WO2023153065A1 - 磁気センサ - Google Patents
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- H10N50/80—Constructional details
Definitions
- the present invention relates to magnetic sensors.
- Non-Patent Document 2 As prior art documents disclosing the magnetic reversal of the core of the magnetic vortex in circular magnetic dots, N. Kikuchi et al., "Vertical bistable switching of spin vortex in a circular magnetic dot", JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, VOLUME 90, NUMBER 12, 15 DECEMBER 2001 (Non-Patent Document 2).
- Patent Document 1 Japanese Patent No. 5909223 is a prior art document that discloses the structure of an annular magnetic device. Each layer of the annular magnetic device described in US Pat.
- the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a magnetic sensor capable of suppressing deterioration in detection accuracy of a vertical magnetic field component.
- a magnetic sensor includes a first magnetoresistive element and a second magnetoresistive element.
- the second magnetoresistive element is electrically connected to the first magnetoresistive element to form a bridge circuit, and when a signal magnetic field is applied, the resistance is opposite to that of the first magnetoresistive element. Show change.
- Each of the first magnetoresistive element and the second magnetoresistive element includes an upper electrode, a lower electrode, and a magnetoresistive laminate sandwiched between the upper and lower electrodes.
- the magnetization fixed layer having magnetization fixed in a certain direction parallel to the stacking direction of the magnetoresistive layered structure, the first non-magnetic layer, and the magnetization direction changes according to the signal magnetic field.
- the magnetization free layer has an annular shape when viewed from the stacking direction, and has a magnetic vortex structure magnetized in a spiral shape around an axis parallel to the stacking direction in a state in which no signal magnetic field is applied. are doing.
- the present invention it is possible to suppress deterioration in detection accuracy of the magnetic field component in the vertical direction in the magnetic sensor.
- FIG. 1 is a perspective view showing the configuration of a magnetoresistive element included in a magnetic sensor according to an embodiment of the present invention
- FIG. FIG. 2 is a partial side view of the magnetoresistive element of FIG. 1 as viewed in the direction of arrow II
- 3 is a partial side view showing an enlarged part III of the magnetoresistive element of FIG. 2
- FIG. 1 is a circuit diagram showing electrical connections of magnetoresistive elements included in a magnetic sensor according to an embodiment of the present invention
- FIG. 2 is a diagram showing the arrangement of magnetoresistive elements on a substrate on which a magnetic sensor is formed and the magnetization state of the magnetization pinned layer of the magnetoresistive laminate of each magnetoresistive element according to an embodiment of the present invention
- 1 is a circuit diagram showing the configuration of a magnetic sensor according to one embodiment of the present invention
- FIG. 7 is a graph showing magnetic hysteresis when a magnetic field component in the Z-axis direction is applied to a magnetization free layer according to a comparative example
- 8 is a diagram schematically showing a magnetization state at a point P1 in FIG. 7 in a magnetization free layer according to a comparative example
- FIG. 8 is a diagram schematically showing a magnetization state at a point P2 in FIG.
- FIG. 7 is a magnetization free layer according to a comparative example
- FIG. 8 is a diagram schematically showing a magnetization state at point P3 in FIG. 7 in a magnetization free layer according to a comparative example
- 8 is a diagram schematically showing a magnetization state at a point P4 in FIG. 7 in a magnetization free layer according to a comparative example
- FIG. 8 is a graph showing the output of the magnetic sensor when a magnetic field component in the Z-axis direction is applied to the magnetic sensor according to the comparative example
- FIG. 4 is a diagram showing a state in which an external magnetic field is applied in a direction parallel to the XY plane and a signal magnetic field is applied in the Z-axis direction to the magnetoresistive element included in the magnetic sensor according to the embodiment; FIG.
- FIG. 10 is a cross-sectional view showing the configuration of a magnetic sensor according to a modification in which a magnetic film is separately formed;
- 1 is a perspective view showing the configuration of a magnetic sensor package including a magnetic sensor according to this embodiment;
- FIG. FIG. 25 is a cross-sectional view of the magnetic sensor package of FIG. 24 as seen from the direction of the arrows on line XXV-XXV; 25 is a bottom view of the magnetic sensor package of FIG. 24 as seen from the direction of arrow XXVI;
- FIG. 1 is a perspective view showing the configuration of a magnetoresistive element included in a magnetic sensor according to one embodiment of the present invention.
- FIG. 2 is a partial side view of the magnetoresistive element of FIG. 1 as viewed in the direction of arrow II.
- FIG. 3 is a partial side view showing an enlarged part III of the magnetoresistive element of FIG.
- the magnetoresistive element 100 included in the magnetic sensor according to one embodiment of the present invention includes an upper electrode 120, a lower electrode 130, and a It includes sandwiched magnetoresistive stacks 110 .
- the upper electrodes 120 are arranged in a matrix at intervals in the X-axis direction and the Y-axis direction.
- the upper electrode 120 has a disk-like shape.
- the diameter of upper electrode 120 is, for example, 9 ⁇ m.
- the thickness of upper electrode 120 is, for example, 0.1 ⁇ m.
- a distance P2 between the centers of upper electrodes 120 adjacent to each other is, for example, 20 ⁇ m.
- the shape of the upper electrode 120 is not limited to a disk shape, and may be a rectangular shape, an H shape, or the like.
- the lower electrodes 130 are arranged in a matrix at intervals in the X-axis direction and the Y-axis direction.
- the lower electrode 130 has a disk-like shape.
- the diameter of lower electrode 130 is, for example, 9 ⁇ m.
- the thickness of lower electrode 130 is, for example, 0.1 ⁇ m.
- a distance P2 between the centers of lower electrodes 130 adjacent to each other is, for example, 20 ⁇ m.
- the lower electrode 130 faces a part of the upper electrode 120 with a gap in the Z-axis direction.
- the shape of the lower electrode 130 is not limited to a disc shape, and may be a rectangular shape, an H shape, or the like.
- Each of the upper electrode 120 and the lower electrode 130 is composed of a magnetic film containing a magnetic material.
- the magnetic film may be composed of a single ferromagnetic layer, or may be composed of a laminated film in which a plurality of layers are laminated.
- the magnetic film may be a laminated film in which a ferromagnetic layer, a non-magnetic layer and a ferromagnetic layer are laminated in this order.
- the ferromagnetic layer included in the magnetic film is composed of a magnetic material whose main component is at least one element of Co, Fe and Ni.
- NiFe, CoFe, CoFeB, CoFeNi, and the like are examples of materials that form the ferromagnetic layer included in the magnetic film.
- the non-magnetic layer included in the magnetic film is composed of a non-magnetic material mainly composed of Ru, Rh, Cr, Ir, or alloys thereof, which exhibits RKKY interaction.
- each of the upper electrode 120 and the lower electrode 130 does not necessarily have to be made of a magnetic film, and may be made of an electrode material such as Cu.
- the magnetoresistive laminate 110 is sandwiched between an upper electrode 120 and a lower electrode 130 facing each other.
- the magnetoresistive laminate 110 has a circular outer shape when viewed from the lamination direction (Z-axis direction) of the magnetoresistive laminate 110 .
- the diameter of the magnetoresistive layered body 110 is, for example, 3 ⁇ m.
- the thickness of the magnetoresistive layered body 110 is, for example, 0.15 ⁇ m.
- the first magnetoresistive multilayer body Ra and the second magnetoresistive multilayer body Rb are spaced apart from each other in the Y-axis direction between the upper electrode 120 and the lower electrode 130 facing each other. are placed.
- a distance P1 between the centers of the first magnetoresistive layered body Ra and the second magnetoresistive layered body Rb adjacent to each other is, for example, 10 ⁇ m.
- the center interval between the first magnetoresistive multilayer bodies Ra adjacent to each other in the X-axis direction is, for example, 10 ⁇ m.
- the center interval between the second magnetoresistive multilayer bodies Rb adjacent to each other in the X-axis direction is, for example, 10 ⁇ m.
- the magnetoresistive element 100 is a TMR (Tunnel Magneto Resistance) element.
- TMR Tunnelnel Magneto Resistance
- a magnetization fixed layer having magnetization fixed in a certain direction parallel to the lamination direction (Z-axis direction) of the magnetoresistive multilayer body 110, a first nonmagnetic layer, and a signal magnetic field.
- a magnetization free layer whose magnetization direction changes accordingly and a second non-magnetic layer are laminated in this order.
- a free layer 113 and a second nonmagnetic layer 118 are laminated in this order.
- the laminated ferrimagnetic pinned layer composed of the pinned layer 116, the coupling layer 117 and the reference layer 111 is the magnetization pinned layer.
- the magnetization free layer 113 is a soft ferromagnetic layer whose magnetization direction changes according to an external magnetic field such as a signal magnetic field.
