(57)【要約】      （修正有）【課題】高温環境下にて使用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を提供する。【解決手段】磁気センサであって、磁気抵抗効果素子１１は、固定磁性層２１とフリー磁性層２３とが非磁性材料層２２を介して積層された積層構造を基板上に有し、フリー磁性層２３における非磁性材料層２２に対向する側とは反対側に、フリー磁性層２３との間で交換結合バイアスを生じさせフリー磁性層２３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２４を備え、フリー磁性層２３は、第１反強磁性層２４に接するように設けられ第１反強磁性層２４と交換結合する第１強磁性層２３ａおよび第１強磁性層２３ａの第１反強磁性層２４に対向する側とは反対側に設けられる磁気調整層２３ｂを備え、磁気調整層２３ｂ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。【選択図】図２
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【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とは反対側に、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第１反強磁性層と交換結合する第１強磁性層および前記第１強磁性層の前記第１反強磁性層に対向する側とは反対側に設けられる磁気調整層を備え、
前記磁気調整層は、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
を特徴とする磁気センサ。
【請求項２】
前記磁気調整層のキュリー温度Ｔｃａは前記第１強磁性層のキュリー温度Ｔｃ１よりも低い、請求項１に記載の磁気センサ。
【請求項３】
前記磁気調整層を２５℃から１５０℃に上昇させた場合における前記磁気調整層の飽和磁化Ｍｓの低下率ＲＭｓは、前記磁気調整層が含有する前記白金族元素を全て前記鉄族元素に置換してなる参照層を２５℃から１５０℃に上昇させた場合における前記参照層の飽和磁化Ｍｓの低下率ＲＭｓ０よりも大きい、請求項１または２に記載の磁気センサ。
【請求項４】
前記磁気調整層を構成する材料における前記白金族元素の含有量は４０原子％以下である、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５】
前記磁気調整層を構成する材料における前記白金族元素の含有量は１０原子％以上である、請求項１から４のいずれか一項に記載の磁気センサ。
【請求項６】
前記フリー磁性層は、前記磁気調整層の前記第１強磁性層に対向する側とは反対側に配置される第２強磁性層をさらに備える、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】
前記非磁性材料層はＣｕを含有し、前記フリー磁性層における前記非磁性材料層に接する面はＣｏおよびＦｅを含有する強磁性層の面からなる、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７のいずれか一項に記載の磁気センサ。
【請求項９】
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８のいずれか一項に記載の磁気センサ。
【請求項１０】
前記固定磁性層は、第１磁性層と前記非磁性材料層に接する第２磁性層とが非磁性中間層を介して積層され、前記第１磁性層と前記第２磁性層とが反平行に磁化固定されたセルフピン止め型である、請求項１から９のいずれか一項に記載の磁気センサ。
【請求項１１】
前記固定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、前記固定磁性層との間で交換結合バイアスを生じさせ前記固定磁性層の磁化方向を所定方向に揃えることができる第２反強磁性層を備える、請求項１から９のいずれか一項に記載の磁気センサ。
【請求項１２】
前記積層構造は、前記フリー磁性層が前記固定磁性層と前記基板との間に位置するように積層されている、請求項１から１１のいずれか一項に記載の磁気センサ。
【請求項１３】
前記積層構造は、前記固定磁性層が前記フリー磁性層と前記基板との間に位置するように積層されている、請求項１から１１のいずれか一項に記載の磁気センサ。
【請求項１４】
請求項１から１３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や、柱状トランスなどインフラ関連の分野では、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（巨大磁気抵抗効果素子）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界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
【発明の概要】
