(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2022-06-27
(54)【発明の名称】改良された測定範囲を持つ磁気素子
(51)【国際特許分類】
H01L 43/08 20060101AFI20220620BHJP
H01L 43/02 20060101ALI20220620BHJP
【ＦＩ】
H01L43/08 P
H01L43/08 Z
H01L43/02 Z
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2021555820
(86)(22)【出願日】2020-04-23
(85)【翻訳文提出日】2021-09-15
(86)【国際出願番号】 IB2020053837
(87)【国際公開番号】W WO2020217195
(87)【国際公開日】2020-10-29
(31)【優先権主張番号】19315026.5
(32)【優先日】2019-04-23
(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】509096201
【氏名又は名称】クロッカス・テクノロジー・ソシエテ・アノニム
(74)【代理人】
【識別番号】100069556
【弁理士】
【氏名又は名称】江崎 光史
(74)【代理人】
【識別番号】100111486
【弁理士】
【氏名又は名称】鍛冶澤 實
(74)【代理人】
【識別番号】100191835
【弁理士】
【氏名又は名称】中村 真介
(74)【代理人】
【識別番号】100208258
【弁理士】
【氏名又は名称】鈴木 友子
(72)【発明者】
【氏名】ドゥニア・サリム
(72)【発明者】
【氏名】バラデュク・クレール
(72)【発明者】
【氏名】ディエニー・ベルナール
【テーマコード（参考）】
5F092
【Ｆターム（参考）】
5F092AA15
5F092AA20
5F092AB01
5F092AC12
5F092AD22
5F092BC03
5F092BC42
5F092FA08
(57)【要約】
【課題】測定範囲を改良した磁気素子を提供する。
【解決手段】磁性要素（１０）は、渦コア（２１１）を持つ安定な磁化渦構成を備える第１磁化（２１０）を有する第１強磁性層（２１）を備える。第１強磁性層（２１）は、渦コア（２１１）が実質的にインデント（５０）で核形成するように構成されたインデント（５０）を備える。第１磁場方向（－Ｈｘ）に外部磁場（４２）を与えると、渦コア（２１１）は第１経路（２１２）に沿って動き、第１磁化（２１０）は渦コア（２１１）の周りを反時計回りの方向に回転する。第１磁場方向とは反対の第２磁場方向（Ｈｘ）に外部磁場（４２）を与えると、渦コア（２１１）は第２経路（２１２）に沿って動き、第１磁化（２１０）は渦の周りを時計回りの方向に回転する。第１及び第２磁場の経路（２１２、２１３）は両方とも実質的に同一であり、渦コア（２１１）をインデント（５０）から遠ざける。
【解決手段】磁性要素（１０）は、渦コア（２１１）を持つ安定な磁化渦構成を備える第１磁化（２１０）を有する第１強磁性層（２１）を備える。第１強磁性層（２１）は、渦コア（２１１）が実質的にインデント（５０）で核形成するように構成されたインデント（５０）を備える。第１磁場方向（－Ｈｘ）に外部磁場（４２）を与えると、渦コア（２１１）は第１経路（２１２）に沿って動き、第１磁化（２１０）は渦コア（２１１）の周りを反時計回りの方向に回転する。第１磁場方向とは反対の第２磁場方向（Ｈｘ）に外部磁場（４２）を与えると、渦コア（２１１）は第２経路（２１２）に沿って動き、第１磁化（２１０）は渦の周りを時計回りの方向に回転する。第１及び第２磁場の経路（２１２、２１３）は両方とも実質的に同一であり、渦コア（２１１）をインデント（５０）から遠ざける。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１磁化（２１０）を持つ第１強磁性層（２１）と第２磁化（２３０）を持つ第２強磁性層（２３）との間に挟まれたトンネルバリア層（２２）を備える磁気トンネル接合要素（２）と、第２磁化（２３０）の配向を変えることなく第１磁化（２１０）の配向を変えるように適合された外部磁場（４２）を与えるように構成された磁場装置（４０）と、
第１磁化（２１０）が安定した磁化渦構成を備えるように構成された第１強磁性層（２１）と
を備える磁気センサにおいて、
渦の核形成又は再核形成の際に、磁化渦の渦コア（２１１）が実質的にインデント（５０）に位置するように、第１強磁性層（２１）がインデント（５０）を備えるようにさらに構成されていることと、
外部磁場（４２）が第１磁場方向（－Ｈｘ）に与えられると、渦コア（２１１）は第１経路（２１２）に沿って動き、第１磁化（２１０）は渦コア（２１１）の周りを反時計回りの方向に回転することと、
外部磁場（４２）が第１磁場方向とは反対の第２磁場方向（Ｈｘ）に与えられると、渦コア（２１１）は第２経路（２１２）に沿って動き、第１磁化（２１０）は渦の周りを時計回りの方向に回転することと、
第１磁場経路及び第２磁場経路（２１２、２１３）が、両方とも実質的に同一であり、渦コア（２１１）をインデント（５０）から遠ざけることと
を特徴とする、磁気素子。
【請求項2】
インデント（５０）は、第１強磁性層（２１）の周辺に沿った実質的に平坦な周辺部分（５１）を備える、請求項１に記載の磁気素子。
【請求項3】
インデント（５０）は、第１強磁性層（２１）の周辺に沿った凸状の周辺部分（５１）を備える、請求項１に記載の磁気素子。
【請求項4】
インデント（５０）は、第１強磁性層（２１）の周囲に沿った円形のノッチを備える、請求項１に記載の磁気素子。
【請求項5】
インデント（５０）は、第１強磁性層（２１）の周囲に沿った長方形又は長方形状のノッチを備える、請求項１に記載の磁気素子。
【請求項6】
前記磁気素子は１つより多いインデント（５０）を備え、各インデント（５０）の形状は、他のインデント（５０）の形状に対して非対称である、請求項１から５のいずれか一項に記載の磁気素子。
【請求項7】
インデントの深さ（Ｄ）は、第１強磁性層（２１）の平面内で、比較的小さい寸法の約１０％から約３０％の間の値である、請求項１から６のいずれか一項に記載の磁気素子。
【請求項8】
第１磁化（２０１）の平面において、第１強磁性層（２１）は、１から２の間のアスペクト比（ＡＲ）を持つ楕円形を有する、請求項１から７のいずれか一項に記載の磁気素子。
【請求項9】
第１強磁性層（２１）は、約１．５のアスペクト比（ＡＲ）を有する、請求項８に記載の磁気素子。
【請求項10】
インデントの深さ（Ｄ）は、第１強磁性層（２１）の短軸（ＰＡ）の長さの約１０％から約３０％の間である、請求項８又は９に記載の磁気素子。
【請求項11】
インデント（５０）の深さ（Ｄ）は、楕円の短軸（ＰＡ）の約０．１である、請求項８から１０のいずれか一項に記載の磁気素子。
【請求項12】
周辺部（５１）の半径（Ｒｄ）は深さ（Ｄ）の約０．５である、請求項３及び１１に記載の磁気素子。
【請求項13】
周辺部分（５１）は、外部磁場（４２）の配向と実質的に平行に配向されている、請求項１から１２のいずれか一項に記載の磁気素子。
【請求項14】
前記磁場装置は、外部磁場（４２）を生成するべく磁場電流（４１）を通過させるように配置された磁力線（４０）を備える、請求項１から１３のいずれか一項に記載の磁気素子。
【請求項15】
複数の前記磁気素子（１０）を備える、請求項１から１４のいずれか一項に記載の磁気センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、改良された測定範囲を持つ磁気トンネル接合を備える磁気素子に関する。本開示はさらに、複数の前記磁気素子を備える磁気センサに関する。
【背景技術】
【0002】
磁化渦は、磁気構造の表面の横断方向の寸法に比較し得る長さの規模での磁化回転を伴う磁気構造の平面内の磁化を持つ、マイクロ又はナノ磁気構造における、可干渉性の磁気構成である。磁化渦は、静磁気エネルギーと、半径と厚さが十分に大きい磁性層内の円筒形又は近似的に円筒形のマイクロ又はナノ構造の交換エネルギーとの間の平衡から生じる。磁気構造の形状に応じて、渦構成は、残留状態での最低エネルギーを持つ安定したスピン構成になる。
