WO2024034206A1

WO2024034206A1 - 磁気接合体、ｔｍｒ素子、ｔｍｒ素子アレイ、磁気センサ、リニアエンコーダ用磁気センサ及び磁気式ロータリーエンコーダ

Info

Publication number: WO2024034206A1
Application number: PCT/JP2023/017513
Authority: WO
Inventors: 友也中谷; 仁志岩崎
Original assignee: 国立研究開発法人物質・材料研究機構
Priority date: 2022-08-09
Filing date: 2023-05-10
Publication date: 2024-02-15

Abstract

この磁気接合体は、第１の自由層（１１）と、トンネル障壁層（１２）と、第２の自由層（１３）とを備える。トンネル障壁層（１２）は第１の自由層（１１）と第２の自由層（１３）とに挟まれる。第１及び第２の自由層（１１、１３）は強磁性の金属を含む。検出対象磁界は、第１及び第２の自由層（１１、１３）の磁化困難軸方向に印加される成分を有するように構成されている。第１及び第２の自由層（１１、１３）の磁化は、無磁界下で互いに反平行な配列で安定化し、第１及び第２の自由層（１１、１３）の困難軸方向に印加される外部磁界の強度が飽和磁場に到達した状態では、第１及び第２の自由層（１１、１３）の磁化が互いに平行な配列で安定化する。

Description

磁気接合体、ＴＭＲ素子、ＴＭＲ素子アレイ、磁気センサ、リニアエンコーダ用磁気センサ及び磁気式ロータリーエンコーダ

　本開示は、磁気接合体、ＴＭＲ素子、ＴＭＲ素子アレイ、磁気センサ、リニアエンコーダ用磁気センサ及び磁気式ロータリーエンコーダに関する。本願は、２０２２年８月９日に、日本に出願された特願２０２２－１２７０２９に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

　人工格子型巨大磁気抵抗素子を用いた位置および回転検出装置が提案されている（特許文献１参照）。図１６Ａは、人工格子型巨大磁気抵抗素子の一例である。図１６Ａに示す人工格子型巨大磁気抵抗素子は、電極１６０、下地層１６１、強磁性層１６２、非磁性層１６３、強磁性層１６４、非磁性層１６５、繰り返し積層体１６６、強磁性層１６７が順に積層された積層構造を有する。図１６Ａにおいて、強磁性層１６２、１６４、１６７の磁化方向を矢印で図示する。繰り返し積層体１６６は、強磁性層と非磁性層とが繰り返し積層されたものである。
　このような積層構造体において、強磁性層１６２と強磁性層１６４との間にはたらく反平行磁気結合を利用することで、外部磁界が印加されていない状態では隣接する強磁性自由層の磁化は反平行に配列する。人工格子型巨大磁気抵抗素子に検出対称の磁界が加わると、強磁性自由層の磁化が回転して積層構造体の抵抗が変化する。この現象は、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）効果を用いたものであり、この効果を利用して磁界をセンシングする。この素子は、図１６Ｂに示すように、素子に印加される外部磁界の印加方向の正負に対して対称な抵抗変化（以下では、偶関数型抵抗磁界（Ｒ－Ｈ）特性と呼ぶ）を示す。この素子は、当該特性を示すことで、後述の奇関数型Ｒ－Ｈ特性をもつセンサに比べ高精度な位置および回転の検出が可能であり、エンコーダに利用されている。

　しかしながら、ＧＭＲセンサの場合、そのセンサの出力値に相当する抵抗変化率は高々５０％程度である。より高精度な位置および回転検出の実現には、１５０％～２００％程度の抵抗変化率を示すトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）センサの適用が望まれる。ここで、抵抗変化率は（Ｒ_ｍａｘ－Ｒ_ｍｉｎ）／Ｒ_ｍｉｎで定義され、Ｒ_ｍａｘおよびＲ_ｍｉｎはそれぞれＧＭＲまたはＴＭＲ素子の最大抵抗および最小抵抗の値である。これに対し、ＴＭＲセンサは、トンネル障壁層を挟んだ２枚の強磁性層（自由層）の間に反平行磁気結合がはたらかない。そのため、ＴＭＲセンサにおける強磁性層の磁化を反平行配列させるためには、以下に示すソフトピン型のような工夫が必要である。

　磁気ヘッドなどで実用化されている通常のスピンバルブ型ＴＭＲセンサは、図１７に示すように、反強磁性層１７０、固定層１７１、トンネル障壁層１７２、第１の自由層１７３の多層構造を有する。図１７の（Ａ）は、外部磁場が正方向に飽和した状態の固定層１７１と第１の自由層１７３の磁化方向を示す図である。図１７の（Ｂ）は、外部磁場がゼロである状態の固定層１７１と第１の自由層１７３の磁化方向を示す図である。図１７の（Ｃ）は、外部磁場が負方向に飽和した状態の固定層１７１と第１の自由層１７３の磁化方向を示す図である。
　固定層１７１の磁化は、隣接する反強磁性層１７０との交換バイアスによって固定されている。第１の自由層１７３の磁化は、外部磁場が印加されていない状態において、固定層１７１の磁化と直交する方向で安定化している（非特許文献１、２参照）。第１の自由層１７３の磁化の方向は、永久磁石によるバイアス磁界または磁界中熱処理による誘導磁気異方性によって決定できる。しかしながら、スピンバルブ型ＴＭＲセンサは、正の磁界で素子抵抗が増大する場合、負の磁界では素子抵抗が減少し、線形応答に近いＲ－Ｈ特性を示す。なお、正の磁界で素子抵抗が減少する場合は、負の磁界で素子抵抗が増加する線形応答に近いＲ－Ｈ特性を示す。この線形応答性が劣化すると、センサの位置検出精度が劣化するという課題がある。

　また、図１８は、シングルソフトピン型ＴＭＲセンサ（非特許文献３、４参照）の例を示す図である。シングルソフトピン型ＴＭＲセンサは、固定層１８１、トンネル障壁層１８２、自由層１８３が積層された層構造を有する。図１８の（Ａ）は、自由層１８３の異方性磁界に対して十分大きな外部磁界を正方向に印加し、自由層１８３の磁化が正方向に飽和した状態における固定層１８１と自由層１８３の磁化方向を示す図である。図１８の（Ｂ）は、外部磁場がゼロである状態における固定層１８１と自由層１８３の磁化方向を示す図である。図１８の（Ｃ）は、自由層１８３の磁化が負方向に飽和した状態における固定層１８１と自由層１８３の磁化方向を示す図である。
　シングルソフトピン型ＴＭＲセンサは、自由層１８３の磁化が固定層１８１の磁化と逆方向に安定化（ソフトピン）されており、偶関数型Ｒ－Ｈ特性を示す。しかしながら、素子のＲ_ｍｉｎは自由層１８３の磁化と固定層１８１の磁化が直交配列の状態での抵抗であるため、スピンバルブ型と比べて抵抗変化率が小さく、１１０％程度である。シングルソフトピン型ＴＭＲセンサは、検出対象の磁界の方向が本来の方向である自由層の磁化困難軸方向からずれると、元来、厳密に検出磁界の正負に対し対称であった素子の偶関数型Ｒ－Ｈ特性が非対称になる。そのため、このセンサは、センサの実装時に高い位置合わせ精度が求められる点が問題である。

　また、図１９は、絶縁体マトリックスに強磁性ナノ粒子が分散したグラニュラーＴＭＲ素子の磁気抵抗特性を示す図である。グラニュラーＴＭＲ素子は、素子に印加される検出磁界の正負に対して厳密に対称な偶関数型Ｒ－Ｈ特性が得られる。しかしながら、グラニュラーＴＭＲ素子は、その抵抗変化率が１０％程度と小さく、高感度な磁気センサには不向きである。（非特許文献５参照）

特開２０２１－７１３３４号ＵＳ　２０１７／０１５４６４３　Ａ１

Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　９２，　４７２２　（２００２）Ｊ．　Ａｐｐｌ．　Ｐｈｙｓ．　１１１，　０７Ｃ７１０　（２０１２）日本磁気学会第４５回学術講演会　０１ａＢ－１１日本金属学会誌　第７５巻（２０１１）４１９－４２３日本金属学会誌　第７６巻（２０１２）３７５－３７９

　上記をまとめると、背景技術の欠点および問題点は以下のとおりである。
　人工格子型ＧＭＲ素子は、抵抗変化率が最大でも５０％と小さく、高感度の実現に問題がある。
　スピンバルブ型ＴＭＲ素子は、奇関数型Ｒ－Ｈ特性のため、高精度な位置検出には高精度な線形応答性の実現が課題である。
　シングルソフトピン型ＴＭＲ素子は、抵抗変化率が１１０％程度と、スピンバルブ型（１５０％～２００％程度）より小さい。さらに、シングルソフトピン型ＴＭＲ素子は、検出磁界の方向がずれると、Ｒ－Ｈ特性が非対称になり、位置検出精度が劣化する。
　グラニュラーＴＭＲ素子は、抵抗変化率が１０％程度と小さい。

　本開示はこのような課題を解決するもので、抵抗変化率が大きく、検出磁界の方向のずれによりＲ－Ｈ特性が非対称になりにくい、磁気接合体、ＴＭＲ素子、磁気センサ、ＴＭＲ素子アレイ、磁気センサ、リニアエンコーダ用磁気センサ及び磁気式ロータリーエンコーダを提供することを目的とする。

