(57)【要約】【課題】配線ピッチの狭小化を行わなくても磁気抵抗効果素子の集積性を向上させることが可能な磁気センサを提供する。【解決手段】複数の磁気抵抗効果素子１が面内方向に並設された素子アレイ層１０が複数積層され、その複数の素子アレイ層１０内の磁気抵抗効果素子１が互いに直列に接続されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の磁気抵抗効果素子が面内方向に並設された素子アレイ層が複数積層され、
複数の前記素子アレイ層内の前記磁気抵抗効果素子が互いに直列に接続されている、磁気センサ。
【請求項２】
前記素子アレイ層ごとに、当該素子アレイ層内の複数の前記磁気抵抗効果素子が互いに直列に接続され、当該複数の磁気抵抗効果素子のいずれかが他の素子アレイ層内の複数の前記磁気抵抗効果素子のいずれかと直列に接続されている、請求項１に記載の磁気センサ。
【請求項３】
前記素子アレイ層内の複数の前記磁気抵抗効果素子のそれぞれが前記素子アレイ層の積層方向において隣接する前記磁気抵抗効果素子と直列に接続した複数の多層素子を有し、
各多層素子が互いに直列に接続されている、請求項１に記載の磁気センサ。
【請求項４】
前記素子アレイ層の積層方向における各磁気抵抗効果素子の両端部に配置された上部電極層および下部電極層を有し、
各多層素子では、互いに隣接する前記磁気抵抗効果素子の間にある前記上部電極層と前記下部電極層とが共用されている、請求項３に記載の磁気センサ。
【請求項５】
各磁気抵抗効果素子は、磁化の向きが固定された磁化固定層と、外部磁場に応じて磁化の向きが変化する自由層と、前記磁化固定層と前記自由層との間に配置された非磁性層とを有し、
複数の前記磁気抵抗効果素子の磁化固定層の磁化の向きが揃っている、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の磁気センサ。
【請求項６】
前記磁気抵抗効果素子の近傍に配置されたヨークを有する、請求項１ないし５のいずれか１項に記載の磁気センサ。
【請求項７】
前記磁気抵抗効果素子は、前記ヨークを前記面内方向と直交せずに交差する方向で挟むように配置される、請求項６に記載の磁気センサ。
【請求項８】
前記ヨークは、前記磁気抵抗効果素子を前記面内方向と直交せずに交差する方向で挟むように配置される２つの挟持ヨークを含む、請求項６または７に記載の磁気センサ。
【請求項９】
前記挟持ヨークは、複数の前記アレイ層内の磁気抵抗効果素子のそれぞれに対して設けられ、
前記面内方向と直交せずに交差する方向において互いに隣接する磁気抵抗効果素子の間に設けられる前記挟持ヨークは、互いに隣接する２つの前記素子アレイ層の間に設けられる、請求項８に記載の磁気センサ。
【請求項１０】
前記面内方向と直交せずに交差する方向において互いに隣接する磁気抵抗効果素子の間に設けられる前記挟持ヨークは、当該互いに隣接する磁気抵抗効果素子で共用されている、請求項９に記載の磁気センサ。
【請求項１１】
前記ヨークは、前記面内方向における前記磁気抵抗効果素子の両側に配置された側部ヨークを含む、請求項６ないし１０のいずれかに記載の磁気センサ。
【請求項１２】
前記素子アレイ層の積層方向における各磁気抵抗効果素子の両端部に配置された上部電極層および下部電極層を有し、
前記側部ヨークは、前記上部電極層と前記下部電極層との間に配置される、請求項１１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、磁場を計測するための磁気センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧＭＲ（Giant Magneto Resistance：巨大磁気抵抗）効果素子やＴＭＲ（Tunnel Magneto Resistance：トンネル磁気抵抗）効果素子などの磁気抵抗効果素子を面内方向に並設した磁気センサが知られている。このような磁気センサでは、ノイズの影響を減らして検出精度を上げるためには、一般的に、磁気抵抗効果素子の数を増やすことが有効である。また、磁気センサの規模やコストの面からは、磁気抵抗効果素子の数を単純に増やすのではなく、磁気抵抗効果素子をより密に配置して、磁気抵抗効果素子の集積性を高めることが重要である。
【０００３】
従来、磁気抵抗効果素子を密に配置するためには、磁気抵抗効果素子を接続する配線の配線幅と配線間隔との和である配線ピッチを狭小化する方法が用いられてきた。しかしながら、この方法では、配線抵抗の上昇や配線形成の高難度化を招き、さらには、露光装置のような磁気センサを生成するための各種設備の高精度化によるコストの増加などを招くという問題がある。
【０００４】
また、特許文献１には、ＴＭＲアレイを複数段に積み重ね、各ＴＭＲ素子を互いに並列に接続する磁気ランダムアクセスメモリが開示されている。この構成によれば、配線ピッチを狭小化せずにＴＭＲ素子の集積化を図ることが可能になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−８５３４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載の磁気ランダムアクセスメモリは、磁気センサとは異なり、各ＴＭＲ素子を互いに並列に接続しているため、磁気センサに対しては適用できないという問題がある。
