知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
特表2023-518156高磁場での誤差が小さな、２次元磁場を感知する磁気抵抗センサ素子
(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】2023-04-28
(54)【発明の名称】高磁場での誤差が小さな、２次元磁場を感知する磁気抵抗センサ素子
(51)【国際特許分類】
H10N 50/10 20230101AFI20230421BHJP
G01R 33/09 20060101ALI20230421BHJP
【ＦＩ】
H10N50/10 Z
H10N50/10 M
G01R33/09
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2022548871
(86)(22)【出願日】2021-03-02
(85)【翻訳文提出日】2022-08-12
(86)【国際出願番号】 IB2021051724
(87)【国際公開番号】W WO2021181203
(87)【国際公開日】2021-09-16
(31)【優先権主張番号】20315038.8
(32)【優先日】2020-03-11
(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】100221981
【弁理士】
【氏名又は名称】石田 大成
(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】デュクリュエ・クラリス
(72)【発明者】
【氏名】クシェ・レア
(72)【発明者】
【氏名】チルドレス・ジェフリー
【テーマコード（参考）】
2G017
5F092
【Ｆターム（参考）】
2G017AA01
2G017AD55
5F092AA20
5F092AB01
5F092AC12
5F092BB17
5F092BB22
5F092BB23
5F092BB35
5F092BB36
5F092BB42
5F092BB43
5F092BB53
5F092BC04
5F092BC07
5F092BC12
5F092BC13
5F092BE04
5F092BE06
5F092CA14
5F092CA15
(57)【要約】
【課題】２次元高磁場の感知における誤差を低減する。
【解決手段】本発明の２次元磁場センサ用磁気抵抗素子（２）は、固定参照磁化（２１０）を有する強磁性参照層（２１）と、外部磁界の存在下で参照磁化（２１０）に対して自由に配向可能なセンス磁化（２３０）を持つ強磁性センス層（２３）と、参照磁化層（２１）とセンス強磁性層（２３）との間のトンネル障壁層（２２）とを備える参照層（２１）は、参照ピン止め層（２１１）と参照被結合層（２１２）との間の参照結合層（２１３）を備える。参照被結合層（２１２）は、参照結合層（２１３）に接する第１被結合副層（２１４）と、第２被結合副層（２１５）と、第３被結合副層（２１７）と、第２及び第３被結合副層（２１５、２１７）の間の挿入層（２１６）とを備える。挿入層（２１６）は遷移金属からなり厚さが約０．１から約０．５ｎｍであり、参照被結合層（２１２）の厚さは約１ｎｍから約５ｎｍの間である。
【解決手段】本発明の２次元磁場センサ用磁気抵抗素子（２）は、固定参照磁化（２１０）を有する強磁性参照層（２１）と、外部磁界の存在下で参照磁化（２１０）に対して自由に配向可能なセンス磁化（２３０）を持つ強磁性センス層（２３）と、参照磁化層（２１）とセンス強磁性層（２３）との間のトンネル障壁層（２２）とを備える参照層（２１）は、参照ピン止め層（２１１）と参照被結合層（２１２）との間の参照結合層（２１３）を備える。参照被結合層（２１２）は、参照結合層（２１３）に接する第１被結合副層（２１４）と、第２被結合副層（２１５）と、第３被結合副層（２１７）と、第２及び第３被結合副層（２１５、２１７）の間の挿入層（２１６）とを備える。挿入層（２１６）は遷移金属からなり厚さが約０．１から約０．５ｎｍであり、参照被結合層（２１２）の厚さは約１ｎｍから約５ｎｍの間である。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
