DE102019107444A1

DE102019107444A1 - Magnetoresistive Vorrichtung

Info

Publication number: DE102019107444A1
Application number: DE102019107444.4A
Authority: DE
Inventors: Kenzo Makino
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2018-03-23
Filing date: 2019-03-22
Publication date: 2019-09-26
Also published as: US10672421B2; JP2019169613A; US20190293732A1; CN110299447A; JP6958453B2; CN110299447B

Abstract

Eine magnetoresistive Vorrichtung weist ein MR-Element und eine Bias-Magnetfelderzeugungseinheit auf. Das MR-Element weist eine freie Schicht auf, die so geformt ist, dass sie in einer Richtung lang ist. Die Bias-Magnetfelderzeugungseinheit weist eine ferromagnetische Schicht zum Erzeugen eines Bias-Magnetfelds auf. Die ferromagnetische Schicht weist zwei Hauptteile, einen ersten Seitenteil und einen zweiten Seitenteil, die zum Umgeben des Umfangs der freien Schicht angeordnet sind, auf. In irgendeinem senkrecht zu der Längsrichtung der freien Schicht verlaufenden Querschnitt betragen ein kürzester Abstand zwischen dem ersten Seitenteil und der freien Schicht und ein kürzester Abstand zwischen dem zweiten Seitenteil und der freien Schicht 35 nm oder weniger.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine magnetoresistive Vorrichtung, die ein magnetoresistives Element und eine Bias-Magnetfelderzeugungseinheit aufweist.
Beschreibung der verwandten Technik
Magnetoresistive Vorrichtungen, wie zum Beispiel Magnetsensoren, die magnetoresistive Elemente verwenden, werden für verschiedenste Anwendungen verwendet. Beispiele für die magnetoresistiven Elemente umfassen ein magnetoresistives Spin-Ventilelement. Das magnetoresistive Spin-Ventilelement weist eine Schicht mit festgelegter Magnetisierung, die eine Magnetisierung in einer festgelegten Richtung aufweist, eine freie Schicht mit einer Magnetisierung, deren Richtung gemäß der Richtung eines daran angelegten Magnetfelds variabel ist, und eine Spaltschicht, die zwischen der Schicht mit festgelegter Magnetisierung und der freien Schicht angeordnet ist, auf.
Bei einer magnetoresistiven Vorrichtung, die ein magnetoresistives Element verwendet, arbeitet das magnetoresistive Element wünschenswerterweise in seinem linearen Bereich. Der lineare Bereich des magnetoresistiven Elements bezieht sich in einem Kennliniendiagramm, das eine Beziehung zwischen einem an das magnetoresistive Element angelegten Magnetfeld und dem Widerstandswert des magnetoresistiven Elements zeigt, auf einen Bereich, in dem der Widerstandswert des magnetoresistiven Elements linear oder fast linear in Beziehung zu Änderungen des angelegten Magnetfelds variiert.
Bekannte Techniken zur Einstellung des Betriebsbereichs des magnetoresistiven Elements, so dass das magnetoresistive Element in seinem linearen Bereich arbeitet, umfassen eine Technik des Anlegens eines Bias-Magnetfelds an das magnetoresistive Element und eine Technik des Versehens der freien Schicht des magnetoresistiven Elements mit uniaxialer magnetischer Anisotropie, wie zum Beispiel magnetischer Formanisotropie.
Die US 6,005,753A , JPH05-258245A und WO2009/090739 offenbaren jeweils eine Vorrichtung, die ein magnetoresistives Element und eine ferromagnetische Schicht zum Anlegen eines Bias-Magnetfelds an das magnetoresistive Element aufweist.
In der US 6,005,753A ist das magnetoresistive Element in einer Richtung lang, und die ferromagnetische Schicht ist so vorgesehen, dass sie zwei Ränder des magnetoresistiven Elements, die in der Längsrichtung an einander gegenüberliegenden Enden liegen, und einen Rand des magnetoresistiven Elements, der sich parallel zu der Längsrichtung des magnetoresistiven Elements befindet, umgibt.
Sowohl in der JPH05-258245A als auch in der WO2009/090739 ist die ferromagnetische Schicht so angeordnet, dass sie den gesamten Umfang des magnetoresistiven Elements, wie von oben aus gesehen, umgibt.
Bei dem magnetoresistiven Element, das eine freie Schicht mit einer magnetischen Formanisotropie aufweist, ist die Magnetisierungsrichtung der freien Schicht, wenn kein Magnetfeld daran angelegt ist, auf eine von zwei Richtungen eingestellt, die parallel zu der Vorzugsrichtung der Magnetisierung der freien Schicht verlaufen und einander entgegengesetzt sind. Bei solch einem magnetoresistiven Element kann es jedoch zum Beispiel aufgrund eines daran angelegten Störmagnetfelds zu einer Umkehr der Magnetisierung der freien Schicht kommen. Bei einem solch ein magnetoresistives Element verwendenden Magnetsensor kann eine Umkehr der Magnetisierung der freien Schicht zum Beispiel bewirken, dass sich anschließend erhaltene Detektionswerte des Magnetsensors von den wahren Werten unterscheiden.
Wenn eine ferromagnetische Schicht um ein magnetoresistives Element angeordnet ist, um ein Bias-Magnetfeld an das magnetoresistive Element anzulegen, kann andererseits aufgrund von beispielsweise Einschränkungen hinsichtlich der Stelle der ferromagnetischen Schicht möglicherweise kein Bias-Magnetfeld mit ausreichender Stärke an das magnetoresistive Element angelegt werden.
Zur Abhilfe kann ein magnetoresistives Element verwendet werden, das eine freie Schicht mit magnetischer Formanisotropie aufweist, und die Magnetisierungsrichtung der freien Schicht kann gesteuert werden, indem eine ferromagnetische Schicht so vorgesehen wird, dass sie, von oben aus gesehen, den gesamten Umfang des magnetoresistiven Elements umgibt, wie zum Beispiel in der WO2009/090739 beschrieben wird.
Aber selbst in einem solchen Fall gibt es Probleme wie sie nachstehend beschrieben werden. Bei einem tatsächlich hergestellten magnetoresistiven Element weisen zwei Seitenflächen der freien Schicht, die sich allgemein in der Längsrichtung der freien Schicht erstrecken, winzige Oberflächenunebenheiten auf. Die Oberflächenunebenheiten können zu der Bildung eines Kerns einer Magnetisierungsumkehr (im Folgenden als „Umkehrungskern“ bezeichnet) in der freien Schicht führen. Wenn ein Störmagnetfeld an der freien Schicht mit dem darin gebildeten Umkehrungskern angelegt wird, kann sich ein Magnetisierungsumkehrbereich in der freien Schicht beginnend am Umkehrungskern ausweiten. Dies kann eine lokale oder gesamte Magnetisierungsumkehr der freien Schicht verursachen.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung einer magnetoresistiven Vorrichtung, die ein magnetoresistives Element verwendet, das eine freie Schicht mit magnetischer Formanisotropie aufweist und das eine Umkehr der Magnetisierung der freien Schicht verhindern kann.
Eine magnetoresistive Vorrichtung der vorliegenden Erfindung weist ein magnetoresistives Element und eine Bias-Magnetfelderzeugungseinheit auf. Das magnetoresistive Element weist eine freie Schicht mit einer Magnetisierung, deren Richtung durch ein daran angelegtes Magnetfeld variabel ist, auf. Die Bias-Magnetfelderzeugungseinheit weist eine ferromagnetische Schicht zum Erzeugen eines Bias-Magnetfelds zum Anlegen an die freie Schicht auf. Die freie Schicht weist eine erste Fläche und eine zweite Fläche, die sich in einer ersten Richtung an gegenüberliegenden Enden befinden, und eine die erste Fläche und die zweite Fläche verbindende Umfangsfläche auf. Die erste Fläche ist so geformt, dass sie in einer orthogonal zur ersten Richtung verlaufenden zweiten Richtung lang ist.
Die ferromagnetische Schicht weist einen oder zwei Hauptteile, einen ersten Seitenteil und einen zweiten Seitenteil auf. In einem durch den Schwerpunkt der ersten Fläche und parallel zu der ersten und zweiten Richtung verlaufenden ersten Querschnitt befinden sich der eine oder die zwei Hauptteile in der zweiten Richtung auf einer Seite oder auf einander gegenüberliegenden Seiten der freien Schicht. In einem durch den Schwerpunkt der ersten Fläche und senkrecht zu der zweiten Richtung verlaufenden zweiten Querschnitt befinden sich der erste Seitenteil und der zweite Seitenteil in einer senkrecht zu der ersten und zweiten Richtung verlaufenden dritten Richtung auf einander gegenüberliegenden Seiten der freien Schicht.
In dem zweiten Querschnitt betragen ein kürzester Abstand zwischen der Umfangsfläche der freien Schicht und dem ersten Seitenteil und ein kürzester Abstand zwischen der Umfangsfläche der freien Schicht und dem zweiten Seitenteil 35 nm oder weniger.
Bei der magnetoresistiven Vorrichtung der vorliegenden Erfindung können in irgendeinem Querschnitt, der die freie Schicht schneidet und senkrecht zu der zweiten Richtung verläuft, der kürzeste Abstand zwischen der Umfangsfläche der freien Schicht und dem ersten Seitenteil und der kürzeste Abstand zwischen der Umfangsfläche der freien Schicht und dem zweiten Seitenteil 35 nm oder weniger betragen.
Bei der magnetoresistiven Vorrichtung der vorliegenden Erfindung können in dem zweiten Querschnitt der kürzeste Abstand zwischen der Umfangsfläche der freien Schicht und dem ersten Seitenteil und der kürzeste Abstand zwischen der Umfangsfläche der freien Schicht und dem zweiten Seitenteil 20 nm oder weniger betragen.
Bei der magnetoresistiven Vorrichtung der vorliegenden Erfindung kann das magnetoresistive Element ferner eine Schicht mit festgelegter Magnetisierung, die eine Magnetisierung in einer vorbestimmten Richtung aufweist, und eine zwischen der Schicht mit festgelegter Magnetisierung und der freien Schicht angeordnete Spaltschicht aufweisen. Die Schicht mit festgelegter Magnetisierung, die Spaltschicht und die freie Schicht sind in der ersten Richtung gestapelt.
