特表 2024-529538 トンネル磁気抵抗の補償された温度係数を持つ磁気抵抗効果素子

(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】2024-08-06

(54)【発明の名称】トンネル磁気抵抗の補償された温度係数を持つ磁気抵抗効果素子

(51)【国際特許分類】

   H10N 50/20 20230101AFI20240730BHJP

【ＦＩ】

H10N50/20

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024506750

(86)(22)【出願日】2022-07-28

(85)【翻訳文提出日】2024-02-01

(86)【国際出願番号】 IB2022056992

(87)【国際公開番号】W WO2023012612

(87)【国際公開日】2023-02-09

(31)【優先権主張番号】21315136.8

(32)【優先日】2021-08-05

(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】524154452

【氏名又は名称】アレグロ・マイクロシステムズ・リミテッド・ライアビリティ・カンパニー

(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】デュクリュエ・クラリス

(72)【発明者】

【氏名】チルドレス・ジェフリー

【テーマコード（参考）】

5F092

【Ｆターム（参考）】

5F092AA08

5F092AB01

5F092AC12

5F092BB17

5F092BB35

5F092BB36

5F092BB42

5F092BB43

5F092BC07

5F092BC08

5F092BC13

(57)【要約】

【課題】トンネル磁気抵抗と帯磁率の温度依存性について磁気抵抗効果素子を改良する。
【解決手段】磁気抵抗効果素子（２）が、参照層（２３）と、自由検知磁化（２１０）を持つ強磁性の検知層（２１）と、参照層（２３）と検知層（２１）の間のトンネル障壁層（２２）とを備える。検知層（２１）が、トンネル障壁層（２２）と接する第１検知層部分（２１１）と、第１検知層部分（２１１）と接する第２検知層部分（２１２）とを備える。第１検知層部分（２１１）は、第１及び第２検知層部分（２１１、２１２）間の磁気結合が±１０^－４Ｊ／ｍ^２から±１０^－３Ｊ／ｍ^２の間であり、第１検知層部分（２１１）とトンネル障壁層（２２）との間の界面に由来する垂直磁気異方性（ＰＭＡ）が、８×１０^４Ａ／ｍと８×１０^５Ａ／ｍとの間であるように構成されていて、磁気抵抗効果素子（２）の感度の温度係数（ＴＣＳ）を正にずらして、磁気抵抗効果素子（２）のＴＭＲの負の温度係数を補償する。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ピン止めされた基準磁化（２３０）を持つ基準層（２３）と、
安定した渦構成を備える自由センス磁化（２１０）を持つ強磁性のセンス層（２１）と、
前記基準層（２３）と前記センス層（２１）の間のトンネル障壁層（２２）と
を備え、
前記センス層（２１）が、前記トンネル障壁層（２２）と接する第１センス層部分（２１１）と、前記第１センス層部分（２１１）と接する第２センス層部分（２１２）とを備える磁気抵抗効果素子において、
前記第１センス層部分（２１１）は、前記磁気抵抗効果素子（２）の感度の温度係数（ＴＣＳ）を正にずらして、前記磁気抵抗効果素子（２）のＴＭＲの負の温度係数を補償するように、前記第１及び第２センス層部分（２１１、２１２）間の磁気結合が±１０^－４Ｊ／ｍ^２から±１０^－３Ｊ／ｍ^２の間であり、かつ前記第１センス層部分（２１１）と前記トンネル障壁層（２２）との間の界面に由来する垂直磁気異方性（ＰＭＡ）が、８×１０^４Ａ／ｍと８×１０^５Ａ／ｍとの間であるように構成されていることを特徴とする、磁気抵抗効果素子。

【請求項2】

前記第１及び第２センス層部分（２１１、２１２）の間に設けられ、前記第１センス層部分（２１１）と前記第２センス層部分（２１２）とを磁気的に結合する介在層（２１３）を備える、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。

【請求項3】

前記介在層（２１３）が、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｒｕ、Ｗ、Ｔａ、Ｉｒ、Ｍｏ、Ｃｕの中のいずれか１種類又はその組み合わせから作られている、請求項１又は２に記載の磁気抵抗効果素子。

【請求項4】

前記介在層（２１３）は、２．５ｎｍ及び０．５ｎｍの間の厚さを持つ、請求項１から３のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。