【０００７】
本発明の目的は、配線ピッチの狭小化を行わなくても磁気抵抗効果素子の集積性を向上させることが可能な磁気センサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明による磁気センサは、複数の磁気抵抗効果素子が面内方向に並設された素子アレイ層が複数積層され、複数の前記素子アレイ層内の前記磁気抵抗効果素子が互いに直列に接続されている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、配線ピッチの狭小化を行わなくても磁気抵抗効果素子の集積性を向上させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１の実施形態の磁気センサの要部を模式的に示す斜視図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【図３】図２の磁気抵抗効果素子付近の拡大図である。
【図４】本発明の第２の実施形態の磁気センサの要部を模式的に示す斜視図である。
【図５】図４のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。
【図６】本発明の第３の実施形態の磁気センサの要部を模式的に示す斜視図である。
【図７】図６のＣ−Ｃ線に沿った断面図である。
【図８】磁気センサを通過する外部磁場を示す図である。
【図９】本発明の第３の実施形態の磁気センサの変形例を示す断面図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態の磁気センサの別の変形例を示す断面図である。
【図１１】本発明の第３の実施形態の磁気センサの別の変形例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、各図面において同じ機能を有するものには同じ符号を付け、その説明を省略する場合がある。
【００１２】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態の磁気センサの要部を模式的に示す斜視図である。図１に示す磁気センサ１００は、複数の磁気抵抗効果素子１が面内方向に並設された素子アレイ層１０が複数積層された構成を有する。図では、素子アレイ層１０の積層方向をＺ方向とし、Ｚ方向に直交する２方向をそれぞれＸ方向およびＹ方向としている。以下、Ｚ方向の正の向きを上、負の向きを下とする。
【００１３】
素子アレイ層１０は、図１の例では、２層積層されているが、３層以上積層されてもよい。以下、下側の素子アレイ層１０を素子アレイ層１０ａ、上側の素子アレイ層１０を素子アレイ層１０ｂと呼ぶこともある。各素子アレイ層１０では、磁気抵抗効果素子１は、ＸＹ平面内にマトリックス状に並設され、互いに異なる素子アレイ層１０内の磁気抵抗効果素子１がＺ方向に並設されている。
【００１４】
素子アレイ層１０ａおよび１０ｂに含まれる複数の磁気抵抗効果素子１（図の例では、全ての磁気抵抗効果素子１）は互いに直列に接続されている。本実施形態では、素子アレイ層１０ごとに、その素子アレイ層１０内の複数の磁気抵抗効果素子１が互いに直列に接続され、さらに素子アレイ層１０内の磁気抵抗効果素子１のいずれかが他の素子アレイ層１０内の磁気抵抗効果素子１のいずれかと直列に接続されている。他の素子アレイ層１０内の磁気抵抗効果素子１と接続する磁気抵抗効果素子１は、具体的には、素子アレイ層１０内で直列に接続された複数の磁気抵抗効果素子１のうちの最後段または最前段の磁気抵抗効果素子１、つまり同じ素子アレイ層１０内の他の磁気抵抗効果素子１が片側にのみ接続されている磁気抵抗効果素子１である。
【００１５】
なお、図の例では、素子アレイ層１０が２層からなるため、他の素子アレイ層１０は、隣接する素子アレイ層１０となる。素子アレイ層１０が３層以上の場合、素子アレイ層１０内の磁気抵抗効果素子１が接続される他の素子アレイ層１０は、隣接する素子アレイ層１０でもよいし、隣接していない素子アレイ層１０でもよいが、構成の容易さなどの観点から、隣接する素子アレイ層１０が望ましい。
【００１６】
以下、磁気センサ１００の構成についてより詳細に説明する。
【００１７】
各磁気抵抗効果素子１のＺ方向の両端部には、その磁気抵抗効果素子１と接触するように上部電極層２および下部電極層３が配置される。これにより、各磁気抵抗効果素子１は、上部電極層２および下部電極層３と電気的に接続される。上部電極層２および下部電極層３は、ＸＹ平面内の所定の方向（図の例では、Ｙ方向）に延在し、そのＹ方向において互いに隣接する２つの磁気抵抗効果素子１は、上部電極層２または下部電極層３を共有している。つまり、Ｙ方向において互いに隣接する２つの磁気抵抗効果素子１は、上部電極層２または下部電極層３を介して互いに接続されている。このため、Ｙ方向に並設された複数の磁気抵抗効果素子１は互いに直列に接続される。以下、Ｙ方向に並設された複数の磁気抵抗効果素子１を素子列１ａと呼ぶこともある。
