JP2023512148A - 補償された温度感度係数を持つ磁気抵抗センサ素子及び前記要素を製造する方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】磁気抵抗センサ素子の磁化率に関係する温度感度を改良する。【解決手段】本発明は、磁気抵抗センサ素子（２）に関し、磁気抵抗センサ素子（２）は、ピン止めされた基準磁化（２３）を持つ基準層（２３）と、計測する外部磁場（６０）に応じて可逆的に移動可能な、安定している渦構成を備える自由センス磁化（２１０）を持つセンス層（２１）と基準層（２３）及びセンス層（２２）の間のトンネル障壁層（２２）とを備える磁気抵抗センサ素子（２）において、センス層（２１）が、トンネル障壁層（２２）に接している第１強磁性センス部分（２１１）と、第１強磁性センス部分（２１１）に接している第２強磁性センス部分（２１２）とを備え、第２強磁性センス部分（２１２）が、磁化率（χ）の温度依存性が磁気抵抗センサ素子のトンネル磁気抵抗の温度依存性を実質的に補償する割合で、希釈要素を含有している。本開示は、磁気抵抗センサ素子の製造方法に関する。
Description
本発明は、外部磁場の感知を目的とした磁気センサ用の磁気抵抗センサ素子と、磁気抵抗センサ素子を製造する方法に関する。
図１は、
第１基準磁化２３４を持つ第１強磁性層２３１と、第２基準磁化２３５を持つ第２強磁性層２３２と、を備える強磁性基準層２３と、
自由センス磁化２１０を持つセンス強磁性層２１と、
センス強磁性層２１、２３との間のトンネル障壁層２２と
を備える磁気抵抗センサ素子２の断面図を示す。センス磁化２１０は、基準磁化２３４、２３５が実質的に乱されない状態を維持している間、外部磁場６０内に配向可能である。よって、外部磁場６０は、磁気抵抗センサ素子２の抵抗を計測することによって感知できる。抵抗は、センス磁化と基準磁化の相対的な向きに依存する。基準層２３は、ピン止めされた基準磁化を持つ単一の基準層を備えてもよいことに留意されたい。
第１基準磁化２３４を持つ第１強磁性層２３１と、第２基準磁化２３５を持つ第２強磁性層２３２と、を備える強磁性基準層２３と、
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図２ａ及び図２ｂは、センス層２１の上面図を示していて、センス磁化２１０は、外部磁場６０に従って可逆的に移動可能なコア２１３を持つ安定した渦構成を備える。
渦構成は、磁気抵抗センサ素子２の実用的なサイズ及びセンス層２１の厚さに、外部磁場６０の広いマグニチュード範囲において線形で非ヒステリシスの挙動を提供する。よって、渦の構成は、１Ｄ磁気センサの適用に有利である。センス層２１における渦構成の取得は、センス層２１の材料特性を含むいくつかの要因に依存する。一般に、渦構成は、（ゼロ印加磁場で）センス層２１の直径に対する厚さのアスペクト比を増加させることで好ましいとされる。アスペクト比は通常、１よりはるかに小さく（例えば、０．０１から０．５に）なる。より具体的には、図２ａは、外部磁場６０がない場合のセンス磁化２１０を示していて、渦構成のコア２１３は、実質的にセンス層断面の中心にある。この構成では、センス層２１は、実質的にゼロ（Ｍ＝０）である正味の磁気モーメントを持つ。
図２ｂは、外部磁場６０の存在下でのセンス磁化２１０を示している。外部磁場６０は、コア２１３を、外部磁場６０の１つに実質的に垂直な方向（点線の矢印で示される）に移動させる。コア２１３の変位は、センス層２１に正味の磁気モーメント（Ｍ≠０）をもたらす。
特に、コア２１３の（図２ｂに示すように）右方向への変位は、センス層２１において正味磁気モーメントＭ＞０をもたらすが、コア２１３の左方向への変位（図示せず）は、外部磁場６０が図２ｂに示した方向と反対に向けられるとき、センス層２１において正味の磁気モーメントＭ＜０をもたらす。
