特表 2024-517385 反強磁性層に交換結合した強磁性層を備える磁性素子の性能計算方法

(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】2024-04-22

(54)【発明の名称】反強磁性層に交換結合した強磁性層を備える磁性素子の性能計算方法

(51)【国際特許分類】

   H10N 50/10 20230101AFI20240415BHJP

   H10N 50/01 20230101ALI20240415BHJP

   H01L 29/82 20060101ALI20240415BHJP

   G01R 33/09 20060101ALI20240415BHJP

【ＦＩ】

H10N50/10 Z

H10N50/01

H01L29/82 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 2023562726

(86)(22)【出願日】2022-04-04

(85)【翻訳文提出日】2023-11-07

(86)【国際出願番号】 IB2022053104

(87)【国際公開番号】W WO2022219454

(87)【国際公開日】2022-10-20

(31)【優先権主張番号】21315065.9

(32)【優先日】2021-04-13

(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】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

(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

2G017BA15

5F092AA20

5F092AC06

5F092AC12

5F092BB17

5F092BB22

5F092BB23

5F092BB35

5F092BB36

5F092BB42

5F092BB43

5F092BC06

5F092GA01

(57)【要約】

【課題】加速寿命試験下のＴＭＲ磁場センサにおける電気的及び磁気的変数の劣化依存性を決定する方法を提供する。
【解決手段】本開示は基準磁化（２１０）を持つ強磁性基準層（２１）と、交換バイアスによって前記基準磁化（２１０）をピン止めする反強磁性層（２４）とを備える基準二重層（２４４）を備える磁気素子（２）の性能の計算方法に関し、前記反強磁性層（２４）は、ある粒子体積分布を持つ金属多結晶材料を含有する。前記方法は、前記反強磁性層（２４）の交換バイアス磁場（Ｈ_ｅｘ）を温度関数として計測することと、
粒子体積分布を特徴付ける変数を決定すべく前記計測された交換バイアス磁場（Ｈ_ｅｘ）に粒子体積分布関数を当てはめるステップと、
前記ばく露磁場（Ｈ）の方向の関数として、前記基準磁化（２１０）の方向における面内ばらつきを計算するステップと、前記面内のばく露磁場（Ｈ）の任意の値に対する交換バイアス磁場（Ｈ_ｅｘ）を計算するステップと、
を備える。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

基準磁化（２１０）を持つ強磁性基準層（２１）と、交換バイアスによって前記基準磁化（２１０）をピン止めする反強磁性層（２４）とを備える基準二重層（２４４）を備える磁気素子（２）の性能を計算する方法であって、前記反強磁性層（２４）は、ある粒子体積分布を持つ金属多結晶材料を備え、前記方法が、
前記基準二重層（２４４）に与えられる、選択された面内のばく露磁場（Ｈ）の下でばく露時間（τ_Ｓ）の間、選択されたばく露温度（Ｔ_Ｓ）において前記反強磁性層（２４）の交換バイアス磁場（Ｈ_ｅｘ）を計測することと、
粒子体積分布を特徴付ける少なくとも１つの分布変数と、前記反強磁性層（２４）の磁気特性を特徴付ける少なくとも１つの磁気変数とを決定すべく前記計測された交換バイアス磁場（Ｈ_ｅｘ）に粒子体積分布関数を当てはめるステップと、
前記ばく露磁場（Ｈ）の方向の関数として、前記基準磁化（２１０）の方向の面内ばらつきに相当する基準角度（θ_ＦＭ）を計算するステップと、
前記粒子体積分布関数における、前記計算された基準角度（θ_ＦＭ）と、決定された前記少なくとも１つの分布及び複数の磁気変数とを使って、前記面内のばく露磁場（Ｈ）と、前記ばく露温度（Ｔ_Ｓ）と、前記ばく露時間（τ_Ｓ）との任意の値に対する交換バイアス磁場（Ｈ_ｅｘ）を計算するステップと、
を備える、磁気素子（２）の性能を計算する方法。

【請求項2】

決定された前記少なくとも１つの分布変数を使って粒子（２４１）の配列を生成することをさらに備え、前記粒子（２４１）の前記配列は、前記反強磁性層（２４）の１層に相当する体積を持つ、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

各粒子は、ランダムに配向された一軸異方性（Ｋ_ｕ）を持つ、請求項２に記載の方法。

【請求項4】

前記少なくとも１つの分布変数は、平均値（μ）及び標準偏差（σ）を備える、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。

【請求項5】

前記交換バイアス磁場（Ｈ_ｅｘ）を計算するステップは、前記交換バイアス磁場（Ｈ_ｅｘ）に寄与する粒子体積を計算すべく、決定された前記少なくとも１つの磁気変数を前記粒子体積分布関数において使うことを備える、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。

【請求項6】

前記少なくとも１つの磁気変数は、一軸異方性定数（Ｋ_０）と、最大交換バイアス磁場（Ｈ_ｅｘ０）と、前記反強磁性層（２４）のネール温度（Ｔ_Ｎ）とを備える、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。

【請求項7】

前記交換バイアス磁場（Ｈ_ｅｘ）に寄与する前記粒子体積用の前記粒子体積分布関数を積分することを備える、請求項５又は６に記載の方法。

【請求項8】

前記粒子体積分布関数は、対数正規関数である、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。

【請求項9】

前記基準角度（θ_ＦＭ）を計算するステップと、前記交換バイアス磁場（Ｈ_ｅｘ）を計算するステップとが、反復手順を備え、前記反復手順は、
所与のばく露角度（θ_Ｈ）に配向されたばく露磁場（Ｈ）に対する前記基準角度（θ_ＦＭ）を計算するステップと、
前記交換バイアス磁場（Ｈ_ｅｘ）の振幅のばらつきと前記交換角度（θ_Ｈｅｘ）のばらつきを計算するステップと
を備え、
前記反復手順は、２回の連続する反復の間の前記交換バイアス磁場（Ｈ_ｅｘ）の振幅のばらつきと前記交換角度（θ_Ｈｅｘ）のばらつきがしきい値より小さくなるまで繰り返される、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。

