JP6969751B2 - Tunnel magnetoresistive element and magnetization direction correction circuit - Google Patents
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Description
本発明は、トンネル磁気抵抗素子及び磁化方向補正回路に関する。 The present invention relates to a tunnel magnetoresistive element and a magnetization direction correction circuit.
トンネル磁気抵抗素子(TMR(Tunnel Magneto Resistive)素子)は、磁化の向きが固定された固定磁性層、外部からの磁場の影響を受けて磁化の向きが変化する自由磁性層、及び、固定磁性層と自由磁性層との間に配置された絶縁層を有し、磁気トンネル接合(MTJ(Magnetic Tunnel Junction))を形成する。この構成を利用したものとして、磁気メモリ・磁気ヘッド・磁気センサーなどが挙げられる(特許文献1,2)。
また、自由磁性層に、外部からの磁場に反応しやすい軟磁性層(NiFeやCoFeSiBなど)を配置し、基板に近い側から、自由磁性層、絶縁層、固定磁性層の順に積層した構造を磁場中熱処理することで、外部からの磁場によって引き起こされる固定磁性層の磁化の向きと自由磁性層の磁化の向きとの角度差に従ってトンネル効果により絶縁層の抵抗変化を利用した、リニアリティの高い高感度な磁気センサーを作製する技術がある(特許文献3)。
自由磁性層には、外部からの磁場に反応しやすい軟磁性層(NiFeやCoFeSiBなど)を配置し、さらに、絶縁層に接合する強磁性層と軟磁性層との間に磁気結合層(TaやRu)を介在させることで、磁気トンネル接合と軟磁性材料との固体物性上の結合は排除しつつ、磁気的な結合のみ発生させるシンセティック結合が利用されている(特許文献1−3)。The tunnel magnetoresistive element (TMR (Tunnel Magneto Resistive) element) is a fixed magnetic layer in which the direction of magnetization is fixed, a free magnetic layer in which the direction of magnetization changes under the influence of an external magnetic field, and a fixed magnetic layer. It has an insulating layer arranged between the free magnetic layer and the free magnetic layer, and forms a magnetic tunnel junction (MTJ). Examples of the one using this configuration include a magnetic memory, a magnetic head, a magnetic sensor, and the like (
In addition, a soft magnetic layer (NiFe, CoFeSiB, etc.) that easily reacts to an external magnetic field is placed on the free magnetic layer, and a structure in which the free magnetic layer, the insulating layer, and the fixed magnetic layer are laminated in this order from the side closer to the substrate is formed. By heat treatment in a magnetic field, the resistance change of the insulating layer is utilized by the tunnel effect according to the angular difference between the direction of magnetization of the fixed magnetic layer and the direction of magnetization of the free magnetic layer caused by the magnetic field from the outside, and the high linearity is high. There is a technique for manufacturing a sensitive magnetic sensor (Patent Document 3).
A soft magnetic layer (NiFe, CoFeSiB, etc.) that easily reacts to an external magnetic field is arranged in the free magnetic layer, and a magnetic coupling layer (Ta) is further formed between the ferromagnetic layer and the soft magnetic layer bonded to the insulating layer. And Ru), a synthetic bond that generates only a magnetic bond is used while eliminating the bond between the magnetic tunnel bond and the soft magnetic material in terms of solid properties (Patent Documents 1-3).
MTJを高感度な磁気センサーとして利用する場合、外部磁場に対して磁化されやすい軟磁性材料(NiFeやCoFeSiBなど)を用いて自由磁性層を形成する必要がある。
しかし、自由磁性層によって外部磁場に対しての応答性が向上する一方で、磁性材料層の特性が不安定になることで磁性材料由来のノイズが大きくなってしまう為に、結果として良好なSN比を得られなくなる可能性がある。
一方で、主には異方性磁気抵抗素子(AMR)を利用して、磁性材料内の磁化方向を制御するといった技術がある(特許文献4,5,6)。この技術は、コイルを利用してパルス磁場を磁気抵抗素子に印加し、磁性材料の磁化方向を強制的に一方向へ揃えて安定化させることを目的としている。
しかしながら、コイルを利用する為に数アンペアの電流で十mT程度の磁場しか発生することができず、反強磁性材料(IrMnなど)を用いて固定磁性層を形成している為に磁化方向の反転に大きな磁場(一般的に数百mT)が必要なMTJへの適用は困難である。When MTJ is used as a highly sensitive magnetic sensor, it is necessary to form a free magnetic layer using a soft magnetic material (NiFe, CoFeSiB, etc.) that is easily magnetized by an external magnetic field.
However, while the free magnetic layer improves the responsiveness to an external magnetic field, the characteristics of the magnetic material layer become unstable and the noise derived from the magnetic material increases, resulting in a good SN. You may not be able to get the ratio.
On the other hand, there is a technique of controlling the magnetization direction in a magnetic material mainly by using an anisotropic magnetoresistive element (AMR) (Patent Documents 4, 5 and 6). The purpose of this technique is to apply a pulsed magnetic field to a magnetoresistive element using a coil to forcibly align and stabilize the magnetization direction of the magnetic material in one direction.
