JP3835445B2 - Magnetic sensor - Google Patents

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Description

本発明は、ピンド層とフリー層とを含んでなる磁気抵抗効果素子を用いた磁気センサに関し、特に、前記ピンド層の磁化の向きが互いに交差する二以上の磁気抵抗効果素子を単一チップ上に有する磁気センサに関する。   The present invention relates to a magnetic sensor using a magnetoresistive effect element including a pinned layer and a free layer, and in particular, two or more magnetoresistive effect elements whose magnetization directions of the pinned layer intersect each other are arranged on a single chip. The present invention relates to a magnetic sensor.

従来から、磁気センサに使用され得る素子として、巨大磁気抵抗素子(GMR素子)、及び磁気トンネル効果素子(TMR素子)等が知られている。これらの磁気抵抗効果素子は、磁化の向きが所定の向きにピン(固定)されたピンド層と、磁化の向きが外部磁界に応じて変化するフリー層とを備えていて、ピンド層の磁化の向きとフリー層の磁化の向きの相対関係に応じた抵抗値を呈する(例えば、特許文献1参照。)。
特開平10−70325号公報
Conventionally, giant magnetoresistive elements (GMR elements), magnetic tunnel effect elements (TMR elements), and the like are known as elements that can be used in magnetic sensors. These magnetoresistive elements include a pinned layer whose magnetization direction is pinned (fixed) in a predetermined direction, and a free layer whose magnetization direction changes according to an external magnetic field. It exhibits a resistance value corresponding to the relative relationship between the direction and the magnetization direction of the free layer (see, for example, Patent Document 1).
Japanese Patent Laid-Open No. 10-70325

しかしながら、ピンド層の磁化の向きが互いに交差する二以上の磁気抵抗効果素子を微小な単一チップ上に形成することは困難であり、そのような単一チップは提案されておらず、従って、磁気抵抗効果素子を用いた単一チップからなる磁気センサは、ピンド層の磁化の向きの制約のために、その応用範囲を広くできないという問題があった。   However, it is difficult to form two or more magnetoresistive elements in which the magnetization directions of the pinned layer intersect each other on a small single chip, and no such single chip has been proposed. A magnetic sensor composed of a single chip using a magnetoresistive element has a problem that its application range cannot be widened due to the restriction of the magnetization direction of the pinned layer.

本発明の特徴は、ピンド層とフリー層とを含み同ピンド層の磁化の向きと同フリー層の磁化の向きがなす相対角度に応じて抵抗値が変化する磁気抵抗効果素子を備えた磁気センサであって、前記磁気抵抗効果素子を単一チップ上に複数個備えるとともに、同複数の磁気抵抗効果素子のうち少なくとも二つの磁気抵抗効果素子のピンド層の磁化の向きが互いに交差するように形成されてなることにある。   A feature of the present invention is a magnetic sensor including a magnetoresistive effect element that includes a pinned layer and a free layer, and whose resistance value changes according to a relative angle formed by the magnetization direction of the pinned layer and the magnetization direction of the free layer. A plurality of the magnetoresistive effect elements are provided on a single chip, and the magnetization directions of the pinned layers of at least two of the plurality of magnetoresistive effect elements intersect each other. There is to be done.

より具体的には、本発明により、  More specifically, according to the present invention,
ピンド層とフリー層とを含み同ピンド層の磁化の向きと同フリー層の磁化の向きがなす相対角度に応じて抵抗値が変化する巨大磁気抵抗効果素子を備えた磁気センサであって、  A magnetic sensor comprising a giant magnetoresistive element including a pinned layer and a free layer, the resistance value of which changes according to the relative angle between the direction of magnetization of the pinned layer and the direction of magnetization of the free layer,
一つの基板が切断されることにより形成されるとともに、平面視で互いに直交するX軸及びY軸に沿った辺を有する略正方形状の単一のチップと、  A single chip having a substantially square shape, which is formed by cutting one substrate and has sides along the X axis and the Y axis perpendicular to each other in plan view,
前記チップの上に形成された合計で8個の巨大磁気抵抗効果素子と、  A total of eight giant magnetoresistive elements formed on the chip;
を備え、  With
前記8個の巨大磁気抵抗効果素子は、  The eight giant magnetoresistive elements are:
前記チップのY軸方向略中央部下方でX軸負方向端部近傍に形成され、ピンド層のピンされた磁化の向きがX軸に沿う第一の方向の第1X軸GMR素子と、  A first X-axis GMR element formed in the vicinity of the end of the X-axis negative direction below the center of the chip in the Y-axis direction and in the first direction along the X-axis.
前記チップのY軸方向略中央部上方でX軸負方向端部近傍に形成され、ピンド層のピンされた磁化の向きが前記第一の方向の第2X軸GMR素子と、  A second X-axis GMR element formed in the vicinity of an end in the negative X-axis direction at a position approximately above the center in the Y-axis direction of the chip, wherein the pinned layer has a pinned magnetization direction in the first direction;
前記チップのY軸方向略中央部上方でX軸正方向端部近傍に形成され、ピンド層のピンされた磁化の向きがX軸に沿う前記第一の方向と反対の方向の第3X軸GMR素子と、  A third X-axis GMR formed in the vicinity of the positive end of the X-axis in the upper part of the Y-axis direction of the chip and in the vicinity of the positive end of the X-axis. Elements,
前記チップのY軸方向略中央部下方でX軸正方向端部近傍に形成され、ピンド層のピンされた磁化の向きがX軸に沿う前記第一の方向と反対の方向の第4X軸GMR素子と、  The fourth X-axis GMR is formed in the vicinity of the positive end of the X-axis in the lower part of the Y-axis direction of the chip and in the vicinity of the positive end of the X-axis, and the pinned magnetization direction is opposite to the first direction along the X-axis Elements,
前記チップのX軸方向略中央部左方でY軸正方向端部近傍に形成され、ピンド層のピンされた磁化の向きがY軸に沿う第二の方向の第1Y軸GMR素子と、  A first Y-axis GMR element formed in the vicinity of the Y-axis positive direction end on the left side of the center of the chip in the X-axis direction and in the second direction along the Y-axis.
前記チップのX軸方向略中央部右方でY軸正方向端部近傍に形成され、ピンド層のピンされた磁化の向きが前記第二の方向の第2Y軸GMR素子と、  A second Y-axis GMR element formed in the vicinity of the Y-axis positive direction end on the right side of the center in the X-axis direction of the chip, and the pinned magnetization direction of the pinned layer in the second direction;
前記チップのX軸方向略中央部右方でY軸負方向端部近傍に形成され、ピンド層のピンされた磁化の向きがY軸に沿う前記第二の方向と反対の方向の第3Y軸GMR素子と、  A third Y-axis formed in the vicinity of the Y-axis negative direction end on the right side of the center of the chip in the X-axis direction and in the direction opposite to the second direction along the Y-axis. A GMR element;
前記チップのX軸方向略中央部左方でY軸負方向端部近傍に形成され、ピンド層のピンされた磁化の向きがY軸に沿う前記第二の方向と反対の方向の第4Y軸GMR素子と、  A fourth Y-axis formed in the vicinity of the Y-axis negative direction end on the left side of the center of the chip in the X-axis direction and in the direction opposite to the second direction along the Y-axis. A GMR element;
からなり、  Consists of
前記第1乃至第4X軸GMR素子はフルブリッヂ接続されることによりX軸に沿って変化する外部磁界に対し同外部磁界に略比例して変化する出力電圧を示すX軸磁気センサを構成し、  The first to fourth X-axis GMR elements constitute an X-axis magnetic sensor that exhibits an output voltage that changes substantially in proportion to the external magnetic field that changes along the X-axis by being fully bridged,
前記第1乃至第4Y軸GMR素子はフルブリッヂ接続されることによりY軸に沿って変化する外部磁界に対し同外部磁界に略比例して変化する出力電圧を示すY軸磁気センサを構成している、  The first to fourth Y-axis GMR elements constitute a Y-axis magnetic sensor that exhibits an output voltage that changes substantially in proportion to the external magnetic field that changes along the Y-axis by being fully bridged. Yes,
磁気センサが提供される。  A magnetic sensor is provided.

このように、本発明の磁気センサによれば、ピンド層の磁化の向きが互いに交差する磁気抵抗効果素子が同一チップ上に形成されているので、小型で且つ応用範囲の広い磁気センサが提供される。   As described above, according to the magnetic sensor of the present invention, since the magnetoresistive effect elements having the magnetization directions of the pinned layers intersecting each other are formed on the same chip, a magnetic sensor having a small size and a wide application range is provided. The

この場合、前記単一チップに前記複数の磁気抵抗効果素子に磁界を付与するためのコイルが埋設されていてもよい。また、前記単一チップに前記複数の磁気抵抗効果素子を接続する配線が形成されていてもよい。更に、前記単一チップの上に複数のパッドが設けられるとともに同単一チップに前記複数の磁気抵抗効果素子と同複数のパッドとを接続する配線が形成されていてもよい。   In this case, a coil for applying a magnetic field to the plurality of magnetoresistive elements may be embedded in the single chip. In addition, wiring for connecting the plurality of magnetoresistive elements to the single chip may be formed. Further, a plurality of pads may be provided on the single chip, and wirings for connecting the plurality of magnetoresistive elements and the plurality of pads may be formed on the single chip.

以下、本発明による磁気センサの各実施形態について図面を参照しながら説明する。第1実施形態に係る磁気センサは、平面図である図1に示したように、例えばSiO2/Si、ガラス又は石英からなる略正方形状の基板10と、二つの磁気トンネル効果素子(群)11,21と、バイアス磁界用のコイル30と、複数の電極パッド40a〜40fとを備えている。磁気トンネル効果素子(群)11,21、及びバイアス磁界用のコイル30は、それぞれ電極パッド40a,40b、40c,40d、及び40e,40fに接続されている。磁気トンネル効果素子(群)11と磁気トンネル効果素子(群)21は構造上同一であるので、以下においては、磁気トンネル効果素子(群)11を代表例として説明し、磁気トンネル効果素子(群)21についての説明を省略する。   Embodiments of a magnetic sensor according to the present invention will be described below with reference to the drawings. As shown in FIG. 1 which is a plan view, the magnetic sensor according to the first embodiment includes a substantially square substrate 10 made of, for example, SiO 2 / Si, glass, or quartz, and two magnetic tunnel effect elements (groups) 11. , 21, a bias magnetic field coil 30, and a plurality of electrode pads 40 a to 40 f. The magnetic tunnel effect element (group) 11, 21 and the bias magnetic field coil 30 are connected to electrode pads 40a, 40b, 40c, 40d, and 40e, 40f, respectively. Since the magnetic tunnel effect element (group) 11 and the magnetic tunnel effect element (group) 21 are identical in structure, the magnetic tunnel effect element (group) 11 will be described below as a representative example. ) A description of 21 is omitted.

磁気トンネル効果素子(群)11は、拡大平面図である図2に示したように、直列接続された複数の(この例では、20個)の磁気トンネル効果素子からなっている。各磁気トンネル効果素子は、図2の1−1平面に沿った部分断面図である図3に示したように、基板10の上に平面形状を長方形状にした複数の下部電極12を備えている。下部電極12は、横方向に所定の間隔を隔てて一列に配置されていて、導電性非磁性金属材料であるTa(Cr,Tiでも良い。)により膜厚30nm程度に形成されている。各下部電極12の上には、同下部電極12と同一平面形状に形成され、膜厚30nm程度のPtMnからなる反強磁性膜13がそれぞれ積層されている。   As shown in FIG. 2 which is an enlarged plan view, the magnetic tunnel effect element (group) 11 is composed of a plurality (20 in this example) of magnetic tunnel effect elements connected in series. Each magnetic tunnel effect element includes a plurality of lower electrodes 12 having a rectangular planar shape on a substrate 10 as shown in FIG. 3 which is a partial cross-sectional view taken along the plane 1-1 of FIG. Yes. The lower electrodes 12 are arranged in a row at predetermined intervals in the horizontal direction, and are formed to a thickness of about 30 nm from Ta (Cr, Ti may be used) which is a conductive nonmagnetic metal material. On each lower electrode 12, an antiferromagnetic film 13 made of PtMn having a film thickness of about 30 nm is laminated, which is formed in the same plane shape as the lower electrode 12.

