JP7359696B2 - 一次元及び二次元磁場を測定するための磁気センサセル及びその磁気センサセルを使用して磁場を測定する方法 - Google Patents

Description

本開示は、一次元及び二次元の磁場を感知可能な磁気トンネル接合を有する磁気センサセルに関する。本開示はまた、磁気センサセルを使用して一次元及び二次元の外部磁場を感知する方法に関する。

自己参照型磁気トンネル接合は、磁気センサ又はコンパスで磁場を感知するために使用可能である。自己参照型磁気トンネル接合は、通常、参照磁化を有する参照層、検出磁化を有する検出層、及び検出層と参照層の間のトンネル障壁層を備える。感知動作中、外部磁場は検知磁化を参照磁化に対してより平行又はより反平行に揃える。

理想的には、センス層は、ピン留めされた参照層の方向に沿って測定されたとき、印加された場に対して線形で非ヒステリシスの振る舞いを持つ。線形センシングは通常、参照磁化に対して垂直なセンス磁化を持つことで実現される。これは、参照磁化を、センス層の異方性軸に垂直に固定することで実現可能である。センス層の異方性軸は、センス層と参照層の平面に平行である。

外部磁場が印加されると、自己参照型の磁気トンネル接合により、参照層の磁化軸に沿った磁場の成分を測定可能となる。ＭＬＵ装置で見られる２つの接合点、又は接合部の２つのアレイ、すなわち、互いに９０度に配向されている参照層を持つ自己参照磁気トンネル接合の２つのアレイを利用することにより、２つの参照面の磁場の２つの成分を測定可能である。

特許文献１は、固定強磁性層を有する第１層構造、第１スペーサ層、及び合成反強磁性（ＳＡＦ）複数層構造を備える第２層構造を備える読み取りヘッドを開示する。ＳＡＦ複数層構造は、第１の強磁性自由層、第２の強磁性自由層、及び２つの強磁性層間に配置された第２のスペーサ層を備える。第１強磁性自由層の第１磁化及び第２強磁性層の第２磁化は、固定強磁性層の固定磁化に垂直である。

特許文献２は、磁化を変更可能である磁気自由層と、膜を流れる電流方向と磁化容易軸の方向が膜面に垂直な方向である、磁化が膜面に垂直な方向に固定された磁気固定層と、磁気自由層と磁気固定層の間の非磁性バリア層とを備える磁気記録要素を開示する。磁気自由層では、飽和磁化Ｍｓ（ｅｍｕ／ｃｃ）と異方性磁界Ｈａｎ（Ｏｅ）の関係は、Ｈａｎ＞１２．５７Ｍｓ、Ｈａｎ＜１．２Ｅ７ＭＳ^－１＋１２．５７Ｍｓを満す。

特許文献３は、面内磁化参照層と界面垂直異方性を備える自由層を備えるナノスケールトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）センサを開示する。自由層は、印加磁場の関数として抵抗を検出するための検出層を備え、センシング層の磁化の方向を面内、傾斜、又は面外に変えるために調整可能である。

特許文献４は、参照層の面に平行に配向された参照磁化を有する参照層を備える磁気トンネル接合と、センス磁化を有するセンス層と、センス層と参照層との間のトンネルバリアセンス層とを備える磁気センサセルを使用して外部磁場を検知する方法を開示する。磁力線は、センス磁化を整列させるように適合されたセンス磁場を提供するために界磁電流を流すように構成される。検知層の磁化は、検知磁場が提供されるとき、検知層の平面に平行な方向と検知層の平面に垂直な方向との間で配向可能である。外部磁場は、センス層の平面に平行に向けられた面内成分と、センス層の平面に垂直な面外成分を備える。この方法は、面外成分の感知と、面内成分の感知とを備える。

