磁阻元件及磁传感器的制作方法

1.本公开涉及使用了磁阻效应的磁阻元件及磁传感器。


背景技术：

2.在以往的磁性隧道结元件中，在j.zhu and c.park，“magnetic tunnel junctions(磁性隧道结)”，materials today(今日材料)9，36(2006)(非专利文献1)中，如图15所示，示出了表示隧道磁阻(tmr)效应的隧道磁阻比(tmr比)由隔着绝缘层配置的自由层的磁化m1与钉扎层的磁化m2的角度决定。
3.图15是示出以往的磁性隧道结元件中隔着绝缘层配置的自由层的磁化m1的方向与钉扎层的磁化m2的方向的概要图。
4.在图15中，公开了包含层叠部201的磁阻元件200，该层叠部201依次层叠有钉扎层202、势垒层203及自由层204。自由层204的磁化m11与钉扎层202的磁化m2的相对角度为θ。
5.使用势垒层的上侧(m1)和下侧(m2)的铁磁性体层的磁化的相对角度θ，通过以下的式(1)来表示由隧道磁阻(tmr)效应产生的电导。
6.[数式1]
[0007][0008]
其中，g
p
＝g(0
°
)是指磁化m1与磁化m2平行，g
ap
＝g(180
°
)是指磁化m1与磁化m2反平行。tmr比由以下所示的julliere模型的式(2)表示。
[0009]
[数式2]
[0010][0011]
其中，rp是磁化m1与磁化m2平行的情况下的隧道电阻，r
ap
是磁化m1与磁化m2反平行的情况下的隧道电阻。p1、p2是钉扎层202及自由层204的自旋极化率。
[0012]
图16是示出以往的各种磁性隧道结元件和这些磁性隧道结元件的特征的图。
[0013]
安藤康夫，“tmr
を
用
ぃた
生体磁気
センサの
開発(使用了tmr的生物磁传感器的开发)”，第五次岩崎会议“社会基盤
の
向上
につながる
磁気
センサとその
活用(与社会基础设施的提高相连的磁传感器及其利用)”，平成29年11月27日(非专利文献2)中，如图16所示，示出了各种磁性隧道结元件和这些磁性隧道结元件的特征。
[0014]
图16从左侧起依次公开了三种磁性隧道结元件。在从左起第一个磁性隧道结元件中，钉扎层的磁化朝向与膜面平行的面内方向，自由层的磁化也朝向面内方向。所检测的外部磁场在与钉扎层的膜面平行的方向上变化。
[0015]
在从左起第二个磁性隧道结元件中，钉扎层的磁化朝向与膜面平行的面内方向，自由层的磁化朝向与钉扎层的膜面垂直的方向。所检测的外部磁场在与钉扎层的膜面平行的方向上变化。
tunnel junctions(边缘不均匀性对磁性隧道结涡流滞后曲线的影响)，ieeetransactions on magnetics af
‑
05，1(2017)(非专利文献6)中，也同样公开了具有磁涡构造的磁阻元件。
[0029]
在先技术文献
[0030]
专利文献
[0031]
专利文献1：美国专利申请公开第2018/0180865号说明书
[0032]
专利文献2：美国专利申请公开第2015/0185297号说明书
[0033]
非专利文献
[0034]
非专利文献1：j.zhu and c.park，“magnetic tunnel junctions(磁性隧道结)”，materials today(今日材料)9，36(2006)
[0035]
非专利文献2：安藤康夫，“tmr
を
用
いた
生体磁気
センサの
開発(使用了tmr的生物磁传感器的开发)”，第五次岩崎会议“社会基盤
の
向上
につながる
磁気
センサとその
活用(与社会基础设施的提高相连的磁传感器及其利用)”，平成29年11月27日
[0036]
非专利文献3：r.antos，y.otani and j.shibata，“magnetic vortex dynamics(磁涡动力学)”，j.phys.soc.jpn.77，031004(2008)
[0037]
非专利文献4：m.schneider，h.hoffmann and j.zweck，“lorentzmicroscopy of circular ferromagnetic permalloy nanodisks(圆形铁磁坡莫合金纳米盘的洛伦兹显微镜)”，appl.phys.lett.77，2909(2000)
[0038]
非专利文献5：远藤基，大兼干彦，永沼博，安藤康夫，磁気旋涡造
を
応用
した
推磁性
トンネル
接合磁場
センサ
(应用了磁涡构造的铁磁性隧道结磁场传感器)，第39次日本磁学会学术讲演概要集10pe
‑
12，277(2015)
[0039]
非专利文献6：t.wurft，w.raberg，k.prugl，a.satz，g.reiss and h.bruckl，the influence of edge inhomogeneities on vortex hysteresis curves in magnetic tunnel junctions(边缘不均匀性对磁性隧道结涡流滞后曲线的影响)，ieee transactions on magnetics af
‑
05，1(2017)


技术实现要素：

[0040]
发明要解决的课题
[0041]
如上所述，在专利文献1、专利文献2、非专利文献3至6中，公开了一种具有磁涡构造的磁阻元件。但是，无论在哪个文献中，关于提高输出的线性度，都没有充分地进行研究。
[0042]
本公开是鉴于上述问题而完成的，本公开的目的在于，提供一种在具备磁涡构造的结构中能够提高输出的线性度的磁阻元件及磁传感器。
[0043]
用于解决课题的手段
[0044]
