JP2026074767A - 磁気抵抗素子、磁気センサおよび検出器 - Google Patents

Abstract

【課題】広範囲の磁界に応答可能な磁気抵抗素子等を提供する。
【解決手段】磁気抵抗素子１００は、外部磁界に応じて磁化方向が変化する第１磁性層１１、第２磁性層１２および第３磁性層１３と、第１磁性層１１と第２磁性層１２との間に位置する誘電体層２０と、第１磁性層１１と第３磁性層１３との間に位置する第１非磁性層３１と、を備える。第１磁性層１１は、第２磁性層１２と第３磁性層１３との間に位置する。第１磁性層１１の磁化方向Ｄ１と第２磁性層１２の磁化方向Ｄ２とは、外部磁界が印加されていないときに反平行状態で安定化する。第１磁性層１１の磁化方向Ｄ１と第３磁性層１３の磁化方向Ｄ３とは、外部磁界が印加されていないときに反平行状態で安定化する。
【選択図】図１

Description

本開示は、磁気抵抗素子、磁気センサおよび検出器に関する。

ＴＭＲ（Ｔｕｎｎｅｌ ＭａｇｎｅｔｏＲｅｓｉｓｔａｎｃｅ）構造を利用した磁気センサが知られている。特許文献１には、ＴＭＲ構造として磁性材料からなる２つの自由層と、トンネル障壁層とを有する磁気センサが記載されている。特許文献１に記載されたＴＭＲ構造において、２つの自由層の磁化方向は、外部磁界が印加されていない状態で互いに反平行配置が安定である。外部磁界強度が大きくなるにつれ、２つの自由層の磁化方向は外部磁界の方向に近づく。

国際公開第２０２４／０３４２０６号

特許文献１に記載された磁気センサは、外部磁界の大きさに応じて電気抵抗が変化することを利用してセンサとして機能する。特許文献１に記載された磁気センサにおいて、抵抗変化のほとんどは、外部磁界が－１０ｍＴから１０ｍＴの範囲で生じるため、当該範囲を超える絶対値の大きい外部磁界の変化によっては抵抗変化が生じず、センサとして使用できない。

そこで、本開示では、広範囲の磁界に応答可能な磁気抵抗素子等を提供する。

本開示の一態様に係る磁気抵抗素子は、外部磁界に応じて磁化方向が変化する第１磁性層、第２磁性層および第３磁性層であって、前記第１磁性層が、前記第２磁性層と前記第３磁性層との間に位置するように積層された第１磁性層、第２磁性層および第３磁性層と、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に位置する誘電体層と、前記第１磁性層と前記第３磁性層との間に位置する第１非磁性層と、を備え、前記第１磁性層の磁化方向と前記第２磁性層の磁化方向とは、外部磁界が印加されていないときに反平行状態で安定化し、前記第１磁性層の磁化方向と前記第３磁性層の磁化方向とは、外部磁界が印加されていないときに反平行状態で安定化する。

本開示の一態様に係る磁気抵抗素子は、第１反強磁性層と、第４磁性層と、第２非磁性層と、第３磁性層と、第１非磁性層と、第１磁性層と、誘電体層と、第２磁性層と、第３非磁性層と、第５磁性層と、第２反強磁性層と、がこの順に積層された積層構造を有し、前記第１非磁性層は、前記第１磁性層と前記第３磁性層とが第２次または第２次より高次の反強磁性的ＲＫＫＹ相互作用を発現するように形成されている。

本開示の一態様に係る磁気センサは、上記磁気抵抗素子と、前記磁気抵抗素子の一端に電気的に接続された第１電極と、前記磁気抵抗素子の他端に電気的に接続された第２電極と、を備える。

本開示の一態様に係る検出器は、上記磁気センサと、少なくとも１つのＮ極とＳ極とが並んだ磁気スケールとを備え、前記磁気センサと前記磁気スケールとの位置変化を検出する。

本開示の一態様に係る検出器は、上記磁気センサと、少なくとも１つのＮ極とＳ極とが並んだ磁気スケールとを備え、前記磁気センサと前記磁気スケールとの位置変化の速度を検出する。

本開示の一態様に係る検出器は、上記磁気センサと、少なくとも１つのＮ極とＳ極とが並んだ磁気スケールとを備え、前記磁気センサと前記磁気スケールとの位置変化の加速度を検出する。

本開示によれば、広範囲の磁界に応答可能な磁気抵抗素子等を提供できる。

図１は、実施の形態１に係る磁気抵抗素子を示す断面図である。 図２は、実施の形態１に係る磁気抵抗素子を示す上面視図である。 図３は、磁気トンネル接合構造における磁化方向の一例を示す図である。 図４は、外部磁界による磁気抵抗素子の抵抗変化を説明するための図である。 図５は、第３磁性層の磁化方向が外部磁界によって変化しない場合の第１磁性層の磁化方向の変化を説明するための図である。 図６は、第３磁性層の磁化方向が外部磁界によって変化する場合の第１磁性層の磁化方向の変化を説明するための図である。 図７は、ＲＫＫＹ相互作用による交換結合エネルギの強さの、非磁性層の厚さに対する依存性の概念図である。 図８は、実施の形態１の変形例に係る磁気抵抗素子を示す断面図である。 図９は、実施の形態２に係る磁気センサを示す斜視図である。 図１０は、実施の形態２の変形例に係る磁気センサの第１例を示す斜視図である。 図１１は、実施の形態２の変形例に係る磁気センサの第２例を示す斜視図である。 図１２は、実施の形態２の変形例に係る磁気センサの第３例を示す斜視図である。 図１３は、実施の形態３に係る検出器を示す斜視図である。 図１４は、実施例１における磁気センサの積層構造を模式的に示す図である。 図１５は、比較例１における磁気センサの積層構造を模式的に示す図である。 図１６は、比較例２における磁気センサの積層構造を模式的に示す図である。 図１７は、ＲＫＫＹ相互作用による交換結合エネルギと非磁性層の厚さとの関係を示す図である。 図１８は、実施例および比較例における磁気センサの磁気抵抗特性を示す図である。

（本開示の概要）
本開示の概要として、本開示に係る磁気抵抗素子、磁気センサおよび検出器の例を以下に示す。

例えば、本開示の第１態様に係る磁気抵抗素子は、外部磁界に応じて磁化方向が変化する第１磁性層、第２磁性層および第３磁性層であって、前記第１磁性層が、前記第２磁性層と前記第３磁性層との間に位置するように積層された第１磁性層、第２磁性層および第３磁性層と、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に位置する誘電体層と、前記第１磁性層と前記第３磁性層との間に位置する第１非磁性層と、を備え、前記第１磁性層の磁化方向と前記第２磁性層の磁化方向とは、外部磁界が印加されていないときに反平行状態で安定化し、前記第１磁性層の磁化方向と前記第３磁性層の磁化方向とは、外部磁界が印加されていないときに反平行状態で安定化する。

これにより、磁気抵抗素子に外部磁界が印加されることによる第１磁性層１１の磁化方向の回転角度は、第３磁性層の磁化方向を基準とする角度になる。ここで、外部磁界が印加されていないときに第１磁性層の磁化方向と第３磁性層の磁化方向とは、反平行状態であるため、磁気抵抗素子に外部磁界が印加されると、第３磁性層の磁化方向は、第１磁性層の磁化方向の回転を打ち消す方向に回転する。そのため、外部磁界によって第１磁性層の磁化方向が回転しにくくなり、本態様に係る磁気抵抗素子では、外部磁界が大きい領域で外部磁界の大きさが変化しても抵抗変化が得られるようになる。よって、本態様に係る磁気抵抗素子は、広範囲の磁界に応答できる。

また、例えば、本開示の第２態様に係る磁気抵抗素子は、第１態様に係る磁気抵抗素子であって、前記第１非磁性層は、前記第１磁性層と前記第３磁性層とが第２次または第２次より高次の反強磁性的ＲＫＫＹ（Ｒｕｄｅｒｍａｎ，Ｋｉｔｔｅｌ，Ｋａｓｕｙａ，Ｙｏｓｉｄａ）相互作用を発現するように形成されている。

これにより、磁気抵抗素子の応答可能な磁界の範囲を効果的に広げることができる。

また、例えば、本開示の第３態様に係る磁気抵抗素子は、第１態様または第２態様に係る磁気抵抗素子であって、前記第１非磁性層は、ルテニウムを主成分として含み、前記第１非磁性層の厚さは、１．０ｎｍ以上５．０ｎｍ以下である。

これにより、磁気抵抗素子の応答可能な磁界の範囲を効果的に広げることができる。

また、例えば、本開示の第４態様に係る磁気抵抗素子は、第１態様から第３態様のいずれか１つに係る磁気抵抗素子であって、前記誘電体層は、酸化マグネシウム、酸化アルミニウムまたは酸化マグネシウムアルミニウムを主成分として含む。

これにより、磁気抵抗素子のＴＭＲ特性を高めることができる。

また、例えば、本開示の第５態様に係る磁気抵抗素子は、第１態様から第４態様のいずれか１つに係る磁気抵抗素子であって、前記第１磁性層および前記第２磁性層のそれぞれは、コバルト、鉄およびホウ素からなる合金を主成分として含む合金層を有する。

これにより、磁気抵抗素子のＴＭＲ特性を高めることができる。

また、例えば、本開示の第６態様に係る磁気抵抗素子は、第１態様から第５態様のいずれか１つに係る磁気抵抗素子であって、磁化方向が１方向に固定された第４磁性層および第５磁性層と、前記第３磁性層を介して前記第１非磁性層に対向する第２非磁性層と、前記第２磁性層を介して前記誘電体層に対向する第３非磁性層と、をさらに備え、前記第４磁性層は、前記第２非磁性層を介して前記第３磁性層に対向し、前記第５磁性層は、前記第３非磁性層を介して前記第２磁性層に対向する。

