JP2000150237A - スピンバルブ構造とその製造法 - Google Patents

スピンバルブ構造とその製造法

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Suri Jean-Pierre
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 低磁界で強い磁気抵抗信号と高感度が可能な
新規な磁気的装置を提供する。 【解決手段】 本発明は、１つの観点では、第１と第２
の自由な強磁性層とその間に位置されるスペーサーから
なるスピンバルブ構造に関する。ここで、第１の自由な
強磁性層は、基板の上に位置される。好ましい実施形態
では、第１の自由な強磁性層は、基板の表面と直接に接
触する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、スピンバルブ構造
を有する磁気的装置の構造と製造に関する。
【０００２】
【従来の技術】巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）効果は従来から
知られている。これは、読み書き用磁気抵抗ヘッドにお
ける応用や磁気センサについて大きな関心が集まってい
る。ＧＭＲ磁気的多層は強い結合（coupling）特性とし
たがって高い飽和磁界を示す。多層または超格子は、多
数の強磁性層と反強磁性層である。強磁性層は結合され
ることも結合されないこともある。最近、単独浴の電着
または電気めっきの技術がＧＭＲ多層の生産のための魅
力的な方法であることをいくつかの研究グループが示し
た（W. Schwarzacher andD.S. Lashmore, Giant magnet
oresistance in electrodeposited films (電着された
膜における巨大磁気抵抗), IEEE-Trans. Magn., 32 (19
96) 3133-53）。上述の高い飽和磁界のため、電着／電
気めっきの多層は、低磁界での検出のためには魅力がな
い。電着された多層においてこれまで得られた最大の感
度はＯｅあたり０.１％であった（R. Hart, M. Alper,
K. Attenborough and W. Schwarzacher, Giant magneto
resistance in Ni-Co-Cu/Cu superlattices electrodep
ositedon n-type (100) GaAs substrates (ｎ型（１０
０）ＧａＡｓ基板のうえに電着されたＮｉ−Ｃｏ−Ｃｕ
／Ｃｕ超格子における巨大磁気抵抗), Proc. 3rd Inter
national Symposium on Magnetic Materials, Processe
s and Devices, Electrochem. Soc. Proc., 94 (1994)
215-221）。もし将来の磁界検出装置のための適当な生
産技法として電着が考慮されるなら、より低いスイッチ
磁界でより高い感度が達成されねばならない。当業界に
おける電着または電気めっきは、通常、電気伝導性の種
層（たとえばＣｕ）のうえで起こる。もしこの種層が除
去できないなら、電着または電気めっきがされた材料の
磁気抵抗の性質を測定するとき、電流シャントと信号損
失の問題が生じる。スピンバルブ構造を備えた新しい磁
界センサが知られている。これらの構造は、より低い磁
界でより高い磁気抵抗（ＭＲ）信号と高い感度という長
所がある（J.C.S. Kools, Exchange-Biased Spin-Valve
s for Magnetic Storage (磁気記憶のため交換でバイア
スされるスピンバルブ), IEEE Trans. Magn., 32 (199
6) 3165-3138）。そのような特徴の組み合わせは、多く
の検出用途において重要である。これらの効果を示す膜
の生産は、通常スパッター法により達成される。スピン
バルブは、異なる保磁力の２つの強磁性(ＦＭ)層の間に
サンドイッチされた非磁気性の薄いスペーサー層を伴う
構造である。磁気材料の保磁力は、磁界（または電界）
が外部から印加されたときの磁界の方位の変化に対する
抵抗を反映する。スパッター法によるスピンバルブにお
いて、これは、層の厚さを異ならせることや異なった材
料を用いることや、１つの層を反強磁性（ＡＦ)層にピ
ン止めして他の磁気層を自由に回転させることにより達
成できる。強磁性層の磁界の整列は、外部印加磁界に依
存して、反平行（高抵抗状態）から平行(低抵抗状態）
に変化する。典型的な反強磁性材料、たとえばＦｅＭｎ
またはＮｉＯ、を置き換えるために用いられるスピンバ
ルブの設計における最近の進歩は、人工反強磁性または
合成反強磁性サブシステム（ＡＡＦまたはＳｙＡＦ）を
用いることである（H.A.M. van den Berg, W. Clemens,
G. Gieres, G. Rupp, W. Schelter and M. Vieth, GMR
sensor scheme with artificial antiferromagnetic s
ubsystem (人工反強磁性サブシステムを備えるＧＭＲセ
ンサ・スキーム), IEEE Trans. Magn., 32 (1996) 4624
-4626))）(J.L. Leal and M.H. Kryder, Spin-valves e
xchange biasedby Co/Ru/Co synthetic antiferromagne
