JP2014157985A - Magnetoresistive element for sensor, and sensor circuit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、センサ用磁気抵抗素子、およびセンサ回路に関するものである。 The present invention relates to a magnetoresistive element for a sensor and a sensor circuit.
従来、外部磁場を検出するために用いられているＴＭＲ素子（トンネル磁気抵抗素子）がある。図１０に示すように、ＴＭＲ素子１の基本的な構造としては、外部磁場によって磁化方向が変化するフリー層２と、磁化方向が外部磁場によらず１方向に固定されたピン層３と、フリー層２とピン層３の間に挿入されてフリー層２とピン層３の間のスピン状態により流れる電流が変化するトンネル層４から構成される。
Conventionally, there is a TMR element (tunnel magnetoresistive element) used for detecting an external magnetic field. As shown in FIG. 10, the basic structure of the
ＴＭＲ素子１では、外部磁場の変化がフリー層２の磁化状態の変化を引き起こす。これにより、トンネル層４に流れる電流の値、すなわちＴＭＲ素子の抵抗値を観測することで外部磁場を計測することが出来る。
In the
一般的なＴＭＲ素子１では、フリー層２にはその面内方向に異方性を持った軟磁性膜が用いられており、数ｍＴ程度で出力は飽和する（図１０参照）。このようにフリー層２にその外部から異方性が付加されておらず、自由に磁化方向を持つことが出来る構造をＮＡＴＭＲ（Ｎｏｎ−ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ ＴＭＲ）と呼ぶ。すなわち、ＮＡＴＭＲ素子では磁化方向は判別できるが、磁場の大きさの判定は弱磁場領域（数ｍＴ程度）に限られる。
In a
そこで、広い範囲の磁場を検出するために、フリー層２の磁化方向を検出磁場の方向とは異なる方向に設定し、検出磁場の方向には向き難くしたＴＭＲ素子１が提案されている（非特許文献１参照）。
Therefore, in order to detect a wide range of magnetic fields, a
このようにフリー層２が１方向に異方性を持つＴＭＲ素子１をＡＴＭＲ（Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ ＴＭＲ）素子と呼ぶ。図１１に示すように、垂直磁化膜２ｄを用いたＡＴＭＲ素子１Ａは、フリー層２の磁化方向をフリー層２に対して垂直方向に設定することで、磁化方向を面内方向に向き難くするものである。垂直磁化膜２ｄは、その面内方向に直交する垂直方向に磁化安定化方向が設定されている垂直磁化膜である。結果として、このような垂直磁化膜２ｄを用いることにより、広い磁場範囲での磁場強度の検出が可能になる。
Thus, the
現在、上述した垂直磁化膜については、スピンＲＡＭに適用すべく、盛んに研究が行われている。 Currently, the above-described perpendicular magnetization film has been actively researched to be applied to a spin RAM.
図１２（ａ）にＮＡＴＭＲの構造を示し、図１２（ｂ）にスピンＲＡＭの構造を示す。図１２（ａ）（ｂ）中の矢印は磁化方向を示す。 FIG. 12A shows the structure of NATMR, and FIG. 12B shows the structure of spin RAM. The arrows in FIGS. 12A and 12B indicate the magnetization direction.
図１２（ｂ）のスピンＲＡＭのフリー層２ａやピン層３ａには、垂直磁化膜が用いられている。このようにスピンＲＡＭに適用されている垂直磁化膜は、熱安定性を確保するために異方性エネルギーを大きくする必要があり、一般的には、１×１０＾７［ｅｒｇ／ｃｃ］程度の異方性エネルギーが必要とされている。しかし、このような垂直磁化膜を用いて磁気センサを構成すると、磁場検出範囲は広くなるが感度が低下するため、感度と磁場検出範囲が両立しない（図１３参照）。したがって、磁気センサに適した磁気抵抗素子を構成するためには、磁気センサに適した垂直磁化膜を用いる必要がある。
A perpendicular magnetization film is used for the
本発明は上記点に鑑みて、フリー層の磁化安定化方向がフリー層に対して垂直方向である磁気抵抗素子において、磁気センサに適したセンサ用磁気抵抗素子を提供することを第１の目的とし、センサ用磁気抵抗素子を用いたセンサ回路を提供することを第２の目的とする。 In view of the above, the present invention provides a magnetoresistive element for a sensor suitable for a magnetic sensor in a magnetoresistive element in which the magnetization stabilization direction of the free layer is perpendicular to the free layer. A second object is to provide a sensor circuit using a magnetoresistive element for sensors.
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、磁化方向が固定されているピン層（１３）と、
外部磁場によって磁化方向が追従して変化するフリー層（１５）と、
前記ピン層と前記フリー層との間に挟まれて前記ピン層の磁化方向と前記フリー層の磁化方向との間の角度によって抵抗値が変化する中間層（１４）とが積層され、
前記フリー層の磁化安定化方向が前記フリー層に対して垂直方向であり、
前記フリー層の面内方向の異方性磁界が所定範囲に設定されていることを特徴とするセンサ用磁気抵抗素子である。
In order to achieve the above object, the invention according to
A free layer (15) whose magnetization direction changes following an external magnetic field;
An intermediate layer (14) sandwiched between the pinned layer and the free layer, the resistance value of which varies depending on the angle between the magnetization direction of the pinned layer and the magnetization direction of the free layer, is laminated,
The magnetization stabilization direction of the free layer is perpendicular to the free layer;
A magnetoresistive element for a sensor, wherein an in-plane anisotropic magnetic field of the free layer is set within a predetermined range.
