JP5389005B2 - 磁気抵抗型積層構造体ならびに該構造体を備えたグラジオメータ - Google Patents

Description

本発明は独立請求項の上位概念に記載の、たとえばＧＭＲセンサ素子、ＡＭＲセンサ素子またはグラジオメータで使用するための、磁気抵抗型積層構造体ならびに該構造体を備えたグラジオメータに関する。

磁気センサは自動車において幅広く用いられており、たとえば車輪の回転数センサ、エンジン制御装置用の回転数センサや位相発生器として、あるいは走行ダイナミクス制御システム用の操舵角センサとして用いられる。その際に動作距離を長くしたいという要求が強まってきており、つまり空隙や測定範囲の増大すなわちカバーすべき角度範囲や磁界範囲の増大に従い、いっそうロバストなセンサが必要とされるようになっている。

このような要求にふさわしいセンサ素子は、ＧＭＲテクノロジー（"Giant Magneto Resistance"）によって、さらにはＡＭＲテクノロジー（"Anisotropic Magneto Registance"）によっても製造することができる。このため自動車での使用に重要であるのはたとえば、ＧＭＲ効果をもつ結合型多層システムおよびいわゆるスピンバルブ積層システムであり、あるいはいわゆる「バーバーポール Barber-Pole」構造をもつＡＭＲセンサ素子でもある。

結合型多層システムはたとえば G. Binasch 等による Phys. Rev. B, 39 (1989) ４８２８頁以降および N. Baibich 等による Phys. Rev. Letters, 61 (1988) ２４７２頁以降などによって知られており、これは極薄の軟磁性層と非磁性層とが交互に積層されていて、たとえばコバルト層と銅層とが交互に積層されている。この場合、銅層の厚さの選定に従い隣り合うコバルト層間で反強磁性結合を生じさせることができる。このようにすることで、これらの磁性コバルト層の磁化方向は外部磁界がなければ互いに反平行に配向され、その結果、積層構造体内に流される電流に対する電気抵抗が電子のスピン依存散乱によって最大となる。ここで付加的に外部磁界を加えると、磁性層における磁化はそれに対し広範囲にわたり平行に配向され、そのことで積層構造体における電気抵抗は大きく低下する。たとえば室温においては、２０％〜３０％に及ぶ相対的な抵抗変化の作用を達成することができる。

しかも公知のスピンバルブ積層システムの場合、磁気的に軟質ないしは軟磁性の検出層が磁気的にいっそう硬質の層である非磁性中間層によって分離されている。この場合、非磁性層は、非磁性中間層を介して両方の磁性層間でごくわずかな磁気結合しか生じないような厚さで構成されている。これにより保証されるのは、非常に小さい外部磁界でも軟磁性層の磁化方向がその磁界に従うことである。さらに公知のシステムの場合、硬磁性層の磁化方向はいわゆる「ピン層」により配向され規定されるように構成されている。ここで外部磁界を加えその方向を回転させると、磁気的に軟質の層の磁化はこの磁界の方向に従うのに対し、硬磁性層の磁化方向は一定のまま保持される。したがって外部磁界の角度がこれら両方の磁性層の磁化方向間の角度に伝達され、その結果、積層構造体において角度に依存する電気抵抗が生じることになる。この場合、「ピン層」は通常、反強磁性体として構成されているかまたは反強磁性体といわゆる人工的な反強磁性体とから成る組み合わせにより構成される。DE 199 49 714 A1 には、このようなスピンバルブ積層システムについて詳しく説明されている。

U. Dibbern による "Sensors - A Comprehensive Survey" W. Goepel 等発行、第５巻、Magnetic Sensors, VCH 出版、Weinheim, 1989, p. 342 - 380 には、バーバーポール（Barber-Pole）構造をとるＡＭＲセンサ素子も含めて磁気抵抗型センサの概略について記載されている。

たとえば結合型多層構造によるＧＭＲセンサ素子の形態をとる公知の磁気抵抗型積層システムにおける欠点は、外部磁界ＢもしくはＨの関数として相対的抵抗変化ΔＲ／Ｒをみたときにほぼ三角形の特性曲線をもつことであり、この特性曲線はゼロ磁界の周囲ではすなわち外部磁界が弱いときには平坦に延びており、したがってこの種のセンサ素子は小さい外部磁界の変化に対してはほとんど感応しないことである。

