JP2017072570A - Method of manufacturing magnetic sensor and method of manufacturing current sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、磁気センサの製造方法および当該磁気センサを用いる電流センサの製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a magnetic sensor and a method for manufacturing a current sensor using the magnetic sensor.
特許文献１には、被測定電流からの誘導磁界の印加により抵抗値が変化する４つの磁気抵抗効果素子で構成され、２つの磁気抵抗効果素子間の出力を備える磁界検出ブリッジ回路を有する電流センサであって、前記４つの磁気抵抗効果素子は、抵抗変化率が同じであり、反平行結合膜を介して第１の強磁性膜と第２の強磁性膜とを反強磁性的に結合させてなるセルフピン止め型の強磁性固定層と、非磁性中間層と、軟磁性自由層とを有し、前記出力を与える２つの磁気抵抗効果素子の強磁性固定層の磁化方向が互いに１８０°異なる方向であり、前記磁気検出ブリッジ回路は、電源供給点に対して対称である配線を有する電流センサが開示されている。 Patent Document 1 discloses a current sensor including a magnetic field detection bridge circuit that includes four magnetoresistive elements whose resistance values change when an induction magnetic field is applied from a current to be measured, and includes an output between the two magnetoresistive elements. The four magnetoresistive elements have the same rate of change in resistance, and antiferromagnetically couple the first ferromagnetic film and the second ferromagnetic film via the antiparallel coupling film. The magnetization directions of the ferromagnetic pinned layers of the two magnetoresistive effect elements that give the output are 180 ° different from each other. The self-pinned ferromagnetic pinned layer, the nonmagnetic intermediate layer, and the soft magnetic free layer A current sensor having a wiring that is directional and the magnetic detection bridge circuit is symmetric with respect to a power supply point is disclosed.
特許文献１に開示される磁気検出ブリッジ回路を備えることにより、線形応答性に優れる磁気センサが得られ、この特性を活かすことにより、測定精度の高い電流センサを得ることができる。 By providing the magnetic detection bridge circuit disclosed in Patent Document 1, a magnetic sensor with excellent linear response can be obtained, and by utilizing this characteristic, a current sensor with high measurement accuracy can be obtained.
このように磁気センサの線形応答性が高くなると、これまでは相対的に影響が少なかったオフセット値（外部から磁界が印加されていない状態での出力値）や、オフセット温度特性（オフセットの温度依存性）を、さらに低減することが求められるようになる可能性がある。 Thus, when the linear response of the magnetic sensor increases, the offset value (output value when no magnetic field is applied from the outside) and offset temperature characteristics (temperature dependence of the offset) have been relatively small until now. May be required to be further reduced.
本発明は、上記のオフセットやオフセット温度特性が小さい磁気センサの製造方法およびかかる磁気センサを用いる電流センサの製造方法を提供することを目的とする。 It is an object of the present invention to provide a method of manufacturing a magnetic sensor having a small offset and offset temperature characteristic and a method of manufacturing a current sensor using such a magnetic sensor.
上記課題を解決すべく本発明者が検討した結果、次のような知見を得た。
（ａ）オフセットやオフセット温度特性を増加させる要因の一つとして、磁界検出ブリッジ回路が備える４つの磁気抵抗効果素子の製造段階でのばらつきが挙げられる。
（ｂ）この４つの磁気抵抗効果素子の製造段階でのばらつきは、これらの磁気抵抗効果素子を一連の製造プロセスで同時に製造することにより低減させることができる。
（ｃ）そのように同時に製造される場合であっても、４つの磁気抵抗効果素子を、感度（外部磁界に対する抵抗変化率）が異なる一対の磁気抵抗効果素子の２組とすることにより、印加された磁界に対して線形的に応答する出力を有する磁界検出ブリッジ回路が得られる。
（ｄ）抵抗値は等しく感度が異なる一対の磁気抵抗効果素子を同時に製造するためには、一対の磁気抵抗効果素子を、アスペクト比（ミアンダ形状の長尺パターンの全長／長尺パターンの幅）は等しいが長尺パターンの幅は相違するようすればよい。
As a result of investigation by the present inventor to solve the above problems, the following knowledge was obtained.
(A) As one of the factors that increase the offset and offset temperature characteristics, there are variations in the manufacturing stage of the four magnetoresistive elements provided in the magnetic field detection bridge circuit.
(B) Variation in the manufacturing stage of the four magnetoresistive elements can be reduced by simultaneously manufacturing these magnetoresistive elements in a series of manufacturing processes.
(C) Even in such a case of simultaneous manufacture, four magnetoresistive elements are applied by making two sets of a pair of magnetoresistive elements having different sensitivities (resistance change rates with respect to an external magnetic field). A magnetic field detection bridge circuit having an output that linearly responds to the applied magnetic field.
(D) In order to simultaneously manufacture a pair of magnetoresistive elements having the same resistance value and different sensitivities, the aspect ratio (the total length of the meander-shaped long pattern / the width of the long pattern) Are equal, but the widths of the long patterns may be different.
以上の知見に基づき完成された本発明は、一態様において、外部磁界の変化に応じて抵抗値が変化する４つの磁気抵抗効果素子で構成され、直列に接続された２つの磁気抵抗効果素子からなる部分回路を２つ備える磁界検出ブリッジ回路を有する磁気センサの製造方法であって、前記４つの磁気抵抗効果素子は、いずれも、帯状の長尺パターンが折り返されたミアンダ形状であって、前記長尺パターンは、強磁性固定層と、非磁性中間層と、軟磁性自由層とを有する積層構造を備え、前記４つの磁気抵抗効果素子は、前記長尺パターンの全長を前記長尺パターンの幅で除したアスペクト比は共通するが、前記長尺パターンの幅が相違する２種類の磁気抵抗効果素子である第１の磁気抵抗効果素子および第２の磁気抵抗効果素子から構成され、前記磁界検出ブリッジ回路の前記部分回路の一方では、第１の磁気抵抗効果素子および第２の磁気抵抗効果素子が、この順番で電源給電点に近位な側から直列に接続され、前記磁界検出ブリッジ回路の前記部分回路の他方では、第２の磁気抵抗効果素子および第１の磁気抵抗効果素子が、この順番で電源給電点に近位な側から直列に接続され、前記４つの磁気抵抗効果素子を一連の製膜プロセスで同時に形成することを特徴とする磁気センサの製造方法である。 The present invention completed on the basis of the above knowledge is, in one aspect, composed of four magnetoresistive effect elements whose resistance values change in accordance with changes in the external magnetic field, and are connected in series. A method of manufacturing a magnetic sensor having a magnetic field detection bridge circuit including two partial circuits, wherein each of the four magnetoresistive elements has a meander shape in which a strip-like long pattern is folded, The long pattern includes a laminated structure having a ferromagnetic pinned layer, a nonmagnetic intermediate layer, and a soft magnetic free layer, and the four magnetoresistive elements have the total length of the long pattern of the long pattern. The aspect ratio divided by the width is the same, but is composed of a first magnetoresistive effect element and a second magnetoresistive effect element, which are two types of magnetoresistive effect elements having different widths of the long pattern, In one of the partial circuits of the magnetic field detection bridge circuit, the first magnetoresistive element and the second magnetoresistive element are connected in series in this order from the side proximal to the power supply point, and the magnetic field detection In the other of the partial circuits of the bridge circuit, the second magnetoresistive effect element and the first magnetoresistive effect element are connected in series from the side proximal to the power supply point in this order, and the four magnetoresistive effect elements are connected. A method of manufacturing a magnetic sensor, wherein elements are simultaneously formed by a series of film forming processes.
