JP2003536267A - 改善された磁場範囲を有する磁気多層構造 - Google Patents
改善された磁場範囲を有する磁気多層構造Info
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Abstract
Description
板を具える磁気抵抗装置に関し、前記ピン層は、人工反強磁性層システム(AA
F)及び交換バイアス層を具え、前記交換バイアス層が前記AAF層システムに
隣接して、磁気的に作用する。
スピンバルブ構造は、最近広範囲に研究され、多くの開示の主題であった。GM
R装置及びTMR装置は、基礎的なビルディングブロックとして、非磁性材料の
分離層によって分離された2つの強磁性層を具える。この構造を、磁気装置の基
本GMR又はTMRスタックと呼び、又は、GMR又はTMR構造と呼ぶ。この
ような構造は、磁気抵抗特性を有し、GMR又はTMR効果を示す。前記分離層
は、GMR装置に関しては非強磁性材料層であり、TMR装置に関しては非金属
、好適には絶縁層である。前記絶縁層を覆って、前記2つの強磁性層間の磁気結
合が存在する。TMR装置における絶縁層は、前記2つの強磁性層間の電子の量
子力学的トンネリングの有意な可能性を与える。前記2つの強磁性層のうち、一
方は、いわゆるフリー層であり、他方は、いわゆるピン層である。前記フリー層
は、好適には実際的に前記ピン層の磁化方向を変化するのに必要な磁場の強度よ
り低い強度で加えられた磁場によって変化させることができる磁化方向を有する
層である。したがって、前記ピン層は、どちらかというと固定された磁化方向を
有し、前記フリー層の磁化方向を、外部から加えられた磁場の元でかなり容易に
変化させることができる。前記フリー層の磁化の変化は、前記TMR又はGMR
装置の抵抗を変化させる。これは、結果として、これらの装置のいわゆる磁気抵
抗効果を生じる。これらの磁気装置の特定を、異なった方法において利用するこ
とができる。例えば、GMR効果を利用するスピンバルブ読み出し素子を、進歩
的なハードディスク薄膜ヘッドに使用することができる。また、スタンドアロー
ン又は不揮発性埋め込みメモリ装置のような磁気メモリ装置を、前記GMR又は
TMR素子を基礎として作ることができる。このようなメモリ装置の一例は、M
RAM装置である。他の用途は、磁気特性に関するセンサ装置又はシステムであ
る。このようなセンサは、例えば、アンチロックブレーキングシステム(ABS
)又は自動車用途において使用される。
の磁気抵抗センサは、いわゆるGMR効果を使用する。巨大磁気抵抗(GMR)
は、ある材料(例えば、磁気多層)の抵抗が(例えば、異なった層の)磁化方向
間の角度に依存するという現象である。GMR材料システムの例は、交換バイア
ススピンバルブと人工反強磁性体(AAF)からなる多層である。好適には、こ
れらのようなセンサ(特に、自動車及び工業用途)は、広い磁場範囲において動
作すべきである。したがって、磁気抵抗は、高い磁場まで関係すべきである。ア
ナログセンサに関して特に、出力信号が大きい磁場間隔に渡って磁場強度と無関
係である場合、有利である。
範囲を有する。他方において、AAFは、制限された磁場までのみ安定である。
より高い磁場において、出力特性はさらにフリップするかもしれず、これは、安
全問題のため、許容し得ない。
広い磁場範囲において実際的に一定の出力信号を与える磁気抵抗装置を提供する
ことである。
前記ピン層が人工反磁性層システム(AAF)を具え、前記基板が交換バイアス
層も載せ、前記交換バイアス層が前記AAF層システムに隣接し、前記AAF層
システムに磁気的に作用し、前記AAF層システムが、3以上の奇数の隣接しな
い強磁性層を有する、磁気抵抗装置によって満たされる。隣接しないことによっ
て、前記強磁性層を、互いに非磁性層によって分離する。各々の強磁性層自身は
、いくつかのサブ層、例えば、強磁性サブ層のスタックから成ってもよい。前記
AAFにおける奇数の強磁性層は、きわめて大きい磁場範囲を与える。人工反強
磁性AAFは、前記強磁性層の磁化方向が外部磁場の不在において逆平行である