請求項１に記載の発明によれば、フリー層の面内方向の異方性磁界を所定範囲に設定することにより、磁気センサに適したセンサ用磁気抵抗素子を構成することができる。したがって、フリー層の磁化安定化方向がフリー層に対して垂直方向であって、かつ磁気センサに適したセンサ用磁気抵抗素子を提供することができる。 According to the first aspect of the present invention, a magnetoresistive element for a sensor suitable for a magnetic sensor can be configured by setting the anisotropic magnetic field in the in-plane direction of the free layer within a predetermined range. Therefore, it is possible to provide a sensor magnetoresistive element suitable for a magnetic sensor, in which the magnetization stabilization direction of the free layer is perpendicular to the free layer.
請求項１５に記載の発明は、請求項１ないし１４のいずれか１つに記載のセンサ用磁気抵抗素子を２つ以上備え、
前記２つ以上のセンサ用磁気抵抗素子は、ハーフブリッジ回路を構成していることを特徴とするセンサ回路である。
The invention according to
The two or more sensor magnetoresistive elements constitute a half-bridge circuit.
これにより、２つ以上のセンサ用磁気抵抗素子を用いたセンサ回路を提供することができる。 Thereby, a sensor circuit using two or more magnetoresistive elements for sensors can be provided.
請求項１６に記載の発明は、請求項１ないし１４のいずれか１つに記載のセンサ用磁気抵抗素子を４つ以上備え、
前記４つ以上のセンサ用磁気抵抗素子は、フルブリッジ回路を構成していることを特徴とするセンサ回路である。
The invention according to
The four or more sensor magnetoresistive elements form a full bridge circuit.
これにより、４つ以上のセンサ用磁気抵抗素子を用いたセンサ回路を提供することができる。 Thereby, a sensor circuit using four or more magnetoresistive elements for sensors can be provided.
なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。 In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each means described in this column and the claim shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、図中、同一符号を付してある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following embodiments, parts that are the same or equivalent to each other are given the same reference numerals in the drawings in order to simplify the description.
（第１実施形態）
図１は本発明のセンサ用磁気抵抗素子が適用される磁気センサ１０の第１実施形態を示す。
(First embodiment)
FIG. 1 shows a first embodiment of a
磁気センサ１０は、図１に示すように、基板１１、下地層１２、ピン層１３、中間層１４、フリー層１５、キャップ層１６から構成されている。基板１１は、例えばシリコンウエハ等からなる薄板部材である。下地層１２は、ＳｉＯ２、ＳｉＮ等の電気絶縁材料からなるもので、基板１１の一面に沿って薄膜状に形成されている。
As shown in FIG. 1, the
ピン層１３は、強磁性体材から構成されて磁化方向が固定されている磁化固定層である。本実施形態のピン層１３の磁化方向は、基板１１の面内方向（図１中矢印Ａ１参照）に設定されている。基板１１の面内方向とは、基板１１が広がる方向のことである。ピン層１３は、下地層１２に対して基板１１と反対側に配置されている。ピン層１３は、下地層１２に沿って薄膜状に形成されている。
The pinned
中間層１４は、電気絶縁性膜から構成されて、ピン層１３に対して基板１１と反対側からピン層１３を覆うように形成されている非磁性中間層である。中間層１４は、ピン層１３に沿って薄膜状に形成されている。
The
フリー層１５は、ピン層１３に沿って薄膜状に形成されている。フリー層１５は、外部磁場によって磁化方向が追従して変化する強磁性層である。フリー層１５の磁化安定化方向（図１中Ｂ１矢印参照）は、基板１１（つまり、フリー層１５）に対して垂直方向に設定されている。磁化安定化方向は、その磁化し易い特定の結晶方向（つまり、磁化容易軸の方向）のことである。
The
フリー層１５は、ＦＭ／ＮＭ（ＦＭ；Ｆｅｒｒｏ−ｍａｇｎｅｔｉｃ、ＮＭ；Ｎｏｎ−ｍａｇｎｅｔｉｃ）の積層膜から構成されている。ＦＭ／ＮＭの積層膜は、強磁性膜１５ａと非磁性膜１５ｂとが基板１１に対して積層されて構成されている積層構造体である。本実施形態のＦＭ／ＮＭの積層膜としては、基板１１（すなわち、フリー層１５）に対して垂直方向の垂直磁気異方性を持つ積層構造体が用いられている。
The
強磁性膜１５ａは、Ｆｅ（鉄）、Ｃｏ（コバルト）、Ｎｉ（ニッケル）などの強磁性金属から構成されている。具体的には、強磁性膜１５ａとしては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちいずれか１つの金属から構成してもよい。或いは、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちいずれか２つ以上の金属からなる合金によって強磁性膜１５ａを構成してもよい。
The
