JP2006253562A - 磁気抵抗効果素子、これを用いた磁界検出器、および磁気抵抗効果素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 トンネル磁気抵抗効果素子における固着層とトンネル絶縁層との界面の粗さのばらつきに起因する外部磁界に対する応答特性への影響を抑制する。
【解決手段】 磁気抵抗効果素子（１）は、固着層（９）と、トンネル絶縁層（１０）と、トンネル絶縁層上に形成される自由層（１１）を含む。自由層（１１）と固着層との無磁界時の磁化方向は、好ましくは、実質的に相対角が９０度をなしており、また、トンネル絶縁層は膜厚１．８ｎｍから５ｎｍの範囲の膜厚を有する。
【選択図】 図３

Description

この発明は、磁気抵抗効果素子、特にトンネル磁気抵抗効果を利用する素子と、このトンネル磁気抵抗効果素子を用いた磁界検出器およびこの磁気抵抗効果素子の製造方法に関する。

近年、従来の巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：ジャイアント・マグネト・レジスタンス：Giant-Magneto-Resistance）効果に較べてより大きな抵抗変化率が得られるトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：トンネリング・マグネト・レジスタンス：Tunneling-Magnet-Resistance）効果を有するＴＭＲ素子のメモリ装置および磁気ヘッド等への応用が検討されている。

ＴＭＲ素子においては、２つの強磁性層の間に絶縁層を挟む強磁性／絶縁層／強磁性で構成される３層膜構造が用いられる。外部磁界により、この２つの強磁性層のスピンを互いに平行または反平行に設定することにより、この絶縁層を介して膜面垂直方向に流れるトンネル電流の大きさが変化することを利用する。

ＴＭＲ素子のトンネル絶縁膜として作用する絶縁層は、２つの強磁性層間を電子がトンネリングすることのできる膜厚さであり、このＴＭＲ効果を発現することができる膜厚は、概ね５ｎｍ（ナノメータ）以下である。一般に、ＴＭＲ素子のトンネル絶縁膜の製造方法としては、たとえば非特許文献１（S. Tehrani et al., "Recent Developments in Magnetic Tunnel Junction MRAM", IEEE Transaction on Magnetics, vol. 36, No. 5, September 2000, pp. 2752-2757） に示されるように、金属アルミニウム膜を高周波誘起酸素プラズマで酸化して酸化アルミニウム膜（Ａｌ₂Ｏ₃）膜を形成する方法が用いられる。したがって、膜が厚くなるほど均質に形成するのが困難である。この膜厚の不均質のため、一般に１．５ｎｍ以上の膜厚のＡｌ₂Ｏ₃膜においては、ＴＭＲ素子の抵抗変化率が減少する。上述の非特許文献１においては、膜厚１１オングストローム（１．１ｎｍ）以下のアルミニュウムＡｌを用いてプラズマ酸化している。

この非特許文献１においては、過剰酸化状態では、トンネル絶縁膜下部の磁性体層の酸化が生じ、また過小酸化状態では、トンネル絶縁膜底部に金属状態のアルミニウムが残存することを示しており、アルミニュウムの膜厚および酸化時間を最適化する必要があることを示している。

しかしながら、トンネル絶縁膜が薄い場合には、一方で、ピンホールが形成されやすくなり、これに伴いトンネル現象と無関係なリーク電流が増大する。これらの理由により、ＴＭＲ素子の製品応用においては、一般的に、上述の非特許文献1に示されるような１ｎｍ前後の膜厚のトンネル絶縁膜が用いられる。

また、ＴＭＲ素子においては、２つの強磁性層のうち一方の強磁性層を反強磁性層と交換結合させて、この強磁性層の磁化を固定していわゆる固着層とし、他方の強磁性層の磁化を外部磁界で容易に反転することのできる自由層とするいわゆるスピンバルブ型構造が検討されている。

スピンバルブ型構造は、高感度な磁界検出器として用いることが可能である。すなわち、スピンバルブ型磁気抵抗効果素子に外部から磁界が印加されると、固着層の磁化は固定されているため、自由層の磁化のみが外部印加磁界に応じて回転する。これに応じて、２つの強磁性層の磁化の相対角が変化し、磁気抵抗効果により素子抵抗が変化する。この抵抗値の変化を、たとえば定電流を素子に供給した状態で電圧の変化として検出する。この電圧変化が、印加磁界に応じて変化する信号として読出され、高感度の磁界検出を行なうことができる。スピンバルブ型磁気抵抗効果素子を用いた磁界検出器により外部磁界の大きさを高精度で検出するために、たとえば特許文献１（特公平８−２１１６６号公報）において示されているように、無磁界（外部印加磁界が０の状態）において、固着層と自由層の磁化方向を直交化させる構成が知られている。

この特許文献１は、膜面内方向に電流を流すスピンバルブ型ＧＭＲ素子を用いた技術を開示している。ＧＭＲ素子は、一般的に、低抵抗であるため、大きな出力信号を得るためには、供給電流量を大きくする必要があり、応じて消費電力が大きくなるという問題がある。一方、ＴＭＲ素子は、高抵抗かつ高抵抗変化率を実現することが可能であり、大出力かつ低消費電力の磁界検出器を実現することが可能である。

スピンバルブ型ＴＭＲ素子においては、反強磁性膜の結晶配向性を向上させるために、一般に、基板側（下部電極側）に反強磁性膜を形成し、その膜厚は１０ｎｍ以上とされている。このように反強磁性膜を厚くした場合、反強磁性膜表面の粗さ（凹凸）が増大し、平坦度が低下する。応じて、その上に形成されるトンネル絶縁層と固着層との界面の粗さが増大し、トンネル絶縁膜の膜厚の均一性が低下する。これにより、局所的に、自由層と固着層との磁気的な結合（静磁結合）が生じる。また、この固着層表面の粗さは、トンネル絶縁膜の不均質性を引き起こすため、素子抵抗および抵抗変化率を減少させる。

この固着層とトンネル絶縁層との界面の粗さを低減することを意図する構成が、例えば特許文献２（特開２００２−２０４００２号公報）に示されている。この特許文献２おいては、下部電極層上に下地層を形成し、その下地層の表面の凹凸を．０１から．５ｎｍに設定することにより、下地層上に形成される反強磁性層の表面の粗さを低減する。これにより、トンネル絶縁層と固着層との界面を明確にして固着層と自由層との間の静磁結合を低減して、磁気抵抗変化率を増大することを図る。

このような固着層とトンネル絶縁層との界面の粗さに起因して、自由層と固着層との磁気的結合が生じた素子においては、自由層の外部磁界に対する磁気応答特性が変化する。無磁界時において概ね固着層と自由層との磁化方向が直交する磁界検出用のＴＭＲ素子においては、固着層との磁気結合により自由層の磁気特性が変化した場合、磁界検出器の応答出力に、この自由層の磁気特性変化が反映される。したがって、この磁気特性変化が予め較正できていない場合には、この磁気特性変化による検出磁界誤差が生じる。

