WO2019065690A1 - 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

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 Download PDF

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正路 齋藤
文人 小池
広明 遠藤
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アルプスアルパイン株式会社
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    • H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F10/324—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
    • H01F10/329—Spin-exchange coupled multilayers wherein the magnetisation of the free layer is switched by a spin-polarised current, e.g. spin torque effect
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F10/324—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
    • H01F10/3268—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the exchange coupling being asymmetric, e.g. by use of additional pinning, by using antiferromagnetic or ferromagnetic coupling interface, i.e. so-called spin-valve [SV] structure, e.g. NiFe/Cu/NiFe/FeMn
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    • H01F10/3272—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the exchange coupling being asymmetric, e.g. by use of additional pinning, by using antiferromagnetic or ferromagnetic coupling interface, i.e. so-called spin-valve [SV] structure, e.g. NiFe/Cu/NiFe/FeMn by use of anti-parallel coupled [APC] ferromagnetic layers, e.g. artificial ferrimagnets [AFI], artificial [AAF] or synthetic [SAF] anti-ferromagnets
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/0094—Sensor arrays

Definitions

  • the present invention relates to a exchange coupling film and a magnetoresistive effect element and a magnetic detection device using the same.
  • the exchange coupling film provided with the antiferromagnetic layer and the fixed magnetic layer is used as a magnetoresistive effect element or a magnetic detection device.
  • Patent Document 1 describes that, in a magnetic recording medium, an exchange coupling film can be configured by combining a Co alloy as a ferromagnetic layer and various alloys as an antiferromagnetic layer.
  • the antiferromagnetic layer alloys such as CoMn, NiMn, PtMn, and PtCr are exemplified.
  • the magnetic detection device needs to reflow (melt) the solder when mounting the magnetic effect element on the substrate, and may be used in a high temperature environment such as the periphery of the engine. Therefore, the exchange coupling film used in the magnetic detection device has a large magnetic field (Hex) in which the direction of magnetization of the pinned magnetic layer is reversed to enable detection of the magnetic field in a wide dynamic range, and stability under high temperature conditions It is preferable that the property is high. Since Patent Document 1 relates to an exchange coupling film used as a magnetic recording medium, the stability under high temperature conditions of a magnetic detection device using the exchange coupling film is not described.
  • the present invention is an exchange coupling film which has a large magnetic field (Hex) in which the direction of magnetization of the pinned magnetic layer is reversed, and therefore has high stability under high temperature conditions, and excellent resistance to a strong magnetic field, and a magnetoresistance effect element using the same. And provide a magnetic detection device.
  • Hex large magnetic field
  • an antiferromagnetic layer and a pinned magnetic layer are stacked, and the antiferromagnetic layer is a PtCr layer and an XMn layer (where X is Pt or Ir). And the XMn layer is in contact with the pinned magnetic layer, and the pinned magnetic layer is an iron, cobalt, cobalt-iron alloy or nickel-iron alloy.
  • an antiferromagnetic layer and a pinned magnetic layer are stacked, and the antiferromagnetic layer comprises a PtCr layer and an XMn layer (wherein X is Pt or Ir), and the XMn layer.
  • the antiferromagnetic layer comprises a PtCr layer and an XMn layer (wherein X is Pt or Ir), and the XMn layer.
  • the pinned magnetic layer is a self-pinning structure in which a first magnetic layer, an intermediate layer, and a second magnetic layer are stacked, and the first magnetic layer and the second magnetic layer
  • the present invention provides an exchange coupled membrane in which is iron, cobalt, cobalt-iron alloy or nickel-iron alloy.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining the hysteresis loop of the magnetization curve of the exchange coupling film according to the present invention.
  • the shape is shifted along the H axis according to the size of Hex.
  • the direction of magnetization is less likely to reverse even if an external magnetic field is applied, so the resistance to a strong magnetic field becomes better.
  • the antiferromagnetic layer is composed of a PtCr layer and an XMn layer (where X is Pt or Ir), in particular, Hex in a high temperature environment becomes large. Therefore, the exchange coupling film according to the present invention has excellent resistance to a strong magnetic field in a high temperature environment.
