JP7136340B2 - 磁気抵抗素子および磁気センサ - Google Patents

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Description

本開示は、磁気抵抗効果を用いた磁気抵抗素子および磁気センサに関する。
従来の磁気トンネル接合素子において、J. Zhu and C. Park, “Magnetic tunnel junctions”, Materials Today 9, 36 (2006)（非特許文献１）には、トンネル磁気抵抗(TMR)効果を示すトンネル磁気抵抗比（ＴＭＲ比）が、図１５に示すように、絶縁層を挟んで配置されたフリー層の磁化Ｍ１とピンド層の磁化Ｍ２との角度によって決定されることが示されている。
図１５は、従来の磁気トンネル接合素子において絶縁層を挟んで配置されたフリー層の磁化Ｍ１の向きとピンド層の磁化Ｍ２の向きを示す概略図である。
図１５には、ピンド層２０２、バリア層２０３、およびフリー層２０４が順に積層された積層部２０１を含む磁気抵抗素子２００が開示されている。フリー層２０４の磁化Ｍ１とピンド層２０２の磁化Ｍ２との相対角度はθである。
トンネル磁気抵抗(TMR)効果によるコンダクタンスは, バリア層の上側（Ｍ１）と下側（Ｍ２）の強磁性体層の磁化の相対角度θを用いて以下の式（１）で表わされる。
Figure 0007136340000001
ここで, ＧＰ=Ｇ（０°）は、磁化Ｍ１と磁化Ｍ２とが平行であり、ＧＡＰ=Ｇ（１８０°）は、磁化Ｍ１と磁化Ｍ２とが反平行であることを意味する。ＴＭＲ比は以下に示すJulliere’s modelの式（２）で表わされる。
Figure 0007136340000002
ここで、ＲＰは、磁化Ｍ１と磁化Ｍ２とが平行である場合のトンネル抵抗であり、ＲＡＰは、磁化Ｍ１と磁化Ｍ２とが反平行である場合のトンネル抵抗である。Ｐ１，Ｐ２は、ピンド層２０２およびフリー層２０４のスピン分極率である。
図１６は、従来における各種の磁気トンネル接合素子とそれら磁気トンネル接合素子の特徴を示す図である。
安藤康夫, “TMRを用いた生体磁気センサの開発”, 第5回岩崎コンファレンス「社会基盤の向上につながる磁気センサとその活用」, 平成29年11月27日（非特許文献２）には、図１６に示すように、各種の磁気トンネル接合素子とそれら磁気トンネル接合素子の特徴が示されている。
図１６には、左側から順に３種の磁気トンネル接合素子が開示されている。左から１つ目の磁気トンネル接合素子においては、ピンド層の磁化は、膜面に平行な面内方向を向いており、フリー層の磁化も、面内方向を向いている。検知する外部磁場は、ピンド層の膜面に平行な方向に変化する。
左から２つ目の磁気トンネル接合素子においては、ピンド層の磁化は、膜面に平行な面内方向を向いており、フリー層の磁化は、ピンド層の膜面に垂直な方向を向いている。検知する外部磁場は、ピンド層の膜面に平行な方向に変化する。
左から３つ目の磁気トンネル接合素子においては、ピンド層の磁化は、膜面に垂直な方向を向いている。フリー層の磁化は、ピンド層の膜面に平行な面内方向を向いている。検知する外部磁場は、ピンド層の膜面に垂直な方向に変化する。
左から１つ目のように、面内フリー層/バリア層/面内リファレンス層の積層構造を採用し、リファレンス層に対して９０°の方向へフリー層の磁化方向をバイアスし、０°の方向の磁場を検知する構造では、トンネル磁気抵抗比の高い膜構成を選択することができる。
しかしながら、このような構成においては、バイアス磁場の印加のために、電磁石もしくは磁石を要するために構成部材が増えてしまう。また、製造ばらつきが悪化し、信頼性も悪化してしまう。さらには、製造コストも増加してしまう。
上記のようなデメリットを改善できる磁気抵抗素子として、以下に示すような磁気渦（ボルテックス）構造を有する磁気抵抗素子が開発されている。
R. Antos, Y. Otani and J. Shibata, “Magnetic vortex dynamics”, J. Phys. Soc. Jpn. 77, 031004 (2008)（非特許文献３）には、図１７に示すように、磁場に対して特殊な応答をする現象として磁気渦構造(vortex)が開示されている。
図１７は、従来の磁気渦構造を有する磁気抵抗素子におけるヒステリシスループを示す図である。図１７に示すように、磁気渦構造を有する磁気抵抗素子におけるヒステリシスループにおいては、磁化曲線の一部に線形的な領域が現れる。
M. Schneider, H. Hoffmann and J. Zweck, “Lorentz microscopy of circular ferromagnetic permalloy nanodisks”, Appl. Phys. Lett. 77, 2909 (2000)（非特許文献４）には、図１８に示すように、磁気渦構造を有する磁気抵抗素子のディスク径と、飽和磁界およびニュークリエーション磁界との関係が開示されている。
図１８は、従来の磁気渦構造を有する磁気抵抗素子のディスク径と、飽和磁界およびニュークリエーション磁界とを示す図である。図１８に示すように、磁気渦構造を有する磁気抵抗素子においては、ディスク径（ディスクアスペクト比＝フリー層の膜圧／ディスク径）が減少するにつれて、飽和磁界とニュークリエーション磁界との差が大きくなる。すなわち、磁気渦構造を有する磁気抵抗素子の線形領域はディスク径（ディスクアスペクト比）が減少するにつれて拡大する。
図１９から図２１に示すように、米国特許出願公開第２００８／０１８０８６５号明細書（特許文献１）には、巨大磁気抵抗(GMR)もしくはトンネル磁気抵抗(TMR)センサにおいて、奇関数型の線形な入力磁場-抵抗特性を得るために、磁気渦構造(vortex)を用いる手法が提案されている。
図１９は、従来の磁気渦構造を有する磁気抵抗素子を組み込んだ磁気センサを示す概略断面図である。図２０は、図１９の磁気センサの概略上面図である。図２１は、図１９に示す磁気センサの応答性を示す図である。
図１９および図２０に示すように、特許文献１には、リファレンス層３０２、バリア層３０３、および磁気渦構造を有するフリー層３０４が順に積層された積層部を含む磁気抵抗要素３０１が、透磁性材料で形成される下部シールド３１０、上部シールド３２０に挟持された構造が開示されている。リファレンス層３０２においては、面内方向へ磁化を固定されており、フリー層３０４においては、磁化が渦状になっている。
図２１に示すように、リファレンス層３０２の膜面に垂直方向に流れる電流は、磁場の変化に対して、略直線的に変化する。
米国特許出願公開第２０１５／０１８５２９７号明細書（特許文献２）、遠藤基, 大兼幹彦, 永沼博, 安藤康夫, 磁気渦構造を応用した強磁性トンネル接合磁場センサ, 第39回日本磁気学会学術講演概要集10pE-12, 277 (2015)（非特許文献５）、T. Wurft, W. Raberg, K. Prugl, A. Satz, G. Reiss and H. Bruckl, The influence of edge inhomogeneities on vortex hysteresis curves in magnetic tunnel junctions, IEEE Transactions on Magnetics AF-05, 1 (2017)（非特許文献６）にも同様に、磁気渦構造を有する磁気抵抗素子が開示されている。
