JP6204391B2 - 磁気センサおよび電流センサ - Google Patents

Description

本発明は、磁気センサおよび当該磁気センサを備えた電流センサに関する。

電気自動車やハイブリッドカーにおけるモータ駆動技術などの分野では、比較的大きな電流が取り扱われるため、大電流を非接触で測定することが可能な電流センサが求められている。このような電流センサとしては、被測定電流からの誘導磁界を検出する磁気センサを用いたものが知られている。磁気センサ用の磁気検出素子として、例えば、ＧＭＲ素子などの磁気抵抗効果素子が挙げられる。

ＧＭＲ素子は、固定磁性層とフリー磁性層とが非磁性材料層を介して積層された積層構造を基本構造とする。固定磁性層は、反強磁性層と強磁性層との積層構造による交換結合バイアスや、２つの強磁性層が非磁性中間層を介して積層されるセルフピン止め構造によるＲＫＫＹ相互作用（間接交換相互作用）により、磁化方向が一方向に固定されている。フリー磁性層は外部磁界に応じて磁化方向が変化可能とされている。

ＧＭＲ素子を備えた磁気センサを用いてなる電流センサでは、被測定電流からの誘導磁界がＧＭＲ素子に印加されることにより、フリー磁性層の磁化方向が変化する。このフリー磁性層の磁化方向と、固定磁性層の磁化方向との相対角度に応じてＧＭＲ素子の電気抵抗値が変動するため、この電気抵抗値を測定することにより、フリー磁性層の磁化方向を検出することができる。そして、磁気センサにより検出された磁化方向に基づいて、誘導磁界を与えた被測定電流の大きさおよびその向きを求めることが可能である。

ところで、電気自動車やハイブリッドカーにおいては、モータの駆動を電流値に基づいて制御する場合があり、また、バッテリーに流れ込む電流値に応じてバッテリーの制御方法を調整する場合がある。したがって、磁気センサを用いてなる電流センサには、電流値をより正確に検出できるように、磁気センサの測定精度を高めることが求められている。

磁気センサの測定精度を向上させるためには、オフセットの低減、出力信号のばらつきの低減、およびリニアリティ（出力線形性）の向上などを実現することが求められる。これらの要求に応えるための好ましい一手段として、磁気センサが有するＧＭＲ素子のヒステリシスを低減させることが挙げられる。ＧＭＲ素子のヒステリシスを低減させる手段の具体例として、フリー磁性層にバイアス磁界を印加して、被測定電流からの誘導磁界が印加されていない状態においてもフリー磁性層の磁化方向を揃えることが挙げられる。

フリー磁性層にバイアス磁界を印加する方法として、特許文献１には、フリー磁性層との間で交換結合バイアスを生じさせフリー磁性層の磁化方向を磁化変動可能な状態で所定方向に揃えることができる反強磁性層をフリー磁性層に積層させる方法が開示されている。

特開２０１２−１８５０４４号公報

上記の反強磁性層による交換結合バイアスを生じさせる方法は、ＧＭＲ素子の周囲に永久磁石を配置してバイアス磁界を発生させる方法に比べてバイアス磁界の均一性など有利な点を有する。しかしながら、ＧＭＲ素子を高温環境下に長時間保存した場合にフリー磁性層に生じる交換結合バイアスによるバイアス磁界が大きくなり、その結果、ＧＭＲ素子の検出感度が低下する傾向を示す場合がある。

本発明は、特許文献１に開示される交換結合バイアスに基づくフリー磁性層の単磁区化を基礎技術としつつ、高温（具体的な一例として１５０℃が挙げられる。）環境下に長時間（具体的な一例として１０００時間が挙げられる。）保存された場合であっても検出感度の低下が生じにくい磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）を備える磁気センサおよび当該磁気センサを用いてなる電流センサを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために本発明者ら検討した結果、フリー磁性層内にある種の層を存在させることにより、高温環境下に長時間保存された場合であっても、磁気抵抗効果素子の検出感度の低下を生じにくくすることができるとの新たな知見を得た。

かかる知見により完成された本発明は、一態様において、特定の方向に感度軸を持つ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は、固定磁性層とフリー磁性層とが非磁性材料層を介して積層された積層構造を基板上に有し、前記フリー磁性層における前記非磁性材料層に対向する側の反対側に、前記フリー磁性層との間で交換結合バイアスを生じさせ前記フリー磁性層の磁化方向を磁化変動可能な状態で所定方向に揃えることができる第１反強磁性層を備え、前記フリー磁性層は、前記フリー磁性層の前記第１反強磁性層に対する格子非整合を低減させるミスフィット低減層、前記ミスフィット低減層と前記非磁性材料層との間に位置する第１フリー磁性層、および前記ミスフィット低減層と前記第１反強磁性層との間に位置し、前記第１フリー磁性層と強磁性結合する第２フリー磁性層を備えることを特徴とする磁気センサである。

フリー磁性層内にミスフィット低減層が存在することにより、フリー磁性層の第１反強磁性層に対する格子非整合が低減する。その結果、１５０℃程度の高温に１０００時間程度の長時間保存された場合であっても、磁気抵抗効果素子の検出感度が低下しにくくなる。