  • the antiferromagnetic layer according to the present invention has a kind of composition of the pinned magnetic layer in which the exchange coupling magnetic field Hex can be appropriately generated. It is diverse and the composition range is wide. Specifically, not only cobalt-iron alloy (CoFe alloy) or nickel-iron alloy (NiFe alloy) but also iron (Fe) and cobalt (Co) can be used as a material constituting the pinned magnetic layer it can. Therefore, it is realized to increase the design freedom of the pinned magnetic layer.
  • iron (Fe) and cobalt (Co) and alloys having compositions close to these metals are compared with alloys of other compositions (for example, 40CoFe).
  • alloys of other compositions for example, 40CoFe.
  • the film thickness of the PtCr layer may be larger than the film thickness of the XMn layer.
  • the ratio of the total thickness of the PtCr layer to the total thickness of the PtMn layer and the IrMn layer may be preferably 5: 1 to 100: 1.
  • a magnetoresistive effect element in which the above-mentioned exchange coupling film and free magnetic layer are stacked.
  • a magnetic detection device including the above-described magnetoresistive element.
  • the above-described magnetic detection device may include a plurality of the magnetoresistive elements on the same substrate, and the plurality of magnetoresistive elements may include ones having different fixed magnetization directions.
  • the present invention it is possible to provide an exchange coupled film which has improved stability under high temperature conditions and which is excellent in high magnetic field resistance. Therefore, by using the magnetoresistive element in which the exchange coupling film of the present invention and the free magnetic layer are stacked, a stable magnetic detection device can be obtained even under high temperature environment or strong magnetic field environment. . In addition, since various metals can be used as the pinned magnetic layer, the degree of freedom in designing according to the properties required of the magnetic detection device is high.
  • FIG. 1 shows the film configuration of a magnetic detection element 11 using the exchange coupling film 10 according to the first embodiment of the present invention.
  • the magnetic detection element 11 is formed by laminating the underlayer 1, the antiferromagnetic layer 2, the pinned magnetic layer 3, the nonmagnetic material layer 4, the free magnetic layer 5, and the protective layer 6 in this order from the surface of the substrate.
  • the antiferromagnetic layer 2 is composed of a PtCr layer 2A and an XMn layer (where X is Pt or Ir) 2B layer, and the XMn layer 2B is in contact with the pinned magnetic layer 3. These layers are formed, for example, by a sputtering process or a CVD process.
  • the antiferromagnetic layer 2 and the pinned magnetic layer 3 are the exchange coupling film 10 of the first embodiment of the present invention.
  • the magnetic detection element 11 is a stacked element using a so-called single spin valve type giant magnetoresistance effect (GMR effect), and a magnetization which changes according to the vector of the fixed magnetization of the fixed magnetic layer 3 and the external magnetic field of the free magnetic layer 5 The electrical resistance changes in relation to the vector of.
  • GMR effect giant magnetoresistance effect
  • the underlayer 1 is formed of a NiFeCr alloy (nickel, iron, chromium alloy), Cr, Ta or the like.
  • a NiFeCr alloy is preferable.
  • the antiferromagnetic layer 2 has a laminated structure composed of a PtCr layer 2A and an XMn layer 2B (where X is Pt or Ir).
  • the film thickness D1 of the PtCr layer 2A of the antiferromagnetic layer 2 is preferably larger than the film thickness D2 of the XMn layer 2B.
  • the ratio (D1: D2) of the film thickness D1 to the film thickness D2 is more preferably 5: 1 to 100: 1, and still more preferably 10: 1 to 50: 1.
  • the PtCr layer 2A is preferably Pt X Cr 100-X (X is 45 at% or more and 62 at% or less), and Pt X Cr 100-X (X is 50 at% or more and 57 at% or less) It is more preferable that From the same viewpoint, the XMn layer 2B is preferably a PtMn layer.
  • the antiferromagnetic layer 2 is annealed to be ordered, and exchange coupling occurs with the pinned magnetic layer 3 (interface).
  • the magnetic field based on exchange coupling raises Hex of the exchange coupling film 10 and improves resistance to a strong magnetic field.
  • the pinned magnetic layer 3 is formed of Fe (iron), Co (cobalt), a CoFe alloy (cobalt-iron alloy) or a NiFe alloy (nickel-iron alloy).
  • the CoFe alloy and the NiFe alloy have high coercivity by increasing the content of Fe.
  • the pinned magnetic layer 3 is a layer that contributes to the spin valve type giant magnetoresistance effect, and the direction in which the pinned magnetization direction P of the pinned magnetic layer 3 extends is the sensitivity axis direction of the magnetic detection element 11.