米国特許出願公開第２００８／０１８０８６５号明細書 米国特許出願公開第２０１５／０１８５２９７号明細
J. Zhu and C. Park, "Magnetic tunnel junctions", Materials Today 9, 36 (2006) 安藤康夫, "TMRを用いた生体磁気センサの開発", 第5回岩崎コンファレンス「社会基盤の向上につながる磁気センサとその活用」, 平成29年11月27日 R. Antos, Y. Otani and J. Shibata, "Magnetic vortex dynamics", J. Phys. Soc. Jpn. 77, 031004 (2008) M. Schneider, H. Hoffmann and J. Zweck, "Lorentz microscopy of circular ferromagnetic permalloy nanodisks", Appl. Phys. Lett. 77, 2909 (2000) 遠藤基, 大兼幹彦, 永沼博, 安藤康夫, 磁気渦構造を応用した強磁性トンネル接合磁場センサ, 第39回日本磁気学会学術講演概要集10pE-12, 277 (2015) T. Wurft, W. Raberg, K. Prugl, A. Satz, G. Reiss and H. Bruckl, The influence of edge inhomogeneities on vortex hysteresis curves in magnetic tunnel junctions, IEEE Transactions on Magnetics AF-05, 1 (2017)
上記のように、特許文献１、特許文献２、非特許文献３から６においては、磁気渦構造を有する磁気抵抗素子が開示されている。しかしながら、いずれの文献においても、出力の線形性を高めることについては、十分に検討されていない。
本開示は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、本開示の目的は、磁気渦構造を備えた構成において、出力の線形性を高めることができる磁気抵抗素子および磁気センサを提供することにある。
本開示に基づく磁気抵抗素子は、１つ以上の第１単位素子を含む第１素子部と、１つ以上の第２単位素子を含む第２素子部と、を備える。上記第１素子部と上記第２素子部とは直列に接続されている。上記第１単位素子は、第１膜面を有し、上記第１膜面の面内方向における所定の方向に磁化が固定された第１リファレンス層と、上記第１膜面に垂直な軸回りに渦状に磁化され、外部磁場に応じて渦の中心が移動する第１フリー層と、を含む。上記第２単位素子は、上記第１膜面に平行な第２膜面を有し、上記第２膜面の面内方向における所定の方向に磁化が固定された第２リファレンス層と、上記第２膜面に垂直な軸回りに渦状に磁化され、外部磁場に応じて渦の中心が移動する第２フリー層と、を含む。上記第１リファレンス層における固定された磁化が向く方向と、上記第２リファレンス層における固定された磁化が向く方向とが逆方向である。
上記本開示に基づく磁気抵抗素子にあっては、上記第１単位素子の抵抗変化特性における磁場に対する非線形性の分布と、上記第２単位素子の抵抗変化特性における磁場に対する非線形性の分布とは、正負が反転していることが好ましい。
上記本開示に基づく磁気抵抗素子にあっては、上記第１素子部と上記第２素子部との合成抵抗の変化特性における磁場に対する非線形性分布が、検出磁場範囲内（たとえば、－２０ｍＴ以上２０ｍＴ以下の磁場の範内）で、正側に２つの極値を有していてもよい。
上記本開示に基づく磁気抵抗素子にあっては、外部磁場に対する上記第１素子部の抵抗変化の変動方向と、外部磁場に対する上記第２素子部の抵抗変化の変動方向とが正負逆であることが好ましい。
上記本開示に基づく磁気抵抗素子にあっては、上記第１素子部の抵抗は、上記第２素子部の抵抗よりも大きいことが好ましい。
上記本開示に基づく磁気抵抗素子にあっては、上記第１単位素子の感度の絶対値は、上記第２単位素子の感度の絶対値よりも小さいことが好ましく、上記第１単位素子における抵抗変化特性の非線形性は、上記第２単位素子における抵抗変化特性の非線形性よりも小さいことが好ましい。
上記本開示に基づく磁気抵抗素子にあっては、上記第１フリー層および上記第２フリー層は、ディスク形状を有することが好ましい。この場合には、上記第１フリー層の径は、上記第２フリー層の径よりも小さいことが好ましい。
上記本開示に基づく磁気抵抗素子にあっては、上記第１単位素子の数は、上記第２単位素子の数よりも多くてもよい。
本開示に基づく磁気センサは、上記磁気抵抗素子を複数個備える。上記複数の磁気抵抗素子は、ハーフブリッジ回路を構成する第１磁気抵抗素子、および第２磁気抵抗素子を含む。上記第１磁気抵抗素子において上記第１リファレンス層における固定された磁化が向く方向と、上記第２磁気抵抗素子において上記第１リファレンス層における固定された磁化が向く方向とは逆方向である。
上記本開示に基づく磁気センサにあっては、上記複数の磁気抵抗素子は、第３磁気抵抗素子、および第４磁気抵抗素子をさらに含んでいてもよい。この場合には、上記第１磁気抵抗素子および上記第２磁気抵抗素子によって第１ハーフブリッジ回路が構成されていることが好ましく、上記第３磁気抵抗素子および上記第４磁気抵抗素子によって第２ハーフブリッジ回路が構成されていることが好ましい。さらに、上記第１ハーフブリッジ回路と上記第２ハーフブリッジ回路によってフルブリッジ回路が構成されていることが好ましい。また、上記第１磁気抵抗素子において上記第１リファレンス層における固定された磁化が向く方向と、上記第２磁気抵抗素子において上記第１リファレンス層における固定された磁化が向く方向とは逆方向であることが好ましく、上記第３磁気抵抗素子において上記第１リファレンス層における固定された磁化が向く方向と、上記第４磁気抵抗素子において上記第１リファレンス層における固定された磁化が向く方向とは逆方向であることが好ましい。さらに、上記第１磁気抵抗素子において上記第１リファレンス層における固定された磁化が向く方向と、上記第３磁気抵抗素子において上記第１リファレンス層における固定された磁化が向く方向とは逆方向であることが好ましい。
本開示によれば、磁気渦構造を備えた構成において、出力の線形性を高めることができる磁気抵抗素子および磁気センサを提供することができる。
