JP4886957B2 - 改善された磁気抵抗比を有する磁気素子 - Google Patents
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Description
(発明の分野)
本発明は、情報を記憶するため、および/または検知するための磁気素子、およびその製造方法に関する。本発明は、特に磁気抵抗比を改善するために磁気素子を製造し、形成するための方法に関する。
【0002】
(発明の背景)
本出願は、モトローラ整理番号CR97−133である同時係属出願であり、同一譲受人に譲渡され、引用により本明細書の記載に援用される、「磁気ランダム・アクセス・メモリおよびその製造方法」(MAGNETIC RANDOM ACCESS MEMORY AND FABRICATING METHOD THEREOF)と題された、1998年8月31日に出願された米国特許出願第09/144,686号、およびモトローラ整理番号CR97−158である同時係属出願であり、および同一譲受人に譲渡され、引用により本明細書の記載に援用される、「磁気フィルムのパターン形成プロセス」(PROCESS OF PATTERNING MAGNETIC FILMS)と題された、1997年12月8日に出願された米国特許出願第08/986,764号、および同一譲受人に譲渡され、引用により本明細書の記載に援用される「絶縁層および導電層を含む多重層を有する磁気デバイス」(MAGNETIC DEVICE HAVING MULTI−LAYER WITH INSULATING AND CONDUCTIVE LAYERS)と題された1998年6月16日に出願された米国特許第5,768,181号に関連する。
【0003】
通常、磁気メモリ素子のような磁気素子は、非磁気層により分離されている強磁性層を含む構造を有する。情報は、磁気層内に磁化ベクトルの方向として記憶される。例えば、ある1つの磁気層における磁気ベクトルは、磁気的に固定(fixed)または固着(pinned)されており、一方、他方の磁気層の磁化方向は、それぞれ、「平行」状態および「逆平行」状態と呼ばれる同一方向または反対方向の間で自由に切り替わる。平行状態および逆平行状態の場合、磁気メモリ素子は、2つの異なる抵抗を示す。2つの磁気層の点における磁化ベクトルが、それぞれ、ほぼ同一方向および反対方向を向いている場合には、抵抗値は最小および最大になる。従って、抵抗の変化に検知により、MRAMデバイスのようなデバイスが磁気メモリ素子内に記憶している情報を供給することが可能になる。最小抵抗値と最大抵抗値との差を最小抵抗値で除したものは、磁気抵抗比(MR)と呼ばれる。
【0004】
MRAMデバイスは、磁気素子、より詳細には、磁気メモリ素子と、例えば、磁気メモリ素子用の制御回路、磁気メモリ素子内の状態を検出するためのコンパレータ、入出力回路等のような他の回路とを集積したものである。これらの回路は、デバイスの消費電力を少なくするために、CMOS(相補形金属酸化膜半導体)技術により製造される。
【0005】
磁気素子は、構造的に、非常に薄い層を含み、これらの層の中のあるものの厚さは、数十オングストロームである。磁気素子の製造性スループットおよび性能は、使用する磁気構造およびその複雑さにより左右される。従って、簡単構造を追及した磁気デバイスを製造する必要がある。標準磁気素子よりも層の数が少なく、ターゲットも少ない磁気素子構造の開発が望まれている。さらに、中央に位置するR−H(1)ループが、数百万から数千万の各ビット上に対する正確な重畳に依存しないデバイスの開発も待望されている。
【0006】
