectional view taken along the line III-III in FIG. 1 showing the manufacturing process of the magnetic sensor following FIG. 4D.
  • FIG. 4D is a cross-sectional view taken along the line III-III in FIG. 1 showing the manufacturing process of the magnetic sensor following FIG. 4E.
  • FIG. 4C is a cross-sectional view taken along the line III-III in FIG. 1 showing the manufacturing process of the magnetic sensor following FIG. 4F.
  • FIG. 4B is a cross-sectional view taken along the line III-III in FIG. 1 showing the manufacturing process of the magnetic sensor following FIG. 4G.
  • FIG. 4C is a cross-sectional view taken along the line III-III in FIG.
  • FIG. 4D is a cross-sectional view taken along the line III-III in FIG. 1 showing the manufacturing process of the magnetic sensor following FIG. 4I.
  • FIG. 4D is a cross-sectional view taken along the line III-III in FIG. 1 showing the manufacturing process of the magnetic sensor following FIG. 4J.
  • FIG. 4C is a cross-sectional view taken along the line III-III in FIG. 1 showing the manufacturing process of the magnetic sensor following FIG. 4K.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view taken along the line III-III in FIG. 1 showing the manufacturing process of the magnetic sensor following FIG. 4L.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line III-III in FIG.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line II-II in FIG. 1 showing the manufacturing process of the magnetic sensor.
  • FIG. 2B is a cross-sectional view taken along the line II-II in FIG. 1 showing the manufacturing process of the magnetic sensor following FIG. 5A.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line III-III in FIG. 1 showing a manufacturing process of the magnetic sensor. It is a graph which shows the relationship between the external magnetic field and the magnetization of a fixed layer when the amount of magnetization is the same in one ferromagnetic layer and the other ferromagnetic layer.
  • FIG. 13 is a sectional view taken along the line XIV-XIV in FIG. 12. It is sectional drawing which shows the manufacturing process of a magnetic sensor. It is sectional drawing of the magnetic sensor concerning 3rd Embodiment. It is sectional drawing of the magnetic sensor concerning 4th Embodiment.
  • the magnetic sensor 100 of this embodiment includes a substrate 1, a magnetoresistive element 2, a wiring 3, and a pad 4.
  • illustration of a protective film 7 to be described later is omitted.
  • the substrate 1 is made of silicon or the like, and a plurality of magnetoresistive elements 2 are formed on one surface 11 of the substrate 1.
  • the magnetoresistive element 2 includes a fixed layer 21 having a ferromagnetic layer 211 and the like.
  • the ferromagnetic layer 211 is magnetized in one direction in the normal direction of the surface 11.
  • a magnetoresistive element 2a and a magnetoresistive element 2b magnetized in the other direction are provided.
  • the magnetoresistive elements 2a and 2b correspond to a first magnetoresistive element and a second magnetoresistive element, respectively.
  • the magnetic sensor 100 of the present embodiment includes two magnetoresistive elements 2a and 2b, and four pads 4.
  • the two magnetoresistive elements 2 a are connected to the pad 4 through the wiring 3.
  • the magnetic sensor 100 includes an insulating film 5, a sidewall protective film 6, and a protective film 7 in addition to the substrate 1 and the like.
  • a layer 31 and an upper wiring layer 32 are provided.
  • the insulating film 5 is for electrically insulating the substrate 1 and the lower wiring layer 31, and is formed on the one surface 11.
  • the insulating film 5 is made of, for example, SiO 2 or the like.
  • a lower wiring layer 31 is formed on the upper surface of the insulating film 5, and the two magnetoresistive elements 2 a are arranged on the upper surface of the lower wiring layer 31 so as to be separated from each other.
  • the lower wiring layer 31 is made of, for example, Cu, Au or the like.
  • the sidewall protective film 6 is made of, for example, Al 2 O 3 or the like, and is formed so as to cover the insulating film 5, the lower wiring layer 31, and the magnetoresistive element 2a.
  • the upper surface of the magnetoresistive element 2 a is not covered with the sidewall protective film 6, and the upper wiring layer 32 is formed on the upper surface of the magnetoresistive element 2 a and the upper surface of the sidewall protective film 6.
  • the upper wiring layer 32 is made of, for example, Cu, Au or the like.
  • a pad 4 is formed on the upper surface of the upper wiring layer 32, and one magnetoresistive element 2a is connected to one of the four pads 4 through the upper wiring layer 32, and the other magnetoresistive element.
  • the element 2 a is connected to another one pad 4 through the upper wiring layer 32.
  • the two magnetoresistive elements 2b are also connected to the pad 4 through the wiring 3 in the same manner.
  • the protective film 7 is formed on the sidewall protective film 6, the upper wiring layer 32, and the surface of the pad 4. However, in the upper part of the pad 4, a part of the protective film 7 is removed to form an opening 71, and the pad 4 is exposed.
  • the four magnetoresistive elements 2 are connected to a power source or the like (not shown) via a wiring 3, a pad 4, and a bonding wire (not shown) connected to the pad 4.
  • the magnetoresistive element 2 includes a fixed layer 21, an intermediate layer 22, a free layer 23, and a cap layer 24, and these layers are formed on the lower wiring layer 31. They are stacked in order on the top surface.
  • the fixed layer 21 has an easy axis of magnetization perpendicular to the surface 11 and the magnetization direction is fixed.
  • the fixed layer 21 includes a ferromagnetic layer 211, a nonmagnetic layer 212, and a ferromagnetic layer 213, and these layers are formed on the lower wiring layer 31 on the ferromagnetic layer 213,
  • the nonmagnetic layer 212 and the ferromagnetic layer 211 are stacked in this order.
  • the ferromagnetic layers 211 and 213 correspond to a first ferromagnetic layer and a second ferromagnetic layer, respectively.
  • the ferromagnetic layer 211 is a ferromagnetic film whose magnetization direction is fixed in a direction perpendicular to the surface 11. As shown by the arrows in FIG. 3, the magnetization direction of the ferromagnetic layer 211 included in the magnetoresistive element 2a is opposite to the magnetization direction of the ferromagnetic layer 211 included in the magnetoresistive element 2b.
  • the ferromagnetic layers 211 included in the magnetoresistive elements 2a and 2b are respectively directed from the ferromagnetic layer 213 toward the ferromagnetic layer 211 (upward in the drawing in FIG. 3), and from the ferromagnetic layer 211 to the ferromagnetic layer 213. Is magnetized in the direction toward the surface (downward in FIG. 3).
  • the ferromagnetic layer 211 is composed of, for example, a Co / Pt multilayer film or a Co / Pd multilayer film.
  • the ferromagnetic layer 211 may be formed of a thin film obtained by adding Pt, Ta, B, Nb or the like to a CoCr alloy, or a thin film having a laminated structure of magnetic films having different compositions.
  • the ferromagnetic layer 211 is composed of a multilayer magnetic film of a Co / Pt (or Pd) multilayer film and a Co—Xa / (Pt or Pd) multilayer film (Xa is Cr, B, Ta, Mn, V). May be.
  • the ferromagnetic layer 211 includes a Co / (Pt or Pd) multilayer film and a Co / ⁇ (Pt—Ya) or (Pd—Ya) ⁇ multilayer film (Ya is B, Ta, Ru, Re, Ir, Mn , Mg, Zr, Nb). Further, the ferromagnetic layer 211 may be composed of a laminated magnetic film of a CoCr alloy film and a Co / (Pt or Pd) multilayer film, an FePt alloy, a CoPt alloy, a CoFeB thin film, or the like.
  • the nonmagnetic layer 212 is a thin film formed of a nonmagnetic material such as Ru.
  • the ferromagnetic layer 213 is a ferromagnetic film whose magnetization direction is fixed in a direction perpendicular to the one surface 11, and is magnetized in the opposite direction to the ferromagnetic layer 211. That is, as shown by the arrows in FIG. 3, the magnetization direction of the ferromagnetic layer 213 included in the magnetoresistive element 2a is opposite to the magnetization direction of the ferromagnetic layer 213 included in the magnetoresistive element 2b.
  • the ferromagnetic layers 213 included in the magnetoresistive elements 2a and 2b are magnetized downward in the plane of FIG. 3 and upward in the plane of FIG.
  • the fixed layer 21 has a so-called antiferromagnetic coupling structure in which the nonmagnetic layer 212 is interposed between the ferromagnetic layer 211 and the ferromagnetic layer 213 whose magnetization directions are antiparallel to each other. Yes.
  • the ferromagnetic layer 213 is made of the same material as the ferromagnetic layer 211, for example.
  • the amount of magnetization of the ferromagnetic layer 211 included in the magnetoresistive element 2a is larger than the amount of magnetization of the ferromagnetic layer 213 included in the magnetoresistive element 2a, and the amount of magnetization of the ferromagnetic layer 211 included in the magnetoresistive element 2b is The amount of magnetization of the ferromagnetic layer 213 included in the magnetoresistive element 2b is made smaller. That is, if the magnetization amounts of the ferromagnetic layers 211 and 213 included in the magnetoresistive element 2a are M A1 and M A2, and the magnetization amounts of the ferromagnetic layers 211 and 213 included in the magnetoresistive element 2b are M B1 and M B2 , respectively. , M A2 ⁇ M A1 , M B1 ⁇ M B2 .
  • M A1 Ms A1 ⁇ V A1
  • M A2 Ms A2 ⁇ V A2
  • M B1 Ms B1 ⁇ V B1
  • M B2 Ms B2 ⁇ V B2
  • Ms A1 and Ms A2 are the magnetization amounts per unit volume of the ferromagnetic layers 211 and 213 provided in the magnetoresistive element 2a, respectively.
  • V A1 and V A2 are the ferromagnetic quantities provided in the magnetoresistive element 2a, respectively.
  • Ms B1 and Ms B2 are the amounts of magnetization per unit volume of the ferromagnetic layers 211 and 213 included in the magnetoresistive element 2b, respectively, and V B1 and V B2 are the ferromagnetic amounts included in the magnetoresistive element 2b, respectively.
  • S A1 and S A2 are respectively the area of the upper surface of the ferromagnetic layer 211 and the area of the bottom surface of the ferromagnetic layer 213 provided in the magnetoresistive element 2a, and S B1 and S B2 are respectively the magnetoresistive element 2b.
  • S B1 and S B2 are respectively the magnetoresistive element 2b.
  • t A1 and t A2 are the film thicknesses of the ferromagnetic layers 211 and 213 included in the magnetoresistive element 2a, respectively, and t B1 and t B2 are the ferromagnetic layers 211 and 213 included in the magnetoresistive element 2b, respectively. Is the film thickness.
  • r A1 ⁇ r A2 and r B1 ⁇ r B2 are set. That is, S A1 ⁇ S A2 and S B1 ⁇ S B2 .
