JP2011512517A

JP2011512517A - アドレス可能な磁気トンネル接合アレイを用いて磁性粒子を検出する装置

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Publication number: JP2011512517A
Application number: JP2010543143A
Authority: JP
Inventors: シツェンシ; ポーカンワン; シュカイヤン
Original assignee: MagIC Technologies Inc
Current assignee: MagIC Technologies Inc
Priority date: 2008-01-18
Filing date: 2009-01-16
Publication date: 2011-04-21
Anticipated expiration: 2029-01-16
Also published as: JP5654357B2; EP2250514A4; EP2250514B1; EP2250514A1; US20090186770A1; WO2009091589A1; US7977111B2

Abstract

【課題】微小な磁化粒子の検出を効率的に行うことのできる磁気センサを提供する。
【解決手段】この磁気センサは、基板に結合した微小な超磁性粒子を識別するためのものであり、この基板の下に形成され、規則的に直交配列された複数のＭＴＪセルのアレイを有している。基板に垂直に粒子に付与される磁場は、ＭＴＪセルにおいて、ＭＴＪセルのフリー層の面に沿った成分を有する磁場を誘起させる。このフリー層が小さなスイッチングしきい値を有する場合、粒子の誘起磁場は、この下に位置するＭＴＪセル群において複数の抵抗変化を生じさせる。これらの抵抗変化は、粒子の存在を示す特徴的な形態、すなわち痕跡として分布することになる。粒子の磁場がフリー層のスイッチングを発生させるには不十分である場合、例えば、困難軸方向のバイアス磁場が印加され、この磁場と誘起磁場とを組み合わせることにより、粒子の存在を判断することが可能となる。
【選択図】図７

Description

本発明は、磁気センサを用いた微小な磁化粒子（ビーズ）の検出に関し、特にそのような粒子すなわちビーズが、化学的あるいは生物学的検定においてその存在の有無が特定される分子(molecules)に付着している場合における、磁気センサを用いた微小な磁化粒子の検出に関する。

磁気デバイスは、例えば、特定の化学的および生物学的分子（「ターゲット分子（target molecules）」）が検出対象ではない他の分子を含む混合流体の一部である場合において、そのようなターゲット分子の存在を検出する際に効果的なセンサとして提案されている。そのような分子の磁気的検出の根底にある基本的方法は、まず、微小の磁性（または磁化可能な）粒子（「ビーズ（beads）」とも示される場合がある）を、ターゲット分子を含んだ混合物中のすべての分子に付着させることを要する。これらの粒子は、その微小な大きさに起因して、「超常磁性（super-paramagnetic）」を有している。すなわち、それらの粒子は通常、あまり大きな磁気モーメントを維持していないものの、外部磁場に置かれた場合には誘起磁気モーメントを生じ、これに対応する磁場を発生させることが可能である。

磁性粒子を分子に付着させるには、混合物中の分子と結合（例えば、共有結合）する化学種または生物種（chemical or biological species）を用いてこの磁気粒子を覆う。次に、ターゲット分子のみが結合するリセプタサイト（receptor sites）（特定分子）が貼付された（affixed）表面（例えば、固体表面）を用意する。この表面に混合物を接触させてターゲット分子を結合させたのち、この表面を何らかの方法を用いて洗い流すことにより、未結合のすべての分子を除去する。この結合したターゲット分子には磁性粒子が付着しているため、単に磁性粒子を検出するだけで、同時に、捕捉したターゲット分子の数を算定することができる。したがって、ターゲット分子が化学的結合により表面上のリセプタサイトに捕獲されると、磁性粒子は、容易に検出（および計数）可能な単なる「フラグ（flags）」として機能することになる。ここで、磁性粒子を検出することはターゲット分子を検出することと同じであることから、次に課題となるのは、微小な磁性粒子を検出する効果的な方法を提供することである。

リセプタサイトと結合したターゲット分子に貼付された微小な磁性粒子を検出する従来の方法の一つとして、そのリセプタサイトの下方に磁気センサデバイスを載置する（例えば、磁気センサデバイスをリセプタサイトが貼付される基体表面の下方に配置する）方法がある。

図１は、従来技術に係る方法論の典型例を表す高度の模式図である。図１に示したように、磁性粒子１０は、ターゲット分子３０（網掛けで示す）と固有に結合する複数のリセプタサイト２０により覆われている。ターゲット分子３０は、ここでは複数のリセプタサイト２０のうちの１つとすでに結合している。基板４０には、特定のターゲット分子３０と結合することとなる複数のリセプタサイト５０が設けられている。リセプタサイト５０は、通常、磁気粒子１０をターゲット分子３０に結合させるリセプタサイト２０とは異なっていることを要する。ターゲット分子３０は、表面上の複数のリセプタサイト５０のうちの１つに結合しているものとして示されている。

図２は、従来技術としての磁気センサ６０を表している。この磁気センサ６０は、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ：magnetic random access memory）において用いられる構造と同様であり、例えば、図１のリセプタサイトの下に配置される。図２の断面図において模式的に示すように、磁気センサ６０は、回転自在な磁化方向６１０を有する磁化「フリー」層６１と、方向が固定された磁化６３０を有する磁化「ピンド」層６３とを含む磁気トンネル接合（ＭＴＪ：magnetic tunneling junction）である。これらの２つの層は、薄い、非磁性かつ非導電性の層６２、すなわちトンネルバリア層によって分離されている。磁気センサ６０は、自らの抵抗値の変化をセンスすることにより、ピンド層６３に対するフリー層６１の磁化方向の変化を検出することが可能な回路の内部に組み込まれる。磁気センサ６０の抵抗値の変化は、２つの方向のなす相対角度の変化に依存するものである。この回路は選択トランジスタ７０を備えている。選択トランジスタ７０は、センサ素子６０が電気的に接続（符号６５）されたソース領域７２と、ゲートを効果的に駆動させてソース領域７２との間にセンス電流が流れることを可能とする導電ワード線２００が上部に配線されたゲート領域７４と、接地された（符号８５）ドレイン７６とを有する。導電ビット線１００は、磁気センサ６０の上面と外部回路とを接触させており、ソース７２とドレイン７６との間を通過するセンス電流を供給可能となっている。これにより、磁気センサ６０の抵抗値が効果的に測定される。

