JPWO2019065690A1 - 交換結合膜ならびにこれを用いた磁気抵抗効果素子および磁気検出装置 - Google Patents
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Abstract
固定磁性層の磁化の向きが反転する磁界（Ｈｅｘ）が大きく高温条件下における安定性が高く、しかも強磁場耐性に優れる交換結合膜１０は、反強磁性層２と固定磁性層３とフリー磁性層５とが積層され、反強磁性層２はＰｔＣｒ層２ＡとＸＭｎ層２Ｂ（ただし、ＸはＰｔまたはＩｒ）とからなり、ＸＭｎ層Ｂが固定磁性層３に接しており、固定磁性層３が鉄、コバルト、鉄コバルト合金または鉄ニッケル合金である。
Description
本発明は交換結合膜ならびにこれを用いた磁気抵抗効果素子および磁気検出装置に関する。
反強磁性層と固定磁性層とを備えた交換結合膜は、磁気抵抗効果素子や磁気検出装置として用いられる。特許文献１には、磁気記録用媒体において、強磁性層としてのＣｏ合金と、反強磁性層としての種々の合金とを組み合わせることにより交換結合膜を構成できることが記載されている。反強磁性層としては、ＣｏＭｎ、ＮｉＭｎ、ＰｔＭｎ、ＰｔＣｒなどの合金が例示されている。
磁気検出装置は、磁気効果素子を基板に実装する際、はんだをリフロー処理（溶融処理）する必要があり、また、エンジンの周辺のような高温環境下において、用いられることがある。このため、磁気検出装置に用いられる交換結合膜には、広いダイナミックレンジで磁界を検出可能とするために、固定磁性層の磁化の方向が反転する磁界（Ｈｅｘ）が大きく、高温条件下における安定性が高いことが好ましい。
特許文献１は、磁気記録媒体として用いられる交換結合膜に関するものであることから、交換結合膜を用いた磁気検出装置の高温条件下における安定性については記載されていない。
また、近時、大出力モータなど強磁場発生源の近傍に配置されて強磁場が印加される環境であっても、固定磁性層の磁化の向きが影響を受けにくいこと、すなわち、強磁場耐性が求められている。
特許文献１は、磁気記録媒体として用いられる交換結合膜に関するものであることから、交換結合膜を用いた磁気検出装置の高温条件下における安定性については記載されていない。
また、近時、大出力モータなど強磁場発生源の近傍に配置されて強磁場が印加される環境であっても、固定磁性層の磁化の向きが影響を受けにくいこと、すなわち、強磁場耐性が求められている。
本発明は、固定磁性層の磁化の向きが反転する磁界（Ｈｅｘ）が大きく、ゆえに高温条件下における安定性が高く、しかも強磁場耐性に優れる交換結合膜、ならびにこれを用いた磁気抵抗効果素子および磁気検出装置を提供することを目的としている。
上記課題を解決するために提供される本発明は、一態様として、反強磁性層と固定磁性層とが積層され、前記反強磁性層はＰｔＣｒ層とＸＭｎ層（ただし、ＸはＰｔまたはＩｒ）とからなり、前記ＸＭｎ層が前記固定磁性層に接しており、前記固定磁性層が鉄、コバルト、コバルト・鉄合金またはニッケル・鉄合金である交換結合膜を提供する。
本発明は、他の一態様において、反強磁性層と固定磁性層とが積層され、前記反強磁性層はＰｔＣｒ層とＸＭｎ層（ただし、ＸはＰｔまたはＩｒ）とからなり、前記ＸＭｎ層が前記固定磁性層に接しており、前記固定磁性層は、第１磁性層と中間層と第２磁性層とが積層されたセルフピン止め構造であり、前記第１磁性層および前記第２磁性層が鉄、コバルト、コバルト・鉄合金またはニッケル・鉄合金である交換結合膜を提供する。
図５は本発明に係る交換結合膜の磁化曲線のヒステリシスループを説明する図である。通常、軟磁性体のＭ−Ｈ曲線（磁化曲線）が作るヒステリシスループは、図５の点線で示されるように、Ｈ軸とＭ軸との交点（外部磁場(磁界)Ｈ＝０Ａ／ｍ、磁化Ｍ＝０Ａ／ｍ）を中心として対称な形状となるが、本発明に係る交換結合膜のヒステリシスループは、固定磁性層に対して交換結合磁界Ｈｅｘが作用するため、図５の実線に示されるようにＨｅｘの大きさに応じてＨ軸に沿ってシフトした形状となる。交換結合膜の固定磁性層は、このＨｅｘが大きいほど外部磁場が印加されても磁化の向きが反転しにくいため、強磁場耐性が良好になる。
また、本発明に係る交換結合膜は、反強磁性層がＰｔＣｒ層とＸＭｎ層（ただし、ＸはＰｔまたはＩｒ）とからなる構成とすることにより、特に、高温環境下におけるＨｅｘが大きくなる。このため、本発明に係る交換結合膜は高温環境下において優れた強磁場耐性を有する。
さらに、種々の組成の金属材料との間で大きなＨｅｘが得られる。交換結合磁界Ｈｅｘは、反強磁性層と固定磁性層との相互作用により生じるところ、本発明に係る反強磁性層は、交換結合磁界Ｈｅｘが適切に発生しうる固定磁性層の組成の種類が多様であり、かつ組成範囲が広い。具体的には、コバルト・鉄合金（ＣｏＦｅ合金）またはニッケル・鉄合金（ＮｉＦｅ合金）のみならず、鉄（Ｆｅ）やコバルト（Ｃｏ）に至るまで、固定磁性層を構成する材料として用いることができる。したがって、固定磁性層の設計上の自由度を高めることが実現される。特に、鉄（Ｆｅ）およびコバルト（Ｃｏ）ならびにこれらの金属に近い組成を有する合金（例えば９０ＣｏＦｅ合金や１０ＣｏＦｅ合金などが挙げられる。）は他の組成の合金（例えば４０ＣｏＦｅが挙げられる。）に比べて磁歪定数が低い。それゆえ、固定磁性層がこうした材料から構成されることにより、磁歪に基づく応力に起因して交換結合磁界Ｈｅｘの磁化方向が変化する不具合が生じにくくなる。
