(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力信号が印加される入力配線と、
前記入力配線が前記入力信号に応じて発生した磁界に対応した値をとる検出信号を出力する磁気抵抗効果素子である検出用素子と、
前記検出用素子と同一構造の磁気抵抗効果素子であり、一定の値をとる参照信号を出力する参照用素子とを備え、
前記検出信号と前記参照信号の差に基づいて出力信号を生成する
ことを特徴とする磁気レベルシフタ。
【請求項２】
前記入力配線は、前記検出用素子に対向する面を除く表面が磁性材料で覆われている
請求項１記載の磁気レベルシフタ。
【請求項３】
前記検出用素子および前記参照用素子を覆う層間絶縁膜と、
前記検出用素子および前記参照用素子と前記層間絶縁膜との間に配設され、前記検出用素子および前記参照用素子を保護する保護膜とをさらに備える
請求項１または請求項２記載の磁気レベルシフタ。
【請求項４】
前記検出用素子の抵抗値の補償を行うために当該検出用素子に既知の磁界を与えることが可能な補償用配線をさらに備える
請求項１から請求項３のいずれか一つに記載の磁気レベルシフタ。
【請求項５】
前記補償用配線は、前記検出用素子に対向する面を除く表面が磁性材料で覆われている
請求項４記載の磁気レベルシフタ。
【請求項６】
前記検出用素子および参照用素子のそれぞれは、
磁化方向が固定された磁性層である固定層と、
外部磁界により磁化方向が変化する磁性層である自由層と、
前記固定層と前記自由層の間に配設された非磁性層とを含む
請求項１から請求項５のいずれか一つに記載の磁気レベルシフタ。
【請求項７】
前記参照用素子を２つ有し、
一方の参照用素子は、固定層の磁化方向と自由層の無磁界時の磁化方向とが同じ向きであり、
他方の参照用素子は、固定層の磁化方向と自由層の無磁界時の磁化方向とが逆向きである
請求項６記載の磁気レベルシフタ。
【請求項８】
前記検出用素子および前記参照用素子は形状磁気異方性を有し、
前記検出用素子と前記参照用素子とは、長手方向が９０度異なるように配設されている
請求項７記載の磁気レベルシフタ。
【請求項９】
前記検出用素子と前記参照用素子とは、磁化容易軸の方向が９０度異なっている
請求項７記載の磁気レベルシフタ。
【請求項１０】
前記参照用素子の周囲には、外部磁界を遮断する磁気シールドが設けられている
請求項７記載の磁気レベルシフタ。
【請求項１１】
前記入力配線および前記検出用素子を各チャンネルごとに設けて多チャンネル化した
請求項７から請求項１０のいずれか一つに記載の磁気レベルシフタ。
【請求項１２】
前記参照用素子に一定の磁界を与える磁界発生用配線をさらに備える
請求項１から請求項５のいずれか一つに記載の磁気レベルシフタ。
【請求項１３】
前記検出用素子および参照用素子のそれぞれは、
磁化方向が固定された磁性層である固定層と、
外部磁界により磁化方向が変化する磁性層である自由層と、
前記固定層と前記自由層の間に配設された非磁性層とを含む
請求項１２記載の磁気レベルシフタ。
【請求項１４】
前記参照用素子を２つ有し、
２つの前記参照用素子は、固定層の磁化方向が互いに同じ向き、且つ、自由層の無磁界時の磁化方向も互いに同じ向きであり、
前記磁界発生用配線は、２つの前記参照用素子に対し、互いに逆向きの磁界を与える
請求項１３記載の磁気レベルシフタ。
【請求項１５】
前記磁界発生用配線は、２つの前記参照用素子に対し、互いに逆向きの磁界を与えるように折り返された１本の配線である
請求項１４記載の磁気レベルシフタ。
【請求項１６】
前記検出用素子および前記参照用素子は形状磁気異方性を有し、
前記検出用素子と前記参照用素子とは、長手方向が同じになるように配設されている
請求項１４または請求項１５記載の磁気レベルシフタ。
【請求項１７】
前記検出用素子と前記参照用素子とは、磁化容易軸の方向が同じである
請求項１４または請求項１５記載の磁気レベルシフタ。
【請求項１８】
前記入力信号の活性化により入力配線から磁界が与えられた状態での前記検出用素子の自由層の磁化方向と、前記磁界発生用配線から磁界が与えられた状態での片方の前記参照用素子の自由層の磁化方向とが同じ方向である
請求項１６または請求項１７記載の磁気レベルシフタ。
【請求項１９】
前記検出用素子および前記参照用素子は形状磁気異方性を有し、
前記検出用素子と前記参照用素子とは、長手方向が９０度異なるように配設されている
請求項１４または請求項１５記載の磁気レベルシフタ。
【請求項２０】
前記検出用素子と前記参照用素子とは、磁化容易軸の方向が９０度異なっている
請求項１４または請求項１５記載の磁気レベルシフタ。
【請求項２１】
前記磁界発生用配線から磁界が与えられた状態での２つの前記参照用素子の自由層の磁化方向は互いに逆向きになる
請求項１９または請求項２０記載の磁気レベルシフタ。
【請求項２２】
前記磁界発生用配線から磁界が与えられた状態での片方の前記参照用素子では、自由層の磁化方向と固定層の磁化方向とが逆向きになる
請求項１９または請求項２０記載の磁気レベルシフタ。
【請求項２３】
前記入力配線および前記検出用素子を各チャンネルごとに設けて多チャンネル化した
請求項１４から請求項２２のいずれか一つに記載の磁気レベルシフタ。
【請求項２４】
前記磁界発生用配線に流れる電流と、前記入力配線に流れる電流とは、それぞれ異なる電源から供給される
請求項１２から請求項２３のいずれか一つに記載の磁気レベルシフタ。
【請求項２５】
前記磁界発生用配線に流れる電流と、前記入力配線に流れる電流とは、同一の電源からそれぞれスイッチング素子を介して供給される
請求項１２から請求項２３のいずれか一つに記載の磁気レベルシフタ。
【請求項２６】
前記入力配線が発生する磁界は、前記参照用素子にも与えられ、
前記入力配線が前記参照用素子に与える前記磁界の向きは、当該参照用素子の自由層の無磁界時の磁化方向と同じ向きである
請求項６記載の磁気レベルシフタ。
【請求項２７】
前記検出用素子と前記参照用素子は、固定層の磁化方向が互いに同じ向き、且つ、自由層の無磁界時の磁化方向も互いに同じ向きであり、
前記入力配線が検出用素子に与える前記磁界の向きと、前記入力配線が前記参照用素子に与える前記磁界の向きとは９０度異なっている
請求項２６記載の磁気レベルシフタ。
【請求項２８】
前記検出用素子および前記参照用素子は形状磁気異方性を有し、
前記検出用素子と前記参照用素子とは、長手方向が同じになるように配設されている
請求項２７記載の磁気レベルシフタ。
【請求項２９】
前記検出用素子と前記参照用素子とは、磁化容易軸の方向が同じである
請求項２７記載の磁気レベルシフタ。
【請求項３０】
前記入力配線からの磁界が与えられたときの前記参照用素子では、自由層の磁化方向と固定層の磁化方向との角度が９０度である
請求項１９または請求項２０記載の磁気レベルシフタ。
【請求項３１】
前記入力配線、前記検出用素子および前記参照用素子を各チャンネルごとに設けて多チャンネル化した
請求項２６から請求項３０のいずれか一つに記載の磁気レベルシフタ。
【請求項３２】
ワイドバンドギャップ半導体基板を用いて形成された
請求項１から請求項３１のいずれか一つに記載の磁気レベルシフタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はレベルシフト技術に関し、特に、磁気抵抗効果素子を用いた磁気レベルシフタに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
磁気抵抗（ＭＲ：magnetoresistive）効果は、磁性体に磁界を加えるとその電気抵抗が変化する現象であり、磁界センサや磁気ヘッドなどの動作に利用されている。非常に大きな磁気抵抗効果を示す巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：giant magnetoresistance）効果材料として、Ｆｅ／Ｃｒ、Ｃｏ／Ｃｕ等の人工格子膜が、下記の非特許文献１，２に開示されている。
【０００３】
