JP4316806B2 - 磁気多重層センサ - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は磁気多重層センサに関する。本センサはスピントンネリング又は磁気抵抗的効果を呈示し得る。磁気抵抗的センサは米国特許第５６８６８３７号明細書に開示されている。
【０００２】
ある種の磁気抵抗的センサはいわゆるＧＭＲ効果を利用する。
【０００３】
巨大磁気抵抗（以下、ＧＭＲと略記する）効果は、物質（例えば、磁気多重層）の抵抗が（例えば、異なる層の）磁化方向の間の角度に依存する現象である。ＧＭＲ物質システムの例は、交換バイアスされたスピンバルブおよび人工反強磁性体（以下、ＡＡＦとも言う）を含む多重層である。
【０００４】
自動車への応用に際して、磁気センサは高温（１７５℃〜２００℃まで）で動作することが必要とされる。更に、前記センサは、広い磁界範囲において作動しなければならず、更に大きい磁界範囲においてさえも非可逆的に影響されてはならない。現在、これらの必要条件の両方に適合可能であり、かつ実用的なセンサに適する磁気抵抗効果特性を持つ物質システムは入手不可能である。
【０００５】
例えば、商業的に利用可能なセンサの反強磁性的に結合した多重層体は、前記の必要条件を合理的に満たすことができるはずである。ただし、対称出力曲線が複雑化する（例えば、全ホィートストンブリッジ構成に関して）か、あるいは、多数の応用（例えば、飽和状態におけるアナログ角度センサ）を阻止することさえあり得る。
【０００６】
交換バイアスされたスピンバルブは熱安定性に乏しいか、或いは、磁界範囲が小さ過ぎる。一方、ＡＡＦは、制限された強度の磁界までに限って安定している。更に強度の高い磁界において、出力特性は急変することさえあり得る。これは、安全の観点から受容不可能である。従って、磁化方向を固定するための別の堅固な方法が必要である。
【０００７】
温度変化に起因する出力変動を除去するめに、ブリッジ（ホィートストンブリッジ）構成が用いられることが多い。これは、反対（符号の）出力信号を持つＭＲ（磁気抵抗）エレメントを必要とする。これは、固定した磁化方向が反対のエレメントを作ることができれば、原則として達成可能である。
【０００８】
従って、本発明の目的は、磁界センサにおいてＧＭＲの実用を可能にし、広い温度範囲および磁界範囲において曖昧でない非対称的出力信号を供給する新規な物質システムを提供することにある。
【０００９】
磁気抵抗的効果を呈示するための自由および固定強磁性層を備えた基板を有するセンサは前述の目的に適合する。この場合、前記の固定層は人工反強磁性体（ＡＡＦ）層システムおよびＩｒＭｎ型物質の交換バイアシング層を有し、前記交換バイアシング層はＡＡＦ層システムに隣接し、かつ、接触する。
【００１０】
この多重層システムによって達成される項目を次に示す。
− ＩｒＭｎのブロッキング温度は、ＦｅＭｎの場合よりも高く、ＮｉＭｎとは異り、焼なまし処置を必要としない。ブロッキング温度とは、その温度以上の温度において、反強磁性ＩｒＭｎ型層と固定層の間の交換バイアシングが消失する（ゼロまで減少する）温度である。
− ＡＡＦにおいては、固定層と自由層の間の静磁気的結合が低下する。
− ＡＡＦは、正味磁気モーメントが非常に小さい（理想的な場合においては理論的にゼロ）ので、磁界において大きい剛性を提供するが、２つの反対方向において安定している。
− 交換バイアシング層との組合わせにおいて、これは、非常に大きい磁界範囲を提供する。（比較のための参考までに、交換バイアスされたスピンバルブにおける交換バイアシング磁界は一般に、せいぜい２０〜３０ｋＡ／ｍ程度である。）
− 交換バイアシングにより、曖昧でない曲線が得られる。
− 交換バイアシングは、固定層の方向を設定する方法を提供する。前記の方法は、例えば、ホィートストンブリッジ構成の場合に必要である。
【００１１】
ＡＡＦは、コバルト／非磁気金属／コバルト系金属を含んでも差し支えないが、ＣｏＦｅ／非磁気金属／ＣｏＦｅが用いられることが好ましい。理由は、この種のシステムにおいては、異方性の誘発が可能であることによる。
【００１２】
ＡＡＦ内の非磁気金属はＲｕであることが好ましく、この場合、前記Ｒｕは強力な結合を提供し、ＡＡＦスタックにおける最も薄く、かつ最も臨界的な層の画定にとって非常に重要な極めて安定した（酸化なし、拡散なし）状態となる。
【００１３】
拡散を排除するためには、Ｃｕとの全ての境界面においてＮｉを避けることが好ましく、ＮｉＦｅの代りにＣｏＦｅが用いられる。更に、これは、ＧＭＲ比率を増大する。Ｃｏと比較すると、ＣｏＦｅは、自由層の保磁度を更に低くする（かつ、組織を一層良質にする）。
