JP2015099882A - 磁気センサ - Google Patents

Abstract

【課題】検出可能な磁場範囲（ダイナミックレンジ）がより広い、磁気抵抗素子を用いた磁気センサを提供する。【解決手段】磁気センサが有する磁気抵抗素子２００は、第１の方向に磁化が固定された強磁性の磁化固定層２０１と、当該磁化固定層２０１の上に積層される非磁性の中間層２０２と、当該中間層の上に積層され、磁化の向きを前記第１の方向とは異なる方向へ変えることが可能な軟磁性の磁化自由層２０３と、を有する。そして、磁化自由層２０３は少なくとも１つの強磁性体層２１３を有し、該強磁性体層２１３の厚みを２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下とする。【選択図】 図２

Description

本発明は磁気センサに関する。詳細には、第１の方向に磁化が固定された強磁性の磁化固定層（ピンド層）と、非磁性の中間層と、磁化の向きを前記第１の方向とは異なる方向へ変えることが可能な軟磁性の磁化自由層（フリー層）と、を有する磁気抵抗素子を備えた磁気センサに関する。

磁場を検出する磁気センサとしてＧＭＲ（巨大磁気抵抗）効果やＴＭＲ（トンネル磁気抵抗）効果を用いたＭＲ磁気センサがある。
図１は、従来のＭＲ素子（磁気抵抗効果素子）の基本構成を模した図である。
ＭＲ磁気センサは非磁性体（中間層１０２）を強磁性体で挟んだ構造（強磁性体／非磁性／強磁性体）を有している。一方の磁性体の磁化を反強磁性体で固定し（磁化固定層１０１）、もう一方の強磁性体（磁化自由層１０３）の磁化は外部磁場に対して自由に回転できる構造を有している（スピンバルブ構造）。外部磁場Ｈが加わり、磁化固定層１０１の磁化と磁化自由層１０３の磁化との相対角が変化すると、非磁性体である中間層１０２を流れる電流が変化するため、磁場を検出することができる（例えば、特許文献１参照）。

ＭＲ磁気センサは微小な磁場で大きな磁気抵抗（ＭＲ）変化を示すことが知られており、主にハードディスクの磁気ヘッドなどに用いられている。また、ＭＲ磁気センサはホール効果を用いた磁気センサと比較して高感度（微小磁場の検出が可能）であることが知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開平９−１９９７６９ 特開２００５−２２１３８３

上述したように、ＧＭＲ効果やＴＭＲ効果を用いたＭＲ磁気センサはホール効果を用いた磁気センサと比較して高感度（微小磁場の検出が可能）であるが、一方で検出可能な磁場範囲（ダイナミックレンジ）が、ホール効果を用いた磁気センサと比較して非常に狭いという欠点がある。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、より広いダイナミックレンジを実現することの可能な磁気センサを提供することにある。

本発明の一態様は、第１の方向に磁化が固定された強磁性の磁化固定層（例えば図２に示す、磁化固定層２０１）と、当該磁化固定層の上に積層される非磁性の中間層（例えば図２に示す、中間層２０２）と、当該中間層の上に積層され、磁化の向きを前記第１の方向とは異なる方向へ変えることが可能な軟磁性の磁化自由層（例えば図２に示す、磁化自由層２０３）と、を有する磁気抵抗素子（例えば図２に示す、ＴＭＲ素子２００）を備え、前記磁化自由層は少なくとも１つの強磁性体層（例えば図２に示す、第２の強磁性体層２１３）を有し、該強磁性体層の厚みが２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下である磁気センサ、である。

前記磁化自由層は、第１の強磁性体層（例えば図２に示す、第１の強磁性体層２１１）と当該第１の強磁性体層の上に積層される第２の強磁性体層（例えば図２に示す、第２の強磁性体層２１３）との積層構造を有し、前記第２の強磁性体層の厚みが２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であってよい。
前記磁化自由層は、第１の強磁性体層（例えば図２に示す、第１の強磁性体層２１１）と当該第１の強磁性体層の上に積層される第２の強磁性体層（例えば図２に示す、第２の強磁性体層２１３）との積層構造を有し、前記中間層は、前記第１の強磁性体層と前記磁化固定層との間に設けられていてよい。

前記第１の強磁性体層と前記第２の強磁性体層との間にスペーサ層（例えば図２に示す、スペーサ層２１２）をさらに有していてよい。
前記第２の強磁性体層が軟磁性体であってよい。
前記第１の強磁性体層の磁化と前記第２の強磁性体層の磁化とが平行結合状態であってよい。

前記第２の強磁性体層がＮｉＦｅ合金膜であってよい。
前記第２の強磁性体層のＮｉＦｅ合金膜が７５原子％以上８５原子％以下のＮｉを含むＮｉＦｅ合金膜であってよい。
前記磁化自由層は、形状異方性により、前記第１の方向と直交する第２の方向に磁化容易軸が誘導されるものであってよい。

前記磁化自由層は前記第１の方向の幅Ｗが１０μｍ以下であり、前記磁化自由層の、前記第１の方向の幅Ｗと当該第１の方向と直交する第２の方向の幅Ｌとのアスペクト比（Ｌ／Ｗ）が５以上であってよい。
前記磁化自由層の磁化方向が、バイアス磁石により前記第１の方向と直交する第２の方向に誘導されるものであってよい。

前記磁化自由層の磁化方向が、電気配線を流れる電流によって生成された磁界により前記第１の方向と直交する第２の方向に誘導されるものであってよい。
前記磁気抵抗素子を含むブリッジ回路もしくは差動回路を備えていてよい。