実施の形態１に係る磁気センサの概略図である。 実施の形態１に係る磁気センサを構成する磁気抵抗素子に含まれる第１単位素子の積層構造を示す断面図である。 実施の形態１に係る磁気センサを構成する磁気抵抗素子に含まれる第２単位素子の積層構造を示す断面図である。 実施の形態１に係る上部強磁性層における渦状の磁化が外部磁場によって移動する様子を示す図である。 比較の形態１、比較の形態２、および実施の形態１に係る磁気抵抗素子を用いてブリッジ回路を構成した場合のそれぞれにおいて、磁場に対する磁気抵抗素子の抵抗変化特性、磁場に対する出力変化特性、および、出力特性の磁場に対する非線形の分布を示す図である。 比較例における磁気センサおよび実施例に係る磁気センサにおいて、非線形性と感度との関係をシミュレーションするための条件を示す図である。 比較例における磁気センサおよび実施例に係る磁気センサにおいて、非線形性と感度との関係のシミュレーション結果を示す図である。 実施の形態１に係る磁気センサの製造工程の第１工程を示す図である。 実施の形態１に係る磁気センサの製造工程の第２工程を示す図である。 実施の形態１に係る磁気センサの製造工程の第３工程を示す図である。 実施の形態１に係る磁気センサの製造工程の第４工程を示す図である。 実施の形態１に係る磁気センサの製造工程の第５工程を示す図である。 実施の形態１に係る磁気センサの製造工程の第６工程を示す図である。 実施の形態２に係る磁気抵抗素子の概略平面図である。 従来の磁気トンネル接合素子において絶縁層を挟んで配置されたフリー層の磁化Ｍ１の向きとピンド層の磁化Ｍ２の向きを示す概略図である。 従来における各種の磁気トンネル接合素子とそれら磁気トンネル接合素子の特徴を示す図である。 従来の磁気渦構造を有する磁気抵抗素子におけるヒステリシスループを示す図である。 従来の磁気渦構造を有する磁気抵抗素子のディスク径と、飽和磁界およびニュークリエーション磁界とを示す図である。 従来の磁気渦構造を有する磁気抵抗素子を組み込んだ磁気センサを示す概略断面図である。 図１９の磁気センサの概略上面図である。 図１９に示す磁気センサの応答性を示す図である。
以下、本開示の実施の形態について、図を参照して詳細に説明する。なお、以下に示す実施の形態においては、同一のまたは共通する部分について図中同一の符号を付し、その説明は繰り返さない。
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る磁気センサの概略図である。なお、図１においては、便宜上のため、磁気抵抗素子の構成する積層構造の一部（フリー層としての上部強磁性層、およびリファレンス層としての下部強磁性層）を横並びで記載している。図１を参照して、実施の形態に係る磁気センサ１について説明する。
図１に示すように、磁気センサ１は、第１磁気抵抗素子１０、第２磁気抵抗素子２０、第３磁気抵抗素子３０、および第４磁気抵抗素子４０を含む。これら、第１磁気抵抗素子１０、第２磁気抵抗素子２０、第３磁気抵抗素子３０および第４磁気抵抗素子４０によってフルブリッジ回路が構成されている。
具体的には、第１磁気抵抗素子１０の一方側は、電源電圧Ｖｉｎを印加するための電極部Ｐ１に接続されている。第１磁気抵抗素子１０の他方側は、出力電圧Ｖ＋を取り出すための電極部Ｐ２に接続されている。
第２磁気抵抗素子２０の一方側は、出力電圧Ｖ＋を取り出すための電極部Ｐ２に接続されている。第２磁気抵抗素子２０の他方側は、グランド電極としての電極部Ｐ４に接続されている。
第３磁気抵抗素子３０の一方側は、電源電圧Ｖｉｎを印加するための電極部Ｐ１に接続されている。第３磁気抵抗素子３０の他方側は、出力電圧Ｖ－を取り出すための電極部Ｐ３に接続されている。
第４磁気抵抗素子４０の一方側は、出力電圧Ｖ－を取り出すための電極部Ｐ３に接続されている。第４磁気抵抗素子４０の他方側は、グランド電極としての電極部Ｐ４に接続されている。
第１磁気抵抗素子１０および第２磁気抵抗素子２０が、直列接続されることにより、第１ハーフブリッジ回路Ｈｆ１が構成される。第３磁気抵抗素子３０および第４磁気抵抗素子４０が、直列接続されることにより、第２ハーフブリッジ回路Ｈｆ２が構成される。
第１ハーフブリッジ回路Ｈｆ１および第２ハーフブリッジ回路Ｈｆ２が、並列接続されることにより、フルブリッジ回路が構成される。第１磁気抵抗素子１０および第２磁気抵抗素子２０は、正出力性を有する。第３磁気抵抗素子３０および第４磁気抵抗素子４０は、負出力性を有する。
電極部Ｐ１と電極部Ｐ４との間に電源電圧Ｖｉｎを印加すると、電極部Ｐ２および電極部Ｐ３からは、磁界強度に応じて、出力電圧Ｖ＋，Ｖ－が取り出される。出力電圧Ｖ＋，Ｖ－は、差動増幅器（不図示）を介して差動増幅される。
第１磁気抵抗素子１０は、第１素子部１１および第２素子部１２を備える。第１素子部１１および第２素子部１２は、直列に接続されている。第１素子部１１の抵抗は、第２素子部１２の抵抗よりも大きい。
第１素子部１１は、第１単位素子１３を含む。第１単位素子１３は、後述するように、第１フリー層としての上部強磁性層１３７、第１リファレンス層としての下部強磁性層１３５、および当該上部強磁性層１３７と下部強磁性層１３５との間に配置された第１バリア層としての絶縁層１３６（図２参照）を含む。これら、下部強磁性層１３５、絶縁層１３６、および上部強磁性層１３７は、略同一のディスク形状を有し、下方側から順に積層されている。
下部強磁性層１３５は、第１膜面１３５ａを有し、第１膜面１３５ａの面内方向における所定の方向に磁化が固定されている。
上部強磁性層１３７は、磁気渦構造を有する。上部強磁性層１３７は、第１膜面１３５ａに垂直な軸回りに渦状に磁化されている。当該渦状の磁化における渦の中心は、外部磁場に応じて移動する。
第２素子部１２は、第２単位素子１４を含む。第２単位素子１４は、後述するように、第２フリー層としての上部強磁性層１４７、第２リファレンス層としての下部強磁性層１４５、および当該上部強磁性層１４７と下部強磁性層１４５との間に配置された第２バリア層としての絶縁層１４６（図３参照）を含む。これら、下部強磁性層１４５、絶縁層１４６、および上部強磁性層１４７は、略同一のディスク形状を有し、下方側から順に積層されている。第２単位素子１４における下部強磁性層１４５、絶縁層１４６、および上部強磁性層１４７のディスク径は、第１単位素子１３における下部強磁性層１３５、絶縁層１３６、および上部強磁性層１３７のディスク径よりも大きい。これにより、上述のように、第１素子部１１の抵抗は、第２素子部１２の抵抗よりも大きくなる。
下部強磁性層１４５は、第２膜面１４５ａを有し、第２膜面１４５ａの面内方向における所定の方向に磁化が固定されている。下部強磁性層１４５における固定された磁化が向く方向は、下部強磁性層１３５における固定された磁化が向く方向と逆方向である。
上部強磁性層１４７は、磁気渦構造を有する。上部強磁性層１４７は、第１膜面１４５ａに垂直な軸回りに渦状に磁化されている。当該渦状の磁化における渦の中心は、外部磁場に応じて移動する。
第２磁気抵抗素子２０は、第１素子部２１および第２素子部２２を有する。第１素子部２１は、第１単位素子２３を有する。第２素子部２２は、第２単位素子２４を有する。
第１単位素子２３は、第１磁気抵抗素子１０における第１単位素子１３とほぼ同様の構成である。第１単位素子２３は、第１単位素子１３と比較して、図中矢印ＡＲ１に示すように、第１リファレンス層としての下部強磁性層において固定された磁化の方向が相違する。
具体的には、第１単位素子２３における下部強磁性層において固定された磁化が向く方向は、第１単位素子１３における下部強磁性層１３５において固定された磁化が向く方向と逆方向である。
第２単位素子２４は、第１磁気抵抗素子１０における第２単位素子１４とほぼ同様の構成である。第２単位素子２４は、第２単位素子１４と比較して、図中矢印ＡＲ２に示すように、第２リファレンス層としての下部強磁性層において固定された磁化の方向が相違する。
具体的には、第２単位素子２４における下部強磁性層において固定された磁化が向く方向は、第２単位素子１４における下部強磁性層１４５において固定された磁化が向く方向と逆方向である。
