JP2000307171A - 磁気デバイスのピン止め層 - Google Patents
磁気デバイスのピン止め層Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 従来技術の欠点を克服し、高い動作温度で強
力なピン止め効果を起こす磁気抵抗構造を得ること。 【解決手段】 磁気デバイスは、強磁性層と直接接触す
る反強磁性層を含み、強磁性層に交換バイアスを生じ
る。従って、強磁性層は反強磁性層によりピン止めされ
る。反強磁性層は高い動作温度に適した化合物を含む。
力なピン止め効果を起こす磁気抵抗構造を得ること。 【解決手段】 磁気デバイスは、強磁性層と直接接触す
る反強磁性層を含み、強磁性層に交換バイアスを生じ
る。従って、強磁性層は反強磁性層によりピン止めされ
る。反強磁性層は高い動作温度に適した化合物を含む。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、磁気デバイス、一
般的にはピン止め層を持つデバイスに関して、特に、い
わゆる"スピン・バルブ"効果または"巨大磁気抵抗（Ｇ
ＭＲ）"効果にもとづく磁気メモリ（ＭＲＡＭ）や磁気
抵抗センサに関する。
般的にはピン止め層を持つデバイスに関して、特に、い
わゆる"スピン・バルブ"効果または"巨大磁気抵抗（Ｇ
ＭＲ）"効果にもとづく磁気メモリ（ＭＲＡＭ）や磁気
抵抗センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】本発明は、磁気に関係する様々な用途に
適用できるが、ここでは、例えば、ＧＭＲセンサとして
の磁気抵抗センサへの応用に焦点をあてて説明する。
適用できるが、ここでは、例えば、ＧＭＲセンサとして
の磁気抵抗センサへの応用に焦点をあてて説明する。
【０００３】磁界に応じた物質の電気抵抗の変化は、磁
気抵抗と呼ばれる。磁気抵抗により、コンピュータのハ
ード・ディスク等の磁気媒体の情報を読取ることができ
る。
気抵抗と呼ばれる。磁気抵抗により、コンピュータのハ
ード・ディスク等の磁気媒体の情報を読取ることができ
る。
【０００４】従来技術は、線形密度の大きい磁性面から
データを読取ることができるとされる磁気抵抗（ＭＲ）
センサまたはヘッドと呼ばれる磁気読取り変換器につい
て開示している。ＭＲセンサは、磁性物質から作られる
読取り素子の、読取り素子により検出された磁束の強さ
と方向の関数としての抵抗変化により磁界信号を検出す
る。これら従来技術のＭＲセンサは、読取り素子抵抗の
成分が、磁化と素子を通る検出電流の方向のなす角度の
余弦の二乗として変化する異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）効
果によって動作する。ＡＭＲ効果の詳細については、D.
A. Thompsonらによる"Memory、Storage、and Related
Applications"、IEEE Trans. Mag. MAG-11、p. 1039（1
975）を参照されたい。
データを読取ることができるとされる磁気抵抗（ＭＲ）
センサまたはヘッドと呼ばれる磁気読取り変換器につい
て開示している。ＭＲセンサは、磁性物質から作られる
読取り素子の、読取り素子により検出された磁束の強さ
と方向の関数としての抵抗変化により磁界信号を検出す
る。これら従来技術のＭＲセンサは、読取り素子抵抗の
成分が、磁化と素子を通る検出電流の方向のなす角度の
余弦の二乗として変化する異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）効
果によって動作する。ＡＭＲ効果の詳細については、D.
A. Thompsonらによる"Memory、Storage、and Related
Applications"、IEEE Trans. Mag. MAG-11、p. 1039（1
975）を参照されたい。
【０００５】最近、別の、より著しい磁気抵抗効果が報
告されている。その磁気抵抗効果では、層状の磁気セン
サの抵抗変化は、磁性層間の、非磁性層を通した、スピ
ンに依存する伝導電子の伝達と、これに伴う、層界面及
び強磁性層内での電子のスピン依存散乱によるとされ
る。この磁気抵抗効果は、"巨大磁気抵抗"（ＧＭＲ）効
果、"スピン・バルブ"効果等と様々に呼ばれる。前記の
効果による磁気抵抗センサは、ＡＭＲ効果を利用したセ
ンサで観測されるよりも、感度が良く、抵抗変化が大き
い。電気抵抗の読出し、つまり信号は、このようなＧＭ
Ｒセンサではかなり強くなる。ＧＭＲセンサで信号が増
大すると、ハード・ディスクに記憶できる情報量を増や
せる。ＧＭＲセンサ下で強磁性層と並列に並ぶビットに
ついては、抵抗は下がり、電子はあまり散乱せず、電流
は増加する。このようなセンサでは、従来の単一ピン止
め層に代わり、薄膜を積層したピン止め強磁性層を使用
できる。
告されている。その磁気抵抗効果では、層状の磁気セン
サの抵抗変化は、磁性層間の、非磁性層を通した、スピ
ンに依存する伝導電子の伝達と、これに伴う、層界面及
び強磁性層内での電子のスピン依存散乱によるとされ
る。この磁気抵抗効果は、"巨大磁気抵抗"（ＧＭＲ）効
果、"スピン・バルブ"効果等と様々に呼ばれる。前記の
効果による磁気抵抗センサは、ＡＭＲ効果を利用したセ
ンサで観測されるよりも、感度が良く、抵抗変化が大き
い。電気抵抗の読出し、つまり信号は、このようなＧＭ
Ｒセンサではかなり強くなる。ＧＭＲセンサで信号が増
大すると、ハード・ディスクに記憶できる情報量を増や
せる。ＧＭＲセンサ下で強磁性層と並列に並ぶビットに
ついては、抵抗は下がり、電子はあまり散乱せず、電流
は増加する。このようなセンサでは、従来の単一ピン止
め層に代わり、薄膜を積層したピン止め強磁性層を使用
できる。
【０００６】Grunbergによる米国特許第４９４９０３９
号は、磁性層の磁化の逆平行アライメントによりＭＲ効
果を高める層状磁性構造について説明している。反強磁
性型の交換結合により、隣接した強磁性物質の層がＣｒ
またはＹの薄い中間層により分離する逆平行アライメン
トが得られるとGrunbergは説明する。
号は、磁性層の磁化の逆平行アライメントによりＭＲ効
果を高める層状磁性構造について説明している。反強磁
性型の交換結合により、隣接した強磁性物質の層がＣｒ
またはＹの薄い中間層により分離する逆平行アライメン
トが得られるとGrunbergは説明する。
【０００７】Dienyらによる米国特許第５２０６５９０
号は、結合していない２つの強磁性層間の抵抗が、２つ
の層の磁化の角度の余弦として変化することが観測され
るＭＲセンサを開示している。このメカニズムにより、
スピン・バルブ効果にもとづき、一定の物質の組み合わ
せについては、ＡＭＲよりも大きい磁気抵抗が生じる。
号は、結合していない２つの強磁性層間の抵抗が、２つ
の層の磁化の角度の余弦として変化することが観測され
るＭＲセンサを開示している。このメカニズムにより、
スピン・バルブ効果にもとづき、一定の物質の組み合わ
せについては、ＡＭＲよりも大きい磁気抵抗が生じる。
【０００８】Dienyらによる米国特許第５１５９５１３
号は、前記の効果にもとづき、非磁性金属物質の薄膜層
により分けられた２つの薄い強磁性物質層を含み、強磁
性層のうち少なくとも１つはコバルトまたはコバルト合
金であるＭＲセンサを開示している。１つの強磁性層の
磁化は、反強磁性層との交換結合により、外部磁界が０
のとき、もう１つの強磁性層の磁化に対して垂直に保た
れる。
号は、前記の効果にもとづき、非磁性金属物質の薄膜層
により分けられた２つの薄い強磁性物質層を含み、強磁
性層のうち少なくとも１つはコバルトまたはコバルト合
金であるＭＲセンサを開示している。１つの強磁性層の
