JP6639498B2 - 外部磁場を感知するためのｍｌｕセル、及びｍｌｕセルから成る磁気センサ装置 - Google Patents
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Description
本発明は、外部磁場を感知するためのＭＬＵセル、及びＭＬＵセルから成る磁気センサ装置に関する。当該ＭＬＵセルの磁気センサ装置は、外部磁場を測定するときに線形信号を生成する。
マグネティック・ロジック・ユニット（ＭＬＵ）セルは、磁気センサ又はコンパスで磁場を感知するために使用され得る。１つのＭＬＵセルは、固定された基準磁化方向を呈する１つの基準層と、自由なセンス磁化方向を呈する１つのセンス層と、この基準層とこのセンス層との間の１つのトンネル障壁層とを有する１つの磁気トンネル接合から成り得る。当該センス磁化方向は、外部磁場の存在中に配向可能である一方で、当該基準磁化方向は、外部磁場によって妨害されないままである。したがって、外部磁場が、当該外部磁場によって配向された当該センス磁化方向と当該固定された基準磁化方向との相対配向に依存する磁気トンネル接合の抵抗を測定することによって感知され得る。
外部磁場の小さい変化の測定を容易にするため、理想的には、センス層は、外部磁場によって配向されるときに線形で且つ非ヒステリシスな挙動を呈する。このことは、約０．５オルステッド（Ｏｅ）の平均値を呈する地球の磁気を感知するときに意義がある。
このような線形で且つ非ヒステリシスな挙動は、センス磁化方向が基準磁化方向に対してほぼ直角に配向される磁気トンネル接合を提供することによって達成され得る。多くの場合、このことは、基準磁化方向をセンス層の異方性軸に対して直角にピン止めすることによって達成される。当該センス層の異方性軸の配向は、スパッタリング条件によって設定され得、例えば、磁気トンネル接合の製造中に磁場を印加することによって設定され得る。
上記のＭＬＵセルの欠点は、センス層が単一の強磁性層から成るときに、ただ１つの異方性方向が、そのスパッタ条件によって複数のＭＲＡＭセルを有する１つのウェハ上に設定され得るにすぎないことにある。
図１は、１つの電流線３に直列に電気接続された複数のＭＬＵセルを有する従来のＭＬＵに基づく装置１００を示す。多くの場合、１つの磁気センサは、少なくとも２つの感知方向を必要とする。図３は、センス磁化方向２１０を呈する１つのセンス層２１と、基準磁化方向２３０を呈する１つの基準層２３と、この基準磁化方向２３０を低閾値温度でピン止めし、この基準磁化方向２３０を高閾値温度で解放する１つの基準反強磁性層２４と、１つのトンネル障壁層２２とを有する１つの磁気トンネル接合２から成る従来の１つのＭＬＵセルを示す。センス磁化方向２１０と基準磁化方向２３０との相対配向によって決定される磁気トンネル接合２の抵抗が変更されるように、このセンス磁化方向２１０が、外部磁場方向に配向可能に設定される。
図１に戻って参照すると、複数のＭＬＵセルが、ドットパターン１０１，１０２，１０３によって示されている。１つのフィールド線４が、入力（フィールド電流）に基づく磁場を生成するために形成されている。特に、複数のＭＬＵセルが、枝１０１，１０２，１０３内に形成されている。それぞれの枝１０１，１０２，１０３が、複数のＭＬＵセルから成る１つのサブセットを構成している。これらの枝は、軸ｘに対して約０°の角度と約４５°の角度と約９０°の角度とを成して配向されている。当該フィールド線が、複数の部分４０１，４０２，４０３を有する。それぞれの部分４０１，４０２，４０３は、当該複数のＭＬＵセルから成る複数の枝１０１，１０２，１０３のうちの対応する１つの枝ごとに隣接して配置されている。それぞれの部分４０１，４０２，４０３に通電する電流フロー４１の方向が、その電流フロー４１に対応する枝１０１，１０２，１０３の角度方向に対応する角度方向を有するように、フィールド線部４０１，４０２，４０３が形成されている。その結果、（図１の点線矢印４２によって示された）プログラミング磁場が、それぞれのフィールド線部４０１，４０２，４０３に対して直角の方向に配向され、基準磁化方向をその同じ方向（破線矢印２３０）に整合させる。（図１の実線矢印２１０によって示された）センス磁化方向が、スパッタ条件によって設定される異方性軸にしたがって配向される。図１では、当該センス磁化方向は、約０°を成す枝１０１内では基準磁化方向２３０に対してほぼ直角に配向されていて、約４５°を成すサブセット１０２内では約４５°の角度を成して配向されていて、約９０°を成すサブセット１０３内では基準磁化方向２３０に対してほぼ平行に配向されている。
図２ａ〜２ｃは、第１枝１０１（図２ａ）と第２枝１０２（図２ｂ）と第３枝１０３（図２ｃ）とに対応するヒステリシスループを示す。第１枝１０１では、センス磁化２１０の異方性軸を中心とした当該センス磁化２１０の方向の変化が、基準磁化方向２３０の方向に対して直角であるので、抵抗Ｒが、磁場Ｈの変化と一緒に線形に変化する。第２枝１０２及び第３枝１０３では、抵抗Ｒは、磁場Ｈの変化と一緒に線形に変化しない。
米国特許第２００６２０２２４４号明細書は、２つのメモリセルを有するＭＲＡＭを開示する。それぞれのメモリセルが、関連する１つのバイアス層を有する。それぞれのバイアス層が、そのバイアス層に関連するセルの自由層の磁化方向の磁化困難軸に沿ってバイアス磁場を印加することによって、そのバイアス層に関連するセルの切り替え磁場を減少させる。それぞれのスタックの２つのセル内の当該自由層が、互いに平行に整合された磁化方向の、これらの自由層の一致する磁化容易軸を有する。