ts (Ｃｏ／Ｒｕ／Ｃｏ合成反強磁性体により交換でバイ
アスされるスピンバルブ), J. Appl. Phys. 83, 3720
(1997))。これらの新しいスピンバルブ構造は、ＡＡＦ
サブシステムからＣｕスペーサー層により分離されるＦ
Ｍ層からなり、ＡＡＦサブシステムは、それ自体、強く
結合する新規なＣｏ／Ｃｕような２層またはＣｏ／Ｒｕ
／Ｃｏのような多層からなる。これらの構造の追加の長
所は、腐食やより高い処理温度に対する抵抗がＡＦ層に
対し改善されたことである。特定のスピンバルブは、文
献ＷＯ９８／１４７９３号に開示されている。
【０００３】
【発明の目的】本発明の１つの目的は、低磁界で強い磁
気抵抗信号と高感度が可能な新規な磁気的装置を提供す
ることである。本発明の１つの目的は、その構造パラメ
ータを変えることにより、好ましくはキャリヤ基板の適
当な選択により、その性質が決定できる新規な磁気的装
置を提供することと、その動作モードを変えることによ
りいくつかの目的で使用できる新規な磁気的装置を提供
することである。本発明の１つの目的は、多値のメモリ
容量を示すことができる新規な磁気メモリ装置を提供す
ることである。本発明の１つの目的は、低磁界で強い磁
気抵抗信号を検出でき高感度を有する新規な磁気センサ
の製造法を提供することである。本発明の１つの目的
は、スピンバルブの新規な低コストの製造法を提供する
ことである。
【０００４】
【発明の概要】本発明は、第１の側面では、スピンバル
ブ構造は、第１と第２の自由な強磁性層と、この第１と
第２の自由な強磁性層の間に位置されるスペーサー層と
からなり、前記の第１の自由な強磁性層は伝導性基板の
上に位置される。発明の好ましい実施形態では、この第
１の自由な強磁性層は、基板の表面の上に直接に接触す
る。両者の間に絶縁バリア層を介在させて位置される。
好ましくは、前記のスペーサー層は、金属層、反強磁性
層、絶縁層、半金属層または伝導性半導体層、またはそ
れらの組み合わせのグループの中の１つ、または、前記
のグループの中の任意の層の任意の多層構造である。こ
れらの自由な強磁性層において、それらの磁界の方向
は、好ましくは相互に独立に、外部の電界または磁界に
より変更できる。発明の好ましい実施形態では、第１と
第２の自由な強磁性層は、異なる外部電界または磁界で
スイッチできる。この自由な層の１つは、平行挙動をし
てもよく、また、この自由な層の１つは、反平行挙動を
してもよい。好ましくは、スペーサー層は、人工反強磁
性層または合成反強磁性層である。人工反強磁性層は、
Ｃｕ層と、それらの間にあるＣｏ層とからなり、Ｃｕ層
は、Ｃｏ層の間の磁気的結合を増加するのに十分薄い。
これらの層、または、Ｃｏ xＮｉyＦｅ1-x-y合金、また
はＣｏxＦｅyＸ1-x-y合金（ここにＸはＣｒ、Ｖ、Ｎ
ｉ、Ｃｕ）は、単独の固い層として動作できる。前記の
第１と第２の自由な強磁性層の一方または両方は、Ｃｏ
からなり、または、ＮｉＦｅまたはＣｏＦｅからなる。
好ましくは、前記の半導体基板の上に位置される第１の
自由な強磁性層は、第２の自由な強磁性層より大きな保
磁力を有する。好ましくは、基板は半導体基板である。
この半導体基板はＧａＡｓ、Ｇｅ、Ｓｉまたはポリマー
または他の任意の半導体基板である。前記の基板は、め
っきを可能にするのに十分な伝導性であって、検出動作
において検出電流が基板に入らないようにバリヤが形成
される半導体（ＧａＡｓとＳｉを含む）または任意の基
板であってよい。また、基板の選択は、半導体ポリマ
ー、または、その上に電着される金属とショットキーバ
リヤ接触または他のバリヤ接触をするポリマーであって
よい。別の形態では、高度にオーミックな層が基板の上
にまず堆積される。こうして、絶縁トンネルバリヤによ
り強磁性層が基板から分離される。前記の第１の自由な
強磁性層の磁気的性質と構造的性質は、その下に位置す
る半導体基板の表面構造と格子構造の一方または両方に
より影響される。基板の上への第１の自由な強磁性層の
電着の先立つイオンボンバードまたは他の方法による半
導体表面構造の変化が、その上に成長される第１の自由
な強磁性層の磁気的及び構造的性質を変化できる。好ま
しい実施形態では、第１の自由な強磁性層と半導体表面
の間に電気的バリヤがある。この電気的バリヤは、ショ
ットキーバリヤまたはトンネルバリヤであてもよい。そ
のような電気的バリヤは、基板表面に第１の自由な強磁
性層を電着する間に形成でき、シャント電流を防止で
き、スピンバルブ構造を電気めっき放電に対して保護で
きる。しかし、このバリヤは、電着の間に必要ならは電
気的接触を与えるのに十分なほど弱い。前記のスピンバ
ルブ構造は、磁気メモリ装置、好ましくは３以上のメモ
リ状態を有する磁気メモリ装置、として動作できる。こ
の磁気メモリ装置は、あらかじめ決められた大きさとパ
ルス幅の電流パルスまたは電圧パルスを用いてセットで
きる。異なるメモリ設定を達成するため、パルスは一定
の大きさであり、パルス幅が可変であってもよく、また
は、大きさが可変であり、パルス幅が一定であってもよ
い。
【０００５】また、本発明は、第１と第２の自由な強磁
性層と、この第１と第２の自由な強磁性層の間に位置さ
れるスペーサー層、好ましくは、反強磁性層、金属層、
半金属層または伝導性半導体層とからなるスピンバルブ
構造に関する。ここに、前記の第１の自由な強磁性層は
伝導性基板の上に位置され、基板はその上に位置してい
る強磁性層とバリヤを形成する。このバリヤは、基板上
への強磁性層の電着の間に必要なら電気的接触を可能に
するとともに、スピンバルブ構造の動作の間に、基板か