図３は、図２に示した単一の回路構造を規則的に繰り返すことにより形成された、従来技術に係るＭＴＪアレイの一部を示している。ここでは、共通のビット線１００により接続されるとともに、４つのワード線２００ａ，２００ｂ，２００ｃ，２００ｄによりアクセスされる、４つのＭＴＪ素子６０ａ，６０ｂ，６０ｃ，６０ｄが示されている。

図４は、ＭＴＪ素子６０（例えば、図２の磁気センサ素子など）の上方に位置し、外部磁場により磁化した磁化粒子１０を示している。外部磁場Ｈ（矢印４００）は、強力ではあるものの、磁気センサ６０におけるフリー層６１およびピンド層６３の双方の磁気モーメント（矢印６１０，６３０）の面に対し垂直に向いていることから、それらの相対的な配向には影響を及ぼさない。一方、磁場Ｈ（符号４００）は、磁化粒子１０において磁気モーメントＭ（符号５００）を誘起し、その結果、アジマス方向に磁化粒子１０を取り囲む磁力線Ｂ（符号５５０）を発生させる。磁力線Ｂの方向は、ＭＴＪ素子６０のフリー層６１の面に接し、これによりフリー層６１の磁化６１０の方向を変化させることが可能な成分を含んでいる。このような変化は、磁気センサ６０の抵抗値において検出可能な変化を生じさせる。また、磁気センサ６０がアレイ状に設けられ、かつ磁化した磁化粒子１０と結合した分子の数が多い場合、そのアレイの全体的な抵抗変化を測定することができるとともに、捕獲した分子の合計を推定することができる。

磁化した磁化粒子によって生じる磁力線は極めて小さいことから、高い感度を有するＭＴＪセンサを設計することが不可欠である。これは、磁化方向が容易に変化するように、磁気異方性を可能な限り低くしたセンサを作製することにより一般的に達成される。しかしながら、そのような低い異方性によって、ＭＴＪ間のばらつきが顕著となり、制御することが困難となる。したがって、微小な磁化粒子を信頼性良く、かつ安定して検出可能なＭＴＪセンサを設計することは困難であった。

生物学的分子の分子識別への関心が益々増大していることに鑑みると、磁気センサ（および他の磁気センサ）を用いてこの分子識別を提供することを目的とした膨大な数の従来技術が存在することが予想される。ターゲット分子を検出するために磁気標識を用いることについての初期の開示は、Baseltによる特許文献１に見られる。Baseltは、ターゲット分子を、それ自体が磁場センサの表面と共有結合する識別物質(recognition agents) に結合させるためのシステムについて記載している。ターゲット分子は、非ターゲット分子とともに磁化可能な粒子に共有結合される。この磁化可能な粒子は、超常磁性酸化鉄含浸ポリマー粒子(superparamagnetic iron-oxide impregnated polymer beads)であることが好ましい。センサは、磁気抵抗効果材料からなる。検出器は、ターゲット分子の有無を示すことができ、識別物質に結合していない分子（非ターゲット分子) は、磁場の印加によりシステムから除去される。

Tondraによる特許文献２は、そのような方法における検出手法について特に詳細な議論を展開している。Tondraは、選択された分子種の存在を検出するための強磁性薄膜ベースのＧＭＲ磁場センサについて教示している。Tondraは、さらに、ブリッジ回路と、複数のセンサストライプを直列接続したものとを用いることを含む、磁気センサアレイの感度を向上させるための方法を教示している。Tondraは、非常に小さな固有磁界を有するとともに、ターゲット分子が捕捉されたあとに外部源によって磁化される常磁性ビーズを用いることを教示している。

Prinzらによる特許文献３および特許文献４は、導電性強磁性材料による平面層を有する磁気センス素子を用いることを教示している。この導電性強磁性材料は、平面層の初期状態において、環状磁気モーメントを有している。そのほか、Prinzのセンサは、その表面に、液状試験媒体の一部であるターゲット分子を結合させる基本的な工程を満たしている。また、Prinzによるセンサは、Tondraにより開示されている上記ＧＭＲデバイスとは異なり、ターゲット分子と結合した磁化粒子により生じたフリンジ磁場の影響下で、その磁気モーメントを環状から放射状へと変化させている。

Kangらによる特許文献５および特許文献６は、複数のＭＴＪ素子を備えたバイオセンサを開示している。

Prinzによる特許文献７は、異なる種類の磁気粒子または分子を検出するためのオンチップ磁気センサを示している。

Ramanathanらによる特許文献８は、磁気ナノ粒子のためのＭＴＪチャネル検出器を教示している。

Wangらによる特許文献９は、生体細胞および分子の検出について開示している。

米国特許第５９８１２９７号明細書米国特許第６８７５６２１号明細書米国特許第６８４４２０２号明細書米国特許第６７６４８６１号明細書米国特許第７０３１１８６号明細書米国特許出願公開第２００４／０１２０１８５号明細書米国特許出願公開第２００７／０１５９１７５号明細書米国特許出願公開第２００７／０１１４１８０号明細書米国特許出願公開第２００５／０１００９３０号明細書

