JP2011027633A - 磁気センサおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】コンパクトな構成でありながら磁場の検出性能に優れ、かつ容易に製造可能な磁気センサを提供する。
【解決手段】磁化固着層６３と介在層６２と磁化自由層６１とを順にそれぞれ含むと共に、信号磁場によって互いに反対向きの抵抗変化を示す第１および第２のＭＲ素子を備える。第１および第２のＭＲ素子における磁化固着層６３が、介在層６２の側から順にピンド層６３１と、結合層６３２と、ピンド層６３１と反強磁性結合するピンド層６３３とを含むシンセティック構造を有する。第１のＭＲ素子における磁化固着層６３は、ピンド層３６１の総磁気モーメントがピンド層６３３の総磁気モーメントと一致もしくはピンド層６３３の総磁気モーメントよりも大きなものである。一方、第２のＭＲ素子における磁化固着層６３は、ピンド層６３３の総磁気モーメントがピンド層６３１の総磁気モーメントよりも大きなものである。
【選択図】図３

Description

本発明は、磁場の変化を高感度に検出可能な磁気センサおよびその製造方法に関する。

一般に、制御機器の回路に流れる微小な制御電流を正確に検知するにあたっては、その回路内に抵抗を直列接続し、この抵抗の電圧降下を測定する方法を用いる。しかし、この場合には、制御系とは異なる負荷が加わることとなり制御系に対して何らかの悪影響を与える可能性が生じてしまう。このため、制御電流によって発生する電流磁界の勾配を検出することによって間接的に測定する方法が用いられている。具体的には、例えば、トロイダルコアに被測定線を巻き、制御電流をその測定線に供給することによりトロイダルコアの中心部分に生じる磁束をホール素子によって検出するする方法である。

ところが、上記の方法を実現する電流センサでは、小型化が困難であることや直線性あるいは高周波応答性の面で不十分であるなどの問題点が指摘されるようになった。このため、巨大磁気抵抗効果（Giant Magneto-Resistive effect）を発現する巨大磁気抵抗効果素子（以下、ＧＭＲ素子）を制御電流による誘導磁場中に配置し、その勾配を検出するようにした磁気センサが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。また、これに関連するものとして、ＧＭＲ素子を備えた磁気センサを利用し、金属基板の表面等の探傷を行うようにした技術も開示されている。このようなＧＭＲ素子を用いた磁気センサであれば、比較的検出感度や応答性が向上するうえ、温度変化に対しても安定した検出特性が得られる。特に、誘導磁場を検出を、４つのＧＭＲ素子を含むホイートストンブリッジ回路を用いて行うことにより、ＧＭＲ素子を１つのみ用いて行う場合と比べ、感度および精度をいっそう向上させることができる。

但し、そのホイートストンブリッジ回路は、４つのうちの２つのＧＭＲ素子（第１および第２のＧＭＲ素子）が、残りの２つのＧＭＲ素子（第３および第４のＧＭＲ素子）と正反対の振る舞いをするように構成する必要がある。すなわち、例えば第１および第２のＧＭＲ素子におけるピンド層の磁化と、第３および第４のＧＭＲ素子におけるピンド層の磁化とが正反対の向きに固定されていなければならない。また、ホイートストンブリッジ回路を構成する４つのＧＭＲ素子は、可能な限り互いに均質な磁気特性を有することが望ましい。こうした事情から、本出願人は、同一ウェハ上に複数のＧＭＲ素子を一括形成し、それら複数のＧＭＲ素子を個別にウェハごと切り出したのち、それらのなかから選択された４つのＧＭＲ素子を一の基板に適切な向きとなるように配置した磁気センサを既に提案している（例えば特許文献２参照）。あるいは、第１の方向の磁場中において２つのＧＭＲ素子を堆積させたのち、第１の方向と逆方向の磁場中において残りの２つのＧＭＲ素子を堆積させるようにした磁気センサの製造方法も提案されている（例えば特許文献３参照）。さらに、例えば特許文献４には、所定方向の外部磁場を印加した状態で個別に加熱処理（例えばレーザパルスや電子ビーム等を照射する処理）を行い、一の基板上に配置された４つのＧＭＲ素子におけるピンド層の磁化が各々適切な向きとなるようにする方法が提案されている。

米国特許第５６２１３７７号明細書 特開２００８−１１１８０１号公報 特表２００３−５０２６７４号公報 特表２００３−５０２８７６号公報

しかしながら、上述の特許文献２，３に記載された磁気センサ等では、製造過程がやや煩雑であり、生産性の面で不利である。また、上記特許文献３では、先に形成したＧＭＲ素子におけるピンド層の磁化の向きが、後に形成するＧＭＲ素子の形成時に印加される逆方向の磁場の影響を受けてしまい、所定の向きから外れてしまうおそれもある。また、特許文献４の場合には、レーザ照射装置や電子ビーム照射装置などの特殊設備が必要となるうえ、やはり生産性の面で不利である。

本発明はかかる問題に鑑みてなされたもので、その第１の目的は、コンパクトな構成でありながら磁場の検出性能に優れ、かつ容易に製造可能な磁気センサを提供することにある。本発明の第２の目的は、そのような磁気センサを簡便に製造可能な磁気センサの製造方法を提供することにある。

本発明の第１の磁気センサは、一定方向に固着された磁化を有する磁化固着層と、非磁性の介在層と、信号磁場に応じて磁化の向きが変化する磁化自由層とを順にそれぞれ含むと共に、信号磁場によって互いに反対向きの抵抗変化を示す第１および第２の磁気抵抗効果素子を備える。第１および第２の磁気抵抗効果素子の双方における磁化固着層または磁化自由層は、介在層の側から順に第１の強磁性層と、結合層と、この結合層を介して第１の強磁性層と反強磁性結合する第２の強磁性層とを含むシンセティック構造を有する。第１の磁気抵抗効果素子におけるシンセティック構造は、第１の強磁性層の総磁気モーメントが第２の強磁性層の総磁気モーメントと一致もしくは第２の強磁性層の総磁気モーメントよりも大きなものである。一方、第２の磁気抵抗効果素子におけるシンセティック構造は、第２の強磁性層の総磁気モーメントが第１の強磁性層の総磁気モーメントよりも大きなものである。ここでいう「総磁気モーメント」とは、その強磁性層を構成する材料の「単位体積あたりの磁気モーメント」と、その強磁性層の体積との積である。また「抵抗変化」とは、「抵抗値の増減」を意味する。すなわち、「互いに反対向きの抵抗変化を示す」とは、信号磁場が印加された際、例えば第１の磁気抵抗効果素子の抵抗値が増加する場合には第２の磁気抵抗効果素子の抵抗値は必ず減少する関係にあることを意味する。例えば、第１の磁気抵抗効果素子における磁化固着層の磁化と、第２の磁気抵抗効果素子における磁化固着層の磁化とが、互いに逆向きとなっている。

本発明の第２の磁気センサは、一定方向に固着された磁化を有する磁化固着層と、非磁性の介在層と、信号磁場に応じて磁化の向きが変化する磁化自由層とを順にそれぞれ含むと共に、信号磁場によって互いに反対向きの抵抗変化を示す第１および第２の磁気抵抗効果素子を備える。第１および第２の磁気抵抗効果素子のうちの一方における磁化固着層または磁化自由層は、介在層の側から順に第１の強磁性層と、結合層と、この結合層を介して第１の強磁性層と反強磁性結合する第２の強磁性層とを含むシンセティック構造を有する。このシンセティック構造は、第２の強磁性層の総磁気モーメントが第１の強磁性層の総磁気モーメントよりも大きなものである。第１および第２の磁気抵抗効果素子のうちの他方における磁化固着層または磁化自由層は、単一もしくは複数の強磁性材料層からなる。

本発明の第３の磁気センサは、一定方向に固着された磁化を有する磁化固着層と、非磁性の介在層と、信号磁場に応じて磁化の向きが変化する磁化自由層とを順にそれぞれ有する第１から第４の磁気抵抗効果素子と、差分検出器とを備える。ここで、第１から第４の磁気抵抗効果素子の全てにおける磁化固着層または磁化自由層が、介在層の側から順に第１の強磁性層と、結合層と、この結合層を介して第１の強磁性層と反強磁性結合する第２の強磁性層とを含むシンセティック構造を有する。第１および第３の磁気抵抗効果素子におけるシンセティック構造は、第１の強磁性層の総磁気モーメントが第２の強磁性層の総磁気モーメントと一致もしくは第２の強磁性層の総磁気モーメントよりも大きなものであり、第２および第４の磁気抵抗効果素子におけるシンセティック構造は、第２の強磁性層の総磁気モーメントが第１の強磁性層の総磁気モーメントよりも大きなものである。第１および第２の磁気抵抗効果素子の一端同士が第１の接続点において接続され、第３および第４の磁気抵抗効果素子の一端同士が第２の接続点において接続され、第１の磁気抵抗効果素子の他端と第４の磁気抵抗効果素子の他端とが第３の接続点において接続され、第２の磁気抵抗効果素子の他端と第３の磁気抵抗効果素子の他端とが第４の接続点において接続されることによりブリッジ回路が形成されている。第１および第３の磁気抵抗効果素子の各抵抗値は、信号磁場に応じて互いに同じ向きに変化し、第２および第４の磁気抵抗効果素子の各抵抗値は、いずれも、信号磁場に応じて第１および第３の磁気抵抗効果素子とは反対向きに変化する。差分検出器により、第１の接続点と第２の接続点との間に電圧が印加されたときの第３の接続点と第４の接続点の間の電位差が検出される。

