JP2020191325A - 磁気センサおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】出力および出力の温度特性におけるオフセットが抑制されたトップピン型の磁気センサを提供すること。【解決手段】感度軸の方向が異なる複数の磁気抵抗効果素子を含む磁気センサであって、磁気抵抗効果素子はそれぞれ、基板１１上に、基板１１側からフリー磁性層１４、非磁性材料層１５、および固定磁性層１６が積層された構成を有し、固定磁性層１６は、非磁性中間層１６ｂを介して積層された二つの磁性層１６ａと磁性層１６ｃとが反平行に磁化固定されており、固定磁性層１６を構成する二つの磁性層のうち、非磁性材料層１５に接していない磁性層１６ａが、非磁性中間層１６ｂに接する第２の強磁性材料層１６ａ３と、第２の強磁性材料層１６ａ３の上に設けられた介在層１６ａ２と、介在層１６ａ２の上に設けられた第１の強磁性材料層１６ａ１とを備えている。【選択図】図３

Description

本発明は、磁気センサおよびその製造方法に関する。

電気自動車やハイブリッドカーにおけるモータ駆動技術などの分野では、比較的大きな電流が取り扱われるため、大電流を非接触で測定することが可能な電流センサが求められている。このような電流センサとしては、被測定電流からの誘導磁界を検出する磁気センサを用いたものが知られている。磁気センサ用の磁気検出素子として、例えば、ＧＭＲ素子やＴＭＲ素子などの磁気抵抗効果素子が挙げられる。

ＧＭＲ素子は、固定磁性層とフリー磁性層とが非磁性材料層を介して積層された積層構造体を基本構造とする。固定磁性層は、反強磁性層と強磁性層との積層構造体による交換結合バイアスや、２つの強磁性層が非磁性中間層を介して積層されるセルフピン止め構造によるＲＫＫＹ相互作用（間接交換相互作用）により、磁化方向が一方向に固定されている。フリー磁性層は外部磁界に応じて磁化方向が変化可能とされている。

ＧＭＲ素子を備えた磁気センサを用いてなる電流センサでは、被測定電流からの誘導磁界がＧＭＲ素子に印加されることにより、フリー磁性層の磁化方向が変化する。このフリー磁性層の磁化方向と、固定磁性層の磁化方向との相対角度に応じてＧＭＲ素子の電気抵抗値が変動するため、この電気抵抗値を測定することにより、フリー磁性層の磁化方向を検出することができる。そして、磁気センサにより検出された磁化方向に基づいて、誘導磁界を与えた被測定電流の大きさおよびその向きを求めることが可能である。

ところで、電気自動車やハイブリッドカーにおいては、モータの駆動を電流値に基づいて制御する場合があり、また、バッテリーに流れ込む電流値に応じてバッテリーの制御方法を調整する場合がある。したがって、磁気センサを用いてなる電流センサには、電流値をより正確に検出できるように、磁気センサの測定精度を高めることが求められている。

磁気センサの測定精度を向上させるための一手法として、特許文献１に記載されるように、磁気センサが、複数の磁気検出素子（特許文献１では磁気抵抗効果素子）からなる磁気検出ブリッジ回路を備えることが挙げられる。

特許文献１に記載の磁気センサには、同一基板上に感度軸の方向が異なる複数の磁気抵抗効果素子を備えている。特許文献１の磁気センサでは、特定方向に感度軸をもつ磁気抵抗効果素子となる第１積層膜を形成した後、第１積層膜を残存させる領域以外の第１積層膜を基板から除去し、特定方向と異なる方向に感度軸をもつ磁気抵抗効果素子となる第２積層膜を形成する。

ＷＯ２０１１／１１１６４９

特許文献１に記載の磁気センサは、感度軸の異なる磁気抵抗効果素子を形成するため、磁気抵抗効果素子ごとに積層工程が行われる。したがって、積層工程の誤差に起因する積層体の層厚差（膜厚差）が生じ、この層厚差は、磁気検出ブリッジ回路からの出力および出力の温度特性にオフセットが生じる原因となる。
そこで、本発明は、磁気検出ブリッジ回路を構成する複数の磁気抵抗効果素子の層厚の差を抑えることにより、磁気検出ブリッジ回路からの出力および出力の温度特性におけるオフセットが抑制されたトップピン型の磁気センサを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために提供される本発明は、一態様において、感度軸の方向が異なる複数の磁気抵抗効果素子を含む磁気センサであって、前記磁気抵抗効果素子はそれぞれ、基板上に、前記基板側からフリー磁性層、非磁性材料層、および固定磁性層が積層された構成を有し、前記固定磁性層は、非磁性中間層を介して積層された二つの磁性層が反平行に磁化固定されており、前記固定磁性層を構成する前記二つの磁性層のうち、前記非磁性材料層に接していない磁性層が、前記非磁性中間層に接する第２の強磁性材料層と、前記第２の強磁性材料層の上に設けられた介在層と、前記介在層の上に設けられた第１の強磁性材料層とを備えている。
磁気抵抗効果素子が、固定磁性層の構成する二つの磁性層のうち基板から遠いほうの磁性層を、第１と第２の強磁性材料層が介在層を挟んだ構成を備えている。したがって、フリー磁性層から介在層までを複数の磁気抵抗効果素子で同時に形成し、介在層の上に第１の強磁性材料層を形成する際の磁場の印加方向によって、感度軸の方向が異なる磁気抵抗効果素子を形成することができる。

磁気センサにおける磁気抵抗効果素子は、前記第１の強磁性材料層と前記第２の強磁性材料層とが磁気的に結合している。第１と第２との強磁性材料層の磁気的な結合により、感度軸の方向が異なる磁気抵抗効果素子を同一基板上に形成することが容易になる。

