特許 7555484 ヒステリシス応答を低減した２次元磁気センサ用磁気抵抗素子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-09-12

(45)【発行日】2024-09-24

(54)【発明の名称】ヒステリシス応答を低減した２次元磁気センサ用磁気抵抗素子

(51)【国際特許分類】

   H10N 50/10 20230101AFI20240913BHJP

   H01F 10/32 20060101ALI20240913BHJP

   G01R 33/09 20060101ALI20240913BHJP

【ＦＩ】

H10N50/10 M

H10N50/10 Z

H01F10/32

G01R33/09

【請求項の数】 14

(21)【出願番号】P 2023515805

(86)(22)【出願日】2021-09-14

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2023-11-01

(86)【国際出願番号】 IB2021058336

(87)【国際公開番号】W WO2022058875

(87)【国際公開日】2022-03-24

【審査請求日】2023-05-12

(31)【優先権主張番号】20315414.1

(32)【優先日】2020-09-18

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

(73)【特許権者】

【識別番号】524154452

【氏名又は名称】アレグロ・マイクロシステムズ・リミテッド・ライアビリティ・カンパニー

(74)【代理人】

【識別番号】100069556

【弁理士】

【氏名又は名称】江崎 光史

(74)【代理人】

【識別番号】100111486

【弁理士】

【氏名又は名称】鍛冶澤 實

(74)【代理人】

【識別番号】100191835

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 真介

(74)【代理人】

【識別番号】100221981

【弁理士】

【氏名又は名称】石田 大成

(74)【代理人】

【識別番号】100208258

【弁理士】

【氏名又は名称】鈴木 友子

(72)【発明者】

【氏名】ティモフィーエフ・アンドレイ

(72)【発明者】

【氏名】ストレルコフ・ニキータ

(72)【発明者】

【氏名】チルドレス・ジェフリー

【審査官】脇水 佳弘

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２０１７／０１４０７８１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】国際公開第２００９／０５４０６２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００６－３３２５２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－１７２５９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－３５２０６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－１０９１１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－０９６０９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２００７／０１５３５５（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ１０Ｎ ５０／００

Ｈ１０Ｎ ５２／００

Ｈ１０Ｎ ５９／００

Ｈ０１Ｆ １０／３２

Ｇ０１Ｒ ３３／０９

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

２次元磁気センサ用の磁気抵抗素子であって、前記磁気抵抗素子は、基準磁化を持つ基準層と検知磁化を備えた検知層との間に含まれているトンネル障壁層を備え、
前記検知層が、前記トンネル障壁層と接触し、第１非磁性検知スペーサ層によって強磁性の第２検知副層から分離された強磁性の第１検知副層を備える合成反強磁性（ＳＡＦ）構造を備え、それにより、前記第１検知副層が前記第２検知副層に反強磁性的に結合されていて、
前記検知層は、検知磁化比ΔＭが以下の数式に定義されているように構成されていて、

【数1】

上記の数式において、Ｍ_ＳＦＭ１及びＭ_ＳＦＭ２は、それぞれ、第１及び第２検知副層の自発磁化であり、ｔ_ＦＭ１及びｔ_ＦＭ２は、それぞれ、第１及び第２検知副層の厚さである、磁気抵抗素子において、
検知磁化比ΔＭが０．１と０．２５の間の値であって、
前記第２検知副層が、前記第１非磁性検知スペーサ層からの距離が増加するにつれて増加する自発磁化を備える、磁気抵抗素子。

【請求項2】

前記第１検知副層は、１ｎｍから３ｎｍの間の厚さを持ち、前記第２検知副層は、２ｎｍから６ｎｍの間の厚さを持つ、請求項１に記載の磁気抵抗素子。

【請求項3】

前記第２検知副層は、前記第１検知副層よりも大きな厚さを持つ、請求項２に記載の磁気抵抗素子。

【請求項4】

前記第１検知副層は、第１検知副層の自発磁化を減少させる非磁性要素を備える、請求項３に記載の磁気抵抗素子。

【請求項5】

前記第１非磁性検知スペーサ層は、Ｒｕ、Ｗ、Ｍｏ又はＩｒか、左記の元素の組合せを含有する、請求項１に記載の磁気抵抗素子。

【請求項6】

前記第２検知副層は、前記第１非磁性検知スペーサ層からの距離が増すにつれて減る濃度で非磁性不純物を含有する強磁性材料を含有する、請求項１に記載の磁気抵抗素子。

【請求項7】

前記第２検知副層は、複数の強磁性検知二重層を備え、各検知二重層は、低自発検知層と、前記低自発検知層の自発磁化よりも高い自発磁化を持つ高自発検知層とを備え、
前記高自発検知層の厚さに対する前記低自発検知層の厚さは、前記第１非磁性検知スペーサ層からの距離が増加するにつれて減少している、
請求項１に記載の磁気抵抗素子。

