JP2018054460A - 薄膜磁気センサ - Google Patents

Abstract

【課題】消費電力の増大や素子の大型化を招くことなく、相対的に大きなバイアス磁界を正確に印加することが可能な薄膜磁気センサを提供すること。【解決手段】薄膜磁気センサ１０ａは、基板１２と、基板１２上に形成された、外部磁界の変化を検出するための高感度素子２０と、基板１２上に形成され、かつ、高感度素子２０に直列に接続された、温度変化に起因する抵抗値の変動を補償するための低感度素子３０と、高感度素子３０に対してバイアス磁界を印加するための薄膜磁石５０と、高感度素子２０と薄膜磁石５０との間に挿入された絶縁膜（Ａ）５８ａとを備えている。薄膜磁石５０は、少なくともＧＭＲ膜（Ａ）２２の真下（基板１２側）又は真上（表面側）に配置されている。高感度素子２０及び低感度素子３０は、同一平面上に配置されているのが好ましい。【選択図】図１

Description

本発明は、薄膜磁気センサに関し、さらに詳しくは、電力消費の増大や素子の大型化を招くことなく、高感度素子に対して相対的に大きなバイアス磁界を正確に印加することが可能な薄膜磁気センサに関する。

磁気センサは、電磁気力（例えば、電流、電圧、電力、磁界、磁束など。）、力学量（例えば、位置、速度、加速度、変位、距離、張力、圧力、トルク、温度、湿度など。）、生化学量等の被検出量を、磁界を介して電圧に変換する電子デバイスである。磁気センサは、磁界の検出方法に応じて、ホールセンサ、異方的磁気抵抗（ＡＭＲ： Anisotropic Magneto-Resistivity）センサ、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ： Giant Magneto Resistance）センサ等に分類される。

これらの中でもＧＭＲセンサは、
（１）ＡＭＲセンサに比べて電気比抵抗の変化率の最大値（すなわち、ＭＲ比＝△ρ／ρ₀（△ρ＝ρ_H−ρ₀：ρ_Hは、外部磁界Ｈにおける電気比抵抗、ρ₀は、外部磁界ゼロにおける電気比抵抗））が極めて大きい、
（２）ホールセンサに比べて抵抗値の温度変化が小さい、
（３）ＧＭＲ効果を有する材料が薄膜材料であるために、マイクロ化に適している、
等の利点がある。そのため、ＧＭＲセンサは、コンピュータ、電力、自動車、家電、携帯機器等に用いられる高感度マイクロ磁気センサとしての応用が期待されている。

ＧＭＲ効果を示す材料としては、強磁性層（例えば、パーマロイ等）と非磁性層（例えば、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ等）の多層膜、あるいは、反強磁性層、強磁性層（固定層）、非磁性層及び強磁性層（自由層）の４層構造を備えた多層膜（いわゆる、「スピンバルブ」）からなる金属人工格子、強磁性金属（例えば、パーマロイ等）からなるｎｍサイズの微粒子と、非磁性金属（例えば、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ等）からなる粒界相とを備えた金属−金属系ナノグラニュラー材料、スピン依存トンネル効果によってＭＲ（Magneto-Resistivity）効果が生ずるトンネル接合膜、ｎｍサイズの強磁性金属合金微粒子と、非磁性・絶縁性材料からなる粒界相とを備えた金属−絶縁体系ナノグラニュラー材料等が知られている。

これらの内、スピンバルブに代表される多層膜は、一般に、低磁界における感度が高いという特徴がある。しかしながら、多層膜は、種々の材料からなる薄膜を高精度で積層する必要があるために、安定性や歩留まりが悪く、製作コストを抑えるには限界がある。そのため、この種の多層膜は、専ら付加価値の大きなデバイス（例えば、ハードディスク用の磁気ヘッド）にのみ用いられ、単価の安いＡＭＲセンサやホールセンサとの価格競争を強いられる磁気センサに応用するのは困難であると考えられている。また、多層膜間の拡散が生じやすく、ＧＭＲ効果が消失しやすいため、耐熱性が悪いという大きな欠点がある。

一方、ナノグラニュラー材料は、一般に、作製が容易で、再現性も良い。そのため、これを磁気センサに応用すれば、磁気センサを低コスト化することができる。特に、金属−絶縁体系ナノグラニュラー材料は、
（１）その組成を最適化すれば、室温において１０％を越える高いＭＲ比を示す、
（２）電気比抵抗ρが桁違いに高いので、磁気センサの超小型化と低消費電力化が同時に実現可能である、
（３）耐熱性の悪い反強磁性膜を含むスピンバルブ膜と異なり、高温環境下でも使用可能である、
等の利点がある。しかしながら、金属−絶縁体系ナノグラニュラー材料は、低磁界における磁界感度が非常に小さいという問題がある。そのため、このような場合には、ＧＭＲ膜の両端に軟磁性材料からなるヨークを配置し、ＧＭＲ膜の磁界感度を上げることが行われる。

磁界の変化に対して偶関数特性を示す磁気センサを用いて磁界の方向を検出する場合、磁気センサに対してバイアス磁界を印加するのが一般的である。また、磁気センサにバイアス磁界を印加するために、磁気センサの外部にコイルや永久磁石を配置するのが一般的である。あるいは、センサデバイスを小型化するために、センサ素子の下層部又は上層部に薄膜磁石を形成することも行われている。

例えば、特許文献１には、巨大磁気抵抗薄膜の両端に、軟磁性薄膜と硬磁性薄膜の多層膜を配置した磁界センサが開示されている。
同文献には、電気抵抗変化が磁界の方向に依存しない磁気センサに対して、硬磁性薄膜によって生じた磁界をバイアス磁界として印加すると、外部磁界の大きさ及び極性を同時に検出することができる点が記載されている。