MRAM素子製造のような、通常の磁気素子の製造の際には、スパッタ蒸着、蒸発、またはエピタキシ技術により金属フィルムの成長が行われる。このような磁気素子構造体としては、基板、基部電極多重層スタック、合成反強磁性(SAF)構造体、絶縁トンネル・バリヤ層、および頂部電極スタックがある。基部電極層スタックは、基板の上に形成され、かつ基板上に蒸着された第1のシード層、シード層上に形成されたテンプレート強磁性層、テンプレート層上の反強磁性材料層、および下に位置する反強磁性層上に形成され、該反強磁性層と交換結合している固着強磁性層を含む。強磁性層が固着層と呼ばれるのは、その磁気モーメント(磁化方向)は、印加磁界が存在する場合に、回転を阻止されているためである。合成反強磁性構造体は、ルテニウム層等により分離されている、固着強磁性層および固定強磁性層を含む。頂部電極スタックは、自由強磁性層およびこの自由層上の形成された保護層を含む。自由強磁性層の磁気モーメントは、交換結合により固着されていないので、印加磁界が存在する場合でも自由に回転することができる。すでに説明したように、このタイプの磁気素子構造体は、層が非常に複雑に配置されており、そのため、スループットを向上させることができない。
【0007】
別の構造体としては、1つのトンネル・バリヤおよびTaNyのような1つの導電スペーサにより分離されている3つの磁気層を備える磁気素子材料スタックがある。中央磁気層は、自由に回転できるように、すなわち、方向を自由に変えることができるように形成され、頂部磁気層および底部磁気層は、端部における磁束の閉じ込め(flux closure)からの低いエネルギーのために、逆平行配置または反強磁性方向に固定されている。動作中、構造体は、中央磁気層の磁化方向が2つの方向のどちらを向いているかにより異なる抵抗を有する。より優れた信号、すなわち改善された磁気抵抗比を有する磁気素子を達成するためには、二重のトンネル・バリヤ層を備えることが望ましい。いまのところ、トンネル・バリヤを導電スペーサの代わりに使用した場合には、この構造体はうまく動作しないことが分かっている。
【0008】
従って、本発明の1つの目的は、改善された磁気抵抗比を有する改善された磁気素子を提供することにある。
本発明のもう1つの目的は、より高いMR%または信号、およびより低い電圧依存性を有する改善された磁気素子を提供することにある。
【0009】
本発明のさらにもう1つの目的は、改善された磁気抵抗比を有する磁気素子を形成する方法を提供することにある。
本発明のさらにもう1つの目的は、高スループットの製造を行うことができる、改善された磁気抵抗比を有する磁気素子を形成する方法を提供することにある。
【0010】
(発明の概要)
上記およびその他の要望は、固着強磁性材料からなる第1の磁気層、自由に回転する第2の磁気層、固着強磁性材料からなる第3の磁気層、および2つのトンネル・バリヤ層を備える磁気素子を供給することにより達成される。該構造体は、一方のトンネル・バリヤ層が正方向を向いていて、他方のトンネル・バリヤ層が、反対方向を向いている2つのトンネル・バリヤ層を含む構造体、または2つのトンネル・バリヤ層が同じタイプのものであって、さらに、両方のトンネル・バリヤにわたって磁気抵抗比の同符号変化(same sign changing magnetoresistance ratios)を可能にする、合成反強磁性構造体を含む構造体と定義される。磁気素子が合成反強磁性構造体を備える場合には、一般に、スペーサ層が含まれる。磁気素子は、さらに金属のリードを備える。金属のリード、複数の磁気層、複数のトンネル・バリヤ層、およびスペーサ層は誘電体のような基板材料上に形成されている。さらに、本明細書は、改善された磁気抵抗比を有する磁気素子の製造方法を開示している。
【0011】
(好ましい実施形態の詳細な説明)
本発明を示すいくつかの図面においては、類似の素子を識別するために類似の番号を使用している。図1および図2は、本発明の磁気素子の第1および第2の実施形態の断面図である。より詳細に説明すると、図1は完全にパターン形成された磁気素子10の第1の実施形態である。磁気素子10は、底部固着磁気層12と、底部トンネル・バリヤ層14と、自由磁気層16と、頂部トンネル・バリヤ層18と、頂部固着トンネル磁気層20とを構造的に備える。底部固着磁気層12、自由磁気層16、および頂部固着磁気層20は、強磁性層を備える。底部磁気層12は、金属リード24上に形成されている拡散バリヤ層22上に形成される。拡散バリヤ層22は、通常、窒化タンタル(TaN)上に形成され、磁気素子10の熱安定性を助長する。金属リード24は、通常、ある種の誘電材料(図示せず)上に形成される。