［１］第１の態様にかかる磁気接合体は、磁化容易軸と前記磁化容易軸と直交する磁化困難軸を有する第１の自由層１１と、トンネル障壁層１２と、磁化容易軸と前記磁化容易軸と直交する磁化困難軸を有する第２の自由層１３とを備える。トンネル障壁層１２は、第１の自由層１１と第２の自由層１３とに挟まれる。第１の自由層１１及び第２の自由層１３は、強磁性の金属を含む。検出対象磁界は、前記第１の自由層及び前記第２の自由層の磁化困難軸方向に印加される成分を有するように構成されている。第１の自由層１１の磁化と第２の自由層１３の磁化とは、外部磁界が印加されていない状態で互いに反平行な配列で安定化する。また第１の自由層１１の磁化と第２の自由層１３の磁化とは、第１の自由層１１及び第２の自由層１３の磁化困難軸方向に印加される外部磁界の強度が、飽和磁界に到達した状態で、互いに平行な配列になる。ここで、反平行な配列は、第１の自由層の磁化と第２の自由層の磁化のなす角度が最大で（１８０度）、素子の抵抗が最大となる磁化配列状態と意味する。外部磁界が増大にすると第１の自由層の磁化と第２の自由層の磁化のなす角度が小さくなり、第１の自由層と第２の自由層の磁化が同じ方向、すなわち平行な配列になる。この際、素子の抵抗は最小となる。

［２］上記態様に係る磁気接合体は第１の自由層１１及び第２の自由層１３の磁化困難軸方向に印加される前記外部磁界の強度が、飽和磁界に到達するまでの状態では、第１の自由層１１の磁化及び第２の自由層１３の磁化は、前記外部磁界が印加される方向に対して対称に回転し、前記外部磁界の強度の増加とともに、第１の自由層１１の磁化と第２の自由層１３の磁化とのなす角が小さくなり、抵抗磁界特性は、前記外部磁界が印加される方向の正負に対して対称な偶関数型の特性を示す。
［３］上記態様に係る磁気接合体において、トンネル障壁層１２はＭｇＯ、Ｍｇ－Ａｌ－Ｏ及びＡｌ_２Ｏ_３からなる群から選択される何れか１種を有し、第１の自由層１１と第２の自由層１３は、少なくともＣｏＦｅＢからなる層を有してもよい。
［４］上記態様に係る磁気接合体において、第１の自由層と第２の自由層とのうち少なくとも一方は、複数の層を含む積層体でもよい。この積層体は、ＣｏＦｅＢからなる層と、ＣｏＦｅからなる層と、中央層と、を有する。ＣｏＦｅからなる層は、前記ＣｏＦｅＢからなる層よりトンネル障壁層１２から離れた位置にある、中央層は、前記ＣｏＦｅＢからなる層と前記ＣｏＦｅからなる層の間の間にある。中央層は、ＮｉＦｅ，ＣｏＦｅＳｉＢ，ＣｏＦｅＢＴａからなる群から選択されるいずれか１種を含む。
　ＣｏＦｅよりなる層は、磁気結合の改善のために設けられ、前記中央層は軟磁気特性の改善のために設けられる。

［５］第２の態様に係るＴＭＲ素子は、上記態様に係る磁気接合体を有してもよい。磁気接合体は、
　［強磁性層Ａ_ｉ／結合層Ａ_ｉ］_ｎ／強磁性層Ａ_ｎ＋１／中間層Ａ／第１の自由層／トンネル障壁層／第２の自由層／中間層Ｂ／［強磁性層Ｂ_ｊ／結合層Ｂ_ｊ］_ｎ＋１／強磁性層Ｂ_ｎ＋２／
又は、
　［強磁性層Ａ_ｊ／結合層Ａ_ｊ］_ｎ＋１／強磁性層Ａ_ｎ＋２／中間層Ａ／第１の自由層／トンネル障壁層／第２の自由層／中間層Ｂ／［強磁性層Ｂ_ｉ／結合層Ｂ_ｉ］_ｎ／強磁性層Ｂ_ｎ＋１／
で表される積層構造体を有する。
　ここで、ｎは０以上の整数であり、ｎ≠０のとき、ｉ＝１，…，ｎおよびｊ＝１，…，ｎ＋１であって、［強磁性層Ａ_ｊ／結合層Ａ_ｊ］_ｎ＋１なる表記は、「強磁性層Ａ_ｊ／結合層Ａ_ｊ」の２層構造をｎ＋１回繰り返し積層することを意味し、［強磁性層Ｂ_ｉ／結合層Ｂ_ｉ］_ｎなる表記は、「強磁性層Ｂ_ｉ／結合層Ｂ_ｉ」の２層構造をｎ回繰り返し積層することを意味する。
［６］上記態様に係るＴＭＲ素子において、強磁性層Ａ_ｉ、強磁性層Ａ_ｎ＋１、強磁性層Ｂ_ｊ、強磁性層Ｂ_ｎ＋２、強磁性層Ａ_ｊ及び前記強磁性層Ｂ_ｉは、ＣｏＦｅであってもよく、結合層Ａ_ｉ、結合層Ｂ_ｊ、結合層Ａ_ｊ及び結合層Ｂ_ｉは、Ｒｕであってもよく、中間層Ａ及び中間層Ｂは、Ｃｕ，Ａｇ，Ｃｒ，Ｒｕ及びＡｇＳｎからなる群から選択される少なくとも一種を有してもよく、トンネル障壁層はＭｇＯ、Ｍｇ－Ａｌ－Ｏ及びＡｌ_２Ｏ_３からなる群から選択される何れか１種を有してもよく、前記第１の自由層と前記第２の自由層は、少なくともＣｏＦｅＢからなる層を有してもよい。

［７］上記態様に係るＴＭＲ素子は、上記態様に係る磁気接合体を有してもよい。磁気接合体は、
第１の反強磁性層／第１の強磁性層／第１の交換結合層／第１の自由層／トンネル障壁層／第２の自由層／第２の交換結合層／第２の強磁性層／第２の反強磁性層／
で表される積層構造体を有し、
　前記第１の交換結合層と前記第２の交換結合層は、Ｒｕ又はＣｒであって、第１の強磁性層と第１の自由層との間の磁気結合と、第２の強磁性層と第２の自由層との間の磁気結合とは、一方が反強磁性結合であり、他方が強磁性結合であってもよい。
［８］上記態様に係るＴＭＲ素子において、第１の反強磁性層及び第２の反強磁性層はＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、ＦｅＭｎ、ＮｉＭｎの少なくとも一種類であってもよく、第１の強磁性層及び第２の強磁性層はＣｏＦｅであってもよく、第１の交換結合層及び第２の交換結合層はＲｕであってもよく、前記トンネル障壁層は、ＭｇＯ、Ｍｇ－Ａｌ－Ｏ及びＡｌ_２Ｏ_３からなる群から選択される１種であってもよく、前記第１の自由層と前記第２の自由層は、少なくともＣｏＦｅＢからなる層を有してもよい。

［９］上記態様に係るＴＭＲ素子は、上記態様に係る磁気接合体を有してもよい。磁気接合体は、
　反強磁性層Ａ／ダスト層Ａ／［強磁性層Ａ_ｉ／結合層Ａ_ｉ］_ｎ／第１の自由層／トンネル障壁層／第２の自由層／［結合層Ｂ_ｊ／強磁性層Ｂ_ｊ］_ｎ＋１／ダスト層Ｂ／反強磁性層Ｂ／
又は、
　反強磁性層Ａ／ダスト層Ａ／［強磁性層Ａ_ｊ／結合層Ａ_ｊ］_ｎ＋１／第１の自由層／トンネル障壁層／第２の自由層／［結合層Ｂ_ｉ／強磁性層Ｂ_ｉ］_ｎ／ダスト層Ｂ／反強磁性層Ｂ／
で表される積層構造体を有してもよい。
　ここで、ｎは０以上の整数であり、ｎ≠０のとき、ｉ＝１，…，ｎおよびｊ＝１，…，ｎ＋１であって、［強磁性層Ａ_ｊ／結合層Ａ_ｊ］_ｎ＋１なる表記は、「強磁性層Ａ_ｊ／結合層Ａ_ｊ」の２層構造をｎ＋１回繰り返し積層することを意味し、［結合層Ｂ_ｉ／強磁性層Ｂ_ｉ］_ｎなる表記は、「結合層Ｂ_ｉ／強磁性層Ｂ_ｉ」の２層構造をｎ回繰り返し積層することを意味する。
［１０］上記態様に係るＴＭＲ素子は、反強磁性層Ａ及び反強磁性層Ｂは、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、ＦｅＭｎ、ＮｉＭｎからなる群から選択される少なくとも一種以上を有してもよく、強磁性層Ａ_ｉ、強磁性層Ｂ_ｊ、強磁性層Ａ_ｊ、強磁性層Ｂ_ｉは、ＣｏＦｅであってもよく、結合層Ａ_ｉ、結合層Ｂ_ｊ、結合層Ａ_ｊ、結合層Ｂ_ｉはＲｕであってもよく、ダスト層Ａ及びダスト層Ｂは１ｎｍ以下の厚さのＲｕであってもよく、前記トンネル障壁層はＭｇＯ、Ｍｇ－Ａｌ－Ｏ及びＡｌ_２Ｏ_３からなる群から選択される少なくとも１種以上を有してもよく、前記第１の自由層と前記第２の自由層は、少なくともＣｏＦｅＢからなる層を有してもよい。

