特表 2023-526785 磁気抵抗素子を備える磁気センサ及びそのような磁気センサをプログラミングするシステム

(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】2023-06-23

(54)【発明の名称】磁気抵抗素子を備える磁気センサ及びそのような磁気センサをプログラミングするシステム

(51)【国際特許分類】

   H10N 50/10 20230101AFI20230616BHJP

   H10N 50/01 20230101ALI20230616BHJP

   H10N 50/80 20230101ALI20230616BHJP

   G01R 33/09 20060101ALI20230616BHJP

【ＦＩ】

H10N50/10 Z

H10N50/01

H10N50/80 Z

G01R33/09

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2022569043

(86)(22)【出願日】2021-05-27

(85)【翻訳文提出日】2022-11-14

(86)【国際出願番号】 IB2021054647

(87)【国際公開番号】W WO2021240432

(87)【国際公開日】2021-12-02

(31)【優先権主張番号】20315270.7

(32)【優先日】2020-05-28

(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】ストレルコフ・ニキータ

(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）】

2G017AD55

5F092AA20

5F092AB01

5F092AC12

5F092BB16

5F092BC03

5F092CA23

5F092EA06

5F092EA10

(57)【要約】

本開示は、複数の磁気抵抗効果素子（１）を備える磁気センサ（１０）に関する。しきい値温度以上で配向可能な磁化（２１０）を有する強磁性層（２１）を備える各磁気抵抗効果素子と、磁気センサは、電磁放射（７０）によって照射されるプラズモニック構造（５）をさらに備え、金属構造（５１）の空間周期プラズモニックアレイ（５０）を備える。プラズモニックアレイの周期及び金属構造の横方向の寸法は、電磁放射（７０）の所与の波長に対するプラズモニック構造のプラズモン共鳴を得るべく調整される。プラズモニックアレイは、第１強磁性層をしきい値以上の温度で加熱するような磁気センサに配置され、プラズモン共鳴による電磁波放射の吸収を増強する。本開示はさらに、電磁放射を放射するように構成されたセンサ及び放射装置（７）を備えるシステムに関する。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の磁気抵抗素子（１）を備える磁気センサ（１０）であって、
各前記磁気抵抗素子（１）が、プログラミング動作中に第１強磁性層（２１）が高温しきい値にあるときに第１磁化（２１０）を切り替え可能に、しきい値温度未満で固定され、しきい値温度以上で自由である第１磁化（２１０）を有する第１強磁性層（２１）を備えるＭＴＪ（２）を備え、
前記磁気センサ（１０）は、電磁放射（７０）によって照射されるようになっているプラズモニック構造（５）をさらに備え、
前記プラズモニック構造（５）は、金属構造（５１）の空間的に周期的なプラズモニックアレイ（５０）を備え、
前記プラズモニックアレイ（５０）の周期及び前記金属構造（５１）の横方向寸法（ｄ）は、前記電磁放射（７０）の所与の波（λ）に対して前記プラズモニック構造（５）のプラズモン共鳴を得るように調整され、ここにおいて、
前記プラズモニックアレイ（５０）が、プラズモン共鳴による前記電磁放射（７０）の増強された吸収から、前記第１強磁性層（２１）を前記しきい値温度以上に加熱するように前記磁気センサ（１０）内に配置されている、
複数の磁気抵抗素子（１）を備える磁気センサ（１０）において、
前記磁気センサ（１０）は、複数のセンサ支部（４０）のアレイを備え、各センサ支部が複数の磁気抵抗素子（１）を備えていることと、
前記プラズモニック構造（５）は、複数のプラズモニック副アレイ（５２）を備え、各プラズモニック副アレイ（５２）は、金属構造（５１）の周期的アレイを備えて前記センサ支部（４０）と交互に配置されていることと
を特徴とする、磁気センサ。

【請求項2】

前記プラズモニックアレイ（５０）の前記期間及び前記金属構造（５１）の前記横方向寸法（ｄ）は、前記電磁放射（７０）の所与の波（λ）に対して前記プラズモニック構造（５）のプラズモン共鳴を得るように調整されている、請求項１に記載の磁気センサ。

【請求項3】

前記ＭＴＪ（２）は、前記磁気センサ（１０）のフロントエンド回路（８０）と上面（２８）との間にあって、かつ
前記プラズモニック構造（５）は、前記上面（２８）と前記フロントエンド回路（８０）との間に設けられている
請求項１又は２に記載の磁気センサ。

【請求項4】

前記磁気抵抗素子（１）は、前記ＭＴＪ（２）と前記上面（２８）との間に上部金属接続層（ＭＣＴ）を備えて、かつ
前記プラズモニック構造（５）は、前記上部金属接続層（ＭＣＴ）の平面内に設けられている、請求項３に記載の磁気センサ。

【請求項5】

前記磁気抵抗素子（１）は、前記ＭＴＪ（２）と前記フロントエンド回路（８０）との間に下部金属接続層（ＭＣＢ）を備え、
前記プラズモニック構造（５）は、前記下部金属接続層（ＭＣＢ）の平面内に設けられている、請求項３に記載の磁気センサ。

【請求項6】

前記プラズモニック構造（５）は、誘電体層（２７）に埋め込まれていて、
前記プラズモニックアレイ（５０）の周期と前記金属構造（５１）の横方向寸法（ｄ）とは、前記電磁放射（７０）の波長（λ）と前記誘電体層（２７）の屈折率との所与の比に対して、前記プラズモニック構造（５）のプラズモン共鳴が得られるように調整されている、請求項１から５のいずれか一項に記載の磁気センサ。

【請求項7】

前記プラズモニック構造（５）は、少なくとも、第１プラズモニック副アレイ（５２ａ）と、前記電磁放射（７０）の偏波又は波長（λ）に関して前記第１プラズモニック副アレイ（５２ａ）とは異なる共鳴応答を有する第２プラズモニック副アレイ（５２ｂ）とを備える、請求項１から６のいずれか一項に記載の磁気センサ。

【請求項8】

前記プラズモニック構造（５）は、前記電磁放射（７０）の吸収を調整するように構成された補助プラズモニック構造（５３）をさらに備える、請求項１から７のいずれか一項に記載の磁気センサ。

【請求項9】

前記補助プラズモニック構造（５３）は、金属構造の空間的に周期的な配置又は連続的な金属層を備える、請求項８に記載の磁気センサ。

【請求項10】

前記補助プラズモニック構造（５３）及び前記プラズモニックアレイ（５０）は、前記磁気抵抗素子（１）と前記上面（２８）との間にある請求項３、８、９のいずれか一項に記載の磁気センサ。

【請求項11】

請求項１から１０のいずれか一項に記載の磁気センサと、
前記磁気センサ（１０）の照射領域（７１）を照射し、前記プラズモニック構造（５）のプラズモン共鳴を生成するように適合された波長（λ）を有する電磁放射（７０）を放出するように構成された電磁放射放出装置（７）とを備える、システム。

【請求項12】

照射領域（７１）は、少なくとも１つの磁気抵抗素子（１）を取り囲んでいる、請求項１１に記載のシステム。

【請求項13】

前記電磁放射線放出装置（７）は、集束された電磁放射（７０）を前記磁気センサ（１０）の前記照射領域（７１）に向けるレーザ放出装置を備える、請求項１１又は１２に記載のシステム。

【請求項14】

前記電磁放射放出装置（７）は、前記照射領域（７１）によって取り囲まれた前記１つ又は複数の磁気抵抗素子（１）を選択的に加熱するように、前記磁気センサ（１０）の前記表面（２８）上で移動可能である、請求項１１から１３のいずれか一項に記載のシステム。

【請求項15】

前記プラズモニック構造（５）は、少なくとも、第１プラズモニック副アレイ（５２ａ）と、前記電磁放射（７０）の偏波又は波長（λ）に関して前記第１プラズモニック副アレイ（５２ａ）とは異なる共鳴応答を有する第２プラズモニック副アレイ（５２ｂ）とを備え、かつ
前記電磁放射（７０）の、前記波長と前記偏波との少なくとも一方は、前記第１プラズモニック副アレイ又は第２プラズモニック副アレイ（５２ａ、５２ｂ）のうちの１つの共鳴条件に対応するように調整可能である、請求項１１から１４のいずれか一項に記載のシステム。