渦構成は、磁気抵抗センサ素子２の実用的なサイズ及びセンス層２１の厚さに、外部磁場６０の広いマグニチュード範囲において線形で非ヒステリシスの挙動を提供する。よって、渦の構成は、１Ｄ磁気センサの適用に有利である。センス層２１における渦構成の取得は、センス層２１の材料特性を含むいくつかの要因に依存する。一般に、渦構成は、（ゼロ印加磁場で）センス層２１の直径に対する厚さのアスペクト比を増加させることで好ましいとされる。アスペクト比は通常、１よりはるかに小さく（例えば、０．０１から０．５に）なる。より具体的には、図２ａは、外部磁場６０がない場合のセンス磁化２１０を示していて、渦構成のコア２１３は、実質的にセンス層断面の中心にある。この構成では、センス層２１は、実質的にゼロ（Ｍ＝０）である正味の磁気モーメントを持つ。
図２ｂは、外部磁場６０の存在下でのセンス磁化２１０を示している。外部磁場６０は、コア２１３を、外部磁場６０の１つに実質的に垂直な方向（点線の矢印で示される）に移動させる。コア２１３の変位は、センス層２１に正味の磁気モーメント（Ｍ≠０）をもたらす。
特に、コア２１３の（図２ｂに示すように）右方向への変位は、センス層２１において正味磁気モーメントＭ＞０をもたらすが、コア２１３の左方向への変位（図示せず）は、外部磁場６０が図２ｂに示した方向と反対に向けられるとき、センス層２１において正味の磁気モーメントＭ＜０をもたらす。
図３は、センス磁化２１０（Ｍ、任意単位）上の外部磁場６０（Ｈｅｘｔ、任意単位）に対するヒステリシス応答（又は磁化曲線）を示している。渦センス磁化２１０の完全なヒステリシスループは、Ｈｅｘｐｌ点で渦放出磁場に到達するまで、印加された磁場Ｈｅｘｔによる磁化Ｍの線形増加によって特徴付けられる。この時点で、センス磁化２１０は磁気的に飽和する。センス層２１の渦状態を回復するために、核形成場Ｈｎｕｃｌを下回る磁場を減少させる必要がある。印加された磁場が、センス磁化２１０における渦の放出磁場（＋／－Ｈｅｘｐｌ）に対応する大きさ内にある限り、外部磁場６０に対するヒステリシス応答は、外部磁場６０を持つコア２１３の動きに相当する可逆的な線形部分を備える。ヒステリシスループの線形部分の値と傾きは、センス層２１のサイズに強く依存する。磁化曲線の線形で非ヒステリシスの部分は、外部磁場Ｈｅｘｔの小さな変動の計測を容易にする。
特に、渦はその磁化率χによって特徴付けられる。これは、Ｍ（Ｈ）ループ
χ＝δＭ／δＨｅｘｔ （１）
の線形領域の傾きに対応する。
χ＝δＭ／δＨｅｘｔ （１）
の線形領域の傾きに対応する。
その場合、磁気抵抗センサ素子２の感度Ｓは、磁気抵抗センサ素子２の磁化率χとトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）
Ｓ＝χ＊ＴＭＲ （２）
との間の積に比例するであろう。
Ｓ＝χ＊ＴＭＲ （２）
との間の積に比例するであろう。
図４ａ及び図４ｂは、外部磁場６０（任意の単位でのＨｅｘｔ）の関数としての磁気抵抗センサ素子２の電気コンダクタンスＧ（任意の単位で）を示している。
図４ａは、センス磁化２１０が第１基準磁化２３４に平行であるときの電気コンダクタンスＧを報告し、図４ｂは、センス磁化２１０が第１基準磁化２３４に逆平行であるときの電気コンダクタンスＧを報告する。
磁気抵抗センサ素子２の電気コンダクタンスＧは、読み取り電流３１（図１を参照）を磁気抵抗センサ素子２に流すことによって計測できる。磁気抵抗センサ素子２の電気コンダクタンスＧは、第１基準磁化２３４の方向への平均化されたセンス磁化２１０の投影に比例するので、電気コンダクタンスＧ対外部磁場Ｈｅｘｔは、外部磁場Ｈｅｘｔが第１基準磁化２３４の方向と整列しているときの、（図３の）ヒステリシス応答に類似する。
図４ａは、センス磁化２１０が第１基準磁化２３４に平行であるときの電気コンダクタンスＧを報告し、図４ｂは、センス磁化２１０が第１基準磁化２３４に逆平行であるときの電気コンダクタンスＧを報告する。
