JP5453198B2 - Magnetic sensor - Google Patents
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Description
本発明は、外部磁界を検出するための磁気センサに関する。 The present invention relates to a magnetic sensor for detecting an external magnetic field.
特許文献1には磁気センサに関する発明が開示されている。例えば特許文献1に示す磁気センサには8個の磁気抵抗効果素子が配置されており、うち4個の磁気抵抗効果素子がX方向の外部磁界を検出するためのもので、残り4個の磁気抵抗効果素子がY方向の外部磁界を検出するためのものである。
通常、同じ感度軸方向(固定磁性層の磁化固定方向)を示す2個の磁気抵抗効果素子をペアとしてチップ化する。すなわち従来では、異なる感度軸方向の磁気抵抗効果素子同士を同じチップ上に形成できないため、チップ数が多くなる問題があった。 Usually, two magnetoresistive elements having the same sensitivity axis direction (fixed magnetization direction of the fixed magnetic layer) are paired as a chip. That is, conventionally, there is a problem that the number of chips increases because magnetoresistive elements with different sensitivity axis directions cannot be formed on the same chip.
そこで本発明は、上記従来の課題を解決するためのものであり、特に、感度軸が直交する2種類の磁気抵抗効果素子を同じチップ上に形成可能とした磁気センサを提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention is to solve the above-described conventional problems, and in particular, to provide a magnetic sensor capable of forming two types of magnetoresistive effect elements whose sensitivity axes are orthogonal to each other on the same chip. To do.
本発明における磁気センサは、
同じセンサチップに第1磁気抵抗効果素子と第2磁気抵抗効果素子が設けられており、
第1磁気抵抗効果素子は、フリー磁性層と固定磁性層とが非磁性層を介して積層された第1素子部と、前記第1素子部に対して第1バイアス磁界を供給するための第1ハードバイアス層とを有し、
前記第2磁気抵抗効果素子は、フリー磁性層と固定磁性層とが非磁性層を介して積層された第2素子部と、前記第2素子部に対して第2バイアス磁界を供給するための第2ハードバイアス層とを有し、
前記第1素子部及び前記第2素子部の各固定磁性層は、第1磁性層と第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構造であり、感度軸方向である前記第2磁性層の磁化固定方向は、前記第1素子部と前記第2素子部とで直交しており、
前記第1ハードバイアス層及び第2ハードバイアス層は、同じ着磁方向であり、前記第1ハードバイアス層から前記第1素子部には、前記着磁方向と平行な方向に前記第1バイアス磁界が供給され、前記第2ハードバイアス層から前記第2素子部には、前記着磁方向と直交する方向から第2バイアス磁界が供給されることを特徴とするものである。
The magnetic sensor in the present invention is
A first magnetoresistive element and a second magnetoresistive element are provided on the same sensor chip;
The first magnetoresistive element includes a first element portion in which a free magnetic layer and a pinned magnetic layer are stacked via a nonmagnetic layer, and a first magnetic field for supplying a first bias magnetic field to the first element portion. 1 hard bias layer,
The second magnetoresistive element includes a second element portion in which a free magnetic layer and a pinned magnetic layer are stacked via a nonmagnetic layer, and a second bias magnetic field for supplying the second element portion to the second element portion. A second hard bias layer,
In each pinned magnetic layer of the first element portion and the second element portion, a first magnetic layer and a second magnetic layer are laminated via a nonmagnetic intermediate layer, and the first magnetic layer and the second magnetic layer Is a self-pinned structure in which magnetization is fixed in antiparallel, and the magnetization fixed direction of the second magnetic layer that is the sensitivity axis direction is orthogonal between the first element part and the second element part,
The first hard bias layer and the second hard bias layer have the same magnetization direction, and the first bias magnetic field extends from the first hard bias layer to the first element portion in a direction parallel to the magnetization direction. The second bias magnetic field is supplied from the second hard bias layer to the second element portion from a direction orthogonal to the magnetization direction.
本発明では、第1磁気抵抗効果素子を構成する第1素子部及び第2磁気抵抗効果素子を構成する第2素子部を夫々、第1磁性層と第2磁性層とが非磁性中間層を介して積層された積層フェリ構造とするとともに、セルフピン止め構造とした。更に、第1磁気抵抗効果素子を構成する第1ハードバイアス層と第2磁気抵抗効果素子を構成する第2ハードバイアス層の着磁方向を同一方向のまま、第1ハードバイアス層から前記第1素子部に供給される第1バイアス磁界が、着磁方向と平行な方向となるように、及び第2ハードバイアス層から第2素子部に供給される第2バイアス磁界が着磁方向とは直交する方向となるように制御した。 In the present invention, the first magnetic layer and the second magnetic layer are the non-magnetic intermediate layer for the first element portion constituting the first magnetoresistive element and the second element portion constituting the second magnetoresistive element, respectively. And a self-pinned structure. Further, the first hard bias layer constituting the first magnetoresistive effect element and the second hard bias layer constituting the second magnetoresistive effect element remain in the same magnetization direction from the first hard bias layer to the first hard bias layer. The first bias magnetic field supplied to the element part is in a direction parallel to the magnetization direction, and the second bias magnetic field supplied from the second hard bias layer to the second element part is orthogonal to the magnetization direction. The direction was controlled.
以上により本発明では、同一のセンサチップに、感度軸が直交する第1磁気抵抗効果素子と第2磁気抵抗効果素子とを簡単且つ適切に形成することが可能になる。よって、従来に比べて磁気センサに搭載するチップ数を減らすことができ、検出精度の向上や製造効率の向上等を図ることができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to easily and appropriately form the first magnetoresistive element and the second magnetoresistive element whose sensitivity axes are orthogonal to each other on the same sensor chip. Therefore, the number of chips mounted on the magnetic sensor can be reduced as compared with the conventional case, and detection accuracy and manufacturing efficiency can be improved.
