JP6233863B2 - 磁気センサおよび磁気センサの製造方法ならびに電流センサ - Google Patents

Description

本発明は、磁気センサおよび磁気センサの製造方法ならびに磁気センサを備えた電流センサに関する。

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関係で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には、オフセットの低減、出力信号のばらつきの低減、およびリニアリティ（出力線形性）の向上などを実現することが求められる。これらの要求に応えるための好ましい一手段として、磁気センサが有するＧＭＲ素子のヒステリシスを低減させることが挙げられる。ＧＭＲ素子のヒステリシスを低減させる手段の具体例として、フリー磁性層にバイアス磁界を印加して、被測定電流からの誘導磁界が印加されていない状態においてもフリー磁性層の磁化方向を揃えることが挙げられる。

フリー磁性層にバイアス磁界を印加する方法として、特許文献１には、永久磁石からなるハードバイアス層を設ける方法が開示されている。また、特許文献２には、フリー磁性層との間で交換結合バイアスを生じさせフリー磁性層の磁化方向を磁化変動可能な状態で所定方向に揃えることができる反強磁性層をフリー磁性層に積層させる方法が開示されている。

国際公開第２０１２／０８１３７７号 特開２０１２−１８５０４４号公報

本発明は、特許文献２に開示される交換結合バイアスに基づくフリー磁性層の単磁区化を基礎技術としつつ、さらに磁気抵抗効果素子のヒステリシスを低減させることが可能な磁気センサおよび磁気センサの製造方法ならびに磁気センサを用いてなる電流センサを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明者らが検討した結果、次の新たな知見が得られた。すなわち、被測定電流からの誘導磁界などの外部磁界（本明細書において、測定対象となる外部磁界を「被測定磁界」ともいう。）が印加されていない状態において交換結合バイアスによりフリー磁性層の磁化方向を揃える方法（本明細書において、フリー磁性層に生じた交換結合バイアスに基づく磁化方向を、「初期磁化方向」ともいう。）において、被測定磁界の印加が終了しても初期磁化方向とは異なる方向への磁化が残留している場合（本明細書において、このフリー磁性層における残留磁化のうち初期磁化方向に直交する成分を、「残留直交成分」ともいう。）には、残留直交成分と反平行な成分を有する磁場を外部から印加することにより、残留直交成分を低減させることができる。

上記知見を具体的に説明すれば、被測定電流からの誘導磁界などの外部磁界がフリー磁性層に印加されることにより、フリー磁性層の磁化方向は、初期磁化方向から被測定磁界の影響を受けて回転する。この磁化回転に基づく素子抵抗値の変動を測定することにより、被測定磁界の大きさおよび向きを検出することができる。ところが、被測定磁界の印加が終了しても、フリー磁性層の磁化方向は、初期磁化方向に完全には戻らず、フリー磁性層の磁化方向には、初期磁化方向に直交する成分が残留し、これが磁気抵抗効果素子のヒステリシスの一因となる。そこで、フリー磁性層の残留直交成分と反平行の磁場を外部から付与することにより、残留直交成分の大きさを低減させることができ、フリー磁性層の磁化方向を初期磁化方向に戻すことが容易になる。本明細書において、この目的でフリー磁性層に付与される磁場を「ヒステリシスキャンセル磁場」または「ＨＣ磁場」ともいう。

ＨＣ磁場を、ハードバイアス層を用いて付与することも可能であるが、ハードバイアス層は、多くの場合には、磁気抵抗効果素子の基本的な積層構造（シード層／固定磁性層／非磁性材料層／フリー磁性層）とは異なる構造として配置されるため、ハードバイアス層とフリー磁性層との位置関係にばらつきが生じやすく、ＨＣ磁場の大きさや向きにばらつきが生じるおそれがある。

そこでさらに検討した結果、フリー磁性層の磁化方向を揃える目的で積層された反強磁性層のフリー磁性層に対向する側と反対側に強磁性層（本明細書において、「ヒステリシスキャンセル層」または「ＨＣ層」ともいう。）を積層することにより、フリー磁性層にＨＣ磁場を効率的に印加できるとの知見を得た。

