【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は磁気エンコーダ、磁気ヘッド、磁気バブル検出器等の感磁部に適した磁気抵抗素子に関する。 更に詳しくは強磁性トンネル接合による磁気抵抗効果を利用して磁気信号を検出する磁気抵抗素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図８に示すように、磁気抵抗素子として実用的に用いられている素子の感磁部１は、単層の磁気抵抗効果を有する強磁性薄膜を一定幅のストライプ状に加工した後、その長手方向（ｙ方向）の両端に電極２，
３を形成して作られる。 これらの電極２，３に一定の電流を流し、感磁部１の幅方向（ｘ方向）に検出すべき磁場を与えたときの電極２，３間の電圧に基づいて算出された抵抗値から磁場が検出される。 図９に示すように、
従来の磁気抵抗素子は電流の流れる方向に直交する磁場の大きさによって抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）が最大２〜６
％変化する特性を有する。 上記磁気抵抗素子はこの特性を利用してサーボモータなどの磁気式の回転センサであるＦＧ（Frequency Generator）検出センサに用いられる。 この磁気抵抗素子を回転センサとして回転ドラムの回転検出に用いた場合、図１０〜図１２に示すように、
回転軸４に永久磁石からなる回転ドラム５を取付け、このドラム表面に多極着磁パターン５ａを着磁ピッチＭで設け、このドラム表面に近接して設けられる磁気抵抗素子（磁気式回転センサ）６のセンサストライプ７ａ，７
ｂ，７ｃ，７ｄ（抵抗値をそれぞれＲ ₁ ，Ｒ ₂ ，Ｒ ₃ ，Ｒ ₄
とする）はそれぞれ間隔Ｐ＝Ｍ／２で配列される。 ８は基板、９は出力端子である。 このように構成すると、ドラム５の回転に従ってセンサストライプ７ａ〜７ｄの抵抗値Ｒ ₁ 〜Ｒ ₄が規則的に変化し、図１３に示すように入力信号Ａに対して出力端子９に交流信号Ｂが得られる。

【０００３】一方、２つの強磁性薄膜を薄い絶縁層を挟んで接合した素子において、強磁性薄膜間に一定のトンネル電流を流し、この状態で強磁性薄膜の膜面に平行に異なる磁場を与えたときの抵抗の変化により、この素子に新しい磁気抵抗効果があることが報告されている（S.
Maekawa and U.Gafvert, IEEE Trans. Magn. MAG-18(19
82) 707）。 本発明者らは、上記２つの強磁性薄膜を薄い絶縁層を含む非磁性膜を挟んで接合し、これにより生じる強磁性トンネル接合を利用し、２つの強磁性薄膜はそれぞれの磁化容易軸が互いに直交するように配置して設けられ、一方の強磁性薄膜の磁化容易軸方向の保磁力がもう一方の強磁性薄膜の磁化容易軸方向の保磁力より２倍以上大きい磁気抵抗素子を発明し、特許出願した（特願平３−１８６８０７）。 この強磁性トンネル接合を利用した磁気抵抗素子は室温において抵抗変化率（Δ
Ｒ／Ｒ）が２％以上であって弱磁場における感度が良好で、安定して使用可能な磁場範囲を有効磁場範囲の２倍以上にすることができる特長を有する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、図８に示した従来の磁気抵抗素子の抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）は室温で通常２〜３％であって、大きくても高々６％である。 上述した磁気抵抗素子（磁気式回転センサ）６の出力信号は上述したように交流信号であるため、検出精度を高める上で、図１４に示すように方形波信号に波形整形する必要がある。 しかも図１３に示すようにゼロ磁場を中心にして入力した場合には出力信号Ｂの振幅が小さいため、増幅回路を用いるか、或いは図１５に示すように磁気抵抗素子の近くにバイアス用の磁石を設けてバイアス磁場Ｈ _Bをかけることにより、出力信号Ｂを増幅する必要がある。 また図１０から明らかなようにセンサストライプのピッチＰを磁極のピッチＭと整合する必要がある。 これらのことから、従来の磁気抵抗素子から高い出力特性を得ようとする場合、素子構造や回路構成が複雑化する不具合があった。 また特願平３−１８６８０７号で特許出願した強磁性トンネル接合によるものは磁気による抵抗変化率が室温で５％以下と低く、その応用については未だ考慮されていない。

