(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
特定の方向に感度軸を持つ磁気抵抗効果素子を備えた磁気センサであって、
前記磁気抵抗効果素子は、固定磁性層とフリー磁性層とが非磁性材料層を介して積層された積層構造を基板上に有し、
前記フリー磁性層における前記非磁性材料層に対向する側の反対側に、前記フリー磁性層との間で交換結合バイアスを生じさせ前記フリー磁性層の磁化方向を磁化変動可能な状態で所定方向に揃えることができる第１反強磁性層を備え、
前記フリー磁性層は、前記第１反強磁性層に接するように設けられ前記フリー磁性層の前記第１反強磁性層に対する格子非整合を低減させるミスフィット低減層、および前記ミスフィット低減層における前記第１反強磁性層に対向する側の反対側に設けられた強磁性材料からなる強磁性層を備え、
前記強磁性層は、ＮｉＦｅＭ層（Ｍは、Ｔａ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｒｈ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ａｌ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、およびＳｉから選択される１種または２種以上の元素からなる。）を備え、
前記強磁性層は、前記ＮｉＦｅＭ層よりも前記非磁性材料層側に位置して前記ＮｉＦｅＭ層よりも抵抗率が低い導電性強磁性層をさらに備え、
前記導電性強磁性層は前記ＮｉＦｅＭ層および前記非磁性材料層に接するように位置すること
を特徴とする磁気センサ。
【請求項２】
前記ミスフィット低減層および前記強磁性層は面心立方（ｆｃｃ）構造を有し、前記ミスフィット低減層のｆｃｃ（１１１）面における格子面間隔は、前記強磁性層のｆｃｃ（１１１）面における格子面間隔よりも大きい、請求項１に記載の磁気センサ。
【請求項３】
前記ミスフィット低減層は、鉄族元素の１種または２種以上および白金族元素の１種または２種以上を含有する、請求項１または２に記載の磁気センサ。
【請求項４】
特定の方向に感度軸を持つ磁気抵抗効果素子を備えた磁気センサであって、
前記磁気抵抗効果素子は、固定磁性層とフリー磁性層とが非磁性材料層を介して積層された積層構造を基板上に有し、
前記フリー磁性層における前記非磁性材料層に対向する側の反対側に、前記フリー磁性層との間で交換結合バイアスを生じさせ前記フリー磁性層の磁化方向を磁化変動可能な状態で所定方向に揃えることができる第１反強磁性層を備え、
前記フリー磁性層は、鉄族元素の１種または２種以上および白金族元素の１種または２種以上を含有し前記第１反強磁性層に接するように設けられる第１層、および前記第１層における前記第１反強磁性層に対向する側の反対側に設けられた強磁性材料からなる強磁性層を備え、
前記強磁性層は、ＮｉＦｅＭ層（Ｍは、Ｔａ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｒｈ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ａｌ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、およびＳｉから選択される１種または２種以上の元素からなる。）を備え、
前記強磁性層は、前記ＮｉＦｅＭ層よりも前記非磁性材料層側に位置して前記ＮｉＦｅＭ層よりも抵抗率が低い導電性強磁性層をさらに備え、
前記導電性強磁性層は前記ＮｉＦｅＭ層および前記非磁性材料層に接するように位置し、
前記第１反強磁性層は白金族元素およびＭｎを含有すること
を特徴とする磁気センサ。
【請求項５】
前記第１反強磁性層は白金族元素およびＭｎを含有する、請求項１から３のいずれか一項に記載の磁気センサ。
【請求項６】
前記第１反強磁性層は、ＩｒＭｎおよびＰｔＭｎの少なくとも一方から形成される、請求項１から５のいずれか一項に記載の磁気センサ。
【請求項７】
前記ＮｉＦｅＭ層はＮｉＦｅＮｂからなる、請求項１から６のいずれか一項に記載の磁気センサ。
【請求項８】
前記導電性強磁性層はＣｏＦｅ層からなる、請求項１から７のいずれか一項に記載の磁気センサ。
【請求項９】
前記導電性強磁性層は、面心立方構造のＣｏＦｅ系合金を含有する、請求項８に記載の磁気センサ。
【請求項１０】
前記導電性強磁性層は、面心立方構造のＣｏＦｅ系合金からなり、厚さが１０Å以上４０Å以下である、請求項９に記載の磁気センサ。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれか一項に記載される磁気センサを備える電流センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気センサおよび当該磁気センサを備えた電流センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車やハイブリッドカーにおけるモータ駆動技術などの分野では、比較的大きな電流が取り扱われるため、大電流を非接触で測定することが可能な電流センサが求められている。このような電流センサとしては、被測定電流からの誘導磁界を検出する磁気センサを用いたものが知られている。磁気センサ用の磁気検出素子として、例えば、ＧＭＲ素子などの磁気抵抗効果素子が挙げられる。【０００３】
ＧＭＲ素子は、固定磁性層とフリー磁性層とが非磁性材料層を介して積層された積層構造を基本構造とする。固定磁性層は、反強磁性層と強磁性層との積層構造による交換結合バイアスや、２つの強磁性層が非磁性中間層を介して積層されるセルフピン止め構造によるＲＫＫＹ相互作用（間接交換相互作用）により、磁化方向が一方向に固定されている。フリー磁性層は外部磁場に応じて磁化方向が変化可能とされている。【０００４】
ＧＭＲ素子を備えた磁気センサを用いてなる電流センサでは、被測定電流からの誘導磁界がＧＭＲ素子に印加されることにより、フリー磁性層の磁化方向が変化する。このフリー磁性層の磁化方向と、固定磁性層の磁化方向との相対角度に応じてＧＭＲ素子の電気抵抗値が変動するため、この電気抵抗値を測定することにより、フリー磁性層の磁化方向を検出することができる。そして、磁気センサにより検出された磁化方向に基づいて、誘導磁界を与えた被測定電流の大きさおよびその向きを求めることが可能である。【０００５】
ところで、電気自動車やハイブリッドカーにおいては、モータの駆動を電流値に基づいて制御する場合があり、また、バッテリーに流れ込む電流値に応じてバッテリーの制御方法を調整する場合がある。したがって、磁気センサを用いてなる電流センサには、電流値をより正確に検出できるように、磁気センサの測定精度を高めることが求められている。【０００６】
磁気センサの測定精度を向上させるためには、オフセットの低減、出力信号のばらつきの低減、およびリニアリティ（出力線形性）の向上などを実現することが求められる。これらの要求に応えるための好ましい一手段として、磁気センサが有するＧＭＲ素子のヒステリシスを低減させることが挙げられる。ＧＭＲ素子のヒステリシスを低減させる手段の具体例として、フリー磁性層にバイアス磁界を印加して、被測定電流からの誘導磁界が印加されていない状態においてもフリー磁性層の磁化方向を揃えることが挙げられる。【０００７】
フリー磁性層にバイアス磁界を印加する方法として、特許文献１には、フリー磁性層との間で交換結合バイアスを生じさせフリー磁性層の磁化方向を磁化変動可能な状態で所定方向に揃えることができる反強磁性層をフリー磁性層に積層させる方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１２−１８５０４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記の反強磁性層による交換結合バイアスを生じさせる方法は、ＧＭＲ素子の周囲に永久磁石を配置してバイアス磁界を発生させる方法に比べてバイアス磁界の均一性など有利な点を有する。しかしながら、ＧＭＲ素子を高温環境下に長時間保存した場合にフリー磁性層に生じる交換結合バイアスによるバイアス磁界が大きくなり、その結果、ＧＭＲ素子の検出感度が低下する傾向を示す場合がある。【００１０】
本発明は、特許文献１に開示される交換結合バイアスに基づくフリー磁性層の単磁区化を基礎技術としつつ、オフセット値（外部磁場が印加されていない状態での出力値）の温度特性が良好（温度変化に伴って変化しにくいことを意味する。）であって、しかも高温（具体的な一例として１５０℃が挙げられる。）環境下に長時間（具体的な一例として１０００時間が挙げられる。）保存された場合であっても検出感度の低下が生じにくい磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）を備える磁気センサおよび当該磁気センサを用いてなる電流センサ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】
