JP2018503824A - 改良されたプログラム可能性及び感度を有するｍｌｕベースの磁気センサ - Google Patents
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Abstract
本開示は、外部磁場を感知する磁気センサ装置（１００）であって、複数のＭＬＵセル（１）を備え、それぞれのＭＬＵセル（１）が磁気トンネル接合（２）を備え、磁気トンネル接合（２）が、外部磁場中で自由に配向可能なセンス磁化（２１０）を有するセンス層（２１）と、記憶磁化（２３０）を有する記憶層（２３）と、センス層（２１）と記憶層（２３）の間のトンネル障壁層（２２）とを含み、磁気センサ装置（１００）が、センス層（２１）と記憶層のうちの少なくとも１つの層の上に応力誘起性磁気異方性（２７１、２７２）を誘起するように異方性機械的応力を磁気トンネル接合（２）上に加えるように構成された応力誘起装置（６）をさらに備え、応力誘起装置によって誘起された応力誘起性磁気異方性（２７１、２７２）が、センス層（２１）と記憶層（２３）のうちの前記少なくとも１つの層の正味の磁気異方性（２８０）にほぼ対応する当該磁気センサ装置（１００）に関する。この磁気センサ装置は、容易にプログラムすることができ、改良された感度を有する。（図４）
Description
本発明は、外部磁場を感知する、マグネティック・ロジック・ユニット（ｍａｎｇｅｔｉｃ ｌｏｇｉｃ ｕｎｉｔ：ＭＬＵ）ベースの磁気センサ装置であって、容易にプログラムすることができ、外部磁場を感知したときに線形信号を与える磁気センサ装置に関する。本開示はさらに、磁気センサ装置をプログラムする方法に関する。
マグネティック・ロジック・ユニット（ＭＬＵ）セルは、磁気センサ又はコンパス内において磁場を感知するために使用することができる。ＭＬＵセルは、磁気トンネル接合を備えることができ、この磁気トンネル接合は、記憶磁化（ｓｔｏｒａｇｅ ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ）を有する記憶層と、センス（ｓｅｎｓｅ）磁化を有するセンス層と、記憶層とセンス層の間のトンネル障壁層とを含む。センス磁化は、外部磁場の存在下で配向可能であるが、記憶磁化は、外部磁場によってほとんど乱されない。したがって、外部磁場によって配向したセンス磁化と記憶磁化との相対的配向によって決まる磁気トンネル接合の抵抗を測定することによって、外部磁場を感知することができる。
外部磁場の小さな変動の測定を容易にするため、理想的には、外部磁場によって配向したときに、センス層が、線形の非ヒステリシス挙動を有する。このことは、０．５エルステッド（Ｏｅ）程度の平均値を有する地球磁場を感知するときに適当である。
このような線形の非ヒステリシス挙動は、センス磁化磁気異方性軸が記憶磁化に対してほぼ垂直に配向した磁気トンネル接合を提供することによって達成することができる。このことは普通、センス層の異方性軸に対して垂直に記憶磁化をピン止めする（ｐｉｎｎｉｎｇ）ことによって達成される。センス層の異方性軸のこの配向は、磁気トンネル接合の製造時の製造条件によって、例えば磁場を印加することによって画定することができる。
上記のＭＬＵセルの欠点は、複数のＭＲＡＭセルを備えるウェーハ上でのスパッタ条件によって、１つの異方性方向だけを画定することができる点である。したがって、センサ装置の平面内の一方向にだけ、センス層磁化２１０を、記憶磁化２３０に対して垂直に配向させることができる。
図３は、電流線３に直列に電気的に接続された複数のＭＬＵセルを含む、従来のＭＬＵベースの磁気センサ装置１００を示す。磁気センサは普通、少なくとも２つの感知方向を必要とする。図１は、磁気トンネル接合２を備え、磁気トンネル接合２が、センス磁化２１０を有するセンス層２１と、記憶磁化２３０を有する記憶層２３と、低しきい温度（ｌｏｗ ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）では記憶磁化２３０をピン止めし、高しきい温度では記憶磁化２３０を解放する記憶反強磁性層（ａｎｔｉｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｌａｙｄｅｒ）２４と、トンネル障壁層２２とを含む、従来のＭＬＵセルを示す。センス磁化２１０は、センス磁化２１０と記憶磁化２３０との相対的配向によって決まる磁気トンネル接合２の抵抗が変化するように、外部磁場中で配向可能であるように構成されている。
図３を再び参照すると、前記複数のＭＬＵセルが、点パターン１０１、１０２、１０３によって示されている。界磁線（ｆｉｅｌｄ ｌｉｎｅ）４は、入力（界磁電流）に基づいて磁場を発生させるように構成されている。特に、これらの複数のＭＬＵセルは、ＭＬＵセルのサブセットをそれぞれが備える枝（ｂｒａｎｃｈ）１０１、１０２、１０３の中に構成されている。これらの枝は、軸ｘに対して約０°、約４５°、約９０°の角度に向けられている。界磁線は、複数の部分４０１、４０２、４０３を含むことができ、それらの部分はそれぞれ、ＭＬＵセルの枝１０１、１０２、１０３のうちの対応する１つの枝に隣接して配される。界磁線部分４０１、４０２、４０３は、それぞれの部分４０１、４０２、４０３を流れる電流４１の方向が、対応する枝１０１、１０２、１０３の角度配向に対応する角度配向を有するように構成される。