JP2006019383A - 磁気検出素子およびその形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ヒステリシスの発現を抑制して１／ｆノイズを低減し、信号磁界を高感度に、かつ、安定して検出することの可能な磁気検出素子を提供する。
【解決手段】 一定方向（Ｙ方向）に固着された磁化方向Ｊ２１を有する固着層２１と、外部磁界Ｈに応じて変化し、かつ、この外部磁界Ｈが零のときに磁化方向Ｊ２１と平行となる磁化方向Ｊ２３を示す自由層２３と、固着層２１と自由層２３との間に挟まれた中間層２２とを含む積層体２０を備え、交換バイアス磁界Ｈinが正となるように中間層２２の厚みを設定したので、磁化方向Ｊ２１，Ｊ２３が安定化し、磁化方向Ｊ２１と直交する方向に外部磁界Ｈを印加した状態で読出電流を流した場合には、外部磁界Ｈの変化と抵抗変化Ｒとの関係におけるヒステリシスの発現を抑制できる。この結果、１／ｆノイズが抑えられ、信号磁界を高感度に、かつ安定して検出することが可能となる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、信号磁界の変化を高感度に検知可能な磁気検出素子およびその形成方法に関する。

一般に、ハードディスクなどの記録媒体への磁気情報の書き込みおよび読み出しを行う磁気記録再生装置は、磁気記録ヘッドと磁気再生ヘッドとを含んでなる薄膜磁気ヘッドを備えている。このうち再生ヘッド部は、いわゆる巨大磁気抵抗効果（Giant Magnet-Resistive effect）を利用することにより磁気情報としてのデジタル信号の再生を実行する巨大磁気抵抗効果素子（以下、ＧＭＲ素子）を有している。

薄膜磁気ヘッドに用いられるＧＭＲ素子は、一般的に図１７に示したようなスピンバルブ構造をなしている。具体的には、磁化方向が一定方向に固着された固着層１２１と、外部磁界に応じて磁化方向が変化する自由層１２３と、これら固着層１２１と自由層１２３との間に挟まれた中間層１２２とを含む積層体１２０である（例えば特許文献１および２を参照。）。ここで、固着層１２１の上面（中間層１２２と反対側の面）および自由層１２３の下面（中間層１２２と反対側の面）は、それぞれ図示しない保護膜によって保護されている。固着層１２１は、詳細には例えば図１８に示したように、中間層１２２の側から磁化固定膜１２４と反強磁性膜１２５とが順に積層されている。磁化固定膜１２４は、単層でもよいし、図１９に示したように、中間層１２２の側から強磁性膜１４１と交換結合膜１４２と強磁性膜１４３とが順に形成されたシンセティック型としてもよい。一方、自由層１２３は、単層でもよいし、例えば図２０に示したように中間層１２２の側から順に強磁性膜１３１と中間膜１３２と強磁性膜１３３とが形成され、強磁性膜１３１と強磁性膜１３３とが交換結合した構成としてもよい。このようなスピンバルブ構造は、スパッタリングや真空蒸着等の手法により形成される。
米国特許第５１５９５１３号明細書 米国特許第５２０６５９０号明細書

薄膜磁気ヘッドに用いられるＧＭＲ素子の固着層や自由層における構成材料等については、例えば、特許文献３に開示されている。固着層と自由層との間に挟まれる中間層の構成材料としては、例えば銅（Ｃｕ）が一般的である。ところが、この銅に替わって、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）等の絶縁材料により非常に薄い中間層（トンネルバリア層）を形成し、いわゆるトンネル効果を利用可能にしたＧＭＲ素子も開発されている。
米国特許第５５４９９７８号明細書

薄膜磁気ヘッドに用いられるＧＭＲ素子においては、自由層が磁気記録媒体から発生する信号磁界に応じて磁化方向が自由に変化するようになっている。磁気記録媒体に記録された磁気情報の読み出しを行う際には、ＧＭＲ素子に対し例えば積層面内方向に沿って読出電流を流す。この際、読出電流は、自由層の磁化方向の状態によって異なった電気抵抗値を示す。このため、記録媒体から発生する信号磁界の変化は、電気抵抗の変化として検知される。

これを、図２１を参照して、より詳細に説明する。図２１は、スピンバルブ構造における固着層１２１および自由層１２３の磁化方向と、読出電流の電気抵抗との関係を説明するものである。固着層１２１の磁化方向を符号Ｊ１２１で示し、自由層１２３の磁化方向を符号Ｊ１２３で示す。したがって、図２１（Ａ）は固着層１２１および自由層１２３の磁化方向が互いに平行な状態を示し、図２１（Ｂ）は固着層１２１および自由層１２３の磁化方向が互いに反平行な状態を示す。図２１において、積層面内方向に沿って読出電流を流す場合には、その読出電流は主に電気伝導率の高い中間層１２２を流れると考えられる。中間層１２２の内部を流れる電子ｅは、自由層１２３との界面Ｋ１２３および固着層１２１との界面Ｋ１２１において、散乱（電気抵抗の増加に寄与）または鏡面反射（電気抵抗の増加には寄与しない）のいずれかを受ける。図２１（Ａ）のように磁化方向Ｊ１２１と磁化方向Ｊ１２３とが互いに平行である場合、これと平行なスピンＳｅを持つ電子ｅは界面Ｋ１２１，Ｋ１２３において散乱されにくく、比較的低い電気抵抗を示す。しかし、図２１（Ｂ）のように、磁化方向Ｊ１２１と磁化方向Ｊ１２３とが互いに反平行である場合、電子ｅは界面Ｋ１２１，Ｋ１２３のいずれかにおいて散乱を受けやすくなり、比較的高い電気抵抗を示すこととなる。なお、図２１（Ｂ）では、紙面右方向のスピンＳｅを有する電子ｅが自由層１２３との界面Ｋ１２３において散乱を受ける様子を表している。このように、スピンバルブ構造のＧＭＲ素子では、磁化方向Ｊ１２１に対する磁化方向Ｊ１２３の角度に応じて読出電流の電気抵抗が変化する。磁化方向Ｊ１２３は外部磁界によって決まるので、結果として、記録媒体からの信号磁界の変化を読出電流の抵抗変化として検出することができる。

通常、スピンバルブ構造をなすＧＭＲ素子は、外部磁界が印加されていない（Ｈ＝０である）場合、自由膜（自由層）の磁化方向と磁化固定膜（固着層）の磁化方向とが、互いに直交するように構成される。ここで、自由層の磁化容易軸方向は、固着層の磁化方向と揃えておく。このように構成されたＧＭＲ素子を、外部磁界の印加方向に対して固着層の磁化方向が平行となるように配置する。こうすることにより、自由層における磁化方向の動作範囲の中心点を、外部磁界が印加されていない（Ｈ＝０である）状態とすることができる。すなわち、外部磁界が零の状態を、外部磁界変化によって変化し得る電気抵抗の振幅の中心とすることができる。このため、ＧＭＲ素子にバイアス磁界を印加する必要がない。

上記について、図２２および図２３を参照して具体的に説明する。図２２は、一般的なハードディスク装置において、ＧＭＲ素子を搭載した薄膜磁気ヘッドにより記録媒体の磁気情報を読み出す様子を表したものである。図２２（Ａ）に示したように、記録媒体の記録面１１０の近傍にＧＭＲ素子１２０が配置される。この際、固着層１２１の磁化方向Ｊ１２１が記録媒体の記録面１１０と直交する方向（Ｙ軸方向）に沿って＋Ｙ方向となるようにすると共に、自由層１２３の磁化方向Ｊ１２３が記録媒体のトラック幅の方向（Ｘ軸方向）に沿って＋Ｘ方向となるようにする。なお、この時点では、記録媒体からの信号磁界の影響がないものとする。ハードディスク装置が駆動し、図２２（Ｂ）に示したように、記録媒体から例えば−Ｙ方向の信号磁界方向Ｊ１１０が発生すると、磁化方向Ｊ１２３は−Ｙ方向となり、磁化方向Ｊ１２１とは反対向きとなる。したがって読出電流の抵抗値は図２３において説明したように増加してしまう。一方、図２２（Ｃ）に示したように、記録媒体からの信号磁界方向Ｊ１１０が例えば＋Ｙ方向である場合、磁化方向Ｊ１２３は＋Ｙ方向となり、磁化方向Ｊ１２１と同じ向きとなる。したがって読出電流の抵抗値は減少する。この抵抗変化を利用して、例えば図２２（Ｂ）の状態を「０」、図２２（Ｃ）の状態を「１」と対応づけることにより、信号磁界を２値情報として検出することができる。図２２（Ａ）〜図２２（Ｃ）から明らかなように、磁化方向Ｊ１２３の振幅の中心は、図２２（Ａ）の状態（Ｈ＝０）である。図２３に、ＧＭＲ素子１２０における外部磁界（信号磁界）Ｈと電気抵抗Ｒとの関係を示す。図２３では、図２２における−Ｙ方向の外部磁界をＨ＞０とし、＋Ｙ方向の外部磁界をＨ＜０とする。図２３に示したように、−Ｙ方向の信号磁界強度が増加するに従い電気抵抗Ｒは増加し、やがて飽和する。＋Ｙ方向の信号磁界強度が増加するに従い電気抵抗Ｒは低下し、やがて飽和する。このように、外部磁界Ｈが零の状態を中心として、電気抵抗Ｒが変化する。したがって、零磁界において自由層の磁化方向と固定層の磁化方向とが互いに直交したスピンバルブ構造を有するＧＭＲ素子は、バイアス印加手段を特別に設ける必要がないので、ハードディスクやフレキシブルディスク、あるいは磁気テープなどに記録された磁気情報の読出に一般的に適用される。なお、磁化方向の直交化は、主に固着層の磁化方向を決定する規則化熱処理工程と、これに続く、自由層の磁化方向を決定する直交化熱処理工程とを経ることによって行われる。

