JP3590291B2

JP3590291B2 - Magnetoresistive element

Info

Publication number: JP3590291B2
Application number: JP05619099A
Authority: JP
Inventors: 克己遠藤; 浩二川口
Original assignee: 旭化成電子株式会社
Priority date: 1999-03-03
Filing date: 1999-03-03
Publication date: 2004-11-17
Anticipated expiration: 2019-03-03
Also published as: JP2000252549A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は回転検出および位置検出に使用される強磁性薄膜の磁気抵抗効果を利用した磁気抵抗素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近、磁気抵抗効果を有する強磁性体の薄膜を用いて、非接触で精密な位置検出が可能な磁気センサーの開発が急速に進展している。この磁気センサーは、数十Ｏｅ程度の低磁界における出力電圧値が大きいことが特徴であり、使用される強磁性体の薄膜の材料としてはパーマロイやＮｉＣｏが主流である。ここで、パーマロイとはＮｉを主成分としたＮｉＦｅ合金であり、場合によっては３０〜８０重量％のＮｉを含むＮｉＦｅ合金のみを指す場合もある。従来、大きな出力電圧を得るためには、パーマロイより高い磁気抵抗変化率を有するＮｉＣｏのような磁性薄膜材料が主として用いられてきた。このような材料の組成としては、たとえばＮｉ８０重量％、Ｃｏ２０重量％の合金を挙げることができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、大きな出力電圧値を得られる材料を用いた場合には、位置検出の時などに障害となるヒステリシスも大きくなる欠点を伴うようになる。これに対して、ＮｉＦｅは磁気抵抗変化率はＮｉＣｏほど大きくないが、ヒステリシスが小さいことが特徴であり、出力電圧値を大きくとれるようになれば位置検出に最適な材料として考えられてきた。磁気抵抗素子の感度を向上させる観点に立てば、低磁界での出力電圧値が大きいこと、およびヒステリシスが小さいことが重要である。現状において、この問題に対して、特公平４−６２４７６号公報に記載されているように、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏの３元系の材料を用いること、あるいは特開平５−２９１６４６号公報に記載されているような素子に特別なバイアス磁石を設けることなどが検討されている。
【０００４】
しかしながら、上記の文献に記載されているような方法は、２元系（ＮｉＦｅまたはＮｉＣｏ等）を用いた場合に比べて、高コストになるか、あるいは量産性に問題点が生じる。
【０００５】
磁気抵抗素子を磁気センサーとして使用する場合において、その素子にヒステリシス値が存在すると、変化する磁界が反復して印加される位置検出などの用途で、このヒステリシス値が誤差の原因となる。たとえば、磁石の接近を感知する近接センサーにおいては、一定の磁界を有する磁石を用いて、出力電圧値がある一定のしきい値を越えた場合にＯＮ状態になり、それ以外をＯＦＦ状態になるように動作する。この際にヒステリシス値が存在すれば、実際の接近より早くおよび／または遅くＯＮ状態にスイッチングされることになる。この傾向は、特に精密な制御を必要するセンサーにおいて、重要な問題である。すなわち、磁気抵抗素子は、外部磁界が０であるときに、磁界の履歴にかかわらず出力電圧値が一定値になることが望ましく、もしそうでなければ誤差の大きな素子となる。
【０００６】
本発明は、ＮｉおよびＦｅの２元系の材料を用いて、低磁界での大きな出力電圧値、およびより小さなヒステリシスを有する磁気抵抗素子、および該素子の製造法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、前記課題を解決するために、特にＮｉ８４〜８６重量％およびＦｅ１４〜１６重量％の組成を有する強磁性薄膜の形成時の基板温度を３５０℃より高く設定することにより、低磁界での大きな出力電圧値、およびより小さなヒステリシスを有する磁気抵抗素子の供給を可能にし、本発明に至った。
【０００８】
本発明の第１の実施の態様は、強磁性体の薄膜を用いた４つの抵抗エレメントを絶縁基板上に形成した磁気抵抗素子において、前記４つの抵抗エレメントは、前記絶縁基板上に、基板ヒーターを取りつけた電子ビーム（ＥＢ）真空蒸着法を使用して、３５０℃以上４５０℃以下の基板温度においてＮｉＦｅ合金である強磁性体の薄膜を形成し、続いてエッチングにより作製されており、該磁気抵抗素子は、印加磁界３０Ｏｅ（エルステッド）において駆動電圧を５Ｖとしたときに出力電圧値が３０ｍＶ以上得られ、かつ初め無磁界状態から１つのエレメントに直交する方向に１５０Ｏｅ以上の磁界を印加した後に無磁界にした時に第１の出力電圧値を示し、さらに前記磁界に直交する方向に１５０Ｏｅ以上の磁界を印加した後に再び無磁界にした時に第２の出力電圧値を示し、前記第１の出力電圧値と前記第２の出力電圧値の差の絶対値（ヒステリシス値）が３ｍＶ以下となる特性を有することを特徴とする磁気抵抗素子である。
【００１０】
本発明の第２の実施の態様は、前記基板温度を３５０℃以上４００℃以下にして得られたことを特徴とする第１の実施の態様に記載の磁気抵抗素子である。
【００１１】
本発明の第３の実施の態様は、前記強磁性体の薄膜がＮｉ８４〜８６重量％およびＦｅ１４〜１６重量％の組成を有することを特徴とする第１または第２の実施の態様のいずれかに記載の磁気抵抗素子である。
【００１２】
本発明の第４の実施の態様は、前記強磁性体の薄膜が（１１１）面配向を有するＮｉＦｅ合金である第１〜３の実施の態様のいずれかに記載の磁気抵抗素子である。
【００１３】
本発明の第５の実施の態様は、磁気抵抗素子の製造法において、電子ビーム真空蒸着法を用い、基板温度を３５０℃より高く４５０℃以下に加熱しながら該基板上に強磁性体の薄膜を形成する工程、および前記強磁性体の薄膜をパターニングする工程を備えた磁気抵抗素子の製造法である。
【００１４】
本発明の第６の実施の態様は、前記基板温度を３５０℃より高く４００℃以下にすることを特徴とする第５の実施の態様に記載の磁気抵抗素子の製造法である。
【００１５】
