JP2002511198A - 層構造体及び電流方向付け手段を備えた素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ２つの平行な主平面（１０５ａ、１０５ｂ）によって仕切られた少なくとも２つの夫々異なる磁気作用を有する層からなる層構造体（１０３）を有する基板（１０１）を備える素子を提供する。この層構造体は、区間（１０９）を有し、この区間（１０９）は、主平面に平行な方向から見ると、離間した電気接続領域（１０７ａ、１０７ｂ）の間に延びている。この区域内には、層構造体に対して横方向に方向付けされた電流成分（ｃ_p）を電流通過中に生成するための電流方向付け手段が存在する。この電流方向付け手段は少なくとも一つの主平面上に少なくとも一つの導体（１１１ａ、１１１ｂ）を有する。

Description

【発明の詳細な説明】 層構造体及び電流方向付け手段を備えた素子 本発明は、夫々異なる磁気作用を有する少なくとも２つの層からなり、２つの ほぼ平行な主平面によって仕切られた層構造体を有する素子に関する。この層構 造体は、主平面に平行な方向から見ると、離間した電気接続領域の間に位置する 区域を有する。この区域内には、層構造体に対して横方向に方向付けられた電流 成分を電流通過中に生成するための電流方向付け手段が存在する。 このような素子としては、米国特許出願第5,474,833号に記載の磁気抵抗検知 機が知られている。この既知の素子は、磁気作用の異なる多重の層を備える。こ の層構造体は基板上に位置し、層構造体の２つの相対する端部に２つの電極を有 する。多重の層にはひとつ以上の電気伝導の途切れ目が設けられており、この途 切れ目は、電極間の区域に正方形を描くようにエッチングを行うことによって形 成される。こうした構成によって、電流がほぼ垂直に層を通過するようにできる 。 この既知の素子の欠点はその製造過程にあり、特に正方形を描く工程は複雑な エッチング技術を要する。 そこで本発明の目的は、上記の素子を、より容易な方法で製造できるように改 善することである。 この目的を達成するために、本発明は、少なくともひとつの主平面上に位置す る電流方向付け手段が少なくともひとつの導体を備えることを特徴とする素子を 提供する。 電流方向付け手段が層構造体の外部に位置する構成によって、特別に形成され た層構造体を用いなくても、層構造体に垂直な電流または垂直な成分を通すこと ができる。この電流方向付け手段は外部から供給される電流を任意の方向に向け る。原則として、基板上に形成される層構造体は通常、スピンバルブ、硬・軟多 層体、ＡＦ接 続多層体など、いずれのＧＭＲシステムタイプでもよい。このようなシステムで は、層構造体中の層の夫々異なる磁気作用の結果、磁界としての励磁方向間の角 度が変化する。 この素子で用いられる層構造体の過大磁気抵抗効果（ＧＭＲ効果）は、層の面 内を通る電流の存在下よりも層中を垂直に通る電流の存在下における場合のほう が大きいことは自明の事実として知られている。1995年４月３日発行の論文、Ap pl.Phys.Lett.66(14),"Perpendicular giant magnetoresistance of Co/Cu mult ilayers deposited under an angle on grooved substrates"，M.A.M．Gijs et al．の1839-1841頁には、ＣＩＰ配列と比較した際のＣＰＰ配列の有用性が述べ られている。ここでＣＰＰは"current perpenducular to layer plane"（層面に 垂直な電流）を表し、ＣＩＰは"current in-plane"（面内電流）を表す。この出 版物は、溝付き基板に多層体を形成して層を通る垂直な電流通過を実現すること を提案している。確かに、この方法によって更に大きいＧＭＲ効果が得られるが 、この既知の案にはいくつもの問題がある。ひとつは、超小型構造の基板の製造 には特別な技術を要し、基板自体が高価になってしまう点である。更に、短絡を 起こさずに良質な多層構造を得るのは容易ではない。正確に設定された角度での 蒸着が常に求められるため、通常のスパッタ蒸着法は、それ自体のみ、あるいは 更なる手段を加えずには適用できない。