本発明の第４の磁気センサは、一定方向に固着された磁化を有する磁化固着層と、非磁性の介在層と、信号磁場に応じて磁化の向きが変化する磁化自由層とを順にそれぞれ有する第１から第４の磁気抵抗効果素子と、差分検出器とを備える。ここで、第２および第４の磁気抵抗効果素子における磁化固着層または磁化自由層が、介在層の側から順に第１の強磁性層と、結合層と、この結合層を介して第１の強磁性層と反強磁性結合する第２の強磁性層とを含むシンセティック構造を有する。このシンセティック構造は、第２の強磁性層の総磁気モーメントが第１の強磁性層の総磁気モーメントよりも大きなものである。第１および第３の磁気抵抗効果素子における磁化固着層または磁化自由層が、単一もしくは複数の強磁性材料層からなる。第１および第２の磁気抵抗効果素子の一端同士が第１の接続点において接続され、第３および第４の磁気抵抗効果素子の一端同士が第２の接続点において接続され、第１の磁気抵抗効果素子の他端と第４の磁気抵抗効果素子の他端とが第３の接続点において接続され、第２の磁気抵抗効果素子の他端と第３の磁気抵抗効果素子の他端とが第４の接続点において接続されることによりブリッジ回路が形成されている。第１および第３の磁気抵抗効果素子の各抵抗値は、信号磁場に応じて互いに同じ向きに変化し、第２および第４の磁気抵抗効果素子の各抵抗値は、いずれも、信号磁場に応じて第１および第３の磁気抵抗効果素子とは反対向きに変化する。差分検出器により、第１の接続点と第２の接続点との間に電圧が印加されたときの第３の接続点と第４の接続点の間の電位差が検出される。

本発明の第１の磁気センサの製造方法は、基板上に、信号磁場に応じて磁化の向きが変化する第１の磁化自由層と、非磁性の第１の介在層と、一方向に固定された磁化を有する第１の磁化固着層とを含む第１の磁気抵抗効果素子を選択的に形成する工程と、基板上における第１の磁気抵抗効果素子と離間した位置に、信号磁場に応じて磁化の向きが変化する第２の磁化自由層と、非磁性の第２の介在層と、一方向に固定された磁化を有する第２の磁化固着層とを含む第２の磁気抵抗効果素子を選択的に形成する工程と、第１および第２の磁気抵抗効果素子に対して一定方向の磁場を印加しつつ加熱することにより、第１および第２の磁化固着層における磁化の向きの設定を行う工程とを含むものである。ここで、第１および第２の磁化固着層、または第１および第２の磁化自由層を、第１および第２の介在層の側から順に第１の強磁性層と、結合層と、この結合層を介して第１の強磁性層と反強磁性結合する第２の強磁性層とを積層してなるシンセティック構造とし、第１の磁化固着層または第１の磁化自由層におけるシンセティック構造を、第１の強磁性層の総磁気モーメントが第２の強磁性層の総磁気モーメントと一致もしくは第２の強磁性層の総磁気モーメントよりも大きくなるように形成し、第２の磁化固着層または第２の磁化自由層におけるシンセティック構造を、第２の強磁性層の総磁気モーメントが第１の強磁性層の総磁気モーメントよりも大きくなるように形成する。

本発明の第２の磁気センサの製造方法は、基板上に、信号磁場に応じて磁化の向きが変化する第１の磁化自由層と、非磁性の第１の介在層と、一方向に固定された磁化を有する第１の磁化固着層とを含む第１の磁気抵抗効果素子を選択的に形成する工程と、基板上における第１の磁気抵抗効果素子と離間した位置に、信号磁場に応じて磁化の向きが変化する第２の磁化自由層と、非磁性の第２の介在層と、一方向に固定された磁化を有する第２の磁化固着層とを含む第２の磁気抵抗効果素子を選択的に形成する工程と、これら第１および第２の磁気抵抗効果素子に対して一定方向の磁場を印加しつつ加熱することにより、第１および第２の磁化固着層における磁化の向きの設定を行う工程とを含む。第１および第２の磁化固着層のうちの一方、または第１および第２の磁化自由層のうちの一方を、第１および第２の介在層の側から順に第１の強磁性層と、結合層と、この結合層を介して第１の強磁性層と反強磁性結合する第２の強磁性層とを積層してなるシンセティック構造とし、そのシンセティック構造を、第２の強磁性層の総磁気モーメントが第１の強磁性層の総磁気モーメントよりも大きくなるように形成し、第１および第２の磁化固着層のうちの他方、または第１および第２の磁化自由層のうちの他方を、単一もしくは複数の強磁性材料層によって形成する。

本発明の第１および第３の磁気センサ、ならびに第１の磁気センサの製造方法では、第１および第２の磁気抵抗効果素子の双方における磁化固着層または磁化自由層をシンセティック構造とし、第１の磁気抵抗効果素子のシンセティック構造を、第１の強磁性層の総磁気モーメントが第２の強磁性層の総磁気モーメントと同一もしくは第２の強磁性層の総磁気モーメントよりも相対的に大きくなるように構成し、第２の磁気抵抗効果素子のシンセティック構造を、第２の強磁性層の総磁気モーメントが相対的に大きくなるように構成している。このため、外部磁場に対して第１の磁気抵抗効果素子と第２の磁気抵抗効果素子とが互いに異なる（反対の）挙動を示すこととなる。例えば、磁化固着層が上記のシンセティック構造を含む場合には、製造過程において一定方向の印加磁場を付与しながら熱アニール処理を行うことにより、第１の磁気抵抗効果素子の第１の強磁性層が印加磁場に沿って固着される一方、第２の磁気抵抗効果素子の第１の強磁性層が印加磁場と逆向きに固着される。あるいは、磁化自由層が上記のシンセティック構造を含む場合には、磁場の検出を行う際にある方向の信号磁場が付与されると、第１の磁気抵抗効果素子における第１の強磁性層が信号磁場に沿った磁化を有する一方、第２の磁気抵抗効果素子の第１の強磁性層が信号磁場と逆向きの磁化を有することとなる。

本発明の第２および第４の磁気センサ、ならびに第２の磁気センサの製造方法では、第１および第２の磁気抵抗効果素子のうち、一方における磁化固着層または磁化自由層をシンセティック構造とし、他方における磁化固着層または磁化自由層を単一もしくは複数の強磁性材料層によって構成している。上記シンセティック構造では、第２の強磁性層の総磁気モーメントが第１の強磁性層の総磁気モーメントよりも大きくなるように構成される。このため、上記本発明の第１の磁気センサと同様に、外部磁場に対して第１の磁気抵抗効果素子と第２の磁気抵抗効果素子とが互いに異なる（反対の）挙動を示すこととなる。例えば、第１の磁気抵抗効果素子における磁化固着層が上記のシンセティック構造を含む場合には、製造過程において一定方向の印加磁場を付与しながら熱アニール処理を行うことにより、第１の磁気抵抗効果素子の第１の強磁性層が印加磁場と逆向きに磁化される一方、第２の磁気抵抗効果素子の単一強磁性層が印加磁場に沿って磁化される。あるいは、第１の磁気抵抗効果素子における磁化自由層が上記のシンセティック構造を含む場合には、磁場の検出を行う際にある方向の信号磁場が付与されると、第１の磁気抵抗効果素子における第１の強磁性層が信号磁場と逆向きの磁化を有する一方、第２の磁気抵抗効果素子の単一強磁性層が信号磁場に沿った磁化を有することとなる。

本発明の第１の磁気センサでは、第１および第２の磁気抵抗効果素子における各磁化自由層がシンセティック構造を有する場合、第１および第２の磁気抵抗効果素子における各磁化固着層が、互いに同じ方向の磁化を有するようにするとよい。より高精度な磁場検出を行うのに有利となるからである。また、第１および第２の磁気抵抗効果素子における各磁化固着層がシンセティック構造を有する場合には、第１および第２の磁気抵抗効果素子における磁化自由層が、互いに同じ方向の磁化容易軸を有するようにしてもよい。また、第１の磁気抵抗効果素子における第１の強磁性層の総磁気モーメントと第２の強磁性層の総磁気モーメントとの差分の絶対値は、第２の磁気抵抗効果素子における第１の強磁性層の総磁気モーメントと第２の強磁性層の総磁気モーメントとの差分の絶対値と異なっているとよい。製造過程において、第１の強磁性層と第２の強磁性層との十分な交換結合磁場を形成するのに有利となるからである。