固定された参照磁化（２１０）と、外部磁場の存在下で参照磁化（２１０）に対して自由に配向可能なセンス磁化（２３０）を有するセンス強磁性層（２３）と、
参照強磁性層（２１）及びセンス強磁性層（２３）との間のトンネル障壁層（２２）と
を有する参照強磁性層（２１）を備える、２次元磁界センサ用磁気抵抗素子（２）であって、
参照層（２１）は、参照ピン止め層（２１１）と参照被結合層（２１２）との間の参照結合層（２１３）を備え、
参照被結合層（２１２）は、前記参照結合層（２１３）に接する第１被結合副層（２１４）と、第１被結合副層（２１４）に接する第２被結合副層（２１５）と、前記第３被結合副層（２１７）と、前記第２被結合副層（２１５）及び第３被結合副層（２１７）との間の挿入層（２１６）とを備え、
挿入層（２１６）は、第２被結合副層（２１５）及び第３被結合副層（２１７）間に強磁性交換結合を提供し、
Ｔａを含有する挿入層（２１６）の厚さは０．２ｎｍであり、参照被結合層（２１２）の厚さは１ｎｍから５ｎｍの間である、磁気抵抗素子（２）において、
前記参照ピン止め層（２１１）は、ＣｏＦｅ合金を含有して厚さ２ｎｍを持ち、前記トンネル障壁層（２２）はＭｇを含有し、前記挿入層（２１６）はＴａを含有し、前記第１被結合副層（２１４）はＣｏＦｅ合金からなり、厚さは０．５ｎｍであり、第２被結合副層（２１５）はＣｏＦｅＢ合金からなり厚さは０．７５ｎｍであり、第３被結合副層（２１７）はＣｏＦｅＢ合金からなり、０．４５ｎｍから０．９５ｎｍの厚さを持つことを特徴とし、ここにおいて、磁気抵抗素子（２）は、約１Ｔで与えた磁場下で９０分間、３１０℃で熱処理されていることを特徴とする、磁気抵抗素子（２）。
【請求項2】
挿入層（２１６）は、非晶質又は準非晶質又はナノ結晶である、請求項１に記載の磁気抵抗素子。
【請求項3】
第１被結合副層（２１４）はＣｏ又はＣｏＦｅ合金を含有し、第２被結合副層（２１５）はＣｏＦｅＢ合金を含有する、請求項１又は２に記載の磁気抵抗素子。
【請求項4】
参照ピン止め層（２１１）は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｖ、ＳｉもしくはＢ、又はこれらの元素のいずれかの組み合わせを含有してよい、請求項１から３のいずれか一項に記載の磁気抵抗素子。
【請求項5】
第２被結合副層（２１５）は、第３被結合副層（２１７）の厚さの１倍と２倍の間の厚さを持つ、請求項１から４のいずれか一項に記載の磁気抵抗素子。
【請求項6】
請求項１から５のいずれか一項に記載の磁気抵抗素子（２）を備える、２次元磁場を感知する磁場センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、高磁場で誤差が小さな、２次元（２Ｄ）磁場を感知する磁気抵抗センサ素子に関する。また、本発明は、前述の磁気抵抗素子を備える磁場センサに関する。
【背景技術】
【0002】
トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）効果に基づく磁気センサ素子は、２Ｄ磁場検出に使用できる。このような磁気センサ素子は、典型的には、固定された参照磁化を持つ強磁性参照層と、磁場の存在下で参照磁化に対して自由に配向可能なセンス磁化を持つトンネル障壁層及び強磁性センス層とを備える。参照層は、反強磁性層に接する固定された第１強磁性参照層、結合スペーサ層及び第２強磁性参照層を備える合成反強磁性（ＳＡＦ）構造を備えてよい。良好な精度を持つためには、磁気センサ素子は、高磁場における角度誤差は低くあるべきである。
【0003】