磁気抵抗センサ素子２の電気コンダクタンスＧは、読み取り電流３１（図１を参照）を磁気抵抗センサ素子２に流すことによって計測できる。磁気抵抗センサ素子２の電気コンダクタンスＧは、第１基準磁化２３４の方向への平均化されたセンス磁化２１０の投影に比例するので、電気コンダクタンスＧ対外部磁場Ｈｅｘｔは、外部磁場Ｈｅｘｔが第１基準磁化２３４の方向と整列しているときの、（図３の）ヒステリシス応答に類似する。
しかしながら、磁化率χとＴＭＲの両方は、温度Ｔの関数として変化する。特に、温度Ｔが上昇すると、センス磁化２１０が減少し、これは、磁化率χの増加につながる。一方、ＴＭＲは、温度Ｔが上昇する。磁気抵抗センサ素子２の温度依存性は、温度Ｔによる感度Ｓの変化に対応する温度感度係数（ＴＣＳ）によって特徴付けられる。図５は、飽和センス磁化Ｍｓ（任意単位）に対するセンス磁化Ｍの比率を報告している。外部磁場Ｈｅｘｔ（任意単位）の関数として、磁気抵抗センサ素子２のいくつかの温度で計測される。線形領域の傾き、したがって磁化率χは、温度上昇に関係する。図６ａから図６ｃは、３つの上昇する温度Ｔ（図６ａから図６ｃ）について、計測されたコンダクタンス曲線、すなわち、外部磁場Ｈｅｘｔ（任意単位）の関数としての磁気抵抗センサ素子２の電気コンダクタンスＧ（任意単位）を報告する。図６ａから図６ｃは、ＴＭＲが温度の上昇とともに減少することを示している。
ＴＭＲは、磁気抵抗センサ素子２の抵抗（又は逆コンダクタンス）の最大変化を外部磁場Ｈｅｘｔの関数として表す。
ＴＭＲは、磁気抵抗センサ素子２の抵抗（又は逆コンダクタンス）の最大変化を外部磁場Ｈｅｘｔの関数として表す。
ほとんどの場合、温度が上昇すると、磁化率χが上昇するよりも早くＴＭＲが低下し、大きな負のＴＣＳにつながる。よって、磁気抵抗センサ素子２のＴＣＳは、磁気抵抗センサ素子２の感知性能及びその潜在的な実際の用途の範囲に影響を与える可能性がある非常に重要な変数である。
ＴＣＳは、温度変化に対して磁気抵抗素子のバイアス電圧を変化させることで磁気抵抗センサ素子２の感度Ｓの変化を補償する電子回路を用いて制御できる。この解決手段では、しかしながら、ＴＣＳの調整にトリミングを要する。さらに、追加の電子回路を使用するには、より大きなダイサイズを要し、磁気抵抗センサ素子２の工程及び開発がより複雑になる。
特許文献１（ＵＳ２０１８１６４３８７）は、
ピン止め基準磁化を持つ基準層と、
計測される外部磁場に応じて可逆的に移動可能なコアを持つ安定した渦構成を備える自由センス磁化を持つセンス層と、
基準層とセンス層の間のトンネル障壁層と
を備える磁気センサを開示している。
ピン止め基準磁化を持つ基準層と、
計測される外部磁場に応じて可逆的に移動可能なコアを持つ安定した渦構成を備える自由センス磁化を持つセンス層と、
基準層とセンス層の間のトンネル障壁層と
を備える磁気センサを開示している。
特許文献２（ＵＳ２０１７３７１００６）は、固定磁性層と、非磁性材料層と、第１反強磁性層と交換結合された自由磁性層とを備えるＧＭＲ要素を開示している。自由磁性層は、第１強磁性層と磁気調整層とで構成されている。磁気調整層は、少なくとも１つの鉄族元素及び少なくとも１つの白金族元素を含有している。磁気調整層は、自由磁性層の飽和磁化を減少させ、その結果、自由磁性層と第１反強磁性層との間の交換結合の交換結合バイアスＨｅｘの大きさを増加させる。
本開示は、１次元（１Ｄ）外部磁場を感知するための磁気抵抗センサ素子に関する。磁気抵抗センサ素子は、以下を備える。
外部磁場に応じて可逆的に移動可能なコアを持つ安定な渦構成を備える自由センス磁化を持つセンス層。
基準層とセンス層との間のトンネル障壁層であって、トンネル障壁層は、絶縁材料を含有している。
センス層は、トンネル障壁層に接している第１強磁性センス部分と、第１強磁性センス部分に接している第２強磁性センス部分とを備える。
第２強磁性センス部分は、センス層の磁化率の温度依存性が磁気抵抗センサ素子のトンネル磁気抵抗の温度依存性を実質的に補償するような割合で遷移金属要素を含有している。
外部磁場に応じて可逆的に移動可能なコアを持つ安定な渦構成を備える自由センス磁化を持つセンス層。
