(57)【要約】 【課題】ノイズを抑制することができるとともに高い感度を有する磁気センサおよび磁気センサ装置を提供する。【解決手段】本実施形態の磁気センサは、第１方向の長さが前記第１方向に直交する第２方向の長さの１０倍以上でかつ前記第１方向および前記第２方向に直交する第３方向の長さが前記第２方向の長さの１／２以下である磁性層を有する磁界検出部と、前記磁界検出部の前記第１方向に沿って配置され、前記磁性層の前記第３方向の長さより前記第３方向の長さが長い第１磁性体部材と、前記磁界検出部と前記第１磁性体部材との間に配置され、前記第２方向の長さが前記磁性層の前記第２方向の長さの１／２以下である第１非磁性絶縁層と、前記磁性層に電流を流す回路と、を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１方向の長さが前記第１方向に直交する第２方向の長さの１０倍以上でかつ前記第１方向および前記第２方向に直交する第３方向の長さが前記第２方向の長さの１／２以下である磁性層を有する磁界検出部と、
前記磁界検出部の前記第１方向に沿って配置され、前記磁性層の前記第３方向の長さより前記第３方向の長さが長い第１磁性体部材と、
前記磁界検出部と前記第１磁性体部材との間に配置され、前記第２方向の長さが前記磁性層の前記第２方向の長さの１／２以下である第１非磁性絶縁層と、
前記磁性層に電流を流す回路と、
を備えた磁気センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、磁気センサおよび磁気センサ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、生体から発生する磁界を計測する装置として、ＳＱＵＩＤ（Superconducting Quantum Interference Device：超伝導量子干渉素子）磁気センサを用いた生体磁気計測装置が提案されている。この生体磁気計測装置においては、多数のＳＱＵＩＤ磁気センサを配列させて生体磁気の計測に用いることで、脳磁図、心磁図等の二次元生体磁気情報を得ることができる。このＳＱＵＩＤ磁気センサは超伝導を用いるため、液体ヘリウムなどの冷媒で冷却する必要がある。このため、ＳＱＵＩＤ磁気センサを用いた生体磁気計測装置は、装置が巨大になり、冷媒を用いるため運営コストが高くなり、消費電力も大きくなり、測定対象（患者）の拘束が必要になる。
【０００３】
また、ＴＭＲ型磁気センサ（トンネル磁気抵抗効果（Tunnel Magneto-Resistance）を用いた素子）が知られている。このＴＭＲ型磁気センサは出力が大きいがノイズレベルも大きく、結果として、ＳＮ比が悪化してしまう。
【０００４】
一方、ＣＩＰ−ＧＭＲ型磁気センサ（面内通電巨大磁気抵抗効果ＣＩＰ−ＧＭＲ(Current In Plane-Giant Magneto-Resistance)を用いた素子）が提案されている。このＣＩＰ−ＧＭＲ型磁気センサは抵抗が小さいため、ノイズレベルは小さいが、磁気抵抗変化率が小さいので出力が小さい。また、ＣＩＰ−ＧＭＲ型磁気センサに、軟磁性体からなる磁束収束部（ＭＦＣ：Magnetic Flux Concentrator）を設けた構成にして出力を向上させる素子が提案されている。
【０００５】
ＣＩＰ−ＧＭＲ型磁気センサが検出する磁界方向は長軸に垂直な方向であり、磁化検出層の磁化がその方向に回転すると、細線の側壁面に磁気チャージ（磁荷）が発生するために反磁界が生じる。この反磁界は磁化の回転に非線形な歪を発生させ、またその歪は細線の位置によって異なってくるため、磁界検出のＳＮ比の低下を招くという課題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−３５８３７８号公報
【特許文献２】特開２００４−１５０９９４号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Japanese Journal of Applied Physics 52 (2013) 04CM07
【非特許文献２】IEEE Transaction on Magnetics, vol.43, No.6 p.2376
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本実施形態は、ノイズを抑制することができるとともに高い感度を有する磁気センサおよび磁気センサ装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本実施形態による磁気センサは、第１方向の長さが前記第１方向に直交する第２方向の長さの１０倍以上でかつ前記第１方向および前記第２方向に直交する第３方向の長さが前記第２方向の長さの１／２以下である磁性層を有する磁界検出部と、前記磁界検出部の前記第１方向に沿って配置され、前記磁性層の前記第３方向の長さより前記第３方向の長さが長い第１磁性体部材と、前記磁界検出部と前記第１磁性体部材との間に配置され、前記第２方向の長さが前記磁性層の前記第２方向の長さの１／２以下である第１非磁性絶縁層と、前記磁性層に電流を流す回路と、を備えている。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１実施形態による磁気センサの平面図。
【図２】図２（ａ）、２（ｂ）は、外部磁界による磁気抵抗層内の磁化の回転を模式的に示した図。
【図３】短軸方向に印加する外部磁界に対する磁気抵抗層の磁化の短軸方向の変化を示す図。
【図４】磁界収束体の動作を模式的に示す図。
【図５】図５（ａ）乃至図５（ｄ）は、磁界収束体の動作をｙ−ｚ面で模式的に示す図。
【図６】磁気抵抗層と磁界収束体との距離と磁界検出感度の関係を計算するシミュレーションに用いたモデルの模式図。
【図７】磁気抵抗層の厚さが１０ｎｍのときのシミュレーションで求めたヒステリシス曲線を示す図。
【図８】磁気抵抗層の厚さが２０ｎｍのときのシミュレーションで求めたヒステリシス曲線を示す図。
【図９】磁気抵抗層の厚さが５０ｎｍのときのシミュレーションで求めたヒステリシス曲線を示す図。
【図１０】間隔ｇａｐの長さに対するμ＿９５の変化のシミュレーション結果を示す図。
【図１１】間隔ｇａｐの長さに対する規格化したμ＿９５の変化のシミュレーション結果を示す図。
【図１２】磁気抵抗層と磁界収束体の短軸方向の長さが２００ｎｍの場合のヒステリシスループの計算結果を示す図。
【図１３】磁気抵抗層と磁界収束体の短軸方向の長さが２００ｎｍ、長軸方向の長さが２０００ｎｍである場合のヒステリシスループの計算結果を示す図。
【図１４】第２実施形態による磁気センサの平面図。
【図１５】第２実施形態の変形例による磁気センサの平面図。
【図１６】第３実施形態による磁気センサの平面図。
【図１７】図１７（ａ）、１７（ｂ）は、第３実施形態による磁界検出部の断面図。
【図１８】磁界検出部の第１例を示す断面図。
【図１９】磁界検出部の第２例を示す断面図。
【図２０】磁界検出部の第３例を示す断面図。
【図２１】磁界検出部の第４例を示す断面図。
【図２２】磁界検出部の第５例を示す断面図。
【図２３】磁界検出部の第６例を示す断面図。
【図２４】図２４（ａ）乃至２４（ｃ）は磁気センサの製造方法を説明する平面図。
【図２５】図２５（ａ）乃至２５（ｃ）は磁気センサの製造方法を説明する断面図。
【図２６】図２６（ａ）および２６（ｂ）は磁気センサの製造方法を説明する断面図。
【図２７】図２７は、ノイズレベルの見積もりの用いた磁気センサの形状を示す図、図２７（ｂ）は、ノイズレベルの見積もり結果を示す図。
【図２８】第４実施形態による磁気センサ装置を示す図。
【図２９】第４実施形態の第１変形例による磁気センサ装置を示す図。
【図３０】第４実施形態の第２変形例による磁気センサ装置を示す図。
【図３１】センサ部の一実施例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に図面を参照して実施形態について詳細に説明する。
【００１２】
（第１実施形態）