各反強磁性膜13の上には、膜厚20nm程度のNiFeからなる一対の強磁性膜14,14が間隔を隔てて積層されている。この強磁性膜14,14は、平面視において長方形状を有し、各長辺が平行に対向されるように配置されていて、反強磁性膜13により磁化の向きがピンされたピンド層を構成するものであり、部分拡大平面図である図4の矢印方向(右向き)に磁化されている。なお、反強磁性膜13と強磁性膜(ピンド層)14は、磁化の向きが実質的に固定された(固定磁化軸を有する)固定磁化層を構成している。   On each antiferromagnetic film 13, a pair of ferromagnetic films 14, 14 made of NiFe having a thickness of about 20 nm are stacked with a gap therebetween. The ferromagnetic films 14 and 14 have a rectangular shape in plan view, are arranged so that their long sides face each other in parallel, and a pinned layer whose magnetization direction is pinned by the antiferromagnetic film 13 is formed. It is configured and is magnetized in the direction of the arrow (rightward) in FIG. 4 which is a partially enlarged plan view. The antiferromagnetic film 13 and the ferromagnetic film (pinned layer) 14 constitute a fixed magnetic layer in which the magnetization direction is substantially fixed (having a fixed magnetization axis).

各強磁性膜14の上には、同強磁性膜14と同一平面形状を有する絶縁層15が形成されている。この絶縁層15は、絶縁材料であるAl2O3(Al−O)からなり、その膜厚は1nm程度となるように形成されている。   An insulating layer 15 having the same planar shape as the ferromagnetic film 14 is formed on each ferromagnetic film 14. This insulating layer 15 is made of Al2O3 (Al-O), which is an insulating material, and is formed to have a thickness of about 1 nm.

絶縁層15の上には、同絶縁層15と同一平面形状を有し、膜厚80nm程度のNiFeからなる強磁性膜16が形成されている。この強磁性膜16は、その磁化の向きが外部磁界の向きに応じて変化するフリー層(自由磁化層)を構成し、前記強磁性膜14からなるピンド層と前記絶縁層15とともに磁気トンネル接合構造を形成している。即ち、反強磁性膜13、強磁性膜14、絶縁層15、及び強磁性膜16により、一つの磁気トンネル効果素子(電極等を除く)が構成される。   On the insulating layer 15, a ferromagnetic film 16 made of NiFe having the same planar shape as the insulating layer 15 and having a thickness of about 80 nm is formed. The ferromagnetic film 16 constitutes a free layer (free magnetic layer) whose magnetization direction changes according to the direction of the external magnetic field, and a magnetic tunnel junction together with the pinned layer made of the ferromagnetic film 14 and the insulating layer 15. Forming a structure. That is, the antiferromagnetic film 13, the ferromagnetic film 14, the insulating layer 15, and the ferromagnetic film 16 constitute one magnetic tunnel effect element (excluding electrodes and the like).

各強磁性膜16の上には、同各強磁性膜16と同一平面形状のダミー膜17がそれぞれ形成されている。このダミー膜17は、膜厚40nm程度のTa膜からなる導電性非磁性金属材料により構成されている。   On each ferromagnetic film 16, a dummy film 17 having the same planar shape as each ferromagnetic film 16 is formed. The dummy film 17 is made of a conductive nonmagnetic metal material made of a Ta film having a thickness of about 40 nm.

基板10、下部電極12、反強磁性膜13、強磁性膜14、絶縁層15、強磁性膜16、及びダミー膜17を覆う領域には、複数の下部電極12及び反強磁性膜13をそれぞれ絶縁分離するとともに、各反強磁性膜13上に設けた一対の強磁性膜14、絶縁層15、強磁性膜16及びダミー膜17をそれぞれ絶縁分離するための層間絶縁層18が設けられている。層間絶縁層18はSiO2からなり、その膜厚は250nm程度である。   A plurality of lower electrodes 12 and antiferromagnetic films 13 are respectively formed in regions covering the substrate 10, the lower electrode 12, the antiferromagnetic film 13, the ferromagnetic film 14, the insulating layer 15, the ferromagnetic film 16, and the dummy film 17. In addition to insulating and isolating, an interlayer insulating layer 18 for isolating and isolating the pair of ferromagnetic films 14, insulating layer 15, ferromagnetic film 16 and dummy film 17 provided on each antiferromagnetic film 13 is provided. . The interlayer insulating layer 18 is made of SiO2, and its film thickness is about 250 nm.

この層間絶縁層18には、各ダミー膜17上にてコンタクトホール18aがそれぞれ形成されている。このコンタクトホール18aを埋設するとともに、異なる下部電極12(及び反強磁性膜13)上に設けた一対のダミー膜17,17の各一方間を互いに電気的に接続するように、例えば膜厚300nmのAlからなる上部電極19,19がそれぞれ形成されている。このように、下部電極12及び反強磁性膜13と、上部電極19とにより、隣り合う一対の磁気トンネル接合構造の各強磁性膜16,16(各ダミー膜17,17)と各反強磁性膜13,13とをそれぞれ交互に順次電気的に接続することで、ピンド層の磁化の向きが同一であって、且つ、複数の磁気トンネル接合構造を直列に接続した磁気トンネル効果素子(群)11が形成される。なお、上部電極19,19の上には図示を省略したSiO及びSiNからなる保護膜が形成されている。   In the interlayer insulating layer 18, contact holes 18a are formed on the dummy films 17, respectively. The contact hole 18a is buried and, for example, a film thickness of 300 nm is formed so as to electrically connect each of the pair of dummy films 17 and 17 provided on the different lower electrodes 12 (and the antiferromagnetic film 13). Upper electrodes 19 and 19 made of Al are respectively formed. As described above, the lower electrode 12 and the antiferromagnetic film 13 and the upper electrode 19 make the pair of adjacent ferromagnetic films 16 and 16 (the dummy films 17 and 17) and the antiferromagnetic films of the magnetic tunnel junction structure. Magnetic tunnel effect elements (group) in which the magnetization directions of the pinned layer are the same and the plurality of magnetic tunnel junction structures are connected in series by electrically connecting the films 13 and 13 alternately and sequentially. 11 is formed. A protective film made of SiO and SiN (not shown) is formed on the upper electrodes 19 and 19.

コイル30は、上記磁気トンネル効果素子(群)11,21に交流のバイアス磁界を付与するためのものであって、磁気トンネル効果素子(群)11,21の下方を同磁気トンネル効果素子(群)11,21のピンド層の磁化の向きと平行な向きに延びるように、基板10の上部内に埋設されている。   The coil 30 is for applying an AC bias magnetic field to the magnetic tunnel effect element (group) 11, 21, and the magnetic tunnel effect element (group) 11, 21 is provided below the magnetic tunnel effect element (group) 21, 21. ) It is embedded in the upper part of the substrate 10 so as to extend in a direction parallel to the magnetization direction of the pinned layers 11 and 21.

次に、上記磁気トンネル効果素子の製造方法について図5〜図17を参照しながら説明する。なお、図5〜図12及び図14〜図17においては、説明のため、4個の磁気トンネル効果素子が直列接続されてなる磁気トンネル効果素子群が示されている。また、これらの図においてはコイル30が省略されている。   Next, a method for manufacturing the magnetic tunnel effect element will be described with reference to FIGS. 5 to 12 and FIGS. 14 to 17 show a magnetic tunnel effect element group in which four magnetic tunnel effect elements are connected in series for the sake of explanation. In these drawings, the coil 30 is omitted.

先ず、図5に示したように、基板10(この段階では、後のダイシングにより複数の磁気センサが得られる一枚の基板である。)の上に下部電極12を構成するTaからなる膜を膜厚30nm程度にスパッタリングにより形成し、次いで固定磁化層の反強磁性膜13及び強磁性膜(ピンド層)14を構成するためのPtMnからなる膜及びNiFeからなる膜を、それぞれ膜厚が30nm及び20nmとなるようにスパッタリングにより形成する。ここでは、下部電極12、反強磁性膜13となるPtMn膜、及び強磁性膜14となるFeNi膜を下磁性層SJと称呼する。   First, as shown in FIG. 5, a film made of Ta constituting the lower electrode 12 is formed on a substrate 10 (in this stage, a single substrate from which a plurality of magnetic sensors are obtained by later dicing). A film made of PtMn and a film made of NiFe for forming an antiferromagnetic film 13 and a ferromagnetic film (pinned layer) 14 of a fixed magnetization layer by sputtering to a film thickness of about 30 nm each have a film thickness of 30 nm. And it forms by sputtering so that it may become 20 nm. Here, the lower electrode 12, the PtMn film serving as the antiferromagnetic film 13, and the FeNi film serving as the ferromagnetic film 14 are referred to as a lower magnetic layer SJ.

その後、Alを1nmだけ積層し、酸素ガスによってこれを酸化させて絶縁層15となるAl2O3(Al−O)からなる膜を形成する。次いで、フリー層の強磁性膜16を構成するNiFeからなる膜を例えばスパッタリングにより膜厚が80nmとなるように形成し、その上にダミー膜17を構成するTaからなる膜を膜厚が40nmとなるように形成する。ここでは、強磁性膜16及びダミー膜17を上磁性層UJと称呼する。次いで、イオンミリング等により図6に示したように上磁化層UJを加工して分離し、図7に示したように下磁性層SJを加工して分離する。   Thereafter, Al is laminated by 1 nm, and this is oxidized with oxygen gas to form a film made of Al2O3 (Al-O) to be the insulating layer 15. Next, a film made of NiFe constituting the ferromagnetic film 16 of the free layer is formed by sputtering, for example, to a film thickness of 80 nm, and a film made of Ta constituting the dummy film 17 is formed thereon with a film thickness of 40 nm. It forms so that it may become. Here, the ferromagnetic film 16 and the dummy film 17 are referred to as the upper magnetic layer UJ. Next, the upper magnetic layer UJ is processed and separated as shown in FIG. 6 by ion milling or the like, and the lower magnetic layer SJ is processed and separated as shown in FIG.

次に、図8に示したように、層間絶縁層18を構成するSiO2からなる膜を膜厚が素子上で250nmとなるようにスパッタリングによって形成し、その上にメッキ下地膜としてCrからなる膜及びNiFeからなる膜をそれぞれの膜厚が100nmおよび50nmとなるようにスパッタリングにより形成する。次に、図9に示したようにレジスト51を塗布する。レジスト51は後にメッキを行う部分を覆わないように、所定の形状にパターニングされる。   Next, as shown in FIG. 8, a film made of SiO2 constituting the interlayer insulating layer 18 is formed by sputtering so that the film thickness is 250 nm on the element, and a film made of Cr is formed thereon as a plating base film. And a film made of NiFe are formed by sputtering so that the film thicknesses become 100 nm and 50 nm, respectively. Next, a resist 51 is applied as shown in FIG. The resist 51 is patterned into a predetermined shape so as not to cover a portion to be plated later.

次いで、図10に示したように、磁場印加用磁性層としてNiCoをメッキする。このNiCоの厚さは、例えば10μmとする。そして、図11に示したようにレジストを除去した後、図12に示したように全面に対するミリング(Arミリング)により、メッキ下地膜として形成したNiFeを除去する。   Next, as shown in FIG. 10, NiCo is plated as a magnetic layer for applying a magnetic field. The thickness of this NiCо is, for example, 10 μm. Then, after removing the resist as shown in FIG. 11, NiFe formed as a plating base film is removed by milling (Ar milling) on the entire surface as shown in FIG.