However, since a coil is used, a magnetic field of only about 10 mT can be generated with a current of several amperes, and a fixed magnetic layer is formed using an antiferromagnetic material (Irmn, etc.), so that the magnetization direction is different. It is difficult to apply to MTJs that require a large magnetic field (generally several hundred mT) for inversion.
本発明は以上の従来技術における問題に鑑みてなされたものであって、固定磁性層の磁化方向を強制的に反転処理することで、トンネル磁気抵抗素子の出力からノイズを除去することを課題とする。 The present invention has been made in view of the above problems in the prior art, and an object of the present invention is to remove noise from the output of a tunnel magnetoresistive element by forcibly inverting the magnetization direction of the fixed magnetic layer. do.
以上の課題を解決するための請求項1記載の発明は、外部磁場の影響を受けて磁化の向きが変化する少なくとも2つ以上の特定の方向に磁化された強磁性層の間に、絶縁層が配置されて磁気トンネル接合を形成し、前記絶縁層の両側の前記強磁性層の磁化方向の相対角度に従ってトンネル効果により前記絶縁層の抵抗を変化させるトンネル磁気抵抗素子であって、
前記絶縁層の両側の前記強磁性層のいずれもが、1μT以上10mT未満の磁場強度で磁化の方向が反転する組成と体積とを備え、
前記絶縁層及びこの両側の前記強磁性層は基板に近い側から、一方側の強磁性層、前記絶縁層、他方側の強磁性層の順で積層され、
前記他方側の強磁性層は、当該他方側の強磁性層に接触して軟磁性層が積層されていることで、外部磁場の影響を受けて磁化の向きが、前記一方側の強磁性層より変化しやすい自由磁性層として機能するトンネル磁気抵抗素子である。
The invention according to
Each of the ferromagnetic layers on both sides of the insulating layer has a composition and volume in which the direction of magnetization is reversed at a magnetic field strength of 1 μT or more and less than 10 mT.
The insulating layer and the ferromagnetic layers on both sides thereof are laminated in the order of the ferromagnetic layer on one side, the insulating layer, and the ferromagnetic layer on the other side from the side closer to the substrate.
The ferromagnetic layer on the other side is in contact with the ferromagnetic layer on the other side and the soft magnetic layer is laminated, so that the direction of magnetization is affected by the external magnetic field and the direction of magnetization is the ferromagnetic layer on the one side. It is a tunnel magnetic resistance element that functions as a free magnetic layer that is more variable.
請求項2記載の発明は、前記一方側の強磁性層の磁化方向と、前記自由磁性層の磁化方向とがねじれの位置にある請求項1に記載のトンネル磁気抵抗素子である。
The invention according to
請求項3記載の発明は、請求項1又は請求項2に記載のトンネル磁気抵抗素子が少なくとも1つ以上実装されたブリッジ回路と、
前記ブリッジ回路のトンネル磁気抵抗素子に前記強磁性層の磁化方向を互いに反転させるセットパルス磁場及びリセットパルス磁場を交互に印加するセット/リセット回路と、
セットパルス磁場及びリセットパルス磁場の交互の印加に同期して前記トンネル磁気抵抗素子からの信号出力を検出する検波回路とを備えた磁化方向補正回路である。
The invention according to
A set / reset circuit that alternately applies a set pulse magnetic field and a reset pulse magnetic field that invert the magnetization directions of the ferromagnetic layer to the tunnel magnetoresistive element of the bridge circuit.
It is a magnetization direction correction circuit including a detection circuit for detecting a signal output from the tunnel magnetoresistive element in synchronization with the alternating application of a set pulse magnetic field and a reset pulse magnetic field.
請求項4記載の発明は、セットパルス磁場及びリセットパルス磁場の交互の印加により、前記一方側の強磁性層の磁化方向を反転させるとともに、前記自由磁性層の磁化方向を反転させる請求項3に記載の磁化方向補正回路である。 Fourth aspect of the present invention, by alternating application of the set pulse magnetic field and the reset pulse magnetic field, the one with reversing the magnetization direction of the side of the ferromagnetic layer, to claim 3 for reversing the magnetization direction of the free magnetic layer The magnetization direction correction circuit described.
本発明によれば、固定磁性層の磁化方向及び自由磁性層の磁化方向を強制的に反転処理することで、トンネル磁気抵抗素子の出力のうち外部磁場に応答する信号成分をノイズ成分から独立して反転し、分離することでノイズを除去することができる。 According to the present invention, by forcibly inverting the magnetization direction of the fixed magnetic layer and the magnetization direction of the free magnetic layer, the signal component corresponding to the external magnetic field in the output of the tunnel magnetoresistive element is made independent of the noise component. The noise can be removed by inverting and separating the magnets.
以下に本発明の一実施形態につき図面を参照して説明する。以下は本発明の一実施形態であって本発明を限定するものではない。 Hereinafter, one embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The following is an embodiment of the present invention and does not limit the present invention.
