JP2013211472A - 磁気検出素子及びそれを用いた磁気センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 特に従来に比べて外乱ノイズ耐性を向上させることを可能とした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３とフリー磁性層５とが非磁性材料層４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、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いる。第１磁性層３ａは第２磁性層３ｃよりも高保磁力材料のＦｅＣｏで形成される。第１磁性層３ａの膜厚ｔ１は１０Å以上で１７Å以下の範囲内で第２磁性層の膜厚ｔ２よりも薄い。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。非磁性中間層３ｂはＲｈで形成される。
【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、通常、永久磁石とペアで使用され、例えば車載センサでは、１００℃以上の高温環境下で、数十ｍＴ以上の磁場中での耐環境性が重要であった。

これに対して、携帯電話機等に内蔵される地磁気センサの場合、永久磁石を必要とせず、高感度に地磁気を検知する能力が求められる。地磁気センサの場合、車載センサ等に比べて高い耐熱性は必要ないが、安定した高感度特性を維持するには、優れた外乱ノイズ耐性が必要であった。

下記の特許文献１には反強磁性層を用いた磁気検出素子の発明が開示されている。しかしながら反強磁性層を用いた磁気検出素子では、固定磁性層の一方向異方性を分散なく付与するための磁場中熱処理が必要となる。このため磁場中熱処理により、フリー磁性層も固定磁性層の固定磁化方向に容易軸が付与される。したがってフリー磁性層の保磁力Ｈｃが大きくなり、地磁気センサに適した小さい保磁力Ｈｃを得ることができなかった。その結果、ΔＭＲ特性（ΔＭＲ−Ｈ曲線；ΔＭＲは抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を指し、Ｈは外部磁界を指す）にてヒステリシスが大きくなり、またリニアリティ性（直線性）が劣り、検出精度が低下する問題があった。

一方、特許文献２に示すように、セルフピン止め型の磁気検出素子とすれば、反強磁性層を有していない構造であるため磁場中熱処理が不要となる。

米国特許第６９７２９３４号明細書 米国特許第５５８３７２５号明細書

しかしながらセルフピン止め型では、強い外部磁界（外乱磁界）が印加されると、人工反強性（以後、ＡＡＦ（Artificial-AntiFerromagnetic）構造からなる固定磁性層が磁化分散してΔＭＲ（抵抗変化率）の劣化率が大きくなり、ひいては地磁気センサの出力変動が大きくなる問題があった。すなわち従来におけるセルフピン止め型の磁気検出素子では、優れた外乱ノイズ耐性を得ることができなかった。地磁気センサは微弱な地磁気（検出磁界）を検出するものであるが、携帯電話等に内蔵された環境下では、スピーカ等からの強い外部磁界（外乱磁界）が地磁気センサに作用しやすいため、耐熱性等に比べて特に外乱ノイズ耐性を向上させることが重要となる。

特許文献２には、セルフピン止め型（self-pinned-type）の磁気検出素子について開示されているが、特許文献２には、セルフピン止め型の磁気検出素子を、携帯電話機等、永久磁石を内蔵しない磁気センサに適用した場合に関し、外乱ノイズ耐性を向上させるのに適した磁気検出素子の構造が記載されていない。

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、特に従来に比べて外乱ノイズ耐性を向上させることを可能とした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。

本発明は、永久磁石を内蔵しない磁気センサに使用される磁気検出素子において、
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ＦｅＣｏで形成され、
前記第１磁性層の膜厚ｔ１は１０Å以上で１７Å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り、
前記非磁性中間層はＲｈで形成されることを特徴とするものである。これにより外乱ノイズ耐性を従来に比べて向上させることができる。特に本発明は、非磁性中間層にＲｕを用いたセルフピン止め型の磁気検出素子よりも優れた外乱ノイズ耐性を得ることができる。また本発明は、反強磁性層を用いた磁気検出素子に比べて、ヒステリシスが小さく且つリニアリティ性（直線性）に優れたΔＭＲ特性を得ることができ、優れた検出精度を得ることができる。

