JPH07509812A - 測定層を短縮した磁気抵抗センサ - Google Patents
測定層を短縮した磁気抵抗センサInfo
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- JPH07509812A JPH07509812A JP6514675A JP51467594A JPH07509812A JP H07509812 A JPH07509812 A JP H07509812A JP 6514675 A JP6514675 A JP 6514675A JP 51467594 A JP51467594 A JP 51467594A JP H07509812 A JPH07509812 A JP H07509812A
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
測定層を短縮した磁気抵抗センサ
本発明は磁気抵抗センサに関する。
ニッケル(N i ) 、鉄(Fe)i62いはコバル} (Co)のような強
磁性遷移金属や二れらの金属の合金においては電気抵抗はこの材料を貫通する磁
場の大きさ及び方向に関係する.この効果は異方性磁気抵抗(AMR)或いは異
方性磁気抵抗効果と呼ばれる。この効果は物理的にはスピンの異なる電子、即ち
それぞれD軌道の多数電子及び少数電子と称される電子の異なる散乱断面積に基
づ<、in磁気抵抗センサは一般にこのような磁気抵抗材料からなる薄い層で、
その層面において磁化されたものが使用される.電流方向に関し,て磁化を回転
する際の抵抗変化は正常の等方性抵抗の数%である。
多数の強磁性層を金属性の中間層により互いに隔′ζて1つの積層体に構成し、
その磁化面がそれぞれその層面にあるようにした多層構成は公知である.その場
合それぞれのFJ厚は伝導電子の平均自由行路よりずっと小さく選ばれている.
このような層構成においては個々の層における異方性磁気抵抗効果の他に、特に
合金における層の体積において並びに強磁性層と中間層との間の境界面において
多数欣び少数の伝4電子の異なる強さの散乱に基づく、いわゆる巨大磁気抵抗効
果代いは巨大磁気抵抗(巨大MR)が生ずる.二の巨大MRは等方性効果であり
、異方性〜IRよりはるかに大きく、正常の等方性抵抗の70%にまでなる。
二のような巨大MR多層構成については2つの基本的なタイプが公知である。
第一のタイプ巳一おいては強磁性層は中間層を介して互いに反強磁性に結合され
ているのて 2つの互いに隣接する強磁性層の層面における磁化は外部磁場がな
い亡き互いLこ反平行に向いている。このタイプの1つの例はFeからなる強磁
性層):(’:jか5なる反強磁性山間層上を備えた鉄・クロム・超格子(Fe
−Cr一超ネ8子)である。二の場合り1部磁場によって隣接の強磁性層の磁化
方向は反強磁性結合力に坑して回転さえ工行二二なる.磁場によるこの磁化の方
向転換は磁場の大きさのg4である巨大MRを恒常的に滅失させる結果となる.
飽和磁場の強さH、においては巨大Mrlの変化は起こらない、なぜならその場
合全ての磁化方向は圧いに下行に向いているからである。巨大MRは磁場の強さ
の大きさにのみ関係−4ろ(Uフィンカル・レヴイユー・レクーズJCi1巻、
21号、1988年11月21日、2472−2475頁参照)。
反強磁性に結合された強磁性すを備えるこのタイプのものについて境界面におい
て敗乱し、たスピンアップを持つ電子及びスピンダウンを持つ電子に対する電流
及び透過係汐と隣接した強磁性層の磁化の間の角度との関係を明らかにする理論
的なコ1算を行ったと、:ろ、この計算から巨大MRは2つの磁化の間の角度が
01から180°まで増大する間に1!!!続的に増加し、180°の角度で極
大であることがil+[!I’11.た(「フィジカル・レヴイユー・レターズ
ー163巻、6号、1989缶8月、661−667頁参計重!?)。