このような磁気応答特性の変化を補正する方法として、特許文献３（特開平７−１６９０２６号公報）において示されるように、固着層の磁化を制御することにより、固着層と自由層の静磁結合を低減する方法がある。この特許文献３に開示される方法では、固着層を強磁性層／非磁性層／強磁性層からなる３層構造として、これらの強磁性層を互いに反平行方向に磁化して反強磁性結合を実現する。この場合、固着層において２つの強磁性層の磁化方向が反平行方向であり、それぞれの発生する磁界が相殺され、自由層に対する静磁結合の影響が低減することが図られている。

また、非特許文献２（“Read Performance of Tunneling Magnetoresistive Heads”, K.Ishihara et al., IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, Vol.37, No.4, July 2001, pp.1687-1690）においては、磁気ヘッドとして利用されるＴＭＲ素子として、トンネル絶縁膜として膜厚０．７から０．８５ｎｍのアルミニウム酸化膜を利用する素子が示されている。このアルミニウム酸化膜は、金属アルミニウム膜の成膜後、導入された酸素により自然酸化して製造される。この非特許文献２においては、トンネル絶縁膜を薄くすることにより、低抵抗でかつＭＨｚ領域での１／ｆノイズを低減することのできる磁気ヘッドを実現することを図る。
特公平８−２１１６６号公報 特開２００２−２０４００２号公報 特開平７−１６９０２６号公報（日本国特許第２７８６６０１号公報） "Recent Developments in Magnetic Tunnel Junction MRAM", S.Tehrani et al., IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, Vol.36, No.5, September 2000, pp.2752-2757. "Read Performance of Tunneling Magnetoresistive Heads", K.Ishihara et al., IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, Vol.37, No.4, July 2001, pp.1687-1690.

トンネル磁気抵抗効果素子を用いる磁界検出器においては、外部磁界に対する応答出力の変化は、先の特許文献２および３に示されるように、設計的には抑制することが可能である。しかしながら、製造工程のパラメータ変動に起因して個々の素子間で固着層／トンネル絶縁層界面の粗さにばらつきが生じた場合、個々の素子毎に応答出力の変化を調整することは不可能である。

上述の特許文献１から３ならびに非特許文献１および２においては、トンネル絶縁層の膜厚を薄くすることおよび固着層／トンネル絶縁層界面の平坦度を改善することを図る技術が示されているものの、実際の製造工程時において発生する個々の素子の膜厚、および膜質等のトンネル絶縁膜の結晶性に関するパラメータの変動に起因する応答特性の変動自体を抑制する技術は開示されていない。

それゆえ、この発明の目的は、トンネル絶縁膜膜厚等の素子パラメータが変動しても、トンネル抵抗効果素子における固着層／トンネル絶縁層界面の粗さに起因する固着層と自由層との磁気的結合の影響を抑制することのできる磁気抵抗効果素子、それを用いた磁界検出器およびこのような磁気抵抗効果素子を実現するための製造方法を提供することである。

この発明の他の目的は、外部磁界に対して安定な応答出力を生成することのできるトンネル磁気抵抗効果素子、これを用いた磁界検出器およびこの磁気抵抗効果素子の製造方法を提供することである。

この発明に係る磁気抵抗効果素子は、反強磁性層とこの反強磁性層により磁化方向が固定される磁性体層とを含む固着層と、外部印加磁界により磁化方向が変化しかつ外部無印加磁界の無磁界時においてはその磁化方向が固着層の磁化方向に対して平行および反平行以外の角度をなす磁性体層で構成される自由層と、これらの固着層および自由層の間に配置されかつ１．８ｎｍから５ｎｍの範囲の膜厚を有するトンネル絶縁層とを備える。

この発明に係る磁気抵抗効果素子の製造方法は、この発明に係る磁気抵抗素子の製造方法においてトンネル絶縁層を、金属膜を生成する第１のステップと、この金属膜に対してラジカルを用いて絶縁化処理を行なう第２のステップとを複数回繰返すステップを備える。

この発明に係る磁界検出器は、この発明に係る磁気抵抗効果素子またはこの発明したがって製造される磁気抵抗効果素子を複数個用いて構成されるブリッジ回路を備える。このブリッジ回路から検出磁界に応じた信号が出力される。

トンネル絶縁膜が１．８ｎｍから５ｎｍの膜厚を有しており、固着層とトンネル絶縁膜界面の粗さに起因する固着層と自由層との磁気的結合を抑制でき、この自由層と固着層との磁気的結合に起因する応答出力のばらつきの範囲を、地磁気磁界強度以下に抑制することができ、素子間でばらつきの小さな、安定な応答出力を生成することのできる磁気抵抗効果素子を実現することができる。

また、トンネル絶縁層を、金属膜形成および金属膜に対するラジカルを用いた絶縁化処理を複数回繰返して形成することにより、良質で厚いトンネル絶縁層を形成することができる。

また、この磁気抵抗効果素子を用いてブリッジ回路を構成することにより、安定で大きな信号変化率の磁界検出器を実現することができる。

［実施の形態１］
図１は、この発明の実施の形態１に従う磁界検出器の全体の構成を概略的に示す図である。図１において、磁界検出器は、ＴＭＲ効果を利用する磁気抵抗効果素子１と、この磁気抵抗効果素子１に所定の大きさの定電流を供給する直流電源２と、磁気抵抗効果素子１の両電極間の電圧を検出する電圧計３を含む。

磁気抵抗効果素子１は、その上部電極が配線４により直流電源２および電圧計３に接続され、また、下部電極が、配線５を介して直流電源２および電圧計３の接地ノードと結合される。

磁気抵抗効果素子１は、その詳細構成は後に説明するが、固着層ＦＸと、自由層ＦＲと、これらの自由層ＦＲおよび固着層ＦＸの間に配設されるトンネル絶縁層ＴＮを含む。この磁気抵抗効果素子は、ほぼ平面形状が長方形に形成され、長手方向および短手方向を有する。固着層ＦＸは、短手方向に磁化され、その磁化方向は固定される。自由層ＦＲは、外部磁界Ｈｅｘの強度が０の無磁界時においては、長手方向の磁化２１ａを有する。外部磁界Ｈｅｘの磁化方向に応じて、自由層ＦＲの磁化方向２１ｂが回転する。図１に示すように、磁気抵抗効果素子１においては、固着層ＦＸの磁化方向２２と自由層ＦＲの磁化方向は、無磁界時においては、直交方向に設定され、無磁界状態の抵抗値を素子抵抗中心値として、外部磁界の方向に応じて高抵抗状態および低抵抗状態に素子抵抗が変化し、高感度で外部磁界を検出する。

図２は、図１に示す磁界検出器の電気的等価回路を示す図である。磁気抵抗効果素子１は、外部磁界により抵抗値が変化する可変抵抗素子であり、磁気抵抗効果素子１と並列に電圧計３が接続され、磁気抵抗効果素子１と直列に直流電源２が接続される。図２においては、直流電源２が接地ノードと磁気抵抗効果素子１との間に接続されるように示すが、直流電源１は、電源ノードと接地ノードとの間に接続されて一定の電流を磁気抵抗効果素子１に供給する。