- the magnetization free layer 113 is made of a magnetic material containing at least one of Co, Fe and Ni as a main component. For example, it is made of CoFe, NiFe, CoFeB, Heusler alloy, or the like.
- the magnetization free layer 113 may be composed of a single layer, or may be composed of a laminated ferrifree layer.
- the thickness of the magnetization free layer 113 is, for example, approximately 100 nm.
- the magnetization free layer 113 may be configured by laminating a CoFeB layer with a thickness of 2 nm, a Ta layer with a thickness of 0.25 nm, and a NiFe layer with a thickness of 98 nm in this order.
- the magnetization free layer 113 has a magnetic vortex structure that is vortex-magnetized around an axis parallel to the stacking direction (Z-axis direction) of the magnetoresistive layered body 110 in a state in which no signal magnetic field is applied.
- the magnetic vortex structure can be developed by setting the aspect ratio of the thickness of the magnetization free layer 113 to the diameter of the magnetization free layer 113 to a threshold value or less.
- the first non-magnetic layer 112 is, for example, a non-magnetic tunnel barrier layer made of MgO, and is thin enough to allow passage of a tunnel current based on quantum mechanics.
- the first non-magnetic layer 112 may be composed of an oxide or nitride of Al, Ti, Hf, or the like, other than MgO.
- the thickness of the first non-magnetic layer 112 is, for example, about 1.3 nm.
- the reference layer 111 is composed of a ferromagnetic layer with a thickness of 0.5 nm or more and 1 nm or less made of CoFe, CoFeB, or a Heuslar alloy and having a high polarizability, and a magnetization of the reference layer 111 .
- the thickness of the reference layer 111 is, for example, approximately 5 nm.
- the coupling layer 117 is composed of a non-magnetic material such as Ru, Ir, Rh or Cr that produces RKKY interaction.
- the thickness of bonding layer 117 is, for example, about 0.7 nm.
- the pinned layer 116 is a perpendicular magnetization film having a magnetization state antiparallel to the magnetization direction of the reference layer 111 via the coupling layer 117.
- the pinned layer 116 is TbFeCo, GdFeCo, FePt alloy, CoPt alloy, CoPd alloy, Co/Pt laminated film or Co /Pd laminated film.
- the thickness of pinned layer 116 is, for example, about 5 nm.
- the second underlayer 115 is provided for properly growing the crystal of the pinned layer 116 .
- the second underlayer 115 is made of, for example, crystalline Mo, Cr, Ti, Zr, Ni, Au, Ag, Cu, Pt, Pd, Ru, Ni—Fe, or the like.
- the first underlayer 114 is composed of Ta, which is in an amorphous state, as an adhesion layer for the metal laminated film.
- the second non-magnetic layer 118 is composed of any one of Ru, Cu, Ti, Ta, Pt, Pd, Au and Ag, an alloy containing any one of these metals, or a multilayer film of these metals. ing. Since the second non-magnetic layer 118 is provided between the upper electrode 120 and the magnetization free layer 113, the upper electrode 120 and the magnetization free layer 113 are not magnetically coupled to each other.
- a plurality of electrode rows including upper electrodes 120 and lower electrodes 130 arranged in the X-axis direction are connected to each other by wirings made of a non-magnetic material and connected in a meandering manner.
- the first wiring L1 is connected to the upper electrode 120 positioned at the end of the first electrode row.
- Lower electrodes 130 located at respective ends of the first electrode row and the second electrode row are connected to each other by a second wiring L2.
- Upper electrodes 120 located at respective ends of the second electrode row and the third electrode row are connected to each other by third wiring L3.
- a fourth wiring L4 is connected to the lower electrode 130 positioned at the end of the third electrode row.
- FIG. 4 is a circuit diagram showing the electrical connection of the magnetoresistive elements included in the magnetic sensor according to one embodiment of the present invention.
- a plurality of parallel connection portions in which the first magnetoresistive laminate Ra and the second magnetoresistive laminate Rb are connected in parallel are connected in series. It is In addition, in the magnetoresistive element 100, a plurality of magnetoresistive laminates may be connected only in series.
- FIG. 5 is a diagram showing the arrangement of magnetoresistive elements on a substrate on which a magnetic sensor is formed according to an embodiment of the present invention and the magnetization state of the magnetization pinned layer of the magnetoresistive laminate of each magnetoresistive element; is.
- the magnetic sensor 1 includes a first magnetoresistive element 100 (MR1), a second magnetoresistive element 100 (MR2), and a third magnetoresistive element. 100 (MR3) and a fourth magnetoresistive element 100 (MR4).
- a first magnetoresistive element 100 (MR1), a second magnetoresistive element 100 (MR2), a third magnetoresistive element 100 (MR3) and a fourth magnetoresistive element 100 (MR3) are formed on the main surface of a substrate Sb made of silicon or the like.
- a resistance effect element 100 (MR4) is formed.
- a power supply terminal Vcc, a ground terminal GND, a first output terminal V+ and a second output terminal V- are formed on the main surface of the substrate Sb.
- a plurality of magnetoresistive elements of each of the first magnetoresistive element 100 (MR1), the second magnetoresistive element 100 (MR2), the third magnetoresistive element 100 (MR3), and the fourth magnetoresistive element 100 (MR4) are equal to each other.
- the maximum electrical resistance values that the magnetoresistive laminate 110 can hold are equal to each other.
- the maximum electrical resistance value that can be held by the plurality of magnetoresistive layered bodies 110 is a magnetization state in which all the magnetization fixed layers of the plurality of magnetoresistive layered bodies 110 in the magnetoresistive element 100 are fixed in the same direction. In this case, the sum of electrical resistance values exhibited by each of the plurality of magnetoresistance effect laminates 110 when a signal magnetic field is applied.
- each of the first magnetoresistive effect element 100 (MR1) and the third magnetoresistive effect element 100 (MR3) all of the plurality of magnetoresistive multilayer bodies 110 have magnetoresistance effect layers. It has a magnetization state fixed in a first direction parallel to the stacking direction (Z-axis direction) of the effect stack 110 .
- the magnetization directions D11 of all the reference layers 111 of the plurality of magnetoresistive layered bodies 110 in the first magnetoresistive element 100 (MR1) and the plurality of magnetization directions in the third magnetoresistive element 100 (MR3) The magnetization directions D13 of all the reference layers 111 of the magnetoresistive stack 110 are fixed in the first direction.
- all of the plurality of magnetoresistive layered bodies 110 have magnetization fixed layers in the first direction opposite to the first direction. It has magnetization states that are fixed in two directions. Specifically, the magnetization directions D12 of all the reference layers 111 of the plurality of magnetoresistive layered bodies 110 in the second magnetoresistive element 100 (MR2) and the plurality of magnetization directions D12 in the fourth magnetoresistive element 100 (MR4) The magnetization direction D14 of all the reference layers 111 of the magnetoresistive stack 110 is fixed in the second direction.
- FIG. 6 is a circuit diagram showing the configuration of a magnetic sensor according to one embodiment of the present invention. As shown in FIG. 6, a first magnetoresistive element 100 (MR1), a second magnetoresistive element 100 (MR2), a third magnetoresistive element 100 (MR3) and a fourth magnetoresistive element 100 (MR4) are connected together in a full bridge to form a bridge circuit.
- MR1 first magnetoresistive element 100
- MR2 second magnetoresistive element 100
- MR3 third magnetoresistive element 100
- MR4 fourth magnetoresistive element 100
- a first series circuit in which a first magnetoresistive element 100 (MR1) and a fourth magnetoresistive element 100 (MR4) are connected in series, and a second magnetoresistive element 100 (MR2) and a second series circuit in which the third magnetoresistive effect element 100 (MR3) is connected in series with each other are connected in parallel.
- a drive voltage can be applied between the power supply terminal Vcc and the ground terminal GND.
- a first output terminal V+, which is the midpoint of the first series circuit, and a second output terminal V-, which is the midpoint of the second series circuit, are each electrically connected to a differential amplifier 10.
- the magnetic sensor 1 is not limited to a configuration including a full bridge circuit, and a half bridge in which the first magnetoresistive element 100 (MR1) and the fourth magnetoresistive element 100 (MR4) are electrically connected.
- a circuit or a half bridge circuit in which the second magnetoresistive element 100 (MR2) and the third magnetoresistive element 100 (MR3) are electrically connected may be provided.
- Each of the first magnetoresistive element 100 (MR1), the second magnetoresistive element 100 (MR2), the third magnetoresistive element 100 (MR3), and the fourth magnetoresistive element 100 (MR4) has a magnetoresistive effect.
- a magnetic field component in the stacking direction (Z-axis direction) of the stack 110 is detected.
- the magnetization direction D12 of the reference layer 111 of 100 (MR2) and the magnetization direction D14 of the reference layer 111 of the fourth magnetoresistive element 100 (MR4) are antiparallel to each other.
