JP2015169530A - 磁気センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 磁気抵抗効果を利用した素子層のフリー磁性層の磁化を形状異方性により安定させて検知出力のリニアリティを向上させるとともに、固定磁性層の磁化の固定を安定させることができる磁気センサを提供する。
【解決手段】 素子層２０は、積層フェリ構造の固定磁性層２２と、フリー磁性層２４とが、非磁性層２３を挟んで積層された磁気抵抗効果素子である。素子層２０はフリー磁性層２４の幅寸法Ｗ２が小さく形成され、形状異方性によりフリー磁性層の磁化が強く揃えられて、検知出力のリニアリティを向上できる。固定磁性層２２の幅寸法Ｗ１を大きくすることで、固定磁性層の固定磁化が安定し、検知出力に重畳するノイズを低減できる。
【選択図】図６

Description

本発明は、細長い形状の素子層と、前記素子層に導通する電極層とが設けられた磁気センサに係り、特に、リニアリティを向上させ、且つ外部ノイズの影響を低減できる構造の磁気センサに関する。

特許文献１に記載された磁気センサは、固定磁性層と非磁性層とフリー磁性層とが重ねられた素子部が縦方向に向けて細長形状に形成されている。素子部に導通する複数の電極層が縦方向に間隔を空けて設けられ、素子部は電極層と導通されていない部分が磁気感知部で、電極層と導通されている部分が非感知部となっている。

前記素子部のフリー磁性層は、縦方向に向けて細長形状であり、磁化が形状異方性によって縦方向へ揃えられている。固定磁性層は、磁化が前記縦方向と直交する横方向へ向けて固定されている。外部磁界は磁気感知部で素子部を横方向へ横断するように誘導され、フリー磁性層の磁化方向が外部磁界によって変動させられる。磁気感知部では、フリー磁性層の磁化方向と、固定磁性層の固定磁化方向との相対関係で電気抵抗値が変化し、これにより、外部磁界の強度が検知される。

特開２０１３−１４８４０６号公報

特許文献１に記載された磁気センサは、フリー磁性層の磁化の方向が形状異方性により縦方向へ揃えられている。この場合、素子部の幅寸法が短ければ短いほどフリー磁性層の磁化を縦方向へ揃えやすくなり、検知出力のリニアリティを向上させることが可能になる。しかしながら、本発明の発明者らの検討により、素子部の幅寸法を短くしていくと、磁気センサに検知ノイズが重畳しやすくなることが発見された。これは、固定磁性層の幅寸法が短くなると固定磁化の向きが不安定になり、外部磁界によって固定磁化の方向にゆらぎが発生しやすくなり、その結果、環境磁場が検知ノイズに重畳しやすくなることが原因であると予測される。

本発明は上記従来の課題を解決するものであり、フリー磁性層の磁化の向きを形状異方性によって揃えることで高いリニアリティを確保し、且つ検知ノイズを低減できるようにした磁気センサを提供することを目的としている。

本発明は、固定磁性層とフリー磁性層とが非磁性層を挟んで積層された素子層と、前記素子層に導通する電極層とが設けられた磁気センサにおいて、
前記素子層は、縦方向の長さ寸法が横方向の幅寸法よりも長く形成されて、前記電極層が縦方向に間隔を空けて配置され、前記フリー磁性層の磁化が形状異方性により縦方向に向けられ、前記固定磁性層の磁化が横方向に固定されており、前記フリー磁性層の横方向の幅寸法が、前記固定磁性層の横方向の幅寸法よりも小さく形成されていることを特徴とするものである。

本発明の磁気センサは、前記素子層の幅寸法が、前記固定磁性層から前記フリー磁性層に向けて連続的に減少しているものとして構成される。

または、本発明の磁気センサは、前記固定磁性層の幅寸法は各層の積層方向に向けて均一で、前記フリー磁性層の幅寸法も積層方向に向けて均一であり、前記固定磁性層と前記フリー磁性層との境界部に段差部が形成されているものとして構成できる。

