JP5597305B2 - 電流センサ - Google Patents

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子を用いた電流センサに関する。

電気自動車においては、エンジンや回生ブレーキなどで生じた電気を用いてモータを駆動する。モータ駆動に用いられる電流の大きさは、例えば、非接触の電流センサにより検出される。このような電流センサとして、切り欠き（コアギャップ）を有する磁気コアを被測定電流が通流する導体の周囲に配置し、コアギャップ内に磁気検出素子を配置したものが知られている。

上述した電流センサの磁気検出素子としては、磁化方向が固定された固定磁性層、非磁性層、および磁化方向が外部磁界に対して変動するフリー磁性層（軟磁性自由層）の積層構造を備える磁気抵抗効果素子などが用いられる。また、磁気抵抗効果素子を用いる電流センサは、磁界検出回路として、磁気抵抗効果素子と固定抵抗素子とで構成されるブリッジ回路を含む（例えば、特許文献１参照）。

このような磁気抵抗効果素子を用いる電流センサにおいて、ダイナミックレンジ（電流測定範囲）やリニアリティ（出力線形性）などの諸特性は、電流センサを構成する磁気抵抗効果素子の特性に大きく依存する。例えば、磁気抵抗効果素子として巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ：Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ ｅｆｆｅｃｔ）を利用したＧＭＲ素子を用いる場合、電流センサのダイナミックレンジは、ＧＭＲ素子の磁界−抵抗変化率曲線の線形性に依存する。つまり、ＧＭＲ素子の磁界−抵抗変化率曲線の線形領域が広くなれば、電流センサのダイナミックレンジも広くなる。

上述したような広い線形領域をもつＧＭＲ素子を実現し、広いダイナミックレンジを有する電流センサを実現するために、例えば、ＧＭＲ素子におけるフリー磁性層を厚く形成することがある。フリー磁性層を厚く形成して形状異方性を高めることにより、磁界−抵抗変化率曲線の傾きが小さくなるため、広い磁界範囲において抵抗変化率を線形にすることができる。

また、広い線形領域をもつＧＭＲ素子を実現するために、フリー磁性層の厚さを５ｎｍ以下としてＡＭＲ効果（異方性磁気抵抗効果）をキャンセルし、ＧＭＲ素子の線形性劣化を抑制する技術が知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００７−２４８０５４号公報 特開平９−３６４５５号公報

しかしながら、広い線形領域をもつＧＭＲ素子を実現するためにフリー磁性層を厚く形成すると、ＧＭＲ素子のＭＲ比（磁気抵抗比）が低下するという問題が生じる。ＧＭＲ素子におけるＭＲ比の低下は、電流センサにおいて、電流検出精度の低下を引き起こす。このため、上述したフリー磁性層を厚くする方法によって、広いダイナミックレンジ、低い磁気ヒステリシス、および高い電流検出精度を備えた電流センサを実現することは困難であった。

また、特許文献２に開示されるようにフリー磁性層の厚さを５ｎｍ以下としてＡＭＲ効果をキャンセルする方法では、磁気ヘッドの用途に適したＧＭＲ素子を得ることはできるが、このＧＭＲ素子は形状異方性が小さいため、高い線形性と低い磁気ヒステリシスを両立させることができない。特に、フリー磁性層の厚さが５ｎｍ以下と薄いため、磁気ヒステリシスを低く抑えることは難しい。このため、当該ＧＭＲ素子を電流センサに用いても、広いダイナミックレンジ、低い磁気ヒステリシス、および高い電流検出精度を備えた電流センサを実現することは困難である。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、広いダイナミックレンジ、低い磁気ヒステリシス、および高い電流検出精度を備えた電流センサを提供することを目的とする。

本発明の電流センサは、被測定電流からの誘導磁界の印加により抵抗値が変化する磁気抵抗効果素子を具備する電流センサであって、前記磁気抵抗効果素子は、反平行結合膜を介して第１の強磁性膜と第２の強磁性膜とを反強磁性的に結合させてなるセルフピン止め型の強磁性固定層と、前記強磁性固定層上の非磁性中間層と、前記非磁性中間層上の軟磁性自由層（フリー磁性層）とを有し、前記軟磁性自由層は、前記非磁性中間層上のＣｏＦｅ合金膜と、前記ＣｏＦｅ合金膜上のＮｉＦｅ合金膜と、前記ＮｉＦｅ合金膜上のＮｉＦｅＮｂ合金膜との積層構造で構成され、前記ＣｏＦｅ合金膜の厚さは０．５ｎｍ〜１．５ｎｍであり、前記ＮｉＦｅ合金膜の厚さは０．５ｎｍ〜２．０ｎｍであり、ＮｉＦｅＮｂ合金膜の厚さは６ｎｍ〜１７ｎｍであることを特徴とする。

この構成によれば、磁気抵抗効果素子における軟磁性自由層が、比較的薄いＣｏＦｅ合金膜およびＮｉＦｅ合金膜と、比較的厚いＮｉＦｅＮｂ合金膜との積層構造で構成されるため、線形性が高められ、ＭＲ比が向上し、保磁力が抑制された磁気抵抗効果素子が実現する。これは、ＣｏＦｅ合金膜上に配置された所定厚さのＮｉＦｅ合金膜によりＭＲ比が高められ、ＮｉＦｅ合金膜上に配置された所定厚さのＮｉＦｅＮｂ合金膜によりＭＲ比を維持しつつ保磁力を抑制できるためである。また、ＡＭＲ効果の小さいＮｉＦｅＮｂ合金膜を厚く、ＡＭＲ効果の大きいＮｉＦｅ合金膜を薄くすることで、線形性を高めることができるためである。また、ＣｏＦｅ合金膜を上記の厚さとすることにより、磁歪や磁気ヒステリシスを抑制しつつ、磁気抵抗効果素子の積層構造を構成する膜の熱拡散を防止し、スピン依存界面散乱効果を高め、ＭＲ比を高めることができるためである。このように電流センサに適した磁気センサ素子が実現する結果、広いダイナミックレンジ、低い磁気ヒステリシス、および高い電流検出精度を備えた電流センサが実現する。

