特表 2023-553931 Ｚ軸線の磁場を検知する磁気抵抗素子

(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】2023-12-26

(54)【発明の名称】Ｚ軸線の磁場を検知する磁気抵抗素子

(51)【国際特許分類】

   H10N 50/20 20230101AFI20231219BHJP

   H01L 29/82 20060101ALI20231219BHJP

   H10N 50/10 20230101ALI20231219BHJP

   G01R 33/09 20060101ALI20231219BHJP

【ＦＩ】

H10N50/20

H01L29/82 Z

H10N50/10 U

G01R33/09

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023535328

(86)(22)【出願日】2021-12-09

(85)【翻訳文提出日】2023-06-28

(86)【国際出願番号】 IB2021061484

(87)【国際公開番号】W WO2022123472

(87)【国際公開日】2022-06-16

(31)【優先権主張番号】20315489.3

(32)【優先日】2020-12-11

(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】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

2G017AD55

2G017AD65

5F092AA12

5F092AA20

5F092AB01

5F092AC12

5F092AD23

5F092BB33

5F092BB43

5F092BB53

5F092BC04

5F092BC07

5F092BC12

5F092BC13

5F092BC22

5F092BE27

5F092CA21

5F092CA25

(57)【要約】

【課題】検知層の平面に実質的に垂直な面外の軸線に沿った外部磁場を計測できる磁気抵抗素子を提供する。
【解決手段】磁気抵抗素子（２）は、基準磁化が固定された基準層（２１０）と、自由検知磁化（２３０）を持つ検知層（２３）と、基準層（２１）と検知層（２３）との間のトンネル障壁層（２２）とを備え、磁気抵抗素子（２）は、２層（２１、２３）の平面に対して略垂直に配向した外部磁場（６０）を計測するように構成されている。基準磁化（２１０）は、基準層（２１）の平面に対して略垂直に配向されている。検知磁化（２３０）は、外部磁場がないところでの渦構成（６０）を備え、渦コア（２３１）は、検知層（２３）の平面に略平行であり、検知層（２３）の平面に略垂直な面外の軸線（５０）に沿った磁化を持つ。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

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、前記基準層（２１）と前記検知層（２３）との間のトンネル障壁層（２２）とを備える磁気抵抗素子（２）であって、前記磁気抵抗素子（２）は、前記層（２１、２３）の平面に対して実質的に垂直に配向した外部磁場（６０）を計測するように構成されていて、
前記基準磁化（２１０）は、前記基準層（２１）の平面に対して実質的に垂直に配向されていて、
前記検知磁化（２３０）は、外部磁場（６０）がないところでの渦構成を備え、前記渦構成は、前記検知層（２３）の平面に実質的に平行であり、前記検知層（２３）の平面に実質的に垂直な平面外の軸線（５０）に沿った渦コア（２３１）の磁化方向を持つ、
磁気抵抗素子（２）。

【請求項2】

横方向の寸法が、４５０ｎｍ未満、好ましくは３００ｎｍ未満、２５０ｎｍ未満である、請求項１に記載の磁気抵抗素子。

【請求項3】

前記検知層（２３）が６０ｎｍより厚い厚みを持つ、請求項１又は２に記載の磁気抵抗素子。

【請求項4】

前記検知層（２３）が８０ｎｍより厚いか、１００ｎｍより厚い厚みを持つ、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】

前記検知層（２３）が第１軟質強磁性材を備え、
前記検知磁化（２３０）が、室温で、６００ｋＡ／ｍｍ以下であるか、好ましくは３００ｋＡ／ｍと６００ｋＡ／ｍとの間である、
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】

前記検知層（２３）は、第１軟質強磁性材を備える第１検知層（２３４）と、第２軟質強磁性材を備える第２検知層（２３５）とを備え、
前記検知層（２３５）は前記第１検知層（２３４）と前記トンネル障壁層（２２）との間にあって、前記トンネル障壁層（２２）に接している、
請求項１から５のいずれか一項に記載の磁気抵抗素子。

【請求項7】

前記第２検知層（２３５）が、単一層を備えて１ｎｍと５ｎｍの間の厚みを持つ、請求項６に記載の磁気抵抗素子。

【請求項8】

前記第２検知層（２３５）が複数の強磁性副層（２３５１）を備え、各強磁性副層（２３５１）は０．５ｎｍと３ｎｍの間の厚みを持つ、請求項６に記載の磁気抵抗素子。

【請求項9】

前記第２軟質強磁性材はＣｏＦｅＢ合金又はＮｉｆｅＢ合金を備える、請求項７又は８に記載の磁気抵抗素子。

【請求項10】

前記ＣｏＦｅＢ合金は、２０から８０ａｔ％のＣｏと、２０から８０ａｔ％のＦｅと、０から３０ａｔ％のＢとを、備える、請求項９に記載の磁気抵抗素子。

【請求項11】

前記第２検知層（２３５）は、隣の強磁性副層（２３５１）の間のＴａ、Ｗ又はＴｉの挿入副層（２３５２）をさらに備え、前記挿入副層（２３５２）は０．１ｎｍと０．５ｎｍの間の厚みを持つ、請求項８から１０のいずれか一項に記載の磁気抵抗素子。