【請求項10】

各反復において、
統計的メトロポリス－ヘイスティングスアルゴリズムを使って、前記基準二重層（２４４）の平衡状態を見つけることで、前記交換バイアス磁場（Ｈ_ｅｘ）の振幅及び前記交換角度（θ_Ｈｅｘ）の平均ばらつきを計算することと、
前記交換バイアス磁場（Ｈ_ｅｘ）の振幅及び前記交換角度（θ_Ｈｅｘ）の計算された前記平均ばらつきに従って、前記基準角度（θ_ＦＭ）を調整することと
を備える、請求項２及び９に記載の方法。

【請求項11】

前記交換バイアス磁場（Ｈ_ｅｘ）の振幅及び前記交換角度（θ_Ｈｅｘ）の平均ばらつきを計算することは、
各粒子（２４１）のエネルギー状態を設定することと、
前記交換バイアス磁場（Ｈ_ｅｘ）の振幅と交換角度（θ_Ｈｅｘ）の平均ばらつきを計算することと、
前記基準磁化（２１０）を計算された交換角度（θ_Ｈｅｘ）に整列させることと
を備える、請求項１０に記載の方法。

【請求項12】

各粒子（２４１）は、ネールベクトルの低エネルギー最小値及び高エネルギー最小値を持ち、各粒子（２４１）のエネルギー状態を設定することが、
低エネルギー最小値に対しては低い切替時間（τ^－）を、高エネルギー最小値に対しては高い切替時間（τ^＋）を計算することと、
前記粒子（２４１）の切替時間（τ）を決定することと、
前記決定された切替時間τが低い切替時間（τ^－）よりも大きく、高い切替時間（τ^＋）よりも小さいならば、前記粒子（２４１）を前記低エネルギー最小値に設定することと、
前記決定された切替時間（τ）が前記低い切替時間（τ^－）より小さいならば、前記粒子（２４１）のエネルギーを変更しないことと、
前記決定された切替時間（τ）が前記高い切替時間（τ^＋）よりも大きいならば、５０％の確率で前記粒子（２４１）を２つの低エネルギー最小値又は高エネルギー最小値のいずれかに設定することと
を備える、請求項１１に記載の方法。

【請求項13】

コンピュータによってプログラムが実行されるとき、請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法を実行させる指示を備える、コンピュータのプログラムの製品。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、磁気センサのような磁気素子における電気的及び磁気的変数の劣化依存性を決定する方法に関する。

【背景技術】

【0002】

磁場センサ、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）又はスピントルクナノ発振器などのＧＭＲ又はＴＭＲベースの磁気装置は、反強磁性層に結合された強磁性層交換を備えることが多い。強磁性層と反強磁性層との交換結合により生じる交換バイアスの現象により、磁性装置の安定性を向上できる。

【0003】

反強磁性層内の熱安定性は、動作する磁気装置を達成するための重要なパラメータである。通常の動作中、磁気装置は強い磁場と高温にさらされる可能性がある。このようなばく露中の熱緩和効果は、磁気装置の特性にシフトをもたらす可能性がある。したがって、特定のばく露条件下での磁気装置の予想される劣化の予測が重要である。

【0004】

多結晶反強磁性層の構造と熱ゆらぎに基づいて、強磁性層と反強磁性層の交換バイアスの熱安定性の推定に、さまざまなモデルが提案されている（例えば、非特許文献１）。これらのモデルでは、多結晶反強磁性層の粒子異方性軸は、各粒子（結晶粒）の自由エネルギーが強磁性層磁化の方向に依存しないように一方向のみに配向していると仮定される。この場合、強磁性層及び反強磁性層に加えられた外部磁場の角度変動の影響を適切に考慮することは不可能である。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0005】

【非特許文献1】Ｇ Ｖａｌｌｅｊｏ－Ｆｅｒｎａｎｄｅｚ ｅｔ ａｌ ２００８、Ｊ． Ｐｈｙｓ． Ｄ、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ． ４１ １１２００１

【非特許文献2】Ｓ． Ｓｏｅｙａ， ｅｔ ａｌ．，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，ｖｏｌ．７６，ｎｏ．９，ｐｐ．５３５６－５３６０，Ｎｏｖ．１９９４、ｈｔｔｐｓ：／／ｄｏｉ．ｏｒｇ／１０．１０６３／１．３５８４８８

【発明の概要】

【0006】

本開示は、加速寿命試験（ＡＬＴ）下のトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）磁場センサにおける電気的及び磁気的変数の劣化依存性を決定する方法に関する。この方法は、高温と磁場との少なくとも一方に起因する最初の交換バイアス方向及び強度の経時的な偏差（劣化）を計算する。それから、ＴＭＲセンサの最終出力変数（線形性、角度誤差、感度、ずれなど）に対する影響を推定可能である。この方法は、新規な自己無撞着再帰手順を用いた、反強磁性体の多結晶モデル及び熱活性化エネルギーのアレニウスの概念に基づく。