また、特許文献２には、高い透磁率を有する帯状の磁性薄膜が形成された基板の一面に、反強磁性膜及び被磁化方向固定膜を備えた積層体が絶縁膜を介して固着された磁気インピーダンス効果素子が開示されている。
同文献には、
（ａ）被磁化方向固定膜は、反強磁性膜と磁気交換結合により結合して磁化方向が磁性薄膜の長手方向に固定される点、及び、
（ｂ）これによって、磁性薄膜にはその長手方向にバイアス磁界が付与される点
が記載されている。

磁気センサにバイアス磁界を与える場合において、コイルを用いる時には、電流を流す必要がある。そのため、（１）専用の電源及び回路が必要になる、（２）小型化が難しい、（３）電力消費が大きい、などの問題がある。
また、永久磁石を用いる時には、電力を消費しない。しかし、磁石との距離により磁界が変化するので、取り付け位置を精緻に決める必要がある。そのため、製造上の困難を伴うという問題がある。
一方、薄膜磁石を用いる時には、薄膜磁石はセンサ素子と同様の微細加工プロセスで作製されるため、取り付け位置を比較的正確に決めることができる。しかし、薄膜磁石は磁力が弱く、十分な磁界をかけにくいという問題があった。

特開２００３−０７８１８７号公報 特開２００２−０４３６４８号公報

本発明が解決しようとする課題は、消費電力の増大や素子の大型化を招くことなく、高感度素子に対してバイアス磁界を正確に印加することが可能な薄膜磁気センサを提供することにある。
本発明が解決しようとする他の課題は、このような薄膜磁気センサにおいて、バイアス磁界の大きさを相対的に大くすることにある。

上記課題を解決するために本発明に係る薄膜磁気センサは、以下の構成を備えていることを要旨とする。
（１）前記薄膜磁気センサは、
基板と、
前記基板上に形成された、外部磁界の変化を検出するための高感度素子と、
前記基板上に形成され、かつ、前記高感度素子に直列に接続された、温度変化に起因する抵抗値の変動を補償するための低感度素子と、
前記高感度素子に対してバイアス磁界を印加するための薄膜磁石と、
前記高感度素子と前記薄膜磁石との間に挿入された絶縁膜（Ａ）と
を備えている。
（２）前記高感度素子は、
巨大磁気抵抗効果を有するＧＭＲ膜（Ａ）と、
前記ＧＭＲ膜（Ａ）の両端に電気的に接続された軟磁性材料からなる一対の薄膜ヨーク（Ａ）と
を備えている。
（３）前記低感度素子は、
巨大磁気抵抗効果を有するＧＭＲ膜（Ｂ）と、
前記ＧＭＲ膜（Ｂ）の両端に電気的に接続された軟磁性材料からなる一対の薄膜ヨーク（Ｂ）と
を備えている。
（４）前記薄膜磁石は、少なくとも前記ＧＭＲ膜（Ａ）の真下（前記基板側）又は真上（表面側）に配置されている。

高感度素子と低感度素子を直列に接続した薄膜磁気センサにおいて、少なくともＧＭＲ膜（Ａ）の真上又は真下に、絶縁膜（Ａ）を介して薄膜磁石を挿入すると、消費電力の増大や素子の大型化を招くことなく、高感度素子にバイアス磁界を正確に印加することができる。また、薄膜磁石の大きさを最適化すると、高感度素子に相対的に大きなバイアス磁界を印加することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る薄膜磁気センサの平面図（図１（Ａ））及びそのＡ−Ａ’線断面図（図１（Ｂ））である。 本発明の第２の実施の形態に係る薄膜磁気センサの平面図（図２（Ａ））及びそのＡ−Ａ’線断面図（図２（Ｂ））である。 本発明の第３の実施の形態に係る薄膜磁気センサの平面図（図３（Ａ））及びそのＡ−Ａ’線断面図（図３（Ｂ））である。 本発明の第４の実施の形態に係る薄膜磁気センサの平面図（図４（Ａ））及びそのＡ−Ａ’線断面図（図４（Ｂ））である。

薄膜磁石の幅が異なる薄膜磁気センサの平面図である。 図５に示す薄膜磁気センサのＭＲ曲線である。 バイアス磁界の磁石幅／ヨーク幅比依存性を示す図である。 ヨーク長、磁石長及び磁石幅の異なる薄膜磁気センサのＭＲ曲線である。

磁石幅とバイアス磁界との関係（図９（Ａ））、及び磁石幅／ヨーク幅比とバイアス磁界との関係（図９（Ｂ））を示す図である。 磁石長とバイアス磁界との関係（図１０（Ａ））、及び磁石長／全長比とバイアス磁界との関係（図１０（Ｂ））を示す図である。 磁石厚とバイアス磁界との関係を示す図である。

以下、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
［１． 薄膜磁気センサ（１）］
図１に、本発明の第１の実施の形態に係る薄膜磁気センサの平面図、及びそのＡ−Ａ’線断面図を示す。図１において、薄膜磁気センサ１０ａは、
基板１２と、
基板１２上に形成された、外部磁界の変化を検出するための高感度素子２０と、
基板１２上に形成され、かつ、高感度素子２０に直列に接続された、温度変化に起因する抵抗値の変動を補償するための低感度素子３０と、
高感度素子２０に対してバイアス磁界を印加するための薄膜磁石５０と、
高感度素子２０と薄膜磁石５０との間に挿入された絶縁膜（Ａ）５８ａと
を備えている。

［１．１． 基板］
基板１２は、その表面に、高感度素子２０、低感度素子３０、及び薄膜磁石５０を形成するためのものである。基板の材料や形状は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な材料及び形状を選択することができる。

［１．２． 高感度素子］
高感度素子２０は、巨大磁気抵抗効果を有するＧＭＲ膜（Ａ）２２と、ＧＭＲ膜（Ａ）２２の両端に電気的に接続された軟磁性材料からなる一対の薄膜ヨーク（Ａ）２４、２６とを備えている。高感度素子２０の表面は、保護膜２８により覆われている。さらに、高感度素子２０の一端には出力を取り出すための電極４２が接合され、他端には低感度素子３０と連結するための電極４４が接合されている。

