JP5021764B2 - 磁気センサ - Google Patents

Description

本発明は、従来に比べて、素子部の抵抗温度係数（ＴＣＲ）をゼロに近づけることができ動作安定性を向上させることが可能な磁気センサに関する。

外部磁界に対して電気抵抗値が変動する磁気抵抗効果を利用した磁気抵抗効果素子は磁気センサとして使用できる。

従来では、前記磁気抵抗効果素子が持つ抵抗温度係数（ＴＣＲ）により、温度変化があると抵抗値が変動してしまう。このため、広い温度範囲で安定した動作が得られないといった問題があった。

例えば下記の特許文献１に記載された発明には、「式（５）および（６）による信号は次いでそれ自体は公知の仕方で適当な回路を用いて温度補償され・・」（特許文献１の［００２３］欄参照）との記載がある。

また特許文献２に記載された発明は、温度補償用巨大磁気抵抗効果素子を非平坦部に形成するものである。

また特許文献３に記載された発明では、磁気抵抗効果素子に並列に分流器が接続され、前記分流器の抵抗温度係数は前記磁気抵抗効果素子と異符号にしている。

しかしながら上記した各特許文献に記載された発明では、寄生抵抗が増大したり、あるいは、温度補償用磁気抵抗効果素子の形成が複雑化したり、または回路構成が複雑化する等の問題があった。

また、磁気抵抗効果素子が外部磁界により抵抗変化し、Ｒ−Ｈ曲線上での最小抵抗値Ｒｍｉｎ、最大抵抗値Ｒｍａｘ、あるいは、最小抵抗値Ｒｍｉｎから最大抵抗値Ｒｍａｘの間のいずれの抵抗値のときでも抵抗温度係数（ＴＣＲ）がゼロに近づくように調整しなければならないが、かかる点について上記の特許文献では何ら考慮がなされていない。
特開平１０−７０３２５号公報 特開２００１−２１７４８４号公報 特表２００５−５０５７５０号公報

そこで本発明は上記従来の課題を解決するためのものであり、特に、磁気抵抗効果素子を備える素子部の抵抗温度係数（ＴＣＲ）（絶対値）をＲ−Ｈ曲線上における全抵抗範囲に対して従来よりも簡単且つ適切に小さくできる磁気センサを提供することを目的とする。

本発明は、外部磁界に対して電気抵抗値が変動する磁気抵抗効果を利用した素子部を備える磁気センサであって、
前記素子部は、反強磁性層、磁化方向が固定される固定磁性層、非磁性導電層及び磁化方向が外部磁界により変動可能なフリー磁性層を順に積層して成る巨大磁気抵抗効果素子と、Ｒ−Ｈ曲線上での最小抵抗値Ｒｍｉｎに対する抵抗温度係数及びＲ−Ｈ曲線上での最大抵抗値Ｒｍａｘに対する抵抗温度係数が前記巨大磁気抵抗効果素子と異符号であり、前記反強磁性層、前記固定磁性層、絶縁障壁層、及び前記フリー磁性層を順に積層して成るトンネル型磁気抵抗効果素子とを少なくとも一つずつ備え、
前記巨大磁気抵抗効果素子及び前記トンネル型磁気抵抗効果素子は直列接続されていることを特徴とするものである。

これにより、素子部の抵抗温度係数（ＴＣＲ）（絶対値）をＲ−Ｈ曲線上における全抵抗範囲に対して従来よりも簡単且つ適切に小さくできる。また余分な寄生抵抗が増大することもない。

また本発明では、前記素子部を構成する前記巨大磁気抵抗効果素子及び前記トンネル型磁気抵抗効果素子の前記固定磁性層の固定磁化方向が同一方向である構成に好適に適用される。

また本発明では、基板上に前記巨大磁気抵抗効果素子及び前記トンネル型磁気抵抗効果素子が間隔を空けて形成され、前記巨大磁気抵抗効果素子及び前記トンネル型磁気抵抗効果素子とが非磁性導電材料より成る電極層を介して直列接続されていることが好ましい。

本発明では、前記巨大磁気抵抗効果素子と前記トンネル型磁気抵抗効果素子は、上面同士あるいは下面同士が前記電極層を介して直列接続されることが好ましい。巨大磁気抵抗効果素子は、膜面に対して垂直方向に電流が流されるＣＰＰ−ＧＭＲ素子である。このような構成にすることで前記巨大磁気抵抗効果素子及びトンネル型磁気抵抗効果素子を適切且つ容易に直列接続できる。

また本発明では、前記巨大磁気抵抗効果素子、前記トンネル型磁気抵抗効果素子及び前記電極層を有して成る前記素子部の平面形状が折り返し形状となるように、前記巨大磁気抵抗効果素子及び前記トンネル型磁気抵抗効果素子が配置されていることが好ましい。所定の設置面積内に、前記巨大磁気抵抗効果素子及びトンネル型磁気抵抗効果素子の双方を効率よく配置できる。

また本発明では、基板表面と平行な面方向からの前記巨大磁気抵抗効果素子の断面積は、基板表面と平行な面方向からの前記トンネル型磁気抵抗効果素子の断面積に比べて小さいことが好ましい。これにより、前記巨大磁気抵抗効果素子と前記トンネル型磁気抵抗効果素子との抵抗値が一致するように合わせ込みやすい。特に、本発明では、基板上に、巨大磁気抵抗効果素子及び前記トンネル型磁気抵抗効果素子を間隔を空けて配置することで、各素子の断面積を調整しやすい。

