JP2012063232A - 磁界検出装置の製造方法および磁界検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】基板上にスピンバルブ素子を有する磁界検出装置の製造方法を提供する。
【解決手段】基板１を準備する工程と、基板上に、固着層、絶縁層、および自由層を含むスピンバルブ素子１１〜１４を形成する工程と、スピンバルブ素子の近傍に集磁領域２１，２２を形成する工程と、Ｈ方向の磁界を基板に印加することにより、スピンバルブ素子の自由層を磁化する磁化工程とを含み、磁化工程は、集磁領域により、Ｈ方向とは異なる所定方向の磁界をスピンバルブ素子に印加して、Ｈ方向とは異なる所定方向にスピンバルブ素子を磁化する。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子を用いた磁界検出装置の製造方法およびその構造に関する。

外部から印加された磁界を検出する磁気抵抗効果素子として、金属の磁気抵抗効果を利用したＡＭＲ（Anisotropic Magneto-Resistance）素子、巨大磁気抵抗効果を利用したＧＭＲ（Giant Magneto-Resistance）素子、およびトンネル磁気抵抗効果を利用したＴＭＲ（Tunnel Magneto-Resistance）素子などがあり、特に、大きなＭＲ比が得られるＧＭＲ素子やＴＭＲ素子が注目されている（例えば、特許文献１参照）。

スピンバルブ構造のＧＭＲ素子やＴＭＲ素子は、強磁性体の第１薄膜層（自由層）と第２薄膜層（固着層）が、非磁性の薄膜層により分離された構造を有する。第１薄膜層（自由層）の磁化方向は外部磁場に応じて変化する。一方、強磁性体の第２薄膜層の磁化方向は一定方向に固定されている。第２薄膜層の磁化方向を固定するために、例えば、反強磁性体の薄膜層が第２薄膜層（固着層）に積層されている。このようなスピンバルブ構造の磁気抵抗素子の抵抗は、第１薄膜層（自由層）の磁化方向と第２薄膜層（固着層）の磁化方向とのなす角度に応じて変化する。つまり、外部磁界に影響されて第１薄膜層（自由層）の磁化方向が変化することによって素子抵抗が変化し、外部磁界を素子抵抗により検知することが可能となる。

このようなスピンバルブ構造の磁気抵抗効果素子では、第２薄膜層（固着層）の磁化方向を固定する方法として、例えば、外部磁界を印加して第２薄膜層（固着層）の磁化方向を一定方向に揃えた後、外部磁場をなくした無磁場中で、ブロッキング温度以上に保持してアニールを行い、第２薄膜層（固着層）の磁化方向を固定する方法が用いられている（例えば、特許文献２参照）。

特公平８−２１１６６号公報 特開２００９−３１２９２号公報

しかしながら、従来の磁化方法では、外部磁場を取り去った状態でアニールを行うため、アニール中に不用意に磁界が印加されると、固着層の磁化方向が乱され、所望の方向に固着層の磁化ができないという問題があった。また、磁化方向をスピンバルブ素子の形状の異方性で決定していたため、固定層の磁化方向に分散が生じるとともに、レイアウト変更が困難であるという問題もあった。

そこで、本発明は、磁気抵抗効果素子の固着層の磁化方向を所望の方向に、正確に固定するための、量産性に優れた磁界検出装置の製造方法およびその構造を提供することを目的とする。

本発明は、基板上にスピンバルブ素子を有する磁界検出装置の製造方法であって、基板を準備する工程と、基板上に、固着層、絶縁層、および自由層を含むスピンバルブ素子を形成する工程と、スピンバルブ素子の近傍に集磁領域を形成する工程と、Ｈ方向の磁界を基板に印加することにより、スピンバルブ素子の自由層を磁化する磁化工程とを含み、磁化工程は、集磁領域により、Ｈ方向とは異なる所定方向の磁界をスピンバルブ素子に印加して、Ｈ方向とは異なる所定方向にスピンバルブ素子を磁化する工程であることを特徴とする磁界検出装置の製造方法である。