これにより、外部磁界が印加されていないときの第１磁性層、第２磁性層および第３磁性層の磁化方向を容易に規定することができる。

また、例えば、本開示の第７態様に係る磁気抵抗素子は、第６態様に係る磁気抵抗素子であって、前記第２非磁性層は、前記第３磁性層と前記第４磁性層とが第２次または第２次より高次の反強磁性的ＲＫＫＹ相互作用を発現するように形成されており、前記第３磁性層は、前記第２磁性層と前記第５磁性層とが第２次または第２次より高次の反強磁性的ＲＫＫＹ相互作用を発現するように形成されている。

これにより、第２磁性層および第３磁性層に対する反強磁性的な交換結合が強くなりすぎず、磁気抵抗素子のＴＭＲ特性を高めることができる。

また、例えば、本開示の第８態様に係る磁気抵抗素子は、第６態様または第７態様に係る磁気抵抗素子であって、前記第４磁性層を介して前記第３磁性層に対向する第１反強磁性層と、前記第５磁性層を介して前記第２磁性層に対向する第２反強磁性層と、をさらに備える。

これにより、第４磁性層および第５磁性層の磁化方向を容易に固定することができる。

また、例えば、本開示の第９態様に係る磁気抵抗素子は、第８態様に係る磁気抵抗素子であって、前記第１反強磁性層および前記第２反強磁性層のそれぞれは、マンガンイリジウム合金、マンガンプラチナ合金またはマンガンニッケル合金を主成分として含む。

これにより、第１反強磁性層と第４磁性層との間、および、第２反強磁性層と第５磁性層との間に強固な交換バイアス磁界を生じさせることができる。

また、例えば、本開示の第１０態様に係る磁気抵抗素子は、第１反強磁性層と、第４磁性層と、第２非磁性層と、第３磁性層と、第１非磁性層と、第１磁性層と、誘電体層と、第２磁性層と、第３非磁性層と、第５磁性層と、第２反強磁性層と、がこの順に積層された積層構造を有し、前記第１非磁性層は、前記第１磁性層と前記第３磁性層とが第２次または第２次より高次の反強磁性的ＲＫＫＹ相互作用を発現するように形成されている。

これにより、磁気抵抗素子に外部磁界が印加されることによる第１磁性層１１の磁化方向の回転角度は、第３磁性層の磁化方向を基準とする角度になる。ここで、第１磁性層と第３磁性層とは反強磁性的に交換結合するので、外部磁界が印加されていないときに第１磁性層の磁化方向と第３磁性層の磁化方向とは、反平行状態となる。その結果、磁気抵抗素子に外部磁界が印加されると、第３磁性層の磁化方向は、第１磁性層の磁化方向の回転を打ち消す方向に回転する。そのため、外部磁界によって第１磁性層の磁化方向が回転しにくくなり、本態様に係る磁気抵抗素子では、外部磁界が大きい領域で外部磁界の大きさが変化しても抵抗変化が得られるようになる。よって、本態様に係る磁気抵抗素子は、広範囲の磁界に応答できる。

また、例えば、本開示の第１１態様に係る磁気センサは、第１態様から第１０態様のいずれか１つに係る磁気抵抗素子と、前記磁気抵抗素子の一端に電気的に接続された第１電極と、前記磁気抵抗素子の他端に電気的に接続された第２電極と、を備える。

これにより、広範囲の磁界に応答できる上記の磁気抵抗素子を用いて磁界を検出できる。

また、例えば、本開示の第１２態様に係る磁気センサは、第１１態様に係る磁気センサであって、外部磁界が印加されていないときの前記第１磁性層の磁化方向および前記第２磁性層の磁化方向とは異なる方向の磁界成分を検出する。

これにより、磁界成分の検出精度を高めることができる。

また、例えば、本開示の第１３態様に係る磁気センサは、第１１態様または第１２態様に係る磁気センサであって、前記磁気抵抗素子を複数備え、前記複数の磁気抵抗素子は、直列および並列の少なくとも１つの形態で互いに電気的に接続されている。

これにより、磁気抵抗素子の電気抵抗の測定時に磁気抵抗素子に加わる電圧を分散させることができる。

また、例えば、本開示の第１４態様に係る検出器は、第１１態様から第１３態様のいずれか１つに係る磁気センサと、少なくとも１つのＮ極とＳ極とが並んだ磁気スケールとを備え、前記磁気センサと前記磁気スケールとの位置変化を検出する。

これにより、広範囲の磁界に応答できる上記の磁気抵抗素子を備える磁気センサを用いて磁気センサと磁気スケールとの位置変化を検出できる。

また、例えば、本開示の第１５態様に係る検出器は、第１１態様から第１３態様のいずれか１つに係る磁気センサと、少なくとも１つのＮ極とＳ極とが並んだ磁気スケールとを備え、前記磁気センサと前記磁気スケールとの位置変化の速度を検出する。

これにより、広範囲の磁界に応答できる上記の磁気抵抗素子を備える磁気センサを用いて磁気センサと磁気スケールとの位置変化の速度を検出できる。

また、例えば、本開示の第１６態様に係る検出器は、第１１態様から第１３態様のいずれか１つに係る磁気センサと、少なくとも１つのＮ極とＳ極とが並んだ磁気スケールとを備え、前記磁気センサと前記磁気スケールとの位置変化の加速度を検出する。

これにより、広範囲の磁界に応答できる上記の磁気抵抗素子を備える磁気センサを用いて磁気センサと磁気スケールとの位置変化の加速度を検出できる。

以下、図面を参照しながら、本開示の実施の形態を詳細に説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的または具体的な例を示す。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置および接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本開示を限定する主旨ではない。本明細書において説明される種々の態様は、矛盾が生じない限り互いに組み合わせることが可能である。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。以下の説明において、実質的に同じ機能を有する構成要素は共通の参照符号で示し、説明を省略することがある。また、図面が過度に複雑になることを避けるために、一部の要素の図示を省略することがある。

また、図面に示す各種の要素は、本開示の理解のために模式的に示したにすぎず、寸法比および外観などは実物と異なり得る。つまり、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。したがって、例えば、各図において縮尺などは必ずしも一致しない。

また、本明細書において、平行または一致などの要素間の関係性を示す用語、および、円形などの要素の形状を示す用語、ならびに、数値範囲は、厳格な意味のみを表す表現ではなく、実質的に同等な範囲、例えば数％程度の差異をも含むことを意味する表現である。

また、本明細書において、「上方」および「下方」という用語は、絶対的な空間認識における上方向（鉛直上方）および下方向（鉛直下方）を指すものではなく、積層構成における積層順を基に相対的な位置関係により規定される用語として用いる。「上方」および「下方」などの用語は、あくまでも構成要素間の相互の配置を指定するために用いており、磁気抵抗素子、磁気センサおよび検出器の使用時における姿勢を限定する意図ではない。「下面」および「上面」という用語も同様であり、絶対的な空間認識における上側の面および下側の面を指すものではない。また、「上方」および「下方」という用語は、２つの構成要素が互いに間隔を空けて配置されて２つの構成要素の間に別の構成要素が存在する場合のみならず、２つの構成要素が互いに密着して配置されて２つの構成要素が接する場合にも適用される。

また、本明細書および図面において、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸は、三次元直交座標系の三軸を示している。以下では、Ｚ軸の負側を「下方」とし、Ｚ軸の正側を「上方」としている。また、Ｚ軸の負側の面を「下面」とし、Ｚ軸の正側の面を「上面」としている。また、Ｚ軸方向は、磁気抵抗素子における各層の厚さ方向である。

（実施の形態１）
以下、実施の形態１に係る磁気抵抗素子が説明される。実施の形態１に係る磁気抵抗素子は、例えば、磁気センサに用いられる。

［構成］
まず、本実施の形態に係る磁気抵抗素子の構成について説明する。図１は、本実施の形態に係る磁気抵抗素子を示す断面図である。図２は、本実施の形態に係る磁気抵抗素子を示す上面視図である。図１では、図２のＩ－Ｉ線で示される位置での断面が示されている。また、図１では、外部磁界が印加されていないときの第１磁性層１１、第２磁性層１２および第３磁性層１３の磁化方向Ｄ１、Ｄ２およびＤ３が破線の矢印で模式的に示されている。なお、図１では、見やすさのため、厚さ方向の長さを誇張して図示している。

図１に示されるように、本実施の形態に係る磁気抵抗素子１００は、第１磁性層１１、第２磁性層１２および第３磁性層１３と、誘電体層２０と、第１非磁性層３１と、を備える。第１磁性層１１、第２磁性層１２、第３磁性層１３、誘電体層２０および第１非磁性層３１は、それぞれ、薄膜構造である。磁気抵抗素子１００は、第３磁性層１３と、第１非磁性層３１と、第１磁性層１１と、誘電体層２０と、第２磁性層１２と、が下側からＺ軸に沿ってこの順で積層された積層構造を有する。磁気抵抗素子１００において、上記積層構造の各層の間には別の層は配置されていないが、ＴＭＲ特性を大きく低下させない範囲で、別の層が配置されていてもよい。また、磁気抵抗素子１００の上方または下方に、さらに別の層が積層されてもよい。

図２で示される例では、上方から見た場合の磁気抵抗素子１００の平面視形状は、円形である。磁気抵抗素子１００の平面視形状は、特に制限されず、楕円形または多角形であってもよい。磁気抵抗素子１００の平面視形状における最大幅（平面視形状が円形である場合には直径）は、例えば、０．０１μｍ以上１００μｍ以下である。

磁気抵抗素子１００において、第１磁性層１１と誘電体層２０と第２磁性層１２とが積層された部分は磁気トンネル接合構造である。第１磁性層１１および第２磁性層１２は、誘電体層２０に接合され、誘電体層２０に接している。第１磁性層１１は、第２磁性層１２と第３磁性層１３との間に位置する。

