JP2011103336A - 磁気抵抗効果素子およびそれを用いたセンサ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 TMR素子50を構成するセグメントSG1は、少なくともピンド層43、絶縁層44およびフリー層21を積層して成る第1の積層体20と、少なくともピンド層43、絶縁層44およびフリー層31を積層して成る第2の積層体30とを備える。第1および第2の積層体20,30はピニング層42上に配列されており、かつ、ピンド層43およびピニング層42によって電気的に直列接続されている。
【選択図】 図1
Description
従来のTMR素子70は、下部電極層71と、この下部電極層71の表面に積層された磁気抵抗効果多層膜80と、この磁気抵抗効果多層膜80の表面に形成された上部電極層76とを有する。磁気抵抗効果多層膜80は、ピニング層72と、ピンド層(ピン層またはピン止め層ともいう)73と、絶縁層(トンネルバリア層ともいう)74と、フリー層75とを順次積層して成る。
上記の目的を達成するため、本発明の第1の特徴は、反強磁性材料により形成されたピニング層(42)と、強磁性材料により形成されたピンド層(43)と、トンネル現象により電子が透過可能なエネルギー障壁を有する絶縁層(44)と、強磁性材料により形成されたフリー層(21,31)とを少なくとも有する各層を順次積層して成る磁気抵抗効果多層膜を有し、前記磁気抵抗効果多層膜の置かれた場の磁界(H)が変化すると、前記絶縁層を介して前記フリー層およびピンド層間に流れるトンネル電流(I1〜I4)の大きさが変化し得るTMR素子において、少なくとも前記ピニング層、ピンド層、絶縁層およびフリー層を積層して成る第1および第2の積層体(20,30)が配列されており、かつ、前記第1および第2の積層体の前記ピニング層間または前記ピンド層間または前記フリー層間が電気的に直列接続されたセグメントを備えるTMR素子(50)としたことにある。
したがって、積層体1つで1つのセグメントを構成している従来のTMR素子と比較して、積層体1つ当りのバイアス電圧を低くすることができるため、積層体1つ当りのTMR比を大きくすることができる。
本発明の第2の特徴は、前述した第1の特徴において、前記第1および第2の積層体(20,30)の前記ピンド層(43)間が電気的に接続されていることにある。
本発明の第3の特徴は、前述した第2の特徴において、前記第1の積層体(20)から前記第2の積層体(30)にかけて前記ピンド層(43)が連続形成されていることにある。
本発明の第4の特徴は、前述した第2または第3の特徴において、前記第1の積層体(20)から前記第2の積層体(30)にかけて前記絶縁層(44)が連続形成されていることにある。
本発明の第5の特徴は、前述した第2ないし第4の特徴のいずれか1つにおいて、前記第1の積層体(20)のフリー層(21)に入力された電流が、前記第1の積層体の絶縁層(44)、前記第1の積層体のピンド層(43)、第2の積層体のピンド層(43)、前記第2の積層体(30)の絶縁層(44)の順に流れ、前記第2の積層体のフリー層(31)から出力し得るように構成されていることにある。
また、各セグメントの積層体を形成した後の工程において各セグメントを電気的に接続することができるため、各セグメントの積層体を形成した後にセグメントの配線を変更することができる。
本発明の第6の特徴は、前述した第1ないし第5の特徴のいずれか1つにおいて、前記第1および第2の積層体(20,30)の前記ピニング層(42)間が電気的に接続されていることにある。
本発明の第7の特徴は、前述した第6の特徴において、前記第1の積層体(20)から前記第2の積層体(30)にかけて前記ピニング層(42)が連続形成されていることにある。
本発明の第8の特徴は、前述した第6または第7の特徴において、前記第1の積層体(20)のフリー層(21)に入力された電流が、前記第1の積層体の絶縁層(44)、前記第1の積層体のピンド層(43)、前記ピニング層(42)、前記第2の積層体(30)のピンド(43)層、前記第2の積層体の絶縁層(44)の順に流れ、前記第2の積層体のフリー層(31)から出力し得るように構成されていることにある。
また、各セグメントの積層体を形成した後の工程において各セグメントを電気的に接続することができるため、各セグメントの積層体を形成した後にセグメントの配線を変更することができる。
本発明の第9の特徴は、前述した第1の特徴において、前記第1および第2の積層体(20,30)の前記フリー層(21,31)間が電気的に接続されていることにある。
本発明の第10の特徴は、前述した第9の特徴において、前記第1の積層体(20)から前記第2の積層体(30)にかけて前記フリー層(21)が連続形成されていることにある。
