JP2021190710A - 磁気抵抗素子および製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】本開示は、磁気マルチターンセンサにおいて使用するための巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子を提供する。【解決手段】巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子において、自由層、つまり、抵抗変化をもたらすように外部磁場に応じてその磁化方向を変化させる層は、ＡＭＲ効果を呈することなく良好な形状異方性を提供するに十分な厚さである。これを達成するために、自由層の少なくとも一部は、少なくとも２つの異なる材料の複数の層、具体的には、強磁性である少なくとも第１の材料よりなる複数の層、およびＡＭＲ効果を呈しないことが知られており、かつ、強磁性材料の層のＧＭＲ効果に干渉しない少なくとも第２の材料の複数の層を含む。【選択図】図２
Description
本開示は、磁気センサに関する。特に、本開示は、磁気マルチターンセンサで使用するための巨大磁気抵抗素子に関する。
磁気マルチターンセンサは、デバイスがターンされた回数を監視する必要がある用途において一般的に使用される。一例は、車両のハンドルである。磁気マルチターンセンサは、典型的には、印加された外部磁場に敏感な巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子を含む。ＧＭＲ素子の抵抗は、センサの近傍内で磁場を回転させることによって変化させることができる。ＧＭＲ素子の抵抗における変動を追跡して、磁場におけるターン数を決定することができ、これは監視されているデバイスにおけるターン数に変換することができる。
ＧＭＲ素子は、多くの場合、図１に示すスタック１などの、人工反強磁性（ＡＡＦ）材料を用いるＧＭＲスピンバルブスタックに基づく場合がある。スタック１は、ベースに基板１００、続いて、その上で成長させる滑らかな表面および有利な結晶構造を提供することによって、後続層の成長を促進するためのシード層１０２を含む。次の層は、天然反強磁性層（白金マンガン（ＰｔＭｎ）またはイリジウムマンガン（ＩｒＭｎ）など）、強磁性層（典型的にはコバルト鉄（ＣｏＦｅ））、非磁性スペーサ（ルテニウム（Ｒｕ））、および「ピン留めされた」層とも称される別の強磁性層（ＣｏＦｅ）よりなる一連の層を含むＡＡＦマルチ層１０４である。ＡＡＦ層１０４の主な目的は、ピン留めされた層の磁化を、製造中にアニーリングプロセスで定められた配向に整列させて維持することである。
非磁性スペーサ層１０６（典型的には、銅（Ｃｕ））は、ＡＡＦ層１０４のピン留めされた層の上に直接設けられ、続いて、いわゆる自由層１０８が設けられる。自由層１０８は、その磁化を外部磁場と自由に整列させる強磁性層である。自由層１０８は、典型的には、２枚の強磁性層、典型的には、ＣｏＦｅ層、続いて、ニッケル鉄（ＮｉＦｅ）層より形成される。ＧＭＲ効果は、自由層１０８の磁化と、ＡＡＦ層１０４のピン留めされた層の磁化との間の相対角度と関連付けられる膜抵抗の変化として観察される。磁化が平行な場合、低抵抗が観察され、逆平行な場合、高抵抗が観察される。そのため、非磁性層１０６の目的は、自由層１０８とピン留めされた層との間に距離を作ることであり、このスペーサ層１０６の厚さは、ピン留めされた層と自由層１０８との間の磁気結合が最小化されるよう選択される。
その後、スタック１は、通常、キャッピング層１１０、典型的には非磁性金属層で覆われ、これは、スタック１を保護し、スタック１を磁気センサの他の構成要素に接続するための相互接続を提供するために、スタック１を他の金属層（アルミニウム、銅、または金など）に接続するときの拡散を低減する。
本開示は、磁気マルチターンセンサにおいて使用するための巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子を提供し、そこで、自由層、すなわち、抵抗変化をもたらすように外部磁場に応じてその磁化方向を変化させる層は、ＡＭＲ効果を呈することなく良好な形状異方性を提供するに十分な厚さである。これを達成するために、自由層の少なくとも一部は、少なくとも２つの異なる導電性材料よりなる複数の層、具体的には、強磁性である少なくとも第１の材料よりなる複数の層、およびＡＭＲ効果を呈しないことが知られており、かつ、強磁性材料の層のＧＭＲ効果と干渉しない少なくとも第２の材料よりなる複数の層を含む。
本開示の第１の態様は、第１の態様による磁気マルチターンセンサのための巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子を提供し、巨大磁気抵抗素子は、基準層と、基準層に隣接する非磁性層と、強磁性材料の自由層とを備え、自由層は、非磁性層に隣接する強磁性材料の第１の層、ならびに第１の材料よりなる複数の層および第２の材料よりなる複数の層を少なくとも含み、第１の材料は強磁性である、多層配置を含む。
