(57)【要約】【課題】ＴＭＲ素子において使用寿命を予測決定することができる予測寿命決定装置等を提供する。【解決手段】予測寿命決定装置１１は、ＴＭＲ素子への印加電圧値Ｖを受け取る電圧値受け取り部１５と、第１定数値Ａ及び第２定数値Ｂをそれぞれ受け取る定数値受け取り部１７と、自然対数の底ｅの値の累乗を演算する累乗演算部１９と、累乗演算部を用い、電圧値受け取り部及び定数値受け取り部で獲得した結果からＴ＝Ａ・exp（Ｂ／Ｖ）式に基づいて、ＴＭＲ素子の予測寿命Ｔを決定する予測寿命決定部１３とを備える。【選択図】      図２
2006013298.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＴＭＲ素子の予測寿命決定装置であって、
前記ＴＭＲ素子への印加電圧値Ｖを受け取る電圧値受け取り部と、
第１定数値Ａ及び第２定数値Ｂをそれぞれ受け取る定数値受け取り部と、
自然対数の底ｅの値の累乗を演算する累乗演算部と、
前記累乗演算部を用い、前記電圧値受け取り部及び定数値受け取り部で獲得した結果からＴ＝Ａ・exp（Ｂ／Ｖ）式に基づいて、前記ＴＭＲ素子の予測寿命Ｔを決定する予測寿命決定部と
を備えた、ＴＭＲ素子の予測寿命決定装置。
【請求項２】
ＴＭＲ素子の予測寿命決定用プログラムであって、
コンピュータに、少なくとも、
前記ＴＭＲ素子への印加電圧値Ｖを受け取る電圧値受け取り機能と、
第１定数値Ａ及び第２定数値Ｂをそれぞれ受け取る定数値受け取り機能と、
自然対数の底ｅの値の累乗を演算する累乗演算機能と、
前記累乗演算機能を用い、前記電圧値受け取り機能及び定数値受け取り機能で獲得した結果からＴ＝Ａ・exp（Ｂ／Ｖ）式に基づいて、前記ＴＭＲ素子の予測寿命Ｔを決定する予測寿命決定機能と
を実現させるためのＴＭＲ素子の予測寿命決定用プログラム。
【請求項３】
ＴＭＲ素子の予測寿命決定方法であって、
Ｔ＝Ａ・exp（Ｂ／Ｖ）式に基づいて（Ｔ：予測寿命、Ｖ：印加電圧値、Ａ及びＢ：第１及び第２定数値）、印加電圧値Ｖにおける予測寿命Ｔを決定する方法。
【請求項４】
ＴＭＲ素子への印加電圧値Ｖを受け取る電圧値受け取り部と、
第１定数値Ａ及び第２定数値Ｂをそれぞれ受け取る定数値受け取り部と、
自然対数の底ｅの値の累乗を演算する累乗演算部と、
前記ＴＭＲ素子の予測寿命Ｔを決定する予測寿命決定部と
を備えたコンピュータにおけるＴＭＲ素子の予測寿命決定方法であって、
前記電圧値受け取り部が電圧値Ｖを受け取るステップと、
前記定数値受け取り部が第１定数値Ａ及び第２定数値Ｂをそれぞれ受け取るステップと、
予測寿命決定部が、前記累乗演算部を用い、前記電圧値受け取り部及び定数値受け取り部で獲得した結果からＴ＝Ａ・exp（Ｂ／Ｖ）式に基づいて、前記ＴＭＲ素子の予測寿命Ｔを決定するステップと
を含む、コンピュータにおけるＴＭＲ素子の予測寿命決定方法。
【請求項５】
寿命に対応するＴＭＲ素子の電圧値決定装置であって、
前記ＴＭＲ素子の寿命Ｔを受け取る寿命受け取り部と、
第１定数値Ａ及び第２定数値Ｂをそれぞれ受け取る定数値受け取り部と、
自然対数ｌｏｇeの値を演算する対数演算部と、
前記対数演算部を用い、前記寿命受け取り部及び定数値受け取り部で獲得した結果からＶ’＝Ｂ／ｌｏｇe（Ｔ／Ａ）式に基づいて、前記ＴＭＲ素子の上限電圧値Ｖ’を決定する電圧値決定部と
を備えた、ＴＭＲ素子の電圧値決定装置。
【請求項６】
寿命に対応するＴＭＲ素子の電圧値決定用プログラムであって、
コンピュータに、少なくとも、
前記ＴＭＲ素子の寿命Ｔを受け取る寿命受け取り機能と、
第１定数値Ａ及び第２定数値Ｂをそれぞれ受け取る定数値受け取り機能と、
自然対数ｌｏｇeの値を演算する対数演算機能と、
前記対数演算機能を用い、前記寿命受け取り機能及び定数値受け取り機能で獲得した結果からＶ’＝Ｂ／ｌｏｇe（Ｔ／Ａ）式に基づいて、前記ＴＭＲ素子の上限電圧値Ｖ’を決定する電圧値決定機能と
を実現させるためのＴＭＲ素子の電圧値決定用プログラム。
【請求項７】
ＴＭＲ素子の電圧値決定方法であって、
Ｖ’＝Ｂ／ｌｏｇe（Ｔ／Ａ）式に基づいて（Ｖ’：上限電圧値、Ｔ：寿命、Ａ及びＢ：第１及び第２定数値）、寿命Ｔを保証する上限電圧値Ｖ’を決定する方法。
【請求項８】
ＴＭＲ素子の寿命を受け取る寿命受け取り部と、
第１定数値Ａ及び第２定数値Ｂをそれぞれ受け取る定数値受け取り部と、
自然対数ｌｏｇeの値を演算する対数演算部と、
前記ＴＭＲ素子の電圧値を決定する電圧値決定部と
を備えたコンピュータにおけるＴＭＲ素子の電圧値決定方法であって、
前記寿命受け取り部が寿命Ｔを受け取るステップと、
前記定数値受け取り部が第１定数値Ａ及び第２定数値Ｂをそれぞれ受け取るステップと、
前記電圧値決定部が、前記対数演算部を用い、前記寿命受け取り部及び定数値受け取り部で獲得した結果からＶ’＝Ｂ／ｌｏｇe（Ｔ／Ａ）式に基づいて、前記ＴＭＲ素子の上限電圧値Ｖ’を決定するステップと