【0007】

１実施形態では、基準磁化を持つ強磁性基準層と、交換バイアスによって前記基準磁化をピン止めする反強磁性層とを備える基準二重層を備える磁気素子の性能を計算する方法が提供される。前記反強磁性層は、ある粒子体積分布を持つ金属多結晶材料を備える。この方法は、
前記基準二重層に与えられる、選択された面内のばく露磁場の下でばく露時間の間、選択されたばく露温度において前記反強磁性層の交換バイアス磁場を計測することと、
前記粒子の体積分布を特徴付ける少なくとも１つの分布変数と、前記反強磁性層の前記磁気特性を特徴付ける少なくとも１つの磁気変数とを決定すべく、前記計測された交換バイアス磁場に粒子体積分布関数を当てはめることと、
前記ばく露磁場の方向の関数として、前記基準磁化の方向の面内のばらつきに相当する基準角度を計算することと、
前記粒子体積分布関数における、前記計算された基準角度と、前記少なくとも１つの分布及び磁気変数とを使用して、前記面内のばく露磁場と、ばく露温度と、ばく露時間との任意の値について前記交換バイアス場を計算することと
を備える。

【0008】

本開示はさらに、プログラムがコンピュータによって実行されると、コンピュータに方法を実行させる命令を備えるコンピュータのプログラム製品に関する。

【0009】

本明細書に開示される方法は、ＡＬＴ試験下での経時的な感度と、線形性と、角度誤差とを含む、磁気センサのような磁気要素の特性を予測できる。特性は、迅速に、かつ短期及び長期の両方の使用条件において予測可能であり、したがって、所与の仕様を伴う磁気要素の寿命の推定を可能にする。特に、特性は、ＡＬＴ測定（時間）よりも長い時間間隔（年）にわたって予測可能であるので、そのため、全寿命期間の予測を改善できる。

【0010】

本方法は、磁場、温度及び時間のような異なるばく露条件下で、ＭＲＡＭ、磁場センサ、スピントルクナノ発振器などの交換バイアスピン止めを持つ反強磁性体又は強磁性体界面に基づくスピントロニック装置を含む任意の磁気素子に適用できる。この方法は、反強磁性層の各粒子の一軸異方性の異なる面内配向を考慮に入れる。
よって、本方法は、特定の装置のモデル及び使用事例とともに、そのような磁気素子における潜在的な寿命性能シフトの評価に寄与できる。

【0011】

本発明の例示的な実施形態は、説明において開示され、図面によって示される。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】図１は、基準強磁性層及び反強磁性層を含む基準二重層を備えるＴＭＲベースの磁気素子を概略的に示す。

【図2】図２は、基準強磁性層及び多結晶反強磁性層を概略的に示す。

【図3】図３は、多結晶反強磁性層の単一粒子を表す。

【図4】図４は、粒子の一軸異方性角の異なる配向についてのエネルギーの変化を報告する。

【図5】図５は、粒子の体積分布のヒストグラムを示す。

【図6】図６は、スパッタ堆積されたＣｏＦｅの基準強磁性層及びＩｒＭｎの反強磁性層における温度の関数として計測された交換バイアス磁場を報告する。

【図7】図７は、基準二重層の磁気状態に収束するための反復手順を示す。

【図8】図８は、特定の例についての反復手順の結果を示す。

【図9】図９は、基準二重層の温度対時間図の例を示す。

【発明を実施するための形態】

【0013】

図１は、反強磁性層２４と、基準磁化２１０を持つ基準強磁性層２１とを備える基準二重層２４４を備えるＴＭＲベースの磁気素子２を示し、反強磁性層２４は、交換バイアスによって基準磁化２１０をピン止めしている。磁気素子２は、第１磁化２１０に対して切り替え可能な検知磁化２３０を持つ検知強磁性層２３をさらに備える。トンネル障壁層２２は、基準強磁性層２１と検知強磁性層２３との間に備わっている。反強磁性層２４は、しきい値温度未満の温度で交換バイアス磁場Ｈ_ｅｘ結合によってピン止め方向に沿って基準磁化２１０の方向をピン止めできる。
しきい値温度は、ネール温度未満であるブロッキング温度に相当し得る。磁気素子２は、ＴＭＲの積層体に限定されず、強磁性層の磁化をピン止めする強磁性層を含む限り、磁場センサ、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）、又はスピントルクナノ発振器を含む巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）又はＴＭＲベースの磁気装置などの任意の磁気装置を備えてよい。
さらに、「基準強磁性層」という表現は、任意の強磁性層に一般化してよい。

【0014】

基準層２１は、１つ又は複数の強磁性層又は合成反強磁性体（ＳＡＦ）を備え得る。反強磁性層２４は、（イリジウムＩｒ及びＭｎをベースとする合金（例えば、ＩｒＭｎ）と、Ｆｅ及びＭｎをベースとする合金（例えば、ＦｅＭｎ）と、白金Ｐｔ及びＭｎをベースとする合金（例えば、ＰｔＭｎ）と、Ｎｉ及びＭｎをベースとする合金（例えば、ＮｉＭｎ）とのような）マンガンＭｎをベースとする合金を含有し得る。反強磁性層２４は、ある粒子体積分布を持つ金属多結晶材料を含有する。

【0015】

基準層２１及び検知層２３は、Ｆｅベースの合金、ＣｏＦｅ、ＮｉＦｅ、又はＣｏＦｅＢのような強磁性材料で作成し得る。トンネル障壁２２は、絶縁材料を含有し得る。
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）のような酸化物を挙げられる。トンネル障壁層２２の厚さは、約１ｎｍから約３ｎｍまでのようなｎｍ範囲内としてよい。