また、本発明は、複数のスピンバルブ素子を有する磁界検出装置であって、基板と、基板上に形成され、固着層、絶縁層、および自由層を含む、第１スピンバルブ素子および第２スピンバルブ素子と、第１スピンバルブ素子に対して所定の間隔をおいて対向配置された第１の辺を有し、第１スピンバルブ素子の近傍に形成された第１集磁領域と、第２スピンバルブ素子に対して所定の間隔をおいて対向配置された第２の辺を有し、第２スピンバルブ素子の近傍に形成された第２集磁領域と、を含み、第１の辺と第２の辺が非平行に配置されたことを特徴とする磁界検出装置である。

本発明にかかる磁界検出装置の製造方法では、複数のスピンバルブ型素子の固着層の磁化方向を、所望の方向に正確に固定化することができる。

また、本発明にかかる磁界検出装置では、ハーフブリッジ構造やホイートストーンブリッジ構造により、同相ノイズや温度ドリフトの影響を軽減した、高感度な磁界検出ができる。

本発明の実施の形態にかかる磁界検出装置の平面図である。 本発明の実施の形態にかかる磁界検出装置の、Ｉ−Ｉ方向の断面図である。 図２の磁界検出装置に外部磁界を印加した場合の磁界分布である。 図１の磁界検出装置の拡大図である。 図１の磁界検出装置のスピンバルブ素子の位置における磁束密度の、集磁領域の厚さに対する依存性を示すグラフである。 本発明の実施の形態にかかる他の磁界検出装置の平面図である。 本発明の実施の形態にかかる他の磁界検出装置の平面図である。 本発明の実施の形態にかかる他の磁界検出装置の平面図である。

図１は、全体が１００で表される、本発明の実施の形態にかかる磁界検出装置の上面図である。磁界検出装置１００では、セラミック等の基板１の上に、４つのスピンバルブ素子（磁気抵抗効果素子）１１〜１４が設けられている。スピンバルブ素子１１〜１４は、例えばＴＭＲ素子であり、強磁性体の自由層と固着層の間に、非磁性の薄膜層が挟まれた構造となっている。固着層の、薄膜層と反対側には、固着層の磁場を固定するための反強磁性膜が積層されている。自由層は、例えばＮｉＦｅのような軟磁性材料からなり、固着層は、例えばＣｏＦｅのような磁性材料からなる。これらの層に挟まれ、これらを分離する薄膜層は、例えばＡｌＯｘのような絶縁膜からなり、反強磁性膜は、例えばＩｒＭｎからなる。基板１は、例えば集積回路が形成された多層基板であり、その配線に接続されるようにスピンバルブ素子１１〜１４が設けられても良い。

スピンバルブ素子１１を挟むように集磁領域２１、２２が設けられている。集磁領域２１、２２は、例えば、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉなどを含む磁性膜からなる。スピンバルブ素子１１を挟んで対向配置された２つの集磁領域２１、２２の、スピンバルブ素子と隣り合う部分は、スピンバルブ素子１１の中心に対して点対称で、かつスピンバルブ素子１１を挟んで互いに平行な形状であることが好ましい。他のスピンバルブ素子１２〜１４にも同様に集磁領域が設けられている。一般には、集磁領域２１、２２は、スピンバルブ素子１１の中心に対して点対称の形状となる。

図２は、図１をＩ−Ｉ方向に見た場合の断面図である。スピンバルブ素子１１は、集磁領域２１、２２の中央近傍に配置される。例えば基板の表面（破線で表示）にスピンバルブ素子１１を形成し、基板をエッチング等で掘り下げて集磁領域２１、２２を形成することで、図２のような配置とすることができる。

図３は、図２と同じ方向から見た場合の、集磁領域２１、２２の間の磁界分布であり、Ｘ軸とＺ軸の交点がスピンバルブ素子１１の中心に相当する。スピンバルブ素子１１と集磁領域２１、２２とをこのように配置することで、スピンバルブ素子１１周辺の磁化が一定になることがわかる。

次に、図４を用いてスピンバルブ素子の固着層の磁場方向を固定する着磁方法について説明する。図４は、図１の磁界検出装置１００の一部（スピンバルブ素子１１周辺）の拡大図である。磁界検出装置１００の着磁工程では、スピンバルブ素子１１の固着層の磁場方向を固定する際に、磁界印加方向（Ｈ方向）に外部磁場を印加する。図３では、磁界印加方向に対して、所望の着磁角だけ傾いて交差する方向に延伸するように集磁領域２１、２２が設けられ、スピンバルブ素子１１と集磁領域２１、２２との間は電気的には絶縁されているが、磁気的には結合されている。

