WO2018139252A1 - トンネル磁気抵抗素子及び磁化方向補正回路 - Google Patents

Abstract

固定磁性層の磁化方向を強制的に反転処理することで、トンネル磁気抵抗素子の出力からノイズを除去する。絶縁層２０の両側の強磁性層１０，３０のいずれもが、１μＴ以上１０ｍＴ未満の磁場強度で磁化の方向が反転する組成と体積とを備え、絶縁層及びこの両側の強磁性層は基板２に近い側から、一方側の強磁性層１０、絶縁層、他方側の強磁性層３０の順で積層され、他方側の強磁性層３０は全部又は一部が軟磁性層３３とされることで、外部磁場の影響を受けて磁化の向きが、一方側の強磁性層１０より変化しやすい自由磁性層として機能する。セット／リセット磁場を印加することで強磁性層１０，３０の磁化方向を反転させて外部磁場に応じた信号成分を反転し、セット磁場印加時出力と、リセット磁場印加時出力とを、いずれか一方を反転して加算することでノイズ成分を相殺する。

Description

トンネル磁気抵抗素子及び磁化方向補正回路

　本発明は、トンネル磁気抵抗素子及び磁化方向補正回路に関する。

　トンネル磁気抵抗素子（ＴＭＲ（Tunnel Magneto Resistive）素子）は、磁化の向きが固定された固定磁性層、外部からの磁場の影響を受けて磁化の向きが変化する自由磁性層、及び、固定磁性層と自由磁性層との間に配置された絶縁層を有し、磁気トンネル接合（ＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction））を形成する。この構成を利用したものとして、磁気メモリ・磁気ヘッド・磁気センサーなどが挙げられる（特許文献１，２）。
　また、自由磁性層に、外部からの磁場に反応しやすい軟磁性層（ＮｉＦｅやＣｏＦｅＳｉＢなど）を配置し、基板に近い側から、自由磁性層、絶縁層、固定磁性層の順に積層した構造を磁場中熱処理することで、外部からの磁場によって引き起こされる固定磁性層の磁化の向きと自由磁性層の磁化の向きとの角度差に従ってトンネル効果により絶縁層の抵抗変化を利用した、リニアリティの高い高感度な磁気センサーを作製する技術がある（特許文献３）。
　自由磁性層には、外部からの磁場に反応しやすい軟磁性層（ＮｉＦｅやＣｏＦｅＳｉＢなど）を配置し、さらに、絶縁層に接合する強磁性層と軟磁性層との間に磁気結合層（ＴａやＲｕ）を介在させることで、磁気トンネル接合と軟磁性材料との固体物性上の結合は排除しつつ、磁気的な結合のみ発生させるシンセティック結合が利用されている（特許文献１－３）。

特開平９－２５１６８号公報 特開２０１２－２２１５４９号公報 特開２０１３－１０５８２５号公報 特許５８９７７１９号公報 特許５２５９８０２号公報 特許４９７００３３号公報

「1- and 2-Axis Magnetic Sensors　HMC1001/1002/1021/1022」　www.honeywell.com/magneticsensors　Form #900248 Rev C　August 2008

　ＭＴＪを高感度な磁気センサーとして利用する場合、外部磁場に対して磁化されやすい軟磁性材料（ＮｉＦｅやＣｏＦｅＳｉＢなど）を用いて自由磁性層を形成する必要がある。
　しかし、自由磁性層によって外部磁場に対しての応答性が向上する一方で、磁性材料層の特性が不安定になることで磁性材料由来のノイズが大きくなってしまう為に、結果として良好なＳＮ比を得られなくなる可能性がある。
　一方で、主には異方性磁気抵抗素子（ＡＭＲ）を利用して、磁性材料内の磁化方向を制御するといった技術がある（特許文献４，５，６）。この技術は、コイルを利用してパルス磁場を磁気抵抗素子に印加し、磁性材料の磁化方向を強制的に一方向へ揃えて安定化させることを目的としている。
　しかしながら、コイルを利用する為に数アンペアの電流で十ｍＴ程度の磁場しか発生することができず、反強磁性材料（ＩｒＭｎなど）を用いて固定磁性層を形成している為に磁化方向の反転に大きな磁場（一般的に数百ｍＴ）が必要なＭＴＪへの適用は困難である。

　本発明は以上の従来技術における問題に鑑みてなされたものであって、固定磁性層の磁化方向を強制的に反転処理することで、トンネル磁気抵抗素子の出力からノイズを除去することを課題とする。