【請求項8】

前記第２検知副層は、前記第１非磁性検知スペーサ層の近位にある近位の第２検知副層と、前記第１非磁性検知スペーサ層の遠位にあり、前記近位の第２検知副層に強磁性的に結合された遠位の第２検知副層とを備え、
前記遠位の第２検知副層は、前記近位の第２検知副層よりも少なくとも２倍大きな自発磁化を持つ、請求項１に記載の磁気抵抗素子。

【請求項9】

前記近位の第２検知副層は、強磁性材料の前記自発磁化を減少させる非磁性不純物を含有する前記強磁性材料を含有している、請求項８に記載の磁気抵抗素子。

【請求項10】

前記第２検知副層は、
前記第１非磁性検知スペーサ層の近位にある、近位の第２検知副層と、
前記第１非磁性検知スペーサ層の遠位にある、遠位の第２検知副層とを備え、
前記近位の第２検知副層が、第２非磁性検知スペーサ層によって前記遠位の第２検知副層から離されていて、
前記近位の第２検知副層が、前記遠位の第２検知副層に反強磁性的に結合されている、請求項１に記載の磁気抵抗素子。

【請求項11】

前記遠位の第２検知副層の前記自発磁化は、前記第１検知副層及び前記近位の第２検知副層の前記自発磁化よりも高い、請求項１０に記載の磁気抵抗素子。

【請求項12】

前記第１検知副層を備えた前記ＳＡＦ構造と、前記第２検知副層を備えた別のＳＡＦ構造と、前記第１非磁性検知スペーサ層を備えたさらに別のＳＡＦ構造とを備える、複数の検知ＳＡＦ構造を備える、請求項１０に記載の磁気抵抗素子。

【請求項13】

前記検知層は、前記第１非磁性検知スペーサ層の両側にあり、前記第１非磁性検知スペーサ層と接触している中間強磁性検知層をさらに備える、請求項１に記載の磁気抵抗素子。

【請求項14】

請求項１に記載の磁気抵抗素子を複数備えた２次元磁気センサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、外部磁界を感知するように適合され、外部磁界の変化する角度に対する応答のヒステリシスが低減された磁気抵抗素子に関する。本発明は、更に、複数の磁気抵抗素子を持つ２次元（２Ｄ）磁気センサに関する。

【背景技術】

【0002】

図１は、基準磁化２１０を持つ基準層２１と、トンネル障壁層２２と、検知磁化２３０を持つ検知層２３とを備える従来の磁気抵抗素子１０を示す。図１において、基準層２１は、第１基準副層２１１が第２基準副層２１２に反強磁性的に結合されているように、第１非磁性スペーサ層２１３によって第２基準副層２１２から分離された第１基準副層２１１を備えた合成反強磁性（ＳＡＦ）構造を備える。

【0003】

磁気抵抗素子１０のセンサ用途は、基準磁化２１０が、計測されるべき外部磁場によって配向できないように固定されることが必要である。そのために、基準磁化２１０は、交換結合によって、反強磁性層などのピニング層２４によってピン止めされている。対照的に、検知磁化２３０は、検知される外部磁場によって整列されるように自由である。

【0004】

さらに、計測される外部磁界に対して良好な感度を得るために、検知磁化２３０は飽和されている。しかしながら、飽和した検知磁化２３０は、図１の数字５５によって示される、閉じた磁束構成で基準層２１と結合する局所的な漂遊磁界を誘導する。局所漂遊磁界５５の大きさは、磁気抵抗素子１０の縁において１０００Ｏｅまでの値に達し得る。

【0005】

ピニング層２４は、通常、外部磁界が加わると切替し得る、ある量の熱的に不安定な粒子を含む。漂遊磁界５５は、ピニング層２４の交換結合を局所的に乱す可能性があり、その結果、外部磁界の角度が変化したときに磁気抵抗素子１０の応答にヒステリシスが生じる。図２は、外部磁場が時計回り（正の角度）及び反時計回り（負の角度）に回転されたときの、図１のものなどの磁気抵抗素子１０を備える２Ｄセンサのシミュレートされた応答を報告する。時計回りの回転と反時計回りの回転との間にヒステリシスが見られる。