第１実施形態による磁気センサの平面の模式図を図１に示す。この第１実施形態の磁気センサ１は、磁界検出部１１と、この磁界検出部１１を挟むように設けられた非磁性絶縁層１２ａ、１２ｂと、非磁性絶縁層１２ａに対して磁界検出部１１と反対側に設けられた磁界収束体１３ａと、非磁性絶縁層１２ｂに対して磁界検出部１１と反対側に設けられた磁界収束体１３ｂと、を備えている。この第１実施形態においては、磁界検出部として磁気抵抗層（磁性層）１１Ａが用いられる。
【００１３】
磁気抵抗層１１Ａの長軸（ｘ方向）の端面には非磁性絶縁体１２ａ、１２ｂが接している。さらに非磁性絶縁体１２ａ、１２ｂには磁界収束体１３ａ、１３ｂがそれぞれ接している。磁気抵抗層１１Ａには、長軸方向に電流を流し、外部磁界によって磁気抵抗層１１Ａの磁化が回転し、それにより両端の電気抵抗が変化することによって磁界強度を検出する検出回路１６が接続されている。図１においてｚ方向が膜厚方向である。測定する磁界の方向は符号１７に示す方向になる。
【００１４】
磁気抵抗層１１Ａは、いわゆる、磁気抵抗効果（ＡＭＲ（Anisotropic Magneto-Resistive））、あるいは、面内通電型巨大磁気抵抗効果（ＣＩＰ（Current In Plane）−ＧＭＲ（Giant Magneto-resistance））現象により、磁界強度を測定する。測定する磁界によって磁気抵抗層１１Ａ内の磁化が回転し、それが磁気抵抗層１１Ａの抵抗変化となる現象を利用する。この現象を効果的に利用するには、磁気抵抗層１１Ａ内の磁化が面内で均一な磁化状態を保って回転する必要がある。このため、磁気抵抗層１１Ａの短軸方向（ｙ方向）の長さと、長軸方向（ｘ方向）の長さとの比は１０以上であることが好ましい。
【００１５】
このように構成すると、磁気異方性を磁気抵抗層１１Ａに特に付与しない場合には、形状磁気異方性により、磁気抵抗層１１Ａ内の磁化は、外部磁界がゼロのときは均一に長軸方向を向く。また、磁界中の冷却等により短軸方向に磁気異方性を付与した場合には、磁気抵抗層１１Ａ内の磁化は均一に短軸方向を向く。磁気抵抗層１１Ａの短軸と長軸の比が１０未満であると、形状磁気異方性が弱くなるので、磁気抵抗層１１Ａの内部の磁化は均一に同一方向を向きにくくなり、複数の磁区が発生する。これにより磁界測定の感度が悪くなり、またノイズが増えるので好ましくない。
【００１６】
また、磁気抵抗層１１Ａの厚さ（ｚ方向の長さ）は短軸方向（ｙ方向）の長さの１／２以下であることが好ましい。厚さが短軸方向の長さの１／２より大きいと、磁化は膜面に垂直方向にも向きやすくなり、磁区が発生しやすくなる。また、膜面内での均一な磁化の回転が起こりにくくなる。したがって、磁界測定の感度が悪くなり、またノイズが増えるので好ましくない。
【００１７】
磁界収束体１３ａ、１３ｂは軟磁性体で形成することが好ましい。磁界収束体１３ａは、磁気抵抗層１１Ａ側の面１４の断面積がその対向面１５の断面積よりも小さい。磁束収束体１３ｂも磁束収束体１３ａと同様に、磁気抵抗層１１Ａ側の断面積がその対向面の断面積よりも小さい。このような断面積の差を作り出す手法として、図１に示すように、磁界収束体１３ａ，１３ｂの膜厚を一定にして、その磁気抵抗層１１Ａ側の面１４のｘ方向の長さがその対向面１５のｘ方向の長さよりも小さくすることができる。また、磁気抵抗層１１Ａ側の面１４のｘ方向の長さとその対向面１５のｘ方向の長さを同じにして、面１４の厚さ（ｚ方向の長さ）を面１５の厚さよりも薄くしても良い。また、この二つの手法を組み合わせても良い。
【００１８】
図１に示す第１実施形態においては、磁界収束体１３ａ、１３ｂが磁気抵抗層１１Ａの長軸側の端面の両側に非磁性絶縁層１２ａ、１２ｂを介して設けられているが、片側に設けてもよい。この場合、製造プロセスが簡単になるが、磁界収束効果が減少する。
【００１９】
第１実施態様で用いられている磁界収束体１３ａ、１３ｂは、一般に、ＭＦＣ（Magnetic Flux Concentrator）として用いられている。すなわち、磁気センサ１の最も外側の面１５に到着した磁束線は、磁界収束体１３ａ中でその反対側の面１４に絞り込まれ、磁束密度、すなわち磁界強度が断面積の比に応じて増加する。本実施形態による磁気センサ１は磁界収束体１３ａ、１３ｂを用いて、磁界測定効率を向上させることができる。
【００２０】
磁界収束体１３ａ、１３ｂと磁気抵抗層１１Ａとの間には非磁性絶縁体１２ａ、１２ｂがそれぞれ設けられている。
【００２１】
非磁性絶縁体１２ａ、１２ｂが設けられていない場合、磁界収束体１３ａ、１３ｂと磁気抵抗層１１Ａが導通してしまうため、磁気抵抗層１１Ａに流れる電流が不均一に減少し、検出される信号のＳＮ比が劣化してしまう。また、磁気抵抗層１１Ａと磁界収束体１３ａ、１３ｂが交換結合してしまうため、外部磁界による磁気抵抗層１１Ａの磁化の回転が均一でなくなり、検出感度が落ちかつノイズが増えて好ましくない。したがって、非磁性絶縁体１２ａ、１２ｂは非磁性でかつ絶縁体であることが好ましい。
【００２２】
非磁性絶縁体１２ａ、１２ｂの長軸方向（ｘ方向）の長さは磁気抵抗層１１Ａと同じでも良いし、それより大きくても良い。短軸方向（ｙ方向）の長さは５０ｎｍ以下、あるいは磁気抵抗層１１Ａの短軸方向の長さの１／２以下であることが好ましい。非磁性絶縁体１２ａ、１２ｂの短軸方向（ｙ方向）の長さが１ｎｍ以下になると、絶縁体として連続した構造を作成するのが困難になるため、好ましくない。非磁性絶縁体１２ａ、１２ｂの厚さ（ｚ方向の長さ）は磁気抵抗層１１Ａと同じでも良いし、それより大きくても良い。
【００２３】
磁界収束体１３ａ、１３ｂの磁束収束効果、および磁気抵抗層１１Ａの磁化の回転に悪影響を及ぼさない範囲で、磁界収束体１３ａ、１３ｂと非磁性絶縁体１２ａ、１２ｂとの間、あるいは非磁性絶縁体１２ａ、１２ｂと磁気抵抗層１１Ａとの間に、磁性体あるいは別の非磁性体を設けてもよい。
【００２４】
磁界収束体１３ａ、１３ｂの磁気抵抗層１１Ａ側の面の長さ（ｘ方向の長さ）は、磁気抵抗層１１Ａの長さ（ｘ方向の長さ）よりも長くても短くても良い。磁界収束体１３ａ、１３ｂの長さが長い場合、収束した磁束の一部を失い、結果として磁界強度が減少してしまう。しかし、磁界収束体１３ａ、１３ｂの端部における磁界の乱れの影響を小さくすることができる。
【００２５】
一方、磁界収束体１３ａ、１３ｂのｘ方向の長さが磁気抵抗層１１Ａのｘ方向の長さよりも短い場合には、収束した磁束をすべて検出できる利点がある。しかし、磁気センサ１内の磁界強度に分布ができるので、線形性を損ねる可能性がある。磁界収束体１３ａ、１３ｂの磁気抵抗層１１Ａ側の面１４の長さは、作成する磁気センサ１の要求仕様に基づいて決定すればよい。
【００２６】
磁界収束体１３ａ、１３ｂのｙ方向の長さは特に制限はないが、磁気抵抗層１１Ａのｙ方向の長さよりも長い方が現実的な収束効果が期待できるので好ましい。
【００２７】
図１に示す本実施形態による磁気センサ１が、低ノイズで高感度な磁界検出ができる作用を以下に説明する。図２（ａ）、２（ｂ）は、外部磁界による磁気抵抗層２１内の磁化２２の回転を模式的に示したものである。図２（ａ）は外部磁界がゼロの場合で、この場合には、磁化２２は均一に長手方向を向いている。このとき、磁気抵抗層２１の長軸側の端面、すなわち、長軸に沿った端面２３には磁荷が現れない。
【００２８】
図２（ｂ）は外部磁界が短軸方向に印加された場合であり、このとき磁化２２は図に示すように回転する。このとき、磁気抵抗層２１の長軸側の端面２３には磁荷２４が発生する。この磁荷２４は反磁界、すなわち磁荷２４からの漏洩磁界を発生し、それによって磁化２２自身の向きを変える。磁荷２４の分布、すなわち反磁界の分布は局所的であるため、磁気抵抗層２１内に磁区ができやすくなり、また磁化の回転状態は不均一になる。特に磁気抵抗層２１の端部２５のあたりでは磁荷による磁化回転の不均一性が著しくなる。
【００２９】
このような現象が起こると、外部磁界に対して磁化の回転は非線形になって、精度の高い磁界測定ができなくなる。このことを模式的に図３に示す。図３は外部磁界Ｈに対する、磁気抵抗層２１の短軸方向の磁化Ｍの変化を表したものである。理想的な磁気センサの場合には、グラフ３１で示すように、磁化Ｍは磁界に対して直線的に増加し、飽和磁界Ｈｋ以降では変化を起こさなくなる。このような特性であれば、Ｈｋ以下の磁界において、磁界強度Ｈと磁化Ｍとが精度の良い比例関係にあるので、高精度の磁界測定ができる。