本発明の第７の実施の態様は、前記強磁性体の薄膜が、Ｎｉ８４〜８６重量％およびＦｅ１４〜１６重量％の組成を有することを特徴とする第５または第６の実施の態様に記載の磁気抵抗素子の製造法である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の磁気抵抗素子は、強磁性体の磁気抵抗効果を利用するものである。本発明における磁気抵抗効果とはいわゆる異方性磁気抵抗効果であり、電流の流れる強磁性体に磁界が印加されたときに、その抵抗値が変化する性質を意味する。ＮｉＦｅのような多くの強磁性体において、その抵抗値は磁界の印加により低下する。この効果は、一般的に電流と磁界の方向が平行の時に抵抗値の変化がほとんど無い。一方、電流と磁界の方向が直交したときには、抵抗値の変化が最大となる、すなわち抵抗値が最小になる。その抵抗値の最大の変化量は、材料の磁気抵抗変化率に依存し、ある磁界強度まで（すなわち、材料中の全ての磁化の方向がそろうまで）は印加する磁界の強度に依存して変化する。その磁界強度がある範囲を越えて大きくなった場合には、強磁性体内の磁化が飽和し、抵抗値変化はなくなる。先にも述べたように、この抵抗率の変化は印加する磁界の方向に依存する。
【００１７】
本発明の４端子の磁気抵抗素子の概略の上面図を図１に示す。図１中の１および３は出力端子であり、２および４は入力端子であり、および５〜８は強磁性体で作製された抵抗エレメントである。５と７は、構成する強磁性体導線の大部分の方向が一致しており、その方向は６および８のものと直交する方向である。この磁気抵抗素子の等価回路を図２に示す。Ｒ_Ａ、Ｒ_Ｂ、Ｒ_ＣおよびＲ_Ｄは、それぞれ抵抗エレメント５，６、７および８に相当する抵抗である。
【００１８】
図３に、図１のＡ−Ａ’線で切断した本発明の磁気抵抗素子の断面図を示す。図３中、１１は基板、１２は絶縁膜、１３は強磁性体の薄膜、すなわち抵抗エレメントであり、１４は電極、１５は第１保護膜、１６は第２保護膜を示す。
【００１９】
基板１１は、当該技術において知られている半導体および絶縁体の基板を用いることができる。ここで絶縁体の基板を用いる場合には絶縁膜１２は不要である。ここで、好ましい半導体はＳｉを含む。好ましい絶縁体の基板は、ガラス、セラミック、ガラスグレーズセラミック、サファイアおよび石英ガラスを含む。最も好ましい基板はＳｉである。
【００２０】
電極１４は、図１中の１〜４に相当する。これは低抵抗であることが好ましく、したがって膜厚はできる限り厚くすることが好ましい。また、使用する材料も低抵抗率であり、かつ腐食されにくい金属材料が好ましい。そのような金属材料は、たとえば、Ｃｕ、Ａｕ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｒおよびこれらの合金を含む。電極は前記金属の多層構造であってもよい。
【００２１】
強磁性体の薄膜（抵抗エレメント）１３は、図１中の５〜８に相当する。この抵抗エレメントは、高感度、高出力、低消費電力を実現するために、高抵抗であることが好ましい。したがってその膜厚を薄くすることが望ましく、２００ｎｍ以下であることが好ましく、１００ｎｍ以下であることがより好ましく、２５ｎｍ〜１００ｎｍの範囲内にあることが最も好ましい。さらには、高抵抗を実現するために抵抗エレメントの幅は、できる限り小さくすることが望ましい。その材質は、磁気抵抗変化率が大きい磁性材料であること、および後述するヒステリシスが小さいことから、ＮｉＦｅ合金である。好ましくはＮｉ８０〜９０重量％およびＦｅ１０〜２０重量％の合金であり、より好ましくはＮｉ８４〜８６重量％およびＦｅ１４〜１６重量％の合金である。
【００２２】
絶縁膜１２は、本発明の素子に絶縁性を与えるものであり、その材質は当該技術で知られているものを用いることができる。好ましくは、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＳｉＯ_２，ＳｉＮ、リンケイ酸ガラスおよびそれらの多層膜を用いることができる。基板としてＳｉを用いた場合には、その熱酸化により形成されるＳｉＯ_２膜を用いることができる。その膜厚は、絶縁性を付与するために必要な厚さで用いられる。
【００２３】
第１保護膜１５は、本発明の素子の感磁部（抵抗エレメント）の汚染および腐食を防止する機能を有し、その材質は当該技術で知られているものを用いることができる。好ましくは、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＳｉＯ_２、ＳｉＯ，ＳｉＮ、リンケイ酸ガラスおよびそれらの多層膜を用いることができる。その膜厚は、感磁部を保護するために必要な厚さで用いられる。
【００２４】
第２保護膜１６は、本発明の素子の感磁部および電極部の汚染および腐食を防止する機能に加え、電極部との密着を良好にする機能を有する。その材質は、当該技術において知られている無機質の絶縁膜であり、たとえば、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＳｉＯ_２、ＳｉＯ，ＳｉＮ、リンケイ酸ガラスおよびそれらの多層膜を用いることができる。
【００２５】
本発明の素子は、当該技術においてよく知られている方法でリードフレームを用いて外部接続することができ、たとえば、ハンダによりボンディングされてもよく、あるいはワイヤボンディングされてもよい。さらに、本発明の素子は、必要に応じて、樹脂によりモールドされてもよい。このモールドに用いられる樹脂は、一般に耐熱性および耐湿性に優れたものが用いられ、たとえばエポキシ樹脂を用いることができる。また、素子全体がモールドされてもよいし、あるいは素子の一部のみがリード線の補強等でモールドされてもよい。この樹脂モールドを、当該技術においてよく知られている方法を用いて施すことができる。
【００２６】
４つの抵抗エレメント５〜８は無磁界の状態において、それぞれ等しい抵抗値を有するように製作することが好ましい。図２に示した等価回路により自明であるが、この磁気抵抗素子はブリッジを組んでおり、入力端子２および４に駆動電圧が印加されたときに、無磁界および図１に示したθ＝０゜の方向に磁界が印加されている場合は、各抵抗エレメントの抵抗値が等しいために、出力端子１と３との間の電位差は０である。次に、たとえば、図１に示したθ＝４５゜の方向に磁界が印加された場合には、抵抗エレメント５および７の抵抗値Ｒ_ＡおよびＲ_Ｃは無磁界の場合とほとんど変化がない。一方、抵抗エレメント６および８の抵抗値Ｒ_ＢおよびＲ_Ｄが磁気抵抗効果により、最小の抵抗値を有する。その結果、ブリッジが非平衡になり、したがって出力端子１と３との間に電位差、すなわち出力電圧が発生する。