本発明では、前記非磁性中間層の膜厚は、４．９Å以上で５．９Å以下の範囲内で形成されることが好ましい。安定して高い抵抗変化率（ΔＭＲ）を得ることができる。

また本発明では、前記第１磁性層の膜厚ｔ１は、１０Å以上で１３Å以下であることが好ましい。さらに、前記第１磁性層の膜厚ｔ１は、１０Å以上で１２．５Å以下であることがより好ましい。
より効果的に外乱ノイズ耐性の向上を図ることができる。

また本発明における、永久磁石を内蔵しない磁気センサは、基板上に、上記に記載された磁気検出素子が配置されたことを特徴とするものである。これにより優れた外乱ノイズ耐性を備える、永久磁石を内蔵しない磁気センサにできる。

本発明では、外乱ノイズ耐性に優れたセルフピン止め型の磁気検出素子及びそれを用いた永久磁石を内蔵しない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、 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おいて、非磁性材料層としてＲｈを使用した磁気検出素子及び非磁性材料層としてＲｕを使用した磁気検出素子における、外部磁界とΔＭＲ／ΔＭＲ（初期）との関係を示すグラフ、 第１磁性層の膜厚とΔＭＲ劣化率（５ＫＯｅ印加後）との関係を示すグラフ、 第１磁性層の膜厚とΔＭＲとの関係を示すグラフ、 第１磁性層の膜厚と保磁力Ｈｃとの関係を示すグラフ、 Ｒｈの膜厚とΔＭＲ／ΔＭＲ（Ｒｈ＝５．４Å）との関係を示すグラフ、 本実施例におけるセルフピン止め型の磁気検出素子と、比較例における反強磁性層を用いた磁気検出素子とのΔＭＲ特性を示すグラフ。

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ＡＡＦ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。ここで固定磁性層３の固定磁化方向は、第２磁性層３ｃの固定磁化方向（Ｐ２）と規定される。

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の図では、第１磁性層３ａの膜厚ｔ１は、１０Å以上で１７Å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３０（ｋＡ／ｍ）以上、好ましくは４０（ｋＡ／ｍ）以上、より好ましくは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とフリー磁性層５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）で形成される。

そして第２磁性層３ｃの膜厚ｔ２は、１２Å以上で２２Å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、ＡＡＦ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、Ｒｈで形成される。また、非磁性中間層３ｂの膜厚ｔ３は、４．９Å以上で５．９Å以下であることが好ましい。これにより効果的に、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ＡＡＦ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。

また本実施形態では、下からフリー磁性層５、非磁性材料層４及び固定磁性層（下から第２磁性層３ｃ、非磁性中間層３ｂ、第１磁性層３ａの順）３の順に積層された構造としてもよい。

ところで、固定磁性層３の磁化固定力を高めるには、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、さらには非磁性中間層３ｂの材質や膜厚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相互作用により反平行結合磁界を強めることが重要とされている。

本実施形態における磁気検出素子１は、セルフピン止め型であり、第１磁性層３ａ（Ｆｅ_xＣｏ_100-x）の膜厚ｔ１を、１０Å以上で１７Å以下の範囲内とした点、及び非磁性中間層３ｂをＲｈで形成した点に特徴的部分がある。

セルフピン止め型としたことで、反強磁性層を用いた場合に必要な磁場中熱処理が不要となる。これにより、固定磁性層３及びフリー磁性層５の異方性は成膜時に独立に付与可能である。したがって成膜後に、無磁場での熱処理を実施しても成膜時の異方性を固定磁性層３及びフリー磁性層５の夫々に残留させることができる。そのため、フリー磁性層５の保磁力Ｈｃを、反強磁性層を用いた磁気検出素子に比べて小さくでき、地磁気センサ等の永久磁石を内蔵しない磁気センサに適した磁気特性を得ることができる。そして本実施形態によれば、ヒステリシスが小さく且つリニアリティ性（直線性）に優れたΔＭＲ特性（ΔＭＲ−Ｈ曲線；ΔＭＲは抵抗変化率、Ｈは外部磁界である）を得ることができ、優れた検出精度を得ることができる。

また本実施形態では、セルフピン止め型の磁気検出素子１において、第１磁性層３ａ（Ｆｅ_xＣｏ_100-x）の膜厚ｔ１を、１０Å以上で１７Å以下の範囲内とし、非磁性中間層３ｂをＲｈで形成したことで、優れた外乱ノイズ耐性を得ることが可能になる。本実施形態では、第１磁性層３ａの膜厚ｔ１を１７Å以下としたが、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。