【請求項12】

前記検知層（２３）が、
前記第２検知層（２３５）と前記第１検知層（２３４）の間に０．１ｎｍと０．５ｎｍの間の厚みを持ちそしてＴａ、Ｗ又はＴｉの挿入層（２３６）を備える、請求項６から１１のいずれか一項に記載の磁気抵抗素子。

【請求項13】

前記第１検知層（２３４）が、複数の第１強磁性副層（２３４１）を備え、各第１強磁性副層は０．５ｎｍと３ｎｍの間の厚みを持ち、
Ｔａ、Ｔｉ、Ｗ又はＲｕを備えて０．０５ｎｍと０．２ｎｍの間の厚みを持つ第１挿入副層（２３４２）によって、前記第１強磁性副層（２３４１）が分けられている、請求項６から１２のいずれか一項に記載の磁気抵抗素子。

【請求項14】

前記第１軟質強磁性材が、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏの少なくともいずれ１種の合金を含有している、請求項５から１３のいずれか一項に記載の磁気抵抗素子。

【請求項15】

前記合金をＮｉ８０Ｆｅ２０をａｔ％で備える、請求項１４に記載の磁気抵抗素子。

【請求項16】

前記第１軟質強磁性材が、Ｔａ、Ｔｉ、Ｗ、又はＲｕの１種類を０ａｔ％と３０ａｔ％の間の値で含有している、請求項５から１４のいずれか一項に記載の磁気抵抗素子。

【請求項17】

前記基準層（２１）が、
前記トンネル障壁層（２２）に接している第１基準副層（２１１）と、
反強磁性的に前記第１基準副層（２１１）と第２基準副層（２１２）とを結合している結合層（２１３）によって前記第１基準副層（２１１）から離されている第２基準副層（２１２）と
を備える合成反強磁性（ＳＡＦ）構造を備える、
請求項１から１６のいずれか一項に記載の磁気抵抗素子。

【請求項18】

前記第１基準副層（２１１）と前記第２基準副層（２１２）はそれぞれ、第１金属層（２０１）と第２金属層（２０２）を交互に複数備える、請求項１７に記載の磁気抵抗素子。

【請求項19】

前記第１金属層（２０１）が０．４ｎｍと０．６ｎｍの間の厚みを持ち、前記第２金属層（２０２）が０．２ｎｍと０．４ｎｍの間の厚みを持つ、請求項１８に記載の磁気抵抗素子。

【請求項20】

渦放出磁場（Ｈ_ｅｘｐｌ）に達するまで初期化磁場を加えることと、
前記初期化磁場を渦が再形成する核生成磁場（Ｈ_ｎｕｃｌ）を下回るまで減らすことで前記渦コア磁化の方向（ｚ、－ｚ）を選択することであって、前記渦コアの方向（ｚ、－ｚ）が前記渦放出磁場（Ｈ_ｅｘｐｌ）及び前記核生成磁場（Ｈ_ｎｕｃｌ）の極性によって決定される、前記選択することと、
外部磁場（６０）を計測することと
を備える、
請求項１から１９のいずれか一項に記載の磁気抵抗素子（２）を操作する方法。

【請求項21】

前記外部磁場（６０）を計測することが、前記渦放出磁場（Ｈ_ｅｘｐｌ）を下回る外部磁場（６０）について実施される、請求項２０に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、検知層を備える磁気抵抗素子（磁気抵抗効果素子）に関し、検知層の平面に実質的に垂直な軸に沿って外部磁場を計測する。本発明はさらに、磁気抵抗素子の操作方法に関する。

【背景技術】

【0002】

現在、磁気センサは電子コンパスとして携帯電話などの移動体機器で広く使われている。Ｘ－Ｙ平面内の２次元磁場の場合、直交する２つのセンサを用いて平面内の磁場のＸ成分とＹ成分の計測を実施してもよいが、Ｚ軸線方向の磁場の計測には多くの困難がある。典型的には、次の解決策が使われている。

【0003】

１解決策には、２軸平面センサに垂直に設置された個別の１軸平面磁気抵抗センサが含まれる。この解決策では、Ｘ－Ｙの２軸磁気抵抗センサとＺ軸磁気抵抗センサの２つの異なるセンサを組み立てる必要がある。

【0004】

別の解決策には、Ｚ軸線方向の磁場をＸ軸線方向とＹ軸線方向の磁場成分に変換する磁束ガイドが含まれる。例えば、特許文献１には、面内センサの上に磁束ガイドを配置することでＺ軸線方向の磁場の計測を実装する単一チップ３軸ＡＭＲセンサが開示されている。このような解決策では、Ｚ軸線方向の磁場がＸ軸線方向とＹ軸線方向に完全に変換されない。さらに、このようなセンサ設計では、Ｚ軸線方向の磁場を計算する特定のアルゴリズムを使用する必要があり、センサの設計がより複雑になる。

【0005】

さらに別の解決策は、基板を微細加工して傾斜面を形成し、その上にＺ軸線方向の磁場を部分的に検知するセンサを堆積させることを備える。このような処理は非常に複雑であり、空間効率が低く、センサの堆積に何らかのシャドウイング効果を引き起こすおそれがあり、これがセンサの性能を低下させるおそれとなる。

