JP2013191735A - Thin film magnetic element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、磁気抵抗効果素子に対して印加磁界を変化させることで高周波特性を制御する薄膜磁性素子の構造に関するものである。 The present invention relates to a structure of a thin film magnetic element that controls high-frequency characteristics by changing an applied magnetic field to the magnetoresistive element.
電子の電荷を応用したエレクトロニクスの分野に対して、電子の電荷とスピンを同時に利用するスピントロニクスの分野が、近年、注目されている(非特許文献1)。スピントロニクスは、巨大磁気抵抗(GMR)効果やトンネル磁気抵抗(TMR)効果に代表される磁気抵抗効果素子の急速な発達により、ハードディスクドライブ(HDD)や磁気抵抗メモリ(MRAM)といった形態で、産業に大きく貢献している。 In recent years, the field of spintronics that simultaneously uses the charge and spin of electrons has attracted attention in the field of electronics that applies the charge of electrons (Non-Patent Document 1). With the rapid development of magnetoresistive elements represented by the giant magnetoresistive (GMR) effect and the tunneling magnetoresistive (TMR) effect, spintronics is used in the industry in the form of hard disk drives (HDD) and magnetoresistive memories (MRAM). It contributes greatly.
磁気抵抗効果素子では、スピンが伝送・輸送されることで、他の強磁性体のスピンを回転させるエネルギー(スピントランスファートルク)になることが知られている。このスピントランスファートルクを利用すると、ある一定のエネルギーにおいて、スピンの発振・共鳴現象が生じる。これらの現象を利用した、高周波の発振、検波、ミキサー、フィルターといったデバイスとしての産業利用が提案されてきている(特許文献1)。磁気抵抗効果素子の高周波特性は、印加磁界およびスピントランスファートルクによって制御されることが知られている(非特許文献2)。 It is known that in a magnetoresistive effect element, spin is transmitted and transported to generate energy (spin transfer torque) for rotating the spin of another ferromagnetic material. When this spin transfer torque is used, spin oscillation and resonance occur at a certain energy. Industrial applications as devices such as high-frequency oscillation, detection, mixers, and filters using these phenomena have been proposed (Patent Document 1). It is known that the high frequency characteristics of the magnetoresistive effect element are controlled by the applied magnetic field and the spin transfer torque (Non-Patent Document 2).
磁気抵抗効果素子の高周波特性を利用する素子(以下、薄膜磁性素子)では、印加磁界を制御することにより高周波特性を任意に制御し、幅広い周波数帯域での使用を可能にすることが期待されている。産業利用を考えた場合、小型である利点を生かしつつ、印加磁界の強度を広範囲に制御することが必要とされる。そのため、広範囲に制御可能な磁界印加機構を含んだ素子構造が求められている。 An element that utilizes the high-frequency characteristics of a magnetoresistive effect element (hereinafter referred to as a thin-film magnetic element) is expected to be able to arbitrarily control the high-frequency characteristics by controlling the applied magnetic field and to enable use in a wide frequency band. Yes. When considering industrial use, it is necessary to control the strength of the applied magnetic field over a wide range while taking advantage of the small size. Therefore, an element structure including a magnetic field application mechanism that can be controlled in a wide range is required.
しかしながら、これまでの薄膜磁性素子の研究では、素子とは別に外部から磁界を印加して特性の変化を観測することが一般的であり、最適な磁界印加機構を含んだ素子構造に関する研究は、まだ進んでいない。 However, in the research of thin film magnetic elements so far, it is common to observe the change in characteristics by applying a magnetic field from the outside separately from the element, and research on the element structure including the optimum magnetic field application mechanism It has not progressed yet.
HDD(Hard Disk Drive)用ヘッドの分野では、データの読み出しに磁気抵抗効果素子を利用することが一般的となっている。磁気抵抗効果素子の左右に強磁性体を設置し、一様な磁界を印加する構造が用いられている(特許文献2)。また、書込みには、軟磁性体の主磁極の回りにコイルを設置し、コイルから発生した磁束を主磁極に取り込み、主磁極から発生した磁束により磁気記録媒体にデータを記録しつつ、磁気記録媒体の軟磁性層を経由してリターンヨークに取り込まれることで磁束が循環する構造が用いられている(特許文献3)。 In the field of HDD (Hard Disk Drive) heads, it is common to use magnetoresistive elements for reading data. A structure in which a ferromagnetic material is installed on the left and right of the magnetoresistive effect element to apply a uniform magnetic field is used (Patent Document 2). For writing, a coil is installed around the main magnetic pole of the soft magnetic material, the magnetic flux generated from the coil is taken into the main magnetic pole, and data is recorded on the magnetic recording medium by the magnetic flux generated from the main magnetic pole. A structure is used in which a magnetic flux circulates by being taken into a return yoke via a soft magnetic layer of a medium (Patent Document 3).
磁気抵抗効果素子を薄膜磁性素子として利用する場合、従来の、外部から素子に磁界を印加する構造では、素子および磁界印加機構を含めたデバイス全体の形状が非常に大きくなってしまうという課題がある。また、HDDのように、強磁性体を素子の左右に設置し、磁性層に一様な磁界を印加する構造では、高周波特性が一つの帯域に固定されてしまい、高周波特性の制御によりスピンの発振・共鳴現象を幅広い帯域で利用することができないという課題がある。 When a magnetoresistive effect element is used as a thin film magnetic element, the conventional structure in which a magnetic field is applied to the element from the outside has a problem that the overall shape of the device including the element and the magnetic field application mechanism becomes very large. . Also, in a structure in which a ferromagnetic material is installed on the left and right sides of the element and a uniform magnetic field is applied to the magnetic layer as in the HDD, the high frequency characteristics are fixed to one band, and the spin is controlled by controlling the high frequency characteristics. There is a problem that the oscillation / resonance phenomenon cannot be used in a wide band.
本発明は、かかる課題を解決すべくなされたものであり、小型かつ、幅広い周波数帯域で使用可能な薄膜磁性素子を提案するものである。 The present invention has been made to solve such problems, and proposes a thin-film magnetic element that is small and can be used in a wide frequency band.
本発明の薄膜磁性素子は、非磁性スペーサー層を介して磁化固定層と磁化自由層を備えた磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子の積層面に対して垂直方向に前記磁気抵抗効果素子を介して配設された一対の電極と、前記積層面に対して略平行となるように、前記磁気抵抗効果素子とは離間し、かつ前記磁気抵抗効果素子を挟んで対向して配設された一対の主磁極層と、前記積層面に対して垂直方向に前記主磁極層と対向し、その一部が前記主磁極層に連結して配設されたリターンヨーク層と、前記主磁極層と前記リターンヨーク層との間に、前記積層面に対して略平行となるよう配設された薄膜コイル層と、を有することを特徴とする薄膜磁性素子である。 The thin film magnetic element of the present invention includes a magnetoresistive effect element including a magnetization fixed layer and a magnetization free layer via a nonmagnetic spacer layer, and the magnetoresistive effect element perpendicular to the laminated surface of the magnetoresistive effect element. The magnetoresistive effect element is separated from the pair of electrodes arranged via the magnetoresistive element so as to be substantially parallel to the laminated surface, and is opposed to the magnetoresistive effect element. A pair of main magnetic pole layers, a return yoke layer opposed to the main magnetic pole layer in a direction perpendicular to the laminated surface, and a part of which is connected to the main magnetic pole layer, and the main magnetic pole layer And a thin film coil layer disposed so as to be substantially parallel to the laminated surface between the return yoke layer and the return yoke layer.
本発明の薄膜磁性素子は、前記リターンヨーク層は、一体的に配設されていることが好ましい。 In the thin film magnetic element of the present invention, it is preferable that the return yoke layer is integrally disposed.
本発明の薄膜磁性素子は、前記積層面に対して垂直方向に前記主磁極層に面して補助磁極層が配設され、前記補助磁極層は前記磁気抵抗効果素子に対して前記主磁極層よりも離間するように配設されていることが好ましい。 In the thin film magnetic element of the present invention, an auxiliary magnetic pole layer is disposed so as to face the main magnetic pole layer in a direction perpendicular to the laminated surface, and the auxiliary magnetic pole layer is formed with respect to the magnetoresistive effect element. It is preferable that it is arrange | positioned so that it may space apart.
本発明の薄膜磁性素子は、前記薄膜コイル層が、前記積層面に対して垂直方向に前記主磁極層を挟んで対向するように複数配設されていることが好ましい。 In the thin film magnetic element of the present invention, it is preferable that a plurality of the thin film coil layers are arranged so as to face each other with the main magnetic pole layer interposed therebetween in a direction perpendicular to the laminated surface.