その結果、プログラミング磁場４２は、対応するそれぞれの界磁線部分４０１、４０２、４０３に対して垂直な方向を向き、プログラミング方向２６０に沿って整列する。センス固有異方性軸（ｓｅｎｓｅ ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ ａｘｉｓ）２５１と呼ばれるセンス層磁化２１０の固有異方性軸、及び記憶固有異方性軸２５２と呼ばれる記憶層磁化２３０の固有の異方性軸２５２は、スパッタ条件及び／又はアニール条件によって画定される。磁場がない場合、センス磁化２１０は、センス固有異方性軸２５１に沿って配向する。図３では、センス固有異方性軸２５１及び記憶固有異方性軸２５２が、約０°の枝１０１ではプログラムされた方向２６０に対して垂直な向き、約４５°のサブセット１０２では記憶磁化２３０に対して約４５°の角度、約９０°のサブセット１０３では記憶磁化２３０に対してほぼ平行な向きを有する。
従来のＭＬＵベースの磁気センサ装置の他の欠点は、装置をプログラムする間、すなわち記憶磁化の配向を設定するステップの間に、記憶磁化２３０が、記憶固有異方性軸２５１の方向に近い方向にだけ整列することができる点である。上で論じたとおり、記憶固有異方性軸２５１は、磁気センサ装置の全ての枝で単一の方向に向けられており、その方向は、磁気センサ装置の製造プロセス（スパッタ条件、アニール条件など）によって決まる。この異方性軸に近くない方向の記憶磁化のプログラミングは、この異方性軸に近い方向にプログラミングが実行される場合よりも高いプログラミング場を必要とする。従来のＭＬＵベースの磁気センサ装置では、この異方性軸に近くない方向に記憶磁化２３０をプログラムするのに十分な大きさのプログラミング磁場４２をプログラミング線４によって発生させることが可能ではない。
図３に示された２Ｄ磁気センサ装置などの２Ｄ磁気センサ装置を得るためには、異なる枝に含まれるＭＬＵセル１内の記憶層２３が、異なる方向にプログラムされるべきであり、それらの枝のうちのいくつかの枝に関しては、プログラミング方向２６０が磁気異方性軸から遠く（すなわちプログラミング方向２６０と磁気異方性軸の間の角度が１０℃よりも大きく）、その結果、これらの枝ではプログラミングが不十分になる。不十分にプログラムされた枝の外部磁界に対する感度は低く、普通は、外部磁場の値を正確に決定するのに十分な大きさを持たない。
特許文献１は、高い熱安定性（保持特性）を維持することができ、同時に書込み電流を低減させることができる磁気記憶素子を開示している。この磁気記憶素子は磁気トンネル接合を含み、この磁気トンネル接合は、垂直磁化膜を含む第１の磁性体と、絶縁層と、垂直磁化膜を含む記憶層の役目を果たす第２の磁性体とを有し、これらは順番に積み重ねられている。磁気トンネル接合部分と接触して熱膨張層が配されている。第２の磁性体は、電流の流れに起因する熱膨張層の熱膨張又は熱収縮によって、その断面積が大きくなる方向又は小さくなる方向に変形し、それによって、磁化方向を変化させるのに必要なスイッチング電流しきい値を低減させる。
特許文献２は、圧電材料を含む磁気メモリ・セルを開示しており、このメモリ・セルを動作させる方法が提供されている。このメモリ・セルはスタックを含み、圧電材料は、スタック内の層として形成し、又はセル・スタックの層に隣接して形成することができる。この圧電材料を使用して、メモリ・セルのプログラミング中に過渡応力を誘起し、それによってメモリ・セルの臨界スイッチング電流を低減させることができる。
特許文献３は、第１の磁気層と、第１の磁気層上の第１のトンネル障壁層と、第１のトンネル障壁層上の第２の磁気層と、前記第２の磁気層上の応力が加えられたオーバレイヤとからなり、このオーバレイヤが、前記第２の磁気層のスイッチング・エネルギー障壁を変更するように構成された、磁電気素子（ｍａｇｎｅｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ｅｌｅｍｅｎｔ）を開示している。
開示された磁気センサ装置の利点は、プログラミング及びそれぞれの枝の感度が改良され、したがって磁気センサ装置が改良されるように、枝ごと及び層ごとに、センス層及び記憶層の磁気異方性を特定の方向に配向させることができる点である。実際、記憶層の正味の磁気異方性が、プログラムされた方向のそれに近い方向に配向することにより、それぞれの枝はより容易にプログラムする。センス層の磁化は、記憶層磁化に対して垂直に配向するため、磁気センサ装置のそれぞれの枝は、線形の非ヒステリシス挙動を示す。
本開示は、外部磁場を感知する磁気センサ装置であって、複数のＭＬＵセルを備え、それぞれのＭＬＵセルが磁気トンネル接合を備え、この磁気トンネル接合が、外部磁場中で自由に配向可能なセンス磁化を有するセンス層と、記憶磁化を有する記憶層と、センス層と記憶層の間のトンネル障壁層とを含み、磁気センサ装置が、センス層と記憶層のうちの少なくとも一方の層上に応力誘起性磁気異方性を誘起するように異方性機械的応力を磁気トンネル接合上に加えるように構成された応力誘起装置（ｓｔｒｅｓｓ ｉｎｄｕｃｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ）をさらに備える、磁気センサ装置に関する。
本開示はさらに、磁気センサ装置をプログラムする方法であって、
応力誘起装置を使用して、センス層と記憶層のうちの少なくとも一方の層上に応力誘起性磁気異方性を誘導すること、及び
