JP2008286739A - Magnetic field detector, and rotation angle detector - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、磁気抵抗効果素子を用いて磁界検出を行う磁界検出器及び回転角度検出装置に関するものである。 The present invention relates to a magnetic field detector and a rotation angle detection device that perform magnetic field detection using a magnetoresistive effect element.
近年、トンネル磁気抵抗効果素子(TMR素子)をメモリや磁気ヘッドに応用することが検討されている。 In recent years, application of a tunnel magnetoresistive element (TMR element) to a memory or a magnetic head has been studied.
TMR素子は、2つの強磁性層の間に絶縁層を挟む強磁性層/絶縁層/強磁性層で構成される3層膜構造が用いられる。外部磁界により、この2つの強磁性層のスピンを互いに平行または反平行に設定することにより、この絶縁層を介して膜面垂直方向に流れるトンネル電流の大きさが変化すること、即ちTMR効果を利用する。 The TMR element has a three-layer film structure composed of a ferromagnetic layer / insulating layer / ferromagnetic layer sandwiching an insulating layer between two ferromagnetic layers. By setting the spins of the two ferromagnetic layers parallel or antiparallel to each other by an external magnetic field, the magnitude of the tunnel current flowing through the insulating layer in the direction perpendicular to the film surface changes, that is, the TMR effect is reduced. Use.
例えば、特許文献1にはスピンバルブ型TMR素子を磁気ヘッドに適用した例が示されている。一方の強磁性層を反強磁性層と交換結合させて、その強磁性層の磁化を外部からの印加磁界にかかわらず固定する。これによっていわゆる固着層を形成している。他方の強磁性層は、磁化が外部磁界に応じて自由に回転する自由層として利用される。固着層においては、非磁性層がスペーサ層として強磁性層の間に挿入されて、これらの強磁性層に反強磁性結合を生じさせ、これらの強磁性層の磁化を反平行方向に設定する。この固着層の反平行磁界により、固着層からの漏洩磁界を相殺して、自由層に対する漏洩磁化の影響を低減させ、高感度な磁界検出を可能にしていた。 For example, Patent Document 1 shows an example in which a spin valve TMR element is applied to a magnetic head. One ferromagnetic layer is exchange-coupled with the antiferromagnetic layer, and the magnetization of the ferromagnetic layer is fixed regardless of an externally applied magnetic field. This forms a so-called fixed layer. The other ferromagnetic layer is used as a free layer whose magnetization is freely rotated according to an external magnetic field. In the pinned layer, a nonmagnetic layer is inserted as a spacer layer between the ferromagnetic layers to cause antiferromagnetic coupling in these ferromagnetic layers and set the magnetizations of these ferromagnetic layers in the antiparallel direction. . The antiparallel magnetic field of the pinned layer cancels out the leakage magnetic field from the pinned layer, reduces the influence of the leakage magnetization on the free layer, and enables highly sensitive magnetic field detection.
外部磁界を検出する磁界検出器にあっては、1軸方向の磁界を検出するだけでなく、2軸や3軸方向の磁界を検出する用途もある。2軸方向の磁界を検出できる磁界検出器を同一基板上に形成し、量産性を向上させた例が特許文献2に示されている。2つの磁気抵抗素子が、長手方向が90度の角度を成すように配置され、その2つの磁気抵抗素子に対して45度方向への一軸異方性を付与することで、同一基板上に2軸方向の磁界を検出できる磁界検出器を製造可能としていた。 A magnetic field detector that detects an external magnetic field not only detects a magnetic field in one axis direction, but also has an application for detecting a magnetic field in two or three axes. Patent Document 2 shows an example in which a magnetic field detector capable of detecting a magnetic field in two axial directions is formed on the same substrate to improve mass productivity. The two magnetoresistive elements are arranged so that the longitudinal direction forms an angle of 90 degrees, and uniaxial anisotropy in the 45 degree direction is given to the two magnetoresistive elements, so that 2 on the same substrate. A magnetic field detector capable of detecting an axial magnetic field could be manufactured.
特許文献1に示されたTMR素子を用いて、2軸や3軸方向の磁界を検出する磁界検出器を構成するには、特許文献1に示されたTMR素子が1軸方向(1次元)のみを検出するので、2個のTMR素子を組み合わせて2軸方向の磁界を検出するようにし、また3個のTMR素子を組み合わせて3軸方向の磁界を検出するように構成することになる。したがって、多軸方向の磁界を検出できる磁界検出器は、個別のTMR素子を組み合わせる必要があるので、小型化を図ることが困難であり、また、各素子の磁界検出器内の配置や軸調整の作業工程が余分に必要となり、量産性が劣るという問題点があった。 To configure a magnetic field detector that detects a magnetic field in two or three axes using the TMR element disclosed in Patent Document 1, the TMR element disclosed in Patent Document 1 is uniaxial (one-dimensional). Therefore, the two TMR elements are combined to detect the magnetic field in the biaxial direction, and the three TMR elements are combined to detect the magnetic field in the triaxial direction. Therefore, it is difficult to reduce the size of a magnetic field detector that can detect magnetic fields in multi-axis directions because it is necessary to combine individual TMR elements, and the arrangement and axis adjustment of each element in the magnetic field detector are difficult. However, there is a problem in that mass production is inferior.
特許文献2に示された2軸方向の磁界を検出できる磁界検出器は、長手方向が90度の角度を成すように配置された2つの磁気抵抗素子に対して45度方向への一軸異方性を付与する方法で製造していた。しかしながら、この方法は、2つの磁気抵抗素子を個別に短手方向への一軸異方性を付与した場合と比較して、夫々の素子の磁界強度測定範囲が狭くなるという問題があった。このような方法をTMR素子に適用すると、無磁界時における夫々のTMR素子の固着層と自由層との角度を個別に最適化することができないので、無磁界時においてTMR素子の抵抗変化の中心付近にすることができず、磁界の正方向、負方向で検出できる磁界強度が均等にできなくなり、磁界検出器の測定範囲を狭くせざる得ないという問題が生じる。 The magnetic field detector that can detect the magnetic field in the biaxial direction shown in Patent Document 2 is uniaxially anisotropic in the 45 degree direction with respect to the two magnetoresistive elements arranged so that the longitudinal direction forms an angle of 90 degrees. It was manufactured by a method of imparting sex. However, this method has a problem that the magnetic field strength measurement range of each of the two magnetoresistive elements is narrow compared to the case where uniaxial anisotropy is imparted in the short direction. When such a method is applied to a TMR element, the angle between the fixed layer and the free layer of each TMR element when there is no magnetic field cannot be individually optimized, so the center of resistance change of the TMR element when there is no magnetic field. There is a problem that the magnetic field intensity that can not be made near, the magnetic field intensity that can be detected in the positive and negative directions of the magnetic field cannot be made uniform, and the measurement range of the magnetic field detector must be narrowed.
磁界検出器を例えば回転角度を検出する回転角度検出装置に適用する場合に、特許文献1に示されたTMR素子を用いると、磁界検出装置が十分に小型化できない問題が生じ、特許文献2に示された磁界検出器を用いると、配置位置によっては磁界検出装置の不検出領域が生じてしまう恐れがあり、使用上の制約が大きくなる問題が生じる。 When the magnetic field detector is applied to, for example, a rotation angle detection device that detects a rotation angle, if the TMR element disclosed in Patent Document 1 is used, there is a problem that the magnetic field detection device cannot be sufficiently miniaturized. If the magnetic field detector shown is used, there is a possibility that a non-detection region of the magnetic field detection device may be generated depending on the arrangement position, and there arises a problem that restrictions on use increase.
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、磁界検出範囲を極端に狭めることなく、小型化が可能で量産性に優れた多軸方向の磁界を検出できる磁界検出器、並びにこの磁界検出器を用いた回転角度検出装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems. A magnetic field detector capable of detecting a multi-axis magnetic field that can be miniaturized and has excellent mass productivity without extremely narrowing the magnetic field detection range. An object of the present invention is to provide a rotation angle detection device using the magnetic field detector.
