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JP7590705B2 - Tunneling magnetoresistance sensor - Google Patents
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JP7590705B2 - Tunneling magnetoresistance sensor - Google Patents

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Description

本発明は、トンネル磁気抵抗(TMR)センサに関する。 The present invention relates to a tunnel magnetoresistance (TMR) sensor.

近年、医療や非破壊検査、電気自動車といった、高感度、低消費電力、可搬性が不可欠な分野において、トンネル磁気抵抗(TMR)素子を含む磁気センサを有する装置が利用されている(例えば、特許文献1参照)。この磁気測定装置では、1/fノイズなどのノイズを低減するために、磁気センサが、複数のトンネル磁気抵抗素子を格子配列したトンネル磁気抵抗素子アレイで構成されている。 In recent years, devices with magnetic sensors including tunnel magnetoresistance (TMR) elements have been used in fields such as medicine, non-destructive testing, and electric vehicles, where high sensitivity, low power consumption, and portability are essential (see, for example, Patent Document 1). In this magnetic measurement device, the magnetic sensor is composed of a tunnel magnetoresistance element array in which multiple tunnel magnetoresistance elements are arranged in a lattice to reduce noise such as 1/f noise.

なお、最近、スピンホールナノ発振器における相互デバイス同期やその利点についての研究が行われている(例えば、非特許文献1参照)。また、トンネル磁気抵抗素子では、1/fノイズが低周波数帯で最も支配的なノイズであり、その磁気揺らぎは、固定層と自由層との界面における磁化配向の切替状態に関連していることがわかってきた(例えば、非特許文献2参照)。 Recently, research has been conducted on mutual device synchronization in spin Hall nano-oscillators and its advantages (see, for example, Non-Patent Document 1). In addition, in tunnel magnetoresistance elements, 1/f noise is the most dominant noise in the low frequency band, and it has been found that the magnetic fluctuation is related to the switching state of the magnetization orientation at the interface between the fixed layer and the free layer (see, for example, Non-Patent Document 2).

国際公開WO2012/032962号International Publication No. WO2012/032962

Awad, A. A. et al.,”Long-range mutual synchronization of spin Hall nano-oscillators”. Nat. Phys., 2016, 13, p.292-299Awad, A. A. et al., “Long-range mutual synchronization of spin Hall nano-oscillators”. Nat. Phys., 2016, 13, p.292-299 Z. Q. Lei, et al., “Review of Noise Sources in Magnetic Tunnel Junction Sensors”, IEEE Transactions on Magnetics, March 2011, Volume 47, Issue 3, p.602-612Z. Q. Lei, et al., “Review of Noise Sources in Magnetic Tunnel Junction Sensors”, IEEE Transactions on Magnetics, March 2011, Volume 47, Issue 3, p.602-612

特許文献1に記載のような磁気測定装置では、磁場が正から負および負から正に変化する際にトンネル磁気抵抗素子のTMR応答が異なる、いわゆるヒステリシスを有しているため、測定誤差が発生し、感度が低下してしまうという課題があった。 In a magnetic measurement device such as that described in Patent Document 1, the TMR response of the tunnel magnetoresistance element differs when the magnetic field changes from positive to negative and from negative to positive, which is known as hysteresis, and this causes measurement errors and reduces sensitivity.

本発明は、このような課題に着目してなされたもので、ヒステリシスによる測定誤差を低減可能であり、感度を高めることができるトンネル磁気抵抗センサを提供することを目的とする。 The present invention was made with an eye on these issues, and aims to provide a tunnel magnetoresistance sensor that can reduce measurement errors due to hysteresis and increase sensitivity.

本発明者等は、非特許文献2に記載されたトンネル磁気抵抗素子の磁気揺らぎが、内部磁化の方向に引き起こされるものであることや、トンネル磁気抵抗素子の自由層が磁化の方向を変えているときに、常に出力密度の最大値が現れることから、トンネル磁気抵抗素子アレイ中の各トンネル磁気抵抗素子の相互同期がノイズを低減するのではないかと考え、本発明に至った。 The inventors of the present invention came up with the idea that the magnetic fluctuations of the tunneling magnetoresistance element described in Non-Patent Document 2 are caused by the direction of internal magnetization, and that the maximum value of the output density always appears when the free layer of the tunneling magnetoresistance element is changing the direction of magnetization. Based on this idea, they believed that mutual synchronization of each tunneling magnetoresistance element in the tunneling magnetoresistance element array might reduce noise.

