〈一般研究課題〉

生活環境における弱磁界計測用高感度磁気センサーに関する研究

助 成 研 究 者

大同工業大学神保睦子

生活環境における弱磁界計測用高感度磁気センサーに関する研究
神保 睦子（大同工業大学）
1. はじめに高齢化社会の到来に伴って，外出して行方が分からなくなった老人の位置を知るために，身に付けたセンサーにより地磁気を検知して位置を検出する装置が提案されている。また，自家用車におけるカーナビの発達や無人走行システムの構築にも地磁気による位置検出装置が必須である。さらに，情報家電機器が多数存在することによる EMC 対策のために微弱な磁界の計測が必要となっている。このような生活環境の中で地磁気程度の弱磁界を感度良く計測できる高感度磁気センサーの開発は重要な課題である。
そこで，超高密度 HDD 用再生ヘッドとして用いられるようになった巨大磁気抵抗効果（GMR 効果）をさらに高感度で地磁気程度の弱磁界に対しても応用できるように感度の向上を目指して研究を行なった。
すなわち，従来の GMR 効果は膜面内に電流を流す（CIP-GMR）構造であるが，本来，GMR は磁性金属／非磁性金属界面を垂直に横切る伝導電子の界面（界面散乱）あるいは磁性体内（バルク散乱）でのスピン依存散乱が主因である。そのため，膜面垂直方向に電流を流した方（CPP-GMR）
が MR 比が大きくなることが実験，理論の両面から報告されている1）〜 4）。しかし，試料の微細化や寄生抵抗を減少させる必要性から，実用的な観点では研究が進められていなかった。また，磁性層端面に薄い鏡面散乱層を挿入すると電子のスピンを保存したまま平均自由行程を増大させることができ，より大きな効果が得られると予想されている。本研究では，磁界抵抗

小

抵抗

大

感度を向上させるために膜面垂直に電流を流す GMR 効果（CPP-GMR）と鏡面散乱効果を検討したので報告する。

2. 巨大磁気抵抗効果（GMR 効果）
GMR 効果は図 1 に示すように非磁性層を挟む隣り合う磁性層の磁化が，平行と反平行の場合で電気伝導度が異なる現象− 31 −

図1巨大磁気抵抗効果（CIP-GMR）

で，それは伝導電子のスピンに依存した散乱機構で説明される。そのため GMR 効果は，磁化の平行ー反平行の遷移で大きな電気抵抗の変化が生じるために主に HDD の高感度再生ヘッドを主眼として開発がなされた。磁化の平行ー反平行遷移を実現する方法は種々あり，（a）磁性層と非磁性層を交互に積層した多層膜，（b）磁性層に保磁力の異なる材料を用い，保磁力差により磁化過程の途中で磁化の平行ー反平行遷移を起こすもの，そして（c）サンドイッチ膜に片側の磁性層の磁化をピン止めする層として反強磁性層を付加したスピンバルブ膜があげられる。これらの膜構造を図 2 示
す。（a）の多層膜は，GMR 効果が初めて発見された時の膜構造 5）で，磁性層間の層間相互作用により磁化が平行ー反平行遷移を行なう。比較的大きな磁界を印加することにより数 10%の電気抵抗の変化率が得られるが，感度はあまり高くない。（b）と（c）は層間の相互作用が弱いため反平行の実現が容易である。なかでも（c）のスピンバルブ構造と呼ばれているものは，低磁界で GMR を生じさせるために考えだされた構造で 6），抵抗変化率が多層膜よりも小さいものの，数 Oe 程度の低磁界で動作するために感度は高くなる。スピンバルブ膜は，図 2（c）のように反強磁性層，磁化が自由に動けるフリー層と固定されているピン層からなる。ピン層は反強磁性層からの交換結合により磁化のピン止めが行なわれ，MR カーブは非対称となり，磁化曲線に一方向異方性が見られる。この膜構造が GMR ヘッドの基本構造となっている。

図2

磁化の平行−反平行遷移を起こす膜構造

3. 鏡面散乱効果
GMR をデバイスとして応用するためには，アップスピンとダウンスピン電子の平均自由行程の差を大きくすることが出力を増大させるために必須である。それを達成するには，①バルク散乱の大きな材料の探索，②スピン依存伝導を効率良く実現するための散乱ユニットの配置が考えられる。②を達成する手段の一つとして鏡面散乱効果の利用が挙げられる。すなわち図 3 のように，磁性層，反強磁性層端面に構造制御した鏡面反射層を作製し，拡散散乱で減少しているアップスピンとダウンスピン電子の平均自由行程の差を大きくして効率良くスピン依存伝導を行わせると GMRの飛躍的な向上が予想される。そこで膜構造を制御し表面ラフネスの小さな極薄酸化層を作れば，