DE 199 49 714 A1

G. Binasch 等による Phys. Rev. B, 39 (1989) ４８２８頁以降 N. Baibich 等による Phys. Rev. Letters, 61 (1988) ２４７２頁以降 U. Dibbern による "Sensors - A Comprehensive Survey" W. Goepel 等発行、第５巻、Magnetic Sensors, VCH 出版、Weinheim, 1989, p. 342 - 380

従来技術の欠点を解消し、磁気抵抗型積層構造体に対し少なくとも部分的に内部磁界を加える集積された磁性層によって、磁気抵抗型積層構造体のΔＲ／Ｒ−Ｂ特性における動作点のシフトが得られるようにする。

本発明によればこの課題は、少なくとも２つの磁性層を有する積層列が設けられており、前記少なくとも２つの磁性層は、強磁性材料から成る軟磁性層であり、該軟磁性層の磁化方向は、前記積層構造体外部からの外部磁界により可変であり、前記少なくとも２つの磁性層の間に非磁性かつ導電性の中間層が配置されており、少なくとも１つの硬磁性層が前記磁気抵抗型積層構造体に少なくとも部分的に組み込まれており、該硬磁性層は、前記少なくとも２つの磁性層と前記非磁性かつ導電性の中間層との界面の少なくとも１つの領域に磁界を印加し、前記少なくとも１つの硬磁性層の磁界により、前記磁気抵抗型積層構造体の特性曲線における動作点がシフトされ、前記磁気抵抗型積層構造体の電気抵抗は、該磁気抵抗型積層構造体に作用する前記外部磁界に依存して可変であることにより解決される。

従来技術に対し本発明による磁気抵抗型積層構造体の有する利点は、積層構造体に少なくとも部分的に内部磁界を加える集積された磁性層によって、磁気抵抗型積層構造体のΔＲ／Ｒ−Ｂ特性における動作点のシフトが得られることである。

たとえばマグネットホイール走査などのために結合型多層構造をもつこの種の積層構造体を使用する場合、集積された硬磁性層によって、外部の保持磁石を必要とせずにグラジオメータの最大の選択性が得られるよう動作点を選定することができる。

殊に、集積された硬磁性層によって内部磁界いわゆる「バイアス磁界」が生成され、これは磁界オフセットとして作用するので、内部磁界に重畳されるたとえば数ｍＴ（テスラ）のような外部磁界のごく僅かな変化に際しても、良好に測定可能であり積層構造体における抵抗変化として検出される本来の測定値の相対的な大きさの変化ΔＲ／Ｒを得ることができるようになる。硬磁性層により引き起こされる内部磁界によってたとえば、磁気抵抗型積層構造体の動作点が図２に示したいわゆるゼロ磁界の領域に位置するのが回避される。そのような領域ではその特性曲線は、外部磁界ＢもしくはＨが変化しても比較的平坦に延びている。

さらに有利であるのは、付加的に設けられた硬磁性層を設けることで、磁気抵抗型積層構造体の上に取り付けられる外部の別個の磁石を介したバイアス磁界の生成を行わなくてよいことである。これにより材料コストおよび組み立てコストが著しく節約され、殊に製造中にそのような磁石の配向にかかる手間も節約される。

従属請求項には本発明の有利な実施形態が示されている。

殊に有利であるのは、硬磁性層により引き起こされる磁界の強度を１ｍＴ〜３０ｍＴの間にすることであり、たとえば２ｍＴ〜１５ｍＴの間にすることである。このような磁界により動作点を十分に最適にシフトできるようになる。

そのほかに有利であるのは、複数の積層構造体をまとめて結線して磁界の不均質性に感応するグラジオメータを形成することである。この場合、有利にはそれぞれメアンダ状にパターニングされた積層構造体において硬磁性層により生成される内部磁界は、強度と方向に関して少なくともほぼ等しい磁界がすべてのメアンダ領域に加わるよう選定される。

