JP2002289943A - Magnetic sensor - Google Patents

Magnetic sensor

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JP2002289943A
JP2002289943A JP2001088231A JP2001088231A JP2002289943A JP 2002289943 A JP2002289943 A JP 2002289943A JP 2001088231 A JP2001088231 A JP 2001088231A JP 2001088231 A JP2001088231 A JP 2001088231A JP 2002289943 A JP2002289943 A JP 2002289943A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a magnetoresistance effect magnetic sensor of high MR ratio. SOLUTION: An MOSFET 2 comprises a source region 12, a drain region 13, and a base electrode 20, which acts as a gate electrode and is formed through a gate insulating film 16, on a semiconductor substrate 11. A TMR element 1 is formed to adjoin a gate lead-out electrode 18, while separated from it, on the base electrode 20, with a bias electrode 17 being formed on its upper surface to feed a constant current. With this configuration, the TMR element 1 is applied with a constant current to change a gate device of the MOSFET 2, and an output, in which an MR ratio of the TMR element 1 is amplified, is obtained as the source/drain current of the MOSFET 2.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は磁気センサーに関
し、特に高密度HDD用磁気へッドに好適な磁気抵抗効
果型磁気センサーに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a magnetic sensor, and more particularly to a magnetoresistive magnetic sensor suitable for a magnetic head for a high-density HDD.

【0002】[0002]

【従来の技術】磁性膜を用いた磁気抵抗効果素子は、磁
気センサー、磁気ヘッドなどに用いられているととも
に、磁気記録素子(磁気抵抗効果メモリー)などへの応
用が提案されている。これらの磁気抵抗効果素子は、外
部磁界に対する感度が大きいこと、応答スピードが早い
ことが要求されている。
2. Description of the Related Art A magnetoresistive element using a magnetic film is used for a magnetic sensor, a magnetic head, and the like, and has been proposed for application to a magnetic recording element (a magnetoresistive memory). These magnetoresistive elements are required to have a high sensitivity to an external magnetic field and a high response speed.

【0003】磁気抵抗効果は、磁性体に磁場を印加する
と電気抵抗が変化する現象である。強磁性体を用いた磁
気抵抗効果素子(MR素子)は、温度安定性に優れ、使
用温度範囲が広いという特徴を有している。
[0003] The magnetoresistance effect is a phenomenon in which the electric resistance changes when a magnetic field is applied to a magnetic material. A magnetoresistive effect element (MR element) using a ferromagnetic material is characterized by having excellent temperature stability and a wide operating temperature range.

【0004】また、近年、2つの磁性金属層の間に一層
の誘電体を挿入したサンドイッチ膜において、膜面に垂
直に電流を流し、トンネル電流を利用した磁気抵抗効果
素子、いわゆる強磁性トンネル接合素子(TMR素子)
が見出されている。強磁性トンネル接合は、20%以上
の磁気抵抗変化率が得られるようになったことから(J.
Appl. Phys. 79,4724(1996) )、磁気ヘッドや磁気抵
抗効果メモリへの応用の可能性が高まってきた。
In recent years, in a sandwich film in which one dielectric layer is inserted between two magnetic metal layers, a current flows perpendicularly to the film surface, and a magnetoresistive effect element utilizing a tunnel current, a so-called ferromagnetic tunnel junction. Element (TMR element)
Are found. Since the ferromagnetic tunnel junction can obtain a magnetoresistance change rate of 20% or more (J.
Appl. Phys. 79, 4724 (1996)), and the possibility of application to magnetic heads and magnetoresistive memories has been increasing.

【0005】この強磁性トンネル接合は、薄い0.4n
m〜2.0nm厚のAl層を強磁性電極上に成膜した
後、表面を純酸素または酸素グロー放電、または酸素ラ
ジカルに曝すことによって、AlOx からなるトンネル
バリア層を形成している。
This ferromagnetic tunnel junction has a thin 0.4n
After forming the M~2.0Nm Al layer having a thickness on the ferromagnetic electrode, by exposing the surface to pure oxygen or oxygen glow discharge or oxygen radical to form a tunnel barrier layer made of AlO x.

【0006】この強磁性トンネル接合素子(強磁性1重
トンネル接合)では、所望の出力電圧値を得るため強磁
性トンネル接合素子に印加する電圧値を増やすと磁気抵
抗変化率がかなり減少するという問題(Phys. Rev. L
ett. 74,3273(1995))および、抵抗値が大きすぎると
ショットノイズの影響で充分なS/N比が得られないこ
と、抵抗値を低くするためトンネルバリア層の厚さを薄
くするとMRが小さくなってしまうことなどの問題があ
った。
In this ferromagnetic tunnel junction device (ferromagnetic single tunnel junction), when the voltage value applied to the ferromagnetic tunnel junction device is increased to obtain a desired output voltage value, the rate of change in magnetoresistance is considerably reduced. (Phys. Rev. L
ett. 74, 3273 (1995)), and that if the resistance value is too large, a sufficient S / N ratio cannot be obtained due to the effect of shot noise, and if the thickness of the tunnel barrier layer is reduced to reduce the resistance value, the MR There was a problem that the size became smaller.

【0007】また、上記強磁性1重トンネル接合の片一
方の強磁性層に反強磁性層を付与し、片方を磁化固定層
とした構造を有する強磁性1重トンネル接合が提案され
ている(特開平10−4227)。しかし、この強磁性
トンネル接合素子(強磁性1重トンネル接合)でも、同
様の問題が存在する。
A ferromagnetic single tunnel junction having a structure in which an antiferromagnetic layer is provided on one of the ferromagnetic layers of the ferromagnetic single tunnel junction and one of the ferromagnetic single tunnel junctions has a fixed magnetization layer has been proposed ( JP-A-10-4227). However, this ferromagnetic tunnel junction device (ferromagnetic single tunnel junction) has the same problem.

【0008】また、誘電体中に分散した磁性粒子を介し
た強磁性トンネル接合、または、強磁性2重トンネル接
合が提案されている(特願平9−260743、Phys.
Rev.B56(10),R5747(1997)、応用磁気学会誌23,4-2,(19
99)、APPI. Phys. Lett. 73(19) ,2829(1998))。これ
らにおいても、20%以上の磁気抵抗変化率が得られる
ようになったことから磁気へッドや磁気抵抗効果メモリ
への応用の可能性がある。
A ferromagnetic tunnel junction or a ferromagnetic double tunnel junction via magnetic particles dispersed in a dielectric has been proposed (Japanese Patent Application No. 9-260743, Phys.
Rev.B56 (10), R5747 (1997), Journal of the Japan Society of Applied Magnetics 23,4-2, (19
99), APPI. Phys. Lett. 73 (19), 2829 (1998)). Also in these, since a magnetoresistance change rate of 20% or more can be obtained, there is a possibility of application to a magnetic head or a magnetoresistance effect memory.

【0009】これら強磁性2重トンネル接合では、強磁
性1重トンネル接合に比べて、バイアス電圧にともなう
MR比の低下が少ないため、大きな出力が得られるとい
う特徴を有している。しかし、バリア層が2層になるた
めS/N比に関しては強磁性1重トンネル接合と同様の
またはそれ以上の問題がある。
[0009] These ferromagnetic double tunnel junctions have the characteristic that a large output can be obtained since the MR ratio is less reduced with a bias voltage than the ferromagnetic single tunnel junction. However, since the number of barrier layers is two, the S / N ratio has a problem similar to or higher than that of the ferromagnetic single tunnel junction.

【0010】これらを解決するために、トランジスタの
ゲート部に強磁性体電極を設けその上にトンネルバリア
を作製し、そのトンネルバリアの上に電気的に並列に接
続された第二、第三の強磁性体膜を設けた磁気抵抗効果
素子が提案されている(特開平11−266043)。
In order to solve these problems, a ferromagnetic electrode is provided at the gate of the transistor, a tunnel barrier is formed thereon, and the second and third electrodes are electrically connected in parallel on the tunnel barrier. A magnetoresistive element provided with a ferromagnetic film has been proposed (JP-A-11-266043).