【００１８】
Ｘ方向において互いに隣接する２つの素子列１ａは、Ｙ方向の端部にある電極層（図の例では、上部電極層２）同士がリード線４を介して接続されることで、互いに接続される。したがって、Ｘ方向において互いに隣接する２つの素子列１ａ内の磁気抵抗効果素子１は互いに直列に接続される。また、素子列１ａのＸ方向の両側に他の素子列が隣接する場合、その隣接する隣接素子列の一方と素子列１ａのＹ方向の一端部とが互いに接続され、隣接素子列の他方と素子列１ａのＹ方向の他端部とが互いに接続される。素子列１ａのＸ方向の片側にのみ隣接素子列が存在する場合、素子列１ａのＹ方向の一端部が隣接素子列と接続される。このため、素子アレイ層１０ごとに、その素子アレイ層１０内の複数の磁気抵抗効果素子１が互いに直列に接続される。
【００１９】
また、素子アレイ層１０ａおよび１０ｂのそれぞれにおいて、Ｘ方向の片側にのみ隣接素子列が存在する素子列１ａは、隣接素子列と接続されていない方のＹ方向の端部にある電極層（図の例では、上部電極層２）同士がリード線５を介して接続されることで、互いに接続される。これにより、素子アレイ層１０ａおよび１０ｂ内の全ての磁気抵抗効果素子１は互いに直列に接続される。
【００２０】
次に磁気センサ１００の積層構造についてより詳細に説明する。図２は、磁気センサ１００の積層構造を説明するための図であり、図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【００２１】
図２に示すように磁気センサ１００では、基板１１上に、素子アレイ層１０ａ、層間絶縁層１２、素子アレイ層１０ｂの順に積層されている。基板１１は、例えば、シリコン（Ｓｉ）などで形成される。層間絶縁層１２は、例えば、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）または酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）などで形成される。
【００２２】
素子アレイ層１０ａでは、間隔を開けてＸ方向に素子列１ａが並設されている。素子列１ａの間には、絶縁層１３が形成されている。絶縁層１３は、層間絶縁層１２と同じ材料で形成されてもよいし、異なる材料で形成されてもよい。
【００２３】
各素子列１ａでは、基板１１の上に、下部電極層３、磁気抵抗効果素子１、上部電極層２の順に形成される。上部電極層２および下部電極層３は、金（Ａｕ）や銅（Ｃｕ）などの導電性物質で形成される。上部電極層２および下部電極層３は磁気抵抗効果素子１よりも大きい。このため、上部電極層２と下部電極層３との間には、磁気抵抗効果素子１が形成されていない部分があり、その部分には絶縁層１４が形成されている。本実施形態では、絶縁層１４は、ＸＹ平面内において磁気抵抗効果素子１を囲むように配置される。絶縁層１４は、層間絶縁層１２および絶縁層１３の少なくとも一方と同じ材料で形成されてもよいし、異なる材料で形成されてもよい。
【００２４】
上部電極層２は、下向きの凸部２ａを有し、凸部２ａが磁気抵抗効果素子１と接触する。ＸＹ平面内において凸部２ａを囲むように絶縁層１５が形成されている。絶縁層１５は、層間絶縁層１２、絶縁層１３および１４の少なくとも一方と同じ材料で形成されてもよいし、異なる材料で形成されてもよい。
【００２５】
素子アレイ層１０ｂは、素子アレイ層１０ａと同じ構成を有するため、詳細な説明は省略する。図１に示したリード線４は、図２では図示されていないが、例えば、各素子列１ａの上部電極層２間の絶縁層１５の代わりに導電性層を設けることで形成することができる。同様に図１に示したリード線５は、例えば、層間絶縁層１２に設けたビアなどで形成することができる。なお、図１では、図を見易くするために、基板１１、層間絶縁層１２、絶縁層１３、絶縁層１４および絶縁層１５を省略している。
【００２６】
磁気センサ１００の製造工程では、先ず、従来の単一層の磁気センサの製造工程と同様な工程により、基板１１上に素子アレイ層１０ａを形成する。素子アレイ層１０ａ上に、層間絶縁層１２を形成（成膜）し、その層間絶縁層１２をＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing：化学機械研磨）を用いて平坦化する。平坦化した層間絶縁層１２の上に、素子アレイ層１０ａの形成工程と同様な工程により、素子アレイ層１０ｂを形成する。そして素子アレイ層１０ａおよび１０ｂ内の磁気抵抗効果素子１同士が接続されるように、層間絶縁層１２にビアを形成する。
【００２７】
磁気センサ１００で使用される磁気抵抗効果素子１の種類は、特に限定されない。例えば、磁気抵抗効果素子１としては、ＧＭＲ素子、ＴＭＲ素子、ＡＭＲ（Anisotropic Magneto Resistance：異方向性磁気抵抗）効果素子またはＳＭＲ（Semiconductor Magneto Resistance：半導体磁気抵抗）素子などを使用することができる。