【００２７】
磁界の強度が一定である条件においては、このθ＝４５゜の方向に磁界が印加されたときに、最大の出力電圧が発生する。θ＝−４５゜の方向に磁界が印加されたときにも、θ＝４５゜の場合と比較して正負が逆転するが、絶対値として最大の出力電圧値を示す。また、磁界の印加方向が変化したとき（−１８０゜〜１８０゜の範囲）に、この素子の出力電圧は変化する。
【００２８】
出力電圧の大きさは、抵抗エレメント内の磁化が飽和されない範囲内で、印加磁界の磁界強度にほぼ比例して変化する。
【００２９】
また、出力電圧の大きさは、抵抗エレメントの抵抗値の変化量のみならず、駆動電圧にも影響される。駆動電圧が高いほど出力電圧は高くなるが、磁気抵抗素子は駆動電圧印加時に電流が流れて電力を消費すること、それに伴う抵抗エレメントの温度上昇による抵抗値変化を考慮して駆動電圧を決定する必要がある。駆動電圧は一般的に、２〜１２Ｖの範囲内であり、好ましくは３〜１０Ｖの範囲内であり、最も好ましくは４〜６Ｖの範囲内である。
【００３０】
さらに、印加磁界と相互作用する強磁性体の長さを長くすることにより、低い磁界の印加による抵抗値変化の絶対値を大きくすることができる。このために、抵抗体エレメントを構成する強磁性体を、ジグザグ状にすることが好ましい。
【００３１】
強磁性体の磁気抵抗素子には、磁性体の性質により経過依存性すなわちヒステリシスが存在することが知られている。磁気抵抗素子におけるヒステリシスは、磁界の印加前後でその出力電圧値が異なるという現象として現れる。本発明の磁気抵抗素子においては、１）抵抗エレメント５および７の抵抗値変化が最大になる方向に磁界を印加して磁界を取り去った場合と、２）前記磁界と直交する方向の磁界を印加して磁界を取り去った場合とにおいて、出力端子１および３の間の電位差が異なる。本明細書中の「ヒステリシス値」とは、所定の磁界強度で前記１）および２）の操作を連続して行った場合の、それぞれの操作後の出力電圧値の差の絶対値を意味する。この操作を図７の模式的グラフを用いて説明する。
【００３２】
図１の磁気抵抗素子に、電極２が（＋）極、および電極４が（−）極となるように駆動電圧を印加して初期値（点Ｐ_０）を確認する。最初に、たとえば１５０Ｏｅのθ＝４５゜の方向の磁界を印加する（点Ｐ_１）。この時に抵抗エレメント６および８の磁化は飽和している。次に、印加した磁界を取り除いたときには、ヒステリシスにより出力電圧が初期値（点Ｐ_０）とは異なる値（点Ｐ_２）となり、この時の出力電圧値をＶ１とする。さらに、たとえば１５０Ｏｅのθ＝−４５゜の方向の磁界を印加すると、出力電圧値の極性が変化し、点Ｐ_３に至る。この時には、抵抗エレメント５および７の磁化が飽和している。最後に、この磁界を除去したときに、出力電圧は点Ｐ_４に至り、この時の出力電圧値をＶ２とする。ここで、｜Ｖ２−Ｖ１｜が、本明細書中の「ヒステリシス値」である。本発明の磁気抵抗素子のヒステリシス値は、好ましくは３ｍＶ以下であり、より好ましくは２ｍＶ以下である。
【００３３】
強磁性薄膜を作製する方法としては、真空蒸着、スパッタ等の方法が知られているが、本発明においては、組成比の制御が非常に容易である電子ビーム真空蒸着を用い、絶縁基板の裏面上に取り付けた基板ヒーターにより、絶縁基板を加熱することが好ましい。その際に、絶縁基板を３５０℃以上４５０℃以下、より好ましくは３５０℃以上４００℃以下に加熱して、ＮｉＦｅ合金を電子ビーム蒸着することにより、出力電圧値が大きく、かつヒステリシス値の小さい素子を作製することができる。
【００３４】
図４に絶縁基板を４００℃に加熱して電子ビーム真空蒸着により形成したＮｉＦｅ合金薄膜の、図５に絶縁基板を加熱したスパッタ法により形成したＮｉＦｅ合金薄膜の、および図６に一般的な多結晶のパーマロイ（ＮｉＦｅ合金）のＸ線回折データを示す。図６に示す一般的な多結晶のパーマロイは、（１１１）面（２θ＝４４゜）および（２００）面（２θ＝５１゜）に起因するピークを有する。また、図５に示すスパッタ法による薄膜は、（１１１）面および（２００）面に加えて、（２２０）面に由来するピークをも示す。これらに対して、図４に示す本発明の方法により作製した薄膜のＸ線回折においては、（１１１）面に起因するピークのみが認められ、（２００）面に起因するピークはほとんど認められなかった。このことから、本発明の磁気抵抗素子の抵抗エレメントのＮｉＦｅ薄膜は、強い配向性を有した単結晶に近い状態であることがわかる。
【００３５】
【実施例】
（実施例１）基板温度の出力電圧およびヒステリシスに対する効果
（１００）シリコン単結晶基板を、常圧下で８００〜１０００℃に加熱して、その表面前面に５００ｎｍの厚さのＳｉＯ_２膜を形成した。電子ビーム真空蒸着装置を用い、１．０×１０^−６ｔｏｒｒ（１．３×１０^−４Ｐａ）の排気到達真空度、２．０×１０^−５ｔｏｒｒ（２．６×１０^−３Ｐａ）以下の成膜真空度、１０ｋＶの加速電圧、および２００ｍＡのイオン化電流の条件を用いて、Ｎｉ８５重量％およびＦｅ１５重量％から成る強磁性体膜を、２０ｎｍ／ｍｉｎの成膜速度で、厚さ５５ｎｍになるように蒸着した。その際に基板ヒーターを用いて、絶縁基板を３５０℃に加熱した。次にフォトエッチングプロセスにより、強磁性体膜を図１に示すようなパターンにエッチングした。この時の抵抗エレメント部の強磁性体膜の幅は１０μｍであり、各抵抗エレメントの有効長は４０００μｍとした。次に、前記強磁性体膜の一部に、ＴｉおよびＡｕを蒸着して厚さ４００ｎｍの電極とした。次に電極部を除いて、プラズマＣＶＤ法により厚さ５００ｎｍのＳｉＯ_２第１保護膜を形成した。さらに、電極部を除いてプラズマＣＶＤ法により厚さ３００ｎｍのＳｉＮ膜を形成し、これを第２保護膜とした。
【００３６】
この素子の入力端子に、無磁界の状態で５Ｖの駆動電圧を印加した時の出力電圧は１．１ｍＶ（図７の点Ｐ_０）であった。次に、５Ｖの駆動電圧を印加しながら、一つの抵抗エレメントに直交する方向の３０Ｏｅの磁界（Ａ）を印加し、この時の出力電圧３２．１８ｍＶを確認した。その後、磁界（Ａ）の強度を１５０Ｏｅにした。その後、この磁界（Ａ）を除去した。この時の出力電圧値Ｖ１は３．８ｍＶであった。次に、磁界（Ａ）に直交する方向に１５０Ｏｅの磁界（Ｂ）を印加し、そして除去したときの出力電圧値Ｖ２が２．０ｍＶ（図７の点Ｐ_４）となり、ヒステリシス値（｜Ｖ１−Ｖ２｜＝｜３．８−２．０｜）は１．８ｍＶであった。
【００３７】
以下に、強磁性体膜形成時の基板温度を変化させた場合の、３０Ｏｅでの出力電圧値およびヒステリシス値を表１にまとめた。
【００３８】
【表１】