前記複数のＭＬＵセルのそれぞれのＭＬＵセルの記憶磁化をプログラムされた方向に整列させることを含む方法に関する。
応力誘起装置を使用して、センス層と記憶層のうちの少なくとも一方の層上に応力誘起性磁気異方性を誘導すること、及び
前記複数のＭＬＵセルのそれぞれのＭＬＵセルの記憶磁化をプログラムされた方向に整列させることを含む方法に関する。
本発明は、例として与えられ図によって示される一実施形態の説明の助けによって、より十分に理解される。
図１を参照すると、外部磁場を感知するＭＬＵセル１は磁気トンネル接合２を備え、磁気トンネル接合２は、センス層２１と、記憶層２３と、センス層２１と記憶層２３の間のトンネル障壁層２２とを含む。センス層２１は、外部磁場中で自由に配向可能なセンス磁化２１０を有する。記憶層２３は、外部磁場中でその配向が固定された状態を維持する記憶磁化２３０を有する。書込み及び読出し機能を提供するため、ＭＬＵセル１はさらにトレース（ｔｒａｃｅ）又はストリップ導体（ｓｔｒｉｐ ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）を含むことができる。具体的には、ＭＬＵセル１に電流線３を電気的に結合することができる。ＭＬＵセル１は、電流線３に対してほぼ垂直（又は平行）に延びる、ＭＬＵセル１に磁気的に結合されたプログラミング線４を含むことができる。ＭＬＵセル１はさらに、ストラップ７を介してＭＬＵセル１に電気的に接続された選択トランジスタ８を含むことができる。
センス層２１は、軟質強磁性材料、すなわち比較的に低い磁気異方性を有する強磁性材料を含むことができ、記憶層２３は、硬質強磁性材料、すなわち比較的に高い保磁度（ｃｏｅｒｃｉｖｉｔｙ）を有する強磁性材料を含むことができる。適当な強磁性材料には、遷移金属、希土類元素及びそれらの合金が含まれ、この合金は、典型元素を含み又は含まない。例えば、適当な強磁性材料には、鉄（「Ｆｅ」）、コバルト（「Ｃｏ」）、「ニッケル（Ｎｉ）」及びそれらの合金が含まれ、この合金は、パーマロイ（又はＮｉ８０Ｆｅ２０）、Ｎｉ、Ｆｅ及びホウ素（「Ｂ」）に基づく合金、Ｃｏ９０Ｆｅ１０、Ｃｏ、Ｆｅ及びＢに基づく合金などである。センス層２１及び記憶層２３のそれぞれの厚さは、約０．４ｎｍ〜約２０ｎｍ、約１ｎｍ〜約１０ｎｍなど、ｎｍ範囲とすることができる。
センス層２１及び記憶層２３の他の実施態様も企図される。例えば、センス層２１と記憶層２３のうちのいずれか一方又は両方が、いわゆる合成反強磁性層のサブレイヤ（ｓｕｂ−ｌａｙｅｒ）と同様の多数のサブレイヤを含むことができる。図２は、第１の記憶磁化２３４を有する第１の記憶強磁性層２３１と第２の記憶磁化２３５を有する第２の記憶強磁性層２３２とを備える合成記憶層又は合成反強磁性体（ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ａｎｔｉｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔ：ＳＡＦ）を記憶層２３が含む、磁気トンネル接合２を示す。第１の記憶強磁性層２３１と第２の記憶強磁性層２３２の間には記憶逆平行結合層２３３が含まれる。記憶結合層２３３は、第１の記憶層２３１と第２の記憶層２３２の間に、第２の記憶磁化２３５が第１の記憶磁化２３４に対して逆平行であり続けるようにＲＫＫＹ結合を生み出す。２つの記憶強磁性層２３１、２３２は、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ又はＮｉＦｅ合金を含むことができ、一般に約０．５ｎｍ〜約４ｎｍの間に含まれる厚さを有することができる。記憶結合層２３３は、ルテニウム、クロム、レニウム、イリジウム、ロジウム、銀、銅及びイットリウムのうちの少なくとも１つを含むグループから選択された非磁性材料を含むことができる。好ましくは、記憶結合層２３３はルテニウムを含み、一般に約０．４ｎｍ〜３ｎｍの間、好ましくは０．６ｎｍ〜約０．９ｎｍの間又は約１．６ｎｍ〜約２ｎｍの間に含まれる厚さを有する。
トンネル障壁層２２は絶縁材料を含むことができ、又は絶縁材料から形成することができる。適当な絶縁材料には、酸化アルミニウム（例えばＡｌ２Ｏ３）、酸化マグネシウム（例えばＭｇＯ）などの酸化物が含まれる。トンネル障壁層２２の厚さは、約０．５ｎｍ〜約１０ｎｍなど、ｎｍ範囲とすることができる。
ＭＬＵセル１は、サーマリー・アシステッド・スイッチング（ｔｈｅｒｍａｌｌｙ−ａｓｓｉｓｔｅｄ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ：ＴＡＳ）操作によって書込み又はプログラミングがなされるように構成することができる。図１を再び参照すると、ＭＬＵセル１はさらに、記憶層２３に隣接して配されたピン止め層２４を含むことができる。ピン止め層２４は、ピン止め層２４内の温度又はピン止め層２４の近傍の温度が低しきい温度ＴＬであるときに、交換バイアス（ｅｘｃｈａｎｇｅ ｂｉａｓ）によって記憶磁化２３０を特定の方向に沿って固定またピン止めする。低しきい温度ＴＬは、阻害温度（ｂｌｏｃｋｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）、ネール温度（Ｎｅｅｌ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）又は他のしきい温度よりも低い温度に対応しうる。この温度が高しきい温度ＴＨ、すなわち阻害温度よりも高い温度であるとき、ピン止め層２４は、記憶磁化２３０のピン止め又は結合を解除し、それによって、記憶磁化２３０が別の方向にスイッチングされることを可能にする。
