JP2003282999A

JP2003282999A - 磁気センサ

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Publication number: JP2003282999A
Application number: JP2002084256A
Authority: JP
Inventors: Masashige Sato; 雅重佐藤; Hideyuki Kikuchi; 英幸菊地; Kazuo Kobayashi; 和雄小林
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2002-03-25
Filing date: 2002-03-25
Publication date: 2003-10-03

Abstract

(57)【要約】【課題】微小な外部磁界の変化を高精度に検出するこ
とができ、かつ低消費電力の磁気センサを実現する。【解決手段】基板１０１の上に、第１電極１１３と、
下地層１０２と、第１反強磁性層１０３と、第１強磁性
層１０４と、第１非磁性層１０５と、強磁性中間層１０
６と、第２非磁性層１１０と、第２強磁性層１１１と、
第２反強磁性層１１２および第３電極１１５がこの順に
積層され、強磁性中間層１０６に第２電極１１４が接続
された構造を有し、第１強磁性層１０４と第２強磁性層
１１１の磁化が平行で互いに反対向きに固定され、強磁
性中間層１０６の磁化が外部磁界に応じて自由に回転可
能となっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、外部磁界の方向お
よび大きさを検出する磁気センサに係り、特に磁気抵抗
効果接合部を備える磁気センサに関する。

【０００２】近年、外部磁界に対して感度の良好な磁気
抵抗効果素子を備えた磁気センサの研究が盛んになされ
ている。磁気抵抗効果には、例えば巨大磁気抵抗効果
（ＧＭＲ効果）およびトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ効
果）があり、特にＴＭＲ効果は磁気抵抗効果が大きく、
トンネル磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）は磁気ヘッド
や地磁気探査の磁気センサとしての実用化が検討されて
いる。

【０００３】

【従来の技術】ＧＭＲ効果、ＴＭＲ効果を示す磁気抵抗
効果接合部は、基本的には、強磁性層／非磁性層／強磁
性層の３層構造からなる。強磁性層には、Ｆｅ、Ｃｏ、
Ｎｉ、およびこれらの合金が用いられ、特にパーマロイ
（Ｎｉ_８０Ｆｅ_２０）、Ｃｏが用いられている。また、
非磁性層には、ＧＭＲ効果の場合は、Ｃｕ、Ａｌなどの
導電体が用いられ、ＴＭＲ効果の場合は、ＡｌＯｘ、Ａ
ｌＮなどの絶縁物が用いられている。

【０００４】ＧＭＲ効果やＴＭＲ効果は、外部から印加
された磁界の膜面方向の磁界成分に対して、磁気抵抗効
果接合部の電気抵抗が変化する現象である。通常、前記
２つの強磁性層のうちの一方の強磁性層の磁化は膜面内
の一方向に固定され、他方の磁化が外部磁場に応じて回
転する。これらの２つの磁化の相対的な角度により、前
記接合部の電気抵抗が変化する。この角度をθとしたと
き、前記接合部の電気抵抗値Ｒは以下の式で表されるこ
とが知られている。

【０００５】Ｒ＝Ｒｓ＋０．５ΔＲ（１−ｃｏｓθ）ここでＲｓは、θ＝０のときの電気抵抗値、ΔＲは磁気
抵抗効果による電気抵抗の変化量を表し、電気抵抗値の
最大値と最小値の差である。この式が示すように、θ＝
０°すなわち２つの磁化が平行で互いに同じ向きのとき
は、抵抗値ＲはＲｓとなり最小となる。また、θ＝１８
０°、すなわち２つの磁化が平行で互いに反対向きのと
きは、抵抗値ＲはＲｓ＋ΔＲとなり最大となる。これら
の磁気抵抗効果の発現機構は、磁性体内のスピン分極し
た電子が磁化の相対的な向きに依存した散乱確率あるい
はトンネル確率を有することに起因すると説明されてい
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】磁気抵抗効果素子を磁
気センサに用いる場合にはその電気抵抗値の変化を検出
するが、磁気抵抗効果素子に一定電流を流しておき、そ
の素子の両端の電圧を検出する手法が一般的である。そ
の素子の電気抵抗値が低い場合は、内部抵抗値の高い測
定機器により容易に検知可能である。

【０００７】しかしながら、前記接合部の電気抵抗値が
大きな場合は、その素子に微少な電流を安定して流す必
要があるが、電流制御の点で容易ではない。例えば、前
記接合部の抵抗値が１ＭΩ、磁気抵抗変化率が５０％の
場合、１００ｍＶの出力変化を得るためには、素子全体
には２００ｍＶが現れ、印加する電流は２００ｍＶ／１
ＭΩ＝０．２μＡとなる。かかる微少な電流の制御精度
やノイズを考慮すると、上記手法で、接合部の電気抵抗
を精度良く測定することは困難である。

【０００８】さらに、このような高抵抗の前記接合部の
電気抵抗値Ｒの変化を測定するには、前記接合部に直列
に、前記接合部の電気抵抗とほぼ同じかそれ以上の大き
さの標準抵抗Ｒｓを接続し、この全体に定電圧Ｅを印加
する回路による手法がある。このとき、前記接合部の両
端に現れる電圧は、Ｅ×Ｒ／（Ｒ＋Ｒｓ）となる。例え
ば、前記接合部の電気抵抗値Ｒが外部磁界に応じて増加
すると、この式の分子が増加するとともに、回路の全抵
抗である分母も増加してしまうので、前記接合部に現れ
る電圧の増分は、仮に分母が変化しない場合より、小さ
くなってしまい、前記接合部の電気抵抗値の変化を精度
良く検出できず、したがって、微小な外部磁界の変化を
精度良く検出できないという問題が生ずる。

