磁阻效应器件
阅读：693发布：2020-05-11
专利汇可以提供磁阻效应器件专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 提供一种 磁阻效应 器件，其包括MR元件和偏置 磁场 发生部。MR元件包括一个方向上较长的形状的自由层。偏置磁场发生部包括产生偏置磁场的 铁 磁性 层。 铁磁性 层包括以包围自由层的外周的方式配置的两个主要部分、第一侧方部分和第二侧方部分。在与自由层的长度方向垂直的任意截面中，第一侧方部分与自由层之间的最短距离、和第二侧方部分与自由层之间的最短距离均为35nm以下。，下面是磁阻效应器件专利的具体信息内容。
1.一种磁阻效应器件，其包括磁阻效应元件和偏置磁场发生部，所述磁阻效应器件的特征在于：
所述磁阻效应元件包括自由层，该自由层具有因被施加的磁场而方向能够改变的磁化，
所述偏置磁场发生部包括产生能够对所述自由层施加的偏置磁场的铁磁性层，所述自由层具有位于第一方向的两端的第一面和第二面以及连接所述第一面与所述第二面的外周面，
所述第一面具有在与所述第一方向正交的第二方向上较长的形状，
所述铁磁性层包括一个或两个主要部分、第一侧方部分和第二侧方部分，在通过所述第一面的重心且与所述第一方向和所述第二方向平行的第一截面中，所述一个或两个主要部分位于所述第二方向的所述自由层的一侧或两侧，
在通过所述第一面的重心且与所述第二方向垂直的第二截面中，所述第一侧方部分和所述第二侧方部分位于与所述第一方向以及所述第二方向垂直的第三方向的所述自由层的两侧，
在所述第二截面中，所述自由层的所述外周面与所述第一侧方部分之间的最短距离、和所述自由层的所述外周面与所述第二侧方部分之间的最短距离为35nm以下。
2.根据权利要求1所述的磁阻效应器件，其特征在于：
在与所述自由层交叉且与所述第二方向垂直的任意截面中，所述自由层的所述外周面与所述第一侧方部分之间的最短距离、和所述自由层的所述外周面与所述第二侧方部分之间的最短距离为35nm以下。
3.根据权利要求1所述的磁阻效应器件，其特征在于：
在所述第二截面中，所述自由层的所述外周面与所述第一侧方部分之间的最短距离、和所述自由层的所述外周面与所述第二侧方部分之间的最短距离为20nm以下。
4.根据权利要求1所述的磁阻效应器件，其特征在于：
所述磁阻效应元件还包括：具有规定方向的磁化的磁化固定层；和配置于所述磁化固定层与所述自由层之间的间隔层，
所述磁化固定层、所述间隔层和所述自由层在所述第一方向上层叠。
5.根据权利要求1所述的磁阻效应器件，其特征在于：
还包括将所述自由层与所述铁磁性层隔开的非磁性膜。
6.根据权利要求5所述的磁阻效应器件，其特征在于：
在所述第二截面中，所述自由层的所述外周面与所述第一侧方部分之间的最短距离、和所述自由层的所述外周面与所述第二侧方部分之间的最短距离在1～20nm的范围内。
7.根据权利要求1所述的磁阻效应器件，其特征在于：
所述一个或两个主要部分为两个主要部分，
在从所述自由层的所述第一面向所述第二面的方向上看时，所述两个主要部分、所述第一侧方部分和所述第二侧方部分包围所述自由层的整个外周。
8.根据权利要求1所述的磁阻效应器件，其特征在于：
所述偏置磁场的方向为所述第二方向。
9.根据权利要求1所述的磁阻效应器件，其特征在于：
所述偏置磁场的方向相对于所述第二方向成锐角。
10.根据权利要求1所述的磁阻效应器件，其特征在于：
所述偏置磁场发生部还包括与所述铁磁性层进行交换耦合的反铁磁性层。
11.一种磁阻效应器件的制造方法，其用于制造权利要求1所述的磁阻效应器件，该方法的特征在于，包括：
形成在之后的步骤中成为所述磁阻效应元件的构造体的步骤；
去除所述构造体的一部分以使得所述构造体成为所述磁阻效应元件并且在所述构造体中形成收纳部的步骤；和
在所述收纳部中形成所述偏置磁场发生部的步骤。
12.一种磁阻效应器件的制造方法，其用于制造权利要求1所述的磁阻效应器件，该方法的特征在于，包括：
形成在之后的步骤中成为所述偏置磁场发生部的构造体的步骤；
去除所述构造体的一部分以使得所述构造体成为所述偏置磁场发生部并且在所述构造体中形成收纳部的步骤；和
在所述收纳部中形成所述磁阻效应元件的步骤。
磁阻效应器件
技术领域
背景技术
[0002] 近年来，在各种用途中，使用了磁阻效应元件的磁传感器等磁阻效应器件正被使用。作为磁阻效应元件，例如使用自旋阀型磁阻效应元件。自旋阀型磁阻效应元件包括：具有方向被固定了的磁化的磁化固定层；具有方向可根据施加磁场的方向变化的磁化的自由层；配置于磁化固定层与自由层之间的间隔层。
[0003] 在使用了磁阻效应元件的磁阻效应器件中，磁阻效应元件优选在其线性区域内工作。所谓磁阻效应元件的线性区域，是指在表示对于磁阻效应元件的施加磁场和磁阻效应元件的电阻值之间的关系的特性图中，磁阻效应元件的电阻值相对于施加磁场的变化而直线性或大致直线性地变化的区域。
[0005] 中国专利申请公开第1237755A号说明书、日本国专利申请公开平5－258245号公报以及国际公开第2009/090739号记载了具有磁阻效应元件、对磁阻效应元件施加偏置磁场的铁磁性层的器件。
[0006] 在中国专利申请公开第1237755A号说明书中，磁阻效应元件在一个方向上较长，铁磁性层以包围位于磁阻效应元件的长度方向的两端的两个缘部、和与磁阻效应元件的长度方向平行的一个缘部的方式设置。
[0007] 在日本国专利申请公开平5－258245号公报和国际公开第2009/090739号中，在从上方看时，铁磁性层以包围磁阻效应元件的整个外周的方式设置。