高磁場での低角度誤差は、ＳＡＦ構造の剛性を高めることによって達成できる。ＳＡＦ構造の剛性を高めることは、通常、第１強磁性参照層及び第２強磁性参照層の厚さを減少させることによって達成される。例えば、第１及び第２強磁性層の厚さは、１．０ｎｍまで減少させられる。これは、磁気センサ素子の飽和場Ｈｓａｔを増加させる結果となる。ＳＡＦ構造の磁化は、高印加磁場でより安定（剛性）になる。しかしながら、第１及び第２第１強磁性参照層の厚さを薄くすることは、磁気センサ素子の磁気輸送特性を損なう。このような薄い厚さはさらに、反強磁性（ＡＦ）層によるピン止めを失う結果となり、磁気センサ素子のＴＭＲ応答は非常に低くなる。
【0004】
特許文献１（ＵＳ２０１１１３４５６３）は、磁気ピン止め層と、磁気ピン止め層の上方に位置する自由磁性層と、トンネル障壁層を備える、磁気抵抗ヘッドに関し、ここで、磁気ピン止め層及び自由磁性層の少なくとも一方は層状構造を持ち、ＣｏＦｅ磁性層又はＣｏＦｅＢ磁性層と、ＣｏＦｅＢ及び選択された元素を備える非晶質磁性層と、ＣｏＦｅＢ磁性層と、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、及びＮｂから選択されたいずれかの元素を含有する結晶層を備える層状構造を持つ。ここで結晶層は非晶質磁性層よりもトンネル障壁層に近い位置にある。
【0005】
特許文献２（ＵＳ２０１２２５７２９８）には、反強磁性（ＡＦＭ）層と、ＡＦＭ層の上方の第１強磁性層と、第１強磁性層より上の第２強磁性層と、第１及び第２強磁性層との間のＡＦ結合層と、上述の第２強磁性層の上の固定層と、上述の固定層内又は上述の固定層の隣に挿入層と、固定層の上の障壁層と、障壁層の上に自由層とを持つ、ＴＭＲヘッドが記載されている。
【0006】
特許文献３（ＵＳ２０２００６６７９０）には、第１応答方向と反対に、外部磁場に対する第１応答方向を持つ第１磁気抵抗素子と、外部磁場に対する第２応答方向を持つ第２磁気抵抗素子とを備える材料の積層が記載されている。第１磁気抵抗素子は、第２磁気抵抗素子の下又は上に配置できる。絶縁層は、第１及び第２磁気抵抗素子を分離している。
【0007】
特許文献４（ＵＳ８５８２２５３）は、ＡＦＭ層の上に高スピン偏極参照層積層体を持つ磁気センサを開示している。上述の参照層積層体は、上述のＡＦＭ結合層の上に第１ホウ素非含有強磁性層を備え、上述の第１ホウ素非含有強磁性層上と上述の第１ホウ素非含有強磁性層とに接触する磁気結合層と、上述の磁性結合層上に堆積させて接触している、ホウ素を含有する第２強磁性層と、第２強磁性層上に接するホウ素非含有の第３強磁性体層とを持つ。
【0008】
特許文献５（ＵＳ２０１５１６２５２５）は、参照磁性層、トンネル障壁層、及び自由磁性層を備えてよい磁気トンネル接合記憶素子を備える磁気記憶装置を開示している。参照磁性層は、第１固着層、交換結合層、及び第２ピン止め層を備えてよい。交換結合層は、第１及び第２ピン止め層の間であってもよく、第２ピン止め層は、強磁性層及び非磁性層を備えてもよい。第２ピン止め層は、第１ピン止め層とトンネル障壁層の間であってもよいし、トンネル障壁層は、参照磁性層と自由磁性層との間であってもよい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0009】
【特許文献1】米国特許出願公開第２０１１／１３４５６３号明細書
【特許文献2】米国特許出願公開第２０１２／２５７２９８号明細書
【特許文献3】米国特許出願公開第２０２０／０６６７９０号明細書
【特許文献4】米国特許第８５８２２５３号明細書
【特許文献5】米国特許出願公開第２０１５／１６２５２５号明細書
【発明の概要】
【0010】
本開示は、２次元磁場センサ用磁気抵抗素子に関する。この磁気抵抗素子は、固定された参照磁化を持つ強磁性参照層を備え、
強磁性参照層は、外部磁場の存在下で上述の参照磁化に対して自由に配向可能なセンス磁化を持つ強磁性センス層と、参照強磁性層とセンス強磁性層の間のトンネル障壁層とを備える。参照層は、参照ピン止め層と参照被結合層との間の参照結合層を備え、
参照被結合層は、参照結合層に接する第１被結合副層、第２被結合服層、第３被結合副層、及び第２被結合副層と第３被結合副層との間に挿入層を備え、