Die magnetoresistive Vorrichtung der vorliegenden Erfindung kann ferner einen nichtmagnetischen Film aufweisen, der die freie Schicht von der ferromagnetischen Schicht trennt. In solch einem Fall können in dem zweiten Querschnitt der kürzeste Abstand zwischen der Umfangsfläche der freien Schicht und dem ersten Seitenteil und der kürzeste Abstand zwischen der Umfangsfläche der freien Schicht und dem zweiten Seitenteil im Bereich von 1 bis 20 nm liegen.
Bei der magnetoresistiven Vorrichtung der vorliegenden Erfindung können der eine oder die zwei Hauptteile die beiden Hauptteile sein. In solch einem Fall können die beiden Hauptteile, der erste Seitenteil und der zweite Seitenteil den gesamten Umfang der freien Schicht, wie in einer von der ersten Fläche zu der zweiten Fläche der freien Schicht verlaufenden Richtung gesehen, umgeben.
Bei der magnetoresistiven Vorrichtung der vorliegenden Erfindung kann sich das Bias-Magnetfeld in der zweiten Richtung oder in einer Richtung, die bezüglich der zweiten Richtung einen spitzen Winkel bildet, befinden.
Bei der magnetoresistiven Vorrichtung der vorliegenden Erfindung kann die Bias-Magnetfelderzeugungseinheit ferner eine antiferromagnetische Schicht aufweisen, die zur Austauschkopplung mit der ferromagnetischen Schicht konfiguriert ist.
Ein Herstellungsverfahren gemäß dem ersten sowie dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung der magnetoresistiven Vorrichtung der vorliegenden Erfindung.
Das Herstellungsverfahren gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist die Schritte des Bildens einer Struktur, die später zu dem magnetoresistiven Element wird; Entfernens eines Teils der Struktur, so dass die Struktur zu dem magnetoresistiven Element wird und in der Struktur ein Aufnahmeteil gebildet wird; und Bildens der Bias-Magnetfelderzeugungseinheit in dem Aufnahmeteil auf.
Das Herstellungsverfahren gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist die Schritte des Bildens einer Struktur, die später zu der Bias-Magnetfelderzeugungseinheit wird; Entfernens eines Teils der Struktur, so dass die Struktur zu der Bias-Magnetfelderzeugungseinheit wird und in der Struktur ein Aufnahmeteil gebildet wird; und Bildens des magnetoresistiven Elements in dem Aufnahmeteil auf.
Die magnetoresistive Vorrichtung und ihr Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung verhindern die Bildung eines Umkehrungskerns in der freien Schicht und verhindern infolgedessen das Auftreten einer Magnetisierungsumkehr in der freien Schicht.
Andere und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung ersichtlicher.
Figurenliste

1 ist eine Draufsicht, die wesentliche Teile einer magnetoresistiven Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.
2 ist eine Querschnittsansicht, die einen ersten Querschnitt der magnetoresistiven Vorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.
3 ist eine Querschnittsansicht, die einen zweiten Querschnitt der magnetoresistiven Vorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.
4 ist ein Schaltplan, der die Konfiguration eines beispielhaften Magnetsensors veranschaulicht, der die magnetoresistive Vorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung aufweist.
5 ist eine Draufsicht, die wesentliche Teile der magnetoresistiven Vorrichtung eines Vergleichsbeispiels veranschaulicht.
6 ist ein erläuterndes Diagramm zur Erläuterung eines Problems der magnetoresistiven Vorrichtung des Vergleichsbeispiels.
7 ist ein erläuterndes Diagramm zur Erläuterung der Wirkung der magnetoresistiven Vorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung.
8 ist ein erläuterndes Diagramm, das ein Simulationsmodell veranschaulicht.
9 ist ein Kennfeld, das Simulationsergebnisse veranschaulicht.
10 ist eine Querschnittsansicht, die einen Schritt eines Herstellungsverfahrens für die magnetoresistive Vorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.
11 ist eine Querschnittsansicht, die einen dem Schritt von 10 folgenden Schritt veranschaulicht.
12 ist eine Querschnittsansicht, die einen dem Schritt von 11 folgenden Schritt veranschaulicht.
13 ist eine Draufsicht, die wesentliche Teile einer magnetoresistiven Vorrichtung eines ersten Modifikationsbeispiels der ersten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.
14 ist eine Draufsicht, die wesentliche Teile einer magnetoresistiven Vorrichtung eines zweiten Modifikationsbeispiels der ersten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.
15 ist eine Querschnittsansicht einer magnetoresistiven Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
16 ist eine Querschnittsansicht einer magnetoresistiven Vorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
17 ist eine Querschnittsansicht, die einen Schritt eines Herstellungsverfahrens für die magnetoresistive Vorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.
18 ist eine Querschnittsansicht, die einen dem Schritt von 17 folgenden Schritt veranschaulicht.
19 ist eine Querschnittsansicht, die einen dem Schritt von 18 folgenden Schritt veranschaulicht.
20 ist eine Querschnittsansicht einer magnetoresistiven Vorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung.
21 ist eine Querschnittsansicht, die einen Schritt eines Herstellungsverfahrens für die magnetoresistive Vorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.
22 ist eine Querschnittsansicht, die einen dem Schritt von 21 folgenden Schritt veranschaulicht.
23 ist eine Querschnittsansicht, die einen dem Schritt von 22 folgenden Schritt veranschaulicht.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
[Erste Ausführungsform]
Es werden nunmehr bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben. Es folgt zunächst eine Beschreibung der Konfiguration einer magnetoresistiven Vorrichtung 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. 1 ist eine Draufsicht, die wesentliche Teile der magnetoresistiven Vorrichtung 1 veranschaulicht. 2 ist eine Querschnittsansicht, die einen ersten Querschnitt der magnetoresistiven Vorrichtung 1 veranschaulicht. 3 ist eine Querschnittsansicht, die einen zweiten Querschnitt der magnetoresistiven Vorrichtung 1 veranschaulicht. Der erste Querschnitt und der zweite Querschnitt werden später beschrieben.
Wie in den 2 und 3 gezeigt wird, enthält die magnetoresistive Vorrichtung 1 ein magnetoresistives Element 10 (MR-Element), eine Bias-Magnetfelderzeugungseinheit 20, einen nichtmagnetischen Film 30, eine untere Elektrode 41 und eine obere Elektrode 42. Die untere Elektrode 41 weist eine Oberseite 41a und eine Unterseite 41b auf.
Nunmehr werden die x-, y- und z-Richtung wie folgt definiert. Die x-, die y- und die z-Richtung verlaufen orthogonal zueinander. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist die z-Richtung als die senkrecht zu der Oberseite 41a der unteren Elektrode 41 und von der Unterseite 41b zu der Oberseite 41a verlaufende Richtung definiert. Die x- und y-Richtung verlaufen beide parallel zur Oberseite 41a der unteren Elektrode 41. Die der x-, y- bzw. z-Richtung entgegengesetzten Richtungen werden als -x-, -y- bzw. -z-Richtungen bezeichnet. Die z-Richtung, die y-Richtung und die x-Richtung entsprechen bei der vorliegenden Erfindung einer ersten Richtung, einer zweiten Richtung bzw. einer dritten Richtung. Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff „über“ auf Positionen, die sich vor einer Referenzposition in der z-Richtung befinden, und „unter“ bezieht sich auf Positionen, die sich auf einer Seite der Referenzposition gegenüber „über“ befinden.
Die obere Elektrode 42 ist über der unteren Elektrode 41 angeordnet. Das MR-Element 10 ist zwischen der unteren Elektrode 41 und der oberen Elektrode 42 angeordnet. Das MR-Element 10 weist eine Unterseite, die sich mit der unteren Elektrode 41 in Kontakt befindet, eine Oberseite, die sich mit der oberen Elektrode 42 in Kontakt befindet, und eine Umfangsfläche, die die Ober- und Unterseite verbindet, auf.
Ein nichtmagnetischer Film 30 bedeckt einen Teil der Oberseite 41a der unteren Elektrode 41 um das MR-Element 10 herum und die Umfangsfläche des MR-Elements 10. Die Bias-Magnetfelderzeugungseinheit 20 befindet sich um das MR-Element 10 herum und ist zwischen dem nichtmagnetischen Film 30 und der oberen Elektrode 42 angeordnet. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist der nichtmagnetische Film 30 insbesondere ein Isolierfilm.
Das MR-Element 10 enthält eine antiferromagnetische Schicht 11, eine Schicht 12 mit festgelegter Magnetisierung, eine Spaltschicht 13 und eine freie Schicht 14, die in dieser Reihenfolge gestapelt sind, wobei sich die antiferromagnetische Schicht 11 am nächsten zur unteren Elektrode 41 befindet. Die freie Schicht 14 weist eine Oberseite 14a und eine Unterseite 14b, die sich in der ersten Richtung, das heißt der z-Richtung, an einander gegenüberliegenden Enden befinden, und eine Umfangsfläche 14c, die die Oberseite 14a und die Unterseite 14b verbindet, auf. Die Oberseite 14a entspricht bei der vorliegenden Erfindung der ersten Fläche der freien Schicht, und die Unterseite 14b entspricht bei der vorliegenden Erfindung der zweiten Fläche der freien Schicht.
Wie die freie Schicht 14 weisen die antiferromagnetische Schicht 11, die Schicht 12 mit festgelegter Magnetisierung und die Spaltschicht 13 jeweils auch eine Oberseite, eine Unterseite und eine Umfangsfläche auf. Die Umfangsfläche des MR-Elements 10 wird durch die Umfangsflächen der antiferromagnetischen Schicht 11, der Schicht 12 mit festgelegter Magnetisierung, der Spaltschicht 13 und der freien Schicht 14 gebildet.
Die Schicht 12 mit festgelegter Magnetisierung weist eine Magnetisierung in einer vorbestimmten Richtung auf. Die antiferromagnetische Schicht 11 ist mit der unteren Elektrode 41 elektrisch verbunden. Die antiferromagnetische Schicht 11 ist aus einem antiferromagnetischen Material gebildet und erzeugt eine Austauschkopplung zwischen der Schicht 12 mit festgelegter Magnetisierung und sich selbst, wodurch die Richtung der Magnetisierung der Schicht 12 mit festgelegter Magnetisierung festgelegt wird.
