CN111033779B

CN111033779B - 交换耦合膜以及使用该交换耦合膜的磁阻效应元件及磁检测装置

Info

Publication number: CN111033779B
Application number: CN201880051133.8A
Authority: CN
Inventors: 斋藤正路; 远藤广明; 小池文人
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2017-08-14
Filing date: 2018-07-12
Publication date: 2023-11-14
Anticipated expiration: 2038-07-12
Also published as: WO2019035294A1; JP6870097B2; US20200161538A1; US11476414B2; JPWO2019035294A1; CN111033779A

Abstract

作为固定磁性层的磁化的方向反转的磁场(Hex)较大、高温条件下的稳定性高、并且强磁场耐性优的交换耦合膜，而提供交换耦合膜(10)，其特征在于，由反强磁性层(2)与具备强磁性层的固定磁性层(3)层叠而成，反强磁性层(2)具有由PtCr层(2A)、tMn层(2B)及IrMn层(2C)以该顺序层叠而成的构造，IrMn层(2C)与固定磁性层(3)接触。PtMn层(2B)的膜厚为以上是优选的情况存在，IrMn层(2C)的膜厚为以上是优选的情况存在，PtMn层(2B)的膜厚与IrMn层(2C)的膜厚的总和为以上是优选的情况存在。

Description

交换耦合膜以及使用该交换耦合膜的磁阻效应元件及磁检测装置

技术领域

本发明涉及交换耦合膜以及使用该交换耦合膜的磁阻效应元件及磁检测装置。

背景技术

具备反强磁性层和固定磁性层的交换耦合膜，被作为磁阻效应元件、磁检测装置使用。在专利文献1中，关于磁性记录用介质，记载了通过将作为强磁性膜的Co合金与作为反强磁性膜的各种合金组合能够构成交换耦合膜。作为反强磁性膜，例示了CoMn、NiMn、PtMn、PtCr等的合金。

现有技术文献

专利文献

专利文献：日本特开2000－215431号公报

发明内容

发明要解决的课题

关于磁检测装置，在将磁效应元件向基板安装时，需要对焊料进行回流处理(熔融处理)，另外，磁检测装置有时被用在如引擎的周边那样的高温环境下。因此，磁检测装置中使用的交换耦合膜，为了能够在较宽的动态范围中检测磁场，优选的是，固定磁性层的磁化的方向反转的磁场(Hex)较大，且高温条件下的稳定性较高。

专利文献1是涉及作为磁性记录介质而使用的交换耦合膜的文献，所以关于使用了交换耦合膜的磁检测装置的高温条件下的稳定性，并未记载。

另外，最近，即使是被配置在大输出马达等强磁场产生源的附近并被施加强磁场的环境下，也要求固定磁性层的磁化的方向不易受影响，即要求强磁场耐性。

本发明的目的在于，提供固定磁性层等与反强磁性层交换耦合的强磁性层的磁化的方向反转的磁场(Hex)大，且高温条件下的稳定性较高，并且强磁场耐性优的交换耦合膜以及使用该交换耦合膜的磁阻效应元件及磁检测装置。

用于解决课题的手段

为了解决上述课题而提供的本发明，在一个形态中，为一种交换耦合膜，其特征在于，由反强磁性层与强磁性层层叠而成，上述反强磁性层具有由PtCr层、PtMn层及IrMn层以该顺序且上述IrMn层距上述强磁性层更近的方式层叠的构造。既可以以上述IrMn层与上述强磁性层接触的方式层叠，也可以具有在上述IrMn层与上述强磁性层之间还层叠有PtMn层的构造。

图1是说明本发明的交换耦合膜的磁化曲线的磁滞回线的图。通常，软磁体的M－H曲线(磁化曲线)作出的磁滞回线是将H轴与M轴的交点(磁场H＝0A/m，磁化M＝0A/m)作为中心而对称的形状，但图1所示那样，本发明的交换耦合膜的磁滞回线，由于对于具备与反强磁性层交换耦合的强磁性层的固定磁性层作用交换耦合磁场Hex，因此成为根据交换耦合磁场Hex的大小而沿着H轴平移后的形状。交换耦合膜的固定磁性层，由于该交换耦合磁场Hex越大则即使被施加外部磁场、磁化的方向也不易反转，因此为良好的固定磁性层。

在通过沿着该H轴平移后的磁滞回线的中心(该中心的磁场强度相当于交换耦合磁场Hex。)与磁滞回线的H轴截距之差而定义的顽磁力Hc比Hex小的情况下，即使被施加外部磁场从而交换耦合膜的固定磁性层在沿着该外部磁场的方向上被磁化，如果外部磁场的施加结束，则通过比顽磁力Hc相对较强的Hex，也能够使固定磁性层的磁化的方向对齐。即，在Hex与顽磁力Hc的关系为Hex＞Hc的情况下，交换耦合膜具有良好的强磁场耐性。