この場合の磁気センサは、前記段差部が、前記非磁性層に形成されていることが好ましい。

本発明の磁気センサは、前記固定磁性層の幅寸法が、１μｍ以上であることが好ましい。

本発明の磁気センサは、前記固定磁性層は、第１の固定層と第２の固定層とが非磁性中間層を挟んで積層されて、前記第１の固定層の磁化方向と前記第２の固定層の磁化方向とが反平行とされている。
または、前記固定磁性層は、反強磁性層との反強結合で磁化が固定されている。

本発明の磁気センサは、前記素子層は、前記電極層と導通していない部分が磁気感知部で、前記電極層と導通している部分が非感知部であり、
縦方向に延びる磁界誘導層が、前記磁気感知部を挟んで横方向に対向しており、外部磁界の縦方向成分が前記磁界誘導層で誘導され、前記磁界誘導層から前記磁気感知部に対して横方向に向く磁界が与えられるものとして構成できる。

本発明の磁気センサは、フリー磁性層の幅寸法を小さくできるために、形状異方性によってフリー磁性層の磁化の方向を縦方向へ揃えやすくなり、外部磁界に対する検知感度を高めて、リニアリティを向上させることができる。一方、固定磁性層の幅寸法を大きくしているため、固定磁性層の固定磁化を安定させることができ、環境磁場などが検知ノイズとして重畳しにくくなる。

特に、固定磁性層がいわゆるセルフピン構造である場合に、磁気感知部で固定磁化方向を安定させることができ、外部ノイズに強い磁気センサを構成できるようになる。

本発明の実施の形態の磁気センサの全体構造を示す平面図、 図１に示す磁気センサの等価回路図、 磁気センサの第１の磁気検知構造部を示す部分拡大平面図、 磁気センサの第２の磁気検知構造部を示す部分拡大平面図、 図３をＶ−Ｖ線で切断した拡大断面図、 図５をＶＩ−ＶＩ線で切断した拡大断面図であり、（Ａ）は第１の実施の形態を示す、（Ｂ）は第２の実施の形態を示す、 固定磁性層の幅寸法と検知ノイズとの関係を示す線図、 （Ａ）は固定磁性層の反磁界による影響を示す説明図、（Ｂ）は反磁界を求める計算を説明する説明図、 固定磁性層の幅寸法と反磁界との関係を示す線図、

図１に示す磁気センサＳｘは、Ｘ方向の磁界成分が図３に示す磁界誘導層１５ａ，１５ｂで導かれて素子部２０に対してＹ方向の磁界成分として与えられて磁界の強度が測定されるものである。

図1に示す磁気センサＳｘは、外部磁界のうちのＹ方向の成分を検知する磁気センサＳｙならびにＺ方向の成分を検知する磁気センサＳｚと組み合わされて、直交する３方向の外部磁界を検知できるものとなる。この磁気センサは地磁気センサなどとして使用される。磁気センサＳｙ，Ｓｚは図示されていないが、素子の基本的な構造は以下に説明する磁気センサＳｘと同じである。

図１に示すように、磁気センサＳｘは、第１の抵抗変化部１と第２の抵抗変化部２ならびに第３の抵抗変化部３と第４の抵抗変化部４とから構成されている。図２の等価回路図にも示されているように、第１の抵抗変化部１と第３の抵抗変化部３とが直列に接続され、第４の抵抗変化部４と第２の抵抗変化部２が直列に接続されている。

第１の抵抗変化部１と第４の抵抗変化部４は配線部５ａを介して端子５に接続され、端子５に電源電圧Ｖｃｃが印加される。第３の抵抗変化部３と第２の抵抗変化部２との接続部は、配線部６ａを介して端子６に接続され、端子６は接地されている。第１の抵抗変化部１と第３の抵抗変化部３との接続中間部は、配線部７ａを介して第１の検知端子７に接続され、第４の抵抗変化部４と第２の抵抗変化部２との接続中間点は、配線部８ａを介して第２の検知端子８に接続されている。第１の検知端子７の出力と第２の検知端子８の出力との差動出力が磁気センサＳｘの検知出力となる。

