JP5223001B2 - 磁気センサ - Google Patents

Description

本発明は、固定磁性層の磁化方向が反対方向の複数の磁気抵抗効果素子を備える磁気センサに関する。

複数の磁気抵抗効果素子を用いて構成されたブリッジ回路を備える磁気センサは、出力を大きくすべく、外部磁場に対して逆の電気特性となる２種類の前記磁気抵抗効果素子を使用する。磁気抵抗効果素子としてＧＭＲ素子（巨大磁気抵抗効果素子）を用いた場合、ＧＭＲ素子を構成する固定磁性層の磁化方向（Ｐ方向）を一方の磁気抵抗効果素子と他方の磁気抵抗効果素子とで反対にすれば、電気特性を逆にすることが出来る。従来では、次のような方法で磁気センサを製造していた。

まず図６（ａ）に示すように、基板１上に同形の４つの磁気抵抗効果素子２〜５を形成する。また個々の磁気抵抗効果素子２〜５の両端には端子部２ａ，２ｂ〜５ａ，５ｂを形成する。

磁気抵抗効果素子２〜５は、反強磁性層／固定磁性層／非磁性層／フリー磁性層の積層構造を基本構造とするＧＭＲ素子（巨大磁気抵抗効果素子）である。ＧＭＲ素子を構成する固定磁性層は磁化方向が一方向に固定される。一方、フリー磁性層は、磁化方向が外部磁場により変動可能にされている。

固定磁性層は、磁場中熱処理により反強磁性層との間で生じる交換結合磁界（Ｈｅｘ）により磁化固定される。

図６（ａ）のように、同形状の４つの磁気抵抗効果素子２〜５を形成した後、磁場中熱処理を施して、全ての磁気抵抗効果素子２〜５の固定磁性層を同じ磁化方向（Ｐ方向）に固定する。

続いて、図６（ｂ）の工程では、基板１を分断してチップ化し、一方のチップ８を１８０度反転させ、各チップ７，８を共通の支持基板６上に設置する（図６（ｃ））。

図６（ｃ）に示すように、一方のチップ７に設けられた磁気抵抗効果素子２，３の固定磁性層の磁化方向（Ｐ方向）と、他方のチップ８に設けられた磁気抵抗効果素子４，５の固定磁性層の磁化方向（Ｐ方向）は反対方向となる。これにより外部磁場に対し、磁気抵抗効果素子２，３の電気特性と、磁気抵抗効果素子４，５の電気特性を逆にすることが出来る。

特開２００７−２４２９８９号公報

しかしながら、従来では、各基板１ａ，１ｂ上に磁気抵抗効果素子２，３（４，５）が２つずつ設けられたチップ７，８を２つ必要とし、各チップ７，８を支持基板６に設置するため磁気センサが大型化する問題があった。

また従来では、基板１を切断した後、一方のチップ８を１８０度反転させて、さらに各チップ７，８を支持基板に貼り付ける（ダイボンディング）という一連の作業工程が必要になり、また１つの基板１から製造できる取り個数が少なくなり製造工程の煩雑化及び製造コストの上昇が問題となった。また製造ばらつきが生じやすく磁気センサの検出精度にもばらつきが生じやすくなった。

また図６（ｃ）に示す支持基板６には図示しない入力電極、グランド電極、出力電極が設けられており、各磁気抵抗効果素子２〜５に接続された端子部２ａ，２ｂ〜５ａ，５ｂと各電極間を例えばワイヤボンディングして初めてブリッジ回路を構成できる。このためワイヤボンディングを必要とする製造工程の煩雑さに加え、磁気抵抗効果素子２〜５の抵抗以外に余分な抵抗がブリッジ回路に加味され、ノイズが重畳されやすく、また中点電位もばらつきが生じやすくなり検出精度の低下を招きやすかった。

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、１チップ構成で複数の磁気抵抗効果素子の固定磁性層の磁化方向を反平行に調整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、磁気抵抗効果素子を備えた磁気センサであって、
同一基板に、下側磁気抵抗効果素子と、上側磁気抵抗効果素子とが絶縁中間層を介して積層され、
前記下側磁気抵抗効果素子及び前記上側磁気抵抗効果素子はともに、磁化方向が固定される固定磁性層と、前記固定磁性層に非磁性層を介して積層された外部磁場を受けて磁化方向が変動するフリー磁性層と、前記固定磁性層の前記非磁性層とは反対側の面に形成され、前記固定磁性層との間で磁場中熱処理により交換結合磁界を生じさせる反強磁性層と、を有する積層構造を備えており、
前記下側磁気抵抗効果素子及び前記上側磁気抵抗効果素子の少なくともどちらか一方の前記固定磁性層は、複数の磁性層と前記磁性層の間に介在する非磁性中間層との積層フェリ構造で構成されており、前記下側磁気抵抗効果素子を構成する固定磁性層と前記上側磁気抵抗効果素子を構成する固定磁性層の層構成が異なっており、
前記下側磁気抵抗効果素子を構成する前記固定磁性層の前記非磁性層との当接層の磁化方向と、前記上側磁気抵抗効果素子を構成する前記固定磁性層の前記非磁性層との当接層の磁化方向とが反平行になっていることを特徴とするものである。

