JPH11112054A

JPH11112054A - 磁気センサー及びこの磁気センサーを使用した装置

Info

Publication number: JPH11112054A
Application number: JP9268732A
Authority: JP
Inventors: Hideyuki Kikuchi; 英幸菊地; Masashige Sato; 雅重佐藤; Kazuo Kobayashi; 和雄小林
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1997-10-01
Filing date: 1997-10-01
Publication date: 1999-04-23

Abstract

(57)【要約】【課題】消費電力が少なく、かつ、磁気抵抗変化率が
大きい磁気センサー及びそれを使用した無接点エンコー
ダを提供する。【解決手段】基板６の上に、下部強磁性金属層１３／
絶縁層１４／上部強磁性金属層１５からなる接合１２を
有する強磁性トンネル接合素子を複数形成し、各接合を
直列に接続してセンサー素子１１を構成する。高抵抗の
強磁性トンネル接合素子を直列接続することにより、セ
ンサー素子の電気抵抗値が高くなるので、消費電力を抑
制することができる。また、直列接続されることにより
各接合の印加電圧が低くなるので、強磁性トンネル接合
素子を磁気抵抗変化率の高い低電圧で動作させることが
できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、磁界の変化を電気
抵抗の変化に変換する磁気センサー及び、その磁気セン
サーを用いた装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、磁界の変化を電気抵抗の変化
に変換する磁気センサーとして、電磁変換素子が使用さ
れている。この電磁変換素子としては、磁性体を利用し
た磁気抵抗効果素子又は半導体を利用したホール素子が
ある。これらの素子によりブリッジ回路を組んで作製さ
れた磁気センサーが現在多く商品化されている。

【０００３】磁性体を利用した磁気抵抗効果素子には、
パーマロイなどの強磁性金属の磁気抵抗効果を用いた素
子、又は、強磁性金属と非磁性金属の多層膜又は、磁性
グラニュラーを用いた巨大磁気抵抗効果を用いた素子が
ある（特開昭５７−１５３２１５号公報参照）。また、
ホール素子には、材料にＳｉ又はＩｎＳｂなどの半導体
が用いられている。

【０００４】これらの素子は、金属又は半導体材料で構
成されているため、磁気センサーの抵抗値は数Ω〜２０
ｋΩと低い。そのため、磁気センサーに流れる電流が大
きく、消費電力が大きくなる。消費電力を低減するため
には、素子抵抗を高くし、素子に流れる電流を小さくす
る必要がある。この素子の抵抗値を大きくする方法とし
ては、素子の長さを長くして、素子抵抗を高くする方法
が知られている（特開平８−１３０３３８号公報）。ま
た、素子の抵抗値は、素子幅に反比例するため、素子幅
を狭くすることによっても素子抵抗を高くすることがで
きる。

【０００５】しかし、これらの方法は細線を長距離にわ
たってパターンニングする必要があるため、プロセス上
困難であり、抵抗値も数倍にしかならない。例えば、Ｎ
ＯＮＶＯＬＡＴＩＬＥ社は、素子幅２μｍの磁気抵抗素
子をつづら折りにした磁気センサー（大きさ：１００μ
ｍ×１００μｍ）を発表しているが、磁気センサーの抵
抗値は１０ｋΩにしかなっていない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】以上説明した従来の磁
気センサーは、素子抵抗が小さいため、磁気センサーに
流れる電流が大きくなり、消費電力が大きいという問題
がある。これに対し、強磁性トンネル接合素子は、磁気
抵抗変化率が高く、また、比抵抗値が磁気抵抗効果素子
又はホール素子と比較して高い。このため、強磁性トン
ネル接合素子をセンサー素子として使用することが考え
られる。

【０００７】図１に、強磁性トンネル接合素子の印加電
圧に対する磁気抵抗変化率特性を示す。この図１に示す
ように、強磁性トンネル素子の磁気抵抗変化率は、印加
電圧の増加に伴って減少する性質がある。したがって、
強磁性トンネル接合素子を磁気センサーに使用した場
合、磁界の変化により充分な抵抗変化を得るためには、
低電圧で使用しなければならないという問題が生じる。

