JP2001507806A - スピン−トンネル接合から成る磁界センサー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 変換器素子から成る磁界センサーにおいて、（I）変換器素子（１）は介在電気絶縁層（１ｃ）の周辺にはさまれた第１（１ａ）及び第２（１ｂ）の磁性体層から成るスピントンネル接合であり、（II）センサーは２つのアーム（３ａ，３ｂ）を有するヨークから成り、（III）第１の磁性体層（１ａ）はヨーク（３）の第１のアーム（３ａ）の第１の部分と直接接触している。

Description

【発明の詳細な説明】 スピン-トンネル接合から成る磁界センサー 本発明は変換器素子から成る磁界センサーに関する。かかるセンサーは、とり わけ 磁気テープ、磁気ディスク又は磁気カードの形で記録媒体から出ている磁束を 観測するのに用いらる磁気ヘッドとして、 例えば自動車、航空、海上又は個人ナビゲーションシステムでの地球上の磁界 を検出するためのコンパスにおいて、 例えば自動車用途においては、位置、角度、速度又は加速度を検出するための 装置において、 医療用スキャナーにおける磁界センサー、及び他の多様な用途におけるホール （Hall）プローブ用の交換として、 電流により発生した磁界を検出する電流検出器として、 利用される。 オープニング段落で特定されたセンサーは従来技術上周知である。典型的には 、かかるセンサーにおける変換器素子は、磁束変化を対応する変動する電気抵抗 Rへ変換し、それから素子の性能測定はいわゆる磁気抵抗（MR）比で表わされ、 印加された磁界の関数としてＲにおける最大変化を定量する。このタイプのセン サーは以下の効果の一つに基づいている。 異方性磁気-抵抗効果（AMR）であり、それにより磁性体におけるは、磁性体を 通る電流の流れ方向に関して磁性体の磁化の配向に依存する；又は 巨大磁気-抵抗効果（GMR）であり、それによりRが２つの異なる磁性体、例え ば、 -介在する金属層（中間層）の周辺にはさまれた２つの層であり、よっていわ ゆるスピン-バルブ３層を形成する（例えば米国特許 第5,206,590号のB．Dienyらによる説明及びJ．Magn．Magn．Mater．136（1994 ）pp 335-359を参照） -複数の積層F/M ２層から成る多層であり、Fは強磁性層でありMが金属層であ り、隣接するF層は介在M層を介して反強磁性的に結合している、 における磁化ベクトルの相対的配向により決まる。 AMR及びGMRに基づく周知のセンサーの欠点は、比較的小さなMR比しか示さない ことである。代表的には、AMRセンサーの室温MR値はほぼ約２％であるのに対し て、一般的には、実用的なGMRセンサーのそれはせいぜい約５-１０％である。結 果として、かかる従来センサーは比較的感度は良くない。 本発明の目的は、より感度の良い磁界センサーを提供することである。特に、 本発明の目的は、室温MR比がほぼ１５％若しくはそれ以上である磁気-抵抗効果 を利用するセンサーを提供することである。さらに、本発明の目的は、材料と空 間の効率的な使用を伴うかかるセンサーを比較的コンパクトにすることである。 上記及び他の目的は、本発明によれば、変換器素子から成る磁界センサーであ って、 I． 変換器素子が介在電気絶縁層（中間層）の周辺にはさまれた第１及び第２ の磁性体層から成るスピントンネル接合であり、 II． センサーが２つのアームを有するヨークから成り、 III 第１の磁性体層はヨークの第１のアームの第１の部分と直接接触している ことを特徴とする変換器素子から成る磁界センサーにおいて達成される。 スピントンネル接合（ＳＴＪ）の原理は、Phys．Rev．B 39(1989)，pp 6995-7 002にあるJ．C．