CN106104828A - 磁传感器 - Google Patents

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Abstract

磁传感器(1)具备磁化固定层(20)、磁场检测层(40)、以及中间层(30)。所述磁化固定层形成为薄膜状，磁化方向被固定为与面内方向平行的方向。所述磁场检测层的磁化方向根据外部磁场而变化。所述中间层被配置在所述磁化固定层与所述磁场检测层之间，且电阻值根据所述磁化固定层的所述磁化方向与所述磁场检测层的所述磁化方向之间的角度而变化。所述磁场检测层的每单位面积的磁化量小于0.2[memu/cm2]。

Description

磁传感器
关联申请的相互引用
本申请基于在2014年2月26日提出申请的日本申请号2014-35811号，在此引用其记载内容。
技术领域
本申请涉及磁传感器。
背景技术
以往，在磁传感器中有下述的磁传感器，将包括固定层P、间隔层S、自由层F的磁阻效应膜，以及对自由层F施加偏置磁场的偏磁膜配置于相同基板上(例如，参照专利文献1)。
在该磁传感器中，通过从偏磁膜对自由层F赋予的偏置磁场，使自由层F的磁化的朝向稳定并返回初期状态，从而能够作为磁传感器扩大外部磁场的检测磁场范围。
然而，在专利文献1的磁传感器中存在如下课题：实际的检测磁场的范围停滞在2[mT](换言之，20[Oe])左右，不能应对此以上的更大的检测磁场的范围。
先行技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2006-66821号公报
发明内容
本申请的目的在于提供一种具有外部磁场的较大的检测磁场范围的磁传感器。
本申请的一方式所涉及的磁传感器具备磁化固定层、磁场检测层、以及中间层。所述磁化固定层形成为薄膜状，且磁化方向被固定为与面内方向平行的方向。所述磁场检测层的磁化方向根据外部磁场而变化。所述中间层被配置在所述磁化固定层与所述磁场检测层之间，且电阻值根据所述磁化固定层的所述磁化方向与所述磁场检测层的所述磁化方向之间的角度而变化。所述磁场检测层的每单位面积的磁化量小于0.2[memu/cm2]。
所述磁传感器能够具有外部磁场的较大的检测磁场范围。
附图说明
本申请的上述或其他的目的、构成、优点通过参照下述的附图且进行以下的详细说明而更清楚。在附图中，
图1为表示本申请的一实施方式所涉及的磁传感器的剖面结构的图。
图2A为表示外部磁场强度与磁传感器的电阻值的关系的图。
图2B为表示外部磁场强度为0时的自由层的磁场方向与钉扎层的磁场方向的图。
图2C为表示沿与钉扎层的磁化方向相同的方向对磁传感器施加外部磁场时的自由层的磁场方向的图。
图2D为表示沿与钉扎层的磁化方向相反的方向对磁传感器施加外部磁场时的自由层的磁场方向的图。
图3A为表示磁传感器的每单位面积的磁化量与检测磁场范围的关系的图。
图3B为表示将自由层的每单位面积的磁化量设为0.20[memu/cm2]时的磁传感器的检测磁场范围为约0[mT]的实验结果的图。
图3C为表示将自由层的每单位面积的磁化量设为0.17[memu/cm2]时的磁传感器的检测磁场范围为300[mT]的实验结果的图。
图4为表示磁传感器的自由层(CoFeB膜)的厚度与检测磁场范围的关系的图。
具体实施方式
以下，基于附图对本申请的一实施方式所涉及的磁传感器1进行说明。
如图1所示，本实施方式的磁传感器1由基板10、热氧化膜11、钉扎层20、中间层30、自由层40、以及保护层50构成。
基板10是由Si晶片(硅晶片)构成的基板。热氧化膜11由Si02构成，并在基板10上形成为薄膜状。钉扎层20具备基底层21、反强磁性层22、强磁性层23、非磁性层24、以及强磁性层25。钉扎层20对应于磁化固定层。
