(57)【要約】  磁気抵抗効果素子のフリー磁性層の磁化方向の分散を低減でき、しかも広範囲に亘って測定精度が高い磁気センサ及び磁気センサの製造方法を提供すること。本発明の磁気センサ（１）は、特定の方向に感度軸を持つ磁気抵抗効果素子（１１）を備えた磁気センサであって、磁気抵抗効果素子（１１）は、磁化方向が固定された強磁性固定層（３０）、非磁性中間層（２６）、外部磁界に対して磁化方向が変動するフリー磁性層（２７）、及びフリー磁性層（２７）に交換結合磁界を印加する反強磁性層（２８）を含む積層構造を有することを特徴とする。
2012081377.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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、磁化方向が固定された強磁性固定層、非磁性中間層、外部磁界に対して磁化方向が変動するフリー磁性層、及び前記フリー磁性層に交換結合磁界を印加する反強磁性層を含む積層構造を有することを特徴とする磁気センサ。
【請求項２】
前記強磁性固定層が、反平行結合膜を介して第１の強磁性膜と第２の強磁性膜とを反強磁性的に結合させてなるセルフピン止め型であり、前記第１の強磁性膜と第２の強磁性膜はキュリー温度が略同じかつ磁化量の差が実質的にゼロであることを特徴とする請求項１記載の磁気センサ。
【請求項３】
前記磁気抵抗効果素子は、ストライプ形状の長手方向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が折り返してなる形状を有する素子部と、前記素子部を挟むように設けられた永久磁石部と、を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の磁気センサ。
【請求項４】
前記磁気抵抗効果素子は、前記ストライプ形状の長手方向において互いに離間して設けられた複数の素子部と、前記各素子部間に設けられた複数の永久磁石部とを有することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の磁気センサ。
【請求項５】
前記強磁性固定層は、外部磁界の印加方向に沿って磁化方向が固定されると共に、前記フリー磁性層は、前記外部磁界の印加方向と略直交方向に磁化されることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の磁気センサ。
【請求項６】
前記第１の強磁性膜が４０原子％〜８０原子％のＦｅを含むＣｏＦｅ合金で構成され、前記第２の強磁性膜が０原子％〜４０原子％のＦｅを含むＣｏＦｅ合金で構成されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の磁気センサ。
【請求項７】
前記フリー磁性層の前記非磁性中間層が形成された面と反対面に反強磁性層が積層され、前記反強磁性層は、元素Ｘ（ただしＸは、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｏｓのうち１種または２種以上の元素である）とＭｎとを含有する反強磁性材料から形成されることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の磁気センサ。
【請求項８】
被測定電流からの誘導磁界の印加により抵抗値が変化する少なくとも１つの磁気抵抗効果素子を含んで構成され、前記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し、前記誘導磁界に応じて前記磁界検出ブリッジ回路から出力される電圧差により前記被検出電流を測定する磁気比例式電流センサであって、前記磁気抵抗効果素子は、前記磁化方向が固定された強磁性固定層、非磁性中間層、外部磁界に対して磁化方向が変動するフリー磁性層、及び前記フリー磁性層に交換結合磁界を印加する反強磁性層を含む積層構造を有することを特徴とする磁気比例式電流センサ。
【請求項９】
被測定電流からの誘導磁界の印加により抵抗値が変化する少なくとも１つの磁気抵抗効果素子を含んで構成され、前記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、前記磁気抵抗効果素子の近傍に配置され、前記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、を具備し、前記電圧差により前記フィードバックコイルに通電して前記誘導磁界と前記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前記フィードバックコイルに流れる電流に基づいて前記被測定電流を測定する磁気平衡式電流センサであって、前記磁気抵抗効果素子は、前記磁化方向が固定された強磁性固定層、非磁性中間層、外部磁界に対して磁化方向が変動するフリー磁性層、及び前記フリー磁性層に交換結合磁界を印加する反強磁性層を含む積層構造を有することを特徴とする磁気平衡式電流センサ。
【請求項１０】
特定方向に磁場を印加して強磁性固定層を成膜する第１成膜工程と、前記第１成膜工程とは異なる方向から磁場を印加してフリー磁性層及び反強磁性層を成膜して素子部を形成する第２成膜工程と、前記素子部をパターン化してから、永久磁石層を成膜してパターン化する第３成膜工程と、前記反強磁性層から前記フリー磁性層に印加される交換結合磁界と略同一方向から前記永久磁石層に着磁する着磁工程と、前記永久磁石層の着磁後に少なくとも２００℃で熱処理を行う熱処理工程とを含むことを特徴とする磁気センサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子、ＧＭＲ素子）を用いた磁気センサ及び磁気センサの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、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が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は、例えば、ＧＭＲ素子などの磁気抵抗効果素子がある。【０００３】
ＧＭＲ素子は、反強磁性層、強磁性固定層、非磁性材料層及びフリー磁性層を基本的な膜構成としている。強磁性固定層は、反強磁性層上に接触形成されており、反強磁性層との間で生じる交換結合磁界（Ｈｅｘ）により磁化方向が一方向に固定されている。フリー磁性層は、強磁性固定層との間で非磁性材料層（非磁性中間層）を挟んで積層され、外部磁界により磁化方向が変化する。ＧＭＲ素子を備えた磁気センサにおいては、被測定電流からの誘導磁界の印加によって変化するフリー磁性層の磁化方向と、強磁性固定層の磁化方向と、の関係で変動するＧＭＲ素子の電気抵抗値により被測定電流の電流値を検出する。【０００４】
ところで、磁気センサの測定精度の向上のためには、オフセットの低減、出力信号のバラツキの低減、及びリニアリティ（出力線形性）の向上が必要となる。リニアリティの向上のためには、磁気抵抗効果素子のヒステリシスの低減が必要となる。磁気抵抗効果素子のヒステリシスを低減した磁気センサの応用例として、フリー磁性層にバイアス磁界を印加するハードバイアス層を有するＧＭＲ素子を備えた薄膜磁気ヘッドが提案されている（例えば、特許文献１参照）。【０００５】
図１３にハードバイアス層を有するＧＭＲ素子の断面模式図を示す。図１３に示すように、このＧＭＲ素子は、固定磁性層５０１、非磁性材料層５０２、及びフリー磁性層５０３が積層されてなるＧＭＲ素子部と、このＧＭＲ素子部に隣接して設けられたハードバイアス層５０４とを備える。ハードバイアス層５０４は、保磁力が高い高磁性材料（例えば、７９．６ｋＡ／ｍ以上）で構成され、所定の方向にバイアス磁界を印加するように着磁されている。このハードバイアス層５０４からフリー磁性層５０３にバイアス磁界を印加することにより、フリー磁性層５０３の磁化方向に一方向異方性を付与し、ＧＭＲ素子の電気抵抗値と外部磁界の強さとの間のリニアリティ（出力線形性）を高めてヒステリシスを低減することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−１９１６４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、磁気抵抗効果素子のハードバイアス層５０４は、基板上に積層されたＧＭＲ素子部の一部をフォトリソグラフィ及びエッチングによって除去した領域に設けられる。エッチング工程では、フォトレジストによるシャドー効果によりＧＭＲ素子部の境界部が基板面に対して傾斜する。このため、素子部を除去した領域に設けられるハードバイアス層５０４においては、ハードバイアス層５０４の端部５０４ａにおける厚さと、ハードバイアス層５０４の中央部５０４ｂにおける厚さとが必ずしも均一にならない。このように、ハードバイアス層５０４の厚さにバラツキが生じた場合には、相対的にハードバイアス層の厚さが薄いハードバイアス層５０４の両端部５０４ａに保磁力が低い領域（例えば、７９．６ｋＡ／ｍ以下）が形成される。【０００８】
このように、ハードバイアス層５０４内において局所的に保磁力が低い領域が存在する場合、例えば、感度方向（ハードバイアス磁界と直交方向）に強い外部磁界が印加されると、ハードバイアス層５０４内における保磁力が低い領域の磁化方向が分散してオフセットが増大する。このように、従来の磁気センサにおいては、ハードバイアス層を設けた場合であっても、強い外部磁界を測定対象とする場合にはオフセットが増大するため、測定範囲が制限される問題があった。【０００９】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、磁気抵抗効果素子のフリー磁性層の磁化方向の分散を低減でき、しかも広範囲に亘って測定精度が高い磁気センサ及び磁気センサの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の磁気センサは、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、磁化方向が固定された強磁性固定層、非磁性中間層、外部磁界に対して磁化方向が変動するフリー磁性層、及び前記フリー磁性層に交換結合磁界を印加する反強磁性層を含む積層構造を有することを特徴とする。【００１１】
この構成によれば、磁気抵抗効果素子の感度軸方向に大きな外部磁界が印加されても、反強磁性層からフリー磁性層に一定の交換結合磁界が付与されるので、フリー磁性層に安定して一方向異方性を付与することが可能となる。したがって、磁気抵抗効果素子のフリー磁性層の磁化方向の分散を低減でき、しかも広範囲に亘って測定精度が高い磁気センサを実現することが可能となる。【００１２】
本発明の磁気センサにおいては、前記強磁性固定層が、反平行結合膜を介して第１の強磁性膜と第２の強磁性膜とを反強磁性的に結合させてなるセルフピン止め型であり、前記第１の強磁性膜と第２の強磁性膜はキュリー温度が略同じかつ磁化量の差が実質的にゼロであることが好ましい。この構成により、高温環境下においても第１の強磁性膜磁化量（Ｍｓ・ｔ）と第２の強磁性膜の磁化量（Ｍｓ・ｔ）との差が略ゼロとなり、高い磁化安定性を維持することができる。【００１３】