本発明では、前記第1磁気抵抗効果素子では、第1の方向が、感度軸方向であり、前記第2磁気抵抗効果素子では、前記第1の方向に直交する第2の方向が感度軸方向であり、
前記第2の方向が各ハードバイアス層に対する着磁方向であり、前記第1素子部では、前記第2の方向から前記第1バイアス磁界が供給され、前記第2素子部では、前記第1の方向から前記第2バイアス磁界が供給される構成であることが好ましい。
In the present invention, in the first magnetoresistive effect element, the first direction is the sensitivity axis direction, and in the second magnetoresistive effect element, the second direction orthogonal to the first direction is the sensitivity axis direction. And
The second direction is a magnetization direction for each hard bias layer, the first element portion is supplied with the first bias magnetic field from the second direction, and the second element portion has the first direction. It is preferable that the second bias magnetic field is supplied from the direction.
また本発明では、平面視にて、前記第2ハードバイアス層の前記第2素子部との対向面は、前記第2の方向から前記第1の方向に向けて斜めに傾いていることが好適である。これにより、効果的に、第2の方向に着磁された第2ハードバイアス層から第2素子部に第1の方向の第2バイアス磁界を供給することができる。 In the present invention, it is preferable that the surface of the second hard bias layer facing the second element portion is inclined obliquely from the second direction toward the first direction in plan view. It is. Thereby, the second bias magnetic field in the first direction can be effectively supplied to the second element portion from the second hard bias layer magnetized in the second direction.
また本発明では、第1センサチップと第2センサチップが設けられ、各センサチップに、前記第1磁気抵抗効果素子と前記第2磁気抵抗効果素子とが形成されていることが好ましい。このとき、前記第2センサチップは、前記第1センサチップを180度回転させた構成であることが好ましい。 In the present invention, it is preferable that a first sensor chip and a second sensor chip are provided, and the first magnetoresistive element and the second magnetoresistive element are formed on each sensor chip. At this time, it is preferable that the second sensor chip has a configuration in which the first sensor chip is rotated 180 degrees.
また本発明では、複数の領域に夫々、前記第1磁気抵抗効果素子及び前記第2磁気抵抗効果素子が形成された基板が各領域間で切断されて、前記第1センサチップと前記第2センサチップが構成されることが好ましい。これにより製造効率を高めることができる。 In the present invention, the substrate on which the first magnetoresistive effect element and the second magnetoresistive effect element are formed in each of a plurality of regions is cut between the regions, and the first sensor chip and the second sensor A chip is preferably constructed. Thereby, manufacturing efficiency can be improved.
また本発明では、各センサチップには、前記第1磁気抵抗効果素子及び前記第2磁気抵抗効果素子が夫々、2個づつ設けられ、
前記第1センサチップに設けられた2個の前記第1磁気抵抗効果素子と、前記第2センサチップに設けられた2個の前記第1磁気抵抗効果素子にて前記第1の方向に対する外部磁界を検知可能な第1ブリッジ回路が構成され、
前記第1センサチップに設けられた2個の前記第2磁気抵抗効果素子と、前記第2センサチップに設けられた2個の前記第2磁気抵抗効果素子にて前記第1の方向に直交する第2の方向に対する外部磁界を検知可能な第2ブリッジ回路が構成されることが好ましい。各ブリッジ回路からの出力を大きくでき、検出精度を向上させることができる。
In the present invention, each sensor chip is provided with two each of the first magnetoresistance effect element and the second magnetoresistance effect element,
An external magnetic field with respect to the first direction by the two first magnetoresistive elements provided in the first sensor chip and the two first magnetoresistive elements provided in the second sensor chip. A first bridge circuit capable of detecting
The two second magnetoresistive elements provided on the first sensor chip and the two second magnetoresistive elements provided on the second sensor chip are orthogonal to the first direction. It is preferable that a second bridge circuit capable of detecting an external magnetic field with respect to the second direction is configured. The output from each bridge circuit can be increased, and the detection accuracy can be improved.
本発明では、同一のセンサチップに、感度軸が直交する第1磁気抵抗効果素子と第2磁気抵抗効果素子とを簡単且つ適切に形成することが可能になる。よって、従来に比べて磁気センサに搭載するチップ数を減らすことができ、検出精度の向上や製造効率の向上等を図ることができる。 In the present invention, it is possible to easily and appropriately form the first magnetoresistive element and the second magnetoresistive element whose sensitivity axes are orthogonal to each other on the same sensor chip. Therefore, the number of chips mounted on the magnetic sensor can be reduced as compared with the conventional case, and detection accuracy and manufacturing efficiency can be improved.
図1(a)は、本実施形態における磁気センサの平面図(模式図)、図1(b)は、本実施形態における磁気センサの回路構成図である。図2は、本実施形態における第1磁気抵抗効果素子と第2磁気抵抗効果素子の平面図である。図3は第2磁気抵抗効果素子の部分拡大平面図である。図4(a)は、図3に示すA−A線に沿って高さ方向(膜厚方向)に切断し矢印方向から見た本実施形態の磁気センサの縦断面図であり(b)(c)はその変形例を示す。図5は本実施形態における素子部の部分縦断面図を示す。 FIG. 1A is a plan view (schematic diagram) of the magnetic sensor in the present embodiment, and FIG. 1B is a circuit configuration diagram of the magnetic sensor in the present embodiment. FIG. 2 is a plan view of the first magnetoresistive element and the second magnetoresistive element in the present embodiment. FIG. 3 is a partially enlarged plan view of the second magnetoresistance effect element. FIG. 4A is a longitudinal sectional view of the magnetic sensor of the present embodiment, which is cut in the height direction (film thickness direction) along the line AA shown in FIG. c) shows a modification thereof. FIG. 5 shows a partial longitudinal sectional view of the element portion in the present embodiment.
各図に示すX軸方向(第1の方向)、及びY軸方向(第2の方向)は水平面内にて直交する2方向を示し、Z軸方向は前記水平面に対して直交する方向を示している。 The X-axis direction (first direction) and the Y-axis direction (second direction) shown in each figure indicate two directions orthogonal to each other in the horizontal plane, and the Z-axis direction indicates a direction orthogonal to the horizontal plane. ing.