磁化は、反強磁性層との交換結合により、外部磁界が０
のとき、もう１つの強磁性層の磁化に対して垂直に保た
れる。
【０００９】欧州特許出願第ＥＰ−Ａ−０５８５００９
は、反強磁性層と隣接する軟磁性層が協力して強磁性層
の磁化を固定またはピン止めするスピン・バルブ効果セ
ンサを開示している。軟磁性層は、強磁性層による交換
結合を高める。
は、反強磁性層と隣接する軟磁性層が協力して強磁性層
の磁化を固定またはピン止めするスピン・バルブ効果セ
ンサを開示している。軟磁性層は、強磁性層による交換
結合を高める。
【００１０】先に引用した米国特許と欧州特許出願に述
べられているスピン・バルブ構造では、２つの強磁性層
のいずれかで、磁化方向を一定の向きに固定または"ピ
ン止め"する必要がある。つまり、信号のない条件下
で、他の強磁性層（"自由（フリー）"層）の磁化方向が
ピン止め層の磁化方向に対して垂直（つまり９０°）ま
たは逆平行（つまり１８０°）の向きにされる。センサ
に外部磁気信号が印加されると、非固定つまり"自由"層
の磁化方向は、ピン止め層の磁化方向に対して回転す
る。センサの出力はこの回転の量に依存する。ピン止め
層の磁化方向を維持するためには、磁化方向を固定する
手段が必要である。例えば、先に引用した従来技術の文
献に述べられているように、交換結合バイアス磁界を与
え、これによってピン止めを行うように、ピン止め強磁
性層の隣に反強磁性物質層を形成することができる。ま
た、ピン止め層用のハード・バイアスを与えるため、隣
接する硬磁性層を使用することもできる。
べられているスピン・バルブ構造では、２つの強磁性層
のいずれかで、磁化方向を一定の向きに固定または"ピ
ン止め"する必要がある。つまり、信号のない条件下
で、他の強磁性層（"自由（フリー）"層）の磁化方向が
ピン止め層の磁化方向に対して垂直（つまり９０°）ま
たは逆平行（つまり１８０°）の向きにされる。センサ
に外部磁気信号が印加されると、非固定つまり"自由"層
の磁化方向は、ピン止め層の磁化方向に対して回転す
る。センサの出力はこの回転の量に依存する。ピン止め
層の磁化方向を維持するためには、磁化方向を固定する
手段が必要である。例えば、先に引用した従来技術の文
献に述べられているように、交換結合バイアス磁界を与
え、これによってピン止めを行うように、ピン止め強磁
性層の隣に反強磁性物質層を形成することができる。ま
た、ピン止め層用のハード・バイアスを与えるため、隣
接する硬磁性層を使用することもできる。
【００１１】別の磁気デバイスとして、不揮発性メモリ
である磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）が
ある。このメモリは、基本的には、ＧＭＲセル、検出ラ
イン、ワード・ラインを含む。ＭＲＡＭは、ＧＭＲ効果
を利用してメモリ状態を記憶する。あるしきい値を超え
る磁界がＧＭＲセルに印加されると、ＧＭＲ物質の層の
いずれかまたは全ての層の磁気ベクトルが、ある方向か
ら逆の方向へ極めて高速に切り替えられる。ＧＭＲセル
の磁気ベクトルの方向に応じて、状態が記憶され、ＧＭ
Ｒセルは、磁界が印加されていなくてもこれらの状態を
維持する。ＧＭＲセルに記憶された状態は、セルの検出
ラインに検出電流を流し、磁気ベクトルのいずれかまた
は両方が切り替わるときの抵抗差（ＧＭＲ比）を検出し
て読取ることができる。問題は、ほとんどのＧＭＲセル
でＧＭＲ比が比較的小さく（１０％以下等）、ＧＭＲセ
ルに記憶された状態の読取りと検出が比較的困難なこと
である。
である磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）が
ある。このメモリは、基本的には、ＧＭＲセル、検出ラ
イン、ワード・ラインを含む。ＭＲＡＭは、ＧＭＲ効果
を利用してメモリ状態を記憶する。あるしきい値を超え
る磁界がＧＭＲセルに印加されると、ＧＭＲ物質の層の
いずれかまたは全ての層の磁気ベクトルが、ある方向か
ら逆の方向へ極めて高速に切り替えられる。ＧＭＲセル
の磁気ベクトルの方向に応じて、状態が記憶され、ＧＭ
Ｒセルは、磁界が印加されていなくてもこれらの状態を
維持する。ＧＭＲセルに記憶された状態は、セルの検出
ラインに検出電流を流し、磁気ベクトルのいずれかまた
は両方が切り替わるときの抵抗差（ＧＭＲ比）を検出し
て読取ることができる。問題は、ほとんどのＧＭＲセル
でＧＭＲ比が比較的小さく（１０％以下等）、ＧＭＲセ
ルに記憶された状態の読取りと検出が比較的困難なこと
である。
【００１２】一般に、磁気デバイスは、後に被着される
強磁性層の磁気モーメントをピン止めするため、反強磁
性層を使用することが多い。通常使用される物質はＦｅ
Ｍｎ、ＮｉＭｎ、ＣｏＯ、ＮｉＯ、ＴｂＣｏＦｅであ
る。交換バイアスを使用する主な利点は、デバイスの使
用期間中にバイアス磁界が誤ってリセットされたり変更
されることがないことである。反強磁性体をリセットす
るには、磁界中で反強磁性体をそのニール温度以上から
冷却する必要がある。ＦｅＭｎの欠点は、この物質が金
属であり、電流を通すことである。従って、ＦｅＭｎは
物質のピン止めには理想的ではない。ＮｉＯは絶縁体で
あり、ピン止め、つまり交換バイアスの強さは所望のレ
ベルほど強くないという欠点がある。
強磁性層の磁気モーメントをピン止めするため、反強磁
性層を使用することが多い。通常使用される物質はＦｅ
Ｍｎ、ＮｉＭｎ、ＣｏＯ、ＮｉＯ、ＴｂＣｏＦｅであ
る。交換バイアスを使用する主な利点は、デバイスの使
用期間中にバイアス磁界が誤ってリセットされたり変更
されることがないことである。反強磁性体をリセットす
るには、磁界中で反強磁性体をそのニール温度以上から
冷却する必要がある。ＦｅＭｎの欠点は、この物質が金
属であり、電流を通すことである。従って、ＦｅＭｎは
物質のピン止めには理想的ではない。ＮｉＯは絶縁体で
あり、ピン止め、つまり交換バイアスの強さは所望のレ
ベルほど強くないという欠点がある。
【００１３】記憶するデータの負荷は劇的に増加するの
で、読み書きのプロセスは、密度を高くし、高速に行う
必要がある。そのため、データ記憶装置の動作温度は高
くなっている。現在のセンサにはいくつか欠点があり、
従って新世代には適さない。例えば、現在ＧＭＲセンサ
に使用されている反強磁性体は、ＮｉＯで、ニール温度
ＴNは約４５０Ｋ、ヘッドの動作温度は約４００Ｋであ
る。これら２つの温度の差は小さい。動作温度がニール
温度に達すると、反強磁性物質は常磁性になるので、交
換バイアスの効果、従って強磁性層のピン止めはなくな
る。従来技術の他の欠点は、ピン止め物質、つまり反強
磁性体の交換バイアスの効率が、熱帯電や電気スパイク
により低下することである。従って、スピンによっては
その方向が変わり、交換バイアスの安定性が影響を受け
る。更に、反強磁性物質には、エージングによりそのス
ピンの向きを失うという欠点を示すものがある。また、
広く使用される金属の反強磁性体は、酸化や腐食の現象
を生じやすいという事実がある。また、交換バイアスと
して約５０ｎｍまたはそれ以上の厚い反強磁性層がよく
使用されるという欠点もある。
で、読み書きのプロセスは、密度を高くし、高速に行う
必要がある。そのため、データ記憶装置の動作温度は高
くなっている。現在のセンサにはいくつか欠点があり、
従って新世代には適さない。例えば、現在ＧＭＲセンサ
に使用されている反強磁性体は、ＮｉＯで、ニール温度
ＴNは約４５０Ｋ、ヘッドの動作温度は約４００Ｋであ
る。これら２つの温度の差は小さい。動作温度がニール
温度に達すると、反強磁性物質は常磁性になるので、交
換バイアスの効果、従って強磁性層のピン止めはなくな
る。従来技術の他の欠点は、ピン止め物質、つまり反強
磁性体の交換バイアスの効率が、熱帯電や電気スパイク