上記の論文は、多層形成のための蒸着方 法を提案しているが、溝付き基板は、多層物質の超小型構造や組織の複雑化につ ながる。 既知のＣＰＰ配列と違って、本発明による素子において用いられるＣＰＰ配列 は、層構造体や蒸着法の種類に左右されることがない点で有利である。また、新 たな材料や工程も必要ない。更に、電気接続領域を、ＣＩＰ配列における通常の 位置に形成してもよい。 本発明による素子の実施態様のひとつは請求項２の記載のように特徴付けられ る。層構造体の両側のひとつ以上の導体の存在によっ て、作動中に少なくとも１度は電流が層構造体を通る。両側に異なる導体を設け ることで、層の間の界面を繰り返し横切る電流を得て、ジグザグ状の経路を形成 することができる。 ＧＭＲ素子を備えた読取り／書込みヘッドは欧州特許出願第0 712 117号に開 示があり、このＧＭＲ素子は、互いに直接相対すると共にＧＭＲ素子を挟持する ２つの電気接触子の間に位置する。ＧＭＲ素子と両接触子によって構成されるこ のシステムは、２つの導電性の磁気層の間に位置する。走査中に電流がこのＧＭ Ｒ素子を垂直方向に流れる。この読取り／書込みヘッドは、互いに直接相対し、 ＧＭＲ素子にも相対して位置する接触子によって、通常のＣＩＰ配列からは逸脱 する。更にこの既知のシステムは、読取り電流にかけられる総抵抗が比較的小さ いという欠点がある。これは出力信号ひいては読取り信号のＳ／Ｎ比に不利であ る。 本発明による素子の別の実施態様は、請求項３の記載のように特徴付けられる 。ひとつの主平面上のひとつ以上の導体が、もう一方の主平面上のひとつ以上の 導体に対して相対する領域に存在しなければ、出力信号に対して最も有効な効果 得られる。この効果は、電流にかけられる比較的大きな抵抗によって得ることが できる。 本発明による素子の更に別の実施態様は、請求項４の記載のように特徴付けら れる。この実施態様では、一方の主平面上の導体間の距離または両方の主平面上 の導体間の距離が最短に設定されており、最適なＣＰＰ配列が得られる。 本発明による素子の別の実施態様は、導体が帯状であることを特徴とする。こ の帯状の少なくとも１つの導体は、十分な導電性を有する金属材料またはＡｕな どの金属によって形成されることが望ましい。帯状の導体と層構造体との間にお ける抵抗の大きな差によって、電流が導体の端部に近い比較的小さな領域内を流 れることになる。その結果、比較的大きなＣＰＰ抵抗が得られる。更に、隣接し ている電流路の自動的な接続が起こり、比較的大きな総抵抗が得ら れ、それに伴い比較的大きなＧＭＲ効果が得られる。 本発明による素子の更に別の実施態様は、請求項６の記載のように特徴付けら れる。磁気抵抗素子の線形化のためのＡＭＲ素子（異方性素子）に使用されるも のとして知られ、ＡＭＲ素子の長手方向の軸に対して４５度で配置される導電性 のある細片があるが、それと違って、帯状の導体は接続領域間の接続線に対して 垂直であってもよい。このような配列は短絡の防止に効果的である。 本発明による素子の別の実施態様は、請求項７の記載のように特徴付けられる 。この実施態様では、垂直な電流成分が生成されるのみではなく、素子の安定に 効果的であるバイアスも得られる。好ましくは、４５度以上の角度があるほうが よい。 本発明による素子の更に別の実施態様は、導体がドット状であるという特徴が ある。この実施態様では、ほぼ全体の電流が層構造体を通る。帯状の導体の時の 経路に比べると、ドット状導体の経路のほうが大幅に単純であり、小型化する場 合に有利である。 必要であれば、帯状またはドット状の導体の材料そのものが磁気抵抗を有して いてもよい。層構造体よりもかなり幅広にすれば、層構造体に垂直の電流成分を 通すために、抵抗を十分小さくできる。このようにして、磁気抵抗効果に大きく 貢献する電流方向付け手段が得られる。 本発明はまた、本発明による素子の変形に関する。この素子の変形例は、２つ のほぼ平行な主平面によって仕切られ層構造体を有し、この層構造体は、互いに 異なる磁気作用を有し電気接続領域を備えた少なくとも２つの層からなる。この 層構造体に垂直な電流成分を電流通過中に生成するための電流方向付け手段が存 在する。本発明によると、この素子は、電流方向付け手段が一対の重なり合わな い導体を備え、一方の導体がひとつの電気接続領域内の一方の主平面上に位置し 、もう一方の導体が別の電気接続領域内のもう一方の主平面上に位置することを 特徴とする。