WO2015182643A1

WO2015182643A1 - 磁気抵抗素子、磁気センサおよび電流センサ

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Publication number: WO2015182643A1
Application number: PCT/JP2015/065213
Authority: WO
Inventors: 牛見　義光; 米田　年麿; 川浪　崇; 島津　武仁
Original assignee: 株式会社村田製作所
Priority date: 2014-05-30
Filing date: 2015-05-27
Publication date: 2015-12-03

Abstract

　磁気抵抗素子（１）は、基板（１０）と、基板（１０）の上方に設けられた反強磁性体層（１４）と、反強磁性体層（１４）の主面全体を覆うように反強磁性体層（１４）上に設けられた強磁性体層（１５）と、強磁性体層（１５）上に互いに離間して設けられた複数のバーバーポール電極（１７）と、を備える。

Description

磁気抵抗素子、磁気センサおよび電流センサ

　本発明は、磁気抵抗素子、磁気センサおよび電流センサに関する。

　従来より、異方性磁気抵抗効果を用いた磁気抵抗効果素子として、ＡＭＲ（Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ　Ｍａｇｎｅｔｏ　Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子が知られている。ＡＭＲ素子は、異方性磁気抵抗効果を示す強磁性体層を有する。

　一般的に、異方性磁気抵抗効果は、磁気抵抗素子を流れる電流の向きと強磁性体層の磁化方向等によって決定される。図１６は、磁気抵抗素子を流れる電流の向きと強磁性体層の磁化方向の一例を示す図である。図１７は、一般的な磁気抵抗素子の出力特性を示す図である。

　図１６に示すように、磁気抵抗素子を流れる電流Ｉの移動方向と強磁性体層の磁化Ｍの向きとが交差する角度をθとすれば、図１７に示すように、磁気抵抗素子の電気抵抗Ｒは、Ｒ＝Ｒ０＋ΔＲｃｏｓ^２θと表される。ここで、Ｒ０は抵抗の一定値部分であり、ΔＲは変化部分の最大値である。外部磁界がない場合、磁化Ｍは長手方向（磁化容易軸）を向くように製造されているため、ＡＭＲ素子の特性は磁界０を対称として偶関数特性を持つ。

　ＡＭＲ素子は磁気記録媒体の磁気ヘッドや磁気センサに用いられることが多い。この場合には、強磁性体層に対してバイアス磁界を印加することにより、偶関数特性を奇数関数化する。これにより、ＡＭＲ素子の磁気抵抗変化は、外部磁界に対して線型的に応答する。

　ＡＭＲ素子の強磁性体層は、異なる向きを有する磁化が含まれるため多数の磁区を有する。このため、磁界を変化させた場合には、磁化を増加させるように磁壁が動く際にバルクハウゼンノイズが発生する。強磁性体層の磁化方向を制御して単磁区化させることでバルクハウゼンノイズを抑制する方法として、たとえば、反強磁性体層を強磁性体層と交換結合させることにより生じる交換結合磁界を利用する方法などが提案されている。

　このような交換結合磁界を利用した磁気抵抗素子が開示された文献として、たとえば、特開２００６－４１５１１号公報（特許文献１）が挙げられる。特許文献１の図２に開示されたＡＭＲ素子は、基板と、基板上に設けられた強磁性体層と、強磁性体層上であってその両端に設けられた反強磁性体と、反強磁性体層上に設けられた一対の電極部とを備える。強磁性体層の中央部には、反強磁性体層が設けられておらず、強磁性体層の中央部は反強磁性体層から露出している。反強磁性体層から強磁性体層に磁気バイアスが付与され、強磁性体層と反強磁性体層とが接触する部分（一対の電極と、反強磁性体層および強磁性体層とが重なる領域）において、強磁性体層と反強磁性体層とが交換結合する。

　また、特許文献１の図３に開示されたＡＭＲ素子は、基板と、基板上に設けられた強磁性体層と、強磁性体層の全体を覆うように強磁性体層上に設けられた交換結合磁界調整層と、交換結合磁界調整層の全体を覆うように交換結合磁界調整層上に設けられた反強磁性体層とを備える。反強磁性体層と強磁性体層とは、交換結合磁界調整層を介して交換結合する。

特開２００６－４１５１１号公報

　一般的に、磁気ヘッドに用いられるＡＭＲ素子は、弱い磁界を検出できるように設計されている。特許文献１の図２に開示の構成を有するＡＭＲ素子は、一対の電極と、反強磁性体層および強磁性体層とが重なる領域のみにおいて強磁性体層と反強磁性体層とが交換結合する。このため、検出磁界とＡＭＲ素子の出力との関係がリニアとなる線形的に応答する領域が狭くなり、当該ＡＭＲ素子を電流センサなどに用いて強い磁界を測定する場合には、当該ＡＭＲ素子は、すぐに磁気飽和してしまうため使用できないという問題がある。

　また、特許文献１に記載のＡＭＲ素子の反強磁性体層はＭｎを含む合金であるために電気抵抗が高く、一対の電極と強磁性体層との間に無駄な抵抗成分が入り、ＡＭＲ素子の磁気抵抗変化率が低下するという問題がある。

　特許文献１の図３に開示の構成を有するＡＭＲ素子においては、強磁性体層の上に全面にわたって反強磁性体層１４が形成されている。反強磁性体層は電気抵抗が高いため、強磁性体層に斜め方向に電流を流すことで線形的に応答する領域を形成するため反強磁性体層上にバーバーポール電極を形成した場合であっても、電流は、バーバーポール電極を流れず、主に強磁性体層を流れる。このため、特許文献１に開示のＡＭＲ素子にあっては、バーバーポール電極によって強磁性体層に流れる電流の向きを傾けることができない。この結果、良好な線形的に応答する領域を形成することができないという問題がある。

　本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、出力の線形性を向上しつつ、線形的に応答可能な領域を拡張できる磁気抵抗素子、磁気センサおよび電流センサを提供することにある。

　本発明に基づく磁気抵抗素子は、基板と、上記基板の上方に設けられた反強磁性体層と、上記反強磁性体層の主面全体を覆うように上記反強磁性体層上に設けられた強磁性体層と、上記強磁性体層上に互いに離間して設けられた複数のバーバーポール電極と、を備える。