すなわち、上記目的を達成するために、本発明に係るトンネル磁気抵抗センサは、磁化方向が固定されている固定層と、磁化方向が変化可能な自由層と、前記固定層と前記自由層との間に配置されたトンネルバリア層と、前記固定層の前記トンネルバリア層とは反対側に配置された第1の電極層と、前記自由層の前記トンネルバリア層とは反対側に配置された第2の電極層とを有するトンネル磁気抵抗素子を複数有し、各トンネル磁気抵抗素子は、一列または格子配列に並んで配置され、隣り合う2つのトンネル磁気抵抗素子間で、前記自由層と前記第2の電極層とを共有し、それぞれ独立した島を形成し、隣り合う前記島の間で、隣り合ったトンネル磁気抵抗素子が前記第1の電極層を共有して、トンネル磁気抵抗素子アレイを構成しており、各トンネル磁気抵抗素子のうち、前記第1の電極層を共有して隣り合うトンネル磁気抵抗素子の前記自由層同士の間隔が、0.5μm以下であることを特徴とする。
That is, in order to achieve the above-mentioned object, the tunneling magnetoresistance sensor of the present invention has a plurality of tunneling magnetoresistance elements each having a fixed layer whose magnetization direction is fixed, a free layer whose magnetization direction is changeable, a tunnel barrier layer arranged between the fixed layer and the free layer, a first electrode layer arranged on the opposite side of the tunnel barrier layer of the fixed layer, and a second electrode layer arranged on the opposite side of the tunnel barrier layer of the free layer, and each tunneling magnetoresistance element is arranged in a row or a lattice array, and between two adjacent tunneling magnetoresistance elements, the free layer and the second electrode layer are shared and each forms an independent island, and between adjacent islands, adjacent tunneling magnetoresistance elements share the first electrode layer to form a tunneling magnetoresistance element array, and among each of the tunneling magnetoresistance elements, the distance between the free layers of adjacent tunneling magnetoresistance elements that share the first electrode layer is 0.5 μm or less.

本発明に係るトンネル磁気抵抗センサは、トンネル磁気抵抗素子アレイの各トンネル磁気抵抗素子のうち、第1の電極層を共有して隣り合うトンネル磁気抵抗素子、すなわち自由層を共有せずに隣り合うトンネル磁気抵抗素子の、自由層同士の間隔が0.5μm以下と近接しているため、それらのトンネル磁気抵抗素子が相互同期して、ヒステリシスを小さくすることができる。これにより、ヒステリシスによる測定誤差を低減することができ、感度を高めることができる。 The tunneling magnetoresistance sensor according to the present invention has adjacent tunneling magnetoresistance elements that share a first electrode layer, i.e., adjacent tunneling magnetoresistance elements that do not share a free layer, and the distance between the free layers is close to each other at 0.5 μm or less, so that the tunneling magnetoresistance elements can be synchronized with each other and hysteresis can be reduced. This makes it possible to reduce measurement errors due to hysteresis and increase sensitivity.

本発明に係るトンネル磁気抵抗センサは、各トンネル磁気抵抗素子のうち、前記第1の電極層を共有して隣り合うトンネル磁気抵抗素子の前記自由層同士の間隔が、0.35μm以下であることが好ましい。この場合、隣り合うトンネル磁気抵抗素子の自由層を、より近接させることにより、さらに測定誤差を低減して、感度を高めることができる。隣り合うトンネル磁気抵抗素子の自由層同士の間隔は、製造方法により大きく変化するが、例えば、リソグラフィとイオンミリングとを用いた場合には、0.2μm~0.35μm程度まで狭くすることができる。 In the tunneling magnetoresistance sensor according to the present invention, it is preferable that the distance between the free layers of adjacent tunneling magnetoresistance elements that share the first electrode layer is 0.35 μm or less. In this case, by bringing the free layers of adjacent tunneling magnetoresistance elements closer together, it is possible to further reduce measurement errors and increase sensitivity. The distance between the free layers of adjacent tunneling magnetoresistance elements varies greatly depending on the manufacturing method, but for example, when lithography and ion milling are used, it can be narrowed to about 0.2 μm to 0.35 μm.

本発明に係るトンネル磁気抵抗センサで、前記第1の電極層は上部電極であり、前記第2の電極層は下部電極であることが好ましい。この場合、製造時に、下部電極の第2の電極層から積層していくことにより、隣り合うトンネル磁気抵抗素子の自由層同士の間隔を、所望の間隔で形成しやすい。 In the tunneling magnetoresistance sensor according to the present invention, it is preferable that the first electrode layer is an upper electrode and the second electrode layer is a lower electrode. In this case, during manufacturing, stacking is performed starting from the second electrode layer of the lower electrode, making it easy to form the desired distance between the free layers of adjacent tunneling magnetoresistance elements.