【0011】しかし、この素子においては、1重トンネ
ル接合を用いているため、バイアス電圧にともなうMR
比の低下が存在し、ゲートに十分な電圧差が印加できな
いとともに、トンネル接合のブレークダウン等の問題が
生じる可能性がある。
However, in this device, since a single tunnel junction is used, the MR accompanying the bias voltage is increased.
There is a decrease in the ratio, so that a sufficient voltage difference cannot be applied to the gate, and problems such as breakdown of the tunnel junction may occur.

【0012】また、強磁性体をゲート電極に用いている
ため、この膜厚はエレクトロマイグレーション(EM)
などの問題を防ぐにはある程度以上にはしなければなら
ない。そのため、ゲート電極上に作製したトンネルバリ
アは、ゲート電極のエッジ上の部分において膜厚が不均
一となり、エツジからのリーク電流が増大し、歩留まり
が非常に悪くなる可能性がある。また、強磁性層をゲー
ト配線に用いた場合、プロセス温度の上昇に伴いトラン
ジスタの特性がばらつく問題もある。
In addition, since a ferromagnetic material is used for the gate electrode, the thickness of the gate electrode is controlled by electromigration (EM).
To prevent such problems, it must be done to some extent. Therefore, the thickness of the tunnel barrier formed on the gate electrode becomes uneven at a portion on the edge of the gate electrode, the leak current from the edge increases, and the yield may be extremely deteriorated. Further, when a ferromagnetic layer is used for the gate wiring, there is a problem that the characteristics of the transistor vary as the process temperature increases.

【0013】[0013]

【発明が解決しようとする課題】上述のように、磁気セ
ンサーに使用される強磁性トンネル接合素子では、所望
の出力電圧値を得るため強磁性トンネル接合素子に印加
する電圧値を増やすと磁気抵抗変化率がかなり減少す
る、あるいは磁気抵抗値が大きすぎるとショットノイズ
の影響で充分なS/N比が得られない、磁気抵抗値を低
くするためトンネルバリア層の厚さを薄くするとMR比
が小さくなってしまうなどの問題があった。
As described above, in the ferromagnetic tunnel junction device used for the magnetic sensor, when the voltage value applied to the ferromagnetic tunnel junction device is increased in order to obtain a desired output voltage value, the magnetoresistance is increased. If the rate of change is significantly reduced, or if the magnetoresistance is too large, a sufficient S / N ratio cannot be obtained due to shot noise. If the thickness of the tunnel barrier layer is reduced to reduce the magnetoresistance, the MR ratio will increase. There were problems such as becoming smaller.

【0014】このため、強磁性トンネル接合素子とトラ
ンジスタを組み合わせた磁気センサーが提案されている
が、上記の強磁性トンネル接合素子の問題点が解決され
ておらず、また組み合わせ構造に起因する問題もある。
For this reason, a magnetic sensor in which a ferromagnetic tunnel junction element and a transistor are combined has been proposed. However, the above-mentioned problems of the ferromagnetic tunnel junction element have not been solved. is there.

【0015】本発明は、上記の問題を解決するためにな
されたものであり、大容量HDD用に好適で信頼性の高
い磁気抵抗効果型磁気センサーを提供することを課題と
している。
The present invention has been made to solve the above-mentioned problem, and has as its object to provide a highly reliable magnetoresistive magnetic sensor suitable for a large-capacity HDD.

【0016】[0016]

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、本発明の第1の磁気センサーは、半導体基板と、
前記半導体基板表面に形成された一対のソース・ドレイ
ン領域と、前記一対のソース・ドレイン領域で挟まれた
半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート
絶縁膜上に形成されたゲート電極と、前記ゲート電極に
電気的に接続され、第1の反強磁性層と、第1の強磁性
層と、第1のトンネルバリア層と、第2の強磁性層と、
第2のトンネルバリア層と、第3の強磁性層と、第2の
反強磁性層とがこの順に積層された強磁性トンネル接合
素子とを具備することを特徴とする。
In order to solve the above-mentioned problems, a first magnetic sensor according to the present invention comprises a semiconductor substrate,
A pair of source / drain regions formed on the surface of the semiconductor substrate, a gate insulating film formed on the semiconductor substrate sandwiched between the pair of source / drain regions, and a gate electrode formed on the gate insulating film And a first antiferromagnetic layer, a first ferromagnetic layer, a first tunnel barrier layer, a second ferromagnetic layer, electrically connected to the gate electrode,
A ferromagnetic tunnel junction element in which a second tunnel barrier layer, a third ferromagnetic layer, and a second antiferromagnetic layer are stacked in this order is provided.

【0017】本発明の第2の磁気センサーは、半導体基
板と、前記半導体基板表面に形成された一対のソース/
ドレイン領域と、前記一対のソース・ドレイン領域で挟
まれた半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜と、前記
ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、前記ゲート
電極に電気的に接続され、第1の反強磁性層と、第1の
強磁性層と、トンネルバリア層と、第2の強磁性層と、
第2の反強磁性層とがこの順に積層された強磁性トンネ
ル接合素子と、前記下地電極と前記第1の反強磁性層と
の間、或いは第2の反強磁性層の上に形成された抵抗層
とを具備することを特徴とする。
A second magnetic sensor according to the present invention comprises a semiconductor substrate and a pair of sources / sources formed on the surface of the semiconductor substrate.
A drain region, a gate insulating film formed over the semiconductor substrate sandwiched between the pair of source / drain regions, a gate electrode formed over the gate insulating film, and electrically connected to the gate electrode; A first antiferromagnetic layer, a first ferromagnetic layer, a tunnel barrier layer, a second ferromagnetic layer,
A ferromagnetic tunnel junction device in which a second antiferromagnetic layer is stacked in this order, between the base electrode and the first antiferromagnetic layer, or on the second antiferromagnetic layer. And a resistance layer.

【0018】本発明の第3の磁気センサーは、接合を形
成する第1導電型半導体領域と第2導電型半導体領域と
を有するダイオードと、前記ダイオードの第1導電型半
導体領域上に形成された下地電極と、前記下地電極上に
形成され、第1の反強磁性層と、第1の強磁性層と、第
1のトンネルバリア層と、第2の強磁性層と、第2のト
ンネルバリア層と、第3の強磁性層と、第2の反強磁性
層とがこの順に積層された強磁性トンネル接合素子とを
具備することを特徴とする。
A third magnetic sensor according to the present invention includes a diode having a first conductivity type semiconductor region and a second conductivity type semiconductor region forming a junction, and a diode formed on the first conductivity type semiconductor region of the diode. A base electrode, a first antiferromagnetic layer, a first ferromagnetic layer, a first tunnel barrier layer, a second ferromagnetic layer, and a second tunnel barrier formed on the base electrode. A ferromagnetic tunnel junction element in which a layer, a third ferromagnetic layer, and a second antiferromagnetic layer are stacked in this order.

【0019】本発明の第4の磁気センサーは、接合を形
成する第1導電型半導体領域と第2導電型半導体領域と
を有するダイオードと、前記ダイオードの第1導電型領
域上に形成された下地電極と、前記下地電極上に形成さ
れ、第1の反強磁性層と、第1の強磁性層と、トンネル
バリア層と、第2の強磁性層と、第2の反強磁性層とが
この順に積層された強磁性トンネル接合素子と、前記下
地電極と前記第1の反強磁性層との間、或いは第2の反
強磁性層の上に形成された抵抗層とを具備することを特
徴とする。
According to a fourth magnetic sensor of the present invention, there is provided a diode having a first conductivity type semiconductor region and a second conductivity type semiconductor region forming a junction, and an underlayer formed on the first conductivity type region of the diode. An electrode, a first antiferromagnetic layer, a first ferromagnetic layer, a tunnel barrier layer, a second ferromagnetic layer, and a second antiferromagnetic layer formed on the base electrode. A ferromagnetic tunnel junction element stacked in this order; and a resistive layer formed between the base electrode and the first antiferromagnetic layer or on the second antiferromagnetic layer. Features.