また、強磁性層間の交換結合作用がなくなる程度に厚い非磁性金属層（非磁性層）を含む、強磁性層／非磁性層／強磁性層／反強磁性層からなる積層構造を用いた磁気抵抗効果素子が提案されている。この積層構造では、一方の強磁性層（固定層）は反強磁性層と交換結合し、その磁気モーメントが固定され、もう一方の強磁性層（自由層）のスピンのみが外部磁場により容易に反転する。これがいわゆる「スピンバルブ膜」として知られる素子である。
【０００４】
スピンバルブ膜を用いた磁気抵抗素子では、２つの強磁性層間の交換結合が弱いため、自由層のスピンは小さな外部磁場で反転することができる。このため、スピンバルブ膜を用いた磁気抵抗素子によれば、交換結合膜を用いた素子よりも高い感度を得ることができる。
【０００５】
スピンバルブ膜は、高密度磁気記録用再生ヘッドに用いられており、使用の際には膜面内方向に電流が流される。スピンバルブ膜に用いられる反強磁性体としては、ＦｅＭｎ、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ等が知られている。一方、下記の非特許文献３には、膜面に対して垂直方向に電流を流す垂直磁気抵抗効果を利用すれば、より大きな磁気抵抗効果が得られることが示されている。
【０００６】
下記の非特許文献４には、強磁性トンネル接合によるトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：tunneling magneto-resistive）効果が示されている。トンネル磁気抵抗は、強磁性層／絶縁層／強磁性層からなる３層膜において、外部磁界により２つの強磁性層のスピンを互いに平行にしたときと反平行にしたときとで膜面垂直方向のトンネル電流の大きさが異なることを利用したものである。
【０００７】
ＧＭＲ素子やＴＭＲ素子を磁界検出器として用いる検討もされている。この場合、保磁力の異なる２つの強磁性層で非磁性金属層を挟んだ擬スピンバルブ型や、前述のスピンバルブ型の磁気抵抗効果素子の使用が検討されている。
【０００８】
ＧＭＲ素子やＴＭＲ素子を磁界検出器へ利用する場合、各素子が有する２つの磁性層の相対角が外部磁界に応答して変化するように構成する。各素子の抵抗値は２つの磁性層の相対角に応じて変化するため、例えば各素子に定電流を流して電圧の変化を検出することにより磁界を検出できる。この電圧信号の読み出しはＧＭＲ効果やＴＭＲ効果を利用して行われる。ＧＭＲ素子やＴＭＲ素子を用いた磁界検出器は、高精度な磁界検出が可能であるのみならず、高温下でも安定した動作が可能であるという特長がある。
【０００９】
また、複数個の磁気抵抗効果素子を用いてブリッジ回路を構成し、かつ固定層の磁化方向が逆向きの素子を組み合わせることでより高性能な磁界検出器を実現できることも知られている（例えば下記の特許文献１）。
【００１０】
さて、配線に電流を流すと周囲に磁界が発生するが、その磁界を磁気抵抗効果素子を用いて検出させれば、配線に流す電流を入力信号、磁気抵抗効果素子の電圧出力を出力信号とするレベルシフタを構成することができる。磁気を用いたレベルシフト技術は、例えば下記の特許文献２に開示されている。
【００１１】
レベルシフト技術としては、一般的に光システムを用いるものがよく知られている。光システムによるレベルシフタでは、入力電気信号を光に換える発光素子と光信号を受け取って再び電気信号に換える受光素子とが必要になるが、それらは外付けで実装されるため、レベルシフタの小型化が困難であると共に機械的な信頼性の問題が懸念される。また、発光素子および受光素子の温度特性のため、高温下での動作も難しい。
【００１２】
また他のレベルシフト技術としては、容量結合を用いたものが知られている（下記の特許文献３）。容量結合レベルシフト素子は、ＩＣチップ上へのモノリシック化が容易という特長がある。しかし、必要な容量を確保するため絶縁層の厚さに限界があるので高耐圧化が困難であり、サージノイズに対する強度が問題となる場合がある。
【００１３】
一方、磁気レベルシフト技術では、信号を入力する配線と、信号を出力する磁気抵抗効果素子が必要となるが、それらは半導体デバイスの製造プロセスを用いて同一基板上に形成できるため、モノリシック化が容易である。さらに、磁界は光と同様に空間的に離れた位置でも一定の強度を保てるため、入力側と出力側の間に電気的な接続を必要とせず、高い絶縁性を備えたレベルシフタが実現できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特許第３０１７０６１号公報
【特許文献２】特表２００５−５１５６６７号公報
【特許文献３】特開平１１−１３６２９３号公報
【非特許文献】
【００１５】
【非特許文献１】D. H. Mosca et al., "Oscillatory interlayer coupling and giant magnetoresistance in Co/Cu multilayers", Journal of Magnetism and Magnetic Materials 94 （1991） pp.L1-L5
【非特許文献２】S. S. P. Parkin et al., "Oscillatory Magnetic Exchange Coupling through Thin Copper Layers", Physical Review Letters, vol.66, No.16, 22 April 1991, pp.2152-2155
【非特許文献３】W. P. Pratt et al., "Perpendicular Giant Magnetoresistances of Ag/Co Multilayers", Physical Review Letters, vol.66, No.23, 10 June 1991, pp.3060-3063
【非特許文献４】T. Miyazaki et al., "Giant magnetic tunneling effect in Fe/Al2O3/Fe junction", Journal of Magnetism and Magnetic Materials 139 （1995）, pp.L231-L234
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
上記のように磁気レベルシフト素子は容量結合素子と同様にモノリシック化が容易という特長があるが、高信頼で安定した動作をさせるためにブリッジ回路を構成すると、磁気抵抗効果素子が少なくとも４個必要となり、基板（チップ）上で必要な素子面積が大きくなるため小型化に難がある。
【００１７】
特に、ブリッジ回路を用いる多チャンネルのレベルシフタを同一基板上に構成すると、チップサイズが大きくなり、モノリシック化による小型化・高機能化の特長が失われるばかりか、チップコスト増大に繋がる。従って、高温下での動作安定性、高耐圧性および高サージノイズ耐性といった磁気抵抗効果素子のメリットを充分に活かした実用的な磁気レベルシフタは実現されていなかった。
【００１８】
本発明は以上のような課題を解決するためになされたものであり、多チャンネル化しても形成面積の増大を抑えることができる磁気レベルシフタ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】
【００１９】
本発明に係る磁気レベルシフタは、入力信号が印加される入力配線と、前記入力配線)が前記入力信号に応じて発生した磁界に対応した値をとる検出信号を出力する磁気抵抗効果素子である検出用素子と、前記検出用素子と同一構造の磁気抵抗効果素子であり、一定の参照電圧を出力する参照用素子とを備え、前記検出信号と前記参照電圧の差に基づいて出力信号を生成するものである。
【発明の効果】
【００２０】
本発明に係る磁気レベルシフタによれば、従来のブリッジ回路を用いた構成よりも、多チャンネル化する場合に必要となる時期抵抗効果素子の数が抑えられる。よって磁気レベルシフタの形成面積の縮小化を図ることができ、装置の小型化および製造コストの削減に寄与できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】磁気抵抗効果素子の磁界検出動作を説明するための図である。
【図２】磁気抵抗効果素子の抵抗値と磁界との関係を示すグラフである。
【図３】実施の形態１に係るレベルシフタの基本構成を示す図である。
【図４】実施の形態１に係るレベルシフタにおける磁気抵抗効果素子の積層構造を示す図である。