本発明によれば、ヒステリシスによる測定誤差を低減可能であり、感度を高めることができるトンネル磁気抵抗センサを提供することができる。 The present invention provides a tunnel magnetoresistance sensor that can reduce measurement errors due to hysteresis and increase sensitivity.

本発明の実施の形態のトンネル磁気抵抗センサを示す側面図である。1 is a side view showing a tunnel magnetoresistive sensor according to an embodiment of the present invention; 図1に示すトンネル磁気抵抗センサのトンネル磁気抵抗素子の層構成を示す正面図である。2 is a front view showing a layer configuration of a tunneling magnetoresistive element of the tunneling magnetoresistive sensor shown in FIG. 1 . 図1に示すトンネル磁気抵抗センサの、トンネル磁気抵抗素子の自由層と下部電極層とを有する独立した島の分布を示す(a)平面図、(b) (a)中のA-A’線断面図である。FIG. 2A is a plan view showing the distribution of independent islands having a free layer and a lower electrode layer of a tunneling magnetoresistive element of the tunneling magnetoresistive sensor shown in FIG. 1, and FIG. 2B is a cross-sectional view taken along line A-A' in FIG. 本発明の実施の形態のトンネル磁気抵抗センサの、独立した島を製造した状態を示す平面視での光学顕微鏡写真である。1 is an optical microscope photograph in plan view showing a state in which an independent island has been manufactured in the tunnel magnetoresistive sensor according to the embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態のトンネル磁気抵抗センサ(島の間隔が0.3μm)、および、島の間隔が5μmの比較例のトンネル磁気抵抗センサの、(a)磁気抵抗曲線を示すグラフ、(b) (a)中の磁場がゼロ付近を拡大したグラフである。1A is a graph showing magnetoresistance curves of a tunneling magnetoresistance sensor according to an embodiment of the present invention (island spacing is 0.3 μm) and a comparative tunneling magnetoresistance sensor having an island spacing of 5 μm; FIG. 1B is a graph showing an enlarged view of the area where the magnetic field in FIG. 1A is zero. 本発明の実施の形態のトンネル磁気抵抗センサの、島の間隔(Distance Between Free Islands)に対する、ゼロ磁場でのTMR比のズレの量(Normalized TMR Difference at zero field;Hc)およびTMR感度(Normalized TMR Sensitivity;TMRS)の関係を示すグラフである。1 is a graph showing the relationship between the distance between free islands of a tunnel magnetoresistive sensor according to an embodiment of the present invention and the normalized TMR difference at zero field (Hc) and normalized TMR sensitivity (TMRS).

以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態について説明する。
図1乃至図6は、本発明の実施の形態のトンネル磁気抵抗センサを示している。
図1に示すように、トンネル磁気抵抗センサ10は、トンネル磁気抵抗素子11を複数有しており、各トンネル磁気抵抗素子11が一列に並んで配置されている。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
1 to 6 show a tunnel magnetoresistive sensor according to an embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 1, a tunneling magnetoresistive sensor 10 has a plurality of tunneling magnetoresistive elements 11, which are arranged in a row.

図2に示すように、各トンネル磁気抵抗素子11は、基板12と、基板12の上に順番に積層された下引き層13と下部電極層14と自由層15とトンネルバリア層16と固定層17と固定化促進層18と上部電極層19とを有している。 As shown in FIG. 2, each tunnel magnetoresistance element 11 has a substrate 12, and an undercoat layer 13, a lower electrode layer 14, a free layer 15, a tunnel barrier layer 16, a fixed layer 17, a fixation promotion layer 18, and an upper electrode layer 19, which are stacked in this order on the substrate 12.

基板12は、非磁性であり、各層の成膜や熱処理等に耐えることができるものであれば、いかなるものから成っていてもよく、例えば、SiまたはSiOから成っている。下引き層13は、基板12の表面に、その表面の粗さを整えるために設けられている。下引き層13は、基板12の表面の粗さを整えることができるものであれば、いかなるものから成っていてもよい。下引き層13は、2nm~10nm程度の層厚を有することが好ましい。 The substrate 12 may be made of any material, for example, Si or SiO2 , as long as it is non-magnetic and can withstand the deposition of each layer and heat treatment. The undercoat layer 13 is provided on the surface of the substrate 12 to smooth out the surface roughness. The undercoat layer 13 may be made of any material, as long as it can smooth out the surface roughness of the substrate 12. The undercoat layer 13 preferably has a layer thickness of about 2 nm to 10 nm.

