JP5124606B2 - 磁気抵抗性の多層デバイスおよびセンサエレメント - Google Patents

Description

本発明は請求項１の上位概念記載の磁気抵抗性の多層デバイスおよび請求項１０の上位概念記載のセンサエレメントに関する。

従来技術から車両で使用される磁気抵抗性の多層デバイスおよび相応のセンサエレメントが公知である。このデバイスの動作点は補助磁界によりオフセットされる。特に補助磁界はマクロスコピックな硬磁性磁石または電流の流れる磁界コイルによって形成されることが知られている。

独国出願第１０１２８１３５．８号明細書には、硬磁性層を磁気抵抗性スタックの近傍、特にスタックの上または下に配置し、漂遊磁界を介してスタックの本来の感応層へ結合させることが記載されている。ここでは目標パラメータとしての高い飽和保磁力と制限パラメータとしての残留磁界とに重きを置いている。ただしこうした硬磁性層は垂直に集積されると隣接する感応層の短絡を引き起こし、このために所望のＧＭＲ効果（giant magnetoresistance effect）またはＡＭＲ効果（anisotropic magnetoresistance effect）または多層デバイスの外部磁界に対する感度が制限されてしまう。

独国出願第１０１４０６０６．１号明細書には、２つの磁性層が非磁性の中間層を介してそのつどの磁化方向を個々の層の厚さおよび組成に応じて強磁性結合にまたは反強磁性結合することが記載されている。

独国出願第１０１２８１３５．８号明細書 独国出願第１０１４０６０６．１号明細書

本発明の課題は、外部磁界に対して温度に依存しない高い感度を有する磁気抵抗性の多層デバイスを提供することである。

この課題は、積層体は磁気抵抗性スタックに向かって順に第１の磁性層、第１の中間層および第２の磁性層を有しており、第１の磁性層および第２の磁性層は非磁性の第１の中間層を介して相互に分離され、かつ相互に強磁性クロスカップリングされており、これら２つの磁性層の漂遊磁界結合は強磁性クロスカップリングに対して反対方向となっていることにより解決される。

磁気抵抗性の多層デバイスの断面図である。

本発明の磁気抵抗性の多層デバイスおよびこの多層デバイスを有するセンサエレメントは、従来技術に比べて、設定された温度範囲内ではきわめて僅かな、無視できる程度の温度依存性しか有さず、外部磁界の強度および／または方向を検出する際の感度がきわめて高いという利点を有する。

周知の磁気抵抗性のセンサエレメント、例えばスタック型のＧＭＲ素子は多層膜方式で構成されており、一般に室温に達すると、外部磁界およびその磁界強度に対する最大感度を変化させる。また感度はスタック内部で例えば硬磁性層によって形成されたバイアス磁界または補助磁界の関数としても変化する。このため磁気抵抗性スタックの動作点を温度とバイアス磁界または補助磁界の強度とに依存して調整することができる。全体としては、センサエレメントの動作点は所定のバイアス磁界のもとで温度の関数として著しくオフセットされてしまい、このことが感度の大きな損失を生んでいる。

これに対して本発明の磁気抵抗性の多層デバイスでは、磁気抵抗性スタックへ作用する合成磁界を形成する積層体の構造を工夫することにより、多層デバイスの感度が温度に僅かしか依存せず、相応に動作点もほとんど変化しない。特に有利には、バイアス磁界を形成する多層デバイスは合成磁界の温度依存性を有し、磁気抵抗性スタックの温度依存性は多層デバイスの温度依存性によって補償されるようになる。このためスタックの動作点はオフセットされず、感度も一定となる。

本発明の磁気抵抗性の多層デバイスおよびここから製造されるセンサエレメントの積層体は磁気抵抗性スタックの動作点の温度特性に適合化された合成磁界の温度特性を呈する。一方、硬磁性材料、特にキュリー温度の高い材料は、内因性の磁化温度特性を有する。

純粋な硬磁性層ではその上方に生じる漂遊性のバイアス磁界または補助磁界がつねに硬磁性層の磁化状態に対してほぼ比例する。これに対して本発明の積層体の合成磁界は中間層のクロスカップリング部の温度依存性により定まる。

第１の磁性層と第２の磁性層とは中間層を介してクロスカップリングされており、その漂遊磁界結合は中間層の強磁性結合に対して反対方向、つまり反強磁性結合となっている。中間層の強磁性結合が例えば温度の上昇により取り除かれると、相対的に反強磁性成分が増大し、したがって多層デバイスの漂遊磁界全体は低減される。相応にあらかじめ調整された動作点は温度の上昇により磁界が小さくなる方向へオフセットされ、磁気抵抗性スタックの感度の変化量は温度の関数として補償される。全体ではこのようにして、温度にともなう漂遊磁界またはバイアス磁界の変化分が中間層のクロスカップリング強度により補償される。クロスカップリング強度は材料定数であり、選択された材料によって定まる。相応に第１の磁性層および第２の磁性層の層厚さが変更される。

