JP2012119613A - 磁気検出素子及びそれを用いた磁気センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 特にＳＦＰ構造における第１磁性層の膜厚を、耐熱性及びΔＭＲの観点から適正化してなるセルフピン止め型の磁気検出素子及びそれを用いた磁気センサを提供することを目的とする。
【解決手段】 固定磁性層とフリー磁性層とが非磁性材料層を介して積層された積層構造を備え、固定磁性層３は、第１磁性層３ａと第２磁性層３ｃとが非磁性中間層３ｂを介して積層され、反平行に磁化固定されたセルフピン止め型であり、第１磁性層３ａは第２磁性層よりも高保磁力材料のＦｅ_xＣｏ_100-x（ただしｘは、５５ａｔ％以上で６５ａｔ％以下）で形成され、第１磁性層３ａの膜厚ｔ１は１４Å以上で２０．５Å以下の範囲内で第２磁性層よりも薄く、第１磁性層３ａと第２磁性層３ｃの磁化量の差が実質的にゼロである。
【選択図】図１

Description

本発明は、セルフピン止め型の磁気検出素子に関する。

磁気検出素子を備える磁気センサは、高温、磁場中環境で使用されることから、固定磁性層の耐環境磁性が極めて重要である。固定磁性層の磁化状態が変化するとセンサ特性が劣化してしまうからである。

従来型の磁気検出素子には反強磁性層が設けられ、反強磁性層と固定磁性層との間で生じる交換結合磁界を利用して固定磁性層を所定方向に磁化固定していた。

しかしながら、従来型のように反強磁性層を用いた構造では、固定磁性層の耐熱性は反強磁性層のブロッキング温度（Ｔｂ）に主に依存する。磁気センサ、特に車載センサは、今後、より優れた耐熱性が要求されるが、反強磁性層を備える磁気検出素子の構造では限界があった。

一方、下記の特許文献にはセルフピン止め型の磁気検出素子の発明が開示されている。
例えば特許文献１には、第１磁性層：ＣｏＦｅ（２１．２）／Ｒｕ／第２磁性層：ＣｏＦｅ（２０）のＳＦＰ構造（Synthetic Ferri Pin）から成る固定磁性層が開示されている（特許文献１の［００２３］欄参照）。第２磁性層が、非磁性材料層（特許文献１の中間層１３）に接する磁性層である。なお各層の括弧内の数値は膜厚を示し単位はÅである。

セルフピン止め型の磁気検出素子は、反強磁性層を有していない。そのため上記したように、固定磁性層の耐熱性が反強磁性層のブロッキング温度に左右される問題は生じないものの、磁気抵抗効果（ＧＭＲ効果）の起源となる固定磁性層の磁気特性は、ＳＦＰ構造の特に第１磁性層の磁気特性の熱安定性が重要である。

特開２００８−３０６１１２号公報 特開２００９−１８０６０４号公報

そこで本発明は、上記従来の課題を解決するためのものであり、特にＳＦＰ構造における第１磁性層の膜厚を、耐熱性及びΔＭＲの観点から適正化してなるセルフピン止め型の磁気検出素子及びそれを用いた磁気センサを提供することを目的とする。

本発明における磁気検出素子は、
固定磁性層とフリー磁性層とが非磁性材料層を介して積層された積層構造を備え、
前記固定磁性層は、第１磁性層と第２磁性層とが非磁性中間層を介して積層され、前記第１磁性層と前記第２磁性層とが反平行に磁化固定されたセルフピン止め型であり、前記第２磁性層が前記非磁性材料層に接しており、
前記第１磁性層は前記第２磁性層よりも高保磁力材料のＦｅ_xＣｏ_100-x（ただしｘは、５５ａｔ％以上で６５ａｔ％以下）で形成され、
前記第１磁性層の膜厚ｔ１は１４Å以上で２０．５Å以下の範囲内で前記第２磁性層の膜厚ｔ２よりも薄く、
前記第１磁性層と前記第２磁性層の磁化量の差が実質的にゼロであることを特徴とするものである。

上記構成により、耐熱性に優れ、且つ安定して高いΔＭＲ（抵抗変化率）を得ることが可能なセルフピン止め型の磁気検出素子を実現できる。

本発明では、前記第１磁性層は、Ｆｅ_xＣｏ_100-x（ただしｘは、５５ａｔ％以上で６５ａｔ％以下）で形成され、前記第１磁性層の膜厚ｔ１は、１８Å以上で２０．５Å以下であることが好ましい。これにより、より効果的に耐熱性を向上させることができる。

また本発明では、前記非磁性中間層はＲｕで形成され、前記非磁性中間層の膜厚は、３．４Å以上で４．２Å以下であることが好ましい。より効果的に、安定して高いΔＭＲを得ることができる。

また本発明における磁気センサは、基板上に、上記に記載された磁気検出素子が配置されていることを特徴とするものである。本発明では、感度軸方向の異なる複数の磁気検出素子が配置されている形態に好ましく適用される。

