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(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】2024-03-05
(54)【発明の名称】低磁場磁気抵抗角度センサ
(51)【国際特許分類】
H10N 50/10 20230101AFI20240227BHJP
【ＦＩ】
H10N50/10 P
H10N50/10 U
H10N50/10 M
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023557259
(86)(22)【出願日】2022-03-16
(85)【翻訳文提出日】2023-11-08
(86)【国際出願番号】 CN2022081199
(87)【国際公開番号】W WO2022194205
(87)【国際公開日】2022-09-22
(31)【優先権主張番号】202110297617.4
(32)【優先日】2021-03-19
(33)【優先権主張国・地域又は機関】CN
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】514116947
【氏名又は名称】江▲蘇▼多▲維▼科技有限公司
【氏名又は名称原語表記】ＭＵＬＴＩＤＩＭＥＮＳＩＯＮ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＣＯ．， ＬＴＤ．
【住所又は居所原語表記】Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｄ ＆ Ｅ， Ｎｏ．２ Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｒｏａｄ，Ｚｈａｎｇｊｉａｇａｎｇ Ｆｒｅｅ Ｔｒａｄｅ Ｚｏｎｅ，Ｚｈａｎｇｊｉａｇａｎｇ，Ｊｉａｎｇｓｕ，２１５６３４ Ｃｈｉｎａ
(74)【代理人】
【識別番号】110000729
【氏名又は名称】弁理士法人ユニアス国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】ディーク、ジェイムズ ゲーザ
(72)【発明者】
【氏名】チョウ、チーミン
【テーマコード（参考）】
5F092
【Ｆターム（参考）】
5F092AA01
5F092AA11
5F092AB01
5F092AC08
5F092AC12
5F092AD22
5F092BB16
5F092BB31
5F092BB35
5F092BB36
5F092BB42
5F092BB43
5F092BC04
5F092BC07
5F092BC13
5F092BC42
(57)【要約】
本発明の実施形態において、低磁場磁気抵抗角度センサが開示される。このセンサは、Ｘ－Ｙ平面内に位置する基板と、基板上に位置する磁気抵抗感知ユニットとを備える。磁気抵抗感知ユニットは、多層薄膜構造を備える。多層薄膜構造は、少なくとも自由層、バリア層、および参照層のスタックを備える。磁気抵抗感知ユニットは、楕円形を有する。楕円形の自由層は、長軸Ｌｙ、短軸Ｌｘ、および厚さＬｚを有する。さらに、自由層は、Ｘ方向に、飽和磁場、形状異方性反磁場、および結晶磁気異方性場を有する。外部磁場がＸ－Ｙ平面内で０～３６０°だけ回転するとき、結晶磁気異方性場は、外部磁場が自由層材料の飽和磁場の値に近い低い作動磁場値を有するように、自由層の有効異方性場を０に近づけるように、形状反磁場によって補償される。本発明の実施形態は、磁気抵抗角度センサの角度測定の精度を改善することができる。さらに、必要とされる外部磁場が低いので、センサは、低コストで実装され得る。
【選択図】 図２
【選択図】 図２
【特許請求の範囲】
【請求項1】
低磁場磁気抵抗角度センサであって、Ｘ－Ｙ平面内に位置する基板と、
該基板上に位置する磁気抵抗感知ユニットであって、該磁気抵抗感知ユニットは、多層薄膜構造を備え、該多層薄膜構造は、少なくとも自由層、バリア層、および参照層のスタックを備える、磁気抵抗感知ユニットと、を備え、該磁気抵抗感知ユニットは、楕円形を有し、該楕円形の自由層は、長軸Ｌｙ、短軸Ｌｘ、および厚さＬｚを有し、該自由層は、Ｘ方向に飽和磁場、形状異方性反磁場、および結晶磁気異方性場を有し、外部磁場が該Ｘ－Ｙ平面内で０～３６０°だけ回転するとき、該結晶磁気異方性場は、該外部磁場が自由層材料の該飽和磁場の値に近い低い作動磁場値を有するように、該自由層の有効異方性場を０に近づけるように、該形状異方性反磁場によって補償される、低磁場磁気抵抗角度センサ。
【請求項2】
前記磁気抵抗感知ユニットは、プッシュ磁気抵抗感知ユニットと、プル磁気抵抗感知ユニットとを備え、該プッシュ磁気抵抗感知ユニットの自由層および該プル磁気抵抗感知ユニットの自由層は、正および負のＸ方向ニール結合磁場を有し、該プッシュ磁気抵抗感知ユニットおよび該プル磁気抵抗感知ユニットの該ニール結合磁場は、それぞれ、対応する前記自由層の前記結晶磁気異方性場および前記形状異方性反磁場によって補償される、請求項１に記載の低磁場磁気抵抗角度センサ。
【請求項3】
複数のプッシュ磁気抵抗感知ユニットは、プッシュ磁気抵抗感知ユニット・ストリングを形成するように電気的に接続され、複数のプル磁気抵抗感知ユニットは、プル磁気抵抗感知ユニット・ストリングを形成するように電気的に接続され、該プッシュ磁気抵抗感知ユニット・ストリングおよび該プル磁気抵抗感知ユニット・ストリングは、フル・ブリッジ構造または半ブリッジ構造のプッシュ・プル磁気抵抗角度センサを形成するように接続される、請求項２に記載の低磁場磁気抵抗角度センサ。
【請求項4】
前記自由層の前記形状異方性反磁場は、形状異方性因子（Ｎｘ，Ｎｙ）によって決定され、前記自由層の前記結晶磁気異方性場は、結晶磁気異方性定数Ｋ１によって決定され、Ｎｘ＝Ｎｙ＋Ｋ１／Ｍｓ ２であり、Ｍｓは、前記自由層の飽和磁気モーメントを表し、Ｎｘは、Ｘ方向の形状異方性因子を表し、Ｎｙは、Ｙ方向の形状異方性因子を表す、請求項１に記載の低磁場磁気抵抗角度センサ。
【請求項5】
前記自由層の前記形状異方性反磁場は、形状異方性因子（Ｎｘ，Ｎｙ）によって決定され、前記自由層の前記結晶磁気異方性場は、結晶磁気異方性定数Ｋ１によって決定され、前記プッシュ磁気抵抗感知ユニットの場合、Ｎｘ＝Ｎｙ＋Ｋ１／Ｍｓ ２＋２＊ＨＮ／Ｍｓであり、前記プル磁気抵抗感知ユニットの場合、Ｎｘ＝Ｎｙ＋Ｋ１／Ｍｓ ２－２＊ＨＮ／Ｍｓであり、
Ｍｓは、前記自由層の飽和磁気モーメントを表し、Ｎｘは、Ｘ方向の形状異方性因子を表し、Ｎｙは、Ｙ方向の形状異方性因子を表し、ＨＮは、前記自由層の前記ニール結合磁場を表す、請求項２または３に記載の低磁場磁気抵抗角度センサ。
【請求項6】
前記多層薄膜構造は、前記基板が前記磁気抵抗感知ユニットを指す方向に沿って、シード層、前記自由層、前記バリア層、前記参照層、金属層、ピン止め層、反強磁性層、および絶縁層を備える、請求項１に記載の低磁場磁気抵抗角度センサ。
【請求項7】
