WO2023053536A1 - 磁気検出装置 - Google Patents

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WO2023053536A1
WO2023053536A1 PCT/JP2022/014215 JP2022014215W WO2023053536A1 WO 2023053536 A1 WO2023053536 A1 WO 2023053536A1 JP 2022014215 W JP2022014215 W JP 2022014215W WO 2023053536 A1 WO2023053536 A1 WO 2023053536A1
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magnetoresistive element
detection device
magnetoresistive
magnetic
layer
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広之 大森
政功 細見
豊 肥後
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ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社
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    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
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    • G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
    • G01R33/09—Magnetoresistive devices
    • G—PHYSICS
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    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/82—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by variation of the magnetic field applied to the device
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/10—Magnetoresistive devices

Definitions

  • the present disclosure relates to a magnetic detection device.
  • Magnetic detectors based on principles such as the Hall effect and the magnetoresistive effect are widely used because they are easy to use. Magnetic detection means are not sensitive enough. For this reason, conventionally, a SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) magnetic detector that utilizes the magnetic quantum effect has been generally used to detect biomagnetism.
  • SQUID Superconducting Quantum Interference Device
  • the SQUID needs to be cooled to an extremely low temperature and the equipment is large, so research is being conducted to find a simpler method to detect biomagnetism.
  • a method has been proposed in which a plurality of elements having a large magnetoresistive effect are arranged in parallel to suppress noise (see, for example, Patent Document 1).
  • a magnetic detection device using the magnetoresistive effect basically has a magnetization fixed layer whose magnetization is fixed and a free layer which is easily moved by an external magnetic field.
  • the magnitude of the magnetic field is detected by electrically reading the magnetoresistance, which varies with angle. Therefore, the magnetic field intensity is finally read out by AD (Analog-to-Digital) conversion of analog signals such as voltage. Therefore, no matter how low the noise of the magnetoresistive element is, the resolution of magnetic field detection is limited by the accuracy of peripheral circuits such as analog circuits and AD converters, and there is a possibility that the detection accuracy will decrease.
  • the present disclosure proposes a magnetic detection device capable of suppressing deterioration in detection accuracy.
  • a magnetic detection device includes a magnetoresistive element and a detection unit that detects an external magnetic field based on the resistance value of the magnetoresistive element, and the magnetoresistive element has a fixed magnetization direction.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a schematic configuration example of a magnetoresistive element according to a first embodiment
  • FIG. FIG. 4 is a diagram showing a model of temporal change in resistance of a magnetoresistive element when an external magnetic field is not applied and when an external magnetic field is applied according to the first embodiment
  • 2 is a circuit diagram showing a circuit configuration example of a detection circuit according to a first example of the first embodiment
  • FIG. FIG. 7 is a circuit diagram showing a circuit configuration example of a detection circuit according to a second example of the first embodiment
  • FIG. 8 is a circuit diagram showing another circuit configuration example of the detection circuit according to the second example of the first embodiment; 2 is a circuit diagram showing a circuit configuration example of an element assembly according to a first example of the first embodiment;
  • FIG. FIG. 5 is a circuit diagram showing a circuit configuration example of an element assembly according to a second example of the first embodiment;
  • FIG. 11 is a circuit diagram showing a circuit configuration example of an element assembly according to a third example of the first embodiment;
  • 1 is a circuit diagram showing a circuit configuration example of a semiconductor chip according to a first example of a first embodiment;
  • FIG. FIG. 5 is a circuit diagram showing a circuit configuration example of a semiconductor chip according to a second example of the first embodiment;
  • FIG. 8 is a circuit diagram showing another circuit configuration example of the semiconductor chip according to the second example of the first embodiment; 1A to 1C are process cross-sectional views showing an example of a method for manufacturing the magnetic detection device according to the first embodiment (No. 1); FIG. 11 is a process cross-sectional view showing an example of a manufacturing method of the magnetic detection device according to the first embodiment (No. 2); 3A to 3C are process cross-sectional views showing an example of a method for manufacturing the magnetic detection device according to the first embodiment (No. 3); FIG. 14 is a process cross-sectional view showing an example of a method for manufacturing the magnetic detection device according to the first embodiment (No. 4); FIG.
  • FIG. 11 is a process cross-sectional view showing an example of a method for manufacturing the magnetic detection device according to the first embodiment (No. 5);
  • FIG. 11 is a process cross-sectional view showing an example of a manufacturing method of the magnetic detection device according to the first embodiment (No. 6);
  • FIG. 4 is a diagram showing average reversal time and noise level of the magnetoresistive element according to the first embodiment;
  • FIG. 5 is a diagram showing noise levels when a plurality of magnetoresistive elements are connected in series and in parallel according to the first embodiment;
  • FIG. 10 is a schematic diagram showing a schematic configuration example of a magnetoresistive element according to a second embodiment;
  • FIG. 10 is a schematic diagram showing another schematic configuration example of the magnetoresistive element according to the second embodiment
  • 23 is a diagram showing the relationship between the magnetization direction of the free layer and the direction of the external magnetic field in the magnetoresistive element shown in FIG. 22
  • FIG. 24 is a diagram showing the relationship between the magnetization direction of the free layer and the direction of the external magnetic field in the magnetoresistive element shown in FIG. 23
  • FIG. 10 is a diagram showing the direction of an external magnetic field with respect to the free layer according to the second embodiment
  • FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the direction of an external magnetic field and the output signal (stay time difference) S when an in-plane magnetization film is used for the free layer according to the second embodiment;
  • FIG. 5 is a plan view showing a schematic configuration example of a magnetoresistive element according to a second embodiment;
  • FIG. 10 is a plan view showing a schematic configuration example of another magnetoresistive element according to the second embodiment;
  • FIG. 10 is a plan view showing a schematic configuration example of still another magnetoresistive element according to the second embodiment;
  • FIG. 10 is a plan view showing a schematic configuration example of still another magnetoresistive element according to the second embodiment;
  • FIG. 10 is a plan view showing a schematic configuration example of still another magnetoresistive element according to the second embodiment;
  • FIG. 10 is a plan view showing a schematic configuration example of still another magnetoresistive element according to the second embodiment;
  • FIG. 10 is a plan view showing a schematic configuration example of still another magnetoresistive element according
  • FIG. 10 is a plan layout diagram showing an arrangement example of a magnetoresistive element according to a first example of the second embodiment, which detects an external magnetic field along two in-plane axes (X-axis and Y-axis).
  • FIG. 10 is a plan layout diagram showing an arrangement example of a magnetoresistive element according to a second example of the second embodiment, which detects an external magnetic field along two in-plane axes (X-axis and Y-axis).
  • FIG. 11 is a plan layout diagram showing an arrangement example of a magnetoresistive element according to a third example of the second embodiment, which detects an external magnetic field on three axes (X-axis, Y-axis and X-axis).
  • FIG. 10 is a plan layout diagram showing an arrangement example of a magnetoresistive element according to a first example of the second embodiment, which detects an external magnetic field along two in-plane axes (X-axis and Y-axis).
  • FIG. 10 is
  • FIG. 11 is a plan layout diagram showing an arrangement example of a magnetoresistive element according to a fourth example of the second embodiment, which detects an external magnetic field on three axes (X-axis, Y-axis and X-axis).
  • FIG. 11 is a process cross-sectional view showing an example of a method for manufacturing the magnetic detection device according to the second embodiment (No. 1);
  • FIG. 11 is a process cross-sectional view showing an example of a method for manufacturing the magnetic detection device according to the second embodiment (No. 2);
  • FIG. 11 is a process cross-sectional view showing an example of a manufacturing method of the magnetic detection device according to the second embodiment (No. 3);
  • FIG. 12A is a process cross-sectional view showing an example of a method for manufacturing the magnetic detection device according to the second embodiment (No. 4);
  • FIG. 10 is a process cross-sectional view showing an example of a method for manufacturing the magnetic detection device according to the second embodiment (No. 5);
  • FIG. 14 is a process cross-sectional view showing an example of a method for manufacturing the magnetic detection device according to the second embodiment (No. 6);
  • FIG. 12 is a process cross-sectional view showing an example of a manufacturing method of the magnetic detection device according to the second embodiment (No. 7);
  • FIG. 12 is a process cross-sectional view showing an example of a method for manufacturing the magnetic detection device according to the second embodiment (No. 8);
  • FIG. 12 is a process cross-sectional view showing an example of a method for manufacturing the magnetic detection device according to the second embodiment (No. 9);
  • FIG. 10A is a process cross-sectional view showing another example of the manufacturing method of the magnetic detection device according to the second embodiment (No. 1);
  • FIG. 12A is a process cross-sectional view showing another example of the manufacturing method of the magnetic detection device according to the second embodiment (No. 2);
  • FIG. 13 is a process cross-sectional view showing another example of the manufacturing method of the magnetic detection device according to the second embodiment (No. 3);
  • FIG. 14 is a process cross-sectional view showing another example of the manufacturing method of the magnetic detection device according to the second embodiment (No. 4);
  • FIG. 16 is a process cross-sectional view showing another example of the manufacturing method of the magnetic detection device according to the second embodiment (No. 5); FIG. 16 is a process cross-sectional view showing another example of the manufacturing method of the magnetic detection device according to the second embodiment (No. 6); FIG. 16 is a process cross-sectional view showing another example of the manufacturing method of the magnetic detection device according to the second embodiment (No. 7); FIG. 11 is a block diagram showing a schematic configuration example of a magnetic detection device according to a third embodiment;
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a schematic configuration example of a general magnetoresistive element.
  • the magnetoresistive element 910 includes a magnetization fixed layer (hereinafter also simply referred to as a fixed layer) 911 whose magnetization direction is fixed, a free layer 913 whose magnetization direction changes according to an external magnetic field, A non-magnetic layer 912 is provided between the fixed layer 911 and the free layer 3 .
  • a magnetization fixed layer hereinafter also simply referred to as a fixed layer
  • a non-magnetic layer 912 is provided between the fixed layer 911 and the free layer 3 .
  • the angle between the magnetization direction of the fixed layer 911 and the magnetization direction of the free layer 913 is approximately 90 degrees in the absence of an external magnetic field, it is possible to form a line of response to the external magnetic field and increase the detectable magnetic field range. can.
  • the magnetization direction of the fixed layer 911 is fixed by coupling a ferromagnetic material such as a cobalt iron (CoFe) alloy with an antiferromagnetic material such as a platinum manganese (PtMn) alloy or an iridium manganese (IrMn) alloy.
  • a ferromagnetic material such as a cobalt iron (CoFe) alloy
  • an antiferromagnetic material such as a platinum manganese (PtMn) alloy or an iridium manganese (IrMn) alloy.
  • the fixed layer 911 has a structure in which two ferromagnetic layers are laminated with an extremely thin ruthenium (Ru) layer, an iridium (Ir) layer, or the like. As a result, the ferromagnetic layers are coupled antiparallel to each other, so that the leakage magnetic field from the fixed layer 911 can be reduced.
  • Ru ruthenium
  • Ir iridium
  • the free layer 913 is made of a magnetic material with weak magnetic anisotropy, such as a CoFe alloy, a nickel iron (NiFe) alloy, a cobalt iron boron (CoFeB) alloy, etc., so as to be easily changed by an external magnetic field.
  • the non-magnetic layer may be made of a good conductor such as copper (Cu) or may be made of an insulator such as alumina (Al 2 O 3 ) or magnesium oxide (MgO).
  • GMR Gate Magneto Resistive effect
  • FIG. 2 shows the external magnetic field dependence of the resistance value of the general magnetoresistive element described above.
  • the resistance changes almost linearly with respect to the external magnetic field, and shows a tendency to saturate when the external magnetic field becomes larger than a certain level. If the gradient is strengthened in order to increase the sensitivity to the external magnetic field, saturation becomes easier and the maximum detectable magnetic field becomes smaller.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing a schematic configuration example of the magnetoresistive element according to this embodiment.
  • the layer configuration and lamination form of the magnetoresistive element 10 according to the present embodiment conform to the general magnetoresistive element 910 illustrated in FIG. It is characterized in that it is configured to be parallel to the magnetization direction of the fixed layer 11 .
  • the magnetization direction of the free layer 13 may be parallel to or parallel to the magnetization direction of the fixed layer 11 depending on the direction and magnitude of the external magnetic field. Limited to either anti-parallel. That is, the resistance of the magnetoresistive element 10 roughly has two values of high resistance and low resistance.
  • the thermal stability index ⁇ 0 is expressed by the following equation (1) using the magnetic anisotropic energy Ku, the volume V of the magnetic material, the temperature T, and the Boltzmann constant KB.
  • ⁇ 0 KuV/kBT (1)
  • the reversal probability P of reversing the magnetization direction of the free layer 13 during the time t can be expressed by the following equation (2).
  • ⁇ 0 is the relaxation constant.
  • P 1 ⁇ exp ⁇ t/ ⁇ 0 exp( ⁇ 0 ) (2)
  • ⁇ p in a state parallel to the applied magnetic field and ⁇ ap in a state antiparallel to the applied magnetic field are expressed by the following equations (3) and (4), respectively.
  • FIG. 4 shows a model of time change of the resistance of the magnetoresistive element 10 when an external magnetic field is not applied and when an external magnetic field is applied.
  • the dashed line shows the time change of resistance when no external magnetic field is applied
  • the solid line shows the time change of resistance when an external magnetic field is applied.
  • the reversal of the magnetization direction in the free layer 13 occurs stochastically, there is a large fluctuation in the time difference between residence times in each state. In order to reduce this fluctuation, it is effective to increase the number of inversions per observation time, that is, to reduce ⁇ , and it is preferable to set the average inversion time to 10 milliseconds or less. The shorter the reversal time, the smaller the fluctuation. However, if the reversal time is made shorter than 0.1 microseconds, the spin torque noise due to the readout current increases.
  • the magnetic anisotropy Hk is an important parameter that determines the sensitivity of the magnetoresistive element. If it is too large, the sensitivity will decrease, and if it is too small, the magnetization direction will not be stable.
  • the magnetic anisotropy Hk is obtained by imparting induced magnetic anisotropy by performing film formation or heat treatment in a magnetic field, or imparting shape anisotropy by making the shape asymmetrical such as an ellipse. can be controlled by
  • the number of elements should be increased and the state should be averaged. For example, by arranging elements in series or parallel and measuring the difference between the number of elements in the high resistance state and the number of elements in the low resistance state as the collective resistance value, the influence of fluctuation can be reduced. .
  • the influence of fluctuation can also be reduced by integrating the resistance value over time as an electric signal and passing it through a low-pass filter circuit that removes high-frequency components.
  • the configuration may be a configuration in which a plurality of elements are connected in series, may be a configuration in which a plurality of elements are connected in parallel, or may be a combination of direct connection and parallel connection.
  • a combined configuration is also possible.
  • a good conductor is used for the non-magnetic layer of the element, a resistance value that is easier to read is obtained by connecting them in series, and when an insulator is used, a resistance value that is easier to read is obtained by connecting them in parallel.
  • FIG. 5 to 7 illustrate the case where an MTJ (Magnetic Tunnel Junction) element with a large resistance value is used as the magnetoresistive element 10, but it is not limited to this, and various magnetoresistive elements may be used. .
  • MTJ Magnetic Tunnel Junction
  • FIG. 5 is a circuit diagram showing a circuit configuration example of a detection circuit according to a first example of the present embodiment. That is, it is a circuit diagram showing an example of a detection circuit for obtaining a difference in reversal probability by measuring the time in the high resistance state and the time in the low resistance state.
  • a detection circuit 110A shown in FIG. 5 is composed of a magnetoresistive element 10, three resistors R1 to R3, a comparator 21, and a CMOS transistor T1.
  • the comparator 21 uses the potential of the connection node N1 of two resistors R1 and R2 connected in series between the power supply voltage VDD and the ground potential GND as a reference potential.
  • the potential of the connection node N2 between the magnetoresistive element 10 and the resistor R3, which are connected in series in between, is compared with the potential of the connection node N2, and the result is applied to the gate of the CMOS transistor T1. That is, the CMOS transistor T1 functions as a gate circuit that opens and closes according to the resistance value of the magnetoresistive element 10 (in other words, the magnetization direction of the free layer 13).
  • the gate of the CMOS transistor T1 receives the High voltage output from the comparator 21.
  • a level comparison result is applied.
  • the CMOS transistor T1 is in a conducting state (also referred to as an open state), and the detection circuit 110A outputs a stay time (first A pulse signal indicating information on the staying time) is output as the output signal SIG.
  • the pulse signal may be a signal that transitions between High level and Low level at a predetermined cycle, and may be, for example, a clock signal CLK.