本発明の磁気センサでは、上記したセルフピン止め型の磁気検出素子を使用することで、耐熱性に優れ、且つ安定して高いΔＭＲを得ることができ、車載センサのように高い耐熱性が要求される用途にも好ましく適用できる。更に、セルフピン止め型の磁気検出素子を使用することで、反強磁性層を用いた従来型の磁気検出素子のように磁場中熱処理が必要なく、感度軸方向が異なる複数の磁気検出素子を同一基板上に簡単且つ適切に形成することが可能になる。

本発明では、耐熱性に優れ、且つ安定して高いΔＭＲを得ることが可能なセルフピン止め型の磁気検出素子及びそれを用いた磁気センサを実現できる。

本実施形態における磁気検出素子の部分拡大縦断面図、 図１に示す磁気検出素子と、磁気検出素子に接続されるハードバイアス層との位置関係を示す部分縦断面図、 本実施形態における磁気センサの回路構成図、 本実施形態における磁気センサの製造方法を示す一工程図（平面図）、 反強磁性層を備えた従来型の磁気検出素子、及び、第１磁性層と第２磁性層の膜厚が異なる複数のセルフピン止め型の磁気検出素子に対して、加熱かつ固定磁性層の固定磁化方向に対して直交磁場を作用させた試験条件の下における、固定磁性層の角度変化量Δθを測定したグラフ、 反強磁性層を備えた従来型の磁気検出素子、及び、第１磁性層と第２磁性層の膜厚が異なるセルフピン止め型の磁気検出素子に対して、第１磁性層の膜厚（規定膜厚）からのずれ量と、固定磁性層の角度変化量Δθとの関係を示すグラフ、 第１磁性層の規定膜厚と、角度変化量Δθが絶対値で０．３（ｄｅｇ）以内に収まるときの前記規定膜厚からのずれ量（最大値）との関係を示すグラフ、 第１磁性層の規定膜厚と、傾きａ（図６に示す一次関数から求めた傾き）との関係を示すグラフ、 反強磁性層を備えた従来型の磁気検出素子、及び、第１磁性層と第２磁性層の膜厚が異なるセルフピン止め型の磁気検出素子に対する、外部磁界ＨとΔＭＲとの関係を示すＲＨカーブ、 セルフピン止め型のＧＭＲ素子において、第１磁性層の膜厚を２０．５Å、第２磁性層の膜厚を２６ÅとしたときのＲＨカーブ、 セルフピン止め型のＧＭＲ素子において、第１磁性層の膜厚を２１．５Å、第２磁性層の膜厚を２８ÅとしたときのＲＨカーブ、 セルフピン止め型のＧＭＲ素子における第１磁性層の膜厚と、３ｋＯｅの外部磁界Ｈを印加した状態でのΔＭＲとの関係を示すグラフ、 Ｆｅ_60at%Ｃｏ_40at%合金層の膜厚と、保磁力Ｈｃとの関係を示すグラフ、 ＦｅｘＣｏ１００−ｘ合金層（膜厚を１６．５Åに固定）のＦｅ組成比ｘと、保磁力Ｈｃとの関係を示すグラフ、 セルフピン止め型の磁気検出素子における非磁性中間層を構成するＲｕ膜厚と、±３ｋＯｅの外部磁界Ｈを印加した状態でのΔＭＲとの関係を示すグラフ。

図１は、本実施形態における磁気検出素子の部分拡大縦断面図である。
図１に示すように本実施形態の磁気検出素子（ＧＭＲ素子）１は、下から、シード層２、固定磁性層３、非磁性材料層４、フリー磁性層５及び保護層６の順に積層されて成膜される。磁気検出素子１を構成する各層は、例えばスパッタにて成膜される。

シード層２は、ＮｉＦｅＣｒあるいはＣｒ等で形成される。またシード層２の膜厚は、３６〜６０Å程度である。シード層２と、図示しない基板との間に、Ｔａ，Ｈｆ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｗ等からなる下地層が形成されていてもよい。

固定磁性層３は、第１磁性層３ａと第２磁性層３ｃと、第１磁性層３ａ及び第２磁性層３ｃ間に介在する非磁性中間層３ｂとのＳＦＰ（Synthetic Ferri Pin）構造である。

図１に示すように第１磁性層３ａの固定磁化方向（Ｐ１）と、第２磁性層３ｃの固定磁化方向（Ｐ２）は反平行となっている。

図１に示すように、第１磁性層３ａはシード層２上に形成されており、第２磁性層３ｃは、後述する非磁性材料層４に接して形成されている。

本実施形態における第１磁性層３ａは、第２磁性層３ｃよりも高保磁力材料のＦｅ_xＣｏ_100-x（ただしｘは、５５ａｔ％以上で６５ａｔ％以下）で形成される。

また図１に示すように、第１磁性層３ａの膜厚ｔ１は、１４Å以上で２０．５Å以下の範囲内であり、第２磁性層３ｃの膜厚ｔ２よりも薄い。

これにより本実施形態では第１磁性層３ａの保磁力Ｈｃを５０（ｋＡ／ｍ）以上の安定した値に設定できる。

非磁性材料層４に接する第２磁性層３ｃは磁気抵抗効果（ＧＭＲ効果）に寄与する層であり、第２磁性層３ｃには、アップスピンを持つ伝導電子とダウンスピンを持つ伝導電子の平均自由行程差を大きくできる磁性材料が選択される。

