JP2008270471A - 磁気センサ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】基板に巨大磁気抵抗効果素子を形成した磁気センサの製造に際して、規則化熱処理時に巨大磁気抵抗効果素子のピン層の磁化の向きを容易に制御できるようにする。
【解決手段】基板１１と、該基板１１の表面上にフリー層Ｆ、導電層Ｓ及びピン層Ｐを積層してなる巨大磁気抵抗効果素子とを備え、前記ピン層Ｐが、前記導電層Ｓ上に順次積層された第１磁性層１２ａ−２５、Ｒｕ層１２ａ−２６、第２磁性層１２ａ−２７及び反強磁性層１２ａ−２８を備え、前記第１磁性層１２ａ−２５の磁気モーメントが前記第２磁性層１２ａ−２５の磁気モーメントよりも大きい磁気センサを提供する。
【選択図】図３

Description

本発明は、磁気センサ及びその製造方法に関し、特に１つの基板に複数の巨大磁気抵抗効果素子を配置して二軸方向や三軸方向の磁界の強さを検知する磁気センサ及びその製造方法に関する。

従来から、磁気センサに使用される素子として、巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）や磁気トンネル効果素子（ＴＭＲ素子）等が知られている。これらの磁気抵抗効果素子は、磁化の向きが所定の向きにピン（固定）されたピン層と、磁化の向きが外部磁界に応じて変化するフリー層とを備えており、ピン層の磁化の向きとフリー層の磁化の向きの相対関係に応じた抵抗値を出力として示すものである。このような磁気抵抗効果素子を用いた磁気センサは、例えば、特許文献１，２にて提案されている。

特許文献１の磁気センサは、基板の表面上にピン層の磁性層にＲｕ層を挟み込んだＳＡＦ（Synthetic antiferromagnetic）構造のＧＭＲ素子を複数設けて構成されており、各ＧＭＲ素子は基板の表面に沿う一方向の磁界の強さを検出するようになっている。また、同一の基板の表面上には、相互に異なる方向の磁界の強さを検出する複数のＧＭＲ素子が形成されており、この構成の磁気センサによって二軸方向の磁界の強さを測定できるようになっている。

また、この磁気センサの製造においてピン層の磁化の向きを固定させる規則化熱処理（ピニング処理）を行う際には、基板を所定温度まで加熱すると共に基板の表面にマグネットアレーを対向させ、規則化熱処理の間、前述した２つの磁性層が平行となる状態を保持できる強い磁界（例えば、１０〔Ｔ〕以上）をピン層に付与している。なお、ピン層に付与する磁界は、マグネットアレーを構成するヨークのスリット（貫通孔の長方形部）に発生する磁界であり、ピン層に付与する磁界の向きは、マグネットアレーにおいて隣接する永久磁石片の極性によって定められている。そして、この規則化熱処理後、すなわち、使用時においては、これら２つの磁性層の磁化の向きが互いに逆向きの状態（２つの磁性層が反平行である状態）となる。

また、特許文献２の磁気センサは、同一の基板の表面上に平坦面及び平坦面に対して傾斜する斜面が形成されると共に、これら平坦面上及び斜面上に巨大磁気抵抗効果素子がそれぞれ形成されており、これによって、小型でかつ三軸方向の磁界の強さを測定できる磁気センサが得られる。
なお、前述の斜面は、基板の表面上に形成されたＶ字状の溝からなり、溝ごとに相互に対向するように一対形成されている。また、この磁気センサは、ピン層の磁性層にＲｕ層を挟み込まない構造のＧＭＲ素子によって構成されている。
特開２００５−２６００６４号公報 特開２００６−２６１４００号公報

しかしながら、特許文献２の磁気センサは、三軸方向の磁界の強さは測定できるが、外部磁界が過度に強い場合には、ＧＭＲ素子のピン層の磁化の向きが外部磁界に影響されて変動し、外部磁界がゼロとなった際に変動した位置に固定されてしまう、すなわち、耐強磁界性が弱いという問題がある。
一方、特許文献１の磁気センサのＳＡＦ構造のＧＭＲ素子では、使用時にピン層を構成する２つの磁性層が反平行状態となっているため、耐強磁界性は強いが、三軸方向の磁界の強さは測定できない。そこで、発明者の知見により、ＳＡＦ構造のＧＭＲ素子を特許文献２のように、平坦面及び斜面に形成することを考えた。
ここで、特許文献２のように、平坦面及び相互に対向する一対の斜面に、異なるピン層の磁化の向きを持つ三種類のＧＭＲ素子をともに形成した場合、ピン層の規則化熱処理において、磁界を付与すべきピン層を基板の表面上に投影した面積は、一対の斜面の方が平坦面よりも大きくなる。特に、相互に対向する斜面に形成されるＧＭＲ素子群の幅方向の寸法は、平坦面に形成されるＧＭＲ素子群の幅方向の寸法よりも大きくなる。

このように、斜面にＳＡＦ構造のＧＭＲ素子を形成したとしても、特許文献１と同様に、規則化熱処理において１０〔Ｔ〕以上の強い磁界を付与する必要があるため、スリットを有するマグネットアレーを用いることになる。このため、斜面に形成されたＧＭＲ素子群に磁界を付与するためのスリットの幅寸法は、上述の寸法差に相当する分だけ、平坦面に形成されたＧＭＲ素子に磁界を付与するためのスリットよりも大きくする必要がある。その結果、斜面の各ＧＭＲ素子に付与する磁界が弱くなり、規則化熱処理において全てのＧＭＲ素子に強い磁界を付与することは難しい。そして、規則化処理においてＧＭＲ素子に付与する磁界の強さが不十分となると、規則化熱処理後の２つの磁性層を反平行状態とすることができなくなる。
また、規則化熱処理においてＧＭＲ素子に強い磁界を付与する場合には、基板とマグネットアレーとの隙間距離の変化に対してＧＭＲ素子に付与される磁界の強さ変化が非常に大きいため、基板とマグネットアレーとの相対的な位置合わせや隙間調整を特に高精度に行う必要があり、磁気センサの製造が面倒になるという問題もある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、規則化熱処理時にピン層の磁化の向きを容易に制御できるＧＭＲ素子を備えた磁気センサ及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達するために、この発明は以下の手段を提供している。
本発明の磁気センサの製造方法は、基板の表面上に、フリー層、導電層及びピン層を順次積層して巨大磁気抵抗効果素子を形成する素子形成工程と、前記ピン層に磁界を付与して、前記ピン層の磁化の向きを固定させる規則化熱処理工程とを備え、前記素子形成工程において、前記導電層の上に第１磁性層、Ｒｕ層、第２磁性層及び反強磁性層を順次積層して前記ピン層を形成し、前記規則化熱処理工程では、前記第１磁性層及び前記第２磁性層の各磁性層が磁化すると共に前記第１磁性層及び前記第２磁性層が互いに反平行である状態に保持して規則化熱処理することを特徴とする。

また、本発明の磁気センサは、基板と、該基板の表面上にフリー層、導電層及びピン層を積層してなる巨大磁気抵抗効果素子とを備え、前記ピン層が、前記導電層上に順次積層された第１磁性層、Ｒｕ層、第２磁性層及び反強磁性層を備え、前記第１磁性層の磁気モーメントと前記第２磁性層の磁気モーメントとが相互に異なることを特徴とする。

なお、前記磁気センサの製造方法においては、前記素子形成工程の前に、前記基板の表面に、前記基板の厚さ方向に直交する平坦面と該平坦面に対して傾斜する斜面とを形成しておき、前記素子形成工程において、前記巨大磁気抵抗効果素子を前記平坦面上及び前記斜面上に形成してもよい。
さらに、前記磁気センサにおいては、前記基板の表面に、前記基板の厚さ方向に直交する平坦面と該平坦面に対して傾斜する斜面とが形成され、前記巨大磁気抵抗効果素子が、前記平坦面上及び前記斜面上にそれぞれ配置されていてもよい。
このように、素子形成工程において平坦面上及び斜面上に各々巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）を形成した磁気センサでは、相互に交差する軸方向の磁気を検出することができるため、二軸方向あるいは三軸方向の磁気を検出することが可能となる。

そして、これらの発明に係る磁気センサ及びその製造方法によれば、規則化熱処理の際には、各磁性層が磁化すると共にこれら２つの磁性層が互いに反平行となる状態に保持する程度の強さの磁界を、ＧＭＲ素子に付与すればよい。ここで、第１磁性層及び第２磁性層の磁気モーメントは相互に異なるため、これら２つの磁性層は反強磁性的な結合によって前記磁界と逆向きに磁化することになる。

このように規則化熱処理工程を実施すると、各磁性層の磁化の向き及び強さが、規則化熱処理において前記磁界を付与した際と同様の状態でピン（固定）されるため、従来のように、ヨークを使用する等して２つの磁性層が、平行となる状態を保持できる強い磁界を付与する必要が無くなる。また、規則化熱処理においては従来よりも弱い磁界を付与することになるため、磁界を付与するマグネットアレーと基板との隙間距離の変化に対してＧＭＲ素子に付与される磁界の強さ変化も小さくなり、基板とマグネットアレーとの相対的な位置合わせや隙間調整を高精度に行う必要も無くなる。したがって、規則化熱処理においては、ピン層の磁化の向きを容易に制御することが可能となる。
以上のことから、前述したように、平坦面上及び斜面上にそれぞれＧＭＲ素子を形成したとしても、上述のように強い磁界を各ＧＭＲ素子に付与することなく、各ピン層の磁性層の磁化の向きを容易に所定の方向にピンすることができる。すなわち、二軸方向あるいは三軸方向の磁気を検出する磁気センサを容易に製造することが可能となる。