  • the exchange coupling film 10 can obtain high Hex regardless of the Fe content ratio in the pinned magnetic layer 3. This is because the antiferromagnetic layer 2 having the above-described laminated structure exchange-couples with various types of ferromagnetic materials.
  • FIG. 12 is a graph showing the relationship between the amount of Fe (at%) in a CoFe alloy and the saturation magnetostriction constant (quoted from OVA uwers and H. Neumann. Wiss. Verojack, Siemens 14 (1935) 93.). As shown in this graph, the CoFe alloy differs in magnetostriction due to the difference in composition.
  • the saturation magnetostriction constant is positive
  • the magnetization of the magnetic film tends to be directed in the direction of the tensile stress by (magnetostriction constant ⁇ stress). The reason is that the energy is reduced by (magnetostriction constant ⁇ stress).
  • the magnetic film with no magnetostriction does not generate an energy difference due to stress no matter what stress is applied, so the stress resistance is strong. Since various stresses are applied to the elements of the magnetic sensor, low magnetostriction is often preferred so that the magnetization direction does not change due to the stress.
  • the exchange coupling film 10 can use various types of metals (specifically, pure iron (Fe) and pure cobalt (Co) are exemplified) and alloys as the pinned magnetic layer 3. Because of this, the range of choices of materials that can be used is excellent, and the design freedom is higher than that of the prior art.
  • the nonmagnetic material layer 4 can be formed using Cu (copper), Ru (ruthenium) or the like.
  • the material and structure of the free magnetic layer 5 are not limited, for example, CoFe alloy (cobalt-iron alloy), NiFe alloy (nickel-iron alloy), etc. can be used as the material, and a single layer structure is used. , A laminated structure, a laminated ferri structure or the like.
  • the protective layer 6 can be formed using Ta (tantalum) or the like.
  • an alloy layer such as the PtCr layer 2A of the exchange coupling film 10
  • plural kinds of metals (Pt and Cr in the case of the PtCr layer 2A) forming the alloy may be simultaneously supplied.
  • a plurality of metals that form an alloy may be alternately supplied.
  • a specific example of the former includes simultaneous sputtering of a plurality of types of metals forming an alloy, and a specific example of the latter includes alternate lamination of different types of metal layers. Simultaneous delivery of multiple metals forming an alloy may be preferable to enhancing Hex over alternating delivery.
  • FIG. 2 is an explanatory view showing a film configuration of a magnetic detection element (magnetoresistive element) 21 using the exchange coupling film 20 of the second embodiment of the present invention.
  • the magnetic detection element 21 of the second embodiment shown in FIG. 2 is different from the magnetic detection element 11 of FIG. 1 in that the exchange coupling film 20 has a pinned magnetic layer 3 and an antiferromagnetic layer 2 with a self-pinned structure. And the nonmagnetic material layer 4 and the free magnetic layer 5 are formed closer to the underlayer 1 than the pinned magnetic layer 3 is.
  • the magnetic detection element 21 is also a laminated element using a so-called single spin valve type giant magnetoresistance effect.
  • the electrical resistance changes due to the relative relationship between the vector of the fixed magnetization of the first magnetic layer 3A of the fixed magnetic layer 3 and the vector of the magnetization changed by the external magnetic field of the free magnetic layer 5.
  • the pinned magnetic layer 3 has a self-pinned structure including a first magnetic layer 3A and a second magnetic layer 3C, and a nonmagnetic intermediate layer 3B located between these two layers.
  • the fixed magnetization direction P1 of the first magnetic layer 3A and the fixed magnetization direction P2 of the second magnetic layer 3C are antiparallel due to the interaction.
  • the fixed magnetization direction P ⁇ b> 1 of the first magnetic layer 3 ⁇ / b> A adjacent to the nonmagnetic material layer 4 is the fixed magnetization direction of the fixed magnetic layer 3.
  • the direction in which the fixed magnetization direction P1 extends is the sensitivity axis direction of the magnetic detection element 11.
  • the first magnetic layer 3A and the second magnetic layer 3C are formed of Fe (iron), Co (cobalt), a CoFe alloy (iron-cobalt alloy) or a NiFe alloy (nickel-iron alloy).
  • the CoFe alloy and the NiFe alloy have high coercivity by increasing the content of Fe.