米国特許出願公開第２０１００２０４４７号明細書は、１つのセンス層と１つの第１ピン止め層と１つの第１中間層とを有するシステムを記す。この第１中間層は、このセンス層とこの第１ピン止め層とを結合するように形成されていて、固定された磁化方向と９０°を成す磁化方向をこのセンス層に提供する。このセンス層内の磁化方向は、外部磁場に応答して回転する。
米国特許出願公開第２００６２３８９２５号明細書は、自由層とピン止め層との間の直角の磁化整合を誘導するために捩れ結合を使用する磁気抵抗構造に関する。
米国特許出願公開第２００６０４４７０７号明細書は、インスタックバイアス構造を有する磁気抵抗センサに関する。センサが、自由層の磁気モーメントをバイアス層の磁気モーメントに直交する方向にバイアスすることを可能にする１つのバイアススペーサを有する。
米国特許出願公開第２００３１８４９１８号明細書は、第１ＳＶスタックと第２ＳＶスタックとの間に差し込まれた縦方向バイアススタックを有するデュアルスピンバルブ型センサを開示する。この第１ＳＶスタックとこの第２ＳＶスタックとは、当該バイアススタックのＡＦＭ材料よりも高いブロッキング温度を呈するＡＦＭ材料から製作されたＡＦＭ層によってピン止めされた、逆平行に（ＡＰ）ピン止めされた複数の層を有する。当該ブロッキング温度は、当該ＡＰピン止めされた複数の層が横方向にピン止めされ、当該バイアススタックが縦方向にピン止めされることを可能にする。当該２つのＡＰピン止め層の消磁場が、互いに相殺し、当該バイアススタックが、第１ＳＶスタックのセンス層と第２ＳＶスタックのセンス層とに対して閉磁束路を提供する。
米国特許第６２７５３６３号明細書は、逆平行（ＡＰ）に結合された１つの自由層を有するデュアルトンネル接合センサに関する。この自由層は、伝導電子の面内散乱を最適化し、信号磁場に応答する。当該センサは、複数の強磁性層を有する。これらの強磁性層は、伝導電子の面内散乱に起因する当該それぞれの自由層構造側の抵抗変化を加えるために、ＡＰ結合された自由層構造と当該それぞれの自由層構造側のピン止め層構造との間の複数の磁気モーメントが一致することを保証する。
本開示は、外部磁場を感知するための、１つの磁気トンネル接合から成るＭＬＵセルに関する。この磁気トンネル接合は、前記外部磁場によって配向されるように適合されたセンス磁化方向を呈する１つのセンス層と、基準磁化方向を呈する１つの基準層と、１つのトンネル障壁層とを有し、
１つのバイアス層が、バイアス磁化方向を呈し、１つのバイアス反強磁性層が、このバイアス磁化方向を低閾値温度でピン止めし、このバイアス磁化方向を高閾値温度で解放し、
当該ピン止めされたバイアス磁化方向が、当該ピン止めされた基準磁化方向に対してほぼ平行に配向され、
１つのバイアス結合層が、前記センス層と前記バイアス層との間に設けられていて、このバイアス結合層は、反強磁性型の磁気材料から成り、前記センス磁化方向が、当該ピン止めされたバイアス磁化方向と、当該ピン止めされた基準磁化方向とに対してほぼ直角に配向されるように、前記バイアス層と前記センス層とを磁気結合させるために構成されている。
１つのバイアス層が、バイアス磁化方向を呈し、１つのバイアス反強磁性層が、このバイアス磁化方向を低閾値温度でピン止めし、このバイアス磁化方向を高閾値温度で解放し、
当該ピン止めされたバイアス磁化方向が、当該ピン止めされた基準磁化方向に対してほぼ平行に配向され、
１つのバイアス結合層が、前記センス層と前記バイアス層との間に設けられていて、このバイアス結合層は、反強磁性型の磁気材料から成り、前記センス磁化方向が、当該ピン止めされたバイアス磁化方向と、当該ピン止めされた基準磁化方向とに対してほぼ直角に配向されるように、前記バイアス層と前記センス層とを磁気結合させるために構成されている。
前記磁気トンネル接合は、前記センス層と前記バイアス結合層との間に１つの非磁性スペーサ層をさらに有し、この非磁性スペーサ層は、Ｔａ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｒｕ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｈｆ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｚｎ又は任意の合金又はこれらの元素のうちの任意の元素を含む酸化物を含み、この結合層２８の磁気結合の強さを調整するために構成されている。
さらに、本開示は、外部磁場を感知するための、複数の枝を有する磁気センサ装置に関する。それぞれの枝が、複数のＭＬＵセルの１つのサブセットから成る。
また、本開示は、磁気センサ装置をプログラミングするための方法に関する。
本発明の課題は、請求項１に記載のＭＬＵセルによって解決される。
本発明は、例示され且つ図示された１つの実施の形態を説明することによってより良好に理解される。
図４歯、１つの実施の形態による、外部磁場を感知するための１つのＭＬＵセルを示す。このＭＬＵセル１は、外部磁場によって配向されるように適合されたセンス磁化方向２１０を呈する１つのセンス層２１と、基準磁化方向２３０を呈する１つの基準層２３と、このセンス層２１とこの基準層２３との間の１つのトンネル障壁層２２とを有する１つの磁気トンネル接合２から構成されている。