【０００９】したがって、本発明は、上記の問題点を解
決するためになされたもので、その目的とするところ
は、外部磁界に対して逆位相で電気抵抗が変化する２つ
の磁気抵抗効果接合部を接続し、その接続部から信号を
とりだすことにより、２つの磁気抵抗効果接合部の電気
抵抗の合成抵抗値を外部磁界の変化に対して一定に保つ
とともに、かかる接合部の電気抵抗値が高い場合であっ
ても、微小な外部磁界の変化を高精度に検出することが
できると共に低消費電力の磁気センサを実現することで
ある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的は、請求項１に
記載の如く、印加される磁界変化に応じて電気抵抗値が
変化する第１の磁気抵抗効果接合部と、前記第１の磁気
抵抗効果接合部に電気的に接続された第２の磁気抵抗効
果接合部とを少なくとも備え、前記第１の磁気抵抗効果
接合部と前記第２の磁気抵抗効果接合部との間から信号
が取出され、前記第１の磁気抵抗効果接合部の電気抵抗
値は、前記第２の磁気抵抗効果接合部の電気抵抗値に対
して、前記磁界変化に応じて逆位相で変化することによ
り達成される。

【００１１】請求項１記載の発明によれば、電気的に接
続された２つの磁気抵抗効果接合部の電気抵抗値が、磁
気センサに印加された外部磁界に応じて、それぞれ逆位
相に変化することにより、２つの接合部の電気抵抗値の
合成抵抗値の変化が抑制される。したがって、接続され
た２つ磁気抵抗効果接合部の全体に一定電圧が印加され
ている場合は、前記接合部を流れる電流は、ほぼ一定に
なる。したがって、前記２つの接合部のうちの一方の電
気抵抗値の変化量に比例する電圧変化を検出することが
でき、外部磁界の変化を高精度に検出することができ
る。

【００１２】また、請求項２に記載される如く、請求項
１に記載の磁気センサにおいて、前記磁気抵抗効果接合
部は強磁性トンネル接合部である構成とすることができ
る。

【００１３】請求項２記載の発明によれば、接合部によ
り大きな磁気抵抗効果を有し、高抵抗である強磁性トン
ネル接合部を用いることによって、外部磁界の変化に応
じてより大きな磁気抵抗変化率が得られ、外部磁界の変
化をより高精度に検出することができるとともに、消費
電力を低減することができる。

【００１４】なお、第１の磁気抵抗効果接合部の電気抵
抗値の変化量の絶対値は、前記第２の磁気抵抗効果接合
部の電気抵抗値の変化量の絶対値と等しい構成とする事
ができる。前記２つの接合部の電気抵抗値が逆位相かつ
変化量が等しいことにより、これらの合成抵抗値が一定
となり、これらの接合部を流れる電流は一定になる。し
たがって、前記２つの接合部のうちの一方の電気抵抗値
の変化量に比例する電圧変化を検出することができ、外
部磁界の変化を高精度に検出することができる。

【００１５】また、請求項３に記載される如く、基板上
に形成された第１強磁性層と、該第１強磁性層上に形成
された第１非磁性層と、該第１非磁性層上に形成された
強磁性中間層と、該強磁性中間層に接続された第２電極
と、該強磁性中間層上に形成された第２非磁性層と、該
第２非磁性層上に形成された第２強磁性層と、該第２強
磁性層上に形成された第３電極と、該基板に形成された
第１電極とを少なくとも備え、該第１電極と第２電極間
の電圧または第２電極と第３電極間の電圧を検出するこ
とにより達成できる。

【００１６】請求項３記載の発明によれば、積層された
第１強磁性層／第１非磁性層／強磁性中間層により第１
の磁気抵抗効果接合部が構成され、強磁性中間層／第２
非磁性層／第２強磁性層により第２の磁気抵抗効果接合
部が構成され、これらが直列に接続される。外部磁界の
変化に応じて、強磁性中間層の磁化の方向が変化し、こ
の磁化と第１強磁性層および第２強磁性層のそれぞれの
磁化との相対角度に応じて、それぞれの前記接合部の電
気抵抗が変化する。そして、強磁性中間層に接続された
第２電極から信号を取り出すことによって、外部磁界の
変化に応じて変化する２つの磁気抵抗効果接合部のうち
の一方の抵抗変化に対する電圧変化を検出することによ
り、外部磁界の変化を高精度に検出することができる。

【００１７】また、請求項４に記載される如く、請求項
３に記載の磁気センサにおいて、前記第１磁性層の磁化
と前記第２磁性層の磁化は平行で互いに反対向きである
ことにより達成できる。

【００１８】請求項４記載の発明によれば、強磁性中間
層の上下にある第１磁性層の磁化と第２磁性層の磁化を
平行で互いに反対向きに固定することにより、外部磁界
に応じて、それぞれの磁化と強磁性中間層の磁化のなす
相対角度は一方がθ、他方が１８０−θとなる。これら
の相対角度に対応して、第１強磁性層／第１非磁性層／
強磁性中間層よりなる第１の磁気抵抗効果接合部の電気
抵抗値は、強磁性中間層／第２非磁性層／第２強磁性層
よりなる第２の磁気抵抗効果接合部の電気抵抗値に対し
て、逆位相で変化する。すなわち２つのうちの一方の前
記接合部の電気抵抗値が増加すると、他方の前記接合部
の電気抵抗値は減少する。したがって、直列に接続され
た２つの電気抵抗の合成抵抗の変化が抑制される。よっ
て、前記２つの接合部のうちの一方の電気抵抗変化を電
圧変化として高精度に検出することができ、外部磁界の
変化を高精度に検出することができる。