【図５】実施の形態１に係るレベルシフタの部分断面図である。
【図６】実施の形態１に係るレベルシフタの配線構造を示す断面図である。
【図７】実施の形態２に係るレベルシフタの変形例を示す部分断面図である。
【図８】実施の形態３に係るレベルシフタの基本構成を示す図である。
【図９】実施の形態４に係る多チャンネル型レベルシフタの概略構成図である。
【図１０】実施の形態５に係る多チャンネル型レベルシフタの概略構成図である。
【図１１】実施の形態６に係る多チャンネル型レベルシフタの概略構成図である。
【図１２】実施の形態７に係る多チャンネル型レベルシフタの概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
【００２３】
まず、本発明に係る磁気レベルシフタの説明に先立って、磁気抵抗効果素子における磁界検出動作について図１を参照して説明する。図１のように、スピンバルブ型磁気抵抗効果素子１００は、固定層１０１（磁性層）、非磁性層１０２および自由層１０３（磁性層）の積層構造を含んでいる。
【００２４】
図１の例では、自由層１０３の無磁界時の磁化方向１００ｂは、固定層１０１の磁化方向１００ａに対しほぼ９０度の角度を成すように設定されている。固定層１０１の磁化方向１００ａに沿った向きに磁界が印加されると、自由層１０３の磁化方向が新たな方向１００ｃへと変化する。このとき、磁気抵抗効果素子１００の抵抗値は、自由層１０３の磁化方向１００ｂと固定層１０１の磁化方向１００ａが成す角に応じて決まる。
【００２５】
すなわち、固定層１０１の磁化方向１００ａを基準（０度）とし、磁界印加時の自由層１０３の磁化方向１００ｃが固定層１０１の磁化方向１００ａと成す角をθとすると、磁気抵抗効果素子１００の抵抗値Ｒの変化量はｃｏｓθに比例する。自由層１０３が一軸異方性を持った軟磁性膜である場合、ｃｏｓθ＝Ｈ／｜Ｈｋ｜となる。Ｈは印加された磁界、Ｈｋは自由層１０３の異方性磁界である。
【００２６】
図２は、磁気抵抗効果素子１００の抵抗値Ｒと印加磁界Ｈとの関係を示すグラフである。同図の如く、Ｒ＝Ｒｍ＋（ΔＲ／２）・（Ｈ／｜Ｈｋ｜）の関係が得られる。ここでＲｍは、磁気抵抗効果素子１００がとり得る抵抗の最大値と最小値との中間値であり、無磁界時の磁気抵抗効果素子１００の抵抗値である。またΔＲは、磁気抵抗効果素子１００の磁気抵抗変化率である。磁気抵抗効果素子１００の抵抗値Ｒは磁界Ｈに比例するため、抵抗値Ｒを測定すれば磁界Ｈの大きさを知ることができる。また、固定層１０１の磁化方向１００ａに沿った方向で検出可能な磁界の範囲、すなわち磁気抵抗効果素子１００の動作領域はＨ≦｜Ｈｋ｜である。
【００２７】
＜実施の形態１＞
図３は、本発明の実施の形態１に係る磁気レベルシフタの基本構成を示す上面図である。当該レベルシフタは、１個の検出用磁気抵抗効果素子１１（以下、「検出用素子」と称す）と１対の参照用磁気抵抗効果素子２１，３１（以下、「参照用素子」と表記する。）を有している。
【００２８】
検出用素子１１および参照用素子２１，３１は、それぞれ図１の磁気抵抗効果素子１００と同様の積層構造を含むものであるが、図４にその構造の具体例を示す。検出用素子１１および参照用素子２１，３１のそれぞれは、図４の如く基板１０４上に第１電極層１０５、反強磁性層１０６、固定層（第１磁性層）１０１、非磁性層１０２、自由層（第２磁性層）１０３、第２電極層１０７をこの順に積層することにより構成できる。固定層１０１は反強磁性層１０６により磁化方向が固定され、自由層１０３は磁界に応じて磁化方向が変化する。
【００２９】
反強磁性層１０６、固定層１０１、非磁性層１０２、自由層１０３の積層順は、図４とは逆に、自由層１０３、非磁性層１０２、非磁性層１０２、反強磁性層１０６の順であってもよい。また、本実施の形態における固定層１０１と同様の機能を発揮できれば、必ずしも反強磁性層１０６を用いる必要はない。また、固定層１０１，自由層１０３、第１および第２電極層１０５，１０７の各々は多層構造のものであってもよい。
【００３０】
図３では、検出用素子１１および参照用素子２１，３１の面積を同じにして、それらの素子抵抗を等しくしている。ここで、検出用素子１１および参照用素子２１，３１が形状磁気異方性を有しその形状が長方向を有する形（例えば長方形や楕円）である場合、あるいは、検出用素子１１および参照用素子２１，３１の磁化容易軸の方向がその形状の長手方向である場合には、検出用素子１１および参照用素子２１，３１の各自由層における無磁界時の磁化方向１１ｂ，２１ｂ，３１ｂは素子の長手方向となる。
【００３１】
本実施の形態では、検出用素子１１および参照用素子２１，３１の各自由層における無磁界時の磁化方向１１ｂ，２１ｂ，３１ｂは素子の長手方向であり、図３のように、検出用素子１１および参照用素子２１，３１は、参照用素子２１，３１の長手方向がそれぞれ検出用素子１１の長手方向に対し９０度の角度を成すように配設されている。つまり無磁界時においては、検出用素子１１の自由層の磁化方向１１ｂと、参照用素子２１，３１の自由層の磁化方向２１ｂ，３１ｂとは互いに９０度異なる向きとなる。なお、参照用素子２１，３１の長手方向は同じ向きであり、無磁界時におけるそれらの自由層の磁化方向２１ｂ，３１ｂは互いに同じ向きである。
【００３２】
一方、検出用素子１１および参照用素子２１，３１それぞれの固定層の磁化方向１１ａ，２１ａ，３１ａに関しては、検出用素子１１の固定層の磁化方向１１ａと参照用素子２１の固定層の磁化方向２１ａとは互いに平行（平行かつ同一方向）に設定され、参照用素子２１の固定層の磁化方向２１ａと参照用素子３１の固定層の磁化方向３１ａとは互いに反平行（平行かつ逆方向）に設定されている。
【００３３】
従って、検出用素子１１においては、自由層の無磁界時の磁化方向１１ｂは、固定層の磁化方向１１ａに対して素子平面内で直交することになる。また参照用素子２１においては、自由層の無磁界時の磁化方向２１ｂは、固定層の磁化方向２１ａに対して平行になる。さらに参照用素子３１においては、自由層の無磁界時の磁化方向３１ｂは、固定層の磁化方向３１ａに対して反平行になる。
【００３４】
検出用素子１１の自由層と固定層には、それぞれ出力電圧（検出信号）を取り出すための信号検出用配線１１１が接続される。同様に、参照用素子２１の自由層と固定層にはそれぞれ信号検出用配線２１１が接続され、参照用素子３１の自由層と固定層にはそれぞれ信号検出用配線３１１が接続される。信号検出用配線１１１，２１１，３１１は、不図示の検出回路に接続される。これら信号検出用配線１１１，２１１，３１１は、レベルシフタの出力配線として機能する。
【００３５】
また検出用素子１１の近傍には、レベルシフタの入力信号を入力するための入力配線として機能する磁界発生用配線１１２が配設される。磁界発生用配線１１２は、検出用素子１１から絶縁膜を介して電気的に分離されており、例えば検出用素子の直上または直下に、検出用素子１１の自由層の無磁界時の磁化方向１１ｂに平行に配置される。磁界発生用配線１１２にレベルシフタの入力信号としての電流もしくは電圧が印加されると、その周囲に磁界が発生するが、磁界発生用配線１１２はその発生磁界を検出用素子１１が検出できる位置に配設される。
【００３６】
検出用素子１１および参照用素子２１，３１それぞれの固定層および自由層は、強磁性体である。強磁性体の材料としては、例えばＣｏ、Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ合金、Ｃｏ−Ｎｉ合金、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｎｉ合金、Ｆｅ−Ｎｉ合金など、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅを主成分とする合金、またＮｉ−Ｍｎ−Ｓｂ、Ｃｏ2−Ｍｎ−Ｇｅなどのホイスラー合金等がある。また、非磁性層は、Ａｌ、Ｔａ、Ｓｉ、Ｍｇ等の金属の酸化物、弗化物、窒化物などの絶縁体であればよく、またはそれらの積層構造であってもよい。
【００３７】