図1(a)は、本実施形態における磁気センサ10を概念的に示したものである。各磁気抵抗効果素子の具体的構成については図2以降で説明する。
FIG. 1A conceptually shows the
図1(a)に示すように、磁気センサ10は、支持基板9と、支持基板9上に設置された第1センサチップ11及び第2センサチップ12とを有して構成される。
As shown in FIG. 1A, the
図1(a)に示すように、第1センサチップ11には2個の第1磁気抵抗効果素子15と、2個の第2磁気抵抗効果素子16とが形成されている。
As shown in FIG. 1A, two first
図1(a)に示すように、第1磁気抵抗効果素子15の固定磁性層の磁化固定方向(P1)は、X2方向である。また、第2磁気抵抗効果素子16の固定磁性層の磁化固定方向(P2)は、Y2方向である。
As shown in FIG. 1A, the magnetization pinned direction (P1) of the pinned magnetic layer of the first
また図1(a)に示すように、第1磁気抵抗効果素子15に供給される第1バイアス磁界B1は、Y1−Y2方向である。また第2磁気抵抗効果素子16に供給される第2バイアス磁界B2はX1−X2方向である。
As shown in FIG. 1A, the first bias magnetic field B1 supplied to the first
図1(a)に示すように、第2バイアス磁界B2の方向を示す矢印は、Y方向からX1−X2方向に折れ曲がった図となっているが、これは後述するように第2ハードバイアス層から第2素子部に供給される第2バイアス磁界B2が着磁方向(Y方向)から90度変換されたことを意味する。 As shown in FIG. 1A, the arrow indicating the direction of the second bias magnetic field B2 is a diagram bent from the Y direction to the X1-X2 direction. This will be described later. Means that the second bias magnetic field B2 supplied to the second element portion is converted by 90 degrees from the magnetization direction (Y direction).
図1(a)に示す第2センサチップ12は、図1(a)に示す第1センサチップ11を180度回転させた構成である。よって第2センサチップ12における第1磁気抵抗効果素子15の固定磁性層の磁化固定方向(P1)は、X1方向であり、第1センサチップ11における第1磁気抵抗効果素子15の固定磁性層の磁化固定方向(P1)と180度、反対方向になる。また、第2センサチップ12における第2磁気抵抗効果素子16の固定磁性層の磁化固定方向(P2)は、Y1方向であり、第1センサチップ11における第2磁気抵抗効果素子16の固定磁性層の磁化固定方向(P2)と180度、反対方向になる。
The
図1(a)に示すように、各センサチップ11,12には複数の電極部18が形成されており、各第1磁気抵抗効果素子15及び各第2磁気抵抗効果素子16が各電極部18に電気的に接続されている。
As shown in FIG. 1A, each of the sensor chips 11 and 12 is formed with a plurality of
図1(b)は、図1(a)に示す磁気センサ10の回路構成図である。ここで、図1(b)に示す回路上の各第1磁気抵抗効果素子及び各第2磁気抵抗効果素子が図1(a)のどの位置に形成された第1磁気抵抗効果素子15及び第2磁気抵抗効果素子16であるのか明確にするために、図1(a)では符号15,16と符号15a〜15d,16a〜16dを併記し、図1(b)では、符号15,16を用いずに、図1(a)で併記した符号15a〜15d,16a〜16dを用いることとした。
FIG. 1B is a circuit configuration diagram of the
図1(b)に示すように4個の第1磁気抵抗効果素子15a〜15bにより第1ブリッジ回路7が構成される。図1(b)に示すように、固定磁性層の磁化固定方向(P1)がX2方向の第1磁気抵抗効果素子15aと、固定磁性層の磁化固定方向(P1)がX1方向の第1磁気抵抗効果素子15dとが直列に接続される。第1磁気抵抗効果素子15aは入力端子(Vdd)20に接続され、第1磁気抵抗効果素子15dはグランド端子(GND)21に接続され、第1磁気抵抗効果素子15aと第1磁気抵抗効果素子15dとの間に出力端子(VX1)22が接続されている。また、図1(b)に示すように、固定磁性層の磁化固定方向(P1)がX1方向の第1磁気抵抗効果素子15cと、固定磁性層の磁化固定方向(P1)がX2方向の第1磁気抵抗効果素子15bとが直列に接続される。第1磁気抵抗効果素子15cは入力端子(Vdd)20に接続され、第1磁気抵抗効果素子15bはグランド端子(GND)21に接続され、第1磁気抵抗効果素子15cと第1磁気抵抗効果素子15bとの間に出力端子(VX2)23が接続されている。
As shown in FIG. 1B, the first bridge circuit 7 is configured by the four first
また図1(b)に示すように、固定磁性層の磁化固定方向(P2)がY2方向の第2磁気抵抗効果素子16aと、固定磁性層の磁化固定方向(P2)がY1方向の第2磁気抵抗効果素子16dとが直列に接続される。第2磁気抵抗効果素子16aは入力端子(Vdd)20に接続され、第2磁気抵抗効果素子16dはグランド端子(GND)21に接続され、第2磁気抵抗効果素子16aと第2磁気抵抗効果素子16dとの間に出力端子(VY1)24が接続されている。また、図1(b)に示すように、固定磁性層の磁化固定方向(P2)がY1方向の第2磁気抵抗効果素子16cと、固定磁性層の磁化固定方向(P2)がY2方向の第2磁気抵抗効果素子16bとが直列に接続される。第2磁気抵抗効果素子16cは入力端子(Vdd)20に接続され、第2磁気抵抗効果素子16bはグランド端子(GND)21に接続され、第2磁気抵抗効果素子16cと第2磁気抵抗効果素子16bとの間に出力端子(VY2)25が接続されている。
As shown in FIG. 1B, the second