第１の抵抗変化部１と第２の抵抗変化部２は、図３に示す第１の検知素子構造部１０ａを有し、第３の抵抗変化部３と第４の抵抗変化部４は、図４に示す第２の検知素子構造部１０ｂを有している。

図１に示すように、第１の抵抗変化部１と第２の抵抗変化部２では、Ｘ方向へ直線的に延びる第１の検知素子構造部１０ａが複数本（図１では８本）平行に配置され、それぞれの第１の検知素子構造部１０ａのＸ１側の端部とＸ２側の端部が導電連結層９ａによって互い違いに接合されている。その結果、第１の検知素子構造部１０ａはいわゆるミアンダパターンとなり、Ｘ方向（縦方向）への実質的な寸法がきわめて長くなっている。

第３の抵抗変化部３と第４の抵抗変化部４では、Ｘ方向へ直線的に延びる第２の検知素子構造部１０ｂが複数本（図１では８本）平行に配置され、第２の検知素子構造部１０ｂのＸ１側の端部とＸ２側の端部が導電連結層９ｂによって互い違いに接合されている。その結果、第２の検知素子構造部１０ｂはいわゆるミアンダパターンとなり、Ｘ方向（縦方向）への実質的な寸法がきわめて長くなっている。

図３に示す第１の検知素子構造部１０ａと図４に示す第２の検知素子構造部１０ｂは、外部磁界のうちのＸ方向の成分が磁界誘導層１５ａ，１５ｂで導かれてＹ方向の測定磁界（例えばＨｙ１，Ｈｙ２）として与えられ、これら測定磁界の強さに応じて電気抵抗値が変化する。

第１の検知素子構造部１０ａと第２の検知素子構造部１０ｂとでは、同じＸ方向の外部磁界が与えられたときに、測定磁界Ｈｙ１とＨｙ２が互いに逆向きに作用する。ただし、第１の検知素子構造部１０ａと第２の検知素子構造部１０ｂでは、素子層２０の固定磁化Ｐの方向が同じであるため、第１の検知素子構造部１０ａと第２の検知素子構造部１０ｂとで、電気抵抗値の変化の極性が相反するものとなる。

したがって、外部磁界のＸ１方向へ成分が大きくなるにしたがって、第１の検知素子構造部１０ａでは電気抵抗値が大きくなり、第２の検知素子構造部１０ｂでは、電気抵抗値が小さくなる。逆に、外部磁界のＸ２方向へ成分が大きくなるにしたがって、第１の検知素子構造部１０ａでは電気抵抗値が小さくなり、第２の検知素子構造部１０ｂでは、電気抵抗値が大きくなる。

第１の検知端子７の検知出力（電圧変化）と第２の検知端子８部８の検知出力（電圧変化）の差動出力をとることで、外部磁界のＸ方向成分の強度の変化に応じた出力を得ることができる。

なお、磁界誘導層１５ａ，１５ｂで導かれる磁界を考慮することなく、磁気センサＳｘに対して直接にＹ方向へ作用する外部磁界について着目する。この場合には、図３に示す第１の検知素子構造部１０ａと図４に示す第２の検知素子構造部１０ｂとで、素子層２０の固定磁化Ｐの方向が同じであるため、第１の検知素子構造部１０ａと第２の検知素子構造部１０ｂの抵抗変化が互いに同じである。よって、第１の検知端子７の検知出力と第２の検知端子８の検知出力は、Ｙ方向の磁界の変化があっても変動せず、磁気センサＳｘでは外部磁界のＸ方向成分のみが検知される。

図３に示す第１の検知素子構造部１０ａと図４に示す第２の検知素子構造部１０ｂでは、前記素子層２０が共にＸ方向に直線的に延びて形成されている。図５と図６に素子層２０の構造が示されている。

