【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６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７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。

【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、上述した従来の磁気抵抗素子の抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）は室温で高々６％であり、強磁性トンネル接合によるものは室温で高々３％程度であった。 このため、従来の磁気抵抗素子は磁気を検出するに十分な信号出力を得ることが困難で、
温度変化による抵抗変化を取り除くために差動出力構造にしなければならず、複雑な構造となる不具合があった。 また図６に示した強磁性磁気抵抗素子は、図７の磁気抵抗曲線Ａに示すように弱磁場範囲Ｂにおける抵抗変化率の変化が小さく感度が良くない不具合があった。 また曲線Ａがゼロ磁場を中心にしてほぼ左右対称であって、磁場方向に対する極性がないため、従来の磁気抵抗素子はその動作点をゼロ磁場ではなく、図の矢印Ｃに示す付近に偏倚させて用いられる。 この動作点を偏倚させるために従来より磁性膜の近くにバイアス用の磁石を設けているが、この方法ではバイアス用磁石の分だけスペースを要し、構造が複雑化し小型化できないとともにコスト高になる問題点があった。

【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ある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、
その動作点を偏倚させる必要がなく、構造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、第１強磁性薄膜１１がＦｅもしくはＦｅとＣｏを主成分とし、第２強磁性薄膜１２がＦ
ｅを主成分とし、かつ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有効に利用するために、２つの強磁性薄膜１１，１２の磁化容易軸方向の保磁力に差を設けた点にある。 上述のように２つの強磁性薄膜１１，１２の磁化の向きが外部磁場を与えない状態で直交していれば、両薄膜間の抵抗値はＲ ₀となるが、外部磁場の方向を保磁力の大きな強磁性薄膜１１
の磁化の向きＭ ₁にとり、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は徐々に外部磁場の方向に向い、最終的には図２の破線矢印に示すように外部磁場方向と一致する。 また外部磁場の方向を磁化の向きＭ _１と反対にとり、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は同様に図２の一点鎖線矢印に示すように外部磁場方向と一致する。 しかし、外部磁場の方向が保磁力の大きな強磁性薄膜１１の磁化の向きＭ ₁とは逆でしかもその保磁力より大きいときには、強磁性薄膜１１の磁化の向きＭ
₁が反転し、抵抗値は［Ｒ ₀ ＋ΔＲ／２］から［Ｒ ₀ −Δ
Ｒ／２］になってしまい、極性の検知ができなくなる。

【００１０】このため、強磁性薄膜１１及び１２の磁化容易軸方向の保磁力を２倍以上異ならせることが好ましい。 これにより、図４に示すように可逆的に特性が変化して磁気抵抗素子として安定な磁場範囲Ｄを有効磁場範囲Ｅの２倍以上広く確保することができる。 ここで磁気抵抗素子として安定な磁場範囲Ｄとは、保磁力の小さな強磁性薄膜１２の磁化の向きが変わり、かつ保磁力の大きな強磁性薄膜１１の磁化の向きの変わらない外部磁場の範囲をいい、有効磁場範囲Ｅとは磁場により抵抗変化率が変化する範囲をいう。

【００１１】本発明の第二の特徴ある構成は、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を主成分とすることにある。 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２つの保磁力に差を設けることができる。 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成分が多くなると磁化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８
０ａｔ％以上であって、第２強磁性薄膜の場合Ｆｅが８
０ａｔ％以上であることが好ましい。

【００１２】本発明の第三の特徴ある構成は、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ことにある。 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１２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。

【００１３】本発明の２つの強磁性薄膜１１，１２の磁化容易軸Ｍ1，Ｍ2は必ずしも互いに直交させなくてもよいが、直交させる場合には次の方法による。 即ち、図１
に示すように強磁性薄膜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直交す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。 この方法で作られた強磁性薄膜１１，１２は各磁化方向が安定な状態となり、これにより図３の磁気抵抗曲線に示されるヒステリシス現象を小さくすることができる。 特に第２強磁性薄膜の成膜時にＮｉを添加すると、図３の磁気抵抗曲線に示されるヒステリシス現象をより一層小さくすることができる。