第１と第２との強磁性材料層を磁気的に結合させるために、前記介在層は、ＰｔおよびＰｄからなる群から選ばれる１種または２種であること、前記第１の強磁性材料層の磁化量および保磁力が、前記第２の強磁性材料層の磁化量および保磁力以上であること、前記介在層の層厚が１５Å以下であることが好ましい。

前記第１の強磁性材料層に反強磁性層が積層されていてもよい。反強磁性層と第１の強磁性材料層との反強磁性結合により固定磁性層の磁化が安定化し、磁気センサの磁場耐性が向上する。

前記磁気抵抗効果素子はそれぞれ、前記フリー磁性層の前記基板側に反強磁性層を有していてもよい。反強磁性層とフリー磁性層との反強磁性結合により、フリー磁性層の磁化分散を抑制し、多磁区化し難い、つまり強磁場耐性に優れる磁気センサとすることができる。

本発明は、他の一態様において、上記磁気センサの製造方法であって、前記フリー磁性層、前記非磁性材料層、前記非磁性材料層に接する磁性層、前記非磁性中間層、第２の強磁性材料層および前記介在層を、感度軸の方向が異なる前記複数の磁気抵抗効果素子について同時に成膜し、前記磁気抵抗効果素子の前記感度軸の方向毎に、前記磁気抵抗効果素子の個別パターンを形成し、前記感度軸の方向の磁場を印加しながら、前記第１の強磁性材料層を成膜する、磁気センサの製造方法である。
感度軸の方向が異なる前記複数の磁気抵抗効果素子について、磁性層、非磁性中間層、第２の強磁性材料層および前記介在層を同時に成膜することにより、各層を同じ厚みにすることができる。したがって、出力および出力の温度特性におけるオフセットが抑制された磁気センサとなる。

本発明は、他の一態様において、前記フリー磁性層の前記基板側に反強磁性層を有する上記磁気センサの製造方法であって、前記反強磁性層、前記フリー磁性層、前記非磁性材料層、前記非磁性材料層に接する磁性層、前記非磁性中間層、第２の強磁性材料層および前記介在層を、前記感度軸の方向が異なる前記複数の磁気抵抗効果素子について同時に成膜し、前記反強磁性層により前記フリー磁性層にバイアス磁界を印加するために磁場中アニールを行い、前記磁気抵抗効果素子の前記感度軸の方向毎に前記磁気抵抗効果素子の個別パターンを形成し、前記感度軸の方向の磁場を印加しながら、前記第１の強磁性材料層を成膜する、磁気センサの製造方法である。
同時に成膜した積層体に対して磁場中アニールを行った後に、第１の強磁性材料層を成膜することにより、磁場中アニールによる固定磁性層の磁化分散、または磁化傾斜を抑制し、強磁場耐性が良好で、高精度の磁気センサとなる。

本発明の磁気センサは、フリー磁性層から介在層までを複数の磁気抵抗効果素子で同時に成膜することができる。したがって、磁気検出ブリッジ回路を構成する複数の磁気抵抗効果素子の層厚の差を抑えることができるから、出力および出力の温度特性におけるオフセットが抑制されたトップピン型の磁気センサを提供することができる。

第一の実施形態に係る磁気センサの構成を概念的に示す平面図 磁気抵抗効果素子の構造を概念的に示す平面図 図２に示した破線で切断したＢ−Ｂ矢視断面における積層構造を模式的に示す図 （ａ）〜（ｈ）第一の実施形態に係る磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）の製造方法を説明する図 （ａ）〜（ｃ）第一の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の積層構造を模式的に示す図 第一の実施形態に係る磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）の積層構造を模式的に示す図 （ａ）〜（ｃ）第二の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の積層構造を模式的に示す図 強磁性材料の層厚比とＭＲ比との関係を示すグラフ 磁気抵抗効果素子における印加磁界と△Ｒ／Ｒとの関係を示すグラフ（ａ）比較例１、（ｂ）実施例４、（ｃ）実施例５ 磁性層を構成する介在層の層厚とＭＲ比との関係を示すグラフ 磁気抵抗効果素子における印加磁界と△Ｒ／Ｒとの関係を示すグラフ（ａ）比較例２、（ｂ）実施例１０、（ｃ）実施例１１ 強磁性材料の層厚比とＭＲ比との関係を示すグラフ 磁気抵抗効果素子における印加磁界と△Ｒ／Ｒとの関係を示すグラフ（ａ）比較例３、（ｂ）実施例１６、（ｃ）実施例１７ 磁気抵抗効果素子における印加磁界と△Ｒ／Ｒとの関係を示すグラフ、アニール条件（ａ）強磁性材料層形成前、磁場中、（ｂ）全層形成後、磁場中、（ｃ）全層形成後、無磁場中 磁気抵抗効果素子における印加磁界と△Ｒ／Ｒとの関係を示すグラフ、アニール条件（ａ）強磁性材料層形成前、磁場中、（ｂ）全層形成後、磁場中、（ｃ）全層形成後、無磁場中

（第一の実施形態）
以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本実施形態に係る磁気センサの構成を概念的に示す平面図である。同図に示されるように、本発明の一実施形態に係る磁気センサ１０は、外部磁界の変化に応じて抵抗値が変化する４つの磁気検出部を備えた、磁気検出ブリッジ回路１０Ｃを有している。

各磁気検出部は、磁気抵抗効果素子からなる磁気測定素子を備えている磁気を検出する部分である。４つの磁気検出部は、感度軸の方向が異なる２種類の磁気検出部（磁気抵抗効果素子１、磁気抵抗効果素子２、以下、これらを区別しない場合、適宜、磁気抵抗効果素子という）から構成される。

磁気抵抗効果素子１と磁気抵抗効果素子２とは、共通の積層構造であるが、感度軸の方向が互いに反対である。中抜き矢印は、固定磁性層の磁化の向きすなわち感度軸の方向を示している。磁気センサ１０は、同一基板上に磁気抵抗効果素子１および磁気抵抗効果素子２が形成されたいわゆるワンチップ構成であるから、小型化に有利である。