本発明の磁気センサにおいては、前記磁気抵抗効果素子は、ストライプ形状の長手方向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が折り返してなる形状を有する素子部と、前記素子部を挟むように設けられた永久磁石部と、を備えることが好ましい。この構成により、永久磁石部からもバイアス磁界がフリー磁性層に印加されるので、特に磁化方向が分散しやすいフリー磁性層におけるストライプ形状の長手方向の両端部の領域においても、フリー磁性層の磁化方向に一方向異方性を付与することが可能となる。したがって、磁気センサのヒステリシスを更に低減できる。【００１４】
本発明の磁気センサにおいては、前記磁気抵抗効果素子は、前記ストライプ形状の長手方向において互いに離間して設けられた複数の素子部と、前記各素子部間にそれぞれ設けられた複数の永久磁石部とを有することが好ましい。この構成により、ストライプ形状の長手方向において、各素子部間に設けられた永久磁石部からバイアス磁界が強く印加されるので、フリー磁性層の磁化方向に一方向異方性を効率良く付与できる。したがって、磁気センサのヒステリシスを特に低減できる。【００１５】
本発明の磁気センサにおいては、前記強磁性固定層は、外部磁化の印加方向に沿って磁化方向が固定されると共に、前記フリー磁性層は、前記外部磁化の印加方向と略直交方向に磁化されることが好ましい。【００１６】
本発明の磁気センサにおいては、前記第１の強磁性膜が４０原子％〜８０原子％のＦｅを含むＣｏＦｅ合金で構成され、前記第２の強磁性膜が０原子％〜４０原子％のＦｅを含むＣｏＦｅ合金で構成されていることが好ましい。【００１７】
本発明の磁気センサにおいては、前記フリー磁性層の前記非磁性中間層が形成された面と反対面に反強磁性層が積層され、前記反強磁性層は、元素Ｘ（ただしＸは、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｏｓのうち１種または２種以上の元素である）とＭｎとを含有する反強磁性材料から形成されることが好ましい。【００１８】
本発明の磁気比例式電流センサは、被測定電流からの誘導磁界の印加により抵抗値が変化する少なくとも１つの磁気抵抗効果素子を含んで構成され、前記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し、前記誘導磁界に応じて前記磁界検出ブリッジ回路から出力される電圧差により前記被検出電流を測定する磁気比例式電流センサであって、前記磁気抵抗効果素子は、前記磁化方向が固定された強磁性固定層、非磁性中間層、外部磁界に対して磁化方向が変動するフリー磁性層、及び前記フリー磁性層に交換結合磁界を印加する反強磁性層を含む積層構造を有することを特徴とする。【００１９】
この構成によれば、磁気抵抗効果素子の感度軸方向に大きな外部磁界が印加されても、反強磁性層からフリー磁性層に一定の交換結合磁界が付与されるので、フリー磁性層に安定して一方向異方性を付与することが可能となる。したがって、被測定電流が大電流の場合においても、磁気抵抗効果素子のオフセットを低減でき、広範囲に亘って測定精度が高い磁気比例式電流センサを実現することが可能となる。【００２０】
本発明の磁気平衡式電流センサは、被測定電流からの誘導磁界の印加により抵抗値が変化する少なくとも１つの磁気抵抗効果素子を含んで構成され、前記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、前記磁気抵抗効果素子の近傍に配置され、前記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、を具備し、前記電圧差により前記フィードバックコイルに通電して前記誘導磁界と前記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前記フィードバックコイルに流れる電流に基づいて前記被測定電流を測定する磁気平衡式電流センサであって、前記磁気抵抗効果素子は、前記磁化方向が固定された強磁性固定層、非磁性中間層、外部磁界に対して磁化方向が変動するフリー磁性層、及び前記フリー磁性層に交換結合磁界を印加する反強磁性層を含む積層構造を有することを特徴とする。【００２１】
この構成によれば、磁気抵抗効果素子の感度軸方向に大きな外部磁界が印加されても、反強磁性層からフリー磁性層に一定の交換結合磁界が付与されるので、フリー磁性層に安定して一方向異方性を付与することが可能となる。したがって、被測定電流が大電流の場合においても、磁気抵抗効果素子のオフセットを低減でき、広範囲に亘って測定精度が高い磁気平衡式電流センサを実現することが可能となる。【００２２】
本発明の磁気センサの製造方法は、特定方向に磁場を印加して強磁性固定層を成膜する第１成膜工程と、前記第１成膜工程とは異なる方向から磁場を印加してフリー磁性層及び反強磁性層を成膜して素子部を形成する第２成膜工程と、前記素子部をパターン化してから、永久磁石層を成膜してパターン化する第３成膜工程と、前記反強磁性層から前記フリー磁性層に印加される交換結合磁界と略同一方向から前記永久磁石層に着磁する着磁工程と、前記永久磁石層の着磁後に少なくとも２００℃で熱処理を行う熱処理工程とを含むことを特徴とする。【００２３】
この方法によれば、固定磁性層の磁化方向の固定のための反強磁性層を設けることなく、固定磁性層の磁化方向と異なる方向に対してフリー磁性層の磁化方向に一方向異方性を付与できる。また、永久磁石層を着磁してから熱処理工程を行うことから、フリー磁性層に永久磁石層からのバイアス磁界が印加された状態で熱処理される。これにより、反強磁性層からフリー磁性層への交換結合磁界の分散を抑制でき、永久磁石層からのバイアス磁界、及び反強磁性層からの交換結合磁界の双方によりフリー磁性層の磁化方向に一方向異方性を付与することが可能となる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、磁気抵抗効果素子のフリー磁性層の磁化方向の分散を低減でき、しかも広範囲に亘って測定精度が高い磁気センサ及び磁気センサの製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る磁気センサの磁気抵抗効果素子の素子構造を示す平面模式図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の積層構造を示す断面模式図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の素子構造の一例を示す平面模式図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の素子構造の他の一例を示す平面模式図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の素子構造の他の一例における積層構造を示す断面模式図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の素子部におけるハードバイアス磁界と、反強磁性層からの交換結合磁界との関係を示す図である。
【図７】本発明の第１の実施の形態に係る磁気センサの磁気抵抗効果素子における残留磁束密度（レマネンス）を示す図である。
【図８】本発明の第１の実施の形態に係る磁気センサにおけるレマネンスの定義の説明図である。
【図９】本発明の第１の実施の形態に係る磁気センサの磁気抵抗効果素子のフリー磁性層の膜厚と検出感度との関係を示す図である。
【図１０】本発明の第１の実施の形態に係る磁気センサの磁気抵抗効果素子のハードバイアス層間の間隔Ｌ１とレマネンスとの関係を示す図である。
【図１１】本発明の第２の実施の形態に係る磁気平衡式電流センサの模式的な斜視図である。
【図１２】本発明の第２の実施の形態に係る磁気平衡式電流センサの平面模式図である。
【図１３】ハードバイアス層を備えたＧＭＲ素子の断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
磁気抵抗効果素子を備えた磁気センサにおいて、更なる測定精度の向上のためには、磁気抵抗効果素子のオフセット及びヒステリシスの低減が必要とされる。磁気抵抗効果素子を備えた磁気センサにおいては、ハードバイアス層を設けてフリー磁性層に一方向異方性を付与することにより、ヒステリシスの低減が可能となる。一方で、ハードバイアス層を設けた場合には、ハードバイアス層内における保磁力のバラツキにより、強い外部磁界が印加された場合には、ハードバイアス層の磁化方向が初期状態に戻らず分散する問題がある。このため、磁場強度が強い環境下で磁気センサを用いる場合には、ハードバイアス層からのバイアス磁界（以下、「ハードバイアス磁界」という）が分散して、磁気センサのオフセットを十分に低減できなくなる問題がある。
【００２７】
また、ハードバイアス層を備えた磁気抵抗効果素子においては、フリー磁性層におけるハードバイアス層近傍の領域においては、ハードバイアス層からフリー磁性層に印加される磁界強度が強くなる。一方で、フリー磁性層におけるハードバイアス層から離れた領域においては、ハードバイアス層からフリー磁性層に印加される磁界強度が低くなるため、フリー磁性層に一方向異方性を付与することが困難となり、ヒステリシスが増大する問題がある。
【００２８】
本発明者らは、磁気抵抗効果素子を備えた磁気センサにおいて、フリー磁性層と反強磁性層との間での交換結合磁界によって、フリー磁性層の磁化方向に一方向異方性を付与できることに着目した。これにより、本発明者らは、感度軸方向に大きな磁界が印加された場合であっても、交換結合磁界を分散させることなくフリー磁性層に安定して一方向異方性を付与できることを見出し、本発明を完成させるに至った。
【００２９】
また、本発明者らは、フリー磁性層と反強磁性層との間の交換結合磁界を用いる場合においては、磁気抵抗効果素子の素子形状をストライプ形状とした場合であっても、フリー磁性層におけるストライプ形状の長手方向の末端部にも安定して一方向異方性を付与できること、及びハードバイアス層を更に設けることにより、磁気抵抗効果素子のヒステリシスを特に低減できること、を見出した。
【００３０】
以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
【００３１】
（第１の実施の形態）
図１は、本実施の第１の実施形態に係る磁気センサ１の磁気抵抗効果素子１１の素子構造を示す平面模式図である。図１に示すように、本実施の形態に係る磁気センサ１は、ストライプ形状の磁気抵抗効果素子１１を有する。この磁気抵抗効果素子１１は、そのストライプ長手方向Ｄ１（以下、単に「長手方向Ｄ１」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。このミアンダ形状において、感度軸方向（Ｐｉｎ方向）は、長尺パターン１２の長手方向（ストライプ長手方向Ｄ１）に対して直交する方向（ストライプ幅方向Ｄ２）である。このミアンダ形状においては、検出磁界及びキャンセル磁界がストライプ長手方向Ｄ１に直交するストライプ幅方向Ｄ２に沿うように印加される。
【００３２】