  • the first magnetic layer 3A adjacent to the nonmagnetic material layer 4 is a layer that contributes to the spin valve type giant magnetoresistance effect.
  • the nonmagnetic intermediate layer 3B is formed of Ru (ruthenium) or the like.
  • the film thickness of the nonmagnetic intermediate layer 3B made of Ru is preferably 3 to 5 ⁇ or 8 to 10 ⁇ .
  • the selection range of materials that can be used as the first magnetic layer 3A and the second magnetic layer 3C in the pinned magnetic layer 3 of the self-pinned structure of the present embodiment is wide, and the design freedom is greater than in the prior art as in the first embodiment. high.
  • FIG. 3 shows a magnetic sensor (magnetic detection device) 30 in which the magnetic detection elements 11 shown in FIG. 1 are combined.
  • the magnetic detection elements 11 having different fixed magnetization directions P are distinguished by adding different reference numerals 11Xa, 11Xb, 11Ya and 11Yb.
  • the magnetic detection elements 11Xa, 11Xb, 11Ya and 11Yb are provided on the same substrate.
  • the magnetic sensor 30 shown in FIG. 3 has a full bridge circuit 32X and a full bridge circuit 32Y, and has a plurality of magnetic detection elements 11 (see FIG. 1) on the same substrate.
  • the full bridge circuit 32X includes two magnetic detection elements 11Xa and two magnetic detection elements 11Xb
  • the full bridge circuit 32Y includes two magnetic detection elements 11Ya and two magnetic detection elements 11Yb.
  • Each of the magnetic detection elements 11Xa, 11Xb, 11Ya, and 11Yb has the film structure of the exchange coupling film 10 of the magnetic detection element 11 shown in FIG. In the case where these are not particularly distinguished, they are hereinafter referred to as the magnetic detection element 11 as appropriate.
  • the full bridge circuit 32X and the full bridge circuit 32Y use the magnetic detection elements 11 having different fixed magnetization directions indicated by arrows in FIG. 3 in order to make the detection magnetic field directions different, and detect the magnetic field.
  • the mechanism is the same. Therefore, hereinafter, a mechanism for detecting a magnetic field using the full bridge circuit 32X will be described.
  • the full bridge circuit 32X is configured by connecting a first series unit 32Xa and a second series unit 32Xb in parallel.
  • the first series portion 32Xa is formed by connecting the magnetic detection element 11Xa and the magnetic detection element 11Xb in series, and the second serial portion 32Xb is connected in series the magnetic detection element 11Xb and the magnetic detection element 11Xa Is configured.
  • the power supply voltage Vdd is applied to the common power supply terminal 33 to the magnetic detection element 11Xa constituting the first serial portion 32Xa and the magnetic detection element 11Xb constituting the second serial portion 32Xb.
  • the ground terminal 34 common to the magnetic detection element 11Xb constituting the first serial portion 32Xa and the magnetic detection element 11Xa constituting the second serial portion 32Xb is set to the ground potential GND.
  • the differential output (OutX1) of the output potential (OutX1) of the midpoint 35Xa of the first series section 32Xa constituting the full bridge circuit 32X and the output potential (OutX2) of the midpoint 35Xb of the second series section 32Xb (OutX2) is obtained as a detection output (detection output voltage) VXs in the X direction.
  • the full bridge circuit 32Y also operates in the same manner as the full bridge circuit 32X, and thereby the output potential (OutY1) of the middle point 35Ya of the first series portion 32Ya and the output potential of the middle point 35Yb of the second series portion 32Yb ( A differential output (OutY1)-(OutY2) with OutY2) is obtained as a detection output (detection output voltage) VYs in the Y direction.
  • the axial directions are orthogonal to each other.
  • the direction of the free magnetic layer 5 of each of the magnetic detection elements 11 changes so as to follow the direction of the external magnetic field H.
  • the resistance value changes due to the relationship between the fixed magnetization direction P of the fixed magnetic layer 3 and the magnetization direction of the free magnetic layer 5.
  • the external magnetic field H acts in the direction shown in FIG. 3, in the magnetic detection element 11Xa constituting the full bridge circuit 32X, the direction of the sensitivity axis and the direction of the external magnetic field H coincide with each other.
  • the detection output voltage VXs decreases. Then, when the external magnetic field H is upward or downward with respect to the sheet of FIG. 3, the detection output voltage VXs becomes zero.