により低下することである。従って、スピンによっては
その方向が変わり、交換バイアスの安定性が影響を受け
る。更に、反強磁性物質には、エージングによりそのス
ピンの向きを失うという欠点を示すものがある。また、
広く使用される金属の反強磁性体は、酸化や腐食の現象
を生じやすいという事実がある。また、交換バイアスと
して約５０ｎｍまたはそれ以上の厚い反強磁性層がよく
使用されるという欠点もある。
【００１４】交換バイアスは、１軸異方性のためにＭ
（Ｈ）ヒステリシスのシフトにつながる。交換バイアス
を正確に制御することは、その性質上本来的に測定が困
難な界面の原子の詳細に依存するので、物質科学上困難
な課題である。対になった原子間の交換結合の大きさと
符号は、高速に変化する原子間間隔の関数である。
（Ｈ）ヒステリシスのシフトにつながる。交換バイアス
を正確に制御することは、その性質上本来的に測定が困
難な界面の原子の詳細に依存するので、物質科学上困難
な課題である。対になった原子間の交換結合の大きさと
符号は、高速に変化する原子間間隔の関数である。
【００１５】文献で、高いニール温度のときバルクで反
強磁性とされている物質が全て有効なわけではない。例
えば、Ｆｅ3Ａｌは、G. RassmanとH. Wickにより、Arc
h. Eisenhuttenw.、33、115（1963）で、７５０Ｋと高
いニール温度のとき反強磁性と報告されているが、Ｆｅ
3Ａｌ化合物に近接した鉄アルミニウム膜がテストされ
たが、１軸異方性は示さなかった。他の合金はＴN値が
高いと報告されているが、これらも、試験時には有効で
なかった。これらの合金には、ＡｌＣｒ2化合物付近の
Ａｌ−Ｃｒ合金、ＭｎＰｄ化合物付近のＭｎＰｄ合金、
Ｍｎ約１％乃至９０％のＣｒＭｎ合金が含まれる。Ｃｒ
ＭｎもＭｎＰｄも、室温でのｇａｍｍａMn相が安定でな
い。
強磁性とされている物質が全て有効なわけではない。例
えば、Ｆｅ3Ａｌは、G. RassmanとH. Wickにより、Arc
h. Eisenhuttenw.、33、115（1963）で、７５０Ｋと高
いニール温度のとき反強磁性と報告されているが、Ｆｅ
3Ａｌ化合物に近接した鉄アルミニウム膜がテストされ
たが、１軸異方性は示さなかった。他の合金はＴN値が
高いと報告されているが、これらも、試験時には有効で
なかった。これらの合金には、ＡｌＣｒ2化合物付近の
Ａｌ−Ｃｒ合金、ＭｎＰｄ化合物付近のＭｎＰｄ合金、
Ｍｎ約１％乃至９０％のＣｒＭｎ合金が含まれる。Ｃｒ
ＭｎもＭｎＰｄも、室温でのｇａｍｍａMn相が安定でな
い。
【００１６】現在の技術では、１軸異方性を持たせるた
めに、優れた性質を持つ反強磁性物質を見つけることは
困難と言える。また、ニール温度ＴN＞４５０Ｋの実用
的な反強磁性物質が求められる。
めに、優れた性質を持つ反強磁性物質を見つけることは
困難と言える。また、ニール温度ＴN＞４５０Ｋの実用
的な反強磁性物質が求められる。
【００１７】磁気抵抗センサの一部として等、現在使用
されれている磁気デバイスは、動作温度が高い新規な世
代には理想的なものではないので、このような磁気デバ
イスの構造を改良することが求められる。
されれている磁気デバイスは、動作温度が高い新規な世
代には理想的なものではないので、このような磁気デバ
イスの構造を改良することが求められる。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、従来
技術の欠点を克服することである。
技術の欠点を克服することである。
【００１９】本発明の他の目的は、高い動作温度で強力
なピン止め効果を起こす磁気抵抗構造を得ることであ
る。
なピン止め効果を起こす磁気抵抗構造を得ることであ
る。
【００２０】本発明の他の目的は、磁気抵抗構造の性質
を最適化することである。
を最適化することである。
【００２１】本発明の他の目的は、ニール温度ＴNの高
い磁気デバイスに別のピン止め層を提供することであ
る。
い磁気デバイスに別のピン止め層を提供することであ
る。
【００２２】本発明の他の目的は、ＧＭＲデバイス等に
薄いピン止め層を使用できるようにすることである。
薄いピン止め層を使用できるようにすることである。
【００２３】本発明の他の目的は、改良された磁気抵抗
構造を作製できるようにすることである。
構造を作製できるようにすることである。
【００２４】
【課題を解決するための手段】本発明の目的は、特許請
求の範囲の機能等により達成される。
求の範囲の機能等により達成される。
【００２５】本発明のもとになる概念は、少なくとも反
強磁性層に関して、反強磁性層は、強磁性層に交換バイ
アスを誘起するために強磁性層に直接接触する。従っ
て、強磁性層は反強磁性層によってピン止めされ、反強
磁性層はピン止め層とも呼ばれる。反強磁性層またはピ
ン止め層は、様々な利点を示すオルトフェライトのグル
ープの化合物を含む。例えば、これらの反強磁性体は、
ニール温度ＴNが、化合物により、少なくとも６２３Ｋ
乃至７４０Ｋの範囲で、弱い強磁性モーメントを示す。
従って、前記の構造を含む磁性デバイスは、高い動作温
度環境で正常に使用できる。
強磁性層に関して、反強磁性層は、強磁性層に交換バイ
アスを誘起するために強磁性層に直接接触する。従っ
て、強磁性層は反強磁性層によってピン止めされ、反強
磁性層はピン止め層とも呼ばれる。反強磁性層またはピ
ン止め層は、様々な利点を示すオルトフェライトのグル
ープの化合物を含む。例えば、これらの反強磁性体は、
ニール温度ＴNが、化合物により、少なくとも６２３Ｋ
乃至７４０Ｋの範囲で、弱い強磁性モーメントを示す。
従って、前記の構造を含む磁性デバイスは、高い動作温
度環境で正常に使用できる。
【００２６】このような化合物は、ＲＦｅＯ3という式
で表すことができる。Ｒは希土類元素またはイットリウ
ムである。希土類元素は置換できるので、反強磁性層の
ＴN等の基本的な性質は、要件に応じて調整可能であ
る。この構造では、各元素を、例えばＲ1-xＲ* xＦｅＯ3
等の同じ原子価の他の元素により部分的に合金化または
置換できる。Ｒ*も希土類元素で、指数ｘはｘ∈
｛０，．．．，１｝により定義される。化合物はまた、
式ＲＦｅ1-xＴＭxＯ3により表すことができる。Ｒは希
土類元素またはイットリウムで、ＴＭはＩＢ族乃至ＶＩ
ＩＩ族の１元素等の遷移金属である。これにより、幅広
い組み合わせが可能になり、ピン止め層の性質を、要件
に応じて調整できるようになる。
で表すことができる。Ｒは希土類元素またはイットリウ
ムである。希土類元素は置換できるので、反強磁性層の
ＴN等の基本的な性質は、要件に応じて調整可能であ
る。この構造では、各元素を、例えばＲ1-xＲ* xＦｅＯ3
等の同じ原子価の他の元素により部分的に合金化または
置換できる。Ｒ*も希土類元素で、指数ｘはｘ∈
｛０，．．．，１｝により定義される。化合物はまた、
式ＲＦｅ1-xＴＭxＯ3により表すことができる。Ｒは希
土類元素またはイットリウムで、ＴＭはＩＢ族乃至ＶＩ
ＩＩ族の１元素等の遷移金属である。これにより、幅広
い組み合わせが可能になり、ピン止め層の性質を、要件
に応じて調整できるようになる。
【００２７】化合物はまた、化合物Ｒ1-xＳxＦｅＯ3の
バリウム、ストロンチウム、カルシウム、ポタジウム、
リチウム、ナトリウム等、他の原子価を持つ元素である
Ｓによりドープできる。指数ｘはｘ∈｛０，．．．，
１｝により定義される。適切なドーパントを使用するこ
とで、反強磁性層のニール温度ＴNを約４５０Ｋ乃至７
６０Ｋの範囲で調整できることは利点である。更に、酸
素の化学量数は、ｙが０に近いＲＦｅＯ3±yの場合のよ
うに変更できる。
バリウム、ストロンチウム、カルシウム、ポタジウム、
リチウム、ナトリウム等、他の原子価を持つ元素である
