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発明の名称 磁気抵抗素子及び装置
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−5803(P2007−5803A)
公開日 平成19年1月11日(2007.1.11)
出願番号 特願2006−170279(P2006−170279)
出願日 平成18年6月20日(2006.6.20)
代理人 【識別番号】100116182
【弁理士】
【氏名又は名称】内藤 照雄
発明者 シビア ラシド / 佐藤 勇武 / 森田 治幸
要約 課題
異方性が低くかつスピン分極が高い材料を得る。

解決手段
合成自由層を有するスピンバルブとして磁気抵抗素子を提供する。より具体的には、合成自由層は、スペーサによって高垂直異方性層から分離された低垂直異方性層を含む。したがって、高異方性材料は、交換結合による平面外成分を導入する。また、高垂直異方性材料は、低いスピン分極を有する。さらに、ピン層の近くに配置された低異方性材料は、高いスピン分極を有する。その結果、低異方性材料の磁化は、平面内方向から平面外方向に変更される。したがって、低異方性材料と高異方性材料により全体の自由層垂直異方性を小さくすることができる。これらの層の厚さとその間のスペーサを調整することによって、異方性をさらに小さくし、感度をさらに高めることができる。
特許請求の範囲
【請求項1】
磁気抵抗素子であって、
第1の自由副層と、前記第1の自由副層より低い垂直磁気異方性を有するとともに前記第1の自由副層と前記第2の自由副層が第1のスペーサによって分離された第2の自由副層とを含み、外部磁界に応じて調整可能な磁化方向を有する自由層と、
固定された磁化方向を有し、第2のスペーサによって前記自由層から分離されたピン層と、を含み、
前記第2の自由副層が前記第1のスペーサと前記第2のスペーサの間にある磁気抵抗素子。
【請求項2】
前記第1の自由副層の分極が、第2の自由副層の分極よりも小さい請求項1に記載の磁気抵抗素子。
【請求項3】
前記第1の自由副層が、(TM/Pt)、(TM/Pd)、TM−Pt、TM−Pd、およびRE−TMのうちの少なくとも1つを含み、TMが遷移金属(3d元素)であり、REが希土類(4f元素)である請求項1に記載の磁気抵抗素子。
【請求項4】
前記第2の自由副層が、CoFe、NiFe、CoFeB、およびCoFeNiのうちの少なくとも1つを含む請求項1に記載の磁気抵抗素子。
【請求項5】
前記第1のスペーサが、Ru、Rh、Ag、およびCuのうちの少なくとも1つを含む請求項1に記載の磁気抵抗素子。
【請求項6】
前記第2のスペーサが、(a)トンネル磁気抵抗(TMR)型スピンバルブの場合は絶縁体、(b)巨大磁気抵抗(GMR)型スピンバルブの場合は導体、および(c)弾道磁気抵抗(BMR)型スピンバルブの場合は少なくとも1つの導電性ナノコンタクトを有する絶縁体のうちの1つである請求項1に記載の磁気抵抗素子。
【請求項7】
第1の自由副層と、前記第1の自由副層より低い垂直磁気異方性を有するとともに前記第1の自由副層と前記第2の自由副層が第1のスペーサによって分離された第2の自由副層とを含み、外部磁界または電流に応じてに応じて調整可能な磁化方向を有する自由層と、
固定された磁化方向を有し、第2のスペーサによって前記自由層から分離されたピン層と、を含み、
前記第2の自由副層が前記第1のスペーサと前記第2のスペーサの間にある装置。
【請求項8】
前記装置が、磁界センサを含む請求項7に記載の装置。
【請求項9】
前記装置が、メモリを含む請求項7に記載の装置。
【請求項10】
前記装置が、読み取りヘッドを含む請求項7に記載の装置。
発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
本発明は、平面外磁化(out-of-plane magnetization)を有する交換結合型自由層(exchange-coupled free layer)を有する磁気ヘッド等の、磁気抵抗素子及び装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来技術のハードディスクドライブなどの磁気記録技術において、ヘッドは、互いに独立に動作する読み取り装置と書き込み装置を備えている。読み取り装置は、自由層、ピン層、およびピン層と自由層の間のスペーサを含む。