を含む、コンピュータにおけるＴＭＲ素子の電圧値決定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＴＭＲ素子の予測寿命決定装置、予測寿命決定用プログラム及び予測寿命決定方法、並びに、ＴＭＲ素子の電圧値決定装置、電圧値決定用プログラム及び電圧値決定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、薄膜磁気ヘッドの開発においては、高感度化、高出力化などの要求を満たすべく、ＴＭＲ素子（量子力学のトンネル効果を利用した磁気抵抗効果素子）が注目されている。ＴＭＲ素子は、従来から用いられているＧＭＲ素子と同様、反強磁性層と、反強磁性層との交換結合によって磁化方向を固定されたピンド層と、極薄絶縁層と、外部磁界に応じてその磁化方向が変化するフリー層とを有している（特許文献１参照）。そして、これらの層に対して垂直方向にトンネル電流を流し、ピンド層とフリー層との磁化方向角度の変化に起因した抵抗変化を電圧変化として検出する。このようなＴＭＲ素子は、それまでのＧＭＲ素子に比べて抵抗変化が大きいため、高感度・高出力型のヘッドとして期待されている。
【特許文献１】特開２００３−３０３４０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、上述したＴＭＲ素子の使用寿命の予測方法や寿命保証を伴う使用電圧値の設定方法は現在のところも確立されていない。
【０００４】
その理由について説明すると、まず、ＧＭＲ素子は複数の金属層によって構成されているため、その寿命は、電流密度、素子温度によって金属原子間の結合が切れるエレクトロマイグレーション（以下、「ＥＭ」とも称する）に起因した高温通電時の寿命として規定することができた。すなわち、ＧＭＲ素子ではピンド層とフリー層との間に金属製の非磁性層（例えばＣｕ等の層）が用いられており、これらピンド層、非磁性層及びフリー層に電流が集中し、高電流密度化やジュール熱によってＥＭがひき起こされ、特性変化をもたらして寿命に達する。このＥＭによる寿命Ｐは、Ｐ＝Ｃ・Ｊ-n・ｅｘｐ（Ｑ／ｋＴ）［但し、Ｊ：電流密度、Ｑ：活性化エネルギ、Ｔ：素子温度、Ｃ，ｎ，ｋ：定数］で表すことができた。しかしながら、ＴＭＲ素子は、ピンド層とフリー層との間に金属ではない極薄絶縁層を使用しており、この極薄絶縁層が寿命を左右する重要な要素となっている。このため、金属の多層膜であるＧＭＲ素子に関する上記寿命予測式は、ＴＭＲ素子では適用できないこととなる。
【０００５】
半導体分野でも幾つかの寿命予測式が存在しているが、ＴＭＲ素子と比べると層厚や絶縁抵抗が大きく、かつ、通常使用電圧／電流でＴＭＲ素子とは異なる電子伝導を示す絶縁膜を有する構成を対象としている。具体的には、ＴＭＲ素子は直接トンネリングによる電子伝導を示すが、半導体で用いられる絶縁膜では直接トンネリングによる電子伝導はない。したがって、どの寿命予測式がＴＭＲ素子に適用できるか全く検証できていない。
【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、本発明の課題は、ピンド層とフリー層との間に絶縁層が使用されているＴＭＲ素子において使用寿命を予測決定することができる、予測寿命決定装置、予測寿命決定プログラム及び予測寿命決定方法を提供することである。
【０００７】
本発明のもう一つの課題は、ピンド層とフリー層との間に絶縁層が使用されているＴＭＲ素子において所期の寿命を保証する使用電圧値を予測決定することができる、電圧値決定装置、電圧値決定プログラム及び電圧値決定方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決すべく、本発明に係るＴＭＲ素子の予測寿命決定装置は、前記ＴＭＲ素子への印加電圧値Ｖを受け取る電圧値受け取り部と、第１定数値Ａ及び第２定数値Ｂをそれぞれ受け取る定数値受け取り部と、自然対数の底ｅの値の累乗を演算する累乗演算部と、前記累乗演算部を用い、前記電圧値受け取り部及び定数値受け取り部で獲得した結果からＴ＝Ａ・exp（Ｂ／Ｖ）式に基づいて、前記ＴＭＲ素子の予測寿命Ｔを決定する予測寿命決定部とを備える。
【０００９】
本発明に係るＴＭＲ素子の予測寿命決定用プログラムは、コンピュータに、少なくとも、前記ＴＭＲ素子への印加電圧値Ｖを受け取る電圧値受け取り機能と、第１定数値Ａ及び第２定数値Ｂをそれぞれ受け取る定数値受け取り機能と、自然対数の底ｅの値の累乗を演算する累乗演算機能と、前記累乗演算機能を用い、前記電圧値受け取り機能及び定数値受け取り機能で獲得した結果からＴ＝Ａ・exp（Ｂ／Ｖ）式に基づいて、前記ＴＭＲ素子の予測寿命Ｔを決定する予測寿命決定機能とを実現させる。
【００１０】
本発明に係るＴＭＲ素子の予測寿命決定方法は、Ｔ＝Ａ・exp（Ｂ／Ｖ）式に基づいて（Ｔ：予測寿命、Ｖ：印加電圧値、Ａ及びＢ：第１及び第２定数値）、印加電圧値Ｖにおける予測寿命Ｔを決定する。
【００１１】
本発明に係る別の、ＴＭＲ素子の予測寿命決定方法は、ＴＭＲ素子への印加電圧値Ｖを受け取る電圧値受け取り部と、第１定数値Ａ及び第２定数値Ｂをそれぞれ受け取る定数値受け取り部と、自然対数の底ｅの値の累乗を演算する累乗演算部と、前記ＴＭＲ素子の予測寿命Ｔを決定する予測寿命決定部とを備えたコンピュータにおけるＴＭＲ素子の予測寿命決定方法であって、前記電圧値受け取り部が電圧値Ｖを受け取るステップと、前記定数値受け取り部が第１定数値Ａ及び第２定数値Ｂをそれぞれ受け取るステップと、予測寿命決定部が、前記累乗演算部を用い、前記電圧値受け取り部及び定数値受け取り部で獲得した結果からＴ＝Ａ・exp（Ｂ／Ｖ）式に基づいて、前記ＴＭＲ素子の予測寿命Ｔを決定するステップとを含む。
