JP2018517225A - 磁気抵抗センサ - Google Patents

Abstract

磁気抵抗センサが提供される。この磁気抵抗センサは、磁気感知層と、磁気基準層と、磁気感知層と磁気基準層との間のトンネル・バリア層とを備える。この磁気抵抗センサは、反強磁性材料の層を有する感知交換層も備える。感知交換層は、磁気感知層と交換結合されている。また、磁気抵抗センサは、反強磁性材料の層を有する基準交換層をさらに備える。基準交換層は、磁気基準層と交換結合されている。さらに、磁気抵抗センサは、外部磁場が不在の場合には、基準層を固定する交換バイアスが基準方向に沿って存在し、感知層を固定する交換バイアスが基準方向と直交する第１の方向に沿って存在し、感知層の磁気異方性が第１の方向と平行であるように、構成されている。

Description

本開示は、一般に、磁気抵抗センサにおける自由層バイアスに関し、より詳細には、感知層の磁気異方性と同じ方向に沿って感知層の直交バイアスを提供するインスタック・バイアス層を有する磁気トンネル接合センサの作製に関する。

薄膜多層スタックを基礎とし、巨大な磁気抵抗効果またはトンネル磁気抵抗効果を利用する磁気抵抗センサは、基準強磁性層（ＲＬ）と感知強磁性層（ＳＬ）との磁気モーメント間の相対方位に依存する電気抵抗を有する。基準強磁性層の磁気モーメントは、通常、マンガン−イリジウム（ＩｒＭｎ）またはマンガン−白金（ＰｔＭｎ）などの反強磁性材料との界面交換結合によって固定される。この結合が、好適な基準方向を画定し、この基準方向に沿って基準層が強く固定される。センサの抵抗値は、外部磁場が不在であり、感知層の磁気モーメントが基準方向に対して９０度である、すなわち直交方向に沿っている場合には、基準磁気層に沿って印加される磁場に対して線形に変化する。

本開示の態様によると、磁気抵抗センサが提供される。この磁気抵抗センサは、磁気感知層と、磁気基準層と、磁気感知層と磁気基準層との間のトンネル・バリア層とを備える。この磁気抵抗センサは、また、それぞれが反強磁性材料の層を有する感知交換層と基準交換層とを備える。感知交換層は、磁気感知層と交換結合される。同様に、基準交換層は、磁気基準層と交換結合される。さらに、この磁気抵抗センサは、外部磁場が不在の場合には、基準層を固定する交換バイアスが基準方向に沿って存在し、感知層を固定する交換バイアスが基準方向と直交する第１の方向に沿って存在し、感知層の磁気異方性が第１の方向と平行であるように、構成されている。

例示的な実装では、基準方向に基準層を固定する交換バイアスと、基準方向と直交する第１の方向に感知層を固定する交換バイアスと、第１の方向と平行な感知層の磁気異方性とが、磁気抵抗センサの幾何学的形状と独立に、達成される。こうして、線形性が改善された磁気抵抗センサが、提供される。

本開示のさらなる態様によると、磁気抵抗センサを作製する方法が、提供される。この方法は、反強磁性材料の層を有する基準交換層を積層させ、磁気基準層を、基準交換層が磁気基準層と交換結合されるように、基準交換層の上に積層させ、トンネル・バリア層を磁気基準層の上に積層させ、磁気感知層をトンネル・バリア層の上に積層させ、反強磁性材料の層を有する感知交換層を、感知交換層が磁気感知層と交換結合されるように、磁気感知層の上に積層させることにより、磁気抵抗スタックを形成することを備える。この方法は、また、基準層を固定する交換バイアスを、基準方向に沿って設定することを備える。この方法は、さらに、感知層を固定する交換バイアスを、基準方向と直交する第１の方向に沿って存在するように設定することを備える。この方法は、さらにまた、感知層の磁気異方性を、第１の方向と平行に存在するように設定することを備える。

この方法では、感知層の磁気異方性を、第１の方向と平行に存在するように設定することが、磁気抵抗スタックを、積層の間に誘導されるどの異方性でもリセットするのに十分な温度に露出させる（ｅｘｐｏｓｅ）ことによって、第１のアニーリング・プロセスを実行することと、第１のアニーリング・プロセスと関連する冷却の間に、磁気抵抗スタックを、第１の方向の外部磁場に露出させることとを備えることがあり得る。

この方法では、基準層を固定する交換バイアスを、基準方向に沿うように設定することが、磁気抵抗スタックを、感知層の磁気異方性をリセットするには不十分であるが、基準層を固定する交換バイアスをリセットするには十分である温度に露出させることによって、第１のアニーリング・プロセスの後で第２のアニーリング・プロセスを実行することと、第２のアニーリング・プロセスと関連する冷却の間に、磁気抵抗スタックを、基準方向の外部磁場に露出させることとを備えることがあり得る。

この方法では、感知層を固定する交換バイアスを、基準方向と直交する第１の方向に沿って存在するように設定することが、磁気抵抗スタックを、基準層を固定する交換バイアスをリセットするには不十分であるが、感知層を固定する交換バイアスをリセットするには十分である温度に露出させることによって、第２のアニーリング・プロセスの後で、第３のアニーリング・プロセスを実行することと、第３のアニーリング・プロセスと関連する冷却の間に、磁気抵抗スタックを、第１の方向の外部磁場に露出させることとを備えることがあり得る。

本開示の態様による磁気抵抗センサの図である。 本開示のさらなる態様による磁気抵抗センサの図である。 本開示のまたさらなる態様による磁気抵抗センサの図である。 本開示の態様による磁気抵抗センサの例示的実装に関して、横軸に印加された磁場の測定値を取り、縦軸に抵抗値を取ったグラフの図である。 本明細書の本開示の態様による磁気抵抗センサを作製する方法の図である。 図５の方法の、事後的な冷却を含む第１のアニーリング・プロセスの後の磁場の図である。 図５の方法の、事後的な冷却を含む第２のアニーリング・プロセスの後の磁場の図である。 図５の方法の、事後的な冷却を含む第３のアニーリング・プロセスの後の磁場の図である。

現時点で考察されている様々な実施形態に関する以下の説明は、一般的原理を例示するという目的のためになされており、特許請求の範囲に記載された内容を限定することは意図されていない。

