JPH07307501A

JPH07307501A - 磁界センサ

Info

Publication number: JPH07307501A
Application number: JP5259864A
Authority: JP
Inventors: Wiepke Folkerts; フォルカーツウィープケ; Reinder Coehoorn; クーホールンラインダー; Adrianus Michael Johannes Martinus Fonken; ミハエルヨハネスマルチヌスホンケンアドリアナス
Original assignee: Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1992-10-19
Filing date: 1993-10-18
Publication date: 1995-11-21

Abstract

(57)【要約】【目的】ヒステリシス曲線をほとんど不規則でないよ
うにするとともにヒステリシスを小さくする。【構成】本発明は、単軸面内異方性を示すとともに非
磁性中間層によって分離された二つの強磁性層を形成し
た基板を有する磁気抵抗素子を具える磁界センサに関す
るものである。本発明によれば、一方の強磁性層の異方
性方向は他方の強磁性層の異方性方向に対して直交す
る。この結果、外部磁界によって生じるセンサの磁化方
向の変化はより一様になり、かつ、対応する磁化曲線は
より小さいヒステリシスを示す。センサを磁気ヘッドに
用いる場合、改善されたS/N 比が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、単軸面内異方性を示
し、かつ、非磁性中間層によって分離された二つの強磁
性層が形成されている基板を有する磁気抵抗素子を具え
る磁界センサに関するものである。本発明はまた、この
ような磁界センサを具える磁気ヘッドに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】磁界センサは特に、コンパスとともに位
置や回転速度を測定するのに用いられている。他の重要
な用途は磁気ヘッドに関連している。このような磁界セ
ンサは、磁気テープのような読み取り媒体に磁気的に記
憶された情報を読み取るのに使用されている。

【０００３】上述した構成の磁気抵抗素子は特に1991年
に発行された雑誌「日本応用物理学会誌」(Japan Appli
ed Physics) 69(8) の4774頁から既知である。この刊行
物には、さらに詳しくは、Taの核層を被覆したシリコン
基板を具え、この核層にNiFe（層厚6.2nm ）の第１強磁
性層と、Cu（層厚2.2nm ）の中間層と、NiFe（層厚4.0n
m ）及びFeMn（層厚7.0nm ）の第２強磁性層とを順次形
成した二重構造を設けた磁界センサについて記載されて
いる。この既知の磁界センサは、酸化を最小にするキャ
ップ層も具える。

【０００４】NiFeの第１強磁性層は単軸面内異方性を有
するとともに比較的小さい保磁力を有し、したがってこ
の層は、ゼロの磁界強度を中心とする磁化曲線を有す
る。第２強磁性層の磁気特性は、強磁性NiFeと反強磁性
FeMnとの間の交換結合によってほぼ決定される。このた
めに第２いわゆるバイアス強磁性層の磁化曲線は、有限
値を有する磁界強度に向かって偏移している。その結
果、両方の強磁性層の磁化曲線は一致しない。第２強磁
性層も、反強磁性FeMnによって規制される単軸面内異方
性を示す。両方の強磁性層の異方性方向が平行となり、
したがって外部から加えられた磁界の存在及び方向に応
じてこれらの層の磁化は平行又は反平行となる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】既知の層構造では、加
えられた外部磁界（Ｈ）の関数としての抵抗（ΔＲ／
Ｒ）の変化を比較的簡単な方法で測定できる。上述した
刊行物の図１は、このようにして測定された磁気抵抗曲
線を示す。図１は、大幅に異なる形状を有する二つのヒ
ステリシス曲線を示す。「バイアスされた」強磁性層の
磁化の反転に対応する曲線は、１００Oe(=8kA/m)のオー
ダーの比較的高いヒステリシスを示す。上述したFeMn層
との交換結合により、このヒステリシスは約400Oe(=32k
A/m)の磁界強度に偏移している。0Oe の外部磁界を中心
とする他の曲線は「無バイアス」NiFe層の磁化の変化に
支配される。「無バイアス」NiFe層の磁化の変化及びこ
れによって生じる抵抗の変化は、磁気ヘッド中のこの形
の磁界センサを使用するに当たり非常に重要である。既
知の磁界センサを使用するに当たり、4.1%に達する抵抗
の変化が室温で確認された。

