特表 2023-547034 広い線形応答とロバストな公称性能を持つ磁気抵抗センサ素子及びその製造方法

(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】2023-11-09

(54)【発明の名称】広い線形応答とロバストな公称性能を持つ磁気抵抗センサ素子及びその製造方法

(51)【国際特許分類】

   H10N 50/10 20230101AFI20231101BHJP

   G01R 33/09 20060101ALI20231101BHJP

【ＦＩ】

H10N50/10 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 2023517996

(86)(22)【出願日】2021-10-28

(85)【翻訳文提出日】2023-03-17

(86)【国際出願番号】 IB2021059971

(87)【国際公開番号】W WO2022096992

(87)【国際公開日】2022-05-12

(31)【優先権主張番号】20315443.0

(32)【優先日】2020-11-03

(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】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

(72)【発明者】

【氏名】ティモフィーエフ・アンドレイ

【テーマコード（参考）】

2G017

5F092

【Ｆターム（参考）】

2G017AA02

2G017AA10

2G017AD54

2G017AD65

5F092AA20

5F092AB01

5F092AC12

5F092AD22

5F092BB17

5F092BB22

5F092BB23

5F092BB35

5F092BB36

5F092BB42

5F092BB43

5F092BC04

5F092BC12

5F092BC13

5F092CA26

(57)【要約】

【課題】従来より高い磁場で使用可能な磁気センサ用の磁気抵抗素子を提供する。
【解決手段】本開示は、磁気センサ用の磁気抵抗素子（１０）に関し、磁気抵抗素子（１０）は、固定基準磁化（２１０）を持つ基準層（２１）と自由検知磁化（２３０）を持つ検知層（２３）との間に備わるトンネル障壁層（２２）を備え、ここで検知磁化（２３０）は、安定した渦構成を備える。磁気抵抗素子（１０）は、基準層（２１）と接触し、第１ブロッキング温度（Ｔｂ１）で交換バイアスによって基準磁化（２１０）をピン止めする基準ピニング層（２４）をさらに備える。
磁気抵抗素子（１０）は、検知層（２３）と接触し、第１ブロッキング温度（Ｔｂ１）よりも低い第２ブロッキング温度（Ｔｂ２）で交換バイアスによって検知磁化（２３０）をピン止めする検知ピニング層（２５）をさらに備える。本発明は、磁気抵抗効果素子の製造方法に関する。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

磁気センサ用の磁気抵抗素子（１０）であって、前記磁気抵抗素子（１０）は、固定基準磁化（２１０）を持つ基準層（２１）と自由検知磁化（２３０）を持つ検知層（２３）との間に備わるトンネル障壁層（２２）を備え、
前記検知磁化（２３０）は、印加磁場がない場合に安定した渦構成を備え、
前記磁気抵抗素子（１０）は、前記基準層（２１）と接触し、第１ブロッキング温度（Ｔｂ１）において交換バイアスによって前記基準磁化（２１０）をピン止めする基準ピニング層（２４）をさらに備え、
前記検知層（２３）と接触し、前記第１ブロッキング温度（Ｔｂ１）よりも低い第２ブロッキング温度（Ｔｂ２）で交換バイアスによって前記検知磁化（２３０）をピン止めする検知ピニング層（２５）を備える、磁気抵抗素子（１０）において、
前記検知層（２３）が１５ｎｍと８０ｎｍの間の厚さを持つことを特徴とする、磁気抵抗素子（１０）。

【請求項2】

前記検知ピニング層（２５）は、前記検知ピニング層（２５）と前記検知層（２３）との間の交換バイアスの強さが、前記基準ピニング層（２４）と前記基準層（２１）との間の交換バイアスの強さよりも低くなるように構成されている、請求項１に記載の磁気抵抗素子。

【請求項3】

検知ピニング層（２５）と検知層（２３）の間の交換バイアスの強度は、２ｘ１０^－８Ｊ／ｃｍ^２と４ｘ１０^－８Ｊ／ｃｍ^２の間である、請求項２に記載の磁気抵抗素子。

【請求項4】

検知層（２３）は、ＣｏＦｅ、ＮｉＦｅ又はＣｏＦｅＢベースの合金を含有している、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】

前記基準ピニング層（２４）と前記検知ピニング層（２５）は、反強磁性材料を含有するか、反強磁性材料から形成されている、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】

前記基準ピニング層（２４）と前記検知ピニング層（２５）は、Ｉｒ及びＭｎ、Ｆｅ及びＭｎ、Ｐｔ及びＭｎ、Ｎｉ及びＭｎ、Ｃｒ、ＮｉＯ又はＦｅＯをベースとする合金を含有している、請求項５に記載の磁気抵抗素子。

【請求項7】

前記第１ブロッキング温度（Ｔｂ１）よりも高いアニール温度で、印加された外部磁場を用いて前記磁気抵抗素子（１０）をアニール処理することと、
前記第２ブロッキング温度（Ｔｂ２）よりも高く、前記第１ブロッキング温度（Ｔｂ１）よりも低いアニール温度で、外部磁場が印加されていない状態で前記磁気抵抗素子（１０）をアニール処理することと
を備える、請求項１から６のいずれか一項に記載の磁気抵抗素子を製造する方法。

