JP2022538384A - 異方性磁場の低い２次元外部磁場を検知する磁場センサ - Google Patents

Abstract

【解決手段】固定基準磁化（２３０）を有する基準層（２３）と、センス磁化（２１０）を持つセンス強磁性層（２１）と、センス強磁性層（２１）及び基準強磁性層（２３）の間のトンネル障壁層（２２）とを備える磁気トンネル接合（２）を備えて、センス強磁性層（２１）が、トンネル障壁層（２２）に接している第１センス強磁性層（２１１）と、第２センス強磁性層（２１２）と、第１センス強磁性層（２１１）及び第２センス強磁性層（２１２）の間の第１非磁性層（２１３）とを備える、２次元外部磁場を検知する磁場センサであって、前記第２センス強磁性層（２１２）が、複数の複層要素（２１６）を備え、各複層要素（２１６）は、２層の第２強磁性センス層（２１４）の間に第２非磁性層（２１５）を備えていて、前記第２センス強磁性層（２１２）は２０ｎｍ以下の厚さを持つことを特徴とする２次元外部磁場を検知する磁場センサ。

Description

本発明は、トンネル磁気抵抗装置、及びトンネル磁気抵抗効果を使用する磁場センサに関する。より具体的には、本発明は、低異方性磁場を有する２次元外部磁場を検知する磁場センサに関する。

自己基準磁気トンネル接合が、磁気センサ又はコンパスで磁場を検知するために使用されることがある。自己基準磁気トンネル接合は、典型的には、基準磁化を有する基準層、センス磁化を有するセンス層、及びセンス層と基準層との間のトンネル障壁層とを備える。検知動作中、外部磁場は、センス磁化を基準磁化に対してより平行又はより反平行に整列させる。

２次元磁気検知では、センス層は、通常、大きさが固定され、基準層の磁化の方向に平行な平面内で回転する磁化を有する。通常、センス層は、この平面内で磁化の優先配向を持つ。これは、最低エネルギー配向である。この最低エネルギー配向と最高エネルギー配向との間のエネルギー差に相当する磁場Ｈ_ｋは、センス層の磁気異方性と呼ばれる。センサの信号は、センス層と基準層の相対的な向きに依存し、角度精度（低い角度誤差）は、この平面で可能な限り低いセンス層の異方性に依存する。これにより、センス層のさまざまな平面方向間のエネルギー差が最小限に抑えられ、結果として外部磁場方向を厳密に反映するセンサ出力により、センサの角度誤差が低くなる。

ただし、実際には、センス層には有限の磁気異方性がある。センス磁化は、基準層からの有限の漂遊磁場にさらされる可能性がある。これは、外部磁場におけるセンス磁化の整列において、したがって、外部磁場の所与の方向に対する磁気センサ要素の予想される抵抗において、角度誤差を引き起こす。これらの角度誤差は、外部磁場の大きさを下げると角度誤差が増加するため、外部磁場の大きさが小さい場合のセンサの動作マージンを制限する。

角度検知の精度は、そのため、センス層の磁気異方性を低減することによって改善可能である。センス層の厚さを増加させることにより、センス層の磁気異方性を減少可能である。しかしながら、センス層の厚さを増やすと、センス層の平面で不均一な磁化が発生し、性能が低下し、磁気センサの最小使用可能磁場が増加するおそれがある。

本開示は、外部磁場を検知する磁場センサに関し、前記磁場センサは、
固定基準磁化を有する基準層と、
センス磁化を持つセンス強磁性層と、
前記センス強磁性層及び前記基準強磁性層の間のトンネル障壁層とを備える磁気トンネル接合を備える、２次元外部磁場を検知する磁場センサに関する。
センス強磁性層は、
トンネル障壁層に接している第１センス強磁性層と、
第２センス強磁性層と、
第１センス強磁性層及び第２センス強磁性層の間の第１非磁性層とを備え、
前記第２センス強磁性層が、複数の複層要素を備え、各複層要素は、２層の第２強磁性センス層の間に第２非磁性層を備えていて、
前記第２センス強磁性層は２０ｎｍ以下の厚さ、好ましくは１２ｎｍ以下の厚さを持つ。

本開示はさらに、磁場センサを製造する方法に関し、前記方法は、以下の
基準層、トンネル障壁層、第１センス強磁性層、第１非磁性層、及び第２センス強磁性層を堆積させる工程を備える。
前記第２センス強磁性層を堆積する工程は、各複層要素について、２層の第２強磁性センス層の間に第２非磁性層を順次堆積する工程を含む、複数の複層要素を堆積する工程を備える。

この磁場センサは、センス層の厚さをさらに増やすことなく、異方性磁場を低減可能である。

本発明は、例として与えられ、図によって示される実施形態の説明の助けを借りて、よりよく理解されるであろう。

一実施形態による、第１センス層及び第２センス層を備える磁気トンネル接合の概略図を示す。 図２は、第２強磁性センス層の間に挟まれた複数の第２非磁性層を備える、第２センス強磁性層の概略図を示す。 異方性磁場と第２非磁性層の厚さとの関係を示すグラフである。 図４ａから図４ｃは、センス層の容易軸及び困難軸方向で測定された磁気ループを報告する図である。 図５は、異方性磁場と第２非磁性層の数との関係を示す。 図６は、異方性磁場と第２非磁性層の厚さとの関係を示す。 図７は、異なる可能な堆積角度を示す磁気トンネル接合の上面図を表す。

図１は、一実施形態による磁気トンネル接合２の概略図を示す。磁気トンネル接合部２は、基準層２３と、センス強磁性層２１と、センス強磁性層２１、２３及び基準強磁性層２１、２３の間のトンネル障壁層２２とを備える。

基準層２３は、固定された基準磁化２３０を有し、一方、センス層２１は、外部磁場の存在下で基準磁化２３０に対して自由に配向可能なセンス磁化２１０を有する。換言すると、磁気トンネル接合部２を備える磁場センサが外部磁場の存在下にある場合、基準磁化２３０は実質的に固定されたままであり、センス磁化２１０は外部磁場の方向に偏向される。