まず、図1を参照してトンネル磁気抵抗素子の基本構造及び本発明が実現しようとする理想的な磁気抵抗特性につき説明する。
図1に示すようにトンネル磁気抵抗素子1は、磁化の向きが固定された固定磁性層10、外部からの磁場の影響を受けて磁化の向きが変化する自由磁性層30、及び、固定磁性層10と自由磁性層30との間に配置された絶縁層20により、磁気トンネル接合を形成し、固定磁性層10の磁化の向きと自由磁性層30の磁化の向きとの角度差に従ってトンネル効果により絶縁層20の抵抗を変化させるものである。
図1(欄a)(欄b)(欄c)は、図1(欄d)に示す各磁場状態における固定磁性層10の磁化の向き10Aと自由磁性層30の磁化の向き30Aを示す。
図1(欄a)は検出磁場ゼロの状態(中立位置、図1(欄d)のグラフ上の位置P0)におけるものを、図1(欄b)は所定のプラス磁場が負荷された状態(図1(欄d)のグラフ上の位置P1)におけるものを、図1(欄c)は所定のマイナス磁場が負荷された状態(図1(欄d)のグラフ上の位置P2)におけるものを示す。
図1(欄a)は検出磁場ゼロの状態(中立位置P0)においては、固定磁性層10の磁化の向き10Aと自由磁性層30の磁化の向き30Aとが略90度のねじれの位置で安定している。これは、それぞれ磁化容易軸の方向に磁化しているからである。すなわち、図1に示すトンネル磁気抵抗素子1は、自由磁性層30の磁化容易軸が固定磁性層10の磁化容易軸に対して略90度ねじれた位置に形成されたものであり、図1(欄a)に示す矢印10Aが固定磁性層10の磁化容易軸の方向を、矢印30Aが自由磁性層30磁化容易軸の方向を示している。
図1(欄a)(欄b)(欄c)に示すように固定磁性層10の磁化の向き10Aは、外部磁場の影響を比較的受けにくく安定しており、自由磁性層30の磁化の向き30Aは、外部磁場(H1,H2)の影響を受けて変化する。
図1(欄b)に示すように、固定磁性層10の磁化の向き10Aに対して反対方向の外部磁場H1がトンネル磁気抵抗素子1に印加されると、自由磁性層30の磁化の向き30Aが固定磁性層10の磁化の向き10Aの逆方向側へスピンし、トンネル効果により絶縁層20の抵抗が増大する(図1(欄d)で抵抗がR0からR1に増加)。抵抗の変化を図1(欄a)(欄b)(欄c)において電流I0、I1,I2の矢印の太さで模式的に示す。
図1(欄c)に示すように、固定磁性層10の磁化の向き10Aに対して同方向の外部磁場H2がトンネル磁気抵抗素子1に印加されると、自由磁性層30の磁化の向き30Aが固定磁性層10の磁化の向き10Aと同方向側へスピンし、トンネル効果により絶縁層20の抵抗が減少する(図1(欄d)で抵抗がR0からR2に減少)。
図1(欄d)に示すように抵抗(縦軸)を増大させる方向にも、減少させる方向にも、外部磁場の強さに対して比例的に(グラフが直線的に)抵抗変化を起こす性質(リニアリティ)を有するトンネル磁気抵抗素子1が理想的である。First, the basic structure of the tunnel magnetoresistive element and the ideal magnetoresistive characteristics to be realized by the present invention will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 1, the tunnel
FIG. 1 (column a) (column b) (column c) shows the
FIG. 1 (column a) shows a state in which the detected magnetic field is zero (neutral position, position P0 on the graph in FIG. 1 (column d)), and FIG. 1 (column b) shows a state in which a predetermined positive magnetic field is applied (column a). The one at the position P1) on the graph of FIG. 1 (column d), and the one at the state where a predetermined negative magnetic field is applied (the position P2 on the graph of FIG. 1 (column d)) in FIG. 1 (column c). show.