図２４に、固着層１２１の磁化方向Ｊ１２１と自由層１２３の磁化方向Ｊ１２３とが互いに直交した積層体１２０形成する工程の概略を示す。具体的には、まず、例えば＋Ｘ方向の磁界Ｈ１０１を印加しながら自由層１２３をスパッタリング等により成膜し、磁化容易軸方向ＡＥ１２３を固定（図２４（Ａ）参照。）した後、中間層１２２と固着層１２１とを順に形成する。次に、図２４（Ｂ）に示したように、磁界Ｈ１０１と直交する方向（例えば＋Ｙ方向）に磁界Ｈ１０２を印加しつつ、所定の温度でアニール処理を行う（規則化熱処理工程）。これにより、磁界Ｈ１０２の方向に磁化方向Ｊ１２１，Ｊ１２３が揃う。さらに、図２４（Ｃ）に示したように、磁界Ｈ１０２と直交する方向（＋Ｘ方向）に、比較的強度の弱い磁界Ｈ１０３を印加しながら、やや低い温度でアニール処理を行う（直交化熱処理工程）。これにより、磁化方向Ｊ１２１は固定されたまま、磁化方向Ｊ１２３のみ再度＋Ｘ方向に向けられる。この結果、磁化方向Ｊ１２１，Ｊ１２３が互いに直交した積層体１２０が完成する。

上記のように直交化熱処理されたスピンバルブ構造のＧＭＲ素子は、高出力と共に高いダイナミックレンジを得るのに有効であり、ディジタル記録された磁化反転信号の再生に好適である。なお、このようなＧＭＲ素子以前には、異方性磁気抵抗効果（ＡＭＲ）を利用したＡＭＲ素子がディジタル記録信号の再生手段として一般的に用いられていた。このＡＭＲ素子は、ディジタル信号に限らず、従来よりアナログ信号の再生手段としても利用されている（例えば特許文献４参照。）。最近では、ＡＭＲ素子と同様に、ＧＭＲ素子についてもアナログ信号の再生手段としての適用が検討されてきている（例えば特許文献５参照。）。
特表平９−５０８２１４号公報 特開２００１−３５８３７８号公報

しかしながら、アナログ信号の再生手段としてＧＭＲ素子を適用する場合、以下に説明するように出力特性のヒステリシスが問題となる。直交化熱処理を施したＧＭＲ素子における自由層１２３を微視的に観察すると、図２５に模式的に示したように、磁壁１２３Ｗによって仕切られた各磁区１２３Ｄのスピン方向１２３Ｓがばらついており、一定方向には揃っていない状態にある。このようなスピン方向１２３Ｓの乱れは、スピン方向１２３Ｓとほぼ直交する方向に外部磁界Ｈを印加した状態で読出電流を流したときに、外部磁界Ｈと電気抵抗Ｒとの関係におけるヒステリシス特性として現れてしまう。先に示した図２３は自由層の各磁区のスピン方向が完全に一方向に揃った理想状態に対応するものであり、直交化熱処理を施したものは実際にはスピン方向１２３Ｓがばらつきを生じるので、図２６に示したようにスピン方向１２３Ｓと直交する方向に磁界Ｈを印加したときの抵抗変化曲線はＨＣ１となり、零磁界においてヒステリシスが発生する。このヒステリシスの発生は、図２７に示したように、比較的低い周波数帯における１／ｆノイズ（１／ｆ雑音）として現れる。１／ｆノイズは、ある周波数ｆ以下で発生し、周波数ｆが小さくなるほど顕著になる。図２７には、「雑音電圧密度」に対して、周波数ｆの低下とともにホワイトノイズ成分Ｎ１に比べて１／ｆノイズ成分Ｎ２による影響が大きくなっている様子が示されている。この１／ｆノイズの増大は、システム全体の信頼性を低下させる大きな要因であるので、好ましくない。

そこで上記特許文献５においては、線状または長方形状の複数の軟磁性体を平行配置することにより形状異方性を利用してヒステリシスを除去するようにしている。しかしながら、ヒステリシスを完全に除去することは難しく、僅かではあるがヒステリシスが発生してしまう。加えて、検知部分である軟磁性体の幅を狭くしたことにより自由層の形状異方性磁界が増大し、感度の低下を招くこととなる。

本発明はかかる問題に鑑みてなされたもので、その目的は、ヒステリシスの発現を抑制して１／ｆノイズを低減し、信号磁界を高感度に、かつ、安定して検出することが可能であると共に自由層を乱す強い外部磁界が印加された場合であってもその安定性を保持することができる磁気検出素子およびその形成方法を提供することにある。

本発明の第１の磁気検出素子は、一定方向に固着された磁化方向を有する固着層と、外部磁界に応じて磁化方向が変化し、かつ、この外部磁界が零のときに磁化方向が固着層の磁化方向と平行となる自由層と、固着層と自由層との間に挟まれた中間層とを含む積層体を備え、中間層が、固着層と自由層との相互間に生じる固着層の磁化方向における交換バイアス磁界が正となる厚みを有するように構成したものである。この場合、例えば中間層が、２．１ｎｍ以上２．５ｎｍ以下の厚みを有するように構成することが好ましい。ここでいう「平行」とは、固着層の磁化方向と自由層の磁化方向とが、互いに完全に同一方向を向いている状態、すなわち厳密に０°の角度をなしている状態に加え、その状態に対して製造上生じる誤差や物性上のばらつきに起因する程度の傾きをなしている状態をも含む意である。また、ここでいう「交換バイアス磁界が正」とは、固着層におけるスピンの向きを基準として、自由層のスピンの向きが同一方向である場合を意味する。この「同一方向」とは、固着層のスピンの向きと自由層のスピンの向きとのなす角度が０°以上９０°未満である状態に相当する。

本発明の第２の磁気検出素子は、一定方向に固着された磁化方向を有する固着層と、外部磁界に応じて磁化方向が変化し、かつ、この外部磁界が零のときに磁化方向が固着層の磁化方向と反平行となる自由層と、固着層と自由層との間に挟まれた中間層とを含む積層体を備え、中間層が、固着層と自由層との相互間に生じる固着層の磁化方向における交換バイアス磁界が負となる厚みを有するように構成したものである。この場合、例えば中間層が、１．９ｎｍ以上２．０ｎｍ以下の厚みをなすように構成することが好ましい。ここでいう「反平行」とは、固着層の磁化方向と自由層の磁化方向とが、互いに完全に反対方向を向いている状態、すなわち厳密に１８０°の角度をなしている状態に加え、その状態に対して製造上生じる誤差や物性上のばらつきに起因する程度の傾きをなしている状態をも含む意である。また、ここでいう「交換バイアス磁界が負」とは、固着層におけるスピンの向きを基準として、自由層のスピンの向きが反対方向である場合を意味する。この「反対方向」とは、固着層のスピンの向きと自由層のスピンの向きとのなす角度が９０°よりも大きく１８０°以下である状態に相当する。