【0006】

このようなヒステリシスの最小化を目的とした可能な解決策には、ピニング層２４と基準層２１との間の交換結合の強化を含む。代替的に、基準層２１が、より高い交換剛性を持つ強磁性材料、例えばＣｏリッチ合金を含有することがあるだろう。しかしながら、高い交換剛性を有し、トンネル磁気抵抗技術に適合する合金は非常に限られている。別の可能な解決策には、漂遊磁界５５を減少させるように検知層２３の厚さを減少させることが含まれるだろう。しかしながら、これは、磁気抵抗素子１０の信号対雑音比にとって有害である。他の解決策には、ピニング層２４の成長を最適化し、磁気抵抗素子１０の縁部の相対的な寄与が応答信号を低減するように、より大きな磁気抵抗素子１０の使用が含まれるだろう。後者の２つの解決策は満足のいくものではない。

【0007】

特許文献１には、それぞれ複数層の構造を持つ磁化固定層と、それぞれ複数層の構造を持つ磁化自由層との間にトンネル障壁層を挟んでなる積層構造が開示されている。複数層の構造の磁化固着層、トンネル障壁層、複数層の構造の磁化自由層は、基板上にこの順に積層されている。

【0008】

特許文献２は、不平衡ＳＡＦ自由層構造を備えた読出センサを開示する。不平衡ＳＡＦ自由層構造は、第１磁気モーメント値を持つ第１磁性層と、第１磁気モーメント値とは異なる第２磁気モーメント値を持つ第２磁性層とを備えている。分離層は、第１磁性層と第２磁性層との間に備わっている。第１磁性層と第２磁性層とは、反強磁性的に結合している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【文献】米国特許出願公開第２０１０／３１６８９０号明細書

【文献】米国特許出願公開第２０１７／１４０７８１号明細書

【発明の概要】

【0010】

本開示は、基準磁化を持つ基準層と検知磁化を持つ検知層との間に含まれるトンネル障壁層を備える磁気抵抗素子に関する。検知層は、トンネル障壁層と接触し、第１検知副層が第２検知副層に反強磁性的に結合されているように第１非磁性スペーサ層によって強磁性の第２検知副層から分離された強磁性の第１検知副層を含むＳＡＦ構造を備える。検知層は、以下のように定義される検知磁化比を持つように構成されている。

【0011】

【数1】

【0012】

上記の数式において、Ｍ_ＳＦＭ１及びＭ_ＳＦＭ２は、それぞれ、第１及び第２検知副層の自発磁化であり、ｔ_ＦＭ１及びｔ_ＦＭ２は、それぞれ、第１及び第２検知副層の厚さである。検知磁化比は、０．１と０．２５の間である。第２検知副層は、検知スペーサ層からの距離が増加するにつれて増加する自発磁化を持っている。

【0013】

本開示はさらに、本明細書に開示される複数の磁気抵抗素子を備える２次元（２Ｄ）磁気センサに関する。

【0014】

磁気モーメントの比は、検知層の非ヌル磁気モーメントをもたらし、ピン止め層の位置の上の正味の漂遊磁界は、大幅に抑制される。

【発明の効果】

【0015】

本明細書で開示される磁気抵抗素子は、角度的に変化する外部磁場の計測時に、低減されたヒステリシス応答を持つ。磁気抵抗素子は、改善された感度、信号対雑音比を有し、より良好なセンサ寿命を持つ。

【0016】

本発明は更に、複数の磁気抵抗素子を持つ２Ｄ磁気センサに関する。

【0017】

本発明の例示的な実施形態は、説明において開示され、図面によって示される。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】図１は、従来の磁気抵抗素子を概略的に示す図である。

【図2】図２は、図１の磁気抵抗素子を含む２Ｄセンサのシミュレートされた応答を報告する。

【図3】図３は、一実施形態による、基準層、検知層、及びトンネル障壁層を備える磁気抵抗素子を概略的に示し、検知層は、非磁性検知スペーサ層によって第２検知副層から分離された第１検知副層を含む検知ＳＡＦ構造を備える。

【図4】図４は、第２検知副層の磁気モーメントに対する第１検知副層の磁気モーメントの比の関数として、従来の磁気抵抗素子のＦＭ漂遊磁界に対する本発明の磁気抵抗素子のＳＡＦ漂遊磁界の比を報告する。