本発明の電流センサにおいて、前記ＣｏＦｅ合金膜が０原子％〜２０原子％のＦｅを含むＣｏＦｅ合金で構成されても良い。すなわち、ＣｏＦｅ合金膜はＣｏ膜であっても良い。この構成によれば、ＣｏＦｅ合金が面心立方構造（ｆｃｃ）又は六方最密構造（ｈｃｐ）となるため、磁気ヒステリシスをさらに抑制できる。

本発明の電流センサにおいて、前記ＮｉＦｅ合金膜が１６原子％〜２２原子％のＦｅを含むＮｉＦｅ合金で構成されても良い。この構成によれば、ＮｉＦｅ合金の線磁歪定数がゼロ近傍となるため、磁気弾性効果による磁気異方性の分散を抑制できる。

本発明の電流センサにおいて、前記ＮｉＦｅＮｂ合金膜が１０原子％〜１５原子％のＦｅおよび２原子％〜８原子％のＮｂを含むＮｉＦｅＮｂ合金で構成されても良い。この構成によれば、ＮｉＦｅＮｂ合金の線磁歪定数がゼロ近傍となるため、磁気弾性効果による磁気異方性の分散を抑制できる。

本発明の電流センサにおいて、前記磁気抵抗効果素子と固定抵抗素子とを含む磁界検出ブリッジ回路を備えても良い。

この構成によれば、上述したような磁気抵抗効果素子と固定抵抗素子とを用いて磁界検出ブリッジ回路を構成しているため、広いダイナミックレンジ、低い磁気ヒステリシス、および高い電流検出精度を備えた電流センサが実現する。

本発明によれば、広いダイナミックレンジ、低い磁気ヒステリシス、および高い電流検出精度を備えた電流センサを提供することができる。

実施の形態に係る電流センサを示す模式図である。 実施の形態に係る電流センサを示す模式図である。 実施の形態に係る電流センサを示す断面図である。 実施の形態に係る電流センサにおける磁気抵抗効果素子の膜構成を示す断面図である。 磁気抵抗効果素子のＲ−Ｈ波形（磁界−抵抗変化率曲線）を示すグラフである。 磁気抵抗効果素子における、ＮｉＦｅ合金膜の膜厚とＭＲ比（ΔＲ／Ｒ）との関係を示すグラフである。 磁気抵抗効果素子における、軟磁性自由層の磁化量（Ｍｓ・ｔ）と保磁力（Ｈｃ）との関係を示すグラフである。 磁気抵抗効果素子における、軟磁性自由層の磁化量（Ｍｓ・ｔ）とＭＲ比（ΔＲ／Ｒ）との関係を示すグラフである。 磁気抵抗効果素子における、ＣｏＦｅ合金膜の膜厚と磁歪定数（λｓ）との関係を示すグラフである。 磁気抵抗効果素子と固定抵抗素子で構成されたハーフブリッジ回路の出力波形（磁界−出力電圧）を示すグラフである。 本実施の形態に係る磁気比例式電流センサにおける磁気抵抗効果素子の製造方法を説明するための図である。 本実施の形態に係る磁気比例式電流センサにおける磁気抵抗効果素子の製造方法を説明するための図である。

以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。

図１および図２は、本発明の実施の形態に係る電流センサの一例を示す模式図である。図１および図２に示す電流センサは磁気比例式の電流センサであり、被測定電流Ｉが流れる導体１１の近傍に配設される。なお、以下では磁気比例式の電流センサについて説明するが、電流センサはこれに限定されない。例えば、フィードバックコイルによって誘導磁界を打ち消すキャンセル磁界を発生させ、フィードバックコイルを流れる電流から被測定電流の大きさを算出する磁気平衡式を適用しても良い。

図１および図２に示される電流センサは、導体１１に流れる被測定電流Ｉによる誘導磁界を検出する磁界検出ブリッジ回路１２を有する。磁界検出ブリッジ回路１２は、被測定電流Ｉからの誘導磁界の印加により抵抗値が変化する２つの磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂ、および誘導磁界により抵抗値が変化しない２つの固定抵抗素子１２ｃ、１２ｄを有する。このように磁気抵抗効果素子を有する磁界検出ブリッジ回路１２を用いることにより、高感度の電流センサを実現することができる。なお、磁界検出ブリッジ回路１２は、４個の素子でなるフルブリッジ回路に限られない。２個の素子でなるハーフブリッジ回路としても良い。

磁界検出ブリッジ回路１２は、被測定電流Ｉによる誘導磁界に対応する電圧差を生じる２つの出力端Ｏｕｔ１、Ｏｕｔ２を備える。図２に示される磁界検出ブリッジ回路１２においては、磁気抵抗効果素子１２ａの一端および固定抵抗素子１２ｄの一端に電源Ｖｄｄが接続されており、磁気抵抗効果素子１２ｂの一端および固定抵抗素子１２ｃの一端にグランドＧＮＤが接続されている。そして、磁気抵抗効果素子１２ａの他端と、固定抵抗素子１２ｃの他端とが接続されて出力端Ｏｕｔ１となっており、磁気抵抗効果素子１２ｂの他端と、固定抵抗素子１２ｄの他端とが接続されて出力端Ｏｕｔ２となっている。出力端Ｏｕｔ１、Ｏｕｔ２から出力される電圧差を元に、電流センサは被測定電流Ｉの電流値を算出する。