　以上の課題を解決するための請求項１記載の発明は、外部磁場の影響を受けて磁化の向きが変化する少なくとも２つ以上の特定の方向に磁化された強磁性層の間に、絶縁層が配置されて磁気トンネル接合を形成し、前記絶縁層の両側の前記強磁性層の磁化方向の相対角度に従ってトンネル効果により前記絶縁層の抵抗を変化させるトンネル磁気抵抗素子であって、
前記絶縁層の両側の前記強磁性層のいずれもが、１μＴ以上１０ｍＴ未満の磁場強度で磁化の方向が反転する組成と体積とを備え、
前記絶縁層及びこの両側の前記強磁性層は基板に近い側から、一方側の強磁性層、前記絶縁層、他方側の強磁性層の順で積層され、
前記他方側の強磁性層は全部又は一部が軟磁性層とされることで、外部磁場の影響を受けて磁化の向きが、前記一方側の強磁性層より変化しやすい自由磁性層として機能するトンネル磁気抵抗素子である。

　請求項２記載の発明は、前記一方側の強磁性層は全部又は一部が軟磁性層とされることで、外部磁場の影響を受けて磁化の向きが変化しやすくされた請求項１に記載のトンネル磁気抵抗素子である。

　請求項３記載の発明は、前記一方側の強磁性層の磁化方向と、前記自由磁性層の磁化方向とがねじれの位置にある請求項１又は請求項２に記載のトンネル磁気抵抗素子である。

　請求項４記載の発明は、請求項１から請求項３のうちいずれか一に記載のトンネル磁気抵抗素子が少なくとも１つ以上実装されたブリッジ回路と、
前記ブリッジ回路のトンネル磁気抵抗素子に前記強磁性層の磁化方向を互いに反転させるセットパルス磁場及びリセットパルス磁場を交互に印加するセット/リセット回路と、
セットパルス磁場及びリセットパルス磁場の交互の印加に同期して前記トンネル磁気抵抗素子からの信号出力を検出する検波回路とを備えた磁化方向補正回路である。

　請求項５記載の発明は、セットパルス磁場及びリセットパルス磁場の交互の印加により、前記一方側の強磁性層の磁化方向を反転させるとともに、前記自由磁性層の磁化方向を反転させる請求項４に記載の磁化方向補正回路である。

　本発明によれば、固定磁性層の磁化方向及び自由磁性層の磁化方向を強制的に反転処理することで、トンネル磁気抵抗素子の出力のうち外部磁場に応答する信号成分をノイズ成分から独立して反転し、分離することでノイズを除去することができる。

本発明が実現しようとする理想的な磁気抵抗特性を示すグラフ(欄d)と、グラフ上の各状態におけるトンネル磁気抵抗素子の磁化の向きを示す模式図(欄a)(欄b)(欄c)である。 従来の一例のトンネル磁気抵抗素子の積層構造を示す断面図である。 図２の従来例で発現する磁気抵抗特性を示すグラフである。横軸は外部磁界（Ｈ（Ｏｅ））、縦軸はトンネル磁気抵抗素子の抵抗の変化率（ＴＭＲ比（％））である。 従来の他の一例のトンネル磁気抵抗素子の積層構造を示す断面図である。 本発明の一比較例に係るトンネル磁気抵抗素子の積層構造を示す断面図である。 図５のトンネル磁気抵抗素子の製造プロセスを示す積層構造の断面図である。 図６Ａに続く、図５のトンネル磁気抵抗素子の製造プロセスを示す積層構造の断面図である。 図６Ｂに続く、図５のトンネル磁気抵抗素子の製造プロセスを示す積層構造の断面図である。 図５のトンネル磁気抵抗素子の磁気抵抗特性を示すグラフである。横軸は外部磁界（Ｈ（Ｏｅ））、縦軸はトンネル磁気抵抗素子の抵抗の変化率（ＴＭＲ比（％））である。 図５のトンネル磁気抵抗素子の磁気抵抗特性を示すグラフであり、第２、第３の磁場中熱処理工程を実施後のものを示す。第２の磁場中熱処理工程の熱処理温度を２００℃、第３の磁場中熱処理工程の熱処理温度を１８０℃とした場合を示す。横軸は外部磁界（Ｈ（Ｏｅ））、縦軸はトンネル磁気抵抗素子の抵抗の変化率（ＴＭＲ比（％））である。 図５のトンネル磁気抵抗素子の磁気抵抗特性を示すグラフであり、第２、第３の磁場中熱処理工程を実施後のものを示す。第２の磁場中熱処理工程の熱処理温度を２００℃、第３の磁場中熱処理工程の熱処理温度を２００℃とした場合を示す。横軸は外部磁界（Ｈ（Ｏｅ））、縦軸はトンネル磁気抵抗素子の抵抗の変化率（ＴＭＲ比（％））である。 ＡＭＲ素子にセット磁場を印加した時の磁化方向状態図である。 ＡＭＲ素子にリセット磁場を印加した時の磁化方向状態図である。 図４や図５のトンネル磁気抵抗素子にセット磁場を印加した時の磁化方向状態図である。 図４や図５のトンネル磁気抵抗素子にリセット磁場を印加した時の磁化方向状態図である。 本発明の一実施形態に係るトンネル磁気抵抗素子の積層構造を示す断面図である。 図１１のトンネル磁気抵抗素子にセット磁場を印加した時の磁化方向状態図である。 図１１のトンネル磁気抵抗素子にリセット磁場を印加した時の磁化方向状態図である。 本発明の一実施形態に係る検波回路による信号処理の概要を示す。 本発明の一実施形態に係る磁化方向補正回路の概要を示すブロック図である。 本発明の一実施例に係るトンネル磁気抵抗素子の有する自由磁性層における磁化特性グラフである。 本発明の一実施例に係るトンネル磁気抵抗素子の有する固定磁性層における磁化特性グラフである。

