CN111512172B - 磁场施加偏置膜及使用其的磁检测元件及磁检测装置 - Google Patents

Abstract

具有强磁场耐受性的磁场施加偏置膜(11)具备交换耦合膜(10)，该交换耦合膜(10)具有强磁性层(3)和层叠于强磁性层(3)的反强磁性层(4)，反强磁性层(4)具备X(Cr‑Mn)层，该X(Cr‑Mn)层含有Mn和Cr、以及选自包括铂族元素和Ni的组中的一种或两种以上的元素X，X(Cr‑Mn)层具有距强磁性层(3)相对较近的第一区域(R1)和距强磁性层(3)相对较远的第二区域(R2)，第一区域(R1)中的Mn的含量比第二区域(R2)中的Mn的含量高。

Description

磁场施加偏置膜及使用其的磁检测元件及磁检测装置

技术领域

本发明涉及磁场施加偏置膜及使用其的磁检测元件及磁检测装置。

背景技术

对于使用了具备磁检测部的磁检测元件的磁检测装置(磁传感器)，其中该磁检测部具有包括固定磁性层和自由磁性层的磁阻效应膜，从提高测定精度的观点出发，优选在未施加外部磁场的状态下自由磁性层的磁化的朝向一致。因此，为了施加偏置磁场以在未施加外部磁场的状态下使自由磁性层的磁化的朝向一致，在磁检测元件中，有时在磁检测部的周围配置磁场施加偏置膜，该磁场施加偏置膜具备层叠了由IrMn、PtMn等反强磁性材料形成的反强磁性层和强磁性层的交换耦合膜(参照专利文献1。)。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2016-151448号公报

发明内容

发明要解决的课题

磁检测装置在将磁效应元件安装于基板时，需要对焊料进行回流处理(熔融处理)，此时，磁效应元件也被加热到300℃左右。另外，有时在发动机的周边那样的高温环境中使用。因此，在磁检测装置所使用的磁场施加偏置膜中，优选为即使是置于高温环境下也能够稳定地向自由磁性层施加偏置磁场。另外，最近，即使是配置在大输出马达等强磁场产生源的附近而施加强磁场的环境，施加偏置磁场的方向(偏置施加方向)也不易受到影响、即谋求强磁场耐受性。

本发明的目的在于，提供具备层叠了反强磁性层和强磁性层的交换耦合膜、在高温条件下的稳定性高并且强磁场耐受性优异的磁场施加偏置膜，以及使用其的磁检测元件及磁检测装置。

用于解决课题的方案

为了解决上述课题而提供的本发明在一个实施方式中涉及一种磁场施加偏置膜，其具备交换耦合膜，该交换耦合膜具有强磁性层和层叠于所述强磁性层的反强磁性层，所述磁场施加偏置膜的特征在于，所述反强磁性层具备X(Cr-Mn)层，该X(Cr-Mn)层含有Mn和Cr、以及选自包括铂族元素和Ni的组中的一种或两种以上的元素X，所述X(Cr-Mn)层具有距所述强磁性层相对较近的第一区域和距所述强磁性层相对较远的第二区域，所述第一区域中的Mn的含量比所述第二区域中的Mn的含量高。

图1是对本发明的交换耦合膜的磁化曲线的磁滞回线进行说明的图。通常，软磁性体的M-H曲线(磁化曲线)形成的磁滞回线成为以H轴与M轴的交点(磁场H＝0A/m，磁化M＝0A/m)为中心对称的形状，但如图1所示，本发明的交换耦合膜的磁滞回线由于对与反强磁性层进行交换耦合的强磁性层作用交换耦合磁场Hex，因此成为根据交换耦合磁场Hex的大小沿H轴移动的形状。对于交换耦合膜的强磁性层，该交换耦合磁场Hex越大，即使施加外部磁场，磁化的朝向也越难以反转，因此具备交换耦合膜的磁场施加偏置膜能够具有良好的偏置功能(能够对磁检测元件的自由磁性层适当地施加偏置磁场的功能)。

由沿着该H轴移动的磁滞回线的中心(该中心的磁场强度相当于交换耦合磁场Hex)与磁滞回线的H轴切片的差而定义的矫磁力Hc比交换耦合磁场Hex小的情况下，即使施加外部磁场而使交换耦合膜的固定磁性层在沿着该外部磁场的方向上被磁化，若外部磁场的施加结束，则通过比矫磁力Hc相对强的交换耦合磁场Hex，也能够使自由磁性层的磁化的方向一致并发挥偏置功能。即，在交换耦合磁场Hex与矫磁力Hc的关系为Hex＞Hc的情况下，具备交换耦合膜的磁场施加偏置膜具有良好的强磁场耐受性。

而且，上述的交换耦合膜所具备的反强磁性层与专利文献1所记载的由IrMn、PtMn这样的现有反强磁性材料形成的反强磁性层相比，阻挡温度Tb高，因此例如即使置于300℃左右的环境中并被施加强磁场，也能够维持交换耦合磁场Hex。因此，具备上述的交换耦合膜的磁场施加偏置膜在高温环境下的稳定性优异，且具有强磁场耐受性。

在上述的磁场施加偏置膜中，也可以是，所述第一区域与所述强磁性层相接。

在上述的磁场施加偏置膜中，也可以是，所述第一区域具有Mn的含量对Cr的含量之比即Mn/Cr比为0.3以上的部分。在该情况下，所述第一区域优选具有所述Mn/Cr比为1以上的部分。

作为上述磁场施加偏置膜的具体的一个实施方式，也可以是，所述反强磁性层通过层叠PtCr层和比所述PtCr层靠近所述强磁性层的X⁰Mn层(其中，X⁰为选自包括铂族元素和Ni的组中的一种或两种以上的元素)而成。