図13は、かかる状態のウエハの平面図である。なお、図13においては、後のダイシングにより分割される基板の各々に便宜上符号10を付している。図13に示したように、先のレジストのパターニングにより、磁場印加用磁性層(NiCо)は個々が略正方形状であって、その中心が隣り合う4個の後に個々に分割される基板10の中心上となるように形成され、縦方向及び横方向において磁気トンネル効果素子(群)11,21の直上部を除くように(即ち、平面視において、ピンド層となる磁性層を含む下磁性層SJ(ピン層となる磁性層)が形成された磁気トンネル効果素子(群)11,21となる層を挟むように)配設される。この状態で、各磁場印加用磁性層のなす正方形の対角線に平行な方向に約1000(Oe)の強さの磁場を与え、同磁場印加用磁性層を図13の矢印Aにて示した向きに磁化(着磁)させる。   FIG. 13 is a plan view of the wafer in such a state. In FIG. 13, a reference numeral 10 is attached for convenience to each of the substrates divided by subsequent dicing. As shown in FIG. 13, the magnetic layer for applying a magnetic field (NiCо) has a substantially square shape by the patterning of the previous resist, and the center of the substrate 10 is divided into four after the adjacent four. A lower magnetic layer formed so as to be on the center and excluding the portion directly above the magnetic tunnel effect element (group) 11 and 21 in the vertical and horizontal directions (that is, including a magnetic layer to be a pinned layer in plan view) SJ (magnetic layer serving as a pinned layer) is disposed (so as to sandwich a layer serving as the magnetic tunnel effect element (group) 11 and 21). In this state, a magnetic field having a strength of about 1000 (Oe) is applied in a direction parallel to the square diagonal line formed by each magnetic field application magnetic layer, and the magnetic field application magnetic layer is oriented in the direction indicated by arrow A in FIG. Is magnetized (magnetized).

次いで、上記磁場を除去する。このとき、磁場印加用磁性層の残留磁化により、図13の矢印Bにて示したように、各磁場印加用磁性層の上辺から隣接する磁場印加用磁性層の下辺に向う磁場と、同各磁場印加用磁性層の右辺から隣接する磁場印加用磁性層の左辺に向う磁場が生じる。このため、磁気トンネル効果素子(群)11,21となる部分には、同部分の長手方向に平行な磁場が印加される。そして、PtMnからなる反強磁性膜13を規則合金化するとともに交換結合磁界Hexを付与するため、ウエハを高温環境下に置く高温アニ−ル処理を施す。この結果、同一基板10の上に形成される磁気トンネル効果素子(群)11,21が、互いに異なる向き(この場合には、互いに直交する向き)に磁化された(ピンされた)ピンド層を有するようになる。即ち、各磁気トンネル効果素子(群)11,21は、図1に矢印にて示した方向の磁化固定軸を有するようになる。   Next, the magnetic field is removed. At this time, due to the residual magnetization of the magnetic field application magnetic layer, as indicated by the arrow B in FIG. 13, the magnetic fields from the upper side of each magnetic field application magnetic layer toward the lower side of the adjacent magnetic field application magnetic layer A magnetic field is generated from the right side of the magnetic field application magnetic layer toward the left side of the adjacent magnetic field application magnetic layer. For this reason, a magnetic field parallel to the longitudinal direction of the portions to be the magnetic tunnel effect elements (groups) 11 and 21 is applied. Then, in order to alloy the antiferromagnetic film 13 made of PtMn and provide an exchange coupling magnetic field Hex, a high temperature annealing process is performed in which the wafer is placed in a high temperature environment. As a result, the magnetic tunnel effect elements (groups) 11 and 21 formed on the same substrate 10 have pinned layers magnetized (pinned) in different directions (in this case, directions orthogonal to each other). To have. That is, each magnetic tunnel effect element (group) 11 and 21 has a magnetization fixed axis in the direction indicated by the arrow in FIG.

次いで、図14に示したように、メッキ膜であるNiCo及びスパッタされた(メッキ下地膜の)NiFeを酸により除去し、図15に示したようにミリングによってCrを除去する。その後、図16に示したようにコンタクトホール18aを層間絶縁層18に形成し、図17に示したようにAl膜をその膜厚が300nmとなるようにスパッタリングにより形成し、これを配線形状に加工して上部電極19を形成する。   Next, as shown in FIG. 14, NiCo as a plating film and sputtered NiFe (of the plating base film) are removed by acid, and Cr is removed by milling as shown in FIG. Thereafter, contact holes 18a are formed in the interlayer insulating layer 18 as shown in FIG. 16, and an Al film is formed by sputtering so as to have a film thickness of 300 nm as shown in FIG. The upper electrode 19 is formed by processing.

そして、基板10の上に図1に示した電極パッド40a〜40fを形成して、同電極パッド40a〜40fを磁気トンネル効果素子(群)11,21、及びコイル30とそれぞれ接続する。最後に、CVDにより150nmの膜厚を有するSiOからなる膜(図示省略)、及び1000nmの膜厚を有するSiNからなる膜(図示省略)を保護膜(パッシベーション膜)として形成する。この後、保護膜の一部をミリング、RIE、又はレジストマスクを用いたエッチングにより開孔し、電極パッド40a〜40fを露出させる。次いで、基板のバックグラウンド(研削して薄くする)を行い、ダイシングにより個々の磁気センサに分離し、最後にパッケージングを行う。   Then, the electrode pads 40 a to 40 f shown in FIG. 1 are formed on the substrate 10, and the electrode pads 40 a to 40 f are connected to the magnetic tunnel effect elements (groups) 11 and 21 and the coil 30, respectively. Finally, a film made of SiO (not shown) having a thickness of 150 nm and a film (not shown) made of SiN having a thickness of 1000 nm are formed as a protective film (passivation film) by CVD. Thereafter, a part of the protective film is opened by milling, RIE, or etching using a resist mask to expose the electrode pads 40a to 40f. Next, the substrate is ground (thinned and thinned), separated into individual magnetic sensors by dicing, and finally packaged.

このように製造された図1に示した磁気トンネル効果素子(群)11に対し、図1のX軸方向と同X軸に直交するY軸方向のそれぞれの軸に沿って大きさが変化する外部磁界を与え、そのときの抵抗変化率MR(MR比)を測定した。その結果を図18及び図19に示す。図18及び図19から明らかなように、磁気トンネル効果素子(群)11のMR比は、X軸方向に変化する外部磁界に対する方が、Y軸方向に変化する外部磁界に対するよりも大きく変化した。これにより、磁気トンネル効果素子(群)11は、そのピンド層の磁化の向きがX軸に平行となっていることが確認された。   With respect to the magnetic tunnel effect element (group) 11 shown in FIG. 1 manufactured in this way, the size changes along the X-axis direction and the Y-axis direction orthogonal to the X-axis direction in FIG. An external magnetic field was applied, and the resistance change rate MR (MR ratio) at that time was measured. The results are shown in FIGS. As is apparent from FIGS. 18 and 19, the MR ratio of the magnetic tunnel effect element (group) 11 changed more greatly with respect to the external magnetic field changing in the X-axis direction than with respect to the external magnetic field changing in the Y-axis direction. . This confirmed that the magnetization direction of the pinned layer of the magnetic tunnel effect element (group) 11 was parallel to the X axis.

同様に、図1に示した磁気トンネル効果素子(群)21に対し、X軸方向とY軸方向のそれぞれの軸に沿って大きさが変化する外部磁界を与え、そのときの抵抗変化率MR(MR比)を測定した。その結果を図20及び図21に示す。図20及び図21から明らかなように、磁気トンネル効果素子(群)21のMR比は、Y軸方向に変化する外部磁界に対する方が、X軸方向に変化する外部磁界に対するよりも大きく変化した。これにより、磁気トンネル効果素子(群)21は、そのピンド層の磁化の向きがY軸に平行となっていることが確認された。即ち、この磁気センサは、同一基板10上に磁化の向きが互いに異なるように(磁化の向きが互いに交差するように)ピンされたピンド層を有する二つの磁気トンネル効果素子(磁気抵抗効果素子)を有していることが確認された。   Similarly, an external magnetic field whose magnitude varies along the X-axis direction and the Y-axis direction is applied to the magnetic tunnel effect element (group) 21 shown in FIG. 1, and the resistance change rate MR at that time is given. (MR ratio) was measured. The results are shown in FIGS. As is apparent from FIGS. 20 and 21, the MR ratio of the magnetic tunnel effect element (group) 21 changed more greatly with respect to the external magnetic field changing in the Y-axis direction than with respect to the external magnetic field changing in the X-axis direction. . This confirmed that the magnetization direction of the pinned layer of the magnetic tunnel effect element (group) 21 was parallel to the Y axis. That is, this magnetic sensor has two magnetic tunnel effect elements (magnetoresistance effect elements) having pinned layers pinned so that the directions of magnetization are different from each other on the same substrate 10 (so that the directions of magnetization intersect each other). It was confirmed that

次に、第2実施形態に係る磁気センサについて説明すると、第2実施形態は、第1実施形態の固定磁化層がPtMnとNiFeとから構成されていたのに対し、第2実施形態の固定磁化層が膜厚が30nmのMnRhからなる膜と膜厚が40nmのNiFe(ピンド層)からなる膜とにより構成されている点においてのみ同第1実施形態と異なる。一方、この固定磁化層の材質の相違により、第2実施形態の製造方法は第1実施形態のそれと若干だけ異なるので、以下に説明する。   Next, a magnetic sensor according to the second embodiment will be described. In the second embodiment, the fixed magnetization layer of the first embodiment is composed of PtMn and NiFe, whereas the fixed magnetization of the second embodiment is described. It differs from the first embodiment only in that the layer is composed of a film made of MnRh having a thickness of 30 nm and a film made of NiFe (pinned layer) having a thickness of 40 nm. On the other hand, the manufacturing method of the second embodiment is slightly different from that of the first embodiment due to the difference in the material of the fixed magnetic layer, and will be described below.

即ち、第2実施形態においては、図22に示したように、基板10の上に30nmの膜厚を有するTaからなる膜、30nmの膜厚を有するMnRhからなる膜、及び40nmの膜厚を有するNiFeからなる膜をスパッタリングにより形成し下磁性層SJを形成する。次いで1nmのAlを成膜してこれを酸化し、絶縁層15を形成する。その上に40nmの膜厚を有するNiFeからなる膜及び40nmの膜厚を有するTaからなる膜を形成して上磁性層UJを形成する。   That is, in the second embodiment, as shown in FIG. 22, a film made of Ta having a film thickness of 30 nm, a film made of MnRh having a film thickness of 30 nm, and a film thickness of 40 nm are formed on the substrate 10. A film made of NiFe is formed by sputtering to form the lower magnetic layer SJ. Next, 1 nm of Al is deposited and oxidized to form an insulating layer 15. A film made of NiFe having a thickness of 40 nm and a film made of Ta having a thickness of 40 nm are formed thereon to form the upper magnetic layer UJ.

次いで、図23に示したように上磁化層UJを加工して分離し、図24に示したように下磁性層SJを加工して分離する。次に、図25に示したように、SiO2をその膜厚が250nmとなるようにスパッタリングして層間絶縁層18を形成し、続いて図26に示したように同層間絶縁層18にコンタクトホール18aを形成する。次いで、図27に示したようにAlをその膜厚が300nmとなるようにスパッタリングし、これを配線形状に加工して上部電極19を形成する。そして、図28に示したようにSiO及びSiNからなる保護膜20をCVDにより形成する。   Next, the upper magnetic layer UJ is processed and separated as shown in FIG. 23, and the lower magnetic layer SJ is processed and separated as shown in FIG. Next, as shown in FIG. 25, SiO2 is sputtered to a thickness of 250 nm to form an interlayer insulating layer 18, and subsequently, contact holes are formed in the interlayer insulating layer 18 as shown in FIG. 18a is formed. Next, as shown in FIG. 27, Al is sputtered to a film thickness of 300 nm, and this is processed into a wiring shape to form the upper electrode 19. Then, as shown in FIG. 28, a protective film 20 made of SiO and SiN is formed by CVD.

次に、図29に示したように、メッキ下地膜としてCrからなる膜及びNiFeからなる膜をそれぞれの膜厚が100nmおよび50nmとなるようにスパッタリングにより形成し、続いて図30に示したようにレジスト51を塗布する。レジスト51は後にメッキを行う部分を覆わないように、所定の形状にパターニングされる。   Next, as shown in FIG. 29, a film made of Cr and a film made of NiFe are formed by sputtering so that the film thicknesses become 100 nm and 50 nm, respectively, as the plating base film, and subsequently, as shown in FIG. A resist 51 is applied to the substrate. The resist 51 is patterned into a predetermined shape so as not to cover a portion to be plated later.