【請求項5】

前記第１センス層部分（２１１）が、１．５ｎｍ及び４ｎｍの間の厚さを持つ、請求項１から４のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。

【請求項6】

前記第１センス層部分（２１１）は、ｘ及びｙがそれぞれ独立して０から１００ｖｏｌ％の範囲で変化し、ｚが０から２０ｖｏｌ％の範囲で変化するＣｏ_ｘＦｅ_ｙＢ_ｚ合金を備える、請求項１から５のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。

【請求項7】

前記第１センス層部分（２１１）は、複数の強磁性サブ層（２１１１）を備え、各強磁性サブ層（２１１１）は、ｘ、ｙ、ｚがサブ層（２１１１）間で異なるＣｏ_ｘＦｅ_ｙＢ_ｚを含有している、請求項１から６のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。

【請求項8】

複数の前記センスサブ層（２１１１）の間に非磁性スペーササブ層（２１１２）をさらに備える、請求項７に記載の磁気抵抗効果素子。

【請求項9】

各スペーササブ層（２１１２）は金属であり、０．４ｎｍより薄い厚さを持っている、請求項８に記載の磁気抵抗効果素子。

【請求項10】

前記第２センス層部分（２１２）が、ＮｉＦｅ合金といった軟質強磁性合金を含有する、請求項１から９のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。

【請求項11】

前記第２センス層部分（２１２）が、総体積分率が１５％未満の非磁性希釈要素をさらに含有する、請求項１０に記載の磁気抵抗効果素子。

【請求項12】

前記希釈要素は、前記第２センス層部分（２１２）において、１つ又は複数のナノ層を備える、請求項１１に記載の磁気抵抗効果素子。

【請求項13】

前記第２センス層部分（２１２）は、１５ｎｍを超える厚さを持つ、請求項１から１２のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。

【請求項14】

１μｍ未満の直径を持つ、請求項１から１３のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。

【請求項15】

請求項１から１４のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子（２）を複数備えたセンサ装置であって、複数の前記磁気抵抗効果素子（２）が相互に電気的に接続されている、センサ装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、外部磁界の検知を意図した磁気センサ用の磁気抵抗効果素子に関する。より詳細には、本開示は、安定した渦構成と、磁気抵抗効果素子のＴＭＲの補償される負の温度係数とを持つセンス層を備える、磁気抵抗効果素子に関する。

【背景技術】

【0002】

図１は、基準磁化２３０を持つ強磁性基準層２３と、自由なセンス磁化２１０を持つ強磁性センス層２１と、センス層及び基準強磁性層２１、２３間のトンネル障壁層２２とを備える磁気抵抗効果素子２の断面図を示す。センス磁化２１０は、基準磁化２３０が実質的に乱されないまま、外部磁場６０中で配向できる。外部磁場６０は、磁気抵抗センサ素子２の抵抗を測定することによって感知できる。抵抗値は、検知磁化と基準磁化の相対的な向きに依存する。

【0003】

磁気抵抗効果素子２は、センス磁化２１０が基準磁化２３０と平行に配向している場合、低い測定抵抗値（Ｒ_Ｐ）が測定される。高抵抗（Ｒ_ＡＰ）は、センス磁化２１０が基準磁化２３０に対して反平行に配向しているときに磁気抵抗効果素子２において測定される。高抵抗と低抵抗の値の差（Ｒ_ＡＰ－Ｒ_Ｐ）は、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）としても知られている。

【0004】

センス磁化２１０は、外部磁界の大きな大きさ範囲において直線的で非ヒステリシス的な挙動を提供する安定した渦構成を備え得る。このような磁気抵抗効果素子は、したがって、１次元磁気センサ用途に有利であり、その感度を調整するように容易に構成できる。