ここで「非磁性層との当接層」とは、固定磁性層が積層フェリ構造であるときは、複数の磁性層のうち、非磁性層に当接する磁性層を指し、固定磁性層が磁性層の単層構造、あるいは磁性層の積層構造であるときは、固定磁性層全体が前記当接層に該当する。

本発明では１チップにて構成でき、これにより、磁気センサの小型化を促進でき、また製造ばらつきを小さくでき、さらに取り個数を増やすことができ、製造コストを抑えることができる。しかも本発明では、１チップ構成でも、固定磁性層の構造を、下側磁気抵抗効果素子と上側磁気抵抗効果素子とで変更することで、１回の磁場中熱処理にて、下側磁気抵抗効果素子の固定磁性層の磁化方向と、上側磁気抵抗効果素子の固定磁性層の磁化方向とを反平行にすることが出来る。

また、前記下側磁気抵抗効果素子及び前記上側磁気抵抗効果素子がともに積層フェリ構造であり、
前記下側磁気抵抗効果素子及び前記上側磁気抵抗効果素子のどちらか一方の前記固定磁性層を構成する前記磁性層の数が奇数であり、他方の前記固定磁性層を構成する前記磁性層の数が偶数であることが好ましい。また、前記下側磁気抵抗効果素子及び前記上側磁気抵抗効果素子のどちらか一方の前記固定磁性層を構成する前記磁性層の数が３であり、他方の前記固定磁性層を構成する前記磁性層の数が２であることがより好ましい。これにより、各磁気抵抗効果素子の素子高さを最小限に抑えつつ、固定磁性層からフリー磁性層への漏れ磁界の影響を弱めることができ、検出精度を向上させることができる。また固定磁性層の磁化固定力を強めることができる。

また本発明では、前記絶縁中間層の表面が平坦化処理されており、前記絶縁中間層の平坦化面上に前記上側磁気抵抗効果素子が形成されていることが好ましい。これにより、上側磁気抵抗効果素子を高精度に所定形状に形成することができる。

また本発明では、前記基板の同一面内に、複数の前記下側磁気抵抗効果素子と、複数の前記上側磁気抵抗効果素子と、入力電極と、グランド電極と、第１の出力電極と、第２の出力電極とが形成され、前記下側磁気抵抗効果素子と前記上側磁気抵抗効果素子とが各電極に接続されてブリッジ回路を構成していることが好ましい。このように１チップ内に磁気抵抗効果素子と共に各種の電極を配置できるため、磁気センサの小型化をより効果的に促進できる。また、１チップ内でブリッジ回路を構成できることで、ノイズ重畳を抑制でき、検出精度を向上できる。

また本発明では、平面視にて、複数の前記下側磁気抵抗効果素子及び複数の前記上側磁気抵抗効果素子はＸ方向に並設されており、前記磁気抵抗効果素子を介して、前記Ｘ方向に直交するＹ方向の両側位置の一方に、前記入力電極と前記グランド電極とがＸ方向に並設され、他方に、前記第１の出力電極と、前記第２の出力電極とがＸ方向に並設されていることが好ましい。これにより各磁気抵抗効果素子の素子長さを同じに合わせ易く、ブリッジ回路の中点電位を高精度に調整しやすい。また磁気抵抗効果素子から各電極までの引き出し長さを小さくでき、より磁気センサの小型化に貢献できる。

また本発明では、少なくとも前記下側磁気抵抗効果素子及び前記上側磁気抵抗効果素子の双方と接続される電極は、前記下側磁気抵抗効果素子から延出して形成された前記下側磁気抵抗効果素子と同じ層構成の下側積層膜及び前記上側磁気抵抗効果素子から延出して形成された前記上側磁気抵抗効果素子と同じ層構成の上側積層膜が前記絶縁中間層を介して積層された積層部を有し、前記電極には、前記上側積層膜の側面から前記下側積層膜まで露出する凹部が設けられ、前記凹部内に埋め込まれた導電層と、前記上側積層膜及び前記下側積層膜とが電気的に接続されていることが好ましい。これにより、簡単な構造にて、電気接続の安定性を向上させることができる。

本発明では、前記絶縁中間層は、下から第１の絶縁層、第２の絶縁層及び第３の絶縁層の順に積層され、前記第１の絶縁層はＡｌ₂Ｏ₃層、前記第２の絶縁層は、ＳｉＯ₂層あるいはＳｉＮ層、前記第３の絶縁層は、Ａｌ₂Ｏ₃層で形成されることが好ましい。

また本発明では、前記第２の絶縁層の膜厚は５０００Å以上で２００００Å以下であることが好ましい。前記第２の絶縁層の膜厚は１００００Å以上で１５０００Å以下であることがより好ましい。

本発明の磁気センサによれば、１チップにて構成でき、これにより、磁気センサの小型化を促進でき、また製造ばらつきを小さくでき、さらに取り個数を増やすことができ、製造コストを抑えることができる。しかも本発明では、１チップ構成でも、固定磁性層の構造を、下側磁気抵抗効果素子と上側磁気抵抗効果素子とで変更することで、１回の磁場中熱処理にて、下側磁気抵抗効果素子の固定磁性層の磁化方向と、上側磁気抵抗効果素子の固定磁性層の磁化方向とを反平行にすることが出来る。