【００１２】
上述した課題を解決する本発明に係るＴＭＲ素子の電圧値決定装置は、前記ＴＭＲ素子の寿命Ｔを受け取る寿命受け取り部と、第１定数値Ａ及び第２定数値Ｂをそれぞれ受け取る定数値受け取り部と、自然対数ｌｏｇeの値を演算する対数演算部と、前記対数演算部を用い、前記寿命受け取り部及び定数値受け取り部で獲得した結果からＶ’＝Ｂ／ｌｏｇe（Ｔ／Ａ）式に基づいて、前記ＴＭＲ素子の上限電圧値Ｖ’を決定する電圧値決定部とを備える。
【００１３】
本発明に係る寿命に対応するＴＭＲ素子の電圧値決定用プログラムは、コンピュータに、少なくとも、前記ＴＭＲ素子の寿命Ｔを受け取る寿命受け取り機能と、第１定数値Ａ及び第２定数値Ｂをそれぞれ受け取る定数値受け取り機能と、自然対数ｌｏｇeの値を演算する対数演算機能と、前記対数演算機能を用い、前記寿命受け取り機能及び定数値受け取り機能で獲得した結果からＶ’＝Ｂ／ｌｏｇe（Ｔ／Ａ）式に基づいて、前記ＴＭＲ素子の上限電圧値Ｖ’を決定する電圧値決定機能とを実現させる。
【００１４】
本発明に係るＴＭＲ素子の電圧値決定方法は、Ｖ’＝Ｂ／ｌｏｇe（Ｔ／Ａ）式に基づいて（Ｖ’：上限電圧値、Ｔ：寿命、Ａ及びＢ：第１及び第２定数値）、寿命Ｔを保証する上限電圧値Ｖ’を決定する。
【００１５】
本発明に係る、別のＴＭＲ素子の電圧値決定方法は、ＴＭＲ素子の寿命を受け取る寿命受け取り部と、第１定数値Ａ及び第２定数値Ｂをそれぞれ受け取る定数値受け取り部と、自然対数ｌｏｇeの値を演算する対数演算部と、前記ＴＭＲ素子の電圧値を決定する電圧値決定部とを備えたコンピュータにおけるＴＭＲ素子の電圧値決定方法であって、前記寿命受け取り部が寿命Ｔを受け取るステップと、前記定数値受け取り部が第１定数値Ａ及び第２定数値Ｂをそれぞれ受け取るステップと、前記電圧値決定部が、前記対数演算部を用い、前記寿命受け取り部及び定数値受け取り部で獲得した結果からＶ’＝Ｂ／ｌｏｇe（Ｔ／Ａ）式に基づいて、前記ＴＭＲ素子の上限電圧値Ｖ’を決定するステップとを含む。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係るＴＭＲ素子の予測寿命決定装置、決定用プログラム及び決定方法によれば、非金属の極薄絶縁層を用いているＴＭＲ素子において、使用時に印加する電圧値Ｖに対し、その電圧値の場合の予測寿命を決定獲得することができる。
【００１７】
また、本発明に係るＴＭＲ素子の電圧値決定装置、決定用プログラム及び決定方法によれば、非金属の極薄絶縁層を用いているＴＭＲ素子において、ある寿命を保証することができる予測電圧値を決定獲得することができる。
【００１８】
なお、本発明の他の特徴及びそれによる作用効果は、添付図面を参照し、実施の形態によって更に詳しく説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態に係るＴＭＲ素子の予測寿命決定装置及び予測寿命決定方法を、添付図面に基づいて説明する。なお、図中同一又は対応する部分には、同一符号を付している。
【００２０】
まず、図１をもとにＴＭＲ素子の構成について例示すると、ＴＭＲ素子１は、反強磁性層３と、ピンド層（強磁性層）５と、トンネルバリア層７と、フリー層９とを含んでいる。トンネルバリア層７は、ピンド層５とフリー層９との間に挟まれている。ピンド層５におけるトンネルバリア層７との逆側には反強磁性層３が設けられている。ピンド層５及びフリー層９は強磁性層で構成されており、トンネルバリア層７は極薄膜の絶縁層で構成されている。本実施の形態では、トンネルバリア層７はアルミナによって構成されているが、本発明はそれに限定されるものではなく、例えば、ＡｌＮX（窒化アルミニウム）、ＨｆＯX（酸化ハフニウム）、ＺｒＯX（酸化ジルコニウム）、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）であってもよい。また、トンネルバリア層の膜厚は５〜２０Å（通常は１０Å）程度である。このように膜厚が薄いため、前述のように直接トンネリングによる電子伝導を示す。この点、半導体で用いられる絶縁膜は厚いため直接トンネリングによる電子伝導はない。また、本発明が対象としているＴＭＲ素子の抵抗値（ＲＡ）は、半導体の絶縁層よりも１０桁以上低い値を有している。
【００２１】
ピンド層５の磁化方向Ｐは、反強磁性層３との交換結合によってある一定の方向に固定されている。一方、フリー層９の磁化方向Ｆは、記録媒体からの磁束など外部磁界に対応して容易に変化する。このような構成のＴＭＲ素子１においては、ピンド層５の磁化方向Ｐとフリー層９の磁化方向Ｆとのなす角度の変化に伴って、電気抵抗が変化する。積層面に対してほぼ直交する向きにセンス電流Ｉを流すと、外部磁界に対応するフリー層９の磁化方向Ｆとピンド層５の磁化方向Ｐとのなす角度に依存した出力電圧を得ることができる。このようにして外部磁界の情報を検出することができる。
【００２２】