上記の磁気センサにおいて、前記ミスフィット低減層および前記第２フリー磁性層は面心立方構造（ｆｃｃ）を有し、前記ミスフィット低減層のｆｃｃ（１１１）面における格子面間隔は、前記第２フリー磁性層のｆｃｃ（１１１）面における格子面間隔よりも大きいことが好ましい。

上記の磁気センサにおいて、前記ミスフィット低減層は、Ｐｔ，Ｐｄ，ＴａおよびＷからなる群から選ばれる１種または２種以上を含有することが好ましい。

本発明の別の一態様は、特定の方向に感度軸を持つ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は、固定磁性層とフリー磁性層とが非磁性材料層を介して積層された積層構造を基板上に有し、前記フリー磁性層における前記非磁性材料層に対向する側の反対側に、前記フリー磁性層との間で交換結合バイアスを生じさせ前記フリー磁性層の磁化方向を磁化変動可能な状態で所定方向に揃えることができる第１反強磁性層を備え、前記フリー磁性層は、Ｐｔ，Ｐｄ，ＴａおよびＷからなる群から選ばれる１種または２種以上を含有する第１層、前記第１層と前記非磁性材料層との間に位置する第１フリー磁性層、および前記第１層と前記第１反強磁性層との間に位置し、前記第１フリー磁性層と強磁性結合する第２フリー磁性層を備えることを特徴とする磁気センサである。

フリー磁性層内に第１層が存在することにより、フリー磁性層の第１反強磁性層に対する格子非整合が低減する。その結果、１５０℃程度の高温に１０００時間程度の長時間保存された場合であっても、磁気抵抗効果素子の検出感度が低下しにくくなる。

上記の磁気センサにおいて、前記第１反強磁性層は白金族元素およびＭｎを含有することが好ましい。

上記の磁気センサにおいて、前記第１反強磁性層は、ＩｒＭｎおよびＰｔＭｎの少なくとも一方から形成されることが好ましい。

上記の磁気センサの前記固定磁性層は、第１磁性層と前記非磁性材料層に接する第２磁性層とが非磁性中間層を介して積層され、前記第１磁性層と前記第２磁性層とが反平行に磁化固定されたセルフピン止め型であってもよい。

上記の磁気センサの前記固定磁性層における前記非磁性材料層に対向する側の反対側に、前記固定磁性層との間で交換結合バイアスを生じさせ前記固定磁性層の磁化方向を所定方向に揃えることができる第２反強磁性層を備えていてもよい。

上記の磁気センサの前記積層構造は、前記フリー磁性層が前記固定磁性層と前記基板との間に位置するように積層される、いわゆるトップピン構造であってもよいし、前記固定磁性層が前記フリー磁性層と前記基板との間に位置するように積層される、いわゆるボトムピン構造であってもよい。

本発明のまた別の一態様は、上記の本発明に係る磁気センサを備える電流センサである。

本発明によれば、フリー磁性層に交換結合バイアスを生じさせる方式でありながら、高温環境下に長時間保存された場合であっても感度低下が生じくい磁気抵抗効果素子を備える磁気センサが提供される。また、かかる磁気センサを用いてなる電流センサも提供される。

本発明の一実施形態に係る磁気センサを構成する磁気抵抗効果素子の拡大平面図である。 図１に示すＩＩ−ＩＩ線における矢視断面図である。 図１に示される磁気センサを構成する磁気抵抗効果素子が、セルフピン止め型の固定磁性層に代えて交換結合型の固定磁性層を有する場合における、図１に示すＩＩ−ＩＩ線における矢視断面図である。 第１比較積層構造体のＸ線回折測定を行った結果を示すスペクトル図（２θが４６°から５６°の範囲）である。 第１比較積層構造体、第１積層構造体および第２積層構造体のＸ線回折測定を行った結果を示すスペクトル図（２θが５０．５°から５２．５°の範囲）である。 第１比較磁気センサ、第１磁気センサおよび第２磁気センサを１５０℃の環境下に所定時間保存して、初期に比べて平均感度がどの程度変化したかを測定した結果を示すグラフである。 第３積層構造体および第４積層構造体のそれぞれについて、ミスフィット低減層の厚さを０Åから２０Åの範囲で変化させたものを作製し、それらの積層構造体について、フリー磁性層に発生する交換結合バイアスの大きさ（単位：ｋＡ／ｍ）を測定した結果を示すグラフである。 第５積層構造体における第１フリー磁性層の厚さと第２フリー磁性層の厚さとの総和を７０Åとしつつ、第２フリー磁性層の厚さＸ（単位：Å）を、０(Å)から７０(Å)の範囲で変更させて、フリー磁性層に発生する交換結合バイアスの大きさ（単位：ｋＡ／ｍ）を測定するとともに、第５積層構造体を備える磁気センサを１５０℃の環境下に１０００時間保存した後の磁気センサの平均感度の低下率を測定した結果を示すグラフである。