この発明に係る磁界検出器は、磁化方向が反強磁性層により固定される固着層と、外部印加磁界により磁化方向が変化する自由層と、固着層と自由層との間に配置されるトンネル絶縁層をそれぞれ有する第1の磁気抵抗効果素子および第2の磁気抵抗効果素子が基板上に形成される。第1の磁気抵抗効果素子の反強磁性層と固着層間の接合面におけるブロッキング温度は、第2の磁気抵抗効果素子の反強磁性層と固着層間の接合面におけるブロッキング温度と異なり、かつ第1の磁気抵抗効果素子における固着層の磁化方向は、第2の磁気抵抗効果素子における固着層の磁化方向と異なることを特徴とする。 The magnetic field detector according to the present invention includes a pinned layer whose magnetization direction is fixed by an antiferromagnetic layer, a free layer whose magnetization direction is changed by an externally applied magnetic field, and a tunnel disposed between the pinned layer and the free layer. A first magnetoresistive element and a second magnetoresistive element each having an insulating layer are formed on the substrate. The blocking temperature at the interface between the antiferromagnetic layer and the pinned layer of the first magnetoresistive element is different from the blocking temperature at the interface between the antiferromagnetic layer and the pinned layer of the second magnetoresistive element, and The magnetization direction of the pinned layer in the magnetoresistive effect element is different from the magnetization direction of the pinned layer in the second magnetoresistive effect element.
この発明に係る磁界検出器は、第1の磁気抵抗効果素子と第2の磁気抵抗効果素子において、反強磁性層と固着層間の接合面におけるブロッキング温度が夫々異なり、かつ固着層の磁化方向が夫々異なることにより、磁界検出範囲を極端に狭めることなく、小型化が可能で量産性に優れた多軸方向の磁界を検出できる磁界検出器が得られる。 In the magnetic field detector according to the present invention, the first magnetoresistive element and the second magnetoresistive element have different blocking temperatures at the interface between the antiferromagnetic layer and the pinned layer, and the magnetization direction of the pinned layer is different. By being different from each other, it is possible to obtain a magnetic field detector capable of detecting a magnetic field in a multi-axis direction that can be downsized and is excellent in mass productivity without extremely narrowing the magnetic field detection range.
実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1における磁界検出器の概略構成を示す図であり、図2は図1に示す磁界検出器の電気的等価回路を示す図である。図1において、磁界検出器は、TMR効果を利用する磁気抵抗効果素子1と、この磁気抵抗効果素子1に所定の大きさの定電流を供給する直流電源2と、磁気抵抗効果素子1の両電極間の電圧を検出する電圧計3により構成される。直流電源2および電圧計3は、例えばアルミニウム(Al)で構成される配線4および5を介して、磁気抵抗効果素子1の上部電極層(図示せず。)および下部電極層(図示せず。)にそれぞれ接続される。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a magnetic field detector according to Embodiment 1 of the present invention, and FIG. 2 is a diagram showing an electrical equivalent circuit of the magnetic field detector shown in FIG. In FIG. 1, the magnetic field detector includes a magnetoresistive effect element 1 that uses the TMR effect, a DC power source 2 that supplies a constant current of a predetermined magnitude to the magnetoresistive effect element 1, and the magnetoresistive effect element 1. It comprises a
磁気抵抗効果素子1は、主要部として固着層9と、自由層11と、これらの自由層11および固着層9の間に配設されるトンネル絶縁層10を含む。この磁気抵抗効果素子1は、ほぼ平面形状が長方形に形成され、長手方向および短手方向を有する。固着層9は、短手方向に磁化され、その磁化方向は固定される。自由層11の磁化方向は、外部磁界Hexの強度が0Oeの無磁界時においては、磁化方向15a即ち長手方向に向いている。外部磁界Hexの磁化方向に応じて、自由層11の磁化方向が回転し、例えば磁化方向15bに向く。
The magnetoresistive effect element 1 includes a pinned
図1に示すように、磁気抵抗効果素子1は、無磁界時において固着層9の磁化方向16と自由層11の磁化方向が直交するように設定され、無磁界状態の抵抗値を素子抵抗中心値として、外部磁界の強度及び方向に応じて高抵抗状態および低抵抗状態に素子抵抗が変化し、高感度で外部磁界Hexを検出する。図1の磁気検出器では一定電流が流れる磁気抵抗効果素子1の抵抗値の変化を電圧値で測定する。
As shown in FIG. 1, the magnetoresistive effect element 1 is set so that the
図3は、図1に示す磁気抵抗効果素子における断面構造をより具体的に示す図である。図3において、磁気抵抗効果素子1は、基板13の表面に絶縁層14を覆い、その上に形成される下部電極層6と、下部電極層6の表面に形成される下地層7を含む。下地層7の表面上に反強磁性層8が形成され、この反強磁性層8の上に固着層9が形成される。固着層9の磁化方向は反強磁性層8により固定される。固着層9の上にトンネル絶縁層10が形成され、トンネル絶縁層10の上に自由層11が形成される。自由層11の表面上に上部電極層12が形成される。ここで反強磁性層8は、下地層の7上に形成される下層反強磁性層8aと、その下層反強磁性層8aの上に形成される上層反強磁性層8bにより構成される。固着層9は、反強磁性層8に接する下層強磁性層9aと、その下層強磁性層9aの上に形成される非磁性層9bと、その非磁性層9bの上に形成される上層強磁性層9cにより構成される。
FIG. 3 is a diagram more specifically showing a cross-sectional structure of the magnetoresistive effect element shown in FIG. In FIG. 3, the magnetoresistive effect element 1 includes an
図1に示す固着層9の磁化方向16は図3に示す固着層9における下層強磁性層9aの磁化方向16aに対応する。固着層9における上層強磁性層9cの磁化方向は、後述する上層強磁性層9cと下層強磁性層9aとの反強磁性結合により、磁化方向が磁化方向16bの向きになる。
The
次に各層の構成について詳述する。基板13は例えばシリコン基板であり、絶縁層14は例えばシリコン酸化膜である。
Next, the configuration of each layer will be described in detail. The
下部電極層6および上部電極層12は、各々、膜厚10nmのタンタル(Ta)膜で構成される。下部電極層6が図1に示す配線5に接続され、上部電極層12が図1に示す配線4に接続される。
The
下地層7は、ニッケル−鉄膜(Ni−Fe膜)であり、その膜厚は2nmである。下地層7は、その上層に形成される下層反強磁性層8aの結晶配向性を制御するために形成され、下部電極層6と下層反強磁性膜8aとの間の格子不整合に対する緩衝層として機能する。
The
反強磁性層8は、イリジウム―マンガン膜(Ir―Mn膜)からなる下層反強磁性層8aと、白金−マンガン膜(Pt−Mn膜)からなる上層反強磁性層8bで構成され、その膜厚はそれぞれ10nmである。
The antiferromagnetic layer 8 includes a lower
固着層9に用いられる強磁性層9aおよび9cは、コバルト−鉄膜(Co−Fe膜)で構成される。下層強磁性層9aは、強磁性体層であり、反強磁性層8と接触して積層されることにより、その磁化方向16が固定される。すなわち、反強磁性層8が、下層強磁性層9aのスピンの向きを固定する。更に、固着層9と自由層11との静磁結合の影響を低減させるため、固着層9を強磁性層/非磁性層/強磁性層からなる3層構造として、これらの強磁性層を互いに反平行方向に磁化して反強磁性結合を実現させる。したがって、上層強磁性層9cは、下層強磁性層9aと逆方向を向くことになる。下層強磁性層9aおよび上層強磁性層9cの膜厚はそれぞれ3nmである。非磁性層9bはルテニウム(Ru)からなり、その膜厚は0.8nmである。
The
トンネル絶縁層10は酸化アルミニウム(Al2O3)膜で構成され、その膜厚は2.2nmである。
The
自由層11は、Ni−Fe膜で構成され、その膜厚は5nmである。自由層11は、外部磁界に対して敏感に磁化方向を変化することが要求されるため、軟磁性体であるのが望ましい。
The
次に、この図3に示す磁気抵抗効果素子1の製造方法について説明する。図4は、作製された2軸方向磁界検出素子の基板面上方から見た素子配置図である。この素子配置図における素子領域Aおよび素子領域Bに外部磁界により抵抗の変化する磁気抵抗効果素子1がそれぞれ作成される。磁気抵抗効果素子1の形状の一例として、短辺×長辺が4μm×64μmの長方形とする。素子領域Aおよび素子領域Bに作成される磁気抵抗効果素子1を素子Aおよび素子Bと呼ぶことにする。領域Cは、素子A、素子Bおよび下部配線層6が存在しない素子分離領域である。なお、実際には素子Aおよび素子Bの上部電極12に接続される配線層4とコンタクト部が存在するが、ここでは省略している。素子Aおよび素子Bにおけるそれぞれの固着層9の磁化方向は図中に示されており、素子AがHa、素子BがHb方向に磁化され、磁化方向Ha及びHbは直交するものとする。
Next, a method for manufacturing the magnetoresistive effect element 1 shown in FIG. 3 will be described. FIG. 4 is an element arrangement view of the produced biaxial magnetic field detection element as seen from above the substrate surface. Magnetoresistive elements 1 whose resistances are changed by an external magnetic field are respectively formed in the element region A and the element region B in the element arrangement diagram. As an example of the shape of the magnetoresistive effect element 1, it is assumed that the short side × long side is a rectangle of 4 μm × 64 μm. The magnetoresistive effect element 1 created in the element region A and the element region B will be referred to as an element A and an element B. Region C is an element isolation region in which element A, element B, and
次に図4に示すK−K面で切断した断面構造を用いて製造方法を説明する。図5は、図4のK−K面で切断した2軸方向磁界検出素子の断面構造を示す図であり、図6は図5の製造プロセスを示す図である。 Next, a manufacturing method is demonstrated using the cross-sectional structure cut | disconnected by the KK plane shown in FIG. 5 is a diagram showing a cross-sectional structure of the biaxial magnetic field detection element cut along the KK plane of FIG. 4, and FIG. 6 is a diagram showing the manufacturing process of FIG.