上記の交換結合膜において、前記ＰｔＣｒ層の膜厚は、前記ＸＭｎ層の膜厚よりも大きくてもよい。この場合において、前記ＰｔＣｒ層の膜厚と、前記ＰｔＭｎ層の膜厚と前記ＩｒＭｎ層の膜厚との総和との比は、５：１〜１００：１であることが好ましい場合がある。
本発明は、他の一態様として、上記の交換結合膜とフリー磁性層とが積層されていることを特徴とする磁気抵抗効果素子を提供する。
本発明は、他の一態様として、上記の磁気抵抗効果素子を備えていることを特徴とする磁気検出装置を提供する。
上記の磁気検出装置は、同一基板上に上記の磁気抵抗効果素子を複数備えており、複数の前記磁気抵抗効果素子には、前記固定磁化方向が異なるものが含まれていてもよい。
上記の磁気検出装置は、同一基板上に上記の磁気抵抗効果素子を複数備えており、複数の前記磁気抵抗効果素子には、前記固定磁化方向が異なるものが含まれていてもよい。
本発明によれば、高温条件下における安定性が向上し、しかも強磁場耐性に優れる交換結合膜が提供される。したがって、本発明の交換結合膜とフリー磁性層とが積層された磁気抵抗効果素子を用いれば、高温環境下や強磁場環境下に置かれても安定な磁気検出装置とすることが可能である。
また、固定磁性層として種々の金属を使用できるから、磁気検出装置に求められる性質に応じて設計する際の自由度が高い。
また、固定磁性層として種々の金属を使用できるから、磁気検出装置に求められる性質に応じて設計する際の自由度が高い。
＜第１の実施形態＞
図１に本発明の第１の実施形態に係る交換結合膜１０を使用した磁気検出素子１１の膜構成が示されている。
磁気検出素子１１は、基板の表面から、下地層１、反強磁性層２、固定磁性層３、非磁性材料層４、フリー磁性層５および保護層６の順に積層されて成膜されている。反強磁性層２は、ＰｔＣｒ層２ＡとＸＭｎ層（ただし、ＸはＰｔまたはＩｒ）２Ｂ層とからなり、ＸＭｎ層２Ｂが固定磁性層３に接している。これら各層は、例えばスパッタ工程やＣＶＤ工程で成膜される。反強磁性層２と固定磁性層３とが本発明の第１の実施の形態の交換結合膜１０である。
図１に本発明の第１の実施形態に係る交換結合膜１０を使用した磁気検出素子１１の膜構成が示されている。
磁気検出素子１１は、基板の表面から、下地層１、反強磁性層２、固定磁性層３、非磁性材料層４、フリー磁性層５および保護層６の順に積層されて成膜されている。反強磁性層２は、ＰｔＣｒ層２ＡとＸＭｎ層（ただし、ＸはＰｔまたはＩｒ）２Ｂ層とからなり、ＸＭｎ層２Ｂが固定磁性層３に接している。これら各層は、例えばスパッタ工程やＣＶＤ工程で成膜される。反強磁性層２と固定磁性層３とが本発明の第１の実施の形態の交換結合膜１０である。
磁気検出素子１１は、いわゆるシングルスピンバルブ型の巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ効果）を利用した積層素子であり、固定磁性層３の固定磁化のベクトルと、フリー磁性層５の外部磁場によって変化する磁化のベクトルとの相対関係で電気抵抗が変化する。
下地層１は、ＮｉＦｅＣｒ合金（ニッケル・鉄・クロム合金）、ＣｒあるいはＴａなどで形成される。本実施形態の交換結合膜１０において固定磁性層３の磁化の向きが反転する磁界（以下、適宜「Ｈｅｘ」ともいう）を高くするために、ＮｉＦｅＣｒ合金が好ましい。
反強磁性層２は、ＰｔＣｒ層２ＡとＸＭｎ層２Ｂ（ただし、ＸはＰｔまたはＩｒ）からなる積層構造である。Ｈｅｘを高くするためには、反強磁性層２のＰｔＣｒ層２Ａの膜厚Ｄ１はＸＭｎ層２Ｂの膜厚Ｄ２よりも大きいことが好ましい。膜厚Ｄ１と膜厚Ｄ２の比（Ｄ１：Ｄ２）は、５：１〜１００：１がより好ましく、１０：１〜５０：１がさらに好ましい。
Ｈｅｘを高くする観点から、ＰｔＣｒ層２Ａは、ＰｔＸＣｒ１００−Ｘ（Ｘは４５ａｔ％以上６２ａｔ％以下）であることが好ましく、ＰｔＸＣｒ１００−Ｘ（Ｘは５０ａｔ％以上５７ａｔ％以下）であることがより好ましい。同様の観点から、ＸＭｎ層２Ｂは、ＰｔＭｎ層が好ましい。
本実施形態では、反強磁性層２をアニール処理して規則化し、固定磁性層３との間（界面）で交換結合を生じさせる。交換結合に基づく磁界（交換結合磁界）によって交換結合膜１０のＨｅｘを高くするとともに強磁場耐性を向上させる。
固定磁性層３は、Ｆｅ（鉄）、Ｃｏ（コバルト）、ＣｏＦｅ合金（コバルト・鉄合金）またはＮｉＦｅ合金（ニッケル・鉄合金）で形成される。ＣｏＦｅ合金およびＮｉＦｅ合金は、Ｆｅの含有割合を高くすることにより、保磁力が高くなる。固定磁性層３はスピンバルブ型の巨大磁気抵抗効果に寄与する層であり、固定磁性層３の固定磁化方向Ｐが延びる方向が磁気検出素子１１の感度軸方向である。
