特表 2023-526003 高磁場における改良された精度を備えた、磁気センサ素子及び装置

(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】2023-06-20

(54)【発明の名称】高磁場における改良された精度を備えた、磁気センサ素子及び装置

(51)【国際特許分類】

   G01R 33/09 20060101AFI20230613BHJP

   H01L 29/82 20060101ALI20230613BHJP

   H10N 50/10 20230101ALI20230613BHJP

【ＦＩ】

G01R33/09

H01L29/82 Z

H10N50/10 Z

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2022568458

(86)(22)【出願日】2021-05-10

(85)【翻訳文提出日】2022-11-09

(86)【国際出願番号】 IB2021053951

(87)【国際公開番号】W WO2021234504

(87)【国際公開日】2021-11-25

(31)【優先権主張番号】20315252.5

(32)【優先日】2020-05-20

(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】ティモフィーエフ・アンドレイ

(72)【発明者】

【氏名】チルドレス・ジェフリー

(72)【発明者】

【氏名】ストレルコフ・ニキータ

【テーマコード（参考）】

2G017

5F092

【Ｆターム（参考）】

2G017AA02

2G017AA03

2G017AA10

2G017AD55

2G017AD60

2G017AD62

2G017AD63

2G017AD65

2G017BA09

5F092AB01

5F092AC12

5F092AD03

5F092BB16

5F092BC03

5F092BC04

5F092BC08

5F092BC19

(57)【要約】

外部磁場（６０）を検知するようになっている磁気角度センサ素子（２０）であって、
ピン止め磁化（２１０）を持つ強磁性ピン止め層（２１）と、強磁性検知層（２３）と、トンネル磁気抵抗障壁層（２２）とを備える磁気トンネル接合（２）と、
前記強磁性検知層（２３）は、前記障壁層（２２）と直接接触し、第１検知磁化（２３０ａ）を持つ第１検知層（２３ａ）と、第２検知磁化（２３０ｂ）を持つ第２検知層（２３ｂ）と、前記第１検知層（２３ａ）と前記第２検知層（２３ｂ）との間の金属スペーサ（２４）とを備えて、
前記金属スペーサ（２４）は、前記第１検知磁化（２３０ａ）が前記第２検知磁化（２３０ｂ）に対して実質的に逆平行に配向されるように、前記第１検知磁化（２３０ａ）と前記第２検知磁化（２３０ｂ）との間に反強磁性結合を提供するように構成されていて、
前記第２検知磁化（２３０ｂ）が前記外部磁場（６０）の前記方向に従って配向されるように、前記第２検知磁化（２３０ｂ）が前記第１検知磁化（２３０ａ）よりも大きい、磁気角度センサ素子（２０）。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

外部磁場（６０）を検知するようになっている磁気角度センサ素子であって、
ピン止め磁化（２１０）を持つ強磁性ピン止め層（２１）と、強磁性検知層（２３）と、前記強磁性ピン止め層（２１）と前記強磁性検知層（２３）との間のトンネル磁気抵抗障壁層（２２）とを備える磁気トンネル接合（２）と、
前記強磁性検知層（２３）は、前記障壁層（２２）と直接接触し、第１検知磁化（２３０ａ）を持つ第１検知層（２３ａ）と、第２検知磁化（２３０ｂ）を持つ第２検知層（２３ｂ）と、前記第１検知層（２３ａ）と前記第２検知層（２３ｂ）との間の金属スペーサ（２４）とを備え、
前記金属スペーサ（２４）は、前記第１検知磁化（２３０ａ）が前記第２検知磁化（２３０ｂ）に対して実質的に逆平行に配向されるように、前記第１検知磁化（２３０ａ）と前記第２検知磁化（２３０ｂ）との間に反強磁性結合を提供するように構成されていて、
前記第２検知磁化（２３０ｂ）が前記外部磁場（６０）の方向に従って配向されるように、前記第２検知磁化（２３０ｂ）が前記第１検知磁化（２３０ａ）よりも大きな、
磁気角度センサ素子（２０）において、
前記第２検知層（２３ｂ）は、複数の第２検知副層（２３１）を備え、各第２検知副層（２３１）は、前記第２検知磁化（２３０ｂ）に達する第２検知副磁化（２３１０）を有して、
２つの隣り合う第２検知副層（２３１）が、前記２つの隣り合う第２検知副層（２３１）の間に磁気結合を提供するように構成された非磁性層（２３２）によって分離されていることを特徴とする、磁気角度センサ素子（２０）。

