(57)【要約】【課題】磁気センサ１において、外部磁界の検出磁界範囲として、広い検出磁界範囲を設定する。【解決手段】磁気センサ１は、外部磁場に対して磁化方向が固定されているピン層２０と、外部磁場によって磁化方向が変化するフリー層４０と、ピン層２０とフリー層４０との間に挟まれてピン層２０の磁化方向とフリー層４０の磁化方向との間の角度によって抵抗値が変化する中間層３０と、を備える。フリー層４０は、単位面積当たりの磁化量が０．２［ｍｅｍｕ／ｃｍ2］未満になっている。このため、磁気センサ１において、外部磁界の検出磁界範囲として、３００［ｍＴ］以上の広い検出磁界範囲を設定できる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄膜状に形成されて、その面内方向に平行である方向に磁化方向が固定されている磁化固定層（２０）と、
外部磁場によって磁化方向が変化する磁界検出層（４０）と、
前記磁化固定層と前記磁界検出層との間に配置されて、前記磁化固定層の磁化方向と前記磁界検出層の磁化方向との間の角度によって抵抗値が変化する中間層（３０）と、を備え、
前記磁界検出層は、単位面積当たりの磁化量が０．２[ｍｅｍｕ／ｃｍ2]未満になっていることを特徴とする磁気抵抗素子。
【請求項２】
前記磁界検出層は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉのうち少なくとも１つ以上の元素を含むもの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。
【請求項３】
前記磁界検出層は、Ｂを含むものであることを特徴とする請求項２に記載の磁気抵抗素子。
【請求項４】
前記磁界検出層は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｂを含む合金を膜状に形成されてなるＣｏＦｅＢ膜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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、磁気センサでは、固定層Ｐ、スペーサ層Ｓ、フリー層Ｆを含む磁性抵抗効果膜と、フリー層Ｆにバイアス磁界を与えるバイアス磁石膜とを同一基板上に配置してなるものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
このものにおいて、バイアス磁石膜からフリー層Ｆに付与されるバイアス磁界によって、フリー層Ｆの磁化の向きを安定して初期状態に戻すことにより、磁気センサとして、外部磁界の検出磁界範囲を広げることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−６６８２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１の磁気センサでは、バイアス磁石膜からフリー層Ｆに付与されるバイアス磁界によって、外部磁界の検出磁界範囲を広げることができるものの、実際の検出磁界の範囲は、２［ｍＴ］（換言すれれば、２０［Ｏｅ］）程度に留まっており、これ以上の大きな検出磁界の範囲には対応できないという課題があった。
【０００６】
本発明は上記点に鑑みて、外部磁界の広い検出磁界範囲の磁気センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、磁気センサにおいて、磁界検出層の単位面積当たりの磁化量を一定値未満にすれば、外部磁界の広い検出磁界範囲を得ることができる点に着目して、成されたものである。
【０００８】
具体的には、請求項１に記載の発明では、薄膜状に形成されて、その面内方向に平行である方向に磁化方向が固定されている磁化固定層（２０）と、外部磁場によって磁化方向が変化する磁界検出層（４０）と、磁化固定層と磁界検出層との間に挟まれて磁化固定層の磁化方向と磁界検出層の磁化方向との間の角度によって抵抗値が変化する中間層（３０）と、を備え、磁界検出層は、単位面積当たりの磁化量が０．２［ｍｅｍｕ／ｃｍ2］未満になっていることを特徴とする。
【０００９】
これにより、外部磁界の検出磁界範囲として広い検出磁界範囲の磁気センサを提供することができる。
【００１０】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に係る一実施形態における磁気センサの断面構成を示す図である。
【図２】上記実施形態における磁気センサの検出磁界範囲を示す図である。
【図３】上記実施形態における磁気センサの面積当たりの磁化［ｍｅｍｕ］と検出磁界範囲の関係を示す図である。
【図４】上記実施形態における磁気センサのフリー層（ＣｏＦｅＢ膜）の厚さ寸法と検出磁界範囲の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明に係る磁気センサ１０の一実施形態について図に基づいて説明する。
【００１３】
本実施形態の磁気センサ１は、図１に示すように、基板１０、熱酸化膜１１、ピン層２０、中間層３０、フリー層４０、および、保護層５０から構成されている。