【０００６】本願人によって行った他の実験によれば、
実際には0Oe の外部磁界を中心とする他の磁気抵抗曲線
のヒステリシスは約10Oe(=0.8kA/m)であることが示され
ている。さらにこの曲線はかなり不規則な形状を有する
ことが確かめられた。この既知の磁界センサを使用する
場合、このような不規則により比較的高いノイズレベル
が発生する。このためにS/N 比に悪影響が及ぼされる。

【０００７】本発明の目的は上述した問題を軽減するこ
とである。本発明は特に、不規則がほとんどないヒステ
リシス曲線を有するとともにヒステリシスが既知の磁界
センサのヒステリシスより相当小さい磁界センサを提供
することを目的とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明のこれら及び他の
目的は上述した形の磁界センサによって達成され、本発
明によればこの磁界センサは、一方の強磁性層の異方性
方向が、他方の強磁性層の異方性方向に対して直交する
ことを特徴とするものである。

【０００９】本発明は、両方の強磁性層の異方性方向が
平行であることにより既知の磁界センサの磁化反転が磁
壁の過程により発生するという認識に基づいている。こ
のような反転により、多かれ少なかれステップ状の磁化
の変化及びこれにより支配される抵抗のステップ状の変
化が発生する。この現象により磁界センサに顕著なノイ
ズレベルが発生する。このようなノイズを一般に「バル
クハウゼンノイズ」という。

【００１０】しかしながら、無バイアスNiFe層の異方性
方向がバイアスNiFe層の異方性方向に対して直交する場
合、無バイアスNiFe層の磁化方向の変化が外部磁界の支
配下で、磁壁工程ではなく干渉性の回転機構に従って発
生し、その結果相当低いノイズレベルとなる。したがっ
て磁気抵抗曲線はより一層規則的な形状となるとともに
より低いヒステリシスを示す。有用なセンサを得るため
には、加えられた外部磁界の磁界方向は無バイアスNiFe
層の異方性方向に対して直交しなければならない。「直
交」とは、両方の強磁性層の異方性方向が90°±20°の
角度で互いに交差することを意味すると理解されるべき
である。

【００１１】異方性を直交させるという本発明の概念
を、バイアス強磁性層及び無バイアス強磁性層を具える
磁界センサのみに適用するのではないことを強調する。
本発明の概念を、上述した刊行物に記載されたように、
種々の保磁力を有する数個の強磁性層を具える磁界セン
サにも用いることができる。さらに、本発明の磁界セン
サは２個以上の強磁性層を具えてもよいことを強調す
る。２個以上の強磁性層を基にした多層構造を具える磁
界センサは、比較的高い検出感度という利点がある。

【００１２】原理的に、あらゆる強磁性組成物を強磁性
層の材料として用いることができる。特に好適なのはC
o,Ni,Fe又はこれらの合金である。好適な磁化特性のた
めに、少なくとも１層の無バイアスNiFeを具える磁界セ
ンサが好ましい。ここでNiFeとは20±2%のFeと80±2%の
Niとの合金を意味する。この材料は軟磁性であり、非常
に小さい保磁力及び非常に小さい磁気抵抗を有する。さ
らにこの材料では、単軸面内異方性を、比較的弱い強度
を有する磁界の下でNiFe層を形成することにより任意の
方向に簡単な方法で実現できる。このようにして生じた
異方性は加えられた磁界方向に平行となる。

【００１３】第１強磁性層を無バイアスNiFeで構成する
場合、第２強磁性層についてはドープされた又はドープ
されていないCo,Fe 及び／又はNiを用いることができ
る。第１の種類の磁界センサにおいて、第２層の組成
を、第２層が第１層の保磁力とは異なる保磁力を有する
ように選択する。この場合、第２強磁性層が影響力のあ
るCo及びPtを含む合金で構成される場合には満足な結果
が得られる。