遷移金属を含有する挿入層は、約０．１から約０．５ｎｍの間の厚さを持ち、
参照被結合層の厚さは、約１ｎｍと約５ｎｍとの間である。
強磁性参照層は、外部磁場の存在下で上述の参照磁化に対して自由に配向可能なセンス磁化を持つ強磁性センス層と、参照強磁性層とセンス強磁性層の間のトンネル障壁層とを備える。参照層は、参照ピン止め層と参照被結合層との間の参照結合層を備え、
参照被結合層は、参照結合層に接する第１被結合副層、第２被結合服層、第３被結合副層、及び第２被結合副層と第３被結合副層との間に挿入層を備え、
遷移金属を含有する挿入層は、約０．１から約０．５ｎｍの間の厚さを持ち、
参照被結合層の厚さは、約１ｎｍと約５ｎｍとの間である。
【0011】
一実施形態では、上述の参照ピン止め層は、ＣｏＦｅ合金を含有し、２ｎｍの厚さを持つ。上述のトンネル障壁層はＭｇを含有し、上述の挿入層はＴａを含有し、上述の第１被結合副層はＣｏＦｅ合金を含有し、厚さは０．５ｎｍ、上述の第２被結合副層はＣｏＦｅＢ合金を含有し、厚さは０．７５ｎｍであり、第３被結合副層はＣｏＦｅＢ合金を含有し、０．４５ｎｍから０．９５ｎｍの間の厚さを持つ。磁気抵抗素子は、約１Ｔで与えた磁場下で９０分間、３１０℃で熱処理されている。
【0012】
本開示はさらに、２次元磁場を感知する磁場センサに関するものであり、上述の磁気抵抗素子を備える。
【0013】
本明細書に開示される磁気抵抗素子は、高い飽和磁場Ｈｓａｔ及びトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）応答を持つ。磁気抵抗素子はさらに、ＳＡＦ参照層の高い剛性を有し、熱安定性が向上した。磁気抵抗素子は、高磁場でも角度誤差を低減し、精度を向上させる。高飽和磁場Ｈｓａｔ、交換剛性（ＳＡＦ結合）及び磁気抵抗素子のＴＭＲ応答は、ＳＡＦ構造の磁性層厚さを減らすことなく得られる。
【0014】
本発明は、例として与えられ、図によって例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。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【発明を実施するための形態】
【0016】
図１に、一実施形態に係る磁気抵抗素子２の概略図を示す。磁気抵抗素子２は、強磁性参照層２１と、強磁性センス層２３と、参照とセンス強磁性層２１、２３との間にトンネル障壁層２２とを備える。参照層２１は固定（された）参照磁化２１０を有し、センス層２３は、外部磁場６０の存在下で参照磁化２１０に対して自由に配向可能なセンス磁化２３０を持つ。換言すると、磁気抵抗素子２が外部磁場６０の存在下にあるときにセンス磁化２３０が外部磁場６０の方向に偏向している間、参照磁化２１０は実質的に動かない状態である。磁気抵抗素子２は、センス層２３の側の覆層２５と、参照層２１の側のシード層２７とをさらに備えてよい。
【0017】
覆層２５は、ＴａＮ、Ｒｕ又はＴａの層を備えてよい。覆層２５は、窒化タンタル（ＴａＮ）、ルテニウム（Ｒｕ）もしくはタンタル（Ｔａ）のいずれかの層、又はこれらの層の組み合わせを備える複数の層を備えてよい。特定の構成において、覆層２５は、８０ｎｍのＴａＮ層、５ｎｍのＲｕの層、２ｎｍのＴａＮの層、Ｒｕの５ｎｍ層、Ｔａの２ｎｍ層及びＲｕの１ｎｍ層を備える複数の層を備える。シード層２７は、Ｔａ、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、チタン（Ｔｉ）、ハフニウム（Ｈｆ）又はマグネシウム（Ｍｇ）のいずれかを備えてよい。
【0018】
トンネル障壁層２２は、絶縁材料を備えてよく、又は絶縁材料で形成してよい。適切な絶縁材料には、酸化物、例えば酸化アルミニウム（例えば、Ａｌ２Ｏ３）及び酸化マグネシウム（例えば、ＭｇＯ）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）の範囲としてよい。トンネル障壁層２２の最適な厚さは、複数（２層又は複数層）のＭｇＯ（又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って得られる。トンネル障壁層２２は、例えば８０％以上の高いＴＭＲを提供するように構成してよい。