各長尺パターン１２の両端においては、長尺パターン１２の長手方向Ｄ１に直交するストライプ幅方向Ｄ２（以下、単に「幅方向Ｄ２」ともいう）において、隣接する２つの長尺パターン１２が非磁性層１３によって接続されている。非磁性層１３は、両端部で異なる長尺パターン１２を接続するように設けられている。すなわち、平行に配列された複数の長尺パターン１２のうち上から一番目の長尺パターン１２と二番目の長尺パターン１２とは、長手方向Ｄ１の一方の端部（右側の端部）で非磁性層１３により接続されており、上から二番目の長尺パターン１２と三番目の長尺パターン１２とは、長手方向Ｄ１の他方の端部（左側の端部）で非磁性層１３により接続されている。そして、一方の端部と他方の端部とで交互に隣接する２つの長尺パターン１２が非磁性層１３により接続されている。
【００３３】
磁気抵抗効果素子１１の両端には、非磁性層１３を介して接続端子１４が接続される。接続端子１４は、磁気抵抗効果素子１１の出力信号から被測定電流の大きさを算出する演算部（不図示）に接続されている。磁気抵抗効果素子１１は、接続端子１４を介して演算部（不図示）に出力信号を出力する。
【００３４】
図２は、本実施の形態に係る磁気センサ１の磁気抵抗効果素子１１の積層構造を示す断面模式図である。なお、図２においては、図１のＩＩ−ＩＩ線における矢視断面を示している。
【００３５】
図２に示すように、磁気抵抗効果素子１１は、シリコン基板などの基板（不図示）上に設けられたアルミニウム酸化膜２１上に積層される。磁気抵抗効果素子１１は、シード層２２、第１の強磁性膜２３、反平行結合膜２４、第２の強磁性膜２５、非磁性中間層２６、フリー磁性層２７、反強磁性層２８、及び保護層２９がこの順に積層されて構成される。
【００３６】
シード層２２は、ＮｉＦｅＣｒあるいはＣｒなどで構成される。保護層２９は、Ｔａなどで構成される。なお、上記積層構造において、基板（不図示）とシード層２２との間に、例えば、Ｔａ，Ｈｆ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｗのうち少なくとも１つの元素などの非磁性材料で構成される下地層を設けても良い。
【００３７】
この磁気抵抗効果素子１１においては、反平行結合膜２４を介して第１の強磁性膜２３と第２の強磁性膜２５とを反強磁性的に結合させており、いわゆるセルフピン止め型の強磁性固定層３０（ＳＦＰ：Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ  Ｆｅｒｒｉ  Ｐｉｎｎｅｄ層）が構成されている。このように、セルフピン止め型の（Ｂｏｔｔｏｍ−Ｓｐｉｎ−Ｖａｌｕｅ）の磁気抵抗効果素子１１を構成することにより、磁気抵抗効果素子１１の製造工程において、従来の磁気抵抗効果素子において必須である強磁性固定層３０の磁化方向の固定のための磁場中アニールが不要となり、フリー磁性層２７成膜中に付与したストライプ長手方向Ｄ１における誘導磁気異方性を保持できる。これにより、検出対象方向（ストライプ幅方向Ｄ２）に対してヒステリシスを低減することが可能となる。
【００３８】
この強磁性固定層３０において、反平行結合膜２４の厚さを０．３ｎｍ〜０．４５ｎｍ、もしくは、０．７５ｎｍ〜０．９５ｎｍにすることにより、第１の強磁性膜２３と第２の強磁性膜２５との間に強い反強磁性結合をもたらすことができる。
【００３９】
第１の強磁性膜２３の磁化量（Ｍｓ・ｔ）と第２の強磁性膜２５の磁化量（Ｍｓ・ｔ）とは実質的に同じである。すなわち、第１の強磁性膜２３と第２の強磁性膜２５との間で磁化量の差が実質的にゼロである。このため、強磁性固定層の実効的な異方性磁界が大きい。したがって、反強磁性材料を用いなくても、強磁性固定層３０の磁化安定性を十分に確保できる。これは、第１の強磁性膜２３の膜厚をｔ１とし、第２の強磁性膜２５の膜厚をｔ２とし、両層の単位体積あたりの磁化及び誘導磁気異方性定数をそれぞれＭｓ,Ｋとすると、ＳＦＰ層の実効的な異方性磁界が下記関係式（１）で示されるためである。
式（１）
ｅｆｆ  Ｈｋ＝２（Ｋ・ｔ１＋Ｋ・ｔ２）／（Ｍｓ・ｔ１−Ｍｓ・ｔ２）
【００４０】
第１の強磁性膜２３のキュリー温度（Ｔｃ）と第２の強磁性膜２５のキュリー温度（Ｔｃ）とは、略同一である。これにより、高温環境においても第１の強磁性膜２３、第２の強磁性２５の磁化量（Ｍｓ・ｔ）差が略ゼロとなり、高い磁化安定性を維持することができる。
【００４１】
第１の強磁性膜２３は、４０原子％〜８０原子％のＦｅを含むＣｏＦｅ合金で構成されていることが好ましい。これは、この組成範囲のＣｏＦｅ合金が、大きな保磁力を有し、外部磁場に対して磁化を安定に維持できるからである。また、第２の強磁性膜２５は、０原子％〜４０原子％のＦｅを含むＣｏＦｅ合金で構成されていることが好ましい。これは、この組成範囲のＣｏＦｅ合金が小さな保磁力を有し、第１の強磁性膜２３が優先的に磁化する方向に対して反平行方向（１８０°異なる方向）に磁化し易くなるためである。この結果、上記関係式（１）で示すＨｋをより大きくすることが可能となる。また、第２の強磁性膜２５をこの組成範囲に限定することで、磁気抵抗効果素子１１の抵抗変化率を大きくすることができる。
【００４２】
第１の強磁性膜２３及び第２の強磁性膜２５は、その成膜中にミアンダ形状のストライプ幅方向Ｄ２に磁場が印加され、成膜後の第１の強磁性膜２３及び第２の強磁性膜２５に誘導磁気異方性が付与されることが好ましい。これにより、第１の強磁性膜２３、第２の強磁性膜２５はストライプ幅方向Ｄ２に反平行に磁化することになる。また、第１の強磁性膜２３及び第２の強磁性膜２５の磁化方向は、第１の強磁性膜２３の成膜時の磁場印加方向で決まるため、第１の強磁性膜２３の成膜時の磁場印加方向を変えることにより、同一基板上に磁化方向が異なる強磁性固定層３０を持つ複数の磁気抵抗効果素子１１を形成することが可能である。
【００４３】
強磁性固定層３０の反平行結合膜２４は、Ｒｕなどにより構成される。また、フリー磁性層（フリー層）２７は、ＣｏＦｅ合金、ＮｉＦｅ合金、ＣｏＦｅＮｉ合金などの磁性材料で構成される。また、非磁性中間層２６は、Ｃｕなどにより構成される。また、フリー磁性層２７は、その成膜中にミアンダ形状のストライプ長手方向Ｄ１に磁場が印加され、成膜後のフリー磁性層２７には誘導磁気異方性が付与されることが好ましい。これにより、磁気抵抗効果素子においては、ストライプ幅方向Ｄ２の外部磁場（被測定電流からの磁場）に対して線形的に抵抗変化し、ヒステリシスを小さくすることができる。このような磁気抵抗効果素子においては、強磁性固定層３０、非磁性中間層２６及びフリー磁性層２７により、スピンバルブ構成を採っている。
【００４４】
本実施の形態に係る磁気センサにおいては、磁気抵抗効果素子１１のフリー磁性層２７上に反強磁性層２８が積層される。この反強磁性層２８は、磁場中での熱処理（以下、「アニール処理」という）を施すことにより、反強磁性層２８とフリー磁性層２７との界面に交換結合磁界（Ｈｅｘ）が生じる。この交換結合磁界によりフリー磁性層２７の磁化方向に一方向異方性が付与される。図４に示す例においては、フリー磁性層２７の磁化方向は、平面視における外部磁界の印加方向Ｄ１と略直交方向Ｄ２に固定されている。なお、反強磁性層２８からフリー磁性層２７に印加される交換結合磁界の強度は、外部磁界によってフリー磁性層２７の磁化方向が変動するように調整される。
【００４５】
反強磁性層２８は、フリー磁性層２７の非磁性中間層２６が形成された主面に対する反対面に積層される。反強磁性層２８は、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｏｓからなる群から選ばれた少なくとも１種の元素とＭｎとを含有する反強磁性材料又はＰｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｏｓからなる群から選ばれた少なくとも１種の元素とＮｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ、Ｂｅ、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｐ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｓｎ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ａｕ、Ｐｂ、及び希土類元素からなる群から選ばれた少なくとも１種の元素とＭｎとを含有する反強磁性材料で形成される。反強磁性層２８は、これらの反強磁性材料の中でも、元素Ｘ（ただしＸは、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｏｓのうち１種または２種以上の元素である）とＭｎとを含有する反強磁性材料から形成されることが好ましく、ＩｒＭｎやＰｔＭｎを用いることがより好ましい。
【００４６】
本実施の形態に係る磁気センサ１で用いる磁気抵抗効果素子１１の膜構成の例としては、例えば、ＮｉＦｅＣｒ（シード層２２：５ｎｍ）／Ｆｅ６０Ｃｏ４０（第１の強磁性膜２３：１．６５ｎｍ）／Ｒｕ（反平行結合膜２４：０．４ｎｍ）／Ｃｏ９０Ｆｅ１０（第２の強磁性膜２５：２ｎｍ）／Ｃｕ（非磁性中間層２６：２．２ｎｍ）／Ｃｏ９０Ｆｅ１０（フリー磁性層２７：１ｎｍ）／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（フリー磁性層２７：７ｎｍ）／ＩｒＭｎ（反強磁性層２８：１０ｎｍ）Ｔａ（保護層２９：５ｎｍ）である。
【００４７】
次に、図３から図５を参照して、本実施の形態に係る磁気センサの磁気抵抗効果素子の他の構成例について説明する。なお、以下においては、図１に示した磁気抵抗効果素子１２２ａと同一の構成要素には同一の符号を付している。また、以下においては、図１及び図２に示した磁気抵抗効果素子１２２ａとの相違点を中心に説明し、説明の重複を避ける。
【００４８】
図３は、磁気抵抗効果素子の素子構造の一例を示す平面模式図である。図３に示すように、磁気抵抗効果素子３１は、ストライプ形状の長尺パターン１２の両端部の外側に設けられハードバイアス層を有する永久磁石部３２を備える。このように、永久磁石部３２を設けることにより、反強磁性層２８からフリー磁性層２７への交換結合磁界に加えて永久磁石部３２のハードバイアス層５１からフリー磁性層２７にもハードバイアス磁界が印加されるので、フリー磁性層２７の磁化方向の初期化をより効率的に行うことが可能となる。
【００４９】
図４は、磁気抵抗効果素子の素子構造の他の一例を示す平面模式図である。図４に示すように、この磁気抵抗効果素子４１は、そのストライプ長手方向Ｄ１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４２を有する。各長尺パターン４２は、ストライプ長手方向Ｄ１において、互いに離間して設けられる複数の素子部４３と、各素子部４３間に設けられる複数の永久磁石部４４とを有する。また、長尺パターン４２両端は、ストライプ幅方向Ｄ２において、永久磁石部４４によって接続されている。各永久磁石部４４は、長尺パターン４２のストライプ長手方向Ｄ１において、ハードバイアス層５１（図５参照）が所定の間隔Ｌ１となるように設けられる。このように、磁気抵抗効果素子４１のストライプ長手方向Ｄ１において、複数の素子部４３を互いに離間するように設け、各素子部４３間に永久磁石部４４を設けることにより、反強磁性層２８からフリー磁性層２７への交換結合磁界に加えて、各永久磁石部４４のハードバイアス層５１から各素子部４３のフリー磁性層２７にもハードバイアス磁界が印加されるので、フリー磁性層２７の磁化方向の初期化を特に、効率的に行うことが可能となる。