本公开的磁阻元件具备包含一个以上的第一单位元件的第一元件部和包含一个以上的第二单位元件的第二元件部。上述第一元件部与上述第二元件部串联连接。上述第一单位元件包括：第一参考层，其具有第一膜面，磁化被固定在上述第一膜面的面内方向上的规定的方向；第一自由层，其绕与上述第一膜面垂直的轴被磁化为旋涡状，旋涡的中心根据外部磁场而移动；以及第一势垒层，其配置在上述第一参考层与上述第一自由层之间。上述第二元件部包括：第二参考层，其具有与上述第一膜面平行的第二膜面，磁化被固定在上述第二膜面的面内方向上的规定的方向；第二自由层，其绕与上述第二膜面垂直的轴被磁
化为旋涡状，旋涡的中心根据外部磁场而移动；以及第二势垒层，其配置在上述第二参考层与上述第二自由层之间。上述第一参考层中的被固定的磁化所朝向的方向与上述第二参考层中的被固定的磁化所朝向的方向为相反的方向。
[0045]
在上述本公开的磁阻元件中优选的是，上述第一单位元件的电阻变化特性中的相对于磁场的非线性度的分布与上述第二单位元件的电阻变化特性中的相对于磁场的非线性度的分布正负翻转。
[0046]
在上述本公开的磁阻元件中也可以是，上述第一元件部与上述第二元件部的合成电阻的变化特性中的相对于磁场的非线性度分布，在检测磁场范围内(例如，
‑
20mt以上且20mt以下的磁场的范围内)在正侧及负侧分别具有两个极值。
[0047]
在上述本公开的磁阻元件中优选的是，相对于外部磁场的上述第一元件部的电阻变化的变动方向与相对于外部磁场的上述第二元件部的电阻变化的变动方向为正负相反。
[0048]
在上述本公开的磁阻元件中优选的是，上述第一元件部的电阻比上述第二元件部的电阻大。
[0049]
在上述本公开的磁阻元件中优选的是，上述第一单位元件的灵敏度的绝对值比上述第二单位元件的灵敏度的绝对值小，上述第一单位元件中的电阻变化特性的非线性度比上述第二单位元件中的电阻变化特性的非线性度小。
[0050]
在上述本公开的磁阻元件中优选的是，上述第一自由层及上述第二自由层具有盘形状。在该情况下优选的是，上述第一自由层的直径比上述第二自由层的直径小。
[0051]
在上述本公开的磁阻元件中也可以是，上述第一单位元件的数量比上述第二单位元件的数量多。
[0052]
本公开的磁传感器具备多个上述磁阻元件。上述多个磁阻元件包含构成半桥电路的第一磁阻元件及第二磁阻元件。在上述第一磁阻元件的上述第一参考层中被固定的磁化所朝向的方向与在上述第二磁阻元件的上述第一参考层中被固定的磁化所朝向的方向为相反的方向。
[0053]
在上述本公开的磁传感器中，上述多个磁阻元件还可以包含第三磁阻元件和第四磁阻元件。在该情况下优选的是，由上述第一磁阻元件和上述第二磁阻元件构成第一半桥电路，由上述第三磁阻元件和上述第四磁阻元件构成第二半桥电路。此外优选的是，由上述第一半桥电路和上述第二半桥电路构成全桥电路。另外优选的是，在上述第一磁阻元件的上述第一参考层中被固定的磁化所朝向的方向与在上述第二磁阻元件的上述第一参考层中被固定的磁化所朝向的方向为相反的方向，在上述第三磁阻元件的上述第一参考层中被固定的磁化所朝向的方向与在上述第四磁阻元件的上述第一参考层中被固定的磁化所朝向的方向为相反的方向。此外，在上述第一磁阻元件的上述第一参考层中被固定的磁化所朝向的方向与在上述第三磁阻元件的上述第一参考层中被固定的磁化所朝向的方向为相反的方向。
[0054]
发明效果
[0055]
根据本公开，能够提供在具备磁涡构造的结构中能够提高输出的线性度的磁阻元件及磁传感器。
附图说明
[0056]
图1是实施方式1的磁传感器的概要图。
[0057]
图2是示出构成实施方式1的磁传感器的磁阻元件所包含的第一单位元件的层叠构造的剖视图。
[0058]
图3是示出构成实施方式1的磁传感器的磁阻元件所包含的第二单位元件的层叠构造的剖视图。
[0059]
图4是示出实施方式1的上部铁磁性层中的旋涡状的磁化通过外部磁场而移动的情形的图。
[0060]
图5是在使用比较方式1、比较方式2及实施方式1的磁阻元件构成了桥电路的情况下分别示出相对于磁场的磁阻元件的电阻变化特性、相对于磁场的输出变化特性及输出特性相对于磁场的非线性的分布的图。
[0061]
图6是在比较例的磁传感器及实施例的磁传感器中示出用于模拟非线性度与灵敏度的关系的条件的图。
[0062]
图7是在比较例的磁传感器及实施例的磁传感器中示出非线性度与灵敏度的关系的模拟结果的图。
[0063]
图8是示出实施方式1的磁传感器的制造工序的第一工序的图。
[0064]
图9是示出实施方式1的磁传感器的制造工序的第二工序的图。
[0065]
图10是示出实施方式1的磁传感器的制造工序的第三工序的图。
[0066]
图11是示出实施方式1的磁传感器的制造工序的第四工序的图。
[0067]
图12是示出实施方式1的磁传感器的制造工序的第五工序的图。
[0068]
图13是示出实施方式1的磁传感器的制造工序的第六工序的图。
[0069]
图14是实施方式2的磁阻元件的概要俯视图。
[0070]
图15是示出以往的磁性隧道结元件中隔着绝缘层配置的自由层的磁化m1的方向与钉扎层的磁化m2的方向的概要图。
[0071]
图16是示出以往的各种磁性隧道结元件和这些磁性隧道结元件的特征的图。
[0072]
图17是示出以往的具有磁涡构造的磁阻元件中的磁滞回线的图。
[0073]
图18是示出以往的具有磁涡构造的磁阻元件的盘径和饱和磁场及成核磁场的图。
[0074]
图19是示出以往的组入了具有磁涡构造的磁阻元件的磁传感器的概要剖视图。
[0075]
图20是图19的磁传感器的概要俯视图。
[0076]
图21是示出图19所示的磁传感器的响应性的图。
具体实施方式
[0077]
以下，参照附图对本公开的实施方式详细进行说明。需要说明的是，在以下所示的实施方式中，针对相同或共同的部分在图中标注相同的标记，不再重复其说明。
[0078]
(实施方式1)
[0079]