【００１９】また、請求項５に記載される如く前記強磁
性中間層は、第３強磁性層、第３非磁性層、第４強磁性
層をこの順に積層したものであり、前記第１磁性層の磁
化と前記第２磁性層の磁化は平行で互いに同じ向きであ
ることにより達成できる。

【００２０】請求項５記載の発明によれば、強磁性中間
層は、第３非磁性層を挟んで反強磁性結合された第３強
磁性層と第４強磁性層を含む構成とされている。第３強
磁性層の磁化と第４強磁性層の磁化は反強磁性的に結合
して、この２つの正味の磁化が外部磁界に応じて回転す
る。また、強磁性中間層の上下にある第１磁性層の磁化
と第２磁性層の磁化を平行で互いに同じ向きに固定する
ことにより、第１強磁性層／第１非磁性層／第３強磁性
層よりなる第１の磁気抵抗効果接合部の電気抵抗値は、
第４強磁性層／第２非磁性層／第２強磁性層よりなる第
２の磁気抵抗効果接合部の電気抵抗値に対して、逆位相
で変化する。すなわち２つのうちの一方の前記接合部の
電気抵抗値が増加すると、他方の前記接合部の電気抵抗
値は減少する。したがって、直列に接続された２つの電
気抵抗の合成抵抗値の変化が抑制される。よって、前記
２つの接合部のうちの一方の電気抵抗値の変化量に比例
する電圧変化を検出することができ、外部磁界の変化を
高精度に検出することができる。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて本発明の磁
気センサの実施例を説明する。

【００２２】本発明の磁気センサの第１実施例について
説明する。第１実施例は、第１強磁性層と第２強磁性層
の磁化が平行で互いに反対向きに固定されている場合で
ある。（第１実施例）図１は、本発明の磁気センサに係る第１
実施例の構成を示す断面図である。

【００２３】図１を参照するに、本実施例の磁気センサ
１００は、例えば、基板１０１の上に、第１電極１１３
と、下地層１０２と、第１反強磁性層１０３と、第１強
磁性層１０４と、第１非磁性層１０５と、強磁性中間層
１０６と、第２非磁性層１１０と、第２強磁性層１１１
と、第２反強磁性層１１２および第３電極１１５がこの
順に積層され、前記強磁性中間層１０６に第２電極１１
４が接続された構造を有している。

【００２４】基板１０１は、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３・Ｔｉ
Ｃ、ＳｉＯ_２などの絶縁体、Ｓｉウェハなどの半導体な
どを用いることができ、特に基板１０１の材質は限定さ
れない。ただし、後述する強磁性トンネル接合部の膜面
内の特性のばらつきを抑制する観点から、基板１０１の
平坦度は良好であることが好ましい。本実施例では、基
板１０１は、Ｓｉウェハで構成されている。

【００２５】下地層１０２は、例えば、厚さが５ｎｍ〜
４０ｎｍであり、Ｔａにより構成される。下地層１０２
は、この層の上に形成される第１反強磁性層１０３の結
晶性を向上させるものである。本実施例では、下地層１
０２は、厚さ４０ｎｍのＴａにより構成されている。

【００２６】第１電極１１３と、第２電極１１４および
第３電極１１５は、例えば、厚さが５ｎｍ〜４０ｎｍで
あり、Ｃｕ、Ａｌなどにより構成される。本実施例で
は、第１電極１１３と第３電極１１５は、厚さ２０ｎｍ
のＣｕにより構成されている。

【００２７】第１反強磁性層１０３は、その上に形成さ
れる第１強磁性層１０４との界面での一方向性異方性を
利用して、交換相互作用により、第１強磁性層１０４の
磁化方向を固定させるものである。第１反強磁性層１０
３は、例えば、厚さが５ｎｍ〜３０ｎｍであり、Ｒｅ、
Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃ
ｕ、ＡｇおよびＡｕからなる群のうちの少なくとも１種
の元素ＸとＭｎとを含む反強磁性材料により構成され
る。このうちＭｎの含有量は４５原子％以上９５原子％
以下、残りの元素Ｘは５原子％以上５５原子％であるこ
とが好ましい。この第１反強磁性層１０３は、磁界中で
熱処理することにより、反強磁性を示す反強磁性材料に
より構成される。本実施例では、第１反強磁性層１０３
は、厚さ１５ｎｍのＰｔ_５０Ｍｎ_５０により構成されて
いる。

【００２８】第１強磁性層１０４と第１非磁性層１０５
と強磁性中間層１０６は、第１強磁性層１０４／第１非
磁性層１０５／強磁性中間層１０６の順に積層した、Ｔ
ＭＲ効果を有する第１強磁性トンネル接合部１２１を構
成している。この接合部１２１のＴＭＲ効果は、第１強
磁性層１０４と第１非磁性層１０５との界面、第１非磁
性層１０５と強磁性中間層１０６との界面、第１非磁性
層１０５の厚さなどにより、この接合部１２１のポテン
シャル障壁高さや障壁幅が決まり、磁気抵抗変化率など
の特性が決まる。

【００２９】第１強磁性層１０４においては、直下の第
１反強磁性層１０３との交換相互作用により、磁化の方
向が固定されている。一方、強磁性中間層１０６におい
ては、外部からの磁界に応じて磁化が回転するようにな
っている。第１強磁性層１０４の磁化と強磁性中間層１
０６の磁化との相対的な角度θに対応して、この接合部
１２１の電気抵抗値が決まるので、この電気抵抗値の変
化により外部磁界の変化を検知することができる。

