JP7440030B2

JP7440030B2 - 磁気センサ

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Publication number: JP7440030B2
Application number: JP2019198090A
Authority: JP
Inventors: 貴大小笠原; 幹彦大兼; 匡清角田; 康夫安藤
Original assignee: Tohoku University NUC
Current assignee: Tohoku University NUC
Priority date: 2019-10-31
Filing date: 2019-10-31
Publication date: 2024-02-28
Anticipated expiration: 2039-10-31
Also published as: JP2021072364A

Description

本発明は、磁気センサに関する。

高感度を示す磁気センサとして、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子のＴＭＲ効果を利用したＴＭＲセンサがある。トンネル磁気抵抗素子は、磁化方向が固定されている固定層と、磁化方向が変化可能な自由層と、固定層と自由層との間に配置された絶縁層とを有しており、自由層の磁気異方性を制御することにより、磁気センサの特性を制御することができる。この磁気センサは、非接触で電流の測定が可能であり、消費電力も小さく、感度も高いため、例えば、電気自動車のバッテリーの蓄電残量検知などに効果的に利用できると考えられる。

このような磁気センサに利用可能なＴＭＲ素子として、例えば、自由層にＮｉＦｅ合金を用いたもの（例えば、非特許文献１参照）や、ＣｏＦｅＢ合金を用いたもの（例えば、非特許文献２乃至４参照）、ＣｏＦｅＳｉＢ合金を用いたもの（例えば、非特許文献５参照）などが開発されている。

ここで、磁気センサの特性を評価する指標として、感度と非線形性（Nonlinearity）がある。感度は、ＴＭＲ素子の自由層の磁化角度が磁場Ｈによって変化するときの、コンダクタンスＧの変化率により表すことができる。つまり、感度は、磁気抵抗比をＴＭＲ比、異方性磁場をＨ_ｋ ^ｅｆｆとすると、ＴＭＲ比／２Ｈ_ｋ ^ｅｆｆによって表すことができる。また、非線形性は、磁場ＨによるコンダクタンスＧの変化が、線形的な変化からどのくらいずれているかにより表すことができる。例えば、図９（ａ）～（ｃ）に示すように、固定層１１の磁化方向が、絶縁層１３との境界面に対して垂直方向に固定され、自由層１２の磁化方向が、固定層１１の磁化方向に対して平行な方向と反平行な方向との間で変化可能であるとすると、磁場Ｈに対するコンダクタンスＧの変化は、図９（ａ）のような曲線で表される。実際のコンダクタンスＧの変化は、図９（ｂ）に示すように、直線からずれており、その変化を直線でフィティングし、その直線のコンダクタンスをＧ_fitとすると、感度は、その直線の傾き（ｄＧ_fit／ｄＨ）で表すことができる。また、非線形性は、実際のコンダクタンスＧの値（Ｇ_exp）とフィティングした直線との差をΔＧ（Ｈ）［＝Ｇ_exp－Ｇ_fit］、コンダクタンスＧの変化幅をΔＧ［＝Ｇ_max－Ｇ_min］とすると、図９（ｃ）に示すように、ΔＧ（Ｈ）／ΔＧ［％ＦＳ（Full Scale）］で表すことができる。

磁気センサは、広い動作可能磁場範囲（ダイナミックレンジ）において、感度が高く、非線形性が小さい方が好ましく、例えば、電気自動車のバッテリーの蓄電残量検知に使用される際には、ダイナミックレンジが１．５ｋＯｅ以上の条件下でも、感度が３０ｍ％／Ｏｅより大きく、非線形性が１．０％ＦＳより小さいものが望ましいとされる。

なお、磁気センサの特性に関する理論モデルとして、従来、コンダクタンスを表すSlonczewskiモデルや（例えば、非特許文献６参照）、磁化反転機構を表す一斉回転モデル（simultaneous magnetization rotation）が用いられている（例えば、非特許文献７参照）。Slonczewskiモデルによれば、（１）式によりコンダクタンスＧを表すことができる。また、一斉回転モデルによれば、（２）式により自由層の単位体積当たりの磁気エネルギー密度Ｅを表すことができる。