図6を用いて説明する。基板13上に、絶縁層14として例えばシリコン酸化膜を500nm堆積し、たとえばDCマグネトロンスパッタリング法を用いて膜厚10nmのTa膜を下部電極層6として形成する。次いで、この下地電極層6の上に、膜厚2nmのNi−Fe膜を堆積し、上層に形成される強磁性膜の結晶配向性を制御する下地層7を形成する。続いて、下地層7の上に、下層反強磁性層8aのIr−Mn膜と上層反強磁性層8bのPt−Mn膜を連続して堆積し、反強磁性層8を形成する。その後、レジストを塗布しパターニングを行い、レジストマスク17を形成する。その結果、図6(a)に示した構造を得る。
This will be described with reference to FIG. On the
その後、エッチングにより、上層反強磁性層8bのPt−Mn膜のみをエッチングした後、レジスト除去を行うことによって、素子領域Bおよび領域CではIr−Mn膜のみの反強磁性層、すなわち下層反強磁性層8aが形成され、素子領域AではIr−Mn膜上にPt−Mn膜が残った積層反強磁性層が形成され、図6(b)に示した構造を得る。
Thereafter, only the Pt—Mn film of the upper
更に、この反強磁性層8の表面上に、Co−Fe膜/Ru膜/Co−Fe膜を膜厚3nm/0.8nm/3nmの順に形成し、固着層9を形成した後、トンネル絶縁層10としてのAl2O3膜を形成する。このトンネル絶縁層10の上に膜厚5nmのNi−Fe膜を形成し、自由層11を形成する。更に、DCマグネトロンスパッタリング法を用いてTa膜を形成し、上部電極層12を形成する。
Further, on the surface of the antiferromagnetic layer 8, a Co—Fe film / Ru film / Co—Fe film is formed in the order of
次に、素子Aおよび素子Bそれぞれの磁気抵抗効果素子1に対応するパターンをレジストマスク17にて形成し、図6(c)に示した構造を得る。
Next, a pattern corresponding to the magnetoresistive effect element 1 of each of the element A and the element B is formed by the resist
その後、このレジストマスク17を用いてエッチングを行い、図6(d)に示した構造を得る。図6(d)では、エッチング停止面が反強磁性層8である場合を示している。なお、ここでのエッチングについては、トンネル絶縁層10の上に形成されている導電性の部分が除去されること、及び下部電極層6が除去されないことが必要であるため、エッチング停止面は下部電極層6、下地層7、反強磁性層8、固着層部9のいずれでも構わないが、素子側壁におけるリーク抑制の観点からエッチング停止面はトンネル絶縁膜10がより望ましい。
Thereafter, etching is performed using the resist
レジストマスク17を除去した後、再度レジストにて下部電極層エッチング用のパターンを形成し、下部電極層6のエッチングを行う。具体的には領域Cにおいてシリコン酸化膜の絶縁層14を露出させることにより素子分離を行う。その後、層間絶縁膜18を形成し、コンタクトホールの形成と、Al膜によるコンタクトプラグ19および配線4a、5aと4b、5bをそれぞれ形成することによって、図5に示した構造を得る。ここで配線4a、5aはそれぞれ素子Aにおける配線4、5であり、配線4b、5bはそれぞれ素子Bにおける配線4、5である。
After removing the resist
固着層9の磁化方向16を決定させる方法を述べる。まず、固着層9の磁化する方向の特性を述べた後に、本実施の形態1に適用する方法を説明する。
A method for determining the
単一層からなる反強磁性層8の上に下層強磁性層9aを磁界中で堆積した場合を説明する。下層強磁性層9aは反強磁性層8と交換結合する。例えば、下層強磁性層9aの磁化方向が図3に示す磁化方向16aになったとする。その後、非磁性層9bおよび上層強磁性層9cを成膜した後にも磁化方向は磁化方向16aを維持する。具体的には下層強磁性層9aおよび上層強磁性層9cは非磁性層9bを介して互いに反強磁性結合を形成し、これら下層強磁性層9aおよび上層強磁性層9cの磁化方向が互いに反対方向のままで維持される。
The case where the lower ferromagnetic layer 9a is deposited on the antiferromagnetic layer 8 made of a single layer in a magnetic field will be described. The lower ferromagnetic layer 9 a is exchange coupled with the antiferromagnetic layer 8. For example, it is assumed that the magnetization direction of the lower ferromagnetic layer 9a is the
上述の交換結合は、ネール温度より低い温度において、ブロッキング温度を超えると交換結合の効果を失い、下層強磁性層9aの磁化方向は反強磁性層8の制約を受けなくなる。言い換えれば、ブロッキング温度より高温状態において固着層9に対して飽和磁界以上の印加磁界中で熱処理を行うことで、固着層9における下層強磁性層9aの磁化方向は印加された印加磁界の方向へ向けることができる。そして、その印加磁界中で温度を下げることによって、その磁化方向が維持されたまま反強磁性層8との交換結合を形成する。ここで、ブロッキング温度は、反強磁性層による強磁性層の磁化方向を固着するバイアス磁界が消失する温度である。
The above-described exchange coupling loses the effect of exchange coupling when the blocking temperature is exceeded at a temperature lower than the Neel temperature, and the magnetization direction of the lower ferromagnetic layer 9a is not restricted by the antiferromagnetic layer 8. In other words, the magnetization direction of the lower ferromagnetic layer 9a in the pinned
本実施の形態1においては、2種類の下層反強磁性層8aおよび上層反強磁性層8bを用いるので、磁場中での熱処理に際し、異なる温度での複数回の熱処理を行う。具体的には以下のように行う。まず、図4に示すHa方向(X方向)へ5kOeの磁界を印加し、300℃で3時間、その状態を保持する。これにより、固着層9における下層強磁性層9aはHa方向への磁化を持つことになる。Ha方向の磁界を印加しながら冷却することにより、素子Aおよび素子Bともに固着層9における下層強磁性層9aがHa方向の磁化を有し、反共磁性層8と交換結合を持つようになる。
In the first embodiment, since two types of lower
次に、図4に示すHb方向(Y方向)へ5kOeの磁化を印加しながら、260℃で1時間、熱処理を行う。この温度はIr−Mn膜(下層反強磁性層8a)とCo−Fe膜間のブロッキング温度より高いものの、Pt−Mn膜(上層反強磁性層8b)とCo−Fe膜間のブロッキング温度より低い。そのため、素子AにおいてはPt−Mn膜(上層反強磁性層8b)とCo−Fe膜間の交換結合が保持されているが、素子BにおいてはIr−Mn膜(下層反強磁性層8a)とCo−Fe膜間の交換結合が保持されない。そのため、素子Bにおいては、固着層9における下層強磁性層9aはHb方向への磁化を持つようになり、冷却時にIr−Mn膜(下層反強磁性層8a)との交換結合を生じさせる。その結果、素子AではHa方向の磁化を有る下層強磁性層9aを形成でき、素子BではHb方向の磁化を有する下層強磁性層9aを形成できる。
Next, heat treatment is performed at 260 ° C. for 1 hour while applying a magnetization of 5 kOe in the Hb direction (Y direction) shown in FIG. Although this temperature is higher than the blocking temperature between the Ir—Mn film (lower
以上のように、素子Aおよび素子Bにおいて、下層強磁性層9aと反強磁性層8間のブロッキング温度が異なるように構成したので、それぞれ所望の方向に下層強磁性層9aを磁化することができる。 As described above, since the element A and the element B are configured such that the blocking temperature between the lower ferromagnetic layer 9a and the antiferromagnetic layer 8 is different, the lower ferromagnetic layer 9a can be magnetized in a desired direction. it can.
