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JP5452006B2 - 磁気デバイスの製造方法および磁場角度センサの製造方法 - Google Patents

磁気デバイスの製造方法および磁場角度センサの製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、単一の基体上に設けられ、かつ、各々所定の方向へ磁化された磁性層を含む複数の磁性薄膜構造を備えた磁気デバイスの製造方法および磁場角度センサの製造方法に関する。
従来の磁場角度センサは、例えば図９に示したように、４つの異方性磁気抵抗効果素子（ＡＭＲ：anisotropic magneto-resistance）が全体として菱形をなすように接続されてホイートストン・ブリッジ（Wheatstone bridge）を形成しているものである。ＡＭＲ素子は、パーマロイなどによって形成されている。４つの独立した島状のＡＭＲ素子は、一対の接続部Ｔ１，Ｔ２間に電圧Ｖｓが供給されると他の一対の接続部Ｔ３，Ｔ４間に電位差が生じることとなる。但し、外部磁場が存在しない場合、接続部Ｔ３，Ｔ４における電位は同等となる。磁化方向を、付与される外部磁場に沿って配列させるためには、各ＡＭＲ素子を構成するパーマロイが十分に飽和していることが必要となる。
図９のような、４つのＡＭＲ素子で構成されたホイートストン・ブリッジでは、供給電圧、ＭＲ比、およびＡＭＲ素子を流れる電流とＡＭＲ素子の磁化方向とのなす角度などによって、接続部Ｔ３，Ｔ４間の電圧が変化する。このようなホイートストン・ブリッジを１つ用いただけでは、測定可能な角度範囲は−４５°〜＋４５°に限られる。そこで、もう一つのホイートストン・ブリッジを、４５°回転させた向きに配置するようにすれば、測定可能な角度範囲は−９０°〜＋９０°に広がる。
図９のような磁場角度センサの構成では、ＡＭＲ効果の特性、すなわち抵抗変化は、ｃｏｓ２θの関数（ここでθは磁化の向きと電流の流れる向きとのなす角度）で表される。 ３６０°に亘る磁場の角度を検出するには、２つのホイートストン・ブリッジにホールセンサ（Hall sensor）を併用する必要がある。
ＧＭＲ膜やＭＴＪ膜は、それ自身の特性に起因して、抵抗変化はｃｏｓθ（θはフリー層の磁化の向きとピンド層の磁化の向きとのなす角度）の関数となり、３６０°の全方位の磁場を検出することが可能である。しかしながら、ＧＭＲ膜やＭＴＪ膜を用いた磁場角度センサでは、様々な方向に固定された磁化方向を有する磁気リファレンス層が必要となる。最大の感度および精度を実現するには、例えば図１０に示したように、２組のＭＲ素子対２１，２２がそれぞれ設けられた第１ユニットＵ１および第２ユニットＵ２において、ＭＲ素子対２１，２２の磁気リファレンス層の固着磁化が互いに平行または反平行となっており、かつ、磁気リファレンス層の固着磁化の方向が、第１ユニットＵ１と第２ユニットＵ２とで直交する位置関係とする必要がある。
マイクロ磁気テクノロジーの分野における構造および製造方法の継続的な進歩に伴い、同一基板に設けられ、かつ互いに異なる向きの磁化を有する２以上の磁気リファレンス層に対し、交換ピンニング磁場を供給する機能の必要性が生じている。一般には、反強磁性材料層を、軟磁性材料層の下面または上面のいずれかと直に接するように形成すると共に磁場中で熱処理（アニール処理）を行うことで、軟磁性材料層に対する交換ピンニング磁場を発生させる。その交換ピンニング磁場の方向は、熱処理の際に付与する磁場の向きと同一となる。従来技術の問題点は、第１の磁気リファレンス層に対して第１の方向に交換ピンニング磁場を設定したのち、第２の磁気リファレンス層に対し、第１の方向と異なる第２の方向に他の交換ピンニング磁場を設定しようとすると、第２の磁気リファレンス層に対する磁化の方向付けを行うための熱処理の際に、第１の磁気リファレンス層の磁化の方向が変化してしまうことがある、という点である。
このような問題を解決するための従来のアプローチ方法は、単一ウェハ上に設けられて同一方向に磁化された複数のセンサから、独立した島状のセンサを切り出し、適切に配置して接続するものである。しかし、このような方法では、コストがかかり、角度センサとしての精度に限界があるうえ、全体構成も大型化してしまう。また、集積する際のエラー（製造誤差）に特性が影響されやすい。
M.Ruhrigらは、特定の場所にストライプ状の導体を設け、そこにパルス電流を流すことでリファレンス層の磁化方向を設定するようにした、単一チップの解決法を提案している（例えば非特許文献１参照）。
"Angular Sensor Using Tunneling Magnetoresistive Junctions With An artificial Antiferromagnet Reference Electrode and Improved Thermal Stability, " IEEE Trans. Magn. V.40, p.101, Jan. 2004
また、A.Janderらは、異なった解決法を提案している。その解決法は、ＧＭＲ膜やＭＴＪ膜などの孤立パターンにおける磁化方向を、パルス電流を用いずに設定するものである（例えば特許文献１を参照）。この先行技術では、４つの軟磁性シールド層が直交配置されており、この軟磁性シールド層によって仕切られた４つの区分に１つずつ孤立パターンを配置するようにしている。熱アニール処理の際には外部磁場が付与されるが、ギャップ層としての軟磁性シールド層の内部が磁化され、その磁場の方向は軟磁性シールド層に直交する方向に変化する。その結果、４つのセンサ素子のピンニング方向は互いに直交するように設定される。