そのために、磁気センサセル１は、反強磁性層２４を備え、反強磁性層２４は、基準磁化２３０を低温閾値Ｔ_Ｌに固定し、高温しきい値Ｔ_Ｈで解放するなど、基準層２３を交換結合している。

反強磁性層２４に適した材料には、遷移金属及びそれらの合金が含有され得る。例えば、適切な反強磁性材料には、イリジウム（Ｉｒ）及びＭｎ（例えば、ＩｒＭｎ）に基づく合金などのマンガン（Ｍｎ）を主成分とする（ベース）の合金、Ｆｅ及びＭｎベースの合金（例、ＦｅＭｎ）、白金（Ｐｔ）とＭｎ（例、ＰｔＭｎ）ベースの合金、及びＮｉ及びＭｎに基づく合金（例えば、ＮｉＭｎ）が含まれる。場合によっては、ＩｒとＭｎベース（又はＦｅとＭｎベース）の合金の高温しきい値Ｔ_Ｈは、次の範囲、約１２０℃から約２２０℃、又は約１５０℃から約２００℃、例えば約２００℃であり、Ｐｔ及びＭｎベース（又はＮｉ及びＭｎベース）の合金の高温しきい値Ｔ_Ｈよりも低い値にできる。これは、約３００℃から約３５０℃の範囲内の値であることがある。反強磁性層２４に適した材料には、ＮｉＯなどの酸化物層がさらに含有され得る。

可能な１構成では、反強磁性層２４は、約１０ｎｍ又は１２ｎｍの厚さを有する。代替的に、反強磁性層２４は、各層が１ｎｍから２ｎｍの間の厚さを有する複層を備えることがある。

基準層２３は、１つ又は複数の強磁性層（図示せず）を備えてよく、各強磁性層はＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、ＣｏＦｅＢ又はそれらの合金を含有する。基準層２３は、少なくとも２つの強磁性層を備える合成反強磁性体（ＳＡＦ）をさらに備えることがあり、２つの強磁性層は、トンネル障壁層２２から最も遠い強磁性層が反強磁性体によってピン止めされている非磁性層によって分離されている一方で、他の強磁性層は、それらを分離する非磁性層を介して、ＲＫＫＹ結合機構によって隣りの強磁性層に結合されている。非磁性層は、Ｒｕ、Ｉｒ又はＣｕ又はそれらの組み合わせを含有し得る。

トンネル障壁（層）２２は、絶縁材料を備えるか、あるいはそれから形成してよい。適した絶縁材料には、酸化アルミニウム（例えば、ＡＩ_２Ｏ_３）及び酸化マグネシウム（例えば、ＭｇＯ）などの酸化物が含まれる。トンネル障壁層２２の厚さは、約１ｎｍから約３ｎｍなどのナノメートル範囲内であってよい。トンネル障壁２２の最適な厚さは、複数（二重又は複層）のＭｇＯ（又は別の適切な酸化物又は絶縁材料）層を挿入することによって得られる。

センス強磁性層２１は、トンネル障壁層２２と接触している強磁性層２１１と、第２センス強磁性層２１２と、前記第１センス強磁性層２１１及び第２センス強磁性層２１２の間の第１非磁性層２１３とを備える。

図１に示されるように、センス磁化２１０は、外部磁場の存在下で、センス層２１の平面内で配向可能である。換言すると、センス磁化２１０は、平面内で磁化されたままである。

基準層２３の固定（又はピン止め）基準磁化２３０もまた、面内、すなわち、基準層２３の面内にある。磁気センサセル１が反強磁性層２４を備える場合、反強磁性層２４は、面内（反強磁性層２４の面内）に配向された磁化を有する。

１実施形態では、第２センス強磁性層２１２は、複数の複層要素２１６を含み、各複層要素２１６は、２層の第２強磁性センス層２１４の間に第２非磁性層２１５を備える。

第２非磁性層２１５の目的は、第２センス強磁性層２１２の微細構造を、それをより細かに、あるいはアモルファスにさえするように変えることである。
第２センス強磁性層２１２のより細かな又はアモルファスでさえある構造は、センス層２１の磁気異方性を低減し、したがって、２次元磁場センサにおける低磁場角度誤差を改善する。

図２は、５つの複層要素２１６を備える第２センス強磁性層２１２の概略図を示し、各要素は、この順序で、２層の第２強磁性センス層２１４の間に挟まれた第２非磁性層２１５を備える。

１実施形態では、センス層２１の構造は以下の通りである。
ＣоＦｅＢ_１．５Ｔａ_０．３／［ＮｉＦｅ_２Ｔａ_ｘ］＊５／ＮｉＦｅ_２ （１）
ここで、第１センス強磁性層２１１は厚さ１．５ｎｍのＣｏＦｅＢ合金を含有し、第１非磁性層２１３は厚さ０．３ｎｍのＴａ層を備える。第２強磁性センス層２１４は、厚さ２ｎｍのＮｉＦｅ合金を備えて、第２非磁性層２１５は、０．１ｎｍから０．４ｎｍの間で変化する厚さｘを有するＴａ層を備える。

図３は、異方性磁場Ｈ_ｋと第２非磁性層２１５の厚さとの関係を示すグラフである。異方性磁場Ｈ_ｋは、次の構造、アニールなしのＣｏＦｅＢ_１．５／Ｔａ_０．３／ＮｉＦｅ_１２を持つ従来のセンス層２１についても報告されている。図３は、第２非磁性層２１５の厚さが増加するにつれて異方性磁場Ｈ_ｋが減少することを示す。いくつかの実施形態では、センス層２１は、２４０℃を超えるアニーリング温度でアニールされ得る。例えば、センス層２１は、３１０℃のアニーリング温度で９０分間アニールされ得る。