【0020】[0020]

【発明の実施の形態】以下図面を参照して本発明の実施
の形態を説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0021】(第1の実施形態)図1は本発明の第1の実
施形態に係る磁気抵抗効果型磁気センサーの原理を説明
するための等価回路図である。図1(a)では、トンネ
ル磁気抵抗素子(TMR素子)1の一端がMOSFET
2のゲートに接続され、TMR素子1にはその他端から
定電流iを流す。TMR素子1の他端を例えば接地電位
とし、TMR素子の一端の電位(MOSFET2のゲー
ト電位)がMOSFET2の閾値電圧以下であれば、M
OSFET2は非導通であり、閾値電位以上になればM
OSFET2は導通する。即ち、TMR素子1の僅かな
抵抗変化をMOSFET2により増幅することができ
る。
(First Embodiment) FIG. 1 is an equivalent circuit diagram for explaining the principle of a magnetoresistive magnetic sensor according to a first embodiment of the present invention. In FIG. 1A, one end of a tunnel magnetoresistive element (TMR element) 1 is a MOSFET.
2 and a constant current i flows through the TMR element 1 from the other end. If the other end of the TMR element 1 is set to the ground potential, for example, and the potential at one end of the TMR element (gate potential of the MOSFET 2) is equal to or lower than the threshold voltage of the MOSFET 2,
OSFET2 is non-conducting, and when the voltage exceeds the threshold potential, M
OSFET2 conducts. That is, a slight resistance change of the TMR element 1 can be amplified by the MOSFET 2.

【0022】図1(b)は、TMR素子1に直列に調整
用抵抗3を接続したもので、MOSFET2の閾値電圧
近傍にゲート電圧の動作点を合わせるための調整を可能
にした例である。
FIG. 1B shows an example in which an adjusting resistor 3 is connected in series to the TMR element 1 and an adjustment for adjusting the operating point of the gate voltage near the threshold voltage of the MOSFET 2 is made possible.

【0023】図2は、本発明の第1の実施形態に係る磁
気抵抗効果素子10の摸式的な斜視図である。MOSF
ET2は半導体基板11に形成されたソース領域12、
ドレイン領域13、ゲート絶縁膜16を介して形成され
たゲートとしての下地電極20により構成されている。
参照番号14,15は夫々ソース電極、ドレイン電極で
あり、18は下地電極20に接続されたゲート取り出し
電極である。
FIG. 2 is a schematic perspective view of the magnetoresistive element 10 according to the first embodiment of the present invention. MOSF
ET2 is a source region 12 formed on a semiconductor substrate 11,
A drain electrode 13 and a base electrode 20 as a gate formed with a gate insulating film 16 interposed therebetween.
Reference numerals 14 and 15 are a source electrode and a drain electrode, respectively, and 18 is a gate extraction electrode connected to the base electrode 20.

【0024】TMR素子1は下地電極20上にゲート引
き出し電極18と隣接しかつ離隔して形成され、その上
面には定電流を流し込むバイアス電極17が形成されて
いる。また、図示はしていないが、TMR素子1と下地
電極20或いはバイアス電極17との間にゲート電圧調
整用の抵抗膜を備えることができる。
The TMR element 1 is formed on the base electrode 20 so as to be adjacent to and separated from the gate lead-out electrode 18, and has a bias electrode 17 for flowing a constant current formed on the upper surface thereof. Although not shown, a resistive film for adjusting a gate voltage can be provided between the TMR element 1 and the base electrode 20 or the bias electrode 17.

【0025】図3は、TMR素子1の層構成を説明する
ための断面図である。半導体基板11には、ソース・ド
レイン領域12,13が形成され、このソース・ドレイ
ン領域12,13に挟まれた領域上にはゲート絶縁膜1
6を介して下地電極20が形成されている。下地電極2
0は、少なくともソース・ドレイン領域12,13に挟
まれた半導体基板の領域上に形成されていることが望ま
しい。
FIG. 3 is a cross-sectional view for explaining the layer structure of the TMR element 1. Source / drain regions 12 and 13 are formed in a semiconductor substrate 11, and a gate insulating film 1 is formed on a region between the source / drain regions 12 and 13.
The base electrode 20 is formed with the interposition of the base electrode 6. Base electrode 2
0 is desirably formed at least on a region of the semiconductor substrate sandwiched between the source / drain regions 12 and 13.

【0026】下地電極20の上面の1領域にはTMR素
子1が形成されている。この例では、TMR素子1は、
下地電極20上に抵抗調整膜25を介して順次形成され
た反強磁性層21、強磁性層(磁気固着層)22、トン
ネルバリア層23、強磁性層(記録層)22から構成さ
れている。強磁性層22の上には、バイアス電極17が
形成されている。抵抗調整膜25は下地電極20上に必
ずしも形成する必要は無く、TMR素子1とバイアス電
極17の間、或いはバイアス電極17につながる回路部
に設けてもよい。或いは抵抗調整膜25を設けなくても
よい。
The TMR element 1 is formed in one region on the upper surface of the base electrode 20. In this example, the TMR element 1
An antiferromagnetic layer 21, a ferromagnetic layer (magnetic pinned layer) 22, a tunnel barrier layer 23, and a ferromagnetic layer (recording layer) 22 are sequentially formed on a base electrode 20 via a resistance adjusting film 25. . The bias electrode 17 is formed on the ferromagnetic layer 22. The resistance adjusting film 25 does not necessarily need to be formed on the base electrode 20 and may be provided between the TMR element 1 and the bias electrode 17 or in a circuit portion connected to the bias electrode 17. Alternatively, the resistance adjusting film 25 may not be provided.

【0027】下地電極20の他の領域には、ゲート引出
し電極18が形成されている。ゲート引出し電極18
は、TMR素子1の反強磁性層21、あるいは強磁性層
22/反強磁性層21をゲート引出し電極18の下部ま
で延在させ、これらを介して接続するようにしてもよ
い。
The gate extraction electrode 18 is formed in another region of the base electrode 20. Gate extraction electrode 18
Alternatively, the antiferromagnetic layer 21 or the ferromagnetic layer 22 / the antiferromagnetic layer 21 of the TMR element 1 may be extended to below the gate extraction electrode 18 and connected through these.

【0028】図3では、TMR素子1として、反強磁性
層を磁気固着層側の1層だけとしたが、フリー層側の一
部に、もう1層設けてもよい。また、図3では強磁性1
重トンネル接合を示したが、図4に示すように、強磁性
2重トンネル接合としてもよい。
In FIG. 3, the TMR element 1 has only one antiferromagnetic layer on the magnetic pinned layer side. However, another layer may be provided on a part of the free layer side. Further, in FIG.
Although a heavy tunnel junction is shown, a ferromagnetic double tunnel junction may be used as shown in FIG.

【0029】即ち、図4のTMR素子は、反強磁性層3
1/強磁性層(固着層)32/トンネルバリア層33/
強磁性層(記録層)34/トンネルバリア層35/強磁
性層(磁気固着層)36/反強磁性層37からなる強磁
性2重トンネル接合構造を有する。
That is, the TMR element shown in FIG.
1 / ferromagnetic layer (fixed layer) 32 / tunnel barrier layer 33 /
It has a ferromagnetic double tunnel junction structure composed of a ferromagnetic layer (recording layer) 34 / tunnel barrier layer 35 / ferromagnetic layer (magnetic pinned layer) 36 / antiferromagnetic layer 37.

【0030】また、上記の強磁性層の少なくとも1層を
強磁性層/非磁性層/強磁性層の3層構造としても良
い。図5は、図4の強磁性層32を強磁性層32−1/
非磁性層38/強磁性層32−2とした例である。
At least one of the above ferromagnetic layers may have a three-layer structure of a ferromagnetic layer / a nonmagnetic layer / a ferromagnetic layer. FIG. 5 shows the ferromagnetic layer 32 of FIG.
This is an example in which the nonmagnetic layer 38 and the ferromagnetic layer 32-2 are used.