前記多層薄膜構造は、前記基板が前記磁気抵抗感知ユニットを指す方向に沿って、シード層、反強磁性層、ピン止め層、金属層、前記参照層、前記バリア層、前記自由層、および絶縁層を備え、前記参照層は、軸外イオン・ビーム・ミリングによって平坦化される、請求項１に記載の低磁場磁気抵抗角度センサ。
【請求項8】
前記参照層は、二重層複合構造またはＳＡＦ多層複合構造である、請求項１に記載の低磁場磁気抵抗角度センサ。
【請求項9】
前記バリア層は、ルテニウムもしくは銅から用意される導電層であり、または前記バリア層は、酸化アルミニウムもしくは酸化マグネシウムから用意される絶縁層であり、前記自由層は、フェロニッケル、コバルト鉄ホウ素、およびコバルト鉄のうちの２つ以上の合金で構成された多層薄膜である、請求項１に記載の低磁場磁気抵抗角度センサ。
【請求項10】
前記結晶磁気異方性場は、２０Ｏｅよりも小さく、前記短軸と前記長軸の前記比Ｌｘ／Ｌｙは、０．５＜Ｌｘ／Ｌｙ＜０．９５の範囲内であり、前記厚さＬｚは、５ｎｍ＜Ｌｚ＜２００ｎｍの範囲内であり、前記短軸Ｌｘは、０．５μｍ＜Ｌｘ＜５０μｍの範囲内であり、
前記形状異方性反磁場の配向角と前記結晶磁気異方性場の配向角との間の差は、９０°である、請求項１に記載の低磁場磁気抵抗角度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明の実施形態は、磁気センサの技術分野に関し、特に、低磁場磁気抵抗角度センサに関する。
【背景技術】
【0002】
ＴＭＲまたはＧＭＲなどのスピン・バルブ磁気抵抗角度感知ユニットは、通常、円形である。通常の使用において、外部磁場Ｈの値は、自由層（ＦＬ）の飽和磁場Ｈｓよりもはるかに大きく、その結果、自由層（ＦＬ）の磁気モーメントＭと外部磁場Ｈとは、方向が一致することになる。
【0003】
しかしながら、外部磁場Ｈを加えることによって、自由層（ＦＬ）の磁気モーメントＭｓとＨとは方向において一致することが保証されるが、磁気抵抗角度感知ユニットにおける他の膜層の偏向角は、Ｈの振幅の増加と共に増加され得、したがって、余分な測定角度誤差が引き起こされ得る。さらに、高い外部磁場Ｈは、強力な磁石をさらに必要とし、価格がより高くなり、結果として、使用コストが増加する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
本発明の実施形態は、低磁場磁気抵抗角度センサを提供し、従来の角度センサの低い測定精度および高いコストの問題を解決することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本発明の一実施形態は、低磁場磁気抵抗角度センサであって、
Ｘ－Ｙ平面内に位置する基板と、
基板上に位置する磁気抵抗感知ユニットであって、磁気抵抗感知ユニットは、多層薄膜構造を含み、多層薄膜構造は、少なくとも自由層、バリア層、および参照層のスタックを含む、磁気抵抗感知ユニットとを含み、磁気抵抗感知ユニットは、楕円形を有し、楕円形の自由層は、長軸Ｌｙ、短軸Ｌｘ、および厚さＬｚを有し、自由層は、Ｘ方向に飽和磁場、形状異方性反磁場、および結晶磁気異方性場を有し、外部磁場がＸ－Ｙ平面内で０～３６０°だけ回転するとき、結晶磁気異方性場は、外部磁場が自由層材料の飽和磁場の値に近い低い作動磁場値を有するように、自由層の有効異方性場を０に近づけるように、形状異方性反磁場によって補償される、低磁場磁気抵抗角度センサを提供する。
Ｘ－Ｙ平面内に位置する基板と、
基板上に位置する磁気抵抗感知ユニットであって、磁気抵抗感知ユニットは、多層薄膜構造を含み、多層薄膜構造は、少なくとも自由層、バリア層、および参照層のスタックを含む、磁気抵抗感知ユニットとを含み、磁気抵抗感知ユニットは、楕円形を有し、楕円形の自由層は、長軸Ｌｙ、短軸Ｌｘ、および厚さＬｚを有し、自由層は、Ｘ方向に飽和磁場、形状異方性反磁場、および結晶磁気異方性場を有し、外部磁場がＸ－Ｙ平面内で０～３６０°だけ回転するとき、結晶磁気異方性場は、外部磁場が自由層材料の飽和磁場の値に近い低い作動磁場値を有するように、自由層の有効異方性場を０に近づけるように、形状異方性反磁場によって補償される、低磁場磁気抵抗角度センサを提供する。
【0006】
さらに、磁気抵抗感知ユニットは、プッシュ磁気抵抗感知ユニットと、プル磁気抵抗感知ユニットとを含み、プッシュ磁気抵抗感知ユニットの自由層およびプル磁気抵抗感知ユニットの自由層は、正および負のＸ方向ニール結合磁場を有し、プッシュ磁気抵抗感知ユニットおよびプル磁気抵抗感知ユニットのニール結合磁場は、それぞれ、対応する自由層の結晶磁気異方性場および形状異方性反磁場によって補償される。
【0007】
さらに、複数のプッシュ磁気抵抗感知ユニットは、プッシュ磁気抵抗感知ユニット・ストリングを形成するように電気的に接続され、複数のプル磁気抵抗感知ユニットは、プル磁気抵抗感知ユニット・ストリングを形成するように電気的に接続され、プッシュ磁気抵抗感知ユニット・ストリングおよびプル磁気抵抗感知ユニット・ストリングは、フル・ブリッジ構造または半ブリッジ構造のプッシュ・プル磁気抵抗角度センサを形成するように接続される。
【0008】
さらに、自由層の形状異方性反磁場は、形状異方性因子（Ｎｘ，Ｎｙ）によって決定され、自由層の結晶磁気異方性場は、結晶磁気異方性定数Ｋ１によって決定され、
Ｎｘ＝Ｎｙ＋Ｋ１／Ｍｓ ２であり、Ｍｓは、自由層の飽和磁気モーメントを表し、Ｎｘは、Ｘ方向の形状異方性因子を表し、Ｎｙは、Ｙ方向の形状異方性因子を表す。
Ｎｘ＝Ｎｙ＋Ｋ１／Ｍｓ ２であり、Ｍｓは、自由層の飽和磁気モーメントを表し、Ｎｘは、Ｘ方向の形状異方性因子を表し、Ｎｙは、Ｙ方向の形状異方性因子を表す。
【0009】
さらに、自由層の形状異方性反磁場は、形状異方性因子（Ｎｘ，Ｎｙ）によって決定され、自由層の結晶磁気異方性場は、結晶磁気異方性定数Ｋ１によって決定され、
プッシュ磁気抵抗感知ユニットの場合、Ｎｘ＝Ｎｙ＋Ｋ１／Ｍｓ ２＋２＊ＨＮ／Ｍｓであり、プル磁気抵抗感知ユニットの場合、Ｎｘ＝Ｎｙ＋Ｋ１／Ｍｓ ２－２＊ＨＮ／Ｍｓであり、
Ｍｓは、自由層の飽和磁気モーメントを表し、Ｎｘは、Ｘ方向の形状異方性因子を表し、Ｎｙは、Ｙ方向の形状異方性因子を表し、ＨＮは、自由層のニール結合磁場を表す。
プッシュ磁気抵抗感知ユニットの場合、Ｎｘ＝Ｎｙ＋Ｋ１／Ｍｓ ２＋２＊ＨＮ／Ｍｓであり、プル磁気抵抗感知ユニットの場合、Ｎｘ＝Ｎｙ＋Ｋ１／Ｍｓ ２－２＊ＨＮ／Ｍｓであり、
Ｍｓは、自由層の飽和磁気モーメントを表し、Ｎｘは、Ｘ方向の形状異方性因子を表し、Ｎｙは、Ｙ方向の形状異方性因子を表し、ＨＮは、自由層のニール結合磁場を表す。
【0010】
さらに、多層薄膜構造は、基板が磁気抵抗感知ユニットを指す方向に沿って、シード層、自由層、バリア層、参照層、金属層、ピン止め層、反強磁性層、および絶縁層を含む。
【0011】
さらに、多層薄膜構造は、基板が磁気抵抗感知ユニットを指す方向に沿ってシード層、反強磁性層、ピン止め層、金属層、参照層、バリア層、自由層、および絶縁層を含み、参照層は、軸外イオン・ビーム・ミリングによって平坦化される。
【0012】