　上記本発明に基づく磁気抵抗素子にあっては、上記反強磁性体層は、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｐｄ、ＰｔおよびＩｒのいずれか１種の元素とＭｎとを含む合金、ＰｄとＰｔとＭｎとを含む合金、または、ＣｒとＰｔとＭｎとを含む合金からなることが好ましい。

　上記本発明に基づく磁気抵抗素子にあっては、上記強磁性体層は、ＮｉとＦｅとを含む合金、または、ＮｉとＣｏとを含む合金からなることが好ましい。

　上記本発明に基づく磁気抵抗素子にあっては、上記反強磁性体層と上記強磁性体層との間に設けられ、上記反強磁性体層と上記強磁性体層との間に発生する交換結合磁界の大きさを調整する交換結合磁界調整層をさらに備えることが好ましい。

　上記本発明に基づく磁気抵抗素子にあっては、上記交換結合磁界調整層は、ＣｏもしくはＣｏを含む合金からなる強磁性体層であることが好ましい。

　本発明に基づく磁気センサは、上記磁気抵抗素子を備える。
　本発明に基づく電流センサは、測定対象の電流が流れるバスバーと、上記磁気センサとを備える。

　本発明によれば、出力の線形性を向上しつつ、線形的に応答可能な領域を拡張できる磁気抵抗素子、磁気センサおよび電流センサを提供することができる。

実施の形態１に係る磁気抵抗素子の概略断面図である。図１に示す磁気抵抗素子に具備されるバーバーポール電極と積層体との位置関係を示す平面図である。図１に示す反強磁性体層と強磁性体層とが交換結合している状態を模式的に示す断面図である。図１に示す磁気抵抗素子の磁気抵抗と磁界との関係を示す図である。図１に示す磁気抵抗素子を複数個用いて構成される磁気センサの平面図である。比較例における磁気抵抗素子の磁気抵抗変化率と磁界との関係を示す図である。実施例１に係る磁気抵抗素子の磁気抵抗変化率と磁界との関係を示す図である。実施の形態２に係る磁気抵抗素子の概略断面図である。実施例２に係る磁気抵抗素子の深さ方向における組成分析の結果を示す図である。実施例２に係る磁気抵抗素子を具備する磁気センサのブリッジ電圧変化率と磁界との関係を示す図である。実施例３に係る磁気抵抗素子の深さ方向における組成分析の結果を示す図である。実施例３に係る磁気抵抗素子を具備する磁気センサのブリッジ電圧変化率と磁界との関係を示す図である。実施例２および実施例３に係る磁気抵抗素子のヒステリシスと温度との関係を示す図である。実施の形態３に係る電流センサを示す概略図である。図１４に示すＸＶ－ＸＶ線矢印方向から見た断面図において、発生する磁界を模式的に示す図である。磁気抵抗素子を流れる電流の向きと強磁性体層の磁化方向の一例を示す図である。一般的な磁気抵抗素子の出力特性を示す図である。

　以下、本発明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）
　（磁気抵抗素子）
　図１は、本実施の形態に係る磁気抵抗素子の概略断面図である。図２は、図１に示す磁気抵抗素子に具備されるバーバーポール電極と積層体との位置関係を示す平面図である。図１および図２を参照して、本実施の形態に係る磁気抵抗素子１について説明する。

　図１に示すように、磁気抵抗素子１は、基板１０と、絶縁層１１と、積層体１２と、複数のバーバーポール電極１７と一対の電極１８と、保護層１９とを備える。

　基板１０としては、たとえば、シリコン基板が用いられる。また、基板１０として、ガラス基板やプラスチック基板などの絶縁性基板が用いられてもよい。この場合には、絶縁層１１を省略することができる。

　絶縁層１１は、基板１０の主表面全体を覆うように設けられている。絶縁層１１は、たとえば、シリコン酸化膜（ＳｉＯ_２膜）や酸化アルミ膜（Ａｌ_２Ｏ_３）が用いられる。絶縁層１１は、たとえば、ＣＶＤ法等によって形成することができる。

　積層体１２は、たとえば、矩形形状を有する。積層体１２は、絶縁層１１上に設けられている。積層体１２は、下地層１３、反強磁性体層１４および強磁性体層１５を含む。下地層１３としては、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｚｒ等の金属からなる１つの金属膜や、面心立方晶からなり反強磁性体層１４の界面と平行方向に（１１１）面が優先配向されている金属や合金（例えば、Ｎｉ、Ａｕ、Ａｇ，Ｃｕ，Ｐｔ、Ｎｉ－Ｆｅ、Ｃｏ－Ｆｅ等）からなる１つの金属膜、及びこれらの金属膜が積層された積層膜が用いられる。下地層１３は、反強磁性体層１４の結晶を適切に成長させるために設けられている。なお、下地層１３は、反強磁性体層１４の結晶を適切に成長させることができる場合には、省略することができる。

　反強磁性体層１４は、基板１０の上方に設けられている。具体的には、反強磁性体層１４は、下地層１３上に設けられている。なお、下地層１３が省略される場合には、反強磁性体層１４は、絶縁層１１上に設けられる。

　反強磁性体層１４は、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｐｄ、Ｐｔ、およびＩｒのいずれか１種の元素とＭｎとを含む合金、ＰｄとＰｔとＭｎとを含む合金、またはＣｒとＰｔとＭｎとを含む合金などのＭｎを含む合金からなる。これら合金は、ブロッキング温度が高いことから、高温まで交換結合磁界が消失しない。このため、磁気抵抗素子１を安定に作動させることができる。

　ＦｅとＭｎとを含む合金、ＰｔとＭｎとを含む合金、ＩｒとＭｎとを含む合金およびＣｒとＰｔとＭｎとを含む合金は、組成によって結晶構造が不規則合金であるため、交換結合を生じさせるための熱処理（結晶構造を規則化させるための熱処理）が不要となる。このため、反強磁性体層１４として、これら合金を採用した場合には、製造工程を単純化できる。