基準層とセンス層との間のトンネル障壁層であって、トンネル障壁層は、絶縁材料を含有している。
センス層は、トンネル障壁層に接している第１強磁性センス部分と、第１強磁性センス部分に接している第２強磁性センス部分とを備える。
第２強磁性センス部分は、センス層の磁化率の温度依存性が磁気抵抗センサ素子のトンネル磁気抵抗の温度依存性を実質的に補償するような割合で遷移金属要素を含有している。
本開示はさらに、磁気抵抗センサ素子を製造する方法に関し、複数の温度及び遷移金属要素の比率について、
複数の温度について外部磁場の関数として磁気抵抗センサ素子の電気コンダクタンスＧを計測すること、例えば、複数の計測されたコンダクタンス曲線を取得することを備え、
各温度、ＴＭＲの温度依存性を決定するためなど、複数の計測されたコンダクタンス曲線から磁気抵抗センサ素子のＴＭＲの値を計算することを備え、センス層の磁化率の温度依存性を決定するためなど、センス層の磁化を計測することを備え、
ＴＭＲの温度依存性が磁化率の温度依存性を実質的に補償する遷移金属元素の割合を決定することを備える。
複数の温度について外部磁場の関数として磁気抵抗センサ素子の電気コンダクタンスＧを計測すること、例えば、複数の計測されたコンダクタンス曲線を取得することを備え、
各温度、ＴＭＲの温度依存性を決定するためなど、複数の計測されたコンダクタンス曲線から磁気抵抗センサ素子のＴＭＲの値を計算することを備え、センス層の磁化率の温度依存性を決定するためなど、センス層の磁化を計測することを備え、
ＴＭＲの温度依存性が磁化率の温度依存性を実質的に補償する遷移金属元素の割合を決定することを備える。
本明細書に開示される磁気抵抗センサ素子は、感度の最小の温度依存性、又は最小のＴＣＳを持つ。磁気抵抗センサ素子は、各温度にバイアス電圧を適合させることによって感度の損失を補償すべく、追加のオンボード電子機器を追加する必要はない。磁気抵抗センサ素子はダイサイズを小さくできて、余分なテスト時間を必要としない。
本発明は、例として与えられ、図によって示される実施形態の説明の助けを借りて、よりよく理解されるであろう。
図１を参照すると、一実施形態による磁気抵抗センサ素子２は、ピン止めされた基準磁化２３０を持つ強磁性基準層２３と、外部磁場６０に応じて移動可能なセンス磁化２１０を持つ強磁性センス層２１と、センス強磁性層２１と基準強磁性層２３との間のトンネル障壁層２２とを備える。センス磁化２１０は、外部磁場６０に応じて可逆的に移動可能なコア２１３を持つ安定した渦構成を備える（図２ａ及び図２ｂを参照）。
強磁性層は、ＣｏＦｅ、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅＢのようなＦｅベースの合金で作製してよい。基準層は、磁気交換バイアス結合によって反強磁性層２４によってピン止めできる。反強磁性層は、
イリジウムＩｒ及びＭｎベースの合金（例えば、ＩｒＭｎ）と、
Ｆｅ及びＭｎベースの合金（例、ＦｅＭｎ）と、
白金Ｐｔ及びＭｎベースの合金（例、ＰｔＭｎ）及び
Ｎｉ及びＭｎに基づく合金（例えば、ＮｉＭｎ）のようなマンガンＭｎベースの合金を含有してよい。
基準層２３は、１つ又は複数の強磁性層を備えてよいし、あるいは図１に示すように、基準層２３は、逆平行結合層２３３によって、第２強磁性層２３２から分離されている、少なくとも第１強磁性層２３１を備える合成逆強磁性体（ＳＡＦ）を含有してよい。逆平行結合層２３３は、Ｒｕか、Ｉｒか、Ｃｕか、あるいはこれらの要素の組み合わせからなる層である。
反強磁性層２４の隣の強磁性層２３２の第２基準磁化２３５がピン止めされ、第１強磁性層２３１の第１基準磁化２３４が、逆平行結合層２３３によって第２基準磁化２３５に対して逆平行に結合される。トンネル障壁（層）２２は、絶縁材料を含有してよい。適切な絶縁材料には、酸化アルミニウム（例えば、ＡＩ２Ｏ３）及び酸化マグネシウム（例えば、ＭｇＯ）のような酸化物が含まれる。トンネル障壁層２２の厚さは、約１ｎｍから約３ｎｍのようなナノメートルｎｍ範囲にあってよい。