特許文献５は、自由層と、固定層と、自由層及び固定層の間の非磁性層とを備える磁気積層体を備える磁気バイオセンサを開示する。自由層又は固定層の少なくとも一方は、外部磁場が存在しない場合に、それぞれ自由層又は固定層の主面から外に向けられた磁気モーメントを有してもよい。磁気バイオセンサは、磁気積層体上に配置された試料容器と、磁気積層体の上のサンプル容器の底面に取り付けられた複数の捕捉抗体と、自由層又は固定層の主平面に実質的に垂直な磁場を生成するように構成された磁場発生器とを備えてもよい。

特許文献６は、面内磁化方向が直接直交磁気結合を誘導する導電性スペーサ層を横切って直交結合された２つの強磁性層を有する磁気結合構造を開示する。この構造は、面に垂直な電流（ＣＰＰ）磁気抵抗センサの積層内バイアスに適用される。構造の強磁性層の１つはバイアス強磁性層であり、他の強磁性層はセンサ自由層である。反強磁性層はバイアス層を交換結合して、そのモーメントをセンサの固定層のモーメントと平行に固定する。

国際公開第２００８／０２０８１７号 米国特許出願公開第２００７／２２８５０１号明細書 米国特許出願公開第２０１５／１３７２９２号明細書 米国特許出願公開第２０１６／２５２５９１号明細書 米国特許出願公開第２０１４／２９２３１８号明細書 米国特許出願公開第２００５／２０７０７０号明細書

本開示は、参照層の面に実質的に平行に配向された参照磁化を有する参照層と、センス磁化を有するセンス層と、センス層及び参照層の間のトンネルバリア層とを備える磁気トンネル接合を備える磁気センサセルに関する。センス層は、センス磁化方向がセンス層の平面に垂直な初期方向とセンス層の面に平行な方向との間で配向可能であるように、センス層の平面に実質的に垂直な固有異方性を備える。異方性磁界が１５０Ｏｅ以上であり、トンネル障壁層の厚さが１ｎｍから３ｎｍの間であり、磁気トンネル接合のトンネル磁気抵抗が５０％よりも高い固有異方性を有する。

本開示はさらに、磁気センサセルを使用して一次元及び二次元の外部磁場を検知する方法に関する。この方法は、外部磁場内で移動しないように参照磁化を固定することと、磁気センサセルを外部磁場に呈することと、磁気センサセルの抵抗を測定することとを備える。

磁気センサセルの利点の一つは、磁場がない状態において、常に、センス磁化が参照磁化に対して垂直に整列することである。

本開示は、例として与えられ、以下の図に示される、実施形態の説明を用いてよりよく理解されるであろう。

図１は、一実施形態による、センス磁化を有するセンス層を伴う磁気トンネル接合を備えるセンサセルの磁気の断面図（ａ）及び上面図（ｂ）を表す。 図２は、一実施形態によるセンス層を示す。 図３は、一実施形態による、磁気トンネル接合の拡大部分を示す。 図４は、一実施形態による、磁気トンネル接合の上面図を示す。

図１は、一実施形態による磁気センサセル１の断面図（図１ａ）及び上面図（図１ｂ）を表す。磁気センサセル１は、参照磁化２３０を有する参照層２３と、センス磁化２１０を有するセンサ層２１と、センサ層２１と参照層２３の間のトンネルバリア層２２を備える磁気トンネル接合２とを備える。電流線３は、磁気トンネル接合２の遠端と電気的に接触している。磁気センサセル１は、センス磁場電流４１又は参照磁場電流４３を通過させて、それぞれセンス磁場４２及び参照磁場４４を生成するように適合された磁力線４をさらに備える。参照磁化２３０及びセンス磁化２１０は、参照層及びセンス層２１、２３の平面に実質的に平行に配向可能である。

一実施形態では、センス層２１は、面外固有異方性を備える。固有異方性は、センス層２１の平面に対して実質的に垂直に配向されている。異方性場は、この異方性を克服し、センス層２１０の平面内でセンス磁化２１０を方向付けるために必要なおおよその磁場を表す。