【請求項16】

前記プラズモニックアレイ（５０）は、２つの隣り合う金属構造（５１）間の距離（Ｌ）が実質的に等しい二次元格子を備え、前記プラズモニックアレイ（５０）は、正方格子、矩形格子、六方格子、又は菱形格子のうちのいずれか１つを備える、請求項１から１５のいずれか一項に記載のシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、磁気抵抗素子を備える磁気センサ、及びそのような磁気センサをプログラミングするシステムに関する。

【背景技術】

【0002】

磁気トンネル接合（ＭＴＪ）技術に基づく磁気センサは、感度、ダイサイズなどのいくつかの必須の変数で、ＧＭＲ、ＡＭＲ、及びホール効果センサより性能が優れている。ＴＭＲセンサの完全な性能は、対角枝が同じ方向にプログラムされ、各ハーフブリッジを構成する対角枝が反対方向にプログラムされるホイートストンブリッジ構成で達成できる。そのため、ホイートストンブリッジ構成は、異なる磁場の方向下の異なるセンサ分岐部ごとに一連のプログラミングを要求する。

【0003】

他の技術の中でも、レーザープログラミングは、マイクロメートルのサイズのスポットに高エネルギー密度を送達するのに有効なツールである。別の利点は、ウェハ全体を数十分でプログラムできることである。これら全ては、最終製品の費用に直接影響を及ぼし、したがって、市場におけるその成功を少なくとも部分的に決めている。

【0004】

しかしながら、レーザープログラミングの有効性は、完全なセンサレイアウト設計に強く依存する。通常のトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）センサは、特定の直列対並列比で接続されたＭＴＪを積み重ねたアレイを備える。金属層は、ＭＴＪアレイ内の内部接続部品（インターコネクタ）として機能するとともに、外周への電気リードとしても機能し、したがって、ＭＴＪスタックをレーザビームへの直接露光から部分的に又は完全に隠す。また、金属は、可視領域、近赤外領域での吸収が少ないため、全ての金属層がレーザエネルギーを吸収するのではなく反射するミラーとして作用する。
これは、エネルギーの吸収をセンサ領域にわたって不均一にし（第１近似では、それは金属の表面密度に依存する）、非常に非効率的にする。

【0005】

特許文献１（ＵＳ２０１１１１１１３３）は、特定のサイズ、形状、向き、及び材料のプラズモン発生層を製作物上に形成し、それからプラズモン発生層によって最適に吸収されてその中にプラズモンを発生させるような波長及び偏波の電磁放射を形成物に照射することによって、ウェハレベル製作物の部分を選択的に加熱できる方法を開示している。
その結果、生成されたプラズモンは熱エネルギーを生成し、この熱エネルギーは、プラズモン生成層が熱接触を有する製作物の部分に伝達される。

【0006】

特許文献２（ＵＳ２０１５１３２５０３）は、近接場変換器を形成する方法を開示している。この方法は、プラズモン材料を堆積させることと、プラズモン材料をレーザアニールすることを備える。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】米国特許出願公開第２０１１／１１１１３３号明細書

【特許文献2】米国特許出願公開第２０１５／１３２５０３号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

プラズモン共鳴は、開発されてマイクロメートルからサブマイクロメートルのテクスチャ（表面状態）を有する金属構造において生じる周知の確立された効果であり、この効果は、実験室環境を克服し、実生活の用途、すなわち、高保磁力記録媒体の熱支援プログラミング、光感知のための絶対又は選択的吸収層、金属上のレーザカラー印刷などに採用されている。
プラズモニック構造における共鳴吸収は、素子のサイズ、それらの形状、及びそれらの相対距離のような表面状態の特性寸法の設計によって、レーザビーム偏波及びその波長に調節してよい。

【0009】

本開示は、複数の磁気抵抗素子を備える磁気センサに関する。
各磁気抵抗素子は、しきい値温度を超える外部磁場に従って切り替え可能な第１磁化を有する第１強磁性層を備えるＭＴＪを備える。

【0010】

磁気センサは、電磁放射によって照射されるようになっているプラズモニック構造をさらに備える。プラズモニック構造は、金属構造の空間的に周期的なプラズモニックアレイを備え、プラズモニックアレイの周期及び金属構造の横方向寸法は、電磁放射の所与の波長についてプラズモニック構造のプラズモン共鳴が得られるように調整される。プラズモニックアレイは、プラズモン共鳴による電磁放射の強化された吸収から、第１強磁性層をしきい値温度で加熱するように、磁気センサ内に配置される。

【0011】

磁気センサはセンサ支部のアレイを備え、各センサ支部は複数の磁気抵抗素子を備える。
プラズモニック構造は、複数のプラズモニック副アレイを備え、各プラズモニック副アレイは、金属構造の周期的なアレイを備え、センサ支部と交互に配置される。

【0012】

本開示はさらに、磁気センサと、磁気センサの照射領域を照射し、プラズモニック構造のプラズモン共鳴を生成するように適合された波長を有する電磁放射を放出するように構成された電磁放射放出装置とを備えるシステムに関する。

【発明の効果】

【0013】

本明細書に開示される磁気センサは、電磁放射を使用することによってプログラムされ、ＭＴＪにおける光エネルギーの効率的な吸収を提供できる。
光エネルギーの吸収に異なる金属層を使用できて、光エネルギーの吸収もより均一である。

【0014】

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】

【0015】

【図1】図１は一実施形態による、複数の磁気抵抗素子とプラズモニック構造とを備える磁気センサの側面図である。

【図2】図２は、一実施形態による、１つ分離された磁気抵抗素子の側面図を示す。

【図3】図３は、シリコンベースのＣＭＯＳフロントエンド回路上の１つのＭＴＪを示す磁気センサのトポロジーを表す。

【図4】図４ａは、一実施形態による、矩形形状の金属構造（図４ａ）を示す。

【図4b】図４ｂは、一実施形態による、円盤形状の金属構造（図４ｂ）を示す。

【図4c】図４ｃは、一実施形態による、楕円形状の金属構造（図４ｃ）を備える周期的なプラズモニックアレイを示す。

【図5】図５は、一実施形態による、磁気抵抗素子の上部及び上部金属接続層の上部に位置するプラズモニック構造を示す。

【図6】図６は、一実施形態による、上部金属接続層のレベルに位置するプラズモニック構造を備える磁気センサの配置の上面図を示す。

【図7】図７は、一実施形態による、プラズモニックアレイと補助プラズモニック構造とを備えるプラズモニック構造を示す図である。

【図8】図８は、一実施形態による、プラズモニック構造が第１プラズモニック副アレイと第２プラズモニック副アレイとを備える磁気センサを示す。

【発明を実施するための形態】

【0016】

図１は、一実施形態による、複数の磁気抵抗素子１を備える磁気センサ１０の側面図を示す。図２は、一実施形態による、１つ分離された磁気抵抗素子１の側面図を示す。

【0017】

図２に示されるように、磁気抵抗素子１は、第１磁化２１０を有する第１強磁性層２１と、第１磁化２１０に対して切り替えられる第２磁化２３０を有する第２強磁性層２３とを備える磁気トンネル接合（ＭＴＪ）２を備えてよい。第１強磁性層２１と第２強磁性層２３との間には、トンネル障壁層２２が設けられている。第１磁化２１０は、ＭＴＪ２がブロッキング温度、ネール温度、又は別のしきい値温度などのしきい値温度以上の温度に加熱されたときに、外部磁場に従ってスイッチング可能であり得る。第１磁化２１０は、しきい値温度未満の温度で固定される。しきい値温度は、１５０℃又は２００℃を超えるか、もしくは少なくとも磁気抵抗素子１の通常の使用条件の温度を超えられる。しきい値温度未満では、第１磁化２１０は固定され、その方向は、磁気抵抗素子１の通常の使用条件に対応する温度及び外部磁界に対して安定したままである。

