(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電体層と、前記導電体層に積層された磁性体層とを備えたＭＩ素子からなる磁界検出素子において、前記磁性体層の厚みをａμｍ、前記磁性体層の幅をｂｍｍ、前記導電体層の幅をｄｍｍとした場合に、ａを０．５以下に設定するとともに、ｂを、ｄの５〜１０倍で、かつｄ×２．５／ａ以上に設定したことを特徴とする磁界検出素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、外部磁界を利用して電磁気量や力学量を検出する磁界検出素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、各種分野において、外部磁界を利用して電磁気量や力学量を検出することが行われており、このような電磁気量や力学量を高感度に検出するために、外部磁界に対する物理量（抵抗、インピーダンス）の変化率の高い素子を使用し、外部磁界を電気信号に変換して検出している。このような検出を行う素子として、例えば、特開平８−３２０３６２号公報に開示されているＭＩ素子を用いた磁界検出素子がある。
【０００３】
この磁界検出素子は、平面状の基板の上面に、導電体層とこの導電体層の周囲を囲む磁性体層からなる積層体をスパッタ成膜により形成して構成されている。そして、この磁界検出素子に駆動電源から交流電流を印加して、外部磁界によるインピーダンスの変化を検出するようになっており、磁性体層には、通電方向と直交する方向に磁界を印加しながら熱処理することにより磁気異方性が付与されている。
【０００４】
このように、前記磁界検出素子は、磁性体層と導電体層を積層化したＭＩ素子で構成され、その磁性体層に磁気異方性を付与したことにより、磁界検出素子を低抵抗にでき、外部磁界の変化によるインダクタンス変化と抵抗変化を効果的に検出できるようになっている。これによると、１００ＫＨｚ―１０ＭＨｚでの駆動周波数領域で、大幅に感度を高めることができ、インピーダンス変化率は１００％以上になっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、磁界検出素子の磁性体層や導電体層はスパッタ成膜されるためその膜厚が製造時間に大きく影響する。この磁界検出素子の製造工程においては、磁性体層や導電体層の成形時間を短縮することが要求されており、この時間短縮化を図るためには磁性体層や導電体層の薄膜化が望まれる。しかし、磁性体層を薄くするとインピーダンス変化量が小さくなり、磁界検出素子の検出感度が低下するという問題が生じる。
【０００６】
【発明の概要】
本発明は、上記した問題に対処するためになされたもので、その目的は、検出感度を低下させることなく、製造時間の短縮化が図れる磁界検出素子を提供することにある。
【０００７】
上記の目的を達成するため、本発明に係る磁界検出素子の特徴は、導電体層と、導電体層に積層された磁性体層とを備えたＭＩ素子からなる磁界検出素子において、磁性体層の厚みをａμｍ、磁性体層の幅をｂｍｍ、導電体層の幅をｄｍｍとした場合に、ａを０．５以下に設定するとともに、ｂを、ｄの５〜１０倍で、かつｄ×２．５／ａ以上に設定したことにある。
【０００８】
前記のように構成した本発明の特徴によれば、従来の磁界検出素子における磁性体層の一般的な厚みである２μｍ以下の範囲で、磁性体層の厚みａを小さくしても、厚みａを小さくするに伴って磁性体層の幅ｂを大きくしていくことで、必要なインピーダンス変化量（感度）が得られ、磁性体層の薄膜化による成形時間の短縮と検出感度の維持の両立が図れる。すなわち、磁界検出素子には、磁性体層の厚みａが小さくなるに伴ってインピーダンス変化量が少なくなるという特性があるが、感度のよい検出を行うためには、このインピーダンス変化量を所定値以上に維持する必要がある。
【０００９】
そこで、本件発明者は、磁性体層の幅ｂと導電体層の幅ｄとの相関関係に着目して鋭意研究した結果、磁性体層の厚みａを小さくしても、磁性体層の幅ｂが、磁性体層の厚みａおよび導電体層の幅ｄに対して前述した関係にあれば、インピーダンス変化量を必要値以上に維持できることを見出した。これによって、磁界検出素子の検出精度を低下させることなく磁性体層の厚みａを小さくでき、磁界検出素子の製造工程における時間短縮が可能になる。
