JP6605478B2 - 磁界に対する応答が改善された磁気抵抗素子 - Google Patents
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Description
本明細書において使用されるとき、「磁界センサ」という用語は、磁界検知素子を使用している、一般的には他の回路と組み合わせた回路を記述するために使用されている。典型的な磁界センサの場合、磁界検知素子及び他の回路は、共通の基板上に集積化され得る。
本発明の態様を理解するための有用な例によれば、磁気抵抗素子は、基板と、基板の上に配置された第1の層とを含み、第1の層はシード層を含む。磁気抵抗素子はまた、基板の上に配置された第2の層を含み、第2の層は第1の反強磁性固定化層(pinning layer)を含む。磁気抵抗素子はまた、基板の上に配置されて第2の層に近接する第3の層を含み、第3の層は第1の固定層を含み、第2の層の位置は第3の層の磁化に影響を与えるように選択される。磁気抵抗素子はまた、基板の上に配置されて第3の層に近接する第4の層を含み、第4の層は第1の非磁性スペーサ層を含む。磁気抵抗素子はまた、基板の上に配置されて第4の層に近接する第5の層を含み、第5の層は自由層を含み、自由層は複数の磁区を有する。複数の磁区は、第1の方向を指す磁界を有する第1の複数の磁区と、第1の方向とは異なる1つ又は複数の方向を指す磁界を有する第2の複数の磁区とを含む。磁気抵抗素子はまた、基板の上に配置された第6の層を含み、第6の層は第2の固定層を含む。磁気抵抗素子はまた、基板の上に配置されて第6の層に近接する第7の層を含み、第7の層は第2の反強磁性固定化層を含む。第7の層の位置は、第6の層の磁化に影響を与えるように選択される。第6の層は、第5の層に対して選択された位置にある。第5の層に対する第6の層の選択された位置は、第5の層を完全に固定することなく、第5の層における第2の複数の磁区内の磁区の量の選択された減少をもたらす。磁気抵抗素子はまた、第5の層と、一緒に考慮した第6及び第7の層との間に配置された第8の層を含む。第8の層は、第2の非磁性スペーサ層を含む。第8の層の材料は、第5の層と第6の層との間での所望の部分的な固定を可能にしながら、第8の層の厚さが0.5nmよりも大きくなることを可能にするように選択される。
いくつかの実施形態では、上述磁気抵抗素子は、任意の組み合わせで、以下の態様のうちの1つ又は複数を含むことができる。
上記磁気抵抗素子のいくつかの実施形態では、第2の非磁性スペーサ層の厚さは約0.9nmと約2nmの間である。
上記磁気抵抗素子のいくつかの実施形態では、第2の非磁性スペーサ層の厚さは約0.9nmと約2nmの間である。
上記磁気抵抗素子のいくつかの実施形態では、第2の非磁性スペーサ層の材料及び厚さは、第5の層の部分的な固定をもたらすように選択され、当該部分的な固定が第6の層と第5の層との間の磁気結合が第3の層と第5の層との間の磁気結合よりも小さいことに対応する。
上記磁気抵抗素子のいくつかの実施形態では、第2の反強磁性固定化層の材料は、第1の反強磁性固定化層の材料と同じである。
上記磁気抵抗素子のいくつかの実施形態では、第2の層は第1の層の上に配置され、第3の層は第2の層の上に配置され、第4の層は第3の層の上に配置され、第5の層は第4の層の上に配置され、第8の層は第5の層の上に配置され、第6及び第7の層はいずれかの順序で第8の層の上に配置される。
上記磁気抵抗素子のいくつかの実施形態では、第2の層は第1の層の上に配置され、第3の層は第2の層の上に配置され、第4の層は第3の層の上に配置され、第5の層は第4の層の上に配置され、第8の層は第5の層の上に配置され、第6及び第7の層はいずれかの順序で第8の層の上に配置され、第2の固定層はCoFeから構成され、第2の反強磁性固定化層はPtMn、IrMn又はFeMnのうちの選択された1つから構成される。
第2の層に近接して配置される第1の強磁性固定層、
第1の強磁性固定層の上に配置された第3の非磁性スペーサ層、及び
第2の非磁性スペーサ層の上に配置された第2の強磁性固定層
を含む。
上記磁気抵抗素子のいくつかの実施形態では、第1及び第2の固定層における磁界方向は、90度離れるようにアニールされ、第2の固定層における磁界方向は第2の反強磁性固定化層における磁界方向と平行である。
