生体磁気センサー及びその製造方法
【課題】トンネル磁気抵抗素子を利用した生体磁気センサーにおいて、トンネル磁気抵抗素子の高感度を達成し、高精度に生体磁気を計測する。
【解決手段】ゼロ磁界での強磁性金属磁化自由層４の容易磁化軸４ａは、強磁性金属磁化固定層６の容易磁化軸６ａに対してねじれの位置にある。好ましくはねじれの角が４５度から１３５度である。また、当該固定層が自由層より上層に積層され、固定層の面積は自由層の面積に対して小さくされる。当該固定層及び自由層がそれぞれ３層とされ、極薄非磁性体金属層を介して第１の強磁性体の磁化の向きと前記第２の強磁性体の磁化の向きとが反平行になる交換結合力を有する反平行結合膜構造体とされる。絶縁層としてはＭｇＯ、極薄非磁性体金属層としてはＲｕが適用される。
【解決手段】ゼロ磁界での強磁性金属磁化自由層４の容易磁化軸４ａは、強磁性金属磁化固定層６の容易磁化軸６ａに対してねじれの位置にある。好ましくはねじれの角が４５度から１３５度である。また、当該固定層が自由層より上層に積層され、固定層の面積は自由層の面積に対して小さくされる。当該固定層及び自由層がそれぞれ３層とされ、極薄非磁性体金属層を介して第１の強磁性体の磁化の向きと前記第２の強磁性体の磁化の向きとが反平行になる交換結合力を有する反平行結合膜構造体とされる。絶縁層としてはＭｇＯ、極薄非磁性体金属層としてはＲｕが適用される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生体から発生する磁界を感知する生体磁気センサー及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、生体から発生する磁界を計測する装置として、ＳＱＵＩＤ（Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ Ｄｅｖｉｃｅ：超伝導量子干渉素子）センサーを用いた生体磁気計測装置が研究されている（特許文献１−５）。多数のＳＱＵＩＤセンサーを配列させて生体磁気の計測に用いることで、脳磁図、心磁図等の２次元生体磁気情報を得ることができる。
ＳＱＵＩＤセンサーにより生体磁気計測を行うためには、ＳＱＵＩＤセンサーを液体ヘリウムなどの冷媒により超伝導状態に保つ必要がある。そのため、ＳＱＵＩＤセンサーは、冷媒が貯留されたデュワに内蔵され、この冷媒に浸漬された状態で計測に用いられる。
このデュワの冷媒槽の外壁部の一部を、生体の計測対象部位、例えば頭蓋に対応した形状に形成し、この外壁部の内側に多数のＳＱＵＩＤセンサーを配列させて冷媒に浸漬し、外壁部の外側を生体に接触させることにより、多数のＳＱＵＩＤセンサーを生体に対して一定の距離に近接させて計測し、脳磁図等を得ることができる生体磁気計測装置が提案されている。
【０００３】
一方、特許文献６には、第１の強磁性体と、第２の強磁性体と、前記第１の強磁性体と前記第２の強磁性体との間に挟まれて存在する極薄非磁性体金属層とを具え、前記第１の強磁性体の磁化の向きと前記第２の強磁性体の磁化の向きとが反平行になる交換結合力を有する反平行結合膜構造体、並びに、当該反平行結合膜構造体を磁化自由層又は磁化固定層に適用したトンネル磁気抵抗素子及び磁気デバイスが記載されており、反平行結合膜構造体により、磁化の熱揺らぎ及び書き込み電流の増大の問題が解決できることが説明されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平２−４０５７８号公報
【特許文献２】特開平３−１８３９号公報
【特許文献３】特開２０００−１９３３６４号公報
【特許文献４】特開２００４−６５６０５号公報
【特許文献５】特開２００７−１７２４８号公報
【特許文献６】特開２０１０−１０２３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＳＱＵＩＤセンサーを用いた生体磁気計測装置にあっては、センサーを低温に保つ冷媒が必要となり、そのために装置が大型化し、被検部に対してセンサーを近接して柔軟に対応することや、センサーを高密度に配置したりすることが難しいなどの問題がある。
そこで本願発明者らは、常温で使用可能で、小型軽薄化、高密度化等が可能なセンサーデバイスとして、トンネル磁気抵抗素子（ＴＭＲ（Tunnel Magneto Resistive）素子）を生体磁気の計測に適用することを考える。
【０００６】
しかし、生体磁気信号は非常に微弱であるため、生体磁気信号をトンネル磁気抵抗素子で検出するためには、トンネル磁気抵抗素子の強磁性金属磁化自由層の感度を極限まで高めなければならない。
従来技術にあっては、製造工程上、強磁性金属磁化自由層と強磁性金属磁化固定層は同時に磁場中にて熱処理されるためこの２つの層の容易磁化方向は同じ方向であった。
強磁性磁化自由層の磁化方向は、基本的には外部磁界によって変化するが、本願発明者らの研究により、強磁性金属磁化自由層の容易磁化軸と強磁性磁化固定層の容易磁化軸が同じ方向の場合は、お互いからの漏れ磁界の影響で、強磁性金属磁化自由層は、磁気エネルギーの観点から不安定の状態になると考えられ、感度向上及びノイズ上昇に対する一つの阻害要因となり得るとの知見を得るに至った。
【０００７】
本発明は以上の従来技術における問題に鑑みてなされたものであって、トンネル磁気抵抗素子を利用した生体磁気センサーにおいて、トンネル磁気抵抗素子の高感度化を達成し、高精度に生体磁気を計測することができる生体磁気センサー及びその製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
以上の課題を解決するための請求項１記載の発明は、磁化の向きが固定された強磁性金属磁化固定層、外部からの磁界の影響を受けて磁化の向きが変化する強磁性金属磁化自由層、及び、前記強磁性金属磁化固定層と前記強磁性金属磁化自由層との間に配置された絶縁層を有し、前記強磁性金属磁化固定層の磁化の向きと前記強磁性金属磁化自由層の磁化の向きとの角度差に従ってトンネル効果により前記絶縁層の抵抗を変化させるトンネル磁気抵抗素子を含む生体磁気センサーにおいて、
ゼロ磁界での前記強磁性金属磁化自由層の容易磁化軸は、前記強磁性金属磁化固定層の容易磁化軸に対してねじれの位置にあることを特徴とする生体磁気センサーである。
ここで、「ねじれの位置」とは、空間内の２直線が平行でなく、かつ、交わっていない位置関係、すなわち、同一平面に存在できない２直線の位置関係をいう。ねじれの位置にある２直線に直交する直線を「ねじれの軸」といい、ねじれの軸まわりの一方の直線に対する他方の直線の相対角を「ねじれの角」という。
【０００９】
請求項２記載の発明は、前記強磁性金属磁化固定層の面積は、前記強磁性金属磁化自由層の面積に対して小さいことを特徴とする請求項１に記載の生体磁気センサーである。
【００１０】
請求項３記載の発明は、前記強磁性金属磁化自由層及び前記強磁性金属磁化固定層はそれぞれ、第１の強磁性体と、第２の強磁性体と、前記第１の強磁性体と前記第２の強磁性体との間に挟まれて存在する極薄非磁性体金属層とを備え、前記第１の強磁性体の磁化の向きと前記第２の強磁性体の磁化の向きとが反平行になる交換結合力を有する反平行結合膜構造体であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の生体磁気センサーである。
【００１１】
請求項４記載の発明は、前記強磁性金属磁化自由層及び前記強磁性金属磁化固定層を含む積層体を支持する基板から見て、前記強磁性金属磁化固定層が前記強磁性金属磁化自由層より上層に形成されていることを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３に記載の生体磁気センサーである。
【００１２】
請求項５記載の発明は、前記絶縁層は、ＭｇＯから成ることを特徴とする請求項１から請求項４のうちいずれか一に記載の生体磁気センサーである。
【００１３】
請求項６記載の発明は、前記極薄非磁性体金属層は、Ｒｕから成ることを特徴とする請求項３に記載の生体磁気センサーである。
