WO2019131391A1 - 磁界印加バイアス膜ならびにこれを用いた磁気検出素子および磁気検出装置 - Google Patents

磁界印加バイアス膜ならびにこれを用いた磁気検出素子および磁気検出装置 Download PDF

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正路 齋藤
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アルプスアルパイン株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a magnetic field application bias film, and a magnetic detection element and a magnetic detection device using the same.
  • a magnetic detection device using a magnetic detection element provided with a magnetic detection unit including a magnetic detection unit having a magnetoresistive effect film including a fixed magnetic layer and a free magnetic layer detects magnetization of the free magnetic layer in a state where an external magnetic field is not applied. It is preferable from the viewpoint of enhancing the measurement accuracy that the directions are aligned. For this reason, the magnetic detection element is formed of an antiferromagnetic material such as IrMn or PtMn for the purpose of applying a bias magnetic field for aligning the direction of magnetization of the free magnetic layer in a state where no external magnetic field is applied.
  • a magnetic field application bias film provided with an exchange coupling film in which an antiferromagnetic layer and a ferromagnetic layer are stacked may be disposed around the magnetic detection unit (see Patent Document 1).
  • the magnetic effect element when mounting the magnetic effect element on the substrate, it is necessary to reflow (melt) the solder, and at this time, the magnetic effect element is also heated to about 300.degree. It may also be used in high temperature environments, such as in the vicinity of an engine. For this reason, it is preferable that a bias magnetic field can be stably applied to the free magnetic layer even if the magnetic field application bias film used in the magnetic detection device is placed in a high temperature environment. Also, recently, even in an environment where a strong magnetic field is applied in the vicinity of a strong magnetic field generation source such as a high output motor, the direction (bias application direction) to which a bias magnetic field is applied is less affected. , High magnetic field resistance is required.
  • the present invention is a magnetic field application bias film comprising an exchange coupling film in which an antiferromagnetic layer and a ferromagnetic layer are stacked, which has high stability under high temperature conditions and excellent resistance to a strong magnetic field. And it aims at providing a magnetic sensing element and a magnetic sensing device using the same.
  • a magnetic field application bias film comprising an exchange coupling film having a ferromagnetic layer and an antiferromagnetic layer stacked on the ferromagnetic layer
  • the antiferromagnetic layer includes an X (Cr—Mn) layer containing one or more elements X selected from the group consisting of platinum group elements and Ni and Mn and Cr, and the X (Cr—Mn) layer
  • the layer has a first region relatively proximal to the ferromagnetic layer and a second region relatively distal to the ferromagnetic layer, and the content of Mn in the first region is
  • the magnetic field application bias film is characterized in that the content of Mn is higher than that of the second region.
  • FIG. 1 is a diagram for explaining the hysteresis loop of the magnetization curve of the exchange coupling film according to the present invention.
  • the hysteresis loop of the exchange coupling film according to the present invention is such that the exchange coupling magnetic field Hex acts on the ferromagnetic layer exchange coupling with the antiferromagnetic layer. The shape is shifted along the H axis according to the size of.
  • the magnetic field application bias film including the exchange coupling film has a good bias function (magnetic detection It is possible to have a function capable of appropriately applying a bias magnetic field to the free magnetic layer of the element.
  • the coercive force Hc defined by the difference between the center of the hysteresis loop shifted along the H axis (the magnetic field strength of the center corresponds to the exchange coupling magnetic field Hex) and the H axis intercept of the hysteresis loop is the exchange coupling magnetic field Hex
  • the exchange coupling magnetic field Hex If smaller than the above, even if the external magnetic field is applied and the pinned magnetic layer of the exchange coupling film is magnetized in the direction along the external magnetic field, if the application of the external magnetic field is finished, the relative magnetic field is relatively higher than the coercive force Hc.
  • the extremely strong exchange coupling magnetic field Hex it is possible to align the direction of the magnetization of the free magnetic layer and to exert a bias function. That is, when the relation between the exchange coupling magnetic field Hex and the coercivity Hc is Hex> Hc, the magnetic field application bias film provided with the exchange coupling film has good resistance to a strong magnetic field.
  • the antiferromagnetic layer included in the above exchange coupling film has a blocking temperature Tb higher than that of an antiferromagnetic layer formed of a conventional antiferromagnetic material such as IrMn or PtMn described in Patent Document 1, for example, Even when a strong magnetic field is applied under an environment of about 300 ° C., the exchange coupling magnetic field Hex can be maintained. Therefore, the magnetic field application bias film provided with the above-mentioned exchange coupling film is excellent in stability under high temperature environment and has high magnetic field resistance.
  • the first region may be in contact with the ferromagnetic layer.
  • the first region may have a portion in which an Mn / Cr ratio, which is a ratio of the content of Mn to the content of Cr, is 0.3 or more. In this case, it is preferable that the first region have a portion in which the Mn / Cr ratio is 1 or more.
  • the antiferromagnetic layer is a PtCr layer, and an X 0 Mn layer closer to the ferromagnetic layer than the PtCr layer (where X 0 is a platinum group)
  • X 0 is a platinum group
  • One or two or more elements selected from the group consisting of elements and Ni may be laminated.
  • the antiferromagnetic layer is formed by laminating a PtCr layer and a PtMn layer in this order so that the PtMn layer is in proximity to the ferromagnetic layer.
  • an IrMn layer may be further stacked closer to the ferromagnetic layer than the PtMn layer.
  • the above X 0 Mn layer is composed of a PtMn layer and an IrMn layer.
  • a magnetic field application bias film comprising an exchange coupling film having a ferromagnetic layer and an antiferromagnetic layer stacked on the ferromagnetic layer, the antiferromagnetic layer comprising X 1 Cr layer (wherein X 1 is one or more elements selected from the group consisting of platinum group elements and Ni) and X 2 Mn layer (wherein X 2 is selected from the group consisting of platinum group elements and Ni)
  • X 1 Cr layer wherein X 1 is one or more elements selected from the group consisting of platinum group elements and Ni
  • X 2 Mn layer wherein X 2 is selected from the group consisting of platinum group elements and Ni
  • the X 1 may be Pt
  • the X 2 may be Pt or Ir.
  • the antiferromagnetic layer may have a unit laminate portion in which a plurality of units each including an X 1 Cr layer and an X 2 Mn layer are stacked.
  • the X 1 Cr layer and the X 2 Mn layer in the unit laminate portion have the same film thickness, and the film thickness of the X 1 Cr layer is greater than the film thickness of the X 2 Mn layer It may be large.
  • the ratio of the film thickness of the X 1 Cr layer to the film thickness of the X 2 Mn layer is 5: 1 to 100: 1.
  • a magnetic detection element comprising: a magnetic detection portion having a magnetoresistive film including a fixed magnetic layer and a free magnetic layer; and the above magnetic field application bias film, wherein the magnetic field application bias The film provides a magnetic detection element disposed around the magnetic detection unit so as to align the magnetization directions of the free magnetic layer in a state where an external magnetic field is not applied to the free magnetic layer.
  • a magnetic detection device comprising the above magnetic detection element.
  • the magnetic detection device may include a plurality of the magnetic detection elements described above on the same substrate, and the plurality of magnetic detection elements may include ones having different fixed magnetization directions of the fixed magnetic layer.
  • a magnetic field application bias film excellent in high magnetic field resistance even in a high temperature environment is provided. Therefore, by using the magnetic field application bias film of the present invention, it is possible to obtain a stable magnetic detection device even when a strong magnetic field is applied in a high temperature environment.
  • FIG. 2A is an explanatory view showing a configuration of a magnetic detection element according to a first embodiment of the present invention, and is a view as seen from a Z1-Z2 direction and a view as seen from a Y1-Y2 direction. It is an example of a depth profile. It is a profile which expanded a part of depth profile of FIG.
  • FIG. 5 is a graph showing the ratio of the Cr content to the Mn content (Mn / Cr ratio) determined based on FIG. 4 with the range of the horizontal axis being equal to FIG. 4.
  • FIG. 8A is an explanatory view showing a configuration of a magnetic detection element according to a second embodiment of the present invention, and is a view as seen from a Z1-Z2 direction and a view as seen from a Y1-Y2 direction. It is an explanatory view showing the composition of the magnetic sensing element concerning the modification of a 2nd embodiment of the present invention, and the figure seen from the direction of (a) Z1-Z2 and the view seen from (b) Y1-Y2 direction .
  • FIG. 6 is a plan view showing a magnetic detection element 11 used for the magnetic sensor 30. It is a circuit block diagram of magnetic sensor 31 concerning a 2nd embodiment of the present invention. It is a graph which shows the temperature dependence of the intensity
  • FIG. 2 is an explanatory view conceptually showing the structure of the magnetic sensing element according to the first embodiment of the present invention.
  • the magnetic detection element 11 includes a magnetic detection unit 13 including a magnetoresistive film having a sensitivity axis along the Y1-Y2 direction in FIG.
  • a magnetic field application bias film 12A located on the X1-X2 direction X2 side orthogonal to the sensitivity axis of the magnetic detection unit 13, and a magnetic field application bias film 12B located on the X1-X2 direction X1 side with respect to the magnetic detection unit 13.
  • the type of the magnetoresistive film is not limited as long as it has the pinned magnetic layer and the free magnetic layer.
  • the magnetoresistive film may be a giant magnetoresistive film (GMR film) or a tunnel magnetoresistive film (TMR film). The same applies to the other embodiments.
  • GMR film giant magnetoresistive film
  • TMR film tunnel magnetoresistive film
  • the magnetic field application bias films 12A and 12B have a structure in which an underlayer 1, a ferromagnetic layer 3, an antiferromagnetic layer 4 and a protective layer 5 are stacked from the Z1-Z2 direction Z1 side toward the Z1-Z2 direction Z2 side. Have.
  • the ferromagnetic layer 3 and the antiferromagnetic layer 4 constitute an exchange coupling film 10.
  • the ferromagnetic layer 3 is formed of a ferromagnetic material, such as a CoFe alloy (cobalt-iron alloy). In the CoFe alloy, the coercivity Hc is increased by increasing the content of Fe.
  • the thickness of the ferromagnetic layer 3 may preferably be 12 ⁇ or more and 30 ⁇ or less.
  • the antiferromagnetic layer 4 of the magnetic field application bias films 12A and 12B is formed by laminating a PtMn layer 4A and a PtCr layer 4B from the side close to the ferromagnetic layer 3. These layers are formed, for example, by a sputtering process or a CVD process.
  • a plurality of kinds of metals (Pt and Mn in the case of the PtMn layer 4A) forming the alloy may be simultaneously supplied. Alternatively, a plurality of metals forming an alloy may be alternately supplied.
  • a specific example of the former includes simultaneous sputtering of a plurality of types of metals forming an alloy, and a specific example of the latter includes alternating lamination of different types of metal films. Simultaneous delivery of multiple metals to form an alloy may be preferable to enhancing the exchange coupling magnetic field Hex over alternating delivery.
  • the antiferromagnetic layer 4 is ordered by annealing, and is exchange-coupled to the ferromagnetic layer 3 to generate an exchange coupling magnetic field Hex in the ferromagnetic layer 3. Since the blocking temperature Tb of the antiferromagnetic layer 4 is higher than the blocking temperature Tb of the antiferromagnetic layer made of IrMn and the antiferromagnetic layer made of PtMn according to the prior art, the exchange coupling film 10 is exchange coupled even in a high temperature environment The magnetic field Hex can be maintained high. The atoms of the respective layers constituting the antiferromagnetic layer 4 mutually diffuse due to the above-mentioned annealing treatment.
  • the antiferromagnetic layer 4 included in the exchange coupling film 10 according to the present embodiment is X (Cr—Mn) containing one or more elements X selected from the group consisting of platinum group elements and Ni, and Mn and Cr. With layers.
  • the antiferromagnetic layer 4 obtained from the laminated structure shown in FIG. 2 is a Pt (Cr—Mn) layer because the element X is Pt.
  • the Pt (Cr—Mn) layer has a first region relatively proximal to the ferromagnetic layer 3 and a second region relatively distal to the ferromagnetic layer 3, and Mn in the first region The content of is higher than the content of Mn in the second region.