本発明の第11の特徴は、前述した第9または第10の特徴において、前記第1の積層体(20)のピンド層(43)に入力された電流が、前記第1の積層体の絶縁層(44)、前記第1の積層体のフリー層(21)、第2の積層体のフリー層(21)、前記第2の積層体の絶縁層(44)の順に流れ、前記第2の積層体のピンド層(43)から出力し得るように構成されていることにある。
また、各セグメントの積層体を形成した後の工程において各セグメントを電気的に接続することができるため、各セグメントの積層体を形成した後にセグメントの配線を変更することができる。
本発明の第12の特徴は、前述した第1ないし第11の特徴のいずれか1つにおいて、複数の前記セグメント(SG1〜SG15)が電気的に直列接続されていることにある。
本発明の第13の特徴は、前述した第12の特徴において、第1のセグメント(SG1)を構成する第2の積層体(30)と、第2のセグメント(SG2)を構成する第1の積層体(20)とを電気的に接続する接続方式により複数のセグメント(SG1〜SG15)が電気的に直列接続されていることにある。
したがって、セグメント間を電気的に接続するための専用の電極層を形成する必要がないので、TMR素子の製造効率を高めることができる。
本発明の第14の特徴は、前述した第12または第13の特徴において、前記複数のセグメント(SG1〜SG15)が電気的に直列接続されて成る直列回路を2つ接続して成るハーフブリッジ回路(62)を有し、そのハーフブリッジ回路の中点電位(Vout)を取出し可能に構成されていることにある。
したがって、上記のハーフブリッジ回路を用いてセンサを構成すれば、センサの感度を高くすることができる。しかも、ハーフブリッジ回路への供給電圧を低くする必要がないため、出力電圧が低くなることに起因する検出精度低下も起き難い。
本発明の第15の特徴は、前述した第14の特徴において、2つの前記ハーフブリッジ回路(62)からなるフルブリッジ回路(61)を有し、そのフルブリッジ回路の2つの中点電位(V1,V2)を取出し可能に構成されていることにある。
したがって、上記のフルブリッジ回路を用いてセンサを構成すれば、センサの感度を高くすることができる。しかも、フルブリッジ回路への供給電圧を低くする必要がないため、出力電圧が低くなることに起因する検出精度低下も起き難い。
本発明の第16の特徴は、前述した第12ないし第15の特徴のいずれか1つにおいて、各セグメント間(SG1〜SG15)を選択的に電気的接続可能に構成されていることにある。
本発明の第17の特徴は、前述した第1ないし第16の特徴のいずれか1つにおいて、絶縁層(44)の上にフリー層(21a,31a)を積層した構造体(21a,44、31a,44)を各積層体(20,30)のフリー層(21b,31b)の上にそれぞれ少なくとも1つ以上積層して成ることにある。
本発明の第18の特徴は、前述した第1ないし第17の特徴のいずれか1つにおいて、前記各フリー層(21,31)の横断面形状が略円形であることにある。なお、略円形とは、真円の他、僅かに変形した円形を含む意味である。
したがって、TMR素子の出力および感度の低下を小さくすることができる。
本発明の第19の特徴は、前述した第1ないし第18の特徴のいずれか1つに記載のTMR素子(50)を備えており、そのTMR素子の置かれた場の磁界の変化に対応する信号を出力可能なセンサ(60)としたことにある。
本発明に係る第1実施形態について図を参照して説明する。図1は、本第1実施形態に係るTMR素子の説明図であり、(a)は平面説明図、(b)は(a)のA−A矢視断面図である。
この状態では、第1および第2の積層体20,30の磁気抵抗は高抵抗値を示すため、トンネル電流I1〜I4の電流値は小さく、セグメントSG2の接続線L3から出力される電流値は小さい。
これにより、第1および第2の積層体20,30の磁気抵抗値が小さくなり、トンネル電流I1〜I4の電流値が大きくなり、セグメントSG2の出力電流値が大きくなる。
したがって、1つの積層体のTMR比を高くすることができるため、1つのセグメントのTMR比を高くすることができる。つまり、TMR素子のバイアス電圧依存性を低くすることができる。
(1)上述した第1実施形態のTMR素子50を用いれば、セグメントのピニング層42上には、電気的に直列接続された第1および第2の積層体20,30が配置されているため、積層体1つで1つのセグメントを構成している従来のTMR素子と比較して、セグメント1つ当りの磁気抵抗値を高くすることができる。
したがって、積層体1つで1つのセグメントを構成している従来のTMR素子と比較して、積層体1つ当りのバイアス電圧を低くすることができるため、積層体1つ当りのTMR比を大きくすることができる。
したがって、複数のセグメントを電気的に接続する場合は、各セグメントの最上部のフリー層同士を電気的に接続すれば、各セグメントを電気的に接続することができるため、積層体の下部に下部電極を形成する必要がないので、TMR素子50の製造効率を高めることができる。
したがって、TMR素子50の出力および感度の低下を小さくすることができる。
