JP2002522866A - スピントンネル接合素子を具える磁界センサ - Google Patents

スピントンネル接合素子を具える磁界センサ

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Abstract

(57)【要約】 強く小型化し得る磁界センサは４つのストリームピントンネル接合に基づき、ホイーストンブリッジを構成する。磁気センシティブ電極機能並びに好ましくは積層構造の磁束集中器の結果として低雑音の単一磁区構成が得られ、オフセットを補正する磁化フリッピングが可能となる。極めて簡単な設計により、対向電極の固定の磁化方向を容易に決定することができる。極めて高い出力電圧が極めて低い電力と組み合わされる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 磁界センサを異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）素子又は巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子
を基に製造することができること既知である。しかし、ＡＭＲセンサ及びもっと
高感度のＧＭＲセンサの幾つかの特性は依然として幾つかのタイプの用途に対し
制限要因である。第１に、ＡＭＲ効果もＧＭＲ効果も金属薄膜内に生じ、比較的
低いシート抵抗を生ずる。使用されているデバイスジオメトリでは電流の向きが
膜面に平行であるので、大きな出力電圧の点からは、これらの素子は長い蛇行ス
トライプパターンの形に製造するのが有利である。しかし、この場合にはセンサ
面積がかなり大きくなる（代表的には数ｍｍ２まで）。蛇行パターンの使用の他
の不利益な結果は、使用可能な磁束集中器の効率が減少する点にある。第２に、
ＡＭＲ及びＧＭＲセンサの適正動作のために追加のパターン構造の堆積を必要と
し、これにより製造プロセスが複雑になる。ＡＭＲセンサはその抵抗対磁界曲線
を直線にするために所謂バーバーポールオーバレイの堆積を必要とする。ＡＭＲ
又はＧＭＲセンサの製造を複雑にする要因は、それらの適正動作（無零磁界オフ
セット）のために磁性層の磁化方向をフリッピングさせる（反転させる）外部コ
イル又は集積導体の使用が必要とされることにある。
【０００２】 本発明は、磁気抵抗スピントンネル接合を有利に利用して、改善された感度、
小型化及び設計の単純さを有するセンサを実現し、新クラスの磁界センサを提供
することにある。
【０００３】 本発明の磁界センサは、第１の共通の細長い強磁性の層であって、その長手方
向に対し直角方向に面内磁化容易軸を有する強磁性層Ｆ１と、互いに反対の磁化
方向を有するとともに前記層Ｆ１の長手方向に沿って互いに離れて位置する２つ
の他の強磁性層Ｆ２とを具え、前記強磁性層Ｆ１と前記他の２つの強磁性層Ｆ２
がこれらの強磁性層の間に挟まれた電気障壁層を有するスピントンネル接合形の
１対の磁気抵抗素子を形成し、更にスピントンネル接合両端間の抵抗値を測定す
る手段を具えることを特徴とする。このようなセンサは、動作時に、層Ｆ１の面
内に、層Ｆ１の磁化容易軸に直角の方向（即ち層Ｆ１の長手方向）に印可された
磁界を測定することができる。好適実施例では、２つの互いに交差する層Ｆ１及
びＦ２を使用し、２対のトンネル接合を形成し、簡単でしかも極めて高感度のホ
イーストンブリッジを形成する。
【０００４】 層Ｆ１の細長形状は、測定すべき磁界の磁束がスピントンネル接合形の磁気抵
抗素子に集中し、設計感度が増大する利点ももたらす。センサ面積を減少させる
ことができる。Ｆ１層の設計は、例えばＦ１層の幅を磁気抵抗素子の近くで最小
にするとともに磁気抵抗素子から大きく離れた位置で大きくすることにより磁束
集中を増大するよう更に最適化することができる。