【００５０】
次に、図５を参照して磁気抵抗効果素子４１の積層構造について説明する。図５は、磁気抵抗効果素子４１の積層構造を示す断面模式図である。なお、図５においては、図４のＶ−Ｖ線における矢視断面を示している。図５に示すように、磁気抵抗効果素子４１の素子部４３及び永久磁石部４４は、シリコン基板などの基板（不図示）上に設けられたアルミニウム酸化膜２１上に積層される。各素子部４３は、互いに離間するように所定の間隔をとって設けられており、素子部４３間に永久磁石部４４が設けられる。なお、素子部４３の積層構造については、図２に示した磁気抵抗効果素子１１と同一であるため、説明を省略する。
【００５１】
次に、永久磁石部４４の積層構造について説明する。永久磁石部４４は、アルミニウム酸化膜２１上を覆うように設けられた素子部４３の一部をエッチングなどによって除去した領域に設けられる。
【００５２】
永久磁石部４４は、アルミニウム酸化膜２１及び素子部４３上に設けられる下地層５０と、下地層５０上に設けられるハードバイアス層５１と、ハードバイアス層５１上に設けられる拡散防止層５２と、拡散防止層５２上に設けられる電極層５３と、電極層５３上に設けられる保護層５４とを有する。なお、図３に示した磁気抵抗効果素子３１の永久磁石部３２も同様の積層構造を有する。
【００５３】
下地層５０は、Ｔａ／ＣｒＴｉなどを含む合金によって構成される。また、下地層５０は、ハードバイアス層５１と素子部４３のフリー磁性層２７との間の接触部を含む領域に設けられ、ハードバイアス層５１から素子部４３のフリー磁性層２７へのハードバイアス磁界を低減する。このように下地層５０を設けることにより、ハードバイアス層５１とフリー磁性層２７とが直接接触しないので、フリー磁性層２７におけるハードバイアス層５１との接触部の磁化方向の固着が抑制され、フリー磁性層２７の不感領域を削減することができる。これにより、ヒステリシスを低減することが可能となる。また、下地層５０を設けることにより、ハードバイアス層５１の保磁力を高めることができる。
【００５４】
ハードバイアス層５１は、例えば、ＣｏＰｔ、ＣｏＣｒＰｔなどにより構成され、素子部４３のフリー磁性層２７に対してハードバイアス磁界を印加する。また、永久磁石部４４は、ハードバイアス層５１の下面が素子部４３のアルミニウム酸化膜２１中に対応する高さ位置（シード層２２の下面から下方側の高さ位置）となり、ハードバイアス層５１の上面が素子部４３の保護層２９の上面から上方に突出する高さ位置になるように積層される。このように、フリー磁性層２７の側面を含む領域を覆うようにハードバイアス層５１を設けることにより、フリー磁性層２７の感度軸方向に対して略直交方向からハードバイアス磁界を印加することが可能となる。これにより、ヒステリシスをより効果的に低減することが可能となる。
【００５５】
拡散防止層５２は、Ｔａなどで構成され、ハードバイアス層５１を覆うように設けられる。電極層５３は、Ａｕ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｒなどにより構成され、拡散防止層５２を覆うように設けられる。また、電極層５３は、長尺パターン４２の長手方向Ｄ１において、永久磁石部４４を挟んで前後に設けられた素子部４３の保護層２９と接触するように設けられており、永久磁石部４４を挟んで前後に設けられた素子部４３間を電気的に接続する。保護層５４は、Ｔａなどで構成される。
【００５６】
磁気抵抗効果素子４１においては、永久磁石部４４に電極層５３を設け、この電極層５３によって、隣接する素子部４３間を電気的に接続することにより、電極層５３を介して磁気抵抗効果素子４１から出力信号が出力される。このように、電極層５３を介して磁気抵抗効果素子４１の出力信号が出力されるので、磁化方向が固定された永久磁石部４４のハードバイアス層５１による寄生抵抗の影響を低減することが可能となり、素子抵抗のバラツキを抑えることができる。
【００５７】
磁気抵抗効果素子４１の長手方向Ｄ１におけるハードバイアス層５１の間隔Ｌ１としては、１μｍ〜５０μｍが好ましい。各ハードバイアス層５１の間隔Ｌ１を１μｍ〜５０μｍとすることにより、磁気抵抗効果素子４１のヒステリシスを低減することが可能となる。
【００５８】
磁気抵抗効果素子４１の感度軸方向（ストライプ幅方向Ｄ２）ストライプ幅は、２μｍから９μｍの範囲であることが好ましい。ストライプ幅が２μｍから９μｍの範囲内であれば、ヒステリシスが低減され磁気抵抗効果素子４１の出力信号のリニアリティが向上する。また、磁気抵抗効果素子４１は、リニアリティを考慮すると、長尺パターン４２の長手方向Ｄ１が、誘導磁界Ｈの方向及びキャンセル磁界の方向に対して共に垂直になることが望ましい。
【００５９】
図６を参照して磁気抵抗効果素子４１のフリー磁性層２７に作用するハードバイアス層５１からのハードバイアス磁界、及び反強磁性層２８からの交換結合磁界について説明する。図６は、磁気抵抗効果素子４１の素子部４３におけるハードバイアス磁界と、反強磁性層２８からの交換結合磁界との関係を示す図である。
【００６０】
図６に示すように、素子部４３におけるハードバイアス磁界の磁界強度は、永久磁石部４４との接触部において最大となり、永久磁石部４４からの距離に応じて減少する。交換結合磁界は、永久磁石部４４からの距離によらずに、素子部４３中で略一定となる。この結果から、本実施の形態に係る磁気センサ１においては、反強磁性層２８からフリー磁性層２７に交換結合磁界を印加することにより、永久磁石部４４からの距離によらずに安定してフリー磁性層２７に一方向異方性を付与できることが分かる。さらに、フリー磁性層２７の磁化方向が分散しやすいストライプ長手方向Ｄ１の両端部においては、ハードバイアス層５１からのハードバイアス磁界と交換結合磁界とを組合せて用いることにより、フリー磁性層２７への交換結合磁界を弱くした場合であっても、フリー磁性層２７の磁化方向に適度な一方向異方性を付与することが可能となる。これにより、磁気センサ１の検出感度を向上させることが可能となる。
【００６１】
ここで、本発明者らは、本実施の形態に係る磁気センサ１の磁気抵抗効果素子１１（実施例１）、３１（実施例２）、４１（実施例３）における残留磁束密度（レマネンス）について調べた。その結果を図７に示す。また、比較例として、磁気抵抗効果素子３１から反強磁性層２８を除去した磁気抵抗効果素子（比較例１）、磁気抵抗効果素子４１から反強磁性層２８を除去した磁気抵抗効果素子（比較例２）、及び磁気抵抗効果素子４１から反強磁性層２８を除去し、永久磁石部４４に代えて反強磁性部を設けた磁気抵抗効果素子（比較例３）におけるレマネンスについて調べた。その結果を図７に併記する。なお、図７に示す測定結果は、レマネンス測定、感度軸と同一方向からの磁場の印加、レマネンス測定、感度軸の反対方向から磁場の印加、及びレマネンス測定を順に行ってレマネンスを測定した際のレマネンスを示している。また、レマネンスとは、図８に示すように、磁気抵抗効果素子１１、３１、４１の抵抗値差（ΔＲ）に対する、プラス磁場から０磁場に戻したときの抵抗値（Ｒ０（＋））から、マイナス磁場から０磁場に戻したときの抵抗値（Ｒ０（−））を差し引いた値の割合で表わされる。
【００６２】
図７から分かるように、反強磁性層２８を有する磁気抵抗効果素子１１、３１、４１は、印加磁場強度が０Ａ／Ｍから７９．６ｋＡ／Ｍの範囲のいずれにおいてもレマネンスが小さいことが分かる。これに対して、反強磁性層を有さない比較例１及び比較例２に係る磁気抵抗効果素子は、磁場強度が増大するにつれて大幅にレマネンスが増大する。特に７９．６ｋＡ／Ｍでは、実施例１から実施例３に係る磁気抵抗効果素子１１、３１、４１と比較して４倍以上レマネンスが増大することが分かる。また、永久磁石部４４に代えて反強磁性部を設けた比較例３に係る磁気抵抗効果素子においても、実施例１から実施例３に係る磁気抵抗効果素子１１、３１、４１と比較しレマネンスが増大することが分かる。
【００６３】
次に、本発明者らは、磁気抵抗効果素子１１、３１、４１について、フリー磁性層２７の膜厚と検出感度との関係について調べた。その結果を図９に示す。図９に示す例においては、磁気抵抗効果素子１１、３１、４１の膜厚を１ｎｍから１６ｎｍの範囲で変化させた場合における磁気抵抗効果素子の検出感度を示している。
【００６４】
図９から分かるように、磁気抵抗効果素子１１、３１、４１においては、フリー磁性層２７の膜厚が２ｎｍから１６０ｎｍの範囲で良好な検出感度が得られることが分かる。また、フリー磁性層２７の膜厚が３ｎｍから１０ｎｍの範囲においては、検出感度が特に良好となることが分かる。
【００６５】
次に、本発明者らは、磁気抵抗効果素子４１について、フリー磁性層２７の膜厚を２ｎｍとした場合（実施例４）、及び３ｎｍとした場合（実施例５）のハードバイアス層５１間の間隔Ｌ１とレマネンスとの関係について調べた。その結果を図１０に示す。また、反強磁性層２８を除去した磁気抵抗効果素子４１について、フリー磁性層２７の膜厚を２ｎｍとした場合（比較例４）、及び３ｎｍとした場合（比較例５）のレマネンスについて調べた。その結果を図１０に併記する。
【００６６】
図１０から分かるように、反強磁性層２８を全面に設けた実施例４及び実施例５に係る磁気抵抗効果素子４１においては、ハードバイアス層５１間の間隔Ｌ１が２μｍから６０μｍの範囲において、略一定のレマネンスとなることが分かる。一方、反強磁性層２８を除去した比較例４及び比較例５に係る磁気抵抗効果素子においては、ハードバイアス層５１間の間隔Ｌ１が１０μｍ以上ではレマネンスが大幅に増大することが分かる。この結果から、磁気抵抗効果素子４１においては、反強磁性層２８を設けることにより、ハードバイアス層５１間の間隔によらずにレマネンスを大幅に低減できることが分かる。
【００６７】
次に、本実施の形態に係る磁気センサの製造方法について説明する。本実施の形態に係る磁気センサの製造方法においては、特定方向に磁場を印加して固定磁性層を成膜し（第１成膜工程）、この第１成膜工程とは異なる方向から磁場を印加してフリー磁性層２７及び反強磁性層２８を成膜して素子部４３を形成する（第２成膜工程）。次に、素子部をストライプ形状にパターン化してから、永久磁石部４４を成膜してパターン化する（第３成膜工程）。次に、反強磁性層２８の磁化方向と略同一方向から磁場を印加してハードバイアス層に着磁し（着磁工程）、着磁したハードバイアス層に少なくとも２００℃で熱処理を施す（熱処理工程）。
【００６８】