また本発明では、基板表面と平行な面方向からの前記巨大磁気抵抗効果素子及び前記トンネル型磁気抵抗効果素子の断面形状は略円形状であることが好ましい。形状異方性を小さくでき、どの方向からの外部磁場に対しても適切に抵抗変化が生じ、検知精度を向上させることが可能である。

本発明の磁気センサによれば、素子部の抵抗温度係数（ＴＣＲ）（絶対値）をＲ−Ｈ曲線上での全抵抗範囲に対して従来よりも簡単且つ適切に小さくできる。また余分な寄生抵抗が増大することもない。

図１（ａ）は、本実施形態における磁気センサを構成する一つの素子部の部分平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）に示す一点鎖線上を膜厚方向から切断しその切断面を示す部分断面図、図２は、前記素子部を構成するトンネル型磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）を膜厚方向から切断しその切断面を示す部分断面図、図３は、前記素子部を構成する巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）を膜厚方向から切断しその切断面を示す部分断面図、図４は、本実施形態における磁気センサの回路構成図、図５は、図１とは別の本実施形態における磁気センサを構成する一つの素子部を膜厚方向から切断しその切断面を示す部分断面図、図６は、図５の素子部を構成するトンネル型磁気抵抗効果素子と巨大磁気抵抗効果素子とが積層された積層素子を膜厚方向から切断しその切断面を示す部分断面図、図７は、トンネル型磁気抵抗効果素子及び巨大磁気抵抗効果素子のＲ−Ｈ曲線図、である。

図４に示すように本実施形態の磁気センサＳは、４つの素子部１〜４がブリッジ回路を構成している。

図４に示すように、第１素子部１と第２素子部２は出力取出し部６を介して直列接続されている。また第３素子部３と第４素子部４は出力取出し部７を介して直列接続されている。図４に示すように出力取出し部６，７は差動増幅器８に接続される。図４に示すように第２素子部２と第３素子部３は入力端子９を介して接続されており、第１素子部１と第４素子部４はグランド端子１０を介して接続されている。また前記差動増幅器８の出力側には外部出力端子１１が接続されている。

この実施形態での第１素子部１は、複数個のトンネル型磁気抵抗効果素子（以下、ＴＭＲ素子という）と、巨大磁気抵抗効果素子（以下、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子という）とが直列に接続された構成である。第２素子部２、第３素子部３及び第４素子部４も、第１素子部１と同じ構成である。

以下では第１素子部１の構成として説明するが、第２素子部２、第３素子部３及び第４素子部４にも当てはまる。

図１に示すように、第１素子部１は、基板２０上にＴＭＲ素子２１及びＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２が複数個、間隔を空けて配置されている。

図１（ａ）の構成では、図示Ｘ方向にＴＭＲ素子２１及びＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２を合わせて３個配列し、図示Ｙ方向に、ＴＭＲ素子２１及びＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２を１個ずつ配列して、計６個のＴＭＲ素子２１及びＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２を備える。

図１（ａ）（ｂ）に示すように、基板２０上には、図示Ｙ方向に延びる下側電極層２３が図示Ｘ方向に所定の間隔を空けて形成されている。

各下側電極層２３上には、図示Ｙ方向に間隔を空けて前記ＴＭＲ素子２１及びＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２が１個ずつ形成されている。

図１（ａ）に示すように最も図示左側にある下側電極層２３上には図示上側にＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２、図示下側にＴＭＲ素子２１が形成される。図示真ん中にある下側電極層２３上には図示上側にＴＭＲ素子２１、図示下側にＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２が形成される。最も図示右側にある下側電極層２３上には図示上側にＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２、図示下側にＴＭＲ素子２１が形成される。

そして図１（ａ）（ｂ）に示すように、隣合う下側電極層２３上のＴＭＲ素子２１の上面とＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２の上面間が上側電極層２４にて接続され、前記ＴＭＲ素子２１及びＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２とが前記下側電極層２３及び上側電極層２４を介して交互に直列接続された構成となっている（図４も参照）。

なお図１（ｂ）には図示しないが、下側電極層２３の周囲、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２やＴＭＲ素子２１の周囲、及び上側電極層２４の周囲は絶縁層で埋められている。

ＣＰＰ（Current perpendicular to the plane）−ＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２は、その上下に電極層２３、２４が設けられ、電流がＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２内を膜厚方向（Ｚ方向）に流れる。一方、電流がＧＭＲ素子内を膜面と平行な方向に流れるタイプをＣＩＰ（Current In the Plane）−ＧＭＲ素子と呼ぶ。一方、ＴＭＲ素子２１は、必ずその上下に電極層２３，２４を設けて、電流がＴＭＲ素子２１内を膜厚方向に流れるようにしないと機能しない素子である。

図２に示すように、ＴＭＲ素子２１は、例えば下から下地層３０、反強磁性層３１、固定磁性層３２、絶縁障壁層３３、フリー磁性層３４及び保護層３５の順に積層される。例えば下地層３０はＴａ、反強磁性層３１はＩｒＭｎ、固定磁性層３２は、ＣｏＦｅＢ、絶縁障壁層３３はＭｇＯ、フリー磁性層３４はＣｏＦｅＢ、保護層３５はＴａである。積層構造は図２の構成に限定されない。例えば固定磁性層３２は第１磁性層／非磁性中間層／第２磁性層の積層フェリ構造に出来る。