図２に示されているように、記憶層がＳＡＦ構成を有する場合には、低しきい温度ＴＬでは第１の記憶磁化２３４をピン止めし、高しきい温度ＴＨでは第１の記憶磁化２３４を解放するように、ピン止め層２４が第１の記憶強磁性層２３１に隣接することができる。第２の記憶磁化２３５は、ピン止め層２４によって交換結合されてはいないが、記憶結合層２３３によって、第１の記憶磁化２３４に逆平行結合された状態に維持される。ピン止め層２４は、第２の記憶強磁性層２３２を交換結合するように第２の記憶強磁性層２３２に隣接することもできる。
ピン止め層２４は、磁性材料、特に反強磁性型の磁性材料を含み、又は磁性材料、特に反強磁性型の磁性材料から形成されている。適当な反強磁性材料には、遷移金属及びそれらの合金が含まれる。例えば、適当な反強磁性材料には、イリジウム（「Ｉｒ」）及びＭｎに基づく合金（例えばＩｒＭｎ）、Ｆｅ及びＭｎに基づく合金（例えばＦｅＭｎ）、白金（「Ｐｔ」）及びＭｎに基づく合金（例えばＰｔＭｎ）、Ｎｉ及びＭｎに基づく合金（例えばＮｉＭｎ）など、マンガン（「Ｍｎ」）に基づく合金が含まれる。ある例では、Ｉｒ及びＭｎに基づく（又はＦｅ及びＭｎに基づく）合金の阻害温度が約９０℃〜約３５０℃又は約１５０℃〜約２００℃の範囲にあり、約２００℃〜約４００℃の範囲にあることがあるＰｔ及びＭｎに基づく（又はＮｉ及びＭｎに基づく）合金の阻害温度よりも低い。
一実施形態では、ＭＬＵセル１が、センス層２１と記憶層２３のうちの少なくとも一方の層上に応力誘起性磁気異方性２７０を誘起するように異方性機械的応力を磁気トンネル接合２上に加えるように構成された応力誘起装置６を備える。
磁歪材料は、外部磁場にさらされたときに大きな機械的変形を示す。この現象は、この材料が磁場にさらされていないときのこの材料中のランダムな向きの小さな磁区が回転することによって生じると考えられる。磁場の印加によるこれらの小さな磁区の配向はひずみ場を生み出す。磁場の強度が増大するにつれて、ますます多くの磁区が配向し、その結果、それらの磁区の主異方性軸は、それぞれの領域内の磁場と同一の直線上にあり、最終的に飽和が達成される。反対に、加えられた応力に起因する磁化又は磁気異方性軸の変化も、磁気弾性効果（ｍａｇｎｅｔｏｅｌａｓｔｉｃ ｅｆｆｅｃｔ）又はビラリ（Ｖｉｌｌａｒｉ）効果として知られている。
したがって、磁気トンネル接合２上に異方性機械的応力を加えると、応力誘起性磁気異方性と呼ばれる追加の磁気異方性源が誘起される。このような異方性機械的応力は応力誘起装置６によって生成される。応力誘起装置６は、磁気トンネル接合２の近傍に位置する金属線又は酸化物を含むことができる。一実施形態では、応力誘起装置６が、電流線３及び／又はプログラミング線４を備える。これの代わりに又はこれと組み合わせて、応力誘起装置６は、ストラップ７などの追加の金属線、又は適切な機械的応力を発生させるように適合された他の金属線を備えることもできる。これの代わりに又はこれと組み合わせて、応力誘起装置６は、ＭＬＵセル１をカプセル封入する誘電層などのカプセル封入層（図示せず）を備えることもできる。
応力誘起装置はさらに、応力誘起性磁気異方性２７０が、付着及び／若しくはアニール、形状又は結晶異方性によって誘起された磁気異方性などの磁気異方性（以後、以下の文では、センス層２１に対してはセンス固有異方性２５１及び記憶層２３に対しては記憶固有異方性２５２と呼ぶ）の他の可能な寄与よりも大きな大きさを有するように構成される。センス層２１中の応力誘起性磁気異方性を、センス応力誘起性磁気異方性２７１と呼び、記憶層２３中の応力誘起性磁気異方性を、記憶応力誘起性磁気異方性２７２と呼ぶ。したがって、応力誘起装置６は、センス応力誘起性磁気異方性２７１がほぼ正味のセンス磁気異方性２８１に対応し、記憶応力誘起性磁気異方性２７２がほぼ正味の記憶磁気異方性２８２に対応するように構成される（図４参照）。ここで、正味のセンス磁気異方性２８１は、センス固有異方性２５１とセンス応力誘起性磁気異方性２７１の和に対応し、正味の記憶磁気異方性２８２は、記憶固有異方性２５１と記憶応力誘起性磁気異方性２７１の和に対応する。言い換えると、センス固有異方性２５１は、センス応力誘起性磁気異方性２７１と比較して無視することができ、記憶固有異方性２５２は、記憶応力誘起性磁気異方性２７２と比較して無視することができる。
図４は、磁場方向を測定する一実施形態に基づく磁気センサ装置１００の例を示す。磁気センサ装置１００は複数のＭＬＵセル１を含む。図４の磁気センサ装置１００の構成は、図３に記載された構成と同様である。磁気センサ装置１００は、複数の枝１０１、１０２、１０３を備え、それぞれの枝は、それぞれ電流線３の電流部分３０１、３０２、３０３に直列に電気的に接続された前記複数のＭＬＵセル１のサブセットを含む。磁気センサ装置１００はさらに、プログラミング磁場４２を誘起するプログラミング界磁電流４１を通電するように構成されたプログラミング線４を備える。このプログラミング線は、プログラミング線部分４０１、４０２、４０３を含み、それぞれのプログラミング線部分はそれぞれ、対応する枝１０１、１０２、１０３をアドレスする。