本発明の第１および第２の磁気検出素子では、それぞれ上記のように構成されるので、外部磁界が零のときに固着層と自由層とが互いに直交する磁化方向を示す場合と比べ、自由層における各磁区のスピン方向のばらつきが低減される。このため、固着層の磁化方向と直交する方向に外部磁界を印加した状態で読出電流を流すと、上記の外部磁界の変化と抵抗変化との関係におけるヒステリシスの発現が抑制され、かつ、自由層の安定性も向上する。特に、自由層の磁化容易軸の方向が固着層の磁化方向と平行である場合には各磁区のスピン方向が揃いやすく、ヒステリシスがより低減される。

本発明の第１および第２の磁気検出素子では、中間層が銅により構成されていることが望ましい。さらに、自由層に対し、固着層の磁化方向と直交する方向にバイアス磁界を印加するバイアス印加手段を有するようにしてもよい。その場合、バイアス印加手段は、永久磁石または固着層の磁化方向に延びるバイアス電流ラインのうちのいずれか一方によって構成することが可能である。

本発明の第１の磁気検出素子の形成方法は、外部磁界に応じて磁化方向が変化する第１の強磁性層と、中間層と、第１の強磁性層よりも大きな保磁力を有する第２の強磁性層とを順に形成することにより積層体を形成する積層工程と、第１および第２の強磁性層の磁化方向が互いに平行となるように規則化を行う規則化工程とを含むようにしたものである。ここでは、第１および第２の強磁性層の相互間に生じる第２の強磁性層の磁化方向における交換バイアス磁界が正を示すこととなる厚みを有するように中間層を形成すると共に、規則化工程によって、外部磁界が零である初期状態における第１および第２の強磁性層の磁化方向の設定を完了するようにしている。「初期状態」とは、特定の方向を有する外部磁界が存在しない状態であり、外部磁界の検出を行う際の基準となる状態を意味する。

本発明の第２の磁気検出素子の形成方法は、外部磁界に応じて磁化方向が変化する第１の強磁性層と、中間層と、第１の強磁性層よりも大きな保磁力を有する第２の強磁性層とを順に形成することにより積層体を形成する積層工程と、第１および第２の強磁性層の磁化方向が互いに反平行となるように規則化を行う規則化工程とを含むようにしたものである。ここでは、第１および第２の強磁性層の相互間に生じる第２の強磁性層の磁化方向における交換バイアス磁界が負を示すこととなる厚みを有するように中間層を形成すると共に、規則化工程によって、外部磁界が零である初期状態における第１および第２の強磁性層の磁化方向の設定を完了するようにしたものである。

本発明の第１および第２の磁気検出素子の形成方法では、上記の規則化工程によって、外部磁界が零である初期状態における第１および第２の強磁性層の磁化方向の設定を完了するようにしたので、第１の強磁性層と第２の強磁性層とが互いに直交する磁化方向を有する場合と比べて第１の強磁性層における各磁区のスピン方向のばらつきが低減される。このため、第２の強磁性層の磁化方向と直交する方向に外部磁界を印加した状態で読出電流を流すと、外部磁界の変化と抵抗変化との関係におけるヒステリシスの発現が抑制され、かつ、自由層の安定性も向上した磁気検出素子が得られる。

本発明の第１の磁気検出素子の形成方法では、銅を用いて、２．１ｎｍ以上２．５ｎｍ以下の厚みを有するように中間層を形成することが好ましい。また、磁化容易軸を有するように第１の強磁性層を形成すると共に、第１および第２の強磁性層の磁化方向が磁化容易軸と平行となるように規則化を行うようにすると、スピン方向のばらつきがより低減される。

本発明の第１の磁気検出素子の形成方法では、磁化容易軸の方向と同一方向に、例えば１．６ｋＡ／ｍ以上１６０ｋＡ／ｍ以下の磁界を印加しつつ、例えば２５０℃以上４００℃以下の温度でアニール処理を施すことにより規則化を行うようにすると、ヒステリシスの発現がよりいっそう抑制される。

本発明の第２の磁気検出素子の形成方法では、銅を用いて、１．９ｎｍ以上２．０ｎｍ以下の厚みを有するように中間層を形成することが好ましい。また、磁化容易軸を有するように第１の強磁性層を形成すると共に、第２の強磁性層の磁化方向が磁化容易軸と平行となり、第１の強磁性層の磁化方向が磁化容易軸と反平行となるように規則化を行うようにすると、スピン方向のばらつきがより低減される。

本発明の第２の磁気検出素子の形成方法では、規則化工程において、磁化容易軸の方向と同一方向に磁界を印加しつつアニール処理を施したのち、磁化容易軸の方向と反対方向に磁界を印加しつつアニール処理を施し、さらに磁化容易軸の方向と同一方向に磁界を印加しつつアニール処理を施すようにすると、ヒステリシスの発現がよりいっそう抑制される。

本発明の第１の磁気検出素子によれば、一定方向に固着された磁化方向を有する固着層と、外部磁界に応じて磁化方向が変化し、かつ、この外部磁界が零のときに磁化方向が固着層の磁化方向と平行となる自由層と、固着層と自由層との間に挟まれた中間層とを含む積層体を備え、中間層が、固着層と自由層との相互間に生じる固着層の磁化方向における交換バイアス磁界が正となる厚みを有するようにしたので、固着層の磁化方向と直交する方向に外部磁界を印加した状態で読出電流を流した場合において、上記の外部磁界の変化と抵抗変化との関係におけるヒステリシスの発現を抑制することができ、かつ、自由層の安定性も向上する。この際、形状異方性を利用した場合とは異なり、感度の低下が生じない。したがって、１／ｆノイズを抑え、信号磁界を高感度かつ安定して検出することが可能となる。この場合、磁界強度の大きさそのものの値を正確かつ連続的に測ることができるので、デジタルセンサに限らず、アナログセンサへの適用も十分に可能となる。特に、自由層が固着層の磁化方向と平行な磁化容易軸を有する場合には自由層のスピン方向の乱れを低減することができるので、結果的に、感度および安定性をより向上させることができる。

本発明の第２の磁気検出素子によれば、一定方向に固着された磁化方向を有する固着層と、外部磁界に応じて磁化方向が変化し、かつ、この外部磁界が零のときに磁化方向が固着層の磁化方向と反平行となる自由層と、固着層と自由層との間に挟まれた中間層とを含む積層体を備え、中間層が固着層と自由層との相互間に生じる固着層の磁化方向における交換バイアス磁界が負となる厚みを有するようにしたので、固着層の磁化方向と直交する方向に外部磁界を印加した状態で読出電流を流した場合において、上記本発明の第１の磁気検出素子と同様の効果が得られる。

本発明の第１および第２の磁気検出素子によれば、さらに、自由層に対し、固着層の磁化方向と直交する方向にバイアス磁界を印加するバイアス印加手段を有するようにすると、適切な強さのバイアス磁界を印加することによって外部磁界に対する読出電流の抵抗変化を線形とすることができる。ここで、固着層の磁化方向に延びるバイアス電流ラインによりバイアス印加手段を構成した場合には、バイアス電流を流す向きを決めることによりバイアス磁界の向きも決まる。

本発明の第１の磁気検出素子の形成方法によれば、外部磁界に応じて磁化方向が変化する第１の強磁性層と、中間層と、第１の強磁性層よりも大きな保磁力を有する第２の強磁性層とを順に形成することにより積層体を形成する積層工程と、第１および第２の強磁性層の磁化方向が互いに平行となるように規則化を行う規則化工程とを含み、第１および第２の強磁性層の相互間に生じる第２の強磁性層の磁化方向における交換バイアス磁界が正を示すこととなる厚みを有するように中間層を形成すると共に、規則化工程によって、外部磁界が零である初期状態における第１および第２の強磁性層の磁化方向の設定を完了するようにしたので、固着層の磁化方向と直交する方向に外部磁界を印加した状態で読出電流を流した場合において、上記の外部磁界の変化と抵抗変化との関係におけるヒステリシスの発現を抑制することができ、かつ、自由層の安定性も向上した磁気検出素子を得ることができる。この際、形状異方性を利用した場合とは異なり、感度の低下が生じない。特に、磁化容易軸を有するように第１の強磁性層を形成し、磁化容易軸の方向と同一方向に磁界を印加しつつアニール処理を施すことにより規則化を行い、第１および第２の強磁性層の磁化方向が磁化容易軸と平行となるようにすると、スピン方向のばらつきがより低減した構成が得られる。したがって、１／ｆノイズを抑え、信号磁界を高感度かつ安定して検出することが可能となる。この場合、磁界強度の大きさそのものの値を正確かつ連続的に測ることができるので、デジタルセンサに限らず、アナログセンサへの適用も十分に可能となる。特に、自由層が、固着層の磁化方向と平行な磁化容易軸を有する場合には自由層のスピン方向の乱れを低減することができるので、結果的に、感度および安定性をより向上させることができる。