［１．２．１． ＧＭＲ膜（Ａ）］
ＧＭＲ膜（Ａ）２２は、外部磁界の変化を電気抵抗Ｒの変化として感じ、結果的に電圧の変化として検出するためのものであり、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）効果を有する材料からなる。外部磁界の変化を高い感度で検出するためには、ＧＭＲ膜（Ａ）２２のＭＲ比の絶対値は、大きいほど良い。ＧＭＲ膜（Ａ）２２のＭＲ比の絶対値は、具体的には、５％以上が好ましく、さらに好ましくは、１０％以上である。

また、ＧＭＲ膜（Ａ）２２は、薄膜ヨーク（Ａ）２４、２６と直接、電気的に接続されるので、ＧＭＲ膜（Ａ）２２には、薄膜ヨーク（Ａ）２４、２６より高い電気比抵抗ρを有するものが用いられる。一般に、ＧＭＲ膜（Ａ）２２の電気比抵抗ρが小さすぎると、センサ全体の電気抵抗に対する配線などの抵抗の比率が相対的に大きくなり、その結果としてＭＲ比が低下するので好ましくない。一方、ＧＭＲ膜（Ａ）２２の電気比抵抗ρが高すぎる場合には、ノイズが増加し、外部磁界の変化を電圧変化として検出するのが困難となる。
ＧＭＲ膜（Ａ）２２の電気比抵抗ρは、具体的には、１０³μΩｃｍ以上１０¹²μΩｃｍ以下が好ましく、さらに好ましくは、１０⁴μΩｃｍ以上１０¹¹μΩｃｍ以下である。

このような条件を満たす材料には、種々の材料があるが、中でも上述した金属−絶縁体系ナノグラニュラー材料が特に好適である。金属−絶縁体系ナノグラニュラー材料は、高いＭＲ比と高い電気比抵抗ρを有するだけでなく、僅かな組成変動によってＭＲ比が大きく変動することがないので、安定した磁気特性を有する薄膜を、再現性良く、かつ低コストで作製することができるという利点がある。

ＧＭＲ膜（Ａ）２２として用いられる金属−絶縁体系ナノグラニュラー材料としては、具体的には、
（１）Ｃｏ−Ｙ₂Ｏ₃系ナノグラニュラー合金、Ｃｏ−Ａｌ₂Ｏ₃系ナノグラニュラー合金、Ｃｏ−Ｓｍ₂Ｏ₃系ナノグラニュラー合金、Ｃｏ−Ｄｙ₂Ｏ₃系ナノグラニュラー合金、ＦｅＣｏ−Ｙ₂Ｏ₃系ナノグラニュラー合金等の酸化物系ナノグラニュラー合金、
（２）Ｆｅ−ＭｇＦ₂、ＦｅＣｏ−ＭｇＦ₂、Ｆｅ−ＣａＦ₂、ＦｅＣｏ−ＡｌＦ₃等のフッ化物系ナノグラニュラー合金、
などがある。

［１．２．２． 薄膜ヨーク（Ａ）］
薄膜ヨーク（Ａ）２４、２６は、ギャップを介して対向しており、ＧＭＲ膜（Ａ）２２は、ギャップ内又はその近傍において、薄膜ヨーク（Ａ）２４、２６と電気的に接続される。
ここで、「ギャップ近傍」とは、薄膜ヨーク（Ａ）２４、２６先端に発生する増幅された大きな磁界の影響を受ける領域をいう。薄膜ヨーク（Ａ）２４、２６間に発生する磁界は、ギャップ内が最も大きくなるので、ＧＭＲ膜（Ａ）２２は、ギャップ内に形成するのが最も好ましいが、ＧＭＲ膜（Ａ）２２に作用する磁界が実用上十分な大きさであるときは、その全部又は一部がギャップ外（例えば、薄膜ヨーク（Ａ）２４、２６の上面側又は下面側）にあっても良いことを意味する。

薄膜ヨーク（Ａ）２４、２６は、ＧＭＲ膜（Ａ）２２の磁界感度を高めるためのものであり、軟磁性材料からなる。弱磁界に対する高い磁界感度を得るためには、薄膜ヨーク（Ａ）２４、２６には、透磁率μ及び／又は飽和磁化Ｍｓの高い材料を用いるのが好ましい。また、薄膜ヨーク（Ａ）２４、２６の材料は、使用する外部磁界の範囲で磁気飽和のないものが好ましい。一方、軟磁性材料の透磁率μは、高いほど好ましく、例えば、５０００以上が好ましい。

このような条件を満たす軟磁性材料としては、具体的には、
（ａ）４０〜９０％Ｎｉ−Ｆｅ合金、Ｆｅ₇₄Ｓｉ₉Ａｌ₁₇、Ｆｅ₁₂Ｎｉ₈₂Ｎｂ₆、Ｆｅ_75.6Ｓｉ_13.2Ｂ_8.5Ｎｂ_1.9Ｃｕ_0.8、Ｆｅ₈₃Ｈｆ₆Ｃ₁₁、Ｆｅ₈₅Ｚｒ₁₀Ｂ₅合金、Ｆｅ₉₃Ｓｉ₃Ｎ₄合金、Ｆｅ₇₁Ｂ₁₁Ｎ₁₈合金、
（ｂ）４０〜９０％Ｎｉ−Ｆｅ合金／ＳｉＯ₂多層膜、
（ｃ）Ｆｅ_71.3Ｎｄ_9.6Ｏ_19.1ナノグラニュラー合金、Ｃｏ₇₀Ａｌ₁₀Ｏ₂₀ナノグラニュラー合金、Ｃｏ₆₅Ｆｅ₅Ａｌ₁₀Ｏ₂₀ナノグラニュラー合金、
（ｄ）Ｃｏ₃₅Ｆｅ₃₅Ｍｇ₁₀Ｆ₂₀ナノグラニュラー合金、
（ｅ）Ｃｏ₈₈Ｎｂ₆Ｚｒ₆アモルファス合金、(Ｃｏ₉₄Ｆｅ₆)₇₀Ｓｉ₁₅Ｂ₁₅アモルファス合金、
などがある。