【００１４】
請求項７記載の発明は、ゼロ磁界での前記強磁性金属磁化自由層の容易磁化軸と、前記強磁性金属磁化固定層の容易磁化軸とのねじれの角は、４５度から１３５度であることを特徴とする請求項１から請求項６のうちいずれか一に記載の生体磁気センサーである。
【００１５】
請求項８記載の発明は、磁化の向きが固定された強磁性金属磁化固定層、外部からの磁界の影響を受けて磁化の向きが変化する強磁性金属磁化自由層、及び、前記強磁性金属磁化固定層と前記強磁性金属磁化自由層との間に配置された絶縁層を有し、前記強磁性金属磁化固定層の磁化の向きと前記強磁性金属磁化自由層の磁化の向きとの角度差に従ってトンネル効果により前記絶縁層の抵抗を変化させるトンネル磁気抵抗素子を作製し、
前記磁気抵抗素子に対して、外部磁界を印加しながら第１の温度で第１の熱処理を行い、該第１の熱処理よりも低い温度でかつ前記第１の熱処理とは向きを異ならせて外部磁界を印加しながら第２の熱処理を行うことで、ゼロ磁界での前記強磁性金属磁化自由層の容易磁化軸を、前記強磁性金属磁化固定層の容易磁化軸に対してねじれの位置にすることを特徴とする生体磁気センサーの製造方法である。
【００１６】
請求項９記載の発明は、前記強磁性金属磁化固定層の面積を、前記強磁性金属磁化自由層の面積に対して小さく形成することを特徴とする請求項８に記載の生体磁気センサーの製造方法である。
【００１７】
請求項１０記載の発明は、前記強磁性金属磁化自由層及び前記強磁性金属磁化固定層を、それぞれ、第１の強磁性体と、第２の強磁性体と、前記第１の強磁性体と前記第２の強磁性体との間に挟まれて存在する極薄非磁性体金属層とを備え、前記第１の強磁性体の磁化の向きと前記第２の強磁性体の磁化の向きとが反平行になる交換結合力を有する反平行結合膜構造体として作製することを特徴とする請求項８又は請求項９に記載の生体磁気センサーの製造方法である。
【００１８】
請求項１１記載の発明は、前記強磁性金属磁化自由層及び前記強磁性金属磁化固定層を含む積層体を支持する基板から見て、前記強磁性金属磁化固定層を前記強磁性金属磁化自由層より上層に形成することを特徴とする請求項８、請求項９又は請求項１０に記載の生体磁気センサーの製造方法である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、強磁性金属磁化自由層の容易磁化軸と強磁性体金属磁化固定層の容易磁化軸とが、ゼロ磁界で既に異なった方向に向いている状態であり、この状態に外部磁界が印加されると、強磁性金属磁化固定層から発生する漏れ磁場の影響が小さく抑えられて強磁性金属磁化自由層の外部磁界に対しての感度が向上する、即ち、トンネル磁気抵抗素子の高感度化を達成し、高精度に生体磁気を計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態に係る生体磁気センサーの構成図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るトンネル磁気抵抗素子の模式的斜視図であり、絶縁層を省略して描いている。
【図３】本発明の一実施形態に係るトンネル磁気抵抗素子の磁場中熱処理工程における炉中温度の変遷を示すグラフである。
【図４】比較例に係り、外部磁界（Ｈ（Ｏｅ）、横軸）に対するトンネル磁気抵抗素子の抵抗の変化率（ＭＲ（％）、縦軸）を示したグラフである。
【図５】比較例に係り、外部磁界（Ｈ（Ｏｅ）、横軸）に対するトンネル磁気抵抗素子の抵抗の変化率（ＭＲ（％）、縦軸）を示したグラフであり、図４のグラフに対し横軸を拡大している。
【図６】本発明の実施例に係り、外部磁界（Ｈ（Ｏｅ）、横軸）に対するトンネル磁気抵抗素子の抵抗の変化率（ＭＲ（％）、縦軸）を示したグラフである。
【図７】本発明の実施例に係り、外部磁界（Ｈ（Ｏｅ）、横軸）に対するトンネル磁気抵抗素子の抵抗の変化率（ＭＲ（％）、縦軸）を示したグラフであり、図６のグラフに対し横軸を拡大している。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下に本発明の一実施形態につき図面を参照して説明する。以下は本発明の一実施形態であって本発明を限定するものではない。
【００２２】
本実施形態の生体磁気センサーは、代表的な例としては、人の頭蓋から発せられる磁界を計測して脳磁図を得る生体磁気計測に利用されるものであり、必要な本数の生体磁気センサーが組み込まれ各種の生体磁気計測システムが構成され、生体から発せられる磁界の計測が実施される。
【００２３】
図１に示すように本生体磁気センサー１は、トンネル磁気抵抗素子（以下「ＴＭＲ素子」という。）１０を含んで構成される。
図１に示すように本生体磁気センサー１は、基板２上に、下部電極層３、強磁性金属磁化自由層４、絶縁層５、強磁性金属磁化固定層６、固定化促進層７、上部電極層８が順次積層された積層構造を有する。
ＴＭＲ素子１０は、強磁性金属磁化固定層６の磁化の向きと強磁性金属磁化自由層４の磁化の向きとの角度差に従ってトンネル効果により絶縁層５の抵抗を変化させる。
上部電極層８と下部電極層３との間には、電流を入力するための電源１１と定抵抗１２とが直列に接続され、さらに絶縁層５の抵抗値の変化を電圧値の変化として検知する電圧計１３に接続されて本生体磁気センサー１は実装される。なお、ＴＭＲ素子１０に対して電圧を印加し、ＴＭＲ素子１０の絶縁層５に流れる電流を検出することで絶縁層５の抵抗値の変化を検出するようにしても構わない。
【００２４】
基板２としては、各層の形成に耐え得るものであれば特に材質に限定はないが、成膜時や熱処理等に耐え得る耐熱性と絶縁性とを兼ね備えたものが好ましい。また、磁束の吸い込みを防止するために非磁性であり、表面が比較的滑らかに形成されるものであることが好ましい。このような観点からは、例えば、Ｓｉ、ＳｉＯ2等が使用できる。
【００２５】
下部電極層３は、３つの層３１，３２，３３からなる。層３１は、基板２の粗さを整えるためのものであり、例えば、Ｔａが使用できる。層３１の層厚は２ｎｍ〜１０ｎｍ程度とすることが好ましい。層３２としてはＲｕ、層３３としてはＴａが使用できる。
【００２６】
強磁性金属磁化自由層４は、外部からの磁束の影響を受けて磁化の向きが変化する強磁性金属磁化層で、第１の強磁性体層４１と、極薄非磁性体金属層４２と、第２の強磁性体層４３とからなる。
第１の強磁性体層４１としては、例えば、Ｎｉ79Ｆｅ21が使用できる。第１の強磁性体層４１の層厚は１０ｎｍ〜２００ｎｍ程度が好ましい。
極薄非磁性体金属層４２は、第１の強磁性体層４１と第２の強磁性体層４３とを磁気的に結合させるとともに、後者を前者の結晶構造から切り離すためのものであり、結晶構造を有さない薄膜層を用いるのが望ましい。具体的な材料の例としてはＲｕが挙げられる。極薄非磁性体金属層４２の層厚は０．５〜１ｎｍ程度とすることが好ましい。
第２の強磁性体層４３としては、各種のものが使用可能であるが、代表的なものとして、Ｃｏ40Ｆｅ40Ｂ20をアモルファス構造から熱処理して強磁性を発現させたものが使用できる。この層の結晶構造は例えば体心立方晶である。Ｆｅリッチの材料、例えば、Ｃｏ16Ｆｅ64Ｂ20を用いることもできる。第２の強磁性体層４３の層厚は１〜１０ｎｍ程度が好ましい。第２の強磁性体層４３が絶縁層５の下面に接合する。
強磁性金属磁化自由層４は、以上のように第１の強磁性体層４１と。第２の強磁性体層４３と、これらの間に挟まれて存在する極薄非磁性体金属層４２を備え、第１の強磁性体層４１の磁化の向きと第２の強磁性体層４３の磁化の向きとが反平行になる交換結合力を有する反平行結合膜構造体を構成する。ここで「反平行」とは、磁界の向きが実質的に平行で、かつ逆方向を向いていることを意味し、実質的に磁界の向きが平行とみなせる範囲（例えば、前後へ１０度傾いた範囲）にある場合も含む。
【００２７】