第３磁気抵抗素子３０は、第１素子部３１および第２素子部３２を有する。第１素子部３１は、第１単位素子３３を有する。第２素子部３２は、第２単位素子３４を有する。
第１単位素子３３は、第１磁気抵抗素子１０における第１単位素子１３とほぼ同様の構成である。第１単位素子３３は、第１単位素子１３と比較して、図中矢印ＡＲ３に示すように、第１リファレンス層としての下部強磁性層において固定された磁化の方向が相違する。
具体的には、第１単位素子３３における下部強磁性層において固定された磁化が向く方向は、第１単位素子１３における下部強磁性層１３５において固定された磁化が向く方向と逆方向である。
第２単位素子３４は、第１磁気抵抗素子１０における第２単位素子１４とほぼ同様の構成である。第２単位素子３４は、第２単位素子１４と比較して、図中矢印ＡＲ４に示すように、第２リファレンス層としての下部強磁性層において固定された磁化の方向が相違する。
具体的には、第２単位素子３４における下部強磁性層において固定された磁化が向く方向は、第２単位素子１４における下部強磁性層１４５において固定された磁化が向く方向と逆方向である。
第４磁気抵抗素子４０は、第１素子部４１および第２素子部４２を有する。第１素子部４１は、第１単位素子４３を有する。第２素子部４２は、第２単位素子４４を有する。
第１単位素子４３は、第１磁気抵抗素子１０における第１単位素子１３と同様の構成である。第２単位素子４４は、第１磁気抵抗素子１０における第２単位素子１４と同様の構成である。
なお、第４磁気抵抗素子４０においては、図中矢印ＡＲ５、ＡＲ６に示すように、第３磁気抵抗素子３０と比較して、下部強磁性層における固定された磁化が向く方向が逆方向である。
具体的には、第１単位素子４３における下部強磁性層において固定された磁化が向く方向は、第１単位素子３３における下部強磁性層において固定された磁化が向く方向と逆方向である。第２単位素子４４における下部強磁性層において固定された磁化が向く方向は、第２単位素子３４における下部強磁性層において固定された磁化が向く方向と逆方向である。
図２は、実施の形態１に係る磁気センサを構成する磁気抵抗素子に含まれる第１単位素子の積層構造を示す断面図である。図２を参照して、第１単位素子１３の詳細な構造について説明する。
図２に示すように、第１単位素子１３は、いわゆる合成反強磁性（SAF:synthetic anti-ferromagnetic）結合を用いたBottom-pinned型のＴＭＲ素子である。
第１単位素子１３は、下部電極層１３１、反強磁性層１３２、強磁性層１３３、非磁性層１３４、下部強磁性層１３５、絶縁層１３６、上部強磁性層１３７、キャップ層１３８を含む。
下部電極層１３１は、反強磁性層１３２の結晶を適切に成長させるシード層として機能する。下部電極層１３１としては、たとえば、ＲｕとＴａとの積層膜を採用することができる。なお、下部電極層１３１は、他の金属や合金からなる単一の金属膜、および複数種の上記金属膜が積層されたものを採用することができる。
反強磁性層１３２は、下部電極層１３１上に設けられている。反強磁性層１３２としては、たとえば、ＰｔＭｎを採用することができる。なお、反強磁性層１３２は、ＩｒＭｎ等のＭｎを含む合金であってもよい。
強磁性層１３３は、反強磁性層１３２上に設けられている。強磁性層１３３としては、たとえば、ＣｏＦｅを採用することができる。なお、強磁性層１３３は、ＣｏＦｅＢ等であってもよい。強磁性層１３３の磁化は、反強磁性層１３２から作用する交換結合磁界によって所定の面内方向に固定される。
非磁性層１３４は、強磁性層１３３上に設けられている。非磁性層１３４は、たとえば、Ｒｕを採用することができる。
下部強磁性層１３５は、非磁性層１３４上に設けられている。下部強磁性層１３５としては、たとえば、ＣｏＦｅＢを採用することができる。なお、強磁性層１３３は、ＣｏＦｅ等であってもよい。
上述の強磁性層１３３、非磁性層１３４、および下部強磁性層１３５は、ＳＡＦ構造を形成している。これにより、第１リファレンス層としての下部強磁性層１３５の磁化の方向が強固に固定される。
絶縁層１３６は、下部強磁性層１３５上に設けられている。絶縁層としては、たとえばＭｇＯを採用することができる。絶縁層１３６は、上部強磁性層１３７と下部強磁性層１３５との間に配置されており、トンネルバリア層として機能する。
上部強磁性層１３７は、絶縁層１３６上に設けられている。上部強磁性層１３７としては、たとえば、ＣｏＦｅＢを採用することができる。なお、上部強磁性層１３７は、ＮｉＦｅ等であってもよい。
上部強磁性層１３７は、磁気渦構造を有する。上部強磁性層１３７は、フリー層として機能し、上部強磁性層１３７の磁化は、外部磁場によって向きを変える。
キャップ層１３８は、上部強磁性層１３７上に設けられている。たとえば、ＲｕとＴａとの積層膜を採用することができる。なお、キャップ層１３８は、他の金属や合金からなる単一の金属膜、および複数種の上記金属膜が積層されたものを採用することができる。
なお、上述における下部電極層１３１、反強磁性層１３２、強磁性層１３３、非磁性層１３４、下部強磁性層１３５、絶縁層１３６、上部強磁性層１３７、キャップ層１３８は、一例を示すものであり、単層で構成されていてもよいし、複数の層が積層されて構成されていてもよい。上述における下部電極層１３１、反強磁性層１３２、強磁性層１３３、非磁性層１３４、下部強磁性層１３５、絶縁層１３６、上部強磁性層１３７、キャップ層１３８は、適宜設定することができる。
図３は、実施の形態１に係る磁気センサを構成する磁気抵抗素子に含まれる第２単位素子の積層構造を示す断面図である。図３を参照して、第２単位素子１４の詳細な構造について説明する。
図３に示すように、第２単位素子１４も、第１単位素子１３同様に、いわゆる合成反強磁性（SAF:synthetic anti-ferromagnetic）結合を用いたBottom-pinned型のＴＭＲ素子である。
第２単位素子１４は、下部電極層１４１、反強磁性層１４２、強磁性層１４３、非磁性層１４４、下部強磁性層１４５、絶縁層１４６、上部強磁性層１４７、キャップ層１４８を含む。
下部電極層１４１、反強磁性層１４２、強磁性層１４３、非磁性層１４４、下部強磁性層１４５、絶縁層１４６、上部強磁性層１４７、キャップ層１４８は、第１単位素子１３における下部電極層１３１、反強磁性層１３２、強磁性層１３３、非磁性層１３４、下部強磁性層１３５、絶縁層１３６、上部強磁性層１３７、キャップ層１３８とほぼ同様に構成されている。
第２単位素子１４においては、上述のように、リファレンス層としての下部強磁性層１４５における磁化の向きが、下部強磁性層１３５における磁化の向きと逆方向である。
なお、第２磁気抵抗素子２０、第３磁気抵抗素子３０、および第４磁気抵抗素子４０に含まれる第１単位素子、および第２単位素子も上記とほぼ同様の構成であるため、その構成の詳細については省略する。
図４は、実施の形態１に係る上部強磁性層における渦状の磁化が外部磁場によって移動する様子を示す図である。
図４は、外部磁場の変化によって上部強磁性層１４７における渦状の磁化の向きの変化を一例として示している。第２リファレンス層としての下部強磁性層１４５において固定された磁化の向きは図４中において左を向いている。