図2は第1磁気抵抗効果素子15と第2磁気抵抗効果素子16との平面形状を示す。例えば図2は、図1に示す第1磁気抵抗効果素子15aと第2磁気抵抗効果素子16aを示す。
FIG. 2 shows the planar shape of the
図2に示すように第1磁気抵抗効果素子15(15a)は、ミアンダ形状で形成されている。図2に示すように、Y1−Y2方向に間隔を空けて形成された複数の第1素子部30と、第1素子部30間に設けられた第1ハードバイアス層31とを有するY1−Y2方向に延出した素子連結体32が、X1−X2方向に間隔を空けて複数設けられ、各素子連結体32の端部が接続部33を介して交互に接続される。これによりミアンダ形状の第1磁気抵抗効果素子15が形成される。
As shown in FIG. 2, the first magnetoresistance effect element 15 (15a) is formed in a meander shape. As shown in FIG. 2, Y1-Y2 having a plurality of
図2に示すように第1磁気抵抗効果素子15の両端部が電極部18に電気的に接続されている。
As shown in FIG. 2, both end portions of the first
図2に示すように、第1ハードバイアス層31は矩形状で形成されており、平面視にて第1素子部30と接する端部31aがX1−X2方向に平行に形成されている。そして、Y1−Y2方向(第2の方向)に着磁された第1ハードバイアス層31から各第1素子部30に、Y1方向への第1バイアス磁界B1が供給される。このように第1磁気抵抗効果素子15では各第1素子部30に第1ハードバイアス層31から供給される第1バイアス磁界B1の方向は着磁方向と平行な方向である。
As shown in FIG. 2, the first
一方、第2磁気抵抗効果素子16(16a)も、第1磁気抵抗効果素子15と同様にミアンダ形状で形成されているが、向きが第1磁気抵抗効果素子15とは90度異なっている。
On the other hand, the second magnetoresistive effect element 16 (16a) is also formed in a meander shape like the first
図2に示すように、X1−X2方向に間隔を空けて形成された複数の第2素子部35と、第2素子部35間に設けられた第2ハードバイアス層36とを有するY1−Y2方向に延出した素子連結体37が、Y1−Y2方向に間隔を空けて複数設けられ、各素子連結体37の端部が接続部38を介して交互に接続される。これによりミアンダ形状の第2磁気抵抗効果素子16が形成される。
As shown in FIG. 2, Y1-Y2 having a plurality of
図2に示すように第2磁気抵抗効果素子16の両端部が電極部18に電気的に接続されている。
As shown in FIG. 2, both end portions of the second
図3は図2に示す第2磁気抵抗効果素子16の一部を拡大して示した部分拡大平面図である。ここでは説明しやすいように図3に示す3つの第2ハードバイアス層に夫々、符号36a〜36cを付した。
FIG. 3 is a partially enlarged plan view showing a part of the second
図3に示す各第2ハードバイアス層36a〜36cは、全てY1側端部36a1,36b1,36c1がN極に、Y2側端部36a2,36b2,36c2がS極に着磁され着磁方向が同じY1−Y2方向(第2の方向)となっている。 In each of the second hard bias layers 36a to 36c shown in FIG. 3, the Y1 side end portions 36a1, 36b1, and 36c1 are magnetized to the N pole, and the Y2 side end portions 36a2, 36b2, and 36c2 are magnetized to the S pole. It is the same Y1-Y2 direction (second direction).
図3に示すように、第2ハードバイアス層36bには、Y2側端部36b2からX2側端部36b3に向けて第1の側面40が形成され、Y2側端部36b2からX1側端部36b4に向けて第2の側面41が形成されている。第1の側面40及び第2の側面41は、Y1−Y2方向(第2の方向)からX1−X2方向(第1の方向)に向けて傾いている。つまり各側面40,41とY1−Y2方向との間の成す角度θ1は、0°及び90°でなく、例えば30〜60°程度となっている。各側面40,41は直線状で形成されている。
As shown in FIG. 3, the second
また図3に示すように、平面視にて、第1の側面40及び第2の側面41は、共に、平面視にて各第2素子部35と対向した位置に設けられている。
As shown in FIG. 3, the
また第2ハードバイアス層36aには、第2ハードバイアス層36bに形成された第1の側面40とX1−X2方向にて対向する側面(対向面)43が形成されている。第2ハードバイアス層36aの側面43と第2ハードバイアス層36bの第1の側面40とは略平行に設けられ、よって、第2ハードバイアス層36aの側面43は、第2ハードバイアス層36bの第1の側面40と同じ方向に傾いて形成されている。
The second
また第2ハードバイアス層36cには、第2ハードバイアス層36bに形成された第2の側面41とX1−X2方向にて対向する側面(対向面)44が形成されている。第2ハードバイアス層36cの側面44と第2ハードバイアス層36bの第2の側面41とは略平行に設けられ、よって、第2ハードバイアス層36cの側面44は、第2ハードバイアス層36bの第2の側面41と同じ方向に傾いて形成されている。
The second
図3に示すように、第2ハードバイアス層36aの側面43及び第2ハードバイアス層36cの側面44は、平面視にて、第2素子部35と対向した位置に設けられている。
As shown in FIG. 3, the
図3に示すように、各第2ハードバイアス層36a〜36cは、Y2側からY1方向(第2の方向)に向けて着磁されている。つまり着磁方向は図2に示す第1ハードバイアス層31と同一方向である。
As shown in FIG. 3, each of the second hard bias layers 36a to 36c is magnetized from the Y2 side toward the Y1 direction (second direction). That is, the magnetization direction is the same as that of the first
