JP2003533895A - 磁気抵抗を用いた磁界センサとその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は磁界の検出および測定のために物理的現象として磁気抵抗を用いる磁界センサに関する。該センサは、第１の強磁性層（１０１）、絶縁層（１０３）、第２の強磁性層（１０２）および反強磁性層（１０４）を有する積層構造を製造することにより成る。２つの強磁性層は、交差した磁気異方性を呈し、絶縁層とともにトンネル接合を形成する。第１の層の異方性は、この層の下に位置し、該層とはわずかな方位差を有する基板の形状エネルギーから得られる。第２の層の異方性は反強磁性層の作用によって得られる。センサを配設する測定対象である磁界はトンネル接合の特性を変え、ゆえに、磁性層が電源から供給されるとき、該接合を流れる電流を、他のシステムと比較して大幅に変えることがでできる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 本発明は磁気抵抗現象を用いた磁界センサに関する。該センサは、印加され
る磁界の効果による導体の電気抵抗の変化を応用したものである。本発明はマグ
ノトメータ、コンパスまたは電流センサのようなセンサの生産に用いられる。ま
たその様なセンサの製造工程に関する。

【０００２】 現在既知の全金属磁気センサは、本質的に異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）または巨
大磁気抵抗（ＧＭＲ）のどちらかを用いている。どちらの場合も、このタイプの
センサの解像度は２つのノイズ源によって制限される。一方はジョンソンノイズ
として知られている抵抗揺らぎに関連するものであり、他方は熱ドリフトに関連
するものである。

【０００３】 異方性磁気抵抗は、その磁性および電流の方向によって定義される角度の関数
として強磁性金属材料の抵抗の異方性により生じる。この効果を最大限に利用す
るために、本発明の発明者はプレーナホール効果を用いたシステムを開発した。
これは熱ドリフトに関連したノイズをかなり減少できる。この効果による抵抗の
最大変化はアクティブ領域の抵抗の１％程度である。

【０００４】 巨大磁気抵抗は１９９８年に発見され、印加された磁界とは異なる磁気構造を
有する人工磁気構造の抵抗のスピン依存性に起因する。全体で１０パーセント程
度のオーダーのアクティブ領域の抵抗変化が実現される。

【０００５】 発明者は以前に特許された巨大磁気抵抗効果を用いるデバイスを開発した。こ
れは旧世代の磁気センサに多くの利点を達成することができる。特に、これは信
号の振幅および信号対雑音比を大規模に増加させることを可能にする。

【０００６】 最後に、トンネル磁気抵抗現象が周知である。これは、トンネル接合において
、この接合を形成する絶縁バリアの両側の磁性の相対的な方向に電流が依存する
ことが現れたものである。この現象は、トンネル効果によってこのバリアを通過
するときの電子のスピンの保存に対応する。このテーマについては、室温での強
磁性トンネル接合についての測定（J. S. Moodera et al., Phys. Rev. Lett. 7
4(16), 3273(1995)）を参照することができる。

【０００７】 前出の現象を用いて、アクティブ領域の抵抗の２０〜３０％のオーダーの全抵
抗変化を得ることが期待できる。アクティブ領域のこの抵抗自体が既知の全金属
センサの抵抗より数十倍大きい。全体的に見て、そのようなセンサの磁気感度は
従来のセンサの感度より数桁大きい。

【０００８】 これらの結果を実際に得るために、本発明は磁気抵抗を用いた磁界センサを提
供する。該センサは、主に、第１の方向に沿って第１の磁気異方性を有する第１
の強磁性層と、第２の方向に沿って第２の磁気異方性を有する第２の強磁性層と
、これら２つの強磁性層を分離し、これら２つの強磁性層の間にトンネル接合の
形成を可能にする厚みを有する絶縁層とを備えることを特徴とする。