上記のとおり、ミアンダ形状を有する磁気抵抗効果素子について、アスペクト比を共通としつつ長尺パターンの幅を変化させることによって、感度の異なる２種類の磁気抵抗効果素子を同時に製造することができる。このように、上記の本発明の一態様に係る製造方法では、磁界検出ブリッジを構成する４つの磁気抵抗効果素子は同時に製造されるため、これらの磁気抵抗効果素子は特性ばらつきが生じにくい。したがって、外部から磁界が印加されていない状態での抵抗値と抵抗温度係数のばらつきも生じにくくなり、その結果オフセットやオフセット温度特性が小さい磁気センサが得られやすい。 As described above, two types of magnetoresistive effect elements having different sensitivities can be simultaneously manufactured by changing the width of the long pattern with a common aspect ratio for the magnetoresistive effect element having a meander shape. As described above, in the manufacturing method according to one aspect of the present invention, since the four magnetoresistive elements constituting the magnetic field detection bridge are manufactured at the same time, characteristic variations of these magnetoresistive elements are unlikely to occur. Accordingly, variations in resistance value and resistance temperature coefficient in a state where no magnetic field is applied from the outside are less likely to occur, and as a result, a magnetic sensor having a small offset and offset temperature characteristic can be easily obtained.
前記強磁性固定層は、反強磁性膜と交換結合している第１の強磁性膜と第２の強磁性膜とを反平行結合膜を介して反強磁性的に結合させてなる積層フェリ型であってもよいし、第１の強磁性膜と第２の強磁性膜とを反平行結合膜を介して反強磁性的に結合させてなるセルフピン型であってもよい。 The ferromagnetic pinned layer is a laminated ferrimagnetic layer formed by antiferromagnetically coupling a first ferromagnetic film and a second ferromagnetic film exchange-coupled to an antiferromagnetic film through an antiparallel coupling film. It may be of a type, or may be a self-pin type in which the first ferromagnetic film and the second ferromagnetic film are antiferromagnetically coupled via an antiparallel coupling film.
上記の磁気センサの製造方法において、前記４つの磁気抵抗効果素子の近傍に配置され、被測定磁界を相殺するキャンセル磁界を発生するフィードバックコイルをさらに具備し、前記磁気検出ブリッジ回路が備える前記２つの部分回路のそれぞれが有する２つの前記磁気抵抗効果素子の間に設けられた出力の電圧差により前記フィードバックコイルに通電して前記被測定磁界と前記キャンセル磁界とが相殺される平衡状態となったときの前記フィードバックコイルに流れる電流に基づいて前記被測定磁界を測定可能とされてもよい。このようにフィードバックコイルを用いることにより、被測定磁界の測定精度を高めることができる。 In the method for manufacturing the magnetic sensor, the magnetic sensor bridge circuit further includes a feedback coil that is disposed in the vicinity of the four magnetoresistive elements and generates a canceling magnetic field that cancels the magnetic field to be measured. When the feedback coil is energized by an output voltage difference provided between the two magnetoresistive elements included in each of the partial circuits and the measured magnetic field and the canceling magnetic field cancel each other. The measured magnetic field may be measurable based on a current flowing through the feedback coil. By using the feedback coil in this way, the measurement accuracy of the magnetic field to be measured can be increased.
上記のようにフィードバックコイルを用いる場合において、前記被測定磁界および前記キャンセル磁界が前記長尺パターンの延びる方向に直交する方向に沿うように印加可能に、前記フィードバックコイルは配置されることにより、キャンセル磁界の印加方向を磁気抵抗効果素子の感度軸方向に沿った方向とすることができる。このため、上記のようにフィードバックコイルを配置することは、被測定磁界の測定精度を高める観点から好ましい。 In the case where the feedback coil is used as described above, the feedback coil is arranged so that the measured magnetic field and the cancellation magnetic field can be applied so as to be along a direction orthogonal to the extending direction of the long pattern. The application direction of the magnetic field can be a direction along the sensitivity axis direction of the magnetoresistive effect element. For this reason, it is preferable to arrange the feedback coil as described above from the viewpoint of increasing the measurement accuracy of the magnetic field to be measured.
前記４つの磁気抵抗効果素子が前記長尺パターンの延びる方向に沿って並置されることにより、４つの磁気抵抗効果素子の感度軸の方向を揃えることが容易となる。したがって、上記のように４つの磁気抵抗効果素子が並置されることは、被測定磁界の測定精度を高める観点から好ましい。 By arranging the four magnetoresistive elements along the direction in which the elongated pattern extends, it becomes easy to align the directions of the sensitivity axes of the four magnetoresistive elements. Therefore, it is preferable that the four magnetoresistive elements are juxtaposed as described above from the viewpoint of increasing the measurement accuracy of the magnetic field to be measured.
本発明は、他の一態様において、上記の本発明の一態様に係る製造方法により製造された磁気センサを用いて、前記磁気抵抗効果素子の前記長尺パターンの長手方向に沿った方向に流れる被測定電流により生じた誘導磁界を測定して、前記被測定電流を定量的に測定することを特徴とする電流センサの製造方法である。上記のとおり、本発明の一実施形態に係る製造方法により製造された磁気センサは、オフセットやオフセット温度特性が小さいため、被測定電流により生じた誘導磁界をかかる磁気センサを用いて測定することにより、被測定電流を高精度に定量測定することが可能である。 In another aspect, the present invention flows in a direction along the longitudinal direction of the long pattern of the magnetoresistive effect element using the magnetic sensor manufactured by the manufacturing method according to the above aspect of the present invention. A method for manufacturing a current sensor, comprising: measuring an induced magnetic field generated by a current to be measured, and quantitatively measuring the current to be measured. As described above, since the magnetic sensor manufactured by the manufacturing method according to the embodiment of the present invention has small offset and offset temperature characteristics, the induced magnetic field generated by the current to be measured is measured using the magnetic sensor. The measured current can be quantitatively measured with high accuracy.
本発明によれば、オフセットやオフセット温度特性が小さい磁気センサの製造方法が提供される。また、かかる磁気センサを用いる電流センサの製造方法も提供される。 According to the present invention, a method for manufacturing a magnetic sensor with small offset and offset temperature characteristics is provided. A method of manufacturing a current sensor using such a magnetic sensor is also provided.
以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。本発明の一実施形態に係る電流センサは、磁気平衡式の磁気センサを備える磁気平衡式電流センサである。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. A current sensor according to an embodiment of the present invention is a magnetic balance type current sensor including a magnetic balance type magnetic sensor.
図１は、本発明の一実施形態に係る磁気平衡式電流センサを示す図である。本実施の形態においては、図１に示す磁気平衡式電流センサは、被測定電流が流れる導体１１の近傍に配設される。この磁気平衡式電流センサは、導体１１に流れる被測定電流による誘導磁界Ａを打ち消す磁界（キャンセル磁界）Ｂを生じさせるフィードバック回路を備える磁気センサ１２からなる。このフィードバック回路は、直線的に流れる被測定電流によって発生する磁界を打ち消す方向に巻回されたフィードバックコイル１２１と、４つの磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄを備える磁界検出ブリッジ回路とを有する。 FIG. 1 is a diagram showing a magnetic balanced current sensor according to an embodiment of the present invention. In the present embodiment, the magnetic balanced current sensor shown in FIG. 1 is disposed in the vicinity of the conductor 11 through which the current to be measured flows. This magnetic balance type current sensor includes a magnetic sensor 12 including a feedback circuit that generates a magnetic field (cancellation magnetic field) B that cancels the induced magnetic field A caused by the current to be measured flowing through the conductor 11. This feedback circuit includes a feedback coil 121 wound in a direction to cancel a magnetic field generated by a current to be measured that flows linearly, and a magnetic field detection bridge circuit including four magnetoresistive elements 122a to 122d.
フィードバックコイル１２１は平面コイルで構成されている。この構成においては、磁気コアを有しないので、低コストでフィードバックコイルを作製することができる。また、トロイダルコイルの場合に比べて、フィードバックコイルから生じるキャンセル磁界が広範囲に拡がることを防止でき、周辺回路に影響を与えることを回避できる。さらに、トロイダルコイルの場合に比べて、被測定電流が交流の場合に、フィードバックコイルによるキャンセル磁界の制御が容易であり、制御のために流す電流もそれほど大きくならない。これらの効果については、被測定電流が交流で高周波になるほど大きくなる。フィードバックコイル１２１は平面コイルで構成する場合において、平面コイルの形成面と平行な面内で誘導磁界Ａとキャンセル磁界Ｂの両方が生じるように平面コイルが設けられていることが好ましい。 The feedback coil 121 is a planar coil. In this configuration, since there is no magnetic core, the feedback coil can be manufactured at low cost. Further, as compared with the case of the toroidal coil, it is possible to prevent the canceling magnetic field generated from the feedback coil from spreading over a wide range and to avoid affecting the peripheral circuits. Furthermore, compared to the toroidal coil, when the current to be measured is an alternating current, the cancellation magnetic field can be easily controlled by the feedback coil, and the current flowing for the control is not so large. About these effects, it becomes so large that a to-be-measured electric current becomes a high frequency by alternating current. When the feedback coil 121 is constituted by a planar coil, the planar coil is preferably provided so that both the induction magnetic field A and the canceling magnetic field B are generated in a plane parallel to the plane of formation of the planar coil.
磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄは、被測定電流からの誘導磁界Ａの印加により抵抗値が変化する。この４つの磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄにより磁界検出ブリッジ回路を構成している。このように磁気抵抗効果素子を有する磁界検出ブリッジ回路を用いることにより、高感度の磁気平衡式電流センサを実現することができる。 The resistance values of the magnetoresistive elements 122a to 122d change due to the application of the induced magnetic field A from the current to be measured. The four magnetoresistive effect elements 122a to 122d constitute a magnetic field detection bridge circuit. By using a magnetic field detection bridge circuit having a magnetoresistive effect element as described above, a highly sensitive magnetic balance type current sensor can be realized.
この磁界検出ブリッジ回路は、被測定電流により生じた誘導磁界Ａに応じた電圧差を生じる２つの出力を備える。図１に示す磁界検出ブリッジ回路においては、磁気抵抗効果素子１２２ｂと磁気抵抗効果素子１２２ｃとの間の接続点に電源給電点である電源端子Ｖｄｄが接続されており、磁気抵抗効果素子１２２ａと磁気抵抗効果素子１２２ｄとは一方の端部がそれぞれグランド（Ｇｎｄ２，Ｇｎｄ１）に接続されている。さらに、この磁界検出ブリッジ回路においては、直列に接続された磁気抵抗効果素子１２２ｂと磁気抵抗効果素子１２２ｄと間の接続点から一つの出力（Ｏｕｔ１）を取り出し、直列に接続された磁気抵抗効果素子１２２ａと磁気抵抗効果素子１２２ｃと間の接続点から一つの出力（Ｏｕｔ２）を取り出している。これらの２つの出力における電位差（Ｏｕｔ１−Ｏｕｔ２、中点電位差）は増幅器で増幅され、フィードバックコイル１２１に電流（フィードバック電流）として与えられる。このフィードバック電流は、誘導磁界Ａに応じた中点電圧差に対応する。このとき、フィードバックコイル１２１には、誘導磁界Ａを相殺するキャンセル磁界Ｂが発生する。そして、誘導磁界Ａとキャンセル磁界Ｂとが相殺される平衡状態となったときのフィードバックコイル１２１に流れる電流に基づいて検出部（具体的には検出用抵抗を用いればよい。）で誘導磁界Ａの大きさを測定し、その結果に基づいて被測定電流を算出する。 This magnetic field detection bridge circuit has two outputs that generate a voltage difference according to the induced magnetic field A generated by the current to be measured. In the magnetic field detection bridge circuit shown in FIG. 1, a power supply terminal Vdd as a power supply point is connected to a connection point between the magnetoresistive effect element 122b and the magnetoresistive effect element 122c. One end of the resistance effect element 122d is connected to the ground (Gnd2, Gnd1). Further, in this magnetic field detection bridge circuit, one output (Out1) is taken out from the connection point between the magnetoresistive effect element 122b and the magnetoresistive effect element 122d connected in series, and the magnetoresistive effect element connected in series One output (Out2) is taken out from the connection point between 122a and the magnetoresistive effect element 122c. The potential difference between these two outputs (Out 1 -Out 2, midpoint potential difference) is amplified by an amplifier and applied to the feedback coil 121 as a current (feedback current). This feedback current corresponds to a midpoint voltage difference corresponding to the induced magnetic field A. At this time, a cancellation magnetic field B that cancels the induction magnetic field A is generated in the feedback coil 121. Then, based on the current flowing through the feedback coil 121 when the induced magnetic field A and the canceling magnetic field B are in an equilibrium state, the induced magnetic field A is detected by the detection unit (specifically, a detection resistor may be used). The current to be measured is calculated based on the result.
本発明の一実施形態に係る電流センサが備える磁気センサ１２が有する磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄは、いずれも図２や図３に示すように、その長手方向が互いに平行になるように配置された複数の帯状の長尺パターン（ストライプ）ＳＰが折り返してなる形状（ミアンダ形状）を有するＧＭＲ素子である。複数の長尺パターンＳＰは、両端部で電極ＥＬにより直列に連結される。このミアンダ形状において、感度軸方向（Ｐｉｎ方向）は、長尺パターンＳＰの長手方向（ストライプ長手方向）に対して直交する幅方向（ストライプ幅方向）である。このミアンダ形状においては、誘導磁界Ａおよびキャンセル磁界Ｂが長尺パターンＳＰの幅方向（ストライプ幅方向）に沿うように印加される。 The magnetoresistive effect elements 122a to 122d included in the magnetic sensor 12 included in the current sensor according to the embodiment of the present invention are all arranged so that their longitudinal directions are parallel to each other, as shown in FIGS. In addition, the GMR element has a shape (a meander shape) formed by folding a plurality of strip-like long patterns (stripes) SP. The plurality of long patterns SP are connected in series by electrodes EL at both ends. In this meander shape, the sensitivity axis direction (Pin direction) is a width direction (stripe width direction) orthogonal to the longitudinal direction (stripe longitudinal direction) of the long pattern SP. In this meander shape, the induction magnetic field A and the cancellation magnetic field B are applied along the width direction (stripe width direction) of the long pattern SP.
このミアンダ形状においては、線形応答性を高める観点から、ピン（Ｐｉｎ）方向の幅が１μｍ〜１０μｍであることが好ましい。この場合において、リニアリティを考慮すると、長手方向が誘導磁界Ａの方向およびキャンセル磁界Ｂの方向に対して共に垂直になることが望ましい。このようなミアンダ形状にすることにより、ホール素子よりも少ない端子数（２端子）で磁気抵抗効果素子の出力を採ることができる。 In this meander shape, it is preferable that the width in the pin direction is 1 μm to 10 μm from the viewpoint of improving linear response. In this case, considering the linearity, it is desirable that the longitudinal direction is both perpendicular to the direction of the induction magnetic field A and the direction of the cancellation magnetic field B. By adopting such a meander shape, the output of the magnetoresistive effect element can be taken with a smaller number of terminals (two terminals) than the Hall element.
本発明の一実施形態に係る磁気センサ１２が有する４つの磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄは、印加された磁界に対する線形応答性に優れる信号をこれらの磁気抵抗効果素子を備える磁気ブリッジ回路から出力可能としつつ、一連の製膜プロセスで同時に製造されうるように、次に説明するような２種類の磁気抵抗効果素子（第１の磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１、第２の磁気抵抗効果素子ＧＭＲ２）から構成されている。 The four magnetoresistive elements 122a to 122d included in the magnetic sensor 12 according to the embodiment of the present invention can output a signal excellent in linear response to an applied magnetic field from a magnetic bridge circuit including these magnetoresistive elements. However, it is composed of two types of magnetoresistive effect elements (first magnetoresistive effect element GMR1 and second magnetoresistive effect element GMR2) as described below so that they can be simultaneously manufactured in a series of film forming processes. Has been.
２種類の磁気抵抗効果素子の一方である第１の磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１は、図１に示されるように、磁気抵抗効果素子１２２ｃおよび磁気抵抗効果素子１２２ｄを構成し、相対的に高感度の素子からなる。図２は、第１の磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１の平面図である。 As shown in FIG. 1, the first magnetoresistive effect element GMR1 which is one of the two types of magnetoresistive effect elements constitutes a magnetoresistive effect element 122c and a magnetoresistive effect element 122d, and has a relatively high sensitivity. It consists of elements. FIG. 2 is a plan view of the first magnetoresistive element GMR1.
