磁传感器以及磁传感器的制造方法 |
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| 申请号 | CN201180059287.X | 申请日 | 2011-11-25 | 公开(公告)号 | CN103262276A | 公开(公告)日 | 2013-08-21 |
| 申请人 | 阿尔卑斯电气株式会社; | 发明人 | 小池文人; 朝妻浩太; 斋藤正路; 高桥彰; 井出洋介; | ||||
| 摘要 | 提供能降低 磁阻效应 元件的自由 磁性 层的磁化方向的分散、且跨宽范围测量 精度 高的磁 传感器 以及 磁传感器 的制造方法。本 发明 的磁传感器(1)是具备在特定的方向有灵敏度轴的磁阻效应元件(11)的磁传感器，磁阻效应元件(11)的特征在于，具有层叠构造，该层叠构造包含固定了磁化方向的 铁 磁性固定层(30)、非磁性 中间层 (26)、磁化方向相对于外部 磁场 变动的自由磁性层(27)、以及对自由磁性层(27)施加交换耦合磁场的反 铁磁性 层(28)。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种磁传感器，具备在特定的方向上有灵敏度轴的磁阻效应元件，其特征在于，所述磁阻效应元件具有层叠构造，该层叠构造包含固定了磁化方向的铁磁性固定层、非磁性中间层、磁化方向相对于外部磁场变动的自由磁性层、以及对所述自由磁性层施加交换耦合磁场的反铁磁性层。 |
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| 说明书全文 | 磁传感器以及磁传感器的制造方法技术领域背景技术[0002] 现有技术中，在电动汽车、混合动力车中的电动机驱动技术等的技术领域中，为了处置比较大的电流，谋取能以非接触的方式来测量大电流的电流传感器。作为这样的电流传感器，已知使用了检测来自被测量电流的感应磁场的磁传感器。作为磁传感器用的磁检测元件，例如有GMR元件等的磁阻效应元件。 [0003] GMR元件以反铁磁性层、铁磁性固定层、非磁性材料层以及自由磁性层作为基本的膜构成。铁磁性固定层在反铁磁性层上接触形成，通过在与反铁磁性层之间产生的交换耦合磁场(Hex)而将磁化方向固定于一个方向。自由磁性层在与铁磁性固定层之间夹着非磁性材料层(非磁性中间层)而层叠，且磁化方向根据外部磁场而变化。在具备GMR元件的磁传感器中，根据以在通过来自被测量电流的感应磁场的施加而变化的自由磁性层的磁化方向与铁磁性固定层的磁化方向的关系而变动的GMR元件的电阻值，来检测被测量电流的电流值。 [0004] 但是，为了提高磁传感器的测量精度，需要偏移的降低、输出信号的偏差的降低、以及线性(输出线性度)的提高。为了提高线性，需要降低磁阻效应元件的磁滞。作为降低了磁阻效应元件的磁滞的磁传感器的应用例，提出了具备GMR元件的薄膜磁头(例如参照专利文献1)，该GMR元件具有对自由磁性层施加偏置磁场的硬偏置层。 [0005] 在图13中示出具有硬偏置层的GMR元件的截面示意图。如图13所示，该GMR元件具备：对固定磁性层501、非磁性材料层502和自由磁性层503进行层叠而成的GMR元件部；以及与该GMR元件部相邻而设的硬偏置层504。硬偏置层504由矫顽力高的高磁性材料(例如79.6kA/m以上)构成，按照对规定的方向施加偏置磁场的方式被着磁。通过从该硬偏置层504对自由磁性层503施加偏置磁场，从而能对自由磁性层503的磁化方向赋予单向各向异性，提高GMR元件的电阻值与外部磁场的强弱之间的线性(输出线性度)来降低磁滞。 [0006] 先行技术文献 [0007] 专利文献 [0008] 专利文献1：日本特开平11-191647号公报 [0009] 发明的概要 [0010] 发明要解决的课题 [0011] 但是，磁阻效应元件的硬偏置层504设于通过光刻以及蚀刻去除了层叠于基板上的GMR元件部的一部分后的区域。在蚀刻工序中，由于光刻引起的阴影效应而使得GMR元件部的边界部相对于基板面倾斜。由此，在设于去除了元件部后的区域的硬偏置层504中，硬偏置层504的端部504a的厚度、与硬偏置层504的中央部504b的厚度并不一定均匀。如此，在硬偏置层504的厚度中产生了偏差的情况下，会在硬偏置层的厚度相对薄的硬偏置层504的两端部504a形成矫顽力低的区域(例如79.6kA/m以下)。 [0012] 如此，在硬偏置层504内局部地存在矫顽力低的区域的情况下，例如，若对灵敏度方向(与硬偏置磁场正交的方向)施加强的外部磁场，则硬偏置层504内的矫顽力低的区域的磁化方向分散，偏移增大。如此，在现有的磁传感器中，即使在设置了硬偏置层的情况下，也由于在以强的外部磁场为测量对象的情况下偏移会增大，因此，存在测量范围受到限制的问题。 发明内容[0013] 本发明鉴于相关点而提出，目的在于提供能降低磁阻效应元件的自由磁性层的磁化方向的分散、且跨宽范围测量精度高的磁传感器以及磁传感器的制造方法。 [0014] 用于解决课题的手段 [0015] 本发明的磁传感器是具备在特定的方向上有灵敏度轴的磁阻效应元件的磁传感器，其特征在于，所述磁阻效应元件具有层叠构造，该层叠构造包含固定了磁化方向的铁磁性固定层、非磁性中间层、磁化方向相对于外部磁场变动的自由磁性层、以及对所述自由磁性层施加交换耦合磁场的反铁磁性层。 [0016] 根据该构成，由于即使对磁阻效应元件的灵敏度轴方向施加大的外部磁场也能从反铁磁性层对自由磁性层赋予恒定的交换耦合磁场，因此能对自由磁性层稳定地赋予单向各向异性。因此，能降低磁阻效应元件的自由磁性层的磁化方向的分散，并能实现跨宽范围测量精度高的磁传感器。 [0017] 在本发明的磁传感器中，优选所述铁磁性固定层是经由反平行耦合膜使第1铁磁性膜和第2铁磁性膜反铁磁性地耦合而成的自钉扎型，所述第1铁磁性膜和所述第2铁磁性膜的居里温度大致相同，且磁化量之差实质为零。通过该构成，即使在高温环境下，第1铁磁性膜磁化量(Ms·t)与第2铁磁性膜的磁化量(Ms·t)之差也大致成为零，能维持高磁化稳定性。 [0018] 在本发明的磁传感器中，优选所述磁阻效应元件具备：元件部，其具有条带形状的长边方向相互平行地配置的多个带状的长条图案翻折而成的形状；和永久磁铁部，其被设置为夹着所述元件部。通过该构成，由于还从永久磁铁部对自由磁性层施加偏置磁场，因此特别在磁化方向易于分散的自由磁性层中的条带形状的长边方向的两端部的区域中，也能对自由磁性层的磁化方向赋予单向各向异性。因此，能进一步降低磁传感器的磁滞。 [0019] 在本发明的磁传感器中，优选所述磁阻效应元件具有：多个元件部，其被设置为在所述条带形状的长边方向上相互分离；和多个永久磁铁部，其设置于各所述元件部间。通过该构成，由于在特定方向的长边方向上从设于各元件部间的永久磁铁部较强地施加偏置磁场，因此，能效率良好地对自由磁性层的磁化方向赋予单向各向异性。因此，能特别降低磁传感器的磁滞。 [0020] 在本发明的磁传感器中，优选所述铁磁性固定层沿外部磁场的施加方向固定磁化方向，并且所述自由磁性层在与所述外部磁场的施加方向大致正交的方向上被磁化。 [0022] 在本发明的磁传感器中，优选在所述自由磁性层的与形成所述非磁性中间层的面的相反面层叠反铁磁性层，所述反铁磁性层由反铁磁性材料形成，该反铁磁性材料含有元素X和Mn，其中X是Pt、Pd、Ir、Rh、Ru、Os中的1种或2种以上的元素。 [0023] 本发明的磁比例式电流传感器具有：磁场检测桥电路，其构成为包含通过来自被测量电流的感应磁场的施加而电阻值变化的至少1个磁阻效应元件，且具备产生与所述感应磁场相应的电压差的2个输出，所述磁比例式电流传感器根据按照所述感应磁场而从所述磁场检测桥电路输出的电压差来测量所述被检测电流，其特征在于，所述磁阻效应元件具有层叠构造，该层叠构造包含固定了所述磁化方向的铁磁性固定层、非磁性中间层、磁化方向相对于外部磁场变动的自由磁性层、以及对所述自由磁性层施加交换耦合磁场的反铁磁性层。 [0024] 根据该构成，即使对磁阻效应元件的灵敏度轴方向施加大的外部磁场，也由于从反铁磁性层对自由磁性层赋予恒定的交换耦合磁场，因此，能稳定地对自由磁性层赋予单向各向异性。因此，即使在被测量电流为大电流的情况下，也能降低磁阻效应元件的偏移，能实现跨宽范围测量精度高的磁比例式电流传感器。 [0025] 本发明的磁平衡式电流传感器具备：磁场检测桥电路，其构成为包含通过来自被测量电流的感应磁场的施加而电阻值变化的至少1个磁阻效应元件，且具备产生与所述感应磁场相应的电压差的2个输出；和反馈线圈，其配置于所述磁阻效应元件的附近，产生与所述感应磁场相抵的抵消磁场，所述磁平衡式电流传感器基于因所述电压差而使所述反馈线圈通电从而成为所述感应磁场与所述抵消磁场相抵的平衡状态时的流过所述反馈线圈的电流，来测量所述被测量电流，所述磁平衡式电流传感器的特征在于，所述磁阻效应元件具有层叠构造，该层叠构造包含固定了所述磁化方向的铁磁性固定层、非磁性中间层、磁化方向相对于外部磁场变动的自由磁性层、以及对所述自由磁性层施加交换耦合磁场的反铁磁性层。 [0026] 根据该构成，由于即使对磁阻效应元件的灵敏度轴方向施加大的外部磁场也能从反铁磁性层对自由磁性层赋予恒定的交换耦合磁场，因此能对自由磁性层稳定地赋予单向各向异性。因此，即使在被测量电流是大电流的情况下，也能降低磁阻效应元件的偏移，并能实现跨宽范围测量精度高的磁传感器。 [0027] 本发明的磁传感器的制造方法的特征在于，包含：第1成膜工序，对特定方向施加磁场来使铁磁性固定层成膜；第2成膜工序，从与所述第1成膜工序不同的方向施加磁场来使自由磁性层以及反铁磁性层成膜，从而形成元件部；第3成膜工序，在使所述元件部图案化后，使永久磁铁层成膜并图案化；着磁工序，从与从所述反铁磁性层对所述自由磁性层施加的交换耦合磁场大致相同的方向使所述永久磁铁层着磁；和热处理工序，在所述永久磁铁层的着磁后，以至少200℃来进行热处理。 [0028] 根据该方法，能不设置用于固定磁性层的磁化方向的固定的反铁磁性层地相对于与固定磁性层的磁化方向不同的方向对自由磁性层的磁化方向赋予单向各向异性。另外，由于在使永久磁铁层着磁后进行热处理工序，因此在对自由磁性层施加来自永久磁铁层的偏置磁场的状态下进行热处理。由此，能抑制从反铁磁性层向自由磁性层的交换耦合磁场的分散，能通过来自永久磁铁层的偏置磁场、以及来自反铁磁性层的交换耦合磁场两者对自由磁性层的磁化方向赋予单向各向异性。 [0029] 发明效果 [0031] 图1是表示本发明的第1实施方式所涉及的磁传感器的磁阻效应元件的元件构造的俯视示意图。 [0032] 图2是表示本发明的第1实施方式所涉及的磁阻效应元件的层叠构造的截面示意图。 [0033] 图3是表示本发明的第1实施方式所涉及的磁阻效应元件的元件构造的一例的俯视示意图。 [0034] 图4是表示本发明的第1实施方式所涉及的磁阻效应元件的元件构造的其它一例的俯视示意图。 [0035] 图5是表示本发明的第1实施方式所涉及的磁阻效应元件的元件构造的其它一例的层叠构造的截面示意图。 [0036] 图6是表示本发明的第1实施方式所涉及的磁阻效应元件的元件部中的硬偏置磁场与来自反铁磁性层的交换耦合磁场的关系的图。 [0037] 图7是表示本发明的第1实施方式所涉及的磁传感器的磁阻效应元件中的剩余磁通密度(剩磁，remanence)的图。 [0038] 图8是本发明的第1实施方式所涉及的磁传感器中的剩磁的定义的说明图。 [0039] 图9是表示本发明的第1实施方式所涉及的磁传感器的磁阻效应元件的自由磁性层的膜厚与检测灵敏度的关系的图。 [0040] 图10是表示本发明的第1实施方式所涉及的磁传感器的磁阻效应元件的硬偏置层间的间隔L1与剩磁的关系的图。 [0041] 图11是本发明的第2实施方式所涉及的磁平衡式电流传感器的示意的立体图。 [0042] 图12是本发明的第2实施方式所涉及的磁平衡式电流传感器的俯视示意图。 [0043] 图13是具备硬偏置层的GMR元件的截面示意图。 具体实施方式[0044] 在具备磁阻效应元件的磁传感器中，为了进一步提高测量精度，需要降低磁阻效应元件的偏移以及磁滞。在具备磁阻效应元件的磁传感器中，通过设置硬偏置层来对自由磁性层赋予单向各向异性，能降低磁滞。另一方面，在设置了硬偏置层的情况下，存在因硬偏置层内的矫顽力的偏差，而使得在施加了强外部磁场的情况下，硬偏置层的磁化方向不回到初始状态而分散的问题。故而，在磁场强度强的环境下使用磁传感器的情况下，存在来自硬偏置层的偏置磁场(下面称作“硬偏置磁场”)分散而不能充分降低磁传感器的偏移的问题。 [0045] 另外，在具备硬偏置层的磁阻效应元件中，在自由磁性层中的硬偏置层附近的区域中，从硬偏置层向自由磁性层施加的磁场强度变强。另一方面，在自由磁性层的远离硬偏置层的区域中，由于从硬偏置层向自由磁性层施加的磁场强度变低，因此有变得难以对自由磁性层赋予单向各向异性、磁滞增大的问题。 [0046] 本发明的发明者们着眼于，在具备磁阻效应元件的磁传感器中，通过自由磁性层和反铁磁性层之间的交换耦合磁场，能对自由磁性层的磁化方向赋予单向各向异性。由此，本发明的发明者们发现即使在对灵敏度轴施加大的磁场的情况下也能不使交换耦合磁场分散地来对自由磁性层稳定赋予单向各向异性，从而完成本发明。 [0047] 另外，本发明的发明者们发现，在使用自由磁性层与反铁磁性层之间的交换耦合磁场的情况下，即使在将磁阻效应元件的元件形状设为条带形状的情况下，也能对自由磁性层中的条带形状的长边方向的末端部稳定地赋予单向各向异性，还发现，通过进一步设置硬偏置层能特别降低磁阻效应元件的磁滞。 [0048] 下面，参照附图来详细说明本发明的实施方式。 [0049] (第1实施方式) [0050] 图1是表示本实施的第1实施方式所涉及的磁传感器1的磁阻效应元件11的元件构造的俯视示意图。如图1所示，本实施方式所涉及的磁传感器1具有条带形状的磁阻效应元件11。该磁阻效应元件11具有其条带长边方向D1(下面还仅称作“长边方向D1”)彼此平行地配置的多个带状的长条图案12(条带)翻折起来而成的形状(蜿蜒形状)。在该蜿蜒形状中，灵敏度轴方向(Pin方向)是与长条图案12的长边方向(条带长边方向D1)正交的方向(条带宽度方向D2)。在该蜿蜒形状中，检测磁场以及抵消磁场沿着与条带长边方向D1正交的条带宽度方向D2地进行施加。 [0051] 在各长条图案12的两端，在与长条图案12的长边方向D1正交的条带宽度方向D2(下面还仅称作“宽度方向D2”)上，相邻的2个长条图案12通过非磁性层13连接。非磁性层13设为在两端部连接不同的长条图案12。即，平行排列的多个长条图案12中的从上往下数第1个长条图案12和第2个长条图案12在长边方向D1的一端部(右侧的端部)通过非磁性层13连接，从上往下数第2个长条图案12和第3个长条图案12在长边方向D1的另一端部(左侧的端部)通过非磁性层13连接。然后，在一端部和另一端部交替地通过非磁性层13将相邻的2个长条图案12连接。 [0052] 在磁阻效应元件11的两端，经由非磁性层13连接有连接端子14。连接端子14与根据磁阻效应元件11的输出信号来计算被测量电流的大小的运算部(未图示)连接。磁阻效应元件11经由连接端子14对运算部(未图示)输出输出信号。 [0053] 图2是表示本实施方式所涉及的磁传感器1的磁阻效应元件11的层叠构造的截面示意图。另外，在图2中示出图1的II-II线的箭头方向观察截面。 [0054] 如图2所示，磁阻效应元件11层叠在设于硅基板等基板(未图示)上的铝氧化膜21上。磁阻效应元件11按照种晶层22、第1铁磁性膜23、反平行耦合膜24、第2铁磁性膜 25、非磁性中间层26、自由磁性层27、反铁磁性层28以及保护层29的顺序将它们层叠而构成。 [0055] 种晶层22由NiFeCr或Cr等构成。保护层29由Ta等构成。另外，在上述层叠构造中，也可以在基板(未图示)与种晶层22之间设置由例如Ta、Hf、Nb、Zr、Ti、Mo、W中的至少1种元素等的非磁性材料构成的基底层。 [0056] 在该磁阻效应元件11中，经由反平行耦合膜24将第1铁磁性膜23和第2铁磁性膜25反铁磁性地耦合，构成所谓的自钉扎型的铁磁性固定层30(SFP：Synthetic Ferri Pinned层)。如此，通过构成自钉扎型的(Bottom-Spin-Value)的磁阻效应元件11，在磁阻效应元件11的制造工序中，不需要现有的磁阻效应元件中必须的用于固定铁磁性固定层30的磁化方向的磁场中退火处理，能保持在自由磁性层27成膜中赋予的条带长边方向D1中的感应磁各向异性。由此，相对于检测对象方向(条带宽度方向D2)降低磁滞。 [0057] 在该铁磁性固定层30中，通过使反平行耦合膜24的厚度为0.3nm～0.45nm或0.75nm～0.95nm，能在第1铁磁性膜23与第2铁磁性膜25之间带来强的反铁磁性耦合。 [0058] 第1铁磁性膜23的磁化量(Ms·t)与第2铁磁性膜25的磁化量(Ms·t)实质相同。即，第1铁磁性膜23与第2铁磁性膜25之间的磁化量之差实质为零。故而，铁磁性固定层的有效的各向异性磁场大。因此，即使不使用反铁磁性材料也能充分确保铁磁性固定层30的磁化稳定性。这是因为，若分别将第1铁磁性膜23的膜厚设为t1，将第2铁磁性膜 25的膜厚设为t2，将每两层的单位体积的磁化以及感应磁各向异性常数分别设为Ms、K，则SFP层的有效的各向异性磁场如下述关系式(1)所示。 [0059] 式(1) [0060] eff Hk＝2(K·t1+K·t2)/(Ms·t1-Ms·t2) [0061] 第1铁磁性膜23的居里温度(Tc)和第2铁磁性膜25的居里温度(Tc)大致相同。由此，即使在高温环境下，第1铁磁性膜23、第2铁磁性膜25的磁化量(Ms·t)差也大致为零，能维持高的磁化稳定性。 [0062] 第1铁磁性膜23优选由含有40原子％～80原子％的Fe的CoFe合金构成。这是因为，该组成范围的CoFe合金具有大的矫顽力，能相对于外部磁场稳定地维持磁化。另外，第2铁磁性膜25优选由含有0原子％～40原子％的Fe的CoFe合金构成。这是因为，该组成范围的CoFe合金具有小的矫顽力，第1铁磁性膜23易于在与优先磁化的方向的平行反方向(180°不同方向)磁化。其结果，能使上述关系式(1)所示的Hk更大。另外，通过将第2铁磁性膜25限定在该组成范围，能使磁阻效应元件11的电阻变化率较大。 [0063] 第1铁磁性膜23以及第21铁磁性膜25优选在其成膜中对蜿蜒形状的条带宽度方向D2施加磁场，对成膜后的第1铁磁性膜23以及第2铁磁性膜25赋予感应磁各向异性。由此，第1铁磁性膜23、第2铁磁性膜25与条带宽度方向D2反平行地磁化。另外，由于第 1铁磁性膜23以及第2铁磁性膜25的磁化方向以第1铁磁性膜23的成膜时的磁场施加方向确定，因此，能通过改变第1铁磁性膜23的成膜时的磁场施加方向来在同一基板上形成具有磁化方向不同的铁磁性固定层30的多个磁阻效应元件11。 [0064] 铁磁性固定层30的反平行耦合膜24由Ru等构成。另外，自由磁性层(自由层)27由CoFe合金、NiFe合金、CoFeNi合金等的磁性材料构成。另外，非磁性中间层26由Cu等构成。另外，自由磁性层27优选在其成膜中对蜿蜒形状的条带长边方向D1施加磁场，对成膜后的自由磁性层27赋予感应磁各向异性。由此，在磁阻效应元件中，磁阻相对于条带宽度方向D2的外部磁场(来自被测量电流的磁场)线性地变化，能使磁滞较小。在这样的磁阻效应元件中，根据铁磁性固定层30、非磁性中间层26以及自由磁性层27而采用自旋阀构成。 [0065] 在本实施方式所涉及的磁传感器中，在磁阻效应元件11的自由磁性层27上层叠反铁磁性层28。该反铁磁性层28通过在磁场中实施热处理(下面称作“退火处理”)而在反铁磁性层28与自由磁性层27的边界面产生交换耦合磁场(Hex)。通过该交换耦合磁场对自由磁性层27的磁化方向赋予单向各向异性。在图4所示的示例中，自由磁性层27的磁化方向固定于俯视观察下的与外部磁场的施加方向D1大致正交的方向D2。另外，从反铁磁性层28向自由磁性层27施加的交换耦合磁场的强度能通过外部磁场进行调整，以使自由磁性层27的磁化方向变动。 [0066] 反铁磁性层28层叠在与形成自由磁性层27的非磁性中间层26的主面的相反面上。反铁磁性层28由反铁磁性材料构成，该反铁磁性材料含有从由Pt、Pd、Ir、Rh、Ru、Os构成的群中选出的至少1种元素和Mn，或者该反铁磁性材料含有从由Pt、Pd、Ir、Rh、Ru、Os构成的群中选出的至少1种元素和从由Ne、Ar、Kr、Xe、Be、B、C、N、Mg、Al、Si、P、Ti、V、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Ge、Zr、Nb、Mo、Ag、Cd、Sn、Hf、Ta、W、Re、Au、Pb以及稀土类元素构成的群中选出的至少1种的元素和Mn。反铁磁性层28在这些反铁磁性材料中，还优选由含有元素X(其中X为Pt、Pd、Ir、Rh、Ru、Os中的1种或2种以上的元素)和Mn的反铁磁性材料形成，更优选使用IrMn或PtMn。 [0067] 作为在本实施方式所涉及的磁传感器1中使用的磁阻效应元件11的膜构成的示例，例如为NiFeCr(种晶层22：5nm)/Fe60Co40(第1铁磁性膜23：1.65nm)/Ru(反平行耦合膜24：0.4nm)/Co90Fe10(第2铁磁性膜25：2nm)/Cu(非磁性中间层26：2.2nm)/Co90Fe10(自由磁性层27：1nm)/Ni81Fe19(自由磁性层27：7nm)/IrMn(反铁磁性层28：10nm)Ta(保护层29：5nm)。 [0068] 接下来，参照图3到图5来说明本实施方式所涉及的磁传感器的磁阻效应元件的其它的构成例。另外，在下面，对与图1所示的磁阻效应元件122a相同的构成要素赋予相同的符号。另外，在下面，以与图1以及图2所示的磁阻效应元件122a的不同点为中心进行说明，避免说明的重复。 [0069] 图3是表示磁阻效应元件的元件构造的一例的俯视示意图。如图3所示，磁阻效应元件31具备：永久磁铁部32，其具有设于条带形状的长条图案12的两端部的外侧的硬偏置层。如此，通过设置永久磁铁部32，由于除了从反铁磁性层28向自由磁性层27的交换耦合磁场以外，还从永久磁铁部32的硬偏置层51向自由磁性层27施加硬偏置磁场，因此，能更有效地进行自由磁性层27的磁化方向的初始化。 [0070] 图4是表示磁阻效应元件的元件构造的其它的一例的俯视示意图。如图4所示，该磁阻效应元件41具有与其条带长边方向D1相互平行地配置的多个带状的长条图案42。各长条图案42在条带长边方向D1上具有：相互分离而设的多个元件部43、和设于各元件部43之间的多个永久磁铁部44。另外，长条图案42的两端在条带宽度方向D2上通过永久磁铁部44连接。各永久磁铁部44在长条图案42的条带长边方向D1上按照硬偏置层 51(参照图5)成为规定的间隔L1的方式设置。如此，通过在磁阻效应元件41的条带长边方向D1上相互分离地设置多个元件部43，在各元件部43之间设置永久磁铁部44，从而除了从反铁磁性层28向自由磁性层27的交换耦合磁场以外，还从各永久磁铁部44的硬偏置层51向各元件部43的自由磁性层27施加硬偏置磁场，因此，能特别有效地进行自由磁性层27的磁化方向的初始化。 [0071] 接下来，参照图5来说明磁阻效应元件41的层叠构造。图5是表示磁阻效应元件41的层叠构造的截面示意图。另外，在图5中示出了图4的V-V线的箭头方向观察截面。 如图5所示，磁阻效应元件41的元件部43以及永久磁铁部44层叠在设于硅基板等的基板(未图示)上的铝氧化膜21上。各元件部43相互分离地取规定的间隔来设置，在元件部 43之间设置永久磁铁部44。另外，关于元件部43的层叠构造，由于与图2所示的磁阻效应元件11相同，因此省略说明。 [0072] 接下来，说明永久磁铁部44的层叠构造。永久磁铁部44设置在通过蚀刻等去除了被设为覆盖铝氧化膜21上的元件部43的一部分后的区域中。 [0073] 永久磁铁部44具有：设于铝氧化膜21以及元件部43上的基底层50、设于基底层50上的硬偏置层51、设于硬偏置层51上的扩散防止层52、设于扩散防止层52上的电极层 53、和设于电极层53上的保护层54。另外，图3所示的磁阻效应元件31的永久磁铁部32也具有相同的层叠构造。 [0074] 基底层50通过含有Ta/CrTi等的合金而构成。另外，基底层50设于包含硬偏置层51与元件部43的自由磁性层27之间的接触部的区域，来降低从硬偏置层51向元件部43的自由磁性层27的硬偏置磁场。通过如此设置基底层50，由于硬偏置层51与自由磁性层27不直接接触，因此，能抑制自由磁性层27中的与硬偏置层51的接触部的磁化方向的紧贴，削减自由磁性层27的不灵敏区域。另外，通过设置基底层50，能提高硬偏置层51的矫顽力。 [0075] 硬偏置层51例如由CoPt、CoCrPt等构成，对元件部43的自由磁性层27施加硬偏置磁场。另外，永久磁铁部44按照硬偏置层51的下表面成为与元件部43的铝氧化膜21中对应的高度位置(从种晶层22的下表面起的下方侧的高度位置)、且硬偏置层51的上表面成为从元件部43的保护层29的上表面向上方突出的高度位置的方式层叠。如此，通过按照覆盖包含自由磁性层27的侧面的区域的方式设置硬偏置层51，能从与自由磁性层27的灵敏度轴方向大致正交的方向施加硬偏置磁场。由此，能更有效地降低磁滞。 [0076] 扩散防止层52由Ta等构成，被设置为覆盖硬偏置层51。电极层53由Au、Al、Cu、Cr等构成，被设置为覆盖扩散防止层52。另外，电极层53被设置为在长条图案42的长边方向D1上与夹着永久磁铁部44而设于前后的元件部43的保护层29接触，电连接夹着永久磁铁部44而设于前后的元件部43间。保护层54由Ta等构成。 [0077] 在磁阻效应元件41中，在永久磁铁部44设置电极层53，通过用该电极层53电连接相邻的元件部43间，从而经由电极层53从磁阻效应元件41输出输出信号。如此，由于经由电极层53来输出磁阻效应元件41的输出信号，因此，能降低固定了磁化方向的永久磁铁部44的硬偏置层51所带来的寄生电阻的影响，能抑制元件电阻的偏差。 [0078] 作为磁阻效应元件14的长边方向D1上的硬偏置层51的间隔L1，优选1μm～50μm。通过将各硬偏置层51的间隔L1设为1μm～50μm，能降低磁阻效应元件41的磁滞。 [0079] 磁阻效应元件41的灵敏度轴方向(条带宽度方向D2)条带宽度优选为2μm到9μm的范围。若处于条带宽度2μm到9μm的范围内，则能降低磁滞，提高磁阻效应元件 41的输出信号的线性。另外，若考虑线性，则期望磁阻效应元件41的长条图案42的长边方向D1与感应磁场H的方向以及抵消磁场的方向都垂直。 [0080] 参照图6来说明作用于磁阻效应元件41的自由磁性层27的来自硬偏置层51的硬偏置磁场、以及来自反铁磁性层28的交换耦合磁场。