磁気検出ブリッジ回路１０Ｃは、電源給電点である電源端子Ｖｄｄとグランド端子Ｇｎｄとの間に、磁気抵抗効果素子１と磁気抵抗効果素子２とが直列に接続された部分（直列部分）が、並列に接続されている。並列に接続された２つの直列部分は、磁気抵抗効果素子１と磁気抵抗効果素子２とが異なる順で接続されている。

並列に接続された各直列部分の磁気抵抗効果素子の間には、それぞれ出力（Ｏｕｔ１、Ｏｕｔ２）が設けられる。これらの２つの出力の電位差（Ｏｕｔ１−Ｏｕｔ２、中点電位差）を増幅器Ａｍｐに入力する。磁気センサ１０は、増幅器Ａｍｐからの出力（差動出力）により、外部から印加された磁場（外部磁場）の大きさを定量的に測定できる。

図２は、第１実施形態に係る磁気センサ１０が備える磁気抵抗効果素子の構造を概念的に示す平面図である。磁気抵抗効果素子は、図２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長尺パターン（ストライプ）３が折り返し部４により接続された形状（ミアンダ形状）を有する。長尺パターン３が折り返し部４で接続されることにより、長尺パターン３は全体が電気的に直列に接続され、両端部のそれぞれには電極４Ａが設けられている。このミアンダ形状を備えた磁気抵抗効果素子は、感度軸方向（Ｐｉｎ方向）が長尺パターン３の長手方向に対して直交する幅方向であり、幅方向の外部磁場を測定する。

図３は、図２に示した破線で切断したＢ−Ｂ矢視断面における積層構造を模式的に示す図である。磁気センサ１０が備える磁気抵抗効果素子は、基板１１上に、基板１１側からフリー磁性層１４、非磁性材料層１５、および固定磁性層１６が積層された構成を有している。固定磁性層１６は、非磁性中間層１６ｂを介して積層された二つの磁性層１６ａ、１６ｃが反平行に磁化固定されたＲＫＫＹ相互作用に基づくセルフピン止め層である。磁気抵抗効果素子は、フリー磁性層１４よりも基板１１から離れた位置に固定磁性層１６が積層されたトップピン型である。

図３には、参照の便宜のため、磁気抵抗効果素子を構成する層の機能または材料の一例を示している。本明細書および図面において、ＡとＢとの合金Ａ_{Ｘａｔ．％}Ｂ_{（１００−Ｘ）ａｔ．％}をＸＡＢと記載する。例えば、Ｆｅ_{６０ａｔ．％}Ｃｏ_{４０ａｔ．％-}は６０ＦｅＣｏと記載し、Ｃｏ_{９０ａｔ．％}Ｆｅ_{１０ａｔ．％}は９０ＣｏＦｅと記載する。

固定磁性層１６は、非磁性中間層１６ｂを介して配置される磁性層１６ａと磁性層１６ｃとの間のＲＫＫＹ相互作用により、一方の向きに磁化が固定されている。
磁性層１６ａ、１６ｃはいずれも強磁性層であり、これらを構成する材料として、ＣｏＦｅ合金が例示される。磁性層１６ａ、１６ｃがＣｏＦｅ合金から構成される場合において、磁性層１６ａを構成するＣｏＦｅ合金におけるＦｅの含有量を、磁性層１６ｃを構成するＣｏＦｅ合金におけるＦｅの含有量よりも高くすることが好ましい。このようにすることで、磁性層１６ａの保磁力が磁性層１６ｃの保磁力よりも高くなり、成膜中に磁化された磁性層１６ａによって磁性層１６ｃが磁化固定されやすくなる。

磁性層１６ａと磁性層１６ｃとの間に位置する非磁性中間層１６ｂはＲｕなどにより構成される。非磁性中間層１６ｂの厚さを３〜５Å、または、７〜１０Åにすることにより、磁性層１６ａと磁性層１６ｃとの間の反強磁性結合が強くなる。

図３に示すように、磁気センサ１０の備える磁気抵抗効果素子は、固定磁性層１６を構成する二つの磁性層１６ａおよび磁性層１６ｃのうち、非磁性材料層１５に接していない磁性層１６ａが積層構造を備えている。具体的には、非磁性中間層１６ｂ側から、非磁性中間層１６ｂに接する強磁性材料層（第２の強磁性材料層）１６ａ３と、強磁性材料層１６ａ３の上に設けられた介在層１６ａ２と、介在層１６ａ２の上に設けられた強磁性材料層（第１の強磁性材料層）１６ａ１との積層構造である。

介在層１６ａ２の具体的な構成（組成、厚さなど）は、強磁性材料層１６ａ１と強磁性材料層１６ａ３とが介在層１６ａ２を介して磁気的に結合することができる限り、限定されない。

強磁性材料層１６ａ１は、磁化量（飽和磁化Ｍｓ・層厚ｔ）および保磁力（Ｈｃ）が、強磁性材料層１６ａ３以上であることが好ましい。これにより、基板１１上の、絶縁層１２、シード層１３、フリー磁性層１４、非磁性材料層１５、磁性層１６ａ、非磁性中間層１６ｂ、強磁性材料層１６ａ３および介在層１６ａ２を積層した後に、介在層１６ａ２上に所定のパターンで強磁性材料層１６ａ１を積層する際に印加する磁場の方向により、パターンに対応する領域ごとに感度軸の向きが異なる磁気抵抗効果素子を容易に形成することができる。なお、強磁性材料層１６ａ１および強磁性材料層１６ａ３は、単層または多層のいずれとしてもよい。

介在層１６ａ２は、強磁性材料層１６ａ１と強磁性材料層１６ａ３とを介在層１６ａ２を介して磁気的に結合するものであり、ＰｔおよびＰｄからなる群から選ばれる１種または２種含有することが好ましく、これらの１種または２種からなることがより好ましい。同様の観点から、介在層１６ａ２の厚さは、１５Å以下であることが好ましい。