磁気抵抗効果素子１の抵抗値の変化により、磁気抵抗効果素子１の両電極間の電極間の電圧が変化し、この電圧変化を電圧計３で検出して、外部磁界Ｈｅｘを検出する。

図３は、図１に示す磁気抵抗効果素子の断面構造をより具体的に示す図である。図３において、磁気抵抗効果素子１は、基板１３表面上に形成される下部電極層６と、下部電極層６表面に形成される下地層７と、下地層７表面上に形成される反強磁性層８と、この反強磁性層８上に形成されかつその磁化方向が反強磁性層８により固定される固着層９と、固着層９上に形成されるトンネル絶縁層１０と、トンネル絶縁層１０上に形成され、外部磁界によりその磁化方向２１ａが変化する自由層１１と、自由層１１表面上に形成される上部電極層１２を含む。

下部電極層６および上部電極層１２は、各々、膜厚１０ｎｍのタンタルＴａ膜で構成される。下部電極層６が図１に示す配線５に接続され、上部電極層１２が、図１に示す配線４に接続される。下地層７は、ニッケル（Ｎｉ）−鉄（Ｆｅ）膜であり、その膜厚は２ｎｍである。下地層７は、その上層に形成される反強磁性層８の結晶配向性を制御するために形成され、下部電極層６と反強磁性膜８との間の格子不整合に対する緩衝層として機能する。

反強磁性層８は、白金（Ｐｔ）−マンガン（Ｍｎ）膜で構成され、その膜厚は１５ｎｍである。

固着層９は、図１に示す固着層ＦＸに対応し、コバルト（Ｃｏ）−鉄（Ｆｅ）膜で構成される。この固着層９は、強磁性体層であり、反強磁性層８と接触して積層されることにより、その磁化方向２２が固定される。すなわち、反強磁性層８が、固着層９のスピンの向きを固定することにより、固着層９の磁化方向が、表面から裏側に向かう磁化方向２２に設定される。固着層９は、膜厚３ｎｍである。

トンネル絶縁層１０は、酸化アルミニウム膜で構成され、その膜厚は、２．２ｎｍである。トンネル絶縁層１０は、図１に示すトンネル絶縁層ＴＮに対応する。自由層１１は、図１に示す自由層ＦＲに対応し、ニッケル（Ｎｉ）−鉄（Ｆｅ）膜で形成され、その膜厚は、たとえば５ｎｍである。自由層１１は、外部磁界に対して敏感に磁化方向を変化することが要求されるため、軟磁性体であるのが望ましい。次に、この図３に示す磁気抵抗効果素子１の製造方法について説明する。なお、以下の工程説明図において、同一または相当部分には同一参照番号を付し、同一構成要素に対しては適宜説明を省略する。

まず、図４に示すように、絶縁性の基板１３上に、たとえばＤ（直流）Ｃマグネトロンスパッタリング法を用いて膜厚１０ｎｍのタンタル膜（Ｔａ膜）を下部電極層６として形成する。次いで、このタンタル膜（下地電極層）６を形成した後、膜厚２ｎｍのニッケル−鉄（Ｎｉ−Ｆｅ）膜を形成し、上層に形成される強磁性膜の結晶配向性を制御する下地層７を形成する。

続いて、図５に示すように、下地層７上に、白金−マンガン膜（Ｐｔ−Ｍｎ膜）を形成し、反強磁性層８を形成する。

次いで、この反強磁性層８表面上に、コバルト−鉄膜（Ｃｏ−Ｆｅ膜）を膜厚３ｎｍに形成し、固着層９を形成する。固着層９の形成後、真空チャンバ内で、この固着層９の表面を大気にさらすことなくプラズマ暴露による平坦化処理を実施する。すなわち、１００ｅＶ以下の低エネルギのアルゴン（Ａｒ）イオンを固着層９表面に入射するように基板バイアス電力を制御した条件下で、固着層９表面にアルゴン（Ａｒ）プラズマを暴露する。このプラズマ暴露により、Ｃｏ−Ｆｅ膜表面の突起部分の選択的な除去が行なわれ、膜表面の平坦化が行なわれる。これにより、次工程で形成されるトンネル絶縁層の膜質を均質とし、また、その表面を平坦化して膜厚の不均一が生じるのを防止する。

次いで、図６に示すように、固着層９の形成後、金属膜（アルミニウム膜）１０ａを例えばＤＣマグネトロンスパッタリング法を用いて形成する。金属膜（アルミニウム膜）１０ａを膜厚０．８ｎｍに形成した後、酸素ラジカル（Ｏ・）を照射する。この酸素ラジカルは、別室（別チャンバ）で酸素プラズマを生成し、その荷電粒子の中性化を行なった後に、差動排気によりこの金属膜形成用のチャンバ内に導入されて、金属膜（アルミニウム膜）１０ａ上に照射される。

このアルミニウム膜形成および酸素ラジカルの照射のプロセスを複数回繰返す。膜厚０．８ｎｍのアルミニウム膜を形成後、酸素ラジカルで暴露する。これにより、アルミニウム膜が酸化し、酸化アルミニウム膜（Ａｌ₂Ｏ₃膜）を形成する。この後、再び、アルミニウム膜を０．８ｎｍの膜厚で形成した後酸素ラジカル暴露する。アルミニウム膜を酸化した場合、その体積は、１．３倍から１．５倍となる。それにより、膜厚２．２ｎｍの厚さを有する酸化アルミニウム膜（Ａｌ₂Ｏ₃膜）１０が図７に示すように形成される。膜厚２．２ｎの酸化アルミニウム膜で構成されるトンネル絶縁層１０が得られる。このトンネル絶縁層１０の膜厚は、本実施の形態１においては２．２ｎｍであるものの、１.８ｎｍから５ｎｍの範囲であればよい。

図６に示す金属膜（アルミニウム膜）１０ａの酸化工程において、たとえば酸素プラズマを用いた酸化処理を行なった場合、主に酸素イオン（Ｏ−）がアルミニウム膜の酸化を担うため、自然酸化またはラジカル酸化よりも、強い酸化力を有する。しかしながら、このプラズマ照射時電界で加速された酸素イオンがアルミニウム膜表面に入射するため、このトンネル絶縁層１０に欠陥が生じ、膜質が劣化する。一方、ラジカルを用いた酸化処理では、プラズマ酸化に比べて酸化力が劣るものの、酸素イオンを始めとする荷電粒子の影響を受けることがなく、膜の損傷は抑制され、良質なトンネル絶縁膜を形成することができる。

図８は、膜厚２ｎｍの金属アルミニウム膜を酸素ラジカルに暴露した場合の酸化アルミニウム膜膜厚の暴露時間依存性を示す図である。図８において、横軸に暴露時間（単位分）を示し、縦軸にアルミニウム酸化膜膜厚を示す（単位ｎｍ）。

金属アルミニウム膜は、ＤＣマグネトロンスパッタリング法により形成し、アルミニウム膜を大気に曝すことなく酸素ラジカル暴露を実施する。この酸素ラジカル生成前に、０．２Ｐａ（パスカル）以下の圧力の酸素ガスが導入され、アルミニウム膜表面が酸素ガスに曝されている。この酸素ガスにより、酸素ラジカル暴露前に、アルミニウム膜の自然酸化により、膜厚１．３ｎｍのアルミニウム酸化膜が形成される。