具体的には第２磁性層３ｃは、Ｃｏ_yＦｅ_100-y（ただしｙは８５ａｔ％以上１００ａｔ％よりも小さい）あるいはＣｏで形成される。

そして第２磁性層３ｃの膜厚ｔ２は、１６．５Å以上で２６Å以下の範囲内で第１磁性層３ａの膜厚ｔ２よりも厚く形成されている。

第１磁性層３ａ及び第２磁性層３ｃの各膜厚ｔ１，ｔ２は、第１磁性層３ａと第２磁性層３ｃの磁化量（飽和磁化Ｍｓ・膜厚ｔ）の差が実質的にゼロとなるように調整されている。

ここで「実質的にゼロ」とは、[（第１磁性層３ａの磁化量−第２磁性層３ｃの磁化量）／第１磁性層３ａと第２磁性層３ｃの平均磁化量]が絶対値で０．７％以下であることをいう。

本実施形態における固定磁性層３は、ＳＦＰ構造によるセルフピン止め型である。すなわち反強磁性層を備えない構成であり、これにより磁気検出素子１の温度特性が反強磁性層のブロッキング温度に制約を受ける問題を解決できる。

ところで、固定磁性層３の磁化固定力を高めるには、上記したように、第１磁性層３ａの保磁力Ｈｃを高めること、第１磁性層３ａと第２磁性層３ｃの磁化量の差を実質的にゼロに調整すること、更に非磁性中間層３ｂの膜厚ｔ３を調整して第１磁性層３ａと第２磁性層３ｃ間に生じるＲＫＫＹ相互作用による反平行結合磁界を強めることが重要とされている。

そして、セルフピン止め型の固定磁性層３において、後述する実験結果に示すように、優れた耐熱性や安定して高いΔＭＲ（抵抗変化率）を得るには、第１磁性層３ａ（Ｆｅ_xＣｏ_100-x）の膜厚ｔ１が重要であることがわかったのである。

すなわち本実施形態におけるセルフピン止め型の磁気検出素子１は、第１磁性層３ａの膜厚ｔ１を、１４Å以上で２０．５Å以下の範囲内とし第２磁性層３ｃの膜厚ｔ２よりも薄く形成した点に特徴的部分がある。

これにより優れた耐熱性と安定して高いΔＭＲを得ることが可能になる。「耐熱性」について考察すると、第１磁性層３ａと第２磁性層３ｃとが実質的に同じ磁化量となるように各膜厚ｔ１，ｔ２を高精度に調整できれば、極めて優れた耐熱性を得ることが出来る。しかしながら、第１磁性層３ａの膜厚ｔ１が、成膜時に規定膜厚から膜厚ずれを起こすと（第２磁性層３ｃの膜厚ｔ２は固定とする）、第１磁性層３ａと第２磁性層３ｃとの間で磁化量（飽和磁化Ｍｓ・膜厚ｔ）の差が大きくなり、徐々に耐熱性は劣化する。ここでいう「規定膜厚」とは、第１磁性層３ａと第２磁性層３ｃの磁化量の差がゼロとなるように調整するための膜厚をいう。このとき、第１磁性層３ａは膜厚ｔ１が厚いほど、規定膜厚からの膜厚ずれが大きくなっても、後述する耐熱性実験（図７参照）に示すように、加熱下であって、且つ固定磁性層３の固定磁化方向に直交する磁場印加環境下にて、固定磁性層３の角度変化量Δθを許容範囲内に収めることが出来る。

そして、本実施形態のように、第１磁性層３ａの膜厚ｔ１を１４Å以上とすることで、第１磁性層３ａが規定膜厚から絶対値で０．１Å以上の膜厚ずれがあっても、固定磁性層３の角度変化量Δθを許容範囲内に収めることができ、高い耐熱性を得ることが可能になる。しかも、絶対値で０．１Å以上の膜厚ずれを許容できるため、第１磁性層３ａを成膜する際の膜厚制御を容易にできる（許容される膜厚ずれを成膜装置における膜厚制御の限界よりも広げることが出来る）。

また、ΔＭＲについては、第１磁性層３ａの膜厚ｔ１を厚くし、それに伴い磁化量の差を実質的にゼロにすべく第２磁性層３ｃの膜厚ｔ２も厚くすることで、ある一定の膜厚範囲内では、安定して高いΔＭＲを得ることが出来る。

しかしながら、第１磁性層３ａ及び第２磁性層３ｃの各膜厚ｔ１，ｔ２を厚くしすぎると、非磁性中間層３ｂを介して第１磁性層３ａと第２磁性層３ｃ間に作用するＲＫＫＹ相互作用による反平行結合磁界Ｈｅｘが小さくなる結果、ΔＭＲが不安定化する。

反平行結合磁界Ｈｅｘと各膜厚ｔ１，ｔ２及び各磁性層３ａ，３ｃの飽和磁化Ｍｓ１、Ｍｓ２との間には、以下の［数１］に示す関係がある。

ここでＥは層間交換結合エネルギーであり、層間交換結合エネルギーＥは、固定値である。このため、［数１］から反平行結合磁界Ｈｅｘは、各膜厚ｔ１，ｔ２が大きくなると小さくなることがわかる。