- the second magnetoresistive element 100 (MR2) and the first magnetoresistive element 100 (MR1) indicates the resistance change in the opposite direction.
- the third magnetoresistive element 100 (MR3) and the fourth magnetoresistive element 100 (MR4) indicates the resistance change in the opposite direction.
- the magnetic sensor according to the comparative example which differs from the magnetic sensor according to the present embodiment only in that it has a columnar magnetization free layer, the magnetization of the magnetization free layer when it is magnetically saturated by the magnetic field component in the Z-axis direction.
- FIG. 7 is a graph showing magnetic hysteresis when a magnetic field component in the Z-axis direction is applied to the magnetization free layer according to the comparative example.
- the vertical axis indicates the standardized magnetic moment
- the horizontal axis indicates the magnetic field component (T) in the Z-axis direction.
- the magnetic field components in the first direction are indicated by positive values
- the magnetic field components in the second direction are indicated by negative values.
- FIG. 8 is a diagram schematically showing the magnetization state at point P1 in FIG. 7 in the magnetization free layer according to the comparative example.
- FIG. 9 is a diagram schematically showing the magnetization state at the point P2 in FIG. 7 in the magnetization free layer according to the comparative example.
- FIG. 10 is a diagram schematically showing the magnetization state at point P3 in FIG. 7 in the magnetization free layer according to the comparative example.
- FIG. 11 is a diagram schematically showing the magnetization state at point P4 in FIG. 7 in the magnetization free layer according to the comparative example.
- the mesh-like hatched part is the part that is spirally magnetized while facing the second direction parallel to the Z-axis direction.
- the hatched portions are spirally magnetized in the first direction parallel to the Z-axis direction.
- black portions are portions magnetized in the second direction.
- the parts shown in white are the parts magnetized in the first direction.
- the magnetization free layer according to the comparative example has an anisotropic magnetic field of 1.12T and a saturation magnetic field Hs of 0.44T.
- the anisotropic magnetic field is the strength of the magnetic field required to align the magnetization directions of the magnetization free layers in the same direction parallel to the Z-axis direction.
- the saturation magnetic field Hs is the strength of the magnetic field required for the magnetization free layer to reach magnetic saturation.
- the magnetic field component in the second direction of ⁇ 0.44 T is applied and reaches magnetic saturation
- the magnetic field component in the second direction is ⁇ 0.
- the core portion 913c of the magnetization free layer 913 was magnetized in the second direction.
- the core portion 913c of the magnetization free layer 913 is magnetized in the first direction.
- the magnetization direction of the core portion 913c of the magnetization free layer 913 is changed from the second direction to the second direction. Flipped in the first direction. The state in which the magnetization direction of the core portion 913c of the magnetization free layer 913 was reversed to the first direction was maintained until the magnetization free layer 913 was applied with the magnetic field component in the first direction and reached magnetic saturation.
- the magnetization free layer 913 of the comparative example has a magnetic field component in the first direction of 0.44 T after being magnetically saturated with a magnetic field component of 0.44 T in the first direction.
- the core portion 913c of the magnetization free layer 913 was magnetized in the first direction.
- the core portion 913c of the magnetization free layer 913 is magnetized in the second direction. Ta. That is, in the state of point P3 where about 88% of the saturation magnetic field Hs is applied after magnetic saturation is reached by the magnetic field component in the first direction, the magnetization direction of the core portion 913c of the magnetization free layer 913 changes from the first direction to Flipped in the second direction. The state in which the magnetization direction of the core portion 913c of the magnetization free layer 913 was reversed to the second direction was maintained until the magnetization free layer 913 was applied with a magnetic field component in the second direction and reached magnetic saturation.
- FIG. 12 is a graph showing the output of the magnetic sensor according to the comparative example when a magnetic field component in the Z-axis direction is applied.
- FIG. 13 is a graph showing an enlarged part XIII in FIG. 12 and 13, the vertical axis indicates the output (mV) of the magnetic sensor, and the horizontal axis indicates the magnetic field component (mT) in the Z-axis direction applied to the magnetic sensor.
- FIG. 14 is a perspective view showing the structure of the magnetization free layer in the magnetic sensor according to this embodiment.
- the magnetization free layer 113 in the magnetic sensor 1 according to this embodiment has an annular shape when viewed from the stacking direction (Z-axis direction) of the magnetoresistive stack 110 . That is, a through hole 113h extending in the lamination direction (Z-axis direction) is formed in the core of the magnetization free layer 113 .
- the outer diameter of the magnetization free layer 113 is D1
- the inner diameter of the magnetization free layer 113, which is the diameter of the through hole 113h is D2. Ion beam etching or ion milling can be used as a method for forming the through hole 113h.
- the first non-magnetic layer on which the magnetization free layer 113 is laminated and the portion of the magnetization fixed layer on the first non-magnetic layer side may also be formed in an annular shape.
- the magnetization free layer 113 has a magnetic vortex structure B that is spirally magnetized around an axis parallel to the stacking direction (Z-axis direction) of the magnetoresistive layered body 110 when no signal magnetic field is applied. .
- FIG. 15 is a graph showing the magnetization process when a magnetic field component in the Z-axis direction is applied to four types of magnetization free layers with different inner diameters D2.
- the vertical axis indicates the Z-axis direction component of the magnetization of the magnetization free layer
- the horizontal axis indicates the magnetic field component (T) in the Z-axis direction.
- the magnetic field components in the first direction are indicated by positive values
- the magnetic field components in the second direction are indicated by negative values.
- the parts shown in black are the parts magnetized in the second direction.
- the portion hatched in a mesh pattern is the portion magnetized in a vortex while facing in the second direction.
- the hatched portion is the portion magnetized in a spiral while facing the first direction.
- the portion shown in white outside the through hole 113h is the portion magnetized in the first direction.
- the magnetization free layer 113 is magnetically saturated with a magnetic field component of -0.44 T in the second direction, and then the magnetic field component in the second direction is - In the state of point P5 where 0.4 T was applied, the magnetization directions were aligned in the second direction.
- the magnetization free layer 113 is magnetized spirally in the second direction. Ta.
- the magnetization free layer 113 is magnetically saturated by applying a magnetic field component of 0.44 T in the first direction, and then applying a magnetic field component of 0.4 T in the first direction.
- the magnetization directions were aligned in the first direction.
- the magnetization process of the magnetization free layer 113 due to the magnetic field component in the Z-axis direction is reversible, and no magnetic hysteresis is observed. It has been confirmed that this does not occur.
- FIG. 20 is a graph showing the relationship between the inner diameter D2 of the magnetization free layer and the magnetic susceptibility of the magnetization free layer.
- the horizontal axis indicates the inner diameter D2 of the magnetization free layer. The magnetic susceptibility of the magnetization free layer was calculated from the slope of the portion having linearity in each data in FIG.
- the magnetic susceptibility of the magnetization free layer 113 increases as the inner diameter D2 of the magnetization free layer increases. That is, the sensitivity of the magnetic sensor 1 increases as the inner diameter D2 of the magnetization free layer 113 increases.
- FIG. 21 is a graph showing the magnetization process when a magnetic field component in the X-axis direction is applied to four types of magnetization free layers with different inner diameters D2.
- the vertical axis indicates the X-axis direction component of the magnetization of the magnetization free layer
- the horizontal axis indicates the magnetic field component (T) in the X-axis direction.
- one magnetic field component in the X-axis direction is indicated by a positive value
- the other magnetic field component in the X-axis direction is indicated by a negative value.
- each of the upper electrode 120 and the lower electrode 130 is made of a magnetic film containing a magnetic material. Both sides of the body 110 in the stacking direction (Z-axis direction) are covered with magnetic films containing magnetic bodies.
- FIG. 22 is a diagram showing a state in which an external magnetic field is applied in a direction parallel to the XY plane and a signal magnetic field is applied in the Z-axis direction to the magnetoresistance effect element included in the magnetic sensor according to this embodiment.
- an external magnetic field B9 When an external magnetic field B9 is applied in a direction parallel to the XY plane as shown in FIG. It mainly flows into each of upper electrode 120 and lower electrode 130, which have higher magnetic permeability. The external magnetic field B9 hardly flows into the magnetoresistive layered structure 110 until each of the upper electrode 120 and the lower electrode 130 is saturated magnetized. After each of upper electrode 120 and lower electrode 130 is saturated magnetized, external magnetic field B 9 flows into magnetoresistive multilayer body 110 .
- the magnetization free layer 113 is magnetized along the application direction of the signal magnetic field B1. Since the magnetization free layer 113 and the upper electrode 120 are not magnetically coupled to each other, the magnetization direction of the magnetization free layer 113 is the magnetization direction of the upper electrode 120 even if the upper electrode 120 is magnetized by the external magnetic field B9. not affected by
- each of the upper electrode 120 and the lower electrode 130 functions as a magnetic shield, and can reduce the external magnetic field B9 flowing into the magnetoresistive multilayer body 110 .