好ましくは、センス層２１の面外固有異方性は、１５０Оｅ超の異方性磁場を有する。より一般的には、異方性磁場は、センス磁化２１０を回転させる（又は切り替える）ために必要な外部磁場の最小の大きさよりも大きくなければならない。したがって、異方性磁場は、適用に依存する、つまり感知される外部磁場の大きさに依存する。例えば、異方性場は１６０Оｅ超、又は１８０Оｅ超である。一実施形態では、磁場が存在しない場合、センス磁化２１０は、最初は実質的に面外に配向される（図１を参照）。この構成において、センス磁化２１０は、外部磁場４５が面内方向に印加されるとき、その初期の面外方向とセンス層２１の面に実質的に平行な方向（面内）との間で配向可能である。

線形検知は、通常、参照磁化２３０に垂直な検知磁化２１０を持つことによって達成される。これは、センス層２１の異方性軸に垂直に参照磁化２３０を固定することにより達成可能である。センス層２１の異方性軸は、センス層２１及び参照層２３の平面に平行である。

一実施形態では、センス層２１は、Ｃｏ_ｘＦｅ_ｙＢ_ｚ合金を含む強磁性層２１１を備える。

センス層２１の厚さは、正味の垂直異方性値、すなわち異方性場の大きさを変えるために変更可能である。センス層２１は、０．５ｎｍから２ｎｍの間の厚さとしてもよい。

好ましくは、強磁性層２１１はＣｏ_２０Ｆｅ_６０Ｂ_２０合金を含み、その含有量はａｔ％である。次に、約１．５ｎｍのセンス層２１の厚さは、１５０Ｏｅ超、又は１６０Ｏｅ超、又は１８０Ｏｅ超の異方性場をもたらす。

図２に示される変形例では、センス層２１は、少なくとも強磁性層２１１及び非磁性層２１２を備える複数層の構成を備える。非磁性層２１２は、これらの元素、タンタルＴａ、タングステンＷ、モリブデンＭｏ、ニオブＮｂ、ジルコニウムＺｒ、チタンＴｉ、酸化マグネシウムＭｇＯ、フッ化水素Ｈｆのいずれか１つ又は組み合わせを含有してもよい。非磁性層２１２は、センス層２１のＣｏＦｅＢ界面で垂直異方性を促進可能である。

この構成では、非磁性層２１２のそれぞれは、０．１ｎｍから０．４ｎｍの間に含まれる厚さを有してもよい。

参照層２３は、１つ又は複数の強磁性層２１３を備えてもよく、各強磁性層２１３は、銅Ｃｏ、鉄Ｆｅ、ニッケルＮｉ、ＣｏＦｅＢ又はそれらの合金を含む。参照層２３はさらに、少なくとも２つの強磁性層２１３、あるいはルテニウムＲｕ、イリジウムＩｒ、銅Ｃｕ又はこれらの元素の組み合わせからなる反平行結合層によって分離された２つの強磁性層２１３を備える合成反強磁性体（ＳＡＦ）を備えてもよい。例示的な実施形態では、参照層２３は、以下の構造、ＣｏＦｅ（２．５ｎｍ／Ｒｕ（０．８ｎｍ／ＣｏＦｅ（１ｎｍ／ＣｏＦｅＢ（２ｎｍ）を備える。

トンネル障壁２２は、絶縁材料を含有するか、又は絶縁材料から形成してもよい。適切な絶縁材料には、酸化アルミニウム（例えば、Ａｌ_２ Ｏ_３）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。酸化物の酸化状態を調整して、センス層２１の垂直異方性場を増加させることができる。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の範囲であり得る。トンネル障壁２２の最適な厚さは、磁気トンネル接合部２のトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）が５０％より高い、好ましくは１００％である一方で、１５０Ｏｅ以上、又は１６０Ｏｅ以上、又は１８０Ｏｅ以上の垂直異方性磁界の、両方を達成可能である。トンネル障壁２２の最適な厚さは、複数（二重又は複数層）の酸化マグネシウムＭｇＯ（あるいは別の適切な酸化物又は絶縁材料）層を挿入することにより得られる。