米国特許第７０５４１１４号明細書
しかしながら、これらの方法では、構成が複雑となるうえ、例えばホイートストン・ブリッジを採用した磁場角度センサなどにおいて要求される、互いに反平行となるようなピンニング磁場を設定することができない。
本発明の第１の目的は、同一基板上に設けられた複数の薄膜構造に対し、同一の熱アニール処理によって、互いに異なった方向の磁化を同時に設定することのできる磁気デバイスの製造方法を提供することにある。また、磁化の向きを設定する際には、磁場中への露出を１回のみを行うようにする。
本発明の第２の目的は、０°〜３６０°の範囲で磁場の角度検出が可能な磁場角度センサの製造方法を提供することにある。
本発明の第１の磁気デバイスの製造方法は、共通の基体上に設けられ、かつ、各々所定の方向へ磁化された磁性材料層を含む複数の薄膜構造を備えた磁気デバイスを製造するための方法であって、以下に示す（Ａ１）〜（Ａ１１）の各工程を含むものである。
（Ａ１）基体上にシード層を形成する工程。
（Ａ２）シード層の上に、所定のブロッキング温度を有する反強磁性（ＡＦＭ）層を形成する工程。
（Ａ３）反強磁性層の上に、磁性材料層を含む積層膜を形成する工程。
（Ａ４）積層膜をパターニングすることで、対向する一対の側端面を各々有すると共に互いに隔離された第１および第２の積層構造を形成する工程。
（Ａ５）第１および第２の積層構造と、基体の露出面とを覆うように非磁性の保護層を形成する工程。
（Ａ６）保護層を覆うように、硬質磁性材料層を形成する工程。
（Ａ７）硬質磁性材料層をパターニングすることで、第１の積層構造を覆う第１の硬質磁性材料層パターンと、面内方向において第２の積層構造を挟むように第２の積層構造における一対の側端面と各々対向して配置された第２および第３の硬質磁性材料層パターンとを形成する工程。
（Ａ８）全体を、第１から第３の硬質磁性材料層パターンを磁化するのに十分な大きさであると共に一定方向に固定された外部磁場中に暴露する工程。
（Ａ９）外部磁場を取り除いたのち、反強磁性層のブロッキング温度よりも高く、かつ第１から第３の硬質磁性材料層パターンのキュリー温度よりも低い温度で全体を熱処理する工程。
（Ａ１０）反強磁性層のブロッキング温度よりも低い温度まで冷却する工程。
（Ａ１１）第１から第３の硬質磁性材料層パターンを除去する工程。
本発明の第２の磁気デバイスの製造方法は、共通の基体上に設けられ、かつ、各々所定の方向へ磁化された磁性材料層を含む複数の薄膜構造を備えた磁気デバイスを製造するための方法であって、以下に示す（Ｂ１）〜（Ｂ１１）の各工程を含むものである。
（Ｂ１）基体上にシード層を形成する工程。
（Ｂ２）シード層の上に、所定のブロッキング温度を有する反強磁性層を形成する工程。
（Ｂ３）反強磁性層の上に、磁性材料層を含む積層膜を形成する工程。
（Ｂ４）積層膜をパターニングすることで、一対の側端面を各々有すると共に互いに隔離された第１から第４の積層構造を形成する工程。
（Ｂ５）第１から第４の積層構造と、基体の露出面とを覆うように非磁性の保護層を形成する工程。
（Ｂ６）保護層を覆うように、硬質磁性材料層を形成する工程。
（Ｂ７）硬質磁性材料層をパターニングすることで、第１および第２の積層構造を覆う第１の硬質磁性材料層パターンと、面内方向において第３および第４の積層構造を挟むように第３および第４の積層構造における一対の側端面と各々対向して配置された第２および第３の硬質磁性材料層パターンとを形成する工程。
（Ｂ８）全体を、第１から第３の硬質磁性材料層パターンを磁化するのに十分な大きさであり、かつ一定方向に固定された外部磁場中に暴露する工程。
（Ｂ９）外部磁場を取り除いたのち、反強磁性層のブロッキング温度よりも高く、かつ第１から第３の硬質磁性材料層パターンのキュリー温度よりも低い温度で全体を熱処理する工程。
（Ｂ１０）反強磁性層のブロッキング温度よりも低い温度まで冷却する工程。
（Ｂ１１）第１から第３の硬質磁性材料層パターンを除去する工程。
ここで、第１の硬質磁性材料層パターンは、外部磁場の向きと直交する方向以外の第１の方向に延在すると共に第１の積層構造を覆う第１の部分と、第１の方向と直交する第２の方向に延在する共に第２の積層構造を覆う第２の部分とを有する。第２の硬質磁性材料層パターンは、第１の方向に延在すると共に第３の硬質磁性材料層パターンとの間に第３の積層構造を挟む第３の部分と、第２の方向に延在する共に第３の硬質磁性材料層パターンとの間に第４の積層構造を挟む第４の部分とを有する。
本発明の第１および第２の磁気デバイスの製造方法では、保護層に覆われた第１および第２の積層構造（第１から第４の積層構造）の近傍の所定位置に第１から第３の硬質磁性材料層パターンを設け、それら第１から第３の硬質磁性材料層パターンを外部磁場によって一定方向に磁化したのち、所定温度で第１および第２の積層構造（第１から第４の積層構造）を熱処理するようにしたので、第１および第２の積層構造（第１から第４の積層構造）における磁性材料層が、互いに異なった方向へ磁化される。
本発明の第３の磁気デバイスの製造方法は、以下に示す（Ｃ１）〜（Ｃ９）の各工程を含むようにしたものである。
（Ｃ１）基体上に、所定のブロッキング温度を有する反強磁性層と、この反強磁性層によって磁化方向が固定された磁気リファレンス層とを含む磁気抵抗効果膜を形成する工程。
（Ｃ２）磁気抵抗効果膜をパターニングすることで、対向する一対の側端面を各々有すると共に互いに隔離された第１および第２の磁気抵抗効果素子パターンを形成する工程。
（Ｃ３）第１および第２の磁気抵抗効果素子パターンと、基体の露出面とを覆うように非磁性の保護層を形成する工程。
（Ｃ４）保護層を覆うように、硬質磁性材料層を形成する工程。