【００１１】
上記の課題を解決するために本発明者らが検討した結果、フリー磁性層内にある種の層を存在させることにより、高温環境下に長時間保存された場合であっても、磁気抵抗効果素子の検出感度の低下を生じにくくすることができるとの新たな知見を得た。また、このような場合においても、抵抗温度係数が低いＮｉＦｅＭ層をフリー磁性層が備えることにより、磁気センサのオフセット温度特性を改善することが可能であるとの新たな知見も得た。【００１２】
かかる知見により完成された本発明は、一態様において、特定の方向に感度軸を持つ磁気抵抗効果素子を備えた磁気センサであって、前記磁気抵抗効果素子は、固定磁性層とフリー磁性層とが非磁性材料層を介して積層された積層構造を基板上に有し、前記フリー磁性層における前記非磁性材料層に対向する側の反対側に、前記フリー磁性層との間で交換結合バイアスを生じさせ前記フリー磁性層の磁化方向を磁化変動可能な状態で所定方向に揃えることができる第１反強磁性層を備え、前記フリー磁性層は、前記第１反強磁性層に接するように設けられ前記フリー磁性層の前記第１反強磁性層に対する格子非整合を低減させるミスフィット低減層、および前記ミスフィット低減層における前記第１反強磁性層に対向する側の反対側に設けられた強磁性材料からなる強磁性層を備え、前記強磁性層は、ＮｉＦｅＭ層（ＮｉＦｅＭからなる層であって、Ｍは、Ｔａ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｒｈ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ａｌ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、およびＳｉから選択される１種または２種以上の元素からなる。）を備えることを特徴とする磁気センサである。【００１３】
フリー磁性層が、第１反強磁性層に接するように設けられたミスフィット低減層を備えることにより、フリー磁性層の第１反強磁性層に対する格子非整合が低減する。その結果、１５０℃程度の高温に１０００時間程度の長時間保存された場合であっても、磁気抵抗効果素子の検出感度が低下しにくくなる。しかも、フリー磁性層の強磁性層が抵抗温度係数の低いＮｉＦｅＭ層を有するため、磁気センサのオフセット温度特性（単位：μＶ／℃）を改善する（ゼロに近づける）ことができる。【００１４】
上記の磁気センサにおいて、前記ミスフィット低減層および前記強磁性層は面心立方（ｆｃｃ）構造を有し、前記ミスフィット低減層のｆｃｃ（１１１）面における格子面間隔は、前記強磁性層のｆｃｃ（１１１）面における格子面間隔よりも大きいことが好ましい。【００１５】
上記の磁気センサにおいて、前記ミスフィット低減層は、鉄族元素の１種または２種以上および白金族元素の１種または２種以上を含有することが好ましい。【００１６】
本発明の別の一態様は、特定の方向に感度軸を持つ磁気抵抗効果素子を備えた磁気センサであって、前記磁気抵抗効果素子は、固定磁性層とフリー磁性層とが非磁性材料層を介して積層された積層構造を基板上に有し、前記フリー磁性層における前記非磁性材料層に対向する側の反対側に、前記フリー磁性層との間で交換結合バイアスを生じさせ前記フリー磁性層の磁化方向を磁化変動可能な状態で所定方向に揃えることができる第１反強磁性層を備え、前記フリー磁性層は、鉄族元素の１種または２種以上および白金族元素の１種または２種以上を含有し前記第１反強磁性層に接するように設けられる第１層、および前記第１層における前記第１反強磁性層に対向する側の反対側に設けられた強磁性材料からなる強磁性層を備え、前記強磁性層は、ＮｉＦｅＭ層（ＮｉＦｅＭからなる層であって、Ｍは、Ｔａ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｒｈ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ａｌ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、およびＳｉから選択される１種または２種以上の元素からなる。）を備えることを特徴とする磁気センサである。【００１７】
フリー磁性層内が、第１反強磁性層に接するように設けられた第１層を備えることにより、フリー磁性層の第１反強磁性層に対する格子非整合が低減する。その結果、１５０℃程度の高温に１０００時間程度の長時間保存された場合であっても、磁気抵抗効果素子の検出感度が低下しにくくなる。しかも、フリー磁性層の強磁性層が抵抗温度係数の低いＮｉＦｅＭ層を有するため、磁気センサのオフセット温度特性（単位：μＶ／℃）を改善する（ゼロに近づける）ことができる。【００１８】
上記の磁気センサにおいて、前記第１反強磁性層は白金族元素およびＭｎを含有することが好ましい。【００１９】
上記の磁気センサにおいて、前記第１反強磁性層は、ＩｒＭｎおよびＰｔＭｎの少なくとも一方から形成されることが好ましい。【００２０】
上記の磁気センサにおいて、前記ＮｉＦｅＭ層はＮｉＦｅＮｂから構成されていてもよい。ＮｉＦｅＮｂは特に抵抗温度係数が低いため、磁気センサのオフセット温度特性を改善する観点から好ましい。【００２１】
上記の磁気センサにおいて、前記強磁性層は、前記ＮｉＦｅＭ層よりも前記非磁性材料層側に位置して前記ＮｉＦｅＭ層よりも抵抗率が低い導電性強磁性層をさらに備えることが好ましい。この場合にはＧＭＲ効果が生じやすい。この場合において、導電性強磁性層は前記非磁性材料層に接するように位置すること、すなわち、導電性強磁性層と非磁性材料層との間に相対的に導電性の低い強磁性層が存在しないことが好ましい。導電性強磁性層の具体例としてＣｏＦｅ層が例示される。【００２２】
前記導電性強磁性層は、面心立方構造のＣｏＦｅ系合金を含有することが、外部応力が磁気センサに与える影響を少なくする観点から好ましい。前記導電性強磁性層は、面心立方構造のＣｏＦｅ系合金からなり、厚さが１０Å以上４０Å以下であることが特に好ましい場合がある。【００２３】
本発明のまた別の一態様は、上記の本発明に係る磁気センサを備える電流センサである。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、フリー磁性層に交換結合バイアスを生じさせる方式でありながら、オフセット温度特性が良好であり、高温環境下に長時間保存された場合であっても感度低下が生じにくい磁気抵抗効果素子を備える磁気センサが提供される。また、かかる磁気センサを用いてなる電流センサも提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の一実施形態に係る磁気センサの回路図である。
【図２】図１に示される磁気センサが備える磁気抵抗効果素子の拡大平面図である。
【図３】図２に示すＩＩ−ＩＩ線における矢視断面図である。
【図４】実施例１に係る磁気センサおよび比較例１に係る磁気センサの外部磁場を印加しない状態でのセンサ出力Ｖｏｕｔの値の温度特性を示すグラフである。
【図５】実施例２の結果を示すグラフである。
【図６】実施例３の結果を示すグラフである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
図１は、本発明の一実施形態に係る磁気センサの回路図、図２は図１に示される磁気センサが備える磁気抵抗効果素子の概念図（平面図）、図３は、図２に示すＩＩ−ＩＩ線における矢視断面図である。【００２７】
本発明の一実施形態に係る磁気センサ１は、図１に示すように、２種類の磁気抵抗効果素子をそれぞれ２つ（第１磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１１，ＧＭＲ１２および第２磁気抵抗効果素子ＧＭＲ２１，ＧＭＲ２２）備えるフルブリッジ回路３１を有する。【００２８】
第１磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１１と第２磁気抵抗効果素子ＧＭＲ２１とが直列接続された第１ハーフブリッジ回路３２から第１中点電位Ｖ１が出力され、第１磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１２と第２磁気抵抗効果素子ＧＭＲ２２とが直列接続された第２ハーフブリッジ回路３３から第２中点電位Ｖ２が出力される。入力端子Ｖｄｄとグラウンド端子ＧＮＤとの間で、第１ハーフブリッジ回路３２と第２ハーフブリッジ回路３３とが並列接続されてフルブリッジ回路３１を構成する。【００２９】
図１に示すように、第１中点電位Ｖ１と第２中点電位Ｖ２との差分が差動増幅器４０により増幅されてセンサ出力Ｖｏｕｔとして出力される。なお、本実施形態では、フルブリッジ回路３１は４つの磁気抵抗効果素子（第１磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１１，ＧＭＲ１２および第２磁気抵抗効果素子ＧＭＲ２１，ＧＭＲ２２）から構成されているが、これに限定されず、出力を大きくするためにより多数の磁気抵抗効果素子を用いることもできる。【００３０】