【0019】
参照層２１及びセンス層２３は、磁性材料、特に強磁性タイプの磁性材料を備えてよく、又はそれらで形成してよい。強磁性体は、特定の保磁力を持つ磁化によって特徴付けてよく、これは、磁化２３０が一方向に飽和するように駆動された後、磁化２３０を反転させるのに必要な外部磁場６０の大きさを示す。適切な強磁性材料には、遷移金属、希土類元素、及び（主族元素の有無にかかわらず）それらの合金が含まれる。例えば、適切な強磁性材料は、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、及びそれらの合金である。その合金とは、例えばＮｉＦｅ又はＣｏＦｅの合金、Ｎｉ、Ｆｅ、及びホウ素（Ｂ）ベースの合金、Ｃｏ、Ｆｅ、及びＢベースの合金などである。いくつかの例では、Ｎｉ及びＦｅ（及び任意選択でＢ）ベースの合金は、Ｃｏ及びＦｅ（及び任意選択でＢ）ベースの合金よりも小さい保磁力を持ち得る。
【0020】
特に、参照磁化２１０及びセンス磁化２３０は、参照層２１及びセンス層２３の平面内（図１に例示される面内）に配向可能にすることも、参照層２１及びセンス層２３の平面に対して実質的に垂直な面内（図示しない面外）に配向可能してもよい。
【0021】
図２は、特定の構成によるセンス層２３の概略図を示す。センス層２３は、トンネル障壁層２２に接する第１強磁性センス副層２３１と、第２強磁性センス副層２３２と、第１及び第２強磁性センス副層２３１、２３２との間の非磁性センス副層２３３とを備える。第１強磁性センス副層２３１は、ＣｏＦｅＢ合金、例えば（ＣｏｘＦｅ１－ｘ）８０Ｂ２０合金を備えてよい。ここで、ｘ＝０．１から０．９である。非磁性センス副層２３３は、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｈｆ、ＭｇもしくはＡｌ、又はこれらの元素のいずれかの組み合わせを備える層を備えてよい。第２強磁性センス副層２３２は、低い平面異方性値を持つ軟磁性材料を備えてよい。例えば、第２強磁性センス副層２３２は、Ｂ又はＣｒを備えるＮｉＦｅ合金又はＮｉＦｅ合金を備えてよい。１つの特定ではあるが非限定的観点では、センス層２１の構造は次の通り、ＣｏＦｅＢ１．５／Ｔａ０．３／ＮｉＦｅ４であってここでは、第１強磁性センス副層２３１が厚さ１．５ｎｍのＣｏＦｅＢ合金を含有し、非磁性センス副層２３３が厚さ０．３ｎｍのＴａ層を備え、第２強磁性センス副層２３２は厚さ４ｎｍのＮｉＦｅ合金を備える。このようなセンス層２３は、極めて低い異方性場Ｈｋを持てる。
【0022】
磁気抵抗素子２は、参照磁化２１０を低温しきい値で固定（ピン止め）し、高温しきい値でこれを解放する参照層２１を交換結合する、反強磁性層２４を備えてよい。適切な反強磁性材料は、マンガン（Ｍｎ）ベースの合金が含まれる。この合金は例えば、イリジウム（Ｉｒ）及びＭｎ（例えば、ＩｒＭｎ）ベースの合金、Ｆｅ及びＭｎベースの合金（例えば、ＦｅＭｎ）、白金（Ｐｔ）及びＭｎ（例えば、ＰｔＭｎ又はＣｒＰｄＭ）ベースの合金、Ｎｉ及びＭｎベースの合金（例えば、ＮｉＭｎ）、あるいはＮｉＯのような酸化物が含まれてよい。反強磁性層２４に好適な材料は、ＮｉＯのようなの酸化物層をさらに備えてよい。可能な構成において、反強磁性層２４は、約４ｎｍから約３０ｎｍの厚さを持つ。代替的に、反強磁性層２４は、各層が１から１０ｎｍの間又は１から２ｎｍの間の厚さを持つ複数の層を備えてよい。別の配置では、反強磁性層２４は、例えば、中央反強磁性層よりも低い遮断温度Ｔｂを持つ２つの反強磁性層に挟まれた中央反強磁性層を備える３層構成を備えてよい。このような３層配置は、参照層２１をプログラミングする際に参照磁化２１０の切り替えを容易にする。反強磁性層２４は、下層２６によってシード層２７から分離されてもよく、ここでは、下層２６は、Ｒｕ、Ｃｕ又はそれらの窒化物を備えてよい。下層２６は、約１ｎｍから約５ｎｍとの間の厚さを備えてよい。