この素子によって超小型ＣＰ Ｐ構造が実現でき、こうした構造は磁気記憶装置や磁気ヘッド、特に高密度デー タヘッドでの使用に適している。 請求項９に記載の素子の実施態様は、主平面に対して横方向に延びる同一平面 に導体が接することを特徴とする。電流が層構造体から導体へ、またその逆に流 れる際に横切る領域の幅は、層構造体の厚さにほぼ比例しており、その厚さは通 常のリトグラフィー技術で得られるものより小さい。そのため、導体を互いに相 対させず、主平面に横方向に延びる同一平面に両方が接するようにずらして配置 する。 本発明は更に、本発明による素子を備え、層構造体がトランスデューサ素子を 構成する磁気ヘッドに関する。この磁気ヘッドは、読取り／書込みヘッドの読取 りヘッドまたは書込みヘッドとして用いることもでき、磁気テープや磁気ディス クと共に使用することもできる。 本発明は更に、本発明による素子を備え、層構造体がセンサ素子を構成する磁 界センサに関する。このようなセンサは例えば、角度センサ、位置センサ、ある いは電流センサとして用いられる。 本発明は更に、本発明による素子を有する磁気記憶装置に関する。 本発明の上記及びその他の特徴は、以下の実施例により明白になるであろう。 以下、図中において、 図１Ａは、本発明による素子の第１実施例の略平面図であり、 図１Ｂは、第１実施例の略立面図であり、 図２Ａは、本発明による素子の第２実施例の略平面図であり、 図２Ｂは、第２実施例の略立面図であり、 図３Ａは、本発明による素子の第３実施例の略平面図であり、 図３Ｂは、第３実施例の略立面図であり、 図４Ａは、本発明による素子の第４実施例の略平面図であり、 図４Ｂは、第４実施例の略立面図であり、 図５は、本発明による素子の第５実施例の略立面図であり、 図６は、本発明による磁気ヘッドの実施例の略斜視図であり、 図７は、本発明による磁界センサの実施例の略平面図であり、 図８Ａは、本発明による磁気記憶装置の実施例の略平面図であり、 図８Ｂは、磁気記憶装置の実施例の略立面図である。 以上の図面において、複数の図にわたって同じものが描かれている場合には同 様の符号が使用されている。 図１Ａ及び１Ｂに示すように、本発明の素子の実施態様は、三層からなる層構 造体３を有するシリコン等からなる基板１を有する。層構造体３は、ＮｉＦｅ等 からなる第１の層３ａ、Ｃｕ等からなる第２の層３ｂ、Ｃｏ等からなる第３の層 ３ｃの三層を含む。この層構造体がＧＭＲシステムを形成する。Al₂O₃等からな る絶縁層２は、基板１と層構造体３との間に位置する。層構造体３は、例えばＴ ａからなるバッファ層及び／または被膜を備える。層構造体３は、互いに平行な ２つの主平面５ａ、５ｂに仕切られており、２つの電気接続領域７ａ、７ｂを有 し、更にこの接続領域７ａ、７ｂの間に延びる区域９を有する。層構造体３に対 して横方向に方向付けされた電流成分ｃ_pを電流通過中に生成するための電流方 向付け手段が、区域９内に存在する。この電流方向付け手段は、例えば銅からな る帯状の導体を有し、本実施例では第１の組の導体１１ａは主平面５ａ上に位置 し、第２の組の導体１１ｂは主平面５ｂ上に位置する。導体１１ａ、１１ｂは接 続領域７ａ、７ｂを通る接続軸１３に対してほぼ垂直に位置する。導体１１ａは 主平面５ａ上の導体１１ｂに対して接続線１３に沿ってずれており、導体１１ａ は導体１１ｂに重なり合わない。電流は層構造体３を繰り返し通過し、一方の主 平面上の導体１１ａ、１１ｂのうちのひとつから、もう片方の主平面上の導体１ １ｂ、１１ａのうち最短距離にあるものへとクロスオー バーが発生する。 図２Ａ、２Ｂに示す本発明の素子の実施態様は、２つのほぼ平行な主平面１０ ５ａ、１０５ｂによって仕切られた層構造体１０３を有する基板１０１を備える 。この層構造体１０３は、夫々異なる磁気作用を持つ少なくとも２つの層からな る。この層構造体１０３は、区域１０９を有し、主平面１０５ａ、１０５ｂに平 行な方向から見ると、２つの離間した電気接続領域１０７ａ、１０７ｂの間に位 置する。層構造体１０３に横方向に対して方向付けされた電流成分ｃ_pを電流通 過中に生成するための導体が、区域１０９内に存在する。これらの導体のうち、 複数の導体１１１ａは主平面１０５ａ上に位置し、複数の導体１１１ｂは主平面 １０５ｂ上に位置する。