［１１］上記態様に係るＴＭＲ素子は、検出対象磁界がゼロの状態で最大抵抗を示し、第１の自由層の磁化と第２の自由層の磁化とが反平行な配列を示してもよい。またＴＭＲ素子は、前記検出対象磁界の印加によって抵抗が減少し、前記第１の自由層及び第２の自由層の磁化はともに回転し、前記検出対象磁界の強度の増加とともに第１の自由層の磁化と第２の自由層の磁化とのなす角が小さくなってもよい。
［１２］上記態様に係るＴＭＲ素子は、検出対象磁界の印加方向を前記第１の自由層及び第２の自由層の磁化困難軸方向の向きから１０°傾けた時、磁界Ｈ１の印加方向の正負に対する抵抗値の磁界非対称性が１％以内、より好ましくは０．５％であってもよい。ここで、磁界Ｈ１は、抵抗磁界（Ｒ－Ｈ）特性の実験データに準拠した曲線の微分（ｄＲ／ｄＨ）が最大になる点における前記実験データに準拠した曲線に対する接線を定め、前記実験データに準拠した曲線と接線の差分を前記実験データの抵抗値の最大値で割って規格化した値が２０％となる磁界である。また磁界非対称性は、素子抵抗Ｒが磁界Ｈの関数としてＲ（Ｈ）と表されるとき、Ｈ＝Ｈ’（＞０）におけるＲ－Ｈ曲線の非対称性を
　Ａｓｙ（Ｈ’）＝［Ｒ（Ｈ’）－Ｒ（－Ｈ’）］／［（Ｒ（Ｈ’）＋Ｒ（－Ｈ’）］（％）
で定義したものであり、磁界Ｈ１に対する抵抗の非対称性を定義したものである。

［１３］上記態様に係るＴＭＲ素子において、積層構造体は、基板／下部電極／下地層／反強磁性層からなる第１構造と、反強磁性層／キャップ層からなる第２構造との間に位置してもよい。
［１４］上記態様に係るＴＭＲ素子において、積層構造体は、基板／下部電極／下地層からなる第３構造と、キャップ層からなる第４構造との間に位置してもよい。
［１５］上記態様に係るＴＭＲ素子において、前記基板は、シリコンウェハ、若しくはＡｌＴｉＣ又はアルミナよりなるセラミックスウェハであってもよく、前記下地層はＴａとＲｕとの積層構成であってもよく、前記反強磁性層はＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、ＦｅＭｎ、ＮｉＭｎからなる群から選択されるいずれか一種類であってもよく、キャップ層はＲｕであってもよい。

［１６］第３の態様に係る磁気センサは、上記態様に係るＴＭＲ素子を４個用いた、ブリッジ回路を有する。
［１７］第４の態様に係るＴＭＲ素子アレイは、上記態様に係るＴＭＲ素子を直列又は並列の少なくとも一つの態様で複数個接続したものである。
［１８］上記態様に係る磁気センサは、上記態様に係るＴＭＲ素子アレイをブリッジ回路接続したものでもよい。
［１９］第５の態様に係るリニアエンコーダ用磁気センサ、又は、第６の態様に係る磁気式ロータリーエンコーダは、上記態様に係るＴＭＲ素子又は上記態様に係る磁気センサを有している。

　本開示のＴＭＲ素子は、偶関数型のＲ－Ｈ特性を示し、奇関数型のスピンバルブ型と同等の１５０％超える抵抗変化率を示す。この抵抗変化率は、シングルソフトピン型ＴＭＲセンサの約１．５倍に相当している。そのため、本開示のＴＭＲ素子を用いた磁気センサは、高感度であり、より高精度な位置検出ができる。
　本開示のＴＭＲ素子は、検出対象磁界の向きが自由層の磁化困難軸方向からずれても、従来のシングルソフトピン型に比べ、Ｒ－Ｈ特性の非対称性が小さく、より高精度な位置検出ができ、実装性に優れる。
　本開示のＴＭＲ素子は、中間層、結合交換層又はダスト層の厚みなどを工夫して、位置検出磁界に応じた飽和磁界の調整が可能である。

第１実施形態に係る磁気接合体の磁化状態と抵抗磁界特性を説明する図であり、典型的な三類型の磁化モードでの自由層（強磁性層）の磁化方向を示す。第１実施形態に係る磁気センサの第１積層類型の第１例（ｎ＝０）の積層構造体を示す図である。第１実施形態に係る磁気センサの第１積層類型の第２例（ｎ≧１）の積層構造体を示す図である。第１実施形態に係る磁気センサの第２積層類型の第１例（ｎ≧１）の積層構造体を示す図である。第２実施形態に係る磁気センサの第１積層類型の第１例（ｎ＝０）の積層構造体を示す図である。第２実施形態に係る磁気センサの第１積層類型の第２例（ｎ≧１）の積層構造体を示す図である。第２実施形態に係る磁気センサの第２積層類型の第３例（ｎ≧１）の積層構造体を示す図である。第３実施形態に係る磁気センサの第３積層類型の第１例の積層構造体を示す図である。第４実施形態に係る磁気センサの第４積層類型の第１例（ｎ＝０）の積層構造体を示す図である。第４実施形態に係る磁気センサの第４積層類型の第２例（ｎ≧１）の積層構造体を示す図である。第４実施形態に係る磁気センサの第５積層類型の第１例（ｎ≧１）の積層構造を示す図である。第１積層類型から第５積層類型の磁気センサを用いたＴＭＲセンサの積層構造を示す図である。本発明の一実施例である、表１に示す積層構造の第１積層類型の積層体の抵抗－磁界曲線を示す図で、破線と実線は中間層Ａと中間層Ｂの厚みが異なる組み合わせに対するものである。第１積層類型の積層体（ｎ＝０）の第１の自由層の磁化曲線を示す図である。種々の積層構成における中間層厚さと自由層のソフトピン磁界強度Ｈｐｉｎの関係を示す図である。抵抗－磁界曲線における磁界Ｈ１の定義を示す図である。表１の構成の磁気センサの磁界印加角度のずれ角（θ）を示す図である。表１の構成の磁気センサの磁界印加角度のずれ角（θ）が異なる場合の、抵抗－磁界曲線の変化を示す図である。第３積層類型の積層体のアニール温度の相違による抵抗変化率の説明図である。実施例と比較例に対する抵抗－磁界曲線の磁気センサの磁界印加角度のずれ角（θ）による磁界Ｈ１における非対称性の変化を示す図である。本実施形態に係るデュアルソフトピンＴＭＲセンサのＨ１非対称性のシミュレーション結果を示す図である。比較例であるシングルソフトピンＴＭＲセンサのＨ１非対称性のシミュレーション結果を示す図である。本実施形態に係るデュアルソフトピンＴＭＲセンサの抵抗－磁界曲線のシミュレーション結果を示す図である。比較例であるシングルソフトピンＴＭＲセンサの抵抗－磁界曲線のシミュレーション結果を示す図である。本実施形態に係るデュアルソフトピンＴＭＲセンサのＴＭＲ素子部を、複数個直列で接続した実施例を示す構成斜視図である。本実施形態に係るデュアルソフトピンＴＭＲセンサのＴＭＲ素子部を、複数個並列接接続と直列接続を組み合わせた実施例を示す構成斜視図である。本実施形態に係るブリッジ構成を用いたエンコーダの回路図である。人工格子型ＧＭＲセンサの積層構造の構成断面図で、強磁性層の磁化方向も示してある。人工格子型ＧＭＲセンサの積層構造の抵抗－磁界曲線である。スピンバルブ型ＴＭＲセンサの抵抗－磁界曲線を示す図で、併せて典型的な三類型の磁化モードでの自由層（強磁性層）の磁化方向も示してある。ソフトピン型ＴＭＲセンサの抵抗－磁界曲線を示す図で、併せて典型的な三類型の磁化モードでの自由層（強磁性層）の磁化方向も示してある。グラニュラーＴＭＲの抵抗変化率－磁界曲線の一例を示す図である。本実施形態に係る磁気センサが適用される磁気式リニアエンコーダの構成斜視図である。本実施形態に係る磁気センサが適用される磁気式ロータリーエンコーダの構成図である。

　以下、本開示を実施するための最良の形態について、詳細に説明する。
　本開示の磁気センサは、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子を用いるとよく、第１の自由層（強磁性体の金属）、トンネル障壁層（絶縁体の酸化物）、第２の自由層（強磁性体の金属）の３層構造を基本とする。トンネル障壁層は、第１の自由層と第２の自由層とに挟まれ、第１の自由層と第２の自由層を磁気的に分離する。ＴＭＲ素子は、トンネル磁気抵抗効果を示し、第１の自由層と第２の自由層の間に電圧を印加した際に、センサの抵抗値が第１の自由層と第２の自由層の磁化の相対角度に依存して変化する。