本発明の薄膜磁性素子は、前記主磁極層を少なくとも二対有するとともに、前記二対の主磁極層が、前記積層面に対して略平行となる面内で、前記磁気抵抗効果素子を中心として回転方向にずれて配設されていることが好ましい。 The thin film magnetic element of the present invention has at least two pairs of the main magnetic pole layers, and the two pairs of main magnetic pole layers are centered on the magnetoresistive element in a plane substantially parallel to the laminated surface. It is preferable that they are arranged so as to be displaced in the rotational direction.
なお本発明において、「積層面に対して略平行」とは幾何学的に平行な状態のみに限定されるものではなく、±10°以下に傾斜した略平行状態をも含むものとする。 In the present invention, “substantially parallel to the laminated surface” is not limited to a geometrically parallel state, but includes a substantially parallel state inclined to ± 10 ° or less.
なお本発明において、「主磁極層に連結して」とは物理的に連結した状態のみに限定されるものではなく、他の磁性材料を介して間接的に連結した状態や、厚さ1μm以下の非磁性材料を介して磁気的に連結した状態をも含むものとする。 In the present invention, “connected to the main magnetic pole layer” is not limited to a physically connected state, but is indirectly connected through another magnetic material, or a thickness of 1 μm or less. This includes a state of being magnetically coupled via the nonmagnetic material.
なお本発明において、「積層面に対して垂直方向」とは幾何学的に垂直な方向のみに限定されるものではなく、±10°以下に傾斜した方向をも含むものとする。 In the present invention, the “perpendicular direction to the stacking surface” is not limited to a direction that is geometrically perpendicular, but includes a direction inclined to ± 10 ° or less.
本発明に係る、薄膜磁性素子によれば、薄膜コイルに電流を流すことにより発生した磁束を、主磁極層を経由して放出することにより、磁気抵抗効果素子に磁界を印加することが可能となることで、薄膜磁性素子を小型化することができる。また、電流量を制御することで磁界強度を任意に制御することにより、高周波特性を任意に制御し幅広い周波数帯域での利用が可能となる。 According to the thin film magnetic element of the present invention, it is possible to apply a magnetic field to the magnetoresistive effect element by releasing the magnetic flux generated by passing a current through the thin film coil through the main magnetic pole layer. Thus, the thin film magnetic element can be reduced in size. Further, by arbitrarily controlling the magnetic field intensity by controlling the amount of current, it is possible to arbitrarily control the high-frequency characteristics and use in a wide frequency band.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
まず、図1〜図3を参照して、本発明の第1の実施の形態に係る薄膜磁性素子の構成について説明する。図1は断面構成、図2は平面構成、図3は磁気抵抗効果積層体8を拡大した断面構成をそれぞれ示している。
First, the configuration of the thin film magnetic element according to the first embodiment of the invention will be described with reference to FIGS. 1 shows a sectional configuration, FIG. 2 shows a planar configuration, and FIG. 3 shows an enlarged sectional configuration of the
以下の説明では、図1、図2、図3に示したX軸方向の寸法を「幅」、Y軸方向の寸法を「長さ」、Z軸方向の寸法を「厚さ」とそれぞれ表記する。またZ軸方向のうちの基板1に近い側を「下」、その反対側を「上」とそれぞれ表記する。これらの表記内容は、後述する図5以降についても同様とする。
In the following description, the dimension in the X-axis direction shown in FIGS. 1, 2, and 3 is expressed as “width”, the dimension in the Y-axis direction as “length”, and the dimension in the Z-axis direction as “thickness”. To do. Further, the side closer to the
この薄膜磁性素子は、例えば高周波の発振、検波、ミキサー、フィルターといったデバイスとして使用されるものである。図1に示したように、基板1上に、絶縁層2、下部電極層3、磁気抵抗効果積層体8、上部電極層17がこの順番に配設される。下部電極層3は、下部電極層下部31と下部電極層上部32とにより構成される。下部電極層下部31上の下部電極層上部32が存在しない領域の上に、絶縁層4及び9、主磁極層10、絶縁層12、薄膜コイル13、絶縁層14、リターンヨーク層15、オーバーコート層16がこの順番に配設される。
This thin-film magnetic element is used as a device such as high-frequency oscillation, detection, mixer, or filter. As shown in FIG. 1, an insulating layer 2, a
基板1は、例えばアルティック(Al2O3・TiC)、シリコン(Si)、ガラス(SiOx)、又はカーボン(C)などの材料により構成される。
The
絶縁層2は、例えば酸化アルミニウム(Al2O3)又は酸化ケイ素(SiO2)などの非磁性絶縁材料により構成される。その厚さは、0.05〜10μm程度である。後述する下部電極層3から電流が基板1に流れ込むことにより、基板1と下部電極層3との間にキャパシタ成分が発生し、高周波の伝送損失が生じることを防ぐように機能する。
The insulating layer 2 is made of a nonmagnetic insulating material such as aluminum oxide (Al 2 O 3 ) or silicon oxide (SiO 2 ). Its thickness is about 0.05 to 10 μm. When a current flows into the
下部電極層3は、例えばNiFe、CoFe、FeNiCo、FeAlSi、FeN、FeZrN、FeTaN、CoZrNb、CoZrTa等の金属磁性材料によって構成される。その厚さ0.1〜3μm程度である。下部電極層3は、下部電極層下部31と下部電極層上部32により構成される。下部電極層下部31と下部電極層上部32は、同じと材料で構成され、一体化していることが望ましい。下部電極層下部31の厚さは、0.05〜2.95μm程度である。下部電極層上部32の厚さは、0.05〜2.95μm程度である。下部電極層3は、薄膜コイル5、13、主磁極層10、補助磁極層11から発生する磁束が外部に漏洩することを防ぐシールドの役割を兼ねる。
The
絶縁層4は、例えば、Al2O3又はSiO2などの非磁性絶縁材料から構成される。その厚さは0.01〜0.5μm程度である。
The insulating
図4に示したように、磁気抵抗効果積層体8は、下部金属層81、磁化固定層82、非磁性スペーサー層83、磁化自由層84、上部金属層85が、下からこの順番に配設される。
As shown in FIG. 4, the
下部金属層81は、例えばTa、クロム(Cr)、ハフニウム(Hf)、ニオブ(Nb)、ジルコニウム(Zr)、チタン(Ti)、モリブデン(Mo)又はタングステン(W)等からなる厚さ0.5〜5nm程度の膜と、例えばルテニウム(Ru)、NiCr、NiFe、NiFeCr、コバルト(Co)又はCoFe等からなる厚さ1〜6nm程度の膜により構成される。
The
磁化固定層82は、本実施形態では、シンセティック型であり、例えばIrMn、PtMn、NiMn、RuRhMn等からなる厚さ5〜30nm程度の反強磁性膜(ピン層用の膜)と、例えばCoFe等からなる厚さ1〜5nm程度の第1の強磁性膜と、例えばルウテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、イリジウム(Ir)、Cr、レニウム(Re)及び銅(Cu)等のうちの1つ又は2つ以上の合金からなる厚さ0.8nm程度の非磁性膜と、例えばCoFe、CoFeSi、CoMnGe、CoMnSi、CoMnAl等からなる厚さ1〜3nm程度の第2の強磁性膜により構成される。
In the present embodiment, the magnetization pinned
非磁性スペーサー層83は、例えば、厚さ0.5〜1nm程度のアルミニウム(Al)、Ti、タンタル(Ta)、Zr、Hf、マグネシウム(Mg)、ケイ素(Si)又は亜鉛(Zn)の酸化物より構成される。
The
磁化自由層84は、例えばCoFe、CoFeSi、CoMnGe、CoMnSi、CoMnAl等からなる厚さ1nm程度の高分極率膜と、例えばNiFe等からなる厚さ1〜9nm程度の軟磁性膜により構成される。
The magnetization
上部金属層85は、例えばTa、Ru、Hf、Nb、Zr、Ti、Cr又はW等の非磁性導電材料からなり、1層又は2層以上からなる厚さ1〜10nm程度の膜として構成される。
The
絶縁層9は、主磁極層10と下部電極層3もしくは磁気抵抗効果積層体8との間を絶縁するために配設される。絶縁層9は、例えば、Al2O3又はSiO2などの非磁性絶縁材料から構成される。その厚さは1〜100nm程度である。
The insulating
主磁極層10は、主要な磁束の放出部分として機能する。すなわち、主磁極層10は、薄膜コイル13において発生した磁束を収容し、その磁束を磁気抵抗効果積層体8に導くことにより、磁界を印加し、高周波特性を制御する。主磁極層10は、磁気抵抗効果積層体8近傍から、後方のバックギャップ18に向かって延在しており、その厚さは10〜100nm程度で構成される。また、主磁極層10は、高い飽和磁束密度を有する磁性材料により構成されている。この種の磁性材料としては、例えば、鉄(Fe)リッチな鉄ニッケル合金(FeNi)、鉄コバルト合金(FeCo)または鉄コバルトニッケル合金(FeCoNi)などの鉄系合金が挙げられる。
The main magnetic pole layer 10 functions as a main magnetic flux emission part. That is, the main magnetic pole layer 10 accommodates the magnetic flux generated in the thin film coil 13, guides the magnetic flux to the
主磁極層10は、複数の主磁極層101、102によって構成される。以下、主磁極層101を用いて説明する。主磁極層101は、例えば、図2に示したように、磁気抵抗効果積層体8に近い面から順に、一定幅W1を有する先端部1011と、その後方に連結され、幅W1よりも大きな幅W2を有する後端部1012とを含んでいる。先端部1011は、磁気抵抗効果積層体8に向けて実質的に磁束を放出する部分であり、後端部1012は、リターンヨーク層15に収容された磁束を収容して先端部1011へ供給する部分である。この後端部1012の幅は、例えば、後方において一定(幅W2)であり、前方において先端部1011へ近づくにしたがって次第に狭まっている。主磁極層101の幅が先端部1011から後端部1012へ拡がり始める位置は、いわゆるフレアポイントFPであり、先端部1011とフレアポイントFPとの間の距離は、ネックハイトNHと呼ばれている。望ましい実施形態では、先端部1011の幅W1は約0.5μm以下、ネックハイトNHは0.5μm以下である。
The main magnetic pole layer 10 includes a plurality of main magnetic pole layers 101 and 102. Hereinafter, the main
絶縁層12は、主磁極層10と薄膜コイル13を電気的に分離するために配設される。絶縁層12は、主磁極層10上に薄膜コイル13の下地として配設されている。絶縁層12は、例えば、Al2O3又はSiO2などの非磁性絶縁材料から構成される。その厚さは0.01〜0.5μm程度である。 The insulating layer 12 is disposed to electrically separate the main magnetic pole layer 10 and the thin film coil 13. The insulating layer 12 is disposed on the main magnetic pole layer 10 as a base of the thin film coil 13. The insulating layer 12 is made of a nonmagnetic insulating material such as Al 2 O 3 or SiO 2 . Its thickness is about 0.01 to 0.5 μm.