图6是表示磁阻效应元件41的元件部43中的硬偏置磁场、与来自反铁磁性层28的交换耦合磁场的关系的图。 [0081] 如图6所示，元件部43中的硬偏置磁场的磁场强度在与永久磁铁部44的接触部中成为最大，根据距永久磁铁部44的距离而减少。交换耦合磁场不依赖距永久磁铁部44的距离地在元件部43中大致恒定。根据该结果可知，在本实施方式所涉及的磁传感器1中，通过从反铁磁性层28向自由磁性层27施加交换耦合磁场，能不依赖距永久磁铁部44的距离地稳定地对自由磁性层27赋予单向各向异性。进而，在自由磁性层27的磁化方向易于分散的条带长边方向D1的两端部，即使在因组合使用来自硬偏置层51的硬偏置磁场和交换耦合磁场而使得向自由磁性层27的交换耦合磁场较弱的情况下，也能对自由磁性层27的磁化方向赋予适度的单向各向异性。由此，能提高磁传感器1的检测灵敏度。 [0082] 在此，本发明的发明者们调查了本实施方式所涉及的磁传感器1的磁阻效应元件11(实施例1)、31(实施例2)、41(实施例3)中的剩余磁通密度(剩磁)。在图7中示出其结果。另外，作为比较例，调查了从磁阻效应元件31去除了反铁磁性层28后的磁阻效应元件(比较例1)、从磁阻效应元件41去除了反铁磁性层28后的磁阻效应元件(比较例2)、以及从磁阻效应元件41去除了反铁磁性层28并取代永久磁铁部44而设置了反铁磁性部后的磁阻效应元件(比较例3)中的剩磁。在图7中一并记述其结果。另外，图7所示的测量结果表示依次进行剩磁测量、来自与灵敏度轴相同方向的磁场的施加、剩磁测量、来自与灵敏度轴相反方向的磁场的施加、以及剩磁测量来测量剩磁时的剩磁。另外，如图8所示，所谓剩磁如下表征：从正磁场返回到0磁场时的电阻值(R0(+))中减去从负磁场返回到0磁场时的电阻值(R(-))而得到的值相对于磁阻效应元件11、31、41的电阻值差(ΔR)的比例。 [0083] 根据图7可知，具有反铁磁性层28的磁阻效应元件11、31、41不管在施加磁场强度为0A/M到79.6kA/M的范围内的哪一点，剩磁都小。与此相对，不具有反铁磁性层的比较例1以及比较例2所涉及的磁阻效应元件随着磁场强度增大而剩磁大幅增大。特别是在79.6kA/M，与实施例1到实施例3所涉及的磁阻效应元件11、31、41比较，剩磁增大4倍以上。另外可知，在取代永久磁铁部44而设置反铁磁性部的比较例3所涉及的磁阻效应元件中，与实施例1到实施例3所涉及的磁阻效应元件11、31、41比较，剩磁也增大。 [0084] 接下来，本发明的发明者们针对磁阻效应元件11、31、41，调查了自由磁性层27的膜厚与检测灵敏度的关系。在图9示出其结果。在图9所示的示例中，示出使磁阻效应元件11、31、41的膜厚在从1nm到16nm的范围内变化的情况下的磁阻效应元件的检测灵敏度。 [0085] 根据图9可知，在磁阻效应元件11、31、41中，在自由磁性层27的膜厚为2nm到160nm的范围内能得到良好的检测灵敏度。另外可知，在自由磁性层27的膜厚为3nm到 10nm的范围内，检测灵敏度特别良好。 [0086] 接下来，本发明的发明者们针对磁阻效应元件41调查了将自由磁性层27的膜厚设为2nm的情况(实施例4)以及3nm的情况下(实施例5)的硬偏置层51间的间隔L1与剩磁的关系。在图10中示出其结果。另外，针对去除了反铁磁性层28后的磁阻效应元件 41，调查了将自由磁性层27的膜厚设为2nm的情况(比较例4)以及3nm的情况下(实施例5)的剩磁。在图10中一并记述其结果。 [0087] 根据图10可知，在整面地设置反铁磁性层28的实施例4以及实施例5所涉及的磁阻效应元件41中，在硬偏置层51间的间隔L1为2μm到60μm的范围内，成为大致恒定的剩磁。另一方面可知，在去除了反铁磁性层28后的比较例4以及比较例5所涉及的磁阻效应元件中，在硬偏置层51间的间隔L1为10μm以上时，剩磁就大幅增加。根据其结果可知，在磁阻效应元件41中，通过设置反铁磁性层28，能不依赖于硬偏置层51间的间隔地大幅降低剩磁。 [0088] 接下来，说明本实施方式所涉及的磁传感器的制造方法。在本实施方式所涉及的磁传感器的制造方法中，对特定方向施加磁场来使固定磁性层成膜(第1成膜工序)，从与该第1成膜工序不同的方向施加磁场使自由磁性层27以及反铁磁性层28成膜来形成元件部43(第2成膜工序)。接下来，在使元件部条带形状地图案化后，使永久磁铁部44成膜并图案化(第3成膜工序)。接下来，从与反铁磁性层28的磁化方向大致相同的方向施加磁场来在硬偏置层着磁(着磁工序)，以至少200℃对着磁后的硬偏置层实施热处理(热处理工序)。 [0089] 在第1成膜工序中，在硅基板上依次成膜铝氧化膜21、种晶层22、固定磁性层30(第1铁磁性膜23、反平行耦合膜24以及第2铁磁性膜25)。在该第1成膜工序中，在第 1铁磁性膜23以及第2铁磁性膜25的成膜中，对蜿蜒形状的条带宽度方向D2施加磁场。 另外，第1铁磁性膜23以及第2铁磁性膜25的成膜时的施加磁场方向既可以是彼此同向，也可以彼此反向。另外，也可以在第1铁磁性膜23的成膜时施加磁场，在第2铁磁性膜25的成膜时无磁场地成膜。这是因为，交换耦合经由反平行耦合膜24发挥作用，磁化方向必然确定为与第1铁磁性膜23相反方向。这种情况下，反平行耦合膜24的膜厚优化和第1铁磁性膜23以及第2铁磁性膜25的Ms·t的一致变得重要。 [0090] 在第2成膜工序中，依次成膜非磁性中间层26、自由磁性层27、反铁磁性层28以及保护层29。在第2成膜工序中，在自由磁性层27的成膜中对蜿蜒形状的条带长边方向D1施加磁场。 [0091] 在第3成膜工序中，在保护层29上设置抗蚀层，使元件部43条带形状地图案化。抗蚀层的图案形成通过曝光、显影来进行。通过离子铣削等的干式蚀刻去除元件部43的被抗蚀层覆盖的区域以外的区域。 [0092] 另外，在第3成膜工序中，在保护层29上设置抗蚀层，在形成元件部43的永久磁铁部44的区域形成抗蚀层的图案。抗蚀层的图案形成通过曝光、显影来进行。接下来，通过离子铣削等的干式蚀刻去除元件部43的被抗蚀层覆盖的以外的区域来使永久磁铁部44成膜。接下来，去除抗蚀层来使永久磁铁部44图案化。 [0094] 在着磁工序中，接下来使硬偏置层51在自由磁性层27的磁化方向着磁。硬偏置层51的着磁，通过使用磁发生装置，在室温下对赋予了自由磁性层的单向各向异性的方向施加240kA/m左右以上的磁场来进行。通过该着磁工序，能大致沿着硬偏置层51的着磁方向来对自由磁性层27赋予单向各向异性。 [0095] 另外，在着磁工序中，在磁场中实施退火处理，从而使反铁磁性层28与自由磁性层27之间产生交换耦合磁场，对自由磁性层27的磁化方向赋予条带宽度方向D2的单向各向异性。另外，退火处理的温度例如为270℃左右，施加的磁场的大小为800kA/m左右。另外，退火处理的时间例如为1.5小时。 [0096] 最后，在热处理工序中，将着磁后的硬偏置层51加热到200℃以上来实施回流处理。通过这些工序，能制造磁传感器。在该热处理工序中，自由磁性层27以及反铁磁性层28由于在被施加来自硬偏置层51的硬偏置磁场的状态下加热，因此能抑制反铁磁性层28与自由磁性层27的交换耦合磁场劣化。其结果，能抑制伴随自由磁性层27的磁化方向的分散的偏移增大。 [0097] 如以上说明那样，在上述实施方式所涉及的磁传感器中具备：磁阻效应元件，其具有磁化方向相对于外部磁场而变动的自由磁性层、和对该自由磁性层施加交换耦合磁场的反铁磁性层。由此，即使对磁阻效应元件的灵敏度轴方向施加大的外部磁场，也能从反铁磁性层对自由磁性层赋予恒定的交换耦合磁场，因此，能稳定地对自由磁性层赋予单向各向异性。因此，能降低磁阻效应元件的自由磁性层的磁化方向的分散，能实现跨宽范围测量精度高的磁传感器。 [0098] 另外，在上述实施方式所涉及的磁传感器中，即使在将自由磁性层的磁化方向易于分散的磁阻效应元件的元件形状设为条带形状的情况下，也能从反铁磁性层对自由磁性层的整面施加大致均匀的交换耦合磁场。由此，能对磁阻效应元件的条带长边方向的两端部的自由磁性层稳定地赋予单向各向异性。进而，通过在磁阻效应元件的整面设置反铁磁性层，能对自由磁性层整面均匀地施加交换耦合磁场。其结果，由于能按照设想的外部磁场的强度将交换耦合磁场的强度设为适度的范围，因此，交换耦合磁场不会过度地强，能适当地对自由磁性层赋予单向各向异性。由此，能抑制磁传感器的检测灵敏度的降低。 [0099] 进而，通过在条带长边方向的两端部设置硬偏置层，能更稳定地赋予单向各向异性。另外，在磁阻效应元件的条带长边方向上，通过在多个元件部间设置多个永久磁铁部，能特别稳定地对自由磁性层赋予单向各向异性。进而，在这些情况下，即使在施加大的外部磁场、硬偏置层的硬偏置磁场局部地分散的情况下也从反铁磁性层对自由磁性层施加交换耦合磁场，因此，能对自由磁性层稳定地赋予单向各向异性，抑制自由磁性层的磁化分散。因此，能降低磁阻效应元件的磁滞。 [0100] 另外，在上述实施方式所涉及的磁传感器的制造方法中，以对自由磁性层施加了来自硬偏置层的硬偏置磁场的状态在无磁场中进行热处理，使交换耦合磁场产生。如此，由于在对自由磁性层施加了来自硬偏置层的硬偏置磁场的状态下进行热处理，因此，通过形状各向异性和来自硬偏置层的硬偏置磁场使自由磁性层的磁化方向对齐，故即使在无磁场中的热处理中，也能使一样的交换耦合磁场产生。另外，也可以通过磁场中热处理来使交换耦合磁场产生。另外，由于能不需要高价的在磁场中进行热处理的装置地制造磁阻效应元件，因此能降低制造成本。 [0101] 另外，在上述实施方式的磁传感器的制造方法中，在热处理工序(回流工序)中，由于在施加来自硬偏置层的硬偏置磁场的状态下加热自由磁性层以及反铁磁性层，因此，能抑制从反铁磁性层向自由磁性层的交换耦合磁场的劣化。进而，在上述实施方式所涉及的磁传感器的制造方法中，由于不使用反铁磁性材料地形成固定磁性层，因此，不需要用于固定磁性层形成的磁场中热处理。因此，只要进行用于使自由磁性层产生交换耦合磁场的无磁场中热处理即可，能兼顾固定磁性层的磁化分散抑制以及对自由磁性层的一样的交换耦合磁场的施加。 [0102] (第2实施方式) [0103] 接下来，说明上述实施方式所涉及的磁传感器1的应用例。另外，在以下的说明中，说明将本发明所涉及的磁传感器1应用在磁平衡式电流传感器的情况，但本发明所涉及的磁传感器1并不限定于此，还能应用在其它的装置中。 [0104] 图11是本实施的第2实施方式所涉及的磁平衡式电流传感器2的示意的立体图，图12是本实施方式所涉及的磁平衡式电流传感器2的俯视示意图。 [0105] 如图11以及图12所示那样，本实施方式所涉及的磁平衡式电流传感器2配设于流过被测量电流I的导体101附近。