【０００５】本発明の目的は、室温における抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）が１０％以上であって、弱磁場における感度が良好で、出力波形を方形波に波形整形する必要のない、強磁性トンネル接合を利用した磁気抵抗素子を提供することにある。 また本発明の別の目的は、その動作点をバイアス用磁石で偏倚させる必要がなく、構造及び回路構成が簡単で小型化し得る磁気抵抗素子を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、強磁性体金属において伝導電子がスピン偏極を起こしているため、フェルミ面における上向きスピンと下向きスピンの電子状態が異なっており、このような強磁性体金属を用いて、強磁性体と絶縁体と強磁性体からなる強磁性トンネル接合を作ると、伝導電子はそのスピンを保ったままトンネルするため、両磁性層の磁化状態によってトンネル確率が変化し、それがトンネル抵抗の変化となって現れると考え、この点に着目して本発明に到達した。

【０００７】即ち、図１に示すように、本発明は第１強磁性薄膜１１と第２強磁性薄膜１２とを薄い絶縁層を含む非磁性膜１３を挟んで接合し、これにより生じる強磁性トンネル接合を利用した磁気抵抗素子１０の改良である。 その特徴ある構成は、第１及び第２強磁性薄膜１
１，１２はそれぞれの磁化容易軸Ｍ ₁ ，Ｍ ₂が互いに平行になるように設けられ、第１強磁性薄膜１１の磁化容易軸方向の保磁力が第２強磁性薄膜１２の磁化容易軸方向の保磁力より大きく、図４に示すように第１強磁性薄膜１１及び第２強磁性薄膜１２のそれぞれの磁化曲線が角形状のヒステリシス曲線を有し、全体の磁化曲線が階段状で角形状のヒステリシス曲線であることにある。

【０００８】以下、本発明を詳述する。 図１及び図２に示すように、基板１６上で薄い絶縁層を含む非磁性膜１
３を挟んで強磁性トンネル接合した強磁性薄膜１１及び１２に電極１４及び１５をそれぞれ設け、両電極１４，
１５間に電流を流すと、両電極１４，１５間に流れるトンネル電流は２つの強磁性薄膜１１，１２の磁化の向きの相互関係によって異なり、磁化の向きが変わると抵抗値が変化する磁気抵抗効果が現れる。 即ち、図２の実線矢印で示すように強磁性薄膜１１，１２の磁化の向きＭ
₁ ，Ｍ ₂が直交するときの抵抗値をＲ ₀とすると、強磁性薄膜１１，１２の磁化の向きがそれぞれ同一方向であるとき（Ｍ ₂を破線矢印で示す）には抵抗値は［Ｒ ₀ −ΔＲ
／２］となり、強磁性薄膜１１，１２の磁化の向きが互いに反対方向であるとき（Ｍ ₂を一点鎖線矢印で示す）
には抵抗値は［Ｒ ₀ ＋ΔＲ／２］となる。

【０００９】本発明の第一の特徴ある構成は、この強磁性トンネル接合による磁気抵抗効果現象を利用して、２
つの強磁性薄膜１１，１２が図１に示すようにそれぞれの磁化容易軸Ｍ ₁ ，Ｍ ₂が互いに平行になるように配置して設けられた点にある。 この場合、２つの強磁性薄膜１
１，１２の保磁力より大きな外部磁場をかけてから外部磁場をゼロにしたとき、２つの強磁性薄膜１１，１２の磁化の向きＭ ₁ ，Ｍ ₂は図２の実線のＭ ₁と破線のＭ ₂に示すように平行となり、両薄膜間の抵抗値は［Ｒ ₀ −ΔＲ
／２］となる。 外部磁場の方向を磁化の向きＭ ₁と反対にとり、その磁場を大きくしていくと、保磁力の小さな強磁性薄膜１２の磁化の向きＭ ₂は外部磁場がその保磁力を越えたとき、図２の一点鎖線矢印に示すように外部磁場方向へ反転し、その抵抗値は［Ｒ ₀ ＋ΔＲ／２］となる。 更に外部磁場が大きくなり、保磁力の大きな強磁性薄膜１１の保磁力より大きいときには、強磁性薄膜１
１の磁化の向きＭ ₁が反転し、抵抗値は［Ｒ ₀ ＋ΔＲ／
２］から［Ｒ ₀ −ΔＲ／２］になり、この状態は磁場を反転させ、強磁性薄膜１２の保磁力を越えるまで維持される。