（Ｃ５）硬質磁性材料層をパターニングすることで、第１の磁気抵抗効果素子パターンを覆う第１の硬質磁性材料層パターンと、面内方向において第２の磁気抵抗効果素子パターンを挟むように第２の磁気抵抗効果素子パターンにおける一対の側端面と各々対向して配置された第２および第３の硬質磁性材料層パターンとを形成する工程。
（Ｃ６）全体を、第１から第３の硬質磁性材料層パターンを磁化するのに十分な大きさであると共に一定方向に固定された外部磁場中に暴露する工程。
（Ｃ７）外部磁場を取り除いたのち、反強磁性層のブロッキング温度よりも高く、かつ第１から第３の硬質磁性材料層パターンのキュリー温度よりも低い温度で全体を熱処理する工程。
（Ｃ８）反強磁性層のブロッキング温度よりも低い温度まで冷却する工程。
（Ｃ９）第１から第３の硬質磁性材料層パターンを除去する工程。
本発明の第４の磁気デバイスの製造方法は、以下に示す（Ｄ１）〜（Ｄ９）の各工程を含むようにしたものである。
（Ｄ１）基体上に、所定のブロッキング温度を有する反強磁性層と、この反強磁性層によって磁化方向が固定された磁気リファレンス層とを含む磁気抵抗効果膜を形成する工程。
（Ｄ２）磁気抵抗効果膜をパターニングすることで、一対の側端面を各々有すると共に互いに隔離された第１から第４の磁気抵抗効果素子パターンを形成する工程。
（Ｄ３）第１から第４の磁気抵抗効果素子パターンと、基体の露出面とを覆うように非磁性の保護層を形成する工程。
（Ｄ４）保護層を覆うように、硬質磁性材料層を形成する工程。
（Ｄ５）硬質磁性材料層をパターニングすることで、第１および第２の磁気抵抗効果素子パターンを覆う第１の硬質磁性材料層パターンと、面内方向において第３および第４の磁気抵抗効果素子パターンを挟むように第３および第４の磁気抵抗効果素子パターンにおける一対の側端面と各々対向して配置された第２および第３の硬質磁性材料層パターンとを形成する工程。
（Ｄ６）全体を、第１から第３の硬質磁性材料層パターンを磁化するのに十分な大きさであり、かつ一定方向に固定された外部磁場中に暴露する工程。
（Ｄ７）外部磁場を取り除いたのち、反強磁性層のブロッキング温度よりも高く、かつ第１から第３の硬質磁性材料層パターンのキュリー温度よりも低い温度で全体を熱処理する工程。
（Ｄ８）反強磁性層のブロッキング温度よりも低い温度まで冷却する工程。
（Ｄ９）第１から第３の硬質磁性材料層パターンを除去する工程。
本発明の第３および第４の磁気デバイスの製造方法では、保護層に覆われた第１および第２の磁気抵抗効果素子パターン（第１から第４の磁気抵抗効果素子パターン）の近傍の所定位置に第１から第３の硬質磁性材料層パターンを設け、それら第１から第３の硬質磁性材料層パターンを外部磁場によって一定方向に磁化したのち、所定温度で第１および第２の磁気抵抗効果素子パターン（第１から第４の磁気抵抗効果素子パターン）を熱処理するようにしたので、第１および第２の磁気抵抗効果素子パターン（第１から第４の磁気抵抗効果素子パターン）における磁気リファレンス層が、互いに異なった方向へ磁化される。
また、本発明の第１から第４の磁気デバイスの製造方法では、反強磁性層の上に、磁性材料層として、第１の強磁性層（ＡＰ２層）と、非磁性層と、第１の強磁性層よりも小さな磁気モーメントを有する第２の強磁性層とを順に積層することで、シンセティック反強磁性構造を形成するとよい。また、一対の側端面が互いに平行となるように第１から第４の積層構造（第１から第４の磁気抵抗効果素子パターン）をそれぞれ形成することが望ましい。第１および第２の積層構造における磁性材料層の磁化の配向性がより向上するからである。
また、本発明の第１から第４の磁気デバイスの製造方法では、保護層を、酸化アルミニウム，酸化ケイ素，窒化ケイ素，タンタル層と酸化アルミニウム層との２層構造，タンタル層と酸化ケイ素層との２層構造，タンタル層と窒化ケイ素層との２層構造，チタン層と酸化アルミニウム層との２層構造，チタン層と酸化ケイ素層との２層構造，またはチタン層と窒化ケイ素層との２層構造によって形成するとよい。硬質磁性材料層については、コバルトクロム白金合金，コバルトクロムタンタル合金およびコバルト白金合金のうちの少なくとも１種を含む材料によって形成するとよい。
本発明の第５の磁気デバイスの製造方法は、以下に示す（Ｅ１）〜（Ｅ８）の各工程を含むようにしたものである。
（Ｅ１）基体上に、所定のブロッキング温度を有する反強磁性層と、この反強磁性層によって磁化方向が固定された磁気リファレンス層とを含む磁気抵抗効果膜を形成する工程。
（Ｅ２）磁気抵抗効果膜を選択的に覆うように所定形状のリフトオフマスクを形成する工程。
（Ｅ３）リフトオフマスクを用いたイオンビームエッチング法によって磁気抵抗効果膜の露出部分を除去することで、それぞれ傾斜した一対の側端面を各々有すると共に互いに隔離されて異なる方向に延在する第１および第２の磁気抵抗効果素子パターンを形成する工程。
（Ｅ４）第１および第２の磁気抵抗効果素子パターンを形成したのち、リフトオフマスクを除去する前に、第１および第２の磁気抵抗効果素子パターンにおける一対の側端面とそれぞれ接するように一対の硬質磁性材料層をそれぞれ形成する工程。
（Ｅ５）全体を、一対の硬質磁性材料層を磁化するのに十分な大きさであると共に一定方向に固定された外部磁場中に暴露する工程。
（Ｅ６）外部磁場を取り除いたのち、反強磁性層のブロッキング温度よりも高く、かつ一対の硬質磁性材料層のキュリー温度よりも低い温度で全体を熱処理する工程。
（Ｅ７）反強磁性層のブロッキング温度よりも低い温度まで冷却する工程。
（Ｅ８）一対の硬質磁性材料層を除去する工程。