上記した従来技術に係る発明は、いずれも、個々の磁化粒子の存在を確実に検出する健全な（robust）方法を提供するものではない。本発明の目的は、そのような方法を提供することにある。すなわち、本発明の第１の目的は、微小な磁化粒子の有無を判断する方法を提供することにある。

本発明の第２の目的は、上述した磁気粒子が化学的または生物学的分子と結合し、かつその化学的または生物学的分子それ自体が基板に結合している場合において、上述した磁気粒子を検出する方法を提供することにある。

本発明の第３の目的は、複数のＭＴＪセルのアレイにおける磁気抵抗効果特性を用いて、そのような微小の磁化粒子の存在を検出する方法を提供することにある。

本発明の第４の目的は、アレイを形成している複数のＭＴＪセルに対する所定位置に結合した微小の磁化粒子の存在を、正確かつ確実に検出することが可能なＭＴＪセルアレイを提供することにある。

本発明の目的は、以下の特徴を有するセンサアレイ構造によって達成される。これらの特徴は、いずれも図５および図６に模式的に示されており、以下に詳細に説明する。

図５は、上記目的を満たすセンサ構造の一般的な形態を示す模式的な上面図である。この構造は、基板を有し、この基板内であってこの基板の下方の平面には、互いに平行なワード線２００と互いに平行なビット線１００とが直交する交点に形成されたＭＴＪセル６０の規則的なアレイが設けられている。アレイのピッチ（平行な線の間の間隔）は、検出対象としての磁化粒子の寸法とほぼ同等またはそれ未満である。磁化粒子１０は、ここでは、４つのＭＴＪセル６０を部分的に覆う位置に存在している。この基板上の磁化ビーズによって生じたアレイにおける浮遊磁場（半径方向から内側に向かう矢印５５０により示す）は、図中、模式的に示すように、アレイにおけるいくつかのＭＴＪセル６０によって検出することができる。これらのＭＴＪセル６０のフリー層における磁化６１０は、名目上、各楕円形状のＭＴＪセル６０の容易軸（主軸）に沿って示す方向に向いている。

図６は、図５の磁化粒子１０およびアレイに加え、磁化粒子１０を通過するＸ−Ｙ線と、この線の右側の＋記号および左側の−記号とを示している。これらの記号は、磁化粒子１０によって生じた磁場の、ＭＴＪ層（図４の符号５５０を参照）に接する面内成分が、センサに対し上記線の左側および右側において相反する極性を有していることを示している。この磁化粒子１０の「痕跡（signature）」は、ＭＴＪの抵抗値間の相関関係を判断することにより最終的に検出されるものであり、磁化粒子１０の存在を認証するために用いられる。

再び図６を参照すると、磁化粒子１０の断面を二分するＸ−Ｙ軸は、ＭＴＪセル６０の困難軸に沿っていることがわかる。これは、異方性が形状異方性である場合、ＭＴＪセル６０の楕円形状の短軸（より短い方の軸）に沿うものである。その理由は、磁化粒子１０の相反する磁場方向が、ＭＴＪセル６０の容易軸に沿った磁化方向から相反する極性の信号を発生させる一方で、ＭＴＪセル６０の困難軸に対する測定効果には影響しないからである。

以下に記載の好適な実施の形態の説明では、磁気ビーズ１０の痕跡を用いて、磁気ビーズ１０の存在を信頼性および再現性良く検出する方法が示される。

本発明の目的、特徴および利点は、以下に記載の好適な実施の形態の説明に照らして理解される。好適な実施の形態の説明は、添付図面に照らして理解される。

従来技術における、ターゲット分子に結合した磁性粒子と、リセプタサイトに結合したターゲット分子とを示す模式図である。従来技術における、図１の基板の下方などに配置された磁気センサを示す模式的な断面図である。従来技術に係る、図２の磁気センサ、および磁化粒子によって生じた外部磁場が存在していることを示す模式的な上面図である。従来技術に係る、磁気粒子が上方に位置した一般的なバイアス磁気センサストライプを示す模式的な透視図である。センサアレイと、このセンサアレイ上に捕獲された磁化粒子とを示す模式的な上面図である。捕獲された微小粒子の下方における磁場の極性を示す、図５のセンサアレイの模式図である。センサアレイと、磁化粒子の位置を特定するために要する回路とを示す模式的な上面図である。フリー層を示すとともに、このフリー層における磁場エネルギーの各種磁場源を示す模式図である。セルを選択し、このセルの抵抗値を測定するために用いられる回路を示す模式図である。容易軸および困難軸に沿った誘起磁場の成分に対するフリー層の反応を示す模式図である。粒子の痕跡を示す模式図である。バイアス磁場に対し磁化粒子の不十分な磁場を加えた場合におけるフリー層の反応を示す模式図である。

本発明の好適な実施の形態は、複数のＭＴＪセル６０の規則的なアレイを有する基板を備えた磁性粒子検出用の磁気センサである。ＭＴＪセル６０は、互いに平行に配列された複数のワード線２００と、このワード線２００と直交するように互いに平行に配列された複数のビット線１００との交点に配置されている。ワード線２００同士およびビット線１００同士の間隔は、その存在が検出対象である微小な超常磁性磁化粒子（すなわち磁性粒子）の寸法とほぼ同等またはそれ未満である。アレイは、平面基板の略下方または略平面基板内に設けられ、この平面基板の表面には、特定の分子ターゲットに対するリセプタ（receptors）である結合サイト（binding sites）が配置されている。分子ターゲットは、微小な超常磁性粒子とすでに結合している。磁性粒子は、外部磁場に曝されると、固有の誘起磁場を発生させる。ＭＴＪセルのフリー層の面内におけるこの誘起磁場の成分は、近傍のＭＴＪセル６０のフリー層における磁気モーメントを動かすことが可能である。これらの磁気モーメントが動くことにより、ＭＴＪセル６０の抵抗変化を示す検出可能な信号が発生する。この信号が隣接するＭＴＪセル６０の抵抗値間において相関関係が存在することを示す場合、この信号の性質により、結合分子と、これに付着した磁性粒子とが存在していることが明確に示されることになる。