下部電極層14は、下引き層13の基板12とは反対側の表面に接するよう設けられている。下部電極層14は、導電性の材料であれば、いかなるものから成っていてもよく、複数の金属材料を積層した構造であってもよい。下部電極層14は、2nm~20nm程度の層厚を有することが好ましい。なお、下部電極層14が、第2の電極層を成している。 The lower electrode layer 14 is provided so as to contact the surface of the undercoat layer 13 opposite the substrate 12. The lower electrode layer 14 may be made of any conductive material, and may have a structure in which multiple metal materials are laminated. The lower electrode layer 14 preferably has a layer thickness of about 2 nm to 20 nm. The lower electrode layer 14 forms the second electrode layer.

自由層15は、下部電極層14の下引き層13とは反対側の表面に設けられている。自由層15は、下部電極層14の上に、第1の強磁性層21と第1の非磁性層22と第2の強磁性層23とを、この順番で積層した構造を有している。第1の強磁性層21は、外部からの磁束の影響を受けて磁化方向が変化可能になっている。第1の強磁性層21は、軟磁性材料であり、例えば、NiFe、CoFeSiB等から成り、30nm~200nm程度の層厚を有することが好ましい。 The free layer 15 is provided on the surface of the lower electrode layer 14 opposite the undercoat layer 13. The free layer 15 has a structure in which a first ferromagnetic layer 21, a first non-magnetic layer 22, and a second ferromagnetic layer 23 are stacked in this order on the lower electrode layer 14. The magnetization direction of the first ferromagnetic layer 21 can be changed by the influence of external magnetic flux. The first ferromagnetic layer 21 is a soft magnetic material, such as NiFe, CoFeSiB, etc., and preferably has a layer thickness of about 30 nm to 200 nm.

第1の非磁性層22は、第1の強磁性層21と第2の強磁性層23とを磁気的に結合すると共に、第1の強磁性層21を第2の強磁性層23の結晶構造から切り離すために設けられている。第1の非磁性層22は、例えば、RuまたはTaから成り、0.2~1nm程度の層厚を有することが好ましい。第2の強磁性層23は、外部からの磁束の影響を受けて磁化方向が変化可能になっている。第2の強磁性層23は、例えば、CoFeBから成り、1.4nm~5.0nm程度の層厚を有することが好ましい。 The first non-magnetic layer 22 is provided to magnetically couple the first ferromagnetic layer 21 and the second ferromagnetic layer 23, and to separate the first ferromagnetic layer 21 from the crystal structure of the second ferromagnetic layer 23. The first non-magnetic layer 22 is preferably made of, for example, Ru or Ta, and has a layer thickness of about 0.2 to 1 nm. The second ferromagnetic layer 23 is capable of changing its magnetization direction under the influence of external magnetic flux. The second ferromagnetic layer 23 is preferably made of, for example, CoFeB, and has a layer thickness of about 1.4 nm to 5.0 nm.

トンネルバリア層16は、自由層15の下部電極層14とは反対側の表面に設けられている。トンネルバリア層16は、絶縁材料から成っており、例えば、MgO、Mg-Al-O、AlOx等から成っている。トンネルバリア層16は、例えば、1nm~10nm程度の層厚を有することが好ましい。 The tunnel barrier layer 16 is provided on the surface of the free layer 15 opposite the lower electrode layer 14. The tunnel barrier layer 16 is made of an insulating material, such as MgO, Mg-Al-O, or AlOx. It is preferable that the tunnel barrier layer 16 has a layer thickness of, for example, about 1 nm to 10 nm.

固定層17は、トンネルバリア層16の自由層15とは反対側の表面に設けられており、自由層15との間にトンネルバリア層16を挟んでいる。固定層17は、トンネルバリア層16の上に、第3の強磁性層24と第2の非磁性層25と第4の強磁性層26とを、この順番で積層した構造を有している。第3の強磁性層24は、磁化方向が固定されている。第3の強磁性層24は、例えば、CoFeBから成り、1.4nm~10nm程度の層厚を有することが好ましい。 The fixed layer 17 is provided on the surface of the tunnel barrier layer 16 opposite the free layer 15, sandwiching the tunnel barrier layer 16 between the free layer 15 and the fixed layer 17. The fixed layer 17 has a structure in which a third ferromagnetic layer 24, a second non-magnetic layer 25, and a fourth ferromagnetic layer 26 are stacked in this order on the tunnel barrier layer 16. The magnetization direction of the third ferromagnetic layer 24 is fixed. The third ferromagnetic layer 24 is preferably made of CoFeB, for example, and has a layer thickness of about 1.4 nm to 10 nm.