  • the gate of the CMOS transistor T1 receives the output from the comparator 21.
  • a Low level comparison result is applied.
  • the CMOS transistor T1 is cut off (also called closed state), so that the output of the clock signal CLK from the detection circuit 110A is cut off. That is, the period during which the output of the clock signal CLK is cut off indicates information about the residence time (also referred to as the second residence time) during which the magnetization direction of the free layer 13 maintains antiparallel to the magnetization direction of the fixed layer 11 .
  • the detection circuit 110A shown in FIG. 5 when the detection circuit 110A shown in FIG. 5 is used, the number of pulses of the clock signal CLK output from the detection circuit 110A as the output signal SIG is counted during the measurement period, and the period during which the magnetoresistive element 10 is in the parallel state (also referred to as the parallel state period) is measured, the period during which the magnetoresistive element 10 is in the antiparallel state (also referred to as the antiparallel state period) is calculated from the parallel state period and the measurement period, and the parallel state period and the antiparallel state are calculated. By calculating the difference from the period, it is possible to obtain the difference in reversal probability.
  • the magnetic detection unit (for example, see the magnetic detection unit 109 in FIG. 54) that detects the external magnetic field based on the resistance value of the magnetoresistive element, each detection circuit By accumulating the count value obtained by counting the digital output signal SIG output from 110A, the difference between the parallel state period and the antiparallel state period is calculated, and the difference in the inversion probability is obtained. good too.
  • FIGS. 6 and 7 are circuit diagrams showing circuit configuration examples of a detection circuit according to a second example of the present embodiment.
  • 4 is a circuit diagram showing an example of a detection circuit for obtaining a difference in inversion probabilities based on .
  • a detection circuit 110B shown in FIG. 6 is composed of a magnetoresistive element 10, a capacitor C2, and a CMOS transistor T2.
  • the capacitor C2 accumulates the charges that flowed through the magnetoresistive element 10 during the measurement period. Therefore, the amount of charge stored in capacitor C2 indicates information about the first residence time during which the magnetization direction of free layer 13 remains parallel to the magnetization direction of pinned layer 11 .
  • the charge accumulated in the capacitor C2 is output as the output signal SIG via the CMOS transistor T2 that is turned on by the selection signal SEL.
  • the detection circuit 110B shown in FIG. 6 when the detection circuit 110B shown in FIG. 6 is used, the amount of charge output as the output signal SIG from the detection circuit 110B and, for example, when the magnetoresistive element 10 is always in the low resistance state during the measurement period, the capacitor By calculating the difference from the amount of charge accumulated in C2, it is possible to obtain the difference in inversion probability.
  • the detection circuit 110C shown in FIG. 7 has the same configuration as that of the detection circuit 110B shown in FIG. there is In this case, the amount of charge stored in the magnetoresistive element 10 indicates information about the first residence time during which the magnetization direction of the free layer 13 remains parallel to the magnetization direction of the pinned layer 11 .
  • the amount of charge output as the output signal SIG from the detection circuit 110C and, for example, the amount of charge accumulated in the magnetoresistive element 10 when the magnetoresistive element 10 is always in the low resistance state during the measurement period By calculating the difference from the amount of charge, it is possible to obtain the difference in inversion probability.
  • the magnetic detection unit accumulates the charge read out as the output signal SIG from each detection circuit 110B or 110C, and constantly detects all the magnetic fields during the measurement period.
  • the difference in inversion probability may be obtained by calculating the difference from the total amount of charge accumulated when the resistance element 10 is in the low resistance state.
  • FIG. 8 is a circuit diagram showing a circuit configuration example of an element assembly according to a first example of the present embodiment.
  • 2 is a circuit diagram showing an example of the circuit configuration of FIG.
  • the element assembly may have a configuration in which a plurality of magnetoresistive elements 10 are connected in parallel between the power supply voltage VDD and the resistor R4. In that case, the potential of the connection node connecting the plurality of magnetoresistive elements 10 and the resistor R4 may be read as the output signal SIG.
  • FIG. 9 is a circuit diagram showing a circuit configuration example of an element assembly according to a second example of the present embodiment.
  • 2 is a circuit diagram showing an example of the circuit configuration of FIG.
  • the element aggregate may have a structure in which a plurality of magnetoresistive elements 10 are connected in series between the power supply voltage VDD and the resistor R4. In that case, the potential of the connection node connecting the plurality of magnetoresistive elements 10 and the resistor R4 connected in series may be read as the output signal SIG.
  • FIG. 10 is a circuit diagram showing a circuit configuration example of an element assembly according to a third example of the present embodiment.
  • FIG. 10 is a circuit diagram showing a circuit configuration example of an element assembly in a case where; As shown in FIG. 10, the element assembly has a configuration in which a plurality of element strings each formed by connecting a plurality of magnetoresistive elements 10 in series are connected in parallel between a power supply voltage VDD and a resistor R4. may In that case, the potential of the connection node connecting the plurality of element strings connected in parallel and the resistor R4 may be read as the output signal SIG.
  • FIG. 11 is a circuit diagram showing a circuit configuration example of a semiconductor chip according to a first example of the present embodiment. and FIG. 11 is a diagram showing an example of a case of transferring and reading out.
  • a plurality of detection circuits 110a are arranged in a two-dimensional grid and integrated on a semiconductor chip.
  • Each detection circuit 110a has, for example, a configuration in which a magnetoresistive element 10 and a capacitor C2 are connected in series between a power supply voltage VDD and a ground potential GND, similarly to the second example of the detection circuit shown in FIG.
  • the capacitor C is configured to accumulate the electric charge that has flowed through the magnetoresistive element 10 during the measurement period.
  • the charge accumulated in the capacitor C2 of each detection circuit 110a passes through a plurality of vertical transfer CCDs 22 arranged in parallel with respect to each column and a plurality of horizontal transfer CCDs 23 arranged in each row. It flows into the conversion circuit 24, is converted into a voltage signal, and is output as an output signal SIG. That is, the charge accumulated in the capacitor C2 of each detection circuit 110a is sequentially transferred and collected by the CCDs 22 and 23, and flows into the charge-voltage conversion circuit 24. FIG. Then, it is converted into a voltage signal in the charge-voltage conversion circuit 24 and output as an output signal SIG.
  • FIGS. 12 and 13 are circuit diagrams showing circuit configuration examples of a semiconductor chip according to a second example of the present embodiment. It is a figure which shows the example of.
  • a plurality of detection circuits 110b are arranged in a two-dimensional grid and integrated on a semiconductor chip.
  • Each detection circuit 110b has, for example, a magnetoresistive element 10 and a CMOS transistor T11 connected in series between a power supply voltage VDD and a ground potential GND. of CMOS transistors T12 are connected.
  • the magnetoresistive element 10 itself is used for charge accumulation, as in the second example of the detection circuit shown in FIG.
  • a reset signal RST when a reset signal RST is applied to the reset line at the beginning of operation, a voltage is applied across the magneto-resistive element 10 and charge is accumulated in the magneto-resistive element 10 .
  • the magnetoresistive element 10 functions as a resistive element. Therefore, the charge accumulated in the magnetoresistive element 10 decreases according to the magnetization direction of the free layer 13 . Therefore, the selection signal SEL is applied to the selection line after a certain period of time has passed since the application of the reset signal RST.
  • the charge remaining in the magnetoresistive element 10 flows into the charge-voltage conversion circuit 24 via the signal line, is converted into a voltage signal, and is further converted into a digital signal by an AD (Analog-to-Digital) conversion circuit 25. is output as an output signal SIG.
  • the number of rows (selected rows) simultaneously selected by the selection signal SEL may be one row or a plurality of rows (including all rows).
  • a low-pass filter 26 is arranged between the charge-voltage conversion circuit 24 and the AD conversion circuit 25 in the same configuration as the example shown in FIG.
  • the low-pass filter 26 integrates an analog signal before AD conversion, or removes high frequency components of the analog signal. As a result, it is possible to remove the influence of high-frequency components, so that it is possible to suppress deterioration in detection accuracy due to noise or the like.
  • the position of the low-pass filter 26 is not limited to between the charge-voltage conversion circuit 24 and the AD conversion circuit 25 , and may be changed in various ways as long as it is between the magnetoresistive element 10 and the AD conversion circuit 25 .
  • the present invention is not limited to this.
  • the resistance value of the magnetoresistive element 10 may be directly measured by reading the .
  • each detection circuit 110a and 110b includes one magnetoresistive element 10, but is not limited thereto.
  • one detection circuit may comprise a plurality of magnetoresistive elements 10 connected in series and/or in parallel.
  • one block may be arranged in one semiconductor chip, or a plurality of blocks may be arranged.
  • the semiconductor chip may have a single layer structure in which a plurality of blocks are arranged in one semiconductor layer, or a plurality of semiconductor chips in which one or more blocks are arranged in one semiconductor layer.
  • a laminated structure may be provided.
  • peripheral circuits such as the charge-voltage conversion circuit 24 and the AD conversion circuit 25 are formed on a semiconductor substrate such as a silicon substrate.
  • a lower electrode connected to the peripheral circuit is formed on a part of the semiconductor substrate on which the peripheral circuit is formed.
  • a base substrate 40 having peripheral circuits is produced.
  • the element formation surface (hereinafter also referred to as the upper surface) of the semiconductor substrate on which the lower electrode is formed may be buried with an insulating layer except for the connection with the magnetoresistive element 10 to be formed later.
  • a first layer 51 to be processed into the fixed layer 11, a second layer 52 to be processed into the non-magnetic layer 12, and a free layer 13 are formed on the entire surface of the base substrate 40.
  • the laminated film 50 is formed by laminating the third layer 53 in this order.
  • various film formation techniques such as a CVD (Chemical Vapor Deposition) method and a sputtering method may be used according to each layer.
  • a mask M1 is formed on the laminated film 50, and the laminated film 50 exposed from the mask M1 is subjected to an etching technique such as RIE (Reactive Ion Etching). to form a mesa-shaped magnetoresistive element 10 .
  • RIE Reactive Ion Etching
  • the magnetoresistive element 10 may have a configuration in which the fixed layer 11 to the free layer 13 are patterned in a cylindrical or cylindric shape. A configuration in which a large area is left is also possible. As a result, short-circuiting of the nonmagnetic layer 12 can be suppressed, and leakage magnetic fields from the fixed layer 11 can also be reduced.
  • a plurality of magnetoresistive elements 10 are arranged in a two-dimensional grid pattern on the element forming surface of the base substrate 40, but only one magnetoresistive element 10 is formed on the base substrate 40. may be one or more.
  • the case where all the magnetoresistive elements 10 are arranged in one layer is exemplified, but the present invention is not limited to this. There may be.
  • the upper electrode 14 is formed on the upper surface of the magnetoresistive element 10 by using, for example, the lift-off method.
  • the insulating layer 41 is formed so as to embed the structure 15 composed of the magnetoresistive element 10 and the upper electrode 14 by using the CVD method or the sputtering method, for example.
  • the upper surface of the insulating layer 41 may be planarized by, for example, CMP (Chemical Mechanical Polishing).
  • an opening A1 that partially exposes the top surface of the upper electrode 14 is formed in the insulating layer 41 by using, for example, photolithography technology and etching technology.
  • the wiring 42 connected to the upper electrode 14 is embedded in the opening A1 of the insulating layer 41. Then, as shown in FIG. After that, a wiring for connecting the wiring 42 to the power supply voltage VDD is formed on the insulating layer 41 to fabricate the magnetic detection device according to the present embodiment.
  • a step of singulating the wafer into semiconductor chips and packaging them may be performed.
  • the magnetic detection device (block) has a configuration in which a plurality of semiconductor chips are stacked, a step of bonding the semiconductor chips may be performed.
  • FIG. 20 is a diagram showing the average reversal time and noise level of the magnetoresistive element according to this embodiment.
  • tantalum (Ta) with a thickness of 5 nm (nanometers)
  • PtMn platinum manganese
  • CoFe cobalt iron
  • Ru Ruthenium
  • W Tungsten
  • MgO Magnesium Oxide
  • a film having an MTJ structure was used in which tantalum (Ta) was laminated in this order.
  • the thickness t of MgO was adjusted so that the magnetoresistive element 10 had a target resistance value.
  • the magnitude of the magnetic anisotropy and the volume of the free layer 13 are changed, and the voltage applied to the magnetoresistive element 10 is set at 0.1 V (volt).
  • the average inversion time was set to the interval between the intermediate values between the high resistance and the low resistance, and the signal passed through the low-pass filter with the time constant of 0.1 seconds was measured as the noise level. In that case, as shown in FIG. 20, it can be seen that the noise level shows a low value when the average inversion time is between 0.1 microseconds and 10 milliseconds.
  • FIG. 21 is a diagram showing noise levels when a plurality of magnetoresistive elements 10 are connected in series and in parallel.
  • the thickness t of the MgO of the magnetoresistive element 10 is increased to increase the resistance of the single element, and the number of the magnetoresistive elements 10 connected in parallel is set to 1024.
  • a unit consisting of magnetoresistive elements 10 was connected in parallel and in series.
  • the dashed line indicates the noise level when the outputs from all of the units are AD-converted, and the solid line indicates the noise level when the outputs from each unit are AD-converted and then added. As shown in FIG.
  • the magnetization of the free layer 13 varies depending on the direction and magnitude of the external magnetic field.
  • the direction can be limited to either parallel or antiparallel to the magnetization direction of the pinned layer 11 . Therefore, in the present embodiment, a magnetic detection device capable of detecting not only the magnitude of the external magnetic field but also the direction of the external magnetic field by using such properties will be described with an example.
  • FIGS. 22 and 23 are schematic diagrams showing schematic configuration examples of the magnetoresistive element according to the present embodiment.
  • FIG. 22 shows an example of a magnetoresistive element 210E in which an in-plane magnetization film, which is stable when the magnetization direction is in the film plane, is used for the free layer 213.
  • FIG. 3B shows a view, and (b) shows a vertical cross-sectional view parallel to the long axis direction (X direction in this example) of the magnetoresistive element 210E.
  • FIG. 22 shows an example of a magnetoresistive element 210E in which an in-plane magnetization film, which is stable when the magnetization direction is in the film plane, is used for the free layer 213.
  • FIG. 3B shows a view, and (b) shows a vertical cross-sectional view parallel to the long axis direction (X direction in this example) of the magnetoresistive element 210E.
  • FIG. 23 is a diagram showing a magnetoresistive element 210C in which a perpendicular magnetization film that is stable when the magnetization direction is in the direction perpendicular to the film surface (the Z direction in this example) is used for the free layer 218.
  • FIG. shows a top view of the magnetoresistive element 210C
  • (b) shows a vertical sectional view of the magnetoresistive element 210C.
  • the magnetization directions of the free layers 213 and 218 are variable according to the external magnetic field, while the magnetization directions of the fixed layers 211 and 216 are fixed.
  • the top surface shape of the magnetoresistive element 210E in which the in-plane magnetization film is used for the free layer 213 has a longitudinal direction in the in-plane direction, and a straight line perpendicular to the longitudinal direction and passing through the center point. It has a symmetrical shape with respect to the axis.
  • FIG. 22 shows the case where the top surface shape of the magnetoresistive element 210E is an elliptical shape with the major axis extending in the in-plane direction. However, it is not limited to this, and may be variously modified, such as a polygon having a longitudinal direction in the in-plane direction, such as a rectangle.
  • the magnetization direction of the fixed layer 211 of the magnetoresistive element 210E is set parallel to the longitudinal direction.
  • a non-magnetic layer 212 is arranged between the fixed layer 211 and the free layer 213 .
  • the top surface shape of the magnetoresistive element 210C in which the perpendicular magnetization film is used for the free layer 218 has a point-symmetrical shape about the central point, which does not have a longitudinal direction in the in-plane direction.
  • FIG. 23 shows a case where the top surface shape of the magnetoresistive element 210E is a circular shape with no long axis in the in-plane direction.
  • it is not limited to this, and may be variously modified, such as a polygon having no longitudinal direction in the in-plane direction, such as a square or a regular hexagon.
  • the magnetization direction of the fixed layer 216 of the magnetoresistive element 210C is set in a direction perpendicular to the formation surface of each layer.
  • a non-magnetic layer 217 is arranged between the fixed layer 216 and the free layer 218 .
  • FIG. 24 is a diagram showing the relationship between the magnetization direction of the free layer 213 and the direction of the external magnetic field in the magnetoresistive element 210E shown in FIG. Note that FIG. 24 shows a top view of the magnetoresistive element 210E. 25 is a diagram showing the relationship between the magnetization direction of the free layer 218 and the direction of the external magnetic field in the magnetoresistive element 210C shown in FIG. Note that FIG. 25 shows a vertical sectional view of the magnetoresistive element 210C.
