(57)【要約】  温度センサのための面内ナノ磁性多層膜とその製造方法。多層フィルムは、3つのタイプに分類される。  第１のタイプの構造は、基板（１）、底部層（２）、底部磁性複合材料層（３）、中間バリア層（４）、上部磁性複合材料層（５）及びキャップ層（６）を下から上の順序で含む。第１のタイプにおいて、上部磁性複合層（５）と底部磁性複合層（３）は、直接ピニング構造又は間接ピニング構造を採用する。第２のタイプは、基板、底部層、底部ピニング層、中間バリア層、上部ピニング層、及びキャップ層を下から上の順序で、含む。第２のタイプにおいて、上部ピニング層及び底部ピニング層は、直接ピニング構造又は間接ピニング構造を採用する。磁性ナノ多層膜構造の第３のタイプは、基板、底部層、底部磁性多層膜、底部磁性層、中間バリア層、上部磁性膜、上部磁性多層膜及びキャップ層を下から上の順序で含む。第３のタイプにおいて、磁性多層膜の磁気モーメントは、膜面に垂直であり、底部多層膜と上部多層膜の保磁力が異なり、２つの強磁性層、すなわち上部強磁性層及び底部強磁性層の磁気モーメントは、アニーリングを介して反平行配置にある。
2016541112.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上に設けられた底部磁性複合層であって、直接ピニング構造、間接ピニング構造、合成強磁性構造、又は合成反強磁性構造を有する底部磁性複合層と、
前記底部磁性複合層の上に設けられたスペーサ層と、
前記スペーサ層の上に設けられた上部磁性複合層であって、直接ピニング構造、間接ピニング構造、合成強磁性構造、又は合成反強磁性構造を有する上部磁性複合層と、
を含む、温度センサのための磁性多層膜であって、
前記スペーサ層に最も近い前記底部磁性複合層の強磁性層は、前記スペーサ層に最も近い前記上部磁性複合層の強磁性層の磁気モーメントとは反平行な磁気モーメントを有する、磁性多層膜。
【請求項２】
前記直接ピニング構造は、反強磁性層と強磁性層とを互いに接触して含み、
前記間接ピニング構造は、
反強磁性層と、前記反強磁性層と接触した非磁性金属層と、前記非磁性金属層と接触した強磁性層とを包含する第１の間接ピニング構造、又は
反強磁性層と、前記反強磁性層と接触した第１の強磁性層と、前記第１の強磁性層と接触した非磁性金属層と、前記非磁性金属層と接触した第２の強磁性層とを包含する第２の間接ピニング構造、
を含み、
前記合成強磁性構造は、第１の強磁性層と第２の強磁性層とを、それらの間に挟まれた非磁性金属層と共に含み、前記非磁性金属層は、前記第１の強磁性層と第２の強磁性層との間に強磁性結合を誘導する厚さを有し、且つ
前記合成強磁性構造は、第１の強磁性層と第２の強磁性層とを、それらの間に挟まれた非磁性金属層と共に含み、前記非磁性金属層は、前記第１の強磁性層と第２の強磁性層との間に反強磁性結合を誘導する厚さを有する、
請求項1に記載の磁性多層膜。
【請求項３】
前記底部磁性複合層及び上部磁性複合層は両方とも、前記第２の間接ピニング構造を有し、
前記底部磁性複合層の非磁性金属層は、そのいずれかの側においても、前記第１の強磁性層と第２の強磁性層との間に強磁性結合及び反強磁性結合の一方を誘導する厚さを有し、且つ
前記上部磁性複合層の非磁性金属層は、そのいずれかの側においても、前記第１の強磁性層と第２の強磁性層との間に強磁性結合及び反強磁性結合の他方を誘導する厚さを有する、
請求項２に記載の磁性多層膜。
【請求項４】
前記底部磁性複合層及び上部磁性複合層の一方は、合成強磁性構造を有し、
前記底部磁性複合層及び上部磁性複合層の他方は、合成反強磁性構造を有する、
請求項２に記載の磁性多層膜。
【請求項５】
前記底部磁性複合層及び上部磁性複合層の一方は、合成強磁性構造を有し、
前記底部磁性複合層及び上部磁性複合層の他方は、第２の間接ピニング構造を有し、前記第２の間接ピニング構造の非磁性金属層は、そのいずれかの側においても、前記第１の強磁性層と第２の強磁性層との間に反強磁性結合を誘導する厚さを有する、
請求項２に記載の磁性多層膜。
【請求項６】
前記底部磁性複合層及び上部磁性複合層の一方は、合成反強磁性構造を有し、
前記底部磁性複合層及び上部磁性複合層の他方は、第２の間接ピニング構造を有し、前記第２の間接ピニング構造の非磁性金属層は、そのいずれかの側においても、前記第１の強磁性層と第２の強磁性層との間に強磁性結合を誘導する厚さを有する、
請求項２に記載の磁性多層膜。
【請求項７】
前記底部磁性複合層及び上部磁性複合層の一方は、直接ピニング構造を有し、
前記底部磁性複合層及び上部磁性複合層の他方は、直接ピニング構造又は第２の間接ピニング構造を有し、前記第２の間接ピニング構造の非磁性金属層は、そのいずれかの側においても、前記第１の強磁性層と第２の強磁性層との間に反強磁性結合を誘導する厚さを有する、
請求項２に記載の磁性多層膜。
【請求項８】
前記底部磁性複合層は、直接ピニング構造又は間接ピニング構造を有し、及び
上部磁性複合層は、直接ピニング構造又は間接ピニング構造を有し、
前記底部磁性複合層の反強磁性層は、前記上部磁性複合層の反強磁性層のブロッキング温度と異なるブロッキング温度を有する、
請求項２に記載の磁性多層膜。
【請求項９】
前記底部磁性複合層は、合成強磁性又は反強磁性構造を有し、及び
前記上部磁性複合層は、合成強磁性又は反強磁性構造を有し、
スペーサ層から遠い前記底部磁性複合層の強磁性層は、スペーサ層から遠い前記上部磁性複合層の強磁性層の保磁力とは異なる保磁力を有する、
請求項２に記載の磁性多層膜。
【請求項１０】
前記底部磁性複合層及び上部磁性複合層の両方が、垂直磁気モーメントを有し、且つ
スペーサ層から遠い前記底部磁性複合層の強磁性層及びスペーサ層から遠い前記上部磁性複合層の強磁性層の各々は、垂直磁気モーメントを有する磁性多層膜を含む、
請求項９に記載の磁性多層膜。
【請求項１１】
温度センサのための磁性多層膜を製造する方法であって、
基板上に底部磁性複合層を堆積させるステップであって、前記底部磁性複合層は、直接ピニング構造、間接ピニング構造、合成強磁性構造、又は合成反強磁性構造を有するステップと、
前記底部磁性複合層の上にスペーサ層を堆積させるステップと、
前記スペーサ層の上に上部磁性複合層を堆積させるステップであって、前記上部磁性複合層は、直接ピニング構造、間接ピニング構造、合成強磁性構造、又は合成反強磁性構造を有するステップと、及び
得られる構造の上に磁場真空アニールを行うステップであって、それにより、前記スペーサ層に最も近い前記底部磁性複合層の強磁性層は、前記スペーサ層に最も近い前記上部磁性複合層の強磁性層の磁気モーメントとは反平行な磁気モーメントを有する、ステップと、
を含む方法。
【請求項１２】
前記直接ピニング構造は、反強磁性層と強磁性層とを互いに接触して含み、
前記間接ピニング構造は、
反強磁性層と、前記反強磁性層と接触した非磁性金属層と、前記非磁性金属層と接触した強磁性層とを包含する第１の間接ピニング構造、又は
反強磁性層と、前記反強磁性層と接触した第１の強磁性層と、前記第１の強磁性層と接触した非磁性金属層と、前記非磁性金属層と接触した第２の強磁性層とを包含する第２の間接ピニング構造、を含み、
前記合成強磁性構造は、第１の強磁性層と第２の強磁性層とを、それらの間に挟まれた非磁性金属層と共に含み、前記非磁性金属層は、前記第１の強磁性層と第２の強磁性層との間に強磁性結合を誘導する厚さを有し、且つ
前記合成強磁性構造は、第１の強磁性層と第２の強磁性層とを、それらの間に挟まれた非磁性金属層と共に含み、前記非磁性金属層は、前記第１の強磁性層と第２の強磁性層との間に反強磁性結合を誘導する厚さを有する、
請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
底部磁性複合層を堆積させるステップは、前記第２の間接ピニング構造の底部磁性複合層を堆積させるステップを含み、
上部磁性複合層を堆積させるステップは、前記第２の間接ピニング構造の上部磁性複合層を堆積させるステップを含み、
前記底部磁性複合層の非磁性金属層は、そのいずれかの側においても、前記第１の強磁性層と第２の強磁性層との間に強磁性結合及び反強磁性結合の一方を誘導する厚さに堆積され、
前記上部磁性複合層の非磁性金属層は、そのいずれかの側においても、前記第１の強磁性層と第２の強磁性層との間に強磁性結合及び反強磁性結合の他方を誘導する厚さに堆積される、
請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記底部磁性複合層及び上部磁性複合層の一方は、合成強磁性構造を有するように堆積され、及び
前記底部磁性複合層及び上部磁性複合層の他方は、合成反強磁性構造を有するように堆積される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記底部磁性複合層及び上部磁性複合層の一方は、合成強磁性構造を有するように堆積され、及び
前記底部磁性複合層及び上部磁性複合層の他方は、第２の間接ピニング構造を有するように堆積され、
前記第２の間接ピニング構造の非磁性金属層は、そのいずれかの側においても、前記第１の強磁性層と第２の強磁性層との間に反強磁性結合を誘導する厚さを有するように堆積される、
請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
前記底部磁性複合層及び上部磁性複合層の一方は、合成反強磁性構造を有するように堆積され、
前記底部磁性複合層及び上部磁性複合層の他方は、第２の間接ピニング構造を有するように堆積され、
前記第２の間接ピニング構造の非磁性金属層は、そのいずれかの側においても、前記第１の強磁性層と第２の強磁性層との間に強磁性結合を誘導する厚さに堆積される、
請求項１２に記載の方法。
【請求項１７】
前記底部磁性複合層及び上部磁性複合層の一方は、直接ピニング構造を有するように堆積され、
前記底部磁性複合層及び上部磁性複合層の他方は、直接ピニング構造又は第２の間接ピニング構造を有するように堆積され、
前記第２の間接ピニング構造の非磁性金属層は、そのいずれかの側においても、前記第１の強磁性層と第２の強磁性層との間に反強磁性結合を誘導する厚さに堆積される、
請求項１２に記載の方法。
【請求項１８】
温度センサのための磁性多層膜を製造する方法であって、
基板上に、第１の底部磁性層、底部非磁性金属層、第２の底部磁性層、中間バリア層、第１の上部磁性層、上部非磁性金属層、及び第２の上部磁性層を、この順序で堆積させるステップ、と、