【0005】

図２は、センス磁化２１０（Ｍ、任意単位）に対する外部磁界６０（Ｈｅｘｔ、任意単位）に対するヒステリシス応答（又は磁化曲線）を示している。渦センス磁化２１０の完全なヒステリシスループは、Ｈ_ｅｘｐｌ点で渦追放磁場に達するまで、適用する磁場Ｈｅｘｔに伴う磁化Ｍの線形増加によって特徴付けられる。この時点でセンス磁化２１０は磁気的に飽和する。センス層２１の渦状態を回復させるには、磁場を核生成磁場Ｈ_ｎｕｃｌ未満に下げる必要がある。適用する磁場が感知磁化２１０の渦の追い出し磁場（＋／－Ｈ_ｅｘｐｌ）に対応する大きさの範囲内である限り、外部磁場６０（Ｈ_ｅｘｔ）に対するヒステリシス応答は、外部磁場Ｈ_ｅｘｔによる渦のコアの移動に対応する可逆的な線形部分を備える。ヒステリシスループの直線部分の値と傾きは、センス層２１のサイズ（大きさ、寸法）に強く依存する。磁化曲線の直線部分と非ヒステリシス部分は、外部磁場Ｈ_ｅｘｔの小さな変動の測定を容易にする。

【0006】

渦はその帯磁率χによって特徴づけられ、帯磁率はＭ（Ｈ）ループの直線領域の傾きに相当する。

【数1】

【0007】

そして磁気抵抗効果素子２の感度Ｓは、磁気抵抗センサ素子２の帯磁率χとトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）の積に比例する。

【数2】

【0008】

このような磁気抵抗効果素子の欠点は、センス層２１のＴＭＲ及び帯磁率χの温度依存性である。温度Ｔが上昇すると、センス磁化２１０が下がり、帯磁率χが増える。一方、温度Ｔが上昇すると、ＴＭＲは減衰する。この依存性により、使用温度における磁気抵抗効果素子の応答精度が制限され、磁気抵抗効果素子の潜在的な用途が制限される。一般的に、従来の磁気抵抗効果素子のＴＭＲの温度係数は大きく負であるため、磁気抵抗効果素子の感度の温度係数（ＴＣＳ）は全体的に負となる。

【0009】

ＴＣＳは、温度変化に対して磁気抵抗効果素子バイアス電圧を変化させることによって磁気抵抗センサ素子２の感度Ｓの変化を補償する電子回路を使って制御できる。しかし、この方法では、ＴＣＳの調整のためトリミングが必要となる。さらに、追加の電子回路を使うことは、より大きなダイサイズを必要とし、磁気抵抗センサ素子２のプロセスと開発をより複雑にする。

【0010】

本出願人による特許文献１では、磁気抵抗効果素子は、センス層の磁化率の温度依存性が磁気抵抗効果素子のＴＭＲの温度依存性を実質的に補償するような割合の遷移金属元素を含有する部分を備えるセンス層を、備えるものである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0011】

【特許文献1】欧州特許出願第２０２００３１５０１５号

【発明の概要】

【0012】

本開示は、ピン止めされた基準磁化を持つ基準層と、安定した渦構成を備える自由センス磁化を持つ強磁性センス層と、基準層とセンス層との間のトンネル障壁層とを備える磁気抵抗効果素子に関する。センス層は、トンネル障壁層に接する第１センス層部分と、第１センス層部分に接する第２センス層部分とを備える。第１センス層部分は、第１センス層部分と第２センス層部分との間の磁気結合が±１０^－４Ｊ／ｍ^２から±１０^－３Ｊ／ｍ^２の間であり、第１センス層部分とトンネル障壁層との間の界面に由来する垂直磁気異方性（ＰＭＡ）が８×１０^４Ａ／ｍから８×１０^５Ａ／ｍの間であり、磁気抵抗効果素子のＴＣＳを正にずらし、磁気抵抗効果素子のＴＭＲの負の温度係数を補償するように構成されている。

【0013】

本明細書で開示する磁気抵抗効果素子は、磁気抵抗効果素子の層の比較的控えめな変更によって、高度のＴＣＳ補償を達成できる。対照的に、センス層の磁化の希釈によってのみＴＣＳを補償するには、高濃度の非磁性不純物が必要である。その結果、磁化率の非線形温度依存性が生じ、それが磁気抵抗効果素子のＴＳＣの非線形性に転嫁される。

【0014】

本発明の例示的な実施形態が、本明細書において開示され、図面によって図示されている。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】図１は、センス層を備える磁気抵抗効果素子の断面図である。