【００２８】
図３は、磁気抵抗効果素子１の一例を示す図であり、図２の磁気抵抗効果素子１付近が示されている。図３に示す磁気抵抗効果素子１は、ＧＭＲ素子またはＴＭＲ素子であり、磁化固定層２１、自由層２２および非磁性層２３を有する。非磁性層２３は、磁化固定層２１と自由層２２の間に配置される。図の例では、下部電極層３の上に、磁化固定層２１、非磁性層２３および自由層２２の順で積層されている。
【００２９】
磁化固定層２１は、磁化の向きが固定されている。つまり磁化固定層２１の磁化の向きは、外部磁場（磁気センサ１００で検出する検出磁場）によって変化しない。自由層２２は、外部磁場に応じて磁化の向きが変化する。非磁性層２３は、磁化固定層２１の磁化と自由層２２の磁化とを相互作用させて、磁気抵抗効果を発現させる。磁気抵抗効果素子１がＴＭＲ素子の場合、非磁性層２３は非磁性の絶縁材料で形成されたトンネルバリア層であり、磁気抵抗効果素子１がＧＭＲ素子の場合、非磁性層２３は非磁性の導電性材料で形成された非磁性導電層である。
【００３０】
磁気センサ１００に含まれる磁気抵抗効果素子１は同じ種類であることが望ましく、それらが図３に示す構成の場合、磁化固定層２１の磁化の向きが揃っていることが望ましい。
【００３１】
以上説明したように本実施形態によれば、複数の磁気抵抗効果素子１が面内方向に並設された素子アレイ層１０が複数積層され、その複数の素子アレイ層１０内の磁気抵抗効果素子１が互いに直列に接続されている。したがって、配線ピッチの狭小化を行わなくても磁気抵抗効果素子の集積性を向上させることが可能になる。
【００３２】
また、本実施形態では、素子アレイ層１０ごとに、素子アレイ層１０内の磁気抵抗効果素子１が互いに直列に接続され、その磁気抵抗効果素子１のいずれかがその素子アレイ層１０と異なる素子アレイ層内の複数の磁気抵抗効果素子１のいずれかと直列に接続されている。この場合、各素子アレイ層１０を従来の単一層の磁気センサと同様な工程で形成することが可能になるため、磁気センサ１００を容易に製造することが可能になる。
【００３３】
また、本実施形態では、磁気抵抗効果素子１の磁化固定層２１の磁化の向きが揃っているため、各磁気抵抗効果素子１にて同一の方向の外部磁場を検出することが可能になり、磁気センサ１００の検出精度を効率よく向上させることが可能になる。
【００３４】
（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態の磁気センサの要部を模式的に示す斜視図であり、図５は、図４のＢ―Ｂ線に沿った断面図である。図４および図５に示す本実施形態の磁気センサ１０１は、図１〜図３に示した第１の実施形態の磁気センサ１００と比較して、磁気抵抗効果素子１間を接続する接続構成が異なる。
【００３５】
磁気センサ１０１では、素子アレイ層１０内の磁気抵抗効果素子１のそれぞれがＺ方向において隣接する磁気抵抗効果素子１と直列に接続した複数の多層素子１ｂを形成し、各多層素子１ｂが互いに直列に接続されている。
【００３６】
具体的には、磁気センサ１０１では、互いに隣接する素子アレイ層１０ａおよび１０ｂのうち、下側にある素子アレイ層１０ａの上部電極層２と、上側にある素子アレイ層１０ｂの下部電極層３とが中間電極層３１として共用されている。つまり、多層素子１ｂ内において互いに隣接する磁気抵抗効果素子１の間にある上部電極層２と下部電極層３とが中間電極層３１として共用されている。中間電極層３１は下向きの凸部３１ａを有し、凸部３１ａが素子アレイ層１０ａの磁気抵抗効果素子と接触する。
【００３７】
多層素子１ｂにおける最下段の磁気抵抗効果素子１（素子アレイ層１０ａの磁気抵抗効果素子１）に接続された上部電極層２と、多層素子１ｂにおける最上段の磁気抵抗効果素子１（素子アレイ層１０ｂの磁気抵抗効果素子１）に接続された下部電極層３の少なくとも一方は、所定の方向であるＹ方向に延在する。そのＹ方向において互いに隣接する磁気抵抗効果素子１は、その延在した上部電極層２または下部電極層３を共有している。このため、Ｙ方向に並設された複数の多層素子１ｂは互いに直列に接続される。以下、Ｙ方向に並設された複数の多層素子１ｂを素子列１ｃと呼ぶこともある。
【００３８】
Ｘ方向において互いに隣接する２つの素子列１ｃは、第１の実施形態の素子列１ａと同様に、そのＹ方向の端部にある電極層（図の例では、上部電極層２）同士がリード線４を介して接続されることで、互いに接続される。これにより、素子アレイ層１０ａおよび１０ｂ内の全ての磁気抵抗効果素子１が互いに直列に接続される。
【００３９】
磁気センサ１０１の製造方法では、先ず、従来の単一層の磁気センサの製造工程と同様な工程により、基板１１の上に、素子アレイ層１０ａを形成する。そして、素子アレイ層１０ａの上部電極層である中間電極層３１をＣＭＰを用いて平坦化し、その後、その中間電極層３１の上に、中間電極層３１を下部電極層とした素子アレイ層１０ｂを形成する。