膜平面に垂直な第１の磁場と共に、得られる構造の上に、第１の真空アニールを行うステップであって、前記第１の磁場は、第１の底部磁性層及び第２の上部磁性層のいずれかの保磁力よりも大きいステップと、
前記第１の磁場に反対の第２の磁場と共に、得られる構造の上に、第２の真空アニールを行うステップであって、前記第２の磁場は、第１の底部磁性層及び第２上部磁性層の一方の保磁力よりも大きく、且つ第１の底部磁性層及び第２上部磁性層の他方の保磁力よりも小さいステップと、
を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）に基づく温度センサのためのナノ(nanometer)磁性多層膜及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明の核心は、そのコア部として、２つの強磁性体層の間に介在する絶縁バリア層を含むサンドイッチ構造を有する磁気トンネル接合（ＭＴＪ）デバイスである。外部磁場の下、又はピニング(pinning)効果により、２つの強磁性層は、互いに平行又は反平行(anti-parallel)に整列されるそれらの磁気モーメントを有することができ、且つ磁気トンネル接合は、反平行状態の場合よりも平行状態で有意に異なる抵抗を有する。これは、トンネル磁気抵抗（ＧＭＲ）効果とも呼ばれる。磁気トンネル接合は、磁場センサと、磁気ランダムアクセスメモリに適用されてきた。また、反平行状態におけるその抵抗値が温度センサを製造するために使用することができる、温度に対して直線的に(linearly)変化するという現象は、磁気トンネル接合部で観察される。
【０００３】
熱電対温度センサ、サーミスタ温度センサ、白金抵抗温度センサ、半導体温度センサなどを含む、多くの種類の既存の温度センサがある。センサの重要な種類として、温度センサが広く個人生活及び産業用途で使用されてきた。既存の温度センサは、独自の欠点がある。熱電対温度センサは、その大きなサイズ及びコールドエンド温度補償回路を必要とすることに起因して集積(integrated)が容易でない。抵抗型温度センサは、例えば、白金抵抗温度センサは、自己発熱の問題があり、白金は貴金属であるため、そのコストが比較的高いので、従って、アプリケーションの比較的狭い範囲で使用される。サーミスタ温度センサは、悪い線形性、比較的低い測定精度、及び狭い測定範囲を有する。
【０００４】
磁気トンネル接合素子を有するＴＭＲ温度センサは、他の既存の温度センサのほとんど全ての欠点（例えば、コールドエンド補償、自己発熱、低感度、大きなサイズ、等）を回避する一方で、以下の利点：
（１）高精度、（２）高い安定性、（３）高感度、（４）低負荷、低消費電力、低熱容量、及び高いエネルギー効率、（５）集積性(integrability)、（６）大量生産能力及び低コスト、（７）小型化、（８）長寿命、（９）デジタル化可能性(digitalizability)、（１０）汚染のない環境配慮、等々
を併せ持つ。従って、ＴＭＲ温度センサは、非常に広い範囲の用途を有し、航空学及び宇宙飛行の宇宙船及び検出器、人工衛星、宇宙服、宇宙カプセルのシステムの温度検出及びモニタリングシステムに、地上の船、自動車、携帯型パーソナル通信装置、ロボットシステム、産業オートメーションシステム、多くの種類の製品、例えば自動車や民間の製品などの、温度検出及びモニタリングシステムにより適切である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
既存の温度センサの欠点を克服するために、本発明は、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）に基づく温度センサのためのナノ磁性多層膜及びその製造方法に関する。ナノ磁性多層膜は、３つのタイプに分類される。第１のタイプは、合成強磁性又は反強磁性構造及びピニング構造と共に（ｗｉｔｈ）、１回のアニール処理を用いて製造される。第２のタイプは、２つのピニング構造と共に（ｗｉｔｈ）、２回のアニール処理を用いて製造される。第３のタイプは、垂直磁性層と共に（ｗｉｔｈ）製造される。磁気トンネル接合の抵抗は、温度に対して直線的に変化することができるように、３つのタイプの構造及び異なる製造プロセスは、反平行状態の磁気トンネル接合の上側及び下側の強磁性層を作ることを目指している。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のナノ磁性多層膜の第１のタイプは、以下の技術的解決策によって実現することができる。
【０００７】
磁気トンネル接合の第１のタイプに基づいた温度センサは、本発明によれば、磁性多層膜上に、従来の半導体製造プロセスを実施することによって形成されるマイクロメートルスケールのセンサデバイスであってもよい。図１に示すように、ナノ磁性多層膜は、下から上へ順番に以下のもの：
【０００８】
その上にシード層（ＳＬ）２を有する基板１、
底部磁性複合層（ＢＰＬ）３、
中間バリア層（スペーサ）４、
上部磁性複合層（ＴＰＬ）５、及び
キャップ層（ＣＡＰ）６、
を包含する。
【０００９】
底部磁性複合層と上部磁性複合層の両方は、間接ピニング(pinning)構造、直接ピニング構造、合成反強磁性(anti-ferromagnetic)構造又は合成強磁性構造を採用することができる。間接ピニング構造は、反強磁性層（ＡＦＭ）／第１の強磁性層（ＦＭ１）／第１の強磁性金属層（ＦＭ１）／非磁性金属層（ＮＭ）／第２の強磁性層（ＦＭ２）を包含できる。直接ピニング構造は、反強磁性層（ＡＦＭ）／強磁性層（ＦＭ）を包含できる。合成反強磁性構造及び合成強磁性構造の各々は第１の強磁性金属層（ＦＭ１）／非磁性金属層（ＮＭ）／第２の強磁性金属層（ＦＭ２）を包含でき、且つ第１及び第２の強磁性層は、中間非磁性金属層の厚さに応じて反強磁性又は強磁性結合を形成する。強磁性層は、高いスピン分極率を有する強磁性材料、好ましくはＣｏＦｅ又はＣｏＦｅＢから、１〜１０ｎｍの厚さで構成されてよい。それらの間に介在する金属層は、通常Ｃｕ、Ｃｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｔａ、Ｗ、Ｐｔ、Ａｇ、Ａｕ又はそれらの合金から構成され、厚さ０．０５〜５ｎｍを有する、非磁性金属層ＮＭであり得る。反強磁性層は、ＩｒＭｎ、ＦｅＭｎ、又はＰｔＭｎから、２〜３０ｎｍの厚さで構成されてもよい。
【００１０】
中間のバリア層は通常、材料、例えばＡｌＯｘ、ＭｇＯ、Ｍｇ１−ｘＡｌｘＯ、ＡｌＮ、Ｔａ２Ｏ５、ＺｎＯ、ＨｆＯ２、ＴｉＯ２、Ａｌｑ３、ＬＢ有機複合フィルム、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、等、好ましくはＭｇＯ、ＡｌＯｘ、ＭｇＡｌＯ、ＡｌＮ、Ａｌｑ３、及びＬＢ有機複合フィルムから、０．５〜１０ｎｍの厚さで構成されてよい。
【００１１】
キャップ層は、酸化に対して耐性であり、且つ比較的大きい抵抗率を有する金属材料、好ましくはＴａ、Ｒｕ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｔなどから、２〜１０ｎｍの厚さで構成されてよい。キャップ層は、酸化から材料を下方保護するために使用されてもよい。
【００１２】
シード層は、比較的大きな抵抗率を有する金属材料、好ましくはＴａ、Ｒｕ、Ｃｒ、又はＰｔから、３〜１０ｎｍの厚さで構成されてよい。
【００１３】
基板は、０．３〜１ｍｍの厚さを有する、Ｓｉ基板又はＳｉ−ＳｉＯ２基板であってもよい。
【００１４】
本発明は、ナノ磁性多層膜の第１のタイプを製造する方法を提供する。当該方法は、以下のステップ：
１）基板を選択するステップ、
２）下から上の順序で、基板上に、底部層、底部磁性複合層、中間バリア層、上部磁性複合層、及びキャップ層を堆積させるステップ、
３）磁場の下、上部及び底部磁性複合層に含まれる反強磁性層のブロッホ温度ＴＢよりも高い温度で、ステップ２から得られた構造を真空アニールするステップ、
を含む。
【００１５】
上記方法のステップ２は、３つのやり方で行うことができる。
【００１６】
１．上部磁性複合層は、中間バリア層の上に、下から上の順序で堆積された、第１の強磁性層（ＦＭ１）／非磁性金属層（ＮＭ）／第２の強磁性層（ＦＭ２）／反強磁性層（ＡＦＭ）を含む間接ピニング構造を採用することができる。非磁性金属層は、ＦＭ１及びＦＭ２が強磁性結合をその間に形成するように最適化された厚さを有することができる。底部磁性複合層はまた、下から上の順序で堆積された、底部層の上に、ＡＦＭ／ＦＭ１／ＮＭ／ＦＭ２を含む間接ピニング構造を採用することができる。ＮＭ層の厚さは、ＦＭ１とＦＭ２がその間に反強磁性結合を形成するように調整することができる。
【００１７】
２．上部磁性複合層は、中間バリア層の上に、下から上の順序で堆積された、強磁性層（ＦＭ）／反強磁性層（ＡＦＭ）を含む直接ピニング構造を採用することができる。底部磁性複合層は、底部層の上に、下から上の順序で堆積された、反強磁性層（ＡＦＭ）／第１の強磁性層（ＦＭ１）／非磁性金属層（ＮＭ）／第２の強磁性層（ＦＭ２）を含む間接ピニング構造を採用することができる。非磁性金属層ＮＭは、ＦＭ１及びＦＭ２が、その間に反強磁性結合を形成するように最適化された厚さを有してよい。
【００１８】
３．上部磁性複合層は、中間バリア層の上に、下から上の順序で堆積された、第１の強磁性層（ＦＭ１）／非磁性金属層（ＮＭ）／第２の強磁性層（ＦＭ２）を含む合成強磁性構造を採用することができる。ＮＭ層は、ＦＭ１及びＦＭ２は、その間に強磁性結合を形成するように最適化された厚さを有してよい。底部磁性複合層は、底部層の上に、下から上の順序で堆積された、ＦＭ１／ＮＭ／ＦＭ２を含む間接ピニング構造を採用することができる。当該構造において、ＮＭ層の厚さを調整することにより、ＦＭ１及びＦＭ２は、その間に反強磁性結合を形成する。上記の目的は、反平行状態に整列した上側及び下側強磁性層の磁気モーメントを構成することである。それにより、微細加工プロセスによって望ましいトンネル接合を調製した後、トンネル接合の抵抗が、温度に関して直線的に変化することができる。
【００１９】
本発明のナノ磁性多層膜の第２のタイプは、以下の技術的解決手段によって実現することができる。
【００２０】
磁気トンネル接合の第２のタイプに基づいた温度センサは、本発明によれば、磁性多層膜上に、従来の半導体製造プロセスを実施することによって形成されるマイクロメートルスケールのセンサデバイスであってもよい。図２に示すように、ナノ磁性多層膜は、下から上へ順番に以下のもの：