【図2】図２は、センス磁化に対する外部磁場に対する完全なヒステリシス応答を示す。

【図3】図３は、実施形態による、第１センス層部分と第２センス層部分とを備える磁気抵抗効果素子を示す。

【図4】図４は、実施形態による、複数の強磁性センスサブ層を備える第１センス層部分を表す。

【発明を実施するための形態】

【0016】

図３は、１実施形態による磁気抵抗効果素子２を示す。磁気抵抗効果素子２は、ピン止めされた基準磁化２３０を持つ強磁性基準層２３と、センス磁化２１０を持つ強磁性センス層２１と、センス層及び基準強磁性層２１、２３間のトンネル障壁層２２とを備える。センス磁化２１０は、基準磁化２３０が実質的に乱されないまま、外部磁場６０中で配向可能に構成されている。外部磁場６０は、磁気抵抗効果素子２の抵抗を測定することによって感知できる。抵抗値は、基準磁化２３０に対するセンス磁化２１０の向きに依存する。

【0017】

強磁性層は、ＣｏＦｅ、ＮｉＦｅ又はＣｏＦｅＢ等のＦｅベースの合金で作製できる。基準層２３は、磁気交換バイアス結合によって反強磁性層２４によってピン止めできる。反強磁性層２４は、マンガンＭｎをベースとする合金を備え得る。Ｍｎベースの合金とは、例えば、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）である。
基準層２３は、１層又は複数の強磁性層を備えてよい。図３に示す例では、基準層２３は、介在する非磁性層２３３を介して反強磁性的に分離結合された少なくとも第１強磁性層２３１及び第２強磁性層２３２を備える合成反強磁性体（ＳＡＦ）構造を備える。非磁性層は典型的にはＲｕ層であるが、いずれかを備えてよい。Ｒｕ、Ｉｒ又はＣｕ、又はこれらの元素の組み合わせを備えてよい。
ＳＡＦ構造では、第１強磁性層２３１の第１基準磁化２３０は、非磁性層２３３によって第２基準磁化２３５に反平行に結合される。磁気抵抗効果素子２が反強磁性層２４を備える場合、反強磁性層２４の隣の強磁性層２３２の第２基準磁化２３５は、反強磁性層２４によってピン止めされる。
基準層２３の厚さは、選択される材料に依存する。一例では、基準層２３は０．３ｎｍから３ｎｍの厚さを持ち得る。

【0018】

トンネル障壁２２は、絶縁材料を備え得る。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）等の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などのｎｍの範囲としてよい。

【0019】

何つかの実施形態によれば、センス層２１は、トンネル障壁層２２と接する第１センス層部分２１１と、第１センス層部分２１１と接する第２センス層部分２１２とを備える。

【0020】

第２センス層部分２１２は、渦状態を可能にするように構成され得る。例えば、センス磁化２１０は、安定した渦構成を備えてよい。第２センス層部分２１２は、軟質強磁性合金を備えてよい。例えば、第２センス層部分２１２は、場合によっては数ｗｔ％のＣｒ、Ｓｉ、Ｂ又はＶを含むＮｉ合金又はＮｉＦｅ合金を備えてよい。１観点では、第２センス層部分２１２の厚さは、１５ｎｍより厚い。第２センス層部分２１２は、１２０ｎｍまでの厚さを持ち得る。

【0021】

一実施形態では、第１センス層部分２１１は、第１及び第２センス層部分２１１、２１２間の磁気結合が１０^－４Ｊ／ｍ^２及び１０^－３Ｊ／ｍ^２の間であるように構成され、交換バイアス結合の符号は正又は負であり得る。第１センス層部分２１１は、第１センス層部分２１１とトンネル障壁層２２との間の界面から発生するＰＭＡ電界が８×１０^４Ａ／ｍと８×１０^５Ａ／ｍとの間であるようにさらに構成され得る。

【0022】

第１及び第２センス層部分２１１、２１２間の交換バイアス結合を±１０^－４Ｊ／ｍ^２から±１０^－３Ｊ／ｍ^２の間の所望の交換バイアス結合値に調整し、ＰＭＡ電界を８×１０^４Ａ／ｍから８×１０^５Ａ／ｍの間の所望のＰＭＡ電界値に調整することにより、第１センス層部分２１１の磁化率が修正され、その温度係数がより正になる。第１センス層部分２１１の正の温度係数は、磁気抵抗効果素子２のＴＣＳを正の方向にずらす（シフトさせる）。磁気抵抗効果素子２のＴＣＳの正のシフトは、磁気抵抗効果素子２のＴＭＲの負の温度係数を補償するようなものとしてよい。例えば、磁気抵抗効果素子２のＴＣＳは、磁気抵抗効果素子２の直径及び第２センス層部分２１２の材料タイプに応じて、約２００から７００ｐｐｍ／℃、より正にずらしてよい。