In FIG. 1 (column a), in the state where the detected magnetic field is zero (neutral position P0), the
As shown in FIGS. 1 (column a), (column b), and (column c), the
As shown in FIG. 1 (column b), when an external magnetic field H1 in the direction opposite to the
As shown in FIG. 1 (column c), when an external magnetic field H2 in the same direction with respect to the
As shown in FIG. 1 (column d), the resistance changes proportionally (the graph is linear) with respect to the strength of the external magnetic field in both the direction of increasing the resistance (vertical axis) and the direction of decreasing the resistance (vertical axis). The tunnel magnetoresistive
図2に示す従来例のトンネル磁気抵抗素子101は、特許文献1−3に記載の類のもので、絶縁層20の下部に固定磁性層10、上部に自由磁性層30が形成され、自由磁性層30は、強磁性層(CoFeB)31と軟磁性層(NiFe又はCoFeSi)33との間に磁気結合層(Ru)32が介在する積層構造である。
詳しくは、従来例のトンネル磁気抵抗素子101は、基板(Si,SiO2)2上に、下地層(Ta)3が形成され、その上に固定磁性層10として、下から反強磁性層(IrMn)11、強磁性層(CoFe)12、磁気結合層(Ru)13、強磁性層(CoFeB)14が積層され、絶縁層(MgO)20を介して、その上に、自由磁性層30として、下から強磁性層(CoFeB)31、磁気結合層(Ru)32、軟磁性層(NiFe又はCoFeSi)33が積層された積層構造を有する。
このような従来例のトンネル磁気抵抗素子101にあっては、都度向きを異ならせて外部磁場を印加しながら熱処理する磁場中熱処理を複数回行っても、すべての磁性層の磁化容易軸の方向が揃って磁気抵抗特性が図3に示すようなヒステリシスの高い形態となってしまい、上述したリニアリティを実現できない。図2に示す矢印A1が磁性層の磁化容易軸の方向である。The conventional
Specifically, in the conventional tunnel magnetic resistance element 101 , the base layer (Ta) 3 is formed on the substrate (Si, SiO 2 ) 2, and the fixed
In such a conventional
一方、図4に示す従来例のトンネル磁気抵抗素子102は、特許文献3に記載の類のもので、図2に対し固定磁性層10と自由磁性層30とを上下逆にした積層構造を有する。
このような従来例のトンネル磁気抵抗素子102にあっては、自由磁性層30の磁化容易軸の方向(矢印A1)を固定磁性層10の容易磁化軸の方向(矢印A2)と異なる方向に形成できるとともに、自由磁性層30の形状を大きく(Hkが改善、ノイズが低減すると期待)することができるが、上層の絶縁層20や固定磁性層10に悪影響(均一性や結晶性の悪化が原因と予想される)が生じ、磁気センサーとしての性能を高めることが困難になった。On the other hand, the conventional
In such a conventional
そこで、図5に示すように比較例のトンネル磁気抵抗素子1Aは、従来例のトンネル磁気抵抗素子101と同様に、磁性層10,30及び絶縁層20を支持する基板2に近い側から、固定磁性層10、絶縁層20、自由磁性層30の順で積層され、従来例のトンネル磁気抵抗素子101の積層構造に対し磁気結合層(Ru)32を排し、自由磁性層30は、下面を絶縁層20に接合する強磁性層31、及び当該強磁性層31の上面に接触して積層された軟磁性層33を有する積層構造とする。
かかる積層構造によれば、自由磁性層30を構成する強磁性層31及び軟磁性層33の磁化容易軸は互いに同方向にあり、かつ、固定磁性層10の磁化容易軸に対して異なる方向(ねじれの位置、例えば略90度ねじれた方向)にある磁化特性に形成することができ、上述したリニアリティを実現できる。Therefore, as shown in FIG. 5, the tunnel
According to such a laminated structure, the easily magnetized axes of the
(製造方法)
比較例のトンネル磁気抵抗素子1Aの製造のための、製造方法を説明する。
まず、図6Aに示すように、基板2から少なくとも強磁性層31までの層を積層した後、この積層体に対し、所定方向(矢印A1)の外部磁場を印加しながら熱処理を行い、自由磁性層30を構成する強磁性層31の磁化容易軸と固定磁性層10の磁化容易軸とを同方向に形成する第1の磁場中熱処理工程を実施する。
かかる第1の磁場中熱処理工程の後、図6Bに示すように第1の磁場中熱処理工程のときとは向きをねじるように異ならせて(矢印A2方向にした)外部磁場を印加しながら自由磁性層30を構成する軟磁性層33を成膜することで、自由磁性層30の磁化容易軸を、固定磁性層10の磁化容易軸に対して異なる方向(例えば略90度ねじれた方向)に形成する磁場中成膜工程を実施し、図6Cに示す積層構造を得る。
図6Cに示すように、以上の第1の磁場中熱処理工程、磁場中成膜工程を経ることで、自由磁性層30を構成する強磁性層31及び軟磁性層33の磁化容易軸は互いに同方向にあり、かつ、固定磁性層10の磁化容易軸に対して異なる方向(好ましくは略90度ねじれた方向)にある磁化特性に形成することができる。すなわち、固定磁性層10の磁化容易軸は、第1の磁場中熱処理工程のときに印加された磁場方向(矢印A1)に形成され、自由磁性層30の磁化容易軸は、磁場中成膜工程のときに印加された磁場方向(矢印A2)に形成される。
この時点で、図7に示すようなリニアリティのある磁気抵抗特性が得られる。(Production method)
A manufacturing method for manufacturing the
First, as shown in FIG. 6A, after laminating the layers from the
After the first magnetic field heat treatment step, as shown in FIG. 6B, the direction is twisted differently from that of the first magnetic field heat treatment step, and an external magnetic field (in the direction of arrow A2) is applied freely. By forming the soft
As shown in FIG. 6C, the easy axes of magnetization of the
At this point, the reluctance characteristic with linearity as shown in FIG. 7 is obtained.