- application of the magnetic field component in the X-axis direction to the magnetization free layer 113 can be suppressed. Since the magnetization free layer 113 is not magnetically coupled to the upper electrode 120, the intensity of the signal magnetic field B1 that has passed through the upper electrode 120 and flowed into the magnetoresistive stack 110 can be detected. .
- the magnetic film forming each of the upper electrode 120 and the lower electrode 130 is a laminated film in which a ferromagnetic layer, a nonmagnetic layer, and a ferromagnetic layer are laminated in this order, the magnetic film is a nonmagnetic film made of Ru or the like.
- the magnetization direction of the upper electrode 120 can be reversed by 180°.
- the upper electrode 120 can be made more difficult to be saturated.
- the external magnetic field B9 flowing into the magnetoresistive layered body 110 can be reduced to the extent that the intensity of the external magnetic field B9 is relatively high.
- FIG. 23 is a cross-sectional view showing the configuration of a magnetic sensor according to a modification in which a magnetic film is separately formed.
- a magnetic film 140, an insulating layer 150, a lower electrode 130, a magnetoresistive laminate 110, an upper electrode 120, an insulating layer 150 and The magnetic films 140 are laminated in this order.
- each of the upper electrode 120 and the lower electrode 130 is not composed of a magnetic film, and the magnetoresistive multilayer body 110 is formed in the lamination direction of the magnetoresistive multilayer body 110 ( It is covered with a magnetic film 140 containing a magnetic material from both sides in the Z-axis direction).
- the magnetic film 140 is formed by stacking, for example, a 10 nm thick NiFe layer, a 1 nm thick CoFe layer, a 0.7 nm thick Ru layer, a 1 nm thick CoFe layer, and a 10 nm thick NiFe layer in this order.
- the insulating layer 150 is composed of an oxide or nitride such as Mg, Al, Ti or Hf.
- the external magnetic field B9 flowing into the magnetoresistive layered body 110 can be reduced.
- application of the magnetic field component in the X-axis direction to the magnetization free layer 113 can be suppressed.
- the magnetoresistive layered body 110 does not include the second non-magnetic layer 118 in this modification.
- FIG. 24 is a perspective view showing the configuration of a magnetic sensor package including the magnetic sensor according to this embodiment.
- FIG. 25 is a cross-sectional view of the magnetic sensor package of FIG. 24 as seen from the direction of the arrows on line XXV--XXV.
- 26 is a bottom view of the magnetic sensor package of FIG. 24 as seen from the direction of arrow XXVI.
- the magnetic sensor package 9 includes a magnetic sensor 1, a mounting substrate 2, a sealing portion 3, a joint portion 4, and a solder resist 5.
- the magnetic sensor package 9 has a rectangular parallelepiped shape.
- a plurality of pad electrodes 22 are formed on the first main surface of the mounting substrate 2 .
- a plurality of connection electrodes 23 are formed on the second main surface of the mounting substrate 2 .
- a plurality of via conductors 21 are formed inside the mounting substrate 2 to connect the corresponding pad electrodes 22 and connection electrodes 23 to each other.
- Each of via conductor 21, pad electrode 22 and connection electrode 23 is made of an electrode material such as Cu.
- the plurality of pad electrodes 22 are connected to the power supply terminal Vcc, the ground terminal GND, the first output terminal V+ and the second output terminal V- of the magnetic sensor 1 by joints 4 made of solder or the like.
- the first main surface of the mounting board 2 and the periphery of the magnetic sensor 1 are covered with a sealing portion 3 made of epoxy resin or the like.
- the surroundings of the connection electrodes 23 on the second main surface of the mounting substrate 2 are covered with the solder resist 5 .
- the magnetization free layer 113 has an annular shape when viewed from the stacking direction (Z-axis direction) of the magnetoresistive layered body 110, and a signal magnetic field is applied.
- the non-strand state it has a magnetic vortex structure that is vortex-shaped magnetized around an axis parallel to the lamination direction (Z-axis direction).
- the magnetization reversal of the core portion of the magnetization free layer 113 is prevented, and the fluctuation of the offset voltage of the magnetic sensors 1 and 1a can be suppressed.
- the magnetoresistive layered body 110 is covered from both sides in the stacking direction (Z-axis direction) of the magnetoresistive layered body 110 with a magnetic film containing a magnetic material. .