图1是实施方式1的磁传感器的概要图。需要说明的是，在图1中，为了方便，并排地记载了构成磁阻元件的层叠构造的一部分(作为自由层的上部铁磁性层及作为参考层的下部铁磁性层)。参照图1对实施方式的磁传感器1进行说明。
[0080]
如图1所示，磁传感器1包含第一磁阻元件10、第二磁阻元件20、第三磁阻元件30及
第四磁阻元件40。由这些第一磁阻元件10、第二磁阻元件20、第三磁阻元件30及第四磁阻元件40构成全桥电路。
[0081]
具体而言，第一磁阻元件10的一侧与用于施加电源电压vin的电极部p1连接。第一磁阻元件10的另一侧与用于取出输出电压v 的电极部p2连接。
[0082]
第二磁阻元件20的一侧与用于取出输出电压v 的电极部p2连接。第二磁阻元件20的另一侧与作为接地电极的电极部p4连接。
[0083]
第三磁阻元件30的一侧与用于施加电源电压vin的电极部p1连接。第三磁阻元件30的另一侧与用于取出输出电压v
‑
的电极部p3连接。
[0084]
第四磁阻元件40的一侧与用于取出输出电压v
‑
的电极部p3连接。第四磁阻元件40的另一侧与作为接地电极的电极部p4连接。
[0085]
通过将第一磁阻元件10及第二磁阻元件20串联连接而构成第一半桥电路hf1。通过将第三磁阻元件30及第四磁阻元件40串联连接而构成第二半桥电路hf2。
[0086]
通过将第一半桥电路hfl及第二半桥电路hf2并联连接而构成全桥电路。第一磁阻元件10及第二磁阻元件20具有正输出性。第三磁阻元件30及第四磁阻元件40具有负输出性。
[0087]
在电极部p1与电极部p4之间施加电源电压vin时，根据磁场强度，从电极部p2及电极部p3取出输出电压v 、v
‑
。输出电压v 、v
‑
经由差动放大器(未图示)被差动放大。
[0088]
第一磁阻元件10具备第一元件部11及第二元件部12。第一元件部11及第二元件部12被串联连接。第一元件部11的电阻比第二元件部12的电阻大。
[0089]
第一元件部11包含第一单位元件13。如后所述，第一单位元件13包含作为第一自由层的上部铁磁性层137、作为第一参考层的下部铁磁性层135、以及配置在该上部铁磁性层137与下部铁磁性层135之间的作为第一势垒层的绝缘层136(参照图2)。这些下部铁磁性层135、绝缘层136及上部铁磁性层137具有大致相同的盘形状，从下方侧依次被层叠。
[0090]
下部铁磁性层135具有第一膜面135a，磁化被固定在第一膜面135a的面内方向上的规定的方向。
[0091]
上部铁磁性层137具有磁涡构造。上部铁磁性层137绕与第一膜面135a垂直的轴被磁化为旋涡状。该旋涡状的磁化中的旋涡的中心根据外部磁场而移动。
[0092]
第二元件部12包含第二单位元件14。如后所述，第二单位元件14包含作为第二自由层的上部铁磁性层147、作为第二参考层的下部铁磁性层145、以及配置在该上部铁磁性层147与下部铁磁性层135之间的作为第二势垒层的绝缘层146(参照图3)。这些下部铁磁性层145、绝缘层146及上部铁磁性层147具有大致相同的盘形状，从下方侧依次被层叠。第二单位元件14中的下部铁磁性层145、绝缘层146及上部铁磁性层147的盘径比第一单位元件13中的下部铁磁性层135、绝缘层136及上部铁磁性层137的盘径大。由此，如上所述，第一元件部11的电阻比第二元件部12的电阻大。
[0093]
下部铁磁性层145具有第二膜面145a，磁化被固定在第二膜面145a的面内方向上的规定的方向。下部铁磁性层145中的被固定的磁化所朝向的方向是与下部铁磁性层135中的被固定的磁化所朝向的方向相反的方向。
[0094]
上部铁磁性层147具有磁涡构造。上部铁磁性层147绕与第一膜面145a垂直的轴被磁化为旋涡状。该旋涡状的磁化中的旋涡的中心根据外部磁场而移动。
[0095]
第二磁阻元件20具有第一元件部21及第二元件部22。第一元件部21具有第一单位元件23。第二元件部22具有第二单位元件24。
[0096]
第一单位元件23是与第一磁阻元件10中的第一单位元件13大致相同的结构。第一单位元件23与第一单位元件13相比，如图中箭头ar1所示，在作为第一参考层的下部铁磁性层中被固定的磁化的方向不同。
[0097]
具体而言，在第一单位元件23的下部铁磁性层中被固定的磁化所朝向的方向是与在第一单位元件13的下部铁磁性层135中被固定的磁化所朝向的方向相反的方向。
[0098]
第二单位元件24是与第一磁阻元件10中的第二单位元件14大致相同的结构。第二单位元件24与第二单位元件14相比，如图中箭头ar2所示，在作为第二参考层的下部铁磁性层中被固定的磁化的方向不同。
[0099]
具体而言，在第二单位元件24的下部铁磁性层中被固定的磁化所朝向的方向是与在第二单位元件14的下部铁磁性层145中被固定的磁化所朝向的方向相反的方向。
[0100]
第三磁阻元件30具有第一元件部31及第二元件部32。第一元件部31具有第一单位元件33。第二元件部32具有第二单位元件34。
[0101]
第一单位元件33是与第一磁阻元件10中的第一单位元件13大致相同的结构。第一单位元件33与第一单位元件13相比，如图中箭头ar3所示，在作为第一参考层的下部铁磁性层中被固定的磁化的方向不同。
[0102]
具体而言，在第一单位元件33的下部铁磁性层中被固定的磁化所朝向的方向是与在第一单位元件13的下部铁磁性层135中被固定的磁化所朝向的方向相反的方向。
[0103]
第二单位元件34是与第一磁阻元件10中的第二单位元件14大致相同的结构。第二单位元件34与第二单位元件14相比，如图中箭头ar4所示，在作为第二参考层的下部铁磁性层中被固定的磁化的方向不同。
[0104]