【００３９】
この結果は、強磁性体膜形成時の基板温度に、ヒステリシス値が大きく影響されることが明らかとなった。特に、３５０℃および４００℃の基板温度で強磁性体薄膜を形成した場合に、大きな出力電圧値と小さなヒステリシス値を両立することができた。
【００４０】
（比較例１）出力電圧およびヒステリシスに対する、基板種および強磁性体膜形成法の効果
マグネトロンスパッタ装置を用いて、ガラス基板および５００ｎｍの厚さのＳｉＯ_２酸化膜を形成した（１００）シリコン基板上に強磁性体膜を作製することを除いて、実施例１と同様の方法で磁気抵抗素子を作製し、そして試験した。用いた基板、強磁性体膜形成時の基板温度、および作製した素子の３０Ｏｅでの出力電圧値およびヒステリシス値を表２にまとめた。
【００４１】
【表２】

【００４２】
この結果から、電子ビーム真空蒸着法により作製した磁気抵抗素子が、スパッタ法により作製したものよりも小さいヒステリシス値を示した。
【００４３】
【発明の効果】
本発明を用いることにより、出力電圧が大きく、かつヒステリシス値の小さい磁気抵抗素子を作製することができる。その磁気抵抗素子は、回転検出、位置検出等に有用であり、さらにオペアンプ等の信号処理回路を組み合わせることにより磁気センサーＩＣとして用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の磁気抵抗素子の概略の上面図である。
【図２】本発明の磁気抵抗素子の等価回路の図である。
【図３】本発明の磁気抵抗素子の断面図である。
【図４】絶縁基板を４００℃に加熱した電子ビーム真空蒸着を用いて形成したＮｉＦｅ合金薄膜のＸ線回折スペクトルを示す図である。
【図５】絶縁基板の温度を変化させたスパッタ法を用いて形成したＮｉＦｅ合金薄膜のＸ線回折スペクトルを示す図である。
【図６】一般的な多結晶パーマロイのＸ線回折スペクトルを示す図である。
【図７】磁気抵抗素子のヒステリシス特性を示す模式的グラフを示す図である。
【符号の説明】
１出力端子
２入力端子
３出力端子
４入力端子
５〜８抵抗エレメント
１１基板
１２絶縁膜
１３抵抗エレメント
１４電極
１５第１保護膜
１６第２保護膜[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a magnetoresistive element using a magnetoresistance effect of a ferromagnetic thin film used for rotation detection and position detection.
[0002]
[Prior art]
Recently, a magnetic sensor capable of non-contact and precise position detection using a ferromagnetic thin film having a magnetoresistance effect has been rapidly developed. This magnetic sensor is characterized by a large output voltage value in a low magnetic field of about several tens of Oe, and permalloy and NiCo are mainly used as the material of the ferromagnetic thin film used. Here, permalloy is a NiFe alloy containing Ni as a main component, and in some cases, refers to only a NiFe alloy containing 30 to 80% by weight of Ni. Conventionally, in order to obtain a large output voltage, a magnetic thin film material such as NiCo having a higher magnetoresistance ratio than permalloy has been mainly used. The composition of such a material may be, for example, an alloy of 80% by weight of Ni and 20% by weight of Co.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, when a material capable of obtaining a large output voltage value is used, there is a disadvantage that hysteresis which becomes an obstacle at the time of position detection becomes large. On the other hand, NiFe has a smaller magnetoresistance change rate than NiCo, but is characterized by a small hysteresis, and has been considered as an optimal material for position detection if an output voltage value can be increased. From the viewpoint of improving the sensitivity of the magnetoresistive element, it is important that the output voltage value in a low magnetic field is large and that the hysteresis is small. At present, to solve this problem, use of a ternary material of Ni, Fe, and Co as described in Japanese Patent Publication No. 4-62476, or described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-291646. It has been studied to provide a special bias magnet for such an element.
[0004]
However, methods such as those described in the above-mentioned documents increase costs or have a problem in mass productivity as compared with the case of using a binary system (NiFe or NiCo or the like).
[0005]
When a magnetoresistive element is used as a magnetic sensor, if the element has a hysteresis value, the hysteresis value causes an error in applications such as position detection where a changing magnetic field is repeatedly applied. For example, in a proximity sensor that detects the approach of a magnet, a magnet having a constant magnetic field is used to turn on when the output voltage value exceeds a certain threshold value, and to turn off the others when the output voltage value exceeds a certain threshold value. Works as follows. At this time, if a hysteresis value exists, the ON state is switched earlier and / or later than the actual approach. This tendency is a significant problem, especially for sensors that require precise control. That is, when the external magnetic field is 0, the output voltage value of the magnetoresistive element is preferably constant regardless of the history of the magnetic field. Otherwise, the magnetoresistive element has a large error.
[0006]
An object of the present invention is to provide a magnetoresistive element having a large output voltage value in a low magnetic field and a smaller hysteresis using a binary material of Ni and Fe, and a method for manufacturing the element. .
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems, the present inventors set the substrate temperature higher than 350 ° C. particularly when forming a ferromagnetic thin film having a composition of 84 to 86% by weight of Ni and 14 to 16% by weight of Fe, thereby reducing the temperature. The present invention has made it possible to supply a magnetoresistive element having a large output voltage value in a magnetic field and a smaller hysteresis, and has achieved the present invention.