Die freie Schicht 14 weist eine Magnetisierung auf, deren Richtung durch ein daran angelegtes Magnetfeld variabel ist. Die freie Schicht 14 ist mit der oberen Elektrode 42 elektrisch verbunden. Die Spaltschicht 13 ist zwischen der Schicht 12 mit festgelegter Magnetisierung und der freien Schicht 14 angeordnet.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Schichten 11 bis 14 des MR-Elements 10 in der umgekehrten Reihenfolge als die in den 2 und 3 gezeigte gestapelt sein können. Das MR-Element 10 kann auch ohne die antiferromagnetische Schicht 11 konfiguriert sein. Bei solch einer Konfiguration kann anstelle der antiferromagnetischen Schicht 11 und der Schicht 12 mit festgelegter Magnetisierung zum Beispiel eine künstliche antiferromagnetische Struktur aufweisende Schicht mit festgelegter Magnetisierung, die zwei ferromagnetische Schichten und eine zwischen den beiden ferromagnetischen Schichten angeordnete nichtmagnetische Metallschicht aufweist, vorgesehen sein.
Die obere Elektrode 42 und die untere Elektrode 41 dienen der Zuführung eines Stroms für die Detektion eines magnetischen Signals zu dem MR-Element 10.
Das MR-Element 10 ist ein Spin-Ventil-MR-Element. Das MR-Element 10 ist auch ein MR-Element der CPP-Art (CPP - current-perpendicular-to-plane / Strom senkrecht zur Ebene), bei der der Strom für die Detektion eines magnetischen Signals in einer allgemein senkrecht zu der Ebene der das MR-Element 10 bildenden Schichten verlaufenden Richtung zugeführt wird.
Das MR-Element 10 kann entweder ein Tunnelmagnetowiderstandselement (TMR-Element, TMR - tunneling magnetoresistive) oder ein Riesenmagnetowiderstandselement (GMR-Element, GMR - giant magnetoresistive) sein. Bei dem TMR-Element ist die Spaltschicht 13 eine Tunnelbarrierenschicht. Bei dem GMR-Element ist die Spaltschicht 13 eine nichtmagnetische leitende Schicht. Das MR-Element 10 variiert hinsichtlich seines Widerstands gemäß dem Winkel, den die Magnetisierungsrichtung der freien Schicht 14 bezüglich der Magnetisierungsrichtung der Schicht 12 mit festgelegter Magnetisierung bildet, und weist einen geringsten Widerstand auf, wenn der vorstehende Winkel 0° beträgt, und weist einen höchsten Widerstand auf, wenn der vorstehende Winkel 180° beträgt.
1 zeigt das MR-Element 10 und die Bias-Magnetfelderzeugungseinheit 20, wobei die obere Elektrode 42 weggelassen ist. 1 veranschaulicht die Formen und Positionen des MR-Elements 10 und der Bias-Magnetfelderzeugungseinheit 20, wie aus Richtung der Oberseite 14a zu der Unterseite 14b der freien Schicht 14 gesehen, das heißt, wie von oben aus gesehen. Wie von oben aus gesehen, ist das MR-Element 10 so geformt, dass es in der zweiten Richtung, das heißt der y-Richtung, lang ist. Wie in 1 gezeigt wird, sind somit die Oberseite 14a und die gesamte freie Schicht 14 auch so geformt, dass sie in der y-Richtung lang sind. Die freie Schicht 14 weist somit eine magnetische Formanisotropie auf. Die freie Schicht 14 weist eine Vorzugsrichtung der Magnetisierung auf, die in der Längsrichtung der freien Schicht 14, das heißt in einer parallel zu der y-Richtung verlaufenden Richtung, ausgerichtet ist. Die Magnetisierung der Schicht 12 mit festgelegter Magnetisierung ist zum Beispiel in der x- oder y-Richtung ausgerichtet.
1 zeigt ein Beispiel, in dem das MR-Element 10 und die freie Schicht 14, von oben aus gesehen, eine elliptische Form aufweisen. Das MR-Element 10 und die freie Schicht 14 müssen jedoch nicht zwangsweise elliptisch sein, sondern können zum Beispiel rechteckig sein.
Die Bias-Magnetfelderzeugungseinheit 20 soll ein Bias-Magnetfeld an die freie Schicht 14 anlegen. Die Bias-Magnetfelderzeugungseinheit 20 weist eine ferromagnetische Schicht 21 zur Erzeugung des an die freie Schicht 14 anzulegenden Bias-Magnetfelds auf. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist die ferromagnetische Schicht 21 insbesondere eine aus einem hartmagnetischen Material gebildete hartmagnetische Schicht. Die ferromagnetische Schicht 21 der vorliegenden Ausführungsform weist vorzugsweise eine Koerzitivfeldstärke von 250 Oe (1 Oe = 79,6 A/m) oder darüber auf. Der nichtmagnetische Film 30 trennt die freie Schicht 14 von der ferromagnetischen Schicht 21.
Wie in 1 gezeigt wird, wird ein durch den Schwerpunkt C der Oberseite 14a der freien Schicht 14 und parallel zu der z- und y-Richtung verlaufender Querschnitt als ein erster Querschnitt CS1 bezeichnet. Ein durch den Schwerpunkt C und senkrecht zu der y-Richtung verlaufender Querschnitt wird als ein zweiter Querschnitt CS2 bezeichnet. 2 zeigt den ersten Querschnitt CS1 von rechts in 1 betrachtet. 3 zeigt den zweiten Querschnitt CS2 von unten in 1 betrachtet.
Die ferromagnetische Schicht 21 weist einen oder zwei Hauptteile, einen ersten Seitenteil 21S1 und einen zweiten Seitenteil 21S2 auf. Der eine oder die beiden Hauptteile sind Teile, die zum Anlegen eines Bias-Magnetfelds an die freie Schicht 14 erforderlich sind. 1 veranschaulicht ein Beispiel, in dem der eine oder die beiden Hauptteile die beiden Hauptteile 21M1 und 21M2 sind. Wie später ausführlich beschrieben wird, sind der erste und der zweite Seitenteil 21S1 und 21S2 Teile, die zum Verhindern der Bildung eines Umkehrungskerns in der freien Schicht 14 erforderlich sind.
Wie in den 1 und 2 gezeigt wird, befinden sich die beiden Hauptteile 21M1 und 21M2 in dem ersten Querschnitt CS1 in der y-Richtung auf einander gegenüberliegenden Seiten der freien Schicht 14. Der Hauptteil 21M1 befindet sich in der -y-Richtung vor der freien Schicht 14. Der Hauptteil 21M2 befindet sich in der y-Richtung vor der freien Schicht 14.
Der eine oder die beiden Hauptteile können einer der Hauptteile 21M1 und 21M2 sein. In solch einem Fall befindet sich der eine Hauptteil im ersten Querschnitt CS1 in der y-Richtung auf einer Seite der freien Schicht 14.
Wie in den 1 und 3 gezeigt wird, befinden sich der erste und der zweite Seitenteil 21S1 und 21S2 im zweiten Querschnitt CS2 in der x-Richtung auf einander gegenüberliegenden Seiten der freien Schicht 14. Der erste Seitenteil 21S1 befindet sich in der -x-Richtung vor der freien Schicht 14. Der zweite Seitenteil 21S2 befindet sich in der x-Richtung vor der freien Schicht 14.
Sowohl der erste als auch der zweite Seitenteil 21S1 und 21S2 weisen eine Stirnfläche auf, die der Umfangsfläche des MR-Elements 10 bei dazwischen angeordnetem nichtmagnetischem Film 30 gegenüberliegt. Die Stirnfläche des ersten sowie des zweiten Seitenteils 21S1 und 21S2 weist einen Teil auf, der der Umfangsfläche 14c der freien Schicht 14 gegenüberliegt.
Bei der vorliegenden Ausführungsform sind, wie in 1 gezeigt wird, die beiden Hauptteile 21M1 und 21M2, der erste Seitenteil 21S1 und der zweite Seitenteil 21S2 aneinander angrenzend und umgeben den gesamten Umfang der freien Schicht 14, wie in der Richtung von der Oberseite 14a zu der Unterseite 14b der freien Schicht 14 gesehen, das heißt, wie von oben aus gesehen. In 1 werden die Grenze zwischen dem Hauptteil 21M1 und dem ersten Seitenteil 21S1, die Grenze zwischen dem Hauptteil 21M1 und dem zweiten Seitenteil 21S2, die Grenze zwischen dem Hauptteil 21M2 und dem ersten Seitenteil 21S1 und die Grenze zwischen dem Hauptteil 21M2 und dem zweiten Seitenteil 21S2 durch eine punktierte Linie gezeigt.
Wie in 3 gezeigt wird, wird ein kürzester Abstand zwischen der Umfangsfläche 14c der freien Schicht 14 und dem ersten Seitenteil 21S1 im zweiten Querschnitt CS2 als der erste Abstand G1 bezeichnet, und ein kürzester Abstand zwischen der Umfangsfläche 14c der freien Schicht 14 und dem zweiten Seitenteil 21S2 im zweiten Querschnitt CS2 wird als der zweite Abstand G2 bezeichnet. Bei der vorliegenden Ausführungsform betragen der erste und der zweite Abstand G1 und G2 35 nm oder weniger.
Bei der vorliegenden Ausführungsform betragen der kürzeste Abstand zwischen der Umfangsfläche 14c der freien Schicht 14 und dem ersten Seitenteil 21S1 und der kürzeste Abstand zwischen der Umfangsfläche 14c der freien Schicht 14 und dem zweiten Seitenteil 21S2 nicht nur im zweiten Querschnitt CS2, sondern auch in irgendeinem Querschnitt, der die freie Schicht 14 schneidet und senkrecht zur y-Richtung verläuft, 35 nm oder weniger.
Ferner beträgt in dem gesamten Bereich, in dem die Umfangsfläche 14c der freien Schicht 14 und die Stirnfläche des ersten Seitenteils 21S1 einander gegenüberliegen, der Abstand zwischen der Umfangsfläche 14c der freien Schicht 14 und dem ersten Seitenteil 21S1 vorzugsweise 35 nm oder weniger. Ebenso beträgt im gesamten Bereich, in dem die Umfangsfläche 14c der freien Schicht 14 und die Stirnfläche des zweiten Seitenteils 21S2 einander gegenüberliegen, der Abstand zwischen der Umfangsfläche 14c der freien Schicht 14 und dem zweiten Seitenteil 21S2 vorzugsweise 35 nm oder weniger.