【0016】

図２は、厚さｔＡＦを持つ基準強磁性層２１及び多結晶反強磁性層２４を模式的に表している。反強磁性層２４は、様々な大きさ及び体積の複数の粒子２４１を含む。図３は、単粒子２４１を表す。各粒子２４１は、ネールベクトル２４０によって表され、ネールベクトル角θ_Ｎで配向された磁性モーメントを持つ。各粒子２４１の一軸異方性軸線２４５は、異方性角度θ_Ａによって定義される。反強磁性層２４と基準強磁性層２１との界面において、粒子２４１は、均一に磁化された基準強磁性層２１と結合している。基準磁化２１０は、基準角度θ_ＦＭで配向される。ネールベクトル角θ_Ｎ、異方性角度θ_Ａ、及び基準角度θ_ＦＭは、基準軸線３００に対して定義してよい。

【0017】

１実施形態において、磁気素子２の性能を計算する方法は、
ばく露時間τ_Ｓの間に、基準二重層２４４に与えられる、選択された面内のばく露磁場Ｈの下で、選択されたばく露温度Ｔ_Ｓにおいて反強磁性層２４の交換バイアス磁場Ｈ_ｅｘを計測するステップと、
粒子体積分布を特徴付ける少なくとも１つの分布変数と、反強磁性層２４の磁気特性を特徴付ける少なくとも１つの磁気変数とを決定すべく計測された交換バイアス磁場Ｈ_ｅｘに粒子体積分布関数を当てはめるステップと、
ばく露磁場Ｈの方向の関数として、基準磁化２１０の方向の面内ばらつきに相当する基準角度θ_ＦＭを計算するステップと、
前記粒子体積分布関数における、計算された基準角度θ_ＦＭと、決定された前記少なくとも１つの分布及び複数の磁気変数とを使って、面内のばく露磁場Ｈと、ばく露温度Ｔ_Ｓと、ばく露時間τ_Ｓとの任意の値（大きさ及び方向）に対する交換バイアス磁場Ｈ_ｅｘを計算するステップと、
を備える。

【0018】

選択された面内露出磁場Ｈは、基準強磁性層２１を飽和させるのに十分高くできる。この方法は、反強磁性層２４の各粒子２４１の一軸異方性軸線２４５の異なる面内方位を考慮に入れる。ここで、「面内」とは、層（基準層２１と反強磁性層２４との少なくとも一方）の面内を意味する。

【0019】

この方法は、基準強磁性層２１と反強磁性層２４との間の界面における交換バイアスの熱安定性を計算する。具体的には、外部磁場（ばく露磁場Ｈ）、温度（ばく露温度Ｔ）、時間（ばく露時間τ_Ｓ）の各条件下における交換バイアス磁場Ｈ_ｅｘの角度ずれとその劣化量を計算する。

【0020】

図１に示される反強磁性粒子の総エネルギーＥは、式（１）によって与えられる。

【数1】

【0021】

ここで、Ｋ_ｕは磁気異方性角度θ_Ａにおける一軸磁気異方性定数であり、Ωは粒子の体積であり、Ｊ_Ｅは界面結合定数であり、ｔ_ＡＦは反強磁性層２４の厚さであり、θ_Ｎはネールベクトル角度であり、θ_ＦＭは基準角度である。

【0022】

一軸異方角度θ_Ａの異なる配向について式（１）から得られたエネルギーの変化の結果を図４に示す。粒子２４１の２つの準安定状態間のエネルギー障壁は、式（１）の導関数から計算できる。異方性角度θ_Ａがゼロに等しい場合、障壁ΔＥ^＋及びΔＥ^－の近似式は、式（２）になる。

【数2】

【0023】

熱変動中に粒子がエネルギー障壁粒子ΔＥ^±を克服するのに相当する時間τ^±は、ネール－アレニウスの法則の式（３）によって与えられる。

【数3】

ここで、Ｔは温度、ν_０は１０^９ｓ^－１程度の試行回数、ｋ_Ｂはボルツマン定数である。

【0024】

０°Ｋにおける異方性定数Ｋ_０及び界面交換エネルギーＪ_０の温度依存性は、べき乗則Ｋ_ｕ＝Ｋ_０（１－Ｔ／Ｔ_Ｎ），Ｊ_Ｅ＝Ｊ_０（１－Ｔ／Ｔ_Ｎ）^０．３３に従う。ここで、Ｔ_Ｎは反強磁性層２４のネール温度である。

【0025】

粒子体積分布関数は、式（４）のような対数正規関数に従うと仮定される。

【数4】

ここで、σは標準的な偏差であり、μは平均値である。
基準二重層２４４が、粒子２４１のエネルギーを変化させる、経時的な外部擾乱（例えば、高温でのアニーリング、続いて、磁場内での冷却）にさらされると仮定する。
結果の交換バイアス磁場Ｈ_ｅｘは、式（５）を用いて計算できる。

【数5】

ここで、Ｈ_０は、全ての粒子が完全に寄与する場合の利用可能な交換バイアス値の合計であり、Ω_±（τ）は、Ω_０＜Ω＜Ω_Ｓという条件を満たす粒子２４１の体積であり、ここで、

【数6】

である。

【0026】

ここで、Ω_０は室温における臨界体積であり、Ω_Ｓは設定温度における臨界体積であり、Ｔ_０は室温であり、Ｔ_Ｓはばく露（アニーリング）温度であり、τ_Ｓはばく露時間であり、τ_ｃはばく露後に経過した時間（冷却時間と計測時間の合計）である。

【0027】

本方法では、粒子２４１内の異方性のランダムな方向が考慮されるので、式（５）を直接使うことはできない。基準強磁性層２１及び反強磁性層２４をシミュレートするには、式（４）の体積分布を考慮し、ランダムに配向された一軸異方性２４５を持つ粒子２４１の配列を生成しなければならない。