【００１４】しかしながら、第２層がバイアス強磁性層
好ましくはバイアスNiFeで構成された第２の種類の磁界
センサによりさらに良い結果が得られる。このようなバ
イアスされたNiFe層を、（それぞれ50% の）FeMnの層に
NiFeの層を形成することにより得ることができる。好ま
しくは強磁性層の厚さを10nmより厚くなく、かつ、1.5n
m より薄くないようにする。層の厚さが10nmを超える場
合、磁界センサの磁気抵抗効果は非常に小さくなる。層
の厚さが1.5nm 未満の場合、無バイアス層の透磁率は非
常に小さくなる。

【００１５】中間層を非磁性材料で構成する必要があ
る。この中間層は両方の強磁性層を磁気的に減結合する
ように作用する。中間層に特に好適に用いることができ
る材料は、金属及び金属合金である。このために、Au,A
g,Pt及びCuのような貴金属を特に好適に用いることがで
きることが見い出された。Cu又はCu合金の中間層で最良
の結果が得られた。好ましくは中間層の厚さを5nm より
厚くなく、かつ、1.5nmより薄くないようにする。1.5nm
より薄い中間層では、両方の強磁性層の間で不十分な
減結合となる。中間層の厚さが5nm を超えると「減結合
効果」はほとんど増大しない。

【００１６】第２の種類の磁界センサの場合、強磁性層
と中間層との間に例えば0.2 〜0.4nm の非常に薄いCo層
を設けることによっても好適に改善された。上述した刊
行物に記載されたように、このように構成することによ
り磁気抵抗効果が相当増加する。

【００１７】磁界センサの形に応じて、強磁性層を種々
の方法で交差異方性に形成することができる。種々の保
磁力の強磁性層を有する磁界センサの場合、交差異方性
を以下のように形成することができる。例えば無バイア
スNiFeの第１強磁性層を、基板の平面に平行な磁界の影
響下で平坦な表面上に形成する。中間層を形成した後、
より強い保磁力を有する第２強磁性層を形成する。続い
て、この第２強磁性層を短時間に比較的強い磁界で磁化
するが、この磁界を、第１強磁性層の異方性方向に対し
て直交するようにするとともに基板平面に対して平行に
する。

【００１８】無バイアスNiFeの第１強磁性層及びバイア
スNiFeの第２強磁性層を具える磁界センサの種類に関し
て、交差異方性を以下のように形成することができる。
第１の方法によれば、両方の強磁性層形成中に磁界を加
えることができ、この磁界は強磁性層が形成される基板
の表面に平行でなければならない。第２強磁性層形成中
に、この磁界の方向を基板表面の法線の回りで約90°回
転させる。第２の方法によれば、代わりに両方の強磁性
層を形成する際に同一方向に作用する磁界平面内に存在
する強磁性層を形成することもできる。この場合、両方
の強磁性層の異方性方向は互いに平行である。その後、
磁界センサを短時間加熱するとともに、第１強磁性層の
異方性方向に対して直交し、同時に基板表面に平行な磁
界中で冷却する必要がある。この結果、加えられた磁界
の方向に90°回転された第１強磁性層の異方性方向とな
る。この技術は「磁気中冷却」という名で既知である。
第２の方法は、基板上のバイアス強磁性層及び無バイア
ス強磁性層の順序が逆の場合でも用いることができる。

【００１９】

【実施例】本発明の磁界センサの実施例を図面を参照し
て詳細に説明する。明瞭にするため図示したすべての素
子を寸法通りには示していない。図１に、既知の磁界セ
ンサの構造を線図的に示す。明瞭にするため磁気抵抗材
料のみを示し、電気的な接続を省略する。図示した材料
は例えばSiの非磁性基板１を具え、その上には例えば無
バイアスNiFeの第１強磁性層２を形成する。例えばCuの
中間層３を強磁性層２に形成する。中間層３に第２強磁
性層４を堆積する。第２強磁性層４は、CoPt合金のよう
に保磁力がNiFeの保磁力と異なる強磁性材料で形成する
ことができる。本例では、CoPt層と中間層との間にCo又
はNiFeの副層を形成するという利点がある。しかしなが
ら、第２強磁性層４も無バイアスNiFeで構成することが
できる。第２強磁性層４を無バイアスNiFeで構成する場
合、第２強磁性層４をNiFeの副層及び例えばFeMnの副層
で構成し、NiFeの副層を中間層とFeMn層との間に配置す
る。