この場合において、図４中における左側は、外部磁場が、負方向に大きい場合を示しており、図４中における中央は、外部磁場が印加されていない場合を示しており、図４中における右側は、外部磁場が、正方向に大きい場合を示している。なお、図４中における各渦状の磁化の状態は、図１７に示す磁化曲線の各位置で示す磁気渦の状態とほぼ対応している。
図４中の中央に示すように、外部磁場が印加されていない場合には、上部強磁性層１４７において磁気渦の中心は、上部強磁性層１４７の中央に位置している。
図４中の左側から２番目に示すように、負方向に外部磁場が印加されると、上部強磁性層１４７において磁気渦の中心は、上部強磁性層１４７の中央から図４中下方に移動する。さらに、負方向への外部磁場が大きくなると、図４中の左から１番目に示すように、上部強磁性層１４７の磁束密度が飽和して、上部強磁性層１４７の磁化は、下部強磁性層１４５の固定された磁化の向きと平行となる。
図４中の左側から４番目に示すように、正方向に外部磁場が印加されると、上部強磁性層１４７において磁気渦の中心は、上部強磁性層１４７の中央から図４中上方に移動する。さらに、正方向への外部磁場が大きくなると、図４中の左から５番目に示すように、上部強磁性層１４７の磁束密度が飽和して、上部強磁性層１４７の磁化は、下部強磁性層１４５の固定された磁化の向きと反平行となる。
図５は、比較の形態１、比較の形態２、および実施の形態１に係る磁気抵抗素子を用いてブリッジ回路を構成した場合のそれぞれにおいて、磁場に対する磁気抵抗素子の抵抗変化特性、磁場に対する出力変化特性、および、出力特性の磁場に対する非線形の分布を示す図である。
比較の形態１においては、第１単位素子１３を有する第１素子部１１のみを含む磁気抵抗素子でブリッジ回路を構成している。比較の形態２においては、第２単位素子１４を有する第２素子部１２のみを含む磁気抵抗素子でブリッジ回路を構成している。実施の形態１においては、上述のように、第１素子部１１および第２素子部１２の双方を含む磁気抵抗素子でブリッジ回路を構成している。
なお、比較の形態１、比較の形態２、および実施の形態１のいずれにおいて、磁気抵抗素子のＭＲ比は、２５．４％としている。同様に、比較の形態１および実施の形態１のそれぞれにおいて、第１単位素子１３における上部強磁性層１３７の厚さｔは、１５ｎｍとし、上部強磁性層１３７のディスク径Ｄは、３４１．８ｎｍとし、アスペクト比（ｔ／Ｄ）は、０．０４４としている。上部強磁性層１３７の抵抗値は、１０．０ｋΩとしている。また、検出磁場範囲は、－２０ｍＴから＋２０ｍＴまでの範囲としている。
比較の形態２および実施の形態１のそれぞれにおいて、第２単位素子１４における上部強磁性層１４７の厚さｔは、１５ｎｍとし、上部強磁性層１３７のディスク径Ｄは、３９５．７ｎｍとし、アスペクト比（ｔ／Ｄ）は、０．０３８としている。上部強磁性層１４７の抵抗値は、１．３ｋΩとしている。
比較の形態１においては、外部磁場を－２０ｍＴから＋２０ｍＴまで変化させると、磁場に対する抵抗変化特性は、図５中左側上段に示すグラフのようになる。
具体的には、第１磁気抵抗素子および第４磁気抵抗素子の抵抗は、緩やかなカーブを含むように略１０．５ｋΩから略９．５ｋΩに減少していく。一方で、第２磁気抵抗素子および第３磁気抵抗素子の抵抗は、緩やかなカーブを含むように略９．５ｋΩから略１０．５ｋΩに上昇していく。
比較の形態１において、外部磁場を－２０ｍＴから＋２０ｍＴまで変化させると、出力特性は、図５中左側中段に示すグラフのようになる。
具体的には、出力電圧Ｖ＋は、緩やかなカーブを含むように略１．４２Ｖから略１．５８Ｖに上昇していく。一方で、出力電圧Ｖ－は、緩やかなカーブを含むように略１．５８Ｖから略１．４２Ｖに減少していく。
比較の形態１において、外部磁場を－２０ｍＴから＋２０ｍＴまで変化させると、出力特性の磁場に対する非線形性の分布は、図５中左側下段に示すグラフのようになる。
具体的には、出力電圧Ｖ＋における非線形性分布は、－２０ｍＴから＋２０ｍＴの範囲で、正磁場および負磁場に２つの変曲点を持つ。正磁場の変曲点における非線形性は正の値、負磁場の変曲点における非線形性は負の値となる。出力電圧Ｖ－における非線形性分布は、－２０ｍＴから＋２０ｍＴの範囲で、正磁場および負磁場に２つの変曲点を持つ。正磁場の変曲点における非線形性は負の値、負磁場の変曲点における非線形性は正の値となる。
比較の形態２においては、外部磁場を－２０ｍＴから＋２０ｍＴまで変化させると、磁場に対する抵抗変化特性は、図５中中央上段に示すグラフのようになる。
具体的には、第１磁気抵抗素子および第４磁気抵抗素子の抵抗は、カーブを含むように略１．１４ｋΩから略１．３７ｋΩに上昇していく。一方で、第２磁気抵抗素子および第３磁気抵抗素子の抵抗は、カーブを含むように略１．３７ｋΩから略１．１４ｋΩに減少していく。
比較の形態２における、外部磁場に対する磁気抵抗素子の抵抗変化の変動方向と、比較の形態１における、外部磁場に対する磁気抵抗素子の抵抗変化の変動方向とは、正負逆である。
すなわち、外部磁場に対する第２素子部１２の抵抗変化の変動方向と、外部磁場に対する第１素子部１１の抵抗変化の変動方向とが正負逆である。
比較の形態２において、外部磁場を－２０ｍＴから＋２０ｍＴまで変化させると、出力特性は、図５中中央中段に示すグラフのようになる。
具体的には、出力電圧Ｖ＋は、カーブを含むように略１．６４Ｖから略１．３６Ｖに減少していく。一方で、出力電圧Ｖ－は、カーブを含むように略１．３６Ｖから略１．６４Ｖに上昇していく。
比較の形態２において、外部磁場を－２０ｍＴから＋２０ｍＴまで変化させると、出力特性の磁場に対する非線形性の分布は、図５中中央下段に示すグラフのようになる。
具体的には、出力電圧Ｖ＋における非線形性分布は、－２０ｍＴから＋２０ｍＴの範囲で、正磁場および負磁場に２つの変曲点を持つ。正磁場の変曲点における非線形性は負の値となり、負磁場の変曲点における非線形性は正の値となる。出力電圧Ｖ－における非線形性分布は、－２０ｍＴから＋２０ｍＴの範囲で、正磁場および負磁場に２つの変曲点を持つ。正磁場の変曲点における非線形性は正の値、負磁場の変曲点における非線形性は負の値となる。
比較の形態２と比較の形態１とを比較すると、比較の形態２における出力特性の非線形性分布と比較の形態１における出力特性の非線形性分布とは、正負が反転している。
すなわち、第２単位素子１４を含む第２素子部１２のみを含む磁気抵抗素子でブリッジ回路における出力特性の非線形性分布と、第１単位素子１３を含む第１素子部１１のみを含む磁気抵抗素子でブリッジ回路における出力特性の非線形性分布とは、正負が反転している。
ここで、出力特性における磁場に対する非線形性分布は、磁気抵抗素子の抵抗変化特性における磁場に対する非線形性分布と相関がある。
また、第１単位素子１３を含む第１素子部１１のみで構成された磁気抵抗素子の抵抗変化特性における磁場に対する非線形性分布は、第１単位素子１３の抵抗変化特性における磁場に対する非線形性分布に対応する。
同様に、第２単位素子１４を含む第２素子部１２のみで構成された磁気抵抗素子の抵抗変化特性における磁場に対する非線形性分布は、第２単位素子１４の抵抗変化特性における磁場に対する非線形性分布に対応する。
このため、第１単位素子の抵抗変化特性における磁場に対する非線形性の分布と、前記第２単位素子の抵抗変化特性における磁場に対する非線形性の分布とにおいても、正負が反転している。
実施の形態１に係る磁気センサ１においては、外部磁場を－２０ｍＴから＋２０ｍＴまで変化させると、磁場に対する抵抗変化特性は、図５中右側上段に示すグラフのようになる。