【００２１】
その上にシード層（ＳＬ）２を有する基板１、
底部ピンド(pinned)層（ＢＰＬ）３、
中間バリア層（スペーサ）４、
上部ピンド層（ＴＰＬ）５、及び
キャップ層（ＣＡＰ）６、
を包含する。
【００２２】
底部ピンド層と上部ピンド層の両方は、間接ピニング構造又は直接ピニング構造を採用することができる。間接ピニング構造は、反強磁性層（ＡＦＭ）／非磁性金属層（ＮＭ）／強磁性層（ＦＭ）を包含できる。直接ピニング構造は、反強磁性層（ＡＦＭ）／強磁性層（ＦＭ）を包含できる。強磁性層は、高いスピン分極率を有する強磁性材料、好ましくはＣｏＦｅ又はＣｏＦｅＢから、１〜１０ｎｍの厚さで構成されてよい。それらの間に介在する金属層は、通常Ｃｕ、Ｃｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｔａ、Ｗ、Ｐｔ、Ａｇ、Ａｕ又はそれらの合金から構成され、厚さ０．０５〜５ｎｍを有する、超薄非磁性金属層ＮＭとすることができる。反強磁性層は、ＩｒＭｎ、ＦｅＭｎ、又はＰｔＭｎから、２〜３０ｎｍの厚さで構成されてもよい。
【００２３】
中間のバリア層は通常、材料、例えばＡｌＯｘ、ＭｇＯ、Ｍｇ１−ｘＡｌｘＯ、ＡｌＮ、Ｔａ２Ｏ５、ＺｎＯ、ＨｆＯ２、ＴｉＯ２、Ａｌｑ３、ＬＢ有機複合フィルム、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、等、好ましくはＭｇＯ、ＡｌＯｘ、ＭｇＡｌＯ、ＡｌＮ、Ａｌｑ３、及びＬＢ有機複合フィルムから、０．５〜１０ｎｍの厚さで構成されてよい。
【００２４】
キャップ層は、酸化に対して耐性であり、且つ比較的大きい抵抗率を有する金属材料、好ましくはＴａ、Ｒｕ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｔなどから、２〜１０ｎｍの厚さで構成されてよい。キャップ層は、酸化から材料を下方保護するために使用されてもよい。
【００２５】
シード層は、比較的大きな抵抗率を有する金属材料、好ましくはＴａ、Ｒｕ、Ｃｒ、又はＰｔから、３〜１０ｎｍの厚さで構成されてよい。
【００２６】
基板は、０．３〜１ｍｍの厚さを有する、Ｓｉ基板又はＳｉ−ＳｉＯ２基板であってもよい。
【００２７】
本発明は、ナノ磁性多層膜の第２のタイプを製造する方法を提供する。当該方法は、以下のステップ：
１）基板を選択するステップ、
２）下から上の順序で、基板上に、底部層、底部ピンド(pinned)層、中間バリア層、上部ピンド層、及びキャップ層を堆積させるステップ、
３）磁場の下、底部ピンド層における反強磁性層のブロッキング温度ＴＢ１（ブロッホ温度とも呼ばれるブロッキング温度は、ＦＭ／ＡＦＭ交換バイアス効果が消失する温度である）よりも高い温度で、ステップ２から得られる構造において第１の真空アニールを行うステップ、
４）磁場の下、底部ピンド層における反強磁性層のブロッキング温度ＴＢ１よりも低く、且つ上部ピンド層における反強磁性層のブロッキング温度ＴＢ２よりも高い温度で、ステップ３から得られる構造において第２の真空アニールを行うステップであって、第１の真空アニールの磁場は、第２の真空アニールの磁場とは逆の方向にあるステップ、
を含む。
【００２８】
上記の方法では、ステップ２の底部ピンド層を成長させるステップは、
下から上の順序で、底部層の上に、反強磁性層（ＡＦＭ）／非磁性金属層（ＮＭ）／第２の強磁性層（ＦＭ）を堆積させるステップ、又は反強磁性層（ＡＦＭ）／強磁性層（ＦＭ）を堆積させるステップ
を包含する。
【００２９】
本発明のナノ磁性多層膜の第３のタイプは、以下の技術的解決手段によって実現することができる。
【００３０】
垂直磁気トンネル接合に基づいた温度センサは、本発明によれば、磁性多層膜上に、従来の半導体製造プロセスを実施することによって形成されるマイクロメートルスケールのセンサデバイスであってもよい。ナノ磁性多層膜は、下から上の順序で、
その上にシード層（ＳＬ）を有する基板１、
第１の底部磁性層（ＦＭ１（１））、
底部非磁性金属層（ＮＭ１）、
第２の底部磁性層（ＦＭ１（２））、
中間バリア層（スペーサー）、
第１の上部磁性層（ＦＭ２（１））、
上部非磁性金属層（ＮＭ２）、
第２の上部磁性層（ＦＭ２（２））、及び
キャップ層（ＣＡＰ）、
を包含する。
【００３１】
第２の底部強磁性層ＦＭ１（２）と第１の上部強磁性層ＦＭ２（１）は、高いスピン分極率を有する強磁性材料、好ましくはＣｏＦｅ又はＣｏＦｅＢから、その磁気モーメントを膜平面に垂直にする、０．４〜２ｎｍの厚さで、構成されてよい。
【００３２】
第１の底部磁性層ＦＭ１（１）と第２の上部磁性層ＦＭ２は、垂直異方性を有する多層構造、好ましくは［Ｃｏ／Ｐｔ］ｎ，［Ｃｏ／Ｐｄ］ｎ，［Ｆｅ／Ｐｔ］ｎ等（構造中、ｎは２〜３０の範囲にある）を採用することができる。第１の底部磁性層は、第２の上部磁性層の保磁力と異なる保磁力を有する。これは、第２の上部磁性層に比べて異なる材料の、又は異なる厚さの多層膜を使用することによって達成することができる。
【００３３】
中間バリア層は、通常、材料、例えばＡｌＯｘ、ＭｇＯ、Ｍｇ１−ｘＡｌｘＯ、ＡｌＮ、Ｔａ２Ｏ５、ＺｎＯ、ＨｆＯ２、ＴｉＯ２、Ａｌｑ３、ＬＢ有機複合フィルム、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、等、好ましくはＭｇＯ、ＡｌＯｘ、ＭｇＡｌＯ、ＡｌＮ、Ａｌｑ３、及びＬＢ有機複合フィルムから、０．５〜１０ｎｍの厚さで構成されてよい。
【００３４】
キャップ層は、酸化に対して耐性であり、且つ比較的大きい抵抗率を有する金属材料、好ましくはＴａ、Ｒｕ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｔなどから、２〜１０ｎｍの厚さで構成されてよい。キャップ層は、酸化から材料を下方保護するために使用されてもよい。
【００３５】
シード層は、比較的大きな抵抗率を有する金属材料、好ましくはＴａ、Ｒｕ、Ｃｒ、又はＰｔから、３〜１０ｎｍの厚さで構成されてよい。
【００３６】
基板は、０．３〜１ｍｍの厚さを有する、Ｓｉ基板又はＳｉ−ＳｉＯ２基板であってもよい。
【００３７】
本発明は、ナノ磁性多層膜の第３のタイプを製造する方法を提供する。当該方法は、以下のステップ：
１）基板を選択するステップ、
２）下から上の順序で、基板上に、底部層、第１の底部磁性層、底部非磁性金属層、第２の底部磁性層、中間バリア層、第１の上部磁性層、上部非磁性金属層、第２の上部磁性層、及びキャップ層を堆積させるステップ、
３）磁場の下、ステップ２から得られる構造において第１の真空アニールを行うステップであって、磁場は、膜平面に垂直な方向に印加され(applied)、且つ第１の底部磁性層の多層構造の保磁力ＨＣ１よりも大きな強度を有するステップ、
４）磁場の下、ステップ３から得られる構造において第１の真空アニールを行うステップであって、磁場は、膜平面に垂直な方向に、但し第１の真空アニールにおいて印加された磁場とは反対の方向に印加され、且つ第１の底部磁性層の多層構造の保磁力ＨＣ１よりも小さいが、第２の上部磁性層の多層構造の保磁力ＨＣ２よりも大きな強度を有するステップ、
を含む。
【００３８】
本発明の有益な効果は、反平行状態における磁気トンネル接合の抵抗を利用した温度センサを実装すること(implementing)を包含する。このことは、小型、低消費電力、優れた直線性、低コストの利点を有し、それによって高精度、良好な集積度、低消費電力を有する温度センサを実装可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明によるナノ磁性多層膜の第１のタイプの構造を示す模式図である。
【図２】本発明によるナノ磁性多層膜の第２のタイプの構造を示す模式図である。
【図３】本発明の実施例１乃至６による構造Ａの磁性多層膜及びその磁気モーメントを示す模式図である。
【図４】本発明の実施例７乃至１１による構造Ｂの磁性多層膜及びその磁気モーメントを示す模式図である。
【図５】本発明の実施例１２乃至１６による構造Ｃの磁性多層膜及びその磁気モーメントを示す模式図である。
【図６】本発明の実施例１７による構造Ｄの磁性多層膜及びその磁気モーメントを示す模式図である。
【図７】本発明による温度の関数としての構造Ｄの磁性多層膜の抵抗を示すプロット図である。
【図８】本発明の実施例１８乃至２３による構造Ｅの磁性多層膜及びその磁気モーメントを示す模式図である。
【図９】本発明の実施例２４乃至２８による構造Ｆの磁性多層膜及びその磁気モーメントを示す模式図である。
【図１０】本発明の実施例２９乃至３３による構造Ｇの磁性多層膜及びその磁気モーメントを示す模式図である。
【図１１】本発明の実施例３４乃至３９による構造Ｈの磁性多層膜及びその磁気モーメントを示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
本発明は、温度センサのための面内(in-plane)ナノ磁性多層膜とその製造方法を提供する。多層膜は、３種類の構造を有する。
【００４１】
第１のタイプの構造は、下から上の順序で、
基板、底部層、底部磁性複合材料層、中間バリア層、上部磁性複合材料層及びキャップ層を含む。第１のタイプにおいて、上部磁性複合層と底部磁性複合層は両方とも、上部磁性複合層及び底部磁性複合層の磁性モーメントを互いに反平行(anti-parallel)にするように、直接ピニング構造又は間接ピニング構造、合成強磁性又は反強磁性構造を採用してよい。それにより、トンネル接合の抵抗は、温度に対して直線的(linearly)に変化する。
【００４２】
構造の第２のタイプは、下から上の順序で、基板、底部層、底部ピンド層、中間バリア層、上部ピンド層、及びキャップ層を含む。第２のタイプにおいて、上部ピンド層及び底部ピンド層の両方は、上部磁性複合層及び底部磁性複合層の磁性モーメントを互いに反平行にするように、直接ピニング構造又は間接ピニング構造を採用する。それにより、トンネル接合の抵抗は、温度に対して直線的に変化する。
【００４３】
磁性ナノ多層膜構造の第３のタイプは、下から上の順序で、基板、底部層、底部磁性多層膜、底部非磁性金属層、底部磁性層、中間バリア層、上部磁性膜、上部非磁性金属層、上部磁性多層膜及びキャップ層を含む。第３のタイプにおいて、底部及び上部磁性多層膜は、膜面に垂直な磁気モーメントを有し、底部多層膜は、上部多層膜の保磁力とは異なる保磁力を有し、且つ上部磁性層及び底部磁性層は、アニーリングにより、互いに反平行な磁気モーメントを有する。