　以下に本発明の一実施形態につき図面を参照して説明する。以下は本発明の一実施形態であって本発明を限定するものではない。

　まず、図１を参照してトンネル磁気抵抗素子の基本構造及び本発明が実現しようとする理想的な磁気抵抗特性につき説明する。
　図１に示すようにトンネル磁気抵抗素子１は、磁化の向きが固定された固定磁性層１０、外部からの磁場の影響を受けて磁化の向きが変化する自由磁性層３０、及び、固定磁性層１０と自由磁性層３０との間に配置された絶縁層２０により、磁気トンネル接合を形成し、固定磁性層１０の磁化の向きと自由磁性層３０の磁化の向きとの角度差に従ってトンネル効果により絶縁層２０の抵抗を変化させるものである。
　図１(欄a)(欄b)(欄c)は、図１(欄d)に示す各磁場状態における固定磁性層１０の磁化の向き１０Ａと自由磁性層３０の磁化の向き３０Ａを示す。
　図１(欄a)は検出磁場ゼロの状態（中立位置、図１(欄d)のグラフ上の位置Ｐ０）におけるものを、図１(欄b)は所定のプラス磁場が負荷された状態（図１(欄d)のグラフ上の位置Ｐ１）におけるものを、図１(欄c)は所定のマイナス磁場が負荷された状態（図１(欄d)のグラフ上の位置Ｐ２）におけるものを示す。
　図１(欄a)は検出磁場ゼロの状態（中立位置Ｐ０）においては、固定磁性層１０の磁化の向き１０Ａと自由磁性層３０の磁化の向き３０Ａとが略９０度のねじれの位置で安定している。これは、それぞれ磁化容易軸の方向に磁化しているからである。すなわち、図１に示すトンネル磁気抵抗素子１は、自由磁性層３０の磁化容易軸が固定磁性層１０の磁化容易軸に対して略９０度ねじれた位置に形成されたものであり、図１(欄a)に示す矢印１０Ａが固定磁性層１０の磁化容易軸の方向を、矢印３０Ａが自由磁性層３０磁化容易軸の方向を示している。
　図１(欄a)(欄b)(欄c)に示すように固定磁性層１０の磁化の向き１０Ａは、外部磁場の影響を比較的受けにくく安定しており、自由磁性層３０の磁化の向き３０Ａは、外部磁場（Ｈ１，Ｈ２）の影響を受けて変化する。
　図１(欄b)に示すように、固定磁性層１０の磁化の向き１０Ａに対して反対方向の外部磁場Ｈ１がトンネル磁気抵抗素子１に印加されると、自由磁性層３０の磁化の向き３０Ａが固定磁性層１０の磁化の向き１０Ａの逆方向側へスピンし、トンネル効果により絶縁層２０の抵抗が増大する（図１(欄d)で抵抗がＲ０からＲ１に増加）。抵抗の変化を図１(欄a)(欄b)(欄c)において電流Ｉ０、Ｉ１，Ｉ２の矢印の太さで模式的に示す。
　図１(欄c)に示すように、固定磁性層１０の磁化の向き１０Ａに対して同方向の外部磁場Ｈ２がトンネル磁気抵抗素子１に印加されると、自由磁性層３０の磁化の向き３０Ａが固定磁性層１０の磁化の向き１０Ａと同方向側へスピンし、トンネル効果により絶縁層２０の抵抗が減少する（図１(欄d)で抵抗がＲ０からＲ２に減少）。
　図１(欄d)に示すように抵抗（縦軸）を増大させる方向にも、減少させる方向にも、外部磁場の強さに対して比例的に（グラフが直線的に）抵抗変化を起こす性質（リニアリティ）を有するトンネル磁気抵抗素子１が理想的である。