作为上述的磁场施加偏置膜的具体例，也可以是，所述反强磁性层是PtCr层和PtMn层依次层叠为使所述PtMn层距所述强磁性层较近而成。在该情况下，也可以在比所述PtMn层靠近所述强磁性层的位置进一步层叠有IrMn层。在该结构中，上述的X⁰Mn层包括PtMn层和IrMn层。

作为另一个实施方式，本发明提供一种磁场施加偏置膜，其具备交换耦合膜，该交换耦合膜具有强磁性层和层叠于所述强磁性层的反强磁性层，所述磁场施加偏置膜的特征在于，所述反强磁性层具有将X¹Cr层(其中，X¹为选自包括铂族元素和Ni的组中的一种或两种以上的元素)和X²Mn层(其中，X²为选自包括铂族元素和Ni的组中的一种或两种以上的元素且与X¹相同或者不同)交替地层叠的三层以上的交替层叠结构。

在上述的施加偏置膜中，也可以是，所述X¹为Pt，所述X²为Pt或Ir。

所述反强磁性层也可以具有层叠了多个包括X¹Cr层和X²Mn层的单元而成的单元层叠部。在该情况下，也可以是，所述单元层叠部中的所述X¹Cr层和所述X²Mn层分别为相同的膜厚，所述X¹Cr层的膜厚大于所述X²Mn层的膜厚。此时，所述X¹Cr层的膜厚与所述X²Mn层的膜厚之比有时优选为5∶1～100∶1。

作为另一个实施方式，本发明提供一种磁检测元件，其具备磁检测部和上述的磁场施加偏置膜，该磁检测部具有包含固定磁性层和自由磁性层的磁阻效应膜，所述磁场施加偏置膜配置在所述磁检测部的周围，以使在未向所述自由磁性层施加外部磁场的状态下的所述自由磁性层的磁化的朝向一致。

作为又一个实施方式，本发明还提供一种磁检测装置，其特征在于，具备上述的磁检测元件。也可以是，上述磁检测装置在同一基板上具备多个上述的磁检测元件，多个所述磁检测元件中包含所述固定磁性层的固定磁化方向不同的元件。

发明效果

根据本发明，提供一种即使在高温环境下强磁场耐受性也优异的磁场施加偏置膜。因此，如果使用本发明的磁场施加偏置膜，则即使在高温环境下施加强磁场的情况下，也能够成为稳定的磁检测装置。

附图说明

图1是对本发明的磁场施加偏置膜的磁化曲线的磁滞回线进行说明的图。

图2是表示本发明的第一实施方式的磁检测元件的结构的说明图，(a)是从Z1-Z2方向观察到的图，(b)是从Y1-Y2方向观察到的图。

图3是深度分布的一例。

图4是将图3的深度分布的一部分放大的分布图。

图5是使横轴的范围与图4相等地表示基于图4求出的Cr相对于Mn的含量的含量之比(Mn/Cr比)的曲线图。

图6是表示本发明的第一实施方式的变形例的磁检测元件的结构的说明图。

图7是表示本发明的第一实施方式的另一变形例的磁检测元件的结构的说明图。

图8是表示本发明的第二实施方式的磁检测元件的结构的说明图，(a)是从Z1-Z2方向观察到的图，(b)是从Y1-Y2方向观察到的图。

图9是表示本发明的第二实施方式的变形例的磁检测元件的结构的说明图，(a)是从Z1-Z2方向观察到的图，(b)是从Y1-Y2方向观察到的图。

图10是本发明的第一实施方式的磁传感器30的电路框图。

图11是表示磁传感器30中使用的磁检测元件11的俯视图。

图12是本发明的第二实施方式的磁传感器31的电路框图。

图13是表示交换耦合磁场Hex的强度的温度依赖性的曲线图。

具体实施方式

<第一实施方式的磁检测元件>

图2是概念性地表示本发明的第一实施方式的磁检测元件的结构的说明图。

本实施方式的磁检测元件11具有：具备磁阻效应膜的磁检测部13，该磁阻效应膜具有沿图1的Y1-Y2方向的灵敏度轴；磁场施加偏置膜12A，其相对于磁检测部13位于该磁检测部13的周围，具体而言位于与磁检测部13的灵敏度轴正交的X1-X2方向的X2侧；以及磁场施加偏置膜12B，其相对于磁检测部13位于X1-X2方向的X1侧。磁阻效应膜只要具有固定磁性层和自由磁性层，其种类没有限定。磁阻效应膜可以是巨大磁阻效应膜(GMR膜)，也可以是隧道磁阻效应膜(TMR膜)。在其他实施方式中也同样。

磁场施加偏置膜12A、12B具有从Z1-Z2方向的Z1侧朝向Z1-Z2方向的Z2侧层叠有基底层1、强磁性层3、反强磁性层4、以及保护层5的结构。强磁性层3和反强磁性层4构成交换耦合膜10。

强磁性层3由强磁性的材料、例如CoFe合金(钴铁合金)形成。CoFe合金通过提高Fe的含有比例，而使矫磁力Hc变高。强磁性层3的膜厚有时优选为

以上且

以下。

本实施方式的磁场施加偏置膜12A、12B的反强磁性层4从接近强磁性层3的一侧层叠PtMn层4A和PtCr层4B而成。这些各层例如通过溅射工序、CVD工序成膜。需要说明的是，在对磁场施加偏置膜12A、12B的PtMn层4A等合金层进行成膜时，既可以同时供给形成合金的多种金属(在PtMn层4A的情况下为Pt和Mn)，也可以交替地供给形成合金的多种金属。作为前者的具体例，可以列举形成合金的多种金属的同时溅射，作为后者的具体例，可以列举不同种类的金属膜的交替层叠。形成合金的多种金属的同时供给与交替供给相比，有时对于提高交换耦合磁场Hex是优选的。