【0028】

１実施形態では、本方法は、決定された少なくとも１つの分布変数を使って粒子２４１の配列を生成することをさらに備え、粒子２４１の配列は、反強磁性層２４の１層に相当する体積を持つ。少なくとも１つの分布変数は、粒子体積分布関数の平均値μ及び標準偏差σを備える。

【0029】

一例では、配列内の全ての粒子２４１は、０°と１８０°の間の異方性角度θ_Ａを持つランダムに配向された一軸異方性を持ち得る。対数正規分布は、平均値μ＝６．２８及び標準偏差σ＝０．５２と計算された。

【0030】

ばく露（ばく露磁場Ｈ及びばく露温度Ｔ_Ｓ）後に、結果として生じる交換バイアス磁場Ｈ_ｅｘを計算するには、式（５）を、寄与する（すなわち交換バイアス磁場Ｈに寄与する）複数の粒子２４１に全体についての和で置換できる、図５では、３領域を備える体積分布のヒストグラムが示されている。３領域は、
熱的に不安定な小粒（Ω＜Ω_０）に相当し、交換バイアス場Ｈ_ｅｘに寄与しない第１領域Ｒ１と、
安定な大粒（（Ω_０＞Ω＞）Ω_Ｓ）に相当し、同じく交換バイアス場Ｈ_ｅｘに寄与しない第２領域Ｒ２と、
Ω_０＜Ω＜Ω_Ｓの条件に合致し、観測された交換バイアスＨ_ｅｘの原因である粒子に相当する第３領域Ｒ３である。
臨界体積Ω_０とΩ_Ｓは異方性軸線２４５の向きに依存するため、３つの領域Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３の境界は直線ではない。それゆえ、第２領域Ｒ２の粒子を合計すると、交換バイアス磁場Ｈ_ｅｘの値が得られる。

【0031】

１実施形態では、本方法は特定の基準強磁性層２１と反強磁性層２４に適用され、それら層２１、２４の特性が様々なばく露条件（ばく露磁場Ｈとばく露温度Ｔ_Ｓ）に対して推定される。これは、多結晶反強磁性層２４の（結晶粒）粒子体積分布の変数を決定することによって達成される。

【0032】

１実施形態では、粒子体積分布は、実験的に計測された交換バイアス磁場Ｈ_ｅｘを温度Ｔの関数として当てはめることによって決定される。

【0033】

図６は、ＣｏＦｅ（コバルト鉄）の基準強磁性層２１とＩｒＭｎ（イリジウムマンガン）の反強磁性層２４をスパッタ蒸着した際の、温度Ｔの関数としての交換バイアス磁場Ｈ_ｅｘの計測結果である。計測は、非特許文献２に記載されたものに類似したプロトコルを使って行われた。特に、計測は以下の
層容易軸線方向に反強磁性層２４を飽和させるのに十分な飽和磁場で、基準二重層２４４を、界面拡散を生じない設定温度Ｔ_ｓｅｔまで加熱するステップと、
基準二重層２４４を、熱活性化が起こらない冷却温度Ｔ_ＮＡまで冷却するステップと、
飽和磁場の極性を反転させるステップと、
基準二重層２４４を熱活性化が起こる活性化温度Ｔ_ａｃｔまで加熱するステップと、
基準二重層２４４を冷却温度Ｔ_ＮＡまで冷却するステップと、
活性化期間τ_ａｃｔを待つステップと、
ヒステリシスループを計測するステップと
を備える。交換バイアス磁場Ｈ_ｅｘは、ゼロ磁場位置にヒステリシスループをずらして（シフトして）得られる。

【0034】

実験で使用される磁場方向は２つの対向する方向だけであるため、基準角度θ_ＦＭをゼロに設定することで、エネルギー障壁式（２）を簡略化した式を使用できる。式（４）の対数正規分布の陽式とその積分を使って、各実験点ｉ^ｔｈの交換バイアス磁場Ｈ_ｅｘは式（７）を使って計算できる。

【数7】

ここで、室温での臨界体積Ω_０と設定温度での臨界体積Ω_Ｓは、計測プロトコルの冷却温度Ｔ_ＮＡと、設定温度Ｔ_ｓｅｔと、活性化期間τ_ａｃｔとに依存する。符号Ω_ａ（Ｔ_ｉ）は式（６）と同じ形の臨界体積であるが、第ｉ^ｔｈ実験点の温度と特性時間τ_ａは先述のプロトコルの反転磁場のばく露時間に相当し、符号Ｈ_ｅｘ（Ｔ_ｉ）は第ｉ^ｔｈ実験点の交換バイアスの値である。

【0035】

式（４）の分布関数は簡単に積分できるので、未知の変数（Ｈ_０と、Ｔ_Ｎと、Ｋ_０と、σと、μ）の調整が可能である。なお、変数Ｈ_０は室温での最初の計測点に近いがわずかに大きく、Ｔ_ＮはＩｒＭｎの反強磁性層では約４００℃である。ここで、「最初の点」は図６の最初の実験点に相当する。すなわち、３１０^ｏＣで９０分間高磁場中でアニールした後の交換バイアス磁場Ｈ_ｅｘの値に相当する。変数Ｋ_０は約１０^６Ｊ／ｍ^３である（非特許文献１）。分布関数変数σとμは、式（６）で定義される臨界体積が許容範囲（１００ｎｍ^３＜Ω_０＜２００ｎｍ^３及びΩ_Ｓ＞７００ｎｍ^３）内で変化するように調整できる。