第１磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１１，ＧＭＲ１２と第２磁気抵抗効果素子ＧＭＲ２１，ＧＭＲ２２とは、感磁部（後述する長尺パターン１２）の構造は共通であり、感度軸方向を設定する際の磁化の向きが反対向きとなっている。このため、上記の４つの磁気抵抗効果素子（第１磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１１，ＧＭＲ１２および第２磁気抵抗効果素子ＧＭＲ２１，ＧＭＲ２２）の検出感度は原理的には等しい。それゆえ、外部磁場が印加されていない場合には、第１中点電位Ｖ１と第２中点電位Ｖ２とは等しいため、センサ出力Ｖｏｕｔの電位は、原理的には０Ｖとなる。外部磁場が印加されると、その大きさに応じて第１中点電位Ｖ１と第２中点電位Ｖ２との差が大きくなって、センサ出力Ｖｏｕｔの電位は０Ｖから離れ、外部磁場の強度に応じた電位となる。したがって、センサ出力Ｖｏｕｔの電位を測定することにより、印加された外部磁場の強度を求めることが可能である。【００３１】
磁気センサ１が備える４つの磁気抵抗効果素子（第１磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１１，ＧＭＲ１２および第２磁気抵抗効果素子ＧＭＲ２１，ＧＭＲ２２）の構造について、図２および図３を用いて説明する。上記のとおり、４つの磁気抵抗効果素子の感磁部の構造は共通であるから第１磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１１を例として、以下に説明する。【００３２】
第１磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１１は、複数の帯状の長尺パターン１２（ストライプ）を備え、そのストライプ長手方向Ｄ１（以下、単に「長手方向Ｄ１」ともいう。）が互いに平行になるように配置された複数の長尺パターン１２（ストライプ）が折り返してなる形状（ミアンダ形状）を有する。このミアンダ形状の第１磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１１において、感度軸方向は、長尺パターン１２の長手方向Ｄ１に対して直交する方向Ｄ２（以下、単に「幅方向Ｄ２」ともいう。）である。第１磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１１と基本構成が共通する第１磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１２および第２磁気抵抗効果素子ＧＭＲ２１，ＧＭＲ２２も同様である。したがって、このミアンダ形状の第１磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１１を備える磁気センサ１は、使用の際に、被測定磁界およびキャンセル磁界が、幅方向Ｄ２に沿うように印加される。【００３３】
互いに平行になるように配置された複数の帯状の長尺パターン１２のうち、配列方向端部に位置するもの以外の長尺パターン１２のそれぞれは、端部において最近位の他の帯状の長尺パターン１２と導電部１３により接続されている。配列方向端部に位置する長尺パターン１２は、導電部１３を介して接続端子１４に接続されている。こうして、２つの接続端子１４，１４間に、複数の長尺パターン１２が直列に導電部１３により接続された構成を、第１磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１１は備える。導電部１３および接続端子１４は非磁性、磁性の別を問わないが、電気抵抗の低い材料から構成することが好ましい。【００３４】
第１磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１１が有する２つの接続端子１４，１４のうち、一方が入力端子Ｖｄｄと接続され、他方が第１中点電位Ｖ１を出力する部分に接続される。磁気センサ１の使用時は、第１磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１１からの信号は、第１中点電位Ｖ１として差動増幅器４０に入力され、第２中点電位Ｖ２との差によりセンサ出力Ｖｏｕｔが算出される。【００３５】
図３に示すように、第１磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１１の長尺パターン１２のそれぞれは、基板２９上に、図示しない絶縁層等を介して、下から、シード層２０、固定磁性層２１、非磁性材料層２２、フリー磁性層２３、第１反強磁性層２４、および保護層２５の順に積層されて成膜される。これらの層の成膜方法は限定されない。例えばスパッタにて成膜してもよい。【００３６】
シード層２０は、ＮｉＦｅＣｒあるいはＣｒ等で形成される。【００３７】
固定磁性層２１は、第１磁性層２１ａと第２磁性層２１ｃと、第１磁性層２１ａと第２磁性層２１ｃと間に位置する非磁性中間層２１ｂとのセルフピン止め構造である。図３に示されるように、第１磁性層２１ａの固定磁化方向（図３では右向き）と、第２磁性層２１ｃの固定磁化方向（図３では左向き）とは反平行となっている。そして、第２磁性層２１ｃの固定磁化方向が、固定磁性層２１における固定磁化方向、すなわち感度軸方向である。【００３８】
第１磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１２は、固定磁性層２１における固定磁化方向の向きが第１磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１１と等しい。すなわち、第１磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１２は第１磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１１と磁化を含めて構成が共通する。これに対し、第２磁気抵抗効果素子ＧＭＲ２１，ＧＭＲ２２は、第１磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１１，ＧＭＲ１２と対比して、固定磁性層２１における固定磁化方向の向きが反対向き（反平行）である。このため、感度軸方向に沿って外部磁場が印加されたときに、第１磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１１，ＧＭＲ１２と第２磁気抵抗効果素子ＧＭＲ２１，ＧＭＲ２２とは外部磁場に対する抵抗変化の方向が逆になる。【００３９】
図３に示されるように、第１磁性層２１ａはシード層２０上に形成されており、第２磁性層２１ｃは、後述する非磁性材料層２２に接して形成されている。第１磁性層２１ａは、第２磁性層２１ｃよりも高保磁力材料のＣｏＦｅ合金で形成されることが好適である。【００４０】
非磁性材料層２２に接する第２磁性層２１ｃは磁気抵抗効果（具体的にはＧＭＲ効果）に寄与する層であり、第２磁性層２１ｃには、アップスピンを持つ伝導電子とダウンスピンを持つ伝導電子の平均自由行程差を大きくできる磁性材料が選択される。【００４１】
図３に示される第１磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１１では、第１磁性層２１ａと第２磁性層２１ｃとの磁化量（飽和磁化Ｍｓ・層厚ｔ）の差が実質的にゼロとなるように調整されている。【００４２】
図３に示される第１磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１１の固定磁性層２１は、セルフピン止め構造であるから、反強磁性層を備えない。これにより第１磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１１の温度特性が反強磁性層のブロッキング温度に制約を受けない。【００４３】
固定磁性層２１の磁化固定力を高めるには、第１磁性層２１ａの保磁力Ｈｃを高めること、第１磁性層２１ａと第２磁性層２１ｃの磁化量の差を実質的にゼロに調整すること、更に非磁性中間層２１ｂの厚さを調整して第１磁性層２１ａと第２磁性層２１ｃ間に生じるＲＫＫＹ相互作用による反平行結合磁界を強めることが重要とされている。このように適宜調整することで、固定磁性層２１が外部からの磁界に対して影響を受けることなく、磁化がより強固に固定される。【００４４】
非磁性材料層２２は、Ｃｕ（銅）などである。【００４５】