交換結合のような材料及び層厚の選択を通じて有する交互の強磁性層及び非磁性
層を具える層構造である。各々の強磁性層は、強磁性層の他の組を具えることが
できる。前記AAFは、ピン層とフリー層との間の静磁場結合を減少させる。前
記AAFは、きわめて小さい正味の磁気モーメント(理論的には、理想的な場合
においてゼロ)のため、磁場において大きい剛性をも与えるが、2つの反対方向
において安定である。
は、最も好適にはIrMnタイプの材料を具えてもよい。IrMnのブロッキン
グ温度は、FeMnのブロッキング温度より高く、NiMnと違って、アニール
処理は必要ない。前記ブロッキング温度は、それより上では、反強磁性IrMn
タイプ層と前記ピン層との間の交換バイアスが消える(ゼロに減少する)温度で
ある。
もよいが、好適には、異方性を誘導することができるため、CoFe/非磁性金
属/CoFe/非磁性金属/CoFeシステムを使用する。
合を与え、きわめて安定している(酸化しない、拡散しない)ように思われ、こ
れは、前記AAFスタックにおける最も薄く最も臨界的な層の限定に関してきわ
めて重要である。
。好適には、CoFeをNiFeの代わりに使用する。さらに、これは、GMR
比を増加する。Coと比べると、CoFeは、前記フリー層においてより低い保
磁力(と、より良好なテクスチャ)を与える。
したがって、前記交換バイアス層を、好適には前記基板の近くに置く。しかしな
がら、この場合において、要求されたテクスチャを得るのにバッファ層が必要で
あってもよい。調査は、(例えば、3.5nm)Ta上の(2nm)NiFeが
好適であることを示した。
速度検知用センサ、又は、読み出しヘッドにおいて使用してもよい。本発明によ
る磁気抵抗装置を、データ格納装置において、例えば、好適には、半導体基板上
に集積されているMRAM構造のような磁気メモリ構造の一部として使用しても
よい。
て使用してもよい。本発明の一実施形態は、データ格納システム全体の1個の半
導体(シリコン)チップへの集積を含み、前記チップは、該チップ上に成長又は
堆積されている多層構成を有する。前記多層構成を、前記チップを形成するプロ
セスのフロントエンド又はバックエンドにおいて、前記チップ上に成長又は堆積
させることができる。バックエンドプロセスにおいて、前記チップの一部を平面
にし、前記多層構成をその上に堆積又は成長させる。前記多層構成の信号を、信
号処理ロジックを含む前記チップの一部に伝送するために、ボンディング又はビ
ア構造による適切な接続を行う。フロントエンドプロセスにおいて、前記多層構
成を、半導体(シリコン)上に直接集積する。
又はスパッタ堆積、又は当業者には既知の何らかのこのような堆積技術によって
堆積することができる。
とができ、埋め込み不揮発性磁気メモリ素子を有するMRAM又はASIC、又
はチップカード、又は他のこのようなデータ格納システムのような、メモリ機能
を有するコンピュータ又は集積回路とすることもできる。本発明のデータ格納シ
ステムの構造の組を、前記システムの基本GMR又はTMRスタック上にさらに
構築する多層構成において形成することができる。このような構成、又は他の構
成におけるように、前記構成の組を、半導体基板上に集積されたMRAM構造の
一部とすることができる。前記構造の組を、半導体基板上に集積された不揮発性
磁気メモリ構造とすることもできる。前記MRAMデータ格納システムは、CM
OSキャパシタに置き換わり、慣例的な半導体チップ環境において埋め込まれる
磁気トンネル接合又はGMRスピンバルブを基礎とすることができる。代表的な
MRAMセルユニットは、電子がトンネルすることができる薄い非磁性絶縁体に
よって分離された磁性材料の層から成る(基本TMRスタック)。前記磁性層に
おける磁気配向を、磁場を加えることによって別々に制御することができる。前
記磁場を、電流パルスを前記MRAMセルの次の、又はこれに組み込まれた薄い
ワイアに通すことによって形成する。前記磁性層が同じ向きを有する場合、電流
は、これらの間をトンネルし、前記向きが異なる場合より容易に前記絶縁体を通
過する。したがって、前記セルを、バイナリ0及び1を表す2つの状態間で切り