絶縁層５は、強磁性金属磁化固定層６と強磁性金属磁化自由層４との間に配置される。絶縁層５としては、各種の絶縁材料を用いることができ、例えば、ＭｇＯ、ＡｌＯｘ等が使用できる。素子の感度を向上させるという観点からはＭｇＯが好ましく、特に、生体磁気信号のような微弱磁界をトンネル磁気抵抗素子で検出するためには、絶縁層５としてＭｇＯ膜を用いることが好ましい。絶縁層５の層厚は、１ｎｍ〜１０ｎｍ程度にすることが望ましい。
【００２８】
強磁性金属磁化固定層６は、磁化の向きが固定された強磁性金属磁化層で、第１の強磁性体層６１と、極薄非磁性体金属層６２と、第２の強磁性体層６３とからなる。
第１の強磁性体層６１としては、自由層４の第１の強磁性体層４３と同様のもの、例えば、Ｃｏ40Ｆｅ40Ｂ20が使用できる。第１の強磁性体層６１の層厚は１〜１０ｎｍ程度が好ましい。第２の強磁性体層６１は絶縁層５の上面に接合する。
極薄非磁性体金属層６２は、第１の強磁性体層４１と第２の強磁性体層４３とを磁気的に結合させるとともに、後者を前者の結晶構造から切り離すためのものであり、結晶構造を有さない薄膜層を用いるのが望ましい。具体的な材料の例としてはＲｕが挙げられる。極薄非磁性体金属層６２の層厚は０．５〜１ｎｍ程度とすることが好ましい。
第２の強磁性体層６３としては、例えば、ＣｏＦｅが使用できる。ＣｏとＦｅの組成比は任意に設定できるが、典型的には、Ｃｏ：Ｆｅ＝７５：２５又はＣｏ：Ｆｅ＝５０：５０とすることができる。第２の強磁性体層６３の結晶構造は例えば面心立方晶である。第２の強磁性体層６３の層厚としては、０．５ｎｍ〜５ｎｍ程度とすることが好ましい。
強磁性金属磁化固定層６は、以上のように第１の強磁性体層６１と、第２の強磁性体層６３と、これらの間に挟まれて存在する極薄非磁性体金属層６２を備え、第１の強磁性体層６１の磁化の向きと第２の強磁性体層６３の磁化の向きとが反平行になる交換結合力を有する反平行結合膜構造体を構成する。
【００２９】
固定化促進層７は、第２の強磁性体層６３の固定化を促進するためのものであり、ＩｒＭｎ、プラチナマンガンなどの反強磁性膜が好適に用いられる。第２の強磁性体層６３の結晶構造は例えば面心立方晶とする。固定化促進層７の層厚は５ｎｍ〜２０ｎｍ程度とすることが好ましい。
【００３０】
上部電極層８は、２つの層８１，８２からなる。層８１は、層８２の下地層で固定化促進層７の粗さを整えるためのものであり、例えば、Ｔａが使用できる。層８１の層厚は２ｎｍ〜１０ｎｍ程度とすることが好ましい。層８２は電極が接続される上層であり、例えば、Ａｕが使用できる。層８２の層厚は２０ｎｍ〜４０ｎｍ程度とすることが好ましい。
【００３１】
各層は、例えば、マグネトロンスパッタリング法により形成することができる。また、所望の結晶構造を得る等の目的のために、必要に応じて熱処理を施すとよい。本実施形態にあっては、図２に示すように、ゼロ磁界での強磁性金属磁化自由層４の容易磁化軸４ａは、強磁性金属磁化固定層６の容易磁化軸６ａに対してねじれの位置にある。このような関係の容易磁化軸４ａ，６ａを得るために、各層を積層した基板２を炉に納めるとともに磁界中に置き、図３に示すように温度条件の異なる２回の熱処理を行う。
まず、第１熱処理を行うことで強磁性金属磁化自由層４の容易磁化軸４ａが形成される。第２熱処理の温度変遷グラフＡ２における頂点温度は、第１熱処理の温度変遷グラフＡ１における頂点温度より低く（好適には１０℃以上低く）、第１熱処理の後、好ましくは室温付近まで冷却した後、第２熱処理を行うことで強磁性金属磁化固定層６の容易磁化軸６ａが形成される。容易磁化軸４ａは、第１熱処理時の磁界方向に沿って形成される。容易磁化軸６ａは、第２熱処理時の磁界方向に沿って形成される。したがって、第１熱処理時の磁界方向に対し第２熱処理時の磁界方向を変えることで容易磁化軸６ａを容易磁化軸４ａに対してねじれの位置にすることができる。第１熱処理時の磁界方向及び第２熱処理時の磁界方向は層に平行である。したがって、基板２上の積層方向の軸（＝基板２に垂直な軸）まわりに磁界方向を回転させることで、容易磁化軸６ａを容易磁化軸４ａに対してねじれの位置にすることができる。熱処理時間に特に制限はなく、例えば１０分〜２時間程度行えばよく、また、第１熱処理よりも第２熱処理の時間を短くすることが好ましい。熱処理の際の磁界にも特に制限はなく、例えば０．０１〜２［Ｔ］の範囲で行えばよく、また、第１熱処理よりも第２熱処理における外部磁界を小さくすることが好ましい。
【００３２】
図２(a)に示すように容易磁化軸４ａと容易磁化軸６ａとのねじれの角φは９０度を目標として作製すれば足りる。図２(b)に示すように容易磁化軸４ａと容易磁化軸６ａが並行でなければ、両者の成すねじれの各φが９０度でなくても感度向上の効果はあるが、ねじれの角φは、４５度から１３５度の範囲とすることが好ましい。
【００３３】
また、強磁性金属磁化固定層６の面積は、強磁性金属磁化自由層４の面積と等しいか、図２に示すように、強磁性金属磁化自由層４の面積に対して小さくする。強磁性金属磁化固定層６の面積を相対的に小さくすることで、固定層６から自由層４への漏れ磁界の影響が小さくなり、磁気検出の感度をさらに向上させることができる。強磁性金属磁化固定層６の面積と、強磁性金属磁化自由層４の面積との比率は、これに限るものではないが、１：１〜１：１０の範囲に設定することが好ましい。
【００３４】
また、図１を参照して説明したように、強磁性金属磁化自由層４及び強磁性金属磁化固定層６を含む積層体を支持する基板２から見て、強磁性金属磁化固定層６が強磁性金属磁化自由層４より上層に（すなわち、基板２からより遠い側に）形成されている。このような上下関係とすることにより、強磁性金属磁化固定層６等が積層された基板表面からの選択的エッチングにより、強磁性金属磁化固定層６の面積を、強磁性金属磁化自由層４の面積に対して小さく形成することが容易である。
【００３５】
以上説明した本実施形態の生体磁気センサー１によれば、強磁性金属磁化自由層４の容易磁化軸４ａと強磁性体金属磁化固定層６の容易磁化軸６ａとが、ゼロ磁界で既に異なった方向に向いている状態であり、この状態から外部磁界が発生すると、強磁性金属磁化固定層６から発生する漏れ磁界などの悪影響が小さく抑えられて強磁性金属磁化自由層４の磁化が外部磁界に対して高感度に変化する。
また本実施形態の生体磁気センサー１によれば、強磁性金属磁化固定層６の面積は、強磁性金属磁化自由層４の面積に対して小さいため、これによっても、固定層６から自由層４への漏れ磁界の影響が小さく抑えられる。
さらに本実施形態の生体磁気センサー１によれば、強磁性金属磁化固定層６は反平行結合膜構造体であるために漏れ磁界が少なくなり、これによっても、固定層６から自由層４への漏れ磁界の影響が小さく抑えられる。
また本実施形態の生体磁気センサー１によれば、強磁性金属磁化自由層４は同様に反平行結合膜構造体であるので、漏れ磁束のない安定した磁化膜を構成することができる。
以上の各技術要素の複合によって、ＴＭＲ素子の高感度を達成することができ、高精度に生体磁気を計測することができる。
特に、ゼロ磁界近傍で高感度な生体磁気計測に好適な生体磁気センサーとすることができる。
【００３６】
なお、本生体磁気センサー１はＴＭＲ素子を利用するため、常温で使用可能な磁気センサーであり、冷却のための冷媒も外部からの熱の侵入を断つための断熱材も不要となり、本生体磁気センサー１を実装したセンサユニットをより軽薄に構成できる。そして、センサユニットをより軽薄に構成できるので、人手で扱って被検者の計測対象部位に覆うように当てたり、被検者に装着させたりできる簡素で柔軟な形態に構成でき、ひいては、被験者の体の大きさや体型によらず、被験部に対して一定の距離にＴＭＲ素子が配置され正確な計測を行うことができる。また、ＳＱＵＩＤに比較して安価に構成でき、低消費電力である。
【実施例】
【００３７】
以上説明した、強磁性金属磁化自由層４の容易磁化軸４ａと，強磁性金属磁化固定層６の容易磁化軸６ａとがねじれの位置関係にある、図１に示す構成を備える生体磁気センサー１と、容易磁化軸がねじれの位置関係にない生体磁気センサーとの磁気検出感度の比較を行った。
具体的には以下の手順で本発明実施例及び比較例の生体磁気センサーを作製した。