【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、高温環境下においてＧＭＲ素子を使用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小さくなり、その結果、ＧＭＲ素子の検出精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、高温（具体的として８５℃や１５０℃が挙げられる。）環境下で使用された場合であっても検出精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検討した結果、フリー層を積層構造にして非磁性材料を含有させて、フリー層の飽和磁化の温度上昇に伴う低下率（％／℃）を大きくすることにより、高温環境下にて使用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。
【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とは反対側に、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第１反強磁性層と交換結合する第１強磁性層および前記第１強磁性層の前記第１反強磁性層に対向する側とは反対側に設けられる磁気調整層を備え、前記磁気調整層は、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を特徴とする磁気センサを提供する。
【００１３】
磁気調整層が磁性を有する鉄族元素の１種または２種以上に加えて、非磁性の白金族元素の１種または２種以上を含有することにより、磁気調整層の飽和磁化Ｍｓが低下する。このため、かかる磁気調整層を備えるフリー磁性層の飽和磁化Ｍｓが低下する。この磁気調整層によるフリー磁性層の飽和磁化Ｍｓの低下の程度は、室温（２５℃）の場合よりも、高温（１５０℃）の方が顕著となる。ここで、第１反強磁性層と交換結合することによりフリー磁性層に生じる交換結合バイアスの強度は、フリー磁性層の磁化量Ｍｓ・ｔ（ｔはフリー磁性層の厚さ）と反比例の関係を有する。このため、フリー磁性層の飽和磁化Ｍｓの温度上昇に伴う減衰の程度を大きくすることにより、フリー磁性層に生じる交換結合バイアスの強度の温度上昇に伴う減衰の程度を小さくすることができる。したがって、フリー磁性層が上記の磁気調整層を有することにより、高温環境下で使用された場合であっても検出精度の低下が生じにくい磁気センサが得られる。
【００１４】
上記の磁気センサは、前記磁気調整層のキュリー温度Ｔｃａは前記第１強磁性層のキュリー温度Ｔｃ１よりも低いことが好ましい場合がある。この場合には、フリー磁性層の飽和磁化Ｍｓの低下が、温度が高いほど顕著になりやすい。
【００１５】
上記の磁気センサは、前記磁気調整層を２５℃から１５０℃に上昇させた場合における前記磁気調整層の飽和磁化Ｍｓの低下率ＲＭｓは、前記磁気調整層が含有する前記白金族元素を全て前記鉄族元素に置換してなる参照層を２５℃から１５０℃に上昇させた場合における前記参照層の飽和磁化Ｍｓの低下率ＲＭｓ０よりも大きいことが好ましい。
【００１６】
上記の磁気センサにおける前記磁気調整層を構成する材料における前記白金族元素の含有量は４０原子％以下であることが好ましい場合がある。白金族元素の含有量が４０原子％以下であることにより、高温（例えば８５℃）環境下においても、室温（２５℃）環境下と同等の強度の交換結合バイアスが得られる場合がある。
【００１７】
上記の磁気センサにおける前記磁気調整層を構成する材料における前記白金族元素の含有量は１０原子％以上であることが好ましい場合がある。白金族元素の含有量が１０原子％以上であることにより、磁気調整層を設けた効果（高温環境下での検出精度低下の抑制）がより安定的に得られる場合がある。
【００１８】
上記の磁気センサにおける前記フリー磁性層は、前記磁気調整層の前記第１強磁性層に対向する側とは反対側に配置される第２強磁性層をさらに備えていてもてよい。
【００１９】
上記の磁気センサにおいて、前記非磁性材料層はＣｕを含有し、前記フリー磁性層における前記非磁性材料層に接する面はＣｏおよびＦｅを含有する強磁性層の面から構成されていてもよい。
【００２０】
前記第１反強磁性層は白金族元素およびＭｎを含有してもよい。
【００２１】
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ていてもよい。
【００２２】
前記固定磁性層は、第１磁性層と前記非磁性材料層に接する第２磁性層とが非磁性中間層を介して積層され、前記第１磁性層と前記第２磁性層とが反平行に磁化固定されたセルフピン止め型であってもよい。
【００２３】
前記固定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、前記固定磁性層との間で交換結合バイアスを生じさせ前記固定磁性層の磁化方向を所定方向に揃えることができる第２反強磁性層を備えてもよい。
【００２４】
前記積層構造は、前記フリー磁性層が前記固定磁性層と前記基板との間に位置するように積層されていてもよいし、前記固定磁性層が前記フリー磁性層と前記基板との間に位置するように積層されていてもよい。
【００２５】
本発明は、他の一態様として、上記の磁気センサを備える電流センサを提供する。