  • R A1 and r A2 are the radius of the upper surface of the ferromagnetic layer 211 and the radius of the bottom surface of the ferromagnetic layer 213 provided in the magnetoresistive element 2a, respectively, and r B1 and r B2 are respectively the magnetoresistive element 2b. Is the radius of the top surface of the ferromagnetic layer 211 and the radius of the bottom surface of the ferromagnetic layer 213.
  • the nonmagnetic layer 212 included in the magnetoresistive element 2a has an upper surface is a circular radius r A1, are bottom circular and has been stepped cylindrical radius r A2.
  • the nonmagnetic layer 212 included in the magnetoresistive element 2b has an upper surface is a circular radius r B1, it is bottom circular and has been stepped cylindrical radius r B2.
  • the intermediate layer 22 is formed on the upper surface of the fixed layer 21.
  • the intermediate layer 22 is made of a nonmagnetic material and can be formed of an insulator such as MgO or AlO.
  • the magnetic sensor 1 has a configuration as a tunneling magnetoresistive (TMR) element.
  • the intermediate layer 22 can be formed of a conductor such as Cu or Ag, for example.
  • the magnetic sensor 1 has a configuration as a giant magnetoresistive (GMR) element.
  • the intermediate layer 22 may be formed of a semiconductor.
  • the free layer 23 is formed on the upper surface of the intermediate layer 22.
  • the free layer 23 has a variable magnetization direction, and has an easy axis of magnetization parallel to the one surface 11 in this embodiment.
  • the magnetization reversal of the free layer 23 is gentle when detecting the external magnetic field in the direction perpendicular to the one surface 11 that is the hard magnetization axis direction. Magnetic field strength can be detected in a wide magnetic field range.
  • the free layer 23 can be formed using, for example, an amorphous alloy containing at least one of Fe, Co, and Ni and B.
  • the cap layer 24 is for protecting the free layer 23 and is made of Ta, Ru, or the like.
  • the upper surfaces of the intermediate layer 22, the free layer 23, and the cap layer 24 are circular, and the radius is equal to the radius of the upper surface of the ferromagnetic layer 211. That is, the radius of the upper surface of the intermediate layer 22, the free layer 23, and the cap layer 24 included in the magnetoresistive element 2 a is r A1, and the upper surface of the intermediate layer 22, the free layer 23, and the cap layer 24 included in the magnetoresistive element 2 b Is set to r B1 .
  • the magnetic sensor 100 is manufactured by performing the processes shown in FIGS. 4A to 6.
  • the insulating film 5, the lower wiring layer 31, the ferromagnetic layer 213 of the fixed layer 21, the nonmagnetic layer 212, the ferromagnetic layer 211, the intermediate layer 22, A free layer 23 and a cap layer 24 are sequentially formed. Then, a resist 81 is formed on the upper surface of the cap layer 24 by photolithography.
  • the resist 81 has a shape corresponding to the shape of the upper surface of the lower wiring layer 31 shown in FIG.
  • the lower wiring layer 31, the fixed layer 21, the intermediate layer 22, the free layer 23, and the cap layer 24 are partially removed by etching using the resist 81 as a mask.
  • a sidewall protective film is formed by sputtering, CVD, or the like so as to cover the insulating film 5 exposed by etching, the lower wiring layer 31, the fixed layer 21, the intermediate layer 22, the free layer 23, the cap layer 24, and the resist 81. 6 is formed.
  • the resist 81 is peeled off, and the sidewall protective film 6 formed on the resist 81 is removed by lift-off.
  • photolithography is performed to form a resist 82 on the upper surface of the cap layer 24.
  • the resist 82 is formed in a shape corresponding to the ferromagnetic layer 213 of the magnetoresistive elements 2a and 2b.
  • the upper surface of the portion corresponding to the magnetoresistive element 2a of the resist 82 is a circular radius r A2
  • the upper surface of the portion corresponding to the magnetoresistive element 2b is circular with a radius r B2.
  • etching such as ion milling is used to remove portions of the layers from the fixed layer 21 to the cap layer 24 that are not covered with the resist 82.
  • the cap layer 24 from the fixed layer 21 in the portion corresponding to the magnetoresistive element 2a is the radius of the top surface becomes a cylindrical r A2
  • the cap layer 24 from the portion of the fixed layer 21 corresponding to the magnetoresistive element 2b is the top surface radius is a cylindrical r B2.
  • sidewall protection is performed using sputtering, CVD, or the like so as to cover the surfaces of the insulating film 5, the lower wiring layer 31, the fixed layer 21, the intermediate layer 22, the free layer 23, the cap layer 24, and the resist 82.
  • a film 6 is formed.
  • the resist 82 is peeled off, and a portion of the sidewall protective film 6 formed on the resist 82 is removed by lift-off.
  • photolithography is performed to form a resist 83 on the upper surface of the cap layer 24.
  • the resist 83 is formed in a shape corresponding to the ferromagnetic layer 211 of the magnetoresistive elements 2a and 2b.
  • the upper surface of the portion corresponding to the magnetoresistive element 2a of the resist 83 is a circular radius r A1
  • the upper surface of the portion corresponding to the magnetoresistive element 2b is circular with a radius r B1.
  • etching is performed while analyzing elements contained in the atmosphere. When an element constituting the nonmagnetic layer 212 is detected, the etching is stopped, and the cap layer 24, the free layer 23, The layer 22, the ferromagnetic layer 211, and a part of the nonmagnetic layer 212 are removed.
  • the magnetoresistive element 2a and the magnetoresistive element 2b are formed.
  • the ferromagnetic layer 211, an intermediate layer 22, free layer 23 the upper surface of the cap layer 24 is a circular radius r A1.
  • the non-magnetic layer 212 is the radius of the upper surface r A1, the radius of the bottom surface a stepped cylindrical r A2, ferromagnetic layer 213, a bottom circular radius r A2 Is done.
  • a ferromagnetic layer 211, an intermediate layer 22, free layer 23, the upper surface of the cap layer 24 is a circular radius r B1.
  • the nonmagnetic layer 212, radius r B1 of the upper surface, the radius of the bottom surface is a stepped cylindrical r B2, ferromagnetic layer 213, a bottom circular radius r B2 Is done.
  • the sidewall protective film 6 is formed by sputtering, CVD or the like so as to cover the surfaces of the insulating film 5, the lower wiring layer 31, the magnetoresistive elements 2a and 2b, and the resist 83.
  • the resist 83 is removed, and the portion of the sidewall protective film 6 formed on the resist 83 is removed by lift-off.
  • photolithography is performed to form a resist 84 on the upper surface of the sidewall protective film 6.
  • the resist 84 is provided with an opening corresponding to the shape of the upper surface of the upper wiring layer 32 shown in FIG. After the resist 84 is formed, the upper wiring layer 32 is formed on the surfaces of the cap layer 24, the sidewall protective film 6, and the resist 84.
  • the resist 84 is removed, and a portion of the upper wiring layer 32 formed on the resist 84 is removed by lift-off.
  • a mask (not shown) that exposes a part of the upper wiring layer 32 is formed using photolithography, and the pad 4 is formed on the surface of the mask and the upper wiring layer 32. Thereafter, the mask is peeled off, and the pad 4 formed on the mask is removed by lift-off. Further, a protective film 7 is formed on the surface of the upper wiring layer 32, the pad 4, and the sidewall protective film 6, and the protective film 7 formed on the upper side of the pad 4 is removed by photolithography and etching to form an opening 71. Then, the pad 4 is exposed. As a result, the cross-sectional view along the line II-II in FIG. 1 becomes as shown in FIG.
  • the magnetoresistive elements 2a and 2b are magnetized. Specifically, a magnetic field in the normal direction of one surface 11 is applied to the substrate 1, the magnetic field is increased to some extent, and then returned to zero. Thereby, as shown by the arrow in FIG. 6, the ferromagnetic layer 211 included in the magnetoresistive element 2 a is magnetized in the direction from the ferromagnetic layer 213 toward the ferromagnetic layer 211, and the ferromagnetic layer 213 is magnetized in the ferromagnetic layer 211. To the ferromagnetic layer 213.
  • the ferromagnetic layer 211 provided in the magnetoresistive element 2b is magnetized in the direction from the ferromagnetic layer 211 to the ferromagnetic layer 213, and the ferromagnetic layer 213 is magnetized in the direction from the ferromagnetic layer 213 to the ferromagnetic layer 211. Is done.
  • Magnetization of the magnetoresistive element 2 will be described with reference to FIGS. 7 to 11D.
  • the magnetization curve is as shown in FIG. As shown.
  • M 1 and M 2 are the magnetization amounts of the ferromagnetic layers 211 and 213, respectively, M is the magnetization of the fixed layer 21 as a whole, and H is the strength of the magnetic field applied to the fixed layer 21.
  • the direction from the ferromagnetic layer 213 toward the ferromagnetic layer 211 and the direction from the ferromagnetic layer 211 toward the ferromagnetic layer 213 are defined as a positive direction and a negative direction, respectively.
  • the ferromagnetic layers 211 and 213 are magnetized in the negative direction and the positive direction, respectively, as shown in FIG. 8B, or the ferromagnetic layers 211, 213 as shown in FIG. 8C.
  • M
  • 0.
  • the magnetization curves are as shown in FIG. 9, and the ferromagnetic layers 211 and 213 are magnetized as shown in FIGS. 10A to 10D and FIGS. 11A to 11D.
  • M ⁇ 0 at H 0.
  • the solid line indicates the magnetization curve when the magnetic field H increases
  • the alternate long and short dash line indicates the magnetization curve when the magnetic field H decreases.
  • FIG. 10A to 10D show the magnetization directions of the ferromagnetic layers 211 and 213 when the magnetization amount of the ferromagnetic layer 211 is larger than the magnetization amount of the ferromagnetic layer 213.
  • FIG. 11A to 11D show the magnetization directions of the ferromagnetic layers 211 and 213 when the magnetization amount of the ferromagnetic layer 211 is smaller than the magnetization amount of the ferromagnetic layer 213.
  • the ferromagnetic layer 211, 213 is magnetized with the larger magnetization amount in the positive direction and the smaller magnetization amount is negative. Magnetized in the direction of.
  • M
  • the ferromagnetic layer 211, 213 is magnetized in the positive direction with the larger magnetization amount and the smaller magnetization amount. Magnetized in negative direction.
  • M
  • the layer having a large magnetization is magnetized in the same direction as the external magnetic field applied at the time of magnetization.
  • the layer having a small magnetization is magnetized in the opposite direction to the layer having a large magnetization by antiferromagnetic coupling.
  • the ferromagnetic layers 211 of the magnetoresistive elements 2a and 2b are magnetized in opposite directions by one magnetization.