グラジオメータの実現のため、たとえば回転数測定においてマグネットホイールを走査する目的で本発明による積層構造体が複数、有利にはホイートストンブリッジの形態で結線される。この場合、ホイートストンブリッジの４つの抵抗のうちそれぞれ２つ抵抗が、両方のブリッジ部分つまりハーフブリッジ間の磁界強度差が最大となるよう空間的に配置されている。この場合、各ブリッジ部分により局所的な磁界が測定されるのではなく、磁界の差が測定される。そしてこのようなグラジオメータを用いて小さい磁界の差が生じただけでも大きな差分電圧を発生させる目的で、個々の積層構造体を図２による急峻な側縁の領域で作動させる必要がある。

このようなグラジオメータにおいて殊に有利であるのは、積層構造体において生成される内部的なバイアス磁界の方向と強度をホイートストンブリッジのすべての部分について画一的に選定可能なことである。このようにすることで、たとえば様々な保磁力をもつ薄膜硬質磁石を使用しなくてもよくなる。

さらに殊に有利であるのは、生成された内部磁界が磁気抵抗型積層構造体の感応積層列に少なくともほぼ均等に加えられることであり、その結果、磁性層と導電性中間層は十分に等しい内部磁界を受けることになる。

また、本発明による磁気抵抗型積層構造体が結合型多層構造をとっているならば、感応積層列が互いに上下に配置された複数の軟磁性層から成るようにし、それらが互いに中間層によって分離されるように構成するのが有利である。このようにすれば、全体として得られるセンサ信号が個々の中間層の信号の加算によって格段に大きくなる。

積層構造体に集積された硬磁性層の配置に関して有利には多数の可能性があって、それらを個別の事例ごとに具体的な必要性に合わせて整合させることができる。殊に有利であるのは、硬磁性層を感応積層列の上に、および／または感応積層列の下に、および／または少なくとも部分的に感応積層列の側面横方向で片側または両側に配置されている。硬磁性層のこのような配置を格別容易に製造プロセスに統合することができ、簡単かつ信頼性の高い硬磁性層の製造が可能となる。

そのほか有利であるのは、積層構造体を硬磁性層に集積することによって硬磁性層に幅広い任意の構造をもたせることもできる点にある。このようにすれば集積された硬磁性層を本来の感応積層列の上、下または横に単に部分的に配置できるようになり、その結果、薄膜バイアス磁石として用いられる硬磁性層の特別な幾何学的成形によって、本発明による磁気抵抗型積層構造体の新たな機能を実現させることができる。たとえばこのようにすることで、位置センサにおいて非線形性を補償することができる。

さらに有利であるのは、薄膜バイアス磁石として用いられる硬磁性層の集積により磁気抵抗型積層構造体の動作点を本発明のようにシフトさせることを、いわゆるバーバーポール（Barber-Pole）構造をベースとするＡＭＲセンサ素子においても適用できることである。そのような素子においても、安定化のために用いられる外部の保持磁石を対応する積層構造体に集積された硬磁性層によって置き換えることができる。

集積された硬磁性層の材料に関しては基本的に、薄膜技術でデポジット可能なあらゆる硬磁性材料が適しており、たとえばＳｍＣｏ，ＮｄＦｅＢ，ＣｏＰｔまたはＣｏＣｒなどが適している。硬磁性層の保磁力を以下のように選定するとよい。すなわち、硬磁性層における磁化方向の設定をそのデポジットにおいて製造技術的にまだ簡単に可能であるように選定するとよく、たとえばこれはデポジットの際に相応の磁界を加えるなどして行われ、他方、本発明による磁気抵抗型積層構造体を１００ｍＴよりも下の小さい磁界領域に適用したときでも、外部磁界もしくは発信器磁界あるいはその他の妨害磁界による非可逆的な変化が発生しないよう選定するとよい。

次に、図面を参照しながら本発明について詳しく説明する。

従来技術により知られているような結合型多層構造をもつＧＭＲセンサ素子のための磁気抵抗型積層システムを示す図 この種の積層システムの基本特性曲線図 本発明による磁気抵抗型積層システムの１つの実施例を示す図 本発明による磁気抵抗型積層システムの１つの実施例を示す図 本発明による磁気抵抗型積層システムの１つの実施例を示す図 図３ａ，図３ｂまたは図３ｃによる積層システムの特性曲線図 本発明による磁気抵抗型積層システムにおけるさらに別の実施例を示す図 ホイートストンブリッジとして結線された４つの磁気抵抗型積層システムを備えたグラジオメータの基本構成図 基板上に相応にパターニングされた積層構造体の平面図 メアンダ状にパターニングされグラジオメータとしてまとめられた積層構造体による図７の変形実施例