【００３０】
一方、上述の、図２（ｂ）で示したような、磁荷が発生して磁化回転が非線形になる場合には、例えばグラフ３２に示すような特性になる。磁界Ｈの変化に対して磁化Ｍは非線形に変化するので、磁界測定の精度が悪くなる。また、磁界を増加する場合と減少する場合とで同じ磁界Ｈの値に対して磁化Ｍの値が異なる、いわゆるヒステリシスが発生し、測定の再現性や信頼性が劣化してしまう。
【００３１】
このような磁荷発生による非線形現象を防ぐには、一般に、長軸方向の磁気異方性を大きくして、磁荷による漏洩磁界の影響を相対的に小さくする手法が知られている。しかし、この場合、グラフ３３に示すように飽和磁界Ｈｋが大きくなってしまい、図３では、図に示す範囲内に飽和磁界Ｈｋが存在しないことになり、磁界Ｈに対する磁化Ｍの変化が小さくなる。その結果、磁界感度が低下してしまう。
【００３２】
このように、磁気抵抗層１１Ａの磁化回転による磁界測定を行う場合、磁化の回転に伴って長軸側の端部に発生する磁荷によって、測定精度が劣化してしまう問題があった。
【００３３】
本実施形態では、磁界収束体１３ａ、１３ｂを設けることによってこの問題を解決するものである。すなわち、磁気抵抗層１１Ａの長軸に沿った端面に非磁性絶縁体１２ａ、１２ｂを介して磁界収束体１３ａ、１３ｂを設ける。この部分の説明のための模式図を図４に示す。磁気抵抗層１１Ａの磁化は外部磁界によって回転して磁荷２４ａが発生している。この磁荷２４ａを「＋」の記号で記す。この磁気抵抗層１１Ａに近接して軟磁性体からなる磁界収束体１３を設置する。
【００３４】
磁界収束体１３は軟磁性であるので、磁気抵抗層１１Ａの磁荷２４ａが発生する漏洩磁界によって、磁界収束体１３の磁気抵抗層１１Ａ側の面の磁化が回転し、ちょうど逆向きの磁荷２４ｂを発生する。この磁荷２４ｂを、「−」の記号で示す。このように、磁荷２４ａ、２４ｂが発生すると、それぞれの磁荷２４ａ、２４ｂを直接結ぶ磁束線ができ、結果として、磁気抵抗層１１Ａの磁化の回転に影響を与えるような漏洩磁界（反磁界）が消えてしまう。このことは、磁気抵抗層１１Ａから見ると、長軸の端部が存在せず、あたかも磁気抵抗層１１Ａがｙ方向に無限に続いているように見えることになる。
【００３５】
この状況を、図５（ａ）乃至図５（ｄ）に示す。図５（ａ）乃至図５（ｄ）は、磁気抵抗層１１Ａおよび磁界収束体１３をｙ−ｚ面で示す。図５（ａ）は磁気抵抗層１１Ａと磁界収束体１３の厚さが同じで距離が離れている場合を示し、磁荷２４ａからの漏洩磁界は磁界収束体１３の磁荷２４ｂにすべて吸収されるわけではなく、一部は外に漏れて自身の磁化２４ａに影響を与えてしまう。
【００３６】
磁気抵抗層１１Ａと磁界吸収体１３の距離が十分に近ければ、図５（ｂ）に示すように、外に漏れて自身の磁化２４ａに影響を与えてしまう磁束を少なくし、反磁界をキャンセルすることができる。
【００３７】
一方、図５（ｃ）に示すように、磁界収束体１３の厚さ（ｚ方向の長さ）が磁気抵抗層１１Ａの厚さ（ｚ方向の長さ）よりも薄いと、両者の距離が十分に小さくても磁気抵抗層１１Ａ自身に回り込む反磁界が発生してしまう。
【００３８】
逆に、磁界収束体１３の厚さ（ｚ方向の長さ）が、磁気抵抗層１１Ａの厚さ（ｚ方向の長さ）よりも厚いと、図５（ｄ）に示すように、より安定して反磁界のキャンセルが可能となる。
【００３９】
（磁気抵抗層と磁界収束体との距離と、磁界検出感度の関係）
次に、磁気抵抗層１１Ａと磁界収束体１３ａ、１３ｂとの距離と、磁界検出感度の関係について、ＬＬＧ（Landau-Lifshitz-Gilbert）方程式を用いてシミュレーションを行った。計算に用いたモデルの模式図を図６に示す。磁気抵抗層１１Ａとして、幅１００ｎｍ、長さ１０００ｎｍ（長軸と短軸の比１０）で、厚さｔを１０、２０、５０ｎｍと変えたものをモデルとして用いた。これを一辺が１０ｎｍの直方体のメッシュで分割した。材料の特性は、磁気抵抗層１１ＡとしてＮｉＦｅを用いると想定して飽和磁化Ｍｓを８００ｅｍｕ／ｃｃとし、ｙ方向に磁気異方性Ｋｕｙを１ｋｅｒｇ／ｃｃとした。メッシュ間の交換定数Ａを１μｅｒｇ／ｃｍとし、ギルバートダンピング定数αを１．０として計算した。磁界収束体１３ａ、１３ｂは、磁気抵抗層１１Ａと同じ大きさ、同じ磁気特性のものを用い、図６に示すように、所定の間隔（ｇａｐ）を隔てて同じ平面上に配置した。間隔ｇａｐは１０、２０、３０、５０、１００ｎｍの５種類を用意した。
【００４０】
磁界収束体１３ａ、１３ｂを本実施形態に近い大きなサイズにすることは、計算時間が膨大になるため困難であった。そこで、磁界収束体１３ａ、１３ｂの磁化回転を擬似的に実現するために、磁界収束体１３ａ、１３ｂの磁気抵抗層１１Ａと反対側の端部１０ｎｍ分（１メッシュ分）の磁化をｘ方向に２０ｋＯｅの磁界で固着する操作を行った。この操作により、磁界収束体１３ａ、１３ｂの磁気抵抗層１１Ａ側の対向面での磁荷発生による漏洩磁界発生がなくなり、前述したように、磁界収束体１３ａ、１３ｂはｙ方向に無限に長い軟磁性体に似た磁化回転をするようになる。この操作は、軟磁性体の磁化回転のシミュレーションを行う際に一般的に用いられるものである。
【００４１】
計算したヒステリシスループを図７乃至図９に示す。横軸は印加磁界強度、縦軸は磁気抵抗層１１Ａのｙ方向の磁化を規格化したものである。外部磁界は図６に示すように、ｙ方向に印加した。磁気抵抗層１１Ａの中央部（ｘ−ｙ面内の５００ｎｍ×１００ｎｍの矩形部分）のみの磁化のｙ方向成分をプロットしてある。これにより、計算領域の狭さに起因する人為的なヒステリシスノイズを除いた、ＧＭＲあるいはＡＭＲ出力に直接対応する量に相当するヒステリシスとなる。図７は図６に示す厚さｔが１０ｎｍ、図８は図６に示す厚さｔが２０ｎｍ、図９は図６に示す厚さｔが５０ｎｍである場合のヒステリシスループを示す。全ての場合において各ヒステリシスループは概ね閉じており、比較的直線性の良い特性が得られている。ヒステリシスの大きさや直線性は膜厚ｔが薄いほど向上する。このことは、磁気抵抗層１１Ａの膜厚方向の磁化回転がほとんどないことを意味し、このことから、磁気抵抗層１１Ａの膜厚は短軸の長さ（＝１００ｎｍ）の１／２以下である場合に良好な軟磁気特性が得られることが示された。
【００４２】
各ヒステリシスループから、磁界検出感度に相当する指標として、飽和磁化Ｍｓの９５％に達する磁界Ｈ＿９５を求め、その逆数１／（Ｈ＿９５）をμ＿９５として求めた。磁界Ｈ＿９５の求め方を図９に模式的に示した。線１０１は磁化が飽和量の９５％になる位置であり、その磁化における外部磁界がＨ＿９５となる。磁界Ｈ＿９５が小さいほど、すなわちμ＿９５が大きいほど、磁界に対して磁界検出感度が高いことを意味する。
【００４３】
間隔ｇａｐの大きさに対するμ＿９５の変化を図１０に示す。この図１０に示すグラフを間隔ｇａｐが１００ｎｍの時の値で規格化したものを図１１に示す。図１１からわかるように、どの膜厚においても、５０ｎｍより小さい間隔ｇａｐにおいてμ＿９５が急激に増加している。特に、間隔ｇａｐが２０ｎｍより小さくなると、μ＿９５が２０％以上増加する。これは、図５（ａ）乃至５（ｄ）で説明したように、磁界収束体１３ａ、１３ｂと磁気抵抗層１１Ａとの距離を短くしたことで、反磁界の発生が抑えられ、理想的な軟磁気特性が得られるようになったためである。図１０、１１の結果から、磁気抵抗層１１Ａと磁界収束体１３ａ、１３ｂの距離が５０ｎｍ以下、より好ましくは２０ｎｍ以下の場合に、すなわち、磁気抵抗層１１Ａの幅の１／２以下の場合に、この効果が著しく現れることがわかった。なお、磁気抵抗層１１Ａと磁界収束体１３ａ、１３ｂの距離が０ｎｍ、すなわち非磁性絶縁体１２ａ、１２ｂが無くなった場合には、前述のように、測定電流の分流が起こり、また、磁化回転が不均一になるため、磁界検出信号のＳＮ比が劣化して好ましくない。
【００４４】
次に、磁気抵抗層１１Ａと磁界収束体１３ａ、１３ｂの短軸方向（ｙ方向）の長さ（幅）を２００ｎｍとした場合を計算した。膜厚ｔ＝１０ｎｍの場合の結果を図１２に示す。ヒステリシスループの計算領域は磁気抵抗層１１Ａの中央部、すなわちｘ−ｙ面内の５００ｎｍ×２００ｎｍの矩形部分である。図１２からわかるように、極端な非線形性、すなわち、大きなヒステリシスループが現れ、磁化曲線の直線性がほとんど失われたヒステリシスループが得られた。このことは、前述のように、磁気抵抗層１１Ａの短軸と長軸の比が１０未満となったために磁気抵抗層１１Ａの内部の磁化が均一に回転しにくくなっていることを示す。この傾向は、膜厚ｔを２０、５０、１００ｎｍとしても同様であった。