  • the magnetic field H is made larger than Hs 1 and then returned to 0, thereby magnetizing the ferromagnetic layers 211 and 213 included in the magnetoresistive element 2a in the positive direction and the negative direction, respectively.
  • the ferromagnetic layers 211 and 213 included in 2b are magnetized in a negative direction and a positive direction, respectively.
  • the magnetoresistive element 2a can be magnetized once.
  • 2b can be magnetized in opposite directions. Therefore, in a magnetic sensor in which a plurality of magnetoresistive elements having perpendicular magnetic anisotropy are formed in the same chip and the fixed layers provided in each magnetoresistive element are magnetized in opposite directions, the manufacturing process is simplified. Can do. Thereby, the time required for manufacturing the magnetic sensor can be shortened, and the manufacturing cost can be reduced.
  • the ferromagnetic layers 211 and 213 of the magnetoresistive elements 2a and 2b are made of the same material, and the magnetization amounts per unit volume are equal to each other. Therefore, the magnetization direction of the ferromagnetic layer 211 can be controlled by controlling the area of the top surface of the ferromagnetic layer 211, the area of the bottom surface of the ferromagnetic layer 213, and the film thickness of the ferromagnetic layers 211 and 213. Therefore, the manufacture of the magnetic sensor 100 is facilitated.
  • the ferromagnetic layer 211 of the magnetoresistive element 2a and the ferromagnetic layer 211 of the magnetoresistive element 2b simultaneously. It is also desirable to form the ferromagnetic layer 213 of the magnetoresistive element 2a and the ferromagnetic layer 213 of the magnetoresistive element 2b at the same time. By simultaneously forming these layers, the ferromagnetic layers 211 and 213 can be made to have the same film thickness in the magnetoresistive element 2a and the magnetoresistive element 2b, thereby suppressing variations in elements and reducing measurement errors. can do.
  • the magnetic sensor 100 of this embodiment includes four magnetoresistive elements 2a and 2b.
  • the four magnetoresistive elements 2a are referred to as magnetoresistive elements 2a1, 2a2, 2a3, and 2a4, respectively, and the four magnetoresistive elements 2b are referred to as magnetoresistive elements 2b1, 2b2, 2b3, and 2b4, respectively.
  • the four magnetoresistive elements 2a and the four magnetoresistive elements 2b are electrically connected by the wiring 3 to form a Wheatstone bridge (full bridge) circuit shown in FIG. In FIG. 12, the protective film 7 is not shown.
  • two magnetoresistive elements 2a and two magnetoresistive elements 2b are connected in series between a positive electrode and a negative electrode (ground) of a power source (not shown) so that the magnetoresistive element 2a is on the positive electrode side. . Further, between the positive electrode and the negative electrode of the power source, the other two magnetoresistive elements 2a and the other two magnetoresistive elements 2b are connected to the magnetoresistive element 2b in parallel with these magnetoresistive elements. Are arranged so as to be on the positive electrode side.
  • the cap layer 24 of the magnetoresistive elements 2a1 and 2b1 is connected to the positive electrode of the power source (not shown) via the upper wiring layer 32.
  • the ferromagnetic layers 213 of the magnetoresistive elements 2a1 and 2b1 are connected to the ferromagnetic layers 213 of the magnetoresistive elements 2a2 and 2b2 via the lower wiring layer 31, respectively.
  • the cap layers 24 of the magnetoresistive elements 2a2 and 2b2 are connected to the cap layers 24 of the magnetoresistive elements 2b3 and 2a3 via the upper wiring layer 32, respectively.
  • the ferromagnetic layers 213 of the magnetoresistive elements 2b3 and 2a3 are connected to the ferromagnetic layers 213 of the magnetoresistive elements 2b4 and 2a4 via the lower wiring layer 31, respectively.
  • the cap layers 24 of the magnetoresistive elements 2b4 and 2a4 are connected to the negative electrode of a power source (not shown) via the upper wiring layer 32, respectively.
  • the magnetic sensor 100 of the present embodiment includes four pads 4. Two of the four pads 4 are used to connect the bridge circuit to a power source (not shown).
  • the upper wiring layer 32 is connected to the magnetoresistive elements 2a1 and 2b1, and the magnetoresistive elements 2a4 and 2b4. It is formed on the upper surface of the portion connected to.
  • the other two pads 4 are used to measure the potential difference between the connection point of the magnetoresistive elements 2a2, 2b3 and the connection point of the magnetoresistive elements 2b2, 2a3.
  • the two pads 4 are formed on the upper wiring layer 32 on the upper surface of the portion connected to the magnetoresistive elements 2a2, 2b3 and the portion connected to the magnetoresistive elements 2b2, 2a3.
  • the lower wiring layer 31 having the shape shown in FIG. 12 and each magnetoresistive element 2 are formed in the same manner as in the steps shown in FIGS. 4A to 4K.
  • a resist 84 having a shape corresponding to the upper wiring layer 32 shown in FIG. 12 is formed, and the upper wiring layer 32 is formed on the surfaces of the cap layer 24, the sidewall protective film 6 and the resist 84.
  • the resist 84 is peeled off, the upper wiring layer 32 formed on the upper portion of the resist 84 is removed by lift-off, the Wheatstone bridge circuit is formed, the pad 4 and the protective film 7 are formed, and the steps shown in FIG. Similarly, magnetization is performed.
  • the resistance value of the magnetoresistive element 2 varies depending on the magnetization direction of the ferromagnetic layer 211 in contact with the intermediate layer 22. Therefore, the output characteristic of the resistance value of the magnetoresistive element 2 is reversed by reversing the magnetization direction of the ferromagnetic layer 211. Therefore, by detecting the magnetic field based on the difference between the potential V01 at the connection point between the magnetoresistive element 2a2 and the magnetoresistive element 2b3 and the potential V02 at the connection point between the magnetoresistive element 2b2 and the magnetoresistive element 2a3, for example, The influence of disturbances such as temperature changes is reduced.
  • the magnetoresistive elements 2a and 2b can reverse the magnitude relationship between the magnetization amounts of the ferromagnetic layers 211 and 213, so that the first As in the first embodiment, the manufacturing process of the magnetic sensor 100 can be simplified.
  • the ferromagnetic layer 211 is an etching stop layer. That is, in the etching using the resist 83, the etching is stopped when an element constituting the ferromagnetic layer 211 is detected in the atmosphere, and the cap layer 24, the free layer 23, the intermediate layer 22, and the ferromagnetic layer are stopped. Part of 211 is removed. As a result, the ferromagnetic layer 211 has a stepped columnar shape in which the area of the bottom surface is larger than the area of the top surface.
  • the thickness of the ferromagnetic layer disposed on both sides of the nonmagnetic layer is larger than that of the nonmagnetic layer. Therefore, by using the ferromagnetic layer 211 as an etching stop layer, the etching depth can be easily controlled and the magnetic sensor 100 can be easily manufactured.
  • the ferromagnetic layer 213 is an etching stop layer. That is, in the etching using the resist 83, the etching is stopped when an element constituting the ferromagnetic layer 213 is detected in the atmosphere, and the cap layer 24, the free layer 23, the intermediate layer 22, and the ferromagnetic layer are stopped. 211, the nonmagnetic layer 212, and a part of the ferromagnetic layer 213 are removed. Thereby, the ferromagnetic layer 213 has a stepped columnar shape in which the area of the bottom surface is larger than the area of the top surface.
  • the etching depth can be easily controlled and the magnetic sensor 100 can be easily manufactured as in the third embodiment.
  • the ferromagnetic layers 211 and 213 may be configured differently from the first to fourth embodiments.
  • the ferromagnetic layer 211 and the ferromagnetic layer 213 may be made of different materials, and Ms A1 ⁇ Ms A2 or Ms B1 ⁇ Ms B2 .
  • S A1 ⁇ S B1 may be set.
  • t A1 ⁇ t B1 or t A2 ⁇ t B2 may be satisfied.
  • the free layer 23 has an easy axis of magnetization parallel to the surface 11. May not have an easy axis of magnetization parallel to the surface 11.
  • the free layer 23 may have an easy axis that is perpendicular to the surface 11.
  • the magnetic sensor 100 may include only one magnetoresistive element 2a, or may include only one magnetoresistive element 2b. Further, the upper surface of each layer constituting the magnetoresistive element 2 may not be circular.
  • a Wheatstone bridge circuit may be configured by two magnetoresistive elements 2a and two magnetoresistive elements 2b. Further, only the magnetoresistive elements 2a and 2b constituting the half bridge circuit may be formed on the substrate 1.
  • the easy axis of magnetization of the fixed layer 21 does not need to be completely perpendicular to the surface 11 and may be substantially perpendicular to the surface 11.

