JP2002522792A - 巨大磁気抵抗材料又はスピントンネル接合を具え、層に対し垂直な感度を有する磁界センサ - Google Patents

巨大磁気抵抗材料又はスピントンネル接合を具え、層に対し垂直な感度を有する磁界センサ

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Abstract

(57)【要約】 著しく異なった単軸異方性を有するか、或いは補助強磁性体層との反強磁性交換結合により変更した磁化曲線を有するか、或いはこれらの双方を有する強磁性体層を用いることにより、巨大磁気抵抗材料又はスピントンネル接合に基づく垂直軸感度を有する薄膜磁界センサを形成することを提案する。著しく小型化しうる磁界センサは４つのスピントンネル接合に基づいており、これらが相俟ってホイートストンブリッジを形成する。磁気的に感応する電極は積層の磁束集中器としても機能し、その結果低雑音単一磁区構造が得られる。極めて簡単な設計により、対向電極の磁化方向を固定に容易に規定しうる。極めて低い電力で極めて高い出力電圧が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 ホール効果又は（通常の）磁気抵抗の何れかを採用する半導体薄膜に基づく磁
界センサは、薄膜の面（平面）に対し垂直に向う磁界に感応する。自動車システ
ムにおける、無ブラシ永久磁石電動機や、クランクシャフト及びカムシャフト位
置センサや、ＡＢＳ（加速度‐減速度）センサのような適用分野の場合、上述し
た磁界の方向が、空間制限（小型化）の点でしばしば好ましい向きである。しか
し、既知の装置の感度は制限されており、感度を更に高くする必要がある。
【０００２】 本発明の目的は、薄膜の面に対し垂直な磁界成分を、より一層高い感度で測定
する磁界センサを実現することにある。この目的のために、本発明による磁界セ
ンサは、巨大磁気抵抗材料又はスピントンネル接合を有する。本発明による磁界
センサでは、垂直方向の感度、すなわち、薄膜の面に対し垂直な印加磁界の成分
に対する感度は、ＧＭＲ効果及びスピントンネル接合の双方又はいずれか一方に
基づいている。巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）又はスピントンネル効果（トンネル磁気
抵抗（ＴＭＲ）とも称する）に基づく磁界センサは、特に薄膜に対し垂直な磁界
の成分に対し著しく改善された感度を有する。しかし、これまで提案されたあら
ゆる設計のものは薄膜の面内の磁界に対してのみ感度を呈するにすぎない。本発
明は、（垂直方向の感度及び面内の感度を有する）同じ物理的原理のＧＭＲ及び
スピントンネルに基づくセンサであって、これらの技術により得られる高い感度
の利点を有するセンサを提供しうる。
【０００３】 スピントンネル接合（ＳＴＪ）は、層構造体Ｆ１／Ｉ／Ｆ２を有する。Ｆ１及
びＦ２は、積層としうるも少なくとも１つの強磁性体層を含む層であり、Ｉは絶
縁性の障壁層である。トンネル電流はこれらの層の面に対し垂直に向う。ここで
言うＧＭＲ層構造体も同様な層構造体Ｆ１／Ｍ／Ｆ２を有し、Ｆ１及びＦ２は、
積層としうるも少なくとも１つの強磁性体層を含む層であり、Ｍは、非強磁性体
（しばしば非磁性）分離層である。原理的には、層の面内電流（ＣＩＰ:Current
In the Plane）の幾何学的構造又は面に対し垂直な電流（ＣＰＰ：Current Per
-pendicular to the Plane ）の幾何学的構造の何れをも用いることができる。
しかし、実際には、より大きな抵抗変化と、より簡単な製造処理とが組合わさっ
てセンサにおけるＣＩＰの幾何学的構造の使用を好ましいものとする。