【００４５】
次に、磁気抵抗層１１Ａと磁界収束体１３ａ、１３ｂの短軸方向（ｙ方向）の長さ（幅）を２００ｎｍ、厚さｔを１０ｎｍとして、磁気抵抗層１１Ａと磁界収束体１３ａ、１３ｂの長軸方向（ｘ方向）の長さを２０００ｎｍにした場合の結果を図１３に示す。ヒステリシスループの計算領域は磁気抵抗層１１Ａの中央部、すなわちｘ−ｙ面内の１０００ｎｍ×２００ｎｍの矩形部分とした。計算時間が膨大になるため、間隔ｇａｐが１０、ｎｍ
２０ｎｍの場合の計算のみを行ったが、図１２で認められた非線形性が消失していることがわかる。このことから、磁気抵抗層１１Ａの短軸と長軸の比は１０以上であることが好ましいことがわかった。
【００４６】
以上説明したように、第１実施形態によれば、検出感度の非線形性を抑制することができ、これによりノイズを抑制するとともに高い感度を有する磁気センサを提供することができる。
【００４７】
（第２実施形態）
次に、第２実施形態による磁気センサについて図１４を参照して説明する。図１４は、第２実施形態の磁気センサ１Ａの平面図である。
【００４８】
一般に、面内通電型の磁気センサでは、検出出力やＳＮ比を高めるためには、磁気抵抗層１１Ａを長くすればよい。ただし、一方向に長く伸ばすとセンサの形状が細長くなってしまい、小型のセンサとするのが難しくなる。この問題を解決した磁気センサを第２実施形態として説明する。
【００４９】
第２実施形態の磁気センサ１Ａは、図１に示す第１実施形態の磁気センサ１において、図１４に示すように磁界検出部となる磁気抵抗層１１Ａを折り返してつづら折り状にした構成を有している。図１４では２回折り返しているが、折り返さない場合に比べると、磁気センサ１Ａ全体のｘ方向の長さを１／３に小さくすることができる利点がある。
【００５０】
この第２実施形態においても、第１実施形態と同様に、低ノイズで高感度な磁界検出ができる磁気センサを実現することができる。すなわち、図１４に示すように、磁気抵抗層１１Ａの最も外側の部分に対して、長軸側の端面に非磁性絶縁体１２ａ、１２ｂと、軟磁性体からなる磁界収束体１３ａ、１３ｂをこの順番で設置し、かつ非磁性絶縁体１２ａ、１２ｂの幅、すなわち磁気抵抗層１１Ａと磁界収束体１３ａ、１３ｂとの距離を５０ｎｍ以下（磁気抵抗層１１Ａの短軸の長さの１／２以下）とすればよい。この時の磁界収束体１３ａ、１３ｂが満たすべき要件は第１実施形態と同じである。
【００５１】
低ノイズで高感度な磁界検出ができる作用は、第１実施形態と同様である。軟磁性体からなる磁界収束体１３ａ、１３ｂが、磁気抵抗層１１Ａの端部に発生する磁荷による反磁界をキャンセルする作用を持っているために、磁化の非線形な回転を防ぐのである。
【００５２】
この第２実施形態も第１実施形態と同様に、ノイズを抑制するとともに高い感度を有する磁気センサを提供することができる。
【００５３】
（変形例）
第２実施形態の変形例による磁気センサを図１５に示す。この第１変形例の磁気センサ１Ｂは、図１４に示す第２実施形態の磁気センサ１Ａにおいて、つづら折りの磁気抵抗層１１Ａを平行に離間して配置された３本の磁気抵抗層１１Aａ、１１Aｂ、１１Aｃに置き換えるとともに、隣接する２本の磁気抵抗層１１Aａ、１１Aｂを導電体１６１ａで直列に接続し、隣接する２本の磁気抵抗層１１Aｂ、１１Aｃを導電体１６１ｂで直列に接続した構成を有している。磁気抵抗層１１Ａをこのような構成とすることにより、図１４に示す第２実施形態の磁気抵抗層１１Ａと電気的に同様な構成となる。
【００５４】
図１４に示すように、磁気抵抗層１１Ａをつづら折り形状にした場合、磁気抵抗層１１Ａの測定する磁界方向１７と同じ向きの部分は、測定する磁界に対して磁化が回転しないか、回転しても非線形な回転を行うので、検出感度の寄与は小さい。このため、この部分がなくとも磁気センサとしての作用を発揮することができる。むしろ、非線形部分をなくすことができるので、より低ノイズの磁気センサを得ることができる。
【００５５】
図１５に示す変形例の場合においても、第２実施形態と同様に、低ノイズで高感度な磁界検出ができる磁気センサを実現することができる。すなわち、最も外側の磁気抵抗層１１Ａの長軸側の端面に非磁性絶縁体１２ａ、１２ｂと軟磁性体からなる磁界収束体１３ａ、１３ｂをこの順番で設置し、かつ非磁性絶縁体１２ａ、１２ｂの幅、すなわち磁気抵抗層１１Ａと磁界収束体１３ａ、１３ｂとの距離を５０ｎｍ以下（磁気抵抗層１１Ａの短軸の長さの１／２以下）とすればよい。この時の磁界収束体１３ａ、１３ｂが満たすべき要件は、第１実施形態と同じである。また、低ノイズで高感度な磁界検出ができる作用は第１実施形態と同じである。
【００５６】
また、図１４と図１５に示す磁気抵抗層１１Ａの中間の形態、例えば、つづら折りの磁気抵抗層の上に導電体１６１ａ、１６１ｂを設置しても良いし、導電体１６１ａ、１６１ｂの下で磁気抵抗層１１Ａが部分的につながった形状であってもよい。
【００５７】
この変形例も第２実施形態と同様に、ノイズを抑制するとともに高い感度を有する磁気センサを提供することができる。
【００５８】
（第３実施形態）
第３実施形態による磁気センサの平面図を図１６に示す。この第３実施形態の磁気センサ１Ｃは、図１に示す第１実施形態の磁気センサ１において、磁界検出部１１として、帯状の磁気抵抗層１１Ａの代わりに面内方向に直線状に配置された垂直通電型ＧＭＲ素子１７１を面内方向に直列接続し、素子全体として面内方向に通電する構成としたものである。すなわち、第３実施形態の磁気センサ１Ｃは、図１に示す第１実施形態の磁気センサ１において、磁界検出部１１として、磁気抵抗層１１Ａの代わりに、電気的に直列接続されかつ一列に並んだ垂直通電型ＧＭＲ素子１７１を設けた構成を有している。なお、垂直通電型ＧＭＲ素子１７１の代わりに垂直通電型ＴＭＲ素子を用いてもよい。また、磁界の検出感度は悪くなるが、１つの垂直通電型ＧＭＲ素子１７１を磁界検出部１１として用いてもよい。
【００５９】
垂直通電型ＧＭＲ素子１７１は、それぞれｙ方向の端面において、非磁性絶縁体１２ａ、１２ｂに接して配置される。図１６に示す点線１７２の位置でのｘ−ｚ断面を図１７（ａ）に示す。垂直通電型ＧＭＲ素子１７１は、導線１８４によって、図に示す配置で直列接合されている。各垂直通電型ＧＭＲ素子１７１のｘ−ｚ面の詳細な構成を図１７（ｂ）に示す。垂直通電型ＧＭＲ素子１７１は磁性体からなる固着層１８１、非磁性層１８２、磁性体からなるフリー層１８３がこの順で積層された構成を有している。
【００６０】
固着層１８１とフリー層１８３はともに、磁化方向が膜面に平行な磁性体、すなわち磁化がｘ−ｙ面内で回転する磁性体である。固着層１８１は、外部磁界によって磁化が回転しにくいように設計されている。この目的のためには、高い磁気異方性を持つ材料である反強磁性体（図示せず）を固着層１８１の下に設け、その磁化方向が交換結合によって固着層１８１に伝えられるようにする、といった手法がとられる。
【００６１】
フリー層１８３は、測定磁界によって磁化が回転しやすい性質を持つ磁性体である。この目的のためには、軟磁性を有する材料が用いられる。非磁性中間層１８２は金属あるいは絶縁体から選ばれる。ＭｇＯなどの薄い絶縁体を用いる場合には、ＧＭＲ素子は一般にＴＭＲ素子と呼ばれるが、ＴＭＲ素子を用いる方が抵抗変化率が大きくて好ましい。
【００６２】
このように構成された磁気センサ１Ｃが低ノイズで高感度な磁界検出ができる作用は、第１実施形態と同じである。外部磁界に対する磁化の応答は、磁気抵抗層１１Ａの場合とフリー層１８３の場合で同じである。このため、外部磁界によってフリー層１８３内の磁化が回転した際に、軟磁性体からなる磁界収束体１３ａ、１３ｂが、フリー層１８３の端部に発生する磁荷による反磁界をキャンセルする作用を持ち、これにより、磁化の非線形な回転を防ぐのである。
【００６３】
非磁性絶縁体１２ａ、１２ｂの幅（ＧＭＲ素子１７１と磁界収束体１３ａ、１３ｂとの距離）を５０ｎｍ以下、あるいは、フリー層１８３の短軸の長さの１／２以下とすることで、反磁界キャンセル効果が得られる。