本開示の様々な態様によると、磁気抵抗センサが提供され、この磁気抵抗センサは、従来型の磁気抵抗センサよりも優れた線形性を示す。本明細書における態様による磁気抵抗センサは、磁気異方性と感知層交換結合とによる感知層の組み合わされたインスタック・バイアスを伴う磁気トンネル接合スタックを基礎としており、磁気異方性と感知層交換結合とは、共に、基準方向と直交する共通の方向に沿って存在する。磁気異方性と感知層の交換結合との組み合わされた作用が、外部磁場が不在の場合に自由層がそれに沿って存在する明確に定義された（well-defined）方向を生じさせる。この基準方向に沿った磁場の影響により、感知層の磁化は、滑らかで一様に回転し、モノドメインから予測される理想の振る舞いに近づく。このようにして、高品質の線形応答が、形状のない異方性を伴う大面積センサにおいても、高感度センサを達成するために要求される非常に弱い感知層交換結合値の限度において、達成されることが可能になる。

次に、図面を、特に図１を参照すると、本明細書における本開示の態様による磁気抵抗センサ１００が示されている。磁気抵抗センサ１００は、上部から底部に至るスタック状の形態で、感知交換層１０２と磁気感知層１０４とトンネル・バリア層１０６と磁気基準層１０８と基準交換層１１０とを含む、一連のサンドイッチ状の層から構成される。

感知交換層１０２は、反強磁性材料の層を含んでおり、磁気感知層１０４と交換結合されるように位置決めされる。同様に、基準交換層１１０は、反強磁性材料の層を含んでおり、磁気基準層１０８と交換結合されるように位置決めされる。なお、トンネル・バリア層１０６は、磁気感知層１０４と磁気基準層１０８との間に位置決めされる。磁気感知層１０４は、感知交換層１０２とトンネル・バリア層１０６との間に位置決めされる。同様に、磁気基準層１０８は、トンネル・バリア層１０６と基準交換層１１０との間に位置決めされる。

上述した構成の下では、交換バイアス磁場（exchange bias field）が、磁気基準層１０８と基準交換層１１０との間の交換結合により、磁気基準層１０８を強く固定する。この磁場は、本明細書において基準交換磁場（reference exchange field）と称され、基準方向１１２に沿って存在する。この基準磁場（reference magnetic field）は、センサ１００によって測定されるべき外部磁場が存在するときに、基準層を固定し、基準層１０８の基準交換磁場が変化することを許容しないほど十分に強くなければならない。

交換バイアス磁場は、磁気感知層１０４と感知交換層１０２との間の交換結合により、磁気感知層１０４を固定する。この磁場は、本明細書において感知交換磁場と称され、基準方向１１２と直交する第１の方向１１４に沿って存在する。さらに、感知層１０４の磁気異方性は、第１の方向１１４と平行な方向１１６にあり、また、基準方向１１２とは直交する。外部磁場が不在の場合には、感知交換磁場と磁気異方性との組み合わされた作用が、磁気感知層１０４の磁化ベクトルを、基準方向１１２と直交する第１の方向１１４に沿って存在するように強制する。

基準方向１１２に沿って印加された外部磁場により、通常は第１の方向１１４に沿ってアライメントがとられている磁気感知層の磁化ベクトルは、滑らかで一様に回転し、飽和に到達するまで、外部磁場の値に対して抵抗の線形バリエーションを提供する。

図２を参照すると、本開示のさらなる態様による磁気抵抗センサ２００が示されている。磁気抵抗センサ２００は、磁気抵抗センサ１００と同一の一般的特性を、示す。なお、同様の機能を実装する構造は、図１と図２との間で、任意の組合せで、相互に交換可能である。したがって、同様の機能を実装する構造は、図２では、図１における対応物と比較すると１００を加えた参照符号を用いて、示されている。また、図１の磁気抵抗センサ１００における構造と特徴との任意の組合せが、図２における磁気抵抗センサ２００を用いても、実装されることが可能である。同様に、図２の磁気抵抗センサ２００における構造と特徴との任意の組合せが、図１における磁気抵抗センサ１００を用いても、実装されることが可能である。

磁気抵抗センサ２００は、キャップ２０１と感知交換層２０２と磁気感知層２０４とトンネル・バリア層２０６と磁気基準層２０８と基準交換層２１０とバッファ２１１とを含む、一連のサンドイッチ状の層から構成される。

図１の例のように、感知交換層２０２は、反強磁性材料の層を含んでおり、磁気感知層２０４と交換結合されるように位置決めされる。同様に、基準交換層２１０は、反強磁性材料の層を含んでおり、磁気基準層２０８と交換結合されるように位置決めされる。

さらに、図２の例では、磁気基準層２０８が、人工強磁性体（ＳＡＦ）として実装される。たとえば、図示されているように、磁気基準層２０８は、トンネル・バリア層２０６に隣接する第１の強磁性層２１８（ＳＡＦ基準層）として、実装される。非磁性スペーサ２２０（ＳＡＦスペーサ）が第１の強磁性層２１８と隣接し、第２の強磁性層２２２（ＳＡＦ固定層）が非磁性スペーサ２２０と隣接している。ＳＡＦスペーサ２２０により仲介される、第１の強磁性層２１８と第２の強磁性層２２２とのルーダーマン・キッテル・カスヤ・ヨシダ（ＲＫＫＹ）結合の結果として、基準方向２１２に沿った磁化と逆平行のアライメントがとれた第２の強磁性層２２２の磁化が生じる。

さらに詳しくは、基準層２０８を固定する交換バイアス磁場が、磁気基準層が基準方向２１２に沿って強く固定されるように、磁気基準層２０８の磁化ベクトルを、基準方向２１２に沿うように方向付ける（lie）。基準交換磁場は、センサ２００によって測定されるべき外部磁場が存在するときに、基準層２０８を固定し、磁気基準層２０８の磁化ベクトルが変化することを許容しないほど十分に強くなければならない。