薄膜コイル13は、磁気抵抗効果積層体8に磁界を印加するための磁束を発生するものである。この薄層コイル13は、例えば、銅(Cu)などの高導電性材料により構成されており、その厚さは約0.1〜1.5μm程度である。また、薄膜コイル13は、図1および図2に示したように、バックギャップ18を中心として巻回する構造(スパイラル構造)を有している。なお、薄膜コイル13の巻回数(ターン数)は任意に設定可能である。
The thin film coil 13 generates a magnetic flux for applying a magnetic field to the
絶縁層14は、薄膜コイル13を周辺から電気的に分離するものである。絶縁層14は、薄膜コイル13を被覆するように配設される。その厚さは約0.1〜1.5μm程度である。絶縁層14は、例えば絶縁層6、7と同様の非磁性絶縁材料により構成されている。
The insulating
リターンヨーク層15は、磁気抵抗効果積層体8に磁界を印加するため主磁極層10から放出された磁束を循環させることにより、主磁極層10へ磁束を再供給する。また、リターンヨーク層15は、薄膜コイル13、主磁極層10から発生する磁束が外部に漏洩することを防ぐシールドの役割を兼ねる。リターンヨーク層15は、磁気抵抗効果積層体8に対して主磁極層10よりも離間した位置からバックギャップ18に向かって延在しており、磁気抵抗効果積層体8から離間した側において主磁極層10に連結されている。リターンヨーク層15は、例えばNiFe、CoFe、FeNiCo、FeAlSi、FeN、FeZrN、FeTaN、CoZrNb、CoZrTa等の高飽和磁束密度を有する磁性材料により構成されており、その厚さは0.1〜3μm程度で構成される。
The return yoke layer 15 re-supplys the magnetic flux to the main magnetic pole layer 10 by circulating the magnetic flux emitted from the main magnetic pole layer 10 in order to apply a magnetic field to the
オーバーコート層16は、薄膜磁性素子全体を周囲より電気的に分離しつつ、保護するために構成される。例えば、Al2O3又はSiO2などの非磁性絶縁材料から構成される。その厚さは0.01〜0.5μm程度である。 The overcoat layer 16 is configured to protect the entire thin film magnetic element while being electrically separated from the surroundings. For example, it is made of a nonmagnetic insulating material such as Al 2 O 3 or SiO 2 . Its thickness is about 0.01 to 0.5 μm.
上部電極層17は、例えば、銅(Cu)、金(Cu)、銀(Ag)、白金(Pt)もしくはこれらの絵元素を1つ以上含む合金によって構成される。その厚さ0.1〜3μm程度である。
The
図1に示したように、絶縁層4、絶縁層9、主磁極層10、絶縁層12、薄膜コイル13、絶縁層14、リターンヨーク層15、オーバーコート層16は、磁気抵抗効果積層体8を中心として対向して配設される。
As shown in FIG. 1, the insulating
図2に示したように、主磁極層101、102に磁気的にそれぞれ連結されたリターンヨーク層151、152は、互いに連結している。 As shown in FIG. 2, the return yoke layers 151 and 152 magnetically coupled to the main magnetic pole layers 101 and 102 are coupled to each other.
本発明の第1の実施の形態では、磁気抵抗効果積層体として、トンネル磁気抵抗(TMR)効果を使用したTMR素子を使用しているが、非磁性スペーサー層83として導体や半導体を使用し、非磁性スペーサー層の面に対して電流が垂直にながれるCPP型GMR素子を使用しても同様の効果が得られる。その場合、磁気抵抗効果積層体8の構成が変更される以外、他の構成は同様である。
In the first embodiment of the present invention, a TMR element using the tunnel magnetoresistance (TMR) effect is used as the magnetoresistive stack, but a conductor or semiconductor is used as the
磁気抵抗効果積層体として、非磁性スペーサー層に絶縁層を使用しつつ、絶縁層内に直径10nm以下の微小な導電層を形成した電流狭窄(NOL)型MR素子を使用しても、同様の効果が得られる。その場合も、磁気抵抗効果積層体8の構成が変更される以外、他の構成は同様である。
Even if a current confinement (NOL) type MR element in which a minute conductive layer having a diameter of 10 nm or less is formed in an insulating layer while using an insulating layer as a non-magnetic spacer layer as a magnetoresistive effect laminate, the same An effect is obtained. Also in this case, other configurations are the same except that the configuration of the
本発明の第1の実施の形態では、磁化固定層としてシンセティック型のスピンバルブ構造を構成しているがそれに限定されるものでなく、反強磁性層と単層の強磁性層の組み合わせ、もしくは保持力の大きな強磁性層単層の構造でも、同様の効果が得られる。その場合、磁気抵抗効果積層体8の構成が変更される以外、他の構成は同様である。
In the first embodiment of the present invention, a synthetic spin valve structure is configured as the magnetization fixed layer, but the present invention is not limited thereto, and a combination of an antiferromagnetic layer and a single ferromagnetic layer, or A similar effect can be obtained with a single-layer structure of a ferromagnetic layer having a large coercive force. In that case, other configurations are the same except that the configuration of the
本発明の第1の実施の形態では、磁化固定層と磁化自由層が、それぞれ一層ずつであるがそれに限定されるものでなく、磁化自由層の上下に磁化固定層が配設された構造、磁化固定層の上下に磁化自由層が配設された構造、または複数組の磁化自由層と磁化固定層を配設した構造でも、同様の効果が得られる。その場合、磁気抵抗効果積層体8の構成が変更される以外、他の構成は同様である。
In the first embodiment of the present invention, each of the magnetization fixed layer and the magnetization free layer is a single layer, but is not limited thereto, and a structure in which magnetization fixed layers are disposed above and below the magnetization free layer, Similar effects can be obtained with a structure in which a magnetization free layer is disposed above and below the magnetization fixed layer, or a structure in which a plurality of pairs of magnetization free layers and magnetization fixed layers are disposed. In that case, other configurations are the same except that the configuration of the
本発明の第1の実施の形態では、下部電極層上部32と上部電極層17の大きさを略同一としているが、限定されるものではない。下部電極層上部32もしくは上部電極層17を他方に対して大きな形状としても、同様の効果が得られる。
In the first embodiment of the present invention, the
次に、図4を参照して、本発明の第2の実施の形態に係る薄膜磁性素子の構成について説明する。図4は、断面構成を示している。 Next, the configuration of a thin film magnetic element according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 4 shows a cross-sectional configuration.