【請求項2】

前記非磁性層（２３２）は、前記第２検知磁化（２３０ｂ）が前記第１検知磁化（２３０ａ）の１つと反対方向に配向されるように磁気結合を提供するように構成されている、請求項１に記載の磁気角度センサ素子（２０）。

【請求項3】

前記磁気結合は、前記第２検知副層（２３１）のうちの１つの前記第２検知副磁化（２３１０）が、前記隣り合う第２検知副層（２３１）の１つと実質的に平行に配向されるものである、請求項１又は２に記載の磁気角度センサ素子（２０）。

【請求項4】

前記非磁性層（２３２）は、最大（９５４９３Ａ／ｍ）の前記外部磁場（６０）の振幅に対して前記第２検知副層（２３１）内の前記第２検知副磁化（２３１０）の反転がないように、１ｍＪ／ｍ^２以上の前記磁気結合の強度を持つように構成されている、請求項１から３のいずれか一項に記載の磁気角度センサ素子（２０）。

【請求項5】

前記金属スペーサ（２４）の前記反強磁性結合は、０．３ｍＪ／ｍ^２以上の交換結合を持つＲＫＫＹ結合である、請求項１から４のいずれか一項に記載の磁気角度センサ素子（２０）。

【請求項6】

前記ピン止め層（２１）は、非磁性層によって分離された強磁性層を備え、前記トンネル障壁層（２２）から最も遠い強磁性層は、反強磁性体によってピン止めされ、他の強磁性層は、それらを分離する前記非磁性層を介してＲＫＫＹ結合機構によって隣り合う強磁性層に結合され、
前記ＲＫＫＹ交換結合は、反強磁性であり、０．４ｍＪ／ｍ^２以上の絶対値を持つ、請求項１から５のいずれか一項に記載の磁気角度センサ素子（２０）。

【請求項7】

前記第１検知磁化（２３０ａ）は、１．５ｎｍ以上の厚さを持つ、請求項５又は６に記載の磁気角度センサ素子（２０）。

【請求項8】

請求項１から７のいずれか一項に記載の磁気角度センサ素子（２０）を複数備えた、磁気角度センサ装置（３０）において、前記磁気角度センサ素子（２０）は、ハーフブリッジ又はフルブリッジ構成で配置されている、磁気角度センサ装置（３０）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、磁気角度センサ素子、及び平面の３６０°の計測範囲にわたって磁場角度を検出する複数の磁気角度センサ素子を備える磁気角度センサ装置に関する。

【背景技術】

【0002】

磁気トンネル接合（ＭＴＪ）ベースの磁気角度センサは、市場に存在する競合する技術と比較して、高感度、広範囲の出力抵抗、ＣＭＯＳプロセスへのより良好な統合、そしてそのほか多くの注目すべき特徴を提供する。

【0003】

そのような磁気角度センサは、典型的には誘電体トンネル障壁によって分離された２つの磁気的に異なる強磁性層を備える特定のＭＴＪを必要とする。強磁性層の１つ（検知層）は、磁気的に軟らかく、外部磁場によって容易に整列され、他の１つ（参照層）は、その磁化のピン止め方向を持ち、磁気的に剛性である。

【0004】

トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）効果を利用して、検知層の磁化と参照層の磁化との間の相対角度を検知し、よって、外部磁場の方向を計測する。検知層と参照層の磁化との間の相対角度の変化は、ＭＴＪの積層体を通る導電率の変化の計測によって決定できる。ＭＴＪ積層体の導電率は、検知層と参照層の正味の磁化方向の間の相対角度の余弦関数に従う。２Ｄ磁場検知では、参照層の磁化は通常、面内（参照層の平面内）にあり、検知層の磁気状態は相違し得る。この関数依存性により、参照層のピンニング方向を９０°ずらした２つのＭＴＪ積層体が、２Ｄ磁場角度センサを作製するのに十分である。

【0005】

図１は、磁気センサ素子２０を備える単一分岐検知回路１０を示す。磁気センサ素子２０は、ＭＴＪ積層体から製造された電気的に接続されたＭＴＪの柱を１つ又はいくつか備えるものとしてよく、全てが参照層の同じピンニング方向を持つ。各ＭＴＪ積層体は、参照層と検知層との間に挟まれたトンネル障壁層（図示せず）を備える。外部磁場６０が印加されると、検知層磁化２３０は、外部磁場６０の方向に配向される。参照層磁化２１０の向きは変化しないままである。このように、磁気センサ素子２０にセンス電流を流し、磁気センサ素子２０の抵抗Ｒに比例する電圧差（Ｖ_ｏｕｔ－Ｖ_ｉｎ）を計測することで、外部磁場６０の方向を計測できる。