さらに、前記磁気センサの製造方法は、前記素子形成工程において、前記第１磁性層の膜厚と前記第２磁性層の膜厚とが相互に異なるように前記ピン層を形成することを特徴とする。
また、前記磁気センサは、前記第１磁性層及び前記第２磁性層の膜厚が相互に異なることを特徴とする。
これらの場合には、確実に２つの磁性層の磁気モーメントを相互に異ならせることができるため、規則化熱処理工程において２つの磁性層の磁化の向きを反平行に維持したまま、各磁性層を所定の方向にピンすることができる。

さらに、前記磁気センサの製造方法は、前記素子形成工程において、前記第１磁性層の膜厚が前記第２磁性層の膜厚よりも大きくなるように、前記ピン層を形成することを特徴とする。
また、前記磁気センサは、前記第１磁性層の磁気モーメントが前記第２磁性層の磁気モーメントよりも大きいことを特徴とする。
なお、第１磁性層の磁気モーメントを前記第２磁性層の磁気モーメントよりも大きくするためには、第１磁性層の膜厚を第２磁性層の膜厚よりも大きくすればよい。

これらの場合には、第１磁性層の磁気モーメントが第２磁性層の磁気モーメントよりも大きくすることで、第１磁性層は前記磁界と同じ向きに磁化し、第２磁性層は前記磁界と逆向きに磁化することになる。
また、フリー層には２つの磁性層の磁力が作用し、これら２つの磁性層の磁力には、第１磁性層との交換結合力とピン層の各磁性層の磁界に基づく静磁的な力とがあるが、第１磁性層の磁気モーメントを第２磁性層よりも大きくすることで、フリー層に作用する交換結合力及び静磁的な力の総和を容易に小さくすることができる。

すなわち、フリー層に作用する第１磁性層の静磁的な力及び交換結合力の大きさは、例えば導電層の膜厚を調整することで略等しくすることができる。そして、上述のように第２磁性層の磁気モーメントを第１磁性層よりも小さくすることで、フリー層に作用する第２磁性層の静磁的な力を第１磁性層の静磁的な力及び交換結合力の大きさよりも小さくすることができる。
ここで、第１磁性層の交換結合力の向きは、第１磁性層の静磁的な力と逆向きとなり、第２磁性層の静磁的な力と同じ向きとなるため、フリー層に作用する交換結合力及び静磁的な力の総和を容易に小さくすることができる。したがって、フリー層の磁化の向きに対する２つの磁性層の磁力の影響を小さくして、フリー層の磁化の向きを好ましく設定することができる。

さらに、本発明の磁気センサの製造方法は、前記素子形成工程において、前記Ｒｕ層の膜厚が４Å以上１０Å以下となるように、前記ピン層を形成することを特徴とする。
また、本発明の磁気センサは、前記Ｒｕ層の膜厚が、４Å以上１０Å以下であることを特徴とする。

このようにＲｕ層の膜厚を薄くした場合には、規則化熱処理の際に前記磁界の強さを大きくしても、２つの磁性層間の反平行状態を保持することが可能となる。すなわち、２つの磁性層間の反平行状態を保持できる前記磁界の強さ範囲が大きい方に拡大するため、規則化熱処理工程における前記磁界の強さ制御を簡単に行うことができ、ピン層の磁化の向きをさらに容易に制御することが可能となる。

さらに、本発明の磁気センサの製造方法は、前記規則化熱処理工程において、前記磁界を付与するマグネットアレーを前記基板の裏面側に配置することを特徴とする。
この場合には、マグネットアレー近傍において生じる磁界が強くても、マグネットアレーを基板の厚み分だけＧＭＲ素子から離間させて、ピン層の磁性層に到達する磁界の強さを弱めることができると共にマグネットアレーとＧＭＲ素子との距離変化に対する磁界の強度変化を小さくできるため、ＧＭＲ素子に付与する磁界の強さを容易に調整することが可能となる。

本発明によれば、規則化熱処理工程において、２つの磁性層間の反平行状態を崩す程度の強い磁界を付与しなくても、ピン層の磁化の向きを容易に制御することが可能となり、特に、二軸方向あるいは三軸方向の磁気を検出する磁気センサを容易に製造することが可能となる。

以下、図１から図５を参照して本発明の一実施形態に係る磁気センサの構成について説明する。
図１に示すように、本実施形態の三軸磁気センサ１０は、平面視で互いに直交するＸ軸、及びＹ軸に沿った辺を有する正方形状であって、Ｘ軸及びＹ軸に直交するＺ軸方向に小さな厚みを有する石英やシリコンからなる基板１１を備えている。そして、この基板１１の上に、それぞれ４個ずつのＸ軸ＧＭＲ素子１２ａ〜１２ｄ、Ｙ１軸ＧＭＲ素子１２ｅ〜１２ｈ（図１（ａ）の後述するＧＭＲバーを示す実線の部分）、Ｙ２軸ＧＭＲ素子１２ｉ〜１２ｌ（図１（ａ）の後述するＧＭＲバーを示す破線の部分）からなる合計で１２個のＧＭＲ素子と、パッド部（配線から外部に出力を取り出す部分：図示せず）及びビア部（ＧＭＲ素子から配線に接続する部分を指すが、このビア部は最終的には露出されない：図示せず）ならびに配線（図示せず）が作り込まれている。なお、基板１１内には、ＬＳＩや配線層が作り込まれており、ＬＳＩが作り込まれた基板を用いたものにおいてはデジタル出力の磁気センサとなされており、配線層のみが作り込まれた基板を用いたものにおいてはアナログ出力の磁気センサとなされている。

ここで、Ｘ軸ＧＭＲ素子は第１Ｘ軸ＧＭＲ素子１２ａと、第２Ｘ軸ＧＭＲ素子１２ｂと、第３Ｘ軸ＧＭＲ素子１２ｃと、第４Ｘ軸ＧＭＲ素子１２ｄとにより構成されている。そして、基板１１のＸ軸（この場合、図１（ａ）の左側端部をＸ軸の基準点とし、この基準点から図の右側へ向かう方向をＸ軸正方向とし、その反対側へ向かう方向をＸ軸負方向とする。以下においても同様である。）の右側端部近傍で、Ｙ軸（この場合、図１（ａ）の下側端部をＹ軸の基準点とし、この基準点から図の上側へ向かう方向をＹ軸正方向とし、その反対側へ向かう方向をＹ軸負方向とする。以下においても同様である。）の略中央部（以下ではＹ軸中央部という）上方に第１Ｘ軸ＧＭＲ素子１２ａが配置され、その下方に第２Ｘ軸ＧＭＲ素子１２ｂが配置されている。また、基板１１のＸ軸の左側端部近傍で、Ｙ軸中央部上方に第３Ｘ軸ＧＭＲ素子１２ｃが配置され、その下方に第４Ｘ軸ＧＭＲ素子１２ｄが配置されている。

また、Ｙ１軸ＧＭＲ素子は第１Ｙ１軸ＧＭＲ素子１２ｅと、第２Ｙ１軸ＧＭＲ素子１２ｆと、第３Ｙ１軸ＧＭＲ素子１２ｇと、第４Ｙ１軸ＧＭＲ素子１２ｈとにより構成されている。そして、基板１１のＹ軸の上側端部近傍で、Ｘ軸中央部の左方に第１Ｙ１軸ＧＭＲ素子１２ｅが配置され、その右方に第２Ｙ１軸ＧＭＲ素子１２ｆが配置されている。また、基板１１のＹ軸の下側端部近傍で、Ｘ軸中央部の左方に第３Ｙ１軸ＧＭＲ素子１２ｇが配置され、その右方に第４Ｙ１軸ＧＭＲ素子１２ｈが配置されている。

さらに、Ｙ２軸ＧＭＲ素子は第１Ｙ２軸ＧＭＲ素子１２ｉと、第２Ｙ２軸ＧＭＲ素子１２ｊと、第３Ｙ２軸ＧＭＲ素子１２ｋと、第４Ｙ２軸ＧＭＲ素子１２ｌとにより構成されている。そして、基板１１のＹ軸の下側端部近傍で、Ｘ軸中央部の左方に第１Ｙ２軸ＧＭＲ素子１２ｉが配置され、その右方に第２Ｙ２軸ＧＭＲ素子１２ｊが配置されている。また、基板１１のＹ軸の上側端部近傍で、Ｘ軸中央部の左方に第３Ｙ２軸ＧＭＲ素子１２ｋが配置され、その右方に第４Ｙ２軸ＧＭＲ素子１２ｌが配置されている。