本発明の第５の磁気デバイスの製造方法では、互いに異なる方向に延在する第１および第２の磁気抵抗効果素子パターンにおける各々の側端面と接するように一対の硬質磁性材料層をそれぞれ設け、それら一対の硬質磁性材料層を外部磁場によって一定方向に磁化したのち、所定温度で第１および第２の磁気抵抗効果素子パターンを熱処理するようにしたので、第１および第２の磁気抵抗効果素子パターンにおける磁気リファレンス層が、互いに異なった方向へ磁化される。
本発明の磁場角度センサの製造方法は、上記本発明の第１から第５の磁気デバイスの製造方法を用いるようにしたものである。
本発明の磁気デバイスの製造方法および磁場角度センサの製造方法によれば、簡素な構成でありながら、同一基体上に設けられると共に相互に異なる方向に磁化された磁性材料層（磁気リファレンス層）を含む複数の薄膜構造（磁気抵抗効果素子）を有する磁気デバイス、ならびにそれを備えた磁場角度センサを、より簡便かつ高精度に製造することができる。
以下、本発明を実施するための最良の形態（以下、単に実施の形態という。）について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明における一実施の形態としての磁気デバイスを備えた磁場角度センサの概略構成を表している。この磁場角度センサは、３６０°の測定範囲に亘って磁場の方向を検出するためのものであり、磁気デバイスとして共通の基体３５（後出）上に設けられた４つの磁気抵抗効果素子（以下、ＭＲ素子という。）４２Ａ〜４２Ｄを有している。
ＭＲ素子４２Ａ〜４２Ｄは、例えば巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ：giant magneto-resistive ）素子または磁気トンネル接合（ＭＴＪ：magnetic tunnel junction）素子である。図２に、ＭＲ素子４２Ａ〜４２Ｄに共通の断面構成を表す。ＭＲ素子４２Ａ〜４２Ｄは、絶縁材料からなる共通の基体３５上に、それぞれシード層３７、反強磁性（ＡＦＭ）層３６、磁気リファレンス層３０、スペーサ層３１、フリー層３８、キャップ層３９が順に積層された積層構造となっている。なお、ＭＲ素子４２Ａ〜４２ＤをＭＴＪ素子とする場合には、基体３５とシード層３７との間に電極層（図示せず）を形成する。
磁気リファレンス層３０は、ＡＦＭ層３６の側から順に、第１の強磁性層としてのＡＰ２層３２と、ルテニウムなどの非磁性かつ導電性の材料からなる結合層３３と、第２の強磁性層としてのＡＰ１層３４とが積層されたシンセティック反強磁性構造となっている。ＡＰ２層３２の磁化Ｊ３２と、ＡＰ１層３４の磁化Ｊ３４とは結合層３３を介して互いに反強磁性結合している。また、ＡＰ２層３２の磁化Ｊ３２は、ＡＦＭ層３６との界面においてＡＦＭ層３６と交換結合しており、その向きが固定されている。さらに、ＡＰ２層３２の磁気モーメントをＡＰ１層３４の磁気モーメントよりも大きくしてネット磁気モーメントが発生するように構成されている。
ＡＦＭ層３６に適した反強磁性材料としては、例えば白金マンガン合金（ＰｔＭｎ），ニッケルマンガン合金（ＮｉＭｎ），白金パラジウムマンガン合金（ＰｔＰｄＭｎ），イリジウムマンガン合金（ＩｒＭｎ）および鉄マンガン合金（ＦｅＭｎ）などの正方晶（ｆｃｔ）構造を有する合金が挙げられる。
また、スペーサ層３１は、銅（Ｃｕ）などの非磁性導電性材料層、または、酸化アルミニウム（ＡｌＯｘ）や酸化マグネシウム（ＭｇＯ）などからなるトンネルバリア層である。前者の場合、ＭＲ素子４２Ａ〜４２ＤはＧＭＲ素子として機能し、後者の場合、ＭＲ素子４２Ａ〜４２ＤはＭＴＪ素子として機能する。
ＭＲ素子４２Ａ〜４２Ｄでは、フリー層３８の磁化の向きが、ＡＰ１層３４の磁化Ｊ３４の向きと平行である場合に比較的低い抵抗値を示し、ＡＰ１層３４の磁化Ｊ３４の向きと反平行である場合に比較的高い抵抗値を示す。
図１に示したように、ＭＲ素子４２Ａ〜４２Ｄは、いずれもその平面形状が矩形状（短冊状）であり、例えば長軸方向の寸法が短軸方向の寸法の３倍となっている。このような細長い平面形状を有することで、フリー層３８の磁化の配向性が高まり、磁化の向きのばらつきが低減され、磁気センサとしての精度が向上する。ＭＲ素子４２Ａ，４２Ｃは長軸方向がＹ軸方向となるように延在しているのに対し、ＭＲ素子４２Ｂ，４２Ｄは長軸方向がＸ軸方向となるように延在している。すなわち、ＭＲ素子４２Ａ，４２Ｃの延在方向は、ＭＲ素子４２Ｂ，４２Ｄの延在方向と直交している。さらに、ＭＲ素子４２Ａ〜４２Ｄの各々におけるＡＰ２層３２の磁化Ｊ３２は、それぞれ矢印Ｍ４２Ａ〜Ｍ４２Ｄの向きであり、互いに異なった向きとなっている。
４つのＭＲ素子４２Ａ〜４２Ｄはホイートストン・ブリッジを構成するように相互に接続されている。具体的には、接続点Ｐ１においてＭＲ素子４２ＡとＭＲ素子４２Ｃとが接続され、接続点Ｐ２においてＭＲ素子４２ＢとＭＲ素子４２Ｄとが接続され、接続点Ｐ３においてＭＲ素子４２ＡとＭＲ素子４２Ｂとが接続され、接続点Ｐ４においてＭＲ素子４２ＣとＭＲ素子４２Ｄとが接続されている。
このような磁場角度センサにおいては、接続点Ｐ１と接続点Ｐ２との間に電圧Ｖｓを印加した際、検出対象とする外部磁場が印加される前後で、接続点Ｐ３と接続点Ｐ４との間の電圧に差分ΔＶが生じる。この差分ΔＶの大きさは外部磁場が印加される方向（方位）に応じて異なるので、その差分ΔＶを測定することで外部磁場の方向（方位）を求めることができる。
次に、以上のような構造の磁場角度センサの製造方法を説明する。