并且，在上述的Hex与顽磁力Hc的关系显著的情况下，如图1所示那样，残留磁化M0相对于饱和磁化Ms的比(M0/Ms)成为负的值。即，如果M0/Ms为负的值则交换耦合膜具有更良好的强磁场耐性，M0/Ms为负的值且其绝对值越大，则交换耦合膜具有越优秀的强磁场耐性。

本发明的交换耦合膜，采用反强磁性层由PtCr层和PtMn层和IrMn层构成的构成，由此实现了M0/Ms为负的值并且使其绝对值增大，因此，具有优秀的强磁场耐性。既可以以IrMn层与强磁性层接触的方式层叠，也可以具有在IrMn层与强磁性层之间还层叠有PtMn层的构造。

在上述的交换耦合膜中，有时上述PtMn层的膜厚为以上是优选的，有时上述IrMn层的膜厚为/>以上是优选的，有时上述PtMn层的膜厚与上述IrMn层的膜厚的总和为以上是优选的。

在上述的交换耦合膜中，上述PtCr层的膜厚，可以比上述PtMn层的膜厚与上述IrMn层的膜厚的总和大。在该情况下，上述PtCr层的膜厚同上述PtMn层的膜厚与上述IrMn层的膜厚的总和之比有时优选为5：1～100：1。

在上述的交换耦合膜中，上述固定磁性层的膜厚有时为以上/>以下是优选。

本发明作为另一个形态，而提供一种交换耦合膜，其特征在于，由反强磁性层与强磁性层层叠而成，上述反强磁性层具备含有从由白金族元素及Ni构成的群中选择的一种或二种以上的元素X以及Mn及Cr的X(Cr－Mn)层，上述X(Cr－Mn)层，具有距上述强磁性层相对较近的第1区域、及与上述强磁性层相对较远的第2区域，上述第1区域中的Mn的含有量，比上述第2区域中的Mn的含有量高。在该交换耦合膜中，第1区域的Mn能够使交换耦合加强，第2区域的Cr能够提高交换耦合膜的阻隔温度(blocking temperature)。另外，白金族元素及Ni都是可能与Cr及Mn形成规则相的元素。

在上述的交换耦合膜中，可以是，上述第1区域与上述强磁性层接触。

在上述的交换耦合膜中，根据提高交换耦合膜的强磁场耐性的观点，有时优选上述第1区域具有Mn的含有量相对于Cr的含有量的比即Mn/Cr比为0.3以上的部分。有时更优选为，上述第1区域具有上述Mn/Cr比为1以上的部分。

本发明作为其他的一个形态，而提供一种磁阻效应元件，层叠有上述的交换耦合膜与自由磁性层，上述交换耦合膜的强磁性层构成固定磁性层的至少一部分。

本发明作为另一个形态，而提供一种磁检测装置，其特征在于，具备上述的磁阻效应元件。

上述的磁检测装置，也可以是，在同一基板上具备多个上述的磁阻效应元件，多个上述磁阻效应元件包含上述固定磁性层的固定磁化方向不同的磁阻效应元件。

发明的效果

根据本发明，提供高温条件下的稳定性提高、并且强磁场耐性优的交换耦合膜。因此，如果使用本发明的交换耦合膜，则能够成为即使被置于高温环境下、强磁场环境下也稳定的磁检测装置。

附图说明

图1是说明本发明的交换耦合膜的磁化曲线的磁滞回线的图。

图2是表示本发明的第1实施方式的交换耦合膜10的膜构成的说明图。

图3是表示本发明的第2实施方式的交换耦合膜20的膜构成的说明图。

图4是本发明的实施方式的磁传感器30的电路框图。

图5是表示磁传感器30中使用的磁检测元件11的俯视图。

图6是表示实施例1的层叠体22的膜构成的说明图。

图7是表示M0/Ms与Hex的关系的图表。

图8是表示Hc/Hex与Hex的关系的图表。

图9是表示标准化后的交换耦合磁场与测定温度之间的关系的图表。

图10中(a)是表示饱和磁化与固定磁性层的膜厚的关系的图表，(b)是表示交换耦合能与固定磁性层的膜厚的关系的图表，及(c)是表示残留磁化/饱和磁化与固定磁性层的膜厚的关系的图表。

图11中(a)是表示交换耦合磁场与固定磁性层的膜厚的关系的图表，(b)是表示保持力与固定磁性层的膜厚的关系的图表，及(c)是表示交换耦合磁场/保持力与固定磁性层的膜厚的关系的图表。

