WO2015033464A1 - 磁気センサ素子 - Google Patents

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WO2015033464A1
WO2015033464A1 PCT/JP2013/074223 JP2013074223W WO2015033464A1 WO 2015033464 A1 WO2015033464 A1 WO 2015033464A1 JP 2013074223 W JP2013074223 W JP 2013074223W WO 2015033464 A1 WO2015033464 A1 WO 2015033464A1
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layer
magnetic sensor
sensor element
magnetization
tunnel magnetoresistive
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PCT/JP2013/074223
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English (en)
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山本　浩之
神鳥　明彦
勝哉 三浦
Original Assignee
株式会社日立製作所
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F10/324—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
    • H01F10/3286—Spin-exchange coupled multilayers having at least one layer with perpendicular magnetic anisotropy
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • 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
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
    • G01R33/09—Magnetoresistive devices
    • G01R33/098—Magnetoresistive devices comprising tunnel junctions, e.g. tunnel magnetoresistance sensors
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/10—Magnetoresistive devices

Definitions

  • the present invention relates to a magnetic sensor element using a magnetoresistive effect element.
  • An MTJ (Magnetic Tunneling Junction) element that utilizes a tunneling magnetoresistive (TMR) effect is promising as a small and low power consumption magnetic sensor.
  • the basic configuration of the MTJ element is a structure in which an insulating barrier layer is sandwiched between two ferromagnetic layers (a fixed layer and a free layer). The magnetization direction of the fixed layer is fixed in one direction, while the magnetization direction of the free layer is rotated by an external magnetic field. Since the resistance of the element changes depending on the angle difference between the two magnetization directions, a change in the external magnetic field can be detected as a resistance change in the element.
  • the present invention is an MTJ element that is excellent in miniaturization and high sensitivity that can measure magnetic fields in multiple directions with a high sensitivity, or a high sensitivity with a narrow element and a wide range of magnetic fields with a single element.
  • a magnetic sensor element having a plurality of MTJ structures in which a ferromagnetic layer having perpendicular magnetic anisotropy and a ferromagnetic layer having in-plane magnetic anisotropy are combined is proposed.
  • CoFeB capable of controlling the perpendicular / in-plane magnetic anisotropy depending on the film thickness is used for the ferromagnetic layer.
  • a magnetic sensor element includes a free layer whose magnetization direction is changed by an external magnetic field, a fixed layer whose magnetization direction is fixed in one direction, and an oxide tunnel barrier disposed between the free layer and the fixed layer.
  • a magnetic sensor element comprising at least two tunnel magnetoresistive effect elements each having a layer, each tunnel magnetoresistive effect element having an upper electrode layer and a lower electrode layer on the upper and lower sides, and the upper electrode layer and the lower electrode layer Is connected to an electrode terminal for measuring the resistance of the tunnel magnetoresistive effect element, and at least one of the tunnel magnetoresistive effect elements has the easy axis direction of the free layer and the fixed layer orthogonal to the in-plane and perpendicular directions. Yes.
  • the easy axis of magnetization of the fixed layer is in the vertical direction.
  • the easy axis of the free layer is in the vertical direction.
  • the magnetic sensor element of the present invention When the magnetic sensor element of the present invention is used, a single element can sense a magnetic field in two or more directions, so that the mounting space can be reduced and a smaller magnetic sensor can be realized. In addition, when a type of element having sensitivity in each of a weak magnetic field region and a strong magnetic field region is used, space saving and cost reduction are possible.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the magnetic sensor element of Example 1. Schematic diagram showing the relationship between external magnetic field and resistance change of MTJ structure The schematic diagram which shows the relationship between the external magnetic field of MTJ structure, and resistance change. The cross-sectional schematic diagram which showed the magnetic sensor element of Example 1 by the more specific shape. The schematic diagram which showed the more practical mounting form of the magnetic sensor element of Example 1.
  • FIG. FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a mounting form of the magnetic sensor element according to the first embodiment.
  • FIG. 6 is a layout diagram of magnetic sensor elements for realizing a magnetic field sensor in three axial directions.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of a magnetic sensor element of Example 2.
  • FIG. 1 Schematic diagram showing the relationship between external magnetic field and resistance change of MTJ structure
  • the cross-sectional schematic diagram which showed the magnetic sensor element of Example 1 by the more specific shape.
  • FIG. 9 is a schematic diagram showing the external magnetic field dependence of the resistance of the magnetic sensor element of Example 2.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of a magnetic sensor element of Example 3.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of a magnetic sensor element of Example 4.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of a magnetic sensor element of Example 5.
  • Example 1 proposes a magnetic sensor capable of measuring a magnetic field in two directions.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a sensor element according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, the sensor element is formed by laminating a plurality of metal thin films and insulator thin films on a wafer substrate. In this device, an upper MTJ structure 71 and a lower MTJ structure 72 are stacked, and an insulating spacer layer 40 is disposed between them.
  • the MTJ structure 72 is a magnetic sensor structure using a conventional in-plane magnetic anisotropy ferromagnetic layer.
  • the lower electrode 34 is composed of a laminated film laminated in the order of Ta (film thickness: 5 nm) / Ru (film thickness: 10 nm) / Ta (film thickness: 5 nm) / NiFe (3 nm) from the bottom.
  • MnIr (8 nm) is laminated as an antiferromagnetic layer 42.
  • the pinned layer second ferromagnetic layer 25 the nonmagnetic layer 41, and the pinned layer first ferromagnetic layer 24 are laminated in this order.
  • the pinned layer second ferromagnetic layer 25 is Co 50 Fe 50 (2.5 nm), the nonmagnetic layer 41 is Ru (0.8 nm), and the pinned layer first ferromagnetic layer 24 is Co 20 Fe 60 B 20 (3 nm). ).
  • the magnetizations 64 and 65 of the fixed layer first ferromagnetic layer 24 and the fixed layer second ferromagnetic layer 25 are stabilized antiparallel to each other by antiferromagnetic coupling via Ru of the nonmagnetic layer 41.
  • This is a fixed layer having a so-called laminated ferri structure, which is effective for strongly fixing the magnetization of the fixed layer.
  • MgO 1.5 nm
  • Co 20 Fe 60 B 20 (2 nm) as the free layer 23
  • Ta (5 nm) / Ru (5 nm) as the upper electrode 33.
  • Electrode terminals 53 and 54 for measuring resistance are connected to the upper electrode 33 and the lower electrode 34, respectively.
  • the magnetization 65 of the fixed layer is strongly fixed in the + y direction in the figure by the exchange bias of the antiferromagnetic layer 42.
  • the magnetization 64 of the fixed layer is stabilized in antiparallel to the magnetization 65, and is thus fixed in the ⁇ y direction.
  • the magnetization 63 of the free layer has the easy axis in the x direction. That is, in a situation where there is no external magnetic field, the magnetization easy axis of the magnetization 63 of the free layer and the magnetization 64 of the fixed layer opposed via the barrier layer 12 are orthogonal in the plane. This is the initial state.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing the relationship between the external magnetic field and resistance change of this MTJ structure. As shown in the drawing, the magnetic field can be sensed using a region where the resistance changes linearly according to the external magnetic field.
  • the lower electrode 32 is composed of a laminated film laminated in the order of Ta (film thickness: 5 nm) / Ru (film thickness: 10 nm) / Ta (film thickness: 5 nm) from the bottom.
  • the fixed layer 22, the barrier layer 11, and the free layer 21 are laminated in this order.
  • the fixed layer 22 was Co 20 Fe 60 B 20 (1 nm)
  • the barrier layer 11 was MgO (1.5 nm)
  • the free layer 21 was Co 20 Fe 60 B 20 (2 nm).
  • a Ta (5 nm) / Ru (5 nm) laminated film is formed thereon as the upper electrode 31.
  • Electrode terminals 51 and 52 for measuring resistance are connected to the upper electrode 31 and the lower electrode 32, respectively.
  • the magnetization 62 of the fixed layer 22 is oriented in the direction perpendicular to the film surface. This is because Co 20 Fe 60 B 20 has a thin film thickness of about 1 nm, which increases the influence of interfacial magnetic anisotropy with the MgO interface, and the easy axis of magnetization changes from within the film surface to the film surface perpendicular direction. It is.
  • the magnetization 61 of the free layer 21 faces the x direction in the film plane.
  • the free layer 21 is relatively thick 2 nm Co 20 Fe 60 B 20 and the easy axis of magnetization is in the in-plane direction. Since the perpendicular magnetic anisotropy of the fixed layer 22 is generally stronger than the in-plane magnetic anisotropy, the magnetization 62 can be stably fixed without an antiferromagnetic layer. If the magnetization of the fixed layer 22 is to be fixed more strongly, an antiferromagnetic layer may be inserted between the lower electrode 32 and the fixed layer 22 as necessary.