さらに上記磁場中成膜工程の後、次の工程を実施することが好ましい。すなわち、磁場中成膜工程のときと同じ方向(矢印A2)に外部磁場を印加しながら熱処理を行う第2の磁場中熱処理工程を実施する。さらに、第2の磁場中熱処理工程の後、第1の磁場中熱処理工程のときと同じ方向(矢印A1)に外部磁場を印加しながら熱処理を行う第3の磁場中熱処理工程を実施する。これにより、図8A,図8Bに示すようにHk,Hcを小さくして高感度化を図ることができる。 Further, it is preferable to carry out the following step after the film forming step in the magnetic field. That is, a second magnetic field heat treatment step is carried out in which the heat treatment is performed while applying an external magnetic field in the same direction (arrow A2) as in the magnetic field film forming step. Further, after the second magnetic field heat treatment step, a third magnetic field heat treatment step is carried out in which the heat treatment is performed while applying an external magnetic field in the same direction (arrow A1) as in the first magnetic field heat treatment step. As a result, as shown in FIGS. 8A and 8B, Hk and Hc can be reduced to increase the sensitivity.
(セット/リセット磁場が各種磁気抵抗センサーに与える影響)
(AMRの場合)
図9A,図9Bに示すように2つのAMR素子51,52を一定ギャップ間に繋いだブリッジ回路にセット磁場53及びリセット磁場54を印加しつつ所定方向の外部磁場55に応答する信号をAMR素子51,52の接続点56の電位により出力させる。
図9Aに示すようにAMR素子51の有する軟磁性層の磁化方向57と、AMR素子52の有する軟磁性層の磁化方向58とが、電流59が流れる方向に対して互いに逆側に変位したものを組み合わせる。磁化方向57,58の存在面で電流59が流れる方向に垂直な方向の外部磁場55の影響により、磁化方向57,58がそれぞれ破線で示すようにスピンする。AMR素子では、電流59が流れる方向と軟磁性層の磁化方向57,58との相対角度θで抵抗値Rが次式(1)により決まる。すなわち、R=R0+ΔR・sin2θ・・・式(1) である。ここで、R0は、無磁界中の強磁性薄膜金属の抵抗値、ΔRは抵抗値変化量である。
したがって、図9AにおいてはAMR素子51の抵抗値は下がり、AMR素子52の抵抗値は上がるので、接続点56の電位がプラスに変位する(+ΔV)。
図9Aのセット磁場53の印加時と、図9Bのリセット磁場54の印加時とでは、互いに軟磁性層の磁化方向57、58が反転する。
そのため図9BにおいてはAMR素子51の抵抗値は上がり、AMR素子52の抵抗値は下がるので、接続点56の電位がマイナスに変位する(−ΔV)。
以上により、セット磁場53の印加時と、リセット磁場54の印加時とで、同じ方向の外部磁場55に対して、外部磁場55に応答する信号成分の極性が反転する。接続点56からの出力にノイズ成分が載るが、ノイズ成分は反転しない。(Effect of set / reset magnetic field on various reluctance sensors)
(In the case of AMR)
As shown in FIGS. 9A and 9B, an AMR element sends a signal that responds to an external
As shown in FIG. 9A, the
Therefore, in FIG. 9A, the resistance value of the
The
Therefore, in FIG. 9B, the resistance value of the
As described above, the polarity of the signal component that responds to the external
以上のブリッジ回路のAMR素子に軟磁性層の磁化方向を互いに反転させるセットパルス磁場及びリセットパルス磁場を交互に印加するセット/リセット回路として、非特許文献1に記載の技術で実施する。
接続点56からの出力を検波回路に与え、セット磁場53の印加時の出力と、リセット磁場54の印加時の出力とを、いずれか一方を反転して加算することで、ノイズ成分が相殺されるので、ノイズが除去される。The technique described in
The noise component is canceled by giving the output from the
(従来のTMRの場合)
従来例のトンネル磁気抵抗素子102や比較例のトンネル磁気抵抗素子1Aにあっては、共通して固定磁性層10に反強磁性層(IrMn)11が存在して磁化方向が強力に固定されているために、図10A,図10Bに示すように、セット磁場53、リセット磁場54の切り替わりによっては固定磁性層の磁化の向き63,64は変わらない。
すなわち、図10A,図10Bに示すように、図9A,図9BのAMR素子51,52に代えてTMR素子61,62によりブリッジ回路を構成し、セット磁場53、リセット磁場54を印加した場合、自由磁性層の磁化の向き67,68は反転するものの、固定磁性層の磁化の向き63,64は変わらない。
TMR素子では、抵抗値の変化は電流が流れる方向とは無関係であり、自由磁性層の磁化の向きと固定磁性層の磁化の向きの相対角度θで抵抗値Rが次式(2)により決まる。すなわち、R=R0+ΔR・sinθ・・・式(2)である。ここで、R0は、無磁界中のMTJの抵抗値、ΔRは抵抗値変化量である。
したがって、図10AにおいてはTMR素子61の抵抗値は上がり、TMR素子62の抵抗値は下がるので、接続点56の電位がマイナスに変位する(−ΔV)。
図10BにおいてはTMR素子61の抵抗値は上がり、TMR素子62の抵抗値は下がるので、接続点56の電位が同じくマイナスに変位する(−ΔV)。
以上のとおり、セット磁場53の印加時と、リセット磁場54の印加時とで、同じ方向の外部磁場55に対して、外部磁場55に応答する信号成分の極性が反転しないので、上記のAMRの場合のようにしてノイズを除去することができない。(In the case of conventional TMR)
In the tunnel
That is, as shown in FIGS. 10A and 10B, when a bridge circuit is configured by
In the TMR element, the change in the resistance value is irrelevant to the direction in which the current flows, and the resistance value R is determined by the following equation (2) by the relative angle θ between the magnetization direction of the free magnetic layer and the magnetization direction of the fixed magnetic layer. .. That is, R = R0 + ΔR · sinθ ... Equation (2). Here, R0 is the resistance value of MTJ in a non-magnetic field, and ΔR is the amount of change in resistance value.