感知層２０４を固定する交換バイアス磁場が、感知層２０４の磁化ベクトルを、基準方向２１２と直交する第１の方向２１４に沿うように方向付ける。さらに、感知層２０４の磁気異方性は、第１の方向２１４と平行な方向２１６にあり、よって、また、基準方向２１２と直交する。外部磁場が不在のときには、感知交換磁場と磁気異方性との組み合わされた作用が、磁気感知層２０４の磁化ベクトルを、基準方向２１２と直交する第１の方向２１４に沿うように、強制的に方向付ける。

基準方向２１２に沿って印加された外部磁場により、通常は第１の方向２１４に沿ってアライメントがとられている感知磁場は滑らかで一様に回転し、飽和に到達するまで、外部磁場の値に対して抵抗の線形バリエーションを提供する。

また、図１の例と類似して、トンネル・バリア層２０６は、磁気感知層２０４と磁気基準層２０８との間に位置決めされている。磁気感知層２０４は、感知交換層２０２とトンネル・バリア層２０６との間に位置決めされている。同様に、磁気基準層２０８は、トンネル・バリア層２０６と基準交換層２１０との間に位置決めされている。キャップ２０１は、感知層２０４と対向する感知交換層２０２に隣接し、外部回路（図示せず）との電気的接触を提供する。同じように、バッファ２１１が、基準層２０８と対向する基準交換層２１０に隣接し、やはり外部回路（図示せず）との電気的接触を提供する。

一般的観察：
図１および図２の全体を参照すると、トンネル・バリア層１０６、２０６は、感知層１０４、２０４と基準層１０８、２０８との間にスペーサを形成し、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）などの材料を備えることができる。

磁気感知層１０４、２０４、磁気基準層１０８、２０８、またはその両者共に、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト−鉄（ＣｏＦｅ）、コバルト−鉄−ホウ素（ＣｏＦｅＢ）、ニッケル−鉄（ＮｉＦｅ）、その他など、単一の強磁性層から作られることが可能である。あるいは、磁気感知層１０４、２０４、磁気基準層１０８、２０８、またはその両者共に、ＣｏＦｅ／ルテニウム（Ｒｕ）／ＣｏＦｅＢの人工反強磁性三層などの反強磁性結合、または、ＣｏＦｅＢ／ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ／ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅＢ／スペーサ／ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅＢ／タンタル（Ｔａ）／ＮｉＦｅその他などの強磁性結合を用いて、複数の強磁性層で構成されることが可能である。

たとえば、図２では、磁気感知層２０４は、ＣｏＦｅＢ合金などの単一の磁性材料で、または、たとえばＣｏＦｅＢ／Ｔａ／ＮｉＦｅなど、非磁性材料によって分離された強磁性的に結合された強磁性層など複数の層の組合せで、作られることが可能である。たとえば、図２では、磁気基準層２０８は、例示的構成として、たとえばＣｏＦｅ合金で作られたＳＡＦ固定された層と、たとえばＲｕで作られたＳＡＦスペーサと、たとえばＣｏＦｅＢ合金で作られたＳＡＦ基準層とで構成された人工反強磁性材料（ＳＡＦ）の三層として、示されている。さらに、感知層１０４、２０４を構成する強磁性層の一軸異方性は、感知層１０４、２０４を固定する交換磁場（交換磁場の方向１１４、２１４を参照のこと）と同じ方向１１６、２１６に沿っており、すなわち、感知層１０４、２０４の一軸異方性は、基準方向１１２、２１２と直交する方向に沿っている。

感知交換層１０２、２０２、基準交換層１１０、２１０、またはこれら両者共に、マンガン−イリジウム（ＩｒＭｎ）またはマンガン−白金（ＰｔＭｎ）合金など、いずれかの適切な反強磁性材料であることが可能である。いずれにしても、本明細書においてより詳細に記載されるように、基準交換層１１０、２１０は、センサの基準磁場を画定する基準方向１１２、２１２に沿って基準層１０８、２０８の磁場を交換固定するために、用いられる。同様に、感知交換層１０２、２０２は、基準方向１１２、２１２と直交しセンサの感知磁場を画定する第１の方向１１４、２１４に沿って感知層１０４、２０４の磁場を交換固定するために、用いられる。さらに、直交方向は、感知層１０４、２０４と平行な方向、すなわち、（垂直ではなく）感知層１０４、２０４の平面内にある。

キャップ２０１、バッファ２１１またはその両者共に、外部回路から磁気抵抗センサ１００、２００への電気的結合を提供するいずれかの適切な材料である。たとえば、キャップ２０１、バッファ２１１またはその両者共に、Ｒｕ、Ｔａ、銅−窒素（ＣｕＮ）、その他などの材料の１つまたは複数の層を備えることが可能である。

例示的な磁気抵抗センサ・スタック
図３を参照すると、本開示の様々な態様による、図２の磁気抵抗センサの例示的な実装が示されている。図３の例示的スタックは、本明細書において与えられている磁場の方位のためのすべての要件を満たす。図３における同様の構造は、したがって、図２の対応物に１００を加えた参照符号を用いて示されている。

図示されているように、例示的な磁気抵抗センサ３００は、キャップ３０１と、感知交換層３０２と、磁気感知層３０４と、トンネル・バリア層３０６と、磁気基準層３０８と、基準交換層３１０と、バッファ３１１とを含む、一連のサンドイッチ状の層で構成される。

キャップ３０１は、Ｒｕの１０ナノメートル（ｎｍ）の層とＴａの５ｎｍの層とＲｕの２ｎｍの層とを含む、３つの層で構成される。

感知交換層３０２は、ＩｒＭｎの６ｎｍの層とＲｕの０．２ｎｍの層とを含む、２つの層で構成される。代替的な実装では、感知交換層３０２は、ＰｔＭｎ合金を備えることがある。

磁気感知層３０４は、ニッケル・鉄（ＮｉＦｅ）の４ｎｍの層とＴａの０．２１ｎｍの層とＣｏＦｅ_４０Ｂ_２０などのコバルト・鉄・ホウ素の２ｎｍの層とを含む、３つの層で構成される。

トンネル・バリア層３０６は、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）である。

磁気基準層３０８は、人工反強磁性構造を形成する３つの層で構成される。人工反強磁性構造は、ＣｏＦｅ_４０Ｂ_２０などのコバルト・鉄・ホウ素の２．６ｎｍの層と、Ｒｕの０．８５ｎｍの層と、ＣｏＦｅ_３０などのコバルト・鉄の２ｎｍの層とで構成される。