好ましい実施形態では、絶縁材料は酸化マグネシウムＭｇＯであり、厚さは約１ｎｍである。

図示されない別の変形例では、別の絶縁材料層が、トンネル障壁層２２と接触している側とは反対側のセンス層２１の側で、センス層２１と直接接触して追加される。この追加の絶縁材料層は、異方性場を増加させることを可能にし、したがって十分に高い異方性場を維持しながらより厚いセンス層２１を可能にする。より厚いセンス層２１は、磁気センサセル１のより堅牢な磁性層及び信号対雑音比の改善を得ることを可能にする。追加の断熱材層は好ましくは酸化マグネシウムＭｇＯ層である。

追加の絶縁材料層を使用すると、センス層の厚さを１ｎｍから３ｎｍ、例えば２ｎｍにできるようになる。

磁気センサセル１の通常の動作条件では、参照磁化２３０は外部磁場４５の存在下で固定され、一方、センス磁化２１０はその磁場に整列可能である。

そのために、磁気センサセル１は、反強磁性層２４は、低温磁化しきい値Ｔ_Ｌで参照磁化２３０を固定し、高温しきい値Ｔ_Ｈで解放するように、参照層２３を交換結合する。

反強磁性層２４に適した材料には、遷移金属及びそれらの合金が含まれる。例えば、適切な反強磁性材料には、イリジウム（Ｉｒ）及びＭｎ（例、ＩｒＭｎ）をベースにした合金のようなマンガン（Ｍｎ）ベースの合金と、鉄Ｆｅ及びマンガンＭｎをベースにした合金（例、ＦｅＭｎ）と、白金（Ｐｔ）及びＭｎ（ＰｔＭｎなど）をベースにした合金と、ニッケルＮｉ及びマンガンＭｎをベースとする合金（例えば、ＮｉＭｎ）とが含まれる。場合によっては、Ｉｒ及びＭｎに基づく（又はＦｅ及びＭｎに基づく）合金の高温しきい値Ｔ_Ｈは、約１２０°Ｃから約２２０°Ｃ又は約１５０°Ｃから約２００℃の範囲であり得る。そして、高温しきい値Ｔ_Ｈは、白金Ｐｔ及びマンガンＭｎに基づく（又はニッケルＮｉ及びマンガンＭｎに基づく）合金の高温しきい値Ｔ_Ｈよりも小さい場合があり、約３００°Ｃから約３５０°Ｃの範囲の値であることがある。反強磁性層２４に適した材料は、酸化ニッケルＮｉＯなどの酸化物層がさらに含まれる場合がある。

好ましい実施形態では、反強磁性層２４は、厚さが約１０ｎｍのイリジウムマンガンＩｒＭｎ層を備える。

一実施形態では、磁気トンネル接合２は、次の順序で、シリコンＳｉ基板、下地層、反強磁性層２４、参照層２３、トンネル障壁層２２、センス層２１、及び少なくともキャップ層を備える。

下地層は、タンタルＴａ、窒化タンタルＴａＮ、チタンＴｉ、窒化チタンＴｉＮ、タングステンＷ、銅Ｃｕ、窒化銅ＣｕＮ、ルテニウムＲｕ、クロムＣｒ、ニッケル鉄ＮｉＦｅ、白金Ｐｔ、ニオブＮｂ、モリブデンＭｏ、イリジウムＩｒのうちの１つ以上を含有する複数の層を備えてもよい。可能な実施形態では、下地層は以下の構成、タンタルＴａ（５ｎｍ）／ルテニウムＲｕ（２ｎｍ）を備える。

磁気センサセル１は、参照磁化２３０を参照層２３の面内の所定の方向に切り替えることによりプログラムしてもよい（図１ｂを参照）。プログラミング動作は熱的に支援してもよく、プログラミング動作は、電流線３を介して磁気トンネル接合２に加熱電流３１を流すことにより、磁気トンネル接合２を高温しきい値Ｔ_Ｈまで加熱する工程をさらに備える。次に、参照磁場４４を印加することにより、参照磁化２３０が切り替えられる。参照磁化２３０を切り替えた後、磁気トンネル接合２は、参照磁化２３０を切り替えた状態にピン留めするような低温しきい値まで冷却してもよい。参照磁場４４は、参照線電流４３の極性によって方向が決定されるように、参照線電流４３を磁力線４に流すことによって生成される。