(数１)
Ｅ∝Ｈｅｘ×（Ｍｓ１×ｔ１＋Ｍｓ２×ｔ２）

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。

本実施形態では、第１磁性層３ａの膜厚ｔ１を１７Å以下としたことで、磁化分散を抑制でき、ΔＭＲ劣化率を低く抑えることができる。ここでΔＭＲ劣化率とは、磁気検出素子１の成膜後にΔＭＲ（初期）を測定し、続いて、磁気検出素子１に対して外部磁界（外乱磁界）を印加した後、再びΔＭＲを測定して得られるΔＭＲ／ΔＭＲ（初期）で示される。特に後述する実験によれば、本実施形態のように非磁性中間層３ｂをＲｈで形成し且つ、第１磁性層３ａの膜厚ｔ１を１７Å以下として得られたΔＭＲ劣化率は、非磁性中間層３ｂをＲｕで形成した比較例でのΔＭＲ劣化率の最小値よりも低くできることがわかった。

また本実施形態では、第１磁性層３ａの膜厚ｔ１を１０Å以上としたことで、第１磁性層３ａの保磁力Ｈｃを高い値、具体的には３０（ｋＡ／ｍ）以上、好ましくは４０（ｋＡ／ｍ）以上、より好ましくは５０（ｋＡ／ｍ）以上に保つことができた。

第１磁性層３ａの膜厚ｔ１を薄くすると、磁化バランスを保つために第２磁性層３ｃの膜厚ｔ２も薄くする必要があるが、第２磁性層３ｃの膜厚ｔ２を薄くすると、磁気抵抗効果の発生起源である非磁性材料層４との界面でスピン依存散乱を生じる自由電子の平均自由行程が減少し、その結果、ΔＭＲが減少する。本実施形態では、図１に示す磁気検出素子１を、地磁気センサや電流センサ等、永久磁石を内蔵しない磁気センサに用いた際、１０％以上のΔＭＲを確保すべく、第１磁性層３ａの膜厚ｔ１を１０Å以上に設定した。

また本実施形態では、第１磁性層３ａの膜厚ｔ１は、１０Å以上で１３Å以下とすることが好ましい。後述する実験によれば、第１磁性層３ａの膜厚ｔ１を１０Å以上で１３Å以下に設定することで、ΔＭＲ劣化率をほぼ最小値にて安定化させることができた。

また本実施形態では、第１磁性層３ａの膜厚ｔ１を、１０Å以上で１２．５Å以下に設定することが更に好ましい。ΔＭＲ劣化率をほぼ最小値にてより安定化させることができる。なお、このとき、第２磁性層３６の膜厚ｔ２は、１２Å〜１６Å程度である。

本実施形態では、Ｒｈからなる非磁性中間層３ｂの膜厚ｔ３は、４．９Å以上で５．９Å以下とすることが好ましい。これにより、安定して高いΔＭＲを得ることができる。

また第１磁性層３ａはＦｅ_xＣｏ_100-xで形成され、Ｆｅ組成比ｘは６０ａｔ％に近いほど好適であり、本実施形態では、Ｆｅ組成比ｘを５５ａｔ％〜６５ａｔ％の範囲内に設定した。これによりＦｅＣｏ合金層の保磁力Ｈｃを高い値に安定して設定することができる。

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。

あるいは本実施形態では、ハードバイアス層３６が形成されず、あるいはハードバイアス層３６の位置に非磁性導電層（電極層）が形成された構造とすることもできる。

反強磁性層を用いた磁気検出素子では、磁場中熱処理が必要となり、このため、フリー磁性層の保磁力Ｈｃが大きくなり、上記したバイアス構造を備えた構成や、形状異方性を付与した構成としても、リニアリティ（直線性）が劣るΔＭＲ特性しか得られず、検出精度が低下しやすかった。これに対して、本実施形態では、セルフピン止め型の磁気検出素子としたことで、磁場中熱処理が必要ではなく、したがってフリー磁性層の保磁力Ｈｃを小さくできる。よって上記したバイアス構造を備えた構成や、形状異方性を付与した構成とすることで、フリー磁性層５の異方性を適切に固定磁性層３の固定磁化方向に対して直交する方向に付与でき、リニアリティ（直線性）に優れたΔＭＲ特性を得ることができ、検出精度を向上させることができる。