本発明の第１および第２の磁気センサによれば、シンセティック構造における第１の強磁性層の総磁気モーメントと第２の強磁性層の総磁気モーメントとの大小関係を調整することにより、外部磁場に対して第１の磁気抵抗効果素子と第２の磁気抵抗効果素子とが互いに異なる（反対の）挙動を示すようにしたので、第１および第２の磁気抵抗効果素子を例えばハーフブリッジ接続、あるいはフルブリッジ接続すれば、容易に製造可能、かつ、コンパクトな構成を確保しつつ、良好な磁場検出が可能なものとなる。また、本発明の第１および第２の磁気センサの製造方法によれば、上記本発明の第１および第２の磁気センサを簡便かつ高精度に製造することができる。

本発明の第３および第４の磁気センサによれば、フルブリッジ接続された第１〜第４の磁気抵抗効果素子において、シンセティック構造における第１の強磁性層の総磁気モーメントと第２の強磁性層の総磁気モーメントとの大小関係を調整することにより、外部磁場に対して第１および第３の磁気抵抗効果素子と第２および第４の磁気抵抗効果素子とが互いに異なる（反対の）挙動を示すようにしたので、容易に製造可能、かつ、コンパクトな構成を確保しつつ、良好な磁場検出が可能なものとなる。

本発明の第１の実施の形態としての磁気センサの全体構成を表す平面図である。 図１に示した磁気センサの要部構成を拡大して表す斜視図である。 図２に示した第１〜第４のＭＲ素子に含まれる積層体の積層構造を表す断面図である。 図１に示した磁気センサにおける磁場検出回路の構成を示す回路図である。 図１に示した磁気センサの製造方法を説明する一工程を表す断面図である。 図５に続く一工程を表す断面図である。 図６に続く一工程を表す平面図および断面図である。 図７に続く一工程を表す平面図および断面図である。 図８に続く一工程を表す平面図および断面図である。 図９に続く一工程を表す平面図および断面図である。 図１０に続く一工程を表す平面図および断面図である。 図１１に続く一工程を表す平面図および断面図である。 図１２に続く一工程を表す平面図および断面図である。 図１３に続く一工程を表す平面図および断面図である。 図１４に続く一工程を表す平面図および断面図である。 図１５に続く一工程を表す平面図および断面図である。 第２の実施の形態としての積層体の積層構造を表す断面図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

［第１の実施の形態］
最初に、図１などを参照して、本発明における第１の実施の形態としての磁気センサの構成について説明する。図１は、本実施の形態の磁気センサの全体構成を表す上面図である。また、図２は、この磁気センサの要部構成を拡大して表す斜視図である。

本実施の形態の磁気センサは、基板１００の上に、第１〜第４の磁気抵抗効果（ＭＲ；Magneto-Resistive effect）素子１〜４、パッド５１〜５４、導線Ｌ１〜Ｌ６、差分検出器ＡＭＰ（後出）などが設けられたものである。この磁気センサは、例えば＋Ｙ方向へ印加される信号磁場Ｈｍの大きさを検出するものである。より具体的には、例えばＸ軸方向へ延在する導体（図示せず）の近傍に配置され、その導体を流れる電流によって誘導される誘導磁場を信号磁場Ｈｍとして検出し、その電流を間接的に測定する電流センサとして用いられる。例えば、パッド５１は電源Ｖｃｃ（後出）と接続され、パッド５２は接地され、パッド５３，５４は、差分検出器ＡＭＰの入力側端子とそれぞれ接続されている。

基板１００は、磁気センサ全体を支持する矩形状のものであり、例えば、ガラス、硅素（Ｓｉ）、酸化アルミニウム（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）またはＡｌＴｉＣ（Ａｌ₂ Ｏ₃ −ＴｉＣ）などのセラミックスによって構成されている。なお、基板１００を覆うように、例えば酸化硅素（ＳｉＯ₂ ）やＡｌ₂ Ｏ₃ などのセラミックスを含有する絶縁層（図示せず）を設けるようにしてもよい。

第１〜第４のＭＲ素子１〜４は、それぞれ、スピンバルブ構造を有する積層体１１，２１，３１，４１を複数（図１，２では、８つの場合を例示する）含んでいる。図１，２では、第１〜第４のＭＲ素子１〜４が、積層体１１，２１，３１，４１を８つずつ含む場合について例示しているが、これに限定されるものではない。信号磁場Ｈｍが印加されると、第１および第３のＭＲ素子１，３の各抵抗値は、信号磁場Ｈｍに応じて互いに同じ向きに変化し、第２および第４のＭＲ素子２，４の各抵抗値は、いずれも、信号磁場Ｈｍに応じて第１および第３のＭＲ素子１，３とは反対向きに変化する。なお、第１〜第４のＭＲ素子１〜４は、積層体１１，２１，３１，４１の構成を除き、他は実質的に同様の構成を有している。このため、以下では、積層体１１，２１，３１，４１の説明を除き、主に図２を参照して、第１〜第４のＭＲ素子１〜４を代表して第１のＭＲ素子１について説明を行う。

図２に示したように、例えば第１のＭＲ素子１では、各積層体１１（１１Ａ〜１１Ｈ）が、厚み方向（積層方向）において上部電極１２（１２Ａ〜１２Ｈ）と下部電極１３（１３Ａ〜１３Ｈ）との間に挟まれるように配置され、各上部電極１２の一端と各下部電極１３の一端とを繋いでいる。一端が積層体１１と接続された上部電極１２の他端は、隣の積層体１１と一端が接続された下部電極１３の他端と、柱状の接続部１４（１４Ａ〜１４Ｈ）によって接続されている。すなわち、全ての積層体１１Ａ〜１１Ｈが、上部電極１２Ａ〜１２Ｈ、下部電極１３Ａ〜１３Ｈ、および接続部１４Ａ〜１４Ｈによって直列に接続されている。第１のＭＲ素子１の一端に位置する上部電極１２Ａは、積層体１１Ａと接続されると共に導線Ｌ１（図１参照）とも接続されている。また、第１のＭＲ素子１の他端に位置する下部電極１３Ｈは、積層体１１Ｈと接続されると共に導線Ｌ２（図１参照）とも接続されている。このような構成により、導線Ｌ１から電流が供給されると、その電流は積層体１１Ａ〜１１Ｈを順次経由して導線Ｌ２へ流れることとなる。その際、各積層体１１では、上部電極１２から下部電極１３へ向かう方向（−Ｚ方向）へ電流が流れる。上部電極１２、下部電極１３および接続部１４は、いずれも、例えば銅（Ｃｕ）などの非磁性の高導電性材料によって構成されている。

図１に示したように、第２〜第４のＭＲ素子２〜４は、第１のＭＲ素子１における上部電極１２、下部電極１３および接続部１４の各々に対応して、それぞれ上部電極２２，３２，４２、下部電極２３，３３，４３および接続部２４，３４，４４を備えている。第２のＭＲ素子２においては、その一端に位置する上部電極２２が導線Ｌ１と接続され、その他端に位置する下部電極２３は導線Ｌ３と接続されている。また、第３のＭＲ素子３においては、その一端に位置する上部電極３２が導線Ｌ３と接続され、その他端に位置する下部電極３３が導線Ｌ４と接続されている。さらに、第４のＭＲ素子４においては、その一端に位置する上部電極４２が導線Ｌ２と接続され、その他端に位置する下部電極４３が導線Ｌ４と接続されている。また、導線Ｌ２は、導線Ｌ５を介してパッド５３と接続されており、導線Ｌ３は、導線Ｌ６を介してパッド５４と接続されている。

導線Ｌ１〜Ｌ６は、例えば銅（Ｃｕ）などの非磁性の高導電性材料によって構成されている。導線Ｌ１，Ｌ３〜Ｌ６は、例えば上部電極１２，２２，３２，４２と同じ階層に位置し、導線Ｌ２は、例えば下部電極１３，２３，３３，４３と同じ階層に位置する。なお、例えば導線Ｌ２および導線Ｌ５は、互いに異なる階層に位置するが、それらは厚み方向において銅などからなる柱状部材（図示せず）によって繋がれている。

次に、図３（Ａ），３（Ｂ）を参照して、積層体１１，２１，３１，４１の構成を説明する。図３（Ａ）に、積層体１１，３１の概略断面構成を表し、図３（Ｂ）に、積層体２１，４１の概略断面構成を表す。積層体１１，２１，３１，４１は、いずれも、上部電極１２，２２，３２，４２の側から、磁化自由層６１と、介在層６２と、磁化固着層６３と、反強磁性層６４とを順に有するものである。なお、磁化自由層６１の、上部電極１２，２２，３２，４２側の面を覆うように保護膜を設けるようにしてもよい。また、反強磁性層６４と基板１００との間に、シード層を設けるようにしてもよい。