さらに、参照層は、二重層複合構造またはＳＡＦ多層複合構造である。
【0013】
さらに、バリア層は、ルテニウムもしくは銅から用意される導電層であり、またはバリア層は、酸化アルミニウムもしくは酸化マグネシウムから用意される絶縁層であり、自由層は、フェロニッケル、コバルト鉄ホウ素、およびコバルト鉄のうちの２つ以上の合金で構成された多層薄膜である。
【0014】
さらに、結晶磁気異方性場は、２０Ｏｅよりも小さく、
短軸と長軸の比Ｌｘ／Ｌｙは、０．５＜Ｌｘ／Ｌｙ＜０．９５の範囲内であり、厚さＬｚは、５ｎｍ＜Ｌｚ＜２００ｎｍの範囲内であり、短軸Ｌｘは、０．５μｍ＜Ｌｘ＜５０μｍの範囲内であり、
形状異方性反磁場の配向角と結晶磁気異方性場の配向角との間の差は、９０°である。
短軸と長軸の比Ｌｘ／Ｌｙは、０．５＜Ｌｘ／Ｌｙ＜０．９５の範囲内であり、厚さＬｚは、５ｎｍ＜Ｌｚ＜２００ｎｍの範囲内であり、短軸Ｌｘは、０．５μｍ＜Ｌｘ＜５０μｍの範囲内であり、
形状異方性反磁場の配向角と結晶磁気異方性場の配向角との間の差は、９０°である。
【発明の効果】
【0015】
本発明の実施形態によれば、外部磁場がＸ－Ｙ平面内で０～３６０°だけ回転するとき、結晶磁気異方性場は、自由層における形状異方性反磁場によって補償され、それにより、自由層は、０に近い有効異方性場を有し、対応する外部磁場は、自由層材料の飽和磁場の値に近い低い磁場値を有する。したがって、磁気抵抗角度センサの角度測定誤差は、減少させられ得、角度測定精度は改善され得る。加えて、外部磁場は低く、したがって、強力な磁石を構成することは必要とされず、磁気抵抗角度センサは、低コストで実装され得る。
【0016】
本発明の実施形態または先行技術における技術的解決策のより明確な説明を提供するために、実施形態または先行技術の説明において必要とされる添付図面に対する簡単な紹介がなされる。以下の説明における添付図面は、本発明のいくつかの特定の実施形態であるが、当業者にとっては、本発明の様々な実施形態によって開示および示唆されるデバイス構造、駆動方法、および製造方法の基本概念は、他の構造および図面に拡大および拡張され得、それらは、本発明の特許請求の範囲内に疑う余地なくあることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【0017】
【図1】本発明の一実施形態による低磁場磁気抵抗角度センサの概略図である。
【図2】本発明の一実施形態による低磁場磁気抵抗角度センサのＸ－Ｙ平面の磁化図である。
【図3】本発明の一実施形態による低磁場磁気抵抗角度センサのＸ－Ｚ平面の磁化図である。
【図4】本発明の一実施形態による低磁場磁気抵抗角度センサにおける多層スタッキング構造の概略図である。
【図5a】本発明の一実施形態による低磁場磁気抵抗角度センサにおけるプッシュ磁気抵抗感知ユニット・ストリングの概略図である。
【図5b】本発明の一実施形態による低磁場磁気抵抗角度センサにおけるプル磁気抵抗感知ユニット・ストリングの概略図である。
【図6】楕円形磁気抵抗感知ユニットにおける異なるＬｚ値を有する自由層の（Ｌｘ／Ｌｙ）－Ｌｘの２次元図である。
【図7】楕円形磁気抵抗感知ユニットにおける異なるＬｚ値を有する自由層のＬｘ－Ｌｙの２次元図である。
【図8】磁気抵抗感知ユニットにおける多層スタッキング構造の概略図である。
【図9】本発明の一実施形態によるプッシュ磁気抵抗感知ユニットにおける自由層の磁化図である。
【図10】本発明の一実施形態によるプル磁気抵抗感知ユニットにおける自由層の磁化図である。
【図13】Ｌｘ－Ｌｙ２次元座標におけるＨｄの等値図である。
【図14】プッシュ磁気抵抗感知ユニットおよびプル磁気抵抗感知ユニットのサイズ選択図である。
【図15】楕円形自由層のサイズおよび材料性能に対応するＭ－Ｈ曲線である。
【図16】円形自由層のサイズおよび材料性能に対応するＭ－Ｈ曲線である。
【発明を実施するための形態】
【0018】
本発明の目的、技術的解決策、および利点をより明確にするために、本発明の技術的手法は、本発明の実施形態における図面を参照して、実施形態によって明確かつ完全に説明される。明らかに、説明される実施形態は、本発明の実施形態の一部であり、それらのすべてではない。本発明の実施形態によって開示および促進される基本概念に基づいて、当業者によって得られるすべての他の実施形態は、本発明の保護の範囲に属する。
【0019】
図１は、本発明の一実施形態による低磁場磁気抵抗角度センサの概略図であり、図２は、本発明の一実施形態による低磁場磁気抵抗角度センサのＸ－Ｙ平面の磁化図であり、図３は、本発明の一実施形態による低磁場磁気抵抗角度センサのＸ－Ｚ平面の磁化図である。本発明の一実施形態による低磁場磁気抵抗角度センサは、Ｘ－Ｙ平面内に位置する基板１００と、基板１００上に位置する磁気抵抗感知ユニット２００とを含み、磁気抵抗感知ユニット２００は、多層薄膜構造を含み、多層薄膜構造は、少なくとも自由層（ＦＬ）２０１、バリア層（ＢＬ）２０２、および参照層（ＲＬ）２０３のスタックを含む。磁気抵抗感知ユニット２００は、楕円形を有し、楕円形の自由層２０１は、長軸Ｌｙ、短軸Ｌｘ、および厚さＬｚを有し、自由層２０１は、Ｘ方向に飽和磁場Ｈｓ、形状異方性反磁場Ｈｄ、結晶磁気異方性場Ｈｋを有し、外部磁場ＨがＸ－Ｙ平面内で０～３６０°だけ回転するとき、結晶磁気異方性場Ｈｋは、外部磁場Ｈが自由層２０１材料の飽和磁場Ｈｓの値に近い低い作動磁場値を有するように、自由層２０１の有効異方性場を０に近づけるように、形状異方性反磁場Ｈｄによって補償される。
【0020】
本実施形態では、任意選択で、基板１００は、ウェハであり、基板１００は、１つまたは複数の磁気抵抗感知ユニット２００を備える。各磁気抵抗感知ユニット２００は、多層薄膜構造を含み、多層薄膜構造は、少なくとも自由層２０１、バリア層２０２、および参照層２０３のスタックを含む。自由層２０１、バリア層２０２、および参照層２０３は、図２に示された順序に従ってスタックされ得、これに限定されない他の順序に従ってスタックされることも可能であることを理解されたい。磁気抵抗感知ユニット２００は、楕円形であり、楕円形の長軸はＹ方向に平行であり、楕円形の短軸はＸ方向に平行であり、楕円形の厚さはＺ方向に平行であり、自由層２０１の楕円形の長軸はＬｙであり、Ｙ方向に平行であり、楕円形の短軸はＬｘであり、Ｘ方向に平行であり、楕円形の厚さはＬｚであり、Ｚ方向に平行であり、他の実施形態では、磁気抵抗感知ユニットは、これに限定されない他の形状であるように選択されてもよい。
【0021】
自由層２０１は、Ｘ方向に飽和磁場Ｈｓ、形状異方性反磁場Ｈｄ、および結晶磁気異方性場Ｈｋを有する。外部磁場ＨがＸ－Ｙ平面内で０～３６０°だけ回転するとき、結晶磁気異方性場Ｈｋおよび形状異方性反磁場Ｈｄは、方向が反対であり、互いに補償することができ、すなわち、形状異方性反磁場Ｈｄは、結晶磁気異方性場Ｈｋを補償することができる。形状異方性反磁場Ｈｄの磁場値が結晶磁気異方性場Ｈｋの値に近い場合、自由層２０１は、０に近い有効異方性場を有する。自由層２０１は、飽和磁場Ｈｓをさらに有し、自由層２０１が０に近い有効異方性場を有する場合、外部磁場Ｈは、外部磁場ＨがＸ－Ｙ平面内で０～３６０°だけ回転するとき、飽和磁場Ｈｓに近い。自由層２０１の飽和磁場Ｈｓの磁場値は低く、したがって、外部磁場Ｈは、自由層２０１の飽和磁場Ｈｓに近い低い磁場値を有することが知られている。