非磁性膜１５ｂは、Ｐｔ（プラチナ）、Ｐｄ（パラジウム）などの非磁性金属（すなわち、常磁性を有する金属）からなる。本実施形態の非磁性膜１５ｂとしてはＲｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕのうちいずれか１つの金属から構成してもよい。或いは、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕのうち少なくとも２つ以上の金属からなる合金によって非磁性膜１５ｂを構成してもよい。
The
本実施形態のピン層１３、中間層１４、およびフリー層１５は、これらの層１３、１４、１５が積層されるＴＭＲ素子（Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）を構成している。
The pinned
また、キャップ層１６は、ＳｉＯ２、ＳｉＮ等の電気絶縁材料からなるもので、フリー層１５に沿って薄膜状に形成されている。
The
次に、本実施形態の磁気センサ１０の特性について説明する。
Next, the characteristics of the
まず、磁気センサ１０のフリー層１５を垂直磁化膜で構成する場合において、垂直磁化膜の面内方向の異方性磁界（図３参照）と性能指数の関係は図２中の性能指数１、２、３、４のグラフで表される。
First, when the
ここで、性能指数とは、磁気センサ１０で求められる検出範囲に対する感度を表す指標である。
Here, the figure of merit is an index representing the sensitivity to the detection range obtained by the
図２中の性能指数１のグラフは、Ｈｃｎｔ＝６２．５（ｍＴ）とした下記の数式（１）で表される。性能指数２のグラフは、Ｈｃｎｔ＝８７．５（ｍＴ）とした数式（１）で表される。性能指数３のグラフは、Ｈｃｎｔ＝３００（ｍＴ）とした数式（１）で表される。性能指数４のグラフは、Ｈｃｎｔ＝７５０（ｍＴ）とした数式（１）で表される。
The graph of the figure of
ＰＩ＝−Ｓ×（Ｈｋ−Ｈｃｎｔ）＾２／Ｈｃｎｔ＾２＋１００・・・（数式１）
Ｓは感度（ｍＶ／Ｖ・ｍＴ）、Ｈｋは垂直磁化膜の面内方向の異方性磁界である。Ｈｃｎｔは、中心磁界であって、図２中の性能指数１のグラフのうち性能指数が１００となる異方性磁界の値を示している。
PI = −S × (Hk−Hcnt) ^ 2 / Hcnt ^ 2 + 100 (Equation 1)
S is sensitivity (mV / V · mT), and Hk is an anisotropic magnetic field in the in-plane direction of the perpendicular magnetization film. Hcnt is a central magnetic field, and indicates the value of an anisotropic magnetic field at which the figure of merit is 100 in the figure of figure of
性能指数１〜４のグラフは、それぞれ、異方性磁界に対する性能指数の勾配が大きいほど、磁場検出範囲は狭くなり、感度が向上する。つまり、性能指数１〜４のグラフは、それぞれ、前記勾配が小さいほど、磁場検出範囲は広くなり、感度が低下する。
In the graphs of the
ここでは、経験から性能指数１、２、３、４のグラフにおいて性能指数が２０以上である範囲を磁気センサ１０に適用可能とした。
Here, based on experience, a range in which the performance index is 20 or more in the graphs of the
性能指数１のグラフは、性能指数２〜４のグラフに比べて、前記勾配が大きく、異方性磁界に対して性能指数が急峻に変化するグラフである。つまり、性能指数１のグラフは、性能指数２〜４のグラフに比べて、急峻な山型のグラフになっている。
The
そこで、本実施形態では、図２の性能指数１のグラフのうち性能指数が２０以上である範囲としてＨｋ＝５０［ｍＴ］〜７５［ｍＴ］を選択し、Ｈｋ＝５０〜７５［ｍＴ］である垂直磁化膜をフリー層１５として用いる。このことにより、適用できる磁場検出範囲は狭くなるものの感度が向上するため、地磁気など弱い磁場検出に適していることになる。
Therefore, in the present embodiment, Hk = 50 [mT] to 75 [mT] is selected as a range where the performance index is 20 or more in the graph of the
このように構成される本実施形態において、フリー層１５を電源Ｖｃｃに接続して、ピン層１３をグランドに接続した状態で、磁気センサ１０の中間層１４の抵抗値は、地磁気などの外部磁界の方向に対応する値になる。そこで、中間層１４を介するフリー層１５およびピン層１３の間の抵抗値を検出することにより、外部磁界の方向を計測することができる。
In the present embodiment configured as described above, the resistance value of the
以上説明した本実施形態によれば、磁気センサ１０は、基板１１と、基板１１に沿って形成されて磁化方向が基板１１の面内方向に固定されているピン層１３と、基板１１の一面１１ａに沿って形成されて外部磁場によって磁化方向が追従して変化するフリー層１５と、ピン層１３とフリー層１５との間に挟まれてピン層１３の磁化方向とフリー層１５の磁化方向との間の角度によって抵抗値が変化する中間層１４とが積層されている。フリー層の磁化安定化方向がフリー層に対して垂直方向である。フリー層１５の面内方向の異方性磁界が５０［ｍＴ］〜７５［ｍＴ］であることを特徴とする。
According to the present embodiment described above, the
これにより、磁気センサ１０において、適用できる磁場検出範囲は狭くなるものの磁気検出の感度が向上するため、地磁気など弱い磁場を検出に適したＴＭＲ素子を構成することができる。したがって、地磁気など弱い磁場の検出に適した磁気センサ１０を提供することができる。
Thereby, although the applicable magnetic field detection range becomes narrow in the