【0006】

さらに別の解決策には、Ｚ軸線方向の磁場を計測する垂直磁気異方性を持つ磁性材料の使用が含まれている。例えば、特許文献２は、垂直磁気異方性材料を用いて外部磁場のＺ軸成分を計測する磁気センサを開示している。垂直磁気異方性材料は、保磁力が高く、磁気抵抗が低い。

【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２０１２／２０６１３７号明細書

【特許文献2】米国特許出願公開第２０１３／１６８７８７号明細書

【発明の概要】

【0008】

本開示は、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、基準層と検知層との間のトンネル障壁層とを備える磁気抵抗素子に関する。磁気抵抗素子は、各層の平面に対して実質的に垂直に配向した外部磁場を計測するように構成されている。基準磁化は、基準層の平面に対して実質的に垂直に配向されている。この検知磁化は、外部磁場がないところでの渦構成を備える。渦構成は、検知層の平面に実質的に平行であり、検知層の平面に実質的に垂直な平面外の軸線に沿った渦コアの磁化方向を持つ。

【0009】

本開示はさらに、磁気抵抗素子を操作する方法に関し、この方法は、
渦放出磁場に達するまで初期化磁場を与えることによって渦コアの方向を選択することと、
渦が再形成される核生成磁場より下回って初期化磁場を減らすこと（ここでは前記渦コアの磁化方向は、前記渦放出磁場及び前記核生成磁場の極性によって決定される）と、
外部磁場を計測することと
を備える。

【0010】

ここに開示される磁気抵抗素子は、検知層の平面に実質的に垂直な面外軸に沿った外部磁場を計測できる。磁気抵抗素子の渦構成は、２００ｍＴ又は２５０ｍＴを超える放出磁場を備えてよい。

【0011】

磁気抵抗素子は、ヒステリシスが低く、外部磁場の大きさから排出磁場までで３００ｐＶ／Ｖ未満であり、直線性が高く、誤差が２％又は１％未満である。

【0012】

本発明の例示的な実施形態が、明細書の記載内で開示され、図面によって描かれている。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】図１は、１実施形態による磁気抵抗素子を表す。

【図2】図２は、磁気抵抗素子の磁化曲線を示す。

【図3】図３は、図２の磁化曲線の可逆線形部分の一部の拡大図を示す。

【図4】図４は、検知層の厚さの複数の値に対する磁化曲線と、横方向の寸法が２５０ｎｍの磁気抵抗素子の磁化曲線を報告する。

【図5】図５は、検知層の厚さの複数の値に対する磁化曲線と、横方向の寸法が４５０ｎｍの磁気抵抗素子の磁化曲線を報告する。

【図6】図６は、磁気抵抗素子の感度を検知層の厚さの関数として報告する。

【図7】図７は、横方向の寸法が２５０ｎｍ、厚さが１１０ｎｍ、磁気モーメントが６００ｋＡ／ｍの磁気抵抗素子の磁化曲線を示す。

【図8】図８は、横方向の寸法が２５０ｎｍ、検知層の厚さが４６ｎｍ、磁気モーメントが４００ｋＡ／ｍの磁気抵抗素子の磁化曲線を示す。

【図9】図９は、１実施形態による磁気抵抗素子の基準層を示す。

【図10】図１０は、１実施形態による第１及び第２検知層を備える磁気抵抗素子を示す。

【図11】図１１は、１実施形態による複数の第２強磁性副層を備える第２検知層を示す。

【図12】図１２は、１実施形態による複数の第２強磁性副層及び第２挿入副層を備える第２検知層を示す。

【図13】図１３は、別の実施形態による第１及び第２検知層を備える磁気抵抗素子を示す。

【図14】図１４は、１実施形態による複数の第１強磁性副層を備える第１検知層を示す。

【発明を実施するための形態】

【0014】

図１は、１実施形態による磁気抵抗素子２を表す。磁気抵抗素子は、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、基準層２１と検知層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がないところでの検知層２３の平面に実質的に平行な渦構成を備える。基準層２１は、基準磁化２１０が基準層２１の平面に対して実質的に垂直に配向するように、垂直磁気異方性（ＰＭＡ）を備えてよい。

【0015】

磁気抵抗素子２は、基準層及び検知層２１、２３の平面に対して実質的に垂直に配向している外部磁場６０を計測できる。

【0016】

検知層２３は、渦構成を持つ検知磁化２３０方向分布をもつ。これにより、渦磁化は、検知層２３の縁に沿って、渦コア２３１の周囲に円状の経路で曲がっている。渦磁化方向は、時計回りの方向に配置されていてもよいし、反時計回りの方向に配置されていてもよい。通常のセンサの操作中、渦コア２３１の磁化は、外部磁場６０に応じて、検知層２３の平面に実質的に垂直な方向（又は方向±ｚ）に変化し得る。図１を参照すると、渦コア２３１の磁化は、上向き方向（すなわち、方向＋ｚに向かって）又は下向き方向（すなわち、反対方向－ｚに向かって）に配向可能である。渦コアの大きさは、外部磁場６０の大きさがそれぞれ増減すると、＋ｚ方向又は－ｚ（）方向に増減する。しかしながら、通常のセンサの操作中は、渦コア磁化方向±ｚ、又は渦コア磁化極性は固定されている。