本発明の第2の実施の形態では、本発明の第1の実施の形態に対して、補助磁極層11が追加されたことが特徴である。他の構成は、本発明の第1の実施の形態と同様である。 The second embodiment of the present invention is characterized in that the auxiliary magnetic pole layer 11 is added to the first embodiment of the present invention. Other configurations are the same as those of the first embodiment of the present invention.
補助磁極層11は、主要な磁束の収容部分として機能する。この補助磁極層11は、主磁極層10と磁気的に接触しつつ、磁気抵抗効果積層体8に対して主磁極層10よりも離間した位置からバックギャップ18に向かって延在しており、その厚さは0.1〜0.6μm程度で構成される。補助磁極層11は、例えばNiFe、CoFe、FeNiCo、FeAlSi、FeN、FeZrN、FeTaN、CoZrNb、CoZrTa等の金属磁性材料によって構成される。
The auxiliary magnetic pole layer 11 functions as a main magnetic flux accommodating portion. The auxiliary magnetic pole layer 11 extends toward the
次に、図5を参照して、本発明の第3の実施の形態に係る薄膜磁性素子の構成について説明する。図5は、断面構成を示している。 Next, the configuration of the thin film magnetic element according to the third embodiment of the invention will be described with reference to FIG. FIG. 5 shows a cross-sectional configuration.
本発明の第2の実施の形態では、主磁極層101の先端部1011が、磁気抵抗効果積層体8に対して、下部電極上部32の端部、もしくは上部電極17の端部、もしくはその両方の端部より離間されていたが、本発明の第3の実施の形態では、主磁極層101のZ軸方向の厚さを磁気抵抗効果積層体8のZ軸方向の厚さ以下に限定することにより、主磁極層101を下部電極層上部32と上部電極層17との間に配設し、磁気抵抗効果積層体8に対して、磁束を放出する主磁極層101の先端1011を近接せしめたことを特徴とする。他の構成は、本発明の第2の実施の形態と同様である。これにより、主磁極層101の先端部1011より放出される磁束を、より効率良く磁気抵抗効果積層体8に印加することが可能となる。主磁極層10が薄くなることにより主磁極層10に収容される磁束量が減衰する懸念があるが、その場合、補助磁極層11の厚さを厚くすることにより補うことが可能である。
In the second embodiment of the present invention, the
次に、図6を参照して、本発明の第4の実施の形態に係る薄膜磁性素子の構成について説明する。図6は、断面構成を示している。 Next, the configuration of a thin film magnetic element according to the fourth embodiment of the invention will be described with reference to FIG. FIG. 6 shows a cross-sectional configuration.
本発明の第4の実施の形態では、本発明の第3の実施の形態に対して、薄膜コイル5、絶縁層6、7が追加されたことが特徴である。他の構成は、本発明の第3の実施の形態と同様である。
The fourth embodiment of the present invention is characterized in that a
薄膜コイル5は、絶縁層6、7により埋設される。薄膜コイル5は、薄膜コイル13において発生した磁束の漏洩を防止するために、漏洩抑制用の磁束を発生するものである。この薄膜コイル5は、例えば、銅(Cu)などの高導電性材料により構成されており、その厚さは約0.1〜1.5μm程度である。また、薄膜コイル5は、図2および図6に示したように、バックギャップ18を中心として巻回する構造(スパイラル構造)を有している。なお、薄膜コイル5の巻回数(ターン数)は任意に設定可能であるが、そのターン数は薄膜コイル13のターン数と一致しているのが望ましい。絶縁層6、7は、薄膜コイル5を周辺から電気的に分離するものである。絶縁層6は、薄膜コイル5の各巻線間およびその周囲に配置されている。この絶縁層6は、例えば、加熱時に流動性を示すフォトレジストやスピンオングラス(SOG;Spin On Glass )などの非磁性絶縁材料により構成されており、その厚さは約0.1〜1.5μm程度である。薄膜コイル5と同程度の厚さであることが好ましい。絶縁層7は、薄膜コイル5および絶縁層6を覆うように配置されている。この絶縁層7は、例えば、絶縁層6と同様の非磁性絶縁材料により構成されており、その厚さは約0.01〜0.5μm程度である。
The
次に、図7および図8を参照して、本発明の第5の実施の形態に係る薄膜磁性素子の構成について説明する。図7は平面構成、図8は斜視断面構成を示している。 Next, the configuration of the thin film magnetic element according to the fifth embodiment of the invention will be described with reference to FIGS. 7 shows a plan configuration, and FIG. 8 shows a perspective sectional configuration.
本発明の第4の実施の形態では、図2に示したように、絶縁層4、薄膜コイル5、絶縁層6、7、9、主磁極層10、補助磁極層11、絶縁層12、薄膜コイル13、絶縁層14、リターンヨーク層15、オーバーコート層16は、磁気抵抗効果積層体8を中心として対向して一対のみ配設されると共に、主磁極層101、102に磁気的にそれぞれ連結されたリターンヨーク層151、152は、互いに連結している。これに対し、本発明の第5の実施の形態では、図6に示したように、絶縁層4、薄膜コイル5、絶縁層6、7、9、主磁極層10、補助磁極層11、絶縁層12、薄膜コイル13、絶縁層14、リターンヨーク層15、オーバーコート層16は、磁気抵抗効果積層体8を中心として対向して配設されるとともに、図7に示したように、90度傾斜したY軸方向にも、もう一対配設され、主磁極層101、102、103、104に磁気的にそれぞれ連結されたリターンヨーク層151、152、153、154は、互いに連結している。構成としたことが特徴である。他の構成は、本発明の第4の実施の形態と同様である。
In the fourth embodiment of the present invention, as shown in FIG. 2, the insulating
次に、図9を参照して、本発明の第6の実施の形態に係る薄膜磁性素子の構成について説明する。図9は、断面構成を示している。 Next, with reference to FIG. 9, the structure of the thin film magnetic element based on the 6th Embodiment of this invention is demonstrated. FIG. 9 shows a cross-sectional configuration.
本発明の第5の実施の形態では、下部電極層3を、下部電極層下部31と下部電極層上部32の2つの要素により構成している。これに対し、本発明の第6の実施の形態では、下部電極層3を単一の要素により構成すると共に薄膜コイル5を配設しない構成としたことが特徴である。他の構成は、本発明の第5の実施の形態と同様である。下部電極層を単一の要素とすること及び薄膜コイル5を配設しないことにより、構造および製造方法の簡略化が可能となる。
In the fifth embodiment of the present invention, the
次に、図6、図7を参照して、本発明の第5の実施形態に係る薄膜磁性素子の動作について説明する。 Next, the operation of the thin film magnetic element according to the fifth embodiment of the invention will be described with reference to FIGS.
この薄膜磁性素子では、図示しない外部回路から、薄膜コイル131に電流が流れることより磁束が発生する。この磁束は、主に、主磁極層101に収容されたのち、その内部を先端部1011に向かって流れる。なお、磁束の一部は、補助磁極層111に収容されたのち、それを経由して主磁極層101に流入する。この際、主磁極層101の内部を流れる磁束は、フレアポイントFPにおいて絞り込まれて収束することにより、最終的に、先端部1011に集中して磁気抵抗効果積層体8方向に放出される。
In this thin film magnetic element, a magnetic flux is generated by a current flowing through the
この場合には、互いに逆方向となるように薄膜コイル5,13に電流が流れるため、それらにおいて互いに逆方向の磁束が発生する。それにより、薄膜コイル13にて発生した磁束が基板側に漏洩することが抑制される。 In this case, since current flows through the thin film coils 5 and 13 so as to be in opposite directions, magnetic fluxes in opposite directions are generated in them. Thereby, the magnetic flux generated in the thin film coil 13 is suppressed from leaking to the substrate side.