【００４０】
本実施形態によれば、素子アレイ層１０内の磁気抵抗効果素子１のそれぞれがＺ方向において隣接する磁気抵抗効果素子１と直列に接続した複数の多層素子１ｂを有し、各多層素子１ｂが互いに直列に接続されている。この場合、Ｚ方向において磁気抵抗効果素子１間を絶縁する層間絶縁層１２などを設ける必要がなくなるため、構成の簡略化や薄型化を図ることが可能になる。特にＺ方向において互いに隣接する磁気抵抗効果素子１の間にある上部電極層２と下部電極層３とが中間電極層３１として共用されているため、構成の簡略化や薄型化が容易である。
【００４１】
（第３の実施形態）
図６は、本発明の第３の実施形態の磁気センサの要部を模式的に示す斜視図であり、図７は、図６のＣ−Ｃ線に沿った断面図である。図６および図７に示す本実施形態の磁気センサ１０２は、図１および図２に示した磁気センサ１００と比較して、各磁気抵抗効果素子１の近傍に配置された複数のヨーク４１をさらに有する点で異なる。
【００４２】
ヨーク４１は、特定の方向の外部磁場を磁気抵抗効果素子１に効率良く引き込むための部材である。ヨーク４１としては、例えば、パーマロイ（ＮｉＦｅ）、コバルト鉄ニッケル（ＣｏＦｅＮｉ）合金、鉄硅素合金（ＦｅＳｉ）、センダスト、ニッケル−亜鉛（ＮｉＺｎ）フェライト、マンガン−亜鉛（ＭｎＺｎ）フェライトなどの高い透磁率を有する軟磁性材料によって構成されることが望ましい。
【００４３】
ヨーク４１の配置位置は、磁気抵抗効果素子１の種類や検出する外部磁場の向きなどに応じて異なる。また、ヨーク４１の厚み（Ｚ方向の長さ）、幅（Ｘ方向の長さ）および形状などは、磁気センサ１０２の構成上の制約や、所望の引き込み強度などに応じて適宜調整される。
【００４４】
本実施形態では、磁気抵抗効果素子１として、ＸＹ平面内の方向の外部磁場により磁気抵抗効果を生じる素子を用いて、Ｚ方向の外部磁場を検出するのに好適な例を説明する。この場合、磁気センサ１００の検出精度を高めるためには、ヨーク４１は、磁気抵抗効果素子１を通過する外部磁場のＸＹ平面方向の成分が大きくなるように配置される。
【００４５】
具体的には、ヨーク４１は、各磁気抵抗効果素子１を、ＸＹ平面内とは直交せずに交差する方向であるＲ方向で挟むように配置される挟持ヨークで構成される。より具体的には、ヨーク４１は、素子アレイ層１０ａおよび１０ｂ内の磁気抵抗効果素子１のそれぞれに対して設けられる。また、Ｒ方向において互いに隣接する２つの磁気抵抗効果素子１の間に設けられるヨーク４１は、それらの磁気抵抗効果素子１で共用され、素子アレイ層１０ａおよび１０ｂの間の層間絶縁層１２に埋め込まれる。
【００４６】
このため、ヨーク４１は、Ｚ方向において、素子アレイ層１０ｂの上部電極層２の上側に設けられた上部ヨーク４１ａと、素子アレイ層１０ａおよび１０ｂの間に設けられた中間ヨーク４１ｂと、素子アレイ層１０ａの下部電極層３の下側に設けられた下部ヨーク４１ｃとを含む。中間ヨーク４１ｂは、Ｒ方向において、素子アレイ層１０ａの磁気抵抗効果素子１と素子アレイ層１０ｂの磁気抵抗効果素子１とで挟まれている。
【００４７】
上部ヨーク４１ａと素子アレイ層１０ｂの上部電極層２との間には、絶縁層４２が設けられている。また、基板１１と素子アレイ層１０ａの下部電極層３との間には、絶縁層４３が設けられ、下部ヨーク４１ｃは、絶縁層４３で覆われている。
【００４８】
磁気センサ１０２の製造工程では、基板１１上に絶縁層４３を形成し、その絶縁層４３にヨーク４１ｃを埋め込む。その後、絶縁層４３をＣＭＰを用いて平坦化し、その平坦化した絶縁層４３上に、従来の単一層の磁気センサの製造工程と同様な工程により、素子アレイ層１０ａを形成する。素子アレイ層１０ａでは、Ｘ方向における磁気抵抗効果素子１の間隔（ピッチ）は、従来の単一層の磁気センサの同程度でよい。続いて、素子アレイ層１０ａ上に、層間絶縁層１２を形成（成膜）し、その層間絶縁層１２に中間ヨーク４１ｂを埋め込む。その後、層間絶縁層１２をＣＭＰを用いて平坦化し、その平坦化した層間絶縁層１２の上に、素子アレイ層１０ａの形成工程と同様な工程により、素子アレイ層１０ｂを形成する。さらに素子アレイ層１０ｂ上、絶縁層４２を介して上部ヨーク４１ａを形成する。
【００４９】
図８は、図６および図７で示した磁気センサ１０２を通過する外部磁場（磁気センサ１０２にて検出する検出磁場）を示す図である。図８に示すようにＺ方向下向きの外部磁場Ｍが磁気センサ１０２に入力されると、上部ヨーク４１ａの上方および近傍の外部磁場Ｍは上部ヨーク４１ａに引き込まれ、上部ヨーク４１ａから素子アレイ層１０ｂの磁気抵抗効果素子１に向かう方向に向きを変える。そして、磁気抵抗効果素子１を通過して中間ヨーク４１ｂに引き込まれる。中間ヨーク４１ｂに引き込まれた外部磁場Ｍは、さらに素子アレイ層１０ａの磁気抵抗効果素子１に向かう方向に向きを変え、磁気抵抗効果素子１を通過して下部ヨーク４１ｃに引き込まれる。
【００５０】