【０００５】 本発明のこれらの特徴及び他の特徴は以下に記載する実施例を参照すると明ら
かになる。図面において、 図１ａはスピントンネル接合の印可磁界に対する抵抗値の依存性を示し、 図１ｂはスピントンネル接合を模式的に示し、 図２は構造内の層が強磁性的に結合されている多層構造を示し、 図３は本発明によるセンサ設計を模式的に示し、 図４ａ及び４ｂは本発明によるセンサ設計の積層構造を詳細を示し、 図５Ａ−５Ｃは本発明による装置の３つの実施例の詳細を示し、 図６Ａ−６Ｃは図５Ａ−５Ｃに示す装置のそれぞれの抵抗値を印可磁界の関数
として示す。
【０００６】 各図は模式図である。 スピントンネル接合は１対の金属磁性薄膜（Ｆ１及びＦ２）間に挟まれた絶縁
性薄膜を具える。絶縁障壁を横切る電気伝導は量子力学トンネルの結果である。
伝導率は接合の面積、即ち上下磁性層の接合面積に比例する。各磁性層は面内磁
化容易軸を有する。最近幾つかのグループにより証明されているように、両磁性
層内の磁化を平行から反平行に切り換えると、抵抗値を室温で２０％以上増大さ
せることができる。この効果は２つの磁性層の磁化方向の間の角度の余弦で近似
的に線形である。図１ａは、抵抗値Ｒを印加磁界Ｈの関数として示し、縦軸は測
定抵抗値と両層内の磁化が平行であるときの抵抗値との差（％）を示す。両層内
の磁化が平行であるときＲは零である。極めて高い印加磁界では、両層内の磁化
は平行であり、図１に平行矢印で示されている。印加磁界が大きな正値から零に
近い値に減少すると、一方の層の磁化が反転するため、両層内の磁化は反平行に
なる（抵抗値の右側ピークの上の反平行矢印で示されている）。これにより抵抗
値が上昇する。大きな負値では、他方の層の磁化も反転し（従って両層の磁化は
左側ピークの左に平行矢印で示すように再び平行になり）、抵抗値が減少する。
印加磁界を増大させると、抵抗値の右側ピークで示すように同様の効果が誘導さ
れる。抵抗値が磁化が平行であるか反平行であるかに依存する特性を用いて接合
抵抗対印加磁界の線形変化を実現することができ、これは、磁界が２つの磁性層
の一方の層（Ｆ１）の磁化容易軸に垂直に印加され、第２磁性層（Ｆ２）の磁化
が所定の方向にピンニング（固定）された構造において実現され、ピンニングは
、例えばＦ１層の材料より遥かに高い保磁力を有する材料をＦ２層に使用するこ
とにより、又はＦ２層を反強磁性（ＡＦ）層、永久磁石層、所謂人工反強磁性（
ＡＡＦ）層、即ち反強磁性的に交換結合された多重層、又はＡＡＦ及びＡＦ複合
層と接触させることにより達成される。この構造を図２に模式的に示す。図２は
Ｆ１/Ｉ/Ｆ２層のサンドイッチ構造を模式的に示す。測定中の電流の方向を上向
き（ｚ方向）の矢印で示し、電流は反対方向（下向き）にも流すことができるこ
と勿論である。層内の磁化は矢印で模式的に示し、層Ｆ１内の磁化は、正及び負
の印加磁界に応答して、直角の向きから（Ｆ２層の磁化の方向に対し）平行又は
反平行の向きに回転することが模式的に示されている。印加磁界ＨAPPの方向及
び層Ｆ１の磁化容易軸方向（ＥＡ）も図２に示されている。比較を容易にするた
めに、容易軸方向をｙ方向と呼び、ｙ方向と直角の面内方向をｘ方向（図３に示
すように層Ｆ１の長さ方向に対応する）と呼び、層に垂直の方向をｚ方向と呼ぶ
。電流方向は垂直方向の矢印で模式的に示されており、電流は印加電圧に依存し
て逆方向にも流れ得ること勿論である。このようなサンドイッチ構造の代表的な
Ｒ対ＨAPP曲線を図１ａに示す。
【０００７】 絶縁層はしばしば酸化アルミニウム層、主としてAl2O3層が使用されているが
、AlN、NiO又はHfOのような他の材料も使用され、１−３ｎｍの厚さである。厚
さは、２つの電極層間の所謂ピンホールによる直接金属接触を避けるとともに、
両層を磁気的に（殆ど）減結合するのに十分な厚さにする必要がある。磁気電極