基底层21由Ta(钽)、Ru(钌)构成，并在热氧化膜11上形成为薄膜状。反强磁性层22由IrMn(铱锰合金)、PtMn(铂锰合金)等构成，在基底层21上形成为薄膜状。反强磁性层22的磁化方向(即，钉扎层20的磁化方向)被固定为规定方向。反强磁性层22的磁化方向与反强磁性层22(即，基板10)的面内方向平行。面内方向是指反强磁性层22(即，基板10)水平地拓宽的面方向。
强磁性层23由含有Co(钴)、Fe(铁)、Ni(镍)的合金构成，在反强磁性层22上形成为薄膜状。非磁性层24由Ru等构成，在强磁性层23上形成为薄膜状。强磁性层25由含有Co、Fe、Ni、B(硼)的合金构成，在强磁性层25上形成为薄膜状。强磁性层23、非磁性层24、以及强磁性层25遮挡来自反强磁性层22侧的磁场向自由层40侧泄露。
中间层30在强磁性层25上形成为薄膜状。例如，在通过由MgO、AlO等构成的绝缘层来构成中间层30的情况下，构成隧道型磁阻(TMR：tunneling magnetoresistive)元件来作为磁传感器1。另一方面，在通过由Cu、Ag等构成的非强磁性层来构成中间层30的情况下，则构成巨磁阻(GMR：giant magnetoresistance)元件来作为磁传感器1。
自由层40在中间层30上形成为薄膜状。自由层40构成磁化方向根据外部磁场而变化的磁场检测层。本实施方式的自由层40是由含有Co、Fe、B的合金构成的CoFeB膜。保护层50由Ta、Ru等构成，并在自由层40上形成为薄膜状。
另外，作为构成本实施方式的自由层40的CoFeB膜的状态，既可以是结晶也可以是非结晶。
在如此构成的本实施方式的磁传感器1中，基板10、钉扎层20、中间层30、以及自由层40分别被平行地形成。并且，经由中间层30的、钉扎层20以及自由层40的电阻值(以下，称作磁传感器1的电阻值)根据外部磁场的强度而变化。
接下来，参照图2A～图2D说明本实施方式的磁传感器1的动作。
图2A是将纵轴作为磁传感器1的电阻值，将横轴设为外部磁场强度的曲线图G。在图2A中，将横轴的中央作为使外部磁场强度为0(零)的基准点。图2B、图2C、图2D中的箭头Da为外部磁场的方向，箭头Db为自由层40的磁化方向，箭头Dc为钉扎层20的磁化方向。
如图2B所示，外部磁场强度为0(零)时(对应于图2A的IIB)，自由层40的磁化方向Db成为与自由层40的面内方向正交的方向。
如图2C所示，在沿与钉扎层20的磁化方向Dc相同的方向对磁传感器1施加了外部磁场时(对应于图2A的IIC)，越是增大外部磁场强度的大小，则自由层40的磁化方向越是变化，自由层40的磁化方向与钉扎层20的磁化方向之间的角度越小。此时，越是增大外部磁场强度的大小，磁传感器1的电阻值越大。
如图2D所示，在沿与钉扎层20的磁化方向Dc相反的方向对磁传感器1施加外部磁场时(对应于图2A的IID)，越是增大外部磁场强度的大小，则自由层40的磁化方向越是变化，自由层40的磁化方向与钉扎层20的磁化方向之间的角度越大。此时，越是增大外部磁场强度的大小，磁传感器1的电阻值越小。
根据以上所述，本实施方式的图2A中的曲线图G具备拐点h1、h2，在拐点h1、h2之间呈越增大外部磁场强度则磁传感器1的电阻值越大的特性。因此，将拐点h1、h2之间的外部磁场强度的范围定义为磁传感器1的检测磁场范围。
本发明人等为了获得较大的检测磁场范围作为磁传感器1的检测磁场范围，对磁传感器1实施了验证实验。以下，使用图3A、图3B、图3C对磁传感器1的验证实验的结果进行说明。
该验证实验是用于调查自由层40的每单位面积的磁化量与磁传感器1的检测磁场范围的关系的实验。