積層体によって生じる合成磁界と磁気抵抗性スタックの最大感度を達成するのに必要な磁界値とが一致すれば、磁気抵抗性スタックひいてはこれを用いたセンサエレメントで特に高い感度が得られる。この高い感度は多層デバイスが通常駆動で曝される温度範囲全体、例えば−３０℃〜＋２００℃にわたって安定する。

本発明の有利な実施形態は従属請求項から得られる。

ＧＭＲ効果に基づく磁気抵抗性の多層デバイスが多層膜方式またはスピンバルブ膜方式にしたがって第３の磁性層および第４の磁性層を有し、これらの層が非磁性の第２の中間層を介して相互に分離され、共働してスタックをなしている場合、特に有利には、磁気抵抗性スタックおよび積層体はほぼ等しい温度特性を有することになり、積層体の第１の中簡層とスタックの第２の中間層とを簡単に同じ材料から実現することができる。このようにして積層体および磁気抵抗性スタックは中間層のクロスカップリングによって定まるほぼ等しい温度特性を有する。

さらに有利には、積層体はいずれの実施形態でも磁気抵抗性スタックの近傍に配置される。つまり積層体が垂直に集積される場合には磁気抵抗性スタックの上または下に、積層体が水平に集積される場合には磁気抵抗性スタックのわきに配置される。

一般に積層体の２つの磁性層は異なる厚さを有すると有利である。

本発明を図示し、以下に詳細に説明する。

図１によれば、第１の磁性層１２および横向き矢印で示されたその合成磁化方向ｍ_１、その上の第１の中間層１１、その上の第２の磁性層１３および横向き矢印で示されたその合成磁化方向ｍ_２が示されている。第２の磁性層１３上には従来技術から公知の磁気抵抗性スタック１４が存在している。特に磁気抵抗性スタック１４はＧＭＲ効果に基づいて多層膜方式またはスピンバルブ膜方式にしたがって動作する。第１の磁性層１２，中間層１１および第２の磁性層１３は共働して積層体１５を形成しており、ここから磁気抵抗性スタック１４に作用する磁界が生じる。また第１の磁性層１２および第２の磁性層１３は第１の中間層１１を介して強磁性クロスカップリングされている。

第１の磁性層１２は例えば軟磁性層、例えばパーマロイ、ＣｏＦｅ，Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉ，ＦｅＮｉおよびこれらの材料を含む磁性合金から成る軟磁性層である。第２の磁性層１３は例えば硬磁性層、特にＣｏＳｍ，ＣｏＣｒＰｔ，ＣｏＣｒＴａ，ＣｒまたはＣｏＰｔから成る硬磁性層である。これに代えて、第１の磁性層１２が前述の材料から成る硬磁性層、第２の磁性層１３が前述の材料から成る軟磁性層であってもよい。そのほか、第１の磁性層１２および第２の磁性層１３をＣｏＳｍ，ＣｏＣｒＰｔ，ＣｏＣｒＴａ，ＣｒまたはＣｏＰｔから成る硬磁性層として形成することもできる。

第１の磁性層１２と第２の磁性層１３とは異なる厚さを有する。有利には第２の磁性層１３の厚さのほうが第１の磁性層１２の厚さよりも大きい。

非磁性の第１の中間層１１は銅、銅・銀・金を含む合金（例えばＣｕＡｇＡｕ）またはルテニウムから成る。

図１の実施例では、積層体１５はスタック１４の下方に配置されている。ただし積層体をスタックの上方または隣に配置してもよい。

図１の第１の磁性層１２および／または第２の磁性層１３は１０ｎｍ〜１００ｎｍの厚さ、特に有利には２０ｎｍ〜５０ｎｍの厚さを有する。第１の中間層１１の厚さは第１の磁性層１２および第２の磁性層１３が強磁性クロスカップリングするように選定される。その値は例えば０．８ｎｍである。

図１について説明したそれぞれの層は既知の影響因子に対して臨界条件が生じないように堆積される。特に既知の厚さの非磁性の第１の中間層１１を介して、強磁性クロスカップリングが達成される。

図１の磁気抵抗性の多層デバイス５の駆動中の温度変動は、外部磁界の強度および／または方向を検出するセンサエレメントが例えば車両内で曝されうる温度であり、一般に−３０℃〜＋２００℃の範囲である。

温度が例えば室温から上昇すると、まず第１の磁性層１２と第２の磁性層１３とのあいだの強磁性クロスカップリングの"弱化"が生じる。また２つの磁性層１２，１３の漂遊磁界結合は強磁性結合とは反対向きである。強磁性クロスカップリングが温度によって"弱化"しても、相対的に磁性層１２，１３の反対向きの漂遊磁界結合が増大し、積層体１５の漂遊磁界全体、すなわち磁気抵抗性スタック１４に作用する合成磁界は低下する。相応に積層体１５によって調整される磁気抵抗性スタック１４の動作点は磁界が小さくなるほうへオフセットされる。

図１にはさらに、第１の磁性層１２から生じる漂遊磁界Ｈ_１および第２の磁性層１３から生じる漂遊磁界Ｈ_２が磁気抵抗性スタック１４に作用する様子が示されている。

第１の磁性層１２と第２の磁性層１３とのあいだの強磁性クロスカップリングが"弱化"すると、前述の実施例では全体として、漂遊磁界Ｈ_１，Ｈ_２の和、つまり磁気抵抗性スタック１４に作用するバイアス合成磁界が低下する。