次いで、図31に示したように、磁場印加用磁性層としてNiCoをメッキする。このNiCоの厚さは、例えば10μmとする。そして、図32に示したようにレジストを除去した後、図33に示したように全面に対するミリング(Arミリング)により、メッキ下地膜として形成したNiFeを除去する。この時点で、図13に示した状態となるので、各磁場印加用磁性層のなす正方形の対角線に平行な方向に約1000(Oe)の強さの磁場を与え、同磁場印加用磁性層を図13の矢印Aにて示した向きに磁化(着磁)させ、その後、同磁場を除去する。   Next, as shown in FIG. 31, NiCo is plated as a magnetic layer for applying a magnetic field. The thickness of this NiCо is, for example, 10 μm. Then, after removing the resist as shown in FIG. 32, NiFe formed as a plating base film is removed by milling (Ar milling) on the entire surface as shown in FIG. At this time, since the state shown in FIG. 13 is obtained, a magnetic field having a strength of about 1000 (Oe) is applied in a direction parallel to the square diagonal line formed by each magnetic field application magnetic layer, and the magnetic field application magnetic layer is Magnetization (magnetization) is performed in the direction indicated by the arrow A in FIG. 13, and then the magnetic field is removed.

このとき、後に各磁気トンネル効果素子(群)11´,21´となる部分には、NiCоの残留磁化により、同部分の長手方向に平行な磁場が印加されることになる。そして、ウエハを高温環境下に置く高温アニ−ル処理を施す。この結果、同一基板10´上に形成される磁気トンネル効果素子(群)11´,21´が、互いに異なる向き(この場合には、互いに直交する向き)に磁化された(ピンされた)ピンド層を有することになる。高温アニール処理が終了した後は、図34に示したように酸によってメッキ膜NiCо及びメッキ下地膜のNiFeを除去し、図35に示したようにミリングによってメッキ下地膜Crを除去する。その後は、第1実施形態と同様の処理を施す。   At this time, a magnetic field parallel to the longitudinal direction of the part is applied to the part to be the magnetic tunnel effect element (group) 11 ′ and 21 ′ later due to the residual magnetization of NiCо. Then, a high temperature annealing process is performed in which the wafer is placed in a high temperature environment. As a result, the magnetic tunnel effect elements (groups) 11 ′ and 21 ′ formed on the same substrate 10 ′ are magnetized (pinned) in different directions (in this case, directions orthogonal to each other). Will have a layer. After the high temperature annealing process is completed, the plating film NiCо and the NiFe of the plating base film are removed by acid as shown in FIG. 34, and the plating base film Cr is removed by milling as shown in FIG. Thereafter, the same processing as in the first embodiment is performed.

このように製造された図1に示した磁気トンネル効果素子(群)11´に対し、X軸方向とY軸方向のそれぞれの軸に沿って大きさが変化する外部磁界を与え、そのときの抵抗変化率MR(MR比)を測定した。その結果を図36及び図37に示す。図36及び図37から明らかなように、磁気トンネル効果素子(群)11´のMR比は、X軸方向に変化する外部磁界に対する方が、Y軸方向に変化する外部磁界に対するよりも大きく変化した。これにより、磁気トンネル効果素子(群)11´は、そのピンド層の磁化の向きがX軸に平行となっていることが確認された。   The magnetic tunnel effect element (group) 11 ′ shown in FIG. 1 manufactured in this way is given an external magnetic field whose magnitude varies along the X-axis direction and the Y-axis direction. Resistance change rate MR (MR ratio) was measured. The results are shown in FIGS. 36 and 37. As is apparent from FIGS. 36 and 37, the MR ratio of the magnetic tunnel effect element (group) 11 ′ changes more greatly with respect to the external magnetic field changing in the X-axis direction than with respect to the external magnetic field changing in the Y-axis direction. did. This confirmed that the magnetization direction of the pinned layer of the magnetic tunnel effect element (group) 11 ′ was parallel to the X axis.

同様に、図1に示した磁気トンネル効果素子(群)21´に対し、X軸方向とY軸方向のそれぞれの軸に沿って大きさが変化する外部磁界を与え、そのときの抵抗変化率MR(MR比)を測定した。その結果を図38及び図39に示す。図38及び図39から明らかなように、磁気トンネル効果素子(群)21´のMR比は、Y軸方向に変化する外部磁界に対する方が、X軸方向に変化する外部磁界に対するよりも大きく変化した。これにより、磁気トンネル効果素子(群)21´は、そのピンド層の磁化の向きがY軸に平行となっていることが確認された。即ち、この第2実施形態に係る磁気センサは、同一基板10´上に磁化の向きが互いに交差する(異なる)ようにピンされたピンド層を有する二つの磁気トンネル効果素子(磁気抵抗効果素子)を有していることが確認された。   Similarly, an external magnetic field whose magnitude varies along the X-axis direction and the Y-axis direction is applied to the magnetic tunnel effect element (group) 21 'shown in FIG. 1, and the resistance change rate at that time MR (MR ratio) was measured. The results are shown in FIGS. 38 and 39. As is apparent from FIGS. 38 and 39, the MR ratio of the magnetic tunnel effect element (group) 21 ′ changes more greatly with respect to the external magnetic field changing in the Y-axis direction than with respect to the external magnetic field changing in the X-axis direction. did. This confirmed that the magnetization direction of the pinned layer of the magnetic tunnel effect element (group) 21 ′ was parallel to the Y axis. That is, the magnetic sensor according to the second embodiment has two magnetic tunnel effect elements (magnetoresistance effect elements) each having a pinned layer pinned on the same substrate 10 'so that the directions of magnetization intersect (different). It was confirmed that

以上、説明したように、第1,第2実施形態の磁気センサはピンド層の磁化の向きが互いに交差する(少なくとも二つのピンド層の磁化の向きのなす角度が0°、及び180°以外の角度である)磁気トンネル効果素子を同一基板上(単一チップ上)に有している。このため、異なる向きの磁界を検出する必要がある小型磁気センサ(例えば、地磁気センサ等)として用いることができる。また、上記各実施形態の製造方法によれば、このようなセンサを容易に製造することができる。   As described above, in the magnetic sensors of the first and second embodiments, the magnetization directions of the pinned layers intersect each other (the angles formed by the magnetization directions of at least two pinned layers are other than 0 ° and 180 °). The magnetic tunnel effect element (which is an angle) is provided on the same substrate (on a single chip). For this reason, it can be used as a small magnetic sensor (for example, a geomagnetic sensor) that needs to detect magnetic fields in different directions. Moreover, according to the manufacturing method of each said embodiment, such a sensor can be manufactured easily.

なお、第1実施形態では固定磁化層のピン層にPtMnを使用しているが、PtMnは最初に高温とするタイミングでピンド層をピンさせる必要があるため、保護膜形成のためのCVD等の高温処理がなされる前の段階で高温アニール処理を行う。これに対し、第2実施形態では固定磁化層のピン層にMnRhを使用していて、MnRhの膜質は高温アニール処理後に他の高温処理があると劣化する。そこで、第2実施形態においては、高温アニール処理を保護膜形成のためのCVD等の高温処理後に行うこととした。   In the first embodiment, PtMn is used for the pinned layer of the pinned magnetic layer. However, since PtMn needs to pin the pinned layer at the first high temperature, such as CVD for protective film formation. High-temperature annealing is performed at a stage prior to high-temperature treatment. In contrast, in the second embodiment, MnRh is used for the pinned layer of the pinned magnetic layer, and the film quality of MnRh deteriorates if there is another high-temperature treatment after the high-temperature annealing treatment. Therefore, in the second embodiment, the high temperature annealing treatment is performed after the high temperature treatment such as CVD for forming the protective film.

また、上記第1,第2実施形態の製造方法によれば、検出しようとする外部磁界に対して偶関数特性を示す磁気トンネル効果素子(群)を得ることができる。即ち、磁気トンネル効果素子群11,21,11´,21´に対してピンド層の磁化の向きと直交する方向内で大きさが変化する磁界を付与すると、同ピンド層の磁化は図40のラインLPにより示したように滑らかに変化する。一方、これらの素子のフリー層は、形状異方性により前記外部磁界の向きに敏感に反応し、図40のラインLFにより示したように外部磁界の大きさが「0」近傍となるとステップ的に変化する。この結果、ピンド層の磁化の向きとフリー層の磁化の向きの相対角度は、外部磁界が「0」のとき最大(略90°)となり、外部磁界の大きさ(絶対値)が大きくなるほど減少する。このことは、図19、図20、図37、及び図38により確認できる。   Moreover, according to the manufacturing method of the said 1st, 2nd embodiment, the magnetic tunnel effect element (group) which shows an even function characteristic with respect to the external magnetic field which it is going to detect can be obtained. That is, when the magnetic tunnel effect element group 11, 21, 11 ', 21' is given a magnetic field whose magnitude changes in the direction orthogonal to the magnetization direction of the pinned layer, the magnetization of the pinned layer is as shown in FIG. It changes smoothly as shown by the line LP. On the other hand, the free layer of these elements reacts sensitively to the direction of the external magnetic field due to the shape anisotropy, and when the magnitude of the external magnetic field is in the vicinity of “0” as shown by the line LF in FIG. To change. As a result, the relative angle between the magnetization direction of the pinned layer and the magnetization direction of the free layer becomes maximum (approximately 90 °) when the external magnetic field is “0”, and decreases as the magnitude (absolute value) of the external magnetic field increases. To do. This can be confirmed from FIG. 19, FIG. 20, FIG. 37, and FIG.

更に、図13からも明らかなように、各磁場印加磁性層であるメッキ膜(NiCо)を同図13中矢印Aで示す一定の方向に磁化させた場合、同各メッキ膜の残留磁化により同各メッキ膜間に発生する磁場の向きは同メッキ膜の磁化の向きとは異なり、同図中矢印Bで示したように同メッキ膜Mの端面に垂直な向きとなる。従って、例えば、図41に示したようにメッキ膜Mの端面形状を設計し同メッキ膜を矢印Cの向きに磁化すれば、ウエハ上の適宜の箇所に局所的に所望の向き(矢印Dにて示す向き)を有する磁場を発生させることができるので、これを利用して単一基板上に所望の向きの固定磁化軸を有する磁気トンネル効果素子(単一チップ上でピンド層の磁化の向きが互いに交差する磁気トンネル効果素子)TMR1,TMR2を製造することが可能となる。   Furthermore, as is apparent from FIG. 13, when the plating film (NiCо), which is the magnetic field application magnetic layer, is magnetized in a fixed direction indicated by the arrow A in FIG. The direction of the magnetic field generated between the plating films is different from the magnetization direction of the plating film, and is perpendicular to the end face of the plating film M as indicated by an arrow B in the figure. Therefore, for example, if the end face shape of the plating film M is designed as shown in FIG. 41 and the plating film is magnetized in the direction of the arrow C, a desired direction (in the direction of the arrow D is indicated) at an appropriate location on the wafer. A magnetic tunnel effect element having a fixed magnetization axis in a desired direction on a single substrate (the direction of magnetization of the pinned layer on a single chip). Magnetic tunnel effect elements TMR1 and TMR2 crossing each other can be manufactured.

次に、本発明の第3実施形態に係る磁気センサについて説明すると、上記第1,第2実施形態の磁気センサはTMR素子により構成されていたのに対し、第3実施形態の磁気センサはGMR素子により構成されている。また、この磁気センサは、X軸方向の磁界を検出するX軸磁気センサと、前記X軸に直交するY軸方向の磁界を検出するY軸磁気センサとを備えている。   Next, the magnetic sensor according to the third embodiment of the present invention will be described. The magnetic sensor of the first and second embodiments is composed of a TMR element, whereas the magnetic sensor of the third embodiment is a GMR. It is comprised by the element. The magnetic sensor also includes an X-axis magnetic sensor that detects a magnetic field in the X-axis direction, and a Y-axis magnetic sensor that detects a magnetic field in the Y-axis direction orthogonal to the X-axis.