【0003】
読み取り装置において、ピン層の磁化の向きは固定される。しかしながら、例えば記録媒体などの外部磁界の影響(これに限定されない)により自由層の磁化の向きが変化することがある。
【0004】
読み取り装置に外部磁界(フラックス)が印加されると、自由層の磁化方向がある角度だけ変化し、すなわち回転する。フラックスが正のときは自由層の磁化が上向きに回転し、フラックスが負のときは自由層の磁化が下向きに回転する。外部磁界が印加されて自由層の磁化方向がピン層と同じに合わされると、層間の抵抗が小さくなり、層の間を電子が移動し易くなる。
【0005】
しかしながら、自由層がピン層と反対の磁化方向を有するときは、層間の抵抗が大きい。この大きい抵抗は、層間の電子の移動が困難になるために生じる。
【0006】
図1(a)は、CPP方式の従来技術のトンネル磁気抵抗(TMR)スピンバルブを示す。TMRスピンバルブにおいて、スペーサ23は、絶縁体またはトンネル障壁層である。したがって、電子は、絶縁スペーサ23を自由層21から自由層25に、またはその逆に横切ることができる。TMRスピンバルブは、約50%の高い磁気抵抗(MR)を有する。
【0007】
図1(b)は、従来技術の垂直通電型巨大磁気抵抗(CPPGMR:current perpendicular to plane, giant magnetoresistive)スピンバルブを示す。この場合、スペーサ23は導体の役割をする。従来技術のCPP−GMRスピンバルブは、大きな抵抗変化△Rと高周波応答のための適度な素子抵抗を必要とする。また、小さい媒体磁界を検出できるように低い保磁力も必要である。また、ピン止め磁界は強くなければならない。
【0008】
図1(c)は、従来技術の弾道磁気抵抗(BMR)スピンバルブを示す。絶縁体として働くスペーサ23内で、強磁性体領域47がピン層25を自由層21に接続する。接点領域は、約数ナノメートルである。その結果、このナノコンタクト内にできる磁壁内の電子の拡散によってMRが実質的に大きくなる。他の要因には、強磁性体のスピン分極と、BMRスピンバルブとナノコンタクトしている領域の構造がある。
【0009】
前述の従来技術のスピンバルブにおいて、スピンバルブのスペーサ23は、TMRの場合は絶縁体、GMRの場合は導体、およびBMRの場合は磁気ナノサイズコネクタを有する絶縁体である。従来技術のTMRスペーサは、一般にアルミナなどの絶縁性の大きい金属で作成されるが、従来技術のGMRスペーサは、一般に、銅などの導電性の大きい金属で作成される。
【0010】
従来技術において、読み取り動作中に自由層の磁化が媒体磁界自体からだけ影響を受けるように、ピン層と自由層の間の中間層の結合が大きくならないようにしなければならない。中間層の結合が大きいと、出力読み取り信号に悪影響を及ぼす望ましくない影響を有する。例えば、信号非対称性とヒステリシスが実質的に大きくなる。この影響は、セスペデス(Cespedes)らの論文である非特許文献1に開示されている。
【非特許文献1】Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 272-76: 157 1-72 Part 2, 2004
【0011】
電流閉じ込め経路CPPヘッドにおいて、スペーサは、CuAl23などの絶縁体によって互いに分離された非磁性導電体領域で作成される。したがって、特にGMRとTMRの場合には、自由層とピン層の相互作用は、層の厚さが薄くなるほど大きくなる。例えば、TMRヘッドでは、全体の素子抵抗を小さくするために絶縁体スペーサがきわめて薄くされる。そのようにTMRスペーサの厚さを薄くすると、自由層とピン層の間にピンホールができ、その結果中間層結合が大きくなる。
【0012】
BMRの場合、中間層結合は、自由層とピン層の間のスペーサ内に存在するナノコンタクト(直接接続)の関数として大きくなる。自由層とピン層が逆方向を有するとき、磁壁ができることがある。その結果、強い電子散乱によってMR比率を高くすることができる。例えば、自由層とピン層が、スペーサのアルミナマトリクスに埋め込まれたNi磁性ナノ粒子によって接続されると、約100エルステッド(場合によっては約200エルステッド)よりも大きい中間層結合が生じる。その結果、伝達曲線(すなわち、外部磁界の関数としての電圧)が非対称になり、出力信号が実質的に減少する。