【0031】本実施形態では、図3に示したようにMO
SFET2のゲート部に下地電極層を介して強磁性トン
ネル接合/抵抗調整膜の積層膜が配置されている。上記
構造において、下地電極層は、磁性体の拡散が抑えられ
れば良く、Ti,Ta,Wまたはこれらの金属の酸化
膜、または窒化膜などを用いることができる。これらを
設けることによって、ゲート部に磁性体を付与しても、
MOSFET2のゲート部形成後の300℃以上のアニ
ールプロセスにおいて特性が変動することが無く、信頼
性の高い磁気センサーを提供することができる。
In this embodiment, as shown in FIG.
A laminated film of a ferromagnetic tunnel junction / resistance adjustment film is disposed at the gate of the SFET 2 via a base electrode layer. In the above structure, the base electrode layer only needs to suppress diffusion of the magnetic substance, and may be made of Ti, Ta, W, or an oxide film or a nitride film of these metals. By providing these, even if a magnetic material is applied to the gate portion,
In the annealing process at 300 ° C. or higher after the gate portion of the MOSFET 2 is formed, the characteristics do not change and a highly reliable magnetic sensor can be provided.

【0032】強磁性トンネル接合の記録層のスピンが媒
体等の漏れ磁場により方向を変え、磁気固着層のスピン
の方向との相対的な角度が変化するため、TMR素子1
の磁気抵抗が変化する。この抵抗変化がMOSFET2
のゲート電圧を変化させ、ソース・ドレイン間の電流が
大きく変化する。このようにして、S/N比の大きい磁
気センサーを提供することができる。
The spin of the recording layer of the ferromagnetic tunnel junction changes its direction due to the leakage magnetic field of the medium or the like, and the relative angle to the spin direction of the magnetic pinned layer changes.
Changes the magnetic resistance of the magnetic field. This resistance change is MOSFET2
And the current between the source and the drain greatly changes. Thus, a magnetic sensor having a large S / N ratio can be provided.

【0033】図には示していないが、バルクハウゼンノ
イズを少なくするために、CoPtなどのハードバイア
ス層または、反強磁性層を強磁性トンネル接合の記録層
の一部に付与することが好ましい。また、HDD用読み
出しへッドとして用いる場合は、図3の上下にはNi−
Feなどのシールド層を設けて、記録ヘッドとの磁気シ
ールドとする。
Although not shown, a hard bias layer such as CoPt or an antiferromagnetic layer is preferably provided on a part of the recording layer of the ferromagnetic tunnel junction in order to reduce Barkhausen noise. When used as an HDD read head, Ni-
A magnetic shield with a recording head is provided by providing a shield layer of Fe or the like.

【0034】次に、具体例として図4のTMR素子を図
3の磁気センサーに適用した例を説明する。強磁性トン
ネル接合は、強磁性2重トンネル接合構造、即ち反強磁
性層31/強磁性層32/バリア層33/強磁性層34
/バリア層35/強磁性層36/反強磁性層37とし
て、Ir−Mn/Co70Fe30/AlOX/(Co70
3080Ni20/AlOx/Co70Fe30/Ir−Mn
の積層体をMOSFET2のゲート部のWの窒化膜から
なる下部電極20上に作製した。上記構造において、ト
ンネルバリア層33、35は、金属Alを成膜後プラズ
マ酸化を行って作製した。
Next, a specific example in which the TMR element of FIG. 4 is applied to the magnetic sensor of FIG. 3 will be described. The ferromagnetic tunnel junction has a ferromagnetic double tunnel junction structure, that is, an antiferromagnetic layer 31, a ferromagnetic layer 32, a barrier layer 33, and a ferromagnetic layer.
/ As a barrier layer 35 / a ferromagnetic layer 36 / an antiferromagnetic layer 37, Ir-Mn / Co 70 Fe 30 / AlO X / (Co 70 F
e 30 ) 80 Ni 20 / AlO x / Co 70 Fe 30 / Ir-Mn
Was formed on the lower electrode 20 made of a W nitride film at the gate of the MOSFET 2. In the above structure, the tunnel barrier layers 33 and 35 were formed by performing plasma oxidation after forming metal Al.

【0035】上記の試料に関し、MOSFET2のドレ
イン・ソース間電流の相対値Idの変化を図6に示す。
図示のように、フリー層のスピンの方向に応じて、MR
変化率は105 %オーダーもの大きな変化を示し、本特
許の有効性が確認された。
FIG. 6 shows a change in the relative value Id of the drain-source current of the MOSFET 2 with respect to the above sample.
As shown in the figure, depending on the spin direction of the free layer, the MR
The rate of change showed a large change of the order of 10 5 %, confirming the validity of the present patent.

【0036】(第2の実施形態)図7は本発明の第2の
実施形態に係る磁気センサーの原理を説明するための等
価回路図である。図7(a)では、トンネル磁気抵抗素
子(TMR素子)1の一端がダイオード4のアノードに
接続され、TMR素子1には定電流iを流す。TMR素
子1の他端を例えば接地電位とし、TMR素子の一端の
電位(ダイオード4のアノード電位)とダイオードのカ
ソード電位の差がダイオード4の閾値電圧以下であれ
ば、ダイオード4は非導通であり、閾値電圧以上になれ
ばダイオード4は導通する。即ち、TMR素子1の僅か
な抵抗変化をダイオード4の順方向電流の立ち上がりカ
ーブを利用して増幅することができる。
(Second Embodiment) FIG. 7 is an equivalent circuit diagram for explaining the principle of a magnetic sensor according to a second embodiment of the present invention. In FIG. 7A, one end of a tunnel magnetoresistive element (TMR element) 1 is connected to the anode of a diode 4, and a constant current i flows through the TMR element 1. The other end of the TMR element 1 is set to, for example, the ground potential. If the difference between the potential of one end of the TMR element (the anode potential of the diode 4) and the cathode potential of the diode is equal to or less than the threshold voltage of the diode 4, the diode 4 is non-conductive. When the voltage exceeds the threshold voltage, the diode 4 becomes conductive. That is, a slight resistance change of the TMR element 1 can be amplified using the rising curve of the forward current of the diode 4.

【0037】図7(b)は、TMR素子1に直列に調整
用抵抗3を接続したもので、ダイオード4の閾値電圧近
傍に動作点を合わせるために調整を可能にした例であ
る。
FIG. 7B shows an example in which an adjusting resistor 3 is connected in series to the TMR element 1 and an adjustment is made to adjust the operating point near the threshold voltage of the diode 4.

【0038】図7ではTMR素子1の一端をダイオード
4のアノード側に接続したが、カソード側に接続しても
よい。即ち、TMR素子はダイオードの第1導電型半導
体領域でも第2導電型半導体領域でも接続することがで
きる。
In FIG. 7, one end of the TMR element 1 is connected to the anode side of the diode 4, but may be connected to the cathode side. That is, the TMR element can be connected to either the first conductivity type semiconductor region or the second conductivity type semiconductor region of the diode.

【0039】図8は、本発明の第2の実施形態に係る磁
気センサー50の摸式的な斜視図である。ダイオード4
は半導体基板51に形成されたアノード(p+)領域5
2、カソード(n+)領域53により構成されている。
アノード(p+)領域52とカソード(n+)領域53
は、その境界部でpn接合を形成している。参照番号5
4,55は、夫々カソード電極、アノード電極である。
FIG. 8 is a schematic perspective view of a magnetic sensor 50 according to the second embodiment of the present invention. Diode 4
Denotes an anode (p +) region 5 formed on the semiconductor substrate 51.
2. It is constituted by a cathode (n +) region 53.
Anode (p +) region 52 and cathode (n +) region 53
Form a pn junction at its boundary. Reference number 5
Reference numerals 4 and 55 are a cathode electrode and an anode electrode, respectively.