本実施形態における磁気センサの平面図、 図１に示す磁気センサをＡ−Ａ線に沿って切断した部分拡大縦断面図、 図３（ａ）は、図１に示す磁気センサをＢ−Ｂ線に沿って切断した部分拡大縦断面図、図３（ｂ）は図３（ａ）の変形例を示す部分拡大縦断面図、 図４（ａ）（ｂ）は、下側磁気抵抗効果素子及び上側磁気抵抗効果素子の積層構造を拡大縦断面図、 本実施形態の磁気センサの回路図、 従来の磁気センサの製造工程を示す平面図、

図１は本実施形態における磁気センサの平面図、図２は、図１に示す磁気センサをＡ−Ａ線に沿って切断した部分拡大縦断面図、図３（ａ）は、図１に示す磁気センサをＢ−Ｂ線に沿って切断した部分拡大縦断面図、図３（ｂ）は図３（ａ）の変形例を示す部分拡大縦断面図、図４（ａ）（ｂ）は、下側磁気抵抗効果素子及び上側磁気抵抗効果素子の積層構造を拡大縦断面図、図５は、本実施形態の磁気センサの回路図、である。

本実施形態の磁気センサ１０は、図１，図２に示すように、同一の基板１１に、２つの下側磁気抵抗効果素子１３，１４と、２つの上側磁気抵抗効果素子１５，１６とが絶縁中間層を介して積層されている。

図２に示すように、基板１１上には絶縁下地層１２が形成され、この絶縁下地層１２の上に下側磁気抵抗効果素子１３，１４が形成されている。また、上側磁気抵抗効果素子１５，１６は絶縁中間層１７の平坦化面１７ａ上に形成される。図２に示すように上側磁気抵抗効果素子１５，１６上は保護層１８で覆われている。ここで絶縁下地層１２は例えば膜厚が１０００Å程度のＡｌ₂Ｏ₃で形成される。また、絶縁中間層１７は、下から、例えば膜厚が１０００Å程度のＡｌ₂Ｏ₃層と、膜厚が５０００Å〜２００００Å程度のＳｉＯ₂層又はＳｉＮ層と、膜厚が１０００Å程度のＡｌ₂Ｏ₃層との積層構造で形成される。

ここで、絶縁中間層１７は、上記のように３層構造とすることが好ましい。下から第１の絶縁層、第２の絶縁層、第３の絶縁層の順に積層され、第１の絶縁層を構成するＡｌ₂Ｏ₃層は、下側磁気抵抗効果素子１３，１４を酸化等から保護する。また第２の絶縁層を構成するＳｉＯ₂層又はＳｉＮ層は、下側磁気抵抗効果素子１３，１４と上側磁気抵抗効果素子１５，１６間を電気的に分離し且つ耐ＥＳＤに必要十分な膜厚を有する。また、第３の絶縁層を構成するＡｌ₂Ｏ₃層は、上側磁気検出素子１５，１６のＧＭＲ特性の安定を得る目的のため設けられる。特に、ＥＳＤ耐性を確保するために、第２の絶縁層の膜厚は５０００Å以上で、更に好ましくは１００００Å以上必要である。また、第２の絶縁層の膜厚は厚すぎると成膜プロセス及び電極の上下コンタクトのためのエッチングプロセス時間が長くなるため、２００００Å以下、特に好ましくは１５０００Å以下とすることが好ましい。

また保護層１８は、２０００Å程度のＡｌ₂Ｏ₃層やＳｉＯ₂層で形成される。なお上記の絶縁構成はあくまでも一例である。上記では無機絶縁材料を使用したが有機絶縁材料を用いることもできる。

図１に示すように上側磁気抵抗効果素子１５，１６はＸ方向に間隔を空けて配置されている。上側磁気抵抗効果素子１５，１６はミアンダ形状で形成されている。下側磁気抵抗効果素子１３，１４は、絶縁中間層１７を介して上側磁気抵抗効果素子１５，１６と重なるようにミアンダ形状で形成されており、図１では、上側磁気抵抗効果素子１５，１６の側面からＸ−Ｙ平面にはみ出した部分を点線で示している。

図１に示すように、磁気抵抗効果素子１３〜１６の図示Ｙ１側には第１の出力電極２０と第２の出力電極２１とがＸ方向に間隔を空けて配置されている。図１に示すように、上側磁気抵抗効果素子１５の左側先端部１５ａが、第１の出力電極２０の位置まで延ばされて前記第１の出力電極２０に接続されている。また、下側磁気抵抗効果素子１３の右側先端部１３ａが、第１の出力電極２０の位置まで延ばされて前記第１の出力電極２０に接続されている。また、上側磁気抵抗効果素子１６の左側先端部１６ａが、第２の出力電極２１の位置まで延ばされて前記第２の出力電極２１に接続されている。また、下側磁気抵抗効果素子１４の右側先端部１４ａが、第２の出力電極２１の位置まで延ばされて前記第２の出力電極２１に接続されている。

図１に示すように、磁気抵抗効果素子１３〜１６の図示Ｙ２側には入力電極２２と、グランド電極２３，２４とがＸ方向に間隔を空けて配置されている。図１の実施形態ではグランド電極２３，２４が２つ、入力電極２２が１つである。