[0008]
According to a first embodiment of the present invention, in a magnetoresistive element in which four resistive elements using a ferromagnetic thin film are formed on an insulating substrate, the four resistive elements are provided on a substrate heater on the insulating substrate. A ferromagnetic thin film of a NiFe alloy is formed at a substrate temperature of 350 ° C. or more and 450 ° C. or less using an electron beam (EB) vacuum vapor deposition method equipped with a magnetic layer. The resistive element has an output voltage value of 30 mV or more when the driving voltage is 5 V in an applied magnetic field of 30 Oe (Oersted), and after applying a magnetic field of 150 Oe or more in a direction perpendicular to one element from the no-magnetic state at first. It shows the first output voltage value when no magnetic field is applied, and further applies a magnetic field of 150 Oe or more in a direction perpendicular to the magnetic field, and then returns to a non-magnetic field again. And a second output voltage value when the absolute value (hysteresis value) of the difference between the first output voltage value and the second output voltage value is 3 mV or less. Element.
[0010]
A second embodiment of the present invention is the magnetoresistive element according to the first embodiment, wherein the substrate temperature is obtained at 350 ° C. or more and 400 ° C. or less.
[0011]
Aspect of the third embodiment of the present invention, either the first or second embodiment of the thin film of the ferromagnetic material and having a composition of Ni84~86% and Fe14~16 wt% 3. The magnetoresistive element according to item 1.
[0012]
A fourth embodiment of the present invention is the magnetoresistive element according to any one of the first to third embodiments, wherein the ferromagnetic thin film is a NiFe alloy having a (111) plane orientation.
[0013]
According to a fifth embodiment of the present invention, in a method of manufacturing a magnetoresistive element, a ferromagnetic thin film is formed on a substrate by heating the substrate at a temperature higher than 350 ° C. and 450 ° C. or lower by using an electron beam vacuum evaporation method. And a step of patterning the ferromagnetic thin film.
[0014]
A sixth embodiment of the present invention is the method of manufacturing a magnetoresistive element according to the fifth embodiment, wherein the substrate temperature is set to be higher than 350 ° C. and equal to or lower than 400 ° C.
[0015]
A seventh embodiment of the present invention is the fifth or sixth embodiment, wherein the ferromagnetic thin film has a composition of 84 to 86% by weight of Ni and 14 to 16% by weight of Fe. This is a method for manufacturing a magnetoresistive element.
[0016]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The magnetoresistive element of the present invention utilizes the magnetoresistance effect of a ferromagnetic material. The magnetoresistive effect in the present invention is a so-called anisotropic magnetoresistive effect, and means a property in which a resistance value changes when a magnetic field is applied to a ferromagnetic material through which current flows. In many ferromagnetic materials such as NiFe, the resistance value decreases by applying a magnetic field. This effect generally has little change in the resistance value when the directions of the current and the magnetic field are parallel. On the other hand, when the directions of the current and the magnetic field are orthogonal to each other, the change in the resistance value is maximum, that is, the resistance value is minimum. The maximum change in the resistance value depends on the rate of change of the magnetoresistance of the material, and depends on the strength of the applied magnetic field until a certain magnetic field intensity (that is, until all the magnetization directions in the material are aligned). I do. When the magnetic field strength exceeds a certain range, the magnetization in the ferromagnetic material is saturated, and the resistance value does not change. As described above, the change in the resistivity depends on the direction of the applied magnetic field.
[0017]
FIG. 1 shows a schematic top view of a four-terminal magnetoresistive element according to the present invention. In FIG. 1, 1 and 3 are output terminals, 2 and 4 are input terminals, and 5 to 8 are resistance elements made of a ferromagnetic material. The directions of most of the ferromagnetic conductors constituting 5 and 7 are the same, and the directions are orthogonal to those of 6 and 8. FIG. 2 shows an equivalent circuit of this magnetoresistive element. R _A , R _B , R _C, and R _D are resistances corresponding to