図１に示されているように本発明の最初の実施例はまず最初は、結合型多層構造体をベースとした原理的に公知の磁気抵抗型積層構造体を出発点としている。これは外部磁界ＢもしくはＨの作用のもとでＧＭＲ効果を有しており、それゆえたとえばＧＭＲセンサ素子において使用するのに適している。

詳細にはこの磁気抵抗積層システムは二酸化珪素または珪素から成る基板１０を有しており、この基板の上にたとえば鉄またはＮｉＦｅから成る緩衝層または整合層１１（バッファ層）が設けられている。バッファ層１１には薄い第１の軟磁性層１２が設けられており、これは鉄とコバルトの合金たとえば８０原子％〜９５原子％のコバルトと２０原子％〜５原子％の鉄から成るかまたはコバルトから成り、あるいはニッケルと鉄またはニッケルとコバルトの合金から成る。第１の軟磁性層１２の厚さは約０．５ｎｍ〜約３ｎｍの範囲内にある。

ここで軟磁性層とは、強磁性材料から成り層内の磁化方向を外部磁界によって作用を及ぼすことのできる層のことである。たとえば軟磁性層内の磁化はできるかぎり容易にかつできるかぎり広範囲にわたり外部磁界の方向に平行に配向される。これに対して硬磁性層とは、強磁性材料から成り磁化の方向がおよび殊にその強度も、極端に強い外部磁界でもないかぎり作用を受けずに保持される層のことである。

さらに第１の軟磁性層１２の上には、非磁性で導電性の中間層１３として銅層が設けられている。この層の厚さは１ｎｍ〜４ｎｍであり、たとえば２ｎｍ〜２．５ｎｍである。これに対する代案として中間層１３を銅と銀と金の合金によって構成してもよく、たとえば８０原子％〜９０原子％の銅、５原子％〜１５原子％の銀、および２原子％〜８原子％の金によって構成してもよい。

中間層１３の上にはさらに第２の軟磁性層１２′が被着されており、この層は第１の軟磁性層１２と同様に構成されている。このようにしてこれら両方の軟磁性層１２，１２′とその間に位置するじかに隣り合う中間層１３とにより積層列１６が形成され、これは有利には表面の侵食や周囲の作用から保護するためたとえばタンタルから成るカバー層１４によって覆われている。なお、図示されているバッファ層１１および／またはカバー層１１を省いてもよい。

さらに、図１もしくは図３ａ〜図３ｃによる簡略化された図面とは異なるけれども、積層列１６が第１の軟磁性層１２、中間層１３および第２の軟磁性層１２′から成るスタックを上下に多数有するように構成するのも有利である。これについては図５を参照しながら説明する。

中間層１３の厚さは、外部磁界が存在しないときに両方の軟磁性層１２，１２′が中間層１３を介して反強磁性結合するよう選定されており、つまり外部磁界が存在しないときに個々の磁化が互いに反平行となるよう選定されている。

図２には、図１に示されている磁気抵抗型積層システムの基本特性曲線図が示されている。この場合、大きい磁界のときの最小電気抵抗に関連づけられた積層列１６における電気抵抗の変化すなわち値ΔＲ／Ｒが、外部磁界（Ｂ）の関数として書き込まれている。この場合、外部磁界は図２による特性曲線の第１象限では規定された一定方向を有しているのに対し、図２による第４象限における特性曲線は類似してはいるが逆方向の外部磁界に対応している。

図２に示されているように、外部磁界Ｂがゼロ磁界の周囲でたとえば周期的に変化すると、つまり５ｍＴ（テスラ）よりも小さい弱い外部磁界の場合、ΔＲ／Ｒの値すなわちセンサ素子の応答は特性曲線の経過特性がフラットであるため、ごく僅かにしか変動しない。