【００４４】
本発明の温度センサのためのナノ磁性多層膜を製造する方法は、
ナノ磁性多層膜構造の第１のタイプのために、１回の(one-time)アニール処理を使用するステップであって、アニーリング温度は、底部及び上部の反強磁性層のブロッキング温度よりも高いステップ、
ナノ磁性多層膜構造の第２のタイプのために、２回のアニール処理を使用するステップであって、アニーリング温度は異なり、且つ磁場は、２つのアニーリングステップにおいて反対方向にあり、それにより、外部磁場の不在下で、底部ピンド層と上部ピンド層の磁気モーメントは、互いに反平行方向にあるステップ、
ナノ磁性多層膜構造の第３のタイプのために、２回のアニール処理を使用するステップであって、アニールプロセスにおいて印加される磁場は、膜面に垂直であるステップ、
を包含する。線形出力を有する磁気トンネル接合ベースの温度センサは、これら３つのタイプの磁性多層膜を使用することにより、製造することができる。温度センサのためのナノ磁性多層膜構造の中間バリア層は、非磁性金属材料で置き換えることができる。それにより、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）効果に基づく温度センサを形成する。
【００４５】
出願人が所有する以下の特許出願の開示は、本願の一部として全て本書に組み込まれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００４６】
【特許文献１】中国特許出願第２０１１１０２７８４１４．７号、名称「ナノ多層膜、電界効果トランジスタ、センサ、ランダム・アクセス・メモリ及びその製造方法」
【特許文献２】中国特許出願第２０１１１０２９０８５５．９号、名称「ナノ多層膜、電界効果トランジスタ、センサ、ランダム・アクセス・メモリ及びその製造方法」
【特許文献３】中国特許出願第２０１１１０２９００６３．１号、名称「ナノ多層膜、電界効果トランジスタ、センサ、ランダム・アクセス・メモリ及びその製造方法」
【実施例】
【００４７】
第１の実施形態：
図１は、本発明の一実施形態によるナノ磁性多層膜を示し、下から上の順序で、
基板（略してＳＵＢ）１、
シード層（略してＳＬ）２、
底部磁性複合層３、
中間バリア層（略してスペーサ）４、
上部磁性複合層５、及び
キャップ層（略してＣＡＰ）６、
を含む。いくつかの条件において、上部磁性複合層５は、底部磁性複合層３の磁気モーメントとは反平行の方向に磁気モーメントを有する。層のそれぞれは、以下に詳細に説明する。
【００４８】
基板１は、０．３〜１ｍｍの厚さを有する、Ｓｉ基板、ＳｉＣ基板、ガラス基板又はＳｉ−ＳｉＯ２基板、フレキシブル有機基板等であってもよい。
【００４９】
シード層（底部(bottom)層という）２は、良好な電気伝導性を有し、且つ基板に密接に結合している（単層又は複数の層を含む）非磁性金属層であってもよい。シード層の材料は、好ましくはＴａ、Ｒｕ、Ｃｒ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｃｕ、ＣｕＮ、等を含むことができる。シード層は、３〜５０ｎｍの厚さを有する、金属層と反強磁性層との複合層であってもよい。
【００５０】
中間バリア層４は、材料、例えばＡｌＯｘ、ＭｇＯ、、ＭＧ１−ｘＺｎｘＯ、ＡｌＮ、Ｔａ２Ｏ５、ＺｎＯ、ＨｆＯ２、ＴｉＯ２、Ａｌｑ３、及びＬＢ有機複合フィルム、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓＩｎＡｓ、等、好ましくはＭｇＯ、ＡｌＯｘ、ＭｇＺｎＯ、ＡｌＮ、Ａｌｑ３、及びＬＢ有機複合フィルムから、０．５〜１０ｎｍの厚さで構成される絶縁バリア層であってもよい
【００５１】
キャップ層６は、酸化に耐性があり、良好な導電性を有する（単層又は多層複合金属膜を含む）金属層であってもよい。キャップ層６の材料は、好ましくは、Ｔａ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｒｕ、Ａｇ、Ａｇ、Ｐｔなどが挙げられる。キャップ層６は、２〜４０ｎｍの厚さを有していてもよく、酸化及び腐食からコア構造の下方を保護するために使用されてもよい。
【００５２】
底部磁性複合層３及び上部磁性複合体層５はそれぞれ、直接ピニング構造、間接ピニング構造、合成強磁性もしくは反強磁性構造、又は単一の強磁性層を有していてもよい。「直接ピニング」とは、反強磁性層ＡＦＭが、強磁性層ＦＭに直接接触していること（略してＡＦＭ／ＦＭ）、それにより、ＦＭ層の磁気モーメントを直接にピンすることを意味する。「間接ピニング」は、非常に薄い非磁性金属層ＮＭが、反強磁性層ＡＦＭと強磁性層ＦＭとの間に介在すること（略してＦＭ／ＮＭ／ＡＦＭ）、及び複合層ＮＭ／ＦＭが、その間に介在すること（略してＦＭ１／ＮＭ／ＦＭ２／ＡＦＭ）、それによりＡＦＭ層は、強磁性層ＦＭもしくはＦＭ１の磁気モーメントを間接的にピンすることを意味する。ＡＦＭとＦＭとの間のピニング効果（すなわち、直接交換バイアス）は、その間に中間層を挟むことによって低減することができ、且つ間接交換バイアスのピンニング効果は、中間層の厚さを調整することによって効果的に制御することができる。
【００５３】
底部磁性複合層３及び上部磁性複合体層５において、反強磁性層ＡＦＭは、３〜３０ｎｍの厚さで、反強磁性合金、好ましくはＰｔＭｎ、ＩｒＭｎ、ＦｅＭｎもしくはＮｉＭｎを含んでいてもよく、又は５〜５０ｎｍの厚さで、反強磁性酸化物、好ましくはＣｏＯ又はのＮｉＯを含むことができる。強磁性層ＦＭは、
高いスピン分極を有する強磁性金属、好ましくはＣｏ、ＦｅもしくはＮｉ、又は
１〜２０ｎｍの厚さで、これらの強磁性金属合金、好ましくはＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＮｉＦｅＣｒもしくはＮｉＦｅ（例えば、Ｎｉ８１Ｆｅ１９）、又は
２．０〜５０ｎｍの厚さで、希釈磁性半導体材料、例えばＧａＭｎＡｓもしくはＧａＭｎＮ、又は
半金属材料、例えばＣｏＭｎＳｉ、ＣｏＦｅＡｌ、ＣｏＦｅＳｉ、ＣｏＭｎＡｌ、ＣｏＦｅＡｌＳｉ、ＣｏＭｎＧｅ、ＣｏＭｎＧａ、ＣｏＭｎＧｅＧａ、Ｌａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３、Ｌａ１−ｘＣａｘＭｎＯ３（０＜ｘ＜１）、
から構成されてよい。強磁性層ＦＭと反強磁性層ＡＦＭとの間に介在する極薄の非磁性金属層ＮＭは、０．１〜５ｎｍの厚さで、通常、材料、例えばＣｕ、Ｃｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｔａ、Ｗ、Ｐｔ、Ａｇ、Ａｇ、又はその合金から構成されてよい。
【００５４】
従って、本発明のナノ磁性多層膜構造の例としては、以下の構造が挙げられる（但しこれらに限定されない）。
【００５５】
構造Ａ：  ＳＬ／ＡＦＭ１／ＦＭ１（１）／ＮＭ１／ＦＭ１（２）／スペーサ／ＦＭ２（１）／ＮＭ２／ＦＭ２（２）／ＡＦＭ２／ＣＡＰ。
構造Ａのナノ磁性多層膜において、ＦＭ１（１）／ＮＭ１／ＦＭ１（２）は、ＮＭ１の厚さが変化するにつれ、反強磁性結合から強磁性結合に変化し、且つＮＭ１の厚さが減少するにつれ、結合強度が減少する。また、ＮＭ２の厚さが変化するにつれ、ＦＭ２（１）／ＮＭ２／ＦＭ２（２）は、反強磁性結合から強磁性結合に変化することができ、且つＮＭ２の厚さが増大するにつれ、結合強度は減少する。
【００５６】
構造Ｂ：  ＳＬ／ＦＭ１（１）／ＮＭ１／ＦＭ１（２）／スペーサ／ＦＭ２（１）／ＮＭ２／ＦＭ２（２）／ＣＡＰ。
構造Ｂのナノ磁性多層膜において、ＮＭの厚さが変化するにつれ、ＦＭ／ＮＭ／ＦＭは、反強磁性結合から強磁性結合に変化することができ、且つＮＭの厚さが増大するにつれ、結合強度は減少する。構造Ｂにおいて、中間バリア層スペーサ(Spacer)の両側における強磁性層ＦＭ１（２）及びＦＭ２（１）の磁気モーメントは、上部合成反強磁性層及び底部合成反強磁性層の両方における中間非磁性金属層の厚さを最適化することにより、反平行状態に設定されている。
【００５７】
構造Ｃ：ＳＬ／ＡＦＭ１／ＦＭ１／スペーサ／ＦＭ２（１）／ＮＭ２／ＦＭ２（２）／ＡＦＭ２／ＣＡＰ。
構造Ｃにおいて、ＦＭ２（１）及びＦＭ２は、異なる厚さで同じ材料で構成されてよい。
【００５８】
構造Ｄ：ＳＬ／ＦＭ１／ＡＦＭ１／ＦＭ２（１）／ＮＭ１／ＦＭ２（２）／スペーサ／ＦＭ３／ＣＡＰ。
構造Ｄにおいて、ＦＭ２（１）及びＦＭ１（２）は、ＡＦＭ１に固定されている（pinned）反強磁性結合構造を形成する。
【００５９】
本発明の実施形態によれば、ナノ磁性多層膜を製造する方法は、以下のステップ：
１）基板を選択するステップ、
２）下から上の順序で、基板上に、底部層、底部磁性複合層、中間バリア層、上部磁性複合層、及びキャップ層を堆積させるステップ、
３）磁場の下、（１以上の）反強磁性層のブロッキング温度ＴＢよりも高い温度で、ステップ２から得られた構造を真空アニールするステップ、
を含むことができる。
【００６０】
本方法のステップ２は、次の３つのやり方で行うことができる。
【００６１】
１．上部磁性複合層は、中間バリア層の上に、下から上の順序で堆積された、第１の強磁性層（ＦＭ１）／非磁性金属層（ＮＭ）／第２の強磁性層（ＦＭ２）／反強磁性層（ＡＦＭ）を含む間接ピニング構造を採用することができる。ＦＭ１とＦＭ２との間に強磁性結合が形成されるように、非磁性金属層ＮＭの厚さが最適化されてよい。底部磁性複合層は、下から上の順序で堆積された、底部層の上に、反強磁性層（ＡＦＭ）／第１の強磁性層（ＦＭ１）／非磁性金属層（ＮＭ）／第２の強磁性層（ＦＭ２）を含む間接ピニング構造を採用することができる。ＮＭ層の厚さは、ＦＭ１とＦＭ２との間に反強磁性結合を形成するように調整することができる。
【００６２】
２．上部磁性複合層は、中間バリア層の上に、下から上の順序で堆積された、強磁性層（ＦＭ）／反強磁性層（ＡＦＭ）を含む直接ピニング構造を採用することができる。底部磁性複合層は、底部層の上に、下から上の順序で堆積された、反強磁性層（ＡＦＭ）／第１の強磁性層（ＦＭ１）／非磁性金属層（ＮＭ）／第２の強磁性層（ＦＭ２）を含む間接ピニング構造を採用することができる。ＦＭ１とＦＭ２との間に反強磁性結合が形成されるように、非磁性金属層ＮＭの厚さが最適化されてよい。
【００６３】