薄膜コイル13において、薄膜コイル131と、X軸方向に磁気抵抗効果積層体8を中心として対向して配設された薄膜コイル132には、互いに逆方向となるように電流が流れる。そのため、主磁極層101に収容される磁束の向きと、X軸方向に磁気抵抗効果積層体8を中心として対向して配設された主磁極層102に収容される磁束の向きは逆方向となる。例えば、主磁極層101の先端部1011より磁束が放出される向きに電流が流れた場合、主磁極層102の先端部1021においては、磁束が吸収される向きに電流が流れる。このように対抗して配設された主磁極層層の先端部1011、1021において、放出、吸収が対になって発生することにより、中心に配設された磁気抵抗効果積層体8に対して、効率よく大きな磁界をX軸方向に印加することが可能となる。
In the thin film coil 13, current flows through the
主磁極層102の先端部1021において吸収された磁束は、主磁極層102内を経由した後、補助磁極層112を経由して、リターンヨーク層152に供給される。図3に示したように、リターンヨーク層152はリターンヨーク層151と連結しているため、リターンヨーク層152に供給された磁束は、リターンヨーク層151に供給される。リターンヨーク層151に供給された磁束は、補助磁極層111を経由して、主磁極層101に再供給される。このように磁束が循環することにより、主磁極層101、102の中心に配設された磁気抵抗効果積層体8に対して、さらに効率よく大きな磁界をX軸方向に印加することが可能となる。
The magnetic flux absorbed at the
薄膜コイル131、132に流す電流量を、合わせて変更することで、磁気抵抗効果積層体8に対して、X軸方向に印加される磁界強度を任意に調整することが可能である。
It is possible to arbitrarily adjust the strength of the magnetic field applied to the
薄膜コイル131、132に流す電流量は、逆方向に同一の大きさであることが好ましいが、多少異なる程度ならば、本発明の効果を大きく損なうことはない。 The amount of current flowing through the thin film coils 131 and 132 is preferably the same in the opposite direction, but the effect of the present invention is not significantly impaired if the amount is slightly different.
Y軸方向に磁気抵抗効果積層体8を中心として対向して配設された積層コイル133、134に対して、同様に電流を制御することにより、磁気抵抗効果積層体8に対して、効率よく大きな磁界をY軸方向に印加することが可能となり、磁界強度を任意に調整することが可能である。
By controlling the current in the same manner with respect to the
薄膜コイル133、134に流す電流量は、逆方向に同一の大きさであることが好ましいが、多少異なる程度ならば、本発明の効果を大きく損なうことはない。
The amount of current flowing through the thin-
磁気抵抗効果積層体8を中心として対向して配設された絶縁層4、薄膜コイル5、絶縁層6、7、9、主磁極層10、補助磁極層11、絶縁層12、薄膜コイル13、絶縁層14、リターンヨーク層15、オーバーコート層16は、同一の形状であることが好ましいが、多少異なる程度ならば、本発明の効果を大きく損なうことはない。
Insulating
薄膜コイル131、132に流す電流量と、薄膜コイル133、134に流す電流量を、それぞれ制御することにより、磁気抵抗効果積層体8に対して、XY平面内の任意の方向に磁界を印加することが可能となり、磁界強度を任意に調整することが可能である。
By controlling the amount of current flowing through the thin film coils 131 and 132 and the amount of current flowing through the thin film coils 133 and 134, respectively, a magnetic field is applied to the
次に、本発明の第5の実施形態に係る薄膜磁性素子の製造方法について説明する。 Next, a method for manufacturing a thin film magnetic element according to the fifth embodiment of the invention will be described.
まず、例えばアルティック(Al2O3・TiC)、Si、ガラス(SiOx)、又はカーボン(C)などの材料により構成された基板1を用意し、この基板1上に、例えばスパッタ法などによって、例えば酸化アルミニウム(Al2O3)又は酸化ケイ素(SiO2)などの非磁性絶縁材料により構成される厚さ0.05〜10μm程度の絶縁層2を成膜する。基板表面があらかじめ熱酸化されたシリコン基板を用意することで、基板1、絶縁層2としてもよい。ガラス基板を用意することで、絶縁層2を省略することは可能である。
First, for example, a
次に、この絶縁層2上に、例えばフレームメッキ法などによって、例えばNiFe、CoFe、FeNiCo、FeAlSi、FeN、FeZrN、FeTaN、CoZrNb、CoZrTa等の金属磁性材料を厚さ0.1〜3μm程度に下部電極層3として積層する。なお、この実施形態では、下部電極層下部31と下部電極層32は、一括して積層する。薄膜磁性素子では、伝送損失の低減のため、電極層の形状が重要となる。この実施形態では、下部電極層3の形状を、フレームメッキ時に、コプレーナーウェブガイド(CPW)型の形状に規定する。
Next, a metal magnetic material such as NiFe, CoFe, FeNiCo, FeAlSi, FeN, FeZrN, FeTaN, CoZrNb, and CoZrTa is formed on the insulating layer 2 by a frame plating method or the like to a thickness of about 0.1 to 3 μm. The
次に、下部電極層3について、下部電極層上部32の形状を規定するためのパターニングを行う。まず下部電極層3上にリフトオフ用のレジストパターンをなすマスクを形成し、このマスクを用いて、イオンミリング、例えばArイオン等によるイオンビームエッチングを行う。イオンビームエッチングでは、下部電極層下部31を残存させつつ、0.05〜2μmの厚さを除去する。なお、このマスクは、図6における下部電極層上部32の部分以外が開口しているものに相当する。
Next, patterning for defining the shape of the lower electrode layer
次に、露出した下部電極層下部31上に、例えばスパッタ法などによって、例えばAl2O3又はSiO2などの非磁性絶縁材料を0.01〜0.5μm程度に絶縁層4として積層する。その後、マスクを剥離することによりリフトオフする。
Next, on the exposed lower electrode layer
なお、本明細書において、「リフトオフ」とは、機械的及び/又は化学的手法によりマスクとその上に成膜された膜を除去するいかなる工程をも含むものである。 In this specification, “lift-off” includes any process for removing the mask and the film formed thereon by a mechanical and / or chemical method.
次に、絶縁層4上に、例えばフレームメッキ法などによって、例えば銅(Cu)などの高導電性材料を、0.1〜1.5μm程度に薄膜コイル5として積層する。また、薄膜コイル5は、図6および図7に示したように、バックギャップ18を中心として巻回する構造(スパイラル構造)を有している。なお、薄膜コイル5の巻回数(ターン数)は任意に設定可能であるが、そのターン数は薄膜コイル13のターン数と一致しているのが望ましい。
Next, a highly conductive material such as copper (Cu), for example, is laminated on the insulating
次に、例えば塗布法などによって、例えば加熱時に流動性を示すフォトレジストやスピンオングラス(SOG;Spin On Glass )などの非磁性絶縁材料を、薄膜コイル5を埋設するように、約0.1〜1.5μm程度に絶縁層6、7として積層する。絶縁層6、7をそれぞれ積層しても良い。その場合、絶縁層6、7は同じ材料であることが望ましいが、非磁性絶縁材料であれば、異なる材料でも構わない。
Next, for example, by a coating method or the like, for example, a nonmagnetic insulating material such as a photoresist or spin-on-glass (SOG) that exhibits fluidity when heated so that the
次に、例えば化学的物理的研磨(CMP)法や、酸素(O2)やフッ素系ガスを用いた反応性イオンエッチング(RIE)法や、ウェットエッチング法などによって、下部電極層上部32上の余剰の絶縁層7を除去する。除去方法は、単一の方法、複数の方法の組み合わせのいずれでも構わないが、次の工程にて磁気抵抗効果積層体8を積層する際に、下地層の平坦性が重要となるため、CMP法を最後に実施することが望ましい。
Next, the
本発明の第5の実施形態では、絶縁層4を積層した後、薄膜コイル5を積層する前にリフトオフを実施しているが、薄膜コイル5を積層後、もしくは、絶縁層6、7を積層後にリフトオフを実施しても構わない。また、リフトオフを実施せず、絶縁層6、7を積層後、下部電極層上部32上のマスク、絶縁層4、7を一括に除去しても構わない。
In the fifth embodiment of the present invention, lift-off is performed after the insulating
本発明の第5の実施形態では、下部電極層下部31と下部電極層上部32を、例えばフレームメッキ法などによって一括に積層した後、エッチングによって下部電極層下部31と下部電極層上部32を形成しているが、それぞれ例えばフレームメッキ法などによって積層してもよい。この場合、絶縁層6、7を積層後、下部電極層上部32上の絶縁層4、7を一括に除去する。
In the fifth embodiment of the present invention, after the lower electrode layer
基板方向への磁界の漏洩が問題にならない場合、本発明の第1〜3、および第6の実施の形態に示したように、薄膜コイル5を省略することが可能である。この場合、下部電極上部32の形成から絶縁層7を形成までの工程を省略することができる。
