JP3017061B2 - ブリッジ回路磁界センサー - Google Patents

ブリッジ回路磁界センサー

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JP3017061B2
JP3017061B2 JP7283070A JP28307095A JP3017061B2 JP 3017061 B2 JP3017061 B2 JP 3017061B2 JP 7283070 A JP7283070 A JP 7283070A JP 28307095 A JP28307095 A JP 28307095A JP 3017061 B2 JP3017061 B2 JP 3017061B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は磁界センサー、特に
ブリッジ回路の磁気抵抗(MR)センサー素子を用いる磁界
センサーに関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】磁界センサーはリニア
及びロータリ符号化器、近接検出器及び地磁気磁力計と
して市販され広く使用されている。１つの一般的な磁界
センサーはホール効果に基づいて 100〜1000エルステッ
ド(Ｏe) の範囲内の磁界のセンスに用いられる。もう１
つの一般的な磁界センサーは半導体又は強磁性体材料に
おける磁気抵抗(MR)効果に基づいて小さな磁界及びホー
ル効果センサーよりも大きい距離の磁界のセンスに用い
られる。MR磁界センサーは、磁界信号を磁性体でつくら
れたセンス素子の抵抗変化により、該センス素子により
センスされる磁束の大きさ及び方向の関数として検出す
る。
【０００３】通常のMRセンサーは、センス素子抵抗の成
分がセンス素子の磁化の方向とセンス素子を通過するセ
ンス電流の方向の間の角度の余弦の二乗として変化す
る、異方性磁気抵抗(AMR) 効果に基づいて動作する。セ
ンスされる外部磁界はセンス素子の磁化の方向に変化を
生じさせ、更にセンス素子の抵抗の変化及び対応するセ
ンス電流又は電圧の変化を生じさせる。
【０００４】AMR 材料でつくられた電気ブリッジ回路
は、およそ50 Ｏe未満の磁界をセンスする磁界センサー
として用いられる。ホィートストンブリッジ回路でAMR
素子を用いる磁界センサーの例が米国特許第5,247,278
号明細書に記述されている。電流センサーとして動作す
る電流ストラップとともに用いられたAMR ホィートスト
ンブリッジ回路のもう１つの例は、IEEE transactions
on Magnetics, Vol.MAG-6, November 1976, pp. 813-81
5 に記述されている。
【０００５】巨大磁気抵抗(GMR) と呼ばれる、更にすぐ
れた別の磁気抵抗が種々の磁気多層構造で観測されてい
る。GMR の重要な特性は、非強磁性金属層により分離さ
れた少なくとも２つの強磁性金属層があることである。
このGMR 効果は、強磁性層の強力な反強磁性結合を表わ
す種々のシステム、例えば Fe/Cr、Co/Cu 又はCo/Ru多
重層で、ならびに２つの強磁性層の１つの磁化方向が固
定される、即ちピン止めされる本質的には非結合の層化
構造で見つかっている。物理的な起点は外部磁界の付加
で隣接強磁性層の相対的な方向に変化が生じるGMR 構造
の全てのタイプで同じである。これは順次に伝導電子の
スピン依存散乱と、従って該構造の電気抵抗に変化を生
じさせる。このように、該構造の抵抗は強磁性層の磁化
の相対的配列が変化するにつれて変化する。特に有用な
GMR の用法は非磁性金属スペーサ層で分離された２つの
非結合の強磁性層を含むサンドイッチ構造である。この
構造では、該強磁性層の１つの磁化がピン止めされる。
ピン止めは、ピン止めされる強磁性層を鉄-マンガン (F
e-Mn) 層に付着させて２つの層を交換結合することによ
り達成できる。その結果、外部磁界が存在するとき、ピ
ン止めされない、即ち自由な強磁性層のみが自由に回転
するスピンバルブ(SV)センサーが得られる。米国特許第
5,206,590 号明細書は基本的なSVセンサーを開示してい
る。米国特許第5,159,513 号明細書は、強磁性層の少な
くとも１つがコバルト又はコバルト合金であり、そして
ピン止め強磁性層を反強磁性層に交換することにより外
部から磁界が加えられない状態で２つの強磁性層の磁化
方向が互いに概ね垂直に維持される、SVセンサーを開示
している。米国特許第5,341,261 号明細書は磁気抵抗を
増すために金属スペーサ層に隣接してコバルトの薄膜を
有するSVセンサーを開示している。最も直線的なレスポ
ンス及び最も広い動的有効距離を有するSVセンサーは、
ピン止め強磁性層の磁化の方向が信号フィールドに平行
であり且つ自由な強磁性層の磁化の方向が信号フィール
ドに垂直であるセンサーである。SVセンサーの設計及び
動作は Heim et al, "Design and Operation of Spin-V
alve Sensors", IEEE Transactions on Magnetics, Vo
l.30, No.2, March 1994, pp. 316-321 に記述されてい
る。
【０００６】磁界センサーのブリッジ回路でのGMR 素子
の使用は Daughton etal, "GMR Materials for Low Fie