【0012】
底部固着強磁性層12および頂部強磁性層20は、印加磁界が存在する場合、その磁気モーメントの回転が阻止されるので、固着または固定されていると表現される。強磁性層12,16,20は、通常、以下の金属、すなわち、ニッケル(Ni)、鉄(Fe)およびコバルト(Co)の中の1つまたはそれ以上の合金により形成され、各層は、それぞれ頂面13,17,21、およびそれぞれ底面11,15,19を含む。磁気層16は、自由強磁性層と呼ばれる。従って、自由強磁性層16の磁気モーメントは、磁束の閉じ込め内の交換結合または静磁気結合により、固定されたり固着されたりしないで、印加磁界内においても自由に回転する。自由強磁性層16は、固着磁気層12,20と、共線的に並んで形成され、以下の金属、すなわち、ニッケル(Ni)、鉄(Fe)およびコバルト(Co)のうちの1つまたはそれ以上の合金により形成されている。固着強磁性層12,20は、5〜5000Åの範囲内の厚さを有する。自由強磁性層16の厚さは、通常、500Åより薄い。第2の拡散バリヤ層26は、頂部固着磁気層20の一番上の面21上に形成される。金属リード28は、第2の拡散バリヤ層26の表面上に形成される。
【0013】
この特定の実施形態の場合には、底部トンネル・バリヤ層14は、タンタル(Ta)と酸素(O)から形成される。より詳細に説明すると、底部トンネル・バリヤ層14は、TaOYという一般式を有する材料から形成される。前記式中、1<Y<2.5である。頂部トンネル・バリヤ層18は、通常、AlOxという式を有する酸化アルミニウム(Al)から形成される。前記式中、x≦1.5である。
【0014】
この特定の実施形態の場合には、頂部トンネル・バリヤ層18は、磁気トンネル接合が、逆平行整列磁極に対して最大抵抗(R)を有し、平行整列磁極に対して最小抵抗(R)を有するような正のトンネル・バリヤ(normal tunnel barrier)として記載されている。より詳細に説明すると、自由強磁性層16が底部固着磁気層12に平行に整列しており、頂部固着磁気層20に対して逆平行に整列している場合には、抵抗は最大になる。自由強磁性層16が、底部固着磁気層12に逆平行に整列しており、頂部固着磁気層20に対して平行に整列している場合には、抵抗は最小になる。底部トンネル・バリヤ層14は、磁気トンネル接合部が平行整列磁極に対して最大抵抗(R)を有し、逆平行整列磁極に対して最小抵抗(R)を有するような逆のトンネル・バリヤ(reverse tunnel barrier)として記載されている。このタイプの構造体は、より高い磁気抵抗比(MR%)またはより強力な信号、およびより低い電圧依存性を有する。通常、MR%は、バイアス電圧が増大するにつれて小さくなる。従って、それぞれにバイアス電圧の半分が掛かる、二重のトンネル・バリヤ層16,18を内蔵させることにより、バイアス電圧が増大するにつれて、磁気抵抗比の低減率が少なくなる。さらに、4つのターゲットを必要とするだけで、正確に重畳させる必要はない。動作中、底部から頂部への自由磁気層16のすべてのトポロジー的な正(陽)の結合(positive coupling)は打ち消される。このタイプの構造体は、MRAM用途用に設計される。磁気素子10の動作中、磁気層12,20は、特に高密度のMRAMに対する小型のメモリ・セルに対する磁束の閉じ込めおよび磁気エネルギーの低減により、逆平行方向を向き、この方向に固定される。磁気層16は、MRAM用途のようなメモリ・デバイスで使用された場合に、依然として自由に方向を変えることができる。これに代わって、大型のMRAMセルにおいて、反強磁性層からピンニングを用いて、底部磁気層12および頂部磁気層20を固着することが可能である。