次に、上述したＴＭＲ素子に関する予測寿命決定装置について、図２をもとに説明する。予測寿命決定装置１１は、予測寿命決定部１３と、電圧値受け取り部１５と、定数値受け取り部１７と、累乗演算部１９とを含んでいる。予測寿命決定部１３には、電圧値受け取り部１５、定数値受け取り部１７及び累乗演算部１９のそれぞれが信号伝達可能な関係で接続されている。本実施の形態では、予測寿命決定装置１１はいわゆるコンピュータとして実施されており、予測寿命決定部１３と、電圧値受け取り部１５、定数値受け取り部１７及び累乗演算部１９とは有線で接続されているものとする。
【００２３】
予測寿命決定部１３は、決定式、
Ｔ＝Ａ・exp（Ｂ／Ｖ）
に基づいて、ＴＭＲ素子の予測寿命Ｔを決定する。なお、式中におけるＡ及びＢはそれぞれ、第１定数値及び第２定数値である。また、上記決定式における自然対数の低ｅの値の累乗部分は、累乗演算部１９の累乗演算機能を用いて演算した結果を使用する。
【００２４】
さらに、予測寿命決定装置１１には、必要な情報を入力するための入力手段２１と、決定された予測寿命を出力表示するための表示手段２３とが接続されている。
【００２５】
ここで、より具体的な構成を例示する。本実施の形態の予測寿命決定装置１１は、いわゆるコンピュータで構成されている。また、入力手段２１は、キーボード及び／又はマウスで構成されている。表示手段２３は、ディスプレイで構成されている。なお、コンピュータとは、市場でコンピュータという名称で取引されているか否かを問わず、プログラムによって、所期の処理を行うことができる手段を広く含むものとする。
【００２６】
さらに、予測寿命決定部１３及び累乗演算部１９は、コンピュータにおけるＣＰＵの一部として構成されている。また、電圧値受け取り部１５及び定数値受け取り部１７はコンピュータにおけるＲＡＭ又はＲＯＭによって構成されている。ＲＡＭによって構成されている場合は、使用者が入力手段２１を介して電圧値や定数値を初期入力し、書き換えることができる。ＲＯＭによって構成されている場合には、予め必要な電圧値や定数値がメモリされてコンピュータ内に組み入れられる。
【００２７】
次に、決定式Ｔ＝Ａ・exp（Ｂ／Ｖ）に関する信頼性と、第１定数値Ａ及び第２定数値Ｂの決定方法について説明する。本出願人の知見によると、半導体分野における予測寿命の決定式としては、以下の２式、
Ｔ＝Ｃ・exp（Ｅ／Ｄ’）・・・（１’）式
Ｔ＝Ａ・exp（Ｂ’／Ｅ）・・・（２’）式
を使用することかできる。なお、式中の記号については、Ｔ：予測寿命、Ａ、Ｂ’、Ｃ、Ｄ’：定数、Ｅ：電界、であるものとする。
【００２８】
ＴＭＲ素子の予測寿命決定に際しては、寿命決定を行いたい具体的なＴＭＲ素子から、その膜厚ｄを得ることができる。従って、Ｅ＝Ｖ／ｄ（但し、Ｖ：使用電圧値、ｄ：ＴＭＲ素子の膜厚）の関係式を用いて、（１’）式及び（２’）式をそれぞれ、以下のように書き変え、
Ｔ＝Ｃ・exp（Ｖ／Ｄ）    ・・・（１）式  [E model]
Ｔ＝Ａ・exp（Ｂ／Ｖ）  ・・・（２）式  [1/E model]
を得る。以下の試験をもとに、これらの２式に関するＴＭＲ素子への適合性を検証する。
【００２９】
まず、７０℃環境下において、所定の電圧をＴＭＲ素子に印加した場合の、ＴＭＲ素子の寿命を調べたところ、図３に示される結果を得た。電圧値がおよそ２００ｍＶを超える条件では、円形プロットで示されるように１００００時間以内に寿命に達している結果が得られている。この１００００時間以内の寿命結果からは、（１）式と（２）式の何れがＴＭＲ素子の寿命を導く式となり得るか特定できない。一方、およそ２００ｍＶを下回る小電圧条件では、１００００時間を経過しても未だ寿命に達することなく、次の目盛りの１０００００時間に達するまでの間にどのような変化が見られるか不明である。また、１０００００時間（１０年を超える）までの経過を調査することも現実的ではない。そこで、さらに、より短時間で寿命に結びつく変化が得られるような試験を行った。
【００３０】
図４をもとに試験手順と印加する電圧の態様とを説明する。図４の（ａ）に示されるように、電圧は印加と解除を複数回繰り返し行い、且つ、印加毎に電圧値を増加させるようにした。試験手順は、第１ステップ（1st）においてＴＭＲ素子を磁気ヘッドとして構成した場合の初期抵抗値（抵抗値測定電流＝０．１ｍＡ）を計り、第２ステップ（2nd）として電圧を印加し、第３ステップ（3rd）として電圧の印加を解除した後の抵抗値（抵抗値測定電流＝０．１ｍＡ）を計り、以下、電圧印加とその解除後の抵抗値計測とを繰り返し行う。なお、繰り返しの間隔は１分間とした。
【００３１】
また、印加する電圧の波形は、図４の（ｂ）に示されるように、Pulse Voltage（印加電圧値）とPulse Width（印加幅、「ＰＷ」と表記）とによって規定する。さらに、一回にまとめて印加する電圧は、図４の（ａ）に示されるように、連続的に印加される態様と、図４の（ｃ）に示されるように複数回まとめて断続的に印加される態様との二態様を用意した。一回にまとめて印加する回数をPulse Number（「ＰＮ」と表記）と称する。よって、図４の（ａ）に示されるような連続印加する態様はＰＮ＝１と表現できる。図４の（ｃ）に示されるように断続的に電圧を印加する際には、その断続間隔は１０μｓとした。