Therefore, in FIG. 10A, the resistance value of the
In FIG. 10B, the resistance value of the
As described above, when the set
(本発明のTMRの場合)
そこで、本発明の一実施形態のトンネル磁気抵抗素子1Bは、図11に示すように、上述したトンネル磁気抵抗素子1Aに対して、反強磁性層(IrMn)11、強磁性層(CoFe)12、磁気結合層(Ru)13を排除し、固定磁性層10を強磁性層(CoFeB)14のみとした。本発明のトンネル磁気抵抗素子1Bの製造方法は、固定磁性層10を強磁性層(CoFeB)14のみとする点のみ異なり、その他は比較例のトンネル磁気抵抗素子1Aと同様である。
反強磁性層(IrMn)11を排したことで、図12A,図12Bに示すようにセット磁場53、リセット磁場54の切り替わりによっては固定磁性層の磁化の向き73,74が反転する。コイルによる十mT程度のセット磁場53、リセット磁場54の印加により反転するように、自由磁性層30のみならず、固定磁性層10も1μT以上10mT未満の磁場強度で磁化の方向が反転するように、その組成と体積(層厚と面積)とを設定する。固定磁性層10の組成としては、反強磁性層を除く強磁性層(CoFeB)とし、さらに全部又は一部が軟磁性層とされることで、外部磁場の影響を受けて磁化の向きが変化(反転)しやすくされていてもよい。
図12A,図12Bに示すように、図9A,図9BのAMR素子51,52に代えてTMR素子71,72(ともに図11のTMR素子1B)によりブリッジ回路を構成し、セット磁場53、リセット磁場54を印加した場合、自由磁性層の磁化の向き77,78及び固定磁性層の磁化の向き73,74が反転する。
抵抗値Rが上記式(2)により決まる。
したがって、図12AにおいてはTMR素子71の抵抗値は上がり、TMR素子72の抵抗値は下がるので、接続点56の電位がマイナスに変位する(−ΔV)。
図12BにおいてはTMR素子71の抵抗値は下がり、TMR素子72の抵抗値は上がるので、接続点56の電位がプラスに変位する(+ΔV)。
以上により、AMRと同様にセット磁場53の印加時と、リセット磁場54の印加時とで、同じ方向の外部磁場55に対して、外部磁場55に応答する信号成分の極性が反転する。接続点56からの出力にノイズ成分が載るが、ノイズ成分は反転しない。(In the case of TMR of the present invention)
Therefore, as shown in FIG. 11, the tunnel
By eliminating the antiferromagnetic layer (IrMn) 11, the
As shown in FIGS. 12A and 12B, a bridge circuit is configured by
The resistance value R is determined by the above equation (2).
Therefore, in FIG. 12A, the resistance value of the
In FIG. 12B, the resistance value of the
As described above, the polarity of the signal component that responds to the external
AMR素子の場合と同様にセット/リセット回路を適用するとともに、接続点56からの出力を検波回路に与える。本実施形態の磁化方向補正回路は、以上のようなTMR素子71,72を含むブリッジ回路と、セット/リセット回路と、検波回路とを備えて構成される。
セット磁場53の印加時の出力と、リセット磁場54の印加時の出力とを、いずれか一方を反転して加算することで、ノイズ成分が相殺されるので、ノイズが除去される。
図13は、検波回路による信号処理の概要を示す。
図13(欄a)に、セット磁場53の印加時の信号成分SS1と、リセット磁場54の印加時の信号成分SR1とが示される。信号成分SS1と信号成分SR1とは互いに反転している。さらに図13(欄a)に、セット磁場53の印加時のノイズ成分NS1と、リセット磁場54の印加時のノイズ成分NR1とが示されている。ノイズ成分NS1とノイズ成分NR1とは互いの反転は無く同じ波形である。
ノイズ成分NS1が載った信号成分SS1と、ノイズ成分NR1が載った信号成分SR1とが検波回路に交互に入力される。
セットパルス磁場及びリセットパルス磁場の交互の印加に同期して、図13(欄b)に示すように検波回路が入力信号を、セットパルス磁場印加時は増幅し(反転なし)、リセットパルス磁場印加時は反転増幅して、互いに反転していない信号成分SS2,SR2を得るとともに、互いに反転しているノイズ成分NS2,NR2を得て、両者を加算することで、ノイズ成分を相殺しノイズを除去する。The set / reset circuit is applied as in the case of the AMR element, and the output from the
By inverting and adding one of the output when the set
FIG. 13 shows an outline of signal processing by the detection circuit.