３．上部磁性複合層は、中間バリア層の上に、下から上の順序で堆積された、第１の強磁性層（ＦＭ１）／非磁性金属層（ＮＭ）／第２の強磁性層（ＦＭ２）を含む合成強磁性構造を採用することができる。ＮＭ層の厚さは、ＦＭ１とＦＭ２との間に強磁性結合が形成されるように、最適化されてよい。底部磁性複合層は、底部層の上に、下から上の順序で堆積された、第１の強磁性層（ＦＭ１）／非磁性金属層（ＮＭ）／第２の強磁性層（ＦＭ２）を含む間接ピニング構造を採用することができる。ＮＭ層の厚さは、ＦＭ１とＦＭ２との間に反強磁性結合が形成されるように、最適化されてよい。上記の目的は、上側強磁性層（中間バリア層に最も近い上部磁性複合層における強磁性層）の磁気モーメントを、下側強磁性層（中間バリア層に最も近い底部磁性複合層における強磁性層）の磁気モーメントに対して反平行にすることである。それにより、微細加工プロセスによって望ましいトンネル接合を調製した後、トンネル接合の抵抗が、温度に関して直線的に変化することができる。
【００６４】
実施例１：
１）１ｍｍの厚さを有するＳｉ−ＳｉＯ２基板は、基板ＳＵＢとして選択することができる。及びＴａ（５ｎｍ）／Ｒｕ（２０ｎｍ）／Ｔａ（５ｎｍ）のシード層ＳＬを、磁気スパッタ装置内の基板上に、２×１０−６Ｐａより高い真空度、０．１ｎｍ／秒の堆積速度、及び堆積Ａｒ圧力０．０７Ｐａで堆積させることができる。
【００６５】
２）第１の反強磁性層ＡＦＭ１として、ＩｒＭｎが、磁気スパッタ装置におけるシード層ＳＬ上に、２×１０−６Ｐａより高い真空度、０．１ｎｍ／秒の堆積速度、及びＡｒ圧力０．０７Ｐａで、１５ｎｍの厚さに堆積することができる。
【００６６】
３）第１の底部強磁性層ＦＭ１（１）として、ＣｏＦｅＢが、磁気スパッタ装置における第１の反強磁性層ＡＦＭ１上に、２×１０−６Ｐａより高い真空度、０．０６ｎｍ／秒の堆積速度、及びＡｒ圧力０．０７Ｐａで、２．５ｎｍの厚さに堆積することができる。
【００６７】
４）第１の非磁性金属層ＮＭ１として、非磁性金属Ｒｕの超薄層が、磁気スパッタ装置における第１の底部強磁性層ＦＭ１（１）上に、２×１０−６Ｐａより高い真空度、０．１ｎｍ／秒の堆積速度、及びＡｒ圧力０．０７Ｐａで、１．５ｎｍの厚さに堆積することができる。
【００６８】
５）  第２の底部強磁性層ＦＭ１（２）として、ＣｏＦｅＢが、磁気スパッタ装置における第１の非磁性金属層ＮＭ１上に、２×１０−６Ｐａより高い真空度、０．０６ｎｍ／秒の堆積速度、及びＡｒ圧力０．０７Ｐａで、３ｎｍの厚さに堆積することができる。
【００６９】
６）中間バリア層スペーサとして、ＭｇＯが、磁気スパッタ装置における第２の底部強磁性層ＦＭ１（２）上に、２×１０−６Ｐａより高い真空度、０．０７ｎｍ／秒の堆積速度、及びＡｒ圧力０．０７Ｐａで、１．０ｎｍの厚さに堆積することができる。
【００７０】
７）第１の上部強磁性層ＦＭ２（１）として、ＣｏＦｅＢが、磁気スパッタ装置における中間バリア層スペーサ上に、２×１０−６Ｐａより高い真空度、０．０６ｎｍ／秒の堆積速度、及びＡｒ圧力０．０７Ｐａで、３ｎｍの厚さに堆積することができる。
【００７１】
８）第２の非磁性金属層ＮＭ２として、非磁性金属Ｒｕが、磁気スパッタ装置における第１の上部強磁性層ＦＭ２（１）上に、２×１０−６Ｐａより高い真空度、０．１ｎｍ／秒の堆積速度、及びＡｒ圧力０．０７Ｐａで、１．１ｎｍの厚さに堆積することができる。
【００７２】
９）第２の上部強磁性層ＦＭ２（２）として、ＣｏＦｅＢが、磁気スパッタ装置における第２の非磁性金属層ＮＭ２上に、２×１０−６Ｐａより高い真空度、０．０６ｎｍ／秒の堆積速度、及びＡｒ圧力０．０７Ｐａで、３ｎｍの厚さに堆積することができる。
【００７３】
３）第２の反強磁性層ＡＦＭ２として、ＩｒＭｎが、磁気スパッタ装置における第２の上部強磁性層ＦＭ２（２）上に、２×１０−６Ｐａより高い真空度、０．１ｎｍ／秒の堆積速度、及びＡｒ圧力０．０７Ｐａで、１５ｎｍの厚さに堆積することができる。
【００７４】
１１）キャップ層ＣＡＰとして、Ｔａ（５ｎｍ）／Ｒｕ（５ｎｍ）が、磁気スパッタ装置における第２の反強磁性層ＡＦＭ２上に、２×１０−６Ｐａより高い真空度、０．１ｎｍ／秒の堆積速度、及びＡｒ圧力０．０７Ｐａで堆積することができる。
【００７５】
１２）ステップ１１から得られたフィルムは、２×１０−４Ｐａの真空度を有する真空アニール炉内で第１の磁場下に置かれ（第１の磁場が膜面内方向にある）、２６５℃で１時間維持され、次いで冷却されることができる。それにより図２に示されるような構造を有する所望のナノ磁性多層膜を製造することができる。
【００７６】
次に、ナノ磁性多層膜構造は、直径Ｄ＝１０μｍを有する固体の円形構造にポスト微細加工することによって製造することができる。ナノ磁性多層膜構造は、ＴＭＲ温度センサのコア検出器ユニットとして使用することができる。
【００７７】
実施例２〜６：
実施例２〜６は、実施例１と同様のやり方で作製することができる。但し、実施例２〜６のナノ磁性多層膜の材料は、実施例１の材料とは異なる。実施例２〜６は、図３に示されるように、構造Ａ：
ＳＵＢ／ＳＬ／ＡＦＭ１／ＦＭ１（１）／ＮＭ１／ＦＭ１（２）／スペーサ／ＦＭ２（１）／ＮＭ２／ＦＭ２（２）／ＡＦＭ２／ＣＡＰ
を有する。各層の組成及び厚さを表１に示す。
【００７８】
【表１】
2016541112.tif 000003
（特に断りのない限り、表では、すべての厚さは、ナノメートル単位である。）
【００７９】
実施例７〜１１：
実施例７〜１１は、実施例１と同様のやり方で作製することができる。但し、実施例７〜１１は、３５０℃のアニール温度を有する１回のアニール処理を用いてよく、且つ実施例７〜１１は、且つ実施例７〜１１は、図４に示されるように、構造Ｂ：
ＳＵＢ／ＳＬ／ＦＭ１（１）／ＮＭ１／ＦＭ１（２）／スペーサ／ＦＭ２（１）／ＮＭ２／ＦＭ２（２）／ＣＡＰ
を有する。各層の組成及び厚さを表２に示す。
【００８０】
【表２】
2016541112.tif 000004
（特に断りのない限り、表では、すべての厚さは、ナノメートル単位である。）
【００８１】
実施例１２〜１６：
実施例１２〜１６は、実施例１と同様のやり方で作製することができる。但し、実施例１２〜１６は、図５に示されるように、構造Ｃ：
ＳＵＢ／ＳＬ／ＡＦＭ１／ＦＭ１／スペーサ／ＦＭ２（１）／ＮＭ２／ＦＭ２（２）／ＡＦＭ２／ＣＡＰ
を有する。各層の組成及び厚さを表３に示す。
【００８２】
【表３】
2016541112.tif 000005
（特に断りのない限り、表では、すべての厚さは、ナノメートル単位である。）
【００８３】
実施例１７：
実施例１７は、実施例１と同様のやり方で作製することができる。但し、実施例１７は、構造Ｄ：
ＳＬ／ＦＭ１／ＡＦＭ１／ＦＭ２（１）／ＮＭ１／ＦＭ２（２）／スペーサ／ＦＭ３／ＣＡＰ
のナノ磁性多層膜を有している。
【００８４】
実施例１７の特定の構造成分及び厚さは、図６に示され、且つ以下のとおりである。
Ｔａ（５）／Ｒｕ（３０）／Ｔａ（５）／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（５）／Ｉｒ２２Ｍｎ７８（１０）／Ｃｏ９０Ｆｅ１０（２．５）／Ｒｕ（０．８５）／Ｃｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０（３）／ＭｇＯ（２．５）／Ｃｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０（２）／Ｔａ（５）／Ｒｕ（５ｎｍ）
【００８５】
次に、多層膜構造は、マイクロメートルスケールのトンネル接合にパターニングすることができる。図７は、温度の関数としてのトンネル接合の反平行状態における抵抗及び反平行状態における抵抗を示す。図７からわかるように。反平行状態の抵抗は、温度に対して直線的に変化する。
【００８６】
第２の実施形態
図２は、本発明の一実施態形態によるナノ磁性多層膜の第２のタイプの構造を示す。当該構造は、下から上の順序で、
基板（略してＳＵＢ）１、
シード層（略してＳＬ）２、
底部ピンド層３、
中間バリア層（略してスペーサ）４、
上部ピンド層５、及び
キャップ層（略してＣＡＰ）６、
を含む。ある条件において、上部ピンド層５（又は中間バリア層４に最も近い上部ピンド層５における強磁性層）の磁気モーメントは、底部ピンド層３（又は中間バリア層４に最も近い底部ピンド層３における強磁性層）の磁気モーメントに対して反平行であってよい。層のそれぞれは、以下に詳細に説明する。
【００８７】
基板１は、０．３〜１ｍｍの厚さを有する、Ｓｉ基板、ＳｉＣ基板、ガラス基板、Ｓｉ−ＳｉＯ２基板、フレキシブル有機基板等であってもよい。
【００８８】
シード層（底部(bottom)層という）２は、良好な電気伝導性を有し、且つ基板に密接に結合している（単層又は複数の層を含む）非磁性金属層であってもよい。好ましくは材料、例えばＴａ、Ｒｕ、Ｃｒ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｃｕ、ＣｕＮ、等を含むことができる。シード層２は、３〜５０ｎｍの厚さを有する、金属層と反強磁性層とを包含する複合層であってもよい。
【００８９】
中間バリア層４は、材料、例えばＡｌＯｘ、ＭｇＯ、、ＭＧ１−ｘＺｎｘＯ、ＡｌＮ、Ｔａ２Ｏ５、ＺｎＯ、ＨｆＯ２、ＴｉＯ２、Ａｌｑ３、及びＬＢ有機複合フィルム、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓＩｎＡｓ、等、好ましくはＭｇＯ、ＡｌＯｘ、ＭｇＺｎＯ、ＡｌＮ、Ａｌｑ３、又はＬＢ有機複合フィルムから、０．５〜１０ｎｍの厚さで構成される絶縁バリア層であってもよい
【００９０】
キャップ層６は、酸化に耐性があり、良好な導電性を有する（単層又は多層複合金属膜を含む）金属層であってもよい。好ましくは、材料、例えばＴａ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｒｕ、Ａｇ、Ａｇ、Ｐｔなどが挙げられ、２〜４０ｎｍの厚さを有していてもよい。キャップ層６は、酸化もしくは腐食からコア構造の下方を保護するために使用されてもよい。
【００９１】
底部ピンド層３及び上部ピンド体層５は、直接ピニング構造又は間接ピニング構造からなってよい。「直接ピニング」とは、反強磁性材料層ＡＦＭが、強磁性層ＦＭに直接接触していること（略してＡＦＭ／ＦＭ）を意味する。「間接ピニング」は、非磁性金属ＮＭの非常に薄い層が、反強磁性材料層ＡＦＭと強磁性層ＦＭとの間に介在すること（略してＦＭ／ＮＭ／ＡＦＭ）、又は及び複合層ＮＭ／ＦＭが、その間に介在すること（略してＦＭ１／ＮＭ／ＦＭ２／ＡＦＭ）を意味する。ＡＦＭとＦＭとの間のピニング効果（すなわち、直接交換バイアス）は、その間に中間層を挟むことによって低減することができ、且つ間接交換バイアスのピンニング効果は、中間層の厚さを調整することによって効果的に制御することができる。