図３に示すように、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２は、例えば、下から下地層４０、下側反強磁性層４１、下側固定磁性層４２、下側非磁性導電層４３、フリー磁性層４４、上側非磁性導電層４５、上側固定磁性層４６、上側反強磁性層４７及び保護層４８の順に積層される。例えば下地層３０はＴａ、反強磁性層４１，４７はＩｒＭｎ、固定磁性層４２，４６は、ＦｅＣｏ、非磁性導電層４３，４５は、Ｃｕ、フリー磁性層４４は、ＣｏＭｎＧｅ、保護層４８はＴａである。積層構造は図２の構成に限定されない。例えば固定磁性層４２，４６は第１磁性層／非磁性中間層／第２磁性層の積層フェリ構造に出来る。また図３の構成では、フリー磁性層４４を中心にその上下に非磁性導電層、固定磁性層、反強磁性層が１層ずつ積層されたデュアル型のＧＭＲ素子であるが、反強磁性層、固定磁性層、非磁性導電層、フリー磁性層が１層ずつ形成されたシングル型のＧＭＲ素子であっても当然によい。

図３のように、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２をデュアル型にした一つの理由は、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２の素子抵抗がＴＭＲ素子２１の素子抵抗に近づくように、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２の素子抵抗を大きくするためである。

また図１に示すように、基板表面と平行な平面（ＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２の膜面と平行な面（Ｘ−Ｙ面））方向からのＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２の断面積は、基板表面と平行な平面方向からのＴＭＲ素子２１の断面積よりも小さい。これによりＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２の素子抵抗を大きくでき、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２の素子抵抗を、絶縁障壁層３３を備えることで大きいＴＭＲ素子２１の素子抵抗に、より効果的に近づけることができる。

また、図１（ａ）に示すように、基板表面と平行な面（Ｘ−Ｙ面）方向からのＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２及びＴＭＲ素子２１の断面形状はいずれも略円形状である。このため形状異方性が小さく、外部磁界がどの方向から及んでも、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２及びＴＭＲ素子２１を構成するフリー磁性層３４，４４が、感度良く反応し、検知精度の向上を図ることが出来る。

ＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２及びＴＭＲ素子２１を構成する固定磁性層３２，４２，４６の固定磁化方向（Ｐ方向）は共に同じ方向である。図１（ａ）では、前記固定磁性層３２，４２，４６の固定磁化方向（Ｐ方向）を例えば図示Ｙ方向に設定している。

よってＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２及びＴＭＲ素子２１のＲ−Ｈ曲線は共に図７のような図となる。図７のＲ−Ｈ曲線での横軸は外部磁界Ｈの磁界強度を示す。正値と負値があるのは外部磁界が反平行であることを意味する。縦軸の抵抗値Ｒは抵抗変化率（Ｒ／Ｒ）であってもよい。図７に示すように、外部磁界Ｈの強度変化によりＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２やＴＭＲ素子２１の電気抵抗値は変動し、ある外部磁界Ｈの磁界強度のときに、最大抵抗値Ｒｍａｘあるいは最小抵抗値Ｒｍｉｎとなる。

ＴＭＲ素子２１及びＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２は夫々、固有の抵抗温度係数（ＴＣＲ；Temperature Coefficient of Resistivity）を備えている。ただしＴＭＲ素子２１及びＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２共に、抵抗温度係数（ＴＣＲ）は、Ｒ−Ｈ曲線上の抵抗値が異なると異なる値となる。

本実施形態では、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２のＲ−Ｈ曲線上での最小抵抗値Ｒｍｉｎ（図７参照）に対する抵抗温度係数（ＴＣＲ）及び最大抵抗値Ｒｍａｘ（図７参照）に対する抵抗温度係数（ＴＣＲ）は、いずれも正値である。一方、ＴＭＲ素子２１の最小抵抗値Ｒｍｉｎに対する抵抗温度係数（ＴＣＲ）、及び最大抵抗値Ｒｍａｘに対する抵抗温度係数（ＴＣＲ）はいずれも負値である。

ここで最小抵抗値Ｒｍｉｎに対する抵抗温度係数（ＴＣＲ）は、（Ｒｍｉｎ（８５℃）−Ｒｍｉｎ（２５℃））／Ｒｍｉｎ（２５℃）／（８５−２５）×１０^６（ｐｐｍ／℃）で定義される。一方、最大抵抗値Ｒｍａｘに対する抵抗温度係数（ＴＣＲ）は、（Ｒｍａｘ（８５℃）−Ｒｍａｘ（２５℃））／Ｒｍａｘ（２５℃）／（８５−２５）×１０^６（ｐｐｍ／℃）で定義される。

ＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２のＲ−Ｈ曲線上での最小抵抗値Ｒｍｉｎに対する抵抗温度係数（ＴＣＲ）は１００〜２０００ｐｐｍ／℃程度の範囲内であり、ＴＭＲ素子２１のＲ−Ｈ曲線上での最小抵抗値Ｒｍｉｎに対する抵抗温度係数（ＴＣＲ）は−１００〜−１０００ｐｐｍ／℃程度の範囲内である。また、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２のＲ−Ｈ曲線上での最大抵抗値Ｒｍａｘに対する抵抗温度係数（ＴＣＲ）は１００〜２０００ｐｐｍ／℃程度の範囲内であり、ＴＭＲ素子２１のＲ−Ｈ曲線上での最大抵抗値Ｒｍａｘに対する抵抗温度係数（ＴＣＲ）は−５００〜−２０００ｐｐｍ／℃程度の範囲内である。