次に、前述した第1実施形態の応用例1について図を参照して説明する。図2は、本応用例1のTMR素子を用いて構成されたハーフブリッジ回路の説明図であり、図3は、図2に示すハーフブリッジ回路において用いたTMR素子を模式的に示す説明図である。
したがって、たとえば、上記のハーフブリッジ回路62をセンサに用いた場合、感度の高いセンサを実現することができる。
次に、前述した第1実施形態の応用例2について図を参照して説明する。図4は、本応用例2のTMR素子を用いたセンサの回路図である。
したがって、上記のセンサ60を用いれば、感度の高いセンサを実現することができる。
次に、前述した第1実施形態の応用例3について図を参照して説明する。図5は、本応用例3のTMR素子を模式的に示す説明図である。
したがって、各セグメントの各積層体を形成する工程までは同じ工程で良く、フリー層同士の配線を変えるだけで対応することができるため、センサの製造効率を高めることができる。
次に、前述した第1実施形態の応用例4について図を参照して説明する。図6は、本応用例4のTMR素子を模式的に示す説明図である。
図7に示すように、第1および第2の積層体20,30間に絶縁層44を形成しないようにすることもできる。
図13は、第1実施形態の変更例のTMR素子の横断面説明図であり、図1(b)に対応するものである。本変更例のTMR素子50は、第1および第2の積層体20,30におけるピンド層43がそれぞれ独立して構成されており、第1および第2の積層体20,30がピニング層42を介して電気的に直列接続されていることを特徴とする。このため、接続線L1を介して第1の積層体20のフリー層21に入力された電流は、第1の積層体20の絶縁層44、第1の積層体20のピンド層43、ピニング層42、第2の積層体30のピンド層43、第2の積層体30の絶縁層44の経路で流れ、第2の積層体30のフリー層31から接続線L2を介して出力される。
上記のように、変更例のTMR素子50の各セグメントには、電気的に直列接続された第1および第2の積層体20,30が配置されているため、前述した第1実施形態と同じ効果を奏することができる。
次に、本発明の第2実施形態について図を参照して説明する。図8は、本第2実施形態のTMR素子の横断面説明図であり、図1(b)に対応するものである。なお、第1実施形態と共通の構成については同じ符号を付し、説明を省略する。
(1)上述した第2実施形態のTMR素子50を用いれば、セグメント1つに付き、電気的に直列接続された第1および第2の積層体20,30が配置されているため、積層体1つで1つのセグメントを構成している従来のTMR素子と比較して、セグメント1つ当りの抵抗値を高くすることができる。
したがって、積層体1つで1つのセグメントを構成している従来のTMR素子と比較して、積層体1つ当りのバイアス電圧を低くすることができるため、積層体1つ当りのTMR比を大きくすることができる。
したがって、複数のセグメントを電気的に接続する場合は、各セグメントのピンド層同士を電気的に接続すれば、各セグメントを電気的に接続することができるため、各積層体毎に上部電極および下部電極を形成する必要がないので、TMR素子50の製造効率を高めることができる。
次に、本発明の第3実施形態について図を参照して説明する。図9は、本第3実施形態のTMR素子の横断面説明図であり、図1(b)に対応するものである。なお、第1実施形態と共通の構成については同じ符号を付し、説明を省略する。
図10に示すように、第1または第2の実施形態のTMR素子50を構成する各積層体として、横断面形状が正方形のフリー層を有する積層体を用いることもできる。また、フリー層の横断面形状は、長方形または楕円または長円などの形状でも良い。
31・・フリー層、32・・電極層、40・・基板、41・・絶縁膜、
42・・ピニング層、43・・ピンド層、44・・絶縁層、45・・中点、
50・・TMR素子、60・・センサ、61・・フルブリッジ回路、
62・・ハーフブリッジ回路、63,64・・中点、F・・フリー層の磁化方向、
G・・ピンド層の磁化方向、H・・外部磁界、I1〜I4・・トンネル電流、
SG1,SG2・・セグメント。
Claims (19)
- 反強磁性材料により形成されたピニング層と、強磁性材料により形成されたピンド層と、トンネル現象により電子が透過可能なエネルギー障壁を有する絶縁層と、強磁性材料により形成されたフリー層とを少なくとも有する各層を順次積層して成る磁気抵抗効果多層膜を有し、前記磁気抵抗効果多層膜の置かれた場の磁界が変化すると、前記絶縁層を介して前記フリー層およびピンド層間に流れるトンネル電流の大きさが変化し得る磁気抵抗効果素子において、