より具体的に述べると、この磁気センサ60は、図42に示したように、平面視で互いに直交するX軸、及びY軸に沿った辺を有する長方形状(略正方形状)であって、X軸、及びY軸に直交するZ軸方向に小さな厚みを有する石英ガラスからなる単一のチップ(同一基板)60aと、同チップ60aの上に形成された合計で8個のGMR素子61〜64,71〜74と、同チップ60aの上に形成された合計で8個のパッド65〜68,75〜78、及び各パッドと各素子とを接続する接続線を含んでいる。   More specifically, as shown in FIG. 42, the magnetic sensor 60 has a rectangular shape (substantially square shape) having sides along the X axis and the Y axis that are orthogonal to each other in a plan view. A single chip (same substrate) 60a made of quartz glass having a small thickness in the Z-axis direction orthogonal to the X-axis and the Y-axis, and a total of eight GMR elements 61 to 61 formed on the chip 60a. 64, 71 to 74, a total of eight pads 65 to 68 and 75 to 78 formed on the chip 60a, and a connection line for connecting each pad to each element.

第1X軸GMR素子61は、チップ60aのY軸方向略中央部下方でX軸負方向端部近傍に形成されていて、図42の矢印にて示したように、ピンド層のピンされた磁化の向きはX軸負方向となっている。第2X軸GMR素子62は、チップ60aのY軸方向略中央部上方でX軸負方向端部近傍に形成されていて、図42の矢印にて示したように、ピンド層のピンされた磁化の向きはX軸負方向となっている。第3X軸GMR素子63は、チップ60aのY軸方向略中央部上方でX軸正方向端部近傍に形成されていて、図42の矢印にて示したように、ピンド層のピンされた磁化の向きはX軸正方向となっている。第4X軸GMR素子64は、チップ60aのY軸方向略中央部下方でX軸正方向端部近傍に形成されていて、図42の矢印にて示したように、ピンド層のピンされた磁化の向きはX軸正方向となっている。   The first X-axis GMR element 61 is formed in the vicinity of the end in the X-axis negative direction below the center of the chip 60a in the Y-axis direction, and as shown by the arrow in FIG. 42, the pinned layer pinned magnetization. Is in the negative X-axis direction. The second X-axis GMR element 62 is formed in the vicinity of the end in the X-axis negative direction above the center in the Y-axis direction of the chip 60a, and as shown by the arrow in FIG. 42, the pinned layer pinned magnetization Is in the negative X-axis direction. The third X-axis GMR element 63 is formed in the vicinity of the end in the X-axis positive direction above the center of the chip 60a in the Y-axis direction, and as shown by the arrow in FIG. 42, the pinned layer pinned magnetization. Is in the positive direction of the X axis. The fourth X-axis GMR element 64 is formed in the vicinity of the end in the X-axis positive direction below the center of the chip 60a in the Y-axis direction, and as shown by the arrow in FIG. 42, the pinned layer pinned magnetization. Is in the positive direction of the X axis.

第1Y軸GMR素子71は、チップ60aのX軸方向略中央部左方でY軸正方向端部近傍に形成されていて、図42の矢印にて示したように、ピンド層のピンされた磁化の向きはY軸正方向となっている。第2Y軸GMR素子72は、チップ60aのX軸方向略中央部右方でY軸正方向端部近傍に形成されていて、図42の矢印にて示したように、ピンド層のピンされた磁化の向きはY軸正方向となっている。第3Y軸GMR素子73は、チップ60aのX軸方向略中央部右方でY軸負方向端部近傍に形成されていて、図42の矢印にて示したように、ピンド層のピンされた磁化の向きはY軸負方向となっている。第4Y軸GMR素子74は、チップ60aのX軸方向略中央部左方でY軸負方向端部近傍に形成されていて、図42の矢印にて示したように、ピンド層のピンされた磁化の向きはY軸負方向となっている。   The first Y-axis GMR element 71 is formed in the vicinity of the Y-axis positive direction end on the left side of the center portion of the chip 60a in the X-axis direction and pinned in the pinned layer as indicated by the arrow in FIG. The direction of magnetization is the Y axis positive direction. The second Y-axis GMR element 72 is formed in the vicinity of the Y-axis positive direction end on the right side of the center of the chip 60a in the X-axis direction and pinned in the pinned layer as indicated by the arrow in FIG. The direction of magnetization is the Y axis positive direction. The third Y-axis GMR element 73 is formed in the vicinity of the Y-axis negative direction end on the right side of the center of the chip 60a in the X-axis direction and pinned on the pinned layer as indicated by the arrow in FIG. The direction of magnetization is the negative Y-axis direction. The fourth Y-axis GMR element 74 is formed in the vicinity of the Y-axis negative direction end on the left side in the approximate center of the X-axis direction of the chip 60a, and pinned in the pinned layer as indicated by the arrow in FIG. The direction of magnetization is the negative Y-axis direction.

各GMR素子61〜64,71〜74は、チップ60aにおける配置(チップ60aに対するピンド層のピンされた磁化の向き)が異なる点を除き、互いに実質的に同一の構造を備えている。従って、以下、第1X軸GMR素子61を代表例として、その構造について説明する。   The GMR elements 61 to 64 and 71 to 74 have substantially the same structure except that the arrangement in the chip 60a (the pinned magnetization direction of the pinned layer with respect to the chip 60a) is different. Accordingly, the structure of the first X-axis GMR element 61 will be described below as a representative example.

第1X軸GMR素子61は、平面図である図43、及び、図43の2−2線に沿った平面にて第1X軸GMR素子61を切断した概略断面図である図44に示したように、スピンバルブ膜SVからなりY軸方向に長手方向を有する複数の幅狭帯状部61a…61aと、各幅狭帯状部61aのY軸方向両端部の下方に形成されたCoCrPt等の硬質強磁性体であって、高保磁力、高角型比を有する材質からなるバイアス磁石膜(硬質強磁性体薄膜層)61b…61bとを備えている。各幅狭帯状部61a…61aは、各バイアス磁石膜61bの上面にてX軸方向に伸びて隣接する幅狭帯状部61aと接合している。   The first X-axis GMR element 61 is as shown in FIG. 43, which is a plan view, and FIG. 44, which is a schematic cross-sectional view of the first X-axis GMR element 61 taken along the plane 2-2 in FIG. In addition, a plurality of narrow strip portions 61a... 61a made of a spin valve film SV and having a longitudinal direction in the Y-axis direction, and a hard strong material such as CoCrPt formed below both ends of the narrow strip portions 61a in the Y-axis direction. Bias magnet films (hard ferromagnetic thin film layers) 61b... 61b made of a magnetic material having a high coercive force and a high squareness ratio are provided. Each narrow strip portion 61a ... 61a extends in the X-axis direction on the upper surface of each bias magnet film 61b and is joined to the adjacent narrow strip portion 61a.

第1X軸GMR素子61のスピンバルブ膜SVは、図45に膜構成を示したように、基板であるチップ60aの上に順に積層されたフリー層(自由層、自由磁化層)F、膜厚が2.4nm(24Å)のCuからなる導電性のスペーサ層S、ピン層(固着層、固定磁化層)P、及び膜厚が2.5nm(25Å)のチタン(Ti)又はタンタル(Ta)からなるキャッピング層Cからなっている。   As shown in FIG. 45, the spin valve film SV of the first X-axis GMR element 61 has a free layer (free layer, free magnetic layer) F stacked in order on a chip 60a as a substrate, and a film thickness. Is a conductive spacer layer S made of Cu having a thickness of 2.4 nm (24 mm), a pinned layer (fixed layer, fixed magnetic layer) P, and titanium (Ti) or tantalum (Ta) having a thickness of 2.5 nm (25 mm). The capping layer C is made of

フリー層Fは、外部磁界の向きに応じて磁化の向きが変化する層であり、基板60aの直上に形成された膜厚が8nm(80Å)のCoZrNbアモルファス磁性層61−1と、CoZrNbアモルファス磁性層61−1の上に形成された膜厚が3.3nm(33Å)のNiFe磁性層61−2と、NiFe磁性層61−2の上に形成された1〜3nm(10〜30Å)程度の膜厚のCoFe層61−3とからなっている。CoZrNbアモルファス磁性層61−1とNiFe磁性層61−2は軟質強磁性体薄膜層を構成している。CoFe層61−3はNiFe層61−2のNi、及びスペーサ層SのCu61−4の拡散を防止するものである。なお、前述したバイアス磁石膜61b…61bは、フリー層Fの一軸異方性を維持するため、同フリー層Fに対してY軸方向(図43の矢印にて示した左右方向)にバイアス磁界を与えている。   The free layer F is a layer in which the direction of magnetization changes according to the direction of the external magnetic field. The NiFe magnetic layer 61-2 having a thickness of 3.3 nm (33 Å) formed on the layer 61-1 and the about 1-3 nm (10 to 30 Å) formed on the NiFe magnetic layer 61-2 The CoFe layer 61-3 has a thickness. The CoZrNb amorphous magnetic layer 61-1 and the NiFe magnetic layer 61-2 constitute a soft ferromagnetic thin film layer. The CoFe layer 61-3 prevents diffusion of Ni in the NiFe layer 61-2 and Cu61-4 in the spacer layer S. The above-described bias magnet films 61b... 61b maintain a uniaxial anisotropy of the free layer F so that the bias magnetic field in the Y-axis direction (the left-right direction indicated by the arrow in FIG. 43) with respect to the free layer F. Is given.

ピン層Pは、膜厚が2.2nm(22Å)のCoFe磁性層61−5と、Ptを45〜55mol%含むPtMn合金から形成した膜厚が24nm(240Å)の反強磁性膜61−6とを重ね合わせたものである。CoFe磁性層61−5は、着磁(磁化)された反強磁性膜61−6に交換結合的に裏打されることにより磁化(磁化ベクトル)の向きがX軸負方向にピン(固着)されるピンド層を構成している。   The pinned layer P is composed of a CoFe magnetic layer 61-5 with a thickness of 2.2 nm (22 Å) and an antiferromagnetic film 61-6 with a thickness of 24 nm (240 Å) formed from a PtMn alloy containing 45 to 55 mol% of Pt. Are superimposed. The CoFe magnetic layer 61-5 is back-coupled to the magnetized (magnetized) antiferromagnetic film 61-6 in an exchange coupling manner so that the direction of magnetization (magnetization vector) is pinned (fixed) in the negative X-axis direction. This constitutes a pinned layer.

このように構成された第1X軸GMR素子61は、図46の実線にて示したように、X軸に沿って変化する外部磁界に対し、−Hc〜+Hcの範囲において、同外部磁界に略比例して変化する抵抗値を呈し、図46の破線にて示したように、Y軸に沿って変化する外部磁界に対しては略一定の抵抗値を呈する。   As shown by the solid line in FIG. 46, the first X-axis GMR element 61 configured in this manner is substantially resistant to the same external magnetic field in the range of −Hc to + Hc with respect to the external magnetic field changing along the X-axis. It exhibits a resistance value that varies in proportion, and exhibits a substantially constant resistance value for an external magnetic field that varies along the Y axis, as indicated by the broken line in FIG.

X軸磁気センサは、図47に等価回路を示したように、第1〜第4X軸GMR素子61〜64がフルブリッヂ接続されることにより構成されている。なお、図47において、矢印は各GMR素子61〜64の固着層のピンされた磁化の向きを示している。このような構成において、パッド67、及びパッド68は、それぞれ図示しない定電圧源の正極,負極に接続され、電位Vxin+(本例では5(V))と電位Vxin-(本例では0(V))が付与される。そして、パッド65とパッド66の電位がそれぞれ電位Vxout+と電位Vxout-として取り出され、その電位差(Vxout+ − Vxout-)がセンサ出力Vxoutとして取り出される。この結果、X軸磁気センサは、図48の実線にて示したように、X軸に沿って変化する外部磁界に対し、−Hc〜+Hcの範囲において、同外部磁界に略比例して変化する出力電圧Vxoutを示し、図48の破線にて示したように、Y軸に沿って変化する外部磁界に対しては略「0」の出力電圧を示す。   As shown in an equivalent circuit in FIG. 47, the X-axis magnetic sensor is configured by first to fourth X-axis GMR elements 61 to 64 being full-bridge connected. In FIG. 47, the arrows indicate the directions of pinned magnetization of the pinned layers of the GMR elements 61 to 64. In such a configuration, the pad 67 and the pad 68 are respectively connected to a positive electrode and a negative electrode of a constant voltage source (not shown), and have a potential Vxin + (5 (V) in this example) and a potential Vxin− (0 (V in this example)). )). Then, the potentials of the pads 65 and 66 are taken out as the potential Vxout + and the potential Vxout-, respectively, and the potential difference (Vxout + −Vxout−) is taken out as the sensor output Vxout. As a result, the X-axis magnetic sensor changes substantially in proportion to the external magnetic field in the range of −Hc to + Hc with respect to the external magnetic field changing along the X-axis as shown by the solid line in FIG. The output voltage Vxout is shown, and as shown by the broken line in FIG. 48, the output voltage is substantially “0” for the external magnetic field changing along the Y axis.