第2の非磁性層25は、第3の強磁性層24と第4の強磁性層26とを磁気的に結合すると共に、第3の強磁性層24を第4の強磁性層26の結晶構造から切り離すために設けられている。第2の非磁性層25は、例えば、RuまたはTaから成り、0.2~1nm程度の層厚を有することが好ましい。第4の強磁性層26は、磁化方向が固定されている。第4の強磁性層26は、例えば、CoFeから成り、1nm~10nm程度の層厚を有することが好ましい。 The second non-magnetic layer 25 is provided to magnetically couple the third ferromagnetic layer 24 and the fourth ferromagnetic layer 26, and to separate the third ferromagnetic layer 24 from the crystal structure of the fourth ferromagnetic layer 26. The second non-magnetic layer 25 is preferably made of, for example, Ru or Ta, and has a thickness of about 0.2 to 1 nm. The magnetization direction of the fourth ferromagnetic layer 26 is fixed. The fourth ferromagnetic layer 26 is preferably made of, for example, CoFe, and has a thickness of about 1 nm to 10 nm.

固定化促進層18は、第4の強磁性層26の固定化を促進するために、固定層17のトンネルバリア層16とは反対側の表面に設けられている。固定化促進層18は、例えば、IrMn、PtMnなどの反強磁性体から成り、5nm~20nm程度の層厚を有している。 The fixation promotion layer 18 is provided on the surface of the fixed layer 17 opposite the tunnel barrier layer 16 in order to promote fixation of the fourth ferromagnetic layer 26. The fixation promotion layer 18 is made of an antiferromagnetic material such as IrMn or PtMn, and has a layer thickness of about 5 nm to 20 nm.

上部電極層19は、固定化促進層18の固定層17とは反対側の表面に設けられている。上部電極層19は、導電性の材料であれば、いかなるものから成っていてもよく、複数の金属材料を積層した構造であってもよい。上部電極層19は、2nm~20nm程度の層厚を有することが好ましい。なお、上部電極層19が、第1の電極層を成している。 The upper electrode layer 19 is provided on the surface of the fixation promotion layer 18 opposite the fixation layer 17. The upper electrode layer 19 may be made of any conductive material, and may have a structure in which multiple metal materials are laminated. The upper electrode layer 19 preferably has a layer thickness of about 2 nm to 20 nm. The upper electrode layer 19 forms the first electrode layer.

図2に示す具体的な一例では、下引き層13は、Taから成り、層厚が5nmである。下部電極層14は、Ta/Ruから成り、Ruの層厚が10nm、Taの層厚が5nmである。自由層15の第1の強磁性層21は、CoFeSiBから成り、層厚が100nmである。自由層15の第1の非磁性層22は、Ruから成り、層厚が0.8nmである。自由層15の第2の強磁性層23は、CoFeBから成り、層厚が3nmである。トンネルバリア層16は、MgOから成り、層厚が1.6nmである。固定層17の第3の強磁性層24は、CoFeBから成り、層厚が3nmである。固定層17の第2の非磁性層25は、Ruから成り、層厚が0.85nmである。固定層17の第4の強磁性層26は、CoFeから成り、層厚が5nmである。固定化促進層18は、IrMnから成り、層厚が6nmである。上部電極層19は、Ru/Taから成り、Taの層厚が5nm、Ruの層厚が8nmである。 In a specific example shown in FIG. 2, the undercoat layer 13 is made of Ta and has a thickness of 5 nm. The lower electrode layer 14 is made of Ta/Ru, with the Ru layer having a thickness of 10 nm and the Ta layer having a thickness of 5 nm. The first ferromagnetic layer 21 of the free layer 15 is made of CoFeSiB and has a thickness of 100 nm. The first non-magnetic layer 22 of the free layer 15 is made of Ru and has a thickness of 0.8 nm. The second ferromagnetic layer 23 of the free layer 15 is made of CoFeB and has a thickness of 3 nm. The tunnel barrier layer 16 is made of MgO and has a thickness of 1.6 nm. The third ferromagnetic layer 24 of the fixed layer 17 is made of CoFeB and has a thickness of 3 nm. The second non-magnetic layer 25 of the fixed layer 17 is made of Ru and has a thickness of 0.85 nm. The fourth ferromagnetic layer 26 of the pinned layer 17 is made of CoFe and has a thickness of 5 nm. The pinning promotion layer 18 is made of IrMn and has a thickness of 6 nm. The upper electrode layer 19 is made of Ru/Ta, with the Ta layer being 5 nm thick and the Ru layer being 8 nm thick.