　本開示の磁気センサは、図１の（Ａ）～（Ｃ）に示すように、第１の自由層１１、トンネル障壁層１２、第２の自由層１３を有する。トンネル障壁層１２は、第１の自由層１１と、第２の自由層１３とに挟まれる。第１の自由層１１、第２の自由層１３は、強磁性層であり、例えばＣｏＦｅＢであることが好ましいが、これに限定されない。トンネル障壁層１２は、ＭｇＯ、Ｍｇ－Ａｌ－Ｏ及びＡｌ_２Ｏ_３からなる群から選択される少なくとも一種類を用いることが好ましい。また第１の自由層１１又は第２の自由層１３は、複数の層を含む積層体でもよい。積層体は、例えば、ＣｏＦｅＢからなる層と、ＣｏＦｅからなる層と、中央層と、を有する。ＴＭＲ特性に優れるＣｏＦｅＢは、トンネル障壁層１２の近くに配置することが好ましく、トンネル障壁層１２から離れた位置にある他の層との境界面の近傍にＣｏＦｅを配置してもよい。中央層は、これらの層の間に配置され、軟磁性に優れるＮｉＦｅ，ＣｏＦｅＳｉＢ，ＣｏＦｅＢＴａなどを用いることができる。

　図１の（Ｂ）に示すように、トンネル障壁層１２をはさんだ第１の自由層１１、第２の自由層１３の磁化は、無磁界下で互いに反平行な配列で安定化する。磁気センサは、例えば、検出対象磁界がその垂直方向（自由層の困難軸方向）にかかるように配置されている。
　外部磁界を第１の自由層１１、第２の自由層１３の磁化困難軸方向（無磁界下での第１の自由層１１、第２の自由層１３の磁化方向の直交方向）に印加すると、第１の自由層１１、第２の自由層１３の磁化は外部磁界方向に対して対称に回転する。外部磁界強度の増加とともに、第１の自由層１１、第２の自由層１３の磁化のなす角は小さくなり、図１の（Ａ）又は（Ｃ）の状態となる。図１の（Ａ）及び（Ｂ）の状態では、図１の（Ｃ）の状態より素子抵抗が低下する。第１の自由層１１および第２の自由層１３の磁化の一方向への磁気異方性は、後述するように、検出対象磁界の大きさに適した強さに設定される。飽和磁場の大きさおよび自由層の透磁率は、磁気異方性の強度（ソフトピン磁界強度）で決まる。

　図１の（Ｄ）は、本開示の磁気センサにおける磁界と抵抗との関係を示す。図１（Ｄ）に示すように、素子の磁気抵抗は、無磁界下で最大化し、外部磁界強度の増加とともに、低下する。外部磁界を第１の自由層１１、第２の自由層１３の磁化困難軸方向に印加すると、第１の自由層１１、第２の自由層１３の磁化は外部磁界に対して対称に回転し、外部磁界強度の増加とともに、第１の自由層１１の磁化と第２の自由層１３の磁化とのなす角が小さくなるためである。本開示の磁気センサは、外部磁界の符号の正負に対して対称な偶関数型抵抗磁界特性が得られる。外部磁界の符号は、例えば、磁化困難軸方向の一方向を正と規定し、反対の方向を負と規定する。

　本開示の磁気センサにおける具体的なＴＭＲセンサの積層構造として、以下の態様が考えられる。なお、本明細書において、以下では本開示に係る磁気センサを「デュアルソフトピンＴＭＲセンサ」と呼ぶこととする。
　本開示の磁気センサの各層の材料としては、以下のものが代表的である。下地層としてはＴａとＲｕとが積層された積層構成を用いることができる。反強磁性体としてはＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、ＦｅＭｎ、ＮｉＭｎからなる群から選択されるいずれか１種以上を用いることができる。強磁性層としてはＣｏＦｅを用いることができる。結合層としてはＲｕを用いることができる。中間層としてはＣｕ，Ａｇ，Ｃｒ，Ｒｕなど非磁性体、好ましくはＡｇＳｎを用いることができる。キャップ層としてはＲｕを用いることができる。
　また、以下の第１積層類型及び第２積層類型において、反強磁性層をもちいずに、積層構造の最も下および最も上の強磁性層を、ＣｏＰｔなどハード磁性膜に置き換えてもよい。

　自由層（第１の自由層１１及び第２の自由層１３）はＣｏＦｅＢからなる層の単層構造でもよいが、更に磁気特性を高めるために積層構成としてもよい。自由層の積層構成としては、例えば、ＣｏＦｅＢからなる層と、ＣｏＦｅからなる層と、中央層と、を有してもよい。ＴＭＲに優れるＣｏＦｅＢからなる層は、ＣｏＦｅからなる層より、トンネル障壁層１２側に設けられる。ＣｏＦｅＢからなる層とＣｏＦｅからなる層との間の中央部分には軟磁性に優れるＮｉＦｅ，ＣｏＦｅＳｉＢ，ＣｏＦｅＢＴａなどを用いる。

　図２Ａは、第１実施形態に係る第１積層類型の積層構造体の第１例（ｎ＝０）を示す図である。
　第１積層類型の第１例（ｎ＝０）の積層構造体は、電極２０／下地層２０ａ／反強磁性層２１／強磁性層２２／中間層２３／第１の自由層２４／トンネル障壁層２５／第２の自由層２６／中間層２７／強磁性層２８／結合層２８ａ／強磁性層２８ｂ／反強磁性層２９／キャップ層（図示せず）で表される積層構造を有する。ここで「／」は、各層の積層界面を示し、「／」を挟んで、この順に積層されている。
　中間層２３、２７は例えばＡｇＳｎである。中間層２３を挟む強磁性層２２と第１の自由層２４との間には、強磁性的な層間結合がはたらき、中間層２７を挟む強磁性層２８と第２の自由層２６との間には、強磁性的な層間結合がはたらく。結合層２８ａは例えばＲｕで、結合層２８ａを挟む両側の強磁性層２８、２８ｂを強固に反平行結合させる。

　図２Ｂは第１実施形態に係る第１積層類型の積層構造体の第２例（ｎ≧１）を示す図である。
　第１積層類型の第２例（ｎ≧１）の積層構造体は、電極２０／下地層２０ａ／反強磁性層２１／積層体２２ｐ（＝［強磁性層２２ａ／結合層２２ｂ］ｎ回繰り返し）／強磁性層２２／中間層２３／第１の自由層２４／トンネル障壁層２５／第２の自由層２６／中間層２７／強磁性層２８／積層体２８ｐ（＝［結合層２８ａ／強磁性層２８ｂ］ｎ＋１回繰り返し）／反強磁性層２９／キャップ層（図示せず）で表される積層構造を有する。

　図２Ｃは、第１実施形態に係る第２積層類型の積層構造の第１例（ｎ≧１）を示す図である。図２Ｃは、図２Ｂで示す第１積層類型の積層体における［強磁性層２２ａ／結合層２２ｂ］ｎと［結合層２８ａ／強磁性層２８ｂ］ｎ＋１の積層順を入れ替えたものである。
　第２積層類型の第１例（ｎ≧１）は、電極２０／下地層２０ａ／反強磁性層２１／積層体２２ｐ’（＝［強磁性層２２ｃ／結合層２２ｄ］ｎ＋１回繰り返し）／強磁性層２２／中間層２３／第１の自由層２４／トンネル障壁層２５／第２の自由層２６／中間層２７／強磁性層２８／積層体２８ｐ’（＝［結合層２８ｃ／強磁性層２８ｄ］ｎ回繰り返し）／反強磁性層２９／キャップ層（図示せず）で表される積層構造を有する。

　ここで、図２Ｂに示す第１積層類型（ｎ≧１）の積層構造体は、一般式として、次のようにも表現できる。
　第１積層類型：下地層／反強磁性層Ａ／［強磁性層Ａ_ｉ／結合層Ａ_ｉ］_ｎ／強磁性層Ａ_ｎ＋１／中間層Ａ／第１の自由層／トンネル障壁層／第２の自由層／中間層Ｂ／［強磁性層Ｂ_ｊ／結合層Ｂ_ｊ］_ｎ＋１／強磁性層Ｂ_ｎ＋２／反強磁性層Ｂ／キャップ層
　また、図２Ｃに示す第２積層類型（ｎ≧１）の積層構造体は、一般式として、次のようにも表現できる。
　第２積層類型：下地層／反強磁性層Ａ／［強磁性層Ａ_ｊ／結合層Ａ_ｊ］_ｎ＋１／強磁性層Ａ_ｎ＋２／中間層Ａ／第１の自由層／トンネル障壁層／第２の自由層／中間層Ｂ／［強磁性層Ｂ_ｉ／結合層Ｂ_ｉ］_ｎ／強磁性層Ｂ_ｎ＋１／反強磁性層Ｂ／キャップ層
　ここで、ｎは０以上の整数であり、ｎ≠０のとき、ｉ＝１，…，ｎおよびｊ＝１，…，ｎ＋１である。［強磁性層Ａ_ｊ／結合層Ａ_ｊ］_ｎ＋１とは、「強磁性層Ａ_ｊ／結合層Ａ_ｊ」の２層構造をｎ＋１回繰り返し積層することを意味する。すなわち、ｎ＝１のとき、［強磁性層Ａ_ｊ／結合層Ａ_ｊ］_ｎ＋１／強磁性層Ａ_ｎ＋２とは、強磁性層Ａ_１／結合層Ａ_１／強磁性層Ａ_２／結合層Ａ_２／強磁性層Ａ_３の積層体である。