【００３２】
以上のような条件で室温にて試験を行ったところ、図５〜図９に示す結果が得られた。まず、図５の（ａ）は、図４の（ａ）に示されるように連続的印加（ＰＮ＝１）したときの結果であり、縦軸に初期抵抗値からの抵抗値変化率をとり、横軸に電圧値をとったものである。試験は、ＰＷが３ｎｓ、５００ｎｓ、１００μｓ、３ｓの四態様の電圧を印加した場合について行っており、図５の（ａ）はそのうちの初期抵抗値が２６０Ω前後のＴＭＲ素子に関する結果である。図５の（ｂ）は、抵抗値変化率−５％となったときの電圧値を縦軸にとり、横軸には初期抵抗値をとったものである。すなわち、初期抵抗値およそ２００〜３００Ωの範囲で、図５の（ａ）の試験を行って（２６０Ω以外は掲載省略）、その初期抵抗値およそ２００〜３００Ωの範囲における、抵抗値変化率−５％となったときの電圧値（以下、「電圧閾値」と称する）の結果が図５の（ｂ）に示したものである。
【００３３】
図６は、図５の（ｂ）と同態様の結果であるが、図５の試験と異なり、ＰＷを３ｎｓに固定してＰＮを変化させた場合の結果である。ＰＮは、１回、１０回、１００回、１０００回、１００００回、１０００００回、１００００００回の七態様で試験した。
【００３４】
また、図７及び図８は、図５及び図６の試験結果をＰＷやＰＮと電圧閾値との関係として表したものである。図７は、ＰＮ＝１で固定してＰＷを変化させた図５の試験における初期抵抗値２４０Ωの結果をプロットしたものであり、縦軸に電圧閾値をとり、横軸にＰＷをとったものである。図８は、ＰＷ＝３ｎｓで固定してＰＮを変化させた図６の試験における初期抵抗値２４０Ωの結果をプロットしたものであり、縦軸に電圧閾値をとり、横軸にＰＮをとったものである。図７及び図８の横軸は対数表記の軸である。
【００３５】
さらに、図７と図８とは横軸の意味が異なり直接比較ができないため、これを揃えるべく、総印加時間Total Stress Time（ＴＳＴ）という概念を導入した。総印加時間ＴＳＴは、ＴＳＴ＝ＰＷ×ＰＮで表され、すなわち一回にまとまって印加する時間の合計とみることができる。そして、図７及び図８の横軸を、ＴＳＴの概念に揃えて、一つのグラフにプロットしたものが図９のグラフである。図９の横軸も対数表記の軸である。図９に示されるように、電圧閾値とＴＳＴとの関係は直線的な関係にあることがわかる。この図９の結果の縦横軸を入れ替えたものが図１０である。すなわち、図９は、所定のＴＳＴ時間だけ電圧を印加した場合、抵抗値変化率が−５％（本実施の形態ではこれを製品寿命状態としている）に達してしまう電圧閾値を示すグラフである。よって、言い換えるならば、所定の電圧閾値を印加した場合に、抵抗値変化率が−５％に達してしまう、すなわち製品寿命状態に達してしまうまでの時間がＴＳＴ時間であるともいえる。従って、図９のＴＳＴ及び電圧閾値の解釈をそれぞれ、予測寿命及び印加した電圧値と解しその縦横軸関係を入れ替えることによって、縦軸が予測寿命、横軸が印加する電圧値を示す図１０を得る。また、図１０における横軸の電圧値を、逆数表示したものが、図１１である。
【００３６】
また、このようにして得た図１０及び図１１に、予測寿命の決定に用いる候補の式すなわち前述した（１）式及び（２）式のモデル式を乗せる。そして、最小自乗法を用いていずれのモデル式が実際の試験結果に近いかみたところ、各図にＲ2で示されるように両モデル式とも実際の結果に近い式となっている。よって、図１０及び図１１の結果のみからは依然として明確な結論を導出することは困難である。
【００３７】
そこで、本出願人は、上述した図９の結果を得るプロセスによれば、図３のような大きな時間単位ではなく、小さな時間単位として、１０桁レンジの時間のデータを獲得できることを利用して、より広い桁レンジの時間に対応した室温におけるデータを試験した。約２２０ｍＶの電圧を連続的に印加し、その試験結果を、図１２に示す。図１２のグラフは、縦軸に抵抗変化率（「δＲｓｌｄ」の表記）を、横軸に経過時間（「Ｔｉｍｅ」の表記）をとったものであある。横軸の時間は、１．Ｅ−０２〜１．Ｅ＋０３［ｈｏｕｒ］の範囲を少なくとも備え、すなわち、図９の横軸時間のオーダーよりも大きな（長い）時間となっている。図１２の各グラフは、初期抵抗値２０３．５６Ω、２５７．８５Ω、２７３．１Ω、２６５．２８Ω、２６１．７４Ω、２８３．８１Ω、２９１．８８Ω、２２３．０４Ω、２２１．００Ω、２１４．５８Ω、２３３．６８Ω、２０６．２２Ω、２４３．５４Ω、２８０．５７Ω（上１段の左から右へ、以降、２〜４段にわたって各段左から右への順に）の結果を示している。なお、横軸の時間１．Ｅ−０２〜１．Ｅ＋０３［ｈｏｕｒ］の範囲で、抵抗値変化率が−５％に、すなわち本実施の形態でいう寿命状態に達しなかったグラフには、「ＴＴＦ  Ｎ．Ａ．」と表記してある。
【００３８】