【0023】

第１センス層部分２１１は、第１及び第２センス層部分２１１、２１２間の磁気結合が、１０^－４Ｊ／ｍ^２から２×１０^－３Ｊ／ｍ^２、又は２×１０^－４Ｊ／ｍ^２から１０^－３Ｊ／ｍ^２、又は、２×１０^－４Ｊ／ｍ^２から２×１０^－３Ｊ／ｍ^２であるように構成される。第１及び第２センス層部分２１１、２１２間の磁気結合は、典型的には、従来の磁気抵抗効果素子２のセンス層におけるものよりも４倍から５倍小さい。

【0024】

１実施形態において、磁気抵抗効果素子２は、第１及び第２センス層部分２１１、２１２の間に介在層２１３をさらに備える。介在層２１３は、第１センス層部分２１１及び第２センス層部分２１２間の磁気結合を低減するように構成される。より詳細には、調停層２１３は、第１及び第２センス層部分２１１、２１２間の交換バイアス結合を±１０^－４Ｊ／ｍ^２と±１０^－３Ｊ／ｍ^２との間の所望の交換バイアス結合値に調整し、ＰＭＡ磁場を８×１０^４Ａ／ｍと８×１０^５Ａ／ｍとの間の所望のＰＭＡ磁場値に調整するように構成され得る。介在層２１３は、非磁性層、好ましくは非磁性層を備えてよい。

【0025】

１つの態様において、介在層２１３の厚さ及び組成は、±１０^－４Ｊ／ｍ^２と±１０^－３Ｊ／ｍ^２との間の所望の交換バイアス結合値に到達するように、及び８×ｘ１０^４Ａ／ｍと８×１０^５Ａ／ｍとの間の所望のＰＭＡ磁場値に到達するように調整され得る。一例では、介在層２１３は、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｒｕ、Ｗ、Ｔａ、Ｉｒ、Ｍｏ又はＣｕの中のいずれか１種類又はその組み合わせを含有する、もしくは作られていてよい。別の例では、介在層２１３の厚さは、０．５ｎｍ及び２．５ｎｍの間であり得る。

【0026】

また、±１０^－４Ｊ／ｍ^２から±１０^－３Ｊ／ｍ^２の間の第１及び第２センス層部分２１１、２１２間の交換バイアス結合は、第２センス層部分２１２から第１センス層部分２１１への渦状態の伝達を可能にするのに十分強いことが示された。したがって、介在層２１３を持つ磁気抵抗効果素子２のヒステリシス応答（又は磁化曲線）は、介在層２１３を持たない磁気抵抗効果素子２のヒステリシス応答（又は磁化曲線）と類似し得る。

【0027】

第１センス層部分２１１における実効ＴＭＲ及び磁化率は、ＰＭＡ磁場の大きさの減少に伴って減少する。ＰＭＡ電界は温度とともに急速に減少するので、第１センス層部分２１１のＴＣＳに補償効果を与える。この効果は、第１センス層部分２１１が薄い場合に、より重要である。例えば、第１センス層部分２１１は、第２センス層２１２よりも少なくとも約４倍薄くできる。

【0028】

別の実施形態では、第１センス層部分２１１は、ｘ及びｙが０から１００％ｖｏｌまで独立して変化し、ｚが０から２０％ｖｏｌまで変化するＣｏ_ｘＦｅ_ｙＢ_ｚ合金を含有する。第１センス層部分２１１の厚さは、±１０^－４Ｊ／ｍ^２から±１０^－３Ｊ／ｍ^２の間の所望の交換バイアス結合値に到達するように、そして８×１０^４Ａ／ｍから８×１０^５Ａ／ｍの間の所望のＰＭＡ電界値に到達するように、さらに調節できる。例えば、限定するものではないが、第１センス層部分２１１は、１．５ｎｍから４ｎｍであり得る厚さを持つ。第１センス層部分２１１の厚さが増加すると、ＰＭＡ電界及び交換バイアス結合の両方が実質的に同量減少することに留意すべきである。