しかしながら第1ハードバイアス層31と違って、各第2ハードバイアス層36a〜36cでは傾斜した各側面40,41,43,44間にX1−X2方向(第1の方向)と平行な第2バイアス磁界B2が生じる。このように第2バイアス磁界B2は、着磁方向(Y1−Y2方向)とは直交する方向(X1−X2方向)から第2素子部35に供給されるのである。
However, unlike the first
図2に示す第1磁気抵抗効果素子15aと第2磁気抵抗効果素子16aの平面構成は、第1センサチップ11に形成される他の第1磁気抵抗効果素子15b及び第2磁気抵抗効果素子16bにおいても同様である。また図2の図面を180度回転させれば第2センサチップ12に設けられる第1磁気抵抗効果素子15c,15d及び第2磁気抵抗効果素子16c,16dの平面構成と同じになる。
The planar configuration of the first
図4(a)の縦断面図(図3に示すA−A線に沿って切断した部分縦断面図)に示すように、第2磁気抵抗効果素子16を構成する第2素子部35は、支持基板9上に絶縁層50を介して形成されている。また、第2素子部35上には、絶縁層51が設けられ、各第2ハードバイアス層36が絶縁層51の平坦化面上に形成される。
As shown in the vertical cross-sectional view of FIG. 4A (partial vertical cross-sectional view cut along the line AA shown in FIG. 3), the
このように図4(a)の構成では、第2素子部35と第2ハードバイアス層36との間の高さ方向(Z1−Z2)に、絶縁層51が存在するが、絶縁層51の膜厚が厚くなると、第2ハードバイアス層36から第2素子部35に流入する第2バイアス磁界B2の水平方向成分が弱くなるため、第2素子部35上に位置する絶縁層51を薄く形成することが好適である。
As described above, in the configuration of FIG. 4A, the insulating
あるいは図4(b)に示すように、第2素子部35の一部を除去して、その除去された凹部35a上に第2ハードバイアス層36を形成してもよい。ただし、図4(b)及び次に説明する図4(c)では、各素子連結体37間を跨ぐ第2ハードバイアス層36を分離して、電流が各素子連結体37間に第2ハードバイアス層36を介して流れないようにしている。
Alternatively, as shown in FIG. 4B, a part of the
または図4(c)に示すように、第2ハードバイアス層36の形成位置における第2素子部35を全て削除して、分離した各第2素子部35の間に第2ハードバイアス層36を介在させる構成とすることも出来る。
Alternatively, as shown in FIG. 4C, all the
図4に示す各構造は、図2に示す第1磁気抵抗効果素子15の第1素子部30と第1ハードバイアス層31においても同様に適用される。
Each structure shown in FIG. 4 is similarly applied to the
図5は、第1素子部30の部分縦断面図である。図5に示すように、第1素子部30は、例えば下から非磁性下地層60、固定磁性層61、非磁性層62、フリー磁性層63及び保護層64の順に積層されて成膜される。第1素子部30を構成する各層は、例えばスパッタにて成膜される。
FIG. 5 is a partial longitudinal sectional view of the
図5に示す実施形態では、固定磁性層61は第1磁性層61aと第2磁性層61bと、第1磁性層61a及び第2磁性層61b間に介在する非磁性中間層61cとの積層フェリ構造である。各第磁性層61a,61bはCoFe合金(コバルト−鉄合金)などの軟磁性材料で形成されている。非磁性中間層61cはRu等である。非磁性層62はCu(銅)などの非磁性材料で形成される。フリー磁性層63は、NiFe合金(ニッケル−鉄合金)などの軟磁性材料で形成されている。保護層64はTa(タンタル)などである。
In the embodiment shown in FIG. 5, the pinned
本実施形態では固定磁性層61を積層フェリ構造として、第1磁性層61aと第2磁性層61bとが反平行に磁化固定されたセルフピン止め構造である。従来では、反強磁性層を固定磁性層に接して形成し、磁場中熱処理によって反強磁性層と固定磁性層との間に交換結合磁界Hexを生じさせて、固定磁性層を所定の方向に磁化固定していたが、本実施形態では、反強磁性層を用いず、よって磁場中熱処理を施すことなく固定磁性層61を構成する各磁性層61a,61cを磁化固定している(セルフピン止め構造)。なお、各磁性層61a,61bの磁化固定力は、外部磁界Hが作用したときでも磁化揺らぎが生じない程度の大きさであれば足りる。
In the present embodiment, the pinned
磁化固定力を高めるには、固定磁性層61を積層フェリ構造として、各磁性層61a,61bの間に非磁性中間層61cを介したRKKY相互作用による反平行結合磁界を生じさせ、更に、各磁性層61a,61bに比較的高い保磁力Hcを有する磁性材料(例えばCoFe合金)を用いたり、非磁性下地層60を、固定磁性層61の保磁力Hcをより効果的に増大させることが可能な層(例えば、(NiFeCrやCu)として形成したり、非磁性下地層60を、固定磁性層61の磁歪定数λsをより効果的に増大させることが可能な層(例えば、薄くて反強磁性を帯びないIrMnやPtMn等の非磁性金属層)として形成する。
In order to increase the magnetization pinning force, the pinned
図5に示す積層構造は第2磁気抵抗効果素子16を構成する第2素子部35においても同じである。
The laminated structure shown in FIG. 5 is the same in the
また各ハードバイアス層31,36は例えばCoPtやCoPtCrであるが特に材料を限定するものではない。 The hard bias layers 31 and 36 are, for example, CoPt or CoPtCr, but the material is not particularly limited.