１．磁気センサ
図１は、本発明の一実施形態に係る磁気センサの概念図（平面図）、図２は、図１に示すＩＩ−ＩＩ線における矢視断面図である。

本発明の一実施形態に係る磁気センサ１は、図１に示すように、ストライプ形状のＧＭＲ素子を備える磁気抵抗効果素子１１を有する。磁気抵抗効果素子１１は、そのストライプ長手方向Ｄ１（以下、単に「長手方向Ｄ１」ともいう。）が互いに平行になるように配置された複数の帯状の長尺パターン１２（ストライプ）が折り返してなる形状（ミアンダ形状）を有する。このミアンダ形状の磁気抵抗効果素子１１において、感度軸方向は、長尺パターン１２の長手方向Ｄ１に対して直交する方向Ｄ２（以下、単に「幅方向Ｄ２」ともいう。）である。したがって、このミアンダ形状の磁気抵抗効果素子１１を備える磁気センサ１は、使用の際に、被測定磁界およびキャンセル磁界が、幅方向Ｄ２に沿うように印加される。

互いに平行になるように配置された複数の帯状の長尺パターン１２のうち、配列方向端部に位置するもの以外の長尺パターン１２のそれぞれは、端部において最近位の他の帯状の長尺パターン１２と導電部１３により接続されている。配列方向端部に位置する長尺パターン１２は、導電部１３を介して接続端子１４に接続されている。こうして、２つの接続端子１４，１４間に、複数の長尺パターン１２が直列に導電部１３により接続された構成を、磁気抵抗効果素子１１は備える。導電部１３および接続端子１４は非磁性、磁性の別を問わないが、電気抵抗の低い材料から構成することが好ましい。磁気センサ１は、２つの接続端子１４，１４から磁気抵抗効果素子１１からの信号を出力可能である。接続端子１４，１４から出力される磁気抵抗効果素子１１からの信号は、図示しない演算部に入力され、演算部において当該信号に基づいて被測定電力が算出される。

図２に示すように、磁気抵抗効果素子１１の長尺パターン１２のそれぞれは、基板２９上に、図示しない絶縁層等を介して、下から、シード層２０、固定磁性層２１、非磁性材料層２２、フリー磁性層２３、第１反強磁性層２４、および保護層２５の順に積層されて成膜される。これらの層の成膜方法は限定されない。例えばスパッタにて成膜してもよい。

シード層２０は、ＮｉＦｅＣｒあるいはＣｒ等で形成される。

固定磁性層２１は、第１磁性層２１ａと第２磁性層２１ｃと、第１磁性層２１ａと第２磁性層２１ｃと間に位置する非磁性中間層２１ｂとのセルフピン止め構造である。図２に示されるように、第１磁性層２１ａの固定磁化方向と、第２磁性層２１ｃの固定磁化方向とは反平行となっている。そして、第２磁性層２１ｃの固定磁化方向が、固定磁性層２１における固定磁化方向、すなわち感度軸方向である。

図２に示されるように、第１磁性層２１ａはシード層２０上に形成されており、第２磁性層２１ｃは、後述する非磁性材料層２２に接して形成されている。第１磁性層２１ａは、第２磁性層２１ｃよりも高保磁力材料のＣｏＦｅ合金で形成されることが好適である。

非磁性材料層２２に接する第２磁性層２１ｃは磁気抵抗効果（具体的にはＧＭＲ効果）に寄与する層であり、第２磁性層２１ｃには、アップスピンを持つ伝導電子とダウンスピンを持つ伝導電子の平均自由行程差を大きくできる磁性材料が選択される。

図２に示される磁気抵抗効果素子１１では、第１磁性層２１ａと第２磁性層２１ｃとの磁化量（飽和磁化Ｍｓ・層厚ｔ）の差が実質的にゼロとなるように調整されている。

図２に示される磁気抵抗効果素子１１の固定磁性層２１は、セルフピン止め構造であるから、反強磁性層を備えない。これにより磁気抵抗効果素子１１の温度特性が反強磁性層のブロッキング温度に制約を受けない。

固定磁性層２１の磁化固定力を高めるには、第１磁性層２１ａの保磁力Ｈｃを高めること、第１磁性層２１ａと第２磁性層２１ｃの磁化量の差を実質的にゼロに調整すること、更に非磁性中間層２１ｂの厚さを調整して第１磁性層２１ａと第２磁性層２１ｃ間に生じるＲＫＫＹ相互作用による反平行結合磁界を強めることが重要とされている。このように適宜調整することで、固定磁性層２１が外部からの磁界に対して影響を受けることなく、磁化がより強固に固定される。

非磁性材料層２２は、Ｃｕ（銅）などである。

図２に示される磁気抵抗効果素子１１のフリー磁性層２３は、第１フリー磁性層２３ａ、ミスフィット低減層２３ｂおよび第２フリー磁性層２３ｃから構成される。第１フリー磁性層２３ａおよび第２フリー磁性層２３ｃは、ＮｉＦｅやＣｏＦｅ等の強磁性材料の単層構造、あるいは積層構造で構成され、ミスフィット低減層２３ｂを介して強磁性結合している。すなわち、図２に示されるように、第１フリー磁性層２３ａと第２フリー磁性層２３ｃとは、平行で同じ向きに磁化している。