より詳細には、それぞれの枝１０１、１０２、１０３が、前記複数のＭＬＵセル１の１つ又は複数の行及び／又は列を含むアレイを含み、このアレイは、電流線３０１、３０２、３０３のうちの１つの電流線に直列に電気的に接続されている。例えば、それぞれの枝１０１、１０２、１０３は、ＭＬＵセル１の１つの行又はＭＬＵセル１の２つ以上の隣接する行を備えることができる。プログラミング界磁電流４１は、それぞれのプログラミング線部分４０１、４０２、４０３に個別に通電することができる。あるいは、プログラミング界磁電流４１がプログラミング線部分４０１、４０２、４０３に同時に通されるように、プログラミング線部分４０１、４０２、４０３を直列に電気的に接続することもできる。
図４の配置では、軸ｘに対して約０°の角度に向けられた第１の枝１０１、軸ｘに対して約４５°の角度に向けられた第２の枝１０２、及び約９０°の角度に向けられた第３の枝１０３を有する磁気センサ装置１００が示されている。第１、第２及び第３の枝１０１、１０２、１０３に含まれるＭＬＵセルはそれぞれ、第１、第２及び第３のプログラミング線部分４０１、４０２、４０３によってアドレスされる。第１、第２及び第３のプログラミング線部分４０１、４０２、４０３は、プログラミング電流４１がその中を通る単一のプログラミング線４を形成するように、直列に電気的に接続されている。
プログラミング線部分４０１、４０２、４０３は、任意のプログラミング線部分４０１、４０２、４０３を流れているプログラミング界磁電流４１が、プログラミング線部分４０１、４０２、４０３及び枝１０１、１０２、１０３に対してほぼ垂直な方向のプログラミング磁場４２を誘起するように構成される。
磁気センサ装置１００の他の構成も企図されうる。例えば、磁気センサ装置１００は、ＭＬＵセル１の平均記憶磁化方向２３０間の間隔がほぼ３６０度を「ｎ」で割った角度又は４５°にほぼ等しいように複数の枝を備えることができる。「ｎ」は８とすることができる。
一実施形態によれば、磁気センサ装置１００をプログラムする方法が、
応力誘起装置６を使用して、記憶層２３上に、記憶応力誘起性磁気異方性２７２を、記憶層２３の記憶応力誘起性磁気異方性２７２がプログラミング磁場４２に対してほぼ平行になるように誘起するステップと、
それぞれのサブセット内に構成された複数のＭＬＵセル１の記憶磁化２３０を、プログラミング磁場４２に対してほぼ平行なプログラムされた方向２６０（図４参照）に整列させるステップと
を含む。
応力誘起装置６を使用して、記憶層２３上に、記憶応力誘起性磁気異方性２７２を、記憶層２３の記憶応力誘起性磁気異方性２７２がプログラミング磁場４２に対してほぼ平行になるように誘起するステップと、
それぞれのサブセット内に構成された複数のＭＬＵセル１の記憶磁化２３０を、プログラミング磁場４２に対してほぼ平行なプログラムされた方向２６０（図４参照）に整列させるステップと
を含む。
記憶磁化２３０は、界磁線４０１、４０２、４０３にプログラミング磁場４２を印加することによって、プログラムされた方向２６０に整列させることができる。
記憶応力誘起性磁気異方性２７２及び／又はセンス応力誘起性磁気異方性２７１の誘起は、記憶層２３及び／又はセンス層２１上に機械的応力を誘起することによって実行することができる。この機械的応力は、電流線３、界磁線４、ストラップ７、又は適切な機械的応力を発生させるように適合された他の金属線の形状、材料特性及び製造条件を適合させることによって誘起することができる。これの代わりに又はこれと組み合わせて、磁気トンネル接合２の近傍に位置する、ＭＬＵセル１をカプセル封入する誘電層などの絶縁材料の材料特性及び製造条件を適合させることによって、機械的応力を誘起することもできる。
一実施形態では、記憶誘起磁気異方性２７１の方向が前記複数の枝１０１、１０２、１０３ごとに異なるように、応力誘起装置６を構成することができる。これは、枝ごとに、電流線３０１、３０２、３０３若しくは界磁線４０１、４０２、４０３、ストラップ７、又は適切な機械的応力を発生させるように適合された他の金属線、又は絶縁層を、適切な方向に向けることによって達成することができる。
プログラミング操作中に、それぞれの枝１０１、１０２、１０３に含まれるＭＬＵセル１の記憶磁化２３０を、プログラミング磁場４２に対してほぼ平行なプログラムされた方向２６０に整列させることができる。したがって、記憶磁化２３０のプログラムされた方向２６０を、それぞれの枝１０１、１０２、１０３に含まれるＭＬＵセル１の記憶層２３の応力誘起性磁気異方性２７２に対してほぼ平行にすることができる。比較のため、図４は、記憶固有異方性２５１の配向も示している。
一実施形態では、センス層２１中のセンス応力誘起性磁気異方性２７１の方向、及び／又は記憶層２３中の記憶応力誘起性磁気異方性２７２の方向を、加えられる異方性機械的応力の振幅を調整することによって調整することができる。
他の実施形態では、異方性機械的応力の強度及び方向が、電流線３、３０１、３０２、３０３若しくは界磁線４、４０１、４０２、４０３、又はストラップ７、又は適切な機械的応力を発生させるように適合された他の金属線、又はＭＬＵセル１の近傍にある絶縁層のうちの少なくとも１つの付着条件を調整することによって変更される。電気的に応力を誘起する装置６を形成する金属及び／又は絶縁材料に対して、異なる熱膨張率を有する材料の組合せを選択することによって、異方性機械的応力の強度及び方向をさらに調整することができる。
一実施形態では、応力誘起装置６によって加えられる異方性機械的応力が約１ＭＰａ〜５ＧＰａの間である。