本実施形態は、同一のセンサチップ11、12に、感度軸方向である固定磁性層61の磁化固定方向(第2磁性層61bの磁化方向で定義される)が直交する第1磁気抵抗効果素子15と第2磁気抵抗効果素子16とを形成することを可能とするものである。
In the present embodiment, the first magnetoresistive element in which the fixed magnetization direction of the fixed magnetic layer 61 (defined by the magnetization direction of the second
そのためには、いくつかの要件が必要になる。まず一つ目は、例えば、第1磁気抵抗効果素子15を第2磁気抵抗効果素子16よりも先に形成し、第1磁気抵抗効果素子15の固定磁性層61を磁化固定した後、前記第2磁気抵抗効果素子16の固定磁性層61の磁化固定方向(P2)を、第1磁気抵抗効果素子15の磁化固定方向(P1)と90度異なる方向に調整する際に、第1磁気抵抗効果素子15の磁化固定方向(P1)が変化しないようにすることである。二つ目は、第1磁気抵抗効果素子15と第2磁気抵抗効果素子16に用いられる各ハードバイアス層31,36の着磁方向は同一方向のまま、第1磁気抵抗効果素子15に供給される第1バイアス磁界B1と第2磁気抵抗効果素子16に供給される第2バイアス磁界B2の方向が90度異なるように調整することである。着磁方向を同じ方向にしないと、各ハードバイアス層31,36を適切に着磁することが難しくなる。
For that purpose, several requirements are necessary. First, for example, after the first
そこで本実施形態では、まず上記で説明したように第1素子部30及び第2素子部35を構成する固定磁性層61をセルフピン止め構造とした。本実施形態では、磁場処理により固定磁性層61を構成する第1磁性層61aと第2磁性層61bとの間にRKKY相互作用による反平行結合磁界を生じさせて反平行に磁化固定するが、このとき従来のように熱処理は施さない。従来のように熱処理を行う場合には、一旦、磁化固定されても熱処理により、磁化固定状態が崩れてしまうが、本実施形態では、熱処理を施す必要がないように、セルフピン止め構造としたため、同じセンサチップ11,12に、磁化固定方向(P1,P2)が異なる第1磁気抵抗効果素子15と第2磁気抵抗効果素子16とを適切に形成できる。
Therefore, in the present embodiment, first, as described above, the fixed
続いて本実施形態では、図2に示すように第1磁気抵抗効果素子15を構成する第1ハードバイアス層31は第1素子部30に対して着磁方向(Y1−Y2方向)と同方向から第1バイアス磁界B1を作用させることができ、第2磁気抵抗効果素子16を構成する第2ハードバイアス層36は第2素子部35に対して着磁方向(Y1−Y2方向)と直交する方向(X1−X2方向)から第2バイアス磁界B2を作用させることができる。よって、第1ハードバイアス層31と第2ハードバイアス層36の着磁方向(Y1−Y2方向)を同一方向にして、第1素子部30と第2素子部35に供給される各バイアス磁界B1,B2の方向を90度異ならせることが出来る。
Subsequently, in the present embodiment, as shown in FIG. 2, the first
以上により、同一のセンサチップ11、12に、感度軸方向である固定磁性層61の磁化固定方向(第2磁性層61bの磁化方向で定義される)が直交する第1磁気抵抗効果素子15と第2磁気抵抗効果素子16とを形成することが可能になる。
As described above, the first
図6(a)〜図6(c)は本実施形態における磁気センサの製造方法を示す一工程図である。各図は製造工程中における平面図を図1(a)と同様に概念的に示したものである。なお図6(a)〜図6(b)でのX−Y方向は、図1(a)に対して90度回転している。 FIG. 6A to FIG. 6C are process diagrams illustrating a method for manufacturing a magnetic sensor according to this embodiment. Each figure conceptually shows a plan view during the manufacturing process in the same manner as FIG. Note that the XY directions in FIGS. 6A to 6B are rotated by 90 degrees with respect to FIG.
図6(a)では、基板65を用意する。基板65は、第1センサチップ11となる第1の領域65aと、第2センサチップ12となる第2の領域65bとを有している。
In FIG. 6A, a
図6(a)の工程では、基板65の第1の領域65a及び第2の領域65bに夫々、2個ずつ第1磁気抵抗効果素子15を形成する。磁場処理を施して積層フェリ構造の固定磁性層61をX1−X2方向に磁化固定する。図6(a)に示すP1は、第1磁気抵抗効果素子15を構成する固定磁性層61の第2磁性層61bの磁化固定方向である。
In the step of FIG. 6A, two first
次に、図6(b)の工程では、基材65の第1の領域65a及び第2の領域65bに夫々、2個ずつ第2磁気抵抗効果素子16を形成する。磁場処理を施して積層フェリ構造の固定磁性層61を、第1磁気抵抗効果素子15と直交するY1−Y2方向に磁化固定する。図6(b)に示すP2は、第2磁気抵抗効果素子16を構成する固定磁性層61の第2磁性層61bの磁化固定方向である。
Next, in the process of FIG. 6B, two second
本実施形態では、各固定磁性層61の磁化固定制御に対して熱処理を施さないため、図6(b)の工程で、第2磁気抵抗効果素子16の固定磁性層61をY1−Y2方向に磁化固定するために磁場を施しても、図6(a)の工程にて、既に形成された第1磁気抵抗効果素子15の固定磁性層61の磁化固定方向(P1)をX1−X2方向に向けた状態のまま適切に保つことが出来る。
In this embodiment, since no heat treatment is applied to the magnetization pinning control of each pinned
次に図6(c)の工程では、第1磁気抵抗効果素子15を構成する第1ハードバイアス層31と、第2磁気抵抗効果素子16を構成する第2ハードバイアス層36をY1−Y2方向に向けて同時に着磁する。これにより、第1磁気抵抗効果素子15を構成する第1素子部30には第1ハードバイアス層31からY1方向の第1バイアス磁界B1が供給され、第1素子部30を構成するフリー磁性層63の磁化方向がY1方向に揃えられる。一方、第2磁気抵抗効果素子16を構成する第2素子部35には第2ハードバイアス層36からX1−X2方向の第2バイアス磁界B2が供給され、第2素子部35を構成するフリー磁性層63の磁化方向がX1−X2方向に揃えられる。
Next, in the process of FIG. 6C, the first
第1磁気抵抗効果素子15を構成する第1素子部30及び第2磁気抵抗効果素子16を構成する第2素子部35を図2に示すようなミアンダ形状に形成する工程は、第1ハードバイアス層31及び第2ハードバイアス層36を形成する前であれば、特にどの時点で行うか限定しない。つまり、図6(a)では第1磁気抵抗効果素子15を成膜し、更に第1磁気抵抗効果素子15の固定磁性層61に対して磁場処理も施して磁化固定制御を行うが、例えば第1磁気抵抗効果素子15を構成する第1素子部30を一定領域内にベタ膜状態で残しておき、更に第1素子部30上をレジスト等で保護した後、図6(b)の工程で第2磁気抵抗効果素子16を成膜し、更に第2磁気抵抗効果素子16の固定磁性層61に対して磁場処理を施して磁化固定制御を行う。第2磁気抵抗効果素子16を構成する第2素子部35も一定領域にベタ膜状態で残しておき、その後、第1素子部30と第2素子部35とを同時に、図2に示すようなミアンダ形状に加工する。そして、第1磁気抵抗効果素子15を構成する第1ハードバイアス層31と、第2磁気抵抗効果素子16を構成する第2ハードバイアス層36とを同時に成膜し、更に同時に、第1ハードバイアス層31と第2ハードバイアス層36とを同一方向に着磁する。
The step of forming the
