WO2023153065A1 - 磁気センサ - Google Patents

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WO2023153065A1
WO2023153065A1 PCT/JP2022/045113 JP2022045113W WO2023153065A1 WO 2023153065 A1 WO2023153065 A1 WO 2023153065A1 JP 2022045113 W JP2022045113 W JP 2022045113W WO 2023153065 A1 WO2023153065 A1 WO 2023153065A1
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WO
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magnetic
magnetization
magnetoresistive
free layer
magnetization free
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PCT/JP2022/045113
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English (en)
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Inventor
隆弘 指宿
Original Assignee
株式会社村田製作所
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
    • G01R33/09—Magnetoresistive devices
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching, or capacitors or resistors with at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof  ; Multistep manufacturing processes therefor
    • 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
    • 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
    • H10N50/80—Constructional details

Definitions

  • the present invention relates to magnetic sensors.
  • Non-Patent Document 2 As prior art documents disclosing the magnetic reversal of the core of the magnetic vortex in circular magnetic dots, N. Kikuchi et al., "Vertical bistable switching of spin vortex in a circular magnetic dot", JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, VOLUME 90, NUMBER 12, 15 DECEMBER 2001 (Non-Patent Document 2).
  • Patent Document 1 Japanese Patent No. 5909223 is a prior art document that discloses the structure of an annular magnetic device. Each layer of the annular magnetic device described in US Pat.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a magnetic sensor capable of suppressing deterioration in detection accuracy of a vertical magnetic field component.
  • a magnetic sensor includes a first magnetoresistive element and a second magnetoresistive element.
  • the second magnetoresistive element is electrically connected to the first magnetoresistive element to form a bridge circuit, and when a signal magnetic field is applied, the resistance is opposite to that of the first magnetoresistive element. Show change.
  • Each of the first magnetoresistive element and the second magnetoresistive element includes an upper electrode, a lower electrode, and a magnetoresistive laminate sandwiched between the upper and lower electrodes.
  • the magnetization fixed layer having magnetization fixed in a certain direction parallel to the stacking direction of the magnetoresistive layered structure, the first non-magnetic layer, and the magnetization direction changes according to the signal magnetic field.
  • the magnetization free layer has an annular shape when viewed from the stacking direction, and has a magnetic vortex structure magnetized in a spiral shape around an axis parallel to the stacking direction in a state in which no signal magnetic field is applied. are doing.
  • the present invention it is possible to suppress deterioration in detection accuracy of the magnetic field component in the vertical direction in the magnetic sensor.
  • FIG. 1 is a perspective view showing the configuration of a magnetoresistive element included in a magnetic sensor according to an embodiment of the present invention
  • FIG. FIG. 2 is a partial side view of the magnetoresistive element of FIG. 1 as viewed in the direction of arrow II
  • 3 is a partial side view showing an enlarged part III of the magnetoresistive element of FIG. 2
  • FIG. 1 is a circuit diagram showing electrical connections of magnetoresistive elements included in a magnetic sensor according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a diagram showing the arrangement of magnetoresistive elements on a substrate on which a magnetic sensor is formed and the magnetization state of the magnetization pinned layer of the magnetoresistive laminate of each magnetoresistive element according to an embodiment of the present invention
  • 1 is a circuit diagram showing the configuration of a magnetic sensor according to one embodiment of the present invention
  • FIG. 7 is a graph showing magnetic hysteresis when a magnetic field component in the Z-axis direction is applied to a magnetization free layer according to a comparative example
  • 8 is a diagram schematically showing a magnetization state at a point P1 in FIG. 7 in a magnetization free layer according to a comparative example
  • FIG. 8 is a diagram schematically showing a magnetization state at a point P2 in FIG.
  • FIG. 7 is a magnetization free layer according to a comparative example
  • FIG. 8 is a diagram schematically showing a magnetization state at point P3 in FIG. 7 in a magnetization free layer according to a comparative example
  • 8 is a diagram schematically showing a magnetization state at a point P4 in FIG. 7 in a magnetization free layer according to a comparative example
  • FIG. 8 is a graph showing the output of the magnetic sensor when a magnetic field component in the Z-axis direction is applied to the magnetic sensor according to the comparative example
  • FIG. 4 is a diagram showing a state in which an external magnetic field is applied in a direction parallel to the XY plane and a signal magnetic field is applied in the Z-axis direction to the magnetoresistive element included in the magnetic sensor according to the embodiment; FIG.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view showing the configuration of a magnetic sensor according to a modification in which a magnetic film is separately formed;
  • 1 is a perspective view showing the configuration of a magnetic sensor package including a magnetic sensor according to this embodiment;
  • FIG. FIG. 25 is a cross-sectional view of the magnetic sensor package of FIG. 24 as seen from the direction of the arrows on line XXV-XXV; 25 is a bottom view of the magnetic sensor package of FIG. 24 as seen from the direction of arrow XXVI;
  • FIG. 1 is a perspective view showing the configuration of a magnetoresistive element included in a magnetic sensor according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a partial side view of the magnetoresistive element of FIG. 1 as viewed in the direction of arrow II.
  • FIG. 3 is a partial side view showing an enlarged part III of the magnetoresistive element of FIG.
  • the magnetoresistive element 100 included in the magnetic sensor according to one embodiment of the present invention includes an upper electrode 120, a lower electrode 130, and a It includes sandwiched magnetoresistive stacks 110 .
  • the upper electrodes 120 are arranged in a matrix at intervals in the X-axis direction and the Y-axis direction.
  • the upper electrode 120 has a disk-like shape.
  • the diameter of upper electrode 120 is, for example, 9 ⁇ m.
  • the thickness of upper electrode 120 is, for example, 0.1 ⁇ m.
  • a distance P2 between the centers of upper electrodes 120 adjacent to each other is, for example, 20 ⁇ m.
  • the shape of the upper electrode 120 is not limited to a disk shape, and may be a rectangular shape, an H shape, or the like.
  • the lower electrodes 130 are arranged in a matrix at intervals in the X-axis direction and the Y-axis direction.
  • the lower electrode 130 has a disk-like shape.
  • the diameter of lower electrode 130 is, for example, 9 ⁇ m.
  • the thickness of lower electrode 130 is, for example, 0.1 ⁇ m.
  • a distance P2 between the centers of lower electrodes 130 adjacent to each other is, for example, 20 ⁇ m.
  • the lower electrode 130 faces a part of the upper electrode 120 with a gap in the Z-axis direction.
  • the shape of the lower electrode 130 is not limited to a disc shape, and may be a rectangular shape, an H shape, or the like.
  • Each of the upper electrode 120 and the lower electrode 130 is composed of a magnetic film containing a magnetic material.
  • the magnetic film may be composed of a single ferromagnetic layer, or may be composed of a laminated film in which a plurality of layers are laminated.
  • the magnetic film may be a laminated film in which a ferromagnetic layer, a non-magnetic layer and a ferromagnetic layer are laminated in this order.
  • the ferromagnetic layer included in the magnetic film is composed of a magnetic material whose main component is at least one element of Co, Fe and Ni.
  • NiFe, CoFe, CoFeB, CoFeNi, and the like are examples of materials that form the ferromagnetic layer included in the magnetic film.
  • the non-magnetic layer included in the magnetic film is composed of a non-magnetic material mainly composed of Ru, Rh, Cr, Ir, or alloys thereof, which exhibits RKKY interaction.
  • each of the upper electrode 120 and the lower electrode 130 does not necessarily have to be made of a magnetic film, and may be made of an electrode material such as Cu.
  • the magnetoresistive laminate 110 is sandwiched between an upper electrode 120 and a lower electrode 130 facing each other.
  • the magnetoresistive laminate 110 has a circular outer shape when viewed from the lamination direction (Z-axis direction) of the magnetoresistive laminate 110 .
  • the diameter of the magnetoresistive layered body 110 is, for example, 3 ⁇ m.
  • the thickness of the magnetoresistive layered body 110 is, for example, 0.15 ⁇ m.
  • the first magnetoresistive multilayer body Ra and the second magnetoresistive multilayer body Rb are spaced apart from each other in the Y-axis direction between the upper electrode 120 and the lower electrode 130 facing each other. are placed.
  • a distance P1 between the centers of the first magnetoresistive layered body Ra and the second magnetoresistive layered body Rb adjacent to each other is, for example, 10 ⁇ m.
  • the center interval between the first magnetoresistive multilayer bodies Ra adjacent to each other in the X-axis direction is, for example, 10 ⁇ m.
  • the center interval between the second magnetoresistive multilayer bodies Rb adjacent to each other in the X-axis direction is, for example, 10 ⁇ m.
  • the magnetoresistive element 100 is a TMR (Tunnel Magneto Resistance) element.
  • TMR Tunnelnel Magneto Resistance
  • a magnetization fixed layer having magnetization fixed in a certain direction parallel to the lamination direction (Z-axis direction) of the magnetoresistive multilayer body 110, a first nonmagnetic layer, and a signal magnetic field.
  • a magnetization free layer whose magnetization direction changes accordingly and a second non-magnetic layer are laminated in this order.
  • a free layer 113 and a second nonmagnetic layer 118 are laminated in this order.
  • the laminated ferrimagnetic pinned layer composed of the pinned layer 116, the coupling layer 117 and the reference layer 111 is the magnetization pinned layer.
  • the magnetization free layer 113 is a soft ferromagnetic layer whose magnetization direction changes according to an external magnetic field such as a signal magnetic field.
  • the magnetization free layer 113 is made of a magnetic material containing at least one of Co, Fe and Ni as a main component. For example, it is made of CoFe, NiFe, CoFeB, Heusler alloy, or the like.
  • the magnetization free layer 113 may be composed of a single layer, or may be composed of a laminated ferrifree layer.
  • the thickness of the magnetization free layer 113 is, for example, approximately 100 nm.
  • the magnetization free layer 113 may be configured by laminating a CoFeB layer with a thickness of 2 nm, a Ta layer with a thickness of 0.25 nm, and a NiFe layer with a thickness of 98 nm in this order.