【0036】

上記の複数の変数Ｈ_０と、Ｔ_Ｎと、Ｋ_０と、σと、μとが決定された後、ばく露温度Ｔ_Ｓと、ばく露磁場Ｈと、ばく露時間τ_Ｓとを含む特定のばく露条件下での交換バイアス磁場Ｈ_ｅｘの進展のシミュレーションが可能である。基準強磁性層２１及びＩｒＭｎの反強磁性層２４に、基準軸３００に対してあるばく露角度θ_Ｈで面内のばく露磁場Ｈを与えると、基準磁化２１０の向きの逸脱（すなわち、基準角度θ_ＦＭのばらつき）が生じる。基準磁化２１０が（マクロスピン近似で）一様であるとみなすならば、その方向は実効磁場に整列する。ここで実効磁場は、外部磁場Ｈと交換バイアス磁場Ｈ_ｅｘの和である。

【0037】

１より多い基準強磁性層を備える基準二重層２４４の場合、平衡角度を求めるにはランダウ－リフシッツ－ギルバート方程式のようないくつかの数値計算法を用いる必要がある。複数の強磁性層は、（Ｔａ、Ｐｔ、Ｒｕのような）薄い常磁性層によって互いに分離してよい。平衡角度は磁気系の最小エネルギーに相当する。

【0038】

基準磁化２１０の向きがその最初の方向から逸脱すると（すなわち、基準角度θ_ＦＭにばらつきがあると）、交換バイアス磁場Ｈ_ｅｘが変化する可能性がある。これは、（複数の）粒子２４１の一部がその状態を切り替える可能性があるためである。これにより、基準磁化２１０の向きの追加的な逸脱（すなわち、基準角θ_ＦＭのさらなるばらつき）につながる。

【0039】

図７に示す一観点では、本方法は、平衡磁気状態に収束させる反復手順を備える。平衡磁気状態は、交換バイアス磁場Ｈ_ｅｘがもはや回転しないエネルギーの最小値に相当する。反復手順は、以下の
（基準軸３００に対する）ばく露角度θ_Ｈと、ばく露温度Ｔ_ｓと、ばく露時間τ_Ｓとの間、面内のばく露磁場Ｈを与えることを備えるばく露ステップを実行するステップと、
基準角度θ_ＦＭの基準磁化２１０の（磁化）方向Ｍ_ＦＭを計算するステップと、
交換バイアス磁場Ｈ_ｅｘの振幅のばらつきと交換角度θ_Ｈｅｘのばらつきを計算するステップと
を備え得る。

【0040】

基準磁化２１０の磁化方向Ｍ_ＦＭは、露出磁場Ｈのベクトルと交換バイアス磁場Ｈ_ｅｘのベクトルの和に相当する実効磁場ベクトルと整列している。

【0041】

反復手順は、基準二重層２４４（粒子の配列）に対する最初の交換バイアス磁場Ｈ_ｅｘの設定を目的として、最初の計測点に相当する最初のステップを備えてよい。最初のステップは、最初のばく露時間τ_Ｓｉｎの間、最初のばく露温度Ｔ_ｉｎで（基準軸３００に対して）０°を向いた最初のばく露磁場Ｈ_ｉｎを与えることを備える。ここで、最初のばく露温度Ｔ_ｉｎは２９０℃から３１０℃にしてよく、最初のばく露時間τ_Ｓｉｎは９０分としてよい。

【0042】

反復手順は、交換バイアス磁場Ｈ_ｅｘの振幅と交換角度θ_Ｈｅｘの収束が達成されるまで繰り返される。言い換えると、２回の連続する反復の間の交換バイアス磁場Ｈ_ｅｘの振幅のばらつきと交換角度θ_Ｈｅｘのばらつきがしきい値より小さくなるまで反復手順が繰り返される。

【0043】

一観点では、本方法はさらに、ばく露磁場Ｈを除去し、ばく露温度Ｔ_Ｓを、ばく露温度Ｔ_Ｓより低い（例えば室温又は２５℃の）解除温度Ｔ_Ｒまで、解除時間τ_Ｒの間に低下させる解除ステップを備える。解除時間τ_Ｒの間、交換バイアス磁場Ｈ_ｅｘの振幅及び交換角θ_Ｈｅｘのばらつきは、交換バイアス磁場Ｈ_ｅｘの振幅及び交換角度θ_Ｈｅｘのばらつきの平衡値に相当する、最初の値（基準二重層２４４が最初のばく露磁場Ｈ_ｉｎにさらされる前の値）に向かって部分的に回復される。交換バイアス磁場Ｈ_ｅｘの振幅と交換角度θ_Ｈｅｘのばらつきの平衡値は、選択されたばく露による交換バイアス磁場Ｈ_ｅの劣化を表す。

【0044】

反復手順を図８に具体例で示す。この例では、基準強磁性層２１及び反強磁性層２４は、最初のステップにおいて、最初のばく露時間τ_Ｓｉｎ（例えば９０分）の間、２９０℃から３１０℃の間の、最初のばく露温度Ｔ_ｉｎで、（基準軸３００に対して）０°を向いた最初の強い外部磁場Ｈ_ｉｎにさらされる。強い外部磁場Ｈ_ｉｎは、外部磁場Ｈ_ｉｎの方向で基準層２１を飽和させるように適合される。反強磁性層２４は、約１５５９Ｏｅの振幅を持ち、（最初のステップの間、０^ｏに設定された交換角度θ_Ｈｅｘに対して）－０．１２°の交換角度θ_Ｈｅｘを持つ交換バイアス磁場Ｈ_ｅｘを取得する。交換角度θ_Ｈｅｘの０°から－０．１２°へのずれが小さいのは、反強磁性層２４の粒子２４１の数が有限であるためである。次に、ばく露ステップが実行される。ばく露ステップは、（基準軸３００に対して）９０°のばく露角度θ_Ｈで、１００℃のばく露温度Ｔ_ｓで、１時間のばく露時間τ_Ｓの間に、２ｋＯｅのばく露磁場Ｈを与えることを備える。この例では、ばく露ステップを１０回繰り返すことで収束に至った。収束後、交換角度θ_Ｈｅｘのばらつきは３°に達し、交換バイアス磁場Ｈ_ｅｘの振幅のばらつきは－５５Ｏｅである。解除ステップの実行後、交換角度θ_Ｈｅｘの平衡値のばらつきは約０．５８°に達し、交換バイアス磁場Ｈ_ｅｘの振幅のばらつきは約３５Ｏｅである。