そして後述する実験によれば、第１磁性層３ａの膜厚ｔ１を２０．５Å以下に設定することで、安定して高いΔＭＲを得ることが可能である。

また第１磁性層３ａは、Ｆｅ_xＣｏ_100-x（ただしｘは、５５ａｔ％以上で６５ａｔ％以下）で形成され、前記第１磁性層３ａの膜厚ｔ１は、１８Å以上で２０．５Å以下であることが好ましい。

第１磁性層３ａの膜厚ｔ１を１８Å以上に設定することで、より効果的に耐熱性を向上させることができる。後述する実験によれば、反強磁性層を用いた従来型の磁気検出素子以上の耐熱性を効果的に得ることが出来る。

またＦｅ_xＣｏ_100-xのＦｅ組成比ｘは６０ａｔ％に近いほど好適であり、Ｆｅ組成比ｘを５７ａｔ％〜６３ａｔ％の範囲内に収めることが更に好適である。

また第１磁性層３ａと第２磁性層３ｃの間に位置する非磁性中間層３ｂはＲｕで形成され、非磁性中間層３ｂの膜厚ｔ３は、３．４Å以上で４．２Å以下であることが好ましい。これにより、より効果的に、安定して高いΔＭＲを得ることが出来る。

非磁性材料層４は、Ｃｕ（銅）などの非磁性導電材料で形成される。また、非磁性材料層４は絶縁層で形成されＴＭＲ素子にも適用できる。フリー磁性層５は、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＮｉなどの軟磁性材料で形成される。図１に示す構造では、フリー磁性層５は、ＣｏＦｅ合金層５ａとＮｉＦｅ合金層５ｂとの積層構造であるが、フリー磁性層５の構造は限定されるものでない。すなわちフリー磁性層５の材質を限定するものでなく、また、単層構造、積層構造、及び積層フェリ構造の別を問わない。保護層６は、Ｔａ（タンタル）などの非磁性材料で形成される。

図２は、図１に示す磁気検出素子１と、磁気検出素子１に接続されるハードバイアス層との位置関係を示す部分縦断面図である。

図２（ａ）に示すように、磁気検出素子１は、支持基板９上に絶縁層５０を介して形成されている。図２（ａ）に示すように磁気検出素子１上には、絶縁層５１が設けられ、各ハードバイアス層３６が絶縁層５１の平坦化面上に形成される。

あるいは図２（ｂ）に示すように、磁気検出素子１の一部を除去して、その除去された凹部１ａ上にハードバイアス層３６を形成してもよい。または図２（ｃ）に示すように、ハードバイアス層３６の形成位置における磁気検出素子１を全て削除して、分離した各磁気検出素子１の間に各ハードバイアス層３６を介在させる構成とすることも出来る。

これにより、磁気検出素子１を構成するフリー磁性層５（図１参照）にＹ方向からバイアス磁界が供給され、フリー磁性層５の磁化は、固定磁性層３の固定磁化方向に対して直交する方向に向けられる。

本実施形態では図２に示すＹ方向に長く延びる磁気検出素子１がＸ方向に間隔を空けて複数本、配置され、各磁気検出素子１の端部間が導電層により接続されたミアンダ形状となっている。

このようにミアンダ形状にて構成された磁気検出素子１は、複数個、設けられ、図３に示すブリッジ回路を構成する。図３では、各磁気検出素子１を区別するために第１磁気検出素子１ｂ〜１ｅ、第２磁気検出素子１ｆ〜１ｉと符号を付すこととする。

図３に示すように、本実施形態の磁気センサＳは、４個の第１磁気検出素子１ｂ〜１ｅにより構成された第１ブリッジ回路１０と、４個の第２磁気検出素子１ｆ〜１ｉにより構成された第２ブリッジ回路１１とを有して構成される。

図３に示すように、第１ブリッジ回路１０を構成する第１磁気検出素子１ｂ，１ｅの感度軸方向（図１に示す固定磁性層３を構成する第２磁性層３ｃの固定磁化方向（Ｐ１））と、第１磁気検出素子１ｃ，１ｄの感度軸方向とは、反平行にされている。そして、第１磁気検出素子１ｂと第１磁気検出素子１ｃ、及び、第１磁気検出素子１ｄと第１磁気検出素子１ｅとが、夫々、直列に接続される。第１磁気検出素子１ｂ，１ｄは、入力端子（Ｖｄｄ）２０に接続され、第１磁気検出素子１ｃ，１ｅはグランド端子（ＧＮＤ）２１に接続され、第１磁気検出素子１ｂと第１磁気検出素子１ｃとの間、及び第１磁気検出素子１ｄと第１磁気検出素子１ｅとの間に夫々、出力端子（ＶＸ１，ＶＸ２）２２，２３が接続されている。

