JP2002514770A - 磁気多重層センサ及びこれを用いたホィートストンブリッジ - Google Patents
磁気多重層センサ及びこれを用いたホィートストンブリッジInfo
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Abstract
Description
抵抗的効果を呈示し得る。磁気抵抗的センサは米国特許第5686837号明細
書に開示されている。
)の抵抗が(例えば、異なる層の)磁化方向の間の角度に依存する現象である。
GMR物質システムの例は、交換バイアスされたスピンバルブおよび人工反強磁
性体(以下、AAFとも言う)を含む多重層である。
作することが必要とされる。更に、前記センサは、広い磁界範囲において作動し
なければならず、更に大きい磁界範囲においてさえも非可逆的に影響されてはな
らない。現在、これらの必要条件の両方に適合可能であり、かつ実用的なセンサ
に適する磁気抵抗効果特性を持つ物質システムは入手不可能である。
の必要条件を合理的に満たすことができるはずである。ただし、対称出力曲線が
複雑化する(例えば、全ホィートストンブリッジ構成に関して)か、あるいは、
多数の応用(例えば、飽和状態におけるアナログ角度センサ)を阻止することさ
えあり得る。
小さ過ぎる。一方、AAFは、制限された強度の磁界までに限って安定している
。更に強度の高い磁界において、出力特性は急変することさえあり得る。これは
、安全の観点から受容不可能である。従って、磁化方向を固定するための別の堅
固な方法が必要である。
ッジ)構成が用いられることが多い。これは、反対(符号の)出力信号を持つM
R(磁気抵抗)エレメントを必要とする。これは、固定した磁化方向が反対のエ
レメントを作ることができれば、原則として達成可能である。
温度範囲および磁界範囲において曖昧でない非対称的出力信号を供給する新規な
物質システムを提供することにある。
るセンサは前述の目的に適合する。この場合、前記の固定層は人工反強磁性体(
AAF)層システムおよびIrMn型物質の交換バイアシング層を有し、前記交
換バイアシング層はAAF層システムに隣接し、かつ、接触する。
異り、焼なまし処置を必要としない。ブロッキング温度とは、その温度以上の温
度において、反強磁性IrMn型層と固定層の間の交換バイアシングが消失する
(ゼロまで減少する)温度である。 − AAFにおいては、固定層と自由層の間の静磁気的結合が低下する。 − AAFは、正味磁気モーメントが非常に小さい(理想的な場合においては理
論的にゼロ)ので、磁界において大きい剛性を提供するが、2つの反対方向にお
いて安定している。 − 交換バイアシング層との組合わせにおいて、これは、非常に大きい磁界範囲
を提供する。(比較のための参考までに、交換バイアスされたスピンバルブにお
ける交換バイアシング磁界は一般に、せいぜい20〜30kA/m程度である。
) − 交換バイアシングにより、曖昧でない曲線が得られる。 − 交換バイアシングは、固定層の方向を設定する方法を提供する。前記の方法
は、例えば、ホィートストンブリッジ構成の場合に必要である。
、CoFe/非磁気金属/CoFeが用いられることが好ましい。理由は、この
種のシステムにおいては、異方性の誘発が可能であることによる。
力な結合を提供し、AAFスタックにおける最も薄く、かつ最も臨界的な層の画
定にとって非常に重要な極めて安定した(酸化なし、拡散なし)状態となる。
好ましく、NiFeの代りにCoFeが用いられる。更に、これは、GMR比率
を増大する。Coと比較すると、CoFeは、自由層の保磁度を更に低くする(
かつ、組織を一層良質にする)。
いて一層大きい。従って、交換バイアシング層は基板の最も近接して配置される
ことが好ましい。ただし、この場合、所要組織を得るために緩衝層が必要となる