ld Applications", IEEE Transactions on Magnetics,
Vol.29, No.6, November 1993, pp.2705-2710 に示唆さ
れている。当該参照文献は、ピン止めされたGMR 構造
(即ち、SV素子) を用いるブリッジ回路はありうること
を示唆するが、その装置は未だ開示されていないと述べ
ている。
【０００７】本発明の目的は従来のAMR センサーよりも
すぐれたSVセンサーの性能を利用するブリッジ回路磁界
センサーを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明はブリッジ回路に
電気的に結合された４個のスピンバルブ(SV)素子を用い
る磁界センサーである。SV素子は同じ基板上にリソグラ
フィックに形成され、それらの自由な層の磁化軸は互い
に平行にされる。導電体固定層は基板上に形成される
が、SV素子からは絶縁される。磁界センサーの製作中に
導電体固定層に電流が流される間のセンサーの適切な加
熱及び冷却により、SV素子内のピン止め層の磁化の方向
は、２つのSV素子内のピン止め層の磁化の方向が他の２
つのSV素子内のピン止め層の磁化の方向と逆平行になる
ように固定される。ブリッジ回路出力電圧はセンサーの
平面内の外部磁界に反応する。センサー製作中、ピン止
め層の磁化の方向を適切に固定することにより、ブリッ
ジ回路出力電圧は磁界又は磁界の勾配のどちらかの測定
値である。センサーは磁界又は磁界勾配の大きさ及び符
号の両者の測定をする。導電体固定層、又は基板上に形
成された別個の電流ストラップはセンサーを通じて未知
の電流を流すのに使用できる。この場合、ブリッジ回路
出力電圧は未知の電流の測定値である。
【０００９】
【発明の実施の形態】図１は４つの別々のSV素子Ａ,Ｂ,
Ｃ及びＤがホィートストンブリッジ回路に配列されたSV
ブリッジ回路磁界センサー10の概要図を示す。各SV素子
Ａ〜Ｄを含む個々の層を説明するために、SV素子は透視
図で示される。実際には、それらは図の平面に形成され
る。各SV素子Ａ〜Ｄは長さＬ及び幅Ｗを有する。SV素子
は、前記平面で、それらの長さＬの全てが互いに平行に
なるように配列される。図面で、センスされる磁界は矢
印Ｈで示され、前記平面にあり、そしてSV素子の長さＬ
に垂直である。
【００１０】センサー10は第１、第２のSV素子Ａ、Ｂ及
び第３、第４のSV素子Ｃ、Ｄの間にそれぞれ置かれた端
子リード20、22からなる第１のセットの端子リードを有
する。これらはセンサー10の入力リードとして動作す
る。定電圧電源 (図示せず) が入力リード20及び22の間
に結合される。更に、センサー10はSV素子Ａ、Ｃ及びSV
素子Ｂ、Ｄの間にそれぞれ置かれた端子リード24、26か
らなる第２のセットの端子リードを有する。これらはセ
ンサー10の出力リードとして動作する。センスされる外
部磁界Ｈは各SV素子の抵抗の変化を生じさせる。
【００１１】センサー10の動作は典型的なSV素子を形成
する個々の層を示す図１のSV素子Ｂにより理解できる。
SV素子Ｂは自由な強磁性層36、非磁性スペーサ層37、ピ
ン止め強磁性層39、及び隣接する前記の層39をピン止め
する反強磁性層41を含む。センサー10の動作の核心はSV
素子Ａ〜Ｄの各々における相対的に自由な層とピン止め
層の磁化の方向である。図１に示すように、磁界が付加
されないとき、４個のSV素子内の自由な層の全ての好ま
しい磁化軸の方向はSV素子の長さＬに沿っている。この
方向は、典型的なSV素子Ｂ内の自由な層36について、矢
印32で示されている。従って、SV素子Ａ〜Ｄ内の自由な
層の磁化軸は互いに平行に置かれる。しかしながら、ピ
ン止め層の各々の磁化軸は、(典型的なSV素子Ｂ内のピ
ン止め層39について矢印38で示されているように) その
SV素子を流れる電流の方向に垂直に、且つそのSV素子の
幅Ｗに平行に方向付けられる。しかしながら、SV素子Ｂ
及びＣ内のピン止め層の磁化の方向は、SV素子Ａ及びＤ
内のピン止め層の磁化の方向と反対である。典型的なSV
素子Ｂについて云えば、ピン止め層39の磁化軸38と、磁
界が付加されないときの自由な層36の好ましい磁化軸32
との間の垂直な角度は、SV素子の最も直線的なレスポン
スを与える。SV素子の信号能力の推定に一般的に用いる
評価値は、 (センサー磁化軸に平行な電流及び垂直な電
流に対する)抵抗値の変化を平均抵抗値で割った、固有
の磁気抵抗ΔＲ／Ｒである。
【００１２】SV素子Ａ〜Ｄが共通基板上に同時に形成さ
れ、そして同時にリソグラフィック寸法を形成されてい
るので、センサー10のブリッジ回路は端子リード24及び
26の間の差動出力電圧Ｖout が概ね０になるように平衡
される。センサー10が均一な磁界Ｈにさらされると、ピ
ン止め層は影響を受けないが、自由な層は角度ｄだけ回
転し、各SV素子Ａ〜Ｄの抵抗が変化する。図１に示すよ
うに、Ｈは完全に基板の平面内の付加された磁界であり
且つSV素子の長さＬに垂直な方向にある。しかしなが
ら、付加された磁界が基板の平面の外部にあり且つ (又
は) SV素子の長さＬに完全に垂直ではない場合、センサ
ー10は付加された磁界の、基板の平面内にあり且つSV素
子の長さＬに垂直な方向にある成分の振幅 (即ち、大き
さ及び符号) を測定する。
【００１３】図２は付加される磁界Ｈに対する単一のSV
素子の抵抗レスポンスを示す。出力端子リード24及び26
