(57)【要約】【課題】検出精度を向上させることの可能な磁気センサを提供する。【解決手段】本発明の一態様の磁気センサ１は、磁化自由層２１、磁化自由層２１上に形成された絶縁性の非磁性層２２、および非磁性層２２上に形成された磁化固定層２３を有する素子部２０と、素子部２０と電気的に絶縁された磁気収束部３０と、を備える。素子部２０の感磁軸の方向を第一の方向とすると、磁気収束部３０の第一の方向の長さＬＦＣは５ｍｍ以上であり、磁気収束部３０の厚みｔＦＣは５μｍ以上であり、ＬＦＣ＞ｔＦＣを満たす。【選択図】図１
2018194534.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化自由層、前記磁化自由層上に形成された絶縁性の非磁性層、および前記非磁性層上に形成された磁化固定層を有する素子部と、
前記素子部と電気的に絶縁された磁気収束部と、を備え、
前記素子部の感磁軸の方向を第一の方向とすると、
前記磁気収束部の前記第一の方向の長さＬＦＣは５ｍｍ以上であり、
前記磁気収束部の厚みｔＦＣは５μｍ以上であり、
ＬＦＣ＞ｔＦＣを満たす磁気センサ。
【請求項２】
前記磁気収束部を複数備え、前記素子部は該複数の磁気収束部間に存在する請求項１に記載の磁気センサ。
【請求項３】
前記複数の磁気収束部の間隔ＤＦＣと、前記磁化自由層の前記第一の方向の長さＬＦＭＲと、前記磁化固定層の前記第一の方向の長さＬＰＭＲと、前記磁気収束部の厚みｔＦＣは、ＬＰＭＲ／４≦ＤＦＣ≦ＬＦＭＲ＋５×ｔＦＣを満たす請求項２に記載の磁気センサ。
【請求項４】
前記磁気収束部の厚み方向を第二の方向とし、前記第一の方向及び前記第二の方向に直交する方向を第三の方向とすると、
前記複数の磁気収束部の二つ以上は、前記第一の方向の長さＬＦＣが前記第三の方向の長さＷＦＣよりも長い請求項２または３に記載の磁気センサ。
【請求項５】
上面視において前記磁化自由層の面積は前記磁化固定層の面積よりも大きい請求項１〜４の何れか一項に記載の磁気センサ。
【請求項６】
前記磁化固定層を複数有する前記素子部を複数備え、
複数の前記素子部を電気的に接続する配線部を有する請求項１〜５の何れか一項に記載の磁気センサ。
【請求項７】
前記複数の素子部は、前記磁気収束部を区画する辺のうちの前記第一の方向に略直交する辺に沿って配置されている請求項６に記載の磁気センサ。
【請求項８】
前記磁化自由層の前記第一の方向の長さＬＦＭＲは５０μｍ≦ＬＦＭＲ≦１５０μｍを満たす請求項１〜７の何れか一項に記載の磁気センサ。
【請求項９】
前記磁気収束部の厚み方向の中心と前記素子部の厚み方向の中心とがずれている請求項１〜８の何れか一項に記載の磁気センサ。
【請求項１０】
前記素子部の前記第一の方向に直交する方向の長さは、前記磁気収束部の前記第一の方向に直交する方向の長さよりも短い請求項１〜９の何れか一項に記載の磁気センサ。
【請求項１１】
前記磁気収束部の前記第一の方向の磁化が飽和する時の外部磁場の値Ｈｓは、０＜Ｈｓ≦１０[Ｏｅ]を満たす請求項１〜１０の何れか一項に記載の磁気センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は磁気センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
磁場を検出する磁気センサとして、ＧＭＲ（巨大磁気抵抗）効果やＴＭＲ（トンネル磁気抵抗）効果を用いたスピンバルブ型ＭＲ磁気センサがある。
スピンバルブ型ＭＲ磁気センサは、非磁性体を強磁性体で挟んだ構造（強磁性体／非磁性／強磁性体）を有し、一方の磁性体の磁化を反強磁性体で固定（磁化固定層）し、もう一方の強磁性体（磁化自由層）の磁化は外部磁場に対して自由に回転できる構造が一般的である（スピンバルブ構造）。スピンバルブ型ＭＲ磁気センサは、外部磁場Ｈが加わり、磁化固定層の磁化と磁化自由層の磁化との相対角が変化すると、非磁性体である中間層を流れる電流が変化するため、磁場を検出することができる（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
スピンバルブ型ＭＲ磁気センサは、微小な磁場で大きな磁気抵抗（ＭＲ）変化を示すことが知られており、主にハードディスクの磁気ヘッド等に用いられている。また、スピンバルブ型ＭＲ磁気センサは、ホール効果を用いた磁気センサ（ホール素子）と比較して高感度であること、つまり微小磁場の検出が可能であることが知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
ＭＲセンサには他の方式があり、例えばＡＭＲ（異方性磁気抵抗）効果を利用したＡＭＲ磁気センサがある。ＡＭＲ磁気センサ（ＡＭＲ素子）はＧＭＲ磁気センサやＴＭＲ磁気センサと比較して感度は小さいが、ノイズ特性が優れており、磁気検出能はＧＭＲ磁気センサやＴＭＲ磁気センサと比較しても同等レベルである（例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平９−１９９７６９号公報
【特許文献２】特開２００５−２２１３８３号公報
【特許文献３】特許第５０４４０７０号公報
【発明の概要】
【０００６】
上述したようなＧＭＲ効果やＴＭＲ効果を用いたスピンバルブ型ＭＲ磁気センサは、ホール素子やＡＭＲ素子に比べて磁気感度が高いという特徴を持つ。しかし、生体から発生する磁場等、非常に微小な磁場を得るには感度が足りない。
そこで、本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、検出精度を向上させることの可能な磁気センサを提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明の一態様の磁気センサは、磁化自由層、前記磁化自由層上に形成された絶縁性の非磁性層、および前記非磁性層上に形成された磁化固定層を有する素子部と、前記素子部と電気的に絶縁された磁気収束部と、を備え、前記素子部の感磁軸の方向を第一の方向とすると、前記磁気収束部の前記第一の方向の長さＬＦＣは５ｍｍ以上であり、前記磁気収束部の厚みｔＦＣは５μｍ以上であり、ＬＦＣ＞ｔＦＣを満たすことを特徴としている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、より優れた感度特性を実現することが可能な磁気センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第一実施形態に係る磁気センサを示す平面図（ａ）と、そのＡ−Ａ’断面図（ｂ）である。
【図２】本発明の第一実施形態に係る磁気センサの変形例を示す平面図（ａ）と、そのＡ−Ａ’断面図（ｂ）である。
【図３】本発明の第二実施形態に係る磁気センサを示す平面図（ａ）と、そのＡ−Ａ’断面図（ｂ）である。
【図４】本発明の第三実施形態に係る磁気センサを示す平面図（ａ）と、そのＡ−Ａ’断面図（ｂ）である。
【図５】ハードバイアス部を有する磁気センサについて説明する図であり、（ａ）は第四実施形態の磁気センサが有するハードバイアス部の配置を示す。
【図６】実施例１の磁気センサの磁気収束部と素子部を示す平面図である。