【００１４】
交換バイアシング磁界は、従来型のスピンバルブよりも、逆スピンバルブにおいて一層大きい。従って、交換バイアシング層は基板の最も近接して配置されることが好ましい。ただし、この場合、所要組織を得るために緩衝層が必要となることもあり得る。調査によれば、Ｔａ（例えば３．５ｎｍ）上にＮｉＦｅ（２ｎｍ）を配置することが好ましいことが示された。
【００１５】
図面を参照することにより、本発明のこれらの実施形態および他の実施形態について説明することとする。
【００１６】
図１は本発明に係るＧＭＲ多重層スタックの一実施形態の概略構成図を示す。基板１（例えば、ガラス、Ｓｉのような半導体材料または例えばＡｌ₂ Ｏ₃ のようなセラミック材料）上には、必要に応じて、結晶学的組織または後続層の粒度を変えるための緩衝層が配置される。緩衝層が使用される場合における、緩衝層は、Ｔａの第１細別層及びＮｉＦｅの第２細別層で構成されることもあり得る。緩衝層２、３上には、ＩｒＭｎ型交換バイアス層４（例えば、１０ｎｍのＩｒＭｎ）が堆積される。ＩｒＭｎ型とは、ＩｒＭｎ、または、少なくとも更に１つの金属とのＩｒＭｎ合金を意味する。バイアス層４の上面上に、第１Ｃｏ₉₀Ｆｅ₁₀層５（例えば、厚さ４．０ｎｍ）、Ｒｕ層６（例えば、厚さ０．８ｎｍ）、及び、第２Ｃｏ₉₀Ｆｅ₁₀層７（例えば、厚さ４．０ｎｍ）を含む人工反強磁性（ＡＡＦ）スタックが配置される。ＡＡＦスタック上には、非磁性スペーサ層８が堆積される。スペーサ層の材質はＣｕ型物質であっても差し支えない。Ｃｕ型とは、Ｃｕ（例えば、厚さ２．５ｎｍのＣｕ）、または、更にもう１つの金属、特にＡｇとのＣｕ合金を意味する。スペーサ層８の上面上には、Ｎｉ₈₀Ｆｅ₂₀層１０（例えば、厚さ５ｎｍ）を載せたＣｏ₉₀Ｆｅ₁₀層９（例えば、厚さ０．８ｎｍ）が配置される。保護層１１（例えば、４ｎｍのＴａ）が前記の層システムを覆う。
【００１７】
温度安定性を試験するために、幾らかの実験が行われた。図１と同様のサンプルが、急速熱処理（ＲＴＰ）機のＮ₂／Ｈ₂雰囲気内で１分間焼きなまされ、同時に、元の交換バイアシング方向に垂直な薄膜平面内で磁場がかけられた。急速熱処理（ＲＴＰ）は、可能な限り拡散プロセスを制限するように選定された。サンプルは、２５０℃、２７５℃、３００℃、３２５℃、３５０℃、３７５℃、４００℃、４２５℃、４５０℃で連続的に焼きなまされた。各焼きなましプロセスの後で、（元の交換バイアシング方向に対する）垂直および平行磁界内の両方向における磁気抵抗効果曲線が測定された。平行磁場における測定値を図２に示す。最も顕著な結果は、高温度にもかかわらず、交換バイアシング方向が回転しなかったことである。４５０℃における最後の焼きなまし処置の後で、ＧＭＲ効果は低下するが、交換バイアシング方向は変化しなかった。これは、交換バイアシングが非常に安定しているので、磁気的縮退以前に構造的縮退が発生することを示すものと解釈される。第１焼きなまし処置はＧＭＲ効果を増大させるとさえ解釈される。
【００１８】
この重要な結果は、ＩｒＭｎとＡＡＦの組合わせ結合によってのみ得ることができた。これを示すために、ＡＡＦ無しのＩｒＭｎスピンバルブを用いて３５０℃における同じ焼なましを示すフィルムが得られた。この場合、このスピンバルブの交換バイアシング方向は実際に９０°以上回転したことが実証された。
【００１９】
応用分野
上記の材料システムは、ＧＭＲセンサ、特に自動車用および工業用として広く用いられる。特定の応用例はデジタル位置センサ（例えば、クランクシャフト用）及びアナログ角度センサ（例えば、バルブ位置、ペダル位置、ステアリングホイール位置）である。前記の創意に富むセンサは、その磁気抵抗効果曲線が非対称であるので、相補的出力信号を持つセンサとして作動することを可能にし、従って、ホィートストンブリッジに使用できる（図３）。相補的出力信号を供給するセンサエレメントは、固定層（の磁気配向）が自由層に関して＋９０°であるような第１の自由／固定層システム、及び、固定層（の磁気配向）が自由層に関して−９０°であるような第２の自由／固定層システムの生成を可能にする。固定層の配向付け（オリエンティング）は、所要の配向を持つ磁場内において当該層を加熱および冷却することによって達成可能である。このような方法は、米国特許第５６８６８３７（Ｐ１−ＩＮ １４８２５）号明細書に記述されている。
【００２０】