[0008] 在包括具有形状磁各向异性的自由层的磁阻效应元件中，无施加磁场时的自由层的磁化方向设定为与自由层的易磁化轴平行且彼此反向的两个方向中的一者。但是，在该磁阻效应元件中，自由层的磁化往往会因干扰磁场的施加等而反转。例如，在使用该磁阻效应元件的磁传感器中，当自由层的磁化发生反转时，之后的磁传感器的检测值有可能变成不同于原本的值的值。
[0009] 另一方面，在磁阻效应元件的周围配置有铁磁性层，对磁阻效应元件施加偏置磁场的情况下，有时受铁磁性层的配置的制约等，不能对磁阻效应元件施加充分大的偏置磁场。
[0010] 因此，考虑使用包括自由层的磁阻效应元件，该自由层具有形状磁各向异性，并且如例如国际公开第2009/090739号所记载那样，在从上方看时，以包围磁阻效应元件的整个外周的方式设置铁磁性层，来控制自由层的磁化方向。
[0011] 但是，即使在这种情况下，也存在如下所述的问题。在实际制造出的磁阻效应元件中，在大致自由层的长度方向上延伸的自由层的两个侧面存在微小凹凸。而且，有时因该凹凸会在自由层内形成磁化反转的核(以下，称为“反转核”)。当对形成有该反转核的自由层施加干扰磁场时，自由层内的磁化反转区域就以反转核为起点而扩大，有时发生自由层的一部分或整体的磁化反转。
发明内容
[0012] 本发明的目的在于，提供一种磁阻效应器件，该磁阻效应器件使用包括自由层的磁阻效应元件，该自由层具有形状磁各向异性，由此能够抑制自由层的磁化反转。
[0013] 本发明的磁阻效应器件包括磁阻效应元件和偏置磁场发生部。磁阻效应元件包括自由层，该自由层具有因被施加的磁场而方向能够改变的磁化。偏置磁场发生部包括产生能够对自由层施加的偏置磁场的铁磁性层。自由层具有位于第一方向的两端的第一面和第二面、以及连接第一面与第二面的外周面。第一面具有在与第一方向正交的第二方向上较长的形状。
[0014] 铁磁性层包括一个或两个主要部分、第一侧方部分和第二侧方部分。在通过第一面的重心且与第一方向和第二方向平行的第一截面中，一个或两个主要部分位于第二方向的自由层的一侧或两侧。在通过第一面的重心且与第二方向垂直的第二截面中，第一侧方部分和第二侧方部分位于与第一方向以及第二方向垂直的第三方向的自由层的两侧。
[0015] 在第二截面中，自由层的外周面与第一侧方部分之间的最短距离、和自由层的外周面与第二侧方部分之间的最短距离为35nm以下。
[0016] 在本发明的磁阻效应器件中，在与自由层交叉且与第二方向垂直的任意截面中，自由层的外周面与第一侧方部分之间的最短距离、和自由层的外周面与第二侧方部分之间的最短距离为35nm以下。
[0017] 另外，在本发明的磁阻效应器件中，在第二截面中，自由层的外周面与第一侧方部分之间的最短距离、和自由层的外周面与第二侧方部分之间的最短距离为20nm以下。
[0018] 另外，在本发明的磁阻效应器件中，磁阻效应元件还包括：具有规定方向的磁化的磁化固定层；和配置于磁化固定层与自由层之间的间隔层。磁化固定层、间隔层和自由层在第一方向上层叠。
[0019] 另外，本发明的磁阻效应器件也可以还包括将自由层和铁磁性层隔开的非磁性膜。在这种情况下，在第二截面中，自由层的外周面与第一侧方部分之间的最短距离、和自由层的外周面与第二侧方部分之间的最短距离在1～20nm的范围内。
[0020] 另外，在本发明的磁阻效应器件中，一个或两个主要部分为两个主要部分。在该情况下，在从自由层的第一面向第二面的方向上看时，两个主要部分、第一侧方部分和第二侧方部分包围自由层的整个外周。
[0021] 另外，在本发明的磁阻效应器件中，偏置磁场的方向也可以为第二方向，还可以相对于第二方向成锐角。
[0022] 另外，在本发明的磁阻效应器件中，偏置磁场发生部也可以还包括与铁磁性层进行交换耦合的反铁磁性层。
[0023] 本发明的第一和第二观点的制造方法是制造本发明的磁阻效应器件的方法。
[0024] 本发明的第一观点的制造方法包括如下步骤：形成在之后的步骤中成为磁阻效应元件的构造体的步骤；去除构造体的一部分，以使得构造体成为磁阻效应元件并且在构造体中形成收纳部的步骤；和在收纳部中形成偏置磁场发生部的步骤。
[0025] 本发明的第二观点的制造方法包括如下步骤：形成在之后的步骤中成为偏置磁场发生部的构造体的步骤；去除构造体的一部分以使得构造体成为偏置磁场发生部并且在构造体中形成收纳部的步骤；和在收纳部中形成磁阻效应元件的步骤。
[0026] 根据本发明的磁阻效应器件及其制造方法，能够抑制在自由层内形成反转核，其结果是，能够抑制自由层的磁化反转。
[0028] 图1是表示本发明第一实施方式的磁阻效应器件的主要部分的俯视图。
[0029] 图2是表示本发明第一实施方式的磁阻效应器件的第一截面的截面图。
[0030] 图3是表示本发明第一实施方式的磁阻效应器件的第二截面的截面图。
[0031] 图4是表示包括本发明第一实施方式的磁阻效应器件的磁传感器之一例的结构的电路图。
[0032] 图5是表示比较例的磁阻效应器件的主要部分的俯视图。
[0033] 图6是用于对比较例的磁阻效应器件的问题点进行说明的说明图。
[0034] 图7是用于对本发明第一实施方式的磁阻效应器件的效果进行说明的说明图。
[0035] 图8是表示模拟的模型的说明图。
[0036] 图9是表示模拟结果的特性图。
[0037] 图10是表示本发明第一实施方式的磁阻效应器件的制造方法的一个步骤的截面图。
[0038] 图11是表示图10所示的步骤之后的步骤的截面图。
[0039] 图12是表示图11所示的步骤之后的步骤的截面图。
[0040] 图13是表示本发明第一实施方式的第一变形例的磁阻效应器件的主要部分的俯视图。