図４は、センス層２１の構造（１）について、容易軸（０°）及び困難軸（９０°）方向で測定された磁気ループを報告している。センス層２１はアニールされなかった。特に、図４ａ及び図４ｂは、０．３ｎｍの厚さを有する第２非磁性層２１５の磁気ループを示し、図４ｃは、０．５ｎｍの厚さを有する第２非磁性層２１５の磁気ループを示す。図４ａ及び図４ｃにおいて、磁気ループは、容易軸で測定され、約２Ｏｅの強制磁場Ｈ_ｃを生成している。図４ｂでは、困難軸で測定された磁気ループは、約１３Ｏｅの異方性磁場Ｈ_ｋを生成している。厚さが０．５ｎｍの第２非磁性層２１５の場合、Ｔａの第２非磁性層２１５を介した反強磁性結合が見られる。そのような反強磁性結合を回避するためには、第２非磁性層２１５の厚さは、０．５ｎｍよりも薄くなければならない。したがって、０．１ｎｍから０．４ｎｍの間の厚さが有利である。１実施形態では、第２非磁性層２１５の厚さは約０．３ｎｍである。

図５は、構造（１）について、異方性磁場Ｈ_ｋと、第２センス強磁性層２１２における第２非磁性層２１５の数との関係を示す。特に、ＣｏＦｅＢ合金から作られた第１センス強磁性層２１１とＴａ又はＭｇから作られた第２非磁性層２１５について報告された異方性磁場Ｈ_ｋが報告されている。第１センス強磁性層２１１は、約１．５ｎｍの厚さを有し、第２非磁性層２１５は、約０．２ｎｍ又は０．４ｎｍの厚さを有する。第２センス強磁性層２１２は、約１２ｎｍの厚さを有する。センス層２１は、磁場の非存在下で９０分間、３１０℃でアニールされる。図５は、第２非磁性層２１５がＴａでできている場合、第２非磁性層２１５の数を増やすことにより、異方性磁場Ｈ_ｋを低減可能なことを示している。

センス層２１のための５層の第２非磁性層２１５の５層という数は、最低値の異方性磁場Ｈ_ｋを生成し、したがって、最も好ましい構成であるように思われる。第２非磁性層２１５の数は５を超えてよい。しかしながら、第２非磁性層２１５の数を増やすと、センス磁化２１０が減少する傾向がある。

第１センス強磁性層２１１、第１非磁性層２１３、第２強磁性センス層２１４及び第２非磁性層２１５に他の材料を使用可能であり、これらの層の他の厚さは、本願発明の範囲でいろいろ考えてよい。一般に、第２非磁性層２１５は、０．１ｎｍから０．４ｎｍの間で変化する厚さを有してよい。より具体的には、第２非磁性層２１５は、約０．１ｎｍ、０．２ｎｍ、０．３ｎｍ、又は０．４ｎｍの厚さを有し得る。

１変形例では、第１センス強磁性層２１１は、複層構造を備える。例えば、第１センス強磁性層２１１は、２層から５層の強磁性層を備え得る。強磁性層２１１は、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＮｉＦｅ合金又は他の任意の適切な強磁性合金を含有し得る。

例えば、第２非磁性層２１５は、高融点金属を含有し得る。より具体的には、第２非磁性層２１５は、次の金属、Ｔａ、Ｚｒ、Ｗ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｈｆのうちの１つを単独で又は組み合わせて含有し得る。第２強磁性センス層２１０はまた、ＣｏＦｅ又はＣｏＦｅＢ合金で製造してよい。一般に、第２強磁性センス層２１０は、１ｎｍから３ｎｍの間、好ましくは１．１ｎｍから３ｎｍの間、又は１．５ｎｍから５ｎｍの間の厚さを持ち得る。これにより、磁場センサの２次元磁気センシングに必要な、面内磁化方向が保証される。

好ましくは、第２非磁性層２１５は、Ｔａを備える。Ｔａでできている（又はそれを含有する）第２非磁性層２１５は、第１センス強磁性層２１１の平面異方性磁場Ｈ_ｋを低減することを可能にする。

１観点では、第１センス強磁性層２１１及び第２強磁性センス層２１４は、高融点金属を含まない強磁性材料でできている。特に、センス強磁性層２１１及び第２強磁性センス層２１０は、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｍｎ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔｃ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ又はＩｒのいずれも含まない強磁性材料でできている。実際、第１センス強磁性層２１１及び／又は第２強磁性センス層２１４におけるそのような高融点金属の存在は、磁場センサの２次元磁気センシングに必要とされる面内磁化方向の代わりに、第１及び第２センス強磁性層２１１、２１４の垂直方向を促進する。

例えば、第１センス強磁性層２１１及び第２強磁性センス層２１４は、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＮｉＦｅベースの合金又は他の任意の適切な強磁性合金（高融点金属を含まない）で製造してよい。好ましくは、第１センス強磁性層２１１は、ＣｏＦｅＢベースの合金でできていて、第２強磁性センス層２１４は、ＮｉＦｅベースの合金でできている。後者の構成では、異方性磁場をさらに減らせる。

図６は、センス層２１の構造（１）について、異方性磁場Ｈ_ｋの値と第２非磁性層２１５の厚さとの関係を示す。第２センス強磁性層２１２は、５つの複層要素２１６を備える。第２非磁性層２１５はＷでできている。この関係は、磁場がない状態で２６０℃でアニールされているセンス層２１について示されている。アニールは、約３０分の加熱ランプと、約３０分の（２６０℃で）アニーリングプラトーと、約３０分の冷却ランプとを備えてよい（それにより、アニール工程の合計時間は約９０分である）。

１実施形態によれば、磁気トンネル接合部２を製造する方法は、堆積ツールを使用して、基準層２３、トンネル障壁層２２、第１センス強磁性層２１１、第１非磁性層２１３、及び第２センス強磁性層２１２を基板（非図示）上に堆積する工程を備える。第２センス強磁性層２１２を堆積する工程は、各複層要素について、２層の第２強磁性センス層２１４の間に第２非磁性層２１５を順次堆積することを含んで、複数の複層要素２１６を堆積する工程を備える。

好ましい１実施形態では、各複層要素２１６は、次の複層要素２１２の堆積角度とは異なる堆積角度θで堆積される。堆積角度θは、複層要素２１６が堆積される基板上の基準角度に対して決められてよい。例えば、そのような基準角度は、ウェーハ上のノッチに相当し得る。基準角度は、蒸着ツールで使用される０°方向を決めてよい。図７は、異なる可能な堆積角度θを示す磁気トンネル接合２の上面図を表す。