ここで、θは強磁性体である自由層の磁化方向（固定層の磁化方向からの回転角度）であり、Ｐはスピン偏極率、Ｇ_０はθ＝９０度のときのコンダクタンス、Ｍ_ｓは飽和磁化、Ｈは磁場、Ｋ_１は１次の１軸磁気異方性定数である。（２）式の右辺の第１項は静磁エネルギー、第２項は反磁場エネルギー、第３項は１次の垂直磁気異方性エネルギーを表している。（２）式から、ｃｏｓθ＝Ｈ／Ｈ_ｋ ^ｅｆｆとなり、これを（１）式に代入すると、コンダクタンスＧは磁場Ｈの一次式で表され、コンダクタンスＧの磁場Ｈに対する変化は直線（線形）となる。ここで、Ｈ_ｋ ^ｅｆｆは自由層の実効異方性磁場であり、感度とは逆相関の関係を示す。

Kosuke Fujiwara, Mikihiko Oogane, Saeko Yokota, Takuo Nishikawa, Hiroshi Naganuma, and Yasuo Ando, "Fabrication of magnetic tunnel junctions with a bottom synthetic antiferro-coupled free layers for high sensitive magnetic field sensor devices", J. Appl. Phys., 2012, Vol. 111, 07C710 P. Wisniowskia, M. Dabeka, S. Cardosob, P. P. Freitas, "Magnetic field sensing characteristics of MgO based tunneling magnetoresistance devices with Co40Fe40B20 and Co60Fe20B20 electrodes", Sensors and Actuators A : Physical 2013, Vol. 202, 64 P. Wisniowski, J. Wrona, T. Stobiecki, S. Cardoso, and P. P. Freitas, "Magnetic Tunnel Junctions Based on Out-of-Plane Anisotropy Free and In-Plane Pinned Layer Structures for Magnetic Field Sensors", IEEE Trans, Magn., 2012, Vol.48, 3840 K. Ishikawa, M. Oogane, K. Fujiwara, J. Jono, M. Tsuchida, and Y. Ando, "Investigation of magnetic sensor properties of magnetic tunnel junctions with superparamagnetic free layer at low frequencies for biomedical imaging applications", Jpn. J. Appl. Phys., 2016, Vol. 55, 123001 Daiki Kato, Mikihiko Oogane, Kosuke Fujiwara, Takuo Nishikawa, Hiroshi Naganuma, and Yasuo Ando, "Fabrication of Magnetic Tunnel Junctions with Amorphous CoFeSiB Ferromagnetic Electrode for Magnetic Field Sensor Devices", Applied Physics Express, 2013, Vol. 6, 103004 J. C. Slonczewski, "Conductance and exchange coupling of two ferromagnets separated by a tunneling barrier", Phys. Rev., 1989, B 39, 6995 E. C. Stoner and E. P. Wohlfarth, "A mechanism of magnetic hysteresis in heterogeneous alloys", Philos. Trans. R. Soc. A, 1948, Vol. 240, 599

非特許文献１乃至５に記載の従来のＴＭＲ素子は、感度および非線形性に優れてはいるものの、例えば、電気自動車のバッテリーの蓄電残量検知に要求される、ダイナミックレンジが１．５ｋＯｅ以上の条件下で、感度が３０ｍ％／Ｏｅより大きく、かつ、非線形性が１．０％ＦＳより小さい、という条件を満たしていない。このため、さらに感度および非線形性に優れた磁気センサの開発が求められているという課題があった。

本発明は、このような課題に着目してなされたもので、より感度および非線形性に優れた磁気センサを提供することを目的とする。

本発明者等は、（１）式や（２）式で表される従来の理論モデルでは、コンダクタンスＧの磁場Ｈに対する変化が直線（線形）となり、図９（ｂ）および（ｃ）に示すような、実際のコンダクタンスＧの非線形の変化を説明することはできないため、新たな理論モデルを構築した。すなわち、磁化反転機構を表す一斉回転モデルとして、１次の垂直磁気異方性エネルギーだけでなく、２次の垂直磁気異方性エネルギーも考慮し、自由層の単位体積当たりの磁気エネルギー密度Ｅを、（３）式により表した。

