JP5710455B2 - 装置および磁気素子 - Google Patents
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Description
この開示は一般に、データ変換ヘッドにおいて使用される読取センサ、およびデータの不揮発性記憶を提供するために使用される磁気メモリ素子といった状況で、磁気揺動を検出可能な磁気素子に関する。
発明の概要
この発明のさまざまな実施例は一般に、磁気状態の変化を検出可能な磁気素子に向けられている。
この発明のさまざまな実施例は一般に、磁気状態の変化を検出可能な磁気素子に向けられている。
さまざまな実施例によれば、磁気素子は、第１の面積範囲を有する磁気応答性スタックまたは積層を含む。スタックは、第１および第２の強磁性フリー層間に位置付けられたスペーサ層を含む。少なくとも１つの反強磁性（antiferromagnetic：ＡＦＭ）タブが、第１のフリー層に、スペーサ層とは反対側のその表面上で接続されており、ＡＦＭタブは、第１の面積範囲よりも小さい第２の面積範囲を有する。
他の実施例は、第１の面積範囲を有し、第１および第２の強磁性フリー多層構造間に位置付けられたスペーサ層で構成された、磁気応答性スタックを含み、第１および第２の強磁性フリー多層構造は各々、スペーサ層に結合されたＣｏxＦｅ1-x層と、ＡＦＭタブに結合された（ＣｏxＦｅ1-x）yＢ1-y層と、ＣｏxＦｅ1-x層と（ＣｏxＦｅ1-x）yＢ1-y層との間に配置されたＮｉxＦｅ1-x層とを有する。少なくとも１つの反強磁性（ＡＦＭ）タブが、第１のフリー層に、スペーサ層とは反対側のその表面上で結合されており、ＡＦＭタブは、第１の面積範囲よりも小さい第２の面積範囲を有する。
別の例示的な実施例では、非磁性トンネリングバリア層が、第１の面積範囲を有する第１の強磁性フリー層と第２の強磁性フリー層との間に配置されている。少なくとも１つの反強磁性（ＡＦＭ）タブが、第１または第２のフリー層に、スペーサ層とは反対側のその表面上で接続され、第１のフリー層の空気軸受面からオフセット距離離れて間隔をおかれている。
この発明のさまざまな実施例を特徴付けるこれらのおよび他の特徴ならびに利点は、以下の詳細な説明および添付図面に鑑みて理解され得る。
詳細な説明
この開示は一般に、データ変換ヘッドにおいて使用される読取センサ、およびデータの不揮発性記憶を提供するために使用される磁気メモリ素子といった状況で、磁気揺動を検出可能な磁気素子に関する。電子機器がより高性能になるにつれて、データ容量の増大およびデータ転送速度の改良に対する要望は、データ感知素子の速度および信頼性を特に重んじてきた。データ記憶の大部分は磁気記憶の使用を通して行なわれるため、磁気揺動の変化に敏感なデータ感知素子の磁気安定化は、さらに重要な役割を担っている。
この開示は一般に、データ変換ヘッドにおいて使用される読取センサ、およびデータの不揮発性記憶を提供するために使用される磁気メモリ素子といった状況で、磁気揺動を検出可能な磁気素子に関する。電子機器がより高性能になるにつれて、データ容量の増大およびデータ転送速度の改良に対する要望は、データ感知素子の速度および信頼性を特に重んじてきた。データ記憶の大部分は磁気記憶の使用を通して行なわれるため、磁気揺動の変化に敏感なデータ感知素子の磁気安定化は、さらに重要な役割を担っている。
したがって、この発明のさまざまな実施例は一般に、１つ以上のフリー層に結合された反強磁性（ＡＦＭ）タブの使用を通し、増大した磁気安定化を有する磁気素子に向けられている。ＡＦＭタブは、フリー層の延長されたストライプ高さの部分の上に位置付けることができるため、フリー層のより広い面積範囲に対応する形状異方性が、より大きい磁気安定化を提供する。空気軸受面（air bearing surface：ＡＢＳ）からオフセットされたＡＦＭタブの位置は、より小さいシールド間間隔を可能にし得る。