そして、図１３は、図５の（ｂ）と図６の全データを図１０の縦横軸上にプロットし、加えて、図１２のデータ（寿命状態に達したもの）も当該縦横軸上にプロットしたものである。同様に、図１４は、図５の（ｂ）と図６の全データを図１１の縦横軸上にプロットし、加えて、図１２のデータ（寿命状態に達したもの）も当該縦横軸上にプロットしたものである。図１３及び図１４はそれぞれ図１０及び図１１の縦横軸を備えており、すなわち、（１）式[E model]及び（２）式[1/E model]の適合性をみることができる。そして、かかる図１３及び図１４それぞれに、図５の（ｂ）の全データ及び図６の全データから得た近似直線を乗せてみた。その結果、（１）式[E model]に対応する図１３においては、図１２のデータは近似直線から大きく外れていることが分かる。一方、（２）式[1/E model]に対応する図１４においては、図１２のデータは近似直線上にのっていることが分かる。これにより初めて、ＴＭＲ素子の寿命と印加電圧値との関係を（２）式[1/E model]によってあらわすことができることが分かった。
【００３９】
また、上述した試験は、ＲＡ値＝２．４８という値で行われていた。このＲＡ値とは、抵抗値及び接合面積の積値であり、単位は［Ω・μｍ2］で表される。そこで、他のＲＡ値においても（１）式[E model]及び（２）式[1/E model]の評価を行った。すなわち、ＲＡ値＝５．７６の条件で、図５〜図１４の態様の結果を得るよう同様に試験した。図１５は、縦軸に予測寿命を、横軸に電圧値の逆数値をとり、ＲＡ値２．４８及び５．７６のそれぞれの結果についてプロットしたものである。かかる図１５に、さらに、（１）式[E model]及び（２）式[1/E model]の理論線を描画する。図１５に示されるように、実際の試験結果は、ＲＡ値２．４８では予測寿命１．Ｅ＋０２［ｓｅｃ］以上の範囲で、ＲＡ値５．７６では予測寿命１．Ｅ＋０３［ｓｅｃ］以上の範囲で、それぞれ、（１）式[E model]の理論曲線から大きく外れていることが分かる。一方、（２）式[1/E model]の理論直線に対しては、ＲＡ値２．４８の場合、実際の試験結果は理論直線にのっていることが分かる。また、ＲＡ値５．７６の場合、１．Ｅ＋０６［ｓｅｃ］でも未だ寿命に到達していないため、（２）式[1/E model]の理論直線にのっていると断定はできないものの、寿命が延びる程少なくとも（１）式[E model]の理論直線からより外れるほうへシフトすることは明白である。
【００４０】
以上の結果より、ＴＭＲ素子においては、（２）式[1/E model]、すなわち、
Ｔ＝Ａ・exp（Ｂ／Ｖ）
を予測寿命Ｔの決定式として用いることができることが分かる。また、式中における第１定数値Ａ及び第２定数値Ｂは、使用するＲＡ値を具体的に限定して上述したような試験を行うことによって近似式を求め、その近似式と（２）式[1/E model]とを対応させることによって求めることができる。
【００４１】
次に、以上のような構成を有する本実施の形態に係る予測寿命決定装置の動作及び予測寿命決定方法を説明する。まず、上記のように近似式と（２）式[1/E model]との対応関係から、（２）式の第１定数値Ａ及び第２定数値Ｂを獲得しておく。そして、第１定数値Ａ及び第２定数値Ｂを定数値受け取り部１７を介して入力すると共に、使用値として考えている印加電圧値Ｖを電圧値受け取り部１５を介して入力する。これにより、予測寿命決定部１３は、累乗演算部１９と協働し、ＴＭＲ素子の予測寿命Ｔを決定する。このように、本実施の形態に係る予測寿命決定装置及び予測寿命決定方法によれば、非金属の極薄絶縁層を用いているＴＭＲ素子において、使用時に印加する電圧値Ｖに対し、その電圧値の場合の予測寿命を決定獲得することができる。
【００４２】
また、本発明はＴＭＲ素子の予測寿命決定用プログラムも提供する。予測寿命決定用プログラムは、コンピュータに、少なくとも、ＴＭＲ素子への印加電圧値Ｖを受け取る電圧値受け取り機能と、第１定数値Ａ及び第２定数値Ｂをそれぞれ受け取る定数値受け取り機能と、自然対数の底ｅの値の累乗を演算する累乗演算機能と、累乗演算機能を用い、電圧値受け取り機能及び定数値受け取り機能で獲得した結果からＴ＝Ａ・exp（Ｂ／Ｖ）式に基づいて、ＴＭＲ素子の予測寿命Ｔを決定する予測寿命決定機能とを実現させる。
【００４３】
より詳細には、実施の形態に係る予測寿命決定用プログラムは、上述した電圧値受け取り部１５を、ＴＭＲ素子への印加電圧値Ｖを受け取るように機能させ、定数値受け取り部１７を、第１定数値Ａ及び第２定数値Ｂをそれぞれ受け取るように機能させ、累乗演算部１９を、自然対数の底ｅの値の累乗を演算するように機能させ、予測寿命決定部１３を、累乗演算部を用い、電圧値受け取り部及び定数値受け取り部で獲得した結果からＴ＝Ａ・exp（Ｂ／Ｖ）式に基づいて、ＴＭＲ素子の予測寿命Ｔを決定するように機能させるものである。
【００４４】
本実施の形態に係る予測寿命決定用プログラムによっても、非金属の極薄絶縁層を用いているＴＭＲ素子において、使用時に印加する電圧値に対し、その電圧値の場合の予測寿命を決定獲得することができる。
【００４５】