２種類の磁気抵抗効果素子の他方である第２の磁気抵抗効果素子ＧＭＲ２は、図１に示されるように、磁気抵抗効果素子１２２ａおよび磁気抵抗効果素子１２２ｂを構成し、相対的に低感度の素子からなる。図２は、第２の磁気抵抗効果素子ＧＭＲ２の平面図である。 As shown in FIG. 1, the second magnetoresistive element GMR2, which is the other of the two types of magnetoresistive elements, constitutes a magnetoresistive element 122a and a magnetoresistive element 122b, and has a relatively low sensitivity. It consists of elements. FIG. 2 is a plan view of the second magnetoresistive element GMR2.
磁気抵抗効果素子の感度は長尺パターンＳＰの幅Ｗに依存し、基本的な傾向として、当該幅Ｗが広いほど感度が高い。第１の磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１の幅と第２の磁気抵抗効果素子ＧＭＲ２の幅とを対比すると、第１の磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１の幅の方が広い。したがって、第１の磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１の方が第２の磁気抵抗効果素子ＧＭＲ２よりも感度が高い。 The sensitivity of the magnetoresistive element depends on the width W of the long pattern SP. As a basic tendency, the wider the width W, the higher the sensitivity. When the width of the first magnetoresistive element GMR1 is compared with the width of the second magnetoresistive element GMR2, the width of the first magnetoresistive element GMR1 is wider. Therefore, the sensitivity of the first magnetoresistive element GMR1 is higher than that of the second magnetoresistive element GMR2.
ここで、４つの磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄから構成される磁界検出ブリッジ回路の２つの中点電位差（Ｏｕｔ１−Ｏｕｔ２）が、磁界が印加されていない状態で０Ｖとなるようにする観点から、第１の磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１の素子抵抗は第２の磁気抵抗効果素子ＧＭＲ２の素子抵抗と等しいことが好ましい。上記のように第１の磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１と第２の磁気抵抗効果素子ＧＭＲ２とは幅が異なることから、素子抵抗を等しくする要請に応えるために、第１の磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１と第２の磁気抵抗効果素子ＧＭＲ２とは次に説明するアスペクト比が等しくなるように長尺パターンＳＰの全長が調整されている。本明細書においてアスペクト比とは、ミアンダ形状を有する磁気抵抗効果素子の長尺パターンＳＰの全長Ｌｔを長尺パターンＳＰの幅Ｗで除した値を意味する。磁気抵抗効果素子の素子抵抗Ｒは、シート抵抗Ｒｓ、長尺パターンＳＰの全長Ｌｔおよび長尺パターンＳＰの幅Ｗを用いて、次の式で表される。
Ｒ ＝ Ｒｓ×Ｌｔ／Ｗ
Here, from the viewpoint of setting the two midpoint potential differences (Out1−Out2) of the magnetic field detection bridge circuit composed of the four magnetoresistive elements 122a to 122d to 0 V when no magnetic field is applied, The element resistance of the first magnetoresistance effect element GMR1 is preferably equal to the element resistance of the second magnetoresistance effect element GMR2. As described above, since the first magnetoresistive element GMR1 and the second magnetoresistive element GMR2 have different widths, the first magnetoresistive element GMR1 and the second magnetoresistive element GMR1 are the same as the first magnetoresistive element GMR1 and the second magnetoresistive element GMR1. The total length of the long pattern SP is adjusted so that the aspect ratio described below is equal to the magnetoresistive effect element GMR2 of No. 2. In this specification, the aspect ratio means a value obtained by dividing the total length Lt of the long pattern SP of the magnetoresistive effect element having a meander shape by the width W of the long pattern SP. The element resistance R of the magnetoresistive effect element is expressed by the following equation using the sheet resistance Rs, the total length Lt of the long pattern SP, and the width W of the long pattern SP.
R = Rs × Lt / W
したがって、同じ材料であってシート抵抗Ｒｓが等しい場合には、アスペクト比が等しければ素子抵抗Ｒが等しくなる。したがって、アスペクト比を等しくしつつ、長尺パターンＳＰの幅Ｗを変化させることにより、素子抵抗Ｒが等しく感度が異なる磁気抵抗効果素子を同時に製造することができる。 Therefore, when the same material is used and the sheet resistances Rs are equal, the element resistances R are equal if the aspect ratios are equal. Therefore, by changing the width W of the long pattern SP while maintaining the same aspect ratio, it is possible to simultaneously manufacture magnetoresistive elements having the same element resistance R and different sensitivities.
第１の磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１のアスペクト比は、第１の磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１が長尺パターンＳＰを６本有するため、６×Ｌ１／Ｗ１となる。一方、第２の磁気抵抗効果素子ＧＭＲ２のアスペクト比は、第２の磁気抵抗効果素子ＧＭＲ２が長尺パターンＳＰを３本有するため、３×Ｌ２／Ｗ２となる。したがって、第１の磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１および第２の磁気抵抗効果素子ＧＭＲ２は、６×Ｌ１／Ｗ１＝３×Ｌ２／Ｗ２の関係を満たすように長尺パターンＳＰの形状が設定されている。 The aspect ratio of the first magnetoresistive element GMR1 is 6 × L1 / W1 because the first magnetoresistive element GMR1 has six long patterns SP. On the other hand, the aspect ratio of the second magnetoresistive element GMR2 is 3 × L2 / W2 because the second magnetoresistive element GMR2 has three long patterns SP. Therefore, the shape of the long pattern SP is set so that the first magnetoresistive element GMR1 and the second magnetoresistive element GMR2 satisfy the relationship of 6 × L1 / W1 = 3 × L2 / W2.
このような関係を有する第１の磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１および第２の磁気抵抗効果素子ＧＭＲ２として、次のような形状を有する磁気抵抗効果素子を試作した。 As the first magnetoresistive effect element GMR1 and the second magnetoresistive effect element GMR2 having such a relationship, magnetoresistive effect elements having the following shapes were prototyped.
第１の磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１
長尺パターンＳＰの全長Ｌｔ：５４０μｍ
（長尺パターンＳＰの長手方向の長さＬ１：９０μｍ）
長尺パターンＳＰの幅Ｗ１：３．０μｍ
アスペクト比：１８０
First magnetoresistance effect element GMR1
Total length Lt of the long pattern SP: 540 μm
(Longitudinal pattern SP length L1: 90 μm)
Long pattern SP width W1: 3.0 μm
Aspect ratio: 180
第２の磁気抵抗効果素子ＧＭＲ２
長尺パターンＳＰの全長Ｌｔ：１４４μｍ
（長尺パターンＳＰの長手方向の長さＬ２：４８μｍ）
長尺パターンＳＰの幅Ｗ２：０．８μｍ
アスペクト比：１８０
Second magnetoresistive element GMR2
Total length Lt of long pattern SP: 144 μm
(Longitudinal pattern SP length L2: 48 μm)
Width W2 of long pattern SP: 0.8 μm
Aspect ratio: 180
これらの第１の磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１および第２の磁気抵抗効果素子ＧＭＲ２は、いずれも外部磁界がゼロの状態での素子抵抗は２２５０Ωであり、素子抵抗の印加磁界に対する応答性プロファイルは、図４に示されるとおりであった。すなわち、長尺パターンＳＰの幅Ｗが広い第１の磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１の方が、長尺パターンＳＰの幅Ｗが狭い第２の磁気抵抗効果素子ＧＭＲ２よりも、印加磁界に対してより高感度であった。 Each of the first magnetoresistive element GMR1 and the second magnetoresistive element GMR2 has an element resistance of 2250Ω when the external magnetic field is zero, and the response profile of the element resistance to the applied magnetic field is shown in FIG. As shown in FIG. That is, the first magnetoresistive element GMR1 having the long width SP of the long pattern SP is higher in the applied magnetic field than the second magnetoresistive element GMR2 having the narrow width W of the long pattern SP. It was sensitivity.