【０００４】 垂直方向に向う磁界（より一般的には、印加磁界の垂直成分）に対する感度は
特に、互いに著しく異なる単軸異方性と変更磁化曲線との双方又はいずれか一方
を有する層Ｆ１及びＦ２を具えるセンサにおいて高くなる。変更磁化曲線は例え
ば、補助強磁性体層との反強磁性結合により実現される。特に、磁化容易面又は
磁化容易軸の何れかで単軸界面異方性を用いることにより、素子が感応する磁界
範囲を選択するか、或いは、反強磁性中間層交換結合を用いることにより階段状
の抵抗‐磁界（Ｒ（Ｈ））曲線を実現するか、或いは、補助強磁性体層を設ける
ことにより、センサの感度を著しく高めるか、或いは、これらの何れかの組合せ
を用いるのが有利である。反強磁性中間層交換結合は感度を高める。
【０００５】 電気抵抗を決定する層の磁化曲線を最適にするのに用いる種々の方法は、文献
によれば、しばしば“スピンエンジニアリング”と称されている。本発明による
センサの設計は、スピントンネル接合に基づくようにするのが好ましい。その理
由は（現在分かっている限り）、このようなシステムの場合、酸化物の障壁層に
最も近い磁性体層の磁化方向のみが磁気抵抗を決定する為である。その界面から
離れて位置する補助磁性体層を用いることによっては電気抵抗値に影響を及ぼさ
ない。それにもかかわらず、補助磁性体層を適切に（高固有抵抗に）選択するこ
とにより、上述したのと同じ着想をＧＭＲシステムにも適用しうる。以下の記載
では、スピントンネル接合に適用する場合を中心に説明しているが、同じ解決策
をＧＭＲ効果に基づくセンサにも適用しうるものである。
【０００６】 本発明の上述した観点及びその他の観点は、以下の実施例に関する説明から明
らかとなるであろう。 図１ａ〜１ｅにおいては、薄膜の面をｘ‐ｙ面で示してあり、ｚ方向はこの面
に対して垂直である。印加磁界Ｈapplをｚ方向の矢印Ｈapplで示してある。
【０００７】 構造体（ａ）（図１ａ）では、層Ｆ１の磁化、又は少なくとも絶縁層Ｉに最も
近いこの層Ｆ１の部分の磁化が、層Ｆ１中に実線矢印で示すように強い垂直方向
の異方性により薄膜の面に対し垂直に向けられている。このことは、実際には、
１つのＣｏ／Ｐｄの多重層当り積層構造体を用いることにより実現しうる。層Ｆ
２中の磁化は、この層Ｆ２中に矢印で示すように、印加磁界Ｈapplによる影響の
下で面内からこの面に対して垂直に回転する。この層Ｆ２は、面内異方性を有す
るも、必要に応じ、界面が垂直な異方性成分に寄与する積層構造体を用いること
により消磁磁界よりも（著しく）小さい有効異方性磁界を有するようにする。こ
の場合も、これを実現するのに可能な実際的な材料はＣｏ／Ｐｄ多重層である。
磁性体層及び非磁性体層の厚さを変えることにより、異方性磁界を選択しうる。
図１ａの下側の部分は、Ｒ（Ｈ）を線図的に示し、ここで、Ｒは抵抗値を示し、
Ｈapplは薄膜の面に対し垂直な、すなわち、ｚ方向の印加磁界を示す。印加磁界
Ｈapplを高めると、抵抗値Ｒは、飽和磁界（層Ｆ２の異方性磁界）で双方の層の
磁化方向が平行となるまで減少する。実線曲線は、層Ｆ１の保磁力が充分高い場
合に当てはまる。保磁力がゼロ（零）の場合、破線曲線が当てはまり、保磁力が
有限でヒステリシスループが方形の場合、抵抗値は保磁磁界で実線曲線から破線
曲線に飛び移る（図示せず）。
【０００８】 構造体（ｂ）（図１ｂ）では、層Ｆ１の磁化、又は少なくとも絶縁層Ｉに最も
近いこの層Ｆ１の部分の磁化が、層Ｆ１中に実線矢印で示すように薄膜の面に対
し平行に向けられている。このことは、飽和磁化が高い為に消磁磁界が高くなっ
た材料（例えば、Fe65Co35）を用いることにより達成でき、その効果は、必要に