  • the Pt (Cr—Mn) layer having such a structure is formed by subjecting the stacked PtMn layer 4A and PtCr layer 4B to annealing treatment. By performing surface analysis while sputtering, the content distribution (depth profile) in the depth direction of the constituent elements can be obtained.
  • FIG. 3 is an example of a depth profile of a film including the exchange coupling film 10 having the same configuration as the exchange coupling film 10 according to the present embodiment.
  • the exchange coupling film in this film comprises a pinned magnetic layer and an antiferromagnetic layer.
  • the depth profile shown in FIG. 3 is obtained from a film annealed at 350 ° C. for 20 hours in a magnetic field of 15 kOe for a film having the following configuration.
  • the numerical values in parentheses indicate the film thickness ( ⁇ ).
  • the depth profile of FIG. 3 is a content distribution of Pt, Ir, Cr, and Mn in the depth direction obtained by performing surface analysis with an Auger electron spectrometer while performing argon sputtering from the protective layer side. It consists of The sputtering rate by argon was determined in terms of SiO 2 and was 1.1 nm / min.
  • FIG. 4 is an enlarged view of a part of FIG.
  • the content distribution of Co (one of the constituent elements of the pinned magnetic layer) and Ru (nonmagnetic material) is also included in the depth profile.
  • the thickness of the antiferromagnetic layer is about 30 nm, and Pt and Ir with Mn and Cr as one or two or more elements X selected from the group consisting of platinum group elements and Ni.
  • an X (Cr—Mn) layer containing C. and specifically comprises a (Pt—Ir) (Cr—Mn) layer.
  • the X (Cr-Mn) layer ((Pt-Ir) (Cr-Mn) layer) is relatively distal to the first region R1 relatively proximal to the pinned magnetic layer, and relatively to the pinned magnetic layer.
  • the second region R2 is included, and the content of Mn in the first region R1 is higher than the content of Mn in the second region R2.
  • Such a structure can be obtained by appropriately laminating a layer composed of XCr, a layer composed of XMn and the like to form a multilayer laminate, and subjecting this multilayer laminate to the above-mentioned annealing treatment.
  • FIG. 5 shows the ratio of the Mn content to the Cr content (Mn / Cr ratio) calculated based on the Mn content and Cr content of each depth determined by the depth profile. And the range of the horizontal axis are shown as equal.
  • the depth at which the Mn / Cr ratio is 0.1 is defined as the boundary between the first region R1 and the second region R2. That is, in the antiferromagnetic layer, a region proximal to the pinned magnetic layer and having a Mn / Cr ratio of 0.1 or more is defined as a first region R1, and a region other than the first region in the antiferromagnetic layer is It is defined as 2 areas. Based on this definition, in the depth profile shown in FIG. 3, the boundary between the first region R1 and the second region R2 is located at a depth of about 44.5 nm.
  • the first region R1 preferably has a portion with a Mn / Cr ratio of 0.3 or more, more preferably a portion with a Mn / Cr ratio of 0.7 or more, and the Mn / Cr ratio It is particularly preferred that is have one or more moieties.
  • the magnetic field application bias films 12A and 12B according to the present embodiment can generate a high exchange coupling magnetic field Hex.
  • the antiferromagnetic layer 4 has a high blocking temperature Tb. Therefore, even if the magnetic field application bias films 12A and 12B according to the present embodiment are placed in a high temperature environment, the bias function is unlikely to be lost.
  • the underlayer 1 and the protective layer 5 are made of, for example, tantalum (Ta).
  • a laminated body of a ferromagnetic layer and a nonmagnetic layer (such as Ru or Cu) may be provided between the underlayer 1 and the ferromagnetic layer 3.
  • the PtMn layer 4A is stacked in contact with the ferromagnetic layer 3, and the PtCr layer 4B is stacked on the PtMn layer 4A.
  • the PtMn layer 4A is a specific example of the X 0 Mn layer (where X 0 is one or more elements selected from the group consisting of platinum group elements and Ni). That is, in the magnetic field application bias films 12A and 12B, the X 0 Mn layer has a single layer structure, and X 0 is Pt.
  • X 0 may be an element other than Pt, and the X 0 Mn layer may be formed by stacking a plurality of layers.
  • X 0 Mn layer examples include the case where the X 0 Mn layer is an IrMn layer, and the case where an IrMn layer and a PtMn layer are stacked in this order from the side close to the ferromagnetic layer 3.
  • Be Another specific example is a case where a PtMn layer, an IrMn layer and a PtMn layer are stacked in this order from the side close to the ferromagnetic layer 3.
  • the magnetic field application bias films 12A and 12B according to the present embodiment described above have a structure in which the antiferromagnetic layer 4 is stacked on the ferromagnetic layer 3, but the stacking order is reversed and the antiferromagnetic layer is formed.
  • 4 may have a structure in which the ferromagnetic layer 3 is stacked.
  • the two magnetic field application bias films 12A and 12B are arranged side by side in the X1-X2 direction orthogonal to the sensitivity axis direction (Y1-Y2 direction), and their ferromagnetism
  • the directions (Hex direction) of the exchange coupling magnetic fields of the layers 3 are all aligned in the X1-X2 direction. Therefore, the direction of the bias application axis is positioned to be orthogonal to the sensitivity axis direction (Y1-Y2 direction) of the magnetic detection unit 13.
  • the bias application axis can be set to any direction by adjusting the direction (Hex direction) of the exchange coupling magnetic field.
  • bias application direction (bias magnetic field) is provided by disposing the other magnetic field application bias film 12B disposed on the Y1-Y2 direction Y1 side and located on the X1-X2 direction X1 side of the magnetic detection unit 13 on the Y1-Y2 direction Y2 side. Can be inclined from the direction on the X2-X2 direction to the Y1-Y2-direction Y2 side.
  • the two magnetic field application bias films 12A and 12B are both arranged side by side in the X1-X2 direction with respect to the magnetic detection unit 13, and two magnetic field application bias films 12A , 12B are directed to the X1-X2-direction X1 side, but they are positioned on the X1-X2-direction X2 side of the magnetic detection unit 13 by adjusting the shapes of the magnetic field application bias films 12A and 12B.
  • One magnetic field application bias film 12A is disposed so as to be closer to the magnetic detection unit 13 as it approaches the Y1-Y2 direction Y2 side, and the other magnetic field application bias film 12B located on the X1-X2 direction X1 side of the magnetic detection unit 13
  • the bias application direction is from the direction of the X1-X2-direction X2 side by disposing the magnetic detection unit 13 closer to the Y1-Y2-direction Y1 side as it approaches to the Y1-Y2-direction Y1 side. It can be tilted to the 1-Y2 direction Y1 side.
  • the two magnetic field application bias films 12A and 12B are formed to be arranged side by side with respect to the magnetic detection unit 13 in the X1-X2 direction, If the Hex direction of the ferromagnetic layer 3 of the magnetic field application bias films 12A and 12B is the direction on the X1-X2 direction X1 side and is inclined to the Y1-Y2 direction Y2 side, the two magnetic field application bias films are
  • the bias application direction in the magnetic detection unit 13 located between 12A and 12B can be set to the same direction as the Hex direction.
  • the antiferromagnetic layer 4 according to the present embodiment is shown in FIG. 7B because the blocking temperature Tb is higher than that of the antiferromagnetic layer formed of IrMn or the like according to the prior art.
  • the bias application direction in the magnetic detection element 11A and the magnetic detection element 11B can be obtained by utilizing the difference in blocking temperature Tb.
  • the bias application direction can be different.
  • the exchange coupling film 10 according to the present embodiment as the magnetic field application bias film 12A and 12B exchange coupling film of the magnetic detection element 11A
  • the exchange coupling of the magnetic field application bias films 12A and 12B of the magnetic detection element 11B As a film, an exchange coupling film comprising an antiferromagnetic layer formed of IrMn according to the prior art is used. While the blocking temperature Tb of the antiferromagnetic layer 4 of the exchange coupling film 10 according to the present embodiment is about 500 degrees, the blocking temperature Tb of the antiferromagnetic layer formed of IrMn is about 300 degrees Celsius.
  • the exchange coupling magnetic field Hex is in the same direction in both of the magnetic field application bias films 12A and 12B of the magnetic detection element 11A and the magnetic field application bias films 12A and 12B of the magnetic detection element 11B. It occurs in the direction of the magnetic field of 400 ° C. annealing.
  • the coupling magnetic field Hex direction changes from the magnetic field direction of 400 ° C. annealing to the magnetic field direction of 300 ° C. annealing, and a bias application direction in a predetermined direction can be set in the magnetic detection element 11B.
  • FIG. 8 is an explanatory view conceptually showing the structure of the magnetic sensing element according to the second embodiment of the present invention.
  • the same reference numerals are given to the layers having the same functions as those of the magnetic detection element 11 shown in FIG.
  • the magnetic detection element 111 has a magnetic detection unit 13 having a sensitivity axis along the Y1-Y2 direction in FIG. 8 and an X1-X2 direction X2 orthogonal to the sensitivity axis with respect to the magnetic detection unit 13.
  • a magnetic field application bias film 121A located on the side and a magnetic field application bias film 121B located on the X1-X2 direction X1 side with respect to the magnetic detection unit 13 are included.
  • the magnetic layer application bias films 12A and 12B of the magnetic detection element 11 according to the first embodiment for example, the ferromagnetic layer 3 and the antiferromagnetic layer 41 constitute the exchange coupling film 101.
  • the structure of the antiferromagnetic layer 41 is different.
  • the antiferromagnetic layer 41 of the magnetic field application bias films 121A and 121B has an alternately stacked structure in which X 1 Cr layers 41A and X 2 Mn layers 41B are alternately stacked in three layers (where X 1 and X 2 are platinum groups respectively). And at least one element selected from the group consisting of Ni and Ni, wherein X 1 and X 2 may be the same or different). These layers are formed, for example, by a sputtering process or a CVD process. After film formation, the antiferromagnetic layer 4 is ordered by annealing, and is exchange-coupled to the ferromagnetic layer 3 to generate an exchange coupling magnetic field Hex in the ferromagnetic layer 3.
  • FIG. 8 as an aspect of an alternate lamination structure in which three or more X 1 Cr layers 41A and X 2 Mn layers 41B are stacked, X 1 Cr layers 41A / X 2 Mn layers 41B / X 1 Cr layers 41A are shown.
  • the antiferromagnetic layer 41 has a triple-layer structure in which the X 1 Cr layer 41A is in contact with the ferromagnetic layer 3.
  • a three-layer structure of X 2 Mn layer 41 B / X 1 Cr layer 41 A / X 2 Mn layer 41 B in which X 1 Cr layer 41 A and X 2 Mn layer 41 B are replaced may be used.
  • the X 2 Mn layer 41 B is in contact with the ferromagnetic layer 3.
  • An embodiment in which the number of layers related to the antiferromagnetic layer 41 is four or more will be described later.
  • the thickness D1 of the X 1 Cr layer 41A on the protective layer 5 side is the thickness D3 of the X 1 Cr layer 41A in contact with the ferromagnetic layer 3 It is preferable from the viewpoint of raising the exchange coupling magnetic field Hex to make it larger.
  • the film thickness D1 of the X 1 Cr layer 41A of the antiferromagnetic layer 41 is preferably larger than the film thickness D2 of the X 2 Mn layer 41B.
  • the ratio (D1: D2) of the film thickness D1 to the film thickness D2 is more preferably 5: 1 to 100: 1, and still more preferably 10: 1 to 50: 1.
  • the ratio (D1: D3) of the film thickness D1 to the film thickness D3 is more preferably 5: 1 to 100: 1, and still more preferably 10: 1 to 50: 1.
  • X 2 Mn layer 41B is a three-layer structure of X 2 Mn layer 41B / X 1 Cr layer 41A / X 2 Mn layer 41B is most proximal to the ferromagnetic layer 3 is most proximal to the ferromagnetic layer 3 a X 2 and thickness D3 of Mn layer 41B may be equal to the thickness D1 of the protective layer 5 side of the X 2 Mn layer 41B.