図５は、図４の構造におけるスピンバルブ素子の位置（図３のＸ軸とＺ軸の交点）における磁束密度の、集磁領域の厚さに対する依存性を表すグラフである。横軸は集磁領域の膜厚、縦軸がスピンバルブ素子の位置における磁束密度であり、Ｈｅｘは着磁のための印加磁界（任意単位）である。２つの集磁領域の間のギャップは１μｍである。集磁領域を構成する磁性膜の厚さは、集磁領域間のギャップと同程度あればよい。

固着層の着磁工程は、磁場を印加しながらブロッキング温度以上に昇温し、アニールして行われる。ブロッキング温度は、反強磁性膜の材料に依存するが、一般には２００〜３００℃であり、例えばＩｒＭｎを用いた場合には２５０℃程度となる。

図４のＨ方向に、外部磁場を印加すると、スピンバルブ素子には、磁気抵抗効果素子に印加される磁界方向の矢印（白い矢印）で示される方向に磁場が印加される。即ち、各スピンバルブ素子に、所定の方向に磁場を印加したり、各スピンバルブ素子が形状異方性を有さなくても（図４では、スピンバルブ素子１１は上面が正方形）、集磁領域の配置を換えることにより、一定方向（Ｈ方向）の磁場を印加するだけで、Ｈ方向と異なる所望の方向にスピンバルブ素子を磁化することが可能となる。このため、外部磁場は、スピンバルブ素子から遠くに配置することができるため、アニール工程中に外部磁場を発生する装置、例えば磁石の温度を低く保持することができ、外部磁場を発生する磁石の熱減磁は発生しない。

スピンバルブ素子は、例えば保磁力差型のＴＭＲ素子である。この場合、自由層／絶縁層／固着層の構造において、固着層に保磁力の大きな材料を用いる。固着層には、強磁性結合した２つ以上の磁性層を用いてもよい。この場合、固着層の着磁工程は、例えば着磁器や磁石で大きな磁界を発生させて着磁すればよい。

このようなスピンバルブ素子の構造として、例えば、固着層の磁場方向を固定する反強磁性層としてＩｒＭｎ、強磁性層（固着層）としてＮｉＦｅまたはＣｏＦｅ、絶縁層としてＡｌ_２Ｏ_３、強磁性層（自由層）としてＮｉＦｅを用いたＴＭＲ素子とすることができる。この他、反強磁性層として、ＦｅＭｎ、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、ＮｉＯなどを用いても構わない。また、強磁性層として、Ｃｏ、Ｆｅ、ＣｏＦｅ合金、ＣｏＮｉ合金、ＣｏＦｅＮｉのようなＣｏ、Ｎｉ、Ｆｅを主成分として含む合金、ＮｉＭｎＳｂ、Ｃｏ_２ＭｎＧｅなどの合金を用いることもできる。ＴＭＲ素子として所望の性能が得られる材料であれば、特段の制約はない。また、トンネル絶縁膜として用いられる絶縁層は、非磁性層の絶縁体であれば良い。例えば、絶縁層として、Ｔａ_２Ｏ_５、ＳｉＯ_２、ＭｇＯなどの金属の酸化物や、弗化物などを用いることができる。

なお、スピンバルブ素子は、固着層／絶縁層／自由層のような構造、即ち、強磁性層（自由層）が下部電極に含まれ、強磁性層（固着層）および反強磁性層が上部電極に含まれるように構成することもできる。また、強磁性層（自由層）は、単一の磁性層であってもよいし、２種類以上の異なる材料の磁性層が積層構造であってもよい。

また、スピンバルブ素子の作製は、例えば、ＤＣマグネトロンスパッタリング、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法、各種スパッタ法、化学気相成長（ＣＶＤ）法、蒸着法等を用いて各層を積層した後、フォトリソグラフィによるパターンニングとエッチングとより、所定の形状に加工して行う。フォトリソグラフィに代えて電子線リソグラフィや、集束イオンビーム加工を用いても良い。