【００９２】
底部ピンド層３及び上部ピンド体層５において、反強磁性層ＡＦＭは、３〜３０ｎｍの厚さで、反強磁性合金材料、好ましくはＰｔＭｎ、ＩｒＭｎ、ＦｅＭｎ及びＮｉＭｎを含んでいてもよく、又は５〜５０ｎｍの厚さで、複数の反強磁性酸化物、好ましくはＣｏＯ及びＮｉＯを含むことができる。強磁性層ＦＭは、
高いスピン分極を有する強磁性金属、好ましくはＣｏ、ＦｅもしくはＮｉから構成されてよく、又は
１〜２０ｎｍの厚さで、これらの強磁性金属の合金、好ましくは強磁性合金、例えばＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＮｉＦｅＣｒもしくはＮｉＦｅ（例えば、Ｎｉ８１Ｆｅ１９）から構成されてよく、又は
２．０〜５０ｎｍの厚さで、希釈磁性半導体材料、例えばＧａＭｎＡｓもしくはＧａＭｎＮから構成されてよく、又は
半金属材料、例えばＣｏＭｎＳｉ、ＣｏＦｅＡｌ、ＣｏＦｅＳｉ、ＣｏＭｎＡｌ、ＣｏＦｅＡｌＳｉ、ＣｏＭｎＧｅ、ＣｏＭｎＧａ、ＣｏＭｎＧｅＧａ、Ｌａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３、Ｌａ１−ｘＣａｘＭｎＯ３（０＜ｘ＜１）、から構成されてよい。強磁性層ＦＭと反強磁性層ＡＦＭとの間に介在する極薄の非磁性金属層ＮＭは、０．１〜５ｎｍの厚さで、通常、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｔａ、Ｗ、Ｐｔ、Ａｇ、Ａｇ、又はその合金から構成されてよい。
【００９３】
従って、本発明のナノ磁性多層膜構造の例としては、以下の構造が挙げられる（但しこれらに限定されない）。
構造Ｅ：  ＳＬ／ＡＦＭ１／ＮＭ１／ＦＭ１／スペース／ＦＭ２／ＮＭ２／ＡＦＭ２／ＣＡＰ。
構造Ｆ：  ＳＬ／ＡＦＭ１／ＦＭ１／スペース／ＦＭ２／ＮＭ２／ＡＦＭ２／ＣＡＰ。
構造Ｇ：  ＳＬ／ＡＦＭ１／ＦＭ１／スペース／ＦＭ２／ＡＦＭ２／ＣＡＰ。
【００９４】
上部反強磁性層のブロッキング温度は、底部反強磁性層のブロッキング温度よりも低い。すなわち、上部反強磁性層及び底部反強磁性層が、同一の反強磁性材料から構成されている場合には、底部反強磁性層の厚さは、上部反強磁性層のそれよりも大きくなければならない。このことは、後続の磁場アニールプロセスに有益であろう。あるいは、上部及び底部反強磁性層は、異なる反強磁性材料、例えばＰｔＭｎ及びＩｒＭｎ、から構成されている場合、底部反強磁性層の材料のブロッキング温度は、上部反強磁性層の材料のブロッキング温度よりも高くなければならない。このような最適化の目的は、後続のアニールプロセスにより、中間バリア層スペーサの両側において上側及び下側強磁性層を反平行状態にすることである。それにより、温度に対して直線的に変化する反平行状態の抵抗を達成する。
【００９５】
本発明の一実施形態によれば、ナノ磁性多層膜を製造する方法は、以下のステップ：
１）基板１を選択するステップ、
従来のプロセス、例えば磁気スパッタリング、パルスレーザー堆積などを用いて、下から上の順序で、基板上に、底部層２、底部ピンド(pinned)層３、中間バリア層４、上部ピンド層５、及びキャップ層６を堆積させるステップ、
２）磁場の下、底部ピンド層内に含まれる反強磁性層のブロッキング温度ＴＢ１よりも高い温度Ｔ１で、ステップ１から得られる構造において第１のアニールを行うステップ、
３）磁場の下、底部ピンド層内に含まれる反強磁性層のブロッキング温度ＴＢ１と上部ピンド層内に含まれる反強磁性層のブロッキング温度ＴＢ２との間にある温度ＴＢ２で、ステップ２から得られる構造において第２のアニールを行うステップであって、第１のアニールの磁場は、第２のアニールの磁場とは逆の方向にあるステップ、
を含むことができる。
【００９６】
本発明の上記の実施形態に係るナノ磁性多層膜を製造する方法の実施例は、以下に説明する。
【００９７】
実施例１８：
１）１ｍｍの厚さを有するＳｉ−ＳｉＯ２基板は、基板ＳＵＢとして選択することができる。及び次いで、シード層ＳＬとしてＴａ（５ｎｍ）／Ｒｕ（２０ｎｍ）／Ｔａ（５ｎｍ）を、磁気スパッタ装置内の基板上に、２×１０−６Ｐａより高い真空度、０．１ｎｍ／秒の堆積速度、及び堆積Ａｒ圧力０．０７Ｐａで堆積させることができる。
【００９８】
２）第１の反強磁性層ＡＦＭ１として、ＩｒＭｎが、磁気スパッタ装置におけるシード層ＳＬ上に、２×１０−６Ｐａより高い真空度、０．１ｎｍ／秒の堆積速度、及びＡｒ圧力０．０７Ｐａで、１５ｎｍの厚さに堆積することができる。
【００９９】
３）第１の非磁性金属層ＮＭ１として、非磁性金属Ｒｕの超薄層が、磁気スパッタ装置における第１の反強磁性層ＡＦＭ１上に、２×１０−６Ｐａより高い真空度、０．１ｎｍ／秒の堆積速度、及びＡｒ圧力０．０７Ｐａで、０．０８ｎｍの厚さに堆積することができる。
【０１００】
４）第１の底部強磁性層ＦＭ１として、ＣｏＦｅＢが、磁気スパッタ装置における第１の非磁性金属層ＮＭ１上に、２×１０−６Ｐａより高い真空度、０．０６ｎｍ／秒の堆積速度、及びＡｒ圧力０．０７Ｐａで、２．５ｎｍの厚さに堆積することができる。
【０１０１】
５）中間バリア層スペーサとして、ＭｇＯが、磁気スパッタ装置における第１の強磁性層ＦＭ１上に、２×１０−６Ｐａより高い真空度、０．０７ｎｍ／秒の堆積速度、及びＡｒ圧力０．０７Ｐａで、１．０ｎｍの厚さに堆積することができる。
【０１０２】
６）第２の底部強磁性層ＦＭ２として、ＣｏＦｅＢが、磁気スパッタ装置における中間バリア層スペーサ上に、２×１０−６Ｐａより高い真空度、０．０６ｎｍ／秒の堆積速度、及びＡｒ圧力０．０７Ｐａで、３ｎｍの厚さに堆積することができる。
【０１０３】
７）第２の非磁性金属層ＮＭ２として、非磁性金属Ｒｕの超薄層が、磁気スパッタ装置における第２の底部強磁性層ＦＭ２上に、２×１０−６Ｐａより高い真空度、０．１ｎｍ／秒の堆積速度、及びＡｒ圧力０．０７Ｐａで、０．０４ｎｍの厚さに堆積することができる。
【０１０４】
８）第２の反強磁性層ＡＦＭ２として、ＩｒＭｎが、磁気スパッタ装置における第２の非磁性金属層ＮＭ２上に、２×１０−６Ｐａより高い真空度、０．１ｎｍ／秒の堆積速度、及びＡｒ圧力０．０７Ｐａで、６．５ｎｍの厚さに堆積することができる。
【０１０５】
９）キャップ層ＣＡＰとして、Ｔａ（５ｎｍ）／Ｒｕ（５ｎｍ）が、磁気スパッタ装置における第２の反強磁性層ＡＦＭ２上に、２×１０−６Ｐａより高い真空度、０．１ｎｍ／秒の堆積速度、及びＡｒ圧力０．０７Ｐａで堆積することができる。
【０１０６】
１０）ステップ９から得られたフィルムは、２×１０−４Ｐａの真空度を有する真空アニール炉内で第１の磁場下に置かれ（第１の磁場が膜面内の特定方向にある）、２６５℃で１時間、真空アニール炉内に維持され、次いで冷却されることができる。
【０１０７】
１１）ステップ１０から得られたフィルムは、２×１０−４Ｐａの真空度を有する真空アニール炉内で第２の磁場下に置かれ（第２の磁場は、依然として膜面内に、但し第１の磁場と逆の方向にある）、２００℃で１５分間、真空アニール炉内に維持され、次いで冷却されることができる。それにより図７に示されるような構造を有する所望のナノ磁性多層膜を製造することができる。
【０１０８】
次に、ナノ磁性多層膜構造は、直径Ｄ＝１０μｍを有する固体の円形構造にポスト微細加工することによって製造することができる。ナノ磁性多層膜構造は、ＴＭＲ温度センサのコア検出器ユニットとして使用することができる。
【０１０９】
実施例１９〜２３：
実施例１９〜２３は、実施例１８と同様のやり方で作製することができる。但し、（以下の表４に示されるように）それぞれの層の組成と厚さは、実施例１８のものとは異なり、２回の(two-time)アニール処理アニール温度は、底部ピンド層及び上部ピンド層の２つの反強磁性層のブロッキング温度に従って適切に決定される。
【０１１０】
実施例１９〜２３は、図８に示されるように、構造Ｅ：
ＳＵＢ／ＳＬ／ＡＦＭ１／ＮＭ１／ＦＭ１／スペーサ／ＦＭ２／ＮＭ２／ＡＦＭ２／ＣＡＰ
のナノ磁性多層膜を有する。各層の組成及び厚さを表４に示す。
【０１１１】
【表４】
2016541112.tif 000006
（特に断りのない限り、表では、すべての厚さは、ナノメートル単位である。）
【０１１２】
実施例２４〜２８：
実施例２４〜２８は、実施例１８と同様のやり方で作製することができる。但し、実施例２４〜２８は、図９に示されるように、構造Ｆ：
ＳＵＢ／ＳＬ／ＡＦＭ１／ＦＭ１／スペーサ／ＦＭ２／ＮＭ／ＡＦＭ２／ＣＡＰ
のナノ磁性多層膜を有する。各層の組成及び厚さを表５に示す。
【０１１３】
【表５】
2016541112.tif 000007
（特に断りのない限り、表では、すべての厚さは、ナノメートル単位である。）
【０１１４】
実施例２９〜３３：
実施例２９〜３３は、実施例１８と同様のやり方で作製することができる。但し、実施例２９〜３３は、図１０に示されるように、構造Ｇ：
ＳＵＢ／ＳＬ／ＡＦＭ１／ＦＭ１／スペーサ／ＦＭ２／ＡＦＭ２／ＣＡＰ
のナノ磁性多層膜を有する。各層の組成及び厚さを表６に示す。
【０１１５】
【表６】
2016541112.tif 000008
（特に断りのない限り、表では、すべての厚さは、ナノメートル単位である。）
【０１１６】
第３の実施形態
図１１は、本発明の第３の実施形態による、ＳＬ／ＦＭ１（１）／ＮＭ１／ＦＭ１（２）／スペーサ／ＦＭ２（１）／ＮＭ２／ＦＭ２（２）／ＣＡＰの構造を有するナノ磁性多層膜を示す。当該構造は、下から上の順序で、
基板（略してＳＵＢ）１、
シード層（略してＳＬ）２、
第１の底部強磁性層（ＦＭ１（１））、
底部非磁性金属層（ＮＭ１）、
第２の底部強磁性層（ＦＭ１（２））、
中間バリア層（略してスペーサ）、
第１の上部強磁性層（ＦＭ２（１））、
上部非磁性金属層（ＮＭ２）、
第２の上部強磁性層（ＦＭ２（２））、及び
キャップ層（略してＣＡＰ）、
を含む。２つの強磁性層は、非磁性金属層の厚さを調整することにより、それらの間に強磁性結合又は反強磁性結合を形成することができる。本発明の第３の実施形態において、２つの強磁性層と磁性多層膜は、その材料、厚さ、及び成長条件を最適化することにより、膜面に対して垂直な磁気モーメントを有することができる。各層について下に詳細に説明する。