【図5】図５は、本発明の磁気抵抗素子の第２検知副層の厚さの関数として、ＳＡＦ漂遊磁界とＦＭ漂遊磁界との比を報告する。

【図6】図６は、外部磁界の角度の関数として、本発明の磁気抵抗素子によって計測された信号の変化を示す。

【図7】図７は、別の実施形態による磁気抵抗素子を示す。

【図8】図８は、別の実施形態による第２検知副層の詳細を示す。

【図9】図９は、さらに別の実施形態による磁気抵抗素子を示す。

【図10】図１０は、さらに別の実施形態による磁気抵抗素子を示す。

【図11】図１１は、一実施形態による、検知層の詳細を示す。

【発明を実施するための形態】

【0019】

図３を参照すると、基準磁化方向２１０を持つ基準層２１と、検知磁化方向２３０を持つ検知層２３とを備えた磁気抵抗素子１０が示されている。トンネル障壁層２２は、基準層２１と検知層２３との間に備わっている。基準層２１は、第１基準副層２１１と、トンネル障壁層２２と接触する第２基準副層２１２と、第１基準副層２１１が第２基準副層２１２に反強磁性的に結合されているように、第１基準副層２１１と第２基準副層２１２との間の非磁性基準スペーサ層２１３とを備えた基準ＳＡＦ構造を備える。検知層２３は、第１検知副層２３１が第２検知副層２３２に反強磁性的に結合されているように、トンネル障壁層２２と接触し、非磁性の第１検知スペーサ層２３３によって第２検知副層２３２から分離された第１検知副層２３１を備えた検知ＳＡＦ構造を備える。

【0020】

好ましくは、検知磁化層２３０は飽和している。

【0021】

一実施形態では、第１検知副層２３１の磁気モーメントは、第２検知副層２３２の磁気モーメントよりも小さい。
より具体的には、検知磁化比ΔＭ、すなわち、第２検知副層２３２の磁気モーメントに対する第１検知副層２３１の磁気モーメントの比は、下記の数式（１）によって定義可能である。

【0022】

【数2】

【0023】

上記の式において、Ｍ_ＳＦＭ１は、第１検知副層２３１の自発磁化に相当し、ｔ_ＦＭ１は、第１検知副層２３１の厚さに相当し、Ｍ_ＳＦＭ２は、第２検知副層２３２の自発磁化に相当し、ｔ_ＦＭ２は、第２検知副層２３２の厚さに相当する。

【0024】

好ましい１実施形態では、検知磁化比ΔＭは、０．１と０．２５の間の値である。

【0025】

図４は、ＳＡＦ漂遊磁界Ｈ_ＡＦＭとＦＭ漂遊磁界Ｈ_ＦＭとの比を検知磁化比ΔＭの関数として示す。ここで、ＳＡＦ漂遊磁界Ｈ_ＡＦＭは、検知ＳＡＦ構造２３によって生成される正味の漂遊磁界５５、すなわち、異なる検知副層２３１、２３２から生じる漂遊磁界に相当する。ＦＭ漂遊磁界Ｈ_ＦＭは、単一の強磁性層又は強磁性的に結合されたいくつかの強磁性層を備えた検知層２３によって生成される漂遊磁界に相当する。ＳＡＦ漂遊磁界Ｈ_ＡＦＭは、２ｎｍの厚さを持つ第１検知副層２３１及び２ｎｍと６ｎｍとの間の厚さを持つ第２検知副層２３２について計算された。ＦＭ漂遊磁界Ｈ_ＦＭは、０ｎｍと４ｎｍとの間の厚さを持つ強磁性層について計算された。図４は、０．２の検知磁化比ΔＭが、１４％のＦＭ漂遊磁界Ｈ_ＦＭに対するＳＡＦ漂遊磁界Ｈ_ＡＦＭの比をもたらすことを示している。

【0026】

図５は、ＳＡＦ漂遊磁界Ｈ_ＡＦＭのＦＭ漂遊磁界Ｈ_ＦＭに対する比を、第２検知副層２３２の厚さの関数として報告する。第１検知副層２３１は、２ｎｍの厚さを持つ。ＳＡＦ漂遊磁界Ｈ_ＡＦＭとＦＭ漂遊磁界Ｈ_ＦＭとの比がゼロであり、検知磁化比ΔＭがゼロである場合、検知層２３は外部磁界を感知する能力を失う。これは、図５の例における３ｎｍの厚さを持つ第２検知副層２３２に相当する。