いくつかの実施形態では、上記の方法は、任意の組み合わせで、以下の態様のうちの1つ又は複数を含むことができる。
第1のアニーリング温度、第1のアニーリング磁界、第1のアニーリング磁界方向及び第1のアニーリング時間で、第1の固定層及び第1の反強磁性層をアニールすること、
第2のアニーリング温度、第2のアニーリング磁界、第2のアニーリング磁界方向及び第2のアニーリング時間で、第2の固定層及び第2の反強磁性層をアニールすること
を含み、
第1のアニーリング磁界方向は選択された磁化方向であり、
第2のアニーリング磁界方向は第1のアニーリング磁界方向と直交し、
第1のアニーリング磁界は第2のアニーリング磁界より高く、第2のアニーリング磁界は、第1の固定層のアニーリング又は第1の反強磁性層のアニーリングに影響を与えることなく、第2の固定層のアニーリング及び第2の反強磁性層のアニーリングをもたらすように選択される。
上記方法のいくつかの実施形態では、第1のアニーリング温度は約295℃であり、第2のアニーリング温度は約300℃であり、第1のアニーリング時間は約1時間であり、第2のアニーリング時間は約1時間である。
上記方法のいくつかの実施形態では、第1及び第2の反強磁性固定化層の両方がPtMnから構成される。
上記方法のいくつかの実施形態では、第1及び第2の反強磁性固定化層は、同じ材料で構成される。
上記方法のいくつかの実施形態では、第2の非磁性スペーサ層の厚さは約0.9nmから約2nmの間である。
曲線102は、理想的なGMR素子の伝達関数、すなわちGMR素子によって経験される抵抗対磁界を表している。伝達関数102は、上側飽和点102bと下側飽和点102cの間に線形領域102aを有する。領域102d、102eは飽和している。線形領域102aは理想的な線形領域であることを理解されたい。
図2の左側に、個々の層が機能名称によって識別されている。図2の右側には、機能層を形成することができる副層(サブレイヤ)の磁気特性が示されている。一般に、磁気材料は様々な磁気特性を有することができ、また、限定されないが、強磁性、反強磁性及び非磁性を含む様々な用語によって分類され得る。様々なタイプの磁気材料についての説明は、本明細書においては詳細にはなされていない。しかしながら、ここでは、強磁性材料は、強磁性材料内の伝導電子の磁気モーメントが、概して、平行で、かつ、同じ方向になるように整列する傾向があり、強磁性材料の非ゼロ正味磁界をもたらす材料である、と言及しておくだけで十分であるとしておく。
示されているように、従来技術のGMR素子200は、基板の上に配置されたシード層202、シード層202の上に配置された反強磁性固定化層(pinning layer)204、及び反強磁性固定化層204の上に配置された固定層(pinned layer)206を含むことができる。固定層206は、第1の強磁性固定層206a、第2の強磁性固定層206c、及びそれらの間に配置されたスペーサ層206bからなり得る。
従来技術のGMR素子200の層の厚さの例は、ナノメートルの単位で示されている。従来技術のGMR素子の層の材料の例は、原子記号によって示されている。
反強磁性固定化層204に関して、反強磁性固定化層204内の副層(サブレイヤ、すなわち層部分)は、右矢印及び左矢印によって示されている異なる交互の方向を指す磁界を有し、ゼロの正味磁界を有する反強磁性固定化層をもたらす傾向がある。反強磁性固定化層204の頂部表面は、1つの方向、ここでは左に向かって示されている方向を指す磁気モーメントを有する傾向がある。
従来技術の二重固定GMR素子300は、第2の固定層314によって生成される静磁界を達成する。第2の固定層314は、第2の反強磁性固定化層316の底部表面に強磁性結合されており、したがって第2の固定層314内の磁界は、反強磁性固定化層316の底部表面における磁気モーメントと同じ方向、ここではページに入る方向を指して示されている方向を指す。
図4の左側に、個々の層が機能名称によって識別されている。図4の右側には、機能層を形成することができる副層の磁気特性が示されている。
一般に、磁気材料は様々な磁気特性を有することができ、また、限定されないが、強磁性、反強磁性及び非磁性を含む様々な用語によって分類され得る。これらのタイプの磁気材料の簡単な説明は、上で与えられている。