図３は、図１に示される電流センサを示す断面図である。図３に示されるように、本実施の形態に係る電流センサにおいては、磁界検出ブリッジ回路１２を構成する磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂが基板２１上に形成されている。なお、磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂ上には、被測定電流Ｉによる誘導磁界Ａを減衰させる磁気シールドを配置しても良い。磁気シールドを配置することにより、磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂに加わる誘導磁界Ａが弱められるため、電流センサの実質的な電流測定範囲を広げることが可能である。磁気シールドは、アモルファス磁性材料、パーマロイ系磁性材料、鉄系微結晶材料等の高透磁率材料を用いて構成することができる。

図３に示される層構成について詳細に説明する。図３では、基板２１上に絶縁層である熱シリコン酸化膜２２が形成されている。熱シリコン酸化膜２２上には、アルミニウム酸化膜２３が形成されている。アルミニウム酸化膜２３は、例えば、スパッタリングなどの方法により成膜することができる。また、基板２１としては、シリコン基板などが用いられる。

アルミニウム酸化膜２３上には、磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂおよび図示しない固定抵抗素子１２ｃ、１２ｄが形成されており、前述の磁界検出ブリッジ回路１２が作り込まれる。磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂは、図２の拡大図に示すように、その長手方向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（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ＧＭＲ素子であることが好ましい。磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂの膜構成については後述する。

磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂの感度軸方向（Ｐｉｎ方向）は、上述したミアンダ形状において、長尺パターンの長手方向（ストライプ長手方向）に対して直交する方向（ストライプ幅方向）である。つまり、リニアリティを高めるという点からは、ミアンダ形状において、誘導磁界Ａがストライプ長手方向に直交する方向（ストライプ幅方向）を向くように構成するのが好適である。また、リニアリティを考慮すると、ミアンダ形状のピン（Ｐｉｎ）方向の幅は１μｍ〜１０μｍであることが好ましい。

アルミニウム酸化膜２３上には、電極２４が形成されている。電極２４は、電極材料を成膜した後に、フォトリソグラフィおよびエッチングにより形成することができる。

磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂ、固定抵抗素子１２ｃ、１２ｄ、および電極２４を形成したアルミニウム酸化膜２３上には、絶縁層としてポリイミド層２５が形成されている。ポリイミド層２５は、ポリイミド材料を塗布し、硬化することにより形成することができる。

ポリイミド層２５上には、シリコン酸化膜３１が形成されている。シリコン酸化膜３１は、例えば、スパッタリングなどの方法により成膜することができる。また、ポリイミド層２５およびシリコン酸化膜３１の所定の領域（電極２４が存在する領域）にはコンタクトホールが形成され、そのコンタクトホールに電極パッド２６が形成されている。コンタクトホールの形成には、フォトリソグラフィおよびエッチングなどが用いられる。電極パッド２６は、電極材料を成膜した後に、フォトリソグラフィおよびめっきにより形成することができる。

次に、磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂの膜構成について説明する。図４は、磁気抵抗効果素子１２ａの膜構成を示す断面模式図である。すなわち、磁気抵抗効果素子１２ａは、図４に示されるように、基板２１に設けられた積層構造を有する。なお、図４において、説明を簡単にするために、基板２１と磁気抵抗効果素子１２ａ以外の構成は省略している。また、磁気抵抗効果素子１２ｂの膜構成は、Ｐｉｎ方向を除き磁気抵抗効果素子１２ａと同様であるから、ここでは磁気抵抗効果素子１２ａの膜構成について説明する。

磁気抵抗効果素子１２ａは、シード層４２、第１の強磁性膜４３、反平行結合膜４４、第２の強磁性膜４５、非磁性中間層４６、軟磁性自由層（フリー磁性層）４７、および保護層４８を含む。この磁気抵抗効果素子においては、反平行結合膜４４を介して第１の強磁性膜４３と第２の強磁性膜４５とが反強磁性的に結合されており、いわゆるセルフピン止め型の強磁性固定層（ＳＦＰ層：Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ Ｆｅｒｒｉ Ｐｉｎｎｅｄ層）が構成されている。このように、磁気抵抗効果素子１２ａは、強磁性固定層、非磁性中間層４６および軟磁性自由層４７を用いたスピンバルブ型の素子である。

シード層４２は、ＮｉＦｅＣｒあるいはＣｒなどで構成される。なお、基板２１とシード層４２との間には、例えば、Ｔａ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗのうち少なくとも１つの元素を含む非磁性材料などで構成される下地層を設けても良い。

第１の強磁性膜４３は、４０原子％〜８０原子％のＦｅを含むＣｏＦｅ合金で構成されていることが好ましい。これは、この組成範囲のＣｏＦｅ合金が、大きな保磁力を有し、外部磁場に対して磁化を安定に維持できるからである。なお、第１の強磁性膜４３は、その成膜中にミアンダ形状のストライプ幅方向に磁場が印加されることにより、誘導磁気異方性が付与される。印加磁場の方向は、紙面奥側から手前側に向かう方向である。

反平行結合膜４４は、Ｒｕなどにより構成される。なお、反平行結合膜４４は、０．３ｎｍ〜０．４５ｎｍ、または、０．７５ｎｍ〜０．９５ｎｍの厚さで形成することが望ましい。反平行結合膜４４をこのような厚さとすることにより、第１の強磁性膜４３と第２の強磁性膜４５との間に強い反強磁性結合をもたらすことができるためである。