【0018】

ＭＴＪ２は、第１強磁性層２１の隣りにある、反強磁性層などのピン止め層２４をさらに備えてよい。ピン止め層２４は、しきい値温度よりも低い温度での交換結合によって、第１磁化２１０をピン止め方向に沿ってピン止めする。ここで、しきい値温度は、ネール温度に近く、同時に、反強磁性層２４の反強磁性材料のブロッキング温度を超える温度に対応できる。

【0019】

図１に示すように、磁気抵抗素子１は、誘電体層２７に埋め込んでよい。

【0020】

図３は、上面２８、上部金属接続層ＭＣＴ、第１電流線３、ＭＴＪ２、第２電流線４、及びシリコンベースの相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）フロントエンド回路８０を示す磁気センサ１０のトポロジーを表す。

【0021】

磁気抵抗素子１は、書き込み及び読み出し機能の提供に金属導体をさらに備えてもよい。図３の例では、第１電流線３は、磁気抵抗素子１に電気的に結合できる。
第２電流線４は、第１電流線３に対して実質的に垂直（又は平行）に延在し、磁気抵抗素子１に磁気的に結合され得る。磁気抵抗素子１は、さらに、磁気抵抗素子１に電気的に接続された選択トランジスタ（図示せず）を備えてよい。磁気抵抗素子１は、金属ビアＶＭによってＭＴＪ２に接続された、ＭＴＪ２の上の上部金属接続層ＭＣＴと、ＭＴＪ２の下の下部金属接続層ＭＣＢとをさらに備えてよい。上部金属接続層ＭＣＴは、下部金属接続層ＭＣＢを電気的に接続し、下部金属接続層ＭＣＢは、フィールド線として使用され得る。

【0022】

磁気抵抗素子１は、電磁放射放出装置７から放出された電磁放射７０のエネルギー吸収を強化及び局所化するように構成されたプラズモニック構造５をさらに備える。

【0023】

一態様では、プラズモニック構造５は、金属構造５１の空間的に周期的なプラズモニックアレイ５０を備える。図４ａから図４ｃに示すように、周期的なプラズモニックアレイ５０は、矩形形状の金属構造５１（図４ａ）、円盤形状の金属構造５１（図４ｂ）又は楕円形状の金属構造５１（図４ｃ）の空間的に周期的な配置を備えてよい。金属構造５１のその他の形状も考慮してよい。

【0024】

プラズモニックアレイ５０に備わる金属構造５１は、全て実質的に同じ形状でよいが、プラズモニックアレイ５０は、異なる形状を有する金属構造５１を備えてもよい。
プラズモニック構造の原理

【0025】

磁気センサ１０のプログラミング動作中、第１磁化２１０は、初期の向きからプログラムされた向きに切り替えられる。プログラムされた配向は、外部磁場の方向に従って任意の方向であり得る。プログラミング動作は、磁気センサ１０内のすべての磁気抵抗素子１又は磁気抵抗素子１の選択されたサブアンサンブルに対して実行できる。

【0026】

プログラミング動作中、電磁放射放出装置７によって放出された電磁放射線７０は、磁気センサ１０の照射領域７１を照射する。図１に示されるように、照射領域７１は、２つの隣り合う磁気抵抗素子１を取り囲む表面領域を覆える。しかしながら、照射領域７１は、単一の磁気抵抗素子１、磁気抵抗素子１のサブアンサンブル、又は磁気センサ１０内のすべての磁気抵抗素子１を取り囲む表面領域を覆える。

【0027】

電磁放射７０の波長でのプラズモニック構造５のプラズモン共鳴の条件において、プラズモニック構造５は、電磁放射７０の強化された吸収を提供する。その結果、照射領域７１において、プラズモニック構造５は、強化された熱発生を提供する。増強された熱は、照射領域７１内の選択された磁気抵抗素子１に伝達され、選択された磁気抵抗素子１の第１強磁性層２１がしきい値温度以上に加熱されることを可能にする。増強された加熱は、照射された領域７１においてのみ生じるので、磁気センサ１０の選択的かつマスクフリーのプログラミングが達成可能である。

【0028】

プラズモニック構造５はさらに、照明領域７１内に均一な熱生成を提供できる。

【0029】

放射放出装置７は、集束レーザビーム７０を磁気センサ１０の照射領域７１に向けるレーザー放出装置を備えてもよい（図１参照）。レーザビーム７０の集束は、固浸レンズなどの近接場光学素子を使用することによって達成できる。
金属構造のアレイの配置

【0030】

周期的なプラズモニックアレイ５０内の金属構造５１の配置は、電磁放射７０の波長でプラズモン共鳴を得るように最適化できる。これは、金属構造５１の横方向寸法ｄ及び金属構造５１の周期的配置を変化させることによって達成できる。プラズモニックアレイ５０は、２つの隣り合う金属構造５１の間に実質的に等しい距離Ｌを有する２次元格子を備えてよい。プラズモニックアレイ５０は、金属構造５１の正方格子（図４に示す）、矩形格子、六方格子もしくは菱形格子、又は任意の他のタイプの格子のうちのいずれか１つを備えてよい。

【0031】

例えば、周期的なプラズモニックアレイ５０内の２つの隣り合う金属構造５１間の距離Ｌは、電磁放射７０（サブ波長プラズモニックアレイ５０）の波長以下であるべきである。
金属構造５１の横方向の寸法ｄは、電磁放射７０の波長よりも小さくなければならない（サブ波長金属構造５１）。

【0032】

共鳴条件下では、すなわち、電磁放射７０の波長が金属構造５１のプラズモン共鳴と一致する場合には、金属構造５１における電力吸収を少なくとも１桁増加可能である。
共鳴条件下では、照射領域７１内の熱発生は、プラズモン共鳴を伴わない熱発生の最大９倍に到達できる。
プラズモニック構造の位置

【0033】

プラズモニック構造５は、照射領域７１においてプラズモニック構造５によって吸収された熱をＭＴＪ２に伝達可能であり、それによって参照磁化ａｔを高温しきい値としてよいように、あるように磁気センサ１０内に配置されるべきである。ここで、磁気抵抗素子１の近くとは、５０ｎｍから５０００ｎｍの距離を備えてよい。

【0034】

プラズモニック構造５はさらに、放射放出装置７によって容易に照射されるように、磁気センサ１０内に配置されるべきである。理想的には、プラズモニック構造５は、金属接続層又はプラズモン共鳴に関与しない他の構造によって、放射放出装置７からマスクされるべきではない。

【0035】

一実施形態では、プラズモニック構造５は、磁気センサ１０の上面２８とＭＴＪ２の少なくとも１つとの間に設けられる。

【0036】

図５は、図４のトポロジー表現の部分図を示す。図５に示す例では、プラズモニック構造５は、上面２８と上部金属接続層ＭＣＴとの間に設けられる。プラズモニック構造５は、誘電体層２７に埋め込んでよい。誘電体層２７は、電磁放射７０に対して光学的に透明であるべきである。誘電体層２７は、二酸化ケイ素ＳｉＯ_２、窒化ケイ素ＳｉＮなどの誘電体材料を含有してよい。

【0037】

プラズモニック構造５が磁気抵抗素子の上に配置されている図５の構成の利点は、プラズモニック構造５がより高いレベルの金属層によって陰にならないことである。

【0038】

金属構造５１の横方向の寸法は、電磁放射７０の波長と誘電体層２７の屈折率との比、すなわち誘電体層２７における電磁放射７０の波長λ、又はこの比の分数にほぼ対応できる。

【0039】

例えば、誘電体層２７が窒化ケイ素（ＳｉＮ）を含む場合、放出された電磁放射線７０の１０６４ｎｍの入射波λ_ｉは、誘電体層２７内で減少し、ＳｉＮλ_ｉ内の波は、入射波λ_ｉを屈折率ＳｉＮλ_ｉ／１．８８５＝５６４ｎｍで除算したものに等しい。したがって、金属構造５０の横方向の寸法は、ＳｉＮλ_ｉ半波長に実質的に等しくてもよく、２つの隣り合う金属構造５０間の間隔Ｌは、ＳｉＮλ_ｉの半波長に実質的に等しくてもよい。