交換結合膜１０は、固定磁性層３におけるＦｅ含有割合によらず、高いＨｅｘが得られる。これは、上述した積層構造を備えた反強磁性層２が多種類の強磁性材料と交換結合するためである。
図１２は、ＣｏＦｅ合金中のＦｅ量（ａｔ％）と飽和磁歪定数との関係を示すグラフである（O.V.Auwers and H.Neumann. Wiss.Veroffentlich, Siemens 14 (1935) 93.から引
用）。このグラフに示すように、ＣｏＦｅ合金は、組成の相違による磁歪が異なる。飽和磁歪定数が正の場合、磁歪定数がプラスの磁性膜に引っ張り応力が加わると、磁性膜の磁化は（磁歪定数×応力）だけ引張り応力の方向を向きやすくなる。なぜならば、その方が（磁歪定数×応力）だけエネルギーが下がるからである。磁歪ゼロの磁性膜はどのような応力が加わっても応力によるエネルギー差が生じないため、応力耐性が強い。磁気センサの素子には様々な応力が加わるため、応力により磁化方向が変化しないように低磁歪が好まれることが多い。
用）。このグラフに示すように、ＣｏＦｅ合金は、組成の相違による磁歪が異なる。飽和磁歪定数が正の場合、磁歪定数がプラスの磁性膜に引っ張り応力が加わると、磁性膜の磁化は（磁歪定数×応力）だけ引張り応力の方向を向きやすくなる。なぜならば、その方が（磁歪定数×応力）だけエネルギーが下がるからである。磁歪ゼロの磁性膜はどのような応力が加わっても応力によるエネルギー差が生じないため、応力耐性が強い。磁気センサの素子には様々な応力が加わるため、応力により磁化方向が変化しないように低磁歪が好まれることが多い。
上述したように、磁歪の観点から交換結合膜１０に設計上の制約が生じることがある。しかし、交換結合膜１０は、例えば固定磁性層３としてＣｏＦｅ合金を用いた場合、その組成に依存せずＦｅ含有割合０〜１００ａｔ％の広範囲において高いＨｅｘが得られる。このように、交換結合膜１０は、固定磁性層３として多種類の金属（具体的には、純鉄（Ｆｅ）、純コバルト（Ｃｏ）が例示される。）、合金を用いることが可能であるため、使用できる材料の選択幅が広く、従来よりも設計上の自由度が高いという点において優れている。
非磁性材料層４は、Ｃｕ（銅）、Ｒｕ（ルテニウム）などを用いて形成することができる。
フリー磁性層５は、その材料および構造が限定されるものではないが、例えば、材料としてＣｏＦｅ合金（コバルト・鉄合金）、ＮｉＦｅ合金（ニッケル・鉄合金）などを用いることができ、単層構造、積層構造、積層フェリ構造などとして形成することができる。
保護層６は、Ｔａ（タンタル）などを用いて形成することができる。
フリー磁性層５は、その材料および構造が限定されるものではないが、例えば、材料としてＣｏＦｅ合金（コバルト・鉄合金）、ＮｉＦｅ合金（ニッケル・鉄合金）などを用いることができ、単層構造、積層構造、積層フェリ構造などとして形成することができる。
保護層６は、Ｔａ（タンタル）などを用いて形成することができる。
なお、交換結合膜１０のＰｔＣｒ層２Ａなど合金層を成膜する際には、合金を形成する複数種類の金属（ＰｔＣｒ層２Ａの場合にはＰｔおよびＣｒ）を同時に供給してもよいし、合金を形成する複数種類の金属を交互に供給してもよい。前者の具体例として合金を形成する複数種類の金属の同時スパッタが挙げられ、後者の具体例として異なる種類の金属層の交互積層が挙げられる。合金を形成する複数種類の金属の同時供給が交互供給よりもＨｅｘを高めることにとって好ましい場合がある。
＜第２の実施形態＞
図２に本発明の第２の実施形態の交換結合膜２０を使用した磁気検出素子（磁気抵抗効果素子）２１の膜構成を示す説明図が示されている。本実施形態では、図１に示す磁気検出素子１１と機能が同じ層に同じ符号を付して、説明を省略する。
図２に示す第２の実施形態の磁気検出素子２１が図１の磁気検出素子１１と相違している点は、交換結合膜２０がセルフピン止め構造の固定磁性層３と反強磁性層２とが接合されて構成されている点、および、非磁性材料層４とフリー磁性層５が固定磁性層３よりも下地層１側に形成されている点である。
図２に本発明の第２の実施形態の交換結合膜２０を使用した磁気検出素子（磁気抵抗効果素子）２１の膜構成を示す説明図が示されている。本実施形態では、図１に示す磁気検出素子１１と機能が同じ層に同じ符号を付して、説明を省略する。
図２に示す第２の実施形態の磁気検出素子２１が図１の磁気検出素子１１と相違している点は、交換結合膜２０がセルフピン止め構造の固定磁性層３と反強磁性層２とが接合されて構成されている点、および、非磁性材料層４とフリー磁性層５が固定磁性層３よりも下地層１側に形成されている点である。
磁気検出素子２１も、いわゆるシングルスピンバルブ型の巨大磁気抵抗効果を利用した積層素子である。固定磁性層３の第１磁性層３Ａの固定磁化のベクトルと、フリー磁性層５の外部磁場によって変化する磁化のベクトルとの相対関係で電気抵抗が変化する。