具体而言，在第二单位元件34的下部铁磁性层中被固定的磁化所朝向的方向是与在第二单位元件14的下部铁磁性层145中被固定的磁化所朝向的方向相反的方向。
[0105]
第四磁阻元件40具有第一元件部41及第二元件部42。第一元件部41具有第一单位元件43。第二元件部42具有第二单位元件44。
[0106]
第一单位元件43是与第一磁阻元件10中的第一单位元件13相同的结构。第二单位元件44是与第一磁阻元件10中的第二单位元件14相同的结构。
[0107]
需要说明的是，在第四磁阻元件40中，如图中箭头ar5、ar6所示，与第三磁阻元件30相比，下部铁磁性层中的被固定的磁化所朝向的方向是相反的方向。
[0108]
具体而言，在第一单位元件43的下部铁磁性层中被固定的磁化所朝向的方向是与在第一单位元件33的下部铁磁性层中被固定的磁化所朝向的方向相反的方向。在第二单位元件44的下部铁磁性层中被固定的磁化所朝向的方向是与在第二单位元件34的下部铁磁性层中被固定的磁化所朝向的方向相反的方向。
[0109]
图2是示出构成实施方式1的磁传感器的磁阻元件所包含的第一单位元件的层叠构造的剖视图。参照图2对第一单位元件13的详细构造进行说明。
[0110]
如图2所示，第一单位元件13是使用了所谓的合成反铁磁性(saf：synthetic anti
‑
ferromagnetic)耦合的bottom
‑
pinned(底部钉扎)型的tmr元件。
[0111]
第一单位元件13包含下部电极层131、反铁磁性层132、铁磁性层133、非磁性层
134、下部铁磁性层135、绝缘层136、上部铁磁性层137、盖层138。
[0112]
下部电极层131作为使反铁磁性层132的晶体适当成长的种子层发挥功能。作为下部电极层131，例如能够采用ru和ta的层叠膜。需要说明的是，下部电极层131能够采用包含其他金属或合金的单一金属膜、以及将多种上述金属膜层叠而成的膜。
[0113]
反铁磁性层132设置在下部电极层131上。作为反铁磁性层132，例如能够采用ptmn。需要说明的是，反铁磁性层132也可以是irmn等包含mn的合金。
[0114]
铁磁性层133设置在反铁磁性层132上。作为铁磁性层133，例如能够采用cofe。需要说明的是，铁磁性层133也可以是cofeb等。铁磁性层133的磁化通过从反铁磁性层132作用的交换耦合磁场而固定在规定的面内方向。
[0115]
非磁性层134设置在铁磁性层133上。非磁性层134例如能够采用ru。
[0116]
下部铁磁性层135设置在非磁性层134上。作为下部铁磁性层135，例如能够采用cofeb。需要说明的是，铁磁性层133也可以是cofe等。
[0117]
上述的铁磁性层133、非磁性层134及下部铁磁性层135形成saf构造。由此，作为第一参考层的下部铁磁性层135的磁化的方向被牢固地固定。
[0118]
绝缘层136设置在下部铁磁性层135上。作为绝缘层，例如能够采用mgo。绝缘层136配置在上部铁磁性层137与下部铁磁性层135之间，作为隧道势垒层发挥功能。
[0119]
上部铁磁性层137没置在绝缘层136上。作为上部铁磁性层137，例如能够采用cofeb。需要说明的是，上部铁磁性层137也可以是nife等。
[0120]
上部铁磁性层137具有磁涡构造。上部铁磁性层137作为自由层发挥功能，上部铁磁性层137的磁化通过外部磁场而改变方向。
[0121]
盖层138设置在上部铁磁性层137上。例如，能够采用ru与ta的层叠膜。需要说明的是，盖层138能够采用包含其他金属或合金的单一金属膜、以及将多种上述金属膜层叠而成的膜。
[0122]
需要说明的是，上述的下部电极层131、反铁磁性层132、铁磁性层133、非磁性层134、下部铁磁性层135、绝缘层136、上部铁磁性层137、盖层138示出一例，可以由单层构成，也可以将多个层层叠而构成。上述的下部电极层131、反铁磁性层132、铁磁性层133、非磁性层134、下部铁磁性层135、绝缘层136、上部铁磁性层137、盖层138能够适当设定。
[0123]
图3是示出构成实施方式1的磁传感器的磁阻元件所包含的第二单位元件的层叠构造的剖视图。参照图3对第二单位元件14的详细构造进行说明。
[0124]
如图3所示，第二单位元件14也与第一单位元件13同样，是使用了所谓的合成反铁磁性(saf：synthetic anti
‑
ferromagnetic)耦合的bottom
‑
pinned型的tmr元件。
[0125]
第二单位元件14包含下部电极层141、反铁磁性层142、铁磁性层143、非磁性层144、下部铁磁性层145、绝缘层146、上部铁磁性层147、盖层148。
[0126]
下部电极层141、反铁磁性层142、铁磁性层143、非磁性层144、下部铁磁性层145、绝缘层146、上部铁磁性层147、盖层148与第一单位元件13中的下部电极层131、反铁磁性层132、铁磁性层133、非磁性层134、下部铁磁性层135、绝缘层136、上部铁磁性层137、盖层138大致同样地构成。
[0127]
在第二单位元件14中，如上所述，作为参考层的下部铁磁性层145中的磁化的方向是与上部铁磁性层147中的磁化的方向相反的方向。
[0128]
需要说明的是，第二磁阻元件20、第三磁阻元件30及第四磁阻元件40所包含的第一单位元件及第二单位元件也是与上述大致相同的结构，因此，省略其详细结构。
[0129]
图4是示出实施方式1的上部铁磁性层中的旋涡状的磁化通过外部磁场而移动的情形的图。
[0130]
作为一例，图4通过外部磁场的变化而示出上部铁磁性层147中的旋涡状的磁化的方向的变化。在作为第二参考层的下部铁磁性层145中被固定的磁化的方向在图4中朝左。
[0131]