上記第１の実施形態では、面内方向の異方性磁界が５０［ｍＴ］〜７５［ｍＴ］である垂直磁化膜をフリー層１５としてＴＭＲ素子を構成した例について説明したが、これに代えて、次の（１）、（２）、（３）、（４）のようにしてもよい。
（１）図２の性能指数２のグラフのうち性能指数が２０以上である範囲としてＨｋ＝７５［ｍＴ］〜１００［ｍＴ］を選択し、面内方向の異方性磁界（Ｈｋ）が７５［ｍＴ］〜１００［ｍＴ］である垂直磁化膜をフリー層１５としてＴＭＲ素子を構成する。ここで、図２中の性能指数２のグラフのうち異方性磁界（Ｈｋ）が７５［ｍＴ］〜１００［ｍＴ］である範囲では、前記勾配が性能指数１のグラフに比べて小さい。これにより、磁場の検出範囲が広くなるため、例えば、特許公報３６０５８８０の明細書に記載のごとく、フェライト磁石を用いて回転角度を検出する非接触型の回転角度センサの適用に適したＴＭＲ素子を構成することができる。したがって、回転角度の検出に適した磁気センサ１０を提供することができる。
（２）図２の性能指数３のグラフのうち性能指数が２０以上である範囲としてＨｋ＝１００［ｍＴ］〜５００［ｍＴ］を選択し、面内方向の異方性磁界（Ｈｋ）が１００［ｍＴ］〜５００［ｍＴ］である垂直磁化膜をフリー層１５としてＴＭＲ素子を構成する。これにより、強磁場の検出が可能であるため、例えば、特許公報４４１５７８４号公報に記載のごとく、大電流の検知に適したＴＭＲ素子を構成することができる。したがって、大電流の検知に適した磁気センサ１０を提供することができる。
（３）図２の性能指数４のグラフのうち性能指数が２０以上である範囲としてＨｋ＝５００［ｍＴ］〜１０００［ｍＴ］を選択し、面内方向の異方性磁界（Ｈｋ）が５００［ｍＴ］〜１０００［ｍＴ］である垂直磁化膜をフリー層１５として用いてＴＭＲ素子を構成する。
In the first embodiment, the example in which the TMR element is configured using the perpendicular magnetization film having an in-plane anisotropic magnetic field of 50 [mT] to 75 [mT] as the
(1) Hk = 75 [mT] to 100 [mT] is selected as a range in which the figure of merit is 20 or more in the graph of figure of
(2) Hk = 100 [mT] to 500 [mT] is selected as the range in which the figure of merit is 20 or more in the graph of figure of
(3) Hk = 500 [mT] to 1000 [mT] is selected as a range where the figure of merit is 20 or more in the graph of figure of
ここで、図２中の性能指数４のグラフのうち異方性磁界（Ｈｋ）が５００［ｍＴ］〜１０００［ｍＴ］である範囲では、異方性磁界に対する性能指数の勾配が性能指数１、２、３のグラフに比べて小さい。これにより、広い磁場範囲での検出が可能となる。このため、強磁場を発生する強磁場を発生するコイルの磁場を広い磁場範囲に亘って検出することに適したＴＭＲ素子を構成することができる。したがって、強磁場発生コイルの磁場検出に適した磁気センサ１０を提供することができる。
Here, in the graph of the figure of
以上により、面内方向の異方性磁界を、５０［ｍＴ］〜７５［ｍＴ］、７５［ｍＴ］〜１００［ｍＴ］、１００［ｍＴ］〜５００［ｍＴ］、５００［ｍＴ］〜１０００［ｍＴ］の各領域にすることにより、異方性磁界の領域毎に磁気センサに適したＴＭＲ素子を構成することができる。これにより、異方性磁界の領域毎にセンサ特性が高い磁気センサ１０を構成することができる。
As described above, the anisotropic magnetic field in the in-plane direction is set to 50 [mT] to 75 [mT], 75 [mT] to 100 [mT], 100 [mT] to 500 [mT], 500 [mT] to 1000 [ By setting each region of mT], a TMR element suitable for a magnetic sensor can be configured for each region of an anisotropic magnetic field. Thereby, the
上記第１の実施形態では、ＦＭ／ＮＭの積層膜によってフリー層１５を構成した例について説明したが、これに限らず、次の（１）、（２）のようにしてもよい。
（１）垂直磁気異方性を持つＦＭ−ＮＭの合金によってフリー層１５を構成する。ＦＭ−ＮＭの合金とは、Ｆｅ（鉄）、Ｃｏ（コバルト）、Ｎｉ（ニッケル）のうち少なくとも１つの強磁性金属と、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｒｈ（ロジウム）、Ｐｄ（パラジウム）、Ａｇ（銀）、Ｏｓ（オーステニウム）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｐｔ（プラチナ）、Ａｕ（金）のうち少なくとも１つの非磁性金属とを溶かし合わせた合金である。
（２）垂直磁気異方性を持つＦＭ−ＦＭの合金によってフリー層１５を構成する。ＦＭ−ＦＭの合金とは、Ｆｅ（鉄）、Ｃｏ（コバルト）、Ｎｉ（ニッケル）のうち異なる２つ以上の強磁性金属を溶かし合わせた合金のことである。
In the first embodiment, the example in which the
(1) The
(2) The
（第２実施形態）
上記第１の実施形態では、フリー層１５よりもピン層１３を基板１１側に形成した例について説明したが、これに代えて、図４に示すように、フリー層１５をピン層１３よりも基板１１側に形成してもよい。図４において、図１と同一符号は、同一のものを示し、その説明を省略する。
(Second Embodiment)
In the first embodiment, the example in which the pinned
（第３実施形態）
上記第１の実施形態では、垂直磁気異方性を持つＦＭ／ＮＭの積層膜をフリー層１５として用いてＴＭＲ素子を構成した例について説明したが、これに代えて、本第３実施形態では、次のように、ＴＭＲ素子を構成する。
(Third embodiment)