図１は、データ記憶装置のデータ変換ヘッドにおいて読取センサとして使用可能な磁気素子１００の例示的なブロック図を示す。素子１００は、外部磁場に各々敏感な第１の強磁性フリー層１０２と第２の強磁性フリー層１０４とを含む。各フリー層１０２および１０４は、データ記憶媒体１０６上のプログラム済磁気ビットによって提供されるような遭遇する外部磁場に対応する、個別のまたは共通の磁化を有し得る。
フリー層１０２および１０４は、所望のフリー層磁気感知に適応するようにさまざまな厚さを有して構成可能な非磁性スペーサ層１０８によって隔てられている。いくつかの実施例では、スペーサ層１０８はトンネリングバリア層である。フリー層１０２および１０４は各々、シード層１１０およびキャップ層１１２といった電極層にさらに結合され得る。電極層の組成、形状、および配置は限定されておらず、要望に応じて修正可能である。
磁気素子１００はさらに、フリー層１０２および１０４の両側の電極層に取付けられたシールド層１１４、１１６をオプションで含む。シールド層１１４および１１６は、望ましくない磁束をフリー層１０２および１０４から離れるよう方向付けるために、さまざまな構成および組成で配向され得る。そのような遮蔽は、隣接ビットのノイズおよび不測の感知をなくすことによって、媒体１０６からのプログラム済ビットの磁気感知の改良を可能にし得る。
図１に示すように、スペーサ層１０８とフリー層１０２および１０４とからなる積層された感知スタック１１８は、シールド１１４および１１６と比べて細長い、第１の面積範囲と一致するストライプ高さ１２０と、より小さい面積範囲およびストライプ高さを各々有する電極層１１０、１１２とを有する。感知スタックのより長いストライプ高さ１２０は、動作変動性に対する頑健性を有する性能向上を提供することによって、データビットの磁気感知を高めることができる。そのような性能向上は、外部ビットに応答してより強い磁化を保つことによって、それらの外部ビットの磁気感知の改良を可能にし得る。
フリー層１０２および１０４は各々、外部磁場に敏感であるため、外部ビットの感知は、基準として使用するデフォルト磁気配向がなければ難しいであろう。さまざまな実施例では、フリー層の磁気配向に影響を与え、デフォルト磁気基準を提供するために、フリー層１０２および１０４の一方または双方に反強磁性（ＡＦＭ）タブ１２２が結合される。ＡＦＭタブ１２２は、予め定められたしきい値を上回る外部磁化の存在下で克服可能な、ＡＦＭ材料に関連する交換バイアスを通して、フリー層１０２および１０４の一方または双方を予め定められた磁気配向に保つことができる。
たとえば、第１のフリー層１０２は、ＡＦＭタブ１２２によって授けられる第１の方向のデフォルト磁化を有することができ、それは、外部磁化に応答して第２の方向に反転され、また、タブ１２２から授けられる磁化よりも大きい。なお、ＡＦＭタブ１２２およびフリー層１０２、１０４の磁化方向ならびに大きさは、磁気素子１００の所望の性能のために必要に応じて構成可能である。
１つの例示的な磁気素子構成を、図２の磁気スタック１３０を用いて示す。スペーサ層またはトンネリングバリア層１３２が、第１のフリー層１３４と第２のフリー層１３６とを隔てており、各フリー層は個別のＡＦＭタブ１３８および１４０に取付けられている。ＡＦＭタブは各々、空気軸受面（ＡＢＳ）からオフセットされ、隔てられており、そのためキャップ電極層１４２またはシード電極層１４４は、ＡＢＳとＡＦＭタブ１３８、１４０との間にそれぞれ位置している。そのため、ＡＦＭタブ１３４および１３６はＡＢＳに接触または接近しておらず、ＡＢＳから測定されたオフセット距離１４６だけ離れてフリー層１３４および１３６に結合されている。
ＡＦＭタブ１３８および１４０はＡＢＳからオフセットしているため、ＡＢＳでのスタック１３０の厚さは、より高い線密度の用途を可能にするよう、最小限に抑えられ得る。スタック１３０のストライプ高さに沿ってＡＦＭタブ１３８および１４０を取付けることは、フリー層１３４および１３６に関連する形状異方性が、ＡＦＭタブの交換バイアス磁化と効率的に相互作用して、予め定められたしきい値を上回る外部磁化がない場合に予め定められたデフォルト磁化を設定するようことを可能にする。