  • the magnetization free layer 113 has a magnetic vortex structure that is vortex-magnetized around an axis parallel to the stacking direction (Z-axis direction) of the magnetoresistive layered body 110 in a state in which no signal magnetic field is applied.
  • the magnetic vortex structure can be developed by setting the aspect ratio of the thickness of the magnetization free layer 113 to the diameter of the magnetization free layer 113 to a threshold value or less.
  • the first non-magnetic layer 112 is, for example, a non-magnetic tunnel barrier layer made of MgO, and is thin enough to allow passage of a tunnel current based on quantum mechanics.
  • the first non-magnetic layer 112 may be composed of an oxide or nitride of Al, Ti, Hf, or the like, other than MgO.
  • the thickness of the first non-magnetic layer 112 is, for example, about 1.3 nm.
  • the reference layer 111 is composed of a ferromagnetic layer with a thickness of 0.5 nm or more and 1 nm or less made of CoFe, CoFeB, or a Heuslar alloy and having a high polarizability, and a magnetization of the reference layer 111 .
  • the thickness of the reference layer 111 is, for example, approximately 5 nm.
  • the coupling layer 117 is composed of a non-magnetic material such as Ru, Ir, Rh or Cr that produces RKKY interaction.
  • the thickness of bonding layer 117 is, for example, about 0.7 nm.
  • the pinned layer 116 is a perpendicular magnetization film having a magnetization state antiparallel to the magnetization direction of the reference layer 111 via the coupling layer 117.
  • the pinned layer 116 is TbFeCo, GdFeCo, FePt alloy, CoPt alloy, CoPd alloy, Co/Pt laminated film or Co /Pd laminated film.
  • the thickness of pinned layer 116 is, for example, about 5 nm.
  • the second underlayer 115 is provided for properly growing the crystal of the pinned layer 116 .
  • the second underlayer 115 is made of, for example, crystalline Mo, Cr, Ti, Zr, Ni, Au, Ag, Cu, Pt, Pd, Ru, Ni—Fe, or the like.
  • the first underlayer 114 is composed of Ta, which is in an amorphous state, as an adhesion layer for the metal laminated film.
  • the second non-magnetic layer 118 is composed of any one of Ru, Cu, Ti, Ta, Pt, Pd, Au and Ag, an alloy containing any one of these metals, or a multilayer film of these metals. ing. Since the second non-magnetic layer 118 is provided between the upper electrode 120 and the magnetization free layer 113, the upper electrode 120 and the magnetization free layer 113 are not magnetically coupled to each other.
  • a plurality of electrode rows including upper electrodes 120 and lower electrodes 130 arranged in the X-axis direction are connected to each other by wirings made of a non-magnetic material and connected in a meandering manner.
  • the first wiring L1 is connected to the upper electrode 120 positioned at the end of the first electrode row.
  • Lower electrodes 130 located at respective ends of the first electrode row and the second electrode row are connected to each other by a second wiring L2.
  • Upper electrodes 120 located at respective ends of the second electrode row and the third electrode row are connected to each other by third wiring L3.
  • a fourth wiring L4 is connected to the lower electrode 130 positioned at the end of the third electrode row.
  • FIG. 4 is a circuit diagram showing the electrical connection of the magnetoresistive elements included in the magnetic sensor according to one embodiment of the present invention.
  • a plurality of parallel connection portions in which the first magnetoresistive laminate Ra and the second magnetoresistive laminate Rb are connected in parallel are connected in series. It is In addition, in the magnetoresistive element 100, a plurality of magnetoresistive laminates may be connected only in series.
  • FIG. 5 is a diagram showing the arrangement of magnetoresistive elements on a substrate on which a magnetic sensor is formed according to an embodiment of the present invention and the magnetization state of the magnetization pinned layer of the magnetoresistive laminate of each magnetoresistive element; is.
  • the magnetic sensor 1 includes a first magnetoresistive element 100 (MR1), a second magnetoresistive element 100 (MR2), and a third magnetoresistive element. 100 (MR3) and a fourth magnetoresistive element 100 (MR4).
  • a first magnetoresistive element 100 (MR1), a second magnetoresistive element 100 (MR2), a third magnetoresistive element 100 (MR3) and a fourth magnetoresistive element 100 (MR3) are formed on the main surface of a substrate Sb made of silicon or the like.
  • a resistance effect element 100 (MR4) is formed.
  • a power supply terminal Vcc, a ground terminal GND, a first output terminal V+ and a second output terminal V- are formed on the main surface of the substrate Sb.
  • a plurality of magnetoresistive elements of each of the first magnetoresistive element 100 (MR1), the second magnetoresistive element 100 (MR2), the third magnetoresistive element 100 (MR3), and the fourth magnetoresistive element 100 (MR4) are equal to each other.
  • the maximum electrical resistance values that the magnetoresistive laminate 110 can hold are equal to each other.
  • the maximum electrical resistance value that can be held by the plurality of magnetoresistive layered bodies 110 is a magnetization state in which all the magnetization fixed layers of the plurality of magnetoresistive layered bodies 110 in the magnetoresistive element 100 are fixed in the same direction. In this case, the sum of electrical resistance values exhibited by each of the plurality of magnetoresistance effect laminates 110 when a signal magnetic field is applied.
  • each of the first magnetoresistive effect element 100 (MR1) and the third magnetoresistive effect element 100 (MR3) all of the plurality of magnetoresistive multilayer bodies 110 have magnetoresistance effect layers. It has a magnetization state fixed in a first direction parallel to the stacking direction (Z-axis direction) of the effect stack 110 .
  • the magnetization directions D11 of all the reference layers 111 of the plurality of magnetoresistive layered bodies 110 in the first magnetoresistive element 100 (MR1) and the plurality of magnetization directions in the third magnetoresistive element 100 (MR3) The magnetization directions D13 of all the reference layers 111 of the magnetoresistive stack 110 are fixed in the first direction.
  • all of the plurality of magnetoresistive layered bodies 110 have magnetization fixed layers in the first direction opposite to the first direction. It has magnetization states that are fixed in two directions. Specifically, the magnetization directions D12 of all the reference layers 111 of the plurality of magnetoresistive layered bodies 110 in the second magnetoresistive element 100 (MR2) and the plurality of magnetization directions D12 in the fourth magnetoresistive element 100 (MR4) The magnetization direction D14 of all the reference layers 111 of the magnetoresistive stack 110 is fixed in the second direction.
  • FIG. 6 is a circuit diagram showing the configuration of a magnetic sensor according to one embodiment of the present invention. As shown in FIG. 6, a first magnetoresistive element 100 (MR1), a second magnetoresistive element 100 (MR2), a third magnetoresistive element 100 (MR3) and a fourth magnetoresistive element 100 (MR4) are connected together in a full bridge to form a bridge circuit.
  • MR1 first magnetoresistive element 100
  • MR2 second magnetoresistive element 100
  • MR3 third magnetoresistive element 100
  • MR4 fourth magnetoresistive element 100
  • a first series circuit in which a first magnetoresistive element 100 (MR1) and a fourth magnetoresistive element 100 (MR4) are connected in series, and a second magnetoresistive element 100 (MR2) and a second series circuit in which the third magnetoresistive effect element 100 (MR3) is connected in series with each other are connected in parallel.
  • a drive voltage can be applied between the power supply terminal Vcc and the ground terminal GND.
  • a first output terminal V+, which is the midpoint of the first series circuit, and a second output terminal V-, which is the midpoint of the second series circuit, are each electrically connected to a differential amplifier 10.
  • the magnetic sensor 1 is not limited to a configuration including a full bridge circuit, and a half bridge in which the first magnetoresistive element 100 (MR1) and the fourth magnetoresistive element 100 (MR4) are electrically connected.
  • a circuit or a half bridge circuit in which the second magnetoresistive element 100 (MR2) and the third magnetoresistive element 100 (MR3) are electrically connected may be provided.
  • Each of the first magnetoresistive element 100 (MR1), the second magnetoresistive element 100 (MR2), the third magnetoresistive element 100 (MR3), and the fourth magnetoresistive element 100 (MR4) has a magnetoresistive effect.
  • a magnetic field component in the stacking direction (Z-axis direction) of the stack 110 is detected.
  • the magnetization direction D12 of the reference layer 111 of 100 (MR2) and the magnetization direction D14 of the reference layer 111 of the fourth magnetoresistive element 100 (MR4) are antiparallel to each other.
  • the second magnetoresistive element 100 (MR2) and the first magnetoresistive element 100 (MR1) indicates the resistance change in the opposite direction.
  • the third magnetoresistive element 100 (MR3) and the fourth magnetoresistive element 100 (MR4) indicates the resistance change in the opposite direction.
  • the magnetic sensor according to the comparative example which differs from the magnetic sensor according to the present embodiment only in that it has a columnar magnetization free layer, the magnetization of the magnetization free layer when it is magnetically saturated by the magnetic field component in the Z-axis direction.
  • FIG. 7 is a graph showing magnetic hysteresis when a magnetic field component in the Z-axis direction is applied to the magnetization free layer according to the comparative example.
  • the vertical axis indicates the standardized magnetic moment
  • the horizontal axis indicates the magnetic field component (T) in the Z-axis direction.
  • the magnetic field components in the first direction are indicated by positive values
  • the magnetic field components in the second direction are indicated by negative values.
  • FIG. 8 is a diagram schematically showing the magnetization state at point P1 in FIG. 7 in the magnetization free layer according to the comparative example.
  • FIG. 9 is a diagram schematically showing the magnetization state at the point P2 in FIG. 7 in the magnetization free layer according to the comparative example.
  • FIG. 10 is a diagram schematically showing the magnetization state at point P3 in FIG. 7 in the magnetization free layer according to the comparative example.
  • FIG. 11 is a diagram schematically showing the magnetization state at point P4 in FIG. 7 in the magnetization free layer according to the comparative example.
  • the mesh-like hatched part is the part that is spirally magnetized while facing the second direction parallel to the Z-axis direction.