Slonczewskiによる論文に詳細に説明されており、特定ＳＴＪの 性質の研究は、J．Appl．Phys．81(1 997)，5521にあるS．S．P．Parkinらによる論文に在る。ＳＴＪは純粋な金属材 料に代わりに、電気絶縁材料（その中間層）を含むので、ＳＴＪ操作原理は、従 来のＡＭＧ又はＧＭＲ素子の材料とは根本的に異なる。例えば、ＧＭＲ素子にお いては、電気抵抗は金属であり、スピン依存散乱効果により媒介される。一方、 ＳＴＪにおいては、電気抵抗はスピン依存トンネリング効果により媒介される。 他の相違は、（実用的）ＡＭＲ又はＧＭＲ素子において、測定電流は素子平面に 平行に導かれるが、一方ＳＴＪにおいては、測定電流は中間層を介して導かれ（ トンネリング効果により通り抜け）、よって素子平面に垂直に導かれる。上記相 違はＳＴＪの最も目覚しい利点を説明するのに役に立つ。ＳＴＪの高いトンネル 抵抗により、測定電流はかなり小さくなり（約１μＡ又はそれ以下）、ＳＴＪの 室温、ローフィールドＭＲ比はいつも少なくともほぼ約１５％である。 ＳＴＪを言及するのに用いられる用語“磁性体層”は、広い意味で解釈される べきである。例えばかかる磁性体層は以下の１つから成る。 ・ 強磁性材料の単一層； ・ 最寄りのヨーク-アームに隣接した側の薄い金属性の非磁性フィルムを伴う 強磁性フィルム； ・ 介在導電性フィルムを介して交換結合された２つの強磁性フィルム； ・ 隣接強磁性フィルムにおける磁化方向を固定させるのに役に立つピニング(p inning)構造（以下の実施例１に例を示す）で積層配置された強磁性フィルム。 すべての場合において、磁性体層は電気絶縁フィルムを全く含まないことを実現 させることが重要である。ＳＴＪにおける電気絶縁構造だけが、第１及び第２の 磁性体層の間のトンネルバリア（中間層）にある。 ＡＭＲ又はＧＭＲ変換器素子がヨーク型磁界センサーに利用されたとき、例え ば素子とヨークの間のいわゆる分離-酸化層の使用により、素子はヨークから電 気的に絶縁されている。このことはヨーク-アームが変換器素子周辺の分流器と して働かないようにする（すでに説明したように、測定電流は素子平面及び、さ らにヨーク-アームの上部表面に平行である）。しかしながら、ヨークと変換器 素子の間の絶縁層の存在により、上記２つの間の磁気接触を減少させ、従ってセ ンサーの効率を減少させる。このことは、従来センサーと関連してヨークの使用 を妨害するように働く。対照的に、発明者らは従来の磁気-抵抗変換器素子の代 わって、ＳＴＪを利用した際に、ヨークの使用がより実行可能性があることに気 が付いた。このことはＳＴＪを通した測定電流が素子面に垂直に導かれ、その結 果ＳＴＪの磁性体層の一つと電気接触しているヨーク-アームは変換器周辺の分 流器としては働からず、よってＳＴＪとヨークの間の特別の分離-酸化層の存在 は不必要となる。この理由のために、本発明は、ＳＴＪはヨークと直接接触し、 それによって良好な磁気接触及び最適効率を保証することを規定する。さらに、 ＳＴＪの磁性体層と接触しているヨーク-アームは、その磁性体層との電気接触 として役に立ち、分離リードにより電気接触を提供する必要性を解消する。加え て、分離-酸化層が存在しないことは、センサーに必要な材料の量を減らし，製 造手順を簡単にし、そしてよりコンパクトにすることが可能となる。 本発明によるヨーク型磁界センサーは、例えば磁気テープ又はハードディスク を読み取るときに接触磁気ヘッドとして利用されるときに特に有利である。この ことは、比較的脆い変換器素子に代わって、ヨークが記録媒体と接触し、比較的 耐久性があるからである。機械的摩耗における利点は別として、本配置は付加的 に熱雑音の減少を導く。 