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特許7366118ＧＭＲ素子の上または下に配置されたＴＭＲ素子を有する磁気抵抗アセンブリ
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-10-12
(45)【発行日】2023-10-20
(54)【発明の名称】ＧＭＲ素子の上または下に配置されたＴＭＲ素子を有する磁気抵抗アセンブリ
(51)【国際特許分類】
G01R 33/09 20060101AFI20231013BHJP
H01L 29/82 20060101ALI20231013BHJP
H10N 50/10 20230101ALI20231013BHJP
【ＦＩ】
G01R33/09
H01L29/82 Z
H10N50/10 Z
【請求項の数】
29
(21)【出願番号】P 2021504224
(86)(22)【出願日】2019-06-18
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2021-11-25
(86)【国際出願番号】 US2019037629
(87)【国際公開番号】W WO2020023127
(87)【国際公開日】2020-01-30
【審査請求日】2021-12-07
(31)【優先権主張番号】16/047,342
(32)【優先日】2018-07-27
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
【前置審査】
(73)【特許権者】
【識別番号】501105602
【氏名又は名称】アレグロ・マイクロシステムズ・エルエルシー
(73)【特許権者】
【識別番号】591150395
【氏名又は名称】コミサリア タ レネルジー アトミック エ オー エネルジー アルテルナティーヴ
(74)【代理人】
【識別番号】100118902
【弁理士】
【氏名又は名称】山本 修
(74)【代理人】
【識別番号】100106208
【弁理士】
【氏名又は名称】宮前 徹
(74)【代理人】
【識別番号】100196508
【弁理士】
【氏名又は名称】松尾 淳一
(74)【代理人】
【識別番号】100138759
【弁理士】
【氏名又は名称】大房 直樹
(74)【代理人】
【識別番号】100201743
【弁理士】
【氏名又は名称】井上 和真
(72)【発明者】
【氏名】カムピリオ，パオロ
(72)【発明者】
【氏名】カドゥガン，ブライアン
(72)【発明者】
【氏名】ハムダッシュ，アマール
(72)【発明者】
【氏名】パリア，フロリアン
(72)【発明者】
【氏名】フェルモン，クロード
【審査官】續山 浩二
(56)【参考文献】
【文献】米国特許出願公開第２０１６／００２５８１９（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１７／００５９３６０（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１６／０３５９１０３（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２００９／００１５２５２（ＵＳ，Ａ１）
【文献】独国特許出願公開第１０２００６０１０６５２（ＤＥ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１８／００７４０１６（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１３／０２４１５４２（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２００９－１９３６３５（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２００９／０７８２９６（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１７－０２８０２２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１７－５３４８５５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００９－１６８７９６（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１３／０３３４６２１（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｒ ３３／０９
Ｈ０１Ｌ ２９／８２
Ｈ１０Ｎ ５０／１０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
基板と、前記基板の上に配置され、底面および上面を有する第１のＧＭＲ素子と、
前記基板の上に配置され、上面および底面を有する第１のＴＭＲ素子と、
前記第１のＧＭＲ素子の前記底面に電気的に結合された第１および第２の電気接点と、
前記第１のＴＭＲ素子の前記上面に電気的に結合された電気接点と
を備え、
前記第１のＧＭＲ素子および前記第１のＴＭＲ素子は、共通のピニング層を共有し、
前記第１のＴＭＲ素子の前記上面または底面と垂直に交差する線は、前記第１のＧＭＲ素子の前記上面または底面と交差するとともに、前記第１の電気接点、前記共通のピニング層および前記電気接点の各々と交差し、前記第１のＧＭＲ素子に電気的に結合された前記第１の電気接点および前記第１のＴＭＲ素子に電気的に結合された前記電気接点は、電気的に通じている、磁気抵抗アセンブリ。
【請求項2】
前記第１のＧＭＲ素子は、第１の最大応答軸を有し、前記第１のＴＭＲ素子は、第２の最大応答軸を有し、前記第１および第２の応答軸は、前記基板の主面に平行である、請求項１に記載の磁気抵抗アセンブリ。
【請求項3】
前記第１のＧＭＲ素子の前記第１および第２の電気接点は、それぞれ、第１および第２の導電性ビアを備える、請求項１に記載の磁気抵抗アセンブリ。
【請求項4】
前記第１のＴＭＲ素子の前記電気接点は、導電性ビアを備える、請求項３に記載の磁気抵抗アセンブリ。
【請求項5】
前記第１のＧＭＲ素子の前記第１および第２の電気接点は、前記基板の上に配置された第１の金属層に電気的に結合される、請求項４に記載の磁気抵抗アセンブリ。
【請求項6】
前記第１のＴＭＲ素子の前記電気接点は、前記基板の上に配置された第２の金属層に電気的に結合され、前記第２の金属層は、前記第１の金属層の上または下に配置される、請求項５に記載の磁気抵抗アセンブリ。
【請求項7】
前記第１のＧＭＲ素子の前記第１の電気接点に結合され、前記第１のＧＭＲ素子の前記第１の電気接点に対して駆動電流を強制的に流入または流出させるように動作可能な電圧源または電流源をさらに備える、請求項６に記載の磁気抵抗アセンブリ。
【請求項8】
第１のＧＭＲ出力信号は、前記第１のＧＭＲ素子の前記第２の電気接点で生成され、ＴＭＲ出力信号は、前記第１のＴＭＲ素子の前記電気接点で生成される、請求項７に記載の磁気抵抗アセンブリ。
【請求項9】
前記第１のＧＭＲ素子の前記第１の電気接点に結合され、前記第１のＧＭＲ素子の前記第１の電気接点に対して駆動電流を強制的に流入または流出させるように動作可能な電圧源または電流源をさらに備える、請求項６に記載の磁気抵抗アセンブリ。