好ましくは、第２の材料は、無視できるまたは略無視できる異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）効果を有する材料である。次に、第１の材料よりなる複数の層および第２の材料よりなる複数の層は、交互の構成で配置されてもよい。
このように、２つの異なる材料よりなる層を有することによって、これらの材料の一方が強磁性であり、他方の材料が無視できるかまたはほとんど無視できるＡＭＲ効果を呈する場合、自由層は、呈されるＧＭＲ効果の量に対してＡＭＲ効果を全く呈しないまたは非常に少ないＡＭＲ効果を呈しながら、良好な形状異方性を提供するのに十分な厚さである。この点において、無視できるＡＭＲ効果を呈する材料の層は、強磁性材料の層に存在し得る任意のＡＭＲ効果を減衰させるであろう。
いくつかの配置では、第１の材料は、ＮｉＦｅおよびＣｏＦｅのうちの１つでもよい。第２の材料は、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＺｒＴａ、ＣｏＺｒＴａＢ、ＣｏＺｒＮｂ、およびＣｏＺｒＯのうちの１つでもよい。
いくつかの配置では、第１の材料および第２の材料の厚さおよび／または組成は、自由層が磁歪を含まないように構成され得る。すなわち、磁化が変化するにつれて、自由層には機械的歪みまたは変形がないようにする。
第１の材料よりなる複数の層および第２の材料よりなる複数の層の各々は、約０．５ｎｍ〜約８ｎｍの厚さを有してもよい。また、自由層の必要な厚さおよび個々の層の厚さに応じて、任意の好適な数の層が使用され得ることも理解されよう。
自由層は、少なくとも強磁性材料の第１の層が、外部印加された磁場と自由に整列する磁化を有するという点で、そう呼ばれることが理解されよう。強磁性材料の第１の層はＣｏＦｅ、または強いＧＭＲ特性を有する任意の他の好適な強磁性材料でもよい。
また、基準層は、基準層の少なくとも一部が固定方向にある磁化を有するという点で、そう呼ばれることも理解されよう。固定磁化方向を有する基準層の部分は、「ピン留めされた」層と呼ばれてもよく、該ピン留めされた層は、強磁性材料の層である。ＧＭＲ効果は、自由層の磁化とピン留めされた層の磁化との間の相対角度に関連付けられた膜抵抗の変化として観察される。基準層は、人工反強磁性材料を定める一連の層を含んでよく、人工反強磁性材料の層は、固定方向に磁化を有する。人工反強磁性材料は、天然反強磁性層、第１の強磁性層、非磁性スペーサ、および第２の強磁性層を含んでよく、第２の強磁性層は、ピン留めされた層である。
本明細書に開示される他の配置では、第２の材料は、非磁性材料でもよい。前と同様に、強磁性材料は、ＮｉＦｅおよびＣｏＦｅのうちの１つでもよく、一方、非磁性材料は、Ｔａ、Ｒｕ、およびＣｕのうちの１つでもよい。
このような場合、強磁性材料の複数の層および非磁性材料の複数の層の各々は、約０．２ｎｍ〜約０．４ｎｍの厚さを有し得る。
本明細書に記載される他の配置は、磁気マルチターンセンサのための磁気抵抗素子を提供し、磁気抵抗素子は、反強磁性材料の基準層、基準層に隣接する非磁性層、および強磁性材料の自由層を備え、自由層は、非磁性層に隣接する強磁性材料の第１の層、およびアモルファス強磁性材料の第２の層を備える。
アモルファス強磁性材料は、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＺｒＴａ、ＣｏＺｒＴａＢ、ＣｏＺｒＮｂ、およびＣｏＺｒＯのうちの１つでもよく、一方、第１の層は結晶性強磁性材料を含んでもよい。例えば、強磁性材料の第１の層は、ＣｏＦｅでもよい。
本開示のさらなる態様は、１つ以上の巨大磁気抵抗素子を備える磁気マルチターンセンサを提供し、各巨大磁気抵抗素子は、基準層、基準層に隣接する非磁性層、および強磁性材料の自由層を備え、自由層は、非磁性層に隣接する強磁性材料の第１の層、ならびに第１の材料よりなる複数の層、および第２の材料よりなる複数の層を少なくとも含み、第１の材料が強磁性である、多層配置を含む。
上記のように、第２の材料は、無視できるまたは略無視できる異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）効果を有する材料であることが好ましい。いくつかの配置では、第１の材料は、ＮｉＦｅおよびＣｏＦｅのうちの１つでもよい。第２の材料は、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＺｒＴａ、ＣｏＺｒＴａＢ、ＣｏＺｒＮｂ、およびＣｏＺｒＯのうちの１つでもよい。
