Spintronics chip
专利汇可以提供Spintronics chip专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a spintronics chip which is manufactured inexpensively and allows the magnitude and direction of magnetic field applied on the chip to be estimated by recording the magnetic field applied on the chip in a nonvolatile manner.
SOLUTION: In the spintronics chip 1, a circuit section 2 including an element using spintronics, and TMR elements 3, each of which consists of a free layer 5 and a pinned layer 6 laminated via a tunnel film 7, are placed on the single spintronics chip 1. The TMR elements 3 allow magnetic field applied on the chip to be recorded in a nonvolatile manner.
COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT，下面是Spintronics chip专利的具体信息内容。
フリー層とピン層をトンネル膜を介して積層してなるＴＭＲ素子と、
が同一チップ上に配置され、
前記ＴＭＲ素子により前記チップに加わった磁場を不揮発に記録することが可能なスピントロニクスチップ。
本発明は、スピントロニクスを用いた素子を備えるチップ（以下、スピントロニクスチップという）に関する。
スピントロニクスチップの１つであるＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）チップは、使用環境下で非常に強い磁場がかかると、データが磁場によって書き換えられてしまうことがある。 つまり、ＭＲＡＭチップの使用時において、意図せずに許容範囲以上の磁場をＭＲＡＭチップが受ける可能性がある。 ＭＲＡＭチップが許容範囲以上の磁場を受けて誤動作した場合、その原因となる磁場が外部磁場によるものなのか、あるいはＭＲＡＭチップを備える装置内部の不具合によるものなのかを判断する必要がある。 そのため、許容範囲以上の磁場が生じたときの磁場の大きさなどをチップ上に記録することによって、不良解析や改良を行うことができる。
従来の磁気センサには、磁場の大きさや方向を測定するために、ＭＲ（ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子でホイートストーンブリッジ回路を構成し、その抵抗変化を測定するものがある（例えば、非特許文献１参照）。
下江治、外３名、「磁気抵抗効果素子を用いた方位センサ」、日立金属技報、日立金属株式会社、２００２年、ｖｏｌ． １８、ｐ． ３７−４２
ＭＲＡＭチップに加わる磁場を測定するために、従来はＭＲＡＭチップに対して別途外部から磁場センサと測定した磁場を記録するメモリを取り付ける必要があった。 従来の磁場センサをＭＲＡＭチップにモノリシックに作製することは、製造プロセスやコストに問題があった。
本発明は、これらの問題を解決するためになされたもので、コストをかけずに作製してチップに加わった磁場を不揮発に記録することによって、チップに加わる磁場の大きさや向きを推定することが可能なスピントロニクスチップを提供することを目的とする。
上記の課題を解決するために、本発明の一実施形態によるスピントロニクスチップは、スピントロニクスを用いた素子を含む回路部と、フリー層とピン層をトンネル膜を介して積層してなるＴＭＲ素子とが同一チップ上に配置され、ＴＭＲ素子によりチップに加わった磁場を不揮発に記録することが可能であることを特徴とする。