【0023】
図３に示す実施形態では、参照層２１は、参照ピン止め層２１１と参照被結合層２１２との間の参照結合層２１３を備える合成反強磁性（ＳＡＦ）構造を備える。参照ピン止め層２１１は、反強磁性層２４によって固定されている。参照被結合層２１２は、参照結合層２１３を介してＲＫＫＹ結合機構によって参照ピン止め層２１１に結合してよい。参照結合層２１３は、Ｒｕ、Ｉｒもしくは銅（Ｃｕ）又はそれらの組み合わせの非磁性層を備えてよい。
【0024】
一観点では、参照被結合層２１２は、参照結合層２１３に接する第１被結合副層２１４と、第２被結合副層２１５と、第３被結合副層２１７を備える。参照被結合層２１２は、第２被結合副層２１５及び第３被結合副層２１７の間の挿入層２１６をさらに備えてよい。
【0025】
挿入層２１６は遷移金属を備える。挿入層２１６は、Ｔａ、Ｔｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｍｇもしくはアルミニウム（Ａｌ）又はこれらの元素のいずれかの組み合わせを備える。代替的に、挿入層２１６は、Ｎｉ、クロム（Ｃｒ）、バナジウム（Ｖ）もしくはシリコン（Ｓｉ）又はこれらの元素のいずれかの組み合わせを備えてよい。挿入層２１６は、非晶質又は準非晶質又はナノ結晶であってよい。
【0026】
挿入層２１６は、約０．１から約０．５ｎｍの間の厚さを有してよい。挿入層２１６のこのような厚さは、強磁換結合を可能にし、したがって、互いに平行な第２被結合副層２１５及び第３被結合副層２１７の磁化の整合を維持する。挿入層２１６は、磁気抵抗素子２のトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）をさらに大きくできる。例えばＴＭＲは、挿入層２１６なしのときの約９０％から、約１２０％まで大きくできる。ＴＭＲが大きいと、磁気抵抗素子２応答のＳＮＲ比が良好になり、磁気抵抗素子２応答の分散が低下する。
【0027】
薄い挿入層２１６は、参照結合層２１３の界面における参照被結合層２１２の平滑性の維持又は改善を可能にする。薄い挿入層２１６は、（参照結合層２１３を通る）参照ピン止め層２１１と参照被結合層２１２との間のＲＫＫＹ（４人の物理学者名のイニシャル、Ｒｕｄｅｒｍａｎ－Ｋｉｔｔｅｌ－Ｋａｓｕｙａ－Ｙｏｓｈｉｄａ）結合を増加し、それによって、参照ピン止め層２１１及び参照被結合層２１２の剛性を増加させる。高いＲＫＫＹ結合の結果、参照磁化２１０が外部磁場６０によって傾斜されにくくなる。したがって、参照ピン止め層２１１と参照被結合層２１２との間の高ＲＫＫＹ結合は、外部磁場６０の高大さを備える角度誤差の低減を可能にし、したがって磁気抵抗素子２の高磁場動作性能の余裕（マージン）を広げる。ＲＫＫＹの高い結合は、磁気抵抗素子２の熱安定性をさらに向上させる。一観点では、強磁性参照層２１のＲＫＫＹ結合定数エネルギー（Ｊ ＲＫＫＹ変数）は、約１ｅｒｇ／ｃｍ２である。
【0028】
薄い挿入層２１６はさらに、参照層２１の（磁気飽和場Ｈｓａｔ及びＳＡＦ結合交換場Ｈｅｘような）磁気特性とトンネル障壁層２２の（ＴＭＲのような）電気特性との間のテクスチャ遷移層として振る舞う。
【0029】
厚さ０．１から約０．５ｎｍの薄い挿入層２１６を備える遷移金属を備える磁気抵抗素子２は、薄い挿入層２１６を有さない磁気抵抗素子２の磁気飽和磁場Ｈｓａｔと比較して、磁気飽和磁場Ｈｓａｔを約５％増加させる。この挿入はさらに、磁気抵抗素子２のＴＭＲを約３０％大きくできる。大きなＴＭＲは、磁気抵抗素子２応答における磁気ノイズレベルを低減し、異なる磁気抵抗素子２間の磁気抵抗素子２応答における分散の減少を可能にする。
【0030】
参照層２１のＳＡＦ構造は、参照ピン止め層２１１及び参照被結合層２１２の厚さを調整することにより、所与の磁場なしで巨視的な磁化がヌルになるように補償できる。
