(57)【要約】本発明による磁気抵抗層システム（５）によれば、たとえばＧＭＲ効果またはＡＭＲ効果に基づき動作する磁気抵抗積層体（１４）の周囲に、この磁気抵抗積層体（１４）に作用を及ぼす磁界を発生する層状構造体（１５）が設けられている。この場合、層状構造体（１５）は少なくとも１つの硬磁性層（１２）と少なくとも１つの軟磁性層（１３）を有している。さらに本発明によれば、このような磁気抵抗層システム（５）を備えたセンサ素子たとえば強度および／または方向に関して磁界を検出するセンサ素子が提供される。
2005534198.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気抵抗層システムにおいて、
磁気抵抗積層体（１４）の周囲たとえばＧＭＲ効果またはＡＭＲ効果に基づき動作する磁気抵抗積層体（１４）の周囲に層状構造体（１５）が設けられており、該層状構造体（１５）により前記磁気抵抗積層体（１４）に作用を及ぼす磁界が生成され、
該層状構造体（１５）は少なくとも１つの硬磁性層（１２）と軟磁性層（１３）を有することを特徴とする磁気抵抗層システム。
【請求項２】
請求項１記載の磁気抵抗層システムにおいて、
前記硬磁性層（１２）と前記軟磁性層（１３）は強磁性交換結合されていることを特徴とする磁気抵抗層システム。
【請求項３】
請求項１または２記載の磁気抵抗層システムにおいて、
前記層状構造体（１５）は前記積層体（１４）の上および／または下および／または側方に配置されていることを特徴とする磁気抵抗層システム。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項記載の磁気抵抗層システムにおいて、
前記層構造体（１５）は複数の軟磁性層（１３）と硬磁性層（１２）を有しており、これらの層はたとえば硬磁性層（１２）および該層（１２）と隣り合う軟磁性層（１３）をもつ層ペアとしてまとめられていることを特徴とする磁気抵抗層システム。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項記載の磁気抵抗層システムにおいて、
前記軟磁性層（１３）はＣｏＦｅ合金、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、ＦｅＮｉ合金および該材料を含む磁性合金から成ることを特徴とする磁気抵抗層システム。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項記載の磁気抵抗層システムにおいて、
前記軟磁性層（１３）は１ｎｍ〜５０ｎｍの厚さをもち、たとえば１ｎｍ〜１０ｎｍの厚さをもつことを特徴とする磁気抵抗層システム。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項記載の磁気抵抗層システムにおいて、
前記硬磁性層（１２）はＣｏＣｒＰｔ合金、ＣｏＳｍ合金、ＣｏＣｒ合金、ＣｏＣｒＴａ合金、ＣｏＰｔ合金またはＦｅＰｔ合金から成ることを特徴とする磁気抵抗層システム。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか１項記載の磁気抵抗層システムにおいて、
前記硬磁性層（１３）は２０ｎｍ〜１００ｎｍの厚さをもつことを特徴とする磁気抵抗層システム。
【請求項９】
センサ素子たとえば強度および／または方向に関して磁界を検出するセンサ素子において、
請求項１から８のいずれか１項記載の磁気抵抗層システム（５）が設けられていることを特徴とする磁気抵抗層システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は独立請求項記載の磁気抵抗層システムおよび該層システムを備えたセンサ素子に関する。
【０００２】
従来の技術
