JP5297075B2 - 磁気センサおよびその製造方法、並びに電流検出方法および電流検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、永久磁石などの縦バイアス磁化手段を用いることなく磁区（ドメイン）の安定したフリー層を有する磁気センサに係り、特に、高感度ＭＴＪ（magnetic tunnel junction：磁気トンネル接合）構造またはＧＭＲ（giant magneto resistance：巨大磁気抵抗）構造を有する磁気センサおよびその製造方法、並びにその磁気センサを用いて導電線を通じて流れる電流の微小な変化を検出する電流検出方法および電流検出装置（電流センサ）に関する。

従来、この種の電流センサでは、検出素子として、２つのストライプ状の長いＧＭＲ素子が用いられている。これらＧＭＲ素子は導電体上に隣接して配置され、面内方向において流れる電流を検出する。具体的には、この電流センサは、湾曲部およびこの湾曲部の両端にそれぞれ繋がる２つの直線部を有するＵ字形状の導電体を有し、この導電体の相対する２つの直線部に第１ＧＭＲ素子，第２ＧＭＲ素子、およびこれらＧＭＲ素子に対して同じ大きさの定電流を供給するための第１定電流源，第２定電流源を配置したものである。この電流センサでは、導電線に電流が流れることによって誘起された磁界により、第１ＧＭＲ素子と第２ＧＭＲ素子とに互いに逆の磁気抵抗変化が生ずる。電流センサは、更に、差動電圧アンプを備え、このアンプにより磁気抵抗変化による第１ＧＭＲ素子と第２ＧＭＲ素子との間の電圧降下の差を検出するようになっており、検出電流（磁界電流）はこれら２つのＧＭＲ素子での電圧降下の差に基づいて検出される。

図６はこのような構成の従来の電流センサを具体的に表すものである。この電流センサは、Ｕ型の導電体１０の対向する２つの直線部１０ａ，１０ｂ上にそれぞれＧＭＲ素子１１，１２を有しており、これらＧＭＲ素子１１，１２のピンドリファレンス層は、その磁化方向が互いに逆方向に固定されている（直線部１０ａ，１０ｂをそれぞれ流れる電流により誘起される磁界の方向を基準として）。すなわち、導電体１０に同じ電流Ｉs が流れることによって誘起される磁界Ｈ1 ，Ｈ2 により、それらの抵抗値の変化が互いに異なるようになっている。このような構成の電流センサでは、外部磁場が微小である場合には温度変化の場合と同様に、検出精度に与える影響は少ない。すなわち、ＧＭＲ素子１１，１２のフリー層は単一磁区状態を保ち、ノイズが発生することはない。

しかしながら、外部磁場が約６０Ｏｅ以上のように大規模になると、このようなＧＭＲ素子１１，１２の各フリー層は単一磁区状態から複合磁区状態へ変化し、磁気応答がヒステリシスを持つようになる。そのため、従来の電流センサでは、電流検出に誤作動を生ずる虞があるという問題があった。

このような問題を解決するために、上述の従来の電流センサでは、フリー層に縦磁気バイアスを印加する手段、具体的には、各センサに対して、一対の永久磁石あるいは交換結合磁石を組み込む手法が採用されている（特許文献１〜４）。なお、特許文献１，２には、互いに反対の抵抗値を示す２つのＭＴＪ素子と、これらＭＴＪ素子の間の電圧低下の差を検出するための差動アンプと備えた電流センサが開示されている。また、特許文献３には、走査型磁気顕微鏡のための磁気ＭＴＪ電流センサ、特許文献４にはＭＴＪ磁気センサが開示されている。
米国２００６／００７１６５５号公報 米国２００６／０１７１５２９号公報 米国特許６，９３０，４７９（Xiao et al）公報 米国特許６，２９５，９３１（Cutler et al）公報

しかしながら、このような永久磁石等の縦磁気バイアスを用いる従来方式では、その分製造工程が増加し、コストが増加すると共に、縦バイアスを用いることによりセンサの感度が低下し、またその感度は、永久バイアスの時間経過による変化によって更に低下するという問題があった。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その第１の目的は、永久磁石等の縦磁気バイアスを用いることなく、大規模外部磁場の環境においてもフリー層の磁区を安定化させることができ、ノイズ発生を抑制することのできる磁気センサおよびその製造方法を提供することにある。

