JP3282444B2 - 磁気抵抗素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は磁気エンコーダ、磁気ヘ
ッド、磁気バブル検出器等の感磁部に適した磁気抵抗素
子に関する。更に詳しくは強磁性トンネル接合による磁
気抵抗効果を利用して磁気信号を検出する磁気抵抗素子
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図９に示すように、磁気抵抗素子として
実用的に用いられている素子の感磁部１は、単層の磁気
抵抗効果を有する強磁性薄膜を一定幅のストライプ状に
加工した後、その長手方向（ｙ方向）の両端に電極２，
３を形成して作られる。これらの電極２，３に一定の電
流を流し、感磁部１の幅方向（ｘ方向）に検出すべき磁
場を与えたときの電極２，３間の電圧に基づいて算出さ
れた抵抗値から磁場が検出される。図１０に示すよう
に、従来の磁気抵抗素子は電流の流れる方向に直交する
磁場の大きさによって抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）が最大２
〜６％変化する特性を有する。上記磁気抵抗素子はこの
特性を利用してサーボモータなどの磁気式の回転センサ
であるＦＧ（Frequency Generator）検出センサに用い
られる。この磁気抵抗素子を回転センサとして回転ドラ
ムの回転検出に用いた場合、図１１〜図１３に示すよう
に、回転軸４に永久磁石からなる回転ドラム５を取付
け、このドラム表面に多極着磁パターン５ａを着磁ピッ
チＭで設け、このドラム表面に近接して設けられる磁気
抵抗素子（磁気式回転センサ）６のセンサストライプ７
ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ（抵抗値をそれぞれＲ₁，Ｒ₂，Ｒ
₃，Ｒ₄とする）はそれぞれ間隔Ｐ＝Ｍ／２で配列され
る。８は基板、９は出力端子である。このように構成す
ると、ドラム５の回転に従ってセンサストライプ７ａ〜
７ｄの抵抗値Ｒ₁〜Ｒ₄が規則的に変化し、図１４に示す
ように入力信号Ａに対して出力端子９に交流信号Ｂが得
られる。

【０００３】一方、２つの強磁性薄膜を薄い絶縁層を挟
んで接合した素子において、強磁性薄膜間に一定のトン
ネル電流を流し、この状態で強磁性薄膜の膜面に平行に
異なる磁場を与えたときの抵抗の変化により、この素子
に新しい磁気抵抗効果があることが報告されている（S.
Maekawa and U.Gafvert, IEEE Trans. Magn. MAG-18(19
82) 707）。本発明者らは、上記２つの強磁性薄膜を薄
い絶縁層を含む非磁性膜を挟んで接合し、これにより生
じる強磁性トンネル接合を利用し、２つの強磁性薄膜を
それぞれの磁化容易軸が互いに直交するように配置して
設け、一方の強磁性薄膜の磁化容易軸方向の保磁力がも
う一方の強磁性薄膜の磁化容易軸方向の保磁力より２倍
以上大きいことを特徴とする磁気抵抗素子を発明し、特
許出願した（特開平６−２４４４７７）。この強磁性ト
ンネル接合を利用した磁気抵抗素子は室温において抵抗
変化率（ΔＲ／Ｒ）が２％以上であって弱磁場における
感度が良好で、安定して使用可能な磁場範囲を有効磁場
範囲の２倍以上にすることができる特長を有する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、図９に示した
従来の磁気抵抗素子の抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）は室温で
通常２〜３％であって、大きくても高々６％である。上
述した磁気抵抗素子（磁気式回転センサ）６の出力信号
は上述したように交流信号であるため、検出精度を高め
る上で、図１５に示すように方形波信号に波形整形する
必要がある。しかも図１４に示すようにゼロ磁場を中心
にして入力した場合には出力信号Ｂの振幅が小さいた
め、増幅回路を用いるか、或いは図１６に示すように磁
気抵抗素子の近くにバイアス用の磁石を設けてバイアス
磁場Ｈ_Bをかけることにより、出力信号Ｂを増幅する必
要がある。また図１１から明らかなようにセンサストラ
イプのピッチＰを磁極のピッチＭと整合する必要があ
る。これらのことから、従来の磁気抵抗素子から高い出
力特性を得ようとする場合、素子構造や回路構成が複雑
化する不具合があった。また特開平６−２４４４７７号
に開示される強磁性トンネル接合によるものは磁気によ
る抵抗変化率が室温が５％以下と低く、その応用につい
ては未だ考慮されていない。