【0017】

磁気抵抗素子２の実用的な大きさ及び検知層２３の厚さのためにこの渦構成が、外部磁場６０の大きな、磁場の大きさの範囲内の線形及び非ヒステリシス挙動を提供する。磁化曲線の線形及び非ヒステリシス部分は、外部磁場６０の小さな変動の計測を容易にする。そのようにして、渦構成は磁気センサの複数用途に有利である。

【0018】

図２は、（記号Ｂ_ｅｘｔｚで示される）外部磁場６０の関数としての磁気抵抗素子２の磁化曲線（又はヒステリシス応答）を示す。ここで、「ｍｚ」は、検知磁化の方向に沿った平均成分±ｚ（＜Ｍｚ＞又は検知磁化Ｍｓのｚ成分）に規格化された（ｍｚ＝＜Ｍｚ＞／Ｍｓ）に相当する。渦構成の場合、磁化曲線は、Ｈ_ｅｘｐｌ点で渦放出磁場に達するまで、外部磁場Ｂ_ｅｘｔｚによる渦コア磁化の線形増加によって特徴付けられる。この時点で、検知磁化２３０は磁気的に飽和（上向きの矢印（方向＋ｚ）で表される）する。検出層２３内の渦状態は、外部磁場Ｂ_ｅｘｔｚが核生成磁場Ｈ_ｎｕｃｌ以下に減少すると回復する。Ｈ_ｅｘｐｌ点で渦放出磁場に達するまで外部磁場Ｂ_ｅｘｔｚが減少すると（負の外部磁場Ｂ_ｅｘｔ）、検知磁化２３０は磁気的に飽和する（下向きの矢印（方向－ｚ）で表される）。核生成磁場Ｈ_ｎｕｃｌは、渦放出後に渦が再形成される場である。外部磁場Ｂ_ｅｘｔｚの大きさが追放磁場（＋／－Ｈ_ｅｘｐｌ）に対応する絶対値以下である限り、磁化曲線は、外部磁場６０による渦コア２３１の磁化の変化に対応する可逆的な線形の部分を含む。渦コア磁化極性は、放出磁場Ｈ_ｅｘｐｌを超えると（方向ｚと－ｚの間で）反転できる。

【0019】

図３は、図２の磁化曲線の可逆線形部分の一部を拡大して示す。外部磁場Ｂ_ｅｘｔｚが核生成磁場Ｈ_ｎｕｃｌから増えるときと比較して、外部磁場Ｂ_ｅｘｔｚが核生成磁場Ｈ_ｎｕｃｌから減ると、外部磁場Ｂ_ｅｘｔｚへの磁化曲線はより高い磁化値に移行する。つまり、磁化曲線の可逆的な線形の部分は、渦コア磁化極性、すなわち渦コア２３１の磁化方向が異なることによるヒステリシスを示す。

【0020】

渦コア磁化極性は、渦放出後に渦が再形成される核生成磁場＋／－Ｈ_ｎｕｃｌに依存する。次に、磁化曲線の分岐の１つだけで磁気抵抗素子２を操作できる。分岐は、例えば、磁場が正の核生成磁場＋Ｈ_ｎｕｃｌ（及び正の渦放出磁場＋Ｈ_ｅｘｐｌ）から掃引されて負に戻るときの分岐Ａ（図３を参照）、又は磁場が負の核生成磁場－Ｈ_ｎｕｃｌ（及び負の渦放出磁場－Ｈ_ｅｘｐｌ）から掃引されて正に戻るときの分岐Ｂである。

【0021】

磁気抵抗素子２の操作方法は、磁気抵抗素子２に初期化磁場をかけて渦放出磁場Ｈ_ｅｘｐｌに達するまで、渦コアの磁化の方向ｚ又は－ｚ（渦コア磁化極性）を選択し、その後、渦が再形成する核生成磁場Ｈ_ｎｕｃｌより下に、初期化磁場を減らす工程を備えてよい。渦コア磁化極性は、渦放出磁場Ｈ_ｅｘｐｌ及び核生成磁場Ｈ_ｎｕｃｌの極性によって決定される。この方法は、外部磁場６０を計測する工程をさらに備える。

【0022】

初期化磁場を与えた（印加した）後、この方法は、基準磁化２１０の向きをプログラムするように磁気抵抗素子２をプログラムする工程をさらに備えてよい。プログラミング工程は、基準磁化２１０を方向付けるように適合されたプログラミング磁場を与えることによって実行できる。プログラミング工程は、磁気抵抗素子２を、基準磁化２１０の配向が容易になる温度、例えば基準磁化２１０が固定解除される温度に加熱することをさらに備えてよい。磁気抵抗素子２の加熱は、抵抗加熱又はレーザー加熱を用いて行える。プログラミングの工程中、渦コア磁化極性は固定されていると見なせる。

