JPH0856025A - 自己バイアス多層磁気抵抗センサ - Google Patents

自己バイアス多層磁気抵抗センサ

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JPH0856025A
JPH0856025A JP7206708A JP20670895A JPH0856025A JP H0856025 A JPH0856025 A JP H0856025A JP 7206708 A JP7206708 A JP 7206708A JP 20670895 A JP20670895 A JP 20670895A JP H0856025 A JPH0856025 A JP H0856025A
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magnetic
magnetization
sensor according
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JP7206708A
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Mouchot Jean
ムーショ ジャン
Bernard Dieny
ディエニ ベルナール
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Commissariat a lEnergie Atomique CEA
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    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
    • G01R33/09—Magnetoresistive devices
    • G01R33/093—Magnetoresistive devices using multilayer structures, e.g. giant magnetoresistance sensors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y10/00—Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
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    • G—PHYSICS
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 応答が線形で分極手段の不要な磁気抵抗セン
サを提供することを目的とする。 【解決手段】 本発明によれば、センサは、非磁性体導
電性層（１６、１７）によってまず分離された２つの他
の強磁性体層（１３、１５）によって囲まれた中心強磁
性体層（１４）のスタックを含んでいる。中心層（１
４）は長手方向を向いた閉塞された磁化を有しており、
２つの他の層（１３、１５）は、長手方向に直交し、測
定する磁界が存在しない場合に２つの反対の方向を向く
磁化を有している。センサの製造、詳細には磁気録音へ
の応用が可能である。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は自己バイアス多層磁
気抵抗センサに関する。詳細には、本発明は、磁気録音
用の読取りヘッド、符号器形のシステム用の磁気抵抗セ
ンサ、および電流を測定するための磁気抵抗センサの製
造に適用できる。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】磁気
抵抗素子は、それに印加される磁界の作用として抵抗が
変化する素子である。該抵抗を測定するためには、磁気
抵抗に電流を流し、素子の端子における電圧を測定する
か、または素子の端子に電位差を印加し、電流の強度変
化を測定する。
【０００３】磁気抵抗センサは、測定する磁界の方向が
磁気抵抗素子の縦軸に直交する方向を向いていることで
知られているが、一方、他のセンサは磁界が該縦軸に平
行である。本発明は２番目の場合に関する。
【０００４】磁気抵抗の中には単一の材料で構成される
ものがあり、「モノリシック」と呼ばれる。他のものは
非磁性体によって分離された磁性体層のスタックによっ
て構成され、「多層」と呼ばれる。多層磁気抵抗の中に
は、連続した磁性体層内で磁化の相対的な配向を変化さ
せることが可能なものもある。したがって、磁性体層の
向きが互いに逆平行であるか、平行であるかによって抵
抗の変化が生じる。
【０００５】大半の周知のシステムでは、電気抵抗は逆
平行配列構成の場合に最大となり、平行配列構成の場合
に最小となる。
【０００６】磁性体層および非磁性体層の厚さおよび性
質の作用として、磁気抵抗効果を最適にすることが可能
である。
【０００７】磁気抵抗素子を静電磁界を用いて分極化
し、該磁気抵抗素子の電気応答が測定する磁界の作用と
して線形になるようにすることも有利である。一般に、
磁気分極磁界は、磁気抵抗素子の平面内で一様に印加さ
れる。
【０００８】したがって、米国特許第４９４９０３９号
明細書は、磁性体層を非磁性体の薄い層で分離して得た
磁気抵抗効果を記載している。記載されている構造の１
つでは、軟質強磁性体の２つの層が非磁性体層によって
互いに分離されており、強磁性体層の１つが交換異方性
（マンガン鉄などの反強磁性体の第４の層を有する交換
結合）によって閉じこめられている。該明細書は、使用
する材料は、スピンに依存する散乱が磁性体と非磁性体
の間の境界面において生じるものでなければならないと
指摘している。
【０００９】ＩＥＥＥ Translation Journal on Magnet
ics in Japan, vol. 7, no. 9, pp.674-684、１９９２
年９月に発表された「Magnetoresistance 」と題するH.