【０１１７】
基板１は、０．３〜１ｍｍの厚さを有する、Ｓｉ基板、ＳｉＣ基板、ガラス基板、Ｓｉ−ＳｉＯ２基板、フレキシブル有機基板等であってもよい。
【０１１８】
シード層（底部(bottom)層という）２は、良好な電気伝導性を有し、且つ基板に密接に結合している（単層又は複数の層を含む）非磁性金属層であってもよい。シード層の材料は、好ましくはＴａ、Ｒｕ、Ｃｒ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｃｕ、ＣｕＮ、等を含むことができる。且つシード層は、３〜５０ｎｍの厚さを有してよい。
【０１１９】
中間バリア層４は、通常、材料、例えばＡｌＯｘ、ＭｇＯ、、ＭＧ１−ｘＺｎｘＯ、ＡｌＮ、Ｔａ２Ｏ５、ＺｎＯ、ＨｆＯ２、ＴｉＯ２、Ａｌｑ３、及びＬＢ有機複合フィルム、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓＩｎＡｓ、等、好ましくはＭｇＯ、ＡｌＯｘ、ＭｇＺｎＯ、ＡｌＮ、Ａｌｑ３、又はＬＢ有機複合フィルムから、０．５〜１０ｎｍの厚さで構成される絶縁バリア層であってもよい
【０１２０】
キャップ層６は、酸化に耐性があり、良好な導電性を有する（単層又は多層複合金属膜を含む）金属層であってもよい。キャップ層６は、好ましくは、酸化もしくは腐食からコア構造の下方を保護するために、２〜４０ｎｍの厚さで、材料、例えばＴａ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｒｕ、Ａｇ、Ａｇ、Ｐｔなどを含んでよい。
【０１２１】
第２の底部強磁性層ＦＭ１（２）と第１の上部強磁性層ＦＭ２（１）は、２つの強磁性層の磁気モーメントが、膜面に対して垂直であることを保証するため、０．４〜２ｎｍの厚さで、材料、好ましくはＣｏ、Ｆｅ、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅ、等から構成される単一の磁性層の構造を有してよい。
【０１２２】
底部非磁性金属層ＮＭ１及び上部非磁性金属層ＮＭ２は、０〜１ｎｍの厚さで、金属材料、好ましくはＣｕ、Ｒｕ、Ａｇなどから構成されてよい。強磁性結合又は反強磁性結合は、その厚さに応じて、非磁性金属層の両側において２つの強磁性層の間に形成されてもよい。
【０１２３】
第１の底部強磁性層ＦＭ１（１）及び第２の上部強磁性層ＦＭ２（２）は、それぞれ垂直異方性を有する多層膜構造、好ましくは垂直磁性多層膜：
［Ｃｏ（０．０１−２ｎｍ）／Ｐｔ（０．０１−２ｎｍ）］ｎ、
［Ｃｏ（０．０１−２ｎｍ）／Ｐｄ（０．０１−２ｎｍ）］ｎ、
［Ｃｏ（０．０１−２ｎｍ）／Ｎｉ（０．０１−２ｎｍ）］ｎ、
［Ｆｅ（０．０１−２ｎｍ）／Ｐｔ（０．１−２ｎｍ）］ｎ、
［ＣｏＦｅ（０．０１〜２ｎｍ）／Ｐｄ（０．０１〜２ｎｍ）］ｎ，等
（構造中、ｎは２〜２０の範囲にある）
を採用できる。底部磁性多層膜ＦＭ１（１）は、上部磁性多層膜ＦＭ２（２）よりも大きな保磁力を有していてもよい。且つ保磁力の差は、底部及び上部磁性多層膜ＦＭ１（１）及びＦＭ２（２）の異なる材料もしくは厚さの積層膜を使用することによって達成することができる。
【０１２４】
本発明は、以下のステップ： 
１）基板を選択するステップ、
２）下から上の順序で、基板上に、底部層、第１の底部強磁性層、底部非磁性金属層、第２の底部強磁性層、中間バリア層、第１の上部強磁性層、上部非磁性金属層、第２の上部強磁性層、及びキャップ層を堆積させるステップ、
３）第１の磁場の下、ステップ２から得られる構造において第１の真空アニールを行うステップであって、第１の磁場は、膜面に垂直な方向に印加され、且つ第１の底部強磁性層の保磁力Ｈｃ１よりも大きな強度を有するステップ、
４）第２の磁場の下、ステップ３から得られる構造において第２の真空アニールを行うステップであって、第２の磁場は、膜面に垂直な方向に印加されるが、但し第１の真空アニールにおいて印加される第１の磁場とは逆の方向にあり、且つ第１の底部強磁性層の保磁力ＨＣ１よりも低いが、第２の上部強磁性層の保磁力ＨＣ２よりも大きな強度を有するステップ、
を含む、上述のナノ磁性多層膜を製造する方法を提供する。
【０１２５】
第１の底部強磁性層ＦＭ１（１）及び第２の上部強磁性層ＦＭ２（２）は、異なる保磁力を持っており、且つ２つの底部磁性層（ＦＭ１（１）及びＦＭ１（２））と２つの上部磁性層（ＦＭ２（１）及びＦＭ２（２））とは、それぞれ強磁性結合及び反強磁性結合を形成することができため、第１の上部強磁性層及び第２の底部強磁性層は、２回のアニール処理の後、互いに反平行の磁気モーメントを有してよい。
【０１２６】
本発明の上記実施形態の製造方法による、ナノ磁性多層膜の製造の実施例を以下に示す。
【０１２７】
実施例３４：
１）１ｍｍの厚さを有するＳｉ−ＳｉＯ２基板は、基板ＳＵＢとして選択することができる。及び次いでシード層ＳＬとしてＴａ（５ｎｍ）／Ｒｕ（２０ｎｍ）／Ｔａ（５ｎｍ）を、磁気スパッタ装置内の基板上に、２×１０−６Ｐａより高い真空度、０．１ｎｍ／秒の堆積速度、及び堆積Ａｒ圧力０．０７Ｐａで堆積させることができる。
【０１２８】
２）磁気スパッタ装置内で、０．８ｎｍのＰｔ層及び次いで、０．２ｎｍのＣｏ層を、シード層ＳＬ上に、堆積速度２×１０−６Ｐａよりも高い真空度、０．０５９ｎｍ／秒の堆積速度、及びＡｒ圧力０．０７３Ｐａで堆積させることができる。堆積を６回繰り返すことにより、第１の底部強磁性層ＦＭ１（１）として第１の底部磁性多層膜[Ｃｏ／Ｐｔ]６を形成する。
【０１２９】
３）ＮＭ１層として、非磁性金属Ｒｕの超薄層が、磁気スパッタ装置における第１の底部強磁性層ＦＭ１（１）上に、２×１０−６Ｐａより高い真空度、０．１ｎｍ／秒の堆積速度、及びＡｒ圧力０．０７Ｐａで、１．５ｎｍの厚さに堆積することができる。
【０１３０】
４）第２の底部強磁性層ＦＭ１（２）として、ＣｏＦｅＢが、磁気スパッタ装置におけるＮＭ１上に、２×１０−６Ｐａより高い真空度、０．０６ｎｍ／秒の堆積速度、及びＡｒ圧力０．０７Ｐａで、１．０ｎｍの厚さに堆積することができる。
【０１３１】
５）中間バリア層スペーサとして、ＭｇＯが、磁気スパッタ装置における第２の底部強磁性層ＦＭ１（２）上に、２×１０−６Ｐａより高い真空度、０．０７ｎｍ／秒の堆積速度、及びＡｒ圧力０．０７Ｐａで、１．２ｎｍの厚さに堆積することができる。
【０１３２】
６）第１の上部強磁性層ＦＭ２（１）として、ＣｏＦｅＢが、磁気スパッタ装置における中間バリア層スペーサ上に、２×１０−６Ｐａより高い真空度、０．０６ｎｍ／秒の堆積速度、及びＡｒ圧力０．０７Ｐａで、１．５ｎｍの厚さに堆積することができる。
【０１３３】
７）ＮＭ２層として、非磁性金属Ｒｕが、磁気スパッタ装置における第１の上部強磁性層ＦＭ２（１）上に、２×１０−６Ｐａより高い真空度、０．１ｎｍ／秒の堆積速度、及びＡｒ圧力０．０７Ｐａで、１．５ｎｍの厚さに堆積することができる。
【０１３４】
８）磁気スパッタ装置内で、０．６ｎｍのＣｏ層及び次いで、０．２ｎｍのＮｉ層を、ＮＭ２層の上に、堆積速度２×１０−６Ｐａよりも高い真空度、０．０５９ｎｍ／秒の堆積速度、及びＡｒ圧力０．０７３Ｐａで堆積させることができる。堆積を４回繰り返すことにより、第２の上部強磁性層ＦＭ２（２）として第２の上部磁性多層膜 [Ｃｏ／Ｎｉ]４を形成する。
【０１３５】
９）ステップ８から得られたフィルムは、２×１０−４Ｐａの真空度を有する真空アニール炉内で、第１の底部強磁性層ＦＭ１（１）の保磁力Ｈｃ１よりも大きい（膜面に対して垂直の）第１の磁場下で、３５０℃の温度で１時間、第１にアニールされることができる。次いで冷却される。
【０１３６】
９）ステップ９から得られたフィルムは、２×１０−４Ｐａの真空度を有する真空アニール炉内で、第２の上部強磁性層の保磁力Ｈｃ２よりも大きいが、但し第１の底部強磁性層の保磁力Ｈｃ１よりも小さい（膜面に対して垂直であるが、但し第１のアニールにおける第１の磁場とは逆の方向にある）第２の磁場下で、３５０℃の温度で１時間、第２にアニールされることができる。次いで冷却される。
【０１３７】
次に、ナノ磁性多層膜構造は、直径Ｄ＝１０μｍを有する固体の円形構造にポスト微細加工することによって製造することができる。ナノ磁性多層膜構造は、ＴＭＲ温度センサのコア検出器ユニットとして使用することができる。
【０１３８】
実施例３５〜３９：
実施例３５〜３９は、実施例３４と同様のやり方で作製することができる。但し、各層の厚さ及び材料は、表７に示すとおりである。
【０１３９】
【表７】
2016541112.tif 000009
（特に断りのない限り、表では、すべての厚さは、ナノメートル単位である。）
【０１４０】
次に、ナノ磁性多層膜構造は、直径Ｄ＝１０μｍを有する固体の円形構造にポスト微細加工することによって製造することができる。ナノ磁性多層膜構造は、ＴＭＲ温度センサのコア検出器ユニットとして使用することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１４１】
温度センサは、多くの利点、例えば、小型、低消費電力、優れた直線性、低コスト、高精度、高集積度、及び低消費電力など、を有する反平行状態で磁気トンネル接合の抵抗を利用して、実装することができる。
【０１４２】
明らかに、本発明はまた、種々の他の実施形態を有する。当業者であれば、本発明の精神及び原理から逸脱することなく、様々な修正及び変形を行うことができること、及びそのような修正及び変形は、本願の特許請求の範囲にあることを理解すべきである。
【図１】
2016541112.tif 000010
【図２】
2016541112.tif 000011
【図３】
2016541112.tif 000012
【図４】
2016541112.tif 000013
【図５】
2016541112.tif 000014
【図６】
2016541112.tif 000015
【図７】
2016541112.tif 000016
【図８】
2016541112.tif 000017
【図９】
2016541112.tif 000018
【図１０】
2016541112.tif 000019
【図１１】
2016541112.tif 000020
【手続補正書】
【提出日】平成28年8月29日(2016.8.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上に配置された底部磁性複合層であって、直接ピニング構造、間接ピニング構造、合成強磁性構造、又は合成反強磁性構造を有する底部磁性複合層と、