イリジウムＩｒ及びＭｎベースの合金（例えば、ＩｒＭｎ）と、
Ｆｅ及びＭｎベースの合金（例、ＦｅＭｎ）と、
白金Ｐｔ及びＭｎベースの合金（例、ＰｔＭｎ）及び
Ｎｉ及びＭｎに基づく合金（例えば、ＮｉＭｎ）のようなマンガンＭｎベースの合金を含有してよい。
基準層２３は、１つ又は複数の強磁性層を備えてよいし、あるいは図１に示すように、基準層２３は、逆平行結合層２３３によって、第２強磁性層２３２から分離されている、少なくとも第１強磁性層２３１を備える合成逆強磁性体（ＳＡＦ）を含有してよい。逆平行結合層２３３は、Ｒｕか、Ｉｒか、Ｃｕか、あるいはこれらの要素の組み合わせからなる層である。
反強磁性層２４の隣の強磁性層２３２の第２基準磁化２３５がピン止めされ、第１強磁性層２３１の第１基準磁化２３４が、逆平行結合層２３３によって第２基準磁化２３５に対して逆平行に結合される。トンネル障壁（層）２２は、絶縁材料を含有してよい。適切な絶縁材料には、酸化アルミニウム（例えば、ＡＩ２Ｏ３）及び酸化マグネシウム（例えば、ＭｇＯ）のような酸化物が含まれる。トンネル障壁層２２の厚さは、約１ｎｍから約３ｎｍのようなナノメートルｎｍ範囲にあってよい。
図７は、一実施形態による、センス層２１の詳細を示す。センス層２１は、トンネル障壁層２２と接している第１強磁性センス部分２１１と、第１強磁性センス部分２１１と接している第２強磁性センス部分２１２とを備える。
第２強磁性センス部分２１２は、センス層２１の磁化率χの温度依存性が、磁気抵抗センサ素子２のトンネル磁気抵抗ＴＭＲの温度依存性を実質的に補償するような割合で希釈要素を備える。第２強磁性センス部分２１２は、（装置のサイズに適合させるべく）渦状態を可能にするのに十分な厚さでなければならない。
第２強磁性センス部分２１２は、センス層２１の磁化率χの温度依存性が、磁気抵抗センサ素子２のトンネル磁気抵抗ＴＭＲの温度依存性を実質的に補償するような割合で希釈要素を備える。第２強磁性センス部分２１２は、（装置のサイズに適合させるべく）渦状態を可能にするのに十分な厚さでなければならない。
希釈素子は、センス磁化２１０を希釈し、センス層２１のキュリー温度Ｔｃを低下させる。図８は、０Ｋ Ｍｓ（Ｔ）／Ｍｓ（０）で正規化された飽和磁化を、
第１キュリー温度ＴＣ１を持つ非希釈センス磁化（曲線Ａ）と、
第１キュリー温度Ｔｃ１よりも小さい第２キュリー温度Ｔｃ２を持つ中程度希釈されたセンス磁化（曲線Ｂ）と、
第２キュリー温度Ｔｃ２よりも小さい第３キュリー温度Ｔｃ３とを持つ高度に希釈されたセンス磁化（曲線Ｃ）と
に対する温度Ｔの関数として示している。
第１キュリー温度ＴＣ１を持つ非希釈センス磁化（曲線Ａ）と、
第１キュリー温度Ｔｃ１よりも小さい第２キュリー温度Ｔｃ２を持つ中程度希釈されたセンス磁化（曲線Ｂ）と、
第２キュリー温度Ｔｃ２よりも小さい第３キュリー温度Ｔｃ３とを持つ高度に希釈されたセンス磁化（曲線Ｃ）と
に対する温度Ｔの関数として示している。
また、図８には、動作温度範囲ＴＷＲ内の曲線ＡからＣの中央点での接線も示されている。動作温度範囲ＴＷＲは、図８の点線の箱で示され、磁気抵抗センサ素子２が通常動作する温度に相当する。センス層２１のキュリー温度Ｔｃを下げると、動作温度範囲ＴＷＲで温度Ｔが上がると磁化がより速く低下することになることを、曲線Ａから曲線Ｃの接線は示している。温度Ｔの上昇に伴う磁化の低下が速いと、温度の上昇に伴う磁化率χの上昇が速くなる。
センス磁化２１０の希釈を調整することにより、温度の上昇に伴う磁化率χの増加に伴うＴＭＲの減少を実質的に補償することが可能である。よって、センス磁化２１０の希釈を調整することにより、ＴＣＳの制御が可能になり、例えば、ＴＣＳを動作温度範囲ＴＷＲ内で実質的にヌルにできる。ここで、センス磁化２１０の希釈は、第２強磁性センス部分２１２を形成する強磁性材料に希釈要素を追加することで達成される。