Yamamoto, T. Shinjoによる論文は、金属の多層磁気構
造を記載している。それらは本質的に、鉄、ニッケル、
コバルトまたはこれらの３つの元素により形成された合
金のうちのいずれかをベースとする磁性体金属、また
は、例えば、銅、クロム、銀、金、モリブデン、および
ルテニウムなどの非強磁性遷移金属または貴金属により
構成される。
【００１０】
【課題を解決するための手段】これらの手段はいずれ
も、ある面では満足のいくものであるが、線形応答を得
るために分極手段を必要とする欠点がある。本発明の目
的は、この欠点をなくすことである。
【００１１】この目的のために、本発明は、磁界に反応
する素子を磁気抵抗中を流れる電流によって分極化する
センサを提案する。したがって、センサの応答は自動的
に線形になり、分極磁界を生成する手段を追加する必要
はない。
【００１２】より詳細には、本発明は、磁性体層および
非磁性体層を交互に積み重ねたスタックを含む磁界に反
応する素子であって、その長手方向が測定する磁界に平
行な方向を向いている前記素子と、素子に長手方向に電
流を通じるための手段と、素子の抵抗を測定するための
手段とを周知の態様で包含している、自己バイアス多層
磁気抵抗センサにおいて、磁界に反応する素子が少なく
とも１つの第１の強磁性体層のスタックを有し、該第１
の強磁性体層が、第１および第２の導電性の非磁性体層
によって第１の層から分離され、第２および第３の強磁
性体層によって囲まれており、第１の強磁性体層が閉塞
され長手方向を向いている磁化を有し、第２および第３
の層が、電流が反応素子を横切る際測定する磁界が存在
しない場合、長手方向にほぼ直交する磁化を有し、第２
の層内の磁化がほぼ第３の層内の磁化と反対方向を向い
ていることを特徴とする、自己バイアス多層磁気抵抗セ
ンサに関する。
【００１３】有利な改変形においては、スタックが閉塞
された長手方向磁化を有する２つの他の強磁性体層を有
し、導電性の非磁性体層に関連づけられた該他の層が、
前述のスタックを取り囲んでいる。
【００１４】強磁性体層または長手方向磁化を有する層
は、少量の異方性希土類元素（例えば、Ｎｄ、Ｓｍまた
はＴｂなど）を任意に有する、鉄およびコバルトをベー
スとする合金が好ましい。
【００１５】逆方向磁化が長手方向に直交する第２およ
び第３の強磁性体層に関しては、鉄、ニッケル、または
コバルトの合金などの遷移金属の軟質強磁性合金、また
は、例えばパーマロイ（Ｆｅ２０Ｎｉ８０）が有利であ
る。前記の層の厚さは、例えば１ないし１０ｎｍであ
る。
【００１６】スタックの一方側面において、素子は、長
手方向に閉塞された磁化を有する強磁性体層と、第２お
よび第３の層などの磁化が直交する強磁性体層とを交互
のものとすることが可能であり、該異種層は導電性の非
磁性体層によって分離されている。
【００１７】導電性の非磁性体層は、例えば銅、銀また
は金である。これらの非磁性体層の厚さは、逆方向磁化
を有する強磁性体層が、磁気的に絶縁されている（自
由）と考えられる場合は（例えば、１ないし１０ｎｍ
で）十分である。強磁性体層の磁化または長手方向磁化
を有する層の閉塞は、高保磁力材料を選択することによ
って、または各強磁性体層と、硬質磁性体の層または交
換異方性を導入することができる反強磁性体の層とを関
連づけることによって実現できる。高保磁力という語
は、保磁力の磁界が測定する磁界を越える材料を意味す
ると理解されたい。
【００１８】
【発明の実施の形態】図１は、本発明によるセンサの透
視図である。第１の強磁性体層１４は閉塞された長手方
向磁化（図面の平面に直交する方向を向いた矢印によっ
て概略的に示されている）を有する。第２の強磁性体層
１３は図面の平面に平行で左方向を向いている磁化を有
する。第３の強磁性体層１５は図面の平面に平行である
が右方向を向いている磁化を有する。これらの３つの層
１３、１４、および１５は、それぞれ第１の非磁性体層
１６および第２の非磁性体層１７によって互いに分離さ
れている。これらの導電層は金属製である。
【００１９】２つの接続部３１および３２はスタックの