［１．２．３． 高感度素子の形状及び寸法］
高感度素子２０は、外部磁界の変化を検出するためのものである。そのため、感磁方向の磁界感度は大きいほど良い。
ここで、「感磁方向」とは、ＧＭＲ膜（Ａ）２２の磁界感度が最大となるときの外部磁界の印加方向をいう。

高感度素子２０の各部の形状及び寸法は、感磁方向の磁界感度に影響を与える。一般に、ギャップの長さ（ＧＭＲ膜（Ａ）２２の感磁方向の長さ）ｇ₁が短くなるほど、漏れ磁束が少なくなるので高感度となる。また、薄膜ヨーク（Ａ）２４、２６の感磁方向の長さが長くなるほど、薄膜ヨーク（Ａ）２４、２６の反磁界係数が小さくなるので高感度となる。そのため、高感度素子２０の各部の形状及び寸法は、目的とする感度が得られるように、最適な形状及び寸法を選択するのが好ましい。

［１．２．４． 保護膜］
保護膜２８は、大気中の水分から高感度素子２０を保護するためのものである。このような機能を奏する限りにおいて、保護膜２８の材料や厚さは、特に限定されない。保護膜２８には、例えば、アルミナ、ＳｉＯ₂、Ｓｉ₃Ｎ₄などを用いることができる。

［１．３． 低感度素子］
低感度素子３０は、巨大磁気抵抗効果を有するＧＭＲ膜（Ｂ）３２と、ＧＭＲ膜（Ｂ）３２の両端に電気的に接続された軟磁性材料からなる一対の薄膜ヨーク（Ｂ）３４、３６とを備えている。低感度素子３０の表面は、保護膜３８により覆われている。さらに、低感度素子３０の一端には、高感度素子２０と連結するための電極４４が接合され、他端には、出力を取り出すための電極４６が接合されている。
ここで、「低感度素子３０」とは、高感度素子２０よりも磁界感度が低い素子をいう。

［１．３．１． ＧＭＲ膜（Ｂ）］
ＧＭＲ膜（Ｂ）３２の材料は、高感度素子２０のＧＭＲ膜（Ａ）２２と異なる材料でも良いが、同一材料の方がより好ましい。ＧＭＲ膜（Ｂ）３２及びＧＭＲ膜（Ａ）２２に同一材料を用いると、１工程で双方のＧＭＲ膜を同時に形成することができるので、製造コストを低減することができる。また、同一材料の場合は温度による抵抗変化量が同じになるので、ブリッジ回路を形成した際の中点電位が温度変化しないという利点がある。
ＧＭＲ膜（Ｂ）３２の材料に関するその他の点は、ＧＭＲ膜（Ａ）２２と同様であるので、説明を省略する。

［１．３．２． 薄膜ヨーク（Ｂ）］
薄膜ヨーク（Ｂ）３４、３６の材料は、高感度素子２０の薄膜ヨーク（Ａ）２４、２６と異なる材料でも良く、あるいは、同一材料でも良い。薄膜ヨーク（Ｂ）３４、３６及び薄膜ヨーク（Ａ）２４、２６に同一材料を用いると、１工程で双方の薄膜ヨークを同時に形成することができるので、製造コストを低減することができる。
薄膜ヨーク（Ｂ）３４、３６の材料に関するその他の点は、薄膜ヨーク（Ａ）２４、２６と同様であるので、説明を省略する。

［１．３．３． 磁界感度］
低感度素子３０は、温度変化に起因する抵抗値の変動を補償するためのものである。そのため、低感度素子３０の磁界感度は、小さいほどよい。
低感度素子３０の磁界感度を小さくする方法としては、低感度素子３０の磁界感度そのものを小さくする方法と、磁気シールドを用いて間接的に小さくする方法とがある。しかし、磁気シールドのみで完全に外部磁界を遮断することは難しく、かつ、磁気シールドを製造する工程も増える。そのため、低感度素子３０の磁界感度そのものを小さくするのが好ましい。

低感度素子３０の各部の寸法を最適化すると、低感度素子３０の磁界感度は、高感度素子２０のそれの１／２以下にすることができる。低感度素子３０の磁界感度は、好ましくは、高感度素子２０のそれの１／５以下、さらに好ましくは、１／１０以下である。
ここで、「磁界感度」とは、外部磁界（厳密には素子の感磁方向成分の外部磁界）の変化に伴う、素子の電気比抵抗の変化し易さをいう。従って、「磁界感度が小さい」とは、外部磁界が大きく変化しても電気比抵抗が変化しにくい性質を意味する．一方、「磁界感度が大きい」とは、外部磁界の僅かな変化に対しても電気比抵抗が変化しやすい性質を意味する。本発明では、この両者を用いることで、環境温度が変化しても高性能な磁気センサとすることができる。

磁界感度を変化させる方法としては、特に限定されないが、例えば、薄膜ヨーク長さ(感磁方向と平行方向の長さ）、及び、薄膜ヨーク長さ／薄膜ヨーク幅で示されるアスペクト比を変更する方法が挙げられる。
薄膜ヨーク３４、３６の長さが短くなると磁界感度が小さくなるため、低感度素子３０の薄膜ヨーク３４、３６の長さは、高感度素子２０の薄膜ヨーク２４、２６の長さよりも短い方が好ましい。
さらに、アスペクト比が小さくなると磁界感度が小さくなるため、低感度素子３０のアスペクト比は、高感度素子２０のアスペクト比より小さいほうが好ましい。
前記した方法は１つだけ用いても良いが、複数用いることでより磁界感度を変化させることができる。したがって、図１では、前記した方法を全て採用している。

［１．３．４． 保護膜］
保護膜３８は、大気中の水分から低感度素子３０を保護するためのものである。保護膜３８の詳細については、保護膜２８と同様であるので、説明を省略する。

［１．４． 薄膜磁石］
本発明において、「薄膜磁石」とは、薄膜プロセスにより製造される磁石であって、厚さの制限は特にないが、３０μｍ以下であると好ましい。薄膜磁石５０は、以下の条件を満たしているのが好ましい。