[0041] 图14是表示本发明第一实施方式的第二变形例的磁阻效应器件的主要部分的俯视图。
[0042] 图15是本发明第二实施方式的磁阻效应器件的截面图。
[0043] 图16是本发明第三实施方式的磁阻效应器件的截面图。
[0044] 图17是表示本发明第三实施方式的磁阻效应器件的制造方法的一个步骤的截面图。
[0045] 图18是表示图17所示的步骤之后的步骤的截面图。
[0046] 图19是表示图18所示的步骤之后的步骤的截面图。
[0047] 图20是本发明第四实施方式的磁阻效应器件的截面图。
[0048] 图21是表示本发明第四实施方式的磁阻效应器件的制造方法的一个步骤的截面图。
[0049] 图22是表示图21所示的步骤之后的步骤的截面图。
[0050] 图23是表示图22所示的步骤之后的步骤的截面图。
具体实施方式
[0051] [第一实施方式]
[0052] 下面，参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。首先，对本发明第一实施方式的磁阻效应器件1的结构进行说明。图1是表示磁阻效应器件1的主要部分的俯视图。图2是表示磁阻效应器件1的第一截面的截面图。图3是表示磁阻效应器件1的第二截面的截面图。关于第一截面和第二截面，在后文中进行说明。
[0053] 如图2及图3所示，磁阻效应器件1具备磁阻效应元件10、偏置磁场发生部20、非磁性膜30、下部电极41、上部电极42。以下，将磁阻效应元件记作MR元件。下部电极41具有上表面41a和下表面41b。
[0054] 这里，按如下所述定义X方向、Y方向、Z方向。X方向、Y方向、Z方向彼此正交。在本实施方式中，将与下部电极41的上表面41a垂直并从下表面41b向上表面41a去的方向设为Z方向。X方向和Y方向都是相对于下部电极41的上表面41a平行的方向。另外，将与X方向相反的方向设为－X方向，将与Y方向相反的方向设为－Y方向，将与Z方向相反的方向设为－Z方向。Z方向、Y方向、X方向分别对应于本发明的第一方向、第二方向、第三方向。另外，以下，将相对于基准位置而位于Z方向的前方的位置称为“上方”，将相对于基准位置位于“上方”的相反侧的位置称为“下方”。
[0055] 上部电极42配置于下部电极41的上方。MR元件10配置于下部电极41和上部电极42之间。MR元件10具有与下部电极41接触的下表面、与上部电极42接触的上表面、连接下表面与上表面的外周面。
[0056] 非磁性膜30覆盖MR元件10的周围的下部电极41的上表面41a和MR元件10的外周面。偏置磁场发生部20在MR元件10的周围配置于非磁性膜30与上部电极42之间。在本实施方式中，特别是非磁性膜30为绝缘膜。
[0057] MR元件10包括从下部电极41侧起依次层叠的反铁磁性层11、磁化固定层12、间隔层13和自由层14。自由层14具有位于第一方向即Z方向的两端的上表面14a和下表面14b、连接上表面14a和下表面14b的外周面14c。上表面14a与本发明的自由层的第一面相对应，下表面14b与本发明的自由层的第二面相对应。
[0058] 与自由层14同样，反铁磁性层11、磁化固定层12和间隔层13各自也具有上表面、下表面和外周面。MR元件10的外周面由反铁磁性层11、磁化固定层12、间隔层13和自由层14的外周面构成。
[0059] 磁化固定层12具有规定方向的磁化。反铁磁性层11与下部电极41电连接。反铁磁性层11由反铁磁性材料构成，在与磁化固定层12之间产生交换耦合，从而固定磁化固定层12的磁化方向。
[0060] 自由层14具有通过被施加的磁场而方向能够变化的磁化。自由层14与上部电极42电连接。间隔层13配置于磁化固定层12与自由层14之间。
[0061] 此外，MR元件10中的层11～14的配置也可以与图2和图3所示的配置上下相反。另外，MR元件10也可以采用不包括反铁磁性层11的结构。该结构例如也可以采用包括人工反铁磁性构造的磁化固定层来代替反铁磁性层11和磁化固定层12的结构，其中，上述人工反铁磁性构造的磁化固定层包括两个铁磁性层(强磁性层)和配置于该两个铁磁性层之间的非磁性金属层。
[0063] MR元件10是自旋阀型MR元件。另外，MR元件10是使磁信号检测用电流在相对于构成MR元件10的各层的面大致垂直的方向上流通的CPP(Current Perpendicular to Plane：电流垂直于平面)型MR元件。
[0064] MR元件10也可以是TMR(隧道磁阻效应)元件，还可以是GMR(巨磁阻效应)元件。在TMR元件中，间隔层13是隧道势垒层。在GMR元件中，间隔层13是非磁性导电层。在MR元件10中，电阻值随着自由层14的磁化方向相对于磁化固定层12的磁化方向所成的角度而变化，在该角度为0°时，电阻值成为最小值，在角度为180°时，电阻值成为最大值。
[0065] 在图1中，省略了上部电极42，表示了MR元件10和偏置磁场发生部20。图1表示出在从自由层14的上表面14a向下表面14b的方向看时即从上方看时的MR元件10和偏置磁场发生部20的形状以及配置。在从上方看时，MR元件10具有在第二方向即Y方向上长的形状。因此，如图1所示，自由层14的上表面14a及整体也具有在Y方向上长的形状。由此，自由层14具有形状磁各向异性。自由层14的易磁化轴朝向与自由层14的长度方向即Y方向平行的方向。磁化固定层12的磁化方向例如是X方向或－X方向。
[0066] 图1表示从上方看时的MR元件10和自由层14的形状为椭圆形的例子。但是，从上方看时的MR元件10和自由层14的形状不局限于椭圆形，也可以是例如长方形。