  • the full bridge circuit 32Y when the external magnetic field H is directed left with respect to the paper surface as shown in FIG. 3, the magnetization direction of the free magnetic layer 5 is the sensitivity axis direction (fixed Because they are orthogonal to the magnetization direction P), the electric resistance values of the magnetic detection element 11 Ya and the magnetic detection element 11 Xb are the same. Thus, the sensed output voltage VYs is zero.
  • the detection output voltage VYs of the full bridge circuit 32Y (OutY1) ⁇ (OutY2) becomes maximal, and the external magnetic field H changes upward relative to the paper surface. Therefore, the detected output voltage VYs becomes lower.
  • the detection output voltages VXs and VYs of the full bridge circuit 32X and the full bridge circuit 32Y also fluctuate accordingly. Therefore, based on the detected output voltages VXs and VYs obtained from the full bridge circuit 32X and the full bridge circuit 32Y, it is possible to detect the moving direction and the moving amount (relative position) of the detection target.
  • FIG. 3 shows the magnetic sensor 30 configured to be capable of detecting magnetic fields in the X direction and in the Y direction orthogonal to the X direction.
  • the configuration may be such that only the full bridge circuit 32X or the full bridge circuit 32Y that detects only the magnetic field in the X direction or the Y direction is provided.
  • FIG. 4 shows a planar structure of the magnetic detection element 11Xa and the magnetic detection element 11Xb.
  • the BXa-BXb direction is the X direction.
  • the fixed magnetization direction P of the magnetic detection elements 11Xa and 11Xb is indicated by an arrow.
  • the fixed magnetization direction P is the X direction, which is opposite to each other.
  • the magnetic detection element 11 ⁇ / b> Xa and the magnetic detection element 11 ⁇ / b> Xb each have a stripe-shaped element section 12.
  • the longitudinal direction of the element portion 12 is directed in the BYa-BYb direction.
  • a plurality of element parts 12 are arranged in parallel, the illustrated right end parts of the adjacent element parts 12 are connected via the conductive part 13a, and the illustrated right ends of the adjacent element parts 12 are connected via the conductive part 13b It is done.
  • the conductive portions 13a and 13b are alternately connected between the illustrated right end portion and the illustrated left end portion of the element unit 12, and the element unit 12 is connected in a so-called meander shape.
  • the conductive portion 13a in the lower right portion of the magnetic detection elements 11Xa and 11Xb is integrated with the connection terminal 14a, and the conductive portion 13b in the upper left portion is integrated with the connection terminal 14b.
  • Each element unit 12 is configured by laminating a plurality of metal layers (alloy layers). The laminated structure of the element unit 12 is shown in FIG. Each element unit 12 may have a laminated structure shown in FIG.
  • the magnetic detection element 11 can be replaced with the magnetic detection element 21 of the second embodiment shown in FIG.
  • FIG. 6 is an explanatory view for explaining the film configurations of the exchange coupling films 40 of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 3.
  • An exchange coupled film having the configuration shown in the figure was formed, and the relationship between temperature and Hex was measured.
  • Example 1 An exchange coupling film 40 having the following configuration was formed, and annealing was performed for 5 hours under the conditions of a temperature of 350 ° C. and a magnetic field strength of 1 kOe to fix the magnetizations of the pinned magnetic layer 3 and the antiferromagnetic layer 2.
  • numerical values in parentheses indicate film thickness ( ⁇ ).
  • Substrate / underlayer 1 NiFeCr (42) / antiferromagnetic layer 2: Pt 51 at% Cr 49 at% (280) / Pt 50 at% Mn 50 at% (20) / fixed magnetic layer 3: Co 90 at% Fe 10 at% ) / Protective layer 6: Ta (90)
  • Example 2 The exchange coupling film 40 having the same configuration as that of the first embodiment is annealed at a magnetic field intensity of 1 kOe for 5 hours while changing the temperature from 350 ° C. to 400 ° C. of the first embodiment, and the pinned magnetic layer 3 and the antiferromagnetic material The magnetization of layer 2 was fixed.
  • Example 3 Pt 51 at% Cr 49 at% (280) / Pt 50 at% Mn 50 at% (20) of the antiferromagnetic layer 2 in Example 1 to Pt 54 at% Cr 46 at% (280) / Pt 50 at% Mn 50 at% (10)
  • the exchange coupling film 40 was changed, and the temperature was changed from 350 ° C. to 400 ° C. in Example 1 and annealing was performed for 5 hours under the condition of a magnetic field intensity of 1 kOe to magnetize the pinned magnetic layer 3 and the antiferromagnetic layer 2 Fixed.