上部ヨーク４１ａと中間ヨーク４１ｂ、および、中間ヨーク４１ｂと下部ヨーク４１ｃは、それぞれ磁気抵抗効果素子１をＸＹ平面内とは直交せずに交差するＲ方向で挟むように配置されているため、外部磁場Ｍは磁気抵抗効果素子１を斜めに通過する。このため、ヨーク４１を用いて、Ｚ方向下向きの外部磁場Ｍを磁気抵抗効果素子１に対して斜めに通過させることが可能になるため、磁気抵抗効果素子１を通過する外部磁場のＸＹ平面内の成分を大きくすることができる。
【００５１】
以上説明したように本実施形態によれば、磁気抵抗効果素子１の近傍にヨーク４１が設けられているため、磁気センサ１０２の検出精度をより向上させることが可能になる。特に、本実施形態では、ヨーク４１は、磁気抵抗効果素子１をＸＹ平面と直交せずに交差するＲ方向で挟むように配置されているため、Ｚ方向の外部磁場を検出するのに好適である。
【００５２】
また、本実施形態では、Ｒ方向において互いに隣接する２つの磁気抵抗効果素子１のそれぞれに対して設けられたヨーク４１のうち、隣接する磁気抵抗効果素子１側に設けられた中間ヨーク４１ｂは、素子アレイ層１０ａおよび１０ｂの間に埋め込まれる。このため、中間ヨーク４１ｂの上下に上部電極層２や下部電極層３のような素子アレイ層１０ａ内の構成要素を配置することが可能になるため、磁気抵抗効果素子１の間隔を狭くすることが可能になる。
【００５３】
また、本実施形態では、Ｒ方向において互いに隣接する２つの磁気抵抗効果素子１のそれぞれに対して設けられたヨーク４１のうち、隣接する磁気抵抗効果素子１側に設けられたヨーク４１ｂが共用されているため、磁気センサ１０２の小型化を図ることが可能になる。
【００５４】
図９は、ヨーク４１の別の配置例を説明するための図である。図９に示す磁気センサ１０３は、図４および図５で示した第２の実施形態の磁気センサ１０１のような、素子アレイ層１０ａの上部電極層２と素子アレイ層１０ｂの下部電極層３とが中間電極層３１として共用されている磁気センサに対してヨーク４１を配置した例である。
【００５５】
磁気センサ１０３では、図５に示した磁気センサ１０１の構成に加えて、挟持ヨークである上部ヨーク４１ａと下部ヨーク４１ｃとを備える。上部ヨーク４１ａは、素子アレイ層１０ｂの上部電極層２の上側に設けられ、下部ヨーク４１ｃは、素子アレイ層１０ａの下部電極層３の下側に設けられる。さらに上部ヨーク４１ａと素子アレイ層１０ｂの上部電極層２との間には、絶縁層４２が設けられている。また、基板１１と素子アレイ層１０ａの下部電極層３との間には、絶縁層４３が設けられ、下部ヨーク４１ｃは、絶縁層４３で覆われている。
【００５６】
磁気センサ１０３では、１組の上部ヨーク４１ａおよび下部ヨーク４１ｃによって、Ｒ方向において素子アレイ層１０ａの磁気抵抗効果素子１と素子アレイ層１０ｂの磁気抵抗効果素子１の両方が挟まれている。このような構成でも、Ｚ方向の外部磁場Ｍを、磁気抵抗効果素子１を斜めに通過させることが可能になる。
【００５７】
図１０は、ヨーク４１の別の配置例を説明するための図である。図１０に示す磁気センサ１０４は、図８に示した磁気センサ１０２の構成に加えて、ＸＹ平面の面内方向における各磁気抵抗効果素子１の両側に配置された側部ヨーク４１ｄをさらに備える点で異なる。図１０の例では、側部ヨーク４１ｄは、図８に示した磁気センサ１０２の絶縁層１４の位置、つまり上部電極層２と下部電極層３との間に設けられる。なお、側部ヨーク４１ｄと磁気抵抗効果素子１との間や、側部ヨーク４１ｄと上部電極層２の間、側部ヨーク４１ｄの下部電極層３との間に絶縁膜が設けられてもよい。
【００５８】
図１０の例の場合、側部ヨーク４１ｄによる磁場の引き込みが発生するため、磁場をより精度良く検出することが可能になる。また、側部ヨーク４１ｄは上部電極層２と下部電極層３との間に設けられているため、側部ヨーク４１ｄを配置することによる大型化を抑制することが可能になる。
【００５９】
また、ヨーク４１は、図６および図７に示した構成から上部ヨーク４１ａと下部ヨーク４１ｃを除いた構成でもよい。つまり、ヨーク４１は、中間ヨーク４１ｂのみで構成されてもよい。
【００６０】
以上説明した各実施形態において、図示した構成は単なる一例であって、本発明はその構成に限定されるものではない。
【００６１】
例えば、図１１に示された磁気センサ１０５ように、素子アレイ層１０ｂの上部電極層２付近から素子アレイ層１０ａの上部電極層２よりも上に延在したヨーク４１ｅが設けられてもよい。しかしながら、この例では、中間ヨーク４１ｂとヨーク４１ｅの距離が近くなり、ヨーク４１ｅに引き込まれた磁場の一部が中間ヨーク４１ｂに吸収され、素子アレイ層１０ａの磁気抵抗効果素子１に磁場を十分に供給することができなくなる恐れがある。この問題を解決するために、ヨーク４１ｂとヨーク４１ｅの間隔を広くすると、磁気抵抗効果素子１間の距離が長くなるため、磁気抵抗効果素子１の集積性が低下する。したがって、ヨーク４１を配置する場合には、図６〜図１０で示した構成の方が望ましい。
【００６２】
また、各実施形態では、互いに隣接する素子アレイ層１０ａおよび１０ｂ内の磁気抵抗効果素子１同士を接続する場合、ＸＹ平面とは直交するＺ方向において互いに隣接する磁気抵抗効果素子１同士が接続されていたが、ＸＹ平面内と直交せずに交差する方向に隣接する磁気抵抗効果素子１同士が接続されてもよい。