介在層１６ａ２は、介在層１６ａ２の基板１１側に下に形成された強磁性材料層１６ａ３層の酸化を抑制する機能をも有する。厚さが３Å以上の介在層１６ａ２を形成すれば、安定的に、強磁性材料層１６ａ３層の酸化を抑制することができる。

セルフピン止め型の固定磁性層１６の磁化状態は、図３に示されるとおりである。すなわち、磁性層１６ｃの磁化の向きＳｃが右向きとなっており、非磁性中間層１６ｂを介して磁性層１６ｃとのＲＫＫＹ相互作用が生じている磁性層１６ａを構成する強磁性材料層１６ａ１、１６ａ３の磁化の向きＳａ１、Ｓａ３はいずれも左向きとなっている。なお、固定磁性層１６の磁化固定力をできるだけ強くする観点から、磁性層１６ａと磁性層１６ｃとの磁化量（飽和磁化Ｍｓ・層厚ｔ）の差が実質的にゼロとなるように調整されている。フリー磁性層１４の磁化の向きＦは、形状異方性に基づく磁気異方性により、紙面奥向きである。

非磁性材料層１５はＣｕなどにより構成される。フリー磁性層１４はＣｏＦｅ合金、ＮｉＦｅ合金、ＣｏＦｅＮｉ合金などの磁性材料で構成される。フリー磁性層１４は、単層でも複数の膜からなる積層構造を有していてもよい。

磁気センサ１０が備えている磁気抵抗効果素子は、図３に示すように、強磁性材料層１６ａ１に反強磁性層１７が積層されていても良い。反強磁性層１７を積層することにより、交換結合により磁性層１６ａの磁化が安定化し、強磁場耐性が向上する。反強磁性層１７としては、ＩｒＭｎやＰｔＭｎ等が挙げられるが、Ｈｃに対してＨｅｘを大きくできることからＩｒＭｎが好ましい。反強磁性層１７は、Ｔａなどの保護層１８により保護される。

（製造方法）
本実施形態に係る磁気センサ１０を効率的に製造できる方法について、以下に説明する。
同一基板上に複数の感度軸を持つ（以降、マルチピンと称する）磁気センサ１０において、磁気抵抗効果素子を構成する積層体に層厚差が僅かでも生じると、磁気検出ブリッジ回路１０Ｃからの出力および温度特性にオフセットが発生してしまう。従来、感度軸方向の異なる磁気抵抗効果素子を備えたマルチピンの磁気センサ１０は、特定方向に感度軸を備えた磁気抵抗効果素子と、感度軸方向の異なる他の磁気抵抗効果素子とが、別々に形成されていたため、製造工程の誤差により生じた層厚差に起因する出力および温度特性にオフセットが発生しやすい。

磁気抵抗効果素子を構成する材料のうち、磁気検出ブリッジ回路１０Ｃからの出力のオフセットへの影響度が大きいのは、比抵抗が比較的小さい非磁性材料層１５および非磁性材料層１５に隣接するフリー磁性層１４および磁性層１６ｃである。また、オフセット温度特性への影響度が大きい層も、非磁性材料層１５に隣接するフリー磁性層１４および磁性層１６ｃである。これらは、抵抗温度係数（ＴＣＲ、Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）が比較的大きい材料のＣｏＦｅ、ＮｉＦｅ等を含み、電流密度が高いからである。

そこで、本実施形態の製造方法は、フリー磁性層１４、非磁性材料層１５、非磁性材料層１５に接する磁性層１６ｃ、非磁性中間層１６ｂ、強磁性材料層１６ａ３および介在層１６ａ２を、感度軸の方向が異なる磁気抵抗効果素子について同時に成膜する（同時成膜工程）。そして、個別パターンを形成し、感度軸方向の磁場を印加しながら、強磁性材料層１６ａ１を成膜する（個別成膜工程）ことにより、感度軸方向が異なる磁気抵抗効果素子１と磁気抵抗効果素子２を形成する。

このように、感度軸の方向が異なる磁気抵抗効果素子を構成する層を同時に成膜することにより、製造工程の誤差に起因して層厚差が発生することを防止できる。磁気センサ１０は、磁気抵抗効果素子を構成する積層構造のうち、フリー磁性層１４、非磁性材料層１５および磁性層１６ｃが積層された部分を同時に成膜する。これにより、感度軸の方向が異なる磁気抵抗効果素子１と磁気抵抗効果素子２とにおいて、オフセットに対する影響が大きい層の層厚が同一になる。したがって、磁気検出ブリッジ回路１０Ｃからの出力および温度特性のオフセットが抑制された。測定精度の良好な磁気センサ１０となる。

また、ＧＭＲ１とＧＭＲ２とで上記の層を同時に成膜することにより、磁気センサ１０の出力のオフセットおよびオフセットの温度特性を小さくすることができる。また、ウェハ内、ウェハ間、ロット間における磁気センサ１０の出力のオフセットおよびオフセットの温度特性のばらつきも小さくできる。

図４（ａ）〜図４（ｈ）は、本実施形態に係る磁気抵抗効果素子の製造方法を説明する図であり、図５（ａ）〜図５（ｃ）は、磁気抵抗効果素子の積層構造を模式的に示す図である。
図４（ａ）に示すように、基板１１上に、絶縁層１２、シード層１３、フリー磁性層１４、非磁性材料層１５、磁性層１６ｃ、非磁性中間層１６ｂ、強磁性材料層１６ａ３および介在層１６ａ２を順次形成する（同時成膜工程）。なお、同時成膜工程は、感度軸の方向が異なる磁気抵抗効果素子において機能が共通する層を「同時」に成膜する工程である。図５（ａ）は、この段階における、磁気抵抗効果素子の積層構造を示している。