の間に現われる電圧に関して、素子Ａ及びＤのレスポン
ス (それぞれの抵抗RA及びRB) は素子Ｂ及びＣのレスポ
ンスに等しいが反対方向でなければならない。前記Heim
の参照文献に記述されているように、この関係は次のよ
うになる。この式で、Ｒo は磁界が付加されないSV素子
の抵抗であり、Ｈk(eff)はSV素子の有効な異方性磁界で
あり、そしてΔRはSV素子の抵抗の最大変化である。
【数１】 RA = RD = Ｒo + ΔR/2 x Ｈ/Ｈk(eff) (1)
【００１４】この式は、素子Ｂ及びＣの場合のように、
ピン止め層がSV素子の長さＬに垂直であり且つSV素子が
正の磁界Ｈの方向に置かれる場合に有効である。SV素子
Ａ及びＤは、それらが同じ結合構造を有するから、均一
に付加された磁界に対して等しい抵抗を有する。SV素子
Ｂ及びＣのピン止め層はSV素子Ａ及びＤのピン止め層と
逆平行に置かれるので、付加された磁界に対するレスポ
ンスは符号が反対であるが大きさは等しい。その関係は
次のようになる。
【数２】 RB = RC = Ｒo - ΔR/2 x Ｈ/Ｈk(eff) (2)
【００１５】ブリッジのVoutレスポンスは次のようにな
る。この式で、Ｖinは入力端子リード20及び22の間に付
加された電源電圧である。
【数３】 Ｖout = Ｖin x RC/(RA + RC) - Ｖin x RD/(RB + RD) (3)
【００１６】この式にRA、RB、RC、RDの値を代入する
と、出力電圧は次のようになる。
【数４】 Ｖout = - Ｖin x (ΔR/2Ｒo) x Ｈ/Ｈk(eff) (4)
【００１７】式(4) に示すように、センサー10の電圧レ
スポンスは、完全にセンサー基板の平面内にあり且つSV
素子の長さ方向に垂直な付加磁界の振幅 (即ち大きさ及
び符号) の測定値である。付加磁界が該基板の平面内に
あり且つSV素子の長さ方向に垂直な成分以外の成分を有
する場合、式(4) は、該基板の平面内にあり且つ前記SV
素子の長さ方向に垂直な付加磁界の成分の近似値を与え
る。
【００１８】Ｈk(eff)は、長さＬの割合に長い素子に関
して次の式で近似的に与えられる、付加された磁界Ｈに
対するブリッジ回路磁界センサーの感度に関連し、そし
て2〜5 Ｏe の範囲内の固有の結晶体の異方性及び形状
異方性を含む。この式で、ＷはSV素子の幅であり、そし
てｔは自由な層の厚さである。
【数５】Ｈk(shape) = 4πＭs (t/Ｗ) (5)
【００１９】Ｈk(eff)は水晶体及び形状異方性によるエ
ネルギに打克つことにより自由な層をそのゆるやかな軸
に垂直に方向付けるために付加する必要がある磁界であ
る。50Åの厚さのNi-Fe の自由な層の場合、Ｈk(shape)
は、幅10ミクロンのSV素子では 5 Ｏeであり、そして幅
3.3 ミクロンのSV素子では15 Ｏeである。その結果、Ｈ
k(off)は、幅10ミクロンのSV素子では10 Ｏeであり、そ
して幅3.3 ミクロンのSV素子では20 Ｏeである。
【００２０】６％のΔR/R、15オームのシート抵抗、3.3
ミクロンの幅Ｗ及び500 ミクロンの長さＬを有するSV
素子を用いて、付加された磁界Ｈを -Ｈk(eff)から +Ｈ
k(eff)に掃引すると、磁界センサー抵抗は136 オームだ
け変化する。電源電圧Ｖinが５Ｖの場合、これは -150
mＶ から +150 mＶ までの範囲内にある磁界センサー出
力Ｖout を生ずる。これは測定された磁界センサーレス
ポンスとして図３に示される。20 ＯeのＨk(eff)と５Ｖ
のＶinでは、これは7.5 mＶ/Ｏe のレスポンスに対応す
る。この値は現在の市販のAMR センサーの1.5 mＶ/Ｏe
に匹敵する。
【００２１】入力電源が定電圧電源として記述された図
示の良好な実施例では、センサー10は入力電源が定電流
電源である場合にも動作する。
【００２２】図４及び図５はSVブリッジ磁界センサー10
の良好な実施例を示す。図４はシリコン(Si)基板50上に
パターン化されたブリッジ回路を形成する特定の層を示
す。図５は基板50上のこれらの層のそれぞれの方向を明
示する分解組立図を示す。
【００２３】図５で、最初にバッファ層51がSi基板に付
着される。そして各SV素子Ａ〜Ｄが後述のようにバッフ
ァ層51上に形成された後、パッド52、54、56及び58の形
式の導電体が各SV素子Ａ〜Ｄの端にパターン化され、４
つのSV素子の各々を電気的に接続する。導電体パッド5
2、56はそれぞれSV素子Ａ及びＢ、SV素子Ｃ及びＤを相
互接続し、センサー10の入力端子リード20、22を備え
る。導電体パッド54、58はそれぞれSV素子Ａ及びＣ、SV
素子Ｂ及びＤを相互接続し、センサー10の出力端子リー
ド24、26を備える。そして絶縁層60は導電体パッド52、
54、56、58及びSV素子の上に形成される。次に、導電性
のSV素子固定層70が絶縁体60の上にパターン化される。
この固定層はSV素子Ａ〜Ｄの全てに被せられるが、絶縁
層60があるため電気的にはそれらと接続されない。完成
したセンサー10の動作中はSV素子固定層70は必ずしも動
作しないが、センサー10の製作中はSV素子のピン止め層
の各々を後述のように恒久的にピン止めするのに用いら
れる。
【００２４】センサー10を製作するプロセスは図６によ
り説明する。図６は図４の断面X-Xにより描かれた断面
図である。センサー10は通常の薄膜付着リソグラフィッ