図５と図６に示す素子層２０は金属層が積層されて形成されている。各金属層はスパッタ工程やＣＶＤ工程で成膜されている。

素子部２０は、巨大磁気抵抗効果を発揮する磁気抵抗効果素子層（ＧＭＲ層）である。支持基板１１の表面に絶縁下地層１２が形成され、その上に、素子部２０が積層されている。素子層２０では、絶縁下地層１２の表面にシード層２１が形成され、その上に固定磁性層２２と非磁性層２３とフリー磁性層２４が順に積層され、フリー磁性層２４が保護層２５で覆われている。シード層２１はＮｉＦｅＣｒ（ニッケル−鉄−クロム合金）などで形成され、固定磁性層２２はシード層２１の表面に直接固定されて形成されている。

固定磁性層２２は、第１の固定層２２ａと第２の固定層２２ｂ、ならびに第１の固定層２２ａと第２の固定層２２ｂとの間に位置する非磁性中間層２２ｃを有する積層フェリ構造である。第１の固定層２２ａと第２の固定層２２ｂは、ＣｏＦｅ合金（コバルト−鉄合金）などの軟磁性材料で形成されている。非磁性中間層２２ｃはＲｕ（ルテニウム）などである。

積層フェリ構造の固定磁性層２２は、第１の固定層２２ａと第２の固定層２２ｂの磁化が反平行に固定されたいわゆるセルフピン構造である。セルフピン構造は、固定磁性層２２の磁化を固定するために反強磁性層を用いていない。反強磁性層を用いるものでは、反強磁性層と固定磁性層とを積層し、磁場中で熱処理することで、固定磁性層の磁化を固定するが、積層フェリ構造の固定磁性層２２では、磁化中で熱処理を行うことなく、第１の固定層２２ａと第２の固定層２２ｂの反強磁性結合により、磁化の向きが固定されている。

固定磁性層２２の磁化の固定方向は第２の固定層２２ｂの磁化方向であり、第１の検知素子構造部１０ａと第２の検知素子構造部１０ｂの双方において、固定磁性層２２の固定磁化Ｐの方向が、素子層２０の横方向（Ｙ１方向）である。

非磁性層２３はＣｕ（銅）などの非磁性材料で形成されている。フリー磁性層２４は、ＮｉＦｅ合金（ニッケル−鉄合金）などの軟磁性材料で形成されている。フリー磁性層２４は、縦方向（Ｘ方向）の長さ寸法が横方向（Ｙ方向）の幅寸法よりも十分に大きく、その形状異方性によって、磁化がＸ２方向へ向けて揃えられている。したがって、フリー磁性層２４の磁化を縦方向へ揃えるための縦バイアス付与構造を備えていない。固定磁性層２２が積層フェリ構造であり、磁場中の熱処理が不要であるため、フリー磁性層２４の磁気異方性を保持しやすくなっている。フリー磁性層２４を覆う保護層２５はＴａ（タンタル）などで形成されている。

図３と図４に示すように、第１の検知素子構造部１０ａと第２の検知素子構造部１０ｂでは、素子層２０の上に複数の電極層１３が積層されて形成されている。電極層１３は、Ａｌ（アルミニウム）、Ｃｕ、Ｔｉ（チタン）、Ｃｒ（クロム）などの非磁性の導電性材料で形成されており、例えばＣｕとＡｌとの積層構造である。電極層１３はスパッタ工程で形成されている。

図５に示すように、素子層２０の保護層２５が部分的に除去されて、保護層２５の上に電極層１３が積層され、素子層２０と電極層１３とが導通している。電極層１３は素子層２０よりも電気抵抗値が低いため、図２に示す電源電圧Ｖｃｃによって素子層２０に与えられる検知電流は電極層１３をバイパスし、電極層１３が重ねられている部分では、検知電流が素子層１３を通過しない。そのため、第１と第２の検知素子構造部１０ａ，１０ｂでは、電極層１３が積層されている部分の素子層２０が非感知部２０ｃとなる。

図３に示すように、第１の検知素子構造部１０ａでは、素子層２０のうちの電極層１３が積層されていない部分が第１の磁気感知部２０ａとなり、図４に示す第２の検知素子構造部２０ｂでは、素子層２０のうちの電極層１３が積層されていない部分が第２の磁気感知部２０ｂとなる。