すなわち、被測定磁界が印加されていない状態では、ＨＣ層には、フリー磁性層と同様に反強磁性層との交換結合バイアスが生じている。そして、ＨＣ層を備える磁気抵抗効果素子に対して被測定磁界が印加されるとＨＣ層の磁化方向も被測定磁界の影響で回転し、被測定磁界の印加が終了すると、フリー磁性層と同様に、交換結合バイアスに基づく磁化方向に対して直交する成分を有する磁化が残留する。そこで、ＨＣ層における反強磁性層との交換結合バイアスに基づく磁化方向を、フリー磁性層における初期磁化方向と等しい向きにしておくことにより、ＨＣ層の残留磁化に基づく還流磁場を、フリー磁性層の残留直交成分とは反平行の成分を有する外部磁場として、フリー磁性層に対して作用させることができる。その結果、フリー磁性層の残留直交成分は小さくなり、ＧＭＲ素子のヒステリシスを低減させることが可能となる。

また、ＨＣ層からフリー磁性層に印加される還流磁場の温度依存性は、フリー磁性層と反強磁性層との交換結合バイアスの大きさの温度依存性と基本的な傾向が等しいことから、ＨＣ層は、磁気抵抗効果素子の温度補償機構としても働き、磁気センサの測定値の温度変化に起因する変動を低減させることができる。

かかる知見に基づき完成された本発明は次のとおりである。
（１）特定の方向に感度軸を持つ磁気抵抗効果素子を備えた磁気センサであって、前記磁気抵抗効果素子は、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を備え、前記フリー磁性層における前記非磁性材料層に対向する側と反対側には、前記フリー磁性層との間で交換結合バイアスを生じさせ前記フリー磁性層の磁化方向を磁化変動可能な状態で所定方向に揃えることができる反強磁性層が設けられ、前記反強磁性層における前記フリー磁性層に対向する側と反対側には、強磁性層が設けられており、前記強磁性層は、前記反強磁性層との間で交換結合バイアスを生じて、前記強磁性層の磁化方向が磁化変動可能な状態で所定方向に揃えられたものであり、前記フリー磁性層に生じた交換結合バイアスに基づく磁化方向は、前記強磁性層に生じた交換結合バイアスに基づく磁化方向と等しい向きであって、前記強磁性層は、前記フリー磁性層に対して、前記感度軸に沿った方向の成分を有する還流磁場を付与可能であることを特徴とする磁気センサ。

（２）前記強磁性層に生じた交換結合バイアスの大きさおよび前記強磁性層の厚さは、前記フリー磁性層の残留磁化の前記感度軸に沿った方向の成分を低減させるように設定される、上記（１）記載の磁気センサ。

（３）前記反強磁性層は、ＩｒＭｎにより形成される、上記（１）または（２）に記載の磁気センサ。

（４）前記固定磁性層は、第１磁性層と前記非磁性材料層に接する第２磁性層とが非磁性中間層を介して積層され、前記第１磁性層と前記第２磁性層とが反平行に磁化固定されたセルフピン止め型である、上記（１）から（３）のいずれかに記載の磁気センサ。

（５）前記強磁性層に生じた交換結合バイアスの大きさおよび前記強磁性層の厚さは、前記フリー磁性層の感度の高温保存時間依存性を低減させるように設定される、上記（１）から（４）のいずれかに記載の磁気センサ。

（６）基板上に、シード層、固定磁性層、非磁性材料層、フリー磁性層、反強磁性層および強磁性層をこの順に積層する工程を備える磁気センサの製造方法であって、積層方向に直交する第１の方向に磁場を印加しながら第１磁性層を前記シード層上に積層し、続いて非磁性中間層および第２磁性層を順次積層することにより、セルフピン止め構造を備える積層体からなる前記固定磁性層を得るピン層積層工程；前記第２磁性層上に非磁性材料層を積層する非磁性層積層工程；および前記第１の方向とは異なる方向である第２の磁場を印加しながら、前記非磁性材料層上に、前記フリー磁性層、前記反強磁性層および前記強磁性層を順次積層するフリー層積層工程を備えることを特徴とする磁気センサの製造方法。

（７）前記強磁性層から前記フリー磁性層に対して、前記第１の方向に平行な方向への還流磁場が印加可能に、前記強磁性層の構造は設定される、上記（６）に記載の磁気センサの製造方法。

（８）前記シード層を積層する工程から、前記強磁性層を積層する工程まで、磁場中アニール処理が行われない、上記（６）または（７）に記載の磁気センサの製造方法。

（９）前記反強磁性層を、ＩｒＭｎにより形成する上記（８）に記載の磁気センサの製造方法。

（１０）上記（１）から（５）のいずれかに記載される磁気センサを備える電流センサ。

本発明によれば、磁気抵抗効果素子のヒステリシスを低減させることが可能な磁気センサが提供される。また、かかる磁気センサの製造方法およびかかる磁気センサを用いてなる電流センサも提供される。