磁化自由層６１は、信号磁場などの外部磁場に応じて磁化方向Ｊ６１が変化する軟質強磁性層であり、例えばＸ軸方向の磁化容易軸を有するものである。磁化自由層６１は、例えばコバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）、ニッケル鉄合金（ＮｉＦｅ）あるいはコバルト鉄硼素（ＣｏＦｅＢ）、などによって構成される。

介在層６２は、例えば酸化マグネシウム（ＭｇＯ）からなる非磁性のトンネルバリア層であり、量子力学に基づくトンネル電流が通過可能な程度に厚みの薄いものである。ＭｇＯからなるトンネルバリア層は、例えば、ＭｇＯからなるターゲットを用いたスパッタリング処理のほか、マグネシウム（Ｍｇ）の薄膜の酸化処理、あるいは酸素雰囲気中でマグネシウムのスパッタリングを行う反応性スパッタリング処理などによって得られる。また、ＭｇＯのほか、アルミニウム（Ａｌ），タンタル（Ｔａ），ハフニウム（Ｈｆ）の各酸化物もしくは窒化物を用いて介在層６２を構成することも可能である。

反強磁性層６４は、白金マンガン合金（ＰｔＭｎ）やイリジウムマンガン合金（ＩｒＭｎ）などの反強磁性材料により構成されている。反強磁性層６４は、例えば＋Ｙ方向のスピン磁気モーメントと、−Ｙ方向のスピン磁気モーメントとが完全に打ち消し合った状態にあり、隣接するピンド層６３３の磁化Ｊ６３３の向きを、＋Ｙ方向または−Ｙ方向へ固定するように作用している。

磁化固着層６３は、介在層６２の側から順にピンド層６３１と、結合層６３２と、ピンド層６３３とを含むシンセティック構造をなしている。ピンド層６３３は、結合層６３２を介してピンド層６３１と反強磁性結合している。すなわち、ピンド層６３１の磁化Ｊ６３１の向きは、ピンド層６３３の磁化Ｊ６３３の向きと反平行となっている。但し、積層体１１，３１では、ピンド層６３１の総磁気モーメントＭ_IPが、ピンド層６３３の総磁気モーメントＭ_OP と一致もしくはそれよりも大きな値を示すものとなっている。一方、積層体２１，４１では、ピンド層６３３の総磁気モーメントＭ_OP が、ピンド層６３１の総磁気モーメントＭ_IP よりも大きなものとなっている。ここでいう「総磁気モーメントＭ_IP 」および「総磁気モーメントＭ_OP 」は、それぞれ、ピンド層６３１，６３３を各々構成する材料の「単位体積あたりの磁気モーメントＭｓ」と、各ピンド層６３１，６３３の体積との積である。なお、図３（Ａ），３（Ｂ）では、ピンド層６３１の総磁気モーメントＭ_IPの大きさと、ピンド層６３３の総磁気モーメントＭ_OPの大きさとを、磁化Ｊ６３１，Ｊ６３３の向きを示す矢印の相対的な長さによって表現している。ここで、総磁気モーメントＭ_IPの大きさと、総磁気モーメントＭ_OPの大きさとの差異は、ピンド層６３１，６３３を、互いに異なる材料によって構成したり、それらの厚みが互いに異なるように構成したりすることによって実現可能である。

このように、ピンド層６３１の総磁気モーメントＭ_IPの大きさと、ピンド層６３３の総磁気モーメントＭ_OPの大きさとに差があることから、製造段階におけるアニール処理の際、例えば＋Ｙ方向に印加磁場が付与されつつ加熱されると、積層体１１，３１と積層体２１，４１とは、互いに異なった振る舞いを生じることとなる。すなわち、積層体１１，３１では、図３（Ａ）に示したように、ピンド層６３１の磁化Ｊ６３１が＋Ｙ方向へ固着されると共にピンド層６３３の磁化Ｊ６３３が−Ｙ方向へ固着される。これに対し、積層体２１，４１では、図３（Ｂ）に示したように、ピンド層６３１の磁化Ｊ６３１は−Ｙ方向へ固着されると共に、ピンド層６３３の磁化Ｊ６３３は＋Ｙ方向へ固着される。このように、積層体１１，３１と積層体２１，４１とでは、ピンド層６３１の磁化Ｊ６３１の方向が互いに異なっているので、例えば＋Ｙ方向の信号磁場Ｈｍが付与されると、積層体１１，３１では、磁化Ｊ６１が磁化Ｊ６３１と平行な向きとなるので低抵抗状態となる。一方、積層体２１，４１では、磁化Ｊ６１が磁化Ｊ６３１と反平行な向きとなるので高抵抗状態となる。すなわち、この磁気センサでは、信号磁場Ｈｍが印加されると、第１および第３のＭＲ素子１，３の抵抗値は、第２および第４のＭＲ素子２，４の抵抗値と逆向きの変化を示す。

ピンド層６３１，６３３は、コバルト（Ｃｏ）やコバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）、コバルト鉄ボロン合金（ＣｏＦｅＢ）などの強磁性材料からなり、介在層６２は、ルテニウム（Ｒｕ）などの非磁性の高導電性材料からなる。ピンド層６３１，６３３は、単層構造であってもよいし、複数層からなる多層構造であってもよい。

なお、積層体１１，３１におけるピンド層６３１の総磁気モーメントＭ_IP とピンド層６３３の総磁気モーメントＭ_OP との差分の絶対値は、積層体２１，４１におけるピンド層６３１の総磁気モーメントＭ_IP とピンド層６３３の総磁気モーメントＭ_OP との差分の絶対値と異なっていることが望ましい。後に説明するように、この磁気センサを製造する際に、磁化Ｊ６３１，Ｊ６３３の方向がより高精度に固着されるうえ、積層体１１，２１，３１，４１における抵抗変化率（ＭＲ比）の向上に有利となるからである。

図４は、磁気センサにおける磁場検出回路の構成を示す概略図である。第１のＭＲ素子１および第２のＭＲ素子２の一端同士が第１の接続点Ｐ１において接続され、第３のＭＲ素子３および第４のＭＲ素子４の一端同士が第２の接続点Ｐ２において接続され、第１のＭＲ素子１の他端と第４のＭＲ素子４の他端とが第３の接続点Ｐ３において接続され、第２のＭＲ素子２の他端と第３のＭＲ素子３の他端とが第４の接続点Ｐ４において接続されることにより、ブリッジ回路が構成されている。ここで、第１の接続点Ｐ１は、導線Ｌ１によって電源Ｖｃｃと接続されており、第２の接続点Ｐ２は、導線Ｌ４を介して接地されている。第３の接続点Ｐ３および第４の接続点Ｐ４は、それぞれ、導線Ｌ５，Ｌ６を介して差分検出器ＡＭＰの入力側端子と接続されている。この差分検出器ＡＭＰは、第１の接続点Ｐ１と第２の接続点Ｐ２との間に電圧が印加されたときの第３の接続点Ｐ３と第４の接続点Ｐ４との間の電位差（第１および第２のＭＲ素子１，２のそれぞれに生ずる電圧降下の差分）を検出し、差分信号Ｓ１として出力するものである。