本発明の一態様によれば、従来のＭＲ磁気センサよりも広いダイナミックレンジを有する磁気センサを実現することができる。

磁気抵抗素子の基本構成を示す斜視図である。 ＴＭＲ素子の断面図である。 磁化自由層の断面図である。 ＴＭＲ素子の表面及び断面の模式図である。 ＧＭＲ素子の断面図である。 ＧＭＲ素子の表面及び断面の模式図である。 磁化自由層の磁化を第１の磁化方向（磁化固定層の磁化方向）と直交する第２の磁化方向に誘導する方法を示した図である。 磁気抵抗素子を有するホイートストンブリッジ回路からなる磁気センサの一例を示す回路図である。 磁気抵抗素子を単素子（差動回路）として用いた磁気センサの一例を示す回路図である。 実施例１〜２、比較例１〜２で得られたＴＭＲ素子について、その磁気抵抗効果を示すＭＲ比の磁場依存性を測定した結果である。 実施例２〜５で得られたＴＭＲ素子に関してＭＲ比の磁場依存性を測定した結果である。 実施例１、６〜８で得られたＴＭＲ素子について、その磁気抵抗効果を示すＭＲ比の磁場依存性を測定した結果である

以下、本発明を実施するための形態（本実施形態）について説明する。
（磁気センサの構成）
本実施形態における磁気センサは磁気抵抗素子を備える。この磁気抵抗素子の基本構成は、図１に示す従来の磁気抵抗素子１００と同様である。
すなわち、磁気抵抗素子１００は、第１の方向に磁化が固定された強磁性の磁化固定層（ピンド層とも称される）１０１と、非磁性である中間層１０２と、磁化の向きを前記第１の方向とは異なる方向へ変えることが可能な軟磁性の磁化自由層（フリー層とも称される）１０３とを有し、磁化固定層１０１の上に中間層１０２および磁化自由層１０３がこの順に積層されてなる。

（磁化固定層）
磁化固定層１０１は第１の方向に磁化が固定された強磁性の層である。以下、この磁化固定層１０１の磁化方向を第１の磁化方向ともいう。
磁化固定層１０１の具体例としては、ＣｏＦｅやＣｏＦｅＢ、またＣｏＦｅを含む積層構造（ＣｏＦｅＢ／Ｒｕ／ＣｏＦｅ，ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅ）などが挙げられるが、これに限らない。

（中間層）
中間層１０２は非磁性の層である。
中間層１０２の具体例としては、磁気抵抗素子１００がＧＭＲ素子であれば非磁性の導電層が挙げられ、より具体的にはＣｕが挙げられる。また、磁気抵抗素子１００がＴＭＲ素子であれば酸化膜絶縁層が挙げられ、より具体的にはＡｌ_２Ｏ_３やＭｇＯなどが挙げられる。
中間層１０２は、巨大な磁気抵抗効果を発現させる観点から、磁化自由層１０３に含まれる後述する第１の強磁性体層（図２の２１１）と磁化固定層１０１とに挟まれていることが好ましい。

（磁化自由層）
磁化自由層１０３は、磁化方向を磁化固定層１０１の第１の磁化方向とは異なる方向へ変えることが可能な軟磁性の層である。
本実施形態における磁化自由層１０３は少なくとも１つの強磁性体層を有し、この強磁性体層の厚みは２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることが好ましい。
すなわち、磁化自由層１０３が有する強磁性体層の厚みは、ダイナミックレンジ（磁場測定範囲）を広げる観点から２０ｎｍ以上であり、好ましくは４０ｎｍ以上である。また、強磁性体層を厚く形成するとＭＲ比（磁気抵抗変化率）が低下しＭＲ効果が発現しなくなるため、強磁性体層の厚みは２００ｎｍ以下が好ましく、１２０ｎｍ以下がより好ましい。

また、磁化自由層１０３の磁化方向を容易に制御できる観点から、磁化自由層１０３の磁化方向を、例えば磁気抵抗素子１００の近傍に配置されたバイアス磁石により磁化固定層１０１の磁化方向である第１の磁化方向と直交する第２の方向に誘導することが好ましい。以下、この第１の磁化方向と直交する方向を、第２の磁化方向ともいう。
また、磁化自由層１０３の磁化方向を制御する別の例としては、磁気抵抗効果素子の近傍に配置された電気配線を流れる電流によって生成された磁界により、磁化自由層１０３の磁化方向を第１の磁化方向と直交する第２の磁化方向に誘導してもよい。上述したバイアス磁石と電気配線を流れる電流によって生成された磁界との両方を適用して磁化自由層１０３の磁化方向を第１の磁化方向と直交する第２の磁化方向に誘導してもよい。

磁場レンジを広げかつ保持力（ヒステリシス）低減の観点から、磁化自由層１０３は、第１の磁化方向（磁化固定層１０１の磁化が固定された方向）と直交する第２の磁化方向に、形状異方性により磁化容易軸が誘導されることが好ましい。
また、形状異方性の効果を強める観点から、磁化自由層１０３の、前記第１の磁化方向の幅Ｗが、１０μｍ以下であり、磁化自由層１０３の前記第１の磁化方向の幅Ｗと前記第２の磁化方向の幅Ｌとのアスペクト比（Ｌ／Ｗ）が５以上２００以下であることが好ましく、より好ましくは１０以上１００以下であることが好ましい。

ダイナミックレンジを広げる観点から磁化自由層１０３は、第１の強磁性体層と第２の強磁性体層との積層構造を有し、第２の強磁性体層の厚みが２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることが好ましい。なお、ＭＲの低下を避ける観点から、ＴＭＲ素子においては磁化自由層１０３は、後述の、磁化自由層に含まれる第１の強磁性体層（図２の２１１）と第２の強磁性体層（図２の２１３）との間にスペーサ層（Ｔａ、Ｒｕなど）が挿入されていることが好ましい。

磁化自由層１０３の保持力を下げ、ダイナミックレンジを広げる観点から、第２の強磁性体層は軟磁性体であることが好ましい。第２の強磁性体層を軟磁性体とするためには、その材料を例えばＮｉＦｅ合金膜またはＮｉＦｅ−Ｘ合金膜（Ｘ＝Ｔａ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｒｈ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ａｌ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｓｉ等を含有）、またはその両方を積層とすることで実現される。

ダイナミックレンジを広げる観点から、磁化自由層１０３の第１の強磁性体層の磁化方向と第２の強磁性体層の磁化方向とが平行結合状態（磁化の向きが同じ）であることが好ましい。つまり、反平行結合状態の場合、微小磁場領域において磁化自由層の磁化方向が複数回反転するためダイナミックレンジが減少してしまう。したがって、平行結合状態であることが好ましい。