上層強磁性層9cは、Ru膜で構成される非磁性層9bを介して下層強磁性層9aと反平行に磁化され、反強磁性結合される。その結果、素子AではX軸方向即ち短手方向の磁化を有する固着層9における下層強磁性層9aを形成でき、素子BではY軸方向即ち短手方向の磁化を有する固着層9における下層強磁性層9aを形成できる。
The upper
下層強磁性層9aおよび上層強磁性層9cの膜厚は、共に3nmである。したがって、反平行に結合される2つの下層強磁性層9aおよび上層強磁性層9cの厚さが等しく、共に磁界強度は同じであるので、下層強磁性層9aおよび上層強磁性層9cの漏洩磁界は、方向が互いに反対であり、実質的に相殺される。図3に示す磁気抵抗効果素子1の場合、固着層9における漏洩磁界は、下層強磁性層9aおよび上層強磁性層9cにより相殺され、固着層9と自由層11の間の静磁結合を抑制できる。これにより磁気抵抗効果素子1の自由層11は、固着層9からの漏洩磁界の影響を受けないので、無磁界時において形状磁気異方性により磁化が長手方向に向くようになる。自由層11に追加の処理をすることなく、固着層9及び自由層11の磁化の方向を直交させることができる。なお、固着層9の磁化の方向を短手方向からずらすことで、固着層9及び自由層11の磁化の方向を任意の角度にすることができる。
The film thicknesses of the lower ferromagnetic layer 9a and the upper
上述のように、磁気抵抗効果素子1において、固着層9と自由層11の間の静磁結合を抑制でき、さらに無磁界時における固着層9と自由層11との磁化方向を実効的に直交である略直交にすることができる。これにより、無磁界(0Oe)時において、磁気抵抗効果素子1の素子抵抗値は、素子抵抗の抵抗値Rにおける中心値Rmを得ることができる。したがって、磁気抵抗効果素子1に一定の電流Iを流した場合には、図7に示すように、無磁界(0Oe)における出力電圧VmはI×Rmとなり、出力電圧Va及びVbの中心値を得ることができる。その結果、無磁界(0Oe)時において、磁気抵抗効果素子1の抵抗値Rが中心値Rmにできるので、磁界の正方向、負方向で検出できる磁界強度が均等にでき、磁界検出器の測定範囲を最大に設定することができる。ここで、電圧Vaは、自由層11の磁化方向が固着層9における下層強磁性層9aの磁化方向と平行になり、抵抗値Rが最小になった場合の電圧である。電圧Vbは、自由層11の磁化方向が固着層9における下層強磁性層9aの磁化方向と反平行になり、抵抗値Rが最大になった場合の電圧である。
As described above, in the magnetoresistive effect element 1, magnetostatic coupling between the pinned
また、固着層9を上述のような三層構造にしたことにより、単一層で構成される固着層の場合に問題となる強磁性層の膜厚に起因する固着層の漏洩磁界を抑制することができ、同一の基板に複数の素子を作成してもそれぞれの素子で無磁界時における素子抵抗がばらつくことなく、無磁界時における素子抵抗の抵抗値Rにおける中心値Rmを得ることができる。なお、図7は、図1に示す構成の磁界検出器における磁界/出力電圧の特性曲線である。縦軸の出力電圧は任意単位で示している。
Further, the fixed
次に、図1に示す磁界検出器の出力電圧について説明する。この磁界検出器の動作時においては、磁気抵抗効果素子1に対し、直流電源2から一定の電流値の電流Iが供給される。磁気抵抗効果素子1において、固着層9と自由層11との間には磁気的な相互作用がない理想状態を考える。外部磁界Hexが固着層9の磁化方向16と同じ方向に印加された場合、外部磁界Hex印加時における磁気抵抗効果素子1の素子抵抗の抵抗値Rは、次式(1)で表わされる。
R=Rm+(ΔR/2)×(|H|/|Hk|) (1)
ここで、Rmは、外部磁界Hexが0Oeの状態、すなわち無磁界時における磁気抵抗効果素子1の抵抗値Rにおける中心値を示し、ΔRは、磁気抵抗効果素子1の磁気抵抗変化率を示す。Hkは、自由層11の飽和磁界の磁界強度を示し、Hは、外部磁界Hexの磁界強度を示す。
Next, the output voltage of the magnetic field detector shown in FIG. 1 will be described. During operation of the magnetic field detector, a current I having a constant current value is supplied from the DC power source 2 to the magnetoresistive effect element 1. In the magnetoresistive effect element 1, an ideal state where there is no magnetic interaction between the pinned
R = Rm + (ΔR / 2) × (| H | / | Hk |) (1)
Here, Rm represents the center value of the resistance value R of the magnetoresistive effect element 1 when the external magnetic field Hex is 0 Oe, that is, no magnetic field, and ΔR represents the magnetoresistance change rate of the magnetoresistive effect element 1. Hk indicates the magnetic field strength of the saturation magnetic field of the
この磁気抵抗効果素子1に一定の電流値の電流Iが供給され、抵抗値がRであるため、磁気抵抗効果素子1の両電極間、すなわち配線4および5の間には、次式(2)で表わされる電圧Vが発生する。
V=I×(Rm+(ΔR/2)×(|H|/|Hk|)) (2)
なお、配線4および5の抵抗値は、磁気抵抗効果素子1の抵抗値Rと比較して、二桁小さく、無視することができる。上式(1)及び式(2)で表わされる関係から、電圧計3により、磁気抵抗効果素子1に印加される電圧Vを測定することにより、外部磁界Hexの強度を検出することができる。
Since the current I having a constant current value is supplied to the magnetoresistive effect element 1 and the resistance value is R, the following equation (2) is established between both electrodes of the magnetoresistive effect element 1, that is, between the wirings 4 and 5. ) Is generated.
V = I × (Rm + (ΔR / 2) × (| H | / | Hk |)) (2)
The resistance values of the
図4に示す2軸方向磁界検出素子を用いて、図8に示す電気的等価回路となる磁界検出器を構成した場合、素子Aと素子Bは、それぞれが受ける磁界に応じて式(2)に示す電圧を出力する。図8において、素子Aに対応する磁気抵抗効果素子1aは、直流電源2a、電圧計3aに接続され、素子Bに対応する磁気抵抗効果素子1bは、直流電源2b、電圧計3bに接続される。
When the magnetic field detector serving as the electrical equivalent circuit shown in FIG. 8 is configured using the biaxial magnetic field detection element shown in FIG. 4, the element A and the element B are expressed by the equation (2) according to the magnetic field received by each of them. The voltage shown in is output. In FIG. 8, the
例えば、2軸方向磁界検出素子において、外部磁界Hexが、図9に示す向きに存在する場合を考える。磁界強度がHである外部磁界Hexは、X軸に対して角度αで2軸方向磁界検出素子に入射している。素子Aは、X軸成分であるHex−xを検出し、素子Bは、Y軸成分であるHex−yを検出する。Hex−xの強度CおよびHex−yの強度Dは、それぞれ次式(3)及び式(4)で表わされる。
C=H×cosα (3)
D=H×sinα (4)
For example, consider a case where the external magnetic field Hex exists in the direction shown in FIG. An external magnetic field Hex having a magnetic field strength of H is incident on the biaxial magnetic field detection element at an angle α with respect to the X axis. The element A detects Hex-x that is an X-axis component, and the element B detects Hex-y that is a Y-axis component. The strength C of Hex-x and the strength D of Hex-y are expressed by the following equations (3) and (4), respectively.
C = H × cosα (3)
D = H × sin α (4)
上述の式(3)及び式(4)から、外部磁界Hexの磁界強度H及び角度αは、それぞれ次式(5)及び式(6)で表わされる。
H=√(C2+D2) (5)
α=cos−1(C/√(C2+D2)) (6)
From the above equations (3) and (4), the magnetic field strength H and the angle α of the external magnetic field Hex are expressed by the following equations (5) and (6), respectively.