１変形例では、複数の複層要素２１６は、堆積角度θを０°及び９０°を含んで変化させて連続的に堆積される。

別の１変形例では、複数の複層要素２１６は、堆積角度θを４５°及び１３５°を含んで変化させて連続的に堆積される。

さらに別の変形例では、複数の複層要素２１６は、堆積角度θを０°、４５°、９０°、及び１３５°を含んで変化させて連続的に堆積される。

堆積角度θを変える工程は、第１センス強磁性層２１１、トンネル障壁層２２、及び基準層２３を含む、磁気トンネル接合２の他の層を堆積するときにも使用可能である。

複層要素２１６を堆積するときに堆積角度θを変化させることにより、平均化が可能になり、センス層２１の磁気異方性が減少する。残る可能性のある残留磁気異方性は、第２非磁性層２１５を導入することによってさらに減少可能である。

いくつかの実施形態では、堆積角度θは一定である場合があり、あるいは堆積角度θは、例えば、磁気トンネル接合層が堆積される基板を連続的に回転させることによって、連続的に変化させる場合がある。

様々な実施形態において、センス層２１の構造は、以下のようになる場合がある。
ＣｏＦｅＢ０．５／＜０＞／ＣｏＦｅＢ０．５／＜９０＞／ＣｏＦｅＢ０．５／Ｔａ０．３／ＮｉＦｅ１／＜０＞／ＮｉＦｅ１／Ｔａ０．３／
ＮｉＦｅ１／＜９０＞／ＮｉＦｅ１／Ｔａ０．３／ＮｉＦｅ１／＜０＞／ＮｉＦｅ１／Ｔａ０．３／ＮｉＦｅ１／＜９０＞／ＮｉＦｅ１／Ｔａ０．３／ＮｉＦｅ１／＜０＞／ＮｉＦｅ１／Ｔａ０．３／ＮｉＦｅ１ （２）
ＣｏＦｅＢ０．５／＜４５＞／ＣｏＦｅＢ０．５／＜１３５＞／ＣｏＦｅＢ０．５／Ｔａ０．３／ＮｉＦｅ１／＜４５＞／ＮｉＦｅ１／Ｔａ０．３／
ＮｉＦｅ１／＜１３５＞／ＮｉＦｅ１／Ｔａ０．３／ＮｉＦｅ１／＜４５＞／ＮｉＦｅ１／Ｔａ０．３／ＮｉＦｅ１／＜１３５＞／ＮｉＦｅ１／Ｔａ０．３／ＮｉＦｅ１／＜４５＞／ＮｉＦｅ１／Ｔａ０．３／ＮｉＦｅ１ （３）
ここで、記号＜０＞、＜４５＞、＜９０＞、及び＜１３５＞は、それぞれ０°、９０°、４５°、及び１３５°の堆積角度θに相当する。

センス層２１構造の他の構成を考慮してよい。

２ 磁気トンネル接合
２１ センス層
２１０ 磁化を検知する
２１１ 第１センス強磁性層
２１２ 第２センス強磁性層
２１３ 第１非磁性層
２１４ 第２強磁性センス層
２１５ 第２非磁性層
２１６ 複層要素
２２ トンネル障壁層
２３ 基準層
２３０ 基準磁化２３１強磁性基準層
２３２ 非磁性基準層
２４ 固定層
θ 堆積角度
Ｈｃ 強制磁場
Ｈ_ｋ 異方性磁場

本発明は、トンネル磁気抵抗装置、及びトンネル磁気抵抗効果を使用する磁場センサに関する。より具体的には、本発明は、低異方性磁場を有する２次元外部磁場を検知する磁場センサに関する。

自己基準磁気トンネル接合が、磁気センサ又はコンパスで磁場を検知するために使用されることがある。自己基準磁気トンネル接合は、典型的には、基準磁化を有する基準層、センス磁化を有するセンス層、及びセンス層と基準層との間のトンネル障壁層とを備える。検知動作中、外部磁場は、センス磁化を基準磁化に対してより平行又はより反平行に整列させる。

２次元磁気検知では、センス層は、通常、大きさが固定され、基準層の磁化の方向に平行な平面内で回転する磁化を有する。通常、センス層は、この平面内で磁化の優先配向を持つ。これは、最低エネルギー配向である。この最低エネルギー配向と最高エネルギー配向との間のエネルギー差に相当する磁場Ｈ_kは、センス層の磁気異方性と呼ばれる。センサの信号は、センス層と基準層の相対的な向きに依存し、角度精度（低い角度誤差）は、この平面で可能な限り低いセンス層の異方性に依存する。これにより、センス層のさまざまな平面方向間のエネルギー差が最小限に抑えられ、結果として 外部磁場方向を厳密に反映するセンサ出力により、センサの角度誤差が低くなる。

ただし、実際には、センス層には有限の磁気異方性がある。センス磁化は、基準層からの有限の漂遊磁場にさらされる可能性がある。これは、外部磁場におけるセンス磁化の整列において、したがって、外部磁場の所与の方向に対する磁気センサ要素の予想される抵抗において、角度誤差を引き起こす。これらの角度誤差は、外部磁場の大きさを下げると角度誤差が増加するため、外部磁場の大きさが小さい場合のセンサの動作マージンを制限する。

角度検知の精度は、そのため、センス層の磁気異方性を低減することによって改善可能である。センス層の厚さを増加させることにより、センス層の磁気異方性を減少可能である。しかしながら、センス層の厚さを増やすと、センス層の平面で不均一な磁化が発生し、性能が低下し、磁気センサの最小使用可能磁場が増加するおそれがある。

特許文献１（ＵＳ２０１４２４２４１８）は、自由強磁性層と、ピン止め強磁性層と、非磁性トンネルバリア層を備える磁気抵抗要素を開示している。自由強磁性層は、薄い非磁性スペーサ副層によって互いに分離された２つの磁性副層を備える。自由強磁性層は、膜表面に垂直に向けられた磁化方向を有する。