  • the magnetization direction of the free layer 213 tends to be in the long axis direction. Therefore, in this description, the magnetization direction (major axis direction) in which the free layer 213 is easily oriented is referred to as the (magnetization) easy axis. Conversely, in the example shown in FIG. 22, the magnetization direction of the free layer 213 is difficult to face in the minor axis direction. Therefore, in this description, the magnetization direction (minor axis direction) in which the free layer 213 is difficult to orient is referred to as the (magnetization) hard axis.
  • the free layer 218 is a perpendicular magnetization film
  • the easy axis is the direction perpendicular to the film plane
  • the hard axis is the in-plane direction.
  • any direction within the film plane is equivalent.
  • ⁇ be the angle between the direction of the magnetization m and the easy axis
  • ⁇ be the angle between the direction of the external magnetic field H and the easy axis in both the case shown in FIG. 24 and the case shown in FIG.
  • the magnetic anisotropy constant K determines how easily the magnetization is oriented in the easy axis direction. The larger K is, the stronger and easier it is to be oriented in the easy axis direction.
  • the magnetic energy E of magnetization depends on the direction of magnetization and the external magnetic field. Therefore, the magnetic energy E can be expressed by the following equation (5) regardless of whether the in-plane magnetization film or the perpendicular magnetization film is used.
  • V is the volume of the free layer and ⁇ 0 is the vacuum permeability.
  • E KV sin 2 ( ⁇ ) ⁇ 0 M s VH cos( ⁇ ) (5)
  • the state in which the magnetization is oriented in the positive direction of the easy axis is S +
  • the state in which the magnetization is oriented in the negative direction is S ⁇ .
  • E has a minimum value at the magnetization angles ⁇ of S + and S ⁇ .
  • ⁇ E + and ⁇ E ⁇ be the differences between these maximum and minimum values, respectively.
  • Equation (6) and (7) kB is the Boltzmann constant and T is the absolute temperature.
  • is the easy axis component of H.
  • FIG. 27 and 28 show the relationship between the direction of the external magnetic field and the output signal (residence time difference) S when an in-plane magnetization film is used for the free layer 213.
  • the sensitivity is highest at A where the direction of the external magnetic field H is equal to the easy axis, and the sensitivity is zero at C where the direction of the external magnetic field H is perpendicular to the easy axis, that is, equal to the hard axis. become.
  • the magnetoresistive elements 210E and 210C configured to have an easy axis and a hard axis have directivity in sensitivity to external magnetic fields. Therefore, in this embodiment, by combining magnetoresistive elements having different easy axis directions, it is possible to detect not only the magnitude of the external magnetic field but also the direction of the external magnetic field.
  • FIGS. 29 to 33 are top views showing some variations of the magnetoresistive element according to the present embodiment.
  • FIG. 29 shows a magnetoresistive element 210L in which the easy axis is parallel to the horizontal direction (X direction) among the magnetoresistive elements 210E in which an in-plane magnetization film having an easy axis and a hard axis in the in-plane direction is used for the free layer 213.
  • 1 is a top view showing a planar configuration example of FIG. Therefore, according to the magnetoresistive element 210L, the component of the external magnetic field H in the X direction can be detected with high sensitivity.
  • FIG. 30 is a top view showing a planar configuration example of a magnetoresistive element 210V whose easy axis is parallel to the vertical direction (Y direction), similarly among the magnetoresistive elements 210E. Therefore, according to the magnetoresistive element 210V, the component of the external magnetic field H in the Y direction can be detected with high sensitivity.
  • FIG. 31 shows the magnetoresistive element 210NW parallel to the direction in which the easy axis is tilted counterclockwise by 135° with respect to the X direction (hereinafter also referred to as the -XY direction or left oblique direction). It is a top view which shows the example of a planar structure.
  • This magnetoresistive element NW is a variation for complementing the in-plane magnetic field detection by the magnetoresistive element 210L and the magnetoresistive element 210V, and can detect the oblique left component of the external magnetic field H with high sensitivity.
  • FIG. 32 shows a plane of the magnetoresistive element 210NE parallel to the direction in which the easy axis is tilted counterclockwise by 45° with respect to the X direction (hereinafter also referred to as +XY direction or right oblique direction) of the magnetoresistive element 210E. It is a top view which shows a structural example. Similar to the magnetoresistive element NW, the magnetoresistive element NE is a variation for complementing the magnetic field detection in the in-plane direction by the magnetoresistive element 210L and the magnetoresistive element 210V. It can be detected with high sensitivity.
  • FIG. 33 is a top view showing a planar configuration example of a magnetoresistive element 210C in which a perpendicular magnetization film having an easy axis and a hard axis in the perpendicular direction is used for the free layer 218.
  • magnetoresistive elements 210L, 210V, 210NW, 210NE, and 210C having different directions of easy axes as described above, it is possible to detect the direction of the external magnetic field with high sensitivity.
  • FIG. 34 shows a magnetoresistive element according to a first example of the present embodiment, which detects an external magnetic field on two in-plane axes (X-axis and Y-axis). It is a plane layout figure showing an example of arrangement. As shown in FIG. 34, in the first example, the magnetoresistive elements 210L having high sensitivity to the magnetic field component in the X direction and the magnetoresistive elements 210V having high sensitivity to the magnetic field component in the Y direction are alternately arranged in a checkered pattern.
  • the magnetoresistive element 210L and the magnetoresistive element 210V are arranged evenly in this way, it is possible to detect the magnitude and direction of the external magnetic field H in the in-plane direction with high sensitivity.
  • the arrangement pattern is not limited to the pattern shown in FIG. 34, and as long as the magnetoresistive elements 210L and 210V can be evenly arranged, for example, the magnetoresistive elements 210L and 210V can be arranged in every other row or column. may be transformed.
  • FIG. 35 shows a magnetoresistive element according to a second example of the present embodiment, which detects an external magnetic field on two in-plane axes (X-axis and Y-axis). It is a plane layout figure showing an example of arrangement. As shown in FIG. 35, in the second example, in addition to the magnetoresistive elements 210L and 210V, the magnetoresistive element 210NW having high sensitivity to the magnetic field component in the ⁇ XY direction and the magnetoresistive element 210NE having high sensitivity to the magnetic field component in the +XY direction are arranged alternately.
  • the magnetoresistive elements 210L, 210V, 210NW, and 210NE By arranging the magnetoresistive elements 210L, 210V, 210NW, and 210NE evenly in this way, it is possible to detect the magnitude and direction of the external magnetic field H in the in-plane direction with higher sensitivity. Note that the arrangement pattern is not limited to the pattern shown in FIG. 35. If the magnetoresistive elements 210L, 210V, 210NW and 210NE can be evenly arranged, for example, the magnetoresistive elements 210L, 210V and 210NW can be arranged in rows or columns alternately. and 210NE may be arranged.
  • FIG. 36 shows a magnetoresistive element according to a third example of the present embodiment, which detects an external magnetic field on three axes (X-axis, Y-axis and X-axis). It is a plane layout figure showing an example of arrangement. As shown in FIG. 36, in the third example, based on the arrangement example according to the first example, in addition to the magnetoresistive elements 210L and 210V according to the first example, a magnetic field having high sensitivity to the magnetic field component in the Z direction The resistance elements 210C are arranged alternately.
  • the magnetoresistive elements 210L and 210V that detect the magnetic field component in the in-plane direction with high sensitivity and the magnetoresistive element 210C that detects the magnetic field component in the Z direction with high sensitivity the in-plane direction Not only that, the magnitude and direction of the external magnetic field H in the X direction can also be detected with high sensitivity.
  • the arrangement pattern is not limited to the pattern shown in FIG. 36, and if the magnetoresistive elements 210L, 210V and 210C can be uniformly arranged, for example, the magnetoresistive elements 210L, 210V and 210C are arranged in rows or columns. Various modifications may be made such as
  • FIG. 37 shows a magnetoresistive element according to a fourth example of the present embodiment, which detects an external magnetic field on three axes (X-axis, Y-axis and X-axis). It is a plane layout figure showing an example of arrangement. As shown in FIG. 37, in the fourth example, based on the arrangement example according to the second example, in addition to the magnetoresistive elements 210L, 210V, 210NW, and 210NE according to the second example, Magnetoresistive elements 210C with high sensitivity are arranged alternately.
  • the magnetoresistive elements 210L, 210V, 210NW, and 210NE that detect the magnetic field component in the in-plane direction with high sensitivity and the magnetoresistive element 210C that detects the magnetic field component in the Z direction with high sensitivity the magnitude and direction of the external magnetic field H not only in the in-plane direction but also in the X direction can be detected with higher sensitivity.
  • the arrangement pattern is not limited to the pattern shown in FIG. , 210NW, 210NE and 210C may be arranged.
  • magnetoresistive element 210C uses a perpendicular magnetization film for the free layer 218, it cannot be formed in the same process as the magnetoresistive element 210E, and must be formed and processed in a different process. be.
  • the magnetoresistive element 210E using the in-plane magnetization film for the free layer 213 and the magnetoresistive element 210C using the perpendicular magnetization film for the free layer 218 are formed in the same layer. For example:
  • 38 to 46 are process cross-sectional views showing an example of the manufacturing method of the magnetic detection device according to this embodiment.
  • the following description focuses on some basic units of the magnetic detection device. Further, in the following description, the same steps as the manufacturing steps described with reference to FIGS. 14 to 19 in the first embodiment will be referred to.
  • a first layer 251 to be processed into the layer 211, a second layer 252 to be processed into the nonmagnetic layer 212, and a third layer 253 to be processed into the free layer 213 are stacked in this order to form a laminated film 250E.
  • the third layer 253 may be an in-plane magnetization film.
  • the laminated film 50 is formed into a mesa shape by using photolithography technology and etching technology, for example.
  • the upper electrode 214 is formed on the upper surface of the magnetoresistive element 10 .
  • an insulating layer 241 is formed so as to bury the structure 255E composed of the magnetoresistive element 210E and the upper electrode 214 .
  • trenches A21 for forming magnetoresistive elements 210C are formed in the formed insulating layer 241 by using, for example, photolithography technology and etching technology.
  • the upper surface of the insulating layer 241 may be planarized by, for example, CMP.
  • the first layer 256 to be processed into the fixed layer 216 in the magnetoresistive element 210C and the second layer 256 to be processed into the non-magnetic layer 217 are formed.
  • a laminated film 250C is formed by laminating the second layer 257 and the third layer 258 to be processed into the free layer 218 in this order.
  • the third layer 258 may be a perpendicular magnetization film.
  • the laminated film 250C formed on the insulating layer 241 may be removed by a lift-off method, CMP, or the like.
  • a mask M21 is formed on the laminated film 250C, and the laminated film 250C exposed from the mask M21 is etched using an etching technique such as RIE.
  • RIE etching technique
  • the upper electrode 219 is formed on the upper surface of the magnetoresistive element 210C by using, for example, the lift-off method.
  • the trenches A21 of the insulating layer 241 are buried using, for example, the CVD method or the sputtering method, thereby forming a structure 255E including the magnetoresistive element 210E and the upper electrode 214, and the magnetoresistive element 210C. and an insulating layer 242 covering the structure 255C composed of the upper electrode 219 is formed.
  • the upper surface of the insulating layer 242 may be planarized by, for example, CMP.
  • photolithography technology and etching technology are used to form openings A22 that expose portions of the upper surfaces of the upper electrodes 214 and 219, respectively.
  • the wiring 42 connected to the upper electrode 214 or 219 is embedded in the opening A22.
  • a wiring for connecting the wiring 42 to the power supply voltage VDD is formed on the insulating layer 242 to fabricate the magnetic detection device according to the present embodiment.
  • a step of singulating and packaging the wafer into semiconductor chips may be performed.
  • the magnetic detection device (block) has a configuration in which a plurality of semiconductor chips are stacked, a step of bonding the semiconductor chips may be performed.
  • 47 to 53 are process cross-sectional views showing an example of the manufacturing method of the magnetic detection device according to this embodiment.
  • the following description focuses on some basic units of the magnetic detection device.
  • the steps similar to the manufacturing steps described above with reference to FIGS. 38 to 46 are referred to.
  • an insulating layer 241 is formed so as to bury the structure 255E composed of the magnetoresistive element 210E and the upper electrode 214 .
  • trenches A23 for exposing the lower electrodes of the base substrate 40 are formed in the formed insulating layer 241 by using, for example, photolithography technology and etching technology.
  • the upper surface of the insulating layer 241 may be planarized by, for example, CMP.
  • a wiring 243 connected to the lower electrode of the base substrate 40 is embedded in the trench A23 of the insulating layer 241. Then, as shown in FIG. 48, a wiring 243 connected to the lower electrode of the base substrate 40 is embedded in the trench A23 of the insulating layer 241. Then, as shown in FIG. 48, a wiring 243 connected to the lower electrode of the base substrate 40 is embedded in the trench A23 of the insulating layer 241. Then, as shown in FIG.
  • a third layer 258 to be processed into 218 forms a laminated film 250C laminated in this order.
  • the third layer 258 may be a perpendicular magnetization film.
  • a mask M23 is formed on the layered film 250C, and the layered film 250C exposed from the mask M23 is etched using an etching technique such as RIE to form a mesa-shaped magnetic field.
  • a resistive element 210C is formed.
  • the upper electrode 219 is formed on the upper surface of the magnetoresistive element 210C by using, for example, the lift-off method.
  • the insulating layer 244 is formed so as to bury the structure 255C composed of the magnetoresistive element 210C and the upper electrode 219 by using the CVD method or the sputtering method, for example.
  • the upper surface of the insulating layer 244 may be planarized by, for example, CMP.
  • photolithography technology and etching technology are used to form openings A24 that expose portions of the upper surfaces of the upper electrodes 214 and 219, respectively.
  • a wiring 245 connected to the upper electrode 214 or 219 is embedded in the opening A24. After that, a wiring for connecting the wiring 42 to the power supply voltage VDD is formed on the insulating layer 244 to fabricate the magnetic detection device according to the present embodiment.
  • the magnetic detection device is configured by appropriately combining magnetoresistive elements having different easy axis directions, not only the magnitude of the external magnetic field but also the external It is possible to realize a magnetic detection device capable of detecting the direction of the magnetic field.
  • FIG. 54 is a block diagram showing a schematic configuration example of the magnetic detection device according to this embodiment.
  • the magnetic detection device 100 includes a detection circuit array 101, a vertical drive circuit 102, a signal processing circuit 103, and a magnetic detection section 109, for example.
  • the vertical drive circuit 102, the signal processing circuit 103, the system control circuit 105, and the magnetic detection section 109 are also called peripheral circuits.
  • the detection circuit array 101 is an array section in which the detection circuits 110b (see FIG. 12) according to the first embodiment are arranged in a two-dimensional lattice.
  • the magnetoresistive element in each detection circuit 110b is any one of the magnetoresistive element 10 according to the first embodiment and the magnetoresistive elements 210L, 210V, 210NW, 210NE and 210C according to the second embodiment. There may be.
  • the vertical drive circuit 102 is composed of a shift register, an address decoder, etc., and drives each detection circuit 110b of the detection circuit array 101 simultaneously or in units of rows.
  • the vertical drive circuit 102 constitutes a drive unit that controls the operation of each detection circuit 110 b of the detection circuit array 101 together with a system control circuit 105 that controls the vertical drive circuit 102 .
  • This vertical drive circuit 102 has, for example, two scanning systems, a readout scanning system and a discharge scanning system.
  • the readout scanning system sequentially selectively scans the detection circuit array 101 row by row in order to read out signals from each detection circuit 110b.
  • a signal read from each detection circuit 110b is an analog signal.
  • the sweep-scanning system performs sweep-scanning on a read-out row to be read-scanned by the read-out scanning system, ahead of the read-out scan by a predetermined time.
  • a signal output from each detection circuit 110b of a row selectively scanned by the vertical drive circuit 102 is input to the signal processing circuit 103 through each signal line for each column.
  • the signal processing circuit 103 performs predetermined signal processing on the signal output from each detection circuit 110b in the selected row for each column of the detection circuit array 101, and temporarily holds the signal after the signal processing.
  • the signal processing circuit 103 includes an AD conversion circuit 25, converts an analog signal read from each detection circuit 110b into a digital signal, and outputs the digital signal as an output signal SIG.
  • the system control circuit 105 is composed of a timing generator that generates various timing signals, and controls driving of the vertical driving circuit 102, the signal processing circuit 103, etc. based on the various timings generated by the timing generator.