【０００５】本発明の目的は、室温における抵抗変化率
（ΔＲ／Ｒ）が１０％以上であって、弱磁場における感
度が良好で、出力波形を方形波に波形整形する必要のな
い、強磁性トンネル接合を利用した磁気抵抗素子を提供
することにある。また本発明の別の目的は、その動作点
をバイアス用磁石で偏倚させる必要がなく、構造及び回
路構成が簡単で小型化し得る磁気抵抗素子を提供するこ
とにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、強磁性体
金属において伝導電子がスピン偏極を起こしているた
め、フェルミ面における上向きスピンと下向きスピンの
電子状態が異なっており、このような強磁性体金属を用
いて、強磁性体と絶縁体と強磁性体からなる強磁性トン
ネル接合を作ると、伝導電子はそのスピンを保ったまま
トンネルするため、両磁性層の磁化状態によってトンネ
ル確率が変化し、それがトンネル抵抗の変化となって現
れると考え、この点に着目して本発明に到達した。

【０００７】即ち、図１に示すように、本発明の第一の
磁気抵抗素子１０は、第１強磁性薄膜１１と第２強磁性
薄膜１２とを薄い絶縁層を含む非磁性膜１３を挟んで接
合し、これにより生じる強磁性トンネル接合を利用した
ものの改良であって、その特徴ある構成は、第１及び第
２強磁性薄膜１１，１２がともに膜面内に磁気異方性を
有さず、第１強磁性薄膜１１の保磁力が第２強磁性薄膜
１２の保磁力より大きく、図５に示すように第１強磁性
薄膜１１及び第２強磁性薄膜１２のそれぞれの磁化曲線
が角形状のヒステリシス曲線を有し、全体の磁化曲線が
階段状で角形状のヒステリシス曲線であることにある。

【０００８】また図２に示すように、本発明の第二の磁
気抵抗素子３０は、第３強磁性薄膜３１と第４強磁性薄
膜３２とを薄い絶縁層を含む非磁性膜３３を挟んで接合
し、これにより生じる強磁性トンネル接合を利用したも
のの改良であって、その特徴ある構成は、第３強磁性薄
膜３１が膜面内に磁気異方性を有し、第４強磁性薄膜３
２が膜面内に磁気異方性を有さず、第３強磁性薄膜３１
の磁化容易軸方向に磁場を印加した場合に第３強磁性薄
膜３１の磁化容易軸方向の保磁力が第４強磁性薄膜３２
の保磁力より大きく、図５に示すように第３強磁性薄膜
３１及び第４強磁性薄膜３２のそれぞれの磁化曲線が角
形状のヒステリシス曲線を有し、全体の磁化曲線が階段
状で角形状のヒステリシス曲線であることにある。

【０００９】以下、本発明を詳述する。 (a) 強磁性トンネル接合による磁気抵抗効果 図１〜図３に示すように、基板１６（又は３６）上で薄
い絶縁層を含む非磁性膜１３（又は３３）を挟んで強磁
性トンネル接合した強磁性薄膜１１及び１２（又は３１
及び３２）に電極１４及び１５（又は３４及び３５）を
それぞれ設け、両電極１４，１５（又は３４，３５）間
に電流を流すと、両電極１４，１５（又は３４，３５）
間に流れるトンネル電流は２つの強磁性薄膜１１，１２
（又は３１，３２）の磁化の向きの相互関係によって異
なり、磁化の向きが変わると抵抗値が変化する磁気抵抗
効果が現れる。即ち、図３の実線矢印で示すように強磁
性薄膜１１，１２（又は３１，３２）の磁化の向き
Ｍ₁，Ｍ₂（又はＭ₃，Ｍ₄）が直交するときの抵抗値をＲ
₀とすると、強磁性薄膜１１，１２（又は３１，３２）
の磁化の向きがそれぞれ同一方向であるとき（Ｍ₂を破
線矢印で示す）には抵抗値は［Ｒ₀−ΔＲ／２］とな
り、強磁性薄膜１１，１２の磁化の向きが互いに反対方
向であるとき（Ｍ₂を一点鎖線矢印で示す）には抵抗値
は［Ｒ₀＋ΔＲ／２］となる。