第１磁性層１１、第２磁性層１２および第３磁性層１３の磁化方向Ｄ１、Ｄ２およびＤ３は、外部磁界に応じて変化する。また、第１磁性層１１の磁化方向Ｄ１と第２磁性層１２の磁化方向Ｄ２とは、外部磁界が印加されていないときに反平行状態で安定化する。外部磁界は、磁気抵抗素子１００を利用した磁気センサによる検出の対象となる磁界であり、磁気センサの使用時に、外部磁界から磁気抵抗素子１００が受ける磁界の大きさが変化する。第１磁性層１１の磁化方向Ｄ１と第２磁性層１２の磁化方向Ｄ２とは、検出対象となる外部磁界とは別で磁気抵抗素子１００に印加される一定の磁場によって反平行状態で安定化してもよく、後述するような別の磁性層が磁気抵抗素子１００に積層されることにより反平行状態で安定化してもよい。

また、第１磁性層１１の磁化方向Ｄ１と第３磁性層１３の磁化方向Ｄ３とは、外部磁界が印加されていないときに反平行状態で安定化する。第１磁性層１１と第３磁性層１３とは反強磁性的に交換結合している。

図１で示される例では、外部磁界が印加されていないときの第１磁性層１１、第２磁性層１２および第３磁性層１３の磁化方向Ｄ１、Ｄ２およびＤ３は、Ｘ軸に平行である。また、第１磁性層１１、第２磁性層１２および第３磁性層１３の磁化方向Ｄ１、Ｄ２およびＤ３は、磁気抵抗素子１００の上面および下面に平行である。

第１磁性層１１、第２磁性層１２および第３磁性層１３のそれぞれは、単一の材料で構成される層であってもよく、互いに異なる材料で構成される２以上の層を含む複数の層の積層構造を有していてもよい。第１磁性層１１、第２磁性層１２および第３磁性層１３のそれぞれは、少なくとも強磁性材料で構成される層を含む。第１磁性層１１、第２磁性層１２および第３磁性層１３のそれぞれは、非磁性材料（例えば、常磁性材料）で構成される層を含んでいてもよい。第１磁性層１１、第２磁性層１２および第３磁性層１３が複数の層の積層構造を有する場合でも、第１磁性層１１、第２磁性層１２および第３磁性層１３における磁化方向は１つに決まる。本明細書において、第１磁性層１１、第２磁性層１２および第３磁性層１３等の磁性層は、自身に含まれる強磁性材料で構成される１以上の層の磁化方向が統一されている層である。第１磁性層１１、第２磁性層１２および第３磁性層１３のそれぞれにおいて、自身に含まれる強磁性材料で構成される１以上の層の磁化方向は、外部磁界に応じて同じ方向に変化する。例えば、第１磁性層１１、第２磁性層１２および第３磁性層１３等の磁性層は、非磁性材料で構成される層を含む場合であっても、当該層の厚さは、後述するような第１次の反強磁性的ＲＫＫＹ相互作用が発現するような厚さよりも薄い。

第１磁性層１１、第２磁性層１２および第３磁性層１３のそれぞれは、全体として強磁性材料を主成分として含む。第１磁性層１１、第２磁性層１２および第３磁性層１３のそれぞれは、例えば、鉄、コバルトおよびニッケルのうちの少なくとも１つを含む。第１磁性層１１および第２磁性層１２のそれぞれは、例えば、磁性材料として、鉄、コバルトおよびホウ素からなる合金を主成分として含む合金層を有する。これにより、磁気抵抗素子１００のＴＭＲ特性を高めることができる。鉄、コバルトおよびホウ素からなる合金を主成分として含む合金層は、例えば、最も誘電体層２０に近い位置に配置される。鉄、コバルトおよびホウ素からなる合金の組成比の一例としては、Ｃｏ：Ｆｅ：Ｂ＝４０：４０：２０である。

第３磁性層１３は、例えば、鉄およびコバルトからなる合金を主成分として含む合金層を有する。第１磁性層１１および第２磁性層１２が、鉄およびコバルトからなる合金を主成分として含む合金層を有していてもよい。鉄およびコバルトからなる合金の組成比の一例としては、Ｃｏ：Ｆｅ＝５０：５０である。

また、第１磁性層１１および第２磁性層１２に含まれる非磁性材料としては、タンタルもしくはルテニウムまたはタンタルもしくはルテニウムを含む合金等が挙げられる。また、第３磁性層１３は、例えば、非磁性材料で構成される層を含まないが、非磁性材料で構成される層を含んでいてもよい。

本明細書において、「主成分」とは、対象となる材料の含有率が５０ｍａｓｓ％より多いことを意味する。主成分の材料の含有率は、９０ｍａｓｓ％以上であってもよく、９５ｍａｓｓ％以上であってもよく、９９ｍａｓｓ％以上であってもよい。主成分の材料の含有率は、実質的に１００％であってもよい。この場合、当該主成分の材料は、不可避の不純物を含みうる。

第１磁性層１１、第２磁性層１２および第３磁性層１３のそれぞれの厚さは、例えば、０．１ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。第１磁性層１１、第２磁性層１２および第３磁性層１３のそれぞれの厚さは、１ｎｍ以上であってもよい。また、第１磁性層１１、第２磁性層１２および第３磁性層１３のそれぞれの厚さは、１０ｎｍ以下であってもよい。

誘電体層２０は、第１磁性層１１と第２磁性層１２との間に位置する。誘電体層２０は、誘電体材料を主成分として含む。誘電体層２０は、例えば、酸化マグネシウム、酸化アルミニウムまたは酸化マグネシウムアルミニウムを主成分として含む。酸化マグネシウム、酸化アルミニウムおよび酸化マグネシウムアルミニウムの組成式はそれぞれ、ＭｇＯ、Ａｌ_２Ｏ_３およびＭｇＡｌ_２Ｏ_４である。

誘電体層２０の厚さは、例えば、０．１ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。

第１非磁性層３１は、第１磁性層１１と第３磁性層１３との間に位置する。第１非磁性層３１は、例えば、非磁性材料（例えば、常磁性材料）を主成分として含む。第１非磁性層３１に含まれる非磁性材料は、例えば、非磁性金属である。第１非磁性層３１は、例えば、ルテニウムを主成分として含む。第１非磁性層３１の厚さについては後述する。

［磁気抵抗素子の抵抗変化特性］
次に、本実施の形態に係る磁気抵抗素子１００の抵抗変化特性について説明する。

本実施の形態に係る磁気抵抗素子１００では、使用時に、第３磁性層１３と第２磁性層１２との間の電気抵抗が測定される。電気抵抗の測定方法は、直流測定でもよく、交流測定でもよい。直流測定の場合、電気抵抗の測定方法は、定電圧印加測定でもよく、定電流印加測定でもよい。

第１磁性層１１と誘電体層２０と第２磁性層１２とが積層された構造は、ＴＭＲ構造または磁気トンネル接合構造と呼ばれる。誘電体層２０は、トンネル障壁となる障壁層である。第１磁性層１１および第２磁性層１２のそれぞれは、外部磁界によって磁化方向が変化する自由層である。

図３は、磁気トンネル接合構造における磁化方向の一例を示す図である。図３では、磁気抵抗素子１００を上面視した場合の第１磁性層１１の磁化方向Ｄ１および第２磁性層１２の磁化方向Ｄ２が示されている。磁気トンネル接合構造においては、第１磁性層１１の磁化方向Ｄ１と第２磁性層１２の磁化方向Ｄ２とが成す角度θに応じて、第１磁性層１１と第２磁性層１２との間の抵抗値が決まる。理想的には抵抗値は１／ｃｏｓθに依存して決まる。具体的には、第１磁性層１１の磁化方向Ｄ１と第２磁性層１２の磁化方向Ｄ２とが平行状態（つまり、θが０度）のときに抵抗値は最小となる。また、第１磁性層１１の磁化方向Ｄ１と第２磁性層１２の磁化方向Ｄ２とが反平行状態（つまり、θが１８０度）のときに抵抗値は最大となる。

本実施の形態に係る磁気抵抗素子１００では、外部磁界が印加されることによって各層の磁化方向が変化する。外部磁界によって第１磁性層１１の磁化方向Ｄ１と第２磁性層１２の磁化方向Ｄ２とが成す角度θが変化すると、磁気抵抗素子１００の抵抗値が変化する。

図４は、外部磁界による磁気抵抗素子１００の抵抗変化を説明するための図である。図４において、縦軸は、磁気抵抗素子１００の抵抗を示し、横軸は、磁気抵抗素子１００に印加される外部磁界を示す。図４に示されるように、第１磁性層１１の磁化方向Ｄ１と第２磁性層１２の磁化方向Ｄ２とは、外部磁界に応じて変化する。具体的には、外部磁界の方向が一定で外部磁界の強度が変化したとき、外部磁界が大きくなるにつれて、第１磁性層１１の磁化方向Ｄ１と第２磁性層１２の磁化方向Ｄ２とは外部磁界の方向に近づき、角度θが小さくなる。

図４の（ａ）に示されているように、外部磁界が印加されていないとき、第１磁性層１１の磁化方向Ｄ１と第２磁性層１２の磁化方向Ｄ２とは反平行状態で安定化しているので、磁気抵抗素子１００の抵抗値は最大抵抗値Ｒｍａｘである。外部磁界が印加され、第１磁性層１１の磁化方向Ｄ１と第２磁性層１２の磁化方向Ｄ２とが外部磁界の方向に近づくと、第１磁性層１１の磁化方向Ｄ１と第２磁性層１２の磁化方向Ｄ２とが平行状態に近づくため、磁気抵抗素子１００の抵抗値は減少する。つまり、磁気抵抗素子１００は、外部磁界が印加されることで、抵抗値が減少する挙動を示す。図４の（ｂ）および（ｃ）に示されるように、外部磁界が大きくなり、第１磁性層１１の磁化方向Ｄ１と第２磁性層１２の磁化方向Ｄ２とが外部磁界の方向と一致すると、第１磁性層１１の磁化方向Ｄ１と第２磁性層１２の磁化方向Ｄ２とは平行状態になるので、磁気抵抗素子１００の抵抗値は最小抵抗値Ｒｍｉｎとなる。