【００２０】既知の磁界センサの強磁性層を、これらの
層が平行配向で単軸面内異方性を示すように形成する。
製造方法に依存して、両方の強磁性層の磁化方向は、外
部磁界が存在しない場合には平行又は反平行となる。磁
界センサの磁化の方向に対して平行に外部磁界Ｈを加え
た場合、第１強磁性層２の磁化がこれに対応して配向さ
れる（図１ａ）。外部磁界の方向が反転されると、第１
強磁性層２の磁化方向も反転される（図１ｂ）。第２強
磁性層４のより強い保磁力すなわち第２強磁性層４への
バイアス効果のために、第２強磁性層４の磁化方向は相
当強い外部磁界が加えられた場合にのみ反転する。

【００２１】図２は、本発明の磁界センサの一部を示
す。層の組み合わせは図１に示す磁界センサの組み合わ
せと同一である。両方の強磁性層は単軸面内異方性を示
す。第１強磁性層２の異方性方向は第２強磁性層４の異
方性方向に対して横切るように延在する。

【００２２】外部磁界が存在しない場合(H=0) 、第１強
磁性層２の磁化は第２強磁性層４の磁化に対して横切る
ように延在する。この磁化方向は、互いにほぼ90°の角
度をなすように向くこれらの強磁性層の異方性によって
決められる。この状態を図２ａに示す。磁界Ｈが第２強
磁性層４の磁化方向に対して平行に加えられると、第１
強磁性層２の磁化方向は加えられた磁界の方向に回転す
る。加えられた磁界の方向に応じて、第１強磁性層２の
磁化方向は第２強磁性層４の磁化方向に平行（図２ｃ）
又は非平行（図２ｄ）に向く。

【００２３】本発明の磁界センサの第１強磁性層２の磁
化の回転機構は、既知の磁界センサの第１強磁性層２の
磁化の回転機構とは異なる。図１の磁界センサにおい
て、反転は、磁壁の偏移により発生する。これは磁化方
向の断続的な変化により生じる。図２の本発明の磁界セ
ンサでは、磁化回転は（干渉性の）回転作用によって発
生する。この過程は磁化方向のより一層均一な変化によ
り発生する。

【００２４】図３ａは、従来の磁界センサで測定した磁
気抵抗曲線を、図３ｂは、本発明の磁界センサで測定し
た磁気抵抗曲線をそれぞれ示す。両方の磁界センサを以
下のようにして製造した。シリコン基板に、直流マグネ
トロンスパッタリングによりTa(3nm) 、NiFe(8nm) 、Cu
(2.5nm) 、NiFe(6nm) 、FeMn(8nm) 及びTa(2nm) の層を
順次形成した。これらの層を5.10〜7Torr の基本圧及び
7.10〜3Torr のArスパッタリング圧で形成した。第１の
NiFe層及びFeMn層を有する第２のNiFe層のスパッタリン
グ中、約150Oe(=12kA/m)の強度の磁界をこれらの層の平
面に加えた。既知の磁界センサの製造では、磁界の向き
はこれらの層のスパッタリング中同一とした。このよう
にして、両方の強磁性層の面異方性方向が互いに平行に
向く磁界センサが得られた。本発明の磁界センサの製造
において、既知の磁界センサを短時間に磁界中で140 ℃
まで加熱し、この磁界の方向は、２層の強磁性層のスパ
ッタリング中に加えた磁界に対して基板表面の法線の回
りで90°回転した方向とする。この結果、２層の強磁性
層の異方性方向は互いに対してほぼ90°の角度をなし
た。