本発明の一実施形態に係る磁気センサを構成する磁気抵抗効果素子の拡大平面図である。 図１に示すＩＩ−ＩＩ線における矢視断面図である。 ゼロ磁場ヒステリシスの設計ストライプ幅依存性を示すグラフである。 ゼロ磁場ヒステリシスの感度依存性を示すグラフである。 平均感度変化率の交換結合バイアスの大きさの変化率に対する依存性を示すグラフである。 平均感度変化率の１５０℃加熱時間に対する依存性を示すグラフである。

１．磁気センサ
図１は、本発明の一実施形態に係る磁気センサの概念図（平面図）、図２は、図１に示すＩＩ−ＩＩ線における矢視断面図である。

本発明の一実施形態に係る磁気センサ１は、図１に示すように、ストライプ形状の磁気抵抗効果素子１１を有する。磁気抵抗効果素子１１は、そのストライプ長手方向Ｄ１（以下、単に「長手方向Ｄ１」もともいう。）が互いに平行になるように配置された複数の帯状の長尺パターン１２（ストライプ）が折り返してなる形状（ミアンダ形状）を有する。このミアンダ形状の磁気抵抗効果素子１１において、感度軸方向は、長尺パターン１２の長手方向Ｄ１に対して直交する方向Ｄ２（以下、単に「幅方向Ｄ２」もともいう。）である。したがって、このミアンダ形状の磁気抵抗効果素子１１を備える磁気センサ１は、使用の際に、被測定磁界およびキャンセル磁界が、幅方向Ｄ２に沿うように印加される。

互いに平行になるように配置された複数の帯状の長尺パターン１２のうち、配列方向端部に位置するもの以外の長尺パターン１２のそれぞれは、端部において最近位の他の帯状の長尺パターン１２と導電部１３により接続されている。配列方向端部に位置する長尺パターン１２は、導電部１３を介して接続端子１４に接続されている。こうして、２つの接続端子１４，１４間に、複数の長尺パターン１２が直列に導電部１３により接続された構成を、磁気抵抗効果素子１１は備える。導電部１３および接続端子１４は非磁性、磁性の別を問わないが、電気抵抗の低い材料から構成することが好ましい。磁気センサ１は、２つの接続端子１４，１４から磁気抵抗効果素子１１からの信号を出力可能である。接続端子１４，１４から出力される磁気抵抗効果素子１１からの信号は、図示しない演算部に入力され、演算部において当該信号に基づいて被測定電力が算出される。

図２に示すように、磁気抵抗効果素子１１の長尺パターン１２のそれぞれは、チップ２９上に、図示しない絶縁層等を介して、下から、シード層２０、固定磁性層２１、非磁性材料層２２、フリー磁性層２３、反強磁性層２４、ＨＣ層２５、および保護層２６の順に積層されて成膜される。これらの層の成膜方法は限定されない。例えばスパッタにて成膜してもよい。

シード層２０は、ＮｉＦｅＣｒあるいはＣｒ等で形成される。
固定磁性層２１は、第１磁性層２１ａと第２磁性層２１ｃと、第１磁性層２１ａと第２磁性層２１ｃと間に位置する非磁性中間層２１ｂとのセルフピン止め構造である。

図２に示すように、第１磁性層２１ａの固定磁化方向と、第２磁性層２１ｃの固定磁化方向とは反平行となっている。そして、第２磁性層２１ｃの固定磁化方向が、固定磁性層２１における固定磁化方向、すなわち感度軸方向である。

図２に示すように、第１磁性層２１ａはシード層２０上に形成されており、第２磁性層２１ｃは、後述する非磁性材料層２２に接して形成されている。

本実施形態における第１磁性層２１ａは、第２磁性層２１ｃよりも高保磁力材料のＦｅＣｏ合金で形成されることが好適である。

非磁性材料層２２に接する第２磁性層２１ｃは磁気抵抗効果（具体的にはＧＭＲ効果）に寄与する層であり、第２磁性層２１ｃには、アップスピンを持つ伝導電子とダウンスピンを持つ伝導電子の平均自由行程差を大きくできる磁性材料が選択される。

図２に示す構成では、第１磁性層２１ａと第２磁性層２１ｃとの磁化量（飽和磁化Ｍｓ・膜厚ｔ）の差が実質的にゼロとなるように調整されている。

本実施形態における固定磁性層２１は、セルフピン止め構造であるから、反強磁性層を備えない。これにより磁気抵抗効果素子１１の温度特性が反強磁性層のブロッキング温度に制約を受けない。