　図２に示す従来例のトンネル磁気抵抗素子１０１は、特許文献１－３に記載の類のもので、絶縁層２０の下部に固定磁性層１０、上部に自由磁性層３０が形成され、自由磁性層３０は、強磁性層（ＣｏＦｅＢ）３１と軟磁性層（ＮｉＦｅ又はＣｏＦｅＳｉ）３３との間に磁気結合層（Ｒｕ）３２が介在する積層構造である。
　詳しくは、従来例のトンネル磁気抵抗素子１０１は、基板（Ｓｉ，ＳｉＯ₂）２上に、下地層（Ｔａ）３が形成され、その上に固定磁性層１０として、下から反強磁性層（ＩｒＭｎ）１１、強磁性層（ＣｏＦｅ）１２、磁気結合層（Ｒｕ）１３、強磁性層（ＣｏＦｅＢ）１４が積層され、絶縁層（ＭｇＯ）２０を介して、その上に、自由磁性層３０として、下から強磁性層（ＣｏＦｅＢ）３１、磁気結合層（Ｒｕ）３２、軟磁性層（ＮｉＦｅ又はＣｏＦｅＳｉ）３３が積層された積層構造を有する。
　このような従来例のトンネル磁気抵抗素子１０１にあっては、都度向きを異ならせて外部磁場を印加しながら熱処理する磁場中熱処理を複数回行っても、すべての磁性層の磁化容易軸の方向が揃って磁気抵抗特性が図３に示すようなヒステリシスの高い形態となってしまい、上述したリニアリティを実現できない。図２に示す矢印Ａ１が磁性層の磁化容易軸の方向である。

　一方、図４に示す従来例のトンネル磁気抵抗素子１０２は、特許文献３に記載の類のもので、図２に対し固定磁性層１０と自由磁性層３０とを上下逆にした積層構造を有する。
　このような従来例のトンネル磁気抵抗素子１０２にあっては、自由磁性層３０の磁化容易軸の方向（矢印Ａ１）を固定磁性層１０の容易磁化軸の方向（矢印Ａ２）と異なる方向に形成できるとともに、自由磁性層３０の形状を大きく（Ｈｋが改善、ノイズが低減すると期待）することができるが、上層の絶縁層２０や固定磁性層１０に悪影響（均一性や結晶性の悪化が原因と予想される）が生じ、磁気センサーとしての性能を高めることが困難になった。

　そこで、図５に示すように比較例のトンネル磁気抵抗素子１Ａは、従来例のトンネル磁気抵抗素子１０１と同様に、磁性層１０，３０及び絶縁層２０を支持する基板２に近い側から、固定磁性層１０、絶縁層２０、自由磁性層３０の順で積層され、従来例のトンネル磁気抵抗素子１０１の積層構造に対し磁気結合層（Ｒｕ）３２を排し、自由磁性層３０は、下面を絶縁層２０に接合する強磁性層３１、及び当該強磁性層３１の上面に接触して積層された軟磁性層３３を有する積層構造とする。
　かかる積層構造によれば、自由磁性層３０を構成する強磁性層３１及び軟磁性層３３の磁化容易軸は互いに同方向にあり、かつ、固定磁性層１０の磁化容易軸に対して異なる方向（ねじれの位置、例えば略９０度ねじれた方向）にある磁化特性に形成することができ、上述したリニアリティを実現できる。