これらの第１の磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１および第２の磁気抵抗効果素子ＧＭＲ２を図１に示されるように組み込んで磁界検出ブリッジ回路を得た。図１に示されるように、第１の磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１および第２の磁気抵抗効果素子ＧＭＲ２のいずれも、強磁性固定層は長尺パターンＳＰの幅方向に沿った向き（例えばＹ１Ｙ２方向Ｙ２向き）となるように磁化され、軟磁性自由層は外部から磁界が印加されていない状態で長尺パターンＳＰの長手方向に沿った向き（例えばＸ１Ｘ２方向Ｘ２向き）となるように磁化された。この磁界検出ブリッジ回路の中点電位差（Ｏｕｔ１−Ｏｕｔ２）の出力電圧の印加磁界に対する応答性は、図５に示されるようになった。具体的には、第１の磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１の印加磁界に対して線形的に応答する範囲（±４ｍＴ程度の範囲）で、出力電圧の印加磁界に対する応答性プロファイルも線形性を示した。 These first magnetoresistive element GMR1 and second magnetoresistive element GMR2 were incorporated as shown in FIG. 1 to obtain a magnetic field detection bridge circuit. As shown in FIG. 1, in both the first magnetoresistive effect element GMR1 and the second magnetoresistive effect element GMR2, the ferromagnetic fixed layer is oriented in the width direction of the long pattern SP (for example, Y1Y2 direction Y2 The soft magnetic free layer was magnetized so as to be oriented along the longitudinal direction of the long pattern SP (for example, the X1X2 direction X2 direction) in a state where no magnetic field was applied from the outside. The responsiveness of the output voltage of the midpoint potential difference (Out1-Out2) of this magnetic field detection bridge circuit to the applied magnetic field is as shown in FIG. Specifically, the response profile of the output voltage with respect to the applied magnetic field also showed linearity in a range that linearly responds to the applied magnetic field of the first magnetoresistive element GMR1 (a range of about ± 4 mT).
本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄの長尺パターンＳＰの積層構造（磁気抵抗効果膜）について、図６を用いて説明する。長尺パターンＳＰは、図６に示すように、基板２９に設けられた積層構造を有する。長尺パターンＳＰは、シード層２０、反強磁性膜２１ａと第１の強磁性膜２１ｂと反平行結合膜２１ｃと第２の強磁性膜２１ｄとからなる積層フェリ型の強磁性固定層２１、非磁性中間層２２、軟磁性自由層（フリー磁性層）２３、および保護層２５を含む。 A laminated structure (magnetoresistance effect film) of the long pattern SP of the magnetoresistance effect elements 122a to 122d according to one embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The long pattern SP has a laminated structure provided on the substrate 29 as shown in FIG. The long pattern SP includes a seed ferrule 20, a laminated ferrimagnetic fixed layer 21 including an antiferromagnetic film 21a, a first ferromagnetic film 21b, an antiparallel coupling film 21c, and a second ferromagnetic film 21d. A nonmagnetic intermediate layer 22, a soft magnetic free layer (free magnetic layer) 23, and a protective layer 25 are included.
シード層２０は、ＮｉＦｅＣｒあるいはＣｒなどで構成される。なお、上記積層構造において、基板２９とシード層２０との間に、例えば、Ｔａ，Ｈｆ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｗのうち少なくとも１つの元素などの非磁性材料で構成される下地層を設けてもよい。 The seed layer 20 is made of NiFeCr or Cr. In the laminated structure, an underlayer composed of a nonmagnetic material such as at least one element of Ta, Hf, Nb, Zr, Ti, Mo, and W, for example, between the substrate 29 and the seed layer 20. May be provided.
強磁性固定層２１は、反強磁性膜２１ａと第１の強磁性膜２１ｂとが交換結合し、第１の強磁性膜２１ｂと第２の強磁性膜２１ｄとが反平行結合膜２１ｃを介して反強磁性的に結合することにより、一方の向きに磁化が固定されている。 In the ferromagnetic pinned layer 21, the antiferromagnetic film 21a and the first ferromagnetic film 21b are exchange-coupled, and the first ferromagnetic film 21b and the second ferromagnetic film 21d are interposed via the antiparallel coupling film 21c. Thus, the magnetization is fixed in one direction by antiferromagnetic coupling.
反強磁性膜２１ａを構成する材料として、ＩｒＭｎ系の材料やＰｔＭｎ系の材料が例示される。第１の強磁性膜２１ｂおよび第２の強磁性膜２１ｄを構成する材料として、いずれもＣｏＦｅ合金が例示される。第１の強磁性膜２１ｂと第２の強磁性膜２１ｄと間に位置する反平行結合膜２１ｃはＲｕなどにより構成される。 Examples of the material constituting the antiferromagnetic film 21a include an IrMn-based material and a PtMn-based material. As the material constituting the first ferromagnetic film 21b and the second ferromagnetic film 21d, a CoFe alloy is exemplified. The antiparallel coupling film 21c located between the first ferromagnetic film 21b and the second ferromagnetic film 21d is made of Ru or the like.
非磁性中間層２２は、Ｃｕなどにより構成される。軟磁性自由層（フリー磁性層）２３は、ＣｏＦｅ合金、ＮｉＦｅ合金、ＣｏＦｅＮｉ合金などの磁性材料で構成される。保護層２５は、Ｔａなどで構成される。 The nonmagnetic intermediate layer 22 is made of Cu or the like. The soft magnetic free layer (free magnetic layer) 23 is made of a magnetic material such as a CoFe alloy, a NiFe alloy, or a CoFeNi alloy. The protective layer 25 is made of Ta or the like.
シード層２０、強磁性固定層２１を構成する反強磁性膜２１ａ、第１の強磁性膜２１ｂ、反平行結合膜２１ｃおよび第２の強磁性膜２１ｄ、非磁性中間層２２、軟磁性自由層（フリー磁性層）２３、ならびに保護層２５はいずれもスパッタリング等の方法により製膜される。 Seed layer 20, antiferromagnetic film 21 a constituting ferromagnetic pinned layer 21, first ferromagnetic film 21 b, antiparallel coupling film 21 c and second ferromagnetic film 21 d, nonmagnetic intermediate layer 22, soft magnetic free layer (Free magnetic layer) 23 and protective layer 25 are both formed by a method such as sputtering.
ここで、反強磁性膜２１ａと強磁性固定層２１は磁気抵抗効果膜（長尺パターンを構成する積層構造）を成膜後に磁場中で熱処理することにより、強磁性固定層２１の磁化を強く固定することができる。本発明の一実施形態に係る磁気センサの製造方法では、磁界検出ブリッジ回路を構成する磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄは、一連の製膜プロセスで同時に製造される。このため、４つの磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄは、強磁性固定層２１がいずれも一方の向き（例えばＹ１Ｙ２方向Ｙ２向き）に磁化される。また、４つの磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄは、ミアンダ形状に伴う形状異方性によって外部から磁界が印加されていない状態で軟磁性自由層（フリー磁性層）２３がいずれも一方の向き（例えばＸ１Ｘ２方向Ｘ２向き）となるように磁化される。このように、４つの磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄにおける強磁性固定層２１および軟磁性自由層（フリー磁性層）２３は、それぞれの磁化の向きが揃った状態で製造される。このように製造されても、４つの磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄは、素子抵抗が等しく感度が異なる２種類の磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１，ＧＭＲ２から構成されるため、磁界検出ブリッジ回路の中点電位差を印加磁界に対して線形的に応答させることが実現されている。 Here, the antiferromagnetic film 21a and the ferromagnetic pinned layer 21 are formed by magnetoresistive film (laminated structure constituting a long pattern) and then heat-treated in a magnetic field, thereby strengthening the magnetization of the ferromagnetic pinned layer 21. Can be fixed. In the magnetic sensor manufacturing method according to the embodiment of the present invention, the magnetoresistive effect elements 122a to 122d constituting the magnetic field detection bridge circuit are simultaneously manufactured by a series of film forming processes. Therefore, in the four magnetoresistive effect elements 122a to 122d, the ferromagnetic fixed layer 21 is magnetized in one direction (for example, the Y1Y2 direction Y2 direction). Further, the four magnetoresistive elements 122a to 122d have the soft magnetic free layer (free magnetic layer) 23 in one direction (for example, with no magnetic field applied from the outside due to the shape anisotropy associated with the meander shape (for example, X1X2 direction X2 direction). In this manner, the ferromagnetic pinned layer 21 and the soft magnetic free layer (free magnetic layer) 23 in the four magnetoresistive effect elements 122a to 122d are manufactured in a state in which the respective magnetization directions are aligned. Even if manufactured in this way, the four magnetoresistive elements 122a to 122d are composed of two types of magnetoresistive elements GMR1 and GMR2 having the same element resistance and different sensitivities. Is linearly responded to the applied magnetic field.