ここで、各ＧＭＲ素子１２ａ〜１２ｄ、１２ｅ〜１２ｈ、１２ｉ〜１２ｌは、互いに平行で帯状に隣接配置された複数個（この場合は、例えば４個とするが、Ｘ軸ＧＭＲ素子１２ａ〜１２ｄについては偶数個とすることが好ましい。）のＧＭＲバーを備えており、これらのＧＭＲバーがリード膜により直列接続され、これらの端部に端子部となるリード膜が接続されて形成されている。例えば、図２（なお、図２においては第１Ｘ軸ＧＭＲ素子１２ａについてのみ示しているが、他のＧＭＲ素子においても同様の構成である）に示すように、４個のＧＭＲバー１２ａ−１，１２ａ−２，１２ａ−３，１２ａ−４がリード膜１２ａ−６，１２ａ−７，１２ａ−８により直列接続され、これらの端部に端子部となるリード膜１２ａ−５，１２ａ−９が接続されて形成されている。この場合、Ｘ軸ＧＭＲ素子１２ａ〜１２ｄの各ＧＭＲバー（１２ａ−１，１２ａ−２，１２ａ−３，１２ａ−４等）は、基板１１の表面と平行な平坦面上に形成されており、その長手方向がＹ軸に対して平行（Ｘ軸に直交する）になるように配列されている。

また、図１（ｂ），図４（ｂ）に示すように、Ｙ１軸ＧＭＲ素子とＹ２軸ＧＭＲ素子は、基板１１の上に形成された断面形状が台形状の複数の突部（堤部）１５の各斜面上に形成されているとともに、Ｙ１軸ＧＭＲ素子のＧＭＲバー１２ｅ−１，１２ｅ−２，１２ｅ−３，１２ｅ−４は突部（堤部）１５の第１斜面１５ａ上に形成されており、Ｙ２軸ＧＭＲ素子のＧＭＲバー１２ｋ−１，１２ｋ−２，１２ｋ−３，１２ｋ−４は突部（堤部）１５の第２斜面１５ｂ上に形成されている。また、これらＧＭＲバー１２ｅ−１〜１２ｅ−４，１２ｋ−１〜１２ｋ−４は、その長手方向が突部（堤部）１５の稜線の走行方向に平行となるように配されている。なお、各斜面１５ａ，１５ｂの傾斜角度は等しく、基板１１の平坦面に対してθ（２０°≦θ≦６０°）となるように形成されている。
そして、Ｙ１軸ＧＭＲ素子の各ＧＭＲバー（例えば、１２ｅ−２）とＹ２軸ＧＭＲ素子の各ＧＭＲバー（例えば、１２ｋ−２）とが１つの突部１５で互に背中合わせになるように配置されている。この場合、Ｙ１軸ＧＭＲ素子１２ｅ〜１２ｈの各ＧＭＲバーおよびＹ２軸ＧＭＲ素子１２ｉ〜１２ｌの各ＧＭＲバーは、その長手方向がＸ軸に対して平行（Ｙ軸と垂直）になるように配列されている。

ついで、ＧＭＲバーの構成について、第１Ｘ軸ＧＭＲ素子１２ａのＧＭＲバー１２ａ−２を例にして、図２，３に基づいて説明する。なお、他のＧＭＲバー１２ａ−１，１２ａ−３，１２ａ−４についてはこれと等しいため、ここではＧＭＲバー１２ａ−２について説明する。また、他のＸ軸ＧＭＲ素子１２ｂ〜１２ｄおよびＹ１軸ＧＭＲ素子１２ｅ〜１２ｈおよびＹ２軸ＧＭＲ素子１２ｉ〜１２ｌのそれぞれのＧＭＲバーの構成についてもこれと等しいので、その説明は省略する。

ここで、第１Ｘ軸ＧＭＲ素子１２ａのＧＭＲバー１２ａ−２は、図２（ｂ）に示すように、その長手方向がＸ軸に対して垂直（Ｙ軸に対して平行）になるように配列されたスピンバルブ膜ＳＶからなり、この両端部下方に形成されたリード膜１２ａ−６，１２ａ−７に接続されている。ここで、リード膜１２ａ−６，１２ａ−７はＣｒ等の非磁性金属膜からなり、その膜厚は例えば１３０ｎｍ（１３００Å）に設定されている。
そして、スピンバルブ膜ＳＶは、図３（ａ）に示すように、基板１１の上に順次積層されたフリー層（自由層、自由磁化層）Ｆ、膜厚が２．８ｎｍ（２８Å）のＣｕからなる導電性のスペーサ層（導電層）Ｓ、ピン層（固着層、固定磁化層）Ｐ、及び、膜厚が２．５ｎｍ（２５Å）のタンタル（Ｔａ）又はチタン（Ｔｉ）からなるキャッピング層Ｃによって構成されている。

フリー層Ｆは、外部磁界の向きに応じて磁化の向きが変化する層であり、基板１１の直上に形成された膜厚が８ｎｍ（８０Å）のＣｏＺｒＮｂアモルファス磁性層１２ａ−２１と、ＣｏＺｒＮｂアモルファス磁性層１２ａ−２１の上に形成されて膜厚が３．３ｎｍ（３３Å）のＮｉＦｅ磁性層１２ａ−２２と、ＮｉＦｅ磁性層１２ａ−２２の上に形成されて膜厚が１．２ｎｍ（１２Å）のＣｏＦｅ層１２ａ−２３とからなる。
ここで、ＣｏＺｒＮｂアモルファス磁性層１２ａ−２１、ＮｉＦｅ磁性層１２ａ−２２及びＣｏＦｅ層１２ａ−２３は軟質強磁性体薄膜層を構成している。また、ＣｏＦｅ層１２ａ−２３はＮｉＦｅ層１２ａ−２２のＮｉ、及び、スペーサ層ＳをなすＣｕ層１２ａ−２４の拡散を防止するために設けられている。

ピン層Ｐは、Ｃｕ層１２ａ−２４の上に形成されて膜厚が３．２ｎｍ（３２Å）の第１ＣｏＦｅ磁性層１２ａ−２５と、第１ＣｏＦｅ磁性層１２ａ−２５の上に形成されて膜厚が０．５ｎｍ（５Å）のＲｕ層１２ａ−２６と、Ｒｕ層１２ａ−２６の上に形成されて膜厚が２．２ｎｍ（２２Å）の第２ＣｏＦｅ磁性層１２ａ−２７と、第２ＣｏＦｅ磁性層１２ａ−２７の上に形成されてＰｔを４５〜５５ｍｏｌ％含むＰｔＭｎ合金からなる膜厚が２４ｎｍ（２４０Å）の反強磁性膜（反強磁性層）１２ａ−２８とにより構成されている。
なお、上述したフリー層Ｆ及びピン層Ｐを構成する各層や、スペーサ層Ｓ、キャッピング層Ｃの膜厚は、Ｘ軸ＧＭＲ素子１２ａ〜１２ｄの場合のものであり、斜面１５ａ，１５ｂに形成されるＹ１軸ＧＭＲ素子１２ｅ〜１２ｈ及びＹ２軸ＧＭＲ素子１２ｉ〜１２ｌの場合には、これらを構成する各層がＸ軸ＧＭＲ素子１２ａ〜１２ｄの場合の７０〜８０％程度の膜厚となる。

そして、前述した第２ＣｏＦｅ磁性層１２ａ−２７は、図３（ｂ）に示すように、反強磁性膜１２ａ−２８に交換結合的に裏打ちされており、その磁化（磁化ベクトル）の向きがＸ軸負方向にピン（固定）されている。また、第１ＣｏＦｅ磁性層１２ａ−２５は、第２ＣｏＦｅ磁性層１２ａ−２７との間で反強磁性的に結合されており、その磁化の向きがＸ軸正方向にピン（固定）されている。すなわち、これら２つのＣｏＦｅ磁性層１２ａ−２５，１２ａ−２７によってピン層Ｐにおける磁化の向きが定められている。

そして、図２（ａ）、図３（ｂ）及び図４（ａ）に示すように、上述のように構成された第１Ｘ軸ＧＭＲ素子１２ａにおける磁界の感度方向は、基板１１の平坦面に平行な方向かつフリー層Ｆの磁化の向きに垂直な方向となっており、ＧＭＲバーの長手方向の垂直方向、かつ、Ｘ軸正方向（図４（ａ）の矢印ａ１方向）となっている。また、第２Ｘ軸ＧＭＲ素子１２ｂにおける磁界の感度方向は、第１Ｘ軸ＧＭＲ素子１２ａと同様にＸ軸正方向（図４（ａ）の矢印ｂ１方向）となっている。
したがって、図４（ａ）の矢印ａ１，ｂ１方向に磁界が印加された場合には、第１Ｘ軸ＧＭＲ素子１２ａおよび第２Ｘ軸ＧＭＲ素子１２ｂの抵抗値が磁界の大きさに比例して減少し、図４（ａ）の矢印ａ１，ｂ１方向と反対方向に磁界が印加された場合に、第１Ｘ軸ＧＭＲ素子１２ａおよび第２Ｘ軸ＧＭＲ素子１２ｂの抵抗値が磁界の大きさに比例して増大することとなる。