（製造方法）
　比較例のトンネル磁気抵抗素子１Ａの製造のための、製造方法を説明する。
　まず、図６Ａに示すように、基板２から少なくとも強磁性層３１までの層を積層した後、この積層体に対し、所定方向（矢印Ａ１）の外部磁場を印加しながら熱処理を行い、自由磁性層３０を構成する強磁性層３１の磁化容易軸と固定磁性層１０の磁化容易軸とを同方向に形成する第１の磁場中熱処理工程を実施する。
　かかる第１の磁場中熱処理工程の後、図６Ｂに示すように第１の磁場中熱処理工程のときとは向きをねじるように異ならせて（矢印Ａ２方向にした）外部磁場を印加しながら自由磁性層３０を構成する軟磁性層３３を成膜することで、自由磁性層３０の磁化容易軸を、固定磁性層１０の磁化容易軸に対して異なる方向（例えば略９０度ねじれた方向）に形成する磁場中成膜工程を実施し、図６Ｃに示す積層構造を得る。
　図６Ｃに示すように、以上の第１の磁場中熱処理工程、磁場中成膜工程を経ることで、自由磁性層３０を構成する強磁性層３１及び軟磁性層３３の磁化容易軸は互いに同方向にあり、かつ、固定磁性層１０の磁化容易軸に対して異なる方向（好ましくは略９０度ねじれた方向）にある磁化特性に形成することができる。すなわち、固定磁性層１０の磁化容易軸は、第１の磁場中熱処理工程のときに印加された磁場方向（矢印Ａ１）に形成され、自由磁性層３０の磁化容易軸は、磁場中成膜工程のときに印加された磁場方向（矢印Ａ２）に形成される。
　この時点で、図７に示すようなリニアリティのある磁気抵抗特性が得られる。

　さらに上記磁場中成膜工程の後、次の工程を実施することが好ましい。すなわち、磁場中成膜工程のときと同じ方向（矢印Ａ２）に外部磁場を印加しながら熱処理を行う第２の磁場中熱処理工程を実施する。さらに、第２の磁場中熱処理工程の後、第１の磁場中熱処理工程のときと同じ方向（矢印Ａ１）に外部磁場を印加しながら熱処理を行う第３の磁場中熱処理工程を実施する。これにより、図８Ａ，図８Ｂに示すようにＨｋ，Ｈｃを小さくして高感度化を図ることができる。

（セット／リセット磁場が各種磁気抵抗センサーに与える影響）
（ＡＭＲの場合）
　図９Ａ，図９Ｂに示すように２つのＡＭＲ素子５１，５２を一定ギャップ間に繋いだブリッジ回路にセット磁場５３及びリセット磁場５４を印加しつつ所定方向の外部磁場５５に応答する信号をＡＭＲ素子５１，５２の接続点５６の電位により出力させる。
　図９Ａに示すようにＡＭＲ素子５１の有する軟磁性層の磁化方向５７と、ＡＭＲ素子５２の有する軟磁性層の磁化方向５８とが、電流５９が流れる方向に対して互いに逆側に変位したものを組み合わせる。磁化方向５７，５８の存在面で電流５９が流れる方向に垂直な方向の外部磁場５５の影響により、磁化方向５７，５８がそれぞれ破線で示すようにスピンする。ＡＭＲ素子では、電流５９が流れる方向と軟磁性層の磁化方向５７，５８との相対角度θで抵抗値Ｒが次式（１）により決まる。すなわち、Ｒ＝Ｒ０＋ΔＲ・ｓｉｎ²θ・・・式（１）　である。ここで、Ｒ０は、無磁界中の強磁性薄膜金属の抵抗値、ΔＲは抵抗値変化量である。
　したがって、図９ＡにおいてはＡＭＲ素子５１の抵抗値は下がり、ＡＭＲ素子５２の抵抗値は上がるので、接続点５６の電位がプラスに変位する（＋ΔＶ）。
　図９Ａのセット磁場５３の印加時と、図９Ｂのリセット磁場５４の印加時とでは、互いに軟磁性層の磁化方向５７、５８が反転する。
　そのため図９ＢにおいてはＡＭＲ素子５１の抵抗値は上がり、ＡＭＲ素子５２の抵抗値は下がるので、接続点５６の電位がマイナスに変位する（－ΔＶ）。
　以上により、セット磁場５３の印加時と、リセット磁場５４の印加時とで、同じ方向の外部磁場５５に対して、外部磁場５５に応答する信号成分の極性が反転する。接続点５６からの出力にノイズ成分が載るが、ノイズ成分は反転しない。

　以上のブリッジ回路のＡＭＲ素子に軟磁性層の磁化方向を互いに反転させるセットパルス磁場及びリセットパルス磁場を交互に印加するセット/リセット回路として、非特許文献１に記載の技術で実施する。
　接続点５６からの出力を検波回路に与え、セット磁場５３の印加時の出力と、リセット磁場５４の印加時の出力とを、いずれか一方を反転して加算することで、ノイズ成分が相殺されるので、ノイズが除去される。