特許文献２（ＵＳ６７８８５０２）には、スペーサ層と接触するＣｏ－Ｆｅで形成された第１副層と、Ｎｉ－Ｆｅ－Ｍｏで形成された第２副層とを備える積層自由層を有する磁気トンネル接合センサが記載されている。第２副層のＮｉ－Ｆｅ－Ｍｏ材料は、Ｎｉ－Ｆｅの結晶磁気異方性定数よりもはるかに小さい結晶磁気異方性定数を持っている。

非特許文献１（ゴンザレス－ゲレロら、「磁歪アモルファス（Ｆｅ８０Ｃｏ２０）８０Ｂ２０多層膜の磁気特性に対する堆積誘起応力の影響」、応用物理学ジャーナル１０２、１２３９０３（２００７）には、スパッタアモルファス磁歪（Ｆｅ８０ Ｃｏ２０）の堆積中に誘導される機械的応力の制御が、その磁気特性のカスタム設計を可能にする旨が記載されている。ＦｅＣｏＢ複層膜は、異なる複数のバッファ材料を使用して熱酸化物Ｓｉ（シリコン）基板上にスパッタされている。

米国特許出願公開第２０１４／２４２４１８号明細書 米国特許第６７８８５０２号明細書

Ｇｏｎｚａｌｅｚ－Ｇｕｅｒｒｅｒｏ ｅｔ． ａｌ．， "Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ－ｉｎｄｕｃｅｄ ｓｔｒｅｓｓ ｏｎ ｔｈｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｍａｇｎｅｔｏｓｔｒｉｃｔｉｖｅ ａｍｏｒｐｈｏｕｓ（Ｆｅ８０Ｃｏ２０）８０Ｂ２０ ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒｓ"，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ １０２，１２３９０３（２００７）

本開示は、外部磁場を検知する磁場センサに関し、前記磁場センサは、
固定基準磁化を有する基準層と、
センス磁化を持つセンス強磁性層と、
前記センス強磁性層及び前記基準強磁性層の間のトンネル障壁層とを備える磁気トンネル接合を備える、２次元外部磁場を検知する磁場センサに関する。
センス強磁性層は、
トンネル障壁層に接している第１センス強磁性層と、
第２センス強磁性層と、
第１センス強磁性層及び第２センス強磁性層の間の第１非磁性層とを備え、
前記第２センス強磁性層が、複数の複層要素を備え、各複層要素は、２層の第２強磁性センス層の間に第２非磁性層を備えていて、
前記第２センス強磁性層は２０ｎｍ以下の厚さ、好ましくは１２ｎｍ以下の厚さを持つ。第２非磁性層は高融点金属を含有する。第１強磁性層及び第２強磁性層は、高融点金属を含有しない強磁性材で作られている。

本開示はさらに、磁場センサを製造する方法に関し、前記方法は、以下の
基準層、トンネル障壁層、第１センス強磁性層、第１非磁性層、及び第２センス強磁性層を堆積させる工程を備える。
前記第２センス強磁性層を堆積する工程は、各複層要素について、２層の第２強磁性センス層の間に第２非磁性層を順次堆積する工程を含む、複数の複層要素を堆積する工程を備える。

この磁場センサは、センス層の厚さをさらに増やすことなく、異方性磁場を低減可能である。

本発明は、例として与えられ、図によって示される実施形態の説明の助けを借りて、よりよく理解されるであろう。

一実施形態による、第１センス層及び第２センス層を備える磁気トンネル接合の概略図を示す。 図２は、第２強磁性センス層の間に挟まれた複数の第２非磁性層を備える、第２センス強磁性層の概略図を示す。 異方性磁場と第２非磁性層の厚さとの関係を示すグラフである。 図４ａから図４ｃは、センス層の容易軸及び困難軸方向で測定された磁気ループを報告する図である。 図５は、異方性磁場と第２非磁性層の数との関係を示す。 図６は、異方性磁場と第２非磁性層の厚さとの関係を示す。 図７は、異なる可能な堆積角度を示す磁気トンネル接合の上面図を表す。

図１は、一実施形態による磁気トンネル接合２の概略図を示す。磁気トンネル接合部２は、基準層２３と、センス強磁性層２１と、センス強磁性層２１、２３及び基準強磁性層２１、２３の間のトンネル障壁層２２とを備える。

基準層２３は、固定された基準磁化２３０を有し、一方、センス層２１は、外部磁場の存在下で基準磁化２３０に対して自由に配向可能なセンス磁化２１０を有する。換言すると、磁気トンネル接合部２を備える磁場センサが外部磁場の存在下にある場合、基準磁化２３０は実質的に固定されたままであり、センス磁化２１０は外部磁場の方向に偏向される。

そのために、磁気センサセル１は、反強磁性層２４を備え、反強磁性層２４は、基準磁化２３０を低温閾値Ｔ_Lに固定し、高温しきい値Ｔ_Hで解放するなど、基準層２３を交換結合している。

反強磁性層２４に適した材料には、遷移金属及びそれらの合金が含有され得る。例えば、適切な反強磁性材料には、イリジウム（Ｉｒ）及びＭｎ（例えば、ＩｒＭｎ）に基づく合金などのマンガン（Ｍｎ）を主成分とする（ベース）の合金、Ｆｅ及びＭｎベースの合金（例、ＦｅＭｎ）、白金（Ｐｔ）とＭｎ（例、ＰｔＭｎ）ベースの合金、及びＮｉ及びＭｎに基づく合金（例えば、ＮｉＭｎ）が含まれる。場合によっては、ＩｒとＭｎベース（又はＦｅとＭｎベース）の合金の高温しきい値Ｔ_Hは、次の範囲、約１２０℃から約２２０℃、又は約１５０℃から約２００℃、例えば約２００℃であり、Ｐｔ及びＭｎベース（又はＮｉ及びＭｎベース）の合金の高温しきい値Ｔ_Hよりも低い値にできる。これは、約３００℃から約３５０℃の範囲内の値であることがある。反強磁性層２４に適した材料には、ＮｉＯなどの酸化物層がさらに含有され得る。

可能な１構成では、反強磁性層２４は、約１０ｎｍ又は１２ｎｍの厚さを有する。代替的に、反強磁性層２４は、各層が１ｎｍから２ｎｍの間の厚さを有する複層を備えることがある。