こともあり得る。調査によれば、Ta(例えば3.5nm)上にNiFe(2n
m)を配置することが好ましいことが示された。
ついて説明することとする。
基板1(例えば、ガラス、Siのような半導体材料または例えばAl2 O3 の
ようなセラミック材料)上には、必要に応じて、結晶学的組織または後続層の粒
度を変えるための緩衝層が配置される。緩衝層が使用される場合における、緩衝
層は、Taの第1細別層及びNiFeの第2細別層で構成されることもあり得る
。緩衝層2、3上には、IrMn型交換バイアス層4(例えば、10nmのIr
Mn)が堆積される。IrMn型とは、IrMn、または、少なくとも更に1つ
の金属とのIrMn合金を意味する。バイアス層4の上面上に、第1Co90Fe 10 層5(例えば、厚さ4.0nm)、Ru層6(例えば、厚さ0.8nm)、及
び、第2Co90Fe10層7(例えば、厚さ4.0nm)を含む人工反強磁性(A
AF)スタックが配置される。AAFスタック上には、非磁性スペーサ層8が堆
積される。スペーサ層の材質はCu型物質であっても差し支えない。Cu型とは
、Cu(例えば、厚さ2.5nmのCu)、または、更にもう1つの金属、特に
AgとのCu合金を意味する。スペーサ層8の上面上には、Ni80Fe20層10
(例えば、厚さ5nm)を載せたCo90Fe10層9(例えば、厚さ0.8nm)
が配置される。保護層11(例えば、4nmのTa)が前記の層システムを覆う
。
ルが、急速熱処理(RTP)機のN2/H2雰囲気内で1分間焼きなまされ、同時
に、元の交換バイアシング方向に垂直な薄膜平面内で磁場がかけられた。急速熱
処理(RTP)は、可能な限り拡散プロセスを制限するように選定された。サン
プルは、250℃、275℃、300℃、325℃、350℃、375℃、40
0℃、425℃、450℃で連続的に焼きなまされた。各焼きなましプロセスの
後で、(元の交換バイアシング方向に対する)垂直および平行磁界内の両方向に
おける磁気抵抗効果曲線が測定された。平行磁場における測定値を図2に示す。
最も顕著な結果は、高温度にもかかわらず、交換バイアシング方向が回転しなか
ったことである。450℃における最後の焼きなまし処置の後で、GMR効果は
低下するが、交換バイアシング方向は変化しなかった。これは、交換バイアシン
グが非常に安定しているので、磁気的縮退以前に構造的縮退が発生することを示
すものと解釈される。第1焼きなまし処置はGMR効果を増大させるとさえ解釈
される。
できた。これを示すために、AAF無しのIrMnスピンバルブを用いて350
℃における同じ焼なましを示すフィルムが得られた。この場合、このスピンバル
ブの交換バイアシング方向は実際に90°以上回転したことが実証された。
用いられる。特定の応用例はデジタル位置センサ(例えば、クランクシャフト用
)及びアナログ角度センサ(例えば、バルブ位置、ペダル位置、ステアリングホ
イール位置)である。前記の創意に富むセンサは、その磁気抵抗効果曲線が非対
称であるので、相補的出力信号を持つセンサとして作動することを可能にし、従
って、ホィートストンブリッジに使用できる(図3)。相補的出力信号を供給す
るセンサエレメントは、固定層(の磁気配向)が自由層に関して+90°である
ような第1の自由/固定層システム、及び、固定層(の磁気配向)が自由層に関
して−90°であるような第2の自由/固定層システムの生成を可能にする。固
定層の配向付け(オリエンティング)は、所要の配向を持つ磁場内において当該
層を加熱および冷却することによって達成可能である。このような方法は、米国
特許第5686837(P1−IN 14825)号明細書に記述されている。
′、および、端子17及び18に接続された電流Iin用の電流ソース(供給源
)14を有するホィートストンブリッジの等価回路図を示す。端子15と16の
間には出力電圧Uoが現れる。前記ブリッジは電圧制御または電流制御によって
