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1. JP2010153895 - MAGNETORESISTIVE MULTIPLE LAYER DEVICE AND SENSOR ELEMENT

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Description

Title of Invention 磁気抵抗性の多層デバイスおよびセンサエレメント DE 10258860.0 20021217 20130123 G01R 33/00−33/26、 G11B 5/33− 5/39、 H01L 21/8246、27/105、 27/22、29/82、 43/00−43/14 特開平09−305929(JP,A) 特開平07−210832(JP,A) 特開2002−208681(JP,A) 特開2001−283412(JP,A) 特開2002−208744(JP,A) 特開2002−074620(JP,A) 特開平11−259821(JP,A) 特開2001−006932(JP,A) 2010153895 20100708 20100219 長谷川 直也

Technical Field

0001  

Background Art

0002   0003   0004  

Citation List

Patent Literature

0005  

Summary of Invention

Technical Problem

0006  

Technical Solution

0007  

Brief Description of Drawings

0008  

Description of Embodiments

0009   0010   0011   0012   0013   0014   0015   0016   0017   0018   0019  

Examples

0020   0021   0022   0023   0024   0025   0026   0027   0028   0029   0030   0031   0032   0033  

Reference Signs List

0034  

Claims

1   2   3   4   5   6   7   8  

Drawings

1    

Description

磁気抵抗性の多層デバイスおよびセンサエレメント

DE 10258860.0 20021217 20130123 G01R 33/00−33/26、 G11B 5/33− 5/39、 H01L 21/8246、27/105、 27/22、29/82、 43/00−43/14 patcit 1 : 特開平09−305929(JP,A)
patcit 2 : 特開平07−210832(JP,A)
patcit 3 : 特開2002−208681(JP,A)
patcit 4 : 特開2001−283412(JP,A)
patcit 5 : 特開2002−208744(JP,A)
patcit 6 : 特開2002−074620(JP,A)
patcit 7 : 特開平11−259821(JP,A)
patcit 8 : 特開2001−006932(JP,A)
2010153895 20100708 20100219 長谷川 直也

Technical Field

[0001]
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。

Background Art

[0002]
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。
[0003]
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。
[0004]
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。

Citation List

Patent Literature

[0005]
patcit 1 : 独国出願第10128135.8号明細書
patcit 2 : 独国出願第10140606.1号明細書

Summary of Invention

Technical Problem

[0006]
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。

Technical Solution

[0007]
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。

Brief Description of Drawings

[0008]
[fig. 1] 磁気抵抗性の多層デバイスの断面図である。

Description of Embodiments

[0009]
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。
[0010]
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。
[0011]
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。
[0012]
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。
[0013]
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。
[0014]
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。
[0015]
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。
[0016]
本発明の有利な実施形態は従属請求項から得られる。
[0017]
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。
[0018]
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。
[0019]
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。
Examples
[0020]
本発明を図示し、以下に詳細に説明する。
[0021]
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 、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 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。
[0022]
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。
[0023]
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。
[0024]
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。
[0025]
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。
[0026]
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。
[0027]
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。
[0028]
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。
[0029]
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。
[0030]
図1にはさらに、第1の磁性層12から生じる 漂遊磁界H および第2の磁性層13から生じる 漂遊磁界H 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。
[0031]
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 ,H 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。
[0032]
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 ,H を調整して相互に補償させることができる。
[0033]
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。

Reference Signs List

[0034]
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 ,m 磁化方向、 H ,H 漂遊磁界

Claims

[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)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,CoCr Ta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,CoCr Ta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,CoCr Ta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、および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 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 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。

Drawings

[ Fig. 1]