【０００９】 本発明の他の特徴によると、２つの異方性の方向は垂直である。

【００１０】 本発明の他の特徴によると、第１の異方性は第１の強磁性層を支持する基板に
よって誘導される。

【００１１】 本発明の他の特徴によると、第２の異方性は、第２の強磁性層上に重ねられた
反強磁性ＡＦ層によって誘導される。

【００１２】 本発明の他の特徴によると、２つの異方性は実質的に異なっている。すなわち
、一方は「弱く」他方は「強い」。

【００１３】 本発明の他の特徴によると、「弱い」強磁性層は第１の層である。

【００１４】 本発明の他の特徴によると、センサはＣＡＰ＋型の２つのセンサ、およびＣＡ
Ｐ−型の２つのセンサを備え、一方の型のセンサが他方の型のセンサに隣接する
ホイートストンブリッジを形成するように互いに接続される。

【００１５】 本発明の他の特徴によると、形状エネルギーを経由して第１の磁気異方性を誘
導するために、第１の強磁性層は方位差基板上に堆積される。

【００１６】 本発明の他の特徴によると、第２の磁気異方性を得るために、第２の強磁性層
はそれに接続するＡＦ層のネール温度以上で加熱され、第２の方向に沿って配向
した飽和磁界を印加する間この温度以下に冷却される。

【００１７】 本発明の他の特徴によると、ホイートストンブリッジを形成する４つのセンサ
の第２の磁気異方性を得るために、これら全てのセンサは第２の強磁性層のネー
ル温度以上に加熱され、局所的に所望の方向が得られるように構成された電気回
路をこれら４つのセンサの上部に配置して、第２の異方性の方向に沿った飽和磁
界が各センサに印加される。

【００１８】 本発明のさらなる特徴と利点は、添付図を参照する非限定的な実施例を用いる
以下の説明から明確になる。

【００１９】 図１は本発明による磁界センサの厚さ方向の構造を示している。この構造は基
板（図示しない）によって支持されている４つの堆積層を有する。第１の層ＦＭ
１ １０１は、例えばコバルトまたは鉄、あるいはニッケル／鉄またはコバルト
／鉄合金のような強磁性材料の膜で形成される。

【００２０】 第２の層ＦＭ２ １０２は、層ＦＭ１とは異なる配合又は異なる種類の強磁性
材料から形成される。

【００２１】 第３の層Ｉ １０３は、トンネル接合を実現するために極めて薄い厚さで堆積
させる絶縁材料で形成されている。この材料は例えば酸化アルミニウムである。

【００２２】 最後に、第４の層ＡＦ １０４は、鉄／マンガンまたはイリジウム／マンガン
合金のような磁性酸化物のような材料または金属反強磁性材料から形成される。
この層は、それ自体が比較的薄いか、または層Ｉのように非常に薄い前出の３つ
の層に比べ、相対的に厚くてもよい。

【００２３】 弱い磁界内で信号の可逆的および線形応答を得ることを所望する場合、２つの
磁性が磁界ゼロの状態で互いに垂直に配向している垂直ジオメトリーと呼ばれる
特別な磁気構造を用いることが必要である。これは、図２の上図に示されている
ように、これら２つの配向が磁界ゼロの状態で互いに平行であるとき、正の磁界
と負の磁界の間のこれら２つの層１０１と１０２の配向の方向の変化は、磁界の
特定の値について発生するためである。この場合は、磁界の負の領域において、
一方が再配向し、次いで他方の層がこの磁界の特定の範囲で再配向する。この双
安定動作は該範囲の間で抵抗ＭＲの値に急激で大きな変化をもたらす。この非線
形効果は他のアプリケーションに対して使用することが可能であるが、本発明で
目的とするような磁界の測定をすることは不可能である。

【００２４】 したがって、垂直な構造を得るためには、図２の下図に示すように、他の層に
対して垂直で、ＭＲの値が線形で可逆的に変化できるように、容易な磁性の方向
を層ＦＭ１とＦＭ２それぞれに作成するように異方性を制御することが必要であ
る。