第２の強磁性膜４５は、０原子％〜４０原子％のＦｅを含むＣｏＦｅ合金で構成されていることが好ましい。これは、この組成範囲のＣｏＦｅ合金が小さな保磁力を有し、第１の強磁性膜４３が優先的に磁化する方向に対して反平行方向（１８０°異なる方向）に磁化し易くなるためである。なお、第２の強磁性膜４５は、成膜中に、第１の強磁性膜４３の成膜中と同様の磁場（ミアンダ形状のストライプ幅方向の磁場、紙面奥側から手前側に向かう方向の磁場）が印加されることにより、誘導磁気異方性が付与される。このような磁場を印加しながら成膜することで、第１の強磁性膜４３が印加磁場の方向に優先的に磁化し、第２の強磁性膜４５は第１の強磁性膜４３の磁化方向とは反平行方向（１８０°異なる方向）に磁化するのである。

非磁性中間層４６は、Ｃｕなどにより構成される。

軟磁性自由層（フリー磁性層）４７は、磁性材料でなる膜の積層構造で構成される。具体的には、ＣｏＦｅ合金膜４７１、ＮｉＦｅ合金膜４７２、ＮｉＦｅＮｂ合金膜４７３の３層の積層構造で構成される。また、ＣｏＦｅ合金膜４７１の厚さは０．５ｎｍ〜１．５ｎｍ、より好ましくは０．８ｎｍ〜１．２ｎｍであり、ＮｉＦｅ合金膜４７２の厚さは０．５ｎｍ〜２．０ｎｍ、より好ましくは０．５ｎｍ〜１．０ｎｍであり、ＮｉＦｅＮｂ合金膜４７３の厚さは６ｎｍ〜１７ｎｍ、より好ましくは９ｎｍ〜１４ｎｍである。軟磁性自由層４７をこのような構成とすることにより、線形性が高められ、ＭＲ比が向上し、保磁力が抑制された磁気抵抗効果素子１２ａが実現する。これは、ＣｏＦｅ合金膜４７１上に配置されたＮｉＦｅ合金膜４７２によりＭＲ比が高められ、ＮｉＦｅ合金膜４７２上に配置されたＮｉＦｅＮｂ合金膜４７３によりＭＲ比を維持しつつ保磁力を抑制できるためである。また、ＡＭＲ効果の小さいＮｉＦｅＮｂ合金膜を厚く、ＡＭＲ効果の大きいＮｉＦｅ合金膜を薄くすることで、線形性を高めることができるためである。なお、線形性を十分に高めるためには、ＮｉＦｅ合金膜の厚さｔ１とＮｉＦｅＮｂ合金膜の厚さｔ２との比ｔ１／ｔ２を３〜３０とすることが望ましい。

また、ＣｏＦｅ合金膜４７１は、０原子％〜２０原子％のＦｅを含むＣｏＦｅ合金で構成されることが望ましい。すなわち、ＣｏＦｅ合金膜はＣｏ膜であっても良い。このような組成では、ＣｏＦｅ合金が面心立方構造（ｆｃｃ）又は六方最密構造（ｈｃｐ）をとるため、磁気ヒステリシスをさらに抑制できる。さらに、ＮｉＦｅ合金膜４７２は、１６原子％〜２２原子％のＦｅを含むＮｉＦｅ合金で構成されることが望ましく、ＮｉＦｅＮｂ合金膜４７３は、１０原子％〜１５原子％のＦｅおよび２原子％〜８原子％のＮｂを含むＮｉＦｅＮｂ合金で構成されることが望ましい。このような組成では、ＮｉＦｅ合金及びＮｉＦｅＮｂ合金の線磁歪定数がゼロ近傍となるため、磁気弾性効果による磁気異方性の分散を抑制できる。

なお、軟磁性自由層４７は、成膜中にミアンダ形状のストライプ長手方向に磁場が印加されることで、誘導磁気異方性が付与されたものであることが望ましい。これにより、ストライプ幅方向の外部磁場に対して線形に抵抗変化し、磁気ヒステリシスの小さい磁気抵抗効果素子１２ａを実現できる。

保護層４８は、Ｔａなどで構成される。

以上のように、軟磁性自由層４７を、所定膜厚を有し磁性材料でなる層の積層構造とすることにより、線形性が高められ、ＭＲ比が向上し、保磁力が抑制された磁気抵抗効果素子１２ａが実現する。磁気抵抗効果素子１２ａの線形性の向上は、電流センサにおいて、ダイナミックレンジの拡大および電流検出精度の向上に寄与し、磁気抵抗効果素子１２ａのＭＲ比の向上は、電流センサにおいて、電流検出精度の向上に寄与し、磁気抵抗効果素子１２ａの保磁力の抑制は、電流センサにおいて磁気ヒステリシスの低減に寄与する。このため、磁気抵抗効果素子１２ａは電流センサに好適である。磁気抵抗効果素子１２ａを用いることで、広いダイナミックレンジ、低い磁気ヒステリシス、および高い電流検出精度を備えた電流センサが実現する。

なお、磁気抵抗効果素子１２ａにおいて、第１の強磁性膜４３の磁化量（Ｍｓ・ｔ）と第２の強磁性膜４５の磁化量（Ｍｓ・ｔ）は実質的に同じであることが望ましい。第１の強磁性膜４３と第２の強磁性膜４５との間で磁化量の差が実質的にゼロとなることにより、強磁性固定層の実効的な異方性磁界が大きくなる。これにより、反強磁性材料を用いなくても、強磁性固定層の磁化安定性を十分に確保できるためである。また、第１の強磁性膜４３のキュリー温度（Ｔｃ）と第２の強磁性膜４５のキュリー温度（Ｔｃ）とは、実質的に同じであることが望ましい。これにより、高温環境においても第１の強磁性膜４３、第２の強磁性膜４５の磁化量（Ｍｓ・ｔ）の差が実質的にゼロとなり、高い磁化安定性を維持することができるためである。