Ｓによりドープできる。指数ｘはｘ∈｛０，．．．，
１｝により定義される。適切なドーパントを使用するこ
とで、反強磁性層のニール温度ＴNを約４５０Ｋ乃至７
６０Ｋの範囲で調整できることは利点である。更に、酸
素の化学量数は、ｙが０に近いＲＦｅＯ3±yの場合のよ
うに変更できる。
【００２８】反強磁性層を、例えば５０ｎｍ未満等、か
なり薄くできるとき、ハード・ディスク上の磁気のビッ
トとセンサの強磁性層の間の距離を短くできるという利
点がある。一般にセンサは、ディスクにかなり近づける
ことができ、これは、密度、感度、動作速度に関してメ
リットがある。
なり薄くできるとき、ハード・ディスク上の磁気のビッ
トとセンサの強磁性層の間の距離を短くできるという利
点がある。一般にセンサは、ディスクにかなり近づける
ことができ、これは、密度、感度、動作速度に関してメ
リットがある。
【００２９】反強磁性層が応力の影響を受けるとき、反
強磁性層の性質を調整できるという利点がある。更に、
反強磁性層の構造には歪みをもたせることができ、これ
により反強磁性層の性質を変更または調整し得る。
強磁性層の性質を調整できるという利点がある。更に、
反強磁性層の構造には歪みをもたせることができ、これ
により反強磁性層の性質を変更または調整し得る。
【００３０】本発明に従った磁気デバイスは、磁気読取
りヘッドつまりＧＭＲセンサ等の磁気記録センサ、磁気
ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）、或いは磁気
記録媒体の一部としても使用できる。一般に本発明は、
磁化のループのシフトや調整ピン止め層が必要な分野に
使用できる。
りヘッドつまりＧＭＲセンサ等の磁気記録センサ、磁気
ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）、或いは磁気
記録媒体の一部としても使用できる。一般に本発明は、
磁化のループのシフトや調整ピン止め層が必要な分野に
使用できる。
【００３１】
【発明の実施の形態】図１及び図２を参照する。いわゆ
る"スピン・バルブ"効果または"巨大磁気抵抗（ＧＭ
Ｒ）"効果にもとづく磁気抵抗センサの一部としての磁
気デバイスの基本構造について以下に詳述する。
る"スピン・バルブ"効果または"巨大磁気抵抗（ＧＭ
Ｒ）"効果にもとづく磁気抵抗センサの一部としての磁
気デバイスの基本構造について以下に詳述する。
【００３２】最初に、オルトフェライトについて説明す
る。オルトフェライトは式ＲＦｅＯ 3で、Ｒは希土類ま
たはＹである。オルトフェライトの構造は、歪みのある
ペロブスカイトの構造であり、空間群Ｐｂｎｍ、格子定
数は、ＬａＦｅＯ3の場合ａ＝５．５５５３Å、ｂ＝
５．５６６３Å、ｃ＝７．８５４５Åである。磁気モー
メントはａ軸方向を指し示し、Ｆｅ副格子の正イオンは
それぞれその６つの最近近傍と反強磁性結合する。これ
らの物質のＴNは、Ｌａの７４０ＫからＬｕの６２３Ｋ
の範囲にあり、希土類の大きさに応じて、Ｆｅ−Ｏ正八
面体のわずかな傾き（０．６度）のために弱い強磁性モ
ーメントを示す。ＬａＦｅＯ3の場合、磁性はＦｅ+III
イオンによって決まる。他の化合物では、希土類イオン
（Ｈｏ、Ｇｄ、．．．）の磁気状態も何らかの役割を担
う。更に、これらの化合物の磁性は、高圧により強く抑
制することができる。例えば、ＬａＦｅＯ3は、３００
Ｋ、静水圧４５ＧＰａ乃至５５ＧＰａのとき、メスバウ
アー分光では非磁性相しか観測されない。
る。オルトフェライトは式ＲＦｅＯ 3で、Ｒは希土類ま
たはＹである。オルトフェライトの構造は、歪みのある
ペロブスカイトの構造であり、空間群Ｐｂｎｍ、格子定
数は、ＬａＦｅＯ3の場合ａ＝５．５５５３Å、ｂ＝
５．５６６３Å、ｃ＝７．８５４５Åである。磁気モー
メントはａ軸方向を指し示し、Ｆｅ副格子の正イオンは
それぞれその６つの最近近傍と反強磁性結合する。これ
らの物質のＴNは、Ｌａの７４０ＫからＬｕの６２３Ｋ
の範囲にあり、希土類の大きさに応じて、Ｆｅ−Ｏ正八
面体のわずかな傾き（０．６度）のために弱い強磁性モ
ーメントを示す。ＬａＦｅＯ3の場合、磁性はＦｅ+III
イオンによって決まる。他の化合物では、希土類イオン
（Ｈｏ、Ｇｄ、．．．）の磁気状態も何らかの役割を担
う。更に、これらの化合物の磁性は、高圧により強く抑
制することができる。例えば、ＬａＦｅＯ3は、３００
Ｋ、静水圧４５ＧＰａ乃至５５ＧＰａのとき、メスバウ
アー分光では非磁性相しか観測されない。
【００３３】現在のＧＭＲ読取りヘッドでは、２つの強
磁性層のいずれかが、ピン止め層とも呼ばれる反強磁性
層によってピン止めされる。強磁性層と反強磁性層は相
互に被着され、反強磁性層の構造は、そのスピンを磁界
に揃えることで調整される。現在、２つの技術が拮抗し
ており、金属の反強磁性層、絶縁酸化物反強磁性層のい
ずれかが使用される。ＧＭＲセンサは、抵抗センサであ
り、反強磁性層が並列構成で接続される。従って、酸化
層を使用すると、抵抗感度は良くなるが、金属の反強磁
性層は、抵抗感度が下がるという欠点を示す。しかしそ
れでも、そのような金属反強磁性層は、粒子境界を通し
て酸化または腐食する傾向があり、従って界面面積が増
加する。また、ＮｉＯ等、酸化物の反強磁性層のニール
温度ＴNは、現在のヘッドの動作温度に近く、従って、
動作温度が高くなっている新世代の高速センサ・ヘッド
には理想的ではない。以下のデバイスとその作製は、従
来技術の欠点を克服している。
磁性層のいずれかが、ピン止め層とも呼ばれる反強磁性
層によってピン止めされる。強磁性層と反強磁性層は相
互に被着され、反強磁性層の構造は、そのスピンを磁界
に揃えることで調整される。現在、２つの技術が拮抗し
ており、金属の反強磁性層、絶縁酸化物反強磁性層のい
ずれかが使用される。ＧＭＲセンサは、抵抗センサであ
り、反強磁性層が並列構成で接続される。従って、酸化
層を使用すると、抵抗感度は良くなるが、金属の反強磁
性層は、抵抗感度が下がるという欠点を示す。しかしそ
れでも、そのような金属反強磁性層は、粒子境界を通し
て酸化または腐食する傾向があり、従って界面面積が増
加する。また、ＮｉＯ等、酸化物の反強磁性層のニール
温度ＴNは、現在のヘッドの動作温度に近く、従って、
動作温度が高くなっている新世代の高速センサ・ヘッド
には理想的ではない。以下のデバイスとその作製は、従
来技術の欠点を克服している。
【００３４】代表的なＧＭＲセンサ１０は、３次元に展
開した層状構造が示してある。図１でＧＭＲセンサ１０
は、ガラス、セラミックス、半導体等の基板１１を含
み、この上に、軟強磁性物質の第１の層１２、非磁性金
属物質の第２層１４、その磁化を所定位置に固定するた
め、好適には硬磁性を示す強磁性物質の第３層１６及び
ピン止め層１８ともいう反強磁性物質の第４層１８が被
着される。本発明の好適実施例に従って、強磁性層１
２、１６のいずれかまたは両方は、Ｃｏ、ＮｉＣｏ、Ｃ
ｏ80Ｆｅ20、ＣｏＺｒ、ＣｏＭｏＮｂ、ＮｉＦｅＣｏ、
Ｆｅ、Ｎｉ80Ｆｅ20等のコバルト合金、または他の強磁
性物質である。スペーサ層１４ともいう第２層１４の非
磁性金属物質としては、Ｃｕや、銀（Ａｇ）、金（Ａ
ｕ）等の貴金属が使用できる。第３層１６はピン止め層
１８により固定またはピン止めされる。各層は薄膜層と
して被着される。強磁性物質の２つの層１２、１６は、
印加磁界がないとき磁化が互いに約９０度の角度になる
ように配向される。また、第３層１６の磁化は、第１の
矢印１７で示す位置に固定される。第１層１２の磁化
は、印加磁界がないとき、第２の矢印１９で示す通りで
ある。第１層１２の磁化の変化は、図１の第１層１２上
の第２の矢印１９の破線で示す磁界Ｈ等の印加磁界に応
じた回転による。