本実施形態では、第１素子部１は、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２及びＴＭＲ素子２１が直列接続された構成で、Ｒ−Ｈ曲線上での最小抵抗値Ｒｍｉｎに対する抵抗温度係数（ＴＣＲ）、及び、最大抵抗値Ｒｍａｘに対する抵抗温度係数（ＴＣＲ）がＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２とＴＭＲ素子２１とでは夫々、異符号であるため、第１素子部１としての前記最小抵抗値Ｒｍｉｎに対する抵抗温度係数（ＴＣＲ）、及び、前記最大抵抗値Ｒｍａｘに対する抵抗温度係数（ＴＣＲ）を、夫々、ゼロに近づけることが可能となる。そして最小抵抗値Ｒｍｉｎから最大抵抗値Ｒｍａｘの間の抵抗値に対する抵抗温度係数は、最小抵抗値Ｒｍｉｎに対する抵抗温度係数から最大抵抗値Ｒｍａｘに対する抵抗温度係数の間の値をとる。よって、本実施形態のように、第１素子部１のＲ−Ｈ曲線上での最小抵抗値Ｒｍｉｎに対する抵抗温度係数（ＴＣＲ）（絶対値）、及び、最大抵抗値Ｒｍａｘに対する抵抗温度係数（ＴＣＲ）（絶対値）の双方が小さくなるように調整することで、第１素子部１の抵抗温度係数（ＴＣＲ）（絶対値）をＲ−Ｈ曲線上での全抵抗範囲に対して従来よりも簡単且つ適切に小さくすることができる。

例えば後述する実験で示すように、第１素子部１をＴＭＲ素子２２とＴａ層とを直列接続した構成では、Ｔａ層の抵抗温度係数（ＴＣＲ）は、正値であり、ＴＭＲ素子２２の抵抗温度係数（ＴＣＲ）とは異符号である。

しかしながら、Ｔａ層には当然ながら図７に示すようなＲ−Ｈ曲線を描く特性は無いから（外部磁界に対して抵抗変化しない）、例えば、Ｔａ層の抵抗温度係数（ＴＣＲ）を、第１素子部１のＲ−Ｈ曲線上での最小抵抗値Ｒｍｉｎに対する抵抗温度係数（ＴＣＲ）（絶対値）が小さくなるように調整しても、第１素子部１のＲ−Ｈ曲線上での最大抵抗値Ｒｍａｘに対する抵抗温度係数（ＴＣＲ）（絶対値）は依然として大きいままであり、第１素子部１の抵抗温度係数（ＴＣＲ）（絶対値）をＲ−Ｈ曲線上での全抵抗範囲に対して適切に小さくできない。

これに対して本実施形態のように、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２とＴＭＲ素子２１とを直列接続して第１素子部１を構成することで、第１素子部１の抵抗温度係数（ＴＣＲ）（絶対値）をＲ−Ｈ曲線上での全抵抗範囲に対して小さくすることが可能になる。

第１素子部１の抵抗温度係数は、ＴＭＲ素子２１及びＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２の抵抗値や素子数により調整できる。例えば素子数については、図１（ａ）のようにＴＭＲ素子２１及びＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２が同数である必要はない。第１素子部１の抵抗温度係数が上記範囲内に入れば、最低、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２及びＴＭＲ素子２１が１つずつあれば素子数は関係ない。また、素子の繋ぎ方も任意である。図１（ａ）では、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２とＴＭＲ素子２１とを交互に直列接続しているが、交互に接続する必要性はない。例えばＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２−ＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２−ＴＭＲ素子２１−ＴＭＲ素子２１のように接続してもよい。

なお、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２の抵抗温度係数（ＴＣＲ）（絶対値）とＴＭＲ素子２１抵抗温度係数（ＴＣＲ）（絶対値）とでは、近い値になり、素子部の抵抗温度係数が小さくなるように調整しやすい。

また、本実施形態では、寄生抵抗となるべき部分が下側電極層２３や上側電極層２４の部分しかなく、前記下側電極層２３及び上側電極層２４をＡｌやＡｕ等の良導体で形成すれば寄生抵抗を非常に小さくできるため、前記第１素子部１の抵抗温度係数にほとんど影響を与えない。

ここで寸法等について説明する。ＴＭＲ素子２１の膜面と平行な面（Ｘ−Ｙ面）での断面積は、１０〜１００μｍ^２の範囲内である（図１（ａ）参照）。ＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２の膜面と平行な面（Ｘ−Ｙ面）での断面積は、１〜１０μｍ^２の範囲内である（図１（ａ）参照）。ＴＭＲ素子２１の膜厚は５００〜１０００Åの範囲内である（図１（ｂ）参照）。ＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２の膜厚は５００〜１０００Åの範囲内である（図１（ｂ）参照）。Ｘ方向にて隣り合う素子間の距離Ｔ１及びＹ方向にて隣り合う素子間の距離Ｔ２は、５〜１００μｍである。ＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２及びＴＭＲ素子２１のＲ−Ｈ曲線上での最小抵抗値Ｒｍｉｎ（２５℃のとき）は、１０〜１０ｋΩの範囲内であり、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２及びＴＭＲ素子２１のＲ−Ｈ曲線上での最大抵抗値Ｒｍａｘ（２５℃のとき）は、１２〜３０ｋΩの範囲内である。

第２素子部２、第３素子部３及び第４素子部４も図１〜図３で説明した第１素子部１の構成と同じである。ここで、第３素子部３を構成するＴＭＲ素子２１やＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２の固定磁性層の固定磁化方向（Ｐ方向）は第１素子部１と同じであるが、第２素子部２及び第４素子部４を構成するＴＭＲ素子２１やＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２の固定磁性層の固定磁化方向（Ｐ方向）は第１素子部１とは反対方向である（図４参照）。