一実施形態では、希釈元素は遷移金属元素である。例えば、第２強磁性センス部分２１２は、遷移金属元素を含有するＮｉＦｅ合金を含有してよい。遷移元素は、例えば、タンタルＴａ、タングステンＷ又はルテニウムＲｕを含有してよい。
図９は、センス層２１の温度Ｔの関数として、室温ＩＷＭ（ＲＴ）で正規化された計測飽和磁化を報告する。ここで、第２強磁性センス部分２１２は、層に含有する希釈要素を異なる割合で含有するＮｉＦｅ合金を、含有している。磁化曲線は、希釈なし（曲線Ａ）と、Ｔａの濃度１０％ｖｏｌ（曲線Ｃ）と、Ｗの濃度１０％ｖｏｌ（曲線Ｄ）と、Ｔａの濃度７％ｖｏｌ（曲線Ｂ）について報告する。図１０は、第２強磁性センス部分２１２のＮｉＦｅ合金にＴａを含めると、温度Ｔに伴う磁化のより速い減少につながることを示している。第２強磁性センス部分２１２にＷを加えると、Ｔａを追加した場合よりも温度Ｔに伴う磁化のより強い減少が生じる。
図１０は、直径約４４０ｎｍのセンス磁化２１０の渦構成を持つ第２強磁性センス部分２１２のＮｉＦｅ合金中のＴａ添加によって達成されたさまざまな希釈のＴＣＳ値を示している。ＴＣＳは、ＮｉＦｅ合金中のＴａの約８％ｖｏｌの濃度で実質的に補償される（ＴＣＳはヌル値に近づく）。
図１１に示される実施形態では、第２強磁性センス部分２１２は、強磁性合金を含有する複数の強磁性副層２１４と、例えば遷移金属元素を含有する希釈要素を含有する複数の希釈副層２１５を備える。強磁性副層２１４は、０．５ｎｍ以上の厚さを持ってよい。例えば、強磁性副層２１４は、０．５から５ｎｍの間の厚さを持ってよい。希釈副層２１５は、０．１から０．５ｎｍの間の厚さを持ってよい。
強磁性副層２１４は、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ又はＣｏＦｅＢ合金を含有してよい。
第１強磁性センス部分２１１は、ＣｏＦｅＢ合金を含有してよい。
ある特定の例では、第１強磁性センス部分２１１は、ＣｏＦｅＢ合金を備え、第２強磁性センス部分２１２は、
強磁性ＮｉＦｅ合金を含有する複数の強磁性副層２１４と、
Ｔａを含有する複数の希釈副層２１５とを備える。ここで、第１強磁性センス部分２１１は、約２．４ｎｍの厚さを持ってよく、強磁性副層２１４は、約１．２ｎｍの厚さを持ってよく、希釈副層２１５は、約０．１ｎｍの厚さを持ってよい。
強磁性ＮｉＦｅ合金を含有する複数の強磁性副層２１４と、
Ｔａを含有する複数の希釈副層２１５とを備える。ここで、第１強磁性センス部分２１１は、約２．４ｎｍの厚さを持ってよく、強磁性副層２１４は、約１．２ｎｍの厚さを持ってよく、希釈副層２１５は、約０．１ｎｍの厚さを持ってよい。
一実施形態によれば、磁気抵抗センサ素子２を製造する方法は、希釈要素の複数の温度及び濃度について、以下のステップを実行することを備える。
各温度Ｔについて複数の計測されたコンダクタンス曲線を取得するためのように、磁気抵抗センサ素子２の電気コンダクタンスＧを複数の温度Ｔに対する磁場Ｈｅｘｔの関数として計測するステップ。
ＴＭＲの温度依存性を決定するためのように、複数の計測されたコンダクタンス曲線から磁気抵抗センサ素子２のＴＭＲの値を計算するステップ。
センス層２１の磁化率χの温度依存性を決定するためのように、センス層２１の磁化を計測するステップ。
各温度Ｔについて複数の計測されたコンダクタンス曲線を取得するためのように、磁気抵抗センサ素子２の電気コンダクタンスＧを複数の温度Ｔに対する磁場Ｈｅｘｔの関数として計測するステップ。
ＴＭＲの温度依存性を決定するためのように、複数の計測されたコンダクタンス曲線から磁気抵抗センサ素子２のＴＭＲの値を計算するステップ。
センス層２１の磁化率χの温度依存性を決定するためのように、センス層２１の磁化を計測するステップ。
磁気抵抗センサ素子２の電気コンダクタンスＧは、読み取り電流３１（図１を参照）を磁気抵抗センサ素子２に流すことで計測できる。３つの異なる温度Ｔで計測されたコンダクタンス曲線の例を図６ａから図６ｃに示す。
