JP2017505537A - 磁場に対する向上した応答を促すための改良されたシード層を備える磁気抵抗素子 - Google Patents

磁場に対する向上した応答を促すための改良されたシード層を備える磁気抵抗素子 Download PDF

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Abstract

磁気抵抗素子およびそれを作製する方法であって、素子は、基材と、シード層構造およびフリー層構造とを含み、前者は、前記シード層構造の上に堆積させられた磁気抵抗素子の層の磁気異方性の増大を促す強磁性シード層を少なくとも含む。

Description

本発明は一般にスピンエレクトロニクス磁気抵抗素子に関し、より詳細には、磁場に対する向上した応答を促す、改良されたシード層を有する巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子およびトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子に関する。
本明細書で使用される、用語「磁場検知素子」は、磁場を検知することができる多様な電子素子を述べるために使用される。１つのそのような磁場検知素子は磁気抵抗（ＭＲ）素子である。磁気抵抗素子は、磁気抵抗素子が受ける磁場との関係で変化する抵抗を有する。
知られているように、異なるタイプの磁気抵抗素子、たとえば、アンチモン化インジウム（ＩｎＳｂ）、異方性磁気抵抗素子（ＡＭＲ）、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子、および磁気トンネル接合（ＭＴＪ）素子とも呼ばれるトンネリング磁気抵抗（ＴＭＲ）素子などの半導体磁気抵抗素子が存在する。上記の磁気抵抗素子の一部はスピンバルブと呼ばれることもある。
上記の磁気抵抗素子のうち、ＧＭＲ素子およびＴＭＲ素子は、非磁性層によって隔てられた異なる磁性層の磁気の向きに抵抗が関連するスピンエレクトロニクス（すなわち、電子スピン）で動作する。スピンバルブ構造において、抵抗は、別の層、いわゆる「基準層」に対するいわゆる「フリー層（ｆｒｅｅ−ｌａｙｅｒ）」における磁化の角度方向に関連している。フリー層および基準層は以下でより詳細に述べられる。
磁気抵抗素子は単一の素子であってもよく、あるいは、さまざまな構成、たとえば、半ブリッジまたは全（ホイートストン）ブリッジに配置された２つ以上の磁気抵抗素子を含んでいてもよい。
本明細書で使用される、用語「磁場センサ」は、一般に他の回路と組み合わせて磁場検知素子を使用する回路を述べるために使用される。典型的な磁場センサでは、磁場検知素子と他の回路は共通の基材上で統合され得る。
磁場センサは、限定はしないが、磁場の方向の角度を検知する角度センサ、帯電している導体が運ぶ電流によって発生させられる磁場を検知する電流センサ、強磁性物体の近接度を検知する磁気スイッチ、逆バイアスをかけるなどした磁石と組み合わせて磁場センサが使用される、通過する強磁性物品、たとえば、リング磁石または強磁性標的（たとえば、歯車の歯）の磁区を検知する回転検出器、および磁場の磁場密度（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ ｄｅｎｓｉｔｙ）を検知する磁場センサなどの多様な用途で使用される。
種々のパラメータは、磁場センサおよび磁場検知素子の性能を特徴づける。磁場検知素子について、パラメータは、磁場に応答した磁場検知素子の出力信号の変化である感度と、磁場センサの出力信号が磁場に対して直線的に（すなわち正比例で）変化する程度である直線性とを含む。
ＧＭＲ素子およびＴＭＲ素子は、たとえば、ホール素子と比べて比較的高い感度を有することが知られている。ＧＭＲ素子およびＴＭＲ素子は、ホール素子が動作できる範囲よりも制限された、磁場の制限された範囲においてであるが、適度に良好な直線性を有することも知られている。しかしながら、磁場の制限された範囲であっても、ＧＭＲ素子またはＴＭＲ素子の直線性には歪みが生じてしまうことが知られている。したがって、直線性の歪みが低減されたＧＭＲ素子またはＴＭＲ素子を提供することが望ましいはずである。
これまでのＧＭＲ素子およびＴＭＲ素子、特にスピンバルブは、それらの磁場または電流測定値の精度を下げる望ましくないヒステリシス挙動も有することが知られている。したがって、ヒステリシスが減少したＧＭＲ素子またはＴＭＲ素子を提供することも望ましいはずである。
本発明は、直線性の歪みが減少し、ヒステリシス挙動が減少したＧＭＲ素子またはＴＭＲ素子（または任意のスピンエレクトロニクス磁気抵抗素子）を提供する。
本発明の一態様を理解するために有用な例によれば、磁気抵抗素子は、基材および基材の上に配置されたシード層構造を含む。シード層構造は、少なくとも強磁性シード層を含む。磁気抵抗素子はまた、シード層構造の上に配置されたフリー層構造を含む。強磁性シード層は結晶異方性を有し、結晶異方性は、所定の方向に沿った運動の存在下、かつ、同じ所定の方向を有する所定の磁場の存在下で、強磁性シード層の堆積によって誘起され、結晶異方性は、向上した優先磁気方向を有するフリー層構造をもたらす。
いくつかの実施形態では、上記の磁気抵抗素子は、以下の態様の１つまたは複数を任意の組み合わせで含むことができる。
上記の磁気抵抗素子のいくつかの実施形態では、シード層構造は、強磁性シード層の上に近接して、または下に近接して配置された非磁性スペーサ層をさらに含む。