  • the hatched portions are spirally magnetized in the first direction parallel to the Z-axis direction.
  • black portions are portions magnetized in the second direction.
  • the parts shown in white are the parts magnetized in the first direction.
  • the magnetization free layer according to the comparative example has an anisotropic magnetic field of 1.12T and a saturation magnetic field Hs of 0.44T.
  • the anisotropic magnetic field is the strength of the magnetic field required to align the magnetization directions of the magnetization free layers in the same direction parallel to the Z-axis direction.
  • the saturation magnetic field Hs is the strength of the magnetic field required for the magnetization free layer to reach magnetic saturation.
  • the magnetic field component in the second direction of ⁇ 0.44 T is applied and reaches magnetic saturation
  • the magnetic field component in the second direction is ⁇ 0.
  • the core portion 913c of the magnetization free layer 913 was magnetized in the second direction.
  • the core portion 913c of the magnetization free layer 913 is magnetized in the first direction.
  • the magnetization direction of the core portion 913c of the magnetization free layer 913 is changed from the second direction to the second direction. Flipped in the first direction. The state in which the magnetization direction of the core portion 913c of the magnetization free layer 913 was reversed to the first direction was maintained until the magnetization free layer 913 was applied with the magnetic field component in the first direction and reached magnetic saturation.
  • the magnetization free layer 913 of the comparative example has a magnetic field component in the first direction of 0.44 T after being magnetically saturated with a magnetic field component of 0.44 T in the first direction.
  • the core portion 913c of the magnetization free layer 913 was magnetized in the first direction.
  • the core portion 913c of the magnetization free layer 913 is magnetized in the second direction. Ta. That is, in the state of point P3 where about 88% of the saturation magnetic field Hs is applied after magnetic saturation is reached by the magnetic field component in the first direction, the magnetization direction of the core portion 913c of the magnetization free layer 913 changes from the first direction to Flipped in the second direction. The state in which the magnetization direction of the core portion 913c of the magnetization free layer 913 was reversed to the second direction was maintained until the magnetization free layer 913 was applied with a magnetic field component in the second direction and reached magnetic saturation.
  • FIG. 12 is a graph showing the output of the magnetic sensor according to the comparative example when a magnetic field component in the Z-axis direction is applied.
  • FIG. 13 is a graph showing an enlarged part XIII in FIG. 12 and 13, the vertical axis indicates the output (mV) of the magnetic sensor, and the horizontal axis indicates the magnetic field component (mT) in the Z-axis direction applied to the magnetic sensor.
  • FIG. 14 is a perspective view showing the structure of the magnetization free layer in the magnetic sensor according to this embodiment.
  • the magnetization free layer 113 in the magnetic sensor 1 according to this embodiment has an annular shape when viewed from the stacking direction (Z-axis direction) of the magnetoresistive stack 110 . That is, a through hole 113h extending in the lamination direction (Z-axis direction) is formed in the core of the magnetization free layer 113 .
  • the outer diameter of the magnetization free layer 113 is D1
  • the inner diameter of the magnetization free layer 113, which is the diameter of the through hole 113h is D2. Ion beam etching or ion milling can be used as a method for forming the through hole 113h.
  • the first non-magnetic layer on which the magnetization free layer 113 is laminated and the portion of the magnetization fixed layer on the first non-magnetic layer side may also be formed in an annular shape.
  • the magnetization free layer 113 has a magnetic vortex structure B that is spirally magnetized around an axis parallel to the stacking direction (Z-axis direction) of the magnetoresistive layered body 110 when no signal magnetic field is applied. .
  • FIG. 15 is a graph showing the magnetization process when a magnetic field component in the Z-axis direction is applied to four types of magnetization free layers with different inner diameters D2.
  • the vertical axis indicates the Z-axis direction component of the magnetization of the magnetization free layer
  • the horizontal axis indicates the magnetic field component (T) in the Z-axis direction.
  • the magnetic field components in the first direction are indicated by positive values
  • the magnetic field components in the second direction are indicated by negative values.
  • the parts shown in black are the parts magnetized in the second direction.
  • the portion hatched in a mesh pattern is the portion magnetized in a vortex while facing in the second direction.
  • the hatched portion is the portion magnetized in a spiral while facing the first direction.
  • the portion shown in white outside the through hole 113h is the portion magnetized in the first direction.
  • the magnetization free layer 113 is magnetically saturated with a magnetic field component of -0.44 T in the second direction, and then the magnetic field component in the second direction is - In the state of point P5 where 0.4 T was applied, the magnetization directions were aligned in the second direction.
  • the magnetization free layer 113 is magnetized spirally in the second direction. Ta.
  • the magnetization free layer 113 is magnetically saturated by applying a magnetic field component of 0.44 T in the first direction, and then applying a magnetic field component of 0.4 T in the first direction.
  • the magnetization directions were aligned in the first direction.
  • the magnetization process of the magnetization free layer 113 due to the magnetic field component in the Z-axis direction is reversible, and no magnetic hysteresis is observed. It has been confirmed that this does not occur.
  • FIG. 20 is a graph showing the relationship between the inner diameter D2 of the magnetization free layer and the magnetic susceptibility of the magnetization free layer.
  • the horizontal axis indicates the inner diameter D2 of the magnetization free layer. The magnetic susceptibility of the magnetization free layer was calculated from the slope of the portion having linearity in each data in FIG.
  • the magnetic susceptibility of the magnetization free layer 113 increases as the inner diameter D2 of the magnetization free layer increases. That is, the sensitivity of the magnetic sensor 1 increases as the inner diameter D2 of the magnetization free layer 113 increases.
  • FIG. 21 is a graph showing the magnetization process when a magnetic field component in the X-axis direction is applied to four types of magnetization free layers with different inner diameters D2.
  • the vertical axis indicates the X-axis direction component of the magnetization of the magnetization free layer
  • the horizontal axis indicates the magnetic field component (T) in the X-axis direction.
  • one magnetic field component in the X-axis direction is indicated by a positive value
  • the other magnetic field component in the X-axis direction is indicated by a negative value.
  • each of the upper electrode 120 and the lower electrode 130 is made of a magnetic film containing a magnetic material. Both sides of the body 110 in the stacking direction (Z-axis direction) are covered with magnetic films containing magnetic bodies.
  • FIG. 22 is a diagram showing a state in which an external magnetic field is applied in a direction parallel to the XY plane and a signal magnetic field is applied in the Z-axis direction to the magnetoresistance effect element included in the magnetic sensor according to this embodiment.
  • an external magnetic field B9 When an external magnetic field B9 is applied in a direction parallel to the XY plane as shown in FIG. It mainly flows into each of upper electrode 120 and lower electrode 130, which have higher magnetic permeability. The external magnetic field B9 hardly flows into the magnetoresistive layered structure 110 until each of the upper electrode 120 and the lower electrode 130 is saturated magnetized. After each of upper electrode 120 and lower electrode 130 is saturated magnetized, external magnetic field B 9 flows into magnetoresistive multilayer body 110 .
  • the magnetization free layer 113 is magnetized along the application direction of the signal magnetic field B1. Since the magnetization free layer 113 and the upper electrode 120 are not magnetically coupled to each other, the magnetization direction of the magnetization free layer 113 is the magnetization direction of the upper electrode 120 even if the upper electrode 120 is magnetized by the external magnetic field B9. not affected by
  • each of the upper electrode 120 and the lower electrode 130 functions as a magnetic shield, and can reduce the external magnetic field B9 flowing into the magnetoresistive multilayer body 110 .
  • application of the magnetic field component in the X-axis direction to the magnetization free layer 113 can be suppressed. Since the magnetization free layer 113 is not magnetically coupled to the upper electrode 120, the intensity of the signal magnetic field B1 that has passed through the upper electrode 120 and flowed into the magnetoresistive stack 110 can be detected. .
  • the magnetic film forming each of the upper electrode 120 and the lower electrode 130 is a laminated film in which a ferromagnetic layer, a nonmagnetic layer, and a ferromagnetic layer are laminated in this order, the magnetic film is a nonmagnetic film made of Ru or the like.
  • the magnetization direction of the upper electrode 120 can be reversed by 180°.
  • the upper electrode 120 can be made more difficult to be saturated.
  • the external magnetic field B9 flowing into the magnetoresistive layered body 110 can be reduced to the extent that the intensity of the external magnetic field B9 is relatively high.
  • FIG. 23 is a cross-sectional view showing the configuration of a magnetic sensor according to a modification in which a magnetic film is separately formed.
  • a magnetic film 140, an insulating layer 150, a lower electrode 130, a magnetoresistive laminate 110, an upper electrode 120, an insulating layer 150 and The magnetic films 140 are laminated in this order.
  • each of the upper electrode 120 and the lower electrode 130 is not composed of a magnetic film, and the magnetoresistive multilayer body 110 is formed in the lamination direction of the magnetoresistive multilayer body 110 ( It is covered with a magnetic film 140 containing a magnetic material from both sides in the Z-axis direction).
  • the magnetic film 140 is formed by stacking, for example, a 10 nm thick NiFe layer, a 1 nm thick CoFe layer, a 0.7 nm thick Ru layer, a 1 nm thick CoFe layer, and a 10 nm thick NiFe layer in this order.
  • the insulating layer 150 is composed of an oxide or nitride such as Mg, Al, Ti or Hf.
  • the external magnetic field B9 flowing into the magnetoresistive layered body 110 can be reduced.
  • application of the magnetic field component in the X-axis direction to the magnetization free layer 113 can be suppressed.
  • the magnetoresistive layered body 110 does not include the second non-magnetic layer 118 in this modification.
  • FIG. 24 is a perspective view showing the configuration of a magnetic sensor package including the magnetic sensor according to this embodiment.
  • FIG. 25 is a cross-sectional view of the magnetic sensor package of FIG. 24 as seen from the direction of the arrows on line XXV--XXV.
  • 26 is a bottom view of the magnetic sensor package of FIG. 24 as seen from the direction of arrow XXVI.
  • the magnetic sensor package 9 includes a magnetic sensor 1, a mounting substrate 2, a sealing portion 3, a joint portion 4, and a solder resist 5.