ここで、磁気抵抗素子１００の抵抗変化率の最大値ＭＲは、ＭＲ＝（Ｒｍａｘ－Ｒｍｉｎ）／Ｒｍａｘで表すことができ、抵抗変化率の最大値ＭＲが大きいほど、磁気抵抗素子１００を用いて高精度な磁界検出が可能になる。磁気抵抗素子１００の抵抗変化率の最大値ＭＲは、例えば、５０％以上である。磁気抵抗素子１００の抵抗変化率の最大値ＭＲは、５５％以上であってもよい。磁気抵抗素子１００の抵抗変化率の最大値ＭＲの上限は特に制限されないが、磁気抵抗素子１００の抵抗変化率の最大値ＭＲは、例えば、８０％以下である。

外部磁界の方向によらず、上記の挙動が起こるので、磁気抵抗素子１００では、横軸に磁界、縦軸に抵抗をとると釣り鐘状の偶関数的な抵抗変化曲線が得られる。また、図４に示されるように、抵抗変化曲線の頂点（つまり、最大抵抗値Ｒｍａｘ）から引いた抵抗変化曲線の内側の接線が最小抵抗値Ｒｍｉｎとなる磁界強度Ｈｋは、磁気抵抗素子１００が応答可能な磁界の程度を表す指標として用いることができる。磁界強度Ｈｋが大きいほど、広範囲の磁界に応答可能であると言える。磁気抵抗素子１００においては、磁界強度Ｈｋを大きくすることが可能であり、磁気抵抗素子１００の磁界強度Ｈｋは、例えば、１５ｍＴ以上である。磁気抵抗素子１００の磁界強度Ｈｋは、２０ｍＴ以上であってもよい。磁気抵抗素子１００の磁界強度Ｈｋの上限は、特に制限されないが、磁気抵抗素子１００の磁界強度Ｈｋは、例えば、８０ｍＴ以下である。

以下、磁気抵抗素子１００が広範囲の磁界に応答可能である理由について説明する。

上記のように、磁気抵抗素子１００の抵抗値は第１磁性層１１の磁化方向Ｄ１と第２磁性層１２の磁化方向Ｄ２とが成す角度θに応じて決まる。そのため、外部磁界の大きさに対する磁気抵抗素子１００の抵抗の変化の仕方は、第１磁性層１１の磁化方向Ｄ１および第２磁性層１２の磁化方向Ｄ２の回転の仕方によって決まる。磁気抵抗素子１００では、第３磁性層１３が存在することで第１磁性層１１の磁化方向Ｄ１が、外部磁界によって変化しにくいため、外部磁界によって抵抗が変化しにくく、応答可能な磁界の範囲を広げることができる。この点について、図５および図６を用いて説明する。

図５は、第３磁性層１３の磁化方向が外部磁界によって変化しない場合の第１磁性層１１の磁化方向Ｄ１の変化を説明するための図である。図６は、第３磁性層１３の磁化方向Ｄ３が外部磁界によって変化する場合の第１磁性層１１の磁化方向Ｄ１の変化を説明するための図である。図５では、磁気抵抗素子１００ｘを上面視した場合の第１磁性層１１の磁化方向Ｄ１および第３磁性層１３の磁化方向Ｄ３ｘが示されている。図６では、磁気抵抗素子１００を上面視した場合の第１磁性層１１の磁化方向Ｄ１および第３磁性層１３の磁化方向Ｄ３が示されている。また、図６では、外部磁界によって回転する前の第１磁性層１１の磁化方向Ｄ１が破線の矢印で示されている。また、図５および図６では、外部磁界が印加されていないときの磁化方向Ｄ１、Ｄ３およびＤ３ｘがＸ軸に平行である磁気抵抗素子１００および１００ｘに対して、Ｙ軸方向正側に向く外部磁界が印加された場合が示されている。

外部磁界が印加されると、第１磁性層１１の磁化方向Ｄ１は、外部磁界の方向に近づくように回転する。ここで、ある大きさの外部磁界が印加されたときの第１磁性層１１の磁化方向Ｄ１の回転角度は、第３磁性層１３の磁化方向Ｄ３またはＤ３ｘを基準とする角度となり、磁化方向Ｄ１は、磁化方向Ｄ３またはＤ３ｘに対して、角度θ１を成す。図５に示されるように、第３磁性層１３の磁化方向Ｄ３ｘが外部磁界によって変化しない場合には、外部磁界が印加されることによる第１磁性層１１の磁化方向Ｄ１の角度変化量Δθは、角度θ１と等しくなる。角度変化量Δθは、外部磁界が印加される前の磁化方向Ｄ１と外部磁界が印加された後の磁化方向Ｄ１とが成す角度である。

図６に示されるように、磁気抵抗素子１００では、外部磁界が印加されていない状態で第１磁性層１１の磁化方向Ｄ１と反平行状態で安定化している第３磁性層１３の磁化方向Ｄ３は、外部磁界によって磁化方向Ｄ１の回転を打ち消す方向に回転する。これにより、外部磁界が印加されることによる第１磁性層１１の磁化方向Ｄ１の角度変化量Δθがみかけ上、磁化方向Ｄ１が磁化方向Ｄ３に対して成す角度θ１よりも小さくなる。このため、外部磁界が大きくなっても、第１磁性層１１の磁化方向Ｄ１が外部磁界の方向と平行になりにくくなり、その結果、外部磁界が大きくなることによる磁気抵抗素子１００の抵抗変化も継続する。これにより、磁気抵抗素子１００では、外部磁界が大きい領域で外部磁界の大きさが変化しても抵抗変化が得られる。そのため、外部磁界が強い環境においても磁気抵抗素子１００を用いることができ、例えば、検出対象となる外部磁界の発生源との距離を近づけることができるため、磁気抵抗素子１００を用いた装置またはシステム等を小型化できる。また、第３磁性層１３を用いずに、第１磁性層１１を薄くして、第１磁性層１１の磁気モーメントを小さくすることでも、外部磁界によって第１磁性層１１の磁化方向Ｄ１を回転しにくくすることも可能であるが、この場合には、抵抗変化率の最大値ＭＲが小さくなる。磁気抵抗素子１００では、第１磁性層１１の厚さとは関係なく、第１磁性層１１の磁化方向Ｄ１が回転しにくくなるため、抵抗変化率の最大値ＭＲを高めることも可能である。

ここで、第１磁性層１１、第２磁性層１２および第３磁性層１３の磁化方向Ｄ１、Ｄ２およびＤ３がどのように回転するかは、第１磁性層１１、第２磁性層１２および第３磁性層１３に隣接する磁性層との交換結合の強さによって変化する。交換結合が強ければ磁性層の磁化方向はあまり回転しないが、交換結合が弱ければ磁性層の磁化方向はより大きく回転する。第１磁性層１１と第３磁性層１３との交換結合の強さは、第１磁性層１１と第３磁性層１３との間に存在する第１非磁性層３１の厚さによって決まる。第１非磁性層３１の厚さは、例えば、１．０ｎｍ以上５．０ｎｍ以下である。これにより、磁気抵抗素子１００の応答可能な磁界の範囲を効果的に広げることができる。

第１磁性層１１と第３磁性層１３との交換結合は、第１非磁性層３１を介した反強磁性的なＲＫＫＹ（Ｒｕｄｅｒｍａｎ，Ｋｉｔｔｅｌ，Ｋａｓｕｙａ，Ｙｏｓｉｄａ）相互作用によるものであってもよい。図７は、ＲＫＫＹ相互作用による交換結合エネルギの強さの、非磁性層の厚さに対する依存性の概念図である。図７において、縦軸は、磁性層と非磁性層と磁性層との積層構造における磁性層同士の交換結合の交換結合エネルギを示す。図７において、横軸は、非磁性層の厚さを示す。

図７に示されるように、交換結合エネルギは、非磁性層の厚さの増加と共に減衰振動する。非磁性層の厚さがある範囲においては、磁性層同士に反強磁性的な相互作用が発現し、非磁性層の厚さがある範囲とは別の範囲においては磁性層同士に強磁性的な相互作用が発現する。交換結合エネルギは、非磁性層の厚さに対する依存性において、反強磁性結合および強磁性結合のそれぞれのエネルギにおいて複数のピークを示す。複数のピークのうち、非磁性層の厚さが最も小さい位置のピークは、第１次ピークと称され、非磁性層の厚さが大きくなる順で、ピークの次数が増加する。反強磁性結合のエネルギの第Ｎ次ピークに対応する反強磁性的な相互作用は、第Ｎ次の反強磁性的ＲＫＫＹ相互作用とも称される。また、強磁性結合のエネルギの第Ｍ次ピークに対応する強磁性的な相互作用は、第Ｍ次の強磁性的ＲＫＫＹ相互作用とも称される。ここで、ＮおよびＭは、それぞれ、１以上の整数である。

本実施の形態に係る磁気抵抗素子１００では、第１非磁性層３１は、例えば、第１磁性層１１と第３磁性層１３とが第２次または第２次よりも高次の反強磁性的ＲＫＫＹ相互作用を発現するように形成されている。第１非磁性層３１は、第１磁性層１１と第３磁性層１３とが第２次または第３次の反強磁性的ＲＫＫＹ相互作用を発現するように形成されていてもよい。第１磁性層１１と第３磁性層１３とに第２次または第２次よりも高次の反強磁性的ＲＫＫＹ相互作用を発現させるための第１非磁性層３１の厚さは、第１非磁性層３１を構成する非磁性金属の種類によって異なる。例えば、ルテニウムを非磁性金属として用いる場合、１．０ｎｍ以上の層の厚さにおいて、第２次または第２次よりも高次の反強磁性的なＲＫＫＹ相互作用が得られる。