基準交換層３１０は、ＩｒＭｎの２０ｎｍの層で構成される。

バッファ層３１１は、Ｒｕの５ｎｍの層とＴａの５ｎｍの層とで構成される。バッファ層３１１は、また、それぞれのスタック状の層が硝酸銅（ＣｕＮ）の２５ｎｍの層とＲｕの５ｎｍの層とを含む、６つのスタック状の層も含む。

実際には、結果的に得られる構造が、基準層を固定する交換バイアスが基準方向に沿った向きに存在し、感知層を固定する交換バイアスが、基準方向と直交する第１の方向に沿った向きに存在し、感知層の磁気異方性が第１の方向と平行であるように構成されている限り、様々な材料の厚さと材料自体とが上述の例から変動することは、可能である。

図４を参照すると、例示的な実装において、１００ｘ１００μｍ^２の面積を備えた一連の磁気トンネル接合デバイス（図３を参照して説明された、磁気抵抗センサ３００）を作製するために、微細加工とアニーリングとが用いられるプロセスが、実行された。図４のバルク伝達曲線は全体として、上述の構造のセンサ・スタックは、保磁力が一般的に１エルステッド（Ｏｅ）未満であり、オフセット磁場が一般的に１０エルステッド未満である場合には、基準方向に沿って印加された磁場の下で線形になる、ということを示している。たとえば、図４のグラフ４００が示しているように、測定された磁場は、少なくとも−２９エルステッドから２０エルステッドの範囲では線形であることが示された。線形範囲は、感知層を固定する交換磁場の大きさを変化させることによって調整されることが可能であり、ここで、感知層を固定する交換磁場の大きさは、磁気感知層と感知交換層との厚さおよび組成に依存する。しかし、線形範囲を（１，０００エルステッドではなくて）５０エルステッドまでのオーダーに維持することによって、感知層において作用する２つの磁場は、同一線上にすることが可能である。このように、線形範囲は、そうしないと磁気領域における感知層を分解することになる２つの磁場の間の競合を回避するように、選択されることが可能である。

磁気抵抗センサを作製する方法
図５を参照すると、本開示の態様による磁気抵抗センサを作製するための方法５００が示されている。方法５００は、５０２において、磁気抵抗構造を微細加工することを備える。例示として、方法５００は、５０２において、基盤の上に反強磁性材料の層を有する基準交換層を積層させ、磁気基準層を、基準交換層が磁気基準層と交換結合されるように、基準交換層の上に積層させ、トンネル・バリア層を磁気基準層の上に積層させ、磁気感知層をトンネル・バリア層の上に積層させ、反強磁性材料の層を有する感知交換層を、感知交換層が磁気感知層と交換結合されるように、磁気感知層の上に積層させることにより、磁気抵抗スタックを形成することができる。実際には、バッファ層は、また、たとえば基板の上であって基準交換層の下に積層されることもあり得る。同様に、キャップが、感知交換層の上に積層されることもあり得る。

たとえば、スタックは、図３を参照して説明された材料と厚さとを用いた積層プロセスを通じて、構築されることもあり得る。代替的な実装では、図１または図２との関係で与えられたスタックを構築することによるなど、他の構成も用いられることが可能である。

本明細書においてさらに詳細に注意されるように、外部磁場が不在の場合には、基準層を固定する交換バイアスは、基準方向に沿った向きに存在し、感知層を固定する交換バイアスは、基準方向と直交する第１の方向に沿った向きに存在し、感知層の磁気異方性は、第１の方向と平行である。

以上を考慮すると、方法５００は、また、感知層の磁気異方性を、第１の方向と平行に存在するように設定することを備え、これは、積層の間に誘導されるどの異方性でもリセットするのに十分な温度に磁気抵抗スタックを露出させることにより、第１のアニーリング・プロセスを実行し、第１のアニーリング・プロセスと関連する冷却の間に、磁気抵抗スタックを、第１の方向の外部磁場に露出させることなどによる。

例示として、第１のアニーリング・プロセスは、５０４で実行される。第１のアニーリング・プロセスは、トンネル磁気抵抗動作のための適切なフェーズにおけるトンネリングに参加するトンネル・バリアと対応する強磁性層（たとえば、図１、２および３のそれぞれにおける、磁気感知層１０４、２０４、３０４、トンネル・バリア層１０６、２０６、３０６および磁気基準層１０８、２０８、３０８）とを結晶化する。

さらに、５０４での第１のアニーリング・プロセスは、積層の間に誘導されるどのような異方性もリセットするために、反強磁性材料の閉鎖温度（ｂｌｏｃｋｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）よりも高いまたはそれに近接する高いアニーリング温度を用いることがあり得る。たとえば、高いアニーリング温度（Ｔ＞摂氏３２０度）は、ＩｒＭｎやＰｔＭｎなどの反強磁性材料の積層の間に誘導されるどのような異方性もリセットするのに十分なほど、高い。したがって、５０４における第１のアニーリング・プロセスは、各反強磁性層（たとえば、図１、２、および３のそれぞれにおける感知交換層１０２、２０２、３０２および基準交換層１１０、２１０、３１０）の固定方向を設定するように、用いられることができる。

そのようなアニーリング温度は、また、ＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ／ＣｏＦｅＢ磁気トンネル接合スタックにおける（強磁性の）感知層および基準層の一軸異方性の軸を設定するのに用いられることも可能である。

さらに詳しくは、方法５００は、第１のアニーリング・プロセスの間に熱を加えた後の冷却動作の間に、５０６において、外部磁場をスタックに近接して印加することを備える。印加される磁場は、最終的な直交方向（たとえば、図１および図２を参照して説明された方向１１２、２１２）に沿って印加される。特に、方法５００は、（強磁性である）感知層（ＳＬ ＨＫ）の一軸異方性の軸を設定するために、５０６における冷却を用いて、外部磁場をスタックに印加することを備える。