【００３０】第１強磁性層１０４は、例えば、厚さが１
ｎｍ〜１０ｎｍであり、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉおよびこれら
の合金を含む軟磁性強磁性材料、例えばＮｉ_８０Ｆｅ
_２０、Ｃｏ_７５Ｆｅ_２５により構成される。なお、第１
強磁性層１０４の材料は、強磁性中間層１０６の材料と
同一であっても、異なっていてもよい。本実施例では、
第１強磁性層１０４は、厚さ５ｎｍのＣｏ_７５Ｆｅ_２５
により構成されている。

【００３１】第１非磁性層１０５は、例えば、厚さが
０．５ｎｍ〜４．０ｎｍであり、ＮｉＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、
ＡｌＮ、ＭｇＯまたはＨｆＯ_２などの絶縁物により構成
される。このような絶縁物を形成するには、スパッタ法
などでこれらの絶縁物を形成する方法の他に、Ｎｉ、Ａ
ｌ等の金属を形成した後、その金属をプラズマ酸化、ラ
ジカル酸化または自然酸化によって酸化させて絶縁物を
形成する方法があり、いずれの方法をとってもよい。本
実施例では、第１非磁性層１０５は、スパッタ法により
厚さ０．８ｎｍのＡｌを成膜し、その後スパッタチャン
バー内に酸素を導入し、Ａｌ膜の表面を酸化させたもの
であり、酸化アルミニウムにより構成されている。

【００３２】強磁性中間層１０６は、例えば、厚さが５
〜５０ｎｍであり、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉおよびこれらの合
金を含む軟磁性強磁性材料、例えばＮｉ_８０Ｆｅ_２０、
Ｃｏ _７５Ｆｅ_２５により構成されている。本実施例で
は、強磁性中間層１０６は、厚さ１５ｎｍのＮｉ_８０Ｆ
ｅ_２０により構成されている。

【００３３】この強磁性中間層１０６と第２非磁性層１
１０と第２強磁性層１１１は、強磁性中間層１０６／第
２非磁性層１１０／第２強磁性層１１１の順に積層した
ＴＭＲ効果を有する第２強磁性トンネル接合部１２２を
構成している。この接合部の磁気抵抗変化率は、前記第
１強磁性トンネル接合部１２１と同様に決まる。また、
第２強磁性層１１１は、その直上の第２反強磁性層１１
２により磁化の方向が固定されている。一方、強磁性中
間層１０６は、外部からの磁界に応じて磁化が回転する
ようになっているので、前記第１強磁性トンネル接合部
１２１と同様にこの接合部の電気抵抗の変化により外部
磁界の変化を検知することができる。

【００３４】第２非磁性層１１０は、前記第１非磁性層
１０５と同様の構成、すなわち同様の膜厚、材料を用い
ることができる。第２強磁性層１１１は、前記第１強磁
性層１０４と同様の構成、すなわち同様の膜厚、材料を
用いることができる。

【００３５】さらに、前記第１非磁性層１０５と第２非
磁性層１１０並びに前記第１強磁性層１０４と第２強磁
性層１１１は、それぞれ同じ膜厚、材料、成膜条件など
を用いることが好ましい。第１強磁性トンネル接合部１
２１と第２強磁性トンネル接合部１２２の磁気抵抗効果
の特性を同一にすることができる。本実施例では、第２
非磁性層１１０は、第１非磁性層１０５と同様に形成
し、厚さ０．８ｎｍの酸化アルミニムにより構成されて
いる。また、第２強磁性層１１１は、厚さ５ｎｍのＣｏ
_７５Ｆｅ_２５により構成されている。

【００３６】第２反強磁性層１１２は、前記第１反強磁
性層１０３と同じ構成、すなわち同様の組成、膜厚、材
料を用いることができる。特に、この第２反強磁性層１
１２は、前記第１反強磁性層１０３と同様に、磁界中で
熱処理することにより、反強磁性を示す反強磁性材料に
より構成される。ただし、第１強磁性層１０４の磁化と
第２強磁性層１１１の磁化を互いに反対向きになるよう
に固定する場合は、例えば、それぞれの磁化に交換相互
作用を及ぼす第１反強磁性層１０３と第２反強磁性層１
１２とは異なる反強磁性材料により構成され、異なる温
度で磁界中熱処理が行われる。本実施例では、第２反強
磁性層１１２は、厚さ１５ｎｍのＩｒ_２ _５Ｍｎ_７５によ
り構成されている。また第１および第２強磁性層１０
４、１１１の磁化を互いに反対向きに固定するために、
本実施例の磁気センサを構成するすべての膜を積層後、
まず図１に示す方向Ｘに対して逆方向に磁界を印加しな
がら、２８０℃５時間熱処理を行って、第１反強磁性層
１０３のＰｔ_５０Ｍｎ_５０の反強磁性を出現させると共
に、第１強磁性層１０４であるＣｏ_７５Ｆｅ_２５の磁化
を方向Ｘに対して逆方向に固定した。その後、磁界を方
向Ｘに印加しながら、２２０℃３時間熱処理を行って、
第２反強磁性層１１２であるＩｒ_２５Ｍｎ_７５の反強磁
性を出現させると共に、第２強磁性層１１１であるＣｏ
_７５Ｆｅ_２５の磁化を方向Ｘに固定した。

【００３７】したがって、外部磁界が図１に示す方向Ｘ
に印加されているとすると、強磁性中間層１０６の磁化
は方向Ｘを向き、また、第１強磁性層１０４の磁化は方
向Ｘ、第２強磁性層１１１の磁化は方向Ｘと反対方向に
固定されているので、第１強磁性トンネル接合１２１の
２つの磁化は互いに反対向きとなり、第２強磁性トンネ
ル接合１２２の２つの磁化は互いに同じ向きとなる。