【0003】
安定した渦構成では、渦はキャンセル（打ち消）されることなく可逆的に変形可能である。より具体的には、渦は中程度の磁場の下で可逆的に変形する可能性がある。与えられている磁場に平行な渦磁化の部分は大きくなる傾向があり、与えられている磁場に逆平行な磁化の部分は小さくなる傾向がある。これにより、与えられている磁場の方向を横切る方向に沿って渦コアが変位する。磁場が減少すると、渦コアは徐々にゼロ磁場の平衡位置に戻る。円盤状のマイクロ構造又はナノ構造の場合の渦コアの平衡位置は、円盤の中心にある。
【0004】
図１は、磁化２１０を持つ強磁性層２１の平面図を示す。矢印で表される磁化２１０は磁化渦を含むものである。より具体的には、磁化渦は、渦中心、又は渦コア２１１を備え、渦コア２１１の周りを時計回り又は反時計回りに回転する平面外の磁化及び平面内の磁化を伴うものである。
【0005】
特に、図１ａは、外部磁場４２がない場合の第１磁化渦を表していて、渦コア２１１は、実質的に第１強磁性層断面の中心にある。この構成では、第１強磁性層２１は、実質的にゼロ（Ｈ＝０）である純の磁気モーメントを有する。
【0006】
第１強磁性層２１の簡便軸線に沿って（図１のｘ方向に沿って）外部磁場Ｈｘを与えると、渦コア２１１は、第１強磁性層２１の簡便軸線に実質的に垂直な方向に移動する。図１ｂでは、渦コア２１１は、この図中左向きの第１磁場方向－Ｈｘに外部磁場を与えると、第１変位方向（図１ｂでは上向き）に移動する。渦コア２１１（図１ｂ）の第１変位方向（矢印２１２で示す）の変位は、第１強磁性層２１において純の磁気モーメントＨ＜０の結果となる。図１ｃは、第１磁場方向－Ｈｘとは反対に、第２磁場方向Ｈｘに外部磁場を与えると、第２変位方向（図１ｃでは下向き）に移動する渦コア２１１を示す。（矢印２１３で示される）第２変位方向での渦コア２１１の変位は、第１強磁性層２１において純の磁気モーメントＨ＞０の結果となる。
【0007】
【0008】
－ＨｓとＨｓの間にある外部磁場（Ｈｓは渦キャンセル場）に渦構成が存在し、その渦コア２１１は 第１強磁性層２１の平面内で弾性的かつ可逆的に移動する。Ｈｓより強い又は（Ｈｓの反対方向にある）－Ｈｓより強い磁場の場合、渦がキャンセル（打ち消）され、磁性層は本質的に単一ドメイン構成に変化する。外部磁場が飽和を下回ると、渦の構成が再核化する。このように、渦構成のキャンセルと核形成にはある程度のヒステリシスがあるが、渦の弾性変形に対応する部分の全体は完全に可逆的である。
【0009】
図１及び図２は、それぞれ、磁化２１０の渦マイクロ磁気構成及び第１強磁性層２１に欠陥がない理想的な場合の対応する磁化曲線Ｍ－Ｈを表す。このような理想的なケースでは、Ｒ－Ｈ曲線にずれ（オフセット）は見られない。換言すると、第１及び第２変位方向２１２、２１３における渦コア２１１の変位の経路は、磁化曲線Ｍ－Ｈ上に影響しない。
【0010】
図３は、欠陥３０を含む第１強磁性層２１の平面図を示す。渦コア２１１が第１変位方向２１２に移動すると、変位経路で遭遇した欠陥３０にひっかかる（それから、欠陥３０から解放される）。同様に、第２変位方向２１３に移動する渦コア２１１は、変位経路で遭遇する欠陥３０にひっかかる（その後欠陥３０から解放される）。核形成におけるその位置に応じて、渦コア２１１は、第１変位方向２１２に移動するとき、第２変位方向２１３に移動するときとは異なる欠陥３０に、ひっかかりそこから解放されるおそれがある。異なる欠陥へのこのひっかかりと解放を原因として、渦コア２１１は、（図３に示されるように）第１及び第２変位方向２１２、２１３において異なる経路をたどることがある。第１強磁性層２１と第２磁化を有する第２強磁性層との間に挟まれたトンネル障壁層を備える磁気トンネル接合において、第１及び第２変位方向２１２、２１３において異なる経路をたどる渦コア２１１は、異なる磁化分布をもたらして、これにより、外部磁場Ｈの各値での磁気トンネル接合の異なる抵抗をもたらす結果となる。
【0011】
図４は、図３の強磁性層２１の磁化曲線Ｍ－Ｈを表し、これは、外部磁場４２の影響下での第１強磁性層２１の磁化２１０内の変化を示す。第１及び第２変位方向２１２、２１３において異なる経路をたどる渦コア２１１は、外部磁場４２が第２磁場方向Ｈｘに与えられるときと比較して、外部磁場４２が第１磁場方向－Ｈｘに与えられるときＭ－Ｈ曲線の間のずれΔＭに推移する。ずれΔＭも再現可能ではないことがある。さらに、ずれは、Ｒ－Ｈ曲線、すなわち、外部磁場４２の関数としての磁気トンネル接合の抵抗の変化においても、観察され得る。
【0012】
このずれは、許容される測定範囲を狭めるため、センサの適用上有害である。この再現性のない影響に対する現在の取り組みは、適用範囲を小さくしたり、センサの実施性能を制限したりしている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【0013】
本開示は、
第１磁化を持つ第１強磁性層と第２磁化を持つ第２強磁性層との間に挟まれたトンネルバリア層を備える磁気トンネル接合要素と、
第２磁化の配向を変えることなく第１磁化の配向を変えるように適合された外部磁場を与えるように構成された磁場装置と、
第１磁化が安定した磁化渦構成を備えるように構成された第１強磁性層と
を備える磁気センサにおいて、
渦の核形成又は再核形成の際に、磁化渦の渦コアが実質的にインデントに位置するように、第１強磁性層がインデントを備えるようにさらに構成されていて、
外部磁場が第１磁場方向に与えられると、渦コアは第１経路に沿って動き、第１磁化は渦コアの周りを反時計回りの方向に回転し、
外部磁場が第１磁場方向とは反対の第２磁場方向に与えられると、渦コアは第２経路に沿って動き、第１磁化は渦の周りを時計回りの方向に回転し、
第１磁場経路及び第２磁場経路が、両方とも実質的に同一であり、渦コアをインデントから離れるように動かす
磁気素子に関する。
第１磁化を持つ第１強磁性層と第２磁化を持つ第２強磁性層との間に挟まれたトンネルバリア層を備える磁気トンネル接合要素と、
第２磁化の配向を変えることなく第１磁化の配向を変えるように適合された外部磁場を与えるように構成された磁場装置と、
第１磁化が安定した磁化渦構成を備えるように構成された第１強磁性層と
を備える磁気センサにおいて、
渦の核形成又は再核形成の際に、磁化渦の渦コアが実質的にインデントに位置するように、第１強磁性層がインデントを備えるようにさらに構成されていて、
外部磁場が第１磁場方向に与えられると、渦コアは第１経路に沿って動き、第１磁化は渦コアの周りを反時計回りの方向に回転し、
外部磁場が第１磁場方向とは反対の第２磁場方向に与えられると、渦コアは第２経路に沿って動き、第１磁化は渦の周りを時計回りの方向に回転し、
第１磁場経路及び第２磁場経路が、両方とも実質的に同一であり、渦コアをインデントから離れるように動かす
磁気素子に関する。
【0014】
本開示はさらに、複数の前記磁気素子を備える磁気センサに関する。
【0015】
前記磁気素子は、測定範囲が改善された測定範囲を持っている。磁気素子はさらに、高磁場バイアスをかけた後の応答の良好な再現性を有する。
【0016】
１つ又はいくつかカット（平坦な縁部、ノッチ）を有する１つ又は複数の磁気ドットに基づき、この形状により、ドット内の渦コアの経路を制御できるため、再現性が高くなる。
【0017】
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を助けとして、よりよく理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【0018】
【発明を実施するための形態】
【0019】