  • the magnetic detection unit 109 detects the magnitude of the external magnetic field (its direction in the second embodiment) by performing predetermined processing on the signal output from the signal processing circuit 103 .
  • the magnetic detection unit 109 integrates the output signal SIG read from each detection circuit 110b and converted into a digital signal, and from the values obtained by this integration, the first residence time and the first residence time of the entire magnetoresistive element 10 An integrated value for each of the two staying times may be calculated, and the magnitude of the external magnetic field may be detected based on the difference between the calculated integrated value for the first staying time and the calculated second staying time integrated value.
  • each detection circuit 110b includes the magnetoresistive elements 210E and 210C with different easy axis directions as in the second embodiment
  • the signals to be integrated are the magnetoresistive elements 210E and 210C with the same easy axis direction. may be a signal read from the
  • the present technology can also take the following configuration.
  • a magnetoresistive element a detection unit that detects an external magnetic field based on the resistance value of the magnetoresistive element; with The magnetoresistive element is a fixed layer with a fixed magnetization direction; a non-magnetic layer disposed on the fixed layer; a free layer disposed on the nonmagnetic layer and having a magnetization direction that varies with time; with The magnetic detection device, wherein the magnetic anisotropy axis of the free layer is parallel to the magnetization direction of the fixed layer.
  • the magnetoresistive element includes information about a first residence time during which the magnetization direction of the free layer maintains parallel to the magnetization direction of the fixed layer, and output at least one of information about the second residence time maintaining the anti-parallel state; Based on the difference between the first stay time and the second stay time specified from at least one of information on the first stay time and information on the second stay time, The magnetic detection device according to (1), which detects an external magnetic field. (3) The magnetic detection device according to (2), wherein the first residence time and the second residence time are 0.1 microseconds or more and 10 milliseconds or less.
  • the detection unit detects the external magnetic field based on the difference between the integrated value of the first dwell time and the integrated value of the second dwell time in each of the plurality of magnetoresistive elements. (2) or (3) ). (5) further comprising a conversion unit that converts the electric charge flowing through the magnetoresistive element into a digital value; The magnetic detection device according to any one of (2) to (4), wherein the detection unit identifies the first residence time and the second residence time in the magnetoresistive element based on the digital value. . (6) The magnetic detection device according to (5), further comprising a low-pass filter arranged between the magnetoresistive element and the conversion section.
  • the detection unit specifies the first stay time and the second stay time based on the number of pulses of a pulse signal that conducts the gate circuit while the gate circuit is in an open state.
  • the magnetic detection device according to any one of items.
  • (8) further comprising an accumulation unit for accumulating electric charges that have flowed through the magnetoresistive element, The magnetic detection unit according to any one of (2) to (5), wherein the detection unit specifies the first stay time and the second stay time based on the amount of charge accumulated in the storage unit. Device.
  • the magnetic detection device according to any one of (1) to (11), further comprising: (13) a plurality of the magnetoresistive elements; a plurality of charge-coupled devices that sequentially transfer and aggregate the charges that have flowed through each of the plurality of magnetoresistive elements;
  • the magnetic detection device according to any one of (1) to (11), further comprising: (14) comprising a plurality of said magnetoresistive elements, Each of the magnetoresistive elements has an easy axis along which the magnetization direction of the free layer is easier to orient than in other directions, and a hard axis along which the magnetization direction of the free layer is more difficult to orient than in other directions,
  • the magnetic detection according to any one of (1) to (13), wherein the direction of the easy axis of at least one of the plurality of magnetoresistive elements is different from the direction of the easy
  • the magnetic detection device (15) The magnetic detection device according to (14), wherein at least one of the plurality of magnetoresistive elements has a length in the easy axis direction longer than a length in the hard axis direction. (16) The magnetic detection device according to (14) or (15), wherein a planar shape of at least one of the plurality of magnetoresistive elements is elliptical. (17) The magnetic detection device according to any one of (14) to (16), wherein at least one of the plurality of magnetoresistive elements has a circular planar shape.
  • the plurality of magnetoresistive elements are a first magnetoresistive element, the direction of the easy axis of which is the first direction; a second magnetoresistive element in which the direction of the easy axis is in a second direction different from the first direction by 90°;
  • the magnetic detection device according to any one of (14) to (17) above.
  • the plurality of magnetoresistive elements are a third magnetoresistive element in which the direction of the easy axis is in a third direction different from the first direction by 45° and ⁇ 45° from the second direction; a fourth magnetoresistive element in which the direction of the easy axis is in a fourth direction different from the first direction by 135° and different from the second direction by 45°;
  • the magnetic detection device according to (18) above.
  • the plurality of magnetoresistive elements further include a fifth magnetoresistive element in which the direction of the easy axis is a fifth direction different from each of the first direction and the second direction by 90°. ) or (19).

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Abstract

検出精度の低下を抑制する。実施形態に係る磁気検出装置は、磁気抵抗素子（１０）と、前記磁気抵抗素子の抵抗値に基づいて外部磁場を検出する検出部（１０９）と、を備え、前記磁気抵抗素子は、磁化方向が固定された固定層（１１）と、前記固定層上に配置された非磁性層（１２）と、前記非磁性層上に配置され、磁化方向が時間によって変動するするフリー層（１３）と、を備え、前記フリー層の磁気異方性軸は、前記固定層の磁化方向と平行である。

Description

磁気検出装置
　本開示は、磁気検出装置に関する。
　磁気検出装置はホール効果や磁気抵抗効果などの原理を用いたものが使いやすく広く用いられているが、脳の活動や心臓や筋肉の活動などに伴う生体磁気は微弱であるため、一般的な磁気検出手段では感度が十分ではない。そのため、従来、生体磁気の検出には磁気量子効果を利用したＳＱＵＩＤ（Superconducting　QUantum　Interference　Device）磁気検出器を用いることが一般的であった。
　ＳＱＵＩＤは極低温に冷却する必要があり、設備が大型になるため、より簡便に生体磁気を検出する方法が研究されている。一つの方法として大きな磁気抵抗効果を有する素子を複数並列化してノイズを抑える方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０１９－１６３９８９号公報
　ところで、磁気抵抗効果を用いた磁気検出装置は、基本的に磁化が固定された磁化固定層と外部磁場で容易に動くフリー層とを有し、磁化固定層とフリー層との間の磁化の角度によって変化する磁気抵抗を電気的に読み出すことによって磁場の大きさを検出している。従って、最終的には、電圧などのアナログ信号をＡＤ（Analog-to-Digital）変換して磁場強度が読み出される。そのため、いくら磁気抵抗素子を低ノイズ化しても、アナログ回路やＡＤコンバータなどの周辺回路の精度によって磁場検出の分解能が制限されてしまい、検出精度が低下してしまう可能性が存在する。
　また、感度を上げるために異方性磁場を弱くしたり、素子数を増やすために素子サイズを小さくしたりすると、熱揺らぎの影響を受けやすくなる。その結果、熱揺らぎに起因する雑音が増えてしまい、検出精度が低下してしまうという課題も存在する。
　そこで本開示では、検出精度の低下を抑制することが可能な磁気検出装置を提案する。