In the first embodiment, the example in which the TMR element is configured using the FM / NM laminated film having the perpendicular magnetic anisotropy as the
図５に本発明の本実施形態に係る磁気センサ１０を示す。図５において、図１と同一符号は、同一のものを示す。
FIG. 5 shows a
本実施形態の磁気センサ１０のフリー層１５は、第１、第２のフリー層１５ｃ、１５ｄから構成されている。第１、第２のフリー層１５ｃ、１５ｄは、中間層１４とキャップ層１６との間に積層されている。
The
第１のフリー層１５ｃは、基板１１（つまり、フリー層１５）の面内方向に対して垂直方向の磁気異方性を有する垂直磁気異方性膜である。第１のフリー層１５ｃは、上記第１実施形態のフリー層１５と同様に、ＦＭ／ＮＭの積層膜から構成されている。ＦＭ／ＮＭの積層膜は、強磁性膜と非磁性膜とが基板１１に対して垂直方向に積層されて構成されている積層構造体である。強磁性膜としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちいずれか１つの金属から構成してもよい。或いは、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちいずれか２つ以上の金属からなる合金によって強磁性膜を構成してもよい。非磁性膜としては、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕのうちいずれか１つの金属から構成してもよい。或いは、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕのうち少なくとも２つ以上の金属からなる合金によって非磁性膜を構成してもよい。
The first
第２のフリー層１５ｄは、高スピン分極率層を構成するものであって、基板１１（すなわち、第２のフリー層１５ｄ）に対する面内方向の磁気異方性を有する面内磁気異方性膜である。第２のフリー層１５ｃは、Ｆｅ（鉄）、Ｃｏ（コバルト）、Ｎｉ（ニッケル）のうちいずれか１つの強磁性金属から構成してもよい。或いは、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちいずれか２つ以上の強磁性金属からなる合金によって第２のフリー層１５ｄを構成してもよい。
The second
このように構成される第１、第２のフリー層１５ｃ、１５ｄが互いに強磁性結合されている。
The first and second
以上説明した本実施形態によれば、フリー層１５は、第１、第２のフリー層１５ｃ、１５ｄから構成されている。第１のフリー層１５ｃは、垂直磁気異方性膜である。第２のフリー層１５ｄは、面内磁気異方性膜である。第１、第２のフリー層１５ｃ、１５ｄが互いに強磁性結合されている。これにより、第２のフリー層１５ｄの磁化方向が第１のフリー層１５ｃ垂直磁気異方性の影響を受ける。したがって、外部磁界により、第２のフリー層１５ｄの磁化方向が面内方向に向き難くなる。このため、広い範囲の外部磁界を検出することができる。
According to the present embodiment described above, the
上記第３の実施形態では、ＦＭ／ＮＭの積層膜によって面内方向の磁気異方性を有する第１のフリー層１５ｃを構成した例について説明したが、これに限らず、次の（１）、（２）のようにしてもよい。
（１）面内方向の磁気異方性を持つＦＭ−ＮＭの合金によって第１のフリー層１５ｃを構成する。ＦＭ−ＮＭの合金とは、Ｆｅ（鉄）、Ｃｏ（コバルト）、Ｎｉ（ニッケル）のうち少なくとも１つの強磁性金属と、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｒｈ（ロジウム）、Ｐｄ（パラジウム）、Ａｇ（銀）、Ｏｓ（オーステニウム）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｐｔ（プラチナ）、Ａｕ（金）のうち少なくとも１つの非磁性金属とを溶かし合わせた合金である。
（２）面内方向の磁気異方性を持つＦＭ−ＦＭの合金によって第１のフリー層１５ｃを構成する。ＦＭ−ＦＭの合金とは、Ｆｅ（鉄）、Ｃｏ（コバルト）、Ｎｉ（ニッケル）のうち異なる２つ以上の強磁性金属を溶かし合わせた合金のことである。
In the third embodiment, the example in which the first
(1) The first
(2) The first
（第４実施形態）
上記第３の実施形態では、フリー層１５よりもピン層１３を基板１１側に形成した例について説明したが、これに代えて、図６に示すように、フリー層１５をピン層１３よりも基板１１側に形成してもよい。この場合、第２のフリー層１５ｄよりも第１のフリー層１５ｃを基板１１側に形成してもよい。図６において、図１と同一符号は、同一のものを示し、その説明を省略する。
(Fourth embodiment)
In the third embodiment, the example in which the pinned
（第５実施形態）
上記第１の実施形態では、ピン層１３の磁化方向を基板１１の面内方向に設定した例について説明したが、これに代えて、本実施形態では、図７に示すように、ピン層１３の磁化方向を基板１１の面内方向に対する垂直方向に設定する。
(Fifth embodiment)
In the first embodiment, the example in which the magnetization direction of the pinned
図７は、本発明の第５実施形態の磁気センサ１０を示す。
FIG. 7 shows a
本実施形態の磁気センサ１０では、ピン１３層の磁化方向（図中矢印Ａ２参照）と、フリー層１５の磁化方向（図中矢印Ｂ２参照）とをそれぞれ垂直方向に設定されている。このため、面内磁気異方性の影響を受けずに検出が出来るため、精度よく磁場の検出が可能となる。
In the
この場合、ピン層１３の面直方向の異方性磁界を、フリー層１５の面直方向の異方性磁界よりも十分大きくすることが必要になる。
In this case, the anisotropic magnetic field in the perpendicular direction of the pinned
ピン層１３の面直方向の異方性磁界は、ピン層１３（すなわち、基板１１）に対して直交する方向の異方性磁界のことである。フリー層１５の面直方向の異方性磁界は、フリー層１５（すなわち、基板１１）に対して直交する方向の異方性磁界のことである。