一方、第３Ｘ軸ＧＭＲ素子１２ｃおよび第４Ｘ軸ＧＭＲ素子１２ｄにおける磁界の感度方向は、図４（ａ）に示すように、これらの各ＧＭＲバーの長手方向の垂直方向で、第１Ｘ軸ＧＭＲ素子１２ａおよび第２Ｘ軸ＧＭＲ素子１２ｂと１８０°反対方向となっている。すなわち、これら第３Ｘ軸ＧＭＲ素子１２ｃおよび第４Ｘ軸ＧＭＲ素子１２ｄにおいては、磁化（磁化ベクトル）の向きがＸ軸負方向（図４（ａ）の矢印ｃ１，ｄ１方向で、第１Ｘ軸ＧＭＲ素子１２ａ及び第２Ｘ軸ＧＭＲ素子１２ｂのピン層の磁化の向きと１８０°反対の方向）にピン（固定）されるようにピン層が形成されている。
したがって、図４（ａ）の矢印ｃ１，ｄ１方向に磁界が印加された場合には、第３Ｘ軸ＧＭＲ素子１２ｃおよび第４Ｘ軸ＧＭＲ素子１２ｄの抵抗値は磁界の大きさに比例して減少し、図４（ａ）の矢印ｃ１，ｄ１と反対方向に磁界が印加された場合には、第３Ｘ軸ＧＭＲ素子１２ｃおよび第４Ｘ軸ＧＭＲ素子１２ｄの抵抗値が磁界の大きさに比例して増大することとなる。

また、第１Ｙ１軸ＧＭＲ素子１２ｅおよび第２Ｙ１軸ＧＭＲ素子１２ｆにおける磁界の感度方向は、図４（ｂ）に示すように、これらの各ＧＭＲバー（例えば、１２ｅ−２，１２ｅ−３および１２ｆ−２，１２ｆ−３等）の長手方向の垂直方向で、突部（堤部）１５の第１斜面（傾斜角度はθ）１５ａに沿うＹ軸正方向かつＺ軸負方向（図４（ａ），（ｂ）の矢印ｅ１，ｆ１方向）となっている。
したがって、図４（ａ），（ｂ）の矢印ｅ１，ｆ１方向に成分を持つ磁界が印加された場合には、第１Ｙ１軸ＧＭＲ素子１２ｅおよび第２Ｙ１軸ＧＭＲ素子１２ｆの抵抗値が磁界の大きさに比例して減少し、図４（ａ），（ｂ）の矢印ｅ１，ｆ１と反対方向に成分を持つ磁界が印加された場合には、第１Ｙ１軸ＧＭＲ素子１２ｅおよび第２Ｙ１軸ＧＭＲ素子１２ｆの抵抗値が磁界の大きさに比例して増大することとなる。

一方、第３Ｙ１軸ＧＭＲ素子１２ｇおよび第４Ｙ１軸ＧＭＲ素子１２ｈにおける磁界の感度方向は、図４（ｃ）に示すように、これらの各ＧＭＲバー（例えば、１２ｅ−２，１２ｅ−３および１２ｆ−２，１２ｆ−３等）の長手方向に対して垂直な方向で、突部（堤部）１５の第１斜面１５ａに沿うＹ軸負方向かつＺ軸負方向（図４（ａ），（ｃ）の矢印ｇ１，ｈ１方向）となっている。すなわち、第３Ｙ１軸ＧＭＲ素子１２ｇおよび第４Ｙ１軸ＧＭＲ素子１２ｈの磁界の感度方向は、第１Ｙ１軸ＧＭＲ素子１２ｅおよび第２Ｙ１軸ＧＭＲ素子１２ｆと１８０°反対方向となっている
したがって、図４（ａ），（ｃ）の矢印ｇ１，ｈ１方向に成分を持つ磁界が印加された場合には、第３Ｙ１軸ＧＭＲ素子１２ｇおよび第４Ｙ１軸ＧＭＲ素子１２ｈの抵抗値は磁界の大きさに比例して減少し、図４（ａ），（ｃ）の矢印ｇ１，ｈ１と反対方向に成分を持つ磁界が印加された場合に、第３Ｙ１軸ＧＭＲ素子１２ｇおよび第４Ｙ１軸ＧＭＲ素子１２ｈの抵抗値は磁界の大きさに比例して増大することとなる。

また、第１Ｙ２軸ＧＭＲ素子１２ｉおよび第２Ｙ２軸ＧＭＲ素子１２ｊにおける磁界の方向は、図４（ｃ）に示すように、これらの各ＧＭＲバー（例えば、１２ｉ−２，１２ｉ−３および１２ｊ−２，１２ｊ−３等）の長手方向に対して垂直な方向で、突部（堤部）１５の第２斜面（傾斜角度はθ）１５ｂに沿うＹ軸負方向かつＺ軸正方向（図４（ａ），（ｃ）の矢印ｉ１，ｊ１方向）となっている。
したがって、図４（ａ）の矢印ｉ１（ｊ１）方向に成分を持つ磁界が印加された場合には、第１Ｙ２軸ＧＭＲ素子１２ｉおよび第２Ｙ２軸ＧＭＲ素子１２ｊの抵抗値が磁界の大きさに比例して減少し、図４（ａ）の矢印ｉ１（ｊ１）と反対方向に成分を持つ磁界が印加された場合には、第１Ｙ２軸ＧＭＲ素子１２ｉおよび第２Ｙ２軸ＧＭＲ素子１２ｊの抵抗値が磁界の大きさに比例して増大することとなる。

一方、第３Ｙ２軸ＧＭＲ素子１２ｋおよび第４Ｙ２軸ＧＭＲ素子１２ｌにおける磁界の感度方向は、図４（ｂ）に示すように、これらの各ＧＭＲバー（例えば、１２ｋ−２，１２ｋ−３および１２ｌ−２，１２ｌ−３等）の長手方向に対して垂直な方向で、突部（堤部）１５の第２斜面１５ｂに沿うＹ軸正方向かつＺ軸正方向（図４（ａ），（ｂ）の矢印ｋ１，ｌ１方向）となっている。すなわち、第３Ｙ２軸ＧＭＲ素子１２ｋおよび第４Ｙ２軸ＧＭＲ素子１２ｌの磁界の感度方向は、第１Ｙ２軸ＧＭＲ素子１２ｉおよび第２Ｙ２軸ＧＭＲ素子１２ｊと１８０°反対方向となっている。
したがって、図４（ａ）の矢印ｋ１（ｌ１）方向に成分を持つ磁界が印加された場合に、第３Ｙ２軸ＧＭＲ素子１２ｋおよび第４Ｙ２軸ＧＭＲ素子１２ｌの抵抗値は磁界の大きさに比例して減少し、図４（ａ）の矢印ｋ１（ｌ１）と反対方向に成分を持つ磁界が印加された場合に、第３Ｙ２軸ＧＭＲ素子１２ｋおよび第４Ｙ２軸ＧＭＲ素子１２ｌの抵抗値は磁界の大きさに比例して増大することとなる。

以上のように構成された三軸磁気センサ１０のうちＸ軸方向（図４（ａ）の矢印ａ１，ｂ１方向）の磁気を検出するＸ軸磁気センサは、図５（ａ）（なお、図５（ａ）〜（ｃ）において、各矢印は各ＧＭＲ素子のピン層ＰがＹ軸負方向にピンされたときの磁化の向きが上向きとなるように示している。）に等価回路を示したように、第１〜第４Ｘ軸ＧＭＲ素子１２ａ〜１２ｄがフルブリッヂ接続されることにより構成されている。このような構成において、パッド１３ａおよびパッド１３ｂは定電圧源１４の正極，負極に接続され、電位Ｖｘｉｎ+（本例では３Ｖ）と電位Ｖｘｉｎ-（本例では０（Ｖ））が付与される。そして、パッド１３ｃとパッド１３ｄの電位がそれぞれ電位Ｖｘｏｕｔ+と電位Ｖｘｏｕｔ-として取り出され、その電位差（（Ｖｘｏｕｔ+）−（Ｖｘｏｕｔ-））がセンサ出力Ｖｘｏｕｔとして取り出される。

また、三軸磁気センサ１０のうちＹ１軸方向（図４の矢印ｅ１，ｆ１，ｇ１，ｈ１方向）の磁気を検出するＹ１軸磁気センサは、図５（ｂ）に等価回路を示したように、第１〜第４Ｙ１軸ＧＭＲ素子１２ｅ〜１２ｈがフルブリッヂ接続されることにより構成されている。そして、パッド１３ｅおよびパッド１３ｆは定電圧源１４の正極，負極に接続され、電位Ｖｙ１ｉｎ+（本例では３Ｖ）と電位Ｖｙ１ｉｎ-（本例では０（Ｖ））が付与され、パッド１３ｇとパッド１３ｈの電位差がセンサ出力Ｖｙ１ｏｕｔとして取り出される。

さらに、三軸磁気センサ１０のうちＹ２軸方向（図４の矢印ｉ１，ｊ１，ｋ１，ｌ１方向）の磁気を検出するＹ２軸磁気センサは、図５（ｃ）に等価回路を示したように、第１〜第４Ｙ２軸ＧＭＲ素子１２ｉ〜１２ｌがフルブリッヂ接続されることにより構成されている。そして、パッド１３ｉおよびパッド１３ｊは定電圧源１４の正極，負極に接続され、電位Ｖｙ２ｉｎ+（本例では３Ｖ）と電位Ｖｙ２ｉｎ-（本例では０（Ｖ））が付与され、パッド１３ｋとパッド１３ｌの電位差がセンサ出力Ｖｙ２ｏｕｔとして取り出される。