【0040】

別の実施形態では、プラズモニック構造５は、上部金属接続層ＭＣＴのレベル（センサ高さ方向で同じ高さ）に配置される。

【0041】

図６は、上部金属接続層ＭＣＴのレベルに、すなわち上部金属接続層ＭＣＴの平面内に位置するプラズモニック構造５を備える磁気センサ１０の構成の上面図を示す。磁気センサ１０は、センサ支部４０のアレイを備え、各センサ支部４０は、複数の相互接続された磁気抵抗素子１を備える。プラズモニック構造５は、複数のプラズモニック副アレイ５２を備えてよく、各プラズモニック副アレイ５２は、金属構造５１の周期的アレイを備える。各プラズモニック副アレイ５２は、センサ支部４０と交互に配置できる。

【0042】

一態様では、プラズモニック副アレイ５２は、センサ支部４０の幅Ｗ_Ｓの２倍の幅Ｗ_Ｐを有する。言い換えると、プラズモニック副アレイ５２によって占有される表面積は、２つのセンサ支部４０の表面積に対応する。各プラズモニック副アレイ５２のプラズモン共鳴は、金属構造５１のアレイの周期性と、金属構造５１の横方向寸法ｄとに依存する。

【0043】

一例では、プラズモニック副アレイ５２の幅は約５．０μｍであり、金属構造５１の横寸法ｄは約０．４μｍである。しかしながら、センサ支部４０に対するプラズモニック副アレイ５２の他の配置も考えられる。

【0044】

プラズモニック構造５の他の配置も可能であり、例えば、プラズモニック構造５は、第２電流線４又は金属接続層ＭＣＢのレベルなど、金属層のいずれか１つの（平面内の）レベルに配置可能である。このような配置は、上述したように、センサ支部４０と交互に配置された複数のプラズモニック副アレイ５２を備えてもよい。

【0045】

プラズモニック構造５が上部金属接続層ＭＣＴ、下部金属接続層ＭＣＢ又は他の金属接続層もしくは金属ビアの平面内に設けられる磁気センサ１０の構成は、磁気センサ１０内の面積当たりの磁気抵抗素子１の密度を低下させることになり得る。実際に、磁気センサ１０の利用可能な表面積は、プラズモニック構造５によって占有される表面積と磁気抵抗素子１によって占有される表面積との間で共有されなければならない。

【0046】

共鳴周波数は、上部金属接続層ＭＣＴのレベルに位置し、図６に示す構成に従って配置されたプラズモニック構造５についてモデル化された。共鳴周波数は、矩形形状（図４ａ参照）、円盤形状（図４ｂ参照）を有する金属構造５１の空間的に周期的な配置に対してモデル化された。共鳴周波数は、金属構造５１の複数の横方向寸法ｄ及び２つの隣り合う金属構造５１間の複数の距離Ｌに対してモデル化された。

【0047】

表１は、上部金属接続層ＭＣＴのレベルに位置するプラズモニック構造５のモデル化から得られたプラズモニック共鳴値を報告する。モデル化は、５００ｎｍから７００ｎｍの間の距離Ｌだけ離間され、２００ｎｍから３００ｎｍの間の横寸法ｄを有する矩形（ｓｑ）及び円盤形（ｃｉｒｃ）の金属構造５１を持つプラズモニックアレイ５０に対して行われた。

【表1】

【0048】

表２は、底部金属接続層ＭＣＢのレベルに位置するプラズモニック構造５のモデリングから得られたプラズモニック共鳴値を報告する。モデリングは、５００ｎｍから８８０ｎｍの間の距離Ｌだけ離され、２００ｎｍから４００ｎｍの間の横寸法ｄを有する矩形（ｓｑ）及び円盤形（ｃｉｒｃ）の金属構造５１を有するプラズモニックアレイ５０に対して行われた。

【0049】

シミュレーションは、共鳴吸収が、金属構造５１とその下の金属層の両方で、例えば、金属構造５１と上部金属接続層ＭＣＴの両方で、又は金属構造５１と下部金属接続層ＭＣＢの両方で起こり得ることを示している。

【0050】

磁気センサ１０内のプラズモニック構造５の構成及び位置に応じて、放出装置７によって放出される電磁放射７０の屈折率は、２０％未満に低下する可能性がある。
周波数はレーザー波長１０６４ｎｍに対応する。

【表2】

【0051】

プラズモニック構造５の他の構成を考慮してよい。例えば、プラズモニック構造５は、上部金属接続層ＭＣＴのレベルに配置してよい。そして金属構造５１は、４００ｎｍから７００ｎｍの間の距離Ｌだけ離してもよく、２００ｎｍから３００ｎｍの間の横方向寸法ｄを持ってよい。

【0052】

別の構成では、プラズモニック構造５は、底部金属接続層ＭＣＢのレベルに配置してよい。そして金属構造５１は、５００ｎｍから９００ｎｍの距離Ｌだけ離してよく、２００ｎｍから４００ｎｍの横方向寸法ｄを持ってよい。

【0053】

さらに別の構成では、プラズモニック構造５は、ＭＴＪ２の下の第２電流線４のレベルに位置し、金属構造５１は、４５０ｎｍから８５０ｎｍの間の距離Ｌだけ離され、２００ｎｍから４５０ｎｍの間の横寸法ｄを持ってよい。

【0054】

矩形状及び円盤形状の金属構造５１を備えるプラズモニックアレイ５０について、シミュレーションは、共鳴周波数が横寸法ｄ及び隣り合う金属構造５１間の距離Ｌによって決定されることを示した。

【0055】

さらに別の構成では、金属構造５１は、楕円形状であってよい（図４ｃ）。楕円形金属構造５１を備えるプラズモニック構造５について、シミュレーションは、共鳴周波数が楕円形金属構造５１の長軸（ａ）及び短軸（ｂ）によって決定されることを示した。楕円形金属構造５１は、それぞれ、２３０ｎｍから４７０ｎｍの間の長軸と、４７０ｎｍから２３０ｎｍの間の短軸とを持ってよい。

【0056】

プラズモニック構造５の他の構成を考慮してよい。図７に示す実施形態では、プラズモニック構造５は、プラズモニックアレイ５０と、電磁放射エネルギーの吸収を調整するように構成された補助プラズモニック構造５３とを備える。言い換えると、共鳴条件下では、プラズモニックアレイ５０と補助プラズモニック構造５３とは、それらの間の電磁結合のために同時に共鳴する。補助プラズモニック構造５３は、３倍以上の電力吸収の増幅をもたらし得る。プラズモニックアレイ５０は、補助プラズモニック構造５３と電磁放射放出装置７との間に備えられてよい。補助プラズモニック構造５５は、金属構造の空間的に周期的な配置又は連続的な金属層を備えてよい。

【0057】

図８に示すさらに別の実施形態では、プラズモニック構造５は、少なくとも第１プラズモニック副アレイ５２ａと第２プラズモニック副アレイ５２ｂとを備える。第１プラズモニック副アレイ５２ａは、プラズモン共鳴によって生成された熱を磁気センサ１０の磁気抵抗素子１の第１サブセットに伝達するように構成され、第２プラズモニック副アレイ５２ｂは、プラズモン共鳴によって生成された熱を磁気抵抗素子１の第２サブセットに伝達するように構成される。図８では、第１サブセットは、磁気抵抗素子１を備える２つのセンサ支部４０として表され、第２サブセットは、１つのそのような支部４０を備える。
プラズモニック副アレイ及びサブセットの数と同様に、サブセットの他の構成も考慮されるべきである。

【0058】

プラズモニック副アレイ５２ａ、５２ｂは、磁気抵抗素子１の上部及び上部金属接続層ＭＣＴの上部に配置できる。

【0059】

少なくとも第１プラズモニック副アレイ５２ａは、電磁放射７０の偏波又は波長λに関して、第２プラズモニック副アレイ５２ｂとは異なる共鳴応答を持つ。

【0060】

電磁放射放出装置７によって放出される電磁放射７０の波長と偏波の少なくとも一方は、プラズモン共鳴が第１又は第２プラズモニック副アレイ５２ａ、５２ｂのうちの一方に対してのみ生じるように、第１プラズモニック副アレイ５２ａ又は第２プラズモニック副アレイ５２ｂのうちの一方の共鳴条件に対応するように調整できる。したがって、共鳴プラズモニック副アレイ５２ａ又は５２ｂに対応するセンサ支部４０のみが、高温しきい値で加熱される。