開した層状構造が示してある。図１でＧＭＲセンサ１０
は、ガラス、セラミックス、半導体等の基板１１を含
み、この上に、軟強磁性物質の第１の層１２、非磁性金
属物質の第２層１４、その磁化を所定位置に固定するた
め、好適には硬磁性を示す強磁性物質の第３層１６及び
ピン止め層１８ともいう反強磁性物質の第４層１８が被
着される。本発明の好適実施例に従って、強磁性層１
２、１６のいずれかまたは両方は、Ｃｏ、ＮｉＣｏ、Ｃ
ｏ80Ｆｅ20、ＣｏＺｒ、ＣｏＭｏＮｂ、ＮｉＦｅＣｏ、
Ｆｅ、Ｎｉ80Ｆｅ20等のコバルト合金、または他の強磁
性物質である。スペーサ層１４ともいう第２層１４の非
磁性金属物質としては、Ｃｕや、銀（Ａｇ）、金（Ａ
ｕ）等の貴金属が使用できる。第３層１６はピン止め層
１８により固定またはピン止めされる。各層は薄膜層と
して被着される。強磁性物質の２つの層１２、１６は、
印加磁界がないとき磁化が互いに約９０度の角度になる
ように配向される。また、第３層１６の磁化は、第１の
矢印１７で示す位置に固定される。第１層１２の磁化
は、印加磁界がないとき、第２の矢印１９で示す通りで
ある。第１層１２の磁化の変化は、図１の第１層１２上
の第２の矢印１９の破線で示す磁界Ｈ等の印加磁界に応
じた回転による。
【００３５】図１に示す実施例で、ピン止め層１８は、
オルトフェライトのグループの化合物、ここではＬａＦ
ｅＯ3を含む。このオルトフェライトは、抵抗が大き
く、ニール温度ＴNが約７４０Ｋの交換バイアス物質で
あり、第３層１６と直接接触して被着され、周知の通り
交換結合によりバイアス磁界が生じる。図１の構造は反
転できる。その場合、図２に示すように、ピン止め層１
８が最初に被着され、層１６、１４、１２と続く。
オルトフェライトのグループの化合物、ここではＬａＦ
ｅＯ3を含む。このオルトフェライトは、抵抗が大き
く、ニール温度ＴNが約７４０Ｋの交換バイアス物質で
あり、第３層１６と直接接触して被着され、周知の通り
交換結合によりバイアス磁界が生じる。図１の構造は反
転できる。その場合、図２に示すように、ピン止め層１
８が最初に被着され、層１６、１４、１２と続く。
【００３６】図２を参照する。基板１１への反強磁性層
１８とその後の層の実験的被着について説明する。図２
は図１の反転構造である。従って、構造が同じ層には同
じ番号が付けてある。基板１１に反強磁性層１８が被着
される。その上に強磁性層１６、非磁性層１４、次に強
磁性層１２が被着される。
１８とその後の層の実験的被着について説明する。図２
は図１の反転構造である。従って、構造が同じ層には同
じ番号が付けてある。基板１１に反強磁性層１８が被着
される。その上に強磁性層１６、非磁性層１４、次に強
磁性層１２が被着される。
【００３７】反強磁性層１８は、ＳＴＯとも呼ばれるＳ
ｒＴｉＯ3（００１）基板１１上に、酸素原子のビーム
下でＬａ単層とこれに続くＦｅ単層の順次分子線蒸着
（ＭＢＥ）により形成される。スパッタリング、レーザ
・アブレーション、有機金属ＣＶＤ（ＭＯＣＶＤ）等他
の方法も使用できる。バックグラウンド酸素圧は約３ｘ
１０-6Ｔｏｒｒ、基板温度は約７２０Ｋだった。また、
１０２０Ｋの高温でも積層が行われた。どちらの温度で
も、Ｘ線回折により、層の結晶とエピタキシが確認され
る。ＬａＦｅＯ3を含む反強磁性層１８は厚み約２０ｎ
ｍ、向きは［００１］である。ＬａＦｅＯ3層１８上に
３ｎｍ厚の強磁性層１６（ここではＦｅ）が被着され
る。ＬａＦｅＯ3／Ｆｅ１８、１６のこの２重層構造は
次に、反強磁性層１８を調整するために３８０Ｋまで加
熱され、磁界中で冷却される。加熱、冷却、磁界の各条
件は、目的の性質や強力なピン止め効果を得るために変
更することができる。更に、反強磁性層１８は、バリウ
ム、ストロンチウム、カルシウム、ポタジウム、リチウ
ム、ナトリウム等、適切なドープ物質によりドープでき
る。ニール温度ＴNは約４５０Ｋ乃至７６０Ｋの範囲で
調整でき、これは、反強磁性層と磁気デバイスを、特別
な用途と一定の温度範囲向けに作製できるという利点を
示す。ＬａＦｅＯ3／Ｆｅ構造の磁化が測定されてい
る。これについて図４を参照して説明する。ＳＴＯ（０
０１）に被着された構造では、これまで最大の交換バイ
アスが得られた。ニール温度よりかなり低い温度で反強
磁性層１８を調整したにもかかわらず、Ｔ＝ＴN／２の
とき、磁化の測定値は、ＬａＦｅＯ3を含むわずか２０
ｎｍ厚の反強磁性層１８で約５０ Ｏｅ（エルステッ
ド）の交換バイアスを示す。次に、非磁性層１４と別の
強磁性層１２をいずれかの被着法により被着できる。
ｒＴｉＯ3（００１）基板１１上に、酸素原子のビーム
下でＬａ単層とこれに続くＦｅ単層の順次分子線蒸着
（ＭＢＥ）により形成される。スパッタリング、レーザ
・アブレーション、有機金属ＣＶＤ（ＭＯＣＶＤ）等他
の方法も使用できる。バックグラウンド酸素圧は約３ｘ
１０-6Ｔｏｒｒ、基板温度は約７２０Ｋだった。また、
１０２０Ｋの高温でも積層が行われた。どちらの温度で
も、Ｘ線回折により、層の結晶とエピタキシが確認され
る。ＬａＦｅＯ3を含む反強磁性層１８は厚み約２０ｎ
ｍ、向きは［００１］である。ＬａＦｅＯ3層１８上に
３ｎｍ厚の強磁性層１６（ここではＦｅ）が被着され
る。ＬａＦｅＯ3／Ｆｅ１８、１６のこの２重層構造は
次に、反強磁性層１８を調整するために３８０Ｋまで加
熱され、磁界中で冷却される。加熱、冷却、磁界の各条
件は、目的の性質や強力なピン止め効果を得るために変
更することができる。更に、反強磁性層１８は、バリウ
ム、ストロンチウム、カルシウム、ポタジウム、リチウ
ム、ナトリウム等、適切なドープ物質によりドープでき
る。ニール温度ＴNは約４５０Ｋ乃至７６０Ｋの範囲で
調整でき、これは、反強磁性層と磁気デバイスを、特別
な用途と一定の温度範囲向けに作製できるという利点を
示す。ＬａＦｅＯ3／Ｆｅ構造の磁化が測定されてい
る。これについて図４を参照して説明する。ＳＴＯ（０
０１）に被着された構造では、これまで最大の交換バイ
アスが得られた。ニール温度よりかなり低い温度で反強
磁性層１８を調整したにもかかわらず、Ｔ＝ＴN／２の
とき、磁化の測定値は、ＬａＦｅＯ3を含むわずか２０
ｎｍ厚の反強磁性層１８で約５０ Ｏｅ（エルステッ
ド）の交換バイアスを示す。次に、非磁性層１４と別の
強磁性層１２をいずれかの被着法により被着できる。
【００３８】図３は、ＳＴＯ［１００］基板１１に成長
させたＬａＦｅＯ3層１８のＸ線回折パターンを示す。
ピークはそれぞれ、図３に示す結晶構造の面からの反射
に対応する。Ｓで示す基板のピークのほか、ＬａＦｅＯ
3の回折ライン［００ｌ］に関係するピークしか見え
ず、これはエピタキシャル層を示す。層のピークまわり
には、小さいピーク、いわゆる有限振動が見られ、層の
粗さは１単位セルのオーダである。ピーク位置を詳細に
分析すると、このＬａＦｅＯ3層１８は、立方体ＳＴＯ
との格子ミスマッチによる圧縮歪みを受けている。その
ためａ＝３．９０５Åで、ｃ軸格子定数は３．９５４Å
と大きくなる。
させたＬａＦｅＯ3層１８のＸ線回折パターンを示す。
ピークはそれぞれ、図３に示す結晶構造の面からの反射
に対応する。Ｓで示す基板のピークのほか、ＬａＦｅＯ
3の回折ライン［００ｌ］に関係するピークしか見え
ず、これはエピタキシャル層を示す。層のピークまわり
には、小さいピーク、いわゆる有限振動が見られ、層の
粗さは１単位セルのオーダである。ピーク位置を詳細に
分析すると、このＬａＦｅＯ3層１８は、立方体ＳＴＯ
との格子ミスマッチによる圧縮歪みを受けている。その
ためａ＝３．９０５Åで、ｃ軸格子定数は３．９５４Å
と大きくなる。
【００３９】図４は、ＳＴＯ（００１）基板１１上に成
長させたＬａＦｅＯ3／Ｆｅ２重層１８、１６から得ら
れるＭ（Ｈ）ループとも呼ばれる代表的なヒステリシス