resistance elements

5, 6, 7, and 8, respectively.
[0018]
FIG. 3 is a cross-sectional view of the magnetoresistive element of the present invention taken along the line AA ′ in FIG. In FIG. 3, 11 is a substrate, 12 is an insulating film, 13 is a ferromagnetic thin film, that is, a resistive element, 14 is an electrode, 15 is a first protective film, and 16 is a second protective film.
[0019]
As the substrate 11, a semiconductor and insulator substrate known in the art can be used. Here, when an insulating substrate is used, the insulating film 12 is unnecessary. Here, a preferred semiconductor contains Si. Preferred insulator substrates include glass, ceramic, glass glaze ceramic, sapphire, and quartz glass. The most preferred substrate is Si.
[0020]
The electrode 14 corresponds to 1 to 4 in FIG. This is preferably a low resistance, so that the film thickness is preferably as thick as possible. Further, the material to be used is preferably a metal material having a low resistivity and hardly corroded. Such metal materials include, for example, Cu, Au, Mo, W, Ta, Ti, Ni, Fe, Co, Cr and alloys thereof. The electrode may have a multilayer structure of the metal.
[0021]
The ferromagnetic thin film (resistance element) 13 corresponds to 5 to 8 in FIG. This resistance element preferably has high resistance in order to realize high sensitivity, high output, and low power consumption. Therefore, the thickness is desirably reduced, preferably 200 nm or less, more preferably 100 nm or less, and most preferably in the range of 25 nm to 100 nm. Furthermore, it is desirable that the width of the resistance element be as small as possible in order to realize high resistance. The material is a NiFe alloy because it is a magnetic material having a large magnetoresistance change rate and has a small hysteresis described later. Preferably, it is an alloy of 80 to 90% by weight of Ni and 10 to 20% by weight of Fe, and more preferably, an alloy of 84 to 86% by weight of Ni and 14 to 16% by weight of Fe.
[0022]
The insulating film 12 imparts insulation to the device of the present invention, and may be formed of a material known in the art. Preferably, Al ₂ O ₃ , Si ₃ N ₄ , SiO ₂ , SiN, phosphosilicate glass, and a multilayer film thereof can be used. When Si is used as the substrate, an SiO ₂ film formed by thermal oxidation can be used. The film thickness is set to a thickness necessary for providing insulation.
[0023]
The first protective film 15 has a function of preventing contamination and corrosion of the magnetic sensing portion (resistance element) of the device of the present invention, and the material thereof can be a material known in the art. Preferably, Al ₂ O ₃ , Si ₃ N ₄ , SiO ₂ , SiO, SiN, phosphosilicate glass, and a multilayer film thereof can be used. The film thickness is used as a thickness necessary to protect the magnetic sensing portion.
[0024]
The second protective film 16 has a function of preventing contamination and corrosion of the magneto-sensitive part and the electrode part of the device of the present invention, and a function of improving adhesion to the electrode part. The material is an inorganic insulating film known in the art. For example, Al ₂ O ₃ , Si ₃ N ₄ , SiO ₂ , SiO, SiN, phosphosilicate glass, and a multilayer film thereof can be used. .
[0025]
The device of the present invention can be externally connected using a lead frame in a manner well known in the art, for example, may be bonded by solder or wire bonded. Further, the element of the present invention may be molded with a resin, if necessary. The resin used for this mold is generally excellent in heat resistance and moisture resistance. For example, an epoxy resin can be used. Further, the entire element may be molded, or only a part of the element may be molded by reinforcing lead wires or the like. This resin mold can be applied using a method well known in the art.
[0026]
The four resistance elements 5 to 8 are preferably manufactured so as to have the same resistance value in a state of no magnetic field. As is obvious from the equivalent circuit shown in FIG. 2, this magnetoresistive element forms a bridge, and when a driving voltage is applied to the

input terminals

2 and 4, no magnetic field and θ = 0 shown in FIG. When a magnetic field is applied in the direction of ゜, the potential difference between the

output terminals

1 and 3 is 0 because the resistance values of the resistance elements are equal. Next, for example, when a magnetic field is applied in the direction of θ = 45 ° shown in FIG. 1, the resistance values _RA and _RC of

resistance elements

5 and 7 hardly change from the case where there is no magnetic field. On the other hand, the resistance value R _B and R _D of the

resistance element

6 and 8 by the magnetic resistance effect, with a minimum of resistance. As a result, the bridge becomes unbalanced, so that a potential difference between the