【請求項8】

前記基準ピニング層（２４）を堆積することと、前記検知ピニング層（２５）を堆積することとを備える、前記磁気抵抗素子（１０）を形成することを備え、
ここでは、前記基準層（２１）は、前記基準ピニング層（２４）上に堆積され、前記検知層（２３）は、前記検知ピニング層（２５）上に堆積される、請求項７に記載の方法。

【請求項9】

請求項１から６のいずれか一項に記載の磁気抵抗素子（２）を複数備える磁気センサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、外部磁場を検知するように適合され、広い線形応答と、磁気抵抗素子が高磁場を受けた後に実質的に不変のままである公称性能とを持つ磁気抵抗素子に関する。本発明は、さらに、磁気抵抗素子及びその磁気抵抗素子を複数持つ磁気センサを製造する方法に関する。

【背景技術】

【0002】

図１は、基準磁化２１０を持つ強磁性基準層２１と、平均自由検知磁化２３０を持つ強磁性検知層２３と、基準強磁性層２１と検知強磁性層２３との間のトンネル障壁層２２とを備える従来の磁気抵抗センサ素子２の断面図を示す。検知磁化２３０は、外部磁場６０内で配向可能である一方、基準磁化２１０は、実質的に乱されないままである。よって、外部磁場６０は、磁気抵抗センサ素子２の抵抗の計測によって検知できる。抵抗は、基準磁化２１０に対する平均検知磁化２３０の向きと大きさに依存する。基準磁化２１０は、反強磁性層２４と基準層２１との間の交換結合によってピン止めできる。

【0003】

図２ａ及び図２ｂは、検知層２３の上面図を示し、検知磁化２３０は、安定した渦構成を備える。渦構成では、磁化は、検知層２３の縁部に沿って、外部磁場６０に従って可逆的に移動可能なコア２３１の周りに円形経路で巻いた形になっている。渦構成は、磁気抵抗センサ素子２の実用的なサイズ及び検知層２３の厚さに対して、外部磁場６０の大きな振幅範囲において線形かつ非ヒステリシス挙動を提供する。したがって、渦構成は、磁気センサ用途に有利である。

【0004】

検知層２３における渦構成の獲得は、検知層２３の材料特性を含むいくつかの要因に依存する。一般に、渦構成は、検知層２３の直径に対する厚さのアスペクト比を変化させることによって（ゼロ印加磁場において）有利になる。アスペクト比は、依然として典型的には１よりもはるかに小さい（例えば０．０１から０．５）。より具体的には、図２ａは、外部磁場６０が存在しない場合の検知磁化２３０を示し、渦構成のコア２３１は、検知層断面の実質的に中心にある。この構成では、検知層２３は、実質的にゼロ（Ｍ＝０）である正味磁気モーメントを持つ。図２ｂは、外部磁場６０の存在下での検知磁化２３０を示す。外部磁場６０は、コア２３１を、外部磁場６０の方向に対して実質的に垂直な方向（点線の矢印によって示される）に移動させる。コア２３１の変位は、検知層２３における正味の磁気モーメント（Ｍは０ではない）をもたらす。特に、（図２ｂに示されるように）右に向かうコア２３１の変位は、検知層２３における正味の磁気モーメントＭ＞０（正の軸は印加された磁場６０に沿って向いている）をもたらし、一方、外部磁場６０が図２ｂに示される方向と反対に向けられるとき、左に向かうコア２３１の変位（図示せず）は、検知層２３における正味の磁気モーメントＭ＜０をもたらす。

【0005】

図３は、従来の磁気抵抗センサ素子の検知磁化２３０（Ｍ、任意単位）上の外部磁場６０（Ｈ_ｅｘｔ、任意単位）に対するヒステリシス応答（又は磁化曲線）を示す。渦検知磁性２３０の完全なヒステリシスループは、渦放出磁場がＨ_ｅｘｐｌ点に到達するまで、印加磁場Ｈ_ｅｘｔと共に磁性Ｍが線形に増加することを特徴とする。この時点で、検知磁化２３０は磁気的に飽和する。検知層２３内の渦状態を回復するために、核形成磁場Ｈ_ｎｕｃｌよりも下に磁場を低減する必要があり、ここで核形成磁場Ｈ_ｎｕｃｌは、高磁場渦放出後に渦が再形成される磁場である。印加された磁場が検知磁場２３０内の渦放出磁場（＋／－Ｈ_ｅｘｐｌ）に対応する大きさの範囲内にある限り、外部磁場６０に対するヒステリシス応答は、外部磁場６０によるコア２３１の移動に対応する可逆的な線形部分を含む。ヒステリシスループの線形部分の値及び傾きは、検知層２３のサイズに強く依存する。磁化曲線の線形及び非ヒステリシス部分は、外部磁場Ｈ_ｅｘｔの小さな変動の計測を容易にする。

【0006】

特に、渦は、Ｍ（Ｈ）ループの線形領域の傾きに相当する磁化率χによって特徴付けられる。

【0007】

【数1】

【0008】

この場合、磁気抵抗センサ素子２の感度Ｓは、磁気抵抗センサ素子２の磁化率χとトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）との積に比例する。