- each of the upper electrode 120 and the lower electrode 130 is composed of a magnetic film, and the second nonmagnetic layer 118 is provided between the upper electrode 120 and the magnetization free layer 113. Due to the provision, the upper electrode 120 and the magnetization free layer 113 are not magnetically coupled to each other. As a result, the intensity of the signal magnetic field B1 flowing into the magnetoresistive layered structure 110 through the upper electrode 120 can be detected while suppressing the application of the external magnetic field B9 in the XY plane direction to the magnetization free layer 113. can be done.
- the inner diameter D2 of the magnetization free layer 113 is 1/2 or more of the outer diameter D1 of the magnetization free layer 113.
- the magnetoresistive laminates 110 are connected in parallel. A plurality of parallel connections are connected in series with each other. As a result, the voltage applied to one magnetoresistive layered body 110 can be reduced, and the resistance to electrostatic breakdown of the magnetoresistive element 100 can be improved. In addition, variations in the shape and characteristics of the magnetoresistive layered body 110 can be leveled to reduce variations in the characteristics of the magnetic sensors 1 and 1a.
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Abstract
磁気抵抗効果積層体においては、磁気抵抗効果積層体の積層方向に平行な一定方向に固定された磁化を有する磁化固定層と、第1非磁性層と、信号磁界に応じて磁化の向きが変化する磁化自由層(113)とが順に積層されている。磁化自由層(113)は、積層方向から見て円環状の形状を有し、かつ、信号磁界を印加されていない状態において、積層方向に平行な軸周りに渦状に磁化された磁気渦構造(B)を有している。
Description
本発明は、磁気センサに関する。
垂直磁気異方性を有する磁気トンネル接合の構成を開示した先行技術文献として、S. Bandiera et al., “Comparison of Synthetic Antiferromagnets and Hard Ferromagnets as Reference Layer in Magnetic Tunnel Junctions With Perpendicular Magnetic Anisotropy”, IEEE MAGNETICS LETTERS, Volume 1 (2010) (非特許文献1)がある。
円形磁気ドットにおける磁気渦の芯部の磁気反転を開示した先行技術文献として、N. Kikuchi et al., “Vertical bistable switching of spin vortex in a circular magnetic dot”, JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, VOLUME 90, NUMBER 12, 15 DECEMBER 2001 (非特許文献2)がある。
環状磁気デバイスの構造を開示した先行技術文献として、特許第5909223号(特許文献1)がある。特許文献1に記載された環状磁気デバイスの各層は、環状である。
S. Bandiera et al., "Comparison of Synthetic Antiferromagnets and Hard Ferromagnets as Reference Layer in Magnetic Tunnel Junctions With Perpendicular Magnetic Anisotropy", IEEE MAGNETICS LETTERS, Volume 1 (2010)
N. Kikuchi et al., "Vertical bistable switching of spin vortex in a circular magnetic dot", JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, VOLUME 90, NUMBER 12, 15 DECEMBER 2001
磁気渦構造を有する磁化自由層を備える磁気センサが垂直方向の磁界成分を検出する際、磁化自由層の芯部の磁気反転が生じた場合、磁気センサの検出精度が低下する。
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、垂直方向の磁界成分の検出精度の低下を抑制することができる、磁気センサを提供することを目的とする。
本発明に基づく磁気センサは、第1磁気抵抗効果素子と、第2磁気抵抗効果素子とを備える。第2磁気抵抗効果素子は、第1磁気抵抗効果素子と電気的に接続されてブリッジ回路を構成し、かつ、信号磁界を印加された際に、第1磁気抵抗効果素子とは反対向きの抵抗変化を示す。第1磁気抵抗効果素子および第2磁気抵抗効果素子の各々は、上部電極、下部電極、および、上部電極と下部電極との間に挟まれた磁気抵抗効果積層体を含む。磁気抵抗効果積層体においては、磁気抵抗効果積層体の積層方向に平行な一定方向に固定された磁化を有する磁化固定層と、第1非磁性層と、信号磁界に応じて磁化の向きが変化する磁化自由層とが順に積層されている。磁化自由層は、上記積層方向から見て円環状の形状を有し、かつ、信号磁界を印加されていない状態において、上記積層方向に平行な軸周りに渦状に磁化された磁気渦構造を有している。
本発明によれば、磁気センサにおける垂直方向の磁界成分の検出精度の低下を抑制することができる。
以下、本発明の一実施形態に係る磁気センサについて図を参照して説明する。以下の実施形態の説明においては、図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰り返さない。
図1は、本発明の一実施形態に係る磁気センサが備える磁気抵抗効果素子の構成を示す斜視図である。図2は、図1の磁気抵抗効果素子を矢印II方向から見た部分側面図である。図3は、図2の磁気抵抗効果素子のIII部を拡大して示す部分側面図である。
図1~図3に示すように、本発明の一実施形態に係る磁気センサが備える磁気抵抗効果素子100は、上部電極120、下部電極130、および、上部電極120と下部電極130との間に挟まれた磁気抵抗効果積層体110を含む。
上部電極120は、X軸方向およびY軸方向に互いに間隔をあけてマトリクス状に配置されている。本実施形態においては、上部電極120は、円板状の形状を有している。上部電極120の直径は、たとえば、9μmである。上部電極120の厚みは、たとえば、0.1μmである。互いに隣り合う上部電極120の中心同士の間隔P2は、たとえば、20μmである。なお、上部電極120の形状は、円板状に限られず、矩形状またはH字状などでもよい。
下部電極130は、X軸方向およびY軸方向に互いに間隔をあけてマトリクス状に配置されている。本実施形態においては、下部電極130は、円板状の形状を有している。下部電極130の直径は、たとえば、9μmである。下部電極130の厚みは、たとえば、0.1μmである。互いに隣り合う下部電極130の中心同士の間隔P2は、たとえば、20μmである。下部電極130は、上部電極120の一部とZ軸方向に間隔をあけて対向している。なお、下部電極130の形状は、円板状に限られず、矩形状またはH字状などでもよい。
上部電極120および下部電極130の各々は、磁性体を含む磁性体膜で構成されている。磁性体膜は、強磁性層の単層で構成されていてもよいし、複数の層が積層された積層膜で構成されていてもよい。たとえば、磁性体膜は、強磁性層、非磁性層および強磁性層がこの順に積層された積層膜であってもよい。
磁性体膜に含まれる強磁性層は、Co、FeおよびNiの少なくとも1種の元素を主成分とする磁性材料で構成されている。磁性体膜に含まれる強磁性層を構成する材料として、たとえば、NiFe、CoFe、CoFeB、または、CoFeNiなどが挙げられる。磁性体膜に含まれる非磁性層は、RKKY相互作用を示す、Ru、Rh、Cr若しくはIrまたはこれらの合金を主成分とする非磁性材料で構成されている。なお、上部電極120および下部電極130の各々は、必ずしも磁性体膜で構成されていなくてもよく、Cuなどの電極材料で構成されていてもよい。
磁気抵抗効果積層体110は、互いに対向している上部電極120と下部電極130との間に挟まれている。磁気抵抗効果積層体110は、磁気抵抗効果積層体110の積層方向(Z軸方向)から見て、円形の外形を有している。磁気抵抗効果積層体110の直径は、たとえば、3μmである。磁気抵抗効果積層体110の厚みは、たとえば、0.15μmである。