巨大Mrl多層構成の第一のタイプのものにおいては強磁性層は中央部で互いに
1tl−、t:層面に第3いて磁化され、金属からなる反磁性成いは常磁性の中
間層によって互いに隔てられ°ζいる。山間層の厚さは強41i性層の磁化の間
の磁気交換結合がCきン、たけ小さくなるように選ばれている。それぞれ隣接し
た強磁性層は異なる(?磁力を持っている。こわ凰より飽和時において先ず同方
向である、軟■1性の測定層の磁化MI及び隣接の硬磁性のバイアス層の磁化M
2の平均値が磁場Hによって胃なるi回転し、451化M1及びM2の平均値の
間の磁場Hに関係した角度Ph1が設定される。個々の磁化v+t及びM2と6
53場11との関係はその場合軟磁性j−i シ(jよ硬(ヅl性材のそれぞれ
のヒステリシス曲線から生ずる。軟磁性層の保磁力IIe、と硬f4f性層の保
磁力11c!七の間及び〜11,2及び−Helとの間には、磁化M。
がl!胃に飽和し7ており、磁化M2がその飽和に対応する値を持ちがっ磁化M
、に対すて反軍4テt7向いている、叩らPh1=180’のそれぞれ1つの範
囲が存在する。:の範囲においてMR信号は極大でかつ一定である6種々の異な
る保磁力IHc、l≦・+1cz・はnなる材lの選択によ杓吸いは異なる製造
プロセスによりもすくは回し、材京」で異なる厚さを選促することにより設定す
る。二とができる。異なる柑11を備えた公知の層構成は例えばN1FQ−C+
」−Co構造やFe Cu−C,O構造である。異なる製造方v、#いは異なる
厚さに基づく公知の層構成はC。
/’111J −−Co横込である(7ジセーナル オプ・アプライド フィジ
クスー170缶、10号、1.991年11月150.5864−5866頁参
照)、この公知の層構成のMR信号はしかしながらその前歴、即ちどのような行
程で、どのような磁場の値の間でそしてどの様な方向にヒステリシス曲線が経過
するかに関係する。それ故このような公知の1?J構成では一義的な可逆的特性
を持つMRセンサは実現さ机ない。さらにこのような公知の層構成においては硬
磁性バイアス層の磁束の一部が軟磁性測定層を介して閉成する。この擾乱磁場は
センサの測定怒気を減少さゼ センサ特性の好ましくない変位を招集する。
それ教本発明の課題は、少なくとも1つの測定層と、この測定層から中間層によ
って交換層結合された少なくとも1つのバイアス層とからなる層構成を備え、一
義的な特性を持ちかつ測定層におけるバイアス層の擾乱磁場が大幅に抑制される
磁気抵抗センサを提供するごとにある。さらに、少なくとも充分に線形特性を持
つ釘多気抵抗七ンサを提供ξ、ようとするものである。
この課題は未発明によれば、請;bJu 1に記載の特1t!事項により解決さ
れる。
測定層の磁化向、は少なくとも1つの方向において可逆的に、従って一義的に測
定される&11場に関係し1、挙底状譚、理ち■i場が加わっていないとき、こ
の磁化抵抗(2号を得るこ七ができる。
測定層におけるバイアス層の擾乱m場は、最悪の場合、測定層における基底状=
f;S化M M oが 磁場が加わっていないのに、バイアス層における磁化
M、の方向にに→し、て反平行に向くようにさせることがある。特にM、が大き
い場合、バイアス17→の磁束の一部が測定層を介して閉成するのを回避するた
めに、測定層はバイ゛?ス層の01化M、の方向に対し、て平行な少なくとも1
つの方向においてその縁部がバイアス層よりも短く形成され、その結果バイアス
層がこの方向の両側で測定層を越えるように形成される。
イ]利な実施健様においてはθ11定層はその全縁部領域でバイアス層より短(
形成される。
ij、]定層の存在しないに*部領域と拶11定唱の存在する中央の測定範囲と
の間の移行部は好すし、くは′Jk腺形に形成される。例えばこの移行部におけ
る測定層の厚みは中央に向かって連続的に増1+uする。
1☆5構成の抵抗をθり定−づるために2−)のJ11定接触部が設けられてい