トンネル磁気抵抗素子11は、物理蒸着法であるスパッタリングや分子線エピタキシャル成長法(MBE法)などを用いて、基板12の上に各層を成膜することにより、製造することができる。また、トンネル磁気抵抗素子11は、所望の結晶構造を得るために、各層の成膜後に熱処理を行ってもよい。その熱処理の温度は、325℃~450℃であることが好ましい。 The tunnel magnetoresistance element 11 can be manufactured by depositing each layer on the substrate 12 using a physical vapor deposition method such as sputtering or molecular beam epitaxial growth (MBE). In addition, the tunnel magnetoresistance element 11 may be heat-treated after each layer is deposited in order to obtain the desired crystal structure. The temperature for the heat treatment is preferably 325°C to 450°C.

図1に示すように、トンネル磁気抵抗素子11は、隣り合う2つのトンネル磁気抵抗素子11を組として、その2つのトンネル磁気抵抗素子11の間で自由層15と下部電極層14とを共有し、それぞれ独立した島31を形成している。また、トンネル磁気抵抗素子11は、隣り合う島31の間で、隣り合ったトンネル磁気抵抗素子11が上部電極層19を共有している。これにより、各トンネル磁気抵抗素子11は、トンネル磁気抵抗素子アレイを構成している。 As shown in FIG. 1, the tunneling magnetoresistance elements 11 are grouped into pairs of two adjacent tunneling magnetoresistance elements 11, which share the free layer 15 and the lower electrode layer 14 between the two tunneling magnetoresistance elements 11 and form independent islands 31. In addition, between the adjacent islands 31, the adjacent tunneling magnetoresistance elements 11 share the upper electrode layer 19. In this way, each tunneling magnetoresistance element 11 constitutes a tunneling magnetoresistance element array.

図1および図3(a)に示すように、トンネル磁気抵抗センサ10は、隣り合う島31の間隔、すなわち隣り合う島31の自由層15同士の間隔が、0.5μm以下になっている。なお、隣り合う島31の間隔は、0.1μm~0.35μmであることが特に好ましい。図3(a)に示す具体的な一例では、トンネル磁気抵抗センサ10は、複数のトンネル磁気抵抗素子アレイが、所定の間隔をあけて、平行に並んで配置されている。図中のaが隣り合う島31の間隔を表し、図中のbが複数のトンネル磁気抵抗素子アレイの間隔を表している。また、外部磁場がないとき、固定層17の磁化方向(図中のPinの矢印方向)が磁化困難軸に対して平行を成し、自由層15の磁化方向(図中のFreeの矢印方向)が磁化容易軸に対して平行を成している。また、図3(b)に示すように、島31の膜圧方向の高さをhとすると、隣り合う島31の間隔(溝の太さ)aと膜厚hとの比を、Q(=h/a)で表すことができる。 As shown in FIG. 1 and FIG. 3(a), the tunnel magnetoresistance sensor 10 has a spacing between adjacent islands 31, i.e., a spacing between the free layers 15 of adjacent islands 31, of 0.5 μm or less. It is particularly preferable that the spacing between adjacent islands 31 is 0.1 μm to 0.35 μm. In a specific example shown in FIG. 3(a), the tunnel magnetoresistance sensor 10 has multiple tunnel magnetoresistance element arrays arranged in parallel at a predetermined interval. In the figure, a represents the spacing between adjacent islands 31, and b represents the spacing between multiple tunnel magnetoresistance element arrays. In addition, when there is no external magnetic field, the magnetization direction of the fixed layer 17 (the direction of the Pin arrow in the figure) is parallel to the hard magnetization axis, and the magnetization direction of the free layer 15 (the direction of the Free arrow in the figure) is parallel to the easy magnetization axis. Furthermore, as shown in FIG. 3(b), if the height of the island 31 in the film thickness direction is h, the ratio of the distance between adjacent islands 31 (groove width) a to the film thickness h can be expressed as Q (=h/a).