【0009】

【数2】

【0010】

複数の磁気抵抗センサ素子２を備える磁気センサ装置に対して透磁率試験を実行する場合、磁気抵抗センサ素子２は、それらの公称性能を著しく変化させることなく、２００ｍＴより大きい磁場のような高い磁場に露呈可能であるべきである。しかしながら、渦ベースの磁気センサ装置は、典型的には、例えば１００ｍＴよりも小さい低磁場で動作するように構成されている。渦ベースの磁気センサ装置の性能は、透磁率試験において使用される高磁場にさらされたときにしばしば変わってしまう。特に、渦ベースの磁気センサ装置は、低磁場を検知するときにセンサ精度を低下させるゼロ磁場オフセットシフトを受けることがある。

【0011】

さらに、渦ベースの磁気センサ装置は、限られた範囲の磁場の大きさにおいてのみ線形応答を持つ。

【0012】

特許文献１は、磁気検知層と、磁気基準層と、磁気検知層と磁気基準層との間のトンネル障壁層とを備える磁気抵抗センサを開示している。磁気抵抗センサはまた、反強磁性材料の層を持つ感知交換層を備える。感知交換層は、磁気感知層と交換結合される。また、磁気抵抗センサは、反強磁性材料の層を持つ基準交換層をさらに備える。基準交換層は、磁気基準層と交換結合される。

【0013】

特許文献２は、磁気基準層を含む磁気抵抗センサを開示している。磁気基準層は、所定の回転方向の永久閉磁束磁化パターンを備える。さらに、磁気抵抗センサは、磁気自由層を備える。磁気自由層は、磁気基準層の総横方向面積よりも小さい総横方向面積を持つ。磁気自由層の重心は、磁気基準層の重心に対して横方向に変位される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0014】

【特許文献1】欧州特許出願公開第３１０４１８７号明細書

【特許文献2】米国特許出願公開第２０１８／３５６４７４号明細書

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0015】

本開示は、磁気センサ用の磁気抵抗素子に関し、磁気抵抗素子は、固定基準磁化を持つ基準層と自由検知磁化を持つ検知層との間に備わるトンネル障壁層を備え、検知磁化は、安定した渦構成を備える。磁気抵抗素子は、基準層と接触し、第１ブロッキング温度で交換バイアスによって基準磁化をピン止めする基準ピニング層をさらに備える。磁気抵抗素子は、検知層と接触し、第１ブロッキング温度よりも低い第２ブロッキング温度で交換バイアスによって検知磁化をピン止めする検知ピニング層をさらに備える。検知層は、１５ｎｍから８０ｎｍの間の厚さを持つ。

【0016】

本開示は、さらに、上述の磁気抵抗素子を複数備えた磁気センサに関する。

【0017】

本開示はさらに、磁気抵抗素子を製造する方法であって
上述の第１ブロッキング温度より高いアニール温度で、印加された外部磁場を用いて前記基準層をアニール処理するステップと
上述の第２ブロッキング温度よりも高く、上述の第１ブロッキング温度よりも低いアニール温度で、外部磁場が印加されていない状態で前記検知層をアニール処理するステップと
を備える磁気抵抗素子を製造する方法に関する。

【発明の効果】

【0018】

本明細書に開示される磁気抵抗素子は、広い線形応答を持つ。磁気抵抗素子はさらに、磁気抵抗素子が透磁率試験を実行するときに使用される磁場などの高磁場にさらされた後に実質的に変化しないままの公称性能を持つ。換言すると、磁気抵抗素子は、より安定した再現可能な渦構成のために、ゼロ磁場オフセットシフトが低減されている。渦構成は、大きな渦核形成場Ｈ_ｎｕｃｌによって特徴付けられる。

【0019】

本発明の例示的な実施形態は、説明において開示され、次の図面によって示される。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】図１は、検知層を備える従来の磁気抵抗センサ素子の断面図を示す。

【図2a】図２ａは、外部磁場が存在しない場合の渦構成を備えた検知磁化を持つ検知層の上面図を示す。

【図2b】図２ｂは、外部磁場が存在する場合の渦構成を備えた検知磁化を持つ検知層の上面図を示す。

【図3】図３は、従来の磁気抵抗センサ素子のヒステリシス応答を示す。

【図4】図４は、一実施形態による、検知ピニング層と検知層を備えた磁気抵抗センサ素子の断面図を示し、検知層は、渦構成を備える検知磁化を持つ。

【図5】図５は、検知層の厚さの関数として、渦構成の渦放出場と渦核形成場を示す。

【図6】図６は、±１．６×１０^４Ａ／ｍの外部磁場の範囲と、２×１０^－８Ｊ／ｃｍ^２及び４×１０^－８Ｊ／ｃｍ^２の検知ピニング層によって生成される交換バイアスの強度とについて、検知層の厚さの関数として磁気抵抗素子の感度を報告する。

【図7】図７は、±１．６×１０^４Ａ／ｍの外部磁場の範囲と、２×１０^－８Ｊ／ｃｍ^２及び４×１０－８Ｊ／ｃｍ^２の検知ピニング層によって生成される交換バイアスの強度について、検知層の厚さの関数としての線形誤差に関する磁気抵抗素子応答の線形性を報告する。