第２の強磁性体層がＮｉＦｅ合金膜の場合は、結晶磁気異方性及び磁歪の影響を低減させる観点から、ＮｉＦｅ合金膜が７５原子％〜８５原子％のＮｉを含むＮｉＦｅ合金膜で構成されることが好ましい。つまり、結晶磁気異方性が強いとダイナミックレンジが減少し、また磁歪が大きいとノイズや結晶性等に影響を及ぼす。したがって、結晶磁気異方性と磁歪の影響が比較的小さい、７５原子％〜８５原子％のＮｉを含むＮｉＦｅ合金膜で構成されることが好ましい。

また、巨大なＭＲ比（磁気抵抗変化率）を発現させる観点から、磁化自由層１０３の第１の強磁性体層は、ＧＭＲの場合はＣｏＦｅ、ＴＭＲの場合はＣｏＦｅＢ合金膜であることが好ましい。

（ブリッジ回路／差動回路）
また、本実施形態における磁気センサは、磁気抵抗素子単体からなる磁気センサである場合に限るものではなく、複数の磁気抵抗素子を備えたブリッジ回路または差動回路を有する磁気センサであってもよい。ブリッジ回路を備えることにより、簡便に磁場変化に応じた電圧出力を得ることが可能になる。

次に、本発明を実施するための具体的な形態について説明する。
（第１の実施形態）
まず、第１の実施形態を説明する。
この第１の実施形態は、磁気センサの磁気抵抗素子としてＴＭＲ素子を用いたものである。

図１に示すように、磁気抵抗素子（ＴＭＲ素子）１００は、磁化固定層１０１と中間層１０２と磁化自由層１０３とを備える。この磁気抵抗素子１００は、磁化固定層１０１と磁化自由層１０３との相対的な磁化の角度によって、膜面に水平方向または垂直方向の抵抗の変化が生じる特徴を有する。特にＴＭＲの場合は、中間層１０２は、Ａｌ_２Ｏ_３あるいはＭｇＯなどの絶縁層からなる。また、図１において、磁化自由層１０３の表面の矢印は、磁化自由層１０３の磁化方向を示し、磁化固定層１０１の矢印は、磁化固定層１０１の磁化方向を示す。

図２はＴＭＲ素子２００の断面図を示す。図２に示すように、ＴＭＲ素子２００は、磁化固定層２０１の上に、中間層２０２と磁化自由層２０３とがこの順に積層されてなる。磁化自由層２０３は、図２に示すように、第１の強磁性体層２１１と、スペーサ層２１２と、第２の強磁性体層２１３とを備え、第１の強磁性体層２１１の上に、スペーサ層２１２および第２の強磁性体層２１３がこの順に積層されてなる。

巨大な磁気抵抗効果を発現させる観点から、磁化自由層１０３に含まれる第１の強磁性体層２１１と、磁化固定層１０１との間に、中間層２０２が挟まれていることが好ましい。
第１の強磁性体層２１１はＣｏＦｅＢなどからなる。スペーサ層２１２はＲｕやＴａなどからなる。第２の強磁性体層２１３はＮｉＦｅなどからなる。この第２の強磁性体層２１３は、磁化自由層２０３の保持力を下げ、ダイナミックレンジを広げる観点から、軟磁性体であることが好ましい。第２の強磁性体層２１３を軟磁性体とするためには、その材料を例えばＮｉＦｅ合金膜またはＮｉＦｅ−Ｘ合金膜（Ｘ＝Ｔａ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｒｈ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ａｌ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｓｉ等を含有）、またはその両方を積層とすることで実現される。第２の強磁性体層２１３がＮｉＦｅ合金膜の場合は、結晶磁気異方性及び磁歪の影響を低減させる観点から、ＮｉＦｅ合金膜が７５原子％〜８５原子％のＮｉを含むＮｉＦｅ合金膜で構成されることが好ましい。

磁化自由層２０３は、ダイナミックレンジを広げる観点から第１の強磁性体層２１１と第２の強磁性体層２１３との積層構造を有し、第２の強磁性体層２１３の厚みが２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることが好ましく、より好ましくは４０ｎｍ以上である。また、磁化自由層２０３は、ＭＲの低下を避ける観点から、第１の強磁性体層２１１と第２の強磁性体層２１３との間にスペーサ層２１２を備えることが好ましい。

なお、磁化自由層１０３は少なくとも１つの強磁性体層を有していればよく、この強磁性体層の厚みが２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であればよい。ダイナミックレンジ（磁場測定範囲）を広げる観点から強磁性体層の厚みは、２０ｎｍ以上であり、好ましくは４０ｎｍ以上であればよい。
図３は磁化自由層２０３の断面図を示し、矢印は磁化自由層２０３の磁化方向を示している。

図３（ａ）においては第１の強磁性体層２１１の磁化方向と第２の強磁性体層２１３の磁化方向とは一致している（平行結合状態）。一方、図３（ｂ）においては第１の強磁性体層２１１の磁化方向と第２の強磁性体層２１３の磁化方向とは反対方向（反平行結合状態）を向いている。ダイナミックレンジを広げる観点から、磁化自由層２０３の第１の強磁性体層２１１の磁化方向と第２の強磁性体層２１３の磁化方向とが平行結合状態（磁化の向きが同じ）であることが好ましい。

図４は、本発明におけるＴＭＲ素子からなる磁気抵抗素子２００ａの模式図であって、図４（ａ）は表面の模式図、図４（ｂ）〜（ｄ）は図４（ａ）のＡ−Ａ′断面の模式図である。
図４において、２０４は下部電極であり、２つのＴＭＲ素子２００を備えて、ＴＭＲ素子からなる磁気抵抗素子２００ａを構成している。本発明におけるＴＭＲ素子からなる磁気抵抗素子２００ａは、トンネル接合（つまりＴＭＲ素子２００）の数が２つであることは必須用件ではなく、１つのトンネル接合、あるいは複数のトンネル接合を直列、又は並列に接続したＴＭＲ素子であっても構わない。