第1の強磁性固定層406aと第2の強磁性固定層406cの間にスペーサ406bが存在しているため、第2の強磁性固定層406cは、第1の強磁性固定層406aと反強磁性的に結合する傾向があり、したがって第2の強磁性固定層406cは、他の方向、ここでは右を指して示されている方向を指す磁界を有する。上で説明したように、3つの層406a、406b、406cの組み合わせは、合成反強磁性構造又は層と呼ばれ得る。
キャップ層418は、GMR素子400を保護するためにGMR素子400の頂部に配置され得る。
自由層410内の磁界の指示方向と整列した固定磁界指示方向を有する第2の固定層414は、特定の挙動を自由層410内にもたらす傾向がある。具体的には、第2の固定層414内の磁界の指示方向は、自由層の正味磁界の方向以外の方向を指す自由層410内の磁区の数の低減、すなわち外部磁界が存在しない場合にページから出る方向以外の方向を指す磁区の数の低減をもたらす。
−ヨーク500の主部分501の長さ(L)は、約10μmと約10ミリメートルの間であってもよい。
−ヨーク500の幅(w)は、約1μmと約20μmの間であってもよい。
ヨーク形状は、主部分501の長手方向の中央領域においてより良好な磁気均質性を提供する。これは、主として主部分501に沿っているヨーク長の減磁界によるものであり、また、これは、ヨーク500の長さに沿ったゼロ磁界における磁化として理解され得る図4の自由層410の異方性を誘導する。固定層(例えば図4の406)がヨークに対して直交する磁界(例えば矢印502)を有する場合、矢印502の方向に外部磁界が印加されると、自由層410の磁化が一様に、すなわち領域をジャンプすることなく回転する。自由層410の磁化の均質な回転は、応答にステップがない応答曲線をもたらす(例えば図1参照)。
他の実施形態では、GMR素子又はTMR素子400は、ヨークの形では形成されず、その代わりに、例えば寸法L及びwを有する直線バーの形で形成され、寸法l及びdに関連する特徴は有していない。バー形状のGMR素子又はTMR素子の場合でも、依然として断面線A−Aは、図4のGMR素子400の断面を表している。
磁界センサ600は、リング磁石の少なくとも回転速度を示す出力信号を生成するように構成され得る。いくつかの構造では、リング磁石602は、ターゲット物体、例えばエンジン内のカムシャフトに結合され、検知されたリング磁石602の回転速度は、ターゲット物体の回転速度を示す。
T1=280℃から320℃;H1≧0.3T
T2=280℃から320℃;H2=20から60mT
継続時間:30分から2時間
次に、図7の要素と同様の要素が同様の参照名称で示されている図8及び9を参照すると、同様のプロセス800、900が図7のステップに従って適用され得るが、示されているように順序が異なっている。
この特許の主題である種々の概念、構造及び技術を説明するのに役立つ好適な実施形態を説明したが、これらの概念、構造及び技術を組み込んだ他の実施形態が使用されてもよいことは明らかであろう。したがって、特許の範囲は説明した実施形態に限定されるものではなく、むしろ、以下の特許請求の範囲の趣旨及び範囲によってのみ限定されるべきであると考えられる。
Claims (26)
- 磁気抵抗素子であって、
基板と、
前記基板の上に配置された第1の層であって、シード層を含む、第1の層と、
前記第1の層の上に配置された第2の層であって、第1の反強磁性固定化層を含む、第2の層と、
前記第2の層の上に配置された第3の層であって、前記第3の層は第1の固定層を含み、前記第2の層の位置は前記第3の層の磁化に影響を与えるように選択される、第3の層と、
前記第3の層の上に配置された第4の層であって、第1の非磁性スペーサ層を含む、第4の層と、
前記第4の層の上に配置された第5の層であって、前記第5の層は自由層を含み、前記自由層は複数の磁区を有し、前記複数の磁区は、
第1の方向を指す磁界を有する第1の複数の磁区と、
第1の方向とは異なる1つ又は複数の方向を指す磁界を有する第2の複数の磁区と
を含む、第5の層と、
前記第5の層の上に配置された第6の層であって、第2の固定層を含み、単一の強磁性層からなる、第6の層と、