【0013】
図2は、従来技術の自由層(例えば、21)をその上側から示す。自由層の平面と垂直な方向51(すなわち、図2のページ内)に強いセンス電流が流れたとき、アンペアの法則に従って磁界が生成される。この磁界は、自由層磁気モーメントの渦巻き分布(矢印53で表したような)を作り出す。したがって、この従来技術の渦巻き問題を解決する必要がある。
【0014】
従来技術において、この渦巻き問題は、側面安定化機構を導入することによって解決することができる。しかしながら、側面安定化機構によって生成される磁界が強すぎると自由層の感度が低下する。その結果、自由層の回転が実質的に妨げられる。さらに、媒体磁界の下では自由層の磁化が容易に回転することができない。したがって、従来技術の側面安定化機構(例えば硬質バイアス安定化機構)により強い磁界を生成する必要性が満たされていない。
【0015】
従来技術において、図3に示したような垂直磁気異方性を有する単一自由層が提案された。自由層21とピン層25がスペーサ23によって分離されている。この従来技術の方式において、自由層は、Fe/Pt、Fe/パラジウム、またはこれらの合金で作成される。しかしながら、この従来技術の提案には様々な問題と欠点がある。例えば限定でなく、この従来技術の提案は、高異方性材料であるPtおよび/またはPdを含むために自由層材料のスピン分極が小さくなってしまう。
【0016】
したがって、従来技術において、前述の従来技術の問題を克服する異方性が低くかつスピン分極が高い材料の必要性が満たされていない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0017】
本発明の目的は、従来技術の問題と欠点を克服することである。しかしながら、本発明においてそのような目的または任意の目的が達成されなくてもよい。
【課題を解決するための手段】
【0018】
以上の目的を達成するために、磁気センサを提供する。磁気センサは、外部磁界に応じて調整可能な磁化方向を有する自由層を有し、自由層は、実質的に高い垂直異方性を有する第1の自由副層と、実質的に低い垂直異方性を有する第2の自由副層とを含む。第1の自由副層と第2の自由副層は、第1のスペーサによって分離される。磁気センサは、また、実質的に固定された磁化方向を有するピン層を含み、ピン層は、第2のスペーサによって自由層から分離され、第2の副層は、第1のスペーサと第2のスペーサの間にある。
【0019】
さらに、外部磁界に応じて調整可能な磁化方向を有する自由層を含む装置を提供し、自由層は、実質的に高い垂直磁気異方性を有する第1の自由副層と、実質的に低い垂直異方性を有する第2の自由副層とを含む。第1の自由副層と第2の自由副層は、第1のスペーサによって分離される。また、装置には、実質的に固定された磁化方向を有するピン層が含まれる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0020】
本発明は、本明細書で説明する例示的かつ非限定的な実施形態による、平面外磁化を有する交換結合型自由層ならびに当業者によって理解されるようなその等価物を含む磁気抵抗素子である。限定ではない例として、磁気抵抗素子は、読み取りヘッドおよびメモリ(例えば、MRAMであるがこれに限定されない)、センサ、あるいは当業者によって理解されるような磁気抵抗効果を利用する他の従来技術の装置に使用される。限定ではない例として、センサは、遺伝子および微生物検出用のバイオセンサなどとして使用される。
【0021】
図4は、スピンバルブの例示的かつ非限定的な実施形態を示す。合成自由層101は、外部磁界に応じて調整可能な磁化方向を有する。より具体的には、合成自由層101は、高い垂直磁気異方性と低いスピン分極を有する第1の自由副層111と、非磁性自由副層スペーサ109(「第1のスペーサ」とも呼ばれる)と、低い垂直磁気異方性と高分極を有する第2の自由副層113とを有する。
【0022】
