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WO2020137558A1 - 交換結合膜ならびにこれを用いた磁気抵抗効果素子および磁気検出装置 - Google Patents

交換結合膜ならびにこれを用いた磁気抵抗効果素子および磁気検出装置 Download PDF

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WO2020137558A1
WO2020137558A1 PCT/JP2019/048560 JP2019048560W WO2020137558A1 WO 2020137558 A1 WO2020137558 A1 WO 2020137558A1 JP 2019048560 W JP2019048560 W JP 2019048560W WO 2020137558 A1 WO2020137558 A1 WO 2020137558A1
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WO
WIPO (PCT)
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layer
exchange coupling
thickness
magnetic field
ptmn
Prior art date
Application number
PCT/JP2019/048560
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
正路 齋藤
文人 小池
Original Assignee
アルプスアルパイン株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by アルプスアルパイン株式会社 filed Critical アルプスアルパイン株式会社
Priority to DE112019006539.4T priority Critical patent/DE112019006539B4/de
Priority to CN201980073704.2A priority patent/CN113016086B/zh
Priority to JP2020563049A priority patent/JP7160945B2/ja
Publication of WO2020137558A1 publication Critical patent/WO2020137558A1/ja
Priority to US17/357,216 priority patent/US11693068B2/en

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    • H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F10/324—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
    • H01F10/3268—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the exchange coupling being asymmetric, e.g. by use of additional pinning, by using antiferromagnetic or ferromagnetic coupling interface, i.e. so-called spin-valve [SV] structure, e.g. NiFe/Cu/NiFe/FeMn
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10N50/10—Magnetoresistive devices
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    • G01R33/12—Measuring magnetic properties of articles or specimens of solids or fluids
    • G01R33/14—Measuring or plotting hysteresis curves

Definitions

  • the present invention relates to an exchange coupling film, a magnetoresistive effect element and a magnetic detection device using the same.
  • the exchange coupling film including the antiferromagnetic layer and the fixed magnetic layer is used as a magnetoresistive element or a magnetic detection device.
  • Patent Document 1 describes that in a magnetic recording medium, an exchange coupling film can be formed by combining a Co alloy as a ferromagnetic film and various alloys as an antiferromagnetic film. Examples of the antiferromagnetic film include alloys such as CoMn, NiMn, PtMn, and PtCr.
  • the magnetic detection device requires reflow processing (melting processing) of the solder when mounting the magnetic effect element on the board, and may be used in a high temperature environment such as around the engine. Therefore, it is preferable that the exchange coupling film used in the magnetic detection device has a large magnetic field (Hex) in which the magnetization direction of the pinned magnetic layer is reversed in order to detect the magnetic field in a wide dynamic range.
  • Hex magnetic field
  • the magnetization direction of the pinned magnetic layer is not easily affected, that is, strong magnetic field resistance. Is required.
  • the present invention has a large magnetic field (Hex) for reversing the magnetization direction of a ferromagnetic layer that exchange-couples with an antiferromagnetic layer such as a fixed magnetic layer, and therefore has an excellent magnetic field resistance and an exchange-coupling film using the same.
  • An object is to provide an effect element and a magnetic detection device.
  • an antiferromagnetic layer and a ferromagnetic layer are stacked, and the antiferromagnetic layer includes an IrMn layer, a first PtMn layer, a PtCr layer, and
  • the second PtMn layer is an exchange-coupling film having a structure in which the IrMn layer is stacked in this order so as to be close to the ferromagnetic layer.
  • the IrMn layer may be laminated so as to be in contact with the ferromagnetic layer, or may have a structure in which a PtMn layer is further laminated between the IrMn layer and the ferromagnetic layer.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a hysteresis loop of a magnetization curve of the exchange coupling film according to the present invention.
  • the exchange coupling magnetic field Hex acts on the fixed magnetic layer including the ferromagnetic layer that exchange couples with the antiferromagnetic layer.
  • the shape is shifted along the H axis according to the magnitude of the exchange coupling magnetic field Hex.
  • the pinned magnetic layer of the exchange coupling film becomes a good pinned magnetic layer because the larger the exchange coupling magnetic field Hex, the more difficult it is for the magnetization direction to reverse even when an external magnetic field is applied.
  • the coercive force Hc defined by the difference between the center of the hysteresis loop shifted along the H axis (the magnetic field strength at this center corresponds to the exchange coupling magnetic field Hex) and the H axis intercept of the hysteresis loop is the exchange coupling magnetic field Hex.
  • the external magnetic field is smaller than the above, even if the fixed magnetic layer of the exchange coupling film is magnetized in the direction along the external magnetic field by applying the external magnetic field, when the application of the external magnetic field is completed, the relative magnetic field is larger than the coercive force Hc.
  • the relatively strong exchange coupling magnetic field Hex makes it possible to align the magnetization directions of the pinned magnetic layers. That is, when the relationship between the exchange coupling magnetic field Hex and the coercive force Hc is Hex>Hc, the exchange coupling film has good strong magnetic field resistance.
  • the antiferromagnetic layer has a configuration in which an IrMn layer, a first PtMn layer, a PtCr layer, and a second PtMn layer are stacked, and thus the exchange coupling magnetic field is formed.
  • Increasing Hex is realized.
  • the exchange coupling film according to the present invention can increase the exchange coupling magnetic field Hex even when the thickness of the PtCr layer is small, as compared with the case where the second PtMn layer is not laminated. Therefore, the total thickness (total thickness) of the antiferromagnetic layer can be made relatively small, which is also preferable from the viewpoint of production efficiency.
  • an antiferromagnetic layer and a ferromagnetic layer are laminated, and the antiferromagnetic layer includes a first PtMn layer, a PtCr layer, and a second PtMn layer in this order.
  • the first PtMn layer is stacked so as to be close to the ferromagnetic layer, and the thickness of the PtCr layer is greater than both the thickness of the first PtMn layer and the thickness of the second PtMn layer.
  • An exchange coupling membrane having a thick structure is provided.
  • An exchange coupling film including an antiferromagnetic layer formed from such a laminated structure has a high exchange coupling magnetic field Hex, and a relationship with the coercive force Hc is likely to be Hex>Hc, and has good strong magnetic field resistance.
  • such exchange-coupling membranes may tend to have higher blocking temperatures.
  • the above antiferromagnetic layer may include a Mn-containing layer having a Mn content of more than 50 atomic% between the first PtMn layer and the ferromagnetic layer.
  • a plurality of layers may be laminated on the Mn-containing layer.
  • the Mn-containing layer may include at least one layer selected from the group consisting of IrMn layer and Mn layer.
  • the thickness of the Mn-containing layer May be preferably 12 ⁇ or less.
  • the thickness of the second PtMn layer is more than 0 ⁇ and less than 60 ⁇ , and the thickness of the second PtMn layer is preferably 15 ⁇ or more and 55 ⁇ or less. There is. In the above exchange coupling film, it may be preferable that the thickness of the PtCr layer is 100 ⁇ or more, and that the total thickness of the antiferromagnetic layer is 200 ⁇ or less.
  • the above-mentioned exchange coupling film and a free magnetic layer are laminated, and the ferromagnetic layer of the exchange coupling film constitutes at least a part of a pinned magnetic layer.
  • a resistance effect element is provided.
  • the present invention provides, as another aspect, a magnetic detection device including the above magnetoresistive effect element.
  • the above magnetic detection device includes a plurality of the magnetoresistive effect elements on the same substrate, and the plurality of magnetoresistive effect elements may include those having different fixed magnetization directions of the fixed magnetic layer. Good.
  • an exchange coupling film having excellent resistance to a strong magnetic field is provided. Therefore, by using the exchange coupling film of the present invention, it is possible to provide a stable magnetic detection device even when placed in a strong magnetic field environment.
  • Explanatory drawing which shows the membrane structure of the exchange coupling membrane 70 of the 3rd Embodiment of this invention
  • Explanatory drawing which shows the film structure of the exchange coupling film 71 which concerns on one of the modifications of the 3rd Embodiment of this invention
  • Explanatory drawing which shows the membrane structure of the exchange coupling membrane 72 which concerns on the other one of the modifications of the 3rd Embodiment of this invention
  • Explanatory drawing which shows the film structure of the exchange coupling film 73 which concerns on another one of the modification of the 3rd Embodiment of this invention
  • Explanatory drawing which shows the film structure of the laminated body 221 which concerns on Example 21.
  • FIG. 2 shows a film structure of a magnetic detection element 11 using the exchange coupling film 10 according to the first embodiment of the present invention.
  • the magnetic detection element 11 includes a base layer 1, an antiferromagnetic layer 2, a fixed magnetic layer 3 including a ferromagnetic layer, a nonmagnetic material layer 4, a free magnetic layer 5 and a protective layer 6 which are stacked in this order from the surface of the substrate SB.
  • the film is formed (so-called bottom type).
  • the IrMn layer 2a, the first PtMn layer 2b, the PtCr layer 2c, and the second PtMn layer 2d are arranged in this order, and the IrMn layer 2a is close to the ferromagnetic layer (the pinned magnetic layer 3).
  • Each of these layers is formed by, for example, a sputtering process or a CVD process, and an annealing treatment is performed after the film formation, so that exchange coupling occurs between the antiferromagnetic layer 2 and the pinned magnetic layer 3.
  • the antiferromagnetic layer 2 and the pinned magnetic layer 3 are the exchange coupling film 10 according to the first embodiment of the invention.
  • the magnetic detection element 11 is a laminated element using a so-called single spin valve type giant magnetoresistive effect (GMR effect), and has a magnetization vector that changes with the fixed magnetization vector of the fixed magnetic layer 3 and the external magnetic field of the free magnetic layer 5.
  • the electrical resistance changes in relation to the vector of.
  • the substrate SB for example, a substrate in which an alumina layer is formed on a silicon substrate is used.
  • the underlayer 1 is formed of NiFeCr alloy (nickel/iron/chromium alloy), Cr, Ta, or the like.
  • a NiFeCr alloy is preferable in order to increase the magnetic field (hereinafter, also appropriately referred to as “Hex”) in which the magnetization direction of the pinned magnetic layer 3 is reversed.
  • the antiferromagnetic layer 2 has a structure in which an IrMn layer 2a, a first PtMn layer 2b, a PtCr layer 2c, and a second PtMn layer 2d are stacked.
  • the exchange coupling magnetic field Hex becomes large, and the ratio (Hex/Hc) of the exchange coupling magnetic field Hex to the coercive force Hc tends to be 1 or more. Therefore, it is possible to obtain the exchange coupling film 10 having excellent resistance to a strong magnetic field.
  • the thickness of the IrMn layer 2a is preferably 12 ⁇ or less, more preferably 4 ⁇ or more and 10 ⁇ or less. By setting the thickness of the IrMn layer 2a within this range, the exchange coupling magnetic field Hex becomes large, and Hex/Hc can also be increased. Moreover, since the thickness of the IrMn layer 2a is in this range, the variation in the thickness of the first PtMn layer 2b is unlikely to affect the exchange coupling magnetic field Hex or Hex/Hc.
  • the thickness of the second PtMn layer 2d is preferably more than 0 ⁇ and less than 60 ⁇ , more preferably 10 ⁇ or more and 50 ⁇ or less, or even more preferably 15 ⁇ or more and 55 ⁇ or less, and particularly preferably 20 ⁇ or more and 50 ⁇ or less. .. When the thickness of the second PtMn layer 2d is in this range, the exchange coupling magnetic field Hex becomes large, and Hex/Hc can also be increased.
  • the thickness of the PtCr layer 2c is preferably 100 ⁇ or more, more preferably 110 ⁇ or more. When the PtCr layer 2c is 100 ⁇ or more, the exchange coupling magnetic field Hex becomes large, and Hex/Hc can also be increased.
  • the upper limit of the thickness of the PtCr layer 2c may be preferably 200 ⁇ or less from the viewpoint of production efficiency and the like.
  • the total thickness of the antiferromagnetic layer 2 is preferably 200 ⁇ or less. Even if the total thickness of the antiferromagnetic layer 2 is 200 ⁇ or less, the exchange coupling magnetic field Hex can be increased, so that the production efficiency of the exchange coupling film 10 can be increased.
  • the antiferromagnetic layer 2 is annealed to be ordered, and exchange coupling is generated between the antiferromagnetic layer 2 and the pinned magnetic layer 3 (interface) made of a ferromagnetic layer.
  • the magnetic field based on this exchange coupling (exchange coupling magnetic field Hex) makes it difficult for the exchange coupling film 10 to reverse its magnetization direction even when an external magnetic field is applied, and improves the strong magnetic field resistance.
  • the PtCr layer 2c of the antiferromagnetic layer 2 the first PtMn layer 2b and the IrMn layer 2a, and the second PtMn layer 2d.
  • Each atom (Pt, Cr, Mn, Ir) contained in is mutually diffused.
  • the fixed magnetic layer 3 is formed of a ferromagnetic CoFe alloy (cobalt-iron alloy).
  • the CoFe alloy has a high coercive force by increasing the Fe content.
  • the fixed magnetic layer 3 is a layer that contributes to the giant magnetoresistive effect of the spin valve type, and the direction in which the fixed magnetization direction P of the fixed magnetic layer 3 extends is the sensitivity axis direction of the magnetic detection element 11. From the viewpoint of enhancing the strong magnetic field resistance of the exchange coupling film 10, it may be preferable that the film thickness of the pinned magnetic layer 3 is 12 ⁇ or more and 30 ⁇ or less.
  • the nonmagnetic material layer 4 can be formed by using Cu (copper) or the like.
  • the material and structure of the free magnetic layer 5 are not limited, for example, a CoFe alloy (cobalt/iron alloy), a NiFe alloy (nickel/iron alloy), or the like can be used as the material, and the free magnetic layer 5 has a single-layer structure. It can be formed as a laminated structure, a laminated ferri structure, or the like.
  • the protective layer 6 can be formed using Ta (tantalum) or the like.
  • FIG. 3 is an explanatory diagram showing the film structure of the magnetic detection element 21 using the exchange coupling film 20 according to the second embodiment of the present invention.
  • the exchange coupling film 20 is formed by joining the fixed magnetic layer 3 having the self-pinned structure and the antiferromagnetic layer 2. Further, the non-magnetic material layer 4 and the free magnetic layer 5 are formed closer to the substrate SB than the fixed magnetic layer 3 (so-called top type), which is different from the magnetic detection element 11 of FIG.
  • the magnetic detection element 21 is also a laminated element using a so-called single spin valve type giant magnetoresistive effect.
  • the electrical resistance changes depending on the relative relationship between the fixed magnetization vector of the first magnetic layer 3A of the fixed magnetic layer 3 and the magnetization vector of the free magnetic layer 5 which changes according to the external magnetic field.
  • the pinned magnetic layer 3 has a self-pinning structure including a first magnetic layer 3A and a second magnetic layer 3C, and a non-magnetic intermediate layer 3B located between these two layers.
  • the fixed magnetization direction P1 of the first magnetic layer 3A and the fixed magnetization direction P2 of the second magnetic layer 3C are antiparallel due to the interaction.
  • the fixed magnetization direction P1 of the first magnetic layer 3A adjacent to the nonmagnetic material layer 4 is the fixed magnetization direction of the fixed magnetic layer 3.
  • the direction in which the fixed magnetization direction P1 extends is the sensitivity axis direction of the magnetic detection element 11.
  • the first magnetic layer 3A and the second magnetic layer 3C are made of a FeCo alloy (iron/cobalt alloy).
  • the FeCo alloy has a higher coercive force by increasing the Fe content.
  • the first magnetic layer 3A adjacent to the nonmagnetic material layer 4 is a spin-valve type layer that contributes to the giant magnetoresistive effect.
  • the nonmagnetic intermediate layer 3B is made of Ru (ruthenium) or the like.
  • the thickness of the nonmagnetic intermediate layer 3B made of Ru is preferably 3 to 5 ⁇ or 8 to 10 ⁇ .
  • a plurality of types of metals forming the alloy (Pt and Cr in the case of the PtCr layer 2c) are simultaneously supplied.
  • a plurality of kinds of metals forming the alloy may be alternately supplied.
  • a specific example of the former is simultaneous sputtering of a plurality of types of metals forming an alloy, and a specific example of the latter is an alternate lamination of metal films of different types.
  • Simultaneous feeding of the multiple metals forming the alloy may be preferred for increasing Hex over alternating feeding.
  • FIG. 17 is an explanatory view showing the film configuration of the magnetic detection element 110 using the exchange coupling film 70 according to the third embodiment of the present invention.
  • the layers having the same functions as those of the magnetic detection element 11 shown in FIG. the non-magnetic material layer 4 and the free magnetic layer 5 are common to the magnetic sensing element 11 of FIG. 2 in that they are formed farther to the substrate SB than the fixed magnetic layer 3 (so-called bottom type).
