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公開番号2025011895
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-01-24
出願番号2023114308
出願日2023-07-12
発明の名称トンネル磁気抵抗センサおよびその製造方法
出願人スピンセンシングファクトリー株式会社,国立大学法人東北大学
代理人個人
主分類H10N 50/10 20230101AFI20250117BHJP()
要約【課題】耐熱性を向上させることができ、TMR比および感度をより高めることができるトンネル磁気抵抗センサおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】磁化方向が固定されている固定層15と、磁化方向が変化可能な自由層13と、非磁性体を含み、固定層15と自由層13との間に配置された障壁層14とを有している。自由層13は、障壁層14の側に配置された第1強磁性層23と、不純物が添加された軟磁性体から成る軟磁性層21とを有している。第1強磁性層23は、CoFeBから成り、軟磁性層21は、母材のCoFeSiBに、不純物としてTi、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、Wのうちの少なくとも1つ以上が添加された軟磁性体から成ることが好ましい。トンネル磁気抵抗センサ10は、固定層15と障壁層14と自由層13とを成膜した後、325℃乃至425℃で熱処理を行うことにより製造される。
【選択図】図1

特許請求の範囲【請求項１】
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、
非磁性体を含み、前記固定層と前記自由層との間に配置された障壁層とを有し、
前記自由層は、前記障壁層側に配置された強磁性層と、前記強磁性層の前記障壁層とは反対側に配置され、不純物が添加された軟磁性体から成る軟磁性層とを有することを
特徴とするトンネル磁気抵抗センサ。
続きを表示（約 520 文字）【請求項２】
前記強磁性層は、ＣｏＦｅＢから成り、
前記軟磁性層は、母材のＣｏＦｅＳｉＢに、前記不純物としてＴｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗのうちの少なくとも１つ以上が添加された軟磁性体から成ることを
特徴とする請求項１記載のトンネル磁気抵抗センサ。
【請求項３】
前記軟磁性層は、前記母材に対して、前記不純物を２０ａｔ％以下で含んでいることを特徴とする請求項２記載のトンネル磁気抵抗センサ。
【請求項４】
前記固定層は、ＣｏＦｅＢから成り、
前記障壁層は、ＭｇＯから成ることを
特徴とする請求項２記載のトンネル磁気抵抗センサ。
【請求項５】
前記軟磁性層は、アモルファス構造を成してい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。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載のトンネル磁気抵抗センサを製造するためのトンネル磁気抵抗センサの製造方法であって、
前記固定層と前記障壁層と前記自由層とを成膜した後、325℃乃至425℃で熱処理を行うことを
特徴とするトンネル磁気抵抗センサの製造方法。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、トンネル磁気抵抗センサおよびその製造方法に関する。
続きを表示（約 4,200 文字）【背景技術】
【０００２】
磁気抵抗効果素子を利用した磁気センサとして、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子のＴＭＲ効果等を利用したトンネル磁気抵抗センサ（ＴＭＲセンサ）があり、その一つとして、例えば、CoFeB/MgO/CoFeBの三層構造から成る磁気トンネル接合（MTJ）素子を、優れた軟磁気特性を示すCoFeSiB層と組み合わせたトンネル磁気抵抗センサが、本発明者等により開発されている（例えば、非特許文献１、２、特許文献１、２参照）。このトンネル磁気抵抗センサは、MTJ素子の大きなＴＭＲ比とCoFeSiB層の小さな異方性磁界とが同時に得られるため、人間の生体磁場を検出可能な程に高い感度を有している（例えば、非特許文献３乃至６参照）。
【０００３】
また、従来、GIGSセンサのヨークに利用する軟磁性材料であるアモルファスCoFeSiB薄膜に、不純物元素としてTa、Hfを添加したとき、その結晶化温度が向上し、熱処理後にも軟磁気特性が維持されることが報告されている（例えば、非特許文献７参照）。また、アモルファスCoFeB薄膜に、Ta、Hfを添加しても、その結晶化温度が向上することが報告されている（例えば、非特許文献８乃至１０参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
D. Kato, M. Oogane, K. Fujiwara, T. Nishikawa, H. Naganuma, and Y. Ando, “Fabrication of Magnetic Tunnel Junctions with Amorphous CoFeSiB Ferromagnetic Electrode for Magnetic Field Sensor Devices”, Appl. Phys. Express, 2013, 6, 103004
T. Nakano, K. Fujiwara, S. Kumagai, Y. Ando, and M. Oogane, “TaFeB spacer for soft magnetic composite free layer in CoFeB/MgO/CoFeB-based magnetic tunnel junction”, Appl. Phys. Lett. 2023, 122, 072405
K. Fujiwara, M. Oogane, A. Kanno, M. Imada, J. Jono, T. Terauchi, T. Okuno, Y. Aritomi, M. Morikawa, M. Tsuchida, N. Nakasato, and Y. Ando, “Magnetocardiography and magnetoencephalography measurements at room temperature using tunnel magneto-resistance sensors”, Appl. Phys. Express, 2018, 11, 023001
