JPH11298063A

JPH11298063A - 磁気抵抗効果素子

Info

Publication number: JPH11298063A
Application number: JP10093348A
Authority: JP
Inventors: Tatsuya Fukami; 達也深見; Yoshinobu Maeda; 喜信前田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1998-04-06
Filing date: 1998-04-06
Publication date: 1999-10-29

Abstract

(57)【要約】【課題】使用可能な温度範囲および磁界の測定範囲が
広く、高い磁界の検出感度を有するとともに、固定層か
ら生じる静磁界の影響を低減した信頼性の高い磁気抵抗
素子を提供することにある。【解決手段】強磁性材料からなる第１磁性層１、絶縁
層２、強磁性材料からなる第２磁性層３、薄膜磁石層で
ある固定層４を備える。第２磁性層３の一端Ａと第１磁
性層１の一端Ｂとの間に定電流を流し、第２磁性層３の
他端Ｃと第１磁性層１の他端Ｄ間の電圧を測定すること
により、該電圧の変化と上記定電流とからトンネル抵抗
の変化を検出し、その検出値に基づいて磁界を検出す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、トンネル磁気抵
抗効果を利用して磁気を検出する磁気センサや磁気ヘッ
ドに使用される磁気抵抗効果素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、絶縁層を挟んだ二つの強磁性層
からなるトンネル磁気抵抗効果素子は、従来の磁気抵抗
効果素子に比べて、大きな磁気抵抗変化率が得られるた
め、磁気センサや磁気ヘッド等への応用が期待されてい
る。例えば、日本応用磁気学会誌第２１巻第４−２号
（１９９７年）の第４８９ページないし第４９２ページ
には、このトンネル磁気抵抗効果を各種デバイスに応用
するために、二つの強磁性層のうちの一つの強磁性層の
磁化方向を固定した強磁性トンネル接合を有する磁気抵
抗効果素子について報告されている。

【０００３】上記磁気抵抗効果素子は、図４の（ａ）お
よび（ｂ）に示すように、強磁性体材料からなる第１磁
性層１０１、絶縁層１０２、強磁性材料からなる第２磁
性層１０３、反強磁性材料からなる固定層１０４からな
っている。上記第１磁性層１０１と第２磁性層１０３と
の間に配置された絶縁層１０２の厚みが非常に薄いと
き、第１磁性層１０１と第２の磁性層１０３の磁化の相
対角度θに応じて、トンネル抵抗Ｒ（θ）の大きさが変
化する。このトンネル抵抗Ｒ（θ）および抵抗変化率Δ
Ｒ／Ｒｓはそれぞれ次の数１および数２で与えられる。

【０００４】

【数１】Ｒ（θ）＝（Ｒｓ＋ΔＲ）−ΔＲ・ｃｏｓ（θ）

【０００５】

【数２】 ΔＲ／Ｒｓ＝２Ｐ１・Ｐ２／（１−Ｐ１・Ｐ２）

【０００６】ここで、Ｒｓは第１磁性層１０１と第２磁
性層１０３の磁化が平行なとき（θ＝０度）の抵抗値、
Ｐｉは、第ｉ磁性層（ｉ＝１，２）の磁化分極率であ
る。したがって、第１磁性層１０１および第２磁性層１
０３の磁化分極率Ｐｉが大きいほど、抵抗変化率ΔＲ／
Ｒｓは大きくなる。大きな磁化分極率Ｐｉを持つ磁性層
として、Ｆｅ，ＣｏあるいはＮｉの合金が知られてい
る。これら合金は数エルステッド（Ｏｅ）から１０エル
ステッド程度の小さな磁界でも磁化変化を生じる。これ
らの合金を第１磁性層１０１および第２磁性層１０３と
して用いた場合、小さな磁界下でも、これら第１磁性層
１０１および第２磁性層１０３はともに磁界により磁化
が動くため、その相対角度θに大きな変化は生じない。