ここで、Ｋ_２は２次の１軸磁気異方性定数である。（３）式より、ｃｏｓθは（４）式で表され、これを（１）式に代入すると、Ｈ_ｋ２／Ｈ_ｋ ^ｅｆｆに比例する非線形の項が現れるため、実際のコンダクタンスＧの非線形の変化を説明できることを確認した。ここで、Ｈ_ｋ２は２次の異方性磁場であり、４Ｋ_２／Ｍ_ｓで与えられる。また、Ｈ_ｋ ^ｅｆｆは、２Ｋ_１／Ｍ_ｓ＋４Ｋ_２／Ｍ_ｓ－４πＭ_ｓで与えられる。

以上の検討に基づき、本発明者等は、ＴＭＲ素子の自由層のＨ_ｋ ^ｅｆｆおよびＨ_ｋ２／Ｈ_ｋ ^ｅｆｆを制御することにより、感度および非線形性に優れた磁気センサが得られることを見出し、本発明に至った。

すなわち、本発明に係る磁気センサは、トンネル磁気抵抗素子を利用した磁気センサであって、前記トンネル磁気抵抗素子は、磁化方向が固定されている固定層と、磁化方向が変化可能な自由層と、前記固定層と前記自由層との間に配置された絶縁層とを有し、前記絶縁層はＭｇＯから成り、層厚が１．５ｎｍ乃至２．５ｎｍであり、前記固定層は、磁化方向が前記絶縁層との境界面に対して垂直方向に固定されており、前記自由層はＣｏ_ｘＦｅ_８０－ｘＢ_２０合金（ここで、１０≦ｘ≦３０）から成り、層厚が１．４５ｎｍ乃至１．７０ｎｍであり、磁化方向が前記固定層の磁化方向に対して平行な方向と反平行な方向との間で変化可能であり、前記自由層の実効異方性磁場をＨ_ｋ ^ｅｆｆ、２次の異方性磁場をＨ_ｋ２とすると、
｜Ｈ_ｋ ^ｅｆｆ｜＜３ｋＯｅ（５）
｜Ｈ_ｋ２／Ｈ_ｋ ^ｅｆｆ｜＜０．２５（６）
であることを特徴とする。

本発明に係る磁気センサは、ＴＭＲ比が約２００％と大きく、また、（５）式により感度を高く、（６）式により非線形性を小さくすることができ、従来のＴＭＲ素子を利用したものと比べて、感度および非線形性が優れている。このため、例えば、ダイナミックレンジが１．５ｋＯｅ以上の条件下で、感度を３０ｍ％／Ｏｅより大きく、非線形性を１．０％ＦＳより小さくすることができ、電気自動車のバッテリーの蓄電残量検知に利用することにより、バッテリーの利用効率を高めることができる。

本発明に係る磁気センサは、特に優れた感度および非線形性を得るためには、｜Ｈ_ｋ ^ｅｆｆ｜＜２．５ｋＯｅ、｜Ｈ_ｋ２／Ｈ_ｋ ^ｅｆｆ｜＜０．２であることが好ましい。

本発明に関する磁気センサで、固定層は、磁化方向が絶縁層との境界面に対して水平方向で固定されており、自由層は、磁化方向が境界面に水平な面内で、固定層の磁化方向に対して平行な方向と反平行な方向との間で変化可能であってもよく、この場合でも、優れた感度および非線形性を得ることができる。

本発明に関する磁気センサで、前記自由層は、ＣｏＦｅＢ合金、ＦｅＢ合金、Ｃｏ_２ＦｅＳｉ合金、またはＣｏ_２ＭｎＳｉ合金を含むことが好ましい。この場合、各合金が高いスピン分極率を有しているため、優れた感度および非線形性を得やすい。また、自由層は、ＣｏＦｅＢ合金やＦｅＢ合金を含むときには、優れた感度および非線形性を得るために、Ｃｏ_ｘＦｅ_８０－ｘＢ_２０合金（ここで、０≦ｘ＜８０）を含むことが好ましい。