次いで、図４（ｂ）に示すように、介在層１６ａ２の上にＡｌ_２Ｏ_３保護層２１を形成した後、Ａｌ_２Ｏ_３保護層２１を覆うレジスト層２２を形成する。レジスト層２２を形成する前に、介在層１６ａ２の上にＡｌ_２Ｏ_３保護層２１を形成しておくことにより、フォトリソグラフィにおいて用いられる有機物の残渣が磁気抵抗効果素子に対して悪影響を及ぼすことを防止できる。

フォトリソグラフィにより、磁気抵抗効果素子２となる領域にレジスト層２２を残存させ、レジスト層２２のパターンを形成する。この際、図４（ｃ）に示すようにＡｌ_２Ｏ_３保護層２１は現像液で溶解する。これにより、磁気抵抗効果素子１を設ける領域の介在層１６ａ２を露出させることができる。

次いで、図４（ｄ）に示すように、矢印で示すミアンダ形状のストライプ幅方向（図に向かって左方向）に向かって磁場を印加しながら強磁性材料層１６ａ１を成膜した後、強磁性材料層１６ａ１の上に反強磁性層１７および保護層１８を成膜する。次いで、図４（ｅ）に示すように、レジスト層２２のパターンを取り除く。この段階で、所定の領域に磁気抵抗効果素子１が形成される。図５（ｂ）は、この段階における、磁気抵抗効果素子の積層構造を示している。

磁性層１６ａと磁性層１６ｃとを交換結合させるには、この場合、非磁性中間層１６ｂの層厚最適化および磁性層１６ａと磁性層１６ｃとでＭｓ・ｔを一致させることが重要である。

次いで、図４（ｆ）に示すように、レジスト層２２を形成し、フォトリソグラフィにより、磁気抵抗効果素子１の領域上にレジスト層２２を残存させて、レジスト層２２のパターンを形成する。この際に現像液に溶解することにより、磁気抵抗効果素子２の領域上のＡｌ_２Ｏ_３保護層２１が除去される。

次いで、図４（ｇ）に示すように、矢印で示す方向（図に向かって右）に向かって磁場を印加しながら強磁性材料層１６ａ１を成膜した後、強磁性材料層１６ａ１の上に反強磁性層１７および保護層１８を成膜する。次いで、図４（ｈ）に示すように、磁気抵抗効果素子１を覆うレジスト層２２のパターンを取り除くことにより、所定の領域に磁気抵抗効果素子１および磁気抵抗効果素子２が形成される。

次いで、磁気抵抗効果素子を覆うレジスト層２２を形成し、フォトリソグラフィ及びエッチングにより、磁気抵抗効果素子のミアンダ形状（図２参照）に対応する領域にレジスト層２２を残存させて、レジスト層２２のパターンを形成する。そして、露出した領域をイオンミリングなどにより除去した後、レジスト層２２のパターンを取り除く。

図５（ｃ）に示すように、磁気抵抗効果素子１の強磁性材料層１６ａ１とは異なる方向に磁場を印加しながら、磁気抵抗効果素子２となる領域に強磁性材料層１６ａ１が成膜される。成膜された強磁性材料層１６ａ１が介在層１６ａ２を介して、強磁性材料層１６ａ３と磁気的に結合すことで、強磁性材料層１６ａ３の磁化方向を変化させることができる。

以上のように、磁気抵抗効果素子１と磁気抵抗効果素子２とは、絶縁層１２から介在層１６ａ２までの層が同時に成膜され同じ膜厚になる。このように磁気検出ブリッジ回路１０Ｃからの出力および温度特性のオフセットへの影響が大きい層を、同時に成膜して同じ膜厚とすることにより、オフセットが抑制された測定精度が良好な磁気センサ１０（図１参照）となる。

図４（ａ）〜図４（ｈ）には、同一基板上に感度軸の方向が１８０°異なる２種類の磁気抵抗効果素子を示したが、磁気抵抗効果素子の種類は２種類に限定されない。例えば、感度軸の方向が９０°、１８０°、２７０°異なる４種類の磁気抵抗効果素子を同一基板上に形成してもよい。この場合、感度軸の方向の異なる磁気抵抗効果素子毎に、異なる方向に磁場を印加しながら強磁性材料層１６ａ１の成膜が４回繰り返される。

上述した説明では、磁気抵抗効果素子の例として、巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）を示したが、ＧＭＲ素子に代えて、トンネル型磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）を用いることもできる。
図６は、ＴＭＲ素子の積層構造を模式的に示す図である。同図に示すように、ＴＭＲ素子は、下部電極３１および上部電極３２を備えている。また、ＧＭＲ素子における非磁性材料層１５に代えて絶縁障壁層３５を備えている。絶縁障壁層３５は、ＭｇＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、酸化チタンなどにより構成される。

（第二の実施形態）
本実施形態では、磁気抵抗効果素子におけるフリー磁性層の基板側に反強磁性層が設けられた磁気抵抗効果素子について説明する。本実施形態の製造方法は、反強磁性層との交換結合によってフリー磁性層にバイアス磁界を印加してフリー磁性層の磁化分散を抑制するため、磁場中においてアニール処理を行う。この点において、上述した第一の実施形態の製造方法とは異なっている。以下、機能が同じ部材には同じ番号を付し、第一の実施形態との相違点を中心に説明する。

本実施形態の製造方法は、強磁性材料層１６ａ１を形成する前に磁場中アニールを行うこと以外、図４（ａ）〜図４（ｈ）及び図５（ａ）〜図５（ｃ）を参酌して説明した第一の実施形態における製造方法と同様である。
図７（ａ）に示すように、まず、反強磁性層２７、フリー磁性層１４、非磁性材料層１５、磁性層１６ｃ、非磁性中間層１６ｂ、強磁性材料層１６ａ３および介在層１６ａ２を、感度軸の方向が異なる磁気抵抗効果素子について同時に成膜する。次いで、ミアンダ形状のストライプ長手方向（図２参照、図７（ａ）に向かって奥方向）に向かって磁場を印加しながらアニール処理を行い、反強磁性層２７との交換結合によるバイアス磁界を印加してフリー磁性層１４の磁化分散を抑制する。