ク及びエッチングプロセスを用いて製作される。基板50
として単結晶半導体等級Siウェーハが用いられる。そし
ておよそ1000〜2000Åの厚さのスパッタリングによりSi
基板50にアルミナ(Al2O3) のバッファ層51が付着され
る。バッファ層51の目的はSi基板50に電気的な絶縁層を
設けることである。そして個々のSV素子Ａ〜Ｄがバッフ
ァ層51に形成される。図６にはSV素子Ａ及びＢが示され
る。
【００２５】図７〜図１０により、典型的なSV素子Ｂの
製作について説明する。50Åの厚さのタンタル(Ta)の下
層55がバッファ層51に付着される。図７に示すように、
第１の強磁性層36がバッファ層51に付着される。層36は
SV素子内の自由な強磁性層であり、できればNi80Fe20か
らNi85Fe15までの混合範囲のNi-Fe で構成され且つ10〜
100Å の厚さであることが望ましい。薄い非磁性金属ス
ペーサ層37、第２の薄い強磁性層39、割合に高い抵抗を
有し且つ強磁性層39と直に接触する薄い材料の交換バイ
アス層41及びTaキャップ層44が強磁性層36の上に付着さ
れる。第２の強磁性層39はピン止め層になり、そして層
39もNi-Fe で10〜100Å の厚さに形成される。非磁性金
属スペーサ層37はできれば銅(Cu)で構成され且つ厚さ20
〜40Åに形成することが望ましい。交換バイアス層41は
できれば適切な反強磁性材料、例えば鉄-マンガン (Fe-
Mn) 又はニッケル-マンガン (Ni-Mn) で構成され、そし
て100〜400Åの厚さに形成されることが望ましい。
【００２６】図７〜図１０には図示されていないけれど
も、各SV素子の良好な実施例では、自由な強磁性層36及
びピン止め強磁性層39の各々は、それぞれ、前記米国特
許第5,341,261 号明細書に示されたように、Cuスペーサ
層37に隣接するCoの薄膜 (厚さ5〜15Å)及びNi-Fe の薄
膜 (厚さ10〜100Å)を構成する。これはより大きいΔR/
R及び出力電圧を生成する。図３のデータは前記SV素子
でつくられた磁界センサーに対応する。
【００２７】強磁性層36は、外部から付加された磁界
(図１に示された磁界Ｈ) に応答してその磁化軸32が自
由に回転するので "自由な" 強磁性層と呼ばれる。強磁
性層39は、磁化軸38の矢印で示すように、良好な方向に
固定される、即ちピン止めされるので、外部から付加さ
れた磁界が存在しても回転できないから "ピン止め" 強
磁性層と呼ばれる。
【００２８】そして個々の長方形のSV素子Ａ〜Ｄを決め
るためにキャップ層44でホトレジストがパターン化さ
れ、そして層36、37、39、41及び44の、ホトレジストで
保護されない全ての部分が通常の除去方法、例えばイオ
ンエッチングにより、下層55まで、そして僅かにその内
部まで取り除かれる。図８に示すように、これはSV素子
の各々の長さＬ及び幅Ｗを決める明確なエッジを形成す
る。このように、図７〜図１０はSV素子、例えば図６の
典型的なSV素子Ｂを形成する方法を示す。次のステップ
は、SV素子を電気的に接続する導体パッド、例えばパッ
ド54、56の形成するステップである。
【００２９】図８で、導電体パッド、例えば(図９の)パ
ッド54、56を形成するために、SV素子上でホトレジスト
45がパターン化される。１つの方法では、順次に付着さ
れたTa、Au及びTaの層の導電体が全体の厚さ1000Åに形
成される。SV素子に前記パッドを付着させ、そしてホト
レジスト及び金属を取り外してパッドを残すことによ
り、各SV素子が電気的に接続される。別の方法では、材
料を取り除くためにSV素子が最初にイオンエッチングさ
れ、そしてNi-Fe及び交換材料即ち固い材料(CoPtCr) が
層57として付着され、続いてTa/Au/Taが付着される。そ
してホトレジスト及び金属が除去されて、図１０に示す
ように、パッド54及び56が形成される。
【００３０】図７〜図１０に示された典型的なSV素子の
実施例では、自由な層36がピン止め層39よりも下層51の
近くに置かれるが、反対に、即ち、ピン止め層39の方が
下層51に近いSV素子を形成することもありうる。当該構
成では、層39をピン止めするために反強磁性層41を下層
55及び層39の間に配置することがある。
【００３１】図６で、パッド54、52及び56のような導体
パッドはSV素子Ａ〜Ｄの全てを相互接続する電気的な経
路を与える。パッドの形成及びホトレジスト除去の後、
できればアルミナ(Al2O3) の中間の絶縁層60がパッド5
4、52、56及びSV素子を完全にカバーするシートとして1
500Åの厚さに付着される。そして更にホトレジストが
付加され、アルミナ絶縁層60上に形成されるSV素子固定
層70を決めるようにパターン化される。導電性の固定層
70はできれば金(Au)であり且つおよそ2000Åの厚さに付
着されることが望ましい。センサー10を形成する全ての
膜をカバーするために、更に上部にアルミナ絶縁層80
(図４及び図５には図示せず) が保護膜として付着され
る。最後に、固定層70の端子リード (図６に示された端
子リード72)を形成するために上部絶縁層80から固定層7
0にわたり、そして導電体パッドの端子リード (図６に
示された端子リード26) を形成するために絶縁層80から
絶縁層60にわたり、通常の方法でバイアが形成される。
【００３２】これらの製作段階の次に、各ピン止め層、