【0027】

０．１と０．２５との間の検知磁化比ΔＭは、外部磁界に対する磁気抵抗素子１０の良好な感度を提供する。さらに、角度的に変化する外部磁界に対する磁気抵抗素子１０の応答が実質的にヒステリシスを示さないように、基準層２１上の正味の漂遊磁界５５を減少させる。図６は、磁気抵抗素子１０によって計測される信号（抵抗値など）の変化を、計測される外部磁界の角度の関数として示す。ここで、検知層２３によって生成される正味の漂遊磁界５５は、４００Ｏｅの大きさを持つ。ヒステリシスはほとんど観察されない。

【0028】

本明細書に記載の磁気抵抗素子１０は、検知層２３に厚い磁性層を使用することによって、より低い磁気ノイズ及びより高いトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）を備えられる。検知層２３によって生成され、ピン止め基準層２１に作用する正味の漂遊磁界５５の低減は、さらに、高温に対する安定性を高め、寿命安定性を改善し、全体的な性能を改善できる。

【0029】

図４及び図５に示すように、第１及び第２検知副層２３１、２３２の厚さの選択によって、第１及び第２検知副層２３１、２３２の組成の選択と、検知層２３の他の変数との少なくとも一方によって、正味の漂遊磁界５５を最適化のため、第１及び第２検知副層２３１、２３２の磁気モーメントの比を変えられる。

【0030】

一観点では、第１及び第２検知副層２３１、２３２は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ（鉄、コバルト、ニッケル）のいずれか１つをベースとする強磁性合金、例えばＣｏＦｅ又はＮｉＦｅ（コバルト鉄又はニッケル鉄）などの強磁性材料を含有してよい。第１及び第２検知副層２３１、２３２のうちの少なくとも１つは、Ｂ、Ｔａ、Ｒｕ、もしくはＷ（ホウ素、タンタル、ルテニウム、タングステン）などの非磁性元素、又はこれらの元素の組合せをさらに含有してよい。より具体的には、第１検知副層２３１は、第１検知副層２３１を構成する強磁性材料を希釈し、その自発磁化２３０を減少させるために、非磁性元素を含有する。

【0031】

別の観点では、第２検知副層２３２は、第１検知副層２３１よりも大きな厚さを持つ。

【0032】

一観点では、第１検知スペーサ層２３３は、限定はしないが、Ｒｕ、Ｗ、Ｍｏ、又はＩｒ（ルテニウム、タングステン、モリブデン、イリジウム）か、これらの元素の組合せなどの非磁性材料を含有し得る。

【0033】

図７を参照すると、別の実施形態による磁気抵抗素子１０が示されていて、第１検知副層２３１は、第２検知副層２３２に反強磁性的に結合され、第２検知副層２３２は、検知自発磁化２３０の勾配を備えている。より具体的には、第２検知副層２３２内の検知自発磁化２３０は、第１検知スペーサ層２３３からの距離が増加するにつれて増加する。

【0034】

第２検知副層２３２の正味の自発磁化２３０を調整して、第１検知副層２３１の自発磁化２３０を補償し、検知磁化比ΔＭを、例えば、０．１と０．２５との間に調整してよい。ここで、Ｍ_ＳＦＭ２は、第２検知副層２３２の正味の自発磁化に相当する。

【0035】

漂遊磁界５５の大きさは、距離の三乗に比例して減少するので、基準層２１から最も遠い第２検知副層２３２の部分におけるより大きな検知磁化方向２３０は、基準層２１の位置（レベル）における正味の漂遊磁界５５に大きくは寄与しない。一方、検知磁化２３０が大きいほど、磁気抵抗効果素子１０のＴＭＲを大きくすることができる。

【0036】

第２検知副層２３２は、第１検知副層２３１の検知自発磁化２３０よりも小さい、例えば少なくとも２倍小さい検知自発磁化２３０を有し、したがって、基準層２１上により小さな正味漂遊磁界５５を生成する。基準層２１の位置（レベル）では、第２検知副層２３２によって生成される正味の漂遊磁界５５は、第１検知副層２３１によって生成される正味の漂遊磁界よりも小さい。

【0037】

一観点では、第２検知副層２３２は、非磁性不純物の勾配を備える。より具体的には、第２検知副層２３２は、第１検知スペーサ層２３３からの距離が増加するにつれて減少する濃度の非磁性不純物を含む。非磁性不純物の含有量の増加は、第１検知スペーサ層２３３に向かって第２検知副層２３２の強磁性材料を希釈する。