このように、本発明の一実施形態に係る製造方法では、磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄが一連の製膜プロセスで同時に形成されるため、磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄをそれぞれ別の製膜プロセスで形成する場合に比べて、膜厚や組成のばらつきが抑制される。その結果、４つの磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄの特性ばらつきが抑制される。それゆえ、４つの磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄを備える磁気センサ１２のオフセットやオフセット温度特性が小さくなり、この磁気センサ１２を用いてなる電流センサの測定精度が高くなる。 As described above, in the manufacturing method according to the embodiment of the present invention, since the magnetoresistive effect elements 122a to 122d are simultaneously formed by a series of film forming processes, the magnetoresistive effect elements 122a to 122d are respectively formed in different film forming processes. As compared with the case of forming by, the variation in film thickness and composition is suppressed. As a result, variations in characteristics of the four magnetoresistive elements 122a to 122d are suppressed. Therefore, the offset and offset temperature characteristics of the magnetic sensor 12 including the four magnetoresistive elements 122a to 122d are reduced, and the measurement accuracy of a current sensor using the magnetic sensor 12 is increased.
以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。 The embodiment described above is described for facilitating understanding of the present invention, and is not described for limiting the present invention. Therefore, each element disclosed in the above embodiment is intended to include all design changes and equivalents belonging to the technical scope of the present invention.
例えば、図７に示されるように、磁気センサ１２’がフィードバックコイルを備えず、電流センサは磁気比例式電流センサであってもよい。また、磁気抵抗効果膜の強磁性固定層は、反強磁性材料を用いなくても磁化を固定できるセルフピン型であっても良い。反強磁性膜を用いる積層フェリ型の強磁性固定層は、強磁場耐性が高いものの耐熱性が低い傾向がある。これに対し、セルフピン型の強磁性固定層は、積層フェリ型とは逆に、強磁場耐性が低いが耐熱性が高いという傾向がある。したがって、磁気センサの使用環境などに応じて、強磁性固定層の種類を設定すればよい。 For example, as shown in FIG. 7, the magnetic sensor 12 'may not include a feedback coil, and the current sensor may be a magnetic proportional current sensor. Further, the ferromagnetic pinned layer of the magnetoresistive film may be a self-pin type that can pin the magnetization without using an antiferromagnetic material. A laminated ferrimagnetic fixed layer using an antiferromagnetic film has a high resistance to a strong magnetic field but tends to have a low heat resistance. On the other hand, the self-pinned ferromagnetic pinned layer, contrary to the laminated ferrimagnetic type, tends to have high heat resistance but low resistance to strong magnetic fields. Therefore, the type of the ferromagnetic pinned layer may be set according to the usage environment of the magnetic sensor.
以下、実施例等により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明の範囲はこれらの実施例等に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example etc. demonstrate this invention further more concretely, the scope of the present invention is not limited to these Examples etc.
（実施例１）
図１に示される磁界検出ブリッジ回路およびフィードバックコイルを備える磁気センサを基板上に複数個製造した。磁界検出ブリッジ回路が備える４つの磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄは、いずれも帯状の長尺パターンを複数備えるミアンダ形状を有し、これらのうち、２つの磁気抵抗効果素子１２２ｃ，１２２ｄについては、相対的に感度が高い第１の磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１を用いた。残りの２つの磁気抵抗効果素子１２２ａ，１２２ｂについては、相対的に感度が低い第２の磁気抵抗効果素子ＧＭＲ２を用いた。第１の磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１および第２の磁気抵抗効果素子ＧＭＲ２は次の形状的特徴を有していた。
Example 1
A plurality of magnetic sensors including the magnetic field detection bridge circuit and the feedback coil shown in FIG. 1 were manufactured on the substrate. The four magnetoresistive effect elements 122a to 122d included in the magnetic field detection bridge circuit each have a meander shape including a plurality of strip-like long patterns. Among these, the two magnetoresistive effect elements 122c and 122d are relative to each other. The first magnetoresistive element GMR1 having high sensitivity is used. For the remaining two magnetoresistive elements 122a and 122b, the second magnetoresistive element GMR2 having relatively low sensitivity was used. The first magnetoresistive element GMR1 and the second magnetoresistive element GMR2 had the following shape characteristics.
第１の磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１
長尺パターンＳＰの全長Ｌｔ：５４０μｍ
（長尺パターンＳＰの長手方向の長さＬ１：９０μｍ）
長尺パターンＳＰの幅Ｗ１：３．０μｍ
アスペクト比：１８０
First magnetoresistance effect element GMR1
Total length Lt of the long pattern SP: 540 μm
(Longitudinal pattern SP length L1: 90 μm)
Long pattern SP width W1: 3.0 μm
Aspect ratio: 180
第２の磁気抵抗効果素子ＧＭＲ２
長尺パターンＳＰの全長Ｌｔ：１４４μｍ
（長尺パターンＳＰの長手方向の長さＬ２：４８μｍ）
長尺パターンＳＰの幅Ｗ２：０．８μｍ
アスペクト比：１８０
Second magnetoresistive element GMR2
Total length Lt of long pattern SP: 144 μm
(Longitudinal pattern SP length L2: 48 μm)
Width W2 of long pattern SP: 0.8 μm
Aspect ratio: 180
第１の磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１および第２の磁気抵抗効果素子ＧＭＲ２はいずれも外部磁界がゼロの状態での素子抵抗は２２５０Ωであり、素子抵抗の印加磁界に対する応答性は、図４に示されるとおりであった。また、磁界検出ブリッジ回路の中点電位差（Ｏｕｔ１−Ｏｕｔ２）の出力電圧の印加磁界に対する応答性は、図５に示されるようになった。 Both the first magnetoresistive element GMR1 and the second magnetoresistive element GMR2 have an element resistance of 2250Ω when the external magnetic field is zero, and the response of the element resistance to the applied magnetic field is shown in FIG. It was as follows. Further, the response of the output voltage of the midpoint potential difference (Out1-Out2) of the magnetic field detection bridge circuit to the applied magnetic field is as shown in FIG.
第１の磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１および第２の磁気抵抗効果素子ＧＭＲ２は、いずれも、ミアンダ形状における長尺パターンについて、絶縁層を有する基板上に、下からシード層；ＮｉＦｅＣｒ（４２）／強磁性固定層［反強磁性層；Ｉｒ２２Ｍｎ７８（６０）／第１の強磁性膜；Ｃｏ７０Ｆｅ３０（１５）／反平行結合膜；Ｒｕ（８．５）／第２の強磁性膜；Ｃｏ９０Ｆｅ１０（２０）］／非磁性中間層；Ｃｕ（２０）／軟磁性自由層［Ｃｏ９０Ｆｅ１０（１０）／Ｎｉ８２．５Ｆｅ１７．５（７０）］／保護層；Ｔａ（１００）の順にスパッタリングにより積層されたものであった。なお、括弧内の数値は層厚を示し単位はÅである。 Each of the first magnetoresistive element GMR1 and the second magnetoresistive element GMR2 has a meander-shaped long pattern on a substrate having an insulating layer on a seed layer from below; NiFeCr (42) / ferromagnetic Fixed layer [antiferromagnetic layer; Ir 22 Mn 78 (60) / first ferromagnetic film; Co 70 Fe 30 (15) / antiparallel coupling film; Ru (8.5) / second ferromagnetic film; Co 90 Fe 10 (20)] / nonmagnetic intermediate layer; Cu (20) / soft magnetic free layer [Co 90 Fe 10 (10) / Ni 82.5 Fe 17.5 (70)] / protective layer; Ta ( 100) in this order. The numbers in parentheses indicate the layer thickness and the unit is Å.