【００３８】図２は、磁気センサ１００の出力信号を検
出するための構成を示す図である。図２を参照するに、
磁気センサ１００の第１電極と第３電極とには電圧Ｅの
定電圧電源１３１が接続されている。また第１電極と第
２電極との間には、高インピーダンスの電圧検出器１３
２が接続されている。さらに、全体に流れる電流を調べ
るために電流計１３３が接続されている。

【００３９】図３は、図２の回路構成の等価回路を示す
図である。図３を参照するに、第１および第２強磁性ト
ンネル接合部１２１、１２２の電気抵抗値をそれぞれＲ
_１、Ｒ_２とする。またそれぞれの接合部１２１、１２２
のそれぞれの両端の電圧をそれぞれＶ_１、Ｖ_２とする。

【００４０】図２を参照するに、まず始めに、強磁性中
間層１０６の磁化は、第１強磁性層１０４の磁化と互い
に反対向きであって、第２強磁性層１１１の磁化と互い
に同じ向きであるとき、外部からの磁界を強磁性中間層
１０６の磁化に対して平行で反対向きに、すなわち矢印
で示す方向Ｘに、磁界の大きさを０から次第に増加さ
せ、その際の電圧Ｖ_１および電流Ｉをそれぞれ電圧検出
器１３２、電流計１３３により検出した。

【００４１】図４は、外部磁界に応じて変化する接合部
の電圧Ｖ_１、電流等を示す図である。図４（Ａ）は磁界
の大きさ、（Ｂ）は電圧Ｖ_１、（Ｃ）は電流Ｉを時間Ｔ
に対して示したものである。また、図４（Ｄ）は、電圧
Ｖ_１および電流Ｉから求めたＲ_１およびＲ_２を時間Ｔに
対して示したものである。

【００４２】図４（Ａ）を参照するに、磁気センサ１０
０に印加される外部磁界の大きさを時間Ｔに対して単調
に増加させる。これに対して、図４（Ｂ）を参照する
に、第１強磁性トンネル接合部１２１の両端の電圧Ｖ_１
は、磁界０のときの値Ｖ_Ａから減少し、時間Ｔ_１で最小
値Ｖ_Ｂをとり、その後、最小値Ｖ_Ｂで一定となった。こ
れは時間Ｔ_１において、強磁性中間層１０６の磁化が時
間０の状態から１８０°回転して、第１強磁性層１０４
の磁化と同じ向きになった状態である。図４（Ｃ）を参
照するに、電流Ｉは、外部磁界の変化に対して、一定で
あった。図４（Ｄ）を参照するに、Ｒ_１とＲ_２は逆位相
で変化し、その変化量は同一であった。また、Ｒ_１＋Ｒ
_２は、時間Ｔに対して一定であった。

【００４３】本発明によらない比較例として、１つの強
磁性トンネル接合部を有する磁気センサ３００および検
出回路を作製し、上記と同様の測定を行った。図５は、
本発明によらない比較例の磁気センサ３００および検出
回路を示す図である。

【００４４】図５を参照するに、比較例の磁気センサ３
００は、例えば、基板３０１の上に、第１電極３１３
と、下地層３０２と、第１反強磁性層３０３と、第１強
磁性層３０４と、第１非磁性層３０５と、強磁性中間層
３０６および第３電極３１５がこの順に積層され、前記
強磁性中間層３０６に第２電極３１４が接続された構造
を有している。第１強磁性層３０４と、第１非磁性層３
０５と、強磁性中間層３０６とは、第１強磁性層３０４
／第１非磁性層３０５／強磁性中間層３０６の順に積層
した強磁性トンネル接合部３２１を構成している。各層
の構成等は第１実施例の対応する層と同様とした。第１
強磁性層３０４の磁化は方向Ｘに固定されている。ま
た、第３電極３１５と電圧Ｅの定電圧電源１３１との間
には抵抗値が一定の電気抵抗Ｒｘが接続され、第１電極
と第２電極との間には、高インピーダンスの電圧検出器
１３２が接続されている。

【００４５】上記第１実施例と同様に外部磁界を印加し
て、その際の強磁性トンネル接合部３２１の電圧Ｖ_１’
および電流Ｉをそれぞれ電圧検出器１３２、電流計１３
３により検出した。その結果を図４に示す。図４（Ｂ）
を参照するに、強磁性トンネル接合部３２１の両端の電
圧Ｖ_１’は、磁界０のときの値Ｖ_Ａから減少し、時間Ｔ
_１で最小値Ｖ_Ｃをとり、その後、最小値Ｖ_Ｃで一定とな
った。Ｖ_Ｃは第１実施例のＶ_Ｂより大きく、すなわち、
Ｖ_Ａ−Ｖ_ＣはＶ_Ａ−Ｖ_Ｂより小さい。したがって、第１
実施例の方が信号振幅が大きくなり、雑音などの外乱に
対して強く、良質の信号を得ることができる。さらに、
図４（Ｃ）を参照するに、比較例の電流Ｉは、外部磁界
の変化に対して、増加している。これは、電圧Ｖ_１’が
強磁性トンネル接合部３２１の電気抵抗に比例して変化
していない事を示しているので、外部磁界の変化を正確
に検出するためには、定電流とするためのフィードバッ
ク回路等が必要になってしまう。これに対して、上述し
たように実施例１では電流を一定に保つ事ができるの
で、フィードバック回路などは必要とせず、簡便な回路
により外部磁界に対応した信号を検出することができ
る。