When leakage of the magnetic field in the substrate direction does not become a problem, the
次に、例えばスパッタ法などによって、例えばTa、Cr、Hf、Nb、Zr、Ti、Mo又はW等からなる厚さ0.5〜5nm程度の膜と、例えばRu、NiCr、NiFe、NiFeCr、Co又はCoFe等からなる厚さ1〜6nm程度の膜を、下部金属層81として積層する。
Next, for example, by sputtering, for example, a film having a thickness of about 0.5 to 5 nm made of Ta, Cr, Hf, Nb, Zr, Ti, Mo, W or the like, and for example Ru, NiCr, NiFe, NiFeCr, Co Alternatively, a film made of CoFe or the like having a thickness of about 1 to 6 nm is stacked as the
次に、下部金属層81上に、例えばスパッタ法などによって、例えばIrMn、PtMn、NiMn、RuRhMn等からなる厚さ5〜30nm程度の反強磁性膜(ピン層用の膜)と、例えばCoFe等からなる厚さ1〜5nm程度の第1の強磁性膜と、例えばRu、ロジウム(Rh)、イリジウム(Ir)、Cr、レニウム(Re)及びCu等のうちの1つ又は2つ以上の合金からなる厚さ0.8nm程度の非磁性膜と、例えばCoFe、CoFeSi、CoMnGe、CoMnSi、CoMnAl等からなる厚さ1〜3nm程度の第2の強磁性膜を、磁化固定層82として積層する。
Next, an antiferromagnetic film (film for a pinned layer) having a thickness of about 5 to 30 nm made of, for example, IrMn, PtMn, NiMn, RuRhMn, etc., on the
次に、磁化固定層82上に、例えばスパッタ法などによって、例えば、厚さ0.5〜1nm程度のアルミニウム(Al)、Ti、Ta、Zr、Hf、マグネシウム(Mg)、ケイ素(Si)又は亜鉛(Zn)の酸化物を、非磁性スペーサー層83として積層する。
Next, on the magnetization fixed
次に、非磁性スペーサー層83上に、例えばスパッタ法などによって、例えばCoFe、CoFeSi、CoMnGe、CoMnSi、CoMnAl等からなる厚さ1nm程度の高分極率膜と、例えばNiFe等からなる厚さ1〜9nm程度の軟磁性膜を、磁化自由層84として積層する。
Next, a high polarizability film having a thickness of about 1 nm made of, for example, CoFe, CoFeSi, CoMnGe, CoMnSi, CoMnAl, or the like, and a thickness of 1 to 1 made of, for example, NiFe are formed on the
次に、磁化自由層84上に、例えばスパッタ法などによって、例えばTa、Ru、Hf、Nb、Zr、Ti、Cr又はW等の非磁性導電材料からなり、1層又は2層以上からなる厚さ1〜10nm程度の膜を、上部金属層85として積層する。
Next, the magnetic
次に、このように形成した磁気抵抗効果積層体8について、形状を規定するパターニングを行う。まず、磁気抵抗効果積層体8上にリフトオフ用のレジストパターンをなすマスク(図示なし)を形成し、このマスクを用いて、イオンミリング、例えばArイオン等によるイオンビームエッチング、を行う。なお、このマスクは、図6、図7における磁気抵抗効果積層体8以外の部分が開口しているものに相当する。このイオンミリングにより、図3に示すように、下から下部金属層81、磁化固定層82、非磁性スペーサー層83、磁化自由層84及び上部金属層85の積層構造を有する磁気抵抗効果積層体8を得ることができる。
Next, patterning that defines the shape of the magnetoresistive
次に、その上に、例えばスパッタリング法、IBD(イオンビームデポジション)法等により、例えばAl2O3又はSiO2等の絶縁材料を、1〜100nm程度に絶縁層9として成膜する。その後、マスクを剥離することによってリフトオフする。
Next, an insulating material such as Al 2 O 3 or SiO 2 is formed as an insulating
次に、主磁極層10の形状を規定するパターニングを行う。まず、絶縁層9上にリフトオフ用のレジストパターンをなすマスク(図示なし)を形成し、このマスクを用いて、イオンミリング、例えばArイオン等によるイオンビームエッチング、を行う。なお、このマスクは、図6、図7における主磁極層10の部分が開口しているものに相当する。次に、例えばスパッタリング法、IBD(イオンビームデポジション)法等により、例えば、鉄(Fe)リッチな鉄ニッケル合金(FeNi)、鉄コバルト合金(FeCo)または鉄コバルトニッケル合金(FeCoNi)などの鉄系合金などの高い飽和磁束密度を有する磁性材料を、10〜100nm程度に主磁極層10として積層する。その後、マスクを剥離することによってリフトオフする。
Next, patterning for defining the shape of the main magnetic pole layer 10 is performed. First, a mask (not shown) forming a lift-off resist pattern is formed on the insulating
次に、例えばフレームメッキ法などによって、例えばNiFe、CoFe、FeNiCo、FeAlSi、FeN、FeZrN、FeTaN、CoZrNb、CoZrTa等の金属磁性材料を厚さ0.1〜0.6μm程度に補助磁極層11として積層する。 Next, a magnetic metal material such as NiFe, CoFe, FeNiCo, FeAlSi, FeN, FeZrN, FeTaN, CoZrNb, and CoZrTa is formed as the auxiliary magnetic pole layer 11 to a thickness of about 0.1 to 0.6 μm by, for example, frame plating. Laminate.
次に、例えばスパッタリング法、IBD(イオンビームデポジション)法等により、例えばAl2O3又はSiO2などの非磁性絶縁材料を0.01〜0.5μm程度に絶縁層12として積層する。 Next, a nonmagnetic insulating material such as Al 2 O 3 or SiO 2 is stacked as the insulating layer 12 to a thickness of about 0.01 to 0.5 μm, for example, by sputtering, IBD (ion beam deposition), or the like.
次に、例えばフレームメッキ法などによって、例えば銅(Cu)などの高導電性材料を、0.1〜1.5μm程度に薄膜コイル13として積層する。また、薄膜コイル5は、図6および図7に示したように、バックギャップ18を中心として巻回する構造(スパイラル構造)を有している。
Next, a highly conductive material such as copper (Cu), for example, is laminated as a thin film coil 13 on the order of 0.1 to 1.5 μm by, for example, frame plating. Moreover, the
次に、例えば塗布法などによって、例えば加熱時に流動性を示すフォトレジストやスピンオングラス(SOG;Spin On Glass )などの非磁性絶縁材料を、約0.1〜1.5μm程度に絶縁層14として、薄膜コイル13を被覆するように積層する。
Next, a nonmagnetic insulating material such as a photoresist or spin-on-glass (SOG) that exhibits fluidity when heated, for example, by a coating method or the like is formed as an insulating
次に、リターンヨーク層15と補助磁極層11を連結させるための開口部を形成するためのパターニングを行う。まず、規定のパターンをなすマスク(図示なし)を形成し、このマスクを用いて、例えばイオンビームエッチング法、フッ素系ガスを使用した反応性イオンエッチング法などによって、絶縁層12、14を除去する。なお、このマスクは、薄膜コイル13上および近傍の絶縁層12、14上に形成する。除去工程で使用するマスクは、レジストマスク、又はレジストマスクを使用したリフトオフにより形成される金属マスクのどちらでもよい。望ましくは、リフトオフにより形成されたNi層をマスクとしてフッ素系ガスを使用した反応性イオンエッチングにより除去する。
Next, patterning for forming an opening for connecting the return yoke layer 15 and the auxiliary magnetic pole layer 11 is performed. First, a mask (not shown) having a prescribed pattern is formed, and the insulating
次に、例えばフレームメッキ法等により、例えばNiFe、CoFe、FeNiCo、FeAlSi、FeN、FeZrN、FeTaN、CoZrNb、CoZrTa等の高飽和磁束密度を有する磁性材料を、0.1〜3.0μm程度にリターンヨーク層15として積層する。 Next, a magnetic material having a high saturation magnetic flux density such as NiFe, CoFe, FeNiCo, FeAlSi, FeN, FeZrN, FeTaN, CoZrNb, CoZrTa is returned to about 0.1 to 3.0 μm by, for example, frame plating. The yoke layer 15 is laminated.
次に、例えばスパッタリング法、IBD(イオンビームデポジション)法等により、例えばAl2O3又はSiO2などの非磁性絶縁材料を0.01〜0.5μm程度にオーバーコート層16として積層する。 Next, for example, a nonmagnetic insulating material such as Al 2 O 3 or SiO 2 is deposited as an overcoat layer 16 to a thickness of about 0.01 to 0.5 μm by sputtering, IBD (ion beam deposition), or the like.