従来技術から、たとえば自動車において使用するために様々なやり方で生成される補助磁界によりシフトされる動作点をもつ磁気抵抗層システムまたはセンサ素子が知られている。たとえばこのような補助磁界を、肉眼で見える組み込まれた硬質磁石によって、あるいは電流が流される界磁コイルによって生成することが知られている。このほかDE 101 28 135.8において説明されているコンセプトによれば、硬質磁性層ないしは硬磁性層が磁気抵抗層の積層体近傍に置かれ、たとえば積層体の上または積層体の下に置かれ、それが殊にその漂遊磁界を介して本来の感応層と結合される。この場合、目標パラメータとしてできるかぎり高い保磁力が重要となる一方、制限パラメータとしては残留磁界が重要となる。さらにこの種の硬磁性層は垂直方向での集積に際して、磁気抵抗層システムにおける隣接する感応層を電気的に短絡する作用を及ぼし、このことによって望ましいＧＭＲ効果もしくはＡＭＲ効果ならびに外部磁界に対する層システムの感度が制約されてしまう。
【０００３】
本発明の課題は、磁気抵抗層の積層体に作用を及ぼすバイアス磁界または補助磁界を低コストで簡単に生成できるようにすることであり、それによってたとえば自動車に組み込むための磁気抵抗センサ素子を安価に、とはいえ高い信頼性を伴って製造できるようにすることである。
【０００４】
発明の利点
従来技術とは異なり本発明による磁気抵抗層システムにより得られる利点とは、磁気抵抗積層体の周囲たとえばＧＭＲ効果またはＡＭＲ効果に基づき動作する磁気抵抗積層体の周囲に設けられた層状構造体によって、保磁力または抗磁界も同時に高めながらいっそう高められた漂遊磁界が供給されるという利点が得られる。その際に同時に、層状構造体を簡単かつ低コストで作成もしくは層システムに組み込むことができる。たとえば層状構造体はとりわけ硬磁性層の厚さに関して著しく薄い構造をもつ。
【０００５】
そのほかの利点として挙げられるのは、この層状構造体によれば所定の範囲内で硬磁性層と軟磁性層により生成される漂遊時間の強さを変化させることができることであり、さらに硬磁性層に結合されたないしはその層のとなりに配置された殊に薄い軟磁性層によって、磁区の漂遊磁界（いわゆる「クリーピング」"Creeping"）により外部交番磁界が加わったときの硬磁性層の減磁を阻止することができる。これについてはPhys. Rev. Lett., &4, (2000)の１８１６頁および３４６２頁を参照されたい。
【０００６】
さらに硬磁性層と軟磁性層から成るシステムは概して、体積あたり単純な硬磁性層よりも高い磁化の強さすなわち高い磁気モーメントを有している。このことから全体の層厚が同じであれば、たとえば強磁性交換結合されている硬磁性層と軟磁性層とをもつ層状構造体の漂遊磁界の磁界強度は、単なる硬磁性層の磁界強度よりも高められる。
【０００７】
従属請求項には本発明の有利な実施形態が示されている。
【０００８】
たとえば少なくとも１つの軟磁性層と少なくとも１つの硬磁性層をもつ強磁性交換結合された層状構造体において、磁化方向とは異なる配向をもつ外部磁界が加わったときに軟磁性層は有利にはキラル磁化を有しており、これは外部磁界が遮断されたときに硬磁性磁化に対して平行な向きにジャンプして戻る。これについてはIEEE Trans. Magn,. 27, (1991)の３５８８頁を参照されたい。たとえば軟磁性層の磁化はコヒーレントに回転し、磁区の核生成によっても再磁化されない。したがってあまり離れていないところにある他のまたは別の軟磁性層の漂遊磁界（磁区漂遊磁界）によっても硬磁性層を減磁することはできない。
【０００９】