【0022】
ＨｄおよびＨｋの相互補償は、以下のモードで実現される、すなわち、自由層は磁場アニール処理技術によって処置され、または自由層はバイアス磁場を用いたスパッタ成膜技術によって成長させられ、形成された自由層膜は一軸結晶磁気異方性場Ｈｋを有することができ、異方性は特定の方向にあり、他方で、自由層は、円い形状の代わりに楕円形であるように配置され、特定の方向の形状異方性反磁場Ｈｄは、楕円形の長軸Ｌｙのサイズおよび短軸Ｌｘのサイズを設定することによって得られ、したがって、ＨｋおよびＨｄは、相互補償されることに留意されたい。
【0023】
任意選択で、磁気抵抗角度センサは、ＴＭＲまたはＧＭＲであり得るが、ＴＭＲまたはＧＭＲに限定されない。
【0024】
本発明の実施形態によれば、外部磁場がＸ－Ｙ平面内で０～３６０°だけ回転するとき、結晶磁気異方性場は、自由層における形状異方性反磁場によって補償され、それによって自由層は、０に近い有効異方性場を有し、対応する外部磁場は、自由層の飽和磁場の値に近い低い磁場値を有する。したがって、磁気抵抗角度センサの角度測定誤差は、減少させられ得、角度測定精度は、改善させられ得る。さらに、外部磁場は低く、したがって、強力な磁石を構成することは必要とされず、磁気抵抗角度センサは、低コストで実装され得る。
【0025】
例示として、図４は、本発明の一実施形態による低磁場磁気抵抗角度センサにおける多層スタッキング構造の概略図である。図４に示されるように、任意選択で、磁気抵抗感知ユニットは、プッシュ磁気抵抗感知ユニット２００ａと、プル磁気抵抗感知ユニット２００ｂとを含み、プッシュ磁気抵抗感知ユニット２００ａの自由層２０１、およびプル磁気抵抗感知ユニット２００ｂの自由層２０１は、正および負のＸ方向ニール結合磁場ＨＮを有し、プッシュ磁気抵抗感知ユニット２００ａおよびプル磁気抵抗感知ユニット２００ｂのニール結合磁場ＨＮは、それぞれ、対応する自由層２０１の結晶磁気異方性場Ｈｋおよび形状異方性反磁場Ｈｄによって補償される。
【0026】
本実施形態では、磁気抵抗感知ユニットは、プッシュ・プル磁気抵抗感知ユニットである。任意選択で、プッシュ磁気抵抗感知ユニット２００ａの自由層２０１は、正のＸ方向のニール結合磁場ＨＮを有し、プル磁気抵抗感知ユニット２００ｂの自由層２０１は、負のＸ方向のニール結合磁場ＨＮを有する。他の実施形態では、任意選択で、プッシュ磁気抵抗感知ユニットの自由層は、－Ｘ方向のニール結合磁場を有し、プル磁気抵抗感知ユニットの自由層は、＋Ｘ方向のニール結合磁場を有する。
【0027】
プッシュ磁気抵抗感知ユニット２００ａのニール結合磁場ＨＮは、自由層２０１の結晶磁気異方性場Ｈｋおよび形状異方性場Ｈｄによって補償され、プル磁気抵抗感知ユニット２００ｂのニール結合磁場ＨＮは、自由層２０１の結晶磁気異方性場Ｈｋおよび形状異方性場Ｈｄによって補償される。
【0028】
図５ａおよび図５ｂは、本発明の一実施形態による低磁場磁気抵抗角度センサの概略図である。図５ａに示されるように、任意選択で、複数のプッシュ磁気抵抗感知ユニット２００ａは、プッシュ磁気抵抗感知ユニット・ストリング２００（１）を形成するように電気的に接続され得、図５ｂに示されるように、任意選択で、複数のプル磁気抵抗感知ユニット２００ｂは、プル磁気抵抗感知ユニット・ストリング２００（２）を形成するように電気的に接続され得、プッシュ磁気抵抗感知ユニット・ストリング２００（１）およびプル磁気抵抗感知ユニット・ストリング２００（２）は、フル・ブリッジ構造または半ブリッジ構造のプッシュ・プル磁気抵抗角度センサを形成するように接続される。
【0029】
本実施形態では、磁気抵抗角度センサは、プッシュ・プル磁気抵抗角度センサであり、プッシュ・プル磁気抵抗角度センサは、プッシュ磁気抵抗感知ユニット・ストリング２００（１）と、プル磁気抵抗感知ユニット・ストリング２００（２）とを含み、プッシュ磁気抵抗感知ユニット・ストリング２００（１）およびプル磁気抵抗感知ユニット・ストリング２００（２）は、フル・ブリッジ構造を形成するように接続され、またはプッシュ磁気抵抗感知ユニット・ストリング２００（１）およびプル磁気抵抗感知ユニット・ストリング２００（２）は、半ブリッジ構造を形成するように接続される。
【0030】
図５ａに示されるように、プッシュ磁気抵抗感知ユニット・ストリング２００（１）は、複数のプッシュ磁気抵抗感知ユニット２００ａを直列におよび並列に接続することによって形成され、図５ｂに示されるように、プル磁気抵抗感知ユニット・ストリング２００（２）は、複数のプル磁気抵抗感知ユニット２００ｂを直列におよび並列に接続することによって形成される。他の実施形態では、任意選択で、プッシュ磁気抵抗感知ユニット・ストリングは、複数のプッシュ磁気抵抗感知ユニットを直列に接続することによって形成されてもよく、プル磁気抵抗感知ユニット・ストリングは、複数のプル磁気抵抗感知ユニットを直列に接続することによって形成され、あるいは、さらなる任意選択で、プッシュ磁気抵抗感知ユニット・ストリングは、複数のプッシュ磁気抵抗感知ユニットを並列に接続することによって形成されてもよく、プル磁気抵抗感知ユニット・ストリングは、複数のプル磁気抵抗感知ユニットを並列に接続することによって形成される。それは、これ限定されない。
【0031】
例示として、図２および図３に示されるように、任意選択で、自由層の形状異方性反磁場は、形状異方性因子（Ｎｘ，Ｎｙ）によって決定され、自由層の結晶磁気異方性場は、結晶磁気異方性定数Ｋ１によって決定され、Ｎｘ＝Ｎｙ＋Ｋ１／Ｍｓ
２であり、Ｍｓは、自由層の飽和磁気モーメントを表し、Ｎｘは、Ｘ方向の形状異方性因子を表し、Ｎｙは、Ｙ方向の形状異方性因子を表す。
【0032】
任意選択で、自由層の形状異方性反磁場は、形状異方性因子（Ｎｘ，Ｎｙ）によって決定され、自由層の結晶磁気異方性場は、結晶磁気異方性定数Ｋ１によって決定され、プッシュ磁気抵抗感知ユニットの場合、Ｎｘ＝Ｎｙ＋Ｋ１／Ｍｓ
２＋２＊ＨＮ／Ｍｓであり、プル磁気抵抗感知ユニットの場合、Ｎｘ＝Ｎｙ＋Ｋ１／Ｍｓ
２－２＊ＨＮ／Ｍｓであり、Ｍｓは、自由層の飽和磁気モーメントを表し、Ｎｘは、Ｘ方向の形状異方性因子を表し、Ｎｙは、Ｙ方向の形状異方性因子を表し、ＨＮは、自由層のニール結合磁場を表す。
【0033】
本実施形態では、解析は、結晶磁気異方性場Ｈｋおよび形状異方性反磁場Ｈｄの行列表現から開始されて、結晶磁気異方性場Ｈｋおよび形状異方性反磁場Ｈｄによる補償を達成するプロセスを説明する。形状異方性反磁場は、磁気形状異方性磁場を指す。
【0034】
数学的には、結晶磁気異方性場Ｈｋおよび形状異方性反磁場Ｈｄは、異方性テンソル行列によって表すことができ、異方性テンソル行列は、以下の式（１）のように示される。