【００１０】
また、本発明では、磁性体層の厚みａを０．５μｍ以下に設定するとともに、磁性体層の幅ｂを導電体層の幅ｄの５〜１０倍に設定している。これによって、より高精度（高感度）の磁界検出素子が得られる。すなわち、磁性体層の厚みａが０．５μｍの場合には、磁性体層の幅ｂが導電体層の幅ｄの５倍以上になって十分な精度を確保でき、さらに磁性体層の幅ｂを導電体層の幅ｄの５〜１０倍にすることによって、磁性体層の幅ｂが広すぎて、かえってインピーダンス変化量を小さくすることを防止できる。
【００１１】
この磁性体層の厚みａを０．５μｍ以下に設定することによって、従来の磁界検出素子、例えば、磁性体層の厚みが２μｍのものと比べて、製造時間の大幅な短縮が可能になる。また、磁性体層の幅ｂが導電体層の幅ｄの５倍〜１０倍の範囲においては、好適なインピーダンス変化量が確保できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面を用いて説明する。図１および図２は、同実施形態に係る磁界検出素子１０を示している。この磁界検出素子１０では、矩形平面状の半導体基板であるＳｉウエハ１１の上面に、矩形薄膜状の磁性体層１２が形成され、磁性体層１２の上面における長手方向に沿う中央部に細長い矩形薄膜状の導電体層１３が、その長手方向を磁性体層１２の長手方向に揃えた状態で形成されている。そして、導電体層１３および磁性体層１２の上面に、導電体層１３を、磁性体層１２とで挟むように矩形薄膜状の磁性体層１４が形成されている。
【００１３】
磁性体層１２，１４は、ＣｏＮｂＺｒアモルファス磁性体で構成されており、厚みａ（図示にないが磁性体層１２の厚みもａと同様とする。）が０．５μｍ、幅ｂが０．３ｍｍに設定されている。導電体層１３は、Ｃｕで構成され、厚みｃが０．５μｍ、幅ｄが０．０５ｍｍに設定されている。なお、この磁界検出素子１０においては、磁性体層１２，１４の幅ｂと、磁性体層１２，１４の厚みａおよび導電体層１３の幅ｄの関係は、ｂ＞ｄ×２．５／ａの関係になるように設定される。
【００１４】
したがって、上記のように、磁性体層１２，１４の厚みａが０．５μｍの場合には、磁性体層１２，１４の幅ｂは、導電体層１３の幅ｄの５倍以上に設定される。また、例えば、磁性体層１２，１４の厚みａを０．２５μｍにした場合には、磁性体層１２，１４の幅ｂを、導電体層１３の幅ｄの１０倍以上に設定する。なお、導電体層１３の厚みｃは、特に、制限されないが、導電体として機能するために好適な寸法に設定され、好ましいのは、磁性体層１２，１４の厚みａよりも小さく設定することである。
これによって、磁性体層１４の成膜、特に、導電体層１３の両側部に対応する部分の成膜が寸法精度よく行える。また、磁性体層１２，１４の厚みａは、磁界検出素子１０が使用される駆動周波数領域によっても変わり、駆動周波数が１００ＭＨｚ〜５００ＭＨｚの場合であれば、磁性体層１２，１４の厚みａは０．５μｍ〜０．１μｍにすることができる。
【００１５】
また、磁性体層１２、導電体層１３および磁性体層１４の各層は、スパッタ成膜によって形成されており、このスパッタ成膜は、以下のようにして行われる。すなわち、まず、真空チャンバ内にターゲットの金属板（磁性体層１２，１４を形成する場合は、磁歪定数が略０のＣｏＮｂＺｒ，ＦｅＣｏＳｉＢ，ＣｏＳｉＢ等のアモルファス軟磁性体、導電体層１３を形成する場合は、Ｃｕ，Ａｌ，Ａｇ等の導電体）を配置するとともに、その対向位置にＳｉウエハ１１を配置する。
【００１６】
つぎに、チャンバを高真空度に排気して、ターゲットとＳｉウエハ１１の間に高電圧を印加するとともに、真空チャンバ内にアルゴン等のガスを導入する。そして、このガスをプラズマ化し、プラズマ中のイオンを負電圧電極であるターゲットに衝突させてターゲットの原子を飛散（スパッタ）させることによって、スパッタ粒子を陽極側に設けられたＳｉウエハ１１の表面に堆積させ、磁性体層１２、導電体層１３および磁性体層１４を順次形成する。