そして、得られた出力Ｖｘｏｕｔ，Ｖｙ１ｏｕｔおよびＶｙ２ｏｕｔに基づいて、Ｘ軸方向の磁界の成分Ｈｘを下記の（１）式により求めることができる。同様に、Ｙ軸方向の磁界の成分Ｈｙを下記の（２）式により求めることができ、Ｚ軸方向の磁界の成分Ｈｚを下記の（３）式により求めることができる。なお、これらの演算は、例えば基板１１に予め形成されたＬＳＩや、三軸磁気センサ１０に電気接続された別個のＬＳＩチップ等において行われることとなる。
Ｈｘ＝２ｋｘ×Ｖｘｏｕｔ・・・（１）
Ｈｙ＝ｋｙ（Ｖｙ１ｏｕｔ−Ｖｙ２ｏｕｔ）／ｃｏｓθ・・・（２）
Ｈｚ＝ｋｚ（Ｖｙ１ｏｕｔ＋Ｖｙ２ｏｕｔ）／ｓｉｎθ・・・（３）
ただし、θは突部（堤部）１５の各斜面１５ａ，１５ｂの傾斜角度であって、この場合のθは２０°≦θ≦６０°の関係を有する。また、ｋｘ，ｋｙ，ｋｚは比例定数であって、各センサの感度が等しければ、ｋｘ＝ｋｙ＝ｋｚとなる。

次に、上述のような構成となる三軸磁気センサ１０の製造方法について、図６〜図１５の断面模式図に基づいて以下に説明する。なお、図６〜図１５において、（ａ）はビア部を示し、（ｂ）はパッド部を示し、（ｃ）はＹ１軸ＧＭＲ部およびＹ２軸ＧＭＲ部を示している。この場合、上述したように、基板１１としては、ＣＭＯＳプロセスにより予めＬＳＩが作り込まれた基板や、予め配線層のみが作り込まれた基板を用いることが望ましい。

この三軸磁気センサ１０の製造方法においては、はじめに、図６に示すように、配線層１１ａが形成された基板（石英基板またはシリコン基板）１１の上に層間絶縁膜（ＳＯＧ：Spin On Glass）１１ｂを塗布することにより平坦化する。次いで、図７に示すように、ビア部とパッド部の上の層間絶縁膜１１ｂをエッチングで取り除き、配線層１１ａを外方に露出させる開口部１１ｃ，１１ｄを作製する。その後、図８に示すように、これらの表面に、例えばＳｉＯ₂膜等からなる酸化膜（ＳｉＯ_ｘ、厚み：１５００Å）１１ｅと、例えばＳｉ₃Ｎ₄膜等からなる窒化膜（ＳｉＮ_ｘ、厚み：５０００Å）１１ｆとをプラズマＣＶＤにより成膜する。そして、これらの上にレジストを塗布した後、ビア部とパッド部に開口を形成するようなパターンにカットする。

次いで、ビア部上およびパッド部上の窒化膜１１ｆをエッチングにより除去した後、レジストを除去すると、図９に示すように、窒化膜１１ｆにはビア部上およびパッド部上に酸化膜１１ｅを外方に露出させる開口部１１ｇ，１１ｈが形成されることになる。なお、この開口部１１ｇ，１１ｈの形成に際しては、酸化膜１１ｅはエッチングしきらずに残存させるようにし、また、開口部１１ｇ，１１ｈの開口幅（径）は開口部１１ｃ，１１ｄの開口幅（径）よりも小さくなるようにする。これは、開口部１１ｃ，１１ｄで層間絶縁膜１１ｂが露出して、水分が配線層やＬＳＩに浸入するのを防止するためである。

その後、図１０，１１に示すように、基板１１の表面上に、基板１１の厚さ方向に直交する平坦面と、この平坦面に対して傾斜する斜面（例えば第１斜面１５ａ、第２斜面１５ｂ、図１，４参照）とを形成する（配置面形成工程）。
この配置面形成工程においては、図１０に示すように、はじめに、基板１１の表面上に上層酸化膜（下地膜）１１ｉを成膜すると共に、この上層酸化膜１１ｉ上に斜面を有する突部形状のレジスト膜１１ｊを形成する（レジスト形成工程）。具体的には、前述した窒化膜１１ｆ、酸化膜１１ｅの上に、例えばＳｉＯ₂膜等からなる上層酸化膜（ＳｉＯ_ｘ、厚み：５μｍ）１１ｉをプラズマＣＶＤにより成膜する。次いで、この上層酸化膜１１ｉの上にスピンコート法、ディップコート法などによりレジストを塗布してレジスト膜（厚み：５μｍ）１１ｊを形成する。なお、この状態におけるレジスト膜１１ｊの表面は、基板１１の厚さ方向に直交する平坦面に形成されている。

そして、このレジスト膜１１ｊを、上層酸化膜１１ｉに関してビア部とパッド部に開口を形成するためのパターン、及び、上層酸化膜１１ｉに斜面を形成するためのパターン（Ｙ１軸ＧＭＲ素子やＹ２軸ＧＭＲ素子の配列用の突部（堤部）１５を形成するためのパターン）にカットする。
このカット後には、１５０℃の温度で１〜１０分間の熱処理を行うことにより、図１１に示すように、レジスト膜１１ｊを軟化させてテーパ状に形成（テーパ化）する。これにより、図１１（ｃ）に示すように、Ｙ１軸ＧＭＲ部やＹ２軸ＧＭＲ部のレジスト膜１１ｊが斜面を有する突部状に形成されることになる。なお、図示はしていないが、Ｘ軸ＧＭＲ部のレジスト膜１１ｊの表面は、その形成時と同様の平坦面に形成されている。

また、この配置面形成工程においては、レジスト形成工程の終了後に、異方性エッチングにより上層酸化膜１１ｉ及びレジスト膜１１ｊをエッチングして、突部状のレジスト膜１１ｊにならって上層酸化膜１１ｉに斜面を形成する（異方性エッチング工程）。具体的には、上層酸化膜１１ｉ及びレジスト膜１１ｊをほぼ同じ比率でエッチングする条件、かつ、このエッチング後に上層酸化膜１１ｉの残存する厚さが最大で約０．５μｍ（約５０００Åとなる条件でドライエッチングを行う。なお、このドライエッチングに際しては、ビア部およびパッド部において上層酸化膜１１ｉの開口幅（径）が窒化膜１１ｆの開口幅（径）よりも大きくならないようにする。
そして、このドライエッチングの終了後に残存するレジスト膜１１ｊを除去することで、図１２に示すように、Ｙ１軸ＧＭＲ部やＹ２軸ＧＭＲ部に上層酸化膜１１ｉからなる突部（堤部）１５が形成される、すなわち、上層酸化膜１１ｉに斜面が形成されることになる。なお、図示はしていないが、Ｘ軸ＧＭＲ部のレジスト膜１１ｊにも同様のドライエッチングを施すことで、上層酸化膜１１ｉに平坦面が形成されることになる。

さらに、この上層酸化膜１１ｉの上にレジストを塗布して、このレジストをビア部に開口を形成するためのパターンにカットした後、エッチングを行う。そして、このエッチングで残存したレジストを除去することにより、図１３に示すように、ビア部に開口１１ｋが形成されて、基板１１の最上層の配線層１１ａが外方に露出することになる。なお、このエッチングにおいては、図示例のようにパッド部における配線層１１ａ上の酸化膜１１ｅ及び上層酸化膜１１ｉを残存させてもよいが、例えば、ビア部と同様に、これら酸化膜１１ｅ及び上層酸化膜１１ｉも同時に除去してパッド部における配線層１１ａを外方に露出させるとしても構わない。

その後、図１４に示すように、Ｃｒ等の材質からなるリード膜１１ｍ（後に、例えば、図２（ａ）に示すリード膜１２ａ−５，１２ａ−６，１２ａ−７，１２ａ−８，１２ａ−９等をなす）をスパッタリング法、真空蒸着法、イオンプレーティング法などによって、上層酸化膜１１ｉ上およびビア部において露出する配線層１１ａ上に形成する。そして、これらの上層酸化膜１１ｉおよびリード膜１１ｍの上にレジストを塗布して、このレジストをリード膜１１ｍのパターンにカットした後、リード膜１１ｍのエッチングを行う。
この場合、突部（堤部）１５の斜面１５ａ，１５ｂでのエッチングを適切に行い、突部（堤部）１５の断面形状を整えるために熱処理を行ってレジストをテーパ化してもよい。なお、このエッチング終了後には上層酸化膜１１ｉ上に残存するレジストを除去する。