【００６４】
また、垂直通電ＧＭＲ素子１７１の面内配置をつづら折り状にして直列接続すれば、第２実施形態と同様の作用を得ることができる。
【００６５】
フリー層１８３の材料としては、ＦｅＣｏ合金あるいはホイスラー合金であると、高スピン偏極が得られて、抵抗変化率が大きくなるので好ましい。固着層１８１の材料としては、結晶磁気異方性を高める方法として、ＣｏＰｔ、ＣｏＰｄなどの合金、あるいは、ＦｅＰｔ、ＣｏＰｔ、ＣｏＰｄなどの規則相合金、あるいは、Ｃｏ／Ｐｄ、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｎｉなどの極薄磁性層を多層積層したいわゆる人工格子膜を用いることもできる。また、固着層１８１の材料としてフリー層１８３と同様の軟磁性材料を用い、その下に反強磁性層あるいは磁気異方性の高いピンニング層を設置し、固着層１８１とピンニング層とを交換結合させても良い。
【００６６】
非磁性中間層１８２としては、例えばＣｕを含む非磁性金属を用いることができる。ＧＭＲ素子の代わりにＴＭＲ素子を用いる場合には、非磁性中間層１８２としては、Ａｌ−Ｏ、Ｔｉ−Ｏ、ＭｇＯ等を用いることができる。
【００６７】
（構成要素の材料）
次に、第１乃至第３実施形態を構成する各要素の材料について説明する。
【００６８】
磁界検出部１１としての磁気抵抗層１１Ａは、良好な軟磁気特性を持つ、すなわち、小さい磁界でも磁化が回転する特性を持ち、かつ、大きな磁気抵抗変化を示す磁気特性を持つ必要がある。磁界検出部の詳細な構成要件については後述する。
【００６９】
非磁性絶縁体１２ａ、１２ｂは、一般の素子に用いられる絶縁体のうち、非磁性のものであれば何でもよい。特にＳｉ−Ｏ、Ｓｉ−Ｎ、Ａｌ−Ｏ、Ｍｇ−Ｏといった金属と酸素や窒素などのガスとの化合物とするのが一般的である。Ｆｅの酸化物は組成によっては磁性を持つものもあるが、非磁性組成であれば使うことができる。そのほか、磁気抵抗層１１や磁界収束体１３ａ、１３ｂ、あるいは後述する保護層などの構成元素の酸化物でも構わない。
【００７０】
磁界収束体１３ａ、１３ｂは、磁気抵抗層１１Ａと同様の軟磁気特性の良い磁性材料が好ましい。たとえば、ＮｉＦｅ合金、ＦｅＣｏ合金、ホイスラー合金、を含む材料とすることで、優れた軟磁気特性を得ることができる。
【００７１】
抵抗変化を検出する回路１６は、通常の磁気抵抗素子に用いられるものを使うことができる。例えば、直流電流源から磁気抵抗層１１Ａの長軸方向の両端に電流が印加されるようになっており、同時に、磁気抵抗層１１Ａの両端の電圧が測定できる機構があれば、抵抗変化を測定することができる。第１乃至第３実施形態の磁気センサは、高感度な磁気センサであるので、ノイズが少ない電流源や増幅器を用いる必要がある。
【００７２】
磁気抵抗層１１Ａ、非磁性絶縁体１２ａ、１２ｂ、磁界収束体１３ａ、１３ｂにはそれぞれ、必要に応じて、結晶性や磁気特性などを向上するための下地層を用いることができる。また、その後のレジスト塗布などのプロセスダメージを防ぐ目的で、成膜後に続けて保護層を堆積させて良い。保護層は、磁気センサの作用の妨げにならない限り、プロセス中に除去しても良いし、除去せずに磁気センサ中に残しておいても良い。
【００７３】
（磁界検出部）
次に、磁界検出部１１として用いられる例について説明する。
【００７４】
（第１例）
第１乃至第２実施形態の磁気センサを構成する磁界検出部１１の第１例としては、図１８に示すように、ＮｉＦｅＣｒなどの非磁性下地２１２上に形成された、ＮｉＦｅ合金、ＦｅＣｏ合金、およびホイスラー合金のいずれかを含む材料２１１とすることができる。図１８に示すように、軟磁性材料２１１が第１乃至第２の実施形態の磁気抵抗層１１Ａに対応する。この場合、抵抗変化は、いわゆる金属磁気抵抗効果（ＡＭＲ（Anisotropic Magneto-Resistive））と呼ばれる現象に基づいて起こる。
【００７５】
ＡＭＲ素子は構造がシンプルであるため、安価で信頼性の高い磁気センサを作ることができる。また、電気抵抗が低いため低ノイズであり、高感度磁気センサの課題の一つであるノイズを小さくする効果が得られる。しかしながら、抵抗変化率が小さいので、感度はあまり高くない。
【００７６】
（第２例）
第１乃至第２実施形態の磁気センサを構成する磁界検出部１１の第２例としては、図１９に示すように、軟磁性体からなる第１磁性層２２１、非磁性導電層２２２、軟磁性体からなる第２磁性層２２３がこの順に積層され、かつ、第１磁性層２２１と第２磁性層２２３が非磁性導電層２２２を介して反強磁性結合をしている構成とすることができる。図１９に示すように、第１磁性層２２１、非磁性導電層２２２、第２磁性層２２３の三層の積層部分が、第１乃至第２実施形態を構成する磁気抵抗層１１Ａに対応する。
【００７７】
この第２例の磁界検出部は、シザーズ型のＣＩＰ−ＧＭＲ素子と呼ばれるものであり、第１磁性層２２１と第２磁性層２２３とが反強磁性交換結合しているため、外部磁界がゼロの下では各層の磁化は長軸方向に互いに逆方向を向いている。磁界検出部１１の短軸方向に磁界が印加されると、各層の磁化はそれぞれ短軸方向に回転して、両層２２１、２２３の磁化のなす角度が１８０度から低下する。この角度変化が磁気抵抗変化として検出される。
【００７８】
非磁性導電層２２２としては、例えば、Ｃｕ、Ｒｕ、またはＩｒを含む非磁性金属を用いることができ、第１および第２磁性層２２１、２２３に反強磁性結合を誘起するには、２ｎｍ程度以下の厚さにすればよい。
【００７９】
第１磁性層２２１、第２磁性層２２３に対して、磁場中で冷却などの処理を施すことで、短軸方向に異方性をつけても良い。こうすることにより、外部磁化がゼロでも第１および第２磁性層２２１、２２３の磁化が１８０度よりも小さい角度を持つようになる。測定磁界が印加されるとこの角度が更に小さくなる。
【００８０】
一般に、ＣＩＰ−ＧＭＲ素子は、各層の磁化のなす角度が９０度近辺の場合に最も大きな磁気抵抗変化を示すので、磁化の相対角が９０度に近づくような変化によって検出感度が向上して好ましい。ただし、短軸方向の異方性を付与するプロセスの分のコストがかかることになる。また、短軸方向の異方性のばらつきが発生して、ノイズが大きくなる可能性もある。
【００８１】
第１磁性層２２１および第２磁性層２２３として、ＦｅＣｏ合金あるいはホイスラー合金を用いると、高スピン偏極が得られて、抵抗変化率が大きくなるので好ましい。
【００８２】
（第３例）
第１乃至第２実施形態の磁気センサを構成する磁界検出部１１の第３例としては、図２０に示すように、磁化が長軸方向に固定された固着層２３１と、外部磁界を検知して磁化が回転する軟磁性体からなるフリー層２３３と、固着層とフリー層の間に設けられた非磁性導電層２３２とを積層した構成にすることができる。図２０に示すように、フリー層２３３の部分が、第１乃至第２実施態様の磁気センサを構成する磁気抵抗層１１Ａに対応する。図２０では、磁化が長軸方向に固着されている様子を矢印２３４で示している。
【００８３】
このような構成は、スピンバルブ型のＣＩＰ−ＧＭＲ素子と呼ばれるものであり、測定磁界によってフリー層２３３の磁化が回転して、固着層２３１の磁化の向きとなす角度が変化する。この角度変化が磁気抵抗変化として検出される。非磁性導電層２３２としては、例えばＣｕ含む非磁性金属を用いることができる。
【００８４】
固着層２３１の磁化を固着する方法としては、結晶磁気異方性または形状磁気異方性を利用する方法が一般的である。
【００８５】
この第３例の磁界検出部１１を用いた磁気センサは、長軸方向に長い構成をとっているので、長軸方向、すなわち図２０に示す矢印２３４の方向に大きな形状磁気異方性を付与することができる。
【００８６】
フリー層２３３に対して、磁場中で冷却などの処理を施すことで、短軸方向に異方性をつけても良い。こうすることにより、外部磁界がゼロの下でフリー層２３３と固着層２３１の磁化のなす角度を９０度近辺にすることができ、前述のように、最も大きな磁気抵抗変化を得ることができるので好ましい。ただし、短軸方向の異方性を付与するプロセスの分のコストがかかることになる。また、短軸方向の異方性のばらつきが発生して、ノイズが大きくなる可能性もある。