センス層２１中のセンス応力誘起性磁気異方性２７１の方向は、センス層２１のセンス磁気弾性結合定数（ｍａｎｇｅｔｏｅｌａｓｔｉｃ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｃｏｎｓｔａｎｔ）λ１を変更することによって調整することができる。記憶層２３中の記憶応力誘起性磁気異方性２７２の方向も、記憶層２３の記憶磁気弾性結合定数２を変更することによって調整することができる。
一実施形態では、センス磁気弾性結合定数λ１と記憶磁気弾性結合定数λ２とが反対の符号を有する。したがって、異方性機械的応力を加えると、センス層２１のセンス応力誘起性磁気異方性２７１が、記憶層２３の記憶応力誘起性磁気異方性２７２に対してほぼ垂直に配向する。特定の配置では、センス磁気弾性結合定数λ１及び記憶磁気弾性結合定数λ２が、約−１０００ｐｐｍ〜約１０００ｐｐｍの間の範囲にある。
図５ａ〜５ｄは、ｙ方向のセンス応力誘起性磁気異方性２７１を、応力誘起装置６を使用することによって誘起する可能な４つの方式を表す。図５ａ〜５ｄには、上から見た磁気トンネル接合又はセンス層２１が概略的に示されている。正のセンス磁気弾性結合定数λ１に関して、応力σによって誘起されるセンス応力誘起性磁気異方性２７１は、圧縮応力（σｘｘ＞０。図５ａ参照）の応力方向に対して垂直であり、引張応力（σｙｙ＞０。図５ｄ参照）の応力方向に対して平行である。負のセンス磁気弾性結合定数λ１に関しては、センス応力誘起性磁気異方性２７１が、引張応力（σｘｘ＞０。図５ｂ参照）の応力方向に対して垂直であり、又は圧縮応力（σｙｙ＜０。図５ｃ参照）の応力方向に対して平行である。
図６ａ〜６ｄは、記憶層２３中の記憶応力誘起性磁気異方性２７２に対してほぼ垂直なセンス層２１中のセンス応力誘起性磁気異方性２７１を、応力誘起装置６を使用することによって誘起する可能な４つの方式を表す。図６ａ〜６ｄには、上から見た磁気トンネル接合２が概略的に示されている。これは、センス磁気弾性結合定数λ１と記憶磁気弾性結合定数λ２とが反対の符号を有するとの条件で、応力σの方向と符号の任意の組合せによって達成することができる。図６ａ〜６ｄの例では、記憶層２３中の記憶応力誘起性磁気異方性２７２に対してほぼ垂直なセンス層２１中のセンス応力誘起性磁気異方性２７１が、センス磁気弾性結合定数λ１が負（＜０）であり、記憶磁気弾性結合定数λ２が正（＞０）であるときに、圧縮応力（σｘｘ＜０）を加えることによって達成される（図６ａ）。これは、λ１＞０及びλ２＜０のときに圧縮応力（σｘｘ＜０）を加えることによっても（図６ｂ）、又はλ１＜０及びλ２＞０のときに引張応力（σｘｘ＞０）を加えることによっても（図６ｃ）、及びλ１＞０及びλ２＜０のときに引張応力（σｘｘ＞０）を加えることによっても（図６ｄ）達成することができる。
したがって、応力誘起装置６は、センス応力誘起性磁気異方性２７１及び記憶応力誘起性磁気異方性２７２をそれぞれセンス層２１上及び記憶層２３上に誘起する異方性機械的応力を加えることができ、センス層２１のセンス応力誘起性磁気異方性２７１は、記憶層２３の記憶応力誘起性磁気異方性２７２の方向とは異なる方向を有する。
図７ａ及び７ｂは、高温で付着させた適切な形状を有する金属線７によってセンス層２１及び記憶層２３中に異方性応力を誘起する方式を示す。図７ａ及び７ｂには、上から見た磁気トンネル接合２及び応力誘起装置６が概略的に示されている。この例では、応力誘起装置６が、長方形の形状を有する金属線７を備える（この例では長い方の寸法がｙ軸に沿っている）。金属線７は、センサ装置の動作温度よりも高い温度で付着させる（図７ａ）。センサ装置の動作温度は、０℃〜８５℃の間で、ことによると−４０℃〜１８０℃の間で、ことによると最高２５０℃まで変化しうる。付着温度は、１５０℃〜４００℃の間、ことによると２０℃〜８００℃の間とすることができる。金属線７は、処理後、装置の動作温度まで冷える。図７ｂから分かるとおり、金属線７は、金属線７の熱収縮によって収縮する（点線で描かれた長方形は冷却前の線７の寸法を示す。金属線７の長さ（ｙ方向）は幅（ｘ方向）よりも大きいため、この収縮は異方性である。言い換えると、ｘ方向の変形εｘｘはｙ方向の変形εｙｙよりも小さい。この異方性収縮は、金属線７の上に付着させた磁気トンネル接合２上にｙ方向の異方性圧縮応力を誘起する。
ＴＡＳベースのプログラミング操作の場合、この方法はさらに、対応するサブセット１０１、１０２、１０３内のＭＬＵセル１を高しきい温度ＴＨに加熱し、前記ＭＬＵセル１の記憶磁化２３０のピン止めを解除するように、電流線３０１、３０２、３０３に加熱電流３１を通電するステップを含むことができる。記憶磁化２３０をプログラムされた方向２６０に整列させるステップの後又は記憶磁化２３０を整列させるステップと同時に、この方法は、記憶磁化２３０のスイッチングをプログラムされた方向２６０にピン止めするように、対応するサブセット１０１、１０２、１０３に含まれるＭＬＵセル１を低しきい温度ＴＬまで冷却するステップを含むことができる。
