JP2016039313A - 磁気抵抗素子 - Google Patents

Abstract

【課題】耐熱性を向上させつつ、感度の低下も抑制できる磁気抵抗素子を提供する。【解決手段】ピン層２０、中間層３０、フリー層４０が順に積層され、フリー層４０に磁化方向が膜面の面内方向に対する法線方向に磁化方向を有する磁気抵抗素子において、フリー層４０に、単位面積当たりの磁気モーメントの大きさを磁化量としたとき、フリー層４０を構成する母材に、磁化量の低下率が異方性磁界の低下率より大きくなる非磁性材料４１を添加する。【選択図】図１

Description

本発明は、ピン層、中間層、フリー層が順に積層された磁気抵抗素子に関するものである。

従来より、例えば、特許文献１には、ピン層、中間層、フリー層が膜状に形成されると共に順に積層され、フリー層の磁化方向（磁化容易軸）が当該フリー層の膜面に対する法線方向とされた磁気抵抗素子が提案されている。

このような磁気抵抗素子では、フリー層の磁化方向が外部磁界に応じて変化するため、外部磁界に応じたセンサ信号が出力される。

特開２０１１−７１３５２公報

ところで、上記のような磁気抵抗素子において、ピン層、中間層、フリー層に対して熱処理を行うことにより、結晶性を向上させて感度を向上させるということも知られている。しかしながら、熱処理を行った場合、フリー層の材質によっては検出レンジが狭くなると共に検出精度が低下するという問題がある。

すなわち、図６に示されるように、例えば、フリー層としてＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉのうちの少なくとも１つ以上の元素とＢを含む合金を用いた場合には、３００℃での熱処理ではセンサ信号が外部磁界の強度に応じてリニアに変化する信号となる。しかしながら、３２５℃および３５０℃での熱処理では、センサ信号が外部磁界の強度に応じてリニアに変化する信号とはならない。これは、明確な原理については明らかになっていないが、フリー層の材質によっては、フリー層の磁化方向が膜面に対する法線方向から膜面に対する面内方向に変化するためであると推定される。

このような問題は、上記特許文献１の磁気抵抗素子のように、フリー層としてＣｏＰｔ合金等のいわゆる規則合金を用いることによって解決できる。しかしながら、このような規則合金は、異方性磁界（Ｈｋ）が非常に大きく、外部磁界に対する変化が小さくなる。すなわち、規則合金を用いた磁気抵抗素子では、耐熱性を向上できるものの、感度が低下するという問題がある。

本発明は上記点に鑑みて、耐熱性を向上させつつ、感度の低下も抑制できる磁気抵抗素子を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、薄膜状であり、膜面の面内方向における一方向に磁化方向が固定されているピン層（２０）と、薄膜状であり、ピン層上に積層された中間層（３０）と、薄膜状であり、中間層上に積層され、膜面の面内方向に対する法線方向に磁化方向を有し、当該磁化方向が外部磁界に応じて変化するフリー層（４０）とを備え、以下の点を特徴としている。

すなわち、フリー層は、単位面積当たりの磁気モーメントの大きさを磁化量としたとき、フリー層を構成する母材の磁化量を小さくする非磁性材料（４１）が添加されており、非磁性材料が添加されることによる磁化量の低下率は、非磁性材料が添加されることによる異方性磁界の低下率より大きくされていることを特徴としている。

これによれば、フリー層に磁化量の低下率が異方性磁界の低下率より大きくなる非磁性材料を添加しているため、耐熱性を向上しつつ、感度の向上を図ることができる（図４、図５参照）。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の第１実施形態における磁気抵抗素子の断面図である。 外部磁界の強度とセンサ信号との関係を示す図である。 図２中のＡ点におけるフリー層の磁化方向を示す図である。 図２中のＢ点におけるフリー層の磁化方向を示す図である。 図２中のＣ点におけるフリー層の磁化方向を示す図である。 図１に示す磁気抵抗素子における外部磁界の強度とセンサ信号との関係を示す図である。 異方性磁界の大きさに対する外部磁界の強度とセンサ信号との関係を示す図である。 課題を説明するための外部磁界の強度とセンサ信号との関係を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について図面を参照しつつ説明する。本実施形態の磁気抵抗素子は、図１に示されるように、シリコン等で構成される基板１０上に、熱酸化膜（ＳｉＯ_２）１１、ピン層２０、中間層３０、フリー層４０、保護層５０が順に積層されて構成されている。本実施形態では、ピン層２０は、基板１０側から順に、下地層２１、反強磁性層２２、強磁性層２３、非磁性層２４、および強磁性層２５が積層されて構成されている。