本発明の第２の磁気検出素子の形成方法によれば、外部磁界に応じて磁化方向が変化する第１の強磁性層と、中間層と、第１の強磁性層よりも大きな保磁力を有する第２の強磁性層とを順に形成することにより積層体を形成する積層工程と、第１および第２の強磁性層の磁化方向が互いに反平行となるように規則化を行う規則化工程とを含み、第１および第２の強磁性層の相互間に生じる第２の強磁性層の磁化方向における交換バイアス磁界が負を示すこととなる厚みを有するように中間層を形成すると共に、規則化工程によって、外部磁界が零である初期状態における第１および第２の強磁性層の磁化方向の設定を完了するようにしたので、固着層の磁化方向と直交する方向に外部磁界を印加した状態で読出電流を流した場合において、上記の外部磁界の変化と抵抗変化との関係におけるヒステリシスの発現を抑制することができ、かつ、自由層の安定性も向上した磁気検出素子を得ることができる。この際、形状異方性を利用した場合とは異なり、感度の低下が生じない。特に、第１の強磁性層の磁化容易軸の方向と同一方向に磁界を印加しつつアニール処理を施す第１工程と、これと反対方向に磁界を印加しつつアニール処理を施す第２工程と、再度、磁化容易軸の方向と同一方向に磁界を印加しつつアニール処理を施す第３工程とを順におこなうことにより規則化を行い、第２の強磁性層の磁化方向を磁化容易軸と平行とし、かつ、第１の強磁性層の磁化方向を磁化容易軸と反平行となるようにすると、スピン方向のばらつきがより低減した構成が得られる。したがって、上記本発明の第１の磁気検出素子の形成方法と同様の効果が得られる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

［第１の実施の形態］
まず、図１〜図７を参照して、本発明の第１の実施の形態としての磁気検出素子の構成について説明する。

図１は、本実施の形態の磁気検出素子１０の概略構成を示したものである。図１（Ａ）は磁気検出素子１０の平面構成を示し、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示したＩＢ−ＩＢ切断線の矢視方向における磁気検出素子１０の断面構成を示す。図１（Ｃ）は、図１（Ａ）に対応する等価回路を表す。磁気検出素子１０は、それが置かれた環境における磁界（外部磁界）の有無や大きさを検出するものである。

図１（Ａ）に示したように、磁気検出素子１０は、積層体２０と、これに隣接して設けられたバイアス印加手段としてのバイアス電流ライン３０とが図示しない基板上に形成されている。積層体２０は、後に詳述するように磁化方向が一定方向（図１では＋Ｙ方向）に固定された固着層を有している。バイアス電流ライン３０は、積層体２０の近傍において固着層の磁化方向に延びるように配設されており、バイアス電流３１が流れるようになっている。バイアス電流３１は、図１（Ａ），（Ｂ）に示したように、矢印の向き（積層体２０の近傍において＋Ｙ方向）に流すことが可能であるし、反対向き（積層体２０の近傍において−Ｙ方向）に流すことも可能である。なお、バイアス電流ライン３０は積層体２０とは電気的に絶縁されている。積層体２０には、バイアス電流ライン３０とは別にリード線が接続されており、端子Ｔ１，Ｔ２間に読出電流を流すことができるようになっている。ここで、積層体２０は抵抗体とみなすことができるので、磁気検出素子１０は図１（Ｃ）に示したような等価回路となる。

積層体２０は、磁性層を含む複数の機能膜が積層されたものであり、図２に示したように、一定方向（例えば図２ではＹ方向）に固着された磁化方向Ｊ２１を有する固着層２１と、外部磁界Ｈに応じて変化する磁化方向J２３を示す自由層２３と、固着層２１と自由層２３との間に挟まれ、特定の磁化方向を示さない中間層２２とを含むものである。中間層２２は、銅（Ｃｕ）により構成され、上面および下面が固着層２１および自由層２３とそれぞれ接している。中間層２２は、銅のほか金（Ａｕ）などの導電率の高い非磁性金属により構成することができる。図２は外部磁界Ｈが零（Ｈ＝０）である初期状態を示しており、磁化方向Ｊ２１に対して磁化方向Ｊ２３が平行となっている。なお、固着層２１の上面（中間層２２と反対側の面）および自由層２３の下面（中間層２２と反対側の面）は、それぞれ図示しない保護膜によって保護されている。

固着層２１と自由層２３との間には磁化方向Ｊ２１における交換バイアス磁界Ｈin（以下、単に「交換バイアス磁界Ｈin」と記す。）が生じており、中間層２２を介して互いに作用し合っている。交換バイアス磁界Ｈinの強度は、固着層２１と自由層２３との相互間隔（すなわち中間層２２の厚みｔ）に応じて自由層２３のスピン方向が回転することにより変化する。本実施の形態では、中間層２２が、交換バイアス磁界Ｈinが正となるような範囲の厚みｔを有している。厚みｔは、特に２．１ｎｍ以上２．５ｎｍ以下の範囲であることが望ましい。厚みｔが２．５ｎｍを超えてしまうと抵抗変化率が急激に低下してしまうので好ましくない。積層体２０はスピンバルブ構造をなすＧＭＲ素子であり、外部磁界Ｈが印加されることにより、自由層２３の磁化方向Ｊ２３と固着層２１の磁化方向Ｊ２１との相対角度が変化するようになっている。この相対角度は、外部磁界Ｈの大きさや向きによって異なる。なお、図２では、下から自由層２３、中間層２２、固着層２１の順に積層された場合の構成例を示しているが、これに限定されず、反対の順序で構成するようにしてもよい。

図３に、厚みｔ（横軸）と交換バイアス磁界Ｈin（縦軸）との関係を示す。さらに、図４に、厚みｔと、固着層２１のスピン方向ＳＰ２１に対する自由層２３のスピン方向ＳＰ２３の変化との関係を模式的に示す。図４における符号ｔ０〜ｔ８は、図３と対応している。

厚みｔの増加に伴い、交換バイアス磁界Ｈinは増減を繰り返し、徐々に零（Ｈin＝０）となるように収束していく。ここで、厚みｔ＝ｔ０は、固着層２１と自由層２３とが完全に接している状態（中間層２２が存在しない状態）に対応している。この場合には、固着層２１と自由層２３とが一体化しているのでスピン方向ＳＰ２１，ＳＰ２３は互いに同一の向きとなり、交換バイアス磁界Ｈinは零（Ｈin＝０）である。中間層２２を挟んで固着層２１と自由層２３とが互いに僅かに離れ、中間層２２の厚みｔが磁気量子サイズｔｓよりも大きな厚みｔ＝ｔ１（例えば０．１〜１．０ｎｍ程度）となると、スピン方向ＳＰ２３が僅かに回転し、スピン方向ＳＰ２１に対して例えば４５°の角度をなした状態となる。この場合、交換バイアス磁界Ｈinは正（Ｈin＞０）を示す。さらに、厚みｔがｔ２，ｔ３，ｔ４と順に増加していくとスピン方向ＳＰ２３がさらに回転し、交換バイアス磁界Ｈｉｎが徐々に低下する。スピン方向ＳＰ２３がスピン方向ＳＰ２１と直交する厚みｔ＝ｔ２において交換バイアス磁界Ｈｉｎは零（Ｈin＝０）となり、スピン方向ＳＰ２１に対して例えば１３５°の角度をなした状態厚みｔ＝ｔ３では交換バイアス磁界Ｈinは負（Ｈin＜０）を示す。交換バイアス磁界Ｈinが極小値を示す厚みｔ＝ｔ４となると、スピン方向ＳＰ２３が当初の状態から反転した状態で安定化する。

さらに、厚みｔがｔ５，ｔ６，ｔ７，ｔ８と順に増加していくとスピン方向ＳＰ２３がさらに回転し、交換バイアス磁界Ｈｉｎが徐々に上昇する。スピン方向ＳＰ２３がスピン方向ＳＰ２１と直交する（２７０°の角度をなす）厚みｔ＝ｔ６において交換バイアス磁界Ｈｉｎは零（Ｈin＝０）となり、スピン方向ＳＰ２１に対して３１５°の角度をなした状態厚みｔ＝ｔ７では交換バイアス磁界Ｈinは正（Ｈin＞０）を示す。交換バイアス磁界Ｈinが極大値を示す厚みｔ＝ｔ８となると、スピン方向ＳＰ２３がスピン方向ＳＰ２１と平行状態となり安定化する。本実施の形態は、この状態に対応している。