FIG. 13 (column a) shows the signal component SS1 when the set
The signal component SS1 on which the noise component NS1 is mounted and the signal component SR1 on which the noise component NR1 is mounted are alternately input to the detection circuit.
Synchronized with the alternating application of the set pulse magnetic field and the reset pulse magnetic field, the detection circuit amplifies the input signal when the set pulse magnetic field is applied (no inversion) as shown in FIG. 13 (column b), and applies the reset pulse magnetic field. Time is inverted and amplified to obtain signal components SS2 and SR2 that are not inverted to each other, and noise components NS2 and NR2 that are inverted to each other. do.
図14を参照して磁化方向補正回路について説明する。
図14は、磁化方向補正回路の概要を説明するブロック図である。
標準信号発生器(SSG)81からトリガー信号(TG)82を形成し、Power AMP83並びにMultiplier84にトリガー信号を送る。
Power AMP83からの出力によりセット/リセット磁場発生用のコイル85に電流が流れ、TMR素子71a,72a,71b,72bにパルス磁場が印可される。
上記のパルス磁場発生を高速に繰り返す(数百Hz以上)ことで、ブリッジ回路からは信号極性が反転の関係にある信号成分SS1と信号成分SR1とが、Pre AMP86に高速で出力される。
Multiplier84では、トリガー信号(TG)82を基に、Pre AMP86からの信号出力を、INV AMP(反転回路)87を介して読み込むか否かの切り替えを行ない、互い反転した信号極性を同一方向に揃える。この時、ノイズ成分NS1とノイズ成分NR1とが反転した関係となる。
サンプルホールド回路(S/H)88では、Multiplier84からの信号出力の必要な成分のみを抜き出して、ローパスフィルタ回路(LPF)89に送る。この時、LPF89の働きによってサンプリング数の小さい帯域では、高速で繰り返し出力されるノイズ成分NS1とノイズ成分NR1とが相殺されるため、低周波の領域におけるノイズ(1/fノイズ)が相殺された状態で信号がMain AMP90に出力される。The magnetization direction correction circuit will be described with reference to FIG.
FIG. 14 is a block diagram illustrating an outline of the magnetization direction correction circuit.
A trigger signal (TG) 82 is formed from the standard signal generator (SSG) 81, and the trigger signal is sent to the
A current flows through the
By repeating the above-mentioned pulse magnetic field generation at high speed (several hundred Hz or more), the signal component SS1 and the signal component SR1 having a signal polarity inversion relationship are output from the bridge circuit to the
The
In the sample hold circuit (S / H) 88, only the necessary component of the signal output from the
なお、図11のTMR素子1Bによれば、強磁性層(CoFe)12、磁気結合層(Ru)13を排除したので、次のような効果もある。
磁気トンネル接合(MTJ)は磁場中でのアニール処理によって高いTMR比を発現させる。高性能なMTJを製作するためには、より高温下でのアニール処理が必要になるが、磁気メモリや磁気センサーなどの用途で必要なMTJ以外の機能材料、例えば磁気結合層や反強磁性材料層などは、高温下(一般的には400℃位上)ではその特性を失うことが分かっており、温度条件に制約があることから、高いTMR比を発現させることができない。
したがって、図11のTMR素子1Bによれば、強磁性層(CoFe)12、磁気結合層(Ru)13を排除したので、上記アニール処理の高温化に制約が少なくなり、高いTMR比を発現させることが容易となる。According to the
Magnetic tunnel junction (MTJ) develops a high TMR ratio by annealing in a magnetic field. In order to manufacture a high-performance MTJ, annealing treatment at a higher temperature is required, but functional materials other than MTJ required for applications such as magnetic memory and magnetic sensors, such as magnetic coupling layers and antiferromagnetic materials, are required. It is known that layers and the like lose their characteristics at high temperatures (generally about 400 ° C. above), and because of restrictions on temperature conditions, it is not possible to develop a high TMR ratio.