【図７】実施例２の磁気センサの磁気収束部と素子部を示す平面図である。
【図８】比較例１および２の磁気センサの磁気収束部と素子部を示す平面図である。
【図９】実施例１の磁気センサを用いて得られた磁化曲線を示すグラフである。
【図１０】実施例１１〜８９および比較例１１〜７７で用いた磁性体群の配置を示す平面（ａ）と、そのＡ−Ａ’断面図（ｂ）である。
【図１１】実施例１１〜５５および比較例１１〜７７で得られた結果を示すグラフである。
【図１２】実施例１１および実施例６１〜６４で得られた結果を示すグラフである。
【図１３】実施例８１〜８９および比較例８１〜８２で得られた結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
［本発明の一態様に関する詳細な説明］
＜磁気センサ＞
本発明の一態様に係る磁気センサは、磁化自由層、磁化自由層上に形成された絶縁性の非磁性層、および非磁性層上に形成された磁化固定層を有する素子部と、素子部と電気的に絶縁された磁気収束部と、を備える。前記素子部の感磁軸の方向を第一の方向とすると、磁気収束部の第一の方向の長さＬＦＣは５ｍｍ以上であり、磁気収束部の厚みｔＦＣは５μｍ以上であり、ＬＦＣ＞ｔＦＣを満たす。
【００１１】
本発明の一態様に係る磁気センサによれば、後述の実施例、比較例、表１及び図１１等に示すように、ＬＦＣが５ｍｍ以上、ｔＦＣが５μｍ以上であり、且つ、ＬＦＣ＞ｔＦＣであることで、素子部の磁化自由層の磁化を大きく増幅することが可能となり、優れた感度特性を持つ磁気センサを実現できる。
磁性材料の内部では、磁化の向きとは逆向きの磁界が生じており、反磁界と呼ばれている。磁性材料に外部から磁場を印加した時、反磁界が存在することで、磁性体内部の実効的な磁は、反磁界の分だけ減少し、磁化もそれに伴い減少する。例えば、磁気収束部に関して言えば、後述する磁気増幅率と直結する透磁率は、外部磁場に対する磁化の割合で決まる。したがって、反磁界が小さいことは、優れた感度特性を実現するために重要な要素である。ここで、ＬＦＣ＞ｔＦＣとすることで、磁気収束部の感磁軸方向の反磁界を小さくすることができ、磁気センサの感度特性を向上させることが可能となる。
【００１２】
また、本発明の一態様の磁気センサは、磁気収束部を複数備え、素子部は複数の磁気収束部間に存在することが好ましい。ここで、「磁気収束部間」とは、上面視（平面視）で、二つの磁気収束部の間にできる空隙を意味する。この空隙は、磁気収束部の材料以外のもので構成されていれば、他の部材で満たされていても良く、一例として、後述の保護層や、磁化自由層がこの空隙に存在してもよい。後述の図１においては、磁気収束部３０Ｌの右端と、磁気収束部３０Ｒの左端間隔が「磁気収束部間」となる。
【００１３】
素子部を磁気収束部に近づけることで磁気増幅効果が得られるが、素子部の両側に磁気収束部を配置することで、より優れた感度特性をもつ磁気センサを実現できる。
また、複数の磁気収束部の間隔ＤＦＣと、磁化自由層の第一の方向の長さＬＦＭＲと、磁化固定層の第一の方向の長さＬＰＭＲは、ＬＰＭＲ／４≦ＤＦＣ≦ＬＦＭＲ＋５×ｔＦＣを満たすことが好ましい。図１２等に示すように、ＬＰＭＲ／４≦ＤＦＣ≦ＬＦＭＲ＋５×ｔＦＣを満たすことで、素子部の磁化自由層の磁化をより大きく増幅することが可能となり、優れた感度特性を持つ磁気センサを実現できる。
【００１４】
また、本発明の一態様の磁気センサは、磁化固定層を複数有する素子部を複数備え、複数の素子部を電気的に接続する配線部を有することが好ましい。この配線部を用いて複数の磁化固定層を電気的に接続すると、センサを駆動する際に１つの接合部にかかる電圧を低減できるため、電圧ノイズが低減し、より優れたノイズ特性を得ることができる。特に直列接続にすると、絶縁破壊耐圧の向上も期待できる。したがって、より優れた特性をもつ磁気センサを実現できる。
【００１５】
この場合、各素子部間の間隔は、素子作製の面積効率の観点から、１００μｍ以下とすることが好ましい。また各素子部間の間隔は、５０μｍ以下がより好ましく、１０μｍ以下がさらに好ましく、５μｍ以下がさらに好ましい。
また、この場合、複数の素子部は、磁気収束部を区画する辺のうちの感磁軸に略直交する辺に沿って配置することが好ましい。このように配置することで、磁気収束部間の間隔を小さくすることができる。磁気収束部間の間隔が小さいと、より効率よく磁気増幅が可能となる。
【００１６】
また、磁気収束部の厚み方向の中心と素子部の厚み方向の中心とがずれていることが好ましい。その理由は以下の通りである。本発明の一態様の磁気センサにおいて磁気収束部の厚みは５ｍｍ以上であり、素子部の厚みは例えば７０ｎｍ程度であるため、磁気収束部の厚み方向の中心と素子部の厚み方向の中心とを一致させるためには、基板をイオンミリング等で深く（２．５ｍｍ以上）エッチングする必要があり、時間がかかる。これに対して、磁気収束部の厚み方向の中心と素子部の厚み方向の中心とがずれていれば、深くエッチングする必要がなくなるため、より簡便に本発明の一態様の磁気センサを作製することが可能となる。
【００１７】
また、素子部は感磁軸を有し、上面視において、素子部の第一の方向に直交する方向の長さは、磁気収束部の第一の方向に直交する方向の長さよりも短いことが好ましい。このように構成することで、磁気増幅された磁場を素子部全体に流入させることができるので、より効率よく磁気増幅することが可能となる。
以下、本発明の一態様に係る磁気センサの各構成部について、例を挙げて説明する。
【００１８】
（Ａ）素子部
素子部は、磁化自由層と、非磁性層と、非磁性層上に形成された磁化固定層と、を有し、第一の方向に延びる感磁軸を有する。
素子部の積層順は、磁化自由層と、非磁性層と、磁化固定層が、この順で形成されることが望ましいが、順序は問わない。また、感度向上の観点から、非磁性層は絶縁性の材料で形成されていることが望ましい。
【００１９】
素子部の感磁軸とは、外部磁場に対する感度が最大となる方向を意味する。
例えば、外部磁場Ｂの印加方向と感磁軸が角度θだけ傾いているとき、磁気センサが感じる実効的な磁場Ｂｅｆｆは、Ｂｅｆｆ＝Ｂｃｏｓθで表される。θ＝０、すなわち外部磁場の印加方向と感磁軸の方向が一致している時、実効的な磁場が最大となるので、最も感度よく外部磁場を検知できる。
【００２０】
磁化自由層と同一平面内の所定の方向において、磁気センサに対して、外部磁場を増減させながら印加する。この時の外部磁場に対する抵抗値変化の傾きを、所定の方向における感度とする。
抵抗値変化の傾きを、最大の抵抗値と最小の抵抗値との間における最低３点以上で算出し、抵抗値変化の傾き（つまり、感度）が最大となる方向を、磁気センサの素子部の感磁軸とみなす。
【００２１】
三つの層（磁化自由層、非磁性層、および磁化固定層）の上又は下、又は三つの層間に他の層が挿入されていてもよい。
素子部の最上部には、酸化防止の観点から、非磁性のキャップ層を備えていることが好ましい。非磁性のキャップ層は、配線部との接続の観点から、Ａｕ、Ｒｕなどの導電性材料であることが好ましい。
【００２２】