酸素ラジカルの暴露とともに、酸化が進行し、膜厚１．４ｎｍで、アルミニウム酸化膜の膜厚が飽和する。金属アルミニウム膜を酸化した場合、その体積が、１．３倍から１．５倍程度増大するため、自然酸化により酸化された金属アルミニウム膜は、膜厚０．７ｎｍから１ｎｍである。一方、酸素ラジカルにより酸化された金属アルミニウム膜は、酸化アルミニウム膜の膜厚が１．４ｎｍであるため、１．０ｎｍから１．２ｎｍの膜厚を有する。したがって、酸素ラジカルに金属アルミニウム膜を曝すことにより、膜厚０．７ｎｍから１．２ｎｍの金属アルミニウム膜を良質に酸化することが可能となる。この膜厚の範囲内において、酸化される金属アルミニウム膜の厚さに応じて、酸素ラジカルに対する暴露時間を制御することにより、最適な酸化処理を行なうことができる。

膜厚１．２ｎｍよりも厚い金属アルミニウム膜を酸化する場合には、金属アルミニウム膜の成膜および酸素ラジカルへの暴露を複数回繰返すことにより厚いアルミニウム酸化膜を形成することができる。金属アルミニウム膜を複数回に分けて形成することにより、金属アルミニウム膜を形成する各工程の処理時間を短縮でき、応じて結晶粒径の増大を抑制することができ、局所的な膜質のばらつきを抑制することができる。本実施の形態１においては、膜厚０．８ｎｍの金属アルミニウムを酸化する工程を２回繰返し、膜厚２．２ｎｍの酸化アルミニウム膜を形成する。

この後、図３に示すようにニッケル−鉄膜（Ｎｉ−Ｆｅ膜）を膜厚５ｎｍに形成し、自由層１１を形成する。

次いで、タンタル膜（Ｔａ）をＤＣマグネトロンスパッタリング法を用いて形成して、図９に示すように、上部電極層１２を形成する。この後、ＤＣマグネトロンスパッタリング法を用いてアルミニウム膜を形成し、配線４および５をそれぞれ形成する。これらの配線４および５の形成後、フォトリソグラフィ法を用いて所望のパターンを形成する。このフォトレジストパターンをマスクとしてイオンミリング法を行なって、磁気抵抗効果素子１の形状を得る。磁気抵抗効果素子１は、一例として、短辺×長辺が４μｍ×６４μｍの長方形形状に形成される。

固着層９の磁化方向２２は、以下の方法で設定する。反強磁性層（Ｐｔ−Ｍｎ膜）の結晶構造を規則化工程時に、この固着層９の飽和磁化を発生するための外部磁界を所望の方向に印加する。具体的には、磁気抵抗効果素子１を形成した後、真空チャンバ内において磁気抵抗効果素子１の短辺方向に５ｋＯｅの磁界を印加し、３００℃で３時間保持する。これにより、固着層９が短辺方向に沿って磁化され、その磁化方向が、反強磁性層８との反強磁性結合により保持される。

図１に示す磁界検出器の動作時においては、この磁気抵抗効果素子１に対し、図１に示す直流電源２から一定の大きさの電流Ｉが供給される。磁気抵抗効果素子１において、固着層ＦＸ（９）と自由層ＦＲ（１１）との間には磁気的な相互作用がないと仮定する。外部磁界Ｈｅｘが固着層ＦＸの磁化方向２２と同じ方向に印加された場合、外部磁界Ｈｅｘ印加時における磁気抵抗効果素子１の素子抵抗Ｒは、次式（１）で表わされる。

Ｒ＝Ｒｍ＋（ΔＲ／２）・（Ｈｅｘ／｜Ｈｋ｜） …（１）
ここで、Ｒｍは、外部磁界Ｈｅｘが０の状態、すなわち無磁界時における磁気抵抗効果素子１の抵抗（素子抵抗中心値）を示し、ΔＲは、磁気抵抗効果素子１の磁気抵抗変化率を示す。Ｈｋは、自由層ＦＲ（１１）の飽和磁界を示し、Ｈｅｘは、外部磁界Ｈｅｘの強度を示す。

この磁気抵抗効果素子１に一定の大きさの電流Ｉが供給され、抵抗値がＲであるため、磁気抵抗効果素子１の両電極間、すなわち配線４および５の間には、次式（２）で表わされる電圧Ｖが発生する。

Ｖ＝Ｉ・（Ｒｍ＋（ΔＲ／２）・（Ｈｅｘ／｜Ｈｋ｜） …（２）
配線４および５の抵抗は、磁気抵抗効果素子１の抵抗Ｒと比較して、二桁小さく、無視することができる。

上式（１）および（２）で表わされる関係から、電圧計３により、磁気抵抗効果素子１に印加される電圧Ｖを測定することにより、外部磁界Ｈｅｘの強度を検出することができる。

図１０は、図１に示す磁界検出器の電圧計３より測定される電圧Ｖの外部磁界依存性を示す図である。図１０において横軸に、外部磁界強度を示し（単位Ｏｅ）、縦軸に出力電圧（単位ｍＶ）を示す。磁気抵抗効果素子に対して供給される電流Ｉは、０．３ｍＡである。この図１０に示すように、出力電圧特性は、無磁界状態を中心値とする対称的な曲線とならず、中心値Ｖｍが−８Ｏｅシフトしている。電圧Ｖｍは、外部磁界Ｈｅｘが０のとき、すなわち無磁界時の出力電圧であり、上式（１）および（２）から、Ｉ・Ｒｍで表わされる。

この特性曲線のシフトは、固着層と自由層とが静磁結合したことにより発生する。この特性曲線のシフトが、磁気抵抗効果素子間でばらつきなく、同じ大きさで発生すれば、そのシフト量を較正することにより、全素子において、同じ磁界検出特性を得ることができる。従来、素子特性のシフト量は、トンネル絶縁層の膜厚および膜質のばらつきにより素子間でばらついており、この素子間でのばらつきを較正することは行なわれていない。

図１１は、検出磁界とトンネル絶縁層の膜厚との関係を示す図である。図１１において、横軸にトンネル絶縁層の膜厚（単位ｎｍ）を示し、縦軸に検出磁界Ｈｍのばらつき（単位Ｏｅ）を示す。トンネル絶縁層の膜厚の異なる複数の磁気抵抗効果素子群を用いて、抵抗値がＲｍとなる磁界Ｈｍを求め、検出磁界のばらつきを表わす指標として標準偏差の３倍の値を示す。

実施の形態１において用いられる膜厚２．２ｎｍの酸化アルミニウム膜をトンネル絶縁層として利用する場合、無磁界条件下での抵抗値Ｒｍが得られる磁界Ｈｍのばらつきが、０．２Ｏｅ以下である。このばらつきの大きさは、地磁気の磁界強度以下であり、各素子間において実質的に同じ磁界／出力電圧特性を得ることができる。

図１１に示すように、膜厚１．８ｎｍにおける検出磁界のばらつきは、０．３Ｏｅであり、地磁気の磁界強度と同程度のばらつきの範囲である。酸化アルミニウム膜が、したがって膜厚１．８ｎｍ以上の膜厚であれば、検出磁界のばらつき範囲を、地磁気の磁界強度以下のばらつき範囲内に抑制することができ、固着層／トンネル絶縁層界面の粗さに起因する自由層と固着層との静磁結合による磁界検出器の出力特性のばらつきを抑制することができる。上限値としては、図１１においては３ｎｍまでのトンネル絶縁膜の膜厚を示していないが、膜厚５ｎｍまでであればトンネル現象を発現することができるため、上述の製造方法を行って膜厚５ｎｍの良質のトンネル絶縁膜を形成することができ、膜厚範囲として、１．８ｎｍから５ｎｍのトンネル絶縁膜を利用することができる。