（強磁性である）感知層の一軸異方性の軸を設定することに加えて、印加される磁場は、スタックの強磁性基準層を飽和させるのに十分なほど強い。すなわち、図１を参照して説明されたもののようなスタックを構築するために、印加される外部磁場は、基準層１０８を飽和させるのに十分なほど強くなければならない。図２および図３を参照して説明されたもののようなスタックを構築するためには、印加される外部磁場は、スタックの強磁性基準層２０８、３０８の人工強磁性構造（たとえば、層２１８、２２０および２２２または層３１８、３２０および３２２）を飽和させるのに十分なほど強くなければならない。図３を参照してさらに詳細に説明された例示的なスタック構成のためには、印加される外部磁場は、好ましくは、１テスラ以上である。

図６Ａを簡単に参照すると、表示６００は、第１のアニーリング・プロセスとそれに続く冷却との終了時における、磁気抵抗センサ・スタックの交換磁場と磁気異方性との方向を示している。特に、図６Ａは、感知層６０４（上述された感知層１０４、２０４、３０４に類似する）と、トンネル・バリア層６０６（上述されたトンネル・バリア層１０６、２０６、３０６に類似する）と、基準層６０８（上述された基準層１０８、２０８、３０８に類似する）とで構成されるスタックを、示している。

磁気抵抗センサ・スタックのすべての図示されている交換磁場と磁気異方性とは、究極的には磁気抵抗センサにおける基準方向と直交することになる方向に沿って存在している。さらに詳しくは、外部磁場（Ｈａｎｎ）は、磁気抵抗センサの最終的なスタック構成における磁気感知層に対する直交方向と感知層の磁気異方性とを画定する方向６３２に設定される（図１の方向１１４、１１６、図２の方向２１４、２１６）。

結果的に、最初のアニーリングの後では、スタックにおける各強磁性層の一軸磁気異方性の軸と各交換磁場と関連する一方向異方性とは、印加された外部磁場と同じ方向に沿って向いている。

すなわち、外部磁場（Ｈａｎｎ）に応答して、（強磁性の）感知層の一軸異方性の軸の方向６３４（ＳＬ Ｈ_Ｋ）と、感知層を固定する交換バイアスの方向６３６（ＳＬ Ｈ_ｅｘ）と、感知磁場の方向６３８（ＳＬ Ｍａｇ）と、基準層磁場の方向６４０（ＲＬ Ｍａｇ）とは、すべて、同一の方向にアライメントがとれている。結果的に、感知層の磁化の方向と基準層の磁化の方向とは、最終的なデバイスの直交方向（たとえば、図１の方向１１４、図２の方向２１４）に沿って向いていることになる。

図５の方法５００は、また、感知層の磁気異方性をリセットするには不十分であるが基準層を固定する交換バイアスをリセットするには十分である温度に、磁気抵抗スタックを露出させることにより、第１のアニーリング・プロセスの後で第２のアニーリング・プロセスを実行し、第２のアニーリング・プロセスと関連する冷却の間に、基準方向の外部磁場に磁気抵抗スタックを露出させることなどによって、基準層を固定する交換バイアスを基準方向に沿うように設定することを備える。

たとえば、再び図５を参照すると、方法５００は、また、５０８において、第２のアニーリング・プロセスを実行することを備える。第２のアニーリング・プロセスの間のアニーリング温度は、反強磁性層（たとえば、感知交換層および基準交換層）の閉鎖温度より高くなければならないが、感知層の一軸異方性が再度向き付けられる温度より低くなければならない。ある例示的な実装では、摂氏２８０度以下の温度（Ｔ≦２８０°Ｃ）が、第２のアニーリング・プロセスの間で用いられることがあり得る。

なお、５１０における第２のアニーリング・プロセスの間に熱を加えた後の冷却は、基準層の磁場（ＲＬ Ｍａｇ）の方向を最終的な基準方向に設定するのに用いられる。たとえば、方法５００は、さらに、第２のアニーリング・プロセスの間に熱を加えた後の冷却動作の間に、外部磁場をスタックに近接して印加することを備える。より詳しくは、両方の反強磁性材料の界面における交換バイアスは、冷却の間に基準方向に沿って外部磁場を印加することによって、９０度だけ回転される。

たとえば、外部磁場（Ｈａｎｎ）は、スタックの強磁性基準層を飽和させるのに十分に強くなければならない。図２および図３を参照して説明されたもののようなスタック構築のためには、第２のアニーリング・プロセス（図５のプロセス５１０）の冷却の間に印加される外部磁場は、スタックの強磁性基準層２０８（たとえば、層２１８、２２０および２２２）の人工反強磁性構造を飽和させるのに十分なほど強くなければならない。印加される外部磁場は、好ましくは、１テスラ以上である。

図６Ｂを簡単に参照すると、表示６００は、第２のアニーリング・プロセスとそれに続く冷却の終了時における、磁気抵抗センサ・スタック（感知層６０４と、トンネル・バリア層６０６と、基準層６０８とを備えている）の交換磁場と磁気異方性との方向を示している。

さらに詳しくは、外部磁場（Ｈａｎｎ）は、磁気抵抗センサの最終的なスタック構成における磁気基準層のための基準方向を画定することになる方向６４２（たとえば、図１の方向１１２、図２の方向２１２）に設定される。実際には、図５の５１０で印加される外部磁場（Ｈａｎｎ）は、図５の５０６において印加される外部磁場（Ｈａｎｎ）と同じ場合があり得るし、または、異なる場合もあり得る。

方向６４２の外部磁場に応答して、（強磁性の）感知層の一軸異方性の軸の方向６３４（ＳＬ Ｈ_Ｋ）は、変化しない。すなわち、図６Ｂの方向６３４は、図６Ａの方向６３４と同じである。しかし、感知層を固定する交換バイアスの方向６４６（ＳＬ Ｈ_ｅｘ）と、基準層の磁場の方向６５０（ＲＬ Ｍａｇ）とは、外部磁場Ｈａｎｎの方向６４２と同じ方向にアライメントがとれている。