図３に示される第１磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１１のフリー磁性層２３は、強磁性層２３ａおよびミスフィット低減層２３ｂから構成される。本発明の一実施形態に係る磁気センサ１が備える第１磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１１の強磁性層２３ａは、ＮｉＦｅＭ層（ＮｉＦｅＭからなる層であって、Ｍは、Ｔａ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｒｈ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ａｌ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、およびＳｉから選択される１種または２種以上の元素からなる。）２３１ａおよび導電性強磁性層２３２ａを備える。強磁性層２３ａは、ミスフィット低減層２３ｂとともに第１反強磁性層２４と交換結合している。【００４６】
第１磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１１を構成する各種層（固定磁性層２１、フリー磁性層２３、第１反強磁性層２４など）の厚さのばらつきは、第１磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１１の特性ばらつきをもたらしうる。図１に示される磁気センサ１が備えるようなフルブリッジ構造の回路では、構成する４つの磁気抵抗効果素子（第１磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１１，ＧＭＲ１２および第２磁気抵抗効果素子ＧＭＲ２１，ＧＭＲ２２）のそれぞれを構成する各種膜の厚さがばらつきなく等しい場合に、外部磁場が印加されていない状態でのセンサ出力Ｖｏｕｔの電位は０Ｖとなる。しかしながら、現実には、製造プロセスのばらつきに起因して、それぞれの磁気抵抗効果素子を構成する各種層の厚さにはばらつきが存在する。この層厚のばらつきによって、外部磁場を印加していない場合のセンサ出力Ｖｏｕｔの電位は０Ｖとならず、所定のオフセット値を有することになる。【００４７】
また、このオフセット値は環境温度の変化に応じて変動し、その変動のしやすさ（オフセット温度特性）も、個々の磁気抵抗効果素子のばらつきの影響を受ける。このオフセット温度特性は、磁気抵抗効果素子の各種層を構成する材料の抵抗温度係数（単位：１０−６／℃）の影響を受けやすい。具体的には、磁気センサが備える複数の磁気抵抗効果素子において抵抗温度係数が比較的大きな材料からなる層の厚さが異なる場合には、磁気センサのオフセット温度特性が大きくなる（オフセット値が環境温度の変化によって変動しやすい）。【００４８】
強磁性層２３ａは、第１磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１１においてスピンバルブを適切に生じさせる観点から、第１磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１１が備える各種層の中でも比較的厚く（例えば５Å以上）形成される。このため、製造プロセスのばらつきの影響を受けやすく、強磁性層２３ａは厚さのばらつきが相対的に大きい層である。このような厚さのばらつきが相対的に大きな層の抵抗温度係数が大きい場合には、得られた磁気抵抗効果素子の複数を備える磁気センサ１のオフセット温度特性が比較的大きくなりやすい（温度変化に基づくオフセット値の変動が大きい）。【００４９】
そこで、本発明の一実施形態に係る磁気センサ１が備える第１磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１１の強磁性層２３ａは、抵抗温度係数が比較的小さいＮｉＦｅＭ層２３１ａを備える。ＮｉＦｅＭ層２３１ａは、強磁性層２３ａの構成材料として用いられうる他の強磁性材料、具体例として、ＮｉＦｅ（Ｎｉ８２．５Ｆｅ１７．５）および９０ＣｏＦｅ（Ｃｏ９０Ｆｅ１０）が挙げられる、に比べて、抵抗温度係数が小さい。【００５０】
このため、磁気センサ１が備える４つの磁気抵抗効果素子におけるそれぞれのＮｉＦｅＭ層２３１ａの厚さにばらつきが生じた場合であっても、その厚さのばらつきがオフセット温度特性に影響を与えにくい。ＮｉＦｅＭ層２３１ａにおけるＭを構成する元素は１種類であってもよいし２種類以上であってもよい。また、Ｍを構成する元素の原子比は、ＮｉＦｅＭ層２３１ａが適切な磁気特性を有する（強磁性を示す）限り任意である。抵抗温度係数を小さくすることおよび強磁性を示すことをより安定的に満たす観点から、ＮｉＦｅＭ層２３１ａにおけるＭはＮｂであること、すなわち、ＮｉＦｅＭ層２３１ａはＮｉＦｅＮｂからなることが好ましい。【００５１】
本発明の一実施形態に係る磁気センサ１が備える第１磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１１の強磁性層２３ａは、ＮｉＦｅＭ層２３１ａよりも非磁性材料層２２側に位置してＮｉＦｅＭ層２３１ａよりも抵抗率が低い導電性強磁性層２３２ａを備える。導電性強磁性層２３２ａがＮｉＦｅＭ層２３１ａよりも非磁性材料層２２側に位置することにより、ＧＭＲ効果によってスピン依存散乱が大きい領域を安定的に確保することができる。導電性強磁性層２３２ａの具体例として、９０ＣｏＦｅ（Ｃｏ９０Ｆｅ１０）などＣｏＦｅ系合金からなる層（ＣｏＦｅ層）が挙げられる。ＧＭＲ効果によってスピン依存散乱が大きい領域をより安定的に確保する観点から、導電性強磁性層２３２ａは非磁性材料層２２に接するように位置することが好ましい。このように導電性強磁性層２３２ａを備える場合には、ＮｉＦｅＭ層２３１ａは比較的抵抗率が高い材料から構成されることが、シャントロスを低減させる観点から好ましい。この観点からも、ＮｉＦｅＭ層２３１ａにおけるＭを構成する元素はＮｂからなること、すなわち、ＮｉＦｅＭ層２３１ａはＮｉＦｅＮｂからなることが好ましい。【００５２】
ここで、次に説明するように、外部応力が磁気センサ１に与える影響を少なくする観点から、導電性強磁性層２３２ａは面心立方（ｆｃｃ）構造のＣｏＦｅ系合金を含有することが好ましい。ＣｏＦｅ系合金は、上記の９０ＣｏＦｅ（Ｃｏ９０Ｆｅ１０）など、Ｃｏ含有量が８０原子％以上の場合にｆｃｃ構造が安定となる。このｆｃｃ構造のＣｏＦｅ系合金は、ｂｃｃ構造のＣｏＦｅ系合金に比べて磁歪定数λｓが小さい（絶対値が低い）。このため、導電性強磁性層２３２ａがｆｃｃ構造のＣｏＦｅ系合金を支配的に含有する場合には、第１磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１１が外部から応力を受けても、フリー磁性層２３において磁気弾性異方性（逆磁歪効果）が顕在化しにくい。この逆磁歪効果が顕在化すると、外部応力に基づいてフリー磁性層２３の磁化方向が変化しやすくなるため、第１磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１１の特性安定性が低下する。その結果、第１磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１１の外部磁場に対する感度が低下することもある。第１磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１１に外力が付与される場合の具体例として、第１磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１１を備えるチップを樹脂モールドによりパッケージ化することが挙げられる。導電性強磁性層２３２ａがｆｃｃ構造のＣｏＦｅ系合金を含有する場合には、パッケージ工程で第１磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１１に応力が付与されるような条件で樹脂成形が行われても、その応力に起因して特性のばらつきが大きくなる不具合が生じにくい。【００５３】
導電性強磁性層２３２ａがｆｃｃ構造のＣｏＦｅ系合金を含有する場合において、導電性強磁性層２３２ａの具体的な組成や厚さは、フリー磁性層２３の磁歪定数λｓが可能な限り小さくなるように適宜設定すればよい。例えば、導電性強磁性層２３２ａが９０ＣｏＦｅ（Ｃｏ９０Ｆｅ１０）からなる場合には、導電性強磁性層２３２ａの厚さが１０Å以上４０Å以下の範囲で、好ましくは２０Å以上３０Å以下の範囲で、第１磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１１の抵抗変化率ΔＲ／Ｒを高めることができる。また、導電性強磁性層２３２ａが９０ＣｏＦｅ（Ｃｏ９０Ｆｅ１０）からなる下層（ｆｃｃ構造）と７０ＣｏＦｅ（Ｃｏ７０Ｆｅ３０）からなる上層（ｂｃｃ構造）との積層構造の場合には、上層の厚さが一定の膜厚より薄い場合、７０ＣｏＦｅ層の成膜時に下層である９０ＣｏＦｅの影響でｆｃｃ構造として成長しやすいため、フリー磁性層２３の磁歪定数λｓは小さい。しかしながら、上層の厚さが一定の膜厚よりも厚くなると７０ＣｏＦｅ（Ｃｏ７０Ｆｅ３０）において安定的であるｂｃｃ構造の成分が多くなるため、フリー磁性層２３の磁歪定数λｓは大きくなる。この点に関しては実施例において詳述する。【００５４】