なおさらなる態様は、巨大磁気抵抗素子の製造方法を提供し、基準層を形成することと、基準層に隣接する非磁性層を形成することと、強磁性材料の自由層を形成することとを含み、自由層は、非磁性層に隣接する強磁性材料の第１の層、ならびに第１の強磁性材料よりなる複数の層、および第２の材料よりなる複数の層を少なくとも含み、第１の材料が強磁性である、多層配置を含む。
方法は、第１の材料の複数の層および第２の材料の複数の層を交互のシーケンスで形成して、自由層の多層配置を提供することを含んでもよい。
例えば、方法は、第１の材料の第１の層を形成することと、第１の材料の第１の層上に第２の材料の第１の層を形成することと、第２の材料の第１の層上に第１の材料の第２の層を形成することと、第１の材料の第２の層上に第２の材料の第２の層を形成することとを含んでよい。当然のことながら、このプロセスは、必要な層の数だけ継続され得ることが理解されよう。
ここでも、第２の材料は、強磁性材料の層と交互にされると、強磁性材料の層に存在する任意のＡＭＲ効果が減衰するように、無視できるまたは略無視できる異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）効果を有する材料であることが好ましい。
基準層を形成することは、人工反強磁性材料を提供するために複数の層を形成することを含んでもよい。人工反強磁性材料は、天然反強磁性層、第１の強磁性層、非磁性スペーサ、および第２の強磁性層を含んでよく、第２の強磁性層は、固定方向に磁化を有する層である。
方法は、基板を提供することと、基板上に反強磁性材料または自由層を形成することとをさらに含み得る。そうすることで、ＧＭＲスタックは、基準層がスタックの底部または頂部に配置されて形成される。
また、スタックが、後続層の成長を促進するために基板上に形成されるシード層、およびスタックを保護し、磁気マルチターンセンサの他の構成要素への相互接続を提供するためのキャッピング層などの他の層を含み得ることも理解されるであろう。
上述の層のいずれも、スパッタリングまたはイオンビーム堆積などのいくつかの好適な加工プロセスを使用して形成されてもよい。
ここで、添付の図面を参照して例としてのみ本開示を説明する。
磁気マルチターンセンサは、回転軸のターンカウントを監視するために使用することができる。これを行うために、典型的には磁石が回転軸の端部に取り付けられ、マルチターンセンサは、磁石が軸とともに回転するにつれて、磁場の回転を感知する。このような磁気センシングは、自動車用途、医療用途、産業制御用途、消費者用途、および回転構成要素の位置に関する情報を必要とする他の用途のホストなど、様々な異なる用途に適用することができる。
磁気マルチターンセンサは、典型的には、印加された外部磁場に対して敏感な巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子を含む。ＧＭＲ素子は、多くの場合、その磁化を外部磁場と自由に整列させる強磁性材料の自由層を含むＧＭＲスピンバルブスタックに基づく。典型的なＧＭＲスタックでは、自由層の厚さは、通常５ｎｍ未満である。しかしながら、膜の長く狭いトレースにおいて強い形状異方性を作るためには、自由層は非常に厚く（＞３０ｎｍ）なくてはならない。この厚さの結果、自由層において強い異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）効果が呈され、これにより、電気抵抗が電流の方向と磁化の方向との間の角度にさらに依存する。一般に、電流が磁化に対して平行な場合、より高い抵抗が観察され、電流が磁化に対して垂直な場合、より低い抵抗が観察される。その結果、これは、ＧＭＲ効果に起因して所望の抵抗変化に重なる望ましくない抵抗変化をもたらし、それによってセンサ出力を歪める。
したがって、本開示は、磁気マルチターンセンサにおいて使用するための巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子を提供し、そこで、自由層、すなわち、抵抗変化をもたらすように外部磁場に応じてその磁化方向を変化させる層は、呈されるＧＭＲ効果の量（１０％未満）に対してＡＭＲ効果を全く呈しないか、または非常に小さいＡＭＲ効果を呈しながら良好な形状異方性を提供するのに十分な厚さである。これを達成するために、自由層の少なくとも一部分は、少なくとも２つの異なる材料よりなる複数の層、具体的には、強磁性である少なくとも第１の材料よりなる複数の層およびＡＭＲ効果を呈しないことが知られており、かつ、強磁性材料の層のＧＭＲ効果に干渉しない少なくとも第２の材料よりなる複数の層を含む。