【0061】

この後者の構成は、磁気センサ１０全体が完全に照明される場合に、照射光線のウィンドウ化のためのマスクを必要とすることなく、センサ支部４０の選択的プログラミングを可能にする。照射領域（７１）によって囲まれた１つ又はいくつかの磁気抵抗素子１を選択的に加熱するように、（レーザーのような）電磁放射放出装置７磁気センサ１０の上面２８の上で移動可能なので、位置決めの制約も少なくなる。

【符号の説明】

【0062】

１ 磁気抵抗効果素子
１０ ＭＲＡＭベースのセンサ
２ 磁気トンネル接合
２１ 参照層
２１０ 参照磁化
２２ トンネル障壁層
２３ センス層
２３０ センス磁化
２４ ピン止め層
２７ 誘電体層
２８ 上面
３ 第１電流線
４ 第２電流線
４０ センサ支部
５ プラズモニック構造
５０ プラズモニックアレイ
５１ 金属構造
５２ プラズモニック副アレイ
５３ 補助プラズモニック構造
７ 電磁放射線放出装置
７０ 電磁放射
７１ 照射領域
８０ フロントエンド回路
λ 波長
ｄ 横寸法
Ｌ 距離
ＭＣＢ 底部金属接続層、フィールド線
ＭＣＴ 上部金属接続層
ＶＭ 金属ビア
Ｗ_Ｐ プラズモン下部構造の幅
Ｗ_Ｓ センサ支部の幅

【図1】

【図2】

【図3】

【図4(a)】

【図4(b)】

【図4(c)】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【手続補正書】

【提出日】2022-11-29

【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】

本発明は、磁気抵抗素子を備える磁気センサ、及びそのような磁気センサをプログラミングするシステムに関する。

【背景技術】

【0002】

磁気トンネル接合（ＭＴＪ）技術に基づく磁気センサは、感度、ダイサイズなどのいくつかの必須の変数で、ＧＭＲ、ＡＭＲ、及びホール効果センサより性能が優れている。ＴＭＲセンサの完全な性能は、対角枝が同じ方向にプログラムされ、各ハーフブリッジを構成する対角枝が反対方向にプログラムされるホイートストンブリッジ構成で達成できる。そのため、ホイートストンブリッジ構成は、異なる磁場の方向下の異なるセンサ分岐部ごとに一連のプログラミングを要求する。

【0003】

他の技術の中でも、レーザープログラミングは、マイクロメートルのサイズのスポットに高エネルギー密度を送達するのに有効なツールである。別の利点は、ウェハ全体を数十分でプログラムできることである。これら全ては、最終製品の費用に直接影響を及ぼし、したがって、市場におけるその成功を少なくとも部分的に決めている。

【0004】

しかしながら、レーザープログラミングの有効性は、完全なセンサレイアウト設計に強く依存する。通常のトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）センサは、特定の直列対並列比で接続されたＭＴＪを積み重ねたアレイを備える。金属層は、ＭＴＪアレイ内の内部接続部品（インターコネクタ）として機能するとともに、外周への電気リードとしても機能し、したがって、ＭＴＪスタックをレーザビームへの直接露光から部分的に又は完全に隠す。また、金属は、可視領域、近赤外領域での吸収が少ないため、全ての金属層がレーザエネルギーを吸収するのではなく反射するミラーとして作用する。
これは、エネルギーの吸収をセンサ領域にわたって不均一にし（第１近似では、それは金属の表面密度に依存する）、非常に非効率的にする。

【0005】

特許文献１（ＵＳ２０１１１１１１３３）は、特定のサイズ、形状、向き、及び材料のプラズモン発生層を製作物上に形成し、それからプラズモン発生層によって最適に吸収されてその中にプラズモンを発生させるような波長及び偏波の電磁放射を形成物に照射することによって、ウェハレベル製作物の部分を選択的に加熱できる方法を開示している。
その結果、生成されたプラズモンは熱エネルギーを生成し、この熱エネルギーは、プラズモン生成層が熱接触を有する製作物の部分に伝達される。

【0006】

特許文献２（ＵＳ２０１５１３２５０３）は、近接場変換器を形成する方法を開示している。この方法は、プラズモン材料を堆積させることと、プラズモン材料をレーザアニールすることを備える。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】米国特許出願公開第２０１１／１１１１３３号明細書

【特許文献2】米国特許出願公開第２０１５／１３２５０３号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

プラズモン共鳴は、開発されてマイクロメートルからサブマイクロメートルのテクスチャ（表面状態）を有する金属構造において生じる周知の確立された効果であり、この効果は、実験室環境を克服し、実生活の用途、すなわち、高保磁力記録媒体の熱支援プログラミング、光感知のための絶対又は選択的吸収層、金属上のレーザカラー印刷などに採用されている。プラズモニック構造における共鳴吸収は、素子のサイズ、それらの形状、及びそれらの相対距離のような表面状態の特性寸法の設計によって、レーザビーム偏波及びその波長に調節してよい。

【0009】

本開示は、複数の磁気抵抗素子を備える磁気センサに関する。
各磁気抵抗素子は、しきい値温度を超える外部磁場に従って切り替え可能な第１磁化を有する第１強磁性層を備えるＭＴＪを備える。

【0010】

磁気センサは、電磁放射によって照射されるようになっているプラズモニック構造をさらに備える。プラズモニック構造は、金属構造の空間的に周期的なプラズモニックアレイを備え、プラズモニックアレイの周期及び金属構造の横方向寸法は、電磁放射の所与の波長についてプラズモニック構造のプラズモン共鳴が得られるように調整される。プラズモニックアレイは、プラズモン共鳴による電磁放射の強化された吸収から、第１強磁性層をしきい値温度で加熱するように、磁気センサ内に配置される。

【0011】

磁気センサはセンサ支部のアレイを備え、各センサ支部は複数の磁気抵抗素子を備える。プラズモニック構造は、複数のプラズモニック副アレイを備え、各プラズモニック副アレイは、金属構造の周期的なアレイを備え、センサ支部と交互に配置される。

【0012】

プラズモニック構造は、少なくとも、第１プラズモニック副アレイと、偏波及び波長に関して第１プラズモニック副アレイと異なる共鳴応答を持つ第２プラズモニック副アレイを備える。

【0013】

本開示はさらに、磁気センサと、磁気センサの照射領域を照射し、プラズモニック構造のプラズモン共鳴を生成するように適合された波長を有する電磁放射を放出するように構成された電磁放射放出装置とを備えるシステムに関する。

【発明の効果】

【0014】

本明細書に開示される磁気センサは、電磁放射を使用することによってプログラムされ、ＭＴＪにおける光エネルギーの効率的な吸収を提供できる。光エネルギーの吸収に異なる金属層を使用できて、光エネルギーの吸収もより均一である。