Y軸磁気センサは、X軸磁気センサと同様に、第1〜第4Y軸GMR素子71〜74がフルブリッヂ接続されることにより構成されている。そして、パッド77、及びパッド78は、図示しない定電圧源の正極,負極に接続され、電位Vyin+(本例では5(V))と電位Vyin-(本例では0(V))が付与され、パッド75とパッド76の電位差がセンサ出力Vyoutとして取り出される。この結果、Y軸磁気センサは、図49の破線にて示したように、Y軸に沿って変化する外部磁界に対し、−Hc〜+Hcの範囲において、同外部磁界に略比例して変化する出力電圧Vyoutを示し、図49の実線にて示したように、X軸に沿って変化する外部磁界に対しては略「0」の出力電圧を示す。   Similar to the X-axis magnetic sensor, the Y-axis magnetic sensor is configured by connecting the first to fourth Y-axis GMR elements 71 to 74 in a full bridge connection. The pad 77 and the pad 78 are connected to a positive electrode and a negative electrode of a constant voltage source (not shown), and a potential Vyin + (5 (V) in this example) and a potential Vyin− (0 (V) in this example) are applied. The potential difference between the pad 75 and the pad 76 is taken out as the sensor output Vyout. As a result, the Y-axis magnetic sensor changes substantially in proportion to the external magnetic field in the range of −Hc to + Hc with respect to the external magnetic field changing along the Y-axis, as shown by the broken line in FIG. The output voltage Vyout is shown, and as shown by the solid line in FIG. 49, the output voltage is substantially “0” for the external magnetic field changing along the X axis.

次に、上記のように構成される磁気センサ60の製造方法について説明する。まず、平面図である図50に示したように、長方形の石英ガラス60a1の上に、上記スピンバルブ膜SVと上記バイアス磁石膜61bとからなり、後に個々のGMR素子を構成する膜Mを島状に複数形成する。この成膜は、超高真空装置を用いて精密な厚さに連続積層で行われる。これらの膜Mは、石英ガラス60a1が後の切断工程により図50の破線に沿って切断されて図42に示した個々のチップ60aに分割されたとき、同図42に示したGMR素子61〜64,71〜74の位置に配置されるように形成される。また、石英ガラス60a1の四隅には、長方形から十字形を除いた形状のアライメント(位置決め)マーク60bを設けておく。   Next, a method for manufacturing the magnetic sensor 60 configured as described above will be described. First, as shown in FIG. 50, which is a plan view, a film M made of the spin valve film SV and the bias magnet film 61b on a rectangular quartz glass 60a1 and later forming individual GMR elements is formed as islands. A plurality are formed in a shape. This film formation is performed by continuous lamination to a precise thickness using an ultrahigh vacuum apparatus. When the quartz glass 60a1 is cut along the broken line in FIG. 50 and divided into the individual chips 60a shown in FIG. 42 in these films M, the GMR elements 61 to 61 shown in FIG. 64, 71 to 74. In addition, alignment (positioning) marks 60b having a shape obtained by removing a cross from a rectangle are provided at four corners of the quartz glass 60a1.

次いで、平面図である図51、及び図51の3−3線に沿った断面で切断した断面図である図52に示したように、正方形の貫通孔が正方格子状に複数個だけ設けられた(即ち、X軸及びY軸に平行な辺を有する正方形の貫通孔が、同X軸及び同Y軸にそって互いに等距離を隔てて設けられた)長方形の金属プレート81を準備し、同金属プレート81の各貫通孔に同貫通孔と略同一の正方形断面を有する直方体形状の永久棒磁石82…82を、同永久棒磁石82…82の磁極が形成される端面が同金属プレート81と平行になるように、挿入する。このとき、最短距離で隣接する磁極の極性が異なるように同永久棒磁石82…82を配置する。なお、各永久棒磁石82…82の磁荷の大きさは全て略等しいものを使用する。   Next, as shown in FIG. 51, which is a plan view, and FIG. 52, which is a cross-sectional view taken along the line 3-3 in FIG. 51, a plurality of square through holes are provided in a square lattice shape. A rectangular metal plate 81 (that is, square through holes having sides parallel to the X axis and the Y axis are provided equidistant from each other along the X axis and the Y axis); Each of the through holes of the metal plate 81 has rectangular parallelepiped permanent bar magnets 82... 82 having substantially the same square cross section as the through holes. The end surfaces of the permanent bar magnets 82. Insert so that it is parallel to. At this time, the permanent bar magnets 82... 82 are arranged so that the polarities of the adjacent magnetic poles are different at the shortest distance. The permanent bar magnets 82... 82 have substantially the same magnetic charge.

次に、平面図である図53に示したように、厚さが約0.5mmであって前記金属プレート81と略同一形状の長方形を有する透明な石英ガラスからなるプレート83を準備する。このプレート83には、上記石英ガラス60a1のアライメントマーク60bと協働して位置決めを行うため、四隅に十字形のアライメント(位置決め)マーク83aを設けておく。また、中央部には、上記金属プレート81に挿入された永久棒磁石82…82の外形に対応する位置にアライメントマーク83bを設けておく。次いで、図54に示したように、永久棒磁石82…82の上面とプレート83の下面を接着剤により接着する。このとき、アライメントマーク83bを用いて永久棒磁石82…82と、プレート83との相対的な位置を決定する。そして、金属プレート81を下方から取り去る。この段階で、永久棒磁石82…82とプレート83とにより、磁極を構成する端面が略正方形の複数の永久磁石を正方格子の格子点に配設するとともに各永久磁石の磁極の極性が最短距離を隔てて隣接する他の磁極の極性と異なるように構成したマグネットアレイが形成される。   Next, as shown in FIG. 53 which is a plan view, a plate 83 made of transparent quartz glass having a thickness of about 0.5 mm and having a rectangular shape substantially the same as the metal plate 81 is prepared. The plate 83 is provided with cross-shaped alignment (positioning) marks 83a at four corners in order to perform positioning in cooperation with the alignment mark 60b of the quartz glass 60a1. Further, an alignment mark 83b is provided at a position corresponding to the outer shape of the permanent bar magnets 82... 82 inserted in the metal plate 81 at the center. Next, as shown in FIG. 54, the upper surfaces of the permanent bar magnets 82... 82 and the lower surface of the plate 83 are bonded with an adhesive. At this time, the relative positions of the permanent bar magnets 82... 82 and the plate 83 are determined using the alignment mark 83b. Then, the metal plate 81 is removed from below. At this stage, the permanent bar magnets 82... 82 and the plate 83 are used to dispose a plurality of permanent magnets whose end faces are substantially square at the lattice points of the square lattice, and the polarities of the magnetic poles of each permanent magnet are the shortest distance. A magnet array is formed so as to be different from the polarities of other magnetic poles adjacent to each other with a gap therebetween.

次に、図55に示したように、GMR素子となる膜(ピンド層となる磁性層を含む層、すなわちピン層となる磁性層を含む層)が形成された石英ガラス60a1を、同GMR素子となる膜が形成された面がプレート83の上面と接するように配置する。石英ガラス60a1と、プレート83の相対位置は、前記アライメントマーク60bの十字形に削除された部分と、アライメントマーク83aの十字形とを一致させることで正確に決定される。   Next, as shown in FIG. 55, a quartz glass 60a1 on which a film to be a GMR element (a layer including a magnetic layer serving as a pinned layer, that is, a layer including a magnetic layer serving as a pinned layer) is formed is replaced with the GMR element. The surface on which the film to be formed is disposed so as to be in contact with the upper surface of the plate 83. The relative positions of the quartz glass 60a1 and the plate 83 are accurately determined by matching the portion of the alignment mark 60b that has been deleted in the cross shape with the cross shape of the alignment mark 83a.

図56は、上記永久棒磁石82…82を四個だけ取り出した状態を示す斜視図である。この図から明らかなように、永久棒磁石82…82の上面では、一つのN極から同N極に最短距離で隣接するS極に向かう90°ずつ方向が異なる磁界が形成されている。従って、図55に示したプレート83の上面に石英ガラス60a1が載置された状態においては、図57に模式的に示したように、一つのN極の正方形端面の各辺に平行に配置されたGMRとなる各膜には、Y軸正方向、X軸正方向、Y軸負方向、及びX軸負方向の磁界が加わる。   FIG. 56 is a perspective view showing a state where only four permanent bar magnets 82... 82 are taken out. As is clear from this figure, on the upper surface of the permanent bar magnets 82... 82, magnetic fields having different directions by 90 ° from one N pole to the S pole adjacent to the N pole at the shortest distance are formed. Therefore, in the state where the quartz glass 60a1 is placed on the upper surface of the plate 83 shown in FIG. 55, as schematically shown in FIG. 57, it is arranged in parallel with each side of one N-pole square end face. In addition, a magnetic field in the Y-axis positive direction, the X-axis positive direction, the Y-axis negative direction, and the X-axis negative direction is applied to each film that becomes the GMR.

本実施形態においては、かかる磁界を利用して固着層P(固着層Pのピンド層)の磁化の向きを固定する熱処理を行う。即ち、図55に示した状態で、プレート83と石英ガラス60a1とをクランプCLにより互いに固定し、真空中でこれらを250℃〜280℃に過熱し、その状態で4時間ほど放置する。   In the present embodiment, heat treatment is performed to fix the magnetization direction of the pinned layer P (the pinned layer of the pinned layer P) using such a magnetic field. That is, in the state shown in FIG. 55, the plate 83 and the quartz glass 60a1 are fixed to each other by the clamp CL, they are heated to 250 ° C. to 280 ° C. in a vacuum, and left in that state for about 4 hours.

その後、石英ガラス60a1を取り出し、図42に示した各パッド65〜68,75〜78を形成するとともに、これらを接続する配線を形成し、最後に図50に示した破線に沿って石英ガラス60a1を切断する。以上により、図42に示した磁気センサ60が製造される。   Thereafter, the quartz glass 60a1 is taken out to form the pads 65 to 68 and 75 to 78 shown in FIG. 42, and wirings for connecting these are formed. Finally, the quartz glass 60a1 is taken along the broken line shown in FIG. Disconnect. Thus, the magnetic sensor 60 shown in FIG. 42 is manufactured.

次に、上記磁気センサ60を使用して地磁気を測定した結果について説明する。この測定においては、図58に示したように、磁気センサ60のY軸正方向が南を向いているときに方位θ(測定角度)を0°と定義している。測定結果を、図59に示す。図59から明らかなように、実線で示したX軸磁気センサ出力Sxは正弦波状に変化し、破線で示したY軸磁気センサ出力Syは余弦波状に変化した。この結果は、図48及び図49にて示した特性から予測される通りであった。   Next, the result of measuring the geomagnetism using the magnetic sensor 60 will be described. In this measurement, as shown in FIG. 58, the azimuth θ (measurement angle) is defined as 0 ° when the positive Y-axis direction of the magnetic sensor 60 faces south. The measurement results are shown in FIG. As is clear from FIG. 59, the X-axis magnetic sensor output Sx indicated by the solid line changed in a sine wave shape, and the Y-axis magnetic sensor output Sy indicated by the broken line changed in a cosine wave shape. This result was as predicted from the characteristics shown in FIGS.