本発明の第２の目的は、上記磁気センサを用いて、電流変化検出の精度を向上させることのできる電流検出方法および電流検出装置を提供することにある。

本発明による第１の磁気センサは、２〜２０００個の磁気抵抗素子により構成された磁気抵抗素子アレイを備えた磁気センサであって、前記複数の磁気抵抗素子は、上部および下部の共通電極間に並列に設けられると共に、それぞれ、第一軸方向の幅と第一軸方向に直交する第二軸方向の長さを有し、幅に対する長さの比（長さ／幅）が少なくとも１．２であり、かつ最大１．０μｍの長さの平面形状を有し、かつ、前記磁気抵抗素子は、第一軸方向に磁化方向が固定されたピンドリファレンス層と、第二軸方向に異方性を有すると共に、磁場に晒されたときに安定した磁区を有するフリー層と、前記ピンドリファレンス層と前記フリー層との間に設けられた分離層とを備えると共に、それぞれ楕円、曲線状の角を有する矩形状、眼形状、ダイヤモンド状形状を含む楕円様の形状からなる群から選択された平面形状を有し、前記複数の磁気抵抗素子間の全ての領域に誘電体層が充填されると共に前記誘電体層が前記磁気抵抗素子の全ての側壁を覆い、前記上部電極は前記誘電体層を覆うと共に前記磁気抵抗素子に電気的に接続され、当該磁気センサにより発生する総電圧降下量は、前記アレイ中の各磁気抵抗素子において生ずる個々の電圧降下量の平均値であることを特徴とする。

本発明による第２の磁気センサは、２〜２０００個の磁気抵抗素子からなる磁気抵抗素子アレイを備えた磁気センサであって、各磁気抵抗素子は，下部電極上の反強磁性層と、第一軸方向に磁化方向を有し、反強磁性層上に設けられたピンドリファレンス層と、ピンドリファレンス層上に設けられた分離層と、分離層上に設けられると共に、外部磁場領域に晒されたときに磁区が安定化するフリー層と、フリー層上に設けられたキャップ層とを備えている。下部電極は、複数の磁気抵抗素子に共通する下部電極であり、磁気抵抗素子アレイは、更に、複数の磁気抵抗素子間の全ての領域に充填されると共に全ての側壁を覆う誘電体層と、複数の磁気抵抗素子に共通するようにキャップ層上に設けられた上部電極とを備えている。磁気抵抗素子の平面形状が、それぞれ第一軸方向の幅と第一軸方向に直交する第二軸方向の長さを有し、幅に対する長さの比（長さ／幅）は異方性磁化を保持するのに十分な値であり、その長さは磁区壁（ドメインウォール幅）幅未満であり、外部磁場領域に晒されたときに、磁気センサの全てのフリー層の磁区が安定化する。当該磁気センサにより発生する総電圧降下量は、アレイ中の各磁気抵抗素子において生ずる個々の電圧降下量の平均値である。

本発明による第１，第２の磁気センサでは、各磁気抵抗素子の平面形状を、楕円、曲線状の角を有する矩形状、眼形状、ダイヤモンド状形状を含む楕円様の形状からなる群から選択された形状とすることが好ましい。

本発明の第１，第２の磁気センサでは、分離層を、ＡｌＯｘ，ＴｉＮｘ，ＨｆＯｘおよびＭｇＯｘからなる群、またはＡｌＮｘ，ＴｉＮｘ，ＨｇＮｘおよびＭｇＮｘからなる群から選択された酸化物からなる層、またはこれら酸化物の積層構造により構成すると、ＭＴＪセンサとなる。一方、分離層を、Ｃｕ，ＡｕおよびＡｇからなる群から選択された金属からなる単層、またはこれら金属の積層構造により構成すると、ＣＰＰ- ＧＭＲセンサとなる。

本発明による第１，第２の磁気センサでは、複数の磁気抵抗素子により構成され、各磁気抵抗素子の平面形状が、楕円形状、すなわち、それぞれ第一軸（短軸）方向の幅と第二軸（長軸）方向の長さを有し、幅に対する長さの比（長さ／幅）が異方性磁化を保持するのに十分な値（少なくとも１．２）であり、かつ最大１．０μｍの長さを有しているため、各磁気抵抗素子のフリー層は第二軸方向に形状異方性を有し、磁場領域に晒されたときには、全ての磁気抵抗素子のフリー層が、揃って単一磁区状態を維持したまま第一軸方向（すなわち、ピンドリファレンス層の磁化方向）に回転する。

本発明による磁気センサの製造方法は、磁区の安定したフリー層を有する磁気センサを製造する方法であって、下部導電層上に反強磁性（ＡＦＭ）層を形成する工程と、反強磁性層上にピンドリファレンス層を形成する工程と、ピンドリファレンス層上に分離層を形成する工程と、分離層上にフリー層を形成する工程と、フリー層上にキャップ層を形成する工程と、第一軸方向の外部磁界の存在下、反強磁性層、ピンドリファレンス層、分離層、フリー層およびキャップ層を熱処理する工程と、キャップ層から反強磁性層までの各層をパターニングすることによって、互いに独立し、それぞれの平面形状が、第一軸方向の幅と第一軸方向に直交する第二軸方向の長さを有し、幅に対する長さの比（長さ／幅）が少なくとも１．２であり、かつ最大１．０μｍの長さを有し、外部磁場領域に晒されたときに安定した磁区を有する２〜２０００個の複数の磁気抵抗素子を形成する工程と、下部導電層をパターニングすることにより、複数の磁気抵抗素子に共通する下部電極を形成する工程と、複数の磁気抵抗素子を各側壁を含めて被覆するのに十分な厚さに誘電体層を形成する工程と、誘電体層をキャップ層の表面が露出するまで平坦化した後、上部導電層を形成する工程と、上部導電層をパターニングすることによって、複数の磁気抵抗素子に共通する上部電極を形成する工程と、を含むものである。