The anisotropic magnetic field in the direction perpendicular to the plane of the pinned
（第６実施形態）
本第６実施形態では、２つの磁気センサ１０を用いてハーフブリッジ回路を構成する例について説明する。
(Sixth embodiment)
In the sixth embodiment, an example in which a half bridge circuit is configured using two
図８は、本発明の第６実施形態のハーフブリッジ回路２０を示す。
FIG. 8 shows a half-
ハーフブリッジ回路２０は、センサ回路を構成する磁気センサ１０ａ、１０ｂを備える。磁気センサ１０ａ、１０ｂは、それぞれ、上記第１実施形態の磁気センサ１０と同様に構成されている。磁気センサ１０ａのピン層１３の磁化方向（矢印Ａ１参照）は、面内方向のうち一方向（図８中右側）に設定されている。磁気センサ１０ｂのピン層１３の磁化方向（矢印Ａ１参照）は、面内方向のうち他方向（図８中左側）に設定されている。つまり、磁気センサ１０ａのピン層１３の磁化方向と、磁気センサ１０ｂのピン層１３の磁化方向とは、面内方向において互いに逆の方向に設定されている。
The
磁気センサ１０ａ、１０ｂは、電源Ｖｃｃとグランドとの間で直列接続されている。
The
具体的には、磁気センサ１０ａのフリー層１５が電源Ｖｃｃに接続されて、磁気センサ１０ａのピン層１３と磁気センサ１０ｂのフリー層１５とが接続されている。磁気センサ１０ｂのピン層１３にグランドに接続されている。
Specifically, the
磁気センサ１０ａ、１０ｂの間の共通接続端子から、外部磁場の印加角度θを示す角度電圧Ｖａを出力することができる。角度電圧Ｖａと外部磁場の印加角度θとの関係がＣＯＳ関数（すなわち、Ｖ＝ＣＯＳθ）となる。
An angular voltage Va indicating the application angle θ of the external magnetic field can be output from a common connection terminal between the
以上説明した本実施形態によれば、ハーフブリッジ回路２０は、電源Ｖｃｃとグランドとの間で直列接続されている磁気センサ１０ａ、１０ｂから構成されている。このため、磁気センサ１０ａ、１０ｂの間の共通接続端子から、外部磁場の印加角度θを示す角度電圧Ｖａを出力することができる。したがって、角度電圧Ｖａにおいて、磁気センサ１０ａ、１０ｂのそれぞれの抵抗値のバラツキを排除することができる。このことにより、上記第１実施形態のＴＭＲ素子を２つ用いて構成したセンサ回路を提供することができる。
According to the present embodiment described above, the
（第７実施形態）
本第７実施形態では、４つの磁気センサ１０を用いてフルブリッジ回路を構成する例について説明する。
(Seventh embodiment)
In the seventh embodiment, an example in which a full bridge circuit is configured using four
図９は、本発明の第７実施形態のフルブリッジ回路３０を示す。
FIG. 9 shows a
フルブリッジ回路３０は、センサ回路を構成する磁気センサ１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄを備える。磁気センサ１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄは、それぞれ、上記第１実施形態の磁気センサ１０と同様に構成されている。
The
磁気センサ１０ａ、１０ｄのピン層１３の磁化方向（矢印Ａ１参照）は、面内方向のうち一方向（図９中右側）に設定されている。磁気センサ１０ｂ、１０ｃのピン層１３の磁化方向矢印Ａ１参照は、面内方向ののうち他方向（図９中左側）に設定されている。
The magnetization direction (see arrow A1) of the pinned
つまり、磁気センサ１０ａのピン層１３の磁化方向と、磁気センサ１０ｂのピン層１３の磁化方向とは、面内方向において互いに逆の方向に設定されている。磁気センサ１０ｃのピン層１３の磁化方向と、磁気センサ１０ｄのピン層１３の磁化方向とは、面内方向において互いに逆の方向に設定されている。
That is, the magnetization direction of the pinned
磁気センサ１０ａ、１０ｂが電源Ｖｃｃとグランドとの間で直列接続されている。磁気センサ１０ａが磁気センサ１０ｂに対して電源Ｖｃｃ側に配置されている。磁気センサ１０ａ、１０ｂは、ハーフブリッジ回路２０Ａを構成する。
具体的には、磁気センサ１０ａのフリー層１５が電源Ｖｃｃに接続されて、磁気センサ１０ａのピン層１３と磁気センサ１０ｂのフリー層１５とが接続されている。磁気センサ１０ｂのピン層１３にグランドに接続されている。
Specifically, the
磁気センサ１０ｃ、１０ｄが電源Ｖｃｃとグランドとの間で直列接続されている。磁気センサ１０ｃが磁気センサ１０ｄに対して電源Ｖｃｃ側に配置されている。磁気センサ１０ｃ、１０ｄは、ハーフブリッジ回路２０Ａを構成する。
具体的には、磁気センサ１０ｃのフリー層１５が電源Ｖｃｃに接続されて、磁気センサ１０ｄのピン層１３と磁気センサ１０ｂのフリー層１５とが接続されている。磁気センサ１０ｄのピン層１３にグランドに接続されている。
Specifically, the
以上のように構成されているフルブリッジ回路３０において、ハーフブリッジ回路２０Ａの共通接続端子から出力される角度電圧Ｖａと、ハーフブリッジ回路２０Ｂの共通接続端子から出力される角度電圧Ｖｂとの差分ΔＶ（＝Ｖａ−Ｖｂ）と印加角度θとの関係はＳＩＮ関数（すなわち、ΔＶｙ＝２ＳＩＮθ）となる。したがって、差分ΔＶにおいて、磁気センサ１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄのそれぞれの抵抗値のバラツキを排除することができる。このことにより、上記第１実施形態のＴＭＲ素子を４つ用いて構成したセンサ回路を提供することができる。
In the
（他の実施形態）
上記第１〜第７実施形態では、センサ用磁気抵抗素子としてＴＭＲ素子を構成した例について説明したが、これに代えて、中間層１４としての導電性膜を有するＧＭＲ素子（Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）をセンサ用磁気抵抗素子として構成してもよい。