反强磁性层4在成膜后，通过退火处理而有序化，与强磁性层3进行交换耦合，在强磁性层3产生交换耦合磁场Hex。反强磁性层4的阻挡温度Tb比现有技术的由IrMn构成的反强磁性层、由PtMn构成的反强磁性层的阻挡温度Tb高，因此即使在高温环境下交换耦合膜10也能够较高地维持交换耦合磁场Hex。需要说明的是，通过上述的退火处理，构成反强磁性层4的各层的原子相互扩散。

本实施方式的交换耦合膜10所具备的反强磁性层4具有X(Cr-Mn)层，X(Cr-Mn)层含有选自包括铂族元素和Ni的组中的一种或两种以上的元素X以及Mn和Cr。对于由图2所示的层叠结构得到的反强磁性层4，元素X是Pt，因此成为Pt(Cr-Mn)层。该Pt(Cr-Mn)层具有与强磁性层3相对较近的第一区域、以及与强磁性层3相对较远的第二区域，第一区域中的Mn的含量比第二区域中的Mn的含量高。具有这样结构的Pt(Cr-Mn)层通过使层叠的PtMn层4A和PtCr层4B接受退火处理而形成。通过一边溅射一边进行表面分析，能够得到结构元素的深度方向的含量分布(深度分布(Depth profile))。

图3是包含具备与本实施方式的交换耦合膜10同样的结构的交换耦合膜10的膜的深度分布的一例。该膜中的交换耦合膜由固定磁性层和反强磁性层构成。图3所示的深度分布是从对具备以下结构的膜在15kOe的磁场中以350℃进行了20小时退火处理的膜得到的。()内的数值表示膜厚

基板/基底层：NiFeCr(40)/非磁性材料层：[Cu(40)/Ru(20)]/固定磁性层：Co_40at％Fe_60at％(20)/反强磁性层[IrMn层：Ir_22at％Mn_78at％(10)/PtMn层：Pt_50at％Mn_50at％(16)/PtCr层：Pt_51at％Cr_49at％(300)]/保护层：Ta(100)

具体而言，图3的深度分布由通过从保护层侧一边进行氩溅射一边利用俄歇电子能谱装置进行表面分析而得到的、深度方向上的Pt、Ir、Cr和Mn的含量分布构成。基于氩的溅射速度以SiO₂换算求出，为1.1nm/分钟。

图4是将图3的一部分放大的图。在图3和图4的任一图中，为了确认固定磁性层和非磁性材料层的深度位置，将Co(固定磁性层的结构元素之一)的含量分布和Ru(构成非磁性材料层的反强磁性层侧的元素)的含量分布也包含于深度分布中。

如图3所示，反强磁性层的厚度为30nm左右，具备含有作为选自包括铂族元素和Ni的组中的一种或两种以上的元素X的Pt以及Ir、和Mn以及Cr的X(Cr-Mn)层，具体而言，包括(Pt-Ir)(Cr-Mn)层。并且，X(Cr-Mn)层((Pt-Ir)(Cr-Mn)层)具有与固定磁性层相对较近的第一区域R1、以及距固定磁性层相对较远的第二区域R2，并且第一区域R1中的Mn的含量比第二区域R2中的Mn的含量高。这样的结构可以通过适当层叠包括XCr的层及包括XMn的层等而形成多层层叠体，并对该多层层叠体进行如上所述的退火处理而得到。

图5是使横轴的范围与图4相等地表示基于通过深度分布求出的各深度的Mn的含量和Cr的含量计算的、Mn的含量相对于Cr的含量之比(Mn/Cr比)的曲线图。基于图5所示的结果，在本说明书中，将Mn/Cr比为0.1的深度作为第一区域R1与第二区域R2的边界。即，在反强磁性层中，将在与固定磁性层较近的区域中Mn/Cr比为0.1以上的区域定义为第一区域R1，将反强磁性层中的第一区域以外的区域定义为第二区域。基于该定义，在图3所示的深度分布中，第一区域R1与第二区域R2的边界位于深度44.5nm左右。

Mn/Cr比大不仅影响交换耦合磁场Hex的大小，而且Mn/Cr比越大，Hex/Hc的值为正值且绝对值越容易变大。具体而言，第一区域R1优选具有Mn/Cr比为0.3以上的部分，更优选具有Mn/Cr比为0.7以上的部分，特别优选具有Mn/Cr比为1以上的部分。

这样，由于在第一区域R1中含有相对较多的Mn，因此本实施方式的磁场施加偏置膜12A、12B能够产生较高的交换耦合磁场Hex。另一方面，在第二区域R2中，Mn的含量低、且相对地Cr的含量高，因此反强磁性层4具有高的阻挡温度Tb。因此，本实施方式的磁场施加偏置膜12A、12B即使被置于高温环境下，也不易丧失偏置功能。

基底层1和保护层5例如由钽(Ta)构成。也可以在基底层1和强磁性层3之间设置强磁性层与非磁性层(Ru、Cu等)的层叠体。

在上述的本实施方式的磁场施加偏置膜12A、12B的反强磁性层4中，PtMn层4A以与强磁性层3相接的方式层叠，在该PtMn层4A层叠有PtCr层4B，PtMn层4A是X⁰Mn层(其中，X⁰是选自包括铂族元素和Ni的组中的一种或两种以上的元素)的具体一例。即，磁场施加偏置膜12A、12B是X⁰Mn层为单层结构且X⁰为Pt的情况。X⁰可以是Pt以外的元素，X⁰Mn层也可以是层叠多个层而成的结构。作为这样的X⁰Mn层的具体例，可以举出X⁰Mn层由IrMn层构成的情况、从接近强磁性层3的一侧起依次层叠IrMn层和PtMn层的情况。另外，作为另一具体例，可以列举从接近强磁性层3的一侧起依次层叠PtMn层、IrMn层及PtMn层的情况。