【００８７】
フリー層２３３および固着層２３１としては、ＦｅＣｏ合金あるいはホイスラー合金を用いると、高スピン偏極が得られて、抵抗変化率が大きくなるので好ましい。固着層２３１の結晶磁気異方性を高める方法としては、ＣｏＰｔ、ＣｏＰｄなどの合金、あるいは、ＦｅＰｔ、ＣｏＰｔ、ＣｏＰｄなどの規則相合金、あるいは、Ｃｏ／Ｐｄ、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｎｉなどの極薄の磁性層を多層積層したいわゆる人工格子膜を用いることが挙げられる。
【００８８】
次に、図２０に示す第３例の磁界検出部１１を用いた場合の固着層２３１の磁化を固着する方法について説明する。
【００８９】
固着層２３１の磁化を一方向（矢印２３４の方向）に向ける手法として、例えば、図２１に示すように、固着層２３１の下に厚さ２ｎｍ以下のＲｕ層２４１を介して反強磁性層２４２を設けることが挙げられる。
【００９０】
これは、一般に反強磁性体ピンニングとよばれるもので、反強磁性層２４２の最表面の磁化と固着層２３１の磁化とを交換結合させるものである。反強磁性層２４２中の磁化は外部磁界によって回転させるのが困難であり、固着層２３１の磁化はそれと強く交換結合しているため、一方向（矢印２３４の方向）に向いた状態が保持される。反強磁性層２４２からの交換磁界を一方向に揃えるには、例えば、磁界中で熱処理をすることで可能となる。
【００９１】
Ｒｕ層２４１は、反強磁性層２４２の最表面と固着層２３１の最下面の磁化を反強磁性交換結合させるため、また、交換結合強度を制御するために用いている。しかし、Ｒｕ層２４１を用いずに、固着層２３１を反強磁性層２４２の上に直接積層しても良い。こうすることで構造がシンプルになる利点が得られる。しかし、交換結合の制御が難しくなり、また、安定した交換結合磁界を得るのが困難になる場合がある。Ｒｕ層の代わりに、Ｒｈ層あるいはＣｕ層を用いても良い。
【００９２】
ピンニング層（反強磁性層）２４２に用いる反強磁性材料としては、ＩｒＭｎが安定して反強磁性状態を保つことができるので好ましい。
【００９３】
次に、図１９に示す第１磁性層２２１および第２磁性層２２３の構成について図２２を参照して詳細に説明する。図２２は磁界検出部１１の一例を示す断面図である。
【００９４】
図２２に示すように、第１磁性層２２１としては、軟磁性高電気抵抗層２５３ａと軟磁性低電気抵抗層２５１ａとがＲｕ層２５２ａを介して積層された構造を有している。軟磁性高電気抵抗層２５３ａと軟磁性低電気抵抗層２５１ａとがＲｕ層２５２ａを介して反強磁性交換結合している。また、第２磁性層２２３としては、軟磁性低電気抵抗層２５１ｂと軟磁性高電気抵抗層２５３ｂとがＲｕ層２５２ｂを介して積層された構造を有している。軟磁性低電気抵抗層２５１ｂと軟磁性高電気抵抗層２５３ｂとがＲｕ層２５２ｂを介して反強磁性交換結合している。軟磁性低電気抵抗層２５１ａ、２５１ｂは非磁性導電層２３２の側に設置する。
【００９５】
次に、図２１に示すフリー層２３３について図２３を参照して説明する。図２３は磁界検出部１１の一例を示す断面図である。図２３に示すように、フリー層２３３としては、軟磁性低電気抵抗層２５１と軟磁性高電気抵抗層２５３とがＲｕ層２５２を介して積層された構造を有している。軟磁性低電気抵抗層２５１と軟磁性高電気抵抗層２５３とがＲｕ層２５２を介して反強磁性交換結合している。
【００９６】
なお、図２０に示すフリー層２３３も図２３に示す場合と同様に、軟磁性低電気抵抗層２５１と軟磁性高電気抵抗層２５３とがＲｕ層２５２を介して積層された構造を有し、軟磁性低電気抵抗層２５１と軟磁性高電気抵抗層２５３とがＲｕ層２５２を介して反強磁性交換結合している構造としてもよい。
【００９７】
第１磁性層２２１、第２磁性層２２３、またはフリー層２３３を用いたＣＩＰ−ＧＭＲでは、伝導電子は非磁性導電層２３２とその上下にある軟磁性層（第１磁性層２２１、第２磁性層２２３、またはフリー層２３３）との界面で散乱されることで磁気抵抗変化を発生させる。このとき、軟磁性層（第１磁性層２２１、第２磁性層２２３、またはフリー層２３３）の厚さを厚くすると、熱揺らぎに起因するノイズを低減することができて、磁気センサの感度を高めることができる。
【００９８】
しかし、軟磁性層を厚くしてしまうと、電流が軟磁性層の内部にも多く流れてしまい、磁気抵抗変化の効率が低下する。そこで、軟磁性層の電気抵抗を高くすると、電子が軟磁性体の界面から侵入しにくくなり、やはり抵抗変化率は大きくならない。このため、軟磁性低電気抵抗層２５１ａ、２５１ｂ、２５１と軟磁性高電気抵抗層２５３ａ、２５３ｂ、２５３とがＲｕ層２５２ａ、２５２ｂ、２５２を介して積層した構造を用い、軟磁性低電気抵抗層２５１ａ、２５１ｂ、２５１が非磁性導電層２３２に接するようにすれば、伝導電子は界面から軟磁性低電気抵抗層２５１ａ、２５１ｂ、２５１の内部に侵入して散乱される。しかし、軟磁性高電気抵抗層２５３ａ、２５３ｂ、２５３との界面で反射され再び非磁性導電層２３２との界面に達し、結果として散乱回数が増え、抵抗変化率を大きくすることができる。
【００９９】
一方、軟磁性低電気抵抗層２５１ａ、２５１ｂ、２５１はＲｕ層２５２を介して軟磁性高電気抵抗層２５３ａ、２５３ｂ、２５３と交換結合しているので、磁化の回転は一体化して起こり、そのため磁気的な体積が大きくなり、熱揺らぎ起因のノイズを低減することができる。
【０１００】
軟磁性低電気抵抗層２５１ａ、２５１ｂ、２５１の材料としては、ＦｅＣｏ合金あるいはホイスラー合金を用いることで、非磁性導電層２３２との界面でのスピン偏極度を高くすることができるので磁気抵抗変化率が大きくなって好ましい。また、軟磁性高電気抵抗層２５３ａ、２５３ｂ、２５３の材料としては、ＣｏＦｅＳｉ、ＣｏＦｅＳｉＢ、ＣｏＺｒＮｂ、ＣｏＦｅＢ、を含むアモルファス合金とすることで、良好な軟磁気特性を得ることができて好ましい。
【０１０１】
（磁気センサの製造方法）
次に、第１実施形態の磁気センサ１の製造方法について図２４（ａ）乃至図２６（ｂ）を参照して説明する。図２４（ａ）乃至図２４（ｃ）は、製造方法を示す平面図。図２５（ａ）乃至図２６（ｂ）は、図２４（ｂ）、（ｃ）に示す切断線２７１で切断した断面図である。
【０１０２】
まず、図２５（ａ）に示すように、基板２８１の上に、所望の特性を持つ下地層２８２、磁気抵抗層１１Ａ、保護層２８３を成膜する。下地層２８２は磁気抵抗層１１Ａの結晶性や磁気特性の制御、密着性向上といった目的で、適宜用いられる。保護層２８３はプロセス中の磁気抵抗層１１Ａへのダメージを抑制する、または磁気センサの形成後の保護の目的で堆積される。
【０１０３】
その後、保護層２８３上にレジスト２８４を塗布し、露光および現像を行ってレジスト２８４からなるマスクパターンを形成する。このマスクパターンを用いて、保護層２８３、磁気抵抗層１１Ａ、および下地層２８２をエッチングし、所望の形状にパターニングする。図２４（ａ）、図２５（ａ）はこのパターニングを行った後を示す平面図および断面図である。図２４（ａ）に示すように、磁気抵抗層１１Ａは帯状に加工されている。一般にマスクを介したエッチングプロセスを行うと、台形状に加工される。その状態を図２５（ａ）に示す。
【０１０４】
次に、パターニング後のレジストを残したまま、非磁性絶縁体１２、磁界収束体１３、絶縁保護層２８５を順に成膜する。この状態を図２５（ｂ）に示す。絶縁保護層２８５は後述の磁界収束体の加工等のプロセス中のダメージを抑制し、また、意図しない電気的短絡を防ぐために堆積される。
【０１０５】
その後、レジスト２８４を剥離して磁気抵抗層１１Ａの上に堆積された非磁性絶縁体１２、磁界収束体１３、絶縁保護層２８５を、リフトオフ法を用いて除去する。続いて、バリや残渣などを研磨で除去し、表面を平坦化する。この状態を図２４（ｂ）および図２５（ｃ）に示す。上述のように、パターニングされた磁気抵抗層１１Ａは台形状の断面形状を有しているので、側壁には非磁性絶縁体１２、磁界収束体１３、絶縁保護層２８５が堆積される。リフトオフ後は、図２４（ｂ）に示すように、磁気抵抗層１１Ａの端部の外側に非磁性絶縁体１２と磁界収束体１３が現れる。図２４（ｂ）においては、この後の説明を容易にするため、絶縁保護層２８５の形状は省略してある。