图12是表示实施例3的层叠体23的膜构成的说明图。

图13是实施例1－16的层叠体22的深度曲线。

图14是将图13的深度曲线的一部分放大后的曲线。

图15是将相对于Mn的含有量的Cr的含有量的比(Mn/Cr比)，使横轴的范围与图14相等地进行表示的图表。

图16是实施例1－16的层叠体22的制造过程中获得的未退火层叠体的深度曲线。

图17是将图16的深度曲线的一部分放大后的曲线。

图18是将相对于Mn的含有量的Cr的含有量的比(Mn/Cr比)，使横轴的范围与图17相等地进行表示的图表。

图19是实施例3－9的层叠体22的深度曲线。

图20是将图19的深度曲线的一部分放大后的曲线。

图21是将相对于Mn的含有量的Cr的含有量的比(Mn/Cr比)、使横轴的范围与图20相等地进行表示的图表。

具体实施方式

＜第1实施方式＞

图2示出了使用了本发明的第1实施方式的交换耦合膜10的磁检测元件11的膜构成。

磁检测元件11从基板的表面1起，以基底层1、反强磁性层2、由强磁性层构成的固定磁性层3、非磁性材料层4、自由磁性层5及保护层6顺序层叠并成膜而成。反强磁性层2具有如下层叠构造，该层叠构造由PtCr层2A和PtMn层2B和IrMn层2C以该顺序且IrMn层2C距强磁性层(固定磁性层3)更近的方式层叠而成。也可以以IrMn层2C与固定磁性层3接触的方式层叠。上述各层通过例如溅射工序、CVD工序而成膜并在成膜后被进行退火处理，由此在反强磁性层2与固定磁性层3之间产生交换耦合。反强磁性层2与固定磁性层3是本发明的第1实施的方式的交换耦合膜10。

磁检测元件11是利用了所谓的单自旋阀式的巨磁阻效应(GMR效应)的层叠元件，电阻根据固定磁性层3的固定磁化的向量与自由磁性层5的根据外部磁场而变化的磁化的向量的相对关系而变化。

基底层1用NiFeCr合金(镍铁铬合金)、Cr或者Ta等形成。在本实施方式的交换耦合膜10中，为了提高固定磁性层3的磁化的方向反转的磁场(以下，也适当称为“Hex”)，NiFeCr合金是优选的。

反强磁性层2具有由PtCr层2A和PtMn层2B和IrMn层2C层叠而成的构造。通过具有这样的构造，残留磁化M0相对于饱和磁化Ms的比(M0/Ms)成为负的值，其绝对值容易变大。此时，交换耦合膜10的磁滞回线的整体在交换耦合磁场的磁化的方向上平移并且顽磁力Hc变小。其结果，可获得不仅Hex大，而且强磁场耐性优的交换耦合膜10。

根据交换耦合膜10具有优秀的强磁场耐性的观点，M0/Ms优选为－0.05以下，更优选为－0.10以下，再优选为－0.15以下，特别优选为－0.20以下。

根据使交换耦合膜10的强磁场耐性提高的观点，PtMn层2B的膜厚为是优选的情况存在，IrMn层2C的膜厚为/>以上是优选的情况存在，PtMn层2B的膜厚D2与IrMn层2C的膜厚D3的总和为/>以上是优选的情况存在。通过满足这些条件中的至少一个，由此上述的M0/Ms成为负的值且其绝对值变大的倾向变得显著。

为了提高Hex，优选反强磁性层2的PtCr层2A的膜厚D1比PtMn层2B的膜厚D2与IrMn层2C的膜厚D3的总和大。膜厚D1与总和的膜厚D2+D3之比[D1：(D2+D3)]更优选为5：1～100：1，进一步优选为10：1～50：1。

根据提高Hex的观点，PtCr层2A优选为Pt_αCr_{100at％－α}(α为45at％以上62at％以下)，更优选为Pt_αCr_{100at％－α}(α为47at％以上60at％以下)，特别优选为Pt_αCr_{100at％－α}(α为50at％以上57at％以下)。

在本实施方式中，对反强磁性层2进行退火处理并规范化，使在反强磁性层2与由强磁性层构成的固定磁性层3间(界面)产生交换耦合。通过基于该交换耦合的磁场(交换耦合磁场)，提高交换耦合膜10的Hex，并且提高强磁场耐性。另外，在为了使交换耦合膜10产生交换耦合磁场Hex而进行的退火处理时，反强磁性层2的PtCr层2A、PtMn层2B及IrMn层2C中包含的各原子(Pt，Cr，Mn，Ir)相互扩散。

固定磁性层3用强磁性的CoFe合金(钴铁合金)形成。CoFe合金通过提高Fe的含有比例，从而提高顽磁力。固定磁性层3是有助于自旋阀式的巨磁阻效应的层，固定磁性层3的固定磁化方向P延伸的方向是磁检测元件11的灵敏度轴方向。根据使交换耦合膜10的强磁场耐性提高的观点，固定磁性层3的膜厚为以上/>以下是优选的情况存在。

非磁性材料层4能够使用Cu(铜)等形成。

自由磁性层5，其材料及构造不被限定，但例如能够使用CoFe合金(钴铁合金)、NiFe合金(镍铁合金)等作为材料，能够形成为单层构造、层叠构造、层叠亚铁构造(日语：積層フェリ構造)等。

保护层6能够使用Ta(钽)等形成。

＜第2实施方式＞

图3中示出了对使用了本发明的第2实施方式的交换耦合膜20的磁检测元件21的膜构成进行表示的说明图。在本实施方式中，对与图2所示的磁检测元件11功能相同的层附以相同的符号，并省略说明。