応じ負の（面内）界面異方性を用いる（例えば、Fe65Co35/Ni/Moを用いる）こと
により高めることができる。層Ｆ２の組成及び特性は、構造体（ａ）の場合と同
じである。図１ｂの下側の部分は、その結果のＲ（Ｈ）曲線を示す。実際には、
小さな面内磁界を、例えば、永久磁石薄膜から印加することにより、双方の層内
の単一磁区構造や、単一面内での層Ｆ２の磁化の回転を安定化させるのが重要で
ある。
【０００９】 構造体（ｃ）（図１ｃ）では、層Ｆ１は構造体（ａ）の場合と同じである、す
なわち、層Ｆ１は薄膜面に対し垂直な磁化を有する。層Ｆ２は２つの強磁性体層
Ｆ２‐１及びＦ２‐２より成り、これらの強磁性体層はこれらを反強磁性的に結
合させる磁性体のスペーサにより分離されている。層Ｆ２‐１及びＦ２‐２は双
方共強い垂直の異方性を有し、これは必要に応じ積層により実現させる。磁界が
Ｈ＞０であると、層Ｆ２‐２の磁化は実質的に薄膜面に対し垂直で上方に向く。
このことは、層Ｆ２‐２の単位面積当りの磁気モーメントが層Ｆ２‐１のそれよ
りも大きいシステムか、或いは、層Ｆ２‐２が層Ｆ２‐１よりも大きい保磁力を
有するシステム、或いは、これらの双方のシステムの場合、上方に向かう充分に
大きな磁界を印加することにより実現しうる。層Ｆ２‐１及びＦ２‐２間の交換
結合は結合磁界Ｈcoupleで表される。層Ｆ２‐１の組成及び製造方法は、その保
磁力が極めて小さくなるように選択する。Ｒ（Ｈ）曲線を図１ｃの下側部分に示
してある。層Ｆ２‐１の磁化はＨ＝Ｈcoupleで下方から上方にスピン反転（スピ
ンフリップ）する。構造体（ｄ）（図１ｄ）は、構造体（ｃ）に殆ど類似してお
り、その相違は層Ｆ２‐１の異方性にあり、この場合の異方性はほんのわずかし
か垂直ではなく、面内でもあり、その結果、Ｈ＝Ｈcouple付近での層Ｆ２‐１の
磁化の回転（“スピンフリップ”ではなく“スピンフロップ”）は一層ゆっくり
したものとなり、結合磁界付近での磁界変化に対する応答が一層直線性となる。
【００１０】 これら構造体（ａ〜ｄ）では、層Ｆ１は磁気的に不活性である。その結果、構
造体（ａ）及び（ｂ）の場合、磁界Ｈ＞０に対するセンサ出力は大きくとも、可
能な最大出力の半分となる。完全な効果は、反強磁性結合対の層であるＦ１‐１
及びＦ１‐２を形成するように層Ｆ１を積層することにより得られる（図１ｅ参
照）。この場合、構造体（ｃ）及び（ｄ）の状態と相違して、反強磁性結合が極
めて強くなり、結合磁界を、検出する必要のある磁界よりも著しく大きくする。
その結果、実際上のあらゆる状態の下で、２つの層が反平行に維持される。これ
らの層の対では、実効的な単軸の面内異方性は弱く、保磁力は極めて低い。極め
て重要な点は、単位面積当りの磁化を、層Ｆ１‐１に対して最大とすることであ
る。その結果、層Ｉに最も近い層Ｆ１‐２の磁化が、上方に向う磁界を印加した
際に下方に回転する。これにより、層Ｆ２の上方への回転と相俟って、出力を所
望通りに高め、層Ｆ１及びＦ２の実効的な異方性磁界が等しい場合にダイナミッ
クレンジを減少させることなく出力を２倍にする。
【００１１】 バイアス磁界が一定である場合、上述した５つの種類の構造体、特に、構造体
（ｃ）及び（ｄ）が有効である。これは、例えば、歯車を磁化する永久磁石がセ
ンサに接近して装着されている自動車分野のセンサの場合である。歯車が回転す
ると、センサの位置での薄膜の面に対し垂直な磁界の（常に正の）垂直成分が変
化する。正のバイアス磁界の結果、構造体（ｃ）及び（ｄ）のセンサにおける層
Ｆ１及びＦ２‐２の必要な上方に向う磁化が安定化される。
【００１２】 センサ構造（図２ａ〜２ｃ）： 単一素子及び半ホイートストンブリッジは本発明の範囲内であるが、本発明の