【0006】

理想的には、参照層磁化２１０は、センサの動作範囲内の外部磁場に対して不感であるべきであり、一方、検知層磁化２３０は、完全に軟らかく、したがって、外部磁場６０の方向に沿って正確に磁化されるべきである。

【0007】

しかし、実際には、検知層の磁化は、有限の磁気異方性を有し、検知層の磁化は、参照層からの有限の漂遊磁場を受ける可能性がある。これにより、外部磁場６０における検知層の磁化の位置決めに角度誤差が生じ、したがって、磁場６０の所与の角度に対する磁気センサ素子の予想される抵抗Ｒに角度誤差が生じる。外部磁場６０の大きさを低下させると角度誤差が増加するので、これらの角度誤差は、外部磁場の小さい規模でのセンサの動作マージンを制限している。

【0008】

さらに、参照層は、有限の磁気剛性を有し、したがって、その磁化は、外部磁場によって（わずかにでも）偏向され得る。これはまた、参照層の磁化の位置決めに角度誤差を生じさせ、これらの角度誤差は、外部磁場の大きさとともに増加し、したがって、磁気センサ素子の高磁場動作マージンを制限する。

【0009】

図２は、外部磁場Ｈ_ｅｘｔの大きさの関数としての全角度誤差ＡＥ_Ｔの変化を報告する。全角度誤差ＡＥ_Ｔは、外部磁場が印加されたときの検知層磁化の方向と参照層磁化の方向との間の計測された相対角度と、「理想的な」相対角度、すなわち、検知層磁化が外部磁場の方向に完全に整列されたときと、参照層磁化が外部磁場によって偏向されないときとの間の差に対応する。全角度誤差ＡＥ_Ｔの変動は、検知層の異方性、バイアス磁場などに起因する検知層の向きの角度誤差ＡＥ_ｓと、有限の参照層ピン止め強度に起因する参照層の磁化の向きの角度誤差ＡＥ_Ｒとの合計に相当する。

【0010】

図３は、ハーフブリッジ構成で配置された２つの磁気センサ素子２０を備える代替的な検知回路３０を示す。ハーフブリッジ回路３０は、その入力電圧Ｖ_ｉｎの一部分である出力電圧Ｖ_ｏｕｔを生成する。
２つの磁気センサ素子２０のうちの一方は、他方の磁気センサ素子２０の参照層磁化２１０と反対の方向にピン止めされた参照層磁化２１０を持つ。

【0011】

上述したように、２つの磁気センサ素子２０における参照層磁化２１０は、印加された外部磁場６０の方向（図３において湾曲した矢印によって示される）に向かって偏向され得る。偏向は、参照層磁化２１０を検知層磁化２３０に対してより平行にし、２つの磁気センサ素子２０の各々の抵抗を減少させる傾向がある。
しかしながら、ハーフブリッジ検知回路３０の構成は、別々に計測された各磁気センサ素子２０の抵抗の相対変化よりも低い分圧器比Ｖ_ｏｕｔ／Ｖ_ｉｎの相対変化をもたらす。これは、２つの磁気センサ素子２０におけるピン止め参照層の磁化２１０の反対方向により達成される。図３のハーフブリッジ検知回路３０は、参照層磁化２１０の偏向に起因する角度誤差ＡＥ_Ｒ（したがって、全角度誤差ＡＥ_Ｔ）の部分的補償を可能にする。

【0012】

図４は、図１の単一分岐検知回路１０（三角形を持つ線）及び図３のハーフブリッジ検知回路３０（単一線）について計算された、外部磁場の大きさＨ_ｅｘｔの関数としての全角度誤差ＡＥ_Ｔの変化を比較する。計算は、検知層における異方性強度（Ｈｕａ）の異なる大きさに対して、及び参照層における異なるピンニング磁場強度（Ｈｕｄ）に対して行われた。ハーフブリッジ検知回路３０は、図１の単一分岐検知回路１０と比較して、より低い全角度誤差ＡＥ_Ｔを示す。

【0013】

我々の研究は、ハーフブリッジ回路構成を使用することによって、２つの要因が同時に作用するために、有限の参照層ピンニング強度の補償が完全には達成されないことを示した。