また、上記説明では、本発明の予測寿命決定装置に関してコンピュータを用いた具体的構成の一例を示したが、本発明はこれに限定されるものではない。よって、まず、予測寿命決定装置内の予測寿命決定部１３、電圧値受け取り部１５、定数値受け取り部１７及び累乗演算部１９はそれぞれ、個別の独立した部品として識別できることに限定されるものではない。一つの部品が決定機能、値受け取り機能、演算機能のうちの複数の機能あるいは全ての機能を有する構成でもよい。逆に決定機能、値受け取り機能、演算機能のうちの一機能が複数の部品によって実現される構成でもよい。
【００４６】
予測寿命決定部１３、電圧値受け取り部１５、定数値受け取り部１７及び累乗演算部１９は、一つの製品筐体内に配置されている態様には限定されず、個別製品として又は離れた場所に配置されていてもよい。また、各部の接続は有線に限らず、無線やネットワークなど情報伝達可能な接続態様であれば特に限定はない。
【００４７】
また、具体的な改変については、電圧値受け取り部１５及び定数値受け取り部１７はメモリに限定されるものではなく、電圧値や定数値の格納や記憶を行わずに、寿命決定の演算の都度、電圧値や定数値を入力する手法であれば、それらの定数が最初に予測寿命決定装置１１あるいは予測寿命決定部１３に入ってくる入口部分として、コンピュータにおけるキーボード等の接続部やＣＰＵの端子部として構成することもできる。
【００４８】
また、入力手段２１は、キーボードには限定されず、タッチパネルや音声認識など如何なる入力態様でもよい。また、表示手段２３は、予測寿命を出力する手段の一例であり、これ以外に、音声などを利用した出力態様でもよい。予測寿命決定装置１１に対する入力手段や出力手段も、有線での接続には限定されず、無線やネットワークなど情報伝達可能な接続態様であれば特に限定はない。
【００４９】
次に、本発明の実施の形態に係るＴＭＲ素子の電圧値決定装置及び電圧値決定方法を、添付図面に基づいて説明する。図１６に示されるように、電圧値決定装置１１１は、電圧値決定部１１３と、寿命受け取り部１１５と、定数値受け取り部１１７と、対数演算部１１９とを含んでいる。電圧値決定部１１３には、寿命受け取り部１１５、定数値受け取り部１１７及び対数演算部１１９のそれぞれが信号伝達可能な関係で接続されている。本実施の形態では、電圧値決定装置１１１はコンピュータとして実施されており、電圧値決定部１１３と、寿命受け取り部１１５、定数値受け取り部１１７及び対数演算部１１９とは有線で接続されているものとする。
【００５０】
電圧値決定部１１３は、決定式、
Ｖ’＝Ｂ／ｌｏｇe（Ｔ／Ａ）・・・（３）式
に基づいて、寿命Ｔを保証するＴＭＲ素子の上限電圧値Ｖ’を決定する。なお、（３）式は（２）式の電圧値Ｖを寿命Ｔで表すように式変形したものであり、式中におけるＡ及びＢはそれぞれ、（２）式と同じ第１定数値及び第２定数値である。また、上記決定式における対数部分は、対数演算部１１９の対数演算機能を用いて演算した結果を使用する。
【００５１】
さらに、電圧値決定装置１１１には、必要な情報を入力するための入力手段２１と、決定された予測寿命を出力表示するための表示手段２３とが接続されている。
【００５２】
具体的には、電圧値決定装置１１１も予測寿命決定装置１１と同様であり、いわゆるコンピュータで構成されている。なお、コンピュータとは、市場でコンピュータという名称で取引されているか否かを問わず、プログラムによって、所期の処理を行うことができる手段を広く含むものとする。
【００５３】
さらに、電圧値決定部１１３及び対数演算部１１９は、コンピュータにおけるＣＰＵの一部として構成されている。また、寿命受け取り部１１５及び定数値受け取り部１１７はコンピュータにおけるＲＡＭ又はＲＯＭによって構成されている。ＲＡＭによって構成されている場合は、使用者が入力手段２１を介して寿命や定数値を初期入力し、書き換えることができる。ＲＯＭによって構成されている場合には、予め必要な寿命や定数値がメモリされてコンピュータ内に組み入れられる。
【００５４】
また、電圧値決定部１１３で使用する（３）式の決定式Ｖ’＝Ｂ／ｌｏｇe（Ｔ／Ａ）は、前述した（２）式の変形から得られるものであり、その信頼性と、第１定数値Ａ及び第２定数値Ｂの決定方法については、前述した（２）式と同様である。
【００５５】
次に、以上のような構成を有する本実施の形態に係る電圧値決定装置の動作及び電圧値決定方法を説明する。まず、予測寿命決定態様と同様に第１定数値Ａ及び第２定数値Ｂを獲得しておく。そして、第１定数値Ａ及び第２定数値Ｂを定数値受け取り部１１７を介して入力すると共に、保証させたいと考えている所望の寿命Ｔを寿命受け取り部１１５を介して入力する。これにより、電圧値決定部１１３は、対数演算部１１９と協働し、寿命Ｔを保証する上限電圧値Ｖ’を決定する。このように、本実施の形態に係る電圧値決定装置及び電圧値決定方法よれば、非金属の極薄絶縁層を用いているＴＭＲ素子において、ある寿命を保証することができる上限電圧値を決定獲得することができる。
【００５６】
また、本発明は、寿命に対応するＴＭＲ素子の電圧値決定用プログラムも提供する。電圧値決定用プログラムは、コンピュータに、少なくとも、ＴＭＲ素子の寿命Ｔを受け取る寿命受け取り機能と、第１定数値Ａ及び第２定数値Ｂをそれぞれ受け取る定数値受け取り機能と、自然対数ｌｏｇeの値を演算する対数演算機能と、対数演算機能を用い、寿命受け取り機能及び定数値受け取り機能で獲得した結果からＶ’＝Ｂ／ｌｏｇe（Ｔ／Ａ）式に基づいて、ＴＭＲ素子の上限電圧値Ｖ’を決定する電圧値決定機能とを実現させるものである。