マクネトロンスパッタリング装置を用いて、ＳｉＯ2基板上に、層３１としてＴａを５ｎｍ、層３２としてＲｕを１０ｎｍ、層３３としてＴａを５ｎｍ、層４１としてＮｉ79Ｆｅ21を１０，２０，７０，１５０，２００ｎｍ、層４２としてＲｕを０．８５ｎｍ、層４３としてＣｏ40Ｆｅ40Ｂ20を３ｎｍ、層５としてＭｇＯを２．５ｎｍ、層６１としてＣｏ40Ｆｅ40Ｂ20を３ｎｍ、層６２としてＲｕを０．８５ｎｍ、層６３としてＣｏ75Ｆｅ25を５ｎｍ、層７としてＩｒＭｎを１０ｎｍ、層８１としてＴａを５ｎｍ、層８２としてＡｕを３０ｎｍ、順次積層した。膜厚は成膜速度と成膜時間から換算して求めた。次に、層８２の上にフォトリソプロセスでレジストパターニングをした後、層４３に達するまでＡｒイオンミリングを行うことで、強磁性金属磁化固定層６の面積と強磁性金属磁化自由層４の面積が１：３．５の比率になるように加工し、レジスト膜を除去した。
こうして得られた積層体を、第１熱処理として外部磁場１［Ｔ］を印加しながら３２５℃で５０分間熱処理を行った。室温に冷却後、この積層体の配置方向を変えることにより、第１熱処理時の磁場の磁界方向とは９０度交差する磁界方向の外部磁場０．１［Ｔ］を印加しながら、３００℃で２０分間熱処理を行った（第２熱処理）。室温まで冷却した後、抵抗、電源、電圧計を電気的に接続し、本発明実施例の生体磁気センサーとした。比較例にあっては、上述の第２熱処理における磁界方向を第１熱処理の磁界方向から変えないようにしたこと以外は上記実施例と同じ手順を実行することにより、強磁性金属磁化自由層の容易磁化軸と、強磁性金属磁化固定層の容易磁化軸とが同方向である生体磁気センサーを作製した。
【００３８】
こうして得られた実施例及び比較例のセンサーについて磁気検出性能を測定した。具体的には、ヘルムホルツコイル内に測定対象のセンサーを配置し、センサーに数μＡの定電流を流しながら、コイルの磁界を−１８００［Ｏｅ］から、＋１８００［Ｏｅ］へ、次いで−１８００［Ｏｅ］へと変化させ、センサーの出力電圧を検出することで、外部磁場に対するセンサーの抵抗変化率を測定した。
図４から図７は、こうして得られた外部磁界（Ｈ（Ｏｅ）、横軸）に対するＴＭＲ素子の抵抗の変化率（ＭＲ（％）、縦軸）を示したグラフである。図４及び図５は比較例に係り、図６及び図７は本発明例に係る。図５、図７は、それぞれ、図４、図６のゼロ磁界付近の拡大図である。それぞれ横軸の目盛りが異なることに留意する。これらのグラフにおいて、ゼロ磁界を含む直線的部分での変化によって生体磁気の検出を行う。比較例のグラフと本発明実施例のグラフとを比較すればわかるように、ゼロ磁界を含む直線的部分が、比較例より本発明実施例の方が急峻な傾きを持っていて、外部磁界の変化に対してＴＭＲ素子抵抗が大きく変化する、すなわち、高感度であり、微弱な生体磁気を高精度に測定することに有利である。
【００３９】
なお、以上の実施形態に拘わらず、強磁性金属磁化層に反平行結合膜構造体を適用する場合にあっては、強磁性金属磁化自由層及び強磁性金属磁化固定層のうちいずれか一方のみに反平行結合膜構造体を適用してもよく、強磁性金属磁化自由層を反平行結合膜構造体とする効果、強磁性金属磁化固定層を反平行結合膜構造体とする効果がそれぞれ得られる。
また、強磁性金属磁化固定層の面積と、強磁性金属磁化自由層の面積との間の大小関係に条件を設けない場合にあっては、これらの層の積層における上下関係も任意であるが、固定層を上層として小面積とした方が有利であることは上述のとおりである。
【符号の説明】
【００４０】
１ 生体磁気センサー
２ 基板
３ 下部電極層
４ 強磁性金属磁化自由層
４ａ 容易磁化軸
５ 絶縁層
６ 強磁性金属磁化固定層
６ａ 容易磁化軸
７ 固定化促進層
８ 上部電極層
１０ トンネル磁気抵抗素子
１３ 電圧計
４１ 第１の強磁性体層
４２ 極薄非磁性体金属層
４３ 第２の強磁性体層
６１ 第１の強磁性体層
６２ 極薄非磁性体金属層
６３ 第２の強磁性体層
φ ねじれの角
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生体から発生する磁界を感知する生体磁気センサー及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、生体から発生する磁界を計測する装置として、ＳＱＵＩＤ（Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ Ｄｅｖｉｃｅ：超伝導量子干渉素子）センサーを用いた生体磁気計測装置が研究されている（特許文献１−５）。多数のＳＱＵＩＤセンサーを配列させて生体磁気の計測に用いることで、脳磁図、心磁図等の２次元生体磁気情報を得ることができる。
ＳＱＵＩＤセンサーにより生体磁気計測を行うためには、ＳＱＵＩＤセンサーを液体ヘリウムなどの冷媒により超伝導状態に保つ必要がある。そのため、ＳＱＵＩＤセンサーは、冷媒が貯留されたデュワに内蔵され、この冷媒に浸漬された状態で計測に用いられる。
このデュワの冷媒槽の外壁部の一部を、生体の計測対象部位、例えば頭蓋に対応した形状に形成し、この外壁部の内側に多数のＳＱＵＩＤセンサーを配列させて冷媒に浸漬し、外壁部の外側を生体に接触させることにより、多数のＳＱＵＩＤセンサーを生体に対して一定の距離に近接させて計測し、脳磁図等を得ることができる生体磁気計測装置が提案されている。
【０００３】
一方、特許文献６には、第１の強磁性体と、第２の強磁性体と、前記第１の強磁性体と前記第２の強磁性体との間に挟まれて存在する極薄非磁性体金属層とを具え、前記第１の強磁性体の磁化の向きと前記第２の強磁性体の磁化の向きとが反平行になる交換結合力を有する反平行結合膜構造体、並びに、当該反平行結合膜構造体を磁化自由層又は磁化固定層に適用したトンネル磁気抵抗素子及び磁気デバイスが記載されており、反平行結合膜構造体により、磁化の熱揺らぎ及び書き込み電流の増大の問題が解決できることが説明されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平２−４０５７８号公報
【特許文献２】特開平３−１８３９号公報
【特許文献３】特開２０００−１９３３６４号公報
【特許文献４】特開２００４−６５６０５号公報
【特許文献５】特開２００７−１７２４８号公報
【特許文献６】特開２０１０−１０２３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＳＱＵＩＤセンサーを用いた生体磁気計測装置にあっては、センサーを低温に保つ冷媒が必要となり、そのために装置が大型化し、被検部に対してセンサーを近接して柔軟に対応することや、センサーを高密度に配置したりすることが難しいなどの問題がある。
そこで本願発明者らは、常温で使用可能で、小型軽薄化、高密度化等が可能なセンサーデバイスとして、トンネル磁気抵抗素子（ＴＭＲ（Tunnel Magneto Resistive）素子）を生体磁気の計測に適用することを考える。
【０００６】
しかし、生体磁気信号は非常に微弱であるため、生体磁気信号をトンネル磁気抵抗素子で検出するためには、トンネル磁気抵抗素子の強磁性金属磁化自由層の感度を極限まで高めなければならない。
従来技術にあっては、製造工程上、強磁性金属磁化自由層と強磁性金属磁化固定層は同時に磁場中にて熱処理されるためこの２つの層の容易磁化方向は同じ方向であった。
強磁性磁化自由層の磁化方向は、基本的には外部磁界によって変化するが、本願発明者らの研究により、強磁性金属磁化自由層の容易磁化軸と強磁性磁化固定層の容易磁化軸が同じ方向の場合は、お互いからの漏れ磁界の影響で、強磁性金属磁化自由層は、磁気エネルギーの観点から不安定の状態になると考えられ、感度向上及びノイズ上昇に対する一つの阻害要因となり得るとの知見を得るに至った。
【０００７】
本発明は以上の従来技術における問題に鑑みてなされたものであって、トンネル磁気抵抗素子を利用した生体磁気センサーにおいて、トンネル磁気抵抗素子の高感度化を達成し、高精度に生体磁気を計測することができる生体磁気センサー及びその製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