【0014】

第１要因は、所与の磁場角度に対して外部磁場符号に対して非対称である参照層の面内の横断（参照層のピンニング磁場方向に垂直な方向）磁化率χ_Ｒに関する。

【0015】

図５ａ及び図５ｂは、（参照層を交換結合する反強磁性層の）ピンニング磁場Ｈ_ｐｉｎの方向に沿った射影に対応する長手成分Ｈ_ｌｏｎｇと、ピンニング磁場Ｈ_ｐｉｎの方向に垂直な方向に沿った射影に対応する横断成分Ｈ_{ｔｒａｎｓ}とを持つ外部磁場Ｈ_ｅｘｔを表す。横断磁化率χ_Ｒは、Ｈ_{ｔｒａｎｓ}／Ｈ_ｅｆｆとして定義できる。ここで、Ｈ_ｅｆｆ＝Ｈ_ｐｉｎ＋Ｈ_ｌｏｎｇである。Ｈ_ｐｉｎの大きさがＨ_ｅｘｔの大きさよりも常に大きい場合を考慮すると、Ｈ_ｅｆｆは、Ｈ_ｐｉｎ及びＨ_ｌｏｎｇの方向が平行であるときに常に大きくなり、それらが逆平行（平行で向きは反対）であるときに常に小さくなる。したがって、磁化率χ_Ｒは、第１場合にはより小さくなり、第２場合にはより大きくなる。

【0016】

図６は、図３のハーフブリッジ検知回路３０の外部磁場Ｈ_ｅｘｔの向きの関数として、ピン止めされた向きに対する参照層磁化２１０の角度における偏差を報告する。ピン止め参照層磁化２１０（ピンニング磁場Ｈ_ｐｉｎ）が長手成分Ｈ_ｌｏｎｇに平行である（図５ａ）上部分岐の磁気センサ素子２０（曲線Ａ）と、ピン止め参照層磁化２１０（ピンニング磁場Ｈ_ｐｉｎ）が長手成分Ｈ_ｌｏｎｇに逆平行である（図５ｂ）下部分岐の磁気センサ素子２０（曲線Ｂ）とについて、偏差が示されている。
図５に示す外部磁場Ｈ_ｅｘｔの配向角は、図６において点線で示されている。これは、上部分岐の磁気センサ素子２０（曲線Ａ）では約５°、下部分岐の磁気センサ素子２０（曲線Ｂ）では約７°の参照層磁化２１０の偏差に対応する。

【0017】

外部磁場Ｈ_ｅｘｔが反強磁性層のピンニング磁場Ｈ_ｐｉｎに平行な長手成分Ｈ_ｌｏｎｇを持つとき、参照磁気感受率χ_Ｒ（すなわち、参照層角度偏差のレベル）は減少する（図５ａ参照）。これは、ピンニング磁場Ｈ_ｐｉｎと外部磁場Ｈ_ｅｘｔの長手成分Ｈ_ｌｏｎｇとが加算され、参照層の磁化が外部磁場Ｈ_ｅｘｔの横断成分Ｈ_{ｔｒａｎｓ}に向かってより偏りにくくするためである。逆に、外部磁場Ｈ_ｅｘｔが反強磁性層のピン止め磁場Ｈ_ｐｉｎに逆平行である長手成分Ｈ_ｌｏｎｇを持つとき、参照磁気感受性χ_Ｒは増加する（図５ｂ参照）。この構成では、外部磁場Ｈ_ｅｘｔの長手成分Ｈ_ｌｏｎｇがピンニング磁場Ｈ_ｐｉｎから差し引かれ、したがって参照層の磁化の剛性が低減される。

【0018】

したがって、第１要因は、外部磁場６０の存在下での参照層２１０の方向の等しくない偏差に関係する。外部磁場６０の長手成分がその参照層２１０のピン止め方向に対してよりその参照層のピン止め方向に対してより逆平行である一方の検知素子２０は、他方の検知素子２０よりも強い偏差を持つ。

【0019】

第２要因は、２つの磁気センサ素子２０における抵抗の相対的な変化に関するものである。各分岐（各磁気センサ素子２０）において、１度あたりの抵抗の変化は、検知層と参照層との間の相対角度θに依存する（図３参照）。角度θが大きくなればなるほど、角度あたりの相対変化が大きくなる。これは、分岐の抵抗ではなくコンダクタンスが、検知層と参照層との間の角度θの余弦に比例するためである。
角度θに対する抵抗Ｒの変化率は、式１によって与えられる。

【数1】

【0020】

図７は、図３のハーフブリッジ検知回路３０において、異なるＴＭＲの大きさ（１００％×（Ｒａｐ－Ｒｐ）／Ｒｐとして定義され、ここで、Ｒａｐは、検知層２３０が参照層２１０に逆平行であるときの検知素子２０の電気抵抗であり、Ｒｐは、それらの平行構成の対応する抵抗である）について、検知層磁化２３０に対する参照層磁化２１０の向きの関数として、角度∂Ｒ／∂θによる抵抗の変化を報告する。すなわち、抵抗の変化は、図３のハーフブリッジ回路３０を形成し、１．１ｋΩ、１．３ｋΩ、及び２．０ｋΩの値を持つ検知素子２０の抵抗Ｒａｐについて報告される。