導体１１１ａ、１１１ｂは帯状で、電気接続領域１０７ ａ、１０７ｂを通る接続軸１１３に対して横方向に延びる。片方の主平面上の導 体１１１ａまたは１１１ｂは、もう片方の主平面上の導体１１１ｂまはた１１１ ａに対して電気接続領域１０７ａ、１０７ｂのどちらか一方の方向にずれている 。一方の主平面上の導体１１１ａ、１１１ｂと、もう一方の主平面上の導体１１ １ｂ、１１１ａとは、重なり合わない位置で互いに相対していると同時に、主平 面及び接続軸１１３に対して横方向に延びる同一平面に接している。 図３Ａ及び３Ｂに示す本発明の素子の実施態様は、層構造体２０３を有する基 板２０１を備える。この層構造体２０３は、Ｔａ層、NiFe層、Ｃｕ層、NiFe層、 FeMn層、Ｔａ層を、この順に有する。層構造体２０３は、互いに平行な２つの主 平面２０５ａ、２０５ｂにより仕切られており、２つの接続領域２０７ａ、２０ ７ｂの間に延びる区域２０９を有する。この区域２０９中には、ドット形状の導 体を備える電流方向付け手段が存在する。これらの導体のうち、第１の組のドッ ト状導体２１１ａは主平面２０５ａ上に位置し、第２の組のドット状導体２１１ ｂは主平面２０５ｂ上に位置する。一方の主平面上のドット状導体２１１ａまた は２１１ｂは、もう片方の 主平面上のドット状導体２１１ｂまたは２１１ａに対して電気接続領域２０７ａ 、２０７ｂのどちらか一方の方向にずれている。ここでは、導体２１１ａと２１ １ｂは重なり合わない位置で互いに向き合っており、好ましくは、主平面２０５ ａ、２０５ｂ及び電気接続領域２０７ａ、２０７ｂを通る接続軸２１３に対して 横方向に延びる同一平面２１５に接する。 図４Ａ及び４Ｂに示す本発明の素子の実施態様は、夫々異なる磁気作用を有す る複数の層からなる層構造体３０３を備える基板３０１を有する。ＧＭＲシステ ムを形成しているこの層構造体３０３は、互いに平行な２つの主平面３０５ａ、 ３０５ｂに仕切られており、２つの電気接続領域３０７ａ、３０７ｂを有し、更 にこの接続領域の間に区域３０９を有する。この区域３０９内には、層構造体３ ０３に対して横方向及び斜めに方向付けされた電流成分ｃ_pを電流通過中に生成 するための手段が存在する。この手段は、帯状の導体３１１ａ、３１１ｂを主平 面３０５ａ、３０５ｂ上に有する。これらの導体は、本実施例では接続領域３０ ７ａ、３０７ｂを通る接続軸３１３に対して４５度をなす。主平面３０５ａ上の 導体３１１ａは、主平面３０５ｂ上の導体３１１ｂに対して９０度をなす。ここ では、導体３１１ａ、３１１ｂは互いに重なり合わないことが望ましい。 図５Ａ及び５Ｂに示す本発明の素子の実施態様は、夫々異なる磁気作用を有す る複数の層と２つの電気接続領域４０７ａ、４０７ｂを有し、２つの平行な主平 面４０５ａ、４０５ｂに仕切られている層構造体４０３を備える。本実施例では 、層構造体はCoNiFe/CoFe/Cu/CoFe/CoNiFeからなるＧＭＲシステムを形成してい る。例えば金からなる導体４１１ａ、４１１ｂが電気接続領域４０７ａ、４０７ ｂの夫々に存在し、導体４１１ａは主平面４０５ａ上に、導体４１１ｂは主平面 ４０５ｂ上に位置する。互いに重なり合わない導体４１１ａ、４１１ｂは、電流 通過中に層構造体４０３に対して横方向に方向付けされた電流成分を生成するた めの手段を構成する。本実 施例では、導体４１１ａ、４１１ｂは主平面４０５ａ、４０５ｂに対して横方向 に延びる同一平面４１５に接する。必要であれば、これらの導体が主平面に対し て横方向に延びる他の平面に接するように、導体のサイズ決め及び位置決めを行 えばよい。 図６に示す本発明による磁気ヘッドは読取りヘッドであり、磁気ヨークと、本 発明のいずれかの実施例に示した素子をトランスデューサ素子として備える。磁 気ヨークは、例えばNiFeからなる磁束ガイド６００ａ、６００ｂと６０２を備え 、これら磁束ガイドは読取りギャップ６０４を決定する。磁束ガイド６００ａ、 ６００ｂは割れ目６０６を有し、符号６０８を付した本発明による素子によって 橋渡しをされている。電気接続領域において、素子６０８は導体６１０に電気的 に接続されている。読取りギャップ６０４及び割れ目６０６は、SiO₂またはAl₂O₃ などの非磁性材料によって埋められている。 