層は約１ｎｍ以上の厚さにすることができる。これらの層はCo、Fe、パーマロイ
等のような材料で形成することができる。図1ｂに示す代表的な実施例では、Ｆ
２層はCo50Fe50からなり、絶縁層ＩはAl2O3からなり、Ｆ１層はCoからなる。磁
気トンネル効果は絶縁層との界面又は該界面に密接する磁性層により主として決
まる。Ｆ１/Ｉ/Ｆ２接合素子を他の（導電）層の間に挟んでも、（高い）トンネ
ル抵抗が接触抵抗より優勢である限り、素子の電気的性能に殆ど影響を与えない
。これは、接点リードのシート抵抗値がトンネル抵抗より小さい場合である。酸
素プラズマ中でAl層を酸化してなる２ｎｍのAl2O3障壁層に対し、Co又はパーマ
ロイ層間の接合は１００μｍ2の面積に対し代表的には１ＭΩの抵抗値を有する
。もっと薄い障壁層を使用することにより及び／又はトンネル障壁の高さを減少
させることにより、もっと小さい接合抵抗を得ることができ、その結果として４
ｋＴＲ熱抵抗雑音及びＲＣ時定数の低下を導くことができる。接点リードのシー
ト抵抗に比較して高い接合抵抗は、以下に検討するように、設計の自由度をもた
らすとともに、極めて小さい電力消費をもたらす(ポータブル装置用に有用であ
る)。
【０００８】 本発明によるセンサ設計を図３に示す。本発明センサは軟磁性金属薄膜の２つ
のストライプＦ１-l及びＦ１-rと、これらのストライプを覆う薄い絶縁性障壁層
と、この障壁層の上に堆積された磁性ストライプＦ２-t及びＦ２-bからなるパタ
ーン化された構造とを具え、これらのストライプＦ２-t及びＦ２-b内においては
磁化方向が、例えば反強磁性膜、永久磁石膜又はＡＡＦ(上記参照)又はＡＡＦ＋
ＡＦによってピンニング（固定）されている。このピン層内の磁化方向が図３に
矢印Ａ−Ｄにより示されている。膜面内においてその長軸に直角の方向の磁界内
で成長させることにより(又はその後でこの方向に沿う磁界内でアニールするこ
とにより)Ｆ１軟磁性ストライプの磁化容易軸（ＥＡ）が決まる。印加磁界に対
する最高感度の方向はＦ１ストライプの長手軸線に平行である。Ｆ１層は磁束集
中器として作用する。これが図の上部に，Ｆ１層に集中する磁力線により模式的
に示されている。同一の磁力線集中効果がｚ方向にも生ずる。
【０００９】 電流源（図３には図の簡単化のために図示してない）を軟磁性ストライプＦ１
-l及びＦ１-r（接続点１及び２）を経て接続するとともに、出力電圧を接続点３
及び４で測定すれば、磁気抵抗素子がホイーストンブリッジの形に構成されるこ
と容易に理解される。対象構造のために、４つの全てのトンネル接合（Ａ−Ｄ）
が等価となり、適正に機能するブリッジの要件を満足する。本発明のコンセプト
においては、最も簡単な例ではセンサは点線の両側にブリッジの半部、即ちハー
フブリッジを具えるものとし、他方の半部はこのような場合には簡単な固定の抵
抗素子により形成することができる。このような構成はセンサの感度を低減する
が、それぞれのＦ１層における磁束集中の差又は異なる素子間のＲ（Ｈ）曲線の
差に影響されないため、誤差源が除去される。或いは又、ホイーストンブリッジ
の一方の半部を印加磁界からシールドすることもできる。これも装置の感度を低
減するが、Ｒ（Ｈ）曲線の差による誤差を除去し、更に例えば温度の影響による
誤差に対する補償効果も提供する。本例では、左右のＦ２層（Ａ，Ｂ及びＣ，Ｄ
）が単一のＦ２層（Ｆ２-t、Ｆ２-b）内に形成され、各Ｆ２層は２つの素子（Ａ
，Ｂ及びＣ，Ｄ）に共通の１つのリード（３、４）を有する。この構成は設計の
簡単さの点から有利である。しかし、他の実施例では、素子Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの各
々が個別のＦ２層を有するとともに、個別のリードを有するものとすることがで
きる。この構成は前記リード内に可同調抵抗素子を挿入してブリッジ構成を微調