【００２５】 これを行うために、本発明は、巨大磁気抵抗センサに用いられるのと同様な方
法で、センサの製造を行う基板と接続している電極ＦＭ１内に優先的な磁性方向
を誘導するために、方位差微斜Ｓｉ（１１１）シリコン表面の特性を用いること
を提案する。形状エネルギーに由来する１軸性磁気異方性を誘導するテラスの発
生によって、２〜３度のオーダーの成長方向の方位差が発現する。この特定の方
向は、Sussiau, F. Nguyen Van Dau, P. Galtier および A. Schuhlによる論文
（Applied Physics Letters, Volume 69, 857(1996)）でより詳細に説明されて
いるように、基板の幾何学的構造によって固定される。

【００２６】 上部層または電極ＦＭ２の容易な磁性の方向を固定するために、本発明は、こ
の層ＦＭ２が反強磁性層ＡＦに覆われたとき生成される交換異方性を使用するこ
とを提案する。この現象は、例えば、J. NoguesおよびIvan K. Schullerによる
論文（J. Magn. Mang. Mater出版 Vol. 192, 203-232(1999)）に記載されている
。該異方性軸はこのＡＦ層を構成する材料の反強磁性−常磁性転移温度以下で現
れる交換磁界の方向と一致している。この転移温度はＴ_Ｎと呼ばれるネール温度
としても知られている。当該方向はＴ_Ｎ近傍で、ＡＦ層と接続しているＦＭ２層
の磁性の方向によって決定される。

【００２７】 ゆえに、所望の磁気構造を得るために、本発明は図３に示したように、温度Ｔ_Ｎ 以上で装置を加熱し、次いで飽和磁界３０２を印加しながら該装置を冷却する
。磁界の方向は、上述のように、基板によって層１０１内に誘導された名目上の
容易軸３０１に垂直な方向である。

【００２８】 このような条件下において、２つの電極ＦＭ１およびＦＭ２に対して得られた
異方性領域は一般に実質的に異なる値を有する。ゆえに、「弱い」層と呼ばれる
層を、異方性領域が弱い層と定義する。すなわち、外部磁界の働きにより、より
容易に磁化される層である。以後、本明細書では、弱い層は電極ＦＭ１に対応す
ると仮定するが、これは本発明の一般性を制限するものではなく、逆の場合にお
ける２つの層の役割の変化に関係なく、本明細書の記載と運用は完全に一致する
。

【００２９】 よって、ここに以下のパラメータを定義する。 −ｈ_ｃ：ＦＭ１の反転領域； −ｈ_ｋ ^１：ＦＭ１に作用する異方性領域； −ｈ_ｋ ^２およびｈ_ｅｘｃ：ＦＭ２に作用する異方性領域および交換領域； −検出又は測定の対象となる印加される外部磁場はｈａと称する。

【００３０】 線形領域のセンサの動作を以下に記載する。すなわち、方向が固定され振幅が
変化する磁界ｈａに対して得られる信号について説明する。

【００３１】 最大の感度を得るために、この磁界ｈａは、弱い層ＦＭ１ １０１の容易な磁
性の軸３０１に垂直な方向に向けられる。よって、図４に示したように、強い層
ＦＭ２ １０２の磁性の方向３０２に平行である。

【００３２】 この条件下で、磁界ｈａがゼロの時、弱い層１０１の磁性は方向３０１に平行
であり、強い層１０２の磁性４０２は方向３０２に平行である。

【００３３】 磁界ｈａを測定する場合、方向３０２に平行に印加される４０３はゼロでない
値を取り、弱い層１０１内の磁性４１１は（磁界がゼロでないときの）以前の方
向３０１から角εで逸脱する。このＦＭ１層１０１の面内の磁性の回転は、図４
に示したように磁界ｈａより大きいことは明白である。