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Abstract

第１磁気抵抗素子（２ａ）および第２磁気抵抗素子（２ｂ）は、それぞれ、一面（１１）に垂直な磁化容易軸を有し、磁化方向が固定された固定層（２１）と、磁化方向が可変とされた自由層（２３）と、非磁性体で構成された中間層（２２）と、を備える。固定層（２１）は、第１強磁性層（２１１）と、第２強磁性層（２１３）と、第１強磁性層（２１１）と第２強磁性層（２１３）との間に配置された非磁性層（２１２）と、を備える。第１磁気抵抗素子（２ａ）が備える第１強磁性層（２１１）の磁化量は、第１磁気抵抗素子（２ａ）が備える第２強磁性層（２１３）の磁化量よりも大きく、第２磁気抵抗素子（２ｂ）が備える第１強磁性層（２１１）の磁化量は、第２磁気抵抗素子（２ｂ）が備える第２強磁性層（２１３）の磁化量よりも小さい。

Description

磁気センサおよびその製造方法 関連出願への相互参照
　本出願は、２０１６年１０月２６日に出願された日本特許出願番号２０１６－２０９８５４号に基づくもので、ここにその記載内容が参照により組み入れられる。
　本開示は、磁気センサおよびその製造方法に関するものである。
　近年、磁気抵抗素子を備え、磁場強度に応じて出力が変化する磁気センサが提案されている。磁気抵抗素子は、磁化方向が固定された固定層と、磁化方向が可変とされた自由層と、固定層と自由層との間に配置された非磁性体で構成される中間層とを備えており、固定層の磁化方向と自由層の磁化方向との間の角度によって抵抗値が変化するものである。
　このような磁気センサでは、固定層が互いに逆の向きに磁化された複数の磁気抵抗素子を組み合わせてブリッジ回路を形成することにより、温度変化をキャンセルし、精度を向上させることができる。従って、同一チップ内に固定層が互いに逆の向きに磁化された複数の磁気抵抗素子を形成する技術が求められている。
　しかしながら、通常、固定層の磁化方向は、チップ全体の磁場中熱処理によってのみ決定されるため、同一チップ内で同じとなる。したがって、固定層が互いに逆の向きに磁化された複数の磁気抵抗素子を備える磁気センサを製造するためには、例えば、別々に製造された複数の磁気抵抗素子を組み合わせて配置する必要があり、磁気センサの製造工程が複雑になる。
　また、例えば特許文献１では、固定層の下に設けた配線に電流を流し、これにより発生した磁場を用いて、面内方向に磁気異方性を有する固定層を着磁し、磁気抵抗素子の磁化方向をチップ上で制御する方法が提案されている。
特開２０１２－１７９９０号公報
　しかしながら、特許文献１に記載の方法では、固定層に面内方向の磁場が印加される。そのため、垂直磁気異方性を有する複数の磁気抵抗素子が同一チップ内に形成された磁気センサにおいて、複数の磁気抵抗素子を着磁し、各磁気抵抗素子が備える固定層を互いに逆の向きに磁化することはできない。
　なお、ブリッジ回路を形成しない場合であっても、固定層が互いに逆の向きに磁化された複数の磁気抵抗素子を同一チップ内に備える磁気センサを製造する際に、別々に製造された複数の磁気抵抗素子を組み合わせて配置すると、磁気センサの製造工程が複雑になる。
　本開示は上記点に鑑みて、垂直磁気異方性を有する複数の磁気抵抗素子が同一チップ内に形成され、各磁気抵抗素子が備える固定層が互いに逆の向きに磁化された磁気センサにおいて、製造工程を簡略化することを目的とする。
　上記目的を達成するため、本開示の１つの観点によれば、磁気センサであって、基板と、基板の一面に形成された第１磁気抵抗素子および第２磁気抵抗素子と、を備え、第１磁気抵抗素子および第２磁気抵抗素子は、それぞれ、一面に垂直な磁化容易軸を有し、磁化方向が固定された固定層と、磁化方向が可変とされた自由層と、非磁性体で構成され、固定層と自由層との間に配置された中間層と、を備え、固定層は、第１強磁性層と、第２強磁性層と、第１強磁性層と第２強磁性層との間に配置された非磁性層と、を備え、第１磁気抵抗素子が備える第１強磁性層の磁化量は、第１磁気抵抗素子が備える第２強磁性層の磁化量よりも大きく、第２磁気抵抗素子が備える第１強磁性層の磁化量は、第２磁気抵抗素子が備える第２強磁性層の磁化量よりも小さい。
　第１強磁性層、非磁性層、第２強磁性層が積層された反強磁性結合構造においては、第１強磁性層および第２強磁性層のうち磁化量の大きい方が、着磁時に印加される外部磁界と同じ向きに磁化される。そして、磁化量の小さい方は、反強磁性結合により、磁化量の大きい方とは逆の向きに磁化される。
　そのため、上記のように２つの強磁性層の磁化量の大小関係が２つの磁気抵抗素子で逆とされた状態で、これら２つの磁気抵抗素子の固定層を同時に着磁すると、これら２つの磁気抵抗素子において、中間層と隣り合う強磁性層が逆の向きに磁化される。したがって、垂直磁気異方性を有する複数の磁気抵抗素子が同一チップ内に形成され、各磁気抵抗素子が備える固定層が互いに逆の向きに磁化された磁気センサにおいて、製造工程を簡略化することができる。
　また、これら２つの磁気抵抗素子において、中間層と隣り合う強磁性層が逆の向きに磁化されることにより、強磁性層、中間層、自由層で構成される部分の抵抗値の増減が、２つの磁気抵抗素子で逆となる。したがって、例えば、２つの第１磁気抵抗素子および２つの第２磁気抵抗素子を用いてホイートストンブリッジ回路を形成することで、出力の温度変化等をキャンセルして、測定精度を向上させることができる。
　また、別の観点によれば、磁気センサの製造方法であって、基板の一面に第１磁気抵抗素子を形成することと、一面に第２磁気抵抗素子を形成することと、を備え、第１磁気抵抗素子を形成すること、および、第２磁気抵抗素子を形成することは、それぞれ、一面に垂直な磁化容易軸を有し、第１強磁性層と、第２強磁性層と、第１強磁性層と第２強磁性層との間に配置された非磁性層とを備え、磁化方向が固定された固定層を形成することと、第１強磁性層の上面に、非磁性体で構成された中間層を形成することと、中間層の上面に、磁化方向が可変とされた自由層を形成することと、を含み、固定層を形成することでは、第１磁気抵抗素子が備える第１強磁性層の磁化量が、第１磁気抵抗素子が備える第２強磁性層の磁化量よりも大きくなり、かつ、第２磁気抵抗素子が備える第１強磁性層の磁化量が、第２磁気抵抗素子が備える第２強磁性層の磁化量よりも小さくなるように固定層を形成する。
　このように、２つの強磁性層の磁化量の大小関係が２つの磁気抵抗素子で逆になるように固定層を形成することにより、これら２つの磁気抵抗素子において、中間層と隣り合う強磁性層が逆の向きに磁化される。したがって、垂直磁気異方性を有する複数の磁気抵抗素子が同一チップ内に形成され、各磁気抵抗素子が備える固定層が互いに逆の向きに磁化された磁気センサにおいて、製造工程を簡略化することができる。
第１実施形態にかかる磁気センサの平面図である。 図１中のII－II線に沿った断面図である。 図１中のIII－III線に沿った断面図である。 磁気センサの製造工程を示す図１中のIII－III線に沿った断面図である。 図４Ａに続く磁気センサの製造工程を示す図１中のIII－III線に沿った断面図である。 図４Ｂに続く磁気センサの製造工程を示す図１中のIII－III線に沿った断面図である。 図４Ｃに続く磁気センサの製造工程を示す図１中のIII－III線に沿った断面図である。 図４Ｄに続く磁気センサの製造工程を示す図１中のIII－III線に沿った断面図である。 図４Ｅに続く磁気センサの製造工程を示す図１中のIII－III線に沿った断面図である。 図４Ｆに続く磁気センサの製造工程を示す図１中のIII－III線に沿った断面図である。 図４Ｇに続く磁気センサの製造工程を示す図１中のIII－III線に沿った断面図である。 図４Ｈに続く磁気センサの製造工程を示す図１中のIII－III線に沿った断面図である。 図４Ｉに続く磁気センサの製造工程を示す図１中のIII－III線に沿った断面図である。 図４Ｊに続く磁気センサの製造工程を示す図１中のIII－III線に沿った断面図である。 図４Ｋに続く磁気センサの製造工程を示す図１中のIII－III線に沿った断面図である。 図４Ｌに続く磁気センサの製造工程を示す図１中のIII－III線に沿った断面図である。 図４Ｍに続く磁気センサの製造工程を示す図１中のIII－III線に沿った断面図である。 磁気センサの製造工程を示す図１中のII－II線に沿った断面図である。 図５Ａに続く磁気センサの製造工程を示す図１中のII－II線に沿った断面図である。 磁気センサの製造工程を示す図１中のIII－III線に沿った断面図である。 一方の強磁性層と他方の強磁性層とで磁化量が等しいときの外部磁場と固定層の磁化との関係を示すグラフである。 一方の強磁性層と他方の強磁性層とで磁化量が等しいときの磁化の向きを示す断面図である。 一方の強磁性層と他方の強磁性層とで磁化量が等しいときの磁化の向きを示す断面図である。 一方の強磁性層と他方の強磁性層とで磁化量が等しいときの磁化の向きを示す断面図である。 一方の強磁性層と他方の強磁性層とで磁化量が等しいときの磁化の向きを示す断面図である。 一方の強磁性層と他方の強磁性層とで磁化量が異なるときの外部磁場と固定層の磁化との関係を示すグラフである。 一方の強磁性層と他方の強磁性層とで磁化量が異なるときの磁化の向きを示す断面図である。 一方の強磁性層と他方の強磁性層とで磁化量が異なるときの磁化の向きを示す断面図である。 一方の強磁性層と他方の強磁性層とで磁化量が異なるときの磁化の向きを示す断面図である。 一方の強磁性層と他方の強磁性層とで磁化量が異なるときの磁化の向きを示す断面図である。 一方の強磁性層と他方の強磁性層とで磁化量が異なるときの磁化の向きを示す断面図である。 一方の強磁性層と他方の強磁性層とで磁化量が異なるときの磁化の向きを示す断面図である。 一方の強磁性層と他方の強磁性層とで磁化量が異なるときの磁化の向きを示す断面図である。 一方の強磁性層と他方の強磁性層とで磁化量が異なるときの磁化の向きを示す断面図である。 第２実施形態にかかる磁気センサの平面図である。 第２実施形態にかかる磁気センサの回路図である。 図１２のXIV－XIV断面図である。 磁気センサの製造工程を示す断面図である。 第３実施形態にかかる磁気センサの断面図である。 第４実施形態にかかる磁気センサの断面図である。