図１では、着磁角θ（固着層の磁化方向がＨ方向となす角度）が、第１のスピンバルブ素子１１で４５°、第２のスピンバルブ素子１２で−４５°、第３のスピンバルブ素子１３で−４５°、第４のスピンバルブ素子１４で４５°となっている。図１中で、左側からＨ方向に磁界を印加すると、集磁領域の配置により、それぞれのスピンバルブ素子１１〜１４に各矢印方向に磁界が印加され、それぞれの着磁角θで磁化される。

この状態で、ブロッキング温度以上に保持してアニール工程を行うことにより、固着層の磁化方向が９０°ずつ異なる２組のスピンバルブ素子を形成できる。

固着層の着磁工程において、集磁領域が磁気飽和しないように適切な磁界を印加するが、このときにスピンバルブ素子に印加される磁界を集磁領域よりも大きな磁束密度とすることは困難である。そこで、集磁領域は、固着層よりも飽和磁束密度が大きい材料で構成されることが好ましい。一般的には、Ｆｅの飽和磁束密度が高いため、固着層よりもＦｅの含有量の多い材料を集磁領域に用いることが好ましい。

更に、固着層の着磁工程後に、集磁領域を除去、または磁気をなくす工程を備えても良い。集磁領域を除去は、例えば集磁領域を選択的にエッチングして行われる。これは、例えば、微少な磁界を検出する磁界検出装置では、固着層の磁化方向と垂直方向の磁界を検出するのが好ましいが、集磁領域があると固着層の着磁方向と同じ方向に磁界が印加されるためである。

次に、図１に示す磁界検出装置を用いて磁界の検出について説明する。一般に、抵抗が変化する素子で信号を検出する場合、素子に接続された電源ラインに電流ノイズが印加されると、検出したい信号が変化していなくても、素子の両端の電圧が変化し信号を誤検出する。これを防ぐためには、２つの実質的に等しい素子を、信号に対する抵抗の変化が反対になるように配置し、それらを電気的に直列接続して等しい電流を流し、その中点電位を検出する、所謂ハーフブリッジ構造が好ましい。より好ましくは、外部からの信号に対する中点電位の変化方向が互いに反対である２つのハーフブリッジの差動出力を取るホイートストーンブリッジ構造をとる。

本実施の形態にかかる磁界検出装置１００においても、図１に示すように、４つのスピンバルブ素子１１〜１４を配置し、それらをハーフブリッジないしはホイートストーンブリッジを構成するように配線することで、測定精度を向上させることができる。

図１に示す磁界検出装置のように、固着層の磁化方向（着磁角θ）が４５°のスピンバルブ素子と、固定抵抗からなるブリッジ回路の出力電圧Ｖは、例えば第１のスピンバルブ素子の固着層の磁化方向を基準とした磁界の印加方向Θに対して、

Ｖ＝Ｖ０＋ΔＶｃｏｓΘ ......（１）

のような抵抗変化を示す。また、固着層の磁化方向（着磁角θ）が−４５°のスピンバルブ素子と、固定抵抗からなるブリッジ回路の出力は、磁界の印加方向Θに対して、

Ｖ＝Ｖ０＋ΔＶｃｏｓ（Θ＋９０°）＝Ｖ０−ΔＶｓｉｎΘ ......（２）

のような抵抗変化を示す。

式（１）から磁界の印加角度を求めることを考えると、Θが０°〜３６０°の範囲で同じＶを示すΘが、最大２点存在するため、一意に角度を決めることができない。また、９０°、２７０°付近で角度に対する抵抗の変化が小さくなり、ひいては磁界の印加角度の検出誤差が大きくなる。

このとき、式（１）の出力は角度に対する抵抗の変化が大きいため、上記の両方の波形からアークタンジェントを求めることで、全角度領域で良好な角度検出精度を達成できる。

即ち、第１と第４のスピンバルブ素子１１、１４でハーフブリッジを構成し、第２と第３のスピンバルブ素子１２、１３で他のハーフブリッジを構成すると、２つのハーフブリッジでは互いに位相が９０°異なる出力が得られるため、全角度領域で良好な角度検出精度を達成できる。