【0021】

９０°未満に減少する角度θは、検知層磁化２３０が参照層磁化２１０に平行な向きに近づくことに相当する。９０°を超えて増加する角度θは、検知層の磁化が参照層の磁化２１０に対して逆平行の向きに近づくことに相当する。２つの分岐における抵抗Ｒの相対的な変化の効果は、磁気センサ素子２０がより高いＴＭＲを持つ場合に、より重要である。

【0022】

図７は、外部磁場Ｈ_ｅｘｔの所与の向きに対して、検知層磁化２３０が参照層磁化２１０に対して逆平行の向きにより近く向けられている磁気センサ素子２０が、参照層磁化２１０のより高い偏差を有し、同時に、角度偏差１度当たりの抵抗のより高い変化を持つことをさらに示す。したがって、ＴＭＲが高く、参照層が軟らかいほど、ハーフブリッジ回路構成の補償効果は小さくなり、高い外部磁場における角度誤差は大きくなる。

【0023】

特許文献１（ＪＰ２０１１０２７６３３）は、信号磁場の下で互いに反対の磁気変化を表すために、磁化ピン止め層、介在層、及び磁化自由層をそれぞれ備える第１及び第２ＭＲ素子を有する磁気装置を開示している。第１及び第２ＭＲ素子の磁化ピン止め層は、介在層側から順に、ピン止め層と、結合層と、ピン止め層に反強磁性的に結合したピン止め層とを含むシンセティック構造を有している。ピン止め層の総磁気モーメントは、ピン止め層の総磁気モーメント以上である。ピン止め層の総磁気モーメントは、ピン止め層の総磁気モーメントよりも大きい。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0024】

【特許文献1】特開２０１１－０２７６３３号公報

【発明の概要】

【0025】

本開示は、外部磁場を検知するようになっている磁気角度センサ素子に関し、
ピン止め磁化を持つ強磁性ピン止め層と、強磁性検知層と、トンネル磁気抵抗スペーサ層とを備える磁気トンネル接合と、
前記強磁性検知層は、スペーサ層と直接接触し、第１検知磁化を持つ第１検知層と、第２検知磁化を持つ第２検知層と、前記第１検知層と前記第２検知層との間の金属スペーサとを備え、
前記金属スペーサは、前記第１検知磁化が前記第２検知磁化に対して実質的に逆平行に配向されるように、前記第１検知磁化と前記第２検知磁化との間に反強磁性結合を提供するように構成されていて、
前記第２検知磁化が前記外部磁場の前記方向に従って配向されるように、前記第２検知磁化が前記第１検知磁化よりも大きな、
磁気角度センサ素子において、
前記第２検知層は、複数の第２検知副層を備え、各第２検知副層は、前記第２検知磁化に達する第２検知副磁化を有して、
２つの隣り合う第２検知副層が、前記２つの隣り合う第２検知副層間に磁気結合を提供するように構成された非磁性層によって分離されている。

【0026】

本開示はさらに、複数の磁気センサ素子を備える磁気角度センサ装置に関する。前記磁気センサ素子は、ハーフブリッジ又はフルブリッジ構成で配置される。

【発明の効果】

【0027】

ハーフブリッジ回路（又はフルブリッジ回路）において本明細書で開示される磁気角度センサ素子は、磁気角度センサ素子の既知の配置と比較して、外部磁場６０の低い大きさだけでなく、外部磁場６０の高い大きさにおいても、角度誤差ＡＥＴの補償を改善した。

【0028】

本発明は、例として与えられ、図面によって例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。

【図面の簡単な説明】

【0029】

【図1】図１は、ＭＴＪ膜の積層体から製造された複数の電気的に接続されたＭＴＪの柱を備える単一分岐検知回路を示す図であり、全てのＭＴＪの柱は、それらの参照層の同じピン止め方向を共有している。

【図2】図２は、外部磁場の大きさの関数としての全角度誤差の変化を報告する。

【図3】図３は、ハーフブリッジ構成に配置された２つのＭＴＪ検知回路を備える検知回路を示す。

【図4】図４は、図１の単一分岐（ＳＢ）検知回路及び図３のハーフブリッジ（ＨＢ）検知回路について計算された、外部磁場の大きさの関数としての全角度誤差の変化を比較する。