【数1】
【0035】
主軸方向の座標を変換することにより、異方性テンソル行列（１）は対角行列に変換することができ、対角行列は以下の式（２）として示される。
【数2】
【0036】
幾何学的に、異方性テンソル行列（１）は、楕円体によって記述することができ、プッシュ磁気抵抗感知ユニットの自由層およびプル磁気抵抗感知ユニットの自由層は、Ｚ方向に圧縮された特殊な偏球楕円体と等価である。
【0037】
したがって、理論的には、ＨｄおよびＨｋの相互補償は、結晶磁気異方性場Ｈｋの行列［Ｄ］１と形状異方性反磁場Ｈｄの行列［Ｄ］２との和が０に等しい限り、すなわち、［Ｄ］１＋［Ｄ］２＝０行列である限り、達成され得、エネルギーの観点では、結晶磁気異方性場Ｈｋの結晶磁気異方性エネルギーと形状異方性反磁場Ｈｄの磁気形状異方性エネルギーとの和が０である。
【0038】
結晶磁気異方性エネルギーおよび磁気形状異方性エネルギーについては、表現式は、以下の式（３）に示される。
【数3】
【0039】
式（３）において、Ｍはベクトル磁気モーメントを表し、ｍｘ、ｍｙ、およびｍｚの３つの成分として表すことができ、θ１はＭとＸ軸との間の角度を含むベクトルを表し、θ２はＭとＹ軸との間の角度を含むベクトルを表し、θ３はＭとＺ軸との間の角度を含むベクトルを表し、θ１、θ２、θ３は関係式（４）を満たす。
ｃｏｓ２θ１＋ｃｏｓ２θ２＋ｃｏｓ２θ３＝１ （４）
ｃｏｓ２θ１＋ｃｏｓ２θ２＋ｃｏｓ２θ３＝１ （４）
【0040】
プッシュ磁気抵抗感知ユニットの自由層がＺ方向に圧縮された特殊な偏球楕円体と等価であり、プル磁気抵抗感知ユニットの自由層がＺ方向に圧縮された特殊な偏球楕円体と等価であることに従って、対角行列式（２）におけるＤｘ＝Ｄｚが設定され、式（３）は、以下の式（５）に変換される。
【0041】
他方で、結晶磁気異方性の別の表現式が、式（６）に示される。
ＥＡ＝Ｋ１・ｓｉｎ２θ２＋Ｋ０ （６）
ＥＡ＝Ｋ１・ｓｉｎ２θ２＋Ｋ０ （６）
【0042】
式（６）において、Ｋ１およびＫ０は、結晶磁気異方性定数であり、数式（５）と（６）とを比較して、式（７）を得る。
Ｋ１＝－Ｍ２・（Ｄｘ－Ｄｙ） （７）
Ｋ１＝－Ｍ２・（Ｄｘ－Ｄｙ） （７）
【0043】
実際の作業では、結晶磁気異方性場については、因子は、パラメータＫ１によって表され、形状異方性反磁場については、形状異方性減磁率は、Ｎｘ（Ｄｘ）、Ｎｙ（Ｄｙ）、およびＮｚ（Ｄｚ）によって表される。結晶磁気異方性エネルギーと磁気形状異方性エネルギーの和は０であり、これはＨｋとＨｄの相互補償のための条件である。結晶磁気異方性エネルギーと磁気形状異方性エネルギーの方向が逆であるとき、以下の式（８）が得られる。
Ｋ１・ｓｉｎ２θ２＋Ｋ０－Ｍ２・（Ｎｘ－Ｎｙ）・ｓｉｎ２θ２＝０ （８）
Ｋ１・ｓｉｎ２θ２＋Ｋ０－Ｍ２・（Ｎｘ－Ｎｙ）・ｓｉｎ２θ２＝０ （８）
【0044】
式（８）が簡略化された後に、式（９）が得られる。
Ｎｘ＝２Ｋ１／Ｍ２＋Ｎｙ （９）
Ｎｘ＝２Ｋ１／Ｍ２＋Ｎｙ （９）
【0045】
したがって、結晶磁気異方性場Ｈｋは、式（１０）によって表され、形状異方性反磁場Ｈｄは、式（１１）によって表される。
Ｈｋ＝２Ｋ１／Ｍ （１０）
Ｈｄ＝Ｍ・（Ｎｘ－Ｎｙ） （１１）
Ｈｋ＝２Ｋ１／Ｍ （１０）
Ｈｄ＝Ｍ・（Ｎｘ－Ｎｙ） （１１）
【0046】
ＨｄおよびＨｋの相互補償のための条件は、式（１２）に示される。
Ｈｄ＝Ｍ・（Ｎｘ－Ｎｙ）＝Ｈｋ （１２）
Ｈｄ＝Ｍ・（Ｎｘ－Ｎｙ）＝Ｈｋ （１２）
【0047】
任意選択で、結晶磁気異方性場Ｈｋは、２０Ｏｅよりも小さく、短軸と長軸の比Ｌｘ／Ｌｙは、０．５＜Ｌｘ／Ｌｙ＜０．９５の範囲であり、厚さＬｚは、５ｎｍ＜Ｌｚ＜２００ｎｍの範囲であり、短軸Ｌｘは、０．５μｍ＜Ｌｘ＜５０μｍの範囲であり、形状異方性反磁場Ｈｄの配向角と結晶磁気異方性場Ｈｋの配向角との差は、９０°である。
【0048】
パーマロイＮｉＦｅは、軟磁性材料（Ｈｋ，Ｍｓ）の性能パラメータが知られているという条件下で、パーマロイによって形成された自由層および薄膜楕円体のサイズ（Ｌｘ，Ｌｙ，Ｌｚ）の設計を説明するための以下の一例として得られ、ただし、Ｈｋ＝２０Ｏｅ、Ｍｓ＝１００００Ｇである。
【0049】
楕円形自由層の長軸はＬｙであり、短軸はＬｘであり、厚さはＬｚであり、具体的には、Ｌｙ＞Ｌｘ＞＞Ｌｚの場合、減磁率Ｎｘ、Ｎｙ、およびＮｚの計算式は、以下の式（１３～１６）に示される。
【数4】
【0050】
ＫおよびＥは完全な楕円積分項であり、入力パラメータはｅであり、（Ｌｘ，Ｌｙ，Ｌｚ）対Ｈｄの関係グラフは、式（１２）に代入することによって解くことができる。
【0051】
上述したように、図２に示されるように、磁気抵抗角度センサは単一ドメイン構造であり、磁化容易軸方向（ＥＡ）はＸ軸方向であり、ゼロ磁場の下で、形状異方性反磁場Ｈｄの方向は－Ｘ方向であり、Ｈは外部磁場であり、磁気モーメントＭの方向は外部磁場Ｈの方向と一致すると仮定される。
【0052】
図６は、楕円形磁気抵抗感知ユニットの異なるＬｚ値を有する自由層の（Ｌｘ／Ｌｙ）－Ｌｘの２次元図である。図６に示されるように、任意選択で、自由層の形状異方性反磁場Ｈｄおよび結晶磁気異方性場Ｈｋは、Ｈｄ＝Ｈｋ＝２０Ｏｅを満たし、Ｌｚは、１ｎｍから５０ｎｍまで等間隔で配置されて１０本の曲線を形成し、各曲線の対応するＬｚ値は、１＋４９／９＊（ｎ－１）ｎｍであり、すなわち、ｎは整数であり、１≦ｎ≦１０として示され、ｎ＝１の場合、第１の曲線の対応するＬｚ値は１ｎｍであり、ｎ＝２の場合、第２の曲線の対応するＬｚ値は、約６．４４ｎｍであり、ｎ＝３の場合、第３の曲線の対応するＬｚ値は、約１１．８８ｎｍなどであり、ｎ＝１０の場合、１０番目の曲線の対応するＬｚ値は、５０ｎｍである。Ｌｘ／Ｌｙは、０＜Ｌｘ／Ｌｙ＜１の範囲であり、各Ｌｚ値について、Ｌｘは、最大値を有し、各Ｌｘ値について、１つのみの対応するＬｘ／Ｌｙが存在し、Ｌｘが増加するにつれて、Ｌｘ／Ｌｙは減少し、すなわち、それに応じてＬｙを増加させることも必要とされることが理解できる。
【0053】
図７は、楕円形磁気抵抗感知ユニットにおける異なるＬｚ値を有する自由層のＬｘ－Ｌｙの２次元図である。図７に示されるように、任意選択で、自由層の形状異方性反磁場Ｈｄおよび結晶磁気異方性場Ｈｋは、Ｈｄ＝Ｈｋ＝２０Ｏｅという式を満たし、Ｌｚは、１ｎｍから５０ｎｍまで等間隔で配置されて１０本の曲線を形成し、各曲線の対応するＬｚ値は、１＋４９／９＊（ｎ－１）ｎｍであり、すなわち、ｎは整数であり、１≦ｎ≦１０として示され、ｎ＝１の場合、第１の曲線の対応するＬｚは１ｎｍであり、ｎ＝２の場合、第２の曲線の対応するＬｚ値は約６．４４ｎｍであり、ｎ＝３の場合、第３の曲線の対応するＬｚ値は約１１．８８ｎｍなどであり、ｎ＝１０の場合、第１０の曲線の対応するＬｚ値は５０ｎｍである。Ｌｚが増加するにつれて、Ｌｘ値の範囲は徐々に広くなり、Ｌｚが１ｎｍに近いとき、Ｌｙ／Ｌｘ値の範囲は、Ｌｚ＝５０ｎｍに対して劇的に変化することが理解できる。
【0054】