【0031】
一観点では、第１被結合副層２１４は、Ｃｏ又はＣｏＦｅ合金を備える。第２被結合副層２１５及び第３被結合副層２１７は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｖ、ＳｉもしくはＢ、又はこれらの元素のいずれかの組み合わせを備えてよい。
【0032】
参照ピン止め層２１１は、ＣｏＦｅ合金又はＣｏもしくはＣｏＦｅ／ＣｏＦｅＢ／ＣｏＦｅ又はＣｏ／ＣｏＦｅＢ／Ｃｏの複数の層、又はＣｏ、ＣｏＦｅ及びＣｏＦｅＢを含有する任意の他の層を備えてよい。
【0033】
第２被結合副層２１５の厚さは、約１ｎｍ以下としてよく、第３被結合副層２１７の厚さは、約１ｎｍ又は約２ｎｍ以下としてよい。第１被結合副層２１４の厚さは、約１ｎｍ以下としてよい。
【0034】
一観点では、第２被結合副層２１５は、第３被結合副層２１７の厚さの１倍から２倍の間の厚さを持つ。
【0035】
一実施形態では、参照被結合層２１２の合計厚さは、約１ｎｍと約５ｎｍとの間である。参照被結合層２１２の合計厚さは、約１ｎｍと約３ｎｍとの間、好ましくは約２ｎｍと約３ｎｍとの間であってよい。
【0036】
本明細書に開示される参照層２１は、強化されたＳＡＦ剛性を持つ。磁気抵抗素子２は、高磁場下においても角度誤差が低く、熱安定性が向上し、ＳＡＦの飽和磁場ＨｓａｔやＴＭＲの増加など、磁気抵抗素子２の他の磁気特性に影響を与えない。
【0037】
図４は、磁気抵抗素子２の磁気飽和磁場Ｈｓａｔと参照被結合層２１２の厚さとの関係を報告したグラフである。ＣｏＦｅ合金を含有して厚さ約２ｎｍの参照ピン止め層２１１と、例えば自然又はプラズマ酸化プロセスを用いて酸化された堆積金属Ｍｇを備えるトンネル障壁層２２とを備える磁気抵抗素子２上で、磁気飽和磁場Ｈｓａｔを測定した。この析出と酸化は、２回から４回連続して繰り返してよい。磁気抵抗素子２を、約１Ｔで与えた磁場下で９０分間、３１０℃で熱処理した。
【0038】
第１構成（●印）において、参照被結合層２１２は、厚さ約１．９ｎｍのＣｏＦｅＢ合金からなる単層を備える。第２構成（▲印）において、参照被結合層２１２の厚さは約１．９ｎｍであり、参照被結合層２１２は、ＣｏＦｅ合金からなり厚さ約０．５ｎｍの第１被結合副層２１４と、ＣｏＦｅＢ合金からなり厚さ約１．４ｎｍの第２被結合副層２１５とを備える。第３構成（★印）において、参照被結合層２１２は、厚さ約０．５ｎｍのＣｏＦｅ合金からなり厚さ約０．５ｎｍの第１被結合副層２１４と、ＣｏＦｅＢ合金からなり厚さ約０．７５ｎｍの第２被結合副層２１５と、厚さ約０．２ｎｍのＴａからなり厚さ約０．２ｎｍの挿入層２１６と、ＣｏＦｅＢ合金からなり約０．４５ｎｍから約０．９５ｎｍの間のいろいろな厚さの第３被結合副層２１７を備える。
【0039】
第１及び第２構成と比較して、第３構成では、磁気抵抗素子２は、約３００Ｏｅ（５％）だけ高い飽和磁場Ｈｓａｔを持つ。
【0040】
図５は、磁気抵抗素子２の抵抗面積積ＲＡと参照被結合層２１２の厚さとの関係を報告するグラフである。上述した第１構成、第２構成、第３構成（図中、それぞれ●、▲、★）において、磁気抵抗素子２についてＲＡを測定した。図５は、磁気抵抗素子２の第１構成、第２構成、第３構成（図中、それぞれ○、△、☆）について、磁気抵抗素子２のＴＭＲ応答と参照被結合層２１２の厚さとの関係をさらに報告している。
【0041】
図５に示すように、磁気抵抗素子２の第３構成は、他の構成について観察されたＴＭＲと比較して、より大きなＴＭＲ値をもたらす。約０．６５ｎｍの厚さを持つ第３被結合副層２１７を持つ第３構成の場合、ＴＭＲは約３０％高い。約０．４５ｎｍから約０．９５ｎｍの間の厚さを持つ第３の結合副層２１７は、挿入層２１６を伴わない約９０％から、約１４０％までのＴＭＲ増加をもたらす。
【符号の説明】
【0042】
２ 磁気抵抗素子
２１ 強磁性参照層
２１０ 参照磁化
２１１ 参照ピン止め層
２１２ 参照被結合層
２１３ 参照結合層
２１４ 第１被結合副層