【発明の効果】
【００２６】
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、高温環境下にて使用された場合であっても検出精度低下が生じ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】
【００２７】
【図１】本発明の一実施形態に係る磁気センサを構成する磁気抵抗効果素子の拡大平面図である。
【図２】図１に示すＩＩ−ＩＩ線における矢視断面図である。
【図３】図１に示される磁気センサを構成する磁気抵抗効果素子が、２層構造のフリー磁性層に代えて３層構造のフリー磁性層を有する場合における、図１に示すＩＩ−ＩＩ線での矢視断面図である。
【図４】図１に示される磁気センサを構成する磁気抵抗効果素子が、セルフピン止め型の固定磁性層に代えて交換結合型の固定磁性層を有する場合における、図１に示すＩＩ−ＩＩ線での矢視断面図である。
【図５】磁気調整層における飽和磁化Ｍｓと白金含有量との関係を示すグラフである。
【図６】磁気調整層におけるキュリー温度Ｔｃと白金含有量との関係を示すグラフである。
【図７】磁気調整層における飽和磁化Ｍｓの低下率ＲＭｓとキュリー温度Ｔｃとの関係を示すグラフである。
【図８】２５℃で規格化した交換結合バイアスＨｅｘの温度依存性を示すグラフである。
【図９】ゼロ磁場ヒステリシスＺＨと磁気調整層における白金含有量との関係を示すグラフである。
【図１０】８５℃における交換結合バイアスＨｅｘおよび２５℃における強磁場印加後ゼロ磁場ヒステリシスＺＨ１と磁気調整層における白金含有量との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
１．磁気センサ
図１は、本発明の一実施形態に係る磁気センサの概念図（平面図）、図２は、図１に示すＩＩ−ＩＩ線における矢視断面図である。
【００２９】
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、ストライプ形状のＧＭＲ素子を備える磁気抵抗効果素子１１を有する。磁気抵抗効果素子１１は、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帯状の長尺パターン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磁気抵抗効果素子１１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。したがって、このミアンダ形状の磁気抵抗効果素子１１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。
【００３０】
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、磁気抵抗効果素子１１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。磁気センサ１は、２つの接続端子１４，１４から磁気抵抗効果素子１１からの信号を出力可能である。接続端子１４，１４から出力される磁気抵抗効果素子１１からの信号は、図示しない演算部に入力され、演算部において当該信号に基づいて被測定電力が算出される。
【００３１】
図２に示すように、磁気抵抗効果素子１１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。
【００３２】
シード層２０は、ＮｉＦｅＣｒあるいはＣｒ等で形成される。
【００３３】
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２に示されるように、第１磁性層２１ａの固定磁化方向と、第２磁性層２１ｃの固定磁化方向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。
【００３４】
図２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。
【００３５】
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。
【００３６】
図２に示される磁気抵抗効果素子１１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。
【００３７】
図２に示される磁気抵抗効果素子１１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。これにより磁気抵抗効果素子１１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。
【００３８】
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。
【００３９】
非磁性材料層２２は、Ｃｕ（銅）などである。
【００４０】
図２に示される磁気抵抗効果素子１１のフリー磁性層２３は、第１強磁性層２３ａおよび磁気調整層２３ｂから構成される。第１強磁性層２３ａは、ＮｉＦｅやＣｏＦｅ等の強磁性材料の単層構造、あるいは積層構造で構成され、第１反強磁性層２４と交換結合している。
【００４１】