次に、本実施の形態の磁気センサを使用し、差分信号Ｓ１に基づいて検出対象とする信号磁場Ｈｍを検出する方法について以下に説明する。

図４において、まず、信号磁場Ｈｍが印加されていない状態を考える。ここで、電源Ｖｃｃから読出電流Ｉ０を流したときの第１〜第４のＭＲ素子１〜４における各々の抵抗値をｒ１〜ｒ４とする。電源Ｖｃｃからの読出電流Ｉ０は、第１の接続点Ｐ１において読出電流Ｉ１および読出電流Ｉ２の２つに分流される。そののち、第１のＭＲ素子１と第３のＭＲ素子３とを通過した読出電流Ｉ１と、第２のＭＲ素子２と第４のＭＲ素子４とを通過した読出電流Ｉ２とが第２の接続点Ｐ２において合流する。この場合、第１の接続点Ｐ１と第２の接続点Ｐ２との間の電位差Ｖは、
Ｖ＝Ｉ１×ｒ４＋Ｉ１×ｒ１＝Ｉ２×ｒ３＋Ｉ２×ｒ２
＝Ｉ１×（ｒ４＋ｒ１）＝Ｉ２×（ｒ３＋ｒ２） ……（１）
と表すことができる。
また、第３の接続点Ｐ３における電位Ｖ１および第４の接続点Ｐ４における電位Ｖ２は、それぞれ、
Ｖ１＝Ｖ−Ｖ４
＝Ｖ−Ｉ１×ｒ４
Ｖ２＝Ｖ−Ｖ３
＝Ｖ−Ｉ２×ｒ３
と表せる。よって、第３の接続点Ｐ３と第４の接続点Ｐ４との間の電位差Ｖ０は、
Ｖ０＝Ｖ１−Ｖ２
＝（Ｖ−Ｉ１×ｒ４）−（Ｖ−Ｉ２×ｒ３）
＝Ｉ２×ｒ３−Ｉ１×ｒ４ ……（２）
ここで、（１）式から
Ｖ０＝ｒ３／（ｒ３＋ｒ２）×Ｖ−ｒ４／（ｒ４＋ｒ１）×Ｖ
＝｛ｒ３／（ｒ３＋ｒ２）−ｒ４／（ｒ４＋ｒ１）｝×Ｖ ……（３）
となる。このブリッジ回路では、信号磁場Ｈｍが印加されたときに、上記の式（３）で示された第３および第４の接続点Ｐ３，Ｐ４間の電圧Ｖ０を測定することにより、抵抗変化量が得られる。ここで、信号磁場Ｈｍが印加されたときに、抵抗値ｒ１〜ｒ４がそれぞれ変化量ΔＲ１〜ΔＲ４だけ増加したとすると、すなわち、信号磁場Ｈｍを印加したときの抵抗値Ｒ１〜Ｒ４がそれぞれ、
Ｒ１＝ｒ１＋ΔＲ１
Ｒ２＝ｒ２＋ΔＲ２
Ｒ３＝ｒ３＋ΔＲ３
Ｒ４＝ｒ４＋ΔＲ４
であるとすると、信号磁場Ｈｍを印加した際の電位差Ｖ０は、式（３）より、
Ｖ０＝｛（ｒ３＋ΔＲ３）／（ｒ３＋ΔＲ３＋ｒ２＋ΔＲ２）−（ｒ４＋ΔＲ４）／（ｒ４＋ΔＲ４＋ｒ１＋ΔＲ１）｝×Ｖ ……（４）
となる。すでに述べたように、この磁気センサでは、第１および第３のＭＲ素子１，３の抵抗値Ｒ１，Ｒ３と第２および第４のＭＲ素子２，４の抵抗値Ｒ２，Ｒ４とが逆方向に変化するので、変化量ΔＲ３と変化量ΔＲ２とが打ち消し合うと共に変化量ΔＲ４と変化量ΔＲ１とが打ち消し合うこととなる。このため、信号磁場Ｈｍの印加前後を比較した場合、式（４）の各項における分母の増加はほとんど無い。一方、各項の分子については、変化量ΔＲ３と変化量ΔＲ４とは必ず反対の符号を有するので、打ち消し合うことなく増減が現れることとなる。信号磁場Ｈｍが印加されることにより、第２および第４のＭＲ素子２，４では、抵抗値は変化量ΔＲ２，ΔＲ４（ΔＲ２，ΔＲ４＜０）の分だけそれぞれ変化する（実質的に低下する）一方で、第１および第３のＭＲ素子１，３では、抵抗値は変化量ΔＲ１，ΔＲ３（ΔＲ１，ΔＲ３＞０）の分だけそれぞれ変化する（実質的に増加する）からである。

仮に、第１〜第４のＭＲ素子１〜４の全てが完全に同一の特性を有するものとした場合、すなわち、ｒ１＝ｒ２＝ｒ３＝ｒ４＝Ｒ、かつ、ΔＲ１＝−ΔＲ２＝ΔＲ３＝−ΔＲ４＝ΔＲであるとした場合、式（４）は、
Ｖ０＝｛（Ｒ＋ΔＲ）／（２・Ｒ）−（Ｒ−ΔＲ）／（２・Ｒ）｝×Ｖ
＝（ΔＲ／Ｒ）×Ｖ ……（５）
となる。

以上により、信号磁場Ｈｍと抵抗値の変化量ΔＲ（もしくはΔＲ１〜ΔＲ４）との関係が既知である第１〜第４のＭＲ素子１〜４を用いるようにすれば、式（４）または式（５）に基づき、信号磁場Ｈｍの大きさを求めることができる。

次に、図５〜図１６を参照して、磁気センサの製造方法について説明する。なお、図５〜図１６は、第１のＭＲ素子１と第２のＭＲ素子２との境界部分近傍を拡大して表すものである。また、図７（Ａ）〜図１６（Ａ）は、上面から眺めた図であり、図７（Ｂ）〜図１６（Ｂ）は、図７（Ａ）〜図１６（Ａ）の各々に示した切断線に対応する断面図である。

まず、図５に示したように、上記した所定材料からなる基板１００を用意し、必要に応じてその表面に絶縁層Ｚ１を設ける。次に、基板１００または絶縁層Ｚ１を全面に亘って覆うように、のちに下部電極１３，２３，３３，４３となる金属膜Ｍ１を、銅などの所定の材料によって形成する。さらに、金属膜Ｍ１を全面に亘って覆うように、のちに積層体１１，３１となるＭＲ膜Ｓ１を形成する。ＭＲ膜Ｓ１は、例えばスパッタリング法により、金属膜Ｍ１の上に反強磁性層６４、ピンド層６３３、結合層６３２、ピンド層６３１、介在層６２および磁化自由層６１を順次積層することにより得られる。但し、ピンド層６３１の総磁気モーメントＭ_IP が、ピンド層６３３の総磁気モーメントＭ_OP と一致もしくはそれよりも大きくなるように形成する。なお、ＭＲ膜Ｓ１を成膜する際には、所定の大きさの磁場を、例えば後述するアニール処理によってピンド層６３１，６３３の磁化Ｊ６３１，６３３が固着される方向に沿って印加するようにしてもよい。さらに、必要に応じて、ＭＲ膜Ｓ１を全面に亘って覆うように、保護膜Ｃとしてカーボンなどのハードマスクを形成する。

こののち、図６に示したように、第１のＭＲ素子１および第３のＭＲ素子３が形成されることとなる領域Ｒ１のみを覆うように、レジストマスクＲＭ１を選択的に形成する。そののち、図７（Ａ），７（Ｂ）に示したように、領域Ｒ１における保護膜ＣおよびＭＲ膜Ｓ１を残すように、露出した領域の保護膜ＣおよびＭＲ膜Ｓ１をミリングによって選択的に除去する。ここでのミリングは、金属膜Ｍ１に到達した時点で終了する。

続いて、レジストマスクＲＭ１を溶解除去したのち、全面に亘って覆うように、のちに積層体２１，４１となるＭＲ膜Ｓ２を形成する（図８（Ａ），８（Ｂ）参照）。なお、ＭＲ膜Ｓ２は、例えばＭＲ膜Ｓ１と同様の手順により形成することができる。但し、ピンド層６３３の総磁気モーメントＭ_OPが、ピンド層６３１の総磁気モーメントＭ_IP よりも大きくなるように形成する点が異なる。ＭＲ膜Ｓ２を形成したのち、図９（Ａ），９（Ｂ）に示したように、第２のＭＲ素子２および第４のＭＲ素子４が形成されることとなる領域Ｒ２のみを覆うように、レジストマスクＲＭ２を選択的に形成する。そののち、図１０（Ａ），１０（Ｂ）に示したように、領域Ｒ２におけるＭＲ膜Ｓ２を残すように、露出した領域のＭＲ膜Ｓ２をミリングによって選択的に除去する。ここでのミリングは、金属膜Ｍ１もしくは保護膜Ｃに到達した時点で終了する。

次いで、図１１（Ａ），１１（Ｂ）に示したように、レジストマスクＲＭ２を溶解除去すると共に保護膜Ｃをアッシングにより除去したのち、アニール処理を行う。詳細には、例えば＋Ｙ方向に印加磁場Ｈ１を印加しつつ、所定の温度（例えば２８０℃）に加熱することにより、ピンド層６３１，６３３の磁化Ｊ６３１，６３３の方向の設定を一括して行う。この際、上記した総磁気モーメントＭ_IP と総磁気モーメントＭ_OP とのバランス（大小関係）により、ＭＲ膜Ｓ１（のちの積層体１１，３１）における磁化Ｊ６３１は＋Ｙ方向となる一方、ＭＲ膜Ｓ２（のちの積層体２１，４１）における磁化Ｊ６３１は−Ｙ方向となる。但し、ここでの印加磁場Ｈ１は、磁化固着層６３のシンセティック構造を維持可能な程度の強度、すなわちピンド層６３１とピンド層６３３との交換結合が維持される程度の強度とすることが好ましい。

アニール処理ののち、ＭＲ膜Ｓ１，Ｓ２をパターニングすることにより、所定の位置に、所定の平面形状および寸法を有する柱状の積層体１１，２１，３１，４１を形成し、さらにその周囲を埋めるようにＡｌ₂ Ｏ₃ などによって絶縁層Ｚ２を形成する（図１２（Ａ），１２（Ｂ）参照）。なお、図１２（Ａ），１２（Ｂ）では、積層体３１，４１を図示していない。

