JP2007005803A - 磁気抵抗素子及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】異方性が低くかつスピン分極が高い材料を得る。
【解決手段】合成自由層を有するスピンバルブとして磁気抵抗素子を提供する。より具体的には、合成自由層は、スペーサによって高垂直異方性層から分離された低垂直異方性層を含む。したがって、高異方性材料は、交換結合による平面外成分を導入する。また、高垂直異方性材料は、低いスピン分極を有する。さらに、ピン層の近くに配置された低異方性材料は、高いスピン分極を有する。その結果、低異方性材料の磁化は、平面内方向から平面外方向に変更される。したがって、低異方性材料と高異方性材料により全体の自由層垂直異方性を小さくすることができる。これらの層の厚さとその間のスペーサを調整することによって、異方性をさらに小さくし、感度をさらに高めることができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、平面外磁化（out-of-plane magnetization）を有する交換結合型自由層（exchange-coupled free layer）を有する磁気ヘッド等の、磁気抵抗素子及び装置に関する。

従来技術のハードディスクドライブなどの磁気記録技術において、ヘッドは、互いに独立に動作する読み取り装置と書き込み装置を備えている。読み取り装置は、自由層、ピン層、およびピン層と自由層の間のスペーサを含む。

読み取り装置において、ピン層の磁化の向きは固定される。しかしながら、例えば記録媒体などの外部磁界の影響（これに限定されない）により自由層の磁化の向きが変化することがある。

読み取り装置に外部磁界（フラックス）が印加されると、自由層の磁化方向がある角度だけ変化し、すなわち回転する。フラックスが正のときは自由層の磁化が上向きに回転し、フラックスが負のときは自由層の磁化が下向きに回転する。外部磁界が印加されて自由層の磁化方向がピン層と同じに合わされると、層間の抵抗が小さくなり、層の間を電子が移動し易くなる。

しかしながら、自由層がピン層と反対の磁化方向を有するときは、層間の抵抗が大きい。この大きい抵抗は、層間の電子の移動が困難になるために生じる。

図１（ａ）は、ＣＰＰ方式の従来技術のトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）スピンバルブを示す。ＴＭＲスピンバルブにおいて、スペーサ２３は、絶縁体またはトンネル障壁層である。したがって、電子は、絶縁スペーサ２３を自由層２１から自由層２５に、またはその逆に横切ることができる。ＴＭＲスピンバルブは、約５０％の高い磁気抵抗（ＭＲ）を有する。

図１（ｂ）は、従来技術の垂直通電型巨大磁気抵抗（ＣＰＰＧＭＲ：current perpendicular to plane, giant magnetoresistive）スピンバルブを示す。この場合、スペーサ２３は導体の役割をする。従来技術のＣＰＰ−ＧＭＲスピンバルブは、大きな抵抗変化△Ｒと高周波応答のための適度な素子抵抗を必要とする。また、小さい媒体磁界を検出できるように低い保磁力も必要である。また、ピン止め磁界は強くなければならない。

図１（ｃ）は、従来技術の弾道磁気抵抗（ＢＭＲ）スピンバルブを示す。絶縁体として働くスペーサ２３内で、強磁性体領域４７がピン層２５を自由層２１に接続する。接点領域は、約数ナノメートルである。その結果、このナノコンタクト内にできる磁壁内の電子の拡散によってＭＲが実質的に大きくなる。他の要因には、強磁性体のスピン分極と、ＢＭＲスピンバルブとナノコンタクトしている領域の構造がある。

前述の従来技術のスピンバルブにおいて、スピンバルブのスペーサ２３は、ＴＭＲの場合は絶縁体、ＧＭＲの場合は導体、およびＢＭＲの場合は磁気ナノサイズコネクタを有する絶縁体である。従来技術のＴＭＲスペーサは、一般にアルミナなどの絶縁性の大きい金属で作成されるが、従来技術のＧＭＲスペーサは、一般に、銅などの導電性の大きい金属で作成される。