【００３４】 上述の定義によると、ＦＭ２層の磁性は層１０１より強くなるので、ＦＭ２層
１０２の磁性は容易軸３０２に沿って固定される。ＦＭ２の磁性の固定はｈａが
その反転領域に到達するまで持続する。２つの層の材料の成分および、弱い層と
強い層との間の磁性の偏りを変えることによって、その条件を容易に満足するこ
とができる。

【００３５】 よって、２つの層の間の磁性の相対的な角度は、外部の磁界によって変化し、
それは装置の磁気抵抗の可逆変化を引き起こし、それによりアセンブリ全体の抵
抗の測定によって得られる信号の可逆変化が起こる。

【００３６】 弱い磁界に対してすなわちｈａがＨ_ｋ ^１より極めて小さいとき、磁気抵抗の変
化は実質的に線形であり、すなわちε∝ｈａ／Ｈ_ｋ ^１である。

【００３７】 単位磁界当たりの測定信号の変位として表される装置の感度は、異方性磁界Ｈ_ｋ ^１ に逆比例する。

【００３８】 その様なセンサはまた、この磁界がセンサの面内、すなわち接合面の方位を変
化させながら一定値を維持するとき、該センサが配置される磁界の方向を測定す
るのに使用することができる。これはこのセンサの角度応答と呼ばれる。

【００３９】 該センサは、それが置かれた磁界が「強い」か「弱い」かによって２つの異な
る操作領域を有する。

【００４０】 弱い磁界、すなわちｈａ＜ｈ_ｃの場合、この弱い磁界の適用は、図４で示した
ように、弱い層と強い層の磁性の相対的な角度を変化させるという効果を有し、
それにより磁気抵抗反応の変化を引き起こす。このような条件下において、相互
に垂直な軸ＰＥおよびＰＡを定義することができ、それらは強いおよび弱い層そ
れぞれの磁性の方向に平行である。

【００４１】 図５ａに示したように、磁界ｈａが軸ＰＥに平行な場合、ＦＭ１層１０１の磁
性４１１が大きく回転する。

【００４２】 逆に、図５ｂに示したように、磁界ｈａが方向ＰＡに平行なとき、この磁界ｈ
ａの影響４１３は、強い異方性磁界Ｈ_ｋ ^２がＦＭ２層１０２の磁性を固定するの
で、近似的にゼロである。

【００４３】 この条件下において、ＰＥに沿った磁界の要素のみ、２つの磁性間の相対角を
変化させる効果を有し、故に磁気抵抗信号を変化させる。結果として、磁界ｈａ
が一定である間、センサの平面内の方向が変化すると、対応する磁気抵抗信号の
変化はコサイン関数によって表される。この信号の変化は全磁気抵抗の２〜３％
である。

【００４４】 一方、この磁界ｈａが強いとき、すなわちＨ_ｋ ^１およびＨ_ｋ ^２の間であるとき
、この磁界はその方向に沿ってＦＭ１層１０１を飽和するのに十分強い。この強
い磁界が層の平面内で回転するとき、ＦＭ１の磁性は平面全体で表現され、一方
ＦＭ２の磁性は交換異方性によって固定され続ける。この条件下において、２つ
の層間の非平衡磁気状態が達成され、最大磁気抵抗が得られる。

【００４５】 しかしながら、印加された磁界の値はＦＭ２の異方性磁界の値より大きくなっ
てはいけない。すなわち、ｈａはＨ_ｋ ^２より大きくてはいけない。なぜなら、こ
の場合２つの磁性は平行に配列する傾向があるからである。これは磁気抵抗信号
を減少させ、センサの応答の角度歪みを起こす。

【００４６】 上述のように、その様なセンサの感度は熱ドリフトに関するノイズによって特
に制限される。これを減少するために、ＧＭＲ型センサの場合、ホイートストン
ブリッジ形状の構造を使用することが提案されている。これにより有用な信号に
作用せずに抵抗のＤＣ成分を差し引くことができる。この詳細は、J. K. Spong
他によるIEEE Transactions on Magnetics, Vol. 32. 2(1996)を参照されたい。