In 1 zeigen die vier Pfeile Mb ein Beispiel für die jeweiligen Magnetisierungsrichtungen der beiden Hauptteile 21M1 und 21M2 und des ersten und zweiten Seitenteils 21S1 und 21S2 an. In diesem Beispiel verlaufen alle der Magnetisierungsrichtungen Mb der vier Teile 21M1, 21M2, 21S1 und 21S1 in der y-Richtung. In 1 zeigt der Pfeil Hb die Richtung des an die freie Schicht 14 anzulegenden Bias-Magnetfelds an. In diesem Beispiel verläuft die Richtung Hb des Bias-Magnetfelds auch in der y-Richtung. In solch einem Fall verläuft die Magnetisierungsrichtung der freien Schicht 14 in einem Zustand, in dem außer dem Bias-Magnetfeld kein Magnetfeld angelegt ist, auch in der y-Richtung.
Die magnetoresistive Vorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird zum Beispiel in einem Magnetsensor verwendet. Es wird nunmehr auf 4 Bezug genommen, um einen beispielhaften Magnetsensor zu beschreiben, der die magnetoresistive Vorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform verwendet. 4 ist ein Schaltplan, der die Konfiguration des beispielhaften Magnetsensors veranschaulicht.
Der in 4 gezeigte Magnetsensor 50 ist dazu konfiguriert, ein Detektionssignal zu erzeugen, das gemäß der Stärke eines für die Detektion vorgesehenen Magnetfelds in der x- oder y-Richtung variiert. Der Magnetsensor 50 weist eine Wheatstone-Brückenschaltung 51 und einen Differenzdetektor 52 auf. Die Wheatstone-Brückenschaltung 51 enthält einen Energieversorgungsanschluss V, der zum Empfang einer vorbestimmten Spannung konfiguriert ist, einen Masseanschluss G, der mit Masse verbunden ist, einen ersten Ausgangsanschluss E1 und einen zweiten Ausgangsanschluss E2.
Ferner enthält die Wheatstone-Brückenschaltung 51 ein erstes Widerstandsglied R1, ein zweites Widerstandsglied R2, ein drittes Widerstandsglied R3 und ein viertes Widerstandsglied R4. Das erste Widerstandsglied R1 ist zwischen dem Energieversorgungsanschluss V und dem ersten Ausgangsanschluss E1 vorgesehen. Das zweite Widerstandsglied R2 ist zwischen dem ersten Ausgangsanschluss E1 und dem Masseanschluss G vorgesehen. Das dritte Widerstandsglied R3 ist zwischen dem Energieversorgungsanschluss V und dem zweiten Ausgangsanschluss E2 vorgesehen. Das vierte Widerstandsglied R4 ist zwischen dem zweiten Ausgangsanschluss E2 und dem Masseanschluss G vorgesehen.
Jedes der Widerstandsglieder R1, R2, R3 und R4 weist die magnetoresistive Vorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform auf. In 4 zeigen die gefüllten Pfeile die Magnetisierungsrichtungen der Schichten 12 mit festgelegter Magnetisierung an, und die hohlen Pfeile zeigen die Magnetisierungsrichtungen der freien Schichten 14 an. Die Schichten 12 mit festgelegter Magnetisierung in den Widerstandsgliedern R1 und R4 weisen Magnetisierungen in der x-Richtung auf. Die Schichten 12 mit festgelegter Magnetisierung in den Widerstandsgliedern R2 und R3 weisen Magnetisierungen in der -x-Richtung auf.
Die Magnetisierungsrichtung der freien Schicht 14 in jedem der Widerstandsglieder R1, R2, R3 und R4 variiert gemäß der Stärke des für die Detektion vorgesehenen Magnetfelds. In 4 variiert der Winkel, den die Magnetisierungsrichtung der freien Schicht 14, in einem Gegenuhrzeigersinn von der x-Richtung aus gesehen, bezüglich der x-Richtung bildet über einen Bereich größer als 0° und kleiner als 180°. Das Potenzial an jedem der Ausgangsanschlüsse E1 und E2 und die Potenzialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E1 und E2 variieren gemäß der Magnetisierungsrichtung der freien Schicht. Der Differenzdetektor 52 gibt ein Signal, das der Potenzialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E1 und E2 entspricht, als ein Detektionssignal des Magnetsensors 50 aus. Das Detektionssignal variiert gemäß der Stärke des für die Detektion vorgesehenen Magnetfelds.
Es werden nunmehr die Funktion und die Wirkung der magnetoresistiven Vorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform beschrieben. Zunächst folgt eine Beschreibung eines Problems einer magnetoresistiven Vorrichtung eines Vergleichsbeispiels. 5 ist eine Draufsicht, die wesentliche Teile der magnetoresistiven Vorrichtung 101 des Vergleichsbeispiels veranschaulicht. Die magnetoresistive Vorrichtung 101 des Vergleichsbeispiels weist ein MR-Element 110, eine Bias-Magnetfelderzeugungseinheit 120, einen nichtmagnetischen Film 130 und eine obere und untere Elektrode (nicht veranschaulicht) auf.
Wie das MR-Element 10 der vorliegenden Ausführungsform weist das MR-Element 110 eine antiferromagnetische Schicht, eine Schicht mit festgelegter Magnetisierung, eine Spaltschicht und eine freie Schicht 114, die in dieser Reihenfolge gestapelt sind, auf, wobei die antiferromagnetische Schicht der unteren Elektrode am nächsten ist. Das MR-Element 110 weist die gleiche Form wie das MR-Element 10 der vorliegenden Ausführungsform auf.
Die Bias-Magnetfelderzeugungseinheit 120 soll ein Bias-Magnetfeld an die freie Schicht 114 anlegen. Die Bias-Magnetfelderzeugungseinheit 120 weist eine ferromagnetische Schicht 121 zur Erzeugung des an die freie Schicht 114 anzulegenden Bias-Magnetfelds auf. Die ferromagnetische Schicht 121 weist einen ersten Teil 121A und einen zweiten Teil 121B auf. Der erste Teil 121A befindet sich in der -y-Richtung vor der freien Schicht 114. Der zweite Teil 121B befindet sich in der y-Richtung vor der freien Schicht 114. Die ferromagnetische Schicht 121 weist keine Teile auf, die dem ersten und dem zweiten Seitenteil 21S1 und 21S2 der ferromagnetischen Schicht 21 der vorliegenden Ausführungsform entsprechen.
Der nichtmagnetische Film 130 bedeckt die Umfangsfläche des MR-Elements 110 und trennt die freie Schicht 114 von der ferromagnetischen Schicht 121.
In 5 zeigen die beiden Pfeile Mb die Magnetisierungsrichtung des ersten und des zweiten Teils 121A und 121B an. Der erste und der zweite Teil 121A und 121B sind in der y-Richtung magnetisiert. Das an die freie Schicht 114 anzulegende Bias-Magnetfeld verläuft auch in der y-Richtung.
Als Nächstes wird das Problem der magnetoresistiven Vorrichtung 101 des Vergleichsbeispiels unter Bezugnahme auf 6 beschrieben. Bei einem tatsächlich hergestellten MR-Element weist die Umfangsfläche seiner freien Schicht in der Regel winzige Oberflächenunebenheiten auf. Die Oberflächenunebenheiten können zu der Bildung eines Umkehrungskerns in der freien Schicht führen. 6 veranschaulicht einen Zustand, in dem der Umkehrungskern in der freien Schicht 114 in dem Vergleichsbeispiel gebildet ist. 6 zeigt eine Ausbuchtung 114d einer Umfangsfläche 114c der freien Schicht 114. In 6 zeigt der Pfeil Mf die Magnetisierungsrichtung der freien Schicht 114 an. Wie in 6 gezeigt wird, tritt in der Nähe der Ausbuchtung 114d der freien Schicht 114 aufgrund der Ausbuchtung 114d ein Entmagnetisierungsfeld auf, um einen kleinen Bereich zu erzeugen, der in einer Richtung magnetisiert ist, die sich von der Magnetisierungsrichtung Mf der freien Schicht 114 unterscheidet, ihr zum Beispiel entgegengesetzt ist. Der kleine Bereich wird zu einem Umkehrungskern. In 6 stellen die Zeichen „+“ und „-“ einen N-Pol bzw. einen S-Pol dar, die in der Nähe der Ausbuchtung 114d auftreten. Die beiden in der Nähe der Ausbuchtung 114d gezeichneten Pfeile stellen das Entmagnetisierungsfeld dar.
Wenn bei der magnetoresistiven Vorrichtung 101 des Vergleichsbeispiels ein Störmagnetfeld an die freie Schicht 114 mit dem darin ausgebildeten Umkehrungskern angelegt wird, kann sich der Magnetisierungsumkehrbereich in der freien Schicht 114 beginnend am Umkehrungskern ausweiten. Dies kann eine lokale oder gesamte Magnetisierungsumkehr der freien Schicht 114 verursachen. Wenn die Magnetisierungsumkehr der freien Schicht 114 so auftritt, ändert sich die magnetoresistive Vorrichtung 101 hinsichtlich ihrer Eigenschaften im Vergleich zu vor dem Auftreten der Magnetisierungsumkehr der freien Schicht 114. Dies verursacht Änderungen der Eigenschaften beispielsweise eines Magnetsensors, der die magnetoresistive Vorrichtung 101 verwendet. Beispiele für Änderungen der Eigenschaften des Magnetsensors umfassen eine Beeinträchtigung einer Empfindlichkeit, Linearität und Hystereseeigenschaften.
Als Nächstes wird die Wirkung der magnetoresistiven Vorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform unter Bezugnahme auf 7 beschrieben. 7 zeigt einen Teil der freien Schicht 14, des ersten Seitenteils 21S1 sowie des nichtmagnetischen Films 30, wie von oben aus gesehen. 7 zeigt eine Ausbuchtung 14d der Umfangsfläche 14c der freien Schicht 14. In 7 zeigt der Pfeil Mf die Magnetisierungsrichtung der freien Schicht 14 an, und der Pfeil Mb zeigt die Magnetisierungsrichtung des ersten Seitenteils 21S1 an.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist die freie Schicht 14 mit dem ersten und zweiten Seitenteil 21S1 und 21S2 magnetostatisch gekoppelt. In 7 stellt der innerhalb der Ausbuchtung 14d gezeichnete Pfeil ein durch den ersten Seitenteil 21S1 innerhalb der Ausbuchtung 14d erzeugtes Magnetfeld dar. Wie in 7 gezeigt wird, verhindert die vorliegende Ausführungsform das Auftreten eines Entmagnetisierungsfelds aufgrund der Ausbuchtung 14d in der Nähe der Ausbuchtung 14d.