　強磁性体層１５は、反強磁性体層１４の主面全体を覆うように反強磁性体層１４上に設けられている。強磁性体層１５は、ＮｉとＦｅとを含む合金やＮｉとＣｏとを含む合金など異方性磁気抵抗効果が生じる材料からなる。ＮｉとＦｅとを含む合金は、保磁力が小さいため、ヒステリシスを小さくすることができる。特に、Ｎｉ_８０Ｆｅ_２０、または、Ｎｉ_８０Ｆｅ_２０に近い組成を有するＮｉとＦｅとを含む合金は、立方晶の結晶磁気異方性がほぼ０ｅｒｇ/ｃｍ^３になる。結晶磁気異方性が０ｅｒｇ/ｃｍ^３になる材料は、結晶磁気異方性による磁化容易軸や磁化困難軸がないため、等方的である。また、上記組成およびこれに近い組成を有するＮｉとＦｅとを含む合金では、磁歪もほぼ０になるため、結晶の歪等により磁気弾性的に誘導される磁気異方性が小さい。また、ＮｉとＦｅとを含む合金等は、磁界中での熱処理により薄膜全体にわたった巨視的な磁化容易軸を簡単に誘導することができるため、薄膜全体にわたる磁化容易軸方向の設計がしやすくなる。

　複数のバーバーポール電極１７は、積層体１２上に設けられている。具体的には、複数のバーバーポール電極１７は、互いに離間して強磁性体層１５上に設けられている。複数のバーバーポール電極１７は、積層体１２の長手方向に対して４５°傾斜するように設けられている。バーバーポール電極１７としては、Ａｌ等の電気伝導性の良好な金属が用いられる。バーバーポール電極１７と強磁性体層１５との密着性を高めるために、バーバーポール電極１７と強磁性体層１５との間には、Ｔｉなどからなる密着層が設けられていてもよい。

　積層体１２は、外部からの磁界が無い場合には強磁性体層１５の磁化方向が積層体１２の長手方向と一致するように設けられている。このため、隣り合う２つのバーバーポール電極１７の間を最短で流れる検出電流Ｉの向きと、強磁性体層１５の磁化方向とが交差する角度は、４５°となる。なお、強磁性体層１５の磁化方向は、反強磁性体層１４から作用する交換結合磁界によって積層体１２の長手方向に固定されている。

　このように強磁性体層１５の磁化方向を設定するに際して、まず、真空蒸着法、スパッタ法等を用いて下地層１３から強磁性体層１５まで形成する。続いて磁界を印加しながら熱処理を行うことで、強磁性体層１５と反強磁性体層１４の間に交換結合磁界が得られ、強磁性体層１５の磁化方向が磁界の方向に固定される。

　また、磁界を印加しながら、真空蒸着法、スパッタ法等を用いて下地層１３から強磁性体層１５まで形成した場合、反強磁性体層１４が不規則合金なら、強磁性体１５の磁化方向が、強磁性体層等１５と反強磁性体層１４の間の交換結合磁界によって磁界の方向に固定されるため、交換結合を生じさせるための熱処理が不要となる。なお、十分な大きさの交換結合磁界を得るために、積層体１２を形成した後に、形成中に印加されていた磁界と同じ方向に磁界を印加しながら熱処理を施しても良い。

　反強磁性体層１４が規則合金である場合、積層体１２を形成した後、続いて磁界を印加しながら熱処理を行うことで、強磁性体層１５と反強磁性体層１４の間に交換結合磁界が得られ、強磁性体層１５の磁化方向が磁界の方向に固定される。印加磁界の向きは、形成中に印加されていた磁界と同じ方向にする方がより良い。

　強磁性体層１５の磁化方向と積層体１２の長手方向とが一致するように、積層体１２を矩形形状にパターニングする。

　一対の電極１８は、複数のバーバーポール電極１７を挟むように設けられている。一対の電極１８は、複数のバーバーポール電極１７が並ぶ方向における積層体１２の両端に設けられている。具体的には、一対の電極１８は、強磁性体層１５の上面、および、バーバーポール電極１７が並ぶ方向における積層体１２の側面および最上層の端部を覆うように設けられている。電極１８は、Ａｌ等の電気導電性の良好な金属材料からなる。電極１８と強磁性体層１５との密着性を高めるために、電極１８と強磁性体層１５との間には、Ｔｉなどからなる密着層が設けられていてもよい。

　保護層１９は、積層体１２、複数のバーバーポール電極１７および一対の電極１８を覆うように設けられる。保護層１９には、一対の電極１８の一部が露出するようにコンタクトホール１９ａが設けられている。保護層１９は、たとえばシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）からなり、強磁性体層１５などが酸化や腐食することを防ぐために設けられている。なお、保護層１９は設けられていなくてもよい。

　図３は、図１に示す反強磁性体層と強磁性体層とが交換結合している状態を模式的に示す断面図である。図３を参照して、反強磁性体層１４と強磁性体層１５が交換結合している状態について説明する。

　図３に示すように、強磁性体層１５の下面全面にわたって反強磁性体層１４が設けられていることにより、交換結合磁界が強磁性体層の全体に作用する。これにより、強磁性体層１５の磁化方向を一方向に揃えることができる。すなわち、強磁性体層１５を単磁区化することができる。交換結合磁界の大きさは、たとえば強磁性体層１５の膜厚によって調整することができる。強磁性体層１５の膜厚を薄くすることにより、交換結合磁界の大きさが大きくなる。

　図４は、図１に示す磁気抵抗素子の磁気抵抗と磁界との関係を示す図である。図４を参照して、磁気抵抗素子１の磁気抵抗と磁界との関係について説明する。

　本実施の形態においては、複数のバーバーポール電極１７は、強磁性体層１５上に設けられている。強磁性体層１５の電気抵抗は反強磁性体層１４の電気抵抗よりも小さいため、一端側の電極１８から他端側の電極１８に向けて流れる検出電流は、強磁性体層１５およびバーバーポール電極１７を流れる。この際、強磁性体層１５を流れる検出電流の向きを隣り合うバーバーポール電極１７間を最短でつなぐ方向に確実に傾けることができる。隣り合う２つのバーバーポール電極１７の間を最短で流れる検出電流Ｉの向きと、強磁性体層１５の磁化方向とが交差する角度を４５°とすることにより、図４に示すような良好な線形的に応答する領域を形成することができ、出力の線形性を向上させることができる。