本発明による電流検出方法は、第１端部および第２端部を有すると共に長さが同じであり、かつ第１端部同士が電気的に接続された一対の導電線を用意するステップと、一対の導電線上に、それぞれ磁界中において共通の上部電極と下部電極との間に電圧低下が発生する２〜２０００個の磁気抵抗素子を含む磁気センサを配置するステップと、一対の導電線の各第２端部の間に電流を流し、一方の導電線に配置された磁気センサと他方の導電線に配置された磁気センサとに対して互いに異なる方向に磁界を発生させると共に、互いに異なる大きさの電圧低下を生じさせるステップと、一対の磁気センサでの電圧低下の大きさの差を検出し、電流値の変化を求めるステップとを含み、磁気抵抗素子は、その平面形状が、第一軸方向の幅と第一軸方向に直交する第二軸方向の長さを有し、幅に対する長さの比（長さ／幅）が少なくとも１．２であり、かつ最大１．０μｍの長さを有すると共に、そのピンドリファレンス層の磁化方向が第一軸方向であり、かつそのフリー層が第二軸方向に形状異方性を有し、磁場領域に晒されたときに、磁気センサの全てのフリー層の磁区が安定化する。

本発明による電流検出装置は、第１端部および第２端部を有すると共に長さが同じであり、かつ第１端部同士が電気的に接続された一対の導電線と、一対の導電線上に配置されると共に、それぞれ磁界中において共通の上部電極と下部電極との間に電圧低下が発生する２〜２０００個の磁気抵抗素子を含む磁気センサと、一対の導電線の対応する第２端部間に定電流を供給する定電流源と、磁気センサの上部電極と下部電極との間の電圧低下を検出する電圧降下検出手段と、検出した電圧降下の大きさの差を検出する差動電圧アンプとを備えている。磁気センサの構成は上記本発明の磁気センサのそれと同様であり、各素子のフリー層は第二軸方向に形状異方性を有し、磁場領域に晒されたときに、磁気センサの全てのフリー層が単一磁区状態で安定化し、かつ磁気センサにより発生する総電圧降下量が、各磁気抵抗素子において生ずる個々の電圧降下量の平均値となる。

本発明の電流検出装置では、一方の導電線に配置された磁気センサと他方の導電線に配置された磁気センサとでは、検出電流により誘起される磁界の方向が互いに反対方向、すなわち電圧低下も異なる方向に発生し、これら一対の磁気センサでの電圧降下の大きさの差（ΔＶ）が差動電圧アンプにおいて増幅され、電流変化の検出信号として出力される。

本発明の磁気センサおよびその製造方法によれば、複数の磁気抵抗素子により磁気抵抗素子アレイを構成すると共に、各磁気抵抗素子の平面形状を、その第一軸（短軸）方向の幅と第二軸（長軸）方向の長さを有する略楕円形状とし、幅に対する長さの比（長さ／幅）が異方性磁化を保持するのに十分な値（少なくとも１．２）であり、かつ長さが磁区壁幅未満（最大１．０μｍ）であるようにしたので、大規模外部磁場に晒されたときにも、各磁気抵抗素子の全てのフリー層が単一磁区状態で安定化する。よって、この磁気センサを用いた電流検出方法または電流検出装置では、外部磁場によりノイズが発生することがなく、電流変化の検出精度が向上する。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。

図１は本発明の一実施の形態に係るＭＴＪセンサ４１の断面構造を表すものである。このＭＴＪセンサ４１は同一構造のＭＴＪセンサ４２と共に、後述の電流センサ（電流検出装置）を構成している（図３）。

ＭＴＪセンサ４１は複数（ここでは４個）の小型のＭＴＪ素子（セル）２１（磁気抵抗素子）により構成されている。なお、ＭＴＪ素子２１の数は２〜１，０００個であることが望ましい。これら複数のＭＴＪ素子２１は、詳細は後述するが、平面形状が小さな非円形となるように同一形状にパターン化されたものであり、上部電極２２と下部電極２３とを共有している。これらＭＴＪ素子２１は電気的には互いに並列となっており、電流の検出中、検出電流Ｉs は各ＭＴＪ素子２１に等しく分割して流れる。このとき検出電流により磁界が誘起され、ＭＴＪ素子２１はそれぞれ独立してこれに応答し、ＭＴＪセンサ４１によって発生する総電圧降下は、複数のＭＴＪ素子２１において生ずる個々の電圧降下の平均値となる。