ミスフィット低減層２３ｂは、フリー磁性層２３の第１反強磁性層２４に対する格子非整合を低減させる層である。本発明の一実施形態に係る磁気センサ１が備える第１磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１１では、ミスフィット低減層２３ｂが第１反強磁性層２４に接するように設けられている。【００５５】
フリー磁性層の第１反強磁性層に対する格子非整合に関し、フリー磁性層を構成する材料がＮｉＦｅを含み、第１反強磁性層を構成する材料がＩｒＭｎである場合を例として説明すれば、ＮｉＦｅを含むフリー磁性層とＩｒＭｎからなる第１反強磁性層とを積層した状態でＸ線回折スペクトルを測定すると、フリー磁性層のｆｃｃ（１１１）面に基づくピークが５１．５°程度に頂点を有して測定され、第１反強磁性層のｆｃｃ（１１１）面に基づくピークが４８．５°程度に頂点を有して測定される。これらの測定結果に基づくと、第１反強磁性層を構成するＩｒＭｎの格子面間隔は２．１８Å、フリー磁性層を構成するＮｉＦｅの格子面間隔は２．０６Åと算出され、６％程度の格子非整合が存在すると見積もられる。【００５６】
これに対して、第１磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１１のように、フリー磁性層２３がミスフィット低減層２３ｂを有する場合には、フリー磁性層２３とＩｒＭｎからなる第１反強磁性層２４とを積層した状態でＸ線回折スペクトルを測定すると、フリー磁性層２３に基づくピークは低角度側にシフトし、フリー磁性層２３と第１反強磁性層２４との格子非整合が低減する。第１磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１１は、一具体例において、ミスフィット低減層２３ｂが、その格子面間隔が強磁性層２３ａの格子面間隔よりも大きくなるように構成される。ミスフィット低減層２３ｂの格子面間隔が強磁性層２３ａの格子面間隔よりも大きいため、ミスフィット低減層２３ｂおよび強磁性層２３ａを備えるフリー磁性層２３の格子面間隔が、第１反強磁性層２４の格子面間隔に近づくように広がり、フリー磁性層２３と第１反強磁性層２４との格子非整合が低減したと考えられる。このように、ミスフィット低減層２３ｂの一具体例は、そのｆｃｃ（１１１）面における格子面間隔が、強磁性層２３ａのｆｃｃ（１１１）面における格子面間隔よりも大きい。【００５７】
このようにフリー磁性層２３と第１反強磁性層２４との格子非整合が低減することにより、第１磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１１を備える磁気センサ１は、格子非整合が大きい場合に比べて、高温環境下に長時間保存された場合における検出感度の低下が生じにくくなる。【００５８】
フリー磁性層２３と第１反強磁性層２４との格子非整合が低減することにより、磁気センサ１の高温環境下に長時間保存された場合における検出感度の低下が生じにくくなる理由は、第１反強磁性層２４との格子の整合性が高くなった結果、第１反強磁性層２４に含有される原子が動きにくくなるため、高温環境下に長時間保存された前後の交換結合磁界の変動が小さくなったことに起因していると考えられる。【００５９】
フリー磁性層２３と第１反強磁性層２４との格子非整合を低減させることに寄与する限り、ミスフィット低減層２３ｂの組成は限定されない。上記のように、ミスフィット低減層２３ｂは、強磁性層２３ａを構成する材料よりも原子半径の大きな材料を含有することが好ましい。また、ミスフィット低減層２３ｂは単層構造を有していてもよいし、積層構造を有していてもよい。強磁性層２３ａを構成する材料がＮｉＦｅ系材料（ＮｉＦｅＭを含む。）やＣｏＦｅ系材料であって、第１反強磁性層２４を構成する材料がＩｒＭｎやＰｔＭｎである場合には、ミスフィット低減層２３ｂは、鉄族元素（具体的には、Ｆｅ，ＮｉおよびＣｏが例示される。）の１種または２種以上および白金族元素（具体的には、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｈ，Ｉｒ，ＲｕおよびＯｓが例示される。）の１種または２種以上を含有する第１層を備えていてもよい。第１層の具体例として、ＣｏＦｅＰｔ、ＮｉＦｅＰｔ等が挙げられる。Ｐｔのｆｃｃ（１１１）面の格子面間隔は、２．２６Åであり、上記のように、第１反強磁性層２４を構成する材料がＩｒＭｎである場合には、第１反強磁性層２４のｆｃｃ（１１１）面の格子面間隔は２．１８Å程度である。したがって、ミスフィット低減層２３ｂがＰｔなどの白金族元素が鉄族元素とともに存在する第１層を有するときには、ミスフィット低減層２３ｂのｆｃｃ（１１１）面の格子面間隔は、その白金族元素の含有量に応じて広がり、その結果、フリー磁性層２３のｆｃｃ（１１１）面の格子面間隔も広がることになる。なお、第１層がＮｉＦｅＸ（Ｘは白金族元素から選択される１種または２種以上の元素）の場合には抵抗温度係数が比較的低いことから、第１層はミスフィット低減層２３ｂとしての機能を有するとともに、強磁性層２３ａのＮｉＦｅＭ層２３１ａと同様に、磁気センサ１のオフセット温度特性の改善に寄与することができる。【００６０】
第１層における鉄族元素の含有量と白金族元素の含有量との関係は、上記のように、フリー磁性層２３のｆｃｃ（１１１）面の格子面間隔を広げることができるとともに、フリー磁性層２３が適切な磁気特性を有すること、具体的には、フリー磁性層２３と第１反強磁性層２４との間に交換結合が適切に生じることが満たされる限り、限定されない。後述する実施例において示すように、第１層における白金族の含有量を増大させることにより、第１層からなるフリー磁性層２３のｆｃｃ（１１１）面とＩｒＭｎからなる第１反強磁性層２４のｆｃｃ（１１１）面との格子非整合を低減させることができる。その一方で、第１層における白金族元素の含有量の増大はフリー磁性層２３の飽和磁化Ｍｓ（単位：Ｔ）の低下をもたらす場合があり、この場合には、第１層の白金族元素の含有量が過度に増大すると、フリー磁性層２３に交換結合バイアスが適切に生じにくくなる。【００６１】
フリー磁性層２３と第１反強磁性層２４との格子非整合を低減させることに寄与する限り、ミスフィット低減層２３ｂの厚さは限定されない。ミスフィット低減層２３ｂが過度に薄い場合には、フリー磁性層２３と第１反強磁性層２４との格子非整合を低減させることとが困難となり、ミスフィット低減層２３ｂが過度に厚い場合には、フリー磁性層２３に交換結合バイアスが適切に生じにくくなる可能性が高まることを考慮して、適宜設定すればよい。強磁性層２３ａを構成する材料がＮｉＦｅ系材料（ＮｉＦｅＭを含む。）やＣｏＦｅ系材料を含み、第１反強磁性層２４を構成する材料がＩｒＭｎやＰｔＭｎからなり、かつミスフィット低減層２３ｂがＣｏＦｅＰｔからなる場合には、ミスフィット低減層２３ｂを３Å以上１００Å以下とすることが好ましい。【００６２】
保護層２５を構成する材料は限定されない。Ｔａ（タンタル）などが例示される。図２に示される第１磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１１におけるフリー磁性層２３の磁化方向Ｆは初期磁化方向を示しており、フリー磁性層２３の磁化方向Ｆは固定磁性層２１の固定磁化方向（第２磁性層２１ｃの固定磁化方向）に対して直交する方向に揃えられている。【００６３】
図３に示される第１磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１１では、第１反強磁性層２４がフリー磁性層２３の上面全体に成膜されているが、これに限定されず、第１反強磁性層２４をフリー磁性層２３の上面に非連続的に形成してもよい。ただし、第１反強磁性層２４がフリー磁性層２３の全面に形成されているほうが、フリー磁性層２３全体を適切に一方向に単磁区化でき、ヒステリシスをより低減できるため、測定精度を向上させることができ好適である。【００６４】
本発明の一実施形態に係る磁気センサが備える磁気抵抗効果素子の製造方法は限定されない。次に説明する方法によれば、本実施形態に係る磁気センサが備える磁気抵抗効果素子（第１磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１１）を効率的に製造することが可能である。【００６５】
基板２９上に、図３では図示しない絶縁層を介してシード層２０を成膜し、その上に、セルフピン止め構造を有する固定磁性層２１を積層する。具体的には、図３に示されるような、第１磁性層２１ａ、非磁性中間層２１ｂおよび第２磁性層２１ｃを順次積層する。各層の成膜手段は限定されない。スパッタが例示される。第１磁性層２１ａを成膜する際に磁場を印加しながら行うことにより、第１磁性層２１ａを図２における幅方向Ｄ２に沿うように磁化させれば、ＲＫＫＹ相互作用により第２磁性層２１ｃを第１磁性層２１ａの磁化方向と反平行な向きに強く磁化することが可能である。こうして磁化された第２磁性層２１ｃは、その後の製造過程において自らの磁化方向と異なる向きの磁場が印加されても、その影響を受けずに幅方向Ｄ２に磁化された状態を維持することが可能である。【００６６】