センス層２１は、軟磁性材料、すなわち比較的低い保持力を呈する材料を含む一方で、基準層２３は、硬磁性材料、すなわち比較的高い保持力を呈する材料を含む。適切な強磁性材料は、典型元素を伴って又は伴わずに、遷移金属、希土類元素及びこれらの合金を含む。例えば、適切な強磁性材料は、鉄（「Ｆｅ」）、コバルト（「Ｃｏ」）、ニッケル（「Ｎｉ」）、並びにパーマロイ（又はＮｉ８０Ｆｅ２０）；Ｎｉ、Ｆｅ及びホウ素（「Ｂ」）に基づく合金；Ｃｏ９０Ｆｅ１０；Ｃｏ、Ｆｅ及びＢに基づく合金のようなこれらの合金を含む。センス層２１及び基準層２３のそれぞれの厚さは、約０．４ｎｍ〜約２０ｎｍ又は約１ｎｍ〜約１０ｎｍのような、ｎｍの範囲内でもよい。センス層２１及び記憶層２３その他の実装も考えられる。例えば、センス層２１若しくは記憶層２３又はセンス層２１及び記憶層２３は、いわゆる合成反強磁性層の複数の副層と同様な複数の副層を含んでもよい。
トンネル障壁層２２が、絶縁材料を含んでもよく、又は絶縁材料から形成されてもよい。適切な絶縁材料は、酸化アルミニウム（例えば、Ａｌ２Ｏ３）及び酸化マグネシウム（例えば、ＭｇＯ）のような酸化物を含む。当該トンネル障壁層２２の厚さは、約０．５ｎｍ〜約１０ｎｍのような、ｎｍの範囲内でもよい。
図４を参照すると、ＭＬＵセル１は、１つの基準ピン止め層２４又はピン止め層も有する。当該基準ピン止め層２４又はピン止め層は、基準層２３に隣接して配置されていて、当該基準ピン止め層２４内の又はその近くの温度が低閾値温度ＴＬにあるときに、交換バイアスによって基準磁化方向２３０を特定の方向に沿って固定又はピン止めする。当該低閾値温度ＴＬは、ブロッキング温度、ネール温度又はその他の閾値温度よりも低い温度に相当し得る。当該温度が、高閾値温度ＴＨ、すなわち当該ブロッキング温度の上にあるときに、当該基準ピン止め層２４が、当該基準磁化方向２３０をピン止め解除又は解放する。その結果、当該基準磁化方向２３０が、別の方向に切り替え可能になる。
１つの実施の形態では、このようなピン止め層２４は、センス層２１に隣接して省略されている。その結果、交換バイアスが、ほぼ存在しないので、このセンス層２１は、ピン止め解除されているセンス磁化方向２１０を呈し、容易に変更される。
基準ピン止め層２４は、磁気材料、特に反強磁性型の磁気材料を含むか又は当該磁気材料から形成されている。適切な反強磁性材料は、遷移金属及びそれらの合金を含む。例えば、適切な反強磁性材料は、イリジウム（「Ｉｒ」）とＭｎ（例えば、ＩｒＭｎ）とに基づく合金のようなマンガン（「Ｍｎ」）に基づく合金、ＦｅとＭｎとに基づく合金（例えば、ＦｅＭｎ）、白金（「Ｐｔ」）とＭｎとに基づく合金（例えば、ＰｔＭｎ）、及びＮｉとＭｎとに基づく合金（例えば、ＮｉＭｎ）を含む。幾つかの例では、ＩｒとＭｎとに基づく（又はＦｅとＭｎとに基づく）合金のブロッキング温度は、約９０℃〜約３５０℃又は約１５０℃〜約２００℃の範囲内に存在し得るし、約２００℃〜約４００℃の範囲内にあり得るＰｔとＭｎとに基づく（又はＮｉとＭｎとに基づく）合金のブロッキング温度よりも低くし得る。
ＭＬＵセル１は、バイアス磁化方向２７０を呈する１つのバイアス層２７をさらに有する。このバイアス層２７は、ＣｏＦｅ，ＮｉＦｅ又はＣｏＦｅＢのようなＣｏ、Ｎｉ又はＦｅに基づく強磁性材料を含むか又は当該強磁性材料から形成されている。
ＭＬＵセル１は、１つのバイアスピン止め層２６をさらに有する。このバイアスピン止め層２６は、バイアス層２７に隣接して配置されていて、当該バイアスピン止め層２６内の又はその近くの温度が低閾値温度ＴＬＰにあるときに、交換バイアスによってバイアス磁化方向２７０を特定の方向に沿って固定又はピン止めする。当該温度が、当該バイアスピン止め層２６の高閾値温度ＴＨＰの上にあるときに、当該バイアスピン止め層２６が、当該バイアス磁化方向２７０をピン止め解除又は解放する。その結果、当該バイアス磁化方向２７０が、別の方向に切り替え可能になる。
バイアスピン止め層２６は、イリジウム（「Ｉｒ」）とＭｎ（例えば、ＩｒＭｎ）とに基づく合金のようなマンガン（「Ｍｎ」）に基づく合金、ＦｅとＭｎとに基づく合金（例えば、ＦｅＭｎ）、白金（「Ｐｔ」）とＭｎとに基づく合金（例えば、ＰｔＭｎ）、及びＮｉとＭｎとに基づく合金（例えば、ＮｉＭｎ）を含む、磁気材料、特に反強磁性型の磁気材料を含むか又は当該磁気材料から形成されている。好適な１つの実施の形態では、当該バイアスピン止め層２６は、基準ピン止め層２４に含まれているか又はこの基準ピン止め層２４を形成しているのと同じ反強磁性材料を含むか又は当該反強磁性材料から形成されている。後者の構成では、当該バイアスピン止め層２６の低閾値温度ＴＬＰ及び高閾値温度ＴＨＰは、基準ピン止め層２４の低閾値温度ＴＬ及び高閾値温度ＴＨにほぼ等しい。
ＭＬＵセル１は、センス層２１とバイアス層２７との間の１つのバイアス結合層２８をさらに有する。センス磁化方向２１０が、バイアス磁化方向２７０に対してほぼ直角に配向されるように、当該バイアス結合層２８は、このバイアス層２７とこのセンス層２１とを磁気結合させるように構成されている。
バイアス結合層２８は、イリジウム（「Ｉｒ」）とＭｎ（例えば、ＩｒＭｎ）とに基づく合金のようなマンガン（「Ｍｎ」）に基づく合金、ＦｅとＭｎとに基づく合金（例えば、ＦｅＭｎ）、白金（「Ｐｔ」）とＭｎとに基づく合金（例えば、ＰｔＭｎ）、並びにＮｉＯ若しくはＣｏＯのようなＮｉ及び／又はＣｏに基づく合金、又はＣｏＦｅＯ、ＮｉＦｅＯのようなＯに基づく反強磁性材料、又は任意のＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ若しくはＭｎに基づく反強磁性材料を含む、磁気材料、特に反強磁性型の磁気材料を含むか又は当該磁気材料から形成されている。