上記の磁気抵抗素子のいくつかの実施形態では、強磁性シード層は、ＮｉＦｅ、ＮｉＦｅＣｒ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、またはＣｏＦｅＣｒから構成される。
上記の磁気抵抗素子のいくつかの実施形態では、強磁性シード層は、ＮｉＦｅ、ＮｉＦｅＣｒ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢまたはＣｏＦｅＣｒから構成される。
上記の磁気抵抗素子のいくつかの実施形態では、所定の磁場は、約２０〜１５０エルステッドである。
上記の磁気抵抗素子のいくつかの実施形態では、シード層構造は、
強磁性シード層の下に近接して配置された第１の非磁性スペーサ層と、
強磁性シード層の上に近接して配置された第２の非磁性スペーサ層と
をさらに含む。
上記の磁気抵抗素子のいくつかの実施形態では、第１および第２のスペーサ層は、それぞれＲｕから構成される。
上記の磁気抵抗素子のいくつかの実施形態では、第１および第２のスペーサ層は、それぞれＴａから構成される。
上記の磁気抵抗素子のいくつかの実施形態では、第１および第２のスペーサ層の一方がＲｕから構成され、第１および第２のスペーサ層の他方がＴａから構成される。
いくつかの実施形態では、上記の磁気抵抗素子は、シード層構造の上およびフリー層構造の下に配置された反強磁性ピニング層（ｐｉｎｎｉｎｇ ｌａｙｅｒ）をさらに含む。
上記の磁気抵抗素子のいくつかの実施形態では、反強磁性ピニング層はＰｔＭｎから構成される。
上記の磁気抵抗素子のいくつかの実施形態では、反強磁性ピニング層は、ＰｔＭｎ、ＩｒＭｎ、またはＦｅＭｎから構成される。
いくつかの実施形態では、上記の磁気抵抗素子は、反強磁性ピニング層の上およびフリー層構造の下に配置されたピン層（ｐｉｎｎｅｄ ｌａｙｅｒ）構造をさらに含む。
上記の磁気抵抗素子のいくつかの実施形態では、ピン層構造は、
反強磁性ピニング層の上に配置された第１の強磁性ピン層と、
第１のピン強磁性層の上に配置された第３のスペーサ層と、
第３のスペーサ層の上に配置された第２の強磁性ピン層と
を含む。
上記の磁気抵抗素子のいくつかの実施形態では、第１および第２の強磁性ピン層はＣｏＦｅから構成され、第３のスペーサ層はＲｕから構成される。
いくつかの実施形態では、上記の磁気抵抗素子は、ピン層構造とフリー層構造の間に配置された第４のスペーサ層をさらに含む。
上記の磁気抵抗素子のいくつかの実施形態では、第４のスペーサ層は、Ｃｕ、Ａｕ、またはＡｇから構成される。
上記の磁気抵抗素子のいくつかの実施形態では、フリー層構造は、
第４のスペーサ層の上に配置された第１の強磁性フリー層と、
第１の強磁性フリー層の上に配置された第２の強磁性フリー層とを含む。
上記の磁気抵抗素子のいくつかの実施形態では、第１の強磁性フリー層はＣｏＦｅから構成され、第２の強磁性フリー層はＮｉＦｅから構成される。
上記の磁気抵抗素子のいくつかの実施形態では、フリー層構造は複数の磁区を含み、複数の磁区は、
第１の方向を向いた磁場を有する第１の複数の磁区と、
第１の方向とは異なる１つまたは複数の方向を向いた磁場を有する第２の複数の磁区であって、強磁性シード層が、選択された材料から構成され、選択された材料が、フリー層構造における第２の複数の磁区内の磁区の量の選択された減少をもたらす、第２の複数の磁区と
を含む。
上記の磁気抵抗素子のいくつかの実施形態では、強磁性シード層は、ＮｉＦｅ、ＮｉＦｅＣｒ、ＣｏＦｅまたはＣｏＦｅＣｒから構成される。
本発明の別の態様を理解するのに有用な別の例によれば、磁気抵抗素子を作製する方法は、シード層構造を半導体基材の上に堆積させるステップを含む。シード層構造を堆積させるステップは、強磁性シード層を基材の上に少なくとも堆積させるステップを含む。方法は、フリー層構造をシード層構造の上に堆積させるステップであって、強磁性シード層を堆積させるステップが、所定の方向に沿った運動の存在下、かつ、同じ所定の方向を有する所定の磁場の存在下で、強磁性シード層を堆積させ、向上した結晶異方性を有する強磁性シード層をもたらし、向上した優先磁気方向を有するフリー層構造をもたらすステップをさらに含む。
いくつかの実施形態では、上記の方法は、以下の態様の１つまたは複数を任意の組み合わせで含むことができる。
上記の方法のいくつかの実施形態では、シード層構造を堆積させるステップは、
強磁性スペーサ層の上に近接、または下に近接して非磁性スペーサ層を堆積させるステップをさらに含む。
上記の方法のいくつかの実施形態では、強磁性シード層は、ＮｉＦｅ、ＮｉＦｅＣｒ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、またはＣｏＦｅＣｒから構成される。
上記の方法のいくつかの実施形態では、強磁性シード層は、ＮｉＦｅ、ＮｉＦｅＣｒ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、またはＣｏＦｅＣｒから構成される。
上記の方法のいくつかの実施形態では、所定の磁場は約２０〜１５０エルステッドである。
上記の方法のいくつかの実施形態では、シード層構造を堆積させるステップは、
強磁性シード層の下に近接して第１の非磁性スペーサ層を堆積させるステップと、
強磁性シード層の上に近接して第２の非磁性スペーサ層を堆積させるステップと
をさらに含む。
上記の方法のいくつかの実施形態では、強磁性シード層は、ＮｉＦｅ、ＮｉＦｅＣｒ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、またはＣｏＦｅＣｒから構成される。