  • X 1 is Pt are preferable X 1 Cr layer 41A
  • X 2 of X 2 Mn layer 41B is, Pt or Ir are preferred, Pt is more preferable.
  • the X 1 Cr layer 41A is a PtCr layer
  • Pt X Cr 100 at% -X (X is 45 at% or more and 62 at% or less) is preferable
  • X 1 X Cr 100 at% -X (X is 50 at% More preferably, it is 57 at% or less.
  • the X 2 Mn layer 41 B is preferably a PtMn layer.
  • FIG. 9 is an explanatory view showing the film configuration of the magnetic detection element 112 according to the modification of the second embodiment of the present invention.
  • the ferromagnetic layer 3 and the antiferromagnetic layer 42 constitute an exchange coupling film 101A.
  • the magnetic detection element 112 shown in FIG. 9 differs from the magnetic detection element 111 in FIG. 8 in that the number of layers related to the antiferromagnetic layer 42 is four or more, and the X 1 Cr layer 41A and the X 2 Mn layer 41B (Refer to FIG. 8) is a point having a unit lamination portion in which a plurality of units consisting of (see FIG. 8) are laminated.
  • X 1 Cr layer 41A1 and X 2 from Mn layer consisting 41B1 Metropolitan unit multilayer portions U1 to the unit 4Un consisting of X 1 Cr layer 41An and X 2 Mn layer 41bn, unit multilayer portion are n layers laminated 4U1 It has ⁇ 4Un (n is an integer of 2 or more).
  • X 1 Cr layer 4A1, ⁇ ⁇ ⁇ X 1 Cr layer 41An are the same thickness D1 respectively, X 2 Mn layer 4B1, ⁇ X 2 Mn layer 41Bn also respectively identical It is the film thickness D2.
  • the antiferromagnetic layer 42 shown in FIG. 9 includes unit laminated portions 41U1 to 41Un and an X 1 Cr layer 41A, and the X 1 Cr layer 41A is in contact with the ferromagnetic layer 3.
  • the unit laminated portions 41U1 to 41Un It may consist only of The X 2 Mn layer 41 Bn is in contact with the ferromagnetic layer 3 in the antiferromagnetic layer 42 which is formed of a laminate formed only of the unit laminate portions 41 U 1 to 41 Un.
  • the number of stacked layers of unit stacked portions 41U1 to 41Un can be set according to the size of antiferromagnetic layer 42, film thickness D1, and film thickness D2.
  • the number of stacked layers is preferably 3 to 15, and more preferably 5 to 12 in order to increase the exchange coupling magnetic field Hex in a high temperature environment.
  • FIG. 10 A magnetic sensor (magnetic detection device) 30 in which the magnetic detection elements 11 shown in FIG. 2 are combined is shown in FIG.
  • the magnetic detection elements 11 having different sensitivity axis directions S are distinguished by adding different reference numerals 11Xa, 11Xb, 11Ya, and 11Yb.
  • the magnetic sensor 30 a plurality of magnetic detection elements 11Xa, 11Xb, 11Ya, 11Yb are provided on the same substrate.
  • the magnetic sensor 30 shown in FIG. 10 has a full bridge circuit 32X and a full bridge circuit 32Y.
  • the full bridge circuit 32X includes two magnetic detection elements 11Xa and two magnetic detection elements 11Xb
  • the full bridge circuit 32Y includes two magnetic detection elements 11Ya and two magnetic detection elements 11Yb.
  • Each of the magnetic detection elements 11Xa, 11Xb, 11Ya and 11Yb is the magnetic detection element 11 shown in FIG. In the case where these are not particularly distinguished, they are hereinafter referred to as the magnetic detection element 11 as appropriate.
  • the full bridge circuit 32X and the full bridge circuit 32Y use the magnetic detection elements 11 having different sensitivity axis directions S shown by black arrows in FIG. 10 in order to make the detected magnetic field directions different.
  • the mechanism to detect is the same. Therefore, hereinafter, a mechanism for detecting a magnetic field using the full bridge circuit 32X will be described.
  • the magnetic detection elements 11Xa and 11Xb both have bias application directions B directed to the BYa-BYb direction BYa side.
  • the magnetic detection elements 11Xa and 11Xb are configured as follows. That is, the ferromagnetic layers 3 of the two magnetic field application bias films 12A and 12B included in each of the magnetic detection elements 11Xa and 11Xb have the direction (Hex direction) of the exchange coupling magnetic field set in the direction of the BYa-BYb direction BYa side.
  • the magnetic field application bias film 12A, the magnetic detection unit 13 and the magnetic field application bias film 12B are arranged in the BYa-BYb direction.
  • the bias application direction B is in the BXa-BXb direction BXa side.
  • the magnetic detection elements 11Ya and 11Yb are configured as follows. That is, the ferromagnetic layers 3 of the two magnetic field application bias films 12A and 12B included in each of the magnetic detection elements 11Ya and 11Yb both have the direction (Hex direction) of the exchange coupling magnetic field in the BXa-BXb direction BXa direction.
  • the magnetic field application bias film 12A, the magnetic field detection unit 13 and the magnetic field application bias film 12B are arranged in the BXa-BXb direction for each of the magnetic detection elements 11Ya and 11Yb.
  • the full bridge circuit 32X is configured by connecting a first series unit 32Xa and a second series unit 32Xb in parallel.
  • the first series portion 32Xa is formed by connecting the magnetic detection element 11Xa and the magnetic detection element 11Xb in series, and the second serial portion 32Xb is connected in series the magnetic detection element 11Xb and the magnetic detection element 11Xa Is configured.
  • the power supply voltage Vdd is applied to the common power supply terminal 33 to the magnetic detection element 11Xa constituting the first serial portion 32Xa and the magnetic detection element 11Xb constituting the second serial portion 32Xb.
  • the ground terminal 34 common to the magnetic detection element 11Xb constituting the first serial portion 32Xa and the magnetic detection element 11Xa constituting the second serial portion 32Xb is set to the ground potential GND.
  • the differential output (OutX1) of the output potential (OutX1) of the midpoint 35Xa of the first series section 32Xa constituting the full bridge circuit 32X and the output potential (OutX2) of the midpoint 35Xb of the second series section 32Xb (OutX2) is obtained as a detection output (detection output voltage) VXs in the X direction.
  • the full bridge circuit 32Y also operates in the same manner as the full bridge circuit 32X, and thereby the output potential (OutY1) of the middle point 35Ya of the first series portion 32Ya and the output potential of the middle point 35Yb of the second series portion 32Yb ( A differential output (OutY1)-(OutY2) with OutY2) is obtained as a detection output (detection output voltage) VYs in the Y direction.
  • the free magnetic layer of the magnetic detection element 11 is magnetized in the direction along the bias application direction B when the external magnetic field H is not applied.
  • the direction of magnetization of the free magnetic layer of each of the magnetic detection elements 11 changes so as to follow the direction of the external magnetic field H.
  • the resistance value changes due to the relationship of the vector between the fixed magnetization direction (sensitivity axis direction S) of the ferromagnetic layer 3 and the magnetization direction of the free magnetic layer.
  • the external magnetic field H acts in the direction shown in FIG. 10
  • the direction of the sensitivity axis S matches the direction of the external magnetic field H
  • the electric resistance value decreases.
  • the detected output voltage VYs (OutY1)-(OutY2) of the full bridge circuit 32Y becomes maximum
  • the detection output voltage VYs becomes lower as (1) changes upward (in the BYa-BYb direction BYa side direction) with respect to the paper surface.
  • the detection output voltages VXs and VYs of the full bridge circuit 32X and the full bridge circuit 32Y also fluctuate accordingly. Therefore, based on the detected output voltages VXs and VYs obtained from the full bridge circuit 32X and the full bridge circuit 32Y, it is possible to detect the moving direction and the moving amount (relative position) of the detection target.
  • FIG. 10 shows the magnetic sensor 30 configured to be capable of detecting magnetic fields in the X direction and in the Y direction orthogonal to the X direction.
  • the configuration may be such that only the full bridge circuit 32X or the full bridge circuit 32Y that detects only the magnetic field in the X direction or the Y direction is provided.
  • FIG. 10 and 11 The planar structure of the magnetic detection element 11Xa and the magnetic detection element 11Xb is shown in FIG.
  • the BXa-BXb direction is the X direction.
  • the fixed magnetization direction P of the magnetic detection elements 11Xa and 11Xb is indicated by an arrow.
  • the fixed magnetization direction P is the X direction, which is opposite to each other.
  • the fixed magnetization direction P is the same as the sensitivity axis direction S.
  • the magnetic detection unit 13 of the magnetic detection element 11 Xa and the magnetic detection element 11 Xb has a stripe-shaped element unit 102.
  • each element section 102 a plurality of metal layers (alloy layers) are stacked to form a giant magnetoresistive (GMR) film.
  • the longitudinal direction of the element portion 102 is directed in the BYa-BYb direction.
  • a plurality of element portions 102 are arranged in parallel, and the illustrated right end portion (an end portion on the side of BYa-BYb in the BYa direction) of adjacent element portions 102 is connected via conductive portion 103 a.
  • the left end in the drawing (the end on the BYa-BYb direction BYa side) is connected via the conductive portion 103b.
  • the conductive portions 103a and 103b are alternately connected between the illustrated right end (the end on the BYa-BYb direction BYa side) and the left end (the end on the BYa-BYb direction BYa side) of the element portion 102. 102 are connected in a so-called meander shape.
  • the conductive portion 103a in the lower right portion of the magnetic detection elements 11Xa and 11Xb is integrated with the connection terminal 104a, and the conductive portion 103b in the upper left portion is integrated with the connection terminal 104b.
  • TMR tunnel magnetoresistance effect
  • FIG. 12 is an explanatory view conceptually showing the configuration of a magnetic sensor according to a second embodiment of the present invention.
  • the magnetic sensor 31 shown in FIG. 12 differs from the magnetic sensor 30 in which the sensitivity axis direction S and the bias application direction B are shown in FIG.
  • the sensitivity axis directions S of the magnetic detection element 11Xa and the magnetic detection element 11Xb both point in the BXa-BXb direction BXa side.
  • the bias application direction B of the magnetic detection element 11Xa is inclined from the direction on the BXa-BXb direction BXa side to the BYa-BYb direction BYa side.
  • the bias application direction B of the magnetic detection element 11Xb is inclined from the direction on the BXa-BXb direction BXa side to the BYa-BYb direction BYb side.
  • the bias application direction B of the magnetic detection element 11 Ya and the bias application direction of the magnetic detection element 11 Yb B is set to a different orientation by the method shown in FIG. 6 and FIG.
  • the magnetic field at the time of manufacturing the magnetic sensor 31 Since the number of times of film formation is reduced, the offset characteristic of the magnetic sensor 31 can be easily improved.
  • the PtMn layer 4A is in contact with the ferromagnetic layer 3, that is, the PtMn layer 4A is directly laminated on the laminated ferromagnetic layer 3, but the PtMn layer 4A is Another layer containing Mn (an Mn layer and an IrMn layer are exemplified) may be stacked between the above and the ferromagnetic layer 3.
  • the ferromagnetic layer 3 is stacked closer to the underlayer 1 than the antiferromagnetic layers 4, 41 and 42. However, the ferromagnetic layer 3 is more antiferromagnetic than the ferromagnetic layer 3.
  • the layers 4, 41 and 42 may be laminated so as to be located proximal to the foundation layer 1 (see Example 1).
  • Example 1 A magnetic field application bias film 12A having the following film configuration was manufactured. In the following examples and comparative examples, numerical values in parentheses indicate film thickness ( ⁇ ).
  • the magnetic field application bias film 12 A was annealed at 400 ° C. for 5 hours to cause exchange coupling between the ferromagnetic layer 3 and the antiferromagnetic layer 4.