  • the magnetization 61 of the free layer faces the in-film direction
  • the magnetization 62 of the fixed layer faces the direction perpendicular to the film surface, and they are orthogonal to each other.
  • the magnetization 61 of the free layer rotates so as to face the + z direction and approaches an antiparallel arrangement with the magnetization 62, so that the resistance increases.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing the relationship between the external magnetic field and resistance change of this MTJ structure. As shown in the drawing, the magnetic field can be sensed using a region where the resistance changes linearly according to the external magnetic field.
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of the element structure.
  • the element is processed into a stepped pillar so that an electrode can be connected from above to a predetermined layer of the laminated thin film constituting the element.
  • a manufacturing method a laminated thin film is first formed on an Si substrate 5 with a thermal oxide film by using an RF sputtering method using Ar gas. The material and film thickness of each thin film are as described above.
  • the entire laminated thin film is processed into a 45 ⁇ 30 ⁇ m pillar shape (A side: 45 ⁇ m in the figure) as viewed from above using photolithography and ion beam etching. Subsequently, it is processed into a pillar shape of 40 ⁇ 30 ⁇ m size (B side: 40 ⁇ m in the figure) smaller than the pillar. At that time, the etching is stopped at the upper part of the lower electrode 34. Similarly, it is then processed into a smaller pillar shape with a size of 35 ⁇ 30 ⁇ m (C side: 35 ⁇ m in the figure). At that time, etching is stopped at the upper part of the upper electrode 33.
  • heat treatment is performed twice in order to increase the magnetization of the fixed layer and the resistance change ratio (TMR ratio).
  • first heat treatment treatment at 300 ° C. is performed with a magnetic field applied in the x direction.
  • the easy axes of the free layer 21 and the free layer 23 are oriented in the x direction.
  • Co 20 Fe 60 B 20 (free layer 21, fixed layer 22, free layer 23, fixed layer 24), which was amorphous using MgO barrier layers 11 and 12 as a template, was oriented to bcc (001) and had a high TMR. Realize the ratio.
  • second heat treatment a treatment at 200 ° C. is performed with a magnetic field applied in the y direction.
  • the magnetizations of the fixed layers 24 and 25 of the MTJ structure 72 are fixed in the y direction as shown in FIG. Since the heat treatment temperature at this time is lower than the first time, the easy axes of the free layers 21 and 23 fixed in the x direction in the first treatment do not change. Further, since the magnetization easy axis of the pinned layer 22 having perpendicular magnetic anisotropy is stable in the direction perpendicular to the film surface regardless of the direction of magnetic field application during heat treatment, the magnetization direction of each ferromagnetic layer is as shown in FIG. It becomes stable with a simple arrangement.
  • the MTJ structures 71 and 72 manufactured by the above method showed the operation shown in FIGS. 2 and 3, and the maximum TMR ratio was 100%.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing a more practical mounting form of the magnetic sensor element of the present embodiment.
  • a reset function is provided when the magnetization of the fixed layer of the magnetic sensor 70 is reversed due to some factor.
  • a coil 92 is formed on an insulating substrate 91, and a magnetic field 93 in a direction perpendicular to the film surface (-z direction) is generated by passing a current through the coil 92.
  • the substrate 94 is formed with an 8-shaped coil 95 in which coils having different winding directions are paired, and a current is passed through this to generate a magnetic field in the y direction.
  • These coil substrates are arranged so as to overlap the substrate 5 on which the sensor element 70 is formed, and current is passed through the coils as necessary to generate magnetic fields in the y and z directions, thereby initializing the magnetization of the fixed layer. It becomes possible to return to the state.
  • the first embodiment it is possible to sense magnetic fields in two directions of the y direction and the z direction with one element by the structure in which the MTJ structure 71 and the MTJ structure 72 are stacked. As a result, it is possible to reduce the space that conventionally required two magnetic sensors for each magnetic field direction, and further simplify the mounting for wiring a plurality of magnetic sensors, thereby reducing the manufacturing cost.
  • the magnetic sensor of the first embodiment for example, when applied to an electronic compass for measuring geomagnetism, if the elements are laid and arranged so as to have sensitivity in two horizontal axes (x axis and y axis), the horizontal plane The direction at can be measured.
  • FIG. 6 is a schematic diagram of the implementation.
  • the element of the present embodiment is laid on the substrate 4, and the two MTJ structures 71 and 72 are arranged in the xy plane.
  • the arrow in the figure indicates the easy axis direction of the free layer in each MTJ structure.
  • the MTJ structure 71 has sensitivity in the x direction in the figure
  • the MTJ structure 72 has sensitivity in the y direction.
  • FIG. 7 is a diagram showing an arrangement of magnetic sensor elements for realizing a magnetic field sensor in three axial directions.
  • the lower MTJ structure 72 measures the magnetic field in the horizontal x and y directions, and the upper MTJ of the two sensor elements.
  • Both structures 71 measure the magnetic field in the vertical z direction.
  • This configuration is also effective in saving space and facilitating mounting as compared with a conventional mounting configuration in which three sensor elements with single-axis sensitivity are arranged.
  • the sensor element of the present embodiment can be applied to a magnetic sensor system that is installed at the distal end of a catheter and senses position and posture information of the distal end in medical applications.
  • the film thickness of CoFeB used for the fixed layer 22 in this example is 0.5 nm or more at the minimum, 3 nm or less at the maximum, and more preferably between 1 nm and 2 nm. This is because if the CoFeB film is too thin, it will not function as a ferromagnetic material, whereas if it is too thick, the strength of perpendicular magnetic anisotropy will decrease.
  • Co 20 Fe 60 B 20 is used for the free layers 21 and 23 and the fixed layers 22 and 24.
  • other compositions such as Co 40 Fe 40 B 20 are used. Also good.
  • CoFeB materials having a bcc crystal structure
  • materials other than CoFeB as a material having a perpendicular magnetic anisotropy of the pinned layer 22, and for example Co 75 Pt 25, Co 50 Pt 50, Fe 50 Pt 50, Fe 50 L1 0 type ordered alloy such as Pd 50, m-D0 19 type Co 75 Pt 25 ordered alloy, or a material having a granular structure in which a granular magnetic material such as CoCrPt—SiO 2 or FePt—SiO 2 is dispersed in a non-magnetic matrix, or Fe, Co , Ni or an alloy containing one or more and a non-magnetic metal such as Ru, Pt, Rh, Pd, Cr, or a laminated film in which Co and Ni are alternately laminated, or An amorphous alloy containing a transition metal in a rare earth metal such as G
  • these perpendicular magnetic anisotropy materials are strongly affected by the crystal orientation and surface flatness of the underlayer, and the perpendicular magnetic anisotropy may decrease, so the underlayer control is more effective. It becomes important. In addition, it is generally more difficult to realize crystal matching suitable for the high TMR ratio with the barrier layer than in the case of using CoFeB.
  • CoFeB can realize a TMR ratio of 100% or more by changing the in-plane / perpendicular magnetic anisotropy only by controlling the film thickness, and not much of the influence on the crystal orientation coming from the underlayer.
  • CoFeB can be manufactured such that magnetization reacts with a weak perpendicular magnetic field by adjusting the film thickness so that the easy axis of magnetization is barely perpendicular to the film surface.
  • the slope of the resistance change region can be increased, that is, the element is highly sensitive to the applied magnetic field.
  • CoFeB is a material more suitable for sensor applications than conventional perpendicularly magnetized materials (originally strong perpendicular magnetic anisotropy and difficult to rotate in a minute magnetic field).
  • FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of the sensor element of Example 2.
  • the element of this example also has a structure in which two MTJ structures are stacked in the same manner as in Example 1.
  • a more specific structure for mounting (corresponding to FIG. 4) and a manufacturing method are the same as those in the first embodiment except that some thin film laminated structures are different.
  • the lower layer MTJ structure 72 has a thin-film stack structure, and the spacer layer 40 is made of the same material and film thickness as those in Example 1.
  • the thin film laminated structure of the upper MTJ structure 71 is different from that of the first embodiment.
  • the upper MTJ structure 71 of the second embodiment is composed of a fixed layer having an in-plane easy axis and a free layer having a perpendicular easy axis.
  • the fixed layer has a laminated ferrimagnetic structure composed of the first ferromagnetic layer 26 / the nonmagnetic layer 43 / the second ferromagnetic layer 27 in the same manner as the MTJ element 72 in the lower stage, and the antiferromagnetic layer 44 is formed on the underlying layer. Inserted.