図１に示すように、入力電極２２は、グランド電極２３，２４の間に配置される。そして、上側磁気抵抗効果素子１５の右側先端部１５ｂが、入力電極２２の位置まで延ばされて前記入力電極２２に接続されている。また、下側磁気抵抗効果素子１４の左側先端部１４ｂが、入力電極２２の位置まで延ばされて前記入力電極２２に接続されている。

また図１に示すように、下側磁気抵抗効果素子１３の左側先端部１３ｂが、図示Ｘ２側のグランド電極２３の位置まで延ばされて前記グランド電極２３に接続されている。また、上側磁気抵抗効果素子１６の右側先端部１６ｂが、図示Ｘ１側のグランド電極２４の位置まで延ばされて前記グランド電極２４に接続されている。

図３（ａ）は入力電極２２の縦断面である。図３（ａ）に示すように、入力電極２２には、例えばＡｕでメッキ形成された導電層２５が設けられ、導電層２５の露出表面２５ａが電極表面となっている。図３（ａ）に示すように、導電層２５は、入力電極２２の略中央位置に設けられ、導電層２５の周囲には、下側磁気抵抗効果素子１３，１４と同じ構成の下側積層膜２６と、前記下側積層膜２６の上に絶縁中間層１７を介して、上側磁気抵抗効果素子１５，１６と同じ構成の上側積層膜２７との積層部３２が設けられる。図３（ａ）の構造の製造方法について説明する。

例えばまず、下側磁気抵抗効果素子を基板１１の面内全域にスパッタ法等で形成し、エッチング法を用いて、ミアンダ形状の下側磁気抵抗効果素子１３，１４を形成するとともに、下側積層膜２６を各電極２０〜２４の形成領域に形成する。このとき、下側積層膜２６を、グランド電極２４の形成領域に形成することは必須でない。グランド電極２４は、上側磁気抵抗効果素子１６とのみ接続されるためである。また、第１出力電極２０、第２の出力電極２１、グランド電極２３及び入力電極２２に形成される下側積層膜２６については、各下側磁気抵抗効果素子１３，１４と一体形成する。

そして、下側磁気抵抗効果素子１３，１４上及び下側積層膜２６上に絶縁中間層１７を形成し、絶縁中間層１７の表面を平坦化処理した後、前記絶縁中間層１７上に、上側磁気抵抗効果素子１５，１６を形成するとともに、上側積層膜２７を、各電極２０〜２４の形成領域に形成する。

例えば上側磁気抵抗効果素子を基板１１の面内全域にスパッタ法等で形成し、エッチング法を用いて、ミアンダ形状の上側磁気抵抗効果素子１５，１６を形成するとともに、上側積層膜２７を各電極２０〜２４の形成領域に形成する。このとき、上側積層膜２７を、グランド電極２３の形成領域に形成することは必須でない。グランド電極２３は、下側磁気抵抗効果素子１３とのみ接続されるためである。また、第１出力電極２０、第２の出力電極２１、グランド電極２４及び入力電極２２に形成される上側積層膜２７については、各上側磁気抵抗効果素子１５，１６と一体形成する。

続いて、エッチングにて、各電極２０〜２４の略中央部分の下側積層膜２６，絶縁中間層１７及び上側積層膜２７を除去して凹部３３を形成する。そして、図３（ａ）に示すように、凹部３３内に露出する上側積層膜２７の上面から、上側積層膜２７、絶縁中間層１７及び下側積層膜２６の側面、さらには絶縁下地層１２の上面にかけて導電下地層２８を例えばスパッタ法を用いて形成する。そして、その後に形成された保護層１８に導電下地層２８にまで通じる凹部１８ａを形成し、その凹部１８ａ内に導電層２５を例えばメッキ形成する。

図３（ａ）に示す断面構造に形成することで、各電極２０〜２４と、下側磁気抵抗効果素子１３，１６及び上側磁気抵抗効果素子１５，１６間の電気的な接触安定性を向上させることができる。しかも、下側磁気抵抗効果素子１３，１４と導電層２５間を、導電下地層２８及び下側積層膜２６を通じて、上側磁気抵抗効果素子１５，１６と導電層２５間を、導電下地層２８及び上側積層膜２７を通じて、電気的に接続でき簡単且つ確実な接続構造を実現できる。

図３（ｂ）に示す他の実施形態では、下側積層膜２６及び絶縁中間層１７まで形成し、各電極２０〜２４の略中央領域の下側積層膜２６及び絶縁中間層１７をエッチングで除去した後、絶縁下地層１２が露出した凹部２９内にＡｕやＡｌ等の第１の導電層３０を形成し、続いて、上側積層膜２７の形成後、第１の導電層３０の表面から上側積層膜２７の表面にかけて、Ａｕ等でメッキされた第２の導電層３１を形成している。

この実施形態でも、下側磁気抵抗効果素子１３，１４と導電層３０，３１間を、下側積層膜２６を通じて、上側磁気抵抗効果素子１５，１６と導電層３０，３１間を、上側積層膜２７を通じて、電気的に接続でき簡単且つ確実な接続構造を実現できる。

図３の断面構造は、下側磁気抵抗効果素子１３，１４及び上側磁気抵抗効果素子１５，１６の双方が接続される入力電極２２、出力電極２０，２１に好ましく適用される。

図４（ａ）は、例えば下側磁気抵抗効果素子１３，１４の積層構造を示す縦断面図であり、図４（ｂ）は、例えば上側磁気抵抗効果素子１５，１６の積層構造を示す縦断面図である。