固定磁性層２１の磁化固定力を高めるには、第１磁性層２１ａの保磁力Ｈｃを高めること、第１磁性層２１ａと第２磁性層２１ｃの磁化量の差を実質的にゼロに調整すること、更に非磁性中間層２１ｂの膜厚を調整して第１磁性層２１ａと第２磁性層２１ｃ間に生じるＲＫＫＹ相互作用による反平行結合磁界を強めることが重要とされている。このように適宜調整することで、固定磁性層２１が外部からの磁界に対して影響を受けることなく、磁化がより強固に固定される。

非磁性材料層２２は、Ｃｕ（銅）などである。また図２に示すフリー磁性層２３はＮｉＦｅやＣｏＦｅ等の単層構造、あるいは積層構造で構成されるが、これに限定されるものでない。保護層２６を構成する材料は限定されない。Ｔａ（タンタル）などが例示される。

図２に示すようにフリー磁性層２３の上面には反強磁性層２４が形成されている。反強磁性層２４はフリー磁性層２３との間で磁場中でのアニール処理を行うことなく交換結合バイアス（交換結合磁界；Ｈｅｘ）を生じさせることができるＩｒＭｎで形成されることが好ましい。このように磁場中でのアニール処理を施すことなくフリー磁性層２３との間で交換結合バイアスを生じさせることができる反強磁性層２４を用いる場合には、磁場中でのアニール処理を必要とするＰｔＭｎやＮｉＭｎは使用しないことが好ましい。

反強磁性層２４の膜厚およびフリー磁性層２３に生じる交換結合バイアスの大きさは、フリー磁性層２３の磁化方向を被測定磁界に対して磁化変動可能な状態で揃えることができる限り、限定されない。一例を挙げれば、反強磁性層２４の膜厚は、４０〜８０Å程度である。またフリー磁性層２３に生じる交換結合バイアスの大きさは５０〜３００Ｏｅ（約４ｋＡ／ｍ〜約２４ｋＡ/ｍ）程度である。図２のフリー磁性層の磁化方向Ｆは初期磁化方向を示しており、フリー磁性層２３の磁化方向Ｆは固定磁性層２１の固定磁化方向（第２磁性層２１ｃの固定磁化方向）に対して直交する方向に揃えられている。

図２では、反強磁性層２４がフリー磁性層２３の上面全体に成膜されているが、これに限定されず、反強磁性層２４の一部に欠陥部を形成してもよい。ただし、反強磁性層２４がフリー磁性層２３の全面に形成されているほうが、フリー磁性層２３全体を適切に一方向に単磁区化でき、ヒステリシスをより低減できるため、測定精度を向上させることができ好適である。

本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子１１は、反強磁性層２４におけるフリー磁性層２３に対向する側と反対側、すなわち、図２では反強磁性層２４の上面側に、反強磁性層２４との間で交換結合バイアスが生じてその磁化方向を磁化変動可能な状態で所定方向に揃えることができるＨＣ層２５が設けられている。ＨＣ層２５は、反強磁性層２４との間で交換結合バイアスが適切に生じうるように、強磁性材料からなる強磁性層である。

反強磁性層２４に起因してフリー磁性層２３に生じた交換結合バイアスと、反強磁性層２４に起因してＨＣ層２５に生じた交換結合バイアスとは磁化方向が等しくなるように、反強磁性層２４およびＨＣ層２５は設定される。また、ＨＣ層２５は、フリー磁性層２３に対して、感度軸に沿った方向、すなわち幅方向Ｄ２の成分を有する還流磁場を付与可能である。磁気抵抗効果素子１１が、図１に示されるように、互いに離間した複数の長尺パターン１２を備える構成であれば、ＨＣ層２５が極端に薄いなどの特段の構造を有していない限り、通常、ＨＣ層２５からの還流磁場における感度軸に沿った方向の成分を、フリー磁性層２３に対して付与することは容易である。以下の説明において、ＨＣ層２５からの還流磁場における感度軸に沿った方向の成分を「還流直交成分」ともいう。

ＨＣ層２５の磁化方向は、フリー磁性層２３と同様に、被測定電流からの誘導磁界などの被測定磁界の向きに沿うように回転するため、フリー磁性層２３に付与されるＨＣ層２５からの還流直交成分は、被測定磁界の向きと反対向きとなる。したがって、被測定磁界の印加が終了して、フリー磁性層２３に残留直交成分が存在している場合には、このＨＣ層２５の残留磁化に基づく還流直交成分は、フリー磁性層２３の残留直交成分と反対向きになり、フリー磁性層２３の残留直交成分を消去するように作用する。したがって、本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子１１は、ヒステリシスが低減しやすい。