［１．４．１． 薄膜磁石の位置］
薄膜磁石５０は、高感度素子２０に対してバイアス磁界を印加するためのものである。薄膜磁石５０は、高感度素子２０の上（表面側）に配置されていても良く、あるいは、高感度素子２０の下（基板１２側）に配置されていても良い。
薄膜磁石５０は、一般に高い磁気特性を得るために熱処理が必要となる場合が多い。この場合、高感度素子２０の上に薄膜磁石５０を配置すると、薄膜磁石５０の熱処理時に高感度素子２０も加熱され、高感度素子２０の磁気特性が低下する場合がある。従って、薄膜磁石は、高感度素子２０の下（基板１２側）に配置されているのが好ましい。

さらに、少量の薄膜磁石５０を用いて高感度素子２０に大きなバイアス磁界を印加するためには、薄膜磁石５０は、少なくともＧＭＲ膜（Ａ）２２の真下（基板１２側）又は真上（表面側）に配置されている必要がある。
薄膜磁石５０は、ＧＭＲ膜（Ａ）２２を中心として、ｘ方向及び／又はｙ方向に対称に配置されていてもよく、あるいは、非対称に配置されていても良い。薄膜磁石５０がＧＭＲ膜（Ａ）２２に対して非対称に配置されている場合であっても、少なくともＧＭＲ膜（Ａ）２２の真下又は真上に薄膜磁石５０があれば、高感度素子２０に大きなバイアス磁界を印加することができる。

なお、本発明において、低感度素子３０の上又は下には、薄膜磁石を配置しない。これは、高感度素子２０及び低感度素子３０の双方に、厚さが同等である薄膜磁石５０を配置すると、低感度素子３０により大きなバイアス磁界が作用し、これによりＧＭＲ膜（Ｂ）３２の抵抗値がより大きく変化し、中点電位が大きくずれてしまうためである。

［１．４．２． 薄膜磁石の寸法］
薄膜磁石５０の寸法は、高感度素子２０に印加されるバイアス磁界の大きさに影響を与える。従って、薄膜磁石５０の寸法は、目的に応じて最適な値を選択するのが好ましい。

［Ａ． 厚さ］
薄膜磁石５０の厚さ（ｔ_M：ｚ方向の長さ）が薄くなりすぎると、高感度素子２０に十分な大きさのバイアス磁界を印加することができない。従って、薄膜磁石の厚さ（ｔ_M）は、０．１μｍ以上が好ましい。薄膜磁石の厚さ（ｔ_M）は、さらに好ましくは、１μｍ以上である。
一方、薄膜磁石の厚さ（ｔ_M）が厚くなりすぎると、成膜に要する時間が長くなり、また、原材料が多く必要になるのでコストアップに繋がる。また、膜厚が厚くなると、膜応力により基板の反りや割れにつながる場合がある。従って、薄膜磁石の厚さ（ｔ_M）は、５μｍ以下が好ましい。

［Ｂ． 感磁方向の長さ］
薄膜磁石５０は、高感度素子２０の感磁方向の一端にＮ極が位置し、他端にＳ極が位置するように配置される。Ｎ極から流出した磁束は、ループを描いてＳ極に流入する。このループの中に高感度素子２０を置くと、高感度素子２０に適切な大きさのバイアス磁界を印加することができる。

しかしながら、薄膜磁石５０の感磁方向の長さ（Ｌ_M：ｘ方向の長さ）が短すぎると、高感度素子２０に十分な大きさのバイアス磁界を印加することができない。従って、Ｌ_Mは、ｇ₁以上が好ましい。ｇ₁の目安としては、１μｍ程度である。Ｌ_Mは、さらに好ましくは、５μｍ以上である。ここで、「ｇ₁」は、ＧＭＲ膜（Ａ）２２の感磁方向の長さ（ギャップ長）である。
一般に、Ｌ_Mが長くなるほど、バイアス磁界は大きくなるが、Ｌ_Mがある臨界値を超えると、バイアス磁界が急激に低下する。従って、Ｌ_Mは、１．１Ｌ以下が好ましい。Ｌ_Mは、さらに好ましくは、１．０Ｌ以下である。ここで、「Ｌ」は、高感度素子２０の感磁方向の全長（＝ＧＭＲ膜（Ａ）２２の感磁方向の長さ＋薄膜ヨーク（Ａ）２４の感磁方向の長さ＋薄膜ヨーク（Ａ）２６の感磁方向の長さ）である。

［Ｃ． 幅］
薄膜磁石５０の幅（Ｗ_M：ｙ方向の長さ）が短すぎると、高感度素子２０に十分な大きさのバイアス磁界を印加することができない。従って、Ｗ_Mは、０．９Ｗ以上が好ましい。Ｗ_Mは、好ましくは、５Ｗ以上である。ここで、「Ｗ」は、薄膜ヨーク（Ａ）２４、２６の幅である。
一方、Ｗ_Mを必要以上に大きくしても、効果に差がなく、実益がない。従って、Ｗ_Mは、２０Ｗ以下が好ましい。Ｗ_Mは、より好ましくは、１０Ｗ以下である。
なお、本発明において「幅」という時は、薄膜磁石５０又は薄膜ヨーク（Ａ）２４、２６の幅の最大値をいう。

［１．５． 絶縁膜（Ａ）］
絶縁膜（Ａ）５８ａは、高感度素子２０と薄膜磁石５０とを電気的に絶縁するためのものであり、高感度素子２０と薄膜磁石５０との間に挿入されている。薄膜磁石５０を高感度素子２０の真下又は真上に配置する場合において、両者の間に絶縁膜（Ａ）５８ａがない時には、高感度素子２０が短絡する。そのため、薄膜磁石５０と高感度素子２０との間には、絶縁膜（Ａ）５８ａを介在させる必要がある。