　以下、本開示の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。
　（第１実施形態）
　第１実施形態について説明する。図１に示すように、本実施形態の磁気センサ１００は、基板１と、磁気抵抗素子２と、配線３と、パッド４とを備えている。なお、図１では、後述する保護膜７の図示を省略している。
　基板１は、シリコン等で構成されており、基板１の一面１１には、複数の磁気抵抗素子２が形成されている。後述するように、磁気抵抗素子２は、強磁性層２１１などを有する固定層２１を備えており、磁気センサ１００は、強磁性層２１１が一面１１の法線方向における一方の向きに磁化された磁気抵抗素子２ａと、他方の向きに磁化された磁気抵抗素子２ｂとを備えている。磁気抵抗素子２ａ、２ｂはそれぞれ第１磁気抵抗素子、第２磁気抵抗素子に相当する。
　本実施形態の磁気センサ１００は、磁気抵抗素子２ａ、２ｂをそれぞれ２つ備えており、パッド４を４つ備えている。そして、２つの磁気抵抗素子２ａは配線３を介してパッド４に接続されている。
　具体的には、図２に示すように、磁気センサ１００は、基板１等に加えて、絶縁膜５と、側壁保護膜６と、保護膜７とを備えており、配線３は、下部配線層３１と、上部配線層３２とを備えている。
　絶縁膜５は、基板１と下部配線層３１とを電気的に絶縁するためのものであり、一面１１に形成されている。絶縁膜５は、例えばＳｉＯ２等で構成されている。絶縁膜５の上面には下部配線層３１が形成されており、２つの磁気抵抗素子２ａは、下部配線層３１の上面に互いに離された状態で配置されている。下部配線層３１は、例えばＣｕ、Ａｕ等で構成されている。
　側壁保護膜６は、例えばＡｌ２Ｏ３等で構成されており、絶縁膜５、下部配線層３１、および磁気抵抗素子２ａを覆うように形成されている。ただし、磁気抵抗素子２ａの上面は側壁保護膜６に覆われておらず、磁気抵抗素子２ａの上面と側壁保護膜６の上面とに上部配線層３２が形成されている。上部配線層３２は、例えばＣｕ、Ａｕ等で構成されている。
　上部配線層３２の上面にはパッド４が形成されており、一方の磁気抵抗素子２ａは、上部配線層３２を介して４つのパッド４のうちの１つに接続されており、他方の磁気抵抗素子２ａは、上部配線層３２を介して他の１つのパッド４に接続されている。なお、２つの磁気抵抗素子２ｂも、同様に配線３を介してパッド４に接続されている。
　保護膜７は、側壁保護膜６と、上部配線層３２と、パッド４の表面に形成されている。ただし、パッド４の上部においては保護膜７の一部が除去されて開口部７１が形成されており、パッド４が露出している。
　４つの磁気抵抗素子２は、配線３、パッド４、および、パッド４に接続された図示しないボンディングワイヤ等を介して、図示しない電源等に接続されている。
　磁気抵抗素子２の詳細について説明する。図２、図３に示すように、磁気抵抗素子２は、固定層２１と、中間層２２と、自由層２３と、キャップ層２４とを備えており、これらの層は、下部配線層３１の上面に順に積層されている。
　固定層２１は、一面１１に垂直な磁化容易軸を有しており、磁化方向が固定されている。具体的には、固定層２１は、強磁性層２１１と、非磁性層２１２と、強磁性層２１３とを備えており、これらの層は、下部配線層３１の上に、強磁性層２１３、非磁性層２１２、強磁性層２１１の順に積層されている。強磁性層２１１、２１３は、それぞれ、第１強磁性層、第２強磁性層に相当する。
　強磁性層２１１は、一面１１に垂直な方向に磁化方向が固定された強磁性体膜である。図３の矢印で示すように、磁気抵抗素子２ａが備える強磁性層２１１の磁化の向きは、磁気抵抗素子２ｂが備える強磁性層２１１の磁化の向きと逆とされている。本実施形態では、磁気抵抗素子２ａ、２ｂが備える強磁性層２１１は、それぞれ、強磁性層２１３から強磁性層２１１に向かう向き（図３中紙面上向き）、強磁性層２１１から強磁性層２１３に向かう向き（図３中紙面下向き）に磁化されている。
　強磁性層２１１は、例えば、Ｃｏ／Ｐｔ多層膜、Ｃｏ／Ｐｄ多層膜で構成されている。なお、強磁性層２１１を、ＣｏＣｒ合金にＰｔ、Ｔａ、Ｂ、Ｎｂなどを添加した薄膜、または、組成の異なる磁性膜の積層構造の薄膜で構成してもよい。また、強磁性層２１１を、Ｃｏ／Ｐｔ（またはＰｄ）多層膜とＣｏ－Ｘａ／（ＰｔまたはＰｄ）多層膜層（ＸａはＣｒ、Ｂ、Ｔａ、Ｍｎ、Ｖ）の積層磁性膜で構成してもよい。また、強磁性層２１１を、Ｃｏ／（ＰｔまたはＰｄ）多層膜とＣｏ／｛（Ｐｔ－Ｙａ）または（Ｐｄ－Ｙａ）｝多層膜層（ＹａはＢ、Ｔａ、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｉｒ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｎｂ）の積層磁性膜で構成してもよい。また、強磁性層２１１を、ＣｏＣｒ合金膜とＣｏ／（ＰｔまたはＰｄ）多層膜の積層磁性膜、ＦｅＰｔ合金、ＣｏＰｔ合金、ＣｏＦｅＢ薄膜などで構成してもよい。
　非磁性層２１２は、Ｒｕ等の非磁性体によって形成された薄膜である。
　強磁性層２１３は、一面１１に垂直な方向に磁化方向が固定された強磁性体膜であり、強磁性層２１１と逆の向きに磁化されている。すなわち、図３の矢印で示すように、磁気抵抗素子２ａが備える強磁性層２１３の磁化の向きは、磁気抵抗素子２ｂが備える強磁性層２１３の磁化の向きと逆とされている。本実施形態では、磁気抵抗素子２ａ、２ｂが備える強磁性層２１３は、それぞれ図３中紙面下向き、図３中紙面上向きに磁化されている。このように、固定層２１は、互いの磁化方向が反平行となる強磁性層２１１と強磁性層２１３との間に非磁性層２１２を介在させた、いわゆる反強磁性結合構造を有している。強磁性層２１３は、例えば強磁性層２１１と同様の材料で構成される。
　磁気抵抗素子２ａが備える強磁性層２１１の磁化量は、磁気抵抗素子２ａが備える強磁性層２１３の磁化量よりも大きくされており、磁気抵抗素子２ｂが備える強磁性層２１１の磁化量は、磁気抵抗素子２ｂが備える強磁性層２１３の磁化量よりも小さくされている。すなわち、磁気抵抗素子２ａが備える強磁性層２１１、２１３の磁化量をそれぞれＭＡ１、ＭＡ２とし、磁気抵抗素子２ｂが備える強磁性層２１１、２１３の磁化量をそれぞれＭＢ１、ＭＢ２とすると、ＭＡ２＜ＭＡ１、ＭＢ１＜ＭＢ２とされている。
　磁化量は単位体積当たりの磁化量と体積との積で表される。したがって、ＭＡ１＝ＭｓＡ１×ＶＡ１、ＭＡ２＝ＭｓＡ２×ＶＡ２、ＭＢ１＝ＭｓＢ１×ＶＢ１、ＭＢ２＝ＭｓＢ２×ＶＢ２となる。なお、ＭｓＡ１、ＭｓＡ２は、それぞれ、磁気抵抗素子２ａが備える強磁性層２１１、２１３の単位体積当たりの磁化量であり、ＶＡ１、ＶＡ２は、それぞれ、磁気抵抗素子２ａが備える強磁性層２１１、２１３の体積である。また、ＭｓＢ１、ＭｓＢ２は、それぞれ、磁気抵抗素子２ｂが備える強磁性層２１１、２１３の単位体積当たりの磁化量であり、ＶＢ１、ＶＢ２は、それぞれ、磁気抵抗素子２ｂが備える強磁性層２１１、２１３の体積である。
　本実施形態では、磁気抵抗素子２ａが備える強磁性層２１１、２１３、磁気抵抗素子２ｂが備える強磁性層２１１、２１３を同一の材料で構成することにより、ＭｓＡ１＝ＭｓＡ２＝ＭｓＢ１＝ＭｓＢ２とされている。そして、ＶＡ２＜ＶＡ１、ＶＢ１＜ＶＢ２とすることにより、ＭＡ２＜ＭＡ１、ＭＢ１＜ＭＢ２とされている。
　また、本実施形態では、強磁性層２１１、２１３が円柱状とされている。すなわち、ＶＡ１＝ＳＡ１×ｔＡ１、ＶＡ２＝ＳＡ２×ｔＡ２、ＶＢ１＝ＳＢ１×ｔＢ１、ＶＢ２＝ＳＢ２×ｔＢ２とされている。なお、ＳＡ１、ＳＡ２は、それぞれ、磁気抵抗素子２ａが備える強磁性層２１１の上面の面積、強磁性層２１３の底面の面積であり、ＳＢ１、ＳＢ２は、それぞれ、磁気抵抗素子２ｂが備える強磁性層２１１の上面の面積、強磁性層２１３の底面の面積である。また、ｔＡ１、ｔＡ２は、それぞれ、磁気抵抗素子２ａが備える強磁性層２１１、２１３の膜厚であり、ｔＢ１、ｔＢ２は、それぞれ、磁気抵抗素子２ｂが備える強磁性層２１１、２１３の膜厚である。
　また、本実施形態では、ｒＡ１＜ｒＡ２、ｒＢ１＜ｒＢ２とされている。すなわち、ＳＡ１＜ＳＡ２、ＳＢ１＜ＳＢ２とされている。なお、ｒＡ１、ｒＡ２は、それぞれ、磁気抵抗素子２ａが備える強磁性層２１１の上面の半径、強磁性層２１３の底面の半径であり、ｒＢ１、ｒＢ２は、それぞれ、磁気抵抗素子２ｂが備える強磁性層２１１の上面の半径、強磁性層２１３の底面の半径である。
　また、本実施形態では、ｒＡ１＝ｒＢ１、ｔＡ１＝ｔＢ１とされている。すなわち、ＳＡ２×ｔＡ２＜ＳＡ１×ｔＡ１＝ＳＢ１×ｔＢ１＜ＳＢ２×ｔＢ２とされている。さらに、本実施形態では、ｔＡ２＝ｔＢ２とされており、ＳＡ２＜ＳＢ２、すなわち、ｒＡ２＜ｒＢ２となるように、ｒＡ２、ｒＢ２が設定されている。
　また、本実施形態では、磁気抵抗素子２ａが備える非磁性層２１２は、上面が半径ｒＡ１の円形状とされ、底面が半径ｒＡ２の円形状とされた段付き円柱状とされている。また、磁気抵抗素子２ｂが備える非磁性層２１２は、上面が半径ｒＢ１の円形状とされ、底面が半径ｒＢ２の円形状とされた段付き円柱状とされている。
　中間層２２は、固定層２１の上面に形成されている。中間層２２は、非磁性体で構成されており、例えば、ＭｇＯ、ＡｌＯ等の絶縁体によって形成され得る。この場合、磁気センサ１は、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Tunneling Magneto Resistance）素子としての構成を有している。あるいは、中間層２２は、例えば、Ｃｕ、Ａｇ等の導電体によって形成され得る。この場合、磁気センサ１は、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Giant Magneto Resistance）素子としての構成を有している。また、中間層２２を半導体によって形成してもよい。
　自由層２３は、中間層２２の上面に形成されている。自由層２３は、磁化方向が可変とされており、本実施形態では、一面１１に平行な磁化容易軸を有する。このように、自由層２３が面内磁気異方性を有する構成では、磁化困難軸方向である一面１１に垂直な方向の外部磁界の検出に際して、自由層２３の磁化反転が緩やかであるため、広い磁界範囲での磁界強度の検出が可能となる。