【0029】

図４に示す実施形態では、第１センス層部分２１１は、複数の強磁性センスサブ層２１１１を備えてよく、各センスサブ層２１１１は、ｘ、ｙ、ｚがセンスサブ層２１１１ごとに異なり得るＣｏ_ｘＦｅ_ｙＢ_ｚ合金を含有する。センスサブ層２１１１は、０．３ｎｍ及び３ｎｍの間の厚さを持ち得る。第１センス層部分２１１は、センスサブ層２１１１の間に非磁性スペーササブ層２１１２をさらに備えてよい。スペーササブ層２１１２は、金属ナノ層を備えてよく、そして０．４ｎｍより小さい厚さを持ち得る。

【0030】

さらなる実施形態では、第２センス層部分２１２は、希釈要素を含有してよい。希釈要素は、第２センス層部分２１２において合金化され得るか、又は第２センス層部分２１２は、１つ又は複数の希釈ナノ層を備えてよい。希釈要素又は希釈ナノ層は、センス磁化２１０を希釈するように構成され、そしてセンス層２１のキュリー温度Ｔｃを低下させる。センス層２１のキュリー温度Ｔｃを低下させると、磁気抵抗効果素子２の使用温度範囲において、温度Ｔの上昇に伴う磁化の低下が速くなる。温度Ｔの上昇に伴う磁化の低下は、温度の上昇に伴う帯磁率χの上昇をもたらす。センス磁化２１０の希釈度を調整することで、温度上昇に伴う帯磁率χの上昇を伴うＴＭＲの低下の補償が可能となる。このように、センス磁化２１０の希釈度を調整することにより、ＴＣＳをさらに制御することが可能となり、例えば磁気抵抗効果素子２のＴＣＳを正にずらして、磁気抵抗効果素子２のＴＭＲの負の温度係数を補償できる。希釈元素又は希釈ナノ層は、例えばＴａ、Ｗ又はＲｕ等の遷移金属元素を備えてよい。

【0031】

実施形態において、第２センス層部分２１２は、１５％ｖｏｌ（体積％）未満の割合で希釈要素を備える。

【0032】

第２センス層部分２１２の希釈によるＴＣＳの補償は、第１センス層部分２１１による補償及び介在層２１３による補償とは独立して起こり得る。従って、第２センス層部分２１２の希釈によるＴＣＳの補償は、磁気抵抗効果素子２のＴＣＳの微調整に、第１センス層部分２１１及び介在層２１３による補償に加えて使うことができる。

【0033】

本発明者らは、第１センス層部分２１１が介在層２１３によって第２センス層部分２１２から分離される場合に、本明細書に開示される磁気抵抗効果素子２のＴＣＳが、＋６００ｐｐｍ程度の正のシフトのＴＣＳを持ち得ることを示した。介在層２１３は、第１センス層部分２１１に強い（例えば±１０^－４Ｊ／ｍ^２及び±１０^－３Ｊ／ｍ^２の間の）磁化率の正の温度係数を与える。したがって、介在層２１３の存在下での第１センス層部分２１１の正の温度係数は、磁気抵抗効果素子２のＴＣＳを正にずらして、ＴＭＲ効果に由来する負の温度係数を補償できる。これは、第１及び第２センス層部分２１１、２１２間の交換バイアス結合の正及び負の両方の大きさに対して適用される。

【0034】

本発明者らは、磁気抵抗効果素子２におけるＴＭＲの温度係数及び第２センス層部２１２の磁化率の温度依存性が、介在層２１３を備える磁気抵抗効果素子２と介在層２１３を備えない磁気抵抗効果素子２との間で実質的に変化しないことも示した。

【0035】

実際、磁気抵抗効果素子２は、物性測定システム（ＰＰＭＳ）を用いて特性評価された。）ＰＰＭＳによる特性評価の結果、従来のセンス層２１と比較して、第２センス層部分２１２の磁化率の温度依存性に差がなく、そしてＴＭＲの温度依存性に大きな変化がないことが示された。同時に、第１センス層部分２１１では、磁化率の温度依存性が顕著に変化していることが観察される。実際、第１センス層部分２１１は、渦磁気抵抗効果素子のＴＣＳを改善する原因となる、著しく高い正の温度係数を獲得している。