【0040】TMR素子1はアノード領域52上に下部
電極57を介して、アノード電極55と離隔して形成さ
れ、その上面には定電流を流し込むバイアス電極56が
形成されている。なお、図示はしていないが、TMR素
子1と下地電極57或いはバイアス電極56との間に電
圧調整用の抵抗膜を備えることができる。
The TMR element 1 is formed on the anode region 52 with a lower electrode 57 interposed therebetween and separated from the anode electrode 55, and a bias electrode 56 for supplying a constant current is formed on the upper surface thereof. Although not shown, a resistance film for voltage adjustment can be provided between the TMR element 1 and the base electrode 57 or the bias electrode 56.

【0041】図9は、TMR素子1の層構成を説明する
ための断面図である。半導体基板51には、p型領域5
2とその中にn型領域53が形成され、p型領域52上
には下地電極57が形成されている。
FIG. 9 is a cross-sectional view for explaining the layer structure of the TMR element 1. The semiconductor substrate 51 includes a p-type region 5
2 and an n-type region 53 are formed therein, and a base electrode 57 is formed on the p-type region 52.

【0042】下地電極57の上面の1領域には、第1の
実施形態の図3に示されたと同じTMR素子1が形成さ
れている。即ち、TMR素子1は、下地電極57上に抵
抗調整膜25を介して順次形成された反強磁性層21、
強磁性層(磁気固着層)22、トンネルバリア層23、
強磁性層(記録層)22から構成されている。強磁性層
22の上には、バイアス電極56が形成されている。抵
抗調整膜25は下地電極57上に必ずしも形成する必要
は無く、TMR素子1とバイアス電極56の間、或いは
バイアス電極56につながる回路部に設けてもよい。或
いは抵抗調整膜25を設けなくてもよい。
In one region on the upper surface of the base electrode 57, the same TMR element 1 as that shown in FIG. 3 of the first embodiment is formed. That is, the TMR element 1 includes the antiferromagnetic layer 21 sequentially formed on the base electrode 57 via the resistance adjusting film 25,
A ferromagnetic layer (magnetic pinned layer) 22, a tunnel barrier layer 23,
It is composed of a ferromagnetic layer (recording layer) 22. On the ferromagnetic layer 22, a bias electrode 56 is formed. The resistance adjusting film 25 does not necessarily need to be formed on the base electrode 57, and may be provided between the TMR element 1 and the bias electrode 56 or in a circuit portion connected to the bias electrode 56. Alternatively, the resistance adjusting film 25 may not be provided.

【0043】下地電極57の他の領域には、アノード電
極55が形成されている。アノード電極55は、TMR
素子1の反強磁性層21、あるいは強磁性層22/反強
磁性層21をゲート引出し電極18の下部まで延在さ
せ、これらを介して接続するようにしてもよい。
In the other region of the base electrode 57, an anode electrode 55 is formed. The anode electrode 55 is a TMR
The antiferromagnetic layer 21 or the ferromagnetic layer 22 / the antiferromagnetic layer 21 of the element 1 may be extended to below the gate extraction electrode 18 and connected through these.

【0044】図9では、TMR素子1として、反強磁性
層を磁気固着層側の1層としたが、フリー層側の一部
に、もう1層設けてもよい。また、図9では強磁性1重
トンネル接合を示したが、図4または図5に示したよう
な、強磁性2重トンネル接合としてもよい。
In FIG. 9, as the TMR element 1, the antiferromagnetic layer is one layer on the magnetic pinned layer side, but another layer may be provided on a part of the free layer side. Although FIG. 9 shows a ferromagnetic single tunnel junction, a ferromagnetic double tunnel junction as shown in FIG. 4 or 5 may be used.

【0045】第2の実施形態の変形例として、図10、
図11に示すように構成しても良い。この変形例では、
プラナー型のダイオードに代えて、アモルファスダイオ
ード61を用いているところに特徴がある。即ち、カソ
ード電極64の上にはアノード層62、カソード層63
からなるアモルファスダイオード61が形成されてい
る。アノード層62の上部には、下地電極67を介して
TMR素子1とアノード電極65が離隔して形成されて
いる。TMR素子1の上部にはバイアス電極66が形成
されている。このように、アモルファスダイオードを使
用すれば小型で安価な磁気センサーが実現できる。
As a modification of the second embodiment, FIG.
It may be configured as shown in FIG. In this variation,
The feature is that an amorphous diode 61 is used instead of the planar type diode. That is, the anode layer 62 and the cathode layer 63 are formed on the cathode electrode 64.
Is formed. The TMR element 1 and the anode electrode 65 are formed above the anode layer 62 with a base electrode 67 interposed therebetween. A bias electrode 66 is formed above the TMR element 1. Thus, a small and inexpensive magnetic sensor can be realized by using an amorphous diode.

【0046】本実施形態では、図8または図10に示し
たように、ダイオードのアノード上に下地電極を介して
強磁性トンネル接合または、強磁性トンネル接合/抵抗
体層積層膜が配置されている。上記構造において、下地
電極層は、磁性体の拡散が抑えられれば良く、Ti,T
a,W、あるいはこれらの酸化膜または窒化化膜などを
用いることができる。これらを設けることによってダイ
オードの上面に磁性体を付与しても、プロセスの熱工程
を経ても特性の変動が無く、信頼性の高い磁気センサー
を提供することができる。
In the present embodiment, as shown in FIG. 8 or FIG. 10, a ferromagnetic tunnel junction or a ferromagnetic tunnel junction / resistor layer laminated film is arranged on the anode of a diode via a base electrode. . In the above structure, the base electrode layer only needs to suppress the diffusion of the magnetic substance, and Ti, T
a, W, or an oxide film or a nitride film thereof can be used. By providing these, even if a magnetic substance is provided on the upper surface of the diode, the characteristics do not fluctuate even after a heat step of the process, and a highly reliable magnetic sensor can be provided.

【0047】ダイオードを用いる方が、MOSFETを
用いる場合に比べて製造コストが安く安価な磁気センサ
を作製出来る。強磁性トンネル接合の記録(フリー)層
のスピンが媒体等の漏れ磁場により方向を変え、磁気固
着層のスピンの方向との相対的な角度が変化するため、
磁気抵抗が変化する。この磁気抵抗変化をダイオードの
閾値近傍の電圧変化としてダイオードに印加すれば、ダ
イオードに流れる電流が大きく変化し、S/N比の高い
磁気センサーが提供できる。
The use of a diode makes it possible to manufacture an inexpensive magnetic sensor with a lower manufacturing cost than the case of using a MOSFET. Since the spin of the recording (free) layer of the ferromagnetic tunnel junction changes its direction due to the leakage magnetic field of the medium or the like, and the relative angle to the spin direction of the magnetic pinned layer changes,
The magnetic resistance changes. If this change in magnetoresistance is applied to the diode as a voltage change near the threshold of the diode, the current flowing through the diode changes greatly, and a magnetic sensor with a high S / N ratio can be provided.

【0048】図には示していないが、バルクハウゼンノ
イズを少なくするために、CoPtなどのハードバイア
ス層または、反強磁性層を強磁性トンネル接合のフリー
層の一部に付与することが好ましい。また、HDD用読
み出しへッドとして用いる場合は、図8、図10の磁気
センサーの上下にはNi−Feなどのシールド層を設け
て、記録ヘッドとの磁気シールドとする。
Although not shown, it is preferable to provide a hard bias layer such as CoPt or an antiferromagnetic layer to a part of the free layer of the ferromagnetic tunnel junction in order to reduce Barkhausen noise. When used as a read head for an HDD, a shield layer of Ni—Fe or the like is provided above and below the magnetic sensor shown in FIGS. 8 and 10 to provide a magnetic shield with the recording head.

【0049】TMR素子1としては、第1の実施形態と
同様に、図4、図5に示したスピンバルブ型強磁性2重
接合構造を用いることが望ましい。
As in the first embodiment, it is desirable to use the spin valve type ferromagnetic double junction structure shown in FIGS. 4 and 5 as the TMR element 1.