４つの磁気抵抗効果素子は同時に製造された。磁気抵抗効果膜の製膜後に磁場中で熱処理することで、反強磁性層と強磁性固定層の間に強い交換結合が生じ、強磁性固定層の磁化は一方の向きに磁化された。また、軟磁性自由層は、磁場中製膜と形状異方性により、ミアンダ形状における長尺パターンの長手方向の一方の向きに磁化された。したがって、４つの磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄは、強磁性固定層の磁化の向きが等しく、外部磁界が印加されていない状態における軟磁性自由層の磁化の向きが等しかった。 Four magnetoresistive elements were manufactured simultaneously. By heat-treating in the magnetic field after forming the magnetoresistive film, strong exchange coupling was generated between the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic pinned layer, and the magnetization of the ferromagnetic pinned layer was magnetized in one direction. The soft magnetic free layer was magnetized in one direction of the longitudinal direction of the long pattern in the meander shape by film formation in a magnetic field and shape anisotropy. Therefore, in the four magnetoresistive elements 122a to 122d, the magnetization directions of the ferromagnetic pinned layers are equal, and the magnetization directions of the soft magnetic free layers in the state where no external magnetic field is applied are equal.
基板上に製造された複数の磁気センサから任意に３００個以上を選び出し、オフセット値（外部から磁界が印加されていない状態でのキャンセル電流の大きさ（以下同じ）、単位：ｍＡ）を測定した。また、温度が８５℃の場合のオフセット値ＯＦ１（単位：ｍＡ）と温度が２５℃の場合のオフセット値ＯＦ２（単位：ｍＡ）とを測定して、次の式によりオフセット温度特性ＯＴ（単位：μＡ／℃）を測定した。
ＯＴ ＝ （ＯＦ１−ＯＦ２）／（８５℃−２５℃）
Arbitrarily 300 or more were selected from a plurality of magnetic sensors manufactured on the substrate, and the offset value (the magnitude of the cancellation current when no magnetic field was applied from the outside (hereinafter the same), unit: mA) was measured. . Further, the offset value OF1 (unit: mA) when the temperature is 85 ° C. and the offset value OF2 (unit: mA) when the temperature is 25 ° C. are measured, and the offset temperature characteristic OT (unit: μA / ° C.) was measured.
OT = (OF1-OF2) / (85 ° C.-25 ° C.)
得られたオフセット値およびオフセット温度特性ＯＴのヒストグラムを求めた。その結果を図９および図１０に示す。 A histogram of the obtained offset value and offset temperature characteristic OT was obtained. The results are shown in FIG. 9 and FIG.
（比較例１）
図１に示される磁界検出ブリッジ回路およびフィードバックコイルを備える磁気センサを基板上に複数個製造した。磁界検出ブリッジ回路が備える４つの磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄは、いずれも帯状の長尺パターンを複数備えるミアンダ形状であってそのミアンダ形状が共通の形状的特徴を有する第３の磁気抵抗効果素子ＧＭＲ３から構成された。第３の磁気抵抗効果素子ＧＭＲ３は、図８に示されるように、ミアンダ形状における帯状の長尺パターンＣ−ＳＰは、固定磁性層２１が反強磁性膜２１ａを備えず、ＲＫＫＹ相互作用に基づくピン止め構造を有していた。
(Comparative Example 1)
A plurality of magnetic sensors including the magnetic field detection bridge circuit and the feedback coil shown in FIG. 1 were manufactured on the substrate. Each of the four magnetoresistive elements 122a to 122d provided in the magnetic field detection bridge circuit has a meander shape including a plurality of strip-like long patterns, and the meander shape has a common geometric feature. It consisted of GMR3. As shown in FIG. 8, the third magnetoresistive element GMR3 has a meander-shaped strip-like long pattern C-SP in which the pinned magnetic layer 21 does not include the antiferromagnetic film 21a and is based on the RKKY interaction. It had a pinning structure.
具体的には、第３の磁気抵抗効果素子ＧＭＲ３は、ミアンダ形状における長尺パターンＣ−ＳＰについて、絶縁層を有する基板上に、下からシード層；ＮｉＦｅＣｒ（４２）／強磁性固定層［第１の強磁性膜；Ｃｏ４０Ｆｅ６０（１９）／反平行結合膜；Ｒｕ（３．６）／第２の強磁性膜；Ｃｏ９０Ｆｅ１０（２４）］／非磁性中間層；Ｃｕ（２０）／軟磁性自由層［Ｃｏ９０Ｆｅ１０（１０）／Ｎｉ８２．５Ｆｅ１７．５（７０）］／保護層；Ｔａ（１００）の順にスパッタリングにより積層されたものであった。なお、括弧内の数値は層厚を示し単位はÅである。 Specifically, the third magnetoresistive element GMR3 has a meander-shaped long pattern C-SP on a substrate having an insulating layer on a seed layer; NiFeCr (42) / ferromagnetic pinned layer [first Co 40 Fe 60 (19) / anti-parallel coupling film; Ru (3.6) / second ferromagnetic film; Co 90 Fe 10 (24)] / nonmagnetic intermediate layer; Cu (20 ) / Soft magnetic free layer [Co 90 Fe 10 (10) / Ni 82.5 Fe 17.5 (70)] / protective layer; Ta (100) in this order. The numbers in parentheses indicate the layer thickness and the unit is Å.
４つの磁気抵抗効果素子は個別に製造された。第１の強磁性膜は、磁場中製膜によりミアンダ形状における長尺パターンＣ−ＳＰの幅方向の一方の向きに磁化された。具体的には、磁気抵抗効果素子１２２ａの磁化の向き（Ｙ１Ｙ２方向Ｙ１向き）は、これに直列に接続される磁気抵抗効果素子１２２ｃの磁化の向きと反対向き（Ｙ１Ｙ２方向Ｙ２向き）とされ、磁気抵抗効果素子１２２ｂ（Ｙ１Ｙ２方向Ｙ１向き）の磁化の向きは、これに直列に接続される磁気抵抗効果素子１２２ｄの磁化の向きと反対向き（Ｙ１Ｙ２方向Ｙ２向き）とされた。磁気抵抗効果素子１２２ａの磁化の向きは磁気抵抗効果素子１２２ｂの磁化の向きと等しかった。 Four magnetoresistive elements were manufactured individually. The first ferromagnetic film was magnetized in one direction in the width direction of the long pattern C-SP in a meander shape by film formation in a magnetic field. Specifically, the magnetization direction of the magnetoresistive effect element 122a (the Y1Y2 direction Y1 direction) is opposite to the magnetization direction of the magnetoresistive effect element 122c connected in series (the Y1Y2 direction Y2 direction). The magnetization direction of the magnetoresistive effect element 122b (Y1Y2 direction Y1 direction) is opposite to the magnetization direction of the magnetoresistive effect element 122d connected in series (Y1Y2 direction Y2 direction). The magnetization direction of the magnetoresistive effect element 122a was equal to the magnetization direction of the magnetoresistive effect element 122b.
軟磁性自由層は、磁場中製膜によりミアンダ形状における長尺パターンの長手方向の一方の向きに磁化された。具体的には、磁気抵抗効果素子１２２ａの磁化の向き（Ｘ１Ｘ２方向Ｘ１向き）は、これに直列に接続される磁気抵抗効果素子１２２ｃの磁化の向きと反対向き（Ｘ１Ｘ２方向Ｘ２向き）とされ、磁気抵抗効果素子１２２ｂ（Ｘ１Ｘ２方向Ｘ１向き）の磁化の向きは、これに直列に接続される磁気抵抗効果素子１２２ｄの磁化の向きと反対向き（Ｘ１Ｘ２方向Ｘ２向き）とされた。磁気抵抗効果素子１２２ａの磁化の向きは磁気抵抗効果素子１２２ｂの磁化の向きと等しかった。 The soft magnetic free layer was magnetized in one direction in the longitudinal direction of the long pattern in the meander shape by film formation in a magnetic field. Specifically, the magnetization direction (X1X2 direction X1 direction) of the magnetoresistive effect element 122a is the opposite direction (X1X2 direction X2 direction) to the magnetization direction of the magnetoresistive effect element 122c connected in series thereto, The magnetization direction of the magnetoresistive effect element 122b (X1X2 direction X1 direction) was opposite to the magnetization direction of the magnetoresistive effect element 122d connected in series (X1X2 direction X2 direction). The magnetization direction of the magnetoresistive effect element 122a was equal to the magnetization direction of the magnetoresistive effect element 122b.