在上述的本实施方式的磁场施加偏置膜12A、12B中，具有在强磁性层3上层叠反强磁性层4的结构，但也可以层叠顺序相反，具有在反强磁性层4上层叠强磁性层3的结构。

在上述的本实施方式的磁检测元件11中，两个磁场施加偏置膜12A、12B在与灵敏度轴方向(Y1-Y2方向)正交的X1-X2方向上排列配置，它们的强磁性层3的交换耦合磁场的方向(Hex方向)均与X1-X2方向一致。因此，偏置施加轴的方向以与磁检测部13的灵敏度轴方向(Y1-Y2方向)正交的方式设置。如专利文献1所记载的那样，通过调整磁检测元件11中的磁检测部13与两个磁场施加偏置膜12A、12B的相对位置、两个磁场施加偏置膜12A、12B的强磁性层3的交换耦合磁场的方向(Hex方向)，能够将偏置施加轴设定为任意的方向。

作为通过这样的配置来设定偏置施加轴的具体例，如图6的(a)所示，在两个磁场施加偏置膜12A、12B所具备的强磁性层3中产生的交换耦合磁场Hex的方向(图中示出为“Hex方向”，以下相同)均朝向X1-X2方向的X1侧，但将位于磁检测部13的X1-X2方向的X2侧的一方的磁场施加偏置膜12A配置于Y1-Y2方向的Y1侧，将位于磁检测部13的X1-X2方向的X1侧的另一方的磁场施加偏置膜12B配置于Y1-Y2方向的Y2侧，由此能够使偏置施加方向(偏置磁场的施加方向)从X1-X2方向的X2侧的朝向向Y1-Y2方向的Y2侧倾斜。

另外，如图6的(b)所示，两个磁场施加偏置膜12A、12B均相对于磁检测部13在X1-X2方向上排列配置，而且两个磁场施加偏置膜12A、12B的Hex方向均朝向X1-X2方向的X1侧，但调整各个磁场施加偏置膜12A、12B的形状，对于位于磁检测部13的X1-X2方向X2侧的一方的磁场施加偏置膜12A配置为越靠近Y1-Y2方向的Y2侧越接近磁检测部13接近，对于位于磁检测部13的X1-X2方向的X1侧的另一方的磁场施加偏置膜12B配置为越靠近Y1-Y2方向的Y1侧越接近磁检测部13，由此能够使偏置施加方向从X1-X2方向的X2侧的朝向向Y1-Y2方向的Y1侧倾斜。

或者，如图7的(a)所示，将两个磁场施加偏置膜12A、12B形成为均相对于磁检测部13在X1-X2方向上排列配置，如果使两个磁场施加偏置膜12A、12B的强磁性层3的Hex方向为X1-X2方向的X1侧的朝向且成为向Y1-Y2方向的Y2侧倾斜的朝向，则能够将位于两个磁场施加偏置膜12A、12B之间的磁检测部13中的偏置施加方向设定为与Hex方向相同的朝向。

在此，如前所述，本实施方式的反强磁性层4与现有技术的由IrMn等形成的反强磁性层相比，阻挡温度Tb高，因此，如图7的(b)所示，即使在两个磁检测元件11A、11B接近地配置的情况下，通过利用阻挡温度Tb的不同，也能够使磁检测元件11A的偏置施加方向与磁检测元件11B的偏置施加方向为不同的朝向。

具体而言，首先，作为磁检测元件11A的磁场施加偏置膜12A、12B的交换耦合膜，使用本实施方式的交换耦合膜10，作为磁检测元件11B的磁场施加偏置膜12A、12B的交换耦合膜，使用现有技术的具备由IrMn形成的反强磁性层的交换耦合膜。本实施方式的交换耦合膜10的反强磁性层4的阻挡温度Tb为500度左右，与此相对，由IrMn形成的反强磁性层的阻挡温度Tb为300℃左右。因此，例如在400℃下进行磁场中退火处理时，在磁检测元件11A的磁场施加偏置膜12A、12B和磁检测元件11B的磁场施加偏置膜12A、12B的双方中交换耦合磁场Hex在相同的方向、400℃退火的磁场方向上产生。

然后，在比由IrMn形成的反强磁性层的阻挡温度Tb高的温度(例如300℃左右)下进行磁场中退火处理时，具备由IrMn形成的反强磁性层的交换耦合膜的交换耦合磁场Hex方向从400℃退火的磁场方向变化为300℃退火的磁场方向，能够对磁检测元件11B设定规定方向的偏置施加方向。此时，磁检测元件11A的磁场施加偏置膜12A、12B的交换耦合膜10的交换耦合磁场Hex在300℃左右的温度下受到的外部磁场的影响轻微，因此磁检测元件11A的偏置施加方向不会与磁检测元件11B的偏置施加方向一致。这样，能够准备偏置施加方向不同的两个磁检测元件11A、11B。

<第二实施方式的磁检测元件>

图8是概念性地表示本发明的第二实施方式的磁检测元件的结构的说明图。在本实施方式中，对功能与图2所示的磁检测元件11相同的层标注相同的附图标记而省略说明。

第二实施方式的磁检测元件111具有：磁检测部13，其具有沿着图8的Y1-Y2方向的灵敏度轴；磁场施加偏置膜121A，其相对于磁检测部13位于与灵敏度轴正交的X1-X2方向的X2侧；以及磁场施加偏置膜121B，其相对于磁检测部13位于X1-X2方向的X1侧。