（従来のＴＭＲの場合）
　従来例のトンネル磁気抵抗素子１０２や比較例のトンネル磁気抵抗素子１Ａにあっては、共通して固定磁性層１０に反強磁性層（ＩｒＭｎ）１１が存在して磁化方向が強力に固定されているために、図１０Ａ，図１０Ｂに示すように、セット磁場５３、リセット磁場５４の切り替わりによっては固定磁性層の磁化の向き６３，６４は変わらない。
　すなわち、図１０Ａ，図１０Ｂに示すように、図９Ａ，図９ＢのＡＭＲ素子５１，５２に代えてＴＭＲ素子６１，６２によりブリッジ回路を構成し、セット磁場５３、リセット磁場５４を印加した場合、自由磁性層の磁化の向き６７，６８は反転するものの、固定磁性層の磁化の向き６３，６４は変わらない。
　ＴＭＲ素子では、抵抗値の変化は電流が流れる方向とは無関係であり、自由磁性層の磁化の向きと固定磁性層の磁化の向きの相対角度θで抵抗値Ｒが次式（２）により決まる。すなわち、Ｒ＝Ｒ０＋ΔＲ・ｓｉｎθ・・・式（２）である。ここで、Ｒ０は、無磁界中のＭＴＪの抵抗値、ΔＲは抵抗値変化量である。
　したがって、図１０ＡにおいてはＴＭＲ素子６１の抵抗値は上がり、ＴＭＲ素子６２の抵抗値は下がるので、接続点５６の電位がマイナスに変位する（－ΔＶ）。
　図１０ＢにおいてはＴＭＲ素子６１の抵抗値は上がり、ＴＭＲ素子６２の抵抗値は下がるので、接続点５６の電位が同じくマイナスに変位する（－ΔＶ）。
　以上のとおり、セット磁場５３の印加時と、リセット磁場５４の印加時とで、同じ方向の外部磁場５５に対して、外部磁場５５に応答する信号成分の極性が反転しないので、上記のＡＭＲの場合のようにしてノイズを除去することができない。

（本発明のＴＭＲの場合）
　そこで、本発明の一実施形態のトンネル磁気抵抗素子１Ｂは、図１１に示すように、上述したトンネル磁気抵抗素子１Ａに対して、反強磁性層（ＩｒＭｎ）１１、強磁性層（ＣｏＦｅ）１２、磁気結合層（Ｒｕ）１３を排除し、固定磁性層１０を強磁性層（ＣｏＦｅＢ）１４のみとした。本発明のトンネル磁気抵抗素子１Ｂの製造方法は、固定磁性層１０を強磁性層（ＣｏＦｅＢ）１４のみとする点のみ異なり、その他は比較例のトンネル磁気抵抗素子１Ａと同様である。
　反強磁性層（ＩｒＭｎ）１１を排したことで、図１２Ａ，図１２Ｂに示すようにセット磁場５３、リセット磁場５４の切り替わりによっては固定磁性層の磁化の向き７３，７４が反転する。コイルによる十ｍＴ程度のセット磁場５３、リセット磁場５４の印加により反転するように、自由磁性層３０のみならず、固定磁性層１０も１μＴ以上１０ｍＴ未満の磁場強度で磁化の方向が反転するように、その組成と体積（層厚と面積）とを設定する。固定磁性層１０の組成としては、反強磁性層を除く強磁性層（ＣｏＦｅＢ）とし、さらに全部又は一部が軟磁性層とされることで、外部磁場の影響を受けて磁化の向きが変化（反転）しやすくされていてもよい。
　図１２Ａ，図１２Ｂに示すように、図９Ａ，図９ＢのＡＭＲ素子５１，５２に代えてＴＭＲ素子７１，７２（ともに図１１のＴＭＲ素子１Ｂ）によりブリッジ回路を構成し、セット磁場５３、リセット磁場５４を印加した場合、自由磁性層の磁化の向き７７，７８及び固定磁性層の磁化の向き７３，７４が反転する。
　抵抗値Ｒが上記式（２）により決まる。
　したがって、図１２ＡにおいてはＴＭＲ素子７１の抵抗値は上がり、ＴＭＲ素子７２の抵抗値は下がるので、接続点５６の電位がマイナスに変位する（－ΔＶ）。
　図１２ＢにおいてはＴＭＲ素子７１の抵抗値は下がり、ＴＭＲ素子７２の抵抗値は上がるので、接続点５６の電位がプラスに変位する（＋ΔＶ）。
　以上により、ＡＭＲと同様にセット磁場５３の印加時と、リセット磁場５４の印加時とで、同じ方向の外部磁場５５に対して、外部磁場５５に応答する信号成分の極性が反転する。接続点５６からの出力にノイズ成分が載るが、ノイズ成分は反転しない。