また、図３に示すように第２ブリッジ回路１１を構成する第２磁気検出素子１ｆ，１ｉの感度軸方向（図３では、「Ｐ３」で示す）と、第２磁気検出素子１ｇ，１ｈの感度軸方向とは、反平行にされている。そして、第２磁気検出素子１ｆと第２磁気検出素子１ｇ、及び、第２磁気検出素子１ｈと第２磁気検出素子１ｉとが、夫々、直列に接続される。第２磁気検出素子１ｆ，１ｈは、入力端子（Ｖｄｄ）２０に接続され、第２磁気検出素子１ｇ，１ｉはグランド端子（ＧＮＤ）２１に接続され、第２磁気検出素子１ｆと第２磁気検出素子１ｇとの間、及び第２磁気検出素子１ｈと第２磁気検出素子１ｉとの間に夫々、出力端子（ＶＹ１，ＶＹ２）２４，２５が接続されている。

図３に示すように各第１磁気検出素子１ｂ〜１ｅの感度軸方向（Ｐ１）と、各第２磁気検出素子１ｆ〜１ｉの感度軸方向（Ｐ３）とは直交している。

図３に示す磁気センサＳには、図示しない磁石が高さ方向（Ｚ）に間隔を空けて対向している。そして磁石から各磁気検出素子１ｂ〜１ｉに外部磁界Ｈが作用する。

例えば外部磁界Ｈが図３に示す方向に作用したとすると、第１ブリッジ回路１０を構成する第１磁気検出素子１ｂ，１ｅでは感度軸方向と外部磁界Ｈの方向が一致するため電気抵抗値は小さくなり、一方、第１磁気検出素子１ｃ，１ｄでは、感度軸方向と外部磁界Ｈの方向が反対であるため電気抵抗値は大きなり、出力端子２２，２３の中点電位が変動することでセンサ出力を得ることが出来る。一方、第２ブリッジ回路１１では、外部磁界Ｈが各感度軸方向（Ｐ３）に対して直交する方向から作用するため、各第２磁気検出素子１ｆ〜１ｉの電気抵抗値は等しくなり、出力端子２４，２５の中点電位は変動しない（センサ出力はゼロである）。外部磁界Ｈの方向が変動すれば、それに伴い各ブリッジ回路１０，１１のセンサ出力も変動する。

そして、各ブリッジ回路１０、１１から得られるセンサ出力に基づいて、磁石の移動方向や移動量（相対位置）を知ることができる。

本実施形態の磁気センサは、例えば、磁気検出素子が基板上に１個で、残りが固定抵抗からなるブリッジ回路とすることも可能である。

図３に示す磁気センサＳは、例えば、次のようにして製造することができる。図４（ａ）〜図４（ｂ）は本実施形態における磁気センサＳの製造方法を示す一工程図である。各図は製造工程中における平面図を示している。

図４（ａ）では、基板６５を用意する。基板６５は、第１センサ領域６５ａと、第２センサ領域６５ｂとを有している。

図４（ａ）の工程では、基板６５の第１センサ領域６５ａ及び第２センサ領域６５ｂに夫々、２個ずつ第１磁気検出素子１ｂ〜１ｅを形成する。磁場処理を施してＳＦＰ構造からなるセルフピン止め型の固定磁性層３（図１参照）を同じＸ方向に磁化固定する。図４（ａ）に示すＰ１は、各第１磁気検出素子１ｂ〜１ｅを構成する固定磁性層３の第２磁性層３ｃの固定磁化方向（感度軸方向）を示している。

次に、図４（ｂ）の工程では、基材６５の第１センサ領域６５ａ及び第２センサ領域６５ｂに夫々、２個ずつ第２磁気検出素子１ｆ〜１ｉを形成する。磁場処理を施してＳＦＰ構造からなるセルフピン止め構造の固定磁性層３を同じＹ方向に磁化固定する。図４（ｂ）に示すＰ３は、各第２磁気検出素子１ｆ〜１ｉを構成する固定磁性層３の第２磁性層３ｃの固定磁化方向（感度軸方向）を示している。

本実施形態では、各固定磁性層３の磁化固定制御に対して熱処理を施さないため、図４（ｂ）の工程で、第２磁気検出素子１ｆ〜１ｉの固定磁性層３をＹ方向に磁化固定するために磁場を施しても、図４（ａ）の工程にて、既に形成された第１磁気検出素子１ｂ〜１ｅの固定磁性層３の固定磁化方向（Ｐ１）をＸ方向に向けた状態のまま適切に保つことが出来る。

その後、図４に示す第１センサ領域６５ａと第２センサ領域６５ｂとを分離し、第２センサ領域６５ｂを第１センサ領域６５ａに対して１８０度反転させた状態として、図３に示す入力端子２０、グランド端子２１及び各出力端子２２〜２５との間で電気的接続を行う。これにより図３に示す第１ブリッジ回路１０と第２ブリッジ回路１１とを形成することが出来る。

本実施形態における磁気センサＳは、優れた耐熱性を有しており、車載用のセンサ等、高い耐熱性の要求される用途に対して、本実施形態の磁気センサＳを好ましく適用することが可能である。

反強磁性層を備えた従来型のＧＭＲ素子（１）〜（３）（１３）と、セルフピン止め型のＧＭＲ素子（４）〜（１２）、（１４）〜（１８）とを作製した。

（反強磁性層を備えた従来型のＧＭＲ素子；積層構造１）
シード層：ＮｉＦｅＣｒ（６０）／反強磁性層：ＰｔＭｎ（２００）／固定磁性層［第１磁性層：ｃｏ_90at%Ｆｅ_10at%（１２．５±０．５）／非磁性中間層：Ｒｕ（９．１）／第２磁性層Ｃｏ_90at%Ｆｅ_10at%（１０．５）］／非磁性材料層：Ｃｕ（２０．５）／フリー磁性層［ＣｏＦｅ（１２）／ＮｉＦｅ（２０）］／保護層：Ｔａ（５０）
各層における括弧内の数値は膜厚を示し、単位はÅである。