図５に、固着層２１の詳細な構成を示す。固着層２１は、中間層２２の側から磁化固定膜２４と反強磁性膜２５とが順に積層された構成となっている。磁化固定膜２４は、コバルト（Ｃｏ）やコバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）などの強磁性材料によって構成されている。この磁化固定膜２４の示す磁化方向が固着層２１全体としての磁化方向Ｊ２１となる。反強磁性膜２５は、白金マンガン合金（ＰｔＭｎ）やイリジウムマンガン合金（ＩｒＭｎ）などの反強磁性材料により構成されている。反強磁性膜２５は、一定方向（例えば＋Ｙ方向）のスピン磁気モーメントと反対方向（例えば−Ｙ方向）のスピン磁気モーメントとが完全に打ち消し合った状態にあり、磁化固定膜２４の磁化方向Ｊ２１を固定するように機能する。保護膜２６は、タンタル（Ｔａ）やハフニウム（Ｈｆ）などの化学的に安定な非磁性材料からなり、磁化固定膜２４や反強磁性膜２５などを保護するものである。

磁化固定膜２４は、単層構造としてもよいし、あるいは図６に示したように、中間層２２の側から第１強磁性膜２４１と、交換結合膜２４２と第２強磁性膜２４３とが順に積層された構成とすることもできる。図６の構成をなす固着層２１を有する積層体２０は、シンセティック型スピンバルブ構造と呼ばれるものである。第１および第２強磁性膜２４１，２４３は、コバルトやＣｏＦｅなどの強磁性材料からなり、交換結合膜２４２は、例えばルテニウム（Ｒｕ）などの非磁性材料からなる。この場合、第１および第２強磁性膜２４１，２４３が互いに反対向きの磁化方向を示すように交換結合膜２４２を介して交換結合するので、磁化固定膜２４全体としての磁化方向の安定化が図られる。さらに、磁化固定膜２４から自由層２３へ漏れる漏洩磁界を弱めることができる。

自由層２３は、単層構造としてもよいし、あるいは図７に示したように、２つの強磁性薄膜２３１，２３３が中間膜２３２を介して交換結合した構成としてもよい。この場合には、自由層２３の磁化困難軸における保磁力をより小さくすることができる。

バイアス電流ライン３０は、例えば銅（Ｃｕ）や金（Ａｕ）などの高い導電性を有する金属材料からなり、積層体２０に対し、バイアス磁界Ｈｂを印加するように機能するものである。

続いて、上記の構成を有する磁気検出素子１０の作用について説明する。

図２に示した自由層２３は、磁化固定膜２４とは異なり、外部磁界Ｈの大きさや向きによってその磁化方向Ｊ２３が回転する。自由層２３の磁化容易軸方向ＡＥ２３は、固着層２１の磁化方向Ｊ２１と平行となるように形成されている。したがって、積層体２０においては、外部磁界Ｈが零（すなわち、図２に示した初期状態）であるときには自由層２３の磁化容易軸方向ＡＥ２３と、磁化方向Ｊ２３と、磁化方向Ｊ２１とが全て互いに平行となっている。このため、外部磁界Ｈが零のときには、自由層２３のスピン方向が一定方向に揃いやすい。図８は、外部磁界Ｈが零の場合における自由層２３の各磁区におけるスピン方向を模式的に表した概念図である。図８に示したように、自由層２３は磁壁２３Ｗによって仕切られた複数の磁区２３Ｄを有しており、それぞれのスピン２３Ｓがほぼ同一方向（磁化方向Ｊ２３）に揃っている。

このように、スピン方向の揃った自由層２３を備えた積層体２０は、磁化方向Ｊ２１（磁化方向Ｊ２３）と直交する方向に外部磁界Ｈを印加した場合、ヒステリシスをほとんど示さない。図９は、外部磁界Ｈと抵抗変化率ΔＲ／Ｒとの関係を示したものであるが、両者の関係は左右対称な、外部磁界Ｈ＝０において極小値（ΔＲ／Ｒ＝０）を示すほぼ１つの曲線Ｃ１で表されている。このため、磁気検出素子１０を用いて磁化方向J２１と直交する方向の外部磁界のセンシング（外部磁界の検出）を実行すると、自由層２３の磁化方向J２３の反転に起因するヒステリシスの発現が抑制され、１／ｆノイズが低減される。

本実施の形態の磁気検出素子１０を用いてセンシングを行う場合には、図１に示したようにバイアス電流ライン３０を用いて、積層体２０に対しバイアス磁界Ｈｂを印加する。具体的には、バイアス電流ライン３０に、例えば＋Ｙ方向のバイアス電流３１を流すことにより積層体２０に対して＋Ｘ方向のバイアス磁界Ｈｂを発生させる。ここで、磁化方向Ｊ２１，Ｊ２３はいずれも＋Ｙ方向となるように配置されており、バイアス磁界Ｈｂと直交することとなる。このように、バイアス磁界Ｈｂを印加するのは、図９に示したように、外部磁界Ｈ＝０の近傍において、曲線Ｃ１が非線形であるからである。外部磁界Ｈの変化を精度良く検出するためには、曲線Ｃ１の両側斜面部分に対応する２つの線形領域Ｌ１，Ｌ２の特性を利用することが望ましい。したがって、初期状態においてバイアス点ＢＰ１またはバイアス点ＢＰ２のいずれかに対応する大きさのバイアス磁界Ｈｂを印加する必要がある。ここで、バイアス点ＢＰ１，ＢＰ２は、それぞれの線形領域Ｌ１，Ｌ２における中心に位置し、互いに同等の抵抗変化率ΔＲ／Ｒを示す位置にある。

例えば図１において＋Ｘ方向の磁界Ｈを正と定義すると、＋Ｙ方向のバイアス電流３１を流してバイアス点ＢＰ１に相当するバイアス磁界Ｈｂ（ＢＰ１）を発生させることが好ましい。この状態において正方向（＋Ｘ方向）の外部磁界Ｈ＋が印加されると、図９の曲線Ｃ１から明らかなように、積層体２０の示す抵抗変化率ΔＲ／Ｒが（初期状態よりも）上昇する。反対に、バイアス磁界Ｈｂ（ＢＰ１）を印加した初期状態において負方向（−Ｘ方向）の外部磁界Ｈ−が印加されると、積層体２０の示す抵抗変化率ΔＲ／Ｒが（初期状態よりも）低下する。また、−Ｙ方向のバイアス電流３１を流してバイアス点ＢＰ２に相当するバイアス磁界Ｈｂ（ＢＰ２）を発生させた場合には、正方向（＋Ｘ方向）の外部磁界Ｈ＋が印加されると抵抗変化率ΔＲ／Ｒが（初期状態よりも）低下し、負方向（−Ｘ方向）の外部磁界Ｈ−が印加されると抵抗変化率ΔＲ／Ｒが（初期状態よりも）上昇する。このように、いずれの場合においても抵抗変化率ΔＲ／Ｒの変化する方向によって外部磁界Ｈの向きが解るうえ、抵抗変化率ΔＲ／Ｒの変化する大きさによって外部磁界Ｈの大きさを知ることができる。なお、バイアス印加手段がなくともセンシングは一応可能である。しかし、バイアス印加手段を用いて線形領域Ｌ１，Ｌ２を使用するほうが、より精度の良いセンシングができる。

次に、磁気検出素子１０の形成方法について説明する。以下図２および図１０を参照して、詳細に説明する。図１０は、磁気検出素子１０の形成工程を簡略化して示した概念図である。