磁気センサ装置１００の感知動作は、平均抵抗Ｒを測定するように、電流枝３０１、３０２、３０３に感知電流３２を通電することを含む。ここで、平均抵抗Ｒは、枝１０１、１０２、１０３に含まれるＭＬＵセルに関して直列に測定された抵抗に対応する。それぞれのＭＬＵセルの抵抗は、記憶磁化２３０に対するセンス磁化２１０の相対的配向によって決まる。センス磁化２１０は、センス磁場４４を発生させるようにプログラミング線部分４０１、４０２、４０３にセンス界磁電流４３を通電することによって変化しうる。センス界磁電流４３は、センス界磁電流４３の極性に従ってセンス磁場４４及び平均抵抗Ｒを調節するように交番しうる。センス応力誘起性磁気異方性２７１（又は正味のセンス磁気異方性２８１）は当初、記憶応力誘起性磁気異方性２７２（又は正味の記憶磁気異方性２８２）に対してほぼ垂直であるため、この応答は線形である。
地球磁場などの外部磁場を感知するために磁気センサ装置１００が使用されたとき、センス磁化２１０は、外部磁場中で、外部磁場の対応するそれぞれの向き及び外部磁場の方向に対する枝１０１、１０２、１０３の向きに従って整列する。外部磁場は、電流枝３０１、３０２、３０３に感知電流３２を通電することによって平均抵抗Ｒを測定するように、電流枝３０１、３０２、３０３に感知電流３２を通電することによって決定することができる。
本明細書に開示されたＭＬＵベースの磁気センサ装置１００は例えば磁力計及び／又はコンパスに含めることができる。
一実施形態では、磁気センサ装置１００を使用して、地球磁場などの外部磁場の２次元における方向、例えば２次元平面内の外部磁場の成分を測定することができる。磁気センサ装置１００の設計原理を含む装置は、ホール効果垂直軸感知を用いる磁気センサ装置１００を使用することなどによって、外部磁場の方向を３次元で測定することもできる。ホール効果は、その結果として、導体中の電流に対して横断方向の電気導体を横切る電圧差（ホール電圧）及びこの電流に対して垂直な磁場を生み出す。ホール効果に基づいて、第３の次元の外部磁場の成分を決定することができる。
１ ＭＬＵセル
２ 磁気トンネル接合
３ 電流線
４ プログラミング線
６ 応力誘起装置
７ 追加の金属線
２１ センス層
２２ トンネル障壁層
２３ 記憶層
２４ ピン止め層
３１ 加熱電流
３２ センス電流
４１ プログラミング界磁電流
４２ プログラミング磁場
４３ センス界磁電流
４４ センス磁場
１００ 磁気センサ装置
１０１ 第１のサブセット、第１の枝
１０２ 第２のサブセット、第２の枝
１０３ 第３のサブセット、第３の枝
２１０ センス磁化
２３０ 記憶磁化
２３１ 第１の記憶強磁性層
２３２ 第２の記憶強磁性層
２３３ 記憶結合層
２３４ 第１の記憶磁化
２３５ 第２の記憶磁化
２５１ センス固有異方性
２５２ 記憶固有異方性
２６０ プログラムされた方向
２７１ センス応力誘起性磁気異方性
２７２ 記憶応力誘起性磁気異方性
２８１ 正味のセンス磁気異方性
２８２ 正味の記憶磁気異方性
３０１ 第１の電流枝
３０２ 第２の電流枝
３０３ 第３の電流枝
４０１ プログラミング線部分
４０２ プログラミング線部分
４０３ プログラミング線部分
λ１ センス磁気弾性結合定数
λ２ 記憶磁気弾性結合定数
σ 応力
ε 変形
σｘｘ ｘ方向の応力
σｙｙ ｙ方向の応力
εｘｘ ｘ方向の変形
εｙｙ ｙ方向の変形
Ｒ 平均抵抗
ＴＨ 高しきい温度
ＴＬ 低しきい温度
２ 磁気トンネル接合
３ 電流線
４ プログラミング線
６ 応力誘起装置
７ 追加の金属線
２１ センス層
２２ トンネル障壁層
２３ 記憶層
２４ ピン止め層
３１ 加熱電流
３２ センス電流
４１ プログラミング界磁電流
４２ プログラミング磁場
４３ センス界磁電流
４４ センス磁場
１００ 磁気センサ装置
１０１ 第１のサブセット、第１の枝
１０２ 第２のサブセット、第２の枝
１０３ 第３のサブセット、第３の枝
２１０ センス磁化
２３０ 記憶磁化
２３１ 第１の記憶強磁性層
２３２ 第２の記憶強磁性層
２３３ 記憶結合層
２３４ 第１の記憶磁化
２３５ 第２の記憶磁化
２５１ センス固有異方性
２５２ 記憶固有異方性
２６０ プログラムされた方向
２７１ センス応力誘起性磁気異方性
２７２ 記憶応力誘起性磁気異方性
２８１ 正味のセンス磁気異方性
２８２ 正味の記憶磁気異方性
３０１ 第１の電流枝
３０２ 第２の電流枝
３０３ 第３の電流枝
４０１ プログラミング線部分
４０２ プログラミング線部分
４０３ プログラミング線部分
λ１ センス磁気弾性結合定数
λ２ 記憶磁気弾性結合定数
σ 応力
ε 変形
σｘｘ ｘ方向の応力
σｙｙ ｙ方向の応力
εｘｘ ｘ方向の変形
εｙｙ ｙ方向の変形
Ｒ 平均抵抗
ＴＨ 高しきい温度
ＴＬ 低しきい温度
Claims (14)
- 外部磁場を感知する磁気センサ装置（１００）であって、複数のマグネティック・ロジック・ユニット（以後ＭＬＵ）セル（１）を備え、それぞれのＭＬＵセル（１）が磁気トンネル接合（２）を備え、前記磁気トンネル接合（２）が、前記外部磁場中で自由に配向可能なセンス磁化（２１０）を有するセンス層（２１）と、記憶磁化（２３０）を有する記憶層（２３）と、前記センス層（２１）と前記記憶層（２３）の間のトンネル障壁層（２２）とを含み、
前記磁気センサ装置（１００）が、前記センス層（２１）と前記記憶層（２３）のうちの少なくとも１つの層の上に応力誘起性磁気異方性（２７１、２７２）を誘起するように異方性機械的応力を前記磁気トンネル接合（２）上に加えるように構成された応力誘起装置（６）をさらに備え、
前記応力誘起装置（６）によって誘起された前記応力誘起性磁気異方性（２７１、２７２）が、前記センス層（２１）と前記記憶層（２３）のうちの前記少なくとも１つの層の正味の磁気異方性（２８１、２８２）にほぼ対応する、当該磁気センサ装置（１００）において、