（セルフピン止め型のＧＭＲ素子；積層構造２）
シード層：ＮｉＦｅＣｒ（４２）／固定磁性層［第１磁性層：Ｆｅ_60at%Ｃｏ_40at%（Ｘ±０．２）／非磁性中間層：Ｒｕ（３．６）／第２磁性層Ｃｏ_90at%Ｆｅ_10at%（Ｙ）］／非磁性材料層：Ｃｕ（２２）／フリー磁性層［ＣｏＦｅ（１２）／ＮｉＦｅ（２０）］／保護層：Ｔａ（５０）
各層における括弧内の数値は膜厚を示し、単位はÅである。

第１磁性層と第２磁性層の各膜厚を（Ｘ＝１６．５、Ｙ＝２０）、（Ｘ＝１９．２、Ｙ＝２４）、（Ｘ＝２１．９、Ｙ＝２８）とした。これら各膜厚の組み合わせは、第１磁性層と第２磁性層との磁化量の差がゼロとなる理想状態を示している。

試験条件を、加熱温度１５０℃、直交磁場６００Ｏｅ（１Ｏｅ＝約７９．６Ａ／ｍ）、試験時間０時間〜１０００時間とした。直交磁場は、固定磁性層３の固定磁化方向に対して直交する方向、すなわち図１ではＹ方向への磁場を指す。

実験では固定磁性層３の固定磁化方向が、上記試験条件の下、試験時間の経過とともにどの程度、変化（回転）したかを求めた。その実験結果が図５に示されている。図５の縦軸が角度変化量Δθを示している。

図５に示すように、第１磁性層と第２磁性層とが夫々規定膜厚で形成されて、第１磁性層と第２磁性層との磁化量の差がゼロに調整された理想状態の各ＧＭＲ素子（２）（５）（８）（１１）では、いずれも、角度変化量Δθを非常に小さい値に収めることができる。

しかしながら第１磁性層の膜厚が各規定膜厚から外れると（膜厚ずれが生じると）、第１磁性層と第２磁性層との磁化量バランスが崩れ、固定磁性層の磁化は回転しやすくなる（角度変化量Δθが大きくなる）。

セルフピン止め型のＧＭＲ素子（４）〜（１２）をみてみると、第１磁性層の膜厚が規定膜厚から±０．２Åずれたとき、角度変化量Δθは、第１磁性層の規定膜厚が２１．９Å＜１９．２Å＜１６．５Åの順で大きくなることがわかった。

図５に示す実験結果に基づき、反強磁性層を備えた従来型のＧＭＲ素子、セルフピン止め型のＧＭＲ素子（第１磁性層の規定膜厚：１３．５Å、第２磁性層の規定膜厚１６Å）、セルフピン止め型のＧＭＲ素子（第１磁性層の規定膜厚：１６．５Å、第２磁性層の規定膜厚２０Å）、セルフピン止め型のＧＭＲ素子（第１磁性層の規定膜厚：１９．２Å、第２磁性層の規定膜厚２４Å）、セルフピン止め型のＧＭＲ素子（第１磁性層の規定膜厚：２１．９Å、第２磁性層の規定膜厚２８Å）を用いて、図５と同じ試験条件下で、試験時間を５００時間としたときの各固定磁性層の角度変化量Δθが、第１磁性層における規定膜厚からのずれ量（第２磁性層の膜厚は固定とする）に対してどのように変化するか測定した。その実験結果が図６に示されている。

反強磁性層を備えた従来型のＧＭＲ素子、及び各セルフピン止め型のＧＭＲ素子の実験結果を、図６の横軸をｘ、縦軸をｙとした一次関数に近似して、各実験結果に基づく一次関数の傾きａを求めた。この傾きａが小さいほど、規定膜厚から膜厚ずれが生じても角度変化量Δθを小さく保つことができ、優れた耐熱性を備えることになる。
傾きａを以下の表１に示した。

なお表１では、複数の試料に対して試験時間を１０００時間として傾きａを求めたが、５００時間の試験時間で既に傾きａが大きい二つの試料については試験時間を１０００時間としたときの傾きａを求めていない。

また図５の実験結果に基づき、角度変化量Δθが±０．３（ｄｅｇ）（図５の点線で示す）となるときの、第１磁性層に対する規定膜厚からの膜厚ずれ量を調べた。その実験結果が表１に示されている。すなわち表１に示されている規定膜厚からの膜厚ずれ量が生じていても、角度変化量Δθを、絶対値で０．３（ｄｅｇ）以内に収めることができ、優れた耐熱性を得ることができる。