【００１７】
なお、この薄膜形成の際、薄膜形成位置以外の部分に薄膜が形成されることを防止するためにマスクを用い、薄膜形成位置だけに薄膜が形成されるようにする。このマスクの方法としては、メタルマスクを用いる方法や樹脂層を形成し不要な部分を除去する方法等が用いられる。また、各層１２，１３，１４の形成後、この積層生成体の長手方向に沿って直流磁場を印加した状態で、積層体をアニール（熱処理）する。これによって、磁性体層１２，１４の長手方向に沿った磁気異方性が付与されその方向ｅが容易磁化方向となった磁界検出素子１０が得られる。なお、導電体層１３の両端部１３ａ，１３ｂはそれぞれ配線用の電極に構成されて、各配線に接続される。
【００１８】
この場合、磁性体層１２，１４の厚みａは、従来の一般的な磁界検出素子における磁性体層の厚み２μｍと比較して、１／４と大幅に薄く形成されているため、成形時間が略１／４に短縮されている。この成膜に要する時間は、膜厚が１μｍの場合で、略４０分で、この所要時間は膜厚に比例する。したがって、膜厚が薄くなった分だけ所要時間も短縮される。また、その際、磁性体層１２，１４の幅が広くなって形成面積は広がるが、これに関してはマスクによる露呈面積を広げるだけであるため、従来と同様の操作で行うことができる。
【００１９】
上記磁界検出素子１０を、例えば、電流センサや変位センサに用いる場合、精度のよい検出を行うためには、０．５Ω以上のインピーダンス変化量が必要になる。そして、このインピーダンス変化量と、磁性体層１２，１４の厚みａとの間には、図３に示すような関係が成り立っている。図３は、磁性体層１２，１４の幅ｂを導電体層１３の幅ｄの２倍に設定した場合における磁性体層１２，１４の厚みａの変化に対するインピーダンスの変化量を示している。この場合、磁性体層１２，１４の厚みａが１．０μｍ以上であれば、インピーダンス変化量は０．５Ω以上になり、磁性体層１２，１４の厚みａを大きくするほど検出精度の優れた磁界検出素子が得られる。
【００２０】
また、図４は、磁性体層１２，１４の厚みａを変えた場合の導電体層１３の幅ｄに対する磁性体層１２，１４の幅ｂの倍率と、インピーダンス変化量との関係を示しており、それぞれ、曲線ｆは厚みａが２．０μｍ、曲線ｇは厚みａが１．０μｍ、曲線ｈは厚みａが０．５μｍの場合を示している。これによると、磁性体層１２，１４の厚みａを小さくしても、導電体層１３の幅ｄに対する磁性体層１２，１４の幅ｂの倍率を大きくすれば磁界検出素子に必要なインピーダンス変化量が得られることが分かる。
【００２１】
すなわち、曲線ｇの厚みａが１．０μｍの場合では、導電体層１３の幅ｄに対して磁性体層１２，１４の幅ｂを２倍〜７．５倍程度にすれば、０．５Ω以上のインピーダンス変化量が得られる。しかし、磁性体層１２，１４の幅を導電体層１３の幅の２倍〜７．５倍程度にしたままの状態で、磁性体層１２，１４の厚みａを薄くし、例えば、曲線ｈに示した０．５μｍの厚みにすると急激に感度が落ちインピーダンス変化量が０．５Ω以下になる部分が増えてくる。
【００２２】
また、逆に、磁性体層１２，１４の幅を導電体層１３の幅の２倍〜７．５倍程度にしたままの状態で、磁性体層１２，１４の厚みａを厚くし、例えば、曲線ｆに示した２．０μｍの厚みにすると、磁性体層１２，１４の幅ｂが導電体層１３の幅ｄの２倍になるところでは急激に感度が高くなってインピーダンス変化量が１．５Ω程度にまでなる。しかし、上記磁性体層１２，１４の幅ｂの倍率が５倍以上の高い部分ではインピーダンス変化量が０．５Ω以下になる部分も出てくる。
【００２３】
これらの曲線ｆ，ｇ，ｈから分かるように、磁性体層１２，１４の厚みａを変更しても、その厚みａに応じて、導電体層１３の幅ｄに対する磁性体層１２，１４の幅ｂの倍率を適宜変更することにより、０．５Ω以上のインピーダンス変化量が得られる適正範囲が存在する。
【００２４】