【0015】
図2は、通常、読取ヘッドおよび磁気センサとして使用する場合の、参照番号10’で示す完全にパターン形成された磁気素子構造体のもう1つの実施形態である。第2の実施形態の構成部材に類似の第1の実施形態のすべての構成部材は、異なる実施形態であることを示すプライム記号が付されている同一の番号で表されていることに留意されたい。図1のところで説明した構造体と同様に、この構造体も、底部固着磁気層12’、底部トンネル・バリヤ層14’、自由磁気層16’、頂部トンネル・バリヤ層18’および頂部固着磁気層20’を備える。底部固着層12’,自由磁気層16’、および頂部固着磁気層20’は、強磁性層を含む。底部磁気層12’は、金属リード24’上に形成されている拡散バリヤ層22’上に形成される。拡散バリヤ層22’は、通常、窒化タンタル(TaN)から形成されており、磁気素子10’の熱安定性を助長する。金属リード24’は、通常、ある種の誘電材料(図示せず)から形成される。
【0016】
底部固着強磁性層12’および頂部固着強磁性層20’は、印加磁界が存在する場合には、磁気モーメントが回転できないように、固着されているか、または固定されている。強磁性層12’,16’,20’は、通常、下記の金属、すなわち、ニッケル(Ni)、鉄(Fe)およびコバルト(Co)の中の1つまたはそれ以上の合金により形成されており、それぞれ、頂面13’,17’,21’およびそれぞれ、底面11’,15’,19’を含む。磁気層16’は、自由強磁性層である。自由強磁性層16’の磁気モーメントは、磁束の閉じ込めを通る交換結合または静磁気結合により、固定されてもいないし、固着されてもいない。自由強磁性層16’は、通常、下記の金属、すなわち、ニッケル(Ni)、鉄(Fe)およびコバルト(Co)の中の1つまたはそれ以上の合金から形成される。図1の実施形態とは対照的に、この特定の実施形態の場合には、自由強磁性層16’は、固着強磁性層12’,20’に対して直交して整列している。固着強磁性層12’,20’は、5〜5000Åの範囲内の厚さを有する。自由強磁性層16’の厚さは、通常、500Åより薄い。第2の拡散バリヤ層26’は、頂部固着磁気層20’の一番上の面21’上に形成される。金属リード28’は、第2の拡散バリヤ層26’の表面上に形成される。
【0017】
この特定の実施形態の場合には、底部トンネル・バリヤ層14’は、タンタル(Ta)と酸素(O)から形成される。より詳細に説明すると、底部トンネル・バリヤ層14’は、TaOYという一般式を有する材料から形成される。ここで、1<Y<2.5である。頂部トンネル・バリヤ層18’は、通常、AlOxという式を有するアルミニウムから形成される。ここで、x≦1.5である。
【0018】
上記第1の実施形態と同様に、頂部トンネル・バリヤ層18’は、磁気トンネル接合部が、逆平行整列磁極に対して最大抵抗(R)を有し、平行整列磁極に対して最小抵抗(R)を有するような正のトンネル・バリヤとして記載されている。トンネル・バリヤ層14’は、図1のところですでに説明したように、逆のトンネル・バリヤである。図1の実施形態とは対照的に、自由強磁性層16’は、底部固着磁気層12’、および頂部固着磁気層20’に対して直交して整列されている。このタイプの構造体は、より高い磁気抵抗比(MR%)またはより強力な信号、およびより低い電圧依存性を有する。通常、磁気抵抗比は、バイアス電圧が増大するにつれて小さくなる。図1の実施形態と同様に、それぞれにバイアス電圧の半分が掛かる、二重のトンネル・バリヤ層16’,18’を内蔵させることにより、バイアス電圧が増大するにつれ、磁気抵抗比の低減率が少なくなる。さらに、4つのターゲットを必要とするだけで、正確に重畳させる必要はない。動作中、底部から頂部へのすべてのトポロジー的な正の結合は打ち消される。このタイプの構造体は、読取ヘッドおよび磁気センサ用に形成される。磁気素子10’の動作中、磁気層12’,20’は、小型のデバイスに対する磁束の閉じ込めおよび磁気エネルギーの低減により逆平行方向を向き、この方向に固定される。磁気層16’は、依然として磁気層12’,20’に対して垂直方向に自由に回転することができ、そのため、読取ヘッド、または磁界センサ・デバイスでの使用に適している。これに代わって、大型のMRAMセルにおいては、反強磁性層からのピンニングを用いて、底部磁気層12’および頂部磁気層20’を固着することが可能である。