前記第6の層の上に配置された第7の層であって、前記第7の層は第2の反強磁性固定化層を含み、前記第7の層の位置は前記第6の層の磁化に影響を与えるように選択され、前記第6の層は前記第5の層に対して選択された位置にあり、前記第5の層に対する前記第6の層の前記選択された位置は、前記第5の層を完全に固定することなく、前記第5の層における前記第2の複数の磁区内の磁区の量の選択された減少をもたらす、第7の層と、
前記第5の層と、一緒に考慮した前記第6及び第7の層との間に配置された第8の層であって、前記第8の層は第2の非磁性スペーサ層を含み、前記第8の層の材料は、前記第5の層と前記第6の層との間での所望の部分的な固定を可能にしながら、前記第8の層の厚さが0.5nmよりも大きくなることを可能にするように選択される、第8の層と
を備え、前記第1の固定層は、
前記第2の層に近接して配置された第1の強磁性固定層と、
前記第1の強磁性固定層の上に配置された第3の非磁性スペーサ層と、
前記第3の非磁性スペーサ層の上に配置された第2の強磁性固定層と
から構成され、
前記第1及び第2の固定層における磁界方向は、90度離れるようにアニールされ、前記第2の固定層における磁界方向は、前記第2の反強磁性固定化層における磁界方向と平行であり、
前記第1及び第2の反強磁性固定化層の両方がPtMnから構成され、
前記磁気抵抗素子の少なくとも一部はヨーク形状を有し、
前記第6の層及び第7の層が、前記第6の層及び第7の層全体においてそれぞれの一様な厚さを有する、
磁気抵抗素子。 - 前記第2の非磁性スペーサ層の材料は、前記第5の層と前記第6の層との間の磁気結合が最大の強磁性結合と最大の反強磁性結合との間となることを可能にするように、前記第2の非磁性スペーサ層の厚さが0.5nmより大きいことを可能にするように選択される、請求項1に記載の磁気抵抗素子。
- 前記第2の非磁性スペーサ層は、前記第5の層と前記第6の層との間の調整可能なRKKY結合を提供するように選択された材料から構成される、請求項1に記載の磁気抵抗素子。
- 前記第2の非磁性スペーサ層はRuから構成される、請求項1に記載の磁気抵抗素子。
- 前記第2の非磁性スペーサ層の厚さは約0.9nmと約2nmの間である、請求項4に記載の磁気抵抗素子。
- 前記第2の非磁性スペーサ層が、Ru、Ag又はAuのうちの選択された1つから構成される、請求項1に記載の磁気抵抗素子。
- 前記第2の非磁性スペーサ層の厚さは約0.9nmと約2nmの間である、請求項6に記載の磁気抵抗素子。
- 前記第2の非磁性スペーサ層の厚さは約0.9nmと約2nmの間である、請求項1に記載の磁気抵抗素子。
- 前記第2の非磁性スペーサ層の材料及び厚さは、前記第5の層の部分的な固定をもたらすように選択され、前記部分的な固定は、前記第6の層と前記第5の層との間の磁気結合が前記第3の層と前記第5の層との間の磁気結合よりも小さいことに対応する、請求項1に記載の磁気抵抗素子。
- 前記第2の非磁性スペーサ層はRuから構成され、前記第2の非磁性スペーサ層の厚さは約0.5nmから約1.7nmの間である、請求項1に記載の磁気抵抗素子。
- 前記第2の反強磁性固定化層の材料は、両方が300℃より上の、ネール温度及びブロッキング温度を有するように選択される、請求項1に記載の磁気抵抗素子。
- 前記第1及び第2の固定層の両方がCoFeから構成される、請求項1に記載の磁気抵抗素子。
- 前記第1及び第2の強磁性固定層はCoFeから構成され、前記第3の非磁性スペーサ層はRuから構成される、請求項12に記載の磁気抵抗素子。
- 磁気抵抗素子の製造方法であって、
基板上に二重固定磁気抵抗素子を堆積させるステップを含み、
前記二重固定磁気抵抗素子は、
前記基板の上に配置された第1の反強磁性固定化層と、
前記反強磁性固定化層の上に配置された第1の固定層と、
前記第1の固定層の上に配置された第1の非磁性スペーサ層と、
前記第1の非磁性スペーサ層の上に配置された自由層と、
前記自由層の上に配置され、単一の強磁性層からなる第2の固定層と、
前記第2の固定層の上に配置された第2の反強磁性固定化層と、
前記第2の固定層と前記自由層との間に配置された第2の非磁性スペーサ層であって、前記第2の非磁性スペーサ層の材料は、前記第2の固定層と前記自由層との間の所望の部分的な固定を可能にしながら、前記第2の非磁性スペーサ層の厚さが0.5nmよりも大きくなることを可能にするように選択される、第2の非磁性スペーサ層と