基準磁化方向２３０とセンス磁化方向２１０とバイアス磁化方向２７０とはそれぞれ、基準層２３とセンス層２１とバイアス層２７との平面内で配向可能である。
図５に示された別の実施の形態では、バイアス層２７が、第１バイアス磁化方向２７０′を呈する第１バイアス強磁性層２７１と、第２バイアス磁化方向２７０″を呈する第２バイアス強磁性層２７２とから成る１つの合成強磁性層である。１つのバイアススペーサ層２７３が、第１バイアス強磁性層２７１と第２バイアス強磁性層２７２とを（例えば、ＲＫＫＹ相互作用を介して）反強磁性結合させる。図５に示されているように、センス層２１も、第１基準磁化方向２３０′を呈する第１基準強磁性層２３１と、第２基準磁化方向２３０″を呈する第２基準強磁性層２３２とから成る１つの合成強磁性層にし得る。１つの基準スペーサ層２３３が、第１基準強磁性層２３１と第２基準強磁性層２３２とを（例えば、ＲＫＫＹ相互作用を介して）反強磁性結合させる。当該基準スペーサ層２３３及び／又は当該バイアススペーサ層２７３は、Ｒｕから製作され得る。
１つの実施の形態では、ＭＬＵセル１は、センス層２１と結合層２８との間に１つの非磁性スペーサ層２９をさらに有する。当該バイアス結合層２８の近くに堆積された非磁性スペーサ層２９は、この結合層２８の磁気結合の強さを調整するために使用され得る。この調整は、この非磁性スペーサ層２９の厚さを調整することによって可能である。この非磁性スペーサ層２９は、Ｔａ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｒｕ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｈｆ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｚｎ又は任意の合金又はこれらの元素のうちの任意の元素を含む酸化物を含むか又はこれらから形成されていて、約２ｎｍ以下である厚さを有する。
ピン止めされたバイアス磁化方向２７０は、ピン止めされた基準磁化方向２３０に対してほぼ平行に配向されている。
図６は、１つの実施の形態による、磁場方向を測定するための１つの磁気センサ装置１００の一例を示す。この磁気センサ装置１００は、複数のＭＬＵセル１を有する。図６の磁気センサ装置１００の構成は、図１に示された構成に似ている。この磁気センサ装置１００は、複数の枝１０１，１０２，１０３を有する。この場合、それぞれの枝が、電流線３の通電部３０１，３０２，３０３に直列にそれぞれ電気接続された、複数のＭＬＵセル１から成る１つのサブセットを有する。この磁気センサ装置１００は、プログラミング磁場４２を誘導するプログラミングフィールド電流４１を通電するために構成された１つのプログラミング線４をさらに有する。このプログラミング線は、複数のプログラミング線部４０１，４０２，４０３を有する。それぞれのプログラミング線部が、対応する１つの枝１０１，１０２，１０３をそれぞれアドレス指定する。
特に、それぞれの枝１０１，１０２，１０３は、複数の電流線３０１，３０２，３０３のうちの１つの電流線に直列に電気接続された、複数のＭＬＵセル１から成る１つ以上の行及び／又は列を成すアレイを有する。例えば、それぞれの枝１０１，１０２，１０３は、複数のＭＬＵセル１から成る１つの行を有してもよく、又は複数のＭＬＵセル１から成る隣接した２つ以上の行を有してもよい。プログラミングフィールド電流４１が、それぞれのプログラミング線部４０１，４０２，４０３に個々に通電されてもよい。この代わりに、プログラミングフィールド電流４１が、これらのプログラミング線部４０１，４０２，４０３に同時に通電されるように、これらのプログラミング線部４０１，４０２，４０３が、直列に電気接続され得る。
図６の装置では、この磁気センサ装置１００は、軸ｘに対して約０°の角度を成して配向された第１枝１０１と、約４５°の角度を成して配向された第２枝１０２と、軸ｘに対して約９０°の角度を成して配向された第３枝１０３とを有して示されている。第１枝１０１、第２枝１０２及び第３枝１０３内に構成された複数のＭＬＵセルがそれぞれ、第１プログラミング線部４０１、第２プログラミング線部４０２及び第３プログラミング線部４０３によってアドレス指定される。プログラミング電流４１が通電する単一のプログラミング線４を形成するように、当該第１プログラミング線部４０１、当該第２プログラミング線部４０２及び当該第３プログラミング線部４０３は、直列に電気接続されている。
任意のプログラミング線部４０１，４０２，４０３に通電するプログラミングフィールド電流４１が、（白い矢印４２によって示された）プログラミング磁場を、プログラミング線部４０１，４０２，４０３と枝１０１，１０２，１０３とに対してほぼ直角を成す方向に誘導するように、当該第１プログラミング線部４０１、当該第２プログラミング線部４０２及び当該第３プログラミング線部４０３は構成されている。
磁気センサ装置１００のその他の構成も考えられ得る。例えば、複数のセル１の平均の記憶磁化方向２３０が、約３６０°を「ｎ」で除算した角度によってほぼ均等に離間されるように、この磁気センサ装置１００は、複数の枝を有してもよい。この場合、「ｎ」は、８又は約４５°でもよい。
１つの実施の形態によれば、磁気センサ装置１００のプログラミング動作が：