【００４６】さらに具体的に図４について説明すると、
第１実施例は、外部磁界の増加に対して、強磁性中間層
１０６の磁化が回転し、強磁性中間層１０６の磁化と第
１強磁性層１０４の磁化のなす角θは、１８０°から０
°に減少するから、Ｒ＝Ｒｓ＋０．５ΔＲ（１−ｃｏｓ
θ）の関係により第１強磁性トンネル接合部１２１の電
気抵抗値Ｒ_１は減少する。一方、強磁性中間層１０６の
磁化と第２強磁性層１１１の磁化のなす角θは、０°か
ら１８０°に増加するから、同様の関係により第２強磁
性トンネル接合部１２２の電気抵抗値Ｒ_２は増加し、Ｒ
_１とＲ_２は逆位相で変化する。さらにその合成値はＲ_１
＋Ｒ_２は一定となる。したがって、図４（Ｃ）に示すよ
うに、電流Ｉは一定となる。

【００４７】したがって、本実施例によれば、接続され
た２つの強磁性トンネル接合部の電気抵抗値Ｒ_１、Ｒ_２
が、磁気センサ１００に印加された外部磁界に応じて、
それぞれ逆位相に変化することにより、２つの接合部１
２１、１２２の合成抵抗値が一定に保たれる。したがっ
て、２つの接合部１２１、１２２の全体には、一定電圧
が印加されているので、これらの接合部１２１、１２２
を流れる電流は一定になる。よって、そのうちの一方の
電気抵抗変化を、その電気抵抗変化と比例する電圧変化
として検出することができ、外部磁界の変化を高精度に
検出することができる。

【００４８】なお、本実施例では第１電極１１３として
Ｃｕ、Ａｌ、Ａｕなどから構成される金属膜を設けた
が、下地層１０２を第１電極１１３として代替できるの
で、特に第１電極１１３としての金属膜を設けなくても
よい。

【００４９】また、上記の実施例の磁気センサを構成す
る層は、上記で特に説明した場合を除いて、例えば、真
空蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ法、電子ビーム蒸着法な
どにより成膜される。

【００５０】以下に、本実施例の第１および第２変形例
について説明する。

【００５１】第１実施例の第１変形例の磁気センサは、
外部磁界に応じて回転する磁化を有する強磁性中間層１
０６が２層あり、それらが離れて設けられている例であ
る。

【００５２】本変形例の磁気センサは、例えば、基板１
０１の上に、下地層１０２と、強磁性中間層１０６と、
第１非磁性層１０５と、第１強磁性層１０４と、第１反
強磁性層１０３と、第２反強磁性層１１２と、第２強磁
性層１１１と、第２非磁性層１１０と、強磁性中間層１
０６とおよび第３電極１１５がこの順に積層され、例え
ば、第１反強磁性層１０３に第２電極１１４が接続され
た構造を有している。各層は第１実施例と同様の材料、
膜厚などで構成され、第１強磁性層１０４と第２強磁性
層１１１の磁化は平行で互い反対向きに固定されてい
る。

【００５３】第１実施例と同様に、外部からの磁界を印
加したところ、第１実施例の結果と同様の結果が得られ
た。したがって、かかる変形例によっても第１実施例と
同様の効果が得られた。

【００５４】また、第１実施例の第２変形例の磁気セン
サは、２つの強磁性トンネル接合部を構成する第１非磁
性層１０５および第２非磁性層１１０にＣｕなどの導電
体により構成されている例である。かかる例では、これ
らの接合部はＧＭＲ効果を示し、外部磁界に応じて磁気
抵抗が変化する。

【００５５】本変形例は、第１実施例と同様の順序で各
層が積層される。第１非磁性層１０５および第２非磁性
層１１０は、例えば、厚さが０．５ｎｍ〜４．０ｎｍで
あり、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇなどの導電体によ
り構成される。本変形例では、第１非磁性層１０５およ
び第２非磁性層１１０は、厚さが０．８ｎｍであり、Ｃ
ｕにより構成されている。その他の各層は第１実施例と
同様の材料、膜厚などで構成され、第１強磁性層１０４
と第２強磁性層１１１の磁化は平行で互いに反対向きに
固定されている。

【００５６】第１実施例と同様に、外部からの磁界を印
加したところ、図４に示す結果と同様の結果が得られ
た。したがって、かかる変形例によっても第１実施例と
同様の効果が得られた。（第２実施例）本発明の磁気センサの第２実施例につい
て説明する。第２実施例は、強磁性中間層が強磁性層／
非磁性層／強磁性層の３層よりなり、２つの強磁性層が
反強磁性結合している場合である。

【００５７】図６は本実施例による磁気センサ２００の
構成を示す断面図である。図中、先に説明した部分に対
応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略す
る。

【００５８】図６を参照するに、本実施例の磁気センサ
２００は、例えば、基板１０１の上に、第１電極１１３
と、下地層１０２と、第１反強磁性層１０３と、第１強
磁性層１０４と、第１非磁性層１０５と、強磁性中間層
２０６を構成する第３強磁性層２０７、第３非磁性層２
０８および第４強磁性層２０９と、第２非磁性層１１０
と、第２強磁性層１１１と、第２反強磁性層１１２およ
び第３電極１１５がこの順に積層され、前記基中間層２
０６の第３強磁性層２０７に第２電極１１４が接続され
た構造を有している。