予め形成したステップから、この方法は、ＴＭＲの温度依存性が磁化率χの温度依存性を実質的に補償する希釈要素の比率を決定するステップをさらに備える。
ＴＣＳを補償するには、温度Ｔによる磁化Ｍｓ（Ｔ）の変化は次のようになる。
Ｍｓ（Ｔ）＝Ａ ＴＭＲ（Ｔ）／（２＋ＴＭＲ（Ｔ）） （３）
ここで、Ａは定数であり、ＴＭＲの温度依存性の場合はＴＭＲ（Ｔ）である。
Ｍｓ（Ｔ）＝Ａ ＴＭＲ（Ｔ）／（２＋ＴＭＲ（Ｔ）） （３）
ここで、Ａは定数であり、ＴＭＲの温度依存性の場合はＴＭＲ（Ｔ）である。
１Ｄ外部磁場Ｈｅｘｔを感知する磁気抵抗センサは、複数の磁気抵抗センサ素子２を備える。
図１２に示される一実施形態では、磁気抵抗センサ２０は、ホイートストンフルブリッジ構成で配置されている。これにより、センサの熱安定性と直線性を向上できる。このようなフルブリッジの内部では、対角の要素２は同じ応答曲線を持ち（例えば、図４ａ）、各ハーフブリッジには、応答曲線４ａを持つ１つの検出要素と、逆の応答曲線を持つもう１つの検出要素がある（図４ｂ）。これは、それぞれ図４ａ及び図４ｂのもののような応答曲線を持つ２つのセンス要素２について、基準層２３０の反対方向を持つことによって達成される。
図１２に示される一実施形態では、磁気抵抗センサ２０は、ホイートストンフルブリッジ構成で配置されている。これにより、センサの熱安定性と直線性を向上できる。このようなフルブリッジの内部では、対角の要素２は同じ応答曲線を持ち（例えば、図４ａ）、各ハーフブリッジには、応答曲線４ａを持つ１つの検出要素と、逆の応答曲線を持つもう１つの検出要素がある（図４ｂ）。これは、それぞれ図４ａ及び図４ｂのもののような応答曲線を持つ２つのセンス要素２について、基準層２３０の反対方向を持つことによって達成される。
磁気抵抗センサ２０がＶ（Ｖｉｎ＝１Ｖ）でバイアスされている場合、ＴＭＲの温度依存性は、次を使用して、飽和磁化ＦＢｏｕｔのヒステリシス曲線（例えば図３を参照）での磁気抵抗センサ２０の電気出力Ｖｏｕｔから計算できる。
ＴＭＲ＝２ＦＢｏｕｔ／（ＦＢｏｕｔ－２），
ここでＦＢｏｕｔ＝ｍａｘ（ＦＢｏｕｔ）－ｍｉｎ（ＦＢｏｕｔ） （４）
ここでｍａｘ（ＦＢｏｕｔ）とｍｉｎ（ＦＢｏｕｔ）はヒステリシス曲線の飽和磁化である。
ＴＭＲ＝２ＦＢｏｕｔ／（ＦＢｏｕｔ－２），
ここでＦＢｏｕｔ＝ｍａｘ（ＦＢｏｕｔ）－ｍｉｎ（ＦＢｏｕｔ） （４）
ここでｍａｘ（ＦＢｏｕｔ）とｍｉｎ（ＦＢｏｕｔ）はヒステリシス曲線の飽和磁化である。
温度Ｔによる磁化の変化Ｍｓ（Ｔ）は、磁力計を使用して、センス層２１上で独立して計測できる。
２ 磁気抵抗センサ素子
２０ 磁気抵抗センサ
２１ センス層
２１０ センス磁化
２１１ 第１強磁性センス部分
２１２ 第２強磁性センス部分
２１３ コア
２１４ 強磁性サブ層
２１５ 希釈サブ層
２２ トンネルバリア層
２３ 基準層
２３０ 基準磁化
２３１ 第１強磁性層
２３２ 第２強磁性層
２３３ 逆平行結合層
２３４ 第１基準磁化
２３５ 第２基準磁化
２４ 反強磁性層
３１ 読み取り電流
６０ 外部磁場
Ｇ 電気コンダクタンス
Ｈｅｘｔ 外部磁場
Ｈｅｘｐｌ 放出磁場
Ｈｎｕｃｌ 核生成場
Ｍｓ 飽和磁化
Ｓ 感度
Ｔ 温度
Ｔｃ キュリー温度
ＴＣＳ 温度感度係数
ＴＭＲ トンネル磁気抵抗
ＴＷＲ 動作温度範囲
χ 磁化率
２０ 磁気抵抗センサ
２１ センス層
２１０ センス磁化
２１１ 第１強磁性センス部分
２１２ 第２強磁性センス部分
２１３ コア
２１４ 強磁性サブ層
２１５ 希釈サブ層
２２ トンネルバリア層
２３ 基準層
２３０ 基準磁化
２３１ 第１強磁性層
２３２ 第２強磁性層
２３３ 逆平行結合層
２３４ 第１基準磁化
２３５ 第２基準磁化
２４ 反強磁性層
３１ 読み取り電流
６０ 外部磁場
Ｇ 電気コンダクタンス
Ｈｅｘｔ 外部磁場
Ｈｅｘｐｌ 放出磁場
Ｈｎｕｃｌ 核生成場
Ｍｓ 飽和磁化
Ｓ 感度
Ｔ 温度
Ｔｃ キュリー温度
ＴＣＳ 温度感度係数
ＴＭＲ トンネル磁気抵抗