【0023】

磁気抵抗素子２の操作は、図３に示す分岐Ａ又はＢの何ら特定の部分に限定されない点に留意されたい。実際に、磁気抵抗素子２は、分岐Ａ又は分岐Ｂの線形領域内の任意の場所で操作可能である（後者は、分岐Ａのものに対して渦磁化極性が逆転している）。

【0024】

いずれにしても、磁気抵抗素子２は、渦放出磁場＋／－Ｈ_ｅｘｐｌより下の外部磁場６０を計測する必要がある。渦磁化極性はセンサの操作中に固定され、渦の（時計回り又は反時計回り方向の）カイラリティー（掌性）とは無関係である。

【0025】

検知層２３における渦構成の観察は、検知層２３の材料特性を含む多数の要因に依存する。一般に、渦構成は、検知層２３の直径に対する厚みのアスペクト比を大きくすることによってゼロ印加磁場で好まれる。アスペクト比は通常、１よりはるかに小さい（例えば、０．０１から０．５）。また、図２の磁化曲線の線形部分の値や傾きは、検知層２３の大きさに強く依存している。

【0026】

特に、渦配置は、磁化曲線の線形領域の傾きに対応するその磁化率χによって特徴付けられる。

【数1】

【0027】

磁気抵抗素子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）との間の積に比例する。

【数2】

【0028】

図４は、検知層２３の磁化に関するｚ配向外部磁場Ｂ_ｅｘｔｚに対する磁化曲線を、検知層２３の数の厚さ、すなわち１０ｎｍと６０ｎｍの間の検知層２３の厚さについて報告している。磁気抵抗素子２は、約２５０ｎｍの横方向の寸法Ｄを持つ。図４は、検知層２３の厚さの増加に伴う磁化曲線の傾き、ひいては磁化率χの増加を示す。所与のＴＭＲ値に対して、検知層２３の厚さを増加させることは、磁気抵抗素子２の感度Ｓの増加をもたらす。これは、検知層２３の平面内に渦構成を有し、検知層２３の平面に実質的に平行に可逆的に移動可能な渦コア磁化を持つ場合とは対照的である。

【0029】

図５は、検知層２３の複数の厚み（すなわち１０ｎｍと６０ｎｍの間の検知層２３のいろいろな厚み）の、ｚ（軸線に）位置決めした外部磁場Ｂ_ｅｘｔｚに対する磁化曲線を報告する。磁気抵抗素子２は、約４５０ｎｍの横方向の寸法を持つ。図４及び図５は、磁化率χが増え、所与のＴＭＲ値に対して磁気抵抗素子２の感度Ｓが増え、磁気抵抗素子２の横方向寸法Ｄが小さくなることを示す。所与の厚さの層２１，２３について、感度Ｓの値は、磁気抵抗素子２の直径（横寸法）Ｄに対する厚さｔのアスペクト比ｔ／Ｄを増加させるとともに増加する。

【0030】

磁気抵抗素子２の感度Ｓは、図６に検知層２３の厚さの関数として図にしている。感度Ｓは、磁気抵抗素子２の横方向の寸法Ｄが１５０ｎｍ、２００ｎｍ、２５０ｎｍ、検知層２３の磁化が４００及び６００ｋＡ／ｍの場合に模擬試験がなされた。磁気抵抗素子２のＴＭＲ値を１００％と仮定した。図６は、横方向の寸法が１５０ｎｍ、磁化が４００ｋＡ／ｍの場合、より高い感度Ｓの値が得られることを示す。所与のＴＭＲ値に対して、検知層２３の検知磁化２３０を減少させると、磁気抵抗素子２の感度Ｓが増加する。この用途の全文において、「検知磁化」という表現は、「飽和検知磁化」又は「自発検知磁化」に対して関係なく使用され、飽和磁化は最大誘導磁気モーメントという通常の意味を持つ。

【0031】

検知層の面に対して実質的に垂直な面外軸に沿って外部磁場を計測でき、高い作動磁場範囲、低ヒステリシス、高直線性及び十分な感度を持つ磁気抵抗素子２の設計規則の観点から、上記に示した結果は、
基準層２１が、基準層２１の平面に対して実質的に垂直に配向した基準磁化２１０を持ち、かつ
検知層２３が、外部磁場６０がないところでの渦構成を備える検知磁化２３０を持つ、
磁気抵抗素子２の提供を示唆している。この渦構成は、検知層２３の平面に実質的に平行であり、検知層２３の平面に実質的に垂直な面外軸５０に沿った渦コア２３１磁化を持つはずある。

【0032】

さらに、高い作動磁場範囲（６０ｍＴ以上など）、外部磁場の大きさに対する（３００ｐＶ／Ｖ未満のような）低ヒステリシスと、（２％未満又は１％の誤差のような）高い直線性と、十分な感度を持つ磁気抵抗素子２の設計規則の観点から、磁気抵抗素子２は、
横方向の寸法Ｄが小さく（又はアスペクト比が高い）、例えば、４５０ｎｍ未満、又は３００ｎｍ未満、好ましくは２５０ｎｍ未満、又は好ましくは１５０ｎｍ未満の横方向の寸法Ｄを持つべきであり、
検知層２３の小さな検知磁化２３０、例えば、８５０ｋＡ／ｍ未満の検知磁化、可能ならば６００ｋＡ／ｍ未満、又は可能ならば４００ｋＡ／Ｍ未満の検知磁化２３０を持つべきである。
有利には、検知層２３は、５０ｎｍより厚い、好ましくは１００ｎｍを超える厚みを持つ。