Ｌｚ＝５０ｎｍの場合、１つの値は、Ｌｘ＝１４．３６μｍ、Ｌｙ＝２８．３５μｍ、Ｌｚ＝５０ｎｍ、Ｎｘ＝０．００１１１６８５５、Ｎｙ＝０．００３１１４８５１、Ｎｚ＝０．９９５７６８２９３、Ｈｄ≒２０Ｏｅ＝Ｈｋとして示され、外部磁場Ｈの不等式Ｈ＞ＨＮ＋Ｈｄ＋Ｈｋ＋Ｈｓにおいて、Ｈｄ＋Ｈｋ＝０の場合、相互補償が達成され、Ｈ＞ＨＮ＋Ｈｓの場合、Ｈの振幅は、大きく減少させられる。
【0055】
例示的に、図８は、磁気抵抗感知ユニットにおける多層スタック構造の概略図である。図８に示されるように、任意選択で、基板１００が磁気抵抗感知ユニット２００を指す方向（＋Ｚ方向と同じ）に沿って、多層薄膜構造は、シード層（ｓｅｅｄ）、自由層（ＦＬ）、バリア層（ＢＬ）、参照層（ＲＬ）、金属層（ＭＬ）、ピン止め層（ＰＬ）、反強磁性層（ＡＦＬ）、および絶縁層（ＣＬ）を含む。プッシュ磁気抵抗感知ユニット２００ａの場合、自由層２０１は、＋Ｘ方向の結晶磁気異方性場Ｈｋを含み、参照層（ＲＬ）の磁気モーメント方向は＋Ｘ方向であり、ピン止め層（ＰＬ）の磁気モーメント方向は－Ｘ方向であり、反強磁性層（ＡＦＬ）の磁気モーメント方向は－Ｘ方向である。プル磁気抵抗感知ユニット２００ｂの場合、自由層２０１は、－Ｘ方向の結晶磁気異方性場Ｈｋを含み、参照層（ＲＬ）の磁気モーメント方向は－Ｘ方向であり、ピン止め層（ＰＬ）の磁気モーメント方向は＋Ｘ方向であり、反強磁性層（ＡＦＬ）の磁気モーメント方向は＋Ｘ方向である。
【0056】
例示的に、図４に示されるように、任意選択で、基板１００が磁気抵抗感知ユニット２００を指す方向（＋Ｚ方向と同じ）に沿って、多層薄膜構造は、シード層（ｓｅｅｄ）、反強磁性層（ＡＦＬ）、ピン止め層（ＰＬ）、金属層（ＭＬ）、参照層（ＲＬ）、バリア層（ＢＬ）、自由層（ＦＬ）、および絶縁層（ＣＬ）を含み、参照層（ＲＬ）は、軸外イオン・ビーム・ミリングによって平坦化される。プッシュ磁気抵抗感知ユニット２００ａの場合、自由層２０１は、＋Ｘ方向の結晶磁気異方性場Ｈｋを含み、参照層（ＲＬ）の磁気モーメント方向は＋Ｘ方向であり、ピン止め層（ＰＬ）の磁気モーメント方向は－Ｘ方向であり、反強磁性層（ＡＦＬ）の磁気モーメント方向は－Ｘ方向である。プル磁気抵抗感知ユニット２００ｂの場合、自由層２０１は、－Ｘ方向の結晶磁気異方性場Ｈｋを含み、参照層（ＲＬ）の磁気モーメント方向は－Ｘ方向であり、ピン止め層（ＰＬ）の磁気モーメント方向は＋Ｘ方向であり、反強磁性層（ＡＦＬ）の磁気モーメント方向は＋Ｘ方向である。絶縁層（ＣＬ）は、キャップ層とみなすこともできる。
【0057】
任意選択で、参照層（ＲＬ）は、二重層複合構造またはＳＡＦ多層複合構造である。任意選択で、バリア層は、ルテニウムまたは銅から用意される導電層であり、あるいはバリア層は、酸化アルミニウムまたは酸化マグネシウムから用意される絶縁層であり、自由層は、フェロニッケル、コバルト鉄ホウ素、およびコバルト鉄のうちの２つ以上の合金で構成された多層薄膜である。
【0058】
図９は、本発明の一実施形態によるプッシュ磁気抵抗感知ユニットにおける自由層の磁化図であり、図１０は、本発明の一実施形態によるプル磁気抵抗感知ユニットにおける自由層の磁化図である。図９および図１０に示されるように、任意選択で、自由層の長軸Ｌｙは短軸Ｌｘに近く、すなわち、自由層２０１は、ほぼ円い。任意選択で、磁気抵抗角度センサにおける磁気抵抗感知ユニットは、プッシュ・プル磁気抵抗感知ユニットであり、図４のプッシュ磁気抵抗感知ユニット２００ａの磁化図、および図８のプッシュ磁気抵抗感知ユニット２００ａの磁化図は、図９に示され、図４のプル磁気抵抗感知ユニット２００ｂの磁化図、および図８のプル磁気抵抗感知ユニット２００ｂの磁化図は、図１０に示される。
【0059】
磁気抵抗感知ユニットにおける参照層（ＲＬ）、バリア層（ＢＬ）、および自由層（ＦＬ）のスタックは、トンネル接合ユニットを形成し、トンネル接合ユニットの位置は、磁気抵抗感知ユニットにおけるピン止め層（ＰＬ）の相対的な位置変化に従って異なる。図４に示される磁気抵抗感知ユニットは、ボトム・ピン止めされた多層薄膜スタック構造として理解でき、トンネル接合ユニットは、ボトム・ピン止めされた多層薄膜スタック構造上に位置し、すなわち、基板１００、シード層（ｓｅｅｄ）、反強磁性層（ＡＦＬ）、ピン止め層（ＰＬ）、金属層（ＭＬ）、参照層（ＲＬ）、バリア層（ＢＬ）、自由層（ＦＬ）、およびキャップ層（ＣＬ）１０が、順次スタックされる。図８に示される磁気抵抗感知ユニットは、トップ・ピン止めされた多層薄膜スタック構造として理解でき、トンネル接合ユニットは、トップ・ピン止めされた多層薄膜スタック構造と基板１００との間に位置し、すなわち、基板１００、シード層（ｓｅｅｄ）、自由層（ＦＬ）、バリア層（ＢＬ）、参照層（ＲＬ）、金属層（ＭＬ）、ピン止め層（ＰＬ）、反強磁性層（ＡＦＬ）、およびキャップ層（ＣＬ）１０が、順次スタックされる。
【0060】
プッシュ磁気抵抗感知ユニット２００ａおよびプル磁気抵抗感知ユニット２００ｂの反強磁性層（ＡＦＬ）は、反対の正および負のＸ方向の磁気モーメント方向を有し、プッシュ・ピン止め層（ＰＬ）およびプル・ピン止め層（ＰＬ）も、反対の正および負のＸ方向の磁気モーメント方向を有し、プッシュ・ピン止め層（ＰＬ）、プッシュ金属層（ＭＬ）、およびプッシュ参照層（ＲＬ）は、ＲＫＫＹ効果によってプッシュ磁気抵抗感知ユニット２００ａのＳＡＦ構造を形成し、プル・ピン止め層（ＰＬ）、プル金属層（ＭＬ）、およびプル参照層（ＲＬ）は、ＲＫＫＹ効果によってプル磁気抵抗感知ユニット２００ｂのＳＡＦ多層複合構造を形成し、それにより、プッシュ参照層（ＲＬ）およびプル参照層（ＲＬ）が反対の－Ｘおよび＋Ｘ方向の磁気モーメント方向を有することが保証される。
【0061】
任意選択で、バリア層（ＢＬ）がＡｌ２Ｏ３またはＭｇＯである場合、磁気抵抗感知ユニットは、ＴＭＲユニットであり、任意選択で、バリア層（ＢＬ）が金属層ＲｕまたはＣｕである場合、磁気抵抗感知ユニットは、ＧＭＲユニットである。
【0062】
図９および図１０に示されるように、プッシュ磁気抵抗感知ユニットの自由層２０１ａおよびプル磁気抵抗感知ユニットの自由層２０１ｂが円い構造であるとき、異方性場は０であり、すなわち、異なる方向の磁気モーメントは、自由層２０１ａおよび自由層２０１ｂ上に分布し、等方性特性が達成される。次いで、外部磁場Ｈが自由層２０１ａおよび自由層２０１ｂ上で０～３６０°だけ回転するときに必要とされる最大磁場Ｈの値が評価される。
【0063】
図９に示されるように、ＨＮは、自由層（ＦＬ）２０１ａとプッシュ参照層（ＲＬ）との間のニール結合磁場であり、方向は、プッシュ参照層（ＲＬ）の磁気モーメント方向、すなわち＋Ｘ方向と一致し、方向は、外部磁場Ｈと共に変化することができない。外部磁場Ｈが－Ｘ方向にあるとき、プッシュ自由層（ＦＬ）２０１ａ上で＋Ｘ方向の磁気モーメントがあり、外部磁場Ｈの異方性場Ｈｋは、材料によって決定され、方向は＋Ｘ方向であり、このとき、反磁場Ｈｄは明らかに＋Ｘ方向にある。プッシュ自由層（ＦＬ）２０１ａ上のすべての磁気モーメントを－Ｘ方向に向けることを可能にするために、必要な最大磁場値は、ニール磁場ＨＮ、反磁場Ｈｄ、異方性場Ｈｋ、および材料飽和磁界Ｈｓの値の和に等しく、このとき、外部磁場Ｈの磁気モーメントＭは、プッシュ自由層（ＦＬ）２０１ａの磁気モーメントＭと一致し、すなわち、Ｈ＞ＨＮ＋Ｈｄ＋Ｈｋ＋Ｈｓである。
