(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ni、Fe、及びCoを主成分とする磁性層とCuを主成分とする非磁性層とが交互に積層された車載用磁気抵抗センサ素子であって、それぞれの層の原子組成比が、磁性層組成 Ni(1-x-y)FeyCox（該式において、x≧0.7かつy≦0.3かつ(1-x-y)≦0.15を満足する）、および非磁性層組成 CuzA(1-z)（式中、AはCu以外の添加元素を表し、z≧0.9である）を満足し、それぞれの層の厚さが、磁性層厚 tm：10Å＜tm＜25Å、非磁性層厚 tn：18Å＜tn＜25Åを満足し、なおかつ前記磁気抵抗センサ素子が予め200℃以上300℃以下の温度で熱処理されていることを特徴とする車載用磁気抵抗センサ素子。
【請求項２】
１層の前記磁性層と１層の前記非磁性層との積層構造を１周期構造単位とした場合、前記車載用磁気抵抗センサ素子が、前記周期構造単位 N：10≦N≦40を満足することを特徴とする請求項１記載の車載用磁気抵抗センサ素子。
【請求項３】
基板と前記磁性層、あるいは前記基板と前記非磁性層との間にバッファ層を設け、その厚さが、バッファ層厚 tb：10Å＜tb＜80Åを満足することを特徴とする請求項１記載の車載用磁気抵抗センサ素子。
【請求項４】
前記磁気抵抗センサ素子の保管保証温度がT℃である場合、前記熱処理温度が、(T+50℃)以上の温度である請求項１記載の車載用磁気抵抗センサ素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば回転体の回転数や回転角度を検出するセンサ素子に関し、特に磁性層及び非磁性層から成る積層構造を備え、回転体による磁界を検出して電気信号に変換する磁気抵抗センサ素子に関する。更に詳しくは、高温環境下での保管や動作が要求される車載用磁気抵抗センサ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁界を検出して電気信号に変換する、いわゆる磁電変換素子として従来より用いられている素子には例えば、半導体ホール素子や異方性磁気抵抗（AMR）素子がある。また、近年はこれらの素子に比べて高感度な巨大磁気抵抗（GMR）素子が注目されている。
【０００３】
半導体ホール素子は磁電変換特性においてヒステリシスがなくセンサ特性として好ましいが、感度が他のセンサ素子に比べて小さい。また、AMR素子は半導体ホール素子より感度は大きいが、電気抵抗変化が得られる磁界範囲（飽和磁界）が小さいため、外乱磁界に弱い。一方、これらの素子は高温環境下での保管及び動作には特別な問題はない。このため、従来より車載用として適用されている。
【０００４】
GMR素子は磁気抵抗変化率がAMR素子に比べて１桁大きい。しかし従来、感度と耐熱性との両立は難しく、主に耐熱性の実現が困難であり、専ら小さいヒステリシスの実現が追求されている。GMR効果の発見以来、早くからハードディスク用の磁気ヘッドとして実用化されたが、車載用センサ素子としての実用化は成されていなかった。
GMR素子の耐熱性については、D.Wangらによる報告（D.Wang, J.Anderson, J.M.Daughton, IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, VOL.33, NO.5, pp3520-3522, 1997）がある。報告では飽和磁界と高温環境下での動作の関係についての考察がないため、車載用磁気抵抗センサ素子としては不適である。即ち、報告にある膜は飽和磁界が小さく、車載用として動作磁界を充分な大きさに設定すると、高温での特性が示されていないが、高温環境下での充分な感度、即ち充分な出力が得られないと推定される。車載用としては、高温環境下での保管によって特性が劣化しないこと（耐熱性）が必要であると伴に、高温環境下で問題なく動作すること（高温特性）が必須条件である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