【０００８】本発明は、消費電力が少なく、かつ、磁気
抵抗変化率が大きい磁気センサーを提供することを目的
とするものである。また、本発明は、高抵抗の磁気セン
サーを使用した装置を提供することを目的とするもので
ある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するため、基板と、下部強磁性金属層／絶縁層／上部
強磁性金属層からなる接合を有する強磁性トンネル接合
素子が前記基板上に複数形成され、かつ、前記複数の強
磁性トンネル接合素子が直列に接続されることにより電
気抵抗値が高抵抗とされた素子からなり、磁界の変化を
抵抗の変化に変換するセンサー素子とから磁気センサー
を構成する。

【００１０】この磁気センサーによれば、直列に接続さ
れた各強磁性トンネル接合素子が印加電圧を分圧するの
で、個々の強磁性トンネル接合素子に印加される電圧が
減少する。したがって、図１から明らかなように、磁気
抵抗変化率が高い高性能な磁気センサーを得ることがで
きる。また、磁気センサーの抵抗値が高抵抗となるた
め、磁気センサーに流れる電流が小さくなり、消費電力
を小さくすることができる。

【００１１】また、本発明においては、強磁性トンネル
接合素子の直列接続方法が異なる２つの磁気センサーが
提供される。第１の磁気センサーにおいては、複数の強
磁性トンネル接合素子が基板上に並べて配置され、隣接
する強磁性トンネル接合素子が、上部強磁性金属層同士
又は下部強磁性金属層が一体に形成されることにより直
列に接続される。

【００１２】この磁気センサーによれば、上部金属層及
び下部金属層の成膜作業と同時に強磁性トンネル接合素
子の直列接続が行われるので、作製を効率良く行うこと
ができる。また、この磁気センサーでは、センサー素子
に含まれる強磁性トンネル接合素子の数を余分に作製し
ておき、上部金属層と下部金属層とを短絡することによ
り不必要な接合を除去して、抵抗値の調整などを行え
る。これにより、磁気センサーの作製上の歩留りを向上
させることができる。

【００１３】第２の磁気センサーにおいては、複数の強
磁性トンネル接合素子が基板上に多段に形成され、下段
側の接合部の上部強磁性金属層の上に上段の接合部の下
部強磁性金属層が成膜されることにより、前記複数の強
磁性トンネル接合素子が直列に接続される。この磁気セ
ンサーによれば、小面積の磁気センサーを得ることがで
きる。

【００１４】また、本発明においては、この磁気センサ
ーを磁場発生用マグネットと一体に組み合わせて無接点
エンコーダを構成することにより、あるいは、この磁気
センサーを使用して磁気ディスク装置用ヘッドを構成す
ることにより、高性能、低消費電力な装置を提供するこ
とが可能となる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態につい
て、図を用いて説明する。最初に、強磁性トンネル接合
素子を直列接続して構成したセンサー素子について説明
する。複数（Ｎ個）の強磁性トンネル接合素子を直列接
続する手段としては、強磁性トンネル接合素子を多層に
重ねる方法と、一般の抵抗の直列つなぎのように複数の
強磁性トンネル接合素子を平面上に並べる方法がある。
なお、以下の説明においては、「強磁性トンネル接合素
子」を単に「接合」と呼ぶことがある。

【００１６】図２は、強磁性トンネル接合素子をＮ層重
ねたセンサー素子の断面を示す。図において、１はセン
サー素子で、基板６上に接合２をＮ層重ねることにより
各接合２，２が直列接続される。なお、この接合につい
ての説明及び接合の作製方法については後述する。１つ
の接合２は、下部金属層３、絶縁体層４、上部金属層５
からなる。各接合２は、下段の接合の上部金属層５の上
に上段の接合の下部金属層３が成膜されることにより直
列接続される。

【００１７】この接合をＮ層重ねたセンサー素子１に
は、膜厚方向に電流が流されるので、１層の接合２の抵
抗値をＲとすると、センサー素子１の全体の抵抗値はＮ
×Ｒ（Ω）となる。図３は、強磁性トンネル接合素子を
Ｎ個直列に並べたセンサー素子の断面を示す。