(Other embodiments)
In the first to seventh embodiments, the example in which the TMR element is configured as the magnetoresistive element for sensor has been described. Instead, a GMR element (Giant Magneto Resistance) having a conductive film as the
上記第６実施形態では、上記第１実施形態の磁気センサ１０を用いてハーフブリッジ回路（センサ回路）を構成した例について説明したが、これに代えて、上記第２〜５の実施形態のうちいずれかの実施形態の磁気センサ１０を用いてハーフブリッジ回路を構成してもよい。
In the sixth embodiment, an example in which a half-bridge circuit (sensor circuit) is configured using the
上記第７実施形態では、上記第１実施形態の磁気センサ１０を用いてフルブリッジ回路（センサ回路）を構成した例について説明したが、これに代えて、上記第２〜５の実施形態のうちいずれかの実施形態の磁気センサ１０を用いてフルブリッジ回路を構成してもよい。
In the seventh embodiment, the example in which the full bridge circuit (sensor circuit) is configured by using the
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。また、上記第１〜第７の実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能である。また、上記第１〜第７の実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、上記第１〜第７の実施形態において、実施形態の構成要素の個数、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。 In addition, this invention is not limited to above-described embodiment, In the range described in the claim, it can change suitably. Further, the first to seventh embodiments are not irrelevant to each other, and can be appropriately combined except when the combination is clearly impossible. Further, in the first to seventh embodiments, elements constituting the embodiment are not necessarily required except when clearly stated to be essential and when clearly considered essential in principle. It goes without saying that it is not. Also, in the first to seventh embodiments, when numerical values such as the number and range of the constituent elements of the embodiment are mentioned, it is clearly indicated that it is particularly essential and clearly specified in principle. The number is not limited to a specific number except in a limited case.
１０ 磁気センサ
１１ 基板
１２ 下地層
１３ ピン層
１４ 中間層
１５ フリー層
１５ｃ 第１のフリー層
１５ｄ 第２のフリー層
１６ キャップ層
２０ ハーフブリッジ回路（センサ回路）
３０ フルブリッジ回路（センサ回路）
DESCRIPTION OF
30 Full bridge circuit (sensor circuit)
Claims (16)
外部磁場によって磁化方向が追従して変化するフリー層（１５）と、
前記ピン層と前記フリー層との間に挟まれて前記ピン層の磁化方向と前記フリー層の磁化方向との間の角度によって抵抗値が変化する中間層（１４）とが積層され、
前記フリー層の磁化安定化方向が前記フリー層に対して垂直方向であり、
前記フリー層の面内方向の異方性磁界が所定範囲に設定されていることを特徴とするセンサ用磁気抵抗素子。 A pinned layer (13) whose magnetization direction is fixed;
A free layer (15) whose magnetization direction changes following an external magnetic field;
An intermediate layer (14) sandwiched between the pinned layer and the free layer, the resistance value of which varies depending on the angle between the magnetization direction of the pinned layer and the magnetization direction of the free layer, is laminated,
The magnetization stabilization direction of the free layer is perpendicular to the free layer;
A magnetoresistive element for a sensor, wherein an anisotropic magnetic field in an in-plane direction of the free layer is set within a predetermined range.