図３は、図１の磁気センサセル１の磁気トンネル接合２の拡大部分を示していて、面内に配向されている外部磁場４５が存在する場合の参照層２３、トンネル障壁層２２、及びセンス層２１を示している。図３には、ｘ座標、ｙ座標、ｚ座標も示されていて、ｘ座標、ｙ座標は、面内、すなわち、センス層２１（及び参照層２３）の面内にある。

その大きさに応じて、面内外部磁場４５（又は外部磁場の面内成分）は、センス磁化２１０をその最初の向きから面外の、０°（面外）から９０°（面内）の間の角度θで傾いた向きに偏向させる。９０°より小さくゼロでない角度の場合、センス磁化２１０は、面内成分２１０′及び面外成分２１０″を含む。９０°よりも大きい角度の場合、センス磁化２１０は、平面要素２１０″のみを含む。

一実施形態では、磁気センサセル１による面内外部磁場４５の大きさの検知は、検知磁化２１０が面内外部磁場４５によって偏向されたときの磁気トンネル接合２の抵抗Ｒを測定することによって実行してもよい。

磁気トンネル接合２の抵抗Ｒの測定は、電流線３を介して磁気トンネル接合２にセンス電流３２を流すことにより実行してもよい。測定された抵抗Ｒは、参照磁化２３０とセンス磁化２１０の面内成分２１０′の相対的な大きさに比例する。測定された抵抗Ｒは、参照磁化２３０に対するセンス磁化２１０の面内成分２１０′のセンス層（及び参照層）の面内の向きにも比例する。

図４ａは、参照磁化２３０とセンス磁化２１０の面内成分２１０′が見える磁気トンネル接合２の上面図を示す。特に、図４は、面内外部磁場４５が参照磁化２３０の向きに対して角度βで向けられている場合を示す（図４ｂを参照）。

本開示の磁気センサセル１は、面内に方向付けられた面内外部磁場４５の参照層軸に沿った、すなわち参照層２３の平面に沿った成分の大きさを感知（又は測定）するために使用され得る（一次元、又は１Ｄの適用）。

図５に表される実施形態では、磁気センサセル１は、２つの磁気トンネル接合２を備え、磁気トンネル接合２の一方の記憶磁化２３０は、他方の磁気トンネル記憶２に対して実質的に９０°に整列される。図５ａは、２つの磁気トンネル接合２の上面図を示し、図５ｂは、磁気トンネル接合２の１つの参照磁化２３０の向きに対して角度β（及び他の磁気トンネル接合２の参照磁化２３０の方向に対して９０°－βの角度で）で向けられた面内外部磁場４５を示す。参照層の軸が互いに９０度を向いた２つの別々の磁気トンネル接合２を使用することにより、外部磁場４５の２つの直交する面内成分を測定して、面内外部の面内方向βを感知可能である（二次元、又は２Ｄの適用）。

ここで、１次元及び２次元は、それぞれデカルト座標系の１次元及び２次元に沿って配向された外部磁場４５を指す。

より一般的には、磁気センサセル１は、第１アレイ及び第２アレイを備えてもよく、各アレイは複数の磁気トンネル接合２（図示せず）を備える。第１のアレイの磁気トンネル接合２及び第２のアレイの磁気トンネル接合２は、互いから実質的に９０°に整列したそれぞれの（ピン留めされた）記憶磁化２３０を有してもよい。

外部磁場４５の２つの直交する面内成分の検知は、第１及び第２のアレイのそれぞれの抵抗Ｒを測定することにより実行してもよい。

強い垂直異方性を有するセンス磁化２１０センス層２１の面内成分２０１′は、非常に小さい（ゼロに近い）保磁力と非常に小さい面内異方性を有する。面内成分２０１′は、面内外場４５の広い範囲にわたる良好な線形性と非ヒステリシス挙動を有する。したがって、本明細書で開示される磁気センサセル１は、面内外場４５を感知するため、及び１Ｄ及び２Ｄ角度の適用のために従来の磁気センサセルよりも有利である。