本開示による一実施形態が図２に示される。図１を参照して説明したように、ＧＭＲ素子は、基板２００、シード層２０２、ＡＡＦ層２０４，および非磁性スペーサ層２０６を含むスピンバルブスタック２として構成される。２０８と示される自由層は、第１の強磁性層２１２、好ましくはＣｏＦｅなどのＡＭＲ効果が低い結晶強磁性材料、続いて、多層配置２１４を含む。上述したとおり、ＧＭＲ効果は、ＡＡＦ層２０４のピン留めされた層、非磁性スペーサ層２０６、および第１の強磁性層２１２の界面で観察される。多層配置２１４は、交互の層に配置される結晶強磁性材料２１６およびアモルファス強磁性材料２１８の両方を多層含む。結晶強磁性層２１６は、ＮｉＦｅなどの結晶強磁性材料より形成され、一方、アモルファス強磁性層２１８はコバルト鉄ホウ素（ＣｏＦｅＢ）、コバルトジルコニウムタンタル（ＣｏＺｒＴａ）、コバルトジルコニウムタンタルムホウ素（ＣｏＺｒＴａＢ）、コバルトジルコニウムニオブ（ＣｏＺｒＮｂ）、またはコバルトジルコニウム酸化物（ＣｏＺｒＯ）などの任意の好適なアモルファス強磁性材料より形成されてもよい。アモルファス強磁性２１８の層の磁化も外部印加された磁場と整列するため、多層配置２１４は外部磁場と整列する１枚の強磁性層として機能し、したがって良好な形状異方性を提供する。しかしながら、アモルファス強磁性材料では、磁化方向の変化の結果として電流への影響がほとんどなく、結晶強磁性材料２１６の層は、任意のＡＭＲ効果を呈するには個々では薄すぎるか、または、無視できるか、もしくは非常に少ない量を少なくとも呈するため、ＡＭＲ効果が全く観察されないか非常に小さいＡＭＲ効果が観察される。したがって、結晶強磁性材料２１６の層をアモルファス強磁性材料２１８の層と散在させることで、いかなる望ましくないＡＭＲ効果も誘発することなく、所望の形状異方性を提供するに十分な厚さの強磁性多層配置２１４が提供される。実際に、強磁性多層配置２１４が、任意の２つの強磁性材料の層を含んでもよく、これら強磁性材料の少なくとも１つが、無視できるまたは略無視できる量のＡＭＲ効果を呈し、それによって、他方の強磁性材料によって呈される任意のＡＲＭ効果を減衰させることが当業者には理解されるであろう。
多層配置２１４の個々の層２１６、２１８は約０．５ｎｍ〜約８ｎｍでもよく、自由層２０８の合計厚さはおおよそ１０ｎｍ〜５０ｎｍである。
層２１６、２１８の厚さ、ならびに組成を選択するとき、多層配置２１４によって経験される結果として生ずる磁歪も考慮する必要があり得る。磁歪は、材料の機械的応力と磁化との間の関係である。この関係は、磁化の変化が機械的歪みまたは変形をもたらし、機械的変形が磁化変化をもたらすといった点で両方向に働く。磁歪の測定は、特定の方向に磁化された場合に材料が伸長または短縮するかどうかに応じて、正または負の符号を有し得る。
センサ用途には、非常に低い、または理想的にはゼロの磁歪が必要となる。ＮｉＦｅなどのいくつかの結晶強磁性材料は非常に低い磁歪を有する。例えば、Ｎｉ：Ｆｅ比が８１：１９のＮｉＦｅは磁歪を含まない。したがって、このような材料は、ＧＭＲセンサに自由層を提供するのに典型的には好ましい。他方で、ＣｏＦｅなどの他の結晶強磁性材料およびＣｏＦｅＢなどのアモルファス強磁性材料は顕著な磁歪を有する。したがって、正の磁歪を有するアモルファス強磁性材料２１８を含む多層配置２１４について、結晶強磁性材料２１６の層の厚さおよび組成は、他の層の正の磁歪を補償するために負の磁歪を有するよう適合される必要があり、それによって、全体的に磁歪を含まない自由層２０８が結果として得られ得る。
その後、スタック２は、通常、キャッピング層２１０、典型的には、タンタル（Ｔａ）またはチタンタングステン（ＴｉＷ）などの非磁性金属層で覆われ、これは、スタック２を保護し、スタック２を磁気センサの他の構成要素に接続するための相互接続を提供するために、スタック２を他の金属層（例えば、アルミニウム、銅、または金）に接続するときの拡散を低減する。
本開示によるさらなる実施形態も図３に示される。前と同様に、ＧＭＲ素子は、基板３００、シード層３０２、ＡＡＦ層３０４、および非磁性スペーサ層３０６を含むスピンバルブスタック３として構成される。概して３０８と示される自由層は、第１の強磁性層３１２、好ましくはＣｏＦｅなどのＡＭＲ効果が低い結晶強磁性材料、続いて、別の多層配置３１４を含む。この実施形態では、多層配置３１４は、ここでも交互の層として配置される、ＮｉＦｅなどの軟磁性材料より形成される複数の強磁性層３１６、および、複数の非磁性層３１８より形成される。非磁性材料層３１８は、任意の好適な材料、例えば、Ｔａ、Ｒｕ、またはＣｕでもよい。非磁性層３１８は、自由層３０８にいかなる磁気モーメントも加えず、したがっていかなるＡＭＲ効果も呈しない一方で、強磁性３１６の層は任意のＡＭＲ効果を呈するにも個々には薄すぎ、または無視できるか、もしくは非常に少ない量を少なくとも呈する。したがって、強磁性材料３１６の層と非磁性材料３１８の層を散在させることで、任意の望ましくないＡＭＲ効果を誘発することなく、所望の形状異方性を提供するに十分な厚さの強磁性多層配置３１４が提供される。