  • the first PtMn layer 8b, the PtCr layer 8c, and the second PtMn layer 8d are laminated, and the thickness D3 of the PtCr layer 8c is the thickness D2 of the first PtMn layer 8b and the second PtMn layer 8b.
  • the PtMn layer 8d has a structure thicker than any of the thicknesses D4. With such a structure, the exchange coupling magnetic field Hex becomes particularly large, and the ratio (Hex/Hc) of the exchange coupling magnetic field Hex to the coercive force Hc tends to be larger than 1. Therefore, the exchange coupling film 70 excellent in strong magnetic field resistance can be obtained.
  • the blocking temperature Tb of the exchange coupling film 70 according to the third embodiment may tend to be higher than the blocking temperature Tb of the exchange coupling film 10 according to the first embodiment.
  • the thickness D4 of the second PtMn layer 8d is preferably more than 0 ⁇ and less than 60 ⁇ , more preferably 10 ⁇ or more and 50 ⁇ or less, or even more preferably 15 ⁇ or more and 55 ⁇ or less, and particularly preferably 20 ⁇ or more and 50 ⁇ or less.
  • the ratio of the thickness D3 of the PtCr layer 8c to the thickness D2 of the first PtMn layer 8b is preferably about 2 to 10 times from the viewpoint of increasing the exchange coupling magnetic field Hex or Hex/Hc. There are cases.
  • the ratio of the thickness D3 of the PtCr layer 8c to the thickness D4 of the second PtMn layer 8d is preferably about 2 to 10 times from the viewpoint of increasing the exchange coupling magnetic field Hex or Hex/Hc. There are cases.
  • the thickness of the PtCr layer 8c is preferably 100 ⁇ or more, more preferably 110 ⁇ or more.
  • the exchange coupling magnetic field Hex is increased and Hex/Hc can be increased.
  • the upper limit of the thickness of the PtCr layer 8c may be preferably 200 ⁇ or less from the viewpoint of production efficiency and the like.
  • the total thickness of the antiferromagnetic layer 2 is preferably 200 ⁇ or less. Even if the total thickness of the antiferromagnetic layer 2 is 200 ⁇ or less, the exchange coupling magnetic field Hex can be increased, so that the production efficiency of the exchange coupling film 70 can be increased.
  • the antiferromagnetic layer 80 is annealed to be ordered, and exchange coupling is generated between the antiferromagnetic layer 80 and the pinned magnetic layer 3 formed of the ferromagnetic layer (interface).
  • the magnetic field based on this exchange coupling (exchange coupling magnetic field Hex) makes it difficult for the exchange coupling film 10 to reverse the magnetization direction even when an external magnetic field is applied, and improves the strong magnetic field resistance.
  • each layer constituting the antiferromagnetic layer 80 first PtMn layer 8b, PtCr layer 8c, and second PtMn layer 8d.
  • the Mn content is more than 50 atomic% between the first PtMn layer 8b and the pinned magnetic layer 3. It may have the Mn-containing layer 8a.
  • the Mn-containing layer 8a may have a plurality of layers stacked.
  • the Mn-containing layer 8a may include at least one layer selected from the group consisting of an IrMn layer and a Mn layer.
  • the thickness of the Mn-containing layer 8a is preferably 12 ⁇ or less, and more preferably 4 ⁇ or more and 10 ⁇ or less. By setting the thickness of the IrMn layer 2a within this range, the exchange coupling magnetic field Hex becomes large, and Hex/Hc can also be increased. Further, since the thickness of the Mn-containing layer 8a is in this range, the variation in the thickness of the first PtMn layer 2b hardly affects the exchange coupling magnetic field Hex or Hex/Hc.
  • FIG. 19 and FIG. 20 show the film configuration of the magnetic detection elements 112 and 113 using the exchange coupling films 72 and 73 of the top type in which the fixed magnetic layer 3 has a self-pinning structure.
  • FIG. 4 shows a magnetic sensor (magnetic detection device) 30 in which the magnetic detection elements 11 shown in FIG. 2 are combined.
  • the magnetic detection elements 11 having different fixed magnetization directions P are distinguished by giving different reference numerals 11Xa, 11Xb, 11Ya, and 11Yb, respectively.
  • the magnetic detection elements 11Xa, 11Xb, 11Ya, 11Yb are provided on the same substrate.
  • the magnetic sensor 30 shown in FIG. 4 has a full bridge circuit 32X and a full bridge circuit 32Y.
  • the full bridge circuit 32X includes two magnetic detection elements 11Xa and two magnetic detection elements 11Xb
  • the full bridge circuit 32Y includes two magnetic detection elements 11Ya and two magnetic detection elements 11Yb.
  • Each of the magnetic detection elements 11Xa, 11Xb, 11Ya, 11Yb has the film structure of the exchange coupling film 10 of the magnetic detection element 11 shown in FIG. Unless otherwise specified, these will be appropriately referred to as magnetic detection elements 11 hereinafter.
  • the full-bridge circuit 32X and the full-bridge circuit 32Y use the magnetic detection elements 11 having different fixed magnetization directions shown by arrows in FIG. 4 in order to make the detection magnetic field directions different, and detect the magnetic field.
  • the mechanism is the same. Therefore, a mechanism for detecting a magnetic field using the full bridge circuit 32X will be described below.
  • the full bridge circuit 32X is configured by connecting a first series section 32Xa and a second series section 32Xb in parallel.
  • the first serial portion 32Xa is configured by connecting the magnetic detection element 11Xa and the magnetic detection element 11Xb in series
  • the second serial portion 32Xb is configured by connecting the magnetic detection element 11Xb and the magnetic detection element 11Xa in series. Is configured.
  • the power supply voltage Vdd is applied to the power supply terminal 33 common to the magnetic detection element 11Xa forming the first series section 32Xa and the magnetic detection element 11Xb forming the second series section 32Xb.
  • the ground terminal 34 common to the magnetic detection element 11Xb forming the first series portion 32Xa and the magnetic detection element 11Xa forming the second series portion 32Xb is set to the ground potential GND.
  • (OutX2) is obtained as the detection output (detection output voltage) VXs in the X direction.
  • the full-bridge circuit 32Y also operates in the same manner as the full-bridge circuit 32X, so that the output potential (OutY1) of the middle point 35Ya of the first series section 32Ya and the output potential of the middle point 35Yb of the second series section 32Yb ( A differential output (OutY1)-(OutY2) from OutY2) is obtained as a detection output (detection output voltage) VYs in the Y direction.
  • the direction of the free magnetic layer 5 of each magnetic detection element 11 changes so as to follow the direction of the external magnetic field H.
  • the resistance value changes due to the vector relationship between the fixed magnetization direction P of the fixed magnetic layer 3 and the magnetization direction of the free magnetic layer 5.
  • the sensitivity axis direction and the direction of the external magnetic field H coincide with each other, so that the electric resistance value decreases.
  • the detection output voltage VYs is zero.
  • the detection output voltages VXs and VYs of the full bridge circuit 32X and the full bridge circuit 32Y also change accordingly. Therefore, the moving direction and the moving amount (relative position) of the detection target can be detected based on the detection output voltages VXs and VYs obtained from the full bridge circuit 32X and the full bridge circuit 32Y.
  • FIG. 4 shows a magnetic sensor 30 configured to detect a magnetic field in the X direction and the Y direction orthogonal to the X direction.
  • the configuration may be such that only the full bridge circuit 32X or the full bridge circuit 32Y that detects only the magnetic field in the X direction or the Y direction is provided.
  • FIG. 5 shows a planar structure of the magnetic detection element 11Xa and the magnetic detection element 11Xb. 4 and 5, the BXa-BXb direction is the X direction. 5A and 5B, the fixed magnetization direction P of the magnetic detection elements 11Xa and 11Xb is indicated by an arrow. In the magnetic detection element 11Xa and the magnetic detection element 11Xb, the fixed magnetization direction P is the X direction, which is opposite to each other.
  • the magnetic detection element 11Xa and the magnetic detection element 11Xb have stripe-shaped element portions 12.
  • the longitudinal direction of the element portion 12 is oriented in the BYa-BYb direction.
  • the plurality of element parts 12 are arranged in parallel, the right ends of the adjacent element parts 12 in the figure are connected via the conductive part 13a, and the left ends of the adjacent element parts 12 in the figure are connected via the conductive part 13b.
  • the conductive portions 13a and 13b are alternately connected, and the element portion 12 is connected in a so-called meander shape.
  • the conductive portion 13a in the lower right portion of the drawing is integrated with the connection terminal 14a
  • the conductive portion 13b in the upper left portion of the drawing is integrated with the connection terminal 14b.
  • Each element unit 12 is configured by laminating a plurality of metal layers (alloy layers).
  • FIG. 2 shows the laminated structure of the element portion 12.
  • Each element unit 12 may have a laminated structure shown in FIG.
  • the magnetic detection element 11 can be replaced with the magnetic detection element 21 of the second embodiment shown in FIG.
  • the IrMn layer 2a is in contact with the pinned magnetic layer 3, that is, the IrMn layer 2a is directly laminated on the laminated pinned magnetic layer 3, but the IrMn layer 2a is Another layer containing Mn (a Mn layer and a PtMn layer are exemplified) may be laminated between and the fixed magnetic layer 3.
  • the ferromagnetic layer in contact with the antiferromagnetic layer is not limited to the pinned magnetic layer.
  • the exchange coupling film according to the present invention may be composed of a ferromagnetic layer and at least a part of the free magnetic layer and the antiferromagnetic layer.
  • a giant magnetoresistive (GMR) element is exemplified as the magnetic detection element including the exchange coupling film according to the present invention, but the magnetic detection element including the exchange coupling film according to the present invention is a tunnel magnetic resistance. It may be an effect (TMR) element.
  • Examples 1 to 7 and Comparative Examples 1 to 10-2 A laminate 22 (see FIG. 6) having the following film structure was manufactured for the purpose of evaluating the characteristics of the exchange coupling film 40.
  • the numerical value in parentheses indicates the film thickness ( ⁇ ).
  • the laminated body 22 is annealed at 350° C. for 20 hours in a magnetic field of 15 kOe to fix the magnetizations of the pinned magnetic layer 3 and the antiferromagnetic layer 2 which are ferromagnetic layers, and the laminated body 22 including the exchange coupling film 40 is obtained.
  • Substrate SB Silicon substrate having an alumina layer formed on the surface/Underlayer 1: NiFeCr(42)/Nonmagnetic material layer 4: [Cu(30)/Ru(20)]/Fixed magnetic layer 3: Co 40 at% Fe 60at% (18.5) / antiferromagnetic layer 2 [IrMn layer 2a: Ir 22at% Mn 78at% (d1) / first PtMn layer 2b: Pt 50at% Mn 50at% (d2) / PtCr layer 2c: Pt 51 at% Cr 49 at% (d3)/second PtMn layer 2d: Pt 50 at% Mn 50 at% (d4)]/protective layer 6: Ta(100)
  • the thickness d1 of the IrMn layer 2a was changed in the range of 0 ⁇ to 8 ⁇ .
  • the thickness d2 of the first PtMn layer 2b was changed in the range of 0 ⁇ to 300 ⁇ .
  • the thickness d3 of the PtCr layer 2c was changed in the range of 0 ⁇ to 300 ⁇ .
  • the thickness D1 of the second PtMn layer 2d was changed in the range of 0 ⁇ to 180 ⁇ .
  • Tables 1 and 2 show d1 to d4 and the total thickness (total thickness) of the antiferromagnetic layer 2 in each example and each comparative example.
  • FIG. 7 is a graph based on the results of Table 1 and showing the dependence of the exchange coupling magnetic field Hex on the thickness (total thickness) of the antiferromagnetic layer 2.
  • FIG. 8 is based on the results of Table 1, and is a graph showing the dependence of the ratio (Hex/Hc) of the exchange coupling magnetic field Hex to the coercive force Hc on the thickness (total thickness) of the antiferromagnetic layer 2. is there.
  • the total thickness is 200 ⁇ or less, but the exchange coupling magnetic field Hex is 1000 Oe or more. Hex/Hc became larger than 1. Therefore, the magnetic detection element (for example, the magnetoresistive effect element) including the exchange coupling film according to Example 1 can exhibit excellent magnetic characteristics even under a high temperature environment or a strong magnetic field environment.
  • the antiferromagnetic layer is composed of the PtMn layer (Comparative Example 1 and Comparative Example 2) or the PtCr layer (Comparative Example 3), the exchange coupling magnetic field Hex is relative to the coercive force Hc. Hex/Hc was less than 1.
  • the thickness of the PtCr layer 2c is When it becomes smaller, the exchange coupling magnetic field Hex tends to become smaller, and Hex/Hc was about 1.0 or less.
  • FIG. 9 is a graph based on the results of Table 2 and showing the dependence of the exchange coupling magnetic field Hex on the thickness d4 of the second PtMn layer 2d.
  • FIG. 10 is based on the results of Table 2, and is a graph showing the dependence of the ratio (Hex/Hc) of the exchange coupling magnetic field Hex to the coercive force Hc on the thickness d4 of the second PtMn layer 2d.
  • the thickness d4 of the second PtMn layer 2d is more than 0 ⁇ and less than 60 ⁇ , preferably the thickness d4 of the second PtMn layer 2d is more than 10 ⁇ and less than 60 ⁇ .
  • the thickness d4 of the second PtMn layer 2d is 15 ⁇ or more and 55 ⁇ or less, and particularly preferably the thickness d4 of the second PtMn layer 2d is 20 ⁇ or more and 50 ⁇ or less (Examples) 1 to 3), the exchange coupling magnetic fields Hex and Hex/Hex/Hex/Hex/Hex/ It was confirmed that Hc was remarkably high.
  • the thickness d4 of the second PtMn layer 2d is 60 ⁇ or more (Examples 4 to 6)
  • the antiferromagnetic layer 2 has the same thickness (total thickness), but the second PtMn layer 2d has the same thickness.
  • the exchange coupling magnetic field Hex is higher than that in the case where the antiferromagnetic layer 2 is not provided (Comparative Example 7) and the case where the antiferromagnetic layer 2 has the same thickness (total thickness) but has a laminated structure of an IrMn layer and a PtMn layer (Comparative Example 9). Was confirmed to be high.
  • Laminates 22 and 221 (see FIGS. 6 and 21) having the following film configurations were manufactured for the purpose of evaluating the characteristics of the exchange coupling films 40 and 74.
  • the numerical value in parentheses indicates the film thickness ( ⁇ ).
  • the laminated body 22 is annealed in a magnetic field of 10 kOe at 350° C. for 20 hours to fix the magnetizations of the pinned magnetic layer 3 and the antiferromagnetic layer 2 made of ferromagnetic layers to obtain the laminated body 22 including the exchange coupling film 40.
  • Substrate SB Silicon substrate having an alumina layer formed on the surface/Underlayer 1: NiFeCr(42)/Nonmagnetic material layer 4: [Cu(30)/Ru(20)]/Fixed magnetic layer 3: Co 40 at% Fe 60at% (100) / antiferromagnetic layer 2 [IrMn layer 2a: Ir 22at% Mn 78at% (d1) / first PtMn layer 2b: Pt 50at% Mn 50at% (d2) / PtCr layer 2c: Pt 51 at% Cr 49 at% (d3)/second PtMn layer 2d: Pt 50 at% Mn 50 at% (d4)]/protective layer 6: [Ru(20)/Ta(100)]
  • the thickness d1 of the IrMn layer 2a was changed in the range of 0 ⁇ to 80 ⁇ .
  • the thickness d2 of the first PtMn layer 2b was changed in the range of 0 ⁇ to 300 ⁇ .
  • the thickness d3 of the PtCr layer 2c was changed in the range of 0 ⁇ to 250 ⁇ .
  • the thickness d4 of the second PtMn layer 2d was changed in the range of 0 ⁇ to 30 ⁇ .
  • Table 3 shows d1 to d4 and the total thickness (total thickness) of the antiferromagnetic layer 2 in each example and each comparative example.
  • FIG. 11 is a graph based on the results of Table 3 and showing the dependence of the exchange coupling magnetic field Hex on the thickness (total thickness) of the antiferromagnetic layer 2.
  • FIG. 12 is based on the results of Table 3, and is a graph showing the dependence of the ratio (Hex/Hc) of the exchange coupling magnetic field Hex to the coercive force Hc on the thickness (total thickness) of the antiferromagnetic layer 2. is there.
  • the anticoupling film 40 having the configurations according to Comparative Examples 11 to 14 was used.
  • the exchange coupling magnetic field Hex was larger than that of the exchange coupling film 40 including the ferromagnetic layer 2.