　強磁性体層１５は、反強磁性体層１４の主面全体を覆うように反強磁性体層１４上に設けられており、強磁性体層１５の磁化方向は反強磁性体層１４からの交換結合磁界によって一方向に固定されているため、単磁区化されている。これにより、バルクハウゼンノイズを抑制することができる。さらに、反強磁性体層１４からの交換結合磁界によって強磁性体層１５の磁化を動かすためには、より大きな磁界が必要となる。これにより、大きな磁界が印加された場合でも、磁気抵抗素子１は磁気飽和せず、線形的に応答する領域を拡張することができる。

　また、大きな外部磁界がかかり強磁性体層１５の磁化方向が回転しても、外部磁界がなくなれば強磁性体層１５の磁化方向は、交換結合磁界によって回転前の方向に戻る。これにより、外乱磁界による故障を抑制することができる。

　（磁気センサ）
　図５は、図１に示す磁気抵抗素子を複数個用いて構成される磁気センサの平面図である。図５を参照して、図１に示す磁気抵抗素子を複数個用いて構成される磁気センサ１００について説明する。

　図５に示すように、磁気センサ１００は、４個の磁気抵抗素子１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄを用いてフルブリッジ回路を構成することにより設けられる。磁気抵抗素子１Ａの一端側は、配線パターン３Ａを介して、出力電圧Ｖｏｕｔ２を取り出すための電極パッドＰ１と電気的に接続される。磁気抵抗素子１Ａの他端側は、配線パターン３Ｂを介して、電源電圧Ｖｃｃを印加するための電極パッドＰ３と電気的に接続される。磁気抵抗素子１Ｄの一端側は、配線パターン３Ａを介して電極パッドＰ１と電気的に接続されている。磁気抵抗素子１Ｄの他端側は、配線パターン３Ｄを介して、グランドに接続される電極パッドＰ４と電気的に接続される。

　磁気抵抗素子１Ｂの一端側は、配線パターン３Ｃを介して、出力電圧Ｖｏｕｔ１を取り出すための電極パッドＰ２と電気的に接続される。磁気抵抗素子１Ｂの他端側は、配線パターン３Ｂを介して、電極パッドＰ３と電気的に接続される。磁気抵抗素子１Ｃの一端側は、配線パターン３Ｃを介して、電極パッドＰ２に電気的に接続される。磁気抵抗素子１Ｃの他端側は、配線パターン３Ｄを介して電極パッドＰ４に接続される。

　磁気抵抗素子１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄは、それぞれ磁化方向が平行となるように配置される。磁気抵抗素子１Ａ，１Ｃにおけるバーバーポール電極の延在方向と、磁気抵抗素子１Ｂ，１Ｄにおけるバーバーポール電極の延在方向とは、交差する。

　磁気抵抗素子１Ａ，１Ｃにおけるバーバーポール電極の延在方向は、それぞれ平行である。磁気抵抗素子１Ａ，１Ｃにおけるバーバーポール電極は、内側から外側に向かうにつれて、磁気抵抗素子１Ｄ，１Ｂから離れるように傾斜する。

　磁気抵抗素子１Ｂ，１Ｄにおけるバーバーポール電極の延在方向は、それぞれ平行である。磁気抵抗素子１Ｂ，１Ｄにおけるバーバーポール電極は、内側から外側に向かうにつれて、磁気抵抗素子１Ｃ，１Ａから離れるように傾斜する。

　磁気抵抗素子１Ａ，１Ｄが、配線パターン３Ｂ，３Ａ，３Ｄおよび電極パッドＰ３，Ｐ１，Ｐ４を介して直列接続されることにより、第１の直列回路（ハーフブリッジ回路）が形成される。磁気抵抗素子１Ｂ，１Ｃが、配線パターン３Ｂ，３Ｃ，３Ｄおよび電極パッドＰ３，Ｐ２，Ｐ４を介して直列接続されることにより、第２の直列回路（ハーフブリッジ回路）が形成される。第１の直列回路（ハーフブリッジ回路）および第２の直列回路（ハーフブリッジ回路）が、電極パッドＰ３，Ｐ４を介して並列接続されることにより、フルブリッジ回路が形成される。磁気抵抗素子１Ａ，１Ｃは、正出力性を有し、磁気抵抗素子１Ｂ，１Ｄは負出力性を有する。

　電極パッドＰ３と電極パッドＰ４との間に電源電圧Ｖｃｃを印加すると、電極パッドＰ１および電極パッドＰ２からは、磁界強度に応じて、出力電圧Ｖｏｕｔ２，Ｖｏｕｔ１が取り出される。出力電圧Ｖｏｕｔ２，Ｖｏｕｔ１は、差動増幅器（不図示）を介して差動増幅される。

　ブリッジ回路を構成することにより、温度などの外部環境の変化に対する耐性を向上させることができる。

　続いて、磁気センサ１００における出力特性（磁気抵抗素子の磁気抵抗変化率と磁界との関係）について、比較例および実施例１を交えながら以下に説明する。

　図６は、比較例における磁気抵抗素子の磁気抵抗変化率と磁界との関係を示す図である。図６を参照して、比較例における磁気抵抗素子の磁気抵抗変化率と磁界との関係について説明する。

　図６に示すように、比較例においては、積層体として、基板側から順に、下地層、強磁性体層、反強磁性体層の順に積層させた積層体（Ｓｉ／ＳｉＯ_２／Ｔａ／Ｎｉ－Ｆｅ／Ｆｅ－Ｍｎ）を用いている。なお、上述のＳｉ／ＳｉＯ_２は、基板および絶縁層であり、積層体には含まれない。すなわち、比較例は、実施の形態１に係る磁気抵抗素子１と比較して、反強磁性体層と強磁性体層との積層順が逆になっている。このため、比較例におけるバーバーポール電極は、反強磁性体層上に設けられている。なお、比較例においては、下地層としてＴａ膜を用い、強磁性体層としてＮｉとＦｅとを含む合金を用い、反強磁性体層としてＦｅとＭｎとを含む合金を用いている。