【０１０６】
続いて、磁界収束体１３の形状加工のために、再度レジスト２８６を磁界収束体１３および絶縁保護膜２８５上に塗布する。このレジスト２８６を、リソグラフィー技術を用いて所望の形状に露光および現像し、レジストマスクを形成する。この状態を図２６（ａ）に示す。このレジストマスク２８６を介してエッチングプロセスを行い、磁界収束体１３を加工し、レジストマスク２８６を除去する。この状態を図２４（ｃ）、図２６（ｂ）に示す。
【０１０７】
以上の加工プロセスを用いることにより、磁気抵抗層１１Ａと磁界収束体１３との間の距離は、非磁性絶縁体１２を成膜する厚さで制御できることになる。これにより、第１乃至第２実施形態の磁気センサに必要な、数ｎｍから５０ｎｍの範囲を容易に制御することができる。また、図２４（ａ）乃至図２６（ｂ）からわかるように、磁気抵抗層１１Ａに適切な下地層と保護層を設けることにより、磁気抵抗層１１Ａの厚さを磁界収束体１３よりも薄くすることができ、また、磁界収束体１３の膜厚方向のほぼ中央の位置に磁気抵抗層１１Ａを配置することができるので、磁気抵抗層１１Ａの端部の磁荷から発生する漏洩磁界を効果的に磁界収束体１３に吸収させて反磁界を低く抑えることができる。
【０１０８】
なお、磁気抵抗層１１Ａを、図１４または図１５に示す形状に加工する場合は、図２４（ａ）に示すプロセスにおいて、図１４または図１５に示す磁気抵抗層１１Ａの形状になるように加工マスクを設定し、図２６（ａ）、２６（ｂ）に示すプロセスにおいて、最も外側の磁気抵抗層１１Ａの外側にのみ磁界収束体１３が形成されるような加工マスクを用いればよい。
【０１０９】
なお、図２４（ｃ）において、磁気抵抗層１１A短軸側の端面にも非磁性絶縁体１２がある。磁気抵抗層１１Aに電流を印加するための導線を接続する際には、この非磁性絶縁体１２を避けるか、一部を削除して配置すればよい。図１の模式図はこのような措置をした後の状態を模式的に示したものである。
【０１１０】
（ノイズレベルの見積もり）
次に、第３実施形態による磁気センサのノイズレベルの見積もりを行った。図２７（ａ）、２７（ｂ）にその結果を示す。図２７（ａ）は想定している磁気センサの概要を模式的に示したものである。
【０１１１】
この磁気センサは磁界検出部１１の磁気抵抗層１１Ａとして図２０に示すＣＩＰ−ＧＭＲ素子１７１を用いた構成を有している。このＣＩＰ−ＧＭＲ素子１７１は、幅が４μｍ、長さが８００μｍ、厚さが１５ｎｍの寸法を有している。磁界収束体１３ａ、１３ｂの磁界検出部１１側の長さを８００μｍ、反対側の長さを１０ｍｍ、厚さを６００ｎｍ、磁界強度の拡大率を４００倍とした。磁界検出部１１の抵抗Ｒが４ｋΩ（ジョンソンノイズ：〜６ｎＶ）、印加電圧Ｖｂが１．２Ｖ（０．３６ｍＷ）、抵抗変化率（ｄＲ／Ｒ）を２０％と仮定した。ＡＭＲの文献値より、１Ｈｚでのノイズ（１／ｆノイズ＋ジョンソンノイズ）を５０ｎＶ／Ｈｚ０．５とした。
【０１１２】
図１０、１１に示したように、磁界検出部１１と磁界収束体１３との間の距離を５０ｎｍ以下にする、すなわち磁界検出部１１の短軸方向の長さの１／２以下にすることにより、飽和磁界Ｈｋ（感度の逆数）を半分程度に小さくすることができる。この結果を基に、磁界検出部１１と磁界収束体１３との間の距離を徐々に小さくしていくことで２×Ｈｋが８０、４０、２０、１０Ｏｅと減少していくと仮定した。図１０，１１の計算では軟磁性体の長軸と短軸の比が１０であったが、本見積もりでは２００であるので飽和磁界Ｈｋの低減率はより大きくなると予想されるが、その分は考慮していない。この２×Ｈｋを横軸として、縦軸にｐＴ（ピコテスラ）当たりの出力電圧、および信号出力がノイズレベルと一致する磁界強度、すなわち限界検出磁界強度Ｄを図２７（ｂ）にプロットした。図２７（ｂ）からわかるように、１ｐＴを切る磁界の検出が期待できることがわかった。この結果は、これまで述べてきたように、第１乃至第３実施形態による磁気センサを用いることにより、低ノイズ化と高感度化が達成できたことによるものである。
【０１１３】
（第４実施形態）
次に、第１乃至第３実施形態のいずれかの磁気センサを、脳神経が発する磁界を検出する脳磁計に用いることができる。これを第４実施形態として説明する。
【０１１４】
第４実施形態による磁気センサ装置について、図２８を参照して説明する。この第４実施形態の磁気センサ装置１００は脳磁計であって、図２８の左側の図は、この脳磁計１００を人体の頭部に装着した状態を模式的に示す。この脳磁計１００は、複数のセンサ部、例えば１００個程度のセンサ部３０１が柔軟性のある基体３０２の上に設置された構成を有している。
【０１１５】
このセンサ部３０１は、第１乃至第３実施形態およびそれらの変形例のいずれかによる磁気センサが１個配置されていても良いし、複数個配置されていても良い。また、複数の磁気センサが差動検出等の回路を構成していても良いし、また、電位端子や加速度センサなどの別のセンサが同時に設置されていても良い。第１乃至第３実施形態およびそれらの変形例のいずれかによる磁気センサは、従来のＳＱＵＩＤ磁気センサに比べて非常に小さく作成できるので、このような複数のセンサ部の設置や回路の設置や他のセンサとの共存も容易である。
【０１１６】
柔軟性のある基体３０２は、例えばシリコーン樹脂などの弾性体からなり、帯状に各センサ部３０１をつないで頭部に密着できるように構成されている。基体３０２は連続した膜を帽子状に加工したものでも良いが、図２８に示すようなネット状のものが、装着性が良く、また人体への密着性が向上するので好ましい。
【０１１７】
センサ部３０１の入出力コード３０３は、診断装置５００のセンサ駆動部５０６および信号入出力部５０４とつながっている。センサ駆動部５０６からの電力と信号入出力部５０４からの制御信号に基づきセンサ部３０１は所定の磁界測定を行い、その結果は、並行して信号入出力部５０４へ入力される。信号入出力部５０４で得た信号はその後、信号処理部５０８へ送られ、この信号処理部５０８において、ノイズの除去、フィルタリング、増幅、信号演算などの処理が施される。その後、これらの信号は、脳磁計測のための特定の信号を抽出したり、信号位相を合わせたりする信号解析が信号解析部５１０において行われる。信号解析が終了したデータは、データ処理部５１２に送られる。データ処理部５１２では、ＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging）などの画像データやＥＥＧ（Electroencephalogram）などの頭皮電位情報なども取り入れて、神経発火点解析や逆問題解析などの、データ解析を行う。その結果は画像化診断部５１６へ送られ、診断の助けとなるような画像化が行われる。これら一連の動作は制御機構５０２によって制御されており、一次信号データやデータ処理途中のメタデータなど、必要なデータは、データサーバに保存される。なお、図２８に示すようにデータサーバと制御機構が一体化していても良い。
【０１１８】
図２８に示す第４実施形態では、センサ部３０１が人体頭部に設置されているが、これを人体胸部に設置すれば、心磁測定が可能となる。また、妊婦の腹部に設置すれば、胎児の心拍検査に用いることもできる。
【０１１９】
被験者を含めた磁気センサ装置全体は、地磁気や磁気ノイズを防ぐためにシールドルーム内に設置されるのが好ましい。あるいは、人体の測定部位やセンサ部３０１を局所的にシールドする機構を設けても良い。また、センサ部３０１にシールド機構を設けたり、信号解析やデータ処理で実効的なシールドを行っても良い。
【０１２０】
図２８に示す磁気センサ１００は、高感度磁気センサを備えたセンサ部３０１が柔軟性のある基体３０２に設置されているが、従来の脳磁計や心磁計のように、固定された基体に設置されていても構わない。その例を図２９および図３０に示す。図２９は脳磁計の一例であるが、ヘルメット状の硬質の基体３０４上にセンサ部３０１が設置されている。図３０は心磁計の一例であるが、平板状の硬質の基体３０５上にセンサ部３０１が設置されている。いずれの場合も、センサ部３０１からの信号の入出力とその処理は図２８と同様である。
【０１２１】
（センサ部）