図４において、磁気抵抗素子２００ａのパターン形成は、フォトリソグラフィー及びイオンミリングを使用したエッチングにより行うが、エッチングは必ずしも図４（ｂ）に示すように磁化固定層（ピンド層）２０１まで削りきる必要はない。例えば、磁化固定層２０１の途中（図４（ｃ））もしくは絶縁層からなる中間層２０２の途中（図４（ｄ））でも構わない。

図４（ｂ）〜図４（ｄ）において、電流は、磁気抵抗素子（ＴＭＲ素子）２００ａの一方のトンネル接合の磁化自由層（フリー層）２０３から注入され、中間層（絶縁層）２０２を抜けて磁化固定層２０１又は下部電極２０４へ到達する。続いて、磁化固定層２０１又は下部電極２０４を通じて、隣のトンネル接合に到達し、磁化固定層２０１、中間層（絶縁層）２０２を抜けて磁化自由層２０３を経由して、外部に取り出される。図４（ｃ）、図４（ｄ）に示すように、下部電極２０４を積極的に形成せずに、磁化固定層２０１を下部電極２０４として利用することも可能である。

図４において、図４（ａ）に示すように、磁化自由層２０３の形状は、磁化自由層２０３の、磁化固定層２０１の磁化方向（第１の磁化方向）の幅をＷ、磁化自由層２０３の、第１の磁化方向と直交する方向（第２の磁化方向）の幅をＬとしたとき、磁化自由層１０３の磁化方向である第１の磁化方向の幅Ｗは、形状異方性の効果を強める観点から、１０μｍ以下であり、形状異方性によって磁化自由層２０３の磁化容易軸を第２の磁化方向に誘導するために、第１の磁化方向の幅Ｗと前記第２の磁化方向の幅Ｌとのアスペクト比（Ｌ／Ｗ）がＬ／Ｗ≧５であることが好ましく、また、２００以下であることが好ましい。より好ましくは１０以上１００以下であることが好ましい。
なお、図４においては、磁化自由層２０３の形状を矩形で示しているが、楕円形状など、矩形に限らない。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態を説明する。
この第２の実施形態は、磁気センサの磁気抵抗素子としてＧＭＲ素子を用いたものである。
図５は、ＧＭＲ素子３００の断面図である。ＧＭＲ素子３００は、図５に示すように、磁化固定層（ピンド層）３０１と中間層としての導電層３０２と磁化自由層（フリー層）３０３とを備え、磁化固定層３０１の上に、導電層３０２と磁化自由層３０３とがこの順に積層されてなる。
ＧＭＲ素子３００の場合、中間層はＣｕなどの導電層３０２からなる。

そして、磁化自由層３０３は、第１の強磁性体層３１１と、この第１の強磁性体層３１１の上に積層される第２の強磁性体層３１２とを備える。第１の強磁性体層３１１はＣｏＦｅなどからなる。第２の強磁性体層３１２は、磁化自由層３０３の保持力を下げ、ダイナミックレンジを広げる観点から、軟磁性体であることが好ましく、例えば、ＮｉＦｅ合金またはＮｉＦｅ−Ｘ合金（Ｘ＝Ｔａ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｒｈ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ａｌ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｓｉ等を含有）、またはその両方を積層することで実現される。第２の強磁性体層３１２がＮｉＦｅ合金膜の場合は、結晶磁気異方性及び磁歪の影響を低減させる観点から、ＮｉＦｅ合金膜が７５原子％〜８５原子％のＮｉを含むＮｉＦｅ合金膜で構成されることが好ましい。

磁化自由層３０３は、ダイナミックレンジを広げる観点から第１の強磁性体層３１１と第２の強磁性体層３１２との積層構造を有し、第２の強磁性体層３１２の厚みが２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることが好ましく、より好ましくは４０ｎｍ以上である。なお、磁化自由層３０３は少なくとも１つの強磁性体層を有していればよく、この強磁性体層の厚みが２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であればよい。ダイナミックレンジ（磁場測定範囲）を広げる観点から強磁性体層の厚みは、２０ｎｍ以上であり、好ましくは４０ｎｍ以上であればよい。

巨大な磁気抵抗効果を発現させる観点から、磁化自由層３０３に含まれる第１の強磁性体層３１１と、磁化固定層３０１との間に、中間層３０２が挟まれていることが好ましい。また、この場合も、ダイナミックレンジを広げる観点から、磁化自由層３０３の第１の強磁性体層３１１の磁化方向と第２の強磁性体層３１３の磁化方向とが平行結合状態（磁化の向きが同じ）であることが好ましい。

図６は、本発明におけるＧＭＲ素子からなる磁気抵抗素子４００ａの模式図であって、図６（ａ）は表面の模式図、図６（ｂ）は図６（ａ）のＡ−Ａ′断面の模式図である。
図６において、４０１は配線層、４０２はＳｉ、Ｓｉ酸化膜などの絶縁層からなる基板である。ＧＭＲ素子からなる磁気抵抗素子４００ａのパターン形成はリソグラフィおよびイオンミリングにより行なわれる。図６においては、磁気抵抗素子４００ａは、Ａｕなどからなる配線層４０１によりミアンダ状に３つのＧＭＲ素子４００が直列接続されて、磁気抵抗素子４００ａを構成している。なお、１つ、もしくは複数のＧＭＲ素子が直列、又は並列に接続されて磁気抵抗素子４００ａを構成しても良い。

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態を説明する。
この第３の実施形態は、図７に示すように、第１の実施形態あるいは第２の実施形態で説明したＴＭＲ素子あるいはＧＭＲ素子などからなる磁気抵抗素子１００の磁化自由層１０３の磁化を第１の磁化方向（磁化固定層１０１の磁化方向）と直交する第２の磁化方向に誘導する方法を示した図である。
なお、図７において、１０１は磁化固定層、１０２は中間層、１０３は磁化自由層である。