H = √ (C 2 + D 2 ) (5)
α = cos −1 (C / √ (C 2 + D 2 )) (6)
以上のように、実施の形態1における磁界検出器は、素子内に直交する2軸方向の固着層を有する磁気抵抗効果素子1を保有しているため、それぞれの軸方向への磁界の強度Hと入射角度αを検知することが可能である。即ち、2軸方向の磁界を検出できる。また、同一基板に2軸を構成する各軸の磁界成分を検出する磁気抵抗効果素子1を近接して配置することが可能となり、2軸方向の磁界を検出する磁界検出器を小型化することができる。さらに、2軸方向の磁界を検出する2軸方向磁界検出素子を形成した基板に、この2軸方向磁界検出素子の出力電圧を受けて各種の処理を行う信号処理回路を組み込むことが可能となる。この場合は、磁気検出機能を含む多機能な処理装置を小型にすることができる。 As described above, since the magnetic field detector according to the first embodiment has the magnetoresistive effect element 1 having the biaxially fixed layers orthogonal to each other in the element, the magnetic field strength H in the respective axial directions. And the incident angle α can be detected. That is, a magnetic field in the biaxial direction can be detected. Further, the magnetoresistive effect element 1 for detecting the magnetic field components of the two axes constituting the two axes can be disposed close to the same substrate, and the magnetic field detector for detecting the magnetic field in the two-axis direction can be downsized. Can do. Furthermore, it is possible to incorporate a signal processing circuit that receives the output voltage of the biaxial magnetic field detection element and performs various processes on the substrate on which the biaxial magnetic field detection element for detecting the biaxial magnetic field is formed. . In this case, a multifunctional processing apparatus including a magnetic detection function can be reduced in size.
なお、磁気抵抗効果素子1a、1bを切り出して2軸方向の磁界を検出する磁界検出器を構成する場合は、3つの電極パッドを設ければよい。3つの電極パッドは、素子Aの上部電極層12に接続される配線4aに接続する電極パッド、素子Bの上部電極層12に接続される配線4bに接続する電極パッド、並びに、素子Aの下部電極層6に接続される配線5aと素子Bの下部電極層6に接続される配線5bを共通に接続する電極パッドである。これに対して、1軸方向の磁界を検出する磁界検出器を組み合わせて、2軸方向の磁界を検出する磁界検出器を構成する場合は、4つの電極パッドが必要となるので、少なくとも電極パッド1個分、並びに各素子を近づけたことによる縮小分だけは小さくすることができる。
In the case of configuring a magnetic field detector that cuts out the
また、1軸方向の磁界を検出する磁界検出器を組み合わせて、2軸方向を検出する磁界検出器を構成した場合と異なり、各磁気抵抗効果素子1は同一基板に作成されたことにより、作成完了後に各素子の配置や軸調整の作業工程は不要であり、量産性を向上させることができる。 Unlike the case where a magnetic field detector that detects a biaxial direction is configured by combining magnetic field detectors that detect a magnetic field in one axial direction, each magnetoresistive effect element 1 is created on the same substrate. After completion, the arrangement of each element and the work process of adjusting the axis are unnecessary, and the mass productivity can be improved.
上述のように、実施の形態1における磁界検出器は、同一基板に配置した第1の磁気抵抗効果素子1a(素子A)と第2の磁気抵抗効果素子1b(素子B)において、反強磁性層と固着層間の接合面におけるブロッキング温度が夫々異なり、かつ固着層の磁化方向が夫々異なるように構成したことにより、2軸方向の磁界を検出する磁界検出器を小型化することができ、量産性に優れた2軸方向の磁界を検出できる磁界検出器が得られる。また、上記のように構成したことにより、各軸の磁界/出力電圧の特性曲線を個別に最適化できる。これにより、特許文献2に示された磁界検出器のような不検出領域が生じてしまう恐れがあったものとは異なり、磁界検出範囲を極端に狭めることがなく、磁界検出範囲を広くすることができる。
As described above, the magnetic field detector according to the first embodiment is antiferromagnetic in the first
また、同一基板に2軸を構成する各軸の磁界成分を検出する磁気抵抗効果素子1を近接して配置することにより、実施の形態1における2軸方向を検出する磁界検出器は、1軸方向の磁界を検出する磁界検出器を組み合わせて2軸方向を検出する磁界検出器を構成した場合に比べて、各軸の磁界成分を検出する磁気抵抗効果素子1を近づけて配置することができる。したがって、磁界検出対象面積(各磁気抵抗効果素子1を包含する面積)が小さくなるので、検出誤差を小さくでき、磁界分布を詳細に検出することができる。 Further, the magnetic field detector for detecting the biaxial direction in the first embodiment by arranging the magnetoresistive effect element 1 for detecting the magnetic field component of each axis constituting the two axes on the same substrate is a single axis. The magnetoresistive effect element 1 for detecting the magnetic field component of each axis can be arranged closer to that in the case where the magnetic field detector for detecting the biaxial direction is configured by combining the magnetic field detectors for detecting the magnetic field in the direction. . Therefore, the magnetic field detection target area (area including each magnetoresistive effect element 1) is reduced, so that the detection error can be reduced and the magnetic field distribution can be detected in detail.
また、実施の形態1における磁界検出器は、磁界を検出することにより、電流検出、位置検出、回転検出も可能である。この実施の形態1における磁界検出器を備えた電気回路にも適用できる。電流検出においては、電流が発生する磁界を検出する。位置検出においては、所定の磁界と位置が関係づけられた磁界分布を検出する。回転検出においては、回転する磁石の磁界を検出する。 In addition, the magnetic field detector according to the first embodiment can detect current, detect a position, and detect rotation by detecting a magnetic field. The present invention can also be applied to an electric circuit including the magnetic field detector according to the first embodiment. In current detection, a magnetic field generated by current is detected. In position detection, a magnetic field distribution in which a position is related to a predetermined magnetic field is detected. In rotation detection, the magnetic field of a rotating magnet is detected.
なお、非磁性層9bはRu膜に限定されない。非磁性層9bは下層強磁性層9aと上層強磁性層9c間で強固な反強磁性結合を実現できればよく、3d遷移金属膜であることが好ましい。したがってRu膜以外の3d遷移金属膜であっても構わない。また、膜厚についても、下層強磁性層9aおよび上層強磁性層9cの反強磁性結合を維持することのできる膜厚であればよく、0.8nmに限定されない。
The nonmagnetic layer 9b is not limited to a Ru film. The nonmagnetic layer 9b is only required to realize strong antiferromagnetic coupling between the lower ferromagnetic layer 9a and the upper
また、磁気抵抗効果素子1の形状は、長方形でなくてもよく、結晶磁気異方性または誘導磁気異方性を付与することにより、任意の形状を用いることができる。 Moreover, the shape of the magnetoresistive effect element 1 does not need to be rectangular, and any shape can be used by imparting magnetocrystalline anisotropy or induced magnetic anisotropy.
また、反強磁性層の材質を異なる物質にすることによりブロッキング温度を変化させたが、固着層の材質を変化させたり、双方とも材質を変化させたりすることでもブロッキング温度を変化させることが可能である。 In addition, the blocking temperature was changed by using a different material for the antiferromagnetic layer. However, the blocking temperature can also be changed by changing the material for the pinned layer or both materials. It is.
図5に示したように、素子AにおいてPt−Mn膜とIr−Mn膜の積層構造を用いているが、素子Aは反強磁性層8がPt−Mn膜のみになるように、Ir−Mn膜の成膜後にパターニングを行っても良い。その場合には、図5で示した2軸方向磁気検出素子の断面構造は、図10のようになり、素子Aおよび素子Bには、それぞれ異なる単一層の反強磁性層にて磁化方向を保持された固着層が存在する形になる。この場合には、素子Aと素子Bの高さをほぼ等しくでき、素子Aと素子Bともレジストの露光状態が同等にできるので、素子Aと素子Bの加工精度を高めることができる。 As shown in FIG. 5, in the element A, a stacked structure of a Pt—Mn film and an Ir—Mn film is used. In the element A, the antiferromagnetic layer 8 is made only of the Pt—Mn film. Patterning may be performed after forming the Mn film. In that case, the cross-sectional structure of the biaxial magnetic sensing element shown in FIG. 5 is as shown in FIG. 10, and the magnetization directions of the element A and the element B are different in different single antiferromagnetic layers. A retained anchoring layer is present. In this case, the height of the element A and the element B can be made substantially equal, and the exposure state of the resist can be made equal for both the element A and the element B, so that the processing accuracy of the element A and the element B can be increased.