両端にあり、アセンブリは電流発生器３５に接続され、
スタックに電流Ｉが流れる。
【００２０】電流計形の装置３８はスタックの端子にお
ける電圧を測定するものであり、該電圧は、電流Ｉが一
定に保たれている場合にスタックの抵抗の値を与える。
【００２１】電流Ｉが循環することにより磁界が発生
し、その磁力線は近似的に電流ベクトルＩに直交し、層
の境界面に平行な直線となる。この電流の強度は、アン
ペアの法則によって与えられる。アンペアの法則は、閉
曲線に沿った磁界の流れが該閉曲線によって画定される
面を通ずる電流に等しいとしている。したがって、電流
によって生成されるこの自己バイアス磁界が、スタック
の中間平面内でゼロであり、該平面の両側において直線
的に変化することを容易に説明することができる。
【００２２】例えば、層１２、１４、および１５の厚さ
を５ｎｍ、層１６および１７の厚さを２．５ｎｍとした
場合、１０7 Ａ／ｃｍ2 の電流によって生じる磁界は、
スタックの中心面からの距離１０ｎｍのところにおいて
１ｋＡ／ｍである。この磁界は反応素子に固有の分極磁
界を構成する。
【００２３】図２は、前記の磁界Ｈpol の強度変化（横
軸にプロットされている）を、構造の中間平面からの距
離ｚ（縦軸にプロットされている）の関数として示して
いる。磁界は中間平面内ではゼロであり、スタックの内
側にあるときにはその両側で直線的に増大するが、外部
にあるときには磁界は減少し、無限遠において消滅す
る。
【００２４】分極磁界Ｈpol の影響下では、層１３およ
び１５の磁化は閉塞された強磁性体層１４の磁化方向に
ほぼ直交する方向を向いている。さらに、層１３および
１５の磁化は逆平行である。
【００２５】測定する磁界を印加すると、層１３および
１５の磁化が印加した磁界の方向を向くようになり、こ
れにより層１４および１５の磁化の相対的な配向が変化
し、したがって構造の抵抗率ρが変化する。
【００２６】図３は、抵抗率ρの変化（縦軸にプロット
されている）を、印加磁界Ｈ（横軸にプロットされてい
る）の関数として示した例である。この変化は、ある磁
界範囲内では直線になることが分かる。
【００２７】曲線ρ（Ｈ）は原点を通らず、図３の場合
のように、磁界Ｈexだけ変位する。この変位は、層間に
存在しうる磁性体結合または反強磁性体結合の残留か、
または形成異方性効果に相当する。
【００２８】図４、図５および図６は、本発明によるセ
ンサの３つの実施例を示す。これらの図面には、電気接
続部、電流供給源および抵抗測定手段が示されていな
い。
【００２９】図４は、例えばタンタル製の基板１１、緩
衝層１２、および層１３、１４、１５、１６、１７（こ
れらはすでに図１に示されている）を示す。さらに、タ
ンタルまたはＴｉＷの保護層１８がアセンブリ上に形成
されている。
【００３０】図５の改変形では、高保磁力の中心強磁性
体層は、例えばパーマロイなどの軟質磁性体層１４によ
って構成されており、該層はその磁化が、ＭｎＦｅ、Ｎ
ｉＯ、またはＴｂＣｏ形の反強磁性体層による交換異方
性か、または（ＮｄＣｏ、ＳｍＣｏ、ＮｄＦｅＢをベー
スとする合金などの）硬質材料による直接結合のどちら
かによって閉塞され、該補助層は１９で示されている。
図５では、層１４は２つの部分に分割されており、その
間に反強磁性体層または硬質磁性体層１９が配置されて
いる。その他のすべての層１２ないし１８および基板１
１も設けられている。
【００３１】図６の場合、その目的は所望の効果、すな
わち抵抗の変化を増大することである。図５に関して説
明されている構造は保持されているが、上部および底部
が充填されている。第４の強磁性体層２１および第５の
強磁性体層２２は、例えば、鉄、ニッケルまたはコバル
トをベースにして（コバルトが多いほうが有利である）
形成されている。磁化は測定する磁界の方向に閉塞され
ている。この閉塞は、図１のように高保磁力材料（保磁
力磁界は測定する磁界よりもはるかに大きい）または、
図５のように反強磁性体材料（例えばＦｅＭｎ）の層２
５および２６による交換異方性を使用することによって
保証することができる。層２１および２２は、２つの非