[0067] 偏置磁场发生部20是对自由层14施加偏置磁场的部分。偏置磁场发生部20包括产生对自由层14施加的偏置磁场的铁磁性层21。在本实施方式中，特别是铁磁性层21是由硬磁性材料构成的硬磁性层。本实施方式的铁磁性层21的矫顽力优选为250Oe(1Oe为79.6A/m)以上。非磁性膜30将自由层14和铁磁性层21隔开。
[0068] 这里，如图1所示，将穿过自由层14的上表面14a的重心C且与Z方向以及Y方向平行的截面称为第一截面CS1。另外，将穿过重心C且垂直于Y方向的截面称为第二截面CS2。图2表示从图1的右侧看到的第一截面CS1。图3表示从图1的下侧看到的第二截面CS2。
[0069] 铁磁性层21包括一个或两个主要部分、第一侧方部分21S1、第二侧方部分21S2。一个或两个主要部分是为了对自由层14施加偏置磁场所需要的部分。图1表示一个或两个主要部分为两个主要部分21M1、21M2的例子。虽然后面要进行详细说明，但第一和第二侧方部分21S1、21S2是为了抑制在自由层14内形成反转核所需要的部分。
[0070] 如图1及图2所示，在第一截面CS1中，两个主要部分21M1、21M2位于Y方向的自由层14的两侧。主要部分21M1相对于自由层14位于－Y方向的前方。主要部分21M2相对于自由层
14位于Y方向的前方。
14位于Y方向的前方。
[0071] 此外，一个或两个主要部分也可以仅是主要部分21M1、21M2中的一者。在这种情况下，在第一截面CS1中，一个主要部分位于Y方向上的自由层14的一侧。
[0072] 如图1和图3所示，在第二截面CS2中，第一和第二侧方部分21S1、21S2位于X方向上的自由层14的两侧。第一侧方部分21S1相对于自由层14位于－X方向的前方。第二侧方部分21S2相对于自由层14位于X方向的前方。
[0073] 第一和第二侧方部分21S1、21S2各自都具有隔着非磁性膜30与MR元件10的外周面相对的端面。第一和第二侧方部分21S1、21S2各自的端面包括与自由层14的外周面14c相对的部分。
[0074] 如图1所示，在本实施方式中，特别是在从自由层14的上表面14a向下表面14b的方向看时、即在从上方看时，两个主要部分21M1、21M2、第一侧方部分21S1和第二侧方部分21S2连续地包围自由层14的整个外周。在图1中，分别用虚线来表示主要部分21M1与第一侧方部分21S1的边界、主要部分21M1与第二侧方部分21S2的边界、主要部分21M2与第一侧方部分21S1的边界、和主要部分21M2与第二侧方部分21S2的边界。
[0075] 这里，如图3所示，将第二截面CS2中的、自由层14的外周面14c与第一侧方部分21S1之间的最短距离称为第一距离G1，将第二截面CS2中的、自由层14的外周面14c与第二侧方部分21S2之间的最短距离称为第二距离G2。在本实施方式中，第一和第二距离G1、G2为
35nm以下。
35nm以下。
[0076] 在本实施方式中，特别是不局限于第二截面CS2，在与自由层14交叉且与Y方向垂直的任意截面中，自由层14的外周面14c与第一侧方部分21S1之间的最短距离、自由层14的外周面14c与第二侧方部分21S2之间的最短距离为35nm以下。
[0077] 另外，在自由层14的外周面14c与第一侧方部分21S1的端面相对的区域的整个区域中，自由层14的外周面14c与第一侧方部分21S1之间的间隔优选为35nm以下。同样，在自由层14的外周面14c与第二侧方部分21S2的端面相对的区域的整个区域中，自由层14的外周面14c与第二侧方部分21S2之间的间隔优选为35nm以下。
[0078] 在图1中，标注符号Mb的四个箭头分别表示两个主要部分21M1、21M2、第一侧方部分21S1和第二侧方部分21S2的磁化方向之一例。在该例中，这四个部分21M1、21M2、21S1、21S2的磁化方向Mb均为Y方向。另外，在图1中，标注符号Hb的箭头表示要对自由层14施加的偏置磁场的方向。在该例中，偏置磁场的方向Hb也是Y方向。在这种情况下，不对自由层14施加偏置磁场以外的磁场的状态下的自由层14的磁化方向也是Y方向。
[0079] 本实施方式的磁阻效应器件1用于例如磁传感器。这里，参照图4对使用本实施方式的磁阻效应器件1的磁传感器之一例进行说明。图4是表示磁传感器之一例的结构的电路图。
[0080] 图4所示的磁传感器50是生成根据X方向或－X方向的检测对象磁场的强度而变化的检测信号的磁传感器。磁传感器50具有惠斯通电桥电路51、差分检测器52。惠斯通电桥电路51包括施加规定电压的电源端口V、与地线连接的接地端口G、第一输出端口E1、第二输出端口E2。
[0081] 惠斯通电桥电路51还包括第一电阻部R1、第二电阻部R2、第三电阻部R3、第四电阻部R4。第一电阻部R1设置于电源端口V和第一输出端口E1之间。第二电阻部R2设置于第一输出端口E1和接地端口G之间。第三电阻部R3设置于电源端口V和第二输出端口E2之间。第四电阻部R4设置于第二输出端口E2和接地端口G之间。
[0082] 电阻部R1、R2、R3、R4各自包括本实施方式的磁阻效应器件1。在图4中，涂黑的箭头表示磁化固定层12的磁化方向，空白箭头表示自由层14的磁化方向。电阻部R1、R4的磁化固定层12的磁化方向为X方向。电阻部R2、R3的磁化固定层12的磁化方向为－X方向。
[0083] 电阻部R1、R2、R3、R4各自的自由层14的磁化方向根据检测对象磁场的强度而变化。在图4中，在从X方向逆时针方向看时，自由层14的磁化方向相对于X方向所成的角度在大于0°小于180°的范围内变化。输出端口E1的电位、输出端口E2的电位和输出端口E1、E2的电位差根据自由层14的磁化方向而变化。差分检测器52将与输出端口E1、E2的电位差相应的信号作为磁传感器50的检测信号输出。检测信号根据检测对象磁场的强度而变化。