また、本発明に係る磁気センサは、さらに優れた非線形性を得るためには、自由層の層厚は１．５２ｎｍ以上であることが好ましい。

本発明によれば、より感度および非線形性に優れた磁気センサを提供することができる。

本発明の実施の形態の磁気センサのトンネル磁気抵抗素子を示す斜視図（層中の矢印は磁化方向）、および、ＴＭＲ効果の説明図である。本発明の実施の形態の磁気センサの、（ａ）自由層（Co₂₀Fe₆₀B₂₀層）の実効異方性磁場Ｈ_ｋ ^ｅｆｆと２次の異方性磁場Ｈ_ｋ２とを評価するための試料を示す縦断面図、および、自由層の磁化方向の説明図、（ｂ）自由層の各層厚（ｔ_CoFeB）ごとの、自由層の磁化方向θ_Ｈと共鳴場Ｈ_resとの関係を示すグラフである。図２（ａ）に示す試料の、自由層（Co₂₀Fe₆₀B₂₀層）の層厚（ｔ）と、（ａ）実効異方性磁場Ｈ_ｋ ^ｅｆｆ、（ｂ）２次の異方性磁場Ｈ_ｋ２、（ｃ）Ｈ_ｋ２／Ｈ_ｋ ^ｅｆｆとの関係を示すグラフである。本発明の実施の形態の磁気センサの、トンネル磁気抵抗素子の実施例を示す縦断面図である（層中の矢印は磁化方向）。図４に示すトンネル磁気抵抗素子の、（ａ）自由層の層厚（ｔ_CoFeB）が 1.50 nmのとき、（ｂ）自由層の層厚（ｔ_CoFeB）が 1.50 nm、1.55 nm、1.60 nm、1.80 nm、2.00 nmのときの、磁場Ｈとコンダクタンス比（Conductance ratio）との関係を示すグラフである。図５（ｂ）に示すグラフの、磁場Ｈが－１．０ｋＯｅ～＋１ｋＯｅの範囲を拡大したグラフ、および、自由層の層厚が異なる各トンネル磁気抵抗素子の｜Ｈ_ｋ ^ｅｆｆ｜と感度（Sensitivity）との関係を示すグラフ（挿入図）である。図６に示す自由層の層厚が異なる各トンネル磁気抵抗素子の、磁場Ｈと非線形性（Nonlinearity）との関係を示すグラフである。本発明の実施の形態の磁気センサの、自由層（Co_xFe_80-xB₂₀層）の組成をｘ＝０，２０，４０，５６とし、さらに自由層の層厚を変化させた各トンネル磁気抵抗素子の、｜Ｈ_ｋ ^ｅｆｆ｜と｜Ｈ_ｋ２／Ｈ_ｋ ^ｅｆｆ｜との関係を示すグラフである。磁気センサの感度および非線形性を説明するための、（ａ）トンネル磁気抵抗素子の磁場Ｈに対するコンダクタンスＧの変化を示すグラフ、（ｂ）（ａ）の磁場Ｈがゼロ付近を拡大したグラフ、（ｃ）磁場Ｈと非線形性（Nonlinearity）との関係を示すグラフである。

以下、図面および実施例に基づいて、本発明の実施の形態について説明する。
図１乃至図８は、本発明の実施の形態の磁気センサを示している。
図１に示すように、本発明の実施の形態の磁気センサは、トンネル磁気抵抗素子１０を有している。トンネル磁気抵抗素子１０は、固定層１１と自由層１２と、固定層１１と自由層１２との間に配置された絶縁層１３とを有している。

固定層１１は、強磁性体を含み、磁化方向が絶縁層１３との境界面に対して垂直方向に固定されている。固定層１１は、強磁性体として、例えば、ＣｏＦｅＢやＣｏを含んでいる。自由層１２は、強磁性体を含み、磁化方向が固定層１１の磁化方向に対して平行な方向と反平行な方向との間で変化可能である。自由層１２は、強磁性体として、例えば、ＣｏＦｅＢ合金、ＦｅＢ合金、Ｃｏ_２ＦｅＳｉ合金、またはＣｏ_２ＭｎＳｉ合金を含んでいる。

絶縁層１３は、非磁性の絶縁材料から成っており、トンネル効果によって電流が流れるよう設けられている。絶縁層１３は、例えば、ＭｇＯ、Ｍｇ－Ａｌ－Ｏ、ＡｌＯ_ｘなどから成っている。トンネル磁気抵抗素子１０は、トンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ効果）を示し、（５）式および（６）式を満たしている。

次に、作用について説明する。
本発明の実施の形態の磁気センサは、（５）式により感度を高く、（６）式により非線形性を小さくすることができ、従来のＴＭＲ素子を利用したものと比べて、感度および非線形性が優れている。このため、例えば、感度を３０ｍ％／Ｏｅより大きく、非線形性を１．０％ＦＳより小さくすることができ、電気自動車のバッテリーの蓄電残量検知に利用することにより、バッテリーの利用効率を高めることができる。