替えることができる。例として、Co/Al酸化物/NiFeトンネル接合のト
ンネル特性は、平行状態に比べて反平行磁気配向に関して、有意により大きい抵
抗を示す。前記2つの状態間のしきい値は、前記磁性層の保磁電界(Hc(Co
)=1.6kA/m及びHc(NiFe)=0.35kA/m)によって結成さ
れ、前記材料及び厚さの選択によって調節することができる。本例において、す
べての層を、マグネトロンスパッタリングによって堆積することができる。前記
Al酸化物層を、純粋O2中で、100ミリバール圧において、60−180秒
間、プラズマ酸化させることができる。これらの膜のrms粗さは、信号高さに
対して重大であり、0.3nm未満である。
けることができる。MRAMにおけるデータを磁気的に格納するため、データは
、前記装置が電力供給されていてもいなくても保持され、すなわち、不揮発性で
ある。MRAMの利点は、信号高さが磁気トンネル接合のセル面積に比例しない
ため、今日のスタティックRAMより速い速度と、DRAMより高い密度とを含
む。読み出し/書き込み時間を、10ナノ秒、今日の最速のRAMメモリの約6
倍ほどに短くすることができる。さらに、比較的簡単な原理は、回路設計におけ
るより柔軟さを可能にする。
用GMR薄膜ヘッドのような磁気読み出しヘッドや、磁気特性の信号、又は、測
定値、又は、その派生物を処理する信号処理エレクトロニクスを含むなにかこの
ようなシステムとすることができる。本発明の感知システムの構造の組を、前記
システムの基本GMR又はTMRスタック上にさらに構築する多層構成において
形成することができる。したがって、前記システムの少なくとも一部は、標準的
な製造プロセスを著しく変えることなしに製造可能であり、これにより、前記シ
ステムの少なくとも一部を、低コストで形成することができる。本発明の一実施
形態において、前記感知システム全体をAlsimag(酸化物の混合物)スラ
イダ上又は半導体(シリコン)チップ上に集積することができ、前記多層構成を
、前記チップ上に成長又は堆積する。前記多層構成を、前記チップを形成するプ
ロセスのフロントエンド又はバックエンドにおいて、前記チップ上に成長又は堆
積させることができる。前記バックエンドプロセスにおいて、前記チップの一部
を平坦化し、前記多層構成をその上に堆積又は成長させることができる。前記多
層構成の信号を、信号処理ロジックを含むチップの一部に伝送するために、ボン
ディング又はビア構造による適切な接続部を形成する。前記フロントエンドプロ
セスにおいて、前記多層構成を、前記半導体(シリコン)上に直接集積する。本
発明の感知システムを、メモリ機能及び集積された感知システムを有する集積回
路、埋め込み不揮発性磁気メモリ素子及び感知システムを有するASIC、感知
システムを有するチップボード、又は、何かこのような感知システムとすること
もできる。本発明の感知システムの構造の組を、前記システムの基本GMR又は
TMRスタック上にさらに構築する多層構成において形成することができる。
、これらに限定されず、請求項によってのみ限定される。本発明の特定の実施形
態において、基本GMR又はTMRスタックを基礎とする磁気多層構成の発明を
開示する。これらの多層構成を、当業者には既知の技術によって、本発明のシス
テムにおいて集積する。例えば、本発明の一実施形態において、感知システム又
はデータ格納システム全体を、成長又は堆積させた多層構成を有する1個の半導
体チップ上に集積させることができる。前記多層構成を、前記チップを形成する
プロセスのフロントエンド又はバックエンドにおいて、前記チップ上に成長又は
堆積させることができる。前記バックエンドプロセスにおいて、前記チップの一
部を平坦化し、前記多層構成をその上に堆積又は成長させる。前記チップの一部
を平面にし、前記多層構成をその上に堆積又は成長させる。前記多層構成の信号
を、信号処理ロジックを含む前記チップの一部に伝送するために、ボンディング
又はビア構造による適切な接続を行う。当業者には、本発明の真の精神から逸脱
することなしに、本発明の他の変形例及び同等の実施形態を考案し、実行に移す