在该情况下，图4中的左侧示出外部磁场在负方向上较大的情况，图4中的中央示出未施加外部磁场的情况，图4中的右侧示出外部磁场在正方向上较大的情况。需要说明的是，图4中的各旋涡状的磁化的状态与图17所示的磁化曲线的各位置所示的磁涡的状态大致对应。
[0132]
如图4中的中央所示，在未施加外部磁场的情况下，在上部铁磁性层147中，磁涡的中心位于上部铁磁性层147的中央。
[0133]
如从图4中的左侧起第二个所示，当向负方向施加外部磁场时，在上部铁磁性层147中，磁涡的中心从上部铁磁性层147的中央向图4中下方移动。此外，当向负方向的外部磁场变大时，如从图4中的左起第一个所示，上部铁磁性层147的磁通密度饱和，上部铁磁性层147的磁化与下部铁磁性层145的被固定的磁化的方向成为平行。
[0134]
如从图4中的左侧起第三个所示，当向正方向施加外部磁场时，在上部铁磁性层147中，磁涡的中心从上部铁磁性层147的中央向图4中上方移动。此外，当向正方向的外部磁场变大时，如从图4中的左起第四个所示，上部铁磁性层147的磁通密度饱和，上部铁磁性层147的磁化与下部铁磁性层145的被固定的磁化的方向成为反平行。
[0135]
图5是在使用比较方式1、比较方式2及实施方式1的磁阻元件构成了桥电路的情况下分别示出相对于磁场的磁阻元件的电阻变化特性、相对于磁场的输出变化特性及输出特性相对于磁场的非线性的分布的图。
[0136]
在比较方式1中，由仅包含具有第一单位元件13的第一元件部11的磁阻元件构成桥电路。在比较方式2中，由仅包含具有第二单位元件14的第二元件部12的磁阻元件构成桥电路。在实施方式1中，如上所述，由包含第一元件部11及第二元件部12双方的磁阻元件构成桥电路。
[0137]
需要说明的是，在比较方式1、比较方式2及实施方式1中，磁阻元件的mr比都为25.4％。同样，在比较方式1及实施方式1中，分别是第一单位元件13中的上部铁磁性层137的厚度t为15nm，上部铁磁性层137的盘径d为341.8nm，纵横比(t/d)为0.044。上部铁磁性层137的电阻值为10.0kω。另外，检测磁场范围为
‑
20mt至 20mt的范围。
[0138]
在比较方式2及实施方式1中，分别是第二单位元件14中的上部铁磁性层147的厚度t为15nm，上部铁磁性层137的盘径d为395.7nm，纵横比(t/d)为0.038。上部铁磁性层147的电阻值为1.3kω。
[0139]
在比较方式1中，当使外部磁场从
‑
20mt变化到 20mt时，相对于磁场的电阻变化特性成为图5中的左侧上层所示的图表。
[0140]
具体而言，第一磁阻元件及第四磁阻元件的电阻从大致10.5kω减少到大致9.5kω，使得包含平缓的曲线。另一方面，第二磁阻元件及第三磁阻元件的电阻从大致9.5kω上升到大致10.5kω，使得包含平缓的曲线。
[0141]
在比较方式1中，当使外部磁场从
‑
20mt变化到 20mt时，输出特性成为图5中的左侧中层所示的图表。
[0142]
具体而言，输出电压v 从大致1.42v上升到大致1.58v，使得包含平缓的曲线。另一方面，输出电压v
‑
从大致1.58v减少到大致1.42v，使得包含平缓的曲线。
[0143]
在比较方式1中，当使外部磁场从
‑
20mt变化到 20mt时，输出特性相对于磁场的非线性度的分布成为图5中的左侧下层所示的图表。
[0144]
具体而言，输出电压v 中的非线性度分布，在
‑
20mt至 20mt的范围内，在正磁场及负磁场具有两个拐点。正磁场的拐点处的非线性度成为正值，负磁场的拐点处的非线性度成为负值。输出电压v
‑
中的非线性度分布，在
‑
20mt至 20mt的范围内，在正磁场及负磁场具有两个拐点。正磁场的拐点处的非线性度成为负值，负磁场的拐点处的非线性度成为正值。
[0145]
在比较方式2中，当使外部磁场从
‑
20mt变化到 20mt时，相对于磁场的电阻变化特性成为图5中的中央上层所示的图表。
[0146]
具体而言，第一磁阻元件及第四磁阻元件的电阻从大致1.14kω上升到1.37kω，使得包含曲线。另一方面，第二磁阻元件及第三磁阻元件的电阻从大致1.37kω减少到大致1.14kω，使得包含曲线。
[0147]
比较方式2中的磁阻元件相对于外部磁场的电阻变化的变动方向与比较方式1中的磁阻元件相对于外部磁场的电阻变化的变动方向为正负相反。
[0148]
即，第二元件部12相对于外部磁场的电阻变化的变动方向与第一元件部11相对于外部磁场的电阻变化的变动方向为正负相反。
[0149]
在比较方式2中，当使外部磁场从
‑
20mt变化到 20mt时，输出特性成为图5中的中央中层所示的图表。
[0150]
具体而言，输出电压v 从大致1.64v减少到大致1.36v，使得包含曲线。另一方面，输出电压v
‑
从大致1.36v上升到大致1.64v，使得包含曲线。
[0151]
在比较方式2中，当使外部磁场从
‑
20mt变化到 20mt时，输出特性相对于磁场的非线性度的分布成为图5中的中央下层所示的图表。
[0152]
具体而言，输出电压v 中的非线性度分布，在
‑
20mt至 20mt的范围内，在正磁场及负磁场具有两个拐点。正磁场的拐点处的非线性度成为负值，负磁场的拐点处的非线性度成为正值。输出电压v
‑
中的非线性度分布，在
‑
20mt至 20mt的范围内，在正磁场及负磁场具有两个拐点。正磁场的拐点处的非线性度成为正值，负磁场的拐点处的非线性度成为负值。
[0153]
当对比较方式2与比较方式1进行比较时，比较方式2中的输出特性的非线性度分布与比较方式1中的输出特性的非线性度分布正负翻转。
[0154]
即，仅包括包含第二单位元件14的第二元件部12的磁阻元件中桥电路的输出特性的非线性度分布与仅包括包含第一单位元件13的第一元件部11的磁阻元件中桥电路的输出特性的非线性度分布正负翻转。