図５は、磁気抵抗効果素子のＲ−Ｈ波形（磁界−抵抗変化率曲線）を示すグラフである。図５において、実線は本実施の形態における磁気抵抗効果素子（実施素子）のＲ−Ｈ波形を示しており、破線は従来の磁気抵抗効果素子（比較素子）のＲ−Ｈ波形を示している。ここでは、実施素子として、ＮｉＦｅＣｒ（シード層：４．２ｎｍ）／Ｆｅ_６０Ｃｏ_４０（第１の強磁性膜：１．８ｎｍ）／Ｒｕ（反平行結合膜：０．３６ｎｍ）／Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（第２の強磁性膜：２．４ｎｍ）／Ｃｕ（非磁性中間層：２．２ｎｍ）／Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（軟磁性自由層：１ｎｍ）／ＮｉＦｅ（軟磁性自由層：１ｎｍ）／Ｎｉ_８２Ｆｅ_１３Ｎｂ_５（軟磁性自由層：１０ｎｍ）／Ｔａ（保護層：１０ｎｍ）という膜構成の磁気抵抗効果素子を用いた。

また、比較素子として、ＮｉＦｅＣｒ（シード層：４．２ｎｍ）／Ｆｅ_６０Ｃｏ_４０（第１の強磁性膜：１．８ｎｍ）／Ｒｕ（反平行結合膜：０．３６ｎｍ）／Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（第２の強磁性膜：２．４ｎｍ）／Ｃｕ（非磁性中間層：２．２ｎｍ）／Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（軟磁性自由層：１ｎｍ）／ＮｉＦｅ（軟磁性自由層：７ｎｍ）／Ｔａ（保護層：１０ｎｍ）という膜構成の磁気抵抗効果素子を用いた。つまり、実施素子と比較素子とにおいて、軟磁性自由層の構成のみが異なっている。なお、図５に示されるＲ−Ｈ波形については、通常測定される条件で求めた。

図５から、本実施の形態における実施素子は、比較素子よりグラフの直線性が高まっており、線形性が高められていることが確認できる。当該線形性の向上は、電流センサにおいて、ダイナミックレンジの拡大および電流検出精度の向上という効果をもたらす。

図６は、磁気抵抗効果素子（実施素子）における、ＮｉＦｅ合金膜４７２の膜厚とＭＲ比（ΔＲ／Ｒ）との関係を示すグラフである。ここでは、ＮｉＦｅＣｒ（シード層：４．２ｎｍ）／Ｆｅ_６０Ｃｏ_４０（第１の強磁性膜：１．８ｎｍ）／Ｒｕ（反平行結合膜：０．３６ｎｍ）／Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（第２の強磁性膜：２．４ｎｍ）／Ｃｕ（非磁性中間層：２．２ｎｍ）／Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（軟磁性自由層：１ｎｍ）／ＮｉＦｅ（軟磁性自由層：Ｘ_１ｎｍ）／Ｎｉ_８２Ｆｅ_１３Ｎｂ_５（軟磁性自由層：９ｎｍ）／Ｔａ（保護層：１０ｎｍ）という膜構成の磁気抵抗効果素子において、ＮｉＦｅ合金膜の膜厚Ｘ_１を０ｎｍ〜３ｎｍの間で異ならせることによって、ＮｉＦｅ合金膜４７２の膜厚とＭＲ比との関係を求めた。

図６から、本実施の形態における磁気抵抗効果素子（実施素子）において、ＮｉＦｅ合金膜の膜厚が０．５ｎｍ〜２．５ｎｍと薄い場合には、比較的高いＭＲ比が得られることが確認できる。十分に高いＭＲ比を得るためには、ＮｉＦｅ合金膜の膜厚を０．５ｎｍ〜２．０ｎｍとすることが望ましい。磁気抵抗効果素子における高いＭＲ比は、電流センサにおいて、電流検出精度の向上という効果をもたらす。

図７は、磁気抵抗効果素子における、軟磁性自由層の磁化量（Ｍｓ・ｔ）と保磁力（Ｈｃ）との関係を示すグラフである。図７において、実線は本実施の形態の磁気抵抗効果素子（実施素子）における関係を示しており、破線は従来の磁気抵抗効果素子（比較素子）における関係を示している。ここでは、実施素子として、ＮｉＦｅＣｒ（シード層：４．２ｎｍ）／Ｆｅ_６０Ｃｏ_４０（第１の強磁性膜：１．８ｎｍ）／Ｒｕ（反平行結合膜：０．３６ｎｍ）／Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（第２の強磁性膜：２．４ｎｍ）／Ｃｕ（非磁性中間層：２．２ｎｍ）／Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（軟磁性自由層：１ｎｍ）／ＮｉＦｅ（軟磁性自由層：２ｎｍ）／Ｎｉ_８２Ｆｅ_１３Ｎｂ_５（軟磁性自由層：Ｘ_２ｎｍ）／Ｔａ（保護層：１０ｎｍ）という膜構成の磁気抵抗効果素子を用い、ＮｉＦｅＮｂ合金膜の膜厚Ｘ_２を異ならせることによって磁化量を変化させ、保磁力との関係を求めた。図７の実線で示される特性において、測定点での膜厚Ｘ_２の値（単位はｎｍ）を併せて示す。