少なくとも前記ピニング層、ピンド層、絶縁層およびフリー層を積層して成る第1および第2の積層体が配列されており、かつ、前記第1および第2の積層体の前記ピニング層間または前記ピンド層間または前記フリー層間が電気的に直列接続されたセグメントを備えることを特徴とする磁気抵抗効果素子。 - 前記第1および第2の積層体の前記ピンド層間が電気的に接続されていることを特徴とする請求項1に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記第1の積層体から前記第2の積層体にかけて前記ピンド層が連続形成されていることを特徴とする請求項2に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記第1の積層体から前記第2の積層体にかけて前記絶縁層が連続形成されていることを特徴とする請求項2または請求項3に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記第1の積層体のフリー層に入力された電流が、前記第1の積層体の絶縁層、前記第1の積層体のピンド層、前記第2の積層体のピンド層、前記第2の積層体の絶縁層の順に流れ、前記第2の積層体のフリー層から出力し得るように構成されていることを特徴とする請求項2ないし請求項4のいずれか1つに記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記第1および第2の積層体の前記ピニング層間が電気的に接続されていることを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか1つに記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記第1の積層体から前記第2の積層体にかけて前記ピニング層が連続形成されていることを特徴とする請求項6に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記第1の積層体のフリー層に入力された電流が、前記第1の積層体の絶縁層、前記第1の積層体のピンド層、前記ピニング層、前記第2の積層体のピンド層、前記第2の積層体の絶縁層の順に流れ、前記第2の積層体のフリー層から出力し得るように構成されていることを特徴とする請求項6または請求項7に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記第1および第2の積層体の前記フリー層間が電気的に接続されていることを特徴とする請求項1に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記第1の積層体から前記第2の積層体にかけて前記フリー層が連続形成されていることを特徴とする請求項9に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記第1の積層体のピンド層に入力された電流が、前記第1の積層体の絶縁層、前記第1の積層体のフリー層、第2の積層体のフリー層、前記第2の積層体の絶縁層の順に流れ、前記第2の積層体のピンド層から出力し得るように構成されていることを特徴とする請求項9または請求項10に記載の磁気抵抗効果素子。
- 複数の前記セグメントが電気的に直列接続されていることを特徴とする請求項1ないし請求項11のいずれか1つに記載の磁気抵抗効果素子。
- 第1のセグメントを構成する前記第2の積層体と、第2のセグメントを構成する前記第1の積層体とを電気的に接続する接続方式により複数のセグメントが電気的に直列接続されていることを特徴とする請求項12に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記複数のセグメントが電気的に直列接続されて成る直列回路を2つ接続して成るハーフブリッジ回路を有し、そのハーフブリッジ回路の中点電圧を取出し可能に構成されていることを特徴とする請求項12または請求項13に記載の磁気抵抗効果素子。
- 2つの前記ハーフブリッジ回路からなるフルブリッジ回路を有し、そのフルブリッジ回路の2つの中点電圧を取出し可能に構成されていることを特徴とする請求項14に記載の磁気抵抗効果素子。
- 各セグメント間を選択的に電気的接続可能に構成されていることを特徴とする請求項12ないし請求項15のいずれか1つに記載の磁気抵抗効果素子。
- 絶縁層の上にフリー層を積層した構造体を各積層体のフリー層の上にそれぞれ少なくとも1つ以上積層していることを特徴とする請求項1ないし請求項16のいずれか1つに記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記各フリー層の横断面形状が略円形であることを特徴とする請求項1ないし請求項17のいずれか1つに記載の磁気抵抗効果素子。
- 請求項1ないし請求項18のいずれか1つに記載の磁気抵抗効果素子を備えており、その磁気抵抗効果素子の置かれた場の磁界の変化に対応する信号を出力可能なことを特徴とするセンサ。
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