まず、基体３５に、蒸着法などにより、各々所定の材料を用いてシード層３７、ＡＦＭ層３６、ＡＰ２層３２、結合層３３、ＡＰ１層３４、スペーサ層３１、フリー層３８、キャップ層３９を順に積層し、積層膜を形成する。この段階において、ＡＦＭ層３６は非磁性の面心立方（ｆｃｃ）構造を有しているので、おり、ＡＰ２層３２は、純粋な強磁性層の飽和保磁力と同じような交換結合バイアス磁場（ピンニング磁場）を受けてはいない。したがって、ＡＦＭ層３６は、それ自身の結晶構造を再配向させて反強磁性を示す正方晶構造とするために、後述するようにブロッキング温度よりも高い温度での熱処理の実施が必要となる。
積層膜の形成ののち、それをパターニングすることで、互いに分離されると共に長手方向に沿った一対の側端面を各々有するＭＲ素子４２Ａ〜４２Ｄを得る。パターニングは、イオンビームエッチング（ＩＢＥ：ion beam etching）や反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：reactive ion etching）によって、適切なエッチングマスクを併用して行われる。
次いで、図３に示したように、ＭＲ素子４２Ａ〜４２Ｄと、積層膜のパターニングにより露出した基体３５の表面とを覆うように、絶縁性の保護層４１と、ハードマグネット層（硬質磁性材料層）４３とを順に形成する。保護層４１は、例えば、酸化アルミニウム（ＡｌＯx），酸化ケイ素（ＳｉＯx），窒化ケイ素（ＳｉＮx），タンタル（Ｔａ）層と酸化アルミニウム層との２層構造，タンタル層と酸化ケイ素層との２層構造，タンタル層と窒化ケイ素層との２層構造，チタン（Ｔｉ）層と酸化アルミニウム層との２層構造，チタン層と酸化ケイ素層との２層構造，またはチタン層と窒化ケイ素層との２層構造によって形成する。ハードマグネット層４３は、例えばコバルトクロム白金合金（ＣｏＣｒＰｔ），コバルトクロムタンタル合金（ＣｏＣｒＴａ）およびコバルト白金合金（ＣｏＰｔ）のうちの少なくとも１種を含む材料によって形成する。なお、図３（Ａ）は、後出の図４に示したＶ（Ａ）−Ｖ（Ａ）線に沿った切断面に対応する断面図であり、図３（Ｂ）は、図４に示したＶ（Ｂ）−Ｖ（Ｂ）線に沿った切断面に対応する断面図である。
次に、適切なマスキング技術やエッチング技術を用いてハードマグネット層４３をパターニングすることで、図４および図５に示したように、第１〜第３の硬質磁性材料層パターン（以下、単に第１〜第３のパターンという。）４３Ａ〜４３Ｃを形成する。具体的には、ＭＲ素子４２Ｃ，４２Ｄを覆うように第１のパターン４３Ａを形成すると共に、ＭＲ素子４２Ａ，４２Ｂの一対の側端面と各々対向してそれらＭＲ素子４２Ａ，４２Ｂを面内方向において挟むように第２および第３のパターン４３Ｂ，４３Ｃを形成する。第１〜第３のパターン４３Ａ〜４３Ｃは、互いに重なり合わないように分離されている。
続いて、全体を、第１から第３のパターン４３Ａ〜４３Ｃを磁化するのに十分な大きさ（例えば５００Ｏｅ以上）であり、かつ一定方向（例えば矢印４３Ｍの方向）に固定された外部磁場中に暴露することで、第１から第３のパターン４３Ａ〜４３Ｃの磁化を、一定方向（矢印４３Ｍの方向）に固定する。外部磁場を取り除いた後も第１から第３のパターン４３Ａ〜４３Ｃの磁化はそのまま残留し、その結果、バイアス磁場が発生することとなる。そのバイアス磁場は、図４の破線矢印で示したように、第１から第３のパターン４３Ａ〜４３Ｃの延在方向（長軸方向）と直交する方向の局所的磁場を発生させ、その局所的磁場が個々のＭＲ素子４２Ａ〜４２Ｄに対して付与されることとなる。
外部磁場を取り除いたのち、ＭＲ素子４２Ａ〜４２ＤにおけるＡＦＭ層３６のブロッキング温度（それを超えると磁気リファレンス層３０との強磁性結合が喪失する温度）よりも高く、かつ第１から第３のパターン４３Ａ〜４３Ｃのキュリー温度よりも低い温度で全体を熱処理する。この結果、ＡＦＭ層３６が上記の局所的磁場の向きに沿って配向し、反強磁性を示す正方晶構造となる。
熱処理ののち、ＡＦＭ層３６のブロッキング温度よりも低い温度まで冷却することで磁気リファレンス層３０に磁化Ｊ３２，Ｊ３４が現れると同時に、磁化Ｊ３２がＡＦＭ層３６との交換結合によって局所的磁場の方向へ固定される。このとき、磁化Ｊ３２の向きは、矢印４３Ｍの方向と異なる方向（例えば４５°）となる（すなわち、矢印Ｍ４２Ａ〜Ｍ４２Ｄの方向となる）。但し、磁化Ｊ３２は矢印４３Ｍの方向と直交する方向となることはない。
最後に、第１から第３のパターン４３Ａ〜４３Ｄを除去することで磁気デバイスが完成する。こののち、ＭＲ素子４２Ａ〜４２Ｄ同士を繋ぐ接続配線を設けるなど、所定の工程を経ることで本実施の形態の磁場角度センサが完成する。
（変形例）
上記実施の形態では、ＭＲ素子４２Ａ〜４２Ｄを保護層４１で覆ったのち、その上にハードマグネット層４３を設けるようにしたが、以下のように保護層４１を省略してもよい。以下、図６〜図８を参照して、本実施の形態の変形例としての磁気デバイスの製造方法について説明する。
図６に示したように、基体３５の上に、スタック７１と、キャップ層３９とを順に積層したのち、下層７４と上層７３との２層構造のリフトオフマスク７２を選択的に形成する。リフトオフマスク７２は、アンダーカット形状を有することが望ましい。スタック７１は、上記実施の形態におけるシード層３７、ＡＦＭ層３６、磁気リファレンス層３０、スペーサ層３１、フリー層３８が順に積層されたものである。
次に、図７に示したように、ＩＢＥを行う（矢印８１は照射するイオンビームを描写している）ことによって、キャップ層３９およびスタック７１の両端面が傾斜面８２となるようにパターニングされる。
続いて、図８に示したように、リフトオフマスク７２を残した状態で、ハードマグネット層９３を形成する。そののち、（少なくとも５００Ｏｅを越えるような）外部磁場が付与され、ハードマグネット層９３の磁化方向が設定される。
続いて、ＡＦＭ層３６および磁気リファレンス層３０の磁化を所定の方向へ設定するため、熱処理が実施される。熱処理は、全く外部磁場が存在しない状態で、２００〜４００℃の温度下で５〜５００分に亘って実施される。