  • the magnetic sensor package 9 has a rectangular parallelepiped shape.
  • a plurality of pad electrodes 22 are formed on the first main surface of the mounting substrate 2 .
  • a plurality of connection electrodes 23 are formed on the second main surface of the mounting substrate 2 .
  • a plurality of via conductors 21 are formed inside the mounting substrate 2 to connect the corresponding pad electrodes 22 and connection electrodes 23 to each other.
  • Each of via conductor 21, pad electrode 22 and connection electrode 23 is made of an electrode material such as Cu.
  • the plurality of pad electrodes 22 are connected to the power supply terminal Vcc, the ground terminal GND, the first output terminal V+ and the second output terminal V- of the magnetic sensor 1 by joints 4 made of solder or the like.
  • the first main surface of the mounting board 2 and the periphery of the magnetic sensor 1 are covered with a sealing portion 3 made of epoxy resin or the like.
  • the surroundings of the connection electrodes 23 on the second main surface of the mounting substrate 2 are covered with the solder resist 5 .
  • the magnetization free layer 113 has an annular shape when viewed from the stacking direction (Z-axis direction) of the magnetoresistive layered body 110, and a signal magnetic field is applied.
  • the non-strand state it has a magnetic vortex structure that is vortex-shaped magnetized around an axis parallel to the lamination direction (Z-axis direction).
  • the magnetization reversal of the core portion of the magnetization free layer 113 is prevented, and the fluctuation of the offset voltage of the magnetic sensors 1 and 1a can be suppressed.
  • the magnetoresistive layered body 110 is covered from both sides in the stacking direction (Z-axis direction) of the magnetoresistive layered body 110 with a magnetic film containing a magnetic material. .
  • each of the upper electrode 120 and the lower electrode 130 is composed of a magnetic film, and the second nonmagnetic layer 118 is provided between the upper electrode 120 and the magnetization free layer 113. Due to the provision, the upper electrode 120 and the magnetization free layer 113 are not magnetically coupled to each other. As a result, the intensity of the signal magnetic field B1 flowing into the magnetoresistive layered structure 110 through the upper electrode 120 can be detected while suppressing the application of the external magnetic field B9 in the XY plane direction to the magnetization free layer 113. can be done.
  • the inner diameter D2 of the magnetization free layer 113 is 1/2 or more of the outer diameter D1 of the magnetization free layer 113.
  • the magnetoresistive laminates 110 are connected in parallel. A plurality of parallel connections are connected in series with each other. As a result, the voltage applied to one magnetoresistive layered body 110 can be reduced, and the resistance to electrostatic breakdown of the magnetoresistive element 100 can be improved. In addition, variations in the shape and characteristics of the magnetoresistive layered body 110 can be leveled to reduce variations in the characteristics of the magnetic sensors 1 and 1a.

Abstract

磁気抵抗効果積層体においては、磁気抵抗効果積層体の積層方向に平行な一定方向に固定された磁化を有する磁化固定層と、第１非磁性層と、信号磁界に応じて磁化の向きが変化する磁化自由層(１１３)とが順に積層されている。磁化自由層(１１３)は、積層方向から見て円環状の形状を有し、かつ、信号磁界を印加されていない状態において、積層方向に平行な軸周りに渦状に磁化された磁気渦構造(Ｂ)を有している。

Description

磁気センサ
　本発明は、磁気センサに関する。
　垂直磁気異方性を有する磁気トンネル接合の構成を開示した先行技術文献として、S.　Bandiera　et　al.,　“Comparison　of　Synthetic　Antiferromagnets　and　Hard　Ferromagnets　as　Reference　Layer　in　Magnetic　Tunnel　Junctions　With　Perpendicular　Magnetic　Anisotropy”,　IEEE　MAGNETICS　LETTERS,　Volume　1　(2010)　(非特許文献１)がある。
　円形磁気ドットにおける磁気渦の芯部の磁気反転を開示した先行技術文献として、N.　Kikuchi　et　al.,　“Vertical　bistable　switching　of　spin　vortex　in　a　circular　magnetic　dot”,　JOURNAL　OF　APPLIED　PHYSICS,　VOLUME　90,　NUMBER　12,　15　DECEMBER　2001　(非特許文献２)がある。
　環状磁気デバイスの構造を開示した先行技術文献として、特許第５９０９２２３号(特許文献１)がある。特許文献１に記載された環状磁気デバイスの各層は、環状である。
特許第５９０９２２３号
S.　Bandiera　et　al.,　"Comparison　of　Synthetic　Antiferromagnets　and　Hard　Ferromagnets　as　Reference　Layer　in　Magnetic　Tunnel　Junctions　With　Perpendicular　Magnetic　Anisotropy",　IEEE　MAGNETICS　LETTERS,　Volume　1　(2010) N.　Kikuchi　et　al.,　"Vertical　bistable　switching　of　spin　vortex　in　a　circular　magnetic　dot",　JOURNAL　OF　APPLIED　PHYSICS,　VOLUME　90,　NUMBER　12,　15　DECEMBER　2001