従来技術において、読み取り動作中に自由層の磁化が媒体磁界自体からだけ影響を受けるように、ピン層と自由層の間の中間層の結合が大きくならないようにしなければならない。中間層の結合が大きいと、出力読み取り信号に悪影響を及ぼす望ましくない影響を有する。例えば、信号非対称性とヒステリシスが実質的に大きくなる。この影響は、セスペデス（Cespedes）らの論文である非特許文献１に開示されている。
Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 272-76: 157 1-72 Part 2, 2004

電流閉じ込め経路ＣＰＰヘッドにおいて、スペーサは、ＣｕＡｌ₂Ｏ₃などの絶縁体によって互いに分離された非磁性導電体領域で作成される。したがって、特にＧＭＲとＴＭＲの場合には、自由層とピン層の相互作用は、層の厚さが薄くなるほど大きくなる。例えば、ＴＭＲヘッドでは、全体の素子抵抗を小さくするために絶縁体スペーサがきわめて薄くされる。そのようにＴＭＲスペーサの厚さを薄くすると、自由層とピン層の間にピンホールができ、その結果中間層結合が大きくなる。

ＢＭＲの場合、中間層結合は、自由層とピン層の間のスペーサ内に存在するナノコンタクト（直接接続）の関数として大きくなる。自由層とピン層が逆方向を有するとき、磁壁ができることがある。その結果、強い電子散乱によってＭＲ比率を高くすることができる。例えば、自由層とピン層が、スペーサのアルミナマトリクスに埋め込まれたＮｉ磁性ナノ粒子によって接続されると、約１００エルステッド（場合によっては約２００エルステッド）よりも大きい中間層結合が生じる。その結果、伝達曲線（すなわち、外部磁界の関数としての電圧）が非対称になり、出力信号が実質的に減少する。

図２は、従来技術の自由層（例えば、２１）をその上側から示す。自由層の平面と垂直な方向５１（すなわち、図２のページ内）に強いセンス電流が流れたとき、アンペアの法則に従って磁界が生成される。この磁界は、自由層磁気モーメントの渦巻き分布（矢印５３で表したような）を作り出す。したがって、この従来技術の渦巻き問題を解決する必要がある。

従来技術において、この渦巻き問題は、側面安定化機構を導入することによって解決することができる。しかしながら、側面安定化機構によって生成される磁界が強すぎると自由層の感度が低下する。その結果、自由層の回転が実質的に妨げられる。さらに、媒体磁界の下では自由層の磁化が容易に回転することができない。したがって、従来技術の側面安定化機構（例えば硬質バイアス安定化機構）により強い磁界を生成する必要性が満たされていない。

従来技術において、図３に示したような垂直磁気異方性を有する単一自由層が提案された。自由層２１とピン層２５がスペーサ２３によって分離されている。この従来技術の方式において、自由層は、Ｆｅ／Ｐｔ、Ｆｅ／パラジウム、またはこれらの合金で作成される。しかしながら、この従来技術の提案には様々な問題と欠点がある。例えば限定でなく、この従来技術の提案は、高異方性材料であるＰｔおよび／またはＰｄを含むために自由層材料のスピン分極が小さくなってしまう。

したがって、従来技術において、前述の従来技術の問題を克服する異方性が低くかつスピン分極が高い材料の必要性が満たされていない。

本発明の目的は、従来技術の問題と欠点を克服することである。しかしながら、本発明においてそのような目的または任意の目的が達成されなくてもよい。

以上の目的を達成するために、磁気センサを提供する。磁気センサは、外部磁界に応じて調整可能な磁化方向を有する自由層を有し、自由層は、実質的に高い垂直異方性を有する第１の自由副層と、実質的に低い垂直異方性を有する第２の自由副層とを含む。第１の自由副層と第２の自由副層は、第１のスペーサによって分離される。磁気センサは、また、実質的に固定された磁化方向を有するピン層を含み、ピン層は、第２のスペーサによって自由層から分離され、第２の副層は、第１のスペーサと第２のスペーサの間にある。

さらに、外部磁界に応じて調整可能な磁化方向を有する自由層を含む装置を提供し、自由層は、実質的に高い垂直磁気異方性を有する第１の自由副層と、実質的に低い垂直異方性を有する第２の自由副層とを含む。第１の自由副層と第２の自由副層は、第１のスペーサによって分離される。また、装置には、実質的に固定された磁化方向を有するピン層が含まれる。