本発明によるセンサーの好ましい実施例は、ヨークの第１のアー ムの該第１部分はＳＴＪの第１の磁性体層を構成し、つまり第１のヨーク-アー ムはＳＴＪにおける第１の磁性体層の役割を担っている。かかる実施例において 、第１のヨーク-アームはＳＴＪの下にある磁気間隙を含まないが、代わりに連 続である。よって、上記実施例は以下の利点を有する： ・ 別個の第１の磁性体層はヨーク以外に必要とされていないので、よりコンパ クトであり、経済的である。 ・ 磁気間隙は利用したヨークには設ける必要がないのでより製造し易い。 極端に小さいセンサー（すなわちいわゆる固有も長さはとても小さなセンサー） に用いるのに適した実施例において、ヨークの第２のアームの第２の部分は、第 ２の磁性体層を構成する。ヨークの異なるアームは第１及び第２の磁性体層の双 方の役割を担うので、かかる実施例はさらによりコンパクトである。上記後者の 実施例において、ＳＴＪを介して短絡の形成を防止するために、２つのヨーク- アームはお互いに電気的に絶縁されていることが重要である。 前段落における第１実施例のさらなる改善は、ヨークの第１のアームの第１の 部分の厚さｔ₁が第１のアームにすぐそばに隣接する残りの厚さ以下であること により特徴付けられる。上記方法により局所的に第１のアームを薄くすることに より、第１の部分での磁束はより密度が高くなり、よってセンサー感度上昇に役 に立つ。ヨークの第２のアームの第２の部分の厚さｔ₂が第２のアームのすぐそ ばに隣接する残りの厚さ以下であれば、この効果はさらに増加する。その場合に は、磁束は第２の部分でさらに密度が高くなり、センサー感度をさらに増大させ る。 もしＳＴＪをセンサーとして利用したいのなら、第１及び第２の磁性体層にお ける各磁化Ｍ₁及びＭ₂は印加された磁界の関数として相対的配向を変化させなけ ればならないことは、当業者にはすぐに理解できるであろう。例えば、このこと は２つの層における異な る磁気材料を利用することにより、又はＭ₁及びＭ₂は静止状態（例えば、交換バ イアシングを用いて）において相互に垂直であることを保証することにより達成 され得る。代わりとして、前段落で説明した実施例の特定の解釈は、ｔ₂＞ｔ₁で 特徴付けられる。かかる実施例において、ｔ₁及びｔ₂の食い違う値は、それぞれ 第１及び第２のヨーク-アームにおける異なる磁束濃度の結果をもたらし、その 結果、特定の外部磁界がヨークに与えられた際に、Ｍ₁及びＭ₂は異なる程度に回 転するであろう。良い結果は、ｔ₂/ｔ₁の値が２から３０の範囲にあるセンサー で達成され、特に良い結果はｔ₂/ｔ₁が約１０で得られる。 変換器及びヨークに加えて、本発明によるセンサーは多様な他の構造を構成す る。例えば： ・ ＳＴＪの磁性体層の1つだけがヨークに接している場合、ＳＴＪの他の磁性 体層は電気接触リードと提供されなけらばならない。 ・ テスト/バイアシング導体が提供される（例えば図４に示すように）。 本発明とそれに付随する利点は、典型的な実施例及び添付概略図面を用いてさ らに説明される。 図１は本発明による磁界センサーの特定の実施例の断面図を示し、ＳＴＪから 成るヨーク型磁界センサーを示す。 図２は図１の対象の変形を示し、ヨークの1つのアームの部分はＳＴＪの磁性 体層の1つの構成する。 図３は図２の対象の変形を示し、前記部分はヨーク-アームの残りに関して減 少した厚さを有する。 図４は図２及び図３の対象の変形を示し、ＳＴＪの両磁性体層の役割はヨーク の異なる薄膜アームにより担われる。 種々の図面における対応する特徴は同じ参照符号を用いて表わさ れる。 実施例１ 図１は本発明による磁界センサーの一部の断面図を示す。センサーは変換器１ 及び２つのアーム３ａ，３ｂを有するヨーク３から成る。