次に、固定磁性層２１上に非磁性材料層２２を積層する。非磁性材料層２２の積層方法は限定されず、スパッタが具体例として挙げられる。【００６７】
続いて、非磁性材料層２２上に、長手方向Ｄ１に沿った方向の磁場を印加しながら、フリー磁性層２３（導電性強磁性層２３２ａ、ＮｉＦｅＭ層２３１ａおよびミスフィット低減層２３ｂ）、第１反強磁性層２４および保護層２５を順次積層する。これらの層の積層方法は限定されず、スパッタが具体例として挙げられる。このように磁場中成膜を行うことにより、フリー磁性層２３の磁化方向に沿った方向に第１反強磁性層２４との間で交換結合バイアスが生じる。なお、これらの層の成膜中には、固定磁性層２１に対しても磁場が印加されるが、固定磁性層２１はＲＫＫＹ相互作用に基づくピン止め構造を有するため、この印加された磁場によっては磁化方向が変動することはない。フリー磁性層２３のミスフィット低減層２３ｂがＣｏＦｅＰｔ、ＮｉＦｅＰｔなど鉄族元素と白金族元素との同時成膜からなる第１層を有する場合には、鉄族元素の成膜速度（具体例としてスパッタレートが挙げられる。）と白金族元素成膜速度（具体例としてスパッタレートが挙げられる。）とを調整することにより、第１層の合金組成を調整することが可能である。【００６８】
ここで、第１反強磁性層２４を構成する材料としてＩｒＭｎ系の材料を用いた場合には、特段の加熱処理を伴わない磁場中成膜により第１反強磁性層２４の交換結合方向を揃えることが可能である。したがって、第１磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１１を製造するプロセス全体を通じて磁場中アニール処理を行わないプロセスとすることが可能である。第１磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１１の製造プロセスを上記のように磁場中アニールフリープロセスとすることにより、同一の基板２９上に異なる感度軸（磁化方向が反対向きの場合を含む。）を有する磁気抵抗効果素子（第２磁気抵抗効果素子ＧＭＲ２１，ＧＭＲ２２）を容易に製造することが可能となる。【００６９】
こうして、磁場中成膜によりフリー磁性層２３および第１反強磁性層２４を積層したら、最後に、保護層２５を積層する。保護層２５の積層方法は限定されず、スパッタが具体例として挙げられる。【００７０】
以上の成膜工程により得られた積層構造体に対して除去加工（ミリング）を行い、複数の長尺パターン１２が幅方向Ｄ２に沿って配列された状態とする。これらの複数の長尺パターン１２を接続する導電部１３および導電部１３に接続する接続端子１４を形成して、図２に示されるミアンダ形状を有する第１磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１１を得る。【００７１】
本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子を備えた磁気センサは、電流センサとして好適に使用されうる。かかる電流センサは、図１に示されるように、４つの磁気抵抗効果素子（第１磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１１，ＧＭＲ１２および第２磁気抵抗効果素子ＧＭＲ２１，ＧＭＲ２２）を用い、ブリッジ回路を組んで測定精度を高めることが好ましい。本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子の製造方法は、好ましい一例において磁場中アニール処理を備えないため、複数の磁気抵抗効果素子を同一基板上に製造することが容易である。【００７２】
本発明の一実施形態に係る電流センサの具体例として、磁気比例式電流センサおよび磁気平衡式電流センサが挙げられる。【００７３】
磁気比例式電流センサは、本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子を少なくとも１つ含んで構成され、被測定電流からの誘導磁界に応じた電位差を生じる２つの出力を備える磁界検出ブリッジ回路を有する。そして、磁気比例式電流センサでは、誘導磁界に応じて磁界検出ブリッジ回路から出力される電位差により、被測定電流が測定される。【００７４】
磁気平衡式電流センサは、本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子を少なくとも１つ含んで構成され、被測定電流からの誘導磁界に応じた電位差を生じる２つの出力を備える磁界検出ブリッジ回路と、磁気抵抗効果素子の近傍に配置され、誘導磁界を相殺するキャンセル磁界を発生するフィードバックコイルと、を具備する。そして、磁気平衡式電流センサでは、電位差によりフィードバックコイルに通電して誘導磁界とキャンセル磁界とが相殺される平衡状態となったときのフィードバックコイルに流れる電流に基づいて、被測定電流が測定される。【００７５】
なお、本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子は以下の構成１および構成２の少なくとも一方を備える。
（構成１）固定磁性層とフリー磁性層とが非磁性材料層を介して積層された積層構造を備える磁気抵抗効果素子であって、フリー磁性層における非磁性材料層に対向する側の反対側に、フリー磁性層との間で交換結合バイアスを生じさせ前記フリー磁性層の磁化方向を磁化変動可能な状態で所定方向に揃えることができる第１反強磁性層を備え、フリー磁性層は、第１反強磁性層に接するように設けられ前記フリー磁性層の第１反強磁性層に対する格子非整合を低減させるミスフィット低減層、およびミスフィット低減層における第１反強磁性層に対向する側の反対側に設けられた強磁性材料からなる強磁性層を備え、この強磁性層は、ＮｉＦｅＭ層（ＮｉＦｅＭからなる層であって、Ｍは、Ｔａ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｒｈ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ａｌ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、およびＳｉから選択される１種または２種以上の元素からなる。）を備える磁気抵抗効果素子。（構成２）固定磁性層とフリー磁性層とが非磁性材料層を介して積層された積層構造を備える磁気抵抗効果素子であって、フリー磁性層における非磁性材料層に対向する側の反対側に、フリー磁性層との間で交換結合バイアスを生じさせフリー磁性層の磁化方向を磁化変動可能な状態で所定方向に揃えることができる第１反強磁性層を備え、フリー磁性層は、鉄族元素の１種または２種以上および白金族元素の１種または２種以上を含有し第１反強磁性層に接するように設けられる第１層、および第１層における第１反強磁性層に対向する側の反対側に設けられた強磁性材料からなる強磁性層を備え、この強磁性層は、ＮｉＦｅＭ層（ＮｉＦｅＭからなる層であって、Ｍは、Ｔａ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｒｈ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ａｌ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、およびＳｉから選択される１種または２種以上の元素からなる。）を備える磁気抵抗効果素子。【００７６】
以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。【００７７】
例えば、図３に示される第１磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１１は、固定磁性層２１がフリー磁性層２３と基板２９との間に位置するように積層される、いわゆるボトムピン構造であるが、フリー磁性層が固定磁性層と基板との間に位置するように積層される、いわゆるトップピン構造であってもよい。また、第１磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１１における固定磁性層２１がセルフピン構造に代えて反強磁性層と強磁性層との積層構造を備え、反強磁性層との交換結合により強磁性層が特定の向き（図３では左向き）に磁化されることで、固定磁性層２１の磁化が行われていてもよい。
【実施例】
【００７８】
以下、実施例等により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明の範囲はこれらの実施例等に限定されるものではない。【００７９】
（実施例１）