【図8】図８は、検知ピニング層によって生成される交換バイアスの強度が２×１０^－８Ｊ／ｃｍ^２及び４×１０^－８Ｊ／ｃｍ^２であり、外部磁場の範囲が±１．６×１０^４Ａ／ｍである場合の磁気抵抗素子の感度の関数としての線形誤差に関する磁気抵抗素子応答の線形性を報告する。

【図9】図９は、検知ピニング層によって生成される交換バイアスの強度が２×１０^－８Ｊ／ｃｍ^２及び４×１０^－８Ｊ／ｃｍ^２であり、外部磁場の範囲が±３．２×１０^４Ａ／ｍである場合の磁気抵抗素子の感度の関数としての線形誤差に関する磁気抵抗素子応答の線形性を報告する。

【発明を実施するための形態】

【0021】

図４を参照すると、一実施形態による磁気抵抗センサ素子２の断面図が示されている。磁気抵抗センサ素子２は、基準磁化２１０を持つ強磁性基準層２１と、自由検知磁化２３０を持つ強磁性検知層２３と、基準強磁性層２１と検知強磁性層２３との間のトンネル障壁層２２とを備える。検知磁化２３０は、外部磁場６０内で配向できる一方、基準磁化２１０は、実質的に乱されないままである。よって、外部磁場６０は、磁気抵抗センサ素子２の抵抗の計測によって検知できる。抵抗は、基準磁化２１０に対する検知磁化２３０の向きに依存する。

【0022】

検知磁化２３０は、検知層２３の縁部に沿ってコア２３１の周りを円形経路で回転する安定した渦構成を備え、外部磁場６０に従って可逆的に移動可能である。磁気抵抗センサ素子２の所与の横方向寸法に対して、検知層２３の厚さは、加わる磁場がない場合に検知層２３が安定した渦構成の磁化を持つように選択される。

【0023】

基準磁化２１０は、基準層２１の平面内で実質的に長手方向に配向される。基準磁化２１０の向きは、基準ピニング層２４と基準層２１との間の交換結合（交換バイアスを生成する）によって決定される。基準層２１は、合成反強磁性（ＳＡＦ）を備えてよい。

【0024】

一観点では、基準層２１と検知層２３は、コバルト（「Ｃｏ」）、鉄（「Ｆｅ」）、又はニッケル（「Ｎｉ」）ベースの合金、優先的にはＣｏＦｅ、ＮｉＦｅ、又はＣｏＦｅＢベースの合金のような強磁性材料を含むか、もしくはそれから形成される。基準層２１は、２ｎｍから７ｎｍの厚さを持ってよい。基準層２１と検知層２３は、複数層構造を備えてよく、各層は、Ｃｏ、Ｆｅ又はＮｉベースの合金、好ましくはＣｏＦｅ、ＮｉＦｅ又はＣｏＦｅＢベースの合金のような強磁性材料を含有してよく、そしてＴａ、Ｔｉ、Ｗ、Ｒｕ、Ｉｒ（タンタル、チタン、タングステン、ルテニウム、イリジウム）のような非磁性層を備えてよい。

【0025】

基準磁化方向２１０と検知磁化方向２３０は、層２１、２３の平面に対して実質的に平行（図４に示されるように面内の）であることと、層２１、２３の平面に対して実質的に垂直（面外）であることとの少なくとも一方の、磁気異方性を持ち得る。

【0026】

磁気抵抗センサ素子２は、第１しきい値温度Ｔｂ１において交換バイアスによって基準磁化２１０をピン止めする基準ピニング層２４をさらに備える。「しきい値温度」という表現は、ネール温度のようなブロッキング温度、又は基準ピニング層２４の別のしきい値温度に相当してよい。基準ピニング層２４は、温度が第１しきい値温度Ｔｂ１よりも高いときに基準磁化２１０をピン止め解除又は分離する。

【0027】

磁気抵抗センサ素子２は、第１しきい値温度Ｔｂ１よりも低い第２しきい値温度Ｔｂ２において交換バイアスによって検知磁化方向２３０をピン止めする検知ピニング層２５をさらに備える。

【0028】

一観点では、検知ピニング層２５によって検知層２３に生成される交換バイアスの強度が、基準ピニング層２４によって基準層２１に生成される交換バイアスの強度よりも小さくなるように、検知ピニング層２５を構成可能である。例えば、検知ピニング層２５によって検知層２３内に生成される交換バイアスの大きさは、実質的に２×１０^－８Ｊ／ｃｍ^２から４×１０^－８Ｊ／ｃｍ^２（０．２ｅｒｇ／ｃｍ^２から０．４ｅｒｇ／ｃｍ^２）である。

【0029】

いくつかの観点では、検知ピニング層２５によって検知層２３内に生成される交換バイアスの強度が、検知磁化２３０を外部磁場６０に対して整列させて、磁化が変化し得る状態で計測可能にするように、検知層２３の厚さを選択してよい。