【図5】図５ａ及び図５ｂは、外部磁場の長手成分及び横断成分を表す。

【図6】図６は、図３のハーフブリッジ検知回路の外部磁場の向きの関数として、ピン止めされた向きに対する参照層の磁化の偏差を報告する。

【図7】図７は、異なるＴＭＲについて、検知層の磁化に対する参照層の磁化の向きの関数として、角度に対する抵抗の導関数の変化を報告している。

【図8】図８は、一実施形態による磁気角度センサ素子を示す。

【図9】図９は、ピンニング磁場強度のいくつかの値に対する外部磁場の大きさの関数としての全角度誤差を示す。

【図10】図１０は、ＭＴＪ積層体におけるＴＭＲのいくつかの値について、外部磁場の大きさの関数としての全角度誤差を示す。

【図11】図１１は、さらに他の実施形態に係る磁気センサ素子２０の部分図である。

【図12】図１２は、図１１の構成の磁気センサ素子２０について、異なるＴＭＲの大きさに対する角度誤差Δφ_Ｈの外部磁場Ｈ_ｅｘｔへの依存性を示す。

【発明を実施するための形態】

【0030】

図８は、一実施形態による、外部磁場（Ｈ_ｅｘｔ）６０を検知するように定められた磁気角度センサ素子２０を示す。磁気センサ素子２０は、ピン止め磁化２１０を持つ強磁性ピン止め層２１と、強磁性検知層２３と、強磁性ピン止め層２１と強磁性検知層２３との間のトンネル磁気抵抗障壁層２２とを含む磁気トンネル接合を備える。強磁性検知層２３は、障壁層２２と直接接触し、第１検知磁化２３０ａを持つ第１検知層２３ａと、第２検知磁化２３０ｂを持つ第２検知層２３ｂと、第１検知層２３ａと第２検知層２３ｂとの間の金属スペーサ２４とを備える。

【0031】

金属スペーサ２４は、第１検知磁化方向２３０ａが第２検知磁化方向２３０ｂに対して実質的に逆平行に配向されるように、第１検知磁化方向２３０ａと第２検知磁化方向２３０ｂとの間に反強磁性結合を提供するように構成される。

【0032】

第２検知磁化２３０ｂは、第２検知磁化２３０ｂが外部磁場６０の方向に従って配向されるように、第１検知磁化２３０ａよりも大きい。

【0033】

本発明はさらに、複数の磁気センサ素子２０を備える磁気角度センサ装置に関する。

【0034】

好ましい実施形態では、磁気センサ素子２０は、図３に示すように、ハーフブリッジ回路３０内に配置される。磁気センサ素子２０は、フルブリッジ構成で配置することもできる。

【0035】

外部磁場Ｈ_ｅｘｔが、参照層磁化２１０のピン止め方向に対して逆平行に近い方向に印加されると、参照層磁化２１０のより大きな偏りが生じる（第１要因）。しかしながら、第１検知層磁化２３０ａは、参照層磁化２１０のピン止めされた方向に対して平行な向きに近く配向され、参照層偏差の１度当たりの抵抗変化を低減する（第２要因）。
したがって、参照層磁化２１０の偏差は、抵抗Ｒの角度変化の減少によって少なくとも部分的に補償される。

【0036】

ハーフブリッジ回路３０（又はフルブリッジ回路）において磁気角度センサ素子２０を使用することにより、磁気センサ素子２０の既知の配置と比較して、角度誤差ＡＥ_Ｔの補償が改善される。これは、外部磁場６０の大きさが小さいときだけでなく、外部磁場６０の大きさが大きいときにも、角度センサ素子によって検出され得る。

【0037】

一実施形態では、第２検知層２３ｂは、複数の第２検知副層２３１を備え、各第２検知副層２３１は、前記第２検知磁化方向２３０ｂに達する第２検知副磁化方向２３１０を持つ。
２つの隣り合う第２検知副層２３１は、２つの隣り合う第２検知副層２３１間に磁気結合を提供するように構成された非磁性層２３２によって分離されている。

【0038】

別の実施形態では、非磁性層２３２は、第２検知磁化２３０ｂが第１検知磁化２３０ａの１つとは反対の方向に配向されるように磁気結合を提供するように構成される。

【0039】

さらに別の実施形態では、磁気結合は、第２検知副層２３１のうちの１つの第２検知副磁化２３１０が、隣り合う第２検知副層２３１のうちの１つに実質的に平行に配向されるようなものである。