図４（ａ）に示すように、下側磁気抵抗効果素子１３，１４は、下から下地層４０、反強磁性層４１、固定磁性層４２、非磁性層４３、フリー磁性層４４及び保護層４５の順に積層された巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）である。

反強磁性層４１は、Ｉｒ−Ｍｎ合金（イリジウム−マンガン合金）などの反強磁性材料で形成されている。非磁性層４３はＣｕ（銅）などである。フリー磁性層４４は、Ｎｉ−Ｆｅ合金（ニッケル−鉄合金）などの軟磁性材料で形成されている。保護層４５はＴａ（タンタル）などである。

図４（ａ）に示すように下側磁気抵抗効果素子１３，１４の固定磁性層４２は、下から第１磁性層４６、非磁性中間層４７、第２磁性層４８の順に積層された積層フェリ構造である。例えば、第１磁性層４６及び第２磁性層４８は共にＣｏ−Ｆｅ合金で形成され、非磁性中間層４７はＲｕ（ルテニウム）で形成される。

反強磁性層４１と第１磁性層４６の間では磁場中熱処理により交換結合磁界（Ｈｅｘ）が生じるとともに、第１磁性層４６と第２磁性層４８の間ではＲＫＫＹ的相互作用が生じて、第１磁性層４６と第２磁性層４８の磁化方向は互いに反平行状態で固定される。図４（ａ）に示すように、例えば、第１磁性層４６の磁化方向（Ｐ１方向）はＸ２方向で、第２磁性層４８の磁化方向（Ｐ２方向）はＸ１方向である。本実施形態において、「固定磁性層４２の磁化方向」とは、非磁性層４３に接する第２磁性層４８の磁化方向（Ｐ２方向）を指す。

図４（ａ）に示す下側磁気抵抗効果素子１３，１４の総厚は、２００〜３００Å程度である。

また図４（ｂ）に示すように、上側磁気抵抗効果素子１５，１６は、下から下地層４０、反強磁性層４１、固定磁性層４９、非磁性層４３、フリー磁性層４４及び保護層４５の順に積層された巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）である。図４（ｂ）に示すように、上側磁気抵抗効果素子１５，１６の固定磁性層４９は、下から第１磁性層５０、非磁性中間層５１、第２磁性層５２、非磁性中間層５３、第３磁性層５４の順に積層された積層フェリ構造である。例えば、第１磁性層５０、第２磁性層５２、及び第３磁性層５４は共にＣｏ−Ｆｅ合金で形成され、非磁性中間層５１，５３はＲｕ（ルテニウム）で形成される。

反強磁性層４１と第１磁性層５０の間では磁場中熱処理により交換結合磁界（Ｈｅｘ）が生じるとともに、第１磁性層５０と第２磁性層５２の間、及び第２磁性層５２と第３磁性層５４の間ではＲＫＫＹ的相互作用が生じて、非磁性中間層５１，５３を介して互いに対向する磁性層同士の磁化方向は反平行状態で固定される。図４（ｂ）に示すように、例えば、第１磁性層５０及び第３磁性層５４の磁化方向（Ｐ１方向）はＸ２方向で、第２磁性層４８の磁化方向（Ｐ２方向）はＸ１方向である。図４（ｂ）での「固定磁性層４９の磁化方向」は、非磁性層４３に接する第３磁性層５４の磁化方向（Ｐ３方向）である。

図４（ｂ）に示す上側磁気抵抗効果素子１５，１６の総厚は、下側磁気抵抗効果素子１３，１４と同様、２００〜３００Å程度であるが、下側磁気抵抗効果素子１３，１４よりも層数が多い分、やや総厚が、下側磁気抵抗効果素子１３，１４よりも厚くなる（数Å〜数十Å程度厚くなる）。

図４（ａ）（ｂ）に示すように、下側磁気抵抗効果素子１３，１４の固定磁性層４２の磁化方向（Ｐ２方向）と、上側磁気抵抗効果素子１５，１６の固定磁性層４９の磁化方向（Ｐ３方向）とが反平行になっている。

一方、フリー磁性層４４の磁化方向は、外部磁場により変動する。例えば、外部磁場がＸ１方向に作用するとフリー磁性層４４の磁化はＸ１方向に向く。このとき下側磁気抵抗効果素子１３，１４の固定磁性層４２の磁化方向（Ｐ２方向）はＸ１方向であるため、フリー磁性層４４の磁化方向と固定磁性層４２の磁化方向とが平行になり下側磁気抵抗効果素子１３，１４の電気抵抗値は最小値になる。一方、上側磁気抵抗効果素子１５，１６の固定磁性層４２の磁化方向（Ｐ３方向）はＸ２方向であるため、フリー磁性層４４の磁化方向と固定磁性層４２の磁化方向とが反平行になり上側磁気抵抗効果素子１５，１６の電気抵抗値は最大値になる。このように下側磁気抵抗効果素子１３，１４と上側磁気抵抗効果素子１５，１６の固定磁性層の磁化方向は反平行であるため、下側磁気抵抗効果素子１３，１４の電気特性と、上側磁気抵抗効果素子１５，１６の電気特性は逆になる。