【0019】
図3について説明すると、この図は、本発明の磁気素子の第3の実施形態の簡単な断面図である。より詳細に説明すると、この図は、その一部として、(今説明している)合成反強磁性(SAF)構造体を含む磁気素子30である。磁気素子30は、底部固着磁気層32と、底部トンネル・バリヤ層34と、合成反強磁性構造体36と、頂部トンネル・バリヤ層38と、頂部固着磁気層40とを含む。底部固着磁気層32、合成反強磁性構造体36、および頂部固着磁気層40は、強磁性層を含む。底部磁気層32は、金属リード44上に形成されている拡散バリヤ層42上に形成される。拡散バリヤ層42は、通常、窒化タンタル(TaN)上に形成され、磁気素子30の熱安定性を助長する。金属リード44は、通常、同じタイプの誘電材料(図示せず)上に形成される。
【0020】
底部固着強磁性層32および頂部強磁性層40は、印加磁界が存在する場合に、その磁気モーメントの回転が防止されるので、固着されている、または固定されていると表現される。強磁性層32,40は、通常、下記の金属、すなわち、ニッケル(Ni)、鉄(Fe)およびコバルト(Co)の中の1つまたはそれ以上の合金により形成され、各層は、それぞれ、頂面33,41と、底面31,39とを含む。
【0021】
合成反強磁性構造体36は、相互に逆平行に形成されており、この実施形態の場合には、静止している場合に、底部固着強磁性層32、および頂部固着強磁性層40に対して、共線的に整列している、底部自由磁気層46および頂部自由磁気層48を含む。底部自由磁気層46および頂部自由磁気層48は、通常、ルテニウム(Ru)層等から形成されている交換スペーサ50により分離されている。自由磁気層46と自由磁気層48との間の逆平行整列は、底部自由磁気層46と頂部自由磁気層48との間で反強磁性結合を行う交換スペーサ層50により、または静磁気結合、またはその他の手段により達成される。
【0022】
自由強磁性層46,48および固着強磁性層32,40は、通常、下記の金属、すなわち、ニッケル(Ni)、鉄(Fe)およびコバルト(Co)の中の1つまたはそれ以上の合金により形成される。固着強磁性層32,40は、5〜5000Åの範囲内の厚さを有する。自由強磁性層46,48の厚さは、一般に、それぞれ、500Åより薄い。第2の拡散バリヤ層52は、頂部固着磁気層40の一番上の面41上に形成される。金属リード54は、第2の拡散バリヤ層52の表面上に形成される。
【0023】
この特定の実施形態の場合には、底部トンネル・バリヤ層34および頂部トンネル・バリヤ層38は、両方とも、通常、AlOxという式を有する酸化アルミニウムから形成される。ここで、x≦1.5である。合成反強磁性構造体36を含むこの実施形態の場合には、底部トンネル・バリヤ層34および頂部トンネル・バリヤ層38は同じタイプのものである。より詳細に説明すると、底部トンネル・バリヤ層34および頂部トンネル・バリヤ層38は、磁気トンネル接合が、逆平行整列磁極に対して最大抵抗(R)を有し、平行整列磁極に対して最小抵抗(R)を有するような正のトンネル・バリヤ層である。より詳細に説明すると、自由強磁性層46,48が対向して向き合っている場合には、底部自由磁気層46が固着磁気層32に逆平行であり、頂部自由磁気層48が固着磁気層40に逆平行になっている場合、抵抗は最大になる。底部自由磁気層46が底部固着磁気層32に平行になっており、頂部自由磁気層48が固着磁気層40に対して平行になっている場合には、抵抗は最小になる。