図７は、ＭＴＪアレイ（例えば、図６および図７に示したもの）に加え、捕獲した磁化粒子を識別し特定するために必要とされる回路を模式的に示した図である。このＭＴＪアレイは、ＭＴＪアレイにおけるＭＴＪセル６０の位置を識別するとともに、それらの抵抗値を測定することによりどのセルが磁化粒子の磁場に反応したかを判断すべく、行デコーダ５と、列デコーダ６とを含んでいる。ＭＴＪアレイは、さらに、行デコーダ５および列デコーダ６からの信号を解釈し、粒子の位置を示し、その位置を出力（符号８０）する検出回路７を含んでいる。

ＭＴＪセル６０のそれぞれの容易軸は、十分に明確であることが必要である。これは、例えば、本図面およびこれ以前の図面に示されている楕円形状のＭＴＪセル６０などのように、セルをパターニングして形状異方性（ここで示すような形状異方性）を発生させることによって達成される。しかしながら、高い感度を得る上では、ＭＴＪセル６０のスイッチング磁場のしきい値（フリー層の磁化方向を、ピンド層の磁化方向に対して平行から反平行に切り替えるために必要な磁場）は、可能な限り低いことが必要である（好ましくは１０Ｏｅ未満）。スイッチング磁場を減少させるための１つの方法は、円形の断面形状を有するＭＴＪセル６０をパターニングすることにより形状異方性を取り除くとともに、熱処理工程の最中に磁場を印加することにより、成膜に由来する複数の磁気薄膜層における結晶異方性を介して（膜異方性）、必要な磁気異方性を得ることである。

図８は、好適な実施の形態におけるセルのフリー層と、その挙動に重要な各種磁場とを示している。ここで、容易軸方向は、ＭＴＪセル６０のピンド層の磁気モーメントの方向（太い矢印で示す）と同じ方向とされており、必ずしも形状異方性を付加したことによるものとはなっていない。フリー層は、一般に、３つのエネルギー項を有している（その層の各種形態の磁化と任意の外部磁場との間の相互作用に対応する層のエネルギー）。すなわち、固有一軸異方性ＨＫ６５０を有しており、これは、層の成膜またはその後の熱処理における磁場方向によって決定され、他のすべての磁場なしに磁化をもたらすものである。また、フリー層とピンド層との間の層間結合磁場６６０は、「オレンジピール（orange peel）」結合などの表面相互作用に起因する。反磁場６７０は、ピンド層の正味の磁気モーメント６８０に付随した磁場によって生じる。ピンド層の磁気モーメントは、層間結合と反磁場とが互いに相殺し合うように選択される。よって、フリー層の正味の異方性（およびそれによるスイッチング磁場）の大部分は、成膜されたフリー層の材料の固有一軸異方性ＨＫ６５０によるものである。フリー層の材料を慎重に最適化した場合、数Ｏｅ程度のスイッチング磁場を実現することは困難ではない。例えば、パーマロイより形成されたフリー層は、５Ｏｅ未満のスイッチング磁場を有することを可能とさせる。

図９は、アレイの一部である、特定のＭＴＪセル３００の抵抗値を測定するための回路を示す模式図である。この回路は、アレイの外部とすることもできるし、アレイそれ自体の内部に組み込むこともできる。通常、バイアス電圧Ｖbias（および、トランジスタのゲートを作動させるための付加電圧Ｖｔ）に対応するバイアス電流が、ビット線１００を介してＭＴＪセル３００の被選択線に供給される。その結果、発生したＭＴＪセンス電流Ｉsenseに対応するセンス電圧Ｖsenseが、所定の基準値と比較される。図に示すように、被選択ワード線２００は、それと接するＭＴＪセル３００（破線の楕円で囲んだ箇所）に対してセンス電流Ｉsenseを通過させる。センス電流Ｉsenseは、抵抗Ｒの負荷抵抗器３５０を通過することにより、供給電圧Ｖss２５０によって誘起される、Ｖsense＝Ｖss−ＲＩsenseの大きさのセンス電圧を発生させる。このセンス電圧Ｖsenseは、比較器５５５を通過する。比較器５５５は、センス電圧を、既知の可変の基準電圧Ｖref８０と比較する。比較器５５５の出力５５は、基準電圧８０がセンス電圧Ｖsenseを上回る場合に切り替わる。実際の使用では、基準電圧８０は、被測定電圧未満から開始され、比較器５５５の出力５５は、対応する値である「１」から開始される。基準電圧Ｖrefが被測定電圧に達しこれを上回ると、比較器５５５は出力５５を「０」に切り替える。この出力５５は、例えば、積分され（符号９０）、アナログ−デジタル変換を介してデジタル形式の抵抗値を得る。この測定は、ノイズ制御の問題に対処可能であるとともに、データ解析を追加可能な、アレイチップそれ自体において行うことができる。さらに、抵抗値の測定は並列に行うことができるので、多数のビット線を同時に測定することができ、これはオンチップか、またはオフチップで行うことができる。外部コネクタのピン数が最小であることが望ましい用途の場合では、大規模並列型の内部測定を行うことができ、その結果を、シリアルインターフェースを介して外部回路に送ることもできる。