【００１０】本発明の第二の特徴ある構成は、強磁性薄膜１１及び１２の磁化容易軸方向の保磁力との間に差を設けた点である。 これにより磁気抵抗素子に図３に示すように磁場範囲Ｄを越える外部磁場を与えれば、その特性は可逆的に変化し、図５に示すように方形波出力が得られる。 ２つの強磁性薄膜の保磁力差により図３に示される方形波出力の幅Ｗが決められる。

【００１１】本発明の第三の特徴ある構成は、第１強磁性薄膜１１及び第２強磁性薄膜１２のそれぞれの磁化曲線が図４の符号ａ及びｂに示すように破線と一点鎖線の角形状のヒステリシス曲線を有し、全体の磁化曲線が符号ｃで示すように実線の階段状で角形状のヒステリシス曲線である点にある。 この角形状のヒステリシス曲線を得るための具体的な手段としては、強磁性薄膜内で磁化容易軸方向がばらつかないようにすることが望ましく、
着膜時にその方向に磁場を印加するか、或いはストライプ形状とし、その長手方向と磁化容易軸とを一致させる。 特に保磁力が小さいと角形性が出にくいことから保磁力の小さい強磁性薄膜１２は強磁性薄膜１１の大きな保磁力に近づけることが望ましい。 また新規な磁気センサとして本発明の磁気抵抗素子が方形波出力を得るためには、センサと使用するときに磁場範囲Ｄを越える磁場を与える必要がある。 このために弱磁場で方形波出力を得るためには強磁性薄膜１１の保磁力を比較的小さくしておく必要がある。 そこで強磁性薄膜１１の保磁力は強磁性薄膜１２の保磁力より２倍を越えない程度に大きくすることが好ましい。

【００１２】本発明の磁気抵抗素子により強磁性トンネル接合による磁気抵抗効果を高めるためには、磁化容易軸方向の保磁力の大きい第１強磁性薄膜１１がＦｅもしくはＦｅとＣｏを主成分とし、磁化容易軸方向の保磁力の小さい第２強磁性薄膜１２がＦｅを主成分とする手段か、或いは非磁性膜１３に含まれる絶縁層を非磁性金属膜を酸化させた酸化層により構成する手段を採ることが考えられる。 上記及びの両手段を組合せてもよい。 双方の強磁性薄膜の主成分をＦｅとする場合には、
第１強磁性薄膜１１の形成時の基板温度より第２強磁性薄膜１２の形成時の基板温度を高くして双方の強磁性薄膜１１，１２をそれぞれ形成することが好ましい。 これにより２つの強磁性薄膜が同じＦｅ単層膜であっても保磁力差を付けることができる。 保磁力差を２倍を越えないようにするには、基板温度差も１００℃以下にすることが好ましい。 第１強磁性薄膜の磁化容易軸方向の保磁力を大きくする成分上の別の手段として、第２強磁性薄膜１２の主成分をＦｅのみにし、第１強磁性薄膜の主成分をＦｅとＣｏにする方法がある。 Ｃｏ成分が多くなると異方性が出易く保磁力が大きくなる性質を利用したものである。 この方法と前述した強磁性薄膜形成時の基板温度を第２強磁性薄膜の方を高くする方法とを組合せてもよい。 ここで主成分の割合は、第１強磁性薄膜の場合ＦｅとＣｏの合計が８０ａｔ％以上であって、第２強磁性薄膜の場合Ｆｅが８０ａｔ％以上であることが好ましい。