合成反強磁性構造体を含むこの磁気素子は、トンネル・バリヤ層34,38を形成するために、同じタイプの材料を内蔵させ、より大きな磁気抵抗比(MR%)またはより強力な信号を供給し、電圧依存性が小さくなる。通常、磁気抵抗比は、バイアス電圧が増大するにつれて小さくなる。従って、それぞれにバイアス電圧の半分が掛かる、二重のトンネル・バリヤ層34,38を内蔵させることによりバイアス電圧が増大した場合に、磁気抵抗比の低減率が少なくなる。動作中、底部および頂部からのすべてのトポロジー的な正の結合は打ち消される。このタイプの構造体は、MRAM用途用に形成される。磁気素子30の動作中、磁気層32,40は、小型のデバイスに対する磁束の閉じ込めおよび磁気エネルギーの低減により逆平行方向を向き、この方向に固定される。磁気層46,48は、磁気層32,40に対する2つの共線的に並んだ状態のうちの一方に留まるために、依然として自由に回転することができる。そのため、この構造体は、MRAM用途のようなメモリ・デバイスで使用するのに適している。これに代わって、大型のMRAMセルにおいては、反強磁性層からのピンニングを用いて、底部磁気層12’および頂部磁気層20’を固着することが可能である。
【0024】
本開示により、すでに説明したように、合成反強磁性構造体36を、2つのトンネル・バリヤ層34,38の間に形成することもできるし、または別な方法としては、底部トンネル・バリヤ層34の下に形成することもできるし、頂部トンネル・バリヤ層38の表面39の上に形成することも予想できることを理解されたい。開示を容易にするために、底部トンネル・バリヤ層34および頂部トンネル・バリヤ層38の間への合成反強磁性構造体36の形成については、図3に関して説明する。
【0025】
図4について説明すると、この図は、本発明の磁気素子の第4の実施形態の簡単な断面図である。第4の実施形態の構成部材に類似している、図3の第3の実施形態のすべての構成部材には、異なる実施形態であることを示すためのプライム記号を含む類似の参照番号がついていることに留意されたい。図3のところで説明した構造体のように、この構造体も、その一部として合成反強磁性(SAF)構造体を含む磁気素子30’を含む。磁気素子30’は、底部固着磁気層32’と、底部トンネル・バリヤ層34’と、合成反強磁性構造体36’と、頂部トンネル・バリヤ層38’と、頂部固着磁気層40’を含む。底部固着磁気層32’、合成反強磁性構造体36’および頂部固着磁気層40’は、強磁性層を含む。底部磁気層32’は、金属リード44’上に形成されている拡散バリヤ層42’上に形成される。拡散バリヤ層42’は、通常、窒化タンタル(TaN)から形成されており、磁気素子30の熱安定性を助長する。金属リード44’は、通常、ある種の誘電材料(図示せず)上に形成される。
【0026】
底部固着強磁性層32’、および頂部固着強磁性層40’は、磁界内に位置する場合に、その磁気モーメントの回転が防止されるので、固着されている、または固定されていると表現される。強磁性層32’,40’は、通常、下記の金属、すなわち、ニッケル(Ni)、鉄(Fe)およびコバルト(Co)の中の1つまたはそれ以上の合金からできていて、各層は、それぞれ頂面33’,41’と、それぞれ底面31’,39’とを含む。
【0027】
合成反強磁性構造体36’は、底部自由磁気層46’、相互に逆平行に形成されており、底部固着強磁性層32’および頂部固着強磁性層40’に対して垂直方向に整列している頂部自由磁気層48’を含む。底部自由磁気層46’および頂部自由磁気層48’は、通常、ルテニウム(Ru)等の層で形成される交換スペーサ層50’により分離されている。自由磁気層46’と自由磁気層48’との間の逆平行整列は、底部自由磁気層46’と頂部自由磁気層48’との間の反強磁性結合による交換スペーサ層50’により、または端部静磁気結合により、または他の手段により行われる。
【0028】