  • the exchange coupling magnetic field Hex increases as the thickness d3 of the PtCr layer 2c increases, and Hex/Hc also increases. It was confirmed that Hex/Hc was larger than 1 in the exchange coupling film 40 including the antiferromagnetic layer 2. Therefore, the magnetic detection element (for example, the magnetoresistive effect element) including the exchange coupling film according to the eleventh to fourteenth embodiments can appropriately perform the detection function even under the strong magnetic field environment, that is, the strong magnetic field. Have resistance.
  • the magnetic detection elements including the exchange coupling films according to Examples 12 to 14 have excellent strong magnetic field resistance because the magnetizations are aligned in the direction based on the exchange coupling magnetic field Hex when the application of the external magnetic field is released. ..
  • the blocking temperature Tb (unit: °C) of each example was calculated based on the results of Tables 4 to 12. The results are shown in Table 13. As shown in Table 13, the blocking temperature Tb of the exchange coupling film 40 (Examples 11 to 14) including the IrMn layer 2a as the Mn-containing layer was 410°C. The blocking temperature Tb of the exchange coupling film 74 (exchange coupling film 74 according to Example 15) not including the Mn-containing layer was 510°C. Therefore, it has been suggested that it is preferable to use the exchange coupling film 40 having no Mn-containing layer when it is used in a particularly severe high temperature environment.
  • FIG. 13 is a graph showing the measured temperature dependence of the exchange coupling magnetic field Hex for the exchange coupling films 40 according to Comparative Examples 11 to 13 and Example 12.
  • FIG. 14 is a graph showing the measured temperature dependence of the room-temperature-standardized exchange coupling magnetic field for the exchange coupling films 40 according to Comparative Examples 11 to 13 and Example 12.
  • FIG. 15 is a graph showing the measured temperature dependence of the exchange coupling magnetic field Hex for Comparative Examples 14 and 15, and the exchange coupling films 40 according to Examples 11 to 14.
  • FIG. 16 is a graph showing the measured temperature dependence of the room-temperature-standardized exchange coupling magnetic field for the exchange coupling films 40 according to Comparative Examples 14 and 15 and Examples 11 to 14.
  • the exchange coupling magnetic field Hex was 50 Oe or less, but by exchanging a part of the PtCr layer on the fixed magnetic layer 3 side with the PtMn layer, the exchange coupling magnetic field Hex could be increased to about 100 Oe or less. (Comparative example 12). Further, by replacing a part of the PtMn layer on the pinned magnetic layer 3 side with the IrMn layer, the exchange coupling magnetic field Hex could be increased to about 150 Oe or less (Comparative Example 13). However, the blocking temperature Tb of the exchange coupling film 40 was lowered by about 50°C. In addition, the exchange coupling magnetic field Hex could be increased to about 200 Oe by replacing a part of the PtCr layer on the protective layer 6 side with the PtMn layer (Example 12).
  • FIGS. 15 and 16 compare the antiferromagnetic layer 2 having the structure according to the example and the case where the film located between the PtCr layer and the pinned magnetic layer 3 constitutes the antiferromagnetic layer 2 by itself. It is a thing. Specifically, in Comparative Example 14, the antiferromagnetic layer 2 is a PtMn layer, and in Comparative Example 15, the antiferromagnetic layer 2 is an IrMn layer. As is particularly clear in FIG. 16, the blocking temperature Tb of the exchange coupling film 40 according to the example was about 410° C. regardless of the thickness of the PtCr layer.
  • the blocking temperature Tb of the exchange coupling film 40 including the antiferromagnetic layer 2 made of the PtMn layer and the antiferromagnetic layer 2 made of the IrMn layer was lower than the blocking temperature Tb of the exchange coupling film 40 according to the example. .. Therefore, the exchange coupling membrane according to the present invention can function more stably in a high temperature environment than the exchange coupling membrane according to the related art.
  • the blocking temperature Tb of the exchange coupling film 74 according to the fifteenth embodiment is higher than the blocking temperature Tb of the exchange coupling film 40, and the exchange coupling film 74 according to the fifteenth embodiment can properly function even in a severe high temperature environment. Be expected.
  • Example 21 A laminate 221 (see FIG. 21) having the following film structure was manufactured for the purpose of evaluating the characteristics of the exchange coupling film 74.
  • the numerical value in parentheses indicates the film thickness ( ⁇ ).
  • the laminated body 221 is annealed at 350° C. for 20 hours in a magnetic field of 15 kOe to fix the magnetizations of the pinned magnetic layer 3 made of a ferromagnetic layer and the antiferromagnetic layer 84 to obtain the laminated body 221 including the exchange coupling film 74.
  • Substrate SB Silicon substrate having an alumina layer formed on the surface/Underlayer 1: NiFeCr(42)/Nonmagnetic material layer 4: [Cu(30)/Ru(10)]/Fixed magnetic layer 3: Co 40 at% Fe 60at% (18)/antiferromagnetic layer 84 [first PtMn layer 8b: Pt 50at % Mn 50at % (16)/PtCr layer 8c: Pt 51at% Cr 49at% (130)/second PtMn layer 8d: Pt 50at% Mn 50at% (30)]/protective layer 6: Ta(100)
  • Example 22 to 26 A laminate 22 (see FIG. 6) having the following film structure was manufactured for the purpose of evaluating the characteristics of the exchange coupling film 40.
  • the numerical value in parentheses indicates the film thickness ( ⁇ ).
  • the laminated body 22 is annealed at 350° C. for 20 hours in a magnetic field of 15 kOe to fix the magnetizations of the pinned magnetic layer 3 and the antiferromagnetic layer 2 which are ferromagnetic layers, and the laminated body 22 including the exchange coupling film 40 is obtained.
  • Substrate SB Silicon substrate having an alumina layer formed on the surface/Underlayer 1: NiFeCr(42)/Nonmagnetic material layer 4: [Cu(30)/Ru(10)]/Fixed magnetic layer 3: Co 40 at% Fe 60at% (18)/antiferromagnetic layer 2 [IrMn layer 2a: Ir 20at% Mn 80at% (d1)/first PtMn layer 2b: Pt 50at % Mn 50at % (16)/PtCr layer 2c: Pt 51at% Cr 49 at% (130)/second PtMn layer 2d: Pt 50 at% Mn 50 at% (30)]/protective layer 6: Ta(100)
  • the thickness d1 of the IrMn layer 2a was changed in the range of 2 ⁇ to 10 ⁇ .
  • Table 14 shows d1 of each example.
  • Example 27 to 31 A laminate 222 (see FIG. 22) having the following film structure was manufactured for the purpose of evaluating the characteristics of the exchange coupling film 75.
  • the numerical value in parentheses indicates the film thickness ( ⁇ ).
  • the laminated body 222 is annealed at 350° C. for 20 hours in a magnetic field of 15 kOe to fix the magnetizations of the pinned magnetic layer 3 made of a ferromagnetic layer and the antiferromagnetic layer 85 to obtain a laminated body 222 including the exchange coupling film 75.
  • Substrate SB Silicon substrate having an alumina layer formed on the surface/Underlayer 1: NiFeCr(42)/Nonmagnetic material layer 4: [Cu(30)/Ru(10)]/Fixed magnetic layer 3: Co 40 at% Fe 60at% (18)/antiferromagnetic layer 85 [Mn layer 8a1:Mn(D1)/first PtMn layer 8b:Pt 50at % Mn 50at % (16)/PtCr layer 8c:Pt 51at% Cr 49at% (130 )/Second PtMn layer 8d: Pt 50at% Mn 50at% (30)]/Protective layer 6: Ta(100)
  • the thickness d1 of the Mn layer 2a1 was changed in the range of 2 ⁇ to 10 ⁇ .
  • Table 14 shows d1 of each example.
  • the exchange coupling films 74, 40, and 75 according to Examples 21 to 31 had a high exchange coupling magnetic field Hex. Hex/Hc was higher than 1 in each of the exchange coupling films 74, 40, and 75 according to Example 21 to Example 31. Therefore, the magnetic detection element (for example, a magnetoresistive effect element) including the exchange coupling film according to the twenty-first embodiment to the thirty-first embodiment can exhibit excellent magnetic characteristics even under a strong magnetic field environment.
  • the magnetic detection element for example, a magnetoresistive effect element
  • Example 41 to Example 48 and Comparative Example 41 to Comparative Example 47 A laminate 221 (see FIG. 21) having the following film structure was manufactured for the purpose of evaluating the characteristics of the exchange coupling film 74.
  • the numerical value in parentheses indicates the film thickness ( ⁇ ).
  • the laminated body 221 is annealed at 350° C. for 20 hours in a magnetic field of 10 kOe to fix the magnetizations of the pinned magnetic layer 3 and the antiferromagnetic layer 84, which are ferromagnetic layers, to obtain the laminated body 221 including the exchange coupling film 74.
  • Substrate SB Silicon substrate having an alumina layer formed on the surface/Underlayer 1: NiFeCr(42)/Nonmagnetic material layer 4: [Cu(30)/Ru(10)]/Fixed magnetic layer 3: Co 90 at% Fe 10at% (100)/antiferromagnetic layer 84 [first PtMn layer 8b: Pt 50at % Mn 50at % (D2)/PtCr layer 8c: Pt 51at% Cr 49at% (D3)/second PtMn layer 8d: Pt 50at% Mn 50at% (D4)]/protective layer 6: Ta(100)
  • the thickness D2 of the first PtMn layer 8b was set to 0 ⁇ or 20 ⁇ .
  • the thickness D3 of the PtCr layer 8c was changed in the range of 0 ⁇ to 180 ⁇ .
  • the thickness D4 of the second PtMn layer 8d was changed in the range of 0 ⁇ to 160 ⁇ .
  • the total thickness (total thickness) of the antiferromagnetic layer 84 was fixed at 180 ⁇ . Table 15, D2, D3 and D4 of each example is shown.
  • the magnetization curve of the exchange coupling film 74 according to each example was measured using a VSM (vibrating sample magnetometer), and from the obtained hysteresis loop, the exchange coupling magnetic field Hex (unit: Oe) and the coercive force Hc (unit: : Oe), and the ratio (Hex/Hc) of the exchange coupling magnetic field Hex to the coercive force Hc.
  • VSM vibrating sample magnetometer
  • the exchange coupling films 74 according to Examples 41 to 48 had a high exchange coupling magnetic field Hex.
  • the Hex/Hc of each of the exchange coupling films 74 of Examples 41 to 48 was higher than that of Comparative Example 41 (0.10).
  • the thickness D4 of the second PtMn layer 8d is more than 10 ⁇ and less than 60 ⁇ , preferably the thickness D4 of the second PtMn layer 8d is 15 ⁇ or more and 55 ⁇ or less, more preferably It was confirmed that when the thickness D4 of the PtMn layer 8d of No. 2 is 20 ⁇ or more and 50 ⁇ or less (Examples 42 to 44), the exchange coupling magnetic fields Hex and Hex/Hc are significantly increased. ..
  • the magnetic detection element for example, a magnetoresistive effect element
  • the exchange coupling film 74 according to Examples 41 to 48 can exhibit excellent magnetic characteristics even under a strong magnetic field environment.
  • the first PtMn layer 8b located on the pinned magnetic layer 3 side in the configuration of Example 43 in which the exchange coupling magnetic fields Hex and Hex/Hc are remarkably high is a PtCr layer. It was confirmed that both the exchange coupling magnetic field Hex and the coercive force Hc are remarkably reduced by changing the values.
  • the first PtMn layer 8b having a thickness of 20 ⁇ which is an extremely thin thickness in comparison with the total thickness 180 ⁇ of the antiferromagnetic layer 84, is particularly important for increasing the exchange coupling magnetic fields Hex and Hex/Hc. It was confirmed that they have various roles.
  • Example 51 to Example 56 and Comparative Example 51 to Comparative Example 56 A laminate 221 (see FIG. 21) having the following film structure was manufactured for the purpose of evaluating the characteristics of the exchange coupling film 74.
  • the numerical value in parentheses indicates the film thickness ( ⁇ ).
  • the laminated body 221 is annealed at 350° C. for 20 hours in a magnetic field of 15 kOe to fix the magnetizations of the pinned magnetic layer 3 made of a ferromagnetic layer and the antiferromagnetic layer 84 to obtain the laminated body 221 including the exchange coupling film 74.
  • Substrate SB Silicon substrate having an alumina layer formed on the surface/Underlayer 1: NiFeCr(42)/Nonmagnetic material layer 4: [Cu(30)/Ru(10)]/Fixed magnetic layer 3: Co 90 at% Fe 10 at% (X) or Co 40 at% Fe 60 at% (X)/antiferromagnetic layer 84 [first PtMn layer 8b: Pt 50 at% Mn 50 at% (D2)/PtCr layer 8c: Pt 51 at% Cr 49 at% ( D3)/second PtMn layer 8d: Pt 50at% Mn 50at% (D4)]/protective layer 6: Ta(100)
  • the thickness D2 of the first PtMn layer 8b was set to 20 ⁇ or 180 ⁇ .
  • the thickness D3 of the PtCr layer 8c was 0 ⁇ or 130 ⁇ .
  • the thickness D4 of the second PtMn layer 8d was 0 ⁇ or 30 ⁇ .
  • the total thickness (total thickness) of the antiferromagnetic layer 84 was fixed at 180 ⁇ .
  • the composition of the pinned magnetic layer 3 was Co 90 at% Fe 10 at% or Co 40 at% Fe 60 at%, and the thickness X of each was changed in the range of 18 ⁇ to 100 ⁇ . Table 16, shows D2, D3 and D4 and X of each example.
  • the magnetization curve of the exchange coupling film 74 according to each example was measured using a VSM (vibrating sample magnetometer), and from the obtained hysteresis loop, the exchange coupling magnetic field Hex (unit: Oe) and the coercive force Hc (unit: : Oe), and the ratio (Hex/Hc) of the exchange coupling magnetic field Hex to the coercive force Hc.
  • VSM vibrating sample magnetometer
  • the exchange coupling magnetic fields Hex and Hex/Hc tend to increase as the fixed magnetic layer 3 becomes thinner regardless of the composition of the fixed magnetic layer 3. It was Therefore, the magnetic detection element (for example, a magnetoresistive effect element) including the exchange coupling film 74 according to the examples 51 to 56 can exhibit excellent magnetic characteristics even under a strong magnetic field environment. In particular, when the thickness of the pinned magnetic layer 3 may be small, the exchange coupling magnetic fields Hex and Hex/Hc can be increased by adjusting the thickness of the pinned magnetic layer 3.
  • Example 61 to 78 and Comparative examples 61 and 62 A laminate 22 (see FIG. 6) having the following film structure was manufactured for the purpose of evaluating the characteristics of the exchange coupling film 40.
  • the numerical value in parentheses indicates the film thickness ( ⁇ ).
  • the laminated body 22 is annealed at 350° C. for 20 hours in a magnetic field of 15 kOe to fix the magnetizations of the pinned magnetic layer 3 and the antiferromagnetic layer 2 made of ferromagnetic layers to obtain the laminated body 222 including the exchange coupling film 40.
  • Substrate SB Silicon substrate having an alumina layer formed on the surface/Underlayer 1: NiFeCr(42)/Nonmagnetic material layer 4: [Cu(30)/Ru(10)]/Fixed magnetic layer 3: Co 90 at% Fe 10at% (100)/antiferromagnetic layer 2 [IrMn layer 2a: Ir 20at% Mn 80at% (8)/first PtMn layer 2b: Pt 50at % Mn 50at % (12)/PtCr layer 2c: Pt 51at% Cr 49 at% (d3)/second PtMn layer 2d:Pt 50 at% Mn 50 at% (d4)]/protective layer 6: Ta(100)
  • the thickness d3 of the PtCr layer 2c is set to 130 ⁇ or 160 ⁇ .
  • the thickness d4 of the second PtMn layer 2d was changed in the range of 0 ⁇ to 80 ⁇ .
  • Table 17 shows d3 and d4 of each example.
  • the magnetization curve of the exchange coupling film 40 according to each example was measured using a VSM (vibrating sample magnetometer), and from the obtained hysteresis loop, the exchange coupling magnetic field Hex (unit: Oe) and the coercive force Hc (unit: : Oe), and the ratio (Hex/Hc) of the exchange coupling magnetic field Hex to the coercive force Hc.
  • VSM vibrating sample magnetometer
  • the exchange coupling magnetic fields Hex and Hex/Hc are irrespective of the thickness d3 of the PtCr layer 2c and when the second PtMn layer 2d is more than 10 ⁇ and less than 60 ⁇ . It tended to be higher. Further, when the second PtMn layer 2d is more than 10 ⁇ and less than 60 ⁇ , the value of the exchange coupling magnetic field Hex and Hex/Hc of the thickness d3 of the PtCr layer 2c is 130 ⁇ or 160 ⁇ . The values are almost equal. Therefore, it was confirmed that when the second PtMn layer 2d of the exchange coupling film 40 is more than 10 ⁇ and less than 60 ⁇ , the variation in the thickness of the PtCr layer 2c hardly affects the magnetic characteristics.