トンネル磁気抵抗センサ10は、トンネル磁気抵抗素子アレイの各トンネル磁気抵抗素子11のうち、隣り合うトンネル磁気抵抗素子11が自由層15と下部電極層14とを共有する島31の間隔が、0.5μm以下と近接しているため、それらのトンネル磁気抵抗素子11が相互同期して、ヒステリシスを小さくすることができる。これにより、ヒステリシスによる測定誤差を低減することができ、感度を高めることができる。 In the tunneling magnetoresistance sensor 10, the distance between the islands 31 in which adjacent tunneling magnetoresistance elements 11 share the free layer 15 and the lower electrode layer 14 is 0.5 μm or less, so that the tunneling magnetoresistance elements 11 are synchronized with each other and hysteresis can be reduced. This can reduce measurement errors due to hysteresis and increase sensitivity.

マグネトロンスパッタリングを用いて、超高真空チャンバー内で、基板12の上にトンネル磁気抵抗素子11の各層を成膜し、図1に示すトンネル磁気抵抗センサ10を製造した。製造時には、自由層15を成膜後、リソグラフィとイオンミリングとを用いて、自由層15から基板12の表面まで溝を形成し、独立した島31を形成した。隣り合う島31の間隔(図3(a)中のa)、すなわち形成した溝の幅は、0.3μmとした。島31を形成してレジストを除去した後の、平面視での光学顕微鏡写真を、図4に示す。図4中の縦方向の細い溝が、図3(a)中のaの溝である。また、図3(b)に示すQ(=h/a)は、1に近い値であった。 The layers of the tunneling magnetoresistance element 11 were deposited on the substrate 12 in an ultra-high vacuum chamber by magnetron sputtering to produce the tunneling magnetoresistance sensor 10 shown in FIG. 1. During the production, after the free layer 15 was deposited, lithography and ion milling were used to form grooves from the free layer 15 to the surface of the substrate 12, forming independent islands 31. The distance between adjacent islands 31 (a in FIG. 3(a)), i.e., the width of the formed groove, was 0.3 μm. FIG. 4 shows an optical microscope photograph in plan view after the islands 31 were formed and the resist was removed. The thin vertical groove in FIG. 4 is the groove a in FIG. 3(a). Also, Q (=h/a) shown in FIG. 3(b) was close to 1.

トンネル磁気抵抗素子11の各層を成膜後、磁場を印加した状態で、350℃で熱処理を行った。こうして、図1に示すトンネル磁気抵抗センサ10を製造した。また、比較例として、島31の間隔を5μmとしたトンネル磁気抵抗センサ10を、同じ方法で製造した。 After each layer of the tunneling magnetoresistance element 11 was formed, a heat treatment was performed at 350° C. with a magnetic field applied. In this way, the tunneling magnetoresistance sensor 10 shown in FIG. 1 was manufactured. As a comparative example, a tunneling magnetoresistance sensor 10 in which the spacing between the islands 31 was 5 μm was also manufactured by the same method.

島31の間隔が0.3μmのトンネル磁気抵抗センサ10、および、島31の間隔が5μmの比較例のトンネル磁気抵抗センサについて、4端子法により磁気抵抗曲線の測定を行った。その測定結果を、図5(a)に示す。また、図5(a)中の磁場がゼロ付近を拡大したものを、図5(b)に示す。図5(a)および(b)に示すように、島31の間隔が0.3μmのトンネル磁気抵抗センサ10は、島31の間隔が5μmの比較例のものと比べて、磁場が正から負になるときの曲線と、負から正になるときの曲線とのズレが小さく、ヒステリシスが小さくなっていることが確認された。これは、独立した島31をより近接させることにより、隣り合う島31のトンネル磁気抵抗素子11が、より強く相互同期するためであると考えられる。 The magnetoresistance curves of the tunneling magnetoresistance sensor 10 with the island 31 spacing of 0.3 μm and the comparative tunneling magnetoresistance sensor with the island 31 spacing of 5 μm were measured by the four-terminal method. The measurement results are shown in FIG. 5(a). FIG. 5(b) shows an enlarged view of the area near zero magnetic field in FIG. 5(a). As shown in FIGS. 5(a) and (b), it was confirmed that the tunneling magnetoresistance sensor 10 with the island 31 spacing of 0.3 μm has a smaller deviation between the curve when the magnetic field changes from positive to negative and the curve when the magnetic field changes from negative to positive, and has a smaller hysteresis, compared to the comparative example with the island 31 spacing of 5 μm. This is thought to be because the tunneling magnetoresistance elements 11 of adjacent islands 31 are more strongly synchronized with each other by bringing the independent islands 31 closer together.