第１の磁気感知部２０ａと第２の磁気感知部２０ｂの長さを確定するためには、それぞれの電極層１３は、少なくともＸ１側とＸ２側のそれぞれの端部が素子層２０と導通していることが必要である。なお、素子層２０と電極層１３とが導通できる範囲において、電極層１３の下に保護層２５が薄く残されていてもよい。

図５に示すように、素子層２０と電極層１３は絶縁層１４で覆われている。図３に示す第１の検知素子構造部１０ａでは、絶縁層１４の上に第１の磁界誘導層１５ａが形成され、図４に示す第２の検知素子構造部１０ｂでは、絶縁層１４の上に第２の磁界誘導層１５ｂが形成されている。第１の磁界誘導層１５ａと第２の磁界誘導層１５ｂは、ＮｉＦｅ合金、ＣｏＦｅ合金、ＣｏＦｅＳｉＢ合金（コバルト−鉄−シリコン−ボロン合金）、ＣｏＺｒＮｂ合金（コバルト−ジルコニウム−ニオブ合金）などの軟磁性材料で形成されている。

図３に示すように、第１の磁界誘導層１５ａは、素子層２０の両側で縦方向（Ｘ方向）に延びているとともに、素子層２０の第１の磁気感知部２０ａを挟んで横方向（Ｙ方向）に対向している。図４に示すように、第２の磁界誘導層１５ｂも、素子層２０の両側で縦方向（Ｘ方向）に延び、素子層２０の第２の磁気感知部２０ｂを挟んで横方向（Ｙ方向）に対向している。ただし、図３に示す第１の検知素子構造部１０ａと、図４に示す第２の検知素子構造部１０ｂとでは、磁界誘導層１５ａ，１５ｂのＹ方向での対向方向が互いに対称である。

外部磁界のうちのＸ１方向の磁界成分について説明すると、図３に示す第１の検知素子構造部１０ａでは、Ｘ１方向の磁界成分が第１の磁界誘導層１５ａによってＸ１方向へ導かれ、第１の磁気感知部２０ａでは、一方の第１の磁界誘導層１５ａから他方の第１の磁界誘導層１５ａに渡って、Ｙ２方向へ向く測定磁界Ｈｙ２が与えられる。図４に示す第１の検知素子構造部１０ａでは、Ｘ１方向の磁界成分が第２の磁界誘導層１５ｂによってＸ１方向へ導かれ、第２の磁気感知部２０ｂでは、一方の第２の磁界誘導層１５ｂから他方の第２の磁界誘導層１５ｂに渡って、Ｙ１方向に向く測定磁界Ｈｙ１が与えられる。

これとは逆に、外部磁界のうちのＸ２方向の磁界成分は、図３に示す第１の磁気感知部２０ａにおいてＹ１方向へ与えられ、図４に示す第２の磁気感知部２０ｂでは、Ｙ２方向へ与えられる。

図３に示す第１の検知素子構造部１０ａと図４に示す第２の検知素子構造部１０ｂでは、第１の磁気感知部２０ａと第２の磁気感知部２０ｂならびに非感知部２０ｃにおいて、素子部２０のＹ方向の幅寸法が均一である。

図６（Ａ）に示すように、本発明の第１の実施の形態では、基板１１側から上方の積層方向に向かって、素子部２０の横方向（Ｙ方向）の幅寸法が徐々に減少している。その結果、固定磁性層２２の幅寸法Ｗ１に比較してフリー磁性層２４の幅寸法Ｗ２が短くなっている。

図６（Ａ）に示す素子部２０は、Ｙ１側とＹ２側の側面が傾斜面となっている。固定磁性層２２の幅寸法Ｗ１は、フリー磁性層２４に対向する第２の固定層２２ｂの幅寸法とし、第２の固定層２２ｂの積層方向に向かって変化する幅寸法の平均値として定義される。また、フリー磁性層２４の幅寸法Ｗ２は、積層方向に変化するフリー磁性層２４の幅寸法の平均値として定義される。