上記の方法のいくつかの実施形態では、第１および第２のスペーサ層の一方がＲｕから構成され、かつ第１および第２のスペーサ層の他方がＴａから構成されるか、第１と第２のスペーサ層の両方がＲｕから構成されるか、または第１および第２のスペーサ層の両方がＴａから構成される。
いくつかの実施形態では、上記の方法は、
反強磁性ピニング層をシード層構造の上に堆積させるステップと、
強磁性シード層を堆積させるステップにおいて使用される所定の磁場の所定の方向に平行な主方向を有するアニール磁場を使用して、反強磁性ピニング層をアニールするステップと
をさらに含む。
上記の方法のいくつかの実施形態では、強磁性シード層は、ＮｉＦｅ、ＮｉＦｅＣｒ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、またはＣｏＦｅＣｒから構成される。
上記の方法のいくつかの実施形態では、所定の磁場は約２０〜１５０エルステッドである。
いくつかの実施形態では、上記の方法は、
反強磁性ピニング層とフリー層構造の間にピン層構造を堆積させるステップをさらに含む。
上記の方法のいくつかの実施形態では、強磁性シード層は、ＮｉＦｅ、ＮｉＦｅＣｒ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、またはＣｏＦｅＣｒから構成される。
本発明の上記の特徴、さらには本発明自体が、図面についての以下の詳細な説明によってより深く理解され得る。
巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子の理想的な伝達特性および実際の伝達特性を示すグラフである。 単一のピン止め構造を有するこれまでの従来技術のＧＭＲ素子の層を示す構成図である。 単一のピン止め構造を有し、特定のシード層を含む別の例示的なＧＭＲ素子の層を示す構成図である。 回転速度の測定のために磁性標的の上に配置された磁気抵抗素子磁場センサの構成図である。
本発明を説明する前に、本明細書では、特定の形状を有する（たとえば、くびき形状の）ＧＭＲ素子またはＴＭＲ素子を参照する場合があることに留意されたい。しかしながら、当業者は、本明細書に記載の技術が多様なサイズおよび形状に適用可能なことを理解するであろう。
本明細書で使用される、用語「異方性」または「異方性の」は、別の外部磁場の影響を受けないときに、強磁性またはフェリ磁性の層の磁化が向く傾向のある特定の軸または方向を指す。軸方向の異方性は、結晶の作用または形状異方性によって生み出されることがあり、これらはともに２つの等しい方向の磁場を可能にする。また、特定方向の異方性（ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ）が、たとえば反強磁性層によって隣の層に生み出されることがあり、反強磁性層は、隣の層における特定の軸に沿った単一のみの磁場方向を可能にする。
上記の点に鑑みれば、磁性層に異方性を導入することで、外部磁場がない状態で、磁性層の磁化を強制的にその異方性に揃える結果になることが理解されよう。ＧＭＲ素子またはＴＭＲ素子の場合、特定方向の異方性は、たとえば外部磁場に応答して、磁性層における磁場のコヒーレント回転を得ることを可能にする。特定方向の異方性はまた、対応する素子のヒステリシス挙動を抑制する傾向がある。
本明細書で使用される、用語「磁場検知素子」は、磁場を検知することができる多様な電子素子を述べるために使用される。磁気抵抗素子は磁場検知素子の１種類にすぎない。磁気抵抗素子には、限定はしないが、一部がスピンバルブであり得るＧＭＲ素子およびＴＭＲ素子がある。
本明細書で使用される、用語「磁場センサ」は、一般に他の回路と組み合わせて磁場検知素子を使用する回路を述べるために使用される。磁場センサは、限定はしないが、磁場の方向の角度を検知する角度センサ、帯電している導体が運ぶ電流によって発生させられる磁場を検知する電流センサ、強磁性物体の近接度を検知する磁気スイッチ、通過する強磁性物品、たとえばリング磁石の磁区を検知する回転検出器、および磁場の磁場密度を検知する磁場センサなどの多様な用途で使用される。
本明細書に記載の構造および方法は、ＧＭＲとＴＭＲの両方の磁気抵抗素子に適用される。ただし、同じまたは類似の構造および方法は、現在知られているか、または後に発見される他のスピンエレクトロニクス磁気抵抗素子に適用できることを認識されたい。これには、具体的には、酸化物ベースのスピンエレクトロニクス構造がある。
次に図１を参照すると、グラフ１００は、磁場の単位の目盛りがミリテスラ（ｍＴ）である水平の軸と、抵抗の単位の目盛りが任意の単位である垂直の軸とを有する。
曲線１０２は、理想的なＧＭＲ素子の伝達関数、すなわち、ＧＭＲ素子が受ける磁場対抵抗を表したものである。伝達関数１０２は、上の飽和点１０２ｂと下の飽和点１０２ｃの間に直線領域１０２ａを有する。領域１０２ｄ、１０２ｅは飽和状態にある。直線領域１０２ａは理想的な直線領域であることを理解されたい。さらに、理想的なＧＭＲ素子は、過去の磁気に依存しない所与の磁場についての抵抗と同じ値を示す。すなわち、理想的なＧＭＲ素子にはヒステリシスがない。
段差、たとえば段差１０４は、ＧＭＲ素子の実際の伝達関数を表したものである。飽和点１０２ｂ、１０２ｃを過ぎると、段差１０４で表される実際の伝達関数は飽和領域１０２ｄ、１０２ｅと同一になる。
段差１０４は望ましくはない。段差１０４は、ＧＭＲ素子におけるいわゆるフリー層内の磁区の磁気挙動から生じる。フリー層の挙動は、図２に関連して以下でより詳細に述べられる。