　このように構成された装置の動作を説明する。
　第１の自由層の磁化と第２の自由層の磁化とは、無磁界下で反平行配置となる。その実現手段は以下の通りである。強磁性層Ａは、反強磁性層Ａに積層される。反強磁性層Ｂは、強磁性層Ｂに積層される。ｎ≠０のとき、磁性層Ａを含む積層体の強磁性層／結合層の積層回数と、磁性層Ｂを含む積層体の強磁性層／結合層の積層回数とは、いずれか一方が偶数で、他方が奇数である。また、結合層をはさんだ両側の強磁性層の磁化は互いに反平行に磁気結合する。これらの積層構造を成膜後、磁界下で熱処理（３００℃程度）し、室温に戻すと、強磁性層Ａ及び強磁性層Ｂの磁化は一方向磁気異方性によって同方向に固定される。結合層の反平行磁気結合を介して、第１の自由層の磁化と第２の自由層の磁化とは、互いに逆方向の一方向磁気異方性をもち、第１の自由層の磁化と第２の自由層の磁化とは、無磁界下で反平行な配列となる。

　第１積層類型および第２積層類型において、外部磁界を第１の自由層、第２の自由層の困難軸方向（無磁界下での第１の自由層、第２の自由層の磁化方向の直交方向）に印加すると、第１の自由層、第２の自由層の磁化は外部磁界方向に対して対称に回転する。外部磁界強度の増加とともに、第１の自由層の磁化と第２の自由層の磁化とのなす角は小さくなり、素子抵抗は低下する。これによって、第１積層類型および第２積層類型の積層構造体は、外部磁界が印加される方向の正負に対して対称な偶関数型抵抗磁界特性を示す。飽和磁場の大きさおよび自由層の透磁率は、第１の自由層、第２の自由層のソフトピン強度で決まるが、これは中間層の厚みや材料（ＡｇＳｎなど）で所望の大きさに調整できる。

　図３Ａは、第２実施形態に係る第１積層類型の積層構造体の第１例（ｎ＝０）を示す図である。図３Ａに示す積層構造体は、図２Ａに示す第１積層類型（ｎ＝０）の積層構造体の変形例である。
　第２実施形態に係る第１積層類型の第１例（ｎ＝０）は、電極３０／下地層３０ａ／反強磁性層３１／強磁性層３２／中間層３３／第１の自由層３４／トンネル障壁層３５／第２の自由層３６／中間層３７／強磁性層３８／結合層３８ａ／強磁性層３８ｂ／反強磁性層３９／キャップ層（図示せず）で表される積層構造を有する。

　図３Ｂは、第２実施形態に係る第１積層類型の積層構造体の第２例（ｎ≧１）を示す図である。図３Ｂに示す積層構造体は、図２Ｂに示す第１積層類型（ｎ≧１）の積層構造体の変形例である。
　第２実施形態に係る第１積層類型の第２例（ｎ≧１）は、電極３０／下地層３０ａ／反強磁性層３１／積層体３２ｐ（＝［強磁性層３２ａ／結合層３２ｂ］ｎ回繰り返し）／強磁性層３２／中間層３３／第１の自由層３４／トンネル障壁層３５／第２の自由層３６／中間層３７／積層体３８ｐ（＝強磁性層３８／［結合層３８ａ／強磁性層３８ｂ］ｎ＋１回繰り返し）／反強磁性層３９／キャップ層（図示せず）で表される積層構造を有する。

　図３Ｃは、第２実施形態に係る第２積層類型の積層構造体の第１例（ｎ≧１）を示す図である。図３Ｃに示す積層構造体は、図２Ｃに示す第２積層類型（ｎ≧１）の積層構造体の変形例である。
　第２実施形態に係る第２積層類型の第１例（ｎ≧１）は、電極３０／下地層３０ａ／反強磁性層３１／積層体３２ｐ’（＝［強磁性層３２ｃ／結合層３２ｄ］ｎ＋１回繰り返し）／強磁性層３２／中間層３３／第１の自由層３４／トンネル障壁層３５／第２の自由層３６／中間層３７／強磁性層３８／積層体３８ｐ’（＝［結合層３８ｃ／強磁性層３８ｄ］ｎ回繰り返し）／反強磁性層３９／キャップ層（図示せず）となっている。

　図３Ａ～図３Ｃに示す構成において、図２Ａ～図２Ｃに示す各層の名称は同じであり、図２Ａ～図２Ｃと同様の構成を用いることができる。図３Ａ～図３Ｃに示す積層体は、第１の自由層３４／トンネル障壁層３５／第２の自由層３６に対する強磁性層３２、３８の磁化方向が反平行である点で、第１の自由層２４／トンネル障壁層２５／第２の自由層２６に対する強磁性層２２、２８の磁化方向が平行である図２Ａ～Ｃに示す積層体と相違している。

　図４は、第３実施形態に係る第３積層類型の積層構造を示す図である。
　第３積層類型の積層構造は、電極４０／下地層４０ａ／反強磁性層４１／強磁性層４２／交換結合層４３／第１の自由層４４／トンネル障壁層４５／第２の自由層４６／交換結合層４７／強磁性層４８／反強磁性層４９／キャップ層（図示せず）で表される積層構造を有する。
　交換結合層４３、４７は、Ｒｕ，Ｃｒ，Ｉｒ，Ｒｈなどである。交換結合層４３の膜厚によって強磁性層４２と第１の自由層４４の層間結合を、反強磁性結合と強磁性結合の２種類のいずれかとすることができる。交換結合層４７の膜厚によって強磁性層４８と第２の自由層４６の層間結合を、反強磁性結合と強磁性結合の２種類のいずれかとすることができる。交換結合層４３の膜厚が、強磁性層４２と第１の自由層４４の層間結合が反強磁性結合となる膜厚の場合は、交換結合層４７の膜厚を、強磁性層４８と第２の自由層４６の層間結合が強磁性結合となる膜厚とする。交換結合層４３の膜厚を、交換結合層４３を挟む層の磁化配列が強磁性結合となる膜厚とする場合は、交換結合層４７の膜厚を、交換結合層４７を挟む層の磁化配列が反強磁性結合となる膜厚とする。
　第３積層類型の特性は、後で図１４を参照して説明する。

　図５Ａは、第４実施形態に係る第４積層類型の積層構造体の第１例（ｎ＝０）を示す図である。
　第４積層類型の第１例（ｎ＝０）は、電極５０／下地層５０ａ／反強磁性層５１／ダスト層５３／第１の自由層５４／トンネル障壁層５５／第２の自由層５６／結合層５７／強磁性層５８／ダスト層５８ａ／反強磁性層５９／キャップ層（図示せず）で表される積層構造を有する。
　ダスト層５３およびダスト層５８ａは、１ｎｍ以下の厚さのＲｕなど非磁性層で、反強磁性体の交換バイアスを弱めるはたらきをしている。

　図５Ｂは、第４実施形態に係る第４積層類型の積層構造体の第２例（ｎ≧１）を示す図である。
　第４積層類型の第２例（ｎ≧１）は、電極５０／下地層５０ａ／反強磁性層５１／ダスト層５３／積層体５３ｐ（＝［強磁性層５３ａ／結合層５３ｂ］ｎ回繰り返し）／第１の自由層５４／トンネル障壁層５５／第２の自由層５６／積層体５８ｐ（＝［結合層５７／強磁性層５８］ｎ＋１回繰り返し）／ダスト層５８ａ／反強磁性層５９／キャップ層（図示せず）で表される積層構造を有する。

　図５Ｃは、第４実施形態に係る第５積層類型の積層構造体の第１例（ｎ≧１）を示す図である。
　第５積層類型の第１例（ｎ≧１）は、電極５０／下地層５０ａ／反強磁性層５１／ダスト層５３／積層体５３ｐ’（＝［強磁性層５３ｃ／結合層５３ｄ］ｎ＋１回繰り返し）／第１の自由層５４／トンネル障壁層５５／第２の自由層５６／積層体５８ｐ’（＝［結合層５７ｃ／強磁性層５８ｃ］ｎ回繰り返し）／ダスト層５８ａ／反強磁性層５９／キャップ層（図示せず）で表される積層構造を有する。

　ここで、図５Ｂに示す第４積層類型の第２例（ｎ≧１）の積層構造体は、一般式として、次のようにも表現できる。
　第４積層類型：下地層／反強磁性層Ａ／ダスト層Ａ／［強磁性層Ａ_ｉ／結合層Ａ_ｉ］_ｎ／第１の自由層／トンネル障壁層／第２の自由層／［結合層Ｂ_ｊ／強磁性層Ｂ_ｊ］_ｎ＋１／ダスト層Ｂ／反強磁性層Ｂ／キャップ層
　また、図５Ｃに示す第５積層類型の積層構造の第１例（ｎ≧１）は、一般式として、次のようにも表現できる。
　第５積層類型：下地層／反強磁性層Ａ／ダスト層Ａ／［強磁性層Ａ_ｊ／結合層Ａ_ｊ］_ｎ＋１／第１の自由層／トンネル障壁層／第２の自由層／［結合層Ｂ_ｉ／強磁性層Ｂ_ｉ］_ｎ／ダスト層Ｂ／反強磁性層Ｂ／キャップ層
　ここで、ｎは０以上の整数であり、ｎ≠０のとき、ｉ＝１，…，ｎおよびｊ＝１，…，ｎ＋１である。