以上の課題を解決するための請求項１記載の発明は、磁化の向きが固定された強磁性金属磁化固定層、外部からの磁界の影響を受けて磁化の向きが変化する強磁性金属磁化自由層、及び、前記強磁性金属磁化固定層と前記強磁性金属磁化自由層との間に配置された絶縁層を有し、前記強磁性金属磁化固定層の磁化の向きと前記強磁性金属磁化自由層の磁化の向きとの角度差に従ってトンネル効果により前記絶縁層の抵抗を変化させるトンネル磁気抵抗素子を含む生体磁気センサーにおいて、
ゼロ磁界での前記強磁性金属磁化自由層の容易磁化軸は、前記強磁性金属磁化固定層の容易磁化軸に対してねじれの位置にあることを特徴とする生体磁気センサーである。
ここで、「ねじれの位置」とは、空間内の２直線が平行でなく、かつ、交わっていない位置関係、すなわち、同一平面に存在できない２直線の位置関係をいう。ねじれの位置にある２直線に直交する直線を「ねじれの軸」といい、ねじれの軸まわりの一方の直線に対する他方の直線の相対角を「ねじれの角」という。
【０００９】
請求項２記載の発明は、前記強磁性金属磁化固定層の面積は、前記強磁性金属磁化自由層の面積に対して小さいことを特徴とする請求項１に記載の生体磁気センサーである。
【００１０】
請求項３記載の発明は、前記強磁性金属磁化自由層及び前記強磁性金属磁化固定層はそれぞれ、第１の強磁性体と、第２の強磁性体と、前記第１の強磁性体と前記第２の強磁性体との間に挟まれて存在する極薄非磁性体金属層とを備え、前記第１の強磁性体の磁化の向きと前記第２の強磁性体の磁化の向きとが反平行になる交換結合力を有する反平行結合膜構造体であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の生体磁気センサーである。
【００１１】
請求項４記載の発明は、前記強磁性金属磁化自由層及び前記強磁性金属磁化固定層を含む積層体を支持する基板から見て、前記強磁性金属磁化固定層が前記強磁性金属磁化自由層より上層に形成されていることを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３に記載の生体磁気センサーである。
【００１２】
請求項５記載の発明は、前記絶縁層は、ＭｇＯから成ることを特徴とする請求項１から請求項４のうちいずれか一に記載の生体磁気センサーである。
【００１３】
請求項６記載の発明は、前記極薄非磁性体金属層は、Ｒｕから成ることを特徴とする請求項３に記載の生体磁気センサーである。
【００１４】
請求項７記載の発明は、ゼロ磁界での前記強磁性金属磁化自由層の容易磁化軸と、前記強磁性金属磁化固定層の容易磁化軸とのねじれの角は、４５度から１３５度であることを特徴とする請求項１から請求項６のうちいずれか一に記載の生体磁気センサーである。
【００１５】
請求項８記載の発明は、磁化の向きが固定された強磁性金属磁化固定層、外部からの磁界の影響を受けて磁化の向きが変化する強磁性金属磁化自由層、及び、前記強磁性金属磁化固定層と前記強磁性金属磁化自由層との間に配置された絶縁層を有し、前記強磁性金属磁化固定層の磁化の向きと前記強磁性金属磁化自由層の磁化の向きとの角度差に従ってトンネル効果により前記絶縁層の抵抗を変化させるトンネル磁気抵抗素子を作製し、
前記磁気抵抗素子に対して、外部磁界を印加しながら第１の温度で第１の熱処理を行い、該第１の熱処理よりも低い温度でかつ前記第１の熱処理とは向きを異ならせて外部磁界を印加しながら第２の熱処理を行うことで、ゼロ磁界での前記強磁性金属磁化自由層の容易磁化軸を、前記強磁性金属磁化固定層の容易磁化軸に対してねじれの位置にすることを特徴とする生体磁気センサーの製造方法である。
【００１６】
請求項９記載の発明は、前記強磁性金属磁化固定層の面積を、前記強磁性金属磁化自由層の面積に対して小さく形成することを特徴とする請求項８に記載の生体磁気センサーの製造方法である。
【００１７】
請求項１０記載の発明は、前記強磁性金属磁化自由層及び前記強磁性金属磁化固定層を、それぞれ、第１の強磁性体と、第２の強磁性体と、前記第１の強磁性体と前記第２の強磁性体との間に挟まれて存在する極薄非磁性体金属層とを備え、前記第１の強磁性体の磁化の向きと前記第２の強磁性体の磁化の向きとが反平行になる交換結合力を有する反平行結合膜構造体として作製することを特徴とする請求項８又は請求項９に記載の生体磁気センサーの製造方法である。
【００１８】
請求項１１記載の発明は、前記強磁性金属磁化自由層及び前記強磁性金属磁化固定層を含む積層体を支持する基板から見て、前記強磁性金属磁化固定層を前記強磁性金属磁化自由層より上層に形成することを特徴とする請求項８、請求項９又は請求項１０に記載の生体磁気センサーの製造方法である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、強磁性金属磁化自由層の容易磁化軸と強磁性体金属磁化固定層の容易磁化軸とが、ゼロ磁界で既に異なった方向に向いている状態であり、この状態に外部磁界が印加されると、強磁性金属磁化固定層から発生する漏れ磁場の影響が小さく抑えられて強磁性金属磁化自由層の外部磁界に対しての感度が向上する、即ち、トンネル磁気抵抗素子の高感度化を達成し、高精度に生体磁気を計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態に係る生体磁気センサーの構成図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るトンネル磁気抵抗素子の模式的斜視図であり、絶縁層を省略して描いている。
【図３】本発明の一実施形態に係るトンネル磁気抵抗素子の磁場中熱処理工程における炉中温度の変遷を示すグラフである。
【図４】比較例に係り、外部磁界（Ｈ（Ｏｅ）、横軸）に対するトンネル磁気抵抗素子の抵抗の変化率（ＭＲ（％）、縦軸）を示したグラフである。
【図５】比較例に係り、外部磁界（Ｈ（Ｏｅ）、横軸）に対するトンネル磁気抵抗素子の抵抗の変化率（ＭＲ（％）、縦軸）を示したグラフであり、図４のグラフに対し横軸を拡大している。
【図６】本発明の実施例に係り、外部磁界（Ｈ（Ｏｅ）、横軸）に対するトンネル磁気抵抗素子の抵抗の変化率（ＭＲ（％）、縦軸）を示したグラフである。
【図７】本発明の実施例に係り、外部磁界（Ｈ（Ｏｅ）、横軸）に対するトンネル磁気抵抗素子の抵抗の変化率（ＭＲ（％）、縦軸）を示したグラフであり、図６のグラフに対し横軸を拡大している。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下に本発明の一実施形態につき図面を参照して説明する。以下は本発明の一実施形態であって本発明を限定するものではない。
【００２２】
本実施形態の生体磁気センサーは、代表的な例としては、人の頭蓋から発せられる磁界を計測して脳磁図を得る生体磁気計測に利用されるものであり、必要な本数の生体磁気センサーが組み込まれ各種の生体磁気計測システムが構成され、生体から発せられる磁界の計測が実施される。
【００２３】
図１に示すように本生体磁気センサー１は、トンネル磁気抵抗素子（以下「ＴＭＲ素子」という。）１０を含んで構成される。
図１に示すように本生体磁気センサー１は、基板２上に、下部電極層３、強磁性金属磁化自由層４、絶縁層５、強磁性金属磁化固定層６、固定化促進層７、上部電極層８が順次積層された積層構造を有する。
ＴＭＲ素子１０は、強磁性金属磁化固定層６の磁化の向きと強磁性金属磁化自由層４の磁化の向きとの角度差に従ってトンネル効果により絶縁層５の抵抗を変化させる。
上部電極層８と下部電極層３との間には、電流を入力するための電源１１と定抵抗１２とが直列に接続され、さらに絶縁層５の抵抗値の変化を電圧値の変化として検知する電圧計１３に接続されて本生体磁気センサー１は実装される。なお、ＴＭＲ素子１０に対して電圧を印加し、ＴＭＲ素子１０の絶縁層５に流れる電流を検出することで絶縁層５の抵抗値の変化を検出するようにしても構わない。
【００２４】