本実施の形態では、このようにＭＴＪセンサ４１を複数の小型のセル（ＭＴＪ素子２１）により構成すると共に、各ＭＴＪ素子２１の平面形状を、図３に示したように、同一の楕円形状とするものである。本明細書では、この楕円形状の短軸方向に相当する方向を「第一軸方向」、長軸方向に相当する方向を「第二軸方向」とも称する。この楕円形状の短軸（第一軸）方向の長さを「幅」、長軸（第二軸）方向の長さを「長さ」とすると、幅に対する長さの比（長さ／幅）は、上記フリー層７が異方性磁化を保持するのに十分な値、少なくとも１．２、より好ましくは２．０以上である。また、その長さは、フリー層７（図２）におけるドメインウォール幅（domain wall width)（あるいはニールウォール幅（Neel wall width)）未満（最大１．０μｍ）となっている。

すなわち、本実施の形態では、１つのＭＴＪセンサ４１を複数の小型のＭＴＪ素子２１により構成し、そのＭＴＪセンサ４１のフリー層を素子毎のフリー層７の集合としたものである。ここで、各フリー層７は上記のように楕円形状による形状異方性を有し、かつその長さが、磁区と磁区とを分離するドメインウォール幅よりも小さくなっている。そのため各フリー層７は単一磁区を維持し、全てのフリー層７が一体として１のフリー層として機能するようになっている。

ちなみに、強磁性薄膜において、隣り合う粒子間の磁気交換相互作用は非常に強力であるので、近傍の粒子における磁化方向は一致するかあるいはほぼ一致する。素子領域の最大長が強磁性薄膜における磁化磁区壁の幅（ドメインウォール幅）よりも小さい場合には、フリー層では、例え、大規模外部磁界による励起を受けたとしても、２以上の複合磁区構造をとることがなく、単一磁区を維持する。よって、その磁気応答曲線ではヒステリシスを示すことがなくなる。

なお、各ＭＴＪ素子２１の平面形状は、完全な楕円に限らず、曲線状の角を有する矩形状、眼形状、ダイヤモンド状形状等の略楕円形状を含むものであり、上記の比（長さ／幅）が１．２以上のものであればよい。

図２はＭＴＪ素子２１の断面構造を表すものである。このＭＴＪ素子２１は、下部電極２３と上部電極２２との間に、下地層１、反強磁性（ＡＦＭ）層２、ピンド層３，ＡＦＭ連結層４、第一軸方向に磁化されたピンドリファレンス層５、分離層６、フリー層７およびキャップ層８からなる積層構造を有する。ピンド層３，ＡＦＭ連結層４およびピンドリファレンス層５により、シンセティックピンド複合層構造(synthetic pinnd multi-layer substructure)が構成されている。

分離層６はトンネル障壁層であり、例えばＡｌＯｘ，ＴｉＮｘ，ＨｆＯｘおよびＭｇＯｘからなる群、あるいは、ＡｌＮｘ，ＴｉＮｘ，ＨｇＮｘおよびＭｇＮｘからなる群から選択された酸化物からなる層、またはこれら酸化物の積層構造により構成されている。

フリー層７は、軟質の強磁性材料またはフェリ磁性材料により形成されており、上記形状異方性により、第二軸（長軸）方向（すなわち、ピンドリファレンス層５の磁化方向に垂直な方向）に磁気異方性を有している。このフリー層７は、例えば、シンセティック反強磁性構造(synthetic antiferromagnetic configuration) の形態（すなわち、２つの強磁性層間の反平行連結構造）を有する。これらの強磁性層には、互いに異なる方向に磁気モーメントが発生し、その結果、フリー層７はノンゼロネットモーメント(non-zero net moment) を有するものとなり、単一磁区フリー層として振る舞う。

なお、その他の層（下地層１、反強磁性（ＡＦＭ）層２、ピンド層３、ＡＦＭ連結層４、ピンドリファレンス層５およびキャップ層８）についても、その平面形状は同じである。それぞれの構成材料は公知の材料と同様であるためその説明は省略する。

次に、上記ＭＴＪ素子２１の製造方法について説明する。

まず、下部電極２１となる下部導電層上に、公知の方法により、下地層１、反強磁性（ＡＦＭ）層２、ピンド層３、ＡＦＭ連結層４、ピンドリファレンス層５、分離層６、フリー層７およびキャップ層８となる各層をこの順で形成する（図２）。