　比較例における磁気センサは、比較例における４つの磁気抵抗素子を用いて、実施の形態１に係る磁気センサ１００と同様の構成を有するように設けられている。比較例においては、検出磁界の強度を変化させることにより磁気センサの電極パッドＰ１および電極パッドＰ２から出力される電圧に基づいて確認された各磁気抵抗素子１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄの磁気抵抗変化率と磁界Ｂとの関係は、非線形である。

　バーバーポール電極は、強磁性体層よりも電気抵抗が高い反強磁性体層上に設けられているため、検出電流は、バーバーポール電極を流れず、主に電気抵抗が低い強磁性体層を流れる。このため、バーバーポール電極によって検出電流の向きを傾けることができず、磁気抵抗変化を外部磁界に対して線型的に応答させることができない。これにより、比較例においては、磁気抵抗素子１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄの磁気抵抗変化率と磁界Ｂとの関係は、非線形となる。

　図７は、実施例１に係る磁気抵抗素子の磁気抵抗変化率と磁界との関係を示す図である。図７を参照して、実施例１に係る磁気抵抗素子の磁気抵抗変化率と磁界との関係について説明する。

　図７に示すように、実施例１においては、積層体１２として、基板１０側から順に、下地層１３、反強磁性体層１４、強磁性体層１５の順に積層させた積層体（Ｓｉ／ＳｉＯ_２／Ｔａ／Ｎｉ－Ｆｅ／Ｆｅ－Ｍｎ／Ｎｉ－Ｆｅ）を用いている。なお、上述のＳｉ／ＳｉＯ_２は、基板および絶縁層であり積層体には含まれない。実施例１に係る磁気センサは、実施の形態１に係る磁気センサとほぼ同様の構成である。このため、実施例１に係るバーバーポール電極１７は、強磁性体層１５上に設けられている。なお、実施例１においては、下地層１３としてＴａ膜に、ＮｉとＦｅとを含む合金を積層させた積層膜１２を用い、反強磁性体層１４としてＦｅとＭｎとを含む合金を用い、強磁性体層１５としてＮｉとＦｅとを含む合金を用いている。

　実施例１に係る磁気センサは、実施例１に係る４つの磁気抵抗素子を用いて、実施の形態１に係る磁気センサ１００と同様の構成を有するように設けられている。実施例１においては、検出磁界の強度を変化させることにより磁気センサの電極パッドＰ１および電極パッドＰ２から出力される電圧に基づいて確認された各磁気抵抗素子１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄの磁気抵抗変化率と磁界Ｂとの関係は、線形である。

　バーバーポール電極は、反強磁性体層よりも電気抵抗の低い強磁性体層上に設けられているため、検出電流は、強磁性体層１５およびバーバーポール電極１７を流れる。バーバーポール電極を積層体の長手方向に対して４５°傾けて設けることにより、隣り合う２つのバーバーポール電極１７の間を最短で流れる検出電流Ｉの向きと、強磁性体層１５の磁化Ｍの向きとが交差する角度を４５°とすることができる。これにより、磁気抵抗変化を外部磁界に対して線型的に応答させることができ、実施例１においては、磁気抵抗素子１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄの磁気抵抗変化率と磁界Ｂとの関係は、線形になる。

　以上のように、本実施の形態に係る磁気抵抗素子１は、出力の線形性を向上しつつ、線形的に応答可能な領域を拡張できる。

　（実施の形態２）
　（磁気抵抗素子）
　図８は、本実施の形態に係る磁気抵抗素子の概略断面図である。図８を参照して、本実施の形態に係る磁気抵抗素子１Ｅについて説明する。

　図８に示すように、磁気抵抗素子１Ｅは、実施の形態１に係る磁気抵抗素子１と比較した場合に、交換結合磁界調整層１６をさらに備える点において相違する。その他の構成については、ほぼ同様である。

　交換結合磁界調整層１６は、反強磁性体層１４と強磁性体層１５との間に設けられ、反強磁性体層１４と強磁性体層１５との間に発生する交換結合磁界の大きさを調整する。交換結合磁界調整層１６は、たとえばＣｏもしくはＣｏを含む合金からなる強磁性体層である。交換結合磁界調整層１６は、反強磁性体層１４の主面全体を覆うように反強磁性体層１４上に設けられていることが好ましい。

　交換結合磁界調整層１６を設けて交換結合磁界の大きさを調整することにより、線形的に応答する領域の範囲を調整することができる。これにより、入力ダイナミックレンジの設計の自由度を大きくすることができる。

　たとえば、交換結合磁界調整層１６と反強磁性体層１４との間に発生する交換結合磁界の大きさは、反強磁性体層１４上に直接強磁性体層１５を積層した場合に反強磁性体層１４と強磁性体層１５との間に発生する交換結合磁界の大きさよりも大きいことが好ましい。この場合には、交換結合磁界調整層１６を設けることにより、反強磁性体層１４から強磁性体層１５に作用する交換結合磁界の大きさを大きくすることができる。これにより、線形的に応答する領域の範囲を拡張することができる。

　また、ＣｏもしくはＣｏを含む合金からなる強磁性体層からなる交換結合磁界調整層１６を設けることにより、製造工程における熱処理中に、反強磁性体層１４に含まれるＭｎが強磁性体層１５に拡散することを防止することができる。これにより、拡散に伴う性能劣化を抑制でき、特性が安定するとともに、信頼性を向上させることができる。

　（検証実験）
　実施例２および実施例３を交えながら、交換結合磁界調整層１６の効果を検証するために行なった検証実験の条件および結果について説明する。実施例２に係る磁気抵抗素子は、実施の形態１に係る磁気抵抗素子を用いている。実施例３に係る磁気抵抗素子は、実施の形態２に係る磁気抵抗素子を用いている。

　実施例２および実施例３において、積層方向に沿った積層体の断面について上層（表層）から下層までの組成をＴＥＭ－ＥＤＸを用いて分析している。なお、実施例２に係る磁気抵抗素子においては、積層体１２上に保護層を設けず、実施例３においては、積層体１２上に保護層を設けている。また、実施例２および実施例３に係る磁気抵抗素子を複数用いて構成される磁気センサを用いて、磁界を変化させつつ電極パッドＰ１および電極パッドＰ２から出力させる出力電圧Ｖｏｕｔ２，Ｖｏｕｔ１に基づき、ブリッジ電圧変化率を測定している。