る。この測定接触部は互いに間隔を隔てて好ましくは最上部の府に配置され、測
定電流は中央部で層面に1し゛ζ平行にifれる(cip〕、また異なる実施態
様では測定接触部は閏り部層と最下部層とに配置され 測定電流は層面に対して
垂直に流れる(Cpp)。二のように配置さn、たcpp夕11定接醇部を備え
た層構成は「フイジカルレウ゛イユー・ビー+46巻、1号 (1992年L
54B−551頁によりこ・ト知である。
Allll部層1利な実施り揉においては磁気基準軸Δ、を偵えている。測定層
は趙畠(、庄性材lから選ばれ得ろことは勿論である。その場合その磁化M、は
全での方向にバいて可逆的に磁場に関係する。
線種ζありかつ極大ピ1.千を持つ範囲に設定される。
−シ・る番19威R度軸八つを偵え、二の基7層軸へつに1合って51化される
。
Jた胃f;不実協Q様にδいてはいわゆる906結合が利用される。この場合、
山間層の厚さは、411定層とハイ−21層との間の磁気交換結合がその符号を
変える、111ち強鵠性結ゐから反強←l性情訂二もし、(はその逆に転移する
ような値に設定さ層を4成する材11が坤々てありかつ層の形状が種々である場
合、発生する反磁4Fの感嘆の線形性に対して最適な動作点を達成することが必
要となる。
51化荷、。及び富、の方向が相互に少なくともほぼ垂直な方向から大きく変位
していることはセンサの宮変支び線形性を悪化する。
2−〕のG旧’f、 M −o及び双、のノ挿1)の間の角度がこのように変位
する原因は、バイアス層の仔1束のなお僅かな部分が常に測定層を介して閉成す
る場合である。従って他の実施■様ではバイアス層の磁化1荷、1が測定層の基
底状態磁化IMMOIよりも低く選ばれ”ζいる。
就中、層の縁部SJI域における、特にバイアス層における反磁場に蟇づいても
磁化M、。及び!8の所定方向からの変位は起こり得る。それ故好ましい実施態
様によくいて(よ抵1)°シ測定のための♂j定接触部は層構成の内部の測定範
囲にずれて配置され、この縁部領域の測定信号に対する影響を回避する。
特に有効な実施態様においては層は縦長に形成され、その長手方向が測定層の基
底状態磁化M、Oの方向に)ルで垂直となるようにされる。これにより磁化九の
状態が特に安定である。ざらにセンサの高度のli度が得られその特性の変位が
減少する。測定層もし、くはバイアス層により形成される反磁場が著しく弱めら
れ、その被A11定磁場に反磁1に作用するシ二客が減少されるからである。
り1定層の磁束の方向転換のためにさらに異なる実施卯様においては少なくとも
1つの測定層が、互いに反平行な方向に磁化され、中間層によって隔てられてい
る2つの判定層によって換えられZ)、この2つのδり部層の磁化の方向はバイ
アス層の磁化M、の方向に対する垂線に対し、て、それらが180′″より小さ
い角度で交りろようにほぼ同ξ、角度で傾いているのが好すし、い、これにより
測定層における磁区の形成が付加的に減少さ机る。
金言:でに説明し、できた層構成の実施態様は互いに紺合わせて多数のこのよう
な次的な刷積成はそれぞれ他の1つの中間層によって互いに隔てられている。
図面を参詔して二の発明をさらに説明する。
−1皮ひ図2はそれぞれその1部領域に測定層が存在しない本発明による磁気抵
喧センサの実施例を横断面図で
図3は測定接触部が内側に向かってずれて配置されている実施例を平面図で、図
4は2つの隣接した測定層を備えた実施例を横断面図で、それぞれ概略的に示す
。
図1は複数の磁性測定層2及び複数の磁性バイアス層6(但し図ではそれぞれ2
つしか示されていない)並びにそれぞれ測定層2とバイアス層6の間に配置され
た非磁性の中間層4を備えた磁気抵抗センサの一実施例を示す、これらの層は全
て41性物質からなり、その厚さは伝4電子の平均自由行路よりずっと小さい。
測定+12は、互いに平行でかつ好ましくは同じ大きさの基底状態磁化M6゜を