　図６は、第１積層類型から第５積層類型の積層構造体を用いたＴＭＲセンサの構成を示す図である。
　ＴＭＲセンサは、基板６００／下部電極６０２／積層体層６０４Ｃ／上部電極６０６、の積層構造を有する。積層体層６０４Ｃは、第１積層類型～第５積層類型の何れか１種類の積層構造体である。積層体層６０４Ｃは、各層を積層した後に、フォトリソグラフィなどで所定の形状にパターニングすることで得られる。基板６００はシリコンウェハやＡｌＴｉＣやアルミナのセラミックスウェハであり、下部電極６０２および上部電極６０６にはＣｕ、Ａｕ、Ｒｕなどを用いる。
　積層体層６０４Ｃの左右の隣接領域には、絶縁層６０４Ｌ、６０４Ｒが設けられる。

　〈磁性特性評価例１：膜構成とＲ－Ｈ特性〉
　表１に示す積層類型１のｎ＝０の構造をもつＴＭＲセンサを作製した。このＴＭＲセンサは、図２Ａに示す第１積層類型（ｎ＝０）の積層構造をしている。また、図８Ｂに示す第２積層類型（ｎ＝１、２）の積層構造をもつＴＭＲセンサも作製した。
　成膜後に素子に微細加工をおこなった後に、磁界中熱処理を３００℃、１時間でおこなった。図７にＲ－Ｈ特性を示す。ここでは抵抗値を抵抗変化率に規格化している。図７では、中間層Ａ（ＡｇＳｎ）および中間層Ｂの厚さが異なる２種類の試料の特性を示す。いずれも偶関数型Ｒ－Ｈ特性と、１６０％程度の抵抗変化率を示すが、中間層Ａおよび中間層Ｂの厚さの違いによって、飽和磁界の値と、抵抗変化率の磁界変化に対する傾き（すなわち感度）が調整されている。なお、この抵抗変化率は、同一の熱処理条件で作製されたスピンバルブ型ＴＭＲセンサの抵抗変化率と同等であり、図１８に示す従来技術のシングルソフトピン型ＴＭＲ素子の１１０％に比べ改善されている。

　〈磁性特性評価例２：自由層のソフトピン磁界制御〉
　図８Ａ及び図８Ｂは、第１積層類型および第２積層類型の積層構造体の第１の自由層、第２の自由層の飽和磁場および透磁率を、中間層Ａ及び中間層Ｂの膜厚によって制御できることを示す。まず、図８Ａは、第１積層類型（ｎ＝０）の積層構造体の第１の自由層の磁化曲線を測定したものである。磁化曲線は、中間層Ａ（ＡｇＳｎを用いている）の膜厚の異なるサンプルのそれぞれで測定した。ここで、各層の材料および膜厚は表１と同等である。第１の自由層のヒステリシスカーブの中心は磁界ゼロからシフトしているが、このシフトの大きさが第１の自由層に対する一方向磁気異方性の大きさであり、ここではソフトピン磁界Ｈｐｉｎと呼ぶものであり。Ｈｐｉｎの大きさを制御することにより、ＴＭＲセンサの動作磁界範囲を制御できる。図８は、様々な積層構造について、ＡｇＳｎからなる中間層の膜厚に対してソフトピン磁界Ｈｐｉｎをプロットしたものである。いずれの場合においても、中間層の膜厚の増大とともにＨｐｉｎは減少する。これらのデータから、所望のＨｐｉｎを得るための中間層の適切な膜厚を知ることができる。また、ＡｇＳｎ中間層の膜厚をここに示す２．２ｎｍまたは２．３ｎｍよりもさらに薄くすることによって、さらに大きなＨｐｉｎが得られることが容易に推測される。

　〈磁性特性評価例３：Ｒ－Ｈ特性の非対称性（実験）〉
　まず、図９に記載の方法で、磁界Ｈ１を定義する。これは、図１，図７，図９のようなＲ－Ｈ特性では、抵抗Ｒの値が一定になる磁界、すなわち飽和磁界を定義することは難しいため、飽和磁界に代わるものとして磁界Ｈ１を定める。Ｒ－Ｈ特性の実験データの微分、ｄＲ／ｄＨが最大になる点において実験データに接線を引き、実験データと接線の差分を実験データの抵抗値の最大値で割って規格化した値（Δ／Ｒｍａｘ）が２０％となる磁界を磁界Ｈ１と定義する。この実験データに対する磁界Ｈ１は７．０ｍＴである。
　図１０ＡにデュアルソフトピンＴＭＲセンサの自由層の磁化困難軸（容易軸ＥＡの直交方向）に対し、ずれ角θだけ外部磁界Ｈを傾けた状態を示している。図１０Ｂは、図１０Ａに示したずれ角θだけ傾けた状態で外部磁界をデュアルソフトピンＴＭＲセンサの自由層に印加した際のＲ－Ｈ曲線を示す。これは本センサを位置検出センサとして実装する際に、センサを適切な方向（自由層の困難軸）からずらして配置したときに、センサの出力波形がどれだけ歪むかを意味し、位置検出の誤差に直結する。

　Ｒ－Ｈ曲線の非対称性は、以下で定義した。素子抵抗Ｒが磁界Ｈの関数としてＲ（Ｈ）と表されるとき、Ｈ＝Ｈ’（＞０）におけるＲ－Ｈ曲線の非対称性を次式で定義する。
Ａｓｙ（Ｈ’）＝［Ｒ（Ｈ’）－Ｒ（－Ｈ’）］／［（Ｒ（Ｈ’）＋Ｒ（－Ｈ’）］（％）
以下では、Ｈ＝Ｈ１における非対称性、すなわちＡｓｙ（Ｈ１）（Ｈ１非対称性、と呼ぶ）の値を用いる。
　実施例として、表１のデュアルソフトピンＴＭＲセンサと、比較例として表２に示すシングルソフトピンＴＭＲセンサとを準備した。図１１は、実施例及び比較例におけるＨ１非対称性のずれ角θ依存性を示す。比較例の積層構造は、下地層／反強磁性Ａ／強磁性層Ａ／中間層Ａ／第１の自由層／トンネル障壁層／強磁性層Ｂ２／結合層Ｂ／強磁性層Ｂ２／反強磁性層Ｂ／キャップ層である。比較例、実施例いずれの場合も、ずれ角θの増加に従ってＨ１非対称性が線形に増加する。しかしながら、比較例に比べ実施例は、磁界Ｈ１における非対称性の値が小さい。θ＝２０°までの範囲における、Ｈ１における非対称性の値は、実施例が比較例の約１／３０の大きさである。

　図１０Ｃは、第３実施形態に係る第３積層類型の積層構造体の抵抗変化率のアニール温度の依存性についての説明図である。第３積層類型のセンサのアニール温度が３００℃では、外部磁界が０ｍＴのとき、抵抗変化率（ｄＲ／Ｒｍｉｎ）の最大値が１７０％である。これに対し、アニール温度が３５０℃では、外部磁界が０ｍＴのとき、抵抗変化率（ｄＲ／Ｒｍｉｎ）の最大値が２１０％を達成している。即ち、外部磁界が０ｍＴのとき、抵抗変化率（ｄＲ／Ｒｍｉｎ）の最大値が２００％を超える特性は、アニール温度が３３５℃以上３６０℃以下で得られる。

　〈磁性特性評価例４：Ｒ－Ｈ特性の非対称性（シミュレーション）〉
　Ｒ－Ｈ曲線の非対称性について、シミュレーションをおこなった。
　図１２Ａは、本実施形態に係るデュアルソフトピンＴＭＲセンサのＨ１非対称性である。第１の自由層、第２の自由層のＨｐｉｎの大きさは同じであることが望ましい。第１の自由層、第２の自由層のＨｐｉｎの大きさを同一にするためには、中間層あるいはダスト層の膜厚を精密に制御する必要がある。ここでは、第１の自由層、第２の自由層のＨｐｉｎの比を６：６から６：３まで変えてＨ１非対称性の計算をおこなった。Ｈｐｉｎの比が６：６、すなわち同じ値であれば、いかなるずれ角θの値に対してもＨ１非対称性はゼロである。一方、第１の自由層、第２の自由層のＨｐｉｎの大きさの非対称性が大きくなるにつれ、Ｒ－Ｈ曲線のＨ１非対称性は大きくなる。またＨ１非対称性はずれ角θに対し線形増加する。