【０００７】そこで、上記第１磁性層１０１と第２磁性
層１０３の磁化の相対角度θをできるだけ大きく変化さ
せるためには、一方の磁性層の磁化を固定し、他方をフ
リーにしてやればよい。このため、図４の磁気抵抗効果
素子では、反強磁性層からなる固定層１０４を第２磁性
層１０３に隣接して設けている。

【０００８】これにより、第２磁性層１０３の磁化は固
定され、３０エルステッド以下の磁界のもとでは動かな
い。一方、第１磁性層１０１は数エルステッドという小
さな磁界でも磁化が動く。このため、小さい磁界範囲で
の磁界の大きさや方向の変化が抵抗変化となって現れる
ことになる。

【０００９】上記抵抗（トンネル抵抗）の変化の測定
は、４端子法を用いて精度よく行うことができる。すな
わち、図４の（ａ）において第２磁性層１０３の一端Ａ
と第１磁性層１０１の一端Ｂとの間に定電流を流し、第
２磁性層１０３の他端Ｃと第１磁性層１０１の他端Ｄ間
の電圧を測定することにより、該電圧の変化と上記定電
流とから上記抵抗の変化を検出することができる。

【００１０】図５は、このようにして測定された印加磁
界に対するトンネル抵抗の変化ΔＲを示す。図５におい
て、磁界がゼロ近傍の抵抗変化は、第１磁性層１０１の
磁化変化により生じる。このとき、第２磁性層１０３の
磁化は反強磁性層である固定層１０４により固定されて
いるため、ほとんど動かない。第２磁性層１０３の磁化
は、４０エルステッド近傍で反転する。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】ところで反強磁性層は
一般に、１００℃ないし１５０℃程度の低い温度で不安
定になり、第２磁性層１０３を十分に固定できなくな
る。したがって反強磁性層を固定層１０４として用いた
上記のような従来の磁気抵抗効果素子では、使用可能な
温度は低い温度に限られ、自動車用センサ等の高い温度
で使用する目的には使うことができないという問題があ
った。

【００１２】また、反強磁性層を固定層として用いた場
合、一般に、強磁性層を固定できる磁界範囲は、強磁性
層の厚さにも依存するが、せいぜい１００エルステッド
程度の小さな磁界範囲に限られる。図４の磁気抵抗効果
素子では第２磁性層１０３が比較的厚いため、この磁界
範囲は高々４０エルステッド程度であり、大きな磁界が
印加されると、固定層１０４は第２強磁性層１０３を固
定することができなくなり、大きな磁界を測定すること
ができなくなるという問題もあった。

【００１３】この発明の目的は、使用可能な温度範囲お
よび磁界の測定範囲が広い磁気抵抗

【００１４】この発明のさらにいま一つの目的は、磁界
の検出感度の高い磁気抵抗効果素子を提供することにあ
る。

【００１５】この発明のさらにいま一つの目的は、固定
層から生じる静磁界の影響を低減した磁気抵抗効果素子
を提供することにある。

【００１６】この発明のさらにいま一つの目的は、信頼
性の高い磁気抵抗効果素子を提供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は、間に絶縁層を有する二つの強磁性層のう
ちの一つの強磁性層の磁化が永久磁石層で固定されてお
り、かつ該永久磁石層をそれにより磁化が固定されてい
る強磁性層のパターン長手方向に着磁するようにしたも
のである。上記二つの強磁性層の材料としては、Ｃｏ、
Ｆｅ、Ｎｉやその合金からなる材料が使用可能である。
二つの強磁性層のうちの一つの強磁性層の固定層として
永久磁石層を使用しているので、高い温度、かつ大きな
磁界まで隣接する強磁性層の磁化を固定することができ
る。また、永久磁石層はそのパターン長手方向に着磁さ
れており、さらにパターン長手方向の長さを膜厚に対し
て十分に大きく設定することにより、永久磁石層から感
磁部であるトンネルジャンクション部に生じる静磁界が
十分に小さくなる。