ら磁性層へのシャント電流または他の形の電子輸送を防
止できるようなものである。また、本発明によれば、ス
ピンバルブ構造は、第１と第２の自由な強磁性層と、こ
の第１と第２の自由な強磁性層の間に位置される反強磁
性層、金属層、半金属層または伝導性半導体層とからな
り、この第１の自由な強磁性層は、その間に絶縁層を介
在して、伝導性基板の上に位置される。この絶縁層は、
第１の自由な強磁性層の、好ましくは電気めっきによ
る、電着の間に電気的輸送をするのに充分弱く、かつ、
スピンバルブ構造の動作の間に、これらの層に電流を閉
じ込めるのに十分高いバリアを提供する。この動作の間
に、バリヤは、ショットキーバリヤ、トンネルバリヤま
たは高度にオーミックのバリヤとして動作する。さら
に、本発明によれば、スピンバルブ構造は、第１と第２
の自由な強磁性層と、この第１と第２の自由な強磁性層
の間に位置されるスペーサー層とからなり、前記の第１
の自由な強磁性層は基板の上に位置され、前記の第１の
自由な強磁性層は、前記の基板の格子構造と同じ格子構
造を備える。好ましくは、このスペーサー層は、金属
層、反強磁性層、絶縁層、または、それらの組み合わせ
のグループの中の１つ、または、前記のグループの中の
任意の層の任意の多層構造である。
【０００６】発明の第２の側面は、前記のスピンバルブ
構造を基板、好ましくは半導体基板、の上に電着するス
テップを有する、スピンバルブ構造の製造法である。好
ましくは、前記の電着のステップは、半導体基板上への
第１の強磁性層の電着のステップ、前記の第１の強磁性
層上へのスペーサー層、好ましくは反強磁性層、金属
層、半金属層または伝導性半導体層、の電着のステッ
プ、、前記の反強磁性層上への第２の強磁性層の電着の
ステップからなる。好ましい実施形態によれば、本発明
の方法は、また、半導体基板上への第１の強磁性層の電
着のステップ、前記の第１の強磁性層上への第１の非磁
性層の電着のステップ、前記の第１の非磁性層上への反
強磁性層、金属層、半金属層または伝導性半導体層の電
着のステップ、前記の反強磁性層上への第２の非磁性層
の電着のステップ、前記の第２の非磁性層上への第２の
強磁性層の電着のステップからなる。また、別の実施の
形態では、本発明は、半導体基板上への第１の強磁性層
の電着のステップ、前記の第１の強磁性層上への非磁性
層の電着のステップ、、前記の非磁性層上への第２の強
磁性層の電着のステップからなる。より好ましくは、前
記の絶縁層は電気めっきステップにおいて製造される。
好ましい実施形態において、前記の電着のステップは、
１つの電解質浴において実行される。この電解質はいく
つかの元素からなり、この元素は、前記の電着ステップ
の前に、希望の表面構造に選択または変更される。前記
の方法は、さらに前記の半導体構造の表面構造は希望の
表面構造に選択または変更されるステップを備える。半
導体基板の表面構造は、イオンボンバードまたは他の公
知の方法により変化できる。
【０００７】本発明の第３の側面は、本発明のスピンバ
ルブ構造の、以下に述べる多数の用途への好ましい使用
である。発明の第１の側面は、上述の方法により得られ
る上述のスピンバルブ構造の、位置、距離または移動の
検出のための無接触の検出素子としての使用である。発
明の他のの側面は、上述の方法により得られる上述のス
ピンバルブ構造の、角度位置の検出のための検出素子と
しての使用である。発明のさらに別の側面は、上述の方
法により得られる上述のスピンバルブ構造の、多層構造
の抵抗の変化をとおしての物理的パラメータの間接測定
のための検出素子としての使用である。発明のさらに別
の側面は、上述の方法により得られる上述のスピンバル
ブ構造の、磁気的ランダム・アクセス・メモリをつくる
磁気メモリ回路における磁気的装置としての使用であ
る。この磁気的装置は多値メモリを備えることができ
る。発明のさらに別の側面は、上述の方法により得られ
る上述のスピンバルブ構造の、論理装置における論理ゲ
ートの素子としての使用である。発明のさらに別の側面
は、上述の方法により得られる上述のスピンバルブ構造
の、電流が前記のバリヤにより面内に閉じ込められてい
る使用である。発明のさらに別の側面は、上述の方法に
より得られる上述のスピンバルブ構造の、電流が前記の
バリヤに印加される電圧により前記のバリヤを越えるこ
とができる使用である。発明の任意の実施形態または側
面の任意の組み合わせが実現でき、そして、そのような
スピンバルブ構造、生産法または使用は、好ましい装置
を作り出す。また、上述の基板のいずれかは、キャリヤ
基板の上に堆積されるそのような基板材料のそのような
１つまたは複数の中間層であってもよい。
【０００８】
【発明の好ましい実施の形態の詳細な説明】以下、本発
明の実施の形態及び例が以下に説明される。本発明によ
る他の実施形態を当業者が容易に想到し製造できること
は明らかであり、この発明の精神と範囲は添付の請求の
範囲によってのみ制限される。発明の目的は、本発明に
おいて解決される。半導体基板または他の基板の上に堆
積されたスピンバルブは、基板とスピンバルブとの間の
絶縁層とともに、高感度の磁気センサを生じる。磁気セ
ンサは、基板の上のスピンバルブ構造の電着めっきで製
造でき、低磁界で大きな磁気抵抗信号と高感度を有する
センサを提供できる。したがって、本発明によるプロセ
スは、電着工程を含んでいてもよい。電着は、通常、伝
導性の種層、典型的にはＣｕ、の上で生じる。もしこの
種層が除去できないなら、センサが動作しているときに
電着物の磁気抵抗の性質を測定するとき、電流シャント
と信号損失の問題が生じる。この問題を避けるため、ス