[0084] 下面，对本实施方式的磁阻效应器件1的作用及效果进行说明。首先，对比较例的磁阻效应器件的问题点进行说明。图5是表示比较例的磁阻效应器件101的主要部分的俯视图。比较例的磁阻效应器件101包括MR元件110、偏置磁场发生部120、非磁性膜130、未图示的下部电极和上部电极。
[0085] MR元件110与本实施方式的MR元件10同样，包括从下部电极侧起依次层叠的反铁磁性层、磁化固定层、间隔层和自由层114。MR元件110的形状与本实施方式的MR元件10相同。
[0086] 偏置磁场发生部120是对自由层114施加偏置磁场的部分。偏置磁场发生部120包括产生要对自由层114施加的偏置磁场的铁磁性层121。铁磁性层121包括第一部分121A和第二部分121B。第一部分121A相对于自由层114配置于－Y方向的前方。第二部分121B相对于自由层114配置于Y方向的前方。铁磁性层121不包括与本实施方式的铁磁性层21的第一和第二侧方部分21S1、21S2对应的部分。
[0087] 非磁性膜130覆盖MR元件110的外周面，将自由层114和铁磁性层121隔开。
[0088] 在图5中，标注符号Mb的两个箭头表示第一和第二部分121A、121B的磁化方向。第一和第二部分121A、121B的磁化方向是Y方向。要对自由层114施加的偏置磁场的方向也是Y方向。
[0089] 接着，参照图6对比较例的磁阻效应器件101的问题点进行说明。通常，在实际制造的MR元件中，在自由层的外周面存在微小的凹凸。而且，有时会因该凹凸而在自由层内形成反转核。图6表示比较例的在自由层114内形成反转核的情形。图6表示在自由层114的外周面114c存在的一个凸部114d。在图6中，标注符号Mf的箭头表示自由层114的磁化方向。如图6所示，在自由层114的凸部114d的附近，因凸部114d而产生反磁场(退磁场)，其结果是，产生具有与自由层114的磁化方向Mf不同的方向例如与方向Mf相反方向的磁化的微小区域。
该微小区域成为反转核。在图6中，符号“+”和符号“－”分别表示在凸部114d附近产生的N极和S极。另外，在凸部114d附近描绘的两个箭头表示反磁场。
该微小区域成为反转核。在图6中，符号“+”和符号“－”分别表示在凸部114d附近产生的N极和S极。另外，在凸部114d附近描绘的两个箭头表示反磁场。
[0090] 在比较例的磁阻效应器件101中，当对形成有反转核的自由层114施加干扰磁场时，就会以反转核为起点，自由层114内的磁化反转区域扩大，有时会发生自由层114的局部的或整体的磁化反转。像这样发生了自由层114的磁化反转时，与发生自由层114的磁化反转之前相比，磁阻效应器件101的特性就会发生变化。这成为例如使用磁阻效应器件101的磁传感器的特性变动的原因。所谓磁传感器的特性变动是指例如灵敏度、线性度、迟滞特性等变差。
[0091] 接着，参照图7对本实施方式的磁阻效应器件1的效果进行说明。图7表示从上方看到的自由层14、第一侧方部分21S1和非磁性膜30各自的一部分。图7表示在自由层14的外周面14c存在的一个凸部14d。在图7中，标注符号Mf的箭头表示自由层14的磁化方向，标注符号Mb的箭头表示第一侧方部分21S1的磁化方向。
[0092] 在本实施方式中，自由层14与第一和第二侧方部分21S1、21S2进行静磁耦合。在图7中，在凸部14d内描绘的箭头表示通过第一侧方部分21S1而产生于凸部14d内的磁场。如图
7所示，在本实施方式中，能够抑制在凸部14d附近产生起因于凸部14d的反磁场。
7所示，在本实施方式中，能够抑制在凸部14d附近产生起因于凸部14d的反磁场。
[0093] 在本实施方式中，通过自由层14与第一侧方部分21S1进行静磁耦合，来抑制因为在面向第一侧方部分21S1的自由层14的外周面14c的局部存在的微小凹凸而在自由层14内形成反转核。同样，在本实施方式中，通过自由层14与第二侧方部分21S2进行静磁耦合，能够抑制因为在面向第二侧方部分21S2的自由层14的外周面14c的局部存在的微小凹凸而在自由层14内形成反转核。由此，根据本实施方式，能够抑制自由层14的磁化反转。
[0094] 为了使自由层14与第一和第二侧方部分21S1、21S2进行静磁耦合，需要使自由层14的外周面14c与第一侧方部分21S1的间隔、自由层14的外周面14c与第二侧方部分21S2的间隔某种程度上减小。在本实施方式中，第一和第二距离G1、G2为35nm以下这样的条件是为了使自由层14与第一和第二侧方部分21S1、21S2进行静磁耦合所需要的必要条件。
[0095] 接着，参照模拟结果对本实施方式的第一和第二距离G1、G2的规定进行说明。图8是表示模拟的模型的说明图。该模型包括自由层14、铁磁性层21、两者之间的非磁性膜30。在相互相对的自由层14的外周面14c的一部分和铁磁性层21的端面的一部分的各自存在恒定周期λ以及恒定振幅h的多个凹凸。相互相对的自由层14的外周面14c的一部分和铁磁性层21的端面的一部分之间的间隔G为恒定。在图8中，符号“+”表示N极，符号“－”表示S极。