固定磁性層３は、第１磁性層３Ａおよび第２磁性層３Ｃと、これらの二層の間に位置する非磁性中間層３Ｂと、で構成されたセルフピン止め構造となっている。第１磁性層３Ａの固定磁化方向Ｐ１と、第２磁性層３Ｃの固定磁化方向Ｐ２とは、相互作用により反平行となっている。非磁性材料層４に隣接する第１磁性層３Ａの固定磁化方向Ｐ１が固定磁性層３の固定磁化方向である。この固定磁化方向Ｐ１が延びる方向が磁気検出素子１１の感度軸方向である。
第１磁性層３Ａおよび第２磁性層３Ｃは、Ｆｅ（鉄）、Ｃｏ（コバルト）、ＣｏＦｅ合金（鉄・コバルト合金）またはＮｉＦｅ合金（ニッケル・鉄合金）で形成される。ＣｏＦｅ合金およびＮｉＦｅ合金は、Ｆｅの含有割合を高くすることにより、保磁力が高くなる。非磁性材料層４に隣接する第１磁性層３Ａはスピンバルブ型の巨大磁気抵抗効果に寄与する層である。
非磁性中間層３ＢはＲｕ（ルテニウム）などで形成されている。Ｒｕからなる非磁性中間層３Ｂの膜厚は、３〜５Åまたは８〜１０Åであることが好ましい。
本実施形態のセルフピン止め構造の固定磁性層３における第１磁性層３Ａおよび第２磁性層３Ｃとして使用できる材料の選択幅が広く、第１の実施形態同様、従来よりも設計上の自由度が高い。
非磁性中間層３ＢはＲｕ（ルテニウム）などで形成されている。Ｒｕからなる非磁性中間層３Ｂの膜厚は、３〜５Åまたは８〜１０Åであることが好ましい。
本実施形態のセルフピン止め構造の固定磁性層３における第１磁性層３Ａおよび第２磁性層３Ｃとして使用できる材料の選択幅が広く、第１の実施形態同様、従来よりも設計上の自由度が高い。
＜磁気センサの構成＞
図３に、図１に示す磁気検出素子１１を組み合わせた磁気センサ（磁気検出装置）３０が示されている。図３では、固定磁化方向Ｐ（図１参照）が異なる磁気検出素子１１を、それぞれ１１Ｘａ，１１Ｘｂ，１１Ｙａ，１１Ｙｂの異なる符号を付して区別している。磁気センサ３０では、磁気検出素子１１Ｘａ，１１Ｘｂ，１１Ｙａ，１１Ｙｂが同一基板上に設けられている。
図３に、図１に示す磁気検出素子１１を組み合わせた磁気センサ（磁気検出装置）３０が示されている。図３では、固定磁化方向Ｐ（図１参照）が異なる磁気検出素子１１を、それぞれ１１Ｘａ，１１Ｘｂ，１１Ｙａ，１１Ｙｂの異なる符号を付して区別している。磁気センサ３０では、磁気検出素子１１Ｘａ，１１Ｘｂ，１１Ｙａ，１１Ｙｂが同一基板上に設けられている。
図３に示す磁気センサ３０は、フルブリッジ回路３２Ｘおよびフルブリッジ回路３２Ｙを有しており、同一基板上に磁気検出素子１１（図１参照）を複数備えている。フルブリッジ回路３２Ｘは、２つの磁気検出素子１１Ｘａと２つの磁気検出素子１１Ｘｂとを備えており、フルブリッジ回路３２Ｙは、２つの磁気検出素子１１Ｙａと２つの磁気検出素子１１Ｙｂとを備えている。磁気検出素子１１Ｘａ，１１Ｘｂ，１１Ｙａ，１１Ｙｂはいずれも、図１に示した磁気検出素子１１の交換結合膜１０の膜構造を備えている。これらを特に区別しない場合、以下適宜、磁気検出素子１１と記す。
フルブリッジ回路３２Ｘとフルブリッジ回路３２Ｙとは、検出磁場方向を異ならせるために、図３中に矢印で示した固定磁化方向が異なる磁気検出素子１１を用いたものであって、磁場を検出する機構は同じである。そこで、以下では、フルブリッジ回路３２Ｘを用いて磁場を検出する機構を説明する。
フルブリッジ回路３２Ｘは、第１の直列部３２Ｘａと第２の直列部３２Ｘｂが並列に接続されて構成されている。第１の直列部３２Ｘａは、磁気検出素子１１Ｘａと磁気検出素子１１Ｘｂとが直列に接続されて構成され、第２の直列部３２Ｘｂは、磁気検出素子１１Ｘｂと磁気検出素子１１Ｘａとが直列に接続されて構成されている。
第１の直列部３２Ｘａを構成する磁気検出素子１１Ｘａと、第２の直列部３２Ｘｂを構成する磁気検出素子１１Ｘｂに共通の電源端子３３に、電源電圧Ｖｄｄが与えられる。第１の直列部３２Ｘａを構成する磁気検出素子１１Ｘｂと、第２の直列部３２Ｘｂを構成する磁気検出素子１１Ｘａに共通の接地端子３４が接地電位ＧＮＤに設定されている。
フルブリッジ回路３２Ｘを構成する第１の直列部３２Ｘａの中点３５Ｘａの出力電位（ＯｕｔＸ１）と、第２の直列部３２Ｘｂの中点３５Ｘｂの出力電位（ＯｕｔＸ２）との差動出力（ＯｕｔＸ１）−（ＯｕｔＸ２）がＸ方向の検知出力（検知出力電圧）ＶＸｓとして得られる。
フルブリッジ回路３２Ｙも、フルブリッジ回路３２Ｘと同様に作用することで、第１の直列部３２Ｙａの中点３５Ｙａの出力電位（ＯｕｔＹ１）と、第２の直列部３２Ｙｂの中点３５Ｙｂの出力電位（ＯｕｔＹ２）との差動出力（ＯｕｔＹ１）―（ＯｕｔＹ２）がＹ方向の検知出力（検知出力電圧）ＶＹｓとして得られる。
図３に矢印で示すように、フルブリッジ回路３２Ｘを構成する磁気検出素子１１Ｘａおよび磁気検出素子１１Ｘｂの感度軸方向と、フルブリッジ回路３２Ｙを構成する磁気検出素子１１Ｙａおよび各磁気検出素子１１Ｙｂの感度軸方向とは互いに直交している。