変換器１はスピントン ネル接合（ＳＴＪ）であり、薄い介在電気絶縁層１ｃ（トンネルバリア）を介し て交換結合された周辺にはさまれている第１の磁性体層１ａ及び第２の磁性体層 １ｂから成る。層１ａは例えばＣｏ，Ｎｉ_XＦｅ_1-X又はＣｏ_XＦｅ_1-Xのような材 料から構成され、一般的には約２−３０nmの厚さを有する。一方中間層１ｃの材 料は、例えばＡｌ又はＨｆの酸化物、若しくはＡｌの窒化物からなり、この場合 約１−２nmの厚さである（非常に薄いので、層１ｃを介する重要なスピン保存電 子トンネリングは、極端に高い抵抗なしに、層を介した電界の存在により発生す る）。ヨーク３は層１ａの材料と同様若しくは同じ材料から成る。本発明によれ ば、ＳＴＪの磁性体層１ａは、絶縁層（例えば分離-酸化層）の妨害なしにヨー ク３のアーム３ａと直接接している。層１ｂの成分は以下に説明する。 本特定実施例において、センサーは磁気読取りヘッドとして利用される。ヨー ク３のアーム３ａ，３ｂは狭い間隙５により一端で分離されており、典型的には 約１５０−２５０nmの高さ（間隙長さ）を有する。磁気媒体が間隙５の前及び近 傍を通り過ぎる際に、よって（変化する）発生した磁束は、ヨーク３により変換 器１へ運ばれる。ヨーク３の第１のアーム３ａにおける磁気間隙３ａ’の結果と して、そのアーム３ａにより運ばれた磁束は変換器１へ転送される。 分離電気接触は、トンネルバリア１ｃを介してトンネル効果（実質的には垂直 に）を行い得る測定電流を発生させるために、層１ａ及び１ｂで作られならない 。層１ａとの電気接触はヨーク-アーム３ａにより都合よく行われるが、一方層 １ｂとの電気接触は分離 リード１１を用いて行わなければならない。 ここに図示してあるように、磁性体層１ｂは複合構造を有し、ピニング構造１ ｂ''のある積層に配置された強磁性体フィルム１ｂ’から成る。（金属）ピニン グ構造１ｂ''はフィルム１ｂ’における磁化Ｍ₂を方向的に“固定”するのに役 に立つ。この目的のために、（金属）ピニング構造１ｂ''は、例えば以下の１つ 又は２つ以上から成る。 ・ Ｆｅ₅₀Ｍｎ₅₀のような反強磁性材料。この場合には、Ｍ₂はフィルム１ｂ’ との交換バイアシング手段により固定される。 ・ Ｃｏのような硬質磁気強磁性材料。この場合には、Ｍ₂はフィルム１ｂ''の 磁化により加えられた保磁力により単に固定される。 ・ いわゆる人工反強磁性（ＡＡＦ）構造。構造１ｂ''は介在金属フィルムＭに よりフィルム１ｂ’から分離された永久磁性フィルムＦから成る積層である。こ の場合には、Ｍ₂は層Ｍを介してフィルムＦと交換結合することにより主に固定 される。 Ｍ₂はこのようにして固定されるので、層１ａにおける磁化Ｍ₁が自由であるの対 して、外部磁界の影響の下でＭ₁及びＭ₂の相対的な配向を変化させることが可能 である。次に、このことは、コンタクト３ａとコンタクト１１の間のＳＴＪ１を 通して流れる測定電流を使って測定される３層１ａ，１ｂ，１ｃの電気抵抗にお ける対応する変化を生じさせる。特定の感度のよい実施例において、Ｍ₁及びＭ₂ は静止状態において相互に垂直であるようにバイアスされている。実施例２ 図２は図１の対象の変形を示す。この変形において、図１の個別の第１の磁性 体層１ａの役割は、第１のヨーク-アーム３ａの第１の部分（この第１の部分１ ａは図２で細かい平行線が引かれてい る）により決められる。結果として、図１における磁気間隙３ａ’は必要無くな り、よってヨーク-アーム３ａは連続的である。このことはセンサーの製造を容 易にする。なぜなら、 ・ 殆どの層が必要無い（個別の層１ａは必要無い）； ・ 磁気間隙３ａ’も存在しない からである。実施例３ 図３は実施例２におけるセンサーの変形を示す。この変形において、ヨーク- アーム３ａは層１ｃに近傍で薄くなっている。よって、細かい平行線の引かれて いる部分１ａの厚さｔ₁は、部分１ａの中間付近でアーム３ａの残りの厚さｔ以 下である。