例えばSV素子Ｂの層39(図１)をピン止めし、それらの磁
化を適切な方向 (SV素子Ｂのピン止め層39の磁化軸38)
に恒久的に固定する必要がある。これは、ピン止め層の
各々の磁化を、それぞれのSV素子を流れる電流の方向に
垂直に、そして図１に示されたそれぞれの方向に、方向
付けるために必要である。４つの異なるピン止め層の磁
化を従来の技術のSV素子製作プロセスを用いて異なる方
向にピン止めすることはできない。なぜなら、固定する
ために外部から付加された磁界の使用は磁化の全てを同
じ方向になるように方向付け、センサー10をブリッジ回
路磁界センサーとして使用不可能にするからである。ピ
ン止め層をそれぞれの適切な方向に恒久的にピン止めす
ることは、導電性の固定層70により可能にされる。
【００３３】図４及び図５で、固定電流は導電性の固定
層70にあるリード72、74を通して流される (リード76、
78は固定プロセスには用いられないが、後述の他の用法
に予約されている)。 この電流の値は、その電流に関連
した磁界がピン止め層の磁化の正しい方向を決めるよう
に選択される。固定層70の各レッグを流れる電流の方向
はSV素子Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄのそれぞれ矢印91、92、93、94
で示される。SV素子の各々でピン止め層の磁化の方向は
周知の "右手の法則" で決められる。これらのピン止め
層の方向は図１に示されている。SV素子上の固定層70の
幅が10ミクロンである場合、固定層70を流れる230 mAの
電流がおよそ145 Ｏe の磁界を生成する。この磁界の方
向はブリッジの各レッグの電流の方向により各SV素子内
において"アップ" 又は "ダウン" である。反強磁性ピ
ン止め層がFe-Mn である場合、固定電流が付加されてい
るあいだ、センサー10はおよそ160〜180℃に加熱され
る。この温度は、隣接するピン止め層の磁化を揃えるよ
うにFe-Mn の下格子磁化をセットするのに必要な温度を
上回る。Fe-Mn の場合、このようにセットされた温度は
ブロッキング温度と呼ばれる。自由及びピン止めNi-Fe
層の両者の磁化は固定電流により生成された磁界に揃え
られる。ピン止めNi-Fe 層は隣接するFe-Mn 層に交換結
合されるので、それらの磁化はそれらの関連Fe-Mn 反強
磁性層の磁化と平行に揃えられる。そして固定電流が付
加され続けるあいだ、センサー10は冷却される。冷却の
後、Fe-Mn 反強磁性層は恒久的に固定された下格子磁化
方向を有し、更に交換結合のピン止め層の磁化を所望の
方向に恒久的にピン止めする。固定電流が遮断される
と、自由な層の磁化の方向は、SV素子の長さＬに大体平
行である最初の状態に戻る。異なるピン止め層の磁化の
方向を異なる方向に恒久的に固定するこのプロセスは、
たとえ個々のSV素子が全て同じ基板に形成されても、セ
ンスされる外部磁界と反対のセンス方向に各レッグが反
応する平衡ブリッジを生成する。
【００３４】固定電流の値、固定層の寸法及び固定する
手順は、SV素子のできるだけ大きいΔR/Rを得るために
重要である。固定層70とSV素子の間のオーバラップは、
層の位置合わせ及び層の幅の公差ならびに良好な磁界均
一性を提供するための製造可能性を容易にするために必
要である。このオーバラップは絶縁層60の厚さの少なく
とも３倍が必要である。オーバラップは、層70での導体
の幅が各SV素子の幅Ｗをオーバラップすべきであること
を意味する。このオーバラップはSV素子の各側でおよそ
３ミクロンになることがある。図４に示され、記述され
た実施例では、SV素子の幅は3.3 ミクロンであり、そし
てSV素子をオーバラップする固定導体の幅は10ミクロン
である。
【００３５】固定層70を流れる電流はSV素子に付加され
た横方向の磁界 Ｈtを次の式により決定する。この式
で、ＩはmA単位であり、Ｗf はミクロン単位の導体の幅
であり、そしてＨt はＯe 単位の磁界である。
【数６】Ｈt = ２πＩ/Ｗf (6)
【００３６】磁界 Ｈtの値は、SV素子が設定温度よりも
高い温度に加熱されたとき自由及びピン止め層の両者の
形状異方性磁界を克服することが必要であるので、少な
くとも２Ｈk(eff)でなければならない。Ｈk(eff)は形状
異方性磁界の平均値のみを含むので、ピン止め層のエッ
ジの正しい位置合わせを保証するためには３〜１０Ｈk
(eff)の範囲内のＨt の値が用いられねばならない。図
４に示された例では、ピン止め層を固定するのにＨt =
7 Ｈk(eff)が用いられた。
【００３７】磁界センサー10は固定電流により生成され
た熱及び周囲の (一般にオーブンからの) 熱の両者によ
り加熱され、その温度が上昇する。Fe-Mn が交換バイア
ス層として用いられる場合、この温度は一般に160〜180
℃である。これはFe-Mn のブロッキング温度分布の上端
である。温度要求が異なる他の反強磁性材料が交換バイ
アス層として選択されることがある。例えば、Ni-Mn は
およそ240 ℃の設定温度を有するので、ピン止め層の所
望の方向に交換磁界をセットするために、この温度で１
〜３時間にわたりアニーリングしなければならない。Ni
-Mn の温度がこの温度よりも高くなる場合、アニーリン
グ時間の短縮が必要になる。Ni-Mn の場合、設定温度は
ブロッキング温度ではなく、むしろ四辺形の位相遷移が