基準層２３は、１つ又は複数の強磁性層（図示せず）を備えてよく、各強磁性層はＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、ＣｏＦｅＢ又はそれらの合金を含有する。基準層２３は、少なくとも２つの強磁性層を備える合成反強磁性体（ＳＡＦ）をさらに備えることがあり、２つの強磁性層は、トンネル障壁層２２から最も遠い強磁性層が反強磁性体によってピン止めされている非磁性層によって分離されている一方で、他の強磁性層は、それらを分離する非磁性層を介して、ＲＫＫＹ結合機構によって隣りの強磁性層に結合されている。非磁性層は、Ｒｕ、Ｉｒ又はＣｕ又はそれらの組み合わせを含有し得る。

トンネル障壁（層）２２は、絶縁材料を備えるか、あるいはそれから形成してよい。適した絶縁材料には、酸化アルミニウム（例えば、ＡＩ₂Ｏ₃）及び酸化マグネシウム（例えば、ＭｇＯ）などの酸化物が含まれる。トンネル障壁層２２の厚さは、約１ｎｍから約３ｎｍなどのナノメートル範囲内であってよい。トンネル障壁２２の最適な厚さは、複数（二重又は複層）のＭｇＯ（又は別の適切な酸化物又は絶縁材料）層を挿入することによって得られる。

センス強磁性層２１は、トンネル障壁層２２と接触している強磁性層２１１と、第２センス強磁性層２１２と、前記第１センス強磁性層２１１及び第２センス強磁性層２１２の間の第１非磁性層２１３とを備える。

図１に示されるように、センス磁化２１０は、外部磁場の存在下で、センス層２１の平面内で配向可能である。換言すると、センス磁化２１０は、平面内で磁化されたままである。

基準層２３の固定（又はピン止め）基準磁化２３０もまた、面内、すなわち、基準層２３の面内にある。磁気センサセル１が反強磁性層２４を備える場合、反強磁性層２４は、面内（反強磁性層２４の面内）に配向された磁化を有する。

１実施形態では、第２センス強磁性層２１２は、複数の複層要素２１６を含み、各複層要素２１６は、２層の第２強磁性センス層２１４の間に第２非磁性層２１５を備える。

第２非磁性層２１５の目的は、第２センス強磁性層２１２の微細構造を、それをより細かに、あるいはアモルファスにさえするように変えることである。
第２センス強磁性層２１２のより細かな又はアモルファスでさえある構造は、センス層２１の磁気異方性を低減し、したがって、２次元磁場センサにおける低磁場角度誤差を改善する。

図２は、５つの複層要素２１６を備える第２センス強磁性層２１２の概略図を示し、各要素は、この順序で、２層の第２強磁性センス層２１４の間に挟まれた第２非磁性層２１５を備える。

１実施形態では、センス層２１の構造は以下の通りである。
ＣоＦｅＢ_1.5Ｔａ_0.3／［ＮｉＦｅ₂Ｔａ_x］＊５／ＮｉＦｅ₂ （１）
ここで、第１センス強磁性層２１１は厚さ１．５ｎｍのＣｏＦｅＢ合金を含有し、第１非磁性層２１３は厚さ０．３ｎｍのＴａ層を備える。第２強磁性センス層２１４は、厚さ２ｎｍのＮｉＦｅ合金を備えて、第２非磁性層２１５は、０．１ｎｍから０．４ｎｍの間で変化する厚さｘを有するＴａ層を備える。

図３は、異方性磁場Ｈ_kと第２非磁性層２１５の厚さとの関係を示すグラフである。異方性磁場Ｈ_kは、次の構造、アニールなしのＣｏＦｅＢ_1.5／Ｔａ_0.3／ＮｉＦｅ₁₂を持つ従来のセンス層２１についても報告されている。図３は、第２非磁性層２１５の厚さが増加するにつれて異方性磁場Ｈ_kが減少することを示す。いくつかの実施形態では、センス層２１は、２４０℃を超えるアニーリング温度でアニールされ得る。例えば、センス層２１は、３１０℃のアニーリング温度で９０分間アニールされ得る。

図４は、センス層２１の構造（１）について、容易軸（０°）及び困難軸（９０°）方向で測定された磁気ループを報告している。センス層２１はアニールされなかった。特に、図４ａ及び図４ｂは、０．３ｎｍの厚さを有する第２非磁性層２１５の磁気ループを示し、図４ｃは、０．５ｎｍの厚さを有する第２非磁性層２１５の磁気ループを示す。図４ａ及び図４ｃにおいて、磁気ループは、容易軸で測定され、約２Ｏｅの強制磁場Ｈ_cを生成している。図４ｂでは、困難軸で測定された磁気ループは、約１３Ｏｅの異方性磁場Ｈ_kを生成している。厚さが０．５ｎｍの第２非磁性層２１５の場合、Ｔａの第２非磁性層２１５を介した反強磁性結合が見られる。そのような反強磁性結合を回避するためには、第２非磁性層２１５の厚さは、０．５ｎｍよりも薄くなければならない。したがって、０．１ｎｍから０．４ｎｍの間の厚さが有利である。１実施形態では、第２非磁性層２１５の厚さは約０．３ｎｍである。

図５は、構造（１）について、異方性磁場Ｈ_kと、第２センス強磁性層２１２における第２非磁性層２１５の数との関係を示す。特に、ＣｏＦｅＢ合金から作られた第１センス強磁性層２１１とＴａ又はＭｇから作られた第２非磁性層２１５について報告された異方性磁場Ｈ_kが報告されている。第１センス強磁性層２１１は、約１．５ｎｍの厚さを有し、第２非磁性層２１５は、約０．２ｎｍ又は０．４ｎｍの厚さを有する。第２センス強磁性層２１２は、約１２ｎｍの厚さを有する。センス層２１は、磁場の非存在下で９０分間、３１０℃でアニールされる。図５は、第２非磁性層２１５がＴａでできている場合、第２非磁性層２１５の数を増やすことにより、異方性磁場Ｈ_kを低減可能なことを示している。