図３ａには、本発明による抵抗型積層構造体の第１の実施例として積層構造体５が示されており、これはまずは図１と同様に構成されているけれども、この場合にはバッファ層１１と第１の軟磁性層１２との間に付加的に硬磁性層１５が設けられている。この硬磁性層１５はたとえばＳｍＣｏ合金、ＮｄＦｅＢ合金、ＣｏＰｔ合金、ＣｏＣｒ合金あるいは薄膜技術でデポジット可能なその他の硬磁性材料によって構成されている。硬磁性層１５の生成においては磁界が印加されていて、その結果、この硬磁性層１５は、強度と方向に関してまえもって定められ一時的に少なくともほぼ一定である磁化状態を有している。さらにこの硬磁性層１５の磁化状態は、たとえばセンサ素子などにおいて動作するときに磁気抵抗型積層構造体に加わる外部磁界によっても、方向と強さに関して少なくともほとんど影響を受けない。この硬磁性層１５は、磁気抵抗型積層構造体５において集積薄膜バイアス磁石を成している。硬磁性層１５の厚さはたとえば３０ｎｍ〜５００ｎｍ一例として約１５０ｎｍである。

図３ｂには本発明による磁気抵抗型積層構造体５の第２の実施例が示されており、この場合、硬磁性層１５は図３ａとは異なり積層列１６の上つまり第２の軟磁性層１２′の上でその層とカバー層１４との間に配置されている。その他の点では図３ｂによる硬磁性層１５は図３ａによる硬磁性層と同様である。

図３ｃには本発明による第３の実施例が示されており、これによれば硬磁性層１５は、磁性層１２，１２′と中間層１３から成る積層列１６の横で側面両側に配置されている。

さらに図５には、互いに上下に配置された複数の有利には多数のスタックから成る積層列１６が示されており、それらのスタックは第１の磁性層１２と中間層１３と第２の磁性層１２′から成る。これに加えて図５の場合、硬磁性層１５が基板１０のすぐ上に配置されており、積層列１６からはまずはアイソレーション層１８およびその上に形成されたバッファ層１１によって分離されている。

図４には、薄膜バイアス磁石として積層構造体５に集積された硬磁性層１５によって、磁気抵抗型積層構造体５の特性曲線中の動作点１７がどのようにしてずらされるのかが示されている。図２と比較することで明らかなように、１ｍＴ〜３０ｍＴたとえば２ｍＴ〜１５ｍＴである硬磁性層１５から生じた内部磁界によって、動作点１７がゼロ磁界領域からずらされるようになる。たとえばこの動作点１７は図４によれば特性曲線の急峻な側縁にあり、その結果、外部から加えられる磁界の変化が僅かであってもΔＲ／Ｒの値が著しく大きく変化するようになり、この値によって最終的に本来のセンサ信号が形成される。

図６には、図３ａ，図３ｂ，図３ｃまたは図５による複数の積層構造体５を周知のホイートストンブリッジを介していっしょに結線してグラジオメータ３０を構成した様子が概略的に描かれている。この場合、各積層構造体５内で硬磁性層１５により発せられる内部磁界Ｈ_Biasの強度と方向はそれぞれ等しい。このようにすれば、ホイートストンブリッジの双方のハーフブリッジ１９，２０間における外部磁界の磁界強度差を捕捉できるようになる。

図７にはこの種のグラジオメータ３０について詳しく示されており、図７によれば図５に示した積層構造体５が４つ、１つの基板上に配置されていて、これらの積層構造体はペアを成して隣り合うストライプとなるようパターニングされている。この場合も各内部磁界Ｈ_Biasの強度と方向がそれぞれ等しい。さらに図７における個々の積層構造体５は図６と同様、図示されていない導体路によりホイートストンブリッジとして結線されている。

図８には図７の発展形態としてグラジオメータ３０が描かれており、これによれば個々の積層構造体５は上から見るとそれぞれメアンダ状にパターニングされ、ペアごとに隣り合うよう配置されている。このようにして２つのハーフブリッジ１９，２０が形成され、これらは図示されていない導体路を介してホイートストンブリッジとなるよう結線されている。