【0015】

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】

【0016】

【図1】図１は一実施形態による、複数の磁気抵抗素子とプラズモニック構造とを備える磁気センサの側面図である。

【図2】図２は、一実施形態による、１つ分離された磁気抵抗素子の側面図を示す。

【図3】図３は、シリコンベースのＣＭＯＳフロントエンド回路上の１つのＭＴＪを示す磁気センサのトポロジーを表す。

【図4】図４ａは、一実施形態による、矩形形状の金属構造（図４ａ）を示す。

【図4b】図４ｂは、一実施形態による、円盤形状の金属構造（図４ｂ）を示す。

【図4c】図４ｃは、一実施形態による、楕円形状の金属構造（図４ｃ）を備える周期的なプラズモニックアレイを示す。

【図5】図５は、一実施形態による、磁気抵抗素子の上部及び上部金属接続層の上部に位置するプラズモニック構造を示す。

【図6】図６は、一実施形態による、上部金属接続層のレベルに位置するプラズモニック構造を備える磁気センサの配置の上面図を示す。

【図7】図７は、一実施形態による、プラズモニックアレイと補助プラズモニック構造とを備えるプラズモニック構造を示す図である。

【図8】図８は、一実施形態による、プラズモニック構造が第１プラズモニック副アレイと第２プラズモニック副アレイとを備える磁気センサを示す。

【発明を実施するための形態】

【0017】

図１は、一実施形態による、複数の磁気抵抗素子１を備える磁気センサ１０の側面図を示す。図２は、一実施形態による、１つ分離された磁気抵抗素子１の側面図を示す。

【0018】

図２に示されるように、磁気抵抗素子１は、第１磁化２１０を有する第１強磁性層２１と、第１磁化２１０に対して切り替えられる第２磁化２３０を有する第２強磁性層２３とを備える磁気トンネル接合（ＭＴＪ）２を備えてよい。第１強磁性層２１と第２強磁性層２３との間には、トンネル障壁層２２が設けられている。第１磁化２１０は、ＭＴＪ２がブロッキング温度、ネール温度、又は別のしきい値温度などのしきい値温度以上の温度に加熱されたときに、外部磁場に従ってスイッチング可能であり得る。第１磁化２１０は、しきい値温度未満の温度で固定される。しきい値温度は、１５０℃又は２００℃を超えるか、もしくは少なくとも磁気抵抗素子１の通常の使用条件の温度を超えられる。しきい値温度未満では、第１磁化２１０は固定され、その方向は、磁気抵抗素子１の通常の使用条件に対応する温度及び外部磁界に対して安定したままである。

【0019】

ＭＴＪ２は、第１強磁性層２１の隣りにある、反強磁性層などのピン止め層２４をさらに備えてよい。ピン止め層２４は、しきい値温度よりも低い温度での交換結合によって、第１磁化２１０をピン止め方向に沿ってピン止めする。ここで、しきい値温度は、ネール温度に近く、同時に、反強磁性層２４の反強磁性材料のブロッキング温度を超える温度に対応できる。

【0020】

図１に示すように、磁気抵抗素子１は、誘電体層２７に埋め込んでよい。

【0021】

図３は、上面２８、上部金属接続層ＭＣＴ、第１電流線３、ＭＴＪ２、第２電流線４、及びシリコンベースの相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）フロントエンド回路８０を示す磁気センサ１０のトポロジーを表す。

【0022】

磁気抵抗素子１は、書き込み及び読み出し機能の提供に金属導体をさらに備えてもよい。図３の例では、第１電流線３は、磁気抵抗素子１に電気的に結合できる。
第２電流線４は、第１電流線３に対して実質的に垂直（又は平行）に延在し、磁気抵抗素子１に磁気的に結合され得る。磁気抵抗素子１は、さらに、磁気抵抗素子１に電気的に接続された選択トランジスタ（図示せず）を備えてよい。磁気抵抗素子１は、金属ビアＶＭによってＭＴＪ２に接続された、ＭＴＪ２の上の上部金属接続層ＭＣＴと、ＭＴＪ２の下の下部金属接続層ＭＣＢとをさらに備えてよい。上部金属接続層ＭＣＴは、下部金属接続層ＭＣＢを電気的に接続し、下部金属接続層ＭＣＢは、フィールド線として使用され得る。

【0023】

磁気抵抗素子１は、電磁放射放出装置７から放出された電磁放射７０のエネルギー吸収を強化及び局所化するように構成されたプラズモニック構造５をさらに備える。

【0024】

一態様では、プラズモニック構造５は、金属構造５１の空間的に周期的なプラズモニックアレイ５０を備える。図４ａから図４ｃに示すように、周期的なプラズモニックアレイ５０は、矩形形状の金属構造５１（図４ａ）、円盤形状の金属構造５１（図４ｂ）又は楕円形状の金属構造５１（図４ｃ）の空間的に周期的な配置を備えてよい。金属構造５１のその他の形状も考慮してよい。

【0025】

プラズモニックアレイ５０に備わる金属構造５１は、全て実質的に同じ形状でよいが、プラズモニックアレイ５０は、異なる形状を有する金属構造５１を備えてもよい。
プラズモニック構造の原理

【0026】

磁気センサ１０のプログラミング動作中、第１磁化２１０は、初期の向きからプログラムされた向きに切り替えられる。プログラムされた配向は、外部磁場の方向に従って任意の方向であり得る。プログラミング動作は、磁気センサ１０内のすべての磁気抵抗素子１又は磁気抵抗素子１の選択されたサブアンサンブルに対して実行できる。

【0027】

プログラミング動作中、電磁放射放出装置７によって放出された電磁放射線７０は、磁気センサ１０の照射領域７１を照射する。図１に示されるように、照射領域７１は、２つの隣り合う磁気抵抗素子１を取り囲む表面領域を覆える。しかしながら、照射領域７１は、単一の磁気抵抗素子１、磁気抵抗素子１のサブアンサンブル、又は磁気センサ１０内のすべての磁気抵抗素子１を取り囲む表面領域を覆える。

【0028】

電磁放射７０の波長でのプラズモニック構造５のプラズモン共鳴の条件において、プラズモニック構造５は、電磁放射７０の強化された吸収を提供する。その結果、照射領域７１において、プラズモニック構造５は、強化された熱発生を提供する。増強された熱は、照射領域７１内の選択された磁気抵抗素子１に伝達され、選択された磁気抵抗素子１の第１強磁性層２１がしきい値温度以上に加熱されることを可能にする。増強された加熱は、照射された領域７１においてのみ生じるので、磁気センサ１０の選択的かつマスクフリーのプログラミングが達成可能である。

【0029】

プラズモニック構造５はさらに、照明領域７１内に均一な熱生成を提供できる。

【0030】

放射放出装置７は、集束レーザビーム７０を磁気センサ１０の照射領域７１に向けるレーザー放出装置を備えてもよい（図１参照）。レーザビーム７０の集束は、固浸レンズなどの近接場光学素子を使用することによって達成できる。
金属構造のアレイの配置

【0031】

周期的なプラズモニックアレイ５０内の金属構造５１の配置は、電磁放射７０の波長でプラズモン共鳴を得るように最適化できる。これは、金属構造５１の横方向寸法ｄ及び金属構造５１の周期的配置を変化させることによって達成できる。プラズモニックアレイ５０は、２つの隣り合う金属構造５１の間に実質的に等しい距離Ｌを有する２次元格子を備えてよい。プラズモニックアレイ５０は、金属構造５１の正方格子（図４に示す）、矩形格子、六方格子もしくは菱形格子、又は任意の他のタイプの格子のうちのいずれか１つを備えてよい。

【0032】

例えば、周期的なプラズモニックアレイ５０内の２つの隣り合う金属構造５１間の距離Ｌは、電磁放射７０（サブ波長プラズモニックアレイ５０）の波長以下であるべきである。
金属構造５１の横方向の寸法ｄは、電磁放射７０の波長よりも小さくなければならない（サブ波長金属構造５１）。

【0033】

共鳴条件下では、すなわち、電磁放射７０の波長が金属構造５１のプラズモン共鳴と一致する場合には、金属構造５１における電力吸収を少なくとも１桁増加可能である。
共鳴条件下では、照射領域７１内の熱発生は、プラズモン共鳴を伴わない熱発生の最大９倍に到達できる。
プラズモニック構造の位置

【0034】

プラズモニック構造５は、照射領域７１においてプラズモニック構造５によって吸収された熱をＭＴＪ２に伝達可能であり、それによって参照磁化ａｔを高温しきい値としてよいように、あるように磁気センサ１０内に配置されるべきである。ここで、磁気抵抗素子１の近くとは、５０ｎｍから５０００ｎｍの距離を備えてよい。

【0035】

プラズモニック構造５はさらに、放射放出装置７によって容易に照射されるように、磁気センサ１０内に配置されるべきである。理想的には、プラズモニック構造５は、金属接続層又はプラズモン共鳴に関与しない他の構造によって、放射放出装置７からマスクされるべきではない。

【0036】

一実施形態では、プラズモニック構造５は、磁気センサ１０の上面２８とＭＴＪ２の少なくとも１つとの間に設けられる。

【0037】

図５は、図４のトポロジー表現の部分図を示す。図５に示す例では、プラズモニック構造５は、上面２８と上部金属接続層ＭＣＴとの間に設けられる。プラズモニック構造５は、誘電体層２７に埋め込んでよい。誘電体層２７は、電磁放射７０に対して光学的に透明であるべきである。誘電体層２７は、二酸化ケイ素ＳｉＯ_２、窒化ケイ素ＳｉＮなどの誘電体材料を含有してよい。