  • the exchange coupling magnetic fields Hex and Hex/Hc tend to increase. As shown in Table 17 and FIGS. In the exchange coupling film 40 according to the example, there is a tendency that the exchange coupling magnetic fields Hex and Hex/Hc have a thickness region that specifically increases as the total thickness of the antiferromagnetic layer 2 increases.
  • Laminates 22 and 221 (see FIGS. 6 and 21) having the following film configurations were manufactured for the purpose of characterization of the exchange coupling films 40 and 74.
  • the numerical value in parentheses indicates the film thickness ( ⁇ ).
  • the laminate 22 is annealed in a magnetic field of 15 kOe at 350° C. for 20 hours to fix the magnetizations of the pinned magnetic layer 3 and the antiferromagnetic layer 2 made of ferromagnetic layers and to include the exchange coupling films 40 and 74. 221 was obtained.
  • Substrate SB Silicon substrate having an alumina layer formed on the surface/Underlayer 1: NiFeCr(42)/Nonmagnetic material layer 4: [Cu(30)/Ru(10)]/Fixed magnetic layer 3: Co 90 at% Fe 10at% (100)/antiferromagnetic layer 2 [IrMn layer 2a: Ir 20at% Mn 80at% (d1)/first PtMn layer 2b: Pt 50at % Mn 50at % (d2)/PtCr layer 2c: Pt 51at% Cr 49 at% (130)/second PtMn layer 2d: Pt 50 at% Mn 50 at% (30)]/protective layer 6: Ta(100)
  • the magnetization curve of the exchange coupling film 40 according to each example was measured using a VSM (vibrating sample magnetometer), and from the obtained hysteresis loop, the exchange coupling magnetic field Hex (unit: Oe) and the coercive force Hc (unit: : Oe), and the ratio (Hex/Hc) of the exchange coupling magnetic field Hex to the coercive force Hc.
  • VSM vibrating sample magnetometer
  • the thickness d1 of the IrMn layer 2a is in the range of 12 ⁇ or less, even if the thickness d2 of the first PtMn layer 2b fluctuates, a high exchange coupling magnetic field is obtained. It was confirmed that Hex could be maintained. In particular, it was confirmed that a high exchange coupling magnetic field Hex and a high Hex/Hc (specifically, 1.0 or more) can be stably realized when the IrMn layer 2a is in the range of 4 ⁇ or more and 10 ⁇ or less. In other words, it was confirmed that when manufacturing the exchange coupling film 40, the tolerance of the thickness d2 of the first PtMn layer 2b can be set relatively loose.
  • Example 111 to 128 and Comparative Examples 111 to 131 A laminate 22 (see FIG. 6) having the following film structure was manufactured for the purpose of evaluating the characteristics of the exchange coupling film 40.
  • the numerical value in parentheses indicates the film thickness ( ⁇ ).
  • the laminated body 22 is annealed in a magnetic field of 10 kOe at 350° C. for 20 hours to fix the magnetizations of the pinned magnetic layer 3 and the antiferromagnetic layer 2 made of ferromagnetic layers to obtain the laminated body 22 including the exchange coupling film 40.
  • Substrate SB Silicon substrate having an alumina layer formed on the surface/Underlayer 1: NiFeCr(42)/Nonmagnetic material layer 4: [Cu(30)/Ru(20)]/Fixed magnetic layer 3: Co 90at% Fe 10at% (100) / antiferromagnetic layer 2 [IrMn layer 2a: Ir 22at% Mn 78at% (d1) / first PtMn layer 2b: Pt 50at% Mn 50at% (d2) / PtCr layer 2c: Pt 51 at% Cr 49 at% (d3)/second PtMn layer 2d: Pt 50 at% Mn 50 at% (d4)]/protective layer 6:/Ta(100)
  • the thickness d1 of the IrMn layer 2a was changed in the range of 0 ⁇ to 8 ⁇ .
  • the thickness d2 of the first PtMn layer 2b was changed in the range of 0 ⁇ to 300 ⁇ .
  • the thickness d3 of the PtCr layer 2c was changed in the range of 0 ⁇ to 300 ⁇ .
  • the thickness d4 of the second PtMn layer 2d was changed in the range of 0 ⁇ to 30 ⁇ .
  • Table 19 shows the total thickness (total thickness) of the antiferromagnetic layer 2 and d1 to d4 of each example and each comparative example.
  • the magnetization curve of the exchange coupling film 40 according to each of the examples and comparative examples was measured using a VSM (vibrating sample magnetometer), and the exchange coupling magnetic field Hex (unit: Oe) was obtained from the obtained hysteresis loop. .. The results are shown in Table 19 and FIG.
  • the antiferromagnetic layer 2 does not have the IrMn layer 2a as the Mn-containing layer like the exchange coupling film 74.
  • the exchange-coupling magnetic field Hex also increases as the thickness increases, and when the total thickness of the antiferromagnetic layer 2 is 300 ⁇ , the exchange-coupling magnetic field Hex is 500 Oe or more. Therefore, when strong magnetic field resistance is particularly required, the exchange coupling film 40 having no Mn-containing layer may be preferable.
  • the magnitude of the exchange coupling magnetic field Hex is It becomes relatively less affected by the total thickness of the antiferromagnetic layer 2.
  • the magnitude of the exchange coupling magnetic field Hex is stable in the range of 300 Oe to 350 Oe. It was confirmed that it was not easily affected by film variations.

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Abstract

固定磁性層の磁化の向きが反転する磁界（Ｈｅｘ）が大きく強磁場耐性に優れる交換結合膜は、反強磁性層２と強磁性層を備える固定磁性層３とが積層され、反強磁性層２は、ＩｒＭｎ層２ａ、第１のＰｔＭｎ層２ｂ、ＰｔＣｒ層２ｃおよび第２のＰｔＭｎ層２ｄが、この順番で積層された構造を有し、ＩｒＭｎ層２ａが固定磁性層３に接していることを特徴とする交換結合膜１０であって、第２のＰｔＭｎ層２ｄの厚さｄ４が０Å超６０Å未満であることが好ましい場合があり、ＰｔＣｒ層２ｃの厚さｄ３が１００Å以上であることが好ましい場合があり、反強磁性層２の全体の厚さ（ｄ１＋ｄ２＋ｄ３＋ｄ４）が２００Å以下であることが好ましい場合がある。

Description

交換結合膜ならびにこれを用いた磁気抵抗効果素子および磁気検出装置
　本発明は交換結合膜ならびにこれを用いた磁気抵抗効果素子および磁気検出装置に関する。
　反強磁性層と固定磁性層とを備えた交換結合膜は、磁気抵抗効果素子や磁気検出装置として用いられる。特許文献１には、磁気記録用媒体において、強磁性膜としてのＣｏ合金と、反強磁性膜としての種々の合金とを組み合わせることにより交換結合膜を構成できることが記載されている。反強磁性膜としては、ＣｏＭｎ、ＮｉＭｎ、ＰｔＭｎ、ＰｔＣｒなどの合金が例示されている。
特開２０００－２１５４３１号公報
　磁気検出装置は、磁気効果素子を基板に実装する際、はんだをリフロー処理（溶融処理）する必要があり、また、エンジンの周辺のような高温環境下において、用いられることがある。このため、磁気検出装置に用いられる交換結合膜は、広いダイナミックレンジで磁界を検出可能とするために、固定磁性層の磁化の方向が反転する磁界（Ｈｅｘ）が大きいことが好ましい。
　また、近時、大出力モータなど強磁場発生源の近傍に配置されて強磁場が印加される環境であっても、固定磁性層の磁化の向きが影響を受けにくいこと、すなわち、強磁場耐性が求められている。
　本発明は、固定磁性層など反強磁性層と交換結合する強磁性層の磁化の向きが反転する磁界（Ｈｅｘ）が大きく、ゆえに強磁場耐性に優れる交換結合膜、ならびにこれを用いた磁気抵抗効果素子および磁気検出装置を提供することを目的としている。
　上記課題を解決するために提供される本発明は、一態様において、反強磁性層と強磁性層とが積層され、前記反強磁性層は、ＩｒＭｎ層、第１のＰｔＭｎ層、ＰｔＣｒ層および第２のＰｔＭｎ層が、この順番で前記ＩｒＭｎ層が前記強磁性層に近位になるように積層された構造を有することを特徴とする交換結合膜である。前記ＩｒＭｎ層は前記強磁性層に接するように積層されていてもよいし、前記ＩｒＭｎ層と前記強磁性層との間にさらにＰｔＭｎ層が積層された構造を有していてもよい。
　図１は、本発明に係る交換結合膜の磁化曲線のヒステリシスループを説明する図である。通常、軟磁性体のＭ－Ｈ曲線（磁化曲線）が作るヒステリシスループは、Ｈ軸とＭ軸との交点（磁界Ｈ＝０Ａ／ｍ、磁化Ｍ＝０Ａ／ｍ）を中心として対称な形状となるが、図１に示されるように、本発明に係る交換結合膜のヒステリシスループは、反強磁性層と交換結合する強磁性層を備える固定磁性層に対して交換結合磁界Ｈｅｘが作用するため、交換結合磁界Ｈｅｘの大きさに応じてＨ軸に沿ってシフトした形状となる。交換結合膜の固定磁性層は、この交換結合磁界Ｈｅｘが大きいほど外部磁界が印加されても磁化の向きが反転しにくいため、良好な固定磁性層となる。