【００１０】(b) 本発明の第一の磁気抵抗素子１０に固
有の特徴 図１に示すように、磁気抵抗素子１０の第一の特徴ある
構成は２つの強磁性薄膜１１，１２がともに膜面内に磁
気異方性を有しない点にある。このように構成すること
により、最初に２つの強磁性薄膜１１，１２の保磁力よ
り大きな外部磁場Ｈを特定の方向にかけてから外部磁場
をゼロにすると、図３に示すように２つの強磁性薄膜１
１，１２の磁化の向きＭ₁，Ｍ₂は図３の実線のＭ₁と破
線のＭ₂に示すように平行となり、両薄膜間の抵抗値は
［Ｒ₀−ΔＲ／２］となる。次いで外部磁場の方向を今
までの方向（即ち、磁化の向きＭ₁）と反対にとり、そ
の磁場を大きくしていくと、保磁力の小さな強磁性薄膜
１２の磁化の向きＭ₂は外部磁場がその保磁力を越えた
とき、図３の一点鎖線矢印に示すように外部磁場方向へ
反転し、その抵抗値は［Ｒ₀＋ΔＲ／２］となる。更に
外部磁場が大きくなり、保磁力の大きな強磁性薄膜１１
の保磁力より大きくしていくと、強磁性薄膜１１の磁化
の向きＭ₁が反転し、抵抗値は［Ｒ₀＋ΔＲ／２］から
［Ｒ₀−ΔＲ／２］になり、この状態は次に磁場を反転
させ、強磁性薄膜１２の保磁力を越えるまで維持され
る。

【００１１】第１及び第２強磁性薄膜１１，１２をとも
に膜面内に磁気異方性を保有しないようにする方法は、
イオンビーム蒸着法、真空蒸着法、スパッタリング法等
により、強磁性薄膜１１，１２をストライプ状にする代
わりに、円形、正方形などの磁化異方性のない形状に
し、かつ着膜時に磁場をかけない方法が挙げられる。図
１では薄膜１１及び１２がそれぞれ正方形の場合を示し
ている。図１に示す薄膜１１及び１２を作る順序として
は、基板１６上に第１強磁性薄膜１２を磁化異方性のな
い正方形などの形状にし、着膜時に磁場をかけない。次
いで強磁性薄膜１２の中央部に非磁性膜１３を着膜し、
この非磁性膜の中央部に第１強磁性薄膜１１をやはり磁
化異方性のない正方形などの形状にし、着膜時に磁場を
かけない。即ち、２つの薄膜１１，１２に関して、磁化
容易軸を特定の方向に配置しないようにする。特に、第
２強磁性薄膜１２の上にスパッタリング法によりＡｌ膜
を形成した後、このＡｌ膜を酸化させてその表面にＡｌ
₂Ｏ₃層を形成することにより上記非磁性膜１３を作る
と、非磁性膜１３を均一で緻密にすることができる。

【００１２】また、図１に示すように、２つの強磁性薄
膜１１，１２間に生じる磁気抵抗効果のみを有効に検出
するために、第１強磁性薄膜１１の一端と第２強磁性薄
膜１２の一端に両薄膜に一定電流を流すための第１電極
１４，１５をそれぞれ設け、第１強磁性薄膜１１の他端
と第２強磁性薄膜１２の他端に両薄膜間に印加された電
圧を測定するための第２電極１７，１８をそれぞれ設け
ることが好ましい。

【００１３】(c) 本発明の第二の磁気抵抗素子３０に固
有の特徴 図２に示すように、磁気抵抗素子３０の第一の特徴ある
構成は第３強磁性薄膜３１が膜面内に磁気異方性を有
し、第４強磁性薄膜３２が膜面内に磁気異方性を有しな
い点にある。このように構成することにより、最初に２
つの強磁性薄膜３１，３２の保磁力より大きな外部磁場
Ｈを強磁性薄膜３１の磁化容易軸Ｍ₃方向にかけてから
外部磁場をゼロにすると、図３に示すように２つの強磁
性薄膜３１，３２の磁化の向きＭ₃，Ｍ₄は図３の実線の
Ｍ₃と破線のＭ₄に示すように平行となり、両薄膜間の抵
抗値は［Ｒ₀−ΔＲ／２］となる。次いで外部磁場の方
向を今までの方向（即ち、磁化の向きＭ₃）と反対にと
り、その磁場を大きくしていくと、保磁力の小さな強磁
性薄膜３２の磁化の向きＭ₄は外部磁場がその保磁力を
越えたとき、図３の一点鎖線矢印に示すように外部磁場
方向へ反転し、その抵抗値は［Ｒ₀＋ΔＲ／２］とな
る。更に外部磁場が大きくなり、保磁力の大きな強磁性
薄膜３１の保磁力より大きくしていくと、強磁性薄膜３
１の磁化の向きＭ₃が反転し、抵抗値は［Ｒ₀＋ΔＲ／
２］から［Ｒ₀−ΔＲ／２］になり、この状態は次に磁
場を反転させ、強磁性薄膜３２の保磁力を越えるまで維
持される。