ことができ、本発明の範囲は、添付した請求項によってのみ限定されることは明
らかであろう。
基板2(例えば、ガラス、Siのような半導体材料、又はAl2O3のようなセ
ラミック材料)において、必要ならば、その後の層の結晶学的構造又はグレイン
サイズを変化させるバッファ層28を設ける。バッファ層28は、使用するなら
ば、例えば、好適には、Taの第1サブ層及びNiFeの第2サブ層6を具えて
もよい。バッファ層28上に、交換バイアス層8を堆積する。前記交換バイアス
層を、例えば、FeMn、NiMn、PtMn、NiO、又は、最も好適にはM
rMnタイプの材料(例えば、10nmIrMn)としてもよい。IrMnによ
って、IrMn、又はIrMnの少なくとも1つの他の金属との合金を意味する
。交換バイアス層8の上部において、人工反強磁性(AAF)スタック30を設
け、このAAFスタック30は、奇数の強磁性層10、14、18を具え、前記
奇数を、これらの間にある非磁性層12、16に関して、3以上とする。スタッ
ク30は、例えば、第1Co90Fe10層10(例えば、4.0nm厚)と、
第1Ru層12(例えば、0.8nm厚)と、第2Co90Fe10層14(例
えば、4.0nm厚)とを具えてもよい。スタック30において奇数の強磁性層
を得るために、第2Ru層16(例えば、0.8nm厚)と、第3Co90Fe10 層18(例えば、4.0nm厚)とを加える。より多くの奇数又は偶数の強
磁性層に関して、追加のRu/CoFe層の組み合わせを追加してもよい。AA
Fスタック30上に、非磁性スペーサ層20を堆積する。前記スペーサ層の材料
を、Cuタイプ材料とすることができる。Cuタイプによって、Cu(例えば、
2.5nm厚Cu)、又はCuの他の金属、特にAgとの合金を意味する。スペ
ーサ層20の上部において、Ni80Fe20層24(例えば、5nm厚)を載
せたCo90Fe10の層22(例えば、0.8nm厚)を設ける。保護層26
(例えば、4nmTa)は、前記層システムを覆う。
0における強磁性層の数が異なる標本を、奇数及び偶数の双方で準備し、これら
によって、AAFスタック30にける強磁性材料の合計量を本質的に同じに保つ
。前記材料の厚さを、表1に示す。この表からわかるように、いくつかの場合に
おいて、前記層のスタックの外側に向かう前記強磁性層の厚さを、前記スタック
の中心に向かう層より薄く形成する。しかしながら、本発明は、外側の強磁性層
の厚さを、内側の層より薄く作ることを含む。
測定値を図2において示し、これにより、個々の曲線を垂直にオフセットし、容
易に比較できるようにした。最も注目すべき結果は、3重および5重AAFスタ
ック30の磁気抵抗が、ゼロ領域の両側において著しく平坦であることである。
これは、センサ用途に関して特に有利である。
によってのみ得ることができる。加えて、前記IrMn交換バイアス層とAAF
スタック30との組み合わせは、例えば、250°ないし350°、又はより高
い温度における高い温度安定性を、交換バイアスの方向の回転なしに与える。
ば、CoFe+NiFe;CoFe+NiFe+CoFe等)としてもよい。
を使用した場合、好適には、Cuスペーサ層と接触させるべきではない。
を、前記フリー層に関して説明したように構成してもよい。
を具えてもよい。
層の磁化方向とピン層の磁化方向との間で成す角は、例えば、「0」又は「1」
を表す。データ内容を、前記メモリ「セル」の抵抗を測定することによって読み
出すことができる。
はTMR効果タイプ多層装置に関し、これは、自動車用途において必要な大きい
磁場範囲を有する。前記GMR多層は、非対称な磁気抵抗曲線を有し、相補出力
信号を有するセンサを可能にする。さらなる改善を、前記ピン層としての交換バ
イアス人工反強磁性体と、IrMn交換バイアス層との組み合わせの使用を含む
手段の組み合わせによって得られ、後者を、好適には、前記層スタックの下部、
前記バッファ層の上部において配置する。
に関して広く使用することができる。特定の用途は、ディジタル位置センサ(例
えば、クランクシャフト位置に関する)と、アナログ角度センサ(例えば、バル
ブ位置、ペダル位置、ステアリングホイール位置)である。本発明のセンサは、