【0045】

本明細書で開示する方法は、与えられるばく露磁場Ｈの任意の面内方向において、交換バイアス磁場Ｈ_ｅｘの変化を予測できる。

【0046】

本明細書で開示する方法は、高いばく露温度Ｔ_Ｓと、任意のばく露角度θ_Ｈで与えられるばく露磁場Ｈとを長い期間τにわたって受けた場合の交換バイアス磁場Ｈ_ｅｘの劣化の推定に適用できる。ここで、高いばく露温度Ｔ_Ｓとは、室温（又は動作温度）よりも高い温度に相当する。実際、この方法は、通常の動作条件を超える条件下での磁気素子の劣化を計算する。

【0047】

図９は、基準強磁性層２１と反強磁性層２４の温度と時間（Ｔ－τ）の関係の図の一例である。強度は、２ｋＯｅの外部磁場Ｈを９０°のばく露角度θ_Ｈで与えた後の、最初の値０°からの基準角度θ_ＦＭの変化に相当する。１年と１０年の時間間隔が縦線で示されている。各Ｔの点及びτの点に対して、解除ステップを備える先述の反復手順を適用している。この図は、基準強磁性層２１と反強磁性層２４の熱安定性を反映している。この図は、交換バイアス磁場Ｈ_ｅｘの長期的な劣化、それゆえの磁気素子２の精度と性能の低下の予測に使用できる。

【0048】

１代替実施形態において、本方法は、各反復において、
統計的メトロポリス－ヘイスティングスアルゴリズムを使って、基準二重層２４４の平衡状態を見つけることで、交換バイアス磁場Ｈ_ｅｘの振幅及び交換角度θ_Ｈｅｘの平均ばらつきを計算することと、
交換バイアス磁場Ｈ_ｅｘの振幅及び交換角度θ_Ｈｅｘの計算された平均ばらつきに従って、基準角度θ_ＦＭを調整することと
を備える。

【0049】

１観点では、交換バイアス磁場Ｈ_ｅｘの振幅及び交換角度θ_Ｈｅｘの平均ばらつきを計算することは、以下の
各粒子２４１のエネルギー状態を設定することと、
交換バイアス磁場Ｈ_ｅｘの振幅と交換角θ_Ｈｅｘの平均ばらつきを計算することと、
基準磁化２１０を計算された交換角度θ_Ｈｅｘに整列させることと
を備え得る。

【0050】

１観点では、各粒子２４１は、ネールベクトルの低エネルギー最小値と高エネルギー最小値を持つ。ここで、各粒子２４１のエネルギー状態を設定することは、以下の
低エネルギー最小値に対しては短い寿命（τ^－）を、高エネルギー最小値に対しては長い寿命（τ^＋）を計算すること、
粒子２４１の現在のエネルギー状態から、現在の寿命（τ）を推定することと、
決定された電流切替寿命τが短い寿命τ^－よりも長く、長い寿命τ^＋よりも短ければ、粒子２４１を低エネルギー最小値に設定することと、
決定された寿命（τ）が短い寿命（τ^－）より短い場合、粒子２４１のエネルギーを変更しないことと、
決定された現在の寿命τが長い寿命τ^＋よりも長い場合、５０％の確率で粒子２４１を２つの低エネルギー又は高エネルギーの最小値のいずれかに設定することと
を備え得る。

【0051】

本明細書で開示する方法は、基準層２１が不均一に磁化されている場合にさらに適用可能である。このような場合、基準層２１は、基準磁化２１０が各領域において実質的に均一であると考えられる複数の領域（図示せず）に分割されてもよい。この場合、反強磁性粒のエネルギーは、基準層２１の局所領域の磁化に依存する。先述の反復手順において、基準角度θ_ＦＭを計算することは、全ての単一ドメインの範囲を備える基準層（２１０）全体の微小磁気の計算手順を実行することを備え得る。