　ＡＭＲ素子の場合と同様にセット/リセット回路を適用するとともに、接続点５６からの出力を検波回路に与える。本実施形態の磁化方向補正回路は、以上のようなＴＭＲ素子７１，７２を含むブリッジ回路と、セット/リセット回路と、検波回路とを備えて構成される。
　セット磁場５３の印加時の出力と、リセット磁場５４の印加時の出力とを、いずれか一方を反転して加算することで、ノイズ成分が相殺されるので、ノイズが除去される。
　図１３は、検波回路による信号処理の概要を示す。
　図１３(欄a)に、セット磁場５３の印加時の信号成分ＳＳ１と、リセット磁場５４の印加時の信号成分ＳＲ１とが示される。信号成分ＳＳ１と信号成分ＳＲ１とは互いに反転している。さらに図１３(欄a)に、セット磁場５３の印加時のノイズ成分ＮＳ１と、リセット磁場５４の印加時のノイズ成分ＮＲ１とが示されている。ノイズ成分ＮＳ１とノイズ成分ＮＲ１とは互いの反転は無く同じ波形である。
　ノイズ成分ＮＳ１が載った信号成分ＳＳ１と、ノイズ成分ＮＲ１が載った信号成分ＳＲ１とが検波回路に交互に入力される。
　セットパルス磁場及びリセットパルス磁場の交互の印加に同期して、図１３(欄b)に示すように検波回路が入力信号を、セットパルス磁場印加時は増幅し（反転なし）、リセットパルス磁場印加時は反転増幅して、互いに反転していない信号成分ＳＳ２，ＳＲ２を得るとともに、互いに反転しているノイズ成分ＮＳ２，ＮＲ２を得て、両者を加算することで、ノイズ成分を相殺しノイズを除去する。

　図１４を参照して磁化方向補正回路について説明する。
　図１４は、磁化方向補正回路の概要を説明するブロック図である。
　標準信号発生器（ＳＳＧ）８１からトリガー信号（ＴＧ）８２を形成し、Ｐｏｗｅｒ ＡＭＰ８３並びにＭｕｌｔｉｐｌｉｅｒ８４にトリガー信号を送る。
　Ｐｏｗｅｒ ＡＭＰ８３からの出力によりセット/リセット磁場発生用のコイル８５に電流が流れ、ＴＭＲ素子７１ａ，７２ａ，７１ｂ，７２ｂにパルス磁場が印可される。
　上記のパルス磁場発生を高速に繰り返す(数百Ｈｚ以上)ことで、ブリッジ回路からは信号極性が反転の関係にある信号成分ＳＳ１と信号成分ＳＲ１とが、Ｐｒｅ ＡＭＰ８６に高速で出力される。
　Ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ８４では、トリガー信号（ＴＧ）８２を基に、Ｐｒｅ ＡＭＰ８６からの信号出力を、ＩＮＶ ＡＭＰ(反転回路)８７を介して読み込むか否かの切り替えを行ない、互い反転した信号極性を同一方向に揃える。この時、ノイズ成分ＮＳ１とノイズ成分ＮＲ１とが反転した関係となる。
　サンプルホールド回路（Ｓ/Ｈ）８８では、Ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ８４からの信号出力の必要な成分のみを抜き出して、ローパスフィルタ回路（ＬＰＦ）８９に送る。この時、ＬＰＦ８９の働きによってサンプリング数の小さい帯域では、高速で繰り返し出力されるノイズ成分ＮＳ１とノイズ成分ＮＲ１とが相殺されるため、低周波の領域におけるノイズ（1/fノイズ）が相殺された状態で信号がＭａｉｎ ＡＭＰ９０に出力される。

　なお、図１１のＴＭＲ素子１Ｂによれば、強磁性層（ＣｏＦｅ）１２、磁気結合層（Ｒｕ）１３を排除したので、次のような効果もある。
　磁気トンネル接合（ＭＴＪ）は磁場中でのアニール処理によって高いＴＭＲ比を発現させる。高性能なＭＴＪを製作するためには、より高温下でのアニール処理が必要になるが、磁気メモリや磁気センサーなどの用途で必要なＭＴＪ以外の機能材料、例えば磁気結合層や反強磁性材料層などは、高温下（一般的には400℃位上）ではその特性を失うことが分かっており、温度条件に制約があることから、高いＴＭＲ比を発現させることができない。
　したがって、図１１のＴＭＲ素子１Ｂによれば、強磁性層（ＣｏＦｅ）１２、磁気結合層（Ｒｕ）１３を排除したので、上記アニール処理の高温化に制約が少なくなり、高いＴＭＲ比を発現させることが容易となる。