、A9で表示され測定l152の層面に走る基準軸に沿って有している。バイア
ス層6は互いに平行でかつ好ましくは同し大きさの固定の磁化M、をその層面に
有しており、これらは測定N2の基準軸AMに対して少なくともほぼ垂直に向い
ており図面に示されている。磁化M、の方向は勿論逆の方向とすることもできる
。′pFt準軸AM、従って基底状態磁化M、。の方向を磁化M、の方向に対し
て相対的に少なくともぽぼ直交する方向にすることにより、この実施例における
センサの動作点は少なくともほぼ線形的な特性範囲にあり同時に最大のピッチを
持つ0両磁化MNO及びMlの方向の間の角度は反磁場を補償するために杓90
@変位している。
図1には示さ虹ていない磁場)lが層面に加わると、測定層2の磁化M−の方向
は基底状態磁化M、。の方向から変化し、バイアス層の磁化M、の方向は実質的
に不変化の才まである。測定軸2の基準軸A5に対して垂直な磁場Hの成分H,
は測定層2の磁化MMの方向を、磁場の方向Hに応じて、磁化M、もしくは−M
。
の方向に回転させる。飽和状態になると磁化M9及びM、の方向は互いに平行も
しくは反平行になる。この回転プロセスは回転角に関係した巨大磁気抵抗信号を
形成するにれに対して測定軸2の基準軸A、に対し、て平行な磁場Hの成分H7
は磁区壁移動を、従って磁区壁における方向変換だけを行わせる。磁気抵抗信号
は、:れにより形成されない。層面に対して垂直な磁場が加わっているときには
測定12における大きな反磁場のため同様に回転プロセスは起こらず、従って磁
気抵抗信号は測定されない。磁気抵抗センサはそれ故実質的には、この実施例で
は%J軸A、に村して垂直なもしくLよ一船的に言えば測定112の基底状態磁
化M H6の方向に対して直交する方向の磁場Hの成分Hvに対してのみ感度を
有する。
バイアス@6の磁化Msの方向は磁場Hが加わる測定範囲においては一定であり
特に層面において回転してはならない、このため1つの実施例ではバイアス層6
にそれぞれ1つの磁気的車軸異方性、特に結晶異方性、磁場誘起異方性或いは電
圧誘起異方性が加えられる。バイアス層はその場合異方性軸に沿って磁化される
。
測定層、中間層及びバイアス層からなる多数の副次的層構成を、それぞれ1つの
中間層を介して隔てて1つの周期的な積層体に構成することも好ましい、この副
次的層構成の数は一隘に17’l至100の間に選ばれる。
抵抗測定のために、好ましくは層構成の最上部の層に2つの測定接触部が互いに
間隔、好ましくは層構成の厚みよりずっと大きい間隔をおいて配置される(C1
p)、異なる実権例においては測定接触部はIil構成の最上部の層と最下部の
層とに配置される(cpρ)、そのr1u隔は層構成の厚みに一致する。全体の
層構成の代表的な厚さは3nm乃至400nmであり、測定接触部の代表的な間
隔は3nmから1mmの範囲にある6図1には示されていない2つの測定接触部
の間には全体の層構成において伝導電子の電流路が形成される。
測定層2はバイアス層6からの静的磁気膜結合のためその磁化M、の方向におい
て縁部がバイアス層6より短く形成されている。この層構成は従って測定層2が
存在しない2つの縁部領域21及び25と、測定層2の存在する中央の測定範囲
23を備える。fA定部層のこの短縮は少なくともバイアス層6の磁化M、の方
向において行われる、また好ましくは全ての方向において行われ、バイアス層6
が測定層2を全周にわたって越えるようにする。中間層4はバイアス層6と同じ
長さム:するのがよい。
縁部領域21及び25並びに測定範囲23との間にはこの実施例ではそれぞれ1
つの移行部23及び24が設けられている。この部分では測定層2の厚みdは内
部に[i+]かって連続的に増加している。バイアス層6と中間層4とは移行部
22皮び24において縁部領域21及び25並びに測定範囲23における厚みと
少なくともほぼ同し厚みを持っているので、移行部22及び24における測定層