【0038】

図８は、別の観点による第２検知副層２３２の詳細を示す。ここで、第２検知副層２３２は、複数の強磁性検知二重層２３２ｂｌを備え、各検知二重層２３２ｂｌは、低自発検知層２３７及び高自発検知層２３８を備える。高自発検知層２３８は、低自発検知層２３７の検知自発磁化よりも高い検知自発磁化２３０を持つ。高自発検知層２３８の厚さに対する低自発検知層２３７の厚さは、第１検知スペーサ層２３３からの距離が増加するにつれて減少する。

【0039】

第２検知副層２３２の磁気モーメントに対する第１検知副層２３１の磁気モーメントの比を０．１から０．２５の間にするため、かつ基準層２１に加わる正味の漂遊磁界５５を減少させるため、第２検知副層２３２の厚さ、検知自発磁化２３０の勾配、又は検知二重層２３２ｂｌの配置のいずれか１つを単独で調整してもよく、あるいはそれらの組み合わせを調整してもよい。

【0040】

図７及び図８に示す磁気抵抗素子１０の構成は、低い漂遊磁界５５を得るのに許容される。そして図示の構成は、単一の検知スペーサ層２３３のみを使用して０．１と０．２５との間の検知磁化比ΔＭを持つ。第２検知副層２３２が複数の強磁性検知二重層２３２ｂｌを備える場合、（先に記載した数式の）項Ｍ_ＳＦＭ２は、複数の強磁性検知二重層２３２ｂｌの正味の自発磁化に相当し、ｔ_ＦＭ２は、複数の強磁性検知二重層２３２ｂｌを備える第２検知副層２３２の厚さに相当する。
図９は、さらに別の実施形態による磁気抵抗素子１０を示していて、第２検知副層２３２は、近位の第２検知副層２３２ａ及び遠位の第２検知副層２３２ｂを備える。遠位の第２検知副層２３２ｂは、近位の第２検知副層２３２ａの検知自発磁化２３０よりも少なくとも２倍大きな（高い）検知自発磁化２３０を持つ。近位の第２検知副層２３２ａは、遠位の第２検知副層２３２ｂに強磁性的に結合されている。

【0041】

ここで、検知磁化比ΔＭは、第１及び第２検知層２３１、２３２ａ、２３２ｂの特定の配置に依存せず、むしろこれらの層の正味の磁気モーメントに依存する。
より具体的には、数式（１）の項Ｍ_ＳＦＭ２ ｔ_ＦＭ２は、Ｍ_{ＳＦＭ２ａ} ｔ_ＦＭ２ａ＋Ｍ_{ＳＦＭ２ｂ} ｔ_ＦＭ２ｂに相当する。ここで、Ｍ_{ＳＦＭ２ａ}及びｔ_ＦＭ２ａは、それぞれ、近位の第２検知副層２３２ａの自発磁化及び厚さに相当し、Ｍ_{ＳＦＭ２ｂ}及びｔ_ＦＭ２ｂは、それぞれ、遠位の第２検知副層２３２ｂの自発磁化及び厚さに相当する。

【0042】

一観点では、遠位の第２検知副層２３２ｂに対して近位の第２検知副層２３２ａのより低い検知自発磁化２３０は、強磁性材料の自発磁化を希釈するように、強磁性の近位の第２検知副層２３２ａに非磁性不純物を含有させることで得られる。代替的又は組み合わせて、近位の第２検知副層２３２ａの相対的に低い検知自発磁化２３０は、近位の第２検知副層２３２ａの厚さよりも大きい厚さを持つ遠位の第２検知副層２３２ｂによって得られる。

【0043】

近位の第２検知副層２３２ａの検知自発磁化２３０は、第１検知副層２３１によって生成される漂遊磁界を補償し、基準層２１における正味の漂遊磁界５５を減少させるべく調整できる。漂遊磁界５５の大きさは距離の三乗で減少するので、より厚い遠位の第２検知副層２３２ｂによって生成される漂遊磁界の寄与は、基準層２１における正味の漂遊磁界５５において無視できる程度である。遠位の第２検知副層２３２ｂのより大きな検知磁化２３０は、磁気抵抗素子１０のＴＭＲの増加を可能にする。

【0044】

図１０は、図９に示す磁気抵抗素子１０の変形例を示し、第２検知副層２３２は、非磁性の第２検知スペーサ層２３５によって遠位の第２検知副層２３２ｂから分離された近位の第２検知副層２３２ａを備える。
第２検知スペーサ層２３５は、限定はしないが、Ｒｕ、Ｗ、Ｍｏ、又はＩｒか、これらの元素の組合せのような、非磁性材料を含有してよい。この構成では、遠位の第２検知副層２３２ｂは、近位の第２検知副層２３２ａに反強磁性的に結合されている。