【請求項10】
第１のＧＭＲ出力信号が、前記第１のＧＭＲ素子の前記第２の電気接点で生成され、ＴＭＲ出力信号が、前記第１のＴＭＲ素子の前記電気接点で生成される、請求項９に記載の磁気抵抗アセンブリ。
【請求項11】
前記第１のＧＭＲ素子の前記第１の電気接点に結合され、前記第１のＧＭＲ素子の前記第１の電気接点に対して駆動電流を強制的に流入または流出させるように動作可能な電圧源または電流源をさらに備える、請求項１に記載の磁気抵抗アセンブリ。
【請求項12】
第１のＧＭＲ出力信号が、前記第１のＧＭＲ素子の前記第２の電気接点で生成され、ＴＭＲ出力信号が、前記第１のＴＭＲ素子の前記電気接点で生成される、請求項１１に記載の磁気抵抗アセンブリ。
【請求項13】
前記第１のＧＭＲ素子の前記第１の電気接点に結合され、前記第１のＧＭＲ素子の前記第１の電気接点に対して駆動電流を強制的に流入または流出させるように動作可能な電圧源または電流源をさらに備える、請求項１に記載の磁気抵抗アセンブリ。
【請求項14】
第１のＧＭＲ出力信号が、前記第１のＧＭＲ素子の前記第２の電気接点で生成され、ＴＭＲ出力信号が、前記第１のＴＭＲ素子の前記電気接点で生成される、請求項１３に記載の磁気抵抗アセンブリ。
【請求項15】
前記第１のＧＭＲ素子は、第１の感度を有し、前記第１のＴＭＲ素子は、前記第１の感度とは異なる第２の感度を有する、請求項１に記載の磁気抵抗アセンブリ。
【請求項16】
前記基板の上に配置され、上面および底面を有する第２のＧＭＲ素子と、前記基板の上に配置され、上面および底面を有する第２のＴＭＲ素子とをさらに備え、
前記第２のＴＭＲ素子の前記上面または底面と垂直に交差する線は、前記第２のＧＭＲ素子の前記上面または底面と交差し、前記第２のＧＭＲ素子および前記第２のＴＭＲ素子は、電気的に通じている、
請求項１に記載の磁気抵抗アセンブリ。
【請求項17】
前記第１のＧＭＲ素子および前記第１のＴＭＲ素子は、第１の共通のピニング層を共有し、前記第２のＧＭＲ素子および前記第２のＴＭＲ素子は、第２の共通のピニング層を共有する、請求項１６に記載の磁気抵抗アセンブリ。
【請求項18】
前記第１のＧＭＲ素子は、第１の最大応答軸を有し、前記第２のＧＭＲ素子は、第２の最大応答軸を有し、前記第１のＴＭＲ素子は、第３の最大応答軸を有し、前記第２のＴＭＲ素子は、第４の最大応答軸を有し、前記第１、第２、第３および第４の最大応答軸は、前記基板の主面に平行である、請求項１６に記載の磁気抵抗アセンブリ。
【請求項19】
前記第１のＧＭＲ素子は、第１および第２の電気接点を備え、前記第２のＧＭＲ素子は、第１および第２の電気接点を備え、前記第１のＴＭＲ素子は、電気接点を備え、前記第２のＴＭＲ素子は、電気接点を備える、請求項１６に記載の磁気抵抗アセンブリ。
【請求項20】
前記第１のＧＭＲ素子の前記第１および第２の接点と、前記第２のＧＭＲ素子の前記第１および第２の接点とは、それぞれ導電性ビアを備える、請求項１９に記載の磁気抵抗アセンブリ。
【請求項21】
前記第１のＴＭＲ素子の前記電気接点と、前記第２のＴＭＲ素子の前記電気接点とは、それぞれ導電性ビアを備える、請求項２０に記載の磁気抵抗アセンブリ。
【請求項22】
前記第１のＧＭＲ素子の前記第１および第２の接点と、前記第２のＧＭＲ素子の前記第１および第２の接点とは、前記基板の上に配置された第１の金属層に電気的に結合される、請求項１９に記載の磁気抵抗アセンブリ。
【請求項23】
前記第１のＴＭＲ素子の前記電気接点と、前記第２のＴＭＲ素子の前記電気接点とは、前記基板の上に配置された第２の金属層に電気的に結合され、前記第２の金属層は、前記第１の金属層の上または下に配置される、請求項２２に記載の磁気抵抗アセンブリ。
【請求項24】
前記第１のＧＭＲ素子の前記第１の電気接点、または前記第２のＧＭＲ素子の前記第１の電気接点に結合された電気回路をさらに備え、前記電気回路は、前記第１のＧＭＲ素子の前記第１の電気接点に対して第１の駆動電流を強制的に流入または流出させるように動作可能であり、前記第２のＧＭＲ素子の前記第１の電気接点に対して第２の駆動電流を強制的に流入または流出させるように動作可能である、請求項２３に記載の磁気抵抗アセンブリ。
【請求項25】
第１のＧＭＲ出力信号が、前記第１のＧＭＲ素子の前記第２の電気接点で生成され、第２のＧＭＲ出力信号が、前記第２のＧＭＲ素子の前記第２の電気接点で生成され、ＴＭＲ出力信号が、前記第２のＧＭＲ素子の前記第２の電気接点で生成される、請求項２４に記載の磁気抵抗アセンブリ。
【請求項26】
前記第１のＧＭＲ素子の前記第１の電気接点と、前記第２のＧＭＲ素子の前記第１の電気接点とに結合された電気回路をさらに備え、前記電気回路は、前記第１のＧＭＲ素子の前記第１の電気接点に対して第１の駆動電流を強制的に流入または流出させるように動作可能であり、前記第２のＧＭＲ素子の前記第１の電気接点に対して第２の駆動電流を強制的に流入または流出させるように動作可能である、請求項１９に記載の磁気抵抗アセンブリ。
【請求項27】
第１のＧＭＲ出力信号が、前記第１のＧＭＲ素子の前記第２の電気接点で生成され、第２のＧＭＲ出力信号が、前記第２のＧＭＲ素子の前記第２の電気接点で生成され、ＴＭＲ出力信号が、前記第１および第２のＴＭＲ素子の前記電気接点で生成される、請求項２６に記載の磁気抵抗アセンブリ。
【請求項28】
前記第１のＧＭＲ素子は、第１の感度を有し、前記第２のＧＭＲ素子は、第２の感度を有し、前記第１のＴＭＲ素子は、第３の感度を有し、前記第２のＴＭＲ素子は、第４の感度を有し、前記第１および第２の感度は、前記第３および第４の感度とは異なる、請求項１６から２７のうちのいずれか１項に記載の磁気抵抗アセンブリ。
【請求項29】
基板上に磁気抵抗アセンブリを形成する方法であって、前記基板の上に配置され、底面および上面を有する第１のＧＭＲ素子を形成するステップと、
前記基板の上に配置され、上面および底面を有する第１のＴＭＲ素子を形成するステップと、
前記第１のＧＭＲ素子の前記底面に電気的に結合された第１および第２の電気接点を形成するステップと、
前記第１のＴＭＲ素子の前記上面に電気的に結合された電気接点を形成するステップと
を備え、
前記第１のＧＭＲ素子および前記第１のＴＭＲ素子は、共通のピニング層を共有するように形成され、
前記第１のＴＭＲ素子の前記上面または底面と垂直に交差する線は、前記第１のＧＭＲ素子の前記上面または底面と交差するとともに、前記第１の電気接点、前記共通のピニング層および前記電気接点の各々と交差し、前記第１のＧＭＲ素子に電気的に結合された前記第１の電気接点および前記第１のＴＭＲ素子に電気的に結合された前記電気接点は、電気的に通じている、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、一般に、磁気抵抗素子に関し、より詳細には、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子の下または上に配置されたトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子に関する。
【背景技術】
【0002】