車載用センサ素子はエンジン制御やトランスミッション制御等に用いられるが、近年の例えば排ガス規制強化などに伴って、高感度化が要求されている。これに対して半導体ホール素子あるいはAMR素子は感度が充分ではなく、より高感度なセンサ素子が望まれる。
GMR素子は高感度が期待できる。しかし、GMR素子は磁性層と非磁性層の積層構造を持ち、これらの層が非常に薄いために高温環境下では界面拡散により特性が変化しやすい。また、高温環境下でも充分な出力を得るためには、比較的大きな飽和磁界を確保しながら、低ヒステリシスを実現する必要がある。このため、高温環境下での高い特性の安定性が必要な車載用センサ素子としては適用が難しいという課題があった。
【０００６】
本発明の目的は、高温環境下での保管及び動作において、外乱磁界に強く、かつ高感度なGMR素子の提供にある。更に詳しくは、本発明の目的は、適切な熱処理により、係る特性が高温環境下で優れた長期安定性を示し、車載用センサ素子として適したGMR素子の提供にある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、Ni、Fe、及びCoを主成分とする磁性層とCuを主成分とする非磁性層とが交互に積層された車載用磁気抵抗センサ素子であって、それぞれの層の原子組成比が、磁性層組成 Ni(1-x-y)FeyCox（該式において、x≧0.7かつy≦0.3かつ(1-x-y)≦0.15を満足する）、および非磁性層組成 CuzA(1-z)（式中、AはCu以外の添加元素を表し、z≧0.9である）を満足し、それぞれの層の厚さが、磁性層厚 tm：10Å＜tm＜25Å、非磁性層厚 tn：18Å＜tn＜25Åを満足し、なおかつ前記磁気抵抗センサ素子が予め200℃以上300℃以下の温度で熱処理されていることを特徴とする車載用磁気抵抗センサ素子である。
請求項２の発明は、１層の前記磁性層と１層の前記非磁性層との積層構造を１周期構造単位とした場合、前記車載用磁気抵抗センサ素子が、前記周期構造単位 N：10≦N≦40を満足することを特徴とする請求項１記載の車載用磁気抵抗センサ素子である。
請求項３の発明は、基板と前記磁性層、あるいは前記基板と前記非磁性層との間にバッファ層を設け、その厚さが、バッファ層厚 tb：10Å＜tb＜80Åを満足することを特徴とする請求項１記載の車載用磁気抵抗センサ素子である。
請求項４の発明は、前記磁気抵抗センサ素子の保管保証温度がT℃である場合、前記熱処理温度が、(T+50)℃以上の温度である請求項１記載の車載用磁気抵抗センサ素子である。
【０００８】
【作用】
即ち、本発明に係る車載用センサ素子においては、GMR素子を用い、これを構成する磁性層と非磁性層の組成及び厚さを上述のように設定することにより、外乱磁界以上の磁界にセンサ素子の動作磁界範囲を設定でき、また高感度な特性を得ることができ、更には高温環境下での保管及び動作において特性変化の小さいセンサ素子が実現できる。つまり、CoとCuの組み合わせは耐熱性の高い積層構造を提供し、Coに主にFeやNiを加えることによって動作磁界での感度を高くすることができ、更には各層の厚さ及び周期回数の最適設定により、高温環境下でも特性が劣化しないようにすることが可能である。
【０００９】
また、このようなGMR素子は高い温度での熱処理が可能であるので、センサ素子の保管保証温度T℃に対して、より高い温度で熱処理を行って特性の初期的な変化を予めさせておき、特性の安定化を図ることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一実施の形態を示す車載用磁気抵抗センサ素子の断面図である。センサ素子はGMR素子であり、図１において例えば、熱酸化膜SiO2付Si基板１上に磁性層２ａと非磁性層２ｂが交互に積層されている。