前記センス層（２１）の前記センス応力誘起性磁気異方性（２７１）の方向が前記記憶層（２３）の前記記憶応力誘起性磁気異方性（２７２）の方向とは異なるように、加えられた前記異方性機械的応力が、前記応力誘起性磁気異方性（２７１、２７２）を前記センス層及び前記記憶層（２１、２３）内に誘起するように、前記応力誘起装置（６）がさらに構成されていることを特徴とする磁気センサ装置（１００）。 - 前記センス層及び前記記憶層（２１、２３）の前記応力誘起性磁気異方性（２７１、２７２）のそれぞれの方向が、加えられた前記異方性機械的応力の振幅を調整することによって調整可能である請求項１に記載の磁気センサ装置（１００）。
- 前記センス層（２１）のセンス応力誘起性磁気異方性（２７１）の方向が、前記センス層（２１）のセンス磁気弾性結合定数（λ１）を調整することによって調整可能であり、
前記記憶層（２３）の記憶応力誘起性磁気異方性（２７２）の方向が、前記記憶層（２３）の記憶磁気弾性結合定数（λ２）を調整することによって調整可能である請求項１又は２に記載の磁気センサ装置（１００）。 - 前記異方性機械的応力が加えられたときに、前記センス層（２１）の前記センス応力誘起性磁気異方性（２７１）が、前記記憶層（２３）の前記記憶応力誘起性磁気異方性（２７２）に対してほぼ垂直に配向されるように、前記センス磁気弾性結合定数（λ１）が、前記記憶磁気弾性結合定数（λ２）の符号とは反対の符号を有する請求項３に記載の磁気センサ装置（１００）。
- 前記センス磁気弾性結合定数（λ１）及び前記記憶磁気弾性結合定数（λ２）が、−１０００ｐｐｍ〜１０００ｐｐｍの間の範囲にある請求項３又は４に記載の磁気センサ装置（１００）。
- 前記応力誘起装置６が、金属から成る導電性ストリップ（３、４、７）及び／又は前記応力誘起性異方性機械的応力を誘起するように適合された絶縁材料を備える請求項１〜５のいずれか１項に記載の磁気センサ装置（１００）。
- 前記異方性応力の強度及び方向が、前記材料の性質、並びに前記応力誘起装置（６）を形成する前記金属線（３、４、７）及び／若しくは酸化物の付着条件、又は前記金属線（３、４、７）の形状のうちの少なくとも１つを調整することによって調整可能である請求項６に記載の磁気センサ装置（１００）。
- 前記異方性応力の強度及び方向が、応力誘起装置（６）を形成する前記金属及び／又は酸化物に対して、異なる熱膨張率を有する材料の組合せを選択することによって調整可能である請求項６又は７に記載の磁気センサ装置（１００）。
- 前記応力誘起装置（６）によって加えられる前記異方性機械的応力が、約１ＭＰａ〜５ＧＰａである請求項１〜８のいずれか１項に記載の磁気センサ装置（１００）。
- 複数の枝（１０１、１０２、１０３）を備える請求項１〜９のいずれか１項に記載の磁気センサ装置（１００）において、
それぞれの枝が、複数のＭＬＵセル（１）のサブセットを有し、それぞれのサブセットが、電流線（３０１、３０２、３０３）によって直列に電気的に接続されていて、前記電流線（３０１、３０２、３０３）が、前記外部磁場に応答して、前記複数のＭＬＵセル（１）のそれぞれのＭＬＵセル（１）内の前記センス磁化（２１０）の平均配向に対応する前記サブセットの平均抵抗を感知するように適合されたセンス電流（３１１、３１２、３１３）を通電するように構成されていて、
前記応力誘起装置（６）が、前記複数の枝（１０１、１０２、１０３）のそれぞれの枝に対して、前記サブセットのそれぞれのＭＬＵセル（１）の前記センス層（２１）と前記記憶層（２３）のうちの少なくとも１つの層の上に前記応力誘起性磁気異方性（２７１、２７２）を誘起するように構成されている当該磁気センサ装置（１００）。 - それぞれのサブセットが、前記サブセット内に構成された複数の前記ＭＬＵセル（１）の前記記憶磁化（２３０）をプログラムされた方向に整列させるように適合されたプログラミング磁場（４２）を誘起する界磁電流（４１）を通電するように配置されたプログラミング線（４０１、４０２、４０３）と磁気的に交信する請求項１０に記載の磁気センサ装置（１００）。
- 前記誘起性磁気異方性（２７１、２７２）の方向が、前記それぞれの枝（１０１、１０２、１０３）ごとに異なるように、前記応力誘起装置（６）がさらに構成されている請求項１０又は１１に記載の磁気センサ装置（１００）。
- 請求項１〜１２のいずれか１項に記載の磁気センサ装置（１００）をプログラムする方法において、
前記センス層（２１）のセンス応力誘起性磁気異方性（２７１）の方向が、前記記憶層（２３）の前記記憶応力誘起性磁気異方性（２７２）の方向と異なるように、応力誘起性磁気異方性（２７１、２７２）を前記センス層（２１）及び前記記憶層（２３）上に誘起するために、前記応力誘起装置（６）を使用することと、
前記それぞれのＭＬＵセル（１）の前記記憶磁化（２３０）をプログラムされた方向（２６０）に整列させることとから成る方法。 - 請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の磁気センサ装置（１００）のための請求項１３に記載の方法において、
前記記憶磁化（２３０）を整列させることが、それぞれのサブセット内に構成された複数の前記ＭＬＵセル（１）に対するそれぞれの枝（１０１、１０２、１０３）ごとに実行される請求項１３に記載の方法。
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