磁化粒子の存在を検出するには、例えば、面外磁場（out-of-plane）をＭＴＪアレイに垂直に印加することにより、磁化粒子に磁化を誘起させる。そのような磁場は、図４にすでに示されている。次に、個々のＭＴＪセルの抵抗値を測定することにより、今磁化した粒子の磁場における面内成分の存在を検出する（フリー層の面内の磁場成分）。そのような面内成分は、フリー層の磁気モーメントの位置を変化させることができ、ＭＴＪセルの抵抗値において測定可能な変化を生じさせる。

面内磁場に対するＭＴＪセルの反応は、面内磁場の２つの成分により生じた反応に分類することができる。すなわち、フリー層の容易軸に沿った成分、およびフリー層の困難軸に沿った成分である。以下に説明されるように、これらの２つの成分は、ＭＴＪセルの抵抗値において異なる変化を生じさせる。これらの２つの成分に対する代表的な反応を、図１０（Ａ）および図１０（Ｂ）に示す。

図１０（Ａ）および図１０（Ｂ）は、ＭＴＪセルの抵抗値の測定における結果が、磁化粒子の誘起面内磁場における困難軸成分と容易軸成分との相対的な強度にどのように依存するかを説明するものである。また、これらの図１０（Ａ）および図１０（Ｂ）では、外部印加磁場の極性を変えることが、磁化粒子の存在を判断するために、いかにして抵抗値の変動を測定することを可能とするかを示している。

図１０（Ａ）の座標系の横軸は、フリー層の容易軸に沿った磁気粒子の誘起磁場における面内成分の大きさを表し、この座標系の縦軸は、ＭＴＪセルの抵抗値を表している。図１０（Ａ）では、ある一定方向の面内磁場が抵抗変化を突然発生させるまでは、磁場の容易軸成分は高抵抗状態か、または低抵抗状態を保つ（すなわち、フリー層の磁化を反転させるか、または反転させない）ことが示されている。左から右への横矢印は、磁化粒子の誘起磁場Ｂにおける極性がフリー層の磁化の方向２０００の状態から反対の方向３０００の状態へと変化するに伴い、いかにしてフリー層がその磁化を切り替え、符号２５００において切り替わるかを表している。図中、若干のヒステリシスが存在しており（網掛け部分）、一旦、反転が生じると、当初の磁化方向を取り戻すには反対方向において若干大きな磁場が必要になることを示している。したがって、最も左側の円形部分２０００において所定の初期の外部磁場についての抵抗値の当初測定を行ったのち、外部磁場の極性を変化させ、最も右側の円形部分２３００において別の抵抗値測定を行った場合、これら２つの抵抗値の値を減算すると、２つの値の差分について大きな値が得られることになる。この差分が測定対象であり、磁化粒子の存在を検出するために用いられるものである。

図１０（Ｂ）は、困難軸方向に沿った面内磁場の成分の作用を表している。この成分の作用は、困難軸の磁場成分が欠如した状態におけるフリー層の磁化方向に応じて、２つのブランチ（branches）を有している。困難軸の磁場成分がゼロである位置における上のブランチに着目すると、このブランチでは、フリー層の磁化がピンド層の磁化とは反対方向にあり、最大抵抗値Ｒmaxが存在している。ここで、困難軸の成分は、フリー層の磁化を、その容易軸方向から困難軸方向に達するまで傾斜させることができ、これにより、最も左側の円形部分２４００におけるＲmaxとＲminとの間の中間の抵抗値に達していることが分かる。磁場の困難軸成分が逆の場合、最も右側の円形部分２６００に示すように反対の作用が生じる。

磁化粒子の面内磁場により発生した信号を測定し、解析するための好ましい方法は、印加磁場の極性を変化させるとともに、ＭＴＪセルの２つの抵抗値における差分を測定することである。この場合、例えば、当初の印加磁場に対して反対の極性を有する、大型の最終的な印加磁場におけるＭＴＪセルの抵抗値を検出し、２つの信号を減算する。磁化粒子が実際に存在しているのであれば、この減算をＭＴＪセルのアレイで行ったことによる減算結果から、図１１に模式的に示す痕跡（signature）が得られるはずである。図１１に模式的に示すように、＋記号が付された複数のＭＴＪセルのクラスタが示されており、この＋記号は、それらのＭＴＪセルが最大の抵抗変化を呈していることを表している。磁化粒子の反対側には、−記号が付された複数のセルのクラスタが存在している。この−記号は、同様に最大の抵抗変化を有するセルを表しているが、極性が反対となっている。符号１０００により示す３つのセルは、これらのセル１０００がフリー層の困難軸に沿って位置していることから、何ら変化を呈していないセルである。この測定可能なセルの抵抗値分布は、捕獲した磁化粒子についての痕跡をもたらすものである。この分布は、並べられたビット線およびワード線を順次アドレスし、例えば、図６および図７を参照して説明した回路を用いて、これらの線に沿ったＭＴＪセルの抵抗値を測定することにより、上述したＭＴＪセルアレイにおいて特定することができる。なお、多数の磁化粒子を捕獲した場合に対応する複数の痕跡の分布についても解釈することができるので、磁化粒子の多重性を検出し、計数することができる。複数の磁化粒子の痕跡を識別する場合の課題は、そのような複数の痕跡を各種磁気ビーズの構造について発生させ、それらの痕跡を識別目的のために保存しておくことにより対応することができる。したがって、検出された痕跡が単一の磁化粒子の存在についての基準を満たさない場合、その痕跡を、一致が発見されるまで他の複数の痕跡と逐次比較することができる。