【００１３】強磁性薄膜１１及び１２に挟まれる絶縁層を含む非磁性膜１３が非磁性金属膜を酸化させた酸化層を含むときには、この非磁性膜１３層は数１０オングストローム程度の均一な層である。 絶縁層としてはＡｌ ₂
Ｏ ₃層、ＮｉＯ層等が挙げられる。 Ａｌ ₂ Ｏ ₃層が絶縁性が高く緻密であるため好ましい。 強磁性薄膜１１及び１
２に挟まれる膜は電子がスピンを保持してトンネルするために非磁性でなければならない。 非磁性膜の全部が絶縁層であっても、その一部が絶縁層であってもよい。 一部を絶縁層にしてその厚みを極小にすることにより、磁気抵抗効果を更に高めることができる。 非磁性金属膜を酸化させた酸化層にする例としては、Ａｌ膜の一部を空気中で酸化させてＡｌ ₂ Ｏ ₃層を形成する例が挙げられる。

【００１４】図１に示すように２つの強磁性薄膜１１，
１２の磁化容易軸Ｍ ₁ ，Ｍ ₂を互いに平行にさせるための方法は、強磁性薄膜１１，１２をイオンビーム蒸着法、
真空蒸着法、スパッタリング法等により形成するときに、エッチングにより、或いは基板にマスクをかぶせることにより、ストライプ状にかつこれらの長手方向が互いに平行となるように磁場中でそれぞれ形成し、着膜時の磁場の方向を薄膜の長手方向にする。 図１に示す薄膜１１及び１２を作る順序としては、先ずガラス等の基板１６上に第２強磁性薄膜１２をストライプ状にかつその長手方向が磁化容易軸Ｍ ₂になるように形成し、第２強磁性薄膜１２の両端部以外の殆どの部分に薄い絶縁層を含む非磁性膜１３を着膜し、この非磁性膜１３上に第２
強磁性薄膜１２と長手方向同士が互いに平行になるように第１強磁性薄膜１１をストライプ状にかつその長手方向が磁化容易軸Ｍ ₁になるように形成する。 或いは第１
強磁性薄膜１１を先に形成し、次いで非磁性膜１３を形成し、最後に第２強磁性薄膜１２を形成してもよい。 特に第２強磁性薄膜１２の上にスパッタリング法によりＡ
ｌ膜を形成した後、このＡｌ膜を酸化させてその表面にＡｌ ₂ Ｏ ₃層を形成することにより上記非磁性膜１３を作ると、非磁性膜１３を均一で緻密にすることができる。

【００１５】また、図１に示すように、２つの強磁性薄膜１１，１２間に生じる磁気抵抗効果のみを有効に検出するために、第１強磁性薄膜１１の一端と第２強磁性薄膜１２の一端に両薄膜に一定電流を流すための第１電極１４，１５をそれぞれ設け、第１強磁性薄膜１１の他端と第２強磁性薄膜１２の他端に両薄膜間に印加された電圧を測定するための第２電極１７，１８をそれぞれ設けることが好ましい。

【００１６】

【作用】本発明の磁気抵抗素子は、第一に２つの強磁性薄膜の主成分となる磁性材料として、フェルミ面における上下スピンの偏極量が大きいＦｅを選定し、Ｃｏを第２成分として選定し、第二に例えばＡｌ ₂ Ｏ ₃層のような緻密で均一な薄い絶縁層をＡｌ膜のような非磁性金属膜を酸化させることにより形成して、磁化状態によって変化するトンネル電流による抵抗値の差を大きくし、かつ磁化状態によらず絶縁層を通して流れる電流による抵抗値を小さくすることにより、伝導電子のスピンを保持して絶縁層をトンネルすることにより生じる強磁性トンネル効果が顕著に現れ、図３の磁気抵抗曲線に示すように抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）は１０％を越えるようになる。