２１５ 第２被結合副層
２１６ 挿入層
２１７ 第３被結合副層
２２ トンネル障壁層
２３ 強磁性センス層
２３０ センス磁化
２３１ 第１強磁性センス副層
２３２ 第２強磁性センス副層
２３３ 非磁性センス副層
２４ 反強磁性層
２５ 覆層
２６ 下層
２７ シード層
６０ 外部磁場
Ｈｅｘ 合成反強磁性（ＳＡＦ）結合交換場
Ｈｋ 異方性場
ＨＳＡＴ 磁気飽和場
Ｊｅｘ 結合エネルギー密度
ＲＡ 抵抗領域積
２１ 強磁性参照層
２１０ 参照磁化
２１１ 参照ピン止め層
２１２ 参照被結合層
２１３ 参照結合層
２１４ 第１被結合副層
２１５ 第２被結合副層
２１６ 挿入層
２１７ 第３被結合副層
２２ トンネル障壁層
２３ 強磁性センス層
２３０ センス磁化
２３１ 第１強磁性センス副層
２３２ 第２強磁性センス副層
２３３ 非磁性センス副層
２４ 反強磁性層
２５ 覆層
２６ 下層
２７ シード層
６０ 外部磁場
Ｈｅｘ 合成反強磁性（ＳＡＦ）結合交換場
Ｈｋ 異方性場
ＨＳＡＴ 磁気飽和場
Ｊｅｘ 結合エネルギー密度
ＲＡ 抵抗領域積
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【手続補正書】
【提出日】2022-09-13
【手続補正1】
【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】
固定された参照磁化と、外部磁場の存在下で参照磁化に対して自由に配向可能なセンス磁化を有するセンス強磁性層）と、
参照強磁性層及びセンス強磁性層）との間のトンネル障壁層と
を有する参照強磁性層を備える、２次元磁界センサ用磁気抵抗素子であって、
参照層は、参照ピン止め層と参照被結合層との間の参照結合層を備え、
参照被結合層は、前記参照結合層に接する第１被結合副層と、第１被結合副層に接する第２被結合副層と、前記第３被結合副層と、前記第２被結合副層及び第３被結合副層との間に挿入層とを備え、
挿入層は、第２被結合副層及び第３被結合副層）間に強磁性交換結合を提供し、
挿入層の厚さは０．２ｎｍである、磁気抵抗素子において、
前記参照ピン止め層は、ＣｏＦｅ合金を含有して厚さ２ｎｍを持ち、前記トンネル障壁層はＭｇを含有し、前記挿入層はＴａを含有し、前記第１被結合副層はＣｏＦｅ合金からなり、厚さは０．５ｎｍであり、第２被結合副層はＣｏＦｅＢ合金からなり厚さは０．７５ｎｍであり、第３被結合副層はＣｏＦｅＢ合金からなり、０．４５ｎｍから０．９５ｎｍの厚さを持ち、ここにおいて、磁気抵抗素子は、約１Ｔで与えた磁場下で９０分間、３１０℃で熱処理されている、磁気抵抗素子。
【請求項2】
挿入層は、非晶質又は準非晶質又はナノ結晶である、請求項１に記載の磁気抵抗素子。
【請求項3】
固定された参照磁化と、
外部磁場の存在下で参照磁化に対して自由に配向可能なセンス磁化を有するセンス強磁性層）と、
参照強磁性層及びセンス強磁性層）との間のトンネル障壁層と
を有する参照強磁性層を備える、２次元磁界センサ用磁気抵抗素子であって、
参照層は、参照ピン止め層と参照被結合層との間の参照結合層を備え、
参照被結合層は、前記参照結合層に接する第１被結合副層と、第１被結合副層に接する第２被結合副層と、前記第３被結合副層と、前記第２被結合副層及び第３被結合副層との間に挿入層とを備え、
挿入層は、第２被結合副層及び第３被結合副層）間に強磁性交換結合を提供し、
挿入層の厚さは０．２ｎｍである、磁気抵抗素子において、
前記参照ピン止め層は、ＣｏＦｅ合金を含有して厚さ２ｎｍを持ち、前記トンネル障壁層はＭｇを含有し、前記挿入層はＴａを含有し、前記第１被結合副層はＣｏＦｅ合金からなり、厚さは０．５ｎｍであり、第２被結合副層はＣｏＦｅＢ合金からなり厚さは０．７５ｎｍであり、第３被結合副層はＣｏＦｅＢ合金からなり、０．４５ｎｍから０．９５ｎｍの厚さを持ち、ここにおいて、磁気抵抗素子は、約１Ｔで与えた磁場下で９０分間、３１０℃で熱処理されている、磁気抵抗素子を備える、
２次元磁場を感知する磁場センサ。
【国際調査報告】