この場合、(1)X軸磁気センサ出力Sx、及びY軸磁気センサの出力Syの値が共に正の値のときθ=arctan(Sx/Sy)、(2)Y軸磁気センサの出力Syの値が負の値のときθ=180°+arctan(Sx/Sy)、(3)X軸磁気センサ出力Sxの値が負の値、及びY軸磁気センサの出力Syが正の値のときθ=360°+arctan(Sx/Sy)により方位を求めることができるので、磁気センサ60は、例えば、携帯電話機等の携帯型電子装置に搭載され得る地磁気(方位)センサとして使用することが可能である。なお、方位が270〜360°にあるとき、−90〜0°として表示することを許容する場合には、出力Syが正のときθ=arctan(Sx/Sy)、出力Syが負のときθ=180°+arctan(Sx/Sy)としてもよい。   In this case, (1) when both the X-axis magnetic sensor output Sx and the Y-axis magnetic sensor output Sy are positive values, θ = arctan (Sx / Sy), and (2) the Y-axis magnetic sensor output Sy. Θ = 180 ° + arctan (Sx / Sy) when the value is a negative value, (3) θ = when the value of the X-axis magnetic sensor output Sx is a negative value, and the output Sy of the Y-axis magnetic sensor is a positive value Since the orientation can be obtained by 360 ° + arctan (Sx / Sy), the magnetic sensor 60 can be used as a geomagnetic (orientation) sensor that can be mounted on a portable electronic device such as a mobile phone. When the azimuth is 270 to 360 ° and display is allowed as −90 to 0 °, θ = arctan (Sx / Sy) when the output Sy is positive, and θ when the output Sy is negative. = 180 ° + arctan (Sx / Sy).

以上、説明したように、第3実施形態によれば、複数の永久磁石を正方格子の格子点に配設するとともに各永久磁石の磁極の極性が最短距離を隔てて隣接する他の磁極の極性と異なるように構成したマグネットアレイを準備し、同マグネットアレイが形成する磁界により前記ピンド層となる磁性層の磁化の向きをピンさせるので、ピンド層のピンされた磁化の向きが互いに異なる(互いに直交する)GMR素子を、容易に単一チップ上に形成することができる。また、この方法によれば、ピンド層のピンされた磁化の向きが互いに異なるGMR素子を備えた単一チップを一時に大量に製造することができるので、同単一チップの製造コストを低下させることができる。   As described above, according to the third embodiment, a plurality of permanent magnets are disposed at lattice points of a square lattice, and the polarities of the magnetic poles of the permanent magnets are adjacent to each other with a shortest distance. Are prepared, and the magnetization direction of the magnetic layer to be the pinned layer is pinned by the magnetic field formed by the magnet array, so that the pinned magnetization directions of the pinned layer are different from each other (mutually An (orthogonal) GMR element can be easily formed on a single chip. Further, according to this method, a single chip including GMR elements having different pinned magnetization directions of the pinned layer can be manufactured in large quantities at a time, so that the manufacturing cost of the single chip is reduced. be able to.

なお、本発明は上記実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、上記第1,第2実施形態においては、メッキ膜として残留磁化の大きいNiCоが採用されていたが、これに代え残留磁化が大きい他の材料(例えばCo等)を採用してもよい。また、上記第1,第2実施形態の固着層の磁化の向きを固定する方法は、第3実施形態のようなピンド層(固定磁化軸を有する層)を備える他の磁気抵抗効果素子にも適用することができる。また、上記3実施形態のピン層Pには、PtMnを使用していたが、このPtMnに代え、FeMn又はIrMn等を用いても良い。   In addition, this invention is not limited to the said embodiment, A various modification can be employ | adopted within the scope of the present invention. For example, in the first and second embodiments, NiCо having a large residual magnetization is used as the plating film, but another material having a large residual magnetization (such as Co) may be used instead. Further, the method of fixing the magnetization direction of the pinned layer of the first and second embodiments is applied to other magnetoresistive effect elements having a pinned layer (layer having a fixed magnetization axis) as in the third embodiment. Can be applied. Further, although PtMn is used for the pinned layer P of the above three embodiments, FeMn, IrMn, or the like may be used instead of this PtMn.

本発明の第1実施形態及び第2実施形態に係る磁気センサの概念的な平面図である。It is a notional top view of the magnetic sensor concerning a 1st embodiment and a 2nd embodiment of the present invention. 図1に示した磁気トンネル効果素子(群)の拡大平面図である。FIG. 2 is an enlarged plan view of the magnetic tunnel effect element (group) shown in FIG. 1. 図2に示した磁気トンネル効果素子(群)を1−1線に沿った平面で切断した断面図である。It is sectional drawing which cut | disconnected the magnetic tunnel effect element (group) shown in FIG. 2 by the plane along the 1-1 line. 図3に示した磁気トンネル効果素子の反強磁性膜と強磁性膜(ピンド層)を示す同素子の概略平面図である。FIG. 4 is a schematic plan view of the element showing an antiferromagnetic film and a ferromagnetic film (pinned layer) of the magnetic tunnel effect element shown in FIG. 3. 製造途中にある第1実施形態の磁気センサの概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the magnetic sensor of 1st Embodiment in the middle of manufacture. 製造途中にある第1実施形態の磁気センサの概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the magnetic sensor of 1st Embodiment in the middle of manufacture. 製造途中にある第1実施形態の磁気センサの概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the magnetic sensor of 1st Embodiment in the middle of manufacture. 製造途中にある第1実施形態の磁気センサの概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the magnetic sensor of 1st Embodiment in the middle of manufacture. 製造途中にある第1実施形態の磁気センサの概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the magnetic sensor of 1st Embodiment in the middle of manufacture. 製造途中にある第1実施形態の磁気センサの概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the magnetic sensor of 1st Embodiment in the middle of manufacture. 製造途中にある第1実施形態の磁気センサの概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the magnetic sensor of 1st Embodiment in the middle of manufacture. 製造途中にある第1実施形態の磁気センサの概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the magnetic sensor of 1st Embodiment in the middle of manufacture. 製造途中にある第1実施形態の磁気センサの概略平面図である。It is a schematic plan view of the magnetic sensor of 1st Embodiment in the middle of manufacture. 製造途中にある第1実施形態の磁気センサの概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the magnetic sensor of 1st Embodiment in the middle of manufacture. 製造途中にある第1実施形態の磁気センサの概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the magnetic sensor of 1st Embodiment in the middle of manufacture. 製造途中にある第1実施形態の磁気センサの概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the magnetic sensor of 1st Embodiment in the middle of manufacture. 製造途中にある第1実施形態の磁気センサの概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the magnetic sensor of 1st Embodiment in the middle of manufacture. 図1に示した一つの磁気トンネル効果素子(群)に対し、同素子の長手方向(X軸方向)において大きさが変化する外部磁界を付与したときの同素子のMR比の変化を示すグラフである。A graph showing a change in MR ratio of the magnetic tunnel effect element (group) shown in FIG. 1 when an external magnetic field whose magnitude changes in the longitudinal direction (X-axis direction) of the element is applied. It is. 図1に示した一つの磁気トンネル効果素子(群)に対し、同素子の長手方向と直交する方向(Y軸方向)において大きさが変化する外部磁界を付与したときの同素子のMR比の変化を示すグラフである。The MR ratio of the magnetic tunnel effect element (group) shown in FIG. 1 when an external magnetic field whose magnitude changes in the direction perpendicular to the longitudinal direction of the element (Y-axis direction) is applied. It is a graph which shows a change. 図1に示した他の磁気トンネル効果素子(群)に対し、同素子の長手方向と直交する方向(X軸方向)において大きさが変化する外部磁界を付与したときの同素子のMR比の変化を示すグラフである。The MR ratio of the magnetic tunnel effect element (group) shown in FIG. 1 when an external magnetic field whose magnitude changes in the direction perpendicular to the longitudinal direction of the element (X-axis direction) is applied. It is a graph which shows a change. 図1に示した他の磁気トンネル効果素子(群)に対し、同素子の長手方向(Y軸方向)において大きさが変化する外部磁界を付与したときの同素子のMR比の変化を示すグラフである。The graph which shows the change of MR ratio of the same element when the external magnetic field which changes the magnitude | size in the longitudinal direction (Y-axis direction) of the same element is given to the other magnetic tunnel effect element (group) shown in FIG. It is. 製造途中にある第2実施形態の磁気センサの概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the magnetic sensor of 2nd Embodiment in the middle of manufacture. 製造途中にある第2実施形態の磁気センサの概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the magnetic sensor of 2nd Embodiment in the middle of manufacture. 製造途中にある第2実施形態の磁気センサの概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the magnetic sensor of 2nd Embodiment in the middle of manufacture. 製造途中にある第2実施形態の磁気センサの概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the magnetic sensor of 2nd Embodiment in the middle of manufacture. 製造途中にある第2実施形態の磁気センサの概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the magnetic sensor of 2nd Embodiment in the middle of manufacture. 製造途中にある第2実施形態の磁気センサの概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the magnetic sensor of 2nd Embodiment in the middle of manufacture. 製造途中にある第2実施形態の磁気センサの概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the magnetic sensor of 2nd Embodiment in the middle of manufacture. 製造途中にある第2実施形態の磁気センサの概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the magnetic sensor of 2nd Embodiment in the middle of manufacture. 製造途中にある第2実施形態の磁気センサの概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the magnetic sensor of 2nd Embodiment in the middle of manufacture. 製造途中にある第2実施形態の磁気センサの概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the magnetic sensor of 2nd Embodiment in the middle of manufacture. 製造途中にある第2実施形態の磁気センサの概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the magnetic sensor of 2nd Embodiment in the middle of manufacture. 製造途中にある第2実施形態の磁気センサの概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the magnetic sensor of 2nd Embodiment in the middle of manufacture. 製造途中にある第2実施形態の磁気センサの概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the magnetic sensor of 2nd Embodiment in the middle of manufacture. 製造途中にある第2実施形態の磁気センサの概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the magnetic sensor of 2nd Embodiment in the middle of manufacture. 第2実施形態に係る一つの磁気トンネル効果素子(群)に対し、同素子の長手方向(図1のX軸方向)において大きさが変化する外部磁界を付与したときの同素子のMR比の変化を示すグラフである。The MR ratio of the magnetic tunnel effect element (group) according to the second embodiment when an external magnetic field whose magnitude changes in the longitudinal direction of the element (X-axis direction in FIG. 1) is applied. It is a graph which shows a change. 第2実施形態に係る一つの磁気トンネル効果素子(群)に対し、同素子の長手方向と直交する方向(図1のY軸方向)において大きさが変化する外部磁界を付与したときの同素子のMR比の変化を示すグラフである。The same element when a magnetic tunnel effect element (group) according to the second embodiment is applied with an external magnetic field whose size changes in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the element (Y-axis direction in FIG. 1) It is a graph which shows the change of MR ratio. 第2実施形態に係る他の磁気トンネル効果素子(群)に対し、同素子の長手方向と直交する方向(図1のX軸方向)において大きさが変化する外部磁界を付与したときの同素子のMR比の変化を示すグラフである。The same element when another magnetic tunnel effect element (group) according to the second embodiment is applied with an external magnetic field whose size changes in the direction perpendicular to the longitudinal direction of the element (X-axis direction in FIG. 1) It is a graph which shows the change of MR ratio. 第2実施形態に係る他の磁気トンネル効果素子(群)に対し、同素子の長手方向(図1のY軸方向)において大きさが変化する外部磁界を付与したときの同素子のMR比の変化を示すグラフである。MR ratio of the element when an external magnetic field whose magnitude changes in the longitudinal direction (Y-axis direction in FIG. 1) of the element is applied to the other magnetic tunnel effect element (group) according to the second embodiment. It is a graph which shows a change. 第1及び第2実施形態に係る磁気トンネル効果素子群に対してピンド層の磁化の向きと直交する方向内で大きさが変化する磁界を付与した際のピンド層及びフリー層の磁化曲線を示すグラフである。2 shows magnetization curves of a pinned layer and a free layer when a magnetic field whose magnitude changes in a direction orthogonal to the direction of magnetization of the pinned layer is applied to the magnetic tunnel effect element groups according to the first and second embodiments. It is a graph. 別の形状を有するメッキ膜を形成した基板の平面図である。It is a top view of the board | substrate in which the plating film which has another shape was formed. 本発明による第3実施形態に係る磁気センサの概略平面図である。It is a schematic plan view of the magnetic sensor which concerns on 3rd Embodiment by this invention. 図42に示した第1X軸GMR素子の概略拡大平面図である。FIG. 43 is a schematic enlarged plan view of the first X-axis GMR element shown in FIG. 42. 図43に示した第1X軸GMR素子を同図43の2−2線に沿った平面にて切断した概略断面図である。FIG. 44 is a schematic cross-sectional view of the first X-axis GMR element shown in FIG. 43 cut along a plane along line 2-2 in FIG. 43. 図43に示した第1X軸GMR素子のスピンバルブ膜構成を示す図である。FIG. 44 is a diagram showing a spin valve film configuration of the first X-axis GMR element shown in FIG. 43. 図43に示した第1X軸GMR素子のX軸方向に変化する磁界に対する抵抗値(実線)、及びY軸方向に変化する磁界に対する抵抗値(破線)の変化を示したグラフである。44 is a graph showing changes in the resistance value (solid line) with respect to the magnetic field changing in the X-axis direction and the resistance value (broken line) with respect to the magnetic field changing in the Y-axis direction of the first X-axis GMR element shown in FIG. 図42に示した磁気センサが備えるX軸磁気センサの等価回路図である。FIG. 43 is an equivalent circuit diagram of an X-axis magnetic sensor included in the magnetic sensor shown in FIG. 42. 図47に示したX軸磁気センサのX軸方向に変化する磁界に対する出力電圧(実線)、及びY軸方向に変化する磁界に対する出力電圧(破線)の変化を示したグラフである。48 is a graph showing changes in the output voltage (solid line) with respect to the magnetic field changing in the X-axis direction and the output voltage (broken line) with respect to the magnetic field changing in the Y-axis direction of the X-axis magnetic sensor shown in FIG. 図42に示した磁気センサが備えるY軸磁気センサのX軸方向に変化する磁界に対する出力電圧(実線)、及びY軸方向に変化する磁界に対する出力電圧(破線)の変化を示したグラフである。43 is a graph showing changes in the output voltage (solid line) for a magnetic field changing in the X-axis direction and the output voltage (broken line) for a magnetic field changing in the Y-axis direction of the Y-axis magnetic sensor included in the magnetic sensor shown in FIG. . 図42に示した磁気センサを製造する途中のスピンバルブ膜が形成された石英ガラスの平面図である。FIG. 43 is a plan view of quartz glass on which a spin valve film in the middle of manufacturing the magnetic sensor shown in FIG. 42 is formed. 図42に示した磁気センサを製造する際に使用するマグネットアレイを準備するための金属プレートの平面図である。It is a top view of the metal plate for preparing the magnet array used when manufacturing the magnetic sensor shown in FIG. 図51に示した金属プレート及び永久棒磁石を同図51の3−3線に沿った平面にて切断した断面図である。FIG. 52 is a cross-sectional view of the metal plate and the permanent bar magnet shown in FIG. 51 cut along a plane along line 3-3 in FIG. 図42に示した磁気センサを製造する際に使用するマグネットアレイを形成するためのプレートの平面図である。It is a top view of the plate for forming the magnet array used when manufacturing the magnetic sensor shown in FIG. 図42に示した磁気センサを製造する際に使用するマグネットアレイの断面図である。It is sectional drawing of the magnet array used when manufacturing the magnetic sensor shown in FIG. 図42に示した磁気センサを製造する工程を示した断面図である。FIG. 43 is a cross-sectional view showing a step of manufacturing the magnetic sensor shown in FIG. 42. 図54に示したマグネットアレイの磁石の一部を取り出した斜視図である。FIG. 55 is a perspective view of a part of the magnets of the magnet array shown in FIG. 54 taken out. 図42に示した磁気センサの各GMR素子のピンド層の磁化の向きをピンする方法を示した概念図である。FIG. 43 is a conceptual diagram showing a method of pinning the magnetization direction of the pinned layer of each GMR element of the magnetic sensor shown in FIG. 42. 図42に示した磁気センサと方位との関係を示した図である。It is the figure which showed the relationship between the magnetic sensor shown in FIG. 42, and an azimuth | direction. 図42に示した磁気センサの方位に対する出力電圧を示したグラフである。43 is a graph showing an output voltage with respect to the direction of the magnetic sensor shown in FIG.