【００１７】また本発明の磁気抵抗素子は、２つの強磁性薄膜の磁化容易軸方向の保磁力に差を設けることにより、好ましくは２倍を越えない程度の差を設けることにより、図３に示すように磁気抵抗曲線はゼロ磁場を中心としたほぼ対称な２つの方形波状の波形を有する曲線となり、例えば保磁力及びその差を任意に設定すれば、この曲線に見られる閾値Ｈc ₁及びＨc ₂並びに方形幅（Ｈc ₁
−Ｈc ₂ ）を任意に設定することができる。 この磁気抵抗素子の入力磁界の磁力をＨc ₁以上とすれば、図５に示すように出力波形自身が方形波に近い出力となる。 更にその出力値を微分すれば、高い検出感度が得られる。

【００１８】また本発明の磁気抵抗素子を回転センサに応用する場合には、図１０に示した従来の素子に代えて、図６（ａ）及び（ｂ）に示すように本発明の磁気抵抗素子１０を抵抗体Ｒ ₁₁と組み合わせればよい。 図６
（ａ）は図１に対応する。 更に高精度化するために温度変化の影響を取り除くには、図７（ａ）及び（ｂ）に示すように作動出力をとればよい。 即ち、図７（ａ）では第２強磁性薄膜１２及び２２を一直線上に設けた後で薄膜１２と２２を結線し、薄膜１２及び２２の上に非磁性膜１３及び２３をそれぞれ介して第１強磁性薄膜１１及び２１を第２強磁性薄膜１２及び２２と同一方向に設ける。 ここで検出側でない磁気抵抗素子２０には、例えば磁気シールド膜として絶縁膜を素子との間に挟んでパーマロイ（ＦｅＮｉ合金）などの金属薄膜２４で素子全体を覆うか、或いは素子２０の第１強磁性薄膜２１をＡｌ
などの非磁性膜で形成するなどして、磁気シールドすればよい。 図６及び図７において符号Ｒ _M及びＲ _M 'は磁気抵抗素子１０及び２０の各抵抗値である。

【００１９】

【発明の効果】以上述べたように、強磁性トンネル接合を利用した従来の磁気抵抗素子の抵抗変化率（ΔＲ／
Ｒ）が室温で高々３％程度であり、また実用化されている強磁性体磁気抵抗素子で高々６％程度であったものが、本発明の磁気抵抗素子によれば室温でも１０％以上の抵抗変化率が得られ、しかも２つの強磁性薄膜により得られる磁化曲線を角形状のヒステリシス曲線になるようにし、２つの強磁性薄膜の磁化容易軸方向の保磁力に差を設けることにより、方形波出力を有する磁気抵抗曲線が得られる。 特に、本発明の磁気抵抗素子は弱磁場における抵抗変化率の変化が大きいため磁場の変化を感度よく検出することができ、従来の磁気抵抗素子と異なり、(a)高感度な増幅回路を必要とせず、(b)出力波形を方形波形に変更する必要がなく、(c)動作点を偏倚させるために磁石を用いてバイアス磁場を与える必要がなく、 (d)素子ピッチを磁極のピッチと整合する必要がない等、構造や回路構成を簡単で小型化し得る利点がある。 これにより、回転センサの磁気エンコーダ、磁気センサなどの磁気を検出する素子として好適に利用することができる。