そのような配置では、強磁性層３１６がいかなるＡＭＲ効果も生じないように十分に薄く、強磁性層間で強い強磁性結合を確実にするために非磁性層３１８が十分に薄いこと、つまり、多層配置３１４によって呈される形状異方性が各個々の強磁性層３１６とは対照的に強磁性層３１６の合計に対応するようにすることが重要である。例えば、層３１６、３１８の両方の組の厚さは約０．２ｎｍ〜０．４ｎｍでもよい。
さらに、上述したように、強磁性層３１６は、ＮｉＦｅなどの非常に低いまたはゼロの磁歪を有する軟磁性材料より形成されてもよい。これらの強磁性材料３１６が非磁性層３１８と散在されるため、自由層３０８は全体的に磁歪がない軟質磁石である。
その後、スタック３は、通常、キャッピング層２１０、典型的には非磁性金属層で覆われ、これは、スタック３を保護し、スタック３を磁気センサの他の構成要素に接続するための相互接続を提供するために、スタック３を他の金属層（例えば、アルミニウム、銅、または金）に接続するときの拡散を低減する。
上述の実施形態のいずれにおいても、必要な厚さおよび形状異方性に応じて、任意の数の層（および層の厚さ）が多層配置２１４、３１４で使用されてもよいことが理解されるであろう。例えば、合計４枚の層があってもよく、または、合計２０枚もの層があってもよい。
加えて、上述の実施形態のいずれにおいても、測定可能なＧＭＲ効果も観察されるＡＡＦ層２０４、３０４の代わりに、白金マンガン（ＰｔＭｎ）などの天然反強磁性層が使用されてもよいことも理解されるであろう。
図４は、本開示の実施形態による複数のＧＭＲ素子４００を備える磁気マルチターンセンサ４の磁気片レイアウト表現の例を示す。図４の例では、磁気片４００は、スパイラル構成で物理的に置かれた巨大磁気抵抗トラックである。したがって、磁気片４００は、互いに直列に配置された磁気抵抗素子４０２から形成される複数のセグメントを有する。磁気抵抗素子４０２は、磁気整列状態に応じて抵抗を変化させる可変抵抗器として機能する。磁気片４００の一端は、ドメイン壁生成器（ＤＷＧ）４０４に結合される。これに関して、ＤＷＧ４０４が磁気片４００のいずれかの端に結合されてもよいことは理解されるであろう。ＤＷＧ４０４は、外部磁場における回転、またはセンサ４の動作する磁気ウィンドウを超える何らかの他の強い外部磁場の印加に応答してドメイン壁を生成する。次に、これらのドメイン壁は、磁気片４００に注入され得る。磁気ドメイン位置が変化するにつれて、磁気整列の結果として生ずる変化により、ＧＭＲ素子４０２の抵抗も変化する。
ドメイン壁が生成されるにつれて変わるＧＭＲ素子４０２の抵抗を測定するために、磁気片４００は供給電圧ＶＤＤ４０６および接地ＧＮＤ４０８に電気的に接続され、一対の対向するコーナー間に電圧を印加する。電圧供給部間の中間のコーナーには、ハーフブリッジ出力を提供するよう電気接続部４１０が設けられている。このように、マルチターンセンサ４は、多数のホイートストンブリッジ回路を備え、各ハーフブリッジ４１０は外部磁場の１つのハーフターンまたは１８０°回転に対応する。そのため、電気接続部４１０での電圧の測定値は、自由層の磁気整列における変化を示すＧＭＲ素子４０２の抵抗の変化を測定するために使用することができる。
図４によって示される例は、４つのスパイラル巻線８個のハーフブリッジ４１０を備え、したがって、外部磁場の４つのターンをカウントするように構成される。しかしながら、マルチターンセンサは、ＧＭＲ素子の数に応じて任意の数のスパイラル巻線を有してもよいことが理解されるであろう。概して、マルチターンセンサは、スパイラル巻線と同じターン数をカウントすることができる。また、ＧＭＲ素子４０２が、磁気整列状態における変化を表すセンサ出力を提供するように、任意の好適な方法で電気的に接続されてもよいことが理解されるであろう。例えば、ＧＭＲ素子４０２は、全体が本明細書で参照によって組み込まれるＵＳ２０１７／０２６１３４５に記載されるようなマトリクス配置に接続されてもよい。さらなる代替例として、各磁気抵抗セグメントはブリッジ配置よりもむしろ、個別に接続されてもよい。
この例では、磁気マルチターンセンサ４は、磁気片４００が配設される集積回路４１２を備え、これは、センサ出力を処理する処理回路（図示せず）を含んでもよい。
ここで、図５Ａ〜図５Ｉを参照して、ＧＭＲスタック２を加工する方法を説明する。しかしながら、ＧＭＲスタック３が同様に加工されてもよいことは理解されるであろう。
図５Ａは、加工プロセスの第１のステップを示す。基板２００としてシリコンウェハが使用される。以下では、１つのデバイスを形成するプロセスを説明するが、同じウェハ上で数百個のデバイスが並列に形成されてもよい。基板２００は、機械的支持のために使用され、ガラスまたはサファイアなどの別のタイプの材料に置き換えることができる。典型的には、シリコンウェハは、裸のシリコンから後続層を隔離するために酸化されるか、または酸化アルミニウムなどのアイソレータが使用されてもよい。いくつかの配置では、基板２００は電子回路を備えてもよい。