したがって、トンネル絶縁層の厚さを１．８ｎｍ以上に制御することにより、出力信号の素子間でのばらつきを抑制することができ、安定した出力の磁界検出器を実現することができ、高精度な磁界検出を行なうことができる。

［代替例］
上述の実施の形態において具体的に説明する材料および製造方法は、一例であり、特に前述の実施例に限定されない。たとえば、図３に示す素子構造として、下部電極層６および上部電極層１２は、金属膜であればよく、タンタル（Ｔａ膜）以外に、銅Ｃｕ、ルテニウムＲｕ、アルミニウムＡｌ、白金Ｐｔの膜が用いられてもよく、またこれらの金属膜の積層された構造であってもよい。

また、下地層７は、ニッケル−鉄合金膜（Ｎｉ−Ｆｅ膜）に限定されず、下部電極層６および上部電極層１２と同様、タンタル膜（Ｔａ膜）であってもよく、また、金属膜であれば、他の金属材料を利用することができる。

また、図３に示される反強磁性層８としては、イリジウム−マンガン合金膜（Ｉｒ−Ｍｎ膜）、ニッケル−マンガン合金膜（Ｎｉ−Ｍｎ膜）、ニッケル酸化膜（Ｎｉ−Ｏ膜）、鉄−マンガン合金膜（Ｆｅ−Ｍｎ合金膜）が用いられてもよい。

固着層９および自由層１１の強磁性体層は、強磁性体材料であればよく、コバルト−ニッケル合金膜（Ｃｏ−Ｎｉ合金膜）、コバルト−鉄−ニッケル合金膜（Ｃｏ−Ｆｅ−Ｎｉ合金膜）、鉄−ニッケル合金膜（Ｆｅ−Ｎｉ合金膜）などの、コバルトＣｏ、ニッケルＮｉ、鉄Ｆｅのいずれかを主成分として含む金属膜および、ニッケルマンガンアンチモン合金膜（ＮｉＭｎＦｂ合金膜）、およびコバルト・マンガン・ゲルマニウム合金膜（Ｃｏ₂ＭｎＧｅ合金膜）などが用いられてもよく、またこれらの強磁性金属膜および強磁性合金膜が積層される構造が強磁性体層として利用されてもよい。

また、図５に示す製造工程において、強磁性体層９表面のプラズマを用いた平坦化処理は、反強磁性層（白金−マンガン膜（Ｐｔ−Ｍｎ膜））８の形成後に、すなわち固着層の強磁性体層形成前に行なわれてもよい。また、プラズマガスも、アルゴンＡｒに代えて、キセノンＸｅ、クリプトンＫｒ、ネオンＮｅなどの他の不活性ガスが用いられてもよく、反応性の乏しいガスが用いられればよい。

また、図３に示すトンネル絶縁層１０は、酸化アルミニウム膜ＡｌＯ₃膜以外の酸化タンタルＴａ₂Ｏ₅、二酸化シリコンＳｉＯ₂、酸化マグネシウムＭｇＯなどの酸化物が用いられてもよく、またこれらの窒化物またはフッ化物が用いられてもよい。

また、トンネル絶縁層の絶縁化処理としては、最も良好な結果が得られるラジカル反応を用いているものの、プラズマ酸化、自然酸化およびオゾンによる酸化が用いられてもよい。また、トンネル絶縁層の形成方法としては、金属膜の酸化に限定されず、金属膜の窒化処理またはフッ化処理が用いられてもよい。これらの窒化処理およびフッ化処理においても、酸化処理と同様、ラジカル、プラズマおよび反応性ガスを用いることにより、窒化処理、およびフッ化処理を行なうことができる。

また、トンネル絶縁層の形成方法としても、ＤＣマグネトロンスパッタリング法に代えて、高周波（ＲＦ）マグネトロンスパッタリング法、化学気相成長法（ＣＶＤ法）などの他の製造方法を用いて、直接トンネル絶縁層が形成されてもよく、膜厚が１．８ｎｍからトンネル現象を生じさせる５ｎｍの範囲内であれば、素子間での磁界検出特性のばらつきを低減することができる。また、磁気抵抗効果素子の上部電極層および下部電極層にそれぞれ接続される配線（４，５；図１参照）は、アルミニウム膜に限定されず、銅（Ｃｕ）膜が用いられてもよい。

また、各金属膜の成長には、ＤＣマグネトロンスパッタリング法に代えて、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法、また各種スパッタ法、化学気相成長（ＣＶＤ）法または蒸着法などの方法が用いられてもよい。

また、素子形状形成は、イオンミリングに代えて、フォトリソグラフィおよび反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法によって行なわれてもよく、また、電子線リソグラフィまたは収束イオンビームによりパターンが形成されてもよい。

また、固着層９の磁化方向２２（図３参照）の設定は、以下の方法で行なわれてもよい。すなわち、反強磁性層と固着層との見かけ上の交換相互作用がなくなるブロッキング温度以上に磁気抵抗効果素子全体を加熱し、固着層の飽和磁化を発生するための外部磁界を所望の方向に印加する。この外部磁界印加状態で、磁気抵抗効果素子をブロッキング温度以下に冷却する。

また、磁気抵抗効果素子１の形状は、長方形でなくてもよく、結晶磁気異方性または誘導磁気異方性を付与することにより、任意の形状を用いることができる。

また、自由層１１の無磁界時の磁化方向２１は、固着層９の磁化方向と直交する方向ではなく、平行（相対角が０度）および反平行（相対角が１8０度）以外の角度をなす方向であっても、外部印加磁界に応じて自由層の磁化方向が変化し、応じて、抵抗効果素子の抵抗値が変化するため、同様、正確な磁界検出を行うことができる。

これらの代替例は、以下の実施の形態各々においても同様、適用することができる。

［変更例］
図１２は、この発明の実施の形態１の変更例の磁界検出器の構成を概略的に示す図である。図１２において、磁界検出器は、直流電源２からの電流が供給されるブリッジ回路３０と、ブリッジ回路３０の出力ノードＮ２およびＮ４の電圧を差動増幅する差動増幅器３２と、この差動増幅器３２の出力信号の電圧レベルを検出する電圧計３を含む。

ブリッジ回路３０は、ノードＮ１およびＮ２の間に接続される磁気抵抗効果素子１ａと、ノードＮ２と接地ノードＮ３の間に接続される定抵抗素子３１ａと、ノードＮ１およびＮ４の間に接続される定抵抗素子３１ｂと、ノードＮ４と接地ノードＮ３の間に接続される磁気抵抗効果素子１ｂを含む。ノードＮ２およびＮ４が、差動増幅器３２の相補入力にそれぞれ接続される。