本実施形態においては、互いに対向している上部電極120と下部電極130との間に、第1磁気抵抗効果積層体Raおよび第2磁気抵抗効果積層体RbがY軸方向に互いに間隔をあけて配置されている。互いに隣り合う第1磁気抵抗効果積層体Raと第2磁気抵抗効果積層体Rbとの中心同士の間隔P1は、たとえば、10μmである。X軸方向に互いに隣り合う第1磁気抵抗効果積層体Ra同士の中心間隔は、たとえば、10μmである。X軸方向に互いに隣り合う第2磁気抵抗効果積層体Rb同士の中心間隔は、たとえば、10μmである。
本実施形態においては、磁気抵抗効果素子100は、TMR(Tunnel Magneto Resistance)素子である。磁気抵抗効果積層体110においては、磁気抵抗効果積層体110の積層方向(Z軸方向)に平行な一定方向に固定された磁化を有する磁化固定層と、第1非磁性層と、信号磁界に応じて磁化の向きが変化する磁化自由層と、第2非磁性層とが順に積層されている。
具体的には、図3に示すように、下部電極130上に、第1下地層114、第2下地層115、ピンド層116、結合層117、リファレンス層111、第1非磁性層112、磁化自由層113および第2非磁性層118が、この順に積層されている。ここでは、ピンド層116、結合層117およびリファレンス層111から構成される積層フェリ固定層が磁化固定層である。
磁化自由層113は、信号磁界などの外部磁界に応じて磁化方向が変化する軟質強磁性層である。磁化自由層113は、Co、FeおよびNiの少なくとも1種の元素を主成分とする磁性材料で構成されている。たとえば、CoFe、NiFe、CoFeBまたは、Heusler合金などから構成されている。磁化自由層113は、単層で構成されていてもよいし、積層フェリ自由層で構成されていてもよい。磁化自由層113の厚みは、たとえば、約100nmである。たとえば、厚み2nmのCoFeB層、厚み0.25nmのTa層、厚み98nmのNiFe層を順に積層して磁化自由層113を構成してもよい。
磁化自由層113は、信号磁界を印加されていない状態において、磁気抵抗効果積層体110の積層方向(Z軸方向)に平行な軸周りに渦状に磁化された磁気渦構造を有している。磁気渦構造は、磁化自由層113の直径に対する磁化自由層113の厚みのアスペクト比を閾値以下にすることにより発現させることができる。
第1非磁性層112は、たとえば、MgOからなる非磁性のトンネルバリア層であり、量子力学に基づくトンネル電流が通過可能な程度に厚みの薄い層である。なお、第1非磁性層112は、MgO以外に、Al、TiまたはHfなどの酸化物もしくは窒化物から構成されていてもよい。第1非磁性層112の厚みは、たとえば、約1.3nmである。
リファレンス層111は、第1非磁性層112との界面に配置された、CoFe、CoFeBまたはHeuslar合金からなる分極率が高い0.5nm以上1nm以下の厚みの強磁性層と、リファレンス層111の磁化方向をリファレンス層111の膜面に垂直な方向に揃えるための、垂直磁気異方性を有する垂直磁化膜である、たとえば、TbFeCo、GdFeCo、FePt合金、CoPt合金、CoPd合金、Co/Pt積層膜またはCo/Pd積層膜とが、積層された構成となっている。リファレンス層111の厚みは、たとえば、約5nmである。
結合層117は、Ru、Ir、RhまたはCrなどのRKKY相互作用を発する非磁性材料から構成されている。結合層117の厚みは、たとえば、約0.7nmである。
ピンド層116は、結合層117を介してリファレンス層111の磁化方向と反平行磁化状態となる垂直磁化膜である、TbFeCo、GdFeCo、FePt合金、CoPt合金、CoPd合金、Co/Pt積層膜またはCo/Pd積層膜で構成されている。ピンド層116の厚みは、たとえば、約5nmである。
第2下地層115は、ピンド層116の結晶を適切に成長させるために設けられている。第2下地層115は、たとえば、結晶質となるMo、Cr、Ti、Zr、Ni、Au、Ag、Cu、Pt、Pd、Ru、またはNi-Feなどから構成されている。
第1下地層114は、金属積層膜の密着層として、アモルファス状態となるTaから構成される。
第2非磁性層118は、Ru、Cu、Ti、Ta、Pt、Pd、AuおよびAgのいずれか1種の金属、これらのいずれか1種を含む合金、またはこれら金属の多層膜で構成されている。上部電極120と磁化自由層113との間に第2非磁性層118が設けられていることにより、上部電極120と磁化自由層113とは互いに磁気的に結合されていない。
図1に示すように、X軸方向に並んだ上部電極120および下部電極130を含む複数の電極列は、非磁性材料で形成された配線で互いに接続され、ミアンダ状に結線される。具体的には、第1電極列の端に位置する上部電極120に第1配線L1が接続される。第1電極列および第2電極列の各々の端に位置する下部電極130同士が第2配線L2によって互いに接続される。第2電極列および第3電極列の各々の端に位置する上部電極120同士が第3配線L3によって互いに接続される。第3電極列の端に位置する下部電極130に第4配線L4が接続される。
図4は、本発明の一実施形態に係る磁気センサが備える磁気抵抗効果素子の電気的接続を示す回路図である。図4に示すように、磁気抵抗効果素子100においては、第1磁気抵抗効果積層体Raおよび第2磁気抵抗効果積層体Rbが互いに並列に接続された複数の並列接続部が、互いに直列に接続されている。なお、磁気抵抗効果素子100において、複数の磁気抵抗効果積層体を直列にのみ接続してもよい。
図5は、本発明の一実施形態に係る磁気センサが形成されている基板上の磁気抵抗効果素子の配置および各磁気抵抗効果素子の磁気抵抗効果積層体の磁化固定層の磁化状態を示す図である。
図5に示すように、本発明の一実施形態に係る磁気センサ1は、第1磁気抵抗効果素子100(MR1)と、第2磁気抵抗効果素子100(MR2)と、第3磁気抵抗効果素子100(MR3)と、第4磁気抵抗効果素子100(MR4)とを備える。シリコンなどから形成された基板Sbの主面上に、第1磁気抵抗効果素子100(MR1)、第2磁気抵抗効果素子100(MR2)、第3磁気抵抗効果素子100(MR3)および第4磁気抵抗効果素子100(MR4)が形成されている。基板Sbの主面上に、電源端子Vcc、接地端子GND、第1出力端子V+および第2出力端子V-が形成されている。
第1磁気抵抗効果素子100(MR1)、第2磁気抵抗効果素子100(MR2)、第3磁気抵抗効果素子100(MR3)および第4磁気抵抗効果素子100(MR4)の各々の複数の磁気抵抗効果積層体110の数は、互いに等しい。
そのため、第1磁気抵抗効果素子100(MR1)、第2磁気抵抗効果素子100(MR2)、第3磁気抵抗効果素子100(MR3)および第4磁気抵抗効果素子100(MR4)の各々における複数の磁気抵抗効果積層体110が保持可能な最大電気抵抗値は、互いに等しい。複数の磁気抵抗効果積層体110が保持可能な最大電気抵抗値とは、磁気抵抗効果素子100において複数の磁気抵抗効果積層体110の全部の磁化固定層が同一方向に固定された磁化状態を有する場合における、信号磁界が印加されたときに複数の磁気抵抗効果積層体110の各々が示す電気抵抗値の合計である。
図5に示すように、第1磁気抵抗効果素子100(MR1)および第3磁気抵抗効果素子100(MR3)の各々における、複数の磁気抵抗効果積層体110の全部において、磁化固定層は磁気抵抗効果積層体110の積層方向(Z軸方向)に平行な第1方向に固定された磁化状態を有する。具体的には、第1磁気抵抗効果素子100(MR1)における複数の磁気抵抗効果積層体110の全部のリファレンス層111の磁化方向D11、および、第3磁気抵抗効果素子100(MR3)における複数の磁気抵抗効果積層体110の全部のリファレンス層111の磁化方向D13は、第1方向に向いて固定されている。
第2磁気抵抗効果素子100(MR2)および第4磁気抵抗効果素子100(MR4)の各々における、複数の磁気抵抗効果積層体110の全部において、磁化固定層は第1方向とは反対向きの第2方向に固定された磁化状態を有する。具体的には、第2磁気抵抗効果素子100(MR2)における複数の磁気抵抗効果積層体110の全部のリファレンス層111の磁化方向D12、および、第4磁気抵抗効果素子100(MR4)における複数の磁気抵抗効果積層体110の全部のリファレンス層111の磁化方向D14は、第2方向に向いて固定されている。
図6は、本発明の一実施形態に係る磁気センサの構成を示す回路図である。図6に示すように、第1磁気抵抗効果素子100(MR1)、第2磁気抵抗効果素子100(MR2)、第3磁気抵抗効果素子100(MR3)および第4磁気抵抗効果素子100(MR4)は、フルブリッジで互いに接続されて、ブリッジ回路を構成している。
具体的には、第1磁気抵抗効果素子100(MR1)と第4磁気抵抗効果素子100(MR4)とが互いに直列に接続された第1直列回路と、第2磁気抵抗効果素子100(MR2)と第3磁気抵抗効果素子100(MR3)とが互いに直列に接続された第2直列回路とが、並列に接続されている。ブリッジ回路においては、電源端子Vccと接地端子GNDとの間で駆動電圧が印加可能とされている。第1直列回路の中点である第1出力端子V+、および、第2直列回路の中点である第2出力端子V-の各々は、差動増幅器10に電気的に接続されている。
なお、磁気センサ1は、フルブリッジ回路を備えている構成に限られず、第1磁気抵抗効果素子100(MR1)と第4磁気抵抗効果素子100(MR4)とが電気的に接続されたハーフブリッジ回路、または、第2磁気抵抗効果素子100(MR2)と第3磁気抵抗効果素子100(MR3)とが電気的に接続されたハーフブリッジ回路を備えていてもよい。
第1磁気抵抗効果素子100(MR1)、第2磁気抵抗効果素子100(MR2)、第3磁気抵抗効果素子100(MR3)および第4磁気抵抗効果素子100(MR4)の各々は、磁気抵抗効果積層体110の積層方向(Z軸方向)の磁界成分を検出する。
上記のように、第1磁気抵抗効果素子100(MR1)のリファレンス層111の磁化方向D11および第3磁気抵抗効果素子100(MR3)のリファレンス層111の磁化方向D13と、第2磁気抵抗効果素子100(MR2)のリファレンス層111の磁化方向D12および第4磁気抵抗効果素子100(MR4)のリファレンス層111の磁化方向D14とは、互いに反平行である。
これにより、磁気抵抗効果積層体110の積層方向(Z軸方向)に信号磁界を印加された際に、第2磁気抵抗効果素子100(MR2)は、第1磁気抵抗効果素子100(MR1)とは反対向きの抵抗変化を示す。同様に、磁気抵抗効果積層体110の積層方向(Z軸方向)に信号磁界を印加された際に、第3磁気抵抗効果素子100(MR3)は、第4磁気抵抗効果素子100(MR4)とは反対向きの抵抗変化を示す。