磁性体層２３、２４（例えば、銀で、層１５と２２の間
または１３と２１の間に磁性体結合がほとんどあるいは
全く存在しないような厚さを有する）により非磁性体層
１３、１５から分離されている。
【００３２】構造は、例えばＴａまたはＴｉＷの保護層
１８で覆うことができる。
【００３３】この例では、層２１、１４および２２は平
行に置かれている。強磁性体層１３および１５だけは、
測定する電流が存在しない場合自由に回転する。電流は
存在するが、磁界が印加されていない場合には、層１３
および１５は層１４、２１および２２の磁化方向に対し
てほぼ９０゜の方向を向いている。測定する磁界により
層１３および１５の磁化の方向が乱れ、その結果構造の
抵抗が変化する。
【００３４】ヨーロッパ特許第５２９９５９号に記載さ
れているように、所望の効果を増大するためには、非磁
性体層と強磁性体層１３、１４および１５の間の各境界
面、またはこれらの境界面のうちのいくつかにおいて、
コバルトを多く含む材料（例えばＣｏ90Ｆｅ10）の極薄
い層を形成するのが有利となる。この改変形は、すべて
の場合に適用することができ、さらに詳細には、図１、
図４および図５の場合に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるセンサの略図である。
【図２】素子の中心からの距離の関数として磁気分極磁
界の変動を示す図である。
【図３】印加される長手方向磁界の関数として抵抗率を
示す図である。
【図４】磁界に反応する素子の第１の実施例を示す図で
ある。
【図５】磁界に反応する素子の第２の実施例を示す図で
ある。
【図６】該素子の第３の実施例を示す図である。
【符号の説明】
１１ 基板 １２ 緩衝層 １３ 第２の強磁性体層 １４ 第１の強磁性体層 １５ 第３の強磁性体層 １６ 第１の導電性非磁性体層 １７ 第２の導電性非磁性体層 １８ 保護層 １９ 反強磁性体層 ２５ 反強磁性体層 ２６ 反強磁性体層 ３１ 接続部 ３２ 接続部 ３４ 電流発生器 ３８ 電流計形の装置

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 磁性体層および非磁性体層を交互に積み
    重ねたスタックを含む磁界に反応する素子であって、そ
    の長手方向が測定する磁界に平行な方向を向いている前
    記素子と、 素子に長手方向に電流を通じるための手段（３４）と、 素子の抵抗を測定するための手段（３８）とを包含して
    いる自己バイアス多層磁気抵抗センサにおいて、 磁界に反応する素子が少なくとも１つの第１の強磁性体
    層（１４）のスタックを有し、該第１の強磁性体層が、
    第１の導電性非磁性体層（１６）および第２の導電性非
    磁性体層（１７）により第１の層（１４）から分離され
    た第２の強磁性体層（１３）および第３の強磁性体層
    （１５）によって囲まれており、第１の強磁性体層（１
    ４）が、閉塞され長手方向を向いている磁化を有し、第
    ２の層（１３）および第３の層（１５）が、電流が反応
    素子を横切る際、測定する磁界が存在しない場合、素子
    を横切る電流によってつくり出される磁気分極磁界の影
    響下で、長手方向にほぼ直交する磁化を有し、第２の層
    （１５）内の磁化が第３の層（１５）内の磁化に対して
    ほぼ反対方向を向いていることを特徴とする、自己バイ
    アス多層磁気抵抗センサ。
  2. 【請求項２】 磁界に反応する素子が、第２の強磁性体
    層（１３）の下に配置され、第３の導電性非磁性体層
    （２３）によりそれから分離された第４の強磁性体層
    （２１）、および第３の強磁性体層（１５）の上に配置
    され、第５の導電性非磁性体層（２４）によりそれから
    分離された第５の強磁性体層（２２）をも有しており、
    該第４の強磁性体層（２１）および第５の強磁性体層
    （２２）が、第１の強磁性体層（１４）の磁化に平行な
    方向に閉塞された長手方向磁化を有することを特徴とす