【００１４】
基板１０は、Ｓｉウエハ（シリコンウエハ）からなる基板である。熱酸化膜１１は、Ｓｉ０2からなるものであって、基板１０上に薄膜状に形成されている。  ピン層２０は、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を備える。
【００１５】
下地層２１は、Ｔａ、Ｒｕなどからなるもので、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などなるもので、下地層２１上に薄膜状に形成されている。反強磁性層２２の磁化方向（すなわち、ピン層２０の磁化方向）が所定方向に固定されている。反強磁性層２２の磁化方向は、反強磁性層２２（すなわち、基板１０）の面内方向に平行になっている。面内方向は、反強磁性層２２（すなわち、基板１０）が平らに拡がる面方向のことである。
【００１６】
強磁性層２３は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉを含む合金からなるもので、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などなるもので、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を含む合金からなるもので、強磁性層２５上に薄膜状に形成されている。強磁性層２３、非磁性層２４、および強磁性層２５は、反強磁性層２２側からの磁界がフリー層４０側に漏れることを遮る。
【００１７】
中間層３０は、強磁性層２５上に薄膜状に形成されている。例えば、ＭｇＯ、ＡｌＯなどからなる絶縁層によって中間層３０を構成する場合には、磁気センサ１としてＴＭＲ素子（Tunneling Magneto Resistance；ＴＭＲ）を構成することになる。一方、Ｃｕ、Ａｇなどからなる非強磁性層によって中間層３０を構成する場合には磁気センサ１としてＧＭＲ素子（Giant Magneto Resistance；ＧＭＲ）を構成することになる。
【００１８】
フリー層４０は、中間層３０上に薄膜状に形成されている。フリー層４０は、外部磁場によって磁化方向が変化する磁界検出層を構成する。本実施形態のフリー層４０は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｂを含む合金からなるＣｏＦｅＢ膜である。保護層５０は、Ｔａ、Ｒｕなどからなるもので、フリー層４０上に薄膜状に形成されている。
【００１９】
なお、本実施形態のフリー層４０を構成するＣｏＦｅＢ膜の状態としては、結晶でもアモルファスでもよい。
【００２０】
このように構成される本実施形態の磁気センサ１では、基板１０、ピン層２０、中間層３０、およびフリー層４０はそれぞれ平行に形成されている。そして、中間層３０を介するピン層２０およびフリー層４０の電気抵抗値（以下、磁気センサ１の抵抗値という）が外部磁界の強度によって変化する。
【００２１】
次に、本実施形態の磁気センサ１の作動について図２について説明する。
【００２２】
図２（ａ）は縦軸を磁気センサ１の抵抗値とし、横軸を外部磁界強度とするグラフＧである。図２（ａ）では、横軸の中央を外部磁界強度を０（零）とする基準点としている。図２（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）中の矢印Ａは、外部磁界の方向、矢印Ｂはフリー層４０の磁化方向、矢印Ｃはピン層２０の磁化方向である。
【００２３】
図２（ｂ）に示すように、外部磁界強度が０（零）であるときには、フリー層４０の磁化方向Ｂは、フリー層４０の面内方向に直交する方向になる。
【００２４】
図２（ｃ）に示すように、磁気センサ１に対してそのピン層２０の磁化方向Ｃと同一方向に外部磁界を与えた場合には、外部磁界強度の大きさを大きくするほど、フリー層４０の磁化方向が変化してフリー層４０の磁化方向とピン層２０の磁化方向との間の角度が小さくなる。この場合、外部磁界強度の大きさを大きくするほど、磁気センサ１の抵抗値が大きくなる。
【００２５】
図２（ｄ）に示すように、磁気センサ１に対してそのピン層２０の磁化方向Ｃと逆方向に外部磁界を与えた場合には、外部磁界強度の大きさを大きくするほど、フリー層４０の磁化方向が変化してフリー層４０の磁化方向とピン層２０の磁化方向との間の角度が大きくなる。この場合、外部磁界強度の大きさを大きくするほど、磁気センサ１の抵抗値が小さくなる。
【００２６】
以上により本実施形態の図２（ａ）中のグラフＧは、変極点ｈ１、ｈ２を備え、変極点ｈ１、ｈ２の間では、外部磁界強度を大きくするほど、磁気センサ１の抵抗値が大きくなる特性になる。そこで、変極点ｈ１、ｈ２の間の外部磁界強度の範囲を磁気センサ１の検出磁界範囲と定義する。
【００２７】
本発明者等は、磁気センサ１の検出磁界範囲として広い検出磁界範囲を得るために、磁気センサ１について検証実験を実施した。以下、磁気センサ１の検証実験の結果について図３（ａ）（ｂ）（ｃ）を用いて説明する。
【００２８】