【００１４】第３強磁性薄膜３１を膜面内に磁気異方性
を保有させるための方法としては、図２に示すように強
磁性薄膜３１をイオンビーム蒸着法、真空蒸着法、スパ
ッタリング法等によりストライプ状にして磁化容易軸Ｍ
₃を得る方法、又は図示しないが円形、正方形などの磁
化異方性のない形状にしかつ着膜時に磁場をかける方
法、或いはこれらを組合せた方法が挙げられる。第４強
磁性薄膜３２を膜面内に磁気異方性を保有しないように
する方法は、前述した第１及び第２強磁性薄膜の形成方
法と同じである。図２に示す薄膜３１及び３２を作る順
序としては、先ずガラス等の基板３６上に第４強磁性薄
膜３２を磁気異方性のない正方形などの形状にし、着膜
時に磁場をかけない。次いで強磁性薄膜３２の中央部に
非磁性膜３３を着膜し、この非磁性膜の中央部に第３強
磁性薄膜３１をストライプ状にかつその長手方向が磁化
容易軸Ｍ₃になるように形成し、着膜時に必要により磁
場をストライプの長手方向にかける。或いは第３強磁性
薄膜３１を先に形成し、次いで非磁性膜３３を形成し、
最後に第４強磁性薄膜３２を形成してもよい。

【００１５】特に、第４強磁性薄膜３２の上にスパッタ
リング法によりＡｌ膜を形成した後、このＡｌ膜を酸化
させてその表面にＡｌ₂Ｏ₃層を形成することにより上記
非磁性膜３３を作ると、非磁性膜３３を均一で緻密にす
ることができる。また、図２に示すように、２つの強磁
性薄膜３１，３２間に生じる磁気抵抗効果のみを有効に
検出するために、第３強磁性薄膜３１の一端と第４強磁
性薄膜３２の一端に両薄膜に一定電流を流すための第３
電極３４，３５をそれぞれ設け、第３強磁性薄膜３１の
他端と第４強磁性薄膜３２の他端に両薄膜間に印加され
た電圧を測定するための第４電極３７，３８をそれぞれ
設けることが好ましい。

【００１６】(d) 本発明の第一及び第二の磁気抵抗素子
１０，３０に共通する特徴 磁気抵抗素子１０，３０のそれぞれの第二の特徴ある構
成は、強磁性薄膜１１の保磁力と強磁性薄膜１２の保磁
力との間、又は磁化容易軸方向に磁場を印加した場合の
強磁性薄膜３１の磁化容易軸方向の保磁力と強磁性薄膜
３２の保磁力との間に差を設けた点である。これにより
磁気抵抗素子に図４に示すように磁場範囲Ｄを越える外
部磁場を与えれば、その特性は可逆的に変化し、図６に
示すように方形波出力が得られる。２つの強磁性薄膜の
保磁力差により図４に示される方形波出力の幅Ｗが決め
られる。

【００１７】磁気抵抗素子１０，３０の第三の特徴ある
構成は、第１強磁性薄膜１１及び第２強磁性薄膜１２の
それぞれの磁化曲線、又は第３強磁性薄膜３１及び第４
強磁性薄膜３２のそれぞれの磁化曲線が、図５の符号ａ
及びｂに示すように破線と一点鎖線の角形状のヒステリ
シス曲線を有し、全体の磁化曲線が符号ｃで示すように
実線の階段状で角形状のヒステリシス曲線である点にあ
る。この角形状のヒステリシス曲線を得るための具体的
な手段としては、強磁性薄膜内で磁化方向がばらつかな
いようにすることが望ましく、着膜時にその方向に磁場
を印加するか、或いは図２に示すようにストライプ形状
とし、その長手方向と磁化容易軸とを一致させる。特に
保磁力が小さいと角形性が出にくいことから、保磁力の
小さい強磁性薄膜１２又は強磁性薄膜３２は、強磁性薄
膜１１又は強磁性薄膜３１の大きな保磁力に近づけるこ
とが望ましい。また新規な磁気センサとして本発明の磁
気抵抗素子が方形波出力を得るためには、センサと使用
するときに磁場範囲Ｄを越える磁場を与える必要があ
る。このために弱磁場で方形波出力を得るためには強磁
性薄膜１１又は強磁性薄膜３１の保磁力を比較的小さく
しておく必要がある。そこで強磁性薄膜１１又は強磁性
薄膜３１の保磁力は強磁性薄膜１２又は強磁性薄膜３２
の保磁力より２倍を越えない程度に大きくすることが好
ましい。