段差１０４は、等しい間隔と等しい段差高を有する規則的な段差になるように示されているが、段差１０４は、等しくない間隔と等しくない段差高（すなわち、振幅）を有して不規則になっている可能性もある。段差は通常、フリー層の局所的なヒステリシスの、また再現可能な局所的な回転に対応する。
次に図２を参照すると、これまでの従来技術であるＧＭＲ素子２００は、基材の上に配置された複数の層を含む。基材の上面は、図２の最下部にある一番下の線として示されている。
図２の左側では、各層が機能的名称によって識別されている。右側または（ｏｒ）図２には、機能層を形成することができる下位層の磁気特性が示されている。一般に、磁性材料は多様な磁気特性をもつことができ、限定はしないが、強磁性、反強磁性、および非磁性などの多様な用語によって分類され得る。磁性材料の種類の多様さについての説明は、本明細書において詳細には行われない。ただしここでは、強磁性材料とは、強磁性材料内の原子の磁気モーメントが、平均して、平行かつ同じ方向に揃う傾向があり、それによって強磁性材料の０でない正味の磁性磁化になるものであると言えば十分である。
銅、銀、および金のような大半の材料は、正味の磁化を示さない反磁性材料である。これらの材料は、印加される（外部）磁場とは反対の、それに比例する極めて弱い磁化を示す傾向がある。反磁性材料は非磁性材料とも呼ばれる。
反強磁性材料とは、反強磁性材料内の磁気モーメントが、平均して、反強磁性材料内の下位層において平行に揃うものの反対方向になる傾向があり、それによって０の正味の磁化になるものである。
図示されているように、これまでの従来技術であるＧＭＲ素子２００は、基材の上に配置されたシード層２０２、シード層２０２の上に配置された反強磁性ピニング層２０４、および反強磁性ピニング層２０４の上に配置されたピン層構造２０６を含み得る。ピン層構造２０６は、第１の強磁性ピン層２０６ａ、第２の強磁性ピン層２０６ｃ、およびそれらの間に配置された非磁性スペーサ層２０６ｂから構成され得る。
これまでのＧＭＲ素子２００は、第２の強磁性ピン層２０６ｃの上に配置された非磁性スペーサ層２０８、および非磁性スペーサ層２０８の上に配置されたフリー層構造２１０も含み得る。非磁性スペーサ層２０６ｂは非磁性金属層であり得る。非磁性スペーサ層２０８は、ＧＭＲの場合は金属性、ＴＭＲの場合は絶縁性であり得る。フリー層構造２１０は、第１の強磁性フリー層２１０ａおよび第２の強磁性フリー層２１０ｂから構成され得る。
キャップ層２１２は、ＧＭＲ素子２００を保護するためにフリー層構造２１０の上に配置され得る。
これまでの従来技術であるＧＭＲ素子２００の層の厚さの例はナノメートルで示されている。これまでの従来技術であるＧＭＲ素子の層の材料の例は原子記号によって示されている。
一部の層の中には、ＧＭＲ素子２００が外部磁場の影響を受けていないときに層の磁場方向を示すまたは指示する矢印が示されている。ページから出る矢印は円の中に黒丸として示され、ページに入ってくる矢印は円の中に十字として示される。
各層を最下部から上に向かって見ていくと、シード層２０２は、特にＰｔＭｎの反強磁性ピニング層２０４より上の層の結晶特性に影響を及ぼす規則的な結晶構造を基材にもたらすために使用される。
反強磁性ピニング層２０４に関して、反強磁性ピニング層２０４内の下位層（すなわち、層の各部分）は、右と左の矢印によって示される互い違いの異なる方向を向いた磁場を有する傾向があり、それにより、正味の磁場が０の反強磁性ピニング層になる。反強磁性ピニング層２０４の頂面は、ここでは左として示されている一方の方向を向いた磁気モーメントを有する傾向がある。
ピン層２０６に関して、第１の強磁性ピン層２０６ａは、強磁性的に反強磁性ピニング層２０４の頂面に結合する傾向があり、したがって、第１の強磁性ピン層２０６ａの磁場は、左として示されている反強磁性ピニング層２０４の頂面における磁気モーメントに平行して揃えられ得る。
第１の強磁性ピン層２０６ａと第２の強磁性ピン層２０６ｃの間にスペーサ層２０６ｂが存在することにより、第２の強磁性ピン層２０６ｃは、第１の強磁性ピン層２０６ａと反強磁性的に結合する傾向があり、したがって、ここでは右を指して示されている他方の方向を向いた磁場を有する。３つの層２０６ａ、２０６ｂ、２０６ｃの組み合わせは、合成反強磁性構造または合成反強磁性層と呼ぶことができる。
第１および第２のフリー層２１０ａ、２１０ｂは、外部磁場がない状態で、ページの外を向いたそれぞれの磁場を有する。この向いた方向は、ページから出る向きの方向に沿って特定の異方性を作り出すことによって実現され得る。その異方性は、ＧＭＲ素子の形状または図３とともに後述する他の考慮事項によって作り出され得る。
動作に際して、これまでのＧＭＲ素子２００が、矢印２１４の方向を向いた外部磁場にさらされると、強磁性フリー層２１０ａ、２１０ｂ内の磁場は、右に回転して、第２の強磁性ピン層２０６ｃにおける磁場の向いた方向に比較的揃えられる（または完全に揃えられる、すなわち、右を向く）傾向がある。しかしながら、ピン層２０６内の磁場は、反強磁性ピニング層によってピン止めされ、回転しない。強磁性フリー層２１０ａ、２１０ｂ内の磁場の回転量は、外部磁場の振幅に依存する。強磁性フリー層２１０ａ、２１０ｂにおける磁場の、第２の強磁性ピン層２０６ｃにおける磁場の方向との整合が向上することで、ＧＭＲ素子２００の抵抗が低下する傾向がある。