在第2实施方式的磁检测元件21中，交换耦合膜20是自钉扎构造的固定磁性层3与反强磁性层2接合而构成的。另外，关于非磁性材料层4与自由磁性层5形成于比固定磁性层3靠下侧的点，与图2的磁检测元件11不同。

磁检测元件21也是利用了所谓的单自旋阀式的巨磁阻效应的层叠元件。电阻以固定磁性层3的第1磁性层3A的固定磁化的向量与自由磁性层5的根据外部磁场而变化的磁化的向量之间的相对关系而变化。

固定磁性层3为用第1磁性层3A及第2磁性层3C和位于这二层之间的非磁性中间层3B构成的自钉扎固定构造。第1磁性层3A的固定磁化方向P1与第2磁性层3C的固定磁化方向P2由于相互作用而反向平行。与非磁性材料层4相邻的第1磁性层3A的固定磁化方向P1是固定磁性层3的固定磁化方向。该固定磁化方向P1延伸的方向是磁检测元件11的灵敏度轴方向。

第1磁性层3A及第2磁性层3C用FeCo合金(铁钴合金)形成。FeCo合金通过提高Fe的含有比例，从而提高顽磁力。与非磁性材料层4相邻的第1磁性层3A是有助于自旋阀式的巨磁阻效应的层。

非磁性中间层3B用Ru(钌)等形成。由Ru构成的非磁性中间层3B的膜厚优选是或/>

另外，在制造交换耦合膜10时，在成膜PtCr层2A等合金层的时候，既可以同时供给形成合金的多种金属(PtCr层2A的情况下为Pt及Cr)，也可以交替地供给形成合金的多种金属。作为前者的具体例，举出形成合金的多种金属的同时溅射，作为后者的具体例，举出不同种类的金属膜的交替层叠。存在形成合金的多种金属的同时供给与交替供给相比对于提高Hex而言是优选的情况。

＜磁传感器的构成＞

图4中示出了将图2所示的磁检测元件11组合后的磁传感器(磁检测装置)30。在图4中，将固定磁化方向P(参照图2)不同的磁检测元件11分别附以11Xa、11Xb、11Ya、11Yb的不同的符号来区别。磁传感器30中，磁检测元件11Xa、11Xb、11Ya、11Yb被设置于同一基板上。

图4所示的磁传感器30具有全桥电路32X及全桥电路32Y。全桥电路32X具备2个磁检测元件11Xa和2个磁检测元件11Xb，全桥电路32Y具备2个磁检测元件11Ya和2个磁检测元件11Yb。磁检测元件11Xa、11Xb、11Ya、11Yb都具备图4所示的磁检测元件11的交换耦合膜10的膜构造。在不将它们特别区别的情况下，以下适当记为磁检测元件11。

全桥电路32X与全桥电路32Y，为了使检测磁场方向不同，而为使用了图4中以箭头所示的固定磁化方向不同的磁检测元件11的电路，且检测磁场的机构相同。因此，以下，对使用全桥电路32X检测磁场的机构进行说明。

全桥电路32X是第1串联部32Xa与第2串联部32Xb并联地连接而构成的。第1串联部32Xa是磁检测元件11Xa与磁检测元件11Xb串联地连接而构成的，第2串联部32Xb是磁检测元件11Xb与磁检测元件11Xa串联地连接而构成的。

对构成第1串联部32Xa的磁检测元件11Xa与构成第2串联部32Xb的磁检测元件11Xb共用的电源端子33，赋予电源电压Vdd。构成第1串联部32Xa的磁检测元件11Xb与构成第2串联部32Xb的磁检测元件11Xa共用的接地端子34被设定为接地电位GND。

构成全桥电路32X的第1串联部32Xa的中点35Xa的输出电位(OutX1)与第2串联部32Xb的中点35Xb的输出电位(OutX2)的差动输出(OutX1)－(OutX2)作为X方向的检测输出(检测输出电压)VXs而被获得。

全桥电路32Y也与全桥电路32X同样地起作用，从而第1串联部32Ya的中点35Ya的输出电位(OutY1)与第2串联部32Yb的中点35Yb的输出电位(OutY2)的差动输出(OutY1)―(OutY2)，作为Y方向的检测输出(检测输出电压)VYs而被获得。

如图4中以箭头所示那样，构成全桥电路32X的磁检测元件11Xa及磁检测元件11Xb的灵敏度轴方向与构成全桥电路32Y的磁检测元件11Ya及各磁检测元件11Yb的灵敏度轴方向互相正交。

图4所示的磁传感器30中，各个磁检测元件11的自由磁性层5的方向以模仿外部磁场H的方向的方式变化。此时，电阻值以固定磁性层3的固定磁化方向P与自由磁性层5的磁化方向之间的向量的关系而变化。

例如，若设为外部磁场H在图4所示的方向上起作用，则构成全桥电路32X的磁检测元件11Xa中灵敏度轴方向与外部磁场H的方向一致，因此电阻值变小，另一方面，磁检测元件11Xb中灵敏度轴方向与外部磁场H的方向相反，因此电阻值变大。根据该电阻值的变化，检测输出电压VXs＝(OutX1)－(OutX2)成为极大。随着外部磁场H相对于纸面向右方向变化，检测输出电压VXs变低。并且，在外部磁场H相对于图3的纸面成为向上方向或向下方向时，检测输出电压VXs成为零。