【0038】

プラズモニック構造５が磁気抵抗素子の上に配置されている図５の構成の利点は、プラズモニック構造５がより高いレベルの金属層によって陰にならないことである。

【0039】

金属構造５１の横方向の寸法は、電磁放射７０の波長と誘電体層２７の屈折率との比、すなわち誘電体層２７における電磁放射７０の波長λ、又はこの比の分数にほぼ対応できる。

【0040】

例えば、誘電体層２７が窒化ケイ素（ＳｉＮ）を含む場合、放出された電磁放射線７０の１０６４ｎｍの入射波λ_ｉは、誘電体層２７内で減少し、ＳｉＮλ_ｉ内の波は、入射波λ_ｉを屈折率ＳｉＮλ_ｉ／１．８８５＝５６４ｎｍで除算したものに等しい。したがって、金属構造５０の横方向の寸法は、ＳｉＮλ_ｉ半波長に実質的に等しくてもよく、２つの隣り合う金属構造５０間の間隔Ｌは、ＳｉＮλ_ｉの半波長に実質的に等しくてもよい。

【0041】

別の実施形態では、プラズモニック構造５は、上部金属接続層ＭＣＴのレベル（センサ高さ方向で同じ高さ）に配置される。

【0042】

図６は、上部金属接続層ＭＣＴのレベルに、すなわち上部金属接続層ＭＣＴの平面内に位置するプラズモニック構造５を備える磁気センサ１０の構成の上面図を示す。磁気センサ１０は、センサ支部４０のアレイを備え、各センサ支部４０は、複数の相互接続された磁気抵抗素子１を備える。プラズモニック構造５は、複数のプラズモニック副アレイ５２を備えてよく、各プラズモニック副アレイ５２は、金属構造５１の周期的アレイを備える。各プラズモニック副アレイ５２は、センサ支部４０と交互に配置できる。

【0043】

一態様では、プラズモニック副アレイ５２は、センサ支部４０の幅Ｗ_Ｓの２倍の幅Ｗ_Ｐを有する。言い換えると、プラズモニック副アレイ５２によって占有される表面積は、２つのセンサ支部４０の表面積に対応する。各プラズモニック副アレイ５２のプラズモン共鳴は、金属構造５１のアレイの周期性と、金属構造５１の横方向寸法ｄとに依存する。

【0044】

一例では、プラズモニック副アレイ５２の幅は約５．０μｍであり、金属構造５１の横寸法ｄは約０．４μｍである。しかしながら、センサ支部４０に対するプラズモニック副アレイ５２の他の配置も考えられる。

【0045】

プラズモニック構造５の他の配置も可能であり、例えば、プラズモニック構造５は、第２電流線４又は金属接続層ＭＣＢのレベルなど、金属層のいずれか１つの（平面内の）レベルに配置可能である。このような配置は、上述したように、センサ支部４０と交互に配置された複数のプラズモニック副アレイ５２を備えてもよい。

【0046】

プラズモニック構造５が上部金属接続層ＭＣＴ、下部金属接続層ＭＣＢ又は他の金属接続層もしくは金属ビアの平面内に設けられる磁気センサ１０の構成は、磁気センサ１０内の面積当たりの磁気抵抗素子１の密度を低下させることになり得る。実際に、磁気センサ１０の利用可能な表面積は、プラズモニック構造５によって占有される表面積と磁気抵抗素子１によって占有される表面積との間で共有されなければならない。

【0047】

共鳴周波数は、上部金属接続層ＭＣＴのレベルに位置し、図６に示す構成に従って配置されたプラズモニック構造５についてモデル化された。共鳴周波数は、矩形形状（図４ａ参照）、円盤形状（図４ｂ参照）を有する金属構造５１の空間的に周期的な配置に対してモデル化された。共鳴周波数は、金属構造５１の複数の横方向寸法ｄ及び２つの隣り合う金属構造５１間の複数の距離Ｌに対してモデル化された。

【0048】

表１は、上部金属接続層ＭＣＴのレベルに位置するプラズモニック構造５のモデル化から得られたプラズモニック共鳴値を報告する。モデル化は、５００ｎｍから７００ｎｍの間の距離Ｌだけ離間され、２００ｎｍから３００ｎｍの間の横寸法ｄを有する矩形（ｓｑ）及び円盤形（ｃｉｒｃ）の金属構造５１を持つプラズモニックアレイ５０に対して行われた。

【表1】

【0049】

表２は、底部金属接続層ＭＣＢのレベルに位置するプラズモニック構造５のモデリングから得られたプラズモニック共鳴値を報告する。モデリングは、５００ｎｍから８８０ｎｍの間の距離Ｌだけ離され、２００ｎｍから４００ｎｍの間の横寸法ｄを有する矩形（ｓｑ）及び円盤形（ｃｉｒｃ）の金属構造５１を有するプラズモニックアレイ５０に対して行われた。

【0050】

シミュレーションは、共鳴吸収が、金属構造５１とその下の金属層の両方で、例えば、金属構造５１と上部金属接続層ＭＣＴの両方で、又は金属構造５１と下部金属接続層ＭＣＢの両方で起こり得ることを示している。

【0051】

磁気センサ１０内のプラズモニック構造５の構成及び位置に応じて、放出装置７によって放出される電磁放射７０の屈折率は、２０％未満に低下する可能性がある。
周波数はレーザー波長１０６４ｎｍに対応する。

【表2】

【0052】

プラズモニック構造５の他の構成を考慮してよい。例えば、プラズモニック構造５は、上部金属接続層ＭＣＴのレベルに配置してよい。そして金属構造５１は、４００ｎｍから７００ｎｍの間の距離Ｌだけ離してもよく、２００ｎｍから３００ｎｍの間の横方向寸法ｄを持ってよい。

【0053】

別の構成では、プラズモニック構造５は、底部金属接続層ＭＣＢのレベルに配置してよい。そして金属構造５１は、５００ｎｍから９００ｎｍの距離Ｌだけ離してよく、２００ｎｍから４００ｎｍの横方向寸法ｄを持ってよい。

【0054】

さらに別の構成では、プラズモニック構造５は、ＭＴＪ２の下の第２電流線４のレベルに位置し、金属構造５１は、４５０ｎｍから８５０ｎｍの間の距離Ｌだけ離され、２００ｎｍから４５０ｎｍの間の横寸法ｄを持ってよい。

【0055】

矩形状及び円盤形状の金属構造５１を備えるプラズモニックアレイ５０について、シミュレーションは、共鳴周波数が横寸法ｄ及び隣り合う金属構造５１間の距離Ｌによって決定されることを示した。

【0056】

さらに別の構成では、金属構造５１は、楕円形状であってよい（図４ｃ）。楕円形金属構造５１を備えるプラズモニック構造５について、シミュレーションは、共鳴周波数が楕円形金属構造５１の長軸（ａ）及び短軸（ｂ）によって決定されることを示した。楕円形金属構造５１は、それぞれ、２３０ｎｍから４７０ｎｍの間の長軸と、４７０ｎｍから２３０ｎｍの間の短軸とを持ってよい。

【0057】

プラズモニック構造５の他の構成を考慮してよい。図７に示す実施形態では、プラズモニック構造５は、プラズモニックアレイ５０と、電磁放射エネルギーの吸収を調整するように構成された補助プラズモニック構造５３とを備える。言い換えると、共鳴条件下では、プラズモニックアレイ５０と補助プラズモニック構造５３とは、それらの間の電磁結合のために同時に共鳴する。補助プラズモニック構造５３は、３倍以上の電力吸収の増幅をもたらし得る。プラズモニックアレイ５０は、補助プラズモニック構造５３と電磁放射放出装置７との間に備えられてよい。補助プラズモニック構造５５は、金属構造の空間的に周期的な配置又は連続的な金属層を備えてよい。