逆に、矢印２１４の方向とは反対を向いた外部の磁場にＧＭＲ素子がさらされると、フリー層構造２１０における磁場は、左に回転して、第２の強磁性ピン層２０６ｃにおける磁場の向いた方向と比較的反対方向に揃えられる（または完全に反対方向に揃えられる、すなわち、左を向く）。回転量は外部磁場の振幅に依存する。強磁性フリー層２１０ａ、２１０ｂにおける磁場の、第２の強磁性ピン層２０６ｃにおける磁場の方向と反対方向への整合が向上することで、ＧＭＲ素子２００の抵抗が上昇する傾向がある。
上記の点に鑑みれば、図１を簡単に参照すると、外部磁場がない状態で、ＧＭＲ素子２００の抵抗は直線領域１０２ａの中心にあり、抵抗は、外部磁場２１４の方向に応じて伝達特性曲線１０２の右または左（すなわち、下または上）に移動し得ることが理解されよう。層の完全な整合または完全な反対方向への整合が実現されると、ＧＭＲ素子２００はそれぞれ下の飽和領域１０２ｅまたは上の飽和領域１０２ｄになる。
一般に、強磁性フリー層２１０ａ、２１０ｂは、限定はしないが、磁場が第１の方向を向いた第１の複数の磁区および磁場が１つまたは複数の他の方向を向いた第２の複数の磁区を含む複数の磁区をもともと有する傾向がある。強磁性フリー層２１０ａ、２１０ｂにおける第１の複数の磁区は、ＧＭＲ素子２００が外部磁場にさらされていないときにページから出るように示され、ＧＭＲ素子２００が磁場にさらされると回転し得るフリー層構造２１０の正味の磁場に揃えられる磁場の向く方向を有する。上で説明したように、第１の複数の磁区の磁場が向く方向は、外部磁場に応答して回転する。第２の複数の磁区は、１つまたは複数の他の方向を向いた磁場の方向を有する傾向がある。
簡単に述べると、図１の段差１０４に関して、各段差が生み出されるのは、第１の複数の磁区にはない（たとえば、第２の複数の磁区にある）磁区の１つまたは複数、すなわち、強磁性フリー層２１０ａ、２１０ｂにおける正味の磁場の方向を向いていない磁場を有する磁区の１つまたは複数が、強磁性フリー層２１０ａ、２１０ｂにおける磁場の、正味の磁場の向いた方向に揃えられる方向に突然はねる（すなわち、飛ぶ）ときであり、これは強磁性フリー層２１０ａ、２１０ｂにおける正味の磁場が外部磁場に応答して向いている可能性のある（すなわち、回転した可能性のある）ときは必ずである。しかしながら、強磁性フリー層２１０ａ、２１０ｂにおける正味の磁場の方向を向いていない磁場を有する磁区の１つまたは複数が、強磁性フリー層２１０ａ、２１０ｂにおける磁場の、正味の磁場の向いた方向に揃えられる方向に比較的ゆっくり遷移することも可能であり、この場合、図１の段差の１つまたは複数は、図示したものよりも勾配が緩やかであるが、依然として望ましくはないはずである。したがって、フリー層構造２１０における正味の磁場の方向以外の方向を向いた、フリー層構造２１０におけるいくつかの磁区を減少させる（すなわち、第２の複数の磁区における磁区の量を減少させる）ことが望ましいはずである。この減少によって、段差１０４が少なくなるか、段差１０４が小さくなるか、または段差１０４がなくなるはずである。
フリー層の正味の磁場の方向以外の方向を向いたフリー層２１０における磁区の数を減少させるために、すなわち、ページの外へ出る方向以外を向いた磁区の数を減少させるために、外部バイアス磁石が使用され得る。代替形態として、いわゆる「二重ピン止め」構造を備えたスタック内の磁気バイアスを実現するために、基本のＧＭＲ素子２００に複数の層が追加され得る。さらに別の代替形態として、シード層２０２の材料は、上層の異方性の増大を実現するために処理され得る。
次に図３を参照すると、一例のＧＭＲ素子３００は、基材の上に配置された複数の層を含む。基材の上面は、図３の最下部にある一番下の線として示されている。
図３の左側では、各層が機能的名称によって識別されている。右側または（ｏｒ）図３には、機能層を形成することができる下位層の磁気特性が示されている。
図示されているように、例示的なＧＭＲ素子３００は、基材の上に配置されたシード層構造３０２を含むことができる。図２のシード層２０２とは異なり、シード層構造３０２は、第１の非磁性スペーサ層３０２ａ、第１の非磁性スペーサ層３０２ａの上に配置された強磁性シード層３０２ｂ、および強磁性シード層３０２ｂの上に配置された第２の非磁性スペーサ層３０２ｃから構成され得る。シード層構造３０２は、以下でより詳細に述べられる。
他の実施形態では、シード層構造３０２は第１の非磁性スペーサ層３０２ａまたは第２の非磁性スペーサ層３０２ｃを省略しているが、強磁性シード層３０２ｂは依然として含んでいる。したがって、他の実施形態では、シード層構造３０２は、強磁性シード層３０２ｂの上または下のいずれかに非磁性スペーサ層を１つだけ含む。
一般に、非磁性スペーサ層３０２ａまたは３０２ｃは、強磁性シード層３０２ｂの適切な結晶成長およびＧＭＲ素子３００の得られる異方性、特に、下記のフリー層構造の異方性を保証する。
反強磁性ピニング層３０４はシード層構造３０２の上に配置され得る。
強磁性シード層３０２ｂは、所定の磁場の存在下で、所定の温度（温度）および所定の真空度で強磁性シード層３０２ｂを堆積させることによって、一貫性、方向性、および明瞭性の向上した結晶軸を有することができ、この磁場は、基材の表面と平行でもある反強磁性ピニング層３０４の磁化に垂直な主方向をもつＧＭＲ素子に対する静的方向を有する。たとえば、強磁性シード層３０２ｂは、加熱なしで（たとえば、室温で）、約１×１０−８ミリバールの基礎真空状態において、約２０〜１５０エルステッドの磁場の存在下で堆積させられ得る。しかしながら、他の温度、真空、および磁場が可能なこともある。