を含み、前記第1の固定層は、
前記第1の反強磁性固定化層に近接して配置された第1の強磁性固定層と、
前記第1の強磁性固定層の上に配置された第3の非磁性スペーサ層と、
前記第3の非磁性スペーサ層の上に配置された第2の強磁性固定層と
から構成され、
前記第1及び第2の固定層における磁界方向は、90度離れるようにアニールされ、前記第2の固定層における磁界方向は、前記第2の反強磁性固定化層における磁界方向と平行であり、
前記第1及び第2の反強磁性固定化層の両方がPtMnから構成され、
前記二重固定磁気抵抗素子を堆積させるステップは、前記二重固定磁気抵抗素子の少なくとも一部をヨーク形状に堆積させるステップを含み、
前記第2の固定層及び前記第2の反強磁性固定化層が、前記第2の固定層及び前記第2の反強磁性固定化層全体においてそれぞれの一様な厚さを有する、
方法。 - 前記第2の非磁性スペーサ層の材料は、前記第2の固定層と前記自由層との間の磁気結合が最大の強磁性結合と最大の反強磁性結合との間になることを可能にするように、前記第2の非磁性スペーサ層の厚さが0.5nmより大きいことを可能にするように選択される、請求項14に記載の方法。
- 第1のアニーリング温度、第1のアニーリング磁界、第1のアニーリング磁界方向及び第1のアニーリング時間で、前記第1の固定層及び前記第1の反強磁性固定化層をアニールするステップと、
第2のアニーリング温度、第2のアニーリング磁界、第2のアニーリング磁界方向及び第2のアニーリング時間で、前記第2の固定層及び前記第2の反強磁性固定化層をアニールするステップと
を含み、
前記第1のアニーリング磁界方向は選択された磁化方向にあり、
前記第2のアニーリング磁界方向は前記第1のアニーリング磁界方向と直交し、
前記第1のアニーリング磁界は前記第2のアニーリング磁界より高く、前記第2のアニーリング磁界は、前記第1の固定層のアニーリング又は前記第1の反強磁性固定化層のアニーリングに影響を与えることなく、前記第2の固定層のアニーリング及び前記第2の反強磁性固定化層のアニーリングをもたらすように選択される、請求項14に記載の方法。 - 前記第1のアニーリング磁界は約1テスラであり、前記第2のアニーリング磁界は約20ミリテスラから約100ミリテスラの範囲にある、請求項16に記載の方法。
- 前記第1のアニーリング温度は約295℃であり、前記第2のアニーリング温度は約3
00℃であり、前記第1のアニーリング時間は約1時間であり、前記第2のアニーリング時間は約1時間である、請求項17に記載の方法。 - 前記第1及び第2の固定層の両方がCoFeから構成される、請求項18に記載の方法。
- 前記第1及び第2の固定層の両方がCoFeから構成される、請求項14に記載の方法。
- 前記第2の非磁性スペーサ層はRuから構成され、前記第2の非磁性スペーサ層の厚さが約0.9nmと約2nmの間である、請求項14に記載の方法。
- 前記第2の非磁性スペーサ層はRuから構成され、前記第2の非磁性スペーサ層の厚さが約0.5nmと約1.5nmの間である、請求項14に記載の方法。
- 前記ヨーク形状の長さ(L)及び前記ヨーク形状の横方向アームの長さ(d)は、それぞれ前記ヨーク形状の幅(w)の少なくとも3倍であり、前記ヨーク形状の幅(w)は、約1μmと約20μmの間であり、前記長さ(L)は前記ヨーク形状の最長の寸法である、請求項14に記載の方法。
- 前記ヨーク形状の長さ(L)及び前記ヨーク形状の横方向アームの長さ(d)は、それぞれ前記ヨーク形状の幅(w)の少なくとも3倍であり、前記ヨーク形状の幅(w)は、約1μmと約20μmの間であり、前記長さ(L)は前記ヨーク形状の最長の寸法である、請求項1に記載の磁気抵抗素子。
- 前記第2の非磁性スペーサ層は、約−50mTと約50Tの間の、前記第5の層と前記第6の層との間のRKKY結合を提供する、請求項10に記載の磁気抵抗素子。
- 前記第2の非磁性スペーサ層は、約−50mTと約50Tの間の、前記自由層と前記第2の固定層との間のRKKY結合を提供する、請求項22に記載の方法。
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