磁化自由層１０３の磁化方向を容易に制御できる観点から、図７（ａ）乃至図７（ｃ）などの方法を単独もしくは複数組み合わせで用いて、磁化自由層１０３の磁化が前記第２の磁化方向に誘導されていることが好ましい。
図７（ａ）においては、磁場レンジを広げかつ保持力（ヒステリシス）低減の観点から、磁化自由層１０３の磁化容易軸が形状異方性により第２の磁化方向に誘導されている。形状異方性の効果を強める観点から、磁化自由層１０３の、第１の磁化方向の幅Ｗと第２の磁化方向の幅Ｌとのアスペクト比（Ｌ／Ｗ）が５以上であることが好ましい。より好ましくは、磁化自由層１０３の、第１の磁化方向の幅Ｗが１０μｍ以下であり、第１の磁化方向の幅Ｗと第２の磁化方向の幅Ｌとのアスペクト比（Ｌ／Ｗ）が５以上２００以下であることが好ましく、より好ましくは１０以上１００以下であることが好ましい。

また、図７（ｂ）においては、磁気抵抗素子１００近傍に配置されたＣｏＰｔなどからなるバイアス磁石５０１により、磁化自由層１０３の磁化方向が第２の磁化方向に誘導されている。図７（ｂ）では、誘導したい磁化方向（この場合、第２の磁化方向）に延びる磁化自由層１０３の両端に、それぞれバイアス磁石５０１が配置されている。
なお、ＴＭＲの場合には、バイアス磁石５０１は、磁気抵抗素子１００と接しないように配置される必要があるが、バイアス磁石５０１は、磁気抵抗素子１００の近傍に配置されていればよく、すなわち、磁気抵抗素子１００にバイアス磁界を与えることのできる位置に配置されていればよい。

また、図７（ｃ）においては、磁気抵抗素子１００近傍に配置されたＡｕなどからなる配線層５０２の作る電流磁界により、磁化自由層１０３の磁化方向が第２の磁化方向に誘導されている。図７（ｃ）では、誘導したい磁化方向（この場合、第２の磁化方向）と直交する方向に延びる配線層５０２が磁化自由層１０３の上に形成されている。
配線層５０は、磁気抵抗素子１００の近傍に配置されていればよく、すなわち、磁気抵抗素子１００にバイアス磁界を与えることのできる位置に配置されていればよい。

また、磁気抵抗素子１００の近傍にバイアス磁石５０１と配線層５０２とを設け、バイアス磁石５０１による磁界と配線層５０２を流れる電流によって生成された磁界との両方を適用して磁化自由層１０３の磁化方向を第１の磁化方向と直交する第２の磁化方向に誘導してもよい。

（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態を説明する。
この第４の実施形態における磁気センサは、磁気抵抗素子を用いてホイートストンブリッジ回路を形成した磁気センサである。
図８（ａ）、（ｂ）は、第４の実施形態における磁気センサの一例を示す回路図である。なお、磁気抵抗素子は、上記各実施形態における磁気抵抗素子１００、あるいは、ＴＭＲ素子２００、ＧＭＲ素子３００を適用することができる。

図８（ａ）、（ｂ）中において、磁気抵抗素子中に記載されている矢印は、磁気抵抗素子が有する磁化固定層の磁化方向を表す。
図８（ａ）に示す磁気センサは、直列接続された磁気抵抗素子１０および１１と、直列接続された磁気抵抗素子１２および１３とが、定電圧Ｖｉｎを供給する定電圧源およびＧｎｄ間に並列に接続されて、磁気抵抗素子１２および１３間の電圧が出力電圧Ｖ１、磁気抵抗素子１０および１１間の電圧が出力電圧Ｖ２となる。つまり、磁気センサは、磁気抵抗素子１０〜１３を備えたホイートストンブリッジ回路からなる。

磁気抵抗素子１０および１３の磁化固定層の磁化方向は同一方向であり、磁気抵抗素子１１および１２の磁化固定層の磁化方向は、磁気抵抗素子１０、１３の磁化方向と１８０度異なっておりすなわち逆方向である。
ここで、図８（ａ）に示す磁気センサを、定電圧Ｖｉｎで駆動した場合の出力電圧Ｖｏｕｔは、次式（１）で表される。

Ｖｏｕｔ＝Ｖ１−Ｖ２＝（ΔＲ／Ｒ）×Ｖｉｎ ……（１）
また、定電圧源に替えて定電流Ｉｉｎを供給する定電流源を接続し、図８（ａ）に示す磁気センサを、定電流Ｉｉｎで駆動したときの出力電圧Ｖｏｕｔは、次式（２）で表される。
Ｖｏｕｔ＝Ｖ１−Ｖ２＝ΔＲ×Ｉｉｎ ……（２）
なお、（１）式および（２）式中の、Ｒは無磁場状態での初期の抵抗値であり、ΔＲは磁場を印可したときの抵抗変化量である。

定電圧Ｖｉｎで駆動したときは、（１）式に示すように、出力電圧ＶｏｕｔはΔＲに比例し、Ｒに反比例する。オフセット磁場が存在する環境下では、初期の抵抗Ｒに影響を与えるため、出力電圧Ｖｏｕｔはオフセット磁場の影響を受けてしまう。
一方、定電流Ｉｉｎで駆動したときは、（２）式のように出力電圧ＶｏｕｔはＲには依存せず、ΔＲにのみに比例する。したがって、オフセット磁場の影響を受けず、検出しようとする磁場変化に依存する抵抗変化量ΔＲに比例した出力電圧Ｖｏｕｔを得ることができる。

したがって、オフセット磁場が存在するか否かを考慮して、定電圧Ｖｉｎまたは定電流Ｉｉｎにより磁気センサを駆動すればよい。
このように、磁気抵抗素子を用いたホイートストンブリッジ回路によって磁気センサを構成することによって、簡便に磁場変化に応じた電圧出力を得ることができる。
なお、図８（ｂ）に示すように、図８（ａ）に示す磁気抵抗素子１１および１２に替えて、磁気シールドなどにより、印加磁場に対して不感である（磁気抵抗変化を示さない）固定抵抗１５、１６を用いてもよい。

図８（ｂ）に示す磁気センサは、直列接続された磁気抵抗素子１４および固定抵抗１５と、直列接続された固定抵抗１６および磁気抵抗素子１７とが、定電圧Ｖｉｎを供給する定電圧源およびＧｎｄ間に並列に接続され、固定抵抗１６および磁気抵抗素子１７間の電圧が出力電圧Ｖ１、磁気抵抗素子１４および固定抵抗１５間の電圧が出力電圧Ｖ２となる。磁気抵抗素子１４および１７の磁化固定層の磁化方向は同一方向である。なお、固定抵抗１５および１６は、磁気シールドなどにより、印可磁場に対して不感である（磁気抵抗変化を示さない）。