図５に示すように下側磁気抵抗効果素子１３，１４及び上側磁気抵抗効果素子１５，１６によりブリッジ回路が構成される。そして図５に示すブリッジ回路の第１の出力電極２０及び第２の出力電極２１からの出力は、下側磁気抵抗効果素子１３，１４及び上側磁気抵抗効果素子１５，１６の電気抵抗値の変動に基づいて変化する。第１の出力電極２０及び第２の出力電極２１は、図示しない集積回路の差動増幅器に接続され、これにより差動出力を得ることが出来る。

図１，図２に示すように、本実施形態では、同一の基板１１に、下側磁気抵抗効果素子１３，１４と上側磁気抵抗効果素子１５，１６とを絶縁中間層１７を介して積層しており、１チップにて磁気センサ１０を構成できる。これにより、磁気センサ１０の小型化を促進できる。また従来のように複数のチップで磁気センサ１０を構成する場合に比べて、各チップ間の位置決め等が必要なく製造ばらつきを小さくでき、さらに取り個数を増やすことができ、製造コストを抑えることができる。

しかも本実施形態では、１チップ構成でも、固定磁性層４２，４９の構造を、下側磁気抵抗効果素子１３，１４と上側磁気抵抗効果素子１５，１６とで異ならすことで、１回の磁場中熱処理にて、下側磁気抵抗効果素子１３，１４の固定磁性層４２の磁化方向（Ｐ２方向）と、上側磁気抵抗効果素子１５，１６の固定磁性層４９の磁化方向（Ｐ３方向）とを反平行にすることが出来る。

磁場中熱処理は、上記したように、反強磁性層４１と第１磁性層４６，５０間に交換結合磁界（Ｈｅｘ）を生じさせるために行う。この磁場中熱処理は、下側磁気抵抗効果素子１３，１４及び上側磁気抵抗効果素子１５，１６の双方を形成した後、下側磁気抵抗効果素子１３，１４及び上側磁気抵抗効果素子１５，１６に対して同時に行なう。

下側磁気抵抗効果素子１３，１４及び上側磁気抵抗効果素子１５，１６の固定磁性層４２，４９は共に積層フェリ構造である。本実施形態では、図４（ａ）に示すように下側磁気抵抗効果素子１３，１４の固定磁性層４２を構成する磁性層４６，４８を２つ、図４（ｂ）に示すように、上側磁気抵抗効果素子１５，１６の固定磁性層４９を構成する磁性層５０，５２，５４を３つ設けている。そして、下側磁気抵抗効果素子１３，１４及び上側磁気抵抗効果素子１５，１６に対して磁場中熱処理を施すと、反強磁性層４１との間で交換結合磁界（Ｈｅｘ）が生じ、さらに各磁性層間でＲＫＫＹ的相互作用が生じ、これにより、非磁性中間層を介して対向する磁性層同士は互いに反平行に磁化固定される。本実施形態では、一方の磁気抵抗効果素子の固定磁性層を構成する磁性層の数を偶数に、他方の磁気抵抗効果素子の固定磁性層を構成する磁性層の数を奇数にしたことで、１回の磁場中熱処理でも、下側磁気抵抗効果素子１３，１４の固定磁性層４２の磁化方向（Ｐ２方向）と、上側磁気抵抗効果素子１５，１６の固定磁性層４９の磁化方向（Ｐ３方向）とを反平行にすることが可能になる。

例えば、図４（ａ）に示す下側磁気抵抗効果素子１３，１４の固定磁性層４２の構成はそのままで、図４（ｂ）に示す上側磁気抵抗効果素子１５，１６を構成する固定磁性層４９を１つの磁性層の単層構造で形成することもできる。これによっても、下側磁気抵抗効果素子１３，１４の固定磁性層４２の磁化方向（Ｐ２方向）と、上側磁気抵抗効果素子１５，１６の固定磁性層４９の磁化方向とを反平行にすることが可能になる。

ただし固定磁性層を磁性層の単層（あるいは積層）構造とするより図４（ａ）（ｂ）に示す積層フェリ構造としたほうが、固定磁性層４２，４９からフリー磁性層４４に漏れる磁界を小さくでき、検出精度を向上させることができて好適である。また、積層フェリ構造とすることで、固定磁性層の磁化固定力を強めることが出来る。

また固定磁性層を構成する磁性層の数は限定しないが、図４（ａ）（ｂ）に示すように、積層フェリ構造で形成された一方の固定磁性層４２の磁性層４６，４８を２つ、積層フェリ構造で形成された他方の固定磁性層４２の磁性層５０，５２，５４を３つとすることで、両方の固定磁性層を積層フェリ構造としたときに最小数の磁性層で一方の固定磁性層４２の磁化方向（Ｐ２方向）と他方の固定磁性層４９の磁化方向（Ｐ３方向）とを反平行にできる。

なお図４（ａ）の構成が上側磁気抵抗効果素子１５，１６の層構成で、図４（ｂ）の構成が下側磁気抵抗効果素子１３，１４の層構成であってもよい。

図２に示すように絶縁中間層１７の表面は平坦化処理により平坦化面１７ａで形成されている。これにより、絶縁中間層１７上に形成される上側磁気抵抗効果素子１５，１６を高精度に所定形状で形成することが可能である。