センス層２１のための５層の第２非磁性層２１５の５層という数は、最低値の異方性磁場Ｈ_kを生成し、したがって、最も好ましい構成であるように思われる。第２非磁性層２１５の数は５を超えてよい。しかしながら、第２非磁性層２１５の数を増やすと、センス磁化２１０が減少する傾向がある。

第１センス強磁性層２１１、第１非磁性層２１３、第２強磁性センス層２１４及び第２非磁性層２１５に他の材料を使用可能であり、これらの層の他の厚さは、本願発明の範囲でいろいろ考えてよい。一般に、第２非磁性層２１５は、０．１ｎｍから０．４ｎｍの間で変化する厚さを有してよい。より具体的には、第２非磁性層２１５は、約０．１ｎｍ、０．２ｎｍ、０．３ｎｍ、又は０．４ｎｍの厚さを有し得る。

１変形例では、第１センス強磁性層２１１は、複層構造を備える。例えば、第１センス強磁性層２１１は、２層から５層の強磁性層を備え得る。強磁性層２１１は、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＮｉＦｅ合金又は他の任意の適切な強磁性合金を含有し得る。

例えば、第２非磁性層２１５は、高融点金属を含有し得る。より具体的には、第２非磁性層２１５は、次の金属、Ｔａ、Ｚｒ、Ｗ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｈｆのうちの１つを単独で又は組み合わせて含有し得る。第２強磁性センス層２１０はまた、ＣｏＦｅ又はＣｏＦｅＢ合金で製造してよい。一般に、第２強磁性センス層２１０は、１ｎｍから３ｎｍの間、好ましくは１．１ｎｍから３ｎｍの間、又は１．５ｎｍから５ｎｍの間の厚さを持ち得る。これにより、磁場センサの２次元磁気センシングに必要な、面内磁化方向が保証される。

好ましくは、第２非磁性層２１５は、Ｔａを備える。Ｔａでできている（又はそれを含有する）第２非磁性層２１５は、第１センス強磁性層２１１の平面異方性磁場Ｈ_kを低減することを可能にする。

１観点では、第１センス強磁性層２１１及び第２強磁性センス層２１４は、高融点金属を含まない強磁性材料でできている。特に、センス強磁性層２１１及び第２強磁性センス層２１０は、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｍｎ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔｃ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ又はＩｒのいずれも含まない強磁性材料でできている。実際、第１センス強磁性層２１１及び／又は第２強磁性センス層２１４におけるそのような高融点金属の存在は、磁場センサの２次元磁気センシングに必要とされる面内磁化方向の代わりに、第１及び第２センス強磁性層２１１、２１４の垂直方向を促進する。

例えば、第１センス強磁性層２１１及び第２強磁性センス層２１４は、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＮｉＦｅベースの合金又は他の任意の適切な強磁性合金（高融点金属を含まない）で製造してよい。好ましくは、第１センス強磁性層２１１は、ＣｏＦｅＢベースの合金でできていて、第２強磁性センス層２１４は、ＮｉＦｅベースの合金でできている。後者の構成では、異方性磁場をさらに減らせる。

図６は、センス層２１の構造（１）について、異方性磁場Ｈ_kの値と第２非磁性層２１５の厚さとの関係を示す。第２センス強磁性層２１２は、５つの複層要素２１６を備える。第２非磁性層２１５はＷでできている。この関係は、磁場がない状態で２６０℃でアニールされているセンス層２１について示されている。アニールは、約３０分の加熱ランプと、約３０分の（２６０℃で）アニーリングプラトーと、約３０分の冷却ランプとを備えてよい（それにより、アニール工程の合計時間は約９０分である）。

１実施形態によれば、磁気トンネル接合部２を製造する方法は、堆積ツールを使用して、基準層２３、トンネル障壁層２２、第１センス強磁性層２１１、第１非磁性層２１３、及び第２センス強磁性層２１２を基板（非図示）上に堆積する工程を備える。第２センス強磁性層２１２を堆積する工程は、各複層要素について、２層の第２強磁性センス層２１４の間に第２非磁性層２１５を順次堆積することを含んで、複数の複層要素２１６を堆積する工程を備える。

好ましい１実施形態では、各複層要素２１６は、次の複層要素２１２の堆積角度とは異なる堆積角度θで堆積される。堆積角度θは、複層要素２１６が堆積される基板上の基準角度に対して決められてよい。例えば、そのような基準角度は、ウェーハ上のノッチに相当し得る。基準角度は、蒸着ツールで使用される０°方向を決めてよい。図７は、異なる可能な堆積角度θを示す磁気トンネル接合２の上面図を表す。

１変形例では、複数の複層要素２１６は、堆積角度θを０°及び９０°を含んで変化させて連続的に堆積される。

別の１変形例では、複数の複層要素２１６は、堆積角度θを４５°及び１３５°を含んで変化させて連続的に堆積される。

さらに別の変形例では、複数の複層要素２１６は、堆積角度θを０°、４５°、９０°、及び１３５°を含んで変化させて連続的に堆積される。

堆積角度θを変える工程は、第１センス強磁性層２１１、トンネル障壁層２２、及び基準層２３を含む、磁気トンネル接合２の他の層を堆積するときにも使用可能である。

複層要素２１６を堆積するときに堆積角度θを変化させることにより、平均化が可能になり、センス層２１の磁気異方性が減少する。残る可能性のある残留磁気異方性は、第２非磁性層２１５を導入することによってさらに減少可能である。

いくつかの実施形態では、堆積角度θは一定である場合があり、あるいは堆積角度θは、例えば、磁気トンネル接合層が堆積される基板を連続的に回転させることによって、連続的に変化させる場合がある。