また、基板１と磁性層２ａとの間にはバッファ層３が予め形成されている。更に、基板１は熱酸化膜SiO2付Si基板の他、単結晶Si基板、SiO2、PSGのような酸化膜、SiNxのような窒化膜、あるいはSi系ポリマーのような有機樹脂膜でもよい。尚、バッファ層３は基板１の種類によっては形成しなくてもよいが、安定した特性を得るためには形成することが望ましく、磁性層２ａと同じ材料が好適である。
【００１１】
【実施例】
以下、本発明を実施例により詳細に説明する。
実施例１．
本実施例のGMR素子において、図１で示した各層を構成する材料及びその原子組成比は、磁性層２ａがFe0.1Co0.9、非磁性層２ｂがCu、及びバッファ層３が磁性層２ａと同じFe0.1Co0.9とする。また、各層の厚さは、磁性層２ａが15Å、非磁性層２ｂが21Å、及びバッファ層３が50Åとする。更に、１層の磁性層２ａと１層の非磁性層２ｂとの積層構造を１周期構造単位とした場合の、前記周期構造単位 Nを20とする。尚、これらの層の形成には、蒸着法、分子線エピタキシャル（MBE）法、あるいはスパッタ法などが用いられるが、特性及び生産性の点からスパッタ法が好ましい。
【００１２】
この膜を、写真製版してドライエッチング等の方法によりパターニングする。パターニングの幅は例えば、1μm〜30μmである。その後、Si3N4膜等の保護膜をスパッタ法、または化学蒸着（CVD）法等によりパターン上に形成してこれを保護し、熱処理を行う。熱処理の条件は例えば、250℃で12時間行う。
【００１３】
図２は、実施例１のGMR素子の熱処理前及び熱処理後の磁電変換特性（磁気抵抗曲線）を示す図である。センサは素子の磁気抵抗変化率が大きく、動作磁界範囲でのヒステリシスが小さい程、高い感度が得られる。実施例１のGMR素子は熱処理の前後で磁気抵抗曲線の形状が僅かに変化するが、その変化は主に電気抵抗の最小値の減少と、磁気抵抗変化率の向上である。従来のGMR素子に観られる、磁気抵抗率の減少やヒステリシスの増大はない。即ち、高温の熱処理にも耐える特性を有しており、むしろ感度は熱処理後の方が高くなっている。飽和磁界が450エルステッド程度であり（以下、本明細書にて飽和磁界は、GMR素子の磁気抵抗曲線の形状により、図１中に示すように磁気抵抗変化率の90％を占める点での磁界の大きさとする）、動作磁界としては磁気抵抗曲線の線形性の良い100エルステッド〜400エルステッドの範囲が選択可能で、この範囲で良好な出力信号が得られる。
【００１４】
実施例２．
本実施例のGMR素子において、図１で示した各層を構成する材料及びその原子組成比は、磁性層２ａがFe0.2Co0.8、非磁性層２ｂがCu、及びバッファ層３が磁性層２ａと同じFe0.2Co0.8とする。また、各層の厚さは、磁性層２ａが15Å、非磁性層２ｂが21Å、及びバッファ層３が50Åとする。更に、周期構造単位 Nは25とする。
【００１５】
この膜を、実施例１と同様に、パターニングしてその上にSi3N4膜等の保護膜を形成後、250℃で12時間の熱処理を行う。
【００１６】
実施例３．
本実施例のGMR素子において、図１で示した各層を構成する材料及びその原子組成比は、磁性層２ａがNi0.12Fe0.08Co0.80、非磁性層２ｂがCu、及びバッファ層３が磁性層２ａと同じNi0.12Fe0.08Co0.80とする。また、各層の厚さは、磁性層２ａが18Å、非磁性層２ｂが21Å、及びバッファ層３が50Åとする。更に、周期構造単位 Nは30とする。
【００１７】
この膜を、実施例１と同様に、パターニングしてその上にSi3N4膜等の保護膜を形成後、250℃で12時間の熱処理を行う。