対応するサブセット１０１，１０２，１０３内の複数のＭＬＵセル１を高閾値温度ＴＨで加熱し、前記複数のＭＬＵセル１の基準磁化方向２３０とバイアス磁化方向２７０とをピン止め解除するように、加熱電流３１を電流線３０１，３０２，３０３に通電するステップと、
前記複数のＭＲＡＭセル１の前記基準磁化方向２３０と前記バイアス磁化方向２７０とをプログラムされた方向に整合させるために、プログラミング磁場４２をフィールド線４０１，４０２，４０３に印加するステップと、
前記プログラムされた方向への前記基準磁化方向２３０と前記バイアス磁化方向２７０との切り替えをピン止めするように、前記対応するサブセット１０１，１０２，１０３内に構成された前記複数のＭＬＵセル１を低閾値温度ＴＬに冷却するステップとを有する。
対応するサブセット１０１，１０２，１０３内の複数のＭＬＵセル１を高閾値温度ＴＨで加熱し、前記複数のＭＬＵセル１の基準磁化方向２３０とバイアス磁化方向２７０とをピン止め解除するように、加熱電流３１を電流線３０１，３０２，３０３に通電するステップと、
前記複数のＭＲＡＭセル１の前記基準磁化方向２３０と前記バイアス磁化方向２７０とをプログラムされた方向に整合させるために、プログラミング磁場４２をフィールド線４０１，４０２，４０３に印加するステップと、
前記プログラムされた方向への前記基準磁化方向２３０と前記バイアス磁化方向２７０との切り替えをピン止めするように、前記対応するサブセット１０１，１０２，１０３内に構成された前記複数のＭＬＵセル１を低閾値温度ＴＬに冷却するステップとを有する。
プログラミング磁場４２は、前記プログラミング動作中に前記複数のＭＬＵセル１の基準磁化方向２３０とバイアス磁化方向２７０との双方を、プログラミング線部４０１，４０２，４０３に対してほぼ直角のプログラムされた方向に整合させる。図６には、枝１０１，１０２，１０３内に構成された複数のＭＬＵセル１に対してプログラムされている複数の基準磁化方向２３０の平均矢印と複数のバイアス磁化方向２７０の平均矢印とが、矢印２３０と点線矢印２７０とによってそれぞれ示されている。
結合層２８によってバイアス層２７とセンス層２１との間に発生する磁気結合が、磁化方向２１０を、バイアス磁化方向２７０のプログラムされた方向に対してほぼ直角の方向に整合させる。当該プログラミング動作後に、全ての枝１０１，１０２，１０３内に構成された複数のＭＬＵセルがプログラミングされると、当該枝１０１，１０２，１０３の形状に関係なく、センス磁化方向２１０が、基準磁化方向２３０に対してほぼ直角に整合される。図６の例では、破線矢印によって示されたセンス磁化方向２１０の平均方向が、約０°を成す枝１０１内では基準磁化方向２３０に対してほぼ直角に配向されていて、約４５°を成す枝１０２内では約４５°の角度を成して配向されていて、約９０°を成す枝１０３内では基準磁化方向２３０に対してほぼ平行に配向されている。
本発明の複数のＭＬＵセル１から成る磁気センサ装置１００は、枝１０１，１０２，１０３の配向、及び基準磁化方向２３０のピン止め方向の配向のような、磁気センサ装置１００の形状の配向に関係なく、基準磁化方向２３０の方向に対してほぼ直角に整合されるセンス磁化方向２１０によってプログラミングされ得る。
図７ａ及び７ｂは、「ＩｒＭｎ８／ＣｏＦｅ１／ＮｉＦｅ１／ＩｒＭｎ１／ＮｉＦｅ２／Ｔａ０．２／ＣｏＦｅＢ２」を含有する１つの磁気トンネル接合２から成るＭＬＵセル１上の振動試料型磁力計によって測定されたヒステリシスループを示す。この場合、数字は、ｎｍ単位の層厚に相当し、「ＣｏＦｅ１／ＮｉＦｅ１」は、バイアス層２７に相当し、「ＮｉＦｅ２／Ｔａ０．２／ＣｏＦｅＢ２」は、センス層２１に相当する。図７ａのヒステリシスループは、プログラミング磁場４２又はアニーリング磁場に対して直角の磁場Ｈ（横方向磁場）を使用して測定された。図７ｂのヒステリシスループは、プログラミング磁場４２又はアニーリング磁場に対して平行の磁場Ｈ（縦方向磁場）を使用して測定された。ヒステリシスループの線形部分上のインサートズーミングによって図７ｂに見られるように、縦方向に測定されるときに、センス磁化方向２１０は、線形挙動を示す。反対に、ヒステリシスループのヒステリシス部分上のインサートズーミングによって図７ａに見られるように、横方向に測定されるときに、センス磁化方向２１０は、ヒステリシス挙動を示す。
図８ａ及び８ｂは、磁気トンネル接合２の上面図である。この場合、センス磁化方向２１０は、破線矢印によって示されていて、バイアス磁化方向は、実線矢印によって示されていて、プログラミング磁場４２は、白矢印によって示されていて、印加された磁場Ｈは、黒矢印６０によって示されている。図８ａは、図７ａ上で測定されたような横方向磁場に相当し、図８ｂは、図７ｂ上で測定されたような縦方向磁場に相当する。
１つの実施の形態では、枝１０１，１０２，１０３が、連続してプログラミングされるように、加熱電流３１を通電するステップと、プログラミング磁場４２を印加するステップと、複数のＭＬＵセル１を冷却するステップとが実行される。
別の実施の形態では、それぞれの枝１０１，１０２，１０３が同時にプログラミングされるように、加熱電流３１を通電するステップと、プログラミング磁場４２を印加するステップと、複数のＭＬＵセル１を冷却するステップとが実行される。
好ましくは、サブセット内の複数のＭＬＵセル１が、少なくとも低閾値温度ＴＬに冷却されるまで、プログラミング磁場４２が印加される。