図５は、磁気トンネル接合部２を備える磁気素子１０の断面図を示す。磁気トンネル接合部は、トンネル障壁層２２を備える。トンネル障壁層２２は、第１磁化２１０を持つ第１強磁性層２１と、第２磁化２３０を持つ第２強磁性層２３との間に挟まれている。磁気素子１０は、磁力線４０をさらに備え、磁力線４０は、外部磁場４２を生成するように磁場電流４１を通過させるため配置されている。第１磁化２１０は、第２磁化２３０の配向が変化しないままでありながら、外部磁場４２内で配向可能であるように構成し得る。そのような構成では、外部磁場４２が（外部磁場４２の極性に応じて）、第１磁化２１０を第２磁化２３０に平行な配向から第２磁化２３０に逆平行（平行であるがベクトルの方向が逆）な配向への切替、そしてその反対への切替に、使用可能である。第１磁化２１０が第２磁化２３０に平行であるとき、ＭＲＡＭセル１０の抵抗は低い（論理状態「０」）。第１磁化２１０が第２磁化２３０に逆平行であるとき、ＭＲＡＭセル１０の抵抗は高い（論理状態「１」）。外部磁場４２は、磁力線を使用して生成する必要はないが、永久磁石構成（非図示）又は外部磁場４２を生成するように適合された他の任意の適切な磁場装置を使用して生成されるようにしてもよい。
【0020】
図６は、一実施形態による、第１強磁性層２１の平面図を示している。第１磁化２０１の平面において、第１強磁性層２１は、０から１未満の間の離心率を有する楕円形をしている。第１強磁性層２１の周辺部の周辺部分５１は、第１強磁性層２１の周辺にて、第１強磁性層２１の半径方向に延在するインデント５０（下がり部分５０）をなすように、部分的に切り出されている。この構成では、磁化渦はインデント５０から核形成する。よって、外部磁場４２がない場合、渦コア２１１は、インデント５０の近く（磁場方向に垂直な軸線内）に位置する。インデント５０は、磁化渦の制御された核形成部位の役割をしている。
【0021】
第１強磁性層２１は、必ずしも楕円形である必要はないが、第１磁化が安定した渦構成を備えるものとなる形状を有する必要がある。
【0022】
周辺部分５１の接線に実質的に平行であり、第１強磁性層２１に平行な平面に沿って（図６では「－ｘ」と「ｘ」の間の軸線で表されている）ある方向に外部磁場４２を印加することで、渦コア２１１を、周辺部分５１の接線に対して実質的に垂直なある方向に移動させる。ある観点では、外部磁場４２が核形成場Ｈｎに対応するとき、渦コア２１１は、インデント５０の近くの（又は実質的にインデント５０における）渦コア２１１の初期位置から第１強磁性層２１内に移動する。核形成場Ｈｎは、渦構成が核形成するか又は周辺部分５１の接線に実質的に垂直な方向に再核形成するところである。換言すると、外部磁場４２を第１磁場方向－Ｈｘにかけると、渦コア２１１が第１変位方向２１２に移動する。第１磁化２１０は、第１強磁性層２１の平面内で、渦コア２１１の周りを反時計回りの方向に回転する。第１磁場方向－Ｈｘとは反対に、第２磁場方向Ｈｘに外部磁場４２をかけると、渦コア２１１が第２変位方向２１３に移動する。第１磁化２１０は、第１強磁性層２１の平面内で、渦コア２１１の周りを時計回りに回転する。渦コア２１１の第１及び第２変位方向２１２、２１３の両方は、インデント５０の近くの渦コア２１１の初期位置から離れていて、周辺部分５１の接線に実質的に垂直である。
【0023】
別の観点では、渦の核形成又は再核形成時（核形成場Ｈｎで）の渦コア２１１のインデント５０の近く（又は実質的にインデント５０で）の初期位置は、第１及び第２磁場方向－Ｈｘ、Ｈｘにおいて外部磁場４２が与えられているときの初期位置と実質的に同一である。渦コア２１１が第１及び第２変位方向２１２、２１３に移動するとき、それは実質的に同じ欠陥３０に遭遇し、実質的に同じ欠陥３０にひっかかりそこから解放される。よって、第１及び第２変位方向２１２、２１３における渦コア２１１の変位の経路は、（図６に見られるように）実質的に同一である。
【0024】
図７は、図６の第１強磁性層２１の磁化曲線Ｍ－Ｈを表し、これは、外部磁場４２の影響下での第１強磁性層２１の第１磁化２１０における変化を示す。第１及び第２変位方向２１２、２１３における渦コア２１１の実質的に同一の変位経路は、外部磁場４２を第１方向－Ｈｘ及び第２方向Ｈｘに与えているとき、第１磁化２１０磁化分布と同様の磁化分布の結果となる。外部磁場４２を第２磁場方向Ｈｘに与えているときと比較して外部磁場４２を第１磁場方向－Ｈｘに与えているときのＭ－Ｈ曲線間のずれΔＭは、インデント５０のない強磁性層に比べて大幅に減少する（図４参照）。実は、ずれΔＭは実質的に無値になる場合がある。
【0025】
図８は、実施形態による第１強磁性層２１の平面図を示す。第１磁化２０１の平面において、第１強磁性層２１は、約１．３の楕円形のアスペクト比を有し、ここで、アスペクト比は、長軸と短軸との比を示す。第１強磁性層２１の周辺部分５１は、第１強磁性層２１の周囲にて、第１強磁性層２１の半径方向に延在するインデント５０を形成するように、部分的に切り取られている。
【0026】
より具体的には、図８ａ及び図８ｂにおいて、インデント５０は、概ね円弧形状の第１強磁性層２１の周囲を部分的に切り抜いて形成されたノッチを備える。図８ａでは、インデント５０は、実質的に平坦な周辺部分５１の結果となっている。図８ｂでは、ノッチは、わずかに凸形状の周辺部分５１をもたらすように形成されている。平坦な周辺部分５１は、外部磁場４２の配向に実質的に平行な配向であり得る。
【0027】
別の例が図８ｃに示され、この図８ｃでインデント５０は、円い溝の形状を持つノッチを備える。さらに別の例が図８ｄに示され、この図８ｄでインデント５０は、長方形の溝の形状を持つノッチを備える。図６に示された第１強磁性層２１は、Ｖ字形状のインデント５０を備える。先に論じたように、インデント５０は、磁化渦にインデント５０の近くで核形成させ、渦コア２１１の第１変位方向２１２及び第２変位方向２１３が実質同一となる結果となる。対応する磁化曲線Ｍ－ＨのずれΔＭは、これにより、大幅に減少する（ずれΔＭは実質的に無値であることがある）。磁気素子１０は、これにより、インデント５０のない強磁性層を持つ磁気素子と比較して、拡大された測定範囲を持てるようになる。
【0028】
図８ｅに示されるように、第１強磁性層２１は、実質的に平坦な周辺部分５１をもたらして互いに対向している２つのインデント５０を備える。平坦な周辺部分５１は、外部磁場４２の配向に実質的に平行な配向であり得る。第１及び第２変位方向２１２、２１３における渦コア２１１の実質的に同一の変位経路を得るために、２つのインデント５０は非対称に配置されるべきである。 図８ｅの例では、非対称性は、異なる大きさとなっている平坦な周辺部分５１（複数）の提供によって達成されている。
【0029】
より一般的には、第１強磁性層２１は、１つより多いインデント５０を備えてよい。複数のインデント５０は非対称に配置されるべきである。
【0030】
図９は、別の実施形態による第１強磁性層２１の平面図を示す。第１磁化２０１の平面において、第１強磁性層２１は、１．５超の楕円形のアスペクト比を持つ。この図では、長軸はＧＡで示され、短軸はＰＡで示されている。インデント５０は、実質的に平坦な周辺部分５１（実線）の頂点の１つで第１強磁性層２１の周辺を部分的に切り抜くことによって形成されたノッチを備える。また、図には、若干凸状の周辺部分５１（破線）になるように形成されたノッチを備えるインデント５０が示されている。インデント５０の深さＤは、約０．１ＰＡであり得る。凸状の周辺部分５１の場合、半径Ｒｄは周辺部分５１の半径Ｒｄは、約０．５Ｄである。周辺部分５１は、外部磁場４２の配向に実質的に平行な配向であり得る。例えば、第１強磁性層２１は、外部磁場４２が短軸ＰＡに実質的に平行に配向されるように配置してよい。第１強磁性層２１のこの構成は、短軸ＰＡに実質的に平行に与えられる外部磁場４２に直交する外部磁場の直交成分４２ｙが５０ｍＴを下回るのを可能にする。
【0031】
図１０は、図９の第１強磁性層２１の変形例を示し、この図で第１強磁性層２１は、別のインデント５０を備える。他のインデント５０は、実質的に平坦な周辺部分５１（実線）において、他の頂点で第１強磁性層２１の周辺を部分的に切り出すことによって形成されたノッチを備える。また、図には、若干凸状の周辺部分５１（破線）になるように形成されたノッチを備える他のインデント５０も示されている。２つのインデント５０は、互いに反対方向で向かい合っている。第１及び第２変位方向２１２、２１３において渦コア２１１の実質的に同一の変位経路を得るために、２つのインデント５０は非対称に配置されるべきである。図１０の例では、非対称性は、インデント５０のうちの１つの周辺部分５１に、より小さな（又はより大きな）深さを提供することによって達成される。
【0032】