絶縁膜を有する基板２９上に、下からシード層２０；ＮｉＦｅＣｒ（４２）／固定磁性層２１［第１磁性層２１ａ；Ｃｏ４０Ｆｅ６０（１９）／非磁性中間層２１ｂ；Ｒｕ（３．６）／第２磁性層２１ｃ；Ｃｏ９０Ｆｅ１０（２４）］／非磁性材料層２２；Ｃｕ（２０．５）／フリー磁性層２３［強磁性層２３ａ；｛導電性強磁性層２３２ａ；Ｃｏ９０Ｆｅ１０（１８）／ＮｉＦｅＭ層２３１ａ；Ｎｉ８１．８Ｆｅ１３．４Ｎｂ４．８（６０）｝／ミスフィット低減層２３ｂ；Ｃｏ５４Ｆｅ６Ｐｔ４０（１０）］／第１反強磁性層２４；Ｉｒ２２Ｍｎ７８（６０）／保護層２５；Ｔａ（１００）の順に積層して得られる積層膜からなる４．０μｍ×８０μｍの長尺パターン１２を得た。括弧内の数値は層厚を示し単位はÅである。長尺パターン１２が備えるミスフィット低減層２３ｂは、鉄族元素の１種または２種以上（具体的にはＣｏおよびＦｅ）および白金族元素の１種または２種以上（具体的にはＰｔ）を含有する層でもあるため、第１層としても位置付けられる。この長尺パターン１２を９本備えるミアンダ形状の４つの磁気抵抗効果素子（第１磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１１，ＧＭＲ１２および第２磁気抵抗効果素子ＧＭＲ２１，ＧＭＲ２２）を製造した。これらの４つの磁気抵抗効果素子を備え、図１に示されるフルブリッジ構造を備える磁気センサ１を作製した。なお、各磁気抵抗効果素子のミアンダ形状は次のようにして製造した。まず、基板２９上に上記の積層膜を一様に形成し、リフトオフ法などを用いてこの積層膜をパターンエッチングすることにより基板２９上に複数の長尺パターン１２を形成した。そして、隣り合う長尺パターン１２が直列に接続されるように端部を導電性材料で接続することによりミアンダ形状を得た。【００８０】
（実施例２）
絶縁膜を有する基板２９上に、下からシード層２０；ＮｉＦｅＣｒ（４２）／固定磁性層２１［第１磁性層２１ａ；Ｃｏ４０Ｆｅ６０（１９）／非磁性中間層２１ｂ；Ｒｕ（３．６）／第２磁性層２１ｃ；Ｃｏ９０Ｆｅ１０（２４）］／非磁性材料層２２；Ｃｕ（２０．５）／フリー磁性層２３［強磁性層２３ａ；｛導電性強磁性層２３２ａ；Ｃｏ９０Ｆｅ１０（１０）／Ｎｉ８２．５Ｆｅ１７．５（１０）／ＮｉＦｅＭ層２３１ａ；Ｎｉ８１．８Ｆｅ１３．４Ｎｂ４．８（６０）｝／ミスフィット低減層２３ｂ；Ｃｏ５４Ｆｅ６Ｐｔ４０（１０）］／第１反強磁性層２４；Ｉｒ２２Ｍｎ７８（６０）／保護層２５；Ｔａ（１００）の順に積層して長尺パターン１２を得た。括弧内の数値は層厚を示し単位はÅである。長尺パターン１２が備えるミスフィット低減層２３ｂは、鉄族元素の１種または２種以上（具体的にはＣｏおよびＦｅ）および白金族元素の１種または２種以上（具体的にはＰｔ）を含有する層でもあるため、第１層としても位置付けられる。この長尺パターン１２を９本備えるミアンダ形状の４つの磁気抵抗効果素子（第１磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１１，ＧＭＲ１２および第２磁気抵抗効果素子ＧＭＲ２１，ＧＭＲ２２）を製造した。これらの４つの磁気抵抗効果素子を備え、図１に示されるフルブリッジ構造を備える磁気センサ１を作製した。【００８１】
（比較例１）
絶縁膜を有する基板上に、下からシード層；ＮｉＦｅＣｒ（４２）／固定磁性層［第１磁性層；Ｃｏ４０Ｆｅ６０（１９）／非磁性中間層；Ｒｕ（３．６）／第２磁性層；Ｃｏ９０Ｆｅ１０（２４）］／非磁性材料層；Ｃｕ（２０．５）／フリー磁性層［強磁性層；｛Ｃｏ９０Ｆｅ１０（１０）／Ｎｉ８２．５Ｆｅ１７．５（６０）｝／ミスフィット低減層；Ｃｏ５４Ｆｅ６Ｐｔ４０（１０）］／第１反強磁性層；Ｉｒ２２Ｍｎ７８（６０）／保護層２５；Ｔａ（１００）の順に積層して長尺パターンを得た。括弧内の数値は層厚を示し単位はÅである。長尺パターンが備えるミスフィット低減層は、鉄族元素の１種または２種以上（具体的にはＮｉおよびＦｅ）および白金族元素の１種または２種以上（具体的にはＰｔ）を含有する層でもあるため、第１層としても位置付けられる。この長尺パターンを９本備えるミアンダ形状の４つの磁気抵抗効果素子を製造した。これらの４つの磁気抵抗効果素子を備え、図１に示されるフルブリッジ構造を備える磁気センサを作製した。【００８２】
（比較例２）
絶縁膜を有する基板上に、下からシード層；ＮｉＦｅＣｒ（４２）／固定磁性層［第１磁性層；Ｃｏ４０Ｆｅ６０（１９）／非磁性中間層；Ｒｕ（３．６）／第２磁性層；Ｃｏ９０Ｆｅ１０（２４）］／非磁性材料層；Ｃｕ（２０．５）／フリー磁性層［Ｃｏ９０Ｆｅ１０（１０）／Ｎｉ８２．５Ｆｅ１７．５（７０）］／反強磁性層；Ｉｒ２２Ｍｎ７８（８０）／保護層；Ｔａ（１００）の順に積層して長尺パターンを得た。括弧内の数値は層厚を示し単位はÅである。この長尺パターンを９本備えるミアンダ形状の４つの磁気抵抗効果素子を製造した。これらの４つの磁気抵抗効果素子を備え、図１に示されるフルブリッジ構造を備える磁気センサを作製した。【００８３】
（磁気センサの特性評価）
実施例１および２ならびに比較例１および２により作製した磁気センサについて、次の測定を行った。
まず、環境温度が２５℃の場合および８５℃の場合について交換結合バイアスの大きさ（単位：Ｏｅ）を測定した。その結果を表１に示す。
入力端子Ｖｄｄにおける電圧を３Ｖ、測定磁場を±２ｍＴにした場合における比例感度（単位：ｍＶ／ｍＴ）を測定した（環境温度：２５℃）。その結果を表１に示す。
環境温度を２５℃から８５℃の範囲で変化させながら上記の比例感度を測定し、比例感度温度特性（ｐｐｍ／℃）を測定した。その結果を表１に示す。
環境温度を１５０℃として１０００時間保存したことによって、保存前の状態に比べてどの程度比例感度が変化したか（比例感度ドリフト、単位：％）を測定した。その結果を表１に示す。
外部印加磁場を変化させてヒステリシスループを得て、外部印加磁場と出力との線形性が維持されなくなった出力範囲の、出力のフルスケールに対する割合（線形性、単位：％／Ｆ．Ｓ．）を測定した。その結果を表１に示す。
上記のヒステリシスループにおける、外部印加磁場がゼロのときのヒステリシスの、出力のフルスケールに対する割合（ゼロ磁場ヒステリシス、単位：％／Ｆ．Ｓ．）を測定した。その結果を表１に示す。
各磁気センサが備える磁気抵抗効果素子について、素子抵抗（単位：Ω）および抵抗温度係数（ＴＣＲ、単位：ｐｐｍ／℃）を測定した。これらの結果を表１に示す。【００８４】
【表１】
0006755319.tif 000002
【００８５】
比較例１の磁気センサは、この磁気センサが備える磁気抵抗効果素子がミスフィット低減層を備えるため、比較例２の磁気センサに比べて、比例感度ドリフトが改善されている。実施例の磁気センサも、比較例１の磁気センサと同様に、比例感度ドリフトは比較例２の磁気センサに比べて改善されている。実施例の磁気センサが備える磁気抵抗効果素子はフリー磁性層がＮｉＦｅＭ層（具体的にはＭはＮｂ）を備えるため、比較例の磁気センサが備える磁気抵抗効果素子に比べて、素子抵抗の増加およびＴＣＲの低下が認められる。【００８６】
（オフセット温度特性の測定）
実施例１に係る磁気センサおよび比較例１に係る磁気センサを、それぞれ、ウエハ１０枚分作製し、外部磁場を印加しない状態でのセンサ出力Ｖｏｕｔの値の温度特性（オフセット温度特性、環境温度範囲：２５℃〜８５℃、単位：μＶ／℃）を測定した。測定結果（平均値および３σ値）を表２および図４に示す。【００８７】
【表２】
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【００８８】
表２および図４に示されるように、本発明に係る実施例１の磁気センサは、比較例１の磁気センサに比べて、オフセット温度特性の値が０μＶ／℃に近い。したがって、本発明に係る磁気センサは、環境温度が変化してもオフセットが生じにくく、測定精度に優れることが確認された。【００８９】
（実施例２）
絶縁膜を有する基板２９上に、下からシード層２０；ＮｉＦｅＣｒ（４２）／固定磁性層２１［第１磁性層２１ａ；Ｃｏ４０Ｆｅ６０（１９）／非磁性中間層２１ｂ；Ｒｕ（３．６）／第２磁性層２１ｃ；Ｃｏ９０Ｆｅ１０（２４）］／非磁性材料層２２；Ｃｕ（２０．５）／フリー磁性層２３［強磁性層２３ａ；｛導電性強磁性層２３２ａ；Ｃｏ９０Ｆｅ１０（Ｘ）／ＮｉＦｅＭ層２３１ａ；Ｎｉ８１．８Ｆｅ１３．４Ｎｂ４．８（４０）｝／ミスフィット低減層２３ｂ；Ｃｏ５４Ｆｅ６Ｐｔ４０（１０）］／第１反強磁性層２４；Ｉｒ２２Ｍｎ７８（６０）／保護層２５；Ｔａ（１００）の順に積層して４．０μｍ×８０μｍの長尺パターン１２を得た。括弧内の数値は層厚を示し単位はÅである。導電性強磁性層２３２ａの厚さＸ（単位：Å）は、５Åから４５Åの範囲で、５Åごとに異なる複数の値を設定した（実施例２−１から実施例２−９）。これらの長尺パターン１２が備えるミスフィット低減層２３ｂは、鉄族元素の１種または２種以上（具体的にはＣｏおよびＦｅ）および白金族元素の１種または２種以上（具体的にはＰｔ）を含有する層でもあるため、第１層としても位置付けられる。この長尺パターン１２を９本備えるミアンダ形状の第１磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１１を製造した。