さらに、図１３（Ａ），１３（Ｂ）に示したように、所定の位置に立設するように接続部１４，２４，３４，４４（但し、ここでは接続部３４，４４を図示せず）を形成したのち、図１４（Ａ），１４（Ｂ）に示したように、積層体１１，２１，３１，４１および接続部１４，２４，３４，４４、ならびにその近傍領域をレジストマスクＲＭ３によって選択的に覆い、未保護領域の金属膜Ｍ１に対するミリングを行う。その結果、下部電極１３，２３，３３，４３、および導線Ｌ２を得る。

こののち、図１５（Ａ），１５（Ｂ）に示したように、ミリングによって金属膜Ｍ１を除去した領域を埋めるようにＡｌ₂ Ｏ₃ などによって絶縁層Ｚ３を形成したのち、レジストマスクＲＭ３を溶解除去する。

続いて、図１６（Ａ），１６（Ｂ）に示したように、積層体１１，２１，３１，４１および接続部１４，２４，３４，４４の上面と接するように所定形状の上部電極１２，２２，３２，４２（ここでは上部電極１２，２２のみ図示する）を形成すると共に、導線Ｌ１，Ｌ３〜Ｌ６（ここでは導線Ｌ３のみ図示する）を形成する。最後に、パッド５１〜５４を形成するなど、所定の工程を経ることで本実施の形態の磁気センサが完成する。

以上説明したように、本実施の形態によれば、シンセティック構造をなす磁化固着層６３におけるピンド層６３１の総磁気モーメントＭ_IP とピンド層６３３の総磁気モーメントＭ_OP との大小関係を調整することにより、印加磁場Ｈ１に対して第１および第３のＭＲ素子１，３と第２および第４のＭＲ素子２，４とが互いに異なる（反対の）挙動を示すような構成とした。このため、同一基板上においてフルブリッジ接続された第１〜第４のＭＲ素子１〜４からなる磁場検出回路を、容易、かつ高精度に製造することが可能となる。これは、磁気センサが、レーザ照射装置や電子ビーム照射装置などの特殊設備を用いなくとも製造可能であるうえ、アニール処理の際、一方向の印加磁場Ｈ１を付与することにより、磁化固着層６３の磁化方向を設定することができるからである。そのような磁場検出回路を備えた磁気センサは、コンパクトな構成でありながら、信号磁場Ｈｍに対し、第１および第３のＭＲ素子１，３の抵抗値と第２および第４のＭＲ素子２，４の抵抗値とが互いに反対向きに変化することにより、良好な磁場検出を可能とするものである。

＜変形例１＞
次に、本実施の形態における磁気センサの第１の変形例について説明する。上記実施の形態では、第１〜第４のＭＲ素子１〜４における積層体１１，２１，３１，４１の磁化固着層６３を全てシンセティック構造としたが、次のようにしてもよい。すなわち、第１および第３のＭＲ素子１，３における磁化固着層６３を、シンセティック構造ではなく、単一もしくは複数の強磁性材料層によって構成してもよい。その際、第２および第４のＭＲ素子２，４は、上記実施の形態と同様のシンセティック構造とする。すなわち、ピンド層６３３の総磁気モーメントＭ_OP がピンド層６３１の総磁気モーメントＭ_IP よりも大きくなるようにする。

このような構成の本変形例においても、上記実施の形態と同様、製造段階において一方向の印加磁場Ｈ１を付与しつつ加熱することにより、第１および第３のＭＲ素子１，３における磁化Ｊ６３１の向きと、第２および第４のＭＲ素子２，４における磁化Ｊ６３１の向きとを相対的に逆平行とすることができる。よって、上記実施の形態と同様の効果が得られる。但し、本変形例では、ピンド層６３１とピンド層６３３との交換結合が維持される程度の強度を有する印加磁場Ｈ１のかわりに、ピンド層６３１とピンド層６３３との交換結合磁場よりも大きな印加磁場Ｈ２を印加するようにしてもよい。

＜変形例２＞
次に、本実施の形態における磁気センサの第２の変形例について説明する。上記実施の形態では、一度のアニール処理によって、第１〜第４のＭＲ素子１〜４における全てのピンド層６３１，６３３の磁化Ｊ６３１，６３３の方向を一括して設定するようにしたが、本変形例では、第１および第３のＭＲ素子１，３のアニール処理と、第２および第４のＭＲ素子２，４のアニール処理とを順次行うものである。

ピンド層６３１，６３３を構成する材料組成の組み合わせによっては、ピンド層６３１の総磁気モーメントＭ_IPと、ピンド層６３３の総磁気モーメントＭ_OPとの差分の絶対値を小さくすることができる。しかしながら、そのような組み合わせの場合、シンセティック構造が維持されるような弱い印加磁場Ｈ１を付与して加熱しただけではピンド層６３１，６３３が十分に着磁されず、磁化Ｊ６３１，６３３の方向にばらつきが生じ、結果として十分なＭＲ比が得られにくい。そこで、本変形例では、先に、上記のような総磁気モーメントの差分の絶対値が小さなシンセティック構造を含むＭＲ膜を先に成膜したのち、ピンド層６３１とピンド層６３３との交換結合磁場よりも大きな印加磁場Ｈ２を用いたアニール処理を行う。次いで、総磁気モーメントの差分の絶対値が比較的大きなシンセティック構造を含むＭＲ膜を成膜し、ピンド層６３１とピンド層６３３との交換結合を維持可能な印加磁場Ｈ１を用いて再度アニール処理を行う。より具体的には、例えば、図５に示したようにＭＲ膜Ｓ１を形成したのち、このＭＲ膜Ｓ１を選択的に除去する（図７（Ａ），７（Ｂ）に示した工程の）前にＭＲ膜Ｓ１に対して＋Ｙ方向へ印加磁場Ｈ２を印加しつつ所定時間に亘って加熱する。そののち、印加磁場Ｈ２を印加した状態のまま室温まで降温する。降温したのち、印加磁場Ｈ２の印加を停止する。この段階でＭＲ膜Ｓ１におけるピンド層６３１の磁化Ｊ６３１とピンド層６３３の磁化Ｊ６３３とは、互いに反平行の状態に戻る。次に、ＭＲ膜Ｓ２を成膜したのち、ＭＲ膜Ｓ２に対してシンセティック構造が維持されるような弱い印加磁場Ｈ１を−Ｙ方向へ印加しつつ所定時間に亘って加熱する。そののち、印加磁場Ｈ１を印加した状態のまま室温まで降温する。これにより、ＭＲ膜Ｓ２の磁化固着層６３も十分に着磁される。この際、先に成膜したＭＲ膜Ｓ１における磁化固着層６３は、印加磁場Ｈ１による大きな影響を受けず、磁化Ｊ６３１および磁化Ｊ６３３の向きは良好に維持される。ここでは印加磁場Ｈ１および印加磁場Ｈ２を印加した状態のまま室温まで降温するようにしたが、十分に安定した磁化Ｊ６３１および磁化Ｊ６３３の向きが得られるのであれば、室温まで温度が低下する前に印加磁場Ｈ１および印加磁場Ｈ２の印加を停止してもよい。なお、上記特許文献３では、ＭＲ膜を成膜する際に磁場を印加しているが、本変形例ではＭＲ膜Ｓ１，Ｓ２の成膜後に所定の大きさの印加磁場Ｈ２、Ｈ１をそれぞれ所定の方向へ印加するようにしている。このため、本変形例では、上記特許文献３の場合と比較して、ピンド層の磁化の向きをより高精度に、かつ、より強固に設定することができる。

このように本変形例では、２段階のアニール処理を行うようにしたので、総磁気モーメントの差分の絶対値が極めて小さな磁化固着層６３であっても、十分に着磁することができる。

［第２の実施の形態］
次に、図１７などを参照して、本発明における第２の実施の形態としての磁気センサの構成について説明する。本実施の形態の磁気センサは、第１〜第４のＭＲ素子１〜４が、それぞれ積層体１１Ａ，２１Ａ，３１Ａ，４１Ａを複数含むようにしたものである。それ以外の点については、第１〜第４のＭＲ素子１〜４は上記第１の実施の形態と同様の構成を備える。なお、本実施の形態において、上記第１の実施の形態と実質的に同じ構成要素については同じ符号を付し、その説明を適宜省略する。