いくつかの他の実施形態では、温度は約１０℃から約５０℃の範囲にあることができ、真空は約１×１０−７ミリバールから約１×１０−１０ミリバールの範囲にあることができ、磁場は約１０から約５００エルステッドの範囲にあることができる。
いくつかの実施形態では、強磁性シード層３０２ｂのみが上記の条件下で堆積させられる。いくつか他の実施形態では、シード層構造３０２の全体が上記の条件下で堆積させられる。
ドイツのＳｉｎｇｕｌｕｓ（登録商標）Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ＡＧによる堆積機は、回転ではなく直線平行移動での層堆積を実施する。直線平行移動での堆積は、強磁性シード層３０２ｂの堆積中に固定方向の磁場を印加するのに非常に適している。直線運動の方向と堆積中に印加される磁場の方向は互いに平行であり得る。基材もしくは堆積機器、またはその両方は直線平行移動で動くことができる。しかしながら、ウェーハをスピンさせる堆積機を使用すること、また、それに応じて強磁性シード層３０２ｂの堆積中にスピンする磁場を実現することも可能である。
上記から、強磁性シード層３０２ｂは結晶異方性を有し、結晶異方性は、所定の方向に沿った上記の運動の存在下で、また同じ所定の方向に沿って印加される所定の磁場の存在下で、強磁性シード層の堆積によって誘起され、結晶異方性は、向上した優先磁気方向（たとえば、向上した磁気異方性）を有するフリー層構造３１０をもたらすことを認識されたい。
反強磁性ピニング層３０４およびピン層構造３０６における磁場の方向は、所定の温度および所定の磁場でのアニールの結果であることが理解されよう。アニールは本明細書において詳細には記載されない。
上面図において、いくつかの実施形態では、ＧＭＲ素子３００は矩形の形状を有することができる。
矩形のＧＭＲ素子を作製するとき、シード層の堆積中に印加される磁場の方向は長方形の長軸に沿い、シード層構造３０２の（または強磁性シード層３０２ｂのみの）堆積中にウェーハ（または堆積機器）が移動する直線方向でもあり得る。図３の断面図およびそこに示した矢印に関して、そのような長方形の長軸はページから外に出ることになろう。
例示的なＧＭＲ素子３００はまた、反強磁性ピニング層３０４の上に配置されたピン層構造３０６を含むこともできる。いくつかの実施形態では、ピン層構造３０６は、第１の強磁性ピン層３０６ａ、第２の強磁性ピン層３０６ｃ、およびそれらの間に配置された非磁性スペーサ層３０６ｂから構成され得る。
ＧＭＲ素子３００はまた、ピン層３０６の上に配置された非磁性スペーサ層３０８および非磁性スペーサ層３０８の上に配置されたフリー層構造３１０を含むこともできる。いくつかの実施形態では、フリー層構造３１０は、第２の強磁性フリー層３１０ｂの下に配置された第１の強磁性フリー層３１０ａから構成され得る。
キャップ層３１２は、ＧＭＲ素子３００を保護するために、ＧＭＲ素子３００の頂部に配置され得る。
一部の層の中には、ＧＭＲ素子３００が外部磁場の影響を受けていないときに層の磁場を示すまたは指示する矢印が示されている。ページから出る矢印は円の中に黒丸として示され、ページに入ってくる矢印は円の中に十字として示される。
例示的なＧＭＲ素子３００の層の厚さはナノメートルで示される。例示的なＧＭＲ素子３００の層の材料は原子記号によって示される。
したがって、いくつかの実施形態では、非磁性シード層３０２ａはＲｕまたはＴａから構成され、強磁性シード層３０２ｂはＮｉＦｅ（あるいは、ＮｉＦｅＣｒ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、またはＣｏＦｅＣｒ合金）から構成され、第１の非磁性スペーサ層３０２ｃはＲｕまたはＴａから構成され、反強磁性層ピニング３０４はＰｔＭｎから構成され、第１のピン強磁性層３０６ａはＣｏＦｅから構成され、第２の非磁性スペーサ層３０６ｂはＲｕから構成され、第２のピン強磁性層３０６ｃはＣｏＦｅから構成され、第３の非磁性スペーサ層３０８はＣｕ（あるいは、Ａｕ、またはＡｇ）から構成され、第１の強磁性フリー層３１０ａはＣｏＦｅから構成され、第２の強磁性フリー層３１０ｂはＮｉＦｅから構成され、キャップ層３１２はＴａから構成される。ただし、他の材料も可能である。
いくつかの他の実施形態では、反強磁性ピニング層３０４は、ＩｒＭｎ、ＦｅＭｎ、またはＮｉＭｎから構成される。
ＮｉＦｅから構成される強磁性シード層３０２ｂは、ＧＭＲ素子３００に、特定の構造上の、したがって作用上の特性を与える。具体的には、上記の堆積技術によって、ＮｉＦｅ（あるいは、ＮｉＦｅＣｒ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、またはＣｏＦｅＣｒ合金）は、これまでの非磁性シード層、たとえば、図２のこれまでのＲｕまたはＴａシード層２０２の結晶化に比べて、高い程度の一貫性、方向性、および明瞭性をもつ結晶軸を有することが理解されよう。強磁性シード層３０２ｂの高結晶化は、後続の層に伝搬して、強磁性シード層３０２ｂより上の層での高い程度の結晶化を生じさせる。具体的には、これはフリー層構造３１０の優先磁気方向軸を誘起する。
シード層構造３０２は、成長によって誘起される異方性を促す。磁化軸に沿った２つの方向は、他のすべての可能性のある方向に対してエネルギー的に好ましくなる。したがって、フリー層構造３１０における正味の磁場の方向以外の方向を向いた磁場を有する、フリー層構造３１０内の磁区の数に減少が生じる。