【0064】
同様に、図１０に示されるように、プル磁気抵抗感知ユニットのプル自由層（ＦＬ）２０１ｂの場合、外部磁場Ｈが＋Ｘ方向にあるとき、Ｈ＞ＨＮ＋Ｈｄ＋Ｈｋ＋Ｈｓとして示される最大磁場値が存在する。
【0065】
結論として、円いプル自由層（ＦＬ）２０１ａおよびプル自由層（ＦＬ）２０１ｂの減磁率は、以下のように表され得る。
Ｈｄ＝｛ｓｑｒｔ（ｔ２＋Ｒ２）－Ｒ｝／２ｔ
ｔは、自由層の膜厚を表し、Ｒは、円半径を表し、パーマロイ薄膜の場合、厚さは、ｔ≒１０ｎｍ、Ｒ≒５０００ｎｍ、ｕ０Ｍｓ～１Ｔ、Ｈｄ≒１６Ｏｅとして示される。
Ｈｄ＝｛ｓｑｒｔ（ｔ２＋Ｒ２）－Ｒ｝／２ｔ
ｔは、自由層の膜厚を表し、Ｒは、円半径を表し、パーマロイ薄膜の場合、厚さは、ｔ≒１０ｎｍ、Ｒ≒５０００ｎｍ、ｕ０Ｍｓ～１Ｔ、Ｈｄ≒１６Ｏｅとして示される。
【0066】
ニール結合場ＨＮの典型的な値は、１～１０Ｏｅの範囲内であり、ニール結合場ＨＮはまた、自由層を飽和させるために外部磁場Ｈによって打ち勝たれる必要もある。大雑把に言えば、円い自由層の場合、外部磁場Ｈの最小の可能な磁場強度は、一般的に５０Ｏｅよりも大きいことが必要とされ、このとき、Ｈ＞＞Ｈｓである。
【0067】
外部磁場Ｈの値を減少させるために、ＨＮ、Ｈｄ、およびＨｋの値が減少させられ得、理想的な条件下では、ＨＮは、ＦＬ層膜およびＰＬ層膜の堆積プロセスを調整してＦＬ層とＰＬ層の間のラフネスを最小にすることによって、できるだけ小さくされ得る。これに基づいて、任意選択で、磁気抵抗感知ユニットの多層薄膜スタック構造は、トップ・ピン止めされた多層薄膜スタック構造であり、または任意選択で、磁気抵抗感知ユニットの多層薄膜スタック構造は、ボトム・ピン止めされた多層薄膜スタック構造である。バリア層が堆積される前に、プッシュ参照層およびプル参照層は、ラフネスを減少させるために平坦化され、任意選択で、平坦化プロセスは、軸外イオン・ビーム・ミリングであり得る。
【0068】
上記の実施形態については、自由層がほぼ円いまたはほぼ楕円であるかに関わらず、ＨｄとＨｋの相互補償は、以下のモードで達成され、すなわち、自由層は、磁場アニール処理技術によって処理され、またはバイアス磁場を用いてスパッタ成膜技術によって成長され、形成された自由層膜は一軸結晶磁気異方性場Ｈｋを有することができ、異方性は特定方向にあり、他方、自由層が円い形状の代わりに楕円形であるように配置され、特定方向の形状異方性アニール場Ｈｄは、楕円形の長軸Ｌｙのサイズおよび短軸Ｌｘのサイズを設定することによって得られ、ＨｋとＨＮの和はＨｄによって補償され、このとき、ＨＮは、参照層（ＲＬ）の磁気モーメント方向の差に従ってＸ方向にあることができると共にＹ方向にあることもでき、したがって、Ｈｄは、ＨｋおよびＨＮを補償することができる。
【0069】
図１１ａ～図１１ｄに示されるように、参照層ＲＬの磁化方向がＸ方向であるとき、図１１ａは、楕円形プッシュ自由層のＸ－Ｙ平面の磁化図であり、図１１ｂは、楕円形プッシュ自由層のＸ－Ｚ平面の磁化図であり、図１１ｃは、楕円形プル自由層のＸ－Ｙ平面磁化グラフであり、図１１ｄは、楕円形プル自由層のＸ－Ｚ平面磁化グラフである。ＨＮは、Ｘ方向に加えられるバイアス磁場に相当し、このとき、Ｈｄは、依然として、楕円形の自由プッシュ層２０１ｃおよび２０１ｄのＬｘ、Ｌｙ、およびＬｚのサイズを調整することによって得ることができ、ＨＮとＨｋの和を補償するために使用され得る。
【0070】
このとき、ＨＮ、Ｈｄ、およびＨｋの組み合わされた作用によって、自由層の全エネルギーＥ（θ）は、以下の式（１７）のように表される。
【0071】
正の符号および負の符号は、それぞれプッシュ磁気抵抗感知ユニットおよびプル磁気抵抗感知ユニットの自由層２０１ｃおよび２０１ｄに対応する。すなわち、プッシュ磁気抵抗感知ユニットの自由層２０１ｃは、Ｅ（θ）＝－（Ｈｘ＋ＨＮ）・Ｍ・ｃｏｓθ－Ｈｙ・Ｍ・ｓｉｎθ＋［Ｋ１－Ｍ２・（Ｎｙ－Ｎｘ）］・ｓｉｎ２θ］であり、プル磁気抵抗感知ユニットの自由層２０１ｄは、Ｅ（θ）＝－（Ｈｘ－ＨＮ）・Ｍ・ｃｏｓθ－Ｈｙ・Ｍ・ｓｉｎθ＋［Ｋ１－Ｍ２・（Ｎｙ－Ｎｘ）］・ｓｉｎ２θ］であり、またはプル磁気抵抗感知ユニットの自由層２０１ｄは、Ｅ（θ）＝－（Ｈｘ＋ＨＮ）・Ｍ・ｃｏｓθ－Ｈｙ・Ｍ・ｓｉｎθ＋［Ｋ１－Ｍ２・（Ｎｙ－Ｎｘ）］・ｓｉｎ２θ］であり、プッシュ磁気抵抗感知ユニットの自由層２０１ｃは、Ｅ（θ）＝－（Ｈｘ－ＨＮ）・Ｍ・ｃｏｓθ－Ｈｙ・Ｍ・ｓｉｎθ＋［Ｋ１－Ｍ２・（Ｎｙ－Ｎｘ）］・ｓｉｎ２θ］である。
【0072】
飽和磁場Ｈｓの磁気モーメントがＸ方向およびＹ方向にあるとき、自由層の全エネルギーＥ（θ）は、同じ数値を有し、すなわち、以下の式（１８）が満たされる。
Ｅ（０）＝Ｅ（９０） （１８）
Ｅ（０）＝Ｅ（９０） （１８）
【0073】
このとき、ＨＮ、Ｈｄ、およびＨｋの相互補償により、Ｈｓの項目だけが外部磁場Ｈの表現式に残され（Ｈ＞ＨＮ＋Ｈｄ＋Ｈｋ＋Ｈｓ）、すなわち、外部磁場Ｈの表現式は、Ｈ＞Ｈｓであり、Ｈは、以下を満たす。Ｈｘ＝Ｈｙ＝Ｈｓ （１９）
【0074】
Ｈｘ＝Ｈｓ、Ｈｙ＝０は、Ｅ（０）に代入され、Ｈｙ＝Ｈｓ、Ｈｘ＝０は、Ｅ（９０）に代入される。式（２０）は、式（１８）
（±ＨＮ）・Ｍ＝－［Ｋ１－Ｍ２・（Ｎｙ－Ｎｘ）］ （２０）
に従って得られる。
（±ＨＮ）・Ｍ＝－［Ｋ１－Ｍ２・（Ｎｙ－Ｎｘ）］ （２０）
に従って得られる。
【0075】
式（２０）が簡略にされた後、ＨＮ、Ｈｋ、およびＨｄの相互補償を満たす関係式（２１）が得られる。
【数5】
【0076】
参照層（ＲＬ）の磁化方向がＹ方向、すなわち、ＨＮがＹ方向にあるとき、自由層の全エネルギーＥ（θ）は、以下の式（２２）を満たす。
【0077】
正の符号および負の符号は、それぞれプッシュ磁気抵抗感知ユニットおよびプル磁気抵抗感知ユニットの自由層２０１ｃおよび２０１ｄに対応する。
【0078】
飽和磁場Ｈｓの磁気モーメントがＸ方向およびＹ方向にあるとき、自由層の全エネルギーＥ（θ）は、同じ数値を有し、すなわち、Ｅ（０）＝Ｅ（９０）である。
【0079】
式（２２）が簡略にされた後、ＨＮ、Ｈｋ、およびＨｄの相互補償を満たす関係式（２３）が得られる。
【数6】
【0080】
任意選択で、自由層の形状異方性反磁場は、形状異方性因子（Ｎｘ，Ｎｙ）によって決定され、自由層の結晶磁気異方性場は、結晶磁気異方性定数Ｋ１によって決定される。
【0081】
プッシュ磁気抵抗感知ユニットの場合、Ｎｘ＝Ｎｙ＋Ｋ１／Ｍｓ２＋２＊ＨＮ／Ｍｓであり、プル磁気抵抗感知ユニットの場合、Ｎｘ＝Ｎｙ＋Ｋ１／Ｍｓ
２－２＊ＨＮ／Ｍｓである。
【0082】
Ｍｓは自由層の飽和磁気モーメントを表し、ＮｘはＸ方向の形状異方性因子を表し、ＮｙはＹ方向の形状異方性因子を表し、ＨＮは自由層のニール結合磁場を表す。
【0083】