  • the material and film thickness of each layer forming the fixed layer of the laminated ferri structure, the antiferromagnetic layer 44, and the barrier layer 11 are the same as those of the MTJ structure 72 in the lower stage.
  • the free layer 21 is made of thin Co 20 Fe 60 B 20 (1.7 nm), and the easy axis of magnetization is in the direction perpendicular to the film surface.
  • the magnetization 61 falls from the film surface perpendicular direction to the film surface + y direction, so that the fixed layer first ferromagnetic layer 26 facing the barrier layer 11 is sandwiched.
  • the resistance of the MTJ structure 71 increases toward the magnetization 62 and the antiparallel arrangement.
  • the magnetization 61 falls in the -y direction, so that the resistance of the MTJ structure 71 approaches the parallel arrangement with the magnetization 62 and decreases.
  • FIG. 9 is a schematic diagram showing the relationship between the external magnetic field and resistance change.
  • a magnetic field can be sensed using a region (point A to point B) in which resistance changes linearly according to an external magnetic field.
  • point B When the magnetic field exceeds the point B, not only the magnetization 61 of the free layer but also the magnetization 62 on the fixed layer side is reversed, so that the resistance decreases as shown.
  • the resistance-magnetic field dependency of the lower MTJ structure 72 is as shown in FIG.
  • the slope of the resistance change in the linear region used for sensing that is, the sensitivity was 10% TMR ratio per 1 [Oe]. (10% / Oe)
  • the measurable magnetic field range was ⁇ 5 Oe.
  • the sensitivity of the linear region (A point to B point) in the upper MTJ structure 71 is 0.05% / Oe lower than that, and the magnetic field range (the magnetic field range from A point to B point) that can be measured is 1 kOe. And wide.
  • the magnetization 61 of the free layer 21 having perpendicular magnetic anisotropy in the upper MTJ structure 71 is more resistant to an external magnetic field than the magnetization 63 of the free layer 23 having in-plane magnetic anisotropy in the lower MTJ structure 72. Because it is difficult to rotate.
  • the sensor element of this embodiment having these two types of MTJ structures can sense a magnetic field in two ranges of a minute magnetic field and a relatively large magnetic field with one element.
  • This element can be applied to, for example, a current sensor that is arranged around a motor driving cable in an electric vehicle or a hybrid vehicle and senses a rotating magnetic field generated when a current flows.
  • a current sensor that is arranged around a motor driving cable in an electric vehicle or a hybrid vehicle and senses a rotating magnetic field generated when a current flows.
  • a plurality of sensors having different sensitivity ranges have been used.
  • the number of elements to be mounted, the arrangement space, and the cost can be reduced by using the sensor element of this embodiment.
  • the film thickness of CoFeB used for the free layer 21 in this example is 0.5 nm or more at the minimum, 3 nm or less at the maximum, and more preferably between 1 nm and 2 nm. This is because if the film thickness of CoFeB is too thin, it will not function as a ferromagnet, while if it is too thick, the strength of perpendicular magnetic anisotropy will decrease and in-plane magnetic anisotropy will become dominant. .
  • CoFeB is used for the free layers 21 and 23 and the fixed layers 26 and 24. However, the same effect can be obtained by using other materials having a bcc crystal structure, for example, CoFe or Fe. Needless to say.
  • Example 3 The third embodiment proposes a magnetic sensor having sensitivity in the y direction and the z direction as in the first embodiment, but partially different in configuration from the first embodiment.
  • FIG. 10 is a schematic cross-sectional view of the magnetic sensor element of Example 3.
  • the upper MTJ structure 71 has the same configuration as that of the first embodiment, and the same configuration as that of the upper MTJ structure in the second embodiment is applied to the lower MTJ structure 72. To do.
  • the material and film thickness of each layer of these MTJ structures 71 and 72 in the third embodiment are the same as the MTJ structure 71 in the first embodiment and the MTJ structure 72 in the second embodiment, respectively.
  • the upper MTJ structure 71 is sensitive to a magnetic field in the z direction
  • the lower MTJ structure 72 is sensitive to a magnetic field in the y direction. With this configuration, a magnetic field can be sensed in two directions, y and z.
  • the production method is the same as that in Example 1.
  • a process at 300 ° C. is performed with the magnetic field applied in the x direction, and the easy axis of magnetization of the free layer 21 is set in the x direction.
  • a second heat treatment is performed at 200 ° C. while applying a magnetic field in the y direction to fix the easy axes of the fixed layers 24 and 25 in the y direction. Since the fixed layer 22 and the free layer 23 have an easy axis for perpendicular magnetization, their magnetizations 62 and 63 are stable in the direction perpendicular to the film surface regardless of the direction of magnetic field application during heat treatment.
  • Example 4 proposes a high-sensitivity vertical magnetic field magnetic sensor that can be easily manufactured.
  • in-plane magnetic anisotropy is a method in which a resistance change obtained by rotating the magnetization of the free layer in the film plane with respect to the magnetization direction of the fixed layer is used as a signal.
  • Such an in-plane type magnetic sensor is suitable for sensing a horizontal magnetic field from the shape of an element formed on a flat substrate.
  • a vertical type sensor using a combination of a fixed layer having an in-plane easy magnetization axis and a free layer having an easy vertical magnetization axis has also been proposed.
  • ferromagnetic material having a conventional vertical magnetic anisotropy and L1 0 type ordered alloy represented by Co 50 Pt 50, a multilayer film of artificial lattice represented by Co / Pt, they and MgO barrier It is difficult to realize a high TMR ratio exceeding 100% from the viewpoint of crystal matching. Therefore, the conventional vertical type magnetic sensor has a problem of lower sensitivity than the in-plane type sensor.
  • CoFeB when CoFeB is disposed in contact with an oxide such as MgO, it is possible to change the magnetic anisotropy from within the film surface to the direction perpendicular to the film surface only by controlling the film thickness. This is due to the perpendicular magnetic anisotropy appearing at the interface between CoFeB and oxide.
  • CoFeB and MgO barrier are a very excellent combination in order to realize a high TMR ratio.
  • FIG. 11 is a schematic cross-sectional view of the magnetic sensor element of Example 4.
  • This sensor element is formed of a thin film laminated on a Si substrate 5 with a thermal oxide film as shown in FIG.
  • the lower electrode 32 is composed of a laminated film laminated in the order of Ta (film thickness: 5 nm) / Ru (film thickness: 10 nm) / Ta (film thickness: 5 nm) from the bottom.
  • the fixed layer 22, the barrier layer 11, and the free layer 21 are laminated in this order.
  • the fixed layer 22 was made of Co 20 Fe 60 B 20 (1 nm), the barrier layer 11 was made of MgO (1.5 nm), and the free layer 21 was made of Co 20 Fe 60 B 20 (2.5 nm).
  • a Ta (5 nm) / Ru (5 nm) laminated film is formed thereon as the upper electrode 31. Electrode terminals 51 and 52 for measuring resistance are connected to the upper electrode 31 and the lower electrode 32, respectively.
  • the magnetization 62 of the fixed layer 22 is oriented in the direction perpendicular to the film surface.
  • Co 20 Fe 60 B 20 is thinned to about 1 nm to increase the influence of interfacial magnetic anisotropy with the MgO interface, and the easy axis of magnetization changes from the in-plane direction to the vertical direction. Because.
  • the magnetization 61 of the free layer 21 faces the x direction in the film plane. This is because the free layer 21 is a relatively thick 2 nm Co 20 Fe 60 B 20 and the easy axis of magnetization is in the in-plane direction. Since the perpendicular magnetic anisotropy of the fixed layer 22 is generally stronger than the in-plane magnetic anisotropy, the magnetization 62 can be stably fixed without an antiferromagnetic layer.
  • an antiferromagnetic layer may be inserted between the lower electrode 32 and the fixed layer 22 as necessary.
  • the thickness of Co 20 Fe 60 B 20 in the fixed layer 22 may be other than 1 nm, but is preferably in the range of 0.5 nm to 2 nm in order to exhibit perpendicular magnetic anisotropy.
  • the laminated film was fabricated by RF sputtering using Ar, and then processed into a 30 ⁇ 30 ⁇ m pillar shape by photolithography and ion beam etching as viewed from above. Thereafter, electrode terminals 51 and 52 were connected to the upper electrode 31 and the lower electrode 32, respectively, and finally heat treatment was performed at 300 ° C. while applying a magnetic field in the x direction in order to fix the easy magnetization axis of the free layer 21 in the x direction. .