図３に示す磁気センサ３０では、それぞれの磁気検出素子１１のフリー磁性層５の向きが外部磁場Ｈの方向に倣うように変化する。このとき、固定磁性層３の固定磁化方向Ｐと、フリー磁性層５の磁化方向との、ベクトルの関係で抵抗値が変化する。
例えば、外部磁場Ｈが図３に示す方向に作用したとすると、フルブリッジ回路３２Ｘを構成する磁気検出素子１１Ｘａでは感度軸方向と外部磁場Ｈの方向が一致するため電気抵抗値は小さくなり、一方、磁気検出素子１１Ｘｂでは感度軸方向と外部磁場Ｈの方向が反対であるため電気抵抗値は大きくなる。この電気抵抗値の変化により、検知出力電圧ＶＸｓ＝（ＯｕｔＸ１）−（ＯｕｔＸ２）が極大となる。外部磁場Ｈが紙面に対して右向きに変化するにしたがって、検知出力電圧ＶＸｓが低くなっていく。そして、外部磁場Ｈが図３の紙面に対して上向きまたは下向きになると、検知出力電圧ＶＸｓがゼロになる。
一方、フルブリッジ回路３２Ｙでは、外部磁場Ｈが図３に示すように紙面に対して左向きのときは、全ての磁気検出素子１１で、フリー磁性層５の磁化の向きが、感度軸方向（固定磁化方向Ｐ）に対して直交するため、磁気検出素子１１Ｙａおよび磁気検出素子１１Ｘｂの電気抵抗値は同じである。したがって、検知出力電圧ＶＹｓはゼロである。図３において外部磁場Ｈが紙面に対して下向きに作用すると、フルブリッジ回路３２Ｙの検知出力電圧ＶＹｓ＝（ＯｕｔＹ１）―（ＯｕｔＹ２）が極大となり、外部磁場Ｈが紙面に対して上向きに変化するにしたがって、検知出力電圧ＶＹｓが低くなっていく。
このように、外部磁場Ｈの方向が変化すると、それに伴いフルブリッジ回路３２Ｘおよびフルブリッジ回路３２Ｙの検知出力電圧ＶＸｓおよびＶＹｓも変動する。したがって、フルブリッジ回路３２Ｘおよびフルブリッジ回路３２Ｙから得られる検知出力電圧ＶＸｓおよびＶＹｓに基づいて、検知対象の移動方向や移動量（相対位置）を検知することができる。
図３には、Ｘ方向と、Ｘ方向に直交するＹ方向の磁場を検出可能に構成された磁気センサ３０を示した。しかし、Ｘ方向またはＹ方向の磁場のみを検出するフルブリッジ回路３２Ｘまたはフルブリッジ回路３２Ｙのみを備えた構成としてもよい。
図４に、磁気検出素子１１Ｘａと磁気検出素子１１Ｘｂの平面構造が示されている。図３と図４は、ＢＸａ−ＢＸｂ方向がＸ方向である。図４（Ａ）（Ｂ）に、磁気検出素子１１Ｘａ，１１Ｘｂの固定磁化方向Ｐが矢印で示されている。磁気検出素子１１Ｘａと磁気検出素子１１Ｘｂでは、固定磁化方向ＰがＸ方向であり、互いに逆向きである。
図４に示すように、磁気検出素子１１Ｘａと磁気検出素子１１Ｘｂは、ストライプ形状の素子部１２を有している。素子部１２の長手方向がＢＹａ−ＢＹｂ方向に向けられている。素子部１２は複数本が平行に配置されており、隣り合う素子部１２の図示右端部が導電部１３ａを介して接続され、隣り合う素子部１２の図示右端部が導電部１３ｂを介して接続されている。素子部１２の図示右端部と図示左端部では、導電部１３ａ，１３ｂが互い違いに接続されており、素子部１２はいわゆるミアンダ形状に連結されている。磁気検出素子１１Ｘａ，１１Ｘｂの、図示右下部の導電部１３ａは接続端子１４ａと一体化され、図示左上部の導電部１３ｂは接続端子１４ｂと一体化されている。
各素子部１２は複数の金属層（合金層）が積層されて構成されている。図１に素子部１２の積層構造が示されている。なお、各素子部１２は図２に示す積層構造であってもよい。
なお、図３と図４に示す磁気センサ３０では、磁気検出素子１１を図２に示す第２の実施形態の磁気検出素子２１に置き換えることが可能である。
図６は実施例１〜４および比較例１〜３の交換結合膜４０の膜構成を説明する説明図である。同図に示す構成を備えた交換結合膜を形成し、温度とＨｅｘとの関係を測定した。
（実施例１）
以下の構成を備えた交換結合膜４０を形成し、温度３５０℃、磁場強度１ｋＯｅの条件で５時間アニール処理し、固定磁性層３と反強磁性層２の磁化を固定した。以下の実施例および比較例では（）内の数値は膜厚（Å）を示す。
基板／下地層１：ＮｉＦｅＣｒ（４２）／反強磁性層２：Ｐｔ５１ａｔ％Ｃｒ４９ａｔ％（２８０）／Ｐｔ５０ａｔ％Ｍｎ５０ａｔ％（２０）／固定磁性層３：Ｃｏ９０ａｔ％Ｆｅ１０ａｔ％（１００）／保護層６：Ｔａ（９０）
（実施例１）
以下の構成を備えた交換結合膜４０を形成し、温度３５０℃、磁場強度１ｋＯｅの条件で５時間アニール処理し、固定磁性層３と反強磁性層２の磁化を固定した。以下の実施例および比較例では（）内の数値は膜厚（Å）を示す。
基板／下地層１：ＮｉＦｅＣｒ（４２）／反強磁性層２：Ｐｔ５１ａｔ％Ｃｒ４９ａｔ％（２８０）／Ｐｔ５０ａｔ％Ｍｎ５０ａｔ％（２０）／固定磁性層３：Ｃｏ９０ａｔ％Ｆｅ１０ａｔ％（１００）／保護層６：Ｔａ（９０）
（実施例２）
実施例１と同じ構成を備えた交換結合膜４０を、温度を実施例１の３５０℃から４００℃に変更して磁場強度１ｋＯｅの条件で５時間アニール処理し、固定磁性層３と反強磁性層２の磁化を固定した。