【００５９】本実施例では、第１反強磁性層１０３と第
２反強磁性層１１２は、厚さ１５ｎｍのＰｔＭｎにより
構成されている。図６に示す方向Ｘと反対方向に磁界を
印加しながら、２８０℃５時間熱処理を行って、第１反
強磁性層１０３と第２反強磁性層１１２のＰｔＭｎの反
強磁性を出現させると共に、図６に示すように、第１強
磁性層１０４と第２強磁性層１１１のＣｏ_７５Ｆｅ_２５
の磁化を方向Ｘに固定した。

【００６０】本実施例では、強磁性中間層２０６を構成
する第３強磁性層２０７と第３非磁性層２０８と第４強
磁性層２０９は、第３強磁性層２０７／第３非磁性層２
０８／第４強磁性層２０９の順に積層した、第３強磁性
層２０７の磁化と第４強磁性層２０９の磁化が反強磁性
結合をなす構造を有している。すなわちこの２つの磁化
は平行で互いに反対向きになっている。外部磁界に応じ
て、この２つの磁化のうち、大きな方が磁界の方向を向
き、他方の磁化は、大きな方の磁化との反強磁性結合に
より反対方向を向く。なお、それぞれの強磁性層２０
７、２０９の磁化の大きさは、膜厚ｔと残留磁束密度Ｂ
ｒの積であるｔ×Ｂｒで表される。

【００６１】第３強磁性層２０７と第４強磁性層２０９
は、例えば、厚さが５〜５０ｎｍであり、Ｃｏ、Ｆｅ、
Ｎｉおよびこれらの合金を含む軟磁性強磁性材料、例え
ばＮｉ_８０Ｆｅ_２０、Ｃｏ_７５Ｆｅ_２５により構成され
ている。本実施例では、第３強磁性層２０７と第４強磁
性層２０９は、それぞれ厚さ３０ｎｍ、１５ｎｍのＮｉ
_８０Ｆｅ_２０により構成され、第３強磁性層２０７の磁
化は、第４強磁性層２０９の磁化より大きい。

【００６２】第３非磁性層２０８は、例えば、厚さが
０．４〜２ｎｍであり、好ましくは０．４ｎｍであり、
Ｒｕ、Ｃｒ、Ｒｕ合金、Ｃｒ合金などにより構成されて
いる。膜厚をこのような範囲に選択することにより、第
３強磁性層２０７と第４強磁性層２０９の磁化を反強磁
性的に結合することができる。本実施例では、厚さ０．
８ｎｍのＲｕにより構成されている。

【００６３】第３強磁性層２０７は、第１非磁性層１０
５と第１強磁性層１０４と共に、第１強磁性層１０４／
第１非磁性層１０５／第３強磁性層２０７の順に積層し
た第１強磁性トンネル接合２２１を構成している。ま
た、第４強磁性層２０９は、第２非磁性層１１０と第２
強磁性層１１１と共に、第４強磁性層２０９／第２非磁
性層１１０／第２強磁性層１１１の順に積層した第２強
磁性トンネル接合２２２を構成している。

【００６４】外部磁界が図６に示す方向Ｘに印加されて
いるとすると、第３強磁性層２０７の磁化は方向Ｘを向
き、これに反強磁性結合する第４強磁性層２０９の磁化
は方向Ｘと反対方向を向く。また、第１強磁性層１０４
および第２強磁性層１１１の磁化は、方向Ｘと反対方向
に固定されているので、第１強磁性トンネル接合２２１
の２つの磁化は平行で互いに反対向きとなり、第２強磁
性トンネル接合２２２の２つの磁化は平行で互いに同じ
向きとなる。外部磁界を第１実施例と同様に、方向Ｘ
に、磁界の大きさを０から次第に増加させると、その外
部磁界に応じて第３強磁性層２０７の磁化が回転し、第
４強磁性層２０９の磁化はその回転と同じ方向に、常に
第３強磁性層２０７の磁化と互いに反対向きの状態をを
保ちながら回転する。

【００６５】第３強磁性層２０７の磁化外部磁界を第１
実施例と同様に、方向Ｘに、磁界の大きさを０から次第
に増加させ、その際の電圧Ｖ_１を電圧検出器１３２によ
り検出したところ、第１実施例の図４に示す結果と同様
の結果が得られた。

【００６６】したがって、本実施例によれば、接続され
た２つの強磁性トンネル接合部の電気抵抗値が、磁気セ
ンサ２００に印加された外部磁界に応じて、それぞれ逆
位相に変化することにより、２つの接合部２２１、２２
２の合成抵抗値が一定に保たれる。したがって、２つの
接合部２２１、２２２の全体には、一定電圧が印加され
ているので、これらの接合部２２１、２２２を流れる電
流は一定になる。よって、そのうちの一方の電気抵抗変
化を、その電気抵抗変化と比例する電圧変化として検出
することができ、外部磁界の変化を高精度に検出するこ
とができる。

【００６７】以上本発明の好ましい実施例について詳述
したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるもの
ではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の
範囲内において、種々の変形・変更が可能である。な
お、本発明の磁気センサは、固体磁気メモリ、ハードデ
ィスク装置の薄膜磁気ヘッドの再生用磁気変換素子とし
て使用できる。