密着性の観点から、キャップ層と、磁化自由層または磁化固定層との間にＴｉ、Ｔａなどの金属層を備えていることが望ましい。素子部は公知の方法で形成することが可能であり、一例としては、スパッタ法により形成することができる。また、複数の素子部を形成する場合、基板上に形成された積層膜を、フォトリソグラフィー法で形成されたマスク部材を用いてドライエッチングやウェットエッチングすることにより形成することができる。
【００２３】
この時、素子部の途中でエッチングを停止させることにより、素子部の形状を制御してもよい。この場合、エッチング停止点より上側の層が、エッチング停止点の下側の層上に複数部分に分かれて形成されていてもよい。
また、エッチング停止点は任意に設定することができる。例えば、上側の層に磁化自由層と非磁性層の一部が含まれ、下側の層に非磁性層の一部、磁化固定層が含まれていてもよい。
【００２４】
また、上側の層に磁化自由層、非磁性層、磁化固定層、が含まれ、下側の層はそれ以外の層（例えばＴａ、Ｒｕなど）で構成されていてもよい。
また、磁化固定層の位置は限定されない。磁気収束部の形状と、磁化自由層の形状と、これらの位置関係によって、磁化自由層内での磁化分布は変化する。例えば、図１や図４に示すように、磁化固定層を配置することができる。特に、磁化自由層と磁気収束部が非常に近く、磁化自由層の面積が大きい場合、図４に示すように磁化固定層を磁気収束部に近づけるような配置にすると、より高い感度が得られる。一方、磁化自由層と磁気収束部の距離が遠い場合や、磁化自由層の面積が小さい場合、図１に示すように、磁化固定層を感磁軸方向でみた時の磁化自由層の中央付近に配置すると、より高い感度が得られる。
【００２５】
積層膜の磁化容易軸を決定するために、磁化容易軸にしたい方向と平行に、成膜中に磁場を印加してもよい。
ここで、磁化容易軸とは、磁性体のもつ磁気異方性の特性により、磁化されやすい方向のことを意味する。磁気異方性は、磁性体の形状によって決まる形状磁気、結晶方位によって決まる形状磁気異方性、磁性原子の配列によって起こる誘導磁気異方性などにより決定される。
また、積層膜を成膜後に、磁場中で熱処理を行うことで、磁化容易軸を決定してもよい。
【００２６】
（Ａ−２）非磁性層
非磁性層は、絶縁性の非磁性材料で構成される。一般的に、ＴＭＲ素子の場合はＡｌ２Ｏ３やＭｇＯ等の絶縁材料が用いられるが、この限りではない。高磁気感度化のため、非磁性層にＭｇＯを利用することが好ましい。なお、非磁性層の微細加工形状は問わない。
【００２７】
（Ａ−３）磁化固定層
磁化固定層は、外部磁場によって磁化方向が容易に変化しないように、強磁性材料を主に用いて構成される。磁化固定層は、一つの材料で構成される必要はなく、多層膜であってもよい。一例としては、磁化固定層は、強磁性材料を反強磁性材料でピン止めした構造が用いられる。軟磁性材料としては、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅＳｉＢ、ＣｏＦｅなどが用いられるがこの限りではない。磁気感度向上のため、磁化固定層中にＲｕやＴａなどの非磁性層が挿入された多層膜であることが好ましい。また、反強磁性材料としてＩｒＭｎ、ＰｔＭｎなどが用いられるが、この構成に限定されない。なお、磁化固定層の微細加工形状は問わない。
【００２８】
（Ｂ）磁気収束部
本発明の一態様の磁気センサにおいて、磁気収束部は、第一の方向の長さＬＦＣは５ｍｍ以上であり、厚みｔＦＣは５μｍ以上であり、ＬＦＣ＞ｔＦＣを満たすものである。磁気収束部は膜厚方向が磁化困難軸方向となっている軟磁性体材料により構成される。軟磁性材料は、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅＳｉＢ、ＮｉＦｅＣｕＭｏ、ＣｏＺｒＮｂ、などが挙げられるがこの限りではない。
【００２９】
磁気収束部はスパッタ法やめっきによって作成することができる。磁気収束部は公知の方法で形成することが可能であり、一例としては、フォトリソグラフィー法で形成されたマスク部材、及び、積層部の全面に、ＣｕやＮｉＦｅ等の材料を用いて後述するシード層を作り、めっきによって磁気収束部を形成するか、蒸着法やスパッタリング法により磁気収束部を形成し、さらに、マスク部材や余分なシード層を取り除くことで形成することができる。
【００３０】
より高い感度を得るためには、磁気収束部の感磁軸方向の反磁界が小さいことが望ましい。そのため、磁気センサが磁気収束部を複数備える形態において、前述の第一の方向及び第二の方向に直交する方向を第三の方向としたときに、複数の磁気収束部の少なくとも二つ以上は、第一の方向の長さＬＦＣが第三の方向の長さＷＦＣよりも長いことが好ましい。このような構成にすることで、より小さい面積で磁気センサを作製できる。また、反磁界が小さくなるため、より高い磁気増幅効果を得ることができる。
【００３１】
また、磁気収束部の磁化が飽和する時の外部磁場の値Ｈｓは、０＜Ｈｓ≦１０[Ｏｅ]を満たすことが好ましい。使用時の利便性の観点から、環境磁場によって飽和しないことが好ましい。そのため、０．１[Oe]≦Ｈｓ≦１０[Oe]がより好ましく、０．５[Oe]≦Ｈｓ≦１０[Oe]がより好ましく、１[Oe]≦Ｈｓ≦１０[Oe]がさらに好ましい。
なお、磁化が完全に飽和するためには、実際には強い外部磁場が必要となる。本明細書中では、磁化が飽和するときの外部磁場の値Ｈｓとは、外部磁場に対して磁化が略線形に変化する、外部磁場がゼロ付近の傾きでの外挿線と、飽和磁化の値との交点をＨｓと定義する。
【００３２】
ここで、磁気収束部が素子部の感磁軸に平行な方向（第一の方向）に長い形状を有する場合、この方向（第一の方向）が磁化容易軸となりやすい。磁化容易軸とは、磁性体が磁化されやすい軸方向のことであり、形状、結晶方位や、成膜時、熱処理時の磁場印加方向によって変化する。このなかでも磁性体の形状による効果は大きく、磁性体の長手方向が磁化容易軸になりやすいという特徴（形状異方性）を有する。素子部の感磁軸に平行な方向（第一の方向）が磁化容易軸となった場合、正に磁化された状態と負に磁化された状態の間で値を持たなくなり、磁気収束部による磁気収束が出来なくなる。
【００３３】
つまり、本発明の一態様の磁気センサにおいて磁気収束部の寸法関係がＬＦＣ＞ＷＦＣである場合、上述の形状異方性により第一の方向が磁化容易軸になりやすい。しかし、磁性体の短手方向に磁場を印加しながら磁気収束部を形成することで、第一の方向が磁化容易軸とならず、磁気収束部の磁化が飽和するときの外部磁場の値Ｈｓが０＜Ｈｓ≦１０[Ｏｅ]を満たすものとすることができる。すなわち、十分な磁気収束を実現可能となっている。
【００３４】
磁気収束部をスパッタ等で形成する場合、例えば、短手方向に磁場を印加しながら第一の熱処理を行った後、長手方向に磁場を印加しながら、第一の熱処理温度よりも低い温度で、第二の熱処理を行う。具体的には、第一の熱処理温度は、３５０℃程度、第二の熱処理温度は３００℃程度等で行うことができるが、結晶状態や材料により最適な温度は異なる。磁場中での熱処理は、１時間程度、上記熱処理温度に保持した後、徐冷を行い、１００℃程度以下になるまで磁場印加を続けるという方法が採用できる。
【００３５】
（Ｂ−２）シード層