【0033】

一観点では、検知層２３の厚さを（５０ｎｍ以上）厚くでき、検知層２３の検知磁化２３０は、従来の磁気抵抗素子に見られる典型的な飽和磁化値（例えば６００ｋＡ／ｍ以上）に対応する値を持ってよい。第１例（図７）において、磁気抵抗素子２は、２５０ｎｍの横方向の寸法Ｄを有し、検知層２３の厚さは１１０ｎｍである。検知層２３を形成する強磁性体は、検知磁化２３０が６００ｋＡ／ｍ以上（ここでは６００ｋＡ／ｍ）の強磁性合金を備えてよい。

【0034】

好ましくは、検知層２３を形成する強磁性体は、３００から６００ｋＡ／ｍの間の検知磁化２３０を持つ第１軟質強磁性材を備えるか、又はそれからなるものである。３００から６００ｋＡ／ｍの間の検知磁化２３０により、磁気抵抗素子の垂直感度を高められる。

【0035】

好ましい１実施形態において、検知層２３は、６０ｎｍより厚い、又は７０ｎｍより厚い、又は８０ｎｍを超える厚みを持つ。

【0036】

別の態様では、検知層２３の低検知磁化は、低検知磁化（例えば６００ｋＡ／ｍ未満）を得るように、
厚さを減少させること（例えば５０ｎｍ未満）と、
検知層２３を形成する強磁性材料の適切な選択と
の少なくとも一方によって得られる。第２例（図８）において、磁気抵抗素子２は、２５０ｎｍの横方向の寸法Ｄを有し、検知層２３は、４６ｎｍの厚さを持ち、４００ｋＡ／ｍの検出磁化を持つ。検知層２３には、低磁化の強磁性合金を形成してよい。

【0037】

図７及び図８は、第１及び第２実施例の磁気抵抗素子２についてほぼ同一の磁化曲線が得られることを示している。両方の例において、放出磁場Ｈ_ｅｘｐｌは約３００ｍＴであってもよく、核生成磁場Ｈ_ｎｕｃｌは約２００ｍＴであってもよい。

【0038】

磁気抵抗素子２は、ＴＭＲ＝１００％の場合、感度Ｓが１ｍＶ／Ｖ以上であり得る。感度Ｓは、ＴＭＲを増やすことによってさらに高められる。

【0039】

再び図１を参照すると、基準層２１は、トンネル障壁層２２に接する第１基準副層２１１と、結合層２１３によって第１基準副層２１１から分離された第２基準副層２１２とを備える合成反強磁性（ＳＡＦ）構造を備えてよく、ここで、結合層２１３は、第１基準副層２１１を第２基準副層２１２に反強磁性的に結合している。第１及び第２基準副層２１１、２１２はそれぞれ、基準磁化２１０が第１及び第２基準副層２１１、２１２の平面に対して実質的に垂直に、かつ反対方向に配向するようなＰＭＡを持つ。

【0040】

図９で表される実施形態では、第１及び第２基準副層２１１、２１２はそれぞれ、複数層構造を備える。特に、第１及び第２基準副層２１１、２１２の各々は、複数の交互の第１金属層２０１及び第２金属層２０２を備えてよい。例えば、第１金属層２０１は極薄のＣｏ層を備えてよく、第２金属層２０２は極薄のＰｔ層を備えてよい。第２金属層２０２はＰｔを含有することが好ましいが、ＰＭＡを提供する他の金属も使用できる。

【0041】

一観点において、極薄Ｃｏ層２０１は、０．４ｎｍと０．６ｎｍとの間の厚さを持ち得る。極薄のＰｔ層２０２は、０．２ｎｍと０．４ｎｍとの間の厚さを持ち得る。結合層２１３は、Ｒｕ層としてよい。結合層２１３はＲｕを含むことが好ましいが、ＲＫＫＹ結合を生じる他の金属も使用できる。

【0042】

図９の構成によるＳＡＦ構造を備える基準層２１は、３００ｍＴから４００ｍＴ超の電界安定性を達成できる。

【0043】

図１０に示す別の実施形態では、検知層２３は、第１検知層２３４と第２検知層２３５とを備え、第２検知層２３５は、第１検知層２３４とトンネル障壁層２２との間にあってトンネル障壁層２２に接している。磁気抵抗素子２は、第１検知層２３４の上に少なくともキャップ層２５をさらに備えてよい。第２検知層２３５は、１ｎｍと５ｎｍの間の厚さを持つ。上述したように、検知層２３が６０ｎｍを超える厚さを持つように、第２検知層２３５及び第１検知層２３４の合計厚さは６０ｎｍより厚い。第１検知層２３４は、第１軟質強磁性材を含むか、又は、第１軟質強磁性材からなる。第２検知層２３５は、第２軟質強磁性材を含むか、又は、それからなる。

