JP7590705B2

JP7590705B2 - トンネル磁気抵抗センサ

Info

Publication number: JP7590705B2
Application number: JP2019030127A
Authority: JP
Inventors: チャキルサブリ; 耕輔藤原; 静似熊谷; 康夫安藤; 幹彦大兼
Original assignee: SPIN SENSING FACTORY CORPORATION; Tohoku University NUC
Current assignee: SPIN SENSING FACTORY CORPORATION; Tohoku University NUC
Priority date: 2019-02-22
Filing date: 2019-02-22
Publication date: 2024-11-27
Anticipated expiration: 2039-02-22
Also published as: JP2020136552A

Description

本発明は、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）センサに関する。

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。

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）。

国際公開ＷＯ２０１２／０３２９６２号

Awad, 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.602-612

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。

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。

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。

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の間で、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。

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。

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。

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。

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。

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。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。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。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。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。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。

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。

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。

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_２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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

Claims

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の間で、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。
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。
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。