結晶化の程度が高まることで、フリー層構造３１０は、第１の方向に配向された磁場を有する磁区を促し、上記の１つまたは複数の第２の異なる方向を向いた磁場を有する磁区の数を減少させる傾向がある。
したがって、図１の段差１０４に関して、第１の方向を向いた、すなわち、フリー層構造３１０内の磁場が回転する際にフリー層構造３１０内の磁場に揃えられる磁場を有する磁区の促進は、１つまたは複数の第２の異なる他の方向を向いた磁場を有する磁場区域の数を減少させる傾向がある。この減少によって、段差１０４が少なくなるか、段差１０４が小さくなるか、または段差１０４がなくなる。減少は、上記の第２の複数の磁区内の磁区の量の減少も含み得る。ヒステリシスも減少させられ得る。
次に図４を参照すると、磁場センサ４００は、１つまたは複数の磁気抵抗素子を含み得る。ここでは、図３に関連して上に記載されているタイプであり得る４つの磁気抵抗素子が、共通の基材の上に配置される。４つの磁気抵抗素子はブリッジに配置され得る。他の電子部品（図示せず）、たとえば増幅器やプロセッサもまた共通の基材の上に一体化され得る。
磁場センサ４００は、移動する磁性物体、たとえば、交番する磁北極と磁南極を有するリング磁石４０２の近くに配置され得る。リング磁石４０２は、回転の影響を受ける。
磁場センサ４００は、少なくともリング磁石の回転速度を示す出力信号を生成するように構成され得る。構造によっては、リング磁石４０２は、標的物体、たとえばエンジン内のカムシャフトに結合され、リング磁石４０２の検知された回転速度は、標的物体の回転速度を示す。
磁場センサ４００は回転検出器として使用され、他の類似の磁場センサ、たとえば電流センサは、図３の磁気抵抗素子の１つまたは複数を含み得ることを理解されたい。
単一のピン止めされたＧＭＲ素子が図３に関連して上に記載されているが、図３のシード層構造３０２は、二重ピン止め構造またはピニング層および／もしくはピン層をさらに含んだ構造の一部におけるシード層構造であり得ることを理解されたい。
シード層３０２を使用できる二重ピン止め構造の例は、たとえば、２０１４年８月６日に出願された米国特許出願第１４／４５２７８３号、および２０１４年１０月３１日に出願された米国特許第１４／５２９５６４に見ることができ、これらはともに本発明の譲受人に譲渡され、ともにその全体が参照により本明細書に組み込まれる。
本明細書に挙げられたすべての参考文献は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
本特許の主題である種々の概念、構造および技術を示す働きをする好ましい実施形態を説明したことで、これらの概念、構造および技術を組み込んだ他の実施形態が使用されてもよいことが明らかになろう。したがって、本特許の範囲は、説明した実施形態に限定すべきではなく、添付の特許請求の範囲の趣旨および範囲によってのみ限定されるべきであると述べる。

Claims (34)

  1. 基材と、
    前記基材の上に配置されたシード層構造であって、少なくとも強磁性シード層を含むシード層構造と、
    前記シード層構造の上に配置されたフリー層構造であって、前記強磁性シード層が結晶異方性を有し、前記結晶異方性が、所定の方向に沿った運動の存在下、かつ、同じ所定の方向を有する所定の磁場の存在下で、前記強磁性シード層の堆積によって誘起され、前記結晶異方性が、向上した優先磁気方向を有する前記フリー層構造をもたらす、フリー層構造と
    を含む、磁気抵抗素子。
  2. 前記シード層構造が、前記強磁性シード層の上に近接して、または下に近接して配置された非磁性スペーサ層をさらに含む、請求項１に記載の磁気抵抗素子。
  3. 前記強磁性シード層が、ＮｉＦｅ、ＮｉＦｅＣｒ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、またはＣｏＦｅＣｒから構成される、請求項２に記載の磁気抵抗素子。
  4. 前記強磁性シード層が、ＮｉＦｅ、ＮｉＦｅＣｒ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢまたはＣｏＦｅＣｒから構成される、請求項１に記載の磁気抵抗素子。
  5. 前記所定の磁場が約２０〜１５０エルステッドである、請求項４に記載の磁気抵抗素子。
  6. 前記シード層構造が、
    前記強磁性シード層の下に近接して配置された第１の非磁性スペーサ層と、
    前記強磁性シード層の上に近接して配置された第２の非磁性スペーサ層と
    をさらに含む、請求項１に記載の磁気抵抗素子。
  7. 前記第１および第２のスペーサ層が、それぞれＲｕから構成される、請求項６に記載の磁気抵抗素子。
  8. 前記第１および第２のスペーサ層が、それぞれＴａから構成される、請求項６に記載の磁気抵抗素子。
  9. 前記第１および第２のスペーサ層の一方がＲｕから構成され、前記第１および第２のスペーサ層の他方がＴａから構成される、請求項６に記載の磁気抵抗素子。
  10. 前記シード層構造の上および前記フリー層構造の下に配置された反強磁性ピニング層をさらに含む、請求項１に記載の磁気抵抗素子。
  11. 前記反強磁性ピニング層がＰｔＭｎから構成される、請求項１０に記載の磁気抵抗素子。
  12. 前記反強磁性ピニング層が、ＰｔＭｎ、ＩｒＭｎ、またはＦｅＭｎから構成される、請求項１０に記載の磁気抵抗素子。
  13. 前記反強磁性ピニング層の上、および前記フリー層構造の下に配置されたピン層構造をさらに含む、請求項１０に記載の磁気抵抗素子。