シード層は、めっきにより磁気収束部を作製する際のベースとして必要となる。熱酸化膜上に製膜する場合、密着性の観点から、ＴａやＴｉ等を成膜後、ＣｕやＮｉＦｅなどを製膜するのが好ましい。シード層がＣｕ等の非磁性材料の場合は、外部磁場に対して反応しないが、ＮｉＦｅ等の磁性材料の場合、シード層も磁気収束効果をもつ。この場合、シード層も含めて磁気収束部とみなす。
【００３６】
（Ｃ）保護層
保護層は、素子部、配線部、磁気収束部などの絶縁を保つために用いる。保護層の材料は素子部、配線部、磁気収束部を絶縁可能なものであれば特に制限されず、一例として酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化アルミニウムが挙げられる。保護層は素子部の表面全体を覆うように形成され、素子部と配線部との接合部分や、電極上には通電窓（すなわち、開口部）が存在する。本発明において通電窓の位置や形状は限定されない。
【００３７】
（Ｄ）配線部
配線部は、絶縁層上に形成された通電窓を介して電極と素子部とを接続する。また、複数の磁気センサを、直列接続又は並列接続する場合、素子部同士を電気的に接続するためにも用いる。密着性の観点から、キャップ層と配線部の間にＴｉ、Ｔａなどの層を備えていることが望ましい。
【００３８】
配線部の材料としては、素子部同士、電極間を電気的に接続することが可能な導電性の材料（例えばＡｕ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｔａ、Ｒｕなど）であれば特に制限されない。また、配線部は単一の材料からなってもよいし、複数の材料の混合又は積層であってもよい。配線部は公知の方法で形成することが可能であり、一例としては、フォトリソグラフィー法で形成されたマスク部材、及び、素子部の全面に、蒸着法やスパッタリング法により導電性材料を形成し、さらに剥離液を用いてマスク部材を剥離すること（すなわち、リフトオフ法）により形成することができる。
また、素子部や、磁気収束部にバイアス磁場を加える目的で、素子部と接続しない配線部を別に設けてもよい。
【００３９】
（Ｅ）電極
電極は、外部の回路等との接続に用いる。密着性の観点から、基板と電極との間にＴｉ、Ｔａなどの層を備えていることが望ましい。基板上に素子部を残し、その上部に電極を作製してもよい。電極の材料としては、配線部同様、導電性の材料（例えばＡｕ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｔａ、Ｒｕなど）であれば特に制限されないが、素子特性の観点から、酸化されにくい材料（Ａｕ，Ｒｕなど）である方が好ましい。
【００４０】
また、電極は単一の材料からなってもよいし、複数の材料が混合又は積層されたものであってもよい。電極は公知の方法で形成することが可能であり、一例としては、フォトリソグラフィー法で形成されたマスク部材、及び、積層部の全面に、蒸着法やスパッタリング法により導電性材料を形成し、さらに剥離液を用いてマスク部材を剥離すること（すなわち、リフトオフ法）により形成することができる。プロセス工数の観点から、配線部と同一プロセスで作製することが望ましい。
【００４１】
（Ｆ）ハードバイアス部
素子部の感磁軸と垂直な方向にハードバイアス部からの磁場が印加されるようにハードバイアス部を形成することで、バルクハウゼンノイズの抑制効果及び線形性の改善効果が得られる。本発明の一態様の磁気センサは、ハードバイアス部を備えていてもよいし、備えていなくてもよい。ハードバイアス部の材料は、例えば、ＣｏＰｔ，ＣｏＰｔＣｒなどのヒステリシスの大きい強磁性材料が用いられるが、この限りではない。
【００４２】
ハードバイアス部は、図５（ａ）に示すように、素子部と磁気収束部の両方に磁場が印加されるように形成されてもよいし、図５（ｂ）に示すように、磁気収束部に対してのみ磁場が印加されるように形成されてもよいし、図５（ｃ）に示すように、素子部に対してのみ磁場が印加されるように形成されてもよい。
なお、図５（ａ）では、素子部２０および磁気収束部３０Ｌ，３０Ｒの図５の紙面における上側のハードバイアス部をハードバイアス部６０Ｕ、下側のハードバイアス部をハードバイアス部６０Ｂとしている。図５（ｂ）では、磁気収束部３０Ｌ，３０Ｒの図５の紙面における上側のハードバイアス部を、ハードバイアス部６０１Ｕ，６０２Ｕ、下側のハードバイアス部をハードバイアス部６０１Ｂ，６０２Ｂとしている。図５（ｃ）では、素子部２０の図５の紙面における上側のハードバイアス部をハードバイアス部６０Ｕ、下側のハードバイアス部をハードバイアス部６０Ｂとしている。
【００４３】
［実施形態］
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一部分には同一符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なる。また、本発明は以下に示す実施形態に限定されない。以下に示す実施形態では、本発明を実施するために技術的に好ましい限定がなされているが、この限定は本発明の必須要件ではない。
【００４４】
＜第一実施形態＞
図１に示すように、第一実施形態の磁気センサ１は、基板１０と、基板１０上に配置された素子部２０と、素子部２０を覆う保護層４０と、保護層４０に形成された通電窓４０ａを通じて素子部２０と接続される配線部５０と、配線部５０及び保護層４０を覆う保護層４１と、を備え、さらに、保護層４１上にシード層３１と磁気収束部３０Ｌ，３０Ｒを備える。磁気収束部３０Ｌは図１の紙面上で素子部２０の左側の磁気収束部であり、磁気収束部３０Ｒは右側の磁気収束部である。磁気収束部３０Ｌ，３０Ｒは、素子部２０の感磁軸と平行な方向に、素子部２０を挟むように配置されている。
【００４５】
素子部２０は、磁化自由層２１、非磁性層２２、および磁化固定層２３がこの順に積層されたものであり、一つの磁化自由層２１上に、非磁性層２２と磁化固定層２３とからなる複数の積層体が、磁気収束部３０を区画する辺のうち第一の方向（素子部２０の感磁軸の方向）に略直交する線に沿って配置されている。
磁気収束部３０Ｌ，３０Ｒの第一の方向の長さＬＦＣは５ｍｍ以上であり、磁気収束部３０Ｌ，３０Ｒの厚みｔＦＣは５μｍ以上であり、ＬＦＣ＞ｔＦＣを満たす。また、磁気収束部３０Ｌ，３０Ｒの第一の方向の長さＬＦＣは、第三の方向の長さＷＦＣよりも長くなっている。
【００４６】
二つの磁気収束部３０Ｌ，３０Ｒの間隔ＤＦＣと、磁化自由層２１の第一の方向の長さＬＦＭＲと、磁化固定層２３の第一の方向の長さＬＰＭＲと、磁気収束部３０Ｌ，３０Ｒの厚みｔＦＣは、ＬＰＭＲ／４≦ＤＦＣ≦ＬＦＭＲ＋５×ｔＦＣを満たす。磁化自由層２１の第一の方向の長さＬＦＭＲは５０μｍ≦ＬＦＭＲ≦１５０μｍを満たす。
また、磁気収束部３０Ｌ，３０Ｒの厚み方向の中心と素子部２０の厚み方向の中心とがずれている。
【００４７】
なお、図２に第一実施形態の変形例を示すが、この磁気センサ１では、素子部２０を構成する磁化自由層２１の一部と磁気収束部３０Ｌ，３０Ｒの一部が、上面視で重複部分を有するように配置されている。図１の磁気センサ１と図２の磁気センサ１で、磁気収束部３０Ｌ，３０Ｒの間隔ＤＦＣは同じであるが、磁化自由層２１の第一の方向における寸法ＬＦＭＲは、図１の磁気センサ１よりも図２の磁気センサ１の方が大きい。