【0050】次に、具体例として図4のTMR素子を図
8の磁気センサーに適用した例を説明する。強磁性トン
ネル接合は、強磁性2重トンネル接合構造、即ち反強磁
性層31/強磁性層32/バリア層33/強磁性層34
/バリア層35/強磁性層36/反強磁性層37とし
て、Pt−Mn/Co70Fe30/AlOX/Ni40(C
90Fe1060/AlOx/Co70Fe30/Pt−Mn
の積層体をダイオード4のアノード上のTa層からなる
下地電極57上に作製した。上記構造において、トンネ
ルバリア層33、35は、金属Alを成膜後プラズマ酸
化を行って作製した。
Next, a specific example in which the TMR element of FIG. 4 is applied to the magnetic sensor of FIG. 8 will be described. The ferromagnetic tunnel junction has a ferromagnetic double tunnel junction structure, that is, an antiferromagnetic layer 31, a ferromagnetic layer 32, a barrier layer 33, and a ferromagnetic layer.
Pt—Mn / Co 70 Fe 30 / AlO X / Ni 40 (C / barrier layer 35 / ferromagnetic layer 36 / antiferromagnetic layer 37)
o 90 Fe 10) 60 / AlO x / Co 70 Fe 30 / Pt-Mn
Was formed on a base electrode 57 made of a Ta layer on the anode of the diode 4. In the above structure, the tunnel barrier layers 33 and 35 were formed by performing plasma oxidation after forming metal Al.

【0051】上記の試料に関し、ダイオード4の順方向
電流の相対値Idの変化を図12に示す。図示のよう
に、記録(フリー)層のスピンの方向に応じて、MR変
化率は106 %オーダーもの大きな変化を示し、本特許
の有効性が確認された。
FIG. 12 shows a change in the relative value Id of the forward current of the diode 4 with respect to the above sample. As shown in the figure, the MR change rate shows a large change of the order of 10 6 % according to the spin direction of the recording (free) layer, confirming the validity of the present patent.

【0052】上記の第1および第2の実施形態における
強磁性トンネル接合としては、図4、図5に示したよう
に反強磁性層を付与するいわゆるスピンバルブ型にする
ことが好ましい。
The ferromagnetic tunnel junction in the first and second embodiments is preferably of a so-called spin valve type having an antiferromagnetic layer as shown in FIGS.

【0053】また、上記磁気固着層(ピン層)は、(強
磁性層/非磁性層/強磁性層)の3層構造で非磁性層を
介して反強磁性結合をしているいわゆる反強磁性結合記
録層を用いることができる。この3層構造をピン層とし
て用いることにより、より強固にピン層のスピンを固着
することができるため、何度かの読み出しによって磁気
固定層の一部の磁気モーメントが回転してしまい出力が
徐々に低下してしまうという問題が完全になくなるこ
と、反強磁性膜の膜厚を薄くでき加工精度が上がること
などのメリットがあり、ピン層からのバイアス磁場も減
少するため、バイアスポイントのバラツキが減少する。
The magnetic pinned layer (pinned layer) has a three-layer structure of (ferromagnetic layer / non-magnetic layer / ferromagnetic layer) and has a so-called anti-ferromagnetic coupling with anti-ferromagnetic coupling via the non-magnetic layer. A magnetic coupling recording layer can be used. By using this three-layer structure as a pinned layer, the spin of the pinned layer can be more firmly fixed, so that the magnetic moment of a part of the magnetic pinned layer is rotated by several readings, and the output gradually increases. There is an advantage that the problem of lowering the thickness completely disappears, the thickness of the antiferromagnetic film can be reduced, and the processing accuracy can be increased.The bias magnetic field from the pinned layer also decreases, and the variation of the bias point is reduced. Decrease.

【0054】また、磁気記録層(フリー層)も(強磁性
層/非磁性層/強磁性層)の3層構造を用いることが好
ましい。この場合、強磁性層間に強磁性層結合があるこ
とが好ましい。この構造を磁気フリー層に用いると、セ
ル幅を小さくしても良好な感度が得られる。即ち、セル
幅を小さくしても磁場応答を大きく保つことができる。
強磁性結合の強さは弱い方が好ましく、弱いほど磁場応
答が良好となる。
It is preferable that the magnetic recording layer (free layer) also has a three-layer structure (ferromagnetic layer / nonmagnetic layer / ferromagnetic layer). In this case, it is preferable that there is a ferromagnetic layer coupling between the ferromagnetic layers. When this structure is used for the magnetic free layer, good sensitivity can be obtained even if the cell width is reduced. That is, the magnetic field response can be kept large even if the cell width is reduced.
The strength of the ferromagnetic coupling is preferably weaker, and the weaker the better the magnetic field response.

【0055】また、第1および第2の実施形態の場合、
ピン層のスピンとフリー層のスピンは、上から見たとき
に略直交していることが望ましい。
In the first and second embodiments,
It is desirable that the spin of the pin layer and the spin of the free layer are substantially orthogonal when viewed from above.

【0056】本発明の強磁性層の元素の種類には特に制
限はなく、Fe、Co、Niまたはそれら合金、スピン
分極率の大きいマグネタイト、CrO2、RXMnO3-y
(R:希土類、X:Ca、Ba、Sr)などの酸化物の
他NiMnSb、PtMnSbなどのホイスラー合金、
Zn−Mn−O、Ti−Mn−O、CdMnP2、Zn
MnP2などの磁性半導体を用いることができる。
The kind of the element of the ferromagnetic layer of the present invention is not particularly limited, and Fe, Co, Ni or an alloy thereof, magnetite having a large spin polarizability, CrO 2 , RXMnO 3-y
(R: rare earth, X: Ca, Ba, Sr) and other Heusler alloys such as NiMnSb and PtMnSb,
Zn-Mn-O, Ti- Mn-O, CdMnP 2, Zn
A magnetic semiconductor such as MnP 2 can be used.

【0057】本発明の強磁性層の膜厚は超常磁性になら
ない程度の厚さが必要であり、0.4nm以上であるこ
とが好ましい。また、あまり厚いと磁場感度が小さくな
り、漏れ磁場が大きくなってしまうため、3.0nm以
下で有ることが好ましい。また、これら磁性体にはA
g、Cu、Au、Al、Mg、Si、Bi、Ta、B、
C、O、N、Pd、Pt、Zr、Ir、W、Mo、Nb
などの非磁性元素が多少含まれていても強磁性を失わな
いかぎり良い。
The thickness of the ferromagnetic layer of the present invention must be such that it does not become superparamagnetic, and is preferably 0.4 nm or more. On the other hand, if the thickness is too large, the magnetic field sensitivity decreases and the leakage magnetic field increases. Therefore, the thickness is preferably 3.0 nm or less. In addition, these magnetic materials include A
g, Cu, Au, Al, Mg, Si, Bi, Ta, B,
C, O, N, Pd, Pt, Zr, Ir, W, Mo, Nb
Even if a certain amount of nonmagnetic element such as is contained, it is good as long as ferromagnetism is not lost.

【0058】反強磁性膜は、Fe−Mn、Pt−Mn、
Pt−Cr−Mn、Ni−Mn、Ir−Mn、NiOな
どを設けることができる。フリー層に強磁性層/非磁性
層/強磁性層の3層膜を用いる場合、その非磁性層とし
ては、Cu、Au、Ru、Ir、Rh、Agなどを用い
ることができる。
The antiferromagnetic film is made of Fe—Mn, Pt—Mn,
Pt-Cr-Mn, Ni-Mn, Ir-Mn, NiO, or the like can be provided. When a three-layer film of a ferromagnetic layer / a nonmagnetic layer / a ferromagnetic layer is used as the free layer, the nonmagnetic layer can be made of Cu, Au, Ru, Ir, Rh, Ag, or the like.

【0059】誘電体または絶縁層としては、Al23
SiO2、MgO、AlN、AlON、GaO、Bi2
3、SrTiO2、AlLaO3 などの様々な誘電体を使
用することができる。これらは、酸素、窒素欠損が多少
存在していてもかまわない。
[0059] The dielectric or insulating layer, Al 2 O 3,
SiO 2 , MgO, AlN, AlON, GaO, Bi 2 O
Various dielectrics such as 3 , SrTiO 2 , AlLaO 3 can be used. These may have some oxygen and nitrogen deficiencies.