　このＨ軸に沿ってシフトしたヒステリシスループの中心（この中心の磁界強度が交換結合磁界Ｈｅｘに相当する。）とヒステリシスループのＨ軸切片との差によって定義される保磁力Ｈｃが交換結合磁界Ｈｅｘよりも小さい場合には、外部磁場が印加されて交換結合膜の固定磁性層がその外部磁場に沿った方向に磁化されたとしても、外部磁場の印加が終了すれば、保磁力Ｈｃよりも相対的に強い交換結合磁界Ｈｅｘによって、固定磁性層の磁化の方向を揃えることが可能となる。すなわち、交換結合磁界Ｈｅｘと保磁力Ｈｃとの関係がＨｅｘ＞Ｈｃである場合には、交換結合膜は良好な強磁場耐性を有する。
　本発明の一態様に係る交換結合膜は、反強磁性層が、ＩｒＭｎ層と第１のＰｔＭｎ層とＰｔＣｒ層と第２のＰｔＭｎ層とが積層されてなる構成とすることにより、交換結合磁界Ｈｅｘを大きくすることが実現される。また、本発明に係る交換結合膜は、第２のＰｔＭｎ層が積層されていない場合との対比で、ＰｔＣｒ層の厚さが小さくても交換結合磁界Ｈｅｘを高くすることができる。それゆえ、反強磁性層の全体の厚さ（総厚）を相対的に小さくすることができ、生産効率などの観点からも好ましい。
　本発明は、他の一態様として、反強磁性層と強磁性層とが積層され、前記反強磁性層は、第１のＰｔＭｎ層、ＰｔＣｒ層および第２のＰｔＭｎ層が、この順番で前記第１のＰｔＭｎ層が前記強磁性層に近位になるように積層され、前記ＰｔＣｒ層の厚さが前記第１のＰｔＭｎ層の厚さおよび前記第２のＰｔＭｎ層の厚さのいずれよりも厚い構造を有することを特徴とする交換結合膜を提供する。かかる積層構造体から形成された反強磁性層を備える交換結合膜は、交換結合磁界Ｈｅｘが高く、かつ、保磁力Ｈｃとの関係がＨｅｘ＞Ｈｃとなりやすく、良好な強磁場耐性を有する。また、かかる交換結合膜はブロッキング温度が高くなる傾向を有する場合がある
　上記の反強磁性層は、前記第１のＰｔＭｎ層と前記強磁性層との間に、Ｍｎの含有量が５０原子％超であるＭｎ含有層を有してなるものであってもよい。前記Ｍｎ含有層は複数の層が積層されていてもよい。前記Ｍｎ含有層は、ＩｒＭｎ層およびＭｎ層からなる群から選ばれる少なくとも１層を含んでいてもよい。Ｍｎ含有層がＩｒＭｎ層からなる場合や、ＩｒＭｎ層とＰｔＭｎ層との積層体からなる場合に、上記の本発明の一態様に係る交換結合膜と同様の構成となる。反強磁性層を構成するために成膜された膜の厚さのばらつきが反強磁性層の特性（交換結合磁界Ｈｅｘの大きさなど）に与える影響を抑える観点から、Ｍｎ含有層の厚さは１２Å以下であることが好ましい場合がある。
　上記の交換結合膜において、前記第２のＰｔＭｎ層の厚さが０Å超６０Å未満であることが好ましい場合があり、前記第２のＰｔＭｎ層の厚さが１５Å以上５５Å以下であることが好ましい場合がある。上記の交換結合膜において、前記ＰｔＣｒ層の厚さが１００Å以上であることが好ましい場合があり、前記反強磁性層の全体の厚さが２００Å以下であることが好ましい場合がある。
　本発明は、別の一態様として、上記の交換結合膜とフリー磁性層とが積層され、前記交換結合膜の強磁性層は、固定磁性層の少なくとも一部を構成することを特徴とする磁気抵抗効果素子を提供する。
　本発明は、また別の一態様として、上記の磁気抵抗効果素子を備えていることを特徴とする磁気検出装置を提供する。
　上記の磁気検出装置は、同一基板上に上記の磁気抵抗効果素子を複数備えており、複数の前記磁気抵抗効果素子には、前記固定磁性層の固定磁化方向が異なるものが含まれていてもよい。
　本発明によれば、強磁場耐性に優れる交換結合膜が提供される。したがって、本発明の交換結合膜を用いれば、強磁場環境下に置かれても安定な磁気検出装置とすることが可能である。
本発明に係る交換結合膜の磁化曲線のヒステリシスループを説明する図、 本発明の第１の実施形態の交換結合膜１０の膜構成を示す説明図、 本発明の第２の実施形態の交換結合膜２０の膜構成を示す説明図、 本発明の実施形態の磁気センサ３０の回路ブロック図、 磁気センサ３０に使用される磁気検出素子１１を示す平面図、 実施例１に係る積層体２２の膜構成を示す説明図、 交換結合磁界Ｈｅｘの反強磁性層２の厚さ（総厚）に対する依存性を示すグラフ、 交換結合磁界Ｈｅｘの保磁力Ｈｃに対する比（Ｈｅｘ／Ｈｃ）の反強磁性層２の厚さ（総厚）に対する依存性を示すグラフ、 交換結合磁界Ｈｅｘの第２のＰｔＭｎ層２ｄの厚さｄ４に対する依存性を示すグラフ、 交換結合磁界Ｈｅｘの保磁力Ｈｃに対する比（Ｈｅｘ／Ｈｃ）の第２のＰｔＭｎ層２ｄの厚さｄ４に対する依存性を示すグラフ、 交換結合磁界Ｈｅｘの反強磁性層の総膜厚に対する依存性を示すグラフ、 交換結合磁界Ｈｅｘの保磁力Ｈｃに対する比（Ｈｅｘ／Ｈｃ）の反強磁性層の総膜厚に対する依存性を示すグラフ、 比較例１１から比較例１３および実施例１２についての、交換結合磁界Ｈｅｘの測定温度依存性を示すグラフ、 比較例１１から比較例１３および実施例１２についての、交換結合磁界Ｈｅｘの保磁力Ｈｃに対する比（Ｈｅｘ／Ｈｃ）の測定温度依存性を示すグラフ、 比較例１４および比較例１５ならびに実施例１１から実施例１４についての、交換結合磁界Ｈｅｘの測定温度依存性を示すグラフ、 比較例１４および比較例１５ならびに実施例１１から実施例１４についての、交換結合磁界Ｈｅｘの保磁力Ｈｃに対する比（Ｈｅｘ／Ｈｃ）の測定温度依存性を示すグラフ、 本発明の第３の実施形態の交換結合膜７０の膜構成を示す説明図、 本発明の第３の実施形態の変形例の一つに係る交換結合膜７１の膜構成を示す説明図、 本発明の第３の実施形態の変形例の他の一つに係る交換結合膜７２の膜構成を示す説明図、 本発明の第３の実施形態の変形例の別の一つに係る交換結合膜７３の膜構成を示す説明図、 実施例２１に係る積層体２２１の膜構成を示す説明図、 実施例２７から実施例３１に係る積層体２２２の膜構成を示す説明図、 交換結合磁界Ｈｅｘ（左側軸）および交換結合磁界Ｈｅｘの保磁力Ｈｃに対する比（Ｈｅｘ／Ｈｃ）（右側軸）と、Ｍｎ含有層の厚さ（Ｍｎ，ＩｒＭｎ挿入厚）との関係を示すグラフ、 交換結合磁界Ｈｅｘの第２のＰｔＭｎ層８ｄの厚さＤ４に対する依存性を示すグラフ、 交換結合磁界Ｈｅｘの保磁力Ｈｃに対する比（Ｈｅｘ／Ｈｃ）の第２のＰｔＭｎ層８ｄの厚さＤ４に対する依存性を示すグラフ、 交換結合磁界Ｈｅｘの固定磁性層３（Ｃｏ９０ａｔ％Ｆｅ１０ａｔ％）の厚さＸに対する依存性を示すグラフ、 交換結合磁界Ｈｅｘの固定磁性層３（Ｃｏ４０ａｔ％Ｆｅ６０ａｔ％）の厚さＸに対する依存性を示すグラフ、 交換結合磁界Ｈｅｘの保磁力Ｈｃに対する比（Ｈｅｘ／Ｈｃ）の固定磁性層３（Ｃｏ９０ａｔ％Ｆｅ１０ａｔ％）の厚さＸに対する依存性を示すグラフ、 交換結合磁界Ｈｅｘの保磁力Ｈｃに対する比（Ｈｅｘ／Ｈｃ）の固定磁性層３（Ｃｏ４０ａｔ％Ｆｅ６０ａｔ％）の厚さＸに対する依存性を示すグラフ、 交換結合磁界Ｈｅｘの第２のＰｔＭｎ層２ｄの厚さｄ４に対する依存性を示すグラフ、 交換結合磁界Ｈｅｘの反強磁性層２の総厚に対する依存性を示すグラフ、 交換結合磁界Ｈｅｘの保磁力Ｈｃに対する比（Ｈｅｘ／Ｈｃ）の第２のＰｔＭｎ層２ｄの厚さｄ４に対する依存性を示すグラフ、 交換結合磁界Ｈｅｘの保磁力Ｈｃに対する比（Ｈｅｘ／Ｈｃ）の反強磁性層２の総厚に対する依存性を示すグラフ、 交換結合磁界ＨｅｘのＩｒＭｎ層２ａの厚さｄ１に対する依存性を示すグラフ、 保磁力ＨｃのＩｒＭｎ層２ａの厚さｄ１に対する依存性を示すグラフ、 交換結合磁界Ｈｅｘの保磁力Ｈｃに対する比（Ｈｅｘ／Ｈｃ）のＩｒＭｎ層２ａの厚さｄ１に対する依存性を示すグラフ、 交換結合磁界Ｈｅｘの反強磁性層２の総厚に対する依存性を示すグラフである。
＜第１の実施形態＞
　図２に本発明の第１の実施形態に係る交換結合膜１０を使用した磁気検出素子１１の膜構成が示されている。
　磁気検出素子１１は、基板ＳＢの表面から、下地層１、反強磁性層２、強磁性層からなる固定磁性層３、非磁性材料層４、フリー磁性層５および保護層６の順に積層されて成膜されている（いわゆるボトムタイプ）。反強磁性層２は、ＩｒＭｎ層２ａ、第１のＰｔＭｎ層２ｂ、ＰｔＣｒ層２ｃおよび第２のＰｔＭｎ層２ｄが、この順番で、ＩｒＭｎ層２ａが強磁性層（固定磁性層３）に近位になるように積層された積層構造を有する。ＩｒＭｎ層２ａが固定磁性層３に接するように積層されていてもよい。これら各層は、例えばスパッタ工程やＣＶＤ工程で成膜され、成膜後にアニール処理が行われることにより反強磁性層２と固定磁性層３との間に交換結合が生じる。反強磁性層２と固定磁性層３とが本発明の第１の実施の形態の交換結合膜１０である。
　磁気検出素子１１は、いわゆるシングルスピンバルブ型の巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ効果）を利用した積層素子であり、固定磁性層３の固定磁化のベクトルと、フリー磁性層５の外部磁界によって変化する磁化のベクトルとの相対関係で電気抵抗が変化する。
　基板ＳＢとして、例えばシリコン基板上にアルミナ層が形成されたものが用いられる。下地層１は、ＮｉＦｅＣｒ合金（ニッケル・鉄・クロム合金）、ＣｒあるいはＴａなどで形成される。本実施形態の交換結合膜１０において固定磁性層３の磁化の向きが反転する磁界（以下、適宜「Ｈｅｘ」ともいう）を高くするために、ＮｉＦｅＣｒ合金が好ましい。
　反強磁性層２は、ＩｒＭｎ層２ａと第１のＰｔＭｎ層２ｂとＰｔＣｒ層２ｃと第２のＰｔＭｎ層２ｄとが積層された構造を有する。このような構造を有することにより、交換結合磁界Ｈｅｘが大きくなり、交換結合磁界Ｈｅｘの保磁力Ｈｃに対する比（Ｈｅｘ／Ｈｃ）が１以上となりやすい。それゆえ、強磁場耐性に優れる交換結合膜１０が得られる。
　ＩｒＭｎ層２ａの厚さは、１２Å以下であることが好ましく、４Å以上１０Å以下であることがより好ましい。ＩｒＭｎ層２ａの厚さがこの範囲にあることにより、交換結合磁界Ｈｅｘが大きくなり、Ｈｅｘ／Ｈｃをも高めることができる。また、ＩｒＭｎ層２ａの厚さがこの範囲にあることにより、第１のＰｔＭｎ層２ｂの厚さのばらつきが、交換結合磁界ＨｅｘやＨｅｘ／Ｈｃに影響を与えにくくなる。第２のＰｔＭｎ層２ｄの厚さは、０Å超６０Å未満であることが好ましく、１０Å以上５０Å以下であることまたは１５Å以上５５Å以下であることがより好ましく、２０Å以上５０Å以下であることが特に好ましい。第２のＰｔＭｎ層２ｄの厚さがこの範囲にあることにより、交換結合磁界Ｈｅｘが大きくなり、Ｈｅｘ／Ｈｃをも高めることができる。
　ＰｔＣｒ層２ｃの厚さは、１００Å以上であることが好ましく、１１０Å以上であることがより好ましい。ＰｔＣｒ層２ｃが１００Å以上であることにより、交換結合磁界Ｈｅｘが大きくなり、Ｈｅｘ／Ｈｃをも高めることができる。ＰｔＣｒ層２ｃの厚さの上限は、生産効率などの観点から、２００Å以下であることが好ましい場合がある。
　反強磁性層２の全体の厚さは、２００Å以下であることが好ましい。反強磁性層２の全体の厚さが２００Å以下であっても、交換結合磁界Ｈｅｘを高めることが可能であるから、交換結合膜１０の生産効率を高めることが可能である。
　本実施形態では、反強磁性層２をアニール処理して規則化し、強磁性層からなる固定磁性層３との間（界面）で交換結合を生じさせる。この交換結合に基づく磁界（交換結合磁界Ｈｅｘ）によって交換結合膜１０は外部磁場が印加されても磁化の向きが反転しにくくなって強磁場耐性が向上する。なお、交換結合膜１０に交換結合磁界Ｈｅｘを生じさせるために行うアニール処理の際に、反強磁性層２のＰｔＣｒ層２ｃ、第１のＰｔＭｎ層２ｂおよびＩｒＭｎ層２ａならびに第２のＰｔＭｎ層２ｄに含まれる各原子（Ｐｔ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｉｒ）は相互拡散する。
　固定磁性層３は、強磁性のＣｏＦｅ合金（コバルト・鉄合金）で形成される。ＣｏＦｅ合金は、Ｆｅの含有割合を高くすることにより、保磁力が高くなる。固定磁性層３はスピンバルブ型の巨大磁気抵抗効果に寄与する層であり、固定磁性層３の固定磁化方向Ｐが延びる方向が磁気検出素子１１の感度軸方向である。交換結合膜１０の強磁場耐性を高める観点から、固定磁性層３の膜厚は、１２Å以上３０Å以下であることが好ましい場合がある。
　非磁性材料層４は、Ｃｕ（銅）などを用いて形成することができる。
　フリー磁性層５は、その材料および構造が限定されるものではないが、例えば、材料としてＣｏＦｅ合金（コバルト・鉄合金）、ＮｉＦｅ合金（ニッケル・鉄合金）などを用いることができ、単層構造、積層構造、積層フェリ構造などとして形成することができる。
　保護層６は、Ｔａ（タンタル）などを用いて形成することができる。
＜第２の実施形態＞
　図３に本発明の第２の実施形態の交換結合膜２０を使用した磁気検出素子２１の膜構成を示す説明図が示されている。本実施形態では、図２に示す磁気検出素子１１と機能が同じ層に同じ符号を付して、説明を省略する。
　第２の実施形態の磁気検出素子２１では、交換結合膜２０が、セルフピン止め構造の固定磁性層３と反強磁性層２とが接合されて構成されている。また、非磁性材料層４とフリー磁性層５が固定磁性層３よりも基板ＳＢに近位に形成されている（いわゆるトップタイプ）点において、図２の磁気検出素子１１と相違している。
　磁気検出素子２１も、いわゆるシングルスピンバルブ型の巨大磁気抵抗効果を利用した積層素子である。固定磁性層３の第１磁性層３Ａの固定磁化のベクトルと、フリー磁性層５の外部磁界によって変化する磁化のベクトルとの相対関係で電気抵抗が変化する。
　固定磁性層３は、第１磁性層３Ａおよび第２磁性層３Ｃと、これらの二層の間に位置する非磁性中間層３Ｂと、で構成されたセルフピン止め構造となっている。第１磁性層３Ａの固定磁化方向Ｐ１と、第２磁性層３Ｃの固定磁化方向Ｐ２とは、相互作用により反平行となっている。非磁性材料層４に隣接する第１磁性層３Ａの固定磁化方向Ｐ１が固定磁性層３の固定磁化方向である。この固定磁化方向Ｐ１が延びる方向が磁気検出素子１１の感度軸方向である。
　第１磁性層３Ａおよび第２磁性層３Ｃは、ＦｅＣｏ合金（鉄・コバルト合金）で形成される。ＦｅＣｏ合金は、Ｆｅの含有割合を高くすることにより、保磁力が高くなる。非磁性材料層４に隣接する第１磁性層３Ａはスピンバルブ型の巨大磁気抵抗効果に寄与する層である。
　非磁性中間層３ＢはＲｕ（ルテニウム）などで形成されている。Ｒｕからなる非磁性中間層３Ｂの膜厚は、３～５Åまたは８～１０Åであることが好ましい。
　なお、交換結合膜１０を製造する際、ＰｔＣｒ層２ｃなど合金層を成膜する際には、合金を形成する複数種類の金属（ＰｔＣｒ層２ｃの場合にはＰｔおよびＣｒ）を同時に供給してもよいし、合金を形成する複数種類の金属を交互に供給してもよい。前者の具体例として合金を形成する複数種類の金属の同時スパッタが挙げられ、後者の具体例として異なる種類の金属膜の交互積層が挙げられる。合金を形成する複数種類の金属の同時供給が交互供給よりもＨｅｘを高めることにとって好ましい場合がある。
＜第３の実施形態＞
　図１７に本発明の第３の実施形態の交換結合膜７０を使用した磁気検出素子１１０の膜構成を示す説明図が示されている。本実施形態では、図２に示す磁気検出素子１１と機能が同じ層に同じ符号を付して、説明を省略する。
　また、非磁性材料層４とフリー磁性層５が固定磁性層３よりも基板ＳＢに遠位に形成されている（いわゆるボトムタイプ）点において、図２の磁気検出素子１１と共通している。