また、比較素子として、ＮｉＦｅＣｒ（シード層：４．２ｎｍ）／Ｆｅ_６０Ｃｏ_４０（第１の強磁性膜：１．８ｎｍ）／Ｒｕ（反平行結合膜：０．３６ｎｍ）／Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（第２の強磁性膜：２．４ｎｍ）／Ｃｕ（非磁性中間層：２．２ｎｍ）／Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（軟磁性自由層：１ｎｍ）／ＮｉＦｅ（軟磁性自由層：Ｙ_２ｎｍ）／Ｔａ（保護層：１０ｎｍ）という膜構成の磁気抵抗効果素子を用い、同様にＮｉＦｅ合金膜の膜厚Ｙ_２を異ならせることによって磁化量を変化させ、保磁力との関係を求めた。つまり、実施素子と比較素子とにおいて、軟磁性自由層の構成のみが異なっている。図７の破線で示される特性において、測定点での膜厚Ｙ_２の値（単位はｎｍ）を併せて示す。

図７から、本実施の形態における磁気抵抗効果素子（実施素子）において、磁化量の値が変化しても保磁力はほとんど変化しないが、比較素子では、磁化量が大きくなると保磁力も大きくなることが確認できる。保磁力が大きいということは、磁気ヒステリシスが大きいということであるから、保磁力が抑制された磁気抵抗効果素子は、電流センサにおいて磁気ヒステリシスの低減という効果をもたらす。

図８は、磁気抵抗効果素子における、軟磁性自由層の磁化量（Ｍｓ・ｔ）とＭＲ比（ΔＲ／Ｒ）との関係を示すグラフである。図８において、実線は本実施の形態の磁気抵抗効果素子（実施素子）における関係を示しており、破線は従来の磁気抵抗効果素子（比較素子）における関係を示しており、一点鎖線は参考としての磁気抵抗素子（参考素子）における関係を示している。ここでは、実施素子として、ＮｉＦｅＣｒ（シード層：４．２ｎｍ）／Ｆｅ_６０Ｃｏ_４０（第１の強磁性膜：１．８ｎｍ）／Ｒｕ（反平行結合膜：０．３６ｎｍ）／Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（第２の強磁性膜：２．４ｎｍ）／Ｃｕ（非磁性中間層：２．２ｎｍ）／Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（軟磁性自由層：１ｎｍ）／ＮｉＦｅ（軟磁性自由層：２ｎｍ）／Ｎｉ_８２Ｆｅ_１３Ｎｂ_５（軟磁性自由層：Ｘ_３ｎｍ）／Ｔａ（保護層：１０ｎｍ）という膜構成の磁気抵抗効果素子を用い、ＮｉＦｅＮｂ合金膜の膜厚Ｘ_３を異ならせることによって磁化量を変化させ、ＭＲ比との関係を求めた。なお、ＮｉＦｅＮｂ合金膜の膜厚Ｘ_３は、３ｎｍ〜１５ｎｍの間で異ならせた。図８の実線で示される特性において、測定点での膜厚Ｘ_３の値（単位はｎｍ）を併せて示す。

また、比較素子として、ＮｉＦｅＣｒ（シード層：４．２ｎｍ）／Ｆｅ_６０Ｃｏ_４０（第１の強磁性膜：１．８ｎｍ）／Ｒｕ（反平行結合膜：０．３６ｎｍ）／Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（第２の強磁性膜：２．４ｎｍ）／Ｃｕ（非磁性中間層：２．２ｎｍ）／Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（軟磁性自由層：１ｎｍ）／ＮｉＦｅ（軟磁性自由層：Ｙ_３ｎｍ）／Ｔａ（保護層：１０ｎｍ）という膜構成の磁気抵抗効果素子を用い、同様にＮｉＦｅ合金膜の膜厚Ｙ_３を異ならせることによって磁化量を変化させ、ＭＲ比との関係を求めた。また、参考素子として、ＮｉＦｅＣｒ（シード層：４．２ｎｍ）／Ｆｅ_６０Ｃｏ_４０（第１の強磁性膜：１．８ｎｍ）／Ｒｕ（反平行結合膜：０．３６ｎｍ）／Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（第２の強磁性膜：２．４ｎｍ）／Ｃｕ（非磁性中間層：２．２ｎｍ）／Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（軟磁性自由層：１ｎｍ）／Ｎｉ_８２Ｆｅ_１３Ｎｂ_５（軟磁性自由層：Ｚ_３ｎｍ）／Ｔａ（保護層：１０ｎｍ）という膜構成の磁気抵抗効果素子を用い、同様にＮｉＦｅＮｂ合金膜の膜厚Ｚ_３を異ならせることによって磁化量を変化させ、ＭＲ比との関係を求めた。つまり、実施素子と比較素子と参考素子において、軟磁性自由層の構成のみが異なっている。図８の破線および一点鎖線で示される特性において、測定点での膜厚Ｙ_３の値および膜厚Ｚ_３の値（単位はｎｍ）を併せて示す。

図８から、本実施の形態における磁気抵抗効果素子（実施素子）では、磁化量が大きくなっても比較的大きなＭＲ比が得られていることが確認できる。一方で、比較素子および参考素子において同等のＭＲ比を確保するためには、磁化量を十分に低減しなくてはならない。磁化量を低減すると、形状異方性が小さくなり、Ｒ−Ｈ波形の傾きが大きくなるため、線形性を確保できる範囲が狭くなる。このように、本実施の形態における磁気抵抗効果素子１２ａでは、磁化量が大きくなっても比較的大きなＭＲ比が得られるため、高い線形性と高いＭＲ比が実現する。なお、他の特性との関係から、磁気抵抗効果素子１２ａにおけるＮｉＦｅＮｂ合金膜の膜厚は、６ｎｍ〜１７ｎｍであることが望ましい。