強磁性膜と非磁性膜とが積層されている積層構造体、
Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうち１以上の金属とＲｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕのうち１以上の金属とからなる合金、
および、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうち２つ以上の金属からなる合金、のうちいずれか１つから構成されており、
前記強磁性膜は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちいずれか１つの金属、或いはＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうち２つ以上からなる合金によって構成されており、
前記非磁性膜は、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕのうちいずれか１つの金属、或いはＲｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕのうち２つ以上の金属からなる合金によって構成されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載のセンサ用磁気抵抗素子。 The free layer is
A laminated structure in which a ferromagnetic film and a nonmagnetic film are laminated;
An alloy composed of one or more metals of Fe, Co, Ni and one or more metals of Ru, Rh, Pd, Ag, Os, Ir, Pt, Au,
And an alloy composed of two or more metals of Fe, Co, and Ni, and
The ferromagnetic film is made of any one metal of Fe, Co, Ni, or an alloy composed of two or more of Fe, Co, Ni,
The nonmagnetic film may be any one of Ru, Rh, Pd, Ag, Os, Ir, Pt, and Au, or two or more of Ru, Rh, Pd, Ag, Os, Ir, Pt, and Au. 6. The sensor magnetoresistive element according to claim 1, wherein the magnetoresistive element is made of an alloy made of any of the above metals.
強磁性膜と非磁性膜とが積層されている積層構造体、
Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうち１以上の金属とＲｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕのうち１以上の金属とからなる合金、
および、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうち２つ以上の金属からなる合金、のうちいずれか１つから構成されており、
前記強磁性膜は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちいずれか１つの金属、或いはＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうち２つ以上からなる合金によって構成されており、
前記非磁性膜は、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕのうちいずれか一つの金属、或いはＲｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕのうち２つ以上の金属からなる合金によって構成されていることを特徴とする請求項７に記載のセンサ用磁気抵抗素子。 The first free layer is
A laminated structure in which a ferromagnetic film and a nonmagnetic film are laminated;
An alloy composed of one or more metals of Fe, Co, Ni and one or more metals of Ru, Rh, Pd, Ag, Os, Ir, Pt, Au,
And an alloy composed of two or more metals of Fe, Co, and Ni, and
The ferromagnetic film is made of any one metal of Fe, Co, Ni, or an alloy composed of two or more of Fe, Co, Ni,
The nonmagnetic film may be any one of Ru, Rh, Pd, Ag, Os, Ir, Pt, and Au, or two or more of Ru, Rh, Pd, Ag, Os, Ir, Pt, and Au. 8. The sensor magnetoresistive element according to claim 7, wherein the magnetoresistive element is made of an alloy made of any of the above metals.
前記ピン層が前記フリー層よりも前記基板側に配置されていることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１つに記載のセンサ用磁気抵抗素子。 The pinned layer, the free layer, and the intermediate layer are laminated to the substrate (11);
The magnetoresistive element for a sensor according to claim 1, wherein the pinned layer is disposed on the substrate side with respect to the free layer.
前記フリー層が前記ピン層よりも前記基板側に配置されていることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１つに記載のセンサ用磁気抵抗素子。 The pinned layer, the free layer, and the intermediate layer are laminated to the substrate (11);
10. The sensor magnetoresistive element according to claim 1, wherein the free layer is disposed closer to the substrate than the pinned layer.
前記ピン層の面直方向の異方性磁界は、前記フリー層の面直方向の異方性磁界よりも大きいことを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１つに記載のセンサ用磁気抵抗素子。 The magnetization stabilization direction of the pinned layer and the free layer is a direction perpendicular to the free layer,
The sensor magnetic field according to any one of claims 1 to 11, wherein an anisotropic magnetic field in the perpendicular direction of the pinned layer is larger than an anisotropic magnetic field in the perpendicular direction of the free layer. Resistance element.
前記２つ以上のセンサ用磁気抵抗素子は、ハーフブリッジ回路を構成していることを特徴とするセンサ回路。 It comprises two or more magnetoresistive elements for sensors according to any one of claims 1 to 14,
The two or more magnetoresistive elements for sensors constitute a half-bridge circuit.
前記４つ以上のセンサ用磁気抵抗素子は、フルブリッジ回路を構成していることを特徴とするセンサ回路。 It comprises four or more magnetoresistive elements for sensors according to any one of claims 1 to 14,
The sensor circuit, wherein the four or more magnetoresistive elements for sensors constitute a full bridge circuit.
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