第１成膜工程では、シリコン基板上に、アルミニウム酸化膜２１、シード層２２、固定磁性層３０（第１の強磁性膜２３、反平行結合膜２４、及び第２の強磁性膜２５）を順次成膜する。この第１成膜工程においては、第１の強磁性膜２３及び第２の強磁性膜２５の成膜中には、ミアンダ形状のストライプ幅方向Ｄ２に磁場を印加する。なお、第１の強磁性膜２３及び第２の強磁性膜２５の成膜時における印加磁場方向は、互いに同一方向であっても、互いに逆方向であってもよい。また、第１の強磁性膜２３の成膜時に磁場を印加し、第２の強磁性膜２５の成膜時には、無磁場で成膜してもよい。これは、反平行結合膜２４を介して交換結合が働き、第１の強磁性膜２３と反対方向に必ず磁化方向が決まるからである。この場合、反平行結合膜２４の膜厚最適化と第１の強磁性膜２３及び第２の強磁性膜２５のＭｓ・ｔの一致が重要となる。
【００６９】
第２成膜工程では、非磁性中間層２６、フリー磁性層２７、反強磁性層２８及び保護層２９を順次成膜する。第２成膜工程において、フリー磁性層２７の成膜中には、ミアンダ形状のストライプ長手方向Ｄ１に磁場を印加する。
【００７０】
第３成膜工程においては、保護層２９上にレジスト層を設け、素子部４３をストライプ形状にパターン化する。レジスト層のパターン形成は、露光・現像により行われる。素子部４３のレジスト層に覆われている領域以外の領域をイオンミリングなどのドライエッチングによって除去して素子部４３をストライプ形状にパターン化する。
【００７１】
また、第３成膜工程では、保護層２９上にレジスト層を設け、素子部４３の永久磁石部４４を形成する領域にレジスト層のパターンを形成する。レジスト層のパターン形成は、露光・現像により行われる。次に、素子部４３のレジスト層に覆われている以外の領域をイオンミリングなどのドライエッチングによって除去して永久磁石部４４を成膜する。次に、レジスト層を除去して永久磁石部４４をパターン化する。
【００７２】
第１成膜工程、第２成膜工程、及び第３成膜工程において、成膜方法としては、スパッタリング法や蒸着法が使用される。スパッタリング法としては、ＤＣマグネトロンスパッタリング法、ＲＦスパッタリング法、イオンビームスパッタリング法、ロングスロースパッタリング法、コリメーションスパッタリング法などを使用できる。
【００７３】
着磁工程では、次に、ハードバイアス層５１をフリー磁性層２７の磁化方向に着磁する。ハードバイアス層５１の着磁は、磁気発生装置を用い、室温で２４０ｋＡ／ｍ程度以上の磁場をフリー磁性層の一方向異方性を付与した方向に印加することで行う。この着磁工程により、ハードバイアス層５１の着磁方向にほぼ沿うようにフリー磁性層２７に一方向異方性を付与できる。
【００７４】
また、着磁工程では、磁場中にてアニール処理を施して、反強磁性層２８とフリー磁性層２７との間に交換結合磁界を発生させて、フリー磁性層２７の磁化方向にストライプ幅方向Ｄ２の一方向異方性を付与する。なお、アニール処理の温度は、例えば２７０℃程度であり、印加する磁界の大きさは８００ｋＡ／ｍ程度である。また、アニール処理の時間は、例えば１．５時間である。
【００７５】
最後に、熱処理工程では、着磁したハードバイアス層５１を２００℃以上に加熱してリフロー処理を施す。これらの工程により、磁気センサを製造することが可能となる。この熱処理工程において、フリー磁性層２７及び反強磁性層２８は、ハードバイアス層５１からのハードバイアス磁界が印加された状態で加熱されるため、反強磁性層２８とフリー磁性層２７との交換結合磁界が劣化することを抑制できる。この結果、フリー磁性層２７の磁化方向の分散に伴うオフセットの増大を抑制できる。
【００７６】
以上説明したように、上記実施の形態に係る磁気センサにおいては、外部磁界に対して磁化方向が変動するフリー磁性層と、このフリー磁性層に交換結合磁界を印加する反強磁性層と、を有する磁気抵抗効果素子を備える。これにより、磁気抵抗効果素子の感度軸方向に大きな外部磁界が印加されても、反強磁性層からフリー磁性層に一定の交換結合磁界が付与されるので、フリー磁性層に安定して一方向異方性を付与することが可能となる。したがって、磁気抵抗効果素子のフリー磁性層の磁化方向の分散を低減でき、広範囲に亘って測定精度が高い磁気センサを実現することが可能となる。
【００７７】
また、上記実施の形態に係る磁気センサにおいては、フリー磁性層の磁化方向が分散しやすくなる磁気抵抗効果素子の素子形状をストライプ形状とした場合においても、反強磁性層からフリー磁性層の全面に略均一に交換結合磁界が印加される。これにより、磁気抵抗効果素子のストライプ長手方向の両端部におけるフリー磁性層に安定して一方向異方性を付与することが可能となる。さらに、磁気抵抗効果素子の全面に反強磁性層を設けることにより、フリー磁性層全面に均一に交換結合磁界を印加することが可能となる。この結果、交換結合磁界の強度を想定される外部磁界の強度に応じて適度な範囲とすることができるので、過度に交換結合磁界の強度を強くすることなく、適切にフリー磁性層に一方向異方性を付与することが可能となる。これにより、磁気センサの検出感度の低下を抑制することが可能となる。
【００７８】
さらに、ストライプ長手方向の両端部にハードバイアス層を設けることにより、より安定して一方向異方性を付与することが可能となる。また、磁気抵抗効果素子のストライプ長手方向において、複数の素子部間に複数の永久磁石部を設けることにより、特に安定してフリー磁性層に一方向異方性を付与することが可能となる。さらに、これらの場合においては、大きい外部磁界が印加され、ハードバイアス層のハードバイアス磁界が局所的に分散する場合であっても、反強磁性層からフリー磁性層に交換結合磁界が印加されるので、フリー磁性層に安定して一方向異方性が付与され、フリー磁性層の磁化分散を抑制できる。したがって、磁気抵抗効果素子のヒステリシスを低減することが可能となる。
【００７９】
また、上記実施の形態に係る磁気センサの製造方法においては、フリー磁性層にハードバイアス層からのハードバイアス磁界を印加した状態で、無磁場中で熱処理を行い、交換結合磁界を発生させる。このように、フリー磁性層にハードバイアス層からのハードバイアス磁界を印加した状態で熱処理を行うことから、形状異方性とハードバイアス層からのハードバイアス磁界によってフリー磁性層の磁化方向を揃えることができるので、無磁場中の熱処理においても一様な交換結合磁界の発生させることが可能となる。なお、磁場中熱処理によって交換結合磁界を発生させてもよい。また、高価な磁場中での熱処理装置を必要とすることなく磁気抵抗効果素子を製造できるので、製造コストを低減することが可能となる。
【００８０】
また、上記実施の形態に磁気センサの製造方法においては、熱処理工程（リフロー工程）では、ハードバイアス層からのハードバイアス磁界が印加された状態でフリー磁性層及び反強磁性層が加熱されるため、反強磁性層からフリー磁性層への交換結合磁界の劣化を抑制できる。さらに、上記実施の形態に係る磁気センサの製造方法においては、反強磁性材料を用いずに固定磁性層を形成するので、固定磁性層形成のための磁場中熱処理を行う必要がない。したがって、フリー磁性層に交換結合磁界を発生させるための無磁場中熱処理のみを行えばよく、固定磁性層の磁化分散抑制とフリー磁性層への一様な交換結合磁界の印加とを両立することができる。
【００８１】
（第２の実施の形態）
次に、上記実施の形態に係る磁気センサ１の応用例について説明する。なお、以下の説明においては、本発明に係る磁気センサ１を磁気平衡式電流センサに適用した場合について説明するが、本発明に係る磁気センサ１は、これに限定されず、他の装置に適用することができる。
【００８２】
図１１は、本実施の第２の実施の形態に係る磁気平衡式電流センサ２の模式的な斜視図であり、図１２は、本実施の形態に係る磁気平衡式電流センサ２の平面模式図である。
【００８３】
図１１及び図１２に示すように、本実施の形態に係る磁気平衡式電流センサ２は、被測定電流Ｉが流れる導体１０１の近傍に配設される。この磁気平衡式電流センサ２は、導体１０１に流れる被測定電流Ｉによる誘導磁界Ｈを打ち消す磁界（キャンセル磁界）を生じさせるフィードバック回路１０２を備える。このフィードバック回路１０２は、被測定電流Ｉによって発生する磁界を打ち消す方向に巻回されたフィードバックコイル１２１と、４つの磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄとを有する。
【００８４】
フィードバックコイル１２１は平面コイルで構成されている。この構成においては、磁気コアを有しないので、低コストでフィードバックコイル１２１を作製することができる。また、トロイダルコイルの場合に比べて、フィードバックコイル１２１から生じるキャンセル磁界が広範囲に拡がることを防止でき、周辺回路に影響を与えることを回避できる。さらに、トロイダルコイルの場合に比べて、被測定電流Ｉが交流の場合に、フィードバックコイル１２１によるキャンセル磁界の制御が容易であり、制御のために流す電流もそれほど大きくならない。これらの効果については、被測定電流Ｉが交流で高周波になるほど大きくなる。フィードバックコイル１２１は平面コイルで構成する場合において、平面コイルの形成面と平行な面内で誘導磁界Ｈとキャンセル磁界の両方が生じるように平面コイルが設けられていることが好ましい。
【００８５】
磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄは、被測定電流Ｉからの誘導磁界Ｈの印加により抵抗値が変化する。この４つの磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄにより磁界検出ブリッジ回路１２３を構成している。このように磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄを有する磁界検出ブリッジ回路１２３を用いることにより、高感度の磁気平衡式電流センサ２を実現することができる。
【００８６】
この磁界検出ブリッジ回路１２３は、被測定電流Ｉにより生じた誘導磁界Ｈに応じた電圧差を生じる２つの出力を備える。図１２に示す磁界検出ブリッジ回路１２３においては、磁気抵抗効果素子１２２ｂと磁気抵抗効果素子１２２ｃとの間の接続点に電源Ｖｄｄが接続されており、磁気抵抗効果素子１２２ａと磁気抵抗効果素子１２２ｄとの間の接続点にグランド（ＧＮＤ）が接続されている。さらに、この磁界検出ブリッジ回路１２３においては、磁気抵抗効果素子１２２ａ、１２２ｂ間の接続点から一つの出力（Ｏｕｔ１）を取り出し、磁気抵抗効果素子１２２ｃ、１２２ｄ間の接続点からもう一つの出力（Ｏｕｔ２）を取り出している。これらの２つの出力は増幅器１２４で増幅され、フィードバックコイル１２１に電流（フィードバック電流）として与えられる。このフィードバック電流は、誘導磁界Ｈに応じた電圧差に対応する。このとき、フィードバックコイル１２１には、誘導磁界Ｈを相殺するキャンセル磁界が発生する。そして、誘導磁界Ｈ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１２１に流れる電流に基づいて検出部（検出抵抗Ｒ）で被測定電流Ｉを測定する。
【００８７】
磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄとしては、図１２の拡大図に示すように、その長手方向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（ストライプ）が折り返してなる形状（ミアンダ形状）を有することが好ましい。このミアンダ形状において、感度軸方向（Ｐｉｎ方向）は、長尺パターンの長手方向（ストライプ長手方向Ｄ１（図１参照））に対して直交する方向（ストライプ幅方向Ｄ２（図１参照））である。このミアンダ形状においては、誘導磁界Ｈ及びキャンセル磁界がストライプ長手方向Ｄ１に直交するストライプ幅方向Ｄ２に沿うように印加される。
【００８８】
このような構成を有する磁気平衡式電流センサ２においては、図１１に示すように、被測定電流Ｉから発生した誘導磁界Ｈを磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄで受け、その誘導磁界Ｈをフィードバックしてフィードバックコイル１２１からキャンセル磁界を発生し、２つの磁界（誘導磁界Ｈ、キャンセル磁界）を相殺して磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄに印加する磁場がゼロになるように適宜調整する。
【００８９】
上記構成を有する磁気平衡式電流センサ２は、磁気検出素子として磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄ、特にＧＭＲ（Ｇｉａｎｔ  Ｍａｇｎｅｔｏ  Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子やＴＭＲ（Ｔｕｎｎｅｌ  Ｍａｇｎｅｔｏ  Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子を有する磁界検出ブリッジ回路１２３を用いることが好ましい。これにより、高感度の磁気平衡式電流センサ２を実現することができる。また、この磁気平衡式電流センサ２は、磁界検出ブリッジ回路１２３が膜構成の同じ４つの磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄで構成されている。また、上記構成を有する磁気平衡式電流センサ２は、フィードバックコイル１２１、及び磁界検出ブリッジ回路１２３が同一基板上に形成されてなるので、小型化を図ることができる。さらに、この磁気平衡式電流センサ２は、磁気コアを有しない構成であるので、小型化、低コスト化を図ることができる。
【００９０】
このように配置された４つの磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄを有する磁気平衡式電流センサ２においては、磁界検出ブリッジ回路１２３の２つの出力（Ｏｕｔ１、Ｏｕｔ２）の電圧差がゼロになるようにフィードバックコイル１２１から磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄにキャンセル磁界を印加し、その際にフィードバックコイル１２１に流れる電流値を検出することにより、被測定電流Ｉを測定する。
【００９１】
なお、本発明に係る磁気センサは、被測定電流からの誘導磁界の印加により抵抗値が変化する少なくとも１つの磁気抵抗効果素子を含む磁界検出ブリッジ回路を有し、被測定電流からの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圧差により被測定電流を測定する磁気平衡式電流センサにも適用可能である。この場合、磁化方向が固定された強磁性固定層、非磁性中間層、外部磁界に対して磁化方向が変動するフリー磁性層、及びフリー磁性層に交換結合磁界を印加する反強磁性層を含む積層構造を有する本発明に係る磁気センサを用いることにより、磁気抵抗効果素子のフリー磁性層の磁化方向の分散を低減でき、広範囲に亘って測定精度が高い磁気平衡式電流センサを実現することが可能となる。
【００９２】
本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することができる。例えば、上記実施の形態における材料、各素子の接続関係、厚さ、大きさ、製法などは適宜変更して実施することが可能である。その他、本発明の範囲を逸脱しないで適宜変更して実施することができる。
【産業上の利用可能性】
【００９３】
本発明は、磁気抵抗効果素子のフリー磁性層の磁化方向の分散を低減でき、しかも広範囲に亘って測定精度が高いという効果を有し、特に、各種磁気センサはや、電気自動車のモータ駆動用の電流の大きさを検出する電流センサに適用することが可能である。【００９４】
本出願は、２０１０年１２月１６日出願の特願２０１０−２８０４９８に基づく。この内容は、全てここに含めておく。
【図１】
2012081377.tif 000003
【図２】
2012081377.tif 000004
【図３】
2012081377.tif 000005
【図４】
2012081377.tif 000006
【図５】
2012081377.tif 000007
【図６】
2012081377.tif 000008
【図７】
2012081377.tif 000009
【図８】
2012081377.tif 000010
【図９】
2012081377.tif 000011
【図１０】
2012081377.tif 000012
【図１１】
2012081377.tif 000013
【図１２】
2012081377.tif 000014
【図１３】
2012081377.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】平成24年4月17日(2012.4.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項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、磁化方向が固定された強磁性固定層、非磁性中間層、外部磁界に対して磁化方向が変動するフリー磁性層、及び前記フリー磁性層に交換結合磁界を印加する反強磁性層を含む積層構造を有する素子部と、前記フリー磁性層にバイアス磁界を印加する永久磁石部と、を有することを特徴とする磁気センサ。
【請求項２】
前記強磁性固定層が、反平行結合膜を介して第１の強磁性膜と第２の強磁性膜とを反強磁性的に結合させてなるセルフピン止め型であり、前記第１の強磁性膜と第２の強磁性膜はキュリー温度が略同じかつ磁化量の差が実質的にゼロであることを特徴とする請求項１記載の磁気センサ。
【請求項３】
前記磁気抵抗効果素子は、ストライプ形状の長手方向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が折り返してなる形状を有する素子部と、前記素子部を挟むように設けられた永久磁石部と、を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の磁気センサ。
【請求項４】
前記磁気抵抗効果素子は、前記ストライプ形状の長手方向において互いに離間して設けられた複数の素子部と、前記各素子部間に設けられた複数の永久磁石部とを有することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の磁気センサ。
【請求項５】
前記強磁性固定層は、外部磁界の印加方向に沿って磁化方向が固定されると共に、前記フリー磁性層は、前記外部磁界の印加方向と略直交方向に磁化されることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の磁気センサ。
【請求項６】
前記第１の強磁性膜が４０原子％〜８０原子％のＦｅを含むＣｏＦｅ合金で構成され、前記第２の強磁性膜が０原子％〜４０原子％のＦｅを含むＣｏＦｅ合金で構成されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の磁気センサ。
【請求項７】
前記フリー磁性層の前記非磁性中間層が形成された面と反対面に反強磁性層が積層され、前記反強磁性層は、元素Ｘ（ただしＸは、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｏｓのうち１種または２種以上の元素である）とＭｎとを含有する反強磁性材料から形成されることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の磁気センサ。
【請求項８】
被測定電流からの誘導磁界の印加により抵抗値が変化する少なくとも１つの磁気抵抗効果素子を含んで構成され、前記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し、前記誘導磁界に応じて前記磁界検出ブリッジ回路から出力される電圧差により前記被検出電流を測定する磁気比例式電流センサであって、前記磁気抵抗効果素子は、前記磁化方向が固定された強磁性固定層、非磁性中間層、外部磁界に対して磁化方向が変動するフリー磁性層、及び前記フリー磁性層に交換結合磁界を印加する反強磁性層を含む積層構造を有する素子部と、前記フリー磁性層にバイアス磁界を印加する永久磁石部と、を有することを特徴とする磁気比例式電流センサ。
【請求項９】
被測定電流からの誘導磁界の印加により抵抗値が変化する少なくとも１つの磁気抵抗効果素子を含んで構成され、前記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、前記磁気抵抗効果素子の近傍に配置され、前記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、を具備し、前記電圧差により前記フィードバックコイルに通電して前記誘導磁界と前記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前記フィードバックコイルに流れる電流に基づいて前記被測定電流を測定する磁気平衡式電流センサであって、前記磁気抵抗効果素子は、前記磁化方向が固定された強磁性固定層、非磁性中間層、外部磁界に対して磁化方向が変動するフリー磁性層、及び前記フリー磁性層に交換結合磁界を印加する反強磁性層を含む積層構造を有することを特徴とする磁気平衡式電流センサ。
【請求項１０】
特定方向に磁場を印加して強磁性固定層を成膜する第１成膜工程と、前記第１成膜工程とは異なる方向から磁場を印加してフリー磁性層及び反強磁性層を成膜して素子部を形成する第２成膜工程と、前記素子部をパターン化してから、永久磁石層を成膜してパターン化する第３成膜工程と、前記反強磁性層から前記フリー磁性層に印加される交換結合磁界と略同一方向から前記永久磁石層に着磁する着磁工程と、前記永久磁石層の着磁後に少なくとも２００℃で熱処理を行う熱処理工程とを含むことを特徴とする磁気センサの製造方法。
【請求項１１】
前記永久磁石部間の間隔が２μｍ以上６０μｍ以下であることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載の磁気センサ。
【請求項１２】
前記フリー磁性層の膜厚が２ｎｍ以上１６０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１１記載の磁気センサ。
【請求項１３】
前記フリー磁性層の膜厚が３ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１１記載の磁気センサ。
【手続補正書】