また、2軸方向磁気検出素子の素子A、素子Bにおいて、それぞれの磁化方向を直交させているが、同一平面上にそれらの素子が異なる方向であればよい。それら2つ素子の検出電圧より直交するX軸方向、Y軸方向についてそれぞれ算出することが可能である。 Further, although the magnetization directions of the element A and the element B of the biaxial magnetic detection element are orthogonal to each other, they may be in different directions on the same plane. It is possible to calculate the X-axis direction and the Y-axis direction orthogonal to each other from the detection voltages of these two elements.
実施の形態2.
図11は、この発明の実施の形態2における3軸方向の磁界を検出する磁界検出器の電気的等価回路を示す図である。図12は実施の形態2における3軸方向磁界検出素子の概略構成を示す図である。図12(a)は斜視図であり、図12(b)は図12(a)の断面を示す図である。図11において、素子Eに対応する磁気抵抗効果素子1eは、直流電源2e、電圧計3eに接続され、素子Fに対応する磁気抵抗効果素子1fは、直流電源2f、電圧計3fに接続さ、素子Gに対応する磁気抵抗効果素子1gは、直流電源2g、電圧計3gに接続される。実施の形態1における磁気検出器とは、同一基板に3つの磁気抵抗効果素子1を配置し、3軸方向の磁界が検出できる点で異なる。
Embodiment 2. FIG.
FIG. 11 is a diagram showing an electrical equivalent circuit of a magnetic field detector for detecting a magnetic field in the triaxial direction according to Embodiment 2 of the present invention. FIG. 12 is a diagram showing a schematic configuration of the triaxial magnetic field detection element in the second embodiment. FIG. 12A is a perspective view, and FIG. 12B is a cross-sectional view of FIG. In FIG. 11, the
基板13には、主面13aに対し、傾斜した傾斜面13b、13cが形成される。それぞれの傾斜面13b、13cに向かい合うように、2つの磁気抵抗効果素子1e(素子E)、磁気抵抗効果素子1f(素子F)を配置する。素子Eおよび素子Fの差動検出により、基板に対し垂直なZ軸方向と、基板水平方向のX軸方向の磁界検出が可能となる。さらに基板水平面にY軸方向の磁気抵抗効果素子1g(素子G)を形成すれば、3軸方向の磁界を検出する3軸方向磁界検出素子を構成できる。
The
より具体的には、図12(a)および(b)に示したように、基板13の主面13aと平行な平行面(底面)に対しθの傾斜角を持った傾斜面13b、13cを有する溝を形成する。この溝の形成方法は特に限定しないが、基板を傾けたイオンミリング法や、(100)配向シリコン基板を水酸化カリウム(KOH)溶液でエッチングして(111)面を構成するような方法でも可能である。この場合の傾斜角θは54.74度の精度の高い傾斜面を形成できる。イオンミリング法で傾斜面を形成する場合は、1度程度の誤差が生じるが、任意の傾斜角θにすることができるメリットがある。なお、溝の幅と長さに対しても制約は無く、溝の形状も、溝の幅と深さ、角度θの関係により、基板面と水平な底面を持つ場合であっても構わない。
More specifically, as shown in FIGS. 12A and 12B,
図12(a)および(b)では、底面に水平部を持ち、溝の長さが深さに対して非常に長い場合を示している。その溝がY軸方向に伸びている基板13を考えることにする。溝の傾斜面13b、13cと主面13aにそれぞれ磁気抵抗効果素子1を形成する。それぞれの磁気抵抗効果素子1e、1f、1gの製造方法は実施の形態1に準ずる。なお、溝の傾斜面13bに形成される素子E、および溝の傾斜面13cに形成される素子Fは、Ir−Mn膜の反強磁性層8をもち、実施の形態1の素子Bに相当する。基板13の主面13aに形成される素子Gは、Pt−Mn膜の反強磁性層8を持ち、実施の形態1の素子Aに相当する。
FIGS. 12A and 12B show a case where a horizontal portion is provided on the bottom surface and the length of the groove is very long with respect to the depth. Consider the
素子E、素子F、素子Gの形成後、磁界中での熱処理を行う。磁界中での熱処理に際しては、Y軸方向へ磁界を印加しながら、300度での熱処理を行い、素子E、素子F、素子GともにY軸方向へ固着層9の磁界を揃える。その後、260度でX軸方向への磁界を印加しながら熱処理をすることにより、素子E、素子FはともにX軸方向へ磁化の向きを揃える。このとき、素子E、素子Fは反強磁性接合の効果があるため、各素子の膜面方向へ磁化が揃うことから、実際には、図中のHe及びHf方向にそれぞれ磁化が向くことになる。素子Gでは反強磁性層8と固着層9間の接合面におけるブロッキング温度以下の熱処理を行うので、固着層9の磁化方向はY軸方向を維持し、Hg方向になる。その結果、素子EはX方向と−Z方向との合成磁界を検出し、素子FはX方向とZ方向との合成磁界を検出することになる。
After the elements E, F, and G are formed, heat treatment is performed in a magnetic field. In the heat treatment in the magnetic field, the heat treatment is performed at 300 degrees while applying the magnetic field in the Y-axis direction, and the magnetic field of the fixed
図13は、図12の3軸方向磁界検出素子におけるXZ面の磁界検出を説明する図である。ここでXZ面は、X軸とZ軸を包含する平面である。外部印加磁界Hexを、図13(a)に示すようにX軸成分であるHex−xとZ軸成分であるHex−zに分けて考える。素子Eが検出する固着層9の磁化方向Heに平行な方向の磁界H−eは、図13(b)に示すようにHex−xおよびHex−zの傾斜面方向の合成磁界となり、式(7)で表せる。
H−e=Hex−x×cosθ−Hex−z×sinθ (7)
FIG. 13 is a diagram for explaining magnetic field detection on the XZ plane in the triaxial magnetic field detection element of FIG. Here, the XZ plane is a plane including the X axis and the Z axis. As shown in FIG. 13A, the externally applied magnetic field Hex is considered by dividing it into Hex-x that is an X-axis component and Hex-z that is a Z-axis component. The magnetic field He in the direction parallel to the magnetization direction He of the pinned
He = Hex−x × cos θ−Hex−z × sin θ (7)
同様に、素子Fが検出する固着層9の磁化方向Hfに平行な方向の磁界H−fは、図13(c)に示すようにHex−xおよびHex−zの傾斜面方向の合成磁界となり、式(8)で表せる。
H−f=Hex−x×cosθ+Hex−z×sinθ (8)
Similarly, the magnetic field Hf in the direction parallel to the magnetization direction Hf of the pinned
H−f = Hex−x × cos θ + Hex−z × sin θ (8)
上述の式(7)及び式(8)から、Hex−xおよびHex−zは、それぞれ式(9)及び式(10)で表せる。
Hex−x=(H−e+H−f)/(2×cosθ) (9)
Hex−y=(H−f−H−e)/(2×sinθ) (10)
From the above formula (7) and formula (8), Hex-x and Hex-z can be expressed by formula (9) and formula (10), respectively.
Hex−x = (H−e + H−f) / (2 × cos θ) (9)
Hex−y = (H−f−H−e) / (2 × sin θ) (10)
式(9)及び式(10)から分かるように、素子Eおよび素子Fの出力電圧を差動で検出し、比例処理を行うことで基板に対し垂直なZ軸方向と、基板水平方向のX軸方向の磁界検出が可能となる。さらに、素子Eおよび素子Fに加えて、素子Gが検出するY軸方向の磁界を合わせることで、3軸方向の磁界を検出することが可能となる。 As can be seen from the equations (9) and (10), the output voltages of the element E and the element F are detected differentially and proportional processing is performed, whereby the Z-axis direction perpendicular to the substrate and the horizontal direction X An axial magnetic field can be detected. Furthermore, in addition to the elements E and F, the magnetic field in the Y-axis direction detected by the element G can be combined to detect the magnetic field in the three-axis direction.