自由層１２の実効異方性磁場Ｈ_ｋ ^ｅｆｆと２次の異方性磁場Ｈ_ｋ２とを評価するために、図２（ａ）に示すように、Si/SiO₂基板２１の上に、厚さ２ｎｍのMgO層２２と、Co₂₀Fe₆₀B₂₀層２３と、厚さ５ｎｍのTa層２４とを、この順序で積層した試料を作製し、強磁性共鳴（ＦＭＲ）による測定を行った。また、試料は、Co₂₀Fe₆₀B₂₀層２３の層厚（ｔ_CoFeB）を、1.25 nm～2.20 nmの間で変えたものを準備した。なお、Co₂₀Fe₆₀B₂₀層２３が自由層１２に対応している。また、強磁性共鳴による測定は、室温で行った。

強磁性共鳴による測定結果として、Co₂₀Fe₆₀B₂₀層２３の磁化方向（Ta層２４との境界面に対して垂直な方向からの回転角度）θ_Ｈと、共鳴場Ｈ_resとの関係を図２（ｂ）に示す。なお、図２（ｂ）には、ｔ_CoFeB＝1.45 nm～2.20 nmの場合の結果を示している。また、図２（ｂ）には、各ｔ_CoFeBごとに、データ（図中の○の点）に対するフィッティング曲線も示している。図２に示すように、θ_Ｈ＝９０度のときに、Ｈ_resが最も小さくなることが確認された。このことは、図２（ｂ）に示す各試料が面内磁気異方性を有していることを示している。また、Co₂₀Fe₆₀B₂₀層２３の層厚ｔ_CoFeBが増加するに従って、Ｈ_resの極大値も増加しており、層厚と共に面内磁気異方性が増加することが確認された。

図２（ｂ）に示す強磁性共鳴による測定結果から、各試料のCo₂₀Fe₆₀B₂₀層２３の層厚ｔ_CoFeBに対する実効異方性磁場Ｈ_ｋ ^ｅｆｆ、２次の異方性磁場Ｈ_ｋ２、およびＨ_ｋ２／Ｈ_ｋ ^ｅｆｆを求め、それぞれ図３（ａ）～（ｃ）に示す。図３（ａ）～（ｃ）に示すように、Co₂₀Fe₆₀B₂₀層２３の層厚ｔ_CoFeBが約1.4 nmより大きいとき、面内磁化となることが確認された。また、Co₂₀Fe₆₀B₂₀層２３の層厚ｔ_CoFeBにより、Ｈ_ｋ ^ｅｆｆや、Ｈ_ｋ２／Ｈ_ｋ ^ｅｆｆの値を制御できることも確認された。面内磁化のとき、Co₂₀Fe₆₀B₂₀層２３の層厚が大きくなるほど、Ｈ_ｋ２／Ｈ_ｋ ^ｅｆｆの値が小さくなることが確認された。例えば、図３（ｃ）から、Co₂₀Fe₆₀B₂₀層２３の層厚ｔ_CoFeBが約1.5 nm以上のとき、｜Ｈ_ｋ２／Ｈ_ｋ ^ｅｆｆ｜＜０．２５となる。

本発明の実施の形態の磁気センサの感度および非線形性を評価するために、ＴＭＲ素子１０を作製して、コンダクタンス比の測定を行った。図４に示すように、ＴＭＲ素子１０の試料は、Si/SiO₂基板１４の上に、下地層１５と固定層１１と絶縁層１３と自由層１２とキャップ層１６とを、この順序で積層して作製した。ＴＭＲ素子１０の試料は、平面形状が直径100μmの円形であり、DC/RFマグネトロンスパッタ法により各層を成膜し、フォトリソグラフィ、およびＡｒイオンを用いたイオンミリングにより微細加工を行った後、300℃で熱処理を行って製造した。

下地層１５は、Si/SiO₂基板１４の表面の粗さを整え、固定層１１の結晶の配向性を高めるために設けられている。下地層１５は、Si/SiO₂基板１４の上に、厚さ３ｎｍのTa層と、厚さ１０ｎｍのRu層と、厚さ２ｎｍのPt層とを、この順序で積層して成っている。