上記の脳磁計や心磁計におけるセンサ部３０１を構成する一実施例として、複数の磁気センサをブリッジ接続しても良い。この実施例を図３１に示す。４つの磁界検出部１１が矩形上に配置されており、各磁界検出部１１は図３１に示すようなブリッジ接続をされ、矢印１７の方向の磁界を検出する。図３１の左上と右下の磁界検出部１１が、第１乃至第３実施形態およびそれらの変形例のいずれかによる磁気センサを構成する。この磁界検出部１１を挟むように非磁性絶縁体１２が設けられ、この非磁性絶縁体１２に対して磁界検出部１１と反対側に磁界収束体１３が設けられている。
【０１２２】
上述のように、磁界収束体１３を設けた磁気センサは測定磁界の増強効果により、磁界収束体を設けない場合に比べて、桁違いに大きな出力信号を出す。従って、図３１において、左上と右下の磁界検出部１１は測定磁界に応じて抵抗が変化するが、左下と右上の磁界検出部１１は実質的に測定磁界に応じて抵抗が変化しない固定抵抗となる。
【０１２３】
図３１の構成で測定磁界が印加されると、図３１の左上と右下の磁界検出部１１が変化し、電圧検出部６００での検出電圧は、単体の電圧変化の二倍の出力を得ることができる。一方で、検出電圧は磁界検出部１１の電圧ではなく、図３１の右側と左側のブロック６００の電位差であるため、電流源６５０が本質的に持つノイズはキャンセルされる。すなわち、ノイズを抑えて出力を増やすことができる。
【０１２４】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【０１２５】
１,１Ａ，１Ｂ，１Ｃ・・・磁気センサ、１１・・・磁界検出部、１１Ａ・・・磁気抵抗層、１２，１２ａ，１２ｂ・・・非磁性絶縁体、１３，１３ａ、１３ｂ・・・磁界収束体、１４・・・磁界収束体の磁気抵抗層側の端面、１５・・・磁界収束体の磁気抵抗層側の反対側の端面、１６・・・検出回路，１７・・・測定磁界の方向、２１・・・磁気抵抗層、２２・・・磁気抵抗層内の磁化、２３・・・磁気抵抗層の長軸側の端面、２４ａ，２４ｂ・・・磁化の回転により発生した磁荷、２５・・・磁気抵抗層の端部、１６１ａ，１６１ｂ・・・導電体、１７１・・・垂直通電型磁気抵抗素子、１８１・・・固着層、１８２・・・非磁性中間層、１８３・・・フリー層、１８４・・・導線、２１１・・・磁気抵抗層、２１２・・・  非磁性下地層、２２１・・・軟磁性体からなる第１磁性層、２２２・・・非磁性導電層、２２３・・・軟磁性体からなる第２磁性層、２３１・・・固着層、２３２・・・非磁性導電層、２３３・・・フリー層、２３４・・・長軸方向、２４１・・・Ｒｕ層、２４２・・・反強磁性層、２５１ａ，２５１ｂ・・・軟磁性低電気抵抗層、２５２・・・Ｒｕ層、２５３ａ、２５３ｂ・・・軟磁性高電気抵抗層、２８１・・・基板、２８２・・・下地層、２８３・・・保護層、２８４・・・レジスト、２８５・・・絶縁保護層、２８６・・・レジスト、３０１・・・センサ部、３０２・・・基体、３０３・・・入出力コード、３０４・・・  基体、３０５・・・基体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
2020012831.tif 000024
【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
2020012831.tif 000030
【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【手続補正書】
【提出日】令和1年10月1日(2019.10.1)
【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】
第１方向に沿って延びた磁界検出部であって、
前記第１方向に垂直な第２方向に交差する第１面と、
前記第１方向および前記第２方向に垂直な第３方向に交差する第２面を有する第１磁性層と、
前記第３方向に交差する第３面を有する第２磁性層と、
前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に配置された非磁性導電層であって、前記非磁性導電層は、前記第３方向に交差する第４面および第５面を有し、前記第４面は前記第２面に対向し、前記第５面は前記第３面に対向する、前記非磁性導電層と、を備えた前記磁界検出部と、
前記第１方向に沿って延びた第１磁界収束体であって、前記第１磁界収束体は、前記第２方向に交差し前記第１面に対向する第６面を有し、前記第６面は前記第２方向において前記第１面と重なり、前記第１磁界収束体および前記磁界検出部は前記第２方向に沿って配置された、前記第１磁界検出体と、
前記第１面と前記第６面との間に配置された第１非磁性絶縁層と、
前記磁界検出部に電流を供給する回路と、
を備え、
前記磁界検出部は、前記第１方向において第１長さを、前記第２方向において第２長さを、前記第３方向において第３長さを有し、前記第１長さは前記第２長さの１０倍以上で、前記第３長さは前記第２長さの１／２以下であり、
前記第３方向における前記第１磁界収束体の長さは前記第３長さよりも長く、
前記第１非磁性絶縁層は１ｎｍ以上５０ｎｍ以下の長さを有する、
磁気センサ。
【請求項２】
前記第１磁性層および前記第２磁性層はそれぞれ、ＮｉＦｅ合金、ＦｅＣｏ合金あるいはホイスラー合金を含む、請求項１記載の磁気センサ。
【請求項３】
前記第１磁性層および前記第２磁性層は、前記非磁性導電層を介して互いに反強磁性結合をした、請求項１または２記載の磁気センサ。
【請求項４】
前記第１磁性層および前記第２磁性層はそれぞれ、
第１軟磁性層と、
前記第１軟磁性層よりも高い電気的抵抗を有する第２軟磁性層と、
前記第１軟磁性層と前記第２軟磁性層との間に配置された非磁性金属層と、
を備え、
前記第１軟磁性層および前記第２軟磁性層は、互いに反強磁性交換結合をし、前記第１軟磁性層は前記非磁性金属層に接した、請求項３記載の磁気センサ。
【請求項５】
前記第１磁性層の磁化は、前記第１方向に固定された、請求項１記載の磁気センサ。
【請求項６】
前記第１磁界収束体は、
前記第１磁性層に対して前記非磁性導電層と反対側に配置された反強磁性層と、
前記第１磁性層と前記反強磁性層との間に配置された非磁性金属層と、
を備えた、請求項５記載の磁気センサ。
【請求項７】
前記第２磁性層は、
第１軟磁性層と、
前記第１軟磁性層よりも高い電気的抵抗を有する第２軟磁性層と、
前記第１軟磁性層と前記第２軟磁性層との間に配置された非磁性金属層と、
を備え、
前記第１軟磁性層および前記第２軟磁性層は、互いに反強磁性交換結合をし、前記第１軟磁性層は前記非磁性金属層に接する、請求項５記載の磁気センサ。
【請求項８】
前記第１磁性層および前記第２磁性層のいずれかは、ＦｅＣｏ合金またはホイスラー合金を含む、請求項５記載の磁気センサ。
【請求項９】
前記第１軟磁性層は、ＦｅＣｏ合金またはホイスラー合金を含む、請求項４記載の磁気センサ。
【請求項１０】
前記第２軟磁性層は、アモルファスであり、ＣｏＦｅＳｉ、ＣｏＦｅＳｉＢ、ＣｏＺｒＮｂ、およびＣｏＦｅＢのいずれかを含む、請求項４記載の磁気センサ。
【請求項１１】
前記非磁性導電層は、Ｃｕを含む、請求項３記載の磁気センサ。
【請求項１２】
前記磁界検出部に対して前記第１磁界収束体と反対側に設けられ、前記第３長さより前記第３方向の長さが長い第２磁界収束体と、
前記磁界検出部と前記第２磁界収束体との間に配置され、第２方向の長さが前記第２長さの１／２以下である第２非磁性絶縁層と、
を更に備えた、請求項１乃至１１のいずれかに記載の磁気センサ。
【請求項１３】
前記第２非磁性絶縁層は、前記第２方向の長さが１ｎｍ以上５０ｎｍ以下である、請求項１２記載の磁気センサ。
【請求項１４】
前記第１磁界収束体および前記第２磁界収束体は、ＮｉＦｅ合金、ＦｅＣｏ合金、およびホイスラー合金のいずれかを含む請求項１２または１３記載の磁気センサ。
【請求項１５】
請求項１乃至１４のいずれかの磁気センサと、
前記磁気センサからの磁界検出信号を処理および解析する処理解析回路と、前記処理解析回路の解析結果を画像化する画像化回路と、を備えた診断装置と、を備えた、磁気センサ装置。
【請求項１６】
前記磁気センサは脳からの磁界を検出する、請求項１５記載の磁気センサ装置。
【請求項１７】
前記磁気センサは心臓からの磁界を検出する、請求項１５記載の磁気センサ装置。