【符号の説明】
【００６３】
１  磁気抵抗効果素子
１ａ、１ｃ  素子列
１ｂ  多層素子
２  上部電極層
３  下部電極層
４、５  リード線
１０、１０ａ、１０ｂ  素子アレイ層
１１  基板
１２  層間絶縁層
１３〜１５、４２、４３  絶縁層
２１  磁化固定層
２２  自由層
２３  非磁性層
４１  ヨーク
１００〜１０５    磁気センサ
【図１】
2018152452.tif 000003
【図２】
2018152452.tif 000004
【図３】
2018152452.tif 000005
【図４】
2018152452.tif 000006
【図５】
2018152452.tif 000007
【図６】
2018152452.tif 000008
【図７】
2018152452.tif 000009
【図８】
2018152452.tif 000010
【図９】
2018152452.tif 000011
【図１０】
2018152452.tif 000012
【図１１】
2018152452.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成29年11月27日(2017.11.27)
【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】
複数の磁気抵抗効果素子が面内方向に並設された素子アレイ層が複数積層され、
各素子アレイ層内では、前記磁気抵抗効果素子が２次元に配列され、
複数の前記素子アレイ層内の前記磁気抵抗効果素子は、同じ種類であり、かつ、互いに直列に接続されている、磁気センサ。
【請求項２】
前記素子アレイ層ごとに、当該素子アレイ層内の複数の前記磁気抵抗効果素子が互いに直列に接続され、当該複数の磁気抵抗効果素子のいずれかが他の素子アレイ層内の複数の前記磁気抵抗効果素子のいずれかと直列に接続されている、請求項１に記載の磁気センサ。
【請求項３】
前記素子アレイ層内の複数の前記磁気抵抗効果素子のそれぞれが前記素子アレイ層の積層方向において隣接する前記磁気抵抗効果素子と直列に接続した複数の多層素子を有し、
各多層素子が互いに直列に接続されている、請求項１に記載の磁気センサ。
【請求項４】
前記素子アレイ層の積層方向における各磁気抵抗効果素子の両端部に配置された上部電極層および下部電極層を有し、
各多層素子では、互いに隣接する前記磁気抵抗効果素子の間にある前記上部電極層と前記下部電極層とが共用されている、請求項３に記載の磁気センサ。
【請求項５】
各磁気抵抗効果素子は、磁化の向きが固定された磁化固定層と、外部磁場に応じて磁化の向きが変化する自由層と、前記磁化固定層と前記自由層との間に配置された非磁性層とを有し、
複数の前記磁気抵抗効果素子の磁化固定層の磁化の向きが揃っている、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の磁気センサ。
【請求項６】
前記磁気抵抗効果素子の近傍に配置されたヨークを有する、請求項１ないし５のいずれか１項に記載の磁気センサ。
【請求項７】
前記磁気抵抗効果素子は、前記ヨークを前記面内方向と直交せずに交差する方向で挟むように配置される、請求項６に記載の磁気センサ。
【請求項８】
前記ヨークは、前記磁気抵抗効果素子を前記面内方向と直交せずに交差する方向で挟むように配置される２つの挟持ヨークを含む、請求項６または７に記載の磁気センサ。
【請求項９】
前記挟持ヨークは、複数の前記アレイ層内の磁気抵抗効果素子のそれぞれに対して設けられ、
前記面内方向と直交せずに交差する方向において互いに隣接する磁気抵抗効果素子の間に設けられる前記挟持ヨークは、互いに隣接する２つの前記素子アレイ層の間に設けられる、請求項８に記載の磁気センサ。
【請求項１０】
前記面内方向と直交せずに交差する方向において互いに隣接する磁気抵抗効果素子の間に設けられる前記挟持ヨークは、当該互いに隣接する磁気抵抗効果素子で共用されている、請求項９に記載の磁気センサ。
【請求項１１】
前記ヨークは、前記面内方向における前記磁気抵抗効果素子の両側に配置された側部ヨークを含む、請求項６ないし１０のいずれかに記載の磁気センサ。
【請求項１２】
前記素子アレイ層の積層方向における各磁気抵抗効果素子の両端部に配置された上部電極層および下部電極層を有し、
前記側部ヨークは、前記上部電極層と前記下部電極層との間に配置される、請求項１１に記載の磁気センサ。
【請求項１３】
複数の磁気抵抗効果素子が面内方向に並設された素子アレイ層が複数積層され、
複数の前記素子アレイ層内の前記磁気抵抗効果素子が互いに直列に接続され、
前記磁気抵抗効果素子の近傍に配置されたヨークを有し、
前記磁気抵抗効果素子は、前記ヨークを前記面内方向と直交せずに交差する方向で挟むように配置される、磁気センサ。
【請求項１４】
複数の磁気抵抗効果素子が面内方向に並設された素子アレイ層が複数積層され、