作動可能である。ここに示す電流制御は、電圧制御と比較した場合、温度上昇に
際して、相対的な磁気抵抗効果の減少に起因して生じる出力電圧Uoの減少が、
抵抗性物質の正温度係数に起因するブリッジにおける磁気抵抗エレメント12、
12′、13、13′の絶対値の増加によって適切に補償されると言う利点を持
つ。
造を示す。
層34の実効異方性の方向を示す。層32と34は反強磁性層33によって分離
される。矢印39は、第2NiFe層34の実効異方性方向に対して平行に方向
付けされた測定しようとする磁界H成分を示す。本発明に基づいて使用される磁
気抵抗エレメント12、12′、13、13′において、層32の感応強磁性物
質の容易磁化方向は、強磁性層34の実効異方性方向に実質的に垂直な方向であ
る。
ブリッジの隣接する2辺における2つのエレメントが外部磁界に対して反対の感
度を示すように設定される。更に、各磁気抵抗センサエレメントにおいて、強磁
性層(32)の磁化は、もう一方の強磁性層(34)の磁化方向に対して実質的
に垂直になるように調節される。これらの製造工程の結果として、微小磁界の測
定に一切の補助磁界を必要とせず、当該センサはヒステリシスによる実質的な影
響を受けることなく、しかも、直線性が強化される。
NiFe、CoFe+NiFe+CoFe、等々)であっても差し支えない。
iFeを使用する場合には、Cuスペーサ層と接触しない方が好ましい。
層は、自由層に関して記述したと同様に構成しても差し支えない。
ても差し支えない。
の磁化方向の間に設定された角度は、例えば、「0」または「1」を表す。デー
タの内容は、メモリ「セル」の抵抗を測定することによって読み取り可能である
。
えることのできる自由および固定強磁性層を構成する堅固な巨大磁気抵抗効果型
多重層センサが得られる。GMR多重層は非対称磁気抵抗効果曲線を持ち、ホィ
ートストンブリッジを可能にするような相補的出力信号を持って作動するセンサ
を可能にする。改良は、固定層としての人工反強磁性体とLrMn交換バイアシ
ング層との組み合わせ使用を含む方法を組み合わせることにより達成される。こ
の場合、LrMn交換バイアシング層は緩衝層の最上面上に配置された層スタッ
クの底部に配置されることが好ましい。
曲線測定結果を示す線図。
Claims (10)
- 【請求項1】 自由強磁性層および固定強磁性層を支える基板を有し、前記固定強磁性層がA
AF(人工反強磁性)層システムおよびIrMn型物質の交換バイアシング層を
有し、前記交換バイアシング層が、前記AAF層システムと隣接および接触して
いる磁気多重層センサ。 - 【請求項2】 前記AAF層システムがCoFe層および中間非磁性層を有する請求項1記載
の磁気多重層センサ。 - 【請求項3】 前記自由強磁性層と固定強磁性層がCu型層によって分離され、前記Cu型層
が両面においてCoまたはCoFe層と接触している請求項1記載の磁気多重層
センサ。 - 【請求項4】 AAFの中間の層がRu層である請求項1または2記載の磁気多重層センサ。
- 【請求項5】 前記交換バイアシング層が基板とAAFスタックの間に配置されている請求項
1記載の磁気多重層センサ。 - 【請求項6】 請求項1記載の磁気多重層センサ2個を有するホィートストンブリッジであっ
て、作動すると前記センサが相補的出力信号を提供するホィートストンブリッジ
。 - 【請求項7】 位置を感知するように配置されている請求項1記載の磁気多重層センサ。
- 【請求項8】 アナログ角度を感知するように配置されている請求項1記載の磁気多重層セン
サ。 - 【請求項9】 回転速度を感知するように配置された請求項1記載の磁気多重層センサ。
- 【請求項10】 データを記憶するように配置された請求項1記載の磁気多重層センサ。
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