表１に示す「第１磁性層の規定膜厚」と「規定膜厚からの膜厚ずれ量」との関係をグラフ化したものが図７である。

図７に示すように、第１磁性層の規定膜厚が厚くなるほど、徐々に規定膜厚からの膜厚ずれ量が大きくなっても、角度変化量Δθを、絶対値で０．３（ｄｅｇ）以内に収めることが可能になる。第１磁性層の膜厚（規定膜厚）を１４Å以上に設定することで、第１磁性層が規定膜厚から絶対値で０．１Å以上の膜厚ずれが生じても、固定磁性層の角度変化量Δθを±０．３（ｄｅｇ）以内に収めることができ、安定して高い耐熱性を得ることが可能になる。

しかも、絶対値で０．１Å以上の膜厚ずれを許容できるため、第１磁性層を成膜する際の膜厚制御を容易にできる（許容される膜厚ずれ量を成膜装置における膜厚制御の限界よりも広げることが出来る）。

次に図６や表１に記載された実験結果に基づいて、第１磁性層の規定膜厚と、傾きａとの関係をグラフ化したものが図８である。

既に説明したように傾きａ（絶対値）は小さいほど耐熱性に優れている。図８に示すように、第１磁性層の膜厚（規定膜厚）を１８Å以上に設定すると、反強磁性層を用いた従来型のＧＭＲ素子における傾きａ（絶対値）以下の傾きａ（絶対値）にでき、従来型のＧＭＲ素子以上の耐熱性を効果的に得ることが出来る。

続いて、上記積層構造１からなる反強磁性層を備えた従来型のＧＭＲ素子（１３）と、上記積層構造２からなるセルフピン止め型のＧＭＲ素子（１４）〜（１８）を作製した。

セルフピン止め型のＧＭＲ素子（１４）では、第１磁性層の膜厚を１０．５Å、第２磁性層の膜厚を１１Åとした。また、セルフピン止め型のＧＭＲ素子（１５）では、第１磁性層の膜厚を１３．５Å、第２磁性層の膜厚を１６Åとした。また、セルフピン止め型のＧＭＲ素子（１６）では、第１磁性層の膜厚を１６．５Å、第２磁性層の膜厚を２０Åとした。また、セルフピン止め型のＧＭＲ素子（１７）では、第１磁性層の膜厚を１９Å、第２磁性層の膜厚を２４Åとした。また、セルフピン止め型のＧＭＲ素子（１８）は、第１磁性層の膜厚を２２Å、第２磁性層の膜厚を２８Åとした。

実験では、固定磁性層の固定磁化方向（図１のＸ方向）に平行な方向から外部磁界Ｈをかけて、ΔＭＲ（規格化ΔＲ／Ｒ（−））を求めた。ここでの「規格化ΔＲ／Ｒ（−）」とは、ＲＨカーブの上下を揃えるために、ΔＭＲをΔＭＲ_max値で除算し（ΔＭＲ／ΔＭＲ_max）、０〜１（−）で比較（カーブの形状を比較しやすい）したものを指す。

図９に示すように、セルフピン止め型のＧＭＲ素子（１４）〜（１８）において、第１磁性層及び第２磁性層の各膜厚が厚くなると、ＲＨカーブにヒステリシスが見られた。要因の一つは、既に説明した［数１］で示すように、第１磁性層及び第２磁性層の各膜厚が厚くなると反平行結合磁界Ｈｅｘの低下が大きくなるためであり、その結果、図１の固定磁性層３を構成するＳＦＰ構造が外部磁界Ｈに対して弱くなり、図９に示すＲＨカーブの乱れ、ヒステリシスの発生によるΔＭＲの劣化に繋がる。

図１０は、セルフピン止め型のＧＭＲ素子において、第１磁性層の膜厚を２０．５Å、第２磁性層の膜厚を２６ÅとしたときのＲＨカーブ、図１１は、セルフピン止め型のＧＭＲ素子において、第１磁性層の膜厚を２１．５Å、第２磁性層の膜厚を２８ÅとしたときのＲＨカーブを示す。

図１０と図１１とを比較してみると、図１０に比べて図１１のほうが、高磁場領域のみならず低磁場領域でもヒステリシスが現れることがわかった。

図１２は、図９、図１０、及び図１１の実験結果、さらには第１磁性層及び第２磁性層の各膜厚を図９、図１０、図１１と異ならせてなるセルフピン止め型のＧＭＲ素子において図９と同様のＲＨカーブを求め、これら各セルフピン止め型のＧＭＲ素子の第１磁性層の膜厚と、±３ｋＯｅの外部磁界印加時におけるΔＭＲ（抵抗変化率）との関係を示すグラフである。

図１２に示すように、第１磁性層の膜厚が２０．５Å程度までは、ΔＭＲは安定して高い値に保たれているが、それ以上、厚くなると、ΔＭＲは低下し始める。これは、第１磁性層及び第２磁性層の各膜厚が厚くなることで、ΔＭＲに寄与しないシャントロスが増大することが一因である。

また図９ないし図１１に示す実験結果からも第１磁性層の膜厚を２０．５Å以下に設定することで、ＲＨカーブの特に低磁場領域におけるヒステリシスを小さくすることができる。