固定層１１は、下地層１５の上に、第１の強磁性層１１ａと第１の非磁性層１１ｂと第２の強磁性層１１ｃと第２の非磁性層１１ｄと第３の強磁性層１１ｅとを、この順序で積層して成っている。第１の強磁性層１１ａは、Co／Pt層を９層積層した上に、厚さ０．２８ｎｍのCo層を積層して成っている。Co／Pt層のCoは厚さが０．２８ｎｍであり、Ptは厚さが０．１６ｎｍである。第１の非磁性層１１ｂは、厚さが０．４ｎｍのRu層から成っている。第２の強磁性層１１ｃは、厚さが０．２８ｎｍのCo層の上に、Pt／Co層を５層積層して成っている。Pt／Co層のPtは厚さが０．１６ｎｍであり、Coは厚さが０．２８ｎｍである。第２の非磁性層１１ｄは、厚さが０．２ｎｍのTa層から成っている。第３の強磁性層１１ｅは、厚さが１．０ｎｍのCo₄₀Fe₄₀B₂₀層から成っている。

絶縁層１３は、厚さ２．０ｎｍのMgO層から成っている。自由層１２は、Co₂₀Fe₆₀B₂₀層から成っている。キャップ層１６は、Ta／Ru層から成っている。Ta／Ru層のTa層は厚さが５ｎｍであり、Ru層は厚さが８ｎｍである。なお、図４中には、固定層１１および自由層１２の磁化方向を矢印で示している。

自由層１２の層厚（ｔ_CoFeB）を、1.50 nm、1.55 nm、1.60 nm、1.80 nm、2.00 nmとしたＴＭＲ素子１０の試料を製造した。各試料に対して、直流４端子法により、面直方向の磁場Ｈを－１０ｋＯｅ～＋１０ｋＯｅまでスイープしたときのＴＭＲを測定し、コンダクタンス比（Conductance ratio）を求めた。測定は、室温で行った。ｔ_CoFeB＝1.50 nmの試料の測定結果、および、全ての試料の測定結果を、それぞれ図５（ａ）および（ｂ）に示す。なお、図５（ａ）には、磁場をスイープした方向を曲線に沿った矢印で示している。また、図５（ａ）には、５つの状態における固定層１１および自由層１２の磁化方向も示す。また、コンダクタンス比は、［Ｇ（Ｈ）－Ｇ_ｍｉｎ］／Ｇ_ｍｉｎ×１００（％）で求めている（ここで、Ｇ_ｍｉｎは、測定磁場領域において最小のコンダクタンスである）。

図５（ａ）に示すように、ｔ_CoFeB＝1.50 nmのときには、Ｈ_ｋ ^ｅｆｆは約－２ｋＯｅであることが確認された。また、図５（ｂ）に示すように、自由層１２の層厚が小さいほど、ダイナミックレンジが小さくなって｜Ｈ_ｋ ^ｅｆｆ｜も小さくなり、コンダクタンス比の変化幅が大きくなることから、高感度になることが確認された。

図５（ｂ）の磁場Ｈが－１．０ｋＯｅ～＋１ｋＯｅの範囲を拡大したものを、図６に示す。なお、図６では、縦軸を変換コンダクタンス比（Translated conductance ratio）とし、磁場Ｈ＝０ｋＯｅのときのコンダクタンス比を０％として、各試料の曲線を上下方向に移動したものを示している。また、図６には、各試料のデータ（図中の白抜きのシンボル）に対するフィッティング直線も示している。このフィティング直線の傾きが磁気センサの感度（Sensitivity）を表していることから、各試料の｜Ｈ_ｋ ^ｅｆｆ｜と感度（Sensitivity）との関係を求め、図６の挿入図に示す。

図６および挿入図に示すように、自由層１２の層厚が小さいほど、磁気センサの感度が大きくなることが確認された。挿入図に示すように、｜Ｈ_ｋ ^ｅｆｆ｜＜３ｋＯｅのとき、感度が３０ｍ％／Ｏｅより大きくなり、最も感度が大きいｔ_CoFeB＝1.50 nmの試料では、その感度が約５５ｍ％／Ｏｅであることが確認された。