製造した第１磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１１の抵抗変化率ΔＲ／Ｒｍｉｎ（単位：％）を測定した。測定結果を表３および図５に示す。【００９０】
【表３】
0006755319.tif 000004
【００９１】
表３および図５に示されるように、導電性強磁性層２３２ａがＣｏ９０Ｆｅ１０からなる場合には、その厚さが１０Å以上４０Å以下の場合に第１磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１１の抵抗変化率ΔＲ／Ｒｍｉｎが８％以上となることが安定的に実現された。導電性強磁性層２３２ａの厚さが２０Å以上３０Å以下の場合には磁気抵抗効果素子の抵抗変化率ΔＲ／Ｒｍｉｎを８．５％以上とすることが安定的に実現された。【００９２】
（実施例３）
絶縁膜を有する基板２９上に、下からシード層２０；ＮｉＦｅＣｒ（４２）／固定磁性層２１［第１磁性層２１ａ；Ｃｏ４０Ｆｅ６０（１９）／非磁性中間層２１ｂ；Ｒｕ（３．６）／第２磁性層２１ｃ；Ｃｏ９０Ｆｅ１０（２４）］／非磁性材料層２２；Ｃｕ（２０．５）／フリー磁性層２３［強磁性層２３ａ；｛導電性強磁性層２３２ａ；（Ｃｏ９０Ｆｅ１０（２５−Ｘ）／Ｃｏ７０Ｆｅ３０（Ｘ））／ＮｉＦｅＭ層２３１ａ；Ｎｉ８１．８Ｆｅ１２．４Ｎｂ４．８（４０）｝／ミスフィット低減層２３ｂ；Ｃｏ５４Ｆｅ６Ｐｔ４０（１０）］／第１反強磁性層２４；Ｉｒ２２Ｍｎ７８（６０）／保護層２５；Ｔａ（１００）の順に積層して、磁気抵抗効果を有する積層膜を得た。括弧内の数値は層厚を示し単位はÅである。導電性強磁性層２３２ａは全体の厚さが２５Åであって、Ｃｏ９０Ｆｅ１０からなる下層とＣｏ７０Ｆｅ３０からなる上層との積層構造（実施例３−１および実施例３−９を除く。）であり、Ｃｏ７０Ｆｅ３０からなる上層の厚さＸ（単位：Å）は、０Åから２５Åの範囲で異なる複数の値を設定した（実施例３−１から実施例３−９）。【００９３】
得られた積層膜について、そのままで、すなわち、実施例１および実施例２ならびに比較例１および比較例２とは異なりミアンダ形状とはしない状態で、フリー磁性層２３の磁歪定数λｓ（単位：ｐｐｍ）を測定した。測定結果を表４および図６に示す。【００９４】
【表４】
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【００９５】
表４および図６に示されるように、Ｃｏ７０Ｆｅ３０からなる上層の厚さが０Åから１８Å、すなわち、Ｃｏ９０Ｆｅ１０からなる下層の厚さが２５Åから７Åまでの範囲にある場合には、導電性強磁性層２３２ａの磁歪特性はＣｏ９０Ｆｅ１０からなる下層の影響が支配的となって、フリー磁性層２３の磁歪定数λｓは小さくなる結果となった。具体的には、Ｃｏ９０Ｆｅ１０からなる下層が２５Åから７Åまでの範囲を通じて磁歪定数λｓの絶対値は２．５ｐｐｍ未満であった。これに対し、Ｃｏ７０Ｆｅ３０からなる上層の厚さが２０Å以上の場合には、導電性強磁性層２３２ａの磁歪特性はこの上層の影響が支配的となって、上層の厚さに応じて磁歪定数λｓが大きく変動し、導電性強磁性層２３２ａがＣｏ７０Ｆｅ３０からなる場合には、磁歪定数λｓは６ｐｐｍにまで高まった。これは、Ｃｏ７０Ｆｅ３０からなる上層は本来ｂｃｃ構造となることで安定するため、当該上層の厚さが２０Å以上の場合にはｂｃｃ構造の成分が増加することに起因していると考えられる。逆に、Ｃｏ７０Ｆｅ３０からなる上層が２０Åよりも薄くなると、Ｃｏ９０Ｆｅ１０からなる下層はｆｃｃ構造であるため、この下層の影響が支配的となって、Ｃｏ７０Ｆｅ３０からなる上層はｆｃｃ構造で成長し磁歪定数λｓが小さくなると考えられる。このように、導電性強磁性層２３２ａにおけるｆｃｃ構造のＣｏＦｅ系合金の含有割合を高めることによってフリー磁性層２３の磁歪定数λｓを小さくすることができることが確認された。【００９６】
（実施例４−１）
絶縁膜を有する基板２９上に、下からシード層２０；ＮｉＦｅＣｒ（４２）／固定磁性層２１［第１磁性層２１ａ；Ｃｏ４０Ｆｅ６０（１９）／非磁性中間層２１ｂ；Ｒｕ（３．６）／第２磁性層２１ｃ；Ｃｏ９０Ｆｅ１０（２４）］／非磁性材料層２２；Ｃｕ（２０．５）／フリー磁性層２３［強磁性層２３ａ；｛導電性強磁性層２３２ａ；（Ｃｏ９０Ｆｅ１０（１３）／Ｃｏ７０Ｆｅ３０（１２））／ＮｉＦｅＭ層２３１ａ；Ｎｉ８１．８Ｆｅ１３．４Ｎｂ４．８（４０）｝／ミスフィット低減層２３ｂ；Ｃｏ５４Ｆｅ６Ｐｔ４０（１０）］／第１反強磁性層２４；Ｉｒ２２Ｍｎ７８（６０）／保護層２５；Ｔａ（１００）の順に積層して４．０μｍ×８０μｍの長尺パターン１２を得た。括弧内の数値は層厚を示し単位はÅである。長尺パターン１２が備えるミスフィット低減層２３ｂは、鉄族元素の１種または２種以上（具体的にはＣｏおよびＦｅ）および白金族元素の１種または２種以上（具体的にはＰｔ）を含有する層でもあるため、第１層としても位置付けられる。この長尺パターン１２を９本備えるミアンダ形状の４つの磁気抵抗効果素子（第１磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１１，ＧＭＲ１２および第２磁気抵抗効果素子ＧＭＲ２１，ＧＭＲ２２）を製造した。これらの４つの磁気抵抗効果素子を備え、図１に示されるフルブリッジ構造を備える磁気センサ１を作製した。得られた磁気センサ１を成形用樹脂で封止することによりモールドパッケージを作製した。【００９７】
（実施例４−２）
導電性強磁性層２３２ａをＣｏ９０Ｆｅ１０からなる２５Åの厚さの層により構成した点以外は実施例４−１と同様にして、磁気抵抗効果素子を製造し、さらにこれらの磁気抵抗効果素子を用いて実施例４−１と同様にしてモールドパッケージを作製した。【００９８】
製造した各実施例に係るモールドパッケージの上下面に１．５ＭＰａ（８ｋｇｆ）の圧力を印加した。圧力を印加する前後で磁気センサ１のゼロ磁場でのオフセット電圧（単位：ｍＶ）の変動量を測定した。測定結果を表５に示す。また、上記の磁気抵抗効果素子と同じ膜構成を有する積層膜を別途用意し、この積層膜の状態（すなわち、ミアンダ形状とはしない状態）で磁歪定数λｓを測定した。【００９９】
【表５】
0006755319.tif 000006
【０１００】
表５に示されるように、フリー磁性層２３の磁歪定数λｓが小さい実施例４−１に係るモールドパッケージの磁気センサ１では、オフセット電圧の変動量は小さかった。これに対し、フリー磁性層２３の磁歪定数λｓが実施例４−１と比較して大きい実施例４−２に係るモールドパッケージの磁気センサ１では、オフセット電圧の変動量は大きくなることが確認された。
【産業上の利用可能性】
【０１０１】
本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子を備えた磁気センサは、柱状トランス等のインフラ関連設備；電気自動車、ハイブリッドカー等の輸送機器などにおいて使用される電流センサの構成要素として好適に使用されうる。
【符号の説明】
【０１０２】
１                磁気センサ
ＧＭＲ１１，１２  第１磁気抵抗効果素子
ＧＭＲ２１，２２  第２磁気抵抗効果素子
３１              フルブリッジ回路
３２              第１ハーフブリッジ回路
３３              第２ハーフブリッジ回路
Ｖｄｄ            入力端子
Ｖ１              第１中点電位
Ｖ２              第２中点電位
Ｖｏｕｔ           センサ出力
４０              差動増幅器
１２              長尺パターン
１３              導電部
１４              接続端子
Ｄ１              長手方向
Ｄ２              幅方向
２０              シード層
２１              固定磁性層
２１ａ            第１磁性層
２１ｂ            非磁性中間層
２１ｃ            第２磁性層
２２              非磁性材料層
２３              フリー磁性層
２３ａ            強磁性層
２３１ａ          ＮｉＦｅＭ層
２３２ａ          導電性強磁性層
２３ｂ            ミスフィット低減層
２４              第１反強磁性層
２５              保護層
２９              基板
Ｆ                磁化方向
【図１】
0006755319.tif 000007
【図２】
0006755319.tif 000008
【図３】
0006755319.tif 000009
【図４】
0006755319.tif 000010
【図５】
0006755319.tif 000011
【図６】
0006755319.tif 000012