2の厚みdは縁部%、11域21及び25におけるd=oから測定範囲23にお
け一定値d= d Mまで一定の開き角で線形に増加している。
図2による簡略化した実施例においては縁部領域21及び25と測定範囲23と
の間には移行部が存在せず、それぞれ1つの段部が設けられている。この段部の
高さは本(部領域21及び25のない測定層2の厚さに一致する。縁部領域21
支び25の1構造はその場合特に測定+12を取り去ることによって生じ、適当
なりソグラフィ法によって作られる0層構成は基板10の上に配置される。かか
る基板は全ての他の実施例においても設けられている。2つの測定接触部11A
。
118がcpp構成で最上部の層並びに最下部の層に設けられている。その場合
電流はこれらの測定接触部11A及びIIBの間に中央部で層面に対して垂直に
流れ7.、!定接触部11A及びIIBはそれぞれ特に同一間隔aだけ測定範囲
23の端から踊れて配置さ机、この両端15及び16における反磁場に基づ(測
定信号に対する擾乱縁部効果を回避する。
図3に平面で示す有利な実施例においては層は矩形状の条片に形成され、その長
手方向は測定@2の基底状態磁化MMOの方向に対して垂直である。この手段に
より測定磁場に対して反対方向に向いた反磁場が明らかに弱められ、それにより
センサのざ度が高まりかつ測定特性の変位が回避される。測定層2はこの場合磁
化M、の方向だけでなく、磁化N1mに対して垂線方向にもその両側がバイアス
層6よりも短く形成されている。測定層2を持つ層構成の測定範囲23は層面に
関して図示の重置方向の投影では、測定層が存在しない全体の1構成、即ち測定
範囲23及び縁部領域21.25.26及び27により形成される矩形の中に完
全に入る矩形の形状をしている。抵抗測定のため2つの測定接触部11A、11
Bが設けられている。これらの測定接触部11AS IIBは特に測定範囲23
の両端15.Qび16における反磁場による擾乱の影響を回避するために長手方
向に距離aもしく二よりだけ内側にずれて測定範囲23に配置されている。好ま
しくはこの距離a及びbは同し大きさにされる。測定接触部llA、IIBは好
ましくは一定Ii!2に配置されているが、バイアス層6或いは中間層4にも配
置される。
図4の実権例においては少なくとも1つの測定12が2つの測定層2゛及び2パ
ム:よって代替されている。この2つの測定l112°及び2゛°の基底状M磁
化器こ向いており、その大きさは好ましくは等しい、即ちM、Ia’ −M、l
o”である。
これにより測定111i2°及び2°“の磁束は実質的に測定層2°及び2゛°
自体に限定されずかつ隣接のバイアス層6に干渉しない、バイアス116はそれ
ぞれ、測基巾輔の方向の変動及びそれから生ずる、基底状態磁化M、。°及びM
9゜°°からの磁化M、゛及びM、I’”に対する一義的でない回転方向のため
、一般に飽和後測定層2°及び2゛°に、磁場の値が比較的小さいのに磁区が形
成される0図示されてないが、特別の実権例ではごの磁区の形成を回避するため
に、両側部層2゛支び2−の基底状態は化凱。°及び汀。°°の方向はバイアス
層6の磁化M、にり・1して垂線方向に僅かな角変だけそれぞれ異なる回転方向
にずれて設定され、その結果それらは互いに180@よりやや小さい角度で交わ
っている。これは■u応に互いに傾斜した梧準輔を相応の測定層2°及び2°゛
に加えることにより達成される。これにより磁場Hが加わっているとき陶磁化M
M°及びM、”の各々に対し′ζ飽和状態からの一義的回転方向が与えられる。
測定層に対する磁性材料としては例えばCo、Fe、SmCo嘆いはTbFeC
oが、バイアス層に対し°ζはN1.。Few。i戊いはまたNi1iCoFe
が使用さn、る、山間層は好ましくは(+」、Au、Ag或いはC「からなる。
FIG 2
FIG 3
FIG 4