【0045】

図９に示す磁気抵抗素子１０の構成と同様に、近位の第２検知副層２３２ａの厚さは、第１検知副層２３１によって生成される漂遊磁界を補償し、基準層２１における正味の漂遊磁界５５を減少させるべく調整してよい。より厚い遠位の第２検知副層２３２ｂによって生成される漂遊磁界の寄与は、基準層２１における正味の漂遊磁界５５において無視できる程度である。遠位の第２検知副層２３２ｂのより大きな検知磁化２３０は、磁気抵抗素子１０のＴＭＲの増加を可能にする。

【0046】

不図示の変形例では、「第１検知層２３１／第１検知スペーサ層２３３／第２検知層２３２」という順序を複数回繰り返して、複数層の構造を形成できる。そのような複数層の構造は、遠位の第２検知層２３２ｂの自発磁化よりも低い自発磁化を持てる。複数層の構造は、遠位の第２検知層２３２ｂに強く結合できる。

【0047】

図９及び図１０の構成による磁気抵抗素子１０における第１検知層２３１と第２検知層２３２の厚さの少なくとも一方と、近位及び遠位の第２検知層２３２ａ、２３２ｂの厚さとは、漂遊磁界５５を減少させるべく調整できる。

【0048】

図１１は、一実施形態による検知層２３の詳細を示し、検知層２３は、第１検知スペーサ層２３３の（図１１中では上下）両側にあり、第１検知スペーサ層２３３と接触している中間強磁性検知層２３６をさらに備える。中間強磁性検知層２３６は、例えば約１ｎｍの厚さを持つナノ層としてよい。中間強磁性検知層２３６は、Ｃｏ又はＣｏＦｅベースの合金のいずれか１つを含有してよい。中間強磁性検知層２３６は、高い自発磁化を持つことが好ましい。例えば、中間強磁性検知層２３６は、２５から５０重量％のＦｅを含有するＣｏＦｅ合金を含有してよい。

【0049】

２つ以上の反強磁性結合された副層を持つ改良された検知層の構造。
検知層の材料及び検知層の厚さを適切に選択することにより、センサの角度応答におけるヒステリシスが大幅に低減され、感度、信号対雑音比、及びセンサの寿命が改善される。

【0050】

一実施形態において、２次元磁気センサは、本明細書に開示される複数の磁気抵抗素子１０を備える。
別の観点による本願の実施の形態を以下列挙する。
（イ）２次元磁気センサ用の磁気抵抗素子（１０）であって、前記磁気抵抗素子（１０）は、基準磁化（２１０）を持つ基準層（２１）と検知磁化（２３０）を備えた検知層（２３）との間に含まれているトンネル障壁層（２２）を備え、
前記検知層（２３）が、前記トンネル障壁層（２２）と接触し、第１非磁性スペーサ層（２３３）によって強磁性の第２検知副層（２３２）から分離された強磁性の第１検知副層（２３１）を備える合成反強磁性（ＳＡＦ）構造を備え、それにより、前記第１検知副層（２３１）が前記第２検知副層（２３２）に反強磁性的に結合されていて、
前記検知層（２３）は、検知磁化比（ΔＭ）が以下の数式に定義されているように構成されていて、