另一方面，在全桥电路32Y中，外部磁场H如图4所示那样相对于纸面向左方向时，在全部的磁检测元件11中，自由磁性层5的磁化的方向相对于灵敏度轴方向(固定磁化方向P)正交，因此磁检测元件11Ya及磁检测元件11Xb的电阻值相同。因此，检测输出电压VYs是零。若图4中外部磁场H相对于纸面向下方向起作用时，则全桥电路32Y的检测输出电压VYs＝(OutY1)―(OutY2)成为极大，随着外部磁场H在相对于纸面的上方向上变化，检测输出电压VYs变低。

这样，外部磁场H的方向变化，则伴随于此全桥电路32X及全桥电路32Y的检测输出电压VXs及VYs也变动。因此，基于从全桥电路32X及全桥电路32Y获得的检测输出电压VXs及VYs，能够检测出检测对象的移动方向、移动量(相对位置)。

图4中示出了构成为能够检测X方向及与X方向正交的Y方向的磁场的磁传感器30。但是，也可以采用仅具备仅对X方向或Y方向的磁场进行检测的全桥电路32X或全桥电路32Y的构成。

图5中示出了磁检测元件11Xa和磁检测元件11Xb的平面构造。图4和图5中，BXa－BXb方向是X方向。图5的(A)、(B)中以箭头示出了磁检测元件11Xa、11Xb的固定磁化方向P。磁检测元件11Xa与磁检测元件11Xb，固定磁化方向P是X方向，且互为反方向。

如图5所示，磁检测元件11Xa和磁检测元件11Xb具有条纹形状的元件部12。元件部12的长度方向朝向BYa－BYb方向。多条元件部12平行而配置，相邻的元件部12的图示右端部经由导电部13a而连接，相邻的元件部12的图示左端部经由导电部13b而连接。在元件部12的图示右端部和图示左端部，导电部13a、13b彼此交错地连接，元件部12连结为所谓的蜿蜒((日语：ミアンダ))形状。磁检测元件11Xa、11Xb的、图示右下部的导电部13a与连接端子14a一体化，图示左上部的导电部13b与连接端子14b一体化。

各元件部12是多个金属层(合金层)层叠而构成的。图2中示出了元件部12的层叠构造。另外，各元件部12可以是图3所示的层叠构造。

另外，在图4和图5所示的磁传感器30中，能够将磁检测元件11置换为图3所示的第2实施方式的磁检测元件21。

以上说明的实施方式，是为了使本发明的理解变得容易而记载的，并不是为了限定本发明而记载的。因此，上述实施方式中公开的各要素意在还包含属于本发明的技术的范围的全部的设计变更及等同物。例如，在上述的交换耦合膜中，IrMn层2C与固定磁性层3接触，即，在被层叠的固定磁性层3的上方直接层叠有IrMn层2C，但也可以在IrMn层2C与固定磁性层3之间层叠有含有Mn的其他的层(例示Mn层及IrMn层。)。另外，在本发明的交换耦合膜中与反强磁性层接触的强磁性层不限定于固定磁性层。例如，可以根据构成自由磁性层的至少一部分的强磁性层和反强磁性层来构成本发明的交换耦合膜。

实施例

以下，通过实施例等进一步具体地说明本发明，但本发明的范围并不限定于这些实施例等。

(实施例1)

按交换耦合膜40的特性评价的目的而制造了具有具备以下的膜构成的交换耦合膜40的层叠体22(参照图6)。在以下的实施例、比较例及参考例中()内的数值表示膜厚将交换耦合膜40在15kOe的磁场中以350℃进行20小时退火处理，将由强磁性层构成的固定磁性层3和反强磁性层2的磁化固定。

基板/基底层1：NiFeCr(40)/非磁性材料层4：[Cu(40)/Ru(20)]/固定磁性层3：Co_40at％Fe_60at％(20)/反强磁性层2[IrMn层2C：Ir_22at％Mn_78at％(D3)/PtMn层2B：Pt_50at％Mn_50at％(D2)/PtCr层2A：Pt_51at％Cr_49at％(300)]/保护层6：Ta(100)

PtMn层2B的厚度D2在至/>的范围中变更。IrMn层2C的厚度D3在/>至/>的范围中变更。

(比较例1－1，比较例1－2)

在图6所示的层叠体22中，将反强磁性层2的层叠顺序设为，从距固定磁性层3近一侧起PtMn层2B、IrMn层2C、PtCr层2A。

(比较例2)

在图6所示的层叠体22中，除了将反强磁性层2的构成设为Ir_22at％Mn_78at％(80)以外，与实施例1同样地，获得了具备交换耦合膜10的层叠体22。

(比较例3)