【提出日】平成25年6月11日(2013.6.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項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、磁化方向が固定された強磁性固定層、非磁性中間層、外部磁界に対して磁化方向が変動するフリー磁性層、及び前記フリー磁性層に交換結合磁界を印加する反強磁性層を含む積層構造を有する素子部と、前記フリー磁性層にバイアス磁界を印加する永久磁石部と、を有することを特徴とする磁気センサ。
【請求項２】
前記強磁性固定層が、反平行結合膜を介して第１の強磁性膜と第２の強磁性膜とを反強磁性的に結合させてなるセルフピン止め型であり、前記第１の強磁性膜と第２の強磁性膜はキュリー温度が略同じかつ磁化量の差が実質的にゼロであることを特徴とする請求項１記載の磁気センサ。
【請求項３】
前記磁気抵抗効果素子は、ストライプ形状の長手方向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が折り返してなる形状を有する素子部と、前記素子部を挟むように設けられた永久磁石部と、を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の磁気センサ。
【請求項４】
前記磁気抵抗効果素子は、前記ストライプ形状の長手方向において互いに離間して設けられた複数の素子部と、前記各素子部間に設けられた複数の永久磁石部とを有することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の磁気センサ。
【請求項５】
前記強磁性固定層は、外部磁界の印加方向に沿って磁化方向が固定されると共に、前記フリー磁性層は、前記外部磁界の印加方向と略直交方向に磁化されることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の磁気センサ。
【請求項６】
前記第１の強磁性膜が４０原子％〜８０原子％のＦｅを含むＣｏＦｅ合金で構成され、前記第２の強磁性膜が０原子％〜４０原子％のＦｅを含むＣｏＦｅ合金で構成されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の磁気センサ。
【請求項７】
前記フリー磁性層の前記非磁性中間層が形成された面と反対面に反強磁性層が積層され、前記反強磁性層は、元素Ｘ（ただしＸは、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｏｓのうち１種または２種以上の元素である）とＭｎとを含有する反強磁性材料から形成されることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の磁気センサ。
【請求項８】
被測定電流からの誘導磁界の印加により抵抗値が変化する少なくとも１つの磁気抵抗効果素子を含んで構成され、前記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し、前記誘導磁界に応じて前記磁界検出ブリッジ回路から出力される電圧差により前記被測定電流を測定する磁気比例式電流センサであって、前記磁気抵抗効果素子は、前記磁化方向が固定された強磁性固定層、非磁性中間層、外部磁界に対して磁化方向が変動するフリー磁性層、及び前記フリー磁性層に交換結合磁界を印加する反強磁性層を含む積層構造を有する素子部と、前記フリー磁性層にバイアス磁界を印加する永久磁石部と、を有することを特徴とする磁気比例式電流センサ。
【請求項９】
被測定電流からの誘導磁界の印加により抵抗値が変化する少なくとも１つの磁気抵抗効果素子を含んで構成され、前記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、前記磁気抵抗効果素子の近傍に配置され、前記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、を具備し、前記電圧差により前記フィードバックコイルに通電して前記誘導磁界と前記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前記フィードバックコイルに流れる電流に基づいて前記被測定電流を測定する磁気平衡式電流センサであって、前記磁気抵抗効果素子は、前記磁化方向が固定された強磁性固定層、非磁性中間層、外部磁界に対して磁化方向が変動するフリー磁性層、及び前記フリー磁性層に交換結合磁界を印加する反強磁性層を含む積層構造を有することを特徴とする磁気平衡式電流センサ。
【請求項１０】
特定方向に磁場を印加して強磁性固定層を成膜する第１成膜工程と、前記第１成膜工程とは異なる方向から磁場を印加してフリー磁性層及び反強磁性層を成膜して素子部を形成する第２成膜工程と、前記素子部をパターン化してから、永久磁石層を成膜してパターン化する第３成膜工程と、前記反強磁性層から前記フリー磁性層に印加される交換結合磁界と略同一方向から前記永久磁石層に着磁する着磁工程と、前記永久磁石層の着磁後に少なくとも２００℃で熱処理を行う熱処理工程とを含むことを特徴とする磁気センサの製造方法。
【請求項１１】
前記永久磁石部間の間隔が２μｍ以上６０μｍ以下であることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載の磁気センサ。
【請求項１２】
前記フリー磁性層の膜厚が２ｎｍ以上１６ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１１記載の磁気センサ。
【請求項１３】
前記フリー磁性層の膜厚が３ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１１記載の磁気センサ。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４７】
次に、図３から図５を参照して、本実施の形態に係る磁気センサの磁気抵抗効果素子の他の構成例について説明する。なお、以下においては、図１に示した磁気抵抗効果素子１１と同一の構成要素には同一の符号を付している。また、以下においては、図１及び図２に示した磁気抵抗効果素子１１との相違点を中心に説明し、説明の重複を避ける。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６４】
図９から分かるように、磁気抵抗効果素子１１、３１、４１においては、フリー磁性層２７の膜厚が２ｎｍから１６ｎｍの範囲で良好な検出感度が得られることが分かる。また、フリー磁性層２７の膜厚が３ｎｍから１０ｎｍの範囲においては、検出感度が特に良好となることが分かる。
【手続補正書】
【提出日】平成26年1月7日(2014.1.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項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、磁化方向が固定された強磁性固定層、非磁性中間層、外部磁界に対して磁化方向が変動するフリー磁性層、及び前記フリー磁性層に交換結合磁界を印加する反強磁性層を含む積層構造を有する素子部と、前記フリー磁性層にバイアス磁界を印加する永久磁石部と、を有し、
前記強磁性固定層が、反平行結合膜を介して第１の強磁性膜と第２の強磁性膜とを反強磁性的に結合させてなるセルフピン止め型であり、前記第１の強磁性膜と第２の強磁性膜はキュリー温度が略同じかつ磁化量の差が実質的にゼロであり、
前記永久磁石部から前記フリー磁性層にかかる前記バイアス磁界の方向と、前記第１の強磁性膜の磁化方向とが略直交することを特徴とする磁気センサ。
【請求項２】
前記磁気抵抗効果素子は、ストライプ形状の長手方向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が折り返してなる形状を有する素子部と、前記素子部を挟むように設けられた永久磁石部と、を備えることを特徴とする請求項１記載の磁気センサ。
【請求項３】
前記磁気抵抗効果素子は、前記ストライプ形状の長手方向において互いに離間して設けられた複数の素子部と、前記各素子部間に設けられた複数の永久磁石部とを有することを特徴とする請求項２記載の磁気センサ。
【請求項４】
前記強磁性固定層は、前記強磁性固定層の成膜時に前記ストライプ形状の幅方向に印加される磁界に沿って磁化方向が固定されると共に、前記フリー磁性層は、前記ストライプ形状の長手方向に磁化されることを特徴とする請求項２または３記載の磁気センサ。
【請求項５】
前記第２の強磁性膜が前記フリー磁性層に対向し、前記第１の強磁性膜が４０原子％超かつ８０原子％未満のＦｅを含むＣｏＦｅ合金で構成され、前記第２の強磁性膜が０原子％超かつ４０原子％未満のＦｅを含むＣｏＦｅ合金で構成されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の磁気センサ。
【請求項６】
前記フリー磁性層の前記非磁性中間層が形成された面と反対面に反強磁性層が積層され、前記反強磁性層は、元素Ｘ（ただしＸは、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｏｓのうち１種または２種以上の元素である）とＭｎとを含有する反強磁性材料から形成されることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の磁気センサ。
【請求項７】
被測定電流からの誘導磁界の印加により抵抗値が変化する少なくとも１つの磁気抵抗効果素子を含んで構成され、前記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し、前記誘導磁界に応じて前記磁界検出ブリッジ回路から出力される電圧差により前記被検出電流を測定する磁気比例式電流センサであって、前記磁気抵抗効果素子は、前記磁化方向が固定された強磁性固定層、非磁性中間層、外部磁界に対して磁化方向が変動するフリー磁性層、及び前記フリー磁性層に交換結合磁界を印加する反強磁性層を含む積層構造を有する素子部と、前記フリー磁性層にバイアス磁界を印加する永久磁石部と、を有し、
前記強磁性固定層が、反平行結合膜を介して第１の強磁性膜と第２の強磁性膜とを反強磁性的に結合させてなるセルフピン止め型であり、前記第１の強磁性膜と第２の強磁性膜はキュリー温度が略同じかつ磁化量の差が実質的にゼロであり、
前記永久磁石部から前記フリー磁性層にかかる前記バイアス磁界の方向と、前記第１の強磁性膜の磁化方向とが略直交することを特徴とする磁気比例式電流センサ。
【請求項８】
被測定電流からの誘導磁界の印加により抵抗値が変化する少なくとも１つの磁気抵抗効果素子を含んで構成され、前記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、前記磁気抵抗効果素子の近傍に配置され、前記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、を具備し、前記電圧差により前記フィードバックコイルに通電して前記誘導磁界と前記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前記フィードバックコイルに流れる電流に基づいて前記被測定電流を測定する磁気平衡式電流センサであって、前記磁気抵抗効果素子は、前記磁化方向が固定された強磁性固定層、非磁性中間層、外部磁界に対して磁化方向が変動するフリー磁性層、及び前記フリー磁性層に交換結合磁界を印加する反強磁性層を含む積層構造を有する素子部と、前記フリー磁性層にバイアス磁界を印加する永久磁石部と、を有し、