なお、ここでは、傾斜面13b、13cにそれぞれ素子Eおよび素子Fを形成する場合を示したが、基板13の主面13aや底面に2つの素子を形成し、傾斜面13bに1つの素子を形成する場合でも良い。
Here, the case where the elements E and F are formed on the
以上のように、実施の形態2における磁界検出器は、同一基板に3つの磁気抵抗効果素子1を傾斜面と平面に分けて配置し、その3つの磁気抵抗効果素子を反強磁性層と固着層間の接合面におけるブロッキング温度が異なる2種類で作成し、各磁気抵抗効果素子1の固着層の磁化方向が夫々異なるように構成したことにより、3軸方向の磁界を検出する磁界検出器を小型化することができ、量産性に優れた3軸方向の磁界を検出できる磁界検出器が得られる。また上記のように構成したことにより、各軸の磁界/出力電圧の特性曲線を個別に最適化できる。 As described above, in the magnetic field detector according to the second embodiment, the three magnetoresistive effect elements 1 are arranged on the same substrate in an inclined plane and a plane, and the three magnetoresistive effect elements are fixed to the antiferromagnetic layer. The magnetic field detector for detecting the magnetic field in the three-axis direction is made compact by creating two types with different blocking temperatures at the interface between the layers and by configuring the magnetization directions of the pinned layers of the magnetoresistive effect elements 1 to be different. Thus, a magnetic field detector capable of detecting a magnetic field in the three-axis direction with excellent mass productivity can be obtained. Further, by configuring as described above, the characteristic curve of the magnetic field / output voltage of each axis can be individually optimized.
また、同一基板に3軸を構成する各軸の磁界成分を検出する素子を近接して配置することにより、実施の形態2における3軸方向を検出する磁界検出器は、1軸方向の磁界を検出する磁界検出器を組み合わせて3軸方向を検出する磁界検出器を構成した場合に比べて、各軸の磁界成分を検出する素子を近づけて配置することができる。したがって磁界検出対象体積(各磁気抵抗効果素子1を包含する体積)が小さくなるので、検出誤差を小さくでき、磁界分布を詳細に検出することができる。 In addition, the magnetic field detector for detecting the three-axis direction in the second embodiment by arranging the elements for detecting the magnetic field components of the three axes on the same substrate close to each other, the magnetic field detector for uniaxial direction Compared to a case where a magnetic field detector that detects three axial directions is configured by combining magnetic field detectors to be detected, elements for detecting the magnetic field component of each axis can be arranged closer to each other. Therefore, the magnetic field detection target volume (the volume including each magnetoresistive effect element 1) is reduced, so that the detection error can be reduced and the magnetic field distribution can be detected in detail.
また、実施の形態2における磁界検出器は、実施の形態1と同様に磁界を検出することにより、電流検出、位置検出、回転検出も可能である。この実施の形態2における磁界検出器を備えた電気回路にも適用できる。 Further, the magnetic field detector in the second embodiment can detect current, detect the position, and detect rotation by detecting the magnetic field in the same manner as in the first embodiment. The present invention can also be applied to an electric circuit including the magnetic field detector according to the second embodiment.
実施の形態3.
図14は、この発明の実施の形態3における回転角度検出装置の全体の構成を概略的に示す図である。図14(a)に側面断面図を示し、図14(b)に図14(a)のL−L面で切断した断面図を示す。
FIG. 14 is a diagram schematically showing an overall configuration of a rotation angle detection device according to
回転角度検出装置は、支持体20に載置される磁界検出部23を備える。磁界検出部23は2軸方向磁界検出素子を備える。この支持体20は、中央部に丘状の突出部を有し、この丘状突出部に、磁界検出部23が載置される。支持体20と対向してかつ丘状突出部を中に含むように、中空形状の回転体21が配置される。回転体21は、図14(b)に図示したように、平面形状が円形に形成される。この回転体21の内壁に、支持体20の丘状突出部の外周部と対向して、永久磁石22が配置される。永久磁石22は、たとえばサマリウム−コバルト合金で構成される。なお、回転体21と対向して配置される支持体20は、一例として方形状部および円形状部とからなる方円形状を有する。
The rotation angle detection device includes a magnetic
磁界検出部23は、支持体20内に設置される配線24a、24bおよび24cを介して直流電源2および電圧計3に接続される。磁界検出部23、直流電源2および電圧計3により、磁界検出器が構成される。磁界検出部23は、回転体21の回転中心からずらした位置に固定的に支持体20の丘状突出部上に載置される。永久磁石22の回転にしたがって、磁界検出部23に入射する磁界強度と方向が変化する。
The magnetic
磁界検出部23内の2軸方向磁界検出素子は、内部の自由層11の膜面と回転体21の回転面とが平行となるように配置される。すなわち、永久磁石22が発生せる外部磁界Hexが、この2軸方向磁界検出素子の自由層11の膜面と平行な方向に入射する。
The biaxial magnetic field detection element in the magnetic
回転体21は、その回転軸が、被検出対象の駆動部に結合され、この駆動部が、被検出対象物体の移動に応じて回転体21を回転させる。
The rotating
図14に示す回転角度検出装置の構成において、回転体21の回転角に応じて、永久磁石22からの外部磁界Hexが変化し、磁界検出部23における2軸方向磁界検出素子の自由層11の磁化方向が、外部磁界Hexの方向と強度に応じて変化する。したがって、磁界検出部23において、2軸方向磁界検出素子の各軸(X軸、Y軸)の磁界を検出する磁気抵抗効果素子の抵抗値を、電圧の変化などの形態で取出すことにより、外部磁界Hexが、2軸方向磁界検出素子のX軸に対する角度を、式(6)によって演算することができる。これにより、回転体21の回転角度を検出することができる。
In the configuration of the rotation angle detection device shown in FIG. 14, the external magnetic field Hex from the
回転体21の回転は、使用用途に応じて移動物体の移動量などのモニタ量に対応することができ、位置検出および回転量の検出を行うことができる。したがって、回転体21は、用途に応じて、その駆動機構の構成が適宜定められる。
The rotation of the
以上のように、実施の形態3における回転角度検出装置は、同一基板に2軸を構成する各軸の磁界成分を検出する素子を近接して配置した小型で、磁界分布を詳細に検出することができる2軸方向磁界検出素子を有する磁界検出器を備えたので、小型にすることができ、磁界検出範囲を広くでき、正確な回転角度を検出することができる。 As described above, the rotation angle detection apparatus according to the third embodiment is a small-sized device in which the elements for detecting the magnetic field components of the two axes on the same substrate are arranged close to each other, and detects the magnetic field distribution in detail. Since the magnetic field detector having the two-axis direction magnetic field detecting element capable of realizing the above-described structure is provided, the size can be reduced, the magnetic field detection range can be widened, and an accurate rotation angle can be detected.
また、磁界分布を詳細に検出することができる2軸方向磁界検出素子を有する磁界検出器を備えたので、永久磁石22の磁界強度を強くする必要がない。したがって、実施の形態3における回転角度検出装置から洩れる漏洩磁界を低減することができる。これにより漏洩磁界の影響が問題となる精密制御装置などにも、使用することができる。
Moreover, since the magnetic field detector having the biaxial magnetic field detecting element capable of detecting the magnetic field distribution in detail is provided, it is not necessary to increase the magnetic field strength of the
なお、磁界検出部23を回転体21の回転軸からずらした例で説明したが、この例に限らない。また、実施の形態2に示した3軸方向磁界検出素子を用いても構わない。3軸方向磁界検出素子を用いる場合は、永久磁石22が回転する回転面近傍から離れた位置に3軸方向磁界検出素子を配置しても、回転軸方向の磁界成分を検出できるので、感度の低下を招くことなく高感度の磁界検出を行うことができる。これにより、磁界検出器の配置位置の自由度を高めることができる。また、磁界検出部23と直流電源2及び電圧計3が組み込まれた磁界検出器を、支持体20に載置しても構わない。
In addition, although the example which shifted the magnetic
なお、ここで示した実施の形態1乃至3は一例であってこれに限定されるものではない。下部電極層6および上部電極層12はTa膜を用いているが、金属膜であればよく、Cu、Ru、Al、Pt膜などTa膜に限られるものではなく、これらの積層構造であってもよい。下地層7は、Ni−Fe膜を用いているが、下部電極層6と同様にTa膜やRu膜であってもよく、金属膜であればNi−Fe膜に限定されるものではない。反強磁性層8は、Ni−Mn、Ni−O、Fe−Mnであってもよい。固着層9および自由層11は強磁性体である必要があるが、Co−Ni合金、Co−Fe−Ni、Fe−Ni合金などのCo、Ni、Feのいずれかを主成分として含む金属、およびNiMnSb、Co2MnGeなどの合金であればよい。これらの膜による積層構造を有してもよい。
The first to third embodiments shown here are merely examples, and the present invention is not limited to these. The
トンネル絶縁層10は、Al2O3に限らず、Ta2O5、SiO2、MgO等の酸化物、窒化物、弗化物であってもよい。また、トンネル絶縁層10は、例えばAl膜を形成後、プラズマ酸化、自然酸化、オゾンなどによる酸化処理を行ってよい。さらに、トンネル絶縁層10の形成は、金属膜の酸化に限るものではなく、窒化、弗化であってもよい。この場合においても、酸化と同様に、ラジカル、プラズマ、反応性ガスを用いることで同様にトンネル絶縁層にすることが可能である。
The
配線4、5は、Al膜に限定されるものではなくCu膜など、その他の低抵抗金属種であってもよい。
The
それぞれの金属膜は、DCマグネトロンスパッタリングにより形成される例を示したが、例えば分子線エピタキシー(MBE)法、各種スパッタ法、化学気相成長(CVD)法、蒸着法によって形成されてもよい。 Each metal film has been shown to be formed by DC magnetron sputtering, but may be formed by, for example, molecular beam epitaxy (MBE), various sputtering, chemical vapor deposition (CVD), or vapor deposition.