図６（Ａ）に示す第１の実施の形態の素子層２０は、下地層１２の上にシード層２１から保護層２５までの各層が積層された後に、素子部２０を構成する部分を除いて、シード層２１から保護層２５までがミリングで除去されるが、このときのミリングの角度を制御することで、素子部２０の幅寸法が積層方向に向かって徐々に短くなるように形成される。

なお、図６（Ａ）では、下地層１２を残して、その上の各層が除去されているが、シード層２１を残してその上の層が除去されてもよい。

図６（Ｂ）に示す第２の実施の形態の素子部２０では、シード層２１から固定磁性層２２まで、幅寸法Ｗ１が積層方向に向けて均一であり、フリー磁性層２４から保護層２５まで、幅寸法Ｗ２が積層方向に向けて均一である。幅寸法Ｗ２は幅寸法Ｗ１よりも短く、幅寸法Ｗ１と幅寸法Ｗ１との間に段差部が形成されている。図６（Ｂ）では段差部が非磁性層２３の部分に形成されている。

図６（Ｂ）に示す素子層２０は、下地層１２の上にシード層２１から保護層２５までの各層が積層された後に、素子部２０を構成する部分を除いて、保護層２５とフリー磁性層２４とがミリング工程により幅寸法がＷ２となるように削られる。このミリング工程での削り工程は非磁性層２３で止められる。その後、素子部２０を構成する部分を除いて、非磁性層２３よりも下層部分が幅寸法Ｗ１となるように、ミリング工程で削られる。

２段階のミリング工程で形成される段差部を非磁性層２３に設定することにより、固定磁性層２２とフリー磁性層２４の双方にダメージを与えることなく、前記幅寸法Ｗ１，Ｗ２を設定することが可能である。

図６（Ａ）に示す第１の実施の形態と図６（Ｂ）に示す第２の実施の形態のいずれにおいても、フリー層２４の横方向（Ｙ方向）の幅寸法Ｗ２が短いため、第１の磁気感知部２０ａと第２の磁気感知部２０ｂならびに非感知部２０ｃの全長においてフリー磁性層２４の形状異方性を強くできる。

また、第１の磁気感知部２０ａと第２の磁気感知部２０ｂならびに非感知部２０ｃの全長においてフリー磁性層２４の幅寸法Ｗ２を均一とすることで、フリー磁性層２４の内部に余計な磁区が発生することなく、第１の磁気感知部２０ａと第２の磁気感知部２０ｂにおいて磁化の向きを安定させることが可能である。

また、図６（Ａ）に示す第１の実施の形態と図６（Ｂ）に示す第２の実施の形態のいずれにおいても、固定磁性層２２の横方向（Ｙ方向）の幅寸法Ｗ１を大きくできるため、固定磁性層２２の固定磁化Ｐを強くできる。固定磁性層２２が積層フェリ構造である場合には、幅寸法が狭まると固定磁化Ｐの向きが不安定になりやすいが、幅寸法Ｗ１を大きくすることで、第１の磁気感知部２０ａと第２の磁気感知部２０ｂの双方において、固定磁性層２２の固定磁化Ｐの向きを安定させることができる。

図３に示す第１の磁気感知部２０ａでは、第１の磁界誘導層１５ａから第１の磁界誘導層１５ａに至る測定磁界Ｈｙ２によってフリー磁性層２４の磁化の向きが変えられるので、フリー磁性層２４の磁化の向きと、固定磁性層２２の固定磁化Ｐの方向との関係によって素子層２０の電気抵抗値が変化する。図４に示す第２の磁気感知部２０ｂでは、第２の磁界誘導層１５ｂから与えられる測定磁界Ｈｙ１によってフリー磁性層２４の磁化の向きが変えられ、フリー磁性層２４の磁化の向きと、固定磁性層２２の固定磁化Ｐの方向との関係によって素子層２０の電気抵抗値が変化する。

第１の検知素子構造部１０ａを有する第１の抵抗変化部１ならびに第２の抵抗変化部２と、第２の検知素子構造部１０ｂを有する第３の抵抗変化部３ならびに第４の抵抗変化部４とでは、同じＸ方向の磁界成分に対して電気抵抗値が逆極性で変化し、その結果、磁気センサＳｘから、外部磁界のＸ方向成分に応じた検知出力が得られる。