ＨＣ層２５を構成する材料は強磁性材料である限り限定されない。そのような材料としてＮｉＦｅＮｂ系の材料、ＮｉＦｅ系の材料、ＣｏＦｅ系の材料などが例示される。これらの中でも、シャントロスを少なくする観点から、ＨＣ層２５はＮｉＦｅＮｂ系の材料のような体積抵抗率が比較的高い材料を用いることが好ましい。

ＨＣ層２５は単層構造であってもよいし、積層構造であってもよい。反強磁性層２４との間で交換結合バイアスを適切に生じること、被測定磁界が印加されたときにＨＣ層２５の磁化回転が適切に生じること、フリー磁性層２３の残留直交成分を低減させうる程度にＨＣ層２５からの還流直交成分が生じること、およびシャントロスを低減させることのバランスを良好にする観点から、ＨＣ層２５を積層構造とし、反強磁性層２４上にＮｉＦｅ系の材料のような交換結合バイアスが適度に発生しやすい材料からなる比較的薄い層が反強磁性層２４に接するように位置し、反強磁性層２４に対して相対的に遠位な位置に、ＮｉＦｅＮｂ系の材料のような体積抵抗率が比較的高い材料からなる比較的厚い層が位置するようにすることが好ましい。

ＨＣ層２５が上記のように積層構造を有する場合には、各層の組成や厚さを調整することにより、磁気抵抗効果素子１１を備えた磁気センサのリニアリティを向上させることも可能である。また、ＨＣ層２５を備える磁気抵抗効果素子１１をアニール処理（このアニール処理において磁場の印加は不要である。）することにより、磁気抵抗効果素子１１を備えた磁気センサのリニアリティを向上させることができる場合もある。

ＨＣ層２５は、次に説明するように、磁気抵抗効果素子１１の温度補償機構としても機能しうる。反強磁性層２４がフリー磁性層２３やＨＣ層２５との間で生じさせる交換結合バイアスは、様々な要因（組成のばらつき、接合界面の不整合、相互拡散など）により、その大きさに高温保存時間依存性を有し、基本的な傾向として、高温環境での保存時間が長くなると、交換結合バイアスは大きくなる。

このため、ＨＣ層２５を有しない磁気抵抗効果素子では、測定環境温度の高い状態が長く続いた後にフリー磁性層に生じた交換結合バイアスが大きくなると、磁気抵抗効果素子に外部磁場が印加された際に、フリー磁性層の磁化回転角度は小さくなって、見かけ上、印加された磁場が低下したように測定される。したがって、この磁気抵抗効果素子を備えた磁気センサが電流センサとして用いられる場合には、高温環境下での保存時間が長くなることにより検出電流が低下してしまうことになる。これに対し、本実施形態に係る磁気抵抗効果素子１１のようにＨＣ層２５を有する場合には、ＨＣ層２５において生じる交換結合バイアスも、フリー磁性層２３に生じる交換結合バイアスと基本的な傾向が共通する高温保存時間依存性を有するため、ＨＣ層２５からの還流磁場は、高温環境下での保存時間が短いほど大きく、高温環境下での保存時間が長いほど高いほど小さくなる。

つまり、フリー磁性層２３の磁化回転角度が比較的大きくなる高温環境下での保存時間が短い場合には、磁化回転角度を低下させるように作用するＨＣ層２５からの還流直交成分が比較的大きく、フリー磁性層２３の磁化回転角度が比較的小さくなる高温環境下での保存時間が長い場合には、磁化回転角度を低下させるように作用するＨＣ層２５からの還流直交成分が比較的小さくなる。このため、高温環境下での保存時間の変化に基づくフリー磁性層２３の磁化回転の変化は生じにくくなり、高温環境下での保存時間に起因する測定値の変動が生じにくくなる。このようなＨＣ層２５による温度補償機構を適切に機能させるためには、ＨＣ層２５の構成（組成、厚さなど）を適切に設定すればよい。

なお、図２では、ＨＣ層２５が反強磁性層２４の上面全体に成膜されているが、これに限定されず、ＨＣ層２５の一部に欠陥部を形成してもよい。ただし、ＨＣ層２５が反強磁性層２４の全面に形成されているほうが、フリー磁性層２３の残留直交成分を適切に低減させることができ、測定精度を向上させることができ好適である。

２．磁気センサの製造方法
本発明の一実施形態に係る磁気センサの製造方法は限定されない。次に説明する方法によれば、本実施形態に係る磁気センサを効率的に製造することが可能である。