さらに磁気抵抗層システムの構造に関するこのようなコンセプトを、ＧＭＲ多重層をもつ既存の磁気抵抗センサ素子または層システム、スピンバルブ方式による磁気抵抗センサ素子または層システムに、さらにはＡＭＲセンサ素子またはグラニュー型磁気抵抗ないしはグラニューラ磁気抵抗または材料特性の構造変化により引き起こされる磁気抵抗に基づくセンサ素子にも、問題なく挿入することができるし、ないしは対応する製造プロセスに組み込むことができる。その際、層システムの個々の層のデポジットは周知の影響因子に対し問題を起こさない。
【００１０】
図面
次に、図面を参照しながら本発明について詳しく説明する。図１は、それぞれ異なる構成をもつ層配置の磁化特性曲線をそれぞれ比較しながら示す図であり、図２は基板上の磁気抵抗層システムを示す断面図である。
【００１１】
実施例
図２には、たとえば珪素または酸化珪素から成る基板１０が示されており、この基板の上にオプションとして設けられるたとえばＣｒ、ＷまたはＭｏから成るバッファ層１１の上に硬質磁性層ないしは硬磁性層１２がおかれ、さらにこの硬磁性層１２の上に軟磁性層１３がおかれている。これら両方の層１２，１３によって層状構造体１５が形成されている。
【００１２】
軟磁性層１３の上にはそれ自体周知のように、ＧＭＲ効果（"Giant Magnetoresistance" 「巨大磁気抵抗」）またはＡＭＲ効果（"Anisotropic Magnetoresistance" 「異方性磁気抵抗」）に基づいて動作する積層体１４が設けられている。有利には積層体１４は複数の個別層を有しており、それらの個別層は結合型多層方式またはスピンバルブ方式に従い動作する。したがって積層体１４および層状構造体１５は垂直方向に集積されており、これらが合わさって磁気抵抗層システム５を形成する。
【００１３】
なお、磁気抵抗積層体１４を、Ｌａ０．６７Ｃａ０．３３ＭｎＯ３などのようなＣＭＲ材料（"Colossal Magnetoresistance" 「超巨大磁気抵抗」）によって構成することもできる。その場合には磁気抵抗積層体１４は、磁界によってまたは温度変化によっても構造変化（"Jahn-Teller-effect" 「ヤン・テラー効果」）を引き起こすことのできる材料を有しており、これにより導体もしくは金属から絶縁体へ材料が電気的に移行するようになる。このことで１００％を超える電気抵抗の変化が生じる可能性がある。しかもこのようなＣＭＲ材料はＰＭＲまたは"Powder Magnetoresistance"「粉末磁気抵抗」とも解され、それによれば磁化状態のそれぞれ異なる個々の磁粉粒子間で磁気抵抗が発生する。
【００１４】
有利には硬磁性層１２の上に強磁性で薄い軟磁性の交換結合層１３が置かれている。ここで利用しているのは、特定の層厚範囲では軟磁性層１３は保磁力の上昇も層状構造体１５の漂遊磁界の絶対値の上昇も確保されることである。殊に軟磁性層１３によれば、ただの硬磁性層の同等の層厚に比べて漂遊磁界の絶対値が軟磁性層１３の高い飽和磁化に応じて不釣り合いに高められる。
【００１５】
このことによって、生成される漂遊磁界が等しくかつ保磁力が等しいかまたは高ければ、それぞれ強磁性であるが一方は軟磁性であり他方は硬磁性である層１３，１２を備えた層状構造体１５を、相応のパラメータをもつただの硬磁性層よりも薄く形成できるようになる。そしてこのように厚さが薄くされたことによって層状構造体１５の電気抵抗が高められ、ひいては磁気抵抗積層体１４におけるＧＭＲ効果またはＡＭＲ効果が高められる。さらにこのことで、外部から作用する磁界の測定にあたり層システム５の感度も向上することになる。
【００１６】
なお、硬磁性層１２のための比較的高価な硬磁性材料は軟磁性層１３のための比較的安価な軟磁性材料に比べて大きいコスト係数となり、つまり層状構造体１５の製造コストは軟磁性層１３の使用によって低減される。しかも軟磁性層１３によって、外部交番磁界が加わったときの硬磁性層１２の減磁も阻止される。
【００１７】