検出用素子１１および参照用素子２１，３１それぞれの固定層は、前述のように、反強磁性層上に積層されることにより磁化方向を固定されている。つまり、反強磁性層が固定層のスピンの向きを固定することで、固定層の磁化方向は一定に保たれる。反強磁性層の材料としては、Ｆｅなど保磁力が大きな強磁性材料、貴金属、ＦｅおよびＮｉの少なくとも１つとマンガンあるいは酸素との化合物（例えばＩｒ−Ｍｎ、Ｎｉ−Ｍｎ、Ｎｉ−Ｏ、Ｆｅ−Ｍｎ、Ｐｔ−Ｍｎなど）がある。
【００３８】
検出用素子１１および参照用素子２１，３１の積層構造を構成する各層は、ＤＣマグネトロンスパッタリングにより形成される。あるいは、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法、各種スパッタ法、化学気相成長（ＣＶＤ）法、蒸着法によって形成してもよい。
【００３９】
また、検出用素子１１および参照用素子２１，３１のパターニングは、例えばフォトリソグラフィ技術を用いることができる。フォトリソグラフィ技術を用いる場合、自由層、非磁性層および固定層となる膜をそれぞれ成膜後、その上にフォトレジストにより所望のパターンを形成する。そして当該フォトレジストをマスクにして、イオンミリングもしくは反応性イオンエッチングを行うことにより、所望の素子形状が得られる。あるいは電子線リソグラフィーや集束イオンビームによるパターニング手法を用いてもよい。
【００４０】
信号検出用配線１１１，２１１，３１１は、例えばＡｌやＡｌ合金、ＣｕやＣｕ合金といった低抵抗金属を含む材料で構成される。
【００４１】
検出用素子１１および参照用素子２１，３１は同一のプロセスで同一基板上に同時に形成することが望ましい。上記した各種の成膜法やフォトリソグラフィ法は、同時に実施すれば各層の膜厚や寸法のばらつきを極めて小さくでき、検出用素子１１および参照用素子２１，３１における磁気抵抗のばらつきを抑えることができる。検出用素子１１および参照用素子２１，３１の形状は、長方形に限られず、自由層の磁化方向を所望の向きに規定できれば、円盤形などの等方的形状であってもよい。またここではスピンバルブ膜の検出用素子１１および参照用素子２１，３１を示したが、それらはＴＭＲ素子であってもよい。ＴＭＲ素子を用いれば、大きな出力信号を得ることができると共に、各素子の小型化が可能である。
【００４２】
検出用素子１１および参照用素子２１，３１の固定層の磁化方向は、例えば次の方法で設定する。まず、デバイスを加熱して反強磁性層と固定層の見かけ上の交換相互作用が弱くなるブロッキング温度近傍（好ましくはブロッキング温度以上）にし、固定層を飽和磁化させる外部磁界を所望の方向に印加する。そして、その状態でデバイスを冷却させれば、固定層の磁化方向は一定の方向に固定される。
【００４３】
この手法では、検出用素子１１および参照用素子２１，３１それぞれの形成領域に、異なる向きの外部磁界を局所的に発生させる必要がある（図３の例では検出用素子１１と参照用素子２１の固定層の磁化方向１１ａ，２１ａは同じなのでそれらに印加する外部磁界の向きは同じでよい）。例えば検出用素子１１および参照用素子２１，３１の直上もしくは直下にそれぞれ配線を設け、デバイスを加熱した状態でその配線に異なる向きの電流を流して外部磁界を発生させることで実施可能である。
【００４４】
あるいは、検出用素子１１および参照用素子２１，３１の形成領域全体に同じ向きの外部時間を発生させ、検出用素子１１および参照用素子２１，３１のそれぞれに対し、ブロッキング温度近傍にする熱処理を局所的に行う手法をとってもよい。例えば図３の場合、同じ向きの外部磁界を検出用素子１１および参照用素子２１，３１の全体に印加した状態で、検出用素子１１と参照用素子２１に局所的な熱処理を行いそれらの固定層の磁化方向１１ａ，２１ａを決定させ、その後、外部磁界の向きを反対にして、参照用素子３１に局所的な熱処理を行いその固定層の磁化方向３１ａを決定させればよい。
【００４５】
本実施の形態では、参照用素子２１，３１の周囲に外部磁界を遮蔽する磁気シールド５を設けてもよい。磁気シールド５は、高透磁率材料で構成できる。高透磁率材料としては、例えばＮｉ−Ｆｅ合金がよく知られているが、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ等を主成分とする他の合金を用いてもよい。磁気シールド５を設けた場合、参照用素子２１，３１は外部磁界の影響を受けないので、参照用素子２１の固定層および自由層の磁化方向２１ａ，２１ｂが互いに平行であり、参照用素子３１の固定層および自由層の磁化方向３１ａ，３１ｂが互いに反平行である限りで、それらの方向は任意でよい。
【００４６】
次に、図３の磁気レベルシフタの動作について説明する。レベルシフタの動作時においては、検出用素子１１および参照用素子２１，３１には、それぞれ信号検出用配線１１１，２１１，３１１を通して一定電流Ｉが流される。
【００４７】
その状態で、磁界発生用配線１１２に入力信号として既知の電流もしくは電圧が印加されると、磁界発生用配線１１２が発生した磁界Ｈが検出用素子１１に印加される。それにより、検出用素子１１の自由層の磁化方向が矢印１１ｃのように回転する。
【００４８】
検出用素子１１が磁界Ｈを発生したときの検出用素子１１の抵抗値Ｒは、
Ｒ11＝Ｒｍ＋ΔＲ／２×Ｈ／｜Ｈｋ｜  …（１）
と表されるので、検出用素子１１の信号検出用配線１１１に現れる出力電圧Ｖ11（検出信号）は、
Ｖ11＝Ｉ×（Ｒｍ＋ΔＲ／２×Ｈ／｜Ｈｋ｜）  …（２）
となる。ここで、Ｒｍは検出用素子１１に飽和磁界が印加されたときの素子抵抗、ΔＲは検出用素子１１の磁気抵抗変化率、Ｈｋは飽和磁界の強度である。
【００４９】
参照用素子２１においては、固定層の磁化方向２１ａと自由層の磁化方向２１ｂとが常に平行であり、参照用素子３１においては、固定層の磁化方向３１ａと自由層の磁化方向３１ｂとが常に反平行である。また参照用素子２１，３１は、検出用素子１１と同じ面積で形成されており、その磁気抵抗変化率ΔＲと飽和磁界が印加されたときの素子抵抗Ｒｍとが検出用素子１１と同じである。そのため参照用素子２１，３１の抵抗値は、それぞれ正負の飽和磁界が検出用素子１１に印加されたときの抵抗値と同じである。
【００５０】
従って、参照用素子２１の信号検出用配線２１１に現れる出力電圧Ｖ21（参照信号）と、参照用素子３１の信号検出用配線３１１に現れる出力電圧Ｖ31（参照信号）のそれぞれは、
Ｖ21＝Ｉ×（Ｒｍ−ΔＲ／２）  …（３）
Ｖ31＝Ｉ×（Ｒｍ＋ΔＲ／２）  …（４）
となる。
【００５１】
よって、検出用素子１１の出力電圧Ｖ11と参照用素子２１の出力電圧Ｖ21との差で得られる差動信号ΔＶ21は、
ΔＶ21＝Ｉ×（１＋Ｈ／｜Ｈｋ｜）×ΔＲ／２  …（５）
となる。同様に、参照用素子３１の出力電圧Ｖ31と検出用素子１１の出力電圧Ｖ11との差で得られる差動信号ΔＶ31は、
ΔＶ31＝Ｉ×（１−Ｈ／｜Ｈｋ｜）×ΔＲ／２  …（６）
と表される。
【００５２】
さらに、ΔＶ21とΔＶ31の差をとると、
ΔＶ21−ΔＶ31＝Ｉ×ΔＲ×Ｈ／｜Ｈｋ｜  …（７）
となる。
【００５３】
ここで、ΔＲの値は２つの参照用素子２１，３１の出力信号Ｖ21，Ｖ31の差からその都度求めることができる。これは、本実施の形態では検出用素子１１および参照用素子２１，３１の飽和磁界は一定の既知の値であり、飽和磁界における磁気抵抗から抵抗変化率を算出できるためである。よって、装置間で抵抗値のばらつきがある場合や温度特性により抵抗値が変化した場合でも、測定の都度、抵抗変化率ΔＲを求めることができ、実使用の環境下における正確な抵抗変化率ΔＲを用いて磁界Ｈを検出することが可能である。
【００５４】
図３のレベルシフタによれば、検出用素子１１および参照用素子２１，３１の信号検出用配線１１１，２１１，３１１に現れる電圧信号Ｖ11，Ｖ21，Ｖ31と、上記の式（５）〜（７）のいずれかを用いることにより、磁界発生用配線１１２に入力した入力信号に対応した出力信号を得ることができる。すなわち参照用素子２１，３１の出力電圧Ｖ21，Ｖ31から基準信号を生成し、その基準信号と検出用素子１１の電圧信号Ｖ11と比較することで、出力信号を得ることができる。
【００５５】
このように本実施の形態のレベルシフタでは、磁界発生用配線１１２に入力された入力信号に対応する出力信号を、磁界発生用配線１１２から電気的に分離された検出用素子１１および参照用素子２１，３１から得ることができる。この構成では、磁界発生用配線１１２と検出用素子１１との間の絶縁膜を厚膜化することによる高耐圧化が可能であり、サージ耐性に優れるレベルシフタを得ることができる。