［変形例］
以下、実施の形態１の変形例に係る磁気抵抗素子が説明される。以下の変形例の説明では、実施の形態１との相違点を中心に説明し、共通点の説明を省略または簡略化する。

図８は、本変形例に係る磁気抵抗素子を示す断面図である。図８では、外部磁界が印加されていないときの第１磁性層１１、第２磁性層１２および第３磁性層１３の磁化方向Ｄ１、Ｄ２およびＤ３が破線の矢印で模式的に示されている。また、図８では、第４磁性層１４および第５磁性層１５の磁化方向Ｄ４およびＤ５が実線の矢印で模式的に示されている。なお、図８では、見やすさのため、厚さ方向の長さを誇張して図示している。

図８に示されるように、本変形例に係る磁気抵抗素子１０１は、実施の形態１に係る磁気抵抗素子１００と比較して、第４磁性層１４、第５磁性層１５、第２非磁性層３２、第３非磁性層３３、第１反強磁性層４１および第２反強磁性層４２をさらに備える点で主に相違する。第４磁性層１４、第５磁性層１５、第２非磁性層３２、第３非磁性層３３、第１反強磁性層４１および第２反強磁性層４２のそれぞれは、薄膜構造である。

磁気抵抗素子１０１は、第１反強磁性層４１と、第４磁性層１４と、第２非磁性層３２と、第３磁性層１３と、第１非磁性層３１と、第１磁性層１１と、誘電体層２０と、第２磁性層１２と、第３非磁性層３３と、第５磁性層１５と、第２反強磁性層４２と、が下側からＺ軸に沿ってこの順で積層された積層構造を有する。第３磁性層１３と、第１非磁性層３１と、第１磁性層１１と、誘電体層２０と、第２磁性層１２とが積層された部分は、実施の形態１に係る磁気抵抗素子１００と同じである。磁気抵抗素子１０１において、上記積層構造の各層の間には別の層は配置されていないが、ＴＭＲ特性を大きく低下させない範囲で、別の層が配置されていてもよい。また、磁気抵抗素子１０１の上方または下方に、さらに別の層が積層されてもよい。

第４磁性層１４は、第２非磁性層３２を介して第３磁性層１３に対向する。第３磁性層１３と第４磁性層１４とは、第２非磁性層３２を介して反強磁性的に交換結合している。また、第４磁性層１４は、第３磁性層１３を介して第１非磁性層３１に対向する。第５磁性層１５は、第３非磁性層３３を介して第２磁性層１２に対向する。第２磁性層１２と第５磁性層１５とは、第３非磁性層３３を介して反強磁性的に交換結合している。また、第５磁性層１５は、第２磁性層１２を介して誘電体層２０に対向する。なお、第３磁性層１３と第４磁性層１４との交換結合、および、第２磁性層１２と第５磁性層１５との交換結合は、反強磁性的ではなく、強磁性的であってもよい。

第４磁性層１４および第５磁性層１５のそれぞれは、単一の材料で構成される層であってもよく、互いに異なる材料で構成される複数の層の積層構造を有していてもよい。第４磁性層１４および第５磁性層１５のそれぞれは、少なくとも強磁性材料で構成される層を含む。第４磁性層１４および第５磁性層１５のそれぞれは、非磁性材料（例えば、常磁性材料）で構成される層を含んでいてもよい。第４磁性層１４および第５磁性層１５のそれぞれは、全体として強磁性材料を主成分として含む。第４磁性層１４および第５磁性層１５のそれぞれは、例えば、鉄およびコバルトからなる合金を主成分として含む合金層を有する。

第４磁性層１４および第５磁性層１５のそれぞれの厚さは、例えば、０．１ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。第４磁性層１４および第５磁性層１５のそれぞれの厚さは、１ｎｍ以上であってもよい。また、第４磁性層１４および第５磁性層１５のそれぞれの厚さは、１０ｎｍ以下であってもよい。

第４磁性層１４の磁化方向Ｄ４および第５磁性層１５の磁化方向Ｄ５のそれぞれは、１方向に固定されている。本明細書において、磁化方向が１方向に固定されているとは、実質的に固定されていることを意味し、磁気抵抗素子１０１が用いられる環境において印加される磁界によって磁化方向が変化しないことを示す。第４磁性層１４の磁化方向Ｄ４および第５磁性層１５の磁化方向Ｄ５は、例えば、－１００ｍＴから１００ｍＴの大きさの外部磁界が印加されたときに磁化方向が変化しない。磁気抵抗素子１０１は、第４磁性層１４および第５磁性層１５を備えることにより、外部磁界が印加されていないときの第１磁性層１１、第２磁性層１２および第３磁性層１３の磁化方向Ｄ１、Ｄ２およびＤ３を容易に規定することができる。

図８で示される例では、第４磁性層１４および第５磁性層１５の磁化方向Ｄ４およびＤ５は、Ｘ軸に平行である。また、第４磁性層１４および第５磁性層１５の磁化方向Ｄ４およびＤ５は、磁気抵抗素子１０１の上面および下面に平行である。また、第４磁性層１４の磁化方向Ｄ４と第５磁性層１５の磁化方向Ｄ５とは同じ（平行）である。

第４磁性層１４および第５磁性層１５の磁化方向Ｄ４およびＤ５を固定する方法としては、例えば、第４磁性層１４と第１反強磁性層４１との間、および、第５磁性層１５と第２反強磁性層４２との間に生じる交換バイアス磁界を用いて固定する方法が挙げられる。

１方向の交換バイアス磁界を発生させるため、１方向に外部磁界を印加した状態で熱処理を行う処理が行われてもよい。熱処理中の外部磁界の大きさは、例えば、１００ｍＴ以上１０００ｍＴ以下である。また、熱処理の温度は、例えば、摂氏３００度以上４００度以下である。

第１反強磁性層４１は、第４磁性層１４を介して第３磁性層１３に対向する。第２反強磁性層４２は、第５磁性層１５を介して第２磁性層１２に対向する。第１反強磁性層４１および第２反強磁性層４２のそれぞれは、反強磁性材料を主成分として含む。第１反強磁性層４１および第２反強磁性層４２のそれぞれは、例えば、マンガンイリジウム合金、マンガンプラチナ合金またはマンガンニッケル合金を主成分として含む。なお、第４磁性層１４の磁化方向Ｄ４および第５磁性層１５の磁化方向Ｄ５が１方向に固定されていれば、磁気抵抗素子１０１は、第１反強磁性層４１および第２反強磁性層４２を備えていなくてもよい。

第１反強磁性層４１および第２反強磁性層４２のそれぞれの厚さは、例えば、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。

第２非磁性層３２は、第３磁性層１３を介して第１非磁性層３１に対向する。第２非磁性層３２は、第３磁性層１３と第４磁性層１４との間に位置する。第３非磁性層３３は、第２磁性層１２を介して誘電体層２０に対向する。第３非磁性層３３は、第２磁性層１２と第５磁性層１５との間に位置する。第２非磁性層３２および第３非磁性層３３のそれぞれは、例えば、非磁性材料（例えば、常磁性材料）を主成分として含む。第２非磁性層３２および第３非磁性層３３のそれぞれに含まれる非磁性材料は、例えば、非磁性金属である。第２非磁性層３２および第３非磁性層３３のそれぞれは、例えば、ルテニウムを主成分として含む。

第２非磁性層３２および第３非磁性層３３のそれぞれの厚さは、例えば、１．０ｎｍ以上５．０ｍｍ以下である。

第２非磁性層３２は、例えば、第３磁性層１３と第４磁性層１４とが第２次または第２次よりも高次の反強磁性的ＲＫＫＹ相互作用を発現するように形成されている。第３非磁性層３３は、例えば、第２磁性層１２と第５磁性層１５とが第２次または第２次よりも高次の反強磁性的ＲＫＫＹ相互作用を発現するように形成されている。これにより、第２磁性層１２および第３磁性層１３に対する反強磁性的な交換結合が強くなりすぎず、磁気抵抗素子１０１のＴＭＲ特性を高めることができる。

（実施の形態２）
以下、実施の形態２に係る磁気センサが説明される。具体的には、実施の形態２では、本開示に係る磁気抵抗素子を備える磁気センサが説明される。

図９は、本実施の形態に係る磁気センサを示す斜視図である。図９では、磁気抵抗素子１１０における誘電体層２０の位置が破線で示されている。また、磁気抵抗素子１１０における外部磁界が印加されていないときの第１磁性層１１（図９において不図示）および第２磁性層１２（図９において不図示）の磁化方向Ｄ１およびＤ２が破線の矢印で示されている。

図９に示されるように、本実施の形態に係る磁気センサ２００は、磁気抵抗素子１１０と、下部電極１２１と、上部電極１２２と、を備える。磁気抵抗素子１１０は、例えば、上記の実施の形態１の変形例に係る磁気抵抗素子１０１であるが、実施の形態１に係る磁気抵抗素子１００の構造を含む磁気抵抗素子であれば特に制限されない。

磁気センサ２００は、検出対象外部磁場の磁界成分を検出する。検出対象外部磁場の磁界成分は、例えば、磁気抵抗素子１１０の電気抵抗を示す信号として検出される。図９で示される例では、磁気センサ２００が検出する検出対象外部磁場の磁界成分の方向は、外部磁界が印加されていないときの第１磁性層１１の磁化方向Ｄ１と第２磁性層１２の磁化方向Ｄ２とは異なる方向である。これにより、磁界成分の検出精度を高めることができる。

例えば、磁気センサ２００が検出する検出対象外部磁場の磁界成分の方向は、外部磁界が印加されていないときの第１磁性層１１の磁化方向Ｄ１および第２磁性層１２の磁化方向Ｄ２のそれぞれに対して直交する方向であってもよい。