[0097] 在模拟中，研究周期λ、振幅h以及间隔G与层间耦合能量之间的关系。图9表示模拟结果。在图9中，横轴表示间隔G，纵轴表示以任意单位(a.u.)表示的层间耦合能量。在图9中，标注符号71的线表示周期λ为100nm、振幅h为15nm时的间隔G与层间耦合能量之间的关系。标注符号72的线表示周期λ为100nm、振幅h为35nm时的间隔G与层间耦合能量之间的关系。标注符号73的线表示周期λ为14nm、振幅h为5nm时的间隔G与层间耦合能量之间的关系。标注符号74的线表示周期λ为14nm、振幅h为8nm时的间隔G与层间耦合能量之间的关系。标注符号75的线表示周期λ为14nm、振幅h为18nm时的间隔G与层间耦合能量之间的关系。
[0098] 如图9所示，间隔G越大，层间耦合能量越小。当间隔G大于35nm时，在对应于符号71～75的五个案例中，即使是层间耦合能量最大的对应于符号72的案例，层间耦合能量也变得非常小。因此，在本实施方式中，将第一和第二距离G1、G2形成为35nm以下。第一和第二距离G1、G2优选为20nm以下。
[0099] 另一方面，第一和第二距离G1、G2与非磁性膜30的厚度大致相等。为了形成无缺陷的非磁性膜30，优选第一和第二距离G1、G2为1nm以上。因此，在磁阻效应器件1具有非磁性膜30的情况下，优选第一和第二距离G1、G2在1～20nm的范围内。
[0100] 接着，参照图10至图12对本实施方式的磁阻效应器件1的制造方法进行说明。图10至图12分别表示磁阻效应器件1的制造过程中的层叠体的截面、即对应于上述第二截面的截面。
[0101] 在本实施方式的磁阻效应器件1的制造方法中，首先，如图10所示，在未图示的基板上形成下部电极41。接着，在下部电极41上形成在之后的步骤中成为MR元件10的构造体80。具体地说，在下部电极41上，例如通过溅射法依次形成成为反铁磁性层11的反铁磁性膜
11P、成为磁化固定层12的磁性膜12P、成为间隔层13的非磁性膜13P、成为自由层14的磁性膜14P。接着，在构造体80上形成用于将构造体80图案化的掩模81。关于掩模81，为了在后面的步骤中能够容易去除，如图10所示，优选为具有下部被切去部分(undercut)的形状。
11P、成为磁化固定层12的磁性膜12P、成为间隔层13的非磁性膜13P、成为自由层14的磁性膜14P。接着，在构造体80上形成用于将构造体80图案化的掩模81。关于掩模81，为了在后面的步骤中能够容易去除，如图10所示，优选为具有下部被切去部分(undercut)的形状。
[0102] 图11表示下一个步骤。在该步骤中，使用掩模81作为蚀刻掩模，通过例如离子蚀刻去除构造体80的一部分，以使得构造体80变成MR元件10并且在构造体80中形成收纳部82。
[0103] 图12表示下一个步骤。在该步骤中，首先，在保留掩模81状态不变的情况下，通过例如溅射法在图11所示的层叠体的整个上表面上，依次形成非磁性膜30、构成偏置磁场发生部20的铁磁性层21。偏置磁场发生部20(铁磁性层21)形成于图11所示的收纳部82中。接着，去除掩模81。接着，在MR元件10、偏置磁场发生部20(铁磁性层21)和非磁性膜30上形成上部电极42。由此，磁阻效应器件1完成。
[0104] 根据本实施方式的磁阻效应器件1的制造方法，能够自匹配地形成MR元件10和偏置磁场发生部20。由此，根据本实施方式，能够使MR元件10和偏置磁场发生部20高精度地对准。另外，根据本实施方式，能够将自由层14的外周面14c与第一侧方部分21S1之间的间隔、和自由层14的外周面14c与第二侧方部分21S2之间的间隔精度良好地控制为所期望的较小值。
[0105] 接着，对本实施方式的磁阻效应器件1的第一和第二变形例进行说明。
[0106] 图13是表示第一变形例的磁阻效应器件1的主要部分的俯视图。在第一变形例中，两个主要部分21M1、21M2、第一侧方部分21S1以及第二侧方部分21S2的磁化方向Mb是与相对于第二方向即Y方向成锐角的方向相同的方向。在第一变形例中，偏置磁场的方向相对于第二方向即Y方向成锐角。在图13中，标注符号Hb的三个箭头分别表示描绘有三个箭头的自由层14内的三个部位的偏置磁场的方向。在图13所示的例子中，这三个部位的偏置磁场的方向均比主要部分21M1、21M2和侧方部分21S1、21S2的磁化方向Mb稍向X方向倾斜。如图13所示，偏置磁场的方向也可以因自由层14内的位置而稍有不同。在第一变形例中，没有对自由层14施加偏置磁场以外的磁场的状态下的自由层14的磁化方向由基于自由层14的形状磁各向异性的各向异性磁场和偏置磁场决定，相对于Y方向成锐角。
[0107] 根据第一变形例，通过偏置磁场的方向Hb，能够控制没有对自由层14施加偏置磁场以外的磁场的状态下的自由层14的磁化方向。由此，能够调节MR元件10的工作区域。
[0108] 图14是表示第二变形例的磁阻效应器件1的主要部分的俯视图。在第二变形例中，从上方看时的MR元件10和自由层14的形状为在Y方向上较长的长方形。另外，第二变形例的偏置磁场发生部20的铁磁性层21包括彼此隔开的两个主要部分21M1、21M2、第一侧方部分21S1和第二侧方部分21S2。
[0109] 在第一截面CS1中，两个主要部分21M1、21M2位于Y方向的自由层14的两侧。主要部分21M1相对于自由层14位于－Y方向的前方。主要部分21M2相对于自由层14位于Y方向的前方。
[0110] 在第二截面CS2中，第一和第二侧方部分21S1、21S2位于X方向的自由层14的两侧。第一侧方部分21S1相对于自由层14位于－X方向的前方。第二侧方部分21S2相对于自由层
14位于X方向的前方。非磁性膜30将自由层14与铁磁性层21隔开。
14位于X方向的前方。非磁性膜30将自由层14与铁磁性层21隔开。
[0111] 图14表示一个或两个主要部分为两个主要部分21M1、21M2的例子。但是，一个或两个主要部分也可以仅是主要部分21M1、21M2中的一者。