　本開示の一実施の形態における磁気検出装置は、磁気抵抗素子と、前記磁気抵抗素子の抵抗値に基づいて外部磁場を検出する検出部と、を備え、前記磁気抵抗素子は、磁化方向が固定された固定層と、前記固定層上に配置された非磁性層と、前記非磁性層上に配置され、磁化方向が時間によって変動するするフリー層と、を備え、前記フリー層の磁気異方性軸は、前記固定層の磁化方向と平行である。
一般的な磁気抵抗素子の概略構成例を示す模式図である。 一般的な磁気抵抗効果素子の抵抗値の外部磁場依存性を示す図である。 第１の実施形態に係る磁気抵抗素子の概略構成例を示す模式図である。 第１の実施形態に係る外部磁場を印加しない場合と印加した場合の磁気抵抗素子の抵抗の時間変化のモデルを示す図である。 第１の実施形態の第１例に係る検出回路の回路構成例を示す回路図である。 第１の実施形態の第２例に係る検出回路の回路構成例を示す回路図である。 第１の実施形態の第２例に係る検出回路の他の回路構成例を示す回路図である。 第１の実施形態の第１例に係る素子集合体の回路構成例を示す回路図である。 第１の実施形態の第２例に係る素子集合体の回路構成例を示す回路図である。 第１の実施形態の第３例に係る素子集合体の回路構成例を示す回路図である。 第１の実施形態の第１例に係る半導体チップの回路構成例を示す回路図である。 第１の実施形態の第２例に係る半導体チップの回路構成例を示す回路図である。 第１の実施形態の第２例に係る半導体チップの他の回路構成例を示す回路図である。 第１の実施形態に係る磁気検出装置の製造方法例を示すプロセス断面図である（その１）。 第１の実施形態に係る磁気検出装置の製造方法例を示すプロセス断面図である（その２）。 第１の実施形態に係る磁気検出装置の製造方法例を示すプロセス断面図である（その３）。 第１の実施形態に係る磁気検出装置の製造方法例を示すプロセス断面図である（その４）。 第１の実施形態に係る磁気検出装置の製造方法例を示すプロセス断面図である（その５）。 第１の実施形態に係る磁気検出装置の製造方法例を示すプロセス断面図である（その６）。 第１の実施形態に係る磁気抵抗素子の平均反転時間とノイズレベルとを示す図である。 第１の実施形態に係る複数の磁気抵抗素子を直列及び並列に接続した場合のノイズレベルを示す図である。 第２の実施形態に係る磁気抵抗素子の概略構成例を示す模式図である。 第２の実施形態に係る磁気抵抗素子の他の概略構成例を示す模式図である。 図２２に示した磁気抵抗素子におけるフリー層の磁化方向と外部磁場の向きとの関係を示す図である。 図２３に示した磁気抵抗素子におけるフリー層の磁化方向と外部磁場の向きとの関係を示す図である。 第２の実施形態に係るφ＝４５度のある外部磁場Ｈを印加したときの磁気エネルギーＥのθ依存性の例を示す図である。 第２の実施形態に係るフリー層に対する外部磁場の方向を示す図である。 第２の実施形態に係るフリー層に面内磁化膜を用いた場合の外部磁場の方向と出力信号（滞在時間差）Ｓとの関係を示す図である。 第２の実施形態に係る磁気抵抗素子の概略構成例を示す平面図である。 第２の実施形態に係る他の磁気抵抗素子の概略構成例を示す平面図である。 第２の実施形態に係るさらに他の磁気抵抗素子の概略構成例を示す平面図である。 第２の実施形態に係るさらに他の磁気抵抗素子の概略構成例を示す平面図である。 第２の実施形態に係るさらに他の磁気抵抗素子の概略構成例を示す平面図である。 第２の実施形態の第１例に係る磁気抵抗素子であって、外部磁場を面内の２軸（Ｘ軸及びＹ軸）で検出する磁気抵抗素子の配列例を示す平面レイアウト図である。 第２の実施形態の第２例に係る磁気抵抗素子であって、外部磁場を面内の２軸（Ｘ軸及びＹ軸）で検出する磁気抵抗素子の配列例を示す平面レイアウト図である。 第２の実施形態の第３例に係る磁気抵抗素子であって、外部磁場を３軸（Ｘ軸、Ｙ軸及びＸ軸）で検出する磁気抵抗素子の配列例を示す平面レイアウト図である。 第２の実施形態の第４例に係る磁気抵抗素子であって、外部磁場を３軸（Ｘ軸、Ｙ軸及びＸ軸）で検出する磁気抵抗素子の配列例を示す平面レイアウト図である。 第２の実施形態に係る磁気検出装置の製造方法例を示すプロセス断面図である（その１）。 第２の実施形態に係る磁気検出装置の製造方法例を示すプロセス断面図である（その２）。 第２の実施形態に係る磁気検出装置の製造方法例を示すプロセス断面図である（その３）。 第２の実施形態に係る磁気検出装置の製造方法例を示すプロセス断面図である（その４）。 第２の実施形態に係る磁気検出装置の製造方法例を示すプロセス断面図である（その５）。 第２の実施形態に係る磁気検出装置の製造方法例を示すプロセス断面図である（その６）。 第２の実施形態に係る磁気検出装置の製造方法例を示すプロセス断面図である（その７）。 第２の実施形態に係る磁気検出装置の製造方法例を示すプロセス断面図である（その８）。 第２の実施形態に係る磁気検出装置の製造方法例を示すプロセス断面図である（その９）。 第２の実施形態に係る磁気検出装置の他の製造方法例を示すプロセス断面図である（その１）。 第２の実施形態に係る磁気検出装置の他の製造方法例を示すプロセス断面図である（その２）。 第２の実施形態に係る磁気検出装置の他の製造方法例を示すプロセス断面図である（その３）。 第２の実施形態に係る磁気検出装置の他の製造方法例を示すプロセス断面図である（その４）。 第２の実施形態に係る磁気検出装置の他の製造方法例を示すプロセス断面図である（その５）。 第２の実施形態に係る磁気検出装置の他の製造方法例を示すプロセス断面図である（その６）。 第２の実施形態に係る磁気検出装置の他の製造方法例を示すプロセス断面図である（その７）。 第３の実施形態に磁気検出装置の概略構成例を示すブロック図である。
　以下に、本開示の実施形態について図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態において、同一の部位には同一の符号を付することにより重複する説明を省略する。
　また、以下に示す項目順序に従って本開示を説明する。
　　１．第１の実施形態
　　　１．１　磁気抵抗素子について
　　　１．２　検出回路の例
　　　　１．２．１　第１例
　　　　１．２．２　第２例
　　　１．３　素子集合体の構成例
　　　　１．３．１　第１例
　　　　１．３．２　第２例
　　　　１．３．３　第３例
　　　１．４　半導体チップの構成例
　　　　１．４．１　第１例
　　　　１．４．２　第２例
　　　１．５　製造方法
　　　１．６　作用・効果
　　２．第２の実施形態
　　　２．１　磁気抵抗素子の構成例
　　　２．２　磁気抵抗素子のバリエーション例
　　　２．３　磁気抵抗素子の配列例
　　　　２．３．１　第１例
　　　　２．３．２　第２例
　　　　２．３．３　第３例
　　　　２．３．４　第４例
　　　２．４　製造方法例
　　　　２．４．１　製造方法の変形例
　　　２．５　作用・効果
　　３．第３の実施形態
　１．第１の実施形態
　以下、本開示の第１の実施形態に係る磁気抵抗素子及び磁気検出装置について、図面を参照して詳細に説明する。
　１．１　磁気抵抗素子について
　本実施形態では、まず、磁気抵抗素子について説明する。図１は、一般的な磁気抵抗素子の概略構成例を示す模式図である。図１に示すように、磁気抵抗素子９１０は、磁化方向が固定されている磁化固定層（以下、単に固定層ともいう）９１１と、外部磁場に応じて磁化方向が変化するフリー層９１３と、固定層９１１とフリー層３との間に配置された非磁性層９１２とを備える。
　外部磁場がない状態では固定層９１１の磁化方向とフリー層９１３の磁化方向との角度が凡そ９０度になるように構成すると、外部磁場に対する応答の線形成や検出可能磁場範囲を大きくすることができる。
　固定層９１１の磁化方向は、コバルト鉄（ＣｏＦｅ）合金のような強磁性体を白金マンガン（ＰｔＭｎ）合金やイリジウムマンガン（ＩｒＭｎ）合金などの反強磁性体と結合させることで固定される。
　また、固定層９１１は、２枚の強磁性層が極めて薄いルテニウム（Ｒｕ）層やイリジウム（Ｉｒ）層などと積層された構造を備える。それにより、強磁性層同士が反平行に結合するため、固定層９１１からの漏洩磁場を減らすことが可能となる。
　フリー層９１３には、外部磁場に対して変化しやすいように、ＣｏＦｅ合金、ニッケル鉄（ＮｉＦｅ）合金、コバルト鉄ボロン（ＣｏＦｅＢ）合金などの磁気異方性の弱い磁性材料が用いられる。非磁性層には、銅（Ｃｕ）などの良導体を用いる場合と、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）や酸化マグネシウム（ＭｇＯ）などの絶縁体を用いる場合とがある。良導体を用いる場合は電流を膜面に流して巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Giant　Magneto　Resistive　effect）効果を利用し、絶縁体を用いる場合は膜面垂直方向に電流を流してトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Tunnel　Magneto　Resistance）効果を利用することで、大きな抵抗変化を得ることが可能となる。
　図２に、上記で説明した一般的な磁気抵抗効果素子の抵抗値の外部磁場依存性を示す。図２に示すように、外部磁場が弱いときには、抵抗は外部磁場に対してほぼ直線的に変化し、ある程度以上大きくなると飽和する傾向を示す。外部磁場に対する感度を上げるために傾斜を強くすると飽和しやすくなり、検出できる最大磁場が小さくなる。
　次に、本実施形態に係る磁気抵抗素子の概要について、図３を参照して説明する。図３は、本実施形態に係る磁気抵抗素子の概略構成例を示す模式図である。
　図３に示すように、本実施形態に係る磁気抵抗素子１０の層構成や積層形態などは、図１に例示した一般的な磁気抵抗素子９１０に準じるが、フリー層１３の磁気異方性を固定層１１の磁化方向と平行になるように構成することを特徴とする。
　フリー層１３の磁気異方性軸と固定層１１の磁化方向とを平行にした場合、外部磁場の方向や磁場の大きさによって、フリー層１３の磁化方向が固定層１１の磁化方向と平行あるいは反平行のどちらかに限定される。つまり、磁気抵抗素子１０の抵抗はおおまかに高抵抗か低抵抗の２値になる。
　ただし、フリー層１３の体積が大きい場合は磁化方向が平行か反平行かのどちらかで安定するが、フリー層１３の体積を小さくしていくと、熱揺らぎの効果で平行状態と反平行状態とを遷移するようになる。
　ここで、熱安定性の指標Δ０は、磁気異方性エネルギーＫｕ、磁性体の体積Ｖ、温度Ｔ、ボルツマン定数ＫＢを用いて以下の式（１）のように表される。
Δ０＝ＫｕＶ／ｋＢＴ　　（１）
　したがって、時間ｔの間にフリー層１３の磁化方向が反転する反転確率Ｐは、以下の式（２）のように表すことができる。式（２）において、τ０は緩和定数である。
Ｐ＝１－ｅｘｐ｛－ｔ／τ０・ｅｘｐ（－Δ０）　　（２）
　磁気抵抗素子１０に外部磁場が加わった場合、印加磁場に平行な状態でのΔｐと、反平行な状態でのΔａｐとは、それぞれ以下の式（３）及び式（４）で表される。式（３）、式（４）において、Ｈｋは異方性磁場の大きさである。
Δｐ＝Δ０・（１＋Ｈ／Ｈｋ）２　　（３）
Δａｐ＝Δ０・（１－Ｈ／Ｈｋ）２　　（４）
　式（３）及び式（４）に示すように、磁気抵抗素子１０に外部磁場が加わると、ΔｐとΔａｐの間に差が生じて、平行状態から反平行状態への反転確率と反平行状態から平行状態への反転確率とに差が生じる。すなわち、平行状態の滞在時間と反平行状態の滞在時間とに差が生じることになる。図４に外部磁場を印加しない場合と印加した場合の磁気抵抗素子１０の抵抗の時間変化のモデルを示す。なお、図４において、破線は外部磁場を印加しない場合の抵抗の時間変化を示し、実線は外部磁場を印加した場合の抵抗の時間変化を示している。
　ただし、フリー層１３における磁化方向の反転は確率的に発生するものであるから、それぞれの状態の滞在時間の時間差には大きな揺らぎが存在する。この揺らぎを減らすためには観測時間あたりに反転する反転数を増やす、すなわちΔを小さくするのが有効で、平均反転時間で１０ミリ秒以下にするのが好ましい。反転時間は小さいほうが揺らぎは小さくなるが、０．１マイクロ秒より小さくしてしまうと、読みだし電流によるスピントルクノイズが増加してしまう。
　磁気異方性Ｈｋは、磁気抵抗素子の感度を決める重要なパラメータで、大きくしすぎると感度が低下し、小さくしすぎると磁化方向が安定しなくなるので、適当な大きさにするのが好ましい。磁気異方性Ｈｋは、磁場中で、成膜や熱処理を行うことで誘導磁気異方性を付与したり、形状を楕円形のように非対称な形状にして形状異方性を付与したりすることで制御することができる。
　さらに、揺らぎの影響を小さくするには、素子の数を増やして状態を平均化すればよい。例えば、素子を直列や並列に並べ、高抵抗状態の素子数と低抵抗状態の素子数との差の情報を集合体としての抵抗値として測定することで、揺らぎの影響を小さくすることができる。また、時間的に抵抗値を電気信号として積分や高周波成分を除去するローバスフィルタ回路を通すことによっても、揺らぎの影響を減らすことができる。
　素子の集合体を構成する場合、その構成は、複数の素子が直列に接続された構成であってもよいし、並列に接続された構成であってもよいし、直接接続と並列接続とが組み合わされた構成であってもよい。その際、素子の非磁性層に良導体を用いる場合では、直列に接続したほうが読み出しやすい抵抗値が得られ、絶縁体を用いる場合では、並列に接続したほうが読み出しやすい抵抗値が得られる。
　１．２　検出回路の例
　次に、磁気抵抗素子ごとに反転確率の差を読み出すための回路構成例を、図５～図７を用いて説明する。なお、図５～図７では、磁気抵抗素子１０として抵抗値の大きなＭＴＪ（Magnetic　Tunnel　Junction）素子を用いた場合を例示するが、これに限定されず、種々の磁気抵抗素子が用いられてよい。
　１．２．１　第１例
　図５は、本実施形態の第１例に係る検出回路の回路構成例を示す回路図であり、磁気抵抗素子が平行状態にある時間と反平行状態にある時間、すなわち高抵抗状態にある時間と低抵抗状態にある時間とを計測することで反転確率の差を取得するための検出回路の一例を示す回路図である。
　図５に示す検出回路１１０Ａは、磁気抵抗素子１０と、３つの抵抗Ｒ１～Ｒ３と、コンパレータ２１と、ＣＭＯＳトランジスタＴ１とから構成される。コンパレータ２１は、電源電圧ＶＤＤと接地電位ＧＮＤとの間に直列接続された２つの抵抗Ｒ１及びＲ２の接続ノードＮ１の電位を基準電位とし、この基準電位と、同じく源電圧ＶＤＤと接地電位ＧＮＤとの間に直列接続された磁気抵抗素子１０と抵抗Ｒ３との接続ノードＮ２の電位とを比較し、その結果をＣＭＯＳトランジスタＴ１のゲートに印加する。すなわち、ＣＭＯＳトランジスタＴ１は、磁気抵抗素子１０の抵抗値（言い換えれば、フリー層１３の磁化方向）に応じて開閉するゲート回路として機能する。
　例えば、接続ノードＮ２の電位が接続ノードＮ１の電位よりも高い場合、すなわち磁気抵抗素子１０が平行状態（低抵抗状態）にある場合、ＣＭＯＳトランジスタＴ１のゲートには、コンパレータ２１から出力されたＨｉｇｈレベルの比較結果が印加される。それにより、ＣＭＯＳトランジスタＴ１が導通状態（開状態ともいう）となるため、検出回路１１０Ａからは、フリー層１３の磁化方向が固定層１１の磁化方向と平行な状態を維持する滞在時間（第１滞在時間ともいう）に関する情報を示すパルス信号が、出力信号ＳＩＧとして出力される。なお、パルス信号は、所定の周期でＨｉｇｈレベルとＬｏｗレベルとの間を遷移する信号であってよく、例えば、クロック信号ＣＬＫなどであってよい。
　一方、接続ノードＮ２の電位が接続ノードＮ１の電位よりも低い場合、すなわち磁気抵抗素子１０が反平行状態（高抵抗状態）にある場合、ＣＭＯＳトランジスタＴ１のゲートには、コンパレータ２１から出力されたＬｏｗレベルの比較結果が印加される。それにより、ＣＭＯＳトランジスタＴ１が遮断状態（閉状態ともいう）となるため、検出回路１１０Ａからのクロック信号ＣＬＫの出力が遮断される。すなわち、クロック信号ＣＬＫの出力が遮断される期間は、フリー層１３の磁化方向が固定層１１の磁化方向と反平行な状態を維持する滞在時間（第２滞在時間ともいう）に関する情報を示す。
　したがって、図５に示す検出回路１１０Ａを用いた場合、測定期間中に検出回路１１０Ａから出力信号ＳＩＧとして出力されたクロック信号ＣＬＫのパルス数をカウントして磁気抵抗素子１０が平行状態にあった期間（平行状態期間ともいう）を計測し、平行状態期間と測定期間とから磁気抵抗素子１０が反平行状態にあった期間（反平行状態期間ともいう）を算出し、平行状態期間と反平行状態期間との差を算出することで、反転確率の差を取得することが可能である。
　なお、磁気検出装置が複数の検出回路１１０Ａを備える場合、磁気抵抗素子の抵抗値に基づいて外部磁場を検出する磁気検出部（例えば、図５４における磁気検出部１０９を参照）は、各検出回路１１０Ａから出力されたデジタルの出力信号ＳＩＧをカウントすることで得られたカウント値を積算することで、平行状態期間と反平行状態期間との差を算出して、反転確率の差を取得してもよい。
　１．２．２　第２例
　図６及び図７は、本実施形態の第２例に係る検出回路の回路構成例を示す回路図であり、測定期間中に磁気抵抗素子を流れた電荷の量に基づいて反転確率の差を取得するための検出回路の例を示す回路図である。
　図６に示す検出回路１１０Ｂは、磁気抵抗素子１０と、キャパシタＣ２と、ＣＭＯＳトランジスタＴ２とから構成される。キャパシタＣ２には、計測期間中に磁気抵抗素子１０に流れた電荷を蓄積する。したがって、キャパシタＣ２に蓄積された電荷の量は、フリー層１３の磁化方向が固定層１１の磁化方向と平行な状態を維持する第１滞在時間に関する情報を示す。