【００５７】
より詳細には、本実施の形態に係る電圧値決定用プログラムは、寿命受け取り部１１５を、ＴＭＲ素子の寿命Ｔを受け取るように機能させ、定数値受け取り部１１７を、第１定数値Ａ及び第２定数値Ｂをそれぞれ受け取るように機能させ、対数演算部１１９を、自然対数ｌｏｇeの値を演算するように機能させ、電圧値決定部１１３を、対数演算部を用い、寿命受け取り部及び定数値受け取り部で獲得した結果からＶ’＝Ｂ／ｌｏｇe（Ｔ／Ａ）式に基づいて、ＴＭＲ素子の上限電圧値Ｖ’を決定するように機能させるものである。
【００５８】
本実施の形態に係る予測寿命決定用プログラムによっても、非金属の極薄絶縁層を用いているＴＭＲ素子において、ある寿命を保証することができる上限電圧値を決定獲得することができる。
【００５９】
また、上記説明では、本発明の電圧値決定装置に関してコンピュータを用いた具体的構成の一例を示したが、予測寿命決定装置の場合と同様、本発明の電圧値決定装置はこれに限定されるものではない。よって、まず、電圧値決定装置内の電圧値決定部１１３、寿命受け取り部１１５、定数値受け取り部１１７及び対数演算部１１９はそれぞれ、個別の独立した部品として識別できることに限定されるものではない。一つの部品が決定機能、値受け取り機能、演算機能のうちの複数の機能あるいは全ての機能を有する構成でもよい。逆に決定機能、値受け取り機能、演算機能のうちの一機能が複数の部品によって実現される構成でもよい。
【００６０】
電圧値決定部１１３、寿命受け取り部１１５、定数値受け取り部１１７及び対数演算部１１９は、一つの製品筐体内に配置されている態様には限定されず、離れた場所に配置されていてもよい。また、各部の接続は有線に限らず、無線やネットワークなど情報伝達可能な接続態様であれば特に限定はない。
【００６１】
さらに、具体的な改変についても予測寿命決定装置１１の場合と同様、寿命受け取り部１１５及び定数値受け取り部１１７はメモリに限定されるものではなく、寿命や定数値の格納や記憶を行わずに、電圧値決定の演算の都度、寿命や定数値を入力する手法であれば、それらの定数が最初に電圧値決定装置１１１あるいは電圧値決定部１１３に入ってくる入口部分として、コンピュータにおけるキーボード等の接続部やＣＰＵの端子部として構成することもできる。
【００６２】
以上、好ましい実施の形態を参照して本発明の内容を具体的に説明したが、本発明の基本的技術思想及び教示に基づいて、当業者であれば、種々の改変態様を採り得ることは自明である。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明を適用するＴＭＲ素子の基本的構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る、ＴＭＲ素子の予測寿命決定装置の構成を示す図である。
【図３】０．１〜１０００００時間の範囲における、ＴＭＲ素子の電圧値と寿命の関係を示すグラフである。
【図４】決定式の信頼性に関する試験手順と電圧印加態様とを説明する図である。
【図５】印加回数を固定し印加幅を異ならせた場合の試験結果を示すグラフである。
【図６】印加幅を固定し印加回数を異ならせた場合の試験結果を示すグラフである。
【図７】図５の試験結果を印加幅と電圧閾値との関係で示したグラフである。
【図８】図６の試験結果を印加幅と電圧閾値との関係で示したグラフである。
【図９】図７及び図８の結果を、総印加時間と電圧閾値との関係としてまとめて示すグラフである。
【図１０】図９の試験結果を電圧値と予測寿命との関係で示したグラフである。
【図１１】図９の試験結果を電圧値の逆数値と予測寿命との関係で示したグラフである。
【図１２】図５〜図１１よりも大きな時間で試験を行った結果を、時間と抵抗変化率との関係で示すグラフである。
【図１３】図５の（ｂ）の全データと図１２のデータをプロットしたグラフである。
【図１４】図６の全データと図１２のデータをプロットしたグラフである。
【図１５】異なるＲＡに関し、試験結果と決定式との関係を示すグラフである。
【図１６】本発明の実施の形態に係る、ＴＭＲ素子の電圧値決定装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００６４】
１１                    予測寿命決定装置
１３                    予測寿命決定部
１５                    電圧値受け取り部
１７、１１７            定数値受け取り部
１９                    累乗演算部
１１１                  電圧値決定装置
１１３                  電圧値決定部
１１５                  寿命受け取り部
１１９                  対数演算部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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