・ループを示す。ＬａＦｅＯ3層は厚み２５ｎｍ、１０
２０Ｋで被着され、Ｆｅ層は厚み３ｎｍ、３００Ｋで被
着された。測定は、ＬａＦｅＯ3層を３８０Ｋで調整し
た後にＳＱＵＩＤ磁力計を使用して３００Ｋで行われ
た。測定から予測された交換バイアスＨexは５０ Ｏｅ
（エルステッド）である。交換結合の像は、Ｆｅスピン
がＬａＦｅＯ3層１８のスピンに並列に揃っていること
を示す。これを確認するために、ＳＴＯ（００１）基板
１１上に成長させた別のＬａＦｅＯ3／Ｆｅ２重層１
８、１６でＫｅｒｒ測定が行われた。この測定のため、
厚み４０ｎｍのＬａＦｅＯ3層が７２０Ｋで被着され、
反強磁性層を４００Ｋで異なる方位角方向に沿って調整
した後、厚み８ｎｍのＦｅ層が３７０Ｋで被着された。
長させたＬａＦｅＯ3／Ｆｅ２重層１８、１６から得ら
れるＭ（Ｈ）ループとも呼ばれる代表的なヒステリシス
・ループを示す。ＬａＦｅＯ3層は厚み２５ｎｍ、１０
２０Ｋで被着され、Ｆｅ層は厚み３ｎｍ、３００Ｋで被
着された。測定は、ＬａＦｅＯ3層を３８０Ｋで調整し
た後にＳＱＵＩＤ磁力計を使用して３００Ｋで行われ
た。測定から予測された交換バイアスＨexは５０ Ｏｅ
（エルステッド）である。交換結合の像は、Ｆｅスピン
がＬａＦｅＯ3層１８のスピンに並列に揃っていること
を示す。これを確認するために、ＳＴＯ（００１）基板
１１上に成長させた別のＬａＦｅＯ3／Ｆｅ２重層１
８、１６でＫｅｒｒ測定が行われた。この測定のため、
厚み４０ｎｍのＬａＦｅＯ3層が７２０Ｋで被着され、
反強磁性層を４００Ｋで異なる方位角方向に沿って調整
した後、厚み８ｎｍのＦｅ層が３７０Ｋで被着された。
【００４０】図５及び図６は、厚みの関数としての交換
バイアスを示す。交換バイアスの代表的な指標は、その
膜厚依存性である。ＳＴＯ（００１）上に成長させたＬ
ａＦｅＯ3／Ｆｅ構造の場合、強磁性Ｆｅ膜の厚みに対
するＨexの依存性は、図５及び図６で与えられる。図５
は、［１００］方向に沿って測定した結果を示し、図６
は、［１１０］方向に沿って測定した結果を示す。交換
バイアスのピークは、Ｆｅの特定の厚み、通常、約８ｎ
ｍ乃至１２ｎｍにあることが明らかである。Ｆｅ厚の増
加と共に減少することは、基本的なエネルギ条件から予
測されるが、Ｆｅ厚が小さいときの減少はまだ解明され
ていない。
バイアスを示す。交換バイアスの代表的な指標は、その
膜厚依存性である。ＳＴＯ（００１）上に成長させたＬ
ａＦｅＯ3／Ｆｅ構造の場合、強磁性Ｆｅ膜の厚みに対
するＨexの依存性は、図５及び図６で与えられる。図５
は、［１００］方向に沿って測定した結果を示し、図６
は、［１１０］方向に沿って測定した結果を示す。交換
バイアスのピークは、Ｆｅの特定の厚み、通常、約８ｎ
ｍ乃至１２ｎｍにあることが明らかである。Ｆｅ厚の増
加と共に減少することは、基本的なエネルギ条件から予
測されるが、Ｆｅ厚が小さいときの減少はまだ解明され
ていない。
【００４１】図７は、磁気ランダム・アクセス記憶デバ
イス（ＭＲＡＭ）とも呼ばれる磁気記憶素子２０を３次
元に展開した層状構造とした別の実施例を示す。記憶素
子２０は、ガラス、セラミックス、半導体等の基板２２
を含む。基板上に、軟強磁性物質の第１の薄膜層２４、
銅等の非磁性金属導電物質の第２の薄膜層２６、強磁性
物質の第３の薄膜層２８が被着される。またその上に、
ピン止め層３０ともいう反強磁性層３０が被着される。
記憶素子２０は断面が方形で、磁化容易軸は記憶素子の
縦方向に沿っている。第３の薄膜層２８の磁化方向は、
第１の磁化矢印２９に示すように、反強磁性層３０との
交換結合等により、記憶素子２０の縦方向に平行になる
よう固定される。反強磁性層３０は、オルトフェライト
（ここではＬａＦｅＯ3）のグループの化合物を含む。
このような構造のデバイスの利点は、高温環境に適用で
きることである。オルトフェライトはニール温度ＴNが
高いので、このような磁気記憶素子２０は、ＴNに近い
温度まで使用でき動作可能である。
イス（ＭＲＡＭ）とも呼ばれる磁気記憶素子２０を３次
元に展開した層状構造とした別の実施例を示す。記憶素
子２０は、ガラス、セラミックス、半導体等の基板２２
を含む。基板上に、軟強磁性物質の第１の薄膜層２４、
銅等の非磁性金属導電物質の第２の薄膜層２６、強磁性
物質の第３の薄膜層２８が被着される。またその上に、
ピン止め層３０ともいう反強磁性層３０が被着される。
記憶素子２０は断面が方形で、磁化容易軸は記憶素子の
縦方向に沿っている。第３の薄膜層２８の磁化方向は、
第１の磁化矢印２９に示すように、反強磁性層３０との
交換結合等により、記憶素子２０の縦方向に平行になる
よう固定される。反強磁性層３０は、オルトフェライト
（ここではＬａＦｅＯ3）のグループの化合物を含む。
このような構造のデバイスの利点は、高温環境に適用で
きることである。オルトフェライトはニール温度ＴNが
高いので、このような磁気記憶素子２０は、ＴNに近い
温度まで使用でき動作可能である。
【００４２】層２４の磁化は、素子２０の縦方向の１軸
異方性と形状により、第２の磁化矢印３３に示すよう
に、第３の薄膜層２８の磁化の固定方向に対して平行ま
たは逆平行に制限される。記憶素子２０の"１"状態と"
０"状態の切り替えは、素子２０に横磁界と縦磁界を同
時に印加することにより行える。縦磁界は、記憶素子２
０の長手方向に直交する方向に延びる導体により得られ
る書込みライン３４の縦書込み電流３２により生じ、横
磁界は、素子２０の長手方向に流れる横書込み／検出電
流３６により生じる。横磁界を強化して安定性を高める
場合は、記憶素子の長手方向に延び、基板２２と層２４
に接触する絶縁層の間に置かれる別の導体を通して横書
込み／検出電流を追加できる。
異方性と形状により、第２の磁化矢印３３に示すよう
に、第３の薄膜層２８の磁化の固定方向に対して平行ま
たは逆平行に制限される。記憶素子２０の"１"状態と"
０"状態の切り替えは、素子２０に横磁界と縦磁界を同
時に印加することにより行える。縦磁界は、記憶素子２
０の長手方向に直交する方向に延びる導体により得られ
る書込みライン３４の縦書込み電流３２により生じ、横
磁界は、素子２０の長手方向に流れる横書込み／検出電
流３６により生じる。横磁界を強化して安定性を高める
場合は、記憶素子の長手方向に延び、基板２２と層２４
に接触する絶縁層の間に置かれる別の導体を通して横書
込み／検出電流を追加できる。
【００４３】電気抵抗は、第１薄膜層２４の磁化が第３
薄膜層２８の磁化と平行なとき最小になり、第１薄膜層
２４の磁化が固定第３薄膜層２８の磁化と逆平行なとき
最大になる。
薄膜層２８の磁化と平行なとき最小になり、第１薄膜層
２４の磁化が固定第３薄膜層２８の磁化と逆平行なとき
最大になる。
【００４４】まとめとして、本発明の構成に関して以下
の事項を開示する。
の事項を開示する。
【００４５】（１）少なくとも反強磁性層が強磁性層と
接触し、該強磁性層に交換バイアスが生じ、該反強磁性
層はオルトフェライトのグループの化合物を含む、磁気
デバイス。 （２）前記化合物は式ＲＦｅＯ3で表され、Ｒは希土類
元素またはイットリウムである、前記（１）記載の磁気
デバイス。 （３）前記化合物は式ＲＦｅＯ3±yで表され、Ｒは希土
類元素またはイットリウム、指数ｙはｙ∈
｛０，．．．，１｝により定義される、前記（１）記載
の磁気デバイス。 （４）前記化合物は式Ｒ1-xＳxＦｅＯ3で表され、Ｓは
バリウム、ストロンチウム、カルシウム、ポタジウム、
リチウム、ナトリウム等のドーパント、指数ｘはｘ∈
｛０，．．．，１｝により定義される、前記（１）記載
の磁気デバイス。 （５）前記化合物は式Ｒ1-xＲ* xＦｅＯ3で表され、Ｒは
希土類元素またはイットリウム、Ｒ*は別の希土類元素