[0155]
其中，输出特性中的相对于磁场的非线性度分布与磁阻元件的电阻变化特性中的相对于磁场的非线性度分布具有相关。
[0156]
另外，仅由包含第一单位元件13的第一元件部11构成的磁阻元件的电阻变化特性中的相对于磁场的非线性度分布对应于第一单位元件13的电阻变化特性中的相对于磁场的非线性度分布。
[0157]
同样，仅由包含第二单位元件14的第二元件部12构成的磁阻元件的电阻变化特性中的相对于磁场的非线性度分布对应于第二单位元件14的电阻变化特性中的相对于磁场的非线性度分布。
[0158]
因此，在第一单位元件的电阻变化特性中的相对于磁场的非线性度的分布与所述第二单位元件的电阻变化特性中的相对于磁场的非线性度的分布中，正负也翻转。
[0159]
在实施方式1的磁传感器1中，当使外部磁场从
‑
20mt变化到 20mt时，相对于磁场的电阻变化特性成为图5中的右侧上层所示的图表
[0160]
实施方式1中的磁阻元件的电阻成为将第一元件部11的电阻与第二元件部12的电阻合成而得到的电阻。如图5中的右侧上层所示，第一磁阻元件至第四磁阻元件的电阻变化特性与比较方式1及比较方式2相比，改善了线性度。
[0161]
更具体而言，第一磁阻元件及第四磁阻元件的电阻从大致11.65kω减少到大致10.85kω，使得线性区域扩大。另一方面，第二磁阻元件及第三磁阻元件的电阻从大致10.85kω上升到大致11.65kω，使得线性区域扩大。
[0162]
在实施方式1中，当使外部磁场从
‑
20mt变化到 20mt时，输出特性成为图5中的右侧中层所示的图表。
[0163]
具体而言，成为将第一元件部11的输出特性与第二元件部12的输出特性合成而得到的输出特性。输出电压v 及输出电压v
‑
的分布与比较方式1及比较方式2相比，改善了线性度。
[0164]
具体而言，输出电压v 从大致1.45v上升到大致1.55v，使得线性区域扩大。在输出电压v
‑
中，从大致1.55v减少到大致1.45v，也使得线性区域扩大。
[0165]
如本实施方式的磁传感器1那样，在由包含第一元件部11及第二元件部12双方的磁阻元件构成了全桥电路的情况下，当使外部磁场从
‑
20mt变化到 20mt时，半桥输出特性相对于磁场的非线性度的分布成为图5中的右侧下层所示的图表。
[0166]
上述输出特性相对于磁场的非线性度的分布，在输出电压v 及输出电压v
‑
中，都在
‑
20mt至 20mt的范围内，在非线性度的正侧具有两个拐点(极值)，在非线性度的负侧具有两个拐点(极值)。这些正侧的拐点及负侧的拐点交替排列。
[0167]
如上所述，输出电压v 中的非线性分布、输出特性中的相对于磁场的非线性分布对应于磁阻元件的电阻变化特性中的相对于磁场的非线性分布。因此，第一元件部11与第二元件部12的合成电阻的变化特性中的相对于磁场的非线性度分布也在
‑
20mt以上且20mt以下的磁场的范围内，在非线性度的正侧具有两个极值，在负侧具有两个极值。
[0168]
在实施方式1中，与比较方式1及比较方式2相比，上述输出特性相对于磁场的非线性度的分布的非线性度降低，并且线性区域增加。
[0169]
这样，在实施方式1的磁传感器1中，与比较方式1及比较方式2的磁传感器相比，输出的线性度提高。
[0170]
图6是在比较例的磁传感器及实施例的磁传感器中示出用于模拟非线性度与灵敏度的关系的条件的图。图7是在比较例的磁传感器及实施例的磁传感器中示出非线性度与灵敏度的关系的模拟结果的图。
[0171]
参照图6及图7，针对模拟结果来说明输出特性的非线性度与灵敏度的关系。
[0172]
在对输出特性的非线性度与灵敏度的关系进行模拟时，使用比较例1、实施例1至
实施例4各自的磁阻元件，构成半桥电路及全桥电路。计算出在向这些半桥电路及全桥电路施加了规定的磁场时确认的输出特性的非线性度和各电路的灵敏度。
[0173]
需要说明的是，比较例1中的磁阻元件为上述的比较方式1中的磁阻元件。即，比较例1中的磁阻元件仅具有包含第一单位元件13的第一元件部11。比较例1中的磁阻元件的各种参数如图6所示，将第一单位元件中的上部铁磁性层137的盘径d在395.7nm～45.5nm的范围内变更，使上部铁磁性层137的膜厚t与盘径d的纵横比在0.038至0.330的范围内变化。
[0174]
实施例1至4中的磁阻元件使用了与实施方式1的磁阻元件相同的结构。此时，各种参数如图6所示。
[0175]
在计算输出特性的非线性度时，决定施加了规定的磁场时的上部铁磁性层137、147的磁化方向。在决定磁化方向时，使用了图17所示的m
‑
h回线(loop)及以下的式(3)、(4)。
[0176]
[数式3]
[0177][0178]
j：交换作用(exchange interaction)
[0179]
s：自旋(spin)
[0180]
[数式4]
[0181]
e
total
＝e
exch
e
d
e
ext
e
an
…
式(4)
[0182]
e
exch
：交换作用
[0183]
e
d
：静磁(形状各向异性)
[0184]
e
ext
：外磁场(塞曼(zeeman))
[0185]
e
an
：其他磁各向异性
[0186]
接下来，使用被固定的下部铁磁性层135、145的磁化方向和由上述决定的上部铁磁性层137、147的磁化方向的相对角度，计算出包含tmr效应的电阻值。具体而言，使用了下述式(5)、式(6)、式(7)。
[0187]
[数式5]
[0188][0189]
g
p
：平行，g(0
°
)
[0190]
g
ap
：反平行，g(180
°
)
[0191]
[数式6]
[0192][0193]
p1：自由层的极化因子