ここで、円柱状の磁化自由層を有している点のみ本実施形態に係る磁気センサと異なる比較例に係る磁気センサにおいて、Z軸方向の磁界成分によって磁気飽和する際の磁化自由層の磁化状態をシミュレーション解析した結果について説明する。
図7は、比較例に係る磁化自由層にZ軸方向の磁界成分を印加した際の磁気ヒステリシスを示すグラフである。図7においては、縦軸に、標準化した磁気モーメント、横軸に、Z軸方向の磁界成分(T)を示している。図7においては、第1方向の磁界成分を正の値で示し、第2方向の磁界成分を負の値で示している。
図8は、比較例に係る磁化自由層における図7の点P1での磁化状態を模式的に示す図である。図9は、比較例に係る磁化自由層における図7の点P2での磁化状態を模式的に示す図である。図10は、比較例に係る磁化自由層における図7の点P3での磁化状態を模式的に示す図である。図11は、比較例に係る磁化自由層における図7の点P4での磁化状態を模式的に示す図である。
図8および図9において、網目状のハッチングを付している部分は、Z軸方向に平行な第2方向に向きつつ渦状に磁化している部分である。図10および図11において、斜線状のハッチングを付している部分は、Z軸方向に平行な第1方向に向きつつ渦状に磁化している部分である。図8および図10において、黒色で示している部分は、第2方向に向いて磁化している部分である。図9および図11において、白色で示している部分は、第1方向に向いて磁化している部分である。
比較例に係る磁化自由層における、異方性磁界は1.12Tであり、飽和磁界Hsは0.44Tである。異方性磁界とは、磁化自由層の磁化方向をZ軸方向に平行な同一方向にそろえるのに必要な磁界の強さである。飽和磁界Hsとは、磁化自由層が磁気飽和に至るのに必要な磁界の強さである。
図7および図8に示すように、比較例に係る磁化自由層913は、第2方向の磁界成分が-0.44T印加されて磁気飽和に至った後、第2方向の磁界成分が-0.4T印加されている点P1の状態において、磁化自由層913の芯部913cは第2方向に向いて磁化していた。
その後、図7および図9に示すように、第2方向の磁界成分が-0.38T印加されている点P2の状態において、磁化自由層913の芯部913cは第1方向に向いて磁化していた。すなわち、第2方向の磁界成分によって磁気飽和に至った後、飽和磁界Hsの約88%が印加されている点P2の状態において、磁化自由層913の芯部913cの磁化方向が第2方向から第1方向に反転した。磁化自由層913の芯部913cの磁化方向が第1方向に反転した状態は、磁化自由層913が第1方向の磁界成分を印加されて磁気飽和に至るまで維持された。
一方、図7および図11に示すように、比較例の磁化自由層913は、第1方向の磁界成分が0.44T印加されて磁気飽和に至った後、第1方向の磁界成分が0.4T印加されている点P4の状態において、磁化自由層913の芯部913cは第1方向に向いて磁化していた。
その後、図7および図10に示すように、第1方向の磁界成分が0.38T印加されている点P3の状態において、磁化自由層913の芯部913cは第2方向に向いて磁化していた。すなわち、第1方向の磁界成分によって磁気飽和に至った後、飽和磁界Hsの約88%が印加されている点P3の状態において、磁化自由層913の芯部913cの磁化方向が第1方向から第2方向に反転した。磁化自由層913の芯部913cの磁化方向が第2方向に反転した状態は、磁化自由層913が第2方向の磁界成分を印加されて磁気飽和に至るまで維持された。
図12は、比較例に係る磁気センサにZ軸方向の磁界成分が印加された際の磁気センサの出力を示すグラフである。図13は、図12中のXIII部を拡大して示すグラフである。図12および図13においては、縦軸に、磁気センサの出力(mV)、横軸に、磁気センサに印加されるZ軸方向の磁界成分(mT)を示している。
図12および図13に示すように、比較例に係る磁気センサにおいては、上記の磁化自由層913の芯部913cの磁化反転に起因する磁化状態の非可逆的な変化による磁気ヒステリシスが認められ、信号磁界が印加されていない状態における磁気センサの出力値であるオフセット電圧の変動が生じていた。このようなオフセット電圧の変動は、磁気センサの誤差の要因となる。
図14は、本実施形態に係る磁気センサにおける磁化自由層の構造を示す斜視図である。図14に示すように、本実施形態に係る磁気センサ1における磁化自由層113は、磁気抵抗効果積層体110の積層方向(Z軸方向)から見て円環状の形状を有している。すなわち、磁化自由層113の芯部に、積層方向(Z軸方向)に延在する貫通孔113hが形成されている。磁化自由層113の外径はD1であり、貫通孔113hの直径である磁化自由層113の内径はD2である。貫通孔113hを形成する方法として、イオンビームエッチングまたはイオンミリングを用いることができる。なお、磁化自由層113が積層されている第1非磁性層、さらに磁化固定層の第1非磁性層側の部分も、円環状に形成されていてもよい。
磁化自由層113は、信号磁界を印加されていない状態において、磁気抵抗効果積層体110の積層方向(Z軸方向)に平行な軸周りに渦状に磁化された磁気渦構造Bを有している。
ここで、磁化自由層の内径D2をパラメータとして、Z軸方向の磁界成分によって磁気飽和する際の磁化自由層の磁化状態をシミュレーション解析した結果について説明する。磁化自由層の内径D2としては、D2=0、1/3×D1、1/2×D1、2/3×D1、の4種類とした。D2=0の磁化自由層913の芯部には、貫通孔113hは形成されていない。
図15は、内径D2が互いに異なる4種類の磁化自由層にZ軸方向の磁界成分を印加した際の磁化過程を示すグラフである。図15においては、縦軸に、磁化自由層の磁化のZ軸方向成分、横軸に、Z軸方向の磁界成分(T)を示している。図15においては、第1方向の磁界成分を正の値で示し、第2方向の磁界成分を負の値で示している。内径D2=0の磁化自由層のデータを2点鎖線、内径D2=1/3×D1の磁化自由層のデータを1点鎖線、内径D2=1/2×D1の磁化自由層のデータを点線、内径D2=2/3×D1の磁化自由層のデータを実線で示している。
図16は、内径D2=1/2×D1の磁化自由層における図15の点P5での磁化状態を模式的に示す図である。図17は、内径D2=1/2×D1の磁化自由層における図15の点P6での磁化状態を模式的に示す図である。図18は、内径D2=1/2×D1の磁化自由層における図15の点P7での磁化状態を模式的に示す図である。図19は、内径D2=1/2×D1の磁化自由層における図15の点P8での磁化状態を模式的に示す図である。
図16において、黒色で示している部分は、第2方向に向いて磁化している部分である。図17において、網目状のハッチングを付している部分は、第2方向に向きつつ渦状に磁化している部分である。図18において、斜線状のハッチングを付している部分は、第1方向に向きつつ渦状に磁化している部分である。図19において、貫通孔113hの外側で白色で示している部分は、第1方向に向いて磁化している部分である。
図15および図16に示すように、本実施形態に係る磁化自由層113は、第2方向の磁界成分が-0.44T印加されて磁気飽和に至った後、第2方向の磁界成分が-0.4T印加されている点P5の状態において、第2方向に磁化方向がそろっていた。
その後、図15および図17に示すように、第2方向の磁界成分が-0.38T印加されている点P6の状態において、磁化自由層113は、第2方向に向きつつ渦状に磁化していた。
一方、図15および図19に示すように、磁化自由層113は、第1方向の磁界成分が0.44T印加されて磁気飽和に至った後、第1方向の磁界成分が0.4T印加されている点P8の状態において、第1方向に磁化方向がそろっていた。
その後、図15および図18に示すように、第1方向の磁界成分が0.38T印加されている点P7の状態において、磁化自由層113は、第1方向に向きつつ渦状に磁化していた。
図16~図19に示すように、円環状の形状を有する磁化自由層113においては、芯部が存在しないため、磁化自由層113の芯部の磁化反転が生じなかった。これにより、本実施形態に係る磁気センサ1においては、Z軸方向の磁界成分による磁化自由層113の磁化過程は可逆的であり、磁気ヒステリシスが認められないため、磁気センサのオフセット電圧の変動が生じないことが確認できた。
図20は、磁化自由層の内径D2と磁化自由層の磁化率との関係を示すグラフである。図20においては、縦軸に、D2=0の磁化自由層の磁化率で規格化した磁化率の増加比、横軸に、磁化自由層の内径D2を示している。なお、磁化自由層の磁化率は、図15中の各データにおいて線形性を有する部分の傾きから算出した。
図20に示すように、磁化自由層の内径D2が大きくなるにしたがって、磁化自由層113の磁化率が増加していた。すなわち、磁化自由層113の内径D2が大きくなるにしたがって、磁気センサ1の感度が高くなった。特に、磁化自由層113の内径D2が1/2×D1以上であることにより、磁化自由層113の磁化率をD2=0の磁化自由層913に比較して25%以上増加させることができ、磁気センサ1の感度を有意に高くできることが確認できた。
次に、磁化自由層の内径D2をパラメータとして、X軸方向の磁界成分によって磁気飽和する際の磁化自由層の磁化状態をシミュレーション解析した結果について説明する。磁化自由層の内径D2としては、D2=0、1/3×D1、1/2×D1、2/3×D1、の4種類とした。
図21は、内径D2が互いに異なる4種類の磁化自由層にX軸方向の磁界成分を印加した際の磁化過程を示すグラフである。図15においては、縦軸に、磁化自由層の磁化のX軸方向成分、横軸に、X軸方向の磁界成分(T)を示している。図21においては、X軸方向の一方の磁界成分を正の値で示し、X軸方向の他方の磁界成分を負の値で示している。内径D2=0の磁化自由層のデータを2点鎖線、内径D2=1/3×D1の磁化自由層のデータを1点鎖線、内径D2=1/2×D1の磁化自由層のデータを点線、内径D2=2/3×D1の磁化自由層のデータを実線で示している。
図21に示すように、D2=1/3×D1、1/2×D1、2/3×D1である円環状の形状を有する3種類の磁化自由層の各々は、XY面内方向の外部磁界に対する耐性が低下して、磁化状態の非可逆的な変化による磁気ヒステリシスが認められた。また、D2=1/3×D1、1/2×D1、2/3×D1である円環状の形状を有する3種類の磁化自由層の各々は、比較例に係る磁化自由層913に比較して、X軸方向の磁界成分による飽和磁界Hsの低下も認められた。
本実施形態に係る磁気抵抗効果素子100においては、上部電極120および下部電極130の各々が磁性体を含む磁性体膜で構成されていることにより、磁気抵抗効果積層体110は、磁気抵抗効果積層体110の積層方向(Z軸方向)の両側から磁性体を含む磁性体膜で覆われている。