  14. 前記ピン層構造が、
    前記反強磁性ピニング層の上に配置された第１の強磁性ピン層と、
    前記第１のピン強磁性層の上に配置された第３のスペーサ層と、
    前記第３のスペーサ層の上に配置された第２の強磁性ピン層と
    を含む、請求項１３に記載の磁気抵抗素子。
  15. 前記第１および第２の強磁性ピン層がＣｏＦｅから構成され、前記第３のスペーサ層がＲｕから構成される、請求項１４に記載の磁気抵抗素子。
  16. 前記ピン層構造と前記フリー層構造の間に配置された第４のスペーサ層をさらに含む、請求項１３に記載の磁気抵抗素子。
  17. 前記第４のスペーサ層が、Ｃｕ、Ａｕ、またはＡｇから構成される、請求項１６に記載の磁気抵抗素子。
  18. 前記フリー層構造が、
    前記第４のスペーサ層の上に配置された第１の強磁性フリー層と、
    前記第１の強磁性フリー層の上に配置された第２の強磁性フリー層と
    を含む、請求項１６に記載の磁気抵抗素子。
  19. 前記第１の強磁性フリー層がＣｏＦｅから構成され、前記第２の強磁性フリー層がＮｉＦｅから構成される、請求項１８に記載の磁気抵抗素子。
  20. 前記フリー層構造が複数の磁区を含み、前記複数の磁区が、
    第１の方向を向いた磁場を有する第１の複数の磁区と、
    前記第１の方向とは異なる１つまたは複数の方向を向いた磁場を有する第２の複数の磁区であって、前記強磁性シード層が、選択された材料から構成され、前記選択された材料が、前記フリー層構造における前記第２の複数の磁区内の磁区の量の選択された減少をもたらす、第２の複数の磁区と
    を含む、請求項１に記載の磁気抵抗素子。
  21. 前記強磁性シード層が、ＮｉＦｅ、ＮｉＦｅＣｒ、ＣｏＦｅまたはＣｏＦｅＣｒから構成される、請求項２０に記載の磁気抵抗素子。
  22. 磁気抵抗素子を作製する方法であって、
    シード層構造を半導体基材の上に堆積させるステップを含み、前記シード層構造を前記堆積させるステップが、
    強磁性シード層を前記基材の上に少なくとも堆積させるステップを含み、
    前記方法が、
    フリー層構造を前記シード層構造の上に堆積させるステップであって、前記強磁性シード層を前記堆積させるステップが、所定の方向に沿った運動の存在下、かつ、同じ所定の方向を有する所定の磁場の存在下で、前記強磁性シード層を堆積させ、向上した結晶異方性を有する前記強磁性シード層をもたらし、向上した優先磁気方向を有する前記フリー層構造をもたらすステップ
    をさらに含む、方法。
  23. 前記シード層構造を前記堆積させるステップが、
    前記強磁性スペーサ層の上に近接、または下に近接して非磁性スペーサ層を堆積させるステップをさらに含む、請求項２２に記載の方法。
  24. 前記強磁性シード層が、ＮｉＦｅ、ＮｉＦｅＣｒ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、またはＣｏＦｅＣｒから構成される、請求項２３に記載の方法。
  25. 前記強磁性シード層が、ＮｉＦｅ、ＮｉＦｅＣｒ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、またはＣｏＦｅＣｒから構成される、請求項２２に記載の方法。
  26. 前記所定の磁場が約２０〜１５０エルステッドである、請求項２５に記載の方法。
  27. 前記シード層構造を前記堆積させるステップが、
    前記強磁性シード層の下に近接して第１の非磁性スペーサ層を堆積させるステップと、
    前記強磁性シード層の上に近接して第２の非磁性スペーサ層を堆積させるステップと
    をさらに含む、請求項２２に記載の方法。
  28. 前記強磁性シード層が、ＮｉＦｅ、ＮｉＦｅＣｒ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、またはＣｏＦｅＣｒから構成される、請求項２７に記載の方法。
  29. 前記第１および第２のスペーサ層の一方がＲｕから構成され、かつ前記第１および第２のスペーサ層の他方がＴａから構成されるか、前記第１と第２のスペーサ層の両方がＲｕから構成されるか、または前記第１と第２のスペーサ層の両方がＴａから構成される、請求項２８に記載の方法。
  30. 反強磁性ピニング層を前記シード層構造の上に堆積させるステップと、
    前記強磁性シード層を前記堆積させるステップにおいて使用される前記所定の磁場の前記所定の方向に平行な主方向を有するアニール磁場を使用して、前記反強磁性ピニング層をアニールするステップと
    をさらに含む、請求項２２に記載の方法。
  31. 前記強磁性シード層が、ＮｉＦｅ、ＮｉＦｅＣｒ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、またはＣｏＦｅＣｒから構成される、請求項３０に記載の方法。
  32. 前記所定の磁場が約２０〜１５０エルステッドである、請求項３１に記載の方法。
  33. 前記反強磁性ピニング層と前記フリー層構造の間にピン層構造を堆積させるステップをさらに含む、請求項３０に記載の方法。
  34. 前記強磁性シード層が、ＮｉＦｅ、ＮｉＦｅＣｒ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、またはＣｏＦｅＣｒから構成される、請求項３３に記載の方法。
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