【００５６】
なお、上記の式（５）〜（７）で表される各差動信号は、検出用素子１１および参照用素子２１，３１の各出力電圧Ｖ11，Ｖ21，Ｖ31を数値化して演算処理することによって得てもよい。また上記のΔＶ21とΔＶ31は、検出用素子１１および参照用素子２１，３１を用いてブリッジ回路を構成しても得ることが可能であるが、形成面積が大きくなる点に留意すべきである。
【００５７】
本実施の形態においては、検出用素子１１および参照用素子２１，３１のそれぞれに一定電流を流すように説明したが、各電流の大きさの比が既知であれば一定でなくてもよい。検出用素子１１および参照用素子２１，３１を流れる電流の大きさの比が分かれば、上記と同様の計算によって磁界発生用配線１１２が発生する磁界Ｈを検出することができる。またここでは検出用素子１１において、固定層の磁化方向１１ａと自由層の無磁界時の磁化方向１１ｂとを素子平面内で直交させたが、必ずしも直交させなくてもよい。両者の関係が平行あるいは反平行でなければ、検出用素子１１を用いて磁界発生用配線１１２が発生する磁界Ｈを検出できる。
【００５８】
本実施の形態によれば、検出用素子１１および参照用素子２１，３１の出力電圧Ｖ11，Ｖ21，Ｖ31から得られる差動信号を用いるため大きな出力信号を得ることができる。さらに、検出用素子１１および参照用素子２１，３１の抵抗変化率ΔＲを、参照用素子２１，３１の出力信号からその都度得ることができるため、検出用素子１１および参照用素子２１，３１の抵抗値に装置ごとのばらつきがある場合や、使用環境の温度変化に起因してそれらの抵抗値が変化した場合でも、信頼性の高い出力信号を安定して得ることができる。また、参照用素子２１，３１の出力電圧Ｖ21，Ｖ31から、検出用素子１１の出力電圧の最大値と最小値の両方が分かり、それらを演算処理に利用すれば、高い信頼性と精度が期待できる。
【００５９】
次に、検出用素子１１の構造について説明する。図５は、実施の形態１に係るレベルシフタの構造の一例を示す図であり、検出用素子１１の形成領域（検出用素子部）と論理集積回路の形成領域（論理回路部）の一部を示す部分断面図である。
【００６０】
図５のように、レベルシフタは同一の基板４００上に形成されている。基板４００としては、従来よりパワーデバイスに広く用いられているＳｉでもよいが、高耐圧、低損失、高耐熱のパワーデバイスを実現できる半導体材料として近年注目されているＳｉＣ、ＧａＮ、酸化物半導体、ダイヤモンド半導体などのワイドバンドギャップ半導体を用いることもできる。
【００６１】
論理回路領域には、ゲート絶縁膜４１１、ゲート電極４１２およびサイドウォール４１３を備えるトランスファゲートトランジスタ５０１が形成されている。トランスファゲートトランジスタ５０１上は、層間絶縁膜４１０で覆われる。
【００６２】
層間絶縁膜４１０内にはトランスファゲートトランジスタ５０１と上層の配線４２５とを接続するコンタクト４１４が形成される。コンタクト（接続部材）４１４の形成は、層間絶縁膜４１０を貫通するコンタクトホールを形成し、それを埋め込むように層間絶縁膜４１０上にタングステン膜を形成して、当該タングステン膜に対してＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）処理またはＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法などを用いたエッチバック処理を施すことにより行われる。コンタクト４１４の材料としては、タングステンの他、シリコンや、アルミニウム、銅、チタン、タンタルといった金属、またはそれら金属の合金や窒化物等も用いることができる。またコンタクト４１４の形成方法としえは、上記の方法の他に、メッキ法、スパッタリング法、ＣＶＤ法などを用いてもよい。
【００６３】
一方、検出用素子部において、検出用素子１１は、層間絶縁膜４１０上に形成されている。検出用素子１１は、層間絶縁膜４１０上に所定の多層膜構造（図４参照）を形成し、それを所定の形状にパターニングすることにより形成される。上記したように、検出用素子１１としては非磁性層としてトンネル絶縁膜を用いるＴＭＲ素子や、非磁性導電層を用い、膜面垂直方向のＧＭＲ効果を利用したＧＭＲ素子を用いてもよい。
【００６４】
図５では、検出用素子１１から出力電圧を得るための手段（図３の検出用素子１１に相当）として、検出用素子１１の上下にそれぞれ接続する配線４２１，４２４を設けている。検出用素子１１とその上の配線４２４との間にコンタクト４２３を介在させているが、その間は直接接続していてもよい。
【００６５】
逆に、図５では検出用素子１１とその下の配線４２１との間は直接接続されているが、その間にコンタクト（接続部材）を介在させてもよい。その場合に設けるコンタクトは、ルテニウム、銅、アルミニウム、タンタルなどの低抵抗の金属を用いて形成することが好ましい。またその厚さは、検出用素子１１を構成する各層の平坦性が損なわれないように、３００ｎｍ以下とすることが好ましい。
【００６６】
また検出用素子１１および配線４２１，４２４は、図４に示したように基板４００のすぐ上の層に形成されていてもよい。
【００６７】
検出用素子１１の各磁性層（図４の固定層１０１および自由層１０３に相当）となる強磁性材料としては、ニッケル、鉄、および／またはコバルトを主成分とする磁性材料が好ましいが、磁気特性や熱安定性の向上を図る目的で、硼素、窒素、シリコンなどの添加物を導入してもよい。例えばＮｉＭｎＳｂ、Ｃｏ2ＭｎＧｅなどのハーフメタル材料を用いた場合、ハーフメタルは一方のスピンバンドにエネルギーギャップが存在するので、より大きな磁気抵抗効果を得ることができ、それにより大きな信号出力を得ることができる。各磁性層の厚さは、好ましくは０．３〜５０ｎｍ程度である。
【００６８】
検出用素子１１の固定層となる磁性層は、単層構造に限られず、ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅのように強磁性／非磁性／強磁性の積層構造としてもよい。そのような積層構造を用いて、固定層の磁化に起因する漏洩成分を抑制できる膜構造設計とすれば、より安定した磁気検出動作が可能になる。
【００６９】
検出用素子１１の非磁性層（図４の非磁性層１０２に相当）となる非磁性材料としては、アルミニウム、シリコン、タンタル、マグネシウムなどの金属およびそれらの合金、それら金属および合金の酸化物または窒化物が用いられる。非磁性層は、０．３〜５ｎｍ程度と非常に薄く形成される。また反強磁性層（図４の反強磁性層１０６に相当）の厚さは、用いる材料によって最適値が異なり、０．３ｎｍ〜５０ｎｍの範囲が好ましい。
【００７０】
本実施の形態では、反強磁性層として厚み２０ｎｍの白金マンガン合金、固定層（強磁性層）として厚み３ｎｍのコバルト鉄合金、非磁性層（トンネル絶縁層）として厚み１ｎｍのアルミニウム酸化物、自由層（強磁性層）として厚み３ｎｍのニッケル鉄合金をそれぞれ用いた。これら各層は、分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）法、各種スパッタ法、化学気相成長（ＣＶＤ：Chemical Vapor Deposition）法、蒸着法など、通常の薄膜形成技術を用いて形成することができる。
【００７１】
また本実施の形態では、検出用素子１１（並びに不図示の参照用素子２１，３１）上を保護膜４２２で覆っている（言い換えれば、検出用素子１１上の絶縁膜を、保護膜４２２と層間絶縁膜４１０の二層構造にしている）。保護膜４２２は、検出用素子１１の形成後に行われるドライエッチング工程や洗浄工程において、磁気抵抗効果素子をダメージから保護するように機能する。
【００７２】
検出用素子１１が受ける可能性のあるダメージとしては、例えば検出用素子１１上に層間絶縁膜４２０としてシリコン酸化膜を形成する場合に、４００℃程度の酸化雰囲気により磁性層が酸化し、磁気特性が劣化してしまうことがある。この磁性層の酸化を防止する目的であれば、保護膜４２２は、シリコン窒化膜などの非酸化性雰囲気下で成膜可能な薄膜を用いればよい。検出用素子１１の表面がシリコン窒化膜の保護膜４２２で被膜されることにより、検出用素子１１が酸化から保護される。