【0060】誘電体層の厚さはTMR素子の接合面積に
依存し、3nm以下であることが好ましい。基板上に
は、下地層,保護層として、Ta、Ti、W,Pt、P
d、Au、Ti/Pt、Ta/Pt、Ti/Pd、Ta
/Pdなどを用いることが好ましい。
The thickness of the dielectric layer depends on the junction area of the TMR element, and is preferably 3 nm or less. On the substrate, Ta, Ti, W, Pt, P
d, Au, Ti / Pt, Ta / Pt, Ti / Pd, Ta
It is preferable to use / Pd or the like.

【0061】このような磁気抵抗効果素子は、各種スパ
ッタ法、蒸着法、分子線エピタキシャル法などの通常の
薄膜形成装置を用いれば作製することができる。
Such a magnetoresistive element can be manufactured by using an ordinary thin film forming apparatus such as various sputtering methods, vapor deposition methods, molecular beam epitaxy methods and the like.

【0062】(第3の実施形態)第3の実施形態では、
本発明の磁気センサーを磁気ヘッドに応用した例を説明
する。
(Third Embodiment) In the third embodiment,
An example in which the magnetic sensor of the present invention is applied to a magnetic head will be described.

【0063】図13は、本発明の磁気センサー10を搭
載した磁気ヘッドアセンブリの斜視図である。アクチュ
エータアーム101は、磁気ディスク装置内の固定軸に
固定されるための穴が設けられ、図示しない駆動コイル
を保持するボビン部等を有する。アクチュエータアーム
101の一端にはサスペンション102が固定されてい
る。サスペンション102の先端には信号の書き込み、
および読み取り用のリード線104が配線され、このリ
ード線104の一端はヘッドスライダ103に組み込ま
れた磁気センサー10の各電極に接続され、リード線1
04の他端は電極パッド105に接続されている。な
お、磁気センサー10は第1の実施形態のセンサーであ
るが、第2の実施形態の磁気センサー50,60であっ
てもよい。
FIG. 13 is a perspective view of a magnetic head assembly equipped with the magnetic sensor 10 of the present invention. The actuator arm 101 is provided with a hole to be fixed to a fixed shaft in the magnetic disk device, and has a bobbin for holding a drive coil (not shown). A suspension 102 is fixed to one end of the actuator arm 101. Write a signal to the tip of the suspension 102,
And a lead wire 104 for reading, one end of the lead wire 104 is connected to each electrode of the magnetic sensor 10 incorporated in the head slider 103, and the lead wire 1
04 is connected to the electrode pad 105 at the other end. The magnetic sensor 10 is the sensor according to the first embodiment, but may be the magnetic sensors 50 and 60 according to the second embodiment.

【0064】図14は、図13に示す磁気ヘッドアセン
ブリを搭載した磁気ディスク装置(磁気再生装置)の内
部構造を示す斜視図である。磁気ディスク111はスピ
ンドル112に装着され、図示しない駆動装置制御部か
らの制御信号に応答する図示しないモータにより回転す
る。
FIG. 14 is a perspective view showing the internal structure of a magnetic disk device (magnetic reproducing device) on which the magnetic head assembly shown in FIG. 13 is mounted. The magnetic disk 111 is mounted on a spindle 112 and is rotated by a motor (not shown) responsive to a control signal from a drive controller (not shown).

【0065】アクチュエータアーム101は固定軸11
3に固定され、サスペンション102およびその先端の
ヘッドスライダ103を支持している。磁気ディスク1
11が回転すると、ヘッドスライダ103の媒体対向面
は磁気ディスク111の表面から所定量浮上した状態で
保持され、情報の記録再生を行う。
The actuator arm 101 has a fixed shaft 11
3 and supports the suspension 102 and the head slider 103 at the tip thereof. Magnetic disk 1
When the disk 11 rotates, the medium facing surface of the head slider 103 is held in a state of floating above the surface of the magnetic disk 111 by a predetermined amount, and information is recorded and reproduced.

【0066】アクチュエータアーム101の基端にはリ
ニアモータの一種であるボイスコイルモータ114が設
けられている。ボイスコイルモータ114はアクチュエ
ータアーム101のボビン部に巻き上げられた図示しな
い駆動コイルとこのコイルを挟み込むように対向して配
置された永久磁石および対向ヨークからなる磁気回路と
から構成されている。
At the base end of the actuator arm 101, a voice coil motor 114, which is a kind of linear motor, is provided. The voice coil motor 114 includes a drive coil (not shown) wound around the bobbin of the actuator arm 101, and a magnetic circuit including a permanent magnet and an opposing yoke, which are opposed to each other so as to sandwich the coil.

【0067】アクチュエータアーム101は、固定軸1
13の上下2箇所に設けられた図示しないボールベアリ
ングによって支持され、ボイスコイルモータ114によ
り回転摺動が自在にできるようになっている。
The actuator arm 101 has a fixed shaft 1
It is supported by ball bearings (not shown) provided at two locations above and below 13, and can be freely rotated and slid by a voice coil motor 114.

【0068】上記のように本発明の磁気センサーを使用
した磁気ヘッドあるいは磁気再生装置は、磁気センサー
から高出力信号が得られるので、安定した動作と100
Gbit/in2 以上の大容量化が可能になる。
As described above, the magnetic head or the magnetic reproducing apparatus using the magnetic sensor of the present invention can obtain a high output signal from the magnetic sensor, so that stable operation and 100
The capacity can be increased to Gbit / in 2 or more.

【0069】[0069]

【発明の効果】本発明によれば、出力信号電圧が大きく
信頼性の高い磁気センサーが得られるので、100Gb
it/in2 以上の大容量磁気記録装置が実現できる。
According to the present invention, a highly reliable magnetic sensor having a large output signal voltage can be obtained.
It is possible to realize a large-capacity magnetic recording device of it / in 2 or more.

【0070】また、MOSFETを用いる場合、ゲート
部は金属または金属酸化物からなるゲート電極(下地電
極)を用いるので熱安定性が良く、ゲート電極上にその
エッジ部に懸かることなくTMR素子を作製するので、
ゲートエッジからのリーク電流も抑制できる。
In the case of using a MOSFET, a gate portion (base electrode) made of metal or metal oxide is used for the gate portion, so that thermal stability is good and a TMR element can be formed on the gate electrode without hanging on the edge portion. So
Leakage current from the gate edge can also be suppressed.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の第1の実施形態に係る磁気センサーの
等価回路図。
FIG. 1 is an equivalent circuit diagram of a magnetic sensor according to a first embodiment of the present invention.

【図2】第1の実施形態に係る磁気センサーの摸式的な
斜視図。
FIG. 2 is a schematic perspective view of the magnetic sensor according to the first embodiment.

【図3】第1の実施形態に係る磁気センサーの摸式的な
断面図。
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the magnetic sensor according to the first embodiment.

【図4】本発明の磁気センサーに使用する他のTMR素
子の層構成を示す断面図。
FIG. 4 is a sectional view showing a layer configuration of another TMR element used for the magnetic sensor of the present invention.

【図5】本発明の磁気センサーに使用する更に他のTM
R素子の層構成を示す断面図。
FIG. 5 shows still another TM used in the magnetic sensor of the present invention.
Sectional drawing which shows the layer structure of an R element.

【図6】第1の実施形態の磁気センサーの出力信号特性
を示す図。
FIG. 6 is a view showing output signal characteristics of the magnetic sensor according to the first embodiment.

【図7】本発明の第2の実施形態に係る磁気センサーの
等価回路図。
FIG. 7 is an equivalent circuit diagram of a magnetic sensor according to a second embodiment of the present invention.

【図8】第2の実施形態に係る磁気センサーの摸式的な
斜視図。
FIG. 8 is a schematic perspective view of a magnetic sensor according to a second embodiment.