これにより図４に示すブリッジ回路において、第１素子部１及び第３素子部３の電気抵抗値が上昇するときは、第２素子部２及び第４素子部４の電気抵抗値は低下する関係にあり、第１素子部１及び第３素子部３の電気抵抗値が低下するときは、第２素子部２及び第４素子部４の電気抵抗値は上昇する関係にある。よって差動増幅器８にて大きい差動出力を得ることができる。なおブリッジ回路でなく、出力取出し部６を介して直列接続された第１素子部１と第２素子部２を備える回路構成でもよいが、ブリッジ回路を構成して差動出力を得ることで出力値を大きくでき、検知精度の向上を図ることが可能である。

図１に示す実施形態では、基板２０上に、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２とＴＭＲ素子２１が間隔を空けて形成された形態である。ＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２とＴＭＲ素子２１とを別々の基板を用いて形成することも可能であるが、共通の基板２０上に形成することも可能である。ただしＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２とＴＭＲ素子２１とでは積層構造が異なるため、例えばＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２を先に形成した後、前記ＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２をレジスト等でマスクした状態で、ＴＭＲ素子２１を形成し、その後、マスクを除去する。なお図１、図４に示す第１素子部１及び第３素子部３を構成するＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２及びＴＭＲ素子２１の固定磁性層の固定磁化方向（Ｐ方向）は同じ方向であるから、第１素子部１及び第３素子部３を構成するＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２及びＴＭＲ素子２１を成膜後、同じ磁場中アニール工程により固定磁性層の固定磁化できる。第２素子部２及び第４素子部４を、第１素子部１及び第３素子部３と別の工程にて別の基板上に形成した後、第１素子部１及び第３素子部３を備える基板と、第２素子部２及び第４素子部４を備える基板とを接合して図４に示すブリッジ回路を形成する。あるいは、第１素子部１〜第４素子部４までを共通の基板上に形成し、第１素子部１及び第３素子部３と、第２素子部２及び第４素子部４とに分けて基板を切断し、その後、第２素子部２及び第４素子部４を備える基板を、１８０度反転させて、第１素子部１及び第３素子部３を備える基板と、第２素子部２及び第４素子部４を備える基板とを接合して図４に示すブリッジ回路を形成してもよい。

基板２０上にＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２とＴＭＲ素子２１を間隔を空けて形成する形態では、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２とＴＭＲ素子２１とを別々に形成できるため、図１に示すように、基板表面と平行な面方向（Ｘ−Ｙ面）からのＴＭＲ素子２１の断面積がＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２の前記断面積より大きくなるように、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２及びＴＭＲ素子２１を形成しやすい。

また、図１（ａ）に示すように、ＴＭＲ素子２１、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２、下側電極層２３、及び上側電極層２４を備えて成る第１素子部１の平面形状は折り返し形状となっている。図１（ａ）では、複数回、折り返されて、前記第１素子部１の平面形状はつづら折り形状となっている。このように第１素子部１の平面形状が折り返し形状となるように、ＴＭＲ素子２１及びＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２を配置することで、所定の設置面積内に、効率良く、複数のＴＭＲ素子２１及びＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２を配置できる。

また、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２に代えて、ＣＩＰ−ＧＭＲ素子を用いてもよいが、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２であるとＴＭＲ素子２１と同じ電極配置となるので、簡単且つ適切にＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２とＴＭＲ素子２１間を電極層２３，２４を介して直列接続できる。

本実施形態では、図５に示すように、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２とＴＭＲ素子２１とを積層して形成してもよい。図５では、ＴＭＲ素子２１上にＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２を積層した積層素子５０を形成している。前記積層素子５０をＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２上にＴＭＲ素子２１を積層した構成としてもよい。図５に示すように前記積層素子５０を複数設け、各積層素子５０を、下側電極層２３あるいは上側電極層２４を介して直列に接続している。この図５の構成でも図４に示す第１素子部１の回路構成となる。

図５に示す積層素子５０は、ＴＭＲ素子２１を構成するフリー磁性層と、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２を構成するフリー磁性層とが共通の層として設けられている（図５での符号５８の層）。

各積層素子５０は図６に示す層構造である。前記積層素子５０は、下から下地層５１、シード層５２、反強磁性層５３、固定磁性層６５、絶縁障壁層５７、フリー磁性層５８、非磁性導電層５９、固定磁性層６６、反強磁性層６３、及び保護層６４の順に積層される。シード層５２は反強磁性層５３の結晶配向を整える層である。固定磁性層６５，６６の固定磁化方向は共に同じ方向である。また積層素子５０の膜面と平行な面（Ｘ−Ｙ面）での断面は、図１（ａ）に示すＴＭＲ素子２１やＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２と同様に略円形状であることが好適である。各層の材質については、図２，図３での説明を参照されたい。

図６に示すように、固定磁性層６５，６６はいずれも、第１磁性層５４，６２、非磁性中間層５５，６１及び第２磁性層５６，６０の積層フェリ構造である。

図６に示すように、フリー磁性層５８を共通の層として、前記フリー磁性層５８の下側にＴＭＲ素子２１を構成する反強磁性層５３、固定磁性層６５及び絶縁障壁層５７が積層されている。また前記フリー磁性層５８の上側にＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２を構成する非磁性導電層５９、固定磁性層６６及び反強磁性層６３が積層されている。

ＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２をＴＭＲ素子２１の上側に配置すると、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２の膜面（Ｘ−Ｙ面）と平行な面方向からの断面積を、ＴＭＲ素子２１の膜面（Ｘ−Ｙ面）と平行な面方向からの断面積より小さく形成しやすい。図６に示す積層素子５０の側面は図６の形態では図示Ｚ方向と平行であるが、実際には下方に向かうほど積層素子５０の幅寸法（Ｘ方向への寸法）が広がるように傾斜している。

ただし、図１の実施形態ほど、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２の膜面（Ｘ−Ｙ面）と平行な面方向からの断面積を、ＴＭＲ素子２１の膜面（Ｘ−Ｙ面）と平行な面方向からの断面積より小さく形成することは困難である。よって、図６の実施形態では例えば非磁性導電層５９内に電流制限層６７を設ける。電流制限層６７は複数の貫通孔が形成された絶縁物であることが好適である。電流制限層６７は、Ａｌ，Ｍｇ，Ｃｕ等の酸化物、窒化物等である。電流制限層６７により電流経路が小さくなることで見かけ上、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２の断面積を小さくできる。

なおＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２とＴＭＲ素子２１とを積層した積層素子は、例えば図２に示す積層構造のＴＭＲ素子２１上に図３に示す積層構造のＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２を積層した構成でもよい。この場合、ＴＭＲ素子２１及びＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２の夫々に個別にフリー磁性層を備える。

本実施形態の磁気センサＳは、特に用途を限定しない。外部磁界を検知する用途であれば磁気スイッチやポテンショメータ等として使用可能である。

ＴＭＲ素子２１、及びＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２を以下の層構成にて形成した。
（ＴＭＲ素子２１の層構成）
下から、下地層３０；Ｔａ（２００）／シード層；Ｒｕ（４０）／反強磁性層３１；Ｉｒ_{２０ａｔ％}Ｍｎ_{８０ａｔ％}（８０）／固定磁性層３２［第１磁性層；Ｃｏ_{７０ａｔ％}Ｆｅ_{３０ａｔ％}（２２）／非磁性中間層；Ｒｕ（９．１）／第２磁性層；［｛Ｃｏ_５０Ｆｅ_５０｝_{７０ａｔ％}Ｂ_{３０ａｔ％}（１８）／Ｃｏ_{５０ａｔ％}Ｆｅ_{５０ａｔ％}（８）］］／絶縁障壁層３３；Ｍｇ_{５０ａｔ％}Ｏ_{５０ａｔ％}／フリー磁性層３４［Ｃｏ_{５０ａｔ％}Ｆｅ_{５０ａｔ％}（１０）／｛Ｃｏ_５０Ｆｅ_５０｝_{７０ａｔ％}Ｂ_{３０ａｔ％}（１５）］／保護層３５；［Ｒｕ（２０）／Ｔａ（３６０）］の順に積層した。上記各層の括弧内の数値はいずれも膜厚を示し単位はÅである。ＴＭＲ素子２１の総膜厚は８００Åであった。

なお、膜面と平行な面方向からの断面積（素子面積）が１０μｍ^２（３．５７μｍφ）、Ｒ−Ｈ曲線上での最小抵抗値Ｒｍｉｎ（２５℃のとき）が１０Ωとなるように設計した。

（ＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２の層構成）
下から、下地層３０；Ｔａ（３０）／シード層；{Ｎｉ_８０Ｆｅ_２０}_{６４ａｔ％}Ｃｒ_{３６ａｔ％}（５０）／下側反強磁性層４１；Ｉｒ_{２０ａｔ％}Ｍｎ_{８０ａｔ％}（７０）／下側固定磁性層４２［第１磁性層；Ｃｏ_{７０ａｔ％}Ｆｅ_{３０ａｔ％}（３０）／非磁性中間層；Ｒｕ（９．１）／第２磁性層；［Ｃｏ_{６０ａｔ％}Ｆｅ_{４０ａｔ％}（１０）／Ｃｏ_{５０ａｔ％}Ｍｎ_{２５ａｔ％}Ｇｅ_{２５ａｔ％}（４０）］］／下側非磁性導電層４３；Ｃｕ（５０）／フリー磁性層４４；Ｃｏ_{５０ａｔ％}Ｍｎ_{２５ａｔ％}Ｇｅ_{２５ａｔ％}（８０）／上側非磁性導電層４５；Ｃｕ（５０）／上側固定磁性層４６［［第２磁性層；Ｃｏ_{５０ａｔ％}Ｍｎ_{２５ａｔ％}Ｇｅ_{２５ａｔ％}（４０）／Ｃｏ_{６０ａｔ％}Ｆｅ_{４０ａｔ％}（１０）／非磁性中間層；Ｒｕ（９．１）／第１磁性層；Ｃｏ_{６０ａｔ％}Ｆｅ_{４０ａｔ％}（３０）］／上側反強磁性層４７；Ｉｒ_{２０ａｔ％}Ｍｎ_{８０ａｔ％}（７０）／保護層４８；Ｔａ（２２２）の順に積層した。上記各層の括弧内の数値はいずれも膜厚を示し単位はÅである。ＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２の総膜厚は８００Åであった。

なお、膜面と平行な面方向からの断面積（素子面積）が０．０１μｍ^２（０．１１３μｍφ）、Ｒ−Ｈ曲線上での最小抵抗値Ｒｍｉｎ（２５℃のとき）が１０Ωとなるように設計した。