次いで、第一軸方向の大規模外部磁場の存在下、下地層１からキャップ層８までを熱処理する。この熱処理によって、ピンドリファレンス層５が第一軸方向に固定される。このピンドリファレンス層５の固定磁化方向は後述の導体電流（検出電流）による誘導磁界方向Ｈ1,Ｈ2 に平行である。

次に、キャップ層８から下地層１までの各層をパターニングすることによって、互いに独立し、それぞれの平面形状が、楕円形状で、かつ上記比（長さ／幅）が少なくとも１．２であり、かつ最大１．０μｍの長さを有する複数のＭＴＪ素子２１を形成する。このとき、楕円形状の短軸が導体電流による誘導磁界方向Ｈ1,Ｈ2 に平行（第一軸方向）となるようにパターニングする。

次いで、下部導電層をパターニングすることにより、複数のＭＴＪ素子２１に共通する下部電極２３を形成する。更に、これら複数のＭＴＪ素子２１を各側壁を含めて被覆するのに十分な厚さに誘電体層（図示せず）を形成する。続いて、ＣＭＰ（化学機械研磨）法により、この誘電体層をキャップ層８の表面が露出するまで平坦化した後、上部導電層を形成する。最後に、この上部導電層をパターニングすることによって、複数のＭＴＪ素子２１に共通する上部電極２２を形成する。

図３は上記ＭＴＪ素子２１を用いた電流センサの構成を表すものである。この電流センサは、Ｕ型の導電体１０の対向する２つの直線部１０ａ，１０ｂ上の互いに対向する位置にＭＴＪセンサ４１，４２を設置したものである。ＭＴＪセンサ４１，４２は前述のようにそれぞれ複数（ここでは４個）のＭＴＪ素子２１を含むアレイ構造となっている。

ＭＴＪセンサ４１，４２は、平行になった直線部１０ａ，１０ｂ上の互いに対向する位置に配置されているため、これらＭＴＪセンサ４１，４２それぞれの各ＭＴＪ素子２１には、同じ導体電流（検出電流）Ｉs によって互いに反対方向の誘導磁界Ｈ１，Ｈ２が発生するようになっている。一方、各ＭＴＪ素子２１の形状異方性により、２つのＭＴＪセンサ４１，４２における全てのフリー層７の磁化方向は、それらの長軸方向（第二軸方向）に沿って一列に揃っている。従って、導体電流Ｉs によって磁界Ｈ1 ，Ｈ2 が発生すると、各ＭＴＪセンサ４１、４２における全てのフリー層７の磁化方向は、関知した磁界方向（すなわち第一軸方向）に向かって回転する。このとき磁界Ｈ1 ，Ｈ2 の向きは互いに逆向きであるため、ＭＴＪセンサ４１とＭＴＪセンサ４２とではそれぞれのフリー層７の向きが互いに逆方向となる。すなわち、ＭＴＪセンサ４１，４２での抵抗値は、検出電流Ｉs によって発生した磁界Ｈ1 ，Ｈ2 に応じて互いに反対方向に変化する。

図４は上記電流センサ（図３）を含む電流検出装置全体の概略構成を表すものである。この電流検出装置は、ＭＴＪセンサ６２，６３（図３のＭＴＪセンサ４１，４２に相当）と共に、同じ長さの一対の導電線６５，６６、これら導電線６５，６６に対して定電流Ｉs を供給する定電流源６１および差動電圧アンプ６４を備えたものである。

定電流源６１の一方の出力端子は導電線６５により差動電圧アンプ６４の一方の入力端子に接続されている。同様に、定電流源６１の他方の出力端子は導電線６６により差動電圧アンプ６４の他方の入力端子に接続されている。

この電流検出装置では、ＭＴＪセンサ６２，６３はそれぞれ導電線６５，６６に配置されており、検出電流Ｉs により誘起される磁界中において各ＭＴＪ素子２１（図２）の上部電極２２と下部電極２３との間に、導電線６５側と導電線６６側とでは互いに異なる方向に電圧低下が発生する。よって、差動電圧アンプ６４からは、これら電圧降下の大きさの差ΔＶに応じた信号が検出信号（ＭＴＪ信号）として出力される。

このように本実施の形態では、検出されるべき電流の変化は、ＭＴＪセンサ４１，４２（６２，６３）での電圧低下の差に応じてＭＴＪ信号として検出される。この出力信号は前述のように各ＭＴＪ素子２１のフリー層７が単一磁区状態を保つ限りヒステリシスを持たない。すなわち、大規模外部磁場の環境下においてもその影響を受けることがなくなる。