【0030】

いくつかの観点では、基準ピニング層２４と検知ピニング層２５は、交換結合を通して基準磁化２１０と検知磁化２３０をそれぞれピン止めする反強磁性材料を含むか、もしくはそれから形成される。特に、基準ピニング層２４と検知ピニング層２５は、以下の反強磁性タイプの磁性材料を含むか、もしくはそれらから形成される。
マンガン（「Ｍｎ」）をベースとする合金、例えば、イリジウム（「Ｉｒ」）とＭｎをベースとする合金（例えば、ＩｒＭｎ）、
Ｆｅ（鉄）とＭｎをベースとする合金（例えば、ＦｅＭｎ）、
白金（「Ｐｔ」）とＭｎをベースとする合金（例えば、ＰｔＭｎ）、
Ｎｉ（ニッケル）とＭｎをベースとする合金（例えば、ＮｉＭｎ）又はクロム（「Ｃｒ」）か、ＮｉＯ（酸化ニッケル）又はＦｅＯ（酸化鉄）をベースとする合金。

【0031】

いくつかの観点では、基準ピニング層２４と検知ピニング層２５の厚さは、４ｎｍと１５ｎｍの間であってよい。

【0032】

トンネル障壁層２２は、絶縁材料を含むか、又は絶縁材料から形成される。好適な絶縁材料としては、酸化アルミニウム（例えば、Ａｌ_２Ｏ_３）及び酸化マグネシウム（例えば、ＭｇＯ）のような酸化物が挙げられる。トンネル障壁層２２の厚さは、約１ｎｍから約１０ｎｍのようなナノメートルの範囲としてよい。結晶質ＭｇＯベースのトンネル障壁層２２を備える磁気トンネル接合２では、例えば２００％までの大きなＴＭＲ（トンネル磁気抵抗）を得られる。

【0033】

図５は、渦放出場Ｈ_ｅｘｐｌと渦核形成場Ｈ_ｎｕｃｌを検知層２３の厚さの関数として示す。渦放出磁場Ｈ_ｅｘｐｌと渦核形成磁場Ｈ_ｎｕｃｌの値は、ＮｉＦｅ合金と、１４０％の磁気抵抗センサ素子２のＴＭＲと、面内（すなわち基準層２１の平面内）に固定された基準磁性２１０とを備える検知層２３について計算される。検知ピニング層２５によって検知層２３に発生する交換バイアスの強さは、２×１０^－８Ｊ／ｃｍ^２と４×１０^－８Ｊ／ｃｍ^２について計算した。検知ピニング層２５によって生成される交換バイアスがない場合の検知層２３の厚さの関数として計算された渦放出磁場Ｈ_ｅｘｐｌと渦核形成磁場Ｈ_ｎｕｃｌも示されている。

【0034】

図５は、検知層２３が検知ピニング層２５によって生成された交換バイアスを受けているときに、検知ピニング層２５によって生成された交換バイアスがない場合の核形成磁場Ｈ_ｎｕｃｌと放出磁場Ｈ_ｅｘｐｌと比較して、核形成磁場Ｈ_ｎｕｃｌと放出磁場Ｈ_ｅｘｐｌの強度が、約４０ｎｍよりも小さい検知層２３の厚さに対して概してより高いことを示す。核形成磁場Ｈ_ｎｕｃｌと放出磁場Ｈ_ｅｘｐｌの高い値は、１５ｎｍから８０ｎｍの間の検知層２３の厚さに対して得られる。核形成磁場Ｈ_ｎｕｃｌと放出磁場Ｈ_ｅｘｐｌのより高い強度は、渦構成の安定度の増加を可能にする。それはさらに、磁気抵抗センサ素子２のより広い線形応答領域を可能にし、磁気抵抗センサ素子２が透磁率試験で使用される高磁場にさらされるときの磁気抵抗センサ素子２の応答変化の低減を可能にする。

【0035】

図６は、±１．６×１０^４Ａ／ｍ（±２００Ｏｅ）の外部磁場６０の範囲と、２×１０^－８Ｊ／ｃｍ^２（白丸）及び４×１０^－８Ｊ／ｃｍ^２（白四角）の検知ピニング層２５によって生成される交換バイアスの強度について、磁気抵抗素子１０の感度Ｓを検知層２３の厚さの関数として報告する。検知ピニング層２５を備えていない従来の磁気抵抗素子の感度Ｓも、１．６×１０^４Ａ／ｍ（２００Ｏｅ）の外部磁場６０に対して報告されている（無地の正方形）。磁化渦状態は、渦静磁気エネルギーと検知ピニング層２５からの交換エネルギーとの間の平衡から生じる。検知層２３の厚さが大きい場合の静磁気エネルギーと、検知層２３の厚さが小さい場合の増大した交換エネルギー（又はピニング磁場）との間の競合により、磁気抵抗素子１０の最大感度Ｓは、検知ピニング層２５によって生成される交換バイアスの強度の調整によって得られる。ここで、４×１０^－８Ｊ／ｃｍ^２の交換バイアスは、１５ｎｍから８０ｎｍの間の厚さを持つ検知層２３に対して３から５ｍＶ／Ｖ／ｍＴの間の感度Ｓをもたらす。このような感度Ｓの値は、磁気センサ用途に適している。