素子形状の形成は、フォトリソグラフィーと反応性イオンエッチングによっても得ることが可能である。また、電子線リソグラフィー、集束イオンビームによるパターンの形成であってもよい。 The formation of the element shape can also be obtained by photolithography and reactive ion etching. Alternatively, pattern formation may be performed by electron beam lithography or a focused ion beam.
また、実施の形態1乃至3で示した磁界検出法においても、ここでは一定の直流電流を流した場合における電圧変化を読み取る方法について述べたが、交流電源を用いてもよく、一定電圧下における電流検出であってもよい。 Also, in the magnetic field detection methods shown in the first to third embodiments, a method for reading a voltage change when a constant DC current is applied is described here. However, an AC power source may be used, and a constant voltage may be used. It may be current detection.
1 磁気抵抗効果素子、8 反強磁性層、9 固着層、10 トンネル絶縁層、11 自由層、13 基板、13a 主面、13b 傾斜面、13c 傾斜面、21 回転体、22 永久磁石。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Magnetoresistance effect element, 8 Antiferromagnetic layer, 9 Fixed layer, 10 Tunnel insulating layer, 11 Free layer, 13 Substrate, 13a Main surface, 13b Inclined surface, 13c Inclined surface, 21 Rotating body, 22 Permanent magnet
Claims (6)
前記第1の磁気抵抗効果素子は、第1の反強磁性層と、前記第1の反強磁性層により磁化方向が固定される第1の固着層と、外部磁界により磁化方向が変化する第1の自由層と、前記第1の固着層と前記第1の自由層との間に配置される第1のトンネル絶縁層を有し、
前記第2の磁気抵抗効果素子は、第2の反強磁性層と、前記第2の反強磁性層により磁化方向が固定される第2の固着層と、前記外部磁界により磁化方向が変化する第2の自由層と、前記第2の固着層と前記第2の自由層との間に配置される第2のトンネル絶縁層を有し、
前記第1の反強磁性層と前記第1の固着層間の接合面における第1のブロッキング温度は、前記第2の反強磁性層と前記第2の固着層間の接合面における第2のブロッキング温度と異なり、
かつ、前記第1の固着層の磁化方向は前記第2の固着層の磁化方向と異なることを特徴とする磁界検出器。 In a magnetic field detector formed with a first magnetoresistive element and a second magnetoresistive element formed on a substrate,
The first magnetoresistive element includes a first antiferromagnetic layer, a first pinned layer whose magnetization direction is fixed by the first antiferromagnetic layer, and a first magnetization layer whose magnetization direction is changed by an external magnetic field. 1 free layer, and a first tunnel insulating layer disposed between the first pinned layer and the first free layer,
The second magnetoresistive element has a second antiferromagnetic layer, a second pinned layer whose magnetization direction is fixed by the second antiferromagnetic layer, and a magnetization direction that is changed by the external magnetic field. A second free layer; a second tunnel insulating layer disposed between the second pinned layer and the second free layer;
The first blocking temperature at the bonding surface between the first antiferromagnetic layer and the first pinned layer is the second blocking temperature at the bonding surface between the second antiferromagnetic layer and the second pinned layer. Unlike
The magnetic field detector is characterized in that the magnetization direction of the first pinned layer is different from the magnetization direction of the second pinned layer.
前記傾斜面に第3の磁気抵抗効果素子が形成され、
前記第3の磁気抵抗効果素子は、第3の反強磁性層と、前記第3の反強磁性層により磁化方向が固定される第3の固着層と、前記外部磁界により磁化方向が変化する第3の自由層と、前記第3の固着層と前記第3の自由層との間に配置される第3のトンネル絶縁層を有するともに、前記第3の固着層の磁化方向が前記主面と交わるように前記傾斜面に配置され、
前記第3の反強磁性層と前記第3の固着層間の接合面における第3のブロッキング温度は、前記第1のブロッキング温度または前記第2のブロッキング温度と等しく、
かつ、前記第1乃至3の固着層の磁化方向が夫々異なることを特徴とする請求項1または2に記載の磁界検出器。 The substrate has a main surface and an inclined surface inclined with respect to the main surface;
A third magnetoresistance effect element is formed on the inclined surface;
The third magnetoresistance effect element has a third antiferromagnetic layer, a third pinned layer whose magnetization direction is fixed by the third antiferromagnetic layer, and a magnetization direction that is changed by the external magnetic field. A third tunnel insulating layer disposed between the third free layer and the third pinned layer and the third free layer, and the magnetization direction of the third pinned layer is the main surface; Arranged on the inclined surface to intersect
A third blocking temperature at the interface between the third antiferromagnetic layer and the third pinned layer is equal to the first blocking temperature or the second blocking temperature;
3. The magnetic field detector according to claim 1, wherein the magnetization directions of the first to third pinned layers are different from each other.
前記第1の傾斜面に第3の磁気抵抗効果素子が形成され、
前記第3の磁気抵抗効果素子は、第3の反強磁性層と、前記第3の反強磁性層により磁化方向が固定される第3の固着層と、前記外部磁界により磁化方向が変化する第3の自由層と、前記第3の固着層と前記第3の自由層との間に配置される第3のトンネル絶縁層を有するともに、前記第3の固着層の磁化方向が前記主面と交わるように前記第1の傾斜面に配置され、
前記第1の磁気抵抗効果素子は前記第1の固着層の磁化方向が前記主面と交わるように前記第2の傾斜面に配置され、
前記第3の反強磁性層と前記第3の固着層間の接合面における第3のブロッキング温度は、前記第1のブロッキング温度と等しく、
かつ、前記第1乃至3の固着層の磁化方向が夫々異なることを特徴とする請求項1または2に記載の磁界検出器。 The substrate has a main surface, a first inclined surface that is inclined with respect to the main surface, and a second inclined surface that is opposed to the first inclined surface and is inclined with respect to the main surface. ,
A third magnetoresistive element is formed on the first inclined surface;
The third magnetoresistance effect element has a third antiferromagnetic layer, a third pinned layer whose magnetization direction is fixed by the third antiferromagnetic layer, and a magnetization direction that is changed by the external magnetic field. A third tunnel insulating layer disposed between the third free layer and the third pinned layer and the third free layer, and the magnetization direction of the third pinned layer is the main surface; Arranged on the first inclined surface so as to intersect
The first magnetoresistive element is disposed on the second inclined surface so that the magnetization direction of the first pinned layer intersects the main surface;
A third blocking temperature at the interface between the third antiferromagnetic layer and the third pinned layer is equal to the first blocking temperature;
3. The magnetic field detector according to claim 1, wherein the magnetization directions of the first to third pinned layers are different from each other.
請求項1乃至5のいずれか1項に記載の磁界検出器が前記磁石の磁界を検出することを特徴とする回転角度検出装置。 A rotating body and a magnet disposed on the rotating body and rotating about the axis of the rotating body;
6. A rotation angle detection device, wherein the magnetic field detector according to claim 1 detects a magnetic field of the magnet.
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