起きる温度である。最良の温度はFe-Mn では200 ℃、Ni
-Mn では250 ℃であるが、ピン止め層は膜特性の変化に
よるΔR/Rの損失を最小にするために固定されている。
【００３８】加熱の一部分は固定電流自体により供給さ
れる。温度上昇に対するこの寄与はセンサーの抵抗増加
の測定により計算されるが、固定電流が流れている既知
のセンサー材料の温度係数を用いている。この温度上昇
は30〜50℃の範囲内にあるものとして測定される。従っ
て、所望の温度と固定電流により生成された温度上昇と
の間の差温度のオーブン内にセンサーが置かれる。セン
サーの断熱の程度により、固定電流のみにより生じた加
熱が設定温度を越えることがある。この場合、センサー
は冷却することにより所望の温度に保持され、温度が有
意に設定温度よりも上昇しないことを保証する。
【００３９】Fe-Mn の交換バイアスが形成される場合、
センサーはFe-Mn のブロッキング温度よりもかなり低く
冷却されるが固定電流は流れているままであり、この時
点でピン止め層の全領域が所望の方向に固定される。そ
して固定電流は遮断される。Fe-Mn の代わりにNi-Mn の
交換バイアス層が形成される場合、センサーはおよそ１
〜３時間にわたりほぼ240 ℃にアニーリングされると同
時に、固定電流のセンサーへの供給が続けられる。これ
は、スパッタされたNi-Mn の反強磁性四辺形位相への変
形を、400 ℃を越えるブロッキング温度により保証す
る。交換バイアスの所望のレベルを得るのに十分な時間
にわたりNi-Mn がアニーリングされた後、固定電流を遮
断してセンサーを冷却することができる。
【００４０】各SV素子の反強磁性層としてFe-Mn を用い
るセンサーは最大ほぼ120 ℃の動作温度範囲及び最大ほ
ぼ150 ℃の貯蔵温度を有する。Fe-Mn の代わりにNi-Mn
を用いることにより最大動作温度はほぼ180 ℃に拡大で
きる。Ni-Fe との交換結合のためのNi-Mn の使用は Lin
et al,"Improved Exchange Coupling Between Ferroma
gnetic Ni-Fe and Antiferromagnetic Ni-Mn-based Fil
ms", Applied PhysicsLetters, Vol. 65, No. 9, Augus
t 1994, pp. 1183-1185に記述されている。Fe-Mn の代
わるNi-Mn の使用はセンサーの動作温度をほぼ60℃増加
するが、磁気抵抗 ΔR/R の低下により信号の大きさに
も15〜20％の損失を生ずる。これはスピンバルブ層内の
混じり合いの均一化によるものである。これは Sperios
u et al,"Role of Interfacial Mixing in Giant Magne
toresistance", Physical ReviewB, Vol. 47, NO. 17,
May 1, 1993-I, pp. 11579-11582 に記述されている。
【００４１】図５に示された層の配列は基板上の層の製
作の良好なシーケンスである。しかしながら、基板及び
SV素子の間に導電体固定層を置き、絶縁層60を導電体固
定層70及びSV素子の間に置くことによりセンサーを製作
することもできる。
【００４２】図示し説明したような磁界センサーは、基
板の平面内にある外部磁界の大きさを測定するセンサー
として動作するように設計される。しかしながら、測定
される電流を導電体固定層70を通して付加することによ
りセンサーは電流センサーとして動作することもでき
る。そして固定層は電流ストラップの働きもする。電流
は上記の式(6) により磁界を生成し、そしてこの磁界は
ブリッジセンサーにより検出される。図５で、電流はこ
のような用法の固定層70のリード76及び78の間に流され
る。あるいは、センスされる電流の経路として用いるた
めに、固定層から分離されたセンサーに別の電流ストラ
ップを形成することができる。
【００４３】磁界センサーは、付加された磁界Ｈの大き
さではなく勾配を測定するように製作することもでき
る。図１で、製作中に、SV素子Ａ及びＣがSV素子Ｂ及び
Ｄに等しいが反対の応答を有するように、固定電流が流
される場合、ブリッジは、SV素子Ｂ及びＤ (又は同様に
SV素子Ａ及びＣ) の間に現われる付加された磁界の値の
変化に感応する。この構成は、製作中に、例えば図５の
リード76及び78に固定電流入力を付加することにより達
成される。磁界勾配センサーとしての磁界センサーの製
作に続いて、そして磁界振幅センサー (図１)の場合と
同じように接続された入力及び出力リードにより、磁界
勾配センサーは次の式で与えられる応答を有する。この
式で、dH/dX は素子の長さＬに垂直な方向の磁界の勾配
であり、Ｓは同じ方向にある素子の間隙である。SV素子
Ａ及びＣの間隙Ｓは図５に示されている。式(7) の電圧
応答は磁界勾配の符号の測定値も与える。
【数７】 Ｖout = Ｖin・ΔR/R・S/4Ｈk(eff)・dH/dX (7)
【００４４】磁界センサー及び磁界勾配センサーの両者
のようなセンサーの良好な実施例では、図１に示すよう
に入力及び出力を接続する (即ち、第１のセットの端子
リード20、22の間に入力を、第２のセットの端子リード
24、26の間に出力を接続する) が、センサーは入力及び
出力接続を切替える (即ち、第２のセットのリード24、