【００１８】図において、１１はセンサー素子で、基板
６上に接合１２がＮ個並べて配置される。１つの接合１
２は、下部金属層１３、絶縁体層１４、上部金属層１５
からなる。隣接する接合１２，１２間において、下部金
属層１３及び上部金属層１５が一体に形成され、各接合
１２，１２が下部金属層１３及び上部金属層１５により
直列に接続される。このセンサー素子１１によれば、下
部金属層１３の成膜及び上部金属層１５の成膜と同時
に、接合の直列接続が行われるので、作製が容易にな
る。

【００１９】このＮ個並べたセンサー素子１１も、１個
の接合１２の抵抗値をＲ（Ω）とすると、センサー素子
１１全体の抵抗値はＮ×Ｒ（Ω）となる。ここで、図２
及び図３に示した接合（強磁性トンネル接合素子）につ
いて説明する。「金属／絶縁体／金属」という構造を持
つ接合において、両側の金属間に電圧を印加すると、絶
縁体が充分に薄い場合、わずかに電流が流れる。通常、
絶縁体は電流を通さないが、絶縁体が充分に薄い場合
（数Å〜数十Å）には、量子力学的効果によってごくわ
ずかに電子が透過する確率を持つために電流が流れる。
この電流のことを「トンネル電流」と言い、この構造を
持つ接合を「トンネル接合」と言う。

【００２０】絶縁層には、金属の酸化膜を絶縁障壁とし
て用いるのが通常である。例えば、アルミニウムの表面
層を自然酸化、プラズマ酸化、又は熱酸化などで酸化さ
せて酸化膜を形成する。酸化条件を調節することで、表
面の数Åから数十Åを酸化層とすることができる。この
酸化アルミニウムは絶縁体であるために、トンネル接合
の障壁層として用いることができる。このような接合の
特徴として、通常の抵抗と異なり、印加電圧に対する電
流が非線形性を持つことから、非線形の素子として用い
られてきていた。

【００２１】このトンネル接合の両側の金属を強磁性金
属に置き換えた構造は、強磁性トンネル接合と呼ばれ
る。強磁性トンネル接合においては、トンネル確率（ト
ンネル抵抗）が、両側の磁性層の磁化状態に依存するこ
とが知られている。つまり、磁場によってトンネル抵抗
をコントロールすることができる。磁化の相対角度をθ
とすると、トンネル抵抗Ｒは、Ｒ＝Ｒｓ＋０．５ΔＲ（１−ｃｏｓθ）（式１）で表される。すなわち、両磁性層の磁化の角度が揃って
いるとき（θ＝０°）には、トンネル抵抗が小さく、両
磁性層の磁化が反対向き（θ＝１８０°）のときには、
トンネル抵抗が大きくなる。

【００２２】これは、強磁性体内部の電子が分極してい
ることに起因する。電子は、通常、上向きのスピン状態
のもの（アップ電子）と下向きのスピン状態のもの（ダ
ウン電子）が存在するが、通常の非磁性金属内部の電子
は、両電子は同数だけ存在するため、全体として磁性を
持たない。一方、強磁性体内部の電子は、アップ電子数
（Ｎｕｐ）とダウン電子数（Ｎｄｏｗｎ）が異なるため
に、全体としてアップ又はダウンの磁性を持つ。

【００２３】電子がトンネルする場合、これらの電子
は、それぞれのスピン状態を保ったままトンネルするこ
とが知られている。したがって、トンネル先の電子状態
に空きがあれば、トンネルが可能であるが、トンネル先
の電子状態に空きがなければ、電子はトンネル出来な
い。トンネル抵抗の変化率ΔＲは、電子源の偏極率とト
ンネル先の偏極率の積で表される。

【００２４】 ΔＲ／Ｒｓ＝２×Ｐ１×Ｐ２／（１−Ｐ１×Ｐ２）ここで、Ｐ１，Ｐ２は両磁性層の分極率であり、Ｐ＝２（Ｎｕｐ−Ｎｄｏｗｎ）／（Ｎｕｐ＋Ｎｄｏｗ
ｎ）で表される。分極率Ｐについては、強磁性金属の種類に
依存するが、５０％近い値を持つものもあり、その場
合、理論的には数十％の抵抗変化率が期待できる。