本実施の形態の磁気検出素子１０の形成方法では、まず、図示しない基板上に、例えばＮｉＦｅなどの軟磁性材料を用いてスパッタリング等により（自由層２３としての）第１の強磁性層を成膜する。この際、一定方向（例えば＋Ｙ方向）の磁界Ｈ１を印加しながら成膜することにより磁化容易軸方向ＡＥ２３を決める（図１０（Ａ）参照）。次に例えば銅などの非磁性金属材料を用いて中間層２２を形成し、さらに、第１の強磁性層よりも大きな保磁力を有する材料（例えばＣｏＦｅなど）を用いて（のちに固着層２１となる）第２の強磁性層を形成する（積層工程）。こののち、第１の強磁性層の磁化方向Ｊ２３と第２の強磁性層の磁化方向Ｊ２１とが磁化容易軸方向ＡＥ２３と対応するように規則化を行う（規則化工程）。具体的には、磁化容易軸方向ＡＥ２３と同一の方向（例えば＋Ｙ方向）に１．６ｋＡ／ｍ以上１６０ｋＡ／ｍ以下の強さを有する磁界Ｈ２を印加しつつ、２５０℃以上４００℃以下（好ましくは２７０℃）の温度で例えば４時間程度のアニール処理を施す。これにより、一定方向（＋Ｙ方向）に固着された磁化方向Ｊ２１を有する固着層２１が形成されると共に、この磁化方向Ｊ２１と同方向である磁化容易軸方向ＡＥ２３および磁化方向J２３を示す自由層２３が形成される。すなわち、この規則化工程によって、外部磁界Ｈが零である初期状態における固着層２１および自由層２３の磁化方向Ｊ２１，Ｊ２３の設定が完了する。以上により、基板上に自由層２３と中間層２２と固着層２１とが順に形成された積層体２０の形成が完了する。こののち、絶縁層を介してバイアス電流ライン３０を形成する工程や、読出電流を流すためのリード線を接続するなど、所定の工程を経ることにより、磁気検出素子１０が完成する。

以上のように、本実施の形態の磁気検出素子１０およびその形成方法によれば、一定方向（Ｙ方向）に固着された磁化方向Ｊ２１を有する固着層２１と、外部磁界Ｈに応じて変化し、かつ、この外部磁界Ｈが零のときに磁化方向Ｊ２１と平行となる磁化方向Ｊ２３を示す自由層２３と、固着層２１と自由層２３との間に挟まれた中間層２２とを含む積層体２０を備え、交換バイアス磁界Ｈinが正となるように中間層２２の厚みｔを設定したので、磁化方向Ｊ２１と直交する方向からの外部磁界によって磁化方向Ｊ２３の反転が生じることがない。そのため、磁化方向Ｊ２１，Ｊ２３が安定化する。よって、磁化方向Ｊ２１（磁化方向Ｊ２３）と直交する方向に外部磁界Ｈを印加した状態で読出電流を流した場合には、上記の外部磁界Ｈの変化と抵抗変化Ｒとの関係における磁化方向Ｊ２３の反転によるヒステリシスの発現を抑制できる。この結果、１／ｆノイズが抑えられ、信号磁界を高感度に、かつ安定して検出することが可能となる。特に、磁界強度の大きさの値そのものを正確かつ連続的に測定できるので、電流計のようなアナログセンサとして好適である。

［第２の実施の形態］
次に、主に図１１を参照して、本発明の第２の実施の形態としての磁気検出素子１０について説明する。

本実施の形態の磁気検出素子１０は、積層体２０における自由層２３の磁化方向が上記第１の実施の形態と異なるように構成されているほかは同様の構成となっている。よって、本実施の形態では、上記第１の実施の形態と重複する部分については適宜説明を省略する。

本実施の形態の積層体２０は、図１１に示したように、外部磁界Ｈが零（Ｈ＝０）である初期状態において固着層２１の磁化方向Ｊ２１と反平行の磁化方向Ｊ２３Ａを示す自由層２３を有している。中間層２２の厚みｔは、１．９ｎｍ以上２．０ｎｍ以下であることが望ましく、特に１．９ｎｍであることが望ましい。

固着層２１と自由層２３との間には交換バイアス磁界Ｈinが生じており、その強度が負となっている。すなわち、図３および図４における、中間層２２の厚みｔ＝ｔ４と対応した状態となっている。

このような構成の積層体２０は、磁化方向Ｊ２１と直交する方向に外部磁界Ｈを印加すると、図１２に示したようにヒステリシスをほとんど生じない。図１２は、外部磁界Ｈと抵抗変化率ΔＲ／Ｒとの関係を示したものであるが、両者の関係は左右対称な、外部磁界Ｈ＝０において極大値（ΔＲ／Ｒ＝０）を示すほぼ１つの曲線Ｃ２で表されている。このため、磁気検出素子１０を用いて磁化方向Ｊ２１と直交する方向の外部磁界のセンシング（外部磁界の検出）を実行すると、磁化方向Ｊ２３Ａの反転に起因するヒステリシスの発現が抑制され、１／ｆノイズが低減される。

本実施の形態の磁気検出素子１０を用いてセンシングを行う場合には、上記第１の実施の形態と同様、図１に示したようにバイアス電流ライン３０を用いて、積層体２０に対しバイアス磁界Ｈｂを印加することが望ましい。曲線Ｃ２の両側斜面部分に対応する２つの線形領域Ｌ３，Ｌ４の特性を利用し、外部磁界Ｈの変化を精度良く検出するためである。

次に、磁気検出素子１０の形成方法について説明する。以下図１１および図１３を参照して、詳細に説明する。図１３は、磁気検出素子１０Ａの形成工程を簡略化して示した概念図である。

本実施の形態の磁気検出素子１０の形成方法では、まず、図示しない基板上に、自由層２３としての第１の強磁性層を成膜する。この際、一定方向（例えば＋Ｙ方向）の磁界Ｈ１を印加しながら成膜することにより磁化容易軸方向ＡＥ２３を決める（図１３（Ａ）参照）。次に中間層２２を形成し、さらに、のちに固着層２１となる第２の強磁性層を形成する（積層工程）。こののち、第２の強磁性層の磁化方向Ｊ２１が磁化容易軸方向ＡＥ２３と同一方向となるようにすると共に、第１の強磁性層の磁化方向Ｊ２３Ａがこれと反対方向となるように規則化を行う（規則化工程）。具体的には、磁化容易軸方向ＡＥ２３と同一の方向（＋Ｙ方向）に１．６ｋＡ／ｍ以上１６０ｋＡ／ｍ以下の強さを有する磁界Ｈ２を印加しつつ、２５０℃以上４００℃以下（好ましくは２７０℃）の温度で例えば４時間程度のアニール処理を施す（第１のアニール工程）。次に磁化容易軸方向ＡＥ２３と反対の方向（−Ｙ方向）に１．６ｋＡ／ｍ以上１６０ｋＡ／ｍ以下の強さを有する磁界Ｈ３を印加しつつ、２５０℃以上４００℃以下（好ましくは２７０℃）の温度で例えば１時間程度のアニール処理を施す（第２のアニール工程）。さらに、磁化容易軸方向ＡＥ２３と同一の方向（＋Ｙ方向）に１．６ｋＡ／ｍ以上１６０ｋＡ／ｍ以下の強さを有する磁界Ｈ４を印加しつつ、２５０℃以上４００℃以下（好ましくは２７０℃）の温度で例えば１時間程度のアニール処理を施す（第３のアニール工程）。これにより、一定方向（＋Ｙ方向）に固着された磁化方向Ｊ２１を有する固着層２１が形成されると共に、この磁化方向Ｊ２１と反対方向である磁化方向J２３Ａを示す自由層２３が形成される。このように、磁化方向Ｊ２１および磁化方向Ｊ２３Ａは互いに反対向きで安定となる。すなわち、第１〜第３のアニール工程を含む規則化工程によって、外部磁界Ｈが零である初期状態における固着層２１および自由層２３の磁化方向Ｊ２１，Ｊ２３Ａの設定が完了する。以上により、基板上に自由層２３と中間層２２と固着層２１とが順に形成された積層体２０の形成が完了する。こののち、上記第１の実施の形態と同様の所定の工程を経ることにより、磁気検出素子１０が完成する。なお、第２および第３のアニール工程を行わずともある程度の規則化は可能であるが、上記のように第１〜第３のアニール工程を経ることにより規則化がいっそう促進されるので、ヒステリシスの発現をより低減することができる。

このように、本実施の形態の磁気検出素子１０およびその形成方法によれば、一定方向（Ｙ方向）に固着された磁化方向Ｊ２１を有する固着層２１と、外部磁界Ｈに応じて変化し、かつ、この外部磁界Ｈが零のときに磁化方向Ｊ２１と反平行となる磁化方向Ｊ２３Ａを示す自由層２３と、固着層２１と自由層２３との間に挟まれた中間層２２とを含む積層体２０を備え、交換バイアス磁界Ｈinが負となるように中間層２２の厚みｔを設定したので、磁化方向Ｊ２１，Ｊ２３Ａが互いに反対向きで安定化し、磁化方向Ｊ２１と直交する方向からの外部磁界によって磁化方向Ｊ２３Ａの反転が生じることがない。そのため、磁化方向Ｊ２１，Ｊ２３Ａが安定化し、磁化方向Ｊ２１（磁化方向Ｊ２３Ａ）と直交する方向に外部磁界Ｈを印加した状態で読出電流を流した場合には、上記の外部磁界Ｈの変化と抵抗変化Ｒとの関係における磁化方向Ｊ２３Ａの反転によるヒステリシスの発現を抑制できる。この結果、上記第１の実施の形態と同様の効果が得られる。