次に、上部電極層17と磁気抵抗効果積層体8を連結させるための開口部を形成するためのパターニングを行う。まず、規定のパターンをなすマスク(図示なし)を形成し、このマスクを用いて、例えばイオンビームエッチング法、フッ素系ガスを使用した反応性イオンエッチング法などによって、絶縁層12、14、オーバーコート層16を除去する。なお、このマスクは、図6において、上部電極層17の部分が開口しているものに相当する。除去工程で使用するマスクは、レジストマスク、又はレジストマスクを使用したリフトオフにより形成される金属マスクのどちらでもよい。望ましくは、リフトオフにより形成されたNi層をマスクとしてフッ素系ガスを使用した反応性イオンエッチングにより除去する。
Next, patterning is performed to form an opening for connecting the
次に、例えばスパッタリング法などにより、例えば、銅(Cu)、金(Cu)、銀(Ag)、白金(Pt)もしくはこれらの元素を1つ以上含む合金等を、0.1〜3μm程度に上部電極層17として積層する。
Next, for example, by sputtering, for example, copper (Cu), gold (Cu), silver (Ag), platinum (Pt), or an alloy containing one or more of these elements is reduced to about 0.1 to 3 μm. The
次に、例えばイオンビームエッチング法、酸素系ガスを使用した反応性イオンビームエッチング法などによって、開口部を形成するために使用したマスクを除去する。望ましくは、Arを使用したイオンビームエッチング法によって、Niマスクを除去する。 Next, the mask used to form the opening is removed by, for example, an ion beam etching method or a reactive ion beam etching method using an oxygen-based gas. Desirably, the Ni mask is removed by an ion beam etching method using Ar.
次に、下部電極層下部31に外部機器を配線する開口部を形成するためのパターニングを行う。まず、規定のパターンをなすマスク(図示なし)を形成し、このマスクを用いて、例えばイオンビームエッチング法、フッ素系ガスを使用した反応性イオンエッチング法などによって、絶縁層9、12、14、オーバーコート層16を除去する。除去工程で使用するマスクは、レジストマスク、又はレジストマスクを使用したリフトオフにより形成される金属マスクのどちらでもよい。望ましくは、リフトオフにより形成されたNi層をマスクとしてフッ素系ガスを使用した反応性イオンエッチングにより除去する。
Next, patterning is performed to form an opening for wiring an external device in the lower electrode layer
次に、例えばイオンビームエッチング法、酸素系ガスを使用した反応性イオンビームエッチング法などによって、開口部を形成するために使用したマスクを除去する。望ましくは、Arを使用したイオンビームエッチング法によって、Niマスクを除去する。 Next, the mask used to form the opening is removed by, for example, an ion beam etching method or a reactive ion beam etching method using an oxygen-based gas. Desirably, the Ni mask is removed by an ion beam etching method using Ar.
以上の製造方法により、本発明の第5の実施形態に係る薄膜磁性素子が完成する。 The thin film magnetic element according to the fifth embodiment of the present invention is completed by the above manufacturing method.
次に、本発明に関する実施例について説明する。 Next, examples relating to the present invention will be described.
前記本発明の第1の実施の形態において説明した薄膜磁性素子を作製した。具体的には、基板1として、6インチ2mm厚の熱酸化シリコン基板を用いた。絶縁層2は、予め配設された熱酸化膜1μmとした。下部電極層下部31は0.55μmのNiFe、下部電極層上部32は0.65μmのNiFe、絶縁層4は0.6μmのSOG、下部金属層81は1nmのTaと2nmのRu、磁化固定層82は7nmのIrMnと2nmのCoFeと0.8nmのRuと3nmのCoFe、非磁性スペーサー層83は0.6nmのMgO、磁化自由層84は1nmのCoFeと3nmのNiFe、上部金属層85は5nmのTaと7nmのCr、絶縁層9は30nmのAl2O3、主磁極層10は0.4μmのFeNi、絶縁層12は0.1μmのSiO2、薄膜コイルは0.5μmのCu、絶縁層14は0.6μmのSOG、リターンヨーク層15は0.5μmのNiFe、オーバーコート層16は0.1μmのSiO2、上部電極層17は1.6μmのAuとした。磁気抵抗効果積層体8のX軸方向の幅は200nm、Y軸方向の長さは150nmとした。主磁極層101の先端部1011の幅W1は500nm、ネックハイトNHは500nmとした。主磁極層101および102の先端部1011および1021は、磁気抵抗効果積層体8に対して、下部電極上部32の端部および上部電極17の端部よりも50nm離間させた。
The thin film magnetic element described in the first embodiment of the present invention was produced. Specifically, a 6-inch 2 mm thick thermally oxidized silicon substrate was used as the
次に、作成した薄膜磁性素子に対して、高周波特性の評価として、スピントルクダイード出力の測定を実施した。以下に、スピントルクダイオード出力について簡単に説明する。 Next, as an evaluation of the high frequency characteristics, the spin torque diode output was measured for the thin film magnetic element thus prepared. The spin torque diode output will be briefly described below.
磁気抵抗効果素子に対して高い周波数の交流電流を流した場合に、磁化自由層に流れる交流電流の周波数と磁化の向きに戻ろうとするスピン歳差運動の振動数とが一致したときに、強い共振が発生する(スピントルク強磁性共鳴)。また、磁気抵抗効果素子に静磁界を印加し、かつこの静磁界の方向を磁化固定層の磁化の方向に対して層内で所定角度傾けた状態では、磁気抵抗効果素子は、RF電流(スピン歳差運動の振動数(共振周波数)と一致する周波数のRF電流)が注入されたときに、注入されたRF電流の振幅の2乗に比例する直流電圧をその両端に発生させる2乗検波出力をスピントルクダイオード出力と呼称する。 When a high-frequency alternating current is applied to the magnetoresistive element, strong when the frequency of the alternating current flowing in the magnetization free layer matches the frequency of the spin precession that tries to return to the magnetization direction. Resonance occurs (spin torque ferromagnetic resonance). In addition, when a static magnetic field is applied to the magnetoresistive effect element and the direction of the static magnetic field is tilted by a predetermined angle within the layer with respect to the magnetization direction of the fixed magnetization layer, the magnetoresistive effect element has an RF current (spin). When a precession frequency (resonance frequency) is injected, a square wave detection output that generates a DC voltage at both ends that is proportional to the square of the amplitude of the injected RF current. Is called a spin torque diode output.
薄膜コイル131および薄膜コイル132に対して逆方向に同じ大きさの電流を通電し、X軸方向の磁界を印加した状態にて、スピントルクダイオード出力の測定を実施した。主磁極層101の先端部1011から磁束が放出され、主磁極層102の先端部1021から磁束が吸収される向きに流す電流量を正の値とした。下部電極層3と上部電極層17間に流す電力は0.1mWとした。図10に結果を、表1に薄膜コイル131および132への電流印加量、ピーク周波数、ピーク周波数時の出力を示す。薄膜コイル131および薄膜コイル132に流す電流を変化させることによって、スピントルクダイオード出力のピーク周波数が制御されたことが確認された。
The spin torque diode output was measured in a state where currents of the same magnitude were applied in the opposite directions to the
前記本発明の第2の実施の形態において説明した薄膜磁性素子を作製した。主磁極層10は0.1μmのFeNi、補助磁極層11は0.3μmのFeCoNiとした。それ以外の構成は、実施例1と同様の構成とした。 The thin film magnetic element described in the second embodiment of the present invention was produced. The main magnetic pole layer 10 was 0.1 μm FeNi, and the auxiliary magnetic pole layer 11 was 0.3 μm FeCoNi. Other configurations were the same as those in the first embodiment.
次に、作成した薄膜磁性素子に対して、実施例1と同様のスピントルクダイオード出力の測定を実施した。表1に薄膜コイル131および132への電流印加量、ピーク周波数、ピーク周波数時の出力を併記する。実施例1同様に、薄膜コイル131および132に電流を印加することによって、スピントルクダイオード出力のピーク周波数が制御されたことが確認された。 Next, the spin torque diode output measurement similar to that in Example 1 was performed on the prepared thin film magnetic element. Table 1 also shows the amount of current applied to the thin film coils 131 and 132, the peak frequency, and the output at the peak frequency. As in Example 1, it was confirmed that the peak frequency of the spin torque diode output was controlled by applying current to the thin film coils 131 and 132.