【００１８】本発明の磁気抵抗素子により強磁性トンネ
ル接合による磁気抵抗効果を高めるためには、保磁力
の大きい第１強磁性薄膜１１又は第３強磁性薄膜３１が
ＦｅもしくはＦｅとＣｏを主成分とし、保磁力の小さい
第２強磁性薄膜１２又は第４強磁性薄膜３２がＦｅを主
成分とする手段か、或いは非磁性膜１３又は３３に含
まれる絶縁層を非磁性金属膜を酸化させた酸化層により
構成する手段を採ることが考えられる。上記及びの
両手段を組合せてもよい。双方の強磁性薄膜の主成分を
Ｆｅとする場合には、第１強磁性薄膜１１又は第３強磁
性薄膜３１の形成時の基板温度より第２強磁性薄膜１２
又は第４強磁性薄膜３２の形成時の基板温度を高くして
双方の強磁性薄膜１１，１２又は３１，３２をそれぞれ
形成することが好ましい。これにより２つの強磁性薄膜
が同じＦｅ単層膜であっても保磁力差を付けることがで
きる。保磁力差を２倍を越えないようにするには、基板
温度差も１００℃以下にすることが好ましい。第１強磁
性薄膜の保磁力を大きくする成分上の別の手段として、
第２強磁性薄膜１２又は第４強磁性薄膜の主成分をＦｅ
のみにし、第１強磁性薄膜又は第３強磁性薄膜の主成分
をＦｅとＣｏにする方法がある。Ｃｏ成分が多くなると
異方性が出易く保磁力が大きくなる性質を利用したもの
である。この方法と前述した強磁性薄膜形成時の基板温
度を第２強磁性薄膜又は第４強磁性薄膜の方を第１強磁
性薄膜又は第３強磁性薄膜より高くする方法とを組合せ
てもよい。ここで主成分の割合は、第１強磁性薄膜又は
第３強磁性薄膜の場合に、ＦｅとＣｏの合計が８０ａｔ
％以上であって、第２強磁性薄膜又は第４強磁性薄膜の
場合に、Ｆｅが８０ａｔ％以上であることが好ましい。

【００１９】強磁性薄膜１１，１２又は３１，３２に挟
まれる絶縁層を含む非磁性膜１３又は３３が非磁性金属
膜を酸化させた酸化層を含むときには、この非磁性膜１
３又は３３は数１０オングストローム程度の均一な層で
ある。絶縁層としてはＡｌ₂Ｏ₃層、ＮｉＯ層等が挙げら
れる。Ａｌ₂Ｏ₃層が絶縁性が高く緻密であるため好まし
い。強磁性薄膜１１，１２又は３１，３２に挟まれる膜
は電子がスピンを保持してトンネルするために非磁性で
なければならない。非磁性膜の全部が絶縁層であって
も、その一部が絶縁層であってもよい。一部を絶縁層に
してその厚みを極小にすることにより、磁気抵抗効果を
更に高めることができる。非磁性金属膜を酸化させた酸
化層にする例としては、Ａｌ膜の一部を空気中で酸化さ
せてＡｌ₂Ｏ₃層を形成する例が挙げられる。

【００２０】

【作用】本発明の第一及び第二の磁気抵抗素子は、第一
に２つの強磁性薄膜の主成分となる磁性材料として、フ
ェルミ面における上下スピンの偏極量が大きいＦｅを選
定し、Ｃｏを第２成分として選定し、第二に例えばＡｌ
₂Ｏ₃層のような緻密で均一な薄い絶縁層をＡｌ膜のよう
な非磁性金属膜を酸化させることにより形成して、磁化
状態によって変化するトンネル電流による抵抗値の差を
大きくし、かつ磁化状態によらず絶縁層を通して流れる
電流による抵抗値を小さくすることにより、伝導電子の
スピンを保持して絶縁層をトンネルすることにより生じ
る強磁性トンネル効果が顕著に現れ、図４の磁気抵抗曲
線に示すように抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）は１０％を越え
るようになる。