【００７３】
保護膜４２２としては、絶縁性金属窒化物、絶縁性金属炭化物、およびＦｅよりも酸化物生成自由エネルギーが低い金属の酸化処理によって形成した金属酸化物、あるいはポリイミドなどの有機膜のうち少なくとも１つを含むものがよい。このような材料の保護膜４２２を用いれば、少なくともＦｅを含む磁性層を用いた検出用素子１１の製造工程において、検出用素子１１の酸化を抑制できる。その結果、製造が容易でかつ動作特性が安定した磁気レベルシフタを得ることができる。また検出用素子１１のダメージを防止しつつ層間絶縁膜４３０を厚く形成できるため、レベルシフタの高耐圧化にも寄与できる。
【００７４】
但し、シリコン窒化膜のように比較的誘電率の高い保護膜４２２を用いる場合には、次のことに留意すべきである。論理回路部では、回路の動作速度やアクセスタイミングをも考慮して、配線間の容量や配線抵抗を設定する必要がある。よって誘電率の高い絶縁膜が論理回路部に形成されると、論理回路部における配線間容量などが設計パラメータから乖離し、回路の動作不良が生じる可能性がある。よって誘電率の高い保護膜４２２は、必要でなければ論理回路部に設けないことが好ましい。
【００７５】
上記の配線４２１は、層間絶縁膜４１０上に形成され、その上に検出用素子１１が形成される。コンタクト４２３は、検出用素子１１の上に保護膜４２２および層間絶縁膜４２０を形成した後、保護膜４２２および層間絶縁膜４２０に検出用素子１１に達するコンタクトホールを形成して、所定の導電材料を埋め込むことにより形成される。そして層間絶縁膜４２０の上に所定パターンの配線４２４が形成される。
【００７６】
層間絶縁膜４２０の上には、さらに層間絶縁膜４３０が形成される。図５の例では、論理回路部の層間絶縁膜４３０内には、その上の配線４４１に接続するコンタクト４３１が図示されている。コンタクト４３１は、上記のコンタクト４１４と同様の材料や形成方法を用いて形成できる。
【００７７】
一方、検出用素子部においては、層間絶縁膜４３０の上に磁界発生用配線１１２が形成される。ここでは検出用素子１１の上方（基板４００から遠い側）に磁界発生用配線１１２を設ける構成を示しているが、磁界発生用配線１１２は、入力信号に応じた磁界を検出用素子１１に与えることができる位置に配設されていればよく、例えば検出用素子１１の下方（基板４００に近い側）に配設されてもよい。磁界を検出用素子１１に効率的に与えるために、磁界発生用配線１１２は検出用素子の直上または直下に配置されることが好ましい。
【００７８】
また本実施の形態では、検出用素子１１の上方に形成された磁界発生用配線１１２の上面および両側面を、図６の如く高透磁率材料１１２ａ（磁性材料）で被膜する。これにより磁界発生用配線１１２から上方、側方への漏洩磁界を抑制することができ、磁界発生用配線１１２が発生した磁界を効率的に検出用素子１１へと与えることができる。それにより検出用素子１１の誤動作が抑えられ、様々な環境で安定して動作するレベルシフタが得られる。また、磁界発生用配線１１２から検出用素子１１へと磁界が効率的に与えられることにより、その間の層間絶縁膜４３０をより厚くできるため、レベルシフタの高耐圧かにも寄与できる。
【００７９】
高透磁率材料１１２ａは、磁界発生用配線１１２の検出用素子１１に対抗する面以外の三方に形成することが望ましい。例えば磁界発生用配線１１２を検出用素子１１の下方に配設する場合には、磁界発生用配線１１２の下面と両側面を高透磁率材料１１２ａで覆うとよい。
【００８０】
本実施の形態では、入力信号に応じた磁界を検出用素子１１に与える磁界発生用配線１１２は一本のみ設ける構成としたが、二本以上設けてもよい。例えば複数の検出用素子１１を並列配置させれば、検出用素子１１に与える磁界の強度を高めたり、磁界の印加範囲を広げることができる。また、複数の磁界発生用配線１１２のうちの一部に逆極性の電流が流れるようにすれば、一部の漏洩磁界をキャンセルさせることができる。
【００８１】
ここで、各配線の材料について説明する。検出用素子１１に直接接続される配線４２１には銅や、タンタル、シリコン、タングステン、アルミニウム、チタン、ルテニウムなどの金属やそれら合金、化合物などを適用できる。それ以外の配線４２４，４２５，４４１および磁界発生用配線１１２についても同様であるが、銅を用いる場合はダマシン法を用いて形成し、タンタル、シリコン、タングステン、アルミニウム、チタン、ルテニウムなどの金属やそれら合金、化合物などを適用した場合には、スパッタリング法などで薄膜を形成後、フォトリソグラフィ技術ならびにドライエッチングを行ってパターニングする。
【００８２】
なお、製造プロセスやデバイス使用時に高温雰囲気に曝されることが想定され、その熱によって配線とそれに接触する部材との相互拡散が懸念される場合には、配線の表面に拡散防止層を設けておくとよい。拡散防止層としては、チタンやタンタル、ルテニウムなどの金属、およびその合金や窒化物が利用できる。
【００８３】
また本実施の形態では、検出用素子１１および参照用素子２１，３１の出力信号（検出信号および参照信号）を電圧信号として説明したが、これらは電流信号であってもよい。これは以下の各実施の形態でも同様である。
【００８４】
＜実施の形態２＞
実施の形態２では、図５に示したレベルシフタの構成の変更例を示す。図７は、実施の形態２に係るレベルシフタの構造を示す部分断面図である。本実施の形態では、検出用素子１１に接続する配線４２１を、トランスファゲートトランジスタ５０２のソースまたはドレインに接続させた構成としている。図７において、図５に示したものと同様の機能を有する要素には同一符号を付してあるので、ここではそれらの説明は省略する。
【００８５】
図５では、検出用素子１１とそれに接続する配線４２１，４２４およびコンタクト４２３、並びに検出用素子１１を覆う保護膜４２２は、最下層の層間絶縁膜４１０上に形成していたが、本実施の形態ではそれらを第２層目の層間絶縁膜４２０上に形成している。層間絶縁膜４２０の上層に、検出用素子１１を覆う層間絶縁膜４５０が設けられるため、論理回路部の配線４４１と配線４２５との間に２層の層間絶縁膜４３０，４５０が存在することになる。そのため、配線４４１と配線４２５とを接続するコンタクト４３１は、層間絶縁膜４３０，４５０を貫通するように形成される。
【００８６】
検出用素子部の基板４００上には、素子分離絶縁膜４０１およびトランスファゲートトランジスタ５０２が設けられている。トランスファゲートトランジスタ５０２は、論理回路部のトランスファゲートトランジスタ５０１と同様に、ゲート絶縁膜４１５、ゲート電極４１６、サイドウォール４１７を有する構造となっている。検出用素子１１に接続する配線４２１は、その下層に形成された配線４２６およびコンタクト４１８を介してトランスファゲートトランジスタ５０２のソースまたはドレインに接続される。
【００８７】
＜実施の形態３＞
図８は、実施の形態３に係るレベルシフタの基本構成を示す図である。当該レベルシフタは、磁界発生用配線１１２とは別に、検出用素子１１の抵抗値を補償するために既知の磁界（補償用磁界）を印加可能な磁界発生用配線（補償用配線）１１３を有している。補償用配線１１３は、レベルシフタの入力信号とは別の電流（補償用電流）を流すことで、検出用素子１１に補償用電界Ｈｃを印加することができる。
【００８８】
検出用素子１１および参照用素子２１にそれぞれ一定電流Ｉを流しつつ、補償用配線１１３から補償用磁界Ｈｃを検出用素子１１に与えたとき、検出用素子１１の出力電圧Ｖ11は、
Ｖ11＝Ｉ×（Ｒｍ＋ΔＲ／２×Ｈｃ／｜Ｈｋ｜）  …（８）
となる。一方、参照用素子２１の出力電圧Ｖ21は上記の式（３）であるので、検出用素子１１の出力電圧Ｖ11と参照用素子２１の出力電圧Ｖ21との差で得られる差動信号ΔＶ21は、
ΔＶ21＝Ｖ11−Ｖ21＝Ｉ×（１＋Ｈｃ／｜Ｈｋ｜）×ΔＲ／２  …（９）