下地層２１は、Ｔａ、Ｒｕ等で構成されており、熱酸化膜１１上に薄膜状に形成されている。反強磁性層２２は、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ等で構成されており、下地層２１上に薄膜状に形成されている。この反強磁性層２２は、磁化方向が所定方向に固定されており、これによってピン層２０の磁化方向が所定方向に固定されている。なお、反強磁性層２２の磁化方向は、膜面に対する面内方向の一方向になっている。

強磁性層２３は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉのうちの少なくとも１つ以上の元素を含む合金等で構成されており、反強磁性層２２上に薄膜状に形成されている。非磁性層２４は、Ｒｕ等で構成され、強磁性層２３上に薄膜状に形成されている。強磁性層２５は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｂのうちの少なくとも１つ以上の元素を含む合金等で構成されており、非磁性層２４上に薄膜状に形成されている。本実施形態では、このように、非磁性層２４を強磁性層２３、２４で挟んだいわゆる積層フェリ構造とすることにより、磁界が漏れることを抑制するようにしている。

中間層３０は、強磁性層２５上に薄膜状に形成されている。そして、例えば、中間層３０をＭｇＯ、ＡｌＯ等で構成した場合には、磁気抵抗素子としのＴＭＲ（Tunneling Magneto Resistance）が構成される。また、中間層３０をＣｕ、Ａｇ等で構成した場合には、磁気抵抗素子としてＧＭＲ素子（Giant Magneto Resistance）素子が構成される。

フリー層４０は、中間層３０上に薄膜状に形成されており、外部磁界によって磁化方向が変化する磁界検出層としての機能を発揮する。このフリー層４０は、膜面の面内方向に対する法線方向に磁化方向を有しており、具体的な構成については後述する。

保護層５０は、Ｔａ、Ｒｕ等で構成されており、フリー層４０上に薄膜状に形成されている。

このような磁気抵抗素子では、フリー層４０の磁化方向が外部磁界に応じて変化するため、基本的には、外部磁界に応じたセンサ信号が出力される。具体的には、図２に示されるように、磁気抵抗素子は、外部磁界の磁界強度に応じてセンサ信号がリニア（連続的）に変化する。

詳述すると、図３Ａ〜図３Ｃに示されるように、ピン層２０の磁化方向ａが膜面の面内方向における一方向（図３Ａ〜図３Ｃ中紙面左右方向）の場合、図３Ａに示されるように、外部磁界の強度が０であるときには、フリー層４０の磁化方向ｂは膜面に対する法線方向であり、所定のセンサ信号を出力する。

そして、図３Ｂに示されるように、ピン層２０の磁化方向ａと同一方向の外部磁界ｃが印加されると、フリー層４０の磁化方向ｂはピン層２０の磁化方向と平行となる方向に近づき、フリー層４０の磁化方向とピン層２０の磁化方向との間の成す角度が小さくなる。この場合、磁気抵抗素子の抵抗値が大きくなるため、センサ信号は小さくなる。

これに対し、図３Ｃに示されるように、ピン層２０の磁化方向と反対方向の外部磁界が印加されると、フリー層４０の磁化方向ｂはピン層２０の磁化方向と反平行となる方向に近づき、フリー層４０の磁化方向とピン層２０の磁化方向との間の成す角度が大きくなる。この場合、磁気抵抗素子の抵抗値が小さくなるため、センサ信号が大きくなる。

以上が基本的な磁気抵抗素子の構成および作動である。次に、本実施形態の特徴点について説明する。上記のように、磁気抵抗素子を熱処理すると膜全体の結晶性を向上させることができるが、フリー層４０の材質によっては、フリー層４０の磁化方向が膜面の面内方向に対する法線方向から膜面の面内方向に変化することがある。

この問題を解決するため、本発明者らは鋭意検討を行った。そして、図１および図４に示されるように、フリー層４０に非磁性材料４１を添加することによって当該フリー層４０の磁化量を減らすことにより、耐熱性を向上させることができる場合があることを見出した。