【００４８】
第一実施形態の磁気センサの製造方法を示す。以下に示す製造方法は一例であって、必ずしも以下の方法で作製する必要はない。
まず、基板１０上に、スパッタ法などの公知の方法で、強磁性層と非磁性層とからなる積層膜を成膜する。次に、この積層膜上に、フォトリソグラフィー法等により、マスク部材を形成する。マスク部材は、積層膜上に所望の箇所で所望の形状で形成してよい。
【００４９】
次に、このマスク部材で覆われていない積層膜の部分を、イオンミリング等の公知の方法でエッチングする。これにより、基板１０上の積層膜を所望の平面形状に加工する。この時、所望の平面形状に加工された積層膜（積層部）は基板１０の面内に複数あってもよい。
次に、この積層部上に、フォトリソグラフィー法等でマスク部材を形成する。この時マスク部材の開口部は、積層部の平面積より小さくなるように形成される。次に、このマスク部材で覆われていない積層部を、イオンミリング等の公知の方法でエッチングする。このとき、積層膜中に存在する「強磁性層／非磁性層／強磁性層」構造の、非磁性層付近でエッチングを止める。この時、下側の強磁性層が一部エッチングされてもよい。これにより、基板１０と反対側の非磁性層／強磁性層の第一の方向における寸法が、基板１０側の強磁性層より小さく形成される。その結果、強磁性層からなる磁化自由層２１、非磁性層２２、強磁性層からなる磁化固定層２３で構成された素子部２０が、基板１０上に形成される。
【００５０】
次に、素子部２０上にＣＶＤ法等公知の方法で絶縁膜を製膜する。この絶縁膜上に、フォトリソグラフィー法等でマスク部材を形成する。さらにＲＩＥなど公知の方法で絶縁膜をエッチングし、通電窓４０ａ用の開口部を形成する。これにより、通電窓４０ａを有する保護層４０が形成される。
次に、この保護層４０上に、フォトリソグラフィー法等でマスク部材を形成する。さらに、スパッタ等公知の方法で金属薄膜を製膜し、マスク部材とマスク部材上の金属薄膜を除去することで、配線部５０および電極５１を同時に形成する。
【００５１】
次に、ＣＶＤ法等公知の方法で保護層４１用の絶縁膜を製膜し、さらに、スパッタ法等公知の方法でめっきのベースとするシード層３１を形成する。さらに、このシード層３１上に、フォトリソグラフィー法等でマスク部材を形成する。
次に、電解めっき等の公知の方法でマスク部材の開口部にめっき膜を形成することで、磁気収束部３０Ｌ，３０Ｒを形成した後、マスク部材を除去する。次に、イオンミリング等公知の方法で、表面全体を覆っているシード層３１および保護層４１（磁気収束部３０Ｌ，３０Ｒと保護層４０との間に存在する部分以外）を除去する。以上の工程により、図１および図２に示す本実施形態の磁気センサ１を得ることができる。
【００５２】
＜第二実施形態＞
図３に示すように、第二実施形態の磁気センサ１は、基板１０と、基板１０上に配置された素子部２０および磁気収束部３００Ｌ，３００Ｒと、磁気収束部３００Ｌ，３００Ｒ上にそれぞれ形成された磁気収束部３０Ｌ，３０Ｒと、保護層４０と、配線部５０と、を備える。磁気収束部３００Ｌ，３００Ｒおよび磁気収束部３０Ｌ，３０Ｒは、素子部２０の感磁軸と平行な方向で素子部２０を挟むように配置され、素子部２０と絶縁されている。磁気収束部３０Ｌ，３００Ｌは、図３の紙面上で素子部２０の左側の磁気収束部であり、磁気収束部３０Ｒ，３００Ｒは右側の磁気収束部である。
【００５３】
素子部２０と磁気収束部３００Ｌ，３００Ｒは保護層４０で覆われている。磁気収束部３０Ｌ，３０Ｒは、磁気収束部３００Ｌ，３００Ｒ側の部分が保護層４０で覆われ、それ以外の部分が保護層４０から突出している。配線部５０は、保護層４０に形成された通電窓４０ａを通じて素子部２０と接続されている。
素子部２０は、磁化自由層２１、非磁性層２２、および磁化固定層２３がこの順に積層されたものであり、一つの磁化自由層２１上に、非磁性層２２と磁化固定層２３とからなる複数の積層体が、磁気収束部３０を区画する辺のうち第一の方向に略直交する線に沿って配置されている。
【００５４】
磁気収束部３０Ｌ，３０Ｒの第一の方向の長さＬＦＣは５ｍｍ以上であり、磁気収束部３０Ｌ，３０Ｒおよび磁気収束部３００Ｌ，３００Ｒの合計厚みｔＦＣは５μｍ以上であり、ＬＦＣ＞ｔＦＣを満たす。磁気収束部３０Ｌ，３０Ｒの第一の方向の長さＬＦＣは、第三の方向の長さＷＦＣよりも長くなっている。また、磁気収束部３００Ｌ，３００Ｒの第一の方向の長さは、第三の方向の長さよりも長くなっている。なお、磁気収束部３００Ｌ，３００Ｒの第一の方向の長さは磁気収束部３０Ｌ，３０Ｒの第一の方向の長さＬＦＣより少し長い。磁気収束部３００Ｌ，３００Ｒの第三の方向の長さは磁気収束部３０Ｌ，３０Ｒの第三の方向の長さより少し短い。
【００５５】
二つの磁気収束部３０Ｌ，３０Ｒの間隔ＤＦＣと、磁化自由層２１の第一の方向の長さＬＦＭＲと、磁化固定層２３の第一の方向の長さＬＰＭＲと、磁気収束部の厚みｔＦＣは、ＬＰＭＲ／４≦ＤＦＣ≦ＬＦＭＲ＋５×ｔＦＣを満たす。磁化自由層２１の第一の方向の長さＬＦＭＲは５０μｍ≦ＬＦＭＲ≦１５０μｍを満たす。
また、磁気収束部３０Ｌ，３０Ｒの厚み方向の中心と素子部２０の厚み方向の中心とがずれている。
【００５６】
第二実施形態の磁気センサは、第一実施形態の磁気センサと同様の方法で作製できる。
ただし、第二実施形態の磁気センサでは、スパッタ法などの公知の方法で作成された強磁性層と非磁性層とからなる積層膜を、イオンミリングなどの公知の方法でエッチングして所望の平面形状に加工する際に、素子部２０と磁気収束部３００Ｌ，３００Ｒを同時に形成する。
【００５７】
具体的には、先ず、素子部２０用の積層部と磁気収束部３００Ｌ，３００Ｒ用の積層部を、最初のエッチングで形成する。次に、各積層部に対するエッチングで、素子部２０の磁化自由層２１の左右に、所定間隔を開けて、磁化自由層２１と同層であった強磁性層を残す。この強磁性層が磁気収束部３００Ｌ，３００Ｒとなる。
その後、磁気収束部３００Ｌ，３００Ｒ上に、磁気収束部３０Ｌ，３０Ｒを形成する。
【００５８】
＜第三実施形態＞
図４に示すように、第三実施形態の磁気センサ１は、第一実施形態の図１に示す磁気センサ１と比較して、磁化自由層２１の面積が大きく、磁気収束部３０Ｌ，３０Ｒの間隔ＤＦＣも大きい。また、一つの磁化自由層２１上に形成された複数の非磁性層２２／磁化固定層２３が、磁気収束部３０を区画する辺のうち第一の方向に略平行な線に沿って配置されている。これ以外は第一実施形態の図１に示す磁気センサ１と同じである。
【００５９】
＜第四実施形態＞
第四実施形態の磁気センサ１は、図５（ａ）に示す配置でハードバイアス部６０Ｕ，６０Ｂを有する。つまり、ハードバイアス部６０Ｕ，６０Ｂは、素子部２０の感磁軸（第一の方向）および磁気収束部３０Ｌ，３０Ｒの厚さ方向（第二の方向）に直交する方向（第三の方向）で、素子部２０及び磁気収束部３０Ｌ，３０Ｒを挟むように配置されている。これ以外は第一実施形態の磁気センサ１と同じである。
【００６０】