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を区別するために磁気検出素子１ａ〜１ｄとした。このうち磁気検出素子１ａと磁気検出素子１ｄとは同じ感度軸方向を持ち、磁気検出素子１ｂと磁気検出素子１ｃは、感度軸方向が磁気検出素子１ａ，１ｄに対して反対方向となっている。感度軸方向は、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（Ｐ２）である。よって磁気検出素子１ａと磁気検出素子１ｄの感度軸方向が図１に示すＰ２であれば、磁気検出素子１ｂと磁気検出素子１ｃの感度軸方向は図１に示すＰ２の反対方向である。

そして、磁気検出素子１ａと第１磁気検出素子１ｂ、及び、磁気検出素子１ｃと磁気検出素子１ｄとが、夫々、直列に接続される。磁気検出素子１ａ，１ｃは、入力端子（Ｖｄｄ）に接続され、磁気検出素子１ｂ，１ｄはグランド端子（ＧＮＤ）に接続され、磁気検出素子１ａと磁気検出素子１ｂとの間、及び磁気検出素子１ｃと第１磁気検出素子１ｄとの間に夫々、出力端子（Ｖ１，Ｖ２）が接続されている。

図３に示す磁気センサＳは、例えば携帯電話機内に内蔵される地磁気センサであり、地磁気センサには永久磁石が内蔵されていない。地磁気センサは微弱な地磁気を検知して地磁気の方位を検出するためのものである。

例えば地磁気（外部からの検出磁界）が図３に示すブリッジ回路に作用したとき、地磁気の方向が、磁気検出素子１ａ，１ｄの感度軸方向と同方向であれば、磁気検出素子１ａ，１ｄの電気抵抗値は最小となり、一方、磁気検出素子１ｂ，１ｃに対しては地磁気の方向が感度軸方向と反対方向となるため磁気検出素子１ｂ、１ｃの電気抵抗値は最大値となり、出力を得ることができる。

本実施形態において、地磁気を高感度にて安定して検知するためには、外乱ノイズ耐性が強化されなければならない。

本実施形態の磁気検出素子１の構成によれば、後述する実験結果に示すように外乱ノイズ耐性を効果的に向上させることができる。

本実施形態における磁気センサは、地磁気センサ以外に電流センサ等の永久磁石を内蔵しない磁気センサに適用可能である。

以下のセルフピン止め型のＧＭＲ素子（巨大磁気抵抗効果素子）を作製した。
基板／シード層：ＮｉＦｅＣｒ（４２）／固定磁性層［第１磁性層：Ｆｅ_60at%Ｃｏ_40at%（ｔ１）／非磁性中間層：（ｔ３）／第２磁性層Ｃｏ_90at%Ｆｅ_10at%（ｔ２）］／非磁性材料層：Ｃｕ（２２）／フリー磁性層［Ｃｏ_90at%Ｆｅ_10at%（１５）／ＮｉＦｅ（１７）］／保護層：Ｔａ（７０）
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。

ＧＭＲ−１（実施例）では、第１磁性層の膜厚ｔ１を１０Å、第２磁性層の膜厚ｔ２を１２Åとし、非磁性中間層をＲｈで形成し、非磁性中間層の膜厚ｔ３を５．４Åとした。

ＧＭＲ−２（比較例）では、第１磁性層の膜厚ｔ１を１８．３Å、第２磁性層の膜厚ｔ２を２４Åとし、非磁性中間層をＲｈで形成し、非磁性中間層の膜厚ｔ３を５．４Åとした。

ＧＭＲ−３（比較例）では、第１磁性層の膜厚ｔ１を１１Å、第２磁性層の膜厚ｔ２を１２Åとし、非磁性中間層をＲｕで形成し、非磁性中間層の膜厚ｔ３を３．６Åとした。

ＧＭＲ−４（比較例）では、第１磁性層の膜厚ｔ１を１８．６Å、第２磁性層の膜厚ｔ２を２４Åとし、非磁性中間層をＲｕで形成し、非磁性中間層の膜厚ｔ３を３．６Åとした。