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1.a)1つの層構成を備え、この層構成は以下の特徴を有し、即ちa1)少な くとも1つの方向に可逆的に、加えられる磁場(H)に関係して層面において磁 化(MM)された少なくとも1つの測定層(2)が設けられ、しかもこの磁化( MM)は磁場(H)がないときには所定の基底状態磁化(MMo)に一致し、 a2)測定層(2)の少なくとも1つの面側に磁場(H)の測定範囲において少 なくともほぼ一定に層面が磁化(M■)されているバイアス層(6)が設けられ 、このバイアス層は少なくともほぼ測定層(2)から中間層(4)によって交換 脱結合され、 a3)測定層(2)はバイアス層(6)の磁化(M■)に対して少なくとも平行 にバイアス層(6)より短く形成され、b)加えられる磁場(H)の尺度である 抵抗信号を検出するために層構成に測定接触部(11A及び11B)を備えた磁 気抵抗センサ。 2.測定層(2)の縁部がバイアス層(6)により占められる面の内部にあるこ とを特徴とする請求項1記載の磁気抵抗センサ。 3.測定層(2)の厚さが層構成の縁部領域(21、25)と測定層(2)の存 在する中央の測定範囲(23)との間において連続的に増加していることを特徴 とする請求項1又は2記載の磁気抵抗センサ。 4.測定層(2)の基底状態磁化(MMo)及びバイアス層(6)の磁化(M■ )の方向が互いに少なくともほぼ垂直であることを特徴とする上記請求項の1つ に記載の磁気抵抗センサ。 5.測定層(2)の基底状態磁化(MMo)及びバイアス層(6)の磁化(M■ )の方向が互いに平行であることを特徴とする上記請求項の1つに記載の磁気抵 抗センサ。 6.バイアス層(6)の磁化(M■)の大きさが測定層(2)の基底状態磁化( MMo)よりも小さく選ばれていることを特徴とする上記請求項の1つに記載の 磁気抵抗センサ。 7.測定層(2)とバイアス層(6)とが長手方向に測定層(2)の基底状態磁 化(MMo)の方向に対して垂直に延びていることを特徴とする上記請求項1つ に記載の磁気抵抗センサ。 8.測定接触部(11A、11B)が層構成の縁部から距離をおいて配置されて いることを特徴とする上記請求項の1つに記載の磁気抵抗センサ。 9.測定接触部が層構成の最上部層及び/又は最下部層に配置されていることを 特徴とする上記請求項の1つに記載の磁気抵抗センサ。 10.少なくとも1つの測定層(2)が中間層(4)を介して磁気的に交換脱結 合されている2つの測定層(2′、2′′)によって代替されていることを特徴 とする請求項10記載の磁気抵抗センサ。 11.2つの測定層(2′、2′′)の基底状態磁化(MMo′、MMo′′) の方向が、磁場(H)が加わっていないとき、互いに少なくともほぼ反平行であ ることを特徴とする請求項10記載の磁気抵抗センサ。 12.2つの測定層(2′、2′′)の基底状態磁化(MMo′、MMo′′) の方向が、磁場(H)が加わっていないとき、それぞれ少なくともほぼ同じ角度 だけバイアス層(6)の磁化(M■)に対する垂線方向に対して傾斜しており、 かつ互いに180°より少ない角度で交差していることを特徴とする請求項10 記載の磁気抵抗センサ。 13.各測定層(2、2′、2′′)が磁場(H)がないとき基準軸の方向に磁 化さ九ていることを特徴とする上記請求項の1つに記載の磁気抵抗センサ。 14.バイアス層(6)が基準柚に沿って磁化されていることを特徴とする上記 請求項の1つに記載の磁気抵抗センサ。 15.それぞれ1つの測定層(2)、1つの中間層(4)及び1つのバイアス層 (6)から構成された多数の層構成が重ねて配置されて周期的層構造を形成し、 かつそれぞれ中間層(4)によって互いに隔離されていることを特徴とする上記 請求項の1つに記載の磁気抵抗センサ。
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