【００１８】
実施例４．
本実施例のGMR素子において、図１で示した各層を構成する材料及びその原子組成比は、磁性層２ａがFe0.1Co0.9、非磁性層２ｂがCu、及びバッファ層３が磁性層２ａと同じFe0.1Co0.9とする。また、各層の厚さは、磁性層２ａが20Å、非磁性層２ｂが21Å、及びバッファ層３が50Åとする。更に、周期構造単位 Nは20とする。
【００１９】
この膜を、実施例１と同様に、パターニングしてその上にSi3N4膜等の保護膜を形成後、250℃で12時間の熱処理を行う。
【００２０】
実施例５．
本実施例のGMR素子において、図１で示した各層を構成する材料及びその原子組成比は、磁性層２ａがFe0.1Co0.9、非磁性層２ｂがCu、及びバッファ層３が磁性層２ａと同じFe0.1Co0.9とする。また、各層の厚さは、磁性層２ａが15Å、非磁性層２ｂが23Å、及びバッファ層３が50Åとする。更に、周期構造単位 Nは20とする。
【００２１】
この膜を、実施例１と同様に、パターニングしてその上にSi3N4膜等の保護膜を形成後、250℃で12時間の熱処理を行う。
【００２２】
比較例．
上述の実施の各例に対して、比較の例を以下に説明する。
（比較例１）本比較例のGMR素子において、図１で示した各層を構成する材料及びその原子組成比は、磁性層２ａがFe0.6Co0.4、非磁性層２ｂがCu、及びバッファ層３が磁性層２ａと同じFe0.6Co0.4とする。また、各層の厚さは、磁性層２ａが15Å、非磁性層２ｂが21Å、及びバッファ層３が50Åとする。更に、周期構造単位 Nは20とする。
【００２３】
（比較例２）本比較例のGMR素子において、図１で示した各層を構成する材料及びその原子組成比は、磁性層２ａがNi0.15Fe0.20Co0.65、非磁性層２ｂがCu、及びバッファ層３が磁性層２ａと同じNi0.15Fe0.20Co0.65とする。また、各層の厚さは、磁性層２ａが15Å、非磁性層２ｂが21Å、及びバッファ層３が50Åとする。更に、周期構造単位 Nは30とする。
【００２４】
（比較例３）本比較例のGMR素子において、図１で示した各層を構成する材料及びその原子組成比は、磁性層２ａがFe0.1Co0.9、非磁性層２ｂがCu、及びバッファ層３が磁性層２ａと同じFe0.1Co0.9とする。また、各層の厚さは、磁性層２ａが10Å、非磁性層２ｂが21Å、及びバッファ層３が50Åとする。更に、周期構造単位 Nは20とする。
【００２５】
図３は、実施例１、実施例２及び実施例３と比較例１、比較例２及び比較例３の各例の構成をもつGMR素子を、車載用磁気抵抗センサ素子の環境温度範囲として想定される100℃〜200℃の各温度で、500時間保管した場合の磁気抵抗変化率の変化を保管前を基準に示したものである。尚、本測定では、各例のGMR素子において熱処理していないサンプルを供している。
【００２６】
何れの実施例においてもこの温度範囲の保管では、磁気抵抗変化率は保管前に比較して増加しているが、比較例においては何れも、温度が高くなるに伴って磁気抵抗変化率は減少しており、GMR素子を構成する磁性層の組成及び厚さによって、耐熱性に顕著な差が観られる。
【００２７】
但し、各実施例は耐熱性は優れているが、磁気抵抗変化率の変化が少なからずあり、特性の安定性という点では好ましくない。図４は例えば、車載用磁気抵抗センサ素子の環境温度の上限値として170℃を設定し、実施例１の構成のGMR素子を、予め環境温度より高い温度である200℃あるいは250℃で12時間熱処理して、その後170℃で500時間保管した場合の磁気抵抗変化率の変化を示したものである。また、図５は図４と同じ処理にて、電気抵抗の最小値の変化を示したものである。各図中、熱処理をしていないサンプルとの比較を示しているが、熱処理によって特性の安定化が図られることが明らかである。更には、環境温度T℃に対して(T+50)℃以上の温度での熱処理が効果的である。