磁気調整層２３ｂは、第１強磁性層２３ａの第１反強磁性層２４に対向する側とは反対側に設けられる層である。磁気調整層２３ｂは、鉄族元素（具体的には、Ｆｅ，ＣｏおよびＮｉからなる。）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。磁気調整層２３ｂは、フリー磁性層２３の飽和磁化Ｍｓを低下させ、次に説明するように、その結果として交換結合バイアスＨｅｘの強度を高める。
【００４２】
交換結合バイアスＨｅｘの強度は、フリー磁性層２３と第１反強磁性層２４との交換結合に係るエネルギー（交換結合エネルギー）Ｊｋに比例し、フリー磁性層２３の磁化量Ｍｓ・ｔ（ｔはフリー磁性層２３の厚さである。）に反比例する。すなわち、下記式が成立する。
Ｈｅｘ＝Ｊｋ／（Ｍｓ・ｔ）
【００４３】
上記式から明らかなように、フリー磁性層２３の飽和磁化Ｍｓを低くすることにより、交換結合バイアスＨｅｘの強度を高めることができる。ここで、磁気抵抗効果素子１１の温度が高くなると、一般的傾向として、交換結合エネルギーＪｋは低下し、フリー磁性層２３ｂの飽和磁化Ｍｓも低下する。磁気調整層２３ｂは、白金族元素を含有することにより、室温（２５℃）におけるフリー磁性層２３の飽和磁化Ｍｓを低下させることができ、しかも、高温（具体例として８５℃や１５０℃が挙げられる。）時の飽和磁化Ｍｓの低下の程度を高めることができる。この理由は、後述する実施例において示すように、磁気調整層２３ｂを構成する材料における白金族元素の含有量を高めることにより、磁気調整層２３ｂのキュリー温度Ｔｃ（単位：℃）が低下することが影響している。この点について換言すれば、磁気調整層２３ｂのキュリー温度Ｔｃａは第１強磁性層２３ａのキュリー温度Ｔｃ１よりも低いことが好ましい場合がある。
【００４４】
このように、フリー磁性層２３が磁気調整層２３ｂを備えることにより、高温環境下においてフリー磁性層２３の飽和磁化Ｍｓを顕著に低下させることができ、その結果として、高温環境下における交換結合バイアスＨｅｘの強度の低下を緩やかにすることができる。
【００４５】
フリー磁性層２３が備える磁気調整層２３ｂの機能を次のように説明することができる。すなわち、磁気調整層２３ｂを２５℃から１５０℃に上昇させた場合における磁気調整層２３ｂの飽和磁化Ｍｓの低下率ＲＭｓが、磁気調整層２３ｂが含有する白金族元素を全て鉄族元素に置換してなる参照層を２５℃から１５０℃に上昇させた場合における参照層の飽和磁化Ｍｓの低下率ＲＭｓ０よりも大きくなるようにすればよい。上記の飽和磁化Ｍｓの低下率（単位：％）は、次の式で示すことができる。
低下率＝（２５℃における飽和磁化Ｍｓ−１５０℃における飽和磁化Ｍｓ）／（２５℃における飽和磁化Ｍｓ）×１００
【００４６】
具体的には、参照層の飽和磁化Ｍｓの低下率ＲＭｓ０は通常１０％以下であるが、本発明の一実施形態に係る磁気センサ１の磁気調整層２３ｂの飽和磁化Ｍｓの低下率ＲＭｓは１０％超となる。高温環境下における交換結合バイアスＨｅｘの強度の低下を緩やかにすることをより安定的に実現する観点から、上記の低下率ＲＭｓは、１５％以上であることが好ましい場合があり、２０％以上であることがより好ましい場合があり、２５％以上であることがさらに好ましい場合があり、３０％以上であることが特に好ましい場合がある。上記の低下率ＲＭｓが過度に高くなると、磁気調整層２３ｂの飽和磁化Ｍｓが極めて小さくなって、磁気調整層２３ｂを含むフリー磁性層２３の磁化量（Ｍｓ・ｔ）を適切に確保するためには磁気調整層２３ｂを特に厚くすることが必要となり、生産性の低下などを生じることが懸念される。したがって、上記の低下率ＲＭｓは、９５％以下であることが好ましく、９０％以下であることがより好ましく、８５％以下であることがさらに好ましく、８０％以下であることが特に好ましく、７５％以下であることが極めて好ましい。
【００４７】
このように、高温環境下においても交換結合バイアスＨｅｘの強度が適切に維持されることにより、磁気センサ１のゼロ磁場ヒステリシスが高まることを抑制することができる。それゆえ、本実施形態に係る磁気センサ１は、高温環境下において使用された場合であっても検出精度が低下しにくい。
【００４８】
磁気調整層２３ｂを構成する材料における白金族元素の含有量は、磁気調整層２３ｂが上記の機能を果たすことができる限り、任意である。磁気調整層２３ｂを構成する材料における白金族元素の含有量は、磁気調整層２３ｂが上記の機能を果たすことをより安定的に実現させる観点から、１０原子％以上であることが好ましい場合がある。この観点から、磁気調整層２３ｂを構成する材料における白金族元素の含有量は、１５原子％以上であることがより好ましい場合があり、２０原子％以上であることが特に好ましい場合がある。
【００４９】
磁気調整層２３ｂを構成する材料における白金族元素の含有量は、フリー磁性層２３の厚さが過大になることを安定的に回避する観点から、４５原子％以下であることが好ましい場合がある。この観点から、磁気調整層２３ｂを構成する材料における白金族元素の含有量は、４０原子％以下であることが特に好ましい場合がある。
【００５０】