１ 磁気センサセル
２ 磁気トンネル接合
２１ センス層
２１０ センス磁化
２０１′ センス磁化の面内成分
２０１″ センス磁化の面外成分
２１１ 強磁性層
２１２ 非磁性層
２２ トンネル障壁層
２３ 参照層
２３０ 参照磁化
２４ 反強磁性層
３ 電流線
３１ 加熱電流
３２ センス電流
４ 磁場線
４１ センス磁場電流
４２ センス磁場
４３ 参照場電流
４４ 参照磁場
４５ 外部磁場
Ｒ 磁気トンネル接合の抵抗
Θ 角度
β 角度

Claims (9)

1. 参照層の面に実質的に平行に配向された参照磁化を有する参照層と、センス磁化を有するセンス層と、前記センス層及び前記参照層の間のトンネル障壁層とを備える磁気トンネル接合と
   を備える、磁気センサセルにおいて、
   前記センス層は、前記センス磁化が前記センス層の平面に垂直な初期方向と前記センス層の前記平面に平行な方向との間で配向可能であるように、前記センス層の前記平面に実質的に垂直な固有異方性を含み、
   前記参照層は、１つ又は複数の強磁性層と、合成反強磁性体とを備え、
   前記センス層は、少なくとも２層の強磁性層と、前記少なくとも２層の強磁性層の間に１層の非磁性層とを備える複数層の構成を備え、
   前記固有異方性には、１５０Ｏｅを超える異方性磁場があり、
   前記トンネル障壁層の厚さが１ｎｍから３ｎｍの間であり、前記磁気トンネル接合のトンネル磁気抵抗比が５０％よりも高く、
   前記センス層は、Ｃｏ_ｘＦｅ_ｙＢ_ｚ合金を含む強磁性層を備える、磁気センサセル。
2. 前記センス層は、Ｃｏ_２０Ｆｅ_６０Ｂ_２０を含む強磁性層を備える、請求項１に記載の磁気センサセル。
3. 前記非磁性層は、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｔｉ、ＭｇＯ、Ｈｆのこれらの元素のいずれか一つ又は組み合わせを含有する、請求項１に記載の磁気センサセル。
4. 前記トンネル障壁層が含有する絶縁材料は、ＭｇＯであり、厚さは１ｎｍである、請求項１に記載の磁気センサセル。
5. 第１アレイ及び第２アレイの各アレイは複数の前記磁気トンネル接合を備え、前記第１アレイの磁気トンネル接合及び前記第２アレイの磁気トンネル接合は、互いに実質的に９０°で整列された記憶磁化を有する、請求項１に記載の磁気センサセル。
6. 請求項１に記載の磁気センサセルを用いる一次元及び二次元の外部磁場を感知する方法であって、前記センス磁化は、最初は前記センス層の前記平面に垂直に配向されていて、当該方法は、外部磁場内で移動しないように前記参照磁化を固定することと、
   前記磁気センサセルを前記外部磁場に呈することと、
   前記磁気センサセルの抵抗を測定することと
   を備える方法。
7. 前記抵抗は、前記センス層の前記平面に平行に向けられた前記センス磁化の成分に比例する、請求項６に記載の方法。
8. 前記抵抗は、前記参照磁化の向きに対して前記センス層の前記平面に平行に向けられた前記センス磁化の成分の間の角度に比例する、請求項６に記載の方法。
9. 第１アレイ及び第２アレイの各アレイは複数の前記磁気トンネル接合を備え、前記第１アレイの前記磁気トンネル接合と前記第２アレイの磁気トンネル接合は、互いに実質的に９０°に整列した記憶磁化を有し、
   当該方法が、前記第１アレイ及び前記第２アレイのそれぞれの前記抵抗を測定することにより、前記外部磁場の２つの面内直交成分を測定することを備える、請求項６に記載の方法。

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