５ 積層構造体
１０ 基板
１１ バッファ層
１２ 第１の軟磁性層
１２′ 第２の軟磁性層
１３ 中間層
１４ カバー層
１５ 硬磁性層
１６ 積層列
１９，２０ ハーフブリッジ
３０ グラジオメータ

Claims (12)

1. 複数の磁気抵抗型積層構造体（５）を有するグラジオメータであって、
   個々の前記磁気抵抗型積層構造体（５）は、
   少なくとも２つの磁性層（１２，１２′）を有する積層列（１６）が設けられており、前記少なくとも２つの磁性層（１２，１２′）は、強磁性材料から成る軟磁性層であり、該軟磁性層の磁化方向は、前記磁気抵抗型積層構造体（５）外部から該磁気抵抗型積層構造体（５）に作用する外部磁界により可変であり、
   前記少なくとも２つの磁性層（１２，１２′）の間に非磁性かつ導電性の中間層（１３）が配置されており、
   少なくとも１つの硬磁性層（１５）が前記磁気抵抗型積層構造体（５）に少なくとも部分的に組み込まれており、該硬磁性層は、前記少なくとも２つの磁性層（１２，１２′）と前記非磁性かつ導電性の中間層（１３）との界面の少なくとも１つの領域に磁界を印加し、
   前記少なくとも１つの硬磁性層（１５）の磁界により、前記磁気抵抗型積層構造体（５）の特性曲線における動作点がシフトされ、
   前記磁気抵抗型積層構造体（５）の電気抵抗は、該磁気抵抗型積層構造体（５）に作用する前記外部磁界に依存して可変である、
   グラジオメータにおいて、
   前記硬磁性層（１５）は少なくとも部分的に前記積層列（１６）の上に、および／または少なくとも部分的に前記積層列（１６）の下に配置されており、
   個々の前記磁気抵抗型積層構造体（５）は、上から見るとそれぞれメアンダ状にパターニングされ、ペアごとに隣り合うように配置されていることを特徴とする、
   グラジオメータ。
2. 前記硬磁性層（１５）により引き起こされる内部磁界は強度と方向に関して時間的に一定である、請求項１記載のグラジオメータ。
3. 前記硬磁性層（１５）により引き起こされる内部磁界は、該硬磁性層（１５）の形成時に設定された方向と強度を有する、請求項１または２記載のグラジオメータ。
4. 前記硬磁性層（１５）により引き起こされる内部磁界の強さは前記界面において１ｍＴ〜３０ｍＴとなる、請求項１から３のいずれか１項記載のグラジオメータ。
5. 前記積層構造体（５）への前記硬磁性層（１５）の集積および該硬磁性層により引き起こされる内部磁界の選定によって、該内部磁界は少なくとも部分的に前記積層列（１６）を超えて広がっている、請求項１から４のいずれか１項記載のグラジオメータ。
6. 前記硬磁性層（１５）はＳｍＣｏ，又はＮｄＦｅＢ，又はＣｏＰｔ，又はＣｏＣｒから成る、請求項１記載のグラジオメータ。
7. 互いに上下に配置された複数の軟磁性層（１２，１２′）が前記積層列（１６）に設けられており、該複数の軟磁性層（１２，１２′）は少なくとも部分的に１つの中間層（１３）を介してそれぞれ互いに分離されている、請求項１から６のいずれか１項記載のグラジオメータ。
8. 前記硬磁性層（１５）は分離層を介して前記積層列（１６）から分離されている、請求項１から７のいずれか１項記載のグラジオメータ。
9. 前記硬磁性層（１５）は所定の構造をもっており、該硬磁性層は前記積層列（１６）の上および／または下だけに配置されている、請求項１から８のいずれか１項記載のグラジオメータ。
10. 前記磁性層（１２，１２′）のうち少なくとも１つの磁性層はＮｉＦｅ，ＣｏＦｅ，ＮｉＣｏまたはＣｏから成る、請求項１から９のいずれか１項記載のグラジオメータ。
11. 異なる積層構造体（５）に集積された硬磁性層（１５）により形成された磁界は、強度と方向に関してそれぞれ等しい、請求項１から１０のいずれか１項記載のグラジオメータ。
12. 前記積層構造体（５）はホイートストンブリッジとして結線されている、請求項１から１１のいずれか１項記載のグラジオメータ。

Images