図３は、本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子の他の一例の構造を概念的に示す断面図である。図３に示される磁気抵抗効果素子１１Ａのフリー磁性層２３は、第１強磁性層２３ａおよび磁気調整層２３ｂ以外の層として、磁気調整層２３ｂにおける第１強磁性層２３ａに対向する側とは反対側（非磁性材料層２２に対向する側）に配置される第２強磁性層２３ｃをさらに備える。第２強磁性層２３ｃは、フリー磁性層２３の磁化量（Ｍｓ・ｔ）の調整目的で設けられてもよい。第２強磁性層２３ｃは、フリー磁性層２３を構成する他の層に非磁性材料層２２を構成する材料に含まれる物質が拡散することを防ぐ目的で設けられてもよい。この目的に関し、非磁性材料層２２がＣｕを含有する場合には、フリー磁性層２３における非磁性材料層２２に接する面を、ＣｏおよびＦｅを含有する強磁性層の面、具体的にはＣｏ９０Ｆｅ１０からなる層の面からなるようにすることにより、Ｃｕのフリー磁性層２３内への拡散を抑制することができる。
【００５１】
フリー磁性層２３の厚さｔおよびその構成要素である各層の厚さは限定されない。フリー磁性層２３の厚さｔが過度に小さい場合には、フリー磁性層２３の磁化量（Ｍｓ・ｔ）が過度に小さくなって磁気センサ１としてヒステリシス増加に伴う検出精度の劣化が懸念される。フリー磁性層２３の厚さｔが過度に大きい場合には、フリー磁性層２３の生産性が低下することが懸念される。
【００５２】
第１反強磁性層２４を構成する材料は限定されない。白金族元素およびＭｎを含有する材料が例示され、ＩｒＭｎおよびＰｔＭｎが具体例として挙げられる。第１反強磁性層２４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場合がある。
【００５３】
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に示される磁気抵抗効果素子１１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。
【００５４】
図２に示される磁気抵抗効果素子１１や図３に示される磁気抵抗効果素子１１Ａ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。
【００５５】
図２に示される磁気抵抗効果素子１１や図３に示される磁気抵抗効果素子１１Ａでは、固定磁性層２１はセルフピン止め構造を有するが、これに限定されない。例えば、図４に示される磁気抵抗効果素子１１Ｂのように、固定磁性層２１は第２反強磁性層２１ｄと強磁性層２１ｅとの積層構造を有し、第２反強磁性層２１ｄとの交換結合により強磁性層２１ｅが特定の向き（図４では紙面の法線方向奥向き）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。
【００５６】
２．磁気センサの製造方法
本発明の一実施形態に係る磁気センサ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を効率的に製造することが可能である。
【００５７】
基板２９上に、図２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２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１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。
【００５８】
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。
【００５９】
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、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、この磁場を印加された後に磁化方向が変動することはない。フリー磁性層２３の磁気調整層２３ｂがＮｉＦｅＰｔなど鉄族元素と白金族元素との同時成膜からなる場合には、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、磁気調整層２３ｂの合金組成を調整することが可能である。
【００６０】
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の磁化方向を揃えることが可能である。したがって、磁気抵抗効果素子１１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。磁気抵抗効果素子１１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１１を容易に製造することが可能となる。磁気抵抗効果素子１１の製造プロセスが磁場中アニール処理を必要とする場合には、磁場中アニール処理を複数回行うと、先に行った磁場中アニール処理の効果が薄れ、磁化方向を適切に設定することが困難となるおそれがある。
【００６１】
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。
【００６２】
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１に示されるミアンダ形状を有する磁気抵抗効果素子１１を得る。