【００２１】また本発明の第一及び第二の磁気抵抗素子
は、それぞれの２つの強磁性薄膜の保磁力に差を設ける
ことにより、好ましくは２倍を越えない程度の差を設け
ることにより、図４に示すように磁気抵抗曲線はゼロ磁
場を中心としたほぼ対称な２つの方形波状の波形を有す
る曲線となり、例えば保磁力及びその差を任意に設定す
れば、この曲線に見られる閾値Ｈc₁及びＨc₂及び方形幅
（Ｈc₁−Ｈc₂）を任意に設定することができる。各磁気
抵抗素子の入力磁界の磁力をＨc₁以上とすれば、図６に
示すように出力波形自身が方形波に近い出力となる。更
にその出力値を微分すれば、高い検出感度が得られる。

【００２２】また本発明の第一の磁気抵抗素子１０を回
転センサに応用する場合には、図１１に示した従来の素
子に代えて、図７（ａ）及び（ｂ）に示すように本発明
の磁気抵抗素子１０を抵抗体Ｒ₁₁と組合せればよい。図
７（ａ）は図１に対応する。更に高精度化するために温
度変化の影響を取り除くには、図８（ａ）及び（ｂ）に
示すように作動出力をとればよい。このために、図８
（ａ）に示すように基板１６上に２つの磁気抵抗素子１
０及び２０を設ける。基板１６上に正方形の第２強磁性
薄膜１２及び薄膜１２と同形同大の強磁性薄膜２２を間
隔をあけて設けた後で薄膜１２と２２を結線する。次い
で薄膜１２及び２２の上に非磁性膜１３及び２３をそれ
ぞれ介して正方形の第１強磁性薄膜１１及び２１を設け
る。磁気抵抗素子２０も磁気抵抗素子１０と同様に強磁
性トンネル効果を有する。ここで検出側でない磁気抵抗
素子２０には、例えば磁気シールド膜として絶縁膜を素
子との間に挟んでパーマロイ（ＦｅＮｉ合金）などの金
属薄膜２４で素子全体を覆うか、或いは素子２０の第１
強磁性薄膜２１をＡｌなどの非磁性膜で形成するなどし
て、磁気シールドすればよい。図７及び図８において符
号Ｒ_M及びＲ_M’は磁気抵抗素子素子１０及び２０の各抵
抗値である。なお、図示しないが、本発明の第二の磁気
抵抗素子３０についても図７及び図８と同様に構成する
ことができる。

【００２３】

【発明の効果】以上述べたように、強磁性トンネル接合
を利用した従来の磁気抵抗素子の抵抗変化率（ΔＲ／
Ｒ）が室温で高々３％程度であり、また実用化されてい
る強磁性体磁気抵抗素子で高々６％程度であったもの
が、本発明の磁気抵抗素子によれば室温でも１０％以上
の抵抗変化率が得られ、しかも２つの強磁性薄膜により
得られる磁化曲線を角形状のヒステリシス曲線になるよ
うにし、２つの強磁性薄膜の保磁力に差を設けることに
より、方形波出力を有する磁気抵抗曲線が得られる。

【００２４】また、本発明の磁気抵抗素子は弱磁場にお
ける抵抗変化率の変化が大きいため磁場の変化を感度よ
く検出することができ、従来の磁気抵抗素子と異なり、
(a)高感度な増幅回路を必要とせず、(b)出力波形を方形
波形に変更する必要がなく、(c)動作点を偏倚させるた
めに磁石を用いてバイアス磁場を与える必要がなく、
(d)素子ピッチを磁極のピッチと整合する必要がない
等、構造や回路構成を簡単で小型化し得る利点がある。
これにより、回転センサの磁気エンコーダ、磁気センサ
などの磁気を検出する素子として好適に利用することが
できる。特に、第一の磁気抵抗素子のように２つの強磁
性薄膜の両方に磁気異方性がない場合には、外部磁場方
向が平面内のどの方向でも大きな抵抗変化率が得られ
る。この磁気抵抗素子を回転センサに利用する場合、磁
気異方性の磁化容易軸方向と外部磁場方向をあわせる必
要がないため、センサ取付け時の調整が容易である。ま
た第二の磁気抵抗素子のように片方の強磁性薄膜にのみ
磁気異方性を持つ場合には、この膜の磁化容易軸方向と
外部磁場方向を一致させる必要があるものの、両方に磁
気異方性がある場合に比べて両者の磁化容易軸を正確に
揃える必要がないため磁気抵抗素子の製造が容易であ
る。