図８（ｂ）に示す磁気センサを、定電圧Ｖｉｎで駆動した場合の出力電圧Ｖｏｕｔは、次式（３）で表される。
Ｖｏｕｔ＝Ｖ１−Ｖ２＝（ΔＲ／２Ｒ）×Ｖｉｎ ……（３）
また、図８（ｂ）に示す磁気センサを、定電圧源に替えて定電流Ｉｉｎを供給する定電流源を用い、定電流Ｉｉｎで駆動したときの出力電圧Ｖｏｕｔは、次式（４）で表される。

Ｖｏｕｔ＝Ｖ１−Ｖ２＝ΔＲ／２×Ｉｉｎ ……（４）
したがって、定電圧Ｖｉｎで駆動したときは、（３）式に示すように、出力はΔＲに比例し、２Ｒに反比例する。オフセット磁場が存在する環境下では、初期の抵抗Ｒに影響を与えるため、出力電圧Ｖｏｕｔはオフセット磁場の影響を受けてしまう。
一方、定電流Ｉｉｎで駆動したときは、（４）式のように出力はＲには依存せず、ΔＲにのみに比例する。その結果、オフセット磁場の影響を受けず、検出しようとする磁場変化に依存する抵抗変化量ΔＲに比例した出力電圧Ｖｏｕｔを得ることができる。
したがって、この場合も、オフセット磁場が存在するか否かを考慮して、定電圧Ｖｉｎまたは定電流Ｉｉｎにより磁気センサを駆動すればよい。

（第５の実施形態）
次に、第５の実施形態を説明する。
第５の実施形態は、磁気抵抗素子を、単素子からなる差動回路として用いた磁気センサであって、図９はその構成の一例を示す回路図である。
図９（ａ）に示す磁気センサは、磁気抵抗素子２０および２１を備える。これら磁気抵抗素子２０、２１は、上記各実施形態で説明した磁気抵抗素子１００あるいは、ＴＭＲ素子２００、ＧＭＲ素子３００を適用することができる。
磁気抵抗素子２０の磁化固定層の磁化方向と、磁気抵抗素子２１の磁化固定層の磁化方向とは１８０度ずれている。すなわち磁化方向は互いに反対方向である。なお、図９（ａ）、（ｂ）において、磁気抵抗素子中に示す矢印は、磁気抵抗素子の磁化固定層の磁化方向である。

そして、磁気抵抗素子２０と定電流Ｉｉｎを供給する定電流源２０ａとが、一方の出力Ｖ１の出力端とＧｎｄとの間に並列に接続される。同様に、磁気抵抗素子２１と定電流Ｉｉｎを供給する定電流源２１ａとが、他方の出力Ｖ２の出力端とＧｎｄとの間に並列に接続される。
ここで、図９（ａ）に示す磁気センサを、定電流源２０ａ、２１ａにより駆動したとき、出力電圧Ｖｏｕｔは、次式（５）で表される。

Ｖｏｕｔ＝Ｖ１−Ｖ２＝２ΔＲ×Ｉｉｎ ……（５）
なお、（５）式中のΔＲは磁場を印可したときの抵抗変化量である。
無磁場状態での初期の抵抗値をＲとしたとき、（５）式のように出力電圧ＶｏｕｔはＲには依存せず、ΔＲにのみに比例する。したがって、オフセット磁場の影響を受けず、検出しようとする磁場変化に依存する抵抗変化量ΔＲに比例した出力電圧Ｖｏｕｔを得ることができる。

また、図９（ａ）に示す磁気センサにおいて、図９（ｂ）に示すように、磁気抵抗素子２０および２１に替えて、ある方向に感磁軸を持つ磁気抵抗素子２２と、磁気シールドなどにより、印可磁場に対して不感である（磁気抵抗変化を示さない）固定抵抗２３とを備えていてもよい。このときの、定電圧Ｖｉｎで駆動した場合の磁気センサの出力電圧Ｖｏｕｔは、次式（６）で表される。

Ｖｏｕｔ＝Ｖ１−Ｖ２＝ΔＲ×Ｉｉｎ ……（６）
したがって、この場合も、出力電圧Ｖｏｕｔは、無磁場状態での初期の抵抗値Ｒには依存せず、ΔＲにのみに比例する。したがって、オフセット磁場の影響を受けず、検出しようとする磁場変化に依存する抵抗変化量ΔＲに比例した出力電圧Ｖｏｕｔを得ることができる。

なお、図８および図９に示す磁気センサにおいて、各磁気抵抗素子は、１つの磁気抵抗素子からなる場合に限るものではなく、複数の磁気抵抗素子が直列または並列に接続されて、ホイートストンブリッジ回路（図８）あるいは差動回路（図９）が構成されていてもよい。

以下、本実施形態の磁気センサに係る実施例を示す。
（実施例１）
スパッタ装置を用いてＳｉ基板上に製膜を行い、ＴＭＲ素子を形成した。具体的には、下地層としてＴａ（５ｎｍ）およびＲｕ（５ｎｍ）からなる積層構造、反強磁性層としてＩｒＭｎ（１５ｎｍ）、磁化固定層（図２の２０１）としてＣｏＦｅ（２ｎｍ）／Ｒｕ（０．９ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ（３ｎｍ）からなる積層構造、中間層（図２の２０２）としてＭｇＯ（２ｎｍ）、磁化自由層（図２の２０３）としてＣｏＦｅＢ（第１の強磁性体層（図２の２１１）（２ｎｍ）／Ｒｕ（スペーサ層（図２の２１２））（１．４ｎｍ：第１の強磁性体層と第２の強磁性体層の磁化が平行結合となる距離）／ＮｉＦｅ（第２の強磁性体層（図２の２１３））（２０ｎｍ）（Ｎｉ：Ｆｅ＝８０：２０）からなる積層構造、キャップ層としてＴａ（５ｎｍ）とＲｕ（８ｎｍ）からなる積層構造を用い、これらをこの順に積層した。そして、磁化自由層（図２の２０３）の第１および第２の強磁性体層（図２の２１１、２１３）における、第１の磁化方向（つまり磁化固定層の磁化方向）の幅Ｗが２μｍ、第１の磁化方向と直交する第２の磁化方向の幅Ｌが２０μｍになるようにエッチングを行い、ＴＭＲ素子を得た。