  • the magnetization 61 of the free layer 21 is tilted in the z direction and approaches the magnetization 62 of the fixed layer 22 and the resistance of the element increases. . Conversely, when a magnetic field is applied in the -z direction, the magnetization 61 approaches a parallel arrangement with the magnetization 62, and the resistance of the element decreases. Based on such an operation principle, an excellent linear characteristic without hysteresis as shown in FIG. 3 can be obtained.
  • the resistance change ratio (TMR ratio) was 100% at maximum by using CoFeB for the ferromagnetic layer having perpendicular magnetic anisotropy.
  • the resistance change ratio per 1 Oe is about 1%.
  • the sensitivity that enables geomagnetic sensing is obtained.
  • the magnetic sensor of this embodiment is more sensitive than the conventional vertical type magnetic sensor.
  • it is possible to sense a vertical magnetic field without arranging the sensor substrate upright like an in-plane type magnetic sensor. Due to these effects, it can be applied to a small magnetic compass, a small-sized magnetic sensor for vehicle mounting, and a magnetic sensor at the tip of a catheter in medical applications.
  • the fifth embodiment is based on the structure of the fourth embodiment, and proposes a sensor element structure in which the magnetization of the fixed layer is more stable.
  • FIG. 12 is a schematic cross-sectional view of the magnetic sensor element of Example 5.
  • the basic structure is the same as that of the fourth embodiment, but in the fifth embodiment, the second ferromagnetic layer 28 of the fixed layer is inserted below the fixed layer 22.
  • the material of the ferromagnetic layer 28 was a multilayer film in which Co (0.4 nm) and Pt (0.6 nm) were alternately stacked six times. Since the magnetization 67 of the ferromagnetic layer 28 is ferromagnetically coupled to the magnetization 62 of the fixed layer 22, the magnetization 62 is strongly fixed as compared with the first embodiment. Therefore, even when a large magnetic field is applied from the outside, an effect of suppressing the magnetization reversal of the fixed layer can be obtained.
  • a Co / Pt laminated film is used as the material of the second ferromagnetic layer 28 of the fixed layer, but other materials having perpendicular magnetic anisotropy may be used.
  • Co 75 Pt 25, Co 50 Pt 50, Fe 50 Pt 50, Fe 50 Pd 50 and L1 0 type ordered alloy such as, m-D0 19 type Co 75 Pt 25 ordered alloy or,, CoCrPt-SiO 2, FePt
  • An amorphous alloy may be used.
  • a tunnel magnetoresistive element structure magnetic sensor element comprising an oxide tunnel barrier layer disposed on the upper and lower sides of the magnetic sensor element, the upper electrode layer and the upper electrode layer
  • An electrode terminal for measuring the resistance of the magnetic sensor element is connected to the lower electrode layer, the easy axis of the free layer is in the in-film direction, and the easy axis of the fixed layer is in the direction perpendicular to the film surface.
  • a magnetic sensor element is connected to the lower electrode layer, the easy axis of the free layer is in the in-film direction, and the easy axis of the fixed layer is in the direction perpendicular to the film surface.
  • the fixed layer includes a first ferromagnetic layer and a second ferromagnetic layer, and the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer are A magnetic sensor element having a structure in which magnetization is ferromagnetically coupled.
  • the ferromagnetic thin film having an easy axis for perpendicular magnetization in the free layer and the fixed layer has a magnetization direction perpendicular to the film surface by controlling the film thickness.
  • this invention is not limited to the above-mentioned Example, Various modifications are included.