また、例えば、図５（Ａ），（Ｂ）では、外部磁場によって誘起される静止磁化(quiescent magnetizations)が異なるが、上記のように差動電圧アンプ６４によって差分電圧（ΔＶ）が検出されることから、応答信号が影響を受けることはない。なお、図において、ベクトル５１はピンドリファレンス層５（図２）の磁化方向を表し、Ｈ１，Ｈ２はそれぞれ第１位置（ＭＴＪセンサ４２の設置位置）、第２位置（ＭＴＪセンサ４１の設置位置）において検出電流によって誘起される磁界を表している。Ｍ１，Ｍ２は、それぞれ第１位置でのＭＴＪセンサ４２、第２位置でのＭＴＪセンサ４１に対する外部磁場による磁化方向を表している（ここでは、便宜上、全ての磁化ベクトルは紙面上で示されている。）

以上のように、本実施の形態の磁気センサ（ＭＴＪセンサ）では、大規模外部磁場の環境下においても、各フリー層７が複合磁区構造をとることがなく、単一磁区を維持し、その磁気応答曲線がヒステリシスを示すことがなくなるので、磁区が安定する。よって、従来のように安定した磁区を与えるためにフリー層上に縦バアス磁石を組み込む必要性がなくなり、電流センサによる検出精度が向上すると共に、その分コンパクトとなり、安価となる。

以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形可能である。例えば、上記実施の形態では、磁気抵抗素子として，ＴＭＲ(tunneling magneto-resistance effect; トンネル磁気抵抗効果）素子を用いて説明したが、ＣＰＰ（Current In Plane)-ＧＭＲ素子を用いるようにしてもよい。この場合、分離層６（図２）は例えばＣｕ, ＡｕおよびＡｇからなる群から選択された金属からなる単層、またはこれら金属の複数層からなる積層構造により構成される。

本発明の一実施の形態に係る磁気センサ（ＭＴＪセンサ）の構成を表す断面図である。 ＭＴＪセンサを構成する素子の断面図である。 図１のＭＴＪセンサを用いた電流センサの構成を表す平面図である。 図１のＭＴＪセンサを用いた電流検出装置の構成を表す回路ブロック図である。 ネット（net)磁化中の電流誘起磁界の影響を説明するための図である。 従来の電流センサの構成を表す平面図である。

符号の説明

１…下地層、２…反強磁性層（ＡＦＭ層）、３…ピンド層、４…ＡＦＭ結合層、５…ピンドリファレンス層、６…分離層、７…フリー層、８…キャップ層、１０…導電体、１０ａ，１０ｂ…直線部、２１…ＭＴＪ素子、２２…上部電極、２３…下部電極、４１，４２（６２，６３）…ＭＴＪセンサ、６１…定電流源、６４…差動電圧アンプ

Claims (27)