実施例１と同じ構成を備えた交換結合膜４０を、温度を実施例１の３５０℃から４００℃に変更して磁場強度１ｋＯｅの条件で５時間アニール処理し、固定磁性層３と反強磁性層２の磁化を固定した。
（実施例３）
実施例１における反強磁性層２のＰｔ５１ａｔ％Ｃｒ４９ａｔ％（２８０）／Ｐｔ５０ａｔ％Ｍｎ５０ａｔ％（２０）をＰｔ５４ａｔ％Ｃｒ４６ａｔ％（２８０）／Ｐｔ５０ａｔ％Ｍｎ５０ａｔ％（１０）に変えた交換結合膜４０を形成し、温度を実施例１の３５０℃から４００℃に変更して磁場強度１ｋＯｅの条件で５時間アニール処理し、固定磁性層３と反強磁性層２の磁化を固定した。
実施例１における反強磁性層２のＰｔ５１ａｔ％Ｃｒ４９ａｔ％（２８０）／Ｐｔ５０ａｔ％Ｍｎ５０ａｔ％（２０）をＰｔ５４ａｔ％Ｃｒ４６ａｔ％（２８０）／Ｐｔ５０ａｔ％Ｍｎ５０ａｔ％（１０）に変えた交換結合膜４０を形成し、温度を実施例１の３５０℃から４００℃に変更して磁場強度１ｋＯｅの条件で５時間アニール処理し、固定磁性層３と反強磁性層２の磁化を固定した。
（実施例４）
実施例１における反強磁性層２のＰｔ５１ａｔ％Ｃｒ４９ａｔ％（２８０）／Ｐｔ５０ａｔ％Ｍｎ５０ａｔ％（２０）をＰｔ５４ａｔ％Ｃｒ４６ａｔ％（２８０）／Ｐｔ５０ａｔ％Ｍｎ５０ａｔ％（２０）に変えた交換結合膜４０を形成し、温度を実施例１の３５０℃から４００℃に変更して、固定磁性層３と反強磁性層２の磁化を固定した。
実施例１における反強磁性層２のＰｔ５１ａｔ％Ｃｒ４９ａｔ％（２８０）／Ｐｔ５０ａｔ％Ｍｎ５０ａｔ％（２０）をＰｔ５４ａｔ％Ｃｒ４６ａｔ％（２８０）／Ｐｔ５０ａｔ％Ｍｎ５０ａｔ％（２０）に変えた交換結合膜４０を形成し、温度を実施例１の３５０℃から４００℃に変更して、固定磁性層３と反強磁性層２の磁化を固定した。
（比較例１）
実施例１における反強磁性層２のＰｔ５１ａｔ％Ｃｒ４９ａｔ％（２８０）／Ｐｔ５０ａｔ％Ｍｎ５０ａｔ％（２０）をＰｔ５０ａｔ％Ｍｎ５０ａｔ％（３００）に変えた交換結合膜４０を形成し、アニール処理の温度を実施例１の３５０℃から４００℃に変更して磁場強度１ｋＯｅの条件で５時間アニール処理し、固定磁性層３と反強磁性層２の磁化を固定した。
実施例１における反強磁性層２のＰｔ５１ａｔ％Ｃｒ４９ａｔ％（２８０）／Ｐｔ５０ａｔ％Ｍｎ５０ａｔ％（２０）をＰｔ５０ａｔ％Ｍｎ５０ａｔ％（３００）に変えた交換結合膜４０を形成し、アニール処理の温度を実施例１の３５０℃から４００℃に変更して磁場強度１ｋＯｅの条件で５時間アニール処理し、固定磁性層３と反強磁性層２の磁化を固定した。
（比較例２）
実施例１における反強磁性層２のＰｔ５１ａｔ％Ｃｒ４９ａｔ％（２８０）／Ｐｔ５０ａｔ％Ｍｎ５０ａｔ％（２０）をＩｒ２０ａｔ％Ｍｎ８０ａｔ％（８０）に変えた交換結合膜４０を形成し、温度を実施例１の３５０℃から４００℃に変更して磁場強度１ｋＯｅの条件で５時間アニール処理し、固定磁性層３と反強磁性層２の磁化を固定した。
実施例１における反強磁性層２のＰｔ５１ａｔ％Ｃｒ４９ａｔ％（２８０）／Ｐｔ５０ａｔ％Ｍｎ５０ａｔ％（２０）をＩｒ２０ａｔ％Ｍｎ８０ａｔ％（８０）に変えた交換結合膜４０を形成し、温度を実施例１の３５０℃から４００℃に変更して磁場強度１ｋＯｅの条件で５時間アニール処理し、固定磁性層３と反強磁性層２の磁化を固定した。
（比較例３）
実施例１における反強磁性層２のＰｔ５１ａｔ％Ｃｒ４９ａｔ％（２８０）／Ｐｔ５０ａｔ％Ｍｎ５０ａｔ％（２０）をＰｔ５１ａｔ％Ｃｒ４９ａｔ％（３００）に変えた交換結合膜４０を形成し、温度を実施例１の３５０℃から４００℃に変更して磁場強度１ｋＯｅの条件で５時間アニール処理し、固定磁性層３と反強磁性層２の磁化を固定した。
実施例１における反強磁性層２のＰｔ５１ａｔ％Ｃｒ４９ａｔ％（２８０）／Ｐｔ５０ａｔ％Ｍｎ５０ａｔ％（２０）をＰｔ５１ａｔ％Ｃｒ４９ａｔ％（３００）に変えた交換結合膜４０を形成し、温度を実施例１の３５０℃から４００℃に変更して磁場強度１ｋＯｅの条件で５時間アニール処理し、固定磁性層３と反強磁性層２の磁化を固定した。
実施例１〜４および比較例１〜３の交換結合膜４０について、温度の変化に伴うＨｅｘの変化を測定した結果を表１〜３に示す。表１〜表３には、ＶＳＭ（振動試料型磁力計）を用いて、各実施例・比較例に係る交換結合膜の各温度における磁化曲線を測定し、得られたヒステリシスループから求めた交換結合磁界Ｈｅｘ（単位：Ｏｅ）、および各温度におけるＨｅｘを室温のＨｅｘで除して得られた規格化Ｈｅｘを示している。
図７は、実施例１〜４および比較例１〜３の交換結合膜４０の温度とＨｅｘとの関係を示すグラフである。表１〜３をまとめた図７のグラフに示されるように、実施例１〜４の交換結合膜４０は、高温条件下におけるＨｅｘの値が高かった。
図８は図７の交換結合膜の各温度におけるＨｅｘを室温のＨｅｘで除して得られた規格化Ｈｅｘを示すグラフである。同図に示すように、実施例１〜４の交換結合膜４０は、３００℃の高温環境下におけるＨｅｘが室温におけるＨｅｘの約７５〜８５％であり、室温からの減少割合が小さかった。