第1の自由副層の垂直磁気異方性は、第2の自由層の垂直磁気異方性よりも実質的に大きい。また、第2の自由副層の分極は、第1の自由副層の分極よりも大きい。さらに、第1の自由層副層の分極は、約5×105erg/cm3を超える高い垂直磁気異方性により約0.5より大きくなくてもよい。
【0023】
第1の自由副層111と第2の自由副層113の間の交換結合によって、第2の自由副層の磁化方向が、平面内の方向から平面と垂直な方向(すなわち約90度)に変更される。その結果、2つの層がそれぞれ低い異方性と高い異方性を有するので、自由層の全垂直磁気異方性エネルギーを全体として実質的に減少させることができる。
【0024】
本発明のもう1つの例示的かつ非限定的な実施形態において、第1の自由副層111と第2の自由副層113の分極が、実質的に同じ(例えば、0.5)であり、第1の自由副層111が実質的に高い異方性を有し、第2の自由副層113が実質的に低い異方性を有する。しかしながら、本発明はこれに限定されず、当業者によって理解されまた本発明の範囲から逸脱しない他の変形を使用することができる。
【0025】
自由層101は、スペーサ103(「第2のスペーサ」とも呼ばれる)によってピン層105(すなわち、実質的に固定された磁化方向を有する)から分離される。
【0026】
第1の自由副層111は、(TM/Ft)n、(TM/Pd)n、TM−Pt、TM−Pd、RE−TM合金などで作成される。TMは、Fe、Co、Ni、Cr、およびこれらの合金などの遷移金属(3d元素)であり、REは、Tb、Dy、Gd、Hoなどの希土類元素(4f元素)を示す。この場合、(TM/Pt)nは、TM層とPt層をn回り返す多層積層体である。TM−Ptは、TMとPtで作成される合金である。これらの層と合金は、これらの層や合金がその垂直磁気異方性を失わない限り他の元素を含むことができる。
【0027】
自由層内にある非磁性体の自由副層スペーサ109は、Ru、Rh、Ag、Cuなどの材料で作成される。前述のように、この副層スペーサ109は非磁性体であり、第1の自由副層111と第2の自由副層113の間に配置される。第2の自由副層113は、CoFe、Fe、Co、CoFeNi、NiFe、CoFeBなどのうちの少なくとも1つで作成される。
【0028】
第2のスペーサ103は、第2の自由副層113の下に配置され、ピン層105は、スペーサ103の自由層との境界面の反対側に配置される。自由層101、スペーサ103、およびピン層105の側面は、空気軸受面(ABS)である。
【0029】
本発明は、渦型領域の作成による電流検出効果の従来技術の問題と前述の磁化渦巻き問題を回避する。例えば限定ではなく、自由層101の第1の自由副層111は、反強磁性交換結合によって、磁気抵抗効果を実質的に低下さることなく、第2の自由副層の磁化方向の平面外成分を発生させる。
【0030】
さらに、合成自由層の層の厚さを調整することによって、高感度ヘッドを作成するために自由層全体の異方性磁界を低い値(約500エルステッド以下)に最適化することができる。図5は、例示的かつ非限定的な実施形態によるボトム型スピンバルブを示す。この例示的かつ非限定的な実施形態において、自由層121が提供され、自由層121と、ピン止め副層スペーサ127(「第3のスペーサ」としても知られる)によって第2のピン止め副層129から分離された第1のピン止め副層125を含むピン層との間に第2のスペーサ123が配置される。さらに、反磁性体(AFM)層131が、バッファ層132上に提供される。自由層側には、自由層121の上にキャッピング層133が提供される。
【0031】
バッファ層132は、下部シールド135上に配置される。スピンバルブと下部シールド135の上側面に対して横方向に絶縁体141aが提供される。絶縁体141a上に、隣りのトラックの磁界からセンサを保護する側面シールド143が提供される。側面シールド143上には、センス電流が側面シールドに流れるのを有効に防ぐためのさらに別の絶縁体141bが付着される。必要に応じて、絶縁体141aが別の絶縁体141bと接触してもよく、あるいは、それらの2つの層141a、141bが、側面シールド143によって完全に分離されてもよい。
【0032】