【００２５】

【実施例】次に本発明の実施例を説明する。 ＜実施例１＞図１に示すように、真空蒸着によりガラス
基板１６の上にマスクを用いて１０ｍｍ×１０ｍｍの正
方形状で厚さ１００ｎｍのＦｅ薄膜１２を作製した。そ
の際磁場を与えず、かつ膜の保磁力を小さくするために
基板温度を１００℃とした。またこのときの蒸着速度は
０．３〜０．６ｎｍ／秒で真空度は約１０^-6Ｔｏｒｒで
あった。次いでこのＦｅ薄膜１２の中心部にマスクを用
いて厚さ５ｎｍで９ｍｍ×９ｍｍの正方形状のＡｌ膜１
３を高周波スパッタリングにより着膜させた。その際の
アルゴン圧は１．５ｍＴｏｒｒ、投入電力は４．４Ｗ／
ｃｍ²、スパッタリング速度は０．５６ｎｍ／秒であっ
た。このＡｌ膜１３を空気中に２４時間放置して表面を
酸化させ、薄いＡｌ₂Ｏ₃からなる絶縁層を形成した。更
にＡｌ膜１３の中心部にマスクを用いて上記のＦｅ薄膜
１２より小さい正方形状の８ｍｍ×８ｍｍのＦｅ薄膜１
１を作製した。この成膜方法はＦｅ薄膜１１の保磁力を
大きくするために基板温度を室温にした以外は、Ｆｅ薄
膜１２と同一条件で作製した。即ちＦｅ薄膜１２及び１
１はともに膜面内に磁気異方性を有しないようにした。

【００２６】Ｆｅ薄膜１１及び１２の各一端に電極１４
及び１５を設け、それぞれの他端に電極１７及び１８を
設けて磁気抵抗素子１０を得た。温度２５℃において、
基板１６の表面に平行にかつ図の矢印方向に磁場Ｈを磁
気抵抗素子１０に与え、電極１４及び１５に一定電流を
流し、電極１７及び１８によりＦｅ薄膜１１と１２との
間の電圧を測定した。この電流値と電圧値より素子１０
の抵抗を算出した。

【００２７】図４の磁気抵抗曲線に示すように、磁場Ｈ
の強さを変えたときの抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）は最大で
１８％の極めて高い値であった。この磁気抵抗曲線はゼ
ロ磁場を中心とした対称な２つのほぼ方形波状の波形を
有する曲線である。これは図５に示すように、２つの強
磁性薄膜がいずれも角形状のヒステリシス曲線を持つ磁
化曲線を有するためである。磁気抵抗曲線の方形波の閾
値及びその幅は、基板温度を変えて強磁性薄膜を作製す
れば、任意に設定することができる。本実施例の磁気抵
抗素子１０を用いて図７（ａ）に示す構成の回転センサ
を試作したところ、図６に示すような特別に波形整形す
ることなく方形波の出力特性が得られた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の磁気異方性を有しない２つの強磁性薄
膜により強磁性トンネル接合を構成した磁気抵抗素子の
斜視図。

【図２】本発明の一方の強磁性薄膜が磁気異方性を有し
ない２つの強磁性薄膜により強磁性トンネル接合を構成
した磁気抵抗素子の斜視図。

【図３】本発明の強磁性トンネル接合を利用した磁気抵
抗素子の原理を示す斜視図。

【図４】図１及び図２に示した磁気抵抗素子の磁気抵抗
曲線図。

【図５】その磁化曲線図。

【図６】その入力磁界に対する出力特性を示す図。

【図７】（ａ）図１に示した磁気抵抗素子を用いた回転
センサの構成図。 （ｂ）その等価回路図。

【図８】（ａ）図７（ａ）の回転センサを更に高感度化
した場合の構成図。 （ｂ）その等価回路図。

【図９】従来例の強磁性磁気抵抗効果を利用した磁気抵
抗素子の斜視図。

【図１０】その磁気抵抗曲線。

【図１１】従来例の磁気抵抗素子を用いた回転センサの
原理を示す図。

【図１２】その回転センサの構成を示す斜視図。

【図１３】図１１の等価回路図。

【図１４】従来例の磁気抵抗素子を用いてバイアス磁場
のない場合の入力磁界に対する出力特性を示す図。

【図１５】その出力波形と整形後の波形を示す図。

【図１６】従来例の磁気抵抗素子を用いてバイアス磁場
のある場合の入力磁界に対する出力特性を示す図。

【符号の説明】

１０，２０ 第一の磁気抵抗素子 ３０ 第二の磁気抵抗素子 １１，２１ 第１強磁性薄膜 １２，２２ 第２強磁性薄膜 １３，２３ 非磁性膜 １４，１５ 第１電極 １６ 基板 １７，１８ 第２電極 ３１ 第３強磁性薄膜 ３２ 第４強磁性薄膜 ３３ 非磁性膜 ３４，３５ 第３電極 ３６ 基板 ３７，３８ 第４電極