一般に、絶縁膜（Ａ）５８ａの厚さが薄くなるほど、高感度素子２０が短絡しやすくなる。一方、絶縁膜（Ａ）５８ｂが厚くなりすぎると、ＧＭＲ膜（Ａ）２２に作用するバイアス磁界が過度に小さくなる。従って、絶縁膜（Ａ）５８ａの厚さは、これらの点を考慮して、最適な厚さを選択するのが好ましい。絶縁膜（Ａ）５８ａの厚さは、具体的には、０．５μｍ〜２μｍが好ましい。
絶縁膜（Ａ）５８ａの材料は、非磁性の絶縁体であれば良い。絶縁膜（Ａ）５８ａの材料としては、例えば、アルミナ、ＳｉＯ₂、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＭｇＯ、ＭｇＦ₂などがある。

絶縁膜（Ａ）５８ａの形状、あるいは、厚さ以外の寸法は、特に限定されない。図１に示す例において、基板１２の表面全面には、非磁性膜（Ａ）５４が形成されている。また、非磁性膜（Ａ）５４の表面には薄膜磁石５０が形成され、その周囲には非磁性膜（Ｂ）５６が形成されている。非磁性膜（Ａ）５４及び非磁性膜（Ｂ）５６は、高感度素子２０及び低感度素子３０のｚ方向の位置を調整するためのものである。そのため、非磁性膜（Ａ）５４及び非磁性膜（Ｂ）５６は、少なくとも非磁性体であれば良く、必ずしも絶縁体である必要はない。また、非磁性膜（Ａ）５４及び非磁性膜（Ｂ）５６は、同種材料であっても良く、あるいは、異種材料であっても良い。
さらに、薄膜磁石５０及び非磁性膜（Ｂ）５６の表面全面には、絶縁膜（Ａ）５８ａが形成されている。高感度素子２０及び低感度素子３０は、絶縁膜（Ａ）５８ａの表面に形成されており、高感度素子２０及び低感度素子３０は、同一平面上に配置されている。

後述するように、絶縁膜（Ａ）５８ａ及び薄膜磁石５０の形成方法によっては、高感度素子２０と低感度素子３０が同一平面上に配置されない場合がある。この場合、高感度素子２０と低感度素子３０の高さが異なるので、微細加工時の露光工程でピントずれが生ずる場合がある。ピントずれが生じると、高感度素子２０と低感度素子３０の大きさがずれ、抵抗値のずれとばらつきが大きくなることがある。
これに対し、高感度素子２０及び低感度素子３０が同一平面上に配置されるように、非磁性膜（Ａ）５４、非磁性膜（Ｂ）５６、絶縁膜（Ａ）５８ａ及び薄膜磁石５０を積層すると、抵抗値のずれやばらつきを小さくすることができる。

［２． 薄膜磁気センサ（２）］
図２に、本発明の第２の実施の形態に係る薄膜磁気センサの平面図、及びそのＡ−Ａ’線断面図を示す。図２において、薄膜磁気センサ１０ｂは、
基板１２と、
基板１２上に形成された、外部磁界の変化を検出するための高感度素子２０と、
基板１２上に形成され、かつ、高感度素子２０に直列に接続された、温度変化に起因する抵抗値の変動を補償するための低感度素子３０と、
高感度素子２０に対してバイアス磁界を印加するための薄膜磁石５０と、
高感度素子２０と薄膜磁石５０との間に挿入された絶縁膜（Ａ）５８ｂと
を備えている。

図２に示す薄膜磁気センサ１０ｂにおいて、基板１２の表面全面に絶縁膜（Ｂ）６０ａが形成され、その表面には薄膜磁石５０が形成されている。また、薄膜磁石５０の表面及び側面のみを覆うように絶縁膜（Ａ）５８ｂが形成されている。さらに、絶縁膜（Ａ）５８ｂの表面に高感度素子２０が形成され、絶縁膜（Ｂ）６０ａの表面に低感度素子３０が形成されている。そのため、高感度素子２０と低感度素子３０は、同一平面上にない。この点が第１の実施の形態と異なる。絶縁膜（Ａ）５８ｂ及び絶縁膜（Ｂ）６０ａは、同種材料であっても良く、あるいは、異種材料であっても良い。
その他の点については、第１の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。

図２に示す薄膜磁気センサ１０ｂは、高感度素子２０と低感度素子３０が同一平面上に配置されていないため、微細加工時に高感度素子２０と低感度素子３０の大きさがずれるおそれがある。しかしながら、特に高い精度が求められない場合には、このような構造であっても外部磁界の大きさ及び極性をある程度正確に知ることができる。

［３． 薄膜磁気センサ（３）］
図３に、本発明の第３の実施の形態に係る薄膜磁気センサの平面図、及びそのＡ−Ａ’線断面図を示す。図３において、薄膜磁気センサ１０ｃは、
基板１２と、
基板１２上に形成された、外部磁界の変化を検出するための高感度素子２０と、
基板１２上に形成され、かつ、高感度素子２０に直列に接続された、温度変化に起因する抵抗値の変動を補償するための低感度素子３０と、
高感度素子２０に対してバイアス磁界を印加するための薄膜磁石５０と、
高感度素子２０と薄膜磁石５０との間に挿入された絶縁膜（Ａ）５８ｃと
を備えている。

図３に示す薄膜磁気センサ１０ｃにおいて、基板１２の表面には薄膜磁石５０が形成され、薄膜磁石５０の表面にのみ絶縁膜（Ａ）５８ｃが形成されている。また、薄膜磁石５０及び絶縁膜（Ａ）５８ｃの周囲には、これらの厚さの総和にほぼ等しい厚さを持つ絶縁膜（Ｂ）６０ｂが形成されている。この点が第１の実施の形態とは異なる。高感度素子２０は、絶縁膜（Ａ）５８ｃの上に形成され、低感度素子３０は、絶縁膜（Ｂ）６０ｂの上に形成されている。そのため、高感度素子２０と低感度素子３０は、同一平面上にある。
その他の点については、第１の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。