結果として、アーム３ａにおける磁束は部分１ａ内での小さい体積で 密度が高くなり、その結果トンネルバリア１ｃの近傍での磁束密度が高くなり、 したがって、センサーは高感度で外部磁束を検出可能となる。実施例４ 図４は図２及び図３の対象の変形を表わすセンサーを示し、小さく特有な長さ を有するセンサーとして特に適している。図４に示すセンサーにおいて、図１に 示す個別の磁性体層１ａ、１ｂ、１ｃは存在しない。代わりに、これらの層の役 割は、ヨーク-アーム３ａの第１の部分とヨーク-アーム３ｂの第２の部分により それぞれ担われる（これらの部分１ａ、１ｂは図４において細かく平行線が引か れている）。これらの細かく平行線の引かれた部分１ａ、１ｂは、ヨークアーム ３ａ、３ｂの一部であり、それぞれ厚さｔ₁、ｔ₂を有するヨークーアーム３ａ、 ３ｂの残りよりも双方とも薄い。 短絡を防止するために、ヨーク-アーム３ａ、３ｂは相互に電気的に接触して おらず、部分１ａ、１ｂの間の距離は非常に短いので、磁束は介在電気絶縁層１ ｃを通して、一方の部分１ａから他方の部 分１ｂへ交差することが可能である。層１ａ、１ｂにおける磁化Ｍ₁、Ｍ₂のバイ アシングは、バイアシング導体９を使って達成され、図の平面へ伸び、適当なバ イアシング電流を通して、例えばＭ₁及びＭ₂の４５°静止バイアシングを達成す るように通過可能である。 本実施例は特別にコンパクトであり、経済的であり、製造は容易である。加え て、部分１ａ、１ｂとの電気接触はそれぞれヨーク-アーム３ａ、３ｂにより便 利に行われ、その結果分離接触リード（図１-３の構造１１のようなもの）は必 要ない。実施例５ 当業者には明らかであろうが、にもかかわらず本発明自体は単一-ラック磁気 ヘッドだけでなくマルチ-トラック磁気ヘッドへの応用にも適していることを明 確に言及しておく価値がある。マルチ-トラックヘッドの場合、図１−４に示す 構造は図の平面に垂直であるＡ軸に沿って伸び、その軸Ａ、記録媒体（間隙５の 前を通過させる）上の各トラックに対する一つに沿って配置された複数のＳＴＪ を含む。１つの特定実施例において、層１ａはＡにそって連続的に伸び、一方層 １ｂ、１ｃは一連の個別の２層積層としてＡに沿って伸び、それぞれは個々のト ラックに位置的に対応するように層１ａ上に配置される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ファン デル ザーフ，ピーテル ヤン オランダ国，5656 アーアー アインドー フェン プロフ・ホルストラーン ６

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 変換器素子から成る磁界センサーであって、 Ｉ． 変換器素子は介在電気絶縁層の周辺にはさまれた第１及び第２の磁性体 層から成るスピントンネル接合であり、 II． センサーは２つのアームを有するヨークから成り、 III．第１の磁性体層はヨークの第１のアームの第１の部分と直接接触してい る ことを特徴とする磁界センサー。 ２． 該第１の部分は第１の磁性体層を構成することを特徴とする請求項１記載 のセンサー。 ３． 該第１の部分の厚さｔ₁はすぐに隣接する第１のアームの残りの厚さ以下 であることを特徴とする請求項２記載のセンサー。 ４． ヨークの第２のアームの第２の部分は第２の磁性体層を構成することを特 徴とする請求項１から３のいずれかに記載のセンサー。 ５． 該第２の部分の厚さｔ₂はすぐに隣接する第２のアームの残りの厚さ以下 であることを特徴とする請求項４記載のセンサー。 ６．ｔ₂＞ｔ₁であることを特徴とする請求項３及び５記載のセンサー。 ７． t₂/t₁比の値は２から３０の範囲にあることを特徴とするセンサー。