　自由層２３は、例えば、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちの少なくとも一つとＢとを含有するアモルファス状態の合金等を用いて形成することが可能である。キャップ層２４は、自由層２３を保護するためのものであり、Ｔａ、Ｒｕ等で構成されている。
　中間層２２、自由層２３、キャップ層２４の上面は、円形状とされており、半径が強磁性層２１１の上面の半径と等しくされている。すなわち、磁気抵抗素子２ａが備える中間層２２、自由層２３、キャップ層２４の上面の半径はｒＡ１とされており、磁気抵抗素子２ｂが備える中間層２２、自由層２３、キャップ層２４の上面の半径はｒＢ１とされている。
　磁気センサ１００の製造方法について説明する。磁気センサ１００は、図４Ａ～図６に示す工程を行うことによって製造される。
　図４Ａに示す工程では、基板１の一面１１に、絶縁膜５と、下部配線層３１と、固定層２１の強磁性層２１３、非磁性層２１２、強磁性層２１１と、中間層２２と、自由層２３と、キャップ層２４とを順に成膜する。そして、キャップ層２４の上面に、フォトリソグラフィにより、レジスト８１を形成する。レジスト８１は、図１に示す下部配線層３１の上面形状に対応する形状とされている。
　図４Ｂに示す工程では、レジスト８１をマスクとして用いたエッチングにより、下部配線層３１、固定層２１、中間層２２、自由層２３、キャップ層２４の一部を除去し、下部配線層３１を図１に示す形状とする。そして、エッチングにより露出した絶縁膜５と、下部配線層３１、固定層２１、中間層２２、自由層２３、キャップ層２４、レジスト８１とを覆うように、スパッタリング、ＣＶＤ等を用いて側壁保護膜６を形成する。
　図４Ｃに示す工程では、レジスト８１を剥離し、レジスト８１の上部に形成された側壁保護膜６をリフトオフによって除去する。
　図４Ｄに示す工程では、フォトリソグラフィを行い、キャップ層２４の上面にレジスト８２を成膜する。レジスト８２は、磁気抵抗素子２ａ、２ｂの強磁性層２１３に対応する形状に形成される。具体的には、レジスト８２のうち磁気抵抗素子２ａに対応する部分の上面は半径ｒＡ２の円形状とされ、磁気抵抗素子２ｂに対応する部分の上面は半径ｒＢ２の円形状とされる。
　図４Ｅに示す工程では、例えばイオンミリング等のエッチングを用いて、固定層２１からキャップ層２４までの各層のうち、レジスト８２で覆われていない部分を除去する。これにより、磁気抵抗素子２ａに対応する部分の固定層２１からキャップ層２４は上面の半径がｒＡ２の円柱状となり、磁気抵抗素子２ｂに対応する部分の固定層２１からキャップ層２４は上面の半径がｒＢ２の円柱状となる。
　図４Ｆに示す工程では、絶縁膜５、下部配線層３１、固定層２１、中間層２２、自由層２３、キャップ層２４、レジスト８２の表面を覆うように、スパッタリング、ＣＶＤ等を用いて側壁保護膜６を形成する。
　図４Ｇに示す工程では、レジスト８２を剥離し、側壁保護膜６のうちレジスト８２の上部に形成された部分をリフトオフによって除去する。
　図４Ｈに示す工程では、フォトリソグラフィを行い、キャップ層２４の上面にレジスト８３を成膜する。レジスト８３は、磁気抵抗素子２ａ、２ｂの強磁性層２１１に対応する形状に形成される。具体的には、レジスト８３のうち磁気抵抗素子２ａに対応する部分の上面は半径ｒＡ１の円形状とされ、磁気抵抗素子２ｂに対応する部分の上面は半径ｒＢ１の円形状とされる。
　図４Ｉに示す工程では、エッチングを用いて、レジスト８３で覆われていない部分について、少なくともキャップ層２４と、自由層２３と、中間層２２と、強磁性層２１１の一部とを除去する。本実施形態では、雰囲気中に含まれる元素を分析しながらエッチングを行い、非磁性層２１２を構成する元素が検出されたときにエッチングを停止して、キャップ層２４と、自由層２３と、中間層２２と、強磁性層２１１と、非磁性層２１２の一部とを除去する。
　これにより、磁気抵抗素子２ａおよび磁気抵抗素子２ｂが形成される。そして、磁気抵抗素子２ａにおいて、強磁性層２１１、中間層２２、自由層２３、キャップ層２４の上面が半径ｒＡ１の円形状とされる。また、磁気抵抗素子２ａにおいて、非磁性層２１２は、上面の半径がｒＡ１、底面の半径がｒＡ２の段付き円柱状とされ、強磁性層２１３は、底面が半径ｒＡ２の円形状とされる。また、磁気抵抗素子２ｂにおいて、強磁性層２１１、中間層２２、自由層２３、キャップ層２４の上面が半径ｒＢ１の円形状とされる。また、磁気抵抗素子２ｂにおいて、非磁性層２１２は、上面の半径がｒＢ１、底面の半径がｒＢ２の段付き円柱状とされ、強磁性層２１３は、底面が半径ｒＢ２の円形状とされる。
　図４Ｊに示す工程では、絶縁膜５、下部配線層３１、磁気抵抗素子２ａ、２ｂ、レジスト８３の表面を覆うように、スパッタリング、ＣＶＤ等を用いて側壁保護膜６を形成する。
　図４Ｋに示す工程では、レジスト８３を剥離し、側壁保護膜６のうちレジスト８３の上部に形成された部分をリフトオフによって除去する。
　図４Ｌ、図５Ａに示す工程では、フォトリソグラフィを行い、側壁保護膜６の上面にレジスト８４を形成する。レジスト８４には、図１に示す上部配線層３２の上面形状に対応する開口部が設けられている。レジスト８４を形成した後、キャップ層２４、側壁保護膜６、レジスト８４の表面に、上部配線層３２を形成する。
　図４Ｍ、図５Ｂに示す工程では、レジスト８４を剥離し、上部配線層３２のうちレジスト８４の上部に形成された部分をリフトオフによって除去する。
　図４Ｎに示す工程では、フォトリソグラフィを用いて上部配線層３２の一部を露出させる図示しないマスクを形成し、このマスクおよび上部配線層３２の表面にパッド４を形成する。その後、マスクを剥離し、マスクの上部に形成されたパッド４をリフトオフによって除去する。また、上部配線層３２、パッド４、側壁保護膜６の表面に保護膜７を形成し、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、パッド４の上部に形成された保護膜７を除去し、開口部７１を形成して、パッド４を露出させる。これにより、図１中のII－II線に沿った断面図は図２のようになる。
　図６に示す工程では、磁気抵抗素子２ａ、２ｂの着磁を行う。具体的には、基板１に一面１１の法線方向の磁場を印加し、磁場をある程度大きくした後、０に戻す。これにより、図６の矢印で示すように、磁気抵抗素子２ａが備える強磁性層２１１は、強磁性層２１３から強磁性層２１１に向かう向きに磁化され、強磁性層２１３は、強磁性層２１１から強磁性層２１３に向かう向きに磁化される。また、磁気抵抗素子２ｂが備える強磁性層２１１は、強磁性層２１１から強磁性層２１３に向かう向きに磁化され、強磁性層２１３は、強磁性層２１３から強磁性層２１１に向かう向きに磁化される。
　磁気抵抗素子２の着磁について、図７～図１１Ｄを参照して説明する。磁化量が互いに等しい強磁性層２１１および強磁性層２１３と、これらの強磁性層の間に配置された非磁性層２１２とを備える固定層２１に磁場を印加した場合、磁化曲線は図７に示すようになる。
　すなわち、Ｈ＜－Ｈｓのとき、図８Ａに示すように強磁性層２１１、２１３は共に負の向きに磁化され、磁場Ｈが－Ｈｓよりもある程度小さいときには、Ｍ＝－｜Ｍ１＋Ｍ２｜となる。なお、Ｍ１、Ｍ２はそれぞれ強磁性層２１１、２１３の磁化量であり、Ｍは固定層２１の全体としての磁化であり、Ｈは固定層２１に印加される磁場の強さである。また、磁化および磁場の向きについて、強磁性層２１３から強磁性層２１１に向かう向き、強磁性層２１１から強磁性層２１３に向かう向きをそれぞれ正の向き、負の向きとする。
　また、－Ｈｓ≦Ｈ＜Ｈｓのとき、図８Ｂに示すように強磁性層２１１、２１３がそれぞれ負の向き、正の向きに磁化され、あるいは、図８Ｃに示すように強磁性層２１１、２１３がそれぞれ正の向き、負の向きに磁化され、Ｍ＝｜Ｍ１－Ｍ２｜＝０となる。
　また、Ｈｓ≦Ｈのとき、図８Ｄに示すように強磁性層２１１、２１３が共に正の向きに磁化され、磁場ＨがＨｓよりもある程度大きいときには、Ｍ＝｜Ｍ１＋Ｍ２｜となる。
　このように、強磁性層２１１、２１３の磁化量が互いに等しい場合、Ｈ＝０においてＭ＝０となる。一方、強磁性層２１１、２１３の磁化量が互いに異なる場合、磁化曲線は図９に示すようになり、強磁性層２１１、２１３は図１０Ａ～図１０Ｄ、図１１Ａ～図１１Ｄに示すように磁化され、Ｈ＝０においてＭ≠０となる。なお、図９において、実線は磁場Ｈが増加するときの磁化曲線を示し、一点鎖線は磁場Ｈが減少するときの磁化曲線を示す。また、図１０Ａ～図１０Ｄは強磁性層２１１の磁化量が強磁性層２１３の磁化量よりも大きい場合の強磁性層２１１、２１３の磁化の向きを示す。また、図１１Ａ～図１１Ｄは強磁性層２１１の磁化量が強磁性層２１３の磁化量よりも小さい場合の強磁性層２１１、２１３の磁化の向きを示す。
　すなわち、磁場Ｈが増加していくと、Ｈ＜－Ｈｓ２のとき、図１０Ａ、図１１Ａに示すように強磁性層２１１、２１３は共に負の向きに磁化され、磁場Ｈが－Ｈｓ２よりもある程度小さいときには、Ｍ＝－｜Ｍ１＋Ｍ２｜となる。
　また、－Ｈｓ２≦Ｈ＜Ｈｓ１のとき、図１０Ｂ、図１１Ｂに示すように、強磁性層２１１、２１３のうち磁化量の大きい方が負の向きに磁化され、磁化量の小さい方が正の向きに磁化される。そして、磁場Ｈが－Ｈｓ２よりもある程度大きく、Ｈｓ１よりもある程度小さいときには、Ｍ＝－｜Ｍ１－Ｍ２｜となる。
　また、Ｈｓ１≦Ｈ＜Ｈｓ３のとき、図１０Ｃ、図１１Ｃに示すように、強磁性層２１１、２１３のうち磁化量の大きい方が正の向きに磁化され、磁化量の小さい方が負の向きに磁化される。そして、磁場ＨがＨｓ１よりもある程度大きく、Ｈｓ３よりもある程度小さいときには、Ｍ＝｜Ｍ１－Ｍ２｜となる。
　また、Ｈｓ３＜Ｈのとき、図１０Ｄ、図１１Ｄに示すように強磁性層２１１、２１３は共に正の向きに磁化され、磁場ＨがＨｓ３よりもある程度大きいときには、Ｍ＝｜Ｍ１＋Ｍ２｜となる。
　一方、磁場Ｈが減少していくと、Ｈｓ２＜Ｈのとき、図１０Ｄ、図１１Ｄに示すように強磁性層２１１、２１３は共に正の向きに磁化され、磁場ＨがＨｓ２よりもある程度大きいときには、Ｍ＝｜Ｍ１＋Ｍ２｜となる。