1. ２〜２０００個の磁気抵抗素子により構成された磁気抵抗素子アレイを備えた磁気センサであって、
   前記複数の磁気抵抗素子は、上部および下部の共通電極間に並列に設けられると共に、それぞれ、第一軸方向の幅と第一軸方向に直交する第二軸方向の長さを有し、幅に対する長さの比（長さ／幅）が少なくとも１．２であり、かつ最大１．０μｍの長さの平面形状を有し、かつ、
   前記磁気抵抗素子は、第一軸方向に磁化方向が固定されたピンドリファレンス層と、
   第二軸方向に異方性を有すると共に、磁場に晒されたときに安定した磁区を有するフリー層と、前記ピンドリファレンス層と前記フリー層との間に設けられた分離層とを備えると共に、それぞれ楕円、曲線状の角を有する矩形状、眼形状、ダイヤモンド状形状を含む楕円様の形状からなる群から選択された平面形状を有し、
   前記複数の磁気抵抗素子間の全ての領域に誘電体層が充填されると共に前記誘電体層が前記磁気抵抗素子の全ての側壁を覆い、
   前記上部電極は前記誘電体層を覆うと共に前記磁気抵抗素子に電気的に接続され、
   当該磁気センサにより発生する総電圧降下量は、前記アレイ中の各磁気抵抗素子において生ずる個々の電圧降下量の平均値である
   ことを特徴とする磁気センサ。
2. 前記ピンドリファレンス層は、シンセティック反平行構造を構成する
   ことを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
3. 前記分離層は、ＡｌＯｘ，ＴｉＮｘ，ＨｆＯｘおよびＭｇＯｘからなる群から選択された酸化物からなる層、またはこれら酸化物の積層構造により形成され、ＭＴＪセンサとしての機能を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
4. 前記分離層は、ＡｌＮｘ，ＴｉＮｘ，ＨｇＮｘおよびＭｇＮｘからなる群から選択された酸化物からなる単層、またはこれら酸化物の積層構造により形成され、ＭＴＪセンサとしての機能を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
5. 前記分離層は、Ｃｕ，ＡｕおよびＡｇからなる群から選択された金属からなる単層、またはこれら金属の積層構造により形成され、ＣＰＰ- ＧＭＲセンサとしての機能を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
6. 前記フリー層は、強磁性またはフェリ磁性を有すると共に、前記ピンドリファレンス層の磁化方向に垂直な方向（第二軸方向）に異方性を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
7. 前記フリー層は、ノンゼロネット磁気モーメントを有するシンセティック反平行構造をなし、前記ピンドリファレンス層の磁化方向に垂直な方向（第二軸方向）に異方性を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
8. ２〜２０００個の磁気抵抗素子からなる磁気抵抗素子アレイを備えた磁気センサであって、
   前記磁気抵抗素子は，
   下部電極上の反強磁性層と、
   第一軸方向に磁化方向を有し、前記反強磁性層上に設けられたピンドリファレンス層と、 前記ピンドリファレンス層上に設けられた分離層と、
   前記分離層上に設けられると共に、外部磁場領域に晒されたときに磁区が安定化するフリー層と、
   前記フリー層上に設けられたキャップ層とを備え、
   前記下部電極は、前記複数の磁気抵抗素子に共通する下部電極であり、
   前記磁気抵抗素子アレイは、更に、
   前記複数の磁気抵抗素子間の全ての領域に充填されると共に全ての側壁を覆う誘電体層と、
   前記複数の磁気抵抗素子に共通するように前記キャップ層上に設けられた上部電極とを備え、
   前記磁気抵抗素子は、その平面形状が、第一軸方向の幅と第一軸方向に直交する第二軸方向の長さを有し、幅に対する長さの比（長さ／幅）は異方性磁化を保持するのに十分な値であり、その長さは磁区壁幅（ドメインウォール幅）未満であり、
   かつ、当該磁気センサにより発生する総電圧降下量は、前記アレイ中の各磁気抵抗素子において生ずる個々の電圧降下量の平均値である
   ことを特徴とする磁気センサ。
9. 前記平面形状は、それぞれ楕円、曲線状の角を有する矩形状、眼形状、ダイヤモンド状形状を含む楕円様の形状からなる群から選択された形状であり、かつ、前記比（長さ／幅）が少なくとも１. ２であると共に、長さが最大１．０μｍ
   であることを特徴とする請求項８に記載の磁気センサ。
10. 前記複数の磁気抵抗素子は単一の導電線に沿った位置に配置されている
    ことを特徴とする請求項８に記載の磁気センサ。
11. 前記複数の磁気抵抗素子は２本あるいは複数の平行な導電線にそれぞれ沿う位置に配置されている
    ことを特徴とする請求項８に記載の磁気センサ。
12. 前記分離層はトンネル障壁層であり、ＭＴＪセンサとして機能する
    ことを特徴とする請求項８に記載の磁気センサ。
13. 前記分離層は導電層であり、ＣＰＰ- ＧＭＲセンサとして機能する
    ことを特徴とする請求項８に記載の磁気センサ。
14. 磁区の安定したフリー層を有する磁気センサの製造方法であって、
    下部導電層上に反強磁性（ＡＦＭ）層を形成する工程と、
    前記反強磁性層上にピンドリファレンス層を形成する工程と、
    前記ピンドリファレンス層上に分離層を形成する工程と、
    前記分離層上にフリー層を形成する工程と、
    前記フリー層上にキャップ層を形成する工程と、
    第一軸方向の外部磁界の存在下、前記反強磁性層、ピンドリファレンス層、分離層、フリー層およびキャップ層を熱処理する工程と、