【００１４】薄膜１１及び１２を作る順序としては、図１に示すように、先ずガラス等の基板１６上に第２強磁性薄膜１２を形成し、第２強磁性薄膜１２の中央部に薄い絶縁層を含む非磁性膜１３を着膜し、この非磁性膜１
３上に第１強磁性薄膜１１を形成する。 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Ａｌ
膜を形成した後、このＡｌ膜を酸化させてその表面にＡ
ｌ 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、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１
２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、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、また例えば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、上記及びの構成により、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、抵抗変化率（ΔＲ／
Ｒ）は図３に示すように１０％を越えるようになる。 更に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差を２倍以上にした場合には、磁場による磁化状態を有効に利用して図４の磁気抵抗曲線に示すように有効磁場範囲Ｅの２倍以上の安定な磁場範囲Ｄ
が室温において得られる。 同時にこの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る。

【００１７】

【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つの強磁性薄膜に磁化容易軸方向の保磁力に設けることにより、有効磁場範囲より広い安定な磁場範囲が室温で得られる。 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、構造が簡単で小型化し得る利点がある。 これにより、磁気エンコーダ、磁気ヘッド、磁気バブル検出器等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。

【００１８】

【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。 その際この薄膜１
２の保磁力を小さくするために基板温度を２００℃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で直径５ｍｍのＡｌ膜１
３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０．５６ｎｍ／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と長手方向同士が直交するように、マスクを用いて上記のＦｅ薄膜１２と同形同大のストライプ状のＦｅ薄膜１１をこの膜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。

【００１９】Ｆｅ薄膜１１と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１５
に一定電流を流し、電極１７及び１８によりＦｅ薄膜１
１と１２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。

【００２０】図４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。 図４の範囲Ｅが磁場によりΔＲ／Ｒが変化する有効磁場範囲であり、範囲Ｄが保磁力の大きなＦｅ薄膜１１がその磁化の向きを変えない磁気抵抗素子として安定な磁場範囲である。 範囲Ｄを越えた磁場が磁気抵抗素子に与えられると、保磁力の大きなＦｅ薄膜１１の磁化は磁場方向に向くようになり、
ΔＲ／Ｒの値は小さくなる。 この挙動は図５の磁化曲線に示される。 図４及び図５から本実施例の磁気抵抗素子１０は安定な磁場範囲Ｄが有効磁場範囲Ｅの２〜３倍あることが判る。

【００２１】図３に示すように、この安定な磁場範囲Ｄ
でΔＲ／Ｒを測定してみたところ、この磁気抵抗曲線からこの素子１０は弱磁場での感度が高く、しかも曲線はゼロ磁場に関して非対称であるため、特別にバイアス磁場を与えなくても磁場Ｈの方向を検出することができた。 なお、図３の磁気抵抗曲線ではヒステリシス現象がみられたが、第２強磁性薄膜１２を作製するときに磁場を与えるか、ストライプ幅を小さくするか、或いはＦｅ
にＮｉ等を添加すれば、磁化容易軸Ｍ ₂がストライプの長手方向となり、更に２つの磁化容易軸が完全に直交すれば、この現象はなくヒステリシス現象は小さくなって、微小な磁場の大きさを正確に測定できるようになり、実用上好ましい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明実施例の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】本発明実施例の磁気抵抗素子の可逆領域Ｄにおける磁気抵抗曲線図。

【図４】その磁気抵抗曲線図。

【図５】その磁化曲線図。

【図６】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７】その磁気抵抗曲線。

【符号の説明】

１０ 磁気抵抗素子 １１ 第１強磁性薄膜 １２ 第２強磁性薄膜 １３ 非磁性膜 １４，１５ 第１電極 １６ 基板 １７，１８ 第２電極