次に図6(c)では、基板65をB−B線に沿って切断すると、二つのセンサチップが完成する。そして一方を第1センサチップ11とし、他方を180度ひっくり返して第2センサチップ12として、図1(a)に示す支持基板9上に取り付ける。
Next, in FIG.6 (c), if the board |
本実施形態では、第1磁気抵抗効果素子15を構成する第1素子部30の固定磁性層61及び第2磁気抵抗効果素子16を構成する第2素子部35の固定磁性層61を夫々、第1磁性層61aと第2磁性層61bとが非磁性中間層61cを介して積層された積層フェリ構造とするとともに、反強磁性層を使用しないセルフピン止め構造とした。更に、第1磁気抵抗効果素子15を構成する第1ハードバイアス層31と第2磁気抵抗効果素子16を構成する第2ハードバイアス層36とを例えば図2に示すような形状及び各素子部30,35との配置とすることで、各ハードバイアス層31,36の着磁方向を同一方向としたまま、第1ハードバイアス層31から第1素子部30に供給される第1バイアス磁界B1が、着磁方向と平行な方向となるように、第2ハードバイアス層36から第2素子部35に供給される第2バイアス磁界B2が、前記着磁方向とは直交する方向となるように制御した。
In the present embodiment, the pinned
これにより、同一のセンサチップ11,12上に、感度軸が直交する第1磁気抵抗効果素子15と第2磁気抵抗効果素子16とを形成することが可能になる。したがって、同一チップに同じ感度軸の磁気抵抗効果素子しか形成できなかった従来に比べてチップ数を減らすことができる。
This makes it possible to form the first
よって、第1センサチップ11に形成された各磁気抵抗効果素子15,16と、第2センサチップ12に形成された各磁気抵抗効果素子15,16との間での位置ずれ等を小さくでき、高精度なリニア出力(アナログ出力)を得ることができる等、センサ出力の安定化を図ることができる。更にチップ数が減ることで製造効率の向上を図ることが可能になる。
Therefore, it is possible to reduce misalignment between the
また図1(b)に示す第1ブリッジ回路7と第2ブリッジ回路8とを有する回路構成により、センサ出力を大きくでき、検出精度を向上させることが可能である。 In addition, the circuit configuration having the first bridge circuit 7 and the second bridge circuit 8 shown in FIG. 1B can increase the sensor output and improve the detection accuracy.
図7は、本実施形態における磁気センサ10の使用形態の一例である。図7(a)に示すように、磁気センサ10と高さ方向(Z)に間隔を空けて磁石70が対向している。磁石70は例えば、磁気センサ10との対向面70aがN極で、反対面70bがS極である。図7(a)に示すように磁石70から磁気センサ10にかけて外部磁界Hが作用する。
FIG. 7 is an example of a usage pattern of the
図7(b)は、磁気センサ10を構成する第1センサチップ11と第2センサチップ12の平面図と、磁石70の外形を重ね合わせた図である。図7(a)(b)は、ちょうど磁石70の中心Oが磁気センサ10の中心に位置して、図1(b)に示す各出力端子(VX1,VX2,VY1,VY2)から得られる出力に基づいて磁石70の中心Oが磁気センサ10の中点位置にあることが検知される。そして例えば磁石70がX方向に移動すれば、X方向を検知するための各第1磁気抵抗効果素子15a〜15dの電気抵抗が変化し、それにより出力端子(VX1,VX2)22,23の各出力値より算出した差動出力を得ることができる。一方、この実施形態では、磁石70がX方向に移動すれば、Y方向を検知するための各第2磁気抵抗効果素子16a〜16dの電気抵抗も変化するが、出力端子(VY1,VY2)24,25の各出力値より算出した差動出力は変化しない。よって、図1(b)の回路から得られるX方向検知回路及びY方向検知回路の各出力に基づいて、磁石70がX方向にどの程度移動したかを検知できる。当然、磁石70がY方向に動いた場合、磁石70がX方向とY方向の間に斜めに移動した場合でも、磁石70の移動方向及び移動量(相対位置)を知ることができる。
FIG. 7B is a diagram in which the plan view of the
図8は第2実施形態の磁気センサを示す。図8(a)は、磁気センサを構成するセンサチップの製造過程を示し(図6(c)と同じ)、図8(b)は、図8(a)のC−C線より基板80を切断して形成された第1センサチップ81と第2センサチップ82とを支持基板(図示しない)上に配置した状態の磁気センサの平面図を示す。
FIG. 8 shows a magnetic sensor according to the second embodiment. FIG. 8A shows a manufacturing process of the sensor chip constituting the magnetic sensor (same as FIG. 6C), and FIG. 8B shows the
図8に示す各第1磁気抵抗効果素子15及び第2磁気抵抗効果素子16の構成は図1(a)と変わるところがない。図8では、各磁気抵抗効果素子15,16に対して2個ずつ電極部83が設けられている。各磁気抵抗効果素子15,16に接続する一方の電極部83は、入力端子かグランド端子に接続し、他方の電極部83は出力端子に接続される。
The configuration of each of the first
一方、図1(a)では、各センサチップ11,12に設けられた第1磁気抵抗効果素子15と第2磁気抵抗効果素子16の間で入力端子Vdd及びグランド端子GNDに繋がる電極部18を共通化にしている。よって図1(a)の磁気センサ10では図8の磁気センサに比べて電極数を少なく出来る。
On the other hand, in FIG. 1A, an
本実施形態では、図2に示すように、第2ハードバイアス層36から、その両側に位置する各第2素子部35に、180度反対方向の第2バイアス磁界B2が供給されるが、各第2素子部35に、一方向の第2バイアス磁界B2のみが供給されるようにすることも第2ハードバイアス層36と第2素子部35との位置関係等を変更すれば可能である。
In the present embodiment, as shown in FIG. 2, the second bias magnetic field B2 in the opposite direction by 180 degrees is supplied from the second
本実施形態では図1(b)に示すように、ブリッジ回路を構成する全ての素子が磁気抵抗効果素子であったが、例えばいくつかを固定抵抗とすることもできる。本実施形態では、同一チップ上に少なくとも一つずつ第1磁気抵抗効果素子15と第2磁気抵抗効果素子16とが形成されたものであってもよい。
In this embodiment, as shown in FIG. 1B, all the elements constituting the bridge circuit are magnetoresistive elements, but some of them may be fixed resistors, for example. In the present embodiment, at least one first
また支持基板9上に配置されるチップ数も2であるとは限定されない。一つであってもよいし3以上であってもよい。ただし、少なくとも本実施形態では、従来に比べてチップ数を減らすことが可能になる。
Further, the number of chips arranged on the
B1 第1バイアス磁界
B2 第2バイアス磁界
P1、P2 磁化固定方向
10 磁気センサ
11、81 第1センサチップ
12、82 第2センサチップ
15、15a〜15d 第1磁気抵抗効果素子
16、16a〜16d 第2磁気抵抗効果素子
20 入力端子
21 グランド端子
22〜25 出力端子
30 第1素子部
31 第1ハードバイアス層
35 第2素子部
36、36a〜36c 第2ハードバイアス層
40、41,43,44 側面
61 固定磁性層
61a、61b 磁性層
61c 非磁性中間層
63 フリー磁性層
70 磁石
B1 1st bias magnetic field B2 2nd bias magnetic field P1, P2 Magnetization fixed