実施の形態１における磁気抵抗素子の抵抗は、第１素子部１１の抵抗と第２素子部１２の抵抗とを合成したものとなる。図５中右側上段に示すように、第１磁気抵抗素子から第４磁気抵抗素子の抵抗変化特性は、比較の形態１および比較の形態２と比較して、線形性が改善されたものとなっている。
より具体的には、第１磁気抵抗素子および第４磁気抵抗素子の抵抗は、線形領域が拡大されるように、略１１．６５ｋΩから略１０．８５ｋΩに減少していく。一方で、第２磁気抵抗素子および第３磁気抵抗素子の抵抗は、線形領域が拡大されるように、略１０．８５ｋΩから略１１．６５ｋΩに上昇していく。
実施の形態１においては、外部磁場を－２０ｍＴから＋２０ｍＴまで変化させると、出力特性は、図５中右側中段に示すグラフのようになる。
具体的には、第１素子部１１の出力特性と第２素子部１２の出力特性とを合成したものとなる。出力電圧Ｖ＋および出力電圧Ｖ－の分布は、比較の形態１および比較の形態２と比較して線形性が改善されたものとなっている。
具体的には、出力電圧Ｖ＋は、線形領域が拡大されるように、略１．４５Ｖから略１．５５Ｖに上昇していく。出力電圧Ｖ－においても、線形領域が拡大されるように、略１．５５Ｖから略１．４５Ｖに減少していく。
本実施の形態に係る磁気センサ１のように、第１素子部１１および第２素子部１２の双方を含む磁気抵抗素子でフルブリッジ回路を構成した場合においては、外部磁場を－２０ｍＴから＋２０ｍＴまで変化させると、ハーフブリッジ出力特性の磁場に対する非線形性の分布は、図５中右側下段に示すグラフのようになる。
上記出力特性の磁場に対する非線形性の分布は、出力電圧Ｖ＋および出力電圧Ｖ－のいずれにおいても、－２０ｍＴから＋２０ｍＴの範囲で、非線形性の正側に２つの変曲点（極値）を有し、非線形性の負側に２つの変曲点（極値）を有する。これら、正側の変曲点および負側の変曲点は、交互に並ぶ。
上述のように、出力電圧Ｖ＋における非線形分布は、出力特性における磁場に対する非線形性分布は、磁気抵抗素子の抵抗変化特性における磁場に対する非線形性分布に対応する。このため、第１素子部１１と第２素子部１２との合成抵抗の変化特性における磁場に対する非線形性分布も、－２０ｍＴ以上２０ｍＴ以下の磁場の範囲内で、非線形性の正側に２つの極値を有し、負側に２つの極値を有する。
実施の形態１においては、比較の形態１および比較の形態２と比較すると、上記出力特性の磁場に対する非線形性の分布は、非線形性が低減され、かつ、線形領域が増加している。
このように、実施の形態１に係る磁気センサ１においては、比較の形態１および比較の形態２に係る磁気センサと比較して、出力の線形性が向上する。
図６は、比較例における磁気センサおよび実施例に係る磁気センサにおいて、非線形性と感度との関係をシミュレーションするための条件を示す図である。図７は、比較例における磁気センサおよび実施例に係る磁気センサにおいて、非線形性と感度との関係のシミュレーション結果を示す図である。
図６および図７を参照して、出力特性の非線形性と感度との関係をシミュレーション結果について説明する。
出力特性の非線形性と感度との関係をシミュレーションするにあたり、比較例１、実施例１から実施例４のそれぞれの磁気抵抗素子を用いて、ハーフブリッジ回路、およびフルブリッジ回路を構成する。これらハーフブリッジ回路、およびフルブリッジ回路に所定の磁場を印加した際に確認される出力特性の非線形性と、各回路の感度とを算出した。
なお、比較例１における磁気抵抗素子は、上述の比較の形態１における磁気抵抗素子とした。すなわち、比較例１における磁気抵抗素子は、第１単位素子１３を含む第１素子部１１のみを有するものとした。比較例１における磁気抵抗素子の各種パラメータは、図６の通りとし、第１単位素子における上部強磁性層１３７のディスク径Ｄを３９５．７ｎｍ～４５．５ｎｍの範囲で変更し、上部強磁性層１３７の膜厚ｔとディスク径Ｄとのアスペクト比を、０．０３８から０．３３０の範囲で変化させた。
実施例１から４における磁気抵抗素子は、実施の形態１に係る磁気抵抗素子と同様の構成のものを用いた。この際、各種パラメータは、図６の通りとした。
出力特性の非線形性を算出するにあたり、所定の磁場を印加した際の上部強磁性層１３７、１４７の磁化方向を決定する。磁化方向を決定するにあたり、図１７に示すＭ－Ｈｌｏｏｐおよび以下の式（３）、（４）を用いた。
Figure 0007136340000003
Figure 0007136340000004
続いて、固定された下部強磁性層１３５、１４５の磁化方向と、上記によって決定された上部強磁性層１３７、１４７の磁化方向との相対角度を用いて、ＴＭＲ効果込みの抵抗値を算出した。具体的には、下記式（５）、式（６）、式（７）を用いた。
Figure 0007136340000005
Figure 0007136340000006
Figure 0007136340000007
ここで、上記式（５）において、θ＝９０°の場合においては、ｃｏｓθ＝０となるため、Ｇperは以下の式（８）で表すことができる。
Figure 0007136340000008
これと上記式（７）との関係から、θ＝９０°となる場合の抵抗Ｒperは、以下の式（９）で表すことができる。
Figure 0007136340000009
上記式（９）と上記式(５）から式（７）との関係から、Ｇｐ、ＧＡｐ、Ｒｐ、ＲＡｐは、下記の式（１０）から式（１３）と表すことができる。
Figure 0007136340000010
Figure 0007136340000011
Figure 0007136340000012
Figure 0007136340000013
上述のように算出された抵抗値を有する比較例１、実施例１から４磁気抵抗素子をそれぞれ備えるハーフブリッジ回路、およびフルブリッジ回路に対して、所定の磁場を印加した際に出力特性の非線形性を確認した。これら出直特性の非線形性と、算出された各回路の感度との関係は、図７の通りである。
図７に示すように、比較例１と、実施例１から４とを比較すると、実施例１から４においては、比較例１と同じ感度の値を取る場合であっても、非線形性は小さくなっている。すなわち、出力特性の線形性が向上している。
また、実施例１から４においては、比較例１と同じ非線形性の値を取る場合であっても、感度が向上している。
以上のように、シミュレーション結果においても、実施の形態１に係る磁気抵抗素子およびこれを備えた磁気センサ１においては、出力の線形性を高めることが確認された。さらに、感度が高まることも確認された。このことは、本発明の技術を用いることで、従来技術での感度と非線形性のトレードオフの原理的限界を突破することができることを意味する。
図８から図１３は、実施の形態１に係る磁気センサの製造工程の第１工程から第６工程をそれぞれ示す図である。図８から図１３を参照して、実施の形態１に係る磁気センサ１の製造方法について説明する。
図８に示すように、磁気センサ１の製造方法における第１工程においては、フォトリソグラフィおよびドライエッチング等により、磁気抵抗素子を形成する形成領域に絶縁層６２が形成された基板６１を準備する。基板６１としては、たとえば、Ｓｉウエハを採用することができる。絶縁層６２は、シリコン酸化膜によって構成されている。