基板上に形成された複数の磁気センサから任意に３００個以上を選び出し、オフセット値（キャンセル電流の大きさ、単位：ｍＡ）を測定した。また、温度が８５℃の場合のオフセット値ＯＦ１（キャンセル電流の大きさ、単位：ｍＡ）と温度が２５℃の場合のオフセット値ＯＦ２（キャンセル電流の大きさ、単位：ｍＡ）とを測定して、次の式によりオフセット温度特性ＯＴ（単位：μＡ／℃）を測定した。
ＯＴ ＝ （ＯＦ１−ＯＦ２）／（８５℃−２５℃）
300 or more were arbitrarily selected from a plurality of magnetic sensors formed on the substrate, and an offset value (a magnitude of the cancel current, unit: mA) was measured. Further, the offset value OF1 (the magnitude of the cancellation current, unit: mA) when the temperature is 85 ° C. and the offset value OF2 (the magnitude of the cancellation current, unit: mA) when the temperature is 25 ° C. are measured. The offset temperature characteristic OT (unit: μA / ° C.) was measured by the following formula.
OT = (OF1-OF2) / (85 ° C.-25 ° C.)
得られたオフセット値およびオフセット温度特性ＯＴのヒストグラムを求めた。その結果を図９および図１０に示す。 A histogram of the obtained offset value and offset temperature characteristic OT was obtained. The results are shown in FIG. 9 and FIG.
図９および図１０に示されるように、実施例１に係る磁気センサは、比較例１に係る磁気センサよりもオフセット値およびオフセット温度特性が小さく、実施例１に係る磁気センサを用いてなる電流センサは、比較例１に係る磁気センサを用いてなる電流センサよりも高精度に電流を測定可能であることが確認された。 As shown in FIG. 9 and FIG. 10, the magnetic sensor according to Example 1 has a smaller offset value and offset temperature characteristics than the magnetic sensor according to Comparative Example 1, and the current formed by using the magnetic sensor according to Example 1 is used. It was confirmed that the sensor can measure current with higher accuracy than the current sensor using the magnetic sensor according to Comparative Example 1.
１１・・・導体
１２，１２’・・・磁気センサ
１２１・・・フィードバックコイル
１２２ａ，１２２ｂ，１２２ｃ，１２２ｄ・・・磁気抵抗効果素子
Ｖｄｄ・・・電源端子
Ｏｕｔ１・・・磁気抵抗効果素子１２２ｂと磁気抵抗効果素子１２２ｄと間の接続点からの出力
Ｏｕｔ２・・・磁気抵抗効果素子１２２ａと磁気抵抗効果素子１２２ｂと間の接続点からの出力
Ｇｎｄ１・・・磁気抵抗効果素子１２２ｄの一方の端部に接続されたグランド
Ｇｎｄ２・・・磁気抵抗効果素子１２２ａの一方の端部に接続されたグランド
ＧＭＲ１・・・第１の磁気抵抗効果素子
ＧＭＲ２・・・第２の磁気抵抗効果素子
ＳＰ・・・長尺パターン
Ｃ−ＳＰ・・・第３の磁気抵抗効果素子ＧＭＲ３の長尺パターン
ＥＬ・・・電極
Ｗ１・・・第１の磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１の長尺パターンＳＰの幅
Ｗ２・・・第２の磁気抵抗効果素子ＧＭＲ２の長尺パターンＳＰの幅
Ｌ１・・・第１の磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１の長尺パターンＳＰの長手方向の長さ
Ｌ２・・・第２の磁気抵抗効果素子ＧＭＲ２の長尺パターンＳＰの長手方向の長さ
２０・・・シード層
２１・・・強磁性固定層
２１ａ・・・反強磁性膜
２１ｂ・・・第１の強磁性膜
２１ｃ・・・反平行結合膜
２１ｄ・・・第２の強磁性膜
２２・・・非磁性中間層
２３・・・軟磁性自由層（フリー磁性層）
２５・・・保護層
２９・・・基板
11 ... conductor 12, 12 '... magnetic sensor 121 ... feedback coils 122a, 122b, 122c, 122d ... magnetoresistive effect element Vdd ... power supply terminal Out1 ... magnetoresistive effect element 122b Output Out2 from the connection point between the magnetoresistive effect element 122d... Output Gnd1 from the connection point between the magnetoresistive effect element 122a and the magnetoresistive effect element 122b... One end of the magnetoresistive effect element 122d The ground Gnd2 connected to the ground GMR1 connected to one end of the magnetoresistive effect element 122a ... The first magnetoresistive effect element GMR2 ... The second magnetoresistive effect element SP ... Long pattern C-SP ... Long pattern EL of third magnetoresistive element GMR3 ... Electrode W1 ... First magnetoresistive element GM The width W2 of the long pattern SP of R1... The width L1 of the long pattern SP of the second magnetoresistive element GMR2. The length in the longitudinal direction of the long pattern SP of the first magnetoresistive element GMR1. L2: the length 20 in the longitudinal direction of the long pattern SP of the second magnetoresistive element GMR2 ... the seed layer 21 ... the ferromagnetic pinned layer 21a ... the antiferromagnetic film 21b ... the first 1 ferromagnetic film 21c, antiparallel coupling film 21d, second ferromagnetic film 22, nonmagnetic intermediate layer 23, soft magnetic free layer (free magnetic layer)
25 ... Protective layer 29 ... Substrate
Claims (7)
前記４つの磁気抵抗効果素子は、いずれも、
帯状の長尺パターンが折り返されたミアンダ形状であって、
前記長尺パターンは、強磁性固定層と、非磁性中間層と、軟磁性自由層とを有する積層構造を備え、
前記４つの磁気抵抗効果素子は、前記長尺パターンの全長を前記長尺パターンの幅で除したアスペクト比は共通するが、前記長尺パターンの幅が相違する２種類の磁気抵抗効果素子である第１の磁気抵抗効果素子および第２の磁気抵抗効果素子から構成され、
前記磁界検出ブリッジ回路の前記部分回路の一方では、第１の磁気抵抗効果素子および第２の磁気抵抗効果素子が、この順番で電源給電点に近位な側から直列に接続され、前記磁界検出ブリッジ回路の前記部分回路の他方では、第２の磁気抵抗効果素子および第１の磁気抵抗効果素子が、この順番で電源給電点に近位な側から直列に接続され、
前記４つの磁気抵抗効果素子を一連の製膜プロセスで同時に形成することを特徴とする磁気センサの製造方法。 A magnetic sensor having a magnetic field detection bridge circuit that includes two magnetoresistive elements that are composed of four magnetoresistive elements that are connected in series, and that includes four magnetoresistive elements that change in resistance according to changes in an external magnetic field. A manufacturing method comprising:
All of the four magnetoresistive elements are
It is a meander shape in which a strip-like long pattern is folded,
The long pattern comprises a laminated structure having a ferromagnetic pinned layer, a nonmagnetic intermediate layer, and a soft magnetic free layer,
The four magnetoresistive elements are two types of magnetoresistive elements having the same aspect ratio obtained by dividing the total length of the long pattern by the width of the long pattern, but having different widths of the long pattern. A first magnetoresistive element and a second magnetoresistive element;
On one side of the partial circuit of the magnetic field detection bridge circuit, a first magnetoresistive effect element and a second magnetoresistive effect element are connected in series from the side proximal to the power supply point in this order, and the magnetic field detection On the other side of the partial circuit of the bridge circuit, the second magnetoresistive element and the first magnetoresistive element are connected in series from the side proximal to the power supply point in this order,
A method of manufacturing a magnetic sensor, wherein the four magnetoresistive elements are simultaneously formed by a series of film forming processes.
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