【0036】

ＰＰＭＳ特性は、第１センス層部分２１１の温度係数の増加をさらに示した。温度係数の増加は、第１センス層部分２１１のＰＭＡ電界（及びＰＭＡ電界の温度依存性）と関連していると考えられる。第１センス層部２１１の界面エネルギーは、第１及び第２センス層部２１１，２１２間のＲｕスペーサを介した反強磁性結合の界面エネルギーよりも高いと考えられる。

【符号の説明】

【0037】

２ 磁気抵抗効果センサ素子
２０ 磁気抵抗効果センサ
２１ センス層
２１０ センス磁化
２１１ 第１センス層部分
２１１１ センスサブ層
２１１２ スペーササブ層
２１２ 第２センス層部分
２１３ 介在層
２２ トンネル障壁層
２３ 基準層
２３０ 基準磁化、第１基準磁化
２３１ 第１強磁性層
２３２ 第２強磁性層
２３３ 非磁性層
２３５ 第２基準磁化
２４ 反強磁性層
６０ 外部磁場

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【手続補正書】

【提出日】2024-02-06

【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】

ピン止めされた基準磁化を持つ基準層と、
安定した渦構成を備える自由センス磁化を持つ強磁性のセンス層と、
前記基準層と前記センス層の間のトンネル障壁層と
を備える磁気抵抗効果素子において、
前記センス層が、前記トンネル障壁層と接する第１センス層部分と、前記第１センス層部分と接する第２センス層部分とを備え、
前記第１センス層部分は、前記磁気抵抗効果素子の感度の温度係数（ＴＣＳ）を正にずらして、前記磁気抵抗効果素子のＴＭＲの負の温度係数を補償するように、前記第１及び第２センス層部分間の磁気結合が±１０^－４Ｊ／ｍ^２から±１０^－３Ｊ／ｍ^２の間であり、かつ前記第１センス層部分と前記トンネル障壁層との間の界面に由来する垂直磁気異方性（ＰＭＡ）が、８×１０^４Ａ／ｍと８×１０^５Ａ／ｍとの間であるように構成されている、磁気抵抗効果素子。

【請求項2】

前記第１及び第２センス層部分の間に設けられ、前記第１センス層部分と前記第２センス層部分とを磁気的に結合する介在層を備える、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。

【請求項3】

前記介在層が、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｒｕ、Ｗ、Ｔａ、Ｉｒ、Ｍｏ、Ｃｕの中のいずれか１種類又はその組み合わせから作られている、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。

【請求項4】

前記介在層は、２．５ｎｍ及び０．５ｎｍの間の厚さを持つ、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。

【請求項5】

前記第１センス層部分が、１．５ｎｍ及び４ｎｍの間の厚さを持つ、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。

【請求項6】

前記第１センス層部分は、ｘ及びｙがそれぞれ独立して０から１００ｖｏｌ％の範囲で変化し、ｚが０から２０ｖｏｌ％の範囲で変化するＣｏ_ｘＦｅ_ｙＢ_ｚ合金を備える、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。

【請求項7】

前記第１センス層部分は、複数の強磁性サブ層を備え、各強磁性サブ層は、ｘ、ｙ、ｚがサブ層間で異なるＣｏ_ｘＦｅ_ｙＢ_ｚを含有している、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。

【請求項8】

複数の前記センスサブ層の間に非磁性スペーササブ層をさらに備える、請求項７に記載の磁気抵抗効果素子。

【請求項9】

各スペーササブ層は金属であり、０．４ｎｍより薄い厚さを持っている、請求項８に記載の磁気抵抗効果素子。

【請求項10】

前記第２センス層部分が、ＮｉＦｅ合金といった軟質強磁性合金を含有する、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。