自由強磁性層46’,48’および固着強磁性層32’,40’は、通常、下記の金属、すなわち、ニッケル(Ni)、鉄(Fe)およびコバルト(Co)の中の1つまたはそれ以上の合金から形成される。固着強磁性層32’,40’は、5〜5000Åの範囲内の厚さを有する。自由強磁性層46’,48’の厚さは、一般に、それぞれ、500Åより薄い。第2の拡散バリヤ層52’は、頂部固着磁気層40’の一番上の面41’上に形成される。金属リード54’は、第2の拡散バリヤ層52’の表面上に形成される。
【0029】
この特定の実施形態の場合には、底部トンネル・バリヤ層34’および頂部トンネル・バリヤ層38’は、通常、AlOxという式を有する酸化アルミニウムから形成される。ここで、x≦1.5である。合成反強磁性構造体36’を含むこの実施形態の場合には、底部トンネル・バリヤ層34’および頂部トンネル・バリヤ層38’は同じタイプのものである。より詳細に説明すると、底部トンネル・バリヤ層34’および頂部トンネル・バリヤ層38’は、磁気トンネル接合が、逆平行整列磁極に対して最大抵抗(R)を有し、平行整列磁極に対して最小抵抗(R)を有するような正のトンネル・バリヤ層である。より詳細に説明すると、自由強磁性層46’,48’が対向して向き合っている場合で、底部自由磁気層46’が回転して固着磁気層32’に対して逆平行となり、頂部自由磁気層48’が回転して固着磁気層40’に対して逆平行となる場合に、抵抗は最大になる。底部自由磁気層46’が回転して、底部固着磁気層32’に対して平行になり、頂部自由磁気層48’が回転して、固着磁気層40’に対して平行になる場合に、抵抗は最小になる。このタイプの構造体は、トンネル・バリヤ層34’および38’を形成するために、同じタイプの材料を内蔵させ、より大きな磁気抵抗比(MR%)またはより強力な信号を供給し、電圧依存性が小さくなる。通常、磁気抵抗比は、バイアス電圧が増大するにつれて小さくなる。従って、それぞれにバイアス電圧の半分が掛かる、二重のトンネル・バリヤ層34’,38’を内蔵させることにより、バイアス電圧が増大した場合、磁気抵抗比の低減率が少なくなる。動作中、底部および頂部からのすべてのトポロジー的な正の結合は打ち消される。このタイプの構造体は、読取ヘッドおよび磁気センサ用に設計される。磁気素子30’の動作中、磁気層32’,40’は、磁束の閉じ込めおよび磁気エネルギーの低減により逆平行方向を向き、この方向に固定される。磁気層46’,48’は、磁気層32’,40’に対して直交方向を中心として依然として自由に回転することができる。これら磁気層が磁界を検出した場合には、それが検出する磁界に比例する直線的な電圧の変化が起こり、この構造体は、読取ヘッド・デバイスおよび磁気センサで使用するのに適したものになる。
【0030】
本明細書を読めば分かると思うが、すでに説明したように、合成反強磁性構造体36’を2つのトンネル・バリヤ層34’とトンネル・バリヤ層38’との間に形成できること、または別な方法としては、底部トンネル・バリヤ層34’の下に形成できること、または頂部トンネル・バリヤ層38’の表面39’上に形成できることを理解されたい。底部トンネル・バリヤ層34’および頂部トンネル・バリヤ層38’の間への合成反強磁性構造体36’の内蔵については、説明の都合上図4に関して説明する。
【0031】
したがって、本発明は、改善された磁気抵抗比を有する磁気素子、および二重のトンネル・バリヤ層を内蔵させることにより磁気抵抗比が改善されるその製造方法に関する。すでに説明したように、この技術は、磁気センサ、磁気記録ヘッド、磁気記録媒体等のようなパターン形成された磁気素子を使用するデバイスに適用することができる。それ故、上記例は本発明の範囲内に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の改善された磁気抵抗比を有する磁気素子の第1の実施形態の断面図。
【図2】 本発明の改善された磁気抵抗比を有する磁気素子の第2の実施形態の断面図。
【図3】 本発明の改善された磁気抵抗比を有する磁気素子の第2の実施形態の断面図。