在图6所示的层叠体22中，除了将反强磁性层2的构成设为Pt_50at％Mn_50at％(300)以外，与实施例1同样地，获得了具备交换耦合膜10的层叠体22。

(比较例4)

在图6所示的层叠体22中，除了将反强磁性层2的构成设为Pt_51at％Cr_49at％(300)以外，与实施例1同样地，获得了具备交换耦合膜10的层叠体22。

使用VSM(振动样品磁强计)，测定了各实施例、比较例的交换耦合膜40的磁化曲线，根据所获得的磁滞回线，求出交换耦合磁场Hex(单位：Oe)、顽磁力Hc(单位：Oe)、残留磁化M0相对于饱和磁化Ms的比(M0/Ms)及交换耦合磁场Hex相对于顽磁力Hc的比(Hex/Hc)。将结果示于表1。

表1

根据将上述的表1的结果图表化后的图7及图8可知，具备实施例1的构成的反强磁性层2的交换耦合膜40中，交换耦合磁场Hex变大到800Oe以上，并且，M0/Ms为负的值，Hex/Hc大于1。因此，具备实施例1的交换耦合膜10的磁检测元件(例如磁阻效应元件)即使在高温环境下、强磁场环境下也能够表现出优秀的磁特性。

关于该点，制作具备具有与实施例1－6、比较例3及比较例4的交换耦合膜40同样的构造但固定磁性层3的组分为Co_90at％Fe_10at％且厚度为的交换耦合膜40的层叠体22，将这些层叠体22置于达500℃的高温环境，测定了交换耦合膜40的交换耦合磁场Hex。图9示出了将各温度下的测定值通过室温的测定值标准化后的结果。

(实施例2)

使层叠体22的构成如以下那样。

基板/基底层1：NiFeCr(40)/非磁性材料层4：[Cu(40)/Ru(10)]/固定磁性层3：Co_40at％Fe_60at％/反强磁性层2[IrMn层2C：Ir_20at％Mn_80at％(8)/PtMn层2B：Pt_48at％Mn_52at％(14)/PtCr层2A：Pt_51at％Cr_49at％(300)]/保护层6：Ta(100)

准备使固定磁性层3的厚度在到/>的范围中变更的层叠体22，在15kOe的磁场中以350℃进行20小时退火处理，将固定磁性层3和反强磁性层2的磁化固定。

使用VSM(振动样品磁强计)，测定、计算交换耦合膜10的饱和磁化Ms(单位：emu/cc)交换耦合磁场Hex(单位：Oe)、交换耦合能J(单位：erg/cm²)、顽磁力Hc(单位：Oe)、残留磁化M0相对于饱和磁化Ms的比(M0/Ms)及交换耦合磁场Hex相对于顽磁力Hc的比(Hex/Hc)。将结果示于表2。

表2

根据表2及基于表2而作成的图10及图11可知，交换耦合膜10的特性根据固定磁性层3的厚度而变化。根据实施例2的结果，从稳定地兼具使提高交换耦合磁场Hex和使M0/Ms为负的值的观点，固定磁性层3的厚度优选为以上/>以下。

(实施例3)

按交换耦合膜40的特性评价的目的而制造了具有具备以下的膜构成的交换耦合膜40的层叠体23(参照图12)。将交换耦合膜40在15kOe的磁场中以350℃进行20小时退火处理，将固定磁性层3和反强磁性层2的磁化固定。

基板/基底层1：NiFeCr(40)/非磁性材料层4：[Cu(40)/Ru(10)]/固定磁性层3：Co_40at％Fe_60at％(20)/反强磁性层2[PtMn层2D：Pt_50at％Mn_50at％(D4)/IrMn层2C：Ir_22at％Mn_78at％(D3)/PtMn层2B：Pt_50at％Mn_50at％(12)/PtCr层2A：Pt_51at％Cr_49at％(300)]/保护层6：Ta(100)

PtMn层2D的厚度D4在至/>的范围变更。IrMn层2C的厚度D3在/>到/>的范围变更。

使用VSM(振动样品磁强计)，测定了各实施例、比较例的交换耦合膜40的磁化曲线，根据所获得的磁滞回线，求出交换耦合磁场Hex(单位：Oe)、顽磁力Hc(单位：Oe)、残留磁化M0相对于饱和磁化Ms的比(M0/Ms)及交换耦合磁场Hex相对于顽磁力Hc的比(Hex/Hc)。将结果示于表3。

表3

确认了，通过在比IrMn层2C更靠近固定磁性层3的位置还层叠PtMn层2D，残留磁化M0/饱和磁化Ms容易为负的值且绝对值变大，Hex/Hc的值容易为正的值且绝对值变大。

(测定例1)

对于实施例1－16的层叠体22，从保护层6侧一边进行氩溅射一边通过俄歇电子分光装置进行表面分析，由此获得了深度方向上的Pt、Ir、Cr及Mn的含有量分布(深度曲线)。基于氩的溅射速度，通过SiO₂换算而求出，为1.1nm/分。