【００２５】図３ａは、上述した従来の磁界センサで測
定された磁気抵抗曲線を示す。加えられた磁界(H) の関
数である抵抗(R) を、-1.5kA/mから1.5kA/m の範囲で決
定する。図３ｂは、上述した本発明の磁界センサで測定
された磁気抵抗曲線を示す。図面から、磁気抵抗がkA/m
ごとに約9.4%であることを計算できる。またこれらのグ
ラフから本発明の磁界センサのヒステリシスは既知の磁
界センサのヒステリシスより著しく小さいことを示す。
さらに、本発明の磁界センサのヒステリシス曲線は既知
の磁界センサのヒステリシス曲線よりさらに規則的な傾
向を有する。

【００２６】図４ａは、磁界センサの性能を調べること
ができる実験アセンブリの微細構造の平面図を示す。フ
ェライト基板２１に単一のAu導電細条２２を形成する。
導電細条２２をSiO₂の絶縁層２３により被覆し、絶縁層
２３上に二つの水平のAu電気接点細条２４，２５を形成
する。多層磁界センサ２６を細条２４，２５間の間隙を
横切るように配置する。この多層センサ２６は以下の公
称成分を有する。3nm Ta/8nm Ni₈₀Fe₂₀/2.5nm Cu/6nm N
i₈₀Fe₂₀/8nm FeMn/3nm Taここで挙げた層の順序はこれ
らの層を堆積した順序でもある。

【００２７】図４ｂは、図４ａに示した実験アセンブリ
の拡大断面図を示す。この図において断面は線２７に沿
った断面である。図４ａ及び図４ｂの同一部材に同一番
号を付している。多層磁界センサ２６の性能を決定する
実験に当たり、試験電流Ｉ_Tを導電細条２２に沿って流
す。試験電流Ｉ_Tは、振幅が2mA RMS で周波数が520Hz
の重畳正弦成分及び一定バイアス成分Ｉ_Bから構成され
ている。振動電流Ｉ_Tが存在することにより多層磁界セ
ンサ２６の交互の磁束が誘導され、それに伴う磁界セン
サ２６の抵抗変化が実験出力となり、この抵抗変化は接
点細条２４，２５を介して測定可能である。一般にこの
実験出力は、バックグランドノイズレベルに重畳した多
数のスペクトル高調波を含む。

【００２８】比較例本例では、従来の磁界センサ２６（図１参照）は、磁界
センサ２６の無バイアスNiFe層の結晶磁気異方性方向が
磁界センサ２６のバイアスNiFe層の交換異方性の方向に
平行（又は非平行）であることを例示した。本例におい
て測定された実験出力のスペクトル分解を〔表１〕に示
すが、この表においてｈ_nは第１スペクトル高調波の強
度に対するｎ次スペクトル高調波の強度を示し、Ｎは第
１スペクトル高調波の強度に対するバックグランドノイ
ズの強度を示し、これらの強度をすべてデジベル(dB)で
示す。表に示した強度を、三つの異なる直流バイアス電
流Ｉ_Bの値について載せている。

【表１】

【００２９】実施例本例では、本発明の磁界センサ２６（図２参照）は、磁
界センサ２６の無バイアスNiFe層の結晶磁気異方性方向
が磁界センサ２６のバイアスNiFe層の交換異方性方向に
対して直交（垂直）であることを例示した。本例におい
て測定された実験出力のスペクトル分解を〔表２〕に示
すが、この表においてｈ_n及びＮは〔表１〕と同じ意味
を示す。

【表２】本発明に基づく見地から、〔表２〕のノイズレベル(N)
並びに第２及びこれに続くスペクトル高調波(h_n) の平
均の強度は、〔表１〕のものより著しく低い。

【００３０】図５ａに、本発明の磁界センサを具える磁
気ヘッドの斜視図を示す。この磁気ヘッドは、電気的な
接続部１２を有する磁界センサ１１を具える。この磁気
ヘッドは例えばフェライトの磁性基板１３も具える。代
わりに磁性基板１３を、例えばNiFeの磁性材料を堆積し
た非磁性材料で形成してもよい。この磁気ヘッドはさら
に磁束ガイド１４、１５を具える。磁性基板１３と、磁
束ガイド１４及び１５と、磁界センサ１１とを、これら
が磁気回路を形成するように互いに関連させて配置す
る。端面１６、１７は磁気ヘッドの磁極面の一部を形成
している。磁気ギャップを端面１６と１７の間に形成す
る。