前記強磁性固定層が、反平行結合膜を介して第１の強磁性膜と第２の強磁性膜とを反強磁性的に結合させてなるセルフピン止め型であり、前記第１の強磁性膜と第２の強磁性膜はキュリー温度が略同じかつ磁化量の差が実質的にゼロであり、
前記永久磁石部から前記フリー磁性層にかかる前記バイアス磁界の方向と、前記第１の強磁性膜の磁化方向とが略直交することを特徴とする磁気平衡式電流センサ。
【請求項９】
反平行結合膜を介して第１の強磁性膜と第２の強磁性膜とが反強磁性的に結合するセルフピン止め型であり、前記第１の強磁性膜と第２の強磁性膜がキュリー温度が略同じかつ磁化量の差が実質的にゼロである強磁性固定層を、特定方向に磁場を印加して成膜する第１成膜工程と、前記第１成膜工程とは略直交する方向から磁場を印加してフリー磁性層及び反強磁性層を成膜して素子部を形成する第２成膜工程と、前記素子部をパターン化してから、永久磁石層を成膜してパターン化する第３成膜工程と、前記反強磁性層から前記フリー磁性層に印加される交換結合磁界と略同一方向から前記永久磁石層に着磁する着磁工程と、前記永久磁石層の着磁後に少なくとも２００℃で熱処理を行う熱処理工程とを含むことを特徴とする磁気センサの製造方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
本発明の磁気センサは、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、磁化方向が固定された強磁性固定層、非磁性中間層、外部磁界に対して磁化方向が変動するフリー磁性層、及び前記フリー磁性層に交換結合磁界を印加する反強磁性層を含む積層構造を有する素子部と、前記フリー磁性層にバイアス磁界を印加する永久磁石部と、を有し、
前記強磁性固定層が、反平行結合膜を介して第１の強磁性膜と第２の強磁性膜とを反強磁性的に結合させてなるセルフピン止め型であり、前記第１の強磁性膜と第２の強磁性膜はキュリー温度が略同じかつ磁化量の差が実質的にゼロであり、
前記永久磁石部から前記フリー磁性層にかかる前記バイアス磁界の方向と、前記第１の強磁性膜の磁化方向とが略直交することを特徴とする。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
またこの構成により、高温環境下においても第１の強磁性膜磁化量（Ｍｓ・ｔ）と第２の強磁性膜の磁化量（Ｍｓ・ｔ）との差が略ゼロとなり、高い磁化安定性を維持することができる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
本発明の磁気センサにおいては、前記強磁性固定層は、前記強磁性固定層の成膜時に前記ストライプ形状の幅方向に印加される磁界に沿って磁化方向が固定されると共に、前記フリー磁性層は、前記ストライプ形状の長手方向に磁化されることが好ましい。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
本発明の磁気センサにおいては、前記第２の強磁性膜が前記フリー磁性層に対向し、前記第１の強磁性膜が４０原子％超かつ８０原子％未満のＦｅを含むＣｏＦｅ合金で構成され、前記第２の強磁性膜が０原子％超かつ４０原子％未満のＦｅを含むＣｏＦｅ合金で構成されていることが好ましい。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
本発明の磁気比例式電流センサは、被測定電流からの誘導磁界の印加により抵抗値が変化する少なくとも１つの磁気抵抗効果素子を含んで構成され、前記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し、前記誘導磁界に応じて前記磁界検出ブリッジ回路から出力される電圧差により前記被検出電流を測定する磁気比例式電流センサであって、前記磁気抵抗効果素子は、前記磁化方向が固定された強磁性固定層、非磁性中間層、外部磁界に対して磁化方向が変動するフリー磁性層、及び前記フリー磁性層に交換結合磁界を印加する反強磁性層を含む積層構造を有する素子部と、前記フリー磁性層にバイアス磁界を印加する永久磁石部と、を有し、
前記強磁性固定層が、反平行結合膜を介して第１の強磁性膜と第２の強磁性膜とを反強磁性的に結合させてなるセルフピン止め型であり、前記第１の強磁性膜と第２の強磁性膜はキュリー温度が略同じかつ磁化量の差が実質的にゼロであり、
前記永久磁石部から前記フリー磁性層にかかる前記バイアス磁界の方向と、前記第１の強磁性膜の磁化方向とが略直交することを特徴とする。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２０】
本発明の磁気平衡式電流センサは、被測定電流からの誘導磁界の印加により抵抗値が変化する少なくとも１つの磁気抵抗効果素子を含んで構成され、前記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、前記磁気抵抗効果素子の近傍に配置され、前記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、を具備し、前記電圧差により前記フィードバックコイルに通電して前記誘導磁界と前記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前記フィードバックコイルに流れる電流に基づいて前記被測定電流を測定する磁気平衡式電流センサであって、前記磁気抵抗効果素子は、前記磁化方向が固定された強磁性固定層、非磁性中間層、外部磁界に対して磁化方向が変動するフリー磁性層、及び前記フリー磁性層に交換結合磁界を印加する反強磁性層を含む積層構造を有する素子部と、前記フリー磁性層にバイアス磁界を印加する永久磁石部と、を有し、
前記強磁性固定層が、反平行結合膜を介して第１の強磁性膜と第２の強磁性膜とを反強磁性的に結合させてなるセルフピン止め型であり、前記第１の強磁性膜と第２の強磁性膜はキュリー温度が略同じかつ磁化量の差が実質的にゼロであり、
前記永久磁石部から前記フリー磁性層にかかる前記バイアス磁界の方向と、前記第１の強磁性膜の磁化方向とが略直交することを特徴とする。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２２】
本発明の磁気センサの製造方法は、反平行結合膜を介して第１の強磁性膜と第２の強磁性膜とが反強磁性的に結合するセルフピン止め型であり、前記第１の強磁性膜と第２の強磁性膜がキュリー温度が略同じかつ磁化量の差が実質的にゼロである強磁性固定層を、特定方向に磁場を印加して成膜する第１成膜工程と、前記第１成膜工程とは略直交する方向から磁場を印加してフリー磁性層及び反強磁性層を成膜して素子部を形成する第２成膜工程と、前記素子部をパターン化してから、永久磁石層を成膜してパターン化する第３成膜工程と、前記反強磁性層から前記フリー磁性層に印加される交換結合磁界と略同一方向から前記永久磁石層に着磁する着磁工程と、前記永久磁石層の着磁後に少なくとも２００℃で熱処理を行う熱処理工程とを含むことを特徴とする。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２５】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る磁気センサの磁気抵抗効果素子の基本構造を示す参考図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の積層構造を示す断面模式図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の素子構造の一例を示す平面模式図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の素子構造の他の一例を示す平面模式図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の素子構造の他の一例における積層構造を示す断面模式図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の素子部におけるハードバイアス磁界と、反強磁性層からの交換結合磁界との関係を示す図である。
【図７】本発明の第１の実施の形態に係る磁気センサの磁気抵抗効果素子における残留磁束密度（レマネンス）を示す図である。
【図８】本発明の第１の実施の形態に係る磁気センサにおけるレマネンスの定義の説明図である。
【図９】本発明の第１の実施の形態に係る磁気センサの磁気抵抗効果素子のフリー磁性層の膜厚と検出感度との関係を示す図である。
【図１０】本発明の第１の実施の形態に係る磁気センサの磁気抵抗効果素子のハードバイアス層間の間隔Ｌ１とレマネンスとの関係を示す図である。
【図１１】本発明の第２の実施の形態に係る磁気平衡式電流センサの模式的な斜視図である。
【図１２】本発明の第２の実施の形態に係る磁気平衡式電流センサの平面模式図である。
【図１３】ハードバイアス層を備えたＧＭＲ素子の断面模式図である。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３１】
（第１の実施の形態）
図１は、本実施の第１の実施形態に係る磁気センサ１の磁気抵抗効果素子１１の基本構造を示す参考図である。図１に示すように、本実施の形態に係る磁気センサ１は、ストライプ形状の磁気抵抗効果素子１１を有する。この磁気抵抗効果素子１１は、そのストライプ長手方向Ｄ１（以下、単に「長手方向Ｄ１」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。このミアンダ形状において、感度軸方向（Ｐｉｎ方向）は、長尺パターン１２の長手方向（ストライプ長手方向Ｄ１）に対して直交する方向（ストライプ幅方向Ｄ２）である。このミアンダ形状においては、検出磁界及びキャンセル磁界がストライプ長手方向Ｄ１に直交するストライプ幅方向Ｄ２に沿うように印加される。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４７】
次に、図３から図５を参照して、本実施の形態に係る磁気センサの磁気抵抗効果素子の具体的な構成例について説明する。なお、以下においては、図１に示した磁気抵抗効果素子１２２ａと同一の構成要素には同一の符号を付している。また、以下においては、図１及び図２に示した磁気抵抗効果素子１２２ａとの相違点を中心に説明し、説明の重複を避ける。
【国際調査報告】
2012081377.tif 000016
2012081377.tif 000017
2012081377.tif 000018
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