ピンバルブは基板の上で成長され、これは、強磁性／基
板の界面でのバリヤの生成により電流シャントを防止す
る。好ましくは、単独の浴を用いた電着技法が用いられ
る。単独浴電着技法の場合に電解質中に存在する元素か
らなるそうに限定されるので、ＡＡＦサブシステムの実
行は、電着スピンバルブ構造を作るため、実行可能なオ
プションである。
【０００９】（電着のための基板の選択）スピンバルブ
構造は、多数の基板の上に成長できる。基板は、めっき
を可能にするに十分なほど伝導性でなければならない
が、しかし、検出動作において検出電流が基板に入らな
いようになんらかのバリヤ(トンネルバリヤ、ショット
キーバリヤまたは高抵抗層）が形成されねばならない。
また、基板の選択は、半導体ポリマー、または、その上
に堆積された金属とショットキー接触または他のバリヤ
接触をするポリマーをも含む。別の方法では、高度にオ
ーミックな層が基板の上に最初に堆積できる。基板の上
にスピンバルブ構造を成長し、その間にバリヤを形成す
るアプローチは、構造における大きなシャント電流の問
題を解決する。さらに、バリヤ接触はいくつかの電流範
囲で電流はバリヤ接触を越えて流れるだけなので、バリ
ヤ接触に印加される電圧に依存して、いくつかの動作モ
ードを可能にする。高抵抗層としてのそのようなバリヤ
接触の電着または電気めっきをすることは可能である。
バリヤは、特定の場合には、回路における電力線または
接地線における静電放電、スパイクなどの過渡現象によ
る破壊または永久的な故障などの問題を減少することに
よりスピンバルブ構造部品の設計において特徴の追加を
提案することにより、スピンバルブ構造を通って大電流
が流れることを防止できる他の長所を持つ。当業者にと
って明らかなように、スピンバルブ構造の金属層におけ
る典型的な抵抗はミリオームまたはオームのオーダーで
ある。ショットキーバリヤのような基板とスピンバルブ
の間のバリヤ接触は、キロオームまたはメガオームのオ
ーダーの接触抵抗を有することがある。半導体基板Ｇａ
Ａｓは、以下に説明する最良モードの説明において１例
として使用される。この基板は、金属の多層と基板の間
のバリヤ接触を提供する。半導体の上での成長は、他の
長所を有する。Ｃｕまたは他の標準的なテンプレート層
に比べた基板構造および／または表面条件の相違によ
り、半導体基板と接触する磁気膜の構造的性質と磁気異
方性とは異なる。これは、磁気的性質を変更するための
他のピン止め層または他の追加の金属の必要を無くす。
半導体表面の上に直接に位置される強磁性層の構造（お
よび保磁性）は、基板の構造により、および、基板の表
面の条件（たとえば粗さまたは格子）により影響され
る。堆積の間の磁界の使用でさえ、除くことができる。
このため、半導体基板は、あきらかに検出素子のいくつ
かの重要な性質を決定する。
【００１０】（種層／テンプレート層なしで、かつ、除
去エッチングまたはリフトオフなしでの堆積とサブミク
ロン構造の方法；スピンバルブ構造の成長法）堆積のた
めの電圧は、絶縁バリヤをとおる／越えるキャリヤ輸送
を確実にするのに十分に高くする。バリヤに加えられる
電圧がより低いので、検出動作において、磁気素子構造
を通っての検出電流は、半導体基板に入らない。電着
は、除去エッチングまたはリフトオフを用いる必要なし
に、サブミクロン構造を提供できる。半導体基板の上の
空洞部の中への電着のときに、犠牲層の必要はなしに、
キャビティは、底からうずめられる。これは、空隙部の
形成、または、少なくとも積層成長の欠損に導く可能性
のある側壁成長の問題をなくす。これは、スピンバルブ
構造のため必須である。
【００１１】（本発明の好ましい実施形態によるスピン
バルブ構造とその生産法の説明）本発明の好ましい実施
形態による装置は、図１の特徴により以下に説明され
る。ＧａＡｓ基板（７）のうえに堆積された、選択され
たセンサ構造（１）は、１０ｎｍ厚のＣｏの２つのいわ
ゆる自由な層（３）からなり、２つの４.８ｎｍ厚のＣ
ｕの非結合層（５）によりＡＡＦ(人工反強磁性)サブシ
ステム（４）がサンドイッチされる。ＡＡＦサブシステ
ム（４）は、Ｃｕスペーサー層（８）により分離される
３つの２.７ｎｍ厚のＣｏ層（６）からなる。これらの
Ｃｏ層（６）の間の結合を増加するため、Ｃｕスペーサ
ー層（８）の厚さは非常に薄くなければならず、この例
では３.２ｎｍである。最後に、この構造は、上部のＣ
ｏ層の酸化を防止するため４ｎｍ厚のＣｕ層（２）でキ
ャップされる。こうして、対称的な様々なスピンバルブ
構造が使用され、この構造は、ＡＡＦサブシステムをサ
ンドイッチする２つの自由な強磁性層と、サブシステム
を強磁性層から分離するために使用される、より厚いＣ
ｕスペーサー層とを有する。この場合、ＡＡＦサブシス
テムの内側のスペーサーＣｕ層の厚さは、多層の磁気サ
ブ層における結合を減少するように拡大される。この場
合、硬い強磁性体の特性が達成される。ＡＡＦ(人工反
強磁性)（またはＳｙＡＦ(合成反強磁性)）を用いる長
所は、腐食抵抗と処理温度に関して保持される。長方形
部分が、ｎ型（１００）ＧａＡｓ基板（ＡＸＴから１０
18ｃｍ-3のＳｉがドープされる）から切り出される。電
気接触は、ウエハー部分の背部とオーミック接触を介し
てなされ、縁は、カプトンテープにより覆われ、前洗浄
工程と電着における溶液の漏れを防止する。電着の前
に、ＮＨ3溶液における前処理と、それに続く脱イオン
水における洗浄により、もとからある酸化物がＧａＡｓ
基板から除去される。基板は、硫酸塩電解質（１９）に
直接におかれ、この電解質はＣｏとＣｕを含む（S.K.J.