【００２５】この変化率の値は、異方性磁気抵抗効果
（ＡＭＲ）又は巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）よりも大き
く、磁気センサーなどへの応用が可能となる。次に、強
磁性トンネル接合素子の作製手順について説明する。な
お、ここでは、１つの接合の作製手順を説明する。図４
は、以下の手順で作製されるセンサー素子の接合の断面
構造を示す。図示のセンサー素子２１は、基板６の上に
形成された１つの接合２２からなる。接合２２は、下部
金属層２３、絶縁層２４、上部金属層２５から形成され
る。下部金属層２３は、１７．１ｎｍのＮｉＦｅ層と
３．３ｎｍのＣｏ層を有する。絶縁層２４は、１．３ｎ
ｍのＡｌ−ＡｌＯ層を有する。上部金属層２５は、３．
３ｎｍのＣｏ層と１７．１ｎｍのＮｉＦｅと４５ｎｍの
ＦｅＭｎと８ｎｍのＴａ層を有する。

【００２６】図５にセンサー素子２１の平面図を示す。
下部金属層２３に直交して上部金属層２５が形成され、
下部金属層２３と上部金属層２５の間に、電流源Ｉと電
圧センサーＶが接続される。電流源Ｉにより一定電流を
センサー素子２１に流した状態で磁界が変化すると抵抗
値が変化をして両金属層２３，２５間に現れる電圧が変
化をし、これが電圧センサーＶにより測定される。

【００２７】図６はセンサー素子２１の作製手順を示
す。図６（１）に示すように、図示の方向に磁場をかけ
た状態で、基板６上に、ストライプ状のパターンを有す
るメタルマスク２６を介して、ＮｉＦｅを１７ｎｍ成膜
し、さらに連続してＣｏを３．３ｎｍ成膜する。この２
層は、下部金属層２３を構成し、磁場に対して自由に磁
化が回転する磁性層となる。なお、ＣｏはＮｉＦｅより
分極率が大きいので、強磁性トンネル抵抗変化を大きく
する目的で挿入している。

【００２８】その後に、（２）に示すように、円形のパ
ターンを有するマスク２７を介して１．３ｎｍのＡｌ層
２９を成膜する。このＡｌ層２９を（３）に示すように
表面を自然酸化させて、絶縁層２４を成膜する。自然酸
化は、大気中にＡｌ層２９を約５００時間放置しておく
ことで行う。酸化が終了した後、（４）に示すように、
磁場をかけた状態でマスク２７を介して上部金属層２５
の成膜を行う。ここで、磁場は、上記（１）の磁場の方
向と直角方向にかけられる。また、マスク２８は、下部
金属層２３と直交する方向のストライプ状のパターンを
有する。上部金属層２５は、順次、Ｃｏを３．３ｎｍ、
ＮｉＦｅを１７ｎｍ積層し、磁化方向を固定するための
反強磁性層としてＦｅＭｎを４５ｎｍ積層する。さらに
その上部に酸化防止膜として８ｎｍのＴａを積層する。

【００２９】図７に、上述の方法で作製された強磁性ト
ンネル接合素子の磁気抵抗効果曲線を示す。上述の「磁
性層／絶縁層／磁性層／反強磁性層」という構造にする
と、上部金属層２４のＮｉＦｅ層がＦｅＭｎ層と交換結
合し、反強磁性体に接した磁性層の磁化方向が固定され
る。したがって、外部から磁場を印加すると、下部の磁
性層のみが磁化回転する。すると、下部の磁性層と上部
の磁性層の磁化の相対角度が変化するために、前述の
〔式１〕で示したように、磁場に依存してトンネル抵抗
が変化する。

【００３０】図８は、複数の強磁性トンネル接合素子を
直列接続したセンサー素子の磁気抵抗曲線を示す。上部
金属層の強磁性層の磁化方向は、下部金属層の磁化方向
と直交するようにＦｅＭｎ膜で固定されているので、上
部金属層の磁化方向と同一方向に外部磁界（−Ｈ）がか
かった場合、上部金属層と下部金属層の磁化方向が平行
になる。このときの２つの磁化方向の相対角度θは０度
になるため、前述の〔式１〕より、素子の抵抗値Ｒは、
Ｒ＝Ｒｓとなる。この時の抵抗値をＲＬとおく。