以上により第１磁性層の膜厚の上限値を２０．５Åに設定した。これにより安定して高いΔＭＲを得ることができる。

次に、ＮｉＦｅＣｒ（４２）／Ｆｅ_60at%Ｃｏ_40at%（Ｘ）／Ｒｕ（４）／Ｃｕ（２２）／Ｔａ（５０）とした積層構造３（各層の括弧内の数値は膜厚を示し、単位はÅである）を作製し、Ｆｅ_60at%Ｃｏ_40at%合金層の膜厚Ｘを変化させて、保磁力Ｈｃを測定した。その実験結果が図１３に示されている。

本実施例では、図７、図１２等の実験結果により、第１磁性層（Ｆｅ_60at%Ｃｏ_40at%）の膜厚を１４Å以上で２０．５Å以下に設定したが、図１３にも示すように膜厚を１４Å以上で２０．５Å以下とすることで、Ｆｅ_60at%Ｃｏ_40at%合金層の保磁力Ｈｃを５０（ｋＡ／ｍ）以上にでき、しかも安定して高い保磁力Ｈｃを得ることができるとわかった。

次に上記積層構造３のＦｅＣｏ合金層の膜厚Ｘを１６．５Åに固定し、ＦｅＣｏ合金層のＦｅの組成比ｘを変化させて、Ｆｅ組成比ｘと保磁力Ｈｃとの関係を測定した。その実験結果が図１４に示されている。

この実験結果によりＦｅ組成比ｘを５５ａｔ％〜６５ａｔ％とすることで、ＦｅＣｏ合金層の保磁力Ｈｃを５０（ｋＡ／ｍ）以上にできることがわかった。

次に、シード層：ＮｉＦｅＣｒ（４２）／固定磁性層［第１磁性層：Ｆｅ_60at%Ｃｏ_40at%（１６．５）／非磁性中間層：Ｒｕ（Ｖ）／第２磁性層Ｃｏ_90at%Ｆｅ_10at%（２０）］／非磁性材料層：Ｃｕ（２２）／フリー磁性層［Ｃｏ_90at%Ｆｅ_10at%（１０）／Ｎｉ_81.5at%Ｆｅ_18.5at%（４０）］／保護層：Ｔａ（５０）の積層構造４を作製した。なお各層の括弧内の数値は膜厚を示し、単位はÅである。

そして、Ｒｕからなる非磁性中間層の膜厚Ｖを変化させるとともに、熱処理なし（無磁場）、２００℃で３時間の加熱処理（無磁場）、２５０℃で３時間の加熱処理（無磁場）、３００℃で３時間の加熱処理（無磁場）を施して、図９の実験と同様にＲＨカーブを求め、外部磁界Ｈが±３ｋＯｅのときのΔＭＲを求めた。その実験結果が図１５に示されている。

図１５に示すように、Ｒｕ厚を３．４Å以上で４．２Å以下の範囲内に設定すると安定して高いΔＭＲを得ることができるとわかった。

Ｂ１ 第１バイアス磁界
Ｂ２ 第２バイアス磁界
Ｐ１、Ｐ２ 磁化固定方向
Ｓ 磁気センサ
１０ 第１ブリッジ回路
１１ 第２ブリッジ回路
１５、１５ａ〜１５ｄ 第１磁気検出素子
１６、１６ａ〜１６ｄ 第２磁気検出素子
２０ 入力端子
２１ グランド端子
２２〜２５ 出力端子
３０ 第１素子部
３１ 第１ハードバイアス層
３５ 第２素子部
３６、３６ａ〜３６ｃ 第２ハードバイアス層
４０、４１，４３，４４ 側面
６１ 固定磁性層
６１ａ、６１ｂ 磁性層
６１ｃ 非磁性中間層
６３ フリー磁性層
７０ 磁石

Claims (5)

1. 固定磁性層とフリー磁性層とが非磁性材料層を介して積層された積層構造を備え、
   前記固定磁性層は、第１磁性層と第２磁性層とが非磁性中間層を介して積層され、前記第１磁性層と前記第２磁性層とが反平行に磁化固定されたセルフピン止め型であり、前記第２磁性層が前記非磁性材料層に接しており、
   前記第１磁性層は前記第２磁性層よりも高保磁力材料のＦｅ_xＣｏ_100-x（ただしｘは、５５ａｔ％以上で６５ａｔ％以下）で形成され、
   前記第１磁性層の膜厚ｔ１は１４Å以上で２０．５Å以下の範囲内で前記第２磁性層の膜厚ｔ２よりも薄く、
   前記第１磁性層と前記第２磁性層の磁化量の差が実質的にゼロであることを特徴とする磁気検出素子。
2. 前記第１磁性層は、Ｆｅ_xＣｏ_100-x（ただしｘは、５５ａｔ％以上で６５ａｔ％以下）で形成され、前記第１磁性層の膜厚ｔ１は、１８Å以上で２０．５Å以下である請求項１記載の磁気検出素子。
3. 前記非磁性中間層はＲｕで形成され、前記非磁性中間層の膜厚は、３．４Å以上で４．２Å以下である請求項１又は２に記載の磁気検出素子。
4. 基板上に、請求項１ないし３のいずれか一項に記載された磁気検出素子が配置されていることを特徴とする磁気センサ。
5. 感度軸方向の異なる複数の前記磁気検出素子が配置されている請求項４記載の磁気センサ。

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