図７（ｂ）および図７（ｃ）に示すように、本実施形態の磁気抵抗効果素子は、磁場中アニールを行った後に強磁性材料層１６ａ１が形成される。このため、感度軸の方向が異なる磁気抵抗効果素子が形成された後の磁場中アニールにより、磁性層１６ａ、非磁性中間層１６ｂ、磁性層１６ｃからなる固定磁性層１６の磁化が分散、または傾斜することがない。したがって、磁気センサ１０（図１参照）は、固定磁性層１６の磁化が分散の小さい状態で感度軸の方向に強く固定され、磁場耐性が良好なものとなる。

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。

（実施例１〜６）
基板１１に形成した絶縁層１２上に、表１に示す材料および層厚で、感度軸の方向が異なる複数の磁気抵抗効果素子に共通する共通層［シード層１３／フリー磁性層１４／非磁性材料層１５／磁性層１６ｃ／非磁性中間層１６ｂ／強磁性材料層１６ａ３／介在層１６ａ２］を形成した。

図５（ｂ）に示すように、共通層における強磁性材料層１６ａ３は、共通層上に先に形成された磁気抵抗効果素子１における強磁性材料層１６ａ１と同じ方向に磁化されている。その後、図５（ｃ）に示すように、磁気抵抗効果素子１とは異なる方向に磁場を印加しながら強磁性材料層１６ａ１を形成することにより、磁気抵抗効果素子２となる領域の強磁性材料層１６ａ３は、強磁性材料層１６ａ１と同じ方向に磁化される。共通層上の強磁性材料層１６ａ１を成膜時に印加する磁場方向により、セルフピン止め層の磁化方向を制御することが可能かを検証するため、表１に示すように、実施例１〜６では、成膜する際に印加する磁場の方向を強磁性材料層１６ａ３と強磁性材料層１６ａ１とで反対にした。

表１に示すように、磁性層１６ａを構成する、介在層１６ａ２の層厚を７．０Åに固定し、強磁性材料層１６ａ３と強磁性材料層１６ａ１との厚みの合計を２０Åとしたうえで、強磁性材料層１６ａ１の層厚Ｘを、１８．０Å、１５．０Å、１２．５Å、１０．０Å、７．０Åまたは４．０Åに変化させた磁気抵抗効果素子を製造した。表１、表２、表４、表６、表７および表９に示す成膜時磁場方向は、←がマイナス磁場方向、→がプラス磁場方向を示す。

（比較例１）
実施例１〜６における、磁性層１６ａ（強磁性材料層１６ａ３／介在層１６ａ２／強磁性材料層１６ａ１）を構成する６０ＦｅＣｏ（２０−Ｘ）／Ｐｔ（７．０）／６０ＦｅＣｏ（Ｘ）を、６０ＦｅＣｏ（２０．０）に変更して、表２に示す構成を備えた比較例１の磁気抵抗効果素子を製造した（カッコ内の数字は各層の層厚（Å）を示す。）。

以上のようにして得られた実施例１〜６および比較例１の磁気抵抗効果素子を２９０℃で３時間アニールした後、外部磁場を印加してＭＲ比（△Ｒ／Ｒ、単位：％）を測定した。磁性層１６ａの強磁性材料層１６ａ１および１６ａ３の層厚の合計に対する強磁性材料層１６ａ１の層厚比（１６ａ１／（１６ａ１＋１６ａ３））と、ＭＲ比（△ＭＲ）との関係を表３および図８に示す。
図９（ａ）、図９（ｂ）および図９（ｃ）は、比較例１、実施例４（層厚比０．５０）および実施例５（層厚比０．３５）の磁気抵抗効果素子における印加磁界（外部磁場）と△Ｒ／Ｒとの関係を示すグラフである。

図９（ｂ）に示す、強磁性材料層１６ａ１と強磁性材料層１６ａ３との層厚の合計に対して、強磁性材料層１６ａ１の層厚が占める割合（層厚比）が０．５０の磁気抵抗効果素子の外部磁界と△Ｒ／Ｒとの関係を示すグラフの形は、図９（ａ）に示す比較例１同様、プラス磁場側で高抵抗になった。対して、図９（ｃ）に示す、層厚比が０．３５の磁気抵抗効果素子のグラフは、図９（ａ）に示す比較例１とは異なりマイナス磁場側で高抵抗になった。この結果から、層厚比が０．５０以上であれば、強磁性材料層１６ａ１成膜時の磁場方向でセルフピン止め層の磁化方向を制御可能であることが分かった。

実施例１〜実施例６では、強磁性材料層１６ａ１と強磁性材料層１６ａ３とを同じ強磁性材料（６０ＦｅＣｏ）を用いて形成した。しかし、両者を異なる強磁性材料を用いて形成してもよい。この場合、強磁性材料層１６ａ１は、強磁性材料層１６ａ３よりも、磁化量（＝飽和磁化Ｍｓ・層厚ｔ）および保磁力（Ｈｃ）が大きくなる材料および層厚とする。

（実施例７〜１２）
基板１１に形成した絶縁層１２上に、表４に示す材料および層厚で、感度軸の方向が異なる複数の磁気抵抗効果素子に共通する共通層［シード層１３／フリー磁性層１４／非磁性材料層１５／磁性層１６ｃ／非磁性中間層１６ｂ／強磁性材料層１６ａ３／介在層１６ａ２］を形成した。

表４に示すように、磁性層１６ａを構成する、介在層１６ａ２の層厚Ｙを変化させた実施例７〜１２の磁気抵抗効果素子を作製した。具体的には、表５に示すように、介在層１６ａ２の層厚Ｙを、７．５Å、１０．０Å、１２．５Å、１５．０Å、１７．５Åまたは２０．０Åに変化させた磁気抵抗効果素子を製造した。