　磁気渦構造を有する磁化自由層を備える磁気センサが垂直方向の磁界成分を検出する際、磁化自由層の芯部の磁気反転が生じた場合、磁気センサの検出精度が低下する。
　本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、垂直方向の磁界成分の検出精度の低下を抑制することができる、磁気センサを提供することを目的とする。
　本発明に基づく磁気センサは、第１磁気抵抗効果素子と、第２磁気抵抗効果素子とを備える。第２磁気抵抗効果素子は、第１磁気抵抗効果素子と電気的に接続されてブリッジ回路を構成し、かつ、信号磁界を印加された際に、第１磁気抵抗効果素子とは反対向きの抵抗変化を示す。第１磁気抵抗効果素子および第２磁気抵抗効果素子の各々は、上部電極、下部電極、および、上部電極と下部電極との間に挟まれた磁気抵抗効果積層体を含む。磁気抵抗効果積層体においては、磁気抵抗効果積層体の積層方向に平行な一定方向に固定された磁化を有する磁化固定層と、第１非磁性層と、信号磁界に応じて磁化の向きが変化する磁化自由層とが順に積層されている。磁化自由層は、上記積層方向から見て円環状の形状を有し、かつ、信号磁界を印加されていない状態において、上記積層方向に平行な軸周りに渦状に磁化された磁気渦構造を有している。
　本発明によれば、磁気センサにおける垂直方向の磁界成分の検出精度の低下を抑制することができる。
本発明の一実施形態に係る磁気センサが備える磁気抵抗効果素子の構成を示す斜視図である。 図１の磁気抵抗効果素子を矢印ＩＩ方向から見た部分側面図である。 図２の磁気抵抗効果素子のＩＩＩ部を拡大して示す部分側面図である。 本発明の一実施形態に係る磁気センサが備える磁気抵抗効果素子の電気的接続を示す回路図である。 本発明の一実施形態に係る磁気センサが形成されている基板上の磁気抵抗効果素子の配置および各磁気抵抗効果素子の磁気抵抗効果積層体の磁化固定層の磁化状態を示す図である。 本発明の一実施形態に係る磁気センサの構成を示す回路図である。 比較例に係る磁化自由層にＺ軸方向の磁界成分を印加した際の磁気ヒステリシスを示すグラフである。 比較例に係る磁化自由層における図７の点Ｐ１での磁化状態を模式的に示す図である。 比較例に係る磁化自由層における図７の点Ｐ２での磁化状態を模式的に示す図である。 比較例に係る磁化自由層における図７の点Ｐ３での磁化状態を模式的に示す図である。 比較例に係る磁化自由層における図７の点Ｐ４での磁化状態を模式的に示す図である。 比較例に係る磁気センサにＺ軸方向の磁界成分が印加された際の磁気センサの出力を示すグラフである。 図１２中のＸＩＩＩ部を拡大して示すグラフである。 本実施形態に係る磁気センサにおける磁化自由層の構造を示す斜視図である。 内径Ｄ２が互いに異なる４種類の磁化自由層にＺ軸方向の磁界成分を印加した際の磁化過程を示すグラフである。 内径Ｄ２＝１／２×Ｄ１の磁化自由層における図１５の点Ｐ５での磁化状態を模式的に示す図である。 内径Ｄ２＝１／２×Ｄ１の磁化自由層における図１５の点Ｐ６での磁化状態を模式的に示す図である。 内径Ｄ２＝１／２×Ｄ１の磁化自由層における図１５の点Ｐ７での磁化状態を模式的に示す図である。 内径Ｄ２＝１／２×Ｄ１の磁化自由層における図１５の点Ｐ８での磁化状態を模式的に示す図である。 磁化自由層の内径Ｄ２と磁化自由層の磁化率との関係を示すグラフである。 内径Ｄ２が互いに異なる４種類の磁化自由層にＸ軸方向の磁界成分を印加した際の磁化過程を示すグラフである。 本実施形態に係る磁気センサが備える磁気抵抗効果素子に、ＸＹ平面に平行な方向に外部磁界が印加されつつＺ軸方向に信号磁界が印加された状態を示す図である。 磁性体膜が別途形成された変形例に係る磁気センサの構成を示す断面図である。 本実施形態に係る磁気センサを備える磁気センサパッケージの構成を示す斜視図である。 図２４の磁気センサパッケージをＸＸＶ－ＸＸＶ線矢印方向から見た断面図である。 図２４の磁気センサパッケージを矢印ＸＸＶＩ方向から見た底面図である。
　以下、本発明の一実施形態に係る磁気センサについて図を参照して説明する。以下の実施形態の説明においては、図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰り返さない。
　図１は、本発明の一実施形態に係る磁気センサが備える磁気抵抗効果素子の構成を示す斜視図である。図２は、図１の磁気抵抗効果素子を矢印ＩＩ方向から見た部分側面図である。図３は、図２の磁気抵抗効果素子のＩＩＩ部を拡大して示す部分側面図である。
　図１～図３に示すように、本発明の一実施形態に係る磁気センサが備える磁気抵抗効果素子１００は、上部電極１２０、下部電極１３０、および、上部電極１２０と下部電極１３０との間に挟まれた磁気抵抗効果積層体１１０を含む。
　上部電極１２０は、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に互いに間隔をあけてマトリクス状に配置されている。本実施形態においては、上部電極１２０は、円板状の形状を有している。上部電極１２０の直径は、たとえば、９μｍである。上部電極１２０の厚みは、たとえば、０．１μｍである。互いに隣り合う上部電極１２０の中心同士の間隔Ｐ２は、たとえば、２０μｍである。なお、上部電極１２０の形状は、円板状に限られず、矩形状またはＨ字状などでもよい。
　下部電極１３０は、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に互いに間隔をあけてマトリクス状に配置されている。本実施形態においては、下部電極１３０は、円板状の形状を有している。下部電極１３０の直径は、たとえば、９μｍである。下部電極１３０の厚みは、たとえば、０．１μｍである。互いに隣り合う下部電極１３０の中心同士の間隔Ｐ２は、たとえば、２０μｍである。下部電極１３０は、上部電極１２０の一部とＺ軸方向に間隔をあけて対向している。なお、下部電極１３０の形状は、円板状に限られず、矩形状またはＨ字状などでもよい。
　上部電極１２０および下部電極１３０の各々は、磁性体を含む磁性体膜で構成されている。磁性体膜は、強磁性層の単層で構成されていてもよいし、複数の層が積層された積層膜で構成されていてもよい。たとえば、磁性体膜は、強磁性層、非磁性層および強磁性層がこの順に積層された積層膜であってもよい。
　磁性体膜に含まれる強磁性層は、Ｃｏ、ＦｅおよびＮｉの少なくとも１種の元素を主成分とする磁性材料で構成されている。磁性体膜に含まれる強磁性層を構成する材料として、たとえば、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、または、ＣｏＦｅＮｉなどが挙げられる。磁性体膜に含まれる非磁性層は、ＲＫＫＹ相互作用を示す、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｃｒ若しくはＩｒまたはこれらの合金を主成分とする非磁性材料で構成されている。なお、上部電極１２０および下部電極１３０の各々は、必ずしも磁性体膜で構成されていなくてもよく、Ｃｕなどの電極材料で構成されていてもよい。
　磁気抵抗効果積層体１１０は、互いに対向している上部電極１２０と下部電極１３０との間に挟まれている。磁気抵抗効果積層体１１０は、磁気抵抗効果積層体１１０の積層方向(Ｚ軸方向)から見て、円形の外形を有している。磁気抵抗効果積層体１１０の直径は、たとえば、３μｍである。磁気抵抗効果積層体１１０の厚みは、たとえば、０．１５μｍである。
　本実施形態においては、互いに対向している上部電極１２０と下部電極１３０との間に、第１磁気抵抗効果積層体Ｒａおよび第２磁気抵抗効果積層体ＲｂがＹ軸方向に互いに間隔をあけて配置されている。互いに隣り合う第１磁気抵抗効果積層体Ｒａと第２磁気抵抗効果積層体Ｒｂとの中心同士の間隔Ｐ１は、たとえば、１０μｍである。Ｘ軸方向に互いに隣り合う第１磁気抵抗効果積層体Ｒａ同士の中心間隔は、たとえば、１０μｍである。Ｘ軸方向に互いに隣り合う第２磁気抵抗効果積層体Ｒｂ同士の中心間隔は、たとえば、１０μｍである。
　本実施形態においては、磁気抵抗効果素子１００は、ＴＭＲ(Tunnel　Magneto　Resistance)素子である。磁気抵抗効果積層体１１０においては、磁気抵抗効果積層体１１０の積層方向(Ｚ軸方向)に平行な一定方向に固定された磁化を有する磁化固定層と、第１非磁性層と、信号磁界に応じて磁化の向きが変化する磁化自由層と、第２非磁性層とが順に積層されている。
　具体的には、図３に示すように、下部電極１３０上に、第１下地層１１４、第２下地層１１５、ピンド層１１６、結合層１１７、リファレンス層１１１、第１非磁性層１１２、磁化自由層１１３および第２非磁性層１１８が、この順に積層されている。ここでは、ピンド層１１６、結合層１１７およびリファレンス層１１１から構成される積層フェリ固定層が磁化固定層である。
　磁化自由層１１３は、信号磁界などの外部磁界に応じて磁化方向が変化する軟質強磁性層である。磁化自由層１１３は、Ｃｏ、ＦｅおよびＮｉの少なくとも１種の元素を主成分とする磁性材料で構成されている。たとえば、ＣｏＦｅ、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅＢまたは、Ｈｅｕｓｌｅｒ合金などから構成されている。磁化自由層１１３は、単層で構成されていてもよいし、積層フェリ自由層で構成されていてもよい。磁化自由層１１３の厚みは、たとえば、約１００ｎｍである。たとえば、厚み２ｎｍのＣｏＦｅＢ層、厚み０．２５ｎｍのＴａ層、厚み９８ｎｍのＮｉＦｅ層を順に積層して磁化自由層１１３を構成してもよい。
　磁化自由層１１３は、信号磁界を印加されていない状態において、磁気抵抗効果積層体１１０の積層方向(Ｚ軸方向)に平行な軸周りに渦状に磁化された磁気渦構造を有している。磁気渦構造は、磁化自由層１１３の直径に対する磁化自由層１１３の厚みのアスペクト比を閾値以下にすることにより発現させることができる。
　第１非磁性層１１２は、たとえば、ＭｇＯからなる非磁性のトンネルバリア層であり、量子力学に基づくトンネル電流が通過可能な程度に厚みの薄い層である。なお、第１非磁性層１１２は、ＭｇＯ以外に、Ａｌ、ＴｉまたはＨｆなどの酸化物もしくは窒化物から構成されていてもよい。第１非磁性層１１２の厚みは、たとえば、約１．３ｎｍである。