output terminals

1 and 3, that is, an output voltage is generated.
[0027]
Under the condition that the strength of the magnetic field is constant, the maximum output voltage is generated when the magnetic field is applied in the direction of θ = 45 °. When a magnetic field is applied in the direction of θ = −45 °, the sign is reversed as compared with the case of θ = 45 °, but the maximum output voltage value is shown as an absolute value. When the direction of application of the magnetic field changes (in the range of -180 ° to 180 °), the output voltage of this element changes.
[0028]
The magnitude of the output voltage changes in proportion to the magnetic field strength of the applied magnetic field within a range where the magnetization in the resistance element is not saturated.
[0029]
Further, the magnitude of the output voltage is affected not only by the amount of change in the resistance value of the resistance element, but also by the drive voltage. The higher the drive voltage, the higher the output voltage. However, the magnetoresistive element determines the drive voltage in consideration of the fact that the current flows when the drive voltage is applied, which consumes power, and the resulting resistance value change due to the temperature rise of the resistance element. There is a need. The drive voltage is generally in the range of 2-12V, preferably in the range of 3-10V, and most preferably in the range of 4-6V.
[0030]
Further, by increasing the length of the ferromagnetic material interacting with the applied magnetic field, the absolute value of the change in resistance due to the application of a low magnetic field can be increased. For this reason, it is preferable that the ferromagnetic material constituting the resistor element is formed in a zigzag shape.
[0031]
It is known that a ferromagnetic magnetoresistive element has a course dependency, that is, hysteresis due to the properties of the magnetic substance. Hysteresis in a magnetoresistive element appears as a phenomenon in which the output voltage value differs before and after the application of a magnetic field. In the magnetoresistive element of the present invention, 1) a case where a magnetic field is applied in a direction in which the resistance value change of the

resistance elements

5 and 7 is maximized and the magnetic field is removed, and 2) a magnetic field in a direction orthogonal to the magnetic field is applied. Then, the potential difference between the

output terminals

1 and 3 is different from the case where the magnetic field is removed. The "hysteresis value" in the present specification means the absolute value of the difference between the output voltage values after each of the operations 1) and 2) when the operations 1) and 2) are continuously performed at a predetermined magnetic field intensity. . This operation will be described with reference to the schematic graph of FIG.
[0032]
A drive voltage is applied to the magnetoresistive element of FIG. 1 so that the electrode 2 has a (+) pole and the electrode 4 has a (−) pole, and an initial value (point P ₀ ) is confirmed. First, a magnetic field of, for example, 150 Oe in the direction of θ = 45 ° is applied (point P ₁ ). At this time, the magnetizations of the

resistance elements

6 and 8 are saturated. Next, when the applied magnetic field is removed, the output voltage becomes a value (point P ₂ ) different from the initial value (point P ₀ ) due to hysteresis, and the output voltage value at this time is set to V1. Furthermore, for example, by applying a magnetic field of theta = -45 ° the direction of 150 Oe, the polarity is changed, the output voltage of from the point _{P 3.} At this time, the magnetizations of the

resistance elements

5 and 7 are saturated. Finally, when the removal of the magnetic field, the output voltage reaches the point P _4, the output voltage value at this time is V2. Here, | V2−V1 | is the “hysteresis value” in this specification. The hysteresis value of the magnetoresistive element of the present invention is preferably 3 mV or less, more preferably 2 mV or less.
[0033]
As a method for producing a ferromagnetic thin film, methods such as vacuum evaporation and sputtering are known, but in the present invention, electron beam vacuum evaporation, in which the composition ratio is very easy to control, is used, and the back surface of the insulating substrate is used. Preferably, the insulating substrate is heated by the substrate heater mounted thereon. At this time, the insulating substrate is heated to 350 ° C. or more and 450 ° C. or less, more preferably 350 ° C. or more and 400 ° C. or less, and a device having a large output voltage value and a small hysteresis value is formed by electron beam evaporation of a NiFe alloy. Can be produced.
[0034]
4 shows a NiFe alloy thin film formed by electron beam vacuum evaporation by heating an insulating substrate to 400 ° C., FIG. 5 shows a NiFe alloy thin film formed by sputtering the insulating substrate heated, and FIG. 3 shows X-ray diffraction data of crystalline permalloy (NiFe alloy). The general polycrystalline permalloy shown in FIG. 6 has peaks derived from the (111) plane (2θ = 44 °) and the (200) plane (2θ = 51 °). In addition, the thin film formed by the sputtering method shown in FIG. 5 shows a peak derived from the (220) plane in addition to the (111) plane and the (200) plane. On the other hand, in the X-ray diffraction of the thin film produced by the method of the present invention shown in FIG. 4, only a peak derived from the (111) plane is recognized, and a peak derived from the (200) plane is hardly recognized. Was. This indicates that the NiFe thin film of the resistance element of the magnetoresistive element of the present invention is in a state close to a single crystal having strong orientation.
[0035]
【Example】
Example 1 Effects of Substrate Temperature on Output Voltage and Hysteresis (100) A silicon single crystal substrate was heated to 800 to 1000 ° C. under normal pressure to form a SiO ₂ film having a thickness of 500 nm on the front surface thereof. . Using an electron beam vacuum deposition apparatus, the ultimate vacuum degree of evacuation of 1.0 × 10 ⁻⁶ torr (1.3 × 10 ⁻⁴ Pa), 2.0 × 10 ⁻⁵ torr (2.6 × 10 ⁻³ Pa). Under the conditions of the following film forming vacuum degree, 10 kV acceleration voltage, and 200 mA ionization current, a ferromagnetic film composed of 85% by weight of Ni and 15% by weight of Fe was formed at a film forming rate of 20 nm / min and a thickness of 55 nm. Was deposited so that At that time, the insulating substrate was heated to 350 ° C. using a substrate heater. Next, the ferromagnetic film was etched into a pattern as shown in FIG. 1 by a photoetching process. At this time, the width of the ferromagnetic film in the resistance element portion was 10 μm, and the effective length of each resistance element was 4000 μm. Next, Ti and Au were deposited on a part of the ferromagnetic film to form an electrode having a thickness of 400 nm. Next, a 500 nm thick SiO ₂ first protective film was formed by a plasma CVD method except for the electrode portion. Further, a 300 nm-thick SiN film was formed by a plasma CVD method except for the electrode portion, and this was used as a second protective film.
[0036]
The output voltage was 1.1 mV (point P _{0 in} FIG. 7) when a driving voltage of 5 V was applied to the input terminal of this element in a state of no magnetic field. Next, while applying a driving voltage of 5 V, a magnetic field (A) of 30 Oe in a direction orthogonal to one resistance element was applied, and an output voltage of 32.18 mV at this time was confirmed. Thereafter, the intensity of the magnetic field (A) was set to 150 Oe. Thereafter, the magnetic field (A) was removed. At this time, the output voltage value V1 was 3.8 mV. Next, when a magnetic field (B) of 150 Oe is applied in a direction perpendicular to the magnetic field (A) and the voltage is removed, the output voltage value V2 becomes 2.0 mV (point P _{4 in} FIG. 7), and the hysteresis value (| V1 -V2 | = | 3.8-2.0 |) was 1.8 mV.
[0037]
Table 1 below summarizes the output voltage value and the hysteresis value at 30 Oe when the substrate temperature during the formation of the ferromagnetic film is changed.
[0038]
[Table 1]