様々な実施形態において、センス層２１の構造は、以下のようになる場合がある。
ＣｏＦｅＢ０．５／＜０＞／ＣｏＦｅＢ０．５／＜９０＞／ＣｏＦｅＢ０．５／Ｔａ０．３／ＮｉＦｅ１／＜０＞／ＮｉＦｅ１／Ｔａ０．３／
ＮｉＦｅ１／＜９０＞／ＮｉＦｅ１／Ｔａ０．３／ＮｉＦｅ１／＜０＞／ＮｉＦｅ１／Ｔａ０．３／ＮｉＦｅ１／＜９０＞／ＮｉＦｅ１／Ｔａ０．３／ＮｉＦｅ１／＜０＞／ＮｉＦｅ１／Ｔａ０．３／ＮｉＦｅ１ （２）
ＣｏＦｅＢ０．５／＜４５＞／ＣｏＦｅＢ０．５／＜１３５＞／ＣｏＦｅＢ０．５／Ｔａ０．３／ＮｉＦｅ１／＜４５＞／ＮｉＦｅ１／Ｔａ０．３／
ＮｉＦｅ１／＜１３５＞／ＮｉＦｅ１／Ｔａ０．３／ＮｉＦｅ１／＜４５＞／ＮｉＦｅ１／Ｔａ０．３／ＮｉＦｅ１／＜１３５＞／ＮｉＦｅ１／Ｔａ０．３／ＮｉＦｅ１／＜４５＞／ＮｉＦｅ１／Ｔａ０．３／ＮｉＦｅ１ （３）
ここで、記号＜０＞、＜４５＞、＜９０＞、及び＜１３５＞は、それぞれ０°、９０°、４５°、及び１３５°の堆積角度θに相当する。

センス層２１構造の他の構成を考慮してよい。

２ 磁気トンネル接合
２１ センス層
２１０ 磁化を検知する
２１１ 第１センス強磁性層
２１２ 第２センス強磁性層
２１３ 第１非磁性層
２１４ 第２強磁性センス層
２１５ 第２非磁性層
２１６ 複層要素
２２ トンネル障壁層
２３ 基準層
２３０ 基準磁化２３１強磁性基準層
２３２ 非磁性基準層
２４ 固定層
θ 堆積角度
Ｈｃ 強制磁場
Ｈ_k 異方性磁場

Claims (18)

1. 基準層（２３）の平面に配向された固定基準磁化（２３０）を有する基準層（２３）と、
   センス強磁性層（２１）の平面内で配向可能なセンス磁化（２１０）を持つセンス強磁性層（２１）と、
   センス強磁性層（２１）及び基準強磁性層（２３）の間のトンネル障壁層（２２）と
   を備える磁気トンネル接合（２）を備えて、
   センス強磁性層（２１）が、
   トンネル障壁層（２２）に接している第１センス強磁性層（２１１）と、
   第２センス強磁性層（２１２）と、
   第１センス強磁性層（２１１）及び第２センス強磁性層（２１２）の間の第１非磁性層（２１３）とを備える、２次元外部磁場を検知する磁場センサであって、
   前記第２センス強磁性層（２１２）が、複数の複層要素（２１６）を備え、各複層要素（２１６）は、２層の第２強磁性センス層（２１４）の間に第２非磁性層（２１５）を備えていて、
   前記第２センス強磁性層（２１２）は２０ｎｍ以下の厚さを持つ
   ことを特徴とする２次元外部磁場を検知する磁場センサ。
2. 第２センス強磁性層（２１２）は２層から１０層の間の数の複層要素（２１６）を備える、請求項１に記載の磁場センサ。
3. 複層構成が５層の複層要素（２１６）を備える、請求項２に記載の磁場センサ。
4. 第２強磁性センス層（２１４）がＮｉＦｅ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場センサ。
5. 第１強磁性センス層（２１１）がＣｏＦｅＢ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場センサ。
6. 第２非磁性層（２１５）が高融点材を含有している、請求項１から５のいずれか一項に記載の磁場センサ。
7. 第２非磁性層（２１５）がＴａ、Ｚｒ、Ｗ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｈｆの金属の中の単一又は組み合わせを含有している、請求項６に記載の磁場センサ。
8. 第２非磁性層（２１５）が０．１ｎｍ及び０．４ｎｍの間の値の厚さを持っている、請求項１から７のいずれか一項に記載の磁場センサ。
9. 第２非磁性層が約０．２ｎｍ、約０．３ｎｍ、約０．４ｎｍのいずれかの値の厚さを持っている、請求項８に記載の磁場センサ。
10. 第２強磁性センス層（２１４）が、１ｎｍ及び３ｎｍの間の厚さ、好ましくは１．１ｎｍ及び３ｎｍの間の厚さ、又は１．５ｎｍ及び５ｎｍの間の厚さを持っている、請求項１から９のいずれか一項に記載の磁場センサ。
11. 基準層（２３）と、トンネル障壁層（２２）と、第１センス強磁性層（２１１）と、第１非磁性層（２１３）と、第２センス強磁性層（２１２）とを堆積する工程を備える、請求項１から１０のいずれか一項に記載の磁場センサの製造方法において、
    前記第２センス強磁性層（２１２）を堆積する工程が、
    各複層要素に、２層の第２非磁性層（２１４）の間に第２非磁性層（２１５）を連続的に堆積する工程を含む、複数の複層要素（２１６）を堆積する工程を備えることを特徴とする、前記製造方法。
12. 各複層要素（２１６）は、次の複層要素（２１６）の堆積角度と異なる堆積角度（θ）で基板上に堆積され、
    前記堆積角度は、複層要素（２１６）が堆積される前記基板上の基準角度に対して決定される、請求項１１に記載の磁場センサの製造方法。
13. 複数の複層要素（２１６）は、０°及び９０°の間の堆積角度（θ）を変えながら連続的に堆積される、請求項１２に記載の磁場センサの製造方法。
14. ２４０℃超でのアニール工程をさらに備える、請求項１１から１３のいずれか一項に記載の磁場センサの製造方法。
15. 前記アニール工程が約９０分の間約３１０℃で実施される、請求項１４に記載の磁場センサの製造方法。
16. 第２非磁性層（２１５）はＴａの１つを備える、請求項１から１５のいずれか一項に記載の磁場センサ。
17. 第１センス強磁性層（２１１）及び第２強磁性層センス層（２１４）は、高融点金属の強磁性材を含有していない、請求項１から１７のいずれか一項に記載の磁場センサ。
18. 第２強磁性層センス層（２１４）がＮｉＦｅ合金を含有していて、第１強磁性センス層（２１１）がＣｏＦｅＢ合金を含有している、請求項１８に記載の磁場センサの製造方法。

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