本明細書で使用される場合、「磁場感知素子」という用語は、磁場を感知できる様々な電子素子を説明するために使用される。そのような磁場感知素子の１つは、磁気抵抗（ＭＲ）素子である。磁気抵抗素子は、磁気抵抗素子が受ける磁場に関連して変化する抵抗を有する。
【0003】
知られているように、磁気抵抗素子には、たとえば、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子や、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）素子とも呼ばれるトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子のように、様々なタイプがある。
【0004】
ＧＭＲ素子およびＴＭＲ素子は、抵抗が非磁性層によって分離された異なる磁性層の磁気配向に関連するスピンエレクトロニクス（すなわち、電子スピン）で動作する。スピンバルブ構成では、抵抗は、いわゆる「基準層」と呼ばれる別の層に対する、いわゆる「自由層」の磁化の角度方向に関連する。自由層および基準層については、以下で詳しく説明する。
【0005】
磁気抵抗素子は、単一の素子として使用され得るか、あるいは、様々な構成、たとえば、ハーフブリッジまたはフル（すなわち、ホイートストン）ブリッジに配置された２つ以上の磁気抵抗素子として使用され得る。
【0006】
本明細書で使用される場合、「磁場センサ」という用語は、一般に他の回路と組み合わせて、１つまたは複数の磁場感知素子を使用する回路を説明するために使用される。典型的な磁場センサでは、磁場感知素子および他の回路は、共通の基板、たとえば、半導体基板上に集積され得る。いくつかの実施形態では、磁場センサはまた、リードフレームおよびパッケージを含むことができる。
【0007】
磁場センサは、様々な用途で使用され、その用途としては、磁場の方向の角度を感知する角度センサと、通電導体によって送られる電流によって生成される磁場を感知する電流センサと、強磁性体の近接を感知する磁気スイッチと、たとえば、磁場センサがバックバイアスのまたは他の磁石と組み合わせて使用されるリング磁石または強磁性ターゲット（たとえば、歯車の歯）の磁区のような通過する強磁性物を感知する回転検出器と、磁場の磁場密度を感知する磁場センサとが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【0008】
様々なパラメータが、磁場センサおよび磁場感知素子の性能を特徴付ける。磁場感知素子に関して、パラメータは、磁場に応じた磁場感知素子の出力信号（または、磁気抵抗素子の抵抗）の変化である感度と、磁場に対して線形的に（すなわち、正比例して）変化する磁場感知素子の出力信号（または、抵抗）の程度である線形度とを含む。パラメータは、磁場センサがゼロ磁場を受けたときにゼロ磁場を示さない磁場感知素子からの記述および出力であるオフセットも含む。
【0009】
ＧＭＲ素子およびＴＭＲ素子は、たとえば、ホール効果素子と比較して、比較的高い感度を有することが知られている。したがって、たとえば、ＧＭＲ素子またはＴＭＲ素子を使用する電流センサは、ホール効果素子を使用する電流センサよりも小さい電流を検出できる。
【0010】
ＴＭＲ素子は、ＧＭＲ素子よりも高い感度を有することが知られているが、低周波数においてノイズが高くなる。
【0011】
ＴＭＲ素子とＧＭＲ素子との両方とも、それぞれ線形範囲を有するが、より高い磁場において飽和する。
【0012】
従来、ＧＭＲ素子およびＴＭＲ素子は各々、それぞれ異なる基板、たとえば、半導体基板の上に配置され、各々は、それぞれ異なる堆積層の集合として製造される。ＧＭＲ素子とＴＭＲ素子との層は異なるため、従来、ＧＭＲ素子とＴＭＲ素子との層を同じ基板上に堆積させることは非常に困難である可能性がある。
【0013】
しかしながら、同じ基板の上に堆積されたＧＭＲ素子およびＴＭＲ素子を提供することが望ましいであろう。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0014】
本発明は、同じ基板の上に堆積されたＧＭＲ素子およびＴＭＲ素子を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0015】
本発明の態様を理解するのに有用な例によれば、磁気抵抗アセンブリは、基板と、基板の上に配置され、底面および上面を有する第１のＧＭＲ素子と、基板の上に配置された第１のＴＭＲ素子とを含むことができる。第１のＴＭＲ素子は、上面および底面を有することができる。第１のＴＭＲ素子の上面または底面と垂直に交差する線は、第１のＧＭＲ素子の上面または底面と交差する。第１のＧＭＲ素子および第１のＴＭＲ素子は、電気的に通じている。
【0016】
磁気抵抗アセンブリは、以下の特徴のうちの１つまたは複数を、単独でまたは組み合わせて含み得る。第１のＧＭＲ素子および第１のＴＭＲ素子は、共通のピニング層を共有し得る。第１のＧＭＲ素子は、第１の最大応答軸を有し、第１のＴＭＲ素子は、第２の最大応答軸を有し、第１および第２の応答軸は、基板の主面に平行であり得る。磁気抵抗アセンブリは、第１のＧＭＲ素子に電気的に結合された第１および第２の電気接点と、第１のＴＭＲ素子に電気的に結合された電気接点とをさらに含み得る。第１のＧＭＲ素子の第１および第２の電気接点はそれぞれ、第１および第２の導電性ビアを含み得る。第１のＴＭＲの電気接点は、導電性ビアを含み得る。第１のＧＭＲ素子の第１および第２の電気接点は、基板の上に配置された第１の金属層に電気的に結合され得る。第１のＴＭＲ素子の電気接点は、基板の上に配置された第２の金属層に電気的に結合され得、第２の金属層は、第１の金属層の上または下に配置される。磁気抵抗アセンブリは、第１のＧＭＲ素子の第１の電気接点に結合され、第１のＧＭＲ素子の第１の電気接点に対して駆動電流を強制的に流入または流出させるように動作可能な電圧源または電流源をさらに含み得る。第１のＧＭＲ出力信号は、第１のＧＭＲ素子の第２の電気接点で生成され得、ＴＭＲ出力信号は、第１のＴＭＲ素子の電気接点で生成され得る。第１のＧＭＲ素子は、第１の感度を有し得、第１のＴＭＲ素子は、第１の感度とは異なる第２の感度を有し得る。
【0017】