最も多目的な例はホイートストンブリッジの形態のセンサ構造体である。スピン
トンネル接合に基づくセンサの例を以下に説明する。その最も一般的な形態のも
のでは、上述した素子を有するホイートストンブリッジは図２ａに示す形状を有
しうる。この構造体は、リード線１‐２、３‐５、４‐７及び６‐８を対に接続
する場合であって、電流接点をリード線１‐２及び６‐８に形成し且つ電圧接点
をリード線３‐５及び４‐７に形成するかこれら電流接点及び電圧接点を逆にす
る場合には、ホイートストンブリッジとして機能する。各素子では、電流方向は
層Ｆ１及びＦ２の異なる層に対して同じである。このことは、Ｉ‐Ｖ曲線がゼロ
付近で非対称である高電圧時に重要である。この複雑性は、ホイートストンブリ
ッジを交流モードで駆動するか、或いは動作を低電圧に制限することにより回避
することができる。この場合、ブリッジの構成及び接続パターンを図２ｂに示す
構造体のように簡単化しうる。本発明の範囲内でブリッジをより一層完全に平衡
化するように構造体をトリミングすることもできる。
【００１３】 ４つのブリッジ素子Ａ〜Ｄの最適な形態は、部分的に、微小な磁気的な特徴に
よって決定される。各素子の寸法は、堆積中にその個所でシャドーマスクを用い
る場合には５０×５０μm2にでき、それ以外の個所でパターンニングを用いるこ
とにより更に小さくでき、これにより１つの素子当りのウエハの全表面積を極め
て小さくすることができる。スピントンネル接合素子の所定の電流密度での出力
は、ＡＭＲ又はＧＭＲ素子と相違して、横方向の寸法によっては決定されない。
正のバイアス磁界で動作するホイートストンブリッジは、（層Ｆ２を堆積する最
初の層Ｆ１を、対向するブリッジ素子に対して異ならせてある）構造体（ａ）及
び（ｂ）の素子を組合せることにより形成しうる。ゼロバイアス磁界付近で動作
するホイートストンブリッジは、層Ｆ１が充分に大きな保磁力を有するとともに
対で互いに反平行に磁化されている構造体（ａ）の素子を用いることにより形成
しうる。このようなブリッジの“プログラミング”は、（垂直磁気記録の場合の
ように）高い外部磁界を局部的に印加することにより可能となる。構造体（ｃ）
又は（ｄ）を使用するホイートストンブリッジの場合に、４つの素子の各々の切
換え磁界間の差が実際に許容しうる値よりも大きいということが分かった場合、
層Ｆ１を上述したのと同様に“プログラミング”する必要があり、層Ｆ２の構造
を変更することにより（勿論、出力電圧を４倍にするのを犠牲にして）これら４
つの素子のうちの３つの素子を不作動にする必要がある。
【００１４】 原理的には、プログラミング用の又はバイアス用の磁界を印加するのに、素子
の下側の基板中に集積化するリング状の電流リード線を用いることができるはず
である。しかし、実際上の実現性はいまだはっきりしておらず、更に詳細に研究
する必要がある。これらの機能を実現するのに要する電流は多分極めて高くなる
であろう。ＧＭＲ材料の場合、電流は厳密には印加電圧の極性に依存しない。ブ
リッジのレイアウトは図２ｃに示すようにすることができる。必要に応じ、単一
の細条状の素子を曲がりくねったパターンに代えることができる。本例の場合、
面内消磁磁界は、面内感度を有するＧＭＲセンサの場合と相違して、何の作用も
果たさない。従って、曲がりくねっていない極めて幅狭な細条の形態で素子をパ
ターンニングするのが、出力を高めるとともに全センサ面積を依然として小さく
たもつための可能な変形例である。
【００１５】 Ｆ１及びＦ２が強磁性体層であり、Ｍが非強磁性分離層であるＦ１／Ｍ／Ｆ２
型のＧＭＲ層構造体を用いるか、又は、Ｆ１及びＦ２が強磁性体電極層であり、