この磁気センサを製造する際には、先ず、第一実施形態の磁気センサと同様のプロセスにより、磁気収束部３０Ｌ，３０Ｒまでを形成する。その後、フォトリソグラフィー法等により、第三の方向で素子部２０及び磁気収束部３０Ｌ，３０Ｒの両側となる位置に開口部を有するマスク部材を形成し、このマスク部材上に、スパッタ等公知の方法で強磁性体薄膜を成膜する。次に、このマスク部材を除去することで、素子部２０及び磁気収束部３０Ｌ，３０Ｒの両側に強磁性体薄膜が残る。これにより、ハードバイアス部６０Ｕ，６０Ｂが形成される。成膜時に、所望の方向に磁場を印加するなどして、ハードバイアス部の磁化方向を決定することができる。
【実施例】
【００６１】
以下、実施例および比較例について説明する。以下に示す実施例及び比較例では、磁気収束部３０の長さと厚みを変化させて磁気センサを形成し、その磁気感度に関して検討した。
また、磁気収束部３０の長さと厚みを変化させて磁気シミュレーションを行い、磁気感度に対応する磁気の増幅率に関して検討した。
【００６２】
［磁気感度の検討］
〔磁気センサの作製〕
＜実施例１＞
図１に示す構造の磁気センサ１として、平面視での磁気収束部３０Ｌ，３０Ｒと素子部２０の配置が図６で示されるものを、下記の成膜、微細加工プロセスを経て作製した。
【００６３】
先ず、表面にＳｉＯ2が１μｍ程度製膜された基板１０上に、シード層としてＴａ、磁化自由層２１としてＮｉＦｅ、Ｒｕ、ＣｏＦｅＢ、非磁性層２２としてＭｇＯ、磁化固定層２３としてＣｏＦｅＢ、Ｒｕ、ＣｏＦｅ、ＩｒＭｎ、キャップ層としてＴａ、Ｒｕをこの順で積層することで、積層膜を形成した。
次に、この積層膜上にフォトリソグラフィー法により、素子部２０用の積層部を形成するための開口部を複数有する第１のマスク部材を形成した。次に、ＥＣＲプラズマエッチング装置を用いて、第１のマスク部材で覆われていない積層膜を除去し、素子部２０用の積層部を複数形成した。その後、第１のマスク部材を除去した。
【００６４】
次に、フォトリソグラフィー法により、磁化固定層２３を形成するための開口部を二つ有する第２のマスク部材を、全ての積層部の上に形成した。次に、ＥＣＲプラズマエッチング装置を用いて、第２のマスク部材で覆われていない積層膜を非磁性層２２まで除去した。これにより、複数の素子部２０を基板１０上に形成した。その後、第２のマスク部材を除去した。
【００６５】
次に、複数の素子部２０が形成された基板１０上に、ＳｉＯ2からなる保護膜４０を成膜した。次に、通電窓４０ａの作製のため、フォトリソグラフィー法により、すべての磁化固定層２３の中央付近のみを露出しそれ以外の領域を覆う第３のマスク部材を、保護膜４０上に形成した。そして、保護膜４０の第３のマスク部材から露出している部分を、ＲＩＥエッチング装置を用いてエッチングした。これにより、保護層４０に配線部との接続のための通電窓４０ａを形成した。その後、第３のマスク部材を除去した。
【００６６】
次に、フォトリソグラフィー法により、各通電窓４０ａを直列に接続するような配線部が形成される領域と、電極が形成される領域とを露出し、それ以外の領域を覆う第４のマスク部材を、保護層４０上に形成した。次に、マグネトロンスパッタ装置を用いて全面に金属膜を積層した。その後、リフトオフ法により第４のマスク部材を除去し、金属膜から配線部５０及び電極５１を形成した。
【００６７】
次に、磁場中熱処理装置を用いて、感磁軸と垂直な平面方向に磁場をかけながら３２５℃で１時間熱処理（第１の熱処理）を行い、磁場をかけたままで１００℃まで冷却した。その後、さらに、感磁軸と平行な方向に磁場をかけながら３２５℃で１時間熱処理（第２の熱処理）を行い、磁場をかけたままで１００℃以下まで冷却した。
次に、全面にＳｉＯ2からなる保護層４１を形成した後、マグネトロンスパッタ装置を用いて、Ｔａ／Ｃｕからなるシード層３１を積層した。さらに、フォトリソグラフィー法により、磁気収束部３０Ｒ，３０Ｌが形成される領域（素子部２０の両側となる領域）以外を覆う第５のマスク部材を、シード層３１上に形成した。
【００６８】
次に、電解めっきにより、第５のマスク部材の開口部のシード層３１上に、ＮｉＦｅからなる磁気収束部３０Ｒ，３０Ｌを、上面視で感磁軸と垂直な方向に磁場を印加しながら形成した。このとき、磁気収束部の厚みの平均値は１０μｍ、第一の方向（感磁軸と平行な方向）の長さＬＦＣは１０ｍｍ、第三の方向の長さＷＦＣは１．５ｍｍとなるように形成した。
その後、リフトオフ法により第５のマスク部材を除去し、エッチング装置を用いて余分なシード層３１を除去することで、磁気センサ１が得られた。
得られた磁気センサ１に１Ｖの電圧をかけながら、感磁軸方向から外部磁場を変化させながら印加し、磁気抵抗変化の測定を行った。
【００６９】
＜実施例２＞
図１に示す構造の磁気センサ１として、三つの磁気収束部３０Ｌ，３０Ｒ，３０Ｃと二つの素子部２０Ｌ，２０Ｒを有し、平面視での磁気収束部３０Ｌ，３０Ｒ，３０Ｃと素子部２０Ｌ，２０Ｒの配置が図７で示されるものを、実施例１と同様の方法で作製した。磁気収束部の厚みの平均値は１０μｍ、第一の方向（感磁軸と平行な方向）の長さＬＦＣは５ｍｍ、第三の方向の長さＷＦＣは１．４ｍｍとなるようにした。得られた磁気センサ１の磁気抵抗変化の測定を、実施例１と同様の方法で行った。
【００７０】
＜比較例１＞
平面視での磁気収束部３０Ｌ，３０Ｒと素子部２０の配置が図８で示される以外は図１と同じ構造の磁気センサを、実施例１と同様の方法で作製した。磁気収束部の厚みの平均値は１０μｍ、第一の方向（感磁軸と平行な方向）の長さＬＦＣは０．８５ｍｍ、第三の方向の長さＷＦＣは１．４ｍｍとなるようにした。得られた磁気センサ１の磁気抵抗変化の測定を、実施例１と同様の方法で行った。
【００７１】
＜比較例２＞
平面視での磁気収束部３０Ｌ，３０Ｒと素子部２０の配置が図８で示される以外は図１と同じ構造の磁気センサを、実施例１と同様の方法で作製した。磁気収束部の厚みの平均値は１０μｍ、第一の方向（感磁軸と平行な方向）の長さＬＦＣは０．５５ｍｍ、第三の方向の長さＷＦＣは０．９６ｍｍとなるようにした。得られた磁気センサ１の磁気抵抗変化の測定を、実施例１と同様の方法で行った。
【００７２】
＜比較例３＞
比較例３の磁気センサは、平面視での素子部と二つの磁気収束部との配置が比較例１と同じ図８で示されるが、磁気収束部が基板１０上に直接形成されている構造を有する。つまり、比較例２の磁気センサは、図３の磁気センサ１で、磁気収束部３０Ｌ，３０Ｒを有さず、磁気収束部３００Ｌ，３００Ｒの上面が保護層４０で覆われている断面形状を有する。比較例３の磁気センサの磁気収束部３００Ｌ，３００Ｒの第一方向の長さＬＦＣは０．５５ｍｍであり、厚みは０．０７μｍ、第三の方向の長さＷＦＣは０．９６ｍｍである。
【００７３】
比較例３の磁気センサを、以下の方法で作製した。
先ず、基板１０上への積層膜の形成を実施例１と同様に行った後、この積層膜上にフォトリソグラフィー法により、第１のマスク部材を形成した。このマスク部材は、複数の素子部２０用の積層部を形成するための開口部と、磁気収束部用の積層部を形成するための開口部を有する。次に、ＥＣＲプラズマエッチング装置を用いて、第１のマスク部材で覆われていない積層膜を除去し、複数の素子部２０用の積層部と磁気収束部用の積層部を同時に形成した。その後、第１のマスク部材を除去した。