最後に、ハードマグネット層９３の選択的な除去ののち、接続配線を取り付けるなどの所定の工程を経ることで本実施の形態の磁場角度センサが完成する。
このように本実施の形態では、ＭＲ素子４２Ａ〜４２Ｄの近傍の所定位置に硬質強磁性の第１から第３のパターン４３Ａ〜４３Ｃを設け、それら第１から第３のパターン４３Ａ〜４３Ｃを外部磁場によって一定方向に磁化したのち、所定温度で熱処理するようにした。こうすることで、ＭＲ素子４２Ａ〜４２Ｄの磁気リファレンス層３０を、互いに異なった方向へ磁化することができる。その結果、簡素な構成でありながら、共通の基体３５上に設けられると共に相互に異なる方向に磁化された磁気リファレンス層３０を含む複数のＭＲ素子４２Ａ〜４２Ｄからなる磁気デバイス、ならびにそれを備えた磁場角度センサを、より簡便かつ高精度に製造することができる。
以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、上記実施の形態では、磁気デバイスとして４つの磁気抵抗効果素子からなるものを例示して説明したが、磁気抵抗効果素子の個数はこれに限定されるものではない。また、４つの磁気抵抗効果素子の延在方向が互いに平行または直交する場合について説明したが、これ以外の角度をなすようにしてもよい。
本発明の一実施の形態としての磁気デバイスを備えた磁場角度センサの概略構成を表す構成図である。 図１に示したＭＲ素子の構成を表す断面図である。 図１に示した磁気デバイスを製造する方法における一工程を表す断面図である。 図３に続く一工程を表す磁気デバイスの平面図である。 図３に続く一工程を表す磁気デバイスの断面図である。 本発明の変形例としての磁場角度センサの製造方法における一工程を表す断面図である。 図６に続く一工程を表す断面図である。 図７に続く一工程を表す断面図である。 従来の磁場角度センサの概略構成を表す構成図である。 従来の他の磁場角度センサの概略構成を表す構成図である。
符号の説明
３０…磁気リファレンス層、３２…ＡＰ２層、３４…ＡＰ１層、３５…基体、３６…反強磁性（ＡＦＭ）層、３７…シード層、４２Ａ〜４２Ｄ…ＭＲ素子、４３…ハードマグネット層、４３Ａ〜４３Ｃ…第１〜第３の硬質磁性材料層パターン。

Claims (28)

  1. 共通の基体上に設けられ、かつ、各々所定の方向へ磁化された磁性材料層を含む複数の積層構造を備えた磁気デバイスの製造方法であって、
    前記基体上にシード層を形成する工程と、
    前記シード層の上に、所定のブロッキング温度を有する反強磁性層を形成する工程と、
    前記反強磁性層の上に、前記磁性材料層を含む積層膜を形成する工程と、
    前記積層膜をパターニングすることで、一対の側端面を各々有すると共に互いに隔離された第１および第２の積層構造を形成する工程と、
    前記第１および第２の積層構造と、前記基体の露出面とを覆うように非磁性の保護層を形成する工程と、
    前記保護層を覆うように、硬質磁性材料層を形成する工程と、
    前記硬質磁性材料層をパターニングすることで、前記第１の積層構造を覆う第１の硬質磁性材料層パターンと、面内方向において前記第２の積層構造を挟むように前記第２の積層構造における一対の側端面と各々対向して配置された第２および第３の硬質磁性材料層パターンとを形成する工程と、
    全体を、前記第１から第３の硬質磁性材料層パターンを磁化するのに十分な大きさであり、かつ一定方向に固定された外部磁場中に暴露する工程と、
    前記外部磁場を取り除いたのち、前記反強磁性層のブロッキング温度よりも高く、かつ前記第１から第３の硬質磁性材料層パターンのキュリー温度よりも低い温度で全体を熱処理する工程と、
    前記反強磁性層のブロッキング温度よりも低い温度まで冷却する工程と、
    前記第１から第３の硬質磁性材料層パターンを除去する工程と
    を含むことを特徴とする磁気デバイスの製造方法。
  2. 前記反強磁性層の上に、前記磁性材料層として、第１の強磁性層（ＡＰ２層）と、非磁性層と、前記第１の強磁性層よりも小さな磁気モーメントを有する第２の強磁性層（ＡＰ１）とを順に積層することで、シンセティック反強磁性構造を形成する
    ことを特徴とする請求項１記載の磁気デバイスの製造方法。
  3. 前記一対の側端面が互いに平行となるように前記第１および第２の積層構造をそれぞれ形成する
    ことを特徴とする請求項１記載の磁気デバイスの製造方法。
  4. 前記保護層を、酸化アルミニウム（ＡｌＯx），酸化ケイ素（ＳｉＯx），窒化ケイ素（ＳｉＮx），タンタル（Ｔａ）層と酸化アルミニウム層との２層構造，タンタル層と酸化ケイ素層との２層構造，タンタル層と窒化ケイ素層との２層構造，チタン（Ｔｉ）層と酸化アルミニウム層との２層構造，チタン層と酸化ケイ素層との２層構造，またはチタン層と窒化ケイ素層との２層構造によって形成する
    ことを特徴とする請求項１記載の磁気デバイスの製造方法。
  5. 前記硬質磁性材料層を、コバルトクロム白金合金（ＣｏＣｒＰｔ），コバルトクロムタンタル合金（ＣｏＣｒＴａ）およびコバルト白金合金（ＣｏＰｔ）のうちの少なくとも１種を含む材料によって形成する
    ことを特徴とする請求項１記載の磁気デバイスの製造方法。
  6. 前記第１の積層構造における磁性材料層の磁化を、前記外部磁場の向きと直交する方向以外に向きに設定する
    ことを特徴とする請求項１記載の磁気デバイスの製造方法。
  7. 前記第２の積層構造における磁性材料層の磁化を、前記外部磁場の向きと直交する方向以外に向きに設定する
    ことを特徴とする請求項１記載の磁気デバイスの製造方法。