本発明の一実施形態では、スピントロニクスを用いた素子を含む回路部と、フリー層とピン層をトンネル膜を介して積層してなるＴＭＲ素子とが同一チップ上に配置され、ＴＭＲ素子によりチップに加わった磁場を不揮発に記録するため、コストをかけずに作製し、チップに加わった磁場を不揮発に記録することが可能である。
本発明の実施形態について、図面を用いて以下に説明する。
〈実施形態１〉
図１は、本発明の実施形態によるスピントロニクスチップ１の構成の一例を示す図である。 図１に示すように、スピントロニクスチップ１は、ＭＲＡＭ２（回路部）の周囲にＴＭＲ素子３を配置し、ＴＭＲ素子３からのデータを読み出す読み出し回路４が設けられている。 このような構成とすることによって、ＭＲＡＭ２とＴＭＲ素子３とを同じ工程で作製することができる。
なお、図１ではＭＲＡＭ２の周囲にＴＭＲ素子３を複数個配置したが、スピントロニクスチップ１上の一箇所に固めて配置など、スピントロニクスチップ１上であればどのように配置してもよい。 また、ＴＭＲ素子３は所定の角度で配置されている。 ここで、スピントロニクスとは、電子の持つ電荷とスピンとを利用して電子デバイスを作製する技術のことをいう。
図２は、一般的なＴＭＲ素子３の構成図である。 図２に示すように、ＴＭＲ素子３は、磁場の影響を受けて磁性の向きが反転するフリー層５、磁場による影響を受けずに磁性の向きが固定されているピン層６、フリー層５とピン層６とに挟まれるように形成される絶縁体のトンネル膜７とから構成される。 ＴＭＲ素子３はフリー層５とピン層６の磁性の向きが同じときよりも異なるときの方が抵抗値が高いため、その抵抗値を読み出し回路４で読み出すことによってＴＭＲ素子３に加わる磁場の大きさを測定する。 また、ＴＭＲ素子３は不揮発性であるため、スピントロニクスチップ１への電力供給が切断されても状態を保持することができるという利点がある。
図３は、本発明の実施形態１によるＴＭＲ素子の配置方向および形状を示した図である。 図３は、ＴＭＲ素子３のフリー層５を上から見たときの平面図である。 図３に示すように、（ａ）および（ａ'）は、保磁力Ｈｃ＝２００[Ｏｅ]、長軸＝４００ｎｍ、短軸＝２００ｎｍ、膜厚＝４ｎｍであり、（ａ'）は（ａ）を４５度傾けている。 （ｂ）および（ｂ'）は、保磁力Ｈｃ＝１００[Ｏｅ]、長軸＝４００ｎｍ、短軸＝２７５ｎｍ、膜厚＝４ｎｍであり、（ｂ'）は（ｂ）を４５度傾けている。 （ｃ）および（ｃ'）は、保磁力Ｈｃ＝５０[Ｏｅ]、長軸＝４００ｎｍ、短軸＝３５０ｎｍ、膜厚＝４ｎｍであり、（ｃ'）は（ｃ）を４５度傾けている。 上記３種類のＴＭＲ素子３の形状は楕円形状であるが、対称性がありアスペクト比（縦横比）を有し、保持力の値を保証する形状であればいかなる形状であってもよい。
図４は、本発明の実施形態１による磁場の大きさに対するＴＭＲ素子３の反転境界を示した図である。 図４に示すＴＭＲ素子３は、図３に示すＴＭＲ素子３と対応している。 図４において、縦軸はｙ軸方向のＴＭＲ素子３の保持力を表し、横軸はｘ軸方向のＴＭＲ素子３の保持力を表している。
図４は、図３（ａ）〜（ｃ）、（ａ'）〜（ｃ'）に示すＴＭＲ素子３のｘ軸方向およびｙ軸方向に対する保持力の特性を曲線で表しており、この曲線は磁場の大きさに対するＴＭＲ素子３の反転境界であるスイッチングアステロイドとなる。 図３（ａ）〜（ｃ）のような配置をしたとき、スイッチングアステロイドは双曲線のような形状となり、図３（ａ'）〜（ｃ'）のような配置をしたとき、スイッチングアステロイドは前記双曲線を原点を中心に４５°回転したような形状となる。
図４に示す各ＴＭＲ素子３について、スイッチングアステロイドよりも強い磁場が加わるとＴＭＲ素子３のフリー層５の磁性が反転する。 一方、スイッチングアステロイドよりも弱い磁場が加わっても反転しない。 例えば、図４中の点Ａを曲線で囲む領域では、ＴＭＲ素子３（ｂ）、（ｂ'）、（ｃ）、（ｃ'）が反転することが分かり、磁場が加わった方向は点Ａを囲む領域の範囲内となる。 同様に、図４中の点Ｂを囲む領域では、ＴＭＲ素子３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ａ'）、（ｂ'）、（ｃ'）が反転することが分かり、磁場が加わった方向は点Ｂを囲む領域の範囲内となる。