【0044】

第２検知層２３５は、第２軟質強磁性材を含有する単層を備え得る。代替的に、第２検知層２３５は、各強磁性副層が第２軟質強磁性材料を含有する（図１１参照）複数の第２強磁性副層２３５１を備えてよい。各副層は、０．５ｎｍから３ｎｍの間の厚さを持ち得る。

【0045】

第２軟質強磁性材は、ＣｏＦｅＢ（コバルト鉄ホウ素）合金を含有してよい。特に、第２軟質強磁性材料は、Ｃｏは２０から８０ａｔ％、Ｆｅは２０から８０ａｔ％、及びＢは０から３０ａｔ％のＣｏＦｅＢ合金を含有し得る。

【0046】

図１２に図示される別の代替のものにおいて、第２検知層２３５は、隣りの第２強磁性副層２３５１の間に備わる複数の第２強磁性副層２３５１と、Ｔａ、Ｗ又はＴｉ（タンタル、タングステン、チタン）の第２挿入副層２３５２とを備える。第２挿入副層２３５２は、０．１ｎｍと０．５ｎｍとの間の厚さを持ち得る。

【0047】

図１３に示すさらに別の代替のものにおいて、検知層２３は、第２検知層２３５と第１検知層２３４との間に、Ｔａ、Ｗ又はＴｉ（を含有し）そして０．１ｎｍと０．５ｎｍの間の厚さの挿入層２３６を備え得る。

【0048】

第１検知層２３４は、外部磁場６０がないところでの検知層２３の平面に検知磁化２３０が実質的に平行な渦構成となるように構成されている。第１検知層２３４は、第１軟質強磁性材を含有してもよく、又は、それからなるものとしてよい。

【0049】

代替的に、第１検知層２３４は、複数の第１強磁性副層２３４１を備えてよい（図１４参照）。各第１強磁性副層２３４１は、第１軟質強磁性材料を含有するか、又はそれらからなるものとしてよく、厚さが０．５ｎｍから３ｎｍの間である。各第１強磁性副層２３４１は、Ｔａ、Ｔｉ、Ｗ又はＲｕを含有し、０．０５ｎｍと０．２ｎｍの間の厚さを持つ第１挿入副層２３４２によって分離できる。

【0050】

第１及び第２軟質強磁性材は、検知磁化２３０が６００ｋＡ／ｍ以下、又は３００から６００ｋＡ／ｍの間である、検知層２３を持つように選択できる。

【0051】

第１軟質強磁性材は、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ８０Ｆｅ２０ａｔ％のような合金を含有してよい。

【0052】

一観点において、第１軟質強磁性材料は、Ｔａ、Ｔｉ、Ｗ又はＲｕのうちの１つを１ａｔ％から３０ａｔ％含有する。Ｔａ、Ｔｉ、Ｗ又はＲｕとの合金化は、６００ｋＡ／ｍ以下、又は３００から６００ｋＡ／ｍの間の低検知磁化２３０を達成するのに役立つ。

【符号の説明】

【0053】

２ 磁気抵抗素子
２１ 基準層
２０１ 第１金属層
２０２ 第２金属層
２１０ 基準磁化
２１１ 第１基準副層
２１２ 第２基準副層
２１３ 結合層
２２ トンネル障壁層
２３ 検知層
２３０、Ｍｓ 検知磁化
２３１ 渦コア
２３４ 第１検知層
２３４１ 第１強磁性副層
２３４２ 第１挿入副層
２３５ 第２検知層
２３５１ 第２強磁性副層
２３５２ 第２挿入副層
２３６ 挿入層
２５ キャップ層
５０ 平面外の軸線
６０ 外部磁場
Ａ、Ｂ 磁化曲線の分岐
Ｂ_ｅｘｔｚ Ｚ（軸線）方向に沿った外部磁場
Ｄ 水平方向の寸法、直径
Ｈ_ｅｘｐｌ （渦）放出磁場
Ｈ_ｎｕｃｉ 核（生成）場
ｍｚ 磁化
ｔ 厚み

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【手続補正書】

【提出日】2023-08-10

【手続補正1】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００８

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0008】

本開示は、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、基準層と検知層との間のトンネル障壁層とを備える磁気抵抗素子に関する。磁気抵抗素子は、各層の平面に対して実質的に垂直に配向した外部磁場を計測するように構成されている。基準磁化は、基準層の平面に対して実質的に垂直に配向されている。この検知磁化は、外部磁場がないところでの渦構成を備える。渦構成は、検知層の平面に実質的に平行であり、検知層の平面に実質的に垂直な平面外の軸線に沿った渦コアの磁化方向を持つ。
一観点では、検知層は６０ｎｍより厚い厚みを持ち、ここでは、検知層は３００から６００ｋＡ／ｍの間の検知磁化２３０を持つ第１軟質強磁性材を備える。