感知磁場の方向６４８（ＳＬ Ｍａｇ）は、感知層の一軸異方性の方向と対応する感知交換バイアス層からの交換バイアスの方向との両方によって影響される。しかし、感知層の一軸異方性は、対応する感知交換バイアス層からの交換バイアスと直交する。結果的に、感知層の磁場の方向６４８は、感知層の一軸異方性の方向と対応する感知交換バイアス層からの交換バイアスの方向との間のどこかにあることになる。こうして、感知層の磁化は、直交方向と基準方向との間の中間的な方向に沿った方向に維持されることになる。厳密な方向は、一軸異方性と感知層にバイアスを与える交換磁場との間のバランスに依存することになる。

さらに、基準層の磁化の方向６５０は、最終的なデバイスの基準方向（たとえば、図１の方向１１２、図２の方向２１２）に沿った向きになる。

しかし、本明細書における開示のさらなる態様によると、方法５００は、さらにまた、第２のアニーリング・プロセスの後で、基準層を固定する交換バイアスをリセットするには不十分であるが感知層を固定する交換バイアスをリセットするには十分である温度に磁気抵抗スタックを露出させることにより第３のアニーリング・プロセスを実行し、第３のアニーリング・プロセスと関連する冷却の間に磁気抵抗スタックを第１の方向の外部磁場に露出させることなどによって、感知層を固定する交換バイアスを、基準方向と直交する第１の方向に沿って存在するように設定することを備える。

再び図５を参照すると、方法５００は、さらに、５１２において、第３のアニーリング・プロセスを実行することを備える。たとえば、第３のアニーリング・プロセスの間の温度は、基準層を固定する基準交換層（たとえば、図１の基準交換層１１０、図２の基準交換層２１０）の閉鎖温度より低く、しかし、感知層を固定する感知交換層（たとえば、図１の感知交換層１０２、図２の感知交換層２０２）の閉鎖温度より高い値に設定されることができる。例示として、第３のアニーリング・プロセスの間の温度は、摂氏２５０度未満に設定されることがあり得る（Ｔ＜２５０°Ｃ）。別の例では、この温度は、摂氏２２０度未満に設定される（Ｔ＜２２０°Ｃ）。

外部磁場が、５１４において、第３のアニーリング・プロセスの冷却フェーズの間に印加される。第３のアニーリング・プロセスの間には、感知層を固定する交換バイアスが９０度だけ回転され、直交方向に沿う方向に再度向けられる。感知層の磁気異方性は、直交方向に沿った状態のまま邪魔されずに維持される。基準層を固定する交換バイアスは、基準方向に沿った状態のまま邪魔されずに維持される。したがって、基準層の磁化の方向は、影響されない。

簡単に図６Ｃを参照すると、表示６００は、第３のアニーリング・プロセスとそれに続く冷却との終了時における、磁気抵抗センサ・スタック（感知層６０４と、トンネル・バリア層６０６と、基準層６０８とを備えている）の交換磁場と磁気異方性との方向を示している。さらに詳しくは、外部磁場（Ｈａｎｎ）が、直交方向に対応する方向６３２に設定される（図６Ａを参照して説明された外部磁場（Ｈａｎｎ）の方向６３２と同じ）。

実際には、外部磁場（Ｈａｎｎ）は、図５の第１のアニーリング・プロセス５０４の冷却の間に方向６３２に印加される外部磁場と同じ場合があり得るし、または、それとは異なる場合もあり得る。たとえば、例示的な実装では、冷却外部磁場（Ｈａｎｎ）が方向６３２（直交方向に沿っている）に印加されるが、感知層６０４を飽和させるほど十分に大きくなければならず、たとえば、この冷却磁場の値は、０．１テスラ未満でよい。

方向６３２の外部磁場（Ｈａｎｎ）に応答して、（強磁性の）感知層の一軸異方性の軸の方向８０４（ＳＬ Ｈ_Ｋ）は、やはり変化しない（よって、直交方向に維持される）。しかし、感知層を固定する交換バイアスの方向６３６（ＳＬ Ｈ_ｅｘ）は、もう一度再び、外部磁場Ｈａｎｎの方向６３２と同じ方向にアライメントがとれている。

基準層の磁場の方向（ＲＬ Ｍａｇ）は、図５の５１４で印加される外部磁場Ｈａｎｎによって影響されない。したがって、基準層の磁場（ＲＬ Ｍａｇ）は、基準方向６５０のまま留まる。

感知磁場の方向（ＳＬ Ｍａｇ）は、感知層の一軸異方性の方向と対応する感知交換バイアス層からの交換バイアスの方向との両方によって影響される。感知層の一軸異方性と、対応する感知交換バイアス層からの交換バイアスとの両方が、同じ方向（直交方向）にアライメントがとれている。結果的に、感知磁場の方向（ＳＬ Ｍａｇ）は、もう一度再び、方向６３８にあり、これは直交方向である。

再び図５を参照すると、第３のアニーリング・ステップ５１２および冷却５１４は、感知交換層と基準交換層とを直交構成に設定するために、要求される。これは、第２のアニーリング５０８と冷却５１０とをプロセス５００から削除し、ステップ５１４において冷却磁場を第１の方向と直交する方向に沿って印加することによって、達成されることが可能になった。そのようなプロセスでは、感知層において作用している２つの内部磁場（磁気異方性および交換バイアス）は、同一線上にないことがあり得る。これらの２つの磁場の間の競合が、感知層の磁気モーメントを直交方向から変位させることがあり、それにより、今度は、基準方向に沿った磁場に応答して、センサの線形性が劣化を受けることがあり得る。感知層は、（図６Ｃに示されているものと類似の構成では）傾斜した状態になる可能性があり、伝達曲線が、高感度を有するセンサにおいて特別な意味がある衝撃を有することが可能な曲率を示す場合があり得る（２つの競合する磁場の大きさのオーダーが類似することがあり得る）。

様々な事柄：
外部磁場に対して、磁気抵抗デバイスの線形抵抗バリエーションを要求する様々な応用例が存在する。線形応答を達成するために、感知層の磁気モーメントは、外部磁場が不在であれば、基準層と直交する方向に沿って向けられている。