磁気抵抗効果素子１ａおよび１ｂは、その固着層の磁化方向が同じであり、また、外部磁界のこれらの磁気抵抗効果素子１ａおよび１ｂへの影響は同じである。定抵抗素子３１ａおよび３１ｂも、抵抗値が同じである。直流電源２から、ノードＮ１へ一定の大きさの電流が供給される。磁気抵抗効果素子１ａおよび１ｂが、その抵抗値が、ほぼ同じ特性で変化し、ブリッジ回路３０において２つの電流経路、すなわちノードＮ１、ノードＮ２および接地ノードＮ３の経路を流れる電流と、ノードＮ１、Ｎ４およびＮ３を流れる電流の大きさは同じとなる。外部磁界の影響により、磁気抵抗効果素子１ａおよび１ｂの抵抗値が大きくなった場合、ノードＮ２の電圧が低下し、一方、ノードＮ４の電圧レベルが上昇する。逆に、外部磁界により、磁気抵抗効果素子１ａおよび１ｂの抵抗値が小さくなった場合、ノードＮ２の電圧レベルが上昇し、ノードＮ４の電圧レベルが低下する。

したがって、ノードＮ２およびＮ４の電圧レベルは、磁気抵抗効果素子１ａおよび１ｂの抵抗値変化に対して相補的に変化し、この差分値を、差動増幅器３２で増幅する。これにより、１つの磁気抵抗効果素子による電圧変化に較べて、ノードＮ２およびＮ４の差分信号変化量が大きくなり、電圧計３で、高精度で、外部磁界により生じる電圧変化を検出することができる。

図１３は、図１２に示す磁界検出器の外部磁界／出力電圧特性を示す図である。図１３において、横軸に磁界を示し、縦軸に出力電圧を示す。この図１３に示す出力電圧／外部磁界特性曲線においては、直流電源２から、１ｍＡの定電流が供給される。

図１３に示すように、図１２に示す磁界検出器においても、特性曲線は、図１０に示す特性曲線と同様、点対称な曲線の中心点、すなわち、無磁界時の電圧を与える中心抵抗Ｒｍが、マイナスの磁界強度方向へシフトしている。しかしながら、直流電源２からの供給電流は、１ｍＡであり、先の図１０に示す特性曲線における３ｍＡの定電流供給に比べてより低消費電流で、出力電圧振幅としては、図１に示す構成のように１つの磁気抵抗効果素子を用いる場合と同様、５０ｍＶの振幅が得られる。したがって、直流電源２の供給電流を大きくするまたは差動増幅器３２の利得を調整することにより、出力電圧の変化率をさらに大きくすることができる。また、差動増幅器３２の出力信号自体を次段回路へ与えて検出磁界強度に応じた制御を行うことにより、電圧計３を利用することなく、検出磁界強度に応じて必要とされる動作を行う制御を行うことができる。

また、磁気抵抗効果素子１ａおよび１ｂの無磁界時の素子抵抗値が異なる場合においても、ノードＮ２およびＮ４の電圧レベルのオフセットを、差動増幅器３２で補償することができ、ブリッジ回路３０の検出磁界特性曲線を補償して、正確に、無磁界印加時の中心抵抗値Ｒｍ（１つの磁気抵抗効果素子について）を中心とする対称的な磁界検出特性曲線を得ることができる。

なお、磁界検出器は、通常の磁気センサと同様、磁界検出により電流検出、位置検出および回転の検出を行なう用途に適用することが可能であり、種々の用途の磁界センサとして利用することができる。

また、磁界検出器においても、直流電源２から一定の直流電流を供給して電圧計３で電圧変化を読出す構成に代えて、交流電源が用いられてもよく、また、１個の磁気抵抗効果素子を利用する場合、磁気抵抗効果素子に一定の電圧を供給して、磁気抵抗効果素子を流れる電流を検出する構成が用いられてもよい。

以上のように、この発明の実施の形態１に従えば、トンネル絶縁層の膜厚を１．８ｎｍから５ｎｍ、好ましくは１．８ｎｍから２．２ｎｍの間に設定しており、トンネルバリア層の固着層との間の界面の粗さのばらつきに起因する静磁結合のばらつきを低減でき、素子間での出力特性のばらつきの少ない磁気抵抗効果素子を実現することができる。また、ラジカルを用いて金属膜を絶縁処理して金属絶縁膜を形成する処理を複数回繰返すことにより、所望の膜厚の高品質の金属絶縁膜を形成することができる。

［実施の形態２］
図１４は、この発明の実施の形態２に従う磁気抵抗効果素子の構成を概略的に示す図である。この図１４に示す磁気抵抗効果素子は、以下の点が、先の図３に示す実施の形態１の磁気抵抗効果素子１とその構成が異なる。すなわち、固着層９を、強磁性層／非磁性層／強磁性層との３層構造で構成する。すなわち、図１４において、固着層９は、反強磁性層８上に形成されるＣｏ−Ｆｅ膜で構成される第１の強磁性層９ａと、第１の強磁性層９ａ上に形成されるルテニウム膜（Ｒｕ膜）で構成される非磁性層１４と、非磁性層１４上に形成されるＣｏ−Ｆｅ膜で構成される第２の強磁性層９ｂを含む。

強磁性層９ａおよび９ｂは、互いに反平行に磁化され、ルテニウム膜で構成される非磁性層１４を介して反強磁性結合される。非磁性層１４の膜厚は０．８ｎｍであり、強磁性層９ａおよび９ｂの膜厚は、共に３ｎｍである。したがって、反平行に結合される２つの強磁性層９ａおよび９ｂの厚さが等しく、共に磁界強度は同じであり、強磁性層９ａおよび９ｂの漏洩磁界は、方向が互いに反対であり、実質的に相殺される。

非磁性層１４は、これらの強磁性層９ａおよび９ｂの間で強固な反平行結合を実現するために、３ｄ遷移金属膜であることが好ましいので、ルテニウム膜に限定されない。また、この非磁性層１４の膜厚についても、強磁性層９ａおよび９ｂの反平行結合を維持することのできる膜厚であればよく、０．８ｎｍに限定されない。

この図１４に示す磁気抵抗効果素子の他の構成は、図３に示す実施の形態１の磁気抵抗効果素子の構成と同じであり、対応する部分には同一参照番号を付し、その詳細説明は省略する。

固着層９を構成する強磁性層９ａおよび９ｂの磁化方向２２ａおよび２２ｂを互いに反平行方向とする場合、一例として以下のような手順が用いられる。反強磁性層（Ｐｔ−Ｍｎ膜）８を形成した後、強磁性層９ａおよび９ｂを堆積するときに、それぞれ反対方向に印加される磁界存在下で堆積する。反強磁性層８により、強磁性層９ａが、反強磁性層８と交換結合し、強磁性体層９ｂ堆積時に反対方向の磁界が印加されてもその磁界方向は変化せず、強磁性体層９ｂの磁界と反対の方向（磁化方向２２ａ）を維持する。これにより、強磁性層９ａと反強磁性層８とが交換結合され、強磁性層９ａおよび９ｂが非磁性体層１４を介して反強磁性結合され、これら強磁性層９ａおよび９ｂの磁化方向が反対方向で維持される。これらの固着層９を構成する強磁性層９ａおよび９ｂの磁化は、自由層１１の磁化と９０度の角度をなしている。