26の間に入力を、そして第１のセットのリード20、22の
間に出力が接続する)ことによっても動作する。このよ
うな構成は動作するけれども、SV素子の自由な層のバイ
アス点での入力電流の方向の影響のために、最適動作に
満たない動作を与える。前述の Heim et al の論文に説
明されているように、最適動作に満たないバイアス点に
より、各SV素子の動的範囲は減少する。
【００４５】
【図面の簡単な説明】
【図１】SV素子を構成する種々の層の磁気方向を示すブ
リッジ回路磁界センサーの概要図である。
【図２】付加された又は外部の磁界の関数としてセンス
される１つのSV素子の抵抗レスポンスのグラフを示す図
である。
【図３】磁界の関数としてセンスされるブリッジ回路磁
界センサーの測定された電圧レスポンスのグラフを示す
図である。
【図４】基板上に形成されたブリッジ回路磁界センサー
構成素子層の平面図である。
【図５】基板上に形成された複数の層を示すブリッジ回
路磁界センサーの分解組立図である。
【図６】図４の断面X-X により描かれたブリッジ回路磁
界センサーの断面図である。
【図７】ブリッジ回路磁界センサーの構成に用いられる
タイプの典型的なSV素子を形成する、種々の製作段階で
の層を示す図である。
【図８】ブリッジ回路磁界センサーの構成に用いられる
タイプの典型的なSV素子を形成する、種々の製作段階で
の層を示す図である。
【図９】ブリッジ回路磁界センサーの構成に用いられる
タイプの典型的なSV素子を形成する、種々の製作段階で
の層を示す図である。
【図１０】ブリッジ回路磁界センサーの構成に用いられ
るタイプの典型的なSV素子を形成する、種々の製作段階
での層を示す図である。
【符号の説明】
10 ブリッジ回路磁界センサー 20 端子リード 22 端子リード 24 端子リード 26 端子リード 32 磁化軸 36 強磁性層 37 非磁性スペーサ層 38 磁化軸 39 強磁性層 41 反強磁性層 50 基板 60 絶縁層 70 導電性のSV素子固定層 72 リード 74 リード 76 リード 78 リード 80 絶縁層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ロバート・エドワード・フォンタナ、ジ ュニア アメリカ合衆国カリフォルニア州、サ ン・ノゼ、ノースリッジ・ドライブ 6596 (72)発明者 バージル・シモン・スペリオス アメリカ合衆国カリフォルニア州、サ ン・ノゼ、セント・ジュリー・ドライブ 351 (72)発明者 ジャクリン・ケトナー・スポング アメリカ合衆国カリフォルニア州、サ ン・ノゼ、キュリー・ドライブ 452 (56)参考文献 特開 平４−358310（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−369278（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−60336（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−111252（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−203340（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−223336（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−310327（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−326374（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01R 33/00 - 33/18 H01L 43/08

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】外部磁界に応答して出力電圧を生成するた
    めのブリッジ回路磁界センサーであって、 基板と、 前記基板上に形成された第１ないし第４のスピンバルブ
    素子と、 前記基板上に形成され且つ前記第１及び第２のスピンバ
    ルブ素子、前記第２及び第４のスピンバルブ素子、前記
    第４及び第３のスピンバルブ素子、並びに前記第３及び
    第１のスピンバルブ素子をそれぞれ相互接続する第１の
    導電体と、 前記基板上に形成された第２の導電体と、 前記スピンバルブ素子及び前記第２の導電体の間の絶縁
    層とを備え、 前記スピンバルブ素子の各々は、（ａ）磁界が付加され
    ないとき好ましい磁化軸を有する自由な強磁性層、
    （ｂ）前記自由な強磁性層に隣接する非磁性スペーサ
    層、（ｃ）前記スペーサ層に隣接するピン止め強磁性
    層、及び（ｄ）前記ピン止め強磁性層の磁化を前記自由
    な強磁性層の前記好ましい磁化軸に対し概ね垂直な方向
    にピン止めするために、前記ピン止め強磁性層に隣接し
    且つ接触する反強磁性材料の交換バイアス層をそれぞれ
    有し、前記第１ないし第４のスピンバルブ素子内にある
    前記自由な強磁性層の前記好ましい磁化軸は、実質的に
    互いに平行であり、前記第１及び第２のスピンバルブ素
    子内にある前記ピン止め強磁性層の磁化の方向は、実質
    的に互いに逆平行であり、前記第３及び第４のスピンバ