[0194]
p2：参考层的极化因子
[0195]
[数式7]
[0196][0197]
其中，在上述式(5)中，在θ＝90
°
的情况下成为cosθ＝0，因此，g
per
能够由以下的式(8)表示。
[0198]
[数式8]
[0199]
g
per
：
[0200]
根据式(8)与上述式(7)的关系，成为θ＝90
°
的情况下的电阻r
per
能够由以下的式(9)表示。
[0201]
[数式9]
[0202][0203]
根据上述式(9)与上述式(5)至式(7)的关系，g
p
、g
ap
、r
p
、r
ap
能够表示为下述的式(10)至式(13)。
[0204]
[数式10]
[0205][0206]
[数式11]
[0207][0208]
[数式12]
[0209][0210]
[数式13]
[0211][0212]
针对分别具备具有如上述那样计算出的电阻值的比较例1、实施例1至4的磁阻元件的半桥电路及全桥电路，在施加了规定的磁场时确认出输出特性的非线性度。这些输出特性的非线性度与计算出的各电路的灵敏度的关系如图7所示。
[0213]
如图7所示，当对比较例1与实施例1至4进行比较时，在实施例1至4中，即便在采取与比较例1相同的灵敏度的值的情况下，非线性度也变小。即，输出特性的线性度提高。
[0214]
另外，在实施例1至4中，即便在采取与比较例1相同的非线性度的值的情况下，灵敏度也提高。
[0215]
如以上那样，在模拟结果中，在实施方式1的磁阻元件及具备该磁阻元件的磁传感器1中，确认出提高了输出的线性度。此外，还确认出灵敏度变高。这意味着，通过使用本发明的技术，能够突破现有技术中的灵敏度与非线性度的折衷原理的界限。
[0216]
图8至图13是分别示出实施方式1的磁传感器的制造工序的第一工序至第六工序的图。参照图8至图13对实施方式1的磁传感器1的制造方法进行说明。
[0217]
如图8所示，在磁传感器1的制造方法的第一工序中，准备通过光刻及干蚀刻等在形成磁阻元件的形成区域形成了绝缘层62的基板61。作为基板61，例如能够采用si晶圆。绝缘层62由硅氧化膜构成。
[0218]
接下来，将基底膜63在基板61的表面61a上形成为覆盖绝缘层62。作为基底膜63，例如能够采用cu。
[0219]
接着，使成为第一单位元件13及第二单位元件14的tmr层叠膜64在基底膜63上成膜。
[0220]
具体而言，从基底膜63侧起依次层叠下部电极膜、反铁磁性膜、铁磁性膜、非磁性膜、下部铁磁性膜、绝缘膜、上部铁磁性膜、盖膜。
[0221]
需要说明的是，下部电极膜、反铁磁性膜、铁磁性膜、非磁性膜、下部铁磁性膜、绝缘膜、上部铁磁性膜及盖膜分别在tmr层叠膜64的图案化之后，成为下部电极层131、141、反铁磁性层132、142、铁磁性层133、143、非磁性层134、144、下部铁磁性层135、145、绝缘层136、146、上部铁磁性层137、147及盖层138、148。
[0222]
其中，作为下部电极膜，例如使ru/ta成膜。作为下部电极膜的上层的铁磁性膜/反铁磁性膜，例如使cofe/ptmn成膜。该层叠膜通过后述的磁场中退火而产生交换耦合，作为钉扎层发挥功能。
[0223]
作为铁磁性膜的上层的非磁性膜，例如使ru成膜，作为非磁性膜的上层的下部铁磁性膜，例如使cofeb成膜。
[0224]
下部铁磁性膜/非磁性膜/铁磁性膜构成saf构造。通过下部铁磁性膜，形成牢固地固定了磁化的参考层。
[0225]
作为下部铁磁性膜的上层的绝缘膜，例如使mgo成膜，作为绝缘膜的上层的上部铁磁性膜，例如使cofeb成膜。通过上部铁磁性膜/mgo/下部铁磁性膜中的上部铁磁性膜而形成自由层。作为上部铁磁性膜的上层的盖膜，例如层叠ta/ru。
[0226]
接下来，将成膜了tmr层叠膜64的基板61在磁场中退火，在形成作为参考层的下部铁磁性层135、145的下部铁磁性膜中固定磁化的方向。
[0227]
具体而言，将基板61局部在磁场中退火，使得按照构成桥电路的各磁阻元件的每个形成区域而得到所希望的磁化方向。在各磁阻元件中，对应于第一单位元件11的区域中的下部铁磁性膜的磁化方向与对应于第二单位元件12的区域中的下部铁磁性膜的磁化方向成为相反的方向。
[0228]
另外，在上述的第一磁阻元件中，对应于第一单位元件11的区域中的下部铁磁性膜的磁化方向与在第二磁阻元件中对应于第一单位元件的区域中的下部铁磁性膜的磁化方向成为相反的方向。
[0229]
在上述的第三磁阻元件中，对应于第一单位元件11的区域中的下部铁磁性膜的磁化方向与在第四磁阻元件中对应于第一单位元件的区域中的下部铁磁性膜的磁化方向成
为相反的方向。
[0230]
在上述的第一磁阻元件中，对应于第一单位元件11的区域中的下部铁磁性膜的磁化方向与在第三磁阻元件中对应于第一单位元件的区域中的下部铁磁性膜的磁化方向成为相反的方向。
[0231]
如图9所示，在磁传感器1的制造方法的第二工序中，使用光刻及干蚀刻，将tmr层叠膜图案化为所希望的形状。由此，形成第一单位元件13及第二单位元件14。第一单位元件13及第二单位元件14形成为盘状。此时，第一单位元件13的盘径比第二单位元件14的盘径小。
[0232]
由此，在第一磁阻元件至第四磁阻元件的各个磁阻元件中，第一元件部11(第一单位元件13)的电阻比第二元件部12(第二单位元件14)的电阻大。
[0233]
例如，由仅包含第一元件部11的磁阻元件构成了半桥电路的情况下的第一元件部11的电阻值为10kω，该半桥电路的灵敏度为1.27mv/(mt
·
v)，非线性度在
‑
20mt至 20mt的范围内为1.69％fs。
[0234]
例如，由仅包含第二元件部12的磁阻元件构成了半桥电路的情况下的第二元件部12的电阻值为1.3kω，该半桥电路的灵敏度为