Bei der vorliegenden Ausführungsform verhindert die magnetostatische Kopplung der freien Schicht 14 mit dem ersten Seitenteil 21S1 das Auftreten eines Umkehrungskerns in der freien Schicht 14 aufgrund von winzigen Oberflächenunebenheiten, die an einem zu dem ersten Seitenteil 21S1 weisenden Teil der Umfangsfläche 14c der freien Schicht 14 vorhanden sind. Ebenso verhindert die magnetostatische Kopplung der freien Schicht 14 mit dem zweiten Seitenteil 21S2 bei der vorliegenden Ausführungsform das Auftreten eines Umkehrungskerns in der freien Schicht 14 aufgrund von winzigen Oberflächenunebenheiten, die an einem zu dem zweiten Seitenteil 21S2 weisenden Teil der Umfangsfläche 14c der freien Schicht 14 vorhanden sind. Somit verhindert die vorliegende Ausführungsform eine Magnetisierungsumkehr der freien Schicht 14.
Zur magnetostatischen Kopplung der freien Schicht 14 mit dem ersten und zweiten Seitenteil 21S1 und 21S2 muss der Abstand zwischen der Umfangsfläche 14c der freien Schicht 14 und dem ersten Seitenteil 21S1 und der Abstand zwischen der Umfangsfläche 14c der freien Schicht 14 und dem zweiten Seitenteil 21S2 relativ klein sein. Bei der vorliegenden Ausführungsform besteht das Erfordernis, dass der erste und der zweite Abstand G1 und G2 35 nm oder weniger betragen, um die freie Schicht 14 mit dem ersten und dem zweiten Seitenteil 21S1 und 21S2 magnetostatisch zu koppeln.
Als Nächstes werden der erste und der zweite Abstand G1 und G2 bei der vorliegenden Ausführungsform unter Bezugnahme auf Simulationsergebnisse beschrieben. 8 ist ein erläuterndes Diagramm, das ein Simulationsmodell veranschaulicht. Das Modell beinhaltet eine freie Schicht 14, eine ferromagnetische Schicht 21 und einen nichtmagnetischen Film 30 dazwischen. Einander gegenüberliegende Teile einer Umfangsfläche 14c der freien Schicht 14 und einer Stirnfläche der ferromagnetischen Schicht 21 weisen jeweils Oberflächenunebenheiten mit einer konstanten Periode λ und einer konstanten Amplitude h auf. Die einander gegenüberliegenden Teile der Umfangsfläche 14c der freien Schicht 14 und der Stirnfläche der ferromagnetischen Schicht 21 befinden sich in einem konstanten Abstand G voneinander. In 8 stellen die Zeichen „+“ und „-“ einen N-Pol bzw. einen S-Pol dar.
In dem in 8 gezeigten Modell erzeugen die Oberflächenunebenheiten eine Neel-Kopplung zwischen der freien Schicht 14 und der ferromagnetischen Schicht 21. Die Zwischenschichtkopplungsenergie von der Néel-Kopplung zwischen der freien Schicht 14 und der ferromagnetischen Schicht 21 hängt von der bzw. dem vorhergehenden Periode λ, Amplitude h und Abstand G ab.
Beziehungen der Periode λ, der Amplitude h und des Abstands G mit der Zwischenschichtkopplungsenergie wurden durch Simulation untersucht. 9 zeigt die Simulationsergebnisse. In 9 stellt die horizontale Achse den Abstand G dar, und die vertikale Achse stellt die Zwischenschichtkopplungsenergie, ausgedrückt in einer willkürlichen Einheit (a.u. - arbitrary unit) dar. In 9 stellt die durch die Bezugszahl 71 bezeichnete Linie die Beziehung zwischen dem Abstand G und der Zwischenschichtkopplungsenergie bei einer Periode λ von 100 nm und einer Amplitude h von 15 nm dar. Die durch die Bezugszahl 72 bezeichnete Linie stellt die Beziehung zwischen dem Abstand G und der Zwischenschichtkopplungsenergie bei einer Periode λ von 100 nm und einer Amplitude h von 35 nm dar. Die durch die Bezugszahl 73 bezeichnete Linie stellt die Beziehung zwischen dem Abstand G und der Zwischenschichtkopplungsenergie bei einer Periode λ von 14 nm und einer Amplitude h von 5 nm dar. Die durch die Bezugszahl 74 bezeichnete Linie stellt die Beziehung zwischen dem Abstand G und der Zwischenschichtkopplungsenergie bei einer Periode λ von 14 nm und einer Amplitude h von 8 nm dar. Die durch die Bezugszahl 75 bezeichnete Linie stellt die Beziehung zwischen dem Abstand G und der Zwischenschichtkopplungsenergie bei einer Periode λ von 14 nm und einer Amplitude h von 18 nm dar.
Wie in 9 gezeigt wird, gilt, je größer der Abstand G, desto geringer die Zwischenschichtkopplungsenergie. Wenn der Abstand G 35 nm übersteigt, wird die Zwischenschichtkopplungsenergie extrem klein, selbst in dem Fall, der der Bezugszahl 72 entspricht, wo die Zwischenschichtkopplungsenergie von den fünf Fällen, die den Bezugszahlen 71 bis 75 entsprechen, am höchsten ist. Bei der vorliegenden Erfindung sind somit der erste und der zweite Abstand G1 und G2 auf 35 nm oder weniger eingestellt. Der erste und der zweite Abstand G1 und G2 betragen wünschenswerterweise 20 nm oder weniger.
Der erste und der zweite Abstand G1 und G2 sind fast gleich der Dicke des nichtmagnetischen Films 30. Zum Bilden eines mangelfreien nichtmagnetischen Films 30 betragen der erste und der zweite Abstand G1 und G2 wünschenswerterweise 1 nm oder mehr. Somit wird bevorzugt, dass der erste und zweite Abstand G1 und G2 innerhalb des Bereichs von 1 bis 20 nm fallen, wenn die magnetoresistive Vorrichtung 1 den nichtmagnetischen Film 30 aufweist.
Es wird nunmehr auf die 10 bis 12 Bezug genommen, um ein Herstellungsverfahren für die magnetoresistive Vorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform zu beschreiben. Die 10 bis 12 veranschaulichen jeweils einen Querschnitt einer geschichteten Struktur, die im Verlauf der Herstellung der magnetoresistiven Vorrichtung 1 gebildet wird, wobei der Querschnitt dem zuvor erwähnten zweiten Querschnitt entspricht.
Wie in 10 gezeigt wird, beginnt das Herstellungsverfahren für die magnetoresistive Vorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform mit dem Bilden der unteren Elektrode 41 auf einem Substrat (nicht veranschaulicht). Dann wird auf der unteren Elektrode 41 eine Struktur 80 gebildet, die später zu dem MR-Element 10 werden soll. Insbesondere werden ein antiferromagnetischer Film 11P, der zu der antiferromagnetischen Schicht 11 werden soll, ein magnetischer Film 12P, der zu der Schicht 12 mit festgelegter Magnetisierung werden soll, ein nichtmagnetischer Film 13P, der zu der Spaltschicht 13 werden soll, und ein magnetischer Film 14P, der zu der freien Schicht 14 werden soll, durch beispielsweise Sputtern in dieser Reihenfolge auf der unteren Elektrode 41 gebildet. Dann wird eine Maske 81 zum Strukturieren der Struktur 80 auf der Struktur 80 gebildet. Die Maske 81 ist vorzugsweise so geformt, dass sie zum leichteren Entfernen in einem späteren Schritt eine Hinterschneidung aufweist, wie in 10 gezeigt wird.
11 zeigt den nächsten Schritt. In diesem Schritt wird unter Verwendung der Maske 81 als eine Ätzmaske ein Teil der Struktur 80 durch beispielsweise Ionenfräsen entfernt, so dass die Struktur 80 zu dem MR-Element 10 wird und ein Aufnahmeteil 82 in der Struktur 80 gebildet wird.
12 zeigt den nächsten Schritt. In diesem Schritt werden zunächst der nichtmagnetische Film 30 und die ferromagnetische Schicht 21, die die Bias-Magnetfelderzeugungseinheit 20 bildet, in dieser Reihenfolge beispielsweise durch Sputtern über der gesamten Oberseite der in 11 gezeigten geschichteten Struktur gebildet, wobei die Maske 81 nicht entfernt wird. Die Bias-Magnetfelderzeugungseinheit 20 (die ferromagnetische Schicht 21) wird in dem in 11 gezeigten Aufnahmeteil 82 gebildet. Dann wird die Maske 81 entfernt. Als Nächstes wird die obere Elektrode 42 auf dem MR-Element 10, der Bias-Magnetfelderzeugungseinheit 20 (der ferromagnetischen Schicht 21) und dem nichtmagnetischen Film 30 gebildet. Dadurch ist die magnetoresistive Vorrichtung 1 fertiggestellt.
Das Herstellungsverfahren für die magnetoresistive Vorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ermöglicht die Bildung des MR-Elements 10 und der Bias-Magnetfelderzeugungseinheit 20 auf eine selbstausrichtende Weise. Somit ermöglicht die vorliegende Ausführungsform eine genaue Ausrichtung des MR-Elements 10 und der Bias-Magnetfelderzeugungseinheit 20 bezüglich einander. Ferner können gemäß der vorliegenden Ausführungsform der Abstand zwischen der Umfangsfläche 14c der freien Schicht 14 und dem ersten Seitenteil 21S1 und der Abstand zwischen der Umfangsfläche 14c der freien Schicht 14 und dem zweiten Seitenteil 21S2 genau so gesteuert werden, dass sie die gewünschten kleinen Werte aufweisen.