磁场施加偏置膜121A、121B具有强磁性层3和反强磁性层41构成交换耦合膜101等的与第一实施方式的磁检测元件11的磁场施加偏置膜12A、12B共通的基本结构，但反强磁性层41的结构不同。

磁场施加偏置膜121A、121B的反强磁性层41是将X¹Cr层41A和X²Mn层41B交替地层叠三层而成的交替层叠结构(其中，X¹和X²分别是选自包括铂族元素和Ni的组中的一种或两种以上的元素，X¹和X²可以相同也可以不同)。这些层各层例如通过溅射工序、CVD工序成膜。反强磁性层4在成膜后，通过退火处理而有序化，与强磁性层3进行交换耦合，在强磁性层3中产生交换耦合磁场Hex。

在图8中，作为将X¹Cr层41A和X²Mn层41B层叠三层以上的交替层叠结构的一个实施方式，示出了X¹Cr层41A/X²Mn层41B/X¹Cr层41A的三层结构且X¹Cr层41A与强磁性层3相接的反强磁性层41。但是，也可以是将X¹Cr层41A和X²Mn层41B调换的X²Mn层41B/X¹Cr层41A/X²Mn层41B的三层结构。在该三层结构的情况下，X²Mn层41B与强磁性层3相接。关于反强磁性层41的层数为4以上时的方式，将在后面叙述。

在X¹Cr层41A最接近强磁性层3的情况下，从提高交换耦合磁场Hex的观点出发，优选使保护层5侧的X¹Cr层41A的膜厚D1大于与强磁性层3相接的X¹Cr层41A的膜厚D3。另外，反强磁性层41的X¹Cr层41A的膜厚D1优选大于X²Mn层41B的膜厚D2。膜厚D1与膜厚D2之比(D1∶D2)更优选为5∶1～100∶1，进一步优选为10∶1～50∶1。膜厚D1与膜厚D3之比(D1∶D3)更优选为5∶1～100∶1，进一步优选为10∶1～50∶1。

需要说明的是，在X²Mn层41B为最接近强磁性层3的X²Mn层41B/X¹Cr层41A/X²Mn层41B的三层结构的情况下，也可以使最接近强磁性层3的X²Mn层41B的膜厚D3与保护层5侧的X²Mn层41B的膜厚D1相等。

从提高交换耦合磁场Hex的观点出发，X¹Cr层41A的X¹优选为Pt，X²Mn层41B的X²优选为Pt或Ir，更优选为Pt。在将X¹Cr层41A设为PtCr层的情况下，优选为Pt_XCr_100at％-X(X为45at％以上且62at％以下)，更优选为X¹ _XCr_100at％-X(X为50at％以上且57at％以下)。从同样的观点出发，X²Mn层41B优选为PtMn层。

图9中示出了表示本发明的第二实施方式的变形例的磁检测元件112的膜结构的说明图。在本例中，对功能与图8所示的磁检测元件111相同的层标注相同的附图标记而省略说明。在磁检测元件112中，强磁性层3和反强磁性层42构成交换耦合膜101A。

图9所示的磁检测元件112与图8的磁检测元件111的不同之处在于，反强磁性层42的层数为4以上，且具有层叠了多个包括X¹Cr层41A和X²Mn层41B(参见图8)的单元的单元层叠部。在图9中，从包括X¹Cr层41A1和X²Mn层41B1的单元层叠部U1到包括X¹Cr层41An和X²Mn层41Bn的单元4Un，具有层叠了n层的单元层叠部4U1～4Un(n为2以上的整数)。

单元层叠部4U1～4Un中的X¹Cr层4A1、···X¹Cr层41An分别为相同的膜厚D1，X²Mn层4B1、···X²Mn层41Bn也分别为相同的膜厚D2。通过层叠相同结构的单元层叠部4U1～4Un，对得到的层叠体进行退火处理，在交换耦合膜101A的强磁性层3中产生高的交换耦合磁场Hex，并且实现了提高反强磁性层42的高温稳定性。

需要说明的是，图9的反强磁性层42包括单元层叠部41U1～41Un和X¹Cr层41A，X¹Cr层41A与强磁性层3相接，但也可以仅包括单元层叠部41U1～41Un。对于由仅包括单元层叠部41U1～41Un的层叠体形成的反强磁性层42，X²Mn层41Bn与强磁性层3相接。

单元层叠部41U1～41Un的层叠数可以根据反强磁性层42、膜厚D1及膜厚D2的大小来设定。例如，在膜厚D1为

膜厚D1为

的情况下，为了提高高温环境中的交换耦合磁场Hex，层叠数优选为3～15，更优选为5～12。

<第一实施方式的磁传感器>

接下来，对第一实施方式的磁传感器进行说明。图10中示出了将图2所示的磁检测元件11组合而成的磁传感器(磁检测装置)30。在图10中，对灵敏度轴方向S(图10中由黑箭头表示)不同的磁检测元件11分别标注11Xa、11Xb、11Ya、11Yb的不同附图标记来进行区别。在磁传感器30中，多个磁检测元件11Xa、11Xb、11Ya、11Yb设置在同一基板上。

图10所示的磁传感器30具有全桥电路32X和全桥电路32Y。全桥电路32X具备两个磁检测元件11Xa和两个磁检测元件11Xb，全桥电路32Y具备两个磁检测元件11Ya和两个磁检测元件11Yb。磁检测元件11Xa、11Xb、11Ya、11Yb均是图2所示的磁检测元件11，且具备磁场施加偏置膜12。在不特别区别它们的情况下，以下适当记为磁检测元件11。