基板２としては、各層の形成に耐え得るものであれば特に材質に限定はないが、成膜時や熱処理等に耐え得る耐熱性と絶縁性とを兼ね備えたものが好ましい。また、磁束の吸い込みを防止するために非磁性であり、表面が比較的滑らかに形成されるものであることが好ましい。このような観点からは、例えば、Ｓｉ、ＳｉＯ2等が使用できる。
【００２５】
下部電極層３は、３つの層３１，３２，３３からなる。層３１は、基板２の粗さを整えるためのものであり、例えば、Ｔａが使用できる。層３１の層厚は２ｎｍ〜１０ｎｍ程度とすることが好ましい。層３２としてはＲｕ、層３３としてはＴａが使用できる。
【００２６】
強磁性金属磁化自由層４は、外部からの磁束の影響を受けて磁化の向きが変化する強磁性金属磁化層で、第１の強磁性体層４１と、極薄非磁性体金属層４２と、第２の強磁性体層４３とからなる。
第１の強磁性体層４１としては、例えば、Ｎｉ79Ｆｅ21が使用できる。第１の強磁性体層４１の層厚は１０ｎｍ〜２００ｎｍ程度が好ましい。
極薄非磁性体金属層４２は、第１の強磁性体層４１と第２の強磁性体層４３とを磁気的に結合させるとともに、後者を前者の結晶構造から切り離すためのものであり、結晶構造を有さない薄膜層を用いるのが望ましい。具体的な材料の例としてはＲｕが挙げられる。極薄非磁性体金属層４２の層厚は０．５〜１ｎｍ程度とすることが好ましい。
第２の強磁性体層４３としては、各種のものが使用可能であるが、代表的なものとして、Ｃｏ40Ｆｅ40Ｂ20をアモルファス構造から熱処理して強磁性を発現させたものが使用できる。この層の結晶構造は例えば体心立方晶である。Ｆｅリッチの材料、例えば、Ｃｏ16Ｆｅ64Ｂ20を用いることもできる。第２の強磁性体層４３の層厚は１〜１０ｎｍ程度が好ましい。第２の強磁性体層４３が絶縁層５の下面に接合する。
強磁性金属磁化自由層４は、以上のように第１の強磁性体層４１と。第２の強磁性体層４３と、これらの間に挟まれて存在する極薄非磁性体金属層４２を備え、第１の強磁性体層４１の磁化の向きと第２の強磁性体層４３の磁化の向きとが反平行になる交換結合力を有する反平行結合膜構造体を構成する。ここで「反平行」とは、磁界の向きが実質的に平行で、かつ逆方向を向いていることを意味し、実質的に磁界の向きが平行とみなせる範囲（例えば、前後へ１０度傾いた範囲）にある場合も含む。
【００２７】
絶縁層５は、強磁性金属磁化固定層６と強磁性金属磁化自由層４との間に配置される。絶縁層５としては、各種の絶縁材料を用いることができ、例えば、ＭｇＯ、ＡｌＯｘ等が使用できる。素子の感度を向上させるという観点からはＭｇＯが好ましく、特に、生体磁気信号のような微弱磁界をトンネル磁気抵抗素子で検出するためには、絶縁層５としてＭｇＯ膜を用いることが好ましい。絶縁層５の層厚は、１ｎｍ〜１０ｎｍ程度にすることが望ましい。
【００２８】
強磁性金属磁化固定層６は、磁化の向きが固定された強磁性金属磁化層で、第１の強磁性体層６１と、極薄非磁性体金属層６２と、第２の強磁性体層６３とからなる。
第１の強磁性体層６１としては、自由層４の第１の強磁性体層４３と同様のもの、例えば、Ｃｏ40Ｆｅ40Ｂ20が使用できる。第１の強磁性体層６１の層厚は１〜１０ｎｍ程度が好ましい。第２の強磁性体層６１は絶縁層５の上面に接合する。
極薄非磁性体金属層６２は、第１の強磁性体層４１と第２の強磁性体層４３とを磁気的に結合させるとともに、後者を前者の結晶構造から切り離すためのものであり、結晶構造を有さない薄膜層を用いるのが望ましい。具体的な材料の例としてはＲｕが挙げられる。極薄非磁性体金属層６２の層厚は０．５〜１ｎｍ程度とすることが好ましい。
第２の強磁性体層６３としては、例えば、ＣｏＦｅが使用できる。ＣｏとＦｅの組成比は任意に設定できるが、典型的には、Ｃｏ：Ｆｅ＝７５：２５又はＣｏ：Ｆｅ＝５０：５０とすることができる。第２の強磁性体層６３の結晶構造は例えば面心立方晶である。第２の強磁性体層６３の層厚としては、０．５ｎｍ〜５ｎｍ程度とすることが好ましい。
強磁性金属磁化固定層６は、以上のように第１の強磁性体層６１と、第２の強磁性体層６３と、これらの間に挟まれて存在する極薄非磁性体金属層６２を備え、第１の強磁性体層６１の磁化の向きと第２の強磁性体層６３の磁化の向きとが反平行になる交換結合力を有する反平行結合膜構造体を構成する。
【００２９】
固定化促進層７は、第２の強磁性体層６３の固定化を促進するためのものであり、ＩｒＭｎ、プラチナマンガンなどの反強磁性膜が好適に用いられる。第２の強磁性体層６３の結晶構造は例えば面心立方晶とする。固定化促進層７の層厚は５ｎｍ〜２０ｎｍ程度とすることが好ましい。
【００３０】
上部電極層８は、２つの層８１，８２からなる。層８１は、層８２の下地層で固定化促進層７の粗さを整えるためのものであり、例えば、Ｔａが使用できる。層８１の層厚は２ｎｍ〜１０ｎｍ程度とすることが好ましい。層８２は電極が接続される上層であり、例えば、Ａｕが使用できる。層８２の層厚は２０ｎｍ〜４０ｎｍ程度とすることが好ましい。
【００３１】
各層は、例えば、マグネトロンスパッタリング法により形成することができる。また、所望の結晶構造を得る等の目的のために、必要に応じて熱処理を施すとよい。本実施形態にあっては、図２に示すように、ゼロ磁界での強磁性金属磁化自由層４の容易磁化軸４ａは、強磁性金属磁化固定層６の容易磁化軸６ａに対してねじれの位置にある。このような関係の容易磁化軸４ａ，６ａを得るために、各層を積層した基板２を炉に納めるとともに磁界中に置き、図３に示すように温度条件の異なる２回の熱処理を行う。
まず、第１熱処理を行うことで強磁性金属磁化自由層４の容易磁化軸４ａが形成される。第２熱処理の温度変遷グラフＡ２における頂点温度は、第１熱処理の温度変遷グラフＡ１における頂点温度より低く（好適には１０℃以上低く）、第１熱処理の後、好ましくは室温付近まで冷却した後、第２熱処理を行うことで強磁性金属磁化固定層６の容易磁化軸６ａが形成される。容易磁化軸４ａは、第１熱処理時の磁界方向に沿って形成される。容易磁化軸６ａは、第２熱処理時の磁界方向に沿って形成される。したがって、第１熱処理時の磁界方向に対し第２熱処理時の磁界方向を変えることで容易磁化軸６ａを容易磁化軸４ａに対してねじれの位置にすることができる。第１熱処理時の磁界方向及び第２熱処理時の磁界方向は層に平行である。したがって、基板２上の積層方向の軸（＝基板２に垂直な軸）まわりに磁界方向を回転させることで、容易磁化軸６ａを容易磁化軸４ａに対してねじれの位置にすることができる。熱処理時間に特に制限はなく、例えば１０分〜２時間程度行えばよく、また、第１熱処理よりも第２熱処理の時間を短くすることが好ましい。熱処理の際の磁界にも特に制限はなく、例えば０．０１〜２［Ｔ］の範囲で行えばよく、また、第１熱処理よりも第２熱処理における外部磁界を小さくすることが好ましい。
【００３２】
図２(a)に示すように容易磁化軸４ａと容易磁化軸６ａとのねじれの角φは９０度を目標として作製すれば足りる。図２(b)に示すように容易磁化軸４ａと容易磁化軸６ａが並行でなければ、両者の成すねじれの各φが９０度でなくても感度向上の効果はあるが、ねじれの角φは、４５度から１３５度の範囲とすることが好ましい。
【００３３】
また、強磁性金属磁化固定層６の面積は、強磁性金属磁化自由層４の面積と等しいか、図２に示すように、強磁性金属磁化自由層４の面積に対して小さくする。強磁性金属磁化固定層６の面積を相対的に小さくすることで、固定層６から自由層４への漏れ磁界の影響が小さくなり、磁気検出の感度をさらに向上させることができる。強磁性金属磁化固定層６の面積と、強磁性金属磁化自由層４の面積との比率は、これに限るものではないが、１：１〜１：１０の範囲に設定することが好ましい。
【００３４】
また、図１を参照して説明したように、強磁性金属磁化自由層４及び強磁性金属磁化固定層６を含む積層体を支持する基板２から見て、強磁性金属磁化固定層６が強磁性金属磁化自由層４より上層に（すなわち、基板２からより遠い側に）形成されている。このような上下関係とすることにより、強磁性金属磁化固定層６等が積層された基板表面からの選択的エッチングにより、強磁性金属磁化固定層６の面積を、強磁性金属磁化自由層４の面積に対して小さく形成することが容易である。