【００２０】

【実施例】次に本発明の実施例を説明する。 図１に示すように、真空蒸着によりガラス基板１６の上にマスクを用いて幅１ｍｍ、長さ１８ｍｍのストライプ状で厚さ１
００ｎｍのＦｅ薄膜１２を作製した。 その際磁場を与えて磁化容易軸Ｍ ₂がストライプの長手方向になるようにし、膜の保磁力を小さくするために基板温度を１００℃
とした。 またこのときの蒸着速度は０．３〜０．６ｎｍ
／秒で真空度は約１０ ^-6 Ｔｏｒｒであった。 次いでこのＦｅ薄膜１２の中心部に厚さ５ｎｍで幅３ｍｍ、長さ１
７ｍｍのＡｌ膜１３を高周波スパッタリングにより着膜させた。 その際のアルゴン圧は１．５ｍＴｏｒｒ、投入電力は４．４Ｗ／ｃｍ ² 、スパッタリング速度は０．５
６ｎｍ／秒であった。 このＡｌ膜１３を空気中に２４時間放置して表面を酸化させ、薄いＡｌ ₂ Ｏ ₃からなる絶縁層を形成した。 更にこの上にＦｅ薄膜１２と長手方向同士が互いに平行になるように、マスクを用いて上記のＦ
ｅ薄膜１２より短いストライプ状の幅１ｍｍ、長さ１６
ｍｍのＦｅ薄膜１１を作製した。 この成膜方法はＦｅ薄膜１１の保磁力を大きくするために基板温度を室温にした以外は、Ｆｅ薄膜１２と同一条件で作製した。 このときのＦｅ薄膜１１の磁化容易軸Ｍ ₁はストライプの長手方向となるようにした。 この結果、２つのＦｅ薄膜１
１，１２の磁化容易軸Ｍ ₁ ，Ｍ ₂が互いに平行になった。

【００２１】Ｆｅ薄膜１１及び１２の各一端に電極１４
及び１５を設け、それぞれの他端に電極１７及び１８を設けて磁気抵抗素子１０を得た。 温度２５℃において、
基板１６の表面に平行にかつ磁化容易軸Ｍ ₁に対して平行に磁場Ｈを磁気抵抗素子１０に与え、電極１４及び１
５に一定電流を流し、電極１７及び１８によりＦｅ薄膜１１と１２との間の電圧を測定した。 この電流値と電圧値より素子１０の抵抗を算出した。

【００２２】図３の磁気抵抗曲線に示すように、磁場Ｈ
の強さを変えたときの抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）は最大で１８％の極めて高い値であった。 この磁気抵抗曲線はゼロ磁場を中心とした対称な２つのほぼ方形波状の波形を有する曲線である。 これは図４に示すように、２つの強磁性薄膜がいずれも角形状のヒステリシス曲線を持つ磁化曲線を有するためである。 磁気抵抗曲線の方形波の閾値及びその幅は、基板温度を変えて強磁性薄膜を作製すれば、任意に設定することができる。 本実施例の磁気抵抗素子１０を用いて図６（ａ）に示す構成の回転センサを試作したところ、図５に示すような特別に波形整形することなく方形波の出力特性が得られた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の２つの強磁性薄膜のそれぞれの磁化容易軸が互いに平行になるように設けられた強磁性トンネル接合を利用した磁気抵抗素子の斜視図。

【図２】本発明の強磁性トンネル接合を利用した磁気抵抗素子の原理を示す斜視図。

【図３】図１に示した磁気抵抗素子の磁気抵抗曲線図。

【図４】その磁化曲線図。

【図５】その入力磁界に対する出力特性を示す図。

【図６】（ａ）図１に示した磁気抵抗素子を用いた回転センサの構成図。 （ｂ）それらの等価回路図。

【図７】（ａ）図６（ａ）の回転センサを更に高感度化した場合の構成図。 （ｂ）それらの等価回路図。

【図８】従来例の強磁性磁気抵抗効果を利用した磁気抵抗素子の斜視図。

【図９】その磁気抵抗曲線。

【図１０】従来例の磁気抵抗素子を用いた回転センサの原理を示す図。

【図１１】その回転センサの構成を示す斜視図。

【図１２】図１０の等価回路図。

【図１３】従来例の磁気抵抗素子を用いてバイアス磁場のない場合の入力磁界に対する出力特性を示す図。

【図１４】その出力波形と整形後の波形を示す図。

【図１５】従来例の磁気抵抗素子を用いてバイアス磁場のある場合の入力磁界に対する出力特性を示す図。

【符号の説明】 １０，２０ 磁気抵抗素子 １１，２１ 第１強磁性薄膜 １２，２２ 第２強磁性薄膜 １３，２３ 非磁性膜 １４，１５ 第１電極 １６ 基板 １７，１８ 第２電極