  8. 前記基体と前記シード層との間に電極層を形成する
    ことを特徴とする請求項１記載の磁気デバイスの製造方法。
  9. 共通の基体上に設けられ、かつ、各々所定の方向へ磁化された磁性材料層を含む複数の積層構造を備えた磁気デバイスの製造方法であって、
    前記基体上にシード層を形成する工程と、
    前記シード層の上に、所定のブロッキング温度を有する反強磁性層を形成する工程と、
    前記反強磁性層の上に、前記磁性材料層を含む積層膜を形成する工程と、
    前記積層膜をパターニングすることで、一対の側端面を各々有すると共に互いに隔離された第１から第４の積層構造を形成する工程と、
    前記第１から第４の積層構造と、前記基体の露出面とを覆うように非磁性の保護層を形成する工程と、
    前記保護層を覆うように、硬質磁性材料層を形成する工程と、
    前記硬質磁性材料層をパターニングすることで、前記第１および第２の積層構造を覆う第１の硬質磁性材料層パターンと、面内方向において前記第３および第４の積層構造を挟むように前記第３および第４の積層構造における一対の側端面と各々対向して配置された第２および第３の硬質磁性材料層パターンとを形成する工程と、
    全体を、前記第１から第３の硬質磁性材料層パターンを磁化するのに十分な大きさであり、かつ一定方向に固定された外部磁場中に暴露する工程と、
    前記外部磁場を取り除いたのち、前記反強磁性層のブロッキング温度よりも高く、かつ前記第１から第３の硬質磁性材料層パターンのキュリー温度よりも低い温度で全体を熱処理する工程と、
    前記反強磁性層のブロッキング温度よりも低い温度まで冷却する工程と、
    前記第１から第３の硬質磁性材料層パターンを除去する工程と
    を含み、
    前記第１の硬質磁性材料層パターンは、前記外部磁場の向きと直交する方向以外の第１の方向に延在すると共に前記第１の積層構造を覆う第１の部分と、前記第１の方向と直交する第２の方向に延在する共に前記第２の積層構造を覆う第２の部分とを有し、
    前記第２の硬質磁性材料層パターンは、前記第１の方向に延在すると共に前記第３の硬質磁性材料層パターンとの間に前記第３の積層構造を挟む第３の部分と、前記第２の方向に延在する共に前記第３の硬質磁性材料層パターンとの間に前記第４の積層構造を挟む第４の部分とを有する
    ことを特徴とする磁気デバイスの製造方法。
  10. 基体上に、所定のブロッキング温度を有する反強磁性層と、この反強磁性層によって磁化方向が固定された磁気リファレンス層とを含む磁気抵抗効果膜を形成する工程と、
    前記磁気抵抗効果膜をパターニングすることで、一対の側端面を各々有すると共に互いに隔離された第１および第２の磁気抵抗効果素子パターンを形成する工程と、
    前記第１および第２の磁気抵抗効果素子パターンと、前記基体の露出面とを覆うように非磁性の保護層を形成する工程と、
    前記保護層を覆うように、硬質磁性材料層を形成する工程と、
    前記硬質磁性材料層をパターニングすることで、前記第１の磁気抵抗効果素子パターンを覆う第１の硬質磁性材料層パターンと、面内方向において前記第２の磁気抵抗効果素子パターンを挟むように前記第２の磁気抵抗効果素子パターンにおける一対の側端面と各々対向して配置された第２および第３の硬質磁性材料層パターンとを形成する工程と、
    全体を、前記第１から第３の硬質磁性材料層パターンを磁化するのに十分な大きさであり、かつ一定方向に固定された外部磁場中に暴露する工程と、
    前記外部磁場を取り除いたのち、前記反強磁性層のブロッキング温度よりも高く、かつ前記第１から第３の硬質磁性材料層パターンのキュリー温度よりも低い温度で全体を熱処理する工程と、
    前記反強磁性層のブロッキング温度よりも低い温度まで冷却する工程と、
    前記第１から第３の硬質磁性材料層パターンを除去する工程と
    を含むことを特徴とする磁気デバイスの製造方法。
  11. 前記保護層を、酸化アルミニウム（ＡｌＯx），酸化ケイ素（ＳｉＯx），窒化ケイ素（ＳｉＮx），タンタル（Ｔａ）層と酸化アルミニウム層との２層構造，タンタル層と酸化ケイ素層との２層構造，タンタル層と窒化ケイ素層との２層構造，チタン（Ｔｉ）層と酸化アルミニウム層との２層構造，チタン層と酸化ケイ素層との２層構造，またはチタン層と窒化ケイ素層との２層構造によって形成する
    ことを特徴とする請求項１０記載の磁気デバイスの製造方法。
  12. 前記硬質磁性材料層を、コバルトクロム白金合金（ＣｏＣｒＰｔ），コバルトクロムタンタル合金（ＣｏＣｒＴａ）およびコバルト白金合金（ＣｏＰｔ）のうちの少なくとも１種を含む材料によって形成する
    ことを特徴とする請求項１０記載の磁気デバイスの製造方法。
  13. 前記第１の磁気抵抗効果素子パターンにおける磁気リファレンス層の磁化を、前記外部磁場の向きと直交する方向以外に向きに設定する
    ことを特徴とする請求項１０記載の磁気デバイスの製造方法。
  14. 前記第２の磁気抵抗効果素子パターンにおける磁気リファレンス層の磁化を、前記外部磁場の向きと直交する方向以外に向きに設定する
    ことを特徴とする請求項１０記載の磁気デバイスの製造方法。
  15. 前記基体と前記磁気抵抗効果膜との間に電極層を形成する
    ことを特徴とする請求項１０記載の磁気デバイスの製造方法。
  16. 前記磁気抵抗効果膜として、巨大磁気抵抗効果膜または磁気トンネル接合膜を形成する
    ことを特徴とする請求項１０記載の磁気デバイスの製造方法。