  • Substrate / underlayer 1 NiFeCr (42) / antiferromagnetic layer 4: [PtCr layer 4B: Pt 50 at% Cr 50 at% (280) / PtMn layer 4 A: Pt 50 at% Mn 50 at% (20)] / ferromagnetic layer 3: Co 90 at% Fe 10 at% (100) / Protective layer 6: Ta (90)
  • Example 1 The film in Example 1 was manufactured such that the antiferromagnetic layer 4 was composed of 80 nm thick IrMn layer: Ir 20 at% Mn 80 at% , annealed at 300 ° C. for 1 hour, the ferromagnetic layer 3 and the antiferromagnetic An exchange bond was formed with layer 4.
  • the antiferromagnetic layer 4 was composed of 80 nm thick IrMn layer: Ir 20 at% Mn 80 at% , annealed at 300 ° C. for 1 hour, the ferromagnetic layer 3 and the antiferromagnetic An exchange bond was formed with layer 4.
  • Example 2 The film in Example 1 was manufactured such that the antiferromagnetic layer 4 was a PtMn layer with a thickness of 300 ⁇ : Pt 50 at% Mn 50 at% , annealed at 300 ° C. for 4 hours, and the ferromagnetic layer 3 and the antiferromagnetic An exchange bond was formed with layer 4.
  • the antiferromagnetic layer 4 was a PtMn layer with a thickness of 300 ⁇ : Pt 50 at% Mn 50 at% , annealed at 300 ° C. for 4 hours, and the ferromagnetic layer 3 and the antiferromagnetic An exchange bond was formed with layer 4.
  • the exchange coupling magnetic field Hex tends to decrease as the environmental temperature rises.
  • the tendency to decrease the exchange coupling magnetic field Hex is dull, and as a result, blocking temperature Tb was about 500 ° C.
  • the exchange coupling magnetic field Hex is likely to decrease, the blocking temperature Tb is about 300 ° C., and the blocking temperature Tb of the magnetic field application bias film 12A according to Comparative Example 2 is 400 It was about ° C.

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Abstract

強磁場耐性を有する磁界印加バイアス膜１１は、強磁性層３と強磁性層３に積層された反強磁性層４とを有する交換結合膜１０を備え、反強磁性層４は、白金族元素およびＮｉからなる群から選ばれる一種または二種以上の元素ＸならびにＭｎおよびＣｒを含有するＸ（Ｃｒ－Ｍｎ）層を備え、Ｘ（Ｃｒ－Ｍｎ）層は、強磁性層３に相対的に近位な第１領域Ｒ１と、強磁性層３から相対的に遠位な第２領域Ｒ２とを有し、第１領域Ｒ１におけるＭｎの含有量は、第２領域Ｒ２におけるＭｎの含有量よりも高い。

Description

磁界印加バイアス膜ならびにこれを用いた磁気検出素子および磁気検出装置
　本発明は磁界印加バイアス膜ならびにこれを用いた磁気検出素子および磁気検出装置に関する。
　固定磁性層およびフリー磁性層を含む磁気抵抗効果膜を有する磁気検出部を備える磁気検出素子を用いた磁気検出装置（磁気センサ）は、外部磁場が印加されていない状態においてフリー磁性層の磁化の向きが揃っていることが、測定精度を高める観点から好ましい。このため、外部磁場が印加されていない状態においてフリー磁性層の磁化の向きを揃えるためのバイアス磁界を印加することを目的として、磁気検出素子は、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ等の反強磁性材料によって形成された反強磁性層と強磁性層とが積層された交換結合膜を備える磁界印加バイアス膜が磁気検出部の周囲に配置される場合がある（特許文献１参照。）。
特開２０１６－１５１４４８号公報
　磁気検出装置は、磁気効果素子を基板に実装する際、はんだをリフロー処理（溶融処理）する必要があり、その際、磁気効果素子も３００℃程度に加熱される。また、エンジンの周辺のような高温環境において用いられることがある。このため、磁気検出装置に用いられる磁界印加バイアス膜には、高温環境に置かれてもバイアス磁界をフリー磁性層に安定的に印加できることが好ましい。また、近時、大出力モータなど強磁場発生源の近傍に配置されて強磁場が印加される環境であっても、バイアス磁界を印加する方向（バイアス印加方向）が影響を受けにくいこと、すなわち、強磁場耐性が求められている。
　本発明は、反強磁性層と強磁性層とが積層された交換結合膜を備える磁界印加バイアス膜であって、高温条件下における安定性が高く、しかも強磁場耐性に優れる磁界印加バイアス膜、ならびにこれを用いた磁気検出素子および磁気検出装置を提供することを目的としている。
　上記課題を解決するために提供される本発明は、一態様において、強磁性層と前記強磁性層に積層された反強磁性層とを有する交換結合膜を備えた磁界印加バイアス膜であって、前記反強磁性層は、白金族元素およびＮｉからなる群から選ばれる一種または二種以上の元素ＸならびにＭｎおよびＣｒを含有するＸ（Ｃｒ－Ｍｎ）層を備え、前記Ｘ（Ｃｒ－Ｍｎ）層は、前記強磁性層に相対的に近位な第１領域と、前記強磁性層から相対的に遠位な第２領域とを有し、前記第１領域におけるＭｎの含有量は、前記第２領域におけるＭｎの含有量よりも高いことを特徴とする磁界印加バイアス膜である。
　図１は、本発明に係る交換結合膜の磁化曲線のヒステリシスループを説明する図である。通常、軟磁性体のＭ－Ｈ曲線（磁化曲線）が作るヒステリシスループは、Ｈ軸とＭ軸との交点（磁界Ｈ＝０Ａ／ｍ、磁化Ｍ＝０Ａ／ｍ）を中心として対称な形状となるが、図１に示されるように、本発明に係る交換結合膜のヒステリシスループは、反強磁性層と交換結合する強磁性層に対して交換結合磁界Ｈｅｘが作用するため、交換結合磁界Ｈｅｘの大きさに応じてＨ軸に沿ってシフトした形状となる。交換結合膜の強磁性層は、この交換結合磁界Ｈｅｘが大きいほど外部磁界が印加されても磁化の向きが反転しにくいため、交換結合膜を備える磁界印加バイアス膜は良好なバイアス機能（磁気検出素子のフリー磁性層にバイアス磁界を適切に印加できる機能）を有することができる。
　このＨ軸に沿ってシフトしたヒステリシスループの中心（この中心の磁界強度が交換結合磁界Ｈｅｘに相当する。）とヒステリシスループのＨ軸切片との差によって定義される保磁力Ｈｃが交換結合磁界Ｈｅｘよりも小さい場合には、外部磁場が印加されて交換結合膜の固定磁性層がその外部磁場に沿った方向に磁化されたとしても、外部磁場の印加が終了すれば、保磁力Ｈｃよりも相対的に強い交換結合磁界Ｈｅｘによって、フリー磁性層の磁化の方向を揃えバイアス機能を発揮することが可能となる。すなわち、交換結合磁界Ｈｅｘと保磁力Ｈｃとの関係がＨｅｘ＞Ｈｃである場合には、交換結合膜を備える磁界印加バイアス膜は良好な強磁場耐性を有する。
　しかも、上記の交換結合膜が備える反強磁性層は、特許文献１に記載されるＩｒＭｎ、ＰｔＭｎといった従来の反強磁性材料から形成された反強磁性層よりもブロッキング温度Ｔｂが高いため、例えば３００℃程度の環境に置かれて強磁場が印加されても、交換結合磁界Ｈｅｘを維持することができる。したがって、上記の交換結合膜を備える磁界印加バイアス膜は、高温環境下での安定性に優れ、強磁場耐性を有する。
　上記の磁界印加バイアス膜において、前記第１領域が前記強磁性層に接していてもよい。
　上記の磁界印加バイアス膜において、前記第１領域は、Ｍｎの含有量のＣｒの含有量に対する比であるＭｎ／Ｃｒ比が０．３以上の部分を有していてもよい。この場合において、前記第１領域は、前記Ｍｎ／Ｃｒ比が１以上である部分を有することが好ましい。
　上記の磁界印加バイアス膜の具体的な一態様として、前記反強磁性層は、ＰｔＣｒ層と、前記ＰｔＣｒ層よりも前記強磁性層に近位なＸ０Ｍｎ層（ただし、Ｘ０は白金族元素およびＮｉからなる群から選ばれる一種または二種以上の元素）とが積層されてなるものであってもよい。
　上記の磁界印加バイアス膜の具体例として、前記反強磁性層は、ＰｔＣｒ層とＰｔＭｎ層とがこの順番で前記ＰｔＭｎ層が前記強磁性層に近位になるように積層されてなるものであってもよい。この場合において、前記ＰｔＭｎ層よりも前記強磁性層に近位にさらにＩｒＭｎ層が積層されてもよい。この構成において上記のＸ０Ｍｎ層はＰｔＭｎ層とＩｒＭｎ層とからなる。