　キャパシタＣ２に蓄積された電荷は、選択信号ＳＥＬにより導通状態とされたＣＭＯＳトランジスタＴ２を介して出力信号ＳＩＧとして出力される。
　したがって、図６に示す検出回路１１０Ｂを用いた場合、検出回路１１０Ｂから出力信号ＳＩＧとして出力された電荷の量と、例えば、測定期間中に常に磁気抵抗素子１０を低抵抗状態とした場合にキャパシタＣ２に蓄積される電荷の量との差を算出することで、反転確率の差を取得することが可能である。
　一方、図７に示す検出回路１１０Ｃは、図６に示す検出回路１１０Ｂと同様の構成において、キャパシタＣ２の代わりに、磁気抵抗素子１０に蓄積された電荷を出力信号ＳＩＧとして読み出すように構成されている。この場合、磁気抵抗素子１０に蓄積された電荷の量が、フリー層１３の磁化方向が固定層１１の磁化方向と平行な状態を維持する第１滞在時間に関する情報を示す。
　このような構成によっても、検出回路１１０Ｃから出力信号ＳＩＧとして出力された電荷の量と、例えば、測定期間中に常に磁気抵抗素子１０を低抵抗状態とした場合に磁気抵抗素子１０に蓄積される電荷の量との差を算出することで、反転確率の差を取得することが可能である。
　なお、磁気検出装置が複数の検出回路１１０Ｂ又は１１０Ｃを備える場合、磁気検出部は、各検出回路１１０Ｂ又は１１０Ｃから出力信号ＳＩＧとして読み出された電荷を蓄積し、測定期間中に常に全ての磁気抵抗素子１０を低抵抗状態とした場合に蓄積される電荷総量との差を算出することで、反転確率の差を取得してもよい。
　１．３　素子集合体の構成例
　次に、高抵抗状態の素子数と低抵抗状態の素子数との差の情報を集合体としての抵抗値として測定する場合の素子集合体の構成例を、図８～図１０を用いて説明する。
　１．３．１　第１例
　図８は、本実施形態の第１例に係る素子集合体の回路構成例を示す回路図であり、複数の磁気抵抗素子を並列に接続した場合の素子集合体の回路構成例を示す回路図である。図８に示すように、素子集合体は、電源電圧ＶＤＤと抵抗Ｒ４との間に、複数の磁気抵抗素子１０が並列接続された構成であってもよい。その場合、複数の磁気抵抗素子１０と抵抗Ｒ４とを接続する接続ノードの電位が出力信号ＳＩＧとして読み出されてよい。
　１．３．２　第２例
　図９は、本実施形態の第２例に係る素子集合体の回路構成例を示す回路図であり、複数の磁気抵抗素子を直列に接続した場合の素子集合体の回路構成例を示す回路図である。図９に示すように、素子集合体は、電源電圧ＶＤＤと抵抗Ｒ４との間に、複数の磁気抵抗素子１０が直列接続された構成であってもよい。その場合、直列接続された複数の磁気抵抗素子１０と抵抗Ｒ４とを接続する接続ノードの電位が出力信号ＳＩＧとして読み出されてよい。
　１．３．３　第３例
　図１０は、本実施形態の第３例に係る素子集合体の回路構成例を示す回路図であり、直列に接続された複数の磁気抵抗素子をさらに並列に接続した場合の素子集合体の回路構成例を示す回路図である。図１０に示すように、素子集合体は、電源電圧ＶＤＤと抵抗Ｒ４との間に、それぞれ複数の磁気抵抗素子１０を直列接続することで成る複数の素子ストリングが並列に接続された構成であってもよい。その場合、並列接続された複数の素子ストリングと抵抗Ｒ４とを接続する接続ノードの電位が出力信号ＳＩＧとして読み出されてよい。
　１．４　半導体チップの構成例
　次に、磁気抵抗素子１０を単独または集合体として半導体チップ上に集積した場合の回路例について、いくつか例を挙げて説明する。
　１．４．１　第１例
　図１１は、本実施形態の第１例に係る半導体チップの回路構成例を示す回路図であり、磁気抵抗素子に接続したキャパシタの電荷を電荷結合素子（ＣＣＤ）で転送して読み出す場合の例を示す図である。
　図１１に示すように、第１例では、複数の検出回路１１０ａが２次元格子状に配列した状態で半導体チップに集積されている。各検出回路１１０ａは、例えば、図６に示した検出回路の第２例と同様に、電源電圧ＶＤＤと接地電位ＧＮＤとの間に磁気抵抗素子１０とキャパシタＣ２とが直列に接続された構成を備え、測定期間中に磁気抵抗素子１０に流れた電荷がキャパシタＣに蓄積されるように構成されている。
　各検出回路１１０ａのキャパシタＣ２に蓄積された電荷は、各列に対して並行に配置された複数の垂直転送用ＣＣＤ２２と、各行に配置された複数の水平転送用ＣＣＤ２３とを介して、電荷電圧変換回路２４に流入し、電圧信号に変換されて出力信号ＳＩＧとして出力される。すなわち、各検出回路１１０ａのキャパシタＣ２に蓄積された電荷は、ＣＣＤ２２及び２３により順次転送されて集約され、電荷電圧変換回路２４に流入する。そして、電荷電圧変換回路２４において電圧信号に変換されて出力信号ＳＩＧとして出力される。
　なお、図１１では、磁気抵抗素子１０とキャパシタＣ１とが直接接続されているが、キャパシタＣ１からの電荷漏洩を抑えるために、磁気抵抗素子１０とキャパシタＣ１の間にＣＭＯＳスイッチが配置されてもよい。
　１．４．２　第２例
　図１２及び図１３は、本実施形態の第２例に係る半導体チップの回路構成例を示す回路図であり、各列における選択行の検出回路から電荷を読み出す場合の例を示す図である。
　図１２に示す例では、第１例と同様に、複数の検出回路１１０ｂが２次元格子状に配列した状態で半導体チップに集積されている。各検出回路１１０ｂは、例えば、電源電圧ＶＤＤと接地電位ＧＮＤとの間に磁気抵抗素子１０とＣＭＯＳトランジスタＴ１１とが直列に接続され、磁気抵抗素子１０とＣＭＯＳトランジスタＴ１１との接続ノードに選択トランジスタとしてのＣＭＯＳトランジスタＴ１２が接続された構成を備える。なお、第２例では、図７に示した検出回路の第２例と同様に、磁気抵抗素子１０自体が電荷の蓄積に用いられている。
　この例において、動作初めにリセットラインにリセット信号ＲＳＴを印加すると、磁気抵抗素子１０の両端に電圧がかかり、磁気抵抗素子１０に電荷が蓄積される。ここで、上述したように、磁気抵抗素子１０は抵抗素子として機能する。したがって、磁気抵抗素子１０に蓄積された電荷は、フリー層１３の磁化方向に応じて減少する。そこで、リセット信号ＲＳＴの印加から一定時間経過したところで、選択ラインに選択信号ＳＥＬを印加する。すると、磁気抵抗素子１０に残っている電荷が信号線を介して電荷電圧変換回路２４に流入して電圧信号に変換され、さらにＡＤ（Analog-to-Digital）変換回路２５によりデジタル信号に変換されて、出力信号ＳＩＧとして出力される。なお、選択信号ＳＥＬによって同時に選択される行（選択行）は、１行であってもよいし、複数行（全行を含む）であってもよい。
　また、図１３に示す例では、図１２に示す例と同様の構成において、電荷電圧変換回路２４とＡＤ変換回路２５との間にローパスフィルタ２６が配置されている。ローパスフィルタ２６は、ＡＤ変換前のアナログの信号を積分するか、又は、アナログ信号の高周波成分を除去する。それにより、高周波成分による影響を除去することが可能となるため、ノイズなどに起因した検出精度の低下を抑制することが可能となる。なお、ローパスフィルタ２６の位置は、電荷電圧変換回路２４とＡＤ変換回路２５との間に限定されず、磁気抵抗素子１０とＡＤ変換回路２５との間であれば種々変更されてよい。
　以上では、キャパシタＣ２又は磁気抵抗素子１０に蓄積された電荷を読み出す場合を例示したが、これに限定されず、例えば、一定電流を磁気抵抗素子１０に流して磁気抵抗素子１０の両端に生じる電位差を読み出すことで、磁気抵抗素子１０の抵抗値を直接測定してもよい。
　また、第１例及び第２例では、各検出回路１１０ａ及び１１０ｂが１つの磁気抵抗素子１０を備える場合が例示されているが、これに限定されず、例えば、図８～図１０に例示したように、１つの検出回路が直列及び／又は並列に接続された複数の磁気抵抗素子１０を備えてもよい。
　さらに、図１１～図１３に示した構成それぞれを１つのブロックとした場合、１つの半導体チップには、１つのブロックが配置されてもよいし、複数のブロックが配置されてもよい。さらにまた、半導体チップは、１つの半導体層に複数のブロックが配置された単層構造を備えてもよいし、１つの半導体層に１又は複数のブロックが配置された半導体チップが複数枚重ねられた積層構造を備えてもよい。
　１．５　製造方法
　次に、本実施形態に係る磁気検出装置の製造方法例について説明する。図１４～図１９は、本実施形態に係る磁気検出装置の製造方法例を示すプロセス断面図である。なお、以下の説明では、理解のため、磁気検出装置の一部の基本ユニットに着目する。
　本製造方法では、まず、シリコン基板などの半導体基板に、電荷電圧変換回路２４やＡＤ変換回路２５などの周辺回路を形成する。次に、周辺回路が形成された半導体基板上の一部に周辺回路に接続された下部電極を形成する。それにより、周辺回路を備えるベース基板４０が作製される。なお、下部電極が形成された半導体基板の素子形成面（以下、上面ともいう）は、後に形成される磁気抵抗素子１０との接続箇所を除いて絶縁層で埋め込まれてもよい。
　次に、図１４に示すように、ベース基板４０上の全面に、固定層１１に加工される第１層５１と、非磁性層１２に加工される第２層５２と、フリー層１３に加工される第３層５３とがこの順に積層された積層膜５０を形成する。なお、第１層５１から第３層５３の成膜には、ＣＶＤ（Chemical　Vapor　Deposition）法やスパッタ法など、各層に応じた種々の成膜技術が使用されてよい。
　次に、図１５に示すように、例えば、フォトリソグラフィなどを用いることで、積層膜５０上にマスクＭ１を形成し、マスクＭ１から露出する積層膜５０をＲＩＥ（Reactive　Ion　Etching）などのエッチング技術を用いて掘り込むことで、メサ状の磁気抵抗素子１０を形成する。
　なお、磁気抵抗素子１０は、固定層１１からフリー層１３までが円柱や楕円柱状にパターニングされた構成としてもよいが、例えば、フリー層１３のみがパターニングされ、非磁性層１２から下層がそのままの広い面積で残されたた構成としてもよい。それにより、非磁性層１２のショートを抑えることができ、固定層１１からの漏洩磁場も減らすことができる。また、本例では、複数の磁気抵抗素子１０がベース基板４０の素子形成面に２次元格子状に配列する場合を例示するが、ベース基板４０に形成される磁気抵抗素子１０は１つであってもよいし、複数であってもよい。さらに、本例では、全ての磁気抵抗素子１０が１つの層に配列する場合を例示するが、これに限定されず、複数の磁気抵抗素子１０が複数の層に分散して配置された構成であってもよい。
　次に、図１６に示すように、例えば、リフトオフ法などを用いることで、磁気抵抗素子１０の上面上に上部電極１４を形成する。
　次に、図１７に示すように、例えば、ＣＶＤ法やスパッタ法を用いることで、磁気抵抗素子１０と上部電極１４とからなる構造体１５を埋め込むように絶縁層４１を形成する。なお、絶縁層４１の上面は、例えば、ＣＭＰ（Chemical　Mechanical　Polishing）などで平坦化されてもよい。
　次に、図１８に示すように、例えば、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を用いることで、上部電極１４の上面の一部を露出させる開口Ａ１を絶縁層４１に形成する。
　次に、図１９に示すように、絶縁層４１の開口Ａ１内に、上部電極１４に接続された配線４２が埋め込まれる。その後、配線４２を電源電圧ＶＤＤに接続する配線を絶縁層４１上に形成することで、本実施形態に係る磁気検出装置が作製される。なお、複数の磁気検出装置が１つのウエハにまとめて作り込まれる場合には、ウエハを半導体チップに個片化してパッケージングする工程が実行されてよい。また、磁気検出装置（ブロック）が複数の半導体チップを積層した構成を有する場合には、各半導体チップを貼り合わせる工程が実行されてよい。
　１．６　作用・効果
　以上のように、それぞれフリー層１３の体積が縮小された複数の磁気抵抗素子１０からの検出結果に基づいてフリー層１３の磁化方向の反転確率を取得することで、平行状態及び反平行状態それぞれの存続期間の揺らぎの影響を統計的な手法で低減することが可能となるため、外部磁場の検出精度の低下を抑制することが可能となる。
　図２０は、本実施形態に係る磁気抵抗素子の平均反転時間とノイズレベルとを示す図である。なお、図２０に示す例では、厚さ５ｎｍ（ナノメートル）のタンタル（Ｔａ）、厚さ１０ｎｍの白金マンガン（ＰｔＭｎ）合金、厚さ２ｎｍのコバルト鉄（ＣｏＦｅ）合金、厚さ０．８ｎｍのルテニウム（Ｒｕ）、厚さ０．１ｎｍのタングステン（Ｗ）、厚さ２．５ｎｍのコバルト鉄ボロン（ＣｏＦｅＢ）合金、厚さｔの酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、厚さ３ｎｍのＣｏＦｅＢ合金、厚さ５ｎｍのタンタル（Ｔａ）の順に積層したＭＴＪ構成の膜を用いた。なお、ＭｇＯの厚さｔは、磁気抵抗素子１０がターゲットとする抵抗値になるように調整した。また、素子の大きさとアスペクト比を変えることで磁気異方性の大きさとフリー層１３の体積とを変化させ、磁気抵抗素子１０に印加する電圧を０．１Ｖ（ボルト）とした。そして、平均反転時間を高抵抗と低抵抗との中間値を横切る間隔とし、ノイズレベルとして時定数０．１秒のローパスフィルタを通した信号を測定した。その場合、図２０に示すように、ノイズレベルは、平均反転時間が０．１マイクロ秒から１０ミリ秒の間で低い値を示すことが分かる。
　図２１は、複数の磁気抵抗素子１０を直列及び並列に接続した場合のノイズレベルを示す図である。なお、図２１では、磁気抵抗素子１０のＭｇＯの厚さｔを厚くすることで単体の素子の抵抗を高くするとともに、並列接続する磁気抵抗素子１０の数を１０２４個とし、並列接続された１０２４個の磁気抵抗素子１０よりなるユニットを並列及び直列に接続した。また、図２１において、破線は、複数のユニット全体からの出力をＡＤ変換した場合のノイズレベルを示し、実線は、各ユニットからの出力をＡＤ変換した後に加算した場合のノイズレベルを示す。図２１に示すように、複数のユニット全体からの出力をＡＤ変換する場合では、電気的なノイズやＡＤ変換回路の分解能により、ノイズレベルの低減に限界が生じるが、各ユニットからの出力をＡＤ変換した後に加算する場合では、ユニット数を増やすほどノイズレベルが低減することが分かる。
　２．第２の実施形態
　次に、本開示の第２の実施形態に係る磁気抵抗素子及び磁気検出装置について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明において、上述した実施形態と同様の構成、動作、製造方法及び効果については、それを引用することで、重複する説明を省略する。
　第１の実施形態でも触れたように、フリー層１３の磁気異方性軸と固定層１１の磁化方向とを平行にした場合、外部磁場の方向や磁場の大きさによって、フリー層１３の磁化方向を固定層１１の磁化方向と平行あるいは反平行のどちらかに限定することができる。そこで、本実施形態では、このような性質を利用することで、外部磁場の大きさだけでなく、外部磁場の方向を検出可能な磁気検出装置について、例を挙げて説明する。
　２．１　磁気抵抗素子の構成例
　図２２及び図２３は、本実施形態に係る磁気抵抗素子の概略構成例を示す模式図である。図２２は、磁化方向が膜面内にあるときに安定する面内磁化膜がフリー層２１３に用いられた磁気抵抗素子２１０Ｅの例を示す図であり、（ａ）は磁気抵抗素子２１０Ｅの上視図を示し、（ｂ）は磁気抵抗素子２１０Ｅの長軸方向（本例ではＸ方向）と平行な垂直断面図を示す。一方、図２３は、磁化方向が膜面垂直方向（本例ではＺ方向）にあるときに安定する垂直磁化膜がフリー層２１８に用いられた磁気抵抗素子２１０Ｃを示す図であり、（ａ）は磁気抵抗素子２１０Ｃの上視図を示し、（ｂ）は磁気抵抗素子２１０Ｃの垂直断面図を示す。なお、第１の実施形態と同様に、フリー層２１３及び２１８の磁化方向は外部磁場に応じて可変である一方、固定層２１１及び２１６の磁化方向は固定されている。
　図２２に示すように、面内磁化膜がフリー層２１３に用いられた磁気抵抗素子２１０Ｅの上面形状は、面内方向に長手方向を持ち、長手方向と垂直であって中心点を通る直線を軸とする線対称の形状を有する。図２２には、磁気抵抗素子２１０Ｅの上面形状が面内方向に長軸を持つ楕円形状である場合が示されている。ただし、これに限定されず、長方形などの面内方向に長手方向を持つ多角形など、種々変形されてよい。また、磁気抵抗素子２１０Ｅの固定層２１１の磁化方向は、長手方向と平行な方向に設定されている。なお、固定層２１１とフリー層２１３との間には、非磁性層２１２が配置されている。
　一方、図２３に示すように、垂直磁化膜がフリー層２１８に用いられた磁気抵抗素子２１０Ｃの上面形状は、面内方向に長手方向を持たない、中心点を軸とする点対称の形状を有する。図２３には、磁気抵抗素子２１０Ｅの上面形状が面内方向に長軸を持たない円形状である場合が示されている。ただし、これに限定されず、正方形や正六角形などの面内方向に長手方向を持たない多角形など、種々変形されてよい。また、磁気抵抗素子２１０Ｃの固定層２１６の磁化方向は、各層の形成面に対して垂直な方向に設定されている。なお、固定層２１６とフリー層２１８との間には、非磁性層２１７が配置されている。