ミスフィット低減層２３ｂは、フリー磁性層２３の第１反強磁性層２４に対する格子非整合を低減させる層である。この点を、フリー磁性層を構成する材料がＮｉＦｅを含み、第１反強磁性層を構成する材料がＩｒＭｎである場合を例として説明すれば、ＮｉＦｅを含むフリー磁性層とＩｒＭｎからなる第１反強磁性層とを積層した状態でＸ線回折スペクトルを測定すると、フリー磁性層のｆｃｃ（１１１）面に基づくピークが５１．５°程度に頂点を有して測定され、第１反強磁性層のｆｃｃ（１１１）面に基づくピークが４８．５°程度に頂点を有して測定される。これらの測定結果に基づくと、第１反強磁性層を構成するＩｒＭｎの格子面間隔は２．１８Å、フリー磁性層を構成するＮｉＦｅの格子面間隔は２．０６Åと算出され、６％程度の格子非整合が存在すると見積もられる。

これに対して、本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子１１のように、フリー磁性層２３がミスフィット低減層２３ｂを有する場合には、フリー磁性層２３とＩｒＭｎからなる第１反強磁性層２４とを積層した状態でＸ線回折スペクトルを測定すると、フリー磁性層２３に基づくピークは低角度側にシフトし、フリー磁性層２３と第１反強磁性層２４との格子非整合が低減する。フリー磁性層２３と第１反強磁性層２４との格子非整合が低減した理由は、ミスフィット低減層２３ｂの格子面間隔が第２フリー磁性層２３ｃの格子面間隔よりも大きいため、第２フリー磁性層２３ｃの格子面間隔が第１反強磁性層２４の格子面間隔に近づくように広がったと考えられる。なお、Ｐｔのｆｃｃ（１１１）面の格子面間隔は、２．２６Åである。このように、ミスフィット低減層２３ｂのｆｃｃ（１１１）面における格子面間隔は、フリー磁性層２３、特に、第２フリー磁性層２３ｃのｆｃｃ（１１１）面における格子面間隔よりも大きいことが好ましい。

このようにフリー磁性層２３と第１反強磁性層２４との格子非整合が低減することにより、本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子１１を備える磁気センサ１は、格子非整合が大きい場合に比べて、高温環境下に長時間保存された場合における検出感度の低下が生じにくくなる。

フリー磁性層２３と第１反強磁性層２４との格子非整合が低減することにより、磁気センサ１の高温環境下に長時間保存された場合における検出感度の低下が生じにくくなる理由は、第１反強磁性層２４との格子の整合性が高くなった結果、第１反強磁性層２４に含有される原子が動きにくくなるため、高温環境下に長時間保存された前後の交換結合磁界の変動が小さくなったことに起因していると考えられる。

フリー磁性層２３と第１反強磁性層２４との格子非整合を低減させることに寄与する限り、ミスフィット低減層２３ｂの組成は限定されない。ミスフィット低減層２３ｂは、フリー磁性層を構成する材料よりも原子半径の大きな材料から構成されていることが好ましい。また、ミスフィット低減層２３ｂは単層構造を有していてもよいし、積層構造を有していてもよい。第１フリー磁性層２３ａおよび第２フリー磁性層２３ｃを構成する材料がＮｉＦｅやＣｏＦｅであって、第１反強磁性層２４を構成する材料がＩｒＭｎやＰｔＭｎである場合には、ミスフィット低減層２３ｂは、Ｐｔ，Ｐｄ，ＴａおよびＷからなる群から選ばれる１種または２種以上を含有する第１層から構成されていてもよい。第１フリー磁性層２３ａと第２フリー磁性層２３ｃとの強磁性結合を安定的に生じさせる観点から、ミスフィット低減層２３ｂは、ＰｔおよびＰｄの少なくとも１種を含有することが好ましく、Ｐｔ、ＰｄおよびＰｔＰｄからなる群から選ばれる１種または２種以上からなることがより好ましい。第１フリー磁性層２３ａと第２フリー磁性層２３ｃとの強磁性結合が生じにくくなると、フリー磁性層２３に交換結合バイアスが生じにくくなってしまう。生産性などもさらに考慮すれば、ミスフィット低減層２３ｂはＰｔまたはＰｄからなることが好ましい。

フリー磁性層２３と第１反強磁性層２４との格子非整合を低減させることに寄与する限り、ミスフィット低減層２３ｂの厚さは限定されない。ミスフィット低減層２３ｂが過度に薄い場合には、フリー磁性層２３と第１反強磁性層２４との格子非整合を低減させることとが困難となり、ミスフィット低減層２３ｂが過度に厚い場合には、第１フリー磁性層２３ａと第２フリー磁性層２３ｃとの強磁性結合を維持することが困難となることを考慮して、適宜設定すればよい。第１フリー磁性層２３ａおよび第２フリー磁性層２３ｃを構成する材料がＮｉＦｅやＣｏＦｅからなり、第１反強磁性層２４を構成する材料がＩｒＭｎやＰｔＭｎからなり、かつミスフィット低減層２３ｂがＰｔからなる場合には、ミスフィット低減層２３ｂを３Å以上１５Å以下とすることが好ましい。

保護層２５を構成する材料は限定されない。Ｔａ（タンタル）などが例示される。図２に示される磁気抵抗効果素子１１におけるフリー磁性層２３の磁化方向Ｆは初期磁化方向を示しており、フリー磁性層２３の磁化方向Ｆは固定磁性層２１の固定磁化方向（第２磁性層２１ｃの固定磁化方向）に対して直交する方向に揃えられている。