となる。ここでΔＲは、例えば無磁界時の検出用素子１１の出力電圧と参照用素子２１の出力電圧の差から求めることが可能であり、さらに既知の値である電流Ｉおよび補償用磁界Ｈｃを用いることで、検出用素子１１の飽和磁界Ｈｋを算出できる。例えばレベルシフタの動作中に温度が変化した場合など、必要に応じて飽和磁界Ｈｋの補償を実施すれば、飽和磁界Ｈｋの変動による誤差を補償でき、レベルシフタの動作の信頼性が向上する。また飽和磁界Ｈｋを補償するために、外部の磁界発生器を用いる必要がない。本実施の形態によれば、検出用素子１１の抵抗と磁界との関係を確定できるため、アナログ信号のレベルシフトを含めた高精度動作が可能となり、磁気レベルシフタの一層の多機能化が期待できる。
【００８９】
なお、外部磁界がない条件下では、１点の補償用磁界Ｈｃのみを検出用素子１１で測定すれば飽和磁界Ｈｋの算出が可能である。外部磁界が存在する状態であってもそれが一定であれば、２点の補償用磁界Ｈｃ（例えば−Ｈｃと＋Ｈｃ）を、検出用素子１１で測定すれば飽和磁界Ｈｋを算出できる。
【００９０】
磁界発生用配線１１２と同様に、補償用配線１１３の表面にも、検出用素子１１に対向する面を除く表面に高透磁率材料を設けることが好ましい。それにより、補償用配線１１３から効率よく検出用素子１１に補償用磁界Ｈｃを与えることができる。
【００９１】
また、磁気抵抗効果素子の磁化回転速度はナノ秒オーダーと高速であるから、補償用配線１１３を設けることなく、レベルシフタの動作を時間的に分割して飽和磁界Ｈｋの補償用の期間を設け、磁界発生用配線１１２を用いて飽和磁界Ｈｋの補償動作を行ってもよい。即ち、磁界発生用配線１１２に入力信号の電流と補償用電流とを交互に流し、補償用電流を流したタイミングでの検出用素子１１の出力電圧Ｖ11から飽和磁界Ｈｋの算出を行ってもよい。
【００９２】
また本実施の形態では、レベルシフタの通常動作に用いられる検出用素子１１の出力電圧を用いて飽和磁界Ｈｋの補償を行う構成を示したが、飽和磁界Ｈｋの補償専用の磁気抵抗効果素子を別途も受けてもよい。この場合、飽和磁界Ｈｋを通常動作と同時に行え、補償した飽和磁界Ｈｋの値を随時フィードバックできるため、さらなる高性能化・高精度化を図ることができる。但し、必要な磁気抵抗効果素子が増えるため、形成面積が増大する点に留意すべきである。
【００９３】
＜実施の形態４＞
本発明に係るレベルシフタは、多チャンネル化した場合に従来の磁気レベルシフタに比べて小型化が容易である。以降の各実施の形態では、本発明に係る多チャンネル型レベルシフタの構成例を示す。
【００９４】
例えば実施の形態１のレベルシフタ（図３）は、３つの磁気抵抗効果素子を用いて構成されており、４つの磁気抵抗効果素子を用いる一般的なブリッジ回路に対して、素子面積を４分の３程度に低減できる。
【００９５】
図９は、実施の形態４に係る多チャンネル型レベルシフタの概略構成図であり、実施の形態１のレベルシフタを４チャンネル化したものである。各チャンネル用に４つの検出用素子１１，１２，１３，１４と、４つの磁界発生用配線１１２，１２２，１３２，１４２が設けられている。検出用素子１１，１２，１３，１４には、それぞれ信号検出用配線１１１，１２１，１３１，１４１が接続しており、各チャンネルの出力電圧を得ることができる。なお図９では、それらのうちの磁界発生用配線１４２の入力信号が活性化された状態を示している。
【００９６】
本発明に係るレベルシフタは、チャンネル数に関わらず、１組の参照用素子２１，３１を有していればよいので、４チャンネル型レベルシフタは、４つの検出用素子１１〜１４と２つの参照用素子２１，３１の合計６つの磁気抵抗効果素子を用いて構成できる。一方従来のブリッジ回路を用いて４チャンネル型レベルシフタを構成すると、各チャンネルごとに４つの磁気抵抗効果素子が用いられるため、合計２４個もの磁気抵抗効果素子が必要になる。すなわち本実施の形態の４チャンネル型レベルシフタでは、素子面積を従来の４分の１程度に低減できる。
【００９７】
＜実施の形態５＞
図１０は、実施の形態５に係る多チャンネル型レベルシフタの概略構成図であり、図９の４チャンネル型レベルシフタの変形例である。当該レベルシフタでは、図９に対し、参照用素子２１，３１の配置方向および磁化方向を検出用素子１１〜１４と同じにした上で、参照用素子２１，３１に互いに逆向きで同じ大きさの磁界を与える折り返し形状の磁界発生用配線２１２を設けている。
【００９８】
上記したように、磁化抵抗効果素子が形状磁気異方性を有しその形状が長手方向を有する形である場合、あるいは、磁化抵抗効果素子の磁化容易軸の方向がその形状の長手方向である場合には、その自由層における無磁界時の磁化方向は素子の長手方向となる。本実施の形態では、検出用素子１１〜１４および参照用素子２１，３１の各自由層における無磁界時の磁化方向は素子の長手方向であり、図１０のように、それらの長手方向を全て揃えている。それにより、検出用素子１１〜１４および参照用素子２１，３１の各自由層の無磁界時の磁化方向は、全て同じ向きになる。またその向きは、検出用素子１１〜１４および参照用素子２１，３１の固定層の磁化方向に対して９０度異なる向きである。なお、図１０では、磁界発生用配線１１２，１４２の入力信号が活性化された状態を示している。
【００９９】
参照用素子２１，３１に磁界を与える磁界発生用配線２１２には、各チャンネルの入力信号が活性化されるとき一定の電流が流される。それにより参照用素子２１，３１には逆方向で大きさの等しい磁界が印加される。よってこのときの参照用素子２１，３１の出力電圧の差（差動出力）から、その中心の値（中点信号）を生成できる。中点信号は、無磁界時の磁気抵抗効果素子（抵抗値Ｒｍ）の出力電圧に相当する。この中点信号を基準信号として用い、中点信号と各チャンネルの検出用素子１１〜１４の出力電圧との比較によってレベルシフト動作が可能となる。
【０１００】
ここでは参照用素子２１，３１に磁界を与える磁界発生用配線２１２に流す電流を、各入力信号が活性化したときに検出用素子１１〜１４に磁界を与える磁界発生用配線１１２，１２２，１３２，１４２に流れる電流と同じにしている。検出用素子１１〜１４および参照用素子２１，３１は同一構成であるため、例えば図１０のように、磁界発生用配線１１２，１４２の入力信号が活性化した状態では、検出用素子１１，１４の自由層の磁化方向と、片方の信号検出用配線２１１の自由層の磁化方向とが同じ向きになる。
【０１０１】
本実施の形態では、検出用素子１１〜１４および参照用素子２１，３１の磁化方向が全て同じでよいため、製造工程が簡略化される。
【０１０２】
図１０では、検出用素子１１〜１４および参照用素子２１，３１のそれぞれは角部を丸めた形状としているが、素子の磁化方向を決めることができれば形状は任意でよい。参照用素子２１，３１と検出用素子１１〜１４の寸法は必ずしも同じでなくてよく、面積比が既知であれば、素子の縦横寸法比が異なってもよい。
【０１０３】
また、検出用素子１１〜１４および参照用素子２１，３１は、必ずしも図１０のように一列に並べなくてもよく、正常な動作が可能であればその配置は任意でよい。また、デバイス断面から見た検出用素子１１〜１４と参照用素子２１，３１と配置も、正常な動作が可能であればその配置は任意でよい。例えば検出用素子１１〜１４と参照用素子２１，３１とを互いに異なる層に配置してもよい。また例えば、参照用素子２１，３１を、磁界発生用配線２１２を挟んで上下の層にそれぞれ配置すると、磁界発生用配線２１２を折り返し形状にすることなく、参照用素子２１，３１に互いに逆方向の磁界を与えることができる。
【０１０４】
磁界発生用配線２１２への電流は、独立の電源回路から供給しても、磁界発生用配線１１２，１２２，１３２，１４２用の電源回路からスイッチング素子等を介して供給してもよい。独立の電源回路を用いる場合には、参照用素子２１，３１の磁界発生用配線２１２と、検出用素子１１〜１４の磁界発生用配線１１２，１２２，１３２，１４２とに、異なる大きさの電流を供給してもよい。例えば、磁界発生用配線２１２に参照用素子２１，３１に飽和磁界を与える電流を流せば、参照用素子２１，３１が飽和磁化され、図１０のレベルシフタを、図９のレベルシフタと実質的に同様に動作させることができる。
【０１０５】
＜実施の形態６＞
図１１は、実施の形態６に係る多チャンネル型レベルシフタの概略構成図であり、図１０の４チャンネル型レベルシフタの変形例である。当該レベルシフタでは、図１０に対し、参照用素子２１，３１の配置方向を９０度回転させたものである。即ち、参照用素子２１，３１の長手方向は、検出用素子１１〜１４の長手方向とは９０度異なっている。よって本実施の形態では、検出用素子１１〜１４と参照用素子２１，３１とでは、の自由層の無磁界における磁化方向が互いに９０度異なる。