用途によっては、磁化粒子の面内磁場が、ＭＴＪセルのフリー層の磁気モーメントを常に安定して反転させるには小さすぎる場合がある。これは、ＭＴＪセルと磁化粒子が存在する表面との間のオーバーコート層が厚すぎる、または磁化粒子が十分な強度の磁場をもたらすには小さすぎることの結果である可能性がある。このような場合、以下の手法を適用することができる。

すなわち、ＨＣ（スイッチング磁場）とＨＫ（異方性磁場）との双方が、捕獲した磁気粒子の磁場の面内成分よりも常に高くなるように、セルの異方性を増加させる。また、磁化粒子により生じる誘起磁場よりも、ほぼ同等または若干大きなバイアス磁場を印加する。このバイアス磁場の大きさは誘起面内磁場よりも大きいため、フリー層の磁化は、磁化粒子により誘起された磁場に応じて、単磁区として常に回転することになる。磁化粒子の磁場がフリー層の困難軸に沿っている場合、ＭＴＪからの反応はないが、この磁場が容易軸方向にある場合、ほぼ線形の反応（すなわち、面内磁場と容易軸方向との間の角度の線形近似関数）が現れる。ここで、図１１で説明したような抵抗変化の分布が再度実質的に得られるので、結合粒子の識別可能な痕跡は依然として同じとなる。図１２は、磁化粒子の容易軸方向の面内磁場成分に応じたＭＴＪセルの抵抗値を示している。この曲線を図１０（Ａ）の曲線と比較すると、フリー層の容易軸方向の磁場の切り替えが図１０（Ａ）よりもさらに緩やかであり、ヒステリシス効果が存在していないことが分かる。

当業者にとって最終的に明らかであるように、本発明の好適な実施形態は、本発明を限定するものではなく、むしろ本発明の一例である。アドレス可能な複数のＭＴＪセルのアレイを有する磁気センサと、それらの抵抗値を測定する方法と、センサアレイに結合した小さな磁化粒子を、特徴的痕跡を介して検出することを可能とする関連したデータ解析アルゴリズムとを形成し、提供する際に採用される方法、材料、構成および寸法に対して修正や変更がなされ得る。そのような磁気センサおよびその形成方法を形成し、提供することは、依然として添付の特許請求の範囲によって定められる本発明の趣旨および範囲に属するものである。