また、ＴＭＲ素子２１及びＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２とは別にＴａ層を８００Åの膜厚で形成した。Ｔａ層を、膜面と平行な面方向からの断面積（素子面積）が０．０１５μｍ^２（０．１４μｍφ）、素子抵抗（２５℃のとき）が１０Ωとなるように設計した。Ｔａ層にもＴＭＲ素子２１やＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２と同様に膜厚方向から電流を流した。

図８は、ＴＭＲ素子２１における温度と、規格化抵抗との関係を示すグラフである。２５℃のときの抵抗値を１として規格化した。規格化抵抗は、図７に示すＲ−Ｈ曲線上での最小抵抗値Ｒｍｉｎ及び最大抵抗値Ｒｍａｘの双方について測定した。図８に示す温度と規格化抵抗との実験結果から、ＴＭＲ素子２１の最小抵抗値Ｒｍｉｎに対する抵抗温度係数（ＴＣＲ）（図８にはＴＣＲｍｉｎと記載）は、−１４８．３ｐｐｍ／℃であった。また、ＴＭＲ素子２１の最大抵抗値Ｒｍａｘに対する抵抗温度係数（ＴＣＲ）（図８にはＴＣＲｍａｘと記載）は、−４８４．１ｐｐｍ／℃であった。

図９は、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２における温度と、規格化抵抗との関係を示すグラフである。２５℃のときの抵抗値を１として規格化した。規格化抵抗は、図７に示すＲ−Ｈ曲線上えの最小抵抗値Ｒｍｉｎ及び最大抵抗値Ｒｍａｘの双方について測定した。図９に示す温度と規格化抵抗との実験結果から、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２の最小抵抗値Ｒｍｉｎに対する抵抗温度係数（ＴＣＲ）（図９にはＴＣＲｍｉｎと記載）は、２８０．９ｐｐｍ／℃であった。また、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２の最大抵抗値Ｒｍａｘに対する抵抗温度係数（ＴＣＲ）（図９にはＴＣＲｍａｘと記載）は、２２６．３ｐｐｍ／℃であった。

図１０は、Ｔａ層における温度と、規格化抵抗との関係を示すグラフである。２５℃のときの抵抗値を１として規格化した。図１０に示す温度と規格化抵抗との実験結果から、Ｔａ層の抵抗温度係数（ＴＣＲ）は、３４７２．７ｐｐｍ／℃であった。

実験では、ＴＭＲ素子２１とＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２とを２つずつ直列に接続した。ＴＭＲ素子２１とＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２間を接続する電極層にはＣｕを使用した。ちなみに電極層の抵抗温度係数はほぼゼロｐｐｍ／℃であった。

図１１は、ＴＭＲ素子２１とＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２とを直列に接続した素子部（実施例）に対する温度と規格抵抗との関係を示すグラフである。２５℃のときの抵抗値を１として規格化した。図１１に示すように温度変化によっても規格化された最小抵抗値Ｒｍｉｎ及び最大抵抗値Ｒｍａｘの変化を小さくできた。図１１に示すように、素子部の最小抵抗値Ｒｍｉｎに対する抵抗温度係数（ＴＣＲ）（図１１にはＴＣＲｍｉｎと記載）は、３８．２ｐｐｍ／℃で、素子部の最大抵抗値Ｒｍａｘに対する抵抗温度係数（ＴＣＲ）（図１１にはＴＣＲｍａｘと記載）は、−１０９．１ｐｐｍ／℃であった。

図１２は、ＴＭＲ素子２１とＴａ層とを２つずつ直列に接続した素子部（比較例）に対する温度と規格抵抗との関係を示すグラフである。ここでＴａ層の抵抗温度係数（ＴＣＲ）の絶対値はＴＭＲ素子２１の最小抵抗値Ｒｍｉｎに対する抵抗温度係数（ＴＣＲｍｉｎ）よりも一桁大きいので、Ｔａ層の膜厚及び膜面と平行な面方向からの断面積（素子面積）を調整することでＴａ層の抵抗値はＴＭＲそし２１の抵抗より小さくなるように設計した。２５℃のときの抵抗値を１として規格化した。なおＴＭＲ素子２１とＴａ層間を接続する電極層にはＣｕを使用した。図１２に示すように規格化された最小抵抗値Ｒｍｉｎの変化は温度変化に対して小さくなるように調整されているが、このとき規格化された最大抵抗値Ｒｍａｘの変化は温度変化に対して大きいままであった。図１２に示すように、素子部の最小抵抗値Ｒｍｉｎに対する抵抗温度係数（ＴＣＲ）（図１２にはＴＣＲｍｉｎと記載）は、−４９．２ｐｐｍ／℃で、素子部の最大抵抗値Ｒｍａｘに対する抵抗温度係数（ＴＣＲ）（図１２にはＴＣＲｍａｘと記載）は、−３３３．７ｐｐｍ／℃であった。

このようにＴａ層をＴＭＲ素子２１と直列接続しても、最小抵抗値Ｒｍｉｎあるいは最大抵抗値Ｒｍａｘの一方の抵抗値に対する抵抗温度係数（ＴＣＲ）の改善を図ることは出来るが、他方の抵抗値に対する抵抗温度係数（ＴＣＲ）（絶対値）は依然として大きいままであった。