【００３１】外部磁界が０の時は、下部金属層の磁化方
向は回転し、２つの磁化方向の相対角度θは９０度とな
るため、〔式１〕より抵抗値はＲ＝Ｒｓ＋０．５ΔＲと
なる。この時の抵抗値をＲ０とおく。次に、上部金属層
の磁化方向と反対方向に外部磁場（＋Ｈ）がかかったと
き、下部金属層の磁化方向は外部磁場の方向に回転す
る。このとき、２つの磁化方向の相対角度θは１８０度
となり、〔式１〕より抵抗値はＲ＝Ｒｓ＋ΔＲとなる。
この時の抵抗値をＲＨとおく。

【００３２】以上より、外部磁界が−Ｈ，０，＋Ｈの時
の抵抗値をＲＬ，Ｒ０，ＲＨとすると、ＲＬ＜Ｒ０＜Ｒ
Ｈとなる。したがって、強磁性トンネル接合素子は、外
部磁界の変化によりその抵抗値を変化させるので、磁気
センサーとして使用することができる。また、前述の図
２及び図３に示したように、強磁性トンネル接合素子を
直列接合することにより、電気抵抗値を大きくして、高
い電圧で使用し、高い磁気抵抗変化率で使用することが
可能となる。

【００３３】本発明の磁気センサーは、無接点エンコー
ダ、磁気ディスク装置用ヘッドなどの種々の装置に適用
可能である。以下、本発明の磁気センサーを適用した無
接点エンコーダについて説明する。最初に、本例の無接
点エンコーダの原理について説明をする。図９は、測定
する磁場発生用ロータリーマグネット３０と、センサー
素子３１〜３４の相対位置を示したものである。なお、
センサー素子３１〜３４としては、前述の図３に示し
た、接合をＮ個並べたセンサー素子を使用している。ま
た、図９の（１）〜（４）は、マグネット３０が回転し
た時、マグネット３０に対してセンサー素子３１〜３４
の相対位置が移動することを示している。

【００３４】マグネット３０の１組のＳＮ極の長さ（着
磁周期）をλとすると、センサー素子３１〜３４をλ／
４間隔で配列する。このとき、センサー素子３１〜３４
の上部金属層の磁化方向は、図示右方向とする。図１０
に磁気センサーの回路図を示す。図９の４つのセンサー
素子３１〜３４は、図１０に示すようにブリッジ回路と
される。λ／２間隔で配置されたセンサー素子３１と３
３、３２と３４が直列に接続されて、電源電圧Ｖとアー
スＧＮＤ間に接続される。各センサー素子の接続点が出
力端子ＶＡ，ＶＢとされる。

【００３５】ここで、センサー素子が図９（１）の位置
にある場合、各センサー部３１〜３４の抵抗値Ｒ１〜Ｒ
４は、Ｒ１＝ＲＬ，Ｒ２＝Ｒ０，Ｒ３＝ＲＨ，Ｒ４＝Ｒ
０となる。このときのブリッジ回路の出力端子ＶＡ，Ｖ
Ｂの出力電圧は図１０の回路図から、

【００３６】

【数１】

【００３７】となる。ここで、

【００３８】

【数２】

【００３９】とおく。次に、センサー素子が図９（２）
のようにλ／４だけ移動すると、各センサー素子３１〜
３４の抵抗値は、Ｒ１＝Ｒ０，Ｒ２＝ＲＨ，Ｒ３＝Ｒ
０，Ｒ４＝ＲＬとなり、このときの出力端子ＶＡ，ＶＢ
の出力電圧は図１０の回路図から、

【００４０】

【数３】

【００４１】となる。ここで、

【００４２】

【数４】

【００４３】とおく。図８で示したように、ＲＬ＜Ｒ０
＜ＲＨの関係があるので、各電圧値ＶＬ，Ｖ０，ＶＨは
ＶＬ＜Ｖ０＜ＶＨとなる。以下、同様にして、センサー
素子が図９（３）〜（４）に移動をしていくと、各抵抗
Ｒ１〜Ｒ４及び出力端子ＶＡ，ＶＢの出力電圧は図９中
に記入したように変化する。