‑
2.42mv/(mt
·
v)，非线性度在
‑
20mt至 20mt的范围内为7.91％fs。
[0235]
即，第一单位元件13的灵敏度的绝对值比第二单位元件14的灵敏度的绝对值小，第一单位元件13中的电阻变化特性的非线性度比第二单位元件14中的电阻变化特性的非线性度小。
[0236]
需要说明的是，在图中，仅公开了单一的第一单位元件13及单一的第二单位元件14，但第一单位元件13的数量及第二单位元件14的数量也可以为多个。在该情况下，多个第一单位元件13例如串联连接，多个第二单位元件14例如串联连接。
[0237]
如图10所示，在磁传感器1的制造方法的第三工序中，使用光刻及干蚀刻对基底膜63进行图案化，形成布线图案631。
[0238]
如图11所示，在磁传感器1的制造方法的第四工序中，使层间绝缘膜在基板61的整个面成膜。使用光刻及干蚀刻，对成膜后的层间绝缘膜进行图案化。由此，层间绝缘层65被形成为覆盖第一单位元件13、第二单位元件14及布线图案631，并且，在层间绝缘层65设置有接触孔65a、65b。
[0239]
如图12所示，在磁传感器1的制造方法的第五工序中，通过光刻及剥离，形成第一布线部66及第二布线部67。第一布线部66及第二布线部67例如是cu布线。
[0240]
第一布线部66经由接触孔65a而与第一单位元件13连接。第二布线部67经由接触孔65b而与第二单位元件14连接。
[0241]
如图13所示，在磁传感器1的制造方法的第六工序中，使钝化膜在基板61的整个面成膜。钝化膜例如是sio2膜。使用光刻及干蚀刻，对钝化膜进行图案化，并且，在所希望的位置形成开口部。由此，制造出磁传感器1。
[0242]
在经过上述的工序制造出的磁传感器1中，磁阻元件的电阻值为11.2kω，半桥电路的灵敏度为0.86mv，输出特性的非线性度在
‑
20mt至 20mt的范围内为0.36％fs。
[0243]
这样，在磁传感器1中，与以往那样的仅具有第一元件部11的磁阻元件(比较方式1的磁阻元件)、仅具有第二元件部12的磁阻元件(比较方式2的磁阻元件)相比，改善了输出
特性的线性度。
[0244]
具体而言，将分别具有磁涡构造的第一单位元件13及第二单位元件14串联连接，在第一单位元件13的下部铁磁性层135(第一参考层)中被固定的磁化所朝向的方向与在第二单位元件14的下部铁磁性层145(第二参考层)中被固定的磁化所朝向的方向成为相反的方向。
[0245]
由此，在第一单位元件13侧和第二单位元件14侧，非线性度被抵消，改善了输出特性的线性度。
[0246]
具体而言，第一单位元件13的电阻变化特性中的相对于磁场的非线性度的分布与第二单位元件14的电阻变化特性中的相对于磁场的非线性度的分布正负翻转，在第一单位元件13侧和第二单位元件14侧，非线性度被抵消。
[0247]
另外，相对于外部磁场的第一元件部11的电阻变化的变动方向与相对于外部磁场的第二元件部12的电阻变化的变动方向成为正负相反，由此，在第一单位元件13侧和第二单位元件14侧，非线性度被抵消。
[0248]
(实施方式2)
[0249]
图14是实施方式2的磁阻元件的概要俯视图。参照图14，对实施方式2的磁阻元件1a进行说明。
[0250]
如图14所示，实施方式2的磁阻元件10a与实施方式1的磁阻元件10相比的情况下，第一元件部11及第二元件部12的结构不同。其他的结构大致相同。
[0251]
第一元件部11包含多个第一单位元件13。多个第一单位元件13串联连接。具体而言，在相邻的第一单位元件13中，盖层138与下部电极层131交替连接。
[0252]
第二元件部12包含多个第二单位元件14。多个第二单位元件14串联连接。具体而言，在相邻的第二单位元件14中，盖层148与下部电极层141交替连接。
[0253]
多个第一单位元件13的个数比多个第二单位元件14的个数多。由此，包含多个第一单位元件13的第一元件部11的电阻比包含多个第二单位元件14的第二元件部12的电阻大。
[0254]
即便在像这样构成的情况下，实施方式2的磁阻元件10a及具备该磁阻元件10a的磁传感器也与实施方式1的磁阻元件10及具备该磁阻元件10的磁传感器1具有大致相同的效果。
[0255]
在上述的实施方式1及2中，将磁阻元件为tmr元件的情况作为例示进行了说明，但不限于此，也能够应用于gmr元件。
[0256]
以上，此次公开的实施方式及实施例在全部方面是例示，并非是限制性的内容。本发明的范围由权利要求书示出，包含与权利要求书同等的含义及范围内的全部变更。
[0257]
附图标记说明
[0258]
1磁传感器，10第一磁阻元件，11第一元件部，12第二元件部，13第一单位元件，14第二单位元件，20第二磁阻元件，21第一元件部，22第二元件部，23第一单位元件，24第二单位元件，30第三磁阻元件，31第一元件部，32第二元件部，33第一单位元件，34第二单位元件，40第四磁阻元件，41第一元件部，42第二元件部，43第一单位元件，44第二单位元件，61基板，61a表面，62绝缘层，63基底膜，64层叠膜，65层间绝缘层，65a、65b接触孔，66第一布线部，67第二布线部，131下部电极层，132反铁磁性层，133磁性层，134非磁性层，135下部铁磁
性层，135a第一膜面，136绝缘层，137上部铁磁性层，138盖层，141下部电极层，142反铁磁性层，143磁性层，144非磁性层，145下部铁磁性层，145a第二膜面，146绝缘层，147上部铁磁性层，148盖层，200磁阻元件，201层叠部，202钉扎层，203势垒层，204自由层，301磁阻要素，302参考层，303势垒层，304自由层，310下部屏蔽件，320上部屏蔽件。