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平８−70148（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−70149（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−244477（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−63254（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−42417（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−21529（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 43/08 G01R 33/09 G11B 5/39 H01F 10/32 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims (11)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１強磁性薄膜(11)と第２強磁性薄膜(1
   2)とを薄い絶縁層を含む非磁性膜(13)を挟んで接合し、
   これにより生じる強磁性トンネル接合を利用した磁気抵
   抗素子(10)において、 前記第１及び第２強磁性薄膜(11,12)はともに膜面内に
   磁気異方性を有さず、 前記第１強磁性薄膜(11)の保磁力が前記第２強磁性薄膜
   (12)の保磁力より大きく、 前記第１強磁性薄膜(11)及び前記第２強磁性薄膜(12)の
   それぞれの磁化曲線が角形状のヒステリシス曲線を有
   し、全体の磁化曲線が階段状で角形状のヒステリシス曲
   線であることを特徴とする磁気抵抗素子。
2. 【請求項２】 第１強磁性薄膜(11)の保磁力が前記第２
   強磁性薄膜(12)の保磁力より２倍を越えない程度に大き
   い請求項１記載の磁気抵抗素子。
3. 【請求項３】 基板(16)上に第１及び第２強磁性薄膜(1
   1,12)を形成するときに前記第１強磁性薄膜(11)の形成
   時の基板温度と第２強磁性薄膜(12)の形成時の基板温度
   を異ならせて前記第１及び第２強磁性薄膜(11,12)がそ
   れぞれ形成された請求項１記載の磁気抵抗素子。
4. 【請求項４】 第３強磁性薄膜(31)と第４強磁性薄膜(3
   2)とを薄い絶縁層を含む非磁性膜(33)を挟んで接合し、
   これにより生じる強磁性トンネル接合を利用した磁気抵
   抗素子(30)において、 前記第３強磁性薄膜(31)が膜面内に磁気異方性を有し、
   前記第４強磁性薄膜(32)が膜面内に磁気異方性を有さ
   ず、 前記第３強磁性薄膜(31)の磁化容易軸方向に磁場を印加
   した場合に前記第３強磁性薄膜(31)の磁化容易軸方向の
   保磁力が前記第４強磁性薄膜(32)の保磁力より大きく、 前記第３強磁性薄膜(31)及び前記第４強磁性薄膜(32)の
   それぞれの磁化曲線が角形状のヒステリシス曲線を有
   し、全体の磁化曲線が階段状で角形状のヒステリシス曲
   線であることを特徴とする磁気抵抗素子。
5. 【請求項５】 第３強磁性薄膜(31)の磁化容易軸方向の
   保磁力が前記第４強磁性薄膜(32)の保磁力より２倍を越
   えない程度に大きい請求項４記載の磁気抵抗素子。
6. 【請求項６】 基板(36)上に第３及び第４強磁性薄膜(3
   1,32)を形成するときに前記第３強磁性薄膜(31)の形成
   時の基板温度と第４強磁性薄膜(32)の形成時の基板温度
   を異ならせて前記第３及び第４強磁性薄膜(31,32)がそ
   れぞれ形成された請求項４記載の磁気抵抗素子。
7. 【請求項７】 第１強磁性薄膜(11)又は第３強磁性薄膜
   (31)がＦｅもしくはＦｅとＣｏを主成分とし、第２強磁
   性薄膜(12)又は第４強磁性薄膜(32)がＦｅを主成分とす
   る請求項１又は４記載の磁気抵抗素子。
8. 【請求項８】 第１強磁性薄膜(11)又は第３強磁性薄膜
   (31)と第２強磁性薄膜(12)又は第４強磁性薄膜(32)とが
   いずれもＦｅ単層膜である請求項７記載の磁気抵抗素
   子。
9. 【請求項９】 絶縁層を含む非磁性膜(13,33)が非磁性
   金属膜を酸化させた酸化層を含む請求項１又は４記載の
   磁気抵抗素子。
10. 【請求項１０】 非磁性金属膜がＡｌであり、その酸化
    層がＡｌ₂Ｏ₃である請求項９記載の磁気抵抗素子。
11. 【請求項１１】 非磁性金属膜がスパッタリング法によ
    り作製された請求項９又は１０記載の磁気抵抗素子。