全桥电路32X和全桥电路32Y是为了使检测磁场方向不同而使用了图10中以黑箭头所示的灵敏度轴方向S不同的磁检测元件11的电路，检测磁场的机构相同。因此，以下对使用全桥电路32X检测磁场的机构进行说明。

在图10中，如空心箭头所示，磁检测元件11Xa、11Xb的偏置施加方向B均朝向BYa-BYb方向的BYa侧。这是因为磁检测元件11Xa、11Xb如下构成。即，磁检测元件11Xa、11Xb各自所具备的两个磁场施加偏置膜12A、12B的强磁性层3均以BYa-BYb方向的BYa侧的朝向设定交换耦合磁场的方向(Hex方向)，对于各个磁检测元件11Xa、11Xb，磁场施加偏置膜12A、磁检测部13及磁场施加偏置膜12B配置为在BYa-BYb方向上排列。另一方面，磁检测元件11Ya、11Yb的偏置施加方向B均朝向BXa-BXb方向的BXa侧。这是因为磁检测元件11Ya、11Yb如下构成。即，磁检测元件11Ya、11Yb各自所具备的两个磁场施加偏置膜12A、12B的强磁性层3均以BXa-BXb方向的BXa侧的朝向设定交换耦合磁场的方向(Hex方向)，对于各个磁检测元件11Ya、11Yb，磁场施加偏置膜12A、磁检测部13及磁场施加偏置膜12B配置为在BXa-BXb方向上排列。

全桥电路32X构成为第一串联部32Xa和第二串联部32Xb并联连接。第一串联部32Xa通过将磁检测元件11Xa和磁检测元件11Xb串联连接而构成，第二串联部32Xb通过将磁检测元件11Xb和磁检测元件11Xa串联连接而构成。

在对构成第一串联部32Xa的磁检测元件11Xa和构成第二串联部32Xb的磁检测元件11Xb共通的电源端子33施加电源电压Vdd。对构成第一串联部32Xa的磁检测元件11Xb和构成第二串联部32Xb的磁检测元件11Xa共通的接地端子34被设定为接地电位GND。

构成全桥电路32X的第一串联部32Xa的中点35Xa的输出电位(OutX1)与第二串联部32Xb的中点35Xb的输出电位(OutX2)的差动输出(OutX1)-(OutX2)可作为X方向的检测输出(检测输出电压)VXs而得到。

全桥电路32Y也与全桥电路32X同样地发挥作用，由此第一串联部32Ya的中点35Ya的输出电位(OutY1)与第二串联部32Yb的中点35Yb的输出电位(OutY2)的差动输出(OutY1)-(OutY2)可作为Y方向的检测输出(检测输出电压)VYs而得到。

在图10中，如黑箭头所示，构成全桥电路32X的磁检测元件11Xa和磁检测元件11Xb的灵敏度轴方向S与构成全桥电路32Y的磁检测元件11Ya及各磁检测元件11Yb的灵敏度轴方向S相互正交。

在图10所示的磁传感器30中，磁检测元件11的自由磁性层在未施加外部磁场H的状态下，处于在沿偏置施加方向B的方向上被磁化的状态。当施加外部磁场H时，各个磁检测元件11的自由磁性层的磁化的朝向以与外部磁场H的方向相仿的方式变化。此时，电阻值根据强磁性层3的固定磁化方向(灵敏度轴方向S)和自由磁性层的磁化方向的矢量的关系而变化。

例如，当外部磁场H作用于图10所示的方向时，在构成全桥电路32X的磁检测元件11Xa中，灵敏度轴方向S与外部磁场H的方向一致，因此电阻值变小，另一方面，在磁检测元件11Xb中，灵敏度轴方向与外部磁场H的方向为相反方向，因此电阻值变大。通过该电阻值的变化，检测输出电压VXs＝(OutX1)-(OutX2)为极大。随着外部磁场H相对于纸面向右(BXa-BXb方向的BXb侧的朝向)变化，检测输出电压VXs变低。并且，当外部磁场H成为相对于图10的纸面向上(BYa-BYb方向的BYa侧的朝向)或向下(BYa-BYb方向的BYb侧的朝向)时，检测输出电压VXs变为零。

另一方面，在全桥电路32Y中，如图10所示，当外部磁场H相对于纸面向左(BXa-BXb方向的BXa侧的朝向)时，在所有的磁检测元件11中，自由磁性层的磁化的朝向(成为与偏置施加方向B相仿的朝向)相对于灵敏度轴方向S(固定磁化方向)正交，因此磁检测元件11Ya和磁检测元件11Xb的电阻值相同。因此，检测输出电压VYs为零。在图10中，当外部磁场H相对于纸面向下(BYa-BYb方向的BYb侧的朝向)作用时，全桥电路32Y的检测输出电压VYs＝(OutY1)-(OutY2)为极大，随着外部磁场H相对于纸面向上(BYa-BYb方向的BYa侧的朝向)变化，检测输出电压VYs降低。

这样，当外部磁场H的方向变化时，全桥电路32X和全桥电路32Y的检测输出电压VXs及VYs也随之变动。因此，基于从全桥电路32X和全桥电路32Y得到的检测输出电压VXs及VYs，能够对检测对象的移动方向、移动量(相对位置)进行检测。

图10中示出了构成为能够检测X方向和与X方向正交的Y方向的磁场的磁传感器30。但是，也可以是仅具备仅检测X方向或Y方向的磁场的全桥电路32X或全桥电路32Y的结构。

图11中示出了磁检测元件11Xa和磁检测元件11Xb的平面结构。图10和图11中，BXa-BXb方向为X方向。在图11的(A)、(B)中，用箭头示出了磁检测元件11Xa、11Xb的固定磁化方向P。在磁检测元件11Xa和磁检测元件11Xb中，固定磁化方向P为X方向，彼此反向。该固定磁化方向P是与灵敏度轴方向S相等的朝向。