　図２４は、図２２に示した磁気抵抗素子２１０Ｅにおけるフリー層２１３の磁化方向と外部磁場の向きとの関係を示す図である。なお、図２４には、磁気抵抗素子２１０Ｅを上から見た図が示されている。また、図２５は、図２３に示した磁気抵抗素子２１０Ｃにおけるフリー層２１８の磁化方向と外部磁場の向きとの関係を示す図である。なお、図２５には、磁気抵抗素子２１０Ｃの垂直断面図が示されている。
　図２４に示すように、フリー層２１３が面内磁化膜であり、素子形状が長軸及び短軸を持つ楕円形である場合、フリー層２１３の磁化方向は長軸方向に向き易くなる。そこで、本説明では、フリー層２１３が向き易い磁化方向（長軸方向）を（磁化）容易軸と呼ぶ。逆に、図２２に示す例では、フリー層２１３の磁化方向は短軸方向には向き難い。そこで、本説明では、フリー層２１３が向き難い磁化方向（短軸方向）を（磁化）困難軸と呼ぶ。
　一方、図２５に示すように、フリー層２１８が垂直磁化膜である場合、容易軸は膜面垂直方向であり、困難軸は膜面内方向である。なお、素子形状が円形である場合、膜面内方向であればどの向きでも等価である。
　ここで、図２４に示す場合と図２５に示す場合との両方において、磁化ｍの向きと容易軸とのなす角をθ、外部磁場Ｈの向きと容易軸とのなす角をφとする。また、磁化がどれだけ容易軸方向に向きやすいかは、磁気異方性定数Ｋによって決まる。Ｋが大きいほど、より強く容易軸方向に向きやすい。磁化が持つ磁気エネルギーＥは、磁化の向きと外部磁場に依存する。したがって、面内磁化膜、垂直磁化膜を問わず、磁気エネルギーＥは、以下の式（５）で表すことができる。式（５）において、Ｖはフリー層の体積、μ０は真空の透磁率である。
Ｅ＝ＫＶｓｉｎ２（θ）－μ０ＭｓＶＨｃｏｓ（φ－θ）　　（５）
　図２６は、φ＝４５度のある外部磁場Ｈを印加したときの磁気エネルギーＥのθ依存性の例を示す図である。図２６に示す例では、磁化が略容易軸の正の方向を向いている状態をＳ＋、負の方向を向いている状態をＳ－とする。Ｓ＋およびＳ－の磁化角度θにおいてＥは極小値をもつ。Ｓ＋からＳ－に、若しくは，Ｓ－からＳ＋に、状態変化するためにはθ≒９０度にあるＥの極大値を超える必要がある。これらの極大値と極小値との差分をそれぞれΔＥ＋およびΔＥ－とする。これらの状態変化が起きる確率はΔＥ＋およびΔＥ－を使ったアレニウスの式で表される。そして、ある時点において状態Ｓ＋にいる確率をＰ＋、状態Ｓ－にいる確率をＰ－とする。本発明者は、種々の検討を行った結果、Ｐ＋およびＰ－を以下の式（６）及び式（７）で表すことができることを見出した。
１／Ｐ＋＝ｅｘｐ（－２μ０ＭｓＶＨ||／ｋＢＴ）＋１　　（６）
１／Ｐ－＝ｅｘｐ（＋２μ０ＭｓＶＨ||／ｋＢＴ）＋１　　（７）
　式（６）及び式（７）において、ｋＢはボルツマン定数、Ｔは絶対温度である。また、Ｈ||はＨの容易軸成分である。ここで、磁気抵抗素子２１０Ｅ及び２１０Ｃからの出力信号Ｓを（Ｐ＋－Ｐ－）と定義すると、（Ｐ＋－Ｐ－）は各状態に存在している滞在時間の差に等しい。したがって、式（６）及び式（７）を用いることで、Ｓを以下の式（８）で表すことができる。
Ｓ＝ｔａｎｈ（μ０ＭｓＶＨ||／ｋＢＴ）　　（８）
　すなわち、任意の角度の外部磁場から、容易軸方向に沿った成分のみを検出できることが分かる。
　図２７及び図２８に、フリー層２１３に面内磁化膜を用いた場合の外部磁場の方向と出力信号（滞在時間差）Ｓとの関係を示す。図２７及び図２８において、Ａは、外部磁場Ｈの方向が容易軸と平行な場合（φ＝０°）を示し、Ｂは、外部磁場Ｈの方向が容易軸に対して傾いている場合（φ＝６０°）を示し、Ｃは、外部磁場Ｈの方向が容易軸に対して垂直な場合（φ＝９０°）を示している。
　図２７及び図２８に示すように、外部磁場Ｈの方向が容易軸に等しいＡでもっとも感度が高く、反対に外部磁場Ｈの方向が容易軸と垂直、すなわち困難軸に等しいＣで感度がゼロになる。
　このように、容易軸と困難軸とを備えるように構成された磁気抵抗素子２１０Ｅ及び２１０Ｃは、外部磁場に対する感度において指向性を有する。そこで、本実施形態では、容易軸の方向が異なる磁気抵抗素子を組み合わせることで、外部磁場の大きさだけでなく、外部磁場の方向を検出可能とする。
　２．２　磁気抵抗素子のバリエーション例
　図２９～図３３は、本実施形態に係る磁気抵抗素子のバリエーションの一部を示す上視図である。
　図２９は、面内方向に容易軸及び困難軸を有する面内磁化膜がフリー層２１３に用いられた磁気抵抗素子２１０Ｅのうち、容易軸が横方向（Ｘ方向）と平行な磁気抵抗素子２１０Ｌの平面構成例を示す上視図である。したがって、磁気抵抗素子２１０Ｌによれば、外部磁場ＨにおけるＸ方向の成分を感度良く検出することができる。
　図３０は、同じく磁気抵抗素子２１０Ｅのうち、容易軸が縦方向（Ｙ方向）と平行な磁気抵抗素子２１０Ｖの平面構成例を示す上視図である。したがって、磁気抵抗素子２１０Ｖによれば、外部磁場ＨにおけるＹ方向の成分を感度良く検出することができる。
　図３１は、同じく磁気抵抗素子２１０Ｅのうち、容易軸がＸ方向に対して反時計回りに１３５°傾いた方向（以下、－ＸＹ方向又は左斜め方向ともいう）と平行な磁気抵抗素子２１０ＮＷの平面構成例を示す上視図である。この磁気抵抗素子ＮＷは、磁気抵抗素子２１０Ｌ及び磁気抵抗素子２１０Ｖによる面内方向の磁場検出を補完するためのバリエーションであり、外部磁場Ｈにおける左斜め方向の成分を感度良く検出することができる。
　図３２は、同じく磁気抵抗素子２１０Ｅのうち、容易軸がＸ方向に対して反時計回りに４５°傾いた方向（以下、＋ＸＹ方向又は右斜め方向ともいう）と平行な磁気抵抗素子２１０ＮＥの平面構成例を示す上視図である。この磁気抵抗素子ＮＥは、磁気抵抗素子ＮＷと同様に、磁気抵抗素子２１０Ｌ及び磁気抵抗素子２１０Ｖによる面内方向の磁場検出を補完するためのバリエーションであり、外部磁場Ｈにおける左斜め方向の成分を感度良く検出することができる。
　図３３は、垂直方向に容易軸及び困難軸を有する垂直磁化膜がフリー層２１８に用いられた磁気抵抗素子２１０Ｃの平面構成例を示す上視図である。したがって、磁気抵抗素子２１０Ｃによれば、外部磁場Ｈにおける垂直方向（Ｚ方向）の成分を感度良く検出することができる。
　以上のような、容易軸の向く方向がことなる磁気抵抗素子２１０Ｌ、２１０Ｖ、２１０ＮＷ、２１０ＮＥ及び２１０Ｃを適宜組み合わせることで、外部磁場の方向を感度良く検出することが可能となる。
　２．３　磁気抵抗素子の配列例
　次に、本実施形態に係る磁気抵抗素子の配列について、いくつか例を挙げて説明する。
　２．３．１　第１例
　図３４は、本実施形態の第１例に係る磁気抵抗素子であって、外部磁場を面内の２軸（Ｘ軸及びＹ軸）で検出する磁気抵抗素子の配列例を示す平面レイアウト図である。図３４に示すように、第１例では、Ｘ方向の磁場成分に対する感度が高い磁気抵抗素子２１０Ｌと、Ｙ方向の磁場成分に対する感度が高い磁気抵抗素子２１０Ｖとが、市松模様状に交互に配列されている。このように、磁気抵抗素子２１０Ｌと磁気抵抗素子２１０Ｖとを片寄りなく配置することで、面内方向における外部磁場Ｈの大きさ及び方向を感度良く検出することが可能となる。なお、配列パターンは図３４に示すパターンに限定されず、磁気抵抗素子２１０Ｌ及び２１０Ｖを満遍なく均等に配列させることができれば、例えば、一行又は一列置きに磁気抵抗素子２１０Ｌ及び２１０Ｖを配列させるなど、種々変形されてよい。
　２．３．２　第２例
　図３５は、本実施形態の第２例に係る磁気抵抗素子であって、外部磁場を面内の２軸（Ｘ軸及びＹ軸）で検出する磁気抵抗素子の配列例を示す平面レイアウト図である。図３５に示すように、第２例では、磁気抵抗素子２１０Ｌ及び２１０Ｖに加え、－ＸＹ方向の磁場成分に対する感度が高い磁気抵抗素子２１０ＮＷと、＋ＸＹ方向の磁場成分に対する感度が高い磁気抵抗素子２１０ＮＥとが、交互に配列されている。このように、磁気抵抗素子２１０Ｌ、２１０Ｖ、２１０ＮＷ及び２１０ＮＥを片寄りなく配置することで、面内方向における外部磁場Ｈの大きさ及び方向をより感度良く検出することが可能となる。なお、配列パターンは図３５に示すパターンに限定されず、磁気抵抗素子２１０Ｌ、２１０Ｖ、２１０ＮＷ及び２１０ＮＥを満遍なく均等に配列させることができれば、例えば、一行又は一列置きに磁気抵抗素子２１０Ｌ、２１０Ｖ、２１０ＮＷ及び２１０ＮＥを配列させるなど、種々変形されてよい。
　２．３．３　第３例
　図３６は、本実施形態の第３例に係る磁気抵抗素子であって、外部磁場を３軸（Ｘ軸、Ｙ軸及びＸ軸）で検出する磁気抵抗素子の配列例を示す平面レイアウト図である。図３６に示すように、第３例では、第１例に係る配列例をベースとした上で、第１例に係る磁気抵抗素子２１０Ｌ及び２１０Ｖに加え、Ｚ方向の磁場成分に対する感度が高い磁気抵抗素子２１０Ｃが、交互に配列されている。このように、面内方向の磁場成分を感度良く検出する磁気抵抗素子２１０Ｌ及び２１０Ｖと、Ｚ方向の磁場成分を感度良く検出する磁気抵抗素子２１０Ｃとを片寄りなく配置することで、面内方向だけでなくＸ方向における外部磁場Ｈの大きさ及び方向も感度良く検出することが可能となる。なお、配列パターンは図３６に示すパターンに限定されず、磁気抵抗素子２１０Ｌ、２１０Ｖ及び２１０Ｃを満遍なく均等に配列させることができれば、例えば、一行又は一列置きに磁気抵抗素子２１０Ｌ、２１０Ｖ及び２１０Ｃを配列させるなど、種々変形されてよい。
　２．３．４　第４例
　図３７は、本実施形態の第４例に係る磁気抵抗素子であって、外部磁場を３軸（Ｘ軸、Ｙ軸及びＸ軸）で検出する磁気抵抗素子の配列例を示す平面レイアウト図である。図３７に示すように、第４例では、第２例に係る配列例をベースとした上で、第２例に係る磁気抵抗素子２１０Ｌ、２１０Ｖ、２１０ＮＷ及び２１０ＮＥに加え、Ｚ方向の磁場成分に対する感度が高い磁気抵抗素子２１０Ｃが、交互に配列されている。このように、面内方向の磁場成分を感度良く検出する磁気抵抗素子２１０Ｌ、２１０Ｖ、２１０ＮＷ及び２１０ＮＥと、Ｚ方向の磁場成分を感度良く検出する磁気抵抗素子２１０Ｃとを片寄りなく配置することで、面内方向だけでなくＸ方向における外部磁場Ｈの大きさ及び方向もより感度良く検出することが可能となる。なお、配列パターンは図３７に示すパターンに限定されず、磁気抵抗素子２１０Ｌ、２１０Ｖ、２１０ＮＷ、２１０ＮＥ及び２１０Ｃを満遍なく均等に配列させることができれば、例えば、一行又は一列置きに磁気抵抗素子２１０Ｌ、２１０Ｖ、２１０ＮＷ、２１０ＮＥ及び２１０Ｃを配列させるなど、種々変形されてよい。
　２．４　製造方法例
　次に、本実施形態に係る磁気検出装置の製造方法例について説明する。
　上述において図２９～図３３を用いて説明した磁気抵抗素子のバリエーションのうち、磁気抵抗素子２１０Ｌ、２１０Ｖ、２１０ＮＷ及び２１０ＮＥ（磁気抵抗素子２１０Ｅのバリエーション）は、いずれもフリー層２１３に面内磁化膜が用いられているため、同一のプロセスで成膜及び加工することが可能である。一方、磁気抵抗素子２１０Ｃは、フリー層２１８に垂直磁化膜が用いられているため、磁気抵抗素子２１０Ｅと同一のプロセスでは形成することができず、別のプロセスで成膜及び加工をする必要がある。
　そこで、以下の説明では、フリー層２１３に面内磁化膜が用いられた磁気抵抗素子２１０Ｅと、フリー層２１８に垂直磁化膜が用いられた磁気抵抗素子２１０Ｃとが同一の層に形成される場合について例を挙げる。
　図３８～図４６は、本実施形態に係る磁気検出装置の製造方法例を示すプロセス断面図である。なお、以下の説明では、理解のため、磁気検出装置の一部の基本ユニットに着目する。また、以下の説明において、第１の実施形態において図１４～図１９を用いて説明した製造工程と同様の工程については、それを引用する。
　本製造方法では、図３８に示すように、まず、第１の実施形態において図１４を用いて説明した工程と同様に、周辺回路を備えるベース基板４０上の全面に、磁気抵抗素子２１０Ｅにおける固定層２１１に加工される第１層２５１と、非磁性層２１２に加工される第２層２５２と、フリー層２１３に加工される第３層２５３とがこの順に積層された積層膜２５０Ｅを形成する。なお、第３層２５３は、面内磁化膜であってよい。
　次に、図３９に示すように、第１の実施形態において図１５及び図１６を用いて説明した工程と同様に、例えば、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を用いることで、積層膜５０をメサ状の磁気抵抗素子２１０Ｅに加工し、この磁気抵抗素子１０の上面上に上部電極２１４を形成する。
　次に、例えば、ＣＶＤ法やスパッタ法を用いることで、磁気抵抗素子２１０Ｅと上部電極２１４とからなる構造体２５５Ｅを埋め込むように絶縁層２４１を形成する。つづいて、図４０に示すように、例えば、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を用いることで、形成された絶縁層２４１に磁気抵抗素子２１０Ｃを形成するためのトレンチＡ２１を形成する。なお、絶縁層２４１の上面は、例えば、ＣＭＰなどで平坦化されてもよい。
　次に、図４１に示すように、トレンチＡ２１内に露出されたベース基板４０上に、磁気抵抗素子２１０Ｃにおける固定層２１６に加工される第１層２５６と、非磁性層２１７に加工される第２層２５７と、フリー層２１８に加工される第３層２５８とがこの順に積層された積層膜２５０Ｃを形成する。なお、第３層２５８は、垂直磁化膜であってよい。また、絶縁層２４１上に形成された積層膜２５０Ｃは、リフトオフ法やＣＭＰなどで除去されてよい。
　次に、図４２に示すように、例えば、フォトリソグラフィなどを用いることで、積層膜２５０Ｃ上にマスクＭ２１を形成し、マスクＭ２１から露出する積層膜２５０ＣをＲＩＥなどのエッチング技術を用いて掘り込むことで、メサ状の磁気抵抗素子２１０Ｃを形成する。
　次に、図４３に示すように、例えば、リフトオフ法などを用いることで、磁気抵抗素子２１０Ｃの上面上に上部電極２１９を形成する。
　次に、図４４に示すように、例えば、ＣＶＤ法やスパッタ法を用いて絶縁層２４１のトレンチＡ２１を埋め込むことで、磁気抵抗素子２１０Ｅ及び上部電極２１４よりなる構造体２５５Ｅと、磁気抵抗素子２１０Ｃ及び上部電極２１９よりなる構造体２５５Ｃとを覆う絶縁層２４２を形成する。なお、絶縁層２４２の上面は、例えば、ＣＭＰなどで平坦化されてもよい。
　次に、図４５に示すように、例えば、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を用いることで、上部電極２１４及び２１９それぞれの上面の一部を露出させる開口Ａ２２を形成する。
　次に、図４６に示すように、開口Ａ２２内に上部電極２１４又は２１９に接続された配線４２が埋め込まれる。その後、配線４２を電源電圧ＶＤＤに接続する配線を絶縁層２４２上に形成することで、本実施形態に係る磁気検出装置が作製される。なお、第１の実施形態と同様に、複数の磁気検出装置が１つのウエハにまとめて作り込まれる場合には、ウエハを半導体チップに個片化してパッケージングする工程が実行されてよい。また、磁気検出装置（ブロック）が複数の半導体チップを積層した構成を有する場合には、各半導体チップを貼り合わせる工程が実行されてよい。
　２．４．１　製造方法の変形例
　つづいて、本実施形態に係る製造方法の変形例について説明する。本変形例では、磁気抵抗素子２１０Ｅと磁気抵抗素子２１０Ｃとが異なる層に形成される場合について、例を挙げる。
　図４７～図５３は、本実施形態に係る磁気検出装置の製造方法例を示すプロセス断面図である。なお、以下の説明では、理解のため、磁気検出装置の一部の基本ユニットに着目する。また、以下の説明において、上述において図３８～図４６を用いて説明した製造工程と同様の工程については、それを引用する。
　本製造方法では、まず、上述において図３８～図３９を用いて説明した工程と同様の工程にて、周辺回路を備えるベース基板４０上に、磁気抵抗素子２１０Ｅと上部電極２１４とからなる構造体２５５Ｅを形成する。
　次に、例えば、ＣＶＤ法やスパッタ法を用いることで、磁気抵抗素子２１０Ｅと上部電極２１４とからなる構造体２５５Ｅを埋め込むように絶縁層２４１を形成する。つづいて、図４７に示すように、例えば、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を用いることで、形成された絶縁層２４１にベース基板４０における下部電極を露出させるためのトレンチＡ２３を形成する。なお、絶縁層２４１の上面は、例えば、ＣＭＰなどで平坦化されてもよい。
　次に、図４８に示すように、絶縁層２４１のトレンチＡ２３内に、ベース基板４０の下部電極に接続された配線２４３が埋め込まれる。
　次に、図４９に示すように、絶縁層２４１上に、磁気抵抗素子２１０Ｃにおける固定層２１６に加工される第１層２５６と、非磁性層２１７に加工される第２層２５７と、フリー層２１８に加工される第３層２５８とがこの順に積層された積層膜２５０Ｃを形成する。なお、第３層２５８は、垂直磁化膜であってよい。
　次に、例えば、フォトリソグラフィなどを用いることで、積層膜２５０Ｃ上にマスクＭ２３を形成し、マスクＭ２３から露出する積層膜２５０ＣをＲＩＥなどのエッチング技術を用いて掘り込むことで、メサ状の磁気抵抗素子２１０Ｃを形成する。つづいて、図５０に示すように、例えば、リフトオフ法などを用いることで、磁気抵抗素子２１０Ｃの上面上に上部電極２１９を形成する。
　次に、図５１に示すように、例えば、ＣＶＤ法やスパッタ法を用いることで、磁気抵抗素子２１０Ｃと上部電極２１９とからなる構造体２５５Ｃを埋め込むように絶縁層２４４を形成する。なお、絶縁層２４４の上面は、例えば、ＣＭＰなどで平坦化されてもよい。