【００７４】
次に、フォトリソグラフィー法により、磁化固定層２３を形成するための開口部を二つ有する第２のマスク部材を、全ての素子部２０用の積層部上に形成した。次に、ＥＣＲプラズマエッチング装置を用いて、第２のマスク部材で覆われていない積層膜を非磁性層まで除去した。これにより、複数の素子部２０と、磁気収束部３００Ｌ，３００Ｒを基板１０上に形成した。その後、第２のマスク部材を除去した。
【００７５】
次に、素子部２０と磁気収束部３００Ｌ，３００Ｒが形成された基板１０上に、ＳｉＯ2からなる保護膜４０を成膜した。次に、通電窓４０ａの作製のためフォトリソグラフィー法により、すべての磁化固定層２３の中央付近のみを露出しそれ以外の領域を覆う第３のマスク部材を、保護膜４０上に形成した。そして、保護膜４０の第３のマスク部材で覆われていない部分を、ＲＩＥエッチング装置を用いてエッチングした。これにより、保護層４０に配線部との接続のための通電窓４０ａを形成した。その後、第３のマスク部材を除去した。
【００７６】
次に、フォトリソグラフィー法により、各通電窓４０ａを直列に接続するような配線部が形成される領域と、電極が形成される領域とを露出し、それ以外の領域を覆う第４のマスク部材を、保護層４０上に形成した。次に、マグネトロンスパッタ装置を用いて全面に金属膜を積層した。その後、リフトオフ法により第４のマスク部材を除去し、金属膜から配線部５０及び電極を形成した。
【００７７】
次に、磁場中熱処理装置を用いて、感磁軸と垂直な平面方向に磁場をかけながら３２５℃で１時間熱処理（第１の熱処理）を行い、磁場をかけたままで１００℃まで冷却した。その後、さらに、感磁軸と平行な方向に磁場をかけながら３２５℃で１時間熱処理（第２の熱処理）を行い、磁場をかけたままで１００℃以下まで冷却することで、比較例２の磁気センサが得られた。
得られた磁気センサに１Ｖの電圧をかけながら、感磁軸方向から外部磁場を変化させながら印加し、磁気抵抗変化の測定を行った。
【００７８】
〔感度の比較〕
磁気センサの抵抗変化の原理は、すでに公知である、ＴＭＲ効果（Ｔｕｎｎｅｌ  Ｍａｇｎｅｔｏ  Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ  ｅｆｆｅｃｔ）によるものである。ＴＭＲ効果による抵抗値の変化は、磁化自由層の磁化と磁化固定層の磁化の相対角の変化によるものであり、これらの界面において抵抗が変化する。ＴＭＲセンサ等の感度の定義は、公知であるように、磁化の相対角度が０°である時の抵抗値をＲｐ、１８０°である時の抵抗値をＲａｐ、抵抗変化範囲を２Ｈｋとしたとき、下記の(1)式で表される。
【００７９】
【数１】
2018194534.tif 000003
実施例１の磁気センサの感度は８６９［％／Ｏｅ］、実施例２の磁気センサの感度は６３８［％／Ｏｅ］、比較例１の磁気センサの感度は１１８［％／Ｏｅ］、比較例２の磁気センサの感度は７７［％／Ｏｅ］、比較例３の磁気センサの感度は２５[％／Ｏｅ]となった。
【００８０】
磁気収束部の第一方向の長さＬＦＣが実施例１の磁気センサでは１０ｍｍであり、実施例２の磁気センサでは５ｍｍであるのに対して、比較例１、２、３の磁気センサでは０．８５ｍｍ、０．５５ｍｍ（５ｍｍ未満）である。この違いにより、磁気センサの感度に大きな違いが生じていたと考えられる。
【００８１】
〔磁化特性〕
実施例１の磁気センサについてＶＳＭ測定を実施した。磁化はＮｉプレートにて校正し、±５０Ｏｅの磁場を印加したときの磁気センサ１の磁化の依存性を測定した。磁気センサ１を構成する磁性体の体積は、９９．９％以上磁気収束部３０が占めているので、測定結果は磁気収束部３０の磁化特性とみなすことができる。
【００８２】
得られた磁化曲線を、縦軸を磁化[emu/cc]、横軸を外部磁場［Ｏｅ］として図９に示す。磁化は外部磁場が６［Ｏｅ］付近まで急激に増加した後、さらに緩やかに増加し、磁化の値が１７５０[emu/cc]で飽和する結果となった。１〜２［Ｏｅ］の磁化の傾きの外挿線と飽和磁化の値から、近似的に飽和磁場の値を算出すると、７．４［Ｏｅ］となった。
ここで、磁気増幅率を決定する透磁率は、磁束密度／外部磁場で表される。磁気センサ１の磁気収束部３０の透磁率は６［Ｏｅ］付近で最大値２８００であった。
【００８３】
［磁気シミュレーション］
以下に示す実施例１１〜９２および比較例１１〜比較例８２では、有限要素法による磁場解析シミュレーションを行った。
磁場解析シミュレーションでは、任意の形状、透磁率の磁性体をコンピュータ上に作製することができる。形状を定義された磁性体を、任意の大きさの小領域に区切り、磁場を印加すると、磁性体中の各小領域の磁化状態を計算することができる。磁性体の磁化の値の大小は、感度の増幅率と対応している。
【００８４】
そして、磁性体群の配置を、図１０に示す、磁気収束部３０Ｌ，３０Ｒに対応する磁性体３０Ｌ’，３０Ｒ’と、磁化自由層２１に対応する磁性体２１’と、磁化固定層２３に対応する感磁エリアとからなる配置に定義し、磁気収束部３０Ｌ’，３０Ｒ’がある時の感磁エリアの磁化が、磁気収束部３０Ｌ’，３０Ｒ’がない時の感磁エリアの磁化に対して、何倍になっているかを調査した。この値を、本明細書中では、「増幅率」と定義する。
【００８５】
〔解析１〕
＜実施例１１〜実施例１５＞
下記では、磁場印加方向に伸びる辺を「長さ」、厚み方向の辺を「厚さ」、長さと厚さの両方に垂直な方向に伸びる辺を「幅」と記載する。磁気センサ１の磁化自由層２１と対応する磁性体２１’を、長さ１００μｍ、幅１４０μｍ、厚さ０．１μｍ、透磁率２０００として配置した。磁性体２１’の中心から、厚さ方向に１μｍ離れた平面上に、磁気センサ１の磁気収束部３０Ｌ及び３０Ｒと対応する磁性体３０Ｌ’及び３０Ｒ’を、幅７５０μｍ、厚さ５μｍ、透磁率２０００として、それぞれ磁性体２１’の左側と右側に配置した。また、感磁エリアは磁性体２１’内の中心に、長さ６０μｍ、幅１４μｍで定義した。
【００８６】
ここで、磁性体３０’（磁性体３０Ｌ’，３０Ｒ’）の長さは各実施例によって異なり、実施例１１で５ｍｍ、実施例１２で７．５ｍｍ、実施例１３で１０ｍｍ、実施例１４で１５ｍｍ、実施例１５で２０ｍｍとした。
この時、磁性体２１’の左端と磁性体３０Ｌ’の右端の間隔と、磁性体２１’の右端と磁性体３０Ｒ’の左端の間隔が５μｍずつ離れるように配置した。
【００８７】
上記のように配置された磁性体２１’と磁性体３０Ｌ’，３０Ｒ’に対して、左側から０．１ｎＴの磁場を印加し、前記増幅率を取得した。
【００８８】
＜実施例２１〜２５＞
実施例２１〜２５では、磁性体３０’の厚さを１０μｍとし、磁性体３０’の長さを以下のようにした以外は、実施例１１と同様の方法で増幅率を取得した。
磁性体３０’の長さは実施例２１で５ｍｍ、実施例２２で７．５ｍｍ、実施例２３で１０ｍｍ、実施例２４で１５ｍｍ、実施例２５で２０ｍｍとした。
【００８９】
＜実施例３１〜３５＞
実施例３１〜３５では、磁性体３０’の厚さを３０μｍとし、磁性体３０’の長さを以下のようにした以外は、実施例１１と同様の方法で増幅率を取得した。
磁性体３０’の長さは実施例３１で５ｍｍ、実施例３２で７．５ｍｍ、実施例３３で１０ｍｍ、実施例３４で１５ｍｍ、実施例３５で２０ｍｍとした。