本発明は、本明細書で説明する例示的かつ非限定的な実施形態による、平面外磁化を有する交換結合型自由層ならびに当業者によって理解されるようなその等価物を含む磁気抵抗素子である。限定ではない例として、磁気抵抗素子は、読み取りヘッドおよびメモリ（例えば、ＭＲＡＭであるがこれに限定されない）、センサ、あるいは当業者によって理解されるような磁気抵抗効果を利用する他の従来技術の装置に使用される。限定ではない例として、センサは、遺伝子および微生物検出用のバイオセンサなどとして使用される。

図４は、スピンバルブの例示的かつ非限定的な実施形態を示す。合成自由層１０１は、外部磁界に応じて調整可能な磁化方向を有する。より具体的には、合成自由層１０１は、高い垂直磁気異方性と低いスピン分極を有する第１の自由副層１１１と、非磁性自由副層スペーサ１０９（「第１のスペーサ」とも呼ばれる）と、低い垂直磁気異方性と高分極を有する第２の自由副層１１３とを有する。

第１の自由副層の垂直磁気異方性は、第２の自由層の垂直磁気異方性よりも実質的に大きい。また、第２の自由副層の分極は、第１の自由副層の分極よりも大きい。さらに、第１の自由層副層の分極は、約５×１０⁵ｅｒｇ／ｃｍ³を超える高い垂直磁気異方性により約０．５より大きくなくてもよい。

第１の自由副層１１１と第２の自由副層１１３の間の交換結合によって、第２の自由副層の磁化方向が、平面内の方向から平面と垂直な方向（すなわち約９０度）に変更される。その結果、２つの層がそれぞれ低い異方性と高い異方性を有するので、自由層の全垂直磁気異方性エネルギーを全体として実質的に減少させることができる。

本発明のもう１つの例示的かつ非限定的な実施形態において、第１の自由副層１１１と第２の自由副層１１３の分極が、実質的に同じ（例えば、０．５）であり、第１の自由副層１１１が実質的に高い異方性を有し、第２の自由副層１１３が実質的に低い異方性を有する。しかしながら、本発明はこれに限定されず、当業者によって理解されまた本発明の範囲から逸脱しない他の変形を使用することができる。

自由層１０１は、スペーサ１０３（「第２のスペーサ」とも呼ばれる）によってピン層１０５（すなわち、実質的に固定された磁化方向を有する）から分離される。

第１の自由副層１１１は、（ＴＭ／Ｆｔ）ｎ、（ＴＭ／Ｐｄ）ｎ、ＴＭ−Ｐｔ、ＴＭ−Ｐｄ、ＲＥ−ＴＭ合金などで作成される。ＴＭは、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｒ、およびこれらの合金などの遷移金属（３ｄ元素）であり、ＲＥは、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｇｄ、Ｈｏなどの希土類元素（４ｆ元素）を示す。この場合、（ＴＭ／Ｐｔ）ｎは、ＴＭ層とＰｔ層をｎ回り返す多層積層体である。ＴＭ−Ｐｔは、ＴＭとＰｔで作成される合金である。これらの層と合金は、これらの層や合金がその垂直磁気異方性を失わない限り他の元素を含むことができる。

自由層内にある非磁性体の自由副層スペーサ１０９は、Ｒｕ、Ｒｈ、Ａｇ、Ｃｕなどの材料で作成される。前述のように、この副層スペーサ１０９は非磁性体であり、第１の自由副層１１１と第２の自由副層１１３の間に配置される。第２の自由副層１１３は、ＣｏＦｅ、Ｆｅ、Ｃｏ、ＣｏＦｅＮｉ、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅＢなどのうちの少なくとも１つで作成される。

第２のスペーサ１０３は、第２の自由副層１１３の下に配置され、ピン層１０５は、スペーサ１０３の自由層との境界面の反対側に配置される。自由層１０１、スペーサ１０３、およびピン層１０５の側面は、空気軸受面（ＡＢＳ）である。