図９は、磁気抵抗効果素子における、ＣｏＦｅ合金膜４７１の膜厚と磁歪定数（λｓ）との関係を示すグラフである。ここでは、ＮｉＦｅＣｒ（シード層：４．２ｎｍ）／Ｆｅ_６０Ｃｏ_４０（第１の強磁性膜：１．８ｎｍ）／Ｒｕ（反平行結合膜：０．３６ｎｍ）／Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（第２の強磁性膜：２．４ｎｍ）／Ｃｕ（非磁性中間層：２．２ｎｍ）／Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（軟磁性自由層：Ｘ_４ｎｍ）／Ｎｉ_８１．５Ｆｅ_１８．５（軟磁性自由層：２ｎｍ）／Ｎｉ_８２Ｆｅ_１３Ｎｂ_５（軟磁性自由層：９ｎｍ）／Ｔａ（保護層：１０ｎｍ）という膜構成の磁気抵抗効果素子において、ＣｏＦｅ合金膜の膜厚Ｘ_４を０．４ｎｍ〜２ｎｍの間で異ならせることによって、ＣｏＦｅ合金膜４７１の膜厚とＭＲ比との関係を求めた。

図９から、本実施の形態における磁気抵抗効果素子（実施素子）において、ＣｏＦｅ合金膜の膜厚が０．５ｎｍ〜１．５ｎｍの範囲にある場合、磁歪定数λｓが、λｓ≦±１ｐｐｍとなっていることが分かる。磁歪定数λｓの絶対値が１より大きくなると磁気弾性効果により軟磁性自由層の磁気異方性が分散し、磁気ヒステリシスが発生しやすくなるという問題を生じるため、ＣｏＦｅ合金膜の膜厚は０．５ｎｍ〜１．５ｎｍであることが望ましい。

図１０は、磁気抵抗効果素子と固定抵抗素子で構成されたハーフブリッジ回路の出力波形（磁界−出力電圧）を示すグラフである。図１０において、実線は本実施の形態における磁気抵抗効果素子（実施素子）を用いたハーフブリッジ回路の出力波形を示しており、破線は従来の磁気抵抗効果素子（比較素子）を用いたハーフブリッジ回路の出力波形を示している。ここでは、実施素子として、ＮｉＦｅＣｒ（シード層：４．２ｎｍ）／Ｆｅ_６０Ｃｏ_４０（第１の強磁性膜：１．８ｎｍ）／Ｒｕ（反平行結合膜：０．３６ｎｍ）／Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（第２の強磁性膜：２．４ｎｍ）／Ｃｕ（非磁性中間層：２．２ｎｍ）／Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（軟磁性自由層：１ｎｍ）／Ｎｉ_８１．５Ｆｅ_１８．５（軟磁性自由層：１ｎｍ）／Ｎｉ_８２Ｆｅ_１３Ｎｂ_５（軟磁性自由層：１０ｎｍ）／Ｔａ（保護層：１０ｎｍ）という膜構成の磁気抵抗効果素子を用いた。

また、比較素子として、ＮｉＦｅＣｒ（シード層：４．２ｎｍ）／Ｆｅ_６０Ｃｏ_４０（第１の強磁性膜：１．８ｎｍ）／Ｒｕ（反平行結合膜：０．３６ｎｍ）／Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（第２の強磁性膜：２．４ｎｍ）／Ｃｕ（非磁性中間層：２．２ｎｍ）／Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（軟磁性自由層：１ｎｍ）／Ｎｉ_８１．５Ｆｅ_１８．５（軟磁性自由層：７ｎｍ）／Ｔａ（保護層：１０ｎｍ）という膜構成の磁気抵抗効果素子を用いた。つまり、実施素子と比較素子とにおいて、軟磁性自由層の構成のみが異なっている。

図１０から、比較素子を用いたハーフブリッジ回路の出力波形の線形領域は±２０Ｏｅ程度であるのに対して、本実施の形態における実施素子を用いたハーフブリッジ回路の出力波形の線形領域は±７０Ｏｅ程度であることが確認できる。ハーフブリッジ回路の出力は電流センサの出力に対応するものであり、実施素子を用いることで電流センサの出力の線形性を高められることが分かる。

図１１Ａ〜Ｃおよび図１２Ａ〜Ｃは、本実施の形態に係る磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂの製造方法を説明するための図である。

図１１Ａに示されるように、まず、基板２１上に、シード層４２ａ、第１の強磁性膜４３ａ、反平行結合膜４４ａ、第２の強磁性膜４５ａ、非磁性中間層４６ａ、軟磁性自由層（フリー磁性層）４７ａ、および保護層４８ａを順次形成する。

第１の強磁性膜４３ａおよび第２の強磁性膜４５ａの成膜中には、ミアンダ形状のストライプ幅方向に磁場を印加する。図１１において、第１の強磁性膜４３ａの成膜中に印加される磁場の方向、および第２の強磁性膜４５ａの成膜中に印加される磁場の方向は共に、紙面奥側から手前側に向かう方向である。これにより、第１の強磁性膜４３ａが印加磁場方向に優先的に磁化し、第２の強磁性膜４５ａは、第１の強磁性膜４３ａの磁化方向とは反平行方向（１８０°異なる方向）に磁化する。

軟磁性自由層（フリー磁性層）４７ａは、ＣｏＦｅ合金膜４７１ａ、ＮｉＦｅ合金膜４７２ａ、ＮｉＦｅＮｂ合金膜４７３ａの３層の積層構造で形成される。また、軟磁性自由層（フリー磁性層）４７ａの成膜中には、ミアンダ形状のストライプ長手方向に磁場を印加する。