複数の前記素子アレイ層内の前記磁気抵抗効果素子が互いに直列に接続され、
前記磁気抵抗効果素子の近傍に配置されたヨークを有し、
前記ヨークは、前記磁気抵抗効果素子を前記面内方向と直交せずに交差する方向で挟むように配置される２つの挟持ヨークを含む、磁気センサ。
【請求項１５】
複数の磁気抵抗効果素子が面内方向に並設された素子アレイ層が複数積層され、
複数の前記素子アレイ層内の前記磁気抵抗効果素子が互いに直列に接続され、
前記磁気抵抗効果素子の近傍に配置されたヨークを有し、
前記ヨークは、前記面内方向における前記磁気抵抗効果素子の両側に配置された側部ヨークを含み、
前記素子アレイ層の積層方向における各磁気抵抗効果素子の両端部に配置された上部電極層および下部電極層を有し、
前記側部ヨークは、前記上部電極層と前記下部電極層との間に配置される、磁気センサ。
【手続補正書】
【提出日】平成30年6月4日(2018.6.4)
【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】
複数の磁気抵抗効果素子が面内方向に並設された素子アレイ層が複数積層され、
各素子アレイ層内では、前記磁気抵抗効果素子が２次元に配列され、
複数の前記素子アレイ層内の前記磁気抵抗効果素子は、同じ種類であり、かつ、互いに直列に接続され、
前記素子アレイ層内の複数の前記磁気抵抗効果素子のそれぞれが前記素子アレイ層の積層方向において隣接する前記磁気抵抗効果素子と直列に接続した複数の多層素子を有し、
各多層素子が互いに直列に接続されている、磁気センサ。
【請求項２】
前記素子アレイ層の積層方向における各磁気抵抗効果素子の両端部に配置された上部電極層および下部電極層を有し、
各多層素子では、互いに隣接する前記磁気抵抗効果素子の間にある前記上部電極層と前記下部電極層とが共用されている、請求項１に記載の磁気センサ。
【請求項３】
各磁気抵抗効果素子は、磁化の向きが固定された磁化固定層と、外部磁場に応じて磁化の向きが変化する自由層と、前記磁化固定層と前記自由層との間に配置された非磁性層とを有し、
複数の前記磁気抵抗効果素子の磁化固定層の磁化の向きが揃っている、請求項１または２に記載の磁気センサ。
【請求項４】
前記磁気抵抗効果素子の近傍に配置されたヨークを有する、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の磁気センサ。
【請求項５】
前記磁気抵抗効果素子は、前記ヨークを前記面内方向と直交せずに交差する方向で挟むように配置される、請求項４に記載の磁気センサ。
【請求項６】
前記ヨークは、前記磁気抵抗効果素子を前記面内方向と直交せずに交差する方向で挟むように配置される２つの挟持ヨークを含む、請求項４または５に記載の磁気センサ。
【請求項７】
前記挟持ヨークは、複数の前記素子アレイ層内の磁気抵抗効果素子のそれぞれに対して設けられ、
前記面内方向と直交せずに交差する方向において互いに隣接する磁気抵抗効果素子の間に設けられる前記挟持ヨークは、互いに隣接する２つの前記素子アレイ層の間に設けられる、請求項６に記載の磁気センサ。
【請求項８】
前記面内方向と直交せずに交差する方向において互いに隣接する磁気抵抗効果素子の間に設けられる前記挟持ヨークは、当該互いに隣接する磁気抵抗効果素子で共用されている、請求項７に記載の磁気センサ。
【請求項９】
前記ヨークは、前記面内方向における前記磁気抵抗効果素子の両側に配置された側部ヨークを含む、請求項４ないし８のいずれかに記載の磁気センサ。
【請求項１０】
前記素子アレイ層の積層方向における各磁気抵抗効果素子の両端部に配置された上部電極層および下部電極層を有し、
前記側部ヨークは、前記上部電極層と前記下部電極層との間に配置される、請求項９に記載の磁気センサ。
【請求項１１】
複数の磁気抵抗効果素子が面内方向に並設された素子アレイ層が複数積層され、
複数の前記素子アレイ層内の前記磁気抵抗効果素子が互いに直列に接続され、
前記磁気抵抗効果素子の近傍に配置されたヨークを有し、
前記ヨークは、前記磁気抵抗効果素子を前記面内方向と直交せずに交差する方向で挟むように配置される２つの挟持ヨークを含み、
前記挟持ヨークは、複数の前記アレイ層内の磁気抵抗効果素子のそれぞれに対して設けられ、
前記面内方向と直交せずに交差する方向において互いに隣接する磁気抵抗効果素子の間に設けられる前記挟持ヨークは、互いに隣接する２つの前記素子アレイ層の間に設けられ、かつ、当該互いに隣接する磁気抵抗効果素子で共用されている、磁気センサ。
【請求項１２】
複数の磁気抵抗効果素子が面内方向に並設された素子アレイ層が複数積層され、
複数の前記素子アレイ層内の前記磁気抵抗効果素子が互いに直列に接続され、
前記磁気抵抗効果素子の近傍に配置されたヨークを有し、
前記ヨークは、前記面内方向における前記磁気抵抗効果素子の両側に配置された側部ヨークを含み、
前記素子アレイ層の積層方向における各磁気抵抗効果素子の両端部に配置された上部電極層および下部電極層を有し、
前記側部ヨークは、前記上部電極層と前記下部電極層との間に配置される、磁気センサ。