本開示の態様は、トンネル・バリアおよび強磁性層（ＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ／ＣｏＦｅＢの磁気トンネル接合におけるＭｇＯおよびＣｏＦｅＢなど）を備えており、伝達曲線全体の少なくともある領域における線形動作を容易にする優れた磁気輸送特性を提供するために、高いアニーリング温度（たとえば、Ｔ＞２８０°Ｃ）と複数のアニーリング・プロセスとを用い、磁気トンネル接合スタックに基礎を置く磁場センサを提供する。本明細書で説明されている構成を達成するため、２つの反強磁性層が、各層の固定方向を選択的に設定するために別個の磁気アニーリング手順が用いられることが可能であるように、異なる閉鎖温度を有することがあり得る。

より詳しくは、本明細書において説明されているように、例示的な実装においては、製造技術に応じて、感知交換層（たとえば、反強磁性材料）と磁気感知層との間の界面における交換バイアスと関連する閉鎖温度が、基準交換層とたとえば図２に示されているＳＡＦ固定層などの磁気基準層とからの界面における交換と関連する閉鎖温度と異なる場合があり得る。さらに、磁気感知層２０４と関連する磁気異方性は、いったん設定されると、感知交換層と磁気感知層との間の界面における交換バイアスと関連する閉鎖温度と、基準交換層と磁気基準層とからの界面における交換と関連する閉鎖温度とにおいて、安定的な状態に留まらなくてはならない。

感知層の一軸異方性が基準方向に沿っている場合に、磁場が不在であるならば、反強磁性／感知層の界面（たとえば、図１の感知交換層１０２および磁気感知層１０４の界面、図２の感知交換層２０２および磁気感知層２０４の界面）におけるスピンは、基準方向にはブロックされることになる。すなわち、センサは、線形応答を提供する磁気構成を失うことになる。しかし、本明細書に開示されている構造では、感知層の磁気モーメントが直交方向に沿ってアライメントがとれた状態に留まり、センサによって測定されるべき外部磁場に応答する線形パフォーマンスを容易にする。

例示的な実装では、優れた線形応答と熱安定性とを備えた磁場センサが、たとえば本明細書において図５から図６Ｃを参照して説明されたように、感知層の一軸異方性を考慮した線型化方法を実装することによって、提供される。

特に、本明細書において例示されている構造は、形状異方性とは独立に線形性と熱安定性とを示すように、作製される。すなわち、（外部磁場の存在が不在の場合において）大きなアスペクト比と小さな横方向寸法とを要求せずに、基準層を固定する交換バイアスが基準方向に沿って存在し、他方で、感知層を固定する交換バイアスが基準方向と直交する第１の方向に沿って存在し、感知層の磁気異方性が第１の方向と平行に存在する。むしろ、上述した磁場の特性は、アスペクト比とは無関係の大きな横方向寸法を備えている場合（たとえば、１００ｘ１０μｍ^２から１０ｘ１０μｍ^２）だけではなく、アスペクト比とは無関係に小さな横方向寸法を備えている場合（たとえば、１００ｘ２μｍ^２から２ｘ２μｍ^２）でも、実現される。よって、たとえば、磁気感知層は、１：１程度まで小さくできるアスペクト比によって画定される寸法を有することがあり得る。これが可能であることにより、小さな線形範囲を備えた高感度の線形センサが、この場合以外の従来型のセンサ（たとえば、２ｘ２μｍ^２の正方形センサ）を用いても可能ではなかった小さな面積において作製することが可能になる。さらに、本明細書の構造および方法により、線形性を依然として維持しながらセンサの幾何学的構成間の独立性が可能になる。よって、たとえば、本明細書におけるセンサは、小さな横方向寸法に限定されることがなく、５μｍよりも大きいことが可能になる。さらに、線形範囲とセンサの寸法とが、独立のパラメータではない。

本明細書に記載されているように構築されたセンサは、低い周波数の範囲での非常に弱い磁場の検出に関するもののように、比較的大きな面積および／または低いアスペクト比を有する磁場センサを要求する応用例において、適している。

さらに、本明細書においてより詳細に記載されているように、外部磁場が不在の場合において、基準層を固定する交換バイアスが基準方向に沿って存在し、他方で、感知層を固定する交換バイアスが基準方向と直交する第１の方向に沿って存在し、感知層の磁気異方性が第１の方向と平行に存在する。したがって、本明細書に説明されているように、磁気抵抗センサ・スタックに含まれていない永久磁石からの磁場バイアス作用に依存することが、必要ない。

たとえば、本明細書の構造は、センサの近傍に形成されたハードな磁気層による感知層のバイアスを回避する。ＣｏＣｒＰｔまたはＣｏＺｒＮｂなどハードな磁気層の使用は、感知層の磁気モーメントを基準層と直交する方向にアライメントをとるために用いられる浮遊磁場を、それを固定することなく、生成する。そのような方式によって提供されるバイアス磁場は、感知層の全体で不均一である（従って、いくつかの応用例では、それを安定化させるのに不適切である）。さらに、センサの近傍において形成された磁気層に依存するときのバイアス磁場の強度は、用いられている幾何学的形状に大きく依存し、センサの熱安定性は、永久磁石の熱安定性による限界を有する。

同様に、感知層を固定するインバウンド磁気層からの磁気バイアスに依存することは必要なく、または、そうでない場合には、基準層におけるもの以外のスタックに含まれる強磁性層から生じる浮遊磁場を用いたスタック内のバイアスに依存する。

さらに、本明細書の構造は、直交方向における交換結合を用いたスタック内のバイアスに依存することを必要としない。逆に、本明細書で説明されているように、感知層を固定する交換バイアスが基準方向と直交する第１の方向に沿って存在し、感知層の磁気異方性は第１の方向と平行である。

さらに、本明細書で与えられているアプローチは、感知層における交換バイアスと一軸異方性との間の競合を回避し、その理由は、両方の磁場が同じ方向にアライメントがとれているからである。これが、線形性と熱パフォーマンスとの両方を改善させる。

本明細書で用いられている用語は、特定の実施形態を説明するという目的のためであり、開示内容に限定することは意図されていない。本明細書で用いられている単数形の「ａ」「ａｎ」および「ｔｈｅ」は、特に明示的にそうではないと断らない限り、複数形も同様に含むことが意図されている。「備える（comprises）」および／または「備えている（comprising）」という用語は、本明細書で用いられるときには、言明されている特徴、整数、ステップ、動作、要素、および／またはコンポーネントの存在を特定しており、１つまたは複数のそれ以外の特徴、整数、ステップ、動作、要素、コンポーネント、および／もしくはそれらのグループの存在または追加を排除しないことをさらに理解されたい。