続いて、絶縁層６２を覆うように、下地膜６３を基板６１の表面６１ａ上に形成する。下地膜６３としては、たとえばＣｕを採用することができる。
次に、下地膜６３上に、第１単位素子１３および第２単位素子１４となるＴＭＲ積層膜６４を成膜する。
具体的には、下地膜６３側から順に、下部電極膜、反強磁成膜、強磁性膜、非磁性膜、下部強磁性膜、絶縁膜、上部強磁性膜、キャップ膜を積層する。
なお、下部電極膜、反強磁成膜、強磁性膜、非磁性膜、下部強磁性膜、絶縁膜、上部強磁性膜、およびキャップ膜は、それぞれ、ＴＭＲ積層膜６４のパターニング後に、下部電極層１３１，１４１、反強磁性層１３２，１４２、強磁性層１３３，１４３、非磁性層１３４，１４４、下部強磁性層１３５，１４５、絶縁層１３６，１４６、上部強磁性層１３７，１４７、およびキャップ層１３８，１４８となる。
ここで、下部電極膜としては、たとえばＲｕ／Ｔａを成膜する。下部電極膜の上層の強磁性膜／反強磁性膜としては、たとえばＣｏＦｅ／ＰｔＭｎを成膜する。この積層膜は、後述する磁場中アニールにより交換結合が生じ、ピン層として機能する。
強磁性膜の上層の非磁性膜としては、たとえばＲｕを成膜し、非磁性膜の上層の下部強磁性膜としては、たとえばＣｏＦｅＢを成膜する。
下部強磁性膜／非磁性膜／強磁性膜は、ＳＡＦ構造を構成している。下部強磁性膜によって、強固に磁化が固定されたリファレンス層が形成される。
下部強磁性膜の上層の絶縁膜としては、たとえばＭｇＯを成膜し、絶縁膜の上層の上部強磁性膜としては、たとえばＣｏＦｅＢを成膜する。上部強磁性膜／ＭｇＯ／下部強磁性膜のうち、上部強磁性膜によってフリー層が形成される。上部強磁性膜の上層のキャップ膜としては、たとえば、Ｔａ／Ｒｕを積層する。
続いて、ＴＭＲ積層膜６４が成膜された基板６１を磁場中でアニールし、リファレンス層としての下部強磁性層１３５，１４５を形成する下部強磁性膜において磁化の方向を固定する。
具体的には、ブリッジ回路を構成する各磁気抵抗素子の形成領域毎に所望の磁化方向が得られるように、局所的に、基板６１を磁場中でアニールする。各磁気抵抗素子では、第１単位素子１３に対応する領域における下部強磁性膜の磁化方向と、第２単位素子１４に対応する領域における下部強磁性膜の磁化方向とが逆方向となるようにする。
また、上述の第１磁気抵抗素子において、第１単位素子１３に対応する領域における下部強磁性膜の磁化方向と、第２磁気抵抗素子において第１単位素子に対応する領域における下部強磁性膜の磁化方向とが、逆方向となるようにする。
上述の第３磁気抵抗素子において、第１単位素子３３に対応する領域における下部強磁性膜の磁化方向と、第４磁気抵抗素子において第１単位素子に対応する領域における下部強磁性膜の磁化方向とが、逆方向となるようにする。
上述の第１磁気抵抗素子において、第１単位素子１３に対応する領域における下部強磁性膜の磁化方向と、第３磁気抵抗素子において第１単位素子に対応する領域における下部強磁性膜の磁化方向とが、逆方向となるようにする。
図９に示すように、磁気センサ１の製造方法における第２工程においては、フォトリソグラフィおよびドライエッチングを用いて、ＴＭＲ積層膜を所望の形状にパターニングする。これにより、第１単位素子１３および第２単位素子１４が形成される。第１単位素子１３および第２単位素子１４は、ディスク状に形成される。この際、第１単位素子１３のディスク径は、第２単位素子１４のディスク径よりも小さくする。
これにより、第１磁気抵抗素子から第４磁気抵抗素子までの各々の磁気抵抗素子において、第１素子部１１（第１単位素子１３）の抵抗が、第２素子部１２（第２単位素子１４）の抵抗よりも大きくなる。
たとえば、第１素子部１１のみを含む磁気抵抗素子でハーフブリッジ回路を構成した場合における第１素子部１１の抵抗値は、１０ｋΩとし、当該ハーブリッジ回路の感度は、１．２７ｍＶ／（ｍＴ・Ｖ）とし、非線形性は、－２０ｍＴから＋２０ｍＴの範囲で、１．６９％Ｆｓとする。
たとえば、第２素子部１２のみを含む磁気抵抗素子でハーフブリッジ回路を構成した場合における第２素子部１２の抵抗値は、１．３ｋΩとし、当該ハーブリッジ回路の感度は、－２．４２ｍＶ／（ｍＴ・Ｖ）とし、非線形性は、－２０ｍＴから＋２０ｍＴの範囲で、７．９１％Ｆｓとする。
すなわち、第１単位素子１３の感度の絶対値は、第２単位素子１４の感度の絶対値よりも小さくし、第１単位素子１３における抵抗変化特性の非線形性は、第２単位素子１４における抵抗変化特性の非線形性よりも小さくする。
なお、図中においては、単一の第１単位素子１３および単一の第２単位素子１４のみを開示しているが、第１単位素子１３の数および第２単位素子１４の数は、複数であってもよい。この場合には、複数の第１単位素子１３は、たとえば直列に接続され、複数の第２単位素子１４は、たとえば直列に接続される。
図１０に示すように、磁気センサ１の製造方法における第３工程においては、フォトリソグラフィおよびドライエッチングを用いて、下地膜６３をパターニングし、配線パターン６３１を形成する。
図１１に示すように、磁気センサ１の製造方法における第４工程においては、基板６１の全面に層間絶縁膜を成膜する。フォトリソグラフィおよびドライエッチングを用いて、成膜された層間絶縁膜をパターニングする。これにより、第１単位素子１３、第２単位素子１４および配線パターン６３１を覆うように層間絶縁層６５が形成されるとともに、層間絶縁層６５にコンタクトホール６５ａ、６５ｂが設けられる。
図１２に示すように、磁気センサ１の製造方法における第５工程においては、フォトリソグラフィおよびリフトオフにより、第１配線部６６および第２配線部６７を形成する。第１配線部６６および第２配線部６７は、たとえば、Ｃｕ配線である。
第１配線部６６は、コンタクトホール６５ａを介して第１単位素子１３に接続される。第２配線部６７は、コンタクトホール６５ｂを介して第２単位素子１４に接続される。
図１３に示すように、磁気センサ１の製造方法における第６工程においては、基板６１の全面にパッシベーション膜を成膜する。パッシベーション膜は、たとえば、ＳｉＯ２膜である。フォトリソグラフィおよびドライエッチングを用いて、パッシベーション膜をパターニングするとともに、所望の位置に開口部を形成すする。これにより、磁気センサ１が製造される。
上述の工程を経て製造された磁気センサ１においては、磁気抵抗素子の抵抗値は、１１．２ｋΩであり、ハーフブリッジ回路の感度は、０．８６ｍＶであり、出力特性の非線形性は、－２０ｍＴから＋２０ｍＴの範囲で、０．３６％ＦＳである。
このように、磁気センサ１においては、従来のような第１素子部１１のみを有する磁気抵抗素子（比較の形態１に係る磁気抵抗素子）、第２素子部１２のみを有する磁気抵抗素子（比較の形態２に係る磁気抵抗素子）と比較して、出力特性の線形性が改善される。
具体的には、磁気渦構造をそれぞれ有する第１単位素子１３および第２単位素子１４を直列に接続して、第１単位素子１３における下部強磁性層１３５（第１リファレンス層）において固定された磁化が向く方向と、第２単位素子１４における下部強磁性層１４５（第２リファレンス層）において固定された磁化が向く方向が逆方向となっている。
これにより、第１単位素子１３側と第２単位素子１４側とで、非線形性が相殺され、出力特性の線形性が改善される。
具体的には、第１単位素子１３の抵抗変化特性における磁場に対する非線形性の分布と、第２単位素子１４の抵抗変化特性における磁場に対する非線形性の分布とが、正負が反転し、第１単位素子１３側と第２単位素子１４側とで、非線形性が相殺される。