２つのインデント５０の周辺部分５１は、外部磁場４２の配向に実質的に平行な配向であり得る。例えば、第１強磁性層２１は、外部磁場４２が短軸ＰＡに実質的に平行に配向されるように配置してよい。
【0033】
図１１のグラフは、４００ｎｍ、５００ｎｍ、及び６００ｎｍの短軸ＰＡを持つ第１強磁性層２１のアスペクト比ＡＲの関数としての核形成場Ｈｎを報告するものである。核形成場Ｈｎは、外部磁場４２が渦キャンセル場又は放出場Ｈｓ（図７参照）を下回るときに、渦構成が核形成又は再核形成する外部磁場４２の値に対応する。
【0034】
図１２のグラフは、４００ｎｍ、５００ｎｍ、及び６００ｎｍの短軸ＰＡを持つ第１強磁性層２１のアスペクト比ＡＲの関数としての渦キャンセル場Ｈｓを報告するものである。図１１及び１２の両方のグラフについて、外部磁場４２は、周辺部分５１及び短軸ＰＡに実質的に平行に与えられている（図９及び図１０参照）。直交成分４２ｙは無値であると仮定されている。
【0035】
図１１及び図１２は、第１強磁性層２１のアスペクト比ＡＲを増加させると、（第１強磁性層２１のサイズに関係なく）核形成場Ｈｎ及び渦キャンセル場Ｈｓのより高い値が得られることを示している。磁気素子１０の広い測定範囲を得るには、核生成場Ｈｎと渦キャンセル場Ｈｓの値を高くすることが望まれる。第１強磁性層２１の異なるサイズのための同様の渦キャンセル場Ｈｓは、第１強磁性層２１のアスペクト比ＡＲの調整によって取得できる。しかしながら、アスペクト比ＡＲは、渦構成よりも安定している他の磁化構成によって制限される。例えば、高アスペクト比にはマクロスピン構成が好まれる。
【0036】
図１３のグラフは、実質的に平坦な周辺部分５１を持つインデント５０の深さの関数としての核形成場Ｈｎを報告するものである。実質的に平坦な周辺部分５１を持つインデント５０は、（周辺部分５１での）核形成位置及び渦の真円度、すなわち、第２磁場方向Ｈｘに与えられる外部磁場４２に対して時計回り、及び第１磁場方向－Ｈｘに与えられる外部磁場４２に対して反時計回りの制御を可能にする。
【0037】
図１４にて、グラフは、実質的に平坦な周辺部分５１を持つインデント５０の深さの関数としての渦キャンセル場Ｈｓを報告するものである。図１３及び図１４の両方に示されるように、値は、６００ｎｍの短軸ＰＡを有する第１強磁性層２１、及び２つのアスペクト比ＡＲ、すなわち、ＡＲ＝１（円）及びＡＲ＝２（円環）について報告されている。図１３及び図１４の両方のグラフについて、外部磁場４２は周辺部分５１及び短軸ＰＡに実質的に平行に与えられている（図９及び図１０を参照）。直交成分４２ｙは無値であると仮定されている。
【0038】
図１３と図１４は、アスペクト比ＡＲが高いとパス制御が良好になることを示している。高い核形成場Ｈｎ及び高い渦キャンセル場Ｈｓに対して、より良い経路制御が得られる。特に、アスペクト比ＡＲ＝２の場合はインデントの深さＤ＞１０ｎｍで、アスペクト比ＡＲ＝１の場合はインデントの深さＤ＞１００ｎｍで良好なパス制御が得られる。より具体的には、アスペクト比ＡＲ＝１の場合、インデントの深さＤが増加すると、核形成場Ｈｎ及び渦キャンセル場Ｈｓの減少が観察される。アスペクト比ＡＲ＝２の場合、インデントの深さＤ＜６０ｎｍの場合、核生成場Ｈｎと渦キャンセル場Ｈｓで高い一定値とほぼ一定の値が得られる。核形成場Ｈｎと渦キャンセル場Ｈｓの最適値は、インデントの深さＤが短軸ＰＡの長さの約１０％のときに得られる。
【0039】
より一般的には、核形成場Ｈｎ及び渦キャンセル場Ｈｓの最適値は、インデントの深さＤが、第１強磁性層２１の寸法の中で比較的小さい寸法の約１０％から約３０％の間の値であり、この小さい方の寸法は第１強磁性層２１の平面内で測定されて得られる。例えば、楕円形を持つ第１強磁性層２１の場合、インデントの深さＤは、第１強磁性層２１の短軸ＰＡの長さの約１０％から約３０％の間である。円形を持つ第１強磁性層２１の場合、インデントの深さＤは、第１強磁性層２１の直径の約１０％から約３０％の間である。第１強磁性層２１のより小さな寸法が１０％よりも小さいインデントの深さＤは、キラリティー制御を失う結果になる。換言すると、インデントの深さＤは、磁化渦をインデント５０で実質的に核形成不能にするおそれがあり、渦コア２１１の変位の経路の良好な制御が妨げられるおそれがある。第１強磁性層２１のより小さな寸法が３０％より大きいインデントの深さＤは、低い核形成場Ｈｎの結果となって、それにより磁気素子１０の狭い測定範囲の結果となる。狭い測定範囲は、磁気素子１０のセンサ適用に問題である。例えば、第１強磁性層２１を半分（Ｄ＞５０％）に切断する平らなインデントを使うと、実質的に測定範囲がゼロの結果となる。
【0040】
図１５に示されるグラフは、６００ｎｍの短軸ＰＡ、２のアスペクト比ＡＲ及び８０ｎｍのインデントの深さＤについて、周辺部分５１の半径Ｒｄの関数としての核形成場Ｈｎ及び渦キャンセル場Ｈｓを報告するものである。直交成分４２ｙは無値であると仮定されている。周辺部分５１の半径Ｒｄは、半楕円でモデル化されている。この図は、第１変位方向２１２及び第２変位方向２１３における渦コア２１１の変位経路が実質的に同一（渦コア２１１の「単一の」経路）であるが、インデントの深さＤの約５０％の半径Ｒｄ、すなわち、半径Ｒｄ＜４０ｎｍで得られることを示している。これらの値の外側に、２つの渦構成が現れる。インデントの深さＤの５０％以下の半径Ｒｄについて、核形成場Ｈｎ及び渦キャンセル場Ｈｓの概ね一定の値が得られる。
【0041】
無値ではない直交成分４２ｙの存在に対する第１強磁性層２１内の渦コア２１１の「単一」経路のロバスト性は、磁化渦がすでに渦キャンセル場Ｈｓから核形成されているときに無値でない直交成分４２ｙを適用することによって試験された。最初の分布を観察することによって無値でない直交成分４２ｙの適用中及び適用後の第１磁化２１０において、渦コア２１１の「単一の」経路は、４５０Ｏｅ以下の直交成分４２ｙに対して維持されることが示された。
【0042】
一実施形態では、磁気センサ（図示せず）は、複数の磁気素子１０を備える。
【符号の説明】
【0043】
１０ 磁気装置
２ 磁気トンネル接合
２１ 第１強磁性層
２１０ 第１磁化
２１１ 渦コア
２１２ 渦コアの第１方向の変位
２１３ 渦コアの第２方向の変位
２２ トンネルバリア層
２３ 第２強磁性層
２３０ 第２磁化
３０ 欠陥
４０ 磁力線
４１ 磁場電流
４２ 外部磁場
４２ｙ 外部磁場の直交成分
５０ インデント
５１ 周辺部分
ΔＭ オフセット
ＡＲ アスペクト比
Ｄ インデントの深さ
ＧＡ 長軸
Ｈｎ 核生成場
Ｈｓ 渦キャンセル場
－Ｈｘ 第１磁場方向
Ｈｘ 第２磁場方向
ＰＡ 短軸
Ｒｄ 半径周辺部分
２ 磁気トンネル接合
２１ 第１強磁性層
２１０ 第１磁化
２１１ 渦コア
２１２ 渦コアの第１方向の変位
２１３ 渦コアの第２方向の変位
２２ トンネルバリア層
２３ 第２強磁性層
２３０ 第２磁化
３０ 欠陥
４０ 磁力線
４１ 磁場電流
４２ 外部磁場
４２ｙ 外部磁場の直交成分
５０ インデント
５１ 周辺部分
ΔＭ オフセット
ＡＲ アスペクト比
Ｄ インデントの深さ
ＧＡ 長軸
Ｈｎ 核生成場
Ｈｓ 渦キャンセル場
－Ｈｘ 第１磁場方向
Ｈｘ 第２磁場方向
ＰＡ 短軸
Ｒｄ 半径周辺部分
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8a】
【図8b】
【図8c】
【図8d】
【図8e】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【手続補正書】
【提出日】2021-10-26
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、改良された測定範囲を持つ磁気トンネル接合を備える磁気素子に関する。本開示はさらに、複数の前記磁気素子を備える磁気センサに関する。
【背景技術】
【0002】
磁化渦は、磁気構造の表面の横断方向の寸法に比較し得る長さの規模での磁化回転を伴う磁気構造の平面内の磁化を持つ、マイクロ又はナノ磁気構造における、可干渉性の磁気構成である。磁化渦は、静磁気エネルギーと、半径と厚さが十分に大きい磁性層内の円筒形又は近似的に円筒形のマイクロ又はナノ構造の交換エネルギーとの間の平衡から生じる。磁気構造の形状に応じて、渦構成は、残留状態での最低エネルギーを持つ安定したスピン構成になる。