磁気抵抗アセンブリは、基板の上に配置された第２のＧＭＲ素子であって、上面および底面を有する第２のＧＭＲ素子と、基板の上に配置された第２のＴＭＲ素子であって、上面および底面を有する第２のＴＭＲ素子とをさらに含み得、第２のＴＭＲ素子の上面または底面と垂直に交差する線は、第２のＧＭＲ素子の上面または底面と交差し、第２のＧＭＲ素子および第２のＴＭＲ素子は、電気的に通じている。第１のＧＭＲ素子および第１のＴＭＲ素子は、第１の共通のピニング層を共有し得、第２のＧＭＲ素子および第２のＴＭＲ素子は、第２の共通のピニング層を共有し得る。第１のＧＭＲ素子は、第１の最大応答軸を有し、第２のＧＭＲ素子は、第２の最大応答軸を有し、第１のＴＭＲ素子は、第３の最大応答軸を有し、第２のＴＭＲ素子は、第４の最大応答軸を有し、第１、第２、第３および第４の最大応答軸は、基板の主面に平行であり得る。第１のＧＭＲ素子は、第１および第２の電気接点を含み得、第２のＧＭＲ素子は、第１および第２の電気接点を含み得、第１のＴＭＲ素子は、電気接点を含み得、第２のＴＭＲ素子は、電気接点を含み得る。第１のＧＭＲ素子の第１および第２の接点と、第２のＧＭＲ素子の第１および第２の接点とは、それぞれ導電性ビアを含み得る。第１のＴＭＲ素子の電気接点と、第２のＴＭＲ素子の電気接点とは、それぞれ導電性ビアを含み得る。第１のＧＭＲ素子の第１および第２の接点と、第２のＧＭＲ素子の第１および第２の接点とは、基板の上に配置された第１の金属層に電気的に結合され得る。第１のＴＭＲ素子の電気接点と、第２のＴＭＲ素子の電気接点とは、基板の上に配置された第２の金属層に電気的に結合され得、第２の金属層は、第１の金属層の上または下に配置される。磁気抵抗アセンブリは、第１のＧＭＲ素子の第１の電気接点、または第２のＧＭＲ素子の第１の電気接点に結合された電気回路をさらに含み得、電気回路は、第１の駆動電流を、第１のＧＭＲ素子の第１の電気接点に対して強制的に流入または流出させるように動作可能であり、第２の駆動電流を、第２のＧＭＲ素子の第１の電気接点に対して強制的に流入または流出させるように動作可能である。第１のＧＭＲ出力信号は、第１のＧＭＲ素子の第２の電気接点で生成され得、第２のＧＭＲ出力信号は、第２のＧＭＲ素子の第２の電気接点で生成され得、ＴＭＲ出力信号は、第２のＧＭＲ素子の第２の電気接点で生成され得る。第１のＧＭＲ出力信号は、第１のＧＭＲ素子の第２の電気接点で生成され得、第２のＧＭＲ出力信号は、第２のＧＭＲ素子の第２の電気接点で生成され得、ＴＭＲ出力信号は、第１および第２のＴＭＲ素子の電気接点で生成され得る。第１のＧＭＲ素子は、第１の感度を有し得、第２のＧＭＲ素子は、第２の感度を有し得、第１のＴＭＲ素子は、第３の感度を有し得、第２のＴＭＲ素子は、第４の感度を有し得、第１および第２の感度は、第３および第４の感度とは異なる。
【0018】
本発明の態様を理解するのに有用な例によれば、基板上に磁気抵抗アセンブリを形成する方法は、基板の上に配置された第１のＧＭＲ素子を形成することを含むことができ、第１のＧＭＲ素子は、底面および上面を有する。この方法はまた、基板の上に配置された第１のＴＭＲ素子を形成することを含むことができ、第１のＴＭＲ素子は、上面および底面を有し、第１のＴＭＲ素子の上面または底面と垂直に交差する線は、第１のＧＭＲ素子の上面または底面と交差し、第１のＧＭＲ素子および第１のＴＭＲ素子は、電気的に通じている。
【0019】
本発明の前述の特徴、ならびに本発明自体は、以下の図面の詳細な説明からより完全に理解され得る。
【図面の簡単な説明】
【0020】
【図1】ＧＭＲ素子の上に配置されたＴＭＲ素子からなる例示的な磁気抵抗アセンブリの側面図を示すブロック図であり、各々がそれぞれ複数の層を有している。
【図2】ＧＭＲ素子の上に配置されたＴＭＲ素子からなる別の例示的な磁気抵抗アセンブリの側面図を示すブロック図であり、各々がそれぞれ複数の層を有し、３つの電気接点を有し、面内電流（ＣＩＰ）および面に垂直な電流（ＣＰＰ）を示している。
【図3】単一ピン止め型のＧＭＲ素子の上に配置された単一ピン止め型のＴＭＲ素子からなる別の例示的な磁気抵抗アセンブリの側面図を示すブロック図であり、各々がそれぞれ複数の層を有する。
【図4】二重ピン止め型のＧＭＲ素子の上に配置された単一ピン止め型のＴＭＲ素子からなる別の例示的な磁気抵抗アセンブリの側面図を示すブロック図であり、各々がそれぞれ複数の層を有する。
【図5】二重ピン止め型のＧＭＲ素子の上に配置された二重ピン止め型のＴＭＲ素子からなる別の例示的な磁気抵抗アセンブリの側面図を示すブロック図であり、各々がそれぞれ複数の層を有する。
【図6】単一ピン止め型のＧＭＲ素子の上に配置された二重ピン止め型のＴＭＲ素子からなる別の例示的な磁気抵抗アセンブリの側面図を示すブロック図であり、各々がそれぞれ複数の層を有する。
【図7】ＧＭＲ素子の上に配置され、電気接点を有し、基板の上に配置された金属層への結合を有するＴＭＲ素子からなる別の例示的な磁気抵抗アセンブリの側面図を示すブロック図である。
【図9】それぞれ電気接点を有し、基板の上に配置された金属層への結合を有する、第１および第２のＧＭＲ素子の上に配置された第１および第２のＴＭＲ素子からなる別の例示的な磁気抵抗アセンブリの側面図を示すブロック図である。
【図11】ＧＭＲ素子の下に配置され、電気接点を有し、基板の上に配置された金属層への結合を有するＴＭＲ素子からなる別の例示的な磁気抵抗アセンブリの側面図を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【0021】
本発明を説明する前に、本明細書では、特定の形状（たとえば、円筒形状、長方形状、またはヨーク形状）を有する磁気抵抗アセンブリに対する参照がなされることがあることに留意されたい。しかしながら、当業者は、本明細書で説明される技法が、様々なサイズおよび形状に適用可能であることを理解するであろう。
【0022】
本発明を説明する前に、いくつかの導入概念および専門用語が説明される。
【0023】
本明細書で使用される場合、「磁場感知素子」という用語は、磁場を感知できる様々な電子素子を説明するために使用される。磁場感知素子は、ホール効果素子、磁気抵抗素子、または磁気トランジスタであり得るが、これらに限定されない。知られているように、ホール効果素子には、たとえば、平面ホール素子、垂直ホール素子、および円形垂直ホール（ＣＶＨ）素子など、様々なタイプがある。また知られているように、異なるタイプの磁気抵抗素子、たとえば、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子、たとえば、スピンバルブ、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子、および磁気トンネル接合（ＭＴＪ）が存在する。磁場感知素子は、単一の素子であり得るか、あるいは、様々な構成、たとえば、ハーフブリッジまたはフル（ホイートストン）ブリッジに配置された２つ以上の磁場感知素子を含み得る。デバイスのタイプや他の用途要件に応じて、磁場感知素子は、シリコン（Ｓｉ）やゲルマニウム（Ｇｅ）などのＩＶ族半導体材料、またはガリウム砒素（ＧａＡｓ）などのＩＩＩ－Ｖ族半導体材料、またはインジウム化合物、たとえば、インジウム－アンチモン化物（ＩｎＳｂ）で作られたデバイスであり得る。
【0024】
知られているように、上記の磁場感知素子のいくつかは、磁場感知素子を支持する基板に平行な最大感度の軸を有する傾向があり、上記の磁場感知素子の他の素子は、磁場感知素子を支持する基板に垂直な最大感度の軸を有する傾向がある。特に、平面ホール素子は、基板に垂直な感度の軸を有する傾向がある一方、金属ベースまたは金属磁気抵抗素子（たとえば、ＧＭＲ、ＴＭＲ）および垂直ホール素子は、基板に平行な感度の軸を有する傾向がある。しかしながら、一部のＴＭＲ素子は、基板に垂直な感度の軸を有することができる。
【0025】
本明細書で使用される場合、「磁場センサ」という用語は、一般に他の回路と組み合わせて、磁場感知素子を使用する回路を説明するために使用される。磁場センサは、様々な用途で使用され、これら用途としては、磁場の方向の角度を感知する角度センサと、通電導体によって伝達される電流によって生成される磁場を感知する電流センサと、強磁性体の近接を感知する磁気スイッチと、たとえば、磁場センサがバックバイアスのまたは他の磁石と組み合わせて使用されるリング磁石または強磁性ターゲット（たとえば、歯車の歯）の磁区のような、通過する強磁性物を感知する回転検出器と、磁場の磁場密度を感知する磁場センサとが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【0026】