Claims (7)
第1磁気抵抗効果素子は、フリー磁性層と固定磁性層とが非磁性層を介して積層された第1素子部と、前記第1素子部に対して第1バイアス磁界を供給するための第1ハードバイアス層とを有し、
前記第2磁気抵抗効果素子は、フリー磁性層と固定磁性層とが非磁性層を介して積層された第2素子部と、前記第2素子部に対して第2バイアス磁界を供給するための第2ハードバイアス層とを有し、
前記第1素子部及び前記第2素子部の各固定磁性層は、第1磁性層と第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構造であり、感度軸方向である前記第2磁性層の磁化固定方向は、前記第1素子部と前記第2素子部とで直交しており、
前記第1ハードバイアス層及び第2ハードバイアス層は、同じ着磁方向であり、前記第1ハードバイアス層から前記第1素子部には、前記着磁方向と平行な方向に前記第1バイアス磁界が供給され、前記第2ハードバイアス層から前記第2素子部には、前記着磁方向と直交する方向から第2バイアス磁界が供給されることを特徴とする磁気センサ。 A first magnetoresistive element and a second magnetoresistive element are provided on the same sensor chip;
The first magnetoresistive element includes a first element portion in which a free magnetic layer and a pinned magnetic layer are stacked via a nonmagnetic layer, and a first magnetic field for supplying a first bias magnetic field to the first element portion. 1 hard bias layer,
The second magnetoresistive element includes a second element portion in which a free magnetic layer and a pinned magnetic layer are stacked via a nonmagnetic layer, and a second bias magnetic field for supplying the second element portion to the second element portion. A second hard bias layer,
In each pinned magnetic layer of the first element portion and the second element portion, a first magnetic layer and a second magnetic layer are laminated via a nonmagnetic intermediate layer, and the first magnetic layer and the second magnetic layer Is a self-pinned structure in which magnetization is fixed in antiparallel, and the magnetization fixed direction of the second magnetic layer that is the sensitivity axis direction is orthogonal between the first element part and the second element part,
The first hard bias layer and the second hard bias layer have the same magnetization direction, and the first bias magnetic field extends from the first hard bias layer to the first element portion in a direction parallel to the magnetization direction. And a second bias magnetic field is supplied from the second hard bias layer to the second element portion from a direction orthogonal to the magnetization direction.
前記第2の方向が各ハードバイアス層に対する着磁方向であり、前記第1素子部では、前記第2の方向から前記第1バイアス磁界が供給され、前記第2素子部では、前記第1の方向から前記第2バイアス磁界が供給される請求項1記載の磁気センサ。 In the first magnetoresistive effect element, the first direction is the sensitivity axis direction, and in the second magnetoresistive effect element, the second direction orthogonal to the first direction is the sensitivity axis direction,
The second direction is a magnetization direction for each hard bias layer, the first element portion is supplied with the first bias magnetic field from the second direction, and the second element portion has the first direction. The magnetic sensor according to claim 1, wherein the second bias magnetic field is supplied from a direction.
前記第1センサチップに設けられた2個の前記第1磁気抵抗効果素子と、前記第2センサチップに設けられた2個の前記第1磁気抵抗効果素子にて第1の方向に対する外部磁界を検知可能な第1ブリッジ回路が構成され、
前記第1センサチップに設けられた2個の前記第2磁気抵抗効果素子と、前記第2センサチップに設けられた2個の前記第2磁気抵抗効果素子にて前記第1の方向と直交する第2の方向に対する外部磁界を検知可能な第2ブリッジ回路が構成される請求項4ないし6のいずれか1項に記載の磁気センサ。 Each sensor chip is provided with two each of the first magnetoresistance effect element and the second magnetoresistance effect element,
An external magnetic field in the first direction is generated by the two first magnetoresistive elements provided in the first sensor chip and the two first magnetoresistive elements provided in the second sensor chip. A detectable first bridge circuit is configured,
The two second magnetoresistive elements provided in the first sensor chip and the two second magnetoresistive elements provided in the second sensor chip are orthogonal to the first direction. The magnetic sensor according to any one of claims 4 to 6, wherein a second bridge circuit capable of detecting an external magnetic field in the second direction is configured.
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