【数3】

上記の数式において、Ｍ_ＳＦＭ１及びＭ_ＳＦＭ２は、それぞれ、第１及び第２検知副層（２３１、２３２）の自発磁化であり、ｔ_ＦＭ１及びｔ_ＦＭ２は、それぞれ、第１及び第２検知副層（２３１、２３２）の厚さである、磁気抵抗素子（１０）において、
検知磁化比（ΔＭ）が０．１と０．２５の間の値であって、
前記第２検知副層（２３２）が、前記検知スペーサ層（２３３）からの距離が増加するにつれて増加する自発磁化（２３０）を備える
ことを特徴とする。
（ロ）前記第１検知副層（２３１）は、１ｎｍから３ｎｍの間の厚さを持ち、前記第２検知副層（２３２）は、２ｎｍから６ｎｍの間の厚さを持つ、上述の（イ）に記載の磁気抵抗素子（１０）。
（ハ）前記第２検知副層（２３２）は、前記第１検知副層（２３１）よりも大きな厚さを持つ、上述の（ロ）に記載の磁気抵抗素子（１０）。
（ニ）前記第１検知副層（２３１）は、第１検知副層（２３１）の自発磁化（２３０）を減少させる非磁性要素を備える、上述の（ハ）に記載の磁気抵抗素子（１０）。
（ホ）前記検知スペーサ層（２３３）は、Ｒｕ、Ｗ、Ｍｏ又はＩｒか、左記の元素の組合せを含有する、上述のイからニのいずれか一つに記載の磁気抵抗素子（１０）。
（ヘ）前記第２検知副層（２３２）は、前記検知スペーサ層（２３３）からの距離が増すにつれて減る濃度で非磁性不純物を含有する強磁性材料を含有する、上述のイからホのいずれか一つに記載の磁気抵抗素子（１０）。
（ト）前記第２検知副層（２３２）は、複数の強磁性検知二重層（２３２ｂｌ）を備え、各検知二重層（２３２ｂｌ）は、低自発検知層（２３７）と、前記低自発検知層（２３７）の自発磁化よりも高い自発磁化（２３０）を持つ高自発検知層（２３８）とを備え、
前記高自発検知層（２３８）の厚さに対する前記低自発検知層（２３７）の厚さは、前記検知スペーサ層（２３３）からの距離が増加するにつれて減少している、
上述のイからホのいずれか一つに記載の磁気抵抗素子（１０）。
（チ）前記第２検知副層（２３２）は、前記第１検知スペーサ層（２３３）の近位にある近位の第２検知副層（２３２ａ）と、前記第１検知スペーサ層（２３３）の遠位にあり、前記近位第２検知副層（２３２ａ）に強磁性的に結合された遠位の第２検知副層（２３２ｂ）とを備え、
前記遠位の第２検知副層（２３２ｂ）は、前記近位の第２検知副層（２３２ａ）よりも少なくとも２倍大きな自発磁化（２３０）を持つ、上述のイからホのいずれか一つに記載の磁気抵抗素子（１０）。
（リ）前記近位の第２検知副層（２３２ａ）は、強磁性材料の前記自発磁化（２３０）を減少させる非磁性不純物を含有する前記強磁性材料を含有している、上述のチに記載の磁気抵抗素子（１０）。
（ヌ）前記第２検知副層（２３２）は、非磁性の第２検知スペーサ層（２３５）によって遠位の第２検知副層（２３２ｂ）から分離され、前記遠位の第２検知副層（２３２ｂ）に反強磁性的に結合された近位の第２検知副層（２３２ａ）を備える、上述のイからホのいずれか一つに記載の磁気抵抗素子（１０）。
（ル）前記遠位の第２検知副層（２３２ｂ）の前記自発磁化（２３０）は、前記第１検知層（２３１）及び前記近位の第２検知副層（２３２ａ）の前記自発磁化（２３０）よりも高い、上述のヌに記載の磁気抵抗素子（１０）。
（ヲ）複数の前記検知ＳＡＦ構造（２３１、２３２、２３３）を備える、上述のヌ又はルに記載の磁気抵抗素子（１０）。
（ワ）前記検知層（２３）は、前記検知スペーサ層（２３３）の両側にあり、前記検知スペーサ層（２３３）と接触している中間強磁性検知層（２３６）をさらに備える、上述の（イ）から（ヲ）のいずれか一つに記載の磁気抵抗素子（１０）。
（カ）
上述の（イ）から（ワ）のいずれか一つに記載の磁気抵抗素子（１０）を複数備えた２次元磁気センサ。

【符号の説明】

【0051】

１０ 磁気抵抗素子
２１ 基準層、基準ＳＡＦ構造
２１０ 基準磁化
２１１ 第１基準副層
２１２ 第２基準副層
２１３ 基準スペーサ層
２２ トンネル障壁層
２３ 検知層、検知ＳＡＦ構造
２３０ 検知磁化
２３１ 第１検知副層
２３２ 第２検知副層
２３２ａ 近位の第２検知副層
２３２ｂ 遠位の第２検知副層
２３２ｂｌ 検知二重層
２３３ 第１検知スペーサ層
２３４ 第３検知副層
２３５ 第２検知スペーサ層
２３６ 中間強磁化検知層
２３７ 低自発検知層
２３８ 高自発検知層
２４ ピニング層、反強磁性層
５５ 局所の磁気漂遊磁場、正味の漂遊磁場
ΔＭ 検知磁化比
Ｈ_ＡＦＭ ＳＡＦ漂遊磁場
Ｈ_ＦＭ ＦＭ漂遊磁場

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】