図3界面での電子散乱− 32 −

この酸化層によりアップスピン電子を鏡面反射させ平均自由行程を増大させることができる。
試料は図 4 に示すように，Si/Ta（5nm）/NiFe（2.5nm）/CoFe（1.5nm）/Cu（2.5）/CoFe（2nm）まで作製したあと試料をロードロックチャンバに移動し，酸素圧 0.2，0.5mTorr で時間を変化させて CoFe 層の自然酸化を行った。その後，メインチャンバーに戻して CoFe（ 2nm）
/IrMn（7nm）/Ta（3nm）を作製した。到達真空度は 8.0Pa 以下，Ar ガ
ス圧は 0.3 〜 0.5Pa である。製膜時には一軸異方性を付与するために約 80 Oe の磁界を印加している。抵抗測定は直流 4 端子法を用い，図4

鏡面散乱のための膜構造

MH カーブは振動試料型磁力計（VSM）で測定した。

図5MR 比の酸素圧依存性

図7

図6

抵抗率の酸化時間依存性

熱処理前後の MR 比とΔρの酸化時間依存性− 33 −

図 5 は自然酸化の酸素圧に対する CIP-MR 比の変化である。（酸化時間はすべて 10 分）1mTorr 以下の低い酸素圧で急激な MR 比の増加が見られる。図 6 は，酸素圧を一定にして酸化時間を変えた時の抵抗率の変化である。酸化時間が短いと抵抗率は増加しているが，5 分を過ぎると抵抗率が若干減少する傾向が見られる。これは，均一な酸化層が形成されて伝導電子の平均自由行程が増大したために抵抗率が下がったのではないかと考えられる。次に，図 5 の結果をもとに，酸素圧を 0.2，0.5mTorr として酸化時間と MR 比をプロットしたのが図 7 である。値にかなりばらつきがあるが，5分以上の酸化で MR 比の大きな増加が見られる。また，酸化時間が長くなるとしだいに MR 比が減少していく傾向が見られる。Δρの変化の様子も MR 比と同様であるが，酸化時間が長くなると MR比やΔρが低下するのは CoFe 層の過酸化の影響が考えられる。また，熱処理後では，0.2mTorr の方がデータのばらつきが少なく大きなΔρが得られており，均一な極薄酸化層を作製するためには0.2mTorr の方が有効であることが分かる。これらの結果は CoFe 層上部での酸化層形成状況と関係があり，今後ミクロな構造との関連を検討しなければならない。図 8 は（a）は酸化なしの試料の MRループで，（b）は 0.2mTorr で 10 分酸化を行った試料の MR ループである。両者ともスピンバルブ構造に特有な非対称の MR カーブが得られている。酸化層を挿入した（b）の試料では MR 比の増加が見られ，反強磁性層との交換結合磁界（Hex）は低下していないのが分かる。すなわち今回の条件による極薄酸化層形成では自然酸化により Hex を変化させずに MR 比のみを増加（磁界感度の向上）させることが可能であることが分かった。

図 8 （a）酸化層のない試料と（b）酸化層のある試料の MR カーブ− 34 −

図9CPP-GMR

4. CPP-GMR
本来，GMR は磁性／非磁性界面を横切る伝導電子のスピンに依存した散乱である。そのため，
図 9 のように膜面垂直方向に電流を流した方が MR 比が大きくなることが実験，理論の両面から報告されている。しかし，試料の微細化や寄生抵抗を減少させる必要性から，実用的な観点では研究が進められていなかった。そこで，感度を上げるためにより高い MR 比が期待できる CPP（Current
Perpendicular to Plane）-GMR の検討を行なった。
CPP-GMR の試料は DC ／ RF マグネロトンスパッタ装置を用いて Si/Cu（30nm）/Ta（5nm）/NiFe（2.5nm）/CoFe 5nm）/Cu（2.5-7nm）/CoFe（2nm）/IrMn（7nm）/Ta（3nm）/SiO2（50nm）/AlO（150nm）/Al（200nm）の膜構成のスピンバルブ型を作製した。作製条件は鏡面散乱のところで述べた条件と同一である。CIP-GMR では Cu の厚さを厚くすると MR 比の低下が見られるが，スピン拡散長のき
く CPP-GMR では，Cu 層をある程度厚くしても抵抗変化はあまり変わらないので，結果を示した
CPP-GMR の試料の Cu 層厚はすべて 5nm とした。フリー層は CoFe と NiFe の 2 層構造で，ピン層とそれぞれのフリー層の厚さを変化させ抵抗の変化率を検討した。作製した試料はフォトリソとイオンミリングで微細加工を行い，GMR 膜の大きさは直径約 2mm である。GMR 膜の上部に 20nm のSiO2 層を積層し，その部分にコンタクトホールを作製した。コンタクトホールを作製したマスクの大きさは直径 1 〜 4 ミクロンで，作製した試料の構造の概略を図 10 に示す。Cu（50nm）層は下部電極，Al（200nm）層は上部電極である。加工したコンタクトホールは SEM により観察した。
図 11 は SEM で観察したコンタクトホールの写真の一例である。これはマスクの大きさが直径 2μm を使ったものであるが，マスクの直径とほぼ同じ大きさのホールが空いていることが分かる。今
回は電流の広がりがないとして，素子の大きさをホールの大きさで評価した。