  • Example 4 Pt 51 at% Cr 49 at% (280) / Pt 50 at% Mn 50 at% (20) of the antiferromagnetic layer 2 in Example 1 to Pt 54 at% Cr 46 at% (280) / Pt 50 at% Mn 50 at% (20)
  • the changed exchange coupling film 40 was formed, and the temperature was changed from 350 ° C. to 400 ° C. in Example 1 to fix the magnetizations of the pinned magnetic layer 3 and the antiferromagnetic layer 2.
  • An exchange coupling film 40 is formed by changing Pt 51 at% Cr 49 at% (280) / Pt 50 at% Mn 50 at% (20) of the antiferromagnetic layer 2 in Example 1 to Pt 50 at% Mn 50 at% (300), The annealing temperature was changed from 350 ° C. to 400 ° C. in Example 1 and annealing was performed for 5 hours under the condition of a magnetic field intensity of 1 kOe to fix the magnetizations of the pinned magnetic layer 3 and the antiferromagnetic layer 2.
  • An exchange coupling film 40 is formed by changing Pt 51 at% Cr 49 at% (280) / Pt 50 at% Mn 50 at% (20) of the antiferromagnetic layer 2 in Example 1 to Ir 20 at% Mn 80 at% (80), The temperature was changed from 350 ° C. to 400 ° C. in Example 1, and annealing was performed for 5 hours under the condition of a magnetic field intensity of 1 kOe to fix the magnetizations of the pinned magnetic layer 3 and the antiferromagnetic layer 2.
  • An exchange coupling film 40 is formed by changing Pt 51 at% Cr 49 at% (280) / Pt 50 at% Mn 50 at% (20) of the antiferromagnetic layer 2 in Example 1 to Pt 51 at% Cr 49 at% (300), The temperature was changed from 350 ° C. to 400 ° C. in Example 1, and annealing was performed for 5 hours under the condition of a magnetic field intensity of 1 kOe to fix the magnetizations of the pinned magnetic layer 3 and the antiferromagnetic layer 2.
  • Tables 1 to 3 show the results of measurement of changes in Hex with changes in temperature for the exchange coupling films 40 of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 3.
  • the magnetization curve at each temperature of the exchange coupling film according to each example and comparative example was measured using a VSM (vibrating sample magnetometer), and the exchange determined from the obtained hysteresis loop
  • the combined magnetic field Hex (unit: Oe) and the normalized Hex obtained by dividing the Hex at each temperature by the room temperature are shown.
  • FIG. 7 is a graph showing the relationship between the temperature of the exchange coupling film 40 of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 3 and Hex. As shown in the graph of FIG. 7 in which Tables 1 to 3 are summarized, the exchange coupling films 40 of Examples 1 to 4 had high values of Hex under high temperature conditions.
  • FIG. 8 is a graph showing normalized Hex obtained by dividing Hex at each temperature of the exchange coupling membrane of FIG. 7 by Hex at room temperature.
  • Hex at a high temperature environment of 300 ° C. was about 75 to 85% of Hex at room temperature, and the rate of decrease from room temperature was small.
  • the exchange coupling film 40 of Examples 1 to 4 having PtCr layers and PtMn layers as the antiferromagnetic layer 2 is an antiferromagnetic material consisting of only PtMn, IrMn or PtCr layers.
  • the exchange coupling films 40 of Comparative Examples 1 to 3 including the layer 2 the value of Hex at room temperature and high temperature conditions was high, and the rate of decrease of Hex with the increase in temperature was small.
  • Example 5 The following exchange coupling film having the following configuration was formed, and annealing was performed for 20 hours under the conditions of a magnetic field strength of 1 kOe and a temperature of 350 ° C. to fix the magnetizations of the pinned magnetic layer 3 and the antiferromagnetic layer 2.