【００６３】
３．電流センサ
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、磁気抵抗効果素子を１つ備える構成でもよいが、特許文献１に記載されるように、４つの素子を用い、ブリッジ回路を組んで測定感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。
【００６４】
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。
【００６５】
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（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第１反強磁性層と交換結合する第１強磁性層および第１強磁性層の第１反強磁性層に対向する側とは反対側に設けられる磁気調整層を備え、磁気調整層は、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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
例えば、図２から図４に示される磁気抵抗効果素子１１，１１Ａおよび１１Ｂ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。
【実施例】
【００６９】
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。
【００７０】
（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）／フリー磁性層｛第２強磁性層；［Ｃｏ９０Ｆｅ１０（１０）／Ｎｉ８１．５Ｆｅ１８．５（１０）］／参照層；Ｎｉ８１．５Ｆｅ１８．５（５０）／第１強磁性層；Ｎｉ８１．５Ｆｅ１８．５（１０）｝／第１反強磁性層；Ｉｒ２２Ｍｎ７８（６０）／保護層；Ｔａ（１００）の順に積層して比較積層構造体を得た。括弧内の数値は層厚を示し単位はÅである。
【００７１】
（実施例１から実施例４）
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）／フリー磁性層｛第２強磁性層；［Ｃｏ９０Ｆｅ１０（１０）／Ｎｉ８１．５Ｆｅ１８．５（１０）］／磁気調整層；（Ｎｉ８１．５Ｆｅ１８．５）１００−ｘＰｔｘ（Ｙ）／第１強磁性層；Ｎｉ８１．５Ｆｅ１８．５（１０）｝／第１反強磁性層；Ｉｒ２２Ｍｎ７８（６０）／保護層；Ｔａ（１００）の順に積層して積層構造体を得た。括弧内の数値は層厚を示し単位はÅである。
【００７２】
Ｙ（磁気調整層の厚さ）は、ｘ（磁気調整層におけるＰｔの含有量）を変化させたときに磁気調整層の磁化量（Ｍｓ・ｔ）が、参照層の磁化量（Ｍｓ・ｔ）と同等となるように設定した。具体的には、表１に示されるように設定した。
【００７３】
【表１】
2017228688.tif 000003
【００７４】
表１には、各例の磁気調整層（比較例は参照層）における白金の含有量、層の厚さ、２５℃における飽和磁化Ｍｓ、および磁化量（Ｍｓ・ｔ）を示した。磁化量は層の厚さおよび２５℃における飽和磁化Ｍｓからの計算値である。
【００７５】
（測定例１）飽和磁化Ｍｓの低下率ＲＭｓの測定
比較例１に係る参照層における２５℃および１５０℃の飽和磁化Ｍｓ（単位：Ｔ）、ならびに実施例１から実施例４に係る磁気調整層における２５℃および１５０℃の飽和磁化Ｍｓを測定した。これらの値から、飽和磁化Ｍｓの低下率ＲＭｓを求めた。また、参照層および各磁気調整層を構成する材料のキュリー温度を測定した。これらの結果を表２に示す。
【００７６】
【表２】
2017228688.tif 000004
【００７７】
表２に示されるように、実施例に係る磁気調整層は、飽和磁化Ｍｓの低下率ＲＭｓが１０％超となった。図５は、磁気調整層における飽和磁化Ｍｓと白金含有量との関係を示すグラフである。図５に示されるように、２５℃の場合に比べて、１５０℃の場合には、白金含有量の増加に伴う飽和磁化Ｍｓの低下の程度が大きくなることが確認された。図６は、磁気調整層におけるキュリー温度Ｔｃと白金含有量との関係を示すグラフである。図６に示されるように、白金含有量の増加に伴いキュリー温度Ｔｃが低下し、白金含有量が５０原子％程度の場合には室温近傍までキュリー温度Ｔｃが低下することが確認された。図７は磁気調整層における飽和磁化Ｍｓの低下率ＲＭｓとキュリー温度Ｔｃとの関係を示すグラフである。図７に示されるように、飽和磁化Ｍｓの低下率ＲＭｓは磁気調整層のキュリー温度Ｔｃに対して高い負の相関がある（相関係数は−０．９９９であった。）ことが明らかになった。したがって、磁気調整層を構成する材料のキュリー温度Ｔｃを制御することにより磁気調整層の飽和磁化Ｍｓの低下率ＲＭｓを調整できることが確認された。
【００７８】
（測定例２）交換結合バイアスＨｅｘの測定
比較例１に係る比較積層構造体および実施例１から４に係る積層構造体について、環境温度を変化させて交換結合バイアスＨｅｘ（単位：Ｏｅ）を測定した。その結果を表３に示す。また、表３の結果に基づいて、２５℃の結果で規格化した交換係合バイアスＨｅｘの相対値を表４に示し、表４をプロットした結果を図８に示す。