「平行」および「垂直」という用語は、本明細書の様々な文脈で使用される。平行および垂直という用語は、正確な垂直度または正確な平行度を必要としないが、代わりに、通常の製造公差が当てはまることが意図され、その公差は、用語が使用される文脈に依存することを理解されたい。場合によっては、「実質的に」という用語は、「平行」または「垂直」という用語を修正するために使用される。一般に、「実質的に」という用語の使用は、たとえば＋／－１０度以内のような、製造公差を超える角度を反映する。
【0027】
以下に説明するＧＭＲ素子とＴＭＲ素子とは、共通の共有ピニング層を有することが示される。しかしながら、他の実施形態では、共通の共有ピニング層は、それぞれ異なるピニング層で置換され得ることを理解されたい。
【0028】
単一のピン止め型と、二重のピン止め型との両方であるＧＭＲ素子およびＴＭＲ素子が、以下の図に示される。しかしながら、単一のピン止めおよび二重のピン止めがなされたＧＭＲ素子およびＴＭＲ素子は、以下に示されるものとは異なる数の層、異なる材料の層、および／または異なる厚みの層を有するように形成され得ることを理解されたい。
【0029】
図１を参照して示すように、例示的な磁気抵抗アセンブリ１００は、たとえば半導体基板である基板１０２と、基板１０２の上に配置されたＧＭＲ素子１０４と、ＧＭＲ素子１０４の上に配置されたＴＭＲ素子１０６とを含むことができる。電気接点１０８ａ、１０８ｂは、ＧＭＲ素子１０４の底部に結合され得る。電気接点１０８ｃは、ＴＭＲ素子１０６の上部に結合され得る。ＴＭＲ素子１０６の上面に対して垂直にＴＭＲ素子１０６を通過する線は、ＧＭＲ素子１０４と交差する。
【0030】
ＧＭＲ素子１０４およびＴＭＲ素子１０６は各々、それぞれ複数の層を備えることができる。複数の層の例は、図３～図６と併せて以下に示される。いくつかの実施形態では、ＧＭＲ素子１０４およびＴＭＲ素子１０６は、共通の層１１０を含むことができ、これは、以下の図に示されるように、共通の反強磁性ピニング層、たとえば、ＰｔＭｎまたはＩｒＭｎの層であり得る。
【0031】
図２を参照して示すように、別の例示的な磁気抵抗アセンブリ２００は、たとえば半導体基板である基板２０２と、基板２０２の上に配置されたＧＭＲ素子２０４と、ＧＭＲ素子２０４の上に配置されたＴＭＲ素子２０６とを含むことができる。ＴＭＲ素子２０６の上面に対して垂直にＴＭＲ素子２０６を通過する線は、ＧＭＲ素子２０４と交差する。
【0032】
電気接点２０８ａ、２０８ｂは、ＧＭＲ素子２０４の底面に結合され得る。電気接点２０８ｃは、ＴＭＲ素子１０６の上部に結合され得る。
【0033】
電圧源２１０、または他の実施形態では、電流源は、電気接点２０８ａに結合された電圧２１０ａ（または電流）を生成することができ、これは、電流２１０ｂ、２１０ｃをもたらすことができる。電流２１０ｂは、いわゆる「面内電流」すなわちＣＩＰであり得、ＧＭＲ素子２０４を通って、一般に、基板２０２の面に対して平行に電気接点２０８ｂから出る方向に流れることができる。電流２１０ｃは、いわゆる「面に垂直な電流」すなわちＣＰＰであり得、ＴＭＲ素子２０６を通って、一般に、基板２０２の面に対して垂直に電気接点２０８ｃから出る方向に流れることができる。
【0034】
いくつかの実施形態では、接点２０８ｂ、２０８ｃは、基板２０２上または基板２０２内に配置され得る電子回路２１２に結合され得る。電子回路２１２は、ＧＭＲ素子２０４からＧＭＲ信号２０８ｂａを受信でき、ＴＭＲ素子２０６からＴＭＲ信号２０８ｃａを受信できる。電子回路２１２は、ＧＭＲ素子２０４およびＴＭＲ素子２０６の抵抗を同時にまたは個別に識別するように動作可能であり、これらは各々、外部磁場に応答する。たとえば、電子回路２１２は、電流２１０ｂを受け取るように結合され、ＧＭＲ素子２０４の抵抗に比例する電流２１０ｂに比例する第１の電圧を生成するように動作可能な第１の固定抵抗器を含むことができる。電子回路２１２は、電流２１０ｃを受け取るように結合され、ＴＭＲ素子２０６の抵抗に比例する電流２１０ｃに比例する第２の電圧を生成するように動作可能な第２の固定抵抗器を含むことができる。
【0035】
この構成により、ＧＭＲ素子２０４とＴＭＲ素子２０６との両方は、電気的にアクティブとなり、同時に磁場に応答できる。しかしながら、他の実施形態では、電子回路２１２は、電流２１０ｂ、２１０ｃのいずれか１つを開回路状態にすることができ、その場合、ＧＭＲ素子２０４およびＴＭＲ素子２０６は、同じ電圧源２１０または電流源を使用して、異なる時間に電気的にアクティブになることができると理解されたい。
【0036】
上記のように、ＴＭＲ素子は、ＧＭＲ素子よりも外部磁場（たとえば、１ガウス当たりのオーム）に対して高い感度を有する傾向がある。したがって、磁気抵抗アセンブリ２００を使用するいくつかの磁場センサは、より小さな磁場を感知するときにＴＭＲ素子２０６を使用でき、より高い磁場を感知するときにＧＭＲ素子２０４を使用できる。したがって、（磁場センサ内の）電子回路２１２は、２つの異なる動作範囲（たとえば、ガウスの範囲）を有することができ、その範囲は、重なり合う場合も、そうでない場合もある。
【0037】
磁気抵抗素子２００の製造は、両方とも同じ基板上に直接配置されているが、並べて配置されている別個のＧＭＲ素子およびＴＭＲ素子を製造するよりも容易であることは明らかであるはずである。本質的に、磁気抵抗アセンブリ２００は、下記の図でより完全に説明される材料の層を順次堆積することによって製造され得る。並べて配置するには、ＧＭＲ素子とＴＭＲ素子とを別々に製造し、追加のマスク工程とそれに伴う高いコストとが必要となるであろう。
【0038】
図３を参照して示すように、別の例示的な磁気抵抗アセンブリ３００は、たとえば半導体基板である基板３０２と、基板３０２の上に配置された単一ピン止め型のＧＭＲ素子３０４と、ＧＭＲ素子３０４の上に配置された単一ピン止め型のＴＭＲ素子３０６とを含むことができる。ＴＭＲ素子３０６の上面に対して垂直にＴＭＲ素子３０６を通過する線は、ＧＭＲ素子３０４と交差する。電気接点は図示されていないが、図１と図２とを併せて上記の議論から理解されたい。
【0039】
単一ピン止め型のＧＭＲ素子およびＴＭＲ素子は各々、それぞれの基準層構造およびそれぞれの自由層構造を有し、そのために自由層構造は、単一層であり得るか、または複数の層を有することができると理解される。本明細書で使用される場合、文脈に応じて、「層構造」という用語は、１つの材料の単一層、または複数の結合層を説明するために使用され、各結合層は異なる材料を有する。
【0040】
ＧＭＲ素子３０４は、反強磁性ピニング層３２４（たとえば、ＰｔＭｎまたはＩｒＭｎ）と、ピニング層３２４に磁気的に結合され、矢印によって示されるピニング層３２４の磁気方向をとるピン止め層構造３２２、３２０、３１８とを含むことができる基準層構造を有することができる。スペーサ層３２０は、層３２２と層３１８との間に反強磁性結合をもたらすように選択された材料および厚みを有する。層３２２、３２０、３１８は、合成反強磁性体（ＳＡＦ）と呼ばれ得る。