図22は、本実施形態に係る磁気センサが備える磁気抵抗効果素子に、XY平面に平行な方向に外部磁界が印加されつつZ軸方向に信号磁界が印加された状態を示す図である。
本実施形態に係る磁気センサ1が備える磁気抵抗効果素子100に、図22に示すようにXY平面に平行な方向に外部磁界B9が印加された際、外部磁界B9は、磁気抵抗効果積層体110より透磁率の高い、上部電極120および下部電極130の各々に主に流入する。外部磁界B9は、上部電極120および下部電極130の各々が飽和磁化するまでは、磁気抵抗効果積層体110にはほとんど流入しない。上部電極120および下部電極130の各々が飽和磁化した後、外部磁界B9が磁気抵抗効果積層体110に流入する。
上部電極120および下部電極130の各々のZ軸方向における透磁率は低いため、図22に示すようにZ軸方向に信号磁界B1が印加された際、信号磁界B1は、上部電極120を通過して磁気抵抗効果積層体110に流入する。その結果、磁化自由層113は、信号磁界B1の印加方向に沿うように磁化される。なお、磁化自由層113は、上部電極120とは互いに磁気的に結合されていないため、上部電極120が外部磁界B9によって磁化されていても磁化自由層113の磁化方向は上部電極120の磁化方向の影響を受けない。
本実施形態においては、上部電極120および下部電極130の各々が磁気シールドとして機能し、磁気抵抗効果積層体110に流入する外部磁界B9を低減することができる。その結果、磁化自由層113にX軸方向の磁界成分が印加されることを抑制することができる。なお、磁化自由層113は、上部電極120とは互いに磁気的に結合されていないため、上部電極120を通過して磁気抵抗効果積層体110に流入した信号磁界B1の強度を検出することができる。
上部電極120および下部電極130の各々を構成する磁性体膜が、強磁性層、非磁性層および強磁性層がこの順に積層された積層膜である場合、磁性体膜にRuなどからなる非磁性層を介在させることにより、上部電極120の磁化方向を180°反転させることができる。これにより、上部電極120をさらに飽和磁化しにくくすることができる。その結果、外部磁界B9の強度が比較的高い範囲まで、磁気抵抗効果積層体110に流入する外部磁界B9を低減することができる。
上部電極120および下部電極130の各々が磁性体膜で構成されていない場合、磁性体膜が別途形成されてもよい。図23は、磁性体膜が別途形成された変形例に係る磁気センサの構成を示す断面図である。
図23に示すように、変形例に係る磁気センサ1aにおいては、基板Sb上に、磁性体膜140、絶縁層150、下部電極130、磁気抵抗効果積層体110、上部電極120、絶縁層150および磁性体膜140が、この順に積層されている。
本変形例に係る磁気抵抗効果素子においては、上部電極120および下部電極130の各々は磁性体膜で構成されておらず、磁気抵抗効果積層体110は、磁気抵抗効果積層体110の積層方向(Z軸方向)の両側から磁性体を含む磁性体膜140で覆われている。磁性体膜140は、たとえば、厚み10nmのNiFe層、厚み1nmのCoFe層、厚み0.7nmのRu層、厚み1nmのCoFe層、厚み10nmのNiFe層、を順に積層して構成されている。絶縁層150は、Mg、Al、TiまたはHfなどの酸化物もしくは窒化物から構成されている。
変形例に係る磁気センサ1aにおいても、磁気抵抗効果積層体110に流入する外部磁界B9を低減することができる。その結果、磁化自由層113にX軸方向の磁界成分が印加されることを抑制することができる。なお、本変形例においては、磁気抵抗効果積層体110は、第2非磁性層118を含んでいない。
磁気センサは、パッケージ化されていてもよい。図24は、本実施形態に係る磁気センサを備える磁気センサパッケージの構成を示す斜視図である。図25は、図24の磁気センサパッケージをXXV-XXV線矢印方向から見た断面図である。図26は、図24の磁気センサパッケージを矢印XXVI方向から見た底面図である。
図24~図26に示すように、本実施形態に係る磁気センサパッケージ9は、磁気センサ1と、実装基板2と、封止部3と、接合部4と、ソルダーレジスと5とを備える。磁気センサパッケージ9は、直方体状の外形を有している。
実装基板2の第1主面上に複数のパッド電極22が形成されている。実装基板2の第2主面上に複数の接続電極23が形成されている。実装基板2の内部に、対応するパッド電極22と接続電極23とを互いに接続する複数のビア導体21が形成されている。ビア導体21、パッド電極22および接続電極23の各々は、Cuなどの電極材料で構成されている。
複数のパッド電極22は、はんだなどからなる接合部4によって、磁気センサ1の電源端子Vcc、接地端子GND、第1出力端子V+および第2出力端子V-とそれぞれ接続されている。
実装基板2の第1主面上および磁気センサ1の周囲は、エポキシ樹脂などからなる封止部3によって覆われている。実装基板2の第2主面上における接続電極23の周囲は、ソルダーレジスと5によって覆われている。
本実施形態に係る磁気センサ1,1aにおいては、磁化自由層113は、磁気抵抗効果積層体110の積層方向(Z軸方向)から見て円環状の形状を有し、かつ、信号磁界を印加されていない状態において、上記積層方向(Z軸方向)に平行な軸周りに渦状に磁化された磁気渦構造を有している。これにより、磁化自由層113の芯部の磁化反転が生じないようにして、磁気センサ1,1aのオフセット電圧の変動が生ずることを抑制することができる。ひいては、磁気センサ1,1aにおける垂直方向(Z軸方向)の磁界成分の検出精度の低下を抑制することができる。
本実施形態に係る磁気センサ1,1aにおいては、磁気抵抗効果積層体110は、磁気抵抗効果積層体110の積層方向(Z軸方向)の両側から磁性体を含む磁性体膜で覆われている。これにより、XY面内方向の外部磁界B9が磁化自由層113に印加されることを抑制して、磁気センサ1,1aにおける垂直方向(Z軸方向)の磁界成分の検出精度の低下を抑制することができる。
本実施形態に係る磁気センサ1においては、上部電極120および下部電極130の各々は、磁性体膜で構成されており、上部電極120と磁化自由層113との間に第2非磁性層118が設けられていることにより、上部電極120と磁化自由層113とが互いに磁気的に結合されていない。これにより、XY面内方向の外部磁界B9が磁化自由層113に印加されることを抑制しつつ上部電極120を通過して磁気抵抗効果積層体110に流入した信号磁界B1の強度を検出することができる。
本実施形態に係る磁気センサ1,1aにおいては、磁化自由層113の内径D2は、磁化自由層113の外径D1の1/2以上である。これにより、磁化自由層113の磁化率をD2=0の磁化自由層913に比較して25%以上増加させることができ、磁気センサ1,1aの感度を高くすることができる。
本実施形態に係る磁気センサ1,1aの第1磁気抵抗効果素子100(MR1)および第2磁気抵抗効果素子100(MR2)の各々においては、磁気抵抗効果積層体110同士が互いに並列に接続されている複数の並列接続部が、互いに直列に接続されている。これにより、1個の磁気抵抗効果積層体110に印加される電圧を低減して磁気抵抗効果素子100の静電破壊耐性を向上することができる。また、磁気抵抗効果積層体110の形状および特性のばらつきを平準化して、磁気センサ1,1aの特性のばらつきを低減することができる。
上述した実施形態の説明において、組み合わせ可能な構成を相互に組み合わせてもよい。
今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
1,1a 磁気センサ、2 実装基板、3 封止部、4 接合部、9 磁気センサパッケージ、10 差動増幅器、21 ビア導体、22 パッド電極、23 接続電極、100 磁気抵抗効果素子、110 磁気抵抗効果積層体、111 リファレンス層、112 第1非磁性層、113,913 磁化自由層、113h 貫通孔、114 第1下地層、115 第2下地層、116 ピンド層、117 結合層、118 第2非磁性層、120 上部電極、130 下部電極、140 磁性体膜、150 絶縁層、913c 芯部、B 磁気渦構造、B1 信号磁界、B9 外部磁界、D1 外径、D2 内径、D11,D12,D13,D14 磁化方向、GND 接地端子、Hs 飽和磁界、L1 第1配線、L2 第2配線、L3 第3配線、L4 第4配線、P1,P2 間隔、Ra 第1磁気抵抗効果積層体、Rb 第2磁気抵抗効果積層体、Sb 基板、V- 第2出力端子、V+ 第1出力端子、Vcc 電源端子。
Claims (5)
- 第1磁気抵抗効果素子と、
前記第1磁気抵抗効果素子と電気的に接続されてブリッジ回路を構成し、かつ、信号磁界を印加された際に、前記第1磁気抵抗効果素子とは反対向きの抵抗変化を示す第2磁気抵抗効果素子とを備え、
前記第1磁気抵抗効果素子および前記第2磁気抵抗効果素子の各々は、上部電極、下部電極、および、前記上部電極と前記下部電極との間に挟まれた磁気抵抗効果積層体を含み、
前記磁気抵抗効果積層体においては、前記磁気抵抗効果積層体の積層方向に平行な一定方向に固定された磁化を有する磁化固定層と、第1非磁性層と、前記信号磁界に応じて磁化の向きが変化する磁化自由層とが順に積層されており、
前記磁化自由層は、前記積層方向から見て円環状の形状を有し、かつ、信号磁界を印加されていない状態において、前記積層方向に平行な軸周りに渦状に磁化された磁気渦構造を有している、磁気センサ。 - 前記磁気抵抗効果積層体は、前記積層方向の両側から磁性体を含む磁性体膜で覆われている、請求項1に記載の磁気センサ。
- 前記上部電極および前記下部電極の各々は、前記磁性体膜で構成されており、
前記上部電極と前記磁化自由層との間に第2非磁性層が設けられていることにより、前記上部電極と前記磁化自由層とが互いに磁気的に結合されていない、請求項2に記載の磁気センサ。 - 前記磁化自由層の内径は、前記磁化自由層の外径の1/2以上である、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の磁気センサ。
- 前記第1磁気抵抗効果素子および前記第2磁気抵抗効果素子の各々においては、前記磁気抵抗効果積層体同士が互いに並列に接続されている複数の並列接続部が、互いに直列に接続されている、請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の磁気センサ。
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