一方、ＴＭＲ素子２１とＣＰＰ−ＧＭＲ素子２２とを直列接続した本実施例では、最小抵抗値Ｒｍｉｎに対する抵抗温度係数（ＴＣＲ）（絶対値）及び最大抵抗値Ｒｍａｘに対する抵抗温度係数（ＴＣＲ）（絶対値）の双方を適切に小さくできる。最小抵抗値Ｒｍｉｎから最大抵抗値Ｒｍａｘの間の抵抗値に対する抵抗温度係数は、最小抵抗値Ｒｍｉｎに対する抵抗温度係数から最大抵抗値Ｒｍａｘに対する抵抗温度係数の間の値となる。よって、本実施例のように、素子部の最小抵抗値Ｒｍｉｎに対する抵抗温度係数（ＴＣＲ）（絶対値）及び最大抵抗値Ｒｍａｘに対する抵抗温度係数（ＴＣＲ）（絶対値）の双方を適切に小さくすることで、素子部のＲ−Ｈ曲線上での全抵抗範囲に対する抵抗温度係数（ＴＣＲ）（絶対値）を従来に比べて適切に小さくできる。

（ａ）は、本実施形態における磁気センサを構成する一つの素子部の部分平面図、（ｂ）は図１（ａ）に示す一点鎖線上を膜厚方向から切断しその切断面を示す部分断面図、 素子部を構成するトンネル型磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）を膜厚方向から切断しその切断面を示す部分断面図、 素子部を構成する巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）を膜厚方向から切断しその切断面を示す部分断面図、 本実施形態における磁気センサの回路構成図、 図１とは別の本実施形態における磁気センサを構成する一つの素子部を膜厚方向から切断しその切断面を示す部分断面図、 図５の素子部を構成するトンネル型磁気抵抗効果素子と巨大磁気抵抗効果素子とが積層された積層素子を膜厚方向から切断しその切断面を示す部分断面図、 トンネル型磁気抵抗効果素子及び巨大磁気抵抗効果素子のＲ−Ｈ曲線図、 ＴＭＲ素子における温度と、規格化抵抗との関係を示すグラフ、 ＣＰＰ−ＧＭＲ素子における温度と、規格化抵抗との関係を示すグラフ、 Ｔａ層における温度と、規格化抵抗との関係を示すグラフ、 図８のＴＭＲ素子と図９のＣＰＰ−ＧＭＲ素子とを直列接続した素子部における温度と、規格化抵抗との関係を示すグラフ、 図８のＴＭＲ素子と図１０のＴａ層とを直列接続した素子部における温度と、規格化抵抗との関係を示すグラフ、

符号の説明

１ 第１素子部
２ 第２素子部
３ 第３素子部
４ 第４素子部
２０ 基板
２１ ＴＭＲ素子
２２ ＣＰＰ−ＧＭＲ素子
２３ 下側電極層
２４ 上側電極層
３１、４１、４７、５３、６３ 反強磁性層
３２、４２、４６、６５、６６ 固定磁性層
３３、５７ 絶縁障壁層
３４、４４、５８ フリー磁性層
３５、４８、６４ 保護層
４３、４５、５９ 非磁性導電層
５０ 積層素子
６７ 電流制限層

Claims (7)

1. 外部磁界に対して電気抵抗値が変動する磁気抵抗効果を利用した素子部を備える磁気センサであって、
   前記素子部は、反強磁性層、磁化方向が固定される固定磁性層、非磁性導電層及び磁化方向が外部磁界により変動可能なフリー磁性層を順に積層して成る巨大磁気抵抗効果素子と、Ｒ−Ｈ曲線上での最小抵抗値Ｒｍｉｎに対する抵抗温度係数及びＲ−Ｈ曲線上での最大抵抗値Ｒｍａｘに対する抵抗温度係数が前記巨大磁気抵抗効果素子と異符号であり、前記反強磁性層、前記固定磁性層、絶縁障壁層、及び前記フリー磁性層を順に積層して成るトンネル型磁気抵抗効果素子とを少なくとも一つずつ備え、
   前記巨大磁気抵抗効果素子及び前記トンネル型磁気抵抗効果素子は直列接続されていることを特徴とする磁気センサ。
2. 前記素子部を構成する前記巨大磁気抵抗効果素子及び前記トンネル型磁気抵抗効果素子の前記固定磁性層の固定磁化方向が同一方向である請求項１記載の磁気センサ。
3. 基板上に前記巨大磁気抵抗効果素子及び前記トンネル型磁気抵抗効果素子が間隔を空けて形成され、前記巨大磁気抵抗効果素子及び前記トンネル型磁気抵抗効果素子とが非磁性導電材料より成る電極層を介して直列接続されている請求項１又は２に記載の磁気センサ。
4. 前記巨大磁気抵抗効果素子と前記トンネル型磁気抵抗効果素子は、上面同士あるいは下面同士が前記電極層を介して直列接続される請求項３記載の磁気センサ。
5. 前記巨大磁気抵抗効果素子、前記トンネル型磁気抵抗効果素子及び前記電極層を有して成る前記素子部の平面形状が折り返し形状となるように、前記巨大磁気抵抗効果素子及び前記トンネル型磁気抵抗効果素子が配置されている請求項３又は４に記載の磁気センサ。
6. 基板表面と平行な面方向からの前記巨大磁気抵抗効果素子の断面積は、基板表面と平行な面方向からの前記トンネル型磁気抵抗効果素子の断面積に比べて小さい請求項３ないし５のいずれかに記載の磁気センサ。
7. 基板表面と平行な面方向からの前記巨大磁気抵抗効果素子及び前記トンネル型磁気抵抗効果素子の断面形状は略円形状である請求項１ないし６のいずれかに記載の磁気センサ。

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