[0112] 在第二变形例中，两个主要部分21M1、21M2、第一侧方部分21S1以及第二侧方部分21S2的磁化方向Mb和偏置磁场的方向Hb也可以是Y方向，还可以如第一变形例那样与相对于Y方向成锐角的方向为相同方向。
[0113] 即使在如第二变形例那样一个或两个主要部分、第一侧方部分21S1、第二侧方部分21S2彼此隔开的情况下，也能够获得与它们彼此相连的情况同样的效果。
[0114] [第二实施方式]
[0115] 接着，参照图15对本发明的第二实施方式进行说明。图15是本实施方式的磁阻效应器件201的截面图。此外，图15表示与第一实施方式的磁阻效应器件1的第二截面(参照图3)相对应的截面。
[0116] 本实施方式的磁阻效应器件201的结构在以下方面与第一实施方式的磁阻效应器件1不同。即：在本实施方式的磁阻效应器件201中，偏置磁场发生部20的铁磁性层21是由软磁性材料构成的软磁性层。本实施方式的铁磁性层21的矫顽力优选为20Oe以下。
[0117] 另外，在本实施方式中，偏置磁场发生部20还包括与铁磁性层21进行交换耦合的反铁磁性层22。反铁磁性层22配置于铁磁性层21与非磁性膜30之间。
[0118] 如第一实施方式所述，铁磁性层21包括一个或两个主要部分、第一侧方部分21S1、第二侧方部分21S2。反铁磁性层22由反铁磁性材料构成，在与铁磁性层21之间产生交换耦合，从而将一个或两个主要部分、第一侧方部分21S1以及第二侧方部分21S2的磁化方向固定。
[0119] 本实施方式的其他结构、作用和效果与第一实施方式同样。
[0120] [第三实施方式]
[0121] 接着，对本发明的第三实施方式进行说明。首先，参照图16对本实施方式的磁阻效应器件301的结构进行说明。图16是本实施方式的磁阻效应器件301的截面图。此外，图16表示与第一实施方式的磁阻效应器件1的第一截面(参照图2)对应的截面。
[0122] 本实施方式的磁阻效应器件301的结构在以下方面与第一实施方式的磁阻效应器件1不同。即：本实施方式的磁阻效应器件301包括MR元件310、非磁性膜330、第一电极341和第二电极342来代替第一实施方式的MR元件10、非磁性膜30、下部电极41和上部电极42。磁阻效应器件301还具有绝缘层340。
[0123] MR元件310配置在绝缘层340上。MR元件310具有与绝缘层340接触的下表面、上表面、连接下表面与上表面的外周面。
[0124] 非磁性膜330覆盖MR元件310的周围的绝缘层340的上表面和MR元件310的外周面。偏置磁场发生部20在MR元件310的周围配置于非磁性膜330上。在本实施方式中，特别是非磁性膜330为非磁性金属膜。
[0125] 第一电极341从偏置磁场发生部20的主要部分21M1的上表面起形成至主要部分21M1附近的非磁性膜330和MR元件310的上表面的一部分。第二电极342从偏置磁场发生部
20的主要部分21M2的上表面起形成至主要部分21M2附近的非磁性膜330和MR元件310的上表面的一部分。
20的主要部分21M2的上表面起形成至主要部分21M2附近的非磁性膜330和MR元件310的上表面的一部分。
[0126] MR元件310包括从绝缘层340侧起依次层叠的反铁磁性层311、磁化固定层312、间隔层313和自由层314。自由层314具有位于第一方向即Z方向的两端的上表面314a和下表面314b、以及连接上表面314a与下表面314b的外周面314c。上表面314a与本发明的自由层的第一面对应，下表面314b与本发明的自由层的第二面对应。
[0127] 与自由层314同样，反铁磁性层311、磁化固定层312和间隔层313各自也具有上表面、下表面和外周面。MR元件310的外周面由反铁磁性层311、磁化固定层312、间隔层313和自由层314的外周面构成。反铁磁性层311、磁化固定层312、间隔层313和自由层314的功能与第一实施方式的反铁磁性层11、磁化固定层12、间隔层13和自由层14的功能相同。
[0128] 第一电极341和第二电极342是用于对MR元件310通电磁信号检测用电流的电极。
[0129] MR元件310是使磁信号检测用电流在与构成MR元件310的各层的面大致平行的方向上流通的CIP(Current In Plane)型GMR元件。间隔层313是非磁性导电层。
[0130] 本实施方式的偏置磁场发生部20用于对自由层314施加偏置磁场。图16表示偏置磁场发生部20与第一实施方式同样地包括由硬磁性材料构成的硬磁性层即铁磁性层21的例子。
[0131] 接着，参照图16至图19对本实施方式的磁阻效应器件301的制造方法进行说明。图17至图19分别表示磁阻效应器件301的制造过程中的层叠体的截面、即与图16所示的截面对应的截面。
[0132] 在本实施方式的磁阻效应器件301的制造方法中，首先，如图17所示，在未图示的基板上形成绝缘层340。接着，在绝缘层340上形成在后面的步骤中成为MR元件310的构造体380。具体地说，在绝缘层340上，通过例如溅射法依次形成成为反铁磁性层311的反铁磁性膜311P、成为磁化固定层312的磁性膜312P、成为间隔层313的非磁性膜313P、成为自由层
314的磁性膜314P。接着，在构造体380上形成用于将构造体380图案化的掩模381。如图17所示，关于掩模381，为了使其在后面的步骤中能够容易去除，优选具有下部被切去部分(undercut)的形状。