  • the above-described embodiments have been described in detail for easy understanding of the present invention, and are not necessarily limited to those having all the configurations described.
  • a part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of one embodiment.

Abstract

面内磁化容易軸を有する強磁性層と垂直磁化容易軸を有する強磁性層を用いたＭＴＪ構造を複数積層した構造を有する磁気センサ素子を提供する。１つの素子で２方向以上の磁場をセンシング可能、あるいは微小磁場と比較的大きな磁場の複数の磁場範囲をセンシング可能とする。

Description

磁気センサ素子
　本発明は、磁気抵抗効果素子を用いた磁気センサ素子に関するものである。
　近年、磁気センサは、車載用の車軸回転センサやカム／クランク角位置センサ、電気自動車用の電流センサ、あるいは携帯端末の電子コンパスなど様々な用途で用いられている。トンネル磁気抵抗（Tunneling Magnetoresistive：ＴＭＲ）効果を利用するＭＴＪ（Magnetic Tunneling Junction）素子は小型で低消費電力な磁気センサとして有望である。ＭＴＪ素子の基本構成は、２つの強磁性体層（固定層、自由層）で絶縁体のバリア層を挟んだ構造である。固定層の磁化方向は一方向に固定されており、一方、自由層の磁化方向は外部磁場によって回転する。両者の磁化方向の角度差によって素子の抵抗が変化するため、外部磁場の変化を素子の抵抗変化として検出することができる。
　例えば電子コンパスのように方位を計測する用途においては、複数方向の磁場（Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向）をセンシングする必要がある。従来のＭＴＪ素子の磁気センサは磁場の感度方向が一方向のみであるため、そのような計測を行うためには、複数の素子を実装する必要があった（例えば特許文献１）。
特開２００４－６７５２号公報
　上記のように従来のＭＴＪ素子は実装の容易さや小型化にまだ課題があった。また、電気自動車用の電流センサのように、電流によって発生する磁場から電流値を読み取るような用途では、幅広いレンジの電流値を測定するニーズがある。その場合、測定電流の大小によって適切な磁場感度領域を有する複数のセンサを使い分ける必要があり、省スペース、低コスト化に課題があった。
　本発明は、上述した課題に鑑み、複数方向の磁場を１素子で高感度に測定できる小型化、高感度化に優れたＭＴＪ素子、あるいは、狭いレンジと広いレンジの磁場を１素子で高感度に測定できるセンサ素子を提案するものである。
　本発明では、垂直磁気異方性を有する強磁性層と、面内磁気異方性を有する強磁性層を組み合わせた複数のＭＴＪ構造を備えた磁気センサ素子を提案する。望ましい構成としては、膜厚によって垂直／面内の磁気異方性を制御可能なＣｏＦｅＢを強磁性層に用いる。
　本発明による磁気センサ素子は、外部磁場によって磁化の方向が変化する自由層、磁化の方向が一方向に固定された固定層、および自由層と固定層の間に配置される酸化物のトンネルバリア層を備えたトンネル磁気抵抗効果素子を少なくとも２個積層してなる磁気センサ素子であり、各トンネル磁気抵抗効果素子は上下に上部電極層と下部電極層を備え、その上部電極層と下部電極層にはトンネル磁気抵抗効果素子の抵抗を測定するための電極端子が接続され、トンネル磁気抵抗効果素子の少なくともどちらかは、自由層と固定層の容易軸方向が面内と垂直方向に直交している。
　一態様として、２つのトンネル磁気抵抗効果素子のいずれかにおいて、固定層の磁化容易軸が垂直方向である。また、別の態様として、２つのトンネル磁気抵抗効果素子のいずれかにおいて、自由層の磁化容易軸が垂直方向である。
　本発明の磁気センサ素子を用いると、１素子で２方向以上の磁場をセンシングできるため実装スペースを減らし、より小型の磁気センサを実現できる。また、弱い磁場領域と強い磁場領域それぞれに感度を備えたタイプの素子を用いると、省スペース化と低コスト化が可能となる。
　上記した以外の、課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
実施例１の磁気センサ素子の断面模式図。 ＭＴＪ構造の外部磁場と抵抗変化の関係を示す模式図 ＭＴＪ構造の外部磁場と抵抗変化の関係を示す模式図。 実施例１の磁気センサ素子をより具体的な形状で示した断面模式図。 実施例１の磁気センサ素子のより実用的な実装形態を示した模式図。 実施例１の磁気センサ素子の実装形態を示した模式図。 ３軸方向の磁場センサを実現するための磁気センサ素子の配置図。 実施例２の磁気センサ素子の断面模式図。 実施例２の磁気センサ素子の抵抗の外部磁場依存性を示す模式図。 実施例３の磁気センサ素子の断面模式図。 実施例４の磁気センサ素子の断面模式図。 実施例５の磁気センサ素子の断面模式図。
　以下、本発明の図面を参照して実施形態を説明する。
＜実施例１＞
　実施例１は二方向の磁場を測定可能な磁気センサを提案するものである。図１は、実施例１におけるセンサ素子の断面模式図である。センサ素子は、図１のように複数の金属薄膜および絶縁体薄膜をウェハ基板上に積層して構成される。本素子は、上段のＭＴＪ構造７１と下段のＭＴＪ構造７２とが積層され、両者の間には絶縁体のスペーサ層４０が配置されている。
　まず下段のＭＴＪ構造７２について説明する。ＭＴＪ構造７２は従来用いられている一般的な面内磁気異方性の強磁性層を用いた磁気センサ構造である。下部電極３４は下からＴａ（膜厚：５ｎｍ）／Ｒｕ（膜厚：１０ｎｍ）／Ｔａ（膜厚：５ｎｍ）／ＮｉＦｅ（３ｎｍ）の順で積層した積層膜で構成される。その上に反強磁性層４２としてＭｎＩｒ（８ｎｍ）を積層する。さらに固定層第二の強磁性層２５、非磁性層４１、固定層第一の強磁性層２４の順に積層する。固定層第二の強磁性層２５はＣｏ50Ｆｅ50（２．５ｎｍ）、非磁性層４１はＲｕ（０．８ｎｍ）、固定層第一の強磁性層２４はＣｏ20Ｆｅ60Ｂ20（３ｎｍ）である。固定層第一の強磁性層２４と固定層第二の強磁性層２５は非磁性層４１のＲｕを介した反強磁性結合により、それぞれの磁化６４，６５は互いに反平行に安定する。これがいわゆる積層フェリ構造の固定層であり、固定層の磁化を強く固定するのに有効である。固定層の上にはバリア層１２としてＭｇＯ（１．５ｎｍ）を積層し、その上に自由層２３のＣｏ20Ｆｅ60Ｂ20（２ｎｍ）と、上部電極３３としてＴａ（５ｎｍ）／Ｒｕ（５ｎｍ）の積層膜を形成する。上部電極３３と下部電極３４にはそれぞれ抵抗を測定するための電極端子５３と５４が接続される。
　続いて磁場に対する素子の応答について説明する。固定層の磁化６５は反強磁性層４２の交換バイアスによって図中＋ｙ方向に強く固定されている。上述したようにＲｕを介した反強磁性結合により、固定層の磁化６４は磁化６５と反平行に安定するため－ｙ方向に固定される。一方、自由層の磁化６３は磁化容易軸がｘ方向にある。つまり、外部磁場が無い状況では、自由層の磁化６３と、バリア層１２を介して対向する固定層の磁化６４の磁化容易軸は面内で直交する。これを初期状態とする。
　次に、図示したように例えば＋ｙ方向の磁場８２が印加されると自由層の磁化６３が＋ｙ方向に向くよう面内で回転する。このとき両者の磁化は反平行配置に近づくため、ＭＴＪ構造７２の抵抗（電極端子５３－５４間の抵抗）は初期状態に比べて増大する。逆に外部磁場が－ｙ方向に印加されると自由層の磁化６３は－ｙ方向に向くように回転し両者の磁化は平行配置に近づくためＭＴＪ構造７２の抵抗は初期状態に比べて減少する。図２は、このＭＴＪ構造の外部磁場と抵抗変化の関係を示す模式図である。図示したように外部磁場に応じて抵抗が線形に変化する領域を利用して磁場をセンシングできる。
　次に、上段のＭＴＪ構造７１について説明する。下部電極３２は下からＴａ（膜厚：５ｎｍ）／Ｒｕ（膜厚：１０ｎｍ）／Ｔａ（膜厚：５ｎｍ）の順で積層した積層膜で構成される。その上に固定層２２、バリア層１１、自由層２１の順に積層する。固定層２２はＣｏ20Ｆｅ60Ｂ20（１ｎｍ）、バリア層１１はＭｇＯ（１．５ｎｍ）、自由層２１はＣｏ20Ｆｅ60Ｂ20（２ｎｍ）を用いた。その上に上部電極３１としてＴａ（５ｎｍ）／Ｒｕ（５ｎｍ）の積層膜を形成する。上部電極３１と下部電極３２にはそれぞれ抵抗を測定するための電極端子５１と５２が接続される。このＭＴＪ構造７１においては、固定層２２の磁化６２は膜面垂直方向に向いている。これは、Ｃｏ20Ｆｅ60Ｂ20は膜厚を１ｎｍ程度に薄くすることでＭｇＯ界面との界面磁気異方性の影響が増大し、磁化容易軸が膜面内から膜面垂直方向に変わるためである。一方、自由層２１の磁化６１は膜面内ｘ方向を向く。これは、自由層２１は比較的厚い２ｎｍのＣｏ20Ｆｅ60Ｂ20であり、磁化容易軸が面内方向を向いているためである。固定層２２の垂直磁気異方性は一般に面内磁気異方性よりも強いので反強磁性層がなくても磁化６２を安定に固定できる。より強く固定層２２の磁化を固定したい場合は必要に応じて下部電極３２と固定層２２の間に反強磁性層を挿入しても良い。