【００３５】
以上説明した本実施形態の生体磁気センサー１によれば、強磁性金属磁化自由層４の容易磁化軸４ａと強磁性体金属磁化固定層６の容易磁化軸６ａとが、ゼロ磁界で既に異なった方向に向いている状態であり、この状態から外部磁界が発生すると、強磁性金属磁化固定層６から発生する漏れ磁界などの悪影響が小さく抑えられて強磁性金属磁化自由層４の磁化が外部磁界に対して高感度に変化する。
また本実施形態の生体磁気センサー１によれば、強磁性金属磁化固定層６の面積は、強磁性金属磁化自由層４の面積に対して小さいため、これによっても、固定層６から自由層４への漏れ磁界の影響が小さく抑えられる。
さらに本実施形態の生体磁気センサー１によれば、強磁性金属磁化固定層６は反平行結合膜構造体であるために漏れ磁界が少なくなり、これによっても、固定層６から自由層４への漏れ磁界の影響が小さく抑えられる。
また本実施形態の生体磁気センサー１によれば、強磁性金属磁化自由層４は同様に反平行結合膜構造体であるので、漏れ磁束のない安定した磁化膜を構成することができる。
以上の各技術要素の複合によって、ＴＭＲ素子の高感度を達成することができ、高精度に生体磁気を計測することができる。
特に、ゼロ磁界近傍で高感度な生体磁気計測に好適な生体磁気センサーとすることができる。
【００３６】
なお、本生体磁気センサー１はＴＭＲ素子を利用するため、常温で使用可能な磁気センサーであり、冷却のための冷媒も外部からの熱の侵入を断つための断熱材も不要となり、本生体磁気センサー１を実装したセンサユニットをより軽薄に構成できる。そして、センサユニットをより軽薄に構成できるので、人手で扱って被検者の計測対象部位に覆うように当てたり、被検者に装着させたりできる簡素で柔軟な形態に構成でき、ひいては、被験者の体の大きさや体型によらず、被験部に対して一定の距離にＴＭＲ素子が配置され正確な計測を行うことができる。また、ＳＱＵＩＤに比較して安価に構成でき、低消費電力である。
【実施例】
【００３７】
以上説明した、強磁性金属磁化自由層４の容易磁化軸４ａと，強磁性金属磁化固定層６の容易磁化軸６ａとがねじれの位置関係にある、図１に示す構成を備える生体磁気センサー１と、容易磁化軸がねじれの位置関係にない生体磁気センサーとの磁気検出感度の比較を行った。
具体的には以下の手順で本発明実施例及び比較例の生体磁気センサーを作製した。
マクネトロンスパッタリング装置を用いて、ＳｉＯ2基板上に、層３１としてＴａを５ｎｍ、層３２としてＲｕを１０ｎｍ、層３３としてＴａを５ｎｍ、層４１としてＮｉ79Ｆｅ21を１０，２０，７０，１５０，２００ｎｍ、層４２としてＲｕを０．８５ｎｍ、層４３としてＣｏ40Ｆｅ40Ｂ20を３ｎｍ、層５としてＭｇＯを２．５ｎｍ、層６１としてＣｏ40Ｆｅ40Ｂ20を３ｎｍ、層６２としてＲｕを０．８５ｎｍ、層６３としてＣｏ75Ｆｅ25を５ｎｍ、層７としてＩｒＭｎを１０ｎｍ、層８１としてＴａを５ｎｍ、層８２としてＡｕを３０ｎｍ、順次積層した。膜厚は成膜速度と成膜時間から換算して求めた。次に、層８２の上にフォトリソプロセスでレジストパターニングをした後、層４３に達するまでＡｒイオンミリングを行うことで、強磁性金属磁化固定層６の面積と強磁性金属磁化自由層４の面積が１：３．５の比率になるように加工し、レジスト膜を除去した。
こうして得られた積層体を、第１熱処理として外部磁場１［Ｔ］を印加しながら３２５℃で５０分間熱処理を行った。室温に冷却後、この積層体の配置方向を変えることにより、第１熱処理時の磁場の磁界方向とは９０度交差する磁界方向の外部磁場０．１［Ｔ］を印加しながら、３００℃で２０分間熱処理を行った（第２熱処理）。室温まで冷却した後、抵抗、電源、電圧計を電気的に接続し、本発明実施例の生体磁気センサーとした。比較例にあっては、上述の第２熱処理における磁界方向を第１熱処理の磁界方向から変えないようにしたこと以外は上記実施例と同じ手順を実行することにより、強磁性金属磁化自由層の容易磁化軸と、強磁性金属磁化固定層の容易磁化軸とが同方向である生体磁気センサーを作製した。
【００３８】
こうして得られた実施例及び比較例のセンサーについて磁気検出性能を測定した。具体的には、ヘルムホルツコイル内に測定対象のセンサーを配置し、センサーに数μＡの定電流を流しながら、コイルの磁界を−１８００［Ｏｅ］から、＋１８００［Ｏｅ］へ、次いで−１８００［Ｏｅ］へと変化させ、センサーの出力電圧を検出することで、外部磁場に対するセンサーの抵抗変化率を測定した。
図４から図７は、こうして得られた外部磁界（Ｈ（Ｏｅ）、横軸）に対するＴＭＲ素子の抵抗の変化率（ＭＲ（％）、縦軸）を示したグラフである。図４及び図５は比較例に係り、図６及び図７は本発明例に係る。図５、図７は、それぞれ、図４、図６のゼロ磁界付近の拡大図である。それぞれ横軸の目盛りが異なることに留意する。これらのグラフにおいて、ゼロ磁界を含む直線的部分での変化によって生体磁気の検出を行う。比較例のグラフと本発明実施例のグラフとを比較すればわかるように、ゼロ磁界を含む直線的部分が、比較例より本発明実施例の方が急峻な傾きを持っていて、外部磁界の変化に対してＴＭＲ素子抵抗が大きく変化する、すなわち、高感度であり、微弱な生体磁気を高精度に測定することに有利である。
【００３９】
なお、以上の実施形態に拘わらず、強磁性金属磁化層に反平行結合膜構造体を適用する場合にあっては、強磁性金属磁化自由層及び強磁性金属磁化固定層のうちいずれか一方のみに反平行結合膜構造体を適用してもよく、強磁性金属磁化自由層を反平行結合膜構造体とする効果、強磁性金属磁化固定層を反平行結合膜構造体とする効果がそれぞれ得られる。
また、強磁性金属磁化固定層の面積と、強磁性金属磁化自由層の面積との間の大小関係に条件を設けない場合にあっては、これらの層の積層における上下関係も任意であるが、固定層を上層として小面積とした方が有利であることは上述のとおりである。
【符号の説明】
【００４０】
１ 生体磁気センサー
２ 基板
３ 下部電極層
４ 強磁性金属磁化自由層
４ａ 容易磁化軸
５ 絶縁層
６ 強磁性金属磁化固定層
６ａ 容易磁化軸
７ 固定化促進層
８ 上部電極層
１０ トンネル磁気抵抗素子
１３ 電圧計
４１ 第１の強磁性体層
４２ 極薄非磁性体金属層
４３ 第２の強磁性体層
６１ 第１の強磁性体層
６２ 極薄非磁性体金属層
６３ 第２の強磁性体層
φ ねじれの角
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化の向きが固定された強磁性金属磁化固定層、外部からの磁界の影響を受けて磁化の向きが変化する強磁性金属磁化自由層、及び、前記強磁性金属磁化固定層と前記強磁性金属磁化自由層との間に配置された絶縁層を有し、前記強磁性金属磁化固定層の磁化の向きと前記強磁性金属磁化自由層の磁化の向きとの角度差に従ってトンネル効果により前記絶縁層の抵抗を変化させるトンネル磁気抵抗素子を含む生体磁気センサーにおいて、
ゼロ磁界での前記強磁性金属磁化自由層の容易磁化軸は、前記強磁性金属磁化固定層の容易磁化軸に対してねじれの位置にあることを特徴とする生体磁気センサー。
【請求項２】
前記強磁性金属磁化固定層の面積は、前記強磁性金属磁化自由層の面積に対して小さいことを特徴とする請求項１に記載の生体磁気センサー。
【請求項３】
前記強磁性金属磁化自由層及び前記強磁性金属磁化固定層はそれぞれ、第１の強磁性体と、第２の強磁性体と、前記第１の強磁性体と前記第２の強磁性体との間に挟まれて存在する極薄非磁性体金属層とを備え、前記第１の強磁性体の磁化の向きと前記第２の強磁性体の磁化の向きとが反平行になる交換結合力を有する反平行結合膜構造体であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の生体磁気センサー。
【請求項４】