    る、請求項１に記載のセンサ。
  3. 【請求項３】 強磁性体層または長手方向磁化を有する
    層（１４、２１、２２）が鉄またはコバルトをベースと
    する合金であることを特徴とする、請求項１または２に
    記載のセンサ。
  4. 【請求項４】 強磁性体層または長手方向磁化を有する
    層（１４、２１、２２）を構成する合金が、少量の異方
    性希土類金属を有することを特徴とする、請求項３に記
    載のセンサ。
  5. 【請求項５】 第２の強磁性体層（１３）および第３の
    強磁性体層（１５）が軟質遷移金属強磁性体合金である
    ことを特徴とする、請求項１に記載のセンサ。
  6. 【請求項６】 導電性非磁性体層（１６、１７）がＣ
    ｕ、ＡｇおよびＡｕから選択されることを特徴とする、
    請求項１に記載のセンサ。
  7. 【請求項７】 強磁性体層または閉塞された長手方向磁
    化を有する層（１４、２１、２２）が、測定する磁界よ
    りも大きい保磁力磁界を有することを特徴とする、請求
    項１または２に記載のセンサ。
  8. 【請求項８】 強磁性体層または閉塞された長手方向磁
    化を有する層（１４、２１、２２）が、軟質磁性体であ
    り、交換異方性を含んでいる反強磁性体層（１９、２
    ６、２５）に接触していることを特徴とする、請求項１
    または２に記載のセンサ。
  9. 【請求項９】 反強磁性体が、ＭｎＦｅ、ＮｉＯ、Ｔｂ
    ＣｏまたはＤｙＣｏの中から選択されることを特徴とす
    る、請求項８に記載のセンサ。
  10. 【請求項１０】 強磁性体層または閉塞された長手方向
    磁化を有する層（１４、２１、２２）が、軟質磁性体で
    あり、硬質磁性体層と接触していることを特徴とする、
    請求項１または２に記載のセンサ。
  11. 【請求項１１】 硬質材料が、ＮｄＣｏ、ＳｍＣｏおよ
    びＮｄＦｅＢの中から選択されることを特徴とする、請
    求項９に記載のセンサ。
  12. 【請求項１２】 第１の強磁性体層（１４）が２つの部
    分に分割されており、その間に反強磁性体層または硬質
    磁性体層が配置されていることを特徴とする、請求項９
    または１１に記載のセンサ。
  13. 【請求項１３】 少なくとも１つの強磁性体層（１３、
    １４、１５）が、極めて薄いコバルトの多い磁性体層に
    よって隣接する非磁性体層（１６、１７）から分離され
    ていることを特徴とする、請求項１ないし１２のいずれ
    か一項に記載のセンサ。
  14. 【請求項１４】 スタックを覆っている保護層（１８）
    を有することを特徴とする、請求項１ないし１３のいず
    れか一項に記載のセンサ。
  15. 【請求項１５】 スタックが基板（１１）上に配置され
    ていることを特徴とする、請求項１ないし１４のいずれ
    か一項に記載のセンサ。
  16. 【請求項１６】 スタックと基板（１１）の間に緩衝層
    （１２）を有することを特徴とする、請求項１ないし１
    ５のいずれか一項に記載のセンサ。
JP7206708A 1994-07-21 1995-07-21 自己バイアス多層磁気抵抗センサ Withdrawn JPH0856025A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR9409038 1994-07-21
FR9409038A FR2722918B1 (fr) 1994-07-21 1994-07-21 Capteur a magnetoresistance multicouche autopolarisee

Publications (1)

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JPH0856025A true JPH0856025A (ja) 1996-02-27

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