【００２８】
更に図６は、実施例１、実施例３、実施例４及び実施例５と比較例１、比較例２及び比較例３の各例の構成をもつGMR素子を、200℃〜300℃の各温度で12時間熱処理した場合の磁気抵抗変化率の変化を熱処理前を基準に示したものである。実施の各例において、熱処理温度が200℃〜250℃の範囲では熱処理前に比較して磁気抵抗変化率は増加しており、即ち250℃まで問題がなく、車載用センサ素子の環境温度として100℃〜200℃の範囲を想定した場合、実施例の何れにおいても上述の(T+50)℃以上の温度での熱処理が可能である。但し、280℃以上の温度になると、GMR素子の構成によって適・不適があり、例えば実施例１、あるいは実施例３では問題ないが、実施例４及び実施例５においては250℃以下の温度で処理する方が良い。
【００２９】
実施例６．
本実施例のGMR素子において、図１で示した各層を構成する材料及びその原子組成比は、磁性層２ａがFe0.1Co0.9、非磁性層２ｂがCu、及びバッファ層３が磁性層２ａと同じFe0.1Co0.9とする。また、各層の厚さは、磁性層２ａが12Å、非磁性層２ｂが21Å、及びバッファ層３が50Åとする。更に、周期構造単位 Nは10とする。
【００３０】
この膜を、実施例１と同様に、パターニングしてその上にSi3N4膜等の保護膜を形成後、250℃で12時間の熱処理を行う。
【００３１】
実施例７．
本実施例のGMR素子において、図１で示した各層を構成する材料及びその原子組成比は、磁性層２ａがFe0.1Co0.9、非磁性層２ｂがCu、及びバッファ層３が磁性層２ａと同じFe0.1Co0.9とする。また、各層の厚さは、磁性層２ａが20Å、非磁性層２ｂが21Å、及びバッファ層３が50Åとする。更に、周期構造単位 Nは10とする。
【００３２】
この膜を、実施例１と同様に、パターニングしてその上にSi3N4膜等の保護膜を形成後、250℃で12時間の熱処理を行う。
【００３３】
実施例６及び実施例７において、各GMR素子の室温での飽和磁界はそれぞれ、500エルステッド及び350エルステッドである。図７はこれらの実施例の室温及び高温（150℃）での感度を、動作磁界を例えば100エルステッド〜400エルステッドの間とした１つの例を示してある。本例のそれぞれの感度について、実施例６のGMR素子（飽和磁界500エルステッド）は高温環境下でも室温とほぼ同じであるが、実施例７のGMR素子（飽和磁界350エルステッド）では高温環境下は室温より落ちる。但し、本例に示した感度は全て、車載用磁気抵抗センサ素子として充分な値である。
【００３４】
このように高温環境下での動作は飽和磁界の大きさによって異なり、更には磁気抵抗曲線の形状や動作磁界範囲と関係する。車載用磁気抵抗センサ素子としての適用は、耐熱性と伴に高温環境下での動作もまた重要である。
【００３５】
上述の各実施例全てのGMR素子において、室温のみならず高温環境下においても良好な感度が100エルステッド以上の動作磁界で得られる。動作磁界は例えば100エルステッドより小さくてもよいが、車載用としては耐外乱磁界性の確保から大きい方が好ましく、一方センサの小型化の点からは小さい方が好ましい。適用環境を考慮して動作磁界を設定し、高SN比を得ることが重要であるが、本発明のGMR素子は、比較的高い動作磁界を設定しても高SN比が得られ、車載用磁気抵抗センサ素子として好適である。
【００３６】
なお、上述の実施の各例全てのGMR素子は熱処理を１２時間行っているが、熱処理時間はより短くても、より長くてもよい。例えば素子の製造上において都合のよい時間を設定すればよく、数時間〜十数時間の熱処理で同様の効果が得られる。
【００３７】
【発明の効果】