【図9】第2の実施形態に係る磁気センサーの摸式的な
断面図。
FIG. 9 is a schematic sectional view of a magnetic sensor according to a second embodiment.

【図10】第2の実施形態の変形例に係る磁気センサー
の摸式的な斜視図。
FIG. 10 is a schematic perspective view of a magnetic sensor according to a modification of the second embodiment.

【図11】第2の実施形態の変形例に係る磁気センサー
の摸式的な断面図。
FIG. 11 is a schematic sectional view of a magnetic sensor according to a modified example of the second embodiment.

【図12】第2の実施形態の磁気センサーの出力信号特
性を示す図。
FIG. 12 is a diagram showing output signal characteristics of the magnetic sensor according to the second embodiment.

【図13】本発明の第3の実施形態に係る磁気ヘッドの
摸式的な斜視図。
FIG. 13 is a schematic perspective view of a magnetic head according to a third embodiment of the present invention.

【図14】第3の実施形態の磁気ヘッドを搭載した磁気
記録装置の摸式的名斜視図。
FIG. 14 is a schematic perspective view of a magnetic recording apparatus equipped with a magnetic head according to a third embodiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…TMR素子 2…MOSFET 3…調整抵抗 4…ダイオード 10、50、60…磁気センサー 11、51…半導体基板 12,13…ソース・ドレイン領域 14,15…ソース・ドレイン電極 16…ゲート絶縁膜 17、56,66…バイアス電極 18…ゲート引出し電極 20、57,67…下地電極 21、31,37…反強磁性層 22,24,32,32−1,32−2、34、36…
強磁性層 23,33,35…トンネルバリア層 25…調整抵抗層 38…非磁性層 52、62…アノード層 53,63…カソード層 54、64…カソード電極 55、65…アノード電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... TMR element 2 ... MOSFET 3 ... Adjusting resistance 4 ... Diode 10, 50, 60 ... Magnetic sensor 11, 51 ... Semiconductor substrate 12, 13 ... Source / drain region 14, 15 ... Source / drain electrode 16 ... Gate insulating film 17 , 56, 66 bias electrode 18 gate extraction electrode 20, 57, 67 base electrode 21, 31, 37 antiferromagnetic layer 22, 24, 32, 32-1, 32-2, 34, 36 ...
Ferromagnetic layers 23, 33, 35 Tunnel barrier layers 25 Adjusting resistance layers 38 Nonmagnetic layers 52, 62 Anode layers 53, 63 Cathode layers 54, 64 Cathode electrodes 55, 65 Anode electrodes

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 2G017 AA10 AD55 5D034 BA03 BA05 BA08 BA12 BA15 BA16 BB14 CA04 CA08 5E049 BA12 BA16 CB02 DB10 DB12 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page F term (reference) 2G017 AA10 AD55 5D034 BA03 BA05 BA08 BA12 BA15 BA16 BB14 CA04 CA08 5E049 BA12 BA16 CB02 DB10 DB12

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 半導体基板と、 前記半導体基板表面に形成された一対のソース・ドレイ
ン領域と、 前記一対のソース・ドレイン領域で挟まれた半導体基板
上に形成されたゲート絶縁膜と、 前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、 前記ゲート電極上に電気的に接続され、第1の反強磁性
層と、第1の強磁性層と、第1のトンネルバリア層と、
第2の強磁性層と、第2のトンネルバリア層と、第3の
強磁性層と、第2の反強磁性層とがこの順に積層された
強磁性トンネル接合素子と、を具備することを特徴とす
る磁気センサー。
A semiconductor substrate; a pair of source / drain regions formed on a surface of the semiconductor substrate; a gate insulating film formed on the semiconductor substrate sandwiched between the pair of source / drain regions; A gate electrode formed on the insulating film, a first antiferromagnetic layer, a first ferromagnetic layer, and a first tunnel barrier layer electrically connected to the gate electrode;
A ferromagnetic tunnel junction element in which a second ferromagnetic layer, a second tunnel barrier layer, a third ferromagnetic layer, and a second antiferromagnetic layer are stacked in this order. Characteristic magnetic sensor.
【請求項2】 半導体基板と、 前記半導体基板表面に形成された一対のソース/ドレイ
ン領域と、 前記一対のソース・ドレイン領域で挟まれた半導体基板
上に形成されたゲート絶縁膜と、 前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、 前記ゲート電極に電気的に接続され、第1の反強磁性層
と、第1の強磁性層と、トンネルバリア層と、第2の強
磁性層と、第2の反強磁性層とがこの順に積層された強
磁性トンネル接合素子と、 前記下地電極と前記第1の反強磁性層との間、或いは第
2の反強磁性層の上に形成された抵抗層と、を具備する
ことを特徴とする磁気センサー。
2. A semiconductor substrate; a pair of source / drain regions formed on the surface of the semiconductor substrate; a gate insulating film formed on the semiconductor substrate sandwiched between the pair of source / drain regions; A gate electrode formed on the insulating film, a first antiferromagnetic layer, a first ferromagnetic layer, a tunnel barrier layer, and a second ferromagnetic layer electrically connected to the gate electrode. , A second ferromagnetic layer in which a second antiferromagnetic layer is stacked in this order; and between the base electrode and the first antiferromagnetic layer or on the second antiferromagnetic layer. A magnetic sensor comprising:
【請求項3】 接合を形成する第1導電型半導体領域と
第2導電型半導体領域とを備えたダイオードと、 前記ダイオードの第1導電型半導体領域上に形成された
下地電極と、 前記下地電極上に形成され、第1の反強磁性層と、第1
の強磁性層と、第1のトンネルバリア層と、第2の強磁
性層と、第2のトンネルバリア層と、第3の強磁性層
と、第2の反強磁性層とがこの順に積層された強磁性ト
ンネル接合素子と、を具備することを特徴とする磁気セ
ンサー。
3. A diode having a first conductivity type semiconductor region and a second conductivity type semiconductor region forming a junction; a base electrode formed on the first conductivity type semiconductor region of the diode; and the base electrode. A first antiferromagnetic layer formed on the first antiferromagnetic layer;
, A first tunnel barrier layer, a second ferromagnetic layer, a second tunnel barrier layer, a third ferromagnetic layer, and a second antiferromagnetic layer in this order. And a ferromagnetic tunnel junction device.
【請求項4】 接合を形成する第1導電型半導体領域と
第2導電型半導体領域とを備えるダイオードと、 前記ダイオードの第1導電型半導体領域上に形成された
下地電極と、 前記下地電極上に形成され、第1の反強磁性層と、第1
の強磁性層と、トンネルバリア層と、第2の強磁性層
と、第2の反強磁性層とがこの順に積層された強磁性ト
ンネル接合素子と、 前記下地電極と前記第1の反強磁性層との間、或いは第
2の反強磁性層の上に形成された抵抗層と、を具備する
ことを特徴とする磁気センサー。
4. A diode comprising a first conductivity type semiconductor region and a second conductivity type semiconductor region forming a junction; a base electrode formed on the first conductivity type semiconductor region of the diode; A first antiferromagnetic layer and a first antiferromagnetic layer.
A ferromagnetic tunnel junction element in which a ferromagnetic layer, a tunnel barrier layer, a second ferromagnetic layer, and a second antiferromagnetic layer are stacked in this order; A resistance layer formed between the magnetic layer and the second antiferromagnetic layer.
【請求項5】 前記第1、第2あるいは第3の強磁性層
の内の少なくとも1層が、第4の強磁性層と、その上に
形成された非磁性金属層と、その上に形成された第5の
強磁性層とを含む積層膜により置換されたことを特徴と
する請求項1乃至請求項4のいずれかに記載の磁気セン
サー。
5. A method according to claim 1, wherein at least one of said first, second and third ferromagnetic layers comprises a fourth ferromagnetic layer, a nonmagnetic metal layer formed thereon, and a fourth ferromagnetic layer formed thereon. The magnetic sensor according to any one of claims 1 to 4, wherein the magnetic sensor is replaced by a laminated film including the fifth ferromagnetic layer.
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