【００４４】図１１は、マグネット３０が回転して、セ
ンサー素子３１〜３４がマグネット３０に対して相対的
に移動したときの出力端子ＶＡ，ＶＢの出力電圧を示す
グラフである。なお、図１１の横軸の（１）〜（４）
は、図９の（１）〜（４）に相当する。図１１から明ら
かなように、マグネット３０が回転をすると、着磁周期
λの移動ごとに、ブリッジ回路の出力端子ＶＡ，ＶＢか
ら１つの出力パルスが発生する。

【００４５】次に、無接点エンコーダの具体例について
説明する。図１２は磁気センサーの回路を示す。磁気セ
ンサー回路は、４つのセンサー素子３１〜３４をブリッ
ジ接続したブリッジ回路により構成される。各センサー
素子３１〜３４は、６個の強磁性トンネル接合素子１１
を直列に接続して構成される。

【００４６】一般に、電池駆動の磁気センサーは、電源
電圧として３Ｖが用いられている。また、磁気センサー
に流れる電流は、電池のリーク電流相当の３０μＡが望
ましい。したがって、磁気センサーの抵抗値は１００ｋ
Ω程度になるので、各センサー素子３１〜３４の抵抗値
は１００ｋΩ程度になる。図１３は、厚さ１３Åの絶縁
層を持つ強磁性トンネル接合素子の接合部面積と抵抗値
の関係を示す。強磁性トンネル接合素子の抵抗値は、接
合部の面積に反比例する。仮に、図１２のブリッジ回路
において、各センサー素子３１〜３４を１個の接合で作
製した場合、接合の抵抗値を１００ｋΩにするために
は、図１３より、４００μｍ²が必要になる。ここで、
接合の部分の形状を正方形にした場合、素子の形状は２
０μｍ×２０μｍとなる。しかし、これでは、接合の磁
気抵抗変化率は、図１から明らかなように、わずか１％
しか得られない。

【００４７】この接合の磁気抵抗変化率を大きくするた
め、本例では、強磁性トンネル接合素子を直列つなぎす
る。強磁性トンネル接合素子をメタルマスクを用いて作
製する場合、マスクの作製が容易な最小接合面積は５０
μｍ×５０μｍ（２５００μｍ²）程度である。この場
合の抵抗値は、図１３より約１７ｋΩである。磁気セン
サーのサイズを小さくするために、この最小接合面積の
強磁性トンネル接合素子を使って同じ抵抗値（１００ｋ
Ω）を持つブリッジ回路を作るためには、図１２に示す
ように接合を６個直列に接続すれば良い。

【００４８】図１２に示すブリッジ回路では、電源電圧
が３Ｖであるため、個々の強磁性トンネル接合素子１１
にかかる電圧は１．５Ｖ／６＝０．２５Ｖとなり、強磁
性トンネル接合素子の磁気抵抗変化率は、図１から明ら
かなように、約１５％に増加する。図１４に、無接点エ
ンコーダの構成を示す。

【００４９】図１４において、４１は、回転着磁体で、
直径Ｄが１０ｍｍ、軸の直径ｄが５ｍｍで、その円周上
にＮ極４２及びＳ極４３が交互に１６組並べられる。４
４は、磁気センサーで、その中心が回転着磁体４１の中
間位置に来るように設置される。本例では、着磁周期λ
は約１．５ｍｍとなる。磁気センサー４４の拡大図が同
じ図１４に示されている。４つのセンサー素子３１〜３
４が、基板６上に、回転着磁体４１のマグネットの直径
方向に平行で直線上に、かつ、λ／４間隔で配列され
る。本例では、センサー素子３１〜３４のなす角が約
５．６度、中心部の間隔が約０．３７ｍｍとなる。