Lenczowski, C. Schoenenberger, M.A.M. Gijs, W.J.
M. de Jonge, Giant magnetoresistance of electrodep
osited Co/Cu multilayers (電着されたＣｏ／Ｃｕ多層
の巨大磁気抵抗), J. Magn. Mat., 148 (1995) 455-6
5）。電着の実験は、室温でｐＨ３.３で行われる。他の
温度とｐＨ値も同様に使用できる。標準の３電極めっき
セル（１１）が参照電極（１７）としてのＡｇ／ＡｇＣ
ｌ、対向電極（２３）としてのＰｔおよび作用電極（２
１）としての基板とともに使用される。以下に引用され
る全電極電位は参照電極に対して測定された。各金属イ
オンがその固有の特性堆積電位を有するので、ポテンシ
オスタット（１５）により与えられる近似的な電位を選
択することにより電着される層の組成を制御できる。今
の場合、−０.５５Ｖが純銅を堆積するために用いら
れ、−１.１ＶがＣｏを基にした磁気的層の堆積のため
に用いられる。堆積処理は、コンピュータ（１３）で制
御され、回路を流れる電流の監視と積分が可能になる。
選択された電位が基板に印加されるとき、電荷が回路を
流れ、ファラデーの法則により、露出されている堆積面
積に依存して、堆積物の厚さを決定する。希望の厚さに
対応する電荷に達すると、電位は自動的に次の層を堆積
するために切り替えられる。
【００１２】（発明の好ましい実施形態によるスピン構
造の性質）前述の好ましい実施形態において説明された
スピンバルブセンサ構造の磁気抵抗の性質が測定され
る。磁気輸送特性は、１.７ｋＯｅまで直流配置で４点
プローブを用いて測定でき、交流勾配磁力計（ＡＧＦ
Ｍ）がスピンバルブの磁化曲線の測定に使用できる。す
べての測定は、室温でなされる。このスピンバルブの磁
気抵抗（ＭＲ）（実線）と、対応するヒステリシス曲線
（点線）は、図３に示される。これらの曲線は、ＧａＡ
ｓの好ましい結晶方位（［１１０］方位）に対して４５
°の角度で測定される。磁気抵抗曲線は、磁界の関数と
して３つのほぼ別々の抵抗の大きさを示し、これは、こ
れらの磁界でのヒステリシス挙動で観察されるように、
多層構造でのよく定義された磁化の構成に対応する。こ
れは以下に説明される。磁界が飽和（＋２００Ｏｅ）か
ら減少されるとき、強磁性層の間の整列が変更されない
限り、抵抗は一定にとどまる。約−２６Ｏｅで、抵抗
は、突然増加し、これは、Ｃｏの自由な強磁性層の１つ
がその磁界で切り換わるためである。この磁界は、上側
の自由な強磁性層の保磁力に対応し、その磁化は、中間
構造４の磁化と反強磁性的にすなわち反平行に並ぶ。こ
れは、この磁界での全体の磁化における複数の強磁性層
の異なる寄与を考慮してよりよく理解でき、その磁界
で、強い減少がヒステリシス挙動において観測される。
この転移における磁気抵抗の感度は０.３２％／Ｏｅに
対応する。第２の自由な強磁性層が切り換わるとき、Ｍ
Ｒ（＝（Ｒｍａｘ−Ｒｏ）／Ｒｏ）は、−３７Ｏｅ付近
でその最大値の５.４％に達し、これは０.５５％／Ｏｅ
に対応する。２つの曲線における広い平坦領域は−３７
〜−５８Ｏｅにある。磁界をさらに減らすと、抵抗は減
少し、約−１００Ｏｅで飽和する。もしサブ構造が真の
ＡＡＦ構造であるなら、磁化の応答において長いしっぽ
を見ることが予期される。これが存在しないので、内部
の層は強くは反強磁性結合をしていず、「単独の」硬い
層として動作している。こうして、ＭＲが飽和に達する
磁界は、この人工的に硬い層の平均保磁力に対応する。
上述の構造は、より高い磁気抵抗効果に同等に寄与する
２つの単純なスピンバルブとして視覚化できる。スピン
に依存する散乱の界面の数が増加するにつれ、スピンに
依存しない外部境界散乱の影響が減少する。また、上述
の膜のＧＭＲピーク位置、大きさ及び感度が測定試料の
角度位置とともに強く変化することが観察され、図４は
典型的な例を示す。最高の感度は、これまで、０.６７
％／Ｏｅに達した。このＭＲの角度依存性は、強い面内
異方性の証拠であり、これらの膜のユニークなスピンバ
ルブ性質の原因である１つの因子であろう。また、これ
らの性質は、このスピンバルブ構造がセンサとしての使
用に適当であることを示す。ＭＲにおいて観察できるス
テップは、２つ自由な強磁性層の間の保磁力の差により
生じる。保磁力の差に可能な説明は以下の通りである。 ・ 基板の上の層の構造（粒子サイズ） ・ 半導体により誘起される磁気異方性。 ・ 後に続く複数のＣｏ層のＣｕ量の勾配。 したがって、これらの保磁力は調整でき、センサの用途
のための多くの可能性を開くものである。たとえば、も
し２つの平坦領域が拡大されるなら、すなわち曲線が６
５°で記録されるなら、多値メモリが実現できる。他
方、保磁力を合わせることにより、ＭＲの磁化に対する
単調な応答が可能であり、そうすると、これらの構造す
なわち通常のスピンバルブ挙動の感度を劇的に増加す
る。
【００１３】（本発明のスピンバルブ構造の使用）本発
明によるスピンバルブ構造は、以下のように使用でき
る。 ―― 位置、角度または移動の検出のための無接触の検