次に、図５Ｂに示すように、シード層２０２が基板２００上に堆積される。シード層２０２は、後続層の成長を促進するための滑らかな表面、および、有利な結晶構造を提供する。シード層２０２は、タンタル、ルテニウム、または窒化タンタル（ＴａＮ）の層でもよく、他の化合物の別の層を含んでもよい。
図５Ｃは、シード層２０２上に堆積されるＡＡＦ層２０４の形成を示す。ＡＡＦ層２０４は、まず、シード層２０２上に天然反強磁性層を堆積することによって形成される。次いで、強磁性層が反強磁性層上に堆積され、続いて、非磁性スペーサ層が堆積される。最後に、第２の強磁性層が非磁性層上に堆積される。この第２の強磁性層は、いわゆる「ピン留めされた」層または「基準」層である。ＡＡＦ層２０４において使用される反強磁性材料は、ＰｔＭｎ、ＩｒＭｎ、ＮｉＭｎ、または何らかの他の好適な反強磁性材料でもよく、非磁性材料が典型的にルテニウムである場合、強磁性材料はＣｏＦｅまたは何らかの他の好適な強磁性材料でもよい。
図５Ｄに示すように、非磁性スペーサ層２０６は、ＡＡＦ層２０４のピンナー層上に形成される。これは、任意の磁気結合を低減するために、ピン留めされた層と、後続の自由層との間のスペーサとして機能する。
図５Ｅは、第１の強磁性層２１２を最初に堆積させることで形成される自由層の開始を示している。
多層配置は、次に、図５Ｆに示すように結晶強磁性材料２１６の層を堆積し、次に、図５Ｇに示すようにアモルファス強磁性材料２１８の層を堆積することで、第１の強磁性層上に堆積される。このプロセスは、図５Ｈに示すように、多層配置２１４全体が形成されるまで必要な回数繰り返される。
最後に、キャッピング層２１０は、図５Ｉに示すように、スタック２上に置かれる。上述のように、キャッピング層２１０は、典型的には、非磁性金属層よりなり、これは、スタック２を保護し、相互接続を提供するためにスタック２を他の金属層に接続するときの拡散を低減する。
一旦堆積が行われると、ＧＭＲ膜は次いで、磁場でアニーリングされ、標準的なフォトリソグラフィ技術およびその後のイオンミリングを使用してパターン化されて、余分な材料が除去され、必要な抵抗器形状が形成され得る。
図３の実施形態では、スタック３が実質的に同じ方法で加工されてもよく、多層配置３１４の強磁性層３１６および非磁性層３１８が図５Ｆ〜図５Ｈに示されるものと実質的に同じ方法で形成されることが理解されるであろう。
上述のスタック２、３内の層の各々がスパッタリングなどの任意の好適な物理的蒸着方法を使用して形成されてもよいことは理解されるであろう。同様に、各スタック２、３の堆積は、個々のステップ間で周囲大気への曝露がないように、１つの真空ステップで実施されてもよく、それによって、様々な層の汚染または酸化が回避される。例えば、シード層２０２、３０２からキャッピング層２１０、３１０までの全スタック２、３は、大気ガスへの曝露による表面汚染や変化を防止するために異なる層間の真空を破壊することなく、１つのツールでスパッタリングまたはイオンビーム堆積のいずれかによって堆積される。
本開示のさらなる実施形態では、自由層が、ＣｏＦｅなどのＡＭＲ効果が低い結晶強磁性材料の第１の層、および、ＣｏＦｅＢなどのアモルファス強磁性材料の第２の層を含むＧＭＲスタックが提供されてもよい。このような配置は、高いＡＭＲ効果を呈するが、同様に、より多くの磁歪を経験する任意の強磁性材料の使用を排除する。
上述の配置は、スタック２、３の底部にあるＡＡＦ層２０４、３０４（いわゆる「底部ピン留めされた」）を示すが、スタック２、３が、非磁性スペーサ２０６、３０６、次いで、自由層２０８、３０８が下にあり、ＡＡＦ層２０４、３０４（いわゆる「上部ピン留めされた」）がスタック２、３の上部にあるように、代替的に配置されてもよいことが理解されよう。
同様に、上述の配置はＡＡＦ層２０４の使用を説明しているが、代わりに、例えば、ＰｔＭｎ、ＩｒＭｎ、ＮｉＭｎなどの反強磁性材料の層、および、「ピン留めされた」層として機能する１枚のＣｏＦｅなどの強磁性材料の層を含む、単純な反強磁性層が使用されてもよいことが理解されるであろう。
用途
本明細書で論じた原理および利点のいずれも、上述のシステムだけではなく、他のシステムにも適用することができる。いくつかの実施形態は、本明細書に記載する特徴および／または利点のサブセットを含み得る。上述の様々な実施形態の素子および動作を組み合わせて、さらなる実施形態を提供することができる。本明細書で論じた方法の作用は、適宜、任意の順番で実施され得る。さらに、本明細書で論じた方法の作用は、適宜、連続的にまたは並行して実施され得る。回路が特定の配置で示されているが、他の同等の配置も可能である。