　また、－Ｈｓ１＜Ｈ≦Ｈｓ２のとき、図１０Ｃ、図１１Ｃに示すように、強磁性層２１１、２１３のうち磁化量の大きい方が正の向きに磁化され、磁化量の小さい方が負の向きに磁化される。そして、磁場Ｈが－Ｈｓ１よりもある程度大きく、Ｈｓ２よりもある程度小さいときには、Ｍ＝｜Ｍ１－Ｍ２｜となる。
　また、－Ｈｓ３＜Ｈ≦－Ｈｓ１のとき、図１０Ｂ、図１１Ｂに示すように、強磁性層２１１、２１３のうち磁化量の大きい方が負の向きに磁化され、磁化量の小さい方が正の向きに磁化される。そして、磁場Ｈが－Ｈｓ３よりもある程度大きく、－Ｈｓ１よりもある程度小さいときには、Ｍ＝－｜Ｍ１－Ｍ２｜となる。
　また、Ｈ≦－Ｈｓ３のとき、図１０Ａ、図１１Ａに示すように強磁性層２１１、２１３は共に負の向きに磁化され、磁場Ｈが－Ｈｓ３よりもある程度小さいときには、Ｍ＝－｜Ｍ１＋Ｍ２｜となる。
　このように、反強磁性結合構造を有する固定層では、非磁性層を介して結合する２つの強磁性層のうち、磁化量の大きい層が着磁時に与えられる外部磁界と同じ向きに磁化される。そして、磁化量の小さい層は、反強磁性結合により、磁化量の大きい層とは逆の向きに磁化される。
　本実施形態では、このような磁化特性を利用して、一度の着磁によって磁気抵抗素子２ａ、２ｂの強磁性層２１１を互いに逆の向きに磁化する。具体的には、磁場ＨをＨｓ１よりも大きくした後、０に戻すことにより、磁気抵抗素子２ａが備える強磁性層２１１、２１３をそれぞれ正の向き、負の向きに磁化し、磁気抵抗素子２ｂが備える強磁性層２１１、２１３をそれぞれ負の向き、正の向きに磁化する。
　以上説明したように、本実施形態では、強磁性層２１１と強磁性層２１３の磁化量の大小関係を磁気抵抗素子２ａ、２ｂで逆にすることにより、一度の着磁で、磁気抵抗素子２ａ、２ｂが備える強磁性層２１１を互いに逆の向きに磁化することができる。したがって、垂直磁気異方性を有する複数の磁気抵抗素子が同一チップ内に形成され、各磁気抵抗素子が備える固定層が互いに逆の向きに磁化された磁気センサにおいて、製造工程を簡略化することができる。また、これにより、磁気センサの製造にかかる時間を短縮し、また、製造コストを低減することができる。
　また、本実施形態では、磁気抵抗素子２ａ、２ｂの強磁性層２１１、２１３が同じ材料で構成され、単位体積当たりの磁化量が互いに等しくされている。そのため、強磁性層２１１の上面の面積、強磁性層２１３の底面の面積、強磁性層２１１、２１３の膜厚を制御することで、強磁性層２１１の磁化の向きを制御することができる。したがって、磁気センサ１００の製造が容易になる。
　なお、磁気抵抗素子２ａの強磁性層２１１と、磁気抵抗素子２ｂの強磁性層２１１とを同時に成膜することが望ましい。また、磁気抵抗素子２ａの強磁性層２１３と、磁気抵抗素子２ｂの強磁性層２１３についても同時に成膜することが望ましい。これらの層を同時に成膜することで、磁気抵抗素子２ａと磁気抵抗素子２ｂとで強磁性層２１１、２１３を等しい膜厚とすることができるため、素子のばらつきを抑制し、測定誤差を低減することができる。
　また、磁気抵抗素子２ａと磁気抵抗素子２ｂとの抵抗値の差を小さくし、また、図４Ｉに示す工程におけるエッチングレートのばらつきを低減するために、ＳＡ１＝ＳＢ１とすることが望ましい。
　（第２実施形態）
　第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して磁気抵抗素子２の数を変更したものであり、その他については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
　本実施形態の磁気センサ１００は、磁気抵抗素子２ａ、２ｂをそれぞれ４つ備えている。４つの磁気抵抗素子２ａをそれぞれ磁気抵抗素子２ａ１、２ａ２、２ａ３、２ａ４とし、４つの磁気抵抗素子２ｂをそれぞれ磁気抵抗素子２ｂ１、２ｂ２、２ｂ３、２ｂ４とする。
　図１２に示すように、４つの磁気抵抗素子２ａおよび４つの磁気抵抗素子２ｂは、配線３によって電気的に接続され、図１３に示すホイートストンブリッジ（フルブリッジ）回路を構成している。なお、図１２では、保護膜７の図示を省略している。
　すなわち、図示しない電源の正極と負極（グランド）との間に、２つの磁気抵抗素子２ａと２つの磁気抵抗素子２ｂとが、磁気抵抗素子２ａが正極側となるように直列に接続されている。また、この電源の正極と負極との間には、これらの磁気抵抗素子と並列となるように、他の２つの磁気抵抗素子２ａと他の２つの磁気抵抗素子２ｂとが、磁気抵抗素子２ｂが正極側となるように配置されている。
　具体的には、図示しない電源の正極に、上部配線層３２を介して、磁気抵抗素子２ａ１、２ｂ１のキャップ層２４が接続されている。磁気抵抗素子２ａ１、２ｂ１の強磁性層２１３は、それぞれ、下部配線層３１を介して磁気抵抗素子２ａ２、２ｂ２の強磁性層２１３に接続されている。磁気抵抗素子２ａ２、２ｂ２のキャップ層２４は、それぞれ、上部配線層３２を介して磁気抵抗素子２ｂ３、２ａ３のキャップ層２４に接続されている。磁気抵抗素子２ｂ３、２ａ３の強磁性層２１３は、それぞれ、下部配線層３１を介して磁気抵抗素子２ｂ４、２ａ４の強磁性層２１３に接続されている。磁気抵抗素子２ｂ４、２ａ４のキャップ層２４は、それぞれ、上部配線層３２を介して図示しない電源の負極に接続されている。
　また、図１２に示すように、本実施形態の磁気センサ１００は、４つのパッド４を備えている。４つのパッド４のうちの２つは、ブリッジ回路を図示しない電源に接続するために用いられ、上部配線層３２のうち磁気抵抗素子２ａ１、２ｂ１に接続された部分と、磁気抵抗素子２ａ４、２ｂ４に接続された部分の上面に形成されている。また、他の２つのパッド４は、磁気抵抗素子２ａ２、２ｂ３の接続点と、磁気抵抗素子２ｂ２、２ａ３の接続点との電位差を測定するために用いられる。そして、この２つのパッド４は、上部配線層３２のうち磁気抵抗素子２ａ２、２ｂ３に接続された部分と、磁気抵抗素子２ｂ２、２ａ３に接続された部分の上面に形成されている。
　このような構成において、電源の正極と負極との間に所定の電圧Ｖｃｃが印加されることで、図１３、図１４の矢印で示すように電流が流れる。
　このような磁気センサ１００を製造するには、まず、図４Ａ～図４Ｋに示す工程と同様に、図１２に示す形状の下部配線層３１、および、各磁気抵抗素子２を形成する。その後、図１５に示すように、図１２に示す上部配線層３２に対応する形状のレジスト８４を形成し、キャップ層２４、側壁保護膜６、レジスト８４の表面に上部配線層３２を形成する。そして、レジスト８４を剥離し、レジスト８４の上部に形成された上部配線層３２をリフトオフによって除去し、ホイートストンブリッジ回路を形成した後、パッド４および保護膜７を形成し、図６に示す工程と同様に着磁を行う。
　磁気抵抗素子２の抵抗値は、中間層２２に接する強磁性層２１１の磁化方向により変化する。したがって、強磁性層２１１の磁化の向きを反転させることで、磁気抵抗素子２の抵抗値の出力特性が反転する。よって、磁気抵抗素子２ａ２と磁気抵抗素子２ｂ３との接続点の電位Ｖ０１と、磁気抵抗素子２ｂ２と磁気抵抗素子２ａ３との接続点の電位Ｖ０２との差に基づいて磁界検出を行うことにより、例えば温度変化などの外乱の影響が低減される。
　このように温度特性を補償するためのブリッジ回路を１チップ上に構成する場合にも、強磁性層２１１、２１３の磁化量の大小関係を磁気抵抗素子２ａ、２ｂで逆にすることで、第１実施形態と同様に、磁気センサ１００の製造工程を簡略化することができる。
　（第３実施形態）
　第３実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対してエッチングストップ層を変更したものであり、その他については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
　本実施形態では、図１６に示すように、強磁性層２１１がエッチングストップ層とされている。すなわち、レジスト８３を用いたエッチングにおいて、強磁性層２１１を構成する元素が雰囲気中に検出されたときにエッチングを停止し、キャップ層２４と、自由層２３と、中間層２２と、強磁性層２１１の一部とを除去する。これにより、強磁性層２１１は、底面の面積が上面の面積よりも大きい段付き円柱状とされている。
　一般に、反強磁性結合構造においては、非磁性層よりも、非磁性層の両側に配置された強磁性層の膜厚が大きくされている。したがって、強磁性層２１１をエッチングストップ層とすることで、エッチング深さの制御が容易になり、磁気センサ１００の製造が容易になる。
　（第４実施形態）
　第４実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対してエッチングストップ層を変更したものであり、その他については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
　本実施形態では、図１７に示すように、強磁性層２１３がエッチングストップ層とされている。すなわち、レジスト８３を用いたエッチングにおいて、強磁性層２１３を構成する元素が雰囲気中に検出されたときにエッチングを停止し、キャップ層２４と、自由層２３と、中間層２２と、強磁性層２１１と、非磁性層２１２と、強磁性層２１３の一部とを除去する。これにより、強磁性層２１３は、底面の面積が上面の面積よりも大きい段付き円柱状とされている。
　強磁性層２１３をエッチングストップ層とした本実施形態においても、第３実施形態と同様に、エッチング深さの制御が容易になり、磁気センサ１００の製造が容易になる。
　（他の実施形態）
　なお、本開示は上記した実施形態に限定されるものではなく、適宜変更が可能である。また、上記各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能である。また、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、上記各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。また、上記各実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されるものではない。