Ｉが高抵抗の（殆ど絶縁性の）障壁層であるＦ１／Ｉ／Ｆ２型のＴＭＲ層構造体
を用いるか、又は、これらの双方を用いる場合、垂直軸方向の磁界に対し著しく
異なる磁気応答を有する層Ｆ１及びＦ２を用いることにより垂直軸感度を有する
ＧＭＲ又はＴＭＲ磁界センサを実現することができる。
【００１６】 垂直軸方向の磁界の正確な値を測定するのに用いるセンサの場合、追加の要件
は応答の直線性及び可逆性である。以下の層構造体（１）及び（２）はこれらの
要件を満足する。これらは、層Ｆ２が磁化容易面の異方性を有し、層Ｆ２の磁化
が垂直軸方向の磁界の影響の下で面内から垂直軸方向に回転するという点で共通
している。 （１）極めて強い垂直異方性により層Ｆ１の磁化を薄膜面に対し垂直方向に向
かせる（図１ａ、１ｃ、１ｄ参照）。このことは、Ｃｏ／Ｐｄ多重層のような積
層構造体を用いることにより実現しうる。 （２）負の（面内）界面異方性を用いることにより、消磁磁界のみの結果とし
て、又は層Ｆ１の積層化による強化効果の結果として、この層Ｆ１の磁化を本質
的に薄膜面に限定する（図１ｂ）。この層は、例えばFe65Co35を以て構成するか
又はFe65Co35/Ni/Moの積層体を以て構成する。これらの双方の構造体の場合、例
えば永久磁石薄膜からの小さな面内磁界を用いて、ある特定の面内磁化方向を安
定化させることができる。構造体（１）の場合、抵抗変化は磁界の正負符号及び
大きさに依存し、構造体（２）の場合、この抵抗変化は磁界の大きさのみに依存
する。
【００１７】 磁界が、ある値よりも大きいか或いは小さいかを検出するのに用いるセンサの
場合、以下の構造体を用いることができる。 （３）層Ｆ１の構造は構造体（１）の場合と同じである。すなわち、層Ｆ１は
薄膜面に対し垂直な磁化を有する。層Ｆ２は、金属層により分離された２つの強
磁性体層Ｆ２‐１及びＦ２‐２より成り、この金属層がこれら２つの強磁性体層
を反強磁性的に結合させる（図１ｃ、１ｄ）。これらの双方の強磁性体層は、必
要に応じ積層（界面異方性を用いること）により実現した強い垂直方向の異方性
を有する。この強い異方性の為に、（ＧＭＲの場合）層Ｍ又は（ＴＭＲの場合）
層Ｉから最も離れた層Ｆ２‐２の磁化は常に層Ｆ１の磁化に対し平行に向く。い
わゆる結合磁界において、又は（層Ｆ２‐１及びＦ２‐２間を結合することによ
り決定される）結合磁界付近のある磁界間隔内で、層Ｆ２‐１の磁化が切換わっ
て層Ｆ１及びＦ２‐２の磁化に対し平行となり、抵抗値を減少させる。ＧＭＲ構
造体の場合、電流を層の面に対し平行とするのが好ましい。ＴＭＲ構造体の場合
には、電流を層の面に対し垂直とする。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明によるセンサ構造体の５つの実施例と、薄膜の面に対し垂直な印加磁界
Ｈapplの関数としての抵抗値である対応するＲ（Ｈ）曲線とを示す線図であり、
層中の実線矢印は休止状態での磁化方向を示す。
【図２ａ】 本発明によるスピントンネル素子を有するホイートストンブリッジの一般的な
形態を示す。
【図２ｂ】 簡単化したホイートストンブリッジのレイアウトを示す。
【図２ｃ】 ＧＭＲ素子を有するホイートストンブリッジを示す。
【手続補正書】
【提出日】平成１２年６月１２日（２０００．６．１２）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 Ｇｒｏｅｎｅｗｏｕｄｓｅｗｅｇ １， 5621 ＢＡ Ｅｉｎｄｈｏｖｅｎ， Ｔｈ ｅ Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ (72)発明者 パスカル イェー ハー ブルーメン オランダ国 5656 アーアー アインドー フェン プロフ ホルストラーン ６ Ｆターム(参考） 2G017 AA01 AC09 AD55 AD61 AD65 BA09 5D034 BA04 BA15 BB02 CA08