【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】

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、前記基準層と前記検知層との間のトンネル障壁層とを備える磁気抵抗素子であって、前記磁気抵抗素子は、前記層の平面に対して実質的に垂直に配向した外部磁場を計測するように構成されていて、
前記基準磁化は、前記基準層の平面に対して実質的に垂直に配向されていて、
前記検知磁化は、外部磁場がないところでの渦構成を備え、前記渦構成は、前記検知層の平面に実質的に平行であり、前記検知層の平面に実質的に垂直な平面外の軸線に沿った渦コアの磁化方向を持ち、
前記検知層は６０ｎｍより厚い厚みを持ち、
検知層は３００から６００ｋＡ／ｍの間の検知磁化を持つ第１軟質強磁性材を備える、
磁気抵抗素子。

【請求項2】

横方向の寸法が、４５０ｎｍ未満、好ましくは３００ｎｍ未満、２５０ｎｍ未満である、請求項１に記載の磁気抵抗素子。

【請求項3】

前記検知層が６０ｎｍより厚い厚みを持つ、請求項１に記載の磁気抵抗素子。

【請求項4】

前記検知層が８０ｎｍより厚いか、１００ｎｍより厚い厚みを持つ、請求項１に記載の磁気抵抗素子。

【請求項5】

前記検知層が第１軟質強磁性材を備え、
前記検知磁化が、室温で、６００ｋＡ／ｍ以下であるか、好ましくは３００ｋＡ／ｍと６００ｋＡ／ｍとの間である、
請求項１に記載の磁気抵抗素子。

【請求項6】

前記検知層は、第１軟質強磁性材を備える第１検知層と、第２軟質強磁性材を備える第２検知層とを備え、
前記第２検知層は前記第１検知層と前記トンネル障壁層との間にあって、前記トンネル障壁層に接している、
請求項１に記載の磁気抵抗素子。

【請求項7】

前記第２検知層が、単一層を備えて１ｎｍと５ｎｍの間の厚みを持つ、請求項６に記載の磁気抵抗素子。

【請求項8】

前記第２検知層が複数の第２強磁性副層を備え、各強磁性副層は０．５ｎｍと３ｎｍの間の厚みを持つ、請求項６に記載の磁気抵抗素子。

【請求項9】

前記第２軟質強磁性材はＣｏＦｅＢ合金又はＮｉｆｅＢ合金を備える、請求項７に記載の磁気抵抗素子。

【請求項10】

前記ＣｏＦｅＢ合金は、２０から８０ａｔ％のＣｏと、２０から８０ａｔ％のＦｅと、Ｂを０から３０ａｔ％のＢとを、備える、請求項９に記載の磁気抵抗素子。

【請求項11】

前記第２検知層は、隣の強磁性副層の間のＴａ、Ｗ又はＴｉの挿入副層をさらに備え、前記挿入副層は０．１ｎｍと０．５ｎｍの間の厚みを持つ、請求項８に記載の磁気抵抗素子。

【請求項12】

前記検知層が、
前記第２検知層と前記第１検知層の間に０．１ｎｍと０．５ｎｍの間の厚みを持ちそしてＴａ、Ｗ又はＴｉの挿入層を備える、請求項６に記載の磁気抵抗素子。

【請求項13】

前記第１検知層が、複数の第１強磁性副層を備え、各第１強磁性副層は０．５ｎｍと３ｎｍの間の厚みを持ち、
Ｔａ、Ｔｉ、Ｗ又はＲｕを備えて０．０５ｎｍと０．２ｎｍの間の厚みを持つ第１挿入副層によって、前記第１強磁性副層が分けられている、請求項６に記載の磁気抵抗素子。

【請求項14】

前記第１軟質強磁性材が、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏの少なくともいずれ１種の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15】

前記合金をＮｉ８０Ｆｅ２０をａｔ％で備える、請求項１４に記載の磁気抵抗素子。

【請求項16】

前記第１軟質強磁性材が、Ｔａ、Ｔｉ、Ｗ、又はＲｕの１種類を０ａｔ％と３０ａｔ％の間の値で含有している、請求項５に記載の磁気抵抗素子。

【請求項17】

前記基準層が、
前記トンネル障壁層に接している第１基準副層と、
反強磁性的に前記第１基準副層と第２基準副層とを結合している結合層によって前記第１基準副層から離されている第２基準副層と
を備える合成反強磁性（ＳＡＦ）構造を備える、
請求項１に記載の磁気抵抗素子。

【請求項18】

前記第１基準副層と前記第２基準副層はそれぞれ、第１金属層と第２金属層を交互に複数備える、請求項１７に記載の磁気抵抗素子。

【請求項19】

前記第１金属層が０．４ｎｍと０．６ｎｍの間の厚みを持ち、前記第２金属層が０．２ｎｍと０．４ｎｍの間の厚みを持つ、請求項１８に記載の磁気抵抗素子。

【請求項20】

渦放出磁場に達するまで初期化磁場を加えることと、
前記初期化磁場を渦が再形成する核生成磁場を下回るまで減らすことで前記渦コア磁化の方向を選択することであって、前記渦コアの方向が前記渦放出磁場及び前記核生成磁場の極性によって決定される、前記選択することと、
外部磁場を計測することと
を備える、
請求項１に記載の磁気抵抗素子を操作する方法。

【請求項21】

前記外部磁場を計測することが、前記渦放出磁場を下回る外部磁場について実施される、請求項２０に記載の方法。

【国際調査報告】