　図９は、実施例２に係る磁気抵抗素子の深さ方向における組成分析の結果を示す図である。図１０は、実施例２に係る磁気抵抗素子を具備する磁気センサのブリッジ電圧変化率と磁界との関係を示す図である。図９および図１０を参照して、実施例２に係る磁気抵抗素子の深さ方向における組成分析結果、および、ブリッジ電圧変化率と磁界との関係について説明する。

　実施例２に係る磁気抵抗素子においては、積層体１２として、基板１０側から順に、下地層、反強磁性体層、強磁性体層の順に積層させた積層体（Ｓｉ／ＳｉＯ_２／Ｔａ／Ｎｉ－Ｆｅ／Ｎｉ－Ｍｎ／Ｎｉ－Ｆｅ）を用いている。なお、上述のＳｉ／ＳｉＯ_２は、基板および絶縁層であり積層体には含まれない。実施例２においては、下地層１３としてＴａ膜に、ＮｉとＦｅとを含む合金を積層させた積層膜を用いている。反強磁性体層１４としてＮｉとＭｎとを含む合金を用いている。強磁性体層１５としてＮｉとＦｅとを含む合金を用いている。下地層１３において、Ｔａ膜の厚さは２ｎｍであり、ＮｉとＦｅとを含む合金層の厚さは５ｎｍである。反強磁性体層１４において、ＮｉとＭｎとを含む合金層の厚さは４０ｎｍである。強磁性体層１５としてＮｉとＦｅとを含む合金層の厚さは３０ｎｍである。なお、実施例２においては、積層体１２上に保護層を設けていない。

　図９に示すように、実施例２に係る磁気抵抗素子は、積層体１２の表層からの深さが数ｎｍあたりの位置でＭｎのピークが確認される。積層体１２の表層からの深さが１０ｎｍから３０ｎｍまでの位置では、強磁性体層１５を構成する元素であるＦｅ、Ｎｉが主として確認される。積層体１２の表層からの深さが４０ｎｍから７０ｎｍまでの位置では、反強磁性体層１４を構成する元素であるＮｉ、Ｍｎが主として確認される。積層体１２の表層からの深さが略７５ｎｍの位置では、下地層１３の一部を構成する元素であるＦｅ、Ｎｉが主として確認される。積層体１２の表層からの深さが略８０ｎｍの位置においては、下地層１３を構成する元素であるＴａのピークが確認される。さらに、積層体１２の表層から８０ｎｍ以降の位置では、絶縁層１１を構成する元素であるＳｉが主として確認される。このように、実施例２に係る磁気抵抗素子では、強磁性体層１５の上層にＭｎが拡散されている。

　図１０に示すように、実施例２に係る磁気抵抗素子を具備する磁気センサにおいては、－６［ｍＴ］以上６［ｍＴ］以下の範囲にて、ブリッジ電圧変化率が線形性を示す。

　図１１は、実施例３に係る磁気抵抗素子の深さ方向における組成分析の結果を示す図である。図１２は、実施例３に係る磁気抵抗素子を具備する磁気センサのブリッジ電圧変化率と磁界との関係を示す図である。図１１および図１２を参照して、実施例３に係る磁気抵抗素子の深さ方向における組成分析結果、および、ブリッジ電圧変化率と磁界との関係について説明する。

　実施例３に係る磁気抵抗素子においては、積層体１２として、基板１０側から順に、下地層１３、反強磁性体層１４、交換結合磁界調整層１６、強磁性体層１５の順に積層させた積層体Ｓｉ／ＳｉＯ_２／Ｔａ／Ｎｉ－Ｆｅ／Ｎｉ－Ｍｎ／Ｃｏ－Ｆｅ／Ｎｉ－Ｆｅ）を用いている。なお、上述のＳｉ／ＳｉＯ_２は、基板および絶縁層であり、積層体には含まれない。実施例３においては、下地層１３としてＴａ膜に、ＮｉとＦｅとを含む合金を積層させた積層膜を用いている。反強磁性体層１４としてＮｉとＭｎとを含む合金を用いている。強磁性体層１５としてＮｉとＦｅとを含む合金を用いている。下地層１３において、Ｔａ膜の厚さは２ｎｍであり、ＮｉとＦｅとを含む合金層の厚さは５ｎｍである。反強磁性体層１４において、ＮｉとＭｎとを含む合金層の厚さは４０ｎｍである。強磁性体層１５において、ＮｉとＦｅとを含む合金層の厚さは３０ｎｍである。

　図１１に示すように、実施例３に係る磁気抵抗素子にあっては、保護層１９が設けられた積層体１２の表層（保護層の上層）からの深さが数ｎｍの位置までは、保護層１９を構成する元素であるＳｉが確認される。保護層１９の上層からの深さが、数ｎｍから略３７ｎｍまでの位置では、強磁性体層を構成する元素であるＦｅ、Ｎｉが主として確認される。保護層１９の上層からの深さが略４０ｎｍの位置では、交換結合磁界調整層１６を構成する元素の一種であるＣｏのピークが確認される。

　また、保護層１９の上層からの深さが略４５ｎｍから略７７ｎｍまでの位置では、反強磁性体層１４を構成する元素であるＮｉ、Ｍｎが主として確認される。保護層１９の上層からの深さが略８０ｎｍの位置では、下地層１３の一部を構成する元素であるＦｅ、Ｎｉが主として確認される。保護層１９の上層からの深さが略８７ｎｍの位置においては、下地層１３の一部を構成する元素であるＴａのピークが主として確認される。さらに、保護層１９の上層から略８７ｎｍ以降の位置では、絶縁層１１を構成する元素であるＳｉが主として確認される。このように、実施例３に係る磁気抵抗素子にあっては、実施例２に係る磁気抵抗素子と比較して、反強磁性体層１４から強磁性体層１５へのＭｎの拡散が抑制されている。なお、保護層１９を形成する前の工程で熱処理を行っているため、保護膜の有無はＭｎの拡散に影響しない。

　図１２に示すように、実施例３に係る磁気抵抗素子を具備する磁気センサにおいては、－１０［ｍＴ］以上１０［ｍＴ］以下の範囲にて、ブリッジ電圧変化率が線形性を示している。