　反強磁性層８０は、第１のＰｔＭｎ層８ｂとＰｔＣｒ層８ｃと第２のＰｔＭｎ層８ｄとが積層され、ＰｔＣｒ層８ｃの厚さＤ３が第１のＰｔＭｎ層８ｂの厚さＤ２および第２のＰｔＭｎ層８ｄの厚さＤ４のいずれよりも厚い構造を有する。このような構造を有することにより、交換結合磁界Ｈｅｘが特に大きくなり、交換結合磁界Ｈｅｘの保磁力Ｈｃに対する比（Ｈｅｘ／Ｈｃ）が１よりも大きくなりやすい。それゆえ、強磁場耐性に優れる交換結合膜７０が得られる。また、第３の実施形態に係る交換結合膜７０のブロッキング温度Ｔｂは、第１の実施形態に係る交換結合膜１０のブロッキング温度Ｔｂよりも高くなる傾向が見られることもある。
　第２のＰｔＭｎ層８ｄの厚さＤ４は、０Å超６０Å未満であることが好ましく、１０Å以上５０Å以下または１５Å以上５５Å以下であることがより好ましく、２０Å以上５０Å以下であることが特に好ましい。第２のＰｔＭｎ層２ｄの厚さＤ４がこの範囲にあることにより、交換結合磁界Ｈｅｘが大きくなり、Ｈｅｘ／Ｈｃを高めることができる。ＰｔＣｒ層８ｃの厚さＤ３の第１のＰｔＭｎ層８ｂの厚さＤ２に対する比は２倍～１０倍程度であることが、交換結合磁界Ｈｅｘを高めたり、Ｈｅｘ／Ｈｃを高めたりする観点から好ましい場合がある。ＰｔＣｒ層８ｃの厚さＤ３の第２のＰｔＭｎ層８ｄの厚さＤ４に対する比は２倍～１０倍程度であることが、交換結合磁界Ｈｅｘを高めたり、Ｈｅｘ／Ｈｃを高めたりする観点から好ましい場合がある。
　ＰｔＣｒ層８ｃの厚さは、１００Å以上であることが好ましく、１１０Å以上であることがより好ましい。ＰｔＣｒ層８ｃが１００Å以上であることにより、交換結合磁界Ｈｅｘが大きくなり、Ｈｅｘ／Ｈｃをも高めることができる。ＰｔＣｒ層８ｃの厚さの上限は、生産効率などの観点から、２００Å以下であることが好ましい場合がある。
　反強磁性層２の全体の厚さは、２００Å以下であることが好ましい。反強磁性層２の全体の厚さが２００Å以下であっても、交換結合磁界Ｈｅｘを高めることが可能であるから、交換結合膜７０の生産効率を高めることが可能である。
　本実施形態では、反強磁性層８０をアニール処理して規則化し、強磁性層からなる固定磁性層３との間（界面）で交換結合を生じさせる。この交換結合に基づく磁界（交換結合磁界Ｈｅｘ）によって交換結合膜１０は外部磁場が印加されても磁化の向きが反転しにくく強磁場耐性が向上する。なお、交換結合膜７０に交換結合磁界Ｈｅｘを生じさせるために行うアニール処理の際に、反強磁性層８０を構成する各層（第１のＰｔＭｎ層８ｂ、ＰｔＣｒ層８ｃおよび第２のＰｔＭｎ層８ｄ）に含まれる各原子（Ｐｔ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｉｒ）は相互拡散する。
　図１８に示されるように、本実施形態の一変形例に係る交換結合膜７１は、第１のＰｔＭｎ層８ｂと固定磁性層３との間に、Ｍｎの含有量が５０原子％超であるＭｎ含有層８ａを有してなるものであってもよい。このＭｎ含有層８ａは複数の層が積層されていてもよい。Ｍｎ含有層８ａは、ＩｒＭｎ層およびＭｎ層からなる群から選ばれる少なくとも１層を含んでいてもよい。Ｍｎ含有層８ａがＩｒＭｎ層からなる場合や、ＩｒＭｎ層とＰｔＭｎ層との積層体からなる場合に、上記の本発明の第１実施形態に係る交換結合膜１０と同様の構成となる。Ｍｎ含有層８ａの厚さは、１２Å以下であることが好ましく、４Å以上１０Å以下であることがより好ましい。ＩｒＭｎ層２ａの厚さがこの範囲にあることにより、交換結合磁界Ｈｅｘが大きくなり、Ｈｅｘ／Ｈｃをも高めることができる。また、Ｍｎ含有層８ａの厚さがこの範囲にあることにより、第１のＰｔＭｎ層２ｂの厚さのばらつきが、交換結合磁界ＨｅｘやＨｅｘ／Ｈｃに影響を与えにくくなる。
　第１の実施形態に係る交換結合膜１０と第２実施形態に係る交換結合膜２０との関係に対応して、第３の実施形態に係る交換結合膜７０、７１と同様の構成を有しつつ、トップタイプで、かつ固定磁性層３がセルフピン止め構造を有する交換結合膜７２、７３を使用した磁気検出素子１１２、１１３の膜構成を、図１９および図２０に示す。
＜磁気センサの構成＞
　図４に、図２に示す磁気検出素子１１を組み合わせた磁気センサ（磁気検出装置）３０が示されている。図４では、固定磁化方向Ｐ（図２参照）が異なる磁気検出素子１１を、それぞれ１１Ｘａ，１１Ｘｂ，１１Ｙａ，１１Ｙｂの異なる符号を付して区別している。磁気センサ３０では、磁気検出素子１１Ｘａ，１１Ｘｂ，１１Ｙａ，１１Ｙｂが同一基板上に設けられている。
　図４に示す磁気センサ３０は、フルブリッジ回路３２Ｘおよびフルブリッジ回路３２Ｙを有している。フルブリッジ回路３２Ｘは、２つの磁気検出素子１１Ｘａと２つの磁気検出素子１１Ｘｂとを備えており、フルブリッジ回路３２Ｙは、２つの磁気検出素子１１Ｙａと２つの磁気検出素子１１Ｙｂとを備えている。磁気検出素子１１Ｘａ，１１Ｘｂ，１１Ｙａ，１１Ｙｂはいずれも、図４に示した磁気検出素子１１の交換結合膜１０の膜構造を備えている。これらを特に区別しない場合、以下適宜、磁気検出素子１１と記す。
　フルブリッジ回路３２Ｘとフルブリッジ回路３２Ｙとは、検出磁場方向を異ならせるために、図４中に矢印で示した固定磁化方向が異なる磁気検出素子１１を用いたものであって、磁場を検出する機構は同じである。そこで、以下では、フルブリッジ回路３２Ｘを用いて磁場を検出する機構を説明する。
　フルブリッジ回路３２Ｘは、第１の直列部３２Ｘａと第２の直列部３２Ｘｂが並列に接続されて構成されている。第１の直列部３２Ｘａは、磁気検出素子１１Ｘａと磁気検出素子１１Ｘｂとが直列に接続されて構成され、第２の直列部３２Ｘｂは、磁気検出素子１１Ｘｂと磁気検出素子１１Ｘａとが直列に接続されて構成されている。
　第１の直列部３２Ｘａを構成する磁気検出素子１１Ｘａと、第２の直列部３２Ｘｂを構成する磁気検出素子１１Ｘｂに共通の電源端子３３に、電源電圧Ｖｄｄが与えられる。第１の直列部３２Ｘａを構成する磁気検出素子１１Ｘｂと、第２の直列部３２Ｘｂを構成する磁気検出素子１１Ｘａに共通の接地端子３４が接地電位ＧＮＤに設定されている。
　フルブリッジ回路３２Ｘを構成する第１の直列部３２Ｘａの中点３５Ｘａの出力電位（ＯｕｔＸ１）と、第２の直列部３２Ｘｂの中点３５Ｘｂの出力電位（ＯｕｔＸ２）との差動出力（ＯｕｔＸ１）－（ＯｕｔＸ２）がＸ方向の検知出力（検知出力電圧）ＶＸｓとして得られる。
　フルブリッジ回路３２Ｙも、フルブリッジ回路３２Ｘと同様に作用することで、第１の直列部３２Ｙａの中点３５Ｙａの出力電位（ＯｕｔＹ１）と、第２の直列部３２Ｙｂの中点３５Ｙｂの出力電位（ＯｕｔＹ２）との差動出力（ＯｕｔＹ１）―（ＯｕｔＹ２）がＹ方向の検知出力（検知出力電圧）ＶＹｓとして得られる。
　図４に矢印で示すように、フルブリッジ回路３２Ｘを構成する磁気検出素子１１Ｘａおよび磁気検出素子１１Ｘｂの感度軸方向と、フルブリッジ回路３２Ｙを構成する磁気検出素子１１Ｙａおよび各磁気検出素子１１Ｙｂの感度軸方向とは互いに直交している。
　図４に示す磁気センサ３０では、それぞれの磁気検出素子１１のフリー磁性層５の向きが外部磁場Ｈの方向に倣うように変化する。このとき、固定磁性層３の固定磁化方向Ｐと、フリー磁性層５の磁化方向との、ベクトルの関係で抵抗値が変化する。
　例えば、外部磁場Ｈが図４に示す方向に作用したとすると、フルブリッジ回路３２Ｘを構成する磁気検出素子１１Ｘａでは感度軸方向と外部磁場Ｈの方向が一致するため電気抵抗値は小さくなり、一方、磁気検出素子１１Ｘｂでは感度軸方向と外部磁場Ｈの方向が反対であるため電気抵抗値は大きくなる。この電気抵抗値の変化により、検知出力電圧ＶＸｓ＝（ＯｕｔＸ１）－（ＯｕｔＸ２）が極大となる。外部磁場Ｈが紙面に対して右向きに変化するにしたがって、検知出力電圧ＶＸｓが低くなっていく。そして、外部磁場Ｈが図３の紙面に対して上向きまたは下向きになると、検知出力電圧ＶＸｓがゼロになる。
　一方、フルブリッジ回路３２Ｙでは、外部磁場Ｈが図４に示すように紙面に対して左向きのときは、全ての磁気検出素子１１で、フリー磁性層５の磁化の向きが、感度軸方向（固定磁化方向Ｐ）に対して直交するため、磁気検出素子１１Ｙａおよび磁気検出素子１１Ｘｂの電気抵抗値は同じである。したがって、検知出力電圧ＶＹｓはゼロである。図４において外部磁場Ｈが紙面に対して下向きに作用すると、フルブリッジ回路３２Ｙの検知出力電圧ＶＹｓ＝（ＯｕｔＹ１）―（ＯｕｔＹ２）が極大となり、外部磁場Ｈが紙面に対して上向きに変化するにしたがって、検知出力電圧ＶＹｓが低くなっていく。
　このように、外部磁場Ｈの方向が変化すると、それに伴いフルブリッジ回路３２Ｘおよびフルブリッジ回路３２Ｙの検知出力電圧ＶＸｓおよびＶＹｓも変動する。したがって、フルブリッジ回路３２Ｘおよびフルブリッジ回路３２Ｙから得られる検知出力電圧ＶＸｓおよびＶＹｓに基づいて、検知対象の移動方向や移動量（相対位置）を検知することができる。
　図４には、Ｘ方向と、Ｘ方向に直交するＹ方向の磁場を検出可能に構成された磁気センサ３０を示した。しかし、Ｘ方向またはＹ方向の磁場のみを検出するフルブリッジ回路３２Ｘまたはフルブリッジ回路３２Ｙのみを備えた構成としてもよい。
　図５に、磁気検出素子１１Ｘａと磁気検出素子１１Ｘｂの平面構造が示されている。図４と図５は、ＢＸａ－ＢＸｂ方向がＸ方向である。図５（Ａ）（Ｂ）に、磁気検出素子１１Ｘａ，１１Ｘｂの固定磁化方向Ｐが矢印で示されている。磁気検出素子１１Ｘａと磁気検出素子１１Ｘｂでは、固定磁化方向ＰがＸ方向であり、互いに逆向きである。
　図５に示すように、磁気検出素子１１Ｘａと磁気検出素子１１Ｘｂは、ストライプ形状の素子部１２を有している。素子部１２の長手方向がＢＹａ－ＢＹｂ方向に向けられている。素子部１２は複数本が平行に配置されており、隣り合う素子部１２の図示右端部が導電部１３ａを介して接続され、隣り合う素子部１２の図示左端部が導電部１３ｂを介して接続されている。素子部１２の図示右端部と図示左端部では、導電部１３ａ，１３ｂが互い違いに接続されており、素子部１２はいわゆるミアンダ形状に連結されている。磁気検出素子１１Ｘａ，１１Ｘｂの、図示右下部の導電部１３ａは接続端子１４ａと一体化され、図示左上部の導電部１３ｂは接続端子１４ｂと一体化されている。
　各素子部１２は複数の金属層（合金層）が積層されて構成されている。図２に素子部１２の積層構造が示されている。なお、各素子部１２は図３に示す積層構造であってもよい。
　なお、図４と図５に示す磁気センサ３０では、磁気検出素子１１を図３に示す第２の実施形態の磁気検出素子２１に置き換えることが可能である。
　以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。例えば、上記の交換結合膜では、ＩｒＭｎ層２ａが固定磁性層３に接している、すなわち、積層された固定磁性層３の上に直接的にＩｒＭｎ層２ａが積層されているが、ＩｒＭｎ層２ａと固定磁性層３との間にＭｎを含有する他の層（Ｍｎ層およびＰｔＭｎ層が例示される。）が積層されてもよい。また、本発明に係る交換結合膜において反強磁性層に接する強磁性層は固定磁性層に限定されない。例えば、フリー磁性層の少なくとも一部を構成する強磁性層と反強磁性層とから本発明に係る交換結合膜が構成されていてもよい。また、上記の説明では、本発明に係る交換結合膜を備える磁気検出素子として、巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）素子を例示したが、本発明に係る交換結合膜を備える磁気検出素子はトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）素子であってもよい。
　以下、実施例等により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明の範囲はこれらの実施例等に限定されるものではない。
（実施例１から実施例７および比較例１から比較例１０－２）
　以下の膜構成を備える積層体２２（図６参照）を交換結合膜４０の特性評価の目的で製造した。以下の実施例および比較例では（）内の数値は膜厚（Å）を示す。積層体２２を１５ｋＯｅの磁場中において３５０℃で２０時間アニール処理し、強磁性層からなる固定磁性層３と反強磁性層２の磁化を固定して交換結合膜４０を含む積層体２２を得た。
　基板ＳＢ：表面にアルミナ層が形成されたシリコン基板／下地層１：ＮｉＦｅＣｒ（４２）／非磁性材料層４：［Ｃｕ（３０）／Ｒｕ（２０）］／固定磁性層３：Ｃｏ４０ａｔ％Ｆｅ６０ａｔ％（１８．５）／反強磁性層２［ＩｒＭｎ層２ａ：Ｉｒ２２ａｔ％Ｍｎ７８ａｔ％（ｄ１）／第１のＰｔＭｎ層２ｂ：Ｐｔ５０ａｔ％Ｍｎ５０ａｔ％（ｄ２）／ＰｔＣｒ層２ｃ：Ｐｔ５１ａｔ％Ｃｒ４９ａｔ％（ｄ３）／第２のＰｔＭｎ層２ｄ：Ｐｔ５０ａｔ％Ｍｎ５０ａｔ％（ｄ４）］／保護層６：Ｔａ（１００）
　ＩｒＭｎ層２ａの厚さｄ１は０Åから８Åの範囲で変更した。第１のＰｔＭｎ層２ｂの厚さｄ２は０Åから３００Åの範囲で変更した。ＰｔＣｒ層２ｃの厚さｄ３は０Åから３００Åの範囲で変更した。第２のＰｔＭｎ層２ｄの厚さＤ１は０Åから１８０Åの範囲で変更した。各実施例および各比較例のｄ１からｄ４および反強磁性層２の全体の厚さ（総厚）を表１および表２に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　ＶＳＭ（振動試料型磁力計）を用いて、各実施例・比較例に係る交換結合膜４０の磁化曲線を測定し、得られたヒステリシスループから、交換結合磁界Ｈｅｘ（単位：Ｏｅ）、保磁力Ｈｃ（単位：Ｏｅ）、交換結合磁界Ｈｅｘの保磁力Ｈｃに対する比（Ｈｅｘ／Ｈｃ）を求めた。結果を表１および表２に示した。
　図７は、表１の結果に基づくものであって、交換結合磁界Ｈｅｘの反強磁性層２の厚さ（総厚）に対する依存性を示すグラフである。図８は、表１の結果に基づくものであって、交換結合磁界Ｈｅｘの保磁力Ｈｃに対する比（Ｈｅｘ／Ｈｃ）の反強磁性層２の厚さ（総厚）に対する依存性を示すグラフである。表１ならびに図７および図８から明らかなように、実施例１に係る構成の反強磁性層２を備える交換結合膜４０では、総厚が２００Å以下でありながら交換結合磁界Ｈｅｘが１０００Ｏｅ以上と大きくなり、しかも、Ｈｅｘ／Ｈｃが１よりも大きくなった。したがって、実施例１に係る交換結合膜を備える磁気検出素子（例えば磁気抵抗効果素子）は、高温環境下や強磁場環境下であっても優れた磁気特性を示すことができる。
　これに対し、反強磁性層がＰｔＭｎ層からなる場合（比較例１および比較例２）やＰｔＣｒ層からなる場合（比較例３）には、保磁力Ｈｃとの対比で交換結合磁界Ｈｅｘが相対的に低く、Ｈｅｘ／Ｈｃは１未満であった。
　また、ＩｒＭｎ層２ａ、第１のＰｔＭｎ層２ｂおよびＰｔＣｒ層２ｃが積層されてなり第２のＰｔＭｎ層２ｄを有しない場合（比較例４から比較例８）には、ＰｔＣｒ層２ｃの厚さが小さくなると交換結合磁界Ｈｅｘが小さくなる傾向があり、Ｈｅｘ／Ｈｃは１．０程度またはそれ以下であった。