　本発明は、他の一態様として、強磁性層と前記強磁性層に積層された反強磁性層とを有する交換結合膜を備えた磁界印加バイアス膜であって、前記反強磁性層は、Ｘ１Ｃｒ層（ただし、Ｘ１は白金族元素およびＮｉからなる群から選ばれる一種または二種以上の元素）とＸ２Ｍｎ層（ただし、Ｘ２は白金族元素およびＮｉからなる群から選ばれる一種または二種以上の元素であって、Ｘ１と同じでも異なっていてもよい）とが交互に積層された三層以上の交互積層構造を有することを特徴とする磁界印加バイアス膜を提供する。
　上記の印加バイアス膜において、前記Ｘ１がＰｔであり、前記Ｘ２がＰｔまたはＩｒであってもよい。
　前記反強磁性層は、Ｘ１Ｃｒ層とＸ２Ｍｎ層とからなるユニットが複数積層されたユニット積層部を有していてもよい。この場合において、前記ユニット積層部における、前記Ｘ１Ｃｒ層および前記Ｘ２Ｍｎ層は、それぞれ同じ膜厚であり、前記Ｘ１Ｃｒ層の膜厚が、前記Ｘ２Ｍｎ層の膜厚よりも大きくてもよい。このとき、前記Ｘ１Ｃｒ層の膜厚と前記Ｘ２Ｍｎ層の膜厚との比が、５：１～１００：１であることが好ましい場合がある。
　本発明は、別の一態様として、固定磁性層およびフリー磁性層を含む磁気抵抗効果膜を有する磁気検出部と、上記の磁界印加バイアス膜とを備える磁気検出素子であって、前記磁界印加バイアス膜は、前記フリー磁性層に外部磁場が印加されていない状態での前記フリー磁性層の磁化の向きを揃えるように、前記磁気検出部の周囲に配置される、磁気検出素子を提供する。
　本発明は、また別の一態様として、上記の磁気検出素子を備えていることを特徴とする磁気検出装置を提供する。かかる磁気検出装置は、上記の磁気検出素子を同一基板上に複数備えており、複数の前記磁気検出素子には、前記固定磁性層の固定磁化方向が異なるものが含まれていてもよい。
　本発明によれば、高温環境においても強磁場耐性に優れる磁界印加バイアス膜が提供される。したがって、本発明の磁界印加バイアス膜を用いれば、高温環境において強磁場が印加される場合であっても安定な磁気検出装置とすることが可能である。
本発明に係る磁界印加バイアス膜の磁化曲線のヒステリシスループを説明する図である。 本発明の第１の実施形態に係る磁気検出素子の構成を示す説明図であって、（ａ）Ｚ１－Ｚ２方向からみた図、および（ｂ）Ｙ１－Ｙ２方向からみた図である。 デプスプロファイルの一例である。 図３のデプスプロファイルの一部を拡大したプロファイルである。 図４に基づき求めたＭｎの含有量に対するＣｒの含有量の比（Ｍｎ／Ｃｒ比）を、図４と横軸の範囲を等しくして示したグラフである。 本発明の第１の実施形態の変形例に係る磁気検出素子の構成を示す説明図である。 本発明の第１の実施形態の別の変形例に係る磁気検出素子の構成を示す説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る磁気検出素子の構成を示す説明図であって、（ａ）Ｚ１－Ｚ２方向からみた図、および（ｂ）Ｙ１－Ｙ２方向からみた図である。 本発明の第２の実施形態の変形例に係る磁気検出素子の構成を示す説明図であって、（ａ）Ｚ１－Ｚ２方向からみた図、および（ｂ）Ｙ１－Ｙ２方向からみた図である。 本発明の第１の実施形態に係る磁気センサ３０の回路ブロック図である。 磁気センサ３０に使用される磁気検出素子１１を示す平面図である。 本発明の第２の実施形態に係る磁気センサ３１の回路ブロック図である。 交換結合磁界Ｈｅｘの強度の温度依存性を示すグラフである。
＜第１の実施形態に係る磁気検出素子＞
　図２は、本発明の第１の実施形態に係る磁気検出素子の構造を概念的に示す説明図である。
　本実施形態に係る磁気検出素子１１は、図１のＹ１－Ｙ２方向に沿った感度軸を有する磁気抵抗効果膜を備える磁気検出部１３と、磁気検出部１３に対してその周囲、具体的には、磁気検出部１３の感度軸に直交するＸ１－Ｘ２方向Ｘ２側に位置する磁界印加バイアス膜１２Ａと、磁気検出部１３に対してＸ１－Ｘ２方向Ｘ１側に位置する磁界印加バイアス膜１２Ｂとを有する。磁気抵抗効果膜は固定磁性層とフリー磁性層とを有する限り、その種類は限定されない。磁気抵抗効果膜は、巨大磁気抵抗効果膜（ＧＭＲ膜）であってもよいし、トンネル磁気抵抗効果膜（ＴＭＲ膜）であってもよい。他の実施形態においても同様である。
　磁界印加バイアス膜１２Ａ、１２Ｂは、Ｚ１－Ｚ２方向Ｚ１側からＺ１－Ｚ２方向Ｚ２側に向けて、下地層１、強磁性層３、反強磁性層４および保護層５が積層された構造を有する。強磁性層３と反強磁性層４とが交換結合膜１０を構成する。
　強磁性層３は、強磁性の材料、例えばＣｏＦｅ合金（コバルト・鉄合金）から形成される。ＣｏＦｅ合金は、Ｆｅの含有割合を高くすることにより、保磁力Ｈｃが高くなる。強磁性層３の膜厚は、１２Å以上３０Å以下であることが好ましい場合がある。
　本実施形態に係る磁界印加バイアス膜１２Ａ、１２Ｂの反強磁性層４は、強磁性層３に近位な側からＰｔＭｎ層４ＡおよびＰｔＣｒ層４Ｂが積層されてなる。これら各層は、例えばスパッタ工程やＣＶＤ工程で成膜される。なお、磁界印加バイアス膜１２Ａ、１２ＢのＰｔＭｎ層４Ａなど合金層を成膜する際には、合金を形成する複数種類の金属（ＰｔＭｎ層４Ａの場合にはＰｔおよびＭｎ）を同時に供給してもよいし、合金を形成する複数種類の金属を交互に供給してもよい。前者の具体例として合金を形成する複数種類の金属の同時スパッタが挙げられ、後者の具体例として異なる種類の金属膜の交互積層が挙げられる。合金を形成する複数種類の金属の同時供給が交互供給よりも交換結合磁界Ｈｅｘを高めることにとって好ましい場合がある。
　反強磁性層４は、成膜後、アニール処理されることにより規則化し、強磁性層３と交換結合して、強磁性層３に交換結合磁界Ｈｅｘが発生する。反強磁性層４のブロッキング温度Ｔｂは、従来技術に係るＩｒＭｎからなる反強磁性層やＰｔＭｎからなる反強磁性層のブロッキング温度Ｔｂよりも高いため、高温環境においても交換結合膜１０は交換結合磁界Ｈｅｘを高く維持することができる。なお、上記のアニール処理により反強磁性層４を構成する各層の原子は相互拡散する。
　本実施形態に係る交換結合膜１０が備える反強磁性層４は、白金族元素およびＮｉからなる群から選ばれる一種または二種以上の元素ＸならびにＭｎおよびＣｒを含有するＸ（Ｃｒ－Ｍｎ）層を有する。図２に示される積層構造から得られる反強磁性層４は、元素ＸがＰｔであるから、Ｐｔ（Ｃｒ－Ｍｎ）層となる。このＰｔ（Ｃｒ－Ｍｎ）層は、強磁性層３に相対的に近位な第１領域と、強磁性層３から相対的に遠位な第２領域とを有し、第１領域におけるＭｎの含有量は、第２領域におけるＭｎの含有量よりも高い。このような構造を有するＰｔ（Ｃｒ－Ｍｎ）層は、積層されたＰｔＭｎ層４ＡおよびＰｔＣｒ層４Ｂがアニール処理を受けることにより形成される。スパッタリングしながら表面分析を行うことにより、構成元素の深さ方向の含有量分布（デプスプロファイル）を得ることができる。
　図３は、本実施形態に係る交換結合膜１０と同様の構成を備える交換結合膜１０を含む膜のデプスプロファイルの一例である。この膜における交換結合膜は、固定磁性層と反強磁性層とからなる。図３に示されるデプスプロファイルは、以下の構成を備えた膜に対して、１５ｋＯｅの磁場中において３５０℃で２０時間アニール処理した膜から得られたものである。（）内の数値は膜厚（Å）を示す。
　基板／下地層：ＮｉＦｅＣｒ（４０）／非磁性材料層：［Ｃｕ（４０）／Ｒｕ（２０）］／固定磁性層：Ｃｏ４０ａｔ％Ｆｅ６０ａｔ％（２０）／反強磁性層［ＩｒＭｎ層：Ｉｒ２２ａｔ％Ｍｎ７８ａｔ％（１０）／ＰｔＭｎ層：Ｐｔ５０ａｔ％Ｍｎ５０ａｔ％（１６）／ＰｔＣｒ層：Ｐｔ５１ａｔ％Ｃｒ４９ａｔ％（３００）］／保護層：Ｔａ（１００）
　図３のデプスプロファイルは、具体的には、保護層側からアルゴンスパッタリングしながらオージェ電子分光装置により表面分析を行うことによって得られた、深さ方向におけるＰｔ，Ｉｒ，ＣｒおよびＭｎの含有量分布からなる。アルゴンによるスパッタ速度はＳｉＯ２換算で求め、１．１ｎｍ／分であった。
　図４は、図３の一部を拡大したものである。図３および図４のいずれについても、固定磁性層および非磁性材料層の深さ位置を確認するために、Ｃｏ（固定磁性層の構成元素の１つ）の含有量分布およびＲｕ（非磁性材料層の反強磁性層側を構成する元素）の含有量分布についてもデプスプロファイルに含めてある。
　図３に示されるように、反強磁性層の厚さは３０ｎｍ程度であって、白金族元素およびＮｉからなる群から選ばれる一種または二種以上の元素ＸとしてのＰｔおよびＩｒとＭｎおよびＣｒとを含有するＸ（Ｃｒ－Ｍｎ）層を備え、具体的には（Ｐｔ－Ｉｒ）（Ｃｒ－Ｍｎ）層からなるものである。そして、Ｘ（Ｃｒ－Ｍｎ）層（（Ｐｔ－Ｉｒ）（Ｃｒ－Ｍｎ）層）は、固定磁性層に相対的に近位な第１領域Ｒ１と、固定磁性層から相対的に遠位な第２領域Ｒ２とを有し、および第１領域Ｒ１におけるＭｎの含有量は、第２領域Ｒ２におけるＭｎの含有量よりも高い。このような構造は、ＸＣｒからなる層およびＸＭｎからなる層などを適宜積層して多層積層体を形成し、この多層積層体に対して上記のようなアニール処理を行うことにより得ることができる。
　図５は、デプスプロファイルにより求められた各深さのＭｎの含有量およびＣｒの含有量に基づき算出された、Ｍｎの含有量のＣｒの含有量に対する比（Ｍｎ／Ｃｒ比）を、図４と横軸の範囲を等しくして示したグラフである。図５に示される結果に基づき、本明細書において、Ｍｎ／Ｃｒ比が０．１となる深さを第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２との境界とする。すなわち、反強磁性層において、固定磁性層に近位な領域でＭｎ／Ｃｒ比が０．１以上の領域を第１領域Ｒ１と定義し、反強磁性層における第１領域以外の領域を第２領域と定義する。この定義に基づくと、図３に示されるデプスプロファイルにおいて第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２との境界は深さ４４．５ｎｍ程度に位置する。
　Ｍｎ／Ｃｒ比が大きいことは交換結合磁界Ｈｅｘの大きさに影響を与えるのみならず、Ｍｎ／Ｃｒ比が大きいほど、Ｈｅｘ／Ｈｃの値が正の値で絶対値が大きくなりやすい。具体的には、第１領域Ｒ１は、Ｍｎ／Ｃｒ比が０．３以上の部分を有することが好ましく、Ｍｎ／Ｃｒ比が０．７以上の部分を有することがより好ましく、Ｍｎ／Ｃｒ比が１以上の部分を有することが特に好ましい。