また図１に示すように、本実施形態では、基板１１の同一面内に、複数の下側磁気抵抗効果素子１３，１４及び上側磁気抵抗効果素子１５，１６と、入力電極２２と、グランド電極２３，２４と、第１の出力電極２０と、第２の出力電極２１とが形成されている。そして、図１，図５に示すように、各下側磁気抵抗効果素子１３，１４及び各上側磁気抵抗効果素子１５，１６とが各電極２０〜２４に接続されてブリッジ回路を構成している。

このように本実施形態では、１チップ内に磁気抵抗効果素子１３〜１６と共に各電極２０〜２４を配置するため磁気センサ１０の小型化を効果的に促進できる。また１チップ内でブリッジ回路を構成できることで、各チップ間をワイヤボンディングで接続してブリッジ回路を構成するような場合に比べて余分な抵抗がブリッジ回路に乗りにくくノイズ重畳を抑制でき、検出精度を効果的に向上させることができる。

また、図１に示すように、複数の下側磁気抵抗効果素子１３，１４及び上側磁気抵抗効果素子１５，１６は、Ｘ方向に並設されている。そして、図１に示すように、磁気抵抗効果素子１３〜１６を介してＸ方向と直交するＹ方向の両側の一方（図１ではＹ２側）に、入力電極２２と、グランド電極２３，２４とがＸ方向に並設されている。また、Ｙ方向の他方（図１ではＹ１側）には、第１の出力電極２０と第２の出力電極２１とがＸ方向に並設されている。

図１に示すように、第１の出力電極２０及び第２の出力電極２１のＸ方向への幅寸法Ｔ１，Ｔ２は、ほぼ磁気抵抗効果素子１３〜１６のＸ方向への幅寸法と同じである。第１の出力電極２０は、下側磁気抵抗効果素子１３及び上側磁気抵抗効果素子１５とＹ１−Ｙ２方向へ対向する位置に設けられる。また、第２の出力電極２１は、下側磁気抵抗効果素子１４及び上側磁気抵抗効果素子１６とＹ１−Ｙ２方向へ対向する位置に設けられる。そして、各磁気抵抗効果素子１３〜１６の一方の先端部１３ａ〜１６ａがＹ１方向へ、各磁気抵抗効果素子１３〜１５と出力電極２０，２１間のギャップ分延ばされて、各磁気抵抗効果素子１３〜１５と各出力電極２０，２１が接続されている。

また図１に示すように、入力電極２２は、上側磁気抵抗効果素子１５の先端部１５ｂと下側磁気抵抗効果素子１４の先端部１４ｂとＹ１−Ｙ２方向にて対向する位置に設けられている。また、グランド電極２３は、下側磁気抵抗効果素子１３の先端部１３ｂとＹ１−Ｙ２方向にて対向する位置に設けられ、グランド電極２４は、上側磁気抵抗効果素子１６の先端部１６ｂとＹ１−Ｙ２方向にて対向する位置に設けられる。そして、各磁気抵抗効果素子１３〜１６の先端部１３ｂ〜１６ｂがＹ２方向へ、各磁気抵抗効果素子１３〜１６と入力電極２２及びグランド電極２３，２４間のギャップ分延ばされて、各磁気抵抗効果素子１３〜１６と入力電極２２及びグランド電極２３，２４が接続されている。

図１に示すように、各磁気抵抗効果素子１３〜１６は略同一のミアンダ形状で形成され、また図１のように、各磁気抵抗効果素子１３〜１６と各電極２０〜２４とを配置することで、各磁気抵抗効果素子１３〜１６の先端部１３ａ，１３ｂ〜１６ａ，１６ｂの各電極２０〜２４までの延出長さもほぼ同じに出来る。したがって、各磁気抵抗効果素子１３〜１６の素子長さを同一に合わせ易く、ブリッジ回路の中点電位を高精度に調整しやすい。また、磁気抵抗効果素子１３〜１６から各電極２０〜２４までの各先端部１３ａ，１６ａ〜１３ｂ，１６ｂの延出長さを小さくでき、より効果的に磁気センサ１の小型化を促進できる。

なお図１に示す符号２２の電極がグランド電極で、符号２３，２４の電極が入力電極であってもよい。

１０ 磁気センサ
１１ 基板
１３，１４ 下側磁気抵抗効果素子
１５，１６ 上側磁気抵抗効果素子
１７ 絶縁中間層
１８ 保護層
２０，２１ 出力電極
２２ 入力電極
２３，２４ グランド電極
２５，３０，３１ 導電層
２６ 下側積層膜
２７ 上側積層膜
１８ａ，２９，３３ 凹部
４１ 反強磁性層
４２，４９ 固定磁性層
４３ 非磁性層
４４ フリー磁性層
４６，４８，５０，５２，５４ （固定磁性層を構成する）磁性層
４７，５１，５３ 非磁性中間層

Claims (10)