【0003】
安定した渦構成では、渦はキャンセル（打ち消）されることなく可逆的に変形可能である。より具体的には、渦は中程度の磁場の下で可逆的に変形する可能性がある。与えられている磁場に平行な渦磁化の部分は大きくなる傾向があり、与えられている磁場に逆平行な磁化の部分は小さくなる傾向がある。これにより、与えられている磁場の方向を横切る方向に沿って渦コアが変位する。磁場が減少すると、渦コアは徐々にゼロ磁場の平衡位置に戻る。円盤状のマイクロ構造又はナノ構造の場合の渦コアの平衡位置は、円盤の中心にある。
【0004】
図１は、磁化２１０を持つ強磁性層２１の平面図を示す。矢印で表される磁化２１０は磁化渦を含むものである。より具体的には、磁化渦は、渦中心、又は渦コア２１１を備え、渦コア２１１の周りを時計回り又は反時計回りに回転する平面外の磁化及び平面内の磁化を伴うものである。
【0005】
特に、図１ａは、外部磁場４２がない場合の第１磁化渦を表していて、渦コア２１１は、実質的に第１強磁性層断面の中心にある。この構成では、第１強磁性層２１は、実質的にゼロ（Ｈ＝０）である純の磁気モーメントを有する。
【0006】
第１強磁性層２１の簡便軸線に沿って（図１のｘ方向に沿って）外部磁場Ｈｘを与えると、渦コア２１１は、第１強磁性層２１の簡便軸線に実質的に垂直な方向に移動する。図１ｂでは、渦コア２１１は、この図中左向きの第１磁場方向－Ｈｘに外部磁場を与えると、第１変位方向（図１ｂでは上向き）に移動する。渦コア２１１（図１ｂ）の第１変位方向（矢印２１２で示す）の変位は、第１強磁性層２１において純の磁気モーメントＨ＜０の結果となる。図１ｃは、第１磁場方向－Ｈｘとは反対に、第２磁場方向Ｈｘに外部磁場を与えると、第２変位方向（図１ｃでは下向き）に移動する渦コア２１１を示す。（矢印２１３で示される）第２変位方向での渦コア２１１の変位は、第１強磁性層２１において純の磁気モーメントＨ＞０の結果となる。
【0007】
【0008】
－ＨｓとＨｓの間にある外部磁場（Ｈｓは渦キャンセル場）に渦構成が存在し、その渦コア２１１は 第１強磁性層２１の平面内で弾性的かつ可逆的に移動する。Ｈｓより強い又は（Ｈｓの反対方向にある）－Ｈｓより強い磁場の場合、渦がキャンセル（打ち消）され、磁性層は本質的に単一ドメイン構成に変化する。外部磁場が飽和を下回ると、渦の構成が再核化する。このように、渦構成のキャンセルと核形成にはある程度のヒステリシスがあるが、渦の弾性変形に対応する部分の全体は完全に可逆的である。
【0009】
図１及び図２は、それぞれ、磁化２１０の渦マイクロ磁気構成及び第１強磁性層２１に欠陥がない理想的な場合の対応する磁化曲線Ｍ－Ｈを表す。このような理想的なケースでは、Ｒ－Ｈ曲線にずれ（オフセット）は見られない。換言すると、第１及び第２変位方向２１２、２１３における渦コア２１１の変位の経路は、磁化曲線Ｍ－Ｈ上に影響しない。
【0010】
図３は、欠陥３０を含む第１強磁性層２１の平面図を示す。渦コア２１１が第１変位方向２１２に移動すると、変位経路で遭遇した欠陥３０にひっかかる（それから、欠陥３０から解放される）。同様に、第２変位方向２１３に移動する渦コア２１１は、変位経路で遭遇する欠陥３０にひっかかる（その後欠陥３０から解放される）。核形成におけるその位置に応じて、渦コア２１１は、第１変位方向２１２に移動するとき、第２変位方向２１３に移動するときとは異なる欠陥３０に、ひっかかりそこから解放されるおそれがある。異なる欠陥へのこのひっかかりと解放を原因として、渦コア２１１は、（図３に示されるように）第１及び第２変位方向２１２、２１３において異なる経路をたどることがある。第１強磁性層２１と第２磁化を有する第２強磁性層との間に挟まれたトンネル障壁層を備える磁気トンネル接合において、第１及び第２変位方向２１２、２１３において異なる経路をたどる渦コア２１１は、異なる磁化分布をもたらして、これにより、外部磁場Ｈの各値での磁気トンネル接合の異なる抵抗をもたらす結果となる。
【0011】
図４は、図３の強磁性層２１の磁化曲線Ｍ－Ｈを表し、これは、外部磁場４２の影響下での第１強磁性層２１の磁化２１０内の変化を示す。第１及び第２変位方向２１２、２１３において異なる経路をたどる渦コア２１１は、外部磁場４２が第２磁場方向Ｈｘに与えられるときと比較して、外部磁場４２が第１磁場方向－Ｈｘに与えられるときＭ－Ｈ曲線の間のずれΔＭに推移する。ずれΔＭも再現可能ではないことがある。さらに、ずれは、Ｒ－Ｈ曲線、すなわち、外部磁場４２の関数としての磁気トンネル接合の抵抗の変化においても、観察され得る。
【0012】
このずれは、許容される測定範囲を狭めるため、センサの適用上有害である。この再現性のない影響に対する現在の取り組みは、適用範囲を小さくしたり、センサの実施性能を制限したりしている。
【0013】
特許文献１（ＫＲ１０１７２８５０８）には、ディスクに多くの情報を格納するパーマロイ製の非対称ナノディスクと、電流又は磁界を印加してナノディスクに水平方向の磁化を形成する第１ワイヤと、第１ワイヤと垂直に配置され、電流又は磁界を印加してナノディスクに垂直方向の磁化を形成する第２ワイヤとを用いた単位情報記憶装置が開示されている。
【0014】
非特許文献１（Ｃｈａｏ－Ｈｓｉｅｎ Ｈｕａｎｇ，ｅｔ．ａｌ．，“Ｓｔｕｄｙ ｏｆ Ｏｎｅ－Ｓｉｄｅ－Ｆｌａｔ Ｅｄｇｅ ｏｎ Ｖｏｒｔｅｘ ｉｎ Ｓｕｂｍｉｃｒｏ－Ｓｃａｌｅｄ Ｐｅｒｍａｌｌｏｙ Ｄｉｓｋｓ”， ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ，Ｖｏｌ．４６，Ｎｏ．６，Ｊｕｎｅ ２０１０）には、サブマイクロ規模のパーマロイ円盤に片側の平坦な縁部を設けることが記載されている。円盤の等方性を崩すことで，渦の核生成と消滅の制御を実現している。ディスクの切断率が異なる一連の片面が平坦な磁気円盤アレイが記載されている。
【0015】
非特許文献２（Ｓｃｈｎｅｉｄｅｒ Ｍ ｅｔ ａｌ．，“Ｍａｇｎｅｔｉｃ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ ｖｏｒｔｅｘ ｐｅｒｍａｌｌｏｙ ｅｌｅｍｅｎｔｓ”，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ， Ｖｏｌ．７９，Ｎｏ．１９，５ Ｎｏｖｅｍｂｅｒ ２００１）には、円形ドットの幾何学的形状にわずかな非対称性を導入することで、渦（のような）構成の回転検知を制御できる単一渦素子が記載されている。
【0016】
特許文献２（ＵＳ２０１８００３７７６）には、少なくとも１つの磁気抵抗構造を有する磁気センサ装置が記載されている。この磁気抵抗構造は、自由層に閉磁束磁化パターンを生成するように構成された磁気自由層と、非閉磁束参照磁化パターンを有する磁気参照層と、磁気自由層における外部磁界の磁束密度を増加させるように構成された磁束集中器とを備える。
【0017】
非特許文献３（Ｖ．Ｃａｍｂｅｌｅｔ ａｌ．，“Ｍｉｃｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ ｏｆ Ｐａｃ－Ｍａｎ－Ｌｉｋｅ Ｎａｎｏｍａｇｎｅｔｓ ｆｏｒ Ｍｅｍｏｒｙ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ”，Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｂ ８４，０１４４２４（２０１１））には、１００ｎｍ以下のパーマロイナノ磁石のサイズに依存した磁気状態が記載されている。この形状は、面内磁場のみを与えることで、渦の極性やキラリティーを独立に設定及び読み出しするのに適している。
【0018】
特許文献３（ＷＯ０３０３２３３６）には、残留磁束の閉塞感を有する磁化パターンを備える磁気素子が記載されている。この磁気素子は非対称であり、磁化の回転検知は、与える磁界によって制御可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0019】
【特許文献1】韓国登録特許第１０－１７２８５０８号公報
【特許文献2】米国特許出願公開第２０１８／００３７７６号明細書
【特許文献3】国際公開第０３／０３２３３６号