［４． 薄膜磁気センサ（４）］
図４に、本発明の第４の実施の形態に係る薄膜磁気センサの平面図、及びそのそのＡ−Ａ’線断面図を示す。図４において、薄膜磁気センサ１０ｄは、
基板１２と、
基板１２上に形成された、外部磁界の変化を検出するための高感度素子２０と、
基板１２上に形成され、かつ、高感度素子２０に直列に接続された、温度変化に起因する抵抗値の変動を補償するための低感度素子３０と、
高感度素子２０に対してバイアス磁界を印加するための薄膜磁石５０と、
高感度素子２０と薄膜磁石５０との間に挿入された絶縁膜（Ａ）５８ａと
を備えている。

図４に示す薄膜磁気センサ１０ｄにおいて、基板１２の表面には薄膜磁石５０が形成され、薄膜磁石５０の周囲には、薄膜磁石５０とほぼ同等の厚さを持つ非磁性膜（Ｂ）５６が形成されている。また、薄膜磁石５０及び非磁性膜（Ｂ）５６の表面全面に絶縁膜（Ａ）５８ａが形成されている。すなわち、薄膜磁気センサ１０ｄは、非磁性膜（Ａ）５４を備えていない。この点が第１の実施の形態と異なる。高感度素子２０及び低感度素子３０は、絶縁膜（Ａ）５８ａの上に形成されているため、高感度素子２０と低感度素子３０は、同一平面上にある。
その他の点については、第１の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。

［３． 薄膜磁気センサの製造方法］
本発明に係る薄膜磁気センサ１０ａ〜１０ｄは、基板１２の表面に、所定の組成を持つ薄膜を所定の順序で積層することにより製造することができる。各薄膜の積層条件は、特に限定されるものではなく、薄膜の組成に応じて最適な条件を選択するのが好ましい。

［４． 作用］
磁界の変化に対して偶関数特性を示す磁気センサを用いて磁界の方向を検出する場合、磁気センサに対してバイアス磁界を印加するのが一般的である。磁気センサにバイアス磁界を印加する方法としては、
（ａ）磁気センサの外部にコイルを配置する方法、
（ｂ）磁気センサの外部に永久磁石を配置する方法、
（ｃ）磁気センサの下層部又は上層部に薄膜磁石を形成する方法
などが知られている。

しかしながら、磁気センサにバイアス磁界を与える場合において、コイルを用いる時には、電流を流す必要がある。そのため、（１）専用の電源及び回路が必要になる、（２）小型化が難しい、（３）電力消費が大きい、などの問題がある。
また、永久磁石を用いる時には、電力を消費しない。しかし、磁石との距離により磁界が変化するので、取り付け位置を精緻に決める必要がある。そのため、製造上の困難を伴うという問題がある。
一方、薄膜磁石を用いる時には、薄膜磁石はセンサ素子と同様の微細加工プロセスで作製されるため、取り付け位置を比較的正確に決めることができる。しかし、薄膜磁石は磁力が弱く、十分な磁界をかけにくいという問題がある。

これに対し、高感度素子と低感度素子を直列に接続した薄膜磁気センサにおいて、少なくともＧＭＲ膜（Ａ）の真上又は真下に、絶縁膜（Ａ）を介して薄膜磁石を挿入すると、消費電力の増大や素子の大型化を招くことなく、高感度素子にバイアス磁界を正確に印加することができる。また、薄膜磁石の大きさ（すなわち、薄膜磁石の長さ、幅及び厚さ）を最適化すると、高感度素子に相対的に大きなバイアス磁界を印加することができる。

（実施例１〜３）
［１． 試験方法］
図５に、薄膜磁石の幅が異なる薄膜磁気センサの平面図を示す。図５に示すように、薄膜ヨーク（Ａ）２４、２６のヨーク長（１つの薄膜ヨーク（Ａ）の感磁方向長さ）、ヨーク幅、並びに、薄膜磁石５０の磁石長は同一であるが、磁石幅（又は、磁石幅／ヨーク幅比）が異なる薄膜磁気センサを作製し、その特性を評価した（実施例１〜３）。なお、ギャップ長は、いずれも１μｍとした。表１に、各薄膜磁気センサのヨーク長、ヨーク幅、磁石長、磁石幅、及び磁石幅／ヨーク幅比を示す。

［２． 結果］
図６に、実施例１〜３で得られた薄膜磁気センサのＭＲ曲線を示す。また、図７に、実施例１〜３で得られた薄膜磁気センサに印加されるバイアス磁界の磁石幅／ヨーク幅比依存性を示す。図６及び図７より、磁石幅（又は、磁石幅／ヨーク幅比）が大きくなるほど、ＭＲ曲線のマイナス方向へのシフト量（すなわち、バイアス磁界の大きさ）が増大することがわかる。

（実施例４〜７）
［１． 試験方法］
ヨーク長、磁石長及び磁石幅が異なる以外は、実施例１と同様にして薄膜磁気センサを作製し、その特性を評価した。ヨーク長は、１００μｍ（実施例４）、５０μｍ（実施例５）、２７μｍ（実施例６）、又は、１８μｍ（実施例７）とした。また、磁石厚はすべて同一とし、磁石長はヨーク長の約２倍、磁石幅はヨーク幅と同一とした。

［２． 結果］
図８に、ヨーク長、磁石長及び磁石幅の異なる薄膜磁気センサのＭＲ曲線を示す。なお、図８には、実施例１の結果も併せて示した。図８より、以下のことがわかる。
（１）ヨーク長が短くなるほど、ＭＲ曲線のマイナス方向へのシフト量（すなわち、バイアス磁界の大きさ）が増大した。
（２）高感度素子２０のヨーク長が短くなるほど、外部磁界に対する感度が低下した。一方、このような高感度素子２０の真下に高感度素子２０の全長にほぼ等しい薄膜磁石５０を配置する場合において、ヨーク長が短くなるほど、高感度素子２０に印加されるバイアス磁界が増大した。これは、薄膜磁石５０の感磁方向長さが短くなるほど、漏れ磁束が少なくなり、より強いバイアス磁界が高感度素子２０に印加されるためと考えられる。
（３）ヨーク長を短くして感度を低下させた素子は、動作磁界範囲が広いという特徴があり、有用である。動作範囲の広い素子にはより大きなバイアス磁界を作用させる必要があるが、上記の結果から、動作範囲の広い素子に対しても十分なバイアス磁界を作用させることができることが分かる。