そして、スパッタリング法によって、ＧＭＲ素子をなすＧＭＲ多層膜１１ｎ（後に、１２ａ〜１２ｄ，１２ｅ〜１２ｈ，１２ｉ〜１２ｌ等をなす）をこれら上層酸化膜１１ｉおよびリード膜１１ｍの表面上に形成する（素子形成工程）。
この素子形成工程においては、図２（ｃ）に示したように、基板１１の上にフリー層（自由層、自由磁化層）Ｆ、膜厚が２．８ｎｍ（２８Å）のＣｕからなる導電性のスペーサ層Ｓ、ピン層（固着層、固定磁化層）Ｐ、及び、膜厚が２．５ｎｍ（２５Å）のタンタル（Ｔａ）又はチタン（Ｔｉ）からなるキャッピング層Ｃを順次積層することで、前記ＧＭＲ多層膜１１ｎが形成されることになる。

また、この工程におけるフリー層Ｆは、基板１１の直上に形成された膜厚が８ｎｍ（８０Å）のＣｏＺｒＮｂアモルファス磁性層１２ａ−２１、膜厚が３．３ｎｍ（３３Å）のＮｉＦｅ磁性層１２ａ−２２、及び、膜厚が１．２ｎｍ（１２Å）のＣｏＦｅ層１２ａ−２３を順次積層することで形成される。
さらに、この工程におけるピン層Ｐは、膜厚が３．２ｎｍ（３２Å）の第１ＣｏＦｅ磁性層１２ａ−２５、膜厚が０．５ｎｍ（５Å）のＲｕ層１２ａ−２６、膜厚が２．２ｎｍ（２２Å）の第２ＣｏＦｅ磁性層１２ａ−２７、及び、Ｐｔを４５〜５５ｍｏｌ％含むＰｔＭｎ合金からなる膜厚が２４ｎｍ（２４０Å）の反強磁性膜１２ａ−２８を順次積層することで形成される。

その後、ＧＭＲ多層膜１１ｎを形成した基板１１に永久棒磁石アレー１６（図１６参照）を近接させて、後述する規則化熱処理（ピニング処理）を行い、ピン層Ｐの磁化の向きを固定させる（規則化熱処理工程）。
そして、ＧＭＲ多層膜１１ｎの表面上に、任意の厚さ、例えば平坦部で２μｍの厚みとなるようにレジストを塗布し、このレジストの表面にマスクを配置して、焼き付け、現像処理を行って不必要なレジストを取り除き、後に得られるＧＭＲ多層膜１１ｎと同じパターンを有するレジスト膜を形成する。その際、突部（堤部）１５でのエッチングを適切に行い、突部（堤部）１５の断面形状を整えるためにレジストをテーパ化する。この後、レジスト膜で保護されていない部分のＧＭＲ多層膜１１ｎを、イオンミリングにより除去し、ＧＭＲ多層膜１１ｎを所定の形状（例えば、複数の狭幅の帯状体の形状）に形成する。なお、このイオンミリングでは、ビア部においてＧＭＲ多層膜１１ｎ及びリード膜１１ｍの双方が残るようにしており、これによってビア部の縁におけるリード膜１１ｍの断線を予防することができる。

次に、レジスト膜を除去し、図１５に示すように、外方に露出する酸化膜１１ｅ、上層酸化膜１１ｉ、リード膜１１ｍ及びＧＭＲ多層膜１１ｎの上に、例えばＳｉＯ₂膜等の酸化膜（厚み：１５００Å）およびＳｉ₃Ｎ₄膜等の窒化膜（厚み：５０００Å）からなるシリコン保護膜１１ｏをプラズマＣＶＤで成膜し、さらにシリコン保護膜１１ｏの上にポリイミド膜１１ｐを成膜する。これにより、これらポリイミド膜１１ｐおよび前述したシリコン保護膜１１ｏによって保護膜が形成されることになる。
そして、パッド部上のポリイミド膜１１ｐをマスクとして、パッド部の配線層１１ａ上のシリコン保護膜１１ｏおよび酸化膜１１ｅをエッチングにより除去してパッド部を開口して、露出する配線層１１ａからなる電極パッドを形成し、最後に基板１１を切断する。以上により、図１に示した三軸磁気センサ１０の製造が完了する。

なお、上述した保護膜および電極パッドの形成は、上記実施形態の手順に限ることはない。すなわち、例えばシリコン保護膜１１ｏを成膜した後に、パッド部上のシリコン保護膜１１ｏをエッチングにより除去してパッド部を開口してパッド部の配線層１１ａを露出させる。次いで、これらシリコン保護膜１１ｏおよび配線層１１ａの上にポリイミド膜１１ｐを成膜して保護膜を形成する。最後に、パッド部上のポリイミド膜１１ｐをエッチングにより除去してパッド部の配線層１１ａを再度露出させて、この配線層１１ａからなる電極パッドを形成するとしてもよい。

そして、前述した規則化熱処理（ピニング処理）は、図１６，１７（なお、図１６においては永久棒磁石片を５個だけ図示している）に示すように、ＧＭＲ多層膜１１ｎを形成した表面とは反対側となる基板１１の裏面側に永久棒磁石アレー（マグネットアレー）１６を配置し、これら基板１１および永久棒磁石アレー１６を真空中で２６０℃〜２９０℃に加熱し、その状態で４時間ほど放置することにより行う。
すなわち、はじめに、隣接する永久棒磁石片の上端の極性が互いに異なるように格子状に配列された永久棒磁石アレー（マグネットアレー）１６を用意する。この後、基板１１の中心部で永久棒磁石片１６ａ（上端部がＮ極となる）が配列されるように、かつ、基板１１の外側で永久棒磁石片１６ａの上下左右の領域上に永久棒磁石片１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ，１６ｅ（上端部がＳ極となる）が配列されるように永久棒磁石アレー１６を配置する。

これにより、基板１１の中心部の下方に配置された永久棒磁石片１６ａのＮ極から、このＮ極に隣接する永久棒磁石片１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ，１６ｅのＳ極に向かう９０°ずつ方向が異なる磁界Ｈ（図１６の点線矢印）が形成される。また、この磁界Ｈは、永久棒磁石片１６ａのＮ極から基板１１の裏面側から内部を通過して各ＧＭＲ素子（例えば、図１７のＸ軸ＧＭＲ素子１２ａ〜１２ｄ）に到達することになる。
そして、各ＧＭＲ素子を通過する磁界Ｈの強さは、図１８に示すように、ＧＭＲ素子のピン層Ｐを構成する第１ＣｏＦｅ磁性層（例えば、図１８の１２ａ−２５）及び第２ＣｏＦｅ磁性層（例えば、図１８の１２ａ−２７）の各磁性層における磁化の向きが揃うと共にこれら２つのＣｏＦｅ磁性層の間の反平行状態を保持する程度の大きさ（例えば、１０〔ｍＴ〕以上、２００〔ｍＴ〕以下程度、より好ましくは２０〔ｍＴ〕以上、８０〔ｍＴ〕程度）とする。

ここで、前記２つのＣｏＦｅ磁性層は同一の材料から形成されているが、第１ＣｏＦｅ磁性層の膜厚（３２Å）は第２ＣｏＦｅ磁性層の膜厚（２２Å）よりも大きいため、第１ＣｏＦｅ磁性層の磁気モーメントが第２ＣｏＦｅ磁性層の磁気モーメントよりも大きくなる。そのため、上述した大きさの磁界Ｈを付与した場合、第１ＣｏＦｅ磁性層は磁界Ｈと同じ向きに磁化し、第２ＣｏＦｅ磁性層は第１ＣｏＦｅ磁性層との反強磁性的な結合によって磁界Ｈと逆向きに磁化することになる。
また、これら２つのＣｏＦｅ磁性層間に挟まれるＲｕ層（例えば、図１８の１２ａ−２６）の膜厚は５Åと薄く形成されているため、磁界Ｈの強さを大きくしても２つのＣｏＦｅ磁性層間の反平行状態を保持することができる。すなわち、Ｒｕ層を薄く形成するほど、２つのＣｏＦｅ磁性層間の反平行状態を保持できる磁界の強さ範囲を大きいほうに拡大させることができる。

そして、磁界Ｈを利用して、真空中で２６０℃〜２９０℃に加熱し、その状態で４時間ほど放置した後には、例えば図３（ｂ）に示すように、第２ＣｏＦｅ磁性層１２ａ−２７の磁化の向きが、磁界Ｈと逆向きの状態で反強磁性膜１２ａ−２８に交換結合的に裏打ちされて固定されることになる。また、第１ＣｏＦｅ磁性層１２ａ−２５の磁化の向きは、第２ＣｏＦｅ磁性層１２ａ−２７との反強磁性的な結合によって磁界Ｈと同じ向きの状態で固定されることになる。すなわち、これら２つのＣｏＦｅ磁性層１２ａ−２５，１２ａ−２７の磁化の向きは規則化熱処理において磁界Ｈを付与した際と同様の状態で固定されることになる。

なお、この規則化熱処理工程において、２つのＣｏＦｅ磁性層１２ａ−２５，１２ａ−２７間の反平行状態を保持できる磁界Ｈの強さ範囲は、図１９に示すグラフにおける領域（Ｉ）によって示すことができる。このグラフは、Ｒｕ層の膜厚が８Åのときの磁界Ｈの強さ（横軸）に対するピン層Ｐの飽和磁化（縦軸；磁界Ｈの向きに沿う２つのＣｏＦｅ磁性層１２ａ−２５，１２ａ−２７の磁化の強さの総和）を示したものである。なお、各ＣｏＦｅ磁性層１２ａ−２５，１２ａ−２７の磁化の強さは、この磁化の向きが磁界Ｈと同じ向きである場合に正とし、磁化の向きが磁界Ｈと逆向きである場合に負としている。