【非特許文献】
【0020】
【非特許文献1】Ｃｈａｏ－Ｈｓｉｅｎ Ｈｕａｎｇ，ｅｔ．ａｌ．，“Ｓｔｕｄｙ ｏｆ Ｏｎｅ－Ｓｉｄｅ－Ｆｌａｔ Ｅｄｇｅ ｏｎ Ｖｏｒｔｅｘ ｉｎ Ｓｕｂｍｉｃｒｏ－Ｓｃａｌｅｄ Ｐｅｒｍａｌｌｏｙ Ｄｉｓｋｓ”，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ， Ｖｏｌ．４６，Ｎｏ．６，Ｊｕｎｅ ２０１０
【非特許文献2】Ｓｃｈｎｅｉｄｅｒ Ｍ ｅｔ ａｌ．，“Ｍａｇｎｅｔｉｃ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ ｖｏｒｔｅｘ ｐｅｒｍａｌｌｏｙ ｅｌｅｍｅｎｔｓ”，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．７９，Ｎｏ．１９， ５ Ｎｏｖｅｍｂｅｒ ２００１
【非特許文献3】Ｖ．Ｃａｍｂｅｌｅｔ ａｌ．，“Ｍｉｃｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ ｏｆ Ｐａｃ－Ｍａｎ－Ｌｉｋｅ Ｎａｎｏｍａｇｎｅｔｓ ｆｏｒ Ｍｅｍｏｒｙ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ”，Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｂ ８４，０１４４２４、２０１１
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【0021】
本開示は、
第１磁化を持つ第１強磁性層と第２磁化を持つ第２強磁性層との間に挟まれたトンネルバリア層を備える磁気トンネル接合要素と、
第２磁化の配向を変えることなく第１磁化の配向を変えるように適合された外部磁場を与えるように構成された磁場装置と、
第１磁化が安定した磁化渦構成を備えるように構成された第１強磁性層と
を備える磁気センサにおいて、
渦の核形成又は再核形成の際に、磁化渦の渦コアが実質的にインデントに位置するように、第１強磁性層がインデントを備えるようにさらに構成されていて、
外部磁場が第１磁場方向に与えられると、渦コアは第１経路に沿って動き、第１磁化は第１強磁性層の平面内で渦コアの周りを反時計回りの方向に回転するものであり、
外部磁場が第１磁場方向とは反対の第２磁場方向に与えられると、渦コアは第２経路に沿って動き、第１磁化は第１強磁性層の平面内で渦コアの周りを時計回りの方向に回転するものである。第１磁場経路及び第２磁場経路が、両方とも実質的に同一であり、渦コアをインデントから遠ざけるものである。第１強磁性層は、アスペクト比が１と２の間の楕円形をしていて、インデントのインデントの深さは、楕円の短軸の約０．１倍である。インデントは、第１強磁性層の外周に沿った凸状の周縁部を備え、周縁部の半径は、インデントの深さの約０．５倍である。
第１磁化を持つ第１強磁性層と第２磁化を持つ第２強磁性層との間に挟まれたトンネルバリア層を備える磁気トンネル接合要素と、
第２磁化の配向を変えることなく第１磁化の配向を変えるように適合された外部磁場を与えるように構成された磁場装置と、
第１磁化が安定した磁化渦構成を備えるように構成された第１強磁性層と
を備える磁気センサにおいて、
渦の核形成又は再核形成の際に、磁化渦の渦コアが実質的にインデントに位置するように、第１強磁性層がインデントを備えるようにさらに構成されていて、
外部磁場が第１磁場方向に与えられると、渦コアは第１経路に沿って動き、第１磁化は第１強磁性層の平面内で渦コアの周りを反時計回りの方向に回転するものであり、
外部磁場が第１磁場方向とは反対の第２磁場方向に与えられると、渦コアは第２経路に沿って動き、第１磁化は第１強磁性層の平面内で渦コアの周りを時計回りの方向に回転するものである。第１磁場経路及び第２磁場経路が、両方とも実質的に同一であり、渦コアをインデントから遠ざけるものである。第１強磁性層は、アスペクト比が１と２の間の楕円形をしていて、インデントのインデントの深さは、楕円の短軸の約０．１倍である。インデントは、第１強磁性層の外周に沿った凸状の周縁部を備え、周縁部の半径は、インデントの深さの約０．５倍である。
【0022】
本開示はさらに、複数の前記磁気素子を備える磁気センサに関する。
【0023】
前記磁気素子は、測定範囲が改善された測定範囲を持っている。磁気素子はさらに、高磁場バイアスをかけた後の応答の良好な再現性を有する。
【0024】
１つ又はいくつかカット（平坦な縁部、ノッチ）を有する１つ又は複数の磁気ドットに基づき、この形状により、ドット内の渦コアの経路を制御できるため、再現性が高くなる。
【0025】
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を助けとして、よりよく理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【0026】
【発明を実施するための形態】
【0027】
図５は、磁気トンネル接合部２を備える磁気素子１０の断面図を示す。磁気トンネル接合部は、トンネル障壁層２２を備える。トンネル障壁層２２は、第１磁化２１０を持つ第１強磁性層２１と、第２磁化２３０を持つ第２強磁性層２３との間に挟まれている。磁気素子１０は、磁力線４０をさらに備え、磁力線４０は、外部磁場４２を生成するように磁場電流４１を通過させるため配置されている。第１磁化２１０は、第２磁化２３０の配向が変化しないままでありながら、外部磁場４２内で配向可能であるように構成し得る。そのような構成では、外部磁場４２が（外部磁場４２の極性に応じて）、第１磁化２１０を第２磁化２３０に平行な配向から第２磁化２３０に逆平行（平行であるがベクトルの方向が逆）な配向への切替、そしてその反対への切替に、使用可能である。第１磁化２１０が第２磁化２３０に平行であるとき、ＭＲＡＭセル１０の抵抗は低い（論理状態「０」）。第１磁化２１０が第２磁化２３０に逆平行であるとき、ＭＲＡＭセル１０の抵抗は高い（論理状態「１」）。外部磁場４２は、磁力線を使用して生成する必要はないが、永久磁石構成（非図示）又は外部磁場４２を生成するように適合された他の任意の適切な磁場装置を使用して生成されるようにしてもよい。
【0028】
図６は、一実施形態による、第１強磁性層２１の平面図を示している。第１磁化２０１の平面において、第１強磁性層２１は、０から１未満の間の離心率を有する楕円形をしている。第１強磁性層２１の周辺部の周辺部分５１は、第１強磁性層２１の周辺にて、第１強磁性層２１の半径方向に延在するインデント５０（下がり部分５０）をなすように、部分的に切り出されている。この構成では、磁化渦はインデント５０から核形成する。よって、外部磁場４２がない場合、渦コア２１１は、インデント５０の近く（磁場方向に垂直な軸線内）に位置する。インデント５０は、磁化渦の制御された核形成部位の役割をしている。
【0029】
第１強磁性層２１は、必ずしも楕円形である必要はないが、第１磁化が安定した渦構成を備えるものとなる形状を有する必要がある。
【0030】
周辺部分５１の接線に実質的に平行であり、第１強磁性層２１に平行な平面に沿って（図６では「－ｘ」と「ｘ」の間の軸線で表されている）ある方向に外部磁場４２を印加することで、渦コア２１１を、周辺部分５１の接線に対して実質的に垂直なある方向に移動させる。ある観点では、外部磁場４２が核形成場Ｈｎに対応するとき、渦コア２１１は、インデント５０の近くの（又は実質的にインデント５０における）渦コア２１１の初期位置から第１強磁性層２１内に移動する。核形成場Ｈｎは、渦構成が核形成するか又は周辺部分５１の接線に実質的に垂直な方向に再核形成するところである。換言すると、外部磁場４２を第１磁場方向－Ｈｘにかけると、渦コア２１１が第１変位方向２１２に移動する。第１磁化２１０は、第１強磁性層２１の平面内で、渦コア２１１の周りを反時計回りの方向に回転する。第１磁場方向－Ｈｘとは反対に、第２磁場方向Ｈｘに外部磁場４２をかけると、渦コア２１１が第２変位方向２１３に移動する。第１磁化２１０は、第１強磁性層２１の平面内で、渦コア２１１の周りを時計回りに回転する。渦コア２１１の第１及び第２変位方向２１２、２１３の両方は、インデント５０の近くの渦コア２１１の初期位置から離れていて、周辺部分５１の接線に実質的に垂直である。