图13是实施例1－16的层叠体22的深度曲线。图14是将图13的一部分放大后的曲线。关于任一曲线都是，为了确认固定磁性层3及非磁性材料层4的深度位置，在深度曲线中都包含Co(固定磁性层3的构成元素之一)及Ru(构成非磁性材料层4的反强磁性层2侧的元素)。如图13所示那样，确认了，实施例1－16的层叠体22中，反强磁性层2位于深度20nm左右到深度50nm左右的范围中。确认了，实施例1－16的层叠体22的反强磁性层2的成膜时的厚度为32.6nm，所以深度曲线的横轴所示的深度的精度是妥当的。

该反强磁性层2，具备含有作为从由白金族元素及Ni构成的群中选择的一种或二种以上的元素X的Pt及Ir、以及Mn及Cr的X(Cr－Mn)层，具体而言是由(Pt－Ir)(Cr－Mn)层构成的层。并且，确认了如下情况：X(Cr－Mn)层((Pt－Ir)(Cr－Mn)层)具有距固定磁性层3相对较近的第1区域R1及与固定磁性层3相对较远的第2区域R2、及第1区域R1中的Mn的含有量比第2区域R2中的Mn的含有量高。

认为通过将这样的Mn的含有量相对较高的区域(第1区域R1)以与距固定磁性层3相对较近的区域具体而言为固定磁性层3接触的方式设置，由此在实施例1－16的层叠体22的交换耦合膜40中产生较高的交换耦合磁场Hex。另一方面，通过具有Mn的含有量相对较低且Cr的含有量相对较高的区域、具体而言实质上不含有Mn而含有Cr的区域作为第2区域R2，反强磁性层2的阻隔温度能够变高。

图15是将基于通过深度曲线而求出的各深度的Mn的含有量及Cr的含有量而算出的、Mn的含有量相对于Cr的含有量的比(Mn/Cr比)，使横轴的范围与图14相等地进行表示的图表。基于图15所示的结果，在本说明书中，将Mn/Cr比为0.1的深度作为第1区域R1与第2区域R2的边界。即，在反强磁性层2中，在距固定磁性层3近的区域中Mn/Cr比为0.1以上的区域被定义为第1区域R1，反强磁性层2中的第1区域以外的区域被定义为第2区域。基于该定义，在实施例1－16的层叠体22中第1区域R1与第2区域R2的边界位于深度44.5nm左右。

Mn/Cr比较大，不仅对交换耦合磁场Hex的大小造成影响，而且也可能有助于层叠体22的交换耦合膜40的磁滞特性的改善。即，Mn/Cr比越大，则残留磁化M0/饱和磁化Ms越容易为负的值且绝对值变大，Hex/Hc的值越容易为正的值且绝对值变大。具体而言，第1区域R1优选具有Mn-BR>氏^Cr比为0.3以上的部分，更优选具有Mn/Cr比为0.7以上的部分，特别优选具有Mn/Cr比为1以上的部分。

另外，反强磁性层2与固定磁性层3的边界，固定磁性层3的厚度为(2nm)，所以设为从固定磁性层3中包含的元素即Co的含有量的峰值的最大值起向反强磁性层2侧移动了1nm的位置(深度50nm)。第1区域R1的Mn在通过退火处理进行规范化时可能优先向第2区域R2侧扩散，因此基于Mn的含有量的峰值，未规定第1区域R1与第2区域R2的边界。这样定义的第1区域R1的厚度为约5.5nm(50nm－44.5nm)。

为了确认，关于在制造实施例1－16的层叠体22的过程中获得的膜，也同样地获得了深度曲线。具体而言，关于为了制造实施例1－16的交换耦合膜40而成膜出各层并进行退火处理前的阶段的层叠体(未退火层叠体)，获得了深度曲线。将其结果示于图16至图18。

如图16至图18所示那样，反强磁性层2中的第1区域R1与第2区域R2的边界位于深度43nm，反强磁性层2与固定磁性层3的边界位于深度47nm。如图15所示那样，表示Mn的含有量的峰值在第1区域R1内具有在深度44nm左右具有极大值的峰值与在深度46nm左右具有极大值的峰值重叠而获得的形状。这些峰值被认为对应于PtMn层2B及IrMn层2C。另外，未退火层叠体的反强磁性层2中的第1区域R1的厚度为约3nm(47nm－44nm)，比层叠体22的反强磁性层2中的第1区域R1的厚度(约5.5nm)窄，该差被认为基于Mn由于退火处理而扩散到第2区域侧这一情况。进而，在图16中Mn/Cr比为1以上的区域与反强磁性层2相比更宽地位于固定磁性层3侧。该结果被认为，意味着由于退火处理而来自PtCr层2A的Cr向固定磁性层3侧扩散。

关于实施例3－9的层叠体23也获得了深度曲线。将其结果示于图19至图21。在实施例3－9的层叠体23中，反强磁性层2的第1区域R1与第2区域R2的边界位于深度41nm左右，反强磁性层2与固定磁性层3的边界位于深度47.5nm左右。因此，反强磁性层2中的第1区域R1的厚度为约6.5nm(47.5nm－41nm)。如果设为实施例3－9的层叠体23与实施例1－16的层叠体22相比，在距固定磁性层3近一侧PtMn层2D层叠了而成，则这些厚度的计算结果是妥当的。另外，在实施例3－9的层叠体23中，第1区域R1中Mn/Cr比为1以上的部分被更明确地确认。