Nunmehr folgt eine Beschreibung des ersten und des zweiten Modifikationsbeispiels der magnetoresistiven Vorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
13 ist eine Draufsicht, die wesentliche Teile einer magnetoresistiven Vorrichtung 1 des ersten Modifikationsbeispiels zeigt. In dem ersten Modifikationsbeispiel weisen die beiden Hauptteile 21M1 und 21M2, der erste Seitenteil 21S1 und der zweite Seitenteil 21S2 die gleiche Magnetisierungsrichtung Mb auf, die bezüglich der zweiten Richtung, das heißt der y-Richtung, einen spitzen Winkel bildet. In dem ersten Modifikationsbeispiel bildet die Richtung des Bias-Magnetfelds einen spitzen Winkel bezüglich der zweiten Richtung, das heißt der y-Richtung. In 13 stellen die drei Pfeile Hb die Richtungen des Bias-Magnetfelds an drei Stellen in der freien Schicht 14 dar, wo die drei Pfeile gezeichnet sind. In dem in 13 gezeigten Beispiel sind alle Richtungen des Bias-Magnetfelds an den drei Stellen etwas mehr in die x-Richtung geneigt als die Magnetisierungsrichtung Mb der Hauptteile 21M1 und 21M2 und der Seitenteile 21S1 und 21S2. Wie in 13 gezeigt wird, kann die Richtung des Bias-Magnetfelds in Abhängigkeit von der Position in der freien Schicht 14 zu einem gewissen Grad variieren. In dem ersten Modifikationsbeispiel wird die Magnetisierungsrichtung der freien Schicht 14 in dem Zustand, in dem kein anderes Magnetfeld als das Bias-Magnetfeld an die freie Schicht 14 angelegt ist, durch das sich aus der magnetischen Formanisotropie der freien Schicht 14 ergebende anisotrope Magnetfeld und das Bias-Magnetfeld bestimmt. Die Magnetisierungsrichtung der freien Schicht 14 bildet einen spitzen Winkel bezüglich der y-Richtung.
Gemäß dem ersten Modifikationsbeispiel kann die Magnetisierungsrichtung der freien Schicht 14 in dem Zustand, in dem kein anderes Magnetfeld als das Bias-Magnetfeld daran angelegt ist, durch die Richtung Hb des Bias-Magnetfelds gesteuert werden. Dadurch wird die Einstellung des Betriebsbereichs des MR-Elements 10 ermöglicht.
14 ist eine Draufsicht, die wesentliche Teile einer magnetoresistiven Vorrichtung 1 des zweiten Modifikationsbeispiels veranschaulicht. In dem zweiten Modifikationsbeispiel befinden sich das MR-Element 10 und die freie Schicht 14, wie von oben aus gesehen, in der Form eines Rechtecks, das in der y-Richtung lang ist. Ferner weist die ferromagnetische Schicht 21 der Bias-Magnetfelderzeugungseinheit 20 in dem zweiten Modifikationsbeispiel zwei Hauptteile 21M1 und 21M2, einen ersten Seitenteil 21S1 und einen zweiten Seitenteil 21S2, die voneinander getrennt sind, auf.
Im ersten Querschnitt CS1, befinden sich die beiden Hauptteile 21M1 und 21M2 in der y-Richtung auf einander gegenüberliegenden Seiten der freien Schicht 14. Der Hauptteil 21M1 befindet sich in der -y-Richtung vor der freien Schicht 14. Der Hauptteil 21M2 befindet sich in der y-Richtung vor der freien Schicht 14.
Im zweiten Querschnitt CS2 befinden sich der erste und der zweite Seitenteil 21S1 und 21S2 in der x-Richtung auf einander gegenüberliegenden Seiten der freien Schicht 14. Der erste Seitenteil 21S1 befindet sich in der -x-Richtung vor der freien Schicht 14. Der zweite Seitenteil 21S2 befindet sich in der x-Richtung vor der freien Schicht 14. Der nichtmagnetische Film 30 trennt die freie Schicht 14 von der ferromagnetischen Schicht 21.
14 veranschaulicht ein Beispiel, in dem der eine oder die zwei Hauptteile die beiden Hauptteile 21M1 und 21M2 sind. Alternativ kann/können der eine oder die beiden Hauptteile einer der Hauptteile 21M1 oder 21M2 sein.
In dem zweiten Modifikationsbeispiel können die Magnetisierungsrichtung Mb der beiden Hauptteile 21M1 und 21M2 und des ersten und zweiten Seitenteils 21S1 und 21S2 und die Richtung Hb des Bias-Magnetfelds die y-Richtung sein, oder sie können wie in dem ersten Modifikationsbeispiel die gleiche Richtung sein, die bezüglich der y-Richtung einen spitzen Winkel bildet.
Das zweite Modifikationsbeispiel, in dem der eine oder die beiden Hauptteile, der erste Seitenteil 21S1 und der zweite Seitenteil 21S2 voneinander getrennt sind, bietet die gleichen Wirkungen wie jene, die erhalten werden, wenn diese Teile durchgehend sind.
[Zweite Ausführungsform]
Es wird nunmehr unter Bezugnahme auf 15 eine zweite Ausführungsform der Erfindung beschrieben. 15 ist eine Querschnittsansicht einer magnetoresistiven Vorrichtung 201 gemäß der zweiten Ausführungsform. Es sei darauf hingewiesen, dass 15 einen Querschnitt zeigt, der dem zweiten Querschnitt der magnetoresistiven Vorrichtung 1 gemäß der ersten Ausführungsform (siehe 3) entspricht.
Die Konfiguration der magnetoresistiven Vorrichtung 201 gemäß der vorliegenden Ausführungsform unterscheidet sich auf die folgenden Weisen von der der magnetoresistiven Vorrichtung 1 gemäß der ersten Ausführungsform. Bei der magnetoresistiven Vorrichtung 201 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist die ferromagnetische Schicht 21 der Bias-Magnetfelderzeugungseinheit 20 eine aus einem weichmagnetischen Material gebildete weichmagnetische Schicht. Die ferromagnetische Schicht 21 der vorliegenden Ausführungsform weist vorzugsweise eine Koerzitivfeldstärke von 20 Oe oder darunter auf.
Bei der vorliegenden Ausführungsform weist die Bias-Magnetfelderzeugungseinheit 20 ferner eine antiferromagnetische Schicht 22 auf, die zur Austauschkopplung mit der ferromagnetischen Schicht 21 konfiguriert ist. Die antiferromagnetische Schicht 22 befindet sich zwischen der ferromagnetischen Schicht 21 und dem nichtmagnetischen Film 30.
Wie unter Bezugnahme auf die erste Ausführungsform beschrieben wurde, weist die ferromagnetische Schicht 21 einen oder zwei Hauptteile, einen ersten Seitenteil 21S1 und einen zweiten Seitenteil 21S2 auf. Die antiferromagnetische Schicht 22 ist aus einem antiferromagnetischen Material gebildet und erzeugt eine Austauschkopplung zwischen der ferromagnetischen Schicht 21 und sich selbst, wodurch die Magnetisierungsrichtungen der einen oder der beiden Hauptteile und des ersten und zweiten Seitenteils 21S1 und 21S2 festgelegt werden.
Die Konfiguration, die Funktionsweise und die Wirkungen der vorliegenden Ausführungsform sind ansonsten die gleichen wie jene der ersten Ausführungsform.
[Dritte Ausführungsform]
Es wird nunmehr eine dritte Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Zunächst wird auf 16 Bezug genommen, um die Konfiguration einer magnetoresistiven Vorrichtung 301 gemäß der dritten Ausführungsform zu beschreiben. 16 ist eine Querschnittsansicht der magnetoresistiven Vorrichtung 301 gemäß der dritten Ausführungsform. Es sei darauf hingewiesen, dass 16 einen Querschnitt zeigt, der dem ersten Querschnitt der magnetoresistiven Vorrichtung 1 gemäß der ersten Ausführungsform (siehe 2) entspricht.
Die Konfiguration der magnetoresistiven Vorrichtung 301 gemäß der vorliegenden Ausführungsform unterscheidet sich auf die folgenden Weisen von der der magnetoresistiven Vorrichtung 1 gemäß der ersten Ausführungsform. Die magnetoresistive Vorrichtung 301 gemäß der vorliegenden Ausführungsform weist anstelle des MR-Elements 10, des nichtmagnetischen Films 30, der unteren Elektrode 41 und der oberen Elektrode 42 der ersten Ausführungsform ein MR-Element 310, einen nichtmagnetischen Film 330, eine erste Elektrode 341 bzw. eine zweite Elektrode 342 auf. Ferner weist die magnetoresistive Vorrichtung 301 eine Isolierschicht 340 auf.
Das MR-Element 310 ist auf der Isolierschicht 340 angeordnet. Das MR-Element 310 weist eine Unterseite, die mit der Isolierschicht 340 in Kontakt steht, eine Oberseite und eine die Ober- und Unterseite verbindende Umfangsfläche auf.
Der nichtmagnetische Film 330 bedeckt einen Teil der Oberseite der Isolierschicht 340 um das MR-Element 310 herum und die Umfangsfläche des MR-Elements 310. Die Bias-Magnetfelderzeugungseinheit 20 befindet sich um das MR-Element 310 herum und liegt auf dem nichtmagnetischen Film 330. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist der nichtmagnetische Film 330 insbesondere ein nichtmagnetischer Metallfilm.
Die erste Elektrode 341 ist so ausgebildet, dass sie sich von der Oberseite des Hauptteils 21M1 der Bias-Magnetfelderzeugungseinheit 20 zu einem Teil der Oberseiten des nichtmagnetischen Films 330 und des MR-Elements 310 nahe dem Hauptteil 21M1 erstreckt. Die zweite Elektrode 342 ist so ausgebildet, dass sie sich von der Oberseite des Hauptteils 21M2 der Bias-Magnetfelderzeugungseinheit 20 zu einem Teil der Oberseiten des nichtmagnetischen Films 330 und des MR-Elements 310 nahe dem Hauptteil 21M2 erstreckt.
Das MR-Element 310 weist eine antiferromagnetische Schicht 311, eine Schicht 312 mit festgelegter Magnetisierung, eine Spaltschicht 313 und eine freie Schicht 314, die in dieser Reihenfolge gestapelt sind, auf, wobei sich die antiferromagnetische Schicht 311 am nächsten zu der Isolierschicht 340 befindet. Die freie Schicht 314 weist eine Oberseite 314a und eine Unterseite 314b, die sich in der ersten Richtung, das heißt der z-Richtung, an einander gegenüberliegenden Enden befinden, und eine Umfangsfläche 314c, die die Oberseite 314a und die Unterseite 314b verbindet, auf. Die Oberseite 314a entspricht bei der vorliegenden Erfindung der ersten Fläche der freien Schicht. Die Unterseite 314b entspricht bei der vorliegenden Erfindung der zweiten Fläche der freien Schicht.