　以上の検証実験の結果から、交換結合磁界調整層１６を設けることにより、反強磁性体層１４から強磁性体層１５へのＭｎの拡散を抑制することができ、線形的に応答する領域を拡張できることが実験的にも証明されたと言える。

　図１３は、実施例２および実施例３に係る磁気抵抗素子のヒステリシスと温度との関係を示す図である。

　図１３に示すように、実施例２における磁気抵抗素子では、低温になるほどヒステリシスが大きくなり、低温側では大幅に大きくなっている。一方、実施例３に係る磁気抵抗素子では、－４０℃～１２５℃の範囲においてヒステリシスは小さく、大きさはほとんど変化していない。

　このように、実施例３に係る磁気抵抗素子は、実施例２における磁気抵抗素子と比較して、特に低温側でのヒステリシスが小さくなっている。交換結合磁界調整層１６を設けることにより、低温側における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る。このように、交換結合磁界調整層１６を設けることにより、環境温度への耐性も向上させることができる。

　（実施の形態３）
　（電流センサ）
　図１４は、本実施の形態に係る電流センサを示す概略図である。図１４を参照して、本実施の形態に係る電流センサについて説明する。

　図１４に示すように、本実施の形態に係る電流センサ１５０は、磁気センサ１００Ａ，１００Ｂ、測定対象の電流が流れるバスバー１１０および減算器１３０を備える。磁気センサ１００Ａ，１００Ｂは、実施の形態１に係る磁気センサ１００と同様の構成を有し、奇関数入出力特性を有する。磁気センサ１００Ａ，１００Ｂは、バスバー１１０を流れる電流により発生する磁界の強さを検出し、この磁界の強さに応じた信号を上述のブリッジ回路から出力する。減算器１３０は、磁気センサ１００Ａおよび磁気センサ１００Ｂの各検出値を減算することにより電流の値を算出する算出部である。

　バスバー１１０は、電気的に直列に接続されている第１バスバー部１１１、第２バスバー部および第３バスバー部１１３を含む。第１バスバー部１１１と第３バスバー部１１３とは、互いに離間して平行に延在する。第１バスバー部１１１と第３バスバー部１１３とは、第２バスバー部によって接続されている。

　第２バスバー部は、第１バスバー部１１１および第３バスバー部１１３の各々に対して間隔を置いて平行に並んで延在する平行部１１２を含む。また、第２バスバー部は、第１バスバー部１１１の他端と第２バスバー部の平行部１１２の一端とを連結する第１連結部１１４と、第２バスバー部の平行部１１２の他端と第３バスバー部１１３の一端とを連結する第２連結部１１５とを含む。

　第１バスバー部１１１と第２バスバー部の平行部１１２と第３バスバー部１１３とは、等間隔に配置されている。第１バスバー部１１１、第２バスバー部の平行部１１２および第３バスバー部１１３の各々は、直方体状の形状を有している。ただし、第１バスバー部１１１、第２バスバー部の平行部１１２および第３バスバー部１１３の各々の形状は直方体状に限られず、たとえば円柱状であってもよい。

　第２バスバー部の第１連結部１１４は、側面視にて直線状に延在して第１バスバー部１１１および第２バスバー部の平行部１１２の各々と直交している。第２バスバー部の第２連結部１１５は、側面視にて直線状に延在して第２バスバー部の平行部１１２および第３バスバー部１１３の各々と直交している。

　第２バスバー部の第１連結部１１４および第２連結部１１５の各々は、直方体状の形状を有している。ただし、第２バスバー部の第１連結部１１４および第２連結部１１５の各々の形状は直方体状に限られず、たとえば円柱状であってもよい。

　バスバー１１０は、側面視にてＳ字状の形状を有している。このように折り返すように曲折した形状を有する１つのバスバー部材によってバスバー１１０を構成することにより、機械的強度が高くシンメトリーな形状を有するバスバー１１０を得ることができる。ただし、バスバー１１０の形状はこれに限られず、たとえば、バスバー１１０が、Ｅ字形状のように第１バスバー部１１１と第２バスバー部と第３バスバー部１１３とを有する形状であれば適宜選択することができる。

　バスバー１１０は、たとえばアルミニウムで構成されている。ただし、バスバー１１０の材料はこれに限られず、銀、銅などの金属単体、または、これらの金属と他の金属との合金でもよい。また、バスバー１１０は、表面処理を施されていてもよい。

　第１バスバー部１１１を電流が流れる方向２１１と第３バスバー部１１３を電流が流れる方向２１５とは同一である。第１バスバー部１１１を電流が流れる方向２１１、および第３バスバー部１１３を電流が流れる方向２１５と、第２バスバー部の平行部１１２を電流が流れる方向２１３とは反対である。第２バスバー部の第１連結部１１４を電流が流れる方向２１２と、第２バスバー部の第２連結部１１５を電流が流れる方向２１４とは同一である。

　磁気センサ１００Ａは、互いに対向する第１バスバー部１１１と第２バスバー部の平行部１１２との間に位置している。磁気センサ１００Ｂは、互いに対向する第２バスバー部の平行部１１２と第３バスバー部１１３との間に位置している。

　磁気センサ１００Ａは、第１バスバー部１１１と第３バスバー部１１３とが並ぶ方向に対して直交する方向、かつ、第１バスバー部１１１の延在方向に対して直交する方向である、図１４中の矢印１０１Ａで示す方向に検出軸を有する。

　磁気センサ１００Ｂは、第１バスバー部１１１と第３バスバー部１１３とが並ぶ方向に対して直交する方向、かつ、第３バスバー部１１３の延在方向に対して直交する方向である、図１４中の矢印１０１Ｂで示す方向に検出軸を有する。

　磁気センサ１００Ａ，１００Ｂは、検出軸の一方向に向いた磁界を検出した場合に正の値で出力し、かつ、検出軸の一方向とは反対方向に向いた磁界を検出した場合に負の値で出力する、奇関数入出力特性を有している。すなわち、バスバー１１０を流れる電流により発生する磁界の強さについて、磁気センサ１００Ａの検出値の位相と、磁気センサ１００Ｂの検出値の位相とは、逆相である。