次に、上記第１の実施の形態の磁気検出素子１０についての具体的な数値実施例について説明する。

本実施例では、上記第１および第２の実施の形態における磁気検出素子の形成方法に基づき、以下の構成の積層体２０を有する磁気検出素子１０をそれぞれ形成した。積層体２０の構成は、「ニッケル鉄合金（ＮｉＦｅ）０．３／コバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）１．０／銅（Ｃｕ）／ＣｏＦｅ２．５／ルテニウム（Ｒｕ）０．８／ＣｏＦｅ１．５／白金マンガン合金（ＰｔＭｎ）１５．０／タンタル（Ｔａ）３．０」とした。ここで、「ＮｉＦｅ０．３／ＣｏＦｅ１．０」が２層構造の自由層２３であり、「銅」が中間層２２であり、「ＣｏＦｅ２．５／Ｒｕ０．８／ＣｏＦｅ１．５」が３層構造の磁化固定膜２４であり、「ＰｔＭｎ１５．０」が反強磁性膜２５であり、さらに「タンタル３．０」が保護層である。なお、各材料名に続いて表示した数値が各層の厚み（ｎｍ）に対応する。本実施例では、中間層２２の厚みを変えることにより、自由層２３において、磁化方向Ｊ２３または磁化方向Ｊ２３Ａのいずれかが選択される。

図１４に、積層体２０における諸特性の中間層２２の厚みｔ依存性を示す。図１４（Ａ）は厚みｔに対する交換バイアス磁界（Ｈin）の変化を表している。図１４（Ａ）に示したように、交換バイアス磁界Ｈinは、厚みｔ＝１．６ｎｍから徐々に低下し、１．８０ｎｍ＜ｔ＜２．１ｎｍにおいて負となる。その後、さらに厚みｔが増すと緩やかに上昇し、正の交換バイアス磁界Ｈinを示すようになる。したがって、厚みｔが１．８ｎｍよりも大きく２．０ｎｍ未満の範囲では、自由層２３が磁化方向Ｊ２３Ａを示す第２の実施の形態に対応した状態となり、厚みｔが２．１ｎｍ以上の範囲において自由層２３が磁化方向Ｊ２３を示す第１の実施の形態に対応した状態となる。

図１４（Ｂ）は厚みｔに対する保磁力Ｈｃの変化を表している。図１４（Ｂ）に示したように、保磁力Ｈｃは、厚みｔ＝１．６ｎｍにおいて２×１０³／（４π）［Ａ／ｍ］を示し、その後ｔ＝２．６ｎｍに至るまで緩やかに減少している。

図１４（Ｃ）は厚みｔに対する異方性磁界Ｈｋの変化を表している。図１４（Ｃ）に示したように、保磁力Ｈｃは、厚みｔ＝１．６ｎｍからｔ＝１．８ｎｍにかけてやや急激に減少し、その後厚みｔの増加に伴い緩やかに減少している。

図１４（Ｄ）は厚みｔに対する抵抗変化率ΔＲ／Ｒの変化を表している。図１４（Ｄ）に示したように、抵抗変化率ΔＲ／Ｒは、厚みｔ＝１．６ｎｍからｔ＝２．５ｎｍにかけて１２％前後の領域で緩やかに減少している。さらにｔ＝２．６となると急激に低下し、８％となってしまう。

図１４（Ｅ）および図１４（Ｆ）は厚みｔに対する抵抗変化量（ΔＲｓ）およびシート抵抗（Ｒｓ）の変化をぞれぞれ表しており、いずれも、厚みｔ＝１．６ｎｍからｔ＝２．６ｎｍにかけて単調減少を示している。

次に、積層体２０における抵抗変化率ΔＲ／Ｒの磁界依存性を調査したので、図１５および図１６にその結果を示す。

図１５は、積層体２０の固着層２１の磁化方向Ｊ２１と平行な方向に外部磁界Ｈを印加した場合の抵抗変化率ΔＲ／Ｒの変化を示す。ここで、中間層２２の厚みｔはｔ＝１．５ｎｍであり、固着層２１と自由層２３との交換バイアス磁界Ｈinは正を示している。図１５（Ａ）は、幅が２μｍであり長さが１８０μｍである矩形の平面形状をなす積層体２０についての特性図であり、図１５（Ｂ）は、幅が１８μｍであり長さが１８０μｍである矩形の平面形状をなす積層体２０についての特性図である。なお、図１５（Ｃ）には、図１７に示した従来の積層体１２０について、磁化方向Ｊ１２１と直交する方向に外部磁界Ｈを印加したときの特性図を併せて示す。図１５（Ａ）〜図１５（Ｃ）において図中に示した（１）〜（４）の数字は、変化する方向をそれぞれ示している。

図１５（Ａ）〜図１５（Ｃ）から明らかなように、いずれも、外部磁界Ｈを＋側（磁化方向Ｊ２１と同一方向）へ印加する場合と−側（磁化方向Ｊ２１と同一方向）へ印加する場合とでは曲線が一致せず、ヒステリシスを発現した。

一方、図１６は、積層体２０の固着層２１の磁化方向Ｊ２１と直交する方向に外部磁界Ｈを印加した場合の抵抗変化率ΔＲ／Ｒの変化を示す。図１６（Ａ）は、図１５（Ａ）と同様、幅が２μｍであり長さが１８０μｍである矩形の平面形状をなす積層体２０についての特性図であり、図１６（Ｂ）は、図１５（Ｂ）と同様、幅が１８μｍであり長さが１８０μｍである矩形の平面形状をなす積層体２０についての特性図である。なお、図１６（Ｃ）および図１６（Ｄ）には、図１７に示した積層体１２０について、磁化方向Ｊ１２１と直交する方向に外部磁界Ｈを印加したときの特性図を併せて示す。図１６（Ｃ）は、幅が１８μｍであり長さが１８０μｍである矩形の平面形状をなす積層体１２０に関する特性図である。図１６（Ｃ）において図中に示した（１）〜（４）の数字は、変化する方向を示している。一方、図１６（Ｄ）は、幅が２μｍであり長さが１８０μｍである矩形の平面形状をなす積層体１２０関する特性図である。

図１６（Ａ）および図１６（Ｂ）から明らかなように、本発明の積層体２０は、いずれもヒステリシスをほとんど発現しない、良好な抵抗変化率ΔＲ／Ｒを示した。特に、幅を１８μｍとした場合（図１６（Ｂ））には、幅を２μｍとした場合（図１６（Ａ））よりも高い感度（曲線の傾き）を得ることができた。これに対し従来の積層体１２０では、幅を２μｍに狭めて形状異方性を高めることにより、ヒステリシスの発現をある程度、抑制することができた（図１６（Ｄ））が、図１６（Ｂ）に示した本発明の積層体２０と比べるとやや大きく、完全に無くすことはできなかった。

このように、本実施例では、交換バイアス磁界Ｈinが正となるように中間層２２の厚みを設定したので、磁化方向Ｊ２１と磁化方向Ｊ２３とが互いに同一方向で安定化し、磁化方向Ｊ２１と直交する方向に外部磁界Ｈを印加した状態においては、外部磁界Ｈの変化と抵抗変化Ｒ（抵抗変化率ΔＲ／Ｒ）との関係におけるヒステリシスの発現を抑制できることが確認された。

以上、いくつかの実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は実施の形態に限定されず、種々の変形が可能である。例えば本実施の形態では、導線を流れる電流によって生じるアナログ信号磁界を検出する場合について説明したが、これに限定されるものではない。本発明の磁気検出素子は、例えば、磁気エンコーダのように高いデューティー比のデジタル信号磁界を検出する用途としても適用可能である。

本発明の磁気検出素子は、電流計など、電流値そのものを図ることを目的とする場合に用いられるほか、プリント配線の欠陥などの検査を行う渦電流探傷技術に応用可能である。例えば、磁気検出素子を直線上に多数個配置したラインセンサを形成し、渦電流の変化を磁束の変化として捉えるような応用例が考えられる。