【０１０６】
一方、検出用素子１１〜１４と参照用素子２１，３１固定層の磁化方向は図１０と同じである。よって無磁界の状態では、参照用素子２１の固定層と自由層の磁化方向は互いに同じ向きになり、参照用素子３１の固定層と自由層の磁化方向は互いに逆向きになる。なお、また図１１のレベルシフタにおいても、参照用素子２１，３１には、折り返し形状の磁界発生用配線２１２が設けられる。
【０１０７】
本実施の形態では、磁界発生用配線２１２から参照用素子２１，３１に与えられる磁界の向きは、それらの自由層の無磁界時の磁化方向に沿った方向、すなわち参照用素子２１，３１の長手方向（磁化容易軸方向）である。但し、上記のように磁界発生用配線２１２から参照用素子２１，３１に与えられる磁界は互いに逆向きである。
【０１０８】
従って、磁界発生用配線２１２から、参照用素子２１，３１の自由層の磁化反転が生じる強度の磁界を与えれば、参照用素子２１，３１の固定層と自由層の磁化方向の関係が、片方で同じ向き、もう片方で逆向きとなる。従って、図１１のレベルシフタは、実質的に図９のレベルシフタと実質的に同様に動作させることができる。
【０１０９】
また参照用素子２１，３１が、検出用素子１１〜１４の最大抵抗状態または最小抵抗状態と等しくなるため、温度変化により検出用素子１１〜１４の抵抗変化率が変化しても、その都度、参照用素子１１，２１の出力電圧から抵抗変化率を算出することができる。よって、低温から高温まで安定した動作が可能となるだけでなく、実使用の環境下における抵抗変化率を用いて精度よく外部磁界を検出することができ、信頼性の高いレベルシフタが得られる。
【０１１０】
＜実施の形態７＞
図１２は、実施の形態７に係る多チャンネル型レベルシフタの概略構成図であり、４チャンネル型レベルシフタの例を示している。本実施の形態のレベルシフタは、各チャンネル用の４つの検出用素子１１〜１４と、各チャンネル用の４つの参照用素子２１〜２４を備えている。検出用素子１１〜１４および参照用素子２１〜２４は、磁化方向が全て同じ向きに設定されている。また、参照用素子２１〜２４には、それぞれ信号検出用配線２１１〜２２４が接続されている。
【０１１１】
上記したように、磁化抵抗効果素子が形状磁気異方性を有しその形状が長手方向を有する形である場合、あるいは、磁化抵抗効果素子の磁化容易軸の方向がその形状の長手方向である場合には、その自由層における無磁界時の磁化方向は素子の長手方向となる。本実施の形態では、検出用素子１１〜１４および参照用素子２１〜２４の各自由層における無磁界時の磁化方向は素子の長手方向であり、図１１のように、それらの長手方向を全て揃えている。それにより、検出用素子１１〜１４および参照用素子２１〜２４の各自由層の無磁界時の磁化方向は、全て同じ向きになる。またその向きは、検出用素子１１〜１４および参照用素子２１〜２４の固定層の磁化方向に対して９０度異なる向きである。
【０１１２】
第１のチャンネルに対応する検出用素子１１と参照用素子２１には、同一の磁界発生用配線１１２が設けられるが、磁界発生用配線１１２は、検出用素子１１と参照用素子２１に互いに９０度異なる磁界を印加するよう構成されている。具体的には、磁界発生用配線１１２が検出用素子１１に与える磁界の向きは、当該検出用素子１１の自由層の無磁界時の磁化方向と９０度異なり、磁界発生用配線１１２が検出用素子１１に与える磁界の向きは、参照用素子２１の自由層の無磁界時の磁化方向と同じである。
【０１１３】
同様に、第２のチャンネルに対応する検出用素子１２と参照用素子２２には、磁界発生用配線１２２から互いに９０度異なる磁界が印加される。また第３のチャンネルに対応する検出用素子１３と参照用素子２３には、磁界発生用配線１３２から互いに９０度異なる磁界が印加され、第４のチャンネルに対応する検出用素子１４と参照用素子２４には、磁界発生用配線１４２から互いに９０度異なる磁界が印加される。
【０１１４】
図１２では、磁界発生用配線１３２の入力信号が活性化された状態を示している。この状態では、磁界発生用配線１３２が発生する磁界は、検出用素子１３の自由層のスピンの向きを回転させる。また磁界発生用配線１３２が発生した磁界は、参照用素子２３に対しては、自由層の無磁界時の磁化方向に沿った方向に印加されるため、参照用素子２３の磁化方向が安定化される。自由層の無磁界時の磁化方向に沿った方向の磁界が印加された参照用素子２３の出力電圧は、無磁界時の出力電圧（すなわち中点信号）に等しい。従って、参照用素子２３が出力する安定した中点信号を基準信号として用い、この基準信号と参照用素子３１の出力電圧との比較によって、安定したレベルシフト動作が可能となる。
【０１１５】
本実施の形態では、１チャンネルあたり２つの磁気抵抗効果素子が設けられるため、３チャンネル以上のレベルシフタでは実施の形態４〜６の構成よりも多くの磁気抵抗効果素子が必要となるが、１チャンネルあたり４つの磁気抵抗効果素子を用いる従来のブリッジ回路によるレベルシフタに比べると、形成面積を半分程度にできる。
【０１１６】
図１２では、検出用素子１１〜１４および参照用素子２１〜２４の形状をそれぞれ楕円形としたが、素子の磁化方向を決めることができれば形状は任意でよい。参照用素子２１，３１と検出用素子１１〜１４の寸法は必ずしも同じでなくてよく、面積比が既知であれば、素子の縦横寸法比が異なってもよい。
【０１１７】
また、検出用素子１１〜１４および参照用素子２１，３１は、必ずしも図１０のように一列に並べなくてもよく、正常な動作が可能であればその配置は任意でよい。また、デバイス断面から見た検出用素子１１〜１４と参照用素子２１，３１と配置も、正常な動作が可能であればその配置は任意でよい。
【０１１８】
以上の各実施の形態において、検出素子や参照素子に与える磁界は、配線に電流もしくは電圧を印加することによって生じる誘導磁界を利用したが、磁界発生源はこれに限らず、例えば基板上に形成したコイルなどを用いてもよい。また、バイアス磁界は、薄膜状の磁石等から発生させてもよい。
【０１１９】
また、それぞれの磁気抵抗効果素子は、同じ働きをする複数の磁気抵抗効果素子を直列または並列に接続させたものに置き換えてもよい。この場合、複数の磁気抵抗効果素子の信号の平均化して用いることにより、精度向上が期待できる。
【０１２０】
本発明に用いる磁気抵抗効果素子としては、トンネル磁気抵抗効果素子が好ましいが、巨大磁気抵抗効果素子など、磁化方向が固定された強磁性層を含むその他の磁気抵抗効果素子を用いることができる。また、このレベルシフタの構成における磁気抵抗効果素子は、それらが積層されたものであってもよい。
【０１２１】
さらに、磁気抵抗効果素子に磁界を与える配線は、層間絶縁膜を介して磁気抵抗効果素子の上層または下層に配設される旨を説明したが、磁気抵抗効果素子との絶縁を重文に確保できればそれと同一の層に配置してもよい。
【０１２２】
また本発明のレベルシフタは磁気抵抗効果素子を用いているため、光システムや容量結合などを用いたレベルシフタよりも高温下で安定した動作が可能である。さらに、ＳｉＣ、ＧａＮ、酸化物半導体、ダイヤモンドなどのワイドバンドギャップ半導体基板と組み合わせることにより、２００℃を超える高温域での安定動作が可能である。また、従来のＳｉ半導体基板の場合でも１５０℃を超える温度域で使用することができる。
【符号の説明】
【０１２３】
１１〜１４  検出用素子、２１〜２４，３１，３２  参照用素子、５  磁気シールド、１１２，１２２，１３２，１４２  磁界発生用配線、１１２ａ  高透磁率材料、１１３  補償用配線、２１２  参照用素子の磁界発生用配線、４００  基板、４０１  素子分離絶縁膜、４１０  層間絶縁膜、４１４，４１８，４２３，４３１  コンタクト、４２０，４３０，４４０  層間絶縁膜、４２１，４２４，４２５，４２６，４４１，４５０  配線、４２２  保護膜、５０１，５０２  トランスファゲートトランジスタ。
【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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