314的磁性膜314P。接着，在构造体380上形成用于将构造体380图案化的掩模381。如图17所示，关于掩模381，为了使其在后面的步骤中能够容易去除，优选具有下部被切去部分(undercut)的形状。
[0133] 图18表示下一个步骤。在该步骤中，使用掩模381作为蚀刻掩模，利用例如离子蚀刻去除构造体380的一部分，以使得构造体380成为MR元件310并且在构造体380中形成收纳部382。
[0134] 图19表示下一个步骤。在该步骤中，首先，在保留掩模381状态不变的情况下，通过例如溅射法，在图18所示的层叠体的整个上表面上，依次形成非磁性膜330、构成偏置磁场发生部20的铁磁性层21。偏置磁场发生部20(铁磁性层21)能够形成于图18所示的收纳部382。接着，去除掩模381。接着，如图16所示，在MR元件310、偏置磁场发生部20(铁磁性层21)和非磁性膜330上形成第一和第二电极341、342。由此，磁阻效应器件301完成。
[0135] 此外，本实施方式的偏置磁场发生部20与第二实施方式同样，也可以是反铁磁性层22和铁磁性层21的层叠体。
[0136] 本实施方式的其他结构、作用和效果与第一或第二实施方式相同。
[0137] [第四实施方式]
[0138] 接着，对本发明的第四实施方式进行说明。首先，参照图20对本实施方式的磁阻效应器件401的结构进行说明。图20是本实施方式的磁阻效应器件401的截面图。此外，图20表示与第一实施方式的磁阻效应器件1的第一截面(参照图2)对应的截面。
[0139] 本实施方式的磁阻效应器件401的结构在以下方面与第三实施方式的磁阻效应器件301不同。即：本实施方式的磁阻效应器件401具有MR元件410、第一电极441、第二电极442和绝缘层440来代替第三实施方式的MR元件310、第一电极341、第二电极342和绝缘层340。在本实施方式中，没有设置第三实施方式的非磁性膜330。
[0140] MR元件410、第一电极441、第二电极442和绝缘层440的配置与第三实施方式的MR元件310、第一电极341、第二电极342和绝缘层340的配置相同。在本实施方式中，偏置磁场发生部20在MR元件410的周围配置于绝缘层440上。
[0141] MR元件410包括从绝缘层440侧起依次层叠的反铁磁性层411、磁化固定层412、间隔层413和自由层414。自由层414具有位于第一方向即Z方向的两端的上表面414a和下表面414b、以及连接上表面414a与下表面414b的外周面414c。上表面414a与本发明的自由层的第一面对应，下表面414b与本发明的自由层的第二面对应。
[0142] 与自由层414同样，反铁磁性层411、磁化固定层412和间隔层413各自也具有上表面、下表面和外周面。MR元件410的外周面由反铁磁性层411、磁化固定层412、间隔层413和自由层414的外周面构成。反铁磁性层411、磁化固定层412、间隔层413和自由层414的功能与第一实施方式的反铁磁性层11、磁化固定层12、间隔层13和自由层14的功能相同。
[0143] 第一电极441和第二电极442是用于对MR元件410通电磁信号检测用电流的电极。
[0144] MR元件410是CIP型的GMR元件。间隔层413为非磁性导电层。
[0145] 本实施方式的偏置磁场发生部20用于对自由层414施加偏置磁场。在本实施方式中，偏置磁场发生部20包括依次层叠于绝缘层440上的基底膜430和铁磁性层21。铁磁性层21与第一实施方式同样，是由硬磁性材料构成的硬磁性层。基底膜430由非磁性金属材料构成。
[0146] 接着，参照图20至图23对本实施方式的磁阻效应器件401的制造方法进行说明。图21至图23分别表示磁阻效应器件401的制造过程中的层叠体的截面、即与图20所示的截面对应的截面。
[0147] 在本实施方式的磁阻效应器件401的制造方法中，首先，如图21所示，在未图示的基板上形成绝缘层440。接着，在绝缘层440上形成在后面的步骤中成为偏置磁场发生部20的构造体480。具体地说，在绝缘层440上依次形成成为基底膜430的非磁性金属膜430P和成为铁磁性层21的磁性层21P。接着，在构造体480上形成用于将构造体480图案化的掩模481。关于掩模481，为了在后面的步骤中能够容易去除，如图21所示，优选为具有下部被切去部分(undercut)的形状。
[0148] 图22表示下一个步骤。在该步骤中，使用掩模481作为蚀刻掩模，通过例如离子蚀刻去除构造体480的一部分，以使得构造体480成为偏置磁场发生部20并且在构造体480中形成收纳部482。
[0149] 图23表示下一个步骤。在该步骤中，在图22所示的收纳部482中形成MR元件410。具体地说，首先，在保留掩模481的状态不变的情况下，通过例如溅射法在图22所示的层叠体的整个上表面上，依次形成反铁磁性层411、磁化固定层412、间隔层413和自由层414。接着去除掩模481。接着，如图20所示，在MR元件410和偏置磁场发生部20(铁磁性层21)上形成第一和第二电极441、442。由此，磁阻效应器件401完成。
[0150] 此外，本实施方式的偏置磁场发生部20与第二实施方式同样，也可以是反铁磁性层22和铁磁性层21的层叠体。在本实施方式中，层叠体配置在基底膜430上。
[0151] 本实施方式的其他结构、作用和效果与第二或第三实施方式相同。
[0152] 此外，本发明不限定于上述各实施方式，能够实施各种变更。例如，本发明的磁阻效应元件不局限于各实施方式所示的结构，只要包括具有因施加的磁场而方向能够变化的磁化的自由层即可。
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