【００５０】図１５は、図１４の磁気センサー４４の作
製方法を説明する図である。なお、ここで使用するセン
サー素子は、図３に示した直列接続構造のものである。
これは、接合が下部層／絶縁層／上部層の３層のみで形
成できるので、作製が容易なためである。また、各セン
サー素子３１〜３４を６個の直列つなぎ（接合面積：５
０μｍ×５０μｍ）で構成される。

【００５１】まず、マスクを使って、基板６上に、スト
ライプ状にＮｉＦｅを１７ｎｍ成膜、さらに連続してＣ
ｏを３．３ｎｍ成膜して、下部金属層５３を形成する。
この状態を図１５（Ａ）に示す。マスクを交換して、各
下部金属層５３ごとに、２つの絶縁体層５４を成膜す
る。この絶縁体層５４は、Ａｌを１．３ｎｍ成膜して表
面を自然酸化させて形成する。自然酸化は、大気中に約
５００時間放置しておくことで行う。

【００５２】酸化が終了した後、マスクを交換して、上
部金属層５５を成膜すると共に、端子５６〜５９の成膜
を行う。この成膜は、Ｃｏを３．３ｎｍ、ＮｉＦｅを１
７ｎｍ、ＦｅＭｎを４５ｎｍ積層して行う。さらにその
上部に８ｎｍのＴａを積層した。この成膜が終了した状
態を（Ｂ）に示す。この磁気センサー４４の等価回路
は、前述の図１２となる。

【００５３】この磁気センサー４４に電池を使って３．
０Ｖ印加したとき、各強磁性トンネル接合素子に加わる
電圧は０．２５Ｖであり、図１より、磁気抵抗変化率は
１５％となる。また、回転着磁体４１を一周させると、
図９〜１１から明らかなように、１６個の出力パルスが
得られる。図１６は、前述の図２に示した接合をＮ個重
ねて作製したセンサー素子を使った磁気センサーを示
す。

【００５４】本例の磁気センサー６１は、各センサー素
子３１〜３４ごとに、下部金属層５３が１つずつ配置さ
れる。下部金属層と同時に電極５７，５８が成膜され
る。各下部金属層５３ごとに、１つの絶縁体層５４を成
膜し、絶縁体層５４の酸化終了後、上部金属層５５を成
膜する。これを繰り返して、接合が６層形成されると、
最上段の上部金属層の成膜と同時に各端子５６，５９が
成膜される。

【００５５】なお、センサー素子３１〜３４としては、
図２の接合を複数重ねて作製したものと、図３の接合を
複数個並べて作製したものとを組み合わせて作製するこ
とも可能である。図１７は、歩留りを改善するため、或
いは、作製後に抵抗値を調整できるようにするための調
整箇所を設けた磁気センサーを示す。

【００５６】今、磁気センサーが、上述の図１４，１５
のように、各センサー素子３１〜３４ごとに６個の接合
を必要とするものとする。このとき、本例の磁気センサ
ー６２においては、各センサー素子３１〜３４ごとに１
０個の接合を設ける。そのため、下部金属層５３は、各
センサー素子ごとに５個設ける。その他の点については
上述の図１４，１５と同様である。

【００５７】この磁気センサー６２の作製後、接合ごと
に抵抗値と抵抗変化率を測定して不良部分を特定する。
また、各センサー部３１〜３４の素子の数を６個とする
ために、不良部分を含んで不必要な接合を４個決定す
る。図１８は、図１７の磁気センサー６２において、不
必要な接合の下部金属層５３と上部金属層５５をハンダ
６３で短絡した状態を示す。このハンダ６３で短絡した
接合は、センサー素子３１〜３４からトリミング（除
去）されたこととなる。したがって、各センサー素子３
１〜３４は、健全な６個の接合から構成することがで
き、磁気センサーの精度を向上させると共に、作製上の
歩留りを改善することができる。

【００５８】

【発明の効果】本発明によれば、磁気抵抗変化率が高い
高性能な磁気センサーを得ることができる。また、磁気
センサーの抵抗値が高抵抗となるため、磁気センサーに
流れる電流が小さくなり、消費電力を小さくすることが
できる。また、本発明によれば、高性能、低消費電力の
磁気センサーを使用した無接点エンコーダを得ることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】強磁性トンネル接合素子の印加電圧に対する磁
気抵抗変化率特性を示す図。