このため、磁性体層１２，１４の厚みａを薄くしても、導電体層１３の幅ｄに対する磁性体層１２，１４の幅ｂの倍率を高くしていくことにより、磁界検出素子１０に必要な０．５Ω以上のインピーダンス変化量を確保することができ、適正な検出ができる。そして、磁性体層１２，１４の厚みａを薄くすることにより、製造時間の短縮が図れ、コストが低減できるようになる。すなわち、磁性体層１２，１４の厚みａを薄くするのに伴い磁性体層１２，１４の幅ｂを広げることで、必要なインピーダンス変化量（感度）が得られ、磁性体層１２，１４の薄膜化による成形時間の短縮と検出感度の両立が図れる。
【００２５】
ここで、磁界検出素子１０によるインピーダンスの検出の原理はつぎのようになっている。すなわち、磁気検出素子１０の磁気異方性方向ｅに外部磁界を印加すると、スピン（磁化ベクトル）が回転して傾き、これによって透磁率が変化する。この透磁率の変化によって、インピーダンスの値が変化し、例えば、透磁率が減少するとインピーダンスも減少する。これによって、磁界の大きさとインピーダンスの関係を知ることができる。
【００２６】
また、磁界検出素子１０は、ＭＩ素子であり、かつ、磁性体層１２，１４の長手方向に沿って磁気異方性が付与されているため、ＭＩ効果に加えて温度特性による悪影響を排除できる構成になっている。すなわち、ＭＩ効果とは、表面効果により、インピーダンスが磁界によって巨大変化を示す現象をいい、磁性体に電源から交流電流を印加し、その状態で磁性体の長手方向から外部磁界を印加すると、外部磁界が数ガウス程度の微弱磁界であっても、磁性体の両端に素材固有のインピーダンスによる電圧が発生し、その振幅が外部磁界の強度に対応して変化する。
【００２７】
また、温度特性による悪影響を排除するためには、磁壁の移動の発生を防止することが効果的であるが、磁界検出素子１０では、磁気異方性方向ｅが磁界検出素子１０の長手方向に沿っているため、磁性体層１２，１４に形成される磁区やスピンの方向も磁界検出素子１０の長手方向に沿うようになる。したがって、上記磁区やスピンと直交する方向のスピンを有する磁壁は大幅に減少して、磁壁の移動が少なくなり、その結果、磁壁の移動の影響による温度の影響も除去される。
【００２８】
この結果、磁界検出素子１０によると、製造時間の短縮化が図れてコストの低減ができることに加えて、検出精度を低下させることなく、温度の影響による誤差もなくなる。なお、この実施形態では、磁性体層１２，１４の幅ｂを導電体層１３の幅ｄの５〜１０倍に設定しているが、これによって、磁性体層１２，１４の幅ｂが広すぎてかえってインピーダンスの変化量が小さくなることを抑制できる。
【００２９】
また、磁性体層１２，１４の厚みａは、従来の磁界検出素子の磁性体層の厚みよりも小さくできればよいが、好ましいのは、１．０μｍ以下に設定することで、より好ましいのは、０．５μｍ以下に設定することである。これによって、製造時間の短縮化およびコストの低減化において顕著な効果が現われる。さらに、磁性体層１２の厚みや幅も磁性体層１４の厚みや幅と同様の大きさに設定することが好ましいが、磁性体層１２の厚みや幅は、適宜変更可能である。すなわち、本発明でいう磁性体層の厚みａは磁性体１４の厚みである。
【００３０】
また、磁界検出素子１０においては、Ｓｉウエハ１１と磁性体層１２の間、磁性体層１２と導電体層１３の間、および導電体層１３と磁性体層１４のいずれかまたはすべてにＳｉＯ２等の絶縁体からなる絶縁体層を形成することもできる。
これによって、電流損失を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  （ａ）は本発明の一実施形態による磁界検出素子の平面図であり、（ｂ）はその縦断面図である。
【図２】  磁界検出素子の斜視図である。
【図３】  磁性体層の膜厚とインピーダンス変化量の関係を示すグラフである。
【図４】  導電体層の幅に対する磁性体層の幅の倍率とインピーダンス変化量の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１０…磁界検出素子、１２，１４…磁性体層、１３…導電体層、ａ…磁性体層の厚み、ｂ…磁性体層の幅、ｄ…導電体層の幅。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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