各ＧＭＲ素子の第１磁性層及び第２磁性層の磁化量の差は実質的にゼロとなっている。
上記の各ＧＭＲ素子を、室温環境下で成膜した。

実験では、各ＧＭＲ素子に対して、まず固定磁性層の固定磁化方向に１００Ｏｅ（初期）の外部磁界（検出磁界）を印加した後、ΔＭＲ（初期）を測定した。さらに、各サンプルに対して、固定磁性層の固定磁化方向に５００〜５０００Ｏｅの外部磁界（外乱磁界）を印加し、その後、再び、固定磁性層の固定磁化方向に１００Ｏｅの外部磁界（検出磁界）を印加してΔＭＲを測定した。そして、５００Ｏｅ〜５０００Ｏｅの外部磁界（外乱磁界）を印加した後測定したΔＭＲを、ΔＭＲ（初期）で割り、外部磁界とΔＭＲ／ΔＭＲ（初期）との関係について求めた。その実験結果が図４に示されている。

なお図４の一番左側の測定点は、各ＧＭＲ素子におけるΔＭＲ（初期）／ΔＭＲ（初期）に該当し、全て１である。

図４に示すように、ΔＭＲ／ΔＭＲ（初期）は、最もＧＭＲ−１が安定していることがわかった。すなわちＧＭＲ−１の場合、ＧＭＲ−２〜ＧＭＲ−４に比べて、ΔＭＲが外部磁界（外乱磁界）の印加によっても低下しにくく外乱ノイズ耐性に優れていることがわかった。

各ＧＭＲ素子について詳しく見てみると、ＧＭＲ−４では、３５００Ｏｅ以上の外部磁界（外乱磁界）印加後におけるΔＭＲ／ΔＭＲ（初期）が、０．９５を下回った。またＧＭＲ−２及びＧＭＲ−３では、４０００Ｏｅ以上の外部磁界（外乱磁界）印加後におけるΔＭＲ／ΔＭＲ（初期）が、０．９５を下回った。

一方、ＧＭＲ−１のΔＭＲ／ΔＭＲ（初期）は、５０００Ｏｅの外部磁界（外乱磁界）印加後においても約０．９５程度を保つことができた。

ＧＭＲ−１は、非磁性中間層にＲｈを用い、第２磁性層の膜厚を１２Åに設定したセルフピン型のＧＭＲ素子である。一方、ＧＭＲ−３は、非磁性中間層にＲｕを用い、第２磁性層の膜厚を１２Åに設定したセルフピン型のＧＭＲ素子である。ＧＭＲ−１及びＧＭＲ−３に対し、第２磁性層の膜厚を略同一厚に設定し、第１磁性層の膜厚を変化させて第１磁性層と第２磁性層の磁化量（Ｍｓ・ｔ）の差が実質的にゼロとなるように調整した。

ＧＭＲ−１とＧＭＲ−３とを比較して明らかなように非磁性中間層にＲｈを用いることで、ΔＭＲ／ΔＭＲ（初期）を飛躍的に向上させることができ、優れた外乱ノイズ耐性を得ることができるとわかった。

またＧＭＲ−１とＧＭＲ−２は、いずれも非磁性中間層にＲｈを用いたセルフピン止め型のＧＭＲ素子であるが、ＧＭＲ−１のほうがＧＭＲ−２に比べて優れたΔＭＲ／ΔＭＲ（初期）を得ることができるとわかった。これはＧＭＲ−１の第１磁性層の膜厚及び第２磁性層の膜厚が、ＧＭＲ−２よりも薄いためである。そこで以下では第１磁性層の膜厚に関する実験を行った。

図５は、横軸を第１磁性層の膜厚とし、縦軸をΔＭＲ劣化率としたグラフである。なお図５の実験では、非磁性中間層にＲｈ（膜厚は５．４Åに固定）、あるいはＲｕ（膜厚は、３．６Åに固定）を用い、また第１磁性層の膜厚変化に合わせて第２磁性層の膜厚も変化させ、第１磁性層と第２磁性層の磁化量の差が実質的にゼロとなるようにバランスをとった。固定磁性層以外の膜構成は図４の実験で使用した膜構成と同じである。