　例えば、ＭＡ２＜ＭＡ１、ＭＢ１＜ＭＢ２であれば、強磁性層２１１、２１３を上記第１～４実施形態とは異なる構成としてもよい。例えば、強磁性層２１１と強磁性層２１３とが互いに異なる材料で構成され、ＭｓＡ１≠ＭｓＡ２またはＭｓＢ１≠ＭｓＢ２とされていてもよい。また、ＭｓＡ２＜ＭｓＡ１かつＶＡ１＝ＶＡ２とされていてもよく、ＭｓＢ１＜ＭｓＢ２かつＶＢ１＝ＶＢ２とされていてもよい。また、ＳＡ１≠ＳＢ１とされていてもよい。また、ｔＡ１≠ｔＢ１、あるいは、ｔＡ２≠ｔＢ２とされていてもよい。また、ＳＡ１＝ＳＡ２、あるいは、ＳＢ１＝ＳＢ２とされていてもよい。
　また、一面１１に垂直な方向の外部磁界の検出に際して、広い磁界範囲で磁界強度を検出するためには、自由層２３が一面１１に平行な磁化容易軸を有することが望ましいが、自由層２３が一面１１に平行な磁化容易軸を有していなくてもよい。例えば、自由層２３が一面１１に垂直な磁化容易軸を有していてもよい。
　また、磁気センサ１００が磁気抵抗素子２ａを１つのみ備えていてもよいし、磁気抵抗素子２ｂを１つのみ備えていてもよい。また、磁気抵抗素子２を構成する各層の上面が円形状とされていなくてもよい。
　また、固定層２１の着磁の際、磁場Ｈを－Ｈｓ１よりも小さくした後、０に戻すことにより、磁気抵抗素子２ａが備える強磁性層２１１を負の向きに磁化し、磁気抵抗素子２ｂが備える強磁性層２１１を正の向きに磁化してもよい。また、上記第２実施形態において、２つの磁気抵抗素子２ａおよび２つの磁気抵抗素子２ｂによってホイートストンブリッジ回路を構成してもよい。また、基板１にハーフブリッジ回路を構成する磁気抵抗素子２ａ、２ｂのみが形成されていてもよい。
　また、固定層２１の磁化容易軸は一面１１に完全に垂直である必要はなく、一面１１に略垂直であってもよい。

Claims (20)

  1. 　磁気センサであって、
    　基板（１）と、
    　前記基板の一面（１１）に形成された第１磁気抵抗素子（２ａ）および第２磁気抵抗素子（２ｂ）と、を備え、
    　前記第１磁気抵抗素子および前記第２磁気抵抗素子は、それぞれ、
    　前記一面に垂直な磁化容易軸を有し、磁化方向が固定された固定層（２１）と、
    　磁化方向が可変とされた自由層（２３）と、
    　非磁性体で構成され、前記固定層と前記自由層との間に配置された中間層（２２）と、を備え、
    　前記固定層は、第１強磁性層（２１１）と、第２強磁性層（２１３）と、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間に配置された非磁性層（２１２）と、を備え、
    　前記第１磁気抵抗素子が備える前記第１強磁性層の磁化量は、前記第１磁気抵抗素子が備える前記第２強磁性層の磁化量よりも大きく、
    　前記第２磁気抵抗素子が備える前記第１強磁性層の磁化量は、前記第２磁気抵抗素子が備える前記第２強磁性層の磁化量よりも小さい磁気センサ。
  2. 　前記第１磁気抵抗素子が備える前記第１強磁性層の磁化の向きは、前記第２磁気抵抗素子が備える前記第１強磁性層の磁化の向きと逆である請求項１に記載の磁気センサ。
  3. 　前記第１強磁性層と前記第２強磁性層とは同一の材料で構成されており、
    　前記第１磁気抵抗素子が備える前記第１強磁性層の体積は、前記第１磁気抵抗素子が備える前記第２強磁性層の体積よりも大きく、
    　前記第２磁気抵抗素子が備える前記第１強磁性層の体積は、前記第２磁気抵抗素子が備える前記第２強磁性層の体積よりも小さい請求項１または２に記載の磁気センサ。
  4. 　前記第１磁気抵抗素子が備える前記第１強磁性層の厚さは、前記第２磁気抵抗素子が備える前記第１強磁性層の厚さと等しく、
    　前記第１磁気抵抗素子が備える前記第２強磁性層の厚さは、前記第２磁気抵抗素子が備える前記第２強磁性層の厚さと等しく、
    　前記第１磁気抵抗素子が備える前記第１強磁性層の上面の面積は、前記第１磁気抵抗素子が備える前記第２強磁性層の底面の面積よりも小さく、
    　前記第２磁気抵抗素子が備える前記第１強磁性層の上面の面積は、前記第２磁気抵抗素子が備える前記第２強磁性層の底面の面積よりも小さい請求項３に記載の磁気センサ。
  5. 　前記第１磁気抵抗素子が備える前記第１強磁性層と、前記第２磁気抵抗素子が備える前記第１強磁性層とは、上面の面積が互いに等しくされている請求項１ないし３のいずれか１つに記載の磁気センサ。
  6. 　前記自由層は、前記一面に平行な磁化容易軸を有する請求項１ないし５のいずれか１つに記載の磁気センサ。
  7. 　前記非磁性層は、底面の面積が上面の面積よりも大きい請求項１ないし６のいずれか１つに記載の磁気センサ。
  8. 　前記第１強磁性層は、底面の面積が上面の面積よりも大きい請求項１ないし６のいずれか１つに記載の磁気センサ。
  9. 　前記第２強磁性層は、底面の面積が上面の面積よりも大きい請求項１ないし６のいずれか１つに記載の磁気センサ。
  10. 　前記第１磁気抵抗素子および前記第２磁気抵抗素子をそれぞれ２つ備え、
    　２つの前記第１磁気抵抗素子および２つの前記第２磁気抵抗素子は、ホイートストンブリッジ回路を構成している請求項１ないし９のいずれか１つに記載の磁気センサ。
  11. 　磁気センサの製造方法であって、
    　基板（１）の一面（１１）に第１磁気抵抗素子（２ａ）を形成することと、
    　前記一面に第２磁気抵抗素子（２ｂ）を形成することと、を備え、
    　前記第１磁気抵抗素子を形成すること、および、前記第２磁気抵抗素子を形成することは、それぞれ、
    　前記一面に垂直な磁化容易軸を有し、第１強磁性層（２１１）と、第２強磁性層（２１３）と、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間に配置された非磁性層（２１２）とを備え、磁化方向が固定された固定層（２１）を形成することと、
    　前記第１強磁性層の上面に、非磁性体で構成された中間層（２２）を形成することと、
    　前記中間層の上面に、磁化方向が可変とされた自由層（２３）を形成することと、を含み、
    　前記固定層を形成することでは、
    　前記第１磁気抵抗素子が備える前記第１強磁性層の磁化量が、前記第１磁気抵抗素子が備える前記第２強磁性層の磁化量よりも大きくなり、かつ、前記第２磁気抵抗素子が備える前記第１強磁性層の磁化量が、前記第２磁気抵抗素子が備える前記第２強磁性層の磁化量よりも小さくなるように前記固定層を形成する磁気センサの製造方法。
  12. 　前記第１磁気抵抗素子が備える前記第１強磁性層の磁化の向きが、前記第２磁気抵抗素子が備える前記第１強磁性層の磁化の向きと逆になるように前記固定層を着磁することを備える請求項１１に記載の磁気センサの製造方法。
  13. 　前記固定層を形成することでは、
    　前記第１強磁性層と前記第２強磁性層とを同一の材料で構成し、
    　前記第１磁気抵抗素子が備える前記第１強磁性層の体積が、前記第１磁気抵抗素子が備える前記第２強磁性層の体積よりも大きくなり、
    　前記第２磁気抵抗素子が備える前記第１強磁性層の体積が、前記第２磁気抵抗素子が備える前記第２強磁性層の体積よりも小さくなるように、前記固定層を形成する請求項１１または１２に記載の磁気センサの製造方法。
  14. 　前記固定層を形成することでは、
    　前記第１磁気抵抗素子が備える前記第１強磁性層の厚さが、前記第２磁気抵抗素子が備える前記第１強磁性層の厚さと等しくなり、
    　前記第１磁気抵抗素子が備える前記第２強磁性層の厚さが、前記第２磁気抵抗素子が備える前記第２強磁性層の厚さと等しくなり、
    　前記第１磁気抵抗素子が備える前記第１強磁性層の上面の面積が、前記第１磁気抵抗素子が備える前記第２強磁性層の底面の面積よりも小さくなり、
    　前記第２磁気抵抗素子が備える前記第１強磁性層の上面の面積が、前記第２磁気抵抗素子が備える前記第２強磁性層の底面の面積よりも小さくなるように、前記固定層を形成する請求項１３に記載の磁気センサの製造方法。
  15. 　前記固定層を形成することでは、前記第１磁気抵抗素子が備える前記第１強磁性層と、前記第２磁気抵抗素子が備える前記第１強磁性層とが、上面の面積が互いに等しくなるように、前記固定層を形成する請求項１１ないし１３のいずれか１つに記載の磁気センサの製造方法。
  16. 　前記自由層を形成することでは、前記自由層が、前記一面に平行な磁化容易軸を有するように、前記自由層を形成する請求項１１ないし１５のいずれか１つに記載の磁気センサの製造方法。
  17. 　前記固定層を形成することでは、前記非磁性層の底面の面積が上面の面積よりも大きくなるように、前記自由層と、前記中間層と、前記第１強磁性層と、前記非磁性層の一部とを除去する請求項１１ないし１６のいずれか１つに記載の磁気センサの製造方法。
  18. 　前記固定層を形成することでは、前記第１強磁性層の底面の面積が上面の面積よりも大きくなるように、前記自由層と、前記中間層と、前記第１強磁性層の一部とを除去する請求項１１ないし１６のいずれか１つに記載の磁気センサの製造方法。
  19. 　前記固定層を形成することでは、前記第２強磁性層の底面の面積が上面の面積よりも大きくなるように、前記自由層と、前記中間層と、前記第１強磁性層と、前記非磁性層と、前記第２強磁性層の一部とを除去する請求項１１ないし１６のいずれか１つに記載の磁気センサの製造方法。
  20. 　前記第１磁気抵抗素子と前記第２磁気抵抗素子とを接続する配線層（３）を形成することを備え、
    　前記第１磁気抵抗素子を形成することでは、前記一面に２つの前記第１磁気抵抗素子を形成し、
    　前記第２磁気抵抗素子を形成することでは、前記一面に２つの前記第２磁気抵抗素子を形成し、
    　前記配線層を形成することでは、２つの前記第１磁気抵抗素子および２つの前記第２磁気抵抗素子がホイートストンブリッジ回路を構成するように、前記配線層を形成する請求項１１ないし１９のいずれか１つに記載の磁気センサの製造方法。 
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