【0058】

図８に示すさらに別の実施形態では、プラズモニック構造５は、少なくとも第１プラズモニック副アレイ５２ａと第２プラズモニック副アレイ５２ｂとを備える。第１プラズモニック副アレイ５２ａは、プラズモン共鳴によって生成された熱を磁気センサ１０の磁気抵抗素子１の第１サブセットに伝達するように構成され、第２プラズモニック副アレイ５２ｂは、プラズモン共鳴によって生成された熱を磁気抵抗素子１の第２サブセットに伝達するように構成される。図８では、第１サブセットは、磁気抵抗素子１を備える２つのセンサ支部４０として表され、第２サブセットは、１つのそのような支部４０を備える。
プラズモニック副アレイ及びサブセットの数と同様に、サブセットの他の構成も考慮されるべきである。

【0059】

プラズモニック副アレイ５２ａ、５２ｂは、磁気抵抗素子１の上部及び上部金属接続層ＭＣＴの上部に配置できる。

【0060】

少なくとも第１プラズモニック副アレイ５２ａは、電磁放射７０の偏波又は波長λに関して、第２プラズモニック副アレイ５２ｂとは異なる共鳴応答を持つ。

【0061】

電磁放射放出装置７によって放出される電磁放射７０の波長と偏波の少なくとも一方は、プラズモン共鳴が第１又は第２プラズモニック副アレイ５２ａ、５２ｂのうちの一方に対してのみ生じるように、第１プラズモニック副アレイ５２ａ又は第２プラズモニック副アレイ５２ｂのうちの一方の共鳴条件に対応するように調整できる。したがって、共鳴プラズモニック副アレイ５２ａ又は５２ｂに対応するセンサ支部４０のみが、高温しきい値で加熱される。

【0062】

この後者の構成は、磁気センサ１０全体が完全に照明される場合に、照射光線のウィンドウ化のためのマスクを必要とすることなく、センサ支部４０の選択的プログラミングを可能にする。
照射領域（７１）によって囲まれた１つ又はいくつかの磁気抵抗素子１を選択的に加熱するように、（レーザーのような）電磁放射放出装置７磁気センサ１０の上面２８の上で移動可能なので、位置決めの制約も少なくなる。

【符号の説明】

【0063】

１ 磁気抵抗効果素子
１０ ＭＲＡＭベースのセンサ
２ 磁気トンネル接合
２１ 参照層
２１０ 参照磁化
２２ トンネル障壁層
２３ センス層
２３０ センス磁化
２４ ピン止め層
２７ 誘電体層
２８ 上面
３ 第１電流線
４ 第２電流線
４０ センサ支部
５ プラズモニック構造
５０ プラズモニックアレイ
５１ 金属構造
５２ プラズモニック副アレイ
５３ 補助プラズモニック構造
７ 電磁放射線放出装置
７０ 電磁放射
７１ 照射領域
８０ フロントエンド回路
λ 波長
ｄ 横寸法
Ｌ 距離
ＭＣＢ 底部金属接続層、フィールド線
ＭＣＴ 上部金属接続層
ＶＭ 金属ビア
Ｗ_Ｐ プラズモン下部構造の幅
Ｗ_Ｓ センサ支部の幅

【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】

複数の磁気抵抗素子を備える磁気センサであって、
各前記磁気抵抗素子が、プログラミング動作中に第１強磁性層が高温しきい値にあるときに第１磁化を切り替え可能に、しきい値温度未満で固定され、しきい値温度以上で自由である第１磁化を有する第１強磁性層を備えるＭＴＪを備え、
前記磁気センサは、電磁放射によって照射されるようになっているプラズモニック構造をさらに備え、
前記プラズモニック構造は、金属構造の空間的に周期的なプラズモニックアレイを備え、
前記プラズモニックアレイの周期及び前記金属構造の横方向寸法は、前記電磁放射の所与の波に対して前記プラズモニック構造のプラズモン共鳴を得るように調整され、ここにおいて、
前記プラズモニックアレイが、プラズモン共鳴による前記電磁放射の増強された吸収から、前記第１強磁性層を前記しきい値温度以上に加熱するように前記磁気センサ内に配置されている、
複数の磁気抵抗素子を備える磁気センサにおいて、
前記磁気センサは、複数のセンサ支部のアレイを備え、各センサ支部が複数の磁気抵抗素子を備えていてることと、
前記プラズモニック構造は、複数のプラズモニック副アレイを備え、各プラズモニック副アレイは、金属構造の周期的アレイを備えて前記センサ支部と交互に配置されていて、
前記プラズモニック構造は、少なくとも、第１プラズモニック副アレイと、前記電磁放射の偏波又は波長に関して前記第１プラズモニック副アレイとは異なる共鳴応答を有する第２プラズモニック副アレイとを備える、磁気センサ。

【請求項2】

前記プラズモニックアレイの前記期間及び前記金属構造の前記横方向寸法は、前記電磁放射の所与の波に対して前記プラズモニック構造のプラズモン共鳴を得るように調整されている、請求項１に記載の磁気センサ。

【請求項3】

前記ＭＴＪは、前記磁気センサのフロントエンド回路と上面との間にあって、かつ
前記プラズモニック構造は、前記上面と前記フロントエンド回路との間に設けられている
請求項１に記載の磁気センサ。

【請求項4】

前記磁気抵抗素子は、前記ＭＴＪと前記上面との間に上部金属接続層を備えて、かつ
前記プラズモニック構造は、前記上部金属接続層の平面内に設けられている、請求項３に記載の磁気センサ。

【請求項5】

前記磁気抵抗素子は、前記ＭＴＪと前記フロントエンド回路との間に下部金属接続層を備え、
前記プラズモニック構造は、前記下部金属接続層の平面内に設けられている、請求項３に記載の磁気センサ。

【請求項6】

前記プラズモニック構造は、誘電体層に埋め込まれていて、
前記プラズモニックアレイの周期と前記金属構造の横方向寸法とは、前記電磁放射の波長と前記誘電体層の屈折率との所与の比に対して、前記プラズモニック構造のプラズモン共鳴が得られるように調整されている、請求項１に記載の磁気センサ。

【請求項7】

前記プラズモニック構造は、前記電磁放射の吸収を調整するように構成された補助プラズモニック構造をさらに備える、請求項１に記載の磁気センサ。

【請求項8】

前記補助プラズモニック構造は、金属構造の空間的に周期的な配置又は連続的な金属層を備える、請求項７に記載の磁気センサ。

【請求項9】

前記補助プラズモニック構造及び前記プラズモニックアレイは、前記磁気抵抗素子と前記上面との間にある請求項３及び７に記載の磁気センサ。

【請求項10】

請求項１に記載の磁気センサと、
前記磁気センサの照射領域を照射し、前記プラズモニック構造のプラズモン共鳴を生成するように適合された波長を有する電磁放射を放出するように構成された電磁放射放出装置とを備える、システム。

【請求項11】

照射領域は、少なくとも１つの磁気抵抗素子を取り囲んでいる、請求項１０に記載のシステム。

【請求項12】

前記電磁放射線放出装置は、集束された電磁放射を前記磁気センサの前記照射領域に向けるレーザ放出装置を備える、請求項１０に記載のシステム。

【請求項13】

前記電磁放射放出装置は、前記照射領域によって取り囲まれた前記１つ又は複数の磁気抵抗素子を選択的に加熱するように、前記磁気センサの前記表面上で移動可能である、請求項１０に記載のシステム。

【請求項14】

前記プラズモニック構造は、少なくとも、第１プラズモニック副アレイと、前記電磁放射の偏波又は波長に関して前記第１プラズモニック副アレイとは異なる共鳴応答を有する第２プラズモニック副アレイとを備え、かつ
前記電磁放射の、前記波長と前記偏波との少なくとも一方は、前記第１プラズモニック副アレイ又は第２プラズモニック副アレイのうちの１つの共鳴条件に対応するように調整可能である、請求項１０に記載のシステム。

【請求項15】

前記プラズモニックアレイは、２つの隣り合う金属構造間の距離が実質的に等しい二次元格子を備え、前記プラズモニックアレイは、正方格子、矩形格子、六方格子、又は菱形格子のうちのいずれか１つを備える、請求項１０に記載のシステム。

【国際調査報告】