次に、図１１Ｂに示されるように、保護層４８ａ上にレジスト層を形成し、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、磁気抵抗効果素子１２ａが形成される領域上にレジスト層５０ａを残存させる。そして、図１１Ｃに示されるように、イオンミリングなどにより、露出した積層膜を除去して、磁気抵抗効果素子１２ｂを形成する表面を露出させる。

次いで、図１２Ａに示されるように、露出した表面上に、シード層４２ｂ、第１の強磁性膜４３ｂ、反平行結合膜４４ｂ、第２の強磁性膜４５ｂ、非磁性中間層４６ｂ、軟磁性自由層（フリー磁性層）４７ｂ、および保護層４８ｂを順次形成する。

ここでも、第１の強磁性膜４３ｂおよび第２の強磁性膜４５ｂの成膜中には、ミアンダ形状のストライプ幅方向に磁場を印加する。ただし、印加磁場の方向は、図１２において、紙面手前側から奥側に向かう方向である。これにより、第１の強磁性膜４３ａと第２の強磁性膜４５ａは反平行方向（１８０°異なる方向）に磁化する。

また、軟磁性自由層（フリー磁性層）４７ｂは、ＣｏＦｅ合金膜、ＮｉＦｅ合金膜、ＮｉＦｅＮｂ合金膜の３層の積層構造で形成される。軟磁性自由層（フリー磁性層）４７ｂの成膜中には、ミアンダ形状のストライプ長手方向に磁場を印加する。

次に、図１２Ｂに示されるように、保護層４８ａ、４８ｂ上にレジストを形成し、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂの形成領域上にレジスト層５１ａ、５１ｂを残存させる。そして、図１２Ｃに示されるように、イオンミリングなどにより、露出した積層膜を除去して、磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂを得る。

以上のように本発明では、磁気抵抗効果素子の軟磁性自由層が、比較的薄いＣｏＦｅ合金膜およびＮｉＦｅ合金膜と、比較的厚いＮｉＦｅＮｂ合金膜との積層構造で構成されるため、線形性が高められ、ＭＲ比が向上し、保磁力が抑制された磁気抵抗効果素子が実現する。これは、ＣｏＦｅ合金膜上に配置された所定厚さのＮｉＦｅ合金膜によりＭＲ比が高められ、ＮｉＦｅ合金膜上に配置された所定厚さのＮｉＦｅＮｂ合金膜によりＭＲ比を維持しつつ保磁力を抑制できるためである。また、ＡＭＲ効果の小さいＮｉＦｅＮｂ合金膜を厚く、ＡＭＲ効果の大きいＮｉＦｅ合金膜を薄くすることで、線形性を高めることができるためである。また、ＣｏＦｅ合金膜を上記の厚さとすることにより、磁歪や磁気ヒステリシスを抑制しつつ、磁気抵抗効果素子の積層構造（例えば、Ｃｕ層、ＮｉＦｅ層など）を構成する膜の熱拡散を防止し、スピン依存界面散乱効果を高め、ＭＲ比を高めることができるためである。このように電流センサに適した磁気センサ素子が実現する結果、広いダイナミックレンジ、低い磁気ヒステリシス、および高い電流検出精度を備えた電流センサが実現する。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することができる。例えば、上記実施の形態における材料、各素子の接続関係、厚さ、大きさ、製法などは適宜変更して実施することが可能である。その他、本発明は、本発明の範囲を逸脱しないで適宜変更して実施することができる。

本発明は、例えば、電気自動車のモータ駆動用の電流の大きさを検出する電流センサに適用することが可能である。

本出願は、２０１１年３月７日出願の特願２０１１−０４９１６３に基づく。この内容は、全てここに含めておく。

Claims (5)

1. 被測定電流からの誘導磁界の印加により抵抗値が変化する磁気抵抗効果素子を具備する電流センサであって、
   前記磁気抵抗効果素子は、反平行結合膜を介して第１の強磁性膜と第２の強磁性膜とを反強磁性的に結合させてなるセルフピン止め型の強磁性固定層と、前記強磁性固定層上の非磁性中間層と、前記非磁性中間層上の軟磁性自由層とを有し、
   前記軟磁性自由層は、前記非磁性中間層上のＣｏＦｅ合金膜と、前記ＣｏＦｅ合金膜上のＮｉＦｅ合金膜と、前記ＮｉＦｅ合金膜上のＮｉＦｅＮｂ合金膜との積層構造で構成され、
   前記ＣｏＦｅ合金膜の厚さは０．５ｎｍ〜１．５ｎｍであり、前記ＮｉＦｅ合金膜の厚さは０．５ｎｍ〜２．０ｎｍであり、ＮｉＦｅＮｂ合金膜の厚さは６ｎｍ〜１７ｎｍであることを特徴とする電流センサ。
2. 前記ＣｏＦｅ合金膜が１０原子％〜２０原子％のＦｅを含むＣｏＦｅ合金で構成されたことを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
3. 前記ＮｉＦｅ合金膜が１６原子％〜２２原子％のＦｅを含むＮｉＦｅ合金で構成されたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電流センサ。
4. 前記ＮｉＦｅＮｂ合金膜が１０原子％〜１５原子％のＦｅおよび２原子％〜８原子％のＮｂを含むＮｉＦｅＮｂ合金で構成されたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の電流センサ。
5. 前記磁気抵抗効果素子と固定抵抗素子とを含む磁界検出ブリッジ回路を備えたことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の電流センサ。

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