【００６８】なお、以上の説明に関して更に以下の付記
を開示する。（付記１）印加される磁界変化に応じて電気抵抗値が
変化する第１の磁気抵抗効果接合部と、前記第１の磁気
抵抗効果接合部に電気的に接続された第２の磁気抵抗効
果接合部とを少なくとも備え、前記第１の磁気抵抗効果
接合部と前記第２の磁気抵抗効果接合部との間から信号
が取出され、前記第１の磁気抵抗効果接合部の電気抵抗
値は、前記第２の磁気抵抗効果接合部の電気抵抗値に対
して、前記磁界変化に応じて逆位相で変化することを特
徴とする磁気センサ。（付記２）付記１に記載の磁気センサにおいて、前記
磁気抵抗効果接合部は強磁性トンネル接合部であること
を特徴とする磁気センサ。（付記３）付記１または２に記載の磁気センサにおい
て、前記第１の磁気抵抗効果接合部の電気抵抗値の変化
量の絶対値は、前記第２の磁気抵抗効果接合部の電気抵
抗値の変化量の絶対値と等しいことを特徴とする磁気セ
ンサ。（付記４）基板上に形成された第１強磁性層と、該第
１強磁性層上に形成された第１非磁性層と、該第１非磁
性層上に形成された強磁性中間層と、該強磁性中間層に
接続された第２電極と、該強磁性中間層上に形成された
第２非磁性層と、該第２非磁性層上に形成された第２強
磁性層と、該第２強磁性層上に形成された第３電極と、
該基板に形成された第１電極とを少なくとも備え、該第
１電極と第２電極間の電圧または第２電極と第３電極間
の電圧を検出することを特徴とする磁気センサ。（付記５）付記４に記載の磁気センサにおいて、前記
第１磁性層の磁化と前記第２磁性層の磁化は平行で互い
に反対向きであることを特徴とする磁気センサ。（付記６）付記４に記載の磁気センサにおいて、前記
強磁性中間層は、第３強磁性層、第３非磁性層、第４強
磁性層をこの順に積層したものであり、前記第１磁性層
の磁化と前記第２磁性層の磁化は平行で互いに同じ向き
であることを特徴とする磁気センサ。（付記７）付記４から６のいずれか１項に記載の磁気
センサにおいて、前記第１非磁性層と第２非磁性層は絶
縁物であることを特徴とする磁気センサ。（付記８）付記４から７のいずれか１項に記載の磁気
センサにおいて、前記第１非磁性層と第２非磁性層は同
一特性を有することを特徴とする磁気センサ。

【００６９】

【発明の効果】以上詳述したところから明らかなよう
に、外部磁界に対して逆位相で電気抵抗が変化する２つ
の磁気抵抗効果接合部を接続し、その接続部から信号を
とりだすことにより、これらの磁気抵抗効果接合部の電
気抵抗の合成抵抗値を外部磁界の変化に対して一定に保
つことができ、すなわちこれらの磁気抵抗効果接合部を
流れる電流を一定に保つことができるので、これらの磁
気抵抗効果接合部の電気抵抗値が高い場合であっても、
磁気抵抗効果による電気抵抗値の変化を損なうことな
く、その電気抵抗値の変化に比例した電圧を検出するこ
とができる。したがって、微小な外部磁界の変化を高精
度に検出することができると共に、低消費電力の磁気セ
ンサを実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の磁気センサに係る第１実施例の構成を
示す断面図である。

【図２】磁気センサ１００の出力信号を検出するための
回路構成を示す図である。

【図３】図２の回路構成の等価回路を示す図である。

【図４】第１実施例の信号波形を示す図である。

【図５】本発明によらない比較例の磁気センサ３００の
構成を示す断面図である

【図６】本発明の磁気センサに係る第２実施例の構成を
示す断面図である

【符号の説明】

１００、２００磁気センサ１０１基板１０３第１反強磁性層１０４第１強磁性層１０５第１非磁性層１０６、２０６強磁性中間層１１０第２非磁性層１１１第２強磁性層１１２第２反強磁性層１１３第１電極１１４第２電極１１５第３電極１２１、２２１第１強磁性トンネル接合１２２、２２２第２強磁性トンネル接合２０７第３強磁性層２０８第３非磁性層２０９第４強磁性層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者小林和雄神奈川県川崎市中原区上小田中４丁目１番１号富士通株式会社内Ｆターム(参考） 2G017 AA01 AB01 AD55 AD63 BA05

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】印加される磁界変化に応じて電気抵抗値
が変化する第１の磁気抵抗効果接合部と、前記第１の磁
気抵抗効果接合部に電気的に接続された第２の磁気抵抗
効果接合部とを少なくとも備え、前記第１の磁気抵抗効果接合部と前記第２の磁気抵抗効
果接合部との間から信号が取出され、前記第１の磁気抵抗効果接合部の電気抵抗値は、前記第
２の磁気抵抗効果接合部の電気抵抗値に対して、前記磁
界変化に応じて逆位相で変化することを特徴とする磁気
センサ。
【請求項２】請求項１に記載の磁気センサにおいて、前記磁気抵抗効果接合部は強磁性トンネル接合部である
ことを特徴とする磁気センサ。
【請求項３】基板上に形成された第１強磁性層と、該
第１強磁性層上に形成された第１非磁性層と、該第１非
磁性層上に形成された強磁性中間層と、該強磁性中間層
に接続された第２電極と、該強磁性中間層上に形成され
た第２非磁性層と、該第２非磁性層上に形成された第２
強磁性層と、該第２強磁性層上に形成された第３電極
と、該基板に形成された第１電極とを少なくとも備え、該第１電極と第２電極間の電圧または第２電極と第３電
極間の電圧を検出することを特徴とする磁気センサ。
【請求項４】請求項３に記載の磁気センサにおいて、前記第１磁性層の磁化と前記第２磁性層の磁化は平行で
互いに反対向きであることを特徴とする磁気センサ。
【請求項５】請求項３に記載の磁気センサにおいて、前記強磁性中間層は、第３強磁性層、第３非磁性層、第
４強磁性層をこの順に積層したものであり、前記第１磁
性層の磁化と前記第２磁性層の磁化は平行で互いに同じ
向きであることを特徴とする磁気センサ。