【００４７】 これを行うために、図６に示したような、測定される信号ｈａ４０３がＦＭ２
層１０２の磁性の方向に平行である状況を設定する。弱い層１０１の磁性の方向
３０１は磁性の方向４０２に垂直であるので、このシステムはいわゆるＣＡＰジ
オメトリーである。この条件下には、図６に示したように、それぞれＣＡＰ＋お
よびＣＡＰ−と定義される２つのＣＡＰ構成がある。

【００４８】 ＣＡＰ＋構成では、図の構成において任意に正と考えられる磁界ｈａ４０３は
、２つの磁性間の相対的な角度を増加させる。これは磁気抵抗信号を変化させ、
それ自体が任意に正であると考えられる。

【００４９】 ＣＡＰ−構成では、同じ正の磁界ｈａは、反対の意味で、ＦＭ２層１０２の磁
性の方向を向いている。これは２つの層の２つの磁性間の相対的な角度を減少さ
せ、ゆえに、ＣＡＰ＋セルで得られたものと反対符号の磁気抵抗信号を変化させ
る。これは任意に負であると考えられる。

【００５０】 これにより、２つのＣＡＰ＋セル７０１と７０２、およびＣＡＰ−セル７０３
と７０４を結合させてホイートストンブリッジを形成することができ、２つの隣
接するセルの強い層の磁性が非平行となるようにこれらのセルを配列することが
できる。このブリッジには、一方はセル７０２と７０３の間に、他方は７０１と
７０４の間にそれぞれ位置している２つの端子、７０８および７０９を経由して
、電圧源から電圧が供給される。次いで、ブリッジの不平衡電圧が、一方はセル
７０１と７０３の間に、他方は７０２と７０４の間にそれぞれ位置している２つ
の端子、７０５および７０６に加えられる。このようにして得られたＶ＋とＶ−
の間の電位差は、ＣＡＰ＋およびＣＡＰ−センサに分配される信号の差に直接比
例し、よって使用する信号に比例する。

【００５１】 低い値の磁界に対して、および非常に正確な測定値を得るために、実際には４
つの分離した測定セルを作成し、その後それらを組み立てて図７のブリッジを得
ることは不可能である。これは１つには製造のばらつきのためであり、また４つ
のセルを配列する際の誤差のためであり、それら分離したものでは満足な結果が
得られない。

【００５２】 そのため、図１に関連して定義された４つの層が同時に積層された単一の実体
を有するモノリシック構造の装置を製造することが必要である。次いで、４つの
セルを絶縁するために、アセンブリ全体を化学的またはイオンビームによりエッ
チングする。このようにして、満足のゆく均一性と幾何学的な配置を得ることが
できる。

【００５３】 次の課題は、これらのセルの強い層の磁性の適切な方向を得ることにある。

【００５４】 これを行うために、本発明では、各セルへ局所的な磁界を印加することを提案
する。そのとき、印加する磁界の方向は、セルの分極工程の間、すなわち、この
ようにして定義される磁性を強い層に固定できる冷却の間、隣接するセルへ印加
される磁界の方向とは逆である。

【００５５】 これら分離した磁界を得るための手段の１つは、図８で示したように、ＣＡＰ
セル７０１および７０４の上部を通る２つのブランチ８１１および８２１に分岐
する導電線８０１を用いることであり、それにより、ＣＡＰセルの上部を通るこ
れら２つのブランチ８１１と８２１の４つのアームによって誘導される磁界８０
２は、これらのセルを望ましい様態に分極するための所望の方向を有する。