【００３１】図５ｂは、図５ａの磁気ヘッドの断面図を
示す。この断面図は端面１６、１７を直交する面で切っ
た断面図である。図５ａ及び図５ｂの同一部材には同一
符号を付している。図５ｂには、磁界センサ１１を調整
するように作用する電流コイル１８も示す。

【００３２】本発明による磁気ヘッドの動作を図５ｂに
より説明する。磁気テープのような情報キャリア１９に
磁気ヘッドの磁極面が通過すると、磁気テープに磁気的
に記憶された情報により、磁気テープによって上述した
磁気回路に磁束が発生する。この磁束は磁界センサにも
供給される。磁束変化を磁界センサによって磁界センサ
の抵抗の変化に変換する。このような抵抗変化を、電気
的な接続部１２によって測定することができる電気信号
に変換する。

【００３３】図５ａ及び図５ｂに示す構造を有する本発
明の磁気ヘッドを、磁気キャリア上の磁気情報を読み取
るためにのみ使用する。図５ｃは他の磁気ヘッドの断面
図であり、この磁気ヘッドは読取りの他に磁気的な情報
を磁気テープ上に記録するのにも使用することができる
磁界センサを有する。図５ａ、ｂ及びｃの同一部材には
同一符号を付している。図５ｃの磁気ヘッドでは、磁界
センサ１１を基板１３及び磁束ガイド１４により形成し
た磁気回路に組み込まない。このために、電流コイル１
８の電気信号を情報キャリア１９上に記録するのにも用
いることができる。図５ｃに示す磁気ヘッドの読取り機
能に関して、磁気回路１３、１４は磁界センサ１１を保
護するように作用する。

【図面の簡単な説明】

【図１】ａ及びｂは従来の磁界センサの一部を示す。

【図２】ａ、ｂ及びｃは本発明の磁界センサの一部を示
す。

【図３】ａは従来の磁界センサの磁気抵抗曲線を、ｂは
本発明の磁界センサの磁気抵抗曲線をそれぞれ示す。

【図４】ａは磁界センサの性能を調べることができる実
験アセンブリの微細構造の平面図を示し、ｂはａに示し
た実験アセンブリの拡大断面図を示す。

【図５】本発明の磁界センサを具える磁気ヘッドを示
す。

【符号の説明】１非磁性基板２第１強磁性層３中間層４第２強磁性層１１磁界センサ１２接続部１３磁性基板１４，１５磁束ガイド１６，１７端面１８電流コイル１９情報キャリア２１フェライト基板２２導電細条２３絶縁層２４，２５接触細条２６多層磁界センサ２７線Ｉ_T 試験電流

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ラインダークーホールンオランダ国 5621 ベーアーアインドーフェンフルーネヴァウツウェッハ１ (72)発明者アドリアナスミハエルヨハネスマルチヌスホンケンオランダ国 5621 ベーアーアインドーフェンフルーネヴァウツウェッハ１

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】単軸面内異方性を示し、かつ、非磁性中間
層によって分離された二つの強磁性層が形成された基板
を有する磁気抵抗素子を具える磁界センサにおいて、一
方の強磁性層の異方性方向が、他方の強磁性層の異方性
方向に対して直交することを特徴とする磁界センサ。
【請求項２】一方の強磁性層をNiFeで構成し、他方の強
磁性層を反強磁性層に磁気的に結合したNiFeで構成した
ことを特徴とする請求項１記載の磁界センサ。
【請求項３】前記反強磁性層をFeMnで構成したことを特
徴とする請求項２記載の磁界センサ。
【請求項４】前記中間層をCu又はCu合金で構成したこと
を特徴とする請求項１，２又は３記載の磁界センサ。
【請求項５】前記強磁性層の厚さを2.5 〜10nm好ましく
は4 〜9nm とし、前記中間層の厚さを1.5 〜5nm 好まし
くは2 〜3nm とすることを特徴とする請求項１，２，３
又は４記載の磁界センサ。
【請求項６】請求項１から５までのいずれかに記載の磁
界センサを具える磁気ヘッド。