（実施例）
　図１５Ａ，図１５Ｂは、以上のセットパルス磁場及びリセットパルス磁場により反転し、外部磁場に対して磁化方向の相対角度をリニアに変化させる自由磁性層と固定磁性層との組合せ例を示す。
　図１５Ａは、図１１に示したＴＭＲ素子１Ｂにおいて、強磁性層３１としてＣｏＦｅＢを選択し３ｎｍ未満の所定厚とし、軟磁性層３３としてＣｏＦｅＳｉＢを選択し１００ｎｍの厚みとした自由磁性層における磁化特性を示す。
　図１５Ｂは、図１１に示したＴＭＲ素子１Ｂにおいて、強磁性層１４としてＣｏＦｅＢを選択し３ｎｍの厚みとした固定磁性層における磁化特性を示す。
　図１５Ｂに示すように固定磁性層にあっては、±５〔Ｏｅ〕程度の振り幅でセット磁場及びリセット磁場を印加することで磁化の方向が反転する。そのとき、図１５Ａに示すように自由磁性層でも磁化の方向が反転するが、±５〔Ｏｅ〕程度の振り幅で反転転位した位置から外部磁場の影響により磁化の方向がリニアに変化する。したがって、このような特性の自由磁性層と固定磁性層とを組合せたＴＭＲ素子（１Ｂ）は、固定磁性層の磁化の向きとの相対角度をリニアに変化させることで、図１に示したような磁気抵抗特性を持つ。さらに上記磁化方向補正回路に組み込むことで、ノイズレスで高精度、高感度の磁気センサーとして機能し得る。

　本発明は、磁気の測定等に利用することができる。

１ トンネル磁気抵抗素子
１Ａ，１Ｂ トンネル磁気抵抗素子
２ 基板
３ 下地層
１０ 固定磁性層
２０ 絶縁層
３０ 自由磁性層
１４，３１ 強磁性層
３３ 軟磁性層

Claims (5)

1. 外部磁場の影響を受けて磁化の向きが変化する少なくとも２つ以上の特定の方向に磁化された強磁性層の間に、絶縁層が配置されて磁気トンネル接合を形成し、前記絶縁層の両側の前記強磁性層の磁化方向の相対角度に従ってトンネル効果により前記絶縁層の抵抗を変化させるトンネル磁気抵抗素子であって、
   前記絶縁層の両側の前記強磁性層のいずれもが、１μＴ以上１０ｍＴ未満の磁場強度で磁化の方向が反転する組成と体積とを備え、
   前記絶縁層及びこの両側の前記強磁性層は基板に近い側から、一方側の強磁性層、前記絶縁層、他方側の強磁性層の順で積層され
   前記他方側の強磁性層は全部又は一部が軟磁性層とされることで、外部磁場の影響を受けて磁化の向きが、前記一方側の強磁性層より変化しやすい自由磁性層として機能するトンネル磁気抵抗素子。
2. 前記一方側の強磁性層は全部又は一部が軟磁性層とされることで、外部磁場の影響を受けて磁化の向きが変化しやすくされた請求項１に記載のトンネル磁気抵抗素子。
3. 前記一方側の強磁性層の磁化方向と、前記自由磁性層の磁化方向とがねじれの位置にある請求項１又は請求項２に記載のトンネル磁気抵抗素子。
4. 請求項１から請求項３のうちいずれか一に記載のトンネル磁気抵抗素子が少なくとも１つ以上実装されたブリッジ回路と、
   前記ブリッジ回路のトンネル磁気抵抗素子に前記強磁性層の磁化方向を互いに反転させるセットパルス磁場及びリセットパルス磁場を交互に印加するセット/リセット回路と、
   セットパルス磁場及びリセットパルス磁場の交互の印加に同期して前記トンネル磁気抵抗素子からの信号出力を検出する検波回路とを備えた磁化方向補正回路。
5. セットパルス磁場及びリセットパルス磁場の交互の印加により、前記一方側の強磁性層の磁化方向を反転させるとともに、前記自由磁性層の磁化方向を反転させる請求項４に記載の磁化方向補正回路。

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