下部電極１２１および上部電極１２２のそれぞれは、例えば、薄膜構造である。磁気センサ２００では、下部電極１２１と上部電極１２２との間に電流を流すことで、磁気抵抗素子１１０の電気抵抗を測定する。つまり、下部電極１２１および上部電極１２２は磁気抵抗素子１１０の電気抵抗測定用の電極として用いられる。磁気抵抗素子１１０の電気抵抗を示す信号は、例えば、下部電極１２１および上部電極１２２を介して電圧信号または電流信号として出力される。

下部電極１２１は、第１電極の一例であり、磁気抵抗素子１１０の一端に電気的に接続される。図９で示される例では、下部電極１２１は、磁気抵抗素子１１０の下面に接合されている。上部電極１２２は、第２電極の一例であり、磁気抵抗素子１１０の他端に電気的に接続される。図９で示される例では、上部電極１２２は、磁気抵抗素子１１０の上面に接合されている。下部電極１２１および上部電極１２２の平面視形状は、例えば、磁気抵抗素子１１０の平面視形状と同じであるが、磁気抵抗素子１１０の平面視形状と異なっていてもよい。

下部電極１２１および上部電極１２２のそれぞれは、例えば、金属層または半導体層である。下部電極１２１および上部電極１２２のそれぞれは、単一の材料で構成される層であってもよく、互いに異なる材料で構成される複数の層の積層構造を有していてもよい。また、下部電極１２１および上部電極１２２は、板状の電極または基板上に形成された薄膜状の電極であってもよい。

［変形例］
以下、実施の形態２の変形例に係る磁気センサが説明される。以下の変形例の説明では、実施の形態２との相違点を中心に説明し、共通点の説明を省略または簡略化する。

図１０は、本変形例に係る磁気センサの第１例を示す斜視図である。図１１は、本変形例に係る磁気センサの第２例を示す斜視図である。図１２は、本変形例に係る磁気センサの第３例を示す斜視図である。

図１０から図１２に示されるように、本変形例に係る磁気センサ２０１Ａ、２０１Ｂおよび２０１Ｃは、実施の形態２に係る磁気センサ２００と比較して、磁気抵抗素子１１０を複数備える点、および、下部電極１２１および上部電極１２２の代わりに下部電極１２５および上部電極１２６を備える点で主に相違する。磁気センサ２０１Ａ、２０１Ｂおよび２０１Ｃでは、下部電極１２５と上部電極１２６との間に電流を流すことで、磁気抵抗素子１１０の電気抵抗を測定する。

図１０から図１２に示されるように、磁気センサ２０１Ａ、２０１Ｂおよび２０１Ｃでは、複数の磁気抵抗素子１１０は、１以上の下部電極１２５および１以上の上部電極１２６によって、直列および並列の少なくとも１つの形態で互いに電気的に接続されている。これにより、磁気抵抗素子１１０の電気抵抗の測定時に磁気抵抗素子１１０に加わる電圧を分散させることができる。

具体的には、磁気センサ２０１Ａでは、複数の磁気抵抗素子１１０は、下部電極１２５および上部電極１２６によって、全てが直列で互いに電気的に接続されている。また、磁気センサ２０１Ｂおよび２０１Ｃでは、複数の磁気抵抗素子１１０は、下部電極１２５および上部電極１２６によって、直列と並列との組み合わせで互いに電気的に接続されている。なお、複数の磁気抵抗素子１１０は、全てが並列で互いに電気的に接続されていてもよい。例えば、磁気センサ２０１Ｂにおいて、下部電極１２５同士が電気的に接続されることにより、複数の磁気抵抗素子１１０の全てが、並列で互いに電気的に接続されていてもよい。

複数の磁気抵抗素子１１０は、例えば、同一平面（図１０から図１２ではＸＹ平面）上に配置される。複数の磁気抵抗素子１１０は、磁気センサ２０１Ａのように、１列に並んでもよく、磁気センサ２０１Ｂおよび２０１Ｃのように、アレイ状に並んでいてもよい。また、複数の磁気抵抗素子１１０は、例えば、外部磁界が印加されていないときの、第１磁性層１１の磁化方向Ｄ１同士および第２磁性層１２の磁化方向Ｄ２同士が同じになるように配置される。

下部電極１２５は、第１電極の一例であり、少なくとも１つの磁気抵抗素子１１０の一端に接続される。図１０から図１２で示される例では、下部電極１２５は、少なくとも１つの磁気抵抗素子１１０の下面に接合されている。上部電極１２６は、第２電極の一例であり、少なくとも１つの磁気抵抗素子１１０の他端に接続される。図１０から図１２で示される例では、上部電極１２６は、少なくとも１つの磁気抵抗素子１１０の上面に接合されている。磁気センサ２０１Ａ、２０１Ｂおよび２０１Ｃでは、下部電極１２５および上部電極１２６の少なくとも一方は、２以上の磁気抵抗素子１１０を接続している。

下部電極１２５および上部電極１２６のそれぞれは、例えば、板状また箔状の導電部材である。下部電極１２５および上部電極１２６のそれぞれは、導電性の金属材料または半導体材料を用いて形成される。なお、下部電極１２５および上部電極１２６の少なくとも一方は、全体が導電性の材料で形成されていなくてもよく、磁気抵抗素子１１０に接合される部分が導電性の材料で形成されていればよい。

また、磁気センサ２０１Ａ、２０１Ｂおよび２０１Ｃは、上記の磁気センサ２００のように、下部電極１２１および上部電極１２２の少なくとも一方をさらに備えていてもよく、この場合、下部電極１２１は、磁気抵抗素子１１０と下部電極１２５との間に配置されてもよく、上部電極１２２は、磁気抵抗素子１１０と上部電極１２６との間に配置されてもよい。

（実施の形態３）
以下、実施の形態３に係る検出器が説明される。具体的には、実施の形態３では、本開示に係る磁気センサを備える検出器が説明される。

図１３は、本実施の形態に係る検出器を示す斜視図である。図１３では、わかりやすさのため、磁気スケール２２０におけるＳ極にドットの模様が付されている。また、図１３では、磁気センサ２１０が直方体で模式的に示されている。

図１３に示されるように、本実施の形態に係る検出器３００は、磁気センサ２１０と、磁気スケール２２０と、を備える。磁気センサ２１０は、例えば、上記の磁気センサ２００、２０１Ａ、２０１Ｂまたは２０１Ｃであるが、実施の形態１に係る磁気抵抗素子１００の構造を含む磁気センサであれば特に制限されない。

磁気スケール２２０は、磁気センサ２１０が検出する検出対象外部磁場を発生させる。広範囲の磁界に応答できる磁気抵抗素子１００の構造を含む磁気センサ２１０が検出器３００に備えられることで、磁気センサ２１０と磁気スケール２２０との距離を短くすることが可能になり、検出器３００が設置される装置またはシステム等を小型化できる。

磁気スケール２２０は、少なくとも１つのＮ極とＳ極とが並んだ構造を有する永久磁石で構成される。図１３で示される例では、磁気スケール２２０は、複数のＮ極とＳ極とが並んでいる。また、図１３で示される例では、Ｙ軸に沿ってＮ極とＳ極とは直線状に並んでいる。また、図１３では図示されていないが、外部磁界が印加されていないときの第１磁性層１１の磁化方向Ｄ１および第２磁性層１２の磁化方向Ｄ２は、例えば、Ｘ軸に平行である。つまり、図１３で示される例では、外部磁界が印加されていないときの第１磁性層１１の磁化方向Ｄ１および第２磁性層１２の磁化方向Ｄ２は、Ｎ極とＳ極とが並ぶ方向に対して直交する。Ｎ極とＳ極とは、曲線状に並んでいてもよく、例えば、円環状に並んでいてもよい。図１３で示される例では、磁気スケール２２０は、磁気センサ２１０の下方に位置する。

磁気センサ２１０は、磁気スケール２２０に対して相対的に移動する。磁気センサ２１０および磁気スケール２２０のうち、磁気センサ２１０のみが動いてもよく、磁気スケール２２０のみが動いてもよく、磁気センサ２１０および磁気スケール２２０の両方が動いてもよい。磁気センサ２１０の磁気スケール２２０に対する相対的な移動方向Ｄｍは、磁気スケール２２０においてＮ極とＳ極とが並ぶ方向に平行である。つまり、磁気センサ２１０は、磁気スケール２２０においてＮ極とＳ極とが並ぶ方向に沿って、磁気スケール２２０に対して相対的に移動する。磁気センサ２１０および磁気スケール２２０の少なくとも一方は、例えば、不図示の駆動機構によって駆動される。駆動機構は、例えば、モータまたはアクチュエータ等である。

検出器３００は、磁気センサ２１０と磁気スケール２２０との、位置変化、位置変化の速度および位置変化の加速度のうちの少なくとも１つを検出する。検出器３００は、例えば、不図示の検出回路を備え、検出回路によって磁気センサ２１０（磁気センサ２１０が備える磁気抵抗素子１１０）の電気抵抗を示す信号を取得する。磁気センサ２１０は、磁気スケール２２０においてＮ極とＳ極とが並ぶ方向に沿って磁気スケール２２０に対して相対的に移動する。そのため、磁気センサ２１０に印加される磁気スケール２２０による外部磁界の大きさが振動し、上記信号も振動する。

検出器３００は、磁気センサ２１０と磁気スケール２２０との位置変化を検出する場合には、例えば、上記信号の振動の回数を検出することで位置変化を検出する。また、磁気スケール２２０が円環状であり、磁気センサ２１０または磁気スケール２２０がモータによって回転される場合には、検出器３００は、モータの回転位置を検出することも可能である。

また、検出器３００は、磁気センサ２１０と磁気スケール２２０との位置変化の速度を検出する場合には、例えば、上記信号の振動の頻度（上記信号の周波数または周期）を検出することで位置変化の速度を検出する。

また、検出器３００は、磁気センサ２１０と磁気スケール２２０との位置変化の加速度を検出する場合には、例えば、上記信号の振動の頻度の変化量（上記信号の周波数または周期の変化量）を検出することで位置変化の加速度を検出する。