【００９０】
＜実施例４１〜４５＞
実施例４１〜４５では、磁性体３０’の厚さを５０μｍとし、磁性体３０’の長さを以下のようにした以外は、実施例１１と同様の方法で増幅率を取得した。
磁性体３０’の長さは実施例４１で５ｍｍ、実施例４２で７．５ｍｍ、実施例４３で１０ｍｍ、実施例４４で１５ｍｍ、実施例４５で２０ｍｍとした。
【００９１】
＜実施例５１〜５５＞
実施例５１〜５５では、磁性体３０’の厚さを１００μｍとし、磁性体３０’の長さを以下のようにした以外は、実施例１１と同様の方法で増幅率を取得した。
磁性体３０’の長さは実施例５１で５ｍｍ、実施例５２で７．５ｍｍ、実施例５３で１０ｍｍ、実施例５４で１５ｍｍ、実施例５５で２０ｍｍとした。
【００９２】
＜実施例６１〜６４＞
実施例６１〜６４では、磁性体３０’の幅を以下のようにした以外は、実施例１１と同様の方法で増幅率を取得した。
磁性体３０’の幅は実施例６１で３ｍｍ、実施例６２で５ｍｍ、実施例６３で７ｍｍ、実施例６４で１０ｍｍとした。
【００９３】
＜比較例１１〜１２＞
比較例１１〜１２では、磁性体３０’の厚さを５μｍとし、磁性体３０’の長さを、比較例１１で１ｍｍ、比較例１２で２．５ｍｍとした以外は、実施例１１と同様の方法で増幅率を取得した。
＜比較例２１〜２２＞
比較例２１〜２２では、磁性体３０’の厚さを１０μｍとし、磁性体３０’の長さを、比較例２１で１ｍｍ、比較例２２で２．５ｍｍとした以外は、実施例１１と同様の方法で増幅率を取得した。
【００９４】
＜比較例３１〜３２＞
比較例３１〜３２では、磁性体３０’の厚さを３０μｍとし、磁性体３０’の長さを、比較例３１で１ｍｍ、比較例３２で２．５ｍｍとした以外は、実施例１１と同様の方法で増幅率を取得した。
＜比較例４１〜４２＞
比較例４１〜４２では、磁性体３０’の厚さを５０μｍとし、磁性体３０’の長さを、比較例４１で１ｍｍ、比較例４２で２．５ｍｍとした以外は、実施例１１と同様の方法で増幅率を取得した。
【００９５】
＜比較例５１〜５２＞
比較例５１〜５２では、磁性体３０’の厚さを１００μｍとし、磁性体３０’の長さを、比較例５１で１ｍｍ、比較例５２で２．５ｍｍとした以外は、実施例１１と同様の方法で増幅率を取得した。
＜比較例６１〜６７＞
比較例６１〜６７では、磁性体３０’の厚さを０．１μｍとし、磁性体３０’の長さを以下のようにした以外は、実施例１１と同様の方法で増幅率を取得した。
磁性体３０’の長さは、比較例６１で１ｍｍ、比較例６２で２．５ｍｍ、比較例６３で５ｍｍ、比較例６４で７．５ｍｍ、比較例６５で１０ｍｍ、比較例６６で１５ｍｍ、比較例６７で２０ｍｍとした。
【００９６】
＜比較例７１〜７７＞
比較例７１〜７７では、磁性体３０’の厚さを１μｍとし、磁性体３０’の長さを以下のようにした以外は、実施例１１と同様の方法で増幅率を取得した。
磁性体３０’の長さは、比較例７１で１ｍｍ、比較例７２で２．５ｍｍ、比較例７３で５ｍｍ、比較例７４で７．５ｍｍ、比較例７５で１０ｍｍ、比較例７６で１５ｍｍ、比較例７７で２０ｍｍとした。次に比較例７１〜比較例７７について説明する。
【００９７】
＜磁気収束部長さ、厚みに依存する増幅率の比較＞
実施例１１〜５５、比較例１１〜７７の磁性体３０’の感磁軸方向の長さ（ＬＦＣとする）と、磁性体３０’の厚み（ｔＦＣとする）と、磁性体２１’の感磁エリアでの増幅率の関係を表１にまとめて示す。
また、得られた結果を、磁性体３０’の感磁軸方向長さを横軸、増幅率を縦軸とした図１１のグラフに示す。図１１では、比較例および実施例でそれぞれ、厚さ毎にプロットマークを変えている。
【００９８】
次に、実施例１１及び実施例６１〜６４の磁性体３０’の幅（ＷＦＣ）と、磁性体３０’の感磁軸方向の長さ（ＬＦＣ）と、磁性体２１’の感磁エリアでの増幅率を表２に示す。
また、得られた結果を、磁性体３０’の幅を横軸、増幅率を縦軸とした図１２のグラフに示す。
【００９９】
【表１】
2018194534.tif 000004
表１および図１１から、実施例では比較例に対して効果を示していることが分かる。
【０１００】
【表２】
2018194534.tif 000005
表２および図１２から、幅ＷＦＣが５ｍｍよりも小さい時、すなわち、幅ＷＦＣ＜長さＬＦＣであるとき、より高い感度増幅効果が得られることが分かる。
【０１０１】
〔解析２〕
＜実施例８１〜９２＞
実施例８１〜９２では、磁性体３０Ｌ’と磁性体３０Ｒ’の間隔を以下のようにした以外は、実施例１１と同様の方法で増幅率を取得した。
磁性体３０Ｌ’と磁性体３０Ｒ’の間隔は、実施例８１では１５μｍ、実施例８２では２０μｍ、実施例８３では３０μｍ、実施例８４では４０μｍ、実施例８５では５０μｍ、実施例８６では６０μｍ、実施例８７では７０μｍ、実施例８８では８０μｍ、実施例８９では１００μｍ、実施例９０では１１０μｍ、実施例９１では１２０μｍ、実施例９２では１２５μｍとした。
【０１０２】
＜比較例８１〜８２＞
比較例８１〜８２では、磁性体３０Ｌ’と磁性体３０Ｒ’の間隔を、比較例８１で１０μｍ、比較例８２で１３０μｍとした以外は、実施例１１と同様の方法で増幅率を取得した。
【０１０３】
＜磁気収束部間隔、磁化自由層長さに依存する増幅率の比較＞
実施例８１〜９２および比較例８１〜８２の磁性体３０Ｌ’及び３０Ｒ’の間隔（ＤＦＣとする）と、磁性体２１’の感磁エリアでの増幅率の関係を表３にまとめて示す。
【表３】
2018194534.tif 000006
また、得られた結果を、ＤＦＣを横軸、増幅率を縦軸とした図１３のグラフに示す。
表３および図１３より、ＤＦＣが１５（ＬＰＭＲ／４）以上１２５（ＬＦＭＲ＋５×ｔＦＣ）以下の範囲の中央値に近いほど、得られる効果が大きいことが分かる。
【符号の説明】
【０１０４】
１  磁気センサ
１０  基板
２０  素子部
２１  磁化自由層
２１’  磁化自由層に対応する磁性体
２２  非磁性層
２３  磁化固定層
３０  磁気収束部
３０Ｌ  磁気収束部（左側）
３０Ｒ  磁気収束部（右側）
３０Ｌ’  磁気収束部３０Ｌに対応する磁性体
３０Ｒ’  磁気収束部３０Ｒに対応する磁性体
３１  シード層
４０  保護層
４１  保護層
４０ａ  通電窓
５０  配線部
５１  電極
６０  ハードバイアス部
６０Ｕ  ハードバイアス部（上側）
６０Ｂ  ハードバイアス部（下側）
【図１】
2018194534.tif 000007
【図２】
2018194534.tif 000008
【図３】
2018194534.tif 000009
【図４】
2018194534.tif 000010
【図５】
2018194534.tif 000011
【図６】
2018194534.tif 000012
【図７】
2018194534.tif 000013
【図８】
2018194534.tif 000014
【図９】
2018194534.tif 000015
【図１０】
2018194534.tif 000016
【図１１】
2018194534.tif 000017
【図１２】
2018194534.tif 000018
【図１３】
2018194534.tif 000019