５…行デコーダ、６…列デコーダ、７…検出回路、１０…磁化粒子、６０…ＭＴＪセル、１００…ビット線、２００…ワード線。

Claims

微小な磁化粒子と結合した化学種または生物種を、前記磁化粒子により生じる特徴的な痕跡を用いて識別する磁気センサであって、
複数の種結合サイトが形成された表面を有する基板と、
前記基板表面の下に形成され、容易軸および困難軸を有するフリー層と、しきい値スイッチング磁場とをそれぞれ有する複数のＭＴＪセルの規則的なアレイと、
前記アレイにおける前記ＭＴＪセルのそれぞれをアドレスし、前記ＭＴＪセルのそれぞれの抵抗値の変化を検出し、前記抵抗値の変化を示す信号を発生させるＭＴＪセル選択・抵抗測定回路と、
前記規則的なアレイの２つ以上の略隣接するＭＴＪセルにおける、セルの複数の抵抗変化間における特定の相関関係を識別する信号解析アルゴリズムと、
を備え、
前記抵抗値の変化は、前記ＭＴＪセル選択・抵抗測定回路を適用することにより検出されており、
前記相関関係は前記磁化粒子の前記痕跡であり、前記痕跡が存在することにより、前記表面に結合するとともに前記磁化粒子が結合した種の存在が示される
磁気センサ。
前記抵抗値の変化は、互いに逆の符号である当初の極性および最終的な極性を有する前記磁化粒子に外部磁場を付与することにより生じるものである
請求項１に記載の磁気センサ。
前記ＭＴＪセルが、それぞれ、略平面のフリー層と、フリー層スイッチング磁場とを有し、
その存在が示されている前記磁化粒子は、前記ＭＴＪセルの位置において、前記フリー層の前記平面に接する成分を有し、かつ前記スイッチング磁場の大きさと同等以上の大きさの磁場を発生させるものである
請求項１に記載の磁気センサ。
前記磁化粒子が、化学的分子または生物学的分子に結合しており、
この化学的分子または生物学的分子は、その特有の結合サイトによって前記基板の表面と結合している
請求項１に記載の磁気センサ。
前記アレイは、
均等な間隔で互いに平行に配置された複数のワード線と、これらの前記複数のワード線と直交する方向に向けられ、かつ、均等な間隔で互いに平行に配置された複数のビット線とが交差する位置に配置された複数のＭＴＪセルからなる矩形状のアレイである
請求項１に記載の磁気センサ。
前記複数のワード線同士の間隔が、前記複数のビット線同士の間隔とほぼ同等である請求項４に記載の磁気センサ。
前記磁化粒子の寸法が、前記間隔とほぼ同等または前記間隔よりも大きい請求項５に記載の磁気センサ。
前記複数のＭＴＪセルは、それぞれ、前記しきい値スイッチング磁場が１０Ｏｅ未満であり、十分に明確な容易軸と、前記容易軸に対して略垂直である困難軸とを有する
請求項１に記載の磁気センサ。
前記信号解析アルゴリズムが、ほぼ同等の大きさ（振幅）であって互いに逆の記号を有する前記抵抗値の変化についての２つのＭＴＪセルのクラスタの存在を探索し、
前記クラスタが、前記アレイにおけるＭＴＪセルの困難軸に沿って配列した縦軸の周囲に横方向に配置されている
請求項１に記載の磁気センサ。
前記複数のＭＴＪセルは、それぞれ、ピンド層と、フリー層と、前記フリー層と前記ピンド層との間に形成された絶縁層とを含む複数の水平層から形成され、
前記ＭＴＪセルが、ほぼ円形の水平断面を有するようにパターニングされている
請求項１に記載の磁気センサ。
前記フリー層の容易軸の方向が、成膜および熱処理を経た層における固有の結晶特性に由来した磁気異方性によって実質的に規定される
請求項１０に記載の磁気センサ。
前記フリー層と前記ピンド層との間の層間結合磁場と、前記ピンド層の磁気モーメントにより生じた反磁場とが実質的に相殺し、これにより、前記容易軸が前記フリー層の磁気異方性によって定められている
請求項１１に記載の磁気センサ。
前記ＭＴＪセルが、約１０Ｏｅ未満のスイッチングしきい値を有する
請求項１１に記載の磁気センサ。
前記困難軸の方向に沿った磁気バイアス磁場の存在をさらに含み、
前記バイアス磁場の大きさが、前記スイッチング磁場とほぼ同等または前記スイッチング磁場よりも大きく、
前記ＭＴＪセルが、それぞれ、略平面のフリー層と、フリー層スイッチング磁場とを有し、
その存在が示されている前記磁化粒子が、前記ＭＴＪセルの位置において、前記フリー層の前記平面に接する成分を有し、かつ前記スイッチング磁場の大きさ未満の磁場を発生させる
請求項１に記載の磁気センサ。
前記ＭＴＪセルのそれぞれの上面が、導電ビット線に電気的に接続され、
前記ＭＴＪセルのそれぞれの底面が、トランジスタに電気的に接続され、
これにより、直交方向に向けられたワード線を用いて前記トランジスタを作動させたのち、前記ＭＴＪセルが選択可能となり、前記ＭＴＪセルの抵抗値が測定可能となる
請求項１に記載の磁気センサ。
前記導電ビット線の厚さが、検出対象の前記磁化粒子の直径と比較して約１／４未満である
請求項１５に記載の磁気センサ。
前記導電ビット線の上方の前記基板の厚さが、検出対象の前記磁化粒子の直径未満である請求項１に記載の磁気センサ。
比較器と可変基準電圧とを含む付加回路により、ＭＴＪセルの抵抗変化を判断することが可能となる請求項１に記載の磁気センサ。
前記信号解析アルゴリズムは、
複数の磁化粒子のクラスタにおける磁化粒子の数および分布により前記複数の磁化粒子のクラスタの存在を識別可能な保存された基準を用い、単一の結合磁化粒子と前記複数の磁化粒子のクラスタとを区別する
請求項１に記載の磁気センサ。
化学種または生物種の結合に特有である結合サイトを有する平面基板を準備する工程と、
微小な超常磁性粒子を前記化学種または生物種に結合させる工程と、
容易軸と困難軸とを有する容易にスイッチング可能なフリー層をそれぞれ含む複数のＭＴＪセルの規則的な直交アレイを、前記基板の下に形成する工程と、
前記基板に対して垂直である磁気モーメントを前記超常磁性粒子に誘起させ、これにより前記超常磁性粒子が、前記フリー層をスイッチングするのに十分な強度の磁場を前記フリー層に沿って誘起する工程と、
前記複数のＭＴＪセルにおける抵抗変化の分布を判断する工程と、
前記複数のＭＴＪセルの複数のクラスタの抵抗変化間における痕跡の相関関係を識別する工程と
を含み、
前記アレイのピッチは、前記超常磁性粒子の寸法未満または同等であり、
前記相関関係が存在することにより、前記超常磁性粒子の存在が示される
基板の表面上の化学種または生物種の存在を判断する判断方法。
化学種または生物種の結合に特有である結合サイトを有する平面基板を準備する工程と、