　磁気センサ１００Ａは、第１接続配線１４１によって減算器１３０と電気的に接続されている。磁気センサ１００Ｂは、第２接続配線１４２によって減算器１３０と電気的に接続されている。

　減算器１３０は、磁気センサ１００Ａの検出値と、磁気センサ１００Ｂの検出値とを減算することにより、バスバー１１０を流れる電流の値を算出する。なお、本実施形態においては、算出部として減算器１３０を用いているが、算出部はこれに限られず、差動増幅器などでもよい。

　図１５は、本実施形態に係る電流センサ１５０を図１４のＸＶ－ＸＶ線矢印方向から見た断面図において、発生する磁界を模式的に示す図である。図１５においては、磁気センサ１００Ａおよび磁気センサ１００Ｂの検出軸方向をＸ方向、第１バスバー部１１１と第２バスバー部の平行部１１２と第３バスバー部１１３とが並ぶ方向をＹ方向として示している。なお、第２バスバー部の平行部１１２の延在方向がＺ方向である。

　図１５に示すように、第１バスバー部１１１に電流が流れることにより、いわゆる右ねじの法則によって図中の右回りに周回する磁界１１１ｅが発生する。同様に、第２バスバー部の平行部１１２に電流が流れることにより、図中の左回りに周回する磁界１１２ｅが発生する。第３バスバー部１１３に電流が流れることにより、図中の右回りに周回する磁界１１３ｅが発生する。

　その結果、磁気センサ１００Ａには、矢印１０１Ａで示す検出軸の方向において、図中の左向きの磁界が印加される。一方、磁気センサ１００Ｂには、矢印１０１Ｂで示す検出軸の方向において、図中の右向きの磁界が印加される。

　よって、磁気センサ１００Ａの検出した磁界の強さを正の値とすると、磁気センサ１００Ｂの検出した磁界の強さは負の値となる。磁気センサ１００Ａの検出値と磁気センサ１００Ｂの検出値とは、減算器１３０に送信される。

　減算器１３０は、磁気センサ１００Ａの検出値から磁気センサ１００Ｂの検出値を減算する。その結果、磁気センサ１００Ａの検出値の絶対値と、磁気センサ１００Ｂの検出値の絶対値とが加算される。この加算結果から、バスバー１１０を流れた電流の値が算出される。

　なお、磁気センサ１００Ａと磁気センサ１００Ｂとの入出力特性を互いに逆の極性にしつつ、減算器１３０に代えて加算器または加算増幅器を算出部として用いてもよい。

　また、本実施形態における電流センサ１５０においては、第１バスバー部１１１および第３バスバー部１１３は横断面において、第２バスバー部の平行部１１２の中心点を中心として互いに点対称に位置している。かつ、第１バスバー部１１１および第３バスバー部１１３は横断面において、磁気センサ１００Ａおよび磁気センサ１００Ｂの検出軸の方向における第２バスバー部の平行部１１２の中心線を中心として互いに線対称に位置している。

　また、磁気センサ１００Ａおよび磁気センサ１００Ｂは横断面において、第２バスバー部の平行部１１２の中心点を中心として互いに点対称に位置している。かつ、磁気センサ１００Ａおよび磁気センサ１００Ｂは横断面において、磁気センサ１００Ａおよび磁気センサ１００Ｂの検出軸の方向における第２バスバー部の平行部１１２の中心線を中心として互いに線対称に位置している。

　このように点対称に配置された磁気センサ１００Ａおよび磁気センサ１００Ｂは、バスバー１１０を流れる電流により発生する磁界を等しく反映した検出値を示す。そのため、バスバー１１０を流れる電流により発生する磁界の強さとそれから算出されるバスバー１１０を流れる電流の値との線形性を高めることができる。

　なお、本実施の形態においては、電流センサ１５０に具備される磁気センサが、実施の形態１に係る磁気抵抗素子によって構成される場合を例示して説明したが、これに限定されず、実施の形態２に係る磁気抵抗素子によって構成されてもよい。

　以上のように構成することにより、本実施の形態に係る電流センサ１５０は、出力の線形性を向上しつつ、線形的に応答可能な領域を拡張できる。

　以上、本発明の実施の形態および実施例について説明したが、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。

　１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ　磁気抵抗素子、３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ　配線パターン、１０　基板、１１　絶縁層、１２　積層体、１３　下地層、１４　反強磁性体層、１５　強磁性体層、１６　交換結合磁界調整層、１７　バーバーポール電極、１８　電極、１９　保護層、１９ａ　コンタクトホール、１００，１００Ａ，１００Ｂ　磁気センサ、１１０　バスバー、１１１　第１バスバー部、１１１ｅ，１１２ｅ，１１３ｅ　磁界、１１２　平行部、１１３　第３バスバー部、１１４　第１連結部、１１５　第２連結部、１３０　減算器、１４１　第１接続配線、１４２　第２接続配線、１５０　電流センサ。

Claims

　基板と、
　前記基板の上方に設けられた反強磁性体層と、
　前記反強磁性体層の主面全体を覆うように前記反強磁性体層上に設けられた強磁性体層と、
　前記強磁性体層上に互いに離間して設けられた複数のバーバーポール電極と、を備える、磁気抵抗素子。
　前記反強磁性体層は、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｐｄ、ＰｔおよびＩｒのいずれか１種の元素とＭｎとを含む合金、ＰｄとＰｔとＭｎとを含む合金、または、ＣｒとＰｔとＭｎとを含む合金からなる、請求項１に記載の磁気抵抗素子。
　前記強磁性体層は、ＮｉとＦｅとを含む合金、または、ＮｉとＣｏとを含む合金からなる、請求項１または２に記載の磁気抵抗素子。
　前記反強磁性体層と前記強磁性体層との間に設けられ、前記反強磁性体層と前記強磁性体層との間に発生する交換結合磁界の大きさを調整する交換結合磁界調整層をさらに備える、請求項１から３のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
　前記交換結合磁界調整層は、ＣｏもしくはＣｏを含む合金からなる強磁性体層である、請求項４に記載の磁気抵抗素子。
　請求項１から５のいずれかに記載の磁気抵抗素子を備える、磁気センサ。
　測定対象の電流が流れるバスバーと、
　請求項６に記載の磁気センサと、を備える電流センサ。