図９ａ及び９ｂは、第１枝１０１、第２枝１０２及び第３枝１０３から成る磁気センサ装置１００のプログラミングに相当するタイムチャートである。図９ａには、（図９ａの符号ｉによって示された）加熱電流３１を電流線３０１，３０２，３０３に通電するシーケンスが、３つの枝１０１，１０２，１０３に連続してそれぞれ通電される３つの電流パルスｉ１０１，ｉ１０２，ｉ１０３によって示されている。図９ｂには、（図９ｂの符号Ｈによって示された）プログラミング磁場４２をプログラミング線部４０１，４０２，４０３に印加するシーケンスが、枝１０１，１０２，１０３をアドレス指定する３つのプログラミング線部４０１，４０２，４０３に連続してそれぞれ透過される３つのプログラミング磁場パルスＨ４０１，Ｈ４０２，Ｈ４０３によって示されている。図９ａ及び９ｂに示されたように、サブセット内の複数のＭＬＵセル１が、低閾値温度ＴＬに冷却されるまで、プログラミング磁場４２が印加されるように、プログラミング磁場パルスＨ４０１，Ｈ４０２，Ｈ４０３は、電流パルスｉ１０１，ｉ１０２，ｉ１０３よりも長い。
１つの実施の形態によれば、磁気センサ装置１００の感知動作が、平均抵抗Ｒを測定するために、センス電流３２を通電枝３０１，３０２，３０３に通電することを有する。ここでは、この平均抵抗Ｒは、１つの枝１０１，１０２，１０３内に構成された複数のＭＬＵセルに対して直列に測定される抵抗に相当する。それぞれのＭＬＵセルの抵抗が、基準磁化方向２３０に対するセンス磁化方向２１０の相対配向によって決定される。センス磁化方向２１０が、センス磁場４４を生成するために、センスフィールド電流４３をプログラミング線部４０１，４０２，４０３に通電することによって変更され得る。センス磁場４４と平均抵抗Ｒとをセンスフィールド電流４３の極性に応じて変調するため、このセンスフィールド電流４３が反転され得る。センス磁化方向２１０は、最初は基準磁化方向２３０に対してほぼ直角であるので、その応答は、線形になる。
磁気センサ装置１００が、地球の磁界のような外部磁場６０を検知することに対して使用されるときに、当該外部磁場６０のそれぞれの配向と、当該外部磁場６０の方向に対する枝１０１，１０２，１０３のそれぞれの配向とに応じて、センス磁化方向２１０が、当該外部磁場６０に整合される。センス電流３２を通電枝３０１，３０２，３０３に通電することによって平均抵抗Ｒを測定するように、当該外部磁場６０が、センス電流３２を当該通電枝３０１，３０２，３０３に通電することによって測定され得る。
ここに開示されたＭＬＵに基づく磁気センサ装置１００は、例えば、磁力計及び／又はコンパスに内蔵されてもよい。
１つの実施の形態では、磁気センサ装置１００は、地球の磁場のような外部磁場の方向を二次元で測定するために、例えば、二次元平面内で外部磁場の成分を測定するために使用され得る。磁気センサ装置１００の設計原理を具体化する装置は、垂直軸方向に感知するホール効果を利用する磁気センサ装置１００を使用することによって、外部磁場の方向を三次元で測定してもよい。当該ホール効果は、導電体を横切り、当該導電体中の電流と当該電流と直交する磁場とを横切る電圧差（ホール電圧）を引き起こす。三次元内の外部磁場の成分が、このホール効果に基づいて測定されてもよい。
１ ＭＬＵセル
１００ 磁気センサ装置
１０１ 第１サブセット、第１枝
１０２ 第２サブセット、第２枝
１０３ 第３サブセット、第３枝
２ 磁気トンネル接合
２１ センス層
２１０ センス磁化方向
２２ トンネル障壁層
２３ 基準層
２３０ 基準磁化方向
２３１ 第１基準強磁性層
２３２ 第２基準強磁性層
２３３ 基準スペーサ層
２４ 基準ピン止め層
２６ バイアスピン止め層
２７ バイアス層
２７０ バイアス磁化方向
２７１ 第１バイアス強磁性層
２７２ 第２バイアス強磁性層
２７３ バイアススペーサ層
２８ バイアス結合層
２９ 非磁性スペーサ層
３ 電流線
３０１ 第１通電枝
３０２ 第２通電枝
３０３ 第３通電枝
３１ 加熱電流
３２ センス電流
４ プログラミング線
４０１ プログラミング線部
４０２ プログラミング線部
４０３ プログラミング線部
４１ プログラミングフィールド電流
４２ プログラミング磁場
４３ センスフィールド電流
４４ センス磁場
６０ 外部磁場
６０１ 外部磁場の第１成分
６０２ 外部磁場の第２成分
６０３ 外部磁場の第３成分
Ｒ 平均抵抗
ＴＨ 高閾値温度
ＴＬ 低閾値温度
ＴＨＰ ピン止め層の高閾値温度
ＴＬＰ ピン止め層の低閾値温度
１００ 磁気センサ装置
１０１ 第１サブセット、第１枝
１０２ 第２サブセット、第２枝
１０３ 第３サブセット、第３枝
２ 磁気トンネル接合
２１ センス層
２１０ センス磁化方向
２２ トンネル障壁層
２３ 基準層
２３０ 基準磁化方向
２３１ 第１基準強磁性層
２３２ 第２基準強磁性層
２３３ 基準スペーサ層
２４ 基準ピン止め層
２６ バイアスピン止め層
２７ バイアス層
２７０ バイアス磁化方向
２７１ 第１バイアス強磁性層
２７２ 第２バイアス強磁性層
２７３ バイアススペーサ層
２８ バイアス結合層
２９ 非磁性スペーサ層
３ 電流線
３０１ 第１通電枝
３０２ 第２通電枝
３０３ 第３通電枝
３１ 加熱電流
３２ センス電流
４ プログラミング線
４０１ プログラミング線部
４０２ プログラミング線部
４０３ プログラミング線部
４１ プログラミングフィールド電流
４２ プログラミング磁場
４３ センスフィールド電流
４４ センス磁場
６０ 外部磁場
６０１ 外部磁場の第１成分
６０２ 外部磁場の第２成分
６０３ 外部磁場の第３成分