【0036】

図７は、±１．６×１０^４Ａ／ｍ（±２００Ｏｅ）の外部磁場６０の範囲と、２×１０^－８Ｊ／ｃｍ^２（白丸）及び４×１０^－８Ｊ／ｃｍ^２（白四角）の検知ピニング層２５によって生成される交換バイアスの強度とについて、検知層２３の厚さの関数としての線形誤差（％）に関して磁気抵抗素子１０応答の線形性を報告する。検知ピニング層２５を備えていない従来の磁気抵抗素子について得られた応答の線形性も、１．６×１０^４Ａ／ｍ（２００Ｏｅ）の外部磁場６０について、検知層の厚さの関数として報告されている（無地の正方形）。図７は、±１．６×１０^４Ａ／ｍ（±２００Ｏｅ）の外部磁場６０の範囲に対する線形誤差が、検知ピニング層２５を持たない磁気抵抗素子の線形誤差と比較して、２０ｎｍ未満の厚さを持つ検知層２３について低減できることを示す。図７は、±１．６×１０^４Ａ／ｍ（２００±Ｏｅ）の外部磁場６０の範囲に対する磁気抵抗素子１０の応答の線形誤差が、１５ｎｍから８０ｎｍの厚さを持つ検知層２３に対して４％未満であることを示している。

【0037】

図８及び図９は、検知ピニング層２５によって生成される交換バイアスの強度が２×１０^－８Ｊ／ｃｍ^２（白丸）及び４×１０^－８Ｊ／ｃｍ^２（白四角）である場合の磁気抵抗素子１０の感度Ｓの関数として、磁気抵抗素子１０の応答の線形性を線形誤差（％）の観点から報告している。図８では、±１．６×１０^４Ａ／ｍ（±２００Ｏｅ）の外部磁場６０の範囲について直線性を算出し、図９では、±３．２×１０^４Ａ／ｍ（±４００Ｏｅ）の外部磁場６０の範囲について直線性を算出した。検知ピニング層２５を備えていない従来の磁気抵抗素子について得られた応答の線形性も、図８の±１．６×１０^４Ａ／ｍの外部磁場６０（白丸）と、図９の±３．２×１０^４Ａ／ｍの外部磁場６０（白丸）について、従来の磁気抵抗素子の感度Ｓの関数として報告されている。

【0038】

±１．６×１０^４Ａ／ｍの範囲の外部磁場６０と２×１０^－８Ｊ／ｃｍ^２の交換バイアスの場合、１５ｎｍから８０ｎｍの間の検知層２３の厚さは、磁気抵抗素子１０の応答において３．５％未満の線形誤差をもたらす。±３．２×１０^４Ａ／ｍのより大きい外部磁場６０の範囲と２×１０^－８Ｊ／ｃｍ^２の交換バイアスに対して、１５ｎｍから８０ｎｍの間の検知層２３の厚さは、磁気抵抗素子１０の応答において２％未満の線形誤差をもたらす。

【0039】

１５ｎｍから８０ｎｍの間の検知層の厚さは、検知ピニング層に近い層の部分における検知磁化の強い交換結合と、検知ピニング層から遠い層の部分における検知磁化のより弱い交換結合とを得られるようにする。その結果、外部磁場の存在下で、渦がそのより遠い部分において線形に挙動するようになる。１５ｎｍと８０ｎｍの間の検知層の厚さは、検知磁化の交換結合の効果（磁気抵抗素子が高磁場にさらされた後に公称性能は変化しないこと）と、広い線形応答の獲得との組み合わせを可能にする。

【0040】

磁気抵抗素子１０の応答の低い感度Ｓ（例えば、５％より小さい感度Ｓ）は、検知ピニング層２５によって生成される交換バイアスの強度の調整によって、及び検知層２３の厚さの調整によって得られる。

【0041】

一実施形態によれば、磁気抵抗素子１０を製造する方法は、以下のステップ、
基準層２１の磁化を飽和させるのに十分な印加外部磁場を用いて、第１ブロッキング温度Ｔｂ１よりも高いアニール温度で磁気抵抗素子１０をアニール処理し、印加磁場の方向に沿った方向に基準層２１をピン止めするステップと、
第２ブロッキング温度Ｔｂ２よりも高く、第１ブロッキング温度Ｔｂ１よりも低いアニール温度で、外部磁場が印加されていない状態で磁気抵抗素子１０をアニール処理するステップであって、検知層２１を磁気渦構成に固定するステップとを備える。

【0042】

アニール処理のステップの前に、本方法は、磁気抵抗素子１０を形成するステップを備えてよく、基準ピニング層２４と検知ピニング層２５を堆積するステップを備えてよい。基準層２１は、基準ピニング層２４上に直接堆積してよく、検知層２３は、検知ピニング層２５上に直接堆積してよい。

【0043】

磁気抵抗素子１０を形成することは、トンネル障壁層２２を堆積させることをさらに備えてよく、ここでは検知層２３は、トンネル障壁層２２上に堆積される。トンネル障壁層２２の堆積は、ＲＦマグネトロンスパッタリング技術又は任意の他の適切な技術を使用することによって実行され得る。

【0044】

いくつかの観点では、磁気抵抗素子１０を形成することは、基準ピニング層２４、基準層２３、トンネル障壁層２２、検知層２３、及び検知ピニング層２５をこの順序で堆積させることを備える。磁気抵抗素子１０は、検知ピニング層２５、検知層２３、トンネル障壁層２２、基準層２３、基準ピニング層２４をこの順序で堆積させることをさらに備え得る。