図５でのΔＭＲ劣化率は、［（ΔＭＲ（初期）−ΔＭＲ（５ｋＯｅ印加後））／ΔＭＲ（初期）］×１００（％）で示される。

図５に示すように、非磁性中間層にＲｈを用いたセルフピン止め型のＧＭＲ素子（以下では、Ｒｈ−ＧＭＲと呼ぶ）では、非磁性中間層にＲｕを用いたセルフピン止め型のＧＭＲ素子（以下では、Ｒｕ−ＧＭＲと呼ぶ）に比べて、低いΔＭＲ劣化率を得ることができた。

図５に示すように、Ｒｕ−ＧＭＲでは、第１磁性層（及び第２磁性層）の膜厚を薄くしていくとΔＭＲ劣化率は徐々に小さくなり、ある程度、改善できる。しかしながら第１磁性層の膜厚を１４Å程度にまで薄くするとΔＭＲ劣化率は飽和傾向になりそれ以上、小さくすることができないとわかった。図５の実験に示すＲｕ−ＧＭＲでは、ΔＭＲ劣化率の最小値が１３．５％程度であった。

一方、Ｒｈ−ＧＭＲのΔＭＲ劣化率と、Ｒｕ−ＧＭＲのΔＭＲ劣化率とを同じ第１磁性層の膜厚で比較したとき、Ｒｈ−ＧＭＲのΔＭＲ劣化率は、常にＲｕ−ＧＭＲのΔＭＲ劣化率よりも低くなった。

また、Ｒｈ−ＧＭＲでは、第１磁性層の膜厚を１４Å以下に設定しても、ΔＭＲ劣化率の改善効果が見られた。

上記したように、Ｒｕ−ＧＭＲにおけるΔＭＲ劣化率（５ｋＯｅの外部磁界印加後）の最小値は１３．５％程度であった。そして図５に示すようにＲｈ−ＧＭＲの第１磁性層の膜厚を１７Å以下に設定することで、Ｒｕ−ＧＭＲよりも常に低いΔＭＲ劣化率を得ることができるとわかった。

また、Ｒｈ−ＧＭＲにおいて、第１磁性層の膜厚を１３Å以下に設定すると、ΔＭＲ劣化率をほぼ最小値にて安定させることができるとわかった。さらに、Ｒｈ−ＧＭＲにおいて、第１磁性層の膜厚を１２．５Å以下に設定すると、より効果的に、ΔＭＲ劣化率をほぼ最小値にて安定させることができるとわかった。

なお、図５の実験は、５ｋＯｅの外部磁界印加後におけるΔＭＲ劣化率で評価したものであるが、外部磁界（外乱磁界）の磁界強度が変化しても、ΔＭＲ劣化率の大きさが変化するだけで、グラフの曲線傾向は図５とほぼ同じであると考えられる。したがって外部磁界（外乱磁界）の磁界強度に係らず、Ｒｈ−ＧＭＲにおいて、第１磁性層の膜厚を１７Å以下に設定することで、Ｒｕ−ＧＭＲよりも常に低いΔＭＲ劣化率を得ることができると考えられる。

また、５ｋＯｅの外部磁界（外乱磁界）は、図４に示す実験での最大値であるから、第１磁性層の膜厚を１３Å以下に設定すれば、５ｋＯｅ以下の外部磁界（外乱磁界）の印加に対して、ΔＭＲ劣化率を５％以下に設定することが可能になる。

図６は、図５の実験で使用したＲｈ−ＧＭＲ及びＲｕ−ＧＭＲの第１磁性層の膜厚とΔＭＲとの関係を示したグラフである。図６に示すΔＭＲは、ΔＭＲ（初期）に該当する。

図６に示すように、第１磁性層の膜厚が１２Å以上となると、Ｒｈ−ＧＭＲのΔＭＲ及びＲｕ−ＧＭＲのΔＭＲにさほどの違いが見られないが、第１磁性層の膜厚が１２Å以下に設定されると、Ｒｈ−ＧＭＲ素子のΔＭＲのほうがＲｕ−ＧＭＲ素子に比べてやや大きくなった。