またはイットリウム、指数ｘはｘ∈｛０，．．．，１｝
により定義される、前記（１）記載の磁気デバイス。 （６）前記化合物は式ＲＦｅ1-xＴＭxＯ3で表され、Ｒ
は希土類元素またはイットリウム、ＴＭは遷移金属、指
数ｘはｘ∈｛０，．．．，１｝により定義される、前記
（１）記載の磁気デバイス。 （７）前記化合物は合金を含む、前記のいずれかに記載
の磁気デバイス。 （８）前記反強磁性層はニール温度ＴN＞４５０Ｋであ
る、前記のいずれかに記載の磁気デバイス。 （９）前記ニール温度ＴNは適切なドーパントを使用す
ることで調整できる、前記（４）及び（８）に記載の磁
気デバイス。 （１０）前記反強磁性層は厚みｔ＜５０ｎｍである、前
記（１）記載の磁気デバイス。 （１１）前記反強磁性層は歪みの影響を受ける、前記
（１）記載の磁気デバイス。 （１２）前記反強磁性層は構造に歪みのある、前記
（１）記載の磁気デバイス。 （１３）磁気記録センサ、好適にはＧＭＲセンサを作製
するための、前記のいずれかに記載の磁気デバイスの使
用。 （１４）磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）
を作製するための、前記（１）乃至（１２）のいずれか
に記載の磁気抵抗デバイスの使用。 （１５）基板と、該基板上に形成される層状構造を含
み、該層状構造は少なくとも第１と第３の強磁性物質の
層が第２の非磁性物質の層によって分けられ、該第３の
層の磁化方向は、第４の反強磁性物質の層の影響により
ピン止めされ、該第４の層は、オルトフェライトのグル
ープの化合物を含み、該第３層上に形成される、磁気抵
抗センサ。 （１６）前記化合物は式ＲＦｅＯ3±yで表され、Ｒは希
土類元素またはイットリウム、指数ｙはｙ∈
｛０，．．．，１｝により定義される、前記（１５）記
載の磁気抵抗センサ。 （１７）前記化合物は式Ｒ1-xＳxＦｅＯ3で表され、Ｓ
はバリウム、ストロンチウム、カルシウム、ポタジウ
ム、リチウム、ナトリウム等のドーパント、指数ｘはｘ
∈｛０，．．．，１｝により定義される、前記（１５）
記載の磁気抵抗センサ。 （１８）前記化合物は式Ｒ1-xＲ* xＦｅＯ3で表され、Ｒ
は希土類元素またはイットリウム、Ｒ*は別の希土類元
素またはイットリウム、指数ｘはｘ∈｛０，．．．，
１｝により定義される、前記（１５）記載の磁気抵抗セ
ンサ。 （１９）前記化合物は式ＲＦｅ1-xＴＭxＯ3で表され、
Ｒは希土類元素またはイットリウム、ＴＭは遷移金属、
指数ｘはｘ∈｛０，．．．，１｝により定義される、前
記（１５）記載の磁気抵抗センサ。 （２０）前記化合物は合金を含む、前記（１５）乃至
（１９）のいずれかに記載の磁気抵抗センサ。 （２１）動作温度４５０Ｋ以上を想定して設計される、
前記（１５）記載の磁気抵抗センサ。 （２２）前記反強磁性層はニール温度ＴNが前記センサ
の動作温度を超え、該ニール温度ＴNは適切なドーパン
トを使用することで調整できる、前記（１５）乃至（２
１）のいずれかに記載の磁気抵抗センサ。 （２３）前記反強磁性層は厚みｔ＜５０ｎｍである、前
記（１５）記載の磁気抵抗センサ。 （２４）磁性層構造を形成する方法であって、・オルト
フェライトのグループの化合物を含む反強磁性層を基板
上に被着するステップと、 ・前記反強磁性層の構造を磁界中で揃えるステップと、 ・強磁性層を被着するステップと、 を含む、方法。 （２５）前記反強磁性層は、分子線蒸着、スパッタリン
グ、イオン・ビーム・スパッタリング、レーザ・アブレ
ーション、有機金属ＣＶＤ（ＭＯＣＶＤ）のいずれかに
より被着される、前記（２４）記載の方法。 （２６）少なくとも前記１つの層または層構造が加熱さ
れる、前記（２４）記載の方法。 （２７）冷却ステップで少なくとも前記反強磁性層また
は層構造に１方向磁界が印加される、前記（２４）記載
の方法。
接触し、該強磁性層に交換バイアスが生じ、該反強磁性
層はオルトフェライトのグループの化合物を含む、磁気
デバイス。 （２）前記化合物は式ＲＦｅＯ3で表され、Ｒは希土類
元素またはイットリウムである、前記（１）記載の磁気
デバイス。 （３）前記化合物は式ＲＦｅＯ3±yで表され、Ｒは希土
類元素またはイットリウム、指数ｙはｙ∈
｛０，．．．，１｝により定義される、前記（１）記載
の磁気デバイス。 （４）前記化合物は式Ｒ1-xＳxＦｅＯ3で表され、Ｓは
バリウム、ストロンチウム、カルシウム、ポタジウム、
リチウム、ナトリウム等のドーパント、指数ｘはｘ∈
｛０，．．．，１｝により定義される、前記（１）記載
の磁気デバイス。 （５）前記化合物は式Ｒ1-xＲ* xＦｅＯ3で表され、Ｒは
希土類元素またはイットリウム、Ｒ*は別の希土類元素
またはイットリウム、指数ｘはｘ∈｛０，．．．，１｝
により定義される、前記（１）記載の磁気デバイス。 （６）前記化合物は式ＲＦｅ1-xＴＭxＯ3で表され、Ｒ
は希土類元素またはイットリウム、ＴＭは遷移金属、指
数ｘはｘ∈｛０，．．．，１｝により定義される、前記
（１）記載の磁気デバイス。 （７）前記化合物は合金を含む、前記のいずれかに記載
の磁気デバイス。 （８）前記反強磁性層はニール温度ＴN＞４５０Ｋであ
る、前記のいずれかに記載の磁気デバイス。 （９）前記ニール温度ＴNは適切なドーパントを使用す
ることで調整できる、前記（４）及び（８）に記載の磁
気デバイス。 （１０）前記反強磁性層は厚みｔ＜５０ｎｍである、前
記（１）記載の磁気デバイス。 （１１）前記反強磁性層は歪みの影響を受ける、前記
（１）記載の磁気デバイス。 （１２）前記反強磁性層は構造に歪みのある、前記
（１）記載の磁気デバイス。 （１３）磁気記録センサ、好適にはＧＭＲセンサを作製
するための、前記のいずれかに記載の磁気デバイスの使
用。 （１４）磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）
を作製するための、前記（１）乃至（１２）のいずれか
に記載の磁気抵抗デバイスの使用。 （１５）基板と、該基板上に形成される層状構造を含
み、該層状構造は少なくとも第１と第３の強磁性物質の
層が第２の非磁性物質の層によって分けられ、該第３の
層の磁化方向は、第４の反強磁性物質の層の影響により
ピン止めされ、該第４の層は、オルトフェライトのグル
ープの化合物を含み、該第３層上に形成される、磁気抵
抗センサ。 （１６）前記化合物は式ＲＦｅＯ3±yで表され、Ｒは希
土類元素またはイットリウム、指数ｙはｙ∈
｛０，．．．，１｝により定義される、前記（１５）記
載の磁気抵抗センサ。 （１７）前記化合物は式Ｒ1-xＳxＦｅＯ3で表され、Ｓ
はバリウム、ストロンチウム、カルシウム、ポタジウ
ム、リチウム、ナトリウム等のドーパント、指数ｘはｘ
∈｛０，．．．，１｝により定義される、前記（１５）
記載の磁気抵抗センサ。 （１８）前記化合物は式Ｒ1-xＲ* xＦｅＯ3で表され、Ｒ
は希土類元素またはイットリウム、Ｒ*は別の希土類元
素またはイットリウム、指数ｘはｘ∈｛０，．．．，
１｝により定義される、前記（１５）記載の磁気抵抗セ
ンサ。 （１９）前記化合物は式ＲＦｅ1-xＴＭxＯ3で表され、
Ｒは希土類元素またはイットリウム、ＴＭは遷移金属、
指数ｘはｘ∈｛０，．．．，１｝により定義される、前
記（１５）記載の磁気抵抗センサ。 （２０）前記化合物は合金を含む、前記（１５）乃至
（１９）のいずれかに記載の磁気抵抗センサ。 （２１）動作温度４５０Ｋ以上を想定して設計される、
前記（１５）記載の磁気抵抗センサ。 （２２）前記反強磁性層はニール温度ＴNが前記センサ
の動作温度を超え、該ニール温度ＴNは適切なドーパン
トを使用することで調整できる、前記（１５）乃至（２
１）のいずれかに記載の磁気抵抗センサ。 （２３）前記反強磁性層は厚みｔ＜５０ｎｍである、前