このシールド構造は、スピンバルブの左側と右側の側面に沿って存在する。これにより、図4の多層自由層構造が、図5のボトム型スピンバルブ内に提供される。より具体的には、第1の自由副層145は、自由層121内で自由副層スペーサ149(「第1のスペーサ」)によって第2の自由副層147から分離される。その結果、ボトム型スピンバルブにおいて前述の利点が得られる。
【0033】
以上の実施形態を変更できることは当業者によって理解されよう。例えば限定ではなく、前述のボトム型スピンバルブの他にトップ型スピンバルブ構造を使用することができる。さらに、ピン層の磁化方向を実質的に固定するために、AFM層の代わりに硬質磁性体層などを使用することができる。また、当業者によって理解されるように、ピン層は複数の強磁性体層で作成されてもよい。
【0034】
図6は、メモリ(例えば、MRAMであるがこれに限定されない)の応用例を示す。より具体的には、スペーサ203(すなわち、この実施形態では「第2のスペーサ」)によってピン層205から分離された自由層201を含むMRAMの磁気抵抗素子を開示する。自由層201は、自由副層スペーサ211(この実施形態では「第1のスペーサ」)によって高い垂直磁気異方性と低い垂直磁気異方性を有する第2の自由層209から分離された低いスピン分極と高いスピン分極を有する第1の自由副層207を含む。ピン層205は、非磁性スペーサ層によって分離された反強磁性的に結合された2つの磁性体層で作成することができる。しかしながら、ピン層205を、単一の強磁性体層あるいはすべて実質的に同じ向きの磁化を有する異なる強磁性体層の積層物で作成することができる。
【0035】
ピン層205は、ピン止め副層スペーサ217(この実施形態では「第3のスペーサ」)によって低いスピン分極と高い垂直磁気異方性を有する第2のピン止め副層215から分離された高いスピン分極と低い垂直磁気異方性を有する第1のピン止め副層213を含む。
【0036】
副層209、213は、前に開示し図5〜図6に示した第2のピン止め副層147と実質的に同じであり、副層207、215は、第1の自由層145と実質的に同じである。しかしながら、第1のピン止め副層213は、低異方性と高異方性のどちらも有することができる。したがって、図6に示した層の構造および/または構成は、図4と図5に示したものと実質的に同じである。本発明の以上の例示的かつ非限定的なそれぞれの実施形態に関して、スピンバルブは、トンネル磁気抵抗(TMR)型、巨大磁気抵抗(GMR)型、または弾道磁気抵抗(BMR)型のものでよい。さらに、当業者が知っているかあるいは知ることになる他のタイプのスピンバルブを使用することもできる。
【0037】
本発明において、磁気抵抗効果を利用する他の装置は、本発明の磁気抵抗素子を含むこともできる。例えば限定ではなく、磁界センサまたはメモリ(前に開示したような)も本発明を使用することができるが、応用例はそれらに限定されない。そのような応用例や他の応用例において、自由層は、前述の外部磁界または電流に応じて調整可能な磁化を有することができる。本発明のそのような応用例は、本発明の範囲内である。
【0038】
本発明は、前述の特定の実施形態に限定されない。添付の特許請求の範囲に定義したような本発明の趣旨または範囲から逸脱することなく本発明には多くの修正を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【0039】
【図1】図1(a)〜図1(c)は、様々な従来技術の磁気読み取り装置スピンバルブを示す図である。
【図2】センス電流によって生成された磁界による従来技術の自由層磁気モーメント分布の上面図である。
【図3】従来技術の渦巻き問題を解決する従来技術の提案を示す図である。
【図4】本発明の例示的かつ非限定的な実施形態によるスピンバルブを示す図である。
【図5】本発明の例示的かつ非限定的な実施形態によるボトムスピンバルブを示す図である。
【図6】本発明の例示的かつ非限定的な実施形態によるMRAM装置の図である。
【符号の説明】
【0040】
101 合成自由層
103 スペーサ
105 ピン層
109 自由副層スペーサ
111 第1の自由副層
113 第2の自由副層




 

 


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