    前記キャップ層から前記反強磁性層までの各層をパターニングすることによって、互いに独立し、それぞれの平面形状が、第一軸方向の幅と第一軸方向に直交する第二軸方向の長さを有し、幅に対する長さの比（長さ／幅）が少なくとも１．２であり、かつ最大１．０μｍの長さを有し、外部磁場領域に晒されたときに安定した磁区を有する２〜２０００個の磁気抵抗素子を形成する工程と、
    前記下部導電層をパターニングすることにより、前記複数の磁気抵抗素子に共通する下部電極を形成する工程と、
    前記複数の磁気抵抗素子を各側壁を含めて被覆するのに十分な厚さに誘電体層を形成する工程と、
    前記誘電体層を前記キャップ層の表面が露出するまで平坦化した後、上部導電層を形成する工程と、
    前記上部導電層をパターニングすることによって、前記複数の磁気抵抗素子に共通する上部電極を形成する工程と
    を含むことを特徴とする磁気センサの製造方法。
15. 前記磁気抵抗素子は、それぞれ楕円、曲線状の角を有する矩形状、眼形状、ダイヤモンド状形状を含む楕円様の形状からなる群から選択された平面形状
    を有することを特徴とする請求項１４に記載の磁気センサの製造方法。
16. 前記ピンドリファレンス層は、シンセティック反平行構造を構成する
    ことを特徴とする請求項１４に記載の磁気センサの製造方法。
17. 前記分離層は、ＡｌＯｘ，ＴｉＯｘ，ＨｆＯｘおよびＭｇＯからなる群から選択された酸化物からなる単層、あるいはこれら酸化物の積層構造により形成され、
    前記磁気センサはＭＴＪセンサ
    であることを特徴とする請求項１４に記載の磁気センサの製造方法。
18. 前記分離層は、ＡｌＮｘ，ＴｉＮｘ，ＨｇＮｘおよびＭｇＮｘからなる群から選択された酸化物からなる単層、あるいはこれら酸化物の積層構造により形成され、
    前記磁気センサはＭＴＪセンサ
    であることを特徴とする請求項１４に記載の磁気センサの製造方法。
19. 前記分離層はＣｕ，ＡｕおよびＡｇからなる群から選択された金属からなる単層、あるいはこれら金属の積層構造により形成され、
    前記磁気センサはＣＰＰ- ＧＭＲセンサ
    であることを特徴とする請求項１４に記載の磁気センサの製造方法。
20. 前記フリー層は、強磁性またはフェリ磁性を有すると共に、前記ピンドリファレンス層の磁化方向に垂直な方向（第二軸方向）に異方性を有する
    ことを特徴とする請求項１４に記載の磁気センサの製造方法。
21. 前記フリー層は、ノンゼロネット磁気モーメントを有するシンセティック反平行構造をなし、前記ピンドリファレンス層の磁化方向に垂直な方向（第二軸方向）に異方性を有する
    ことを特徴とする請求項１４に記載の磁気センサの製造方法。
22. 第１端部および第２端部を有すると共に長さが同じであり、かつ第１端部同士が電気的に接続された一対の導電線を用意するステップと、
    前記一対の導電線上に、それぞれ磁界中において共通の上部電極と下部電極との間に電圧低下が発生する２〜２０００個の磁気抵抗素子を含む磁気センサを配置するステップと、
    前記一対の導電線の各第２端部の間に電流を流し、前記一方の導電線に配置された磁気センサと他方の導電線に配置された磁気センサとに対して互いに異なる方向に磁界を発生させると共に、互いに異なる大きさの電圧低下を生じさせるステップと、
    前記一対の磁気センサでの電圧低下の大きさの差を検出し、電流値の変化を求めるステップとを含み、
    前記磁気抵抗素子は、その平面形状が、第一軸方向の幅と第一軸方向に直交する第二軸方向の長さを有し、幅に対する長さの比（長さ／幅）が少なくとも１．２であり、かつ最大１．０μｍの長さを有すると共に、そのピンドリファレンス層の磁化方向が第一軸方向であり、かつそのフリー層が第二軸方向に形状異方性を有し、
    磁場領域に晒されたときに、前記磁気センサの全てのフリー層の磁区が安定化する
    ことを特徴とする電流検出方法。
23. 前記磁気抵抗素子は、ＭＴＪ素子またはＣＰＰ- ＧＭＲ素子である
    ことを特徴とする請求項２２に記載の電流検出方法。
24. 前記磁気センサを駆動するための定電流を供給する定電流源
    を備えたことを特徴とする請求項２２に記載の電流検出方法。
25. 差動電圧アンプにより、前記一対の磁気センサでの電圧低下の差を検出する
    ことを特徴とする請求項２２に記載の電流検出方法。
26. 第１端部および第２端部を有すると共に長さが同じであり、かつ第１端部同士が電気的に接続された一対の導電線と、
    前記一対の導電線上に配置されると共に、それぞれ磁界中において共通の上部電極と下部電極との間に電圧低下が発生する２〜２０００個の磁気抵抗素子を含む磁気センサと、
    前記一対の導電線の対応する第２端部間に定電流を供給する定電流源と、
    前記磁気センサの上部電極と下部電極との間の電圧低下を検出する電圧低下検出手段と、
    前記検出した電圧降下の大きさの差を検出する差動電圧アンプとを備え、
    前記磁気抵抗素子は、その平面形状が、それぞれ第一軸方向の幅と第一軸方向に直交する第二軸方向の長さを有し、幅に対する長さの比（長さ／幅）が少なくとも１．２であり、かつ最大１．０μｍの長さを有すると共に、そのピンドリファレンス層の磁化方向が第一軸方向であり、かつそのフリー層が第二軸方向に形状異方性を有し、
    磁場領域に晒されたときに、前記磁気センサの全てのフリー層の磁区が安定化し、かつ前記磁気センサにより発生する総電圧降下量が、前記磁気抵抗素子において生ずる個々の電圧降下量の平均値である
    ことを特徴とする電流検出装置。
27. 前記磁気抵抗素子は、ＭＴＪ素子またはＣＰＰ- ＧＭＲ素子である
    ことを特徴とする請求項２６に記載の電流検出装置。

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