（比較例２）
実施例７〜１２における６０ＦｅＣｏ（７．５）／Ｐｔ（Ｙ）／６０ＦｅＣｏ（１２．５）を、６０ＦｅＣｏ（２０．０）に変更して、表１に示す実施例１と同じ構成を備えた磁気抵抗効果素子を製造した。

以上のようにして得られた実施例７〜１２および比較例２を２９０℃で３時間アニールした後、外部磁場を印加してＭＲ比（△Ｒ／Ｒ、単位：％）を測定した。磁性層１６ａを構成する介在層１６ａ２の層厚とＭＲ比との関係を表５および図１０に示す。
図１１（ａ）、図１１（ｂ）および図１１（ｃ）は、比較例２、実施例１０（層厚１５．０Å）および実施例１１（層厚１７．５Å）の磁気抵抗効果素子における印加磁界（外部磁場）と△Ｒ／Ｒとの関係を示すグラフである。

図１１（ａ）および図１１（ｂ）に示すように、介在層１６ａ２の層厚が１５Åである磁気抵抗効果素子の外部磁界と△Ｒ／Ｒとの関係を示すグラフの形は、比較例１同様にプラス磁場側で高抵抗になった。対して、図１１（ｃ）に示す介在層１６ａ２の層厚が１７．５Åの磁気抵抗効果素子のグラフは、比較例１とは異なり、グラフの形が反転してマイナス磁場側で高抵抗になった。この結果は、介在層１６ａ２の層厚が１７．５Å以上となると強磁性結合が消失したことを示唆している。したがって、介在層１６ａ２の層厚が１５Å以下であれば、Ｐｔからなる介在層１６ａ２を介して６０ＦｅＣｏの強磁性結合が発生し、強磁性材料層１６ａ１と強磁性材料層１６ａ３とが磁気的に結合するといえる。

（実施例１３〜１８）
基板１１に形成した絶縁層１２上に、表１に示す材料および層厚で、感度軸の方向が異なる複数の磁気抵抗効果素子に共通する共通層［シード層１３／反強磁性層２７／フリー磁性層１４／非磁性材料層１５／磁性層１６ｃ／非磁性中間層１６ｂ／強磁性材料層１６ａ３／介在層１６ａ２］を形成した。実施例１３〜１８は、シード層１３とフリー磁性層１４との間に反強磁性層２７を備えている点において、実施例１〜６と異なる。

表６に示すように、磁性層１６ａを構成する、介在層１６ａ２の層厚を７．０Åに固定し、強磁性材料層１６ａ３と強磁性材料層１６ａ１との厚みの合計を２０Åとしたうえで、強磁性材料層１６ａ１の層厚Ｘを１８．０Å、１５．０Å、１２．５Å、１０．０Å、７．０Åまたは４．０Åに変化させて、磁気抵抗効果素子を製造した。

（比較例３）
実施例１３〜１８における、磁性層１６ａ（強磁性材料層１６ａ３／介在層１６ａ２／強磁性材料層１６ａ１）を構成する６０ＦｅＣｏ（２０−Ｘ）／Ｐｔ（７．０）／６０ＦｅＣｏ（Ｘ）を、６０ＦｅＣｏ（２０．０）に変えて、表７に示す構成を備えた比較例３の磁気抵抗効果素子を製造した（カッコ内の数字は各層の層厚（Å）を示す。）。

以上のようにして得られた実施例１３〜１８および比較例３の磁気抵抗効果素子を２９０℃で３時間アニールした後、外部磁場を印加してＭＲ比（△Ｒ／Ｒ、単位：％）を測定した。磁性層１６ａを構成する強磁性材料層１６ａ１および１６ａ３における強磁性材料層１６ａ１の層厚比（１６ａ１／（１６ａ１＋１６ａ３））と、ＭＲ比との関係を表８および図１２に示す。
図１３（ａ）、図１３（ｂ）および図１３（ｃ）は、比較例３、実施例１６（層厚比０．５０）および実施例１７（層厚比０．３５）の磁気抵抗効果素子における印加磁界（外部磁場）と△Ｒ／Ｒとの関係を示すグラフである。

表８および図１３（ａ）〜図１３（ｃ）に示すように、シード層１３とフリー磁性層１４との間に反強磁性層２７を設けた実施例１３〜１８および比較例３の磁気抵抗効果素子は、実施例１〜６および比較例１と同様の結果を示した。

（実施例１５）
表９に示す構成を備えた実施例１５の磁気抵抗効果素子について、反強磁性層２７との交換結合によりフリー磁性層１４の磁化分散抑制のために行うアニールの条件（実施タイミング、および磁場の有無）を変えて、印加磁場と△Ｒ／Ｒとの関係を測定した。

図１４（ａ）〜（ｃ）および図１５（ａ）〜（ｃ）は、以下の条件で磁気抵抗効果素子をアニールした後の測定結果である。
（ａ）共通層を形成した後、強磁性材料層１６ａ１を形成する前に、磁場中（１００ｍＴ）でアニール
（ｂ）全層を形成した後に、磁場中（１００ｍＴ）でアニール
（ｃ）全層を形成した後に、無磁場中でアニール

磁場中でアニール処理した図１４（ａ）および図１４（ｂ）の磁気抵抗効果素子はいずれも、無磁場中でアニール処理した図１４（ｃ）の磁気抵抗効果素子よりも高いヒステリシス抑制効果を示した。これは、反強磁性層２７との交換結合によりフリー磁性層１４の磁化分散が抑制されたためと考えられる。また、図１４（ａ）と図１４（ｂ）とはグラフ形状が略同じであった。このことから、強磁性材料層１６ａ１を形成する前に行った磁場中アニールの効果は、その後の強磁性材料層１６ａ１を形成する際に印加された磁場によって低下しないといえる。