このグラフにおいて、磁界Ｈの強さが領域（Ｉ）内にある場合には、各ＣｏＦｅ磁性層１２ａ−２５，１２ａ−２７がそれぞれ一方向に磁化すると共に２つのＣｏＦｅ磁性層１２ａ−２５，１２ａ−２７は反平行状態となる、すなわち、２つのＣｏＦｅ磁性層１２ａ−２５，１２ａ−２７の磁化ベクトルのなす角度が１８０度となる。また、この場合には、第１ＣｏＦｅ磁性層１２ａ−２５の磁化の強さが、第２ＣｏＦｅ磁性層１２ａ−２７よりも大きくなる。したがって、領域（Ｉ）は、前述の規則化熱処理工程において付与する本願の磁界Ｈの強さ範囲を示している。

さらに、磁界Ｈの強さが領域（Ｉ）よりも大きい領域（ＩＩＩ）内にある場合には、２つのＣｏＦｅ磁性層１２ａ−２５，１２ａ−２７が両方とも磁界Ｈと同じ方向に磁化され、２つのＣｏＦｅ磁性層１２ａ−２５，１２ａ−２７は平行状態となる、すなわち、２つのＣｏＦｅ磁性層１２ａ−２５，１２ａ−２７の磁化ベクトルのなす角度が０度となる。したがって、領域（ＩＩＩ）は、従来のＳＡＦ構造のＧＭＲ素子に対して付与する磁界Ｈの強さ範囲を示している。
なお、磁界Ｈの強さが領域（Ｉ）よりも大きく領域（ＩＩＩ）よりも小さい領域（ＩＩ）内にある場合には、２つのＣｏＦｅ磁性層１２ａ−２５，１２ａ−２７の磁化の向きが反平行状態から平行状態、あるいは、平行状態から反平行状態に遷移した状態となる。すなわち、この領域（ＩＩ）においては、２つのＣｏＦｅ磁性層１２ａ−２５，１２ａ−２７の磁化ベクトルのなす角度が０度よりも大きく１８０度よりも小さくなる。

そして、上述した領域（Ｉ）と領域（ＩＩ）との境界をなす磁界Ｈの大きさ（反平行状態となる磁界Ｈの上限値）Ｂ１、及び、領域（ＩＩ）と領域（ＩＩＩ）との境界をなす磁界Ｈの大きさ（平行状態となる磁界Ｈの下限値）Ｂ２は、図２０に示すように、Ｒｕ層の厚さに応じて変化する。また、Ｒｕ層の厚さが厚いほど、反平行状態となる磁界Ｈの上限値Ｂ１及び平行状態となる磁界Ｈの下限値Ｂ２は小さくなる。

また、Ｒｕ層の厚さに対する磁界Ｈの下限値Ｂ２の変化率は、磁界Ｈの上限値Ｂ１の変化率よりも小さい。すなわち、従来のように領域（ＩＩＩ）内の磁界Ｈの強さで規則化熱処理工程を行う場合には、Ｒｕ層の厚さがわずかに変化しただけで２つのＣｏＦｅ磁性層の磁化される向きが領域（ＩＩ）の状態となりやすい。これに対して、本実施形態のように領域（Ｉ）内の磁界Ｈの強さで規則化熱処理工程を行う場合には、Ｒｕ層の厚さがわずかに変化しただけでは、２つのＣｏＦｅ磁性層１２ａ−２５，１２ａ−２７の磁化される向きは、領域（Ｉ）の状態にあり、領域（ＩＩ）の状態になりにくい。したがって、領域（Ｉ）内の磁界Ｈの強さで規則化熱処理工程を行うことで、Ｒｕ層の膜厚を高精度に設定することなく、容易にＧＭＲ素子を形成する素子形成工程を実施することが可能となる。

そして、前述のように規則化熱処理工程を実施すると、図４に示したように、第１Ｘ軸ＧＭＲ素子１２ａおよび第２Ｘ軸ＧＭＲ素子１２ｂにおいては、Ｘ軸正方向、すなわち、図４（ａ）のａ１，ｂ１方向にピン層Ｐの磁化の向きが固定され、第３Ｘ軸ＧＭＲ素子１２ｃおよび第４Ｘ軸ＧＭＲ素子１２ｄにおいては、Ｘ軸負方向、すなわち、図４（ａ）のｃ１，ｄ１方向にピン層Ｐの磁化の向きが固定されることとなる。

一方、第１Ｙ１軸ＧＭＲ素子１２ｅおよび第２Ｙ１軸ＧＭＲ素子１２ｆにおいては、突部（堤部）１５の第１斜面１５ａに沿うＹ軸正方向、すなわち、図４（ｂ）の矢印ｅ１，ｆ１方向にピン層Ｐの磁化の向きが固定されることとなる。また、第３Ｙ１軸ＧＭＲ素子１２ｇおよび第４Ｙ１軸ＧＭＲ素子１２ｈにおいては、突部（堤部）１５の第１斜面１５ａに沿うＹ軸負方向、すなわち、図４（ｃ）の矢印ｇ１，ｈ１方向にピン層Ｐの磁化の向きが固定されることとなる。

さらに、第１Ｙ２軸ＧＭＲ素子１２ｉおよび第２Ｙ２軸ＧＭＲ素子１２ｊにおいては、突部（堤部）１５の第２斜面１５ｂに沿うＹ軸負方向、すなわち、図４（ｃ）の矢印ｉ１，ｊ１方向にピン層Ｐの磁化の向きが固定されることとなる。
また、第３Ｙ２軸ＧＭＲ素子１２ｋおよび第４Ｙ２軸ＧＭＲ素子１２ｌにおいては、突部（堤部）１５の第２斜面１５ｂに沿うＹ軸正方向、すなわち、図４（ｂ）の矢印ｋ１，ｌ１方向にピン層Ｐの磁化の向きが固定されることとなる。

以上のように、この三軸磁気センサ１０及びその製造方法によれば、従来のように、ヨークを使用する等して２つのＣｏＦｅ磁性層間の反平行状態を崩す程度の強い磁界を付与する必要が無くなる。また、規則化熱処理工程においては従来よりも弱い磁界を付与することになるため、磁界を付与する永久棒磁石アレー１６と基板１１との隙間距離の変化に対してＧＭＲ素子に付与される磁界の強さ変化も小さくなり、基板１１と永久棒磁石アレー１６との相対的な位置合わせや隙間調整を高精度に行う必要も無くなる。したがって、規則化熱処理工程においては、ピン層Ｐの磁化の向きを容易に制御することが可能となる。

以上のことから、平坦面上、第１斜面１５ａ上及び第２斜面１５ｂ上に形成された全てのＧＭＲ素子のピン層Ｐを構成する２つのＣｏＦｅ磁性層の磁化の向きを容易に所定の方向にピンすることができ、三軸磁気センサ１０を容易に製造することが可能となる。
そして、第１ＣｏＦｅ磁性層の膜厚は第２ＣｏＦｅ磁性層の膜厚よりも大きいため、第１ＣｏＦｅ磁性層の磁気モーメントを確実に第２ＣｏＦｅ磁性層の磁気モーメントよりも大きくすることができ、規則化熱処理工程においてこれら２つのＣｏＦｅ磁性層の磁化の向きを反平行に維持したまま、各ＣｏＦｅ磁性層を所定の方向にピンすることができる。

また、フリー層Ｆには２つのＣｏＦｅ磁性層の磁力が作用し、これら２つのＣｏＦｅ磁性層の磁力には、第１ＣｏＦｅ磁性層との交換結合力とピン層Ｐの各ＣｏＦｅ磁性層の磁界に基づく静磁的な力とがあるが、第１ＣｏＦｅ磁性層の磁気モーメントを第２ＣｏＦｅ磁性層よりも大きくすることで、フリー層Ｆに作用する交換結合力及び静磁的な力の総和を容易に小さくすることができる。
すなわち、フリー層Ｆに作用する第１ＣｏＦｅ磁性層の静磁的な力及び交換結合力の大きさは、例えばスペーサ層Ｓの膜厚を調整することで略等しくすることができる。そして、上述のように第２ＣｏＦｅ磁性層の磁気モーメントを第１ＣｏＦｅ磁性層よりも小さくすることで、フリー層Ｆに作用する第２ＣｏＦｅ磁性層の静磁的な力を第１ＣｏＦｅ磁性層の静磁的な力及び交換結合力の大きさよりも小さくすることができる。
ここで、第１ＣｏＦｅ磁性層の交換結合力の向きは、第１ＣｏＦｅ磁性層の静磁的な力と逆向きとなり、第２ＣｏＦｅ磁性層の静磁的な力と同じ向きとなるため、フリー層Ｆに作用する交換結合力及び静磁的な力の総和を容易に小さくすることができる。したがって、フリー層Ｆの磁化の向きに対する２つのＣｏＦｅ磁性層の磁力の影響を小さくして、フリー層Ｆの磁化の向きを好ましく設定することができる。