図２に示される磁気抵抗効果素子１１では、第１反強磁性層２４がフリー磁性層２３の上面全体に成膜されているが、これに限定されず、第１反強磁性層２４をフリー磁性層２３の上面に非連続的に形成してもよい。ただし、第１反強磁性層２４がフリー磁性層２３の全面に形成されているほうが、フリー磁性層２３全体を適切に一方向に単磁区化でき、ヒステリシスをより低減できるため、測定精度を向上させることができ好適である。

図２に示される磁気抵抗効果素子１１では、固定磁性層２１はセルフピン止め構造を有するが、これに限定されない。例えば、図３に示される磁気抵抗効果素子１１’のように、固定磁性層２１は第２反強磁性層２１ｄと強磁性層２１ｅとの積層構造を有し、第２反強磁性層２１ｄとの交換結合により強磁性層２１ｅが特定の向き（図３では紙面の法線方向奥向き）に磁化されることで、固定磁性層２１の磁化が行われていてもよい。

２．磁気センサの製造方法
本発明の一実施形態に係る磁気センサの製造方法は限定されない。次に説明する方法によれば、本実施形態に係る磁気センサを効率的に製造することが可能である。

基板２９上に、図２では図示しない絶縁層を介してシード層２０を成膜し、その上に、セルフピン止め構造を有する固定磁性層２１を積層する。具体的には、図２に示されるような、第１磁性層２１ａ、非磁性中間層２１ｂおよび第２磁性層２１ｃを順次積層する。各層の成膜手段は限定されない。スパッタが例示される。第１磁性層２１ａを成膜する際に磁場を印加しながら行うことにより、第１磁性層２１ａを図１における幅方向Ｄ２に沿うように磁化させれば、ＲＫＫＹ相互作用により第２磁性層２１ｃを第１磁性層２１ａの磁化方向と反平行な向きに強く磁化することが可能である。こうして磁化された第２磁性層２１ｃは、その後の製造過程において自らの磁化方向と異なる向きの磁場が印加されても、その影響を受けずに幅方向Ｄ２に磁化された状態を維持することが可能である。

次に、固定磁性層２１上に非磁性材料層２２を積層する。非磁性材料層２２の積層方法は限定されず、スパッタが具体例として挙げられる。

続いて、非磁性材料層２２上に、長手方向Ｄ１に沿った方向の磁場を印加しながら、フリー磁性層２３、第１反強磁性層２４および保護層２５を順次積層する。これらの層の積層方法は限定されず、スパッタが具体例として挙げられる。このように磁場中成膜を行うことにより、フリー磁性層２３の磁化方向に沿った方向に第１反強磁性層２４との間で交換結合バイアスが生じる。なお、これらの層の成膜中には、固定磁性層２１に対しても磁場が印加されるが、固定磁性層２１はＲＫＫＹ相互作用に基づくピン止め構造を有するため、この印加された磁場によっては磁化方向が変動することはない。

ここで、第１反強磁性層２４を構成する材料としてＩｒＭｎ系の材料を用いた場合には、特段の加熱処理を伴わない磁場中成膜により第１反強磁性層２４の磁化方向を揃えることが可能である。したがって、磁気抵抗効果素子１１を製造するプロセス全体を通じて磁場中アニール処理を行わないプロセスとすることが可能である。磁気抵抗効果素子１１の製造プロセスを上記のように磁場中アニールフリープロセスとすることにより、同一の基板２９上に異なる感度軸（磁化方向が反対向きの場合を含む。）を有する磁気抵抗効果素子１１を容易に製造することが可能となる。磁気抵抗効果素子１１の製造プロセスが磁場中アニール処理を必要とする場合には、磁場中アニール処理を複数回行うと、先に行った磁場中アニール処理の効果が薄れ、磁化方向を適切に設定することが困難となるおそれがある。

こうして、磁場中成膜によりフリー磁性層２３および第１反強磁性層２４を積層したら、最後に、保護層２５を積層する。保護層２５の積層方法は限定されず、スパッタが具体例として挙げられる。

以上の成膜工程により得られた積層構造体に対して除去加工（ミリング）を行い、複数の長尺パターン１２が幅方向Ｄ２に沿って配列された状態とする。これらの複数の長尺パターン１２を接続する導電部１３および導電部１３に接続する接続端子１４を形成して、図１に示されるミアンダ形状を有する磁気抵抗効果素子１１を得る。

３．電流センサ
本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子を備えた磁気センサは、電流センサとして好適に使用されうる。かかる電流センサは、磁気抵抗効果素子を１つ備える構成でもよいが、特許文献１に記載されるように、４つの素子を用い、ブリッジ回路を組んで測定精度を高めることが好ましい。本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子の製造方法は、好ましい一例において磁場中アニール処理を備えないため、複数の磁気抵抗効果素子を同一基板上に製造することが容易である。