【0041】
ＧＭＲ素子３０４の自由層構造３１４、３１２は、外部磁場の磁気方向をとることができる。外部磁場がない場合、自由層構造３１４、３１２は、矢印の先で示されるように、図面の外へ磁気方向をとることができる。図面の外への方向は、ＧＭＲ素子３０４の形状異方性に従って決定され得、すなわち、ＧＭＲ素子３０４は、上面図からヨークの形状に形成され得、ヨークの最長寸法は、図面に出入りする方向に延びる。ヨーク形状は、図８と併せて以下でより完全に説明される。
【0042】
ＴＭＲ素子３０４は、反強磁性ピニング層３２４（たとえば、ＰｔＭｎまたはＩｒＭｎ）と、ピニング層３２４に磁気的に結合され、矢印によって示されるピニング層３２４の磁気方向をとるピン止め層構造３２６、３２８、３３０とを含むことができる基準層構造を有することができる。スペーサ層３２８は、層３２６と層３３０との間に反強磁性結合をもたらすように選択された材料および厚みを有する。層３２６、３２８、３３０は、合成反強磁性体（ＳＡＦ）と呼ばれ得る。
【0043】
ＴＭＲ素子３０６の自由層構造３３４は、外部磁場の磁気方向をとることができる。外部磁場がない場合、自由層構造３３４は、不定の磁気方向をとり得るが、ここでは磁気方向が矢印の先で示されるように図面の外へ向いている。ＴＭＲ素子３０６は、上面から見て円筒形または長方形である可能性があるため、その不定方向は、形状異方性の欠如に起因する可能性がある。
【0044】
シード層３１０は、自由層構造３１４、３１２の下に配置され得る。キャップ層３３６は、自由層３３４の上に配置され得る。
【0045】
ＧＭＲ素子３０４とＴＭＲ素子３０６との両方は、ピニング層３２４の磁気方向に平行な最大応答軸を有することができる。
【0046】
層の材料と、層の厚みとの例が示される。しかしながら、上記のように、他の厚みの他の材料を使用する他のＧＭＲ素子および他のＴＭＲ素子を使用することができる。また、ＧＭＲ素子およびＴＭＲ素子の他の構造が使用され得る。以下の図には、他の構造の一部のみが示される。
【0047】
図３の同一要素が、同様の参照指定を有するように示される図４を参照して示すように、磁気抵抗アセンブリ４００は、磁気抵抗アセンブリ３００と同様であり得、単一ピン止め型のＴＭＲ素子３０６と同じ単一ピン止め型のＴＭＲ素子３０６を使用できる。しかしながら、ここでは、ＧＭＲ素子４０４が二重にピン止めされている。ＴＭＲ素子３０６の上面に対して垂直にＴＭＲ素子３０６を通過する線は、ＧＭＲ素子４０４と交差する。
【0048】
図３の磁気抵抗アセンブリ３００に対して、第２のピニング層４０８（たとえば、ＰｔＭｎまたはＩｒＭｎ）、ピン止め層４１０、およびスペーサ層４１２を有するバイアス層構造が追加される。ピン止め層４１０は、ピニング層４０８に磁気的に結合され、矢印の先によって示されるピニング層４０８の磁気方向をとることができる。
【0049】
スペーサ層４１２は、材料から構成され得、ピン止め層４１０と、自由層構造３１２、３１４との間に強磁性結合をもたらす厚みを有することができる。
【0050】
【0051】
ＧＭＲ素子４０４とＴＭＲ素子３０６との両方は、ピニング層３２４の磁気方向に平行な最大応答軸を有することができる。
【0052】
図３および図４の同一要素が、同様の参照指定を有するように示される図５を参照して示すように、磁気抵抗アセンブリ５００は、磁気抵抗アセンブリ４００と同様であり得、同じ二重ピン止め型のＧＭＲ素子４０４を使用できる。しかしながら、ここでは、ＴＭＲ素子５０６は、二重にピン止めされている。ＴＭＲ素子５０６の上面に対して垂直にＴＭＲ素子５０６を通過する線は、ＧＭＲ素子４０４と交差する。
【0053】
図４の磁気抵抗アセンブリ４００に対して、第３のピニング層５１２（たとえば、ＰｔＭｎまたはＩｒＭｎ）と、ピン止め層構造５１０と、スペーサ層５０８とを有するバイアス層構造が追加される。ピン止め層５１０は、ピニング層５１２に磁気的に結合され得、矢印の先によって示されるピニング層５１２の磁気方向をとることができる。
【0054】
スペーサ層５０８は、材料から構成され得、ピン止め層５１０と自由層３３４との間に強磁性結合をもたらす厚みを有することができる。外部磁場は、自由層３３４の磁気方向を異なる方向に動かすことができる。
【0055】
【0056】
ＧＭＲ素子４０４とＴＭＲ素子５０６との両方は、ピニング層３２４の磁気方向に平行な最大応答軸を有することができる。
【0057】
図３、図４、および図５の同一要素が、同様の参照指定を有するように示される図６を参照して示すように、磁気抵抗アセンブリ６００は、図５の二重ピン止め型のＴＭＲ素子５０６の下に配置された図３の二重ピン止め型のＧＭＲ素子３０４を含むことができる。ＴＭＲ素子５０６の上面に対して垂直にＴＭＲ素子５０６を通過する線は、ＧＭＲ素子３０４と交差する。
【0058】
【0059】
ＧＭＲ素子３０４とＴＭＲ素子５０６との両方は、ピニング層３２４の磁気方向に平行な最大応答軸を有することができる。
【0060】
上記に示す実施形態は、ＧＭＲ素子の上に配置されたＴＭＲ素子を有するが、他の実施形態では、ＧＭＲ素子は、ＴＭＲ素子の上に配置され得る。そのような１つの配置は、図１１および図１２と併せて以下に説明される。
【0061】
図７を参照して示すように、基板７０２上に配置された磁気抵抗アセンブリ７００は、ＴＭＲ素子７０６の下に配置されたＧＭＲ素子７０４を含むことができる。ＧＭＲ素子７０４とＴＭＲ素子７０６とは、共有ＡＦ層と呼ばれる共通の反強磁性ピニング層を有することができる。磁気抵抗アセンブリ７００は、上記の磁気抵抗アセンブリのいずれかと同じまたは類似することができる。
【0062】
ＧＭＲ素子７０４は、それぞれ第１および第２の電気接点７１２ｂ、７１２ｄを含むことができ、これらは、めっきされた、または導電性の充填ビアであり得、基板７０２に近接するＧＭＲ素子７０４の底面の下に配置され得る。第１および第２の電気接点７１２ｄ、７１２ｄは、基板７０２の上に配置された、たとえば、基板７０２とＧＭＲ素子７０４の底面との間の、第１の金属層７１４の第１および第２の部分７１４ｂ、７１４ｃにそれぞれ結合され得る。
【0063】
ＴＭＲ素子７０６は、電気接点７１２ｃを含むことができ、これは、めっきされた、または導電性の充填ビアであり得、基板７０２から遠位のＴＭＲ素子７０６の上面の上に配置され得る。電気接点７１２ｃは、基板７０２の上、たとえば、ＴＭＲ素子７０６の上面の上に配置された第２の金属層７２０の部分７２０ａに結合され得る。
【0064】
いくつかの実施形態では、第２の金属層７２０の部分７２０ａは、めっきされた、または導電性の充填ビア７１２ａを介して、第１の金属層７１４の第３の部分７１４ａに結合され得る。
【0065】
電圧発生器７２２または電流発生器は、第１の金属層７１４の第１の部分７１４ｂに結合される電流７２２ａを生成できる。
【0066】