図６のグラフから非線形性（Nonlinearity）を求め、図７に示す。非線形性は、図６に示す各試料の測定データ（Ｇ_exp）とフィッティング直線（Ｇ_fit）との差ΔＧ（Ｈ）［＝Ｇ_exp－Ｇ_fit］を、コンダクタンス比の変化幅ΔＧ［＝Ｇ_max－Ｇ_min］で割った値ΔＧ（Ｈ）／ΔＧ［％ＦＳ（Full Scale）］として求めている。図７に示すように、自由層１２の層厚が大きくなるほど、非線形性が小さくなることが確認された。この結果を図３に示す結果と合わせると、非線形性を小さくするためには、｜Ｈ_ｋ２／Ｈ_ｋ ^ｅｆｆ｜の値を小さくすればよいことがわかる。

自由層１２の組成を変化させて、図４に示すＴＭＲ素子１０の試料を製造し、強磁性共鳴（ＦＭＲ）による測定を行った。自由層１２を Co_xFe_80-xB₂₀層とし、ｘ＝０，２０，４０，５６のときの４種類のＴＭＲ素子１０を製造した。また、各ｘの値に対応するＴＭＲ素子１０について、自由層１２の層厚を変化させて、それぞれ複数の試料を製造した。各試料の製造方法は、実施例２と同じ方法とし、強磁性共鳴の測定方法は、実施例１と同じ方法とした。

各試料の｜Ｈ_ｋ ^ｅｆｆ｜と｜Ｈ_ｋ２／Ｈ_ｋ ^ｅｆｆ｜との関係を、図８に示す。図８には、各ｘの値に対応するＴＭＲ素子１０のデータ（図中の丸印）に対して、最も良く合うフィッティング曲線も示している。図３および図７の結果から、非線形性を小さくするためには、｜Ｈ_ｋ２／Ｈ_ｋ ^ｅｆｆ｜の値を小さくすればよく、図５および図６の結果から、感度を高めるためには、｜Ｈ_ｋ ^ｅｆｆ｜の値を小さくすればよい。そこで、１．５ｋＯｅのダイナミックレンジ条件下で、高感度と低非線形性とを両立可能な（５）式および（６）式に対応する範囲（｜Ｈ_ｋ ^ｅｆｆ｜＜３ｋＯｅ、および、｜Ｈ_ｋ２／Ｈ_ｋ ^ｅｆｆ｜＜０．２５の範囲）を灰色で示す。この範囲内の磁気センサであれば、優れた感度および非線形性を有すると考えられる。また、例えば、｜Ｈ_ｋ２／Ｈ_ｋ ^ｅｆｆ｜＜０．２にしたり、｜Ｈ_ｋ ^ｅｆｆ｜＜２．５ｋＯｅにしたりすることにより、さらに優れた感度や非線形性を有する磁気センサが得られると考えられる。

１０トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子
１１固定層
１１ａ第１の強磁性層
１１ｂ第１の非磁性層
１１ｃ第２の強磁性層
１１ｄ第２の非磁性層
１１ｅ第３の強磁性層
１２自由層
１３絶縁層
１４ Si/SiO₂基板
１５下地層
１６キャップ層

２１ Si/SiO₂基板
２２ MgO層
２３ Co₂₀Fe₆₀B₂₀層
２４ Ta層

Claims

トンネル磁気抵抗素子を利用した磁気センサであって、
前記トンネル磁気抵抗素子は、磁化方向が固定されている固定層と、磁化方向が変化可能な自由層と、前記固定層と前記自由層との間に配置された絶縁層とを有し、
前記絶縁層はＭｇＯから成り、層厚が１．５ｎｍ乃至２．５ｎｍであり、
前記固定層は、磁化方向が前記絶縁層との境界面に対して垂直方向に固定されており、
前記自由層はＣｏ_ｘＦｅ_８０－ｘＢ_２０合金（ここで、１０≦ｘ≦３０）から成り、層厚が１．４５ｎｍ乃至１．７０ｎｍであり、磁化方向が前記固定層の磁化方向に対して平行な方向と反平行な方向との間で変化可能であり、
前記自由層の実効異方性磁場をＨ_ｋ ^ｅｆｆ、２次の異方性磁場をＨ_ｋ２とすると、
｜Ｈ_ｋ ^ｅｆｆ｜＜３ｋＯｅ
｜Ｈ_ｋ２／Ｈ_ｋ ^ｅｆｆ｜＜０．２５
であることを
特徴とする磁気センサ。