[0039]
This result has revealed that the hysteresis value is greatly affected by the substrate temperature during the formation of the ferromagnetic film. In particular, when a ferromagnetic thin film was formed at a substrate temperature of 350 ° C. and 400 ° C., both a large output voltage value and a small hysteresis value could be achieved.
[0040]
Comparative Example 1 Effects of Substrate Type and Ferromagnetic Film Forming Method on Output Voltage and Hysteresis On a (100) silicon substrate on which a glass substrate and a 500 nm thick SiO ₂ oxide film were formed using a magnetron sputtering apparatus A magnetoresistive element was fabricated and tested in the same manner as in Example 1 except that a ferromagnetic film was fabricated. Table 2 summarizes the substrate used, the substrate temperature at the time of forming the ferromagnetic film, and the output voltage value and hysteresis value at 30 Oe of the manufactured device.
[0041]
[Table 2]

[0042]
From this result, the magnetoresistive element manufactured by the electron beam vacuum evaporation method showed a smaller hysteresis value than that manufactured by the sputtering method.
[0043]
【The invention's effect】
By using the present invention, a magnetoresistive element having a large output voltage and a small hysteresis value can be manufactured. The magnetoresistive element is useful for rotation detection, position detection, and the like, and can be used as a magnetic sensor IC by combining a signal processing circuit such as an operational amplifier.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic top view of a magnetoresistive element of the present invention.
FIG. 2 is a diagram of an equivalent circuit of the magnetoresistive element of the present invention.
FIG. 3 is a sectional view of a magnetoresistive element according to the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing an X-ray diffraction spectrum of a NiFe alloy thin film formed by using electron beam vacuum evaporation in which an insulating substrate is heated to 400 ° C.
FIG. 5 is a diagram showing an X-ray diffraction spectrum of a NiFe alloy thin film formed by using a sputtering method in which the temperature of an insulating substrate is changed.
FIG. 6 is a diagram showing an X-ray diffraction spectrum of a general polycrystalline permalloy.
FIG. 7 is a diagram showing a schematic graph showing a hysteresis characteristic of the magnetoresistive element.
[Explanation of symbols]
REFERENCE SIGNS LIST 1 output terminal 2 input terminal 3 output terminal 4 input terminal 5 to 8 resistive element 11 substrate 12 insulating film 13 resistive element 14 electrode 15 first protective film 16 second protective film

Claims

In a magnetoresistive element in which four resistive elements using a ferromagnetic thin film are formed on an insulating substrate,
The four resistive elements are formed of a ferromagnetic thin film of a NiFe alloy at a substrate temperature of 350 ° C. or more and 450 ° C. or less using an electron beam (EB) vacuum deposition method equipped with a substrate heater on the insulating substrate. Is formed, followed by etching,
The magnetoresistive element has an output voltage value of 30 mV or more when the drive voltage is 5 V in an applied magnetic field of 30 Oe (Oersted), and applies a magnetic field of 150 Oe or more in a direction perpendicular to one element from the no-magnetic state at first. The first output voltage value when a magnetic field of 150 Oe or more is applied in a direction orthogonal to the magnetic field, and the second output voltage value when the magnetic field is reduced again after applying a magnetic field of 150 Oe or more in a direction orthogonal to the magnetic field. A magnetoresistive element characterized in that the absolute value (hysteresis value) of the difference between the output voltage value and the second output voltage value is 3 mV or less.

2. The magneto-resistive element according to claim 1 , wherein the substrate temperature is obtained at 350 ° C. or more and 400 ° C. or less.

3. The magnetoresistive element according to claim 1, wherein the ferromagnetic thin film has a composition of 84 to 86% by weight of Ni and 14 to 16% by weight of Fe.

4. The magnetoresistive element according to claim 1, wherein the ferromagnetic thin film is a NiFe alloy having a (111) plane orientation.

Forming a ferromagnetic thin film on the insulating substrate by heating the substrate at a temperature higher than 350 ° C. and lower than 450 ° C. by using an electron beam vacuum deposition method in the method of manufacturing the magnetoresistive element; A step of patterning a thin film of the above.

The method according to claim 5 , wherein the substrate temperature is set to be higher than 350 ° C. and 400 ° C. or lower.

7. The method according to claim 5 , wherein the ferromagnetic thin film has a composition of 84 to 86% by weight of Ni and 14 to 16% by weight of Fe.