　リファレンス層１１１は、第１非磁性層１１２との界面に配置された、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢまたはＨｅｕｓｌａｒ合金からなる分極率が高い０．５ｎｍ以上１ｎｍ以下の厚みの強磁性層と、リファレンス層１１１の磁化方向をリファレンス層１１１の膜面に垂直な方向に揃えるための、垂直磁気異方性を有する垂直磁化膜である、たとえば、ＴｂＦｅＣｏ、ＧｄＦｅＣｏ、ＦｅＰｔ合金、ＣｏＰｔ合金、ＣｏＰｄ合金、Ｃｏ／Ｐｔ積層膜またはＣｏ／Ｐｄ積層膜とが、積層された構成となっている。リファレンス層１１１の厚みは、たとえば、約５ｎｍである。
　結合層１１７は、Ｒｕ、Ｉｒ、ＲｈまたはＣｒなどのＲＫＫＹ相互作用を発する非磁性材料から構成されている。結合層１１７の厚みは、たとえば、約０．７ｎｍである。
　ピンド層１１６は、結合層１１７を介してリファレンス層１１１の磁化方向と反平行磁化状態となる垂直磁化膜である、ＴｂＦｅＣｏ、ＧｄＦｅＣｏ、ＦｅＰｔ合金、ＣｏＰｔ合金、ＣｏＰｄ合金、Ｃｏ／Ｐｔ積層膜またはＣｏ／Ｐｄ積層膜で構成されている。ピンド層１１６の厚みは、たとえば、約５ｎｍである。
　第２下地層１１５は、ピンド層１１６の結晶を適切に成長させるために設けられている。第２下地層１１５は、たとえば、結晶質となるＭｏ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｕ、またはＮｉ－Ｆｅなどから構成されている。
　第１下地層１１４は、金属積層膜の密着層として、アモルファス状態となるＴａから構成される。
　第２非磁性層１１８は、Ｒｕ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｐｔ、Ｐｄ、ＡｕおよびＡｇのいずれか１種の金属、これらのいずれか１種を含む合金、またはこれら金属の多層膜で構成されている。上部電極１２０と磁化自由層１１３との間に第２非磁性層１１８が設けられていることにより、上部電極１２０と磁化自由層１１３とは互いに磁気的に結合されていない。
　図１に示すように、Ｘ軸方向に並んだ上部電極１２０および下部電極１３０を含む複数の電極列は、非磁性材料で形成された配線で互いに接続され、ミアンダ状に結線される。具体的には、第１電極列の端に位置する上部電極１２０に第１配線Ｌ１が接続される。第１電極列および第２電極列の各々の端に位置する下部電極１３０同士が第２配線Ｌ２によって互いに接続される。第２電極列および第３電極列の各々の端に位置する上部電極１２０同士が第３配線Ｌ３によって互いに接続される。第３電極列の端に位置する下部電極１３０に第４配線Ｌ４が接続される。
　図４は、本発明の一実施形態に係る磁気センサが備える磁気抵抗効果素子の電気的接続を示す回路図である。図４に示すように、磁気抵抗効果素子１００においては、第１磁気抵抗効果積層体Ｒａおよび第２磁気抵抗効果積層体Ｒｂが互いに並列に接続された複数の並列接続部が、互いに直列に接続されている。なお、磁気抵抗効果素子１００において、複数の磁気抵抗効果積層体を直列にのみ接続してもよい。
　図５は、本発明の一実施形態に係る磁気センサが形成されている基板上の磁気抵抗効果素子の配置および各磁気抵抗効果素子の磁気抵抗効果積層体の磁化固定層の磁化状態を示す図である。
　図５に示すように、本発明の一実施形態に係る磁気センサ１は、第１磁気抵抗効果素子１００(ＭＲ１)と、第２磁気抵抗効果素子１００(ＭＲ２)と、第３磁気抵抗効果素子１００(ＭＲ３)と、第４磁気抵抗効果素子１００(ＭＲ４)とを備える。シリコンなどから形成された基板Ｓｂの主面上に、第１磁気抵抗効果素子１００(ＭＲ１)、第２磁気抵抗効果素子１００(ＭＲ２)、第３磁気抵抗効果素子１００(ＭＲ３)および第４磁気抵抗効果素子１００(ＭＲ４)が形成されている。基板Ｓｂの主面上に、電源端子Ｖｃｃ、接地端子ＧＮＤ、第１出力端子Ｖ+および第２出力端子Ｖ-が形成されている。
　第１磁気抵抗効果素子１００(ＭＲ１)、第２磁気抵抗効果素子１００(ＭＲ２)、第３磁気抵抗効果素子１００(ＭＲ３)および第４磁気抵抗効果素子１００(ＭＲ４)の各々の複数の磁気抵抗効果積層体１１０の数は、互いに等しい。
　そのため、第１磁気抵抗効果素子１００(ＭＲ１)、第２磁気抵抗効果素子１００(ＭＲ２)、第３磁気抵抗効果素子１００(ＭＲ３)および第４磁気抵抗効果素子１００(ＭＲ４)の各々における複数の磁気抵抗効果積層体１１０が保持可能な最大電気抵抗値は、互いに等しい。複数の磁気抵抗効果積層体１１０が保持可能な最大電気抵抗値とは、磁気抵抗効果素子１００において複数の磁気抵抗効果積層体１１０の全部の磁化固定層が同一方向に固定された磁化状態を有する場合における、信号磁界が印加されたときに複数の磁気抵抗効果積層体１１０の各々が示す電気抵抗値の合計である。
　図５に示すように、第１磁気抵抗効果素子１００(ＭＲ１)および第３磁気抵抗効果素子１００(ＭＲ３)の各々における、複数の磁気抵抗効果積層体１１０の全部において、磁化固定層は磁気抵抗効果積層体１１０の積層方向(Ｚ軸方向)に平行な第１方向に固定された磁化状態を有する。具体的には、第１磁気抵抗効果素子１００(ＭＲ１)における複数の磁気抵抗効果積層体１１０の全部のリファレンス層１１１の磁化方向Ｄ１１、および、第３磁気抵抗効果素子１００(ＭＲ３)における複数の磁気抵抗効果積層体１１０の全部のリファレンス層１１１の磁化方向Ｄ１３は、第１方向に向いて固定されている。
　第２磁気抵抗効果素子１００(ＭＲ２)および第４磁気抵抗効果素子１００(ＭＲ４)の各々における、複数の磁気抵抗効果積層体１１０の全部において、磁化固定層は第１方向とは反対向きの第２方向に固定された磁化状態を有する。具体的には、第２磁気抵抗効果素子１００(ＭＲ２)における複数の磁気抵抗効果積層体１１０の全部のリファレンス層１１１の磁化方向Ｄ１２、および、第４磁気抵抗効果素子１００(ＭＲ４)における複数の磁気抵抗効果積層体１１０の全部のリファレンス層１１１の磁化方向Ｄ１４は、第２方向に向いて固定されている。
　図６は、本発明の一実施形態に係る磁気センサの構成を示す回路図である。図６に示すように、第１磁気抵抗効果素子１００(ＭＲ１)、第２磁気抵抗効果素子１００(ＭＲ２)、第３磁気抵抗効果素子１００(ＭＲ３)および第４磁気抵抗効果素子１００(ＭＲ４)は、フルブリッジで互いに接続されて、ブリッジ回路を構成している。
　具体的には、第１磁気抵抗効果素子１００(ＭＲ１)と第４磁気抵抗効果素子１００(ＭＲ４)とが互いに直列に接続された第１直列回路と、第２磁気抵抗効果素子１００(ＭＲ２)と第３磁気抵抗効果素子１００(ＭＲ３)とが互いに直列に接続された第２直列回路とが、並列に接続されている。ブリッジ回路においては、電源端子Ｖｃｃと接地端子ＧＮＤとの間で駆動電圧が印加可能とされている。第１直列回路の中点である第１出力端子Ｖ+、および、第２直列回路の中点である第２出力端子Ｖ-の各々は、差動増幅器１０に電気的に接続されている。
　なお、磁気センサ１は、フルブリッジ回路を備えている構成に限られず、第１磁気抵抗効果素子１００(ＭＲ１)と第４磁気抵抗効果素子１００(ＭＲ４)とが電気的に接続されたハーフブリッジ回路、または、第２磁気抵抗効果素子１００(ＭＲ２)と第３磁気抵抗効果素子１００(ＭＲ３)とが電気的に接続されたハーフブリッジ回路を備えていてもよい。
　第１磁気抵抗効果素子１００(ＭＲ１)、第２磁気抵抗効果素子１００(ＭＲ２)、第３磁気抵抗効果素子１００(ＭＲ３)および第４磁気抵抗効果素子１００(ＭＲ４)の各々は、磁気抵抗効果積層体１１０の積層方向(Ｚ軸方向)の磁界成分を検出する。
　上記のように、第１磁気抵抗効果素子１００(ＭＲ１)のリファレンス層１１１の磁化方向Ｄ１１および第３磁気抵抗効果素子１００(ＭＲ３)のリファレンス層１１１の磁化方向Ｄ１３と、第２磁気抵抗効果素子１００(ＭＲ２)のリファレンス層１１１の磁化方向Ｄ１２および第４磁気抵抗効果素子１００(ＭＲ４)のリファレンス層１１１の磁化方向Ｄ１４とは、互いに反平行である。
　これにより、磁気抵抗効果積層体１１０の積層方向(Ｚ軸方向)に信号磁界を印加された際に、第２磁気抵抗効果素子１００(ＭＲ２)は、第１磁気抵抗効果素子１００(ＭＲ１)とは反対向きの抵抗変化を示す。同様に、磁気抵抗効果積層体１１０の積層方向(Ｚ軸方向)に信号磁界を印加された際に、第３磁気抵抗効果素子１００(ＭＲ３)は、第４磁気抵抗効果素子１００(ＭＲ４)とは反対向きの抵抗変化を示す。
　ここで、円柱状の磁化自由層を有している点のみ本実施形態に係る磁気センサと異なる比較例に係る磁気センサにおいて、Ｚ軸方向の磁界成分によって磁気飽和する際の磁化自由層の磁化状態をシミュレーション解析した結果について説明する。
　図７は、比較例に係る磁化自由層にＺ軸方向の磁界成分を印加した際の磁気ヒステリシスを示すグラフである。図７においては、縦軸に、標準化した磁気モーメント、横軸に、Ｚ軸方向の磁界成分(Ｔ)を示している。図７においては、第１方向の磁界成分を正の値で示し、第２方向の磁界成分を負の値で示している。
　図８は、比較例に係る磁化自由層における図７の点Ｐ１での磁化状態を模式的に示す図である。図９は、比較例に係る磁化自由層における図７の点Ｐ２での磁化状態を模式的に示す図である。図１０は、比較例に係る磁化自由層における図７の点Ｐ３での磁化状態を模式的に示す図である。図１１は、比較例に係る磁化自由層における図７の点Ｐ４での磁化状態を模式的に示す図である。
　図８および図９において、網目状のハッチングを付している部分は、Ｚ軸方向に平行な第２方向に向きつつ渦状に磁化している部分である。図１０および図１１において、斜線状のハッチングを付している部分は、Ｚ軸方向に平行な第１方向に向きつつ渦状に磁化している部分である。図８および図１０において、黒色で示している部分は、第２方向に向いて磁化している部分である。図９および図１１において、白色で示している部分は、第１方向に向いて磁化している部分である。