磁性層１２，１３の一方（例えば第２の磁性層１３）が軟磁性層である場合、２つの漂遊磁界Ｈ_１，Ｈ_２を調整して相互に補償させることができる。

積層体１５の前述のコンセプトはＧＭＲ効果を用いた多層膜方式またはスピンバルブ膜方式、ＡＲＭ効果を用いた多層膜方式またはＣＭＲ効果（colossal magnetoresistance effect）を用いた多層膜方式にしたがった既存の磁気抵抗性の多層デバイスに問題なく適用可能であることを指摘しておく。また図１の磁気抵抗性の多層デバイス５は典型的には基板上に配置され、いわゆるバッファ層を介して基板に接続される。また磁気抵抗性スタック１４上に例えばタンタルから成るカバー層を設けてもよい。

５ 多層デバイス、 １１ 第１の中間層、 １２ 第１の磁性層、 １３ 第２の磁性層、 １４ 磁気抵抗性スタック、 １５ 積層体、 ｍ_１，ｍ_２ 磁化方向、 Ｈ_１，Ｈ_２ 漂遊磁界

Claims (8)

1. ＧＭＲ効果またはＡＭＲ効果に基づいて動作する磁気抵抗性スタック（１４）の上方もしくは下方に、該磁気抵抗性スタック（１４）に作用する合成磁界を生じる少なくとも１つの積層体（１５）が設けられている、
   磁気抵抗性の多層デバイスにおいて、
   前記積層体（１５）は前記磁気抵抗性スタック（１４）に向かって順に第１の磁性層（１２）、第１の中間層（１１）および第２の磁性層（１３）を有しており、前記第１の磁性層（１２）および前記第２の磁性層（１３）は非磁性の前記第１の中間層（１１）を介して相互に分離され、かつ、相互に強磁性クロスカップリングされており、該２つの磁性層（１２，１３）の漂遊磁界結合は前記強磁性クロスカップリングに対して反対方向となっており、
   設定された−３０℃から＋２００℃までの温度範囲内で前記磁気抵抗性の多層デバイス（５）の曝される温度が変化して、測定すべき外部磁界の強度または方向に対する前記磁気抵抗性スタック（１４）の感度もしくは動作点が変化したとき、前記積層体（１５）が形成した合成磁界も前記温度変化によって少なくとも部分的に変化することにより、前記感度もしくは動作点の変化が完全に補償される
   ことを特徴とする磁気抵抗性の多層デバイス。
2. 前記第１の磁性層（１２）がパーマロイ，ＣｏＦｅ，Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉ，ＦｅＮｉおよびこれらの材料を含む磁性合金から形成される軟磁性層であり、前記第２の磁性層（１３）がＣｏＳｍ，ＣｏＣｒＰｔ，ＣｏＣｒＴａもしくはＣｏＰｔから形成される硬磁性層であるか、または、前記第１の磁性層（１２）がＣｏＳｍ，ＣｏＣｒＰｔ，ＣｏＣｒＴａもしくはＣｏＰｔから形成される硬磁性層であり、前記第２の磁性層（１３）がパーマロイ，ＣｏＦｅ，Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉ，ＦｅＮｉおよびこれらの材料を含む磁性合金から形成される軟磁性層である、請求項１記載の磁気抵抗性の多層デバイス。
3. 前記第１の磁性層（１２）および前記第２の磁性層（１３）がＣｏＳｍ，ＣｏＣｒＰｔ，ＣｏＣｒＴａもしくはＣｏＰｔから形成される硬磁性層である、請求項１記載の磁気抵抗性の多層デバイス。
4. 前記第１の磁性層（１２）は前記第２の磁性層（１３）とは異なる厚さを有する、請求項１から３までのいずれか１項記載の磁気抵抗性の多層デバイス。
5. 前記磁気抵抗性スタック（１４）は第３の磁性層および第４の磁性層を有しており、これらの層は非磁性の第２の中間層を介して相互に分離されており、前記積層体（１５）の前記非磁性の第１の中間層（１１）と前記磁気抵抗性スタック（１４）の前記非磁性の第２の中間層とは同じ材料から成るかまたは同じ厚さを有する、請求項１から４までのいずれか１項記載の磁気抵抗性の多層デバイス。
6. 前記非磁性の第１の中間層（１１）は、銅、または、銅および銀および金を含む合金、または、ルテニウムから形成される、請求項１から５までのいずれか１項記載の磁気抵抗性の多層デバイス。
7. 前記第１の磁性層（１２）または前記第２の磁性層（１３）は２０ｎｍから５０ｎｍの厚さを有する、請求項１から６までのいずれか１項記載の磁気抵抗性の多層デバイス。
8. 磁界の強度または方向を検出するセンサエレメントにおいて、
   請求項１から７までのいずれか１項記載の磁気抵抗性の多層デバイス（５）を備えていることを特徴とするセンサエレメント。

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