【0031】
別の観点では、渦の核形成又は再核形成時（核形成場Ｈｎで）の渦コア２１１のインデント５０の近く（又は実質的にインデント５０で）の初期位置は、第１及び第２磁場方向－Ｈｘ、Ｈｘにおいて外部磁場４２が与えられているときの初期位置と実質的に同一である。渦コア２１１が第１及び第２変位方向２１２、２１３に移動するとき、それは実質的に同じ欠陥３０に遭遇し、実質的に同じ欠陥３０にひっかかりそこから解放される。よって、第１及び第２変位方向２１２、２１３における渦コア２１１の変位の経路は、（図６に見られるように）実質的に同一である。
【0032】
図７は、図６の第１強磁性層２１の磁化曲線Ｍ－Ｈを表し、これは、外部磁場４２の影響下での第１強磁性層２１の第１磁化２１０における変化を示す。第１及び第２変位方向２１２、２１３における渦コア２１１の実質的に同一の変位経路は、外部磁場４２を第１方向－Ｈｘ及び第２方向Ｈｘに与えているとき、第１磁化２１０磁化分布と同様の磁化分布の結果となる。外部磁場４２を第２磁場方向Ｈｘに与えているときと比較して外部磁場４２を第１磁場方向－Ｈｘに与えているときのＭ－Ｈ曲線間のずれΔＭは、インデント５０のない強磁性層に比べて大幅に減少する（図４参照）。実は、ずれΔＭは実質的に無値になる場合がある。
【0033】
図８は、実施形態による第１強磁性層２１の平面図を示す。第１磁化２０１の平面において、第１強磁性層２１は、約１．３の楕円形のアスペクト比を有し、ここで、アスペクト比は、長軸と短軸との比を示す。第１強磁性層２１の周辺部分５１は、第１強磁性層２１の周囲にて、第１強磁性層２１の半径方向に延在するインデント５０を形成するように、部分的に切り取られている。
【0034】
より具体的には、図８ａ及び図８ｂにおいて、インデント５０は、概ね円弧形状の第１強磁性層２１の周囲を部分的に切り抜いて形成されたノッチを備える。図８ａでは、インデント５０は、実質的に平坦な周辺部分５１の結果となっている。図８ｂでは、ノッチは、わずかに凸形状の周辺部分５１をもたらすように形成されている。平坦な周辺部分５１は、外部磁場４２の配向に実質的に平行な配向であり得る。
【0035】
別の例が図８ｃに示され、この図８ｃでインデント５０は、円い溝の形状を持つノッチを備える。さらに別の例が図８ｄに示され、この図８ｄでインデント５０は、長方形の溝の形状を持つノッチを備える。図６に示された第１強磁性層２１は、Ｖ字形状のインデント５０を備える。先に論じたように、インデント５０は、磁化渦にインデント５０の近くで核形成させ、渦コア２１１の第１変位方向２１２及び第２変位方向２１３が実質同一となる結果となる。対応する磁化曲線Ｍ－ＨのずれΔＭは、これにより、大幅に減少する（ずれΔＭは実質的に無値であることがある）。磁気素子１０は、これにより、インデント５０のない強磁性層を持つ磁気素子と比較して、拡大された測定範囲を持てるようになる。
【0036】
図８ｅに示されるように、第１強磁性層２１は、実質的に平坦な周辺部分５１をもたらして互いに対向している２つのインデント５０を備える。平坦な周辺部分５１は、外部磁場４２の配向に実質的に平行な配向であり得る。第１及び第２変位方向２１２、２１３における渦コア２１１の実質的に同一の変位経路を得るために、２つのインデント５０は非対称に配置されるべきである。図８ｅの例では、非対称性は、異なる大きさとなっている平坦な周辺部分５１（複数）の提供によって達成されている。
【0037】
より一般的には、第１強磁性層２１は、１つより多いインデント５０を備えてよい。複数のインデント５０は非対称に配置されるべきである。
【0038】
図９は、別の実施形態による第１強磁性層２１の平面図を示す。第１磁化２０１の平面において、第１強磁性層２１は、１．５超の楕円形のアスペクト比を持つ。この図では、長軸はＧＡで示され、短軸はＰＡで示されている。インデント５０は、実質的に平坦な周辺部分５１（実線）の頂点の１つで第１強磁性層２１の周辺を部分的に切り抜くことによって形成されたノッチを備える。また、図には、若干凸状の周辺部分５１（破線）になるように形成されたノッチを備えるインデント５０が示されている。インデント５０の深さＤは、約０．１ＰＡであり得る。凸状の周辺部分５１の場合、半径Ｒｄは周辺部分５１の半径Ｒｄは、約０．５Ｄである。周辺部分５１は、外部磁場４２の配向に実質的に平行な配向であり得る。例えば、第１強磁性層２１は、外部磁場４２が短軸ＰＡに実質的に平行に配向されるように配置してよい。第１強磁性層２１のこの構成は、短軸ＰＡに実質的に平行に与えられる外部磁場４２に直交する外部磁場の直交成分４２ｙが５０ｍＴを下回るのを可能にする。
【0039】
図１０は、図９の第１強磁性層２１の変形例を示し、この図で第１強磁性層２１は、別のインデント５０を備える。他のインデント５０は、実質的に平坦な周辺部分５１（実線）において、他の頂点で第１強磁性層２１の周辺を部分的に切り出すことによって形成されたノッチを備える。また、図には、若干凸状の周辺部分５１（破線）になるように形成されたノッチを備える他のインデント５０も示されている。２つのインデント５０は、互いに反対方向で向かい合っている。第１及び第２変位方向２１２、２１３において渦コア２１１の実質的に同一の変位経路を得るために、２つのインデント５０は非対称に配置されるべきである。図１０の例では、非対称性は、インデント５０のうちの１つの周辺部分５１に、より小さな（又はより大きな）深さを提供することによって達成される。
【0040】
２つのインデント５０の周辺部分５１は、外部磁場４２の配向に実質的に平行な配向であり得る。例えば、第１強磁性層２１は、外部磁場４２が短軸ＰＡに実質的に平行に配向されるように配置してよい。
【0041】
図１１のグラフは、４００ｎｍ、５００ｎｍ、及び６００ｎｍの短軸ＰＡを持つ第１強磁性層２１のアスペクト比ＡＲの関数としての核形成場Ｈｎを報告するものである。核形成場Ｈｎは、外部磁場４２が渦キャンセル場又は放出場Ｈｓ（図７参照）を下回るときに、渦構成が核形成又は再核形成する外部磁場４２の値に対応する。
【0042】
図１２のグラフは、４００ｎｍ、５００ｎｍ、及び６００ｎｍの短軸ＰＡを持つ第１強磁性層２１のアスペクト比ＡＲの関数としての渦キャンセル場Ｈｓを報告するものである。図１１及び１２の両方のグラフについて、外部磁場４２は、周辺部分５１及び短軸ＰＡに実質的に平行に与えられている（図９及び図１０参照）。直交成分４２ｙは無値であると仮定されている。
【0043】
図１１及び図１２は、第１強磁性層２１のアスペクト比ＡＲを増加させると、（第１強磁性層２１のサイズに関係なく）核形成場Ｈｎ及び渦キャンセル場Ｈｓのより高い値が得られることを示している。磁気素子１０の広い測定範囲を得るには、核生成場Ｈｎと渦キャンセル場Ｈｓの値を高くすることが望まれる。第１強磁性層２１の異なるサイズのための同様の渦キャンセル場Ｈｓは、第１強磁性層２１のアスペクト比ＡＲの調整によって取得できる。しかしながら、アスペクト比ＡＲは、渦構成よりも安定している他の磁化構成によって制限される。例えば、高アスペクト比にはマクロスピン構成が好まれる。
【0044】
図１３のグラフは、実質的に平坦な周辺部分５１を持つインデント５０の深さの関数としての核形成場Ｈｎを報告するものである。実質的に平坦な周辺部分５１を持つインデント５０は、（周辺部分５１での）核形成位置及び渦の真円度、すなわち、第２磁場方向Ｈｘに与えられる外部磁場４２に対して時計回り、及び第１磁場方向－Ｈｘに与えられる外部磁場４２に対して反時計回りの制御を可能にする。
【0045】
図１４にて、グラフは、実質的に平坦な周辺部分５１を持つインデント５０の深さの関数としての渦キャンセル場Ｈｓを報告するものである。図１３及び図１４の両方に示されるように、値は、６００ｎｍの短軸ＰＡを有する第１強磁性層２１、及び２つのアスペクト比ＡＲ、すなわち、ＡＲ＝１（円）及びＡＲ＝２（円環）について報告されている。図１３及び図１４の両方のグラフについて、外部磁場４２は周辺部分５１及び短軸ＰＡに実質的に平行に与えられている（図９及び図１０を参照）。直交成分４２ｙは無値であると仮定されている。
【0046】