  17. 前記反強磁性層を、白金マンガン合金（ＰｔＭｎ），ニッケルマンガン合金（ＮｉＭｎ），白金パラジウムマンガン合金（ＰｔＰｄＭｎ），イリジウムマンガン合金（ＩｒＭｎ）および鉄マンガン合金（ＦｅＭｎ）のうちの少なくとも１種を含む材料によって形成する
    ことを特徴とする請求項１０記載の磁気デバイスの製造方法。
  18. 前記反強磁性層の上に、前記磁気リファレンス層として、第１の強磁性層（ＡＰ２層）と、非磁性層と、前記第１の強磁性層よりも小さな磁気モーメントを有する第２の強磁性層（ＡＰ１）とを順に積層することで、シンセティック反強磁性構造を形成する
    ことを特徴とする請求項１０記載の磁気デバイスの製造方法。
  19. 請求項１０から請求項１８のいずれか１項に記載の磁気デバイスの製造方法を用いることを特徴とする磁場角度センサの製造方法。
  20. 基体上に、所定のブロッキング温度を有する反強磁性層と、この反強磁性層によって磁化方向が固定された磁気リファレンス層とを含む磁気抵抗効果膜を形成する工程と、
    前記磁気抵抗効果膜をパターニングすることで、一対の側端面を各々有すると共に互いに隔離された第１から第４の磁気抵抗効果素子パターンを形成する工程と、
    前記第１から第４の磁気抵抗効果素子パターンと、前記基体の露出面とを覆うように非磁性の保護層を形成する工程と、
    前記保護層を覆うように、硬質磁性材料層を形成する工程と、
    前記硬質磁性材料層をパターニングすることで、前記第１および第２の磁気抵抗効果素子パターンを覆う第１の硬質磁性材料層パターンと、面内方向において前記第３および第４の磁気抵抗効果素子パターンを挟むように前記第３および第４の磁気抵抗効果素子パターンにおける一対の側端面と各々対向して配置された第２および第３の硬質磁性材料層パターンとを形成する工程と、
    全体を、前記第１から第３の硬質磁性材料層パターンを磁化するのに十分な大きさであり、かつ一定方向に固定された外部磁場中に暴露する工程と、
    前記外部磁場を取り除いたのち、前記反強磁性層のブロッキング温度よりも高く、かつ前記第１から第３の硬質磁性材料層パターンのキュリー温度よりも低い温度で全体を熱処理する工程と、
    前記反強磁性層のブロッキング温度よりも低い温度まで冷却する工程と、
    前記第１から第３の硬質磁性材料層パターンを除去する工程と
    を含むことを特徴とする磁気デバイスの製造方法。
  21. 基体上に、所定のブロッキング温度を有する反強磁性層と、この反強磁性層によって磁化方向が固定された磁気リファレンス層とを含む磁気抵抗効果膜を形成する工程と、
    前記磁気抵抗効果膜を選択的に覆うように所定形状のリフトオフマスクを形成する工程と、
    前記リフトオフマスクを用いたイオンビームエッチング法によって前記磁気抵抗効果膜の露出部分を除去することで、それぞれ傾斜した一対の側端面を各々有すると共に互いに隔離されて異なる方向に延在する第１および第２の磁気抵抗効果素子パターンを形成する工程と、
    前記第１および第２の磁気抵抗効果素子パターンを形成したのち、前記リフトオフマスクを除去する前に、前記第１および第２の磁気抵抗効果素子パターンにおける一対の側端面とそれぞれ接するように一対の硬質磁性材料層をそれぞれ形成する工程と、
    全体を、前記一対の硬質磁性材料層を磁化するのに十分な大きさであり、かつ一定方向に固定された外部磁場中に暴露する工程と、
    前記外部磁場を取り除いたのち、前記反強磁性層のブロッキング温度よりも高く、かつ前記一対の硬質磁性材料層のキュリー温度よりも低い温度で全体を熱処理する工程と、
    前記反強磁性層のブロッキング温度よりも低い温度まで冷却する工程と、
    前記一対の硬質磁性材料層を除去する工程と
    を含むことを特徴とする磁気デバイスの製造方法。
  22. 前記硬質磁性材料層を、コバルトクロム白金合金（ＣｏＣｒＰｔ），コバルトクロムタンタル合金（ＣｏＣｒＴａ）およびコバルト白金合金（ＣｏＰｔ）のうちの少なくとも１種を含む材料によって形成する
    ことを特徴とする請求項２１記載の磁気デバイスの製造方法。
  23. 前記第１の磁気抵抗効果素子パターンにおける磁気リファレンス層の磁化を、前記外部磁場の向きと直交する方向以外に向きに設定する
    ことを特徴とする請求項２１記載の磁気デバイスの製造方法。
  24. 前記第２の磁気抵抗効果素子パターンにおける磁気リファレンス層の磁化を、前記外部磁場の向きと直交する方向以外に向きに設定する
    ことを特徴とする請求項２１記載の磁気デバイスの製造方法。
  25. 前記磁気抵抗効果膜として、巨大磁気抵抗効果膜または磁気トンネル接合膜を形成する
    ことを特徴とする請求項２１記載の磁気デバイスの製造方法。
  26. 前記反強磁性層を、白金マンガン合金（ＰｔＭｎ），ニッケルマンガン合金（ＮｉＭｎ），白金パラジウムマンガン合金（ＰｔＰｄＭｎ），イリジウムマンガン合金（ＩｒＭｎ）および鉄マンガン合金（ＦｅＭｎ）のうちの少なくとも１種を含む材料によって形成する
    ことを特徴とする請求項２１記載の磁気デバイスの製造方法。
  27. 前記反強磁性層の上に、前記磁気リファレンス層として、第１の強磁性層（ＡＰ２層）と、非磁性層と、前記第１の強磁性層よりも小さな磁気モーメントを有する第２の強磁性層（ＡＰ１）とを順に積層することで、シンセティック反強磁性構造を形成する
    ことを特徴とする請求項２１記載の磁気デバイスの製造方法。
  28. 請求項２１から請求項２７のいずれか１項に記載の磁気デバイスの製造方法を用いることを特徴とする磁場角度センサの製造方法。
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