　図１２Ｂは、比較例であるシングルソフトピンＴＭＲセンサのＨ１非対称性を示す。シングルソフトピンＴＭＲセンサのＨ１非対称性はずれ角θに対し線形増加するが、その大きさはデュアルソフトピンＴＭＲセンサに比べはるかに大きい。例えば、シングルソフトピンＴＭＲセンサのθ＝１０°におけるＨ１非対称性は９．６％であり、デュアルピンＴＭＲセンサのθ＝１０°におけるＨ１非対称性、０．６％、１．４％、２．４％（それぞれＨｐｉｎの比，６：６，６：５．６：３に対応）に比べはるかに大きい。実際上、第１の自由層、第２の自由層のＨｐｉｎを６：５程度の差、またはそれよりも均等な値に合わせることは十分可能であり、図１２Ａ、図１２Ｂの実験データに見られるように、デュアルソフトピンＴＭＲセンサは、θ＝１０°におけるＨ１非対称性を１％以下に抑えることができ、外部磁界の符号の正負(外部磁場の印加方向)に対する抵抗値の対称性の高いＲ－Ｈ特性を示す。

　図１３Ａおよび図１３ＢにそれぞれデュアルソフトピンＴＭＲセンサとシングルソフトピンＴＭＲセンサのＲ－Ｈ曲線の計算値を示す。図１３Ａは、デュアルソフトピンＴＭＲセンサのＲ－Ｈ曲線であり、図１３Ｂは、シングルソフトピンＴＭＲセンサのＲ－Ｈ曲線である。デュアルソフトピンＴＭＲセンサの場合、ずれ角θがゼロでない場合でも、Ｈ１より十分大きな値の磁界（飽和磁界）を印加した際に、磁界の絶対値が同じであれば符号の正負によらず、ほぼ同一の抵抗値を示す。一方で、シングルソフトピンＴＭＲセンサの場合、ずれ角θがゼロでない場合、飽和磁界では、磁界の絶対値が同じでも符号の正負によって異なった抵抗値を示す。ずれ角θにかかわらず、飽和磁界の絶対値が同じであれば符号の正負によらず素子抵抗が一致することは、デュアルソフトピンＴＭＲセンサの特徴の一つである。
　以上のことから、デュアルソフトピンＴＭＲセンサを用いると、従来のシングルソフトピンＴＭＲセンサに比べて、センサの実装時に測定磁界に対してセンサの向きに角度のずれが生じた場合でも、センサのＲ－Ｈ特性の非対称性を低減することができる。

　〈ＴＭＲ素子アレイ構成〉
　図１４Ａは、デュアルソフトピンＴＭＲセンサのＴＭＲ素子１００を、複数個直列で接続した実施例を示す構成斜視図である。図１４に示すＴＭＲ素子１００は、上部電極Ｅ１と下部電極Ｅ２を介して直列に接続さえている。図１４Ｂは、デュアルソフトピンＴＭＲセンサのＴＭＲ素子１００を、上部電極Ｅ１と下部電極Ｅ２を介して、複数個並列及び直列接続した実施例を示す構成斜視図である。
　ＴＭＲ素子アレイは、デュアルソフトピンＴＭＲセンサのＴＭＲ素子１００を、複数個直列で接続してもよいし、並列に接続してもよいし、またはその組み合わせとしてもよい。これにより、各ＴＭＲ素子１００.にかかる加わるバイアス電圧を分散させるとことができ、高バイアス電圧によって抵抗変化率が低下する問題を軽減することができる。

　〈ブリッジ構成〉
　デュアルソフトピンＴＭＲ素子を位置検出センサとして用いる場合には、図１５のブリッジ回路構成を用いるとよい。図１５は本実施形態にかかるブリッジ構成を用いたエンコーダの回路図である。素子１５７ａ～１５７ｄのそれぞれは、図１に示したデュアルソフトピンＴＭＲセンサを示す。電流源１５５からアース１５６に向けて、電流は、素子１５７ａと素子１５７ｂを繋ぐラインと、素子１５７ｃと素子１５７ｄを繋ぐラインと、のそれぞれに並列に流れる。エンコーダは、素子１５７ａと素子１５７ｂの中間電位１５３と、素子１５７ｃと素子１５７ｄの中間電位１５４と、をセンサ出力として検出する。

　次に、本実施形態に係るＴＭＲ素子及び磁気センサを用いた磁気式リニアエンコーダ及び磁気式ロータリーエンコーダを説明する。
　図２０は、本実施形態に係る磁気センサ２００が適用された磁気式リニアエンコーダの構成斜視図である。磁気式リニアエンコーダは、磁気スケール２０１として、Ｎ極とＳ極が交互に着磁された永久磁石シートを有する。この磁気スケール２０１（永久磁石シート）の表面上の位置を磁気センサ２００で検出する。
　図２１は、本実施形態に係る磁気センサ３００が適用された磁気式ロータリーエンコーダの構成斜視図である。磁気式ロータリーエンコーダは、回転体３０２の周面上にＮ極とＳ極が交互に着磁された永久磁石領域３０１が設けられている。磁気式ロータリーエンコーダは、この永久磁石領域３０１の回転角を磁気センサ３００で検出する。

　ここまで本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

　本開示のＴＭＲ素子及びこれを用いた磁気センサによれば、抵抗変化率の最大値は、積層構造を最適化した場合で２１０％、典型的な範囲で製造して得られる最大値が１６０％程度と大きく、検出磁界の方向のずれによるＲ－Ｈ特性の非対称性を抑制することができるＴＭＲセンサが得られるので、位置および回転検出装置に用いて好適である。

１１　第１の自由層
１２　トンネル障壁層
１３　第２の自由層
２０、３０、４０、５０　電極
２０ａ、３０ａ、４０ａ、５０ａ　下地層
２１、３１、４１、５１　反強磁性層
２２、３２、４２、５２　強磁性層
２３、３３　中間層
２４、３４、４４、５４　第１の自由層
２５、３５、４５、５５　トンネル障壁層
２６、３６、４６、５６　第２の自由層
２７、３７　中間層
２８、３８、４８、５８　強磁性層
２９、３９、４９、５９　反強磁性層
２２ａ、２８ｂ、３２ａ、３２ｃ、３８ｂ、３８ｄ、５３ａ、５３ｃ、５８ｃ　強磁性層
２２ｂ、２８ａ、３２ｂ、３２ｄ、３８ａ、３８ｃ、５３ｂ、５３ｄ、５７、５７ｃ　結合層
４３、４７　交換結合層
５３、５８ａ　ダスト層
１６０　電極、
１６１　下地層、
１６２、１６４、１６７　強磁性層
１６３、１６５　非磁性層、
１６６　繰り返し積層