【0045】

一実施形態では、磁気センサは、ここに開示した磁気抵抗素子２を複数備えている。

【符号の説明】

【0046】

２ 磁気抵抗素子
２１ 基準層
２１０ 基準磁化
２２ トンネル障壁層
２３ 検知層
２３０ 検知磁化
２３１ コア
２４ 基準ピニング層
２５ 基準ピニング層
６０ 外部磁場
Ｈ_ｅｘｔ 外部磁場
Ｈ_ｅｘｐｌ 放出磁場
Ｈ_ｎｕｃｌ 核生成磁場
Ｓ 感度
χ 磁化率

【図1】

【図2a】

【図2b】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【手続補正書】

【提出日】2023-05-09

【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】

磁気センサ用の磁気抵抗素子であって、前記磁気抵抗素子は、固定基準磁化を持つ基準層と自由検知磁化を持つ検知層との間に備わるトンネル障壁層を備え、
前記検知磁化は、印加磁場がない場合に安定した渦構成を備え、
前記磁気抵抗素子は、前記基準層と接触し、第１ブロッキング温度において交換バイアスによって前記基準磁化をピン止めする基準ピニング層をさらに備え、
前記検知層と接触し、前記第１ブロッキング温度よりも低い第２ブロッキング温度で交換バイアスによって前記検知磁化をピン止めする検知ピニング層を備える、磁気抵抗素子において、
前記検知層が１５ｎｍと８０ｎｍの間の厚さを持っていて、
前記検知ピニング層と前記検知層の間の交換バイアスの強度が２ｘ１０ ^－８ Ｊ／ｃｍ ^２ と４ｘ１０ ^－８ Ｊ／ｃｍ ^２ の間である、磁気抵抗素子。

【請求項2】

前記検知ピニング層は、前記検知ピニング層と前記検知層との間の交換バイアスの強さが、前記基準ピニング層と前記基準層との間の交換バイアスの強さよりも低くなるように構成されている、請求項１に記載の磁気抵抗素子。

【請求項3】

検知層は、ＣｏＦｅ、ＮｉＦｅ又はＣｏＦｅＢベースの合金を含有している、請求項１に記載の磁気抵抗素子。

【請求項4】

前記基準ピニング層と前記検知ピニング層は、反強磁性材料を含有するか、反強磁性材料から形成されている、請求項１に記載の磁気抵抗素子。

【請求項5】

前記基準ピニング層と前記検知ピニング層は、Ｉｒ及びＭｎ、Ｆｅ及びＭｎ、Ｐｔ及びＭｎ、Ｎｉ及びＭｎ、Ｃｒ、ＮｉＯ又はＦｅＯをベースとする合金を含有している、請求項４に記載の磁気抵抗素子。

【請求項6】

固定基準磁化を持つ基準層と自由検知磁化を持つ検知層との間に備わるトンネル障壁層を備える磁気抵抗素子であって、
前記検知磁化は、印加磁場がない場合に安定した渦構成を備え、
前記磁気抵抗素子は、前記基準層と接触し、第１ブロッキング温度において交換バイアスによって前記基準磁化をピン止めする基準ピニング層をさらに備え、
前記検知層と接触し、前記第１ブロッキング温度よりも低い第２ブロッキング温度で交換バイアスによって前記検知磁化をピン止めする検知ピニング層を備える、磁気抵抗素子において、
前記検知層が１５ｎｍと８０ｎｍの間の厚さを持っていて、
前記検知ピニング層と前記検知層の間の交換バイアスの強度が２ｘ１０ ^－８ Ｊ／ｃｍ ^２ と４ｘ１０ ^－８ Ｊ／ｃｍ ^２ の間である、磁気抵抗素子を製造する方法であって、
前記方法が、
基準ピニング層と、基準層と、トンネル障壁層と、検知層と、検知ピニング層とを堆積することであって、前記検知ピニング層と前記検知層の間の交換バイアスの強度が、２ｘ１０ ^－８ Ｊ／ｃｍ ^２ と４ｘ１０ ^－８ Ｊ／ｃｍ ^２ の間で構成される、前記堆積することと、
前記第１ブロッキング温度よりも高いアニール温度で、印加された外部磁場を用いて前記磁気抵抗素子をアニール処理することと、
前記第２ブロッキング温度よりも高く、前記第１ブロッキング温度よりも低いアニール温度で、外部磁場が印加されていない状態で前記磁気抵抗素子をアニール処理することと
を備える、前記磁気抵抗素子を製造する方法。

【請求項7】

前記基準ピニング層を堆積することと、前記検知ピニング層を堆積することとを備える、前記磁気抵抗素子を形成することを備え、
ここでは、前記基準層は、前記基準ピニング層上に堆積され、前記検知層は、前記検知ピニング層上に堆積される、請求項６に記載の方法。