Ｒ 平均抵抗
ＴＨ 高閾値温度
ＴＬ 低閾値温度
ＴＨＰ ピン止め層の高閾値温度
ＴＬＰ ピン止め層の低閾値温度
Claims (9)
- 外部磁場を感知するための、複数の枝を有する磁気センサ装置において、それぞれの枝が、複数のＭＬＵセルを備える１つのサブセットを備え、各ＭＬＵセルは磁気トンネル接合を備え、この磁気トンネル接合は、前記外部磁場によって配向されるように適合されたセンス磁化方向を呈する１つのセンス層と、基準磁化方向を呈する１つの基準層と、この基準磁化方向を低閾値温度でピン止めし、この基準磁化方向を高閾値温度で解放する１つの基準反強磁性層と、前記センス層と前記基準層との間の１つのトンネル障壁層とを有し、
前記磁気トンネル接合は、バイアス磁化方向を呈する１つのバイアス層と、このバイアス磁化方向を低閾値温度でピン止めし、このバイアス磁化方向を高閾値温度で解放する１つのバイアス反強磁性層とを有し、
当該ピン止めされたバイアス磁化方向が、当該ピン止めされた基準磁化方向に対してほぼ平行に配向され、
前記磁気トンネル接合は、前記センス層と前記バイアス層との間の１つのバイアス結合層を有し、このバイアス結合層は、反強磁性型の磁気材料から成り、前記センス磁化方向が、当該ピン止めされたバイアス磁化方向と、当該ピン止めされた基準磁化方向とに対してほぼ直角に配向されるように、前記バイアス層と前記センス層とを磁気結合させるために構成されている当該ＭＬＵセルにおいて、
前記磁気トンネル接合は、前記センス層と前記バイアス結合層との間に１つの非磁性スペーサ層をさらに有し、この非磁性スペーサ層は、Ｔａ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｒｕ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｈｆ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｚｎ又は任意の合金又はこれらの元素のうちの任意の元素を含む酸化物を含み、この結合層の磁気結合の強さを調整するために構成されていて、
基準磁化方向とバイアス磁化方向とを解放するように、それぞれのサブセットは、そのサブセット内の複数のＭＬＵセルを高閾値温度の上で加熱するために適合されたプログラミング電流を通電するために形成された１つの電流線によって直列に電気接続されていて、
それぞれの前記枝は、前記複数のＭＬＵセルが前記高閾値温度で加熱されるときに、そのサブセット内に構成された前記複数のＭＬＵセルの前記基準磁化方向と前記バイアス磁化方向とをプログラムされた１つの方向に整合させるために生成されたプログラミング磁場を印加するための手段をさらに有する
ことを特徴とする磁気センサ装置。 - 前記反強磁性材料は、ＦｅＭｎ、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、ＮｉＯ、ＣｏＯ、又はＣｏＦｅＯ、ＮｉＦｅＯのようなＭｎ若しくはＯに基づく反強磁性体、又はＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ若しくはＭｎに基づく反強磁性体、の組み合わせのうちの任意の１つの組み合わせから成る請求項１に記載の磁気センサ装置。
- それぞれのサブセットが、前記プログラミング磁場を誘導するフィールド電流を通電するために配置された１つのフィールド線と協働し、プログラミング磁場を印加するための前記手段は、前記フィールド電流を前記フィールド線に通電することから成る請求項１に記載の磁気センサ装置。
- 前記複数の枝は、前記外部磁場の第１成分を感知するために第１サブセットを電気接続する１つの第１枝と、前記外部磁場の第２成分を感知するために第２サブセットを電気接続する１つの第２枝と、前記外部磁場の第３成分を感知するために第３サブセットを電気接続する１つの第３枝とを有する請求項１に記載の磁気センサ装置。
- 前記第２枝は、前記第１枝に対して約４５°を成して配向されていて、前記第３枝は、前記第１枝に対してほぼ直角に配向されている請求項４に記載の磁気センサ装置。
- 複数の枝を有する磁気センサ装置をプログラミングするための方法であって、それぞれの枝が、複数のＭＬＵセルから成る１つのサブセットを構成し、
それぞれのＭＬＵセルが、１つの磁気トンネル接合から成り、この磁気トンネル接合は、外部磁場によって配向されるように適合されたセンス磁化方向を呈する１つのセンス層と、基準磁化方向を呈する１つの基準層と、この基準磁化方向を低閾値温度でピン止めし、この基準磁化方向を高閾値温度で解放する１つの基準反強磁性層と、前記センス層と前記基準層との間の１つのトンネル障壁層とを有し、
前記磁気トンネル接合は、バイアス磁化方向を呈する１つのバイアス層と、このバイアス磁化方向を低閾値温度でピン止めし、このバイアス磁化方向を高閾値温度で解放する１つのバイアス反強磁性層とを有し、
当該ピン止めされたバイアス磁化方向が、当該ピン止めされた基準磁化方向に対してほぼ平行に配向され、
前記磁気トンネル接合は、前記センス層と前記バイアス層との間の１つのバイアス結合層を有し、このバイアス結合層は、反強磁性型の磁気材料から成り、前記センス磁化方向が、当該ピン止めされたバイアス磁化方向と、当該ピン止めされた基準磁化方向とに対してほぼ直角に配向されるように、前記バイアス層と前記センス層とを磁気結合させるために構成されている当該ＭＬＵセルにおいて、