【００１８】本発明はまた、上記二つの強磁性層のうち
の磁化がフリーな強磁性層が二つの部分層からなるもの
である。二つの部分層のうち一つの部分層により、大き
な抵抗変化率を得、いま一つの部分層により、小さな磁
界で反転可能として大きな抵抗変化率と高磁界感度を得
る。

【００１９】本発明はさらに、上記二つの強磁性層を構
成しているパターンが互いに直交するようにしている。
これにより、上記二つの強磁性層の交差部分に形成され
る感磁部と二つの強磁性層の各々のパターンの両極部と
の距離が十分に大きくなり、パターン長手方向の両端に
現れる磁極から生じる静磁界の感磁部における値は十分
に小さくなる。

【００２０】本発明はさらに、上記永久磁石層がＰｔＣ
ｏ系合金、ＣｏＣｒ系合金もしくはＣｏＮｉ系合金のい
ずれかの材料から構成される。これら材料は大きな保持
力を有する。

【００２１】本発明はさらに、上記二つの強磁性層を構
成しているパターンの全体を保護膜で被覆している。上
記保護膜は強磁性層のパターンの全体を保護する。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下に、添付の図面を参照して本
発明の実施形態を説明する。

【００２３】実施の形態１．この発明の一つの実施の形
態に係る磁気抵抗効果素子の構成を図１の（ａ）および
（ｂ）に示す。該磁気抵抗効果素子は、強磁性材料から
なる第１磁性層１、絶縁層２、強磁性材料からなる第２
磁性層３、薄膜磁石層である永久磁石層４を備えてなる
ものである。

【００２４】上記第１磁性層１と第２磁性層３とはその
パターンが直交して形成されている。そして、上記永久
磁石層４は、その着磁方向が第２磁性層３を構成してい
るパターンの長手方向に合致している。

【００２５】上記第１磁性層１および第２磁性層２とし
ては、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉやその合金からなる材料が使用
可能である。また、固定層４としては、ＰｔＣｏ系合金
やＣｏＣｒ系合金、ＣｏＮｉ系合金等の大きな保磁力を
有する材料を用いることができる。さらに上記絶縁層２
としては、酸化アルミニウム膜等を用いることができ
る。

【００２６】上記磁気抵抗効果素子におけるトンネル抵
抗の変化の測定も図４の磁気抵抗素子と同様に、４端子
法を用いて行うことができる。すなわち、図１において
第２磁性層３の一端Ａと第１磁性層１の一端Ｂとの間に
定電流を流し、第２磁性層３の他端Ｃと第１磁性層１の
他端Ｄ間の電圧を測定することにより、該電圧の変化と
上記定電流とから上記トンネル抵抗の変化を検出し、そ
の検出値に基づいて磁界を検出することができる。上記
磁気抵抗素子の端子部分ＡないしＤは、アルミニウム
（Ａｌ）や銅（Ｃｕ）で増厚したり、またパターン全体
に窒化Ｓｉや酸化Ｓｉを保護膜として成膜すれば、経時
的に特性の安定した磁気抵抗素子を得ることができる。

【００２７】なお、本実施の形態では、固定層４は第２
磁性層３に隣接して設けているが、第１磁性層１に隣接
して設けるようにしてもよい。すなわち、永久磁石層／
第１磁性層／絶縁層／第２磁性層の構造としてもよい。

【００２８】実施の形態２．本発明のいま一つの実施の
形態に係る磁気抵抗効果素子の構成を図２の（ａ）およ
び（ｂ）に示す。該磁気抵抗効果素子は、強磁性材料か
らなる第１磁性層１、絶縁層２、強磁性材料からなる第
２磁性層３、薄膜磁石層である永久磁石層４を備えてい
る。そして、本実施の形態では、上記第１磁性層１は、
抵抗変化率を向上させるため２層化している。すなわ
ち、上記第１磁性層１は、絶縁層２に隣接してＦｅ層ま
たはＣｏ層またはそれらの合金層である部分層１ａを設
け、さらに隣接してＮｉＦｅ層である部分層１ｂを設け
ている。Ｆｅ層やＣｏ層は磁化分極率が大きいため、大
きな抵抗変化率を得ることができる。また、ＮｉＦｅ層
は小さな磁界で反転可能なため、磁界感度を向上させ
る。このように、二層化により、大きな抵抗変化率と高
磁界感度を両立できる。