また、Ｒｕ層の膜厚を薄くすることで、２つのＣｏＦｅ磁性層間の反平行状態を保持できる磁界の強さ範囲を拡大することができるため（図２０参照）、規則化熱処理工程における磁界Ｈの強さ制御を簡単に行うことができ、ピン層Ｐの磁化の向きをさらに容易に制御することが可能となる。
さらに、規則化熱処理工程において永久棒磁石アレー１６を基板１１の裏面側に配置することで、永久棒磁石アレー１６近傍において生じる磁界Ｈが強くても、永久棒磁石アレー１６を基板１１の厚み分だけＧＭＲ素子から離間させて、各ＧＭＲ素子のピン層Ｐを構成する２つのＣｏＦｅ磁性層に到達する磁界Ｈの強さを容易に弱めることが可能となる。また、永久棒磁石アレー１６と基板１１との距離変化に対する磁界Ｈの強度変化を小さくできるため（図２０参照）、ＧＭＲ素子に付与する磁界Ｈの強さを容易に調整することが可能となる。

なお、上記実施形態において、ピン層Ｐを構成する第１ＣｏＦｅ磁性層、第２ＣｏＦｅ磁性層及びＲｕ層の膜厚は、上記実施形態の数値に限ることはなく、少なくとも第１ＣｏＦｅ磁性層の膜厚が第２ＣｏＦｅ磁性層の膜厚よりも大きければよい。また、フリー層Ｆに作用する２つのＣｏＦｅ磁性層の磁力を考慮しない場合には、少なくともこれら２つのＣｏＦｅ磁性層の膜厚が相互に異なっていればよい。さらに、Ｒｕ層の膜厚は、２つのＣｏＦｅ磁性層が反平行となる状態を保持できる磁界Ｈの強さ範囲を広く設定できる程度であればよく、少なくとも４Å以上１０Å以下に設定されていればよい。
また、ピン層ＰのＲｕ層の両側には、同一の材料からなる第１ＣｏＦｅ磁性層及び第２ＣｏＦｅ磁性層が形成されるとしたが、これに限ることはなく、例えば、相互に異なる材料からなる第１磁性層及び第２磁性層が形成されるとしても構わない。この場合には、これら第１磁性層及び第２磁性層の磁気モーメントが相互に異なるように各磁性層の材料を選択すれば、２つの磁性層の膜厚を同一としても構わない。

さらに、上記実施形態において、Ｙ１軸ＧＭＲ素子およびＹ２軸ＧＭＲ素子のＧＭＲバーは、同一の突部１５に配置されるとしたが、少なくとも相互に異なる方向に傾斜する斜面に配置されていればよく、例えば別個の突部に配置されるとしても構わない。
また、上記実施形態においては、基板１１の平坦面上、相互に異なる方向に傾斜する第１斜面１５ａ及び第２斜面１５ｂにそれぞれＧＭＲ素子を配置して三軸方向の磁気を検出する磁気センサについて述べたが、これに限ることはなく、例えば二軸方向あるいは一軸方向の磁気を検出する磁気センサにも適用することができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

この発明の一実施形態に係る磁気センサを模式的に示す概略構成図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’矢視断面図である。 図１の磁気センサを構成する巨大磁気抵抗効果素子を模式的に示しており、（ａ）は複数の巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ）バーが接続されて１つのＸ軸用の巨大磁気抵抗効果素子を構成された状態を示す概略平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ’矢視断面図である。 図１の磁気センサを構成する巨大磁気抵抗効果素子を示しており、（ａ）は図２（ｂ）の内部の積層状態を模式的に示す図であり、（ｂ）はピン層における第１ＣｏＦｅ磁性層及び第２ＣｏＦｅ磁性層の磁化の向きを模式的に示す図である。 図１の三軸磁気センサのピニング方向と感度方向を示しており、図４（ａ）は全体の平面を模式的に示す平面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＤ部を拡大して模式的に示す斜視図であり、図４（ｃ）は、図４（ａ）のＥ部を拡大して模式的に示す斜視図である。 図１の磁気センサの製造工程を模式的に示す概略断面図である。 図１の磁気センサの製造工程を模式的に示す概略断面図である。 図１の磁気センサの製造工程を模式的に示す概略断面図である。 図１の磁気センサの製造工程を模式的に示す概略断面図である。 図１の磁気センサの製造工程を模式的に示す概略断面図である。 図１の磁気センサの製造工程を模式的に示す概略断面図である。 図１の磁気センサの製造工程を模式的に示す概略断面図である。 図１の磁気センサの製造工程を模式的に示す概略断面図である。 図１の磁気センサの製造工程を模式的に示す概略断面図である。 図１の磁気センサの製造工程を模式的に示す概略断面図である。 図１の磁気センサの製造工程を模式的に示す概略断面図である。 規則化熱処理（ピニング処理）の状態を模式的に示す概略平面図である。 図１６のＧ−Ｇ’矢視断面図である。 規則化熱処理（ピニング処理）において、ピン層を構成する第１ＣｏＦｅ磁性層及び第２ＣｏＦｅ磁性層が磁化する向きを模式的に示す図である。 規則化処理において、ＧＭＲ素子に付与する磁界の強さとピン層の飽和磁化との関係を示すグラフであり、当該グラフは、Ｒｕ層の膜厚が８Åである場合に２つのＣｏＦｅ磁性層が反平行状態を保持できる磁界の領域を示している。 Ｒｕ層の厚さとＧＭＲ素子に付与する磁界の強さとの関係を示すグラフである。

符号の説明

１０…三軸磁気センサ、１１…基板、１２ａ〜１２ｄ…Ｘ軸ＧＭＲ素子、１２ｅ〜１２ｈ…Ｙ１軸ＧＭＲ素子、１２ｉ〜１２ｌ…Ｙ２軸ＧＭＲ素子、１２ａ−２５…第１ＣｏＦｅ磁性層（第１磁性層）、１２ａ−２６…Ｒｕ層、１２ａ−２７…第２ＣｏＦｅ磁性層（第２磁性層）、１２ａ−２８…反強磁性膜（反強磁性層）、１５ａ…第１斜面、１５ｂ…第２斜面、１６…永久棒磁石アレー（マグネットアレー）、Ｆ…フリー層、Ｈ…磁界、Ｐ…ピン層、Ｓ…スペーサ層（導電層）

Claims (11)

1. 基板の表面上に、フリー層、導電層及びピン層を順次積層して巨大磁気抵抗効果素子を形成する素子形成工程と、
   前記ピン層に磁界を付与して、前記ピン層の磁化の向きを固定させる規則化熱処理工程とを備え、
   前記素子形成工程において、前記導電層の上に第１磁性層、Ｒｕ層、第２磁性層及び反強磁性層を順次積層して前記ピン層を形成し、
   前記規則化熱処理工程では、前記第１磁性層及び前記第２磁性層の各磁性層が磁化すると共に前記第１磁性層及び前記第２磁性層が互いに反平行である状態に保持して規則化熱処理することを特徴とする磁気センサの製造方法。
2. 前記素子形成工程において、前記第１磁性層の膜厚と前記第２磁性層の膜厚とが相互に異なるように前記ピン層を形成することを特徴とする請求項１に記載の磁気センサの製造方法。
3. 前記素子形成工程において、前記第１磁性層の膜厚が前記第２磁性層の膜厚よりも大きくなるように、前記ピン層を形成することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の磁気センサの製造方法。
4. 前記素子形成工程において、前記Ｒｕ層の膜厚が４Å以上１０Å以下となるように、前記ピン層を形成することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の磁気センサの製造方法。
5. 前記規則化熱処理工程において、前記磁界を付与するマグネットアレーを前記基板の裏面側に配置することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の磁気センサの製造方法。
6. 前記素子形成工程の前に、前記基板の表面に、前記基板の厚さ方向に直交する平坦面と該平坦面に対して傾斜する斜面とを形成しておき、
   前記素子形成工程において、前記巨大磁気抵抗効果素子を前記平坦面上及び前記斜面上に形成することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の磁気センサの製造方法。
7. 基板と、該基板の表面上にフリー層、導電層及びピン層を積層してなる巨大磁気抵抗効果素子とを備え、
   前記ピン層が、前記導電層上に順次積層された第１磁性層、Ｒｕ層、第２磁性層及び反強磁性層を備え、
   前記第１磁性層の磁気モーメントと前記第２磁性層の磁気モーメントとが相互に異なることを特徴とする磁気センサ。
8. 前記第１磁性層及び前記第２磁性層の膜厚が相互に異なることを特徴とする請求項８に記載の磁気センサ。
9. 前記第１磁性層の磁気モーメントが前記第２磁性層の磁気モーメントよりも大きいことを特徴とする請求項７又は請求項８に記載の磁気センサ。
10. 前記Ｒｕ層の膜厚が、４Å以上１０Å以下であることを特徴とする請求項７から請求項９のいずれか１項に記載の磁気センサ。
11. 前記基板の表面に、前記基板の厚さ方向に直交する平坦面と該平坦面に対して傾斜する斜面とが形成され、
    前記巨大磁気抵抗効果素子が、前記平坦面上及び前記斜面上にそれぞれ配置されていることを特徴とする請求項７から請求項１０のいずれか１項に記載の磁気センサ。
    
    
    

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