M. Oogane, K. Fujiwara, A. Kanno, T. Nakano, H. Wagatsuma, T. Arimoto, S. Mizukami, S. Kumagai, H. Matsuzaki, N. Nakasato, and Y. Ando, “Sub-pT magnetic field detection by tunnel magneto-resistive sensors”, Appl. Phys. Express, 2021, 14, 123002
A. Kanno, N. Nakasato, M. Oogane, K. Fujiwara, T. Nakano, T. Arimoto, H. Matsuzaki, and Y. Ando, “Scalp attached tangential magnetoencephalography using tunnel magneto-resistive sensors”, Sci. Rep., 2022, 12, 6106
K. Kurashima, M. Kataoka, T. Nakano, K. Fujiwara, S. Kato, T. Nakamura, M. Yuzawa, M. Masuda, K. Ichimura, S. Okatake, Y. Moriyasu, K. Sugiyama, M. Oogane, Y. Ando, S. Kumagai, H. Matsuzaki, and H. Mochizuki, “Development of Magnetocardiograph without Magnetically Shielded Room Using High-Detectivity TMR Sensors”, Sensors, 2023, 23, 646
M. Jimbo, Y. Fujiwara, and T. Shimizu, “Improvement of thermal stability of amorphous CoFeSiB thin films”, J. Appl. Phys., 2015, 117, 17A313
J.P. Pellegren and V.M. Sokalski, “Thickness and Interface-Dependent Crystallization of CoFeB Alloy Thin Films”, IEEE Trans. Magn., 2015, 51, 3400903
Y. Choi, T. Nakatani, J.C. Read, M.J. Carey, D.A. Stewart, and J.R. Childress, “Enhancement of current-perpendicular-to-plane giant magnetoresistance by insertion of amorphous ferromagnetic underlayer in Heusler alloy-based spin-valve structures”, Appl. Phys. Express, 2017, 10, 013006
M. Rasly, T. Nakatani, J. Li, H. Sepehri-Amin, H. Sukegawa, and Y. Sakuraba, “Magnetic, magnetoresistive and low-frequency noise properties of tunnel magnetoresistance sensor devices with amorphous CoFeBTa soft magnetic layers”, J. Phys. D. Appl. Phys., 2021, 54, 095002
【特許文献】
【０００５】
特開２０２０－１３６５５１号公報
特開２０２０－１３６５５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
トンネル磁気抵抗センサでは、製造時の熱処理温度を高くすると、例えばMTJ素子のCoFeB/MgOの界面における固相エピタキシーが促進されるため、ＴＭＲ比が高くなると共に、センサの感度も高くなることが期待できる。しかしながら、非特許文献１乃至６や、特許文献１および２に記載のトンネル磁気抵抗センサでは、製造時に、CoFeSiB層にその結晶化温度（～300℃）を超える高温の熱処理を施すと、軟磁気特性を失い、異方性磁界が増大して、センサの感度が低下してしまうため、熱処理温度を高くするのには限界があるという課題があった。
【０００７】
本発明は、このような課題に着目してなされたもので、耐熱性を向上させることができ、ＴＭＲ比および感度をより高めることができるトンネル磁気抵抗センサおよびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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、非磁性体を含み、前記固定層と前記自由層との間に配置された障壁層とを有し、前記自由層は、前記障壁層側に配置された強磁性層と、前記強磁性層の前記障壁層とは反対側に配置され、不純物が添加された軟磁性体から成る軟磁性層とを有することを特徴とする。
【０００９】
本発明に係るトンネル磁気抵抗センサは、自由層の軟磁性層に不純物を添加することにより、軟磁性層の結晶化温度を高めることができ、耐熱性を向上させることができる。このため、製造時の熱処理温度を高めることができ、固定層と障壁層との界面や、障壁層と自由層との界面の固相エピタキシーを促進して、ＴＭＲ比をより高めることができる。また、自由層の軟磁性層の異方性磁界を低減して、軟磁気特性をさらに向上させることができるため、感度をより高めることができる。
【００１０】
本発明に係るトンネル磁気抵抗センサで、前記強磁性層は、ＣｏＦｅＢから成り、前記軟磁性層は、母材のＣｏＦｅＳｉＢに、前記不純物としてＴｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗのうちの少なくとも１つ以上が添加された軟磁性体から成ることが好ましい。この場合、ＴＭＲ比および感度を特に高めることができる。また、この場合、軟磁性層は、不純物を多く含むほど、ＴＭＲ比および感度が高くなるため、母材に対して、不純物を１０ａｔ％以下で含んでいてもよく、１５ａｔ％以下で含んでいてもよく、さらに２０ａｔ％以下で含んでいてもよい。
（【００１１】以降は省略されています）

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