微小な超常磁性粒子を前記化学種または生物種に結合させる工程と、
容易軸と困難軸とを有する容易にスイッチング可能なフリー層をそれぞれ含む、複数のＭＴＪセルの規則的な直交アレイを前記基板の下に形成する工程と、
前記複数のＭＴＪセルのそれぞれの前記困難軸に沿って向けられ、前記ＭＴＪセルのスイッチング磁場よりも大きい大きさを有する磁気バイアス磁場を、前記アレイ内に付与する工程と、
前記基板に対して垂直である磁気モーメントを前記超常磁性粒子に誘起させ、これにより前記超常磁性粒子が、前記フリー層をスイッチングするのには不十分である強度の磁場を前記フリー層に沿って誘起する工程と、
前記バイアス磁場と、前記超常磁性粒子の前記誘起磁場とを組み合わせることにより、前記複数のＭＴＪセルの磁気モーメントを変化させるのに十分な強度の磁場配位を形成するとともに、前記複数のＭＴＪセルにおいて抵抗変化を生じさせる工程と、
前記複数のＭＴＪセルにおける抵抗変化の分布を判断する工程と、
前記複数のＭＴＪセルの複数のクラスタの抵抗変化間における痕跡の相関関係を識別する工程と
を含み、
前記アレイのピッチは、前記超常磁性粒子の寸法未満または同等であり、
前記相関関係が存在することにより、前記超常磁性粒子の存在が示される
基板の表面上の化学種または生物種の存在を判断する判断方法。
前記抵抗変化を、前記誘起磁場の極性を変化させ、前記極性の変化の前後において定められた前記複数のＭＴＪセルにおける抵抗値を減算することにより生じさせる
請求項２０に記載の判断方法。
前記抵抗変化を、前記誘起磁場の極性を変化させ、前記極性の変化の前後において定められた前記複数のＭＴＪセルにおける抵抗値を減算することにより生じさせる
請求項２１に記載の判断方法。
前記アレイは、均等な間隔で互いに平行に配置された複数のワード線と、前記複数のワード線と直交する方向に向けられ、均等な間隔で互いに平行に配置された複数のビット線とが交差する位置に配置された複数のＭＴＪセルからなる矩形状のアレイである
請求項２０に記載の判断方法。
前記アレイは、均等な間隔で互いに平行に配置された複数のワード線と、前記複数のワード線と直交する方向に向けられ、均等な間隔で互いに平行に配置された複数のビット線とが交差する位置に配置された複数のＭＴＪセルからなる矩形状のアレイである
請求項２１に記載の判断方法。
前記複数のワード線同士の間隔が、前記複数のビット線同士の間隔とほぼ同等である請求項２４に記載の判断方法。
前記複数のワード線同士の間隔が、前記複数のビット線同士の間隔とほぼ同等である請求項２５に記載の判断方法。
前記磁化粒子の寸法が、前記間隔とほぼ同等または前記間隔よりも大きい
請求項２６に記載の判断方法。
前記磁化粒子の寸法が、前記間隔とほぼ同等または前記間隔よりも大きい
請求項２７に記載の判断方法。
前記ＭＴＪセルが、それぞれ、スイッチングしきい値が１０Ｏｅ未満であり、十分に明確な容易軸と、前記容易軸に対して略垂直である困難軸とを有する
請求項２０に記載の判断方法。
前記ＭＴＪセルが、それぞれ、スイッチングしきい値が１０Ｏｅ未満であり、十分に明確な容易軸と、前記容易軸に対して略垂直である困難軸とを有する
請求項２１に記載の判断方法。
前記ＭＴＪセルが、それぞれ、複数の水平層から形成され、ピンド層と、フリー層と、前記フリー層と前記ピンド層との間に形成された絶縁層とを含み、
前記ＭＴＪセルが、ほぼ円形の水平断面を有してパターニングされている
請求項２０に記載の判断方法。
前記ＭＴＪセルが、それぞれ、複数の水平層から形成され、ピンド層と、フリー層と、前記フリー層と前記ピンド層との間に形成された絶縁層とを含み、
前記ＭＴＪセルが、ほぼ円形の水平断面を有してパターニングされている
請求項２１に記載の判断方法。
前記フリー層の容易軸の方向が、成膜および熱処理を経た層における固有の結晶特性に由来した磁気異方性によって実質的に規定される、請求項２０に記載の判断方法。
前記フリー層の容易軸の方向が、成膜および熱処理を経た層における固有の結晶特性に由来した磁気異方性によって実質的に規定される
請求項２１に記載の判断方法。
前記フリー層と前記ピンド層との間の層間結合磁場と、前記ピンド層の磁気モーメントにより生じた反磁場とが実質的に相殺し合い、これにより、前記容易軸が前記フリー層の磁気異方性によって定められている
請求項２０に記載の判断方法。
前記フリー層と前記ピンド層との間の層間結合磁場と、前記ピンド層の磁気モーメントにより生じた反磁場とが実質的に相殺し合い、これにより、前記容易軸が前記フリー層の磁気異方性によって定められている
請求項２１に記載の判断方法。
前記ＭＴＪセルが、約１０Ｏｅ未満のスイッチングしきい値を有する
請求項２０に記載の判断方法。
前記ＭＴＪセルが、約１０Ｏｅ未満のスイッチングしきい値を有する
請求項２１に記載の判断方法。
前記相関関係が、ほぼ同等の大きさであって互いに逆の記号を有する、前記抵抗変化についての２つのＭＴＪセルのクラスタの存在を検出し、
前記クラスタが、前記アレイにおけるＭＴＪセルの困難軸に沿って配列した縦軸の周囲に横方向に設けられている
請求項２０に記載の判断方法。
前記相関関係が、ほぼ同等の大きさであって互いに逆の記号を有する、前記抵抗変化についての２つのＭＴＪセルのクラスタの存在を検出し、
前記クラスタが、前記アレイにおけるＭＴＪセルの困難軸に沿って配列した縦軸の周囲に横方向に設けられている
請求項２１に記載の判断方法。
前記ＭＴＪセルのそれぞれの上面が、導電ビット線に電気的に接続され、
前記ＭＴＪセルのそれぞれの底面が、トランジスタに電気的に接続され、
これにより、直交方向に向けられたワード線を用いて前記トランジスタを作動させたのち、前記ＭＴＪセルが選択可能となり、前記ＭＴＪセルの抵抗値が測定可能となる
請求項２０に記載の判断方法。
前記ＭＴＪセルのそれぞれの上面が、導電ビット線に電気的に接続され、
前記ＭＴＪセルのそれぞれの底面が、トランジスタに電気的に接続され、
これにより、直交方向に向けられたワード線を用いて前記トランジスタを作動させたのち、前記ＭＴＪセルが選択可能となり、前記ＭＴＪセルの抵抗値が測定可能となる
請求項２１に記載の判断方法。
前記導電ビット線の厚さが、検出対象の前記磁化粒子の直径の約１／４未満である
請求項４３に記載の判断方法。
前記導電ビット線の厚さが、検出対象の前記磁化粒子の直径の約１／４未満である
請求項４４に記載の判断方法。