基板２９上に、図２では図示しない絶縁層を介してシード層２０を成膜し、その上に、セルフピン止め構造を有する固定磁性層２１を積層する。具体的には、図２に示されるような、第１磁性層２１ａ、非磁性中間層２１ｂおよび第２磁性層２１ｃを順次積層する。各層の成膜手段は限定されない。スパッタが例示される。第１磁性層２１ａを成膜する際に磁場を印加しながら行うことにより、第１磁性層２１ａを図１における幅方向Ｄ２に沿うように磁化させれば、ＲＫＫＹ相互作用により第２磁性層２１ｃを第１磁性層２１ａの磁化方向と反平行な向きに強く磁化することが可能である。こうして磁化された第２磁性層２１ｃは、その後の製造過程において自らの磁化方向と異なる向きの磁場が印加されても、その影響を受けずに幅方向Ｄ２に磁化された状態を維持することが可能である。

次に、固定磁性層２１上に非磁性材料層２２を積層する。非磁性材料層２２の積層方法は限定されず、スパッタが具体例として挙げられる。

続いて、非磁性材料層２２上に、長手方向Ｄ１に沿った方向の磁場を印加しながら、フリー磁性層２３、反強磁性層２４およびＨＣ層２５を順次積層する。これらの層の積層方法は限定されず、スパッタが具体例として挙げられる。このように磁場中成膜を行うことにより、フリー磁性層２３の磁化方向に沿った方向に反強磁性層２４との間で交換結合バイアスが生じ、フリー磁性層２３の磁化方向と等しい向きに磁化されたＨＣ層２５において、その磁化方向に沿った方向に反強磁性層２４との間で交換結合バイアスが生じる。それゆえ、成膜が終了して磁場の印加も終了しても、反強磁性層２４との間で生じた交換結合バイアスにより、フリー磁性層２３とＨＣ層２５とは長手方向Ｄ１の等しい向きに磁化方向が揃った状態を維持することができる。なお、これらの層の成膜中には、固定磁場層２１に対しても磁場が印加されるが、固定磁場層２１はＲＫＫＹ相互作用に基づくピン止め構造を有するため、この印加された磁場によっては磁化方向が変動することはない。

ここで、反強磁性層２４を構成する材料としてＩｒＭｎ系の材料を用いた場合には、特段の加熱処理を伴わない磁場中成膜により反強磁性層２４の磁化方向を揃えることが可能である。したがって、磁気抵抗効果素子１１を製造するプロセス全体を通じて磁場中アニール処理を行わないプロセスとすることが可能である。磁気抵抗効果素子１１の製造プロセスを上記のように磁場中アニールフリープロセスとすることにより、同一の基板上に異なる感度軸（磁化方向が反対向きの場合を含む。）を有する磁気抵抗効果素子１１を容易に製造することが可能となる。磁気抵抗効果素子１１の製造プロセスが磁場中アニール処理を必要とする場合には、磁場中アニール処理を複数回行うと、先に行った磁場中アニール処理の効果が薄れ、磁化方向を適切に設定することが困難となるおそれがある。

こうして、磁場中成膜によりフリー磁性層２３、反強磁性層２４およびＨＣ層２５を積層したら、最後に、保護層２６を積層する。保護層２６の積層方法は限定されず、スパッタが具体例として挙げられる。

以上の成膜工程により得られた積層構造体に対して除去加工（ミリング）を行い、複数の長尺パターン１２が幅方向Ｄ２に沿って配列された状態とする。これらの複数の長尺パターン１２を接続する導電部１３および導電部１３に接続する接続端子１４を形成して、図１に示されるミアンダ形状を有する磁気抵抗効果素子１１を得る。

３．電流センサ
本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子を備えた磁気センサは、電流センサとして好適に使用されうる。かかる電流センサは、磁気抵抗効果素子を１つ備える構成でもよいが、特許文献１や特許文献２に記載されるように、４つの素子を用い、ブリッジ回路を組んで測定精度を高めることが好ましい。本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子の製造方法は、好ましい一例において磁場中アニール処理を備えないため、複数の磁気抵抗効果素子を同一基板上に製造することが容易である。