本発明の一実施形態に係る電流センサの具体例として、磁気比例式電流センサおよび磁気平衡式電流センサが挙げられる。

磁気比例式電流センサは、本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子（固定磁性層とフリー磁性層とが非磁性材料層を介して積層された積層構造を備える磁気抵抗効果素子であって、フリー磁性層における非磁性材料層に対向する側の反対側に、フリー磁性層との間で交換結合バイアスを生じさせ前記フリー磁性層の磁化方向を磁化変動可能な状態で所定方向に揃えることができる第１反強磁性層を備え、フリー磁性層は、フリー磁性層の第１反強磁性層に対する格子非整合を低減させるミスフィット低減層、ミスフィット低減層と非磁性材料層との間に位置する第１フリー磁性層、およびミスフィット低減層と第１反強磁性層との間に位置し、前記第１フリー磁性層と強磁性結合する第２フリー磁性層を備える磁気抵抗効果素子、または、固定磁性層とフリー磁性層とが非磁性材料層を介して積層された積層構造を備える磁気抵抗効果素子であって、フリー磁性層における非磁性材料層に対向する側の反対側に、フリー磁性層との間で交換結合バイアスを生じさせフリー磁性層の磁化方向を磁化変動可能な状態で所定方向に揃えることができる第１反強磁性層を備え、フリー磁性層は、Ｐｔ，Ｐｄ，ＴａおよびＷからなる群から選ばれる１種または２種以上を含有する第１層、第１層と非磁性材料層との間に位置する第１フリー磁性層、および第１層と第１反強磁性層との間に位置し、第１フリー磁性層と強磁性結合する第２フリー磁性層を備える磁気抵抗効果素子。）を少なくとも１つ含んで構成され、被測定電流からの誘導磁界に応じた電位差を生じる２つの出力を備える磁界検出ブリッジ回路を有する。そして、磁気比例式電流センサでは、誘導磁界に応じて磁界検出ブリッジ回路から出力される電位差により、被測定電流が測定される。

磁気平衡式電流センサは、本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子を少なくとも１つ含んで構成され、被測定電流からの誘導磁界に応じた電位差を生じる２つの出力を備える磁界検出ブリッジ回路と、磁気抵抗効果素子の近傍に配置され、誘導磁界を相殺するキャンセル磁界を発生するフィードバックコイルと、を具備する。そして、磁気平衡式電流センサでは、電位差によりフィードバックコイルに通電して誘導磁界とキャンセル磁界とが相殺される平衡状態となったときのフィードバックコイルに流れる電流に基づいて、被測定電流が測定される。

以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。

例えば、図２や図３に示される磁気抵抗効果素子１１，１１’は、固定磁性層２１がフリー磁性層２３と基板２９との間に位置するように積層される、いわゆるボトムピン構造であるが、フリー磁性層が固定磁性層と基板との間に位置するように積層される、いわゆるトップピン構造であってもよい。

以下、実施例等により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明の範囲はこれらの実施例等に限定されるものではない。

（比較例１）
絶縁層を有する基板上に、下からシード層；ＮｉＦｅＣｒ（４２）／固定磁性層［第１磁性層；Ｃｏ_４０Ｆｅ_６０（１９）／非磁性中間層；Ｒｕ（３．６）／第２磁性層；Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（２４）］／非磁性材料層；Ｃｕ（２２）／フリー磁性層［Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（１０）／Ｎｉ_８２．５Ｆｅ_１７．５（７０）］／反強磁性層；Ｉｒ_２２Ｍｎ_７８（８０）／保護層；Ｔａ（１００）の順に積層して第１比較積層構造体を得た。括弧内の数値は層厚を示し単位はÅである。

（Ｘ線回折測定）
第１比較積層構造体のＸ線回折測定を行った。Ｘ線源はＣｏＫα線（λ＝１．７８９Å）を用いた。その結果（２θが４６°から５６°の範囲）を図４に示す。図４に示されるように、４８．５°近傍に頂点を有するピークが測定された。このピークは反強磁性層のｆｃｃ（１１１）面に基づくものであって、格子面間隔は２．１８Åと算出された。また、５１．５°近傍に頂点を有するピークが測定された。このピークはフリー磁性層のｆｃｃ（１１１）面に基づくものであって、格子面間隔は２．０６Åと算出された。これらの格子面画の算出結果に基づく格子非整合は６％であった。

（実施例１−１）
絶縁層を有する基板２９上に、下からシード層２０；ＮｉＦｅＣｒ（４２）／固定磁性層２１［第１磁性層２１ａ；Ｃｏ_４０Ｆｅ_６０（１９）／非磁性中間層２１ｂ；Ｒｕ（３．６）／第２磁性層２１ｃ；Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（２４）］／非磁性材料層２２；Ｃｕ（２２）／フリー磁性層２３［第１フリー磁性層２３ａ；｛Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（１０）／Ｎｉ_８２．５Ｆｅ_１７．５（４０）｝／ミスフィット低減層２３ｂ；Ｐｔ（３）／第２フリー磁性層２３ｃ；Ｎｉ_８２．５Ｆｅ_１７．５（３０）］／第１反強磁性層２４；Ｉｒ_２２Ｍｎ_７８（８０）／保護層２５；Ｔａ（１００）の順に積層して第１積層構造体を得た。括弧内の数値は層厚を示し単位はÅである。第１積層構造体が備えるミスフィット低減層２３ｂは、Ｐｔ，Ｐｄ，ＴａおよびＷからなる群から選ばれる１種または２種以上を含有する層でもあるため、第１層としても位置付けられる。