　このように第１領域Ｒ１にＭｎを相対的に多く含有するため、本実施形態に係る磁界印加バイアス膜１２Ａ、１２Ｂは高い交換結合磁界Ｈｅｘを発生させることができる。一方、第２領域Ｒ２においてＭｎの含有量が低く、相対的にＣｒの含有量が高いため、反強磁性層４は、高いブロッキング温度Ｔｂを有する。このため、本実施形態に係る磁界印加バイアス膜１２Ａ、１２Ｂは高温環境に置かれてもバイアス機能が喪失しにくい。
　下地層１および保護層５は例えばタンタル（Ｔａ）から構成される。下地層１と強磁性層３との間には、強磁性層と非磁性層（Ｒｕ、Ｃｕなど）との積層体が設けられていてもよい。
　上記の本実施形態に係る磁界印加バイアス膜１２Ａ、１２Ｂの反強磁性層４では、ＰｔＭｎ層４Ａが強磁性層３に接するように積層され、このＰｔＭｎ層４ＡにＰｔＣｒ層４Ｂが積層されたが、ＰｔＭｎ層４Ａは、Ｘ０Ｍｎ層（ただし、Ｘ０は白金族元素およびＮｉからなる群から選ばれる一種または二種以上の元素）の具体的な一例である。すなわち、磁界印加バイアス膜１２Ａ、１２Ｂは、Ｘ０Ｍｎ層が単層構造であってＸ０がＰｔである場合である。Ｘ０はＰｔ以外の元素であってもよいし、Ｘ０Ｍｎ層は複数の層が積層されてなるものであってもよい。そのようなＸ０Ｍｎ層の具体例として、Ｘ０Ｍｎ層がＩｒＭｎ層からなる場合や、強磁性層３に近位な側から、ＩｒＭｎ層およびＰｔＭｎ層がこの順番で積層される場合が挙げられる。また別の具体例として、強磁性層３に近位な側から、ＰｔＭｎ層、ＩｒＭｎ層およびＰｔＭｎ層がこの順番で積層される場合が挙げられる。
　上記の本実施形態に係る磁界印加バイアス膜１２Ａ、１２Ｂでは、強磁性層３に反強磁性層４が積層される構造を有しているが、積層順番が逆であって、反強磁性層４に強磁性層３が積層される構造を有していてもよい。
　上記の本実施形態に係る磁気検出素子１１では、２つの磁界印加バイアス膜１２Ａ、１２Ｂは、感度軸方向（Ｙ１－Ｙ２方向）と直交するＸ１－Ｘ２方向に並んで配置され、これらの強磁性層３の交換結合磁界の方向（Ｈｅｘ方向）はいずれも、Ｘ１－Ｘ２方向に揃っている。このため、磁気検出部１３の感度軸方向（Ｙ１－Ｙ２方向）と直交するようにバイアス印加軸の方向が位置する。特許文献１にも記載されるように、磁気検出素子１１における磁気検出部１３と２つの磁界印加バイアス膜１２Ａ、１２Ｂとの相対位置や、２つの磁界印加バイアス膜１２Ａ、１２Ｂの強磁性層３の交換結合磁界の方向（Ｈｅｘ方向）を調整することにより、バイアス印加軸を任意の方向に設定することができる。
　こうした配置によりバイアス印加軸を設定する具体例として、図６（ａ）に示されるように、２つの磁界印加バイアス膜１２Ａ、１２Ｂが備える強磁性層３に発生した交換結合磁界Ｈｅｘの向き（図中「Ｈｅｘ方向」と示した。以下同じ。）はいずれもＸ１－Ｘ２方向Ｘ１側を向いているが、磁気検出部１３のＸ１－Ｘ２方向Ｘ２側に位置する一方の磁界印加バイアス膜１２ＡをＹ１－Ｙ２方向Ｙ１側に配置し、磁気検出部１３のＸ１－Ｘ２方向Ｘ１側に位置する他方の磁界印加バイアス膜１２ＢをＹ１－Ｙ２方向Ｙ２側に配置することにより、バイアス印加方向（バイアス磁界の印加方向）を、Ｘ１－Ｘ２方向Ｘ２側の向きからＹ１－Ｙ２方向Ｙ２側へと傾けることができる。
　また、図６（ｂ）に示されるように、２つの磁界印加バイアス膜１２Ａ、１２Ｂはいずれも磁気検出部１３に対してＸ１－Ｘ２方向に並んで配置され、しかも２つの磁界印加バイアス膜１２Ａ、１２ＢのＨｅｘ方向はいずれもＸ１－Ｘ２方向Ｘ１側を向いているが、それぞれの磁界印加バイアス膜１２Ａ、１２Ｂの形状を調整して、磁気検出部１３のＸ１－Ｘ２方向Ｘ２側に位置する一方の磁界印加バイアス膜１２ＡについてはＹ１－Ｙ２方向Ｙ２側に寄るほど磁気検出部１３に近づくように配置し、磁気検出部１３のＸ１－Ｘ２方向Ｘ１側に位置する他方の磁界印加バイアス膜１２ＢについてはＹ１－Ｙ２方向Ｙ１側に寄るほど磁気検出部１３に近づくように配置することにより、バイアス印加方向を、Ｘ１－Ｘ２方向Ｘ２側の向きからＹ１－Ｙ２方向Ｙ１側へと傾けることができる。
　あるいは、図７（ａ）に示されるように、２つの磁界印加バイアス膜１２Ａ、１２Ｂを、いずれも磁気検出部１３に対してＸ１－Ｘ２方向に並んで配置されるように形成し、２つの磁界印加バイアス膜１２Ａ、１２Ｂの強磁性層３のＨｅｘ方向がＸ１－Ｘ２方向Ｘ１側の向きであってＹ１－Ｙ２方向Ｙ２側に傾いた向きになるようにすれば、２つの磁界印加バイアス膜１２Ａ、１２Ｂの間に位置する磁気検出部１３におけるバイアス印加方向をＨｅｘ方向と同じ向きに設定することができる。
　ここで、前述のように、本実施形態に係る反強磁性層４は従来技術に係るＩｒＭｎ等から形成された反強磁性層よりもブロッキング温度Ｔｂが高いため、図７（ｂ）に示されるように、２つの磁気検出素子１１Ａ、１１Ｂが近接して配置されている場合であっても、ブロッキング温度Ｔｂの違いを利用することにより、磁気検出素子１１Ａにおけるバイアス印加方向と磁気検出素子１１Ｂにおけるバイアス印加方向とを、異なる向きとすることができる。
　具体的には、まず、磁気検出素子１１Ａの磁界印加バイアス膜１２Ａ、１２Ｂ交換結合膜として本実施形態に係る交換結合膜１０を用い、磁気検出素子１１Ｂの磁界印加バイアス膜１２Ａ、１２Ｂの交換結合膜として従来技術に係るＩｒＭｎから形成された反強磁性層を備える交換結合膜を用いる。本実施形態に係る交換結合膜１０の反強磁性層４のブロッキング温度Ｔｂは５００度程度であるのに対して、ＩｒＭｎから形成された反強磁性層のブロッキング温度Ｔｂは３００℃程度である。したがって、例えば４００℃において磁場中アニール処理を行うと、磁気検出素子１１Ａの磁界印加バイアス膜１２Ａ、１２Ｂと磁気検出素子１１Ｂの磁界印加バイアス膜１２Ａ、１２Ｂの両方で交換結合磁界Ｈｅｘが同じ方向、４００℃アニールの磁場方向に生じる。
　その後、ＩｒＭｎから形成された反強磁性層のブロッキング温度Ｔｂよりも高い温度（例えば３００℃程度）で磁場中アニール処理を行うと、ＩｒＭｎから形成された反強磁性層を備える交換結合膜の交換結合磁界Ｈｅｘ方向は４００℃アニールの磁場方向から３００℃アニールの磁場方向に変化し、磁気検出素子１１Ｂに所定方向のバイアス印加方向を設定することができる。このとき、磁気検出素子１１Ａの磁界印加バイアス膜１２Ａ、１２Ｂの交換結合膜１０の交換結合磁界Ｈｅｘが、３００℃程度の温度で受ける外部磁場の影響は軽微であるため、磁気検出素子１１Ａのバイアス印加方向が磁気検出素子１１Ｂのバイアス印加方向に揃ってしまうことはない。このようにして、バイアス印加方向が異なる２つの磁気検出素子１１Ａ、１１Ｂを用意することができる。
＜第２の実施形態に係る磁気検出素子＞
　図８は、本発明の第２の実施形態に係る磁気検出素子の構造を概念的に示す説明図である。本実施形態では、図２に示す磁気検出素子１１と機能が同じ層に同じ符号を付して、説明を省略する。
　第２の実施形態に係る磁気検出素子１１１は、図８のＹ１－Ｙ２方向に沿った感度軸を有する磁気検出部１３と、磁気検出部１３に対して感度軸に直交するＸ１－Ｘ２方向Ｘ２側に位置する磁界印加バイアス膜１２１Ａと、磁気検出部１３に対してＸ１－Ｘ２方向Ｘ１側に位置する磁界印加バイアス膜１２１Ｂとを有する。
　磁界印加バイアス膜１２１Ａ、１２１Ｂは、強磁性層３と反強磁性層４１とが交換結合膜１０１を構成するなど、第１の実施形態に係る磁気検出素子１１の磁界印加バイアス膜１２Ａ、１２Ｂと共通の基本構造を有するが、反強磁性層４１の構造が異なっている。
　磁界印加バイアス膜１２１Ａ、１２１Ｂの反強磁性層４１は、Ｘ１Ｃｒ層４１ＡとＸ２Ｍｎ層４１Ｂとが交互に三層積層された交互積層構造（ただし、Ｘ１およびＸ２はそれぞれ白金族元素およびＮｉからなる群から選ばれる一種または二種以上の元素であり、Ｘ１とＸ２とは同じでも異なっていてもよい）である。これら各層は、例えばスパッタ工程やＣＶＤ工程で成膜される。反強磁性層４は、成膜後、アニール処理されることにより規則化し、強磁性層３と交換結合して、強磁性層３に交換結合磁界Ｈｅｘが発生する。
　図８には、Ｘ１Ｃｒ層４１ＡとＸ２Ｍｎ層４１Ｂとが三層以上積層された交互積層構造の一態様として、Ｘ１Ｃｒ層４１Ａ／Ｘ２Ｍｎ層４１Ｂ／Ｘ１Ｃｒ層４１Ａの三層構造であってＸ１Ｃｒ層４１Ａが強磁性層３に接する反強磁性層４１を示した。しかし、Ｘ１Ｃｒ層４１ＡとＸ２Ｍｎ層４１Ｂとを入れ替えた、Ｘ２Ｍｎ層４１Ｂ／Ｘ１Ｃｒ層４１Ａ／Ｘ２Ｍｎ層４１Ｂの三層構造としてもよい。この三層構造の場合、Ｘ２Ｍｎ層４１Ｂが強磁性層３に接する。反強磁性層４１に係る層数が４以上である場合の形態については、後述する。
　Ｘ１Ｃｒ層４１Ａが強磁性層３に最近位である場合には、保護層５側のＸ１Ｃｒ層４１Ａの膜厚Ｄ１を、強磁性層３に接するＸ１Ｃｒ層４１Ａの膜厚Ｄ３よりも大きくすることが、交換結合磁界Ｈｅｘを高くする観点から好ましい。また、反強磁性層４１のＸ１Ｃｒ層４１Ａの膜厚Ｄ１は、Ｘ２Ｍｎ層４１Ｂの膜厚Ｄ２よりも大きいことが好ましい。膜厚Ｄ１と膜厚Ｄ２の比（Ｄ１：Ｄ２）は、５：１～１００：１がより好ましく、１０：１～５０：１がさらに好ましい。膜厚Ｄ１と膜厚Ｄ３の比（Ｄ１：Ｄ３）は、５：１～１００：１がより好ましく、１０：１～５０：１がさらに好ましい。
　なお、Ｘ２Ｍｎ層４１Ｂが強磁性層３に最近位であるＸ２Ｍｎ層４１Ｂ／Ｘ１Ｃｒ層４１Ａ／Ｘ２Ｍｎ層４１Ｂの三層構造の場合には、強磁性層３に最近位なＸ２Ｍｎ層４１Ｂの膜厚Ｄ３と保護層５側のＸ２Ｍｎ層４１Ｂの膜厚Ｄ１とを等しくしてもよい。
　交換結合磁界Ｈｅｘを高くする観点から、Ｘ１Ｃｒ層４１ＡのＸ１はＰｔが好ましく、Ｘ２Ｍｎ層４１ＢのＸ２は、ＰｔまたはＩｒが好ましく、Ｐｔがより好ましい。Ｘ１Ｃｒ層４１ＡをＰｔＣｒ層とする場合には、ＰｔＸＣｒ１００ａｔ％－Ｘ（Ｘは４５ａｔ％以上６２ａｔ％以下）であることが好ましく、Ｘ１ ＸＣｒ１００ａｔ％－Ｘ（Ｘは５０ａｔ％以上５７ａｔ％以下）であることがより好ましい。同様の観点から、Ｘ２Ｍｎ層４１Ｂは、ＰｔＭｎ層が好ましい。
　図９に本発明の第２の実施形態の変形例に係る磁気検出素子１１２の膜構成を示す説明図が示されている。本例では、図８に示す磁気検出素子１１１と機能が等しい層に同じ符号を付して、説明を省略する。磁気検出素子１１２においては、強磁性層３と反強磁性層４２とが交換結合膜１０１Ａを構成する。