本明細書で論じた原理および利点のいずれも、上述のシステムだけではなく、他のシステムにも適用することができる。いくつかの実施形態は、本明細書に記載する特徴および／または利点のサブセットを含み得る。上述の様々な実施形態の素子および動作を組み合わせて、さらなる実施形態を提供することができる。本明細書で論じた方法の作用は、適宜、任意の順番で実施され得る。さらに、本明細書で論じた方法の作用は、適宜、連続的にまたは並行して実施され得る。回路が特定の配置で示されているが、他の同等の配置も可能である。
本明細書で論じた原理および利点のいずれも、本明細書の教示のいずれかから利益を得ることができる任意の他のシステム、装置、または方法と関連して実装することができる。例えば、本明細書で説明した原理および利点のいずれも、回転する磁場から導き出される回転角度位置データを補正する必要性を有する任意のデバイスと関連して実装され得る。加えて、デバイスは、磁場を感知することができる任意の磁気抵抗またはホール効果デバイスを含み得る。
本開示の態様は、様々な電子デバイスまたはシステムにおいて実装され得る。例えば、本明細書で論じた原理および利点のいずれかに応じて実装される、位相補正方法およびセンサは、様々な電子デバイスおよび／または様々な用途に含まれ得る。電子デバイスおよび用途の例には、サーボ、ロボット工学、航空機、潜水艦、歯ブラシ、バイオメディカルセンシングデバイス、ならびに、半導体ダイおよび／またはパッケージされたモジュール、電子試験機器などの消費者電子製品の部品を含み得るが、これらに制限されるわけではない。さらに、電子デバイスは、工業、自動車、および／または医療用途のためのものを含む未完成製品を含み得る。
特に文脈が明確に要求しない限り、説明および特許請求の範囲を通して、「備える」、「備えている」、「含む」、「含んでいる」などの単語は、排他的または網羅的な意味ではなく、包含的な意味で解釈されるべきであり、つまり、「含むが、これに制限されない」という意味で解釈されるべきである。本明細書で概して使用される場合、「結合される」または「接続される」といった単語は、直接的に接続されるか、または、１つ以上の中間素子を介して接続され得る２つ以上の素子を指す。そのため、図示する様々な概略図は素子および構成要素の例示的な配置を示すが、追加的な介在素子、デバイス、特徴、または構成要素が実際の実施形態に存在してもよい（示される回路の機能性が悪影響を及ぼされないと仮定する）。本明細書で使用する「に基づく」といった単語は、概して、「にのみ基づく」および「に少なくとも部分的に基づく」ことを包含することを意図している。追加的には、本出願で使用されるとき、「本明細書で」、「上で」、「下で」といった単語、および、同様の意味の単語は、本出願全体を指し、本出願の任意の特定の部分を指すものではない。文脈が許す限り、単数形または複数形を使用する「発明を実施するための形態」における単語には、それぞれ複数形または単数形も含めることができる。２つ以上のアイテムのリストを参照する「または」といった単語は、次の単語の解釈の全て、すなわち、リスト内のアイテムのいずれか、リスト内のアイテムのすべて、およびリスト内のアイテムの任意の組み合わせを網羅することを意図している。本明細書で提供される全ての数値または距離は、測定誤差内にある同様の値を含めることを意図している。
特定の実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例としてのみ提示され、本開示の範囲を制限することを意図するものではない。実際に、本明細書で説明する新規の装置、システム、および方法は、様々な他の形態で具現化されてもよい。さらに、本明細書で説明した方法およびシステムの形態における様々な省略、置換、および、変更は、本開示の精神から逸脱することなく行われてもよい。
２、３ スピンバルブスタック
２００、３００ 基板
２０２、３０２ シード層
２０４、３０４ ＡＡＦ層
２０６、３０６ 非磁性スペーサ層
２０８、３０８ 自由層
２１０、３１０ キャッピング層
２１２、３１２ 第１の強磁性層
２１４、３１４ 多層配置
２１６ 結晶強磁性材料の層
２１８ アモルファス強磁性材料の層
３１６ 複数の強磁性層
３１８ 複数の非磁性層
４ 磁気マルチターンセンサ
４００ ＧＭＲ素子、磁気片
４０２ 磁気抵抗素子
４０４ ドメイン壁生成器（ＤＷＧ）
４０６ 供給電圧ＶＤＤ
４０８ 接地ＧＮＤ４１０ ハーフブリッジ
４１０ 電気接続部
４１２ 集積回路
２００、３００ 基板
２０２、３０２ シード層
２０４、３０４ ＡＡＦ層
２０６、３０６ 非磁性スペーサ層
２０８、３０８ 自由層
２１０、３１０ キャッピング層
２１２、３１２ 第１の強磁性層
２１４、３１４ 多層配置
２１６ 結晶強磁性材料の層
２１８ アモルファス強磁性材料の層
３１６ 複数の強磁性層
３１８ 複数の非磁性層
４ 磁気マルチターンセンサ