図5に基づいて、島31の間隔(Distance Between Free Islands)に対する、ゼロ磁場でのTMR比のズレの量(Normalized TMR Difference at zero field;Hc)およびTMR感度(Normalized TMR Sensitivity;TMRS)の関係を求め、図6に示す。図6に示すように、島31の間隔が小さくなるほど、TMR比のズレが小さくなり、ヒステリシスが小さくなることが確認された。また、これにより、測定誤差が小さくなるため、TMR感度が高くなることが確認された。 Based on FIG. 5, the relationship between the distance between islands 31 (Distance Between Free Islands) and the amount of deviation in the TMR ratio at zero magnetic field (Normalized TMR Difference at zero field; Hc) and the TMR sensitivity (Normalized TMR Sensitivity; TMRS) was determined and shown in FIG. 6. As shown in FIG. 6, it was confirmed that the smaller the distance between islands 31, the smaller the deviation in the TMR ratio and the smaller the hysteresis. It was also confirmed that this reduces the measurement error and therefore increases the TMR sensitivity.

10 トンネル磁気抵抗センサ
11 トンネル磁気抵抗素子
12 基板
13 下引き層
14 下部電極層
15 自由層
21 第1の強磁性層
22 第1の非磁性層
23 第2の強磁性層
16 トンネルバリア層
17 固定層
24 第3の強磁性層
25 第2の非磁性層
26 第4の強磁性層
18 固定化促進層
19 上部電極層
31 島
REFERENCE SIGNS LIST 10 Tunneling magnetoresistance sensor 11 Tunneling magnetoresistance element 12 Substrate 13 Undercoat layer 14 Lower electrode layer 15 Free layer 21 First ferromagnetic layer 22 First non-magnetic layer 23 Second ferromagnetic layer 16 Tunnel barrier layer 17 Fixed layer 24 Third ferromagnetic layer 25 Second non-magnetic layer 26 Fourth ferromagnetic layer 18 Fixation promotion layer 19 Upper electrode layer 31 Island

Claims (3)

磁化方向が固定されている固定層と、磁化方向が変化可能な自由層と、前記固定層と前記自由層との間に配置されたトンネルバリア層と、前記固定層の前記トンネルバリア層とは反対側に配置された第1の電極層と、前記自由層の前記トンネルバリア層とは反対側に配置された第2の電極層とを有するトンネル磁気抵抗素子を複数有し、
各トンネル磁気抵抗素子は、一列または格子配列に並んで配置され、隣り合う2つのトンネル磁気抵抗素子間で、前記自由層と前記第2の電極層とを共有し、それぞれ独立した島を形成し、隣り合う前記島の間で、隣り合ったトンネル磁気抵抗素子が前記第1の電極層を共有して、トンネル磁気抵抗素子アレイを構成しており、
各トンネル磁気抵抗素子のうち、前記第1の電極層を共有して隣り合うトンネル磁気抵抗素子の前記自由層同士の間隔が、0.5μm以下であることを
特徴とするトンネル磁気抵抗センサ。
a plurality of tunnel magnetoresistance elements each including a fixed layer whose magnetization direction is fixed, a free layer whose magnetization direction is changeable, a tunnel barrier layer disposed between the fixed layer and the free layer, a first electrode layer disposed on the opposite side of the fixed layer to the tunnel barrier layer, and a second electrode layer disposed on the opposite side of the free layer to the tunnel barrier layer;
the tunneling magnetoresistive elements are arranged in a row or in a lattice array, the free layer and the second electrode layer are shared between two adjacent tunneling magnetoresistive elements , and each tunneling magnetoresistive element forms an independent island, and the first electrode layer is shared between adjacent islands by adjacent tunneling magnetoresistive elements, thereby constituting a tunneling magnetoresistive element array;
A tunneling magnetoresistive sensor comprising: adjacent tunneling magnetoresistive elements sharing the first electrode layer, the distance between the free layers being 0.5 μm or less.
各トンネル磁気抵抗素子のうち、前記第1の電極層を共有して隣り合うトンネル磁気抵抗素子の前記自由層同士の間隔が、0.35μm以下であることを特徴とする請求項1記載のトンネル磁気抵抗センサ。 The tunneling magnetoresistance sensor according to claim 1, characterized in that the distance between the free layers of adjacent tunneling magnetoresistance elements that share the first electrode layer is 0.35 μm or less. 前記第1の電極層は上部電極であり、前記第2の電極層は下部電極であることを特徴とする請求項1または2記載のトンネル磁気抵抗センサ。
3. The tunneling magnetoresistive sensor according to claim 1, wherein the first electrode layer is an upper electrode, and the second electrode layer is a lower electrode.
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