本発明の第１の実施の形態に係る磁気検出素子の構成を示す概略図である。 図１に示した磁気検出素子を構成する積層体を示す分解斜視図である。 図２に示した積層体における中間層の厚みと自由層のスピン方向との関係を示す概念図である。 図２に示した積層体における中間層の厚みと交換バイアス磁界との関係を示す特性図である。 図２に示した積層体における一部の詳細な構成を示す斜視図である。 図２に示した積層体における一部のさらに詳細な構成を示す斜視図である。 図２に示した積層体における他の一部の詳細な構成を示す斜視図である。 図２に示した積層体の自由層におけるスピン方向分布を模式的に表した概念図である。 図１に示した磁気検出素子における抵抗変化率の磁界依存性を示す特性図である。 図１に示した磁気検出素子の形成過程を表す概念図である。 本発明の第２の実施の形態に係る磁気検出素子の構成を示す概略図である。 図１１に示した磁気検出素子における抵抗変化率の磁界依存性を示す特性図である。 図１１に示した磁気検出素子の形成過程を表す概念図である。 図１に示した磁気検出素子における諸特性と中間層の厚みとの関係を表す特性図である。 図１に示した磁気検出素子における抵抗変化率の磁界依存性を表す特性図である。 図１に示した磁気検出素子における抵抗変化率の磁界依存性を表す他の特性図である。 従来のスピンバルブ構造をなす積層体の構成を示す分解斜視図である。 図１７に示した積層体における一部の詳細な構成を示す斜視図である。 図１７に示した積層体における一部のさらに詳細な構成を示す斜視図である。 図１７に示した積層体における他の一部の詳細な構成を示す斜視図である。 一般的なＧＭＲ効果の作用を説明するための説明図である。 図１７に示した積層体を搭載した薄膜磁気ヘッドによる動作を説明するための説明図である。 図１７に示した積層体における外部磁界（信号磁界）と電気抵抗との関係を示す特性図である。 図１７に示した積層体の形成工程を表す概念図である。 図１７に示した積層体の自由層におけるスピン方向分布を模式的に表した概念図である。 図１７に示した積層体における抵抗変化率の磁界依存性を示す特性図である。 図１７に示した積層体において発生するノイズの周波数依存性を示す特性図である。

符号の説明

ＢＰ１，ＢＰ２…バイアス点、Ｊ２１，Ｊ２３，J２３Ａ…磁化方向、Ｌ１〜Ｌ４…線形領域、ＳＰ２１，ＳＰ２３…スピン方向、１０…磁気検出素子、２０…積層体、２１…固着層、２２…中間層、２３…自由層、２４…磁化固定膜、２５…反強磁性膜、３０…バイアス電流ライン、３１…バイアス電流、４０〜４２…基板。

Claims (21)

1. 一定方向に固着された磁化方向を有する固着層と、
   外部磁界に応じて磁化方向が変化し、かつ、この外部磁界が零のときに前記磁化方向が前記固着層の磁化方向と平行となる自由層と、
   前記固着層と前記自由層との間に挟まれた中間層と
   を含む積層体を備え、
   前記中間層は、前記固着層と前記自由層との相互間に生じる前記固着層の磁化方向における交換バイアス磁界が正となる厚みを有するように構成されている
   ことを特徴とする磁気検出素子。
2. 前記中間層は、２．１ｎｍ以上２．５ｎｍ以下の厚みを有するように構成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の磁気検出素子。
3. 一定方向に固着された磁化方向を有する固着層と、
   外部磁界に応じて磁化方向が変化し、かつ、この外部磁界が零のときに前記磁化方向が前記固着層の磁化方向と反平行となる自由層と、
   前記固着層と前記自由層との間に挟まれた中間層と
   を含む積層体を備え、
   前記中間層は、前記固着層と前記自由層との相互間に生じる前記固着層の磁化方向における交換バイアス磁界が負となる厚みを有するように構成されている
   ことを特徴とする磁気検出素子。
4. 前記中間層は、１．９ｎｍ以上２．０ｎｍ以下の厚みを有するように構成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の磁気検出素子。
5. 前記中間層は銅により構成されている
   ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の磁気検出素子。
6. 前記自由層は、前記固着層の磁化方向と平行な磁化容易軸を有する
   ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の磁気検出素子。
7. さらに、前記積層体に対し、前記固着層の磁化方向と直交する方向にバイアス磁界を印加するバイアス印加手段を有する
   ことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の磁気検出素子。
8. 前記バイアス印加手段は、永久磁石または前記固着層の磁化方向に延びるバイアス電流ラインのうちのいずれか一方である
   ことを特徴とする請求項７に記載の磁気検出素子。
9. 外部磁界に応じて磁化方向が変化する第１の強磁性層と、中間層と、前記第１の強磁性層よりも大きな保磁力を有する第２の強磁性層とを順に形成することにより積層体を形成する積層工程と、
   前記第１および第２の強磁性層の磁化方向が互いに平行となるように規則化を行う規則化工程とを含み、
   前記第１および第２の強磁性層の相互間に生じる前記第２の強磁性層の磁化方向における交換バイアス磁界が正を示すこととなる厚みを有するように前記中間層を形成し、
   前記規則化工程によって、前記外部磁界が零である初期状態における前記第１および第２の強磁性層の磁化方向の設定を完了する
   ことを特徴とする磁気検出素子の形成方法。
10. ２．１ｎｍ以上２．５ｎｍ以下の厚みを有するように前記中間層を形成する
    ことを特徴とする請求項９に記載の磁気検出素子の形成方法。
11. 磁化容易軸を有するように前記第１の強磁性層を形成すると共に、
    前記第１および第２の強磁性層の磁化方向が前記磁化容易軸と平行となるように規則化を行う
    ことを特徴とする請求項９または請求項１０に記載の磁気検出素子の形成方法。
12. 一定方向の磁界を印加しながら前記第１の強磁性層を形成することにより、前記磁化容易軸の方向を設定する
    ことを特徴とする請求項１１に記載の磁気検出素子の形成方法。
13. 前記磁化容易軸の方向と同一方向に磁界を印加しつつアニール処理を施すことにより規則化を行う
    ことを特徴とする請求項９から請求項１２のいずれか１項に記載の磁気検出素子の形成方法。
14. １．６ｋＡ／ｍ以上１６０ｋＡ／ｍ以下の磁界を印加しつつ、２５０℃以上４００℃以下の温度でアニール処理を施す
    ことを特徴とする請求項１３に記載の磁気検出素子の形成方法。
15. 外部磁界に応じて磁化方向が変化する第１の強磁性層と、中間層と、前記第１の強磁性層よりも大きな保磁力を有する第２の強磁性層とを順に形成することにより積層体を形成する積層工程と、
    前記第１および第２の強磁性層の磁化方向が互いに反平行となるように規則化を行う規則化工程とを含み、
    前記第１および第２の強磁性層の相互間に生じる前記第２の強磁性層の磁化方向における交換バイアス磁界が負を示すこととなる厚みを有するように前記中間層を形成し、
    前記規則化工程によって、前記外部磁界が零である初期状態における前記第１および第２の強磁性層の磁化方向の設定を完了する
    ことを特徴とする磁気検出素子の形成方法。
16. １．９ｎｍ以上２．０ｎｍ以下の厚みを有するように前記中間層を形成する
    ことを特徴とする請求項１５に記載の磁気検出素子の形成方法。
17. 磁化容易軸を有するように前記第１の強磁性層を形成すると共に、
    前記第２の強磁性層の磁化方向が前記磁化容易軸と平行となり、前記第１の強磁性層の磁化方向が前記磁化容易軸と反平行となるように規則化を行う
    ことを特徴とする請求項１５または請求項１６に記載の磁気検出素子の形成方法。
18. 一定方向の磁界を印加しながら前記第１の強磁性層を形成することにより、前記磁化容易軸の方向を設定する
    ことを特徴とする請求項１７に記載の磁気検出素子の形成方法。
19. 前記規則化工程において、
    前記磁化容易軸の方向と同一方向に磁界を印加しつつアニール処理を施す第１工程と、
    前記磁化容易軸の方向と反対方向に磁界を印加しつつアニール処理を施す第２工程と、
    前記磁化容易軸の方向と同一方向に磁界を印加しつつアニール処理を施す第３工程と
    を順におこなうことにより規則化をおこなう
    ことを特徴とする請求項１５から請求項１８のいずれか１項に記載の磁気検出素子の形成方法。
20. 前記第１から第３工程では、１．６ｋＡ／ｍ以上１６０ｋＡ／ｍ以下の磁界を印加しつつ、２５０℃以上４００℃以下の温度でアニール処理を施す
    ことを特徴とする請求項１９に記載の磁気検出素子の形成方法。
21. 銅を用いて前記中間層を形成する
    ことを特徴とする請求項９から請求項２０のいずれか１項に記載の磁気検出素子の形成方法。
    
    
    

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