【００５６】 これを行うための１つの方法は、アームが正しい方向でセルの上部を通るよう
に、２つのブランチ８１１と８２１を方形に製造することである。セルの強い磁
性を飽和するのに必要とされる局所磁界は２〜３０エルステッドのオーダーであ
るので、電気回路内を流れる電流は高い必要はなく、マイクロエレクトロニクス
型の技術と完全に適合する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 図１は本発明によるセンサを得るための多重層の斜視図である。

【図２】 図２の２つのグラフの一方は、平行な構成における印加される磁界の
関数としての磁気抵抗の変化を示しており、他方は垂直な構成における印加され
る磁界の関数としての磁気抵抗の変化を示している。

【図３】 図３は感受層の製造の間磁性の正確な方向を得る方法を説明した斜視
図である。

【図４】 図４は線形領域における磁界の影響を示した斜視図である。

【図５】 図５は方向による弱い磁界の影響を示した斜視図である。

【図６】 図６は反対の電気的反応を有する２つのセンサの斜視図である。

【図７】 図７は図６で示した型のセンサを用いるホイートストンブリッジに構
成された装置の斜視図である。

【図８】 図８は図７で示したホイートストンブリッジのセルの分極方法を説明
する構成である。

【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書

【提出日】平成１４年４月２２日（２００２．４．２２）

【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

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ラクール， ダニエル フランス国 75018 パリ， ブールヴァ ール オルナノ 32

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 磁気抵抗を利用する磁界センサであって、第１の方向（３０
   １）に沿った第１の磁気異方性を有する第１の強磁性層（１０１）と、第２の方
   向（３０２）に沿った第２の磁気異方性を有する第２の強磁性層（１０２）と、
   前記２つの強磁性層を分離し、これら２つの強磁性層の間にトンネル接合の形成
   を可能にする厚さを有する絶縁層（１０３）とを備えることを特徴とするセンサ
   。
2. 【請求項２】 ２つの異方性方向（３０１，３０２）は垂直であることを特
   徴とする請求項１に記載のセンサ。
3. 【請求項３】 第１の異方性は、第１の強磁性層（１０１）を支持する基板
   によって誘導されることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載のセン
   サ。
4. 【請求項４】 第２の異方性は、第２の強磁性層（１０２）上に重ねられた
   反強磁性ＡＦ層（１０４）によって誘導されることを特徴とする請求項１ないし
   ３のいずれか１つに記載のセンサ。
5. 【請求項５】 ２つの異方性は、一方は「弱く」他方は「強い」、実質的に
   異なる値を有することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の装
   置。
6. 【請求項６】 「弱い」強磁性層は第１の層（１０１）であることを特徴と
   する請求項１ないし５のいずれか１つに記載のセンサ。
7. 【請求項７】 ＣＡＰ＋型の２つのセンサ（７０１，７０２）およびＣＡＰ
   −型の２つのセンサ（７０３，７０４）を備え、それらは、一方の型の各センサ
   が他方の型のセンサに隣接するホイートストンブリッジを形成するように互いに
   接続されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載のセン
   サ。
8. 【請求項８】 形状エネルギーを経由して第１の磁気異方性を誘導するため
   に、第１の強磁性層（１０１）を方位差基板上に堆積することを特徴とする、請
   求項３ないし７のいずれか１つに記載のセンサの製造方法。
9. 【請求項９】 第２の磁気異方性を得るために、第２の強誘電層（１０２）
   を該層に接続しているＡＦ層のネール温度以上に加熱することと、第２の方向（
   ３０２）に沿って配向した飽和磁界を印加する間、該層を該温度以下に冷却する
   ことを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 【請求項１０】 ホイートストンブリッジを形成する４つのセンサ（７０１
    −７０４）の第２の磁気異方性を得るために、これら全てのセンサをネール温度
    以上に加熱することと、局所的に所望の方向が得られるように構成された電気回
    路をこれら４つのセンサの上に配置して、第２の異方性方向に沿った飽和磁界を
    各センサに印加することを特徴とする、請求項７に記載のセンサの製造方法。