なお、集磁領域は、所望の方向に磁界を提供できるような形状であれば、他の形状を用いても構わない。また、その所望の機能を失わない範囲で、互いに結合されていても良い。

例えば、図６は、本実施の形態にかかる他の磁気測定装置２００であり、集磁領域２０の変形例（スピンバルブ素子１０を挟んで集磁領域２０は鏡面対象）を示す。このような集磁領域２０を備えることによっても、Ｈ方向に外部磁場を印加した場合に、４つのスピンバルブ素子１０には矢印方向（θ＝±４５°）の磁場を印加することができる。

また、簡易には、図７の磁気検出装置３００に示すように、集磁領域２０は、スピンバルブ素子１０の片側のみに設けても構わない。

ここでは、着磁工程は、外部磁場によりＨ方向に磁界を印加する場合について説明したが、集磁領域とスピンバルブ素子とが同一基板上に設けられ、それらと絶縁された複数の電流線を流れる電流によって発生する磁界を行っても良い。

例えば、図８に示す他の磁気検出装置４００のような電流線３０を設けることで、スピンバルブ素子１１〜１４に対して、θ＝２２５度、３１５度、１３５度、４５度の方向に磁界を印加できる。電流線３０は、例えば基板１の裏面に設けられた金属層からなる。

以上のように、本発明の実施の形態にかかる磁界検出装置の製造方法では、複数のスピンバルブ型素子の固着層の磁化方向が、所望の方向に、正確に固定化できる。このため、例えば固着層の磁化方向が正反対の素子を組み合わせてハーフブリッジを構成することで、同相ノイズや温度ドリフトの影響を軽減した磁界検出装置を形成することができる。

１ 基板、１０、１１、１２、１３、１４ スピンバルブ素子、２０、２１、２２ 集磁領域、３０ 電流層、１００、２００、３００、４００ 磁界検出装置。

Claims (9)

1. 基板上にスピンバルブ素子を有する磁界検出装置の製造方法であって、
   基板を準備する工程と、
   基板上に、固着層、絶縁層、および自由層を含むスピンバルブ素子を形成する工程と、
   スピンバルブ素子の近傍に集磁領域を形成する工程と、
   Ｈ方向の磁界を基板に印加することにより、スピンバルブ素子の自由層を磁化する磁化工程とを含み、
   磁化工程は、集磁領域により、Ｈ方向とは異なる所定方向の磁界をスピンバルブ素子に印加して、Ｈ方向とは異なる所定方向にスピンバルブ素子を磁化する工程であることを特徴とする磁界検出装置の製造方法。
2. 集磁領域は、スピンバルブ素子を挟んで対向配置された、スピンバルブ素子の中心に対して点対称な形状の２つの領域からなることを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
3. 磁化工程は、Ｈ方向の磁界基板に印加しながら、自由層のブロッキング温度以上の温度でアニールする工程を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の製造方法。
4. 磁化工程後に、集磁領域を選択的に除去する工程、または集磁領域を消磁する工程を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の製造方法。
5. 複数のスピンバルブ素子を有する磁界検出装置であって、
   基板と、
   基板上に形成され、固着層、絶縁層、および自由層を含む、第１スピンバルブ素子および第２スピンバルブ素子と、
   第１スピンバルブ素子に対して所定の間隔をおいて対向配置された第１の辺を有し、第１スピンバルブ素子の近傍に形成された第１集磁領域と、
   第２スピンバルブ素子に対して所定の間隔をおいて対向配置された第２の辺を有し、第２スピンバルブ素子の近傍に形成された第２集磁領域と、を含み、
   第１の辺と第２の辺が非平行に配置されたことを特徴とする磁界検出装置。
6. 第１集磁領域と第２集磁領域は、基板に磁界が印加された場合に、第１スピンバルブ素子と第２スピンバルブ素子に、互いに異なる方向に磁界を印加するように配置されたことを特徴とする請求項５に記載の磁界検出装置。
7. 第１集磁領域は、第１スピンバルブ素子の中心に対して点対称な形状に設けられた１組の集磁領域からなり、および／または第２集磁領域は、第２スピンバルブ素子の中心に対して点対称な形状に設けられた１組の集磁領域からなることを特徴とする請求項５に記載の磁界検出装置。
8. 第１の辺と第２の辺は、互いに直交する方向に配置されたことを特徴とする請求置５に記載の磁界検出装置。
9. 集磁領域は、固着層より飽和磁束密度の大きい材料からなることを特徴とする請求項５に記載の磁界検出装置。

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