図１７（Ａ）は、積層体１１Ａ，３１Ａの断面構成を表す模式図であり、図１７（Ｂ）は、積層体２１Ａ，４１Ａの断面構成を表す模式図である。

積層体１１Ａ，２１Ａ，３１Ａ，４１Ａは、反強磁性層６４と、磁化固着層６３Ａと、介在層６２と、磁化自由層６１Ａとが順に積層されたものである。磁化固着層６３Ａは、ピンド層６３１とピンド層６３３とが結合層６３２を介して反強磁性的に交換結合したシンセティック構造からなる。なお、ピンド層６３１とピンド層６３３との総磁気モーメントの差分は実質的に零となっている。あるいは、必要に応じてその差分を適宜設定してもよい。なお、磁化固着層６３Ａは、上記のようなシンセティック構造に限定されるものではなく、単一もしくは複数の強磁性材料層からなる構造であってもよい。

磁化自由層６１Ａは、介在層６２の側から順に強磁性層６１１と、結合層６１２と、強磁性層６１３とを含んでいる。強磁性層６１１および強磁性層６１３は、結合層６１２を介して反強磁性結合しており、いずれもＮｉＦｅやＣｏＦｅなどの軟質磁性材料によって構成されている。強磁性層６１１，６１３は、単層構造であってもよいし、複数層からなる多層構造であってもよい。結合層６１２は、結合層６３２と同様、非磁性の高導電性材料によって構成されている。積層体１１Ａ，３１Ａにおいては、強磁性層６１１が、強磁性層６１３と同じ、もしくは強磁性層６１３よりも大きな総磁気モーメントを有している。一方、積層体２１Ａ，４１Ａにおいては、強磁性層６１３が、強磁性層６１１よりも大きな総磁気モーメントを有している。このため、例えば＋Ｙ方向に信号磁場Ｈｍが付与されると、積層体１１Ａ，３１Ａでは、図１７（Ａ）に示したように、相対的に大きな総磁気モーメントを有する強磁性層６１１の磁化Ｊ６１１が信号磁場Ｈｍと同方向（＋Ｙ方向）へ向くこととなる。よって、相対的に小さな総磁気モーメントを有する強磁性層６１３の磁化Ｊ６１３は、それと反対方向（−Ｙ方向）へ向くこととなる。一方、積層体２１Ａ，４１Ａでは、図１７（Ｂ）に示したように、相対的に大きな総磁気モーメントを有する強磁性層６１３の磁化Ｊ６１３が信号磁場Ｈｍと同方向（＋Ｙ方向）へ向く。よって、相対的に小さな総磁気モーメントを有する強磁性層６１１の磁化Ｊ６１１は、それと反対方向（−Ｙ方向）へ向く。ここで、各積層体の抵抗状態は磁化Ｊ６１１と磁化Ｊ６３１との相対角度に依存するので、ピンド層６３１の磁化Ｊ６３１の向きが＋Ｙ方向であるとすれば、積層体１１Ａ，３１Ａでは低抵抗状態となり、積層体２１Ａ，４１Ａでは高抵抗状態となる。したがって、このような積層体１１Ａ，２１Ａ，３１Ａ，４１Ａを備えた本実施の形態の磁気センサにおいても、上記第１の実施の形態における磁気センサと同様に機能する。

このように、本実施の形態では、第１および第３のＭＲ素子１，３における積層体１１Ａ，３１Ａと、第２および第４のＭＲ素子２，４における積層体２１Ａ，４１Ａとを、信号磁場Ｈｍに対して互いに異なる挙動を示すものとしたので、上記第１の実施の形態と同様の効果が得られる。なお、本実施の形態では、磁化固着層６３をシンセティック構造としたが、単一もしくは複数の強磁性材料層によって形成するようにしてもよい。

＜変形例３＞
次に、第２の実施の形態における磁気センサの変形例（変形例３）について説明する。第２の実施の形態では、第１〜第４のＭＲ素子１〜４における積層体１１Ａ，２１Ａ，３１Ａ，４１Ａの磁化自由層６１を全てシンセティック構造としたが、次のようにしてもよい。すなわち、第１および第３のＭＲ素子１，３における磁化自由層６１を、シンセティック構造ではなく、単一もしくは複数の強磁性材料層によって構成してもよい。その際、第２および第４のＭＲ素子２，４の磁化自由層６１を、第２の実施の形態と同様のシンセティック構造とする。すなわち、強磁性層６１３の総磁気モーメントが強磁性層６１１の総磁気モーメントよりも大きくなるようにする。

このような構成の本変形例においても、第１および第３のＭＲ素子１，３における積層体１１Ａ，３１Ａと、第２および第４のＭＲ素子２，４における積層体２１Ａ，４１Ａとが、信号磁場Ｈｍに対して互いに異なる挙動を示すので、上記実施の形態と同様の効果が得られる。

以上、いくつかの実施の形態および変形例を挙げて本発明を説明したが、本発明はこれらの実施の形態等に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上記実施の形態等では、４つのＭＲ素子を含む検出回路（フルブリッジ回路）を用いて信号磁場の検出を行う場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば信号磁場によって互いに反対向きの抵抗変化を示す第１および第２のＭＲ素子を備えた検出回路（いわゆるハーフブリッジ回路）を用いて信号磁場の検出を行うようにしてもよい。

また、上記実施の形態等では、ＭＲ素子としてトンネルＭＲ素子を例に挙げて説明するようにしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えばＣＰＰ型のＧＭＲ素子を採用することもできる。その場合、介在層を、トンネルバリア層ではなく、例えば銅（Ｃｕ）や金（Ａｕ）、あるいはクロム（Ｃｒ）などの高導電性の非磁性材料層とする必要がある。

また、上記実施の形態等では、磁気センサとして一定方向へ印加される信号磁場の大きさを検出するものを例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。本発明の磁気センサは、例えば、ある回転面（ＭＲ素子の積層面に平行な面）において回転する信号磁場の向きを検出する角度センサとして利用することもできる。この場合、信号磁場の大きさが一定であれば、信号磁場の印加方向と各ＭＲ素子における磁化固着層の磁化の向きとの相対角度に応じて抵抗変化量が変化するので、その関係を利用することにより信号磁場の回転角が求められる。

１００…基板、１〜４…第１〜第４のＭＲ素子、１１，２１，３１，４１…積層体、１２，２２，３２，４２…上部電極、１３，２３，３３，４３…下部電極、１４，２４，３４，４４…接続部、６１…磁化自由層、６１１，６１３…強磁性層、６１２…結合層、６２…介在層、６３…磁化固着層、６３１，６３３…ピンド層、６３２…結合層、６４…反強磁性層、Ｈｍ…信号磁場、Ｈ１…印加磁場、Ｌ１〜Ｌ６…導線、Ｐ１〜Ｐ４…接続部。

Claims (12)