ただしＲｈ−ＧＭＲにおいても、第１磁性層の膜厚が１０Å程度まで薄くなるとΔＭＲが１０％程度まで低下し、さらに第１磁性層の膜厚が薄くなると急激にΔＭＲが低下するものと推測される。

ΔＭＲは、第１磁性層の保磁力Ｈｃと関係がある。すなわち磁気抵抗効果の発現のために、第１磁性層は高Ｈｃであることが必要である。そこで、次に、第１磁性層の保磁力Ｈｃを測定することとした。

以下の積層膜を形成した。
基板／シード層：ＮｉＦｅＣｒ（４２）／第１磁性層：Ｆｅ_60at%Ｃｏ_40at%（Ｘ）／非磁性中間層：Ｒｕ（３．６）／非磁性材料層：Ｃｕ（２２）／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。

上記積層膜には第２磁性層及びフリー磁性層は形成されていない。これは第１磁性層の保磁力Ｈｃを適切に測定するためである。

図７は、第１磁性層の膜厚と第１磁性層の保磁力Ｈｃとの関係を示すグラフである。
図７に示すように、第１磁性層の膜厚が１０Åより小さくなると、強磁性が弱くなり、急激な保磁力Ｈｃの低下が見られた。保磁力Ｈｃの低下は、磁化分散、ΔＭＲの減少、信頼性低下に繋がるため好ましくない。
そこで、図６、図７の実験結果により第１磁性層の膜厚を１０Å以上に設定した。

以上により本実施例では、非磁性中間層にＲｈを用いたセルフピン止め型の磁気検出素子において、第１磁性層の膜厚を１０Å以上で１７Å以下に設定し、また１０Å以上で１３Å以下を好ましい範囲とした。さらに、第１磁性層の膜厚のより好ましい範囲を１０Å以上で１２．５Å以下に設定した。

次に、以下のセルフピン止め型のＧＭＲ素子を作製した。
基板／シード層：ＮｉＦｅＣｒ（４２）／固定磁性層［第１磁性層：Ｆｅ_60at%Ｃｏ_40at%（１８．７）／非磁性中間層：Ｒｈ（ｔ３）／第２磁性層Ｃｏ_90at%Ｆｅ_10at%（２４）］／非磁性材料層：Ｃｕ（２２）／フリー磁性層［Ｃｏ_90at%Ｆｅ_10at%（１５）／ＮｉＦｅ（１７）］／保護層：Ｔａ（７０）
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。

実験では、まず、Ｒｈからなる非磁性中間層の膜厚を５．４Åに設定したセルフピン止め型のＧＭＲ素子に対し、固定磁性層の固定磁化方向に１００Ｏｅの外部磁界（検出磁界）を印加してΔＭＲ（Ｒｈ＝５．４Å）を測定した。

続いて、Ｒｈからなる非磁性中間層の膜厚を４．５Å〜６．５Åの範囲内で変化させたセルフピン止め型のＧＭＲ素子に対し、固定磁性層の固定磁化方向に１００Ｏｅの外部磁界（検出磁界）を印加してΔＭＲを測定した。そして非磁性中間層の膜厚とΔＭＲ／ΔＭＲ（Ｒｈ＝５．４Å）との関係を求めた。

その実験結果が図８に示されている。図８に示す非磁性中間層の膜厚が５．４Åのときは、ΔＭＲ（Ｒｈ＝５．４Å）／ΔＭＲ（Ｒｈ＝５．４Å）であるから、ΔＭＲ／ΔＭＲ（Ｒｈ＝５．４Å）は１となり、この値は最大値であった。すなわちＲｈからなる非磁性中間層の膜厚を５．４Åとすれば、ΔＭＲを最も大きくすることができるとわかった。そして、非磁性中間層の膜厚を５．４Å以下、及び５．４Å以上にすると、徐々にΔＭＲ／ΔＭＲ（Ｒｈ＝５．４Å）が１から低下していった。

図８に示すように、非磁性中間層の膜厚を４．９Å以上で５．９Å以下に設定することで、ΔＭＲ／ΔＭＲ（Ｒｈ＝５．４Å）を０．９５以上（ΔＭＲ変動率を５％以内）に収めることができるとわかった。