如图11所示，磁检测元件11Xa和磁检测元件11Xb的磁检测部13具有条带形状的元件部102。各元件部102通过层叠多个金属层(合金层)而构成巨大磁阻效应(GMR)膜。元件部102的长度方向朝向BYa-BYb方向。多个元件部102平行配置，相邻的元件部102的图示右端部(BYa-BYb方向的BYa侧的端部)经由导电部103a连接，相邻的元件部102的图示左端部(BYa-BYb方向的BYa侧的端部)经由导电部103b连接。在元件部102的图示右端部(BYa-BYb方向的BYa侧的端部)和图示左端部(BYa-BYb方向的BYb侧的端部)，导电部103a、103b相互不同地连接，元件部102连结为所谓的曲折形状。磁检测元件11Xa、11Xb的图示右下部的导电部103a与连接端子104a一体化，图示左上部的导电部103b与连接端子104b一体化。

需要说明的是，在图10及图11所示的磁传感器30中，可以将构成磁检测部13的磁阻效应膜置换为隧道磁阻效应(TMR)膜。

<第二实施方式的磁传感器>

图12是概念性地表示本发明的第二实施方式的磁传感器的结构的说明图。在本实施方式中，对功能与图10所示的磁传感器30相同的层标注相同的附图标记而省略说明。

图12所示的磁传感器31的灵敏度轴方向S及偏置施加方向B与图9所示的磁传感器30不同。在磁传感器31中，磁检测元件11Xa和磁检测元件11Xb的灵敏度轴方向S均朝向BXa-BXb方向的BXa侧。磁检测元件11Xa的偏置施加方向B为从BXa-BXb方向的BXa侧的朝向向BYa-BYb方向的BYa侧倾斜的朝向。另一方面，磁检测元件11Xb的偏置施加方向B为从BXa-BXb方向的BXa侧的朝向向BYa-BYb方向的BYb侧倾斜的朝向。这些偏置施加方向B通过图6、图7所示的方法来实现。

同样地，磁检测元件11Ya和磁检测元件11Yb的灵敏度轴方向S均朝向BYa-BYb方向的BYa侧，但磁检测元件11Ya的偏置施加方向B和磁检测元件11Yb的偏置施加方向B根据图6、图7所示的方法设定为不同的朝向。

这样，通过使磁检测元件11Xa和磁检测元件11Xb的灵敏度轴方向S一致，且使磁检测元件11Ya和磁检测元件11Yb的灵敏度轴方向S一致，制造磁传感器31时的磁场中制膜的次数减少，因此容易提高磁传感器31的偏置(offset)特性。

以上说明的实施方式是为了容易理解本发明而记载的，并不是为了限定本发明而记载的。因此，上述实施方式所公开的各要素意在也包括属于本发明的技术范围的全部设计变更、等同物。例如，在上述的交换耦合膜中，PtMn层4A与强磁性层3相接，即，PtMn层4A直接层叠在层叠的强磁性层3上，但在PtMn层4A与强磁性层3之间也可以层叠含有Mn的其他层(例示出Mn层和IrMn层。)。另外，在上述的实施方式中，与反强磁性层4、41、42相比，强磁性层3以位于靠近基底层1的位置的方式层叠，但也可以与强磁性层3相比，反强磁性层4、41、42以位于靠近基底层1的位置的方式层叠(参照实施例1)。

实施例

以下，通过实施例等对本发明进行更具体说明，但本发明的范围并不限定于这些实施例等。

(实施例1)

制造具备以下的膜结构的磁场施加偏置膜12A。在以下的实施例及比较例中，()内的数值表示膜厚

在400℃下对磁场施加偏置膜12A进行5小时退火处理，使强磁性层3与反强磁性层4之间产生交换耦合。

基板/基底层1：NiFeCr(42)/反强磁性层4：[PtCr层4B：Pt_50at％Cr_50at％(280)/PtMn层4A：Pt_50at％Mn_50at％(20)]/强磁性层3：Co_90at％Fe_10at％(100)/保护层6：Ta(90)

(比较例1)

在实施例1的膜中，反强磁性层4为厚度

的IrMn层：制造包括Ir_20at％Mn_80at％的层，在300℃下进行1小时退火处理，使强磁性层3与反强磁性层4之间产生交换耦合。

(比较例2)

在实施例1的膜中，反强磁性层4为厚度

的PtMn层：制造包括Pt_50at％Mn_50at％的层，在300℃下进行4小时退火处理，使强磁性层3与反强磁性层4之间产生交换耦合。

使用VSM(振动试样型磁力计)，一边使环境温度变化一边测定实施例1、比较例1及比较例2的磁场施加偏置膜12A的磁化曲线，根据得到的磁滞回线，求出各温度的交换耦合磁场Hex(单位：Oe)。将表示各温度的交换耦合磁场Hex用室温下的交换耦合磁场Hex标准化的值(室温标准化的交换耦合磁场)与测定温度(单位：℃)的关系的曲线在图13中示出。

如图13所示，示出了环境温度越高，交换耦合磁场Hex越降低的倾向，但在实施例1的磁场施加偏置膜12A中，交换耦合磁场Hex的降低倾向迟缓，结果是，阻挡温度Tb为500℃左右。与此相对，在比较例1的磁场施加偏置膜12A中，交换耦合磁场Hex容易降低，阻挡温度Tb为300℃左右，比较例2的磁场施加偏置膜12A的阻挡温度Tb为400℃左右。