符号の説明Explanation of symbols

10…基板、12…下部電極、13…反強磁性膜、14…強磁性膜、15…絶縁層、16…強磁性膜、17…ダミー膜、18…層間絶縁層、18a…コンタクトホール、19…上部電極、20…保護膜、30…コイル、11,21…磁気トンネル効果素子群、51…レジスト。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Substrate, 12 ... Lower electrode, 13 ... Antiferromagnetic film, 14 ... Ferromagnetic film, 15 ... Insulating layer, 16 ... Ferromagnetic film, 17 ... Dummy film, 18 ... Interlayer insulating layer, 18a ... Contact hole, 19 ... upper electrode, 20 ... protective film, 30 ... coil, 11, 21 ... magnetic tunnel effect element group, 51 ... resist.

Claims (5)

ピンド層とフリー層とを含み同ピンド層の磁化の向きと同フリー層の磁化の向きがなす相対角度に応じて抵抗値が変化する巨大磁気抵抗効果素子を備えた磁気センサであって、
一つの基板が切断されることにより形成されるとともに、平面視で互いに直交するX軸及びY軸に沿った辺を有する略正方形状の単一のチップと、
前記チップの上に形成された合計で8個の巨大磁気抵抗効果素子と、
を備え、
前記8個の巨大磁気抵抗効果素子は、
前記チップのY軸方向略中央部下方でX軸負方向端部近傍に形成され、ピンド層のピンされた磁化の向きがX軸に沿う第一の方向の第1X軸GMR素子と、
前記チップのY軸方向略中央部上方でX軸負方向端部近傍に形成され、ピンド層のピンされた磁化の向きが前記第一の方向の第2X軸GMR素子と、
前記チップのY軸方向略中央部上方でX軸正方向端部近傍に形成され、ピンド層のピンされた磁化の向きがX軸に沿う前記第一の方向と反対の方向の第3X軸GMR素子と、
前記チップのY軸方向略中央部下方でX軸正方向端部近傍に形成され、ピンド層のピンされた磁化の向きがX軸に沿う前記第一の方向と反対の方向の第4X軸GMR素子と、
前記チップのX軸方向略中央部左方でY軸正方向端部近傍に形成され、ピンド層のピンされた磁化の向きがY軸に沿う第二の方向の第1Y軸GMR素子と、
前記チップのX軸方向略中央部右方でY軸正方向端部近傍に形成され、ピンド層のピンされた磁化の向きが前記第二の方向の第2Y軸GMR素子と、
前記チップのX軸方向略中央部右方でY軸負方向端部近傍に形成され、ピンド層のピンされた磁化の向きがY軸に沿う前記第二の方向と反対の方向の第3Y軸GMR素子と、
前記チップのX軸方向略中央部左方でY軸負方向端部近傍に形成され、ピンド層のピンされた磁化の向きがY軸に沿う前記第二の方向と反対の方向の第4Y軸GMR素子と、
からなり、
前記第1乃至第4X軸GMR素子はフルブリッヂ接続されることによりX軸に沿って変化する外部磁界に対し同外部磁界に略比例して変化する出力電圧を示すX軸磁気センサを構成し、
前記第1乃至第4Y軸GMR素子はフルブリッヂ接続されることによりY軸に沿って変化する外部磁界に対し同外部磁界に略比例して変化する出力電圧を示すY軸磁気センサを構成している、
磁気センサ。
A magnetic sensor comprising a giant magnetoresistive element including a pinned layer and a free layer, the resistance value of which changes according to the relative angle between the direction of magnetization of the pinned layer and the direction of magnetization of the free layer,
A single chip having a substantially square shape, which is formed by cutting one substrate and has sides along the X axis and the Y axis perpendicular to each other in plan view ,
A total of eight giant magnetoresistive elements formed on the chip;
With
The eight giant magnetoresistive elements are:
A first X-axis GMR element formed in the vicinity of the end of the X-axis negative direction below the center of the chip in the Y-axis direction and in the first direction along the X-axis.
A second X-axis GMR element formed in the vicinity of an end in the negative X-axis direction at a position approximately above the center in the Y-axis direction of the chip, wherein the pinned layer has a pinned magnetization direction in the first direction;
A third X-axis GMR formed in the vicinity of the positive end of the X-axis in the vicinity of the positive end of the X-axis above the center of the chip in the Y-axis direction, and the pinned magnetization direction of the pinned layer is opposite to the first direction along the X-axis Elements,
The fourth X-axis GMR is formed in the vicinity of the positive end of the X-axis in the lower part of the Y-axis direction of the chip and in the vicinity of the positive end of the X-axis, and the pinned magnetization direction of the pinned layer is opposite to the first direction along the X-axis. Elements,
A first Y-axis GMR element formed in the vicinity of the Y-axis positive direction end on the left side of the center of the chip in the X-axis direction and in the second direction along the Y-axis.
A second Y-axis GMR element formed in the vicinity of the Y-axis positive direction end on the right side of the center in the X-axis direction of the chip, and the pinned magnetization direction of the pinned layer in the second direction;
A third Y-axis formed in the vicinity of the Y-axis negative direction end on the right side of the center of the chip in the X-axis direction and in the direction opposite to the second direction along the Y-axis. A GMR element;
A fourth Y-axis formed in the vicinity of the Y-axis negative direction end on the left side of the center of the chip in the X-axis direction and in the direction opposite to the second direction along the Y-axis. A GMR element;
Consists of
The first to fourth X-axis GMR elements constitute an X-axis magnetic sensor that exhibits an output voltage that changes substantially in proportion to the external magnetic field that changes along the X-axis by being fully bridged,
The first to fourth Y-axis GMR elements constitute a Y-axis magnetic sensor that exhibits an output voltage that changes substantially in proportion to the external magnetic field that changes along the Y-axis by being fully bridged. Yes,
Magnetic sensor.
請求項1に記載の磁気センサであって、  The magnetic sensor according to claim 1,
前記8個の巨大磁気抵抗効果素子の各ピンド層の磁化の向きが、磁極を構成する端面が略正方形の複数の永久磁石を正方格子の格子点に配設するとともに各永久磁石の磁極の極性が最短距離を隔てて隣接する他の磁極の極性と異なるように構成したマグネットアレイが形成する磁界を利用することにより固定された磁気センサ。  The magnetization directions of the pinned layers of the eight giant magnetoresistive elements are arranged such that a plurality of permanent magnets whose end faces are substantially square are arranged at square lattice points and the polarities of the magnetic poles of the permanent magnets. Is a magnetic sensor fixed by using a magnetic field formed by a magnet array that is configured to be different from the polarity of other magnetic poles adjacent to each other with a shortest distance.
請求項1又は請求項2に記載の磁気センサであって、
前記8個の巨大磁気抵抗効果素子のそれぞれは、ピンド層の磁化の向きを固定するためのPtMnからなるピン層を含んでいる磁気センサ。
The magnetic sensor according to claim 1 or 2, wherein
Each of the eight giant magnetoresistance effect elements includes a pinned layer made of PtMn for fixing the magnetization direction of the pinned layer .
請求項1乃至請求項3の何れか一項に記載の磁気センサであって、
前記単一チップに前記8個の巨大磁気抵抗効果素子を接続する配線が形成されてなる磁気センサ。
A magnetic sensor according to any one of claims 1 to 3 ,
A magnetic sensor comprising a wiring for connecting the eight giant magnetoresistive elements to the single chip.
請求項1乃至請求項3の何れか一項に記載の磁気センサであって、
前記単一チップの上に複数のパッドが設けられるとともに同単一チップに前記8個の巨大磁気抵抗効果素子と同複数のパッドとを接続する配線が形成されてなる磁気センサ。
A magnetic sensor according to any one of claims 1 to 3 ,
A magnetic sensor in which a plurality of pads are provided on the single chip and wiring for connecting the eight giant magnetoresistive elements and the plurality of pads is formed on the single chip.
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