Therefore, according to the
(実施例)
図15A,図15Bは、以上のセットパルス磁場及びリセットパルス磁場により反転し、外部磁場に対して磁化方向の相対角度をリニアに変化させる自由磁性層と固定磁性層との組合せ例を示す。
図15Aは、図11に示したTMR素子1Bにおいて、強磁性層31としてCoFeBを選択し3nm未満の所定厚とし、軟磁性層33としてCoFeSiBを選択し100nmの厚みとした自由磁性層における磁化特性を示す。
図15Bは、図11に示したTMR素子1Bにおいて、強磁性層14としてCoFeBを選択し3nmの厚みとした固定磁性層における磁化特性を示す。
図15Bに示すように固定磁性層にあっては、±5〔Oe〕程度の振り幅でセット磁場及びリセット磁場を印加することで磁化の方向が反転する。そのとき、図15Aに示すように自由磁性層でも磁化の方向が反転するが、±5〔Oe〕程度の振り幅で反転転位した位置から外部磁場の影響により磁化の方向がリニアに変化する。したがって、このような特性の自由磁性層と固定磁性層とを組合せたTMR素子(1B)は、固定磁性層の磁化の向きとの相対角度をリニアに変化させることで、図1に示したような磁気抵抗特性を持つ。さらに上記磁化方向補正回路に組み込むことで、ノイズレスで高精度、高感度の磁気センサーとして機能し得る。(Example)
15A and 15B show an example of a combination of a free magnetic layer and a fixed magnetic layer that are inverted by the above set pulse magnetic field and reset pulse magnetic field and linearly change the relative angle in the magnetization direction with respect to the external magnetic field.
FIG. 15A shows the magnetization characteristics of the
FIG. 15B shows the magnetization characteristics of the fixed magnetic layer in which CoFeB is selected as the
As shown in FIG. 15B, in the fixed magnetic layer, the direction of magnetization is reversed by applying a set magnetic field and a reset magnetic field with a swing width of about ± 5 [Oe]. At that time, as shown in FIG. 15A, the direction of magnetization is reversed even in the free magnetic layer, but the direction of magnetization changes linearly due to the influence of the external magnetic field from the position of the reverse shift with a swing width of about ± 5 [Oe]. Therefore, the TMR element (1B), which is a combination of the free magnetic layer and the fixed magnetic layer having such characteristics, linearly changes the relative angle with the magnetization direction of the fixed magnetic layer, as shown in FIG. Has excellent magnetic resistance characteristics. Further, by incorporating it into the magnetization direction correction circuit, it can function as a noiseless, high-precision, high-sensitivity magnetic sensor.
本発明は、磁気の測定等に利用することができる。 The present invention can be used for magnetic measurement and the like.
1 トンネル磁気抵抗素子
1A,1B トンネル磁気抵抗素子
2 基板
3 下地層
10 固定磁性層
20 絶縁層
30 自由磁性層
14,31 強磁性層
33 軟磁性層1
Claims (4)
前記絶縁層の両側の前記強磁性層のいずれもが、1μT以上10mT未満の磁場強度で磁化の方向が反転する組成と体積とを備え、
前記絶縁層及びこの両側の前記強磁性層は基板に近い側から、一方側の強磁性層、前記絶縁層、他方側の強磁性層の順で積層され
前記他方側の強磁性層は、当該他方側の強磁性層に接触して軟磁性層が積層されていることで、外部磁場の影響を受けて磁化の向きが、前記一方側の強磁性層より変化しやすい自由磁性層として機能するトンネル磁気抵抗素子。 An insulating layer is arranged between ferromagnetic layers magnetized in at least two specific directions whose magnetization direction changes under the influence of an external magnetic field to form a magnetic tunnel junction, and both sides of the insulating layer are formed. A tunnel magnetoresistive element that changes the resistance of the insulating layer by the tunnel effect according to the relative angle of the magnetization direction of the ferromagnetic layer.
Each of the ferromagnetic layers on both sides of the insulating layer has a composition and volume in which the direction of magnetization is reversed at a magnetic field strength of 1 μT or more and less than 10 mT.
The insulating layer and the ferromagnetic layers on both sides thereof are laminated in the order of the ferromagnetic layer on one side, the insulating layer, and the ferromagnetic layer on the other side from the side closer to the substrate, and the ferromagnetic layer on the other side is the said. Since the soft magnetic layer is laminated in contact with the ferromagnetic layer on the other side, it functions as a free magnetic layer whose direction of magnetization is more likely to change than the ferromagnetic layer on the other side under the influence of an external magnetic field. Tunnel magnetic resistance element.
前記ブリッジ回路のトンネル磁気抵抗素子に前記強磁性層の磁化方向を互いに反転させるセットパルス磁場及びリセットパルス磁場を交互に印加するセット/リセット回路と、
セットパルス磁場及びリセットパルス磁場の交互の印加に同期して前記トンネル磁気抵抗素子からの信号出力を検出する検波回路とを備えた磁化方向補正回路。 A bridge circuit in which at least one or more tunnel magnetoresistive elements according to claim 1 or 2 are mounted.
A set / reset circuit that alternately applies a set pulse magnetic field and a reset pulse magnetic field that invert the magnetization directions of the ferromagnetic layer to the tunnel magnetoresistive element of the bridge circuit.
A magnetization direction correction circuit including a detection circuit that detects a signal output from the tunnel magnetoresistive element in synchronization with alternating application of a set pulse magnetic field and a reset pulse magnetic field.
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