記（１５）記載の磁気抵抗センサ。 （２４）磁性層構造を形成する方法であって、・オルト
フェライトのグループの化合物を含む反強磁性層を基板
上に被着するステップと、 ・前記反強磁性層の構造を磁界中で揃えるステップと、 ・強磁性層を被着するステップと、 を含む、方法。 （２５）前記反強磁性層は、分子線蒸着、スパッタリン
グ、イオン・ビーム・スパッタリング、レーザ・アブレ
ーション、有機金属ＣＶＤ（ＭＯＣＶＤ）のいずれかに
より被着される、前記（２４）記載の方法。 （２６）少なくとも前記１つの層または層構造が加熱さ
れる、前記（２４）記載の方法。 （２７）冷却ステップで少なくとも前記反強磁性層また
は層構造に１方向磁界が印加される、前記（２４）記載
の方法。
【図１】磁気抵抗センサの図である。
【図２】図１のセンサの反転構造を持つ磁気抵抗センサ
の図である。
の図である。
【図３】ＬａＦｅＯ3層のＸ線回折パターンの図であ
る。
る。
【図４】約５０ Ｏｅの交換バイアスを示すＬａＦｅＯ3
／Ｆｅ２重層で得られるヒステリシス・ループの図であ
る。
／Ｆｅ２重層で得られるヒステリシス・ループの図であ
る。
【図５】［１００］の方向に沿って測定したＦｅ厚の関
数としての交換バイアスを示す図である。
数としての交換バイアスを示す図である。
【図６】［１１０］の方向に沿って測定したＦｅ厚の関
数としての交換バイアスを示す図である。
数としての交換バイアスを示す図である。
【図７】磁気記憶デバイスの図である。簡潔化のため、
図は全て実寸によらない。
図は全て実寸によらない。
１０ ＧＭＲセンサ ２０ 磁気ランダム・アクセス記憶デバイス（ＭＲＡ
Ｍ） ３４ 書込みライン
Ｍ） ３４ 書込みライン
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｆ 41/22 Ｈ０１Ｆ 41/22 41/30 41/30 (72)発明者 ジーン・フォンペイリン スイス、シィ・エイチ−8820 ウェデンス ウィル、イン・アンテレン・バームガーテ ン 31 (72)発明者 エリック・フラートン アメリカ合衆国95037、カリフォルニア州 モーガン・ヒル、クオーイル・コート 17212 (72)発明者 ジーン・ピエール・ロクエット スイス、シィ・エイチ−8800 タルウィ ル、カークボーデンストラッセ 19 (72)発明者 ティモシー・モラン アメリカ合衆国95118、カリフォルニア州 サン・ノゼ、パイン・フォレスト・プレイ ス 4824 (72)発明者 マリア・ソー スイス、シィ・エイチ−8802 キルクバー グ、ニデルバッドスタラッセ 66
Claims (27)
- 【請求項１】少なくとも反強磁性層が強磁性層と接触
し、該強磁性層に交換バイアスが生じ、該反強磁性層は
オルトフェライトのグループの化合物を含む、磁気デバ
イス。 - 【請求項２】前記化合物は式ＲＦｅＯ3で表され、Ｒは
希土類元素またはイットリウムである、請求項１記載の
磁気デバイス。 - 【請求項３】前記化合物は式ＲＦｅＯ3±yで表され、Ｒ
は希土類元素またはイットリウム、指数ｙはｙ∈
｛０，．．．，１｝により定義される、請求項１記載の
磁気デバイス。 - 【請求項４】前記化合物は式Ｒ1-xＳxＦｅＯ3で表さ
れ、Ｓはバリウム、ストロンチウム、カルシウム、ポタ
ジウム、リチウム、ナトリウム等のドーパント、指数ｘ
はｘ∈｛０，．．．，１｝により定義される、請求項１
記載の磁気デバイス。 - 【請求項５】前記化合物は式Ｒ1-xＲ* xＦｅＯ3で表さ
れ、Ｒは希土類元素またはイットリウム、Ｒ*は別の希
土類元素またはイットリウム、指数ｘはｘ∈
｛０，．．．，１｝により定義される、請求項１記載の
磁気デバイス。 - 【請求項６】前記化合物は式ＲＦｅ1-xＴＭxＯ3で表さ
れ、Ｒは希土類元素またはイットリウム、ＴＭは遷移金
属、指数ｘはｘ∈｛０，．．．，１｝により定義され
る、請求項１記載の磁気デバイス。 - 【請求項７】前記化合物は合金を含む、前記いずれかの
請求項に記載の磁気デバイス。 - 【請求項８】前記反強磁性層はニール温度ＴN＞４５０
Ｋである、前記いずれかの請求項に記載の磁気デバイ
ス。 - 【請求項９】前記ニール温度ＴNは適切なドーパントを
使用することで調整できる、請求項４及び請求項８に記
載の磁気デバイス。 - 【請求項１０】前記反強磁性層は厚みｔ＜５０ｎｍであ
る、請求項１記載の磁気デバイス。 - 【請求項１１】前記反強磁性層は歪みの影響を受ける、
請求項１記載の磁気デバイス。 - 【請求項１２】前記反強磁性層は構造に歪みのある、請
求項１記載の磁気デバイス。 - 【請求項１３】磁気記録センサ、好適にはＧＭＲセンサ
を作製するための、前記いずれかの請求項に記載の磁気
デバイスの使用。 - 【請求項１４】磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲ
ＡＭ）を作製するための、請求項１乃至請求項１２のい
ずれかに記載の磁気抵抗デバイスの使用。 - 【請求項１５】基板と、該基板上に形成される層状構造
を含み、該層状構造は少なくとも第１と第３の強磁性物
質の層が第２の非磁性物質の層によって分けられ、該第
３の層の磁化方向は、第４の反強磁性物質の層の影響に
よりピン止めされ、該第４の層は、オルトフェライトの
グループの化合物を含み、該第３層上に形成される、磁
気抵抗センサ。 - 【請求項１６】前記化合物は式ＲＦｅＯ3±yで表され、
Ｒは希土類元素またはイットリウム、指数ｙはｙ∈
｛０，．．．，１｝により定義される、請求項１５記載
の磁気抵抗センサ。 - 【請求項１７】前記化合物は式Ｒ1-xＳxＦｅＯ3で表さ
れ、Ｓはバリウム、ストロンチウム、カルシウム、ポタ
ジウム、リチウム、ナトリウム等のドーパント、指数ｘ
はｘ∈｛０，．．．，１｝により定義される、請求項１
５記載の磁気抵抗センサ。 - 【請求項１８】前記化合物は式Ｒ1-xＲ* xＦｅＯ3で表さ
れ、Ｒは希土類元素またはイットリウム、Ｒ*は別の希
土類元素またはイットリウム、指数ｘはｘ∈
｛０，．．．，１｝により定義される、請求項１５記載
の磁気抵抗センサ。 - 【請求項１９】前記化合物は式ＲＦｅ1-xＴＭxＯ3で表
され、Ｒは希土類元素またはイットリウム、ＴＭは遷移
金属、指数ｘはｘ∈｛０，．．．，１｝により定義され
る、請求項１５記載の磁気抵抗センサ。 - 【請求項２０】前記化合物は合金を含む、請求項１５乃
至請求項１９のいずれかに記載の磁気抵抗センサ。 - 【請求項２１】動作温度４５０Ｋ以上を想定して設計さ
れる、請求項１５記載の磁気抵抗センサ。 - 【請求項２２】前記反強磁性層はニール温度ＴNが前記
センサの動作温度を超え、該ニール温度ＴNは適切なド
ーパントを使用することで調整できる、請求項１５乃至
請求項２１のいずれかに記載の磁気抵抗センサ。 - 【請求項２３】前記反強磁性層は厚みｔ＜５０ｎｍであ
る、請求項１５記載の磁気抵抗センサ。 - 【請求項２４】磁性層構造を形成する方法であって、 ・オルトフェライトのグループの化合物を含む反強磁性
層を基板上に被着するステップと、 ・前記反強磁性層の構造を磁界中で揃えるステップと、 ・強磁性層を被着するステップと、 を含む、方法。 - 【請求項２５】前記反強磁性層は、分子線蒸着、スパッ
タリング、イオン・ビーム・スパッタリング、レーザ・
アブレーション、有機金属ＣＶＤ（ＭＯＣＶＤ）のいず
れかにより被着される、請求項２４記載の方法。 - 【請求項２６】少なくとも前記１つの層または層構造が
加熱される、請求項２４記載の方法。 - 【請求項２７】冷却ステップで少なくとも前記反強磁性
層または層構造に１方向磁界が印加される、請求項２４
記載の方法。
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