前記本発明の第3の実施の形態において説明した薄膜磁性素子を作製した。主磁極層10は30nmのFeNi、補助磁極層11は0.3μmのFeCoNiとした。主磁極層101および102の先端部1011および1021は、磁気抵抗効果積層体8に対して、50nmの距離まで近接するように配設した。それ以外の構成は、実施例2と同様の構成とした。
The thin film magnetic element described in the third embodiment of the present invention was produced. The main magnetic pole layer 10 was made of 30 nm of FeNi, and the auxiliary magnetic pole layer 11 was made of 0.3 μm of FeCoNi. The
次に、作成した薄膜磁性素子に対して、実施例2と同様のスピントルクダイオード出力の測定を実施した。表1に薄膜コイル131および132への電流印加量、ピーク周波数、ピーク周波数時の出力を併記する。実施例2同様に、薄膜コイル131および132に電流を印加することによって、スピントルクダイオード出力のピーク周波数が制御されたことが確認された。 Next, the spin torque diode output measurement similar to that of Example 2 was performed on the prepared thin film magnetic element. Table 1 also shows the amount of current applied to the thin film coils 131 and 132, the peak frequency, and the output at the peak frequency. As in Example 2, it was confirmed that the peak frequency of the spin torque diode output was controlled by applying current to the thin film coils 131 and 132.
前記本発明の第4の実施の形態において説明した薄膜磁性素子を作製した。下部電極層下部31は0.5μmのNiFe、下部電極層上部32は0.7μmNiFe、絶縁層4は0.1μmのSiO2、積層コイル5は0.5μmのCu、絶縁層6、7は0.6μmのSOG、絶縁層9は3nmのAl2O3、主磁極層10は30nmのFeNi、補助磁極層11は0.3μmのFeCoNiとした。それ以外の構成は、実施例3と同様の構成とした。
The thin film magnetic element described in the fourth embodiment of the present invention was produced. Lower electrode layer
次に、作成した薄膜磁性素子に対して、実施例3と同様のスピントルクダイオード出力の測定を実施した。表1に薄膜コイル131および132への電流印加量、ピーク周波数、ピーク周波数時の出力を併記する。実施例3同様に、薄膜コイル131および132に電流を印加することによって、スピントルクダイオード出力のピーク周波数が制御されたことが確認された。 Next, the spin torque diode output measurement similar to that in Example 3 was performed on the thin film magnetic element thus prepared. Table 1 also shows the amount of current applied to the thin film coils 131 and 132, the peak frequency, and the output at the peak frequency. As in Example 3, it was confirmed that the peak frequency of the spin torque diode output was controlled by applying current to the thin film coils 131 and 132.
前記本発明の第5の実施の形態において説明した薄膜磁性素子を作製した。絶縁層4、薄膜コイル5、絶縁層6、7、9、主磁極層10、補助磁極層11、絶縁層12、薄膜コイル13、絶縁層14、リターンヨーク層15、オーバーコート層16は、X軸方向のみならず、90度傾斜したY軸方向にも、もう一対配設し、主磁極層101、102、103、104に磁気的にそれぞれ連結されたリターンヨーク層151、152、153、154を、互いに連結した。それ以外の構成は、実施例4と同様の構成とした。
The thin film magnetic element described in the fifth embodiment of the present invention was produced. The insulating
次に、作成した薄膜磁性素子に対して、まず実施例4と同様のスピントルクダイオード出力の測定を実施した。表1に薄膜コイル131および132への電流印加量、ピーク周波数、ピーク周波数時の出力を併記する。実施例4同様に、薄膜コイル131および132に電流を印加することによって、スピントルクダイオード出力のピーク周波数が制御されたことが確認された。 Next, the spin torque diode output measurement similar to that in Example 4 was first performed on the prepared thin film magnetic element. Table 1 also shows the amount of current applied to the thin film coils 131 and 132, the peak frequency, and the output at the peak frequency. As in Example 4, it was confirmed that the peak frequency of the spin torque diode output was controlled by applying current to the thin film coils 131 and 132.
次に、薄膜コイル133および薄膜コイル134に対しても逆方向に同じ大きさの電流を通電し、X軸方向およびY軸方向の磁界を印加した状態にて、スピントルクダイオード出力の測定を実施した。主磁極層101の先端部1011から磁束が放出され、主磁極層102の先端部1021から磁束が吸収される向きに流す電流量を正の値、主磁極層103の先端部1031から磁束が放出され、主磁極層104の先端部1041から磁束が吸収される向きに流す電流量を正の値とした。下部電極層3と上部電極層17間に流す電力は0.1mWとした。表1に薄膜コイル131、132、133および134への電流印加量、ピーク周波数、ピーク周波数時の出力を示す。薄膜コイル131、132、133および134に同時に電流を印加することによって、印加磁界の方向が変化し、ピーク周波数時の出力が向上したことが確認された。
Next, a current of the same magnitude is applied to the thin-film coil 133 and the thin-
前記本発明の第6の実施の形態において説明した薄膜磁性素子を作製した。下部電極層3は1.2μmのNiFeとし一体型の構成とした。絶縁層4、薄膜コイル5、絶縁層6、7は配設しなかった。それ以外の構成は、実施例5と同様の構成とした。
The thin film magnetic element described in the sixth embodiment of the present invention was produced. The
次に、作成した薄膜磁性素子に対して、実施例5と同様のスピントルクダイオード出力の測定を実施した。表1に薄膜コイル131、132、133および134への電流印加量、ピーク周波数、ピーク周波数時の出力を併記する。実施例5同様に、薄膜コイル131、132、133および134に電流を印加することによって、スピントルクダイオード出力のピーク周波数が制御されたことが確認された。 Next, the spin torque diode output measurement similar to that in Example 5 was performed on the prepared thin film magnetic element. Table 1 also shows the amount of current applied to the thin film coils 131, 132, 133 and 134, the peak frequency, and the output at the peak frequency. As in Example 5, it was confirmed that the peak frequency of the spin torque diode output was controlled by applying current to the thin film coils 131, 132, 133, and 134.
以上説明した実施例により、薄膜コイルに流す電流量を制御することで磁界強度・方向を任意に制御することが可能となり、それによって高周波特性を任意に制御し幅広い周波数帯域での利用が可能となることを確認した。 According to the embodiment described above, it is possible to arbitrarily control the magnetic field strength and direction by controlling the amount of current flowing through the thin film coil, thereby enabling the high frequency characteristics to be arbitrarily controlled and used in a wide frequency band. It was confirmed that
1・・・基板
2,4,6,7,9,12,14・・・絶縁層
3・・・下部電極層
5,13,131,132,133,134・・・薄膜コイル
8・・・磁気抵抗効果積層体
10,101,102,103,104・・・主磁極層
11,111,112,113,114・・・補助磁極層
15,151,152,153,154・・・リターンヨーク層
16・・・オーバーコート層
17・・・上部電極層
18,181,182,183,184・・・バックギャップ
31・・・下部電極層下部
32・・・下部電極層上部
81・・・下部金属層
82・・・磁化固定層
83・・・非磁性スペーサー層
84・・・磁化自由層
85・・・上部金属層
1011,1021,1031,1041・・・先端部
1012,1022・・・後端部
FP・・・フレアポイント
NH・・・ネックハイト
W1,W2・・・幅
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記磁気抵抗効果素子の積層面に対して垂直方向に前記磁気抵抗効果素子を介して配設された一対の電極と、
前記積層面に対して略平行となるように、前記磁気抵抗効果素子とは離間し、かつ前記磁気抵抗効果素子を挟んで対向して配設された一対の主磁極層と、
前記積層面に対して垂直方向に前記主磁極層と対向し、その一部が前記主磁極層に連結して配設されたリターンヨーク層と、
前記主磁極層と前記リターンヨーク層との間に、前記積層面に対して略平行となるよう配設された薄膜コイル層と、
を有することを特徴とする薄膜磁性素子。 A magnetoresistive effect element having a magnetization fixed layer and a magnetization free layer via a nonmagnetic spacer layer;
A pair of electrodes disposed via the magnetoresistive effect element in a direction perpendicular to the laminated surface of the magnetoresistive effect element;
A pair of main magnetic pole layers that are spaced apart from the magnetoresistive effect element and are opposed to each other with the magnetoresistive effect element interposed therebetween so as to be substantially parallel to the laminated surface;
A return yoke layer opposed to the main magnetic pole layer in a direction perpendicular to the laminated surface, a part of which is connected to the main magnetic pole layer;
A thin film coil layer disposed between the main magnetic pole layer and the return yoke layer so as to be substantially parallel to the laminated surface;
A thin film magnetic element comprising:
Priority Applications (1)
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JP2015167224A (en) * | 2014-02-12 | 2015-09-24 | Tdk株式会社 | magnetic element |
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2012
- 2012-03-14 JP JP2012057191A patent/JP2013191735A/en active Pending
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