（実施例２１〜３２）
［１． 試験方法］
磁石長、磁石幅及び磁石厚が異なる以外は、実施例１と同様にして薄膜磁気センサを作製し、その特性を評価した。ヨーク長は３５０μｍ、ヨーク幅は１００μｍ、ギャップ長は１μｍとした。

［２． 結果］
表２に、その結果を示す。また、図９（Ａ）に、磁石幅とバイアス磁界との関係を示す。図９（Ｂ）に、磁石幅／ヨーク幅比とバイアス磁界との関係を示す。図１０（Ａ）に、磁石長とバイアス磁界との関係を示す。図１０（Ｂ）に、び磁石長／全長比とバイアス磁界との関係を示す。さらに、図１１に、磁石厚とバイアス磁界との関係を示す。表１及び図９〜図１１より、以下のことがわかる。

（１）磁石幅／ヨーク幅比が大きくなるほど、バイアス磁界が大きくなった。また、磁石幅／ヨーク幅比が１０を超えると、バイアス磁界が飽和する傾向が認められた。
（２）磁石長がギャップ長と同等である場合であっても、１［Ｏｅ］程度のバイアス磁界が高感度素子に作用した。また、磁石長／全長比が大きくなるほど、バイアス磁界が高くなった。しかし、磁石長／全長比が１．０を超えると、バイアス磁界が急激に低下し、磁石長／全長比＝１．１でのバイアス磁界は、ピークの半分以下となった。
（３）磁石厚が厚くなるほど、バイアス磁界が高くなった。

（比較例１）
［１． 試験方法］
特許文献１に記載の薄膜磁気センサ（すなわち、ＧＭＲ膜の両端に薄膜ヨークと薄膜磁石の積層体が形成されており、かつ、薄膜ヨークと薄膜磁石の間に絶縁膜がない薄膜磁気センサ）を作製し、その特性を評価した（比較例１）。各部の寸法は、ＧＭＲ膜（Ａ）２２の真下に薄膜磁石がない点を除き、実施例２１と同一とした。

［２． 結果］
実施例２１の薄膜磁気センサにおいて、バイアス磁界は４．４[Ｏｅ]であった。一方、比較例１の薄膜磁気センサにおいて、バイアス磁界は２．０[Ｏｅ]であった。すなわち、ＧＭＲ膜（Ａ）２２の真下に、絶縁膜（Ａ）５８ａを介して薄膜磁石５０を配置することによって、バイアス磁界の大きさが２倍以上になることがわかった。

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は、上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。

本発明に係る薄膜磁気センサは、自動車の車軸、ロータリーエンコーダ、産業用歯車等の回転情報の検出、油圧式シリンダ／空気式シリンダのストロークポジション、工作機械のスライド等の位置・速度情報の検出、工業用溶接ロボットのアーク電流等の電流情報の検出、地磁気方位コンパスなどに用いることができる。
また、ＧＭＲ膜とその両端に配置された薄膜ヨークを備えた磁気抵抗素子は、磁気センサとして特に好適であるが、磁気抵抗素子の用途は、これに限定されるものではなく、磁気メモリ、磁気ヘッド等としても用いることができる。

１０ａ〜１０ｄ 薄膜磁気センサ
２０ 高感度素子
２２ ＧＭＲ膜（Ａ）
２４、２６ 薄膜ヨーク（Ａ）
３０ａ、３０ｂ 低感度素子
３２ ＧＭＲ膜（Ｂ）
３４、３６ 薄膜ヨーク（Ｂ）
５０ 薄膜磁石
５８ａ〜５８ｃ 絶縁膜（Ａ）

Claims (5)

1. 以下の構成を備えた薄膜磁気センサ。
   （１）前記薄膜磁気センサは、
   基板と、
   前記基板上に形成された、外部磁界の変化を検出するための高感度素子と、
   前記基板上に形成され、かつ、前記高感度素子に直列に接続された、温度変化に起因する抵抗値の変動を補償するための低感度素子と、
   前記高感度素子に対してバイアス磁界を印加するための薄膜磁石と、
   前記高感度素子と前記薄膜磁石との間に挿入された絶縁膜（Ａ）と
   を備えている。
   （２）前記高感度素子は、
   巨大磁気抵抗効果を有するＧＭＲ膜（Ａ）と、
   前記ＧＭＲ膜（Ａ）の両端に電気的に接続された軟磁性材料からなる一対の薄膜ヨーク（Ａ）と
   を備えている。
   （３）前記低感度素子は、
   巨大磁気抵抗効果を有するＧＭＲ膜（Ｂ）と、
   前記ＧＭＲ膜（Ｂ）の両端に電気的に接続された軟磁性材料からなる一対の薄膜ヨーク（Ｂ）と
   を備えている。
   （４）前記薄膜磁石は、少なくとも前記ＧＭＲ膜（Ａ）の真下（前記基板側）又は真上（表面側）に配置されている。
2. 前記高感度素子及び前記低感度素子は、同一平面上に配置されている請求項１に記載の薄膜磁気センサ。
3. 前記薄膜磁石の厚さ（ｔ_M）は、０．１μｍ以上５μｍ以下である請求項１又は２に記載の薄膜磁気センサ。
4. 前記薄膜磁石の感磁方向の長さ（Ｌ_M）は、ｇ₁以上１．１Ｌ以下（ｇ₁は前記ＧＭＲ膜（Ａ）の感磁方向の長さ、Ｌは前記高感度素子の感磁方向の全長）である請求項１から３までのいずれか１項に記載の薄膜磁気センサ。
5. 前記薄膜磁石の幅（Ｗ_M）は、０．９Ｗ以上（Ｗは、前記薄膜ヨーク（Ａ）の幅）である請求項１から４までのいずれか１項に記載の薄膜磁気センサ。

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