出素子。 ―― 角度位置の検出のための検出素子。 ―― 多層構造の抵抗の変化をとおしての物理的パラメ
ータの間接測定のための検出素子。 ―― 過電圧または過電流による破壊に対する抵抗が増
加する検出素子。 ―― 非常に小さい磁気ビットを有する磁気的ランダム
・アクセス・メモリをつくるための磁気メモリ回路にお
ける磁気メモリ装置。 ―― 上述の詳細を用いて製造される磁気装置が論理
（ラッチ）ゲートにおいて使用されている論理装置。人
工的反強磁性構造は、磁気素子がすでに有用であるとさ
れているニューラルネットまたは他の将来の用途におい
て使用される再コンフィギュレーションが可能な論理の
製造について長所がある。十分に並んだ状態への急速な
転移（この磁界範囲における構造の高感度）は、そのよ
うな素子がラッチ装置（メモリ機能またはしきい検出機
能を持つ検出素子）または再コンフィギュレーションが
可能な論理ゲートに使用されるとき、他の効果をもたら
す。さらに、ＭＲ曲線における平坦部の数は、選択され
る数の入力に対する選択された論理機能を達成するため
に調整できる。典型的には、入力は、あらかじめ決めら
れた大きさおよびパルス幅の電流パルスであり、ゲート
セルにおける磁気素子に誘導結合をする伝導体をとおっ
て送られる。磁気メモリ素子の多値は、電流パルスの大
きさ（一定のパルス幅）または電流パルス幅（一定の大
きさ）に対応する。また、本発明による磁気素子は、Ｎ
ｉＣｒなどの高精度の抵抗体を置き換えまたは一体化さ
れる抵抗をもつＯＰアンプのフィードバック、フィルタ
ーまたは発振器の調整、ＭＭＩＣ回路におけるように、
抵抗体の値の変化が回路の機能を変化するすべての用途
に対して、メモリ機能をもつ調整可能な抵抗体として使
用できる。調整は外部磁界を用いて行え、磁気素子の組
み込まれたヒステリシスによりその値を保持する。軟磁
性材料の場合、検出素子にバイアスを与えることが、一
体化された電流線を用いて行える。スピンバルブの場合
における自己バイアスは、考慮されねばならない（スピ
ンバルブにおける電流は磁化状態したがって抵抗値を変
える。）。この効果は、電流の最大値を検出するために
使用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の１実施形態によるスピンバルブ構造
の図式的な図
【図２】 電着のために使用される実験的装備の図式的
な図
【図３】 ４５°で測定され、電着スピンバルブ構造の
ため印加される磁界の関数としての磁気抵抗とヒステリ
シスループの図
【図４】 ＧａＡｓの優先結晶方位に対して０°、４５
°、６５°の角で測定された磁気抵抗曲線の図
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 599098493 カー・イュー・ルーベン・リサーチ・アン ド・ディベロップメント Ｋ．Ｕ． Ｌｅｕｖｅｎ Ｒｅｓｅａｒｃ ｈ ＆ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ベルギー、ベー−3000ルーベン、ベネデン ストラート59番、グロート・ベジェインホ フ (72)発明者 カレン・アッテンボロー ベルギー3001ルーベン、ワーフェルセバー ン175／22番 (72)発明者 ハンス・ブーフェ ベルギー8940ウェルフィク、カペレストラ ート57番 (72)発明者 ヨ・デ・ブック ベルギー2861シント−カテレイネ・ワーフ ェル、ホーフストラート24番 (72)発明者 ジャン−ピエール・スリ ベルギー3360コルベーク−ロ、ブルーセム ラーン21番

Claims (42)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 第１と第２の自由な強磁性層と、この第
    １と第２の自由な強磁性層の間に位置されるスペーサー
    層とからなり、前記の第１の自由な強磁性層は伝導性基
    板の上に両者の間に絶縁バリア層を介在させて位置され
    るスピンバルブ構造。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載されたスピンバルブ構造
    において、前記の絶縁バリア層は、電気めっきの間に電
    気的輸送をするのに充分弱く、かつ、スピンバルブ構造
    の動作の間に、これらの層に電流を閉じ込めるのに十分
    高いバリアを提供するスピンバルブ構造。
  3. 【請求項３】 請求項１に記載されたスピンバルブ構造
    において、前記のスペーサー層は、金属層、反強磁性
    層、絶縁層、半金属層または伝導性半導体層、またはそ
    れらの組み合わせのグループの中の１つ、または、前記
    のグループの中の任意の層の任意の多層構造であるスピ
    ンバルブ構造。
  4. 【請求項４】 第１と第２の自由な強磁性層と、この第
    １と第２の自由な強磁性層の間に位置されるスペーサー
    層とからなり、前記の第１の自由な強磁性層は基板の上
    に位置され、前記の第１の自由な強磁性層は、前記の基
    板の格子構造により影響される格子構造を備えるスピン