次に、素子層２０の幅寸法の好ましい値について説明する。
フリー磁性層２４の幅寸法Ｗ２は、細ければ細いほど、磁気異方性によってフリー磁性層２４の磁化をＸ方向へ揃える力が大きくなる。図５と図６に示す積層構造の素子層２０の全体を削って幅寸法を小さくするのには限界がある。しかし、図６（Ａ）（Ｂ）では、積層数の多く積層方向の総膜厚の大きい固定磁性層２２は幅寸法Ｗ１を大きく残したままとし、フリー層２４と保護層２５の幅寸法のみを小さくすればよいため、前記幅寸法Ｗ２を小さくすることは比較的容易である。前記幅寸法Ｗ２は０．２μｍぐらいまで短くすることが可能であり、Ｗ２この好ましい範囲は０．２〜０．８μｍ程度である。

次に、固定磁性層２２の幅寸法Ｗ１について説明する。
図７は、固定磁性層２２の幅寸法とノイズとの関係を示している。ここでは、素子部２０の幅寸法を積層方向において均一にし、すなわち固定磁性層２２とフリー磁性層２４の幅寸法を一致させたサンプルを使用して、サンプルごとに幅寸法を変化させた。そして、磁気センサＳｘに測定用の外部磁界を与えることなく検知出力を監視した。

図７の横軸は素子層２０の幅寸法すなわち固定磁性層２２の幅寸法Ｗ１であり、縦軸は検知出力を外部磁界の大きさ（マイクロテスラ）に換算した値を示している。

図７から、素子層２０の幅寸法が０．８μｍを下回ると、固定磁性層２２の固定磁化が不安定になり、測定用磁界を与えていなくても、環境磁場の変化によって検知出力がノイズとして現れることがわかる。このノイズの影響を阻止するには、固定磁性層２２の幅寸法Ｗ１を０．８μｍ以上とすることが必要である。

次に、固定磁性層２２の固定磁化によって発生する反磁界の影響について説明する。図８には、Ｙ方向の幅寸法が２×ａで、Ｘ方向の長さ寸法が２×ｂの固定磁性層２２が平面図で示されている。

固定磁性層２２の第２の固定層２２ｂで固定磁化ＰがＹ１方向へ向けられていると、図８（Ａ）において破線で示すように、固定磁界Ｐの反磁界の影響が第２の固定層２２ｂ自らに作用する。固定磁性層２２の幅寸法Ｗ１（＝２×ａ）が小さくなるにしたがって、第２の固定層２２ｂの固定磁化Ｐの大きさに対する反磁界の強度の比率が大きくなり、第２の固定層２２ｂの磁化の固定が弱くなり、検出ノイズが発生しやすくなる。

図８（Ｂ）では、固定磁性層２２の辺２２ｈにおいて、Ｙ軸からの距離がｘの位置における固定磁化Ｐの強度が固定磁性層２２の中心Ｏにどのように作用するか求めている。距離ｘの位置における固定磁化Ｐが中心Ｏに与える反磁界の磁気ベクトルのうちのＸ方向成分をＦ＋ｘ，Ｆ−ｘとすると、Ｆ＋ｘとＦ−ｘは互いに相殺される。そのため、反磁界における影響は、中心Ｏに作用する反磁界の磁気ベクトルのうちのＹ軸方向成分であるＦｙのみと仮定することができる。

Ｆｙは、以下の数１で表される。

ｃｏｓθｘは、ａ／√（ａ^２＋ｘ^２）であるため、数１は以下の数２に書き換えられる。

前記数１と数２は、磁荷ｑｍ１とｑｍ２との間に働くクーロン力の式である以下の数３から導かれる。数１と数２は、磁荷ｑｍ１を「１」（単位は「ウエーバ」）としたときに、ｑｍ１とｑｍ２との間に働く力を意味し、この力は磁界に相当する。