（実施例２）
磁化自由層の第２の強磁性体層（図２の２１３）の膜厚を４０ｎｍにした以外は実施例１と同様の方法でＴＭＲ素子を得た。
（実施例３）
磁化自由層の第２の強磁性体層（図２の２１３）の膜厚を８０ｎｍにした以外は実施例１と同様の方法でＴＭＲ素子を得た。
（実施例４）
磁化自由層の第２の強磁性体層（図２の２１３）の膜厚を１２０ｎｍにした以外は実施例１と同様の方法でＴＭＲ素子を得た。

（実施例５）
磁化自由層の第２の強磁性体層（図２の２１３）の膜厚を２００ｎｍにした以外は実施例１と同様の方法でＴＭＲ素子を得た。
（比較例１）
磁化自由層の第２の強磁性体層（図２の２１３）の膜厚を４ｎｍにした以外は実施例１と同様の方法でＴＭＲ素子を得た。
（比較例２）
磁化自由層の第２の強磁性体層（図２の２１３）の膜厚を１０ｎｍにした以外は実施例１と同様の方法でＴＭＲ素子を得た。

（評価１）
実施例１、２によって得られた本発明におけるＴＭＲ素子について評価を行なった。
まず、実施例１、実施例２、比較例１、比較例２によって得られたＴＭＲ素子について、その磁気抵抗効果を示すＭＲ比の磁場依存性を測定した。図１０は、そのＭＲ比の磁場依存性の測定結果を示したものである。
磁場依存性の測定は室温で、有磁界プローバーを用いて行い、磁化固定層の磁化方向（第１の磁化方向）に「＋１９００Ｏｅ」から「−１９００Ｏｅ」までの磁場を印可したときの抵抗値およびＭＲ比を測定した。抵抗値は、ＴＭＲ素子に定電圧１００ｍＶを印可した時の電流値から求めた。また、ＭＲ比は次式（７）から求めることができる。

ＭＲ［％］＝ΔＲ／Ｒｍｉｎ×１００ ……（７）
（７）式中のＲｍｉｎは、磁場を「＋１９００Ｏｅ」から「−１９００Ｏｅ」まで印可したときの最小の抵抗値であり、ΔＲはＲｍｉｎからの抵抗変化量である。
図１０から、磁化自由層の第２の強磁性体層（図２の２１３）の膜厚を２０ｎｍ以上にすることにより、ダイナミックレンジが大幅に拡大していることが分かる。

なお、図１０において、横軸は、印加磁場〔Ｏｅ〕、縦軸はＭＲ比〔％〕である。また、特性線ｍ１は、第２の強磁性体層ＮｉＦｅの膜厚が４ｎｍである場合、特性線ｍ２は１０ｎｍである場合、特性線ｍ３は２０ｎｍである場合、特性線ｍ４は４０ｎｍである場合を示す。ＴＭＲ形状は、磁化自由層の第１および第２の強磁性体層（図２の２１１、２１３）の、第１の磁化方向（磁化固定層の磁化方向）の幅Ｗが２μｍ、第１の磁化方向と直交する第２の磁化方向の幅Ｌが２０μｍで、幅ＷおよびＬとも一定である。

（評価２）
次に、実施例２〜実施例５によって得られた本発明におけるＴＭＲ素子について評価を行なった。
具体的には、実施例２〜実施例５によって得られたＴＭＲ素子について、その磁気抵抗効果を示すＭＲ比の磁場依存性を測定した。図１１は、磁場依存性の測定結果を示したものである。
この磁場依存性の測定は、評価１の場合と同様の手順で行なった。

図１１から、磁化自由層の第２の強磁性体層（図２の２１３）の膜厚（ＮｉＦｅ）を厚くすることで、ダイナミックレンジを拡大することができることがわかる。また、図１１から予測される、第２の強磁性体層（図２の２１３）の膜厚の増加に伴う、ＭＲ比減少の観点から、第２の強磁性体層（図２の２１３）であるＮｉＦｅ膜厚は２００ｎｍ以下であることが好ましいことが理解される。

なお、図１１において、横軸は、印加磁場〔Ｏｅ〕、縦軸はＭＲ比〔％〕である。また、特性線ｍ１１は、第２の強磁性体層ＮｉＦｅの膜厚が４０ｎｍである場合、特性線ｍ１２は８０ｎｍである場合、特性線ｍ１３は１２０ｎｍである場合、特性線ｍ１４は２００ｎｍである場合を示す。ＴＭＲ形状は、磁化自由層の第１および第２の強磁性体層（図２の２１１、２１３）の、第１の磁化方向（磁化固定層の磁化方向）の幅Ｗが２μｍ、第１の磁化方向と直交する第２の磁化方向の幅Ｌが２０μｍで、幅ＷおよびＬとも一定である。

（実施例６）
次に、実施例６を説明する。
磁化自由層の第２の強磁性体層（図２の２１３）の膜厚を４０ｎｍとし、磁化自由層の第１および第２の強磁性体層（図２の２１１、２１３）の、第１の磁化方向（磁化固定層の磁化方向）の幅Ｗを１μｍ（Ｌ／Ｗ＝２０）とした以外は実施例１と同様の方法でＴＭＲ素子を得た。

（実施例７）
磁化自由層の第２の強磁性体層（図２の２１３）の膜厚を４０ｎｍとし、磁化自由層の第１および第２の強磁性体層（図２の２１１、２１３）の、第１の磁化方向（磁化固定層の磁化方向）の幅Ｗを４μｍ（Ｌ／Ｗ＝５）とした以外は実施例１と同様の方法でＴＭＲ素子を得た。