　図９に示す磁気検出素子１１２が図８の磁気検出素子１１１と相違している点は、反強磁性層４２に係る層数が４以上であり、Ｘ１Ｃｒ層４１ＡとＸ２Ｍｎ層４１Ｂ（図８参照）とからなるユニットが複数積層されたユニット積層部を有する点である。図９では、Ｘ１Ｃｒ層４１Ａ１とＸ２Ｍｎ層４１Ｂ１とからなるユニット積層部Ｕ１からＸ１Ｃｒ層４１ＡｎとＸ２Ｍｎ層４１Ｂｎとからなるユニット４Ｕｎまで、ｎ層積層されたユニット積層部４Ｕ１～４Ｕｎを有している（ｎは２以上の整数）。
　ユニット積層部４Ｕ１～４Ｕｎにおける、Ｘ１Ｃｒ層４Ａ１、・・・Ｘ１Ｃｒ層４１Ａｎは、それぞれ同じ膜厚Ｄ１であり、Ｘ２Ｍｎ層４Ｂ１、・・・Ｘ２Ｍｎ層４１Ｂｎも、それぞれ同じ膜厚Ｄ２である。同じ構成のユニット積層部４Ｕ１～４Ｕｎを積層し、得られた積層体をアニール処理することにより、交換結合膜１０１Ａの強磁性層３に高い交換結合磁界Ｈｅｘを発生させるとともに、反強磁性層４２の高温安定性を高めることが実現される。
　なお、図９の反強磁性層４２は、ユニット積層部４１Ｕ１～４１ＵｎとＸ１Ｃｒ層４１Ａとからなり、Ｘ１Ｃｒ層４１Ａが強磁性層３に接しているが、ユニット積層部４１Ｕ１～４１Ｕｎのみからなるものであってもよい。ユニット積層部４１Ｕ１～４１Ｕｎのみからなる積層体から形成された反強磁性層４２は、Ｘ２Ｍｎ層４１Ｂｎが強磁性層３に接する。
　ユニット積層部４１Ｕ１～４１Ｕｎの積層数は、反強磁性層４２、膜厚Ｄ１および膜厚Ｄ２の大きさに応じて、設定することができる。例えば、膜厚Ｄ１が５～１５Å、膜厚Ｄ１が３０～４０Åの場合、高温環境における交換結合磁界Ｈｅｘを高くするために、積層数は、３～１５が好ましく、５～１２がより好ましい。
＜第１の実施形態に係る磁気センサ＞
　続いて、第１の実施形態に係る磁気センサについて説明する。図１０に、図２に示す磁気検出素子１１を組み合わせた磁気センサ（磁気検出装置）３０が示されている。図１０では、感度軸方向Ｓ（図１０では黒矢印にて示されている。）が異なる磁気検出素子１１を、それぞれ１１Ｘａ，１１Ｘｂ，１１Ｙａ，１１Ｙｂの異なる符号を付して区別している。磁気センサ３０では、複数の磁気検出素子１１Ｘａ，１１Ｘｂ，１１Ｙａ，１１Ｙｂが同一基板上に設けられている。
　図１０に示す磁気センサ３０は、フルブリッジ回路３２Ｘおよびフルブリッジ回路３２Ｙを有している。フルブリッジ回路３２Ｘは、２つの磁気検出素子１１Ｘａと２つの磁気検出素子１１Ｘｂとを備えており、フルブリッジ回路３２Ｙは、２つの磁気検出素子１１Ｙａと２つの磁気検出素子１１Ｙｂとを備えている。磁気検出素子１１Ｘａ，１１Ｘｂ，１１Ｙａ，１１Ｙｂはいずれも、図２に示した磁気検出素子１１であって磁界印加バイアス膜１２を備えている。これらを特に区別しない場合、以下適宜、磁気検出素子１１と記す。
　フルブリッジ回路３２Ｘとフルブリッジ回路３２Ｙとは、検出磁場方向を異ならせるために、図１０中に黒矢印で示した感度軸方向Ｓが異なる磁気検出素子１１を用いたものであって、磁場を検出する機構は同じである。そこで、以下では、フルブリッジ回路３２Ｘを用いて磁場を検出する機構を説明する。
　図１０では白抜き矢印にて示されるように、磁気検出素子１１Ｘａ，１１Ｘｂはバイアス印加方向ＢがいずれもＢＹａ－ＢＹｂ方向ＢＹａ側を向いている。これは、磁気検出素子１１Ｘａ，１１Ｘｂが次のように構成されているためである。すなわち、磁気検出素子１１Ｘａ，１１Ｘｂのそれぞれが備える２つの磁界印加バイアス膜１２Ａ，１２Ｂの強磁性層３は、いずれもＢＹａ－ＢＹｂ方向ＢＹａ側の向きに交換結合磁界の方向（Ｈｅｘ方向）が設定され、磁気検出素子１１Ｘａ，１１Ｘｂのそれぞれについて、磁界印加バイアス膜１２Ａ，磁気検出部１３および磁界印加バイアス膜１２ＢがＢＹａ－ＢＹｂ方向に並ぶように配置されている。一方、磁気検出素子１１Ｙａ，１１Ｙｂはバイアス印加方向ＢがいずれもＢＸａ－ＢＸｂ方向ＢＸａ側を向いている。これは、磁気検出素子１１Ｙａ，１１Ｙｂが次のように構成されているためである。すなわち、磁気検出素子１１Ｙａ，１１Ｙｂのそれぞれが備える２つの磁界印加バイアス膜１２Ａ，１２Ｂの強磁性層３は、いずれもＢＸａ－ＢＸｂ方向ＢＸａ側の向きに、交換結合磁界の方向（Ｈｅｘ方向）が設定され、磁気検出素子１１Ｙａ，１１Ｙｂのそれぞれについて、磁界印加バイアス膜１２Ａ，磁気検出部１３および磁界印加バイアス膜１２ＢがＢＸａ－ＢＸｂ方向に並ぶように配置されている。
　フルブリッジ回路３２Ｘは、第１の直列部３２Ｘａと第２の直列部３２Ｘｂが並列に接続されて構成されている。第１の直列部３２Ｘａは、磁気検出素子１１Ｘａと磁気検出素子１１Ｘｂとが直列に接続されて構成され、第２の直列部３２Ｘｂは、磁気検出素子１１Ｘｂと磁気検出素子１１Ｘａとが直列に接続されて構成されている。
　第１の直列部３２Ｘａを構成する磁気検出素子１１Ｘａと、第２の直列部３２Ｘｂを構成する磁気検出素子１１Ｘｂに共通の電源端子３３に、電源電圧Ｖｄｄが与えられる。第１の直列部３２Ｘａを構成する磁気検出素子１１Ｘｂと、第２の直列部３２Ｘｂを構成する磁気検出素子１１Ｘａに共通の接地端子３４が接地電位ＧＮＤに設定されている。
　フルブリッジ回路３２Ｘを構成する第１の直列部３２Ｘａの中点３５Ｘａの出力電位（ＯｕｔＸ１）と、第２の直列部３２Ｘｂの中点３５Ｘｂの出力電位（ＯｕｔＸ２）との差動出力（ＯｕｔＸ１）－（ＯｕｔＸ２）がＸ方向の検知出力（検知出力電圧）ＶＸｓとして得られる。
　フルブリッジ回路３２Ｙも、フルブリッジ回路３２Ｘと同様に作用することで、第１の直列部３２Ｙａの中点３５Ｙａの出力電位（ＯｕｔＹ１）と、第２の直列部３２Ｙｂの中点３５Ｙｂの出力電位（ＯｕｔＹ２）との差動出力（ＯｕｔＹ１）―（ＯｕｔＹ２）がＹ方向の検知出力（検知出力電圧）ＶＹｓとして得られる。
　図１０に黒矢印で示すように、フルブリッジ回路３２Ｘを構成する磁気検出素子１１Ｘａおよび磁気検出素子１１Ｘｂの感度軸方向Ｓと、フルブリッジ回路３２Ｙを構成する磁気検出素子１１Ｙａおよび各磁気検出素子１１Ｙｂの感度軸方向Ｓとは互いに直交している。
　図１０に示す磁気センサ３０では、磁気検出素子１１のフリー磁性層は、外部磁場Ｈが印加されていない状態では、バイアス印加方向Ｂに沿った方向に磁化された状態にある。外部磁場Ｈが印加されると、それぞれの磁気検出素子１１のフリー磁性層の磁化の向きが外部磁場Ｈの方向に倣うように変化する。このとき、強磁性層３の固定磁化方向（感度軸方向Ｓ）と、フリー磁性層の磁化方向との、ベクトルの関係で抵抗値が変化する。
　例えば、外部磁場Ｈが図１０に示す方向に作用したとすると、フルブリッジ回路３２Ｘを構成する磁気検出素子１１Ｘａでは感度軸方向Ｓと外部磁場Ｈの方向が一致するため電気抵抗値は小さくなり、一方、磁気検出素子１１Ｘｂでは感度軸方向と外部磁場Ｈの方向が反対向きであるため電気抵抗値は大きくなる。この電気抵抗値の変化により、検知出力電圧ＶＸｓ＝（ＯｕｔＸ１）－（ＯｕｔＸ２）が極大となる。外部磁場Ｈが紙面に対して右向き（ＢＸａ－ＢＸｂ方向ＢＸｂ側の向き）に変化するにしたがって、検知出力電圧ＶＸｓが低くなっていく。そして、外部磁場Ｈが図１０の紙面に対して上向き（ＢＹａ－ＢＹｂ方向ＢＹａ側の向き）または下向き（ＢＹａ－ＢＹｂ方向ＢＹｂ側の向き）になると、検知出力電圧ＶＸｓがゼロになる。
　一方、フルブリッジ回路３２Ｙでは、外部磁場Ｈが図１０に示すように紙面に対して左向き（ＢＸａ－ＢＸｂ方向ＢＸａ側の向き）のときは、全ての磁気検出素子１１で、フリー磁性層の磁化の向き（バイアス印加方向Ｂに倣った向きとなっている）が、感度軸方向Ｓ（固定磁化方向）に対して直交するため、磁気検出素子１１Ｙａおよび磁気検出素子１１Ｘｂの電気抵抗値は同じである。したがって、検知出力電圧ＶＹｓはゼロである。図１０において外部磁場Ｈが紙面に対して下向き（ＢＹａ－ＢＹｂ方向ＢＹｂ側の向き）に作用すると、フルブリッジ回路３２Ｙの検知出力電圧ＶＹｓ＝（ＯｕｔＹ１）―（ＯｕｔＹ２）が極大となり、外部磁場Ｈが紙面に対して上向き（ＢＹａ－ＢＹｂ方向ＢＹａ側の向き）に変化するにしたがって、検知出力電圧ＶＹｓが低くなっていく。
　このように、外部磁場Ｈの方向が変化すると、それに伴いフルブリッジ回路３２Ｘおよびフルブリッジ回路３２Ｙの検知出力電圧ＶＸｓおよびＶＹｓも変動する。したがって、フルブリッジ回路３２Ｘおよびフルブリッジ回路３２Ｙから得られる検知出力電圧ＶＸｓおよびＶＹｓに基づいて、検知対象の移動方向や移動量（相対位置）を検知することができる。
　図１０には、Ｘ方向と、Ｘ方向に直交するＹ方向の磁場を検出可能に構成された磁気センサ３０を示した。しかし、Ｘ方向またはＹ方向の磁場のみを検出するフルブリッジ回路３２Ｘまたはフルブリッジ回路３２Ｙのみを備えた構成としてもよい。
　図１１に、磁気検出素子１１Ｘａと磁気検出素子１１Ｘｂの平面構造が示されている。図１０と図１１は、ＢＸａ－ＢＸｂ方向がＸ方向である。図１１（Ａ）（Ｂ）に、磁気検出素子１１Ｘａ，１１Ｘｂの固定磁化方向Ｐが矢印で示されている。磁気検出素子１１Ｘａと磁気検出素子１１Ｘｂでは、固定磁化方向ＰがＸ方向であり、互いに逆向きである。この固定磁化方向Ｐは感度軸方向Ｓに等しい向きである。
　図１１に示すように、磁気検出素子１１Ｘａおよび磁気検出素子１１Ｘｂの磁気検出部１３は、ストライプ形状の素子部１０２を有している。各素子部１０２は複数の金属層（合金層）が積層されて巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）膜が構成されている。素子部１０２の長手方向がＢＹａ－ＢＹｂ方向に向けられている。素子部１０２は複数本が平行に配置されており、隣り合う素子部１０２の図示右端部（ＢＹａ－ＢＹｂ方向ＢＹａ側の端部）が導電部１０３ａを介して接続され、隣り合う素子部１０２の図示左端部（ＢＹａ－ＢＹｂ方向ＢＹａ側の端部）が導電部１０３ｂを介して接続されている。素子部１０２の図示右端部（ＢＹａ－ＢＹｂ方向ＢＹａ側の端部）と図示左端部（ＢＹａ－ＢＹｂ方向ＢＹａ側の端部）では、導電部１０３ａ，１０３ｂが互い違いに接続されており、素子部１０２はいわゆるミアンダ形状に連結されている。磁気検出素子１１Ｘａ，１１Ｘｂの、図示右下部の導電部１０３ａは接続端子１０４ａと一体化され、図示左上部の導電部１０３ｂは接続端子１０４ｂと一体化されている。
　なお、図１０および図１１に示す磁気センサ３０では、磁気検出部１３を構成する磁気抵抗効果膜をトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）膜に置き換えることが可能である。