【図２】本発明における、強磁性トンネル接合素子をＮ
層重ねたセンサー素子の断面を示す図。

【図３】本発明における、強磁性トンネル接合素子をＮ
個直列に並べたセンサー素子の断面を示す図。

【図４】強磁性トンネル接合素子の断面構造を示す図。

【図５】図４の強磁性トンネル接合素子の平面図。

【図６】図４、図５の強磁性トンネル接合素子の作製手
順を示す図。

【図７】図４の強磁性トンネル接合素子の磁気抵抗効果
曲線を示す図。

【図８】図２及び図３の強磁性トンネル接合素子の磁気
抵抗効果曲線を示す図。

【図９】本発明の無接点エンコーダの原理構成を示す
図。

【図１０】図９で使用される磁気センサーの回路を示す
図。

【図１１】図１０の回路の出力電圧を示すグラフ。

【図１２】図１０の回路の具体例を示す図。

【図１３】強磁性トンネル接合素子の接合部分面積と抵
抗値との関係を示す図。

【図１４】無接点エンコーダの具体的構成を示す図。

【図１５】図１４で使用する磁気センサーの作製手順を
示す図。

【図１６】図２のセンサー素子を使用した無接点エンコ
ーダの具体的構成を示す図。

【図１７】本発明における、調整箇所を設けた磁気セン
サーの構成を示す図。

【図１８】図１７の磁気センサーの調整後の状態を示す
図。

【符号の説明】

１，１１，２１…センサー素子２，１２，２２…接合３，１３，２３，５３…下部金属層４，１４，２４，５４…絶縁体層５，１５，２５，５５…上部金属層６…基板２６，２７，２８…マスク２９…Ａｌ層３０…マグネット３１〜３４…センサー素子４１…回転着磁体４２…Ｎ極４３…Ｓ極４４…磁気センサー５６〜５９…端子６１，６２…磁気センサー６３…ハンダ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板と、下部強磁性金属層／絶縁層／上部強磁性金属層からなる
接合を有する強磁性トンネル接合素子が前記基板上に複
数形成され、かつ、前記複数の強磁性トンネル接合素子
が直列に接続されることにより電気抵抗値が高抵抗とさ
れた素子からなり、磁界の変化を抵抗の変化に変換する
センサー素子とを具備する磁気センサー。
【請求項２】前記複数の強磁性トンネル接合素子が前
記基板上に並べて配置され、隣接する強磁性トンネル接
合素子が、上部強磁性金属層同士又は下部強磁性金属層
同士が一体に形成されることにより直列に接続された請
求項１に記載の磁気センサー。
【請求項３】前記複数の強磁性トンネル接合素子が直
線状に並べられた請求項２に記載の磁気センサー。
【請求項４】前記複数の強磁性トンネル接合素子の内
の一部の強磁性トンネル接合素子において、上部強磁性
金属層と下部強磁性金属層が短絡されることにより、前
記センサー素子の電気抵抗値が調整された請求項２又は
３に記載の磁気センサー。
【請求項５】前記複数の強磁性トンネル接合素子が前
記基板上に多段に形成され、下段側の接合部の上部強磁
性金属層の上に上段の接合部の下部強磁性金属層が成膜
されることにより、前記複数の強磁性トンネル接合素子
が直列に接続される請求項１に記載の磁気センサー。
【請求項６】上部強磁性金属層及び下部強磁性金属層
の一方の磁化方向を固定した請求項１〜５のいずれか１
項に記載の磁気センサー。
【請求項７】磁場発生用マグネットと、このマグネットの移動により変化する磁場を検出する位
置に配置された請求項１〜６のいずれか１項に記載され
た磁気センサーとを具備する無接点エンコーダ。
【請求項８】前記磁気センサーは、４つのセンサー素
子が、前記磁場発生用マグネットのマグネットピッチの
１／４の間隔で配列され、前記４つのセンサー素子がブ
リッジ接続されたものである請求項７に記載の無接点エ
ンコーダ。
【請求項９】請求項１〜６のいずれか１項に記載され
た磁気センサーを具備する磁気ディスク装置用ヘッド。