符号说明

Hex：交换耦合磁场

Hc：保持力

M0：残留磁化

Ms：饱和磁化

10、20、40：交换耦合膜

1：基底层

2：反强磁性层

2A：PtCr层

2B：PtMn层

2C：IrMn层

2D：PtMn层

3：固定磁性层(强磁性层)

3A：第1磁性层

3B：非磁性中间层

3C：第2磁性层

4：非磁性材料层

5：自由磁性层

6：保护层

D1：PtCr层2A的膜厚

D2：PtMn层2B的膜厚

D3：IrMn层2C的膜厚

11，11Xa、11Xb、11Ya、11Yb、21：磁检测元件

22、23：层叠体

30：磁传感器(磁检测装置)

P：固定磁性层3的固定磁化方向

P1：第1磁性层3A的固定磁化方向

P2：第2磁性层3C的固定磁化方向

32X、32Y：全桥电路

33：电源端子

Vdd：电源电压

34：接地端子

GND：接地电位

32Xa：全桥电路32X的第1串联部

35Xa：第1串联部32Xa的中点

OutX1：第1串联部32Xa的中点35Xa的输出电位

32Xb：全桥电路32X的第2串联部

35Xb：第2串联部32Xb的中点

OutX2：第2串联部32Xb的中点35Xb的输出电位

VXs：X方向的检测输出(检测输出电压)

32Ya：全桥电路32Y的第1串联部

35Ya：第1串联部32Ya的中点

OutY1：第1串联部32Ya的中点35Ya的输出电位

32Yb：全桥电路32Y的第2串联部

35Yb：第2串联部32Yb的中点

OutY2：第2串联部32Yb的中点35Yb的输出电位

VYs：Y方向的检测输出(检测输出电压)

H：外部磁场

12：元件部

13a、13b：导电部

14a、14b：连接端子

R1：第1区域

R2：第2区域。

Claims

1.一种交换耦合膜，其特征在于，

由反强磁性层与强磁性层层叠而成，

上述反强磁性层具有由PtCr层、PtMn层及IrMn层以该顺序且上述IrMn层距上述强磁性层更近的方式层叠的构造。

2.如权利要求1所述的交换耦合膜，其中，

上述IrMn层以与上述强磁性层接触的方式被层叠。

3.如权利要求1或2所述的交换耦合膜，其中，

上述PtMn层的膜厚为以上。

4.如权利要求1或2所述的交换耦合膜，其中，

上述IrMn层的膜厚为以上。

5.如权利要求1或2所述的交换耦合膜，其中，

上述PtMn层的膜厚与上述IrMn层的膜厚的总和为以上。

6.如权利要求1或2所述的交换耦合膜，其中，

上述PtCr层的膜厚，比上述PtMn层的膜厚与上述IrMn层的膜厚的总和大。

7.如权利要求6所述的交换耦合膜，其中，

上述PtCr层的膜厚同上述PtMn层的膜厚与上述IrMn层的膜厚的总和之比为5：1～100：1。

8.如权利要求1或2任一项所述的交换耦合膜，其中，

上述强磁性层的膜厚为以上/>以下。

9.如权利要求1所述的交换耦合膜，其中，

具有在上述IrMn层与上述强磁性层之间还层叠有PtMn层的构造。

10.一种交换耦合膜，其特征在于，

由反强磁性层与强磁性层层叠而成，

上述反强磁性层具备X(Cr－Mn)层，该X(Cr－Mn)层用由从由白金族元素及Ni构成的群中选择的一种或二种以上的元素X、Mn及Cr构成的合金形成，

上述X(Cr－Mn)层，具有距上述强磁性层相对较近的第1区域、及与上述强磁性层相对较远的第2区域，

上述第1区域中的Mn的含有量，比上述第2区域中的Mn的含有量高。

11.如权利要求10所述的交换耦合膜，其中，

上述第1区域与上述强磁性层接触。

12.如权利要求10或11所述的交换耦合膜，其中，

上述第1区域具有Mn的含有量相对于Cr的含有量的比即Mn/Cr比为0.3以上的部分。

13.如权利要求12所述的交换耦合膜，其中，

上述第1区域具有上述Mn/Cr比为1以上的部分。

14.一种磁阻效应元件，其特征在于，

层叠有权利要求1至13中任一项所述的交换耦合膜与自由磁性层，上述交换耦合膜的强磁性层构成固定磁性层的至少一部分。

15.一种磁检测装置，其特征在于，

具备权利要求14所述的磁阻效应元件。

16.如权利要求15所述的磁检测装置，其中，

在同一基板上具备多个权利要求14所述的磁阻效应元件，

多个上述磁阻效应元件包含上述固定磁性层的固定磁化方向不同的磁阻效应元件。