図８Ａ、８Ｂに示す本発明による磁界センサは、本発明の素子を用いた複数の センサ素子を備える。これらの素子は、図１乃至５に示す実施態様のものであり 、ここでは符号７０８ａ、７０８ｂで表す。素子７０８ａは、素子７０８ｂとは 逆の出力信号を持つ。素子７０８ａ、７０８ｂは夫々、金などからなる導体７１ ０の間をスイッチし、本実施例では、２つの電流接続部Ｉ_i、Ｉ_oと２つの電圧測 定点Ｖ₁、Ｖ₂とを備えるホイートストーンバーグ(Wheatstoneburg)の構成をとる 。 図８Ａ、８Ｂに示す本発明による磁気記憶装置は、本発明による素子を備える 。この素子を符号８０８で示す。電気接続領域８０７ａ、８０７ｂにおいて、素 子８０８は導体８１０ａ、８１０ｂに電気的に接続されており、導体８１０ａ、 ８１０ｂは読取り電流を伝導する。例えば酸化物からなる絶縁層８１２によって 素子８０８から離間されたもうひとつの導体８１４は、書込み電流を伝導し、導 体８１０ａ、８１０ｂの間に位置する。 なお、本発明は上述の実施例に限定されるものではなく、例えば実施例中に示 した層構造体以外を用いた変形なども本発明の請求範囲内で使用される。また、 各従属請求項に定義された特徴は組み合わされる場合もある。

───────────────────────────────────────────────────── 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） Ｇ１１Ｂ 5/39 Ｇ０１Ｒ 15/02 Ａ Ｈ０１Ｆ 10/08 33/06 Ｒ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． ２つの実質的に平行な主平面によって仕切られている層構造体を備え、前 記層構造体は夫々異なる磁気作用を持つ少なくとも２つの層を有し、該層構造体 は主平面に平行な方向から見て離間した電気接続領域の間に位置する区域を更に 有し、この区域内に層構造体に対して横方向に方向付けられた電流成分を電流通 過中に生成するための電流方向付け手段を備える素子において、少なくとも一つ の主平面上の電流方向付け手段が少なくとも一つの導体を備えることを特徴とす る素子。 ２． 主平面上の前記電流方向付け手段は少なくとも一つの導体を備え、一方の 主平面上の導体はもう一方の主平面上の導体に対して前記電気接続領域のうち一 つの方向にずれていることを特徴とする請求項１記載の素子。 ３． 一方の主平面上の導体ともう一方の主平面上の導体とは互いに重なり合わ ない位置で相対していることを特徴とする請求項２記載の素子。 ４． 一方の主平面上の導体ともう一方の主平面上の導体は、主平面に対して横 方向に延びる少なくとも一つ以上の同一平面に接していることを特徴とする請求 項３記載の素子。 ５． 前記導体は帯状であることを特徴とする請求項１記載の素子。 ６． 前記導体は電気接続領域を通る接続軸に対して横方向に延びることを特徴 とする請求項１乃至５記載の素子。 ７． 前記導体は前記電気接続領域を通る接続軸に対して２５度乃至６５度の角 度で位置し、一方の主平面上の導体はもう一方の主平面上の導体に対して反対に 位置することを特徴とする請求項２乃至５記載の素子。 ８． 前記導体はドット形状を持つことを特徴とする請求項１記載の素子。 ９． ２つのほぼ平行な主平面によって仕切られている層構造体を備え、前記層 構造体は夫々異なる磁気作用を持つ少なくとも２つの層と電気接続領域を有し、 前記層構造体に対して横方向に方向付けられた電流成分を電流通過中に生成する ための電流方向付け手段を備える素子において、前記電流方向付け手段は一対の 実質的に重なり合わない導体を有し、この導体の一方は前記電気接続領域の一つ 内の主平面の一つの上に位置し、もう一方の導体は別の電気接続領域内の他の主 平面上に位置していることを特徴とする素子。 １０． 前記導体は主平面に対して横方向に延びる同一平面に接することを特徴 とする請求項９記載の素子。 １１． 前記層構造体がトランスデューサ素子を構成する請求項１乃至１０のう ちいずれか一項記載の素子を備える磁気ヘッド。 １２． 前記層構造体がセンサ素子を構成する請求項１乃至１０のうちいずれか 一項記載の素子を備える磁界センサ。 １３． 請求項１乃至１０のうちいずれか一項記載の素子を備える磁気記憶装置 。