【請求項11】

前記第２センス層部分が、総体積分率が１５％未満の非磁性希釈要素をさらに含有する、請求項１０に記載の磁気抵抗効果素子。

【請求項12】

前記希釈要素は、前記第２センス層部分において、１つ又は複数のナノ層を備える、請求項１１に記載の磁気抵抗効果素子。

【請求項13】

前記第２センス層部分は、１５ｎｍを超える厚さを持つ、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。

【請求項14】

１μｍ未満の直径を持つ、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。

【請求項15】

請求項１に記載の磁気抵抗効果素子を複数備えたセンサ装置であって、複数の前記磁気抵抗効果素子が相互に電気的に接続されている、センサ装置。

【手続補正2】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３６

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0036】

ＰＰＭＳ特性は、第１センス層部分２１１の温度係数の増加をさらに示した。温度係数の増加は、第１センス層部分２１１のＰＭＡ電界（及びＰＭＡ電界の温度依存性）と関連していると考えられる。第１センス層部２１１の界面エネルギーは、第１及び第２センス層部２１１，２１２間のＲｕスペーサを介した反強磁性結合の界面エネルギーよりも高いと考えられる。
本願は例えば次の観点を提供する。
［観点１］
ピン止めされた基準磁化（２３０）を持つ基準層（２３）と、
安定した渦構成を備える自由センス磁化（２１０）を持つ強磁性のセンス層（２１）と、
前記基準層（２３）と前記センス層（２１）の間のトンネル障壁層（２２）と
を備える磁気抵抗効果素子において、
前記センス層（２１）が、前記トンネル障壁層（２２）と接する第１センス層部分（２１１）と、前記第１センス層部分（２１１）と接する第２センス層部分（２１２）とを備え、
前記第１センス層部分（２１１）は、前記第１及び第２センス層部分（２１１、２１２）間の磁気結合が±１０－４Ｊ／ｍ２から±１０－３Ｊ／ｍ２の間となるように構成されていて、前記磁気抵抗効果素子（２）の感度の温度係数（ＴＣＳ）を正にずらして、前記磁気抵抗効果素子（２）のＴＭＲの負の温度係数を補償するように、前記第１センス層部分（２１１）と前記トンネル障壁層（２２）との間の界面に由来する垂直磁気異方性（ＰＭＡ）が、８×１０４Ａ／ｍと８×１０５Ａ／ｍとの間であることを特徴とする、磁気抵抗効果素子。
［観点２］
前記第１及び第２センス層部分（２１１、２１２）の間に設けられ、前記第１センス層部分（２１１）と前記第２センス層部分（２１２）とを磁気的に結合する介在層（２１３）を備える、観点１に記載の磁気抵抗効果素子。
［観点３］
前記介在層（２１３）が、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｒｕ、Ｗ、Ｔａ、Ｉｒ、Ｍｏ、Ｃｕの中のいずれか１種類又はその組み合わせから作られている、観点１又は２に記載の磁気抵抗効果素子。
［観点４］
前記介在層（２１３）は、２．５ｎｍ及び０．５ｎｍの間の厚さを持つ、観点１から３のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
［観点５］
前記第１センス層部分（２１１）が、１．５ｎｍ及び４ｎｍの間の厚さを持つ、観点１から４のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
［観点６］
前記第１センス層部分（２１１）は、ｘ及びｙがそれぞれ独立して０から１００ｖｏｌ％の範囲で変化し、ｚが０から２０ｖｏｌ％の範囲で変化するＣｏｘＦｅｙＢｚ合金を備える、観点１から５のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
［観点７］
前記第１センス層部分（２１１）は、複数の強磁性サブ層（２１１１）を備え、各強磁性サブ層（２１１１）は、ｘ、ｙ、ｚがサブ層（２１１１）間で異なるＣｏｘＦｅｙＢｚを含有している、観点１から６のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
［観点８］
複数の前記センスサブ層（２１１１）の間に非磁性スペーササブ層（２１１２）をさらに備える、観点７に記載の磁気抵抗効果素子。
［観点９］
各スペーササブ層（２１１２）は金属であり、０．４ｎｍより薄い厚さを持っている、観点８に記載の磁気抵抗効果素子。
［観点１０］
前記第２センス層部分（２１２）が、ＮｉＦｅ合金といった軟質強磁性合金を含有する、観点１から９のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
［観点１１］
前記第２センス層部分（２１２）が、総体積分率が１５％未満の非磁性希釈要素をさらに含有する、観点１０に記載の磁気抵抗効果素子。
［観点１２］
前記希釈要素は、前記第２センス層部分（２１２）において、１つ又は複数のナノ層を備える、観点１１に記載の磁気抵抗効果素子。
［観点１３］
前記第２センス層部分（２１２）は、１５ｎｍを超える厚さを持つ、観点１から１２のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
［観点１４］
１μｍ未満の直径を持つ、観点１から１３のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
［観点１５］
観点１から１４のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子（２）を複数備えたセンサ装置であって、複数の前記磁気抵抗効果素子（２）が相互に電気的に接続されている、センサ装置。

【国際調査報告】