    バルブ構造。
  5. 【請求項５】 請求項４に記載されたスピンバルブ構造
    において、前記のスペーサー層は、金属層、反強磁性
    層、半金属層または伝導性半導体層、またはそれらの組
    み合わせのグループの中の１つ、または、前記のグルー
    プの中の任意の層の任意の多層構造であるスピンバルブ
    構造。
  6. 【請求項６】 第１と第２の自由な強磁性層と、この第
    １と第２の自由な強磁性層の間に位置される反強磁性
    層、金属層、半金属層または伝導性半導体層とからな
    り、前記の第１の自由な強磁性層は、基板の上に位置さ
    れ、この基板は、その上に形成される強磁性層とともに
    電気的バリアを形成するスピンバルブ構造。
  7. 【請求項７】 請求項６に記載されたスピンバルブ構造
    において、前記の第１の自由な強磁性層は半導体基板の
    上に位置されるスピンバルブ構造。
  8. 【請求項８】 請求項７に記載されたスピンバルブ構造
    において、前記の第１の自由な強磁性層は前記の半導体
    基板と直接に接触するスピンバルブ構造。
  9. 【請求項９】 請求項６に記載されたスピンバルブ構造
    において、前記の第１と第２の自由な強磁性層の間に、
    非磁性層をその間に挟む少なくとも２つの層からなる１
    続きの層が存在するスピンバルブ構造。
  10. 【請求項１０】 請求項６に記載されたスピンバルブ構
    造において、前記の第１と第２の自由な強磁性層の間
    に、人工反強磁性層または合成反強磁性層が存在するス
    ピンバルブ構造。
  11. 【請求項１１】 請求項６に記載されたスピンバルブ構
    造において、前記の半導体基板はＧａＡｓ、Ｓｉ、Ｇｅ
    またはＳｉＧｅの基板であるスピンバルブ構造。
  12. 【請求項１２】 請求項６に記載されたスピンバルブ構
    造において、前記の第１と第２の自由な強磁性層の一方
    または両方は、Ｃｏ、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅまたはそれら
    の混合物からなるグループから選択される材料からなる
    スピンバルブ構造。
  13. 【請求項１３】 請求項６に記載されたスピンバルブ構
    造において、前記の半導体基板の上に位置される第１の
    自由な強磁性層は、第２の自由な強磁性層とは異なる保
    磁力と異方性の一方または両方を有するスピンバルブ構
    造。
  14. 【請求項１４】 請求項６に記載されたスピンバルブ構
    造において、前記の半導体基板の上に位置される前記の
    第１の自由な強磁性層は、第２の自由な強磁性層より大
    きな保磁力を有するスピンバルブ構造。
  15. 【請求項１５】 請求項６に記載されたスピンバルブ構
    造において、前記の第１の自由な強磁性層の磁気的性質
    と構造的性質は、第１の自由な強磁性層がその上に位置
    される前記の基板の構造と前記の半導体基板の表面の条
    件の一方または両方により影響されるスピンバルブ構
    造。
  16. 【請求項１６】 請求項６に記載されたスピンバルブ構
    造において、前記の第１の自由な強磁性層の磁気的性質
    と構造的性質は、前記の半導体基板の格子構造により影
    響されるスピンバルブ構造。
  17. 【請求項１７】 請求項６に記載されたスピンバルブ構
    造において、前記の電気的バリヤは、ショットキーバリ
    ヤまたはトンネルバリヤであるスピンバルブ構造。
  18. 【請求項１８】 請求項６に記載されたスピンバルブ構
    造において、前記の電気的バリヤは、シャント電流を防
    止し、前記のスピンバルブ構造を、スピンバルブ構造の
    動作の間、電気めっき放電に対して保護するスピンバル
    ブ構造。
  19. 【請求項１９】 請求項６に記載されたスピンバルブ構
    造において、前記の反強磁性層はＣｕ層と、それらの間
    にあるＣｏ層とからなり、前記のＣｕ層は、前記のＣｏ
    層の間の磁気的結合を増加するのに十分薄いスピンバル
    ブ構造。
  20. 【請求項２０】 請求項６に記載されたスピンバルブ構
    造において、前記の複数の反強磁性層は単独の固い層と
    して動作するスピンバルブ構造。
  21. 【請求項２１】 請求項６に記載されたスピンバルブ構
    造において、前記のスピンバルブ構造は磁気メモリ装置
    の１部であるスピンバルブ構造。
  22. 【請求項２２】 請求項６に記載されたスピンバルブ構
    造において、前記の磁気メモリ装置は２より多いメモリ
    状態を有するスピンバルブ構造。
  23. 【請求項２３】 請求項６に記載されたスピンバルブ構
    造において、前記の磁気メモリ装置は、あらかじめ決め
    られた大きさとパルス幅の電流パルスを用いてプログラ
    ムされる手段を備えるスピンバルブ構造。
  24. 【請求項２４】 請求項６に記載されたスピンバルブ構