図１４に示す磁気抵抗効果素子１の他の構成は、図３に示す磁気抵抗効果素子１の構成と同じであり、対応する部分には同一参照番号を付し、それらの詳細説明は省略する。

図１４に示す磁気抵抗効果素子の場合、固着層９における漏洩磁界は、強磁性層９ａおよび９ｂにより相殺され、固着層９と自由層１１の間の静磁結合を抑制でき、図１５に示すように、無磁界時において、素子抵抗値として、素子抵抗Ｒの中心値Ｒｍを得ることができる。したがって、単一層で構成される固着層の場合に問題となる強磁性層の膜厚さに起因する固着層の漏洩磁界を抑制することができ、素子間でばらつきなく、無磁界時における素子抵抗Ｒの中心値Ｒｍを得ることができる。なお、図１５においては、実施の形態２の磁気抵抗効果素子を利用する磁界検出器として、図１に示す構成を利用する場合の磁界／出力電圧の特性曲線が示される。

この図１４に示す磁気抵抗効果素子を利用する磁界検出器の構成は、先の実施の形態１において用いられる図１の構成および図１２のブリッジ回路の構成いずれが用いられてもよい。しかしながら、ここでは、磁気抵抗効果素子の無磁界時の素子抵抗中心値Ｒｍの素子間ばらつきがないため、以下に示すブリッジ回路を利用する。

図１６は、この発明の実施の形態２に従う磁気抵抗効果素子を利用する磁界検出器の構成を概略的に示す図である。この図１６に示す磁界検出器の構成は、ブリッジ回路３０の構成が、先の図１２に示す実施の形態１の変更例における磁界検出器の構成と異なる。すなわち、図１６に示すブリッジ回路３０は、ノードＮ１およびＮ３の間に直列に接続される磁気抵抗効果素子１ａおよび１ｄと、これらの磁気抵抗効果素子１ａおよび１ｂと並列に、ノードＮ１およびＮ３の間に互いに直列に接続される磁気抵抗効果素子１ｃおよび１ｂを含む。

磁気抵抗効果素子１ａおよび１ｂは、固着層の無磁界時の磁化方向が同じであり、磁気抵抗効果素子１ｃおよび１ｄは、無磁界時の固着層の磁化方向が同じである。磁気抵抗効果素子１ａおよび１ｂの無磁界時の固着層の磁化方向は、磁気抵抗効果素子１ｃおよび１ｄの無磁界時の固着層の磁化方向と反平行方向である。これらの磁気抵抗効果素子１ａ−１ｄは、無磁界時の固着層の磁化方向を除いて、その構成は実質的に同じである。

図１６に示す磁界検出器の他の構成は、図１２に示す磁界検出器の構成と同じであり、対応する部分には同一参照番号を付し、その詳細説明は省略する。

この図１６に示すブリッジ回路３０においては、外部磁界印加時、磁気抵抗効果素子１ａおよび１ｂの抵抗値変化方向と磁気抵抗効果素子１ｃおよび１ｄの抵抗値変化方向は反対である。磁気抵抗効果素子１ａおよび１ｂの抵抗値が外部磁界により増大したときには、磁気抵抗効果素子１ｃおよび１ｄの抵抗値が低減される。したがって、ノードＮ２およびＮ４における外部磁界による電圧変化が、先の低抵抗素子を利用する場合に比べてさらに増大し、出力電圧変化率を大きくすることができる。

図１７は、図１６に示す磁界検出器の外部印加磁界と出力電圧との関係を示す図である。直流電源２から１ｍＡの一定電流が供給される。差動増幅器３２は、正および負電源を利用しており、その出力電圧は、抵抗中心値Ｒｍを中心として、対称的に正および負の領域に外部印加磁界強度に応じて変化する。出力電圧振幅は、先の図１５に示す磁界／出力電圧特性に比べてほぼ２倍程度にまで増大されている。

この実施の形態２における磁気抵抗効果素子は、無磁界時において、素子間でのばらつきもなく、その抵抗値が素子抵抗中心値Ｒｍを示す。したがって、外部磁界に対して直線的に出力電圧が変化する領域を広く確保することができ、高精度の磁界検出を実現することができる。

以上のように、この発明の実施の形態２に従えば、固着層を強磁性層／非磁性層／強磁性層の積層構造としており、各強磁性層の膜厚を同一としており、この固着層の漏洩磁界を相殺することができ、固着層と自由層との静磁結合を低減でき、無磁界時の磁気抵抗効果素子の抵抗値を中心値に設定することができる。これにより、磁気抵抗効果素子を利用する磁界検出器の磁界応答特性の素子間ばらつきを抑制して、高精度の磁界検出を実現することができる。

また、磁界検出器においてブリッジ回路を無磁界時の固着層の磁化方向が反平行方向の素子を直列に接続することにより、ブリッジ回路出力ノードの電圧変化を大きくすることができ、また直線領域も広くとることができ、検出磁界範囲を広くすることができ、広範囲に亘って正確に印加磁界を検出することができる。

［実施の形態３］
図１８は、この発明の実施の形態３に従う磁気抵抗効果素子１の断面構造を概略的に示す図である。この図１８に示す磁気抵抗効果素子１の構成は、以下の点で、先の図１４に示す実施の形態２の磁気抵抗効果素子とその構成が異なる。すなわち、固着層９を構成する強磁性層９ａおよび９ｃの膜厚を異ならせる。また、強磁性層９ａは、膜厚３ｎｍであり、強磁性層９ｃが、膜厚８ｎｍである。スペーサ層の非磁性層１４は、膜厚０．８ｎｍである。この固着層９においても、強磁性層９ａおよび９ｃは、非磁性層（たとえばルテニウム（Ｒｕ）膜）１４を介して反強磁性結合により反平行にそれらの磁界が維持される。この図１８に示す抵抗効果素子１の他の構成は、図１４に示す磁気抵抗効果素子１の構成と同じであり、対応する部分には同一参照番号を付し、その詳細説明は省略する。

自由層１１と固着層９の静磁結合の度合いを調整することにより、検出磁界／出力電圧特性曲線をシフトさせることができ、検出対象磁界領域を所望の領域に設定することができる。固着層９と自由層１１の静磁結合を大きくするためには、固着層９の漏洩磁界を大きくすることが要求される。通常、強磁性層に対する反強磁性層の固着力は、強磁性層の磁化強度と厚さとに反比例する。したがって、固着層の漏洩磁界を大きくする場合、固着層の膜厚を大きくする必要があり、反強磁性層により固着力が減少する。この固着層９に対する反強磁性層８の固着力低下を回避するため、反強磁性層８に接する強磁性層９ａは、膜厚が３ｎｍに設定され、非磁性層１４を介して形成される強磁性層９ｃは、膜厚が８ｎｍと厚くされる。この場合、非磁性層１４を介した強磁性層９ａおよび９ｃ間の反強磁性結合の方が、反強磁性層８と強磁性層９ａとの同一磁化方向による反強磁性結合よりも強く、外部印加磁界による固着層９の強磁性層９ｃの磁化方向変動は生じず、素子特性の劣化は生じない。