Die antiferromagnetische Schicht 311, die Schicht 312 mit festgelegter Magnetisierung und die Spaltschicht 313 weisen wie die freie Schicht 314 auch jeweils eine Oberseite, eine Unterseite und eine Umfangsfläche auf. Die Umfangsfläche des MR-Elements 310 wird durch die Umfangsflächen der antiferromagnetischen Schicht 311, der Schicht 312 mit festgelegter Magnetisierung, der Spaltschicht 313 und der freien Schicht 314 gebildet. Die Funktionen der antiferromagnetischen Schicht 311, der Schicht 312 mit festgelegter Magnetisierung, der Spaltschicht 313 und der freien Schicht 314 sind die gleichen wie jene der antiferromagnetischen Schicht 11, der Schicht 12 mit festgelegter Magnetisierung, der Spaltschicht 13 bzw. der freien Schicht 14 der ersten Ausführungsform.
Die erste Elektrode 341 und die zweite Elektrode 342 dienen der Zuführung eines Stroms für die Detektion eines magnetischen Signals zu dem MR-Element 310.
Das MR-Element 310 ist ein GMR-Element der CIP-Art (CIP - current-in-plane / Strom in der Ebene), bei der der Strom für die Detektion eines magnetischen Signals in einer allgemein parallel zu der Ebene der das MR-Element 310 bildenden Schichten verlaufenden Richtung zugeführt wird. Die Spaltschicht 313 ist eine nichtmagnetische leitende Schicht.
Die Bias-Magnetfelderzeugungseinheit 20 der vorliegenden Ausführungsform soll ein Bias-Magnetfeld an die freie Schicht 314 anlegen. 16 veranschaulicht ein Beispiel, in dem die Bias-Magnetfelderzeugungseinheit 20 eine ferromagnetische Schicht 21 aufweist, die wie bei der ersten Ausführungsform eine aus einem hartmagnetischen Material gebildete hartmagnetische Schicht ist.
Es wird nunmehr auf die 16 bis 19 Bezug genommen, um ein Herstellungsverfahren für die magnetoresistive Vorrichtung 301 gemäß der vorliegenden Ausführungsform zu beschreiben. Die 17 bis 19 veranschaulichen jeweils einen Querschnitt einer geschichteten Struktur, die im Verlauf der Herstellung der magnetoresistiven Vorrichtung 301 gebildet wird, wobei der Querschnitt dem in 16 gezeigten entspricht.
Wie in 17 gezeigt wird, beginnt das Herstellungsverfahren für die magnetoresistive Vorrichtung 301 gemäß der vorliegenden Ausführungsform mit dem Bilden der Isolierschicht 340 auf einem Substrat (nicht veranschaulicht). Dann wird auf der Isolierschicht 340 eine Struktur 380 gebildet, die später zu dem MR-Element 310 werden soll. Insbesondere werden ein antiferromagnetischer Film 311P, der zu der antiferromagnetischen Schicht 311 werden soll, ein magnetischer Film 312P, der zu der Schicht 312 mit festgelegter Magnetisierung werden soll, ein nichtmagnetischer Film 313P, der zu der Spaltschicht 313 werden soll, und ein magnetischer Film 314P, der zu der freien Schicht 314 werden soll, durch beispielsweise Sputtern in dieser Reihenfolge auf der Isolierschicht 340 gebildet. Dann wird eine Maske 381 zum Strukturieren der Struktur 380 auf der Struktur 380 gebildet. Die Maske 381 ist vorzugsweise so geformt, dass sie zum leichteren Entfernen in einem späteren Schritt eine Hinterschneidung aufweist, wie in 17 gezeigt wird.
18 zeigt den nächsten Schritt. In diesem Schritt wird unter Verwendung der Maske 381 als eine Ätzmaske ein Teil der Struktur 380 durch beispielsweise Ionenfräsen entfernt, so dass die Struktur 380 zu dem MR-Element 310 wird und ein Aufnahmeteil 382 in der Struktur 380 gebildet wird.
19 zeigt den nächsten Schritt. In diesem Schritt werden zunächst der nichtmagnetische Film 330 und die ferromagnetische Schicht 21, die die Bias-Magnetfelderzeugungseinheit 20 bildet, in dieser Reihenfolge beispielsweise durch Sputtern über der gesamten Oberseite der in 18 gezeigten geschichteten Struktur gebildet, wobei die Maske 381 nicht entfernt wird. Die Bias-Magnetfelderzeugungseinheit 20 (die ferromagnetische Schicht 21) wird in dem in 18 gezeigten Aufnahmeteil 382 gebildet. Dann wird die Maske 381 entfernt. Als Nächstes werden wie in 16 gezeigt die erste und die zweite Elektrode 341 und 342 auf dem MR-Element 110, der Bias-Magnetfelderzeugungseinheit 20 (der ferromagnetischen Schicht 21) und dem nichtmagnetischen Film 330 gebildet. Dadurch ist die magnetoresistive Vorrichtung 301 fertiggestellt.
Die Bias-Magnetfelderzeugungseinheit 20 der vorliegenden Ausführungsform kann eine geschichtete Struktur aufweisen, die wie bei der zweiten Ausführungsform aus der antiferromagnetischen Schicht 22 und der ferromagnetischen Schicht 21 besteht.
Die Konfiguration, die Funktionsweise und die Wirkungen der vorliegenden Ausführungsform sind ansonsten die gleichen wie jenes der ersten oder zweiten Ausführungsform.
[Vierte Ausführungsform]
Es wird nunmehr eine vierte Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Zunächst wird auf 20 Bezug genommen, um die Konfiguration einer magnetoresistiven Vorrichtung 401 gemäß der vierten Ausführungsform zu beschreiben. 20 ist eine Querschnittsansicht der magnetoresistiven Vorrichtung 401 gemäß der vierten Ausführungsform. Es sei darauf hingewiesen, dass 20 einen Querschnitt zeigt, der dem ersten Querschnitt der magnetoresistiven Vorrichtung 1 gemäß der ersten Ausführungsform (siehe 2) entspricht.
Die Konfiguration der magnetoresistiven Vorrichtung 401 gemäß der vorliegenden Ausführungsform unterscheidet sich auf die folgenden Weisen von der der magnetoresistiven Vorrichtung 301 gemäß der dritten Ausführungsform. Die magnetoresistive Vorrichtung 401 gemäß der vorliegenden Ausführungsform weist anstelle des MR-Elements 310, der ersten Elektrode 341, der zweiten Elektrode 342 und der Isolierschicht 340 der dritten Ausführungsform ein MR-Element 410, eine erste Elektrode 441, eine zweite Elektrode 442 bzw. eine Isolierschicht 440 auf. Der nichtmagnetische Film 330 der dritten Ausführungsform wird bei der vorliegenden Ausführungsform nicht bereitgestellt.
Die Positionen des MR-Elements 410, der ersten Elektrode 441, der zweiten Elektrode 442 und der Isolierschicht 440 sind die gleichen wie jene des MR-Elements 310, der ersten Elektrode 341, der zweiten Elektrode 342 bzw. der Isolierschicht 340 der dritten Ausführungsform. Bei der vorliegenden Ausführungsform befindet sich die Bias-Magnetfelderzeugungseinheit 20 um das MR-Element 410 herum und liegt auf der Isolierschicht 440.
Das MR-Element 410 weist eine antiferromagnetische Schicht 411, eine Schicht 412 mit festgelegter Magnetisierung, eine Spaltschicht 413 und eine freie Schicht 414, die in dieser Reihenfolge gestapelt sind, auf, wobei sich die antiferromagnetische Schicht 411 am nächsten zu der Isolierschicht 440 befindet. Die freie Schicht 414 weist eine Oberseite 414a und eine Unterseite 414b, die sich in der ersten Richtung, das heißt der z-Richtung, an einander gegenüberliegenden Enden befinden, und eine Umfangsfläche 414c, die die Oberseite 414a und die Unterseite 414b verbindet, auf. Die Oberseite 414a entspricht bei der vorliegenden Erfindung der ersten Fläche der freien Schicht. Die Unterseite 414b entspricht bei der vorliegenden Erfindung der zweiten Fläche der freien Schicht.
Die antiferromagnetische Schicht 411, die Schicht 412 mit festgelegter Magnetisierung und die Spaltschicht 413 weisen wie die freie Schicht 414 auch eine Oberseite, eine Unterseite und eine Umfangsfläche auf. Die Umfangsfläche des MR-Elements 410 wird durch die Umfangsflächen der antiferromagnetischen Schicht 411, der Schicht 412 mit festgelegter Magnetisierung, der Spaltschicht 413 und der freien Schicht 414 gebildet. Die Funktionen der antiferromagnetischen Schicht 411, der Schicht 412 mit festgelegter Magnetisierung, der Spaltschicht 413 und der freien Schicht 414 sind die gleichen wie jene der antiferromagnetischen Schicht 11, der Schicht 12 mit festgelegter Magnetisierung, der Spaltschicht 13 bzw. der freien Schicht 14 der ersten Ausführungsform.
Die erste Elektrode 441 und die zweite Elektrode 442 dienen der Zuführung eines Stroms für die Detektion eines magnetischen Signals zu dem MR-Element 410.
Das MR-Element 410 ist ein GMR-Element der CIP-Art. Die Spaltschicht 413 ist eine nichtmagnetische leitende Schicht.
Die Bias-Magnetfelderzeugungseinheit 20 der vorliegenden Ausführungsform soll ein Bias-Magnetfeld an die freie Schicht 414 anlegen. Bei der vorliegenden Ausführungsform weist die Bias-Magnetfelderzeugungseinheit 20 einen darunterliegenden Film 430 und eine ferromagnetische Schicht 21, die in dieser Reihenfolge auf der Isolierschicht 440 gestapelt sind, auf. Die ferromagnetische Schicht 21 ist wie bei der ersten Ausführungsform eine aus einem hartmagnetischen Material gebildete hartmagnetische Schicht. Der darunterliegende Film 430 ist aus einem nichtmagnetischen Metallmaterial gebildet.