　比較例に係る磁化自由層における、異方性磁界は１．１２Ｔであり、飽和磁界Ｈｓは０．４４Ｔである。異方性磁界とは、磁化自由層の磁化方向をＺ軸方向に平行な同一方向にそろえるのに必要な磁界の強さである。飽和磁界Ｈｓとは、磁化自由層が磁気飽和に至るのに必要な磁界の強さである。
　図７および図８に示すように、比較例に係る磁化自由層９１３は、第２方向の磁界成分が－０．４４Ｔ印加されて磁気飽和に至った後、第２方向の磁界成分が－０．４Ｔ印加されている点Ｐ１の状態において、磁化自由層９１３の芯部９１３ｃは第２方向に向いて磁化していた。
　その後、図７および図９に示すように、第２方向の磁界成分が－０．３８Ｔ印加されている点Ｐ２の状態において、磁化自由層９１３の芯部９１３ｃは第１方向に向いて磁化していた。すなわち、第２方向の磁界成分によって磁気飽和に至った後、飽和磁界Ｈｓの約８８％が印加されている点Ｐ２の状態において、磁化自由層９１３の芯部９１３ｃの磁化方向が第２方向から第１方向に反転した。磁化自由層９１３の芯部９１３ｃの磁化方向が第１方向に反転した状態は、磁化自由層９１３が第１方向の磁界成分を印加されて磁気飽和に至るまで維持された。
　一方、図７および図１１に示すように、比較例の磁化自由層９１３は、第１方向の磁界成分が０．４４Ｔ印加されて磁気飽和に至った後、第１方向の磁界成分が０．４Ｔ印加されている点Ｐ４の状態において、磁化自由層９１３の芯部９１３ｃは第１方向に向いて磁化していた。
　その後、図７および図１０に示すように、第１方向の磁界成分が０．３８Ｔ印加されている点Ｐ３の状態において、磁化自由層９１３の芯部９１３ｃは第２方向に向いて磁化していた。すなわち、第１方向の磁界成分によって磁気飽和に至った後、飽和磁界Ｈｓの約８８％が印加されている点Ｐ３の状態において、磁化自由層９１３の芯部９１３ｃの磁化方向が第１方向から第２方向に反転した。磁化自由層９１３の芯部９１３ｃの磁化方向が第２方向に反転した状態は、磁化自由層９１３が第２方向の磁界成分を印加されて磁気飽和に至るまで維持された。
　図１２は、比較例に係る磁気センサにＺ軸方向の磁界成分が印加された際の磁気センサの出力を示すグラフである。図１３は、図１２中のＸＩＩＩ部を拡大して示すグラフである。図１２および図１３においては、縦軸に、磁気センサの出力(ｍＶ)、横軸に、磁気センサに印加されるＺ軸方向の磁界成分(ｍＴ)を示している。
　図１２および図１３に示すように、比較例に係る磁気センサにおいては、上記の磁化自由層９１３の芯部９１３ｃの磁化反転に起因する磁化状態の非可逆的な変化による磁気ヒステリシスが認められ、信号磁界が印加されていない状態における磁気センサの出力値であるオフセット電圧の変動が生じていた。このようなオフセット電圧の変動は、磁気センサの誤差の要因となる。
　図１４は、本実施形態に係る磁気センサにおける磁化自由層の構造を示す斜視図である。図１４に示すように、本実施形態に係る磁気センサ１における磁化自由層１１３は、磁気抵抗効果積層体１１０の積層方向(Ｚ軸方向)から見て円環状の形状を有している。すなわち、磁化自由層１１３の芯部に、積層方向(Ｚ軸方向)に延在する貫通孔１１３ｈが形成されている。磁化自由層１１３の外径はＤ１であり、貫通孔１１３ｈの直径である磁化自由層１１３の内径はＤ２である。貫通孔１１３ｈを形成する方法として、イオンビームエッチングまたはイオンミリングを用いることができる。なお、磁化自由層１１３が積層されている第１非磁性層、さらに磁化固定層の第１非磁性層側の部分も、円環状に形成されていてもよい。
　磁化自由層１１３は、信号磁界を印加されていない状態において、磁気抵抗効果積層体１１０の積層方向(Ｚ軸方向)に平行な軸周りに渦状に磁化された磁気渦構造Ｂを有している。
　ここで、磁化自由層の内径Ｄ２をパラメータとして、Ｚ軸方向の磁界成分によって磁気飽和する際の磁化自由層の磁化状態をシミュレーション解析した結果について説明する。磁化自由層の内径Ｄ２としては、Ｄ２＝０、１／３×Ｄ１、１／２×Ｄ１、２／３×Ｄ１、の４種類とした。Ｄ２＝０の磁化自由層９１３の芯部には、貫通孔１１３ｈは形成されていない。
　図１５は、内径Ｄ２が互いに異なる４種類の磁化自由層にＺ軸方向の磁界成分を印加した際の磁化過程を示すグラフである。図１５においては、縦軸に、磁化自由層の磁化のＺ軸方向成分、横軸に、Ｚ軸方向の磁界成分(Ｔ)を示している。図１５においては、第１方向の磁界成分を正の値で示し、第２方向の磁界成分を負の値で示している。内径Ｄ２＝０の磁化自由層のデータを２点鎖線、内径Ｄ２＝１／３×Ｄ１の磁化自由層のデータを１点鎖線、内径Ｄ２＝１／２×Ｄ１の磁化自由層のデータを点線、内径Ｄ２＝２／３×Ｄ１の磁化自由層のデータを実線で示している。
　図１６は、内径Ｄ２＝１／２×Ｄ１の磁化自由層における図１５の点Ｐ５での磁化状態を模式的に示す図である。図１７は、内径Ｄ２＝１／２×Ｄ１の磁化自由層における図１５の点Ｐ６での磁化状態を模式的に示す図である。図１８は、内径Ｄ２＝１／２×Ｄ１の磁化自由層における図１５の点Ｐ７での磁化状態を模式的に示す図である。図１９は、内径Ｄ２＝１／２×Ｄ１の磁化自由層における図１５の点Ｐ８での磁化状態を模式的に示す図である。
　図１６において、黒色で示している部分は、第２方向に向いて磁化している部分である。図１７において、網目状のハッチングを付している部分は、第２方向に向きつつ渦状に磁化している部分である。図１８において、斜線状のハッチングを付している部分は、第１方向に向きつつ渦状に磁化している部分である。図１９において、貫通孔１１３ｈの外側で白色で示している部分は、第１方向に向いて磁化している部分である。
　図１５および図１６に示すように、本実施形態に係る磁化自由層１１３は、第２方向の磁界成分が－０．４４Ｔ印加されて磁気飽和に至った後、第２方向の磁界成分が－０．４Ｔ印加されている点Ｐ５の状態において、第２方向に磁化方向がそろっていた。
　その後、図１５および図１７に示すように、第２方向の磁界成分が－０．３８Ｔ印加されている点Ｐ６の状態において、磁化自由層１１３は、第２方向に向きつつ渦状に磁化していた。
　一方、図１５および図１９に示すように、磁化自由層１１３は、第１方向の磁界成分が０．４４Ｔ印加されて磁気飽和に至った後、第１方向の磁界成分が０．４Ｔ印加されている点Ｐ８の状態において、第１方向に磁化方向がそろっていた。
　その後、図１５および図１８に示すように、第１方向の磁界成分が０．３８Ｔ印加されている点Ｐ７の状態において、磁化自由層１１３は、第１方向に向きつつ渦状に磁化していた。
　図１６～図１９に示すように、円環状の形状を有する磁化自由層１１３においては、芯部が存在しないため、磁化自由層１１３の芯部の磁化反転が生じなかった。これにより、本実施形態に係る磁気センサ１においては、Ｚ軸方向の磁界成分による磁化自由層１１３の磁化過程は可逆的であり、磁気ヒステリシスが認められないため、磁気センサのオフセット電圧の変動が生じないことが確認できた。
　図２０は、磁化自由層の内径Ｄ２と磁化自由層の磁化率との関係を示すグラフである。図２０においては、縦軸に、Ｄ２＝０の磁化自由層の磁化率で規格化した磁化率の増加比、横軸に、磁化自由層の内径Ｄ２を示している。なお、磁化自由層の磁化率は、図１５中の各データにおいて線形性を有する部分の傾きから算出した。
　図２０に示すように、磁化自由層の内径Ｄ２が大きくなるにしたがって、磁化自由層１１３の磁化率が増加していた。すなわち、磁化自由層１１３の内径Ｄ２が大きくなるにしたがって、磁気センサ１の感度が高くなった。特に、磁化自由層１１３の内径Ｄ２が１／２×Ｄ１以上であることにより、磁化自由層１１３の磁化率をＤ２＝０の磁化自由層９１３に比較して２５％以上増加させることができ、磁気センサ１の感度を有意に高くできることが確認できた。
　次に、磁化自由層の内径Ｄ２をパラメータとして、Ｘ軸方向の磁界成分によって磁気飽和する際の磁化自由層の磁化状態をシミュレーション解析した結果について説明する。磁化自由層の内径Ｄ２としては、Ｄ２＝０、１／３×Ｄ１、１／２×Ｄ１、２／３×Ｄ１、の４種類とした。
　図２１は、内径Ｄ２が互いに異なる４種類の磁化自由層にＸ軸方向の磁界成分を印加した際の磁化過程を示すグラフである。図１５においては、縦軸に、磁化自由層の磁化のＸ軸方向成分、横軸に、Ｘ軸方向の磁界成分(Ｔ)を示している。図２１においては、Ｘ軸方向の一方の磁界成分を正の値で示し、Ｘ軸方向の他方の磁界成分を負の値で示している。内径Ｄ２＝０の磁化自由層のデータを２点鎖線、内径Ｄ２＝１／３×Ｄ１の磁化自由層のデータを１点鎖線、内径Ｄ２＝１／２×Ｄ１の磁化自由層のデータを点線、内径Ｄ２＝２／３×Ｄ１の磁化自由層のデータを実線で示している。
　図２１に示すように、Ｄ２＝１／３×Ｄ１、１／２×Ｄ１、２／３×Ｄ１である円環状の形状を有する３種類の磁化自由層の各々は、ＸＹ面内方向の外部磁界に対する耐性が低下して、磁化状態の非可逆的な変化による磁気ヒステリシスが認められた。また、Ｄ２＝１／３×Ｄ１、１／２×Ｄ１、２／３×Ｄ１である円環状の形状を有する３種類の磁化自由層の各々は、比較例に係る磁化自由層９１３に比較して、Ｘ軸方向の磁界成分による飽和磁界Ｈｓの低下も認められた。
　本実施形態に係る磁気抵抗効果素子１００においては、上部電極１２０および下部電極１３０の各々が磁性体を含む磁性体膜で構成されていることにより、磁気抵抗効果積層体１１０は、磁気抵抗効果積層体１１０の積層方向(Ｚ軸方向)の両側から磁性体を含む磁性体膜で覆われている。
　図２２は、本実施形態に係る磁気センサが備える磁気抵抗効果素子に、ＸＹ平面に平行な方向に外部磁界が印加されつつＺ軸方向に信号磁界が印加された状態を示す図である。
　本実施形態に係る磁気センサ１が備える磁気抵抗効果素子１００に、図２２に示すようにＸＹ平面に平行な方向に外部磁界Ｂ９が印加された際、外部磁界Ｂ９は、磁気抵抗効果積層体１１０より透磁率の高い、上部電極１２０および下部電極１３０の各々に主に流入する。外部磁界Ｂ９は、上部電極１２０および下部電極１３０の各々が飽和磁化するまでは、磁気抵抗効果積層体１１０にはほとんど流入しない。上部電極１２０および下部電極１３０の各々が飽和磁化した後、外部磁界Ｂ９が磁気抵抗効果積層体１１０に流入する。