非対称磁気抵抗曲線を有するため、相補出力信号を有するセンサが可能である。
相補出力信号を供給するセンサ素子を、前記ピン層(の磁化方向)を前記フリー
層に対して+90°とした第1フリー/ピン層システムと、前記ピン層(の磁化
方向)を前記フリー層に対して−90°とした第2フリー/ピン層システムとを
作ることによって形成することができる。前記ピン層の方向付けを、前記層を、
所望の方向を有する磁場中で過熱及び冷却することによって達成することができ
る。このような方法は、1999年9月12−15日、オランダ、ハーグにおけ
る固体トランスにおける13回ヨーロッパ会議での、K.M.レンセンによる「
ロバスト巨大磁気抵抗センサ」において説明された。
2において回転可能に取り付けられ、格納媒体を載せるスピンドル34と、特に
、光磁気ディスクのようなディスク状情報キャリヤ36とを含む。情報キャリヤ
36を、統合されたキャリヤ、又は、取り外し可能なキャリヤとしてもよい。前
記システムは、レーザ光源と、本発明による磁気抵抗装置を具える読み出しヘッ
ド40を有するスライダを載せるスイングアーム38も含む。スピンドル34及
びアーム38を駆動する駆動装置を設ける。動作状態において、読み出しヘッド
40は、回転情報キャリヤ36において存在する情報を感知し、前記ヘッドを、
情報キャリヤ36と向かい合わせて配置し、キャリヤ36に関して実際的に反径
方向に動かす。本発明による図示したシステムを、カード又はテープから情報を
読み出すシステムとしてもよい。
を選択するワードライン44及びビットライン46とを含む。各々のメモリ素子
42は、AAF層システム30を含む。あるビットライン46におけるメモリ素
子42は、低抵抗率を有する非磁性金属48、例えばCuによって互いに分離す
る。
細部における種々の変更又は変形を、添付した請求項において規定した本発明の
範囲及び精神から逸脱することなしに行えることを理解するであろう。
す。
図を示す。
Claims (10)
- 【請求項1】 磁気抵抗効果を与えるフリー強磁性層及びピン強磁性層を乗せた
基板を具え、前記ピン層が、人工反強磁性層システム(AAF)及び交換バイア
ス層を具え、前記交換バイアス層が、前記AAF層システムに隣接して、磁気的
に作用する磁気抵抗装置において、前記AAF層システムが、3以上の奇数の隣
接しない強磁性層を有することを特徴とする磁気抵抗装置。 - 【請求項2】 請求項1に記載の磁気抵抗装置において、前記AAF層システム
が、3つのCoFe層と、2つの中間非磁性層とを含むことを特徴とする磁気抵
抗装置。 - 【請求項3】 請求項1に記載の磁気抵抗装置において、前記フリー強磁性層及
びピン強磁性層を、Cuタイプ層によって分離し、両側における前記Cuタイプ
層を、Co又はCoFe層と接触させたことを特徴とする磁気抵抗装置。 - 【請求項4】 請求項1又は2に記載の磁気抵抗装置において、前記AAFの中
間層の各々を、Ru層としたことを特徴とする磁気抵抗装置。 - 【請求項5】 請求項1ないし4のいずれか1項に記載の磁気抵抗装置において
、前記交換バイアス層を、前記基板と前記AAF層システムとの間に配置したこ
とを特徴とする磁気抵抗装置。 - 【請求項6】 請求項1ないし5のいずれか1項に記載の磁気抵抗装置において
、前記奇数の隣接しない強磁性層が、層のスタックを形成することを特徴とする
磁気抵抗装置。 - 【請求項7】 請求項6に記載の磁気抵抗装置において、少なくとも2つの強磁
性層が、前記スタックの外側を向き、前記スタックの中心を向く強磁性層より薄
いことを特徴とする磁気抵抗装置。 - 【請求項8】 請求項6に記載の磁気抵抗装置において、少なくとも2つの強磁
性層が、前記スタックの外側を向き、前記スタックの中心を向く強磁性層より厚
いことを特徴とする磁気抵抗装置。 - 【請求項9】 請求項1ないし8のいずれか1項に記載の磁気抵抗装置を含むデ
ータ格納システム。 - 【請求項10】 請求項1ないし8のいずれか1項に記載の磁気抵抗装置を含む
磁気メモリ。
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