（実施例）
以下、本開示が、以下の実施例を参照しながらより詳細に説明される。実施例では、磁気抵抗素子を備える磁気センサが作製され、その特性が評価された。

［磁気センサの作製］
以下の説明のようにして、実施例および比較例における磁気抵抗素子を備える磁気センサを作製した。

（１）実施例１
基板上に、Ｔａ（２）／Ｒｕ（２０）／Ｔａ（２）／Ｒｕ（２）／ＩｒＭｎ（６）／ＣｏＦｅ（４）／Ｒｕ（１．７）／ＣｏＦｅ（４）／Ｒｕ（１．７）／ＣｏＦｅ（０．７）／ＣｏＦｅＢ（０．５）／Ｔａ（０．２）／ＣｏＦｅＢ（２）／ＭｇＯ（１．８）／ＣｏＦｅＢ（２）／Ｔａ（０．２）／ＣｏＦｅＢ（０．５）／ＣｏＦｅ（０．７）／Ｒｕ（１．７）／ＣｏＦｅ（２．５）／ＩｒＭｎ（８）／Ｒｕ（８）構造をスパッタリングによって形成した。「／」は、「／」の左右に記載された材料の層が互いに隣接して積層されていることを示す。また、層の材料は、元素記号で示されている。また、ＩｒＭｎのように２種類以上の元素記号が並んで表記されている場合には、当該２種類以上の元素記号の元素からなる合金であることを示している。また、元素記号の横の括弧内は、ｎｍ単位で示す層の厚さである。これらは、以降の説明においても同様である。

上記の各層を積層した後に、フォトリソグラフィなどで所定の形状に加工した。その後、上記の積層構造上にＴａ（５）／Ａｕ（１００）構造をスパッタリングによって形成し、フォトリソグラフィなどで所定の形状に加工した。さらに、磁場中熱処理として、１方向に７００ｍＴの外部磁界を印加した状態で摂氏３５０度に加熱することで、実施例１における磁気センサを得た。

図１４は、実施例１における磁気センサの積層構造を模式的に示す図である。基板上のＴａ（２）／Ｒｕ（２０）／Ｔａ（２）／Ｒｕ（２）は信号取出し用の下部電極である。その上のＩｒＭｎ（６）は第１反強磁性層である。その上のＣｏＦｅ（４）は第４磁性層である。その上のＲｕ（１．７）は第２非磁性層である。その上のＣｏＦｅ（４）は第３磁性層である。その上のＲｕ（１．７）は第１非磁性層である。その上の、ＣｏＦｅ（０．７）／ＣｏＦｅＢ（０．５）／Ｔａ（０．２）／ＣｏＦｅＢ（２）は第１磁性層である。その上のＭｇＯ（１．８）は誘電体層である。その上のＣｏＦｅＢ（２）／Ｔａ（０．２）／ＣｏＦｅＢ（０．５）／ＣｏＦｅ（０．７）は第２磁性層である。その上のＲｕ（１．７）は第３非磁性層である。その上のＣｏＦｅ（２．５）は第５磁性層である。その上のＩｒＭｎ（８）は第２反強磁性層である。その上のＲｕ（８）はキャップ層である。その上のＴａ（５）／Ａｕ（１００）は信号取出し用の上部電極である。

（２）比較例１
基板上に、Ｔａ（２）／Ｒｕ（２０）／Ｔａ（２）／Ｒｕ（２）／ＩｒＭｎ（６）／ＣｏＦｅ（２）／Ｒｕ（２．６）／ＣｏＦｅ（１）／ＣｏＦｅＢ（４）／Ｔａ（０．３）／ＣｏＦｅＢ（２）／ＭｇＯ（１．８）／ＣｏＦｅＢ（２）／Ｔａ（０．３）／ＣｏＦｅＢ（４）／ＣｏＦｅ（１）／Ｒｕ（１．７）／ＣｏＦｅ（２）／ＩｒＭｎ（８）／Ｒｕ(８)構造をスパッタリングによって形成した。

上記の各層を積層した後に、フォトリソグラフィなどで所定の形状に加工した。その後、上記の積層構造上にＴａ（５）／Ａｕ（１００）構造をスパッタリングによって形成し、フォトリソグラフィなどで所定の形状に加工した。さらに、磁場中熱処理として、１方向に７００ｍＴの外部磁界を印加した状態で摂氏３５０度に加熱することで、比較例１における磁気センサを得た。

図１５は、比較例１における磁気センサの積層構造を模式的に示す図である。基板上のＴａ（２）／Ｒｕ（２０）／Ｔａ（２）／Ｒｕ（２）は信号取出し用の下部電極である。ＩｒＭｎ（６）は第１反強磁性層である。その上のＣｏＦｅ（２）は第４磁性層である。その上のＲｕ（２．６）は非磁性層である。その上のＣｏＦｅ（１）／ＣｏＦｅＢ（４）／Ｔａ（０．３）／ＣｏＦｅＢ（２）が第１磁性層である。その上のＭｇＯ（１．８）は誘電体層である。その上のＣｏＦｅＢ（２）／Ｔａ（０．３）／ＣｏＦｅＢ（４）／ＣｏＦｅ（１）は第２磁性層である。その上のＲｕ（１．７）は第３非磁性層である。その上のＣｏＦｅ（２）は第５磁性層である。その上のＩｒＭｎ（８）は第２反強磁性層である。その上のＲｕ（８）はキャップ層である。その上のＴａ（５）／Ａｕ（１００）は信号取出し用の上部電極である。比較例１における磁気センサは、実施例１における磁気センサの第１非磁性層、第３磁性層および第２非磁性層をＲｕ（２．６）の非磁性層に置き換えた積層構造を有する。

（３）比較例２
基板上に、Ｔａ（２）／Ｒｕ（２０）／Ｔａ（２）／Ｒｕ（２）／ＩｒＭｎ（６）／ＣｏＦｅ（４）／Ｒｕ（０．８）／ＣｏＦｅ（４）／Ｒｕ（１．７）／ＣｏＦｅ（０．７）／ＣｏＦｅＢ（０．５）／Ｔａ（０．２）／ＣｏＦｅＢ（２）／ＭｇＯ（１．８）／ＣｏＦｅＢ（２）／Ｔａ（０．２）／ＣｏＦｅＢ（０．５）／ＣｏＦｅ（０．７）／Ｒｕ（１．７）／ＣｏＦｅ（２．５）／ＩｒＭｎ（８）／Ｒｕ（８）構造をスパッタリングによって形成した。

上記の各層を積層した後に、フォトリソグラフィなどで所定の形状に加工した。その後、上記の積層構造上にＴａ（５）／Ａｕ（１００）構造をスパッタリングによって形成し、フォトリソグラフィなどで所定の形状に加工した。さらに、磁場中熱処理として、１方向に７００ｍＴの外部磁界を印加した状態で摂氏３５０度に加熱することで、比較例２における磁気センサを得た。

図１６は、比較例２における磁気センサの積層構造を模式的に示す図である。基板上のＴａ（２）／Ｒｕ（２０）／Ｔａ（２）／Ｒｕ（２）は信号取出し用の下部電極である。その上のＩｒＭｎ（６）は第１反強磁性層である。その上のＣｏＦｅ（４）は第４磁性層である。その上のＲｕ（０．８）は第２非磁性層である。その上のＣｏＦｅ（４）は第３非磁性層である。その上のＲｕ（１．７）は第１非磁性層である。その上のＣｏＦｅ（０．７）／ＣｏＦｅＢ（０．５）／Ｔａ（０．２）／ＣｏＦｅＢ（２）が第１磁性層である。その上のＭｇＯ（１．８）は誘電体層である。その上のＣｏＦｅＢ（２）／Ｔａ（０．２）／ＣｏＦｅＢ（０．５）／ＣｏＦｅ（０．７）は第２磁性層である。その上のＲｕ（１．７）は第３非磁性層である。その上のＣｏＦｅ（２．５）は第５磁性層である。その上のＩｒＭｎ（８）は第２反強磁性層である。その上のＲｕ（８）はキャップ層である。その上のＴａ（５）／Ａｕ（１００）は信号取出し用の上部電極である。比較例２における磁気センサは、実施例１における磁気センサの第２非磁性層の厚さを１．７ｎｍから０．８ｎｍに変更した構成を有する。

［磁気センサにおける磁化方向］
図１７は、ＲＫＫＹ相互作用による交換結合エネルギと非磁性層の厚さとの関係を示す図である。図１７では、ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅ構造（非磁性層にルテニウムを用いた磁性層の交換結合構造）におけるＲＫＫＹ相互作用による交換結合エネルギを、ルテニウム層の厚さに対してプロットした結果が示されている。交換結合エネルギが負の場合は、ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅ構造のＣｏＦｅ層同士が反強磁性結合する。つまり、２つのＣｏＦｅの磁化方向が反平行状態であることが安定である。交換結合エネルギが正の場合は、ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅ構造のＣｏＦｅ層同士が強磁性結合する。つまり、２つのＣｏＦｅの磁化方向が平行状態であることが安定である。例えば、交換結合エネルギが負の場合の交換結合エネルギの大きさは以下の様にして求めることができる。例えば、ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅ構造の２つのＣｏＦｅ層の磁化方向は、外部磁界が印加されていないときには安定状態である反平行状態であるが、印加する外部磁界を大きくすると外部磁界によるエネルギにより２つのＣｏＦｅ層の磁化方向が平行状態になる。２つのＣｏＦｅ層の磁化方向が平行状態となったかどうかは磁化測定を行うことで判別できる。平行状態となったときの磁場の大きさをＣｏＦｅ層の磁気モーメントで割ることで交換結合エネルギを得ることができる。