同様に、パーマロイＮｉＦｅを一例としてとると、Ｈｋ＝２０Ｏｅ、Ｍ＝１００００Ｇであり、ニール結合場ＨＮの典型的な値は、１～１０Ｏｅの範囲内である。ＨＮ＝５Ｏｅである場合、プッシュ磁気抵抗感知ユニットについては、Ｈｋ＋ＨＮ＝２５Ｏｅであり、プル磁気抵抗感知ユニットについては、Ｈｋ－ＨＮ＝１５Ｏｅであり、したがって、プッシュ磁気抵抗感知ユニットおよびプル磁気抵抗感知ユニットは、それぞれ異なるＬｘおよびＬｙサイズを有する。
【0084】
図１２ａ～図１２ｄに示されるように、図１２ａは、楕円形プッシュ自由層のＸ－Ｙ平面磁化グラフであり、図１２ｂは、楕円形プッシュ自由層のＸ－Ｚ平面の磁化図であり、図１２ｃは、楕円形プル自由層のＸ－Ｙ平面の磁化図であり、図１２ｄは、楕円形プル自由層のＸ－Ｚ平面の磁化図である。磁気プッシュ式抵抗感知ユニットのサイズをＬｘ１およびＬｙ１とし、磁気プル式抵抗感知ユニットのサイズをＬｘ２およびＬｙ２とすると、磁気プッシュ式抵抗感知ユニットの抵抗が同じである必要があるため、すなわち、面積が同じである必要があるため、以下の関係式（２４）が存在する。
Ｌｘ１・Ｌｙ１＝Ｌｘ２・Ｌｙ２ （２４）
Ｌｘ１・Ｌｙ１＝Ｌｘ２・Ｌｙ２ （２４）
【0085】
図１３に示されるように、Ｌｚが知られているという条件下で、Ｌｘ１およびＬｙ１は、Ｌｘ－Ｌｙの２次元座標におけるＨｄの等値図によって得られる。Ｌｘ１およびＬｙ１は、Ｈｄ＝Ｈｋ＋ＨＮの等価曲線２２を満たし、Ｌｘ２とＬｙ２は、Ｈｄ＝Ｈｋ－ＨＮの等価曲線２０を満たす。次に、Ｌｘ＊Ｌｙ＝Ｌｘ１＊Ｌｙ１の双曲線２１が（Ｌｘ１，Ｌｙ１）を通って作られ、双曲線２１と等価曲線２０との交点は別の点（Ｌｘ２，Ｌｙ２）である。同様に、Ｙ方向のＨＮに対応する（Ｌｘ３，Ｌｙ３）、（Ｌｘ４，Ｌｙ４）を解くことができる。
【0086】
図１４は、プッシュ磁気抵抗感知ユニットおよびプル磁気抵抗感知ユニットのサイズ選択図である。２つの等高線Ｈｄ＝２５ＯｅおよびＨｄ＝１５Ｏｅが選択され、Ｈｄ＝２５ＯｅおよびＨｄ＝１５Ｏｅは、（１，２）で一方の双曲線Ｌｘ＊Ｌｙ＝３６と交差し、Ｈｄ＝２５ＯｅおよびＨｄ＝１５Ｏｅは、（３，４）で他方の双曲線Ｌｘ＊Ｌｙ＝６４と交差する。対応するＬｘおよびＬｙデータ表は、表１を参照されたい。
【0087】
【表1】
【0088】
上記の表に示されるように、対応する面積がＬｘ＊Ｌｙ＝３６μｍ＊μｍであるとき、プッシュ磁気抵抗感知ユニットのサイズは、５．２２８０８＜Ｌｘ１＜５．３１９２、６．７２２２２＜Ｌｙ＜６．８７２７３として示され、プル磁気抵抗感知ユニットのサイズは、５．５１８２５＜Ｌｘ１＜５．６２９７８、６．４２１２１＜Ｌｙ＜６．５７１７２である。
【0089】
対応する面積がＬｘ＊Ｌｙ＝６４μｍ＊μｍであるとき、プッシュ磁気抵抗感知ユニットのサイズは、６．７２８６８＜Ｌｘ１＜６．８０５４２、９．４３１３１＜Ｌｙ＜９．５８１８２として示され、プル磁気抵抗感知ユニットのサイズは、７．２０７３８＜Ｌｘ１＜７．３０７０７、８．８２９２９＜Ｌｙ＜８．９７９８である。
【0090】
図１５および図１６は、それぞれ、楕円形自由層および円い自由層の２つのサイズおよび材料性能に対応するＭ－Ｈ曲線を示す。図１５に示すように、低磁場磁気抵抗角度センサの有効異方性場は０に近いので、すなわち、Ｈｄ、Ｈｋ、およびＨＮは、互いに補償するので、Ｍ－Ｈループの保磁力は０に近い。図１６に示されるように、低磁場磁気抵抗角度センサの異方性場は、Ｈｋによって主に決定されるので、矩形のＭ－Ｈループが存在することになり、一方、ＨＮの存在により、保磁力は－Ｈｋ＋ＨＮおよびＨｋ－ＨＮであり、Ｍ－Ｈループは非対称である。磁気抵抗角度センサにおけるプッシュ・アームおよびプル・アームに対応するＨＮ値は、方向が反対であることに留意されたい。数値シミュレーション表現によれば、Ｈｓは、正しいＬｘ／Ｌｙを選択することによって減少させることができ、そして、Ｈｓと同様の外部磁場Ｈが得られ得る。
【0091】
上記のいずれの実施形態についても、自由層は、同じ＋Ｘ方向または－Ｘ方向の結晶磁気異方性場Ｈｋを有し、反対の＋Ｘ方向および－Ｘ方向のニール結合場ＨＮも有し、ピン止め層（ＰＬ）は、反対の＋Ｘ方向および－Ｘ方向のピン止め場Ｈｐを有することに留意されたい。外部磁場ＨがＸ－Ｙ平面内で０～３６０°だけ回転するとき、結晶磁気異方性場Ｈｋおよびニール結合場ＨＮは、ＦＬ層形状異方性反磁場Ｈｄによって補償され、それにより、ＦＬ層は、０に近い有効異方性場を有し、外部磁場Ｈは、ＦＬ層飽和磁場Ｈｓに近い低い磁場値を有する。したがって、ＰＬ層の偏向角は、効果的に減少させることができ、角度測定の精度は、改善され得る。
【0092】
自由層が最小の飽和磁界Ｈｓを有する条件は、自由層の反磁場Ｈｄの形状異方性因子（Ｎｘ，Ｎｙ）と結晶磁気異方性場Ｈｋの結晶磁気異方性定数Ｋ１とが、Ｎｘ＝Ｎｙ＋Ｋ１／Ｍｓ
２として示される関係にあり、ＭｓがＦＬ層の飽和磁気モーメントを表すことが理解できる。
【0093】
任意選択で、｜Ｈｄ｜＝｜Ｈｋ｜であり、Ｈｄの配向角とＨｋの配向角との間の差が９０°であり、すなわち、結晶磁気異方性方向は、短軸の方向に対して強制された磁化強度の方向になる傾向がある。
【0094】
加えて、自由層（ＦＬ）の磁気モーメントＭｓおよびＨの方向が一致するという条件下で、外部磁場Ｈが減少させられ、外部磁場Ｈの作用によってピン止め層（ＰＬ）の偏向角が減少させられ得、したがって、ＰＬの偏向角は、Ｈの振幅の増大と共に増大することが防がれ、測定角度誤差が減少させられる。したがって、外部磁場Ｈの振幅が減少させられ、それによりピン止め層（ＰＬ）の偏向角が減少させられ、同時に、自由層（ＦＬ）の磁気モーメントＭｓがＨ方向に飽和状態にあることが確実にされ得、さらに、磁石のコストが減少させられ得、それは、ＴＭＲまたはＧＭＲスピン・バルブ高精度磁気抵抗角度センサの用意を改善し、コストを減少させるために重要な意味を有する。
【0095】
上記のものは、本発明の好ましい実施形態および技術的原理であるに過ぎないことに留意されたい。当業者は、本発明が、本明細書に記載された特定の実施形態に限定されず、本発明の保護範囲から逸脱することなく、様々な明らかな変更、調整、組合せ、および置換を受けることができることを理解するであろう。したがって、本発明は、上記の実施形態によって詳細に説明されたが、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではない。本発明の概念から逸脱することなく、本発明は、より多くの均等な実施形態を含むこともでき、本発明の範囲は、添付の請求の範囲の範囲によって決定される。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5a】
【図5b】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11a】
【図11b】
【図11c】
【図11d】
【図12a】
【図12b】
【図12c】
【図12d】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【国際調査報告】