图3A中的4个菱形的图标是分别表示在磁传感器1中自由层40的每单位面积的磁化量与检测磁场范围的关系的验证实验的结果。4个菱形的图标是分别将自由层40的每单位面积的磁化量设定为不同的值时的验证实验的结果。图3B示出了下述实验结果，将自由层40的每单位面积的磁化量设为0.20[memu/cm2]时的磁传感器1的检测磁场范围为约0[mT](对应于图3A的IIIB)。在图3C中示出了下述实验结果，将自由层40的每单位面积的磁化量设为0.17[memu/cm2]时的磁传感器1的检测磁场范围为300[mT](对应于图3A的IIIC)。图3C的检测磁场范围的最小值为-200[mT]，最大值为100[mT]。因此，根据图3A中的4个图标、以及图3B、图3C可知，在自由层40的每单位面积的磁化量小于0.2[memu/cm2]的情况下，磁传感器1的检测磁场范围为300[mT]以上。自由层40的每单位面积的磁化量是指每自由层40的单位面积的磁矩的大小。
因此，在本实施方式的磁传感器1中，自由层40的每单位面积的磁化量被设定为大于0[memu/cm2]、且小于0.2[memu/cm2]的值。
进而，根据验证实验，如图4所示，越是减小自由层40的厚度(指图中CoFeB膜厚)，则自由层40的每单位面积的磁化量越小，检测磁场范围越大。因此，在本实施方式中，通过将自由层40的厚度设为小于约1.5[nm]，从而在磁传感器1中设定了300[mT]以上的检测磁场范围。图4中的3个菱形的图标示出了，使自由层40的厚度为不同的值时的磁传感器1的检测磁场范围。
根据以上说明的本实施方式，磁传感器1具备：钉扎层20，磁化方向相对于外部磁场被固定；自由层40，磁化方向根据外部磁场变化；以及中间层30，配置在钉扎层20与自由层40之间，且电阻值根据钉扎层20的磁化方向与自由层40的磁化方向之间的角度而变化。自由层40的每单位面积的磁化量小于0.2[memu/cm2](＝0.2×10-3[emu/cm2])。由此，在磁传感器1中，能够设定300[mT]以上的较大的检测磁场范围。
在该磁传感器1中，将自由层40的每单位面积的磁化量规定为小于0.2[memu/cm2]，但即使自由层40的材料、结晶状态，或钉扎层20中间层30变更为上述的内容，规定磁化量的数值也相同。也就是说，在磁传感器1中，只要规定自由层40的每单位面积的磁化量小于0.2[memu/cm2]，则能够不取决于自由层40的材料、结晶状态，或钉扎层20、中间层30地设定300[mT]以上的较大的检测磁场范围。
(其他实施方式)
在上述实施方式中，对通过CoFeB膜构成自由层40的例子进行了说明，但不限于此，也可以通过CoFeB膜以外的膜来构成自由层40。进一步，也可以使用上述的材料以外的材料来构成钉扎层20、中间层30。
在上述实施方式中，对通过CoFeB膜构成自由层40的例子进行了说明，但也可以代替CoFeB膜而由含有Co、Fe、Ni中的至少1个以上的元素的来构成自由层40。此时，也可以由Co、Fe、Ni中的至少1个以上的元素与含有B的合金来构成自由层40。
在上述实施方式中，对通过减小自由层40的厚度来减小自由层40的每单位面积的磁化量的例子进行了说明，但也可以取代于此，通过对自由层40使非磁性体的材料的含有量增加，从而减小自由层40的每单位面积的磁化量。此时，通过对自由层40调整非磁性体的材料的含有量，从而能够扩大磁传感器1中的检测磁场范围。
另外，本申请不限于上述的实施方式，能够进行适当的变更。

Claims (4)

1.一种磁传感器，具备：
磁化固定层(20)，形成为薄膜状，且磁化方向被固定为与面内方向平行的方向；
磁场检测层(40)，磁化方向根据外部磁场而变化；以及
中间层(30)，配置在所述磁化固定层与所述磁场检测层之间，且电阻值根据所述磁化固定层的所述磁化方向与所述磁场检测层的所述磁化方向之间的角度而变化，
所述磁场检测层的每单位面积的磁化量小于0.2[memu/cm2]。
2.如权利要求1所述的磁传感器，
所述磁场检测层含有Co、Fe、Ni中的至少1个以上的元素。
3.如权利要求2所述的磁传感器，
所述磁场检测层包含B。
4.如权利要求1所述的磁传感器，
所述磁场检测层是将含有Co、Fe、B的合金形成为膜状而构成的CoFeB膜。
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