図１３と図１４は、アスペクト比ＡＲが高いとパス制御が良好になることを示している。高い核形成場Ｈｎ及び高い渦キャンセル場Ｈｓに対して、より良い経路制御が得られる。特に、アスペクト比ＡＲ＝２の場合はインデントの深さＤ＞１０ｎｍで、アスペクト比ＡＲ＝１の場合はインデントの深さＤ＞１００ｎｍで良好なパス制御が得られる。より具体的には、アスペクト比ＡＲ＝１の場合、インデントの深さＤが増加すると、核形成場Ｈｎ及び渦キャンセル場Ｈｓの減少が観察される。アスペクト比ＡＲ＝２の場合、インデントの深さＤ＜６０ｎｍの場合、核生成場Ｈｎと渦キャンセル場Ｈｓで高い一定値とほぼ一定の値が得られる。核形成場Ｈｎと渦キャンセル場Ｈｓの最適値は、インデントの深さＤが短軸ＰＡの長さの約１０％のときに得られる。
【0047】
より一般的には、核形成場Ｈｎ及び渦キャンセル場Ｈｓの最適値は、インデントの深さＤが、第１強磁性層２１の寸法の中で比較的小さい寸法の約１０％から約３０％の間の値であり、この小さい方の寸法は第１強磁性層２１の平面内で測定されて得られる。例えば、楕円形を持つ第１強磁性層２１の場合、インデントの深さＤは、第１強磁性層２１の短軸ＰＡの長さの約１０％から約３０％の間である。円形を持つ第１強磁性層２１の場合、インデントの深さＤは、第１強磁性層２１の直径の約１０％から約３０％の間である。第１強磁性層２１のより小さな寸法が１０％よりも小さいインデントの深さＤは、キラリティー制御を失う結果になる。換言すると、インデントの深さＤは、磁化渦をインデント５０で実質的に核形成不能にするおそれがあり、渦コア２１１の変位の経路の良好な制御が妨げられるおそれがある。第１強磁性層２１のより小さな寸法が３０％より大きいインデントの深さＤは、低い核形成場Ｈｎの結果となって、それにより磁気素子１０の狭い測定範囲の結果となる。狭い測定範囲は、磁気素子１０のセンサ適用に問題である。例えば、第１強磁性層２１を半分（Ｄ＞５０％）に切断する平らなインデントを使うと、実質的に測定範囲がゼロの結果となる。
【0048】
図１５に示されるグラフは、６００ｎｍの短軸ＰＡ、２のアスペクト比ＡＲ及び８０ｎｍのインデントの深さＤについて、周辺部分５１の半径Ｒｄの関数としての核形成場Ｈｎ及び渦キャンセル場Ｈｓを報告するものである。直交成分４２ｙは無値であると仮定されている。周辺部分５１の半径Ｒｄは、半楕円でモデル化されている。この図は、第１変位方向２１２及び第２変位方向２１３における渦コア２１１の変位経路が実質的に同一（渦コア２１１の「単一の」経路）であるが、インデントの深さＤの約５０％の半径Ｒｄ、すなわち、半径Ｒｄ＜４０ｎｍで得られることを示している。これらの値の外側に、２つの渦構成が現れる。インデントの深さＤの５０％以下の半径Ｒｄについて、核形成場Ｈｎ及び渦キャンセル場Ｈｓの概ね一定の値が得られる。
【0049】
無値ではない直交成分４２ｙの存在に対する第１強磁性層２１内の渦コア２１１の「単一」経路のロバスト性は、磁化渦がすでに渦キャンセル場Ｈｓから核形成されているときに無値でない直交成分４２ｙを適用することによって試験された。最初の分布を観察することによって無値でない直交成分４２ｙの適用中及び適用後の第１磁化２１０において、渦コア２１１の「単一の」経路は、４５０Ｏｅ以下の直交成分４２ｙに対して維持されることが示された。
【0050】
一実施形態では、磁気センサ（図示せず）は、複数の磁気素子１０を備える。
【符号の説明】
【0051】
１０ 磁気装置
２ 磁気トンネル接合
２１ 第１強磁性層
２１０ 第１磁化
２１１ 渦コア
２１２ 渦コアの第１方向の変位
２１３ 渦コアの第２方向の変位
２２ トンネルバリア層
２３ 第２強磁性層
２３０ 第２磁化
３０ 欠陥
４０ 磁力線
４１ 磁場電流
４２ 外部磁場
４２ｙ 外部磁場の直交成分
５０ インデント
５１ 周辺部分
ΔＭ オフセット
ＡＲ アスペクト比
Ｄ インデントの深さ
ＧＡ 長軸
Ｈｎ 核生成場
Ｈｓ 渦キャンセル場
－Ｈｘ 第１磁場方向
Ｈｘ 第２磁場方向
ＰＡ 短軸
Ｒｄ 半径周辺部分
２ 磁気トンネル接合
２１ 第１強磁性層
２１０ 第１磁化
２１１ 渦コア
２１２ 渦コアの第１方向の変位
２１３ 渦コアの第２方向の変位
２２ トンネルバリア層
２３ 第２強磁性層
２３０ 第２磁化
３０ 欠陥
４０ 磁力線
４１ 磁場電流
４２ 外部磁場
４２ｙ 外部磁場の直交成分
５０ インデント
５１ 周辺部分
ΔＭ オフセット
ＡＲ アスペクト比
Ｄ インデントの深さ
ＧＡ 長軸
Ｈｎ 核生成場
Ｈｓ 渦キャンセル場
－Ｈｘ 第１磁場方向
Ｈｘ 第２磁場方向
ＰＡ 短軸
Ｒｄ 半径周辺部分
【手続補正2】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１磁化（２１０）を持つ第１強磁性層（２１）と第２磁化（２３０）を持つ第２強磁性層（２３）との間に挟まれたトンネルバリア層（２２）を備える磁気トンネル接合要素（２）と、第２磁化（２３０）の配向を変えることなく第１磁化（２１０）の配向を変えるように適合された外部磁場（４２）を与えるように構成された磁場装置（４０）と、
第１磁化（２１０）が安定した磁化渦構成を備えるように構成された第１強磁性層（２１）と
を備える磁気センサにおいて、
渦の核形成又は再核形成の際に、磁化渦の渦コア（２１１）が実質的にインデント（５０）に位置するように、第１強磁性層（２１）がインデント（５０）を備えるようにさらに構成されていて、
外部磁場（４２）が第１磁場方向（－Ｈｘ）に与えられると、渦コア（２１１）は第１経路（２１２）に沿って動き、第１磁化（２１０）は第１強磁性層（２１）の平面内で渦コア（２１１）の周りを反時計回りの方向に回転するものであり、
外部磁場（４２）が第１磁場方向とは反対の第２磁場方向（Ｈｘ）に与えられると、渦コア（２１１）は第２経路（２１２）に沿って動き、第１磁化（２１０）は第１強磁性層（２１）の平面内で渦コア（２１１）の周りを時計回りの方向に回転するものであり、
第１磁場経路及び第２磁場経路（２１２、２１３）が、両方とも実質的に同一であり、渦コア（２１１）をインデント（５０）から遠ざけるものであり、
第１強磁性層（２１）は、アスペクト比（ＡＲ）が１と２の間の楕円形をしていて、インデント（５０）のインデントの深さ（Ｄ）は、楕円の短軸（ＰＡ）の約０．１倍であり、
インデント（５０）は、第１強磁性層（２１）の外周に沿った凸状の周縁部（５１）を備え、周縁部（５１）の半径（Ｒｄ）は、インデントの深さ（Ｄ）の約０．５倍である、磁気素子。
【請求項2】
インデント（５０）は、第１強磁性層（２１）の周辺に沿った実質的に平坦な周辺部分（５１）を備える、請求項１に記載の磁気素子。
【請求項3】
インデント（５０）は、第１強磁性層（２１）の周囲に沿った円形のノッチを備える、請求項１に記載の磁気素子。
【請求項4】
インデント（５０）は、第１強磁性層（２１）の周囲に沿った長方形又は長方形状のノッチを備える、請求項１に記載の磁気素子。
【請求項5】
前記磁気素子は１つより多いインデント（５０）を備え、各インデント（５０）の形状は、他のインデント（５０）の形状に対して非対称である、請求項１から４のいずれか一項に記載の磁気素子。
【請求項6】
インデントの深さ（Ｄ）は、第１強磁性層（２１）の平面内で、比較的小さい寸法の約１０％から約３０％の間の値である、請求項１から５のいずれか一項に記載の磁気素子。
【請求項7】
第１強磁性層（２１）は、約１．５のアスペクト比（ＡＲ）を有する、請求項１から６のいずれか一項に記載の磁気素子。
【請求項8】
インデントの深さ（Ｄ）は、第１強磁性層（２１）の短軸（ＰＡ）の長さの約１０％から約３０％の間である、請求項７に記載の磁気素子。
【請求項9】
周辺部分（５１）は、外部磁場（４２）の配向と実質的に平行に配向されている、請求項１から８のいずれか一項に記載の磁気素子。
【請求項10】
前記磁場装置は、外部磁場（４２）を生成するべく磁場電流（４１）を通過させるように配置された磁力線（４０）を備える、請求項１から９のいずれか一項に記載の磁気素子。
【請求項11】
第１強磁性層（２１）が、別のインデント（５０）を少なくとも１つ備える、請求項１から１０のいずれか一項に記載の磁気素子。
【請求項12】
複数の前記磁気素子（１０）を備える、請求項１から１０のいずれか一項に記載の磁気センサ。
【国際調査報告】