1. 磁気抵抗効果素子を備えた磁気センサであって、
   同一基板に、下側磁気抵抗効果素子と、上側磁気抵抗効果素子とが絶縁中間層を介して積層され、
   前記下側磁気抵抗効果素子及び前記上側磁気抵抗効果素子はともに、磁化方向が固定される固定磁性層と、前記固定磁性層に非磁性層を介して積層された外部磁場を受けて磁化方向が変動するフリー磁性層と、前記固定磁性層の前記非磁性層とは反対側の面に形成され、前記固定磁性層との間で磁場中熱処理により交換結合磁界を生じさせる反強磁性層と、を有する積層構造を備えており、
   前記下側磁気抵抗効果素子及び前記上側磁気抵抗効果素子の少なくともどちらか一方の前記固定磁性層は、複数の磁性層と前記磁性層の間に介在する非磁性中間層との積層フェリ構造で構成されており、前記下側磁気抵抗効果素子を構成する固定磁性層と前記上側磁気抵抗効果素子を構成する固定磁性層の層構成が異なっており、
   前記下側磁気抵抗効果素子を構成する前記固定磁性層の前記非磁性層との当接層の磁化方向と、前記上側磁気抵抗効果素子を構成する前記固定磁性層の前記非磁性層との当接層の磁化方向とが反平行になっており、
   前記絶縁中間層は、第１の絶縁層、第２の絶縁層及び第３の絶縁層の積層構造で形成されることを特徴とする磁気センサ。
2. 前記第１の絶縁層及び前記第３の絶縁層は、Ａｌ_２Ｏ_３層で形成され、前記第２の絶縁層は、ＳｉＯ_２層又はＳｉＮ層で形成される請求項１記載の磁気センサ。
3. 前記第２の絶縁層の膜厚は５０００Å以上で２００００Å以下である請求項１又は２に記載の磁気センサ。
4. 前記第２の絶縁層の膜厚は１００００Å以上で１５０００Å以下である請求項３記載の磁気センサ。
5. 前記下側磁気抵抗効果素子及び前記上側磁気抵抗効果素子がともに積層フェリ構造であり、
   前記下側磁気抵抗効果素子及び前記上側磁気抵抗効果素子のどちらか一方の前記固定磁性層を構成する前記磁性層の数が奇数であり、他方の前記固定磁性層を構成する前記磁性層の数が偶数である請求項１ないし４のいずれか１項に記載の磁気センサ。
6. 前記下側磁気抵抗効果素子及び前記上側磁気抵抗効果素子のどちらか一方の前記固定磁性層を構成する前記磁性層の数が３であり、他方の前記固定磁性層を構成する前記磁性層の数が２である請求項５記載の磁気センサ。
7. 前記絶縁中間層の表面が平坦化処理されており、前記絶縁中間層の平坦化面上に前記上側磁気抵抗効果素子が形成されている請求項１ないし６のいずれか１項に記載の磁気センサ。
8. 前記基板の同一面内に、複数の前記下側磁気抵抗効果素子と、複数の前記上側磁気抵抗効果素子と、入力電極と、グランド電極と、第１の出力電極と、第２の出力電極とが形成され、前記下側磁気抵抗効果素子と前記上側磁気抵抗効果素子とが各電極に接続されてブリッジ回路を構成している請求項１ないし７のいずれか１項に記載の磁気センサ。
9. 平面視にて、複数の前記下側磁気抵抗効果素子及び複数の前記上側磁気抵抗効果素子はＸ方向に並設されており、前記磁気抵抗効果素子を介して、前記Ｘ方向に直交するＹ方向の両側位置の一方に、前記入力電極と前記グランド電極とがＸ方向に並設され、他方に、前記第１の出力電極と、前記第２の出力電極とがＸ方向に並設されている請求項８記載の磁気センサ。
10. 磁気抵抗効果素子を備えた磁気センサであって、
    同一基板に、下側磁気抵抗効果素子と、上側磁気抵抗効果素子とが絶縁中間層を介して積層され、
    前記下側磁気抵抗効果素子及び前記上側磁気抵抗効果素子はともに、磁化方向が固定される固定磁性層と、前記固定磁性層に非磁性層を介して積層された外部磁場を受けて磁化方向が変動するフリー磁性層と、前記固定磁性層の前記非磁性層とは反対側の面に形成され、前記固定磁性層との間で磁場中熱処理により交換結合磁界を生じさせる反強磁性層と、を有する積層構造を備えており、
    前記下側磁気抵抗効果素子及び前記上側磁気抵抗効果素子の少なくともどちらか一方の前記固定磁性層は、複数の磁性層と前記磁性層の間に介在する非磁性中間層との積層フェリ構造で構成されており、前記下側磁気抵抗効果素子を構成する固定磁性層と前記上側磁気抵抗効果素子を構成する固定磁性層の層構成が異なっており、
    前記下側磁気抵抗効果素子を構成する前記固定磁性層の前記非磁性層との当接層の磁化方向と、前記上側磁気抵抗効果素子を構成する前記固定磁性層の前記非磁性層との当接層の磁化方向とが反平行になっており、
    前記下側磁気抵抗効果素子及び前記上側磁気抵抗効果素子の双方と接続される電極は、前記下側磁気抵抗効果素子から延出して形成された前記下側磁気抵抗効果素子と同じ層構成の下側積層膜及び前記上側磁気抵抗効果素子から延出して形成された前記上側磁気抵抗効果素子と同じ層構成の上側積層膜が前記絶縁中間層を介して積層された積層部を有し、前記電極には、前記上側積層膜の側面から前記下側積層膜まで露出する凹部が設けられ、前記凹部内に埋め込まれた導電層と、前記上側積層膜及び前記下側積層膜とが電気的に接続されていることを特徴とする磁気センサ。

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