    造において、異なったメモリ設定のため、前記の電流パ
    ルスは一定の大きさであり、パルス幅が可変であるスピ
    ンバルブ構造。
  25. 【請求項２５】 請求項６に記載されたスピンバルブ構
    造において、異なったメモリ設定のため、前記の電流パ
    ルスは可変であり、パルス幅が一定であるスピンバルブ
    構造。
  26. 【請求項２６】 前記のスピンバルブ構造を基板の上に
    電着するステップを有する、スピンバルブ構造の製造
    法。
  27. 【請求項２７】 請求項２６に記載された方法におい
    て、前記のスピンバルブ構造は、第１の自由な強磁性層
    を有していて、前記の基板は前記の第１の自由な強磁性
    層とのバリヤを形成している方法。
  28. 【請求項２８】 請求項２７に記載された方法におい
    て、前記の第１基板は半導体基板である方法。
  29. 【請求項２９】 請求項２６に記載された方法におい
    て、前記の電着のステップは、 半導体基板上への第１の強磁性層の電着のステップ、 前記の第１の強磁性層上へのスペーサー層の電着のステ
    ップ、、 前記の第２の非磁性層上への第２の強磁性層の電着のス
    テップからなる方法。
  30. 【請求項３０】 請求項２６に記載された方法におい
    て、前記の電着のステップは、 半導体基板上への第１の強磁性層の電着のステップ、 前記の第１の強磁性層上への第１の非磁性層の電着のス
    テップ、 前記の第１の非磁性層上への反強磁性層、金属層、半金
    属層または伝導性半導体層の電着のステップ、 前記の反強磁性層上への第２の非磁性層の電着のステッ
    プ、 前記の第２の非磁性層上への第２の強磁性層の電着のス
    テップからなる方法。
  31. 【請求項３１】 請求項３０に記載された方法におい
    て、前記のスピンバルブ構造は、第１の自由な強磁性層
    を有していて、前記の基板は前記の第１の自由な強磁性
    層とのバリヤを形成している方法。
  32. 【請求項３２】 請求項３０に記載された方法におい
    て、前記の電着のステップは、１つの電解質浴において
    実行される方法。
  33. 【請求項３３】 請求項３０に記載された方法におい
    て、前記の電解質はいくつかの元素からなり、この元素
    は、前記の電着ステップの前に、希望の表面構造に選択
    または変更される方法。
  34. 【請求項３４】 請求項３３に記載された方法におい
    て、前記の半導体構造の表面構造は希望の表面構造に選
    択または変更される方法。
  35. 【請求項３５】 請求項２６から３４までのいずれかの
    請求項の方法により得られる請求項１から２５までのい
    ずれかの請求項に記載されたスピンバルブ構造の、位
    置、距離または移動の検出のための無接触の検出素子と
    しての使用。
  36. 【請求項３６】 請求項２６から３４までのいずれかの
    請求項の方法により得られる請求項１から２５までのい
    ずれかの請求項に記載されたスピンバルブ構造の、角度
    位置の検出のための検出素子としての使用。
  37. 【請求項３７】 請求項２６から３４までのいずれかの
    請求項の方法により得られる請求項１から２５までのい
    ずれかの請求項に記載されたスピンバルブ構造の、多層
    構造の抵抗の変化をとおしての物理的パラメータの間接
    測定のための検出素子としての使用。
  38. 【請求項３８】 請求項２６から３４までのいずれかの
    請求項の方法により得られる請求項１から２５までのい
    ずれかの請求項に記載されたスピンバルブ構造の、磁気
    的ランダム・アクセス・メモリをつくる磁気メモリ回路
    における磁気的装置としての使用。
  39. 【請求項３９】 請求項２６から３４までのいずれかの
    請求項の方法により得られる請求項１から２５までのい
    ずれかの請求項に記載されたスピンバルブ構造の使用に
    おいて、前記の磁気的装置が多値メモリを備えることを
    特徴とする使用。
  40. 【請求項４０】 請求項２６から３４までのいずれかの
    請求項の方法により得られる請求項１から２５までのい
    ずれかの請求項に記載されたスピンバルブ構造の、論理
    装置における論理ゲートの素子としての使用。
  41. 【請求項４１】 請求項２６から３４までのいずれかの
    請求項の方法により得られる請求項１から２５までのい
    ずれかの請求項に記載されたスピンバルブ構造の、電流
    が前記のバリヤにより面内に閉じ込められている使用。
  42. 【請求項４２】 請求項２６から３４までのいずれかの
    請求項の方法により得られる請求項１から２５までのい
    ずれかの請求項に記載されたスピンバルブ構造の、電流
    が前記のバリヤに印加される電圧により前記のバリヤを
    超えることができる使用。
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