一方、強磁性層９ａおよび９ｂの膜厚が異なるため、強磁性層９ｃの漏洩磁界は、強磁性層９ａの漏洩磁界で相殺されず、強磁性層９ｃの漏洩磁界により、固着層９と自由層１１の間で静磁結合が生じる。したがって、強磁性層９ａおよび９ｃに膜厚の差を設けることにより、固着層９からの自由層１１に対する漏洩磁界を制御することができ、応じて固着層９と自由層１１との間の静磁結合強度を制御することができる。これにより、磁界検出器の動作磁界領域を任意の領域にシフトさせることができ、素子間でばらつきなく、所望の動作磁界領域を有する磁界検出器を実現することができる。

図１９は、この図１８に示す磁気抵抗効果素子１を、図１に示す磁界検出器に適用した際の外部磁界と出力電圧との関係を示す図である。図１９においても横軸に磁界強度を示し、縦軸に磁気抵抗効果素子の出力電圧を示す。

図１９に示すように、無磁界時の素子抵抗の中心値Ｒｍが、−１４Ｏｅシフトしており、このシフト量を、固着層９と自由層１１の静磁結合の度合い、すなわち固着層９の強磁性層９ａおよび９ｂの膜厚の差に応じて調整することができる。

また、図１９に示されるように、検出磁界／出力電圧特性曲線は、実質的に図１０に示す特性曲線をマイナス方向にシフトさせた曲線と同じであり、同様の磁界検出特性を実現することができる。

以上のように、この発明の実施の形態３に従えば、固着層を強磁性層／非磁性層／強磁性層の積層構造とする構成において、強磁性層の膜厚を異ならせることにより、固着層の漏洩磁界強度を制御することができ、応じて固着層と自由層との静磁結合の度合いを制御でき、所望の磁界領域を対象として磁界検出を行なうことのできる磁気抵抗効果素子を実現することができる。

なお、この実施の形態３においても、磁界検出器の構成としては、実施の形態１の変更例および実施の形態２においてそれぞれ示されるブリッジ回路が用いられてもよい。

この発明に係る磁気抵抗効果素子は、磁界を検出するセンサとして利用することができ、通常の磁気センサとして電流検出、位置検出および回転検出の用途に適用することができる。また、この磁気センサが、他の電子回路とともに用いられてもよい。

また、磁気抵抗効果素子は、自由層の磁化が固着層の磁化と９０度をなすという限定がなければ、マグネティック・ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）のメモリ素子としても利用することが可能である。メモリ素子の場合、上部電極層をビット線に接続し、下部電極層をスイッチングトランジスタを介してソース線に接続する。データ読出は、ビット線からソース線に流れる電流を検知することにより行なう。データ書込は、ビット線を流れる電流の誘起磁界により自由層の磁化方向を固着層の磁化と平行または反平行に設定することにより、磁抵抗効果素子の抵抗値を最大値および最小値の間でいずれかに設定する。

この発明の実施の形態１に従う磁界検出器の構成を概略的に示す図である。 図１に示す磁界検出器の電気的等価回路を示す図である。 この発明の実施の形態１に従う磁気抵抗効果素子の断面構造を概略的に示す図である。 図３に示す磁気抵抗効果素子の製造工程を示す図である。 図３に示す磁気抵抗効果素子の平坦化処理工程を示す図である。 図３に示す磁気抵抗効果素子のトンネル絶縁層の製造工程を示す図である。 図６に示す製造工程完了時の素子構造を概略的に示す図である。 アルミニウム酸化膜膜厚と酸素ラジカル暴露時間との関係を示す図である。 図３に示す磁気抵抗効果素子の製造工程を示す図である。 この発明の実施の形態１に従う磁気抵抗効果素子の外部磁界と出力電圧との関係を示す図である。 この発明の実施の形態１に従う磁気抵抗効果素子のトンネル絶縁層膜厚と検出磁界強度ばらつきとの関係を示す図である。 この発明の実施の形態１に従う磁界検出器の変更例の構成を示す図である。 図１２に示す磁界検出器の外部磁界と出力電圧との関係を示す図である。 この発明の実施の形態２に従う磁気抵抗効果素子の断面構造を概略的に示す図である。 図１４に示す磁気抵抗効果素子を用いる磁界検出器の外部磁界と出力電圧との関係を示す図である。 この発明の実施の形態２の磁界検出器の構成を示す図である。 図１６に示す磁界検出器の外部磁界と出力電圧との関係を示す図である。 この発明の実施の形態３に従う磁気抵抗効果素子の断面構造を概略的に示す図である。 図１８に示す磁気抵抗効果素子の外部磁界と出力電圧との関係を示す図である。

符号の説明

１，１ａ，１ｂ，１ｃ 磁気抵抗効果素子、２ 直流電源、３ 電圧計、４，５ 配線、６ 下部電極層、７ 主体層、８ 反強磁性層、９ 固着層、１０ トンネル絶縁層、１１ 自由層、１２ 上部電極層、９ａ，９ｂ，９ｃ 強磁性体層、２１ａ 切換時の自由層の磁化方向、２１ｂ 外部磁界印加時の自由層の磁化方向、２２ 固着層の磁化方向、３１ａ，３１ｂ 定抵抗素子、３２ 差動増幅器。

Claims (8)

1. 反強磁性層および前記反強磁性層により磁化方向が固定される磁性体層を含む固着層、
   外部印加磁界により磁化方向が変化しかつ外部無磁界時においては前記磁化方向が前記固着層の磁化方向に対して平行および反平行以外の角度をなす磁性体層で構成される自由層、および
   前記固着層と前記自由層との間に配置されかつ膜厚が１．８ｎｍから５ｎｍの範囲であるトンネル絶縁層を備える、磁気抵抗効果素子。
2. 前記磁化方向が固定される磁性体層は、
   前記反強磁性体層上に形成される第１の強磁性体層と、
   前記第１の強磁性体層上に形成される非磁性体層と、
   前記非磁性体層上に形成される第２の強磁性体層とを備える、請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
3. 請求項１または２に記載される磁気抵抗効果素子を複数個用いて構成されるブリッジ回路を備え、前記ブリッジ回路から検出磁界に応じた信号が出力される、磁界検出器。
4. 前記ブリッジ回路の複数の磁気抵抗効果素子は、互いに直列に接続されかつ前記固着層の無磁界時における磁化方向が互いに異なる磁気抵抗効果素子を含む、請求項３記載の磁界検出器。
5. 請求項１または２に記載される磁気抵抗効果素子の製造方法であって、
   前記トンネル絶縁層を製造するステップが、
   金属膜を作成する第１のステップと前記金属膜に対してラジカルを用いて絶縁化処理を行なう第２のステップとを複数回繰返すステップを備える、磁気抵抗効果素子の製造方法。
6. 前記第1のステップで形成される金属膜は、膜厚が０．７ｎｍから１．２ｎｍの範囲のアルミニウム膜であり、
   前記第２のステップの絶縁化処理は、酸素ラジカルを用いて行なわれる、請求項５記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
7. 請求項１または２に記載される磁気抵抗効果素子の製造方法であって、
   前記磁化方向が固定される磁性体層を製造するステップは、成膜後イオン暴露処理を施して平坦化処理を行なうステップを備える、磁気抵抗効果素子の製造方法。
8. 請求項５から７のいずれかに記載の方法で製造された磁気抵抗効果素子を複数個用いて構成されるブリッジ回路を備える、磁界検出器。

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