【0040】

さらに別の実施形態では、非磁性層２３２は、１２００Ｏｅ（９５４９３Ａ／ｍ）までの外部磁場６０の振幅に対して第２検知副層２３１内の第２検知副磁化２３１０の反転がないような磁気結合の強度（最小必要強度）を持つように構成される。

【0041】

さらに別の実施形態では、金属スペーサ２４の反強磁性結合は、０．３ｍＪ／ｍ^２以上の交換結合を持つＲＫＫＹ結合である。

【0042】

さらに別の実施形態では、第１検知磁化２３０ａは、１．５ｎｍ以上の厚さを持つ。

【0043】

０．３ｍＪ／ｍ^２以上の交換結合を持つＲＫＫＹ結合は、１２００Ｏｅ（９５４９３Ａ／ｍ）未満の外部磁場Ｈ_ｅｘｔに対して反強磁性構成で第１検知層２３ａ及び第２検知層２３ｂを安定化させるのに十分である。

【0044】

さらに別の実施形態では、図８に示される層の順序が逆にされる。このような構成は、いわゆるトップピン型のＭＴＪ積層体に相当する。

【0045】

任意の所与のＴＭＲの大きさに対して、参照層２１のピン止め強度を増大させることにより、ハーフブリッジ回路３０の上部分岐及び下部分岐における磁気センサ素子２０内の参照層２１の参照磁化率χ_Ｒの非対称性が低減される。したがって、参照層２１のピン止め強度を増加させることは、上記で定義された第２要因の効果の影響を減少させる。

【0046】

図９は、ピンニング磁場Ｈ_ｐｉｎ（ピン止め強度）のいくつかの値について、及び５０％のＴＭＲを持つ磁気センサ素子２０について、ピン止めされた参照層の磁化２１０の向きの角度誤差を外部磁場Ｈ_ｅｘｔの大きさの関数として示す。

【0047】

任意の所与の参照層ピンニング磁場Ｈ_ｐｉｎに対して、外部磁場Ｈ_ｅｘｔの所望の大きさで最適な補償を提供する最適なＴＭＲ値が存在する。図１０は、磁気センサ素子２０におけるＴＭＲのいくつかの値について、及び４ｋＯｅ（３１８Ａ／ｍ）のピンニング磁場Ｈ_ｐｉｎについて、外部磁場Ｈ_ｅｘｔの大きさの関数としての全角度誤差を示す。最適値（最小角度誤差）は、数値的に求められることと、磁気センサ素子２０の適切な設計によって最適化することとの少なくとも一方でよい。

【0048】

反強磁性結合の強度（ピンニング磁場Ｈ_ｐｉｎの大きさ）は、外部磁場Ｈ_ｅｘｔを受けたときに参照層磁化２１０をピン止めした状態に保つのに十分なほど高くなければならない。

【0049】

図１１は、さらに他の実施形態に係る磁気センサ素子２０の部分図であり、強磁性ピン止め層２１、トンネル磁気抵抗障壁層２２及び検知層２３を示している。ピン止め層２１は、合成反強磁性体（ＳＡＦ）構造、すなわち、非磁性副層によって分離された強磁性ピン止め副層を備える磁性複数層を備える。
図１１では、磁気センサ素子２０は、２つの非磁性副層２１２によって分離された３つの強磁性ピン止め副層２１１を備えて表されているが、磁気センサ素子２０は、非磁性副層２１２によって分離された少なくとも２つの強磁性ピン止め副層２１１を備えてよい。トンネル障壁層２２から最も遠い強磁性層は、反強磁性体２１３によってピン止めされ、他の強磁性層は、それらを分離する非磁性層を介してＲＫＫＹ結合機構によって隣り合う強磁性層に結合される。
ここで、ＲＫＫＹ結合は本質的に反強磁性である。

【0050】

図１２は、図１１の構成の磁気センサ素子２０について、異なるＴＭＲの大きさに対する角度誤差Δφ_Ｈの外部磁場Ｈ_ｅｘｔへの依存性を示す。ここでは、トンネル障壁層２２から最も遠い（積層体の最下部の）強磁性層の交換ピンニングを０．６６ｍＪ／ｍ^２、ＲＫＫＹ結合を－０．６６ｍＪ／ｍ^２として計算を行った。図１２から分かるように、ピン止め層２１のＳＡＦ構成は、図８に示す構成と同じ改善された角度誤差の補償効果を提供できる。実際に、改善された補償効果は、反強磁性であり、０．４ｍＪ／ｍ^２以上の絶対値を持つＲＫＫＹ交換結合に対して得られる。