整し、センサの感度を増大させることが可能になる。
【００１０】 Ｆ１がＦ２に等しくない場合には（これは低い印加電圧においてのみ真である
）、ブリッジを交流電流を用いて駆動することにより非対称Ｉ−Ｖ曲線を補償す
ることができる。装置は広い寸法範囲内において良好に機能する。接合面積の下
限は、接合抵抗が高くなりすぎないようにする必要があるという要件により部分
的に決まる。上限は、全ての接合は電気的に導通するピンホールがない状態に維
持する必要があるという歩留まり要件により部分的に決まる。Ｆ１及びＦ２スト
ライプの幅は、接合の感度及びそのミクロ磁気特性が最適になるように選択する
ことができる。Ｆ１層の幅は素子の位置又はその近くよりも素子から離れた位置
で大きくすることができる。図３ではこの可能性を点線で示している。同様に，
Ｆ１層の厚さも素子の位置又はその近くよりも素子から離れた位置で大きくする
ことができる。これは増大した磁束集中をもたらし、センサの感度を増大する。
【００１１】 軟磁性ストライプは４つの機能、即ち接点リードとしての機能、フリップ導体
（下記参照）としての機能、磁束集中器としての機能及びＦ１電極層としての機
能を満足する、又は満足し得る。後者の２つの機能の組合せ（無漏れ磁束）は磁
束集中器を特に高効率にする。従って、ＡＭＲ又はＧＭＲ素子と組み合わせる場
合より所定の磁束集中度のために必要とされる寸法が小さくなる。ピンニングさ
れた磁性ストライプＦ２内の磁化方向は、図３に反対方向の矢印で示すように、
隣接するブリッジ素子（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）に対し反対にする必要がある。この「
プログラミング」は全構造の製造後に次のようにして容易に実現することができ
る。
【００１２】 １．ＡＦ交換バイアス層を用いてピンニングする場合： (i)装置全体をＡＦのブロッキング温度より高い温度に加熱し、次に冷却し、冷
却中に電流をピンニングされたＦ２層ストライプに正しい向きに流すことにより
局部的磁界をＦ１層に印可する。これらの電流は接続点３、７及び８を正電圧に
接続するとともに接続点４、５及び６を大地に接続することにより供給すること
ができる。この手順により全ての接合が同時に「プログラム」される。 (ii)所要の交換バイアス方向に平行な外部磁界内において十分大きな電流をＦ２
層に供給することにより接合を部分的に加熱し、次にこの磁界内で電流密度を減
少させることにより冷却させる。外部印加磁界が十分強い場合には、電流の方向
は関係ない。この手順により二つ一組（ＡとＣ、ＢとＤ）のプログラミングが可
能である。 ２．Ｆ２/ＮＭ/Ｆ２（ＮＭは非磁性金属材料）からなるＡＡＦの場合： １(i)において述べた接続方法に従って電流を供給することによりプログラミン
グを行う。従って、高温ステップが不要である。全ての接合を同時にプログラム
することができる。
【００１３】 ３．永久磁石層を用いてピンニングする場合： １(i)において述べた接続方法に従って電流を供給することによりプログラミン
グを行う。その結果生ずる磁界によりＦ２及び永久磁石層内に明確に規定された
磁界が発生する。この状態を実現するために、Ｆ２/永久磁石層構造の上面に堆
積された導電性非磁性層(例えばCu又はAu)を使用することができる。この導電性
層のシート抵抗は２つの磁性層のシート抵抗よりはるかに低い必要がある。
【００１４】 この設計の極めて魅力的な特徴は、軟磁性層Ｆ１を積層構造とすることが許さ
れ、結果としてトンネル磁気抵抗を殆ど生じない点にある。この場合にはＦ１層
はＦ１-a/ＮＭ/Ｆ１-b構造とする（ここでＮＭは非磁性金属分離層である）。積
層構造の第１の利点は、ミクロ磁気構造及び軟磁性層の安定性を向上する点にあ
る。積層構造でない場合には、ストライプは図４ａに模式的に示すような閉磁区