第１の金属層７１４の部分７１４ａ、７１４ｂ、７１４ｃは電気的に分離され得、その結果、電流７２２ａは、第１の金属層７１４の第１の部分７１４ａで受け取られ得、ＧＭＲ出力信号７２４は、第１の金属層７１４の第２の部分７１４ｃで生成され得、ＴＭＲ出力信号７２６は、第１の金属層７１４の第３の部分７１４ａで生成され得ることを理解されたい。他の金属層および他の接続スキームも可能である。
【0067】
電流７２２ａの第１の電流部分は、ＧＭＲ出力信号７２４を生成するためにＧＭＲ素子７０４を横断できる。電流７２２ａの第２の電流部分は、ＴＭＲ出力信号７２６を生成するために、ＧＭＲ素子７０４を通って上方に流れ、ＴＭＲ素子７０６を通って上方に流れることができる。ＧＭＲ素子は、ＧＭＲ素子７０４を上向きに通過する第２の電流部分に応答しないか、または最小限しか応答しない。
【0068】
上記のように、ＧＭＲ出力信号７２４およびＴＭＲ出力信号７２６は、同時に生成され得る。しかしながら、たとえば、ＧＭＲ出力信号７２４およびＴＭＲ出力信号７２６の電流を１つずつ遮断することによって、ＧＭＲ出力信号７２４およびＴＭＲ出力信号７２６を時間多重化することも可能である。そのような遮断は、電子スイッチを用いれば容易に可能である。ＧＭＲ出力信号７２４またはＴＭＲ出力信号７２６のうちの他方からの電流を遮断することによって、ＧＭＲ出力信号７２４またはＴＭＲ出力信号７２６のうちの一方のみを生成することも可能である。
【0069】
図７の同一要素が、同様の参照指定を有するように示される図８を参照して示すように、ＧＭＲ素子７０４およびＴＭＲ素子７０６が上面から示される。ＧＭＲ素子７０４は、ヨーク形状を有することができる。ＴＭＲ素子７０６は、長方形形状を有することができる。他の形状も可能である。
【0070】
図９を参照して示すように、磁気抵抗アセンブリ９００は、複数のＧＭＲ素子および複数のＴＭＲ素子を含むことができる。ここでは、２つのＧＭＲ素子９０４、９０８、および２つのＴＭＲ素子９０６、９１０が示されているが、より多くの数も提供され得る。ＴＭＲ素子９０６の上面に対して垂直にＴＭＲ素子９０６を通過する線は、ＧＭＲ素子９０４と交差する。ＴＭＲ素子９１０の上面に対して垂直にＴＭＲ素子９１０を通過する線は、ＧＭＲ素子９０８と交差する。
【0071】
磁気抵抗アセンブリ９００は、基板９０２の上に配置され得、ＴＭＲ素子９０６の下に配置されたＧＭＲ素子９０４を含むことができ、ＴＭＲ素子９１０の下に配置されたＧＭＲ素子９０８を含むことができる。ＧＭＲ素子９０４およびＴＭＲ素子９０６は、共有ＡＦ層と呼ばれる共通の反強磁性ピニング層を有することができる。ＧＭＲ素子９０８およびＴＭＲ素子９１０も、共有ＡＦ層と呼ばれる共通の反強磁性ピニング層を有することができる。ＧＭＲ素子９０４、９０８およびＴＭＲ素子９０６、９１０は、上記のＧＭＲ素子およびＴＭＲ素子のいずれかと同じまたは類似することができる。
【0072】
ＧＭＲ素子９０４は、それぞれ第１および第２の電気接点９１２ｅ、９１２ｆを含むことができ、これらは、めっきされた、または導電性の充填ビアであり得、基板９０２に近接するＧＭＲ素子９０４の底面の下に配置され得る。第１および第２の電気接点９１２ｅ、９１２ｆは、基板９０２の上に配置された、たとえば、基板９０２とＧＭＲ素子９０４の底面との間の、第１の金属層９１４の第１および第２の部分９１４ｃ、９１４ｄにそれぞれ結合され得る。
【0073】
ＴＭＲ素子９０６は、電気接点９１２ｄを含むことができ、これは、めっきされた、または導電性の充填ビアであり得、基板９０２から遠位のＴＭＲ素子９０６の上面の上に配置および結合され得る。電気接点９１２ｄは、基板９０２の上、たとえば、ＴＭＲ素子９０６の上面の上に配置された第２の金属層９２０の部分９２０ａに結合され得る。
【0074】
電圧発生器９２４または電流発生器は、第１の金属層９１４の第１の部分９１４ｄに結合された電流９２４ａを生成できる。
【0075】
磁気抵抗アセンブリ９００は、ＴＭＲ素子９１０の下に配置されたＧＭＲ素子９０８を含むことができる。ＧＭＲ素子９０８およびＴＭＲ素子９１０は、共有ＡＦ層と呼ばれる共通の反強磁性ピニング層を有することができる。ＧＭＲ素子９０８およびＴＭＲ素子９１０は、上記のＧＭＲ素子およびＴＭＲ素子のいずれかと同じまたは類似することができる。
【0076】
ＧＭＲ素子９０８は、それぞれ第１および第２の電気接点９１２ｃ、９１２ａを含むことができ、これらは、めっきされた、または導電性の充填ビアであり得、基板９０２に近接するＧＭＲ素子９０８の底面の下に配置され得る。第１および第２の電気接点９１２ｃ、９１２ａは、基板９０２の上に配置された、たとえば、基板９０２とＧＭＲ素子９０８の底面との間の、第１の金属層９１４の第３および第４の部分９１４ｂ、９１４ａにそれぞれ結合され得る。
【0077】
ＴＭＲ素子９１０は、電気接点９１２ｂを含むことができ、これは、めっきされた、または導電性の充填ビアであり得、基板９０２から遠位のＴＭＲ素子９１０の上面の上に配置および結合され得る。電気接点９１２ｂは、基板９０２の上、たとえば、ＴＭＲ素子９１０の上面の上に配置された第２の金属層９２０の部分９２０ａに結合され得る。他の実施形態では、電気接点９１２ｂは、第２の金属層９２０の部分９２０ａから電気的に分離された異なる部分に結合され得る。
【0078】
電圧発生器９２２または電流発生器は、第１の金属層９１４の第３の部分９１４ｂに結合された電流９２２ａを生成できる。
【0079】
第１の金属層９１４の部分９１４ａ、９１４ｂ、９１４ｃ、９１４ｄが電気的に分離され得、その結果、電流９２２ａは、第１の金属層９１４の部分９１４ｂで受け取られ得、電流９２４ａは、第１の金属層９１４の部分９１４ｄで受け取られ得、第１のＧＭＲ出力信号９２６は、第１の金属層９１４の部分９１４ａで生成され得、第２のＧＭＲ出力信号９２８ａは、第１の金属層９１４の部分９１４ｃで生成され得、ＴＭＲ出力信号９２８は、第２の金属層９１４の部分９１４ｃで生成され得ることを理解されたい。他の金属層および他の接続スキームも可能である。
【0080】
この構成により、電流９２２ａが、ＧＭＲ出力信号９２６およびＴＭＲ出力信号９２８ｂともなることを理解されたい。また、電流９２４ａが、ＧＭＲ出力信号９２８ａとなることも理解されたい。いくつかの実施形態では、２つの電流信号９２２ａ、９２４ａは、異なる時間において、たとえば、時間多重化されて印加される。他の実施形態では、２つの電流信号９２２ａ、９２４ａが、同時に印加される。これらの実施形態では、２つの出力信号９２８ａ、９２８ｂは、信号の和として同時に存在できる。
【0081】
他の実施形態では、第１および第２のＴＭＲ素子９０６、９１０はそれぞれ、第２の金属層９２０の別個の部分で別個の出力信号を生成できる。
【0082】
図１０を参照すると、図９と同様の要素が同様の参照符号を付されて示されており、図９のＧＭＲ素子９０４、９０８およびＴＭＲ素子９０６、９１０が、上面から示される。ＧＭＲ素子９０４、９０８は各々、ヨーク形状を有することができる。ＴＭＲ素子９０６、９１０は各々、長方形形状を有することができる。他の形状も可能である。
【0083】
図１１に示されるように、別の例示的な磁気抵抗アセンブリ１１００は、たとえば半導体基板である基板１１０２と、基板１１０２の上に配置された単一ピン止め型のＴＭＲ素子１１０４と、ＧＭＲ素子１１０４の上に配置された単一ピン止め型のＧＭＲ素子１１０６とを含むことができる。電気接点は図示されていないが、図１および図２と併せて上記の議論から理解されたい。ＴＭＲ素子１１０４の底面に対して垂直にＴＭＲ素子１１０４を通過する線は、ＧＭＲ素子１１０６と交差する。