本発明の一実施形態に係る電流センサの具体例として、磁気比例式電流センサおよび磁気平衡式電流センサが挙げられる。
磁気比例式電流センサは、本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子（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を備える磁気抵抗効果素子であって、フリー磁性層における非磁性材料層に対向する側と反対側には、フリー磁性層との間で交換結合バイアスを生じさせフリー磁性層の磁化方向を磁化変動可能な状態で所定方向に揃えることができる反強磁性層が設けられ、反強磁性層におけるフリー磁性層に対向する側と反対側には、反強磁性層との間で交換結合バイアスが生じてその磁化方向を磁化変動可能な状態で所定方向に揃えることができる強磁性層が設けられており、フリー磁性層に生じた交換結合バイアスに基づく磁化方向は、強磁性層に生じた交換結合バイアスに基づく磁化方向と等しい向きであって、強磁性層は、フリー磁性層に対して、感度軸に沿った方向の成分を有する還流磁場を付与可能である、磁気抵抗効果素子。）を少なくとも１つ含んで構成され、被測定電流からの誘導磁界に応じた電圧差を生じる２つの出力を備える磁界検出ブリッジ回路を有する。そして、磁気比例式電流センサでは、誘導磁界に応じて磁界検出ブリッジ回路から出力される電位差により、被測定電流が測定される。

磁気平衡式電流センサは、本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子を少なくとも１つ含んで構成され、被測定電流からの誘導磁界に応じた電圧差を生じる２つの出力を備える磁界検出ブリッジ回路と、磁気抵抗効果素子の近傍に配置され、誘導磁界を相殺するキャンセル磁界を発生するフィードバックコイルと、を具備する。そして、磁気平衡式電流センサでは、電圧差によりフィードバックコイルに通電して誘導磁界とキャンセル磁界とが相殺される平衡状態となったときのフィードバックコイルに流れる電流に基づいて、被測定電流が測定される。

以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
例えば、フリー磁性層２３の磁化制御として磁場中でのアニール処理を必要としない反強磁性層２４とともに従来におけるハードバイアス層を補助的に用いてもよい。

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。
絶縁膜を有する基板上に、下からシード層２０：ＮｉＦｅＣｒ（４２）／固定磁性層２１［第１磁性層２１ａ；Ｆｅ_６０Ｃｏ_４０（１９）／非磁性中間層２１ｂ；Ｒｕ（３．６）／第２磁性層２１ｃ；Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（２４）］／非磁性材料層２２；Ｃｕ（２２）／フリー磁性層２３［Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（１０）／Ｎｉ_８１Ｆｅ_１９（９０）／Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（１０）］／反強磁性層２４；Ｉｒ_２２Ｍｎ_７８（６０）／ＨＣ層２５［Ｎｉ_８１Ｆｅ_１９（１０）／Ｎｉ_８２Ｆｅ_１３Ｎｂ_５（１００）］／保護層２６；Ｔａ（１００）の順に積層して積層体１を得た。括弧内の数値は膜厚を示し単位はÅである。

固定磁性層２１を成膜するときの磁場印加磁石の磁場方向と、フリー磁性層２３、反強磁性層２４およびＨＣ層２５を成膜するときの磁場印加磁石の磁場方向とを９０°変えて、各層を磁場中成膜した。

得られた積層体１をミリングして複数の長尺パターンがストライプ状に配置された構造体を得た。これらの複数の長尺パターンの端部に導電部を形成し、さらに導電部に接続するように接続端子を形成して、ミアンダ形状を有する磁気抵抗効果素子を形成した。

ＨＣ層２５を成膜しなかったこと以外は積層体１の製造方法と同様の製造方法により積層体２を製造した。この積層体２からＨＣ層を有しない磁気抵抗効果素子を製造した。

上記の積層体１および２のミリング条件を変更することにより、設計ストライプ幅が異なる複数の磁気抵抗効果素子を作製した。これらの磁気抵抗効果素子について、±５００Ｏｅ（±約８ｋＡ／ｍ）の外部磁界を印加して、ゼロ磁場ヒステリシス（単位：フルスケールに対する百分率）を測定した。
その結果、図３に示すような結果が得られた。ＨＣ層を導入することにより、設計ストライプ幅を細くすることなく、磁気抵抗効果素子のゼロ磁場ヒステリシスを低減させることができることが確認された。

また、図３において、設計ストライプ幅を変化させることによって調整可能な感度（単位：ｍＶ／ｍＴ）を横軸にしてプロットしなおすと、図４に示されるような結果が得られた。

ＨＣ層を有しない磁気抵抗効果素子（構造体２に基づく。）に対して１５０℃で加熱し、一定時間保存する処理を行った。処理後の磁気抵抗効果素子について、１５０℃加熱処理前の値を基準とする、平均感度変化率（縦軸）および交換結合バイアスの大きさの変化率（横軸）の関係をグラフ化した。その結果を図５に示す。なお、各プロットは、左から熱処理前、１００時間、２００時間、５００時間、７００時間、１０００時間保存したものである。図５に示されるように、高温での保存時間が長くなると交換結合バイアスの大きさの変化率は次第に大きくなり、平均感度変化率は低下することが確認された。これにより、フリー磁性層２３の交換結合バイアスの大きさと、ＨＣ層２５の交換結合バイアスの大きさとは、高温保存により同じように変化すること、および高温保存の有無や時間によらず、ＨＣ層２５からの還流磁場によって、適切にヒステリシスを低減できることが分かる。