　図９は、表２の結果に基づくものであって、交換結合磁界Ｈｅｘの第２のＰｔＭｎ層２ｄの厚さｄ４に対する依存性を示すグラフである。図１０は、表２の結果に基づくものであって、交換結合磁界Ｈｅｘの保磁力Ｈｃに対する比（Ｈｅｘ／Ｈｃ）の第２のＰｔＭｎ層２ｄの厚さｄ４に対する依存性を示すグラフである。表２ならびに図９および図１０から明らかなように、第２のＰｔＭｎ層２ｄの厚さｄ４が０Å超６０Å未満である場合、好ましくは第２のＰｔＭｎ層２ｄの厚さｄ４が１０Å超６０Å未満である場合、より好ましくは第２のＰｔＭｎ層２ｄの厚さｄ４が１５Å以上５５Å以下である場合、特に好ましくは第２のＰｔＭｎ層２ｄの厚さｄ４が２０Å以上５０Å以下である場合（実施例１から実施例３）には、第１のＰｔＭｎ層２ｂおよびＰｔＣｒ層２ｃが積層されてなり第２のＰｔＭｎ層２ｄを有しない場合（比較例７）に比べて、交換結合磁界ＨｅｘおよびＨｅｘ／Ｈｃが顕著に高くなることが確認された。第２のＰｔＭｎ層２ｄの厚さｄ４が６０Å以上である場合（実施例４から実施例６）には、反強磁性層２の厚さ（総厚）が等しいが第２のＰｔＭｎ層２ｄを有しない場合（比較例７）や、反強磁性層２の厚さ（総厚）が等しいがＩｒＭｎ層とＰｔＭｎ層との積層構造からなる場合（比較例９）に比べて、交換結合磁界Ｈｅｘが高くなることが確認された。
（実施例１１から実施例１５および比較例１１から比較例１５）
　以下の膜構成を備える積層体２２、２２１（図６、図２１参照）を交換結合膜４０、７４の特性評価の目的で製造した。以下の実施例および比較例では（）内の数値は膜厚（Å）を示す。積層体２２を１０ｋＯｅの磁場中において３５０℃で２０時間アニール処理し、強磁性層からなる固定磁性層３と反強磁性層２の磁化を固定して交換結合膜４０を含む積層体２２を得た。
　基板ＳＢ：表面にアルミナ層が形成されたシリコン基板／下地層１：ＮｉＦｅＣｒ（４２）／非磁性材料層４：［Ｃｕ（３０）／Ｒｕ（２０）］／固定磁性層３：Ｃｏ４０ａｔ％Ｆｅ６０ａｔ％（１００）／反強磁性層２［ＩｒＭｎ層２ａ：Ｉｒ２２ａｔ％Ｍｎ７８ａｔ％（ｄ１）／第１のＰｔＭｎ層２ｂ：Ｐｔ５０ａｔ％Ｍｎ５０ａｔ％（ｄ２）／ＰｔＣｒ層２ｃ：Ｐｔ５１ａｔ％Ｃｒ４９ａｔ％（ｄ３）／第２のＰｔＭｎ層２ｄ：Ｐｔ５０ａｔ％Ｍｎ５０ａｔ％（ｄ４）］／保護層６：［Ｒｕ（２０）／Ｔａ（１００）］
　ＩｒＭｎ層２ａの厚さｄ１は０Åから８０Åの範囲で変更した。第１のＰｔＭｎ層２ｂの厚さｄ２は０Åから３００Åの範囲で変更した。ＰｔＣｒ層２ｃの厚さｄ３は０Åから２５０Åの範囲で変更した。第２のＰｔＭｎ層２ｄの厚さｄ４は０Åから３０Åの範囲で変更した。各実施例および各比較例のｄ１からｄ４および反強磁性層２の全体の厚さ（総厚）を表３に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　ＶＳＭ（振動試料型磁力計）を用いて、各実施例・比較例に係る交換結合膜４０の磁化曲線を測定し、得られたヒステリシスループから、交換結合磁界Ｈｅｘ（単位：Ｏｅ）、保磁力Ｈｃ（単位：Ｏｅ）、交換結合磁界Ｈｅｘの保磁力Ｈｃに対する比（Ｈｅｘ／Ｈｃ）を求めた。結果を表３に示した。
　図１１は、表３の結果に基づくものであって、交換結合磁界Ｈｅｘの反強磁性層２の厚さ（総厚）に対する依存性を示すグラフである。図１２は、表３の結果に基づくものであって、交換結合磁界Ｈｅｘの保磁力Ｈｃに対する比（Ｈｅｘ／Ｈｃ）の反強磁性層２の厚さ（総厚）に対する依存性を示すグラフである。表３ならびに図１１および図１２から明らかなように、実施例１１から実施例１４に係る構成の反強磁性層２を備える交換結合膜４０では、比較例１１から比較例１４に係る構成の反強磁性層２を備える交換結合膜４０よりも交換結合磁界Ｈｅｘが大きくなった。実施例１１から実施例１４を対比することにより、ＰｔＣｒ層２ｃの厚さｄ３が大きくなるほど交換結合磁界Ｈｅｘが大きくなるとともに、Ｈｅｘ／Ｈｃが大きくなり、実施例１２から実施例１４に係る構成の反強磁性層２を備える交換結合膜４０ではＨｅｘ／Ｈｃが１よりも大きくなることが確認された。したがって、実施例１１から実施例１４に係る交換結合膜を備える磁気検出素子（例えば磁気抵抗効果素子）は、強磁場環境下であっても検出機能を適切に果たすことができる、すなわち、強磁場耐性を有する。特に、実施例１２から実施例１４に係る交換結合膜を備える磁気検出素子は、外部磁場の印加が解除されると交換結合磁界Ｈｅｘに基づく方向に磁化が揃うため、優れた強磁場耐性を有する。
　ＶＳＭ（振動試料型磁力計）を用いて、比較例１１から比較例１５および実施例１１から実施例１５に係る交換結合膜４０の磁化曲線を、環境温度（単位：℃）を変化させながら測定し、得られたヒステリシスループから、各温度の交換結合磁界Ｈｅｘ（単位：Ｏｅ）を求めた。各温度の交換結合磁界Ｈｅｘ、および各温度の交換結合磁界Ｈｅｘを室温での交換結合磁界Ｈｅｘで規格化した値（室温規格化の交換結合磁界）を表４から表１２に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000007
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000008
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000009
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000010
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000011
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000012
　表４から表１２の結果に基づいて各例のブロッキング温度Ｔｂ（単位：℃）を求めた。その結果を表１３に示す。表１３に示されるように、Ｍｎ含有層としてのＩｒＭｎ層２ａを備える交換結合膜４０（実施例１１から実施例１４）のブロッキング温度Ｔｂは、４１０℃となった。また、Ｍｎ含有層を備えない交換結合膜７４（実施例１５に係る交換結合膜７４）のブロッキング温度Ｔｂは、５１０℃となった。したがって、特に過酷な高温環境で用いられる場合には、Ｍｎ含有層を備えない構成の交換結合膜４０を用いることが好ましい可能性が示唆された。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000013
　図１３は、比較例１１から比較例１３および実施例１２に係る交換結合膜４０についての、交換結合磁界Ｈｅｘの測定温度依存性を示すグラフである。図１４は、比較例１１から比較例１３および実施例１２に係る交換結合膜４０についての、室温規格化の交換結合磁界の測定温度依存性を示すグラフである。図１５は、比較例１４および比較例１５ならびに実施例１１から実施例１４に係る交換結合膜４０についての、交換結合磁界Ｈｅｘの測定温度依存性を示すグラフである。図１６は、比較例１４および比較例１５ならびに実施例１１から実施例１４に係る交換結合膜４０についての、室温規格化の交換結合磁界の測定温度依存性を示すグラフである。
　図１３および図１４は、反強磁性層２の総膜厚が１８０Åである場合の対比であって、それぞれ、反強磁性層２がＰｔＣｒ層のみからなる場合（比較例１１）、比較例１１との対比でＰｔＣｒ層の固定磁性層３側の一部をＰｔＭｎ層に置き換えた場合（比較例１２）、比較例１２との対比でＰｔＭｎ層の固定磁性層３側の一部をＩｒＭｎ層に置き換えた場合（比較例１３）、比較例１３との対比でＰｔＣｒ層の保護層６側の一部をＰｔＭｎ層に置き換えた場合（実施例１２）となる。比較例１１では、交換結合磁界Ｈｅｘが５０Ｏｅ以下であったが、ＰｔＣｒ層の固定磁性層３側の一部をＰｔＭｎ層に置き換えることにより、交換結合磁界Ｈｅｘを１００Ｏｅ以下程度まで高めることができた（比較例１２）。さらに、ＰｔＭｎ層の固定磁性層３側の一部をＩｒＭｎ層に置き換えることにより、交換結合磁界Ｈｅｘを１５０Ｏｅ以下程度まで高めることができた（比較例１３）。ただし、交換結合膜４０のブロッキング温度Ｔｂは５０℃程度低下した。加えて、ＰｔＣｒ層の保護層６側の一部をＰｔＭｎ層に置き換えることにより、交換結合磁界Ｈｅｘを２００Ｏｅ程度まで高めることができた（実施例１２）。
　図１５および図１６は、実施例に係る構成の反強磁性層２と、ＰｔＣｒ層と固定磁性層３との間に位置する膜が単独で反強磁性層２を構成した場合とを対比したものである。具体的には、比較例１４では反強磁性層２はＰｔＭｎ層からなり、比較例１５では反強磁性層２はＩｒＭｎ層からなる。図１６において特に明確なように、実施例に係る交換結合膜４０のブロッキング温度Ｔｂは、ＰｔＣｒ層の厚さに依らず４１０℃程度であった。また、ＰｔＭｎ層からなる反強磁性層２やＩｒＭｎ層からなる反強磁性層２を備える交換結合膜４０のブロッキング温度Ｔｂは、実施例に係る交換結合膜４０のブロッキング温度Ｔｂよりも低くなった。したがって、本発明に係る交換結合膜は、従来技術に係る交換結合膜よりも高温環境下において安定的に機能することが可能である。実施例１５に係る交換結合膜７４のブロッキング温度Ｔｂは交換結合膜４０のブロッキング温度Ｔｂよりも高くなり、実施例１５に係る交換結合膜７４は特に過酷な高温環境においても適切に機能しうると期待される。
（実施例２１）
　以下の膜構成を備える積層体２２１（図２１参照）を交換結合膜７４の特性評価の目的で製造した。以下の実施例および比較例では（）内の数値は膜厚（Å）を示す。積層体２２１を１５ｋＯｅの磁場中において３５０℃で２０時間アニール処理し、強磁性層からなる固定磁性層３と反強磁性層８４の磁化を固定して交換結合膜７４を含む積層体２２１を得た。
　基板ＳＢ：表面にアルミナ層が形成されたシリコン基板／下地層１：ＮｉＦｅＣｒ（４２）／非磁性材料層４：［Ｃｕ（３０）／Ｒｕ（１０）］／固定磁性層３：Ｃｏ４０ａｔ％Ｆｅ６０ａｔ％（１８）／反強磁性層８４［第１のＰｔＭｎ層８ｂ：Ｐｔ５０ａｔ％Ｍｎ５０ａｔ％（１６）／ＰｔＣｒ層８ｃ：Ｐｔ５１ａｔ％Ｃｒ４９ａｔ％（１３０）／第２のＰｔＭｎ層８ｄ：Ｐｔ５０ａｔ％Ｍｎ５０ａｔ％（３０）］／保護層６：Ｔａ（１００）
（実施例２２から実施例２６）
　以下の膜構成を備える積層体２２（図６参照）を交換結合膜４０の特性評価の目的で製造した。以下の実施例および比較例では（）内の数値は膜厚（Å）を示す。積層体２２を１５ｋＯｅの磁場中において３５０℃で２０時間アニール処理し、強磁性層からなる固定磁性層３と反強磁性層２の磁化を固定して交換結合膜４０を含む積層体２２を得た。
　基板ＳＢ：表面にアルミナ層が形成されたシリコン基板／下地層１：ＮｉＦｅＣｒ（４２）／非磁性材料層４：［Ｃｕ（３０）／Ｒｕ（１０）］／固定磁性層３：Ｃｏ４０ａｔ％Ｆｅ６０ａｔ％（１８）／反強磁性層２［ＩｒＭｎ層２ａ：Ｉｒ２０ａｔ％Ｍｎ８０ａｔ％（ｄ１）／第１のＰｔＭｎ層２ｂ：Ｐｔ５０ａｔ％Ｍｎ５０ａｔ％（１６）／ＰｔＣｒ層２ｃ：Ｐｔ５１ａｔ％Ｃｒ４９ａｔ％（１３０）／第２のＰｔＭｎ層２ｄ：Ｐｔ５０ａｔ％Ｍｎ５０ａｔ％（３０）］／保護層６：Ｔａ（１００）
　ＩｒＭｎ層２ａの厚さｄ１は２Åから１０Åの範囲で変更した。各実施例のｄ１を表１４に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000014
（実施例２７から実施例３１）
　以下の膜構成を備える積層体２２２（図２２参照）を交換結合膜７５の特性評価の目的で製造した。以下の実施例および比較例では（）内の数値は膜厚（Å）を示す。積層体２２２を１５ｋＯｅの磁場中において３５０℃で２０時間アニール処理し、強磁性層からなる固定磁性層３と反強磁性層８５の磁化を固定して交換結合膜７５を含む積層体２２２を得た。
　基板ＳＢ：表面にアルミナ層が形成されたシリコン基板／下地層１：ＮｉＦｅＣｒ（４２）／非磁性材料層４：［Ｃｕ（３０）／Ｒｕ（１０）］／固定磁性層３：Ｃｏ４０ａｔ％Ｆｅ６０ａｔ％（１８）／反強磁性層８５［Ｍｎ層８ａ１：Ｍｎ（Ｄ１）／第１のＰｔＭｎ層８ｂ：Ｐｔ５０ａｔ％Ｍｎ５０ａｔ％（１６）／ＰｔＣｒ層８ｃ：Ｐｔ５１ａｔ％Ｃｒ４９ａｔ％（１３０）／第２のＰｔＭｎ層８ｄ：Ｐｔ５０ａｔ％Ｍｎ５０ａｔ％（３０）］／保護層６：Ｔａ（１００）
　Ｍｎ層２ａ１の厚さｄ１は２Åから１０Åの範囲で変更した。各実施例のｄ１を表１４に示した。
　ＶＳＭ（振動試料型磁力計）を用いて、各実施例に係る交換結合膜７４、４０、７５の磁化曲線を測定し、得られたヒステリシスループから、交換結合磁界Ｈｅｘ（単位：Ｏｅ）、保磁力Ｈｃ（単位：Ｏｅ）、交換結合磁界Ｈｅｘの保磁力Ｈｃに対する比（Ｈｅｘ／Ｈｃ）を求めた。結果を表１４および図２２に示した。
　表１４および図２２に示されるように、実施例２１から実施例３１に係る交換結合膜７４、４０、７５は、高い交換結合磁界Ｈｅｘを有していた。また、実施例２１から実施例３１に係る交換結合膜７４、４０、７５は、いずれもＨｅｘ／Ｈｃが１よりも高くなった。したがって、実施例２１から実施例３１に係る交換結合膜を備える磁気検出素子（例えば磁気抵抗効果素子）は、強磁場環境下であっても優れた磁気特性を示すことができる。
（実施例４１から実施例４８および比較例４１から比較例４７）
　以下の膜構成を備える積層体２２１（図２１参照）を交換結合膜７４の特性評価の目的で製造した。以下の実施例および比較例では（）内の数値は膜厚（Å）を示す。積層体２２１を１０ｋＯｅの磁場中において３５０℃で２０時間アニール処理し、強磁性層からなる固定磁性層３と反強磁性層８４の磁化を固定して交換結合膜７４を含む積層体２２１を得た。
　基板ＳＢ：表面にアルミナ層が形成されたシリコン基板／下地層１：ＮｉＦｅＣｒ（４２）／非磁性材料層４：［Ｃｕ（３０）／Ｒｕ（１０）］／固定磁性層３：Ｃｏ９０ａｔ％Ｆｅ１０ａｔ％（１００）／反強磁性層８４［第１のＰｔＭｎ層８ｂ：Ｐｔ５０ａｔ％Ｍｎ５０ａｔ％（Ｄ２）／ＰｔＣｒ層８ｃ：Ｐｔ５１ａｔ％Ｃｒ４９ａｔ％（Ｄ３）／第２のＰｔＭｎ層８ｄ：Ｐｔ５０ａｔ％Ｍｎ５０ａｔ％（Ｄ４）］／保護層６：Ｔａ（１００）
　第１のＰｔＭｎ層８ｂの厚さＤ２は０Åまたは２０Åとした。ＰｔＣｒ層８ｃの厚さＤ３は０Åから１８０Åの範囲で変更した。第２のＰｔＭｎ層８ｄの厚さＤ４は０Åから１６０Åの範囲で変更した。反強磁性層８４の全体の厚さ（総厚）は１８０Åで固定した。各実施例のＤ２，Ｄ３およびＤ４を表１５に示した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000015
　ＶＳＭ（振動試料型磁力計）を用いて、各実施例に係る交換結合膜７４の磁化曲線を測定し、得られたヒステリシスループから、交換結合磁界Ｈｅｘ（単位：Ｏｅ）、保磁力Ｈｃ（単位：Ｏｅ）、交換結合磁界Ｈｅｘの保磁力Ｈｃに対する比（Ｈｅｘ／Ｈｃ）を求めた。結果を表１５ならびに図２４および図２５に示した。
　表１５ならびに図２４および図２５に示されるように、実施例４１から実施例４８に係る交換結合膜７４は、高い交換結合磁界Ｈｅｘを有していた。また、実施例４１から実施例４８に係る交換結合膜７４は、いずれもＨｅｘ／Ｈｃが比較例４１（０．１０）よりも高くなった。第２のＰｔＭｎ層８ｄの厚さＤ４の厚さが１０Å超６０Å未満である場合、好ましくは第２のＰｔＭｎ層８ｄの厚さＤ４の厚さが１５Å以上５５Å以下である場合、より好ましくは第２のＰｔＭｎ層８ｄの厚さＤ４の厚さが２０Å以上５０Å以下である場合（実施例４２から実施例４４）には、交換結合磁界ＨｅｘおよびＨｅｘ／Ｈｃが顕著に高くなることが確認された。したがって、実施例４１から実施例４８に係る交換結合膜７４を備える磁気検出素子（例えば磁気抵抗効果素子）は、強磁場環境下であっても優れた磁気特性を示すことができる。なお、比較例４２と実施例４３との対比より、交換結合磁界ＨｅｘおよびＨｅｘ／Ｈｃが顕著に高い実施例４３の構成において固定磁性層３側に位置する第１のＰｔＭｎ層８ｂをＰｔＣｒ層に変更することにより、交換結合磁界Ｈｅｘおよび保磁力Ｈｃの双方が著しく低下することが確認された。この点を換言すれば、反強磁性層８４の総厚１８０Åとの対比では極めて薄い厚さである２０Åの第１のＰｔＭｎ層８ｂが、交換結合磁界ＨｅｘおよびＨｅｘ／Ｈｃを高めることについて特に重要な役割を有していることが確認された。