附图标记说明：

Hex 交换耦合磁场

Hc 矫磁力

11、11A、11B、11Xa、11Xb、11Ya、11Yb、111、112 磁检测元件

12A、12B、121A、121B、122A、122B 磁场施加偏置膜

13 磁检测部

1 基底层

3 强磁性层

4、41、42 反强磁性层

4A PtMn层

4B PtCr层

41A、41A1、41An X¹Cr层

41B、41B1、41Bn X²Mn层

4U1、4Un 单元层叠部

5 保护层

10、101、101A 交换耦合膜

R1 第一区域

R2 第二区域

D1、D3 X¹Cr层41A的膜厚

D2 X²Mn层41B的膜厚

30、31 磁传感器(磁检测装置)

32X、32Y 全桥电路

33 电源端子

Vdd 电源电压

34 接地端子

GND 接地电位

32Xa 全桥电路32X的第一串联部

35Xa 第一串联部32Xa的中点

OutX1 第一串联部32Xa的中点35Xa的输出电位

32Xb 全桥电路32X的第二串联部

35Xb 第二串联部32Xb的中点

OutX2 第二串联部32Xb的中点35Xb的输出电位

VXs X方向的检测输出(检测输出电压)

32Ya 全桥电路32Y的第一串联部

35Ya 第一串联部32Ya的中点

OutY1 第一串联部32Ya的中点35Ya的输出电位

32Yb 全桥电路32Y第二串联部

35Yb 第二串联部32Yb的中点

OutY2 第二串联部32Yb的中点35Yb的输出电位

VYs Y方向的检测输出(检测输出电压)

H 外部磁场

S 灵敏度轴方向

B 偏置施加方向

102 元件部

103a、103b 导电部

104a、104b 连接端子。

Claims (14)

1.一种磁场施加偏置膜，其具备交换耦合膜，该交换耦合膜具有强磁性层和层叠于所述强磁性层的反强磁性层，

所述磁场施加偏置膜的特征在于，

所述反强磁性层具备X(Cr-Mn)层，该X(Cr-Mn)层含有Mn和Cr、以及选自包括铂族元素和Ni的组中的一种或两种以上的元素X，

所述X(Cr-Mn)层具有距所述强磁性层相对较近的第一区域和距所述强磁性层相对较远的第二区域，

所述第一区域中的Mn的含量比所述第二区域中的Mn的含量高，

所述元素X为Pt，所述X(Cr-Mn)层为Pt(Cr-Mn)层，所述Pt(Cr-Mn)层由PtMn层和PtCr层形成，所述PtMn层由Pt和Mn构成的合金形成，所述PtCr层由Pt和Cr构成的合金形成。

2.根据权利要求1所述的磁场施加偏置膜，其中，

所述第一区域与所述强磁性层相接。

3.根据权利要求1或2所述的磁场施加偏置膜，其中，

所述第一区域具有Mn的含量对Cr的含量之比即Mn/Cr比为0.3以上的部分。

4.根据权利要求3所述的磁场施加偏置膜，其中，

所述第一区域具有所述Mn/Cr比为1以上的部分。

5.根据权利要求1或2所述的磁场施加偏置膜，其中，

所述反强磁性层通过层叠PtCr层和比所述PtCr层靠近所述强磁性层的X⁰Mn层而成，其中，X⁰为选自包括铂族元素和Ni的组中的一种或两种以上的元素。

6.根据权利要求1或2所述的磁场施加偏置膜，其中，

所述反强磁性层是将PtCr层和PtMn层依次层叠为使所述PtMn层距所述强磁性层较近而成。

7.根据权利要求6所述的磁场施加偏置膜，其中，

在比所述PtMn层靠近所述强磁性层的位置进一步层叠有IrMn层。

8.一种磁场施加偏置膜，其具备交换耦合膜，该交换耦合膜具有强磁性层和层叠于所述强磁性层的反强磁性层，

所述磁场施加偏置膜的特征在于，

所述反强磁性层具有将X¹Cr层和X²Mn层交替地层叠的三层以上的交替层叠结构，其中，X¹为选自包括铂族元素和Ni的组中的一种或两种以上的元素，X²为选自包括铂族元素和Ni的组中的一种或两种以上的元素且与X¹相同或者不同，

所述X¹为Pt，所述X¹Cr层为由Pt和Cr构成的合金形成的PtCr层，所述X²为Pt，所述X²Mn层为由Pt和Mn构成的合金形成的PtMn层。

9.根据权利要求8所述的磁场施加偏置膜，其中，

所述反强磁性层具有层叠了多个包括X¹Cr层和X²Mn层的单元而成的单元层叠部。

10.根据权利要求9所述的磁场施加偏置膜，其中，

所述单元层叠部中的所述X¹Cr层和所述X²Mn层分别为相同的膜厚，所述X¹Cr层的膜厚大于所述X²Mn层的膜厚。

11.根据权利要求10所述的磁场施加偏置膜，其中，

所述X¹Cr层的膜厚与所述X²Mn层的膜厚之比为5∶1～100∶1。

12.一种磁检测元件，其具备磁检测部和权利要求1至11中任一项所述的磁场施加偏置膜，该磁检测部具有包含固定磁性层和自由磁性层的磁阻效应膜，其中，

所述磁场施加偏置膜配置在所述磁检测部的周围，以使在未向所述自由磁性层施加外部磁场的状态下的所述自由磁性层的磁化的朝向一致。

13.一种磁检测装置，其特征在于，

具备权利要求12所述的磁检测元件。

14.根据权利要求13所述的磁检测装置，其中，

所述磁检测装置在同一基板上具备多个权利要求12所述的磁检测元件，

多个所述磁检测元件中包含所述固定磁性层的固定磁化方向不同的磁检测元件。

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