有利には図２によれば、軟磁性層１３はＣｏ９０Ｆｅ１０のようなＣｏＦｅ合金、Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉ、Ｆｅ１９Ｎｉ８１のようなＦｅＮｉ合金、ならびにこれらの材料を含む磁性合金から成り、厚さ１ｎｍ〜５０ｎｍであり、この厚さによって既述のように層状構造体１５の特性を設定可能であって、このような軟磁性層１３が硬磁性層１２の上または下に置かれている。軟磁性層１３を１ｎｍ〜１０ｎｍまでの厚さにすると有利である。硬磁性層は有利にはＣｏ７５Ｃｒ１３Ｐｔ１２のようなＣｏＣｒＰｔ合金、Ｃｏ８０Ｓｍ２０のようなＣｏＳｍ合金、Ｃｏ８０Ｃｒ２０のようなＣｏＣｒ合金、Ｃｏ８４Ｃｒ１３Ｔａ３のようなＣｏＣｒＴａ合金、Ｃｏ５０Ｐｔ５０のようなＣｏＰｔ合金、あるいはＦｅ５０Ｐｔ５０のようなＦｅＰｔ合金から成る。硬磁性層１２の厚さを２０ｎｍ〜１００ｎｍにすると有利である。
【００１８】
ここで有利であるのは、積層体１４と硬磁性層１２との間に軟磁性層１３を設けることである。
【００１９】
図２を参照しながら説明した実施例に対する代案として、殊にそれぞれ異なる組成をもつおよび／またはそれぞれ異なる厚さをもつ複数の軟磁性層１３を設けることもできる。それらの軟磁性層は硬磁性層１２の下にまたは有利には図２に示されているように硬磁性層１２の上に設けられ、有利にはそれぞれ厚さ１ｎｍ〜５０ｎｍであり、殊に１ｎｍ〜１０ｎｍまでであって、上述の材料により構成されている。さらに層状構造体１５を、図２に示されているような層ペアをもつ複数の軟磁性層１３と硬磁性層１２から成る多層体として構成することもできる。
【００２０】
これらの実施形態に共通するのは、強磁性で結合される軟磁性層と硬磁性層１２，１３が常に二重層または多重層として磁気抵抗層積層体１４の近くに置かれていることである。
【００２１】
きわめて簡単に実現できることから技術的に有利であるのは、すでに説明した層状構造体１５を積層体１４の下または上に配置することである。ただしこれに対する代案として、層状構造体１５を積層体１４側方の一方の側または両側に配置したり、積層体１４に組み込んだりすることもできる。
【００２２】
図１には、もっぱら硬磁性であるにすぎない層に関する第１の磁化特性曲線１が示されており、つまり磁化の強さが磁界に依存して示されており、さらにこの硬磁性層およびその上に被着された薄い軟磁性層に関する第２の磁化特性曲線２と、この硬磁性層およびその上に被着され特性曲線２よりも厚い軟磁性層に関する第３の磁化特性曲線が示されている。この場合、磁化は磁気モーメントの合計であり、すなわち磁化が高まるということは漂遊磁界の磁界強度も高められたことを意味する。
【００２３】
図１からわかるのは、層状構造体１５は軟磁性層の層厚の選定次第で、単純な硬磁性層１２よりも保磁力が高められ、かつ残留磁化も高められることである。その理由は、軟磁性層は構成する材料の磁気モーメントが高いことに起因して比較的高い漂遊磁界を生成すること、ならびに軟磁性層１３が硬磁性層１２に結合することによりそのような高い磁気モーメントが硬磁性層１２の磁化の方向に配向されることによる。その結果、全体として漂遊磁界の磁界強度が高くなる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】それぞれ異なる構成をもつ層配置の磁化特性曲線をそれぞれ比較しながら示す図
【図２】基板上の磁気抵抗層システムを示す断面図
【図１】
2005534198.tif 000003
【図２】
2005534198.tif 000004
【国際調査報告】
2005534198.tif 000005
2005534198.tif 000006
2005534198.tif 000007
2005534198.tif 000008
2005534198.tif 000009
2005534198.tif 000010