  • Substrate / underlayer 1 NiFeCr (42) / nonmagnetic material layer 4: [Cu (40) / Ru (10)] / fixed magnetic layer 3: Co 60 at% Fe 40 at% (100) / antiferromagnetic layer 2: Pt 50 at% Mn 50 at% (12) / Pt 51 at% Cr 49 at% (280) / Protective layer 6: Ta (90)
  • Example 6 Pt 50 at% Mn 50 at% (12) / Pt 51 at% Cr 49 at% (280) of the antiferromagnetic layer 2 in Example 5 to Pt 50 at% Mn 50 at% (18) / Pt 51 at% Cr 49 at% (280) An exchange-coupled film was formed, and annealing was performed for 20 hours under the conditions of a magnetic field intensity of 1 kOe and a temperature of 350 ° C. as in Example 5 to fix the magnetizations of the pinned magnetic layer 3 and the antiferromagnetic layer 2.
  • the exchange coupling magnetic field Hex (unit: Oe) is measured using a VSM (vibrating sample magnetometer), and the normalized Hex obtained by dividing by room temperature Hex is obtained. It is shown in Table 4.
  • FIG. 9 is a graph showing normalized Hex obtained by dividing Hex at each temperature of the exchange coupling membranes of Examples 1 to 6 by room temperature Hex. As shown in the same graph summarizing the results of Table 4, Examples 5 to 6 using Co 60 at% Fe 40 at% as the pinned magnetic layer 3 used Co 90 at% Fe 10 at% as the pinned magnetic layer 3. As in Examples 1 to 4, the high temperature stability was good.
  • Example 7 By changing the Fe content X (at%) in the pinned magnetic layer 3 to 0, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 and 100, an exchange coupling film having the following configuration is obtained. Annealing was performed for 20 hours under the conditions of a temperature of 350 ° C. and a magnetic field strength of 1 kOe to fix the magnetizations of the pinned magnetic layer 3 and the antiferromagnetic layer 2.
  • Substrate / underlayer 1 NiFeCr (40) / nonmagnetic interlayer 4: [Cu (40) / Ru (10)] / fixed magnetic layer 3: Co (100-Xat%) Fe Xat% (50) / anti-strong Magnetic layer 2: Pt 48 at% Mn 52 at% (20) / Pt 51 at% Cr 49 at% (280) / Protective layer 6: Ta (50)
  • Example 8 The same exchange coupling film as in Example 7 is formed, the temperature is changed from 350 ° C. to 400 ° C. in Example 7, annealing is performed for 20 hours under the condition of 1 kOe of magnetic field strength, and magnetizations of pinned magnetic layer 3 and antiferromagnetic layer 2 Fixed.
  • Substrate / underlayer 1 NiFeCr (40) / nonmagnetic interlayer 4: [Cu (40) / Ru (10)] / fixed magnetic layer 3: Co (100-Xat%) Fe Xat% (50) / anti-strong Magnetic layer 2: Ir 22 at% Mn 78 at% (80) / protective layer 6: Ta (50)
  • FIGS. 10 and 11 are graphs showing the exchange coupling magnetic field Hex (Oe) and the exchange coupling energy (erg / cm 2 ) of the exchange coupling films of Examples 7 to 8 and Comparative Example 4, respectively.
  • the antiferromagnetic layer 2 composed of the PtCr layer and the XMn layer (where X is Pt or Ir)
  • various metals can be used as the pinned magnetic layer 3 to achieve high exchange coupling magnetic field Hex.
  • the bonding film 10 is obtained. Therefore, for example, since the CoFe alloy used as the pinned magnetic layer 3 can be determined with priority given to properties such as magnetostriction, the exchange coupling film 10 has a high degree of freedom in design.

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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

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
　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。
特開２０００－２１５４３１号公報
　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。
　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。
　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。
本発明の第１の実施形態の交換結合膜１０の膜構成を示す説明図 本発明の第２の実施形態の交換結合膜２０の膜構成を示す説明図 本発明の実施形態の磁気センサ３０の回路ブロック図 磁気センサ３０に使用される磁気検出素子１１を示す平面図 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の説明図 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 実施例１～４および比較例１～３の交換結合膜の温度とＨｅｘとの関係を示すグラフ 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 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 実施例７～８および比較例４の交換結合膜のＨｅｘを示すグラフ 実施例７～８および比較例４の交換結合エネルギーを示すグラフ 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
＜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。
　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。
　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。
　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。
　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。
＜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。
（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。
（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。
（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１～４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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　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）
（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５～６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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　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）
（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。
（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）
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
　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

Claims (7)

  1. 　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。
  2. 　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。
  3. 　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。
  4. 　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。
  5. 　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。
  6. 　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。
  7. 　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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