　続いて、このＭＴＪ構造７１の磁場に対する応答について説明する。まず外部磁場のない初期状態において、自由層の磁化６１は膜面内方向を向き、固定層の磁化６２は膜面垂直方向を向いて、両者は直交している。図示したように＋ｚ方向の外部磁場８１がかかると自由層の磁化６１は＋ｚ方向を向くように回転し、磁化６２と反平行配置に近づくため抵抗が増大する。逆に－ｚ方向の外部磁場がかかると自由層の磁化６１は－ｚ方向を向くため固定層の磁化６２と平行配置に近付き抵抗が減少する。図３は、このＭＴＪ構造の外部磁場と抵抗変化の関係を示す模式図である。図示したように外部磁場に応じて抵抗が線形に変化する領域を利用して磁場をセンシングできる。
　以上、図１と図２、図３を用いて素子の構造と動作を説明した。次に、実装するためのより具体的な素子構造とその作製方法を示す。図４は、素子構造の断面模式図である。素子を階段状のピラーに加工し、素子を構成する積層薄膜の所定の層に上部から電極を接続できるようにする。作製方法としては、はじめに熱酸化膜つきのＳｉ基板５の上にＡｒガスを用いたＲＦスパッタリング法を用いて積層薄膜を形成する。各薄膜の材料および膜厚は上述したとおりである。積層薄膜を形成した後、フォトリソグラフィとイオンビームエッチングを用いて、積層薄膜全体を上部から見て４５×３０μｍのピラー形状（図中Ａ辺４５μｍ）に加工する。続いて、そのピラーよりも小さい４０×３０μｍサイズのピラー形状（図中Ｂ辺４０μｍ）に加工する。その際、エッチングは下部電極３４の上部で止める。同様にして、次にそれよりも小さい３５×３０μｍサイズのピラー形状（図中Ｃ辺３５μｍ）に加工する。その際、エッチングは上部電極３３の上部で止める。同様にして、次にそれよりも小さい３０×３０μｍサイズのピラー形状（図中Ｄ辺３０μｍ）に加工する。その際、エッチングは下部電極３２の上部で止める。以上のように階段状のピラーを形成した後、全体を層間絶縁膜（Ａｌ2Ｏ3）で覆い、フォトリソグラフィとイオンビームエッチングによって電極端子５１，５２，５３，５４を接続するためのコンタクトホールを形成する。その後、電極薄膜Ｃｒ（膜厚：５ｎｍ）／Ａｕ（膜厚：１００ｎｍ）を成膜し、最後にその電極薄膜をパターニング加工することで電極端子５１，５２，５３，５４とする。
　以上の工程で素子を作製後、固定層の着磁と抵抗変化比（ＴＭＲ比）を増大させる目的で２回の熱処理を行う。１回目の熱処理では、磁場をｘ方向に印加した状態で３００℃の処理を行う。これにより自由層２１と自由層２３の磁化容易軸がｘ方向に向く。同時に、ＭｇＯのバリア層１１，１２をテンプレートにしてアモルファスだったＣｏ20Ｆｅ60Ｂ20（自由層２１、固定層２２、自由層２３、固定層２４）がｂｃｃ（００１）に配向し、高いＴＭＲ比を実現する。２回目の熱処理では、磁場をｙ方向に印加した状態で２００℃の処理を行う。これにより、ＭＴＪ構造７２の固定層２４，２５の磁化が図１のようにｙ方向に固定される。このときの熱処理温度は１回目よりも低いため、１回目の処理でｘ方向に固定させた自由層２１，２３の磁化容易軸は変化しない。また、垂直磁気異方性を有する固定層２２の磁化容易軸は熱処理中の磁場印加方向に関係なく膜面垂直方向が安定であるため、結果として各強磁性層の磁化方向は図１のような配置で安定となる。以上の方法で作製したＭＴＪ構造７１，７２は図２、図３に示した動作を示し、ともに最大ＴＭＲ比１００％が得られた。
　図５は、本実施例の磁気センサ素子のより実用的な実装形態を示した模式図である。この実装形態では、磁気センサ７０の固定層の磁化が何かの要因によって反転してしまった場合のリセット機能を備える。絶縁性の基板９１にコイル９２が形成されており、それに電流を流すことで膜面垂直方向（－ｚ方向）の磁場９３を発生する。基板９４には巻き方向の異なるコイルが対になった８の字型のコイル９５が形成されており、これに電流を流してｙ方向の磁場を発生する。これらのコイル基板をセンサ素子７０の形成された基板５に重ねて配置しておき、必要に応じてコイルに電流を流してｙ方向、ｚ方向の磁場を発生させることで固定層の磁化を初期状態に戻すことが可能になる。
　以上、実施例１では、ＭＴＪ構造７１とＭＴＪ構造７２を積層した構造によって一つの素子でｙ方向、ｚ方向の２方向の磁場をセンシングすることが可能となる。これにより従来は各磁場方向に対して２個の磁気センサが必要であった分のスペースを削減でき、さらに複数の磁気センサ同士を配線する実装をより簡便化し、作製コストを低減できる。実施例１の磁気センサの応用例として、例えば地磁気を測定する電子コンパスに適用する場合、素子を寝かせて、水平２軸（ｘ軸、ｙ軸）に感度をもたせるように配置すれば、水平面内での方位を計測することができる。図６は、その実装の模式図である。図のように基板４の上に本実施例の素子を寝かせ、二つのＭＴＪ構造７１，７２がｘｙ面内に並ぶように配置する。図中の矢印は各ＭＴＪ構造における自由層の磁化容易軸方向を示したものである。このような配置にすると、ＭＴＪ構造７１は図中ｘ方向に感度を持ち、ＭＴＪ構造７２はｙ方向に感度を持つ。各ＭＴＪ構造の抵抗を測定すれば現在素子にかかっているｘ方向、ｙ方向の磁場の大きさが分かる。そこから磁場ベクトルの角度が計算できるため、地磁気に対して現在の素子がどの程度傾いているか分かり、現在の方位が測れる。
　さらに発展させて、本実施例の素子を２つ用いれば、水平方向２軸に垂直方向を加えた３軸方向の磁場センサも実現可能である。図７は、３軸方向の磁場センサを実現するための磁気センサ素子の配置を示す図である。図７のように、２つのセンサ素子を面内で９０°回して並べておけば、それぞれの下段のＭＴＪ構造７２が水平ｘ方向とｙ方向の磁場を測定し、２つのセンサ素子の上段のＭＴＪ構造７１が両方とも垂直ｚ方向の磁場を測定する。この構成でも従来の１軸感度のセンサ素子を３つ並べる実装形態に比べて省スペース化と実装の容易化に有効である。本実施例のセンサ素子は、上記の電子コンパスの他、医療応用などではカテーテルの先端に設置し、先端の位置や姿勢情報をセンシングする磁気センサシステムなどに適用できる。
　本実施例において固定層２２に用いたＣｏＦｅＢの膜厚としては、最小でも０．５ｎｍ以上、最大でも３ｎｍ以下であり、より好ましくは１ｎｍから２ｎｍの間である。これは、ＣｏＦｅＢの膜厚が薄過ぎると強磁性体として機能せず、一方で厚過ぎると、垂直磁気異方性の強さが低下するためである。また、本実施例では、自由層２１，２３、固定層２２，２４にＣｏ20Ｆｅ60Ｂ20を用いたが、それ以外の組成、例えばＣｏ40Ｆｅ40Ｂ20をなどの組成比を用いてもよい。またＣｏＦｅＢ以外でも、ｂｃｃ結晶構造をもつその他の材料、例えばＣｏＦｅやＦｅを用いても同様の効果が得られるのは言うまでもない。また、固定層２２の垂直磁気異方性を有する材料としてはＣｏＦｅＢ以外の材料、たとえばＣｏ75Ｐｔ25，Ｃｏ50Ｐｔ50，Ｆｅ50Ｐｔ50，Ｆｅ50Ｐｄ50などのＬ１0型規則合金や、ｍ－Ｄ０19型のＣｏ75Ｐｔ25規則合金、あるいは、ＣｏＣｒＰｔ－ＳｉＯ2，ＦｅＰｔ－ＳｉＯ2など粒状の磁性体が非磁性体の母相中に分散したグラニュラー構造の材料、もしくは、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉのいずれかもしくは一つ以上を含む合金と、Ｒｕ，Ｐｔ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｃｒなどの非磁性金属を交互に積層した積層膜、あるいは、ＣｏとＮｉを交互に積層した積層膜、もしくは、ＴｂＦｅＣｏ，ＧｄＦｅＣｏなど、Ｇｄ，Ｄｙ，Ｔｂ等の希土類金属に遷移金属を含んだアモルファス合金を用いてもよい。ただし、これらの垂直磁気異方性材料（アモルファス合金を除く）は下地層の結晶方位や表面平坦性の影響を強く受け、垂直磁気異方性が低下する場合があるので下地層の制御がより重要となる。また、バリア層との間で高ＴＭＲ比に適した結晶整合性を実現するのがＣｏＦｅＢを用いる場合よりも一般に難しい。
　これらの観点から、膜厚を制御するだけで面内／垂直磁気異方性を変えられ、かつ下地層からくる結晶配向性への影響をあまり気にせず１００％以上のＴＭＲ比を実現できるＣｏＦｅＢが本実施例の強磁性材料としては最も望ましい。さらに言えば、ＣｏＦｅＢは磁化容易軸が辛うじて膜面垂直方向になるように膜厚を調整することで、弱い垂直磁場で磁化が反応するような素子を作製可能である。言い換えると、抵抗変化の磁場依存性特性において、抵抗変化領域の傾きを大きくでき、すなわち印加磁場に対して高感度の素子となる。この点においてもＣｏＦｅＢは従来の垂直磁化材料（元来垂直磁気異方性が強く微小な磁場では磁化が回転しにくい）に比べてセンサ応用に適している材料である。