＜第２の実施形態に係る磁気センサ＞
　図１２は、本発明の第２の実施形態に係る磁気センサの構成を概念的に示す説明図である。本実施形態では、図１０に示す磁気センサ３０と機能が同じ層に同じ符号を付して、説明を省略する。
　図１２に示される磁気センサ３１は、感度軸方向Ｓおよびバイアス印加方向Ｂが図９に示される磁気センサ３０と異なる。磁気センサ３１では、磁気検出素子１１Ｘａおよび磁気検出素子１１Ｘｂの感度軸方向ＳはいずれもＢＸａ－ＢＸｂ方向ＢＸａ側を向いている。磁気検出素子１１Ｘａのバイアス印加方向ＢはＢＸａ－ＢＸｂ方向ＢＸａ側の向きからＢＹａ－ＢＹｂ方向ＢＹａ側に傾いた向きとなっている。一方、磁気検出素子１１Ｘｂのバイアス印加方向ＢはＢＸａ－ＢＸｂ方向ＢＸａ側の向きからＢＹａ－ＢＹｂ方向ＢＹｂ側に傾いた向きとなっている。これらのバイアス印加方向Ｂは、図６や図７に示される方法により実現されている。
　同様に、磁気検出素子１１Ｙａおよび磁気検出素子１１Ｙｂの感度軸方向ＳはいずれもＢＹａ－ＢＹｂ方向ＢＹａ側を向いているが、磁気検出素子１１Ｙａのバイアス印加方向Ｂと磁気検出素子１１Ｙｂのバイアス印加方向Ｂとは、図６や図７に示される方法により、異なった向きに設定されている。
　このように、磁気検出素子１１Ｘａおよび磁気検出素子１１Ｘｂの感度軸方向Ｓを揃え、磁気検出素子１１Ｙａおよび磁気検出素子１１Ｙｂの感度軸方向Ｓを揃えることにより、磁気センサ３１を製造する際の磁場中製膜の回数が少なくなるため、磁気センサ３１のオフセット特性を高めやすくなる。
　以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。例えば、上記の交換結合膜では、ＰｔＭｎ層４Ａが強磁性層３に接している、すなわち、積層された強磁性層３の上に直接的にＰｔＭｎ層４Ａが積層されているが、ＰｔＭｎ層４Ａと強磁性層３との間にＭｎを含有する他の層（Ｍｎ層およびＩｒＭｎ層が例示される。）が積層されてもよい。また、上記の実施形態では、反強磁性層４，４１，４２よりも強磁性層３が下地層１に近位に位置するように積層されているが、強磁性層３よりも反強磁性層４，４１，４２が下地層１に近位に位置するように積層されてもよい（実施例１参照）。
　以下、実施例等により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明の範囲はこれらの実施例等に限定されるものではない。
（実施例１）
　以下の膜構成を備えた磁界印加バイアス膜１２Ａを製造した。以下の実施例および比較例では（）内の数値は膜厚（Å）を示す。磁界印加バイアス膜１２Ａを４００℃で５時間アニール処理し、強磁性層３と反強磁性層４との間に交換結合を生じさせた。
　基板／下地層１：ＮｉＦｅＣｒ（４２）／反強磁性層４：［ＰｔＣｒ層４Ｂ：Ｐｔ５０ａｔ％Ｃｒ５０ａｔ％（２８０）／ＰｔＭｎ層４Ａ：Ｐｔ５０ａｔ％Ｍｎ５０ａｔ％（２０）］／強磁性層３：Ｃｏ９０ａｔ％Ｆｅ１０ａｔ％（１００）／保護層６：Ｔａ（９０）
（比較例１）
　実施例１における膜において、反強磁性層４が厚さ８０ÅのＩｒＭｎ層：Ｉｒ２０ａｔ％Ｍｎ８０ａｔ％からなるものを製造し、３００℃で１時間アニール処理し、強磁性層３と反強磁性層４との間に交換結合を生じさせた。
（比較例２）
　実施例１における膜において、反強磁性層４が厚さ３００ÅのＰｔＭｎ層：Ｐｔ５０ａｔ％Ｍｎ５０ａｔ％からなるものを製造し、３００℃で４時間アニール処理し、強磁性層３と反強磁性層４との間に交換結合を生じさせた。
　ＶＳＭ（振動試料型磁力計）を用いて、実施例１ならびに比較例１および比較例２に係る磁界印加バイアス膜１２Ａの磁化曲線を、環境温度を変化させながら測定し、得られたヒステリシスループから、各温度の交換結合磁界Ｈｅｘ（単位：Ｏｅ）を求めた。各温度の交換結合磁界Ｈｅｘを室温での交換結合磁界Ｈｅｘで規格化した値（室温規格化の交換結合磁界）と測定温度（単位：℃）との関係を示すグラフを図１３に示す。
　図１３に示されるように、交換結合磁界Ｈｅｘは環境温度が高くなるほど低下する傾向を示すが、実施例１の磁界印加バイアス膜１２Ａでは、交換結合磁界Ｈｅｘの低下傾向が鈍く、結果、ブロッキング温度Ｔｂは５００℃程度であった。これに対し、比較例１に係る磁界印加バイアス膜１２Ａでは交換結合磁界Ｈｅｘが低下しやすく、ブロッキング温度Ｔｂは３００℃程度であり、比較例２に係る磁界印加バイアス膜１２Ａのブロッキング温度Ｔｂは４００℃程度であった。
Ｈｅｘ　交換結合磁界
Ｈｃ　保磁力
１１，１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｘａ，１１Ｘｂ，１１Ｙａ，１１Ｙｂ，１１１，１１２　磁気検出素子
１２Ａ，１２Ｂ，１２１Ａ，１２１Ｂ，１２２Ａ，１２２Ｂ　磁界印加バイアス膜
１３　磁気検出部
１　下地層
３　強磁性層
４，４１，４２　反強磁性層
４Ａ　ＰｔＭｎ層
４Ｂ　ＰｔＣｒ層
４１Ａ，４１Ａ１，４１Ａｎ　Ｘ１Ｃｒ層
４１Ｂ，４１Ｂ１，４１Ｂｎ　Ｘ２Ｍｎ層
４Ｕ１，４Ｕｎ　ユニット積層部
５　保護層
１０，１０１，１０１Ａ　交換結合膜
Ｒ１　第１領域
Ｒ２　第２領域
Ｄ１，Ｄ３　Ｘ１Ｃｒ層４１Ａの膜厚
Ｄ２　Ｘ２Ｍｎ層４１Ｂの膜厚
３０，３１　磁気センサ（磁気検出装置）
３２Ｘ，３２Ｙ　フルブリッジ回路
３３　電源端子
Ｖｄｄ　電源電圧
３４　接地端子
ＧＮＤ　接地電位
３２Ｘａ　フルブリッジ回路３２Ｘの第１の直列部
３５Ｘａ　第１の直列部３２Ｘａの中点
ＯｕｔＸ１　第１の直列部３２Ｘａの中点３５Ｘａの出力電位
３２Ｘｂ　フルブリッジ回路３２Ｘの第２の直列部
３５Ｘｂ　第２の直列部３２Ｘｂの中点
ＯｕｔＸ２　第２の直列部３２Ｘｂの中点３５Ｘｂの出力電位
ＶＸｓ　Ｘ方向の検知出力（検知出力電圧）
３２Ｙａ　フルブリッジ回路３２Ｙの第１の直列部
３５Ｙａ　第１の直列部３２Ｙａの中点
ＯｕｔＹ１　第１の直列部３２Ｙａの中点３５Ｙａの出力電位
３２Ｙｂ　フルブリッジ回路３２Ｙ第２の直列部
３５Ｙｂ　第２の直列部３２Ｙｂの中点
ＯｕｔＹ２　第２の直列部３２Ｙｂの中点３５Ｙｂの出力電位
ＶＹｓ　Ｙ方向の検知出力（検知出力電圧）
Ｈ　外部磁場
Ｓ　感度軸方向
Ｂ　バイアス印加方向
１０２　素子部
１０３ａ，１０３ｂ　導電部
１０４ａ，１０４ｂ　接続端子

Claims (15)

  1. 　強磁性層と前記強磁性層に積層された反強磁性層とを有する交換結合膜を備えた磁界印加バイアス膜であって、
    　前記反強磁性層は、白金族元素およびＮｉからなる群から選ばれる一種または二種以上の元素ＸならびにＭｎおよびＣｒを含有するＸ（Ｃｒ－Ｍｎ）層を備え、
    　前記Ｘ（Ｃｒ－Ｍｎ）層は、前記強磁性層に相対的に近位な第１領域と、前記強磁性層から相対的に遠位な第２領域とを有し、
    　前記第１領域におけるＭｎの含有量は、前記第２領域におけるＭｎの含有量よりも高いこと
    を特徴とする磁界印加バイアス膜。
  2. 　前記第１領域が前記強磁性層に接している、請求項１に記載の磁界印加バイアス膜。
  3. 　前記第１領域は、Ｍｎの含有量のＣｒの含有量に対する比であるＭｎ／Ｃｒ比が０．３以上の部分を有する、請求項１または請求項２に記載の磁界印加バイアス膜。
  4. 　前記第１領域は、前記Ｍｎ／Ｃｒ比が１以上である部分を有する、請求項３に記載の磁界印加バイアス膜。
  5. 　前記反強磁性層は、ＰｔＣｒ層と、前記ＰｔＣｒ層よりも前記強磁性層に近位なＸ０Ｍｎ層（ただし、Ｘ０は白金族元素およびＮｉからなる群から選ばれる一種または二種以上の元素）とが積層されてなる、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の磁界印加バイアス膜。
  6. 　前記反強磁性層は、ＰｔＣｒ層とＰｔＭｎ層とがこの順番で前記ＰｔＭｎ層が前記強磁性層に近位になるように積層されてなる、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の磁界印加バイアス膜。
  7. 　前記ＰｔＭｎ層よりも前記強磁性層に近位にさらにＩｒＭｎ層が積層された、請求項６に記載の磁界印加バイアス膜。
  8. 　強磁性層と前記強磁性層に積層された反強磁性層とを有する交換結合膜を備えた磁界印加バイアス膜であって、
    　前記反強磁性層は、Ｘ１Ｃｒ層（ただし、Ｘ１は白金族元素およびＮｉからなる群から選ばれる一種または二種以上の元素）とＸ２Ｍｎ層（ただし、Ｘ２は白金族元素およびＮｉからなる群から選ばれる一種または二種以上の元素であって、Ｘ１と同じでも異なっていてもよい）とが交互に積層された三層以上の交互積層構造を有することを特徴とする磁界印加バイアス膜。
  9. 　前記Ｘ１がＰｔであり、前記Ｘ２がＰｔまたはＩｒである、請求項８に記載の磁界印加バイアス膜。
  10. 　前記反強磁性層は、Ｘ１Ｃｒ層とＸ２Ｍｎ層とからなるユニットが複数積層されたユニット積層部を有する、請求項９または請求項１０に記載の磁界印加バイアス膜。
  11. 　前記ユニット積層部における、前記Ｘ１Ｃｒ層および前記Ｘ２Ｍｎ層は、それぞれ同じ膜厚であり、前記Ｘ１Ｃｒ層の膜厚が、前記Ｘ２Ｍｎ層の膜厚よりも大きい、請求項１０に記載の磁界印加バイアス膜。
  12. 　前記Ｘ１Ｃｒ層の膜厚と前記Ｘ２Ｍｎ層の膜厚との比が、５：１～１００：１である、請求項１１に記載の磁界印加バイアス膜。
  13. 　固定磁性層およびフリー磁性層を含む磁気抵抗効果膜を有する磁気検出部と、請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の磁界印加バイアス膜とを備える磁気検出素子であって、
    　前記磁界印加バイアス膜は、前記フリー磁性層に外部磁場が印加されていない状態での前記フリー磁性層の磁化の向きを揃えるように、前記磁気検出部の周囲に配置される、磁気検出素子。
  14. 　請求項１３に記載の磁気検出素子を備えていることを特徴とする磁気検出装置。
  15. 　同一基板上に請求項１３に記載の磁気検出素子を複数備えており、
    　複数の前記磁気検出素子には、前記固定磁性層の固定磁化方向が異なるものが含まれる請求項１４に記載の磁気検出装置。
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