　上部電極１２０および下部電極１３０の各々のＺ軸方向における透磁率は低いため、図２２に示すようにＺ軸方向に信号磁界Ｂ１が印加された際、信号磁界Ｂ１は、上部電極１２０を通過して磁気抵抗効果積層体１１０に流入する。その結果、磁化自由層１１３は、信号磁界Ｂ１の印加方向に沿うように磁化される。なお、磁化自由層１１３は、上部電極１２０とは互いに磁気的に結合されていないため、上部電極１２０が外部磁界Ｂ９によって磁化されていても磁化自由層１１３の磁化方向は上部電極１２０の磁化方向の影響を受けない。
　本実施形態においては、上部電極１２０および下部電極１３０の各々が磁気シールドとして機能し、磁気抵抗効果積層体１１０に流入する外部磁界Ｂ９を低減することができる。その結果、磁化自由層１１３にＸ軸方向の磁界成分が印加されることを抑制することができる。なお、磁化自由層１１３は、上部電極１２０とは互いに磁気的に結合されていないため、上部電極１２０を通過して磁気抵抗効果積層体１１０に流入した信号磁界Ｂ１の強度を検出することができる。
　上部電極１２０および下部電極１３０の各々を構成する磁性体膜が、強磁性層、非磁性層および強磁性層がこの順に積層された積層膜である場合、磁性体膜にＲｕなどからなる非磁性層を介在させることにより、上部電極１２０の磁化方向を１８０°反転させることができる。これにより、上部電極１２０をさらに飽和磁化しにくくすることができる。その結果、外部磁界Ｂ９の強度が比較的高い範囲まで、磁気抵抗効果積層体１１０に流入する外部磁界Ｂ９を低減することができる。
　上部電極１２０および下部電極１３０の各々が磁性体膜で構成されていない場合、磁性体膜が別途形成されてもよい。図２３は、磁性体膜が別途形成された変形例に係る磁気センサの構成を示す断面図である。
　図２３に示すように、変形例に係る磁気センサ１ａにおいては、基板Ｓｂ上に、磁性体膜１４０、絶縁層１５０、下部電極１３０、磁気抵抗効果積層体１１０、上部電極１２０、絶縁層１５０および磁性体膜１４０が、この順に積層されている。
　本変形例に係る磁気抵抗効果素子においては、上部電極１２０および下部電極１３０の各々は磁性体膜で構成されておらず、磁気抵抗効果積層体１１０は、磁気抵抗効果積層体１１０の積層方向(Ｚ軸方向)の両側から磁性体を含む磁性体膜１４０で覆われている。磁性体膜１４０は、たとえば、厚み１０ｎｍのＮｉＦｅ層、厚み１ｎｍのＣｏＦｅ層、厚み０．７ｎｍのＲｕ層、厚み１ｎｍのＣｏＦｅ層、厚み１０ｎｍのＮｉＦｅ層、を順に積層して構成されている。絶縁層１５０は、Ｍｇ、Ａｌ、ＴｉまたはＨｆなどの酸化物もしくは窒化物から構成されている。
　変形例に係る磁気センサ１ａにおいても、磁気抵抗効果積層体１１０に流入する外部磁界Ｂ９を低減することができる。その結果、磁化自由層１１３にＸ軸方向の磁界成分が印加されることを抑制することができる。なお、本変形例においては、磁気抵抗効果積層体１１０は、第２非磁性層１１８を含んでいない。
　磁気センサは、パッケージ化されていてもよい。図２４は、本実施形態に係る磁気センサを備える磁気センサパッケージの構成を示す斜視図である。図２５は、図２４の磁気センサパッケージをＸＸＶ－ＸＸＶ線矢印方向から見た断面図である。図２６は、図２４の磁気センサパッケージを矢印ＸＸＶＩ方向から見た底面図である。
　図２４～図２６に示すように、本実施形態に係る磁気センサパッケージ９は、磁気センサ１と、実装基板２と、封止部３と、接合部４と、ソルダーレジスと５とを備える。磁気センサパッケージ９は、直方体状の外形を有している。
　実装基板２の第１主面上に複数のパッド電極２２が形成されている。実装基板２の第２主面上に複数の接続電極２３が形成されている。実装基板２の内部に、対応するパッド電極２２と接続電極２３とを互いに接続する複数のビア導体２１が形成されている。ビア導体２１、パッド電極２２および接続電極２３の各々は、Ｃｕなどの電極材料で構成されている。
　複数のパッド電極２２は、はんだなどからなる接合部４によって、磁気センサ１の電源端子Ｖｃｃ、接地端子ＧＮＤ、第１出力端子Ｖ+および第２出力端子Ｖ-とそれぞれ接続されている。
　実装基板２の第１主面上および磁気センサ１の周囲は、エポキシ樹脂などからなる封止部３によって覆われている。実装基板２の第２主面上における接続電極２３の周囲は、ソルダーレジスと５によって覆われている。
　本実施形態に係る磁気センサ１，１ａにおいては、磁化自由層１１３は、磁気抵抗効果積層体１１０の積層方向(Ｚ軸方向)から見て円環状の形状を有し、かつ、信号磁界を印加されていない状態において、上記積層方向(Ｚ軸方向)に平行な軸周りに渦状に磁化された磁気渦構造を有している。これにより、磁化自由層１１３の芯部の磁化反転が生じないようにして、磁気センサ１，１ａのオフセット電圧の変動が生ずることを抑制することができる。ひいては、磁気センサ１，１ａにおける垂直方向(Ｚ軸方向)の磁界成分の検出精度の低下を抑制することができる。
　本実施形態に係る磁気センサ１，１ａにおいては、磁気抵抗効果積層体１１０は、磁気抵抗効果積層体１１０の積層方向(Ｚ軸方向)の両側から磁性体を含む磁性体膜で覆われている。これにより、ＸＹ面内方向の外部磁界Ｂ９が磁化自由層１１３に印加されることを抑制して、磁気センサ１，１ａにおける垂直方向(Ｚ軸方向)の磁界成分の検出精度の低下を抑制することができる。
　本実施形態に係る磁気センサ１においては、上部電極１２０および下部電極１３０の各々は、磁性体膜で構成されており、上部電極１２０と磁化自由層１１３との間に第２非磁性層１１８が設けられていることにより、上部電極１２０と磁化自由層１１３とが互いに磁気的に結合されていない。これにより、ＸＹ面内方向の外部磁界Ｂ９が磁化自由層１１３に印加されることを抑制しつつ上部電極１２０を通過して磁気抵抗効果積層体１１０に流入した信号磁界Ｂ１の強度を検出することができる。
　本実施形態に係る磁気センサ１，１ａにおいては、磁化自由層１１３の内径Ｄ２は、磁化自由層１１３の外径Ｄ１の１／２以上である。これにより、磁化自由層１１３の磁化率をＤ２＝０の磁化自由層９１３に比較して２５％以上増加させることができ、磁気センサ１，１ａの感度を高くすることができる。
　本実施形態に係る磁気センサ１，１ａの第１磁気抵抗効果素子１００(ＭＲ１)および第２磁気抵抗効果素子１００(ＭＲ２)の各々においては、磁気抵抗効果積層体１１０同士が互いに並列に接続されている複数の並列接続部が、互いに直列に接続されている。これにより、１個の磁気抵抗効果積層体１１０に印加される電圧を低減して磁気抵抗効果素子１００の静電破壊耐性を向上することができる。また、磁気抵抗効果積層体１１０の形状および特性のばらつきを平準化して、磁気センサ１，１ａの特性のばらつきを低減することができる。
　上述した実施形態の説明において、組み合わせ可能な構成を相互に組み合わせてもよい。
　今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
　１，１ａ　磁気センサ、２　実装基板、３　封止部、４　接合部、９　磁気センサパッケージ、１０　差動増幅器、２１　ビア導体、２２　パッド電極、２３　接続電極、１００　磁気抵抗効果素子、１１０　磁気抵抗効果積層体、１１１　リファレンス層、１１２　第１非磁性層、１１３，９１３　磁化自由層、１１３ｈ　貫通孔、１１４　第１下地層、１１５　第２下地層、１１６　ピンド層、１１７　結合層、１１８　第２非磁性層、１２０　上部電極、１３０　下部電極、１４０　磁性体膜、１５０　絶縁層、９１３ｃ　芯部、Ｂ　磁気渦構造、Ｂ１　信号磁界、Ｂ９　外部磁界、Ｄ１　外径、Ｄ２　内径、Ｄ１１，Ｄ１２，Ｄ１３，Ｄ１４　磁化方向、ＧＮＤ　接地端子、Ｈｓ　飽和磁界、Ｌ１　第１配線、Ｌ２　第２配線、Ｌ３　第３配線、Ｌ４　第４配線、Ｐ１，Ｐ２　間隔、Ｒａ　第１磁気抵抗効果積層体、Ｒｂ　第２磁気抵抗効果積層体、Ｓｂ　基板、Ｖ－　第２出力端子、Ｖ＋　第１出力端子、Ｖｃｃ　電源端子。

Claims (5)

  1. 　第１磁気抵抗効果素子と、
    　前記第１磁気抵抗効果素子と電気的に接続されてブリッジ回路を構成し、かつ、信号磁界を印加された際に、前記第１磁気抵抗効果素子とは反対向きの抵抗変化を示す第２磁気抵抗効果素子とを備え、
    　前記第１磁気抵抗効果素子および前記第２磁気抵抗効果素子の各々は、上部電極、下部電極、および、前記上部電極と前記下部電極との間に挟まれた磁気抵抗効果積層体を含み、
    　前記磁気抵抗効果積層体においては、前記磁気抵抗効果積層体の積層方向に平行な一定方向に固定された磁化を有する磁化固定層と、第１非磁性層と、前記信号磁界に応じて磁化の向きが変化する磁化自由層とが順に積層されており、
    　前記磁化自由層は、前記積層方向から見て円環状の形状を有し、かつ、信号磁界を印加されていない状態において、前記積層方向に平行な軸周りに渦状に磁化された磁気渦構造を有している、磁気センサ。
  2. 　前記磁気抵抗効果積層体は、前記積層方向の両側から磁性体を含む磁性体膜で覆われている、請求項１に記載の磁気センサ。
  3. 　前記上部電極および前記下部電極の各々は、前記磁性体膜で構成されており、
    　前記上部電極と前記磁化自由層との間に第２非磁性層が設けられていることにより、前記上部電極と前記磁化自由層とが互いに磁気的に結合されていない、請求項２に記載の磁気センサ。
  4. 　前記磁化自由層の内径は、前記磁化自由層の外径の１／２以上である、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の磁気センサ。
  5. 　前記第１磁気抵抗効果素子および前記第２磁気抵抗効果素子の各々においては、前記磁気抵抗効果積層体同士が互いに並列に接続されている複数の並列接続部が、互いに直列に接続されている、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の磁気センサ。
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