＜実施例２＞
　実施例２は、微小磁場と比較的大きい磁場の両方を１つの素子で測定できるセンサを提案するものである。図８は、実施例２のセンサ素子の断面模式図である。本実施例の素子も実施例１と同様に２つのＭＴＪ構造を積層した構造である。一部の薄膜積層構成が異なる以外には、実装のためのより具体的な構造（図４に該当）や作製方法は実施例１と同様である。
　下段のＭＴＪ構造７２の薄膜積層構成および、スペーサ層４０の材料、膜厚は実施例１と同様である。一方、上段のＭＴＪ構造７１の薄膜積層構成が実施例１とは異なる。実施例２の上段のＭＴＪ構造７１は面内磁化容易軸をもつ固定層と垂直磁化容易軸をもつ自由層で構成される。その固定層は、下段のＭＴＪ素子７２と同じく第一の強磁性層２６／非磁性層４３／第二の強磁性層２７からなる積層フェリ構造であり、その下地には反強磁性層４４が挿入される。この積層フェリ構造の固定層を形成する各層、ならびに反強磁性層４４、ならびにバリア層１１の材料と膜厚は下段のＭＴＪ構造７２と同様である。
　一方、自由層２１は薄いＣｏ20Ｆｅ60Ｂ20（１．７ｎｍ）で構成され、磁化容易軸は膜面垂直方向である。図８のように＋ｙ方向に外部磁場が印加されると磁化６１が膜面垂直方向から膜面内＋ｙ方向に倒れるため、バリア層１１を挟んで対向する固定層第一の強磁性層２６の磁化６２と反平行配列に近付きＭＴＪ構造７１の抵抗が増大する。逆に－ｙ方向に外部磁場が印加されると磁化６１は－ｙ方向に倒れるため、磁化６２と平行配列に近付きＭＴＪ構造７１の抵抗が減少する。
　図９は、この外部磁場と抵抗変化の関係を示す模式図である。図示したように、外部磁場に応じて抵抗が線形に変化する領域（Ａ点～Ｂ点）を利用して磁場をセンシングできる。なお、磁場がＢ点を越えると自由層の磁化６１だけなく固定層側の磁化６２も反転してしまうため、図示したように抵抗が減少していく。
　下段のＭＴＪ構造７２の抵抗－磁場依存性は図２に示したとおりである。本実施例のＭＴＪ構造７２の場合、センシングに用いる線形領域での抵抗変化の傾き、すなわち感度は１［Ｏｅ］あたりＴＭＲ比１０％であった。（１０％／Ｏｅ）また、測定できる磁場範囲は±５Ｏｅであった。一方、上段のＭＴＪ構造７１における線形領域（Ａ点～Ｂ点）の感度はそれより低く０．０５％／Ｏｅであり、逆に測定できる磁場範囲（Ａ点～Ｂ点の磁場範囲）は１ｋＯｅと広い。これは、上段のＭＴＪ構造７１において垂直磁気異方性をもつ自由層２１の磁化６１が、下段のＭＴＪ構造７２において面内磁気異方性をもつ自由層２３の磁化６３よりも外部磁場に対して回転しにくいことによる。
　以上、これら２つのタイプのＭＴＪ構造を備えた本実施例のセンサ素子は、一つの素子で微小な磁場と比較的大きい磁場の２つのレンジで磁場をセンシング可能である。この素子は、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車においてモータ駆動用のケーブル周囲に配置し、電流が流れた際に発生する周回磁場をセンシングする電流センサに応用可能である。そのような用途では、広範囲の電流レンジをカバーするため、従来は感度範囲の異なる複数のセンサを用いてきた。それに比べ、本実施例のセンサ素子を用いることで実装する素子の数や配置スペースおよびコストの低減が可能である。
　本実施例において自由層２１に用いたＣｏＦｅＢの膜厚としては、最小でも０．５ｎｍ以上、最大でも３ｎｍ以下であり、より好ましくは１ｎｍから２ｎｍの間である。これは、ＣｏＦｅＢの膜厚が薄過ぎると強磁性体として機能せず、一方で厚過ぎると、垂直磁気異方性の強さが低下し面内磁気異方性が支配的になるためである。また、本実施例では、自由層２１，２３、固定層２６，２４にＣｏＦｅＢを用いたが、ｂｃｃ結晶構造をもつその他の材料、例えばＣｏＦｅやＦｅを用いても同様の効果が得られるのは言うまでもない。
＜実施例３＞
　実施例３は、実施例１のようにｙ方向とｚ方向に感度を持つが、実施例１とは構成が一部異なる磁気センサを提案するものである。図１０は、実施例３の磁気センサ素子の断面模式図である。
　本実施例の磁気センサ素子は、上側のＭＴＪ構造７１は実施例１で示したのと同じ構成であり、下側のＭＴＪ構造７２には、実施例２における上側のＭＴＪ構造と同じ構成を適用する。実施例３のこれらＭＴＪ構造７１，７２の各層の材料や膜厚はそれぞれ、実施例１におけるＭＴＪ構造７１、実施例２におけるＭＴＪ構造７２と同様である。実施例３では、上側のＭＴＪ構造７１はｚ方向の磁場に対して感度を有し、下側のＭＴＪ構造７２はｙ方向の磁場に対して感度を有する。この構成によりｙ，ｚの二方向について磁場をセンシング可能となる。
　なお作製方法も実施例１と同様である。補足すると、素子加工後の１回目の熱処理では、磁場をｘ方向に印加した状態で３００℃の処理を行い、自由層２１の磁化容易軸をｘ方向にする。その後、磁場をｙ方向に印加しつつ２００℃で２回目の熱処理を行い、固定層２４，２５の磁化容易軸をｙ方向に固定する。固定層２２と自由層２３は垂直磁化容易軸を有するため、その磁化６２，６３は熱処理中の磁場印加方向に関係なく膜面垂直方向が安定である。
＜実施例４＞
　実施例４は、簡便に作製可能な高感度の垂直磁場用磁気センサを提案するものである。
　ＭＴＪを用いる磁気センサにおいては、従来は面内磁気異方性を利用するケースが多い。すなわち、固定層の磁化方向に対して自由層の磁化が膜面内で回転して得られる抵抗変化を信号とする方式である。このような面内タイプの磁気センサは、平面基板に形成される素子の形状から水平方向の磁場をセンシングするのに適する。その一方、膜面垂直方向の磁場をセンシングするためには、素子が形成された基板を立てて配置する必要性があり、実装が煩雑となり、また省スペース化には不向きである。それに対し、膜面垂直方向の磁場をセンシングするため、面内磁化容易軸を有する固定層と垂直磁化容易軸を有する自由層の組み合わせを用いる垂直タイプのセンサも提案されている。しかし、従来の垂直磁気異方性を有する強磁性材料はＣｏ50Ｐｔ50に代表されるＬ１0型規則合金や、Ｃｏ／Ｐｔに代表される人工格子の多層膜であり、それらはＭｇＯバリアとの結晶整合性の観点から１００％を越える高いＴＭＲ比を実現することが困難である。よって、従来の垂直タイプの磁気センサは面内タイプのセンサよりも感度が低い課題があった。
　ここで、ＣｏＦｅＢは、ＭｇＯなどの酸化物と接して配置すると、膜厚を制御するのみでその磁気異方性を膜面内から膜面垂直方向に変えることが可能である。これはＣｏＦｅＢと酸化物との界面に発現する垂直磁気異方性に由来する。また、高いＴＭＲ比を実現するためにＣｏＦｅＢとＭｇＯバリアは非常に優れた組み合わせである。
　この材料の組み合わせを磁気センサに適用すれば、従来よりも高感度の垂直タイプの磁気センサを簡便に実現できる。図１１は、実施例４の磁気センサ素子の断面模式図である。本センサ素子は図１１のように熱酸化膜つきのＳｉ基板５の上に積層した薄膜で構成される。下部電極３２は下からＴａ（膜厚：５ｎｍ）／Ｒｕ（膜厚：１０ｎｍ）／Ｔａ（膜厚：５ｎｍ）の順で積層した積層膜で構成される。その上に固定層２２、バリア層１１、自由層２１の順に積層する。固定層２２はＣｏ20Ｆｅ60Ｂ20（１ｎｍ）、バリア層１１はＭｇＯ（１．５ｎｍ）、自由層２１はＣｏ20Ｆｅ60Ｂ20（２．５ｎｍ）を用いた。その上に上部電極３１としてＴａ（５ｎｍ）／Ｒｕ（５ｎｍ）の積層膜を形成する。上部電極３１と下部電極３２にはそれぞれ抵抗を測定するための電極端子５１と５２が接続される。固定層２２の磁化６２は膜面垂直方向に向いている。これは、Ｃｏ20Ｆｅ60Ｂ20は膜厚を１ｎｍ程度に薄くすることでＭｇＯ界面との界面磁気異方性の影響が増大し、磁化容易軸が膜面内方向から膜面垂直方向に変わるためである。一方、自由層２１の磁化６１は膜面内ｘ方向を向く。これは、自由層２１は比較的厚い２ｎｍのＣｏ20Ｆｅ60Ｂ20であり、磁化容易軸が膜面内方向を向いているためである。固定層２２の垂直磁気異方性は一般に面内磁気異方性よりも強いので、反強磁性層がなくても磁化６２を安定に固定できる。より強く固定層２２の磁化を固定したい場合は必要に応じて下部電極３２と固定層２２の間に反強磁性層を挿入しても良い。また、固定層２２のＣｏ20Ｆｅ60Ｂ20の膜厚は１ｎｍ以外でも問題ないが、垂直磁気異方性を発現するために０．５ｎｍ以上２ｎｍ以下の範囲が望ましい。
　上記積層膜はＡｒを用いたＲＦスパッタリングで作製し、その後フォトリソグラフィとイオンビームエッチングによって上部からみて３０×３０μｍ形状のピラー形状に加工した。その後、上部電極３１と下部電極３２にそれぞれ電極端子５１と５２を接続し、最後に自由層２１の磁化容易軸をｘ方向に固定するためｘ方向に磁場をかけながら３００℃で熱処理を行った。