【0084】
ＧＭＲ素子１１０６は、基準層構造を有することができ、この基準層構造は、反強磁性ピニング層１１２０（たとえば、ＰｔＭｎまたはＩｒＭｎ）と、ピニング層１１２０に磁気的に結合され、矢印によって示されるピニング層１１２０の磁気方向をとるピン止め層構造１１２２、１１２４、１１２６とを含むことができる。スペーサ層１１２４は、層１１２２、１１２６の間に反強磁性結合をもたらすように選択された材料および厚みを有する。
【0085】
ＧＭＲ素子１１０６の自由層構造１１３０、１１３２は、外部磁場の磁気方向をとることができる。外部磁場がない場合、自由層構造１１３０、１１３２は、矢印の先で示されるように、図面の外へ磁気方向をとることができる。図面の外への方向は、ＧＭＲ素子１１０６の形状異方性に従って決定され得、すなわち、ＧＭＲ素子１１０６は、上面図からみるとヨークの形状に形成することができ、ヨークの最長寸法は、図面に出入りする方向に延びる。ヨークの形状は、上記の図８と併せて以下でより完全に説明される。
【0086】
ＴＭＲ素子１１０４は、反強磁性ピニング層１１２０（たとえば、ＰｔＭｎまたはＩｒＭｎ）と、ピニング層１１２０に磁気的に結合され、矢印によって示されるピニング層１１２０の磁気方向に平行な磁気方向をとるピニング層構造１１１８、１１１６、１１１４とを含むことができる基準層構造を有することができる。スペーサ層１１１６は、層１１１８と層１１１４との間に反強磁性結合をもたらすように選択された材料および厚みを有する。
【0087】
ＴＭＲ素子１１０４の自由層１１１２は、外部磁場の磁気方向をとることができる。外部磁場がない場合、自由層構造１１１０は、不定の磁気方向をとり得るが、ここでは磁気方向が矢印の先で示されるように図面の外へ向いている。ＴＭＲ素子１１０４は、上面から見て円筒形または長方形である可能性があるので、その不定方向は、形状異方性の欠如に起因する可能性がある。
【0088】
シード層１１０８は、自由層１１１０の下に配置され得る。キャップ層１１３４は、自由層構造１１３４の上に配置され得る。
【0089】
ＧＭＲ素子１１０６とＴＭＲ素子１１０８との両方は、ピニング層１１２０の磁気方向に平行な最大応答軸を有することができる。
【0090】
層の材料と、層の厚みとの例が示されている。しかしながら、上記のように、他の厚みの他の材料を使用する他のＧＭＲ素子および他のＴＭＲ素子が使用され得る。また、ＧＭＲ素子およびＴＭＲ素子の他の構造も使用され得る。以下の図には、他の構造の一部のみが示される。
【0091】
図１２を参照して示すように、基板１２０２上に配置された磁気抵抗アセンブリ１２００は、ＧＭＲ素子１２０６の下に配置されたＴＭＲ素子１２０４を含むことができる。ＴＭＲ素子１２０４およびＧＭＲ素子１２０６は、共有ＡＦ層と呼ばれる共通の反強磁性ピニング層を有することができる。磁気抵抗アセンブリ１２００は、図１１の磁気抵抗アセンブリ１１００と同じまたは類似することができる。
【0092】
ＴＭＲ素子１２０４は、電気接点１２０８ｂを含むことができ、これは、めっきされた、または導電性の充填ビアであり得、基板１２０２に近接するＴＭＲ素子１２０４の底面の下に配置され得る。電気接点１２０８ｂは、基板１２０２の上に配置された、たとえば、基板１２０２とＴＭＲ素子１２０４の底面との間の、第１の金属層１２１６の部分１２１６ｂに結合され得る。
【0093】
ＧＭＲ素子１２０６は、第１および第２の電気接点１２０８ｃ、１２０８ｄを含むことができ、これらは、めっきされた、または導電性の充填ビアであり得、基板１２０２から遠位のＧＭＲ素子１２０６の上面の上に配置され得る。第１および第２の電気接点１２０８ｃ、１２０８ｄは、基板１２０２の上、たとえばＧＭＲ素子１２０６の上面の上に配置された第２の金属層１２２２の第１および第２の部分１２２２ａ、１２２２ｂにそれぞれ結合され得る。
【0094】
いくつかの実施形態では、第２の金属層１２２２の部分１２２２ａは、めっきされた、または導電性の充填ビア１２０８ａを介して、第１の金属層１２１６の別の部分１２１６ａに結合され得る。
【0095】
いくつかの実施形態では、第２の金属層１２２２の部分１２２２ｂは、めっきされた、または導電性の充填ビア１２０８ｅを介して、第１の金属層１２１６の別の部分１２１６ｃに結合され得る。
【0096】
電圧発生器１２１０または電流発生器は、第１の金属層１２１６の第１の部分１２１６ｂに結合される電流１２１０ａを生成できる。
【0097】
第１の金属層１２１６の部分１２１６ａ、１２１６ｂ、１２１６ｃは電気的に分離され得、その結果、電流１２１０ａは、第１の金属層１２１６の部分１２１６ｂで受信され得、ＧＭＲ出力信号１２１４は、第１の金属層１２１６の部分１２１６ｃで生成され得、ＴＭＲ出力信号１２１２は、第１の金属層１２１６の部分１２１６ａで生成され得ることを理解されたい。他の金属層および他の接続スキームも可能である。
【0098】
この目的のために、電流１２１０ａの第１の部分は、ＧＭＲ出力信号１２１４を生成するためにＧＭＲ素子１２０６を横断できる。電流１２１０ａの第２の電流部分は、ＴＭＲ出力信号１２１２を生成するために、ＧＭＲ素子１２０６を通って下向きに流れ、ＴＭＲ素子１２０４を通って下向きに流れることができる。ＧＭＲ素子１２０６は、ＧＭＲ素子１２０６を下向きに通過する第２の電流部分に応答しないか、または最小限しか応答しない。
【0099】
上記のように、ＧＭＲ出力信号１２１４およびＴＭＲ出力信号１２１２は、同時に生成され得る。しかしながら、たとえば、ＧＭＲ出力信号１２１４またはＴＭＲ出力信号１２１６の電流を１つずつ遮断することによって、ＧＭＲ出力信号１２１４およびＴＭＲ出力信号１２１２を時間多重化することも可能である。そのような遮断は、電子スイッチを用いれば容易に可能である。ＧＭＲ出力信号１２１４またはＴＭＲ出力信号１２１２の他方からの電流を遮断することにより、ＧＭＲ出力信号１２１４またはＴＭＲ出力信号１２１２の一方のみを生成することも可能である。
【0100】
本明細書で引用されたすべての引用文献は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
【0101】
この特許の主題である様々な概念、構造、および技法を説明するのに役立つ好ましい実施形態を説明したので、これらの概念、構造、および技法を組み込んだ他の実施形態を使用できることが明らかになるであろう。したがって、特許の範囲は、記載された実施形態に限定されるべきではなく、むしろ、以下の特許請求の範囲の趣旨および範囲によってのみ限定されるべきであることが提起される。
【0102】
本明細書に記載の実施形態の要素を組み合わせて、上記に具体的に記載されていない他の実施形態を形成することができる。単一の実施形態の文脈で説明される様々な要素はまた、別個にまたは任意の適切な部分組合せで提供され得る。本明細書に具体的に記載されていない他の実施形態もまた、以下の特許請求の範囲内にある。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