本開示に関する説明は、例示と説明の目的で呈示されたのであって、網羅的であること、または、開示されている形式における開示内容に限定されることは意図されていない。本開示の範囲および精神から逸脱することなく、多くの変形およびバリエーションが当業者には明らかであろう。

本出願の開示について、詳細に、および、その実施形態を参照することにより、以上で説明してきたが、添付の特許請求の範囲において定義されている開示の範囲から逸脱することなく、変形およびバリエーションが可能であることは明らかであろう。

Claims (12)

1. 磁気感知層と、
   磁気基準層と、
   前記磁気感知層と前記磁気基準層との間のトンネル・バリア層と、
   反強磁性材料の層を有し、前記磁気感知層と交換結合された感知交換層と、
   反強磁性材料の層を有し、前記磁気基準層と交換結合された基準交換層と、
   を備え、
   外部磁場が不在の場合には、
   前記基準層を固定する交換バイアスが、基準方向に沿って存在し、
   前記感知層を固定する交換バイアスが、前記基準方向と直交する第１の方向に沿って存在し、
   前記感知層の磁気異方性が、前記第１の方向と平行である、磁気抵抗センサ。
2. 前記磁気感知層が、１：１まで小さくなり得るアスペクト比によって画定される寸法を有する、請求項１に記載の磁気抵抗センサ。
3. 前記磁気基準層が、人工反強磁性材料を用いて実装される、請求項１または２に記載の磁気抵抗センサ。
4. 前記磁気感知層が、１ナノメートル未満の厚さを有する薄い非磁性材料によって分離された２つの強磁性材料で作られている、請求項１ないし３のいずれかに記載の磁気抵抗センサ。
5. １ナノメートル未満の厚さを有する薄い非磁性層が、前記磁気感知層と前記感知交換層との間に位置決めされている、請求項１ないし４のいずれかに記載の磁気抵抗センサ。
6. 磁気抵抗センサを作製する方法であって、
   反強磁性材料の層を有する基準交換層を積層させ、
   磁気基準層を、前記基準交換層が前記磁気基準層と交換結合されるように、前記基準交換層の上に積層させ、
   トンネル・バリア層を前記磁気基準層の上に積層させ、
   磁気感知層を前記トンネル・バリア層の上に積層させ、
   反強磁性材料の層を有する感知交換層を、前記感知交換層が前記磁気感知層と交換結合されるように、前記磁気感知層の上に積層させることにより、
   磁気抵抗スタックを形成することと、
   前記基準層を固定する交換バイアスを、基準方向に沿って設定することと、
   前記感知層を固定する交換バイアスを、前記基準方向と直交する第１の方向に沿って存在するように設定することと、
   前記感知層の磁気異方性を、前記第１の方向と平行に存在するように設定することと、
   を備える、方法。
7. 前記感知層の磁気異方性を、前記第１の方向と平行に存在するように設定することが、
   前記磁気抵抗スタックを、積層の間に誘導されるどの異方性でもリセットするのに十分な温度に露出させることによって、第１のアニーリング・プロセスを実行することと、
   前記第１のアニーリング・プロセスと関連する冷却の間に、前記磁気抵抗スタックを、前記第１の方向の外部磁場に露出させることと、
   を備える、請求項６に記載の方法。
8. 前記感知層がＣｏＦｅＢを備え、前記トンネル・バリア層がＭｇＯを備え、前記基準層がＣｏＦｅＢを備えており、
   前記磁気抵抗スタックを、積層の間に誘導されるどの異方性でもリセットするのに十分な温度に露出させることによって、第１のアニーリング・プロセスを実行することが、
   前記第１のアニーリング・プロセスの間は、温度を摂氏３２０度よりも高く設定することを備え、
   前記磁気抵抗スタックを、外部磁場に露出させることが、
   磁場の値が１テスラ以上である前記外部磁場を印加することを備える、請求項７に記載の方法。
9. 前記基準層を固定する交換バイアスを、基準方向に沿って設定することが、
   前記磁気抵抗スタックを、前記感知層の前記磁気異方性をリセットするには不十分であるが、前記基準層を固定する前記交換バイアスをリセットするには十分である温度に露出させることによって、前記第１のアニーリング・プロセスの後で、第２のアニーリング・プロセスを実行することと、
   前記第２のアニーリング・プロセスと関連する冷却の間に、前記磁気抵抗スタックを、前記基準方向の外部磁場に露出させることと、
   を備える、請求項７に記載の方法。
10. 前記磁気抵抗スタックを、前記感知層の前記磁気異方性をリセットするには不十分であるが、前記基準層を固定する前記交換バイアスをリセットするには十分である温度に露出させることによって、前記第１のアニーリング・プロセスの後で、第２のアニーリング・プロセスを実行することが、
    前記第２のアニーリング・プロセスの間は、温度を摂氏２８０度以下に設定することを備え、
    前記磁気抵抗スタックを、外部磁場に露出させることが、
    磁場の値が１テスラ以上である前記外部磁場を印加することを備える、請求項９に記載の方法。
11. 前記感知層を固定する交換バイアスを、前記基準方向と直交する第１の方向に沿って存在するように設定することが、
    前記磁気抵抗スタックを、前記基準層を固定する前記交換バイアスをリセットするには不十分であるが、前記感知層を固定する前記交換バイアスをリセットするには十分である温度に露出させることによって、前記第２のアニーリング・プロセスの後で、第３のアニーリング・プロセスを実行することと、
    前記第３のアニーリング・プロセスと関連する冷却の間に、前記磁気抵抗スタックを、前記第１の方向の外部磁場に露出させることと、
    を備える、請求項８に記載の方法。
12. 前記磁気抵抗スタックを、前記基準層を固定する前記交換バイアスをリセットするには不十分であるが、前記感知層を固定する前記交換バイアスをリセットするには十分である温度に露出させることによって、前記第２のアニーリング・プロセスの後で、第３のアニーリング・プロセスを実行することが、
    前記第３のアニーリング・プロセスの間の温度を摂氏２５０度未満の温度に設定することを備える、請求項１１に記載の方法。