図３は、本発明に基づく磁気抵抗センサエレメント１２、１２′、１３、１３′、および、端子１７及び１８に接続された電流Ｉｉｎ用の電流ソース（供給源）１４を有するホィートストンブリッジの等価回路図を示す。端子１５と１６の間には出力電圧Ｕｏが現れる。前記ブリッジは電圧制御または電流制御によって作動可能である。ここに示す電流制御は、電圧制御と比較した場合、温度上昇に際して、相対的な磁気抵抗効果の減少に起因して生じる出力電圧Ｕｏの減少が、抵抗性物質の正温度係数に起因するブリッジにおける磁気抵抗エレメント１２、１２′、１３、１３′の絶対値の増加によって適切に補償されると言う利点を持つ。
【００２１】
図４は、本発明に基づいて使用可能な磁気抵抗センサエレメントの部分的な構造を示す。
【００２２】
図４の矢印３７は自由強磁性層３２の異方性方向を示し、矢印３８は固定強磁性層３４の実効異方性の方向を示す。層３２と３４は反強磁性層３３によって分離される。矢印３９は、第２ＮｉＦｅ層３４の実効異方性方向に対して平行に方向付けされた測定しようとする磁界Ｈ成分を示す。本発明に基づいて使用される磁気抵抗エレメント１２、１２′、１３、１３′において、層３２の感応強磁性物質の容易磁化方向は、強磁性層３４の実効異方性方向に実質的に垂直な方向である。
【００２３】
センサエレメントの製造に際して、強磁性層（３２及び３４）の磁化方向は、ブリッジの隣接する２辺における２つのエレメントが外部磁界に対して反対の感度を示すように設定される。更に、各磁気抵抗センサエレメントにおいて、強磁性層（３２）の磁化は、もう一方の強磁性層（３４）の磁化方向に対して実質的に垂直になるように調節される。これらの製造工程の結果として、微小磁界の測定に一切の補助磁界を必要とせず、当該センサはヒステリシスによる実質的な影響を受けることなく、しかも、直線性が強化される。
【００２４】
自由層は１つの単一ＣｏＦｅ層、または複数のサブレイア（即ち、ＣｏＦｅ＋ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ＋ＮｉＦｅ＋ＣｏＦｅ、等々）であっても差し支えない。
【００２５】
ＣｏＦｅの代りに、ＣｏＮｉＦｅのＣｏを使用しても差し支えないが、ＣｏＮｉＦｅを使用する場合には、Ｃｕスペーサ層と接触しない方が好ましい。
【００２６】
ＡＡＦは、複数の強磁性層および反磁気層を含んでも差し支えない。各強磁性層は、自由層に関して記述したと同様に構成しても差し支えない。
【００２７】
本センサは、２つの固定強磁性層と１つの自由強磁性層を組合わせて構成されても差し支えない。
【００２８】
本発明に係るセンサは、データ記憶セルとしても使用できる。自由層と固定層の磁化方向の間に設定された角度は、例えば、「０」または「１」を表す。データの内容は、メモリ「セル」の抵抗を測定することによって読み取り可能である。
【００２９】
本発明によれば、自動車に応用する場合に必要とされる高温および強磁界に耐えることのできる自由および固定強磁性層を構成する堅固な巨大磁気抵抗効果型多重層センサが得られる。ＧＭＲ多重層は非対称磁気抵抗効果曲線を持ち、ホィートストンブリッジを可能にするような相補的出力信号を持って作動するセンサを可能にする。改良は、固定層としての人工反強磁性体とＬｒＭｎ交換バイアシング層との組み合わせ使用を含む方法を組み合わせることにより達成される。この場合、ＬｒＭｎ交換バイアシング層は緩衝層の最上面上に配置された層スタックの底部に配置されることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る磁気多重層センサの一実施形態の横断面図。
【図２】 図１に示す磁気多重層センサの異なる温度における焼なまし後の磁気抵抗効果曲線測定結果を示す線図。
【図３】 図１に示す磁気多重層センサを応用したホィートストンブリッジの回路図。
【図４】 本発明に係る磁気多重層センサエレメントの一部の簡素化された斜視図。

Claims (5)

1. 自由強磁性層および固定強磁性層を支える基板を有し、前記固定強磁性層がＡＡＦ（人工反強磁性）層システムおよびＩｒＭｎ型物質の交換バイアシング層を有し、前記交換バイアシング層が、前記ＡＡＦ層システムと隣接および接触している磁気多重層センサ。
2. 前記ＡＡＦ層システムがＣｏＦｅ層および中間非磁性層を有する請求項１記載の磁気多重層センサ。
3. 前記自由強磁性層と固定強磁性層がＣｕ型層によって分離され、前記Ｃｕ型層が両面においてＣｏまたはＣｏＦｅ層と接触している請求項１記載の磁気多重層センサ。
4. ＡＡＦの中間の層がＲｕ層である請求項１または２記載の磁気多重層センサ。
5. 前記交換バイアシング層が基板とＡＡＦスタックの間に配置されている請求項１記載の磁気多重層センサ。

Images