なお、図４は、フリー層４０として、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉのうちの少なくとも１つ以上の元素とＢを含む合金を母材とし、非磁性材料４１としてＡｌをフリー層４０に添加したときの実験結果である。また、ここでのフリー層４０の磁化量とは、フリー層４０における単位面積当たりの磁気モーメントの大きさのことである。

そして、さらに本発明者らは、フリー層４０に非磁性材料４１を添加しても全ての非磁性材料４１が図４に示されるような結果にはならないことも見出した。ここで、垂直磁化を維持する理論条件は、異方性磁界をＨｋ、磁化量をＭｓとすると、Ｈｋ＞４πＭｓである。つまり、フリー層４０に非磁性材料４１を添加した場合には、磁化量と共に異方性磁界も低下するため、非磁性材料４１を添加しても耐熱性を得ることができない場合がある。

このため、本実施形態では、フリー層４０に非磁性材料４１を添加した際、磁化量の低下率が異方性磁界の低下率より大きくなる非磁性材料４１を添加している。具体的には、フリー層４０として、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉのうちの少なくとも１つ以上の元素とＢを含む合金を母材とし、この母材に非磁性材料４１としてのＡｌやＲｕを添加している。

また、本実施形態では、図１に示されるように、非磁性材料４１は、フリー層４０のうちの中間層３０と反対側の表層部に添加されている。つまり、本実施形態では、フリー層４０は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉのうちの少なくとも１つ以上の元素とＢを含む合金のみで構成される母材層４０ａと、当該母材層４０ａ上に位置しており、非磁性材料４１が添加された添加層４０ｂが積層されて構成されているともいえる。

これは、中間層３０としてＭｇＯ、ＡｌＯ、ＣｕまたはＡｇを用い、フリー層４０としてＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉのうちの少なくとも１つ以上の元素とＢを含む合金で構成した場合には、接合界面の格子整合性が良く、この格子整合性を乱さないためである。

以上説明したように、本実施形態では、フリー層４０に、フリー層４０の磁化量の低下率が異方性磁界の低下率より大きくなる非磁性材料４１を添加している。このため、図４に示されるように、耐熱性を向上できる。また、異方性磁界を小さくしているため、図５に示されるように、感度の向上を図ることができる。

さらに、本実施形態では、非磁性材料４１をフリー層４０のうちの中間層３０と反対側の表層部に形成し、中間層３０とフリー層４０との界面における結晶の整合性が悪化しないようにしている。このため、感度が低下することを抑制できる。

（他の実施形態）
本発明は上記した第１実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。

例えば、上記第１実施形態において、ピン層２０、中間層３０、フリー層４０を構成する材質は、上記第１実施形態に記載の内容を満たすものであれば適宜変更可能である。また、ピン層２０の積層構造においても適宜変更可能である。

また、上記第１実施形態において、フリー層４０のうちの中間層３０側に非磁性材料４１を添加するようにしてもよい。このような磁気抵抗素子としても、耐熱性を向上しつつ、感度の向上を図ることができる。

２０ ピン層
３０ 中間層
４０ フリー層
４１ 非磁性材料

Claims (4)

1. 薄膜状であり、膜面の面内方向における一方向に磁化方向が固定されているピン層（２０）と、
   薄膜状であり、前記ピン層上に積層された中間層（３０）と、
   薄膜状であり、前記中間層上に積層され、膜面の面内方向に対する法線方向に磁化方向を有し、当該磁化方向が外部磁界に応じて変化するフリー層（４０）と、を備え、
   前記フリー層は、単位面積当たりの磁気モーメントの大きさを磁化量としたとき、前記フリー層を構成する母材の磁化量を小さくする非磁性材料（４１）が添加されており、前記非磁性材料が添加されることによる磁化量の低下率は、前記非磁性材料が添加されることによる異方性磁界の低下率より大きくされていることを特徴とする磁気抵抗素子。
2. 前記非磁性材料は、ＡｌまたはＲｕであることを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗素子。
3. 前記非磁性材料は、前記フリー層のうちの前記中間層と反対側の表層部に添加されていることを特徴とする請求項１または２に記載の磁気抵抗素子。
4. 前記フリー層は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉのうちの少なくとも１つ以上の元素とＢを含む合金で構成されており、
   前記中間層は、ＭｇＯ、ＡｌＯ、Ｃｕ、またはＡｇで構成されていることを特徴とする請求項３に記載の磁気抵抗素子。
   
   

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