1. 一定方向に固着された磁化を有する磁化固着層と、非磁性の介在層と、信号磁場に応じて磁化の向きが変化する磁化自由層とを順にそれぞれ含むと共に、前記信号磁場によって互いに反対向きの抵抗変化を示す第１および第２の磁気抵抗効果素子を備え、
   前記第１および第２の磁気抵抗効果素子の双方における前記磁化固着層または磁化自由層が、前記介在層の側から順に第１の強磁性層と、結合層と、前記結合層を介して前記第１の強磁性層と反強磁性結合する第２の強磁性層とを含むシンセティック構造を有し、
   前記第１の磁気抵抗効果素子におけるシンセティック構造は、前記第１の強磁性層の総磁気モーメントが前記第２の強磁性層の総磁気モーメントと一致もしくは前記第２の強磁性層の総磁気モーメントよりも大きなものであり、
   前記第２の磁気抵抗効果素子におけるシンセティック構造は、前記第２の強磁性層の総磁気モーメントが前記第１の強磁性層の総磁気モーメントよりも大きなものである
   ことを特徴とする磁気センサ。
2. 前記第１および第２の磁気抵抗効果素子における各磁化自由層が前記シンセティック構造を有し、
   前記第１および第２の磁気抵抗効果素子における磁化固着層は、互いに同じ方向の磁化を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
3. 前記第１の磁気抵抗効果素子における第１の強磁性層の総磁気モーメントと第２の強磁性層の総磁気モーメントとの差分の絶対値は、前記第２の磁気抵抗効果素子における第１の強磁性層の総磁気モーメントと第２の強磁性層の総磁気モーメントとの差分の絶対値と異なっている
   ことを特徴とする請求項１または請求項２のいずれか１項記載の磁気センサ。
4. 一定方向に固着された磁化を有する磁化固着層と、非磁性の介在層と、信号磁場に応じて磁化の向きが変化する磁化自由層とを順にそれぞれ含むと共に、前記信号磁場によって互いに反対向きの抵抗変化を示す第１および第２の磁気抵抗効果素子を備え、
   前記第１および第２の磁気抵抗効果素子のうちの一方における前記磁化固着層または磁化自由層が、前記介在層の側から順に第１の強磁性層と、結合層と、前記結合層を介して前記第１の強磁性層と反強磁性結合する第２の強磁性層とを含むシンセティック構造を有し、
   前記シンセティック構造は、前記第２の強磁性層の総磁気モーメントが前記第１の強磁性層の総磁気モーメントよりも大きなものであり、
   前記第１および第２の磁気抵抗効果素子のうちの他方における前記磁化固着層または磁化自由層が、単一もしくは複数の強磁性材料層からなる
   ことを特徴とする磁気センサ。
5. 前記第１および第２の磁気抵抗効果素子は、同一基板上に設けられてい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項記載の磁気センサ。
6. 一定方向に固着された磁化を有する磁化固着層と、非磁性の介在層と、信号磁場に応じて磁化の向きが変化する磁化自由層とを順にそれぞれ有する第１から第４の磁気抵抗効果素子と、
   差分検出器と
   を備え、
   前記第１から第４の磁気抵抗効果素子の全てにおける前記磁化固着層または磁化自由層が、前記介在層の側から順に第１の強磁性層と、結合層と、前記結合層を介して前記第１の強磁性層と反強磁性結合する第２の強磁性層とを含むシンセティック構造を有し、
   前記第１および第３の磁気抵抗効果素子におけるシンセティック構造は、前記第１の強磁性層の総磁気モーメントが前記第２の強磁性層の総磁気モーメントと一致もしくは前記第２の強磁性層の総磁気モーメントよりも大きなものであり、
   前記第２および第４の磁気抵抗効果素子におけるシンセティック構造は、前記第２の強磁性層の総磁気モーメントが前記第１の強磁性層の総磁気モーメントよりも大きなものであり、
   前記第１および第２の磁気抵抗効果素子の一端同士が第１の接続点において接続され、前記第３および第４の磁気抵抗効果素子の一端同士が第２の接続点において接続され、前記第１の磁気抵抗効果素子の他端と前記第４の磁気抵抗効果素子の他端とが第３の接続点において接続され、前記第２の磁気抵抗効果素子の他端と前記第３の磁気抵抗効果素子の他端とが第４の接続点において接続されることによりブリッジ回路が形成されており、
   前記第１および第３の磁気抵抗効果素子の各抵抗値は、前記信号磁場に応じて互いに同じ向きに変化し、
   前記第２および第４の磁気抵抗効果素子の各抵抗値は、いずれも、前記信号磁場に応じて前記第１および第３の磁気抵抗効果素子とは反対向きに変化し、
   前記差分検出器により、前記第１の接続点と前記第２の接続点との間に電圧が印加されたときの前記第３の接続点と前記第４の接続点の間の電位差が検出される
   ことを特徴とする磁気センサ。
7. 一定方向に固着された磁化を有する磁化固着層と、非磁性の介在層と、信号磁場に応じて磁化の向きが変化する磁化自由層とを順にそれぞれ有する第１から第４の磁気抵抗効果素子と、
   差分検出器と
   を備え、
   前記第２および第４の磁気抵抗効果素子における前記磁化固着層または磁化自由層が、前記介在層の側から順に第１の強磁性層と、結合層と、前記結合層を介して前記第１の強磁性層と反強磁性結合する第２の強磁性層とを含むシンセティック構造を有し、
   前記シンセティック構造は、前記第２の強磁性層の総磁気モーメントが前記第１の強磁性層の総磁気モーメントよりも大きなものであり、
   前記第１および第３の磁気抵抗効果素子における前記磁化固着層または磁化自由層が、単一もしくは複数の強磁性材料層からなり、
   前記第１および第２の磁気抵抗効果素子の一端同士が第１の接続点において接続され、前記第３および第４の磁気抵抗効果素子の一端同士が第２の接続点において接続され、前記第１の磁気抵抗効果素子の他端と前記第４の磁気抵抗効果素子の他端とが第３の接続点において接続され、前記第２の磁気抵抗効果素子の他端と前記第３の磁気抵抗効果素子の他端とが第４の接続点において接続されることによりブリッジ回路が形成されており、
   前記第１および第３の磁気抵抗効果素子の各抵抗値は、前記信号磁場に応じて互いに同じ向きに変化し、
   前記第２および第４の磁気抵抗効果素子の各抵抗値は、いずれも、前記信号磁場に応じて前記第１および第３の磁気抵抗効果素子とは反対向きに変化し、
   前記差分検出器により、前記第１の接続点と前記第２の接続点との間に電圧が印加されたときの前記第３の接続点と前記第４の接続点の間の電位差が検出される
   ことを特徴とする磁気センサ。
8. 基板上に、信号磁場に応じて磁化の向きが変化する第１の磁化自由層と、非磁性の第１の介在層と、一方向に固定された磁化を有する１の磁化固着層とを含む第１の磁気抵抗効果素子を選択的に形成する工程と、
   前記基板上における前記第１の磁気抵抗効果素子と離間した位置に、前記信号磁場に応じて磁化の向きが変化する第２の磁化自由層と、非磁性の第２の介在層と、一方向に固定された磁化を有する第２の磁化固着層とを含む第２の磁気抵抗効果素子を選択的に形成する工程と、
   前記第１および第２の磁気抵抗効果素子に対して一定方向の磁場を印加しつつ加熱することにより、前記第１および第２の磁化固着層における磁化の向きの設定を行う工程と
   を含み、
   前記第１および第２の磁化固着層、または前記第１および第２の磁化自由層を、前記第１および第２の介在層の側から順に第１の強磁性層と、結合層と、前記結合層を介して前記第１の強磁性層と反強磁性結合する第２の強磁性層とを積層してなるシンセティック構造を有するように形成し、
   前記第１の磁化固着層または第１の磁化自由層における前記シンセティック構造を、前記第１の強磁性層の総磁気モーメントが前記第２の強磁性層の総磁気モーメントと一致もしくは前記第２の強磁性層の総磁気モーメントよりも大きくなるように形成し、
   前記第２の磁化固着層または第２の磁化自由層における前記シンセティック構造を、前記第２の強磁性層の総磁気モーメントが前記第１の強磁性層の総磁気モーメントよりも大きくなるように形成する
   ことを特徴とする磁気センサの製造方法。
9. 前記第１の磁化固着層を、前記シンセティック構造を有するように形成したのち、前記第２の磁気抵抗効果素子の形成を行う前に、前記第１および第２の強磁性層の双方の磁化が同一方向を向く程度の第１の印加磁場を前記第１の磁気抵抗効果素子に対して付与しつつ加熱することにより、前記第１の磁化固着層における磁化の向きの設定を行う
   ことを特徴とする請求項８に記載の磁気センサの製造方法。
10. 前記第１の磁化固着層における磁化の向きの設定を行ったのち、
    前記第２の磁化固着層を、前記シンセティック構造を有するように形成し、
    前記第２の磁化固着層における第１および第２の強磁性層の磁化が互いに反平行である状態を維持する程度の、前記第１の印加磁場よりも小さな第２の印加磁場を前記第２の磁気抵抗効果素子に対して付与しつつ加熱することにより、前記第２の磁化固着層の磁化方向の設定を行う
    ことを特徴とする請求項９に記載の磁気センサの製造方法。
11. 前記第１および第２の磁化固着層におけるシンセティック構造を、前記第１の磁化固着層における第１の強磁性層の総磁気モーメントと第２の強磁性層の総磁気モーメントとの差分の絶対値よりも、前記第２の磁化固着層における第１の強磁性層の総磁気モーメントと第２の強磁性層の総磁気モーメントとの差分の絶対値が大きくなるように形成する
    ことを特徴とする請求項１０に記載の磁気センサの製造方法。
12. 基板上に、信号磁場に応じて磁化の向きが変化する第１の磁化自由層と、非磁性の第１の介在層と、一方向に固定された磁化を有する第１の磁化固着層とを含む第１の磁気抵抗効果素子を選択的に形成する工程と、
    前記基板上における前記第１の磁気抵抗効果素子と離間した位置に、前記信号磁場に応じて磁化の向きが変化する第２の磁化自由層と、非磁性の第２の介在層と、一方向に固定された磁化を有する第２の磁化固着層とを含む第２の磁気抵抗効果素子を選択的に形成する工程と、
    前記第１および第２の磁気抵抗効果素子に対して一定方向の磁場を印加しつつ加熱することにより、前記第１および第２の磁化固着層における磁化の向きの設定を行う工程と
    を含み、
    前記第１および第２の磁化固着層のうちの一方、または前記第１および第２の磁化自由層のうちの一方を、前記第１および第２の介在層の側から順に第１の強磁性層と、結合層と、前記結合層を介して前記第１の強磁性層と反強磁性結合する第２の強磁性層とを積層してなるシンセティック構造を有するように形成し、
    前記シンセティック構造を、前記第２の強磁性層の総磁気モーメントが前記第１の強磁性層の総磁気モーメントよりも大きくなるように形成し、
    前記第１および第２の磁化固着層のうちの他方、または前記第１および第２の磁化自由層のうちの他方を、単一もしくは複数の強磁性材料層によって形成する
    ことを特徴とする磁気センサの製造方法。

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