また、図１５（ａ）に示すように、強磁性材料層１６ａ１を形成する前にアニールを磁場中で行うことにより、印加磁場と△Ｒ／Ｒとの関係を示すグラフにプラトー領域が形成された。このことは、磁気抵抗効果素子を構成する固定磁性層の磁化分散、または磁化傾斜が小さく、強磁場耐性が高いことを示している。固定磁性層の磁化分散の程度は、プラトー領域におけるプラトー磁場（Ｈｐ（＋）、Ｈｐ（−））で評価することができる。ここで、「プラトー磁場」とは、磁化固定層の磁化反転が始まる磁場の大きさであり、固定磁性層のＭｓ・ｔが２％変動した磁場の大きさ（単位面積当たりの飽和磁化、フリー磁性層磁化反転の終了時）で定義する。

図１５（ｂ）に示すように、全層を形成した後に磁場中でアニールすると、印加磁場と△Ｒ／Ｒとの関係を示すグラフにプラトー領域が形成されなかった。対して、図１５（ｃ）に示すように、全層を形成した後に無磁場中でアニールした場合には、プラトー領域が形成されている。このことから、磁場中でのアニールにより、セルフピン止め層を形成する固定磁性層１６の磁性層１６ａ、非磁性中間層１６ｂおよび磁性層１６ｃの間の磁化分散、または磁化傾斜が大きくなって、高磁場耐性が低下したものといえる。

共通層を形成した後、強磁性材料層１６ａ１を形成する前に、磁場中（１００ｍＴ）でアニールすることにより、高いヒステリシス抑制効果（図１４（ａ）参照）と、良好な強磁場耐性（図１５（ａ）参照）とを、安定的に実現することができる。

本発明の磁気センサは、検出された磁化方向に基づいて、誘導磁界を与えた被測定電流の大きさおよびその向きを求める電流センサなどに用いることができる。

１、２ ：磁気抵抗効果素子
３ ：長尺パターン
４ ：折り返し部
４Ａ ：電極
１０ ：磁気センサ
１０Ｃ ：磁気検出ブリッジ回路
１１ ：基板
１２ ：絶縁層
１３ ：シード層
１４ ：フリー磁性層
１５ ：非磁性材料層
１６ ：固定磁性層
１６ａ ：磁性層
１６ａ１、１６ａ３：強磁性材料層
１６ａ２ ：介在層
１６ｂ ：非磁性中間層
１６ｃ ：磁性層
１７、２７ ：反強磁性層
１８ ：保護層
２１ ：Ａｌ_２Ｏ_３保護層
２２ ：レジスト層
３１ ：下部電極
３２ ：上部電極
３５ ：絶縁障壁層
Ｇｎｄ ：グランド端子
Ｖｄｄ ：電源端子
Ｏｕｔ１、Ｏｕｔ２：出力
Ａｍｐ ：増幅器
Ｓｃ、Ｓａ１、Ｓａ３：磁化の向き

Claims (9)

1. 感度軸の方向が異なる複数の磁気抵抗効果素子を含む磁気センサであって、
   前記磁気抵抗効果素子はそれぞれ、基板上に、前記基板側からフリー磁性層、非磁性材料層、および固定磁性層が積層された構成を有し、
   前記固定磁性層は、非磁性中間層を介して積層された二つの磁性層が反平行に磁化固定されており、
   前記固定磁性層を構成する前記二つの磁性層のうち、前記非磁性材料層に接していない磁性層が、前記非磁性中間層に接する第２の強磁性材料層と、前記第２の強磁性材料層の上に設けられた介在層と、前記介在層の上に設けられた第１の強磁性材料層とを備えていることを特徴とする磁気センサ。
2. 前記第１の強磁性材料層と前記第２の強磁性材料層とが磁気的に結合している、
   請求項１に記載の磁気センサ。
3. 前記介在層は、ＰｔおよびＰｄからなる群から選ばれる１種または２種である、
   請求項１に記載の磁気センサ。
4. 前記第１の強磁性材料層の磁化量および保磁力が、前記第２の強磁性材料層の磁化量および保磁力以上である、
   請求項１に記載の磁気センサ。
5. 前記介在層の層厚が１５Å以下である、
   請求項１に記載の磁気センサ。
6. 前記第１の強磁性材料層に反強磁性層が積層されている、
   請求項１に記載の磁気センサ。
7. 前記複数の磁気抵抗効果素子のそれぞれは、前記フリー磁性層の前記基板側に反強磁性層を有している、
   請求項１に記載の磁気センサ。
8. 請求項１に記載される磁気センサの製造方法であって、
   前記フリー磁性層、前記非磁性材料層、前記非磁性材料層に接する磁性層、前記非磁性中間層、第２の強磁性材料層および前記介在層を、感度軸の方向が異なる前記複数の磁気抵抗効果素子について同時に成膜し、
   前記磁気抵抗効果素子の前記感度軸の方向毎に、前記磁気抵抗効果素子の個別パターンを形成し、
   前記感度軸の方向の磁場を印加しながら、前記第１の強磁性材料層を成膜する、磁気センサの製造方法。
9. 請求項７に記載される磁気センサの製造方法であって、
   前記反強磁性層、前記フリー磁性層、前記非磁性材料層、前記非磁性材料層に接する磁性層、前記非磁性中間層、第２の強磁性材料層および前記介在層を、前記感度軸の方向が異なる前記複数の磁気抵抗効果素子について同時に成膜し、
   前記反強磁性層により前記フリー磁性層にバイアス磁界を印加するために磁場中アニールを行い、
   前記磁気抵抗効果素子の前記感度軸の方向毎に、前記磁気抵抗効果素子の個別パターンを形成し、
   前記感度軸の方向の磁場を印加しながら、前記第１の強磁性材料層を成膜する、磁気センサの製造方法。

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