当該検証実験は、フリー層４０の単位面積当たりの磁化量と磁気センサ１の検出磁界範囲との関係を調べる実験である。
【００２９】
図３（ａ）中の４つの菱形のプロットは、それぞれ、磁気センサ１においてフリー層４０の単位面積当たりの磁化量と検出磁界範囲との関係を示す検証実験の結果である。４つの菱形のプロットは、フリー層４０の単位面積当たりの磁化量をそれぞれ異なる値に設定した場合の検証実験の結果である。図３（ｂ）は、フリー層４０の単位面積当たりの磁化量を０．２０［ｍｅｍｕ／ｃｍ2］とした磁気センサ１の検出磁界範囲が約０［ｍＴ］となっている実験結果を示している。図３（ｃ）では、フリー層４０の単位面積当たりの磁化量が０．１７［ｍｅｍｕ／ｃｍ2］とした磁気センサ１の検出磁界範囲は、３００［ｍＴ］となっている実験結果を示している。図３（ｃ）の検出磁界範囲は、最小値を−２００［ｍＴ］とし、最大値を１００［ｍＴ］としている。このため、図３（ａ）中の４つのプロット、および図３（ｂ）、（ｃ）から分かるように、フリー層４０の単位面積当たりの磁化量が、０．２［ｍｅｍｕ／ｃｍ2］未満であるときには、磁気センサ１の検出磁界範囲が３００［ｍＴ］以上となることが分かる。フリー層４０の単位面積当たりの磁化量とは、フリー層４０の単位面積当たりの磁気モーメントの大きさである。
【００３０】
そこで、本実施形態の磁気センサ１では、フリー層４０の単位面積当たりの磁化量が、零［ｍｅｍｕ／ｃｍ2］よりも大きく、かつ０．２［ｍｅｍｕ／ｃｍ2］未満とする値に設定されている。
【００３１】
さらに、検証実験によれば、図４に示すように、フリー層４０の厚さ寸法（図中ＣｏＦｅＢ膜厚という）を薄くするほど、フリー層４０の単位面積当たりの磁化量が小さくなり、検出磁界範囲が広くなる。そこで、本実施形態では、フリー層４０の厚さ寸法を約１．５［ｎｍ]未満とすることにより、磁気センサ１において３００［ｍＴ］以上の検出磁界範囲を設定している。図４中の３つの菱形のプロットは、フリー層４０の厚さ寸法の厚さ寸法を異なる値にした磁気センサ１の検出磁界範囲を示している。
【００３２】
以上説明した本実施形態によれば、磁気センサ１は、外部磁場に対して磁化方向が固定されているピン層２０と、外部磁場によって磁化方向が変化するフリー層４０と、ピン層２０とフリー層４０との間に配置されてピン層２０の磁化方向とフリー層４０の磁化方向との間の角度によって抵抗値が変化する中間層３０と、を備える。フリー層４０は、単位面積当たりの磁化量が０．２［ｍｅｍｕ／ｃｍ2］（＝０．２×１０-3[ｅｍｕ／ｃｍ2]）未満になっている。これにより、磁気センサ１において、３００［ｍＴ］以上の広い検出磁界範囲を設定することができる。
【００３３】
この磁気センサ１では、フリー層４０の位面積当たりの磁化量を０．２［ｍｅｍｕ／ｃｍ2］未満に規定したが、磁化量を規定する数値は、フリー層４０の材料や結晶状態、ピン層２０や中間層３０を上述した内容と変えても、同じである。つまり、磁気センサ１では、フリー層４０の位面積当たりの磁化量を０．２［ｍｅｍｕ／ｃｍ2］未満に規定すれば、フリー層４０の材料や結晶状態、ピン層２０や中間層３０に依存することなく、３００［ｍＴ］以上の広い検出磁界範囲を設定することができる。
【００３４】
（他の実施形態）
上記実施形態では、フリー層４０をＣｏＦｅＢ膜によって構成した例について説明したが、これに限らず、ＣｏＦｅＢ膜以外のもので、フリー層４０を構成してもよい。さらに、本発明を実施する際に、ピン層２０や中間層３０を上述した材料以外のものを用いて磁気センサ１を構成してもよい。
【００３５】
上記実施形態では、ＣｏＦｅＢ膜によってフリー層４０を構成した例について説明したが、これに代えて、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉのうち少なくとも１つ以上の元素を含むものからフリー層４０を構成してもよい。この場合、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉのうち少なくとも１つ以上の元素とＢを含む合金からフリー層４０を構成してもよい。
【００３６】
上記実施形態では、フリー層４０の厚さ寸法を薄くすることにより、フリー層４０の単位面積当たりの磁化量を小さくした例について説明したが、これに代えて、フリー層４０に非磁性体の材料の含有量を増加させて、フリー層４０の単位面積当たりの磁化量を小さくしてもよい。この場合、フリー層４０に非磁性体の材料の含有量を調整することにより、磁気センサ１において検出磁界範囲を広くすることができる。
【００３７】
なお、本発明は上記した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。
【符号の説明】
【００３８】
１      磁気センサ
２０    ピン層（磁化固定層）
４０    フリー層（磁界検出層）
３０    中間層（中間層）
【図１】
2015162515.tif 000003
【図２】
2015162515.tif 000004
【図３】
2015162515.tif 000005
【図４】
2015162515.tif 000006