【請求項8】

請求項１に記載の磁気抵抗素子を複数備える磁気センサ。

【手続補正2】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１５

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0015】

本開示は、磁気センサ用の磁気抵抗素子に関し、磁気抵抗素子は、固定基準磁化を持つ基準層と自由検知磁化を持つ検知層との間に備わるトンネル障壁層を備え、検知磁化は、安定した渦構成を備える。磁気抵抗素子は、基準層と接触し、第１ブロッキング温度で交換バイアスによって基準磁化をピン止めする基準ピニング層をさらに備える。磁気抵抗素子は、検知層と接触し、第１ブロッキング温度よりも低い第２ブロッキング温度で交換バイアスによって検知磁化をピン止めする検知ピニング層をさらに備える。検知層は、１５ｎｍから８０ｎｍの間の厚さを持つ。検知ピニング層と検知層の間の交換バイアスの強度が２ｘ１０ ^－８ Ｊ／ｃｍ ^２ と４ｘ１０ ^－８ Ｊ／ｃｍ ^２ の間である。

【手続補正3】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１７

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0017】

本開示はさらに、磁気抵抗素子を製造する方法であって
基準ピニング層と、基準層と、トンネル障壁層と、検知層と、検知ピニング層とを堆積することであって、前記検知ピニング層と前記検知層の間の交換バイアスの強度が、２ｘ１０ ^－８ Ｊ／ｃｍ ^２ と４ｘ１０ ^－８ Ｊ／ｃｍ ^２ の間で構成される、前記堆積するステップと
上述の第１ブロッキング温度より高いアニール温度で、印加された外部磁場を用いて前記基準層をアニール処理するステップと
上述の第２ブロッキング温度よりも高く、上述の第１ブロッキング温度よりも低いアニール温度で、外部磁場が印加されていない状態で前記検知層をアニール処理するステップと
を備える磁気抵抗素子を製造する方法に関する。

【手続補正4】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４５

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0045】

一実施形態において、磁気センサは、ここに開示した複数の磁気抵抗素子２を複数備えている。
別の観点による本願の実施の形態を以下列挙する。
１）磁気センサ用の磁気抵抗素子（１０）であって、前記磁気抵抗素子（１０）は、固定基準磁化（２１０）を持つ基準層（２１）と自由検知磁化（２３０）を持つ検知層（２３）との間に備わるトンネル障壁層（２２）を備え、
前記検知磁化（２３０）は、印加磁場がない場合に安定した渦構成を備え、
前記磁気抵抗素子（１０）は、前記基準層（２１）と接触し、第１ブロッキング温度（Ｔｂ１）において交換バイアスによって前記基準磁化（２１０）をピン止めする基準ピニング層（２４）をさらに備え、
前記検知層（２３）と接触し、前記第１ブロッキング温度（Ｔｂ１）よりも低い第２ブロッキング温度（Ｔｂ２）で交換バイアスによって前記検知磁化（２３０）をピン止めする検知ピニング層（２５）を備える、磁気抵抗素子（１０）において、
前記検知層（２３）が１５ｎｍと８０ｎｍの間の厚さを持つことを特徴とする、磁気抵抗素子。
２）前記検知ピニング層（２５）は、前記検知ピニング層（２５）と前記検知層（２３）との間の交換バイアスの強さが、前記基準ピニング層（２４）と前記基準層（２１）との間の交換バイアスの強さよりも低くなるように構成されている、１）に記載の磁気抵抗素子。
３）検知ピニング層（２５）と検知層（２３）の間の交換バイアスの強度は、２ｘ１０^－８Ｊ／ｃｍ^２と４ｘ１０^－８Ｊ／ｃｍ^２の間である、２）に記載の磁気抵抗素子。
４）検知層（２３）は、ＣｏＦｅ、ＮｉＦｅ又はＣｏＦｅＢベースの合金を含有している、１）から３）のいずれか一つに記載の磁気抵抗素子。
５）前記基準ピニング層（２４）と前記検知ピニング層（２５）は、反強磁性材料を含有するか、反強磁性材料から形成されている、１）から４）のいずれか一つに記載の磁気抵抗素子。
６）前記基準ピニング層（２４）と前記検知ピニング層（２５）は、Ｉｒ及びＭｎ、Ｆｅ及びＭｎ、Ｐｔ及びＭｎ、Ｎｉ及びＭｎ、Ｃｒ、ＮｉＯ又はＦｅＯをベースとする合金を含有している、５）に記載の磁気抵抗素子。
７）前記第１ブロッキング温度（Ｔｂ１）よりも高いアニール温度で、印加された外部磁場を用いて前記磁気抵抗素子（１０）をアニール処理することと、
前記第２ブロッキング温度（Ｔｂ２）よりも高く、前記第１ブロッキング温度（Ｔｂ１）よりも低いアニール温度で、外部磁場が印加されていない状態で前記磁気抵抗素子（１０）をアニール処理することと
を備える、１）から６）のいずれか一つに記載の磁気抵抗素子を製造する方法。
８）前記基準ピニング層（２４）を堆積することと、前記検知ピニング層（２５）を堆積することとを備える、前記磁気抵抗素子（１０）を形成することを備え、
ここでは、前記基準層（２１）は、前記基準ピニング層（２４）上に堆積され、前記検知層（２３）は、前記検知ピニング層（２５）上に堆積される、７）に記載の方法。
９）上述の１）から６）のいずれか一つに記載の磁気抵抗素子を複数備える磁気センサ。

【国際調査報告】