図１７に示されるように、ルテニウム層の厚さが０．８ｎｍの場合は強い反強磁性結合（第１次の反強磁性的ＲＫＫＹ相互作用）となる。また、ルテニウム層の厚さが１．７ｎｍの場合、弱い反強磁性結合（第２次の反強磁性的ＲＫＫＹ相互作用）となる。また、ルテニウム層の厚さが２．６ｎｍのときは弱い強磁性結合（第２次の強磁性的ＲＫＫＹ相互作用）となる。そのため、実施例１における磁気センサでは、第１非磁性層、第２非磁性層および第３非磁性層はいずれも、弱い反強磁性結合を発現させるように設計されている。また、比較例１における磁気センサでは、第３非磁性層は弱い反強磁性結合を発現させるように設計され、非磁性層は弱い強磁性結合を発現させるように設計されている。また、比較例２における磁気センサでは、第１非磁性層および第３非磁性層は弱い反強磁性結合を発現させるように設計され、第２非磁性層は強い反強磁性結合を発現させるように設計されている。

上記のようにルテニウム層の厚さが設定され、第４磁性層と第１反強磁性層との間、および、第５磁性層と第２反強磁性層との間に交換バイアス磁界が生じることによって、外部磁界が印加されていないときの各磁性層の磁化方向は、図１４から図１６において矢印で示される方向となる。

［磁気抵抗特性の評価］
上記で得られた磁気センサの上部電極と下部電極との間に３０ｍＶの定電圧を印加して抵抗を測定した。抵抗の測定では、磁場中熱処理時の磁界印加方向と直交する方向に電磁石を用いて印加する一様磁場の大きさを変化させながら、測定を行った。図１８に、測定した磁気抵抗特性（抵抗－磁界特性）を示す。図１８において、縦軸は、抵抗変化率を示し、横軸は、磁気センサに印加される磁界を示す。ここで、抵抗変化率は、（Ｒｍａｘ－Ｒ）／Ｒｍａｘにより算出される。Ｒｍａｘは、図４を用いて説明した最大抵抗値Ｒｍａｘであり、Ｒは抵抗の測定値である。また、測定した磁気抵抗特性から、磁気センサの磁気抵抗素子が応答可能な磁界の程度を表す指標として図４を用いて説明した磁界強度Ｈｋも決定した。実施例１、比較例１および比較例２における磁界強度Ｈｋを表１に示す。表１には、磁界強度Ｈｋに加えて、第３磁性層の有無、第１非磁性層の厚さおよび第２非磁性層の厚さも示されている。

図１８および表１に示されるように、比較例１における磁気センサの磁気抵抗素子の抵抗変化のほとんどは、－１０ｍＴから１０ｍＴの磁界の範囲で生じており、Ｈｋは８ｍＴである。また、比較例２における磁気センサの磁気抵抗素子の抵抗変化のほとんどは、－２５ｍＴから２５ｍＴの磁界の範囲で生じており、Ｈｋは１４ｍＴである。一方、実施例１における磁気センサの磁気抵抗素子の抵抗変化のほとんどは－５０ｍＴから５０ｍＴの磁界の範囲で生じており、Ｈｋは２４ｍＴである。よって、実施例１における磁気センサでは比較例１および比較例２における磁気センサよりも広い範囲の磁界で抵抗変化が得られるため、広範囲の磁界に応答可能である。これは、上記でも説明したように、実施例１における磁気センサでは、外部磁界による第１磁性層の磁化方向の回転を打ち消すように第３磁性層の磁化方向が回転するためである。一方で、比較例１における磁気センサでは第３磁性層が無いため、実施例１における磁気センサよりも外部磁界によって第１磁性層の磁化方向が回転しやすく、外部磁界によって抵抗が変化しやすかったと考えられる。また、比較例２における磁気センサでは、第２非磁性層の厚さが０．８ｎｍであることによって、第３磁性層が第４磁性層と強く反強磁性結合しているため、第３磁性層が外部磁界によって回転せず、実施例１における磁気センサのような効果が得られなかったと考えられる。

（他の実施の形態）
以上、本開示に係る磁気抵抗素子、磁気センサおよび検出器について、実施の形態（変形例を含む）および実施例に基づいて説明したが、本開示は、これらの実施の形態および実施例に限定されるものではない。本開示の主旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を実施の形態に施したもの、ならびに、実施の形態における一部の構成要素を組み合わせて構築される別の形態も、本開示の範囲に含まれる。

また、上記の各実施の形態は、特許請求の範囲またはその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。

本開示に係る磁気抵抗素子は、磁気センサ等の磁界を検出する種々の用途に利用可能である。

１１ 第１磁性層
１２ 第２磁性層
１３ 第３磁性層
１４ 第４磁性層
１５ 第５磁性層
２０ 誘電体層
３１ 第１非磁性層
３２ 第２非磁性層
３３ 第３非磁性層
４１ 第１反強磁性層
４２ 第２反強磁性層
１００、１０１、１１０ 磁気抵抗素子
１２１、１２５ 下部電極
１２２、１２６ 上部電極
２００、２０１Ａ、２０１Ｂ、２０１Ｃ、２１０ 磁気センサ
２２０ 磁気スケール
３００ 検出器
Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５ 磁化方向

Claims (16)

1. 外部磁界に応じて磁化方向が変化する第１磁性層、第２磁性層および第３磁性層であって、前記第１磁性層が、前記第２磁性層と前記第３磁性層との間に位置するように積層された第１磁性層、第２磁性層および第３磁性層と、
   前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に位置する誘電体層と、
   前記第１磁性層と前記第３磁性層との間に位置する第１非磁性層と、を備え、
   前記第１磁性層の磁化方向と前記第２磁性層の磁化方向とは、外部磁界が印加されていないときに反平行状態で安定化し、
   前記第１磁性層の磁化方向と前記第３磁性層の磁化方向とは、外部磁界が印加されていないときに反平行状態で安定化する、
   磁気抵抗素子。
2. 前記第１非磁性層は、前記第１磁性層と前記第３磁性層とが第２次または第２次より高次の反強磁性的ＲＫＫＹ（Ｒｕｄｅｒｍａｎ，Ｋｉｔｔｅｌ，Ｋａｓｕｙａ，Ｙｏｓｉｄａ）相互作用を発現するように形成されている、
   請求項１に記載の磁気抵抗素子。
3. 前記第１非磁性層は、ルテニウムを主成分として含み、
   前記第１非磁性層の厚さは、１．０ｎｍ以上５．０ｎｍ以下である、
   請求項１に記載の磁気抵抗素子。
4. 前記誘電体層は、酸化マグネシウム、酸化アルミニウムまたは酸化マグネシウムアルミニウムからなる合金を主成分として含む、
   請求項１に記載の磁気抵抗素子。
5. 前記第１磁性層および前記第２磁性層のそれぞれは、コバルト、鉄およびホウ素を主成分として含む合金層を有する、
   請求項１に記載の磁気抵抗素子。
6. 磁化方向が１方向に固定された第４磁性層および第５磁性層と、
   前記第３磁性層を介して前記第１非磁性層に対向する第２非磁性層と、
   前記第２磁性層を介して前記誘電体層に対向する第３非磁性層と、をさらに備え、
   前記第４磁性層は、前記第２非磁性層を介して前記第３磁性層に対向し、
   前記第５磁性層は、前記第３非磁性層を介して前記第２磁性層に対向する、
   請求項１に記載の磁気抵抗素子。
7. 前記第２非磁性層は、前記第３磁性層と前記第４磁性層とが第２次または第２次より高次の反強磁性的ＲＫＫＹ相互作用を発現するように形成されており、
   前記第３磁性層は、前記第２磁性層と前記第５磁性層とが第２次または第２次より高次の反強磁性的ＲＫＫＹ相互作用を発現するように形成されている、
   請求項６に記載の磁気抵抗素子。
8. 前記第４磁性層を介して前記第３磁性層に対向する第１反強磁性層と、
   前記第５磁性層を介して前記第２磁性層に対向する第２反強磁性層と、をさらに備える、
   請求項６に記載の磁気抵抗素子。
9. 前記第１反強磁性層および前記第２反強磁性層のそれぞれは、マンガンイリジウム合金、マンガンプラチナ合金またはマンガンニッケル合金を主成分として含む、
   請求項８に記載の磁気抵抗素子。
10. 第１反強磁性層と、
    第４磁性層と、
    第２非磁性層と、
    第３磁性層と、
    第１非磁性層と、
    第１磁性層と、
    誘電体層と、
    第２磁性層と、
    第３非磁性層と、
    第５磁性層と、
    第２反強磁性層と、がこの順に積層された積層構造を有し、
    前記第１非磁性層は、前記第１磁性層と前記第３磁性層とが第２次または第２次より高次の反強磁性的ＲＫＫＹ相互作用を発現するように形成されている、
    磁気抵抗素子。
11. 請求項１から１０のいずれか１項に記載の磁気抵抗素子と、
    前記磁気抵抗素子の一端に電気的に接続された第１電極と、
    前記磁気抵抗素子の他端に電気的に接続された第２電極と、を備える、
    磁気センサ。
12. 外部磁界が印加されていないときの前記第１磁性層の磁化方向および前記第２磁性層の磁化方向とは異なる方向の磁界成分を検出する、
    請求項１１に記載の磁気センサ。
13. 前記磁気抵抗素子を複数備え、
    前記複数の磁気抵抗素子は、直列および並列の少なくとも１つの形態で互いに電気的に接続されている、
    請求項１１に記載の磁気センサ。
14. 請求項１１に記載の磁気センサと、
    少なくとも１つのＮ極とＳ極とが並んだ磁気スケールとを備え、
    前記磁気センサと前記磁気スケールとの位置変化を検出する、
    検出器。
15. 請求項１１に記載の磁気センサと、
    少なくとも１つのＮ極とＳ極とが並んだ磁気スケールとを備え、
    前記磁気センサと前記磁気スケールとの位置変化の速度を検出する、
    検出器。
16. 請求項１１に記載の磁気センサと、
    少なくとも１つのＮ極とＳ極とが並んだ磁気スケールとを備え、
    前記磁気センサと前記磁気スケールとの位置変化の加速度を検出する、
    検出器。