【００７９】
【表３】
2017228688.tif 000005
【００８０】
【表４】
2017228688.tif 000006
【００８１】
表３および表４ならびに図８に示されるように、実施例に係る積層構造体の交換結合バイアスＨｅｘは、比較例１に係る比較積層構造体の交換結合バイアスＨｅｘよりも、高温環境下において高くなることが確認された。すなわち、磁気調整層の組成を調整することにより、高温環境下においても交換結合バイアスＨｅｘが低下しにくい磁気センサを得ることができることが確認された。
【００８２】
（測定例３）ゼロ磁場ヒステリシスの測定
比較例１に係る比較積層構造体および実施例１から４に係る積層構造体について、２５℃におけるゼロ磁場ヒステリシスＺＨ（単位：％／ＦＳ）を測定した。ゼロ磁場ヒステリシスＺＨは、フルブリッジ出力曲線における出力の最大値（正の出力−負の出力）に対するゼロ磁場における出力の大きさ（ヒステリシスループにおけるｙ切片の正の値−負の値）の割合である。測定結果を表５に示す。
【００８３】
また、外部から交換結合バイアスと逆方向に強磁場（１００ｍＴ）を与えた後のゼロ磁場ヒステリシスＺＨ１の測定も行って、交換結合バイアスによるフリー磁性層の単磁区化の能力の確認も行った。測定結果を表５に示す。なお、表５には、参考例１として、磁気調整層のＰｔの含有量を６０原子％として、その厚さを５００Åとした場合における強磁場印加後ゼロ磁場ヒステリシスＺＨ１の測定結果を示した。
【００８４】
【表５】
2017228688.tif 000007
【００８５】
図９は、ゼロ磁場ヒステリシスＺＨと磁気調整層における白金含有量との関係を示すグラフである。図９に示されるように、磁気調整層における白金含有量が変化しても、ゼロ磁場ヒステリシスＺＨの変動はわずかであり、磁気調整層に白金を含有させても磁気センサの測定精度はほとんど影響を受けないことが確認された。
【００８６】
８５℃における交換結合バイアスＨｅｘ（単位：Ｏｅ）および強磁場印加後ゼロ磁場ヒステリシス（単位：％／Ｆｓ）と磁気調整層における白金含有量（単位：原子％）との関係を表６および図１０にまとめた。
【００８７】
【表６】
2017228688.tif 000008
【００８８】
表６および図１０に示されるように、磁気調整層における白金含有量を２０原子％以上とすることにより、高温環境において使用された場合であっても交換結合バイアスＨｅｘが低下することが特に安定的に回避可能であることが確認された。
【００８９】
このように、本実施例に係る磁気センサでは、磁気調整層における白金含有量を増加させることにより、磁気センサのゼロ磁場ヒステリシスＺＨにほぼ影響を与えることなく、磁気調整層のキュリー温度Ｔｃを低下させることができる。したがって、本実施例に係る磁気センサは、ゼロ磁場ヒステリシスＺＨの発生を抑えつつ、交換結合バイアスＨｅｘの温度変化も抑えることができることが確認された。
【００９０】
なお、磁気調整層における白金含有量が５０原子％を超えると、特に高温環境下において磁気調整層がフリー磁性層の一要素として機能しにくくなって交換結合バイアスＨｅｘが適切に機能しにくくなり、その結果、強磁場印加後ゼロ磁場ヒステリシスＺＨ１が高くなりやすくなることが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００９１】
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、電気自動車、ハイブリッドカー等の輸送機器、柱状トランスなどのインフラ機器に設置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】
【００９２】
１              磁気センサ
１１，１１Ａ，１１Ｂ    磁気抵抗効果素子
１２            長尺パターン
１３            導電部
１４            接続端子
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
２１ｄ          第２反強磁性層
２１ｅ          強磁性層
２２            非磁性材料層
２３            フリー磁性層
２３ａ          強磁性層
２３ｂ          磁気調整層
２４            第１反強磁性層
２５            保護層
２９            基板
Ｆ              磁化方向
【図１】
2017228688.tif 000009
【図２】
2017228688.tif 000010
【図３】
2017228688.tif 000011
【図４】
2017228688.tif 000012
【図５】
2017228688.tif 000013
【図６】
2017228688.tif 000014
【図７】
2017228688.tif 000015
【図８】
2017228688.tif 000016
【図９】
2017228688.tif 000017
【図１０】
2017228688.tif 000018