【図4】 本発明の改善された磁気抵抗比を有する磁気素子の第3の実施形態の断面図。
Claims (4)
- 磁気素子であって、
頂面および底面を有し、かつ印加磁界が存在する場合に、その磁化の方向が好適な方向に固定される底部固着強磁性層と、
頂面および底面を有し、かつ印加磁界が存在する場合に、その磁化の方向が好適な方向に固着される頂部固着強磁性層であって、前記底部固着強磁性層および前記頂部固着強磁性層の磁化の方向が、相互に逆平行に形成されている、前記頂部固着強磁性層と、
前記底部固着強磁性層と前記頂部固着強磁性層との間に形成されている底部トンネル・バリヤ層と、自由強磁性層と、頂部トンネル・バリヤ層とを備え、
前記頂部トンネル・バリヤ層は、逆平行整列磁極に対して最大抵抗を有し、かつ平行整列磁極に対して最小抵抗を有する磁気トンネル接合を形成する材料からなり、前記底部トンネル・バリヤ層は、平行整列磁極に対して最大抵抗を有し、かつ逆平行整列磁極に対して最小抵抗を有する磁気トンネル接合を形成する材料からなる、磁気素子。 - 前記自由強磁性層、前記頂部固着強磁性層および前記底部固着強磁性層は、ニッケル−鉄、ニッケル−鉄−コバルト、コバルト−鉄、およびコバルトのうちの少なくとも1つからなり、
前記自由強磁性層は、前記底部トンネル・バリヤ層と前記頂部トンネル・バリヤ層とを分離する単一層として形成され、前記自由強磁性層は、反転磁界よりも大きい印加磁界が存在する場合に自由に回転する磁化を有する、請求項1に記載の磁気素子。 - 磁気素子であって、
頂面および底面を有し、かつ印加磁界が存在する場合に、その磁化の方向が好適な方向に固定される底部固着強磁性層と、
前記底部固着強磁性層の頂面上に形成されている底部トンネル・バリヤ層と、
前記底部トンネル・バリヤ層の頂面上に形成された自由強磁性層であって、該自由強磁性は頂面および底面を有し、かつ反転磁界よりも大きい印加磁界が存在する場合に、その磁化方向が自由に回転する、前記自由強磁性層と、
前記自由強磁性層の頂面上に形成されている頂部トンネル・バリヤ層と、
前記頂部トンネル・バリヤ層の頂面上に形成されており、印加磁界が存在する場合に、磁化方向が好適な方向に固定される頂部固着強磁性層であって、前記底部固着強磁性層および前記頂部固着強磁性層の磁化の方向が、相互に逆平行に形成されている、前記頂部固着強磁性層とを備え、
それにより、前記自由強磁性層の磁化の方向が、前記底部固着強磁性層および前記頂部固着強磁性層と平行または逆平行に整列されているか、または前記底部固着強磁性層および前記頂部固着強磁性層と直交して整列されており、前記頂部トンネル・バリヤ層は、逆平行整列磁極に対して最大抵抗を有し、かつ平行整列磁極に対して最小抵抗を有し、前記底部トンネル・バリヤ層は、平行整列磁極に対して最大抵抗を有し、かつ逆平行整列磁極に対して最小抵抗を有する、磁気素子。 - 磁気素子を製造するための方法であって、
頂面と底面と厚さを有し、かつ印加磁界が存在する場合に、その磁化の方向が好適な方向に固着される底部固着強磁性層を形成するステップと、
頂面および底面を有し、かつ印加磁界が存在する場合に、その磁化の方向が好適な方向に固着されている頂部固着強磁性層を形成するステップであって、前記底部固着強磁性層および前記頂部固着強磁性層の磁化の方向が相互に逆平行に形成されている、前記頂部固着強磁性層を形成するステップと、
前記底部固着強磁性層と前記頂部固着強磁性層との間に、底部トンネル・バリヤ層、自由強磁性層、および頂部トンネル・バリヤ層を形成するステップとを含み、
前記頂部トンネル・バリヤ層は、逆平行整列磁極に対して最大抵抗を有し、かつ平行整列磁極に対して最小抵抗を有する磁気トンネル接合を形成する材料からなり、前記底部トンネル・バリヤ層は、平行整列磁極に対して最大抵抗を有し、かつ逆平行整列磁極に対して最小抵抗を有する磁気トンネル接合を形成する材料からなる、方法。
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