構造を示すものと予想される。
【００１５】 積層構造の場合には、書込ヘッド内の磁束ガイドの場合において公知のように
、閉磁束構造を実現することができる。このような閉磁束構造は層Ｆ１-a及びＦ
１-b間の静磁気相互作用により安定化され、必要に応じ、適当に選択したスペー
サ層による半強磁性交換結合を用いて更に安定化させることができる。この目的
のために、非磁性結合層は例えば約０．８ｎｍの厚さのルテニウム層とすること
ができる。積層構造は磁気抵抗に影響を与えない。その理由は、絶縁障壁に最も
近い軟磁性層の磁化の方向のみによりトンネル電流が決まるためである。接続点
１及び９間の電流及び接続点２及び１０間の電流を用いて上下の軟磁性層内の磁
化方向を決定することができる。
【００１６】 極めて重要な第２の利点は、これらの２つの磁性層Ｆ１の磁化方向を、例えば
反対極性の電流を供給することにより（接続点１及び９間の電圧又は接続点２及
び１０間の電圧(図３参照)により）容易に反転(フリッピング)させることができ
る点にある。フリッピングが現在のＡＭＲセンサにおいて使用され、スピンバル
ブＧＭＲセンサに対してブリッジオフセット電圧を補正するために提案されてい
る。これは精密な直流磁界測定を実行可能にするために重要である。上述の設計
を使用することにより、フリッピングを追加の集積導体又は外部導体なしで実現
することができ、その結果としてセンサ設計が大幅に簡単になる。
【００１７】 良好に選択された素子材料、例えば高いブロッキング温度を有する交換バイア
ス材料及び誘導異方性の高い熱安定性を有する軟磁性層を使用することにより、
提案の構造は例えば幾つかの自動車用アプリケーションに対する要件を満足する
ことが予想される。
【００１８】 下記の簡単化された変形例：即ち１つの細長いＦ１層を有する単一ブリッジ素
子及びセミホイーストンブリッジ（同一の単一軟磁性ストライプを用いて予めプ
ログラムされた反対方向の感度を有する１対の素子）も請求の範囲に記載された
本発明の範囲に含まれる。軟磁性Ｆ１ストライプの幅は素子の近くで最低にし、
素子から離れた位置で大きくして磁束集中を向上させることができる。ブリッジ
平行を改善するためにトリミング抵抗を直列に付加することができる。
【００１９】 図５Ａ−５Ｃは本発明装置の幾つかの実施例の詳細を示す。これらの模範的な
実施例では、Ｆ２層を反強磁性（ＡＦ）層と接触させることにより（図５Ａ）、
所謂「人工反強磁性」（ＡＡＦ）層、即ち反強磁性的に交換結合されている多重
層と接触させることにより（図５Ｂ）、ＡＦ層とＡＡＦ層の組合せと接触させる
ことにより（図５Ｃ）、Ｆ２層がピンニングされている。図６Ａ−６Ｃは図５Ａ
−５Ｃに示す装置の各々の代表的な抵抗値を印加磁界の関数として示す。
【００２０】 図５Ａでは、基板Ｓ上にバッファ層（例えばTa層）を堆積し、その上に反強磁
性（ＡＦ）層を設ける。この反強磁性層は強磁性層Ｆ２の磁化方向をピンニング
する。分離障壁層Ｉを強磁性層Ｆ１及びＦ２間に挟む。得られるＲ（抵抗値）対
Ｈ（磁界）曲線を図６Ａに模式的に示す。
【００２１】 図５Ｂでは、所謂「人工反強磁性」（ＡＦＦ）層、即ち反強磁性的に交換結合
された多重層（Ｆ２１/ＮＭ/Ｆ２2）層を用いてＦ２層をピンニングしている。
得られるＲ（抵抗値）対Ｈ（磁界）曲線を図６Ｂに模式的に示す。
【００２２】 図５Ｃでは、図５Ａ及び５Ｂの両手段、即ちＡＦ及びＡＡＦを用いる。得られ
るＲ（抵抗値）対Ｈ（磁界）曲線を図６Ｃに模式的に示す。
【００２３】 種々の層（Ｆ１，Ｆ２，ＡＦ，ＮＭ，Ｂ等）はスパッタリング又は気相成長の
ような既知の技術で設けることができる。これらの層のパターニングはマスクを
用いて被覆すべきでない部分をマスクすることにより、又は最初に層を塗布し、
次にこの層を既知のエッチング技術により部分的にエッチングして所望のパター