前記底部磁性複合層の上に配置されたスペーサ層と、
前記スペーサ層の上に配置された上部磁性複合層であって、直接ピニング構造、間接ピニング構造、合成強磁性構造、又は合成反強磁性構造を有する上部磁性複合層と、
を含む、温度センサのための磁性多層膜であって、
前記スペーサ層に最も近い前記底部磁性複合層の強磁性層は、前記スペーサ層に最も近い前記上部磁性複合層の強磁性層の磁気モーメントとは反平行な磁気モーメントを有する、磁性多層膜。
【請求項２】
前記直接ピニング構造は、反強磁性層と強磁性層とを互いに接触して含み、
前記間接ピニング構造は、
反強磁性層と、前記反強磁性層と接触した非磁性金属層と、前記非磁性金属層と接触した強磁性層とを包含する第１の間接ピニング構造、又は
反強磁性層と、前記反強磁性層と接触した第１の強磁性層と、前記第１の強磁性層と接触した非磁性金属層と、前記非磁性金属層と接触した第２の強磁性層とを包含する第２の間接ピニング構造、
を含み、
前記合成強磁性構造は、第１の強磁性層と第２の強磁性層とを、それらの間に挟まれた非磁性金属層と共に含み、前記非磁性金属層は、前記第１の強磁性層と第２の強磁性層との間に強磁性結合を誘導する厚さを有し、且つ
前記合成強磁性構造は、第１の強磁性層と第２の強磁性層とを、それらの間に挟まれた非磁性金属層と共に含み、前記非磁性金属層は、前記第１の強磁性層と第２の強磁性層との間に反強磁性結合を誘導する厚さを有する、
請求項1に記載の磁性多層膜。
【請求項３】
前記底部磁性複合層及び上部磁性複合層は両方とも、前記第２の間接ピニング構造を有し、
前記底部磁性複合層の非磁性金属層は、そのいずれかの側においても、前記第１の強磁性層と第２の強磁性層との間に強磁性結合及び反強磁性結合の一方を誘導する厚さを有し、且つ
前記上部磁性複合層の非磁性金属層は、そのいずれかの側においても、前記第１の強磁性層と第２の強磁性層との間に強磁性結合及び反強磁性結合の他方を誘導する厚さを有する、
請求項２に記載の磁性多層膜。
【請求項４】
前記底部磁性複合層及び上部磁性複合層の一方は、合成強磁性構造を有し、
前記底部磁性複合層及び上部磁性複合層の他方は、合成反強磁性構造を有する、
請求項２に記載の磁性多層膜。
【請求項５】
前記底部磁性複合層及び上部磁性複合層の一方は、合成強磁性構造を有し、
前記底部磁性複合層及び上部磁性複合層の他方は、第２の間接ピニング構造を有し、前記第２の間接ピニング構造の非磁性金属層は、そのいずれかの側においても、前記第１の強磁性層と第２の強磁性層との間に反強磁性結合を誘導する厚さを有する、
請求項２に記載の磁性多層膜。
【請求項６】
前記底部磁性複合層及び上部磁性複合層の一方は、合成反強磁性構造を有し、
前記底部磁性複合層及び上部磁性複合層の他方は、第２の間接ピニング構造を有し、前記第２の間接ピニング構造の非磁性金属層は、そのいずれかの側においても、前記第１の強磁性層と第２の強磁性層との間に強磁性結合を誘導する厚さを有する、
請求項２に記載の磁性多層膜。
【請求項７】
前記底部磁性複合層及び上部磁性複合層の一方は、直接ピニング構造を有し、
前記底部磁性複合層及び上部磁性複合層の他方は、直接ピニング構造又は第２の間接ピニング構造を有し、前記第２の間接ピニング構造の非磁性金属層は、そのいずれかの側においても、前記第１の強磁性層と第２の強磁性層との間に反強磁性結合を誘導する厚さを有する、
請求項２に記載の磁性多層膜。
【請求項８】
前記底部磁性複合層は、直接ピニング構造又は間接ピニング構造を有し、及び
上部磁性複合層は、直接ピニング構造又は間接ピニング構造を有し、
前記底部磁性複合層の反強磁性層は、前記上部磁性複合層の反強磁性層のブロッキング温度と異なるブロッキング温度を有する、
請求項２に記載の磁性多層膜。
【請求項９】
前記底部磁性複合層は、合成強磁性又は反強磁性構造を有し、及び
前記上部磁性複合層は、合成強磁性又は反強磁性構造を有し、
スペーサ層から遠い前記底部磁性複合層の強磁性層は、スペーサ層から遠い前記上部磁性複合層の強磁性層の保磁力とは異なる保磁力を有する、
請求項２に記載の磁性多層膜。
【請求項１０】
前記底部磁性複合層及び上部磁性複合層の両方が、垂直磁気モーメントを有する、
請求項９に記載の磁性多層膜。
【請求項１１】
スペーサ層から遠い前記底部磁性複合層の強磁性層及びスペーサ層から遠い前記上部磁性複合層の強磁性層の各々は、垂直磁気モーメントを有する磁性多層膜を含む、
請求項９に記載の磁性多層膜。
【請求項１２】
前記スペーサ層が、非磁性絶縁材料又は非磁性金属材料から構成される、請求項１に記載の磁性多層膜。
【請求項１３】
温度センサのための磁性多層膜を製造する方法であって、
基板上に底部磁性複合層を堆積させるステップであって、前記底部磁性複合層は、直接ピニング構造、間接ピニング構造、合成強磁性構造、又は合成反強磁性構造を有するステップと、
前記底部磁性複合層の上にスペーサ層を堆積させるステップと、
前記スペーサ層の上に上部磁性複合層を堆積させるステップであって、前記上部磁性複合層は、直接ピニング構造、間接ピニング構造、合成強磁性構造、又は合成反強磁性構造を有するステップと、及び
得られる構造の上に磁場真空アニールを行うステップであって、それにより、前記スペーサ層に最も近い前記底部磁性複合層の強磁性層は、前記スペーサ層に最も近い前記上部磁性複合層の強磁性層の磁気モーメントとは反平行な磁気モーメントを有する、ステップと、
を含む方法。
【請求項１４】
前記直接ピニング構造は、反強磁性層と強磁性層とを互いに接触して含み、
前記間接ピニング構造は、
反強磁性層と、前記反強磁性層と接触した非磁性金属層と、前記非磁性金属層と接触した強磁性層とを包含する第１の間接ピニング構造、又は
反強磁性層と、前記反強磁性層と接触した第１の強磁性層と、前記第１の強磁性層と接触した非磁性金属層と、前記非磁性金属層と接触した第２の強磁性層とを包含する第２の間接ピニング構造、を含み、
前記合成強磁性構造は、第１の強磁性層と第２の強磁性層とを、それらの間に挟まれた非磁性金属層と共に含み、前記非磁性金属層は、前記第１の強磁性層と第２の強磁性層との間に強磁性結合を誘導する厚さを有し、且つ
前記合成強磁性構造は、第１の強磁性層と第２の強磁性層とを、それらの間に挟まれた非磁性金属層と共に含み、前記非磁性金属層は、前記第１の強磁性層と第２の強磁性層との間に反強磁性結合を誘導する厚さを有する、
請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
底部磁性複合層を堆積させるステップは、前記第２の間接ピニング構造の底部磁性複合層を堆積させるステップを含み、
上部磁性複合層を堆積させるステップは、前記第２の間接ピニング構造の上部磁性複合層を堆積させるステップを含み、
前記底部磁性複合層の非磁性金属層は、そのいずれかの側においても、前記第１の強磁性層と第２の強磁性層との間に強磁性結合及び反強磁性結合の一方を誘導する厚さに堆積され、
前記上部磁性複合層の非磁性金属層は、そのいずれかの側においても、前記第１の強磁性層と第２の強磁性層との間に強磁性結合及び反強磁性結合の他方を誘導する厚さに堆積される、
請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記底部磁性複合層及び上部磁性複合層の一方は、合成強磁性構造を有するように堆積され、及び
前記底部磁性複合層及び上部磁性複合層の他方は、合成反強磁性構造を有するように堆積される、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記底部磁性複合層及び上部磁性複合層の一方は、合成強磁性構造を有するように堆積され、及び
前記底部磁性複合層及び上部磁性複合層の他方は、第２の間接ピニング構造を有するように堆積され、
前記第２の間接ピニング構造の非磁性金属層は、そのいずれかの側においても、前記第１の強磁性層と第２の強磁性層との間に反強磁性結合を誘導する厚さを有するように堆積される、
請求項１４に記載の方法。
【請求項１８】
前記底部磁性複合層及び上部磁性複合層の一方は、合成反強磁性構造を有するように堆積され、
前記底部磁性複合層及び上部磁性複合層の他方は、第２の間接ピニング構造を有するように堆積され、
前記第２の間接ピニング構造の非磁性金属層は、そのいずれかの側においても、前記第１の強磁性層と第２の強磁性層との間に強磁性結合を誘導する厚さに堆積される、
請求項１４に記載の方法。
【請求項１９】
前記底部磁性複合層及び上部磁性複合層の一方は、直接ピニング構造を有するように堆積され、
前記底部磁性複合層及び上部磁性複合層の他方は、直接ピニング構造又は第２の間接ピニング構造を有するように堆積され、
前記第２の間接ピニング構造の非磁性金属層は、そのいずれかの側においても、前記第１の強磁性層と第２の強磁性層との間に反強磁性結合を誘導する厚さに堆積される、
請求項１４に記載の方法。
【請求項２０】
温度センサのための磁性多層膜を製造する方法であって、
基板上に、第１の底部磁性層、底部非磁性金属層、第２の底部磁性層、中間バリア層、第１の上部磁性層、上部非磁性金属層、及び第２の上部磁性層を、この順序で堆積させるステップ、と、
膜平面に垂直な第１の磁場と共に、得られる構造の上に、第１の真空アニールを行うステップであって、前記第１の磁場は、第１の底部磁性層及び第２の上部磁性層のいずれかの保磁力よりも大きいステップと、
前記第１の磁場に反対の第２の磁場と共に、得られる構造の上に、第２の真空アニールを行うステップであって、前記第２の磁場は、第１の底部磁性層及び第２上部磁性層の一方の保磁力よりも大きく、且つ第１の底部磁性層及び第２上部磁性層の他方の保磁力よりも小さいステップと、
を含む、方法。
【請求項２１】
前記第１の底部磁性層、前記第２の底部磁性層、前記第１の上部磁性層、及び前記第２の上部磁性層の各々が、垂直磁気モーメントを有し、
前記第１の底部磁性層及び前記第２の上部磁性層の各々が、[Ａ／Ｂ]ｎの多層（式中、Ａは、磁性金属を表し、Ｂは、非磁性金属を表し、ｎは、２〜３０の整数である）を含む、請求項２０に記載の方法。
【国際調査報告】
2016541112.tif 000021
2016541112.tif 000022
2016541112.tif 000023
2016541112.tif 000024
2016541112.tif 000025