構造体１および２に基づく磁気抵抗効果素子に対して１５０℃で加熱する処理を行った。処理後の磁気抵抗効果素子について、１５０℃加熱処理前の値を基準とする、平均感度変化率の高温保存時間依存性を測定した。その結果を図６に示す。図６に示されるように、ＨＣ層を導入することにより、磁気抵抗効果素子が高温保存されたことに起因する感度変化を低減することが可能である。

本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子を備えた磁気センサは、電気自動車はハイブリッドカーなどの電流センサの構成要素として好適に使用されうる。

１ 磁気センサ
１１ 磁気抵抗効果素子
１２ 長尺パターン
２１ 固定磁性層
２１ａ 第１磁性層
２１ｂ 非磁性中間層
２１ｃ 第２磁性層
２２ 非磁性材料層
２３ フリー磁性層
２４ 反強磁性層
２５ ＨＣ層
２９ チップ

Claims (10)

1. 特定の方向に感度軸を持つ磁気抵抗効果素子を備えた磁気センサであって、
   前記磁気抵抗効果素子は、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を備え、
   前記フリー磁性層における前記非磁性材料層に対向する側と反対側には、前記フリー磁性層との間で交換結合バイアスを生じさせ前記フリー磁性層の磁化方向を磁化変動可能な状態で所定方向に揃えることができる反強磁性層が設けられ、
   前記反強磁性層における前記フリー磁性層に対向する側と反対側には、強磁性層が設けられており、前記強磁性層は、前記反強磁性層との間で交換結合バイアスを生じて、前記強磁性層の磁化方向が磁化変動可能な状態で所定方向に揃えられたものであり、
   前記フリー磁性層に生じた交換結合バイアスに基づく磁化方向は、前記強磁性層に生じた交換結合バイアスに基づく磁化方向と等しい向きであって、
   前記強磁性層は、前記フリー磁性層に対して、前記感度軸に沿った方向の成分を有する還流磁場を付与可能であること
   を特徴とする磁気センサ。
2. 前記強磁性層に生じた交換結合バイアスの大きさおよび前記強磁性層の厚さは、前記フリー磁性層の残留磁化の前記感度軸に沿った方向の成分を低減させるように設定される、請求項１に記載の磁気センサ。
3. 前記反強磁性層は、ＩｒＭｎにより形成される、請求項１または２に記載の磁気センサ。
4. 前記固定磁性層は、第１磁性層と前記非磁性材料層に接する第２磁性層とが非磁性中間層を介して積層され、前記第１磁性層と前記第２磁性層とが反平行に磁化固定されたセルフピン止め型である、請求項１から３のいずれか一項に記載の磁気センサ。
5. 前記強磁性層に生じた交換結合バイアスの大きさおよび前記強磁性層の厚さは、前記フリー磁性層の感度の高温保存時間依存性を低減させるように設定される、請求項１から４のいずれか一項に記載の磁気センサ。
6. 基板上に、シード層、固定磁性層、非磁性材料層、フリー磁性層、反強磁性層および強磁性層をこの順に積層する工程を備える磁気センサの製造方法であって、
   積層方向に直交する第１の方向に磁場を印加しながら第１磁性層を前記シード層上に積層し、続いて非磁性中間層および第２磁性層を順次積層することにより、セルフピン止め構造を備える積層体からなる前記固定磁性層を得るピン層積層工程；
   前記第２磁性層上に非磁性材料層を積層する非磁性層積層工程；および
   前記第１の方向とは異なる方向である第２の磁場を印加しながら、前記非磁性材料層上に、前記フリー磁性層、前記反強磁性層および前記強磁性層を順次積層するフリー層積層工程を備えること
   を特徴とする磁気センサの製造方法。
7. 前記強磁性層から前記フリー磁性層に対して、前記第１の方向に平行な方向への還流磁場が印加可能に、前記強磁性層の構造は設定される、請求項６に記載の磁気センサの製造方法。
8. 前記シード層を積層する工程から、前記強磁性層を積層する工程まで、磁場中アニール処理が行われない、請求項６または７に記載の磁気センサの製造方法。
9. 前記反強磁性層を、ＩｒＭｎにより形成する請求項８に記載の磁気センサの製造方法。
10. 請求項１から５のいずれか一項に記載される磁気センサを備える電流センサ。