（実施例８）
磁化自由層の第２の強磁性体層（図２の２１３）の膜厚を４０ｎｍとし、磁化自由層の第１および第２の強磁性体層（図２の２１１、２１３）の、第１の磁化方向（磁化固定層の磁化方向）の幅Ｗを１０μｍ（Ｌ／Ｗ＝２）とした以外は実施例１と同様の方法でＴＭＲ素子を得た。

（評価３）
次に、評価３を説明する。
評価３では、実施例１、実施例６〜８で得られたＴＭＲ素子について、その磁気抵抗効果を示すＭＲ比の磁場依存性を測定した。図１２は、その測定結果を示したものである。
図１２から、磁化自由層の第１および第２の強磁性体層（図２の２１１、２１３）の、第１の磁化方向の幅Ｗを小さくするほどダイナミックレンジが拡大されることが分かる。また、特性線ｍ２１〜ｍ２３に示すように、幅Ｗが４μｍ以下であるときに良好なダイナミックレンジを得ることができることから、幅Ｌと幅Ｗの比であるＬ／Ｗ（Ｌ＝２０μｍ固定）は５以上であることが好ましいことがわかる。

なお、図１２において、横軸は印加磁場〔Ｏｅ〕、縦軸はＭＲ比〔％〕である。また、特性線ｍ２１は、磁化自由層の第１および第２の強磁性体層（図２の２１１、２１３）の、第１の磁化方向の幅Ｗが１μｍである場合、特性線ｍ２２は２μｍである場合、特性線ｍ２３は４μｍである場合、特性線ｍ２４は１０μｍである場合を示す。ＴＭＲ形状は、第１および第２の強磁性体層（図２の２１１、２１３）の、第１の磁化方向（磁化固定層の磁化方向）の幅Ｗを変化させ、第１の磁化方向と直交する第２の磁化方向の幅Ｌを２０μｍで一定とした。

評価１〜評価３から、磁気抵抗素子の磁化自由層に強磁性体層を設け、この強磁性体層の厚みを２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下とすることにより、ダイナミックレンジを広くすることができることが確認できた。
また、磁化自由層の第１の磁化方向の幅Ｗが１０μｍ以下であるとき、Ｌ／Ｗ＝５以上とすることにより、ダイナミックレンジを広くすることができることが確認できた。なお、幅Ｗが１０μｍより大きいとダイナミックレンジが大きく減少してしまうことが確認されている。

なお、本発明の範囲は、図示され記載された例示的な実施形態に限定されるものではなく、本発明が目的とするものと均等な効果をもたらすすべての実施形態をも含む。さらに、本発明の範囲は、すべての開示されたそれぞれの特徴のうち特定の特徴のあらゆる所望する組み合わせによって画されうる。

１０〜１４、１７、２０、２１、２２ 磁気抵抗素子
１５、１６ ２３ 固定抵抗
２０ａ、２１ａ、２２ａ、２３ａ 定電流源
１００ 磁気抵抗素子
１０１、２０１、３０１ 磁化固定層（ピンド層）
１０２ 中間層
１０３、２０３、３０３ 磁化自由層（フリー層）
２００ ＴＭＲ素子
２０２ 中間層（酸化膜絶縁層）
２０４ 下部電極
２１１、３１１ 第１の強磁性体層
２１２ スペーサ層
２１３、３１２ 第２の強磁性体層
３００、４００ ＧＭＲ素子
３０２ 中間層（導電層）
４００ａ 磁気抵抗素子
４０１ 配線層
４０２ 基板（絶縁層）
５０１ バイアス磁石
５０２ 配線層

Claims (13)

1. 第１の方向に磁化が固定された強磁性の磁化固定層と、
   当該磁化固定層の上に積層される非磁性の中間層と、
   当該中間層の上に積層され、磁化の向きを前記第１の方向とは異なる方向へ変えることが可能な軟磁性の磁化自由層と、を有する磁気抵抗素子を備え、
   前記磁化自由層は少なくとも１つの強磁性体層を有し、該強磁性体層の厚みが２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下である磁気センサ。
2. 前記磁化自由層は、第１の強磁性体層と当該第１の強磁性体層の上に積層される第２の強磁性体層との積層構造を有し、
   前記第２の強磁性体層の厚みが２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下である請求項１に記載の磁気センサ。
3. 前記磁化自由層は、第１の強磁性体層と当該第１の強磁性体層の上に積層される第２の強磁性体層との積層構造を有し、
   前記中間層は、前記第１の強磁性体層と前記磁化固定層との間に設けられている請求項１または請求項２に記載の磁気センサ。
4. 前記第１の強磁性体層と前記第２の強磁性体層との間にスペーサ層をさらに有する請求項２または請求項３に記載の磁気センサ。
5. 前記第２の強磁性体層が軟磁性体である請求項２から請求項４のいずれか１項に記載の磁気センサ。
6. 前記第１の強磁性体層の磁化と前記第２の強磁性体層の磁化とが平行結合状態である請求項２から請求項５のいずれか１項に記載の磁気センサ。
7. 前記第２の強磁性体層がＮｉＦｅ合金膜である請求項２から請求項６のいずれか１項に記載の磁気センサ。
8. 前記第２の強磁性体層のＮｉＦｅ合金膜が７５原子％以上８５原子％以下のＮｉを含むＮｉＦｅ合金膜である請求項７に記載の磁気センサ。
9. 前記磁化自由層は、形状異方性により、前記第１の方向と直交する第２の方向に磁化容易軸が誘導される請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の磁気センサ
10. 前記磁化自由層は前記第１の方向の幅Ｗが１０μｍ以下であり、前記磁化自由層の、前記第１の方向の幅Ｗと当該第１の方向と直交する第２の方向の幅Ｌとのアスペクト比（Ｌ／Ｗ）が５以上である請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の磁気センサ。
11. 前記磁化自由層の磁化方向が、バイアス磁石により前記第１の方向と直交する第２の方向に誘導される請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の磁気センサ。
12. 前記磁化自由層の磁化方向が、電気配線を流れる電流によって生成された磁界により前記第１の方向と直交する第２の方向に誘導される請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の磁気センサ。
13. 前記磁気抵抗素子を含むブリッジ回路もしくは差動回路を備える請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の磁気センサ。

Images