ＴＷＲ 動作温度範囲
χ 磁化率
Claims (11)
- ピン止めされた基準磁化（２３）を持つ基準層（２３）と、
安定している渦構成を備える自由センス磁化（２１０）を持つセンス層（２１）であって、前記安定している渦構成は可逆的に移動可能なコア（２１３）を持つ、前記センス層（２１）と
基準層（２３）及びセンス層（２２）の間のトンネル障壁層（２２）であって、絶縁材料を含有するトンネル障壁層（２２）と
を備える磁気抵抗センサ素子（２）において、
センス層（２１）が、トンネル障壁層（２２）に接している第１強磁性センス部分（２１１）と、第１強磁性センス部分（２１１）に接している第２強磁性センス部分（２１２）とを備えることと、
センス層（２１）の磁化率（χ）の温度依存性が磁気抵抗センサ素子（２）のトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）の温度依存性を実質的に補償する割合で、第２強磁性センス部分（２１２）が希釈要素を備えること
とを特徴とする、磁気抵抗センサ素子（２）。 - 希釈要素が遷移金属要素を含有する、請求項１に記載の磁気抵抗センサ素子（２）。
- 遷移金属要素は、Ｔａ、Ｗ又はＲｕを含有する、請求項１又は２に記載の磁気抵抗センサ素子（２）。
- 第１強磁性センス部分（２１１）はＣｏＦｅＢ合金を含有する、請求項１から３のいずれか一項に記載の磁気抵抗センサ素子（２）。
- 第２強磁性センス部分（２１２）は、前記希釈要素を含有するＮｉＦｅ合金を備える、請求項１から４のいずれか一項に記載の磁気抵抗センサ素子（２）。
- 第２強磁性センス部分（２１２）は、強磁性層合金を含有する複数の強磁性副層（２１４）と、前記希釈要素を備える複数の希釈副層（２１５）とを備える、請求項１から５のいずれか一項に記載の磁気抵抗センサ素子（２）。
- 各希釈副層（２１５）は０．１ｎｍと０．５ｎｍとの間の厚さを持ち、各強磁性副層（２１４）は０．５ｎｍと５ｎｍとの間の厚さを持つ、請求項６に記載の磁気抵抗センサ素子（２）。
- 強磁性副層（２１４）は、ＮｉＦｅ合金又はＣｏＦｅ合金又はＣｏＦｅＢの合金を含有する、請求項６又は７に記載の磁気抵抗センサ素子（２）。
- 請求項１から８のいずれか一項に記載の磁気抵抗センサ素子（２）を複数備える、１次元外部磁場を感知する磁気抵抗センサ（２０）。
- ホイートストンブリッジ構成に作られている、請求項９に記載の磁気抵抗センサ（２０）。
- 複数の温度（Ｔ）と希釈要素の異なる濃度用の、請求項１から８のいずれか一項に記載の磁気抵抗センサ素子（２）を製造する方法であって、
各温度（Ｔ）に対する複数の計測したコンダクタンス曲線を取得するようなことに、磁気抵抗センサ素子（２）の電気コンダクタンス（Ｇ）を、複数の温度（Ｔ）について外部磁場の関数（Ｈｅｘｔ）として計測するステップと、
ＴＭＲの温度依存性を決定するようなことに、複数のコンダクタンス曲線から磁気抵抗センサ素子（２）のＴＭＲの値を計算するステップと、
センス層（２１）の磁化率（χ）の温度依存性を決定するようなことに、センス層（２１）の磁化を計測するステップと、
ＴＭＲの温度依存性が磁化率（χ）の温度依存性を実質的に補償する希釈金属要素の割合を決定するステップと
を備える、磁気抵抗センサ素子（２）を製造する方法。
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| PCT/IB2021/050697 WO2021156714A1 (en) | 2020-02-07 | 2021-01-29 | Magnetoresistive sensor element having compensated temperature coefficient of sensitivity and method for manufacturing said element |
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