【００２９】本実施の形態においても、永久磁石層４と
しては、ＣｏＣｒ系合金、ＣｏＮｉ系合金等の大きな保
持力を有する材料を用いることができる。

【００３０】

【実施例】図１の構成を有する磁気抵抗効果素子を次の
ようにして製作した。まず、シリコン（Ｓｉ）やガラス
等の基板上に、長方形の穴があいたマスクを上記基板と
重ねて成膜することにより、第１磁性層１としてＮｉＦ
ｅ層を、厚さが２００Åの長方形状のパターンとなるよ
うに形成した。該パターンの幅は４０μｍ、長さは１ｍ
ｍとした。フォトリソグラフィ等の方法で長方形にパタ
ーニングすることも可能である。続いてφ２００μｍの
穴があいたマスクを上記基板と重ねて成膜し、Ａｌ層を
５０Å成膜し、自然酸化、熱酸化あるいはプラズマ酸化
等の方法で、Ａｌ層を酸化させ、絶縁層２を形成した。
その後、ＮｉＦｅ層のパターン形状と同じ大きさを有し
ているが直交した長方形のマスクを成膜時に用い、第２
磁性層３である２００ÅのＣｏ層を、続いて固定層とし
て３０００ÅのＣｏＰｔからなる永久磁石層４を成膜し
た。これにより、図１において直交する第１磁性層１と
第２磁性層３の交点である４０μｍ角の領域にトンネル
ジャンクションを形成した。

【００３１】次に真空アニール炉を用いて３００℃で１
時間アニールした。アニールにより、永久磁石層４の保
持力およびＰｔＣｏ永久磁石層とＣｏ層の交換結合力を
大きくすることができる。最後に十分に大きな磁界を印
加し、その方向に永久磁石層４の着磁を行った。着磁方
向は、ＰｔＣｏ／Ｃｏ層のパターン長手方向およびパタ
ーン長手方向に垂直な方向に行った。

【００３２】このようにして作成した磁気抵抗素子の磁
界に対する抵抗変化を前述した４端子法で測定した。磁
界の印加方向は、永久磁石層４の着磁方向に平行な方向
とした。これは、この方向の磁界印加により最大の抵抗
変化率が得られたからである。

【００３３】室温における抵抗変化の様子を図３の
（ａ）および（ｂ）に示す。図３の（ａ）は着磁を第２
磁性層３のパターン長手方向に行ったときの抵抗変化で
あり、図３の（ｂ）は着磁を第２磁性層３のパターン長
手方向に垂直な方向に行ったときの抵抗変化である。測
定時の磁界印加方向は、それぞれ上記の着磁方向に平行
である。図３の（ａ）において、磁界ゼロの近傍の抵抗
変化は、第１磁性層１の磁化変化により生じる。図３の
（ａ）では、第１磁性層の変化は磁界ゼロに対して左右
対称であり、約±１０エルステッドで飽和している。一
方、図３の（ｂ）では、左右非対称なカーブになってい
る。このように磁気抵抗変化のカーブに大きな差が出る
原因は次のように説明できる。

【００３４】この素子において、感磁部は十文字パター
ンの交点である４０μｍ角のトンネルジャンクション部
分である。この部分の第１磁性層１の磁化の変化が、抵
抗変化をもたらす。図３の（ａ）においては、永久磁石
層４およびそれに固定された第２磁性層３の磁化はパタ
ーン長手方向に形成されている。このとき、これらのＮ
およびＳ磁極はそれぞれパターン長手方向の両端（長方
形パターンの短い方の辺）に現れる。感磁部と両極部と
の距離は１ｍｍと十分に長いため、パターン長手方向の
両端に現れた磁極から生じる感磁部での静磁界の値は十
分に小さい。