図 10

図 11CPP-GMR の膜構造

コンタクトホールの SEM 写真− 35 −

図 12 は素子面積をコンタクトホールの大きさとしてプロットした抵抗変化分Δ R の変化を示した結果である。データに少しばらつきがあるが，ほぼ直線的に変化しており，コンタクトホールの大きさの見積もりが少し不明確であるが CPP-GMR の傾向は評価できるものと考えられる。この傾きから求めた A Δ R は 0.7m Ωμm2 である。
次に各層の厚さを変化させた時の結果を示す。図 13 はピン層 CoFe の厚さを変えた時の素子面積（A）と抵抗変化（Δ R）をかけた A Δ R である。CoFe 層の厚さを 2 〜 6nm に厚くすると A Δ R は 1.5倍程度に増加しているのがわかる。
図 14，15 はフリー層の厚さを変えた結果である。ピン層 CoFe の厚さは 4nm で，GMR 部の他の層厚は図の下に示してある。図 14 は NiFe 層の厚さを 2.5nm としてフリー CoFe 層を 3.5nm と 5nm に変化させたものである。実験した範囲では CoFe 層を厚くするとΔ R が増加する。図 15 は CoFe 層の厚さを 5nm として NiFe 層の厚さを変化させたものである。NiFe 層の厚さを厚くしていくとしだいにΔ R が増加し，5nm でピークとなって，さらに厚くすると低下しているのが分かる。

図 12

図 14

素子面積とΔ R との関係

図 13

AΔR のピン CoFe 層厚依存性

ΔR のフリー CoFe 層厚依存性

図 15

ΔR のフリー NiFe 層厚依存性

最後にフリー層の合計膜厚に対する抵抗変化分Δ R を図 16 に示す。○が CoFe 層を5nm として NiFe 層を変化させたもの，●がCoFe 層を 3nm として NiFe 層の厚さを変化させたものである。バルクのスピン依存散乱が大きい CoFe 層が厚い方が全体的に大きなΔR を示しているのがわかる。また，フリー層の全膜厚を見ると 10nm 付近でピークとなっ
図 16ている。ピン層を含めた全磁性層を上に示し− 36 −

ΔR のフリー層厚依存性

ているが，一般に CPP-GMR では磁性層厚がスピン拡散長と同程度の厚さになると飽和する傾向にあるといわれているので，14nm 以降でのΔ R の低下または飽和傾向はスピン拡散長の影響ではな
いかと考えられる。図 13，14 の結果からバルク散乱の大きい CoFe 層を厚くすると CPP-GMR ではΔ R の増加が顕著であることが分かる。また，NiFe 層の厚さに対するΔ R の依存性は CIP-GMR とあまり変わらないが，全フリー層厚に対しては CIP-GMR よりも厚い方がΔ R の増大が見られることが分った。

5. まとめ以上まとめると，ピン層の CoFe 層を自然酸化すると，0.2mTorr の低い酸素圧で交換結合磁界（Hex）を下げることなく MR 比の増大すなわち磁界感度の向上が可能であることがわかった。また
電流を膜面垂直方向に流す CPP-GMR においてピン層の CoFe 層を厚くすると，Δ R の増大が見られた。また，フリー層については CoFe 層，NiFe 層それぞれを厚くするとΔ R が増大したが，バルク散乱が大きい CoFe 層を厚くした方がより大きな MR 比が得られることがわかった。さらに，MR 比はフリー層の全膜厚が約 10nm でピークもしくは飽和傾向にみえる。これは全磁性層厚に対するスピン拡散長の影響ではないかと考えられる。このように，CPP-GMR と鏡面散乱効果を用いることで，さらに磁界感度を向上させることが可能であるといえる。

参考文献
1) M. A. M. Gijs, S. K. J. Lenczowski and J. B. Giesbers : Phys. Rev. Lett. 70, 3340 (1993).
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3) P. M. Levy, S. Zhang, T. Ono and T. Shinjo : Phys. Rev. B 52, 16049 (1995).
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5) M.N.Baibich, J.M.Broto, A.Fert, F.Nguyen Van Dau, F.Petroff, P.Eitenne, G.Creuzet, A.Friederichand J.Chazelas: Phys. Rev. Lett.61, 2472 (1988).
6) B. Dieny, V.S.Sperious, S.Metin, S.S.P.Parkin, B.A. Gurney, P.Baumgart and J.K.Howard: J. Appl.
Phys., 69, 4774(1991).

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