ンを得ることにより行うことができる。
【００２４】 結論： 強く小型化し得る磁界センサはホイーストンブリッジ又はその半部を構成する
４つ又は２つのスピントンネル接合に基づく。磁気センシティブ電極機能並びに
好ましくは積層構造の磁束集中器の結果として低雑音の単一磁区構成が得られ、
オフセットを補正する磁化フリッピングが可能となる。極めて簡単な設計により
、対向電極の固定の磁化方向を容易に決定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ａはスピントンネル接合の印可磁界に対する抵抗値の依存性を示し、 ｂはスピントンネル接合を模式的に示す。
【図２】 構造内の層が強磁性的に結合されている多層構造を示す。
【図３】 本発明によるセンサ設計を模式的に示す。
【図４】 ａ及びｂは本発明によるセンサ設計の積層構造を詳細を示す。
【図５】 Ａ−Ｃは本発明による装置の３つの実施例の詳細を示す。
【図６】 Ａ−Ｃは図５Ａ−５Ｃに示す装置のそれぞれの抵抗値を印可磁界の関
数として示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＪＰ (71)出願人 Ｇｒｏｅｎｅｗｏｕｄｓｅｗｅｇ １， 5621 ＢＡ Ｅｉｎｄｈｏｖｅｎ， Ｔｈ ｅ Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 第１の共通の細長い強磁性層であって、その長手方向に対し直角
    方向に面内磁化容易軸を有する強磁性層と、互いに反対の磁化方向を有するとと
    もに前記第１の強磁性層の長手方向に沿って互いに離れて位置する２つの第２の
    強磁性層とを具え、前記第１の強磁性層と前記２つの第２の強磁性層との間に電
    気障壁層を挟んで１対のスピントンネル接合形磁気抵抗素子を形成したことを特
    徴とする磁界センサ。
  2. 【請求項２】 動作時に一方の強磁性層から障壁層を通して他方の強磁性層へ測
    定電流を流すことにより前記スピントンネル接合形の磁気抵抗素子の抵抗値を測
    定する手段を具えることを特徴とする請求項１記載の磁界センサ。
  3. 【請求項３】 第２磁性層の磁化方向が固定されていることを特徴とする請求項
    １記載の磁界センサ。
  4. 【請求項４】 第２磁性層の固定された磁化方向は第１磁性層の磁化容易軸に直
    角の方向であることを特徴とする請求項３記載の磁界センサ。
  5. 【請求項５】 請求項１に記載された少なくとも２つの磁界センサを有し、２対
    のスピントンネル接合形磁気抵抗素子を形成する２つの第１磁性層及び第２磁性
    層を具えるホイーストンブリッジ形の磁界センサ装置。
  6. 【請求項６】 前記センサは互いに交差するよう配置された２つの第１磁性層及
    び２つの第２磁性層を具えることを特徴とする請求項５記載の磁界センサ装置。
  7. 【請求項７】 第１磁性層及び／又は第２磁性層の１つが２つの強磁性サブ層と
    中間非磁性金属サブ層とを具えることを特徴とする請求項１記載のセンサ。
  8. 【請求項８】 第１磁性層に電流を流して上部及び下部サブ層の磁化方向を決定
    する手段が設けられていることを特徴とする請求項７記載のセンサ。
  9. 【請求項９】 反対極性の電流を第１磁性層に交互に流して上部及び下部サブ層
    の磁化方向を反転させる手段が設けられていることを特徴とする請求項８記載の
    センサ。
JP2000565409A 1998-08-14 1999-08-03 スピントンネル接合素子を具える磁界センサ Pending JP2002522866A (ja)

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