次に、以下のセルフピン止め型のＧＭＲ素子（実施例）を作製した。
基板／シード層：ＮｉＦｅＣｒ（４２）／固定磁性層［第１磁性層：Ｆｅ_60at%Ｃｏ_40at%（１２．５）／非磁性中間層：Ｒｈ（５．４）／第２磁性層Ｃｏ_90at%Ｆｅ_10at%（１６）］／非磁性材料層：Ｃｕ（２０）／フリー磁性層［Ｃｏ_90at%Ｆｅ_10at%（５）／Ｃｏ_70at%Ｆｅ_30at%（３）／ＮｉＦｅ（３０）］／保護層：Ｔａ（７０）
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。

また、以下の反強磁性層を用いたＧＭＲ素子（比較例）を作製した。
基板／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%（１２．３）／非磁性中間層：Ｒｕ（８．７）／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［Ｃｏ_90at%Ｆｅ_10at%（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。

そして、実施例及び比較例におけるＧＭＲ素子の固定磁性層の固定磁化方向に−１００Ｏｅ〜１００Ｏｅの外部磁界（検出磁界）を印加しΔＭＲを測定した。

その実験結果が図９に示されている。なおプラス値の外部磁界Ｈ（検出磁界）と、マイナス値の外部磁界Ｈ（検出磁界）とは、外部磁界の方向が互いに反対方向を示している。

また、実施例及び比較例の素子特性について調べ、その実験結果を以下の表１に示した。

表１で注目すべき点は、フリー磁性層の保磁力Ｈｃである。表１に示すように、実施例におけるフリー磁性層の保磁力Ｈｃは、比較例に比べて十分に小さくなることがわかった。

反強磁性層を用いたＧＭＲ素子（比較例）では、固定磁性層と反強磁性層間で交換結合磁界（Ｈｅｘ）を生じさせるために磁場中熱処理が必要とされる。一方、セルフピン止め型のＧＭＲ素子（実施例）では、磁場中熱処理を必要とせず、固定磁性層及びフリー磁性層の異方性は成膜時に独立に付与可能である。したがって成膜後に、無磁場での熱処理を実施しても成膜時の異方性を固定磁性層及びフリー磁性層の夫々に残留させることができる。そのため、フリー磁性層の保磁力Ｈｃを、反強磁性層を用いたＧＭＲ素子に比べて小さくできる。

図９の実験結果を見て明らかなように、実施例によれば、比較例に比べて、ヒステリシスが小さく且つリニアリティ性（直線性）に優れたΔＭＲ特性を得ることができた。

Ｐ１、Ｐ２ 磁化固定方向
Ｓ 磁気センサ
ｔ１ （第１磁性層の）膜厚
ｔ２ （第２磁性層の）膜厚
ｔ３ （非磁性中間層の）膜厚
１、１ａ〜１ｄ 磁気検出素子
３ 固定磁性層
３ａ 第１磁性層
３ｂ 非磁性中間層
３ｃ 第２磁性層
４ 非磁性材料層
５ フリー磁性層

Claims (6)

1. 永久磁石を内蔵しない磁気センサに使用される磁気検出素子において、
   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ＦｅＣｏで形成され、
   前記第１磁性層の膜厚ｔ１は１０Å以上で１７Å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り、
   前記非磁性中間層はＲｈで形成されることを特徴とする磁気検出素子。
2. 前記非磁性中間層の膜厚は、４．９Å以上で５．９Å以下の範囲内で形成される請求項１記載の磁気検出素子。
3. 前記第１磁性層の膜厚ｔ１は、１０Å以上で１３Å以下である請求項１又は２に記載の磁気検出素子。
4. 前記第１磁性層の膜厚ｔ１は、１０Å以上で１２．５Å以下である請求項３記載の磁気検出素子。
5. 前記第１磁性層は、Ｆｅ_xＣｏ_100-x（ただしｘは、５５ａｔ％以上で６５ａｔ％以下）で形成される請求項１ないし４のいずれか１項に記載の磁気検出素子。
6. 基板上に、請求項１ないし５のいずれか一項に記載された前記磁気検出素子が配置されたことを特徴とする永久磁石を内蔵しない磁気センサ。

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