【0052】

本開示はさらに、プログラムがコンピュータによって実行されると、コンピュータに方法を実行させる命令を備えるコンピュータのプログラム製品に関する。

【符号の説明】

【0053】

２ 磁気素子
２１ 基準層
２１０ 基準磁化
２３ 検知層
２３０ 検知磁化
２４０ 磁気的モーメント、ネールベクトル
２４１ 粒子
２４４ 基準二重層
２４５ 一軸異方性軸線
３００ 基準軸線
Ω 粒子量
Ω_０ 室温での臨界体積
Ω_Ｓ 設定温度での臨界体積
θ_Ａ 異方性角度
θ_Ｈ ばく露角度
θ_Ｈｅｘ 交換角度
θ_Ｎ ネールベクトル角度
θ_ＦＭ 基準角度
τ 期間
τ_Ｃ ばく露後の経過時間
τ_Ｒ 解除時間
τ_Ｓ ばく露時間
τ_Ｓｉｎ 最初のばく露時間
Ｈ ばく露磁場
Ｈ_ｅｘ 交換バイアス磁場
Ｈ_ｉｎ 最初のばく露磁場
Ｊ_０ ０Ｋでの界面結合定数
Ｊ_Ｅ 界面結合定数
Ｋ_０ ０Ｋでの異方性定数
Ｋ_ｕ 一軸異方性定数
Ｍ_ＦＭ 基準層の磁化方向
σ 標準偏差
ｔ_ＡＦ 反強磁性層の厚さ
Ｔ 温度
Ｔ_０ 室温
Ｔ_ａｃｔ 活性化温度
Ｔ_ｉｎ 最初のばく露温度
Ｔ_ＮＡ 冷却温度
Ｔ_Ｒ 解除温度
Ｔ_Ｓ ばく露温度
Ｔ_ｓｅｔ 設定温度
μ 平均値

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【手続補正書】

【提出日】2023-12-13

【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】

基準磁化を持つ強磁性基準層と、交換バイアスによって前記基準磁化をピン止めする反強磁性層とを備える基準二重層を備える磁気素子の性能を計算する方法であって、前記反強磁性層は、ある粒子体積分布を持つ金属多結晶材料を備え、前記方法が、
前記基準二重層に与えられる、選択された面内のばく露磁場の下でばく露時間の間、選択されたばく露温度において前記反強磁性層の交換バイアス磁場を計測することと、
前記粒子体積分布を特徴付ける少なくとも１つの分布変数と、前記反強磁性層の磁気特性を特徴付ける少なくとも１つの磁気変数とを決定すべく前記計測された交換バイアス磁場に粒子体積分布関数を当てはめるステップと、
前記ばく露磁場の方向の関数として、前記基準磁化の方向の面内ばらつきに相当する基準角度を計算するステップと、
前記粒子体積分布関数における、前記計算された基準角度と、決定された前記少なくとも１つの分布及び複数の磁気変数とを使って、前記面内のばく露磁場と、前記ばく露温度と、前記ばく露時間との任意の値に対する交換バイアス磁場を計算するステップと、
を備える、磁気素子の性能を計算する方法。

【請求項2】

決定された前記少なくとも１つの分布変数を使って粒子の配列を生成することをさらに備え、前記粒子の前記配列は、前記反強磁性層の１層に相当する体積を持つ、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

各粒子は、ランダムに配向された一軸異方性を持つ、請求項２に記載の方法。

【請求項4】

前記少なくとも１つの分布変数は、平均値及び標準偏差を備える、請求項１に記載の方法。

【請求項5】

前記交換バイアス磁場を計算するステップは、前記交換バイアス磁場に寄与する粒子体積を計算すべく、決定された前記少なくとも１つの磁気変数を前記粒子体積分布関数において使うことを備える、請求項１に記載の方法。

【請求項6】

前記少なくとも１つの磁気変数は、一軸異方性定数と、最大交換バイアス磁場と、前記反強磁性層のネール温度とを備える、請求項１に記載の方法。

【請求項7】

前記交換バイアス磁場に寄与する前記粒子体積用の前記粒子体積分布関数を積分することを備える、請求項５に記載の方法。

【請求項8】

前記粒子体積分布関数は、対数正規関数である、請求項１に記載の方法。

【請求項9】

前記基準角度を計算するステップと、前記交換バイアス磁場を計算するステップとが、反復手順を備え、前記反復手順は、
所与のばく露角度に配向されたばく露磁場に対する前記基準角度を計算するステップと、
前記交換バイアス磁場の振幅のばらつきと前記交換角度のばらつきを計算するステップと
を備え、
前記反復手順は、２回の連続する反復の間の前記交換バイアス磁場の振幅のばらつきと前記交換角度のばらつきがしきい値より小さくなるまで繰り返される、請求項１に記載の方法。

【請求項10】

各反復において、
統計的メトロポリス－ヘイスティングスアルゴリズムを使って、前記基準二重層の平衡状態を見つけることで、前記交換バイアス磁場の振幅及び前記交換角度の平均ばらつきを計算することと、
前記交換バイアス磁場の振幅及び前記交換角度の計算された前記平均ばらつきに従って、前記基準角度を調整することと
を備える、請求項２及び９に記載の方法。

【請求項11】

前記交換バイアス磁場の振幅及び前記交換角度の平均ばらつきを計算することは、
各粒子のエネルギー状態を設定することと、
前記交換バイアス磁場の振幅と交換角度の平均ばらつきを計算することと、
前記基準磁化を計算された交換角度に整列させることと
を備える、請求項１０に記載の方法。

【請求項12】

各粒子は、ネールベクトルの低エネルギー最小値及び高エネルギー最小値を持ち、各粒子のエネルギー状態を設定することが、
低エネルギー最小値に対しては低い切替時間を、高エネルギー最小値に対しては高い切替時間を計算すること、
前記粒子の切替時間を決定することと、
前記決定された切替時間が低い切替時間よりも大きく、高い切替時間よりも小さいならば、前記粒子を前記低エネルギー最小値に設定することと、
前記決定された切替時間が前記低い切替時間より小さいならば、前記粒子のエネルギーを変更しないことと、
前記決定された切替時間が前記高い切替時間よりも大きいならば、５０％の確率で前記粒子を２つの低エネルギー最小値又は高エネルギー最小値のいずれかに設定することと
を備える、請求項１１に記載の方法。

【請求項13】

コンピュータによってプログラムが実行されるとき、請求項１に記載の方法を実行させる指示を備える前記プログラムの製品を格納している、非一過性コンピュータ可読媒体。

【国際調査報告】