本発明は、渦型領域の作成による電流検出効果の従来技術の問題と前述の磁化渦巻き問題を回避する。例えば限定ではなく、自由層１０１の第１の自由副層１１１は、反強磁性交換結合によって、磁気抵抗効果を実質的に低下さることなく、第２の自由副層の磁化方向の平面外成分を発生させる。

さらに、合成自由層の層の厚さを調整することによって、高感度ヘッドを作成するために自由層全体の異方性磁界を低い値（約５００エルステッド以下）に最適化することができる。図５は、例示的かつ非限定的な実施形態によるボトム型スピンバルブを示す。この例示的かつ非限定的な実施形態において、自由層１２１が提供され、自由層１２１と、ピン止め副層スペーサ１２７（「第３のスペーサ」としても知られる）によって第２のピン止め副層１２９から分離された第１のピン止め副層１２５を含むピン層との間に第２のスペーサ１２３が配置される。さらに、反磁性体（ＡＦＭ）層１３１が、バッファ層１３２上に提供される。自由層側には、自由層１２１の上にキャッピング層１３３が提供される。

バッファ層１３２は、下部シールド１３５上に配置される。スピンバルブと下部シールド１３５の上側面に対して横方向に絶縁体１４１ａが提供される。絶縁体１４１ａ上に、隣りのトラックの磁界からセンサを保護する側面シールド１４３が提供される。側面シールド１４３上には、センス電流が側面シールドに流れるのを有効に防ぐためのさらに別の絶縁体１４１ｂが付着される。必要に応じて、絶縁体１４１ａが別の絶縁体１４１ｂと接触してもよく、あるいは、それらの２つの層１４１ａ、１４１ｂが、側面シールド１４３によって完全に分離されてもよい。

このシールド構造は、スピンバルブの左側と右側の側面に沿って存在する。これにより、図４の多層自由層構造が、図５のボトム型スピンバルブ内に提供される。より具体的には、第１の自由副層１４５は、自由層１２１内で自由副層スペーサ１４９（「第１のスペーサ」）によって第２の自由副層１４７から分離される。その結果、ボトム型スピンバルブにおいて前述の利点が得られる。

以上の実施形態を変更できることは当業者によって理解されよう。例えば限定ではなく、前述のボトム型スピンバルブの他にトップ型スピンバルブ構造を使用することができる。さらに、ピン層の磁化方向を実質的に固定するために、ＡＦＭ層の代わりに硬質磁性体層などを使用することができる。また、当業者によって理解されるように、ピン層は複数の強磁性体層で作成されてもよい。

図６は、メモリ（例えば、ＭＲＡＭであるがこれに限定されない）の応用例を示す。より具体的には、スペーサ２０３（すなわち、この実施形態では「第２のスペーサ」）によってピン層２０５から分離された自由層２０１を含むＭＲＡＭの磁気抵抗素子を開示する。自由層２０１は、自由副層スペーサ２１１（この実施形態では「第１のスペーサ」）によって高い垂直磁気異方性と低い垂直磁気異方性を有する第２の自由層２０９から分離された低いスピン分極と高いスピン分極を有する第１の自由副層２０７を含む。ピン層２０５は、非磁性スペーサ層によって分離された反強磁性的に結合された２つの磁性体層で作成することができる。しかしながら、ピン層２０５を、単一の強磁性体層あるいはすべて実質的に同じ向きの磁化を有する異なる強磁性体層の積層物で作成することができる。

ピン層２０５は、ピン止め副層スペーサ２１７（この実施形態では「第３のスペーサ」）によって低いスピン分極と高い垂直磁気異方性を有する第２のピン止め副層２１５から分離された高いスピン分極と低い垂直磁気異方性を有する第１のピン止め副層２１３を含む。

副層２０９、２１３は、前に開示し図５〜図６に示した第２のピン止め副層１４７と実質的に同じであり、副層２０７、２１５は、第１の自由層１４５と実質的に同じである。しかしながら、第１のピン止め副層２１３は、低異方性と高異方性のどちらも有することができる。したがって、図６に示した層の構造および／または構成は、図４と図５に示したものと実質的に同じである。本発明の以上の例示的かつ非限定的なそれぞれの実施形態に関して、スピンバルブは、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）型、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）型、または弾道磁気抵抗（ＢＭＲ）型のものでよい。さらに、当業者が知っているかあるいは知ることになる他のタイプのスピンバルブを使用することもできる。