【符号の説明】

【0051】

１０ 磁気角度センサ装置、検出回路
２０ 磁気角度センサ素子、ＭＴＪ
２１ 強磁性ピン止め層
２１０ 参照層磁化、ピン止め磁化
２１１ 強磁性ピン止め副層
２１２ 非磁性下地層
２１３ 反強磁性体
２２ 障壁層
２３ 強磁性検知層
２３ａ 第１検知層
２３０ 検知層磁化
２３０ａ 第１検知磁化
２３ｂ 第２検知層
２３０ｂ 第２検知磁化
２４ 金属スペーサ
２３１ 第２検知副層
２３１０ 第２検知副磁化
２３２ 非磁性層
３０ 検知回路
６０ 外部磁場
ＡＥ_Ｔ 全角度誤差
ＡＥ_Ｒ 参照層方位の角度誤差
ＡＥ_Ｓ 検知層配向における角度誤差
Ｈ_ｅｘｔ 外部磁場の大きさ
Ｈ_ｌｏｎｇ 長手成分
Ｈ_ｐｉｎ ピンニングフィールド
Ｈ_{ｔｒａｎｓ} 横断成分
Ｒ 抵抗
Ｒ_ａｐ 検知層及び参照層の磁化が逆平行であるときの抵抗
Ｖ_ｉｎ 入力電圧
Ｖ_ｏｕｔ 出力電圧
θ 角度
χ_Ｒ 参照層の磁化率
χ_{ｔｒａｎｓ} 横磁化率

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【手続補正書】

【提出日】2022-11-22

【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】

外部磁場を検知するようになっている磁気角度センサ素子であって、
ピン止め磁化を持つ強磁性ピン止め層と、強磁性検知層と、前記強磁性ピン止め層と前記強磁性検知層との間のトンネル磁気抵抗障壁層とを備える磁気トンネル接合と、
前記強磁性検知層は、前記障壁層と直接接触し、第１検知磁化を持つ第１検知層と、第２検知磁化を持つ第２検知層と、前記第１検知層と前記第２検知層との間の金属スペーサとを備え、
前記金属スペーサは、前記第１検知磁化が前記第２検知磁化に対して実質的に逆平行に配向されるように、前記第１検知磁化と前記第２検知磁化との間に反強磁性結合を提供するように構成されていて、
前記第２検知磁化が前記外部磁場の方向に従って配向されるように、前記第２検知磁化が前記第１検知磁化よりも大きな、
磁気角度センサ素子において、
前記第２検知層は、複数の第２検知副層を備え、各第２検知副層は、前記第２検知磁化に達する第２検知副磁化を有して、
２つの隣り合う第２検知副層が、前記２つの隣り合う第２検知副層の間に磁気結合を提供するように構成された非磁性層によって分離されていることを特徴とする、磁気角度センサ素子。

【請求項2】

前記非磁性層は、前記第２検知磁化が前記第１検知磁化の１つと反対方向に配向されるように磁気結合を提供するように構成されている、請求項１に記載の磁気角度センサ素子。

【請求項3】

前記磁気結合は、前記第２検知副層のうちの１つの前記第２検知副磁化が、前記隣り合う第２検知副層の１つと実質的に平行に配向されるものである、請求項１に記載の磁気角度センサ素子。

【請求項4】

前記非磁性層は、最大９５４９３Ａ／ｍの前記外部磁場の振幅に対して前記第２検知副層内の前記第２検知副磁化の反転がないように、１ｍＪ／ｍ^２以上の前記磁気結合の強度を持つように構成されている、請求項１に記載の磁気角度センサ素子。

【請求項5】

前記金属スペーサの前記反強磁性結合は、０．３ｍＪ／ｍ^２以上の交換結合を持つＲＫＫＹ結合である、請求項１に記載の磁気角度センサ素子。

【請求項6】

前記ピン止め層は、非磁性層によって分離された強磁性層を備え、前記トンネル障壁層から最も遠い強磁性層は、反強磁性体によってピン止めされ、他の強磁性層は、それらを分離する前記非磁性層を介してＲＫＫＹ結合機構によって隣り合う強磁性層に結合され、
前記ＲＫＫＹ交換結合は、反強磁性であり、０．４ｍＪ／ｍ^２以上の絶対値を持つ、請求項１に記載の磁気角度センサ素子。

【請求項7】

前記第１検知磁化は、１．５ｎｍ以上の厚さを持つ、請求項５に記載の磁気角度センサ素子。

【請求項8】

請求項１に記載の磁気角度センサ素子を複数備えた、磁気角度センサ装置において、前記磁気角度センサ素子は、ハーフブリッジ又はフルブリッジ構成で配置されている、磁気角度センサ装置。

【国際調査報告】