（実施例１−２）
実施例１−１と同様であるが、ミスフィット低減層２３ｂとして、Ｐｔからなる層に代えてＴａからなる層（厚さ：３Å）を用いて、第２積層構造体を得た。第２積層構造体が備えるミスフィット低減層２３ｂは、Ｐｔ，Ｐｄ，ＴａおよびＷからなる群から選ばれる１種または２種以上を含有する層でもあるため、第１層としても位置付けられる。

（Ｘ線回折測定）
第１比較積層構造体、第１積層構造体および第２積層構造体のＸ線回折測定を行った。Ｘ線源はＣｏＫα線（λ＝１．７８９Å）を用いた。その結果（２θが５０．５°から５２．５°の範囲）を図５に示す。図５に示されるように、第１比較積層構造体におけるフリー磁性層のピークの頂点よりも、第１積層構造体および第２積層構造体におけるフリー磁性層のピークの頂点のほうが低角度側にシフトし、ミスフィット低減層２３ｂを導入することにより、フリー磁性層２３と第１反強磁性層２４との格子非整合が低減されることが確認された。

（高温保存試験）
第１比較積層構造体、第１積層構造体および第２積層構造体を備える磁気センサ（それぞれ、「第１比較磁気センサ」、「第１磁気センサ」および「第２磁気センサ」という。）を製造した。各磁気センサを、１５０℃の環境下に所定時間保存して、初期に比べて平均感度がどの程度変化したかを測定した。測定結果を図６に示す。図６に示されるように、第１磁気センサおよび第２磁気センサは、第１比較磁気センサに比べて、高温環境に長時間保存された場合の平均感度が変化しにくかった。

（実施例２）
絶縁層を有する基板２９上に、下からシード層２０；ＮｉＦｅＣｒ（４２）／固定磁性層２１［第１磁性層２１ａ；Ｃｏ_４０Ｆｅ_６０（１９）／非磁性中間層２１ｂ；Ｒｕ（３．６）／第２磁性層２１ｃ；Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（２４）］／非磁性材料層２２；Ｃｕ（２２）／フリー磁性層２３［第１フリー磁性層２３ａ；｛Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（１０）／Ｎｉ_８１．５Ｆｅ_１８．５（４０）｝／ミスフィット低減層２３ｂ；Ｐｔ（実施例２−１）またはＴａ（実施例２−２）／第２フリー磁性層２３ｃ；Ｎｉ_８１．５Ｆｅ_１８．５（３０）］／第１反強磁性層２４；Ｉｒ_２２Ｍｎ_７８（８０）／保護層２５；Ｔａ（１００）の順に積層して第３積層構造体（実施例２−１）または第４積層構造体（実施例２−２）を得た。括弧内の数値は層厚を示し単位はÅである。第３積層構造体または第４積層構造体が備えるミスフィット低減層２３ｂは、Ｐｔ，Ｐｄ，ＴａおよびＷからなる群から選ばれる１種または２種以上を含有する層でもあるため、第１層としても位置付けられる。

第３積層構造体および第４積層構造体のそれぞれについて、ミスフィット低減層２３ｂの厚さを０Åから２０Åの範囲で変化させたものを作製し、それらの積層構造体について、フリー磁性層２３に発生する交換結合バイアスの大きさ（単位：ｋＡ／ｍ）を測定した。測定結果を図７に示す。図７に示されるように、ミスフィット低減層２３ｂの厚さが過大になると、交換結合バイアスが小さくなる傾向が認められた。Ｐｔ層をミスフィット低減層２３ｂとして備える第３積層構造体は、ミスフィット低減層２３ｂの厚さが１８Å以上となると上記の傾向が顕在化した。Ｔａ層をミスフィット低減層２３ｂとして備える第４積層構造体は、ミスフィット低減層２３ｂの厚さが５Å以上となると上記の傾向が顕在化した。

（実施例３）
絶縁層を有する基板２９上に、下からシード層２０；ＮｉＦｅＣｒ（４２）／固定磁性層２１［第１磁性層２１ａ；Ｃｏ_４０Ｆｅ_６０（１９）／非磁性中間層２１ｂ；Ｒｕ（３．６）／第２磁性層２１ｃ；Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（２４）］／非磁性材料層２２；Ｃｕ（２２）／フリー磁性層２３［第１フリー磁性層２３ａ；｛Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（１０）／Ｎｉ_８１．５Ｆｅ_１８．５（７０−Ｘ）｝／ミスフィット低減層２３ｂ；Ｐｔ（５）／第２フリー磁性層２３ｃ；Ｎｉ_８１．５Ｆｅ_１８．５（Ｘ）］／第１反強磁性層２４；Ｉｒ_２２Ｍｎ_７８（８０）／保護層２５；Ｔａ（１００）の順に積層して第５積層構造体を得た。括弧内の数値は層厚を示し単位はÅである。第５積層構造体が備えるミスフィット低減層２３ｂは、Ｐｔ，Ｐｄ，ＴａおよびＷからなる群から選ばれる１種または２種以上を含有する層でもあるため、第１層としても位置付けられる。

第５積層構造体における第１フリー磁性層２３ａの厚さと第２フリー磁性層２３ｃの厚さとの総和を７０Åとしつつ、第２フリー磁性層２３ｃの厚さＸ（単位：Å）を、０から７０の範囲で変更させて、フリー磁性層２３に発生する交換結合バイアスの大きさ（単位：ｋＡ／ｍ）を測定するとともに、第５積層構造体を備える磁気センサを１５０℃の環境下に１０００時間保存した後の磁気センサの平均感度の低下率（平均感度の変化率の絶対値）を測定した。結果を図８に示す。