本発明において、磁気抵抗効果を利用する他の装置は、本発明の磁気抵抗素子を含むこともできる。例えば限定ではなく、磁界センサまたはメモリ（前に開示したような）も本発明を使用することができるが、応用例はそれらに限定されない。そのような応用例や他の応用例において、自由層は、前述の外部磁界または電流に応じて調整可能な磁化を有することができる。本発明のそのような応用例は、本発明の範囲内である。

本発明は、前述の特定の実施形態に限定されない。添付の特許請求の範囲に定義したような本発明の趣旨または範囲から逸脱することなく本発明には多くの修正を行うことができる。

図１（ａ）〜図１（ｃ）は、様々な従来技術の磁気読み取り装置スピンバルブを示す図である。 センス電流によって生成された磁界による従来技術の自由層磁気モーメント分布の上面図である。 従来技術の渦巻き問題を解決する従来技術の提案を示す図である。 本発明の例示的かつ非限定的な実施形態によるスピンバルブを示す図である。 本発明の例示的かつ非限定的な実施形態によるボトムスピンバルブを示す図である。 本発明の例示的かつ非限定的な実施形態によるＭＲＡＭ装置の図である。

符号の説明

１０１ 合成自由層
１０３ スペーサ
１０５ ピン層
１０９ 自由副層スペーサ
１１１ 第１の自由副層
１１３ 第２の自由副層

Claims (10)

1. 磁気抵抗素子であって、
   第１の自由副層と、前記第１の自由副層より低い垂直磁気異方性を有するとともに前記第１の自由副層と前記第２の自由副層が第１のスペーサによって分離された第２の自由副層とを含み、外部磁界に応じて調整可能な磁化方向を有する自由層と、
   固定された磁化方向を有し、第２のスペーサによって前記自由層から分離されたピン層と、を含み、
   前記第２の自由副層が前記第１のスペーサと前記第２のスペーサの間にある磁気抵抗素子。
2. 前記第１の自由副層の分極が、第２の自由副層の分極よりも小さい請求項１に記載の磁気抵抗素子。
3. 前記第１の自由副層が、（ＴＭ／Ｐｔ）、（ＴＭ／Ｐｄ）、ＴＭ−Ｐｔ、ＴＭ−Ｐｄ、およびＲＥ−ＴＭのうちの少なくとも１つを含み、ＴＭが遷移金属（３ｄ元素）であり、ＲＥが希土類（４ｆ元素）である請求項１に記載の磁気抵抗素子。
4. 前記第２の自由副層が、ＣｏＦｅ、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅＢ、およびＣｏＦｅＮｉのうちの少なくとも１つを含む請求項１に記載の磁気抵抗素子。
5. 前記第１のスペーサが、Ｒｕ、Ｒｈ、Ａｇ、およびＣｕのうちの少なくとも１つを含む請求項１に記載の磁気抵抗素子。
6. 前記第２のスペーサが、（ａ）トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）型スピンバルブの場合は絶縁体、（ｂ）巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）型スピンバルブの場合は導体、および（ｃ）弾道磁気抵抗（ＢＭＲ）型スピンバルブの場合は少なくとも１つの導電性ナノコンタクトを有する絶縁体のうちの１つである請求項１に記載の磁気抵抗素子。
7. 第１の自由副層と、前記第１の自由副層より低い垂直磁気異方性を有するとともに前記第１の自由副層と前記第２の自由副層が第１のスペーサによって分離された第２の自由副層とを含み、外部磁界または電流に応じてに応じて調整可能な磁化方向を有する自由層と、
   固定された磁化方向を有し、第２のスペーサによって前記自由層から分離されたピン層と、を含み、
   前記第２の自由副層が前記第１のスペーサと前記第２のスペーサの間にある装置。
8. 前記装置が、磁界センサを含む請求項７に記載の装置。
9. 前記装置が、メモリを含む請求項７に記載の装置。
10. 前記装置が、読み取りヘッドを含む請求項７に記載の装置。

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