Es wird nunmehr auf die 20 bis 23 Bezug genommen, um ein Herstellungsverfahren für die magnetoresistive Vorrichtung 401 gemäß der vorliegenden Ausführungsform zu beschreiben. Die 21 bis 23 veranschaulichen jeweils einen Querschnitt einer geschichteten Struktur, die im Verlauf der Herstellung der magnetoresistiven Vorrichtung 401 gebildet wird, wobei der Querschnitt dem in 20 gezeigten entspricht.
Wie in 21 gezeigt wird, beginnt das Herstellungsverfahren für die magnetoresistive Vorrichtung 401 gemäß der vorliegenden Ausführungsform mit dem Bilden der Isolierschicht 440 auf einem Substrat (nicht veranschaulicht). Dann wird auf der Isolierschicht 440 eine Struktur 480 gebildet, die später zu der Bias-Magnetfelderzeugungseinheit 20 werden soll. Insbesondere werden ein nichtmagnetischer Metallfilm 430P, der zu dem darunterliegenden Film 430 werden soll, und eine magnetische Schicht 21P, die zu der ferromagnetischen Schicht 21 werden soll, in dieser Reihenfolge auf der Isolierschicht 440 gebildet. Dann wird eine Maske 481 zum Strukturieren der Struktur 480 auf der Struktur 480 gebildet. Die Maske 481 ist vorzugsweise so geformt, dass sie zum leichten Entfernen in einem späteren Schritt eine Hinterschneidung wie in 21 gezeigt aufweist.
22 zeigt den nächsten Schritt. In diesem Schritt wird unter Verwendung der Maske 481 als eine Ätzmaske ein Teil der Struktur 480 durch beispielsweise Ionenfräsen entfernt, so dass die Struktur 480 zu der Bias-Magnetfelderzeugungseinheit 20 wird und ein Aufnahmeteil 482 in der Struktur 480 gebildet wird.
23 zeigt den nächsten Schritt. In diesem Schritt wird das MR-Element 410 in dem in 22 gezeigten Aufnahmeteil 482 gebildet. Insbesondere werden zunächst die antiferromagnetische Schicht 411, die Schicht 412 mit festgelegter Magnetisierung, die Spaltschicht 413 und die freie Schicht 414 durch beispielsweise Sputtern über die gesamte Oberseite der in 22 gezeigten geschichteten Struktur in dieser Reihenfolge gebildet, wobei die Maske 481 nicht entfernt wird. Dann wird die Maske 481 entfernt. Wie in 20 gezeigt wird, werden als Nächstes die erste und die zweite Elektrode 441 und 442 auf dem MR-Element 410 und der Bias-Magnetfelderzeugungseinheit 20 (der ferromagnetischen Schicht 21) gebildet. Dadurch ist die magnetoresistive Vorrichtung 401 fertiggestellt.
Die Bias-Magnetfelderzeugungseinheit 20 der vorliegenden Ausführungsform kann eine geschichtete Struktur aufweisen, die wie bei der zweiten Ausführungsform aus der antiferromagnetischen Schicht 22 und der ferromagnetischen Schicht 21 besteht. Bei der vorliegenden Ausführungsform befindet sich die geschichtete Struktur auf dem darunterliegenden Film 430.
Die Konfiguration, die Funktionsweise und die Wirkungen der vorliegenden Ausführungsform sind ansonsten die gleichen wie jene der zweiten oder dritten Ausführungsform.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorhergehenden Ausführungsformen beschränkt, und es können verschiedene Modifizierungen daran ausgeführt werden. Zum Beispiel sind die magnetoresistiven Elemente bei der vorliegenden Erfindung nicht auf diejenigen beschränkt, die in den vorhergehenden Ausführungsformen veranschaulicht werden, sondern können irgendwelche magnetoresistiven Elemente sein, die jeweils eine freie Schicht aufweisen, deren Magnetisierungsrichtung durch ein daran angelegtes Magnetfeld variabel ist.
Natürlich sind angesichts der obigen Lehren viele Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung möglich. Somit versteht sich, dass die Erfindung innerhalb des Schutzumfangs der angehängten Ansprüche und der Äquivalente davon in anderen Ausführungsformen als den vorhergehenden am stärksten bevorzugten Ausführungsformen ausgeübt werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6005753 A [0005, 0006]
WO 2009/090739 [0005, 0007, 0010]

Claims

Magnetoresistive Vorrichtung (1), die ein magnetoresistives Element (10) und eine Bias-Magnetfelderzeugungseinheit (20) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass: das magnetoresistive Element (10) eine freie Schicht (14) mit einer Magnetisierung, deren Richtung durch ein daran angelegtes Magnetfeld variabel ist, aufweist; die Bias-Magnetfelderzeugungseinheit (20) eine ferromagnetische Schicht (21) zum Erzeugen eines Bias-Magnetfelds zum Anlegen an die freie Schicht (14) aufweist; die freie Schicht (14) eine erste Fläche und eine zweite Fläche, die sich in einer ersten Richtung an gegenüberliegenden Enden befinden, und eine die erste Fläche und die zweite Fläche verbindende Umfangsfläche (14c) aufweist; die erste Fläche so geformt ist, dass sie in einer orthogonal zur ersten Richtung verlaufenden zweiten Richtung lang ist; die ferromagnetische Schicht (21) einen oder zwei Hauptteile (21M1, 21M2), einen ersten Seitenteil (21S1) und einen zweiten Seitenteil (21S2) aufweist; in einem durch den Schwerpunkt (C) der ersten Fläche und parallel zu der ersten und zweiten Richtung verlaufenden ersten Querschnitt (CS1) sich der eine oder die zwei Hauptteile (21M1, 21M2) in der zweiten Richtung auf einer Seite oder auf einander gegenüberliegenden Seiten der freien Schicht (14) befinden; in einem durch den Schwerpunkt (C) der ersten Fläche und senkrecht zu der zweiten Richtung verlaufenden zweiten Querschnitt (CS2) sich der erste Seitenteil (21S1) und der zweite Seitenteil (21S2) in einer senkrecht zu der ersten und zweiten Richtung verlaufenden dritten Richtung auf einander gegenüberliegenden Seiten der freien Schicht (14) befinden; und in dem zweiten Querschnitt (CS2) ein kürzester Abstand zwischen der Umfangsfläche (14c) der freien Schicht (14) und dem ersten Seitenteil (21S1) und ein kürzester Abstand zwischen der Umfangsfläche (14c) der freien Schicht (14) und dem zweiten Seitenteil (21S2) 35 nm oder weniger betragen.
Magnetoresistive Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei in irgendeinem Querschnitt, der die freie Schicht (14) schneidet und senkrecht zu der zweiten Richtung verläuft, der kürzeste Abstand zwischen der Umfangsfläche (14c) der freien Schicht (14) und dem ersten Seitenteil (21S1) und der kürzeste Abstand zwischen der Umfangsfläche (14c) der freien Schicht (14) und dem zweiten Seitenteil (21S2) 35 nm oder weniger betragen.
Magnetoresistive Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei in dem zweiten Querschnitt (CS2) der kürzeste Abstand zwischen der Umfangsfläche (14c) der freien Schicht (14) und dem ersten Seitenteil (21S1) und der kürzeste Abstand zwischen der Umfangsfläche (14c) der freien Schicht (14) und dem zweiten Seitenteil (21S2) 20 nm oder weniger betragen.
Magnetoresistive Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das magnetoresistive Element (10) ferner eine Schicht (12) mit festgelegter Magnetisierung, die eine Magnetisierung in einer vorbestimmten Richtung aufweist, und eine zwischen der Schicht (12) mit festgelegter Magnetisierung und der freien Schicht (14) angeordnete Spaltschicht (13) aufweist und die Schicht (12) mit festgelegter Magnetisierung, die Spaltschicht (13) und die freie Schicht (14) in der ersten Richtung gestapelt sind.
Magnetoresistive Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 ferner umfassend einen nichtmagnetischen Film (30), der die freie Schicht (14) von der ferromagnetischen Schicht (21) trennt.
Magnetoresistive Vorrichtung (1) nach Anspruch 5, wobei in dem zweiten Querschnitt (CS2) der kürzeste Abstand zwischen der Umfangsfläche (14c) der freien Schicht (14) und dem ersten Seitenteil (21S1) und der kürzeste Abstand zwischen der Umfangsfläche (14c) der freien Schicht (14) und dem zweiten Seitenteil (21S2) im Bereich von 1 bis 20 nm liegen.
Magnetoresistive Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der eine oder die zwei Hauptteile die beiden Hauptteile sind, und die beiden Hauptteile, der erste Seitenteil (21S1) und der zweite Seitenteil (21S2) einen gesamten Umfang der freien Schicht (14), wie in einer von der ersten Fläche zu der zweiten Fläche der freien Schicht (14) verlaufenden Richtung gesehen, umgeben.
Magnetoresistive Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei sich das Bias-Magnetfeld in der zweiten Richtung befindet.
Magnetoresistive Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei sich das Bias-Magnetfeld in einer Richtung befindet, die einen spitzen Winkel bezüglich der zweiten Richtung bildet.
Magnetoresistive Vorrichtung (201) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Bias-Magnetfelderzeugungseinheit (20) ferner eine antiferromagnetische Schicht (22) aufweist, die zur Austauschkopplung mit der ferromagnetischen Schicht (21) konfiguriert ist.
Herstellungsverfahren für die magnetoresistive Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, das die folgenden Schritte umfasst: Bilden einer Struktur (80), die später zu dem magnetoresistiven Element (10) wird; Entfernen eines Teils der Struktur (80), so dass die Struktur (80) zu dem magnetoresistiven Element (10) wird und in der Struktur (80) ein Aufnahmeteil (82) gebildet wird; und Bilden der Bias-Magnetfelderzeugungseinheit (20) in dem Aufnahmeteil (82).
Herstellungsverfahren für die magnetoresistive Vorrichtung (401) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, das die folgenden Schritte umfasst: Bilden einer Struktur (480), die später zu der Bias-Magnetfelderzeugungseinheit (20) wird; Entfernen eines Teils der Struktur (480), so dass die Struktur (480) zu der Bias-Magnetfelderzeugungseinheit (20) wird und in der Struktur (480) ein Aufnahmeteil (482) gebildet wird; und Bilden des magnetoresistiven Elements (410) in dem Aufnahmeteil (482).