図８に示されるように、交換結合バイアスの大きさと平均感度の低下率とは、第２フリー磁性層の厚さＸ（単位：Å）に対する依存性は異なる傾向を示した。交換結合バイアスの大きさは、第２フリー磁性層の厚さＸが５（Å）に至るまでに急激に高くなり、Ｘが５（Å）以上となると、以降は、第２フリー磁性層の厚さＸにほぼ影響を受けず、ほぼ一定の値となった。これに対し、平均感度の低下率は、第２フリー磁性層の厚さＸが５０（Å）から薄くなるほど平均感度の低下率は単調に小さくなる傾向を示した。これは第２フリー磁性層の厚さＸが薄いほど、ミスフィット低減層の効果がより顕著に現れるためと考えられる。

本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子を備えた磁気センサは、電気自動車はハイブリッドカーなどの電流センサの構成要素として好適に使用されうる。

１ 磁気センサ
１１，１１’ 磁気抵抗効果素子
１２ 長尺パターン
２０ シード層
２１ 固定磁性層
２１ａ 第１磁性層
２１ｂ 非磁性中間層
２１ｃ 第２磁性層
２１ｄ 第２反強磁性層
２１ｅ 強磁性層
２２ 非磁性材料層
２３ フリー磁性層
２３ａ 第１フリー磁性層
２３ｂ ミスフィット低減層
２３ｃ 第２フリー磁性層
２４ 第１反強磁性層
２５ 保護層
２９ 基板

Claims (11)

1. 特定の方向に感度軸を持つ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は、固定磁性層とフリー磁性層とが非磁性材料層を介して積層された積層構造を基板上に有し、
   前記フリー磁性層における前記非磁性材料層に対向する側の反対側に、前記フリー磁性層との間で交換結合バイアスを生じさせ前記フリー磁性層の磁化方向を磁化変動可能な状態で所定方向に揃えることができる第１反強磁性層を備え、
   前記フリー磁性層は、前記フリー磁性層の前記第１反強磁性層に対する格子非整合を低減させるミスフィット低減層、前記ミスフィット低減層と前記非磁性材料層との間に位置する第１フリー磁性層、および前記ミスフィット低減層と前記第１反強磁性層との間に位置し、前記第１フリー磁性層と強磁性結合する第２フリー磁性層を備えること
   を特徴とする磁気センサ。
2. 前記ミスフィット低減層および前記第２フリー磁性層は面心立方構造（ｆｃｃ）を有し、前記ミスフィット低減層のｆｃｃ（１１１）面における格子面間隔は、前記第２フリー磁性層のｆｃｃ（１１１）面における格子面間隔よりも大きい、請求項１に記載の磁気センサ。
3. 前記ミスフィット低減層は、Ｐｔ，Ｐｄ，ＴａおよびＷからなる群から選ばれる１種または２種以上を含有する、請求項１または２に記載の磁気センサ。
4. 特定の方向に感度軸を持つ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は、固定磁性層とフリー磁性層とが非磁性材料層を介して積層された積層構造を基板上に有し、
   前記フリー磁性層における前記非磁性材料層に対向する側の反対側に、前記フリー磁性層との間で交換結合バイアスを生じさせ前記フリー磁性層の磁化方向を磁化変動可能な状態で所定方向に揃えることができる第１反強磁性層を備え、
   前記フリー磁性層は、Ｐｔ，Ｐｄ，ＴａおよびＷからなる群から選ばれる１種または２種以上を含有する第１層、前記第１層と前記非磁性材料層との間に位置する第１フリー磁性層、および前記第１層と前記第１反強磁性層との間に位置し、前記第１フリー磁性層と強磁性結合する第２フリー磁性層を備えること
   を特徴とする磁気センサ。
5. 前記第１反強磁性層は白金族元素およびＭｎを含有する、請求項１から４のいずれか一項に記載の磁気センサ。
6. 前記第１反強磁性層は、ＩｒＭｎおよびＰｔＭｎの少なくとも一方から形成される、請求項１から５のいずれか一項に記載の磁気センサ。
7. 前記固定磁性層は、第１磁性層と前記非磁性材料層に接する第２磁性層とが非磁性中間層を介して積層され、前記第１磁性層と前記第２磁性層とが反平行に磁化固定されたセルフピン止め型である、請求項１から６のいずれか一項に記載の磁気センサ。
8. 前記固定磁性層における前記非磁性材料層に対向する側の反対側に、前記固定磁性層との間で交換結合バイアスを生じさせ前記固定磁性層の磁化方向を所定方向に揃えることができる第２反強磁性層を備える、請求項１から６のいずれか一項に記載の磁気センサ。
9. 前記積層構造は、前記フリー磁性層が前記固定磁性層と前記基板との間に位置するように積層されている、請求項１から８のいずれか一項に記載の磁気センサ。
10. 前記積層構造は、前記固定磁性層が前記フリー磁性層と前記基板との間に位置するように積層されている、請求項１から７のいずれか一項に記載の磁気センサ。
11. 請求項１から１０のいずれか一項に記載される磁気センサを備える電流センサ。