図７および図８のグラフに示すように、反強磁性層２としてＰｔＣｒ層とＰｔＭｎ層とを備える実施例１〜４の交換結合膜４０は、ＰｔＭｎ、ＩｒＭｎまたはＰｔＣｒ層のみからなる反強磁性層２を備える比較例１〜３の交換結合膜４０と比較して、室温および高温条件下におけるＨｅｘの値が高く、かつ、温度の上昇に伴うＨｅｘの減少割合が小さかった。
（実施例５）
以下の構成を備えた以下の交換結合膜を形成し、磁場強度１ｋＯｅ、温度３５０℃の条件で２０時間アニール処理し、固定磁性層３と反強磁性層２の磁化を固定した。
基板／下地層１：ＮｉＦｅＣｒ（４２）／非磁性材料層４：［Ｃｕ（４０）／Ｒｕ（１０）］／固定磁性層３：Ｃｏ６０ａｔ％Ｆｅ４０ａｔ％（１００）／反強磁性層２：Ｐｔ５０ａｔ％Ｍｎ５０ａｔ％（１２）／Ｐｔ５１ａｔ％Ｃｒ４９ａｔ％（２８０）／保護層６：Ｔａ（９０）
以下の構成を備えた以下の交換結合膜を形成し、磁場強度１ｋＯｅ、温度３５０℃の条件で２０時間アニール処理し、固定磁性層３と反強磁性層２の磁化を固定した。
基板／下地層１：ＮｉＦｅＣｒ（４２）／非磁性材料層４：［Ｃｕ（４０）／Ｒｕ（１０）］／固定磁性層３：Ｃｏ６０ａｔ％Ｆｅ４０ａｔ％（１００）／反強磁性層２：Ｐｔ５０ａｔ％Ｍｎ５０ａｔ％（１２）／Ｐｔ５１ａｔ％Ｃｒ４９ａｔ％（２８０）／保護層６：Ｔａ（９０）
（実施例６）
実施例５における反強磁性層２のＰｔ５０ａｔ％Ｍｎ５０ａｔ％（１２）／Ｐｔ５１ａｔ％Ｃｒ４９ａｔ％（２８０）をＰｔ５０ａｔ％Ｍｎ５０ａｔ％（１８）／Ｐｔ５１ａｔ％Ｃｒ４９ａｔ％（２８０）に変えた交換結合膜を形成し、実施例５同様、磁場強度１ｋＯｅ、温度３５０℃の条件で２０時間アニール処理し、固定磁性層３と反強磁性層２の磁化を固定した。
実施例５における反強磁性層２のＰｔ５０ａｔ％Ｍｎ５０ａｔ％（１２）／Ｐｔ５１ａｔ％Ｃｒ４９ａｔ％（２８０）をＰｔ５０ａｔ％Ｍｎ５０ａｔ％（１８）／Ｐｔ５１ａｔ％Ｃｒ４９ａｔ％（２８０）に変えた交換結合膜を形成し、実施例５同様、磁場強度１ｋＯｅ、温度３５０℃の条件で２０時間アニール処理し、固定磁性層３と反強磁性層２の磁化を固定した。
実施例５〜６の交換結合膜について、ＶＳＭ（振動試料型磁力計）を用いて、交換結合磁界Ｈｅｘ（単位：Ｏｅ）を測定し、室温のＨｅｘで除して得られた規格化Ｈｅｘを表４に示す。
図９は、実施例１〜６の交換結合膜の各温度におけるＨｅｘを室温のＨｅｘで除して得られた規格化Ｈｅｘを示すグラフである。表４の結果をまとめた同グラフに示すように、固定磁性層３としてＣｏ６０ａｔ％Ｆｅ４０ａｔ％を用いた実施例５〜６は、固定磁性層３として、Ｃｏ９０ａｔ％Ｆｅ１０ａｔ％を用いた実施例１〜４同様、高温安定性が良好なものあった。
（実施例７）
固定磁性層３中のＦｅ量Ｘ（ａｔ％）を０，１０，２０，３０，４０，５０，６０，７０，８０，９０および１００に変化させて、以下の構成を備えた交換結合膜を形成し、温度３５０℃、磁場強度１ｋＯｅの条件で２０時間アニール処理し、固定磁性層３と反強磁性層２の磁化を固定した。
基板／下地層１：ＮｉＦｅＣｒ（４０）／非磁性中間層４：［Ｃｕ（４０）／Ｒｕ（１０）］／固定磁性層３：Ｃｏ（１００−Ｘａｔ％）ＦｅＸａｔ％（５０）／反強磁性層２：Ｐｔ４８ａｔ％Ｍｎ５２ａｔ％（２０）／Ｐｔ５１ａｔ％Ｃｒ４９ａｔ％（２８０）／保護層６：Ｔａ（５０）
固定磁性層３中のＦｅ量Ｘ（ａｔ％）を０，１０，２０，３０，４０，５０，６０，７０，８０，９０および１００に変化させて、以下の構成を備えた交換結合膜を形成し、温度３５０℃、磁場強度１ｋＯｅの条件で２０時間アニール処理し、固定磁性層３と反強磁性層２の磁化を固定した。
基板／下地層１：ＮｉＦｅＣｒ（４０）／非磁性中間層４：［Ｃｕ（４０）／Ｒｕ（１０）］／固定磁性層３：Ｃｏ（１００−Ｘａｔ％）ＦｅＸａｔ％（５０）／反強磁性層２：Ｐｔ４８ａｔ％Ｍｎ５２ａｔ％（２０）／Ｐｔ５１ａｔ％Ｃｒ４９ａｔ％（２８０）／保護層６：Ｔａ（５０）
（実施例８）
実施例７と同じ交換結合膜を形成し、温度を実施例７の３５０℃から４００℃に変えて磁場強度１ｋＯｅの条件で２０時間アニール処理し、固定磁性層３と反強磁性層２の磁化を固定した。
実施例７と同じ交換結合膜を形成し、温度を実施例７の３５０℃から４００℃に変えて磁場強度１ｋＯｅの条件で２０時間アニール処理し、固定磁性層３と反強磁性層２の磁化を固定した。
（比較例４）
固定磁性層３中のＦｅ量Ｘ（ａｔ％）を０，１０，２０，３０，４０，５０，６０，７０，８０，９０および１００に変化させて、以下の構成を備えた交換結合膜を形成し、温度３５０℃、磁場強度１ｋＯｅの条件で２０時間アニール処理し、固定磁性層３と反強磁性層２の磁化を固定した。
基板／下地層１：ＮｉＦｅＣｒ（４０）／非磁性中間層４：［Ｃｕ（４０）／Ｒｕ（１０）］／固定磁性層３：Ｃｏ（１００−Ｘａｔ％）ＦｅＸａｔ％（５０）／反強磁性層２：Ｉｒ２２ａｔ％Ｍｎ７８ａｔ％（８０）／保護層６：Ｔａ（５０）
固定磁性層３中のＦｅ量Ｘ（ａｔ％）を０，１０，２０，３０，４０，５０，６０，７０，８０，９０および１００に変化させて、以下の構成を備えた交換結合膜を形成し、温度３５０℃、磁場強度１ｋＯｅの条件で２０時間アニール処理し、固定磁性層３と反強磁性層２の磁化を固定した。