前記強磁性金属磁化自由層及び前記強磁性金属磁化固定層を含む積層体を支持する基板から見て、前記強磁性金属磁化固定層が前記強磁性金属磁化自由層より上層に形成されていることを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３に記載の生体磁気センサー。
【請求項５】
前記絶縁層は、ＭｇＯから成ることを特徴とする請求項１から請求項４のうちいずれか一に記載の生体磁気センサー。
【請求項６】
前記極薄非磁性体金属層は、Ｒｕから成ることを特徴とする請求項３に記載の生体磁気センサー。
【請求項７】
ゼロ磁界での前記強磁性金属磁化自由層の容易磁化軸と、前記強磁性金属磁化固定層の容易磁化軸とのねじれの角は、４５度から１３５度であることを特徴とする請求項１から請求項６のうちいずれか一に記載の生体磁気センサー。
【請求項８】
磁化の向きが固定された強磁性金属磁化固定層、外部からの磁界の影響を受けて磁化の向きが変化する強磁性金属磁化自由層、及び、前記強磁性金属磁化固定層と前記強磁性金属磁化自由層との間に配置された絶縁層を有し、前記強磁性金属磁化固定層の磁化の向きと前記強磁性金属磁化自由層の磁化の向きとの角度差に従ってトンネル効果により前記絶縁層の抵抗を変化させるトンネル磁気抵抗素子を作製し、
前記磁気抵抗素子に対して、外部磁界を印加しながら第１の温度で第１の熱処理を行い、該第１の熱処理よりも低い温度でかつ前記第１の熱処理とは向きを異ならせて外部磁界を印加しながら第２の熱処理を行うことで、ゼロ磁界での前記強磁性金属磁化自由層の容易磁化軸を、前記強磁性金属磁化固定層の容易磁化軸に対してねじれの位置にすることを特徴とする生体磁気センサーの製造方法。
【請求項９】
前記強磁性金属磁化固定層の面積を、前記強磁性金属磁化自由層の面積に対して小さく形成することを特徴とする請求項８に記載の生体磁気センサーの製造方法。
【請求項１０】
前記強磁性金属磁化自由層及び前記強磁性金属磁化固定層を、それぞれ、第１の強磁性体と、第２の強磁性体と、前記第１の強磁性体と前記第２の強磁性体との間に挟まれて存在する極薄非磁性体金属層とを備え、前記第１の強磁性体の磁化の向きと前記第２の強磁性体の磁化の向きとが反平行になる交換結合力を有する反平行結合膜構造体として作製することを特徴とする請求項８又は請求項９に記載の生体磁気センサーの製造方法。
【請求項１１】
前記強磁性金属磁化自由層及び前記強磁性金属磁化固定層を含む積層体を支持する基板から見て、前記強磁性金属磁化固定層を前記強磁性金属磁化自由層より上層に形成することを特徴とする請求項８、請求項９又は請求項１０に記載の生体磁気センサーの製造方法。
【請求項１】
磁化の向きが固定された強磁性金属磁化固定層、外部からの磁界の影響を受けて磁化の向きが変化する強磁性金属磁化自由層、及び、前記強磁性金属磁化固定層と前記強磁性金属磁化自由層との間に配置された絶縁層を有し、前記強磁性金属磁化固定層の磁化の向きと前記強磁性金属磁化自由層の磁化の向きとの角度差に従ってトンネル効果により前記絶縁層の抵抗を変化させるトンネル磁気抵抗素子を含む生体磁気センサーにおいて、
ゼロ磁界での前記強磁性金属磁化自由層の容易磁化軸は、前記強磁性金属磁化固定層の容易磁化軸に対してねじれの位置にあることを特徴とする生体磁気センサー。
【請求項２】
前記強磁性金属磁化固定層の面積は、前記強磁性金属磁化自由層の面積に対して小さいことを特徴とする請求項１に記載の生体磁気センサー。
【請求項３】
前記強磁性金属磁化自由層及び前記強磁性金属磁化固定層はそれぞれ、第１の強磁性体と、第２の強磁性体と、前記第１の強磁性体と前記第２の強磁性体との間に挟まれて存在する極薄非磁性体金属層とを備え、前記第１の強磁性体の磁化の向きと前記第２の強磁性体の磁化の向きとが反平行になる交換結合力を有する反平行結合膜構造体であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の生体磁気センサー。
【請求項４】
前記強磁性金属磁化自由層及び前記強磁性金属磁化固定層を含む積層体を支持する基板から見て、前記強磁性金属磁化固定層が前記強磁性金属磁化自由層より上層に形成されていることを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３に記載の生体磁気センサー。
【請求項５】
前記絶縁層は、ＭｇＯから成ることを特徴とする請求項１から請求項４のうちいずれか一に記載の生体磁気センサー。
【請求項６】
前記極薄非磁性体金属層は、Ｒｕから成ることを特徴とする請求項３に記載の生体磁気センサー。
【請求項７】
ゼロ磁界での前記強磁性金属磁化自由層の容易磁化軸と、前記強磁性金属磁化固定層の容易磁化軸とのねじれの角は、４５度から１３５度であることを特徴とする請求項１から請求項６のうちいずれか一に記載の生体磁気センサー。
【請求項８】
磁化の向きが固定された強磁性金属磁化固定層、外部からの磁界の影響を受けて磁化の向きが変化する強磁性金属磁化自由層、及び、前記強磁性金属磁化固定層と前記強磁性金属磁化自由層との間に配置された絶縁層を有し、前記強磁性金属磁化固定層の磁化の向きと前記強磁性金属磁化自由層の磁化の向きとの角度差に従ってトンネル効果により前記絶縁層の抵抗を変化させるトンネル磁気抵抗素子を作製し、
前記磁気抵抗素子に対して、外部磁界を印加しながら第１の温度で第１の熱処理を行い、該第１の熱処理よりも低い温度でかつ前記第１の熱処理とは向きを異ならせて外部磁界を印加しながら第２の熱処理を行うことで、ゼロ磁界での前記強磁性金属磁化自由層の容易磁化軸を、前記強磁性金属磁化固定層の容易磁化軸に対してねじれの位置にすることを特徴とする生体磁気センサーの製造方法。
【請求項９】
前記強磁性金属磁化固定層の面積を、前記強磁性金属磁化自由層の面積に対して小さく形成することを特徴とする請求項８に記載の生体磁気センサーの製造方法。
【請求項１０】
前記強磁性金属磁化自由層及び前記強磁性金属磁化固定層を、それぞれ、第１の強磁性体と、第２の強磁性体と、前記第１の強磁性体と前記第２の強磁性体との間に挟まれて存在する極薄非磁性体金属層とを備え、前記第１の強磁性体の磁化の向きと前記第２の強磁性体の磁化の向きとが反平行になる交換結合力を有する反平行結合膜構造体として作製することを特徴とする請求項８又は請求項９に記載の生体磁気センサーの製造方法。
【請求項１１】
前記強磁性金属磁化自由層及び前記強磁性金属磁化固定層を含む積層体を支持する基板から見て、前記強磁性金属磁化固定層を前記強磁性金属磁化自由層より上層に形成することを特徴とする請求項８、請求項９又は請求項１０に記載の生体磁気センサーの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１３−１０５８２５（Ｐ２０１３−１０５８２５Ａ）
【公開日】平成２５年５月３０日（２０１３．５．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２４７３６２（Ｐ２０１１−２４７３６２）
【出願日】平成２３年１１月１１日（２０１１．１１．１１）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り
【出願人】（３０３０００４０８）コニカミノルタアドバンストレイヤー株式会社 (3,255)
【出願人】（５０４１５７０２４）国立大学法人東北大学 (2,297)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月３０日（２０１３．５．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月１１日（２０１１．１１．１１）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り
【出願人】（３０３０００４０８）コニカミノルタアドバンストレイヤー株式会社 (3,255)
【出願人】（５０４１５７０２４）国立大学法人東北大学 (2,297)
【Ｆターム（参考）】
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