　次に、図５２に示すように、例えば、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を用いることで、上部電極２１４及び２１９それぞれの上面の一部を露出させる開口Ａ２４を形成する。
　次に、図５３に示すように、開口Ａ２４内に上部電極２１４又は２１９に接続された配線２４５が埋め込まれる。その後、配線４２を電源電圧ＶＤＤに接続する配線を絶縁層２４４上に形成することで、本実施形態に係る磁気検出装置が作製される。
　２．５　作用・効果
　以上のように、本実施形態によれば、容易軸の方向が異なる磁気抵抗素子を適宜組み合わせて磁気検出装置が構成されるため、外部磁場の大きさだけでなく、外部磁場の方向を検出可能な磁気検出装置を実現することが可能となる。
　その他の構成、動作、製造方法及び効果は、上述した実施形態と同様であってよいため、ここでは詳細な説明を省略する。
　３．第３の実施形態
　次に、第３の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。第３の実施形態では、上述した実施形態に係る磁気抵抗素子を用いて構成された磁気検出装置について、より具体的に説明する。なお、本実施形態では、第１の実施形態において図１２を用いて説明した構成をベースとした場合を例示するが、これに限定されるものではない。
　図５４は、本実施形態に磁気検出装置の概略構成例を示すブロック図である。図５４に示すように、磁気検出装置１００は、例えば、検出回路アレイ１０１と、垂直駆動回路１０２と、信号処理回路１０３と、磁気検出部１０９とを備える。本説明において、垂直駆動回路１０２、信号処理回路１０３、システム制御回路１０５及び磁気検出部１０９は、周辺回路とも称される。
　検出回路アレイ１０１は、上述した第１の実施形態に係る検出回路１１０ｂ（図１２参照）が２次元格子状に配列するアレイ部である。なお、各検出回路１１０ｂにおける磁気抵抗素子は、第１の実施形態に係る磁気抵抗素子１０、並びに、第２の実施形態に係る磁気抵抗素子２１０Ｌ、２１０Ｖ、２１０ＮＷ、２１０ＮＥ及び２１０Ｃのうちのいずれであってもよい。
　垂直駆動回路１０２は、シフトレジスタやアドレスデコーダなどによって構成され、検出回路アレイ１０１の各検出回路１１０ｂを同時あるいは行単位等で駆動する。すなわち、垂直駆動回路１０２は、当該垂直駆動回路１０２を制御するシステム制御回路１０５と共に、検出回路アレイ１０１の各検出回路１１０ｂの動作を制御する駆動部を構成している。この垂直駆動回路１０２は、例えば、読出し走査系と掃出し走査系との２つの走査系を備えている。
　読出し走査系は、各検出回路１１０ｂから信号を読み出すために、検出回路アレイ１０１を行単位で順に選択走査する。各検出回路１１０ｂから読み出される信号はアナログ信号である。掃出し走査系は、読出し走査系によって読出し走査が行われる読出し行に対して、その読出し走査よりも所定時間分だけ先行して掃出し走査を行う。
　この掃出し走査系による掃出し走査により、読出し行の検出回路１１０ｂから不要な電荷が掃き出されることによって当該検出回路１１０ｂがリセットされる。
　垂直駆動回路１０２によって選択走査された行の各検出回路１１０ｂから出力される信号は、列ごとに信号線の各々を通して信号処理回路１０３に入力される。信号処理回路１０３は、検出回路アレイ１０１の列ごとに、選択行の各検出回路１１０ｂから出力される信号に対して所定の信号処理を行うとともに、信号処理後の信号を一時的に保持する。例えば、信号処理回路１０３は、ＡＤ変換回路２５を含み、各検出回路１１０ｂから読み出され得たアナログの信号をデジタル信号に変換して出力信号ＳＩＧとして出力する。
　システム制御回路１０５は、各種のタイミング信号を生成するタイミングジェネレータなどによって構成され、当該タイミングジェネレータで生成された各種のタイミングを基に、垂直駆動回路１０２、信号処理回路１０３などの駆動制御を行う。
　磁気検出部１０９は、信号処理回路１０３から出力された信号に対して所定の処理を実行することで、外部磁場の大きさ（第２の実施形態ではその方向）を検出する。例えば、磁気検出部１０９は、各検出回路１１０ｂから読み出されてデジタル信号に変換された出力信号ＳＩＧを積算し、この積算により得られた値から磁気抵抗素子１０全体の第１滞在時間及び第２滞在時間それぞれの積算値を算出し、算出された第１滞在時間の積算値と第２滞在時間積算値との差に基づいて、外部磁場の大きさを検出してもよい。
　なお、第２の実施形態のように、各検出回路１１０ｂが容易軸の方向が異なる磁気抵抗素子２１０Ｅ、２１０Ｃを備える場合、積算される信号は、容易軸の方向が同じ磁気抵抗素子２１０Ｅ又は２１０Ｃから読み出された信号であってよい。
　その他の構成、動作及び効果は、上述した実施形態と同様であってよいため、ここでは詳細な説明を省略する。
　以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示の技術的範囲は、上述の実施形態そのままに限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。また、異なる実施形態及び変形例にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
　また、本明細書に記載された各実施形態における効果はあくまで例示であって限定されるものでは無く、他の効果があってもよい。
　なお、本技術は以下のような構成も取ることができる。
（１）
　磁気抵抗素子と、
　前記磁気抵抗素子の抵抗値に基づいて外部磁場を検出する検出部と、
　を備え、
　前記磁気抵抗素子は、
　　磁化方向が固定された固定層と、
　　前記固定層上に配置された非磁性層と、
　　前記非磁性層上に配置され、磁化方向が時間によって変動するするフリー層と、
　を備え、
　前記フリー層の磁気異方性軸は、前記固定層の磁化方向と平行である
　磁気検出装置。
（２）
　前記磁気抵抗素子は、前記フリー層の磁化方向が前記固定層の磁化方向と平行な状態を維持する第１滞在時間に関する情報と、前記フリー層の磁化方向が前記固定層の磁化方向に対して反平行な状態を維持する第２滞在時間に関する情報との少なくとも１つを出力し、
　前記検出部は、前記第１滞在時間に関する情報と前記第２滞在時間に関する情報とのうちの少なくとも１つから特定される前記第１滞在時間と前記第２滞在時間との差に基づいて、前記外部磁場を検出する
　前記（１）に記載の磁気検出装置。
（３）
　前記第１滞在時間及び前記第２滞在時間は、０．１マイクロ秒以上、１０ミリ秒以下である
　前記（２）に記載の磁気検出装置。
（４）
　前記磁気抵抗素子を複数備え、
　前記検出部は、前記複数の磁気抵抗素子それぞれにおける前記第１滞在時間の積算値と前記第２滞在時間の積算値との差に基づいて、前記外部磁場を検出する
　前記（２）又は（３）に記載の磁気検出装置。
（５）
　前記磁気抵抗素子に流れた電荷をデジタル値に変換する変換部をさらに備え、
　前記検出部は、前記デジタル値に基づいて前記磁気抵抗素子における前記第１滞在時間と前記第２滞在時間とを特定する
　前記（２）～（４）の何れか１つに記載の磁気検出装置。
（６）
　前記磁気抵抗素子と前記変換部との間に配置されたローパスフィルタをさらに備える
　前記（５）に記載の磁気検出装置。
（７）
　前記磁気抵抗素子の抵抗値に応じて開閉するゲート回路をさらに備え、
　前記検出部は、前記ゲート回路が開状態の期間中に当該ゲート回路を導通したパルス信号のパルス数に基づいて、前記第１滞在時間及び前記第２滞在時間を特定する
　前記（２）～（５）の何れか１つに記載の磁気検出装置。
（８）
　前記磁気抵抗素子を流れた電荷を蓄積する蓄積部をさらに備え、
　前記検出部は、前記蓄積部に蓄積された電荷量に基づいて、前記第１滞在時間及び前記第２滞在時間を特定する
　前記（２）～（５）の何れか１つに記載の磁気検出装置。
（９）
　前記検出部は、前記磁気抵抗素子に蓄積された電荷量に基づいて、前記第１滞在時間及び前記第２滞在時間を特定する
　前記（２）～（５）の何れか１つに記載の磁気検出装置。
（１０）
　並列及び／又は直列に接続された複数の前記磁気抵抗素子よりなる素子集合体を備え、
　前記検出部は、前記素子集合体の抵抗値に基づいて外部磁場を検出する
　前記（１）～（９）の何れか１つに記載の磁気検出装置。
（１１）
　前記素子集合体は、単一又は複数の半導体チップに集積されている
　前記（１０）に記載の磁気検出装置。
（１２）
　２次元格子状に配列する複数の前記磁気抵抗素子と、
　前記複数の磁気抵抗素子を行又は列ごとに駆動する駆動回路と、
　をさらに備える前記（１）～（１１）の何れか１つに記載の磁気検出装置。
（１３）
　複数の前記磁気抵抗素子と、
　前記複数の磁気抵抗素子それぞれに流れた電荷を順次転送して集約する複数の電荷結合素子と、
　をさらに備える前記（１）～（１１）の何れか１つに記載の磁気検出装置。
（１４）
　複数の前記磁気抵抗素子を備え、
　前記磁気抵抗素子それぞれは、前記フリー層の磁化方向が他の方向よりも向き易い容易軸と、前記フリー層の磁化方向が他の方向よりも向き難い困難軸を備え、
　前記複数の磁気抵抗素子のうちの少なくとも１つの前記容易軸の方向は、他の磁気抵抗素子の容易軸の方向とは異なる
　前記（１）～（１３）の何れか１つに記載の磁気検出装置。
（１５）
　前記複数の磁気抵抗素子のうちの少なくとも１つは、前記容易軸方向の長さが、前記困難軸方向の長さよりも長い
　前記（１４）に記載の磁気検出装置。
（１６）
　前記複数の磁気抵抗素子のうちの少なくとも１つの平面形状は、楕円形である
　前記（１４）又は（１５）に記載の磁気検出装置。
（１７）
　前記複数の磁気抵抗素子のうちの少なくとも１つの平面形状は、円形である
　前記（１４）～（１６）の何れか１つに記載の磁気検出装置。
（１８）
　前記複数の磁気抵抗素子は、
　　前記容易軸の方向が第１の方向である第１の磁気抵抗素子と、
　　前記容易軸の方向が前記第１の方向に対して９０°異なる第２の方向である第２の磁気抵抗素子と、
　を含む
　前記（１４）～（１７）の何れか１つに記載の磁気検出装置。
（１９）
　前記複数の磁気抵抗素子は、
　　前記容易軸の方向が前記第１の方向に対して４５°異なり且つ前記第２の方向に対して－４５°異なる第３の方向である第３の磁気抵抗素子と、
　　前記容易軸の方向が前記第１の方向に対して１３５°異なり且つ前記第２の方向に対して４５°異なる第４の方向である第４の磁気抵抗素子と、
　を含む
　前記（１８）に記載の磁気検出装置。
（２０）
　前記複数の磁気抵抗素子は、前記容易軸の方向が前記第１の方向及び前記第２の方向それぞれに対して９０°異なる第５の方向である第５の磁気抵抗素子をさらに含む
　前記（１８）又は（１９）に記載の磁気検出装置。
　１０、２１０Ｃ、２１０Ｅ、２１０Ｌ、２１０ＮＷ、２１０ＮＥ、２１０Ｖ　磁気抵抗素子
　１１、２１１、２１６　固定層
　１２、２１２、２１７　非磁性層
　１３、２１３、２１８　フリー層
　１４、２１４、２１９　上部電極
　１５、２５５Ｃ、２５５Ｅ　構造体
　２１　コンパレータ
　２２　垂直転送用ＣＣＤ
　２３　水平転送用ＣＣＤ
　２４　電荷電圧変換回路
　２５　ＡＤ変換回路
　２６　ローパスフィルタ
　４０　ベース基板
　４１、２４１、２４２、２４４　絶縁層
　４２、２４３、２４５　配線
　５０、２５０Ｃ、２５０Ｅ　積層膜
　５１、２５１、２５６　第１層
　５２、２５２、２５７　第２層
　５３、２５３、２５８　第３層
　１００　磁気検出装置
　１０１　検出回路アレイ
　１０２　垂直駆動回路
　１０３　信号処理回路
　１０５　システム制御回路
　１０９　磁気検出部
　１１０ｂ、１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃ　検出回路
　Ｃ２　キャパシタ
　Ｒ１～Ｒ４　抵抗
　Ｔ１、Ｔ２　ＣＭＯＳトランジスタ

Claims (20)

  1. 　磁気抵抗素子と、
    　前記磁気抵抗素子の抵抗値に基づいて外部磁場を検出する検出部と、
    　を備え、
    　前記磁気抵抗素子は、
    　　磁化方向が固定された固定層と、
    　　前記固定層上に配置された非磁性層と、
    　　前記非磁性層上に配置され、磁化方向が時間によって変動するするフリー層と、
    　を備え、
    　前記フリー層の磁気異方性軸は、前記固定層の磁化方向と平行である
    　磁気検出装置。
  2. 　前記磁気抵抗素子は、前記フリー層の磁化方向が前記固定層の磁化方向と平行な状態を維持する第１滞在時間に関する情報と、前記フリー層の磁化方向が前記固定層の磁化方向に対して反平行な状態を維持する第２滞在時間に関する情報との少なくとも１つを出力し、
    　前記検出部は、前記第１滞在時間に関する情報と前記第２滞在時間に関する情報とのうちの少なくとも１つから特定される前記第１滞在時間と前記第２滞在時間との差に基づいて、前記外部磁場を検出する
    　請求項１に記載の磁気検出装置。
  3. 　前記第１滞在時間及び前記第２滞在時間は、０．１マイクロ秒以上、１０ミリ秒以下である
    　請求項２に記載の磁気検出装置。
  4. 　前記磁気抵抗素子を複数備え、
    　前記検出部は、前記複数の磁気抵抗素子それぞれにおける前記第１滞在時間の積算値と前記第２滞在時間の積算値との差に基づいて、前記外部磁場を検出する
    　請求項２に記載の磁気検出装置。
  5. 　前記磁気抵抗素子に流れた電荷をデジタル値に変換する変換部をさらに備え、
    　前記検出部は、前記デジタル値に基づいて前記磁気抵抗素子における前記第１滞在時間と前記第２滞在時間とを特定する
    　請求項２に記載の磁気検出装置。
  6. 　前記磁気抵抗素子と前記変換部との間に配置されたローパスフィルタをさらに備える
    　請求項５に記載の磁気検出装置。
  7. 　前記磁気抵抗素子の抵抗値に応じて開閉するゲート回路をさらに備え、
    　前記検出部は、前記ゲート回路が開状態の期間中に当該ゲート回路を導通したパルス信号のパルス数に基づいて、前記第１滞在時間及び前記第２滞在時間を特定する
    　請求項２に記載の磁気検出装置。
  8. 　前記磁気抵抗素子を流れた電荷を蓄積する蓄積部をさらに備え、
    　前記検出部は、前記蓄積部に蓄積された電荷量に基づいて、前記第１滞在時間及び前記第２滞在時間を特定する
    　請求項２に記載の磁気検出装置。
  9. 　前記検出部は、前記磁気抵抗素子に蓄積された電荷量に基づいて、前記第１滞在時間及び前記第２滞在時間を特定する
    　請求項２に記載の磁気検出装置。
  10. 　並列及び／又は直列に接続された複数の前記磁気抵抗素子よりなる素子集合体を備え、
    　前記検出部は、前記素子集合体の抵抗値に基づいて外部磁場を検出する
    　請求項１に記載の磁気検出装置。
  11. 　前記素子集合体は、単一又は複数の半導体チップに集積されている
    　請求項１０に記載の磁気検出装置。
  12. 　２次元格子状に配列する複数の前記磁気抵抗素子と、
    　前記複数の磁気抵抗素子を行又は列ごとに駆動する駆動回路と、
    　をさらに備える請求項１に記載の磁気検出装置。
  13. 　複数の前記磁気抵抗素子と、
    　前記複数の磁気抵抗素子それぞれに流れた電荷を順次転送して集約する複数の電荷結合素子と、
    　をさらに備える請求項１に記載の磁気検出装置。
  14. 　複数の前記磁気抵抗素子を備え、
    　前記磁気抵抗素子それぞれは、前記フリー層の磁化方向が他の方向よりも向き易い容易軸と、前記フリー層の磁化方向が他の方向よりも向き難い困難軸を備え、
    　前記複数の磁気抵抗素子のうちの少なくとも１つの前記容易軸の方向は、他の磁気抵抗素子の容易軸の方向とは異なる
    　請求項１に記載の磁気検出装置。
  15. 　前記複数の磁気抵抗素子のうちの少なくとも１つは、前記容易軸方向の長さが、前記困難軸方向の長さよりも長い
    　請求項１４に記載の磁気検出装置。
  16. 　前記複数の磁気抵抗素子のうちの少なくとも１つの平面形状は、楕円形である
    　請求項１４に記載の磁気検出装置。
  17. 　前記複数の磁気抵抗素子のうちの少なくとも１つの平面形状は、円形である
    　請求項１４に記載の磁気検出装置。
  18. 　前記複数の磁気抵抗素子は、
    　　前記容易軸の方向が第１の方向である第１の磁気抵抗素子と、
    　　前記容易軸の方向が前記第１の方向に対して９０°異なる第２の方向である第２の磁気抵抗素子と、
    　を含む
    　請求項１４に記載の磁気検出装置。
  19. 　前記複数の磁気抵抗素子は、
    　　前記容易軸の方向が前記第１の方向に対して４５°異なり且つ前記第２の方向に対して－４５°異なる第３の方向である第３の磁気抵抗素子と、
    　　前記容易軸の方向が前記第１の方向に対して１３５°異なり且つ前記第２の方向に対して４５°異なる第４の方向である第４の磁気抵抗素子と、
    　を含む
    　請求項１８に記載の磁気検出装置。
  20. 　前記複数の磁気抵抗素子は、前記容易軸の方向が前記第１の方向及び前記第２の方向それぞれに対して９０°異なる第５の方向である第５の磁気抵抗素子をさらに含む
    　請求項１８に記載の磁気検出装置。
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