また、外部磁場に対する第１素子部１１の抵抗変化の変動方向と、外部磁場に対する第２素子部１２の抵抗変化の変動方向とが正負逆となることによっても、第１単位素子１３側と第２単位素子１４側とで、非線形性が相殺される。
（実施の形態２）
図１４は、実施の形態２に係る磁気抵抗素子の概略平面図である。図１４を参照して、実施の形態２に係る磁気抵抗素子１０Ａについて説明する。
図１４に示すように、実施の形態２に係る磁気抵抗素子１０Ａは、実施の形態１に係る磁気抵抗素子１０と比較した場合に、第１素子部１１および第２素子部１２の構成が相違する。その他の構成は、ほぼ同様である。
第１素子部１１は、複数の第１単位素子１３を含む。複数の第１単位素子１３は、直列に接続されている。具体的には、隣り合う第１単位素子１３において、キャップ層１３８と下部電極層１３１とが交互に接続されている。
第２素子部１２は、複数の第２単位素子１４を含む。複数の第２単位素子１４は、直列に接続されている。具体的には、隣り合う第２単位素子１４において、キャップ層１４８と下部電極層１４１とが交互に接続されている。
複数の第１単位素子１３の個数は、複数の第２単位素子１４の個数よりも多くなっている。これにより、複数の第１単位素子１３を含む第１素子部１１の抵抗は、複数の第２単位素子１４を含む第２素子部１２の抵抗よりも大きくなる。
このように構成する場合であっても、実施の形態２に係る磁気抵抗素子１０Ａおよびこれを備えた磁気センサは、実施の形態１に係る磁気抵抗素子１０および当該磁気抵抗素子１０を備えた磁気センサ１と、ほぼ同様の効果を有する。
上述の実施の形態１および２においては、磁気抵抗素子がＴＭＲ素子である場合を例示して説明したが、これに限定されず、ＧＭＲ素子にも適用することが可能である。
以上、今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
１ 磁気センサ、１０ 第１磁気抵抗素子、１１ 第１素子部、１２ 第２素子部、１３ 第１単位素子、１４ 第２単位素子、２０ 第２磁気抵抗素子、２１ 第１素子部、２２ 第２素子部、２３ 第１単位素子、２４ 第２単位素子、３０ 第３磁気抵抗素子、３１ 第１素子部、３２ 第２素子部、３３ 第１単位素子、３４ 第２単位素子、４０ 第４磁気抵抗素子、４１ 第１素子部、４２ 第２素子部、４３ 第１単位素子、４４ 第２単位素子、６１ 基板、６１ａ 表面、６２ 絶縁層、６３ 下地膜、６４ 積層膜、６５ 層間絶縁層、６５ａ，６５ｂ コンタクトホール、６６ 第１配線部、６７ 第２配線部、１３１ 下部電極層、１３２ 反強磁性層、１３３ 磁性層、１３４ 非磁性層、１３５ 下部強磁性層、１３５ａ 第１膜面、１３６ 絶縁層、１３７ 上部強磁性層、１３８ キャップ層、１４１ 下部電極層、１４２ 反強磁性層、１４３ 磁性層、１４４ 非磁性層、１４５ 下部強磁性層、１４５ａ 第２膜面、１４６ 絶縁層、１４７ 上部強磁性層、１４８ キャップ層、２００ 磁気抵抗素子、２０１ 積層部、２０２ ピンド層、２０３ バリア層、２０４ フリー層、３０１ 磁気抵抗要素、３０２ リファレンス層、３０３ バリア層、３０４ フリー層、３１０ 下部シールド、３２０ 上部シールド。

Claims (9)

  1. １つ以上の第１単位素子を含む第１素子部と、
    １つ以上の第２単位素子を含む第２素子部と、を備え、
    前記第１素子部と前記第２素子部とは直列に接続されており、
    前記第１単位素子は、第１膜面を有し、前記第１膜面の面内方向における所定の方向に磁化が固定された第１リファレンス層と、前記第１膜面に垂直な軸回りに渦状に磁化され、外部磁場に応じて渦の中心が移動する第１フリー層と、を含み、
    前記第２単位素子は、前記第１膜面に平行な第２膜面を有し、前記第２膜面の面内方向における所定の方向に磁化が固定された第２リファレンス層と、前記第２膜面に垂直な軸回りに渦状に磁化され、外部磁場に応じて渦の中心が移動する第２フリー層と、を含み、
    前記第１リファレンス層における固定された磁化が向く方向と、前記第２リファレンス層における固定された磁化が向く方向とが逆方向であり、
    前記第１単位素子の抵抗変化特性における磁場に対する非線形性の分布と、前記第２単位素子の抵抗変化特性における磁場に対する非線形性の分布とは、正負が反転している、磁気抵抗素子。
  2. 前記第１素子部と前記第２素子部との合成抵抗の変化特性における磁場に対する非線形性分布が、検出磁場の範囲内で、非線形性の正側に２つの極値を有する、請求項１に記載の磁気抵抗素子。
  3. 外部磁場に対する前記第１素子部の抵抗変化の変動方向と、外部磁場に対する前記第２素子部の抵抗変化の変動方向とが正負逆である、請求項１または２に記載の磁気抵抗素子。
  4. 前記第１素子部の抵抗は、前記第２素子部の抵抗よりも大きい、請求項１から３のいずれか１項に記載の磁気抵抗素子。
  5. 前記第１単位素子の感度の絶対値は、前記第２単位素子の感度の絶対値よりも小さく、
    前記第１単位素子における抵抗変化特性の非線形性は、前記第２単位素子における抵抗変化特性の非線形性よりも小さい、請求項４に記載の磁気抵抗素子。
  6. 前記第１フリー層および前記第２フリー層は、ディスク形状を有し、
    前記第２フリー層の径は、前記第１フリー層の径よりも大きい、請求項１から５のいずれか１項に記載の磁気抵抗素子。
  7. 前記第１単位素子の数は、前記第２単位素子の数よりも多い、請求項１から６のいずれか１項に記載の磁気抵抗素子。
  8. 請求項１から７のいずれか１項に記載の磁気抵抗素子を複数個備え、
    前記複数の磁気抵抗素子は、ハーフブリッジ回路を構成する第１磁気抵抗素子、および第２磁気抵抗素子を含み、
    前記第１磁気抵抗素子において前記第１リファレンス層における固定された磁化が向く方向と、前記第２磁気抵抗素子において前記第１リファレンス層における固定された磁化が向く方向とは逆方向である、磁気センサ。
  9. 前記複数の磁気抵抗素子は、第３磁気抵抗素子、および第４磁気抵抗素子をさらに含み、
    前記第１磁気抵抗素子および前記第２磁気抵抗素子によって第１ハーフブリッジ回路が構成されており、
    前記第３磁気抵抗素子および前記第４磁気抵抗素子によって第２ハーフブリッジ回路が構成されており、
    前記第１ハーフブリッジ回路と前記第２ハーフブリッジ回路によってフルブリッジ回路が構成されており、
    前記第１磁気抵抗素子において前記第１リファレンス層における固定された磁化が向く方向と、前記第２磁気抵抗素子において前記第１リファレンス層における固定された磁化が向く方向とは逆方向であり、
    前記第３磁気抵抗素子において前記第１リファレンス層における固定された磁化が向く方向と、前記第４磁気抵抗素子において前記第１リファレンス層における固定された磁化が向く方向とは逆方向であり、
    前記第１磁気抵抗素子において前記第１リファレンス層における固定された磁化が向く方向と、前記第３磁気抵抗素子において前記第１リファレンス層における固定された磁化が向く方向とは逆方向である、請求項８に記載の磁気センサ。
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