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 少なくとも２つの層を有し、薄膜の面に対し垂直な磁界成分を測
    定する、磁気抵抗に基づく磁界センサが巨大磁気抵抗材料素子又はスピントンネ
    ル接合素子を具える当該磁界センサ。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載の磁界センサにおいて、前記巨大磁気抵抗材料素
    子が第１の強磁性体層と、第２の強磁性体層と、中間の非強磁性体層とを有する
    ことを特徴とする磁界センサ。
  3. 【請求項３】 請求項２に記載の磁界センサにおいて、前記第１及び第２の強磁
    性体層が互いにかなり異なる単軸異方性を有していることを特徴とする磁界セン
    サ。
  4. 【請求項４】 請求項２に記載の磁界センサにおいて、前記巨大磁気抵抗材料素
    子が補助強磁性体層を有し、前記第１及び第２の強磁性体層のうち少なくとも一
    方の層が前記補助強磁性体層と反強磁性結合されていることを特徴とする磁界セ
    ンサ。
  5. 【請求項５】 請求項２に記載の磁界センサにおいて、前記第１及び第２の強磁
    性体層の一方の層が、検出すべき磁界の磁束を集めるようになっていることを特
    徴とする磁界センサ。
  6. 【請求項６】 請求項１に記載の磁界センサにおいて、前記スピントンネル接合
    素子が第１の強磁性体層と、第２の強磁性体層と、中間の高抵抗障壁層とを有す
    ることを特徴とする磁界センサ。
  7. 【請求項７】 請求項２〜６のいずれか一項に記載の磁界センサにおいて、前記
    第１の強磁性体層が２つの強磁性体副層と、中間の金属製非強磁性体副層とを有
    していることを特徴とする磁界センサ。
  8. 【請求項８】 請求項７に記載の磁界センサにおいて、前記第１の強磁性体層の
    上側及び下側強磁性体副層中の磁化方向を規定するように、これらの各副層に電
    流を流す手段が設けられていることを特徴とする磁界センサ。
  9. 【請求項９】 請求項８に記載の磁界センサにおいて、前記第１の強磁性体層の
    上側及び下側強磁性体副層の磁化方向をスピンフリップさせるようにこれらの各
    副層中に反対極性の電流を交互に流す手段が設けられていることを特徴とする磁
    界センサ。
  10. 【請求項１０】 請求項１〜９のいずれか一項に記載の磁界センサを少なくとも
    ２つ動作関係で有するホイートストンブリッジ型の磁界検出装置。
  11. 【請求項１１】 請求項１０に記載のホイートストンブリッジ型の磁界検出装置
    において、各磁界センサが第１及び第２の強磁性体層と、中間の非強磁性体層と
    を有し、第１及び第２の強磁性体層が交差関係に配置されていることを特徴とす
    るホイートストンブリッジ型の磁界検出装置。
  12. 【請求項１２】 請求項１１に記載のホイートストンブリッジ型の磁界検出装置
    において、２つの前記第１の強磁性体層と、２つの前記第２の強磁性体層とが、
    これらの交差点に４つの磁界センサを形成するように配置されていることを特徴
    とするホイートストンブリッジ型の磁界検出装置。
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