（実施例５１から実施例５６および比較例５１から比較例５６）
　以下の膜構成を備える積層体２２１（図２１参照）を交換結合膜７４の特性評価の目的で製造した。以下の実施例および比較例では（）内の数値は膜厚（Å）を示す。積層体２２１を１５ｋＯｅの磁場中において３５０℃で２０時間アニール処理し、強磁性層からなる固定磁性層３と反強磁性層８４の磁化を固定して交換結合膜７４を含む積層体２２１を得た。
　基板ＳＢ：表面にアルミナ層が形成されたシリコン基板／下地層１：ＮｉＦｅＣｒ（４２）／非磁性材料層４：［Ｃｕ（３０）／Ｒｕ（１０）］／固定磁性層３：Ｃｏ９０ａｔ％Ｆｅ１０ａｔ％（Ｘ）またはＣｏ４０ａｔ％Ｆｅ６０ａｔ％（Ｘ）／反強磁性層８４［第１のＰｔＭｎ層８ｂ：Ｐｔ５０ａｔ％Ｍｎ５０ａｔ％（Ｄ２）／ＰｔＣｒ層８ｃ：Ｐｔ５１ａｔ％Ｃｒ４９ａｔ％（Ｄ３）／第２のＰｔＭｎ層８ｄ：Ｐｔ５０ａｔ％Ｍｎ５０ａｔ％（Ｄ４）］／保護層６：Ｔａ（１００）
　第１のＰｔＭｎ層８ｂの厚さＤ２は２０Åまたは１８０Åとした。ＰｔＣｒ層８ｃの厚さＤ３は０Åまたは１３０Åとした。第２のＰｔＭｎ層８ｄの厚さＤ４は０Åまたは３０Åとした。反強磁性層８４の全体の厚さ（総厚）は１８０Åで固定した。固定磁性層３の組成は、Ｃｏ９０ａｔ％Ｆｅ１０ａｔ％またはＣｏ４０ａｔ％Ｆｅ６０ａｔ％とし、それぞれの厚さＸを１８Åから１００Åの範囲で変更した。各実施例のＤ２，Ｄ３およびＤ４ならびにＸを表１６に示した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000016
　ＶＳＭ（振動試料型磁力計）を用いて、各実施例に係る交換結合膜７４の磁化曲線を測定し、得られたヒステリシスループから、交換結合磁界Ｈｅｘ（単位：Ｏｅ）、保磁力Ｈｃ（単位：Ｏｅ）、交換結合磁界Ｈｅｘの保磁力Ｈｃに対する比（Ｈｅｘ／Ｈｃ）を求めた。結果を表１６ならびに図２６から図２９に示した。
　表１６ならびに図２６から図２９に示されるように、固定磁性層３の組成に依らず、固定磁性層３の厚さが薄くなると、交換結合磁界ＨｅｘおよびＨｅｘ／Ｈｃは高くなる傾向が見られた。したがって、実施例５１から実施例５６に係る交換結合膜７４を備える磁気検出素子（例えば磁気抵抗効果素子）は、強磁場環境下であっても優れた磁気特性を示すことができる。特に、固定磁性層３の厚さが薄くてもよい場合には、固定磁性層３の厚さを調整することにより、交換結合磁界ＨｅｘおよびＨｅｘ／Ｈｃを高くすることが可能である。
（実施例６１から実施例７８ならびに比較例６１および比較例６２）
　以下の膜構成を備える積層体２２（図６参照）を交換結合膜４０の特性評価の目的で製造した。以下の実施例および比較例では（）内の数値は膜厚（Å）を示す。積層体２２を１５ｋＯｅの磁場中において３５０℃で２０時間アニール処理し、強磁性層からなる固定磁性層３と反強磁性層２の磁化を固定して交換結合膜４０を含む積層体２２２を得た。
　基板ＳＢ：表面にアルミナ層が形成されたシリコン基板／下地層１：ＮｉＦｅＣｒ（４２）／非磁性材料層４：［Ｃｕ（３０）／Ｒｕ（１０）］／固定磁性層３：Ｃｏ９０ａｔ％Ｆｅ１０ａｔ％（１００）／反強磁性層２［ＩｒＭｎ層２ａ：Ｉｒ２０ａｔ％Ｍｎ８０ａｔ％（８）／第１のＰｔＭｎ層２ｂ：Ｐｔ５０ａｔ％Ｍｎ５０ａｔ％（１２）／ＰｔＣｒ層２ｃ：Ｐｔ５１ａｔ％Ｃｒ４９ａｔ％（ｄ３）／第２のＰｔＭｎ層２ｄ：Ｐｔ５０ａｔ％Ｍｎ５０ａｔ％（ｄ４）］／保護層６：Ｔａ（１００）
　ＰｔＣｒ層２ｃの厚さｄ３は１３０Åまたは１６０Åとした。第２のＰｔＭｎ層２ｄの厚さｄ４は０Åから８０Åの範囲で変更した。各実施例のｄ３およびｄ４を表１７に示した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000017
　ＶＳＭ（振動試料型磁力計）を用いて、各実施例に係る交換結合膜４０の磁化曲線を測定し、得られたヒステリシスループから、交換結合磁界Ｈｅｘ（単位：Ｏｅ）、保磁力Ｈｃ（単位：Ｏｅ）、交換結合磁界Ｈｅｘの保磁力Ｈｃに対する比（Ｈｅｘ／Ｈｃ）を求めた。結果を表１７および図３０から図３３に示した。
　表１７ならびに図３０および図３２に示されるように、ＰｔＣｒ層２ｃの厚さｄ３に依らず、第２のＰｔＭｎ層２ｄが１０Å超６０Å未満である場合に、交換結合磁界ＨｅｘおよびＨｅｘ／Ｈｃは高くなる傾向が見られた。また、第２のＰｔＭｎ層２ｄが１０Å超６０Å未満である場合には、ＰｔＣｒ層２ｃの厚さｄ３が１３０Åであっても、１６０Åであっても、交換結合磁界Ｈｅｘの値およびＨｅｘ／Ｈｃの値はほぼ等しくなった。したがって、交換結合膜４０の第２のＰｔＭｎ層２ｄが１０Å超６０Å未満である場合には、ＰｔＣｒ層２ｃの厚さのばらつきが磁気特性に影響を与えにくくなることが確認された。
　さらに、一般的には、反強磁性層の厚さが厚くなると交換結合磁界ＨｅｘおよびＨｅｘ／Ｈｃは高くなる傾向が見られるところ、表１７ならびに図３１および図３３に示されるように、本発明例に係る交換結合膜４０では、反強磁性層２の総厚が厚くなると、交換結合磁界ＨｅｘおよびＨｅｘ／Ｈｃが特異的に高くなる厚さ領域を有する傾向が見られた。
（実施例８１から実施例１０５および比較例８１から比較例８３）
　以下の膜構成を備える積層体２２、２２１（図６、図２１参照）を交換結合膜４０、７４の特性評価の目的で製造した。以下の実施例および比較例では（）内の数値は膜厚（Å）を示す。積層体２２を１５ｋＯｅの磁場中において３５０℃で２０時間アニール処理し、強磁性層からなる固定磁性層３と反強磁性層２の磁化を固定して交換結合膜４０、７４を含む積層体２２、２２１を得た。
　基板ＳＢ：表面にアルミナ層が形成されたシリコン基板／下地層１：ＮｉＦｅＣｒ（４２）／非磁性材料層４：［Ｃｕ（３０）／Ｒｕ（１０）］／固定磁性層３：Ｃｏ９０ａｔ％Ｆｅ１０ａｔ％（１００）／反強磁性層２［ＩｒＭｎ層２ａ：Ｉｒ２０ａｔ％Ｍｎ８０ａｔ％（ｄ１）／第１のＰｔＭｎ層２ｂ：Ｐｔ５０ａｔ％Ｍｎ５０ａｔ％（ｄ２）／ＰｔＣｒ層２ｃ：Ｐｔ５１ａｔ％Ｃｒ４９ａｔ％（１３０）／第２のＰｔＭｎ層２ｄ：Ｐｔ５０ａｔ％Ｍｎ５０ａｔ％（３０）］／保護層６：Ｔａ（１００）
　ＩｒＭｎ層２ａの厚さｄ１は０Åから２０Åの範囲で変更し、第１のＰｔＭｎ層２ｂの厚さｄ２は０Åから２２Åの範囲で変更することにより、１８０Åから１８６Åの範囲の異なる総厚を有する交換結合膜４０を得た。各実施例のｄ１、第１のＰｔＭｎ層２ｂの厚さｄ２および総厚を表１８に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000018
　ＶＳＭ（振動試料型磁力計）を用いて、各実施例に係る交換結合膜４０の磁化曲線を測定し、得られたヒステリシスループから、交換結合磁界Ｈｅｘ（単位：Ｏｅ）、保磁力Ｈｃ（単位：Ｏｅ）、交換結合磁界Ｈｅｘの保磁力Ｈｃに対する比（Ｈｅｘ／Ｈｃ）を求めた。結果を表１８および図３４から図３６に示した。
　表１８および図３４から図３６に示されるように、ＩｒＭｎ層２ａの厚さｄ１が１２Å以下の範囲であれば、第１のＰｔＭｎ層２ｂの厚さｄ２が変動しても、高い交換結合磁界Ｈｅｘを維持できることが確認された。特に、ＩｒＭｎ層２ａが４Å以上１０Å以下の範囲であれば、高い交換結合磁界Ｈｅｘ、および高いＨｅｘ／Ｈｃ（具体的には１．０以上）を安定的に実現しうることが確認された。換言すれば、交換結合膜４０を製造する際に、第１のＰｔＭｎ層２ｂの厚さｄ２の公差を相対的に緩く設定することが可能であることが確認された。
（実施例１１１から実施例１２８および比較例１１１から比較例１３１）
　以下の膜構成を備える積層体２２（図６参照）を交換結合膜４０の特性評価の目的で製造した。以下の実施例および比較例では（）内の数値は膜厚（Å）を示す。積層体２２を１０ｋＯｅの磁場中において３５０℃で２０時間アニール処理し、強磁性層からなる固定磁性層３と反強磁性層２の磁化を固定して交換結合膜４０を含む積層体２２を得た。
　基板ＳＢ：表面にアルミナ層が形成されたシリコン基板／下地層１：ＮｉＦｅＣｒ（４２）／非磁性材料層４：［Ｃｕ（３０）／Ｒｕ（２０）］／固定磁性層３：Ｃｏ９０ａｔ％Ｆｅ１０ａｔ％（１００）／反強磁性層２［ＩｒＭｎ層２ａ：Ｉｒ２２ａｔ％Ｍｎ７８ａｔ％（ｄ１）／第１のＰｔＭｎ層２ｂ：Ｐｔ５０ａｔ％Ｍｎ５０ａｔ％（ｄ２）／ＰｔＣｒ層２ｃ：Ｐｔ５１ａｔ％Ｃｒ４９ａｔ％（ｄ３）／第２のＰｔＭｎ層２ｄ：Ｐｔ５０ａｔ％Ｍｎ５０ａｔ％（ｄ４）］／保護層６：／Ｔａ（１００）
　ＩｒＭｎ層２ａの厚さｄ１は０Åから８Åの範囲で変更した。第１のＰｔＭｎ層２ｂの厚さｄ２は０Åから３００Åの範囲で変更した。ＰｔＣｒ層２ｃの厚さｄ３は０Åから３００Åの範囲で変更した。第２のＰｔＭｎ層２ｄの厚さｄ４は０Åから３０Åの範囲で変更した。各実施例および各比較例のｄ１からｄ４および反強磁性層２の全体の厚さ（総厚）を表１９に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000019
　ＶＳＭ（振動試料型磁力計）を用いて、各実施例・比較例に係る交換結合膜４０の磁化曲線を測定し、得られたヒステリシスループから、交換結合磁界Ｈｅｘ（単位：Ｏｅ）を求めた。結果を表１９および図３７に示した。
　図３７の実施例１１１から実施例１１６の結果（黒丸、実線）に示されるように、交換結合膜７４のようにＭｎ含有層としてのＩｒＭｎ層２ａを有しない場合には、反強磁性層２の厚さが増えるにつれて交換結合磁界Ｈｅｘも大きくなり、反強磁性層２の総厚が３００Åにおいては交換結合磁界Ｈｅｘが５００Ｏｅ以上となった。したがって、強磁場耐性が特に求められる場合には、Ｍｎ含有層を有しない構成の交換結合膜４０が好ましい可能性がある。一方、図３７の実施例１２３から実施例１２８の結果（白丸、破線）に示されるように、交換結合膜４０のようにＩｒＭｎ層２ａを有する場合には、交換結合磁界Ｈｅｘの大きさは、反強磁性層２の総厚の影響を相対的に受けにくくなる。特に、反強磁性層２の総厚が１５０Åから３００Åの範囲であれば、交換結合磁界Ｈｅｘの大きさは３００Ｏｅから３５０Ｏｅの範囲で安定するため、この構成の交換結合膜４０は製造過程における成膜ばらつきの影響を受けにくいことが確認された。
Ｈｅｘ　交換結合磁界
Ｈｃ　保磁力
Ｍ０　残留磁化
Ｍｓ　飽和磁化
１０，２０，４０，７０，７１，７２，７３，７４，７５　交換結合膜
１　下地層
２，８０，８１，８２，８３，８４，８５　反強磁性層
２ａ　ＩｒＭｎ層
２ｂ，８ｂ　第１のＰｔＭｎ層
２ｃ，８ｃ　ＰｔＣｒ層
２ｄ，８ｄ　第２のＰｔＭｎ層
３　固定磁性層（強磁性層）
３Ａ　第１磁性層
３Ｂ　非磁性中間層
３Ｃ　第２磁性層
４　非磁性材料層
５　フリー磁性層
６　保護層
８ａ　Ｍｎ含有層
８ａ１　Ｍｎ層
ｄ１　ＩｒＭｎ層２ａの膜厚
Ｄ１　Ｍｎ含有層の膜厚
ｄ２，Ｄ２　第１のＰｔＭｎ層２ｂの膜厚
ｄ３，Ｄ３　ＰｔＣｒ層２ｃの膜厚
ｄ４，Ｄ４　第２のＰｔＭｎ層２ｂの膜厚
１１，１１Ｘａ，１１Ｘｂ，１１Ｙａ，１１Ｙｂ，２１，１１０，１１１　磁気検出素子２２，２２１，２２２　積層体
３０　磁気センサ（磁気検出装置）
Ｐ　固定磁性層３の固定磁化方向
Ｐ１　第１磁性層３Ａの固定磁化方向
Ｐ２　第２磁性層３Ｃの固定磁化方向
３２Ｘ，３２Ｙ　フルブリッジ回路
３３　電源端子
Ｖｄｄ　電源電圧
３４　接地端子
ＧＮＤ　接地電位
３２Ｘａ　フルブリッジ回路３２Ｘの第１の直列部
３５Ｘａ　第１の直列部３２Ｘａの中点
ＯｕｔＸ１　第１の直列部３２Ｘａの中点３５Ｘａの出力電位
３２Ｘｂ　フルブリッジ回路３２Ｘの第２の直列部
３５Ｘｂ　第２の直列部３２Ｘｂの中点
ＯｕｔＸ２　第２の直列部３２Ｘｂの中点３５Ｘｂの出力電位
３２Ｙａ　フルブリッジ回路３２Ｙの第１の直列部
３５Ｙａ　第１の直列部３２Ｙａの中点
ＯｕｔＹ１　第１の直列部３２Ｙａの中点３５Ｙａの出力電位
３２Ｙｂ　フルブリッジ回路３２Ｙ第２の直列部
３５Ｙｂ　第２の直列部３２Ｙｂの中点
ＯｕｔＹ２　第２の直列部３２Ｙｂの中点３５Ｙｂの出力電位
Ｈ　外部磁場
１２　素子部
１３ａ，１３ｂ　導電部
１４ａ，１４ｂ　接続端子
ＳＢ　基板

Claims (14)

  1. 　反強磁性層と強磁性層とが積層され、
    　前記反強磁性層は、ＩｒＭｎ層、第１のＰｔＭｎ層、ＰｔＣｒ層および第２のＰｔＭｎ層が、この順番で前記ＩｒＭｎ層が前記強磁性層に近位になるように積層された構造を有することを特徴とする交換結合膜。
  2. 　前記ＩｒＭｎ層と前記強磁性層との間にさらにＰｔＭｎ層が積層された構造を有する、請求項１に記載の交換結合膜。
  3. 　反強磁性層と強磁性層とが積層され、
    　前記反強磁性層は、第１のＰｔＭｎ層、ＰｔＣｒ層および第２のＰｔＭｎ層が、この順番で前記第１のＰｔＭｎ層が前記強磁性層に近位になるように積層され、前記ＰｔＣｒ層の厚さが前記第１のＰｔＭｎ層の厚さおよび前記第２のＰｔＭｎ層の厚さのいずれよりも厚い構造を有することを特徴とする交換結合膜。
  4. 　前記反強磁性層は、前記第１のＰｔＭｎ層と前記強磁性層との間に、Ｍｎの含有量が５０原子％超であるＭｎ含有層を有してなる、請求項３に記載の交換結合膜。
  5. 　前記Ｍｎ含有層は、複数の層が積層されてなる、請求項４に記載の交換結合膜。
  6. 　前記Ｍｎ含有層は、ＩｒＭｎ層およびＭｎ層からなる群から選ばれる少なくとも１層を含む、請求項４または請求項５に記載の交換結合膜。
  7. 　前記Ｍｎ含有層の厚さは１２Å以下である、請求項４から請求項６のいずれか１項に記載の交換結合膜。
  8. 　前記第２のＰｔＭｎ層の厚さが０Å超６０Å未満である、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の交換結合膜。
  9. 　前記第２のＰｔＭｎ層の厚さが１５Å以上５５Å以下である、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の交換結合膜。
  10. 　前記ＰｔＣｒ層の厚さが１００Å以上である、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の交換結合膜。
  11. 　前記反強磁性層の全体の厚さが２００Å以下である、請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の交換結合膜。
  12. 　請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の交換結合膜とフリー磁性層とが積層され、前記交換結合膜の強磁性層は、固定磁性層の少なくとも一部を構成することを特徴とする磁気抵抗効果素子。
  13. 　請求項１２に記載の磁気抵抗効果素子を備えていることを特徴とする磁気検出装置。
  14. 　同一基板上に請求項１２に記載の磁気抵抗効果素子を複数備えており、
    　複数の前記磁気抵抗効果素子には、前記固定磁性層の固定磁化方向が異なるものが含まれる請求項１３に記載の磁気検出装置。
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