４００ ＧＭＲ素子、磁気片
４０２ 磁気抵抗素子
４０４ ドメイン壁生成器（ＤＷＧ）
４０６ 供給電圧ＶＤＤ
４０８ 接地ＧＮＤ４１０ ハーフブリッジ
４１０ 電気接続部
４１２ 集積回路
Claims (20)
- 第１の態様による磁気マルチターンセンサのための巨大磁気抵抗素子（ＧＭＲ）であって、
基準層と、
前記基準層に隣接する非磁性層と、
強磁性材料よりなる自由層であって、前記非磁性層に隣接する強磁性材料の第１の層、ならびに第１の材料よりなる複数の層、および第２の材料よりなる複数の層を少なくとも含み、前記第１の材料が強磁性である、多層配置を含む自由層と、を備える巨大磁気抵抗素子。 - 前記第２の材料は、無視できるまたは略無視できる異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）効果を有する材料である、請求項１に記載の巨大磁気抵抗素子。
- 前記第１の材料よりなる前記複数の層および前記第２の材料よりなる前記複数の層は、交互の構成で配置されている、請求項１に記載の巨大磁気抵抗素子。
- 前記第１の材料は、ＮｉＦｅおよびＣｏＦｅのうちの１つである、請求項１に記載の巨大磁気抵抗素子。
- 前記第２の材料は、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＺｒＴａ、ＣｏＺｒＴａＢ、ＣｏＺｒＮｂ、およびＣｏＺｒＯのうちの１つである請求項１に記載の巨大磁気抵抗素子。
- 前記第１の材料および前記第２の材料の厚さおよび／または組成は、前記自由層が磁歪を含まないように構成されている、請求項１に記載の巨大磁気抵抗素子。
- 前記第１の材料の前記複数の層および前記第２の材料の前記複数の層の各々は、約０．５ｎｍ〜約８ｎｍの厚さを有する、請求項１に記載の巨大磁気抵抗素子。
- 前記強磁性材料の第１の層は、外部印加された磁場と自由に整列する磁化を有する、請求項１に記載の巨大磁気抵抗素子。
- 前記強磁性材料の第１の層はＣｏＦｅである、請求項１に記載の巨大磁気抵抗素子。
- 前記基準層の少なくとも一部は、固定方向にある磁化を有する、請求項１に記載の巨大磁気抵抗素子。
- 前記基準層は、人工反強磁性材料を定める一連の層を含み、前記人工反強磁性材料の層は、固定方向にある磁化を有する、請求項１に記載の巨大磁気抵抗素子。
- １つ以上の巨大磁気抵抗素子を備える磁気マルチターンセンサであって、各巨大磁気抵抗素子は、
基準層と、
前記基準層に隣接する非磁性層と、
強磁性材料よりなる自由層であって、前記非磁性層に隣接する強磁性材料の第１の層、ならびに第１の材料よりなる複数の層、および第２の材料よりなる複数の層を少なくとも含み、前記第１の材料が強磁性である、多層配置を含む自由層と、を備える磁気マルチターンセンサ。 - 前記第２の材料は、無視できるまたは略無視できる異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）効果を有する材料である、請求項１２に記載の磁気マルチターンセンサ。
- 前記第１の材料は、ＮｉＦｅおよびＣｏＦｅのうちの１つである、請求項１２に記載の磁気マルチターンセンサ。
- 前記第２の材料は、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＺｒＴａ、ＣｏＺｒＴａＢ、ＣｏＺｒＮｂ、およびＣｏＺｒＯのうちの１つである、請求項１２に記載の磁気マルチターンセンサ。
- 巨大磁気抵抗素子の製造方法であって、
基準層を形成することと、
前記基準層に隣接して非磁性層を形成することと、
強磁性材料の自由層を形成することであって、前記自由層が、前記非磁性層に隣接する強磁性材料の第１の層、ならびに第１の強磁性材料よりなる複数の層、および第２の材料よりなる複数の層を少なくとも含み、前記第１の材料が強磁性である、多層配置を含む、形成することと、を含む方法。 - 前記第１の材料よりなる複数の層、および、前記第２の材料よりなる複数の層を交互のシーケンスで形成して、前記自由層の前記多層配置を提供することをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
- 前記第２の材料は、無視できるまたは略無視できる異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）効果を有する材料である、請求項１７に記載の方法。
- 前記基準層を形成することは、複数の層を形成して人工反強磁性材料を提供することを含む、請求項１６に記載の方法。
- 前記方法が、
基板を提供することと、
前記基板上に前記人工反強磁性材料または前記自由層を形成することと、をさらに含む、請求項１９に記載の方法。
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