　作製した磁気センサに膜面垂直方向（ｚ方向）から磁場を印加すると、自由層２１の磁化６１がｚ方向に傾き、固定層２２の磁化６２と反平行配列に近付くため素子の抵抗が増大する。逆に－ｚ方向に磁場を印加すると磁化６１は磁化６２と平行配列に近付くため素子の抵抗が減少する。このような動作原理に基づき図３に示したようなヒステリシスのない優れた線形特性が得られる。本実施例では、垂直磁気異方性を有する強磁性層にＣｏＦｅＢを用いることにより抵抗変化比（ＴＭＲ比）は最大で１００％を得た。また１Ｏｅあたりの抵抗変化比は約１％であり、例えば地磁気のセンシングも可能となる感度を得た
　以上の構成により、本実施例の磁気センサは従来の垂直タイプの磁気センサよりも高感度であり、また、面内タイプの磁気センサのようにセンサ基板を立てて配置しなくても垂直磁場のセンシングが可能である。これらの効果によって、小型の磁気コンパスや、車載用の小型磁気センサ、また医療応用におけるカテーテル先端の磁気センサなどへの適用が可能である。
＜実施例５＞
　実施例５は、実施例４の構造を基本として、それに対してより固定層の磁化が安定なセンサ素子構造を提案するものである。図１２は、実施例５の磁気センサ素子の断面模式図である。
　基本構造は実施例４と同じであるが、実施例５では固定層２２の下に固定層第二の強磁性層２８を挿入する。強磁性層２８の材料はＣｏ（０．４ｎｍ）とＰｔ（０．６ｎｍ）を交互に６回積層した多層膜を用いた。強磁性層２８の磁化６７は固定層２２の磁化６２と強磁性結合するため、磁化６２は実施例１と比べて強く固定される。そのため、外部から大きな磁場が印加された場合でも固定層の磁化反転が抑制される効果が得られる。
　本実施例では固定層第二の強磁性層２８の材料としてＣｏ／Ｐｔの積層膜を用いたが、他の垂直磁気異方性を有する材料を用いてもよい。例えばＣｏ75Ｐｔ25，Ｃｏ50Ｐｔ50，Ｆｅ50Ｐｔ50，Ｆｅ50Ｐｄ50などのＬ１0型規則合金や、ｍ－Ｄ０19型のＣｏ75Ｐｔ25規則合金、あるいは、ＣｏＣｒＰｔ－ＳｉＯ2，ＦｅＰｔ－ＳｉＯ2など粒状の磁性体が非磁性体の母相中に分散したグラニュラー構造の材料、もしくは、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉのいずれかもしくは一つ以上を含む合金と、Ｒｕ，Ｐｔ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｃｒなどの非磁性金属を交互に積層した積層膜、あるいは、ＣｏとＮｉを交互に積層した積層膜、もしくは、ＴｂＦｅＣｏ，ＧｄＦｅＣｏなど、Ｇｄ，Ｄｙ，Ｔｂ等の希土類金属に遷移金属を含んだアモルファス合金を用いてもよい。
　上記実施例４，５に示した磁気センサ素子の態様について以下に示す。
（１）外部磁場によって磁化の方向が変化する強磁性体薄膜からなる自由層、磁化の方向が一方向に固定された強磁性体薄膜からなる固定層、および前記自由層と前記固定層の間に配置される酸化物のトンネルバリア層を備えたトンネル磁気抵抗効果素子構造の磁気センサ素子であり、前記磁気センサ素子の上下には上部電極層と下部電極層を備え、前記上部電極層と前記下部電極層には前記磁気センサ素子の抵抗を測定するための電極端子が接続され、前記自由層の磁化容易軸が膜面内方向であり、前記固定層の磁化容易軸が膜面垂直方向である磁気センサ素子。
（２）前記（１）の磁気センサ素子において、前記固定層は第一の強磁性層と第二の強磁性層を有し、前記第一の強磁性層と前記第二の強磁性層の磁化が強磁性結合した構造である磁気センサ素子。
（３）前記（１）の磁気センサ素子において、前記自由層と前記固定層を構成する強磁性体薄膜の少なくとも一つはＦｅ，ＣｏＦｅ又はＣｏＦｅＢである磁気センサ素子。
（４）前記（１）の磁気センサ素子において、前記自由層と前記固定層のうち垂直磁化容易軸を有する強磁性体薄膜は、膜厚の制御によって磁化方向が膜面に対して垂直方向を向いており、その膜厚は０．５ｎｍ～３ｎｍの範囲である磁気センサ素子。
（５）前記（１）～（４）の磁気センサ素子において、前記トンネルバリア層はＭｇＯであることを特徴とする磁気センサ素子。
　なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
　４，５…基板、１１，１２…バリア層、２１…自由層、２２…固定層、２３…自由層、２４…固定層第一の強磁性層、２５…固定層第二の強磁性層、２６…固定層第一の強磁性層、２７…固定層第二の強磁性層、２８…固定層第二の強磁性層、３１…上部電極、３２…下部電極、３３…上部電極、３４…下部電極、４０…スペーサ層、４１…非磁性層、４２…反強磁性層、４３…非磁性層、４４…反強磁性層、７１…上段のＭＴＪ構造、７２…下段のＭＴＪ構造、８１，８２…印加磁場、９１，９４…基板、９２，９５…コイル、９３，９６…磁場

Claims (11)

  1. 　第１のトンネル磁気抵抗効果素子と
    　前記第１のトンネル磁気抵抗効果素子に積層された第２のトンネル磁気抵抗効果素子と、
    　前記第１のトンネル磁気抵抗効果素子の上下に配置された第１の上部電極層と第１の下部電極層と、
    　前記第２のトンネル磁気抵抗効果素子の上下に配置された第２の上部電極層と第２の下部電極層と、
    　前記第１の上部電極層と前記第１の下部電極層に接続され、前記第１のトンネル磁気抵抗効果素子の抵抗を測定する電極端子と、
    　前記第２の上部電極層と前記第２の下部電極層に接続され、前記第２のトンネル磁気抵抗効果素子の抵抗を測定する電極端子とを備え、
    　前記第１のトンネル磁気抵抗効果素子及び第２のトンネル磁気抵抗効果素子はそれぞれ、外部磁場によって磁化の方向が変化する強磁性体薄膜からなる自由層と、磁化の方向が一方向に固定された強磁性体薄膜からなる固定層と、前記自由層と前記固定層の間に配置された酸化物のトンネルバリア層を有し、
    　前記第１のトンネル磁気抵抗効果素子と前記第２のトンネル磁気抵抗効果素子の少なくとも一方は、当該トンネル磁気抵抗効果素子を構成する自由層と固定層の磁化容易軸が膜面内方向と膜面垂直方向に直交していることを特徴とする磁気センサ素子。
  2. 　請求項１に記載の磁気センサ素子において、前記第１のトンネル磁気抵抗効果素子の固定層又は前記第２のトンネル磁気抵抗効果素子の固定層は、磁化容易軸が膜面垂直方向を向いていることを特徴とする磁気センサ素子。
  3. 　請求項１に記載の磁気センサ素子において、前記第１のトンネル磁気抵抗効果素子の自由層又は前記第２のトンネル磁気抵抗効果素子の自由層は、磁化容易軸が膜面垂直方向を向いていることを特徴とする磁気センサ素子。
  4. 　請求項１に記載の磁気センサ素子において、前記第１のトンネル磁気抵抗効果素子の固定層又は前記第２のトンネル磁気抵抗効果素子の固定層は、第１の強磁性層と第２の強磁性層で非磁性金属層を挟んだ構造を有し、かつ前記第１の強磁性層と前記第２の強磁性層の磁化方向が反平行結合した積層フェリ構造であることを特徴とする磁気センサ素子。
  5. 　請求項１に記載の磁気センサ素子において、前記自由層と前記固定層を構成する強磁性体薄膜の少なくとも一つはＦｅ、ＣｏＦｅ又はＣｏＦｅＢであることを特徴とする磁気センサ素子。
  6. 　請求項５に記載の磁気センサ素子において、前記自由層と前記固定層のうち磁化容易軸が膜面垂直方向を向いた強磁性体薄膜の膜厚は０．５ｎｍ～３ｎｍの範囲であることを特徴とする磁気センサ素子。
  7. 　請求項５に記載の磁気センサ素子において、前記自由層と前記固定層のうち磁化容易軸が膜面垂直方向を向いた強磁性体薄膜の材料は、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉのいずれか、もしくはその中の１つ以上を含む合金と、Ｒｕ，Ｐｔ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｃｒのいずれかを交互に積層した積層膜であることを特徴とする磁気センサ素子。
  8. 　請求項５に記載の磁気センサ素子において、前記自由層と前記固定層のうち磁化容易軸が膜面垂直方向を向いた強磁性体薄膜の材料は、粒状の磁性相の周囲を非磁性相が取り囲んだグラニュラー構造の材料であることを特徴とする磁気センサ素子。
  9. 　請求項５に記載の磁気センサ素子において、前記自由層と前記固定層のうち磁化容易軸が膜面垂直方向を向いた強磁性体薄膜の材料は、希土類金属と遷移金属を含んだアモルファス合金であることを特徴とする磁気センサ素子。
  10. 　請求項５に記載の磁気センサ素子において、前記自由層と前記固定層のうち磁化容易軸が膜面垂直方向を向いた強磁性体薄膜の材料は、ｍ－Ｄ０19型のＣｏＰｔ規則合金、もしくは、Ｌ１1型のＣｏＰｔ規則合金、もしくはＣｏ－Ｐｔ，Ｃｏ－Ｐｄ，Ｆｅ－Ｐｔ，Ｆｅ－Ｐｄを主成分とするＬ１0型の規則合金であることを特徴とする磁気センサ素子。
  11. 　請求項１に記載の磁気センサ素子において、前記トンネルバリア層はＭｇＯであることを特徴とする磁気センサ素子。
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