该磁平衡式电流传感器2具备：反馈电路102，其产生抵消由流过导体101的被测量电流I引起的感应磁场H的磁场(抵消磁场)。该反馈电路102具有：在抵消由被测量电流I产生的磁场的方向上卷绕的反馈线圈121、以及4个磁阻效应元件122a～122d。 [0106] 反馈线圈121由平面线圈构成。在该构成中，由于没有磁芯，因此能以低成本制作反馈线圈121。另外，与螺管线圈的情况相比，能防止从反馈线圈121生成的抵消磁场扩展至宽范围，能避免对周边电路造成影响。进而，与螺管线圈的情况相比，在被测量电流I为交流的情况下，反馈线圈121引起的抵消磁场的控制容易，为了控制而流过的电流也不会变得那么大。在被测量电流I为交流且越高频，这些效果越大。在反馈线圈121由平面线圈构成的情况下，优选设置平面线圈以使得在与平面线圈的形成面平行的面内产生感应磁场H和抵消磁场两者。 [0107] 磁阻效应元件122a～122d通过施加来自被测量电流I的感应磁场H而电阻值变化。通过该4个磁阻效应元件122a～122d来构成了磁场检测桥电路123。如此，通过使用具有磁阻效应元件122a～122d的磁场检测桥电路123，能实现高灵敏度的磁平衡式电流传感器2。 [0108] 该磁场检测桥电路123具备产生与通过被测量电流I产生的感应磁场H相应的电压差的2个输出。在图12所示的磁场检测桥电路123中，在磁阻效应元件122b与磁阻效应元件122c之间的连接点连接电源Vdd，在磁阻效应元件122a与磁阻效应元件122d之间的连接点连接接地(GND)。进而，在该磁场检测桥电路123中，从磁阻效应元件122a、122b间的连接点取出1个输出(Out1)，从磁阻效应元件122c、122d间的连接点取出另一个输出(Out2)。将这2个输出在放大器124放大，并作为电流(反馈电流)赋予反馈线圈121。该反馈电路对应于与感应磁场H相应的电压差。此时，在反馈线圈121产生与感应磁场H相抵的抵消磁场。然后，基于感应磁场H和抵消磁场成为相抵的平衡状态时的流过反馈线圈121的电流，用检测部(检测电阻R)来测量被测量电流I。 [0109] 如图12的放大图所示，作为磁阻效应元件122a～122d，优选具有其长边方向相互平行地配置的多个带状的长条图案(条带)翻折而成的形状(蜿蜒形状)。在该蜿蜒形状中，灵敏度轴方向(Pin方向)是与长条图案的长边方向(条带长边方向D1(参照图1))正交的方向(条带宽度方向D2(参照图1))。在该蜿蜒形状中，沿着与条带长边方向D1正交的条带宽度方向D2来施加感应磁场H以及抵消磁场。 [0110] 在具有这样的构成的磁平衡式电流传感器2中，如图11所示，以磁阻效应元件122a～122d接受从被测量电流I产生的感应磁场H，反馈该感应磁场H并从反馈线圈121产生抵消磁场，进行适宜调整，以使得2个磁场(感应磁场H、抵消磁场)相抵从而施加在磁阻效应元件122a～122d的磁场成为零。 [0111] 具有上述构成的磁平衡式电流传感器2优选使用磁阻效应元件122a～122d作为磁检测元件，特别优选使用具有GMR(Giant Magneto Resistance，巨磁阻)元件、TMR(Tunnel Magneto Resistance，隧道结磁阻)元件的磁场检测桥电路123。由此，能实现高灵敏度的磁平衡式电流传感器2。另外，该磁平衡式电流传感器2的磁场检测桥电路123由膜构成相同的4个磁阻效应元件122a～122d构成。另外，关于具有上述构成的磁平衡式电流传感器2，由于反馈线圈121以及磁场检测桥电路123形成于同一基板上，因此能谋求小型化。进而，该磁平衡式电流传感器2由于是不具有磁芯的构成，因此能谋求小型化、低成本化。 [0112] 在具有如此配置的4个磁阻效应元件122a～122d的磁平衡式电流传感器2中，从反馈线圈121对磁阻效应元件122a～122d施加抵消磁场，以使得磁场检测桥电路123的2个输出(Out1、Out2)的电压差成为零，通过此时检测流过反馈线圈121的电流值来测量被测量电流I。 [0113] 另外，本发明所涉及的磁传感器能应用在如下的磁平衡式电流传感器中：具有磁场检测桥电路，该磁场检测桥电路包含通过施加来自被测量电流的感应磁场而电阻值变化的至少1个磁阻效应元件，根据按照与来自被测量电流的感应磁场而从磁场检测桥电路输出的电压差来测量被测量电流。这种情况下，通过应用具有层叠构造的本发明所涉及的磁传感器，能降低磁阻效应元件的自由磁性层的磁化方向的分散，能实现跨宽范围测量精度高的磁平衡式电流传感器，其中，该层叠构造包含固定了磁化方向的铁磁性固定层、非磁性中间层、磁化方向相对于外部磁场变动的自由磁性层以及对自由磁性层施加交换耦合磁场的反铁磁性层。 [0114] 本发明并不限定于上述实施方式，能进行各种变更来实施。例如，上述实施方式中的材料、各元件的连接关系、厚度、大小、制法等能适宜变更来实施。此外，能不脱离本发明的范围地进行适宜变更来实施。 [0115] 工业实用性 [0116] 本发明能降低磁阻效应元件的自由磁性层的磁化方向的分散，并有跨宽范围测量精度高的效果，尤其能应用于各种磁传感器、检测电动汽车的电动机驱动用的电流的大小的电流传感器。 [0117] 本申请基于2010年12月16日申请的日本特愿2010-280498。在此包含其全部内容。 |
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