基板／下地層１：ＮｉＦｅＣｒ（４０）／非磁性中間層４：［Ｃｕ（４０）／Ｒｕ（１０）］／固定磁性層３：Ｃｏ（１００−Ｘａｔ％）ＦｅＸａｔ％（５０）／反強磁性層２：Ｉｒ２２ａｔ％Ｍｎ７８ａｔ％（８０）／保護層６：Ｔａ（５０）
実施例７〜８および比較例４の交換結合膜について、ＶＳＭ（振動試料型磁力計）を用いて、交換結合磁界Ｈｅｘ（単位：Ｏｅ）を測定した結果を表５に示し単位面積あたりの交換結合エネルギー（ｅｒｇ／ｃｍ２）を表６に示す。
図１０および図１１は、実施例７〜８と比較例４の交換結合膜の交換結合磁界Ｈｅｘ（Ｏｅ）および交換結合エネルギー（ｅｒｇ／ｃｍ２）を示すグラフである。表５および表６をまとめたこれらのグラフに示すように、反強磁性層２としてＰｔ４８ａｔ％Ｍｎ５２ａｔ％（２０）／Ｐｔ５１ａｔ％Ｃｒ４９ａｔ％（２８０）を用いた交換結合膜は、固定磁性層３としてＣｏ（１００−Ｘａｔ％）ＦｅＸａｔ％（５０）（Ｘ＝０〜１００）を用いた場合でも、交換結合磁界Ｈｅｘおよび交換結合エネルギーが高くなることが分かった。このように、ＰｔＣｒ層とＸＭｎ層（ただし、ＸはＰｔまたはＩｒ）とからなる反強磁性層２を用いることにより、固定磁性層３として種々の金属を用いて、交換結合磁界Ｈｅｘが高い交換結合膜１０が得られる。したがって、例えば磁歪等の性質を優先して、固定磁性層３として用いるＣｏＦｅ合金を決定することができるから、交換結合膜１０は設計上の自由度が高い。
１ ：下地層
２ ：反強磁性層
２Ａ ：ＰｔＣｒ層
２Ｂ ：ＸＭｎ層
３ ：固定磁性層
３Ａ ：第１磁性層
３Ｂ ：非磁性中間層
３Ｃ ：第２磁性層
４ ：非磁性材料層
５ ：フリー磁性層
６ ：保護層
１０，２０，４０：交換結合膜
１１，１１Ｘａ,１１Ｘｂ，１１Ｙａ，１１Ｙｂ：磁気検出素子
１２ ：素子部
１３ａ，１３ｂ：導電部
１４ａ，１４ｂ：接続端子
２１ ：磁気検出素子（磁気抵抗効果素子）
３０ ：磁気センサ（磁気検出装置）
３２Ｘ ：フルブリッジ回路
３２Ｘａ，３２Ｙａ：第１の直列部
３２Ｘｂ，３２Ｙｂ：第２の直列部
３２Ｙ ：フルブリッジ回路
３３ ：電源端子
３４ ：接地端子
３５Ｘａ，３５Ｘｂ，３５Ｙａ，３５Ｙｂ：中点
Ｄ１，Ｄ２：膜厚
ＧＮＤ ：接地電位
Ｈ ：外部磁場
Ｈｅｘ ：交換結合磁界
Ｍ ：磁化
Ｐ，Ｐ１，Ｐ２：固定磁化方向
Ｖｄｄ ：電源電圧
２ ：反強磁性層
２Ａ ：ＰｔＣｒ層
２Ｂ ：ＸＭｎ層
３ ：固定磁性層
３Ａ ：第１磁性層
３Ｂ ：非磁性中間層
３Ｃ ：第２磁性層
４ ：非磁性材料層
５ ：フリー磁性層
６ ：保護層
１０，２０，４０：交換結合膜
１１，１１Ｘａ,１１Ｘｂ，１１Ｙａ，１１Ｙｂ：磁気検出素子
１２ ：素子部
１３ａ，１３ｂ：導電部
１４ａ，１４ｂ：接続端子
２１ ：磁気検出素子（磁気抵抗効果素子）
３０ ：磁気センサ（磁気検出装置）
３２Ｘ ：フルブリッジ回路
３２Ｘａ，３２Ｙａ：第１の直列部
３２Ｘｂ，３２Ｙｂ：第２の直列部
３２Ｙ ：フルブリッジ回路
３３ ：電源端子
３４ ：接地端子
３５Ｘａ，３５Ｘｂ，３５Ｙａ，３５Ｙｂ：中点
Ｄ１，Ｄ２：膜厚
ＧＮＤ ：接地電位
Ｈ ：外部磁場
Ｈｅｘ ：交換結合磁界
Ｍ ：磁化
Ｐ，Ｐ１，Ｐ２：固定磁化方向
Ｖｄｄ ：電源電圧
Claims (7)
- 反強磁性層と固定磁性層とが積層され、
前記反強磁性層はＰｔＣｒ層とＸＭｎ層（ただし、ＸはＰｔまたはＩｒ）とからなり、
前記ＸＭｎ層が前記固定磁性層に接しており、
前記固定磁性層が鉄、コバルト、コバルト・鉄合金またはニッケル・鉄合金であることを特徴とする交換結合膜。 - 反強磁性層と固定磁性層とが積層され、
前記反強磁性層はＰｔＣｒ層とＸＭｎ層（ただし、ＸはＰｔまたはＩｒ）とからなり、
前記ＸＭｎ層が前記固定磁性層に接しており、
前記固定磁性層は、第１磁性層と中間層と第２磁性層とが積層されたセルフピン止め構造であり、
前記第１磁性層および前記第２磁性層が鉄、コバルト、コバルト・鉄合金またはニッケル・鉄合金であることを特徴とする交換結合膜。 - 前記ＰｔＣｒ層の膜厚は、前記ＸＭｎ層の膜厚よりも大きい請求項１または２に記載の交換結合膜。
- 前記ＰｔＣｒ層の膜厚と前記ＸＭｎ層の膜厚との比は、５：１〜１００：１である請求項３に記載の交換結合膜。
- 請求項１〜４のいずれか１項に記載の交換結合膜とフリー磁性層とが積層されていることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
- 請求項５に記載の前記磁気抵抗効果素子を複数備えていることを特徴とする磁気検出装置。
- 同一基板上に請求項５に記載の前記磁気抵抗効果素子を複数備えており、
複数の前記磁気抵抗効果素子には、固定磁化方向が異なるものが含まれている請求項６に記載の磁気検出装置。
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