図８（Ｂ）のＸ−Ｙ座標の第１象限において、数２のｘを０からｂまで積分すると、以下の数４となる。

全象限では、以下の数５となる。

なお、数４と数５において上付きバーの（ｑｍ２）の上バーは、（ｑｍ２）の線密度である。

数４のａ／√（ｂ^２＋ａ^２）は固定磁性層２２の平面形状に由来する。以下では、ａ／√（ｂ^２＋ａ^２）をＢ値と定義する。

固定磁性層２２の縦方向の長さ寸法を２×ｂ＝１００μｍとし、幅寸法２×ａを変化させたときの、幅寸法（μｍ）とＢ値との関係が図９に示されている。

図９から、反磁界の影響を低減させるためには、固定磁性層２２の幅寸法Ｗ１が１μｍ以上であることが好ましく、１．５μｍ以上であることがさらに好ましい。

なお、本発明は、固定磁性層２２が積層フェリ構造ではなく、固定磁性層２２に反強磁性層が接合され、前述した磁場中の熱処理後の交換結合によって固定磁性層２２の磁化が固定されてもよい。ただし、固定磁性層２２が積層フェリ構造であると、素子層の幅寸法が固定磁化の安定に影響を与える度合いが大きくなるため、本発明は、特に、固定磁性層２２が積層フェリ構造であるときに有効である。

Ｓｘ 磁気センサ
Ｗ１ 固定磁性層の幅寸法
Ｗ２ フリー磁性層の幅寸法
１ 第１の抵抗変化部
２ 第２の抵抗変化部
３ 第３の抵抗変化部
４ 第４の抵抗変化部
１０ａ 第１の検知素子構造部
１０ｂ 第２の検知素子構造部
１１ 基板
１３ 電極層
１５ａ 第１の磁界誘導層
１５ｂ 第２の磁界誘導層
２０ 素子層
２０ａ 第１の磁気検知部
２０ｂ 第２の磁気感知部
２０ｃ 非感知部
２２ 固定磁性層
２３ 非磁性層
２４ フリー磁性層

Claims (8)

1. 固定磁性層とフリー磁性層とが非磁性層を挟んで積層された素子層と、前記素子層に導通する電極層とが設けられた磁気センサにおいて、
   前記素子層は、縦方向の長さ寸法が横方向の幅寸法よりも長く形成されて、前記電極層が縦方向に間隔を空けて配置され、
   前記フリー磁性層の磁化が形状異方性により縦方向に向けられ、前記固定磁性層の磁化が横方向に固定されており、
   前記フリー磁性層の横方向の幅寸法が、前記固定磁性層の横方向の幅寸法よりも小さく形成されていることを特徴とする磁気センサ。
2. 前記素子層の幅寸法は、前記固定磁性層から前記フリー磁性層に向けて連続的に減少している請求項１記載の磁気センサ。
3. 前記固定磁性層の幅寸法は各層の積層方向に向けて均一で、前記フリー磁性層の幅寸法も積層方向に向けて均一であり、前記固定磁性層と前記フリー磁性層との境界部に段差部が形成されている請求項１記載の磁気センサ。
4. 前記段差部は、前記非磁性層に形成されている請求項３記載の磁気センサ。
5. 前記固定磁性層の幅寸法が、１μｍ以上である請求項１ないし４のいずれかに記載の磁気センサ。
6. 前記固定磁性層は、第１の固定層と第２の固定層とが非磁性中間層を挟んで積層されて、前記第１の固定層の磁化方向と前記第２の固定層の磁化方向とが反平行とされている請求項１ないし５のいずれかに記載の磁気センサ。
7. 前記固定磁性層は、反強磁性層との反強結合で磁化が固定されている請求項１ないし５のいずれかに記載の磁気センサ。
8. 前記素子層は、前記電極層と導通していない部分が磁気感知部で、前記電極層と導通している部分が非感知部であり、
   縦方向に延びる磁界誘導層が、前記磁気感知部を挟んで横方向に対向しており、外部磁界の縦方向成分が前記磁界誘導層で誘導され、前記磁界誘導層から前記磁気感知部に対して横方向に向く磁界が与えられる請求項１ないし７のいずれかに記載の磁気センサ。

Images