請求項１の発明は、Ni、Fe、及びCoを主成分とする磁性層とCuを主成分とする非磁性層とが交互に積層された車載用磁気抵抗センサ素子であって、それぞれの層の原子組成比が、磁性層組成 Ni(1-x-y)FeyCox（該式において、x≧0.7かつy≦0.3かつ(1-x-y)≦0.15を満足する）、および非磁性層組成 CuzA(1-z)（式中、AはCu以外の添加元素を表し、z≧0.9である）を満足し、それぞれの層の厚さが、磁性層厚 tm：10Å＜tm＜25Å、非磁性層厚 tn：18Å＜tn＜25Åを満足し、なおかつ前記磁気抵抗センサ素子が予め200℃以上300℃以下の温度で熱処理されていることを特徴としているので、外乱磁界耐性が高く高感度な、即ち出力信号のSN比が良く、また耐熱性が高く高温環境下でも高SN比が維持された信頼性の高い車載用磁気抵抗素子が提供される。このため、本発明の素子を用いたセンサは従来実現されなかった精度での検出が可能となる。あるいはセンサの取付け精度の裕度が大きくなるなどの効果がある。
【００３８】
請求項２の発明は、１層の前記磁性層と１層の前記非磁性層との積層構造を１周期構造単位とした場合、前記車載用磁気抵抗センサ素子が、前記周期構造単位 N：10≦N≦40を満足することを特徴とする請求項１記載の車載用磁気抵抗センサ素子であるので、高温環境下での信頼性が一層高まる。
【００３９】
請求項３の発明は、基板と前記磁性層、あるいは前記基板と前記非磁性層との間にバッファ層を設け、その厚さが、バッファ層厚 tb：10Å＜tb＜80Åを満足することを特徴とする請求項１記載の車載用磁気抵抗センサ素子であるので、高温環境下での信頼性が一層高まる。
【００４０】
請求項４の発明は、前記磁気抵抗センサ素子の保管保証温度がT℃である場合、前記熱処理温度が、(T+50)℃以上の温度である請求項１記載の車載用磁気抵抗センサ素子であるので、高温環境下での信頼性が一層高まる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施の形態を示す車載用磁気抵抗センサ素子の断面図である。
【図２】  本発明に係る車載用磁気抵抗センサ素子の実施例１の熱処理前及び熱処理後の磁電変換特性（磁気抵抗曲線）を示す図である。
【図３】  実施例１、実施例２及び実施例３と比較例1、比較例２及び比較例３の各例の構成をもつ車載用磁気抵抗センサ素子を、車載用磁気抵抗センサ素子の環境温度範囲として想定される100℃〜200℃の各温度で、500時間保管した場合の磁気抵抗変化率の変化を保管前を基準に示した図である。
【図４】  実施例１の構成の車載用磁気抵抗センサ素子を、予め環境温度より高い温度である200℃あるいは250℃で12時間熱処理して、その後170℃で500時間保管した場合の磁気抵抗変化率の変化を示した図である。
【図５】  図４と同じ処理にて、実施例１の構成の車載用磁気抵抗センサ素子の電気抵抗の最小値の変化を示した図である。
【図６】  実施例１、実施例３、実施例４及び実施例５と比較例１、比較例２及び比較例３の各例の構成をもつ車載用磁気抵抗センサ素子を、200℃〜300℃の各温度で12時間熱処理した場合の磁気抵抗変化率の変化を熱処理前を基準に示した図である。
【図７】  実施例６及び実施例７の車載用磁気抵抗センサ素子の室温及び高温（150℃）での感度を示す図である。
【符号の説明】
１  基板、２ａ  磁性層、２ｂ  非磁性層、３  バッファ層。
【図１】
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【図２】
0003696803.tif 000003
【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】
0003696803.tif 000008