前記磁気トンネル接合は、前記センス層と前記バイアス結合層との間に１つの非磁性スペーサ層をさらに有し、この非磁性スペーサ層は、Ｔａ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｒｕ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｈｆ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｚｎ又は任意の合金又はこれらの元素のうちの任意の元素を含む酸化物を含み、この結合層の磁気結合の強さを調整するために構成されていて、
基準磁化方向とバイアス磁化方向とを解放するように、それぞれのサブセットは、そのサブセット内の複数のＭＬＵセルを高閾値温度の上で加熱するために適合されたプログラミング電流を通電するために形成された１つの電流線によって直列に電気接続されていて、
それぞれの前記枝は、前記複数のＭＬＵセルが前記高閾値温度で加熱されるときに、そのサブセット内に構成された前記複数のＭＬＵセルの前記基準磁化方向と前記バイアス磁化方向とをプログラムされた１つの方向に整合させるために生成されたプログラミング磁場を印加するための手段をさらに有し、
当該方法は、
対応するサブセット内に構成された複数のＭＬＵセルを高閾値温度で加熱し、基準磁化方向とバイアス磁化方向とをピン止め解除するように、加熱電流を電流線に通電することと、
前記サブセット内に構成された前記複数のＭＬＵセルが前記高閾値温度で加熱されると、前記サブセット内に構成された前記複数のＭＬＵセルの前記基準磁化方向と前記バイアス磁化方向とをプログラムされた１つの方向に整合させるために、プログラミング磁場を印加することと、
前記基準磁化方向と前記バイアス磁化方向とをプログラムされた方向に切り替えることをピン止めし、センス磁化方向が、前記プログラムされた方向に対してほぼ直角に整合されるように、前記サブセット内に構成された前記複数のＭＬＵセルを低閾値温度に冷却することから成る当該方法。 - それぞれの枝が、連続して又は同時にプログラミングされるように、前記加熱電流を通電するステップと、前記基準磁化方向及び前記バイアス磁化方向を切り替えるステップと、前記複数のＭＬＵセルを冷却するステップとが実行される請求項６に記載の方法。
- それぞれのサブセットが、前記プログラミング磁場を誘導するフィールド電流を通電するために配置された１つのフィールド線と協働し、プログラミング磁場を印加することは、フィールド電流を前記フィールド線に通電することから成る請求項６に記載の方法。
- 複数の通電枝を有する磁気センサ装置を使用することによって外部磁場を感知するための方法であって、それぞれの枝が、複数のＭＬＵセルから成る１つのサブセットを構成する当該方法において、
それぞれのＭＬＵセルが、１つの磁気トンネル接合から成り、この磁気トンネル接合は、前記外部磁場によって配向されるように適合されたセンス磁化方向を呈する１つのセンス層と、基準磁化方向を呈する１つの基準層と、この基準磁化方向を低閾値温度でピン止めし、この基準磁化方向を高閾値温度で解放する１つの基準反強磁性層と、前記センス層と前記基準層との間の１つのトンネル障壁層とを有し、
前記磁気トンネル接合は、バイアス磁化方向を呈する１つのバイアス層と、このバイアス磁化方向を低閾値温度でピン止めし、このバイアス磁化方向を高閾値温度で解放する１つのバイアス反強磁性層とを有し、
当該ピン止めされたバイアス磁化方向が、当該ピン止めされた基準磁化方向に対してほぼ平行に配向され、
前記磁気トンネル接合は、前記センス層と前記バイアス層との間の１つのバイアス結合層を有し、このバイアス結合層は、反強磁性型の磁気材料から成り、前記センス磁化方向が、当該ピン止めされたバイアス磁化方向と、当該ピン止めされた基準磁化方向とに対してほぼ直角に配向されるように、前記バイアス層と前記センス層とを磁気結合させるために構成されている当該ＭＬＵセルにおいて、
前記磁気トンネル接合は、前記センス層と前記バイアス結合層との間に１つの非磁性スペーサ層をさらに有し、この非磁性スペーサ層は、Ｔａ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｒｕ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｈｆ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｚｎ又は任意の合金又はこれらの元素のうちの任意の元素を含む酸化物を含み、この結合層の磁気結合の強さを調整するために構成されていて、
基準磁化方向とバイアス磁化方向とを解放するように、それぞれのサブセットは、そのサブセット内の複数のＭＬＵセルを高閾値温度の上で加熱するために適合されたプログラミング電流を通電するために形成された１つの電流線によって直列に電気接続されていて、
それぞれの前記枝は、前記複数のＭＬＵセルが前記高閾値温度で加熱されるときに、そのサブセット内に構成された前記複数のＭＬＵセルの前記基準磁化方向と前記バイアス磁化方向とをプログラムされた１つの方向に整合させるために生成されたプログラミング磁場を印加するための手段をさらに有し、
センス電流を複数の通電枝に通電することから成る当該方法。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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