Claims

　磁化容易軸と、前記磁化容易軸と直交する磁化困難軸と、を有する、第１の自由層と、
　トンネル障壁層と、
　磁化容易軸と、前記磁化容易軸と直交する磁化困難軸と、を有する、第２の自由層と、を備え、
　前記トンネル障壁層は、前記第１の自由層と前記第２の自由層とに挟まれ、
　前記第１の自由層及び前記第２の自由層は、強磁性の金属を含み、
　検出対象磁界は、前記第１の自由層及び前記第２の自由層の磁化困難軸方向に印加される成分を有するように構成され、
　前記第１の自由層の磁化と前記第２の自由層の磁化とは、外部磁界が印加されていない状態で、互いに反平行な配列で安定化し、
　前記第１の自由層の磁化と前記第２の自由層の磁化とは、前記第１の自由層及び前記第２の自由層の前記磁化困難軸方向に印加される外部磁界の強度が、前記第１の自由層及び前記第２の自由層の飽和磁界に到達した状態で、互いに平行な配列になる、磁気接合体。
　前記第１の自由層及び前記第２の自由層の前記磁化困難軸方向に印加される前記外部磁界が、飽和磁界に到達するまでの状態では、前記第１の自由層の磁化及び前記第２の自由層の磁化は、前記外部磁界が印加される方向に対して対称に回転し、
　前記外部磁界の強度の増加とともに、前記第１の自由層の磁化と前記第２の自由層の磁化とのなす角は小さくなり、
　抵抗磁界特性は、前記外部磁界が印加される方向の正負に対して対称な偶関数型の特性を示す、請求項１に記載の磁気接合体。
　前記トンネル障壁層は、ＭｇＯ、Ｍｇ－Ａｌ－Ｏ及びＡｌ_２Ｏ_３からなる群から選択されるの少なくとも１種を有し、
　前記第１の自由層と前記第２の自由層とは、少なくともＣｏＦｅＢからなる層を有する、請求項１に記載の磁気接合体。
　前記第１の自由層と前記第２の自由層とのうち少なくとも一方は、複数の層を含む積層体であり、
　　前記積層体は、前記ＣｏＦｅＢからなる層と、ＣｏＦｅからなる層と、中央層と、を有し、
　　前記ＣｏＦｅからなる層は、前記ＣｏＦｅＢからなる層より前記トンネル障壁層から離れた位置にあり、
　　前記中央層は、前記ＣｏＦｅＢからなる層と前記ＣｏＦｅからなる層の間にあり、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅＳｉＢ、ＣｏＦｅＢＴａからなる群から選択されるいずれか１種を含む、
　請求項３に記載の磁気接合体。
　請求項１に記載の磁気接合体を有し、
　前記磁気接合体は、
［強磁性層Ａ_ｉ／結合層Ａ_ｉ］_ｎ／強磁性層Ａ_ｎ＋１／中間層Ａ／前記第１の自由層／前記トンネル障壁層／前記第２の自由層／中間層Ｂ／［強磁性層Ｂ_ｊ／結合層Ｂ_ｊ］_ｎ＋１／強磁性層Ｂ_ｎ＋２／
又は、
　［強磁性層Ａ_ｊ／結合層Ａ_ｊ］_ｎ＋１／強磁性層Ａ_ｎ＋２／中間層Ａ／前記第１の自由層／前記トンネル障壁層／前記第２の自由層／中間層Ｂ／［強磁性層Ｂ_ｉ／結合層Ｂ_ｉ］_ｎ／強磁性層Ｂ_ｎ＋１／
で表される積層構造体を有し、
　ここで、ｎは０以上の整数であり、ｎ≠０のとき、ｉ＝１，…，ｎおよびｊ＝１，…，ｎ＋１であって、［強磁性層Ａ_ｊ／結合層Ａ_ｊ］_ｎ＋１なる表記は、「強磁性層Ａ_ｊ／結合層Ａ_ｊ」の２層構造をｎ＋１回繰り返し積層することを意味し、［強磁性層Ｂ_ｉ／結合層Ｂ_ｉ］_ｎなる表記は、「強磁性層Ｂ_ｉ／結合層Ｂ_ｉ」の２層構造をｎ回繰り返し積層することを意味する、ＴＭＲ素子。
　前記強磁性層Ａ_ｉ、前記強磁性層Ａ_ｎ＋１、前記強磁性層Ｂ_ｊ、前記強磁性層Ｂ_ｎ＋２、前記強磁性層Ａ_ｊ及び前記強磁性層Ｂ_ｉは、ＣｏＦｅであり、
　前記結合層Ａ_ｉ、前記結合層Ｂ_ｊ、前記結合層Ａ_ｊ及び前記結合層Ｂ_ｉは、Ｒｕであり、
　前記中間層Ａ及び前記中間層Ｂは、Ｃｕ，Ａｇ，Ｃｒ，Ｒｕ及びＡｇＳｎからなる群から選択される少なくとも一種を有し、
　前記トンネル障壁層は、ＭｇＯ、Ｍｇ－Ａｌ－Ｏ及びＡｌ_２Ｏ_３からなる群から選択される何れか１種以上を有し、
　前記第１の自由層と前記第２の自由層は、少なくともＣｏＦｅＢからなる層を有する、
　請求項５に記載のＴＭＲ素子。
　請求項１に記載の磁気接合体を有し、
　前記磁気接合体は、
　第１の反強磁性層／第１の強磁性層／第１の交換結合層／前記第１の自由層／前記トンネル障壁層／前記第２の自由層／第２の交換結合層／第２の強磁性層／第２の反強磁性層／
で表される積層構造体を有し、
　前記第１の交換結合層と前記第２の交換結合層は、Ｒｕ又はＣｒであり、
　前記第１の強磁性層と前記第１の自由層との間の磁気結合と、前記第２の強磁性層と前記第２の自由層との間の磁気結合とは、一方が反強磁性結合であり、他方が強磁性結合である、ＴＭＲ素子。
　前記第１の反強磁性層及び前記第２の反強磁性層は、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、ＦｅＭｎ、ＮｉＭｎの少なくとも一種類であり、
　前記第１の強磁性層及び前記第２の強磁性層は、ＣｏＦｅであり、
　前記第１の交換結合層及び前記第２の交換結合層は、Ｒｕであり、
　前記トンネル障壁層は、ＭｇＯ、Ｍｇ－Ａｌ－Ｏ及びＡｌ_２Ｏ_３からなる群から選択される何れか１種類を含み、
　前記第１の自由層及び前記第２の自由層は、少なくともＣｏＦｅＢからなる層を有する、請求項７に記載のＴＭＲ素子。
　請求項１に記載の磁気接合体を有し、
　前記磁気接合体は、
　反強磁性層Ａ／ダスト層Ａ／［強磁性層Ａ_ｉ／結合層Ａ_ｉ］_ｎ／前記第１の自由層／前記トンネル障壁層／前記第２の自由層／［結合層Ｂ_ｊ／強磁性層Ｂ_ｊ］_ｎ＋１／ダスト層Ｂ／反強磁性層Ｂ／
又は、
　反強磁性層Ａ／ダスト層Ａ／［強磁性層Ａ_ｊ／結合層Ａ_ｊ］_ｎ＋１／前記第１の自由層／前記トンネル障壁層／前記第２の自由層／［結合層Ｂ_ｉ／強磁性層Ｂ_ｉ］_ｎ／ダスト層Ｂ／反強磁性層Ｂ／
で表される積層構造体を有し、
　ここで、ｎは０以上の整数であり、ｎ≠０のとき、ｉ＝１，…，ｎおよびｊ＝１，…，ｎ＋１であって、［強磁性層Ａ_ｊ／結合層Ａ_ｊ］_ｎ＋１なる表記は、「強磁性層Ａ_ｊ／結合層Ａ_ｊ」の２層構造をｎ＋１回繰り返し積層することを意味し、［結合層Ｂ_ｉ／強磁性層Ｂ_ｉ］_ｎなる表記は、「結合層Ｂ_ｉ／強磁性層Ｂ_ｉ」の２層構造をｎ回繰り返し積層することを意味する、ＴＭＲ素子。
　前記反強磁性層Ａ及び前記反強磁性層Ｂは、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、ＦｅＭｎ及びＮｉＭｎからなる群から選択される少なくとも一種以上を有し、
　前記強磁性層Ａ_ｉ、前記強磁性層Ｂ_ｊ、前記強磁性層Ａ_ｊ及び前記強磁性層Ｂ_ｉは、ＣｏＦｅであり、
　前記結合層Ａ_ｉ、前記結合層Ｂ_ｊ、前記結合層Ａ_ｊ及び前記結合層Ｂ_ｉは、Ｒｕであり、
　前記ダスト層Ａ及び前記ダスト層Ｂは、１ｎｍ以下の厚さのＲｕであり、
　前記トンネル障壁層は、ＭｇＯ、Ｍｇ－Ａｌ－Ｏ及びＡｌ_２Ｏ_３からなる群から選択される少なくとも１種以上を有し、
　前記第１の自由層と前記第２の自由層は、少なくともＣｏＦｅＢからなる層を有する、請求項９に記載のＴＭＲ素子。
　前記検出対象磁界がゼロの状態で最大抵抗を示し、前記第１の自由層の磁化と前記第２の自由層の磁化とは反平行な配列を示し、
　前記検出対象磁界の印加によって抵抗が減少し、前記検出対象磁界の印加によって前記第１の自由層及び前記第２の自由層の磁化はともに回転し、前記検出対象磁界の強度の増加とともに前記第１の自由層の磁化と前記第２の自由層の磁化とのなす角が小さくなる、請求項５に記載のＴＭＲ素子。
　前記検出対象磁界の印加方向を前記第１の自由層及び前記第２の自由層の磁化困難軸方向の向きから１０°傾けた時、磁界Ｈ１の印加方向の正負に対する抵抗値の磁界非対称性が１％以内であって、
　ここで、磁界Ｈ１は、抵抗磁界（Ｒ－Ｈ）特性の実験データに準拠した曲線の微分（ｄＲ／ｄＨ）が最大になる点における前記実験データに準拠した曲線に対する接線を定め、前記実験データに準拠した曲線と接線の差分を前記実験データの抵抗値の最大値で割って規格化した値が２０％となる磁界であり、
　前記磁界非対称性は、素子抵抗Ｒが磁界Ｈの関数としてＲ（Ｈ）と表されるとき、Ｈ＝Ｈ’（＞０）におけるＲ－Ｈ曲線の非対称性を
　Ａｓｙ（Ｈ’）＝［Ｒ（Ｈ’）－Ｒ（－Ｈ’）］／［（Ｒ（Ｈ’）＋Ｒ（－Ｈ’）］（％）
で定義したものであり、磁界Ｈ１に対する抵抗の非対称性を定義したものである、請求項１１に記載のＴＭＲ素子。
　前記積層構造体は、基板／下部電極／下地層／反強磁性層からなる第１構造と、反強磁性層／キャップ層からなる第２構造との間に位置する、請求項５に記載のＴＭＲ素子。
　前記積層構造体は、基板／下部電極／下地層からなる第３構造と、キャップ層からなる第４構造との間に位置する、請求項７に記載のＴＭＲ素子。
　前記基板は、シリコンウェハ、ＡｌＴｉＣ又は酸化アルミニウムからなるセラミックスウェハであり、
　前記下地層は、ＴａとＲｕとの積層構成であり、
　前記反強磁性層は、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、ＦｅＭｎ、ＮｉＭｎからなる群から選択されるいずれか一種類であり、
　キャップ層は、Ｒｕである、
　請求項１３に記載のＴＭＲ素子。
　請求項５に記載のＴＭＲ素子を直列又は並列の少なくとも一つの態様で複数個接続した、ＴＭＲ素子アレイ。
　請求項５に記載のＴＭＲ素子を４個用いたブリッジ回路を有する、磁気センサ。
　請求項１６に記載のＴＭＲ素子アレイをブリッジ回路接続した、磁気センサ。
　請求項５に記載のＴＭＲ素子を有する、リニアエンコーダ用磁気センサ。
　請求項５に記載のＴＭＲ素子を有する、磁気式ロータリーエンコーダ。