【００３５】一方、図３の（ｂ）の場合、永久磁石層４
およびそれに固定された第２磁性層３の磁化はパターン
長手方向に直交した方向に平行である。このとき、これ
らのＮおよびＳ磁極はそれぞれ長方形パターンの長い方
の辺に現れる。感磁部と両磁極との距離は２０μｍと短
く、両磁極から生じる感磁部での静磁界の値は約５０エ
ルステッドになる。この静磁界により、第１磁性層の磁
化反転磁界にシフトが生じた。これが図３の（ｂ）に示
すように、抵抗変化が左右非対称なカーブとなる理由で
ある。

【００３６】本実施例では、第２磁性層３の磁化は永久
磁石層４により十分に固定されているため、着磁方向に
よらず±３００エルステッドの範囲で全く動かなかっ
た。温度を１５０℃まで上げても、第２磁性層３の磁化
は±３００エルステッドの範囲でほとんど動かなかっ
た。

【００３７】

【発明の効果】この発明によれば、固定層として、永久
磁石層を用いているので、高温までかつ大きな磁界まで
隣接する磁性層の磁化を安定に固定することができ、多
様な環境で使用可能な磁気抵抗素子を得ることができ
る。

【００３８】本発明によればまた、永久磁石層をパター
ン長手方向に着磁することで、静磁界の影響を十分に緩
和でき、従来の磁気抵抗効果素子に用いられた反強磁性
層等に比べ、磁化が著しく大きく、またその膜厚も厚い
永久磁石層であっても、感磁部に大きな静磁界を発生す
るといった問題が完全に解消される。

【００３９】本発明によればさらに、二つの強磁性層の
うちの磁化がフリーな強磁性層を二つの部分層により構
成することにより、二つの部分層のうち一つの部分層に
より、大きな抵抗変化率を得、いま一つの部分層によ
り、小さな磁界で反転可能とし、これにより大きな抵抗
変化率と高磁界感度を得ることができる。

【００４０】本発明によればさらに、パターン全体を保
護膜で被覆することにより、保護膜がパターン全体を保
護するので、磁気抵抗効果素子の経時的な特性変化が少
なくなり、信頼性の高い磁気抵抗素子を得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る磁気抵抗素子の第１の実施形態
を示し、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は正面図であ
る。

【図２】本発明に係る磁気抵抗素子の第２の実施形態
を示し、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は正面図であ
る。

【図３】図１の実施形態の磁気抵抗素子の磁界−抵抗
変化曲線であり、（ａ）はパターン長手方向に永久磁石
層を着磁したときの磁界−抵抗変化曲線を示し、（ｂ）
はパターン長手方向に直交する方向に着磁したときの磁
界−抵抗変化曲線を示す。

【図４】従来の磁気抵抗素子を示し、（ａ）は平面図
であり、（ｂ）は正面図である。

【図５】図４の磁気抵抗素子の磁界−抵抗変化曲線を
示す。

【符号の説明】

１第１磁性層、１ａ部分層、１ｂ部分層、
２絶縁層、３第２磁性層、４固定層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】二つの強磁性層およびその間に位置する
絶縁層からなるトンネルジャンクションを有し、上記二
つの強磁性層のうちの一つの強磁性層の磁化が隣接して
設けられた永久磁石層で固定されており、かつ該永久磁
石層の着磁方向が該永久磁石層を構成しているパターン
の長手方向であることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項２】上記二つの強磁性層のうちの永久磁石層
で固定されていない強磁性層が二つの部分層からなるこ
とを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項３】上記二つの強磁性層を構成しているパタ
ーンが互いに直交していることを特徴とする請求項１ま
たは２に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項４】上記永久磁石層がＰｔＣｏ系合金、Ｃｏ
Ｃｒ系合金もしくはＣｏＮｉ系合金のいずれかであるこ
とを特徴とする請求項１から３のいずれか一に記載の磁
気抵抗効果素子。