図５は、本発明の実施形態１によるＴＭＲ素子３の配置方向および形状を示した図である。 図５は、図３に対応させて、ＴＭＲ素子３のフリー層５とピン層６を上から見たときの平面図である。 図５の（ａ）〜（ｃ）、（ａ'）〜（ｃ'）は、図３の図３（ａ）〜（ｃ）、（ａ'）〜（ｃ'）に対応している。 フリー層５とピン層６は、ともに同じ寸法である。 フリー層５の磁性体は所定の保持力を超えると反転するが、ピン層６の磁性体はフリー層５よりも１０倍程度の磁場を有しているため反転しない。
図６は、本発明の実施形態１による磁場の大きさとＴＭＲ素子３の抵抗値との関係を示した図である。 ＴＭＲ素子３は、図３および図５に示すＴＭＲ素子３と同様である。 図６は図４の反転境界と対応している。 ＴＭＲ素子３に磁場が加わることによってＴＭＲ素子３の抵抗値が変化するため、その抵抗値に基づいてＴＭＲ素子３に加わった磁場の大きさや方向を推定することができる。 例えば、図６中の点Ａを囲む領域では、ＴＭＲ素子３の抵抗値は５．３４であり、そのときにＴＭＲ素子３（ｂ）、（ｂ'）、（ｃ）、（ｃ'）が反転することが分かる。 同様に、図６中の点Ｂを囲む領域では、ＴＭＲ素子３の抵抗値は５．８５であり、そのときにＴＭＲ素子３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ａ'）、（ｂ'）、（ｃ'）が反転することが分かる。
以上のことから、コストをかけずに作製してチップに加わった磁場を不揮発に記録するとともに、磁場の大きさに対するＴＭＲ素子３の反転境界を予め設定しておくことによって、実際にＭＲＡＭ２に加わった磁場の大きさや向きを推定することが可能となる。 なお、反転境界の様々な設定は、ＴＭＲ素子３の配置（角度）、寸法（縦横の値と比）、形状（楕円等）を変えることにより行える。
〈実施形態２〉
実施形態２では、ＴＭＲ素子３を様々な角度で配置していることを特徴としている。
図７は、本発明の実施形態２によるＴＭＲ素子３の配置方向および形状を示した図である。 図７は、ＴＭＲ素子３のフリー層５を上から見たときの平面図であり、同一形状で様々な角度で配置している。 図７（１）〜（４）のＴＭＲ素子３は、保磁力Ｈｃ＝１００[Ｏｅ]、長軸＝４００ｎｍ、短軸＝２７５ｎｍ、膜厚＝４ｎｍであり、それぞれの配置角度はｘ軸に対して（１）０°、（２）２２．５°、（３）４５°、（４）６７．５°である。
図８は、本発明の実施形態２による磁場の大きさに対するＴＭＲ素子３の反転境界を示した図である。 図８に示す（１）〜（４）は、図７のＴＭＲ素子３（１）〜（４）に対応している。 図８において、縦軸はｙ軸方向のＴＭＲ素子３の保持力を表し、横軸はｘ軸方向のＴＭＲ素子３の保持力を表している。
図８は、図７（１）〜（４）に示すＴＭＲ素子３のｘ軸方向およびｙ軸方向に対する保持力の特性を曲線で表しており、この曲線は磁場の大きさに対するＴＭＲ素子３の反転境界であるスイッチングアステロイドとなる。
図８に示す各ＴＭＲ素子３について、スイッチングアステロイドよりも強い磁場が加わるとＴＭＲ素子３のフリー層５の磁性が反転する。 一方、スイッチングアステロイドよりも弱い磁場が加わっても反転しない。 このように、図８中のスイッチングアステロイドの曲線で囲まれた領域内のＴＭＲ素子３のみが反転し、そのときＴＭＲ素子３に加わった磁場の方向は囲まれた領域の範囲内となる。
以上のことから、ＴＭＲ素子３を様々な角度で配置しているため、ＴＭＲ素子３に加わった磁場の大きさや向きをより詳しく推定することが可能となる。
なお、本発明の実施形態ではＭＲＡＭについて説明したが、ＭＲＡＭ以外のスピントロニクスを用いたメモリ、ロジック素子にも適用可能である。
１ スピントロニクスチップ、２ ＭＲＡＭ、３ ＴＭＲ素子、４ 読み出し回路、５ フリー層、６ ピン層、７ トンネル膜。
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