    ルブ素子内にある前記ピン止め強磁性層の磁化の方向
    は、実質的に互いに逆平行であり、 前記第１の導電体は、隣接するスピンバルブ素子の間に
    置かれた端子リードを有し、前記第１及び第２のスピン
    バルブ素子の間の端子リード、並びに前記第３及び第４
    のスピンバルブ素子の間の端子リードは、第１セットの
    端子リードを形成し、前記第１及び第３のスピンバルブ
    素子の間の端子リード、並びに前記第２及び第４のスピ
    ンバルブ素子の間の端子リードは、第２セットの端子リ
    ードを形成し、 前記第２の導電体は、前記センサーの製作中に前記スピ
    ンバルブ素子の前記ピン止め強磁性層の磁化の方向を決
    める固定電流の伝導のために前記スピンバルブ素子と位
    置合わせされる、 前記 磁界センサー。
  2. 【請求項２】前記第１及び第４のスピンバルブ素子は、
    それぞれのピン止め強磁性層の磁化方向が互いに平行に
    揃えられ、さらに前記第１セットの端子リードの間に接
    続された電源を備え、前記第２セットの端子リードの間
    の出力電圧が、実質的に前記基板の平面内にある外部磁
    界成分の測定値を表すようにした、請求項１に記載の磁
    界センサー。
  3. 【請求項３】前記第１及び第３のスピンバルブ素子は、
    それぞれのピン止め強磁性層の磁化方向が互いに平行に
    揃えられ、さらに前記第１セットの端子リードの間に接
    続された電源を備え、前記第２セットの端子リードの間
    の出力電圧が、実質的に前記基板の平面内にあり且つ前
    記スピンバルブ素子の長さ方向に概ね垂直な方向にある
    外部磁界成分の勾配の測定値を表すようにした、請求項
    １に記載の磁界センサー。
  4. 【請求項４】前記スピンバルブ素子は、長さ及び幅を持
    つ概ね四辺形の形状を有し、前記第２の導電体は、前記
    絶縁層の厚さの３倍よりも大きい距離だけ、前記スピン
    バルブ素子の各側のスピンバルブ素子の幅とオーバラッ
    プする、請求項１に記載の磁界センサー。
  5. 【請求項５】前記第２の導電体は、前記センサーの製作
    後に測定すべき電流を受取るように前記基板上に形成さ
    れた電流ストラップであり、前記電流ストラップを流れ
    る電流に関連する磁界を前記磁界センサーでセンスする
    ことにより、前記電流ストラップを流れる電流が測定さ
    れる、請求項１に記載の磁界センサー。
  6. 【請求項６】前記交換バイアス層は、鉄−マンガン又は
    ニッケル−鉄から成る、請求項１に記載の磁界センサ
    ー。
  7. 【請求項７】外部磁界に応答して出力電圧を生成するた
    めのブリッジ回路磁界センサーであって、 基板と、 各々が長さ及び幅を持つ概ね四辺形の形状を有するよう
    に前記基板上に形成され且つそれぞれの長さ方向が概ね
    平行に揃えられた第１ないし第４のスピンバルブ素子
    と、 前記基板上に形成され且つ前記第１及び第２のスピンバ
    ルブ素子、前記第２及び第４のスピンバルブ素子、前記
    第４及び第３のスピンバルブ素子、並びに前記第３及び
    第１のスピンバルブ素子をそれぞれ相互接続する第１の
    導電体と、 前記基板上に形成された第２の導電体と、 前記スピンバルブ素子及び前記第２の導電体の間の絶縁
    層と、 電源とを備え、 前記スピンバルブ素子の各々は、（ａ）磁界が付加され
    ないとき当該スピンバルブ素子の長さ方向に対し概ね平
    行な好ましい磁化軸を有する自由な強磁性層、（ｂ）前
    記自由な強磁性層に隣接する非磁性スペーサ層、（ｃ）
    前記スペーサ層に隣接するピン止め強磁性層、及び
    （ｄ）前記ピン止め強磁性層の磁化を当該スピンバルブ
    素子の幅方向に対し概ね平行な方向にピン止めするため
    に、前記ピン止め強磁性層に隣接し且つ接触する反強磁
    性材料の交換バイアス層 をそれぞれ有し、前記第１及び
    第４のスピンバルブ素子内にある前記ピン止め強磁性層
    の磁化の方向は、実質的に互いに平行であり且つ他の２
    つの前記ピン止め強磁性層の磁化の方向と実質的に逆平
    行であり、 前記第１の導電体は、隣接するスピンバルブ素子の間に
    置かれた端子リードを有し、前記第１及び第２のスピン
    バルブ素子の間の端子リード、並びに前記第３及び第４
    のスピンバルブ素子の間の端子リードは、前記電源を接
    続するための前記センサーの入力リードを形成し、前記
    第１及び第３のスピンバルブ素子の間の端子リード、並
    びに前記第２及び第４のスピンバルブ素子の間の端子リ
    ードは、前記センサーの出力リードを形成し、 前記第２の導電体は、前記センサーの製作中に前記スピ
    ンバルブ素子の前記ピ ン止め強磁性層の磁化の方向を決
    める固定電流の伝導のために前記スピンバルブ素子と位
    置合わせされ、 前記出力リードの間の出力電圧が、実質的に前記基板の
    平面内にあり且つ前記スピンバルブ素子の長さ方向に実
    質的に垂直な方向にある外部磁界成分の測定値を表すよ
    うにした、 前記磁界センサー。
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