図２に示すように、第１のフリー層１３４、第２のフリー層１３６、および介在するスペーサ層１３２は、第１の面積範囲を有する磁気応答性積層（またはスタック）を形成している。この第１の面積範囲は、積層の上方または下方から見たような、その主軸（最大の軸）に沿った積層の表面積を表わす。
ＡＦＭタブ１３８および１４０は、介在する積層の両側に結合されており、各々、第２の面積範囲が設けられている。この第２の面積範囲は、積層の第１の面積範囲と面する関係になっており、第１の面積範囲よりも小さい。これは、図示されているように、積層に対して、ＡＦＭタブについてのオフセット距離１４６を提供する。少なくともいくつかの実施例では、ＡＦＭタブ１３８、１４０は、オフセット距離１４６よりも大きいタブ長さ１３８を有するであろう。参考までに、フリー層の例示的なストライプ厚さは約３００ナノメータ（ｎｍ）であってもよく、例示的なオフセット距離は約５０ｎｍであってもよい。このため、図面は必ずしも縮尺通りに描かれていない、ということが理解されるであろう。
フリー層１３４、１３６に対するＡＦＭタブ１３８および１４０の面積範囲のサイズ設定は、フリー層１３４および１３６の磁化に影響を与えるよう選択されており、所与の用途の要件に依存して変更されてもよい。一般に、ＡＦＭタブはＡＢＳから離れてフリー層の一部にのみ隣接して延在しており、それにより、各フリー層の上面の一部に沿って均一な交換バイアス磁場を生成する。いくつかの実施例では、予め定められたデフォルト磁化を保つようにフリー層１３４および１３６に磁気的に影響を与えるために、永久磁石１４８がＡＦＭタブ１３８および１４０とともに構成されている。
図２のスタック１３０は例示的な構成に過ぎず、限定的ではない。必要および要望に応じて、材料、配向、ならびに構成に対するさまざまな修正を、スタック１３０の局面に対して加えることができる。たとえば、単一のＡＦＭタブが、第１のフリー層１６４の厚さよりも大きいタブ長さ１５０を有して構成可能であり、ここで厚さは上面１５２から垂直に測定される。また、これに代えて、向かい合うＡＦＭタブに異なる面積範囲が提供されてもよい。
図３は、後部の磁石を使用し、ＡＦＭタブを使用しないさまざまな例示的な外部磁化に応答する複数の磁気スタックを大まかに示す。スタック１６０は、磁石１６２からのバイアス磁化によって設定されたデフォルト磁気配向を有する第１および第２のフリー層を示す。各フリー層の磁化は、静磁気相互作用エネルギを最小限に抑えるために角に向かって傾いているため、磁気的に中性な外部場１６４は、スタック１６０のデフォルト磁化に影響を与えない。
スタック１６６および磁化１６８によって示すように、磁石１６２によって課せられるデフォルト磁化よりも大きい第１の上方向の外部磁化に、フリー層が遭遇すると、フリー層の磁化は、０または１といった論理状態に対応するように感知され得る態様で、角に向かってさらに傾く。
磁気スタック１７０は、磁石１６２のデフォルト磁化の上方の、第２の下方向の外部磁化１７２が、フリー層の磁化にどのように影響を与えるかを示す。外部磁化１７２が磁石１６２からのバイアス磁場の方向と整合しているため、フリー層の磁化は、角に向かう傾きを小さくしてより平行になる。スタック１６６のフリー層の磁化と同様に、外部磁化１７２の影響は、論理状態を読取るために、スタック１６２のデフォルト磁化から感知され、区別され得る。
二重フリー層のスタック１６０、１６６、および１７０の動作は、フリー層間のスペーサ層の構成に依存して、トンネリング磁気抵抗（tunneling magneto resistive：ＴＭＲ）効果、巨大磁気抵抗（giant magneto resistive：ＧＭＲ）効果、および異方性磁気抵抗（anisotropic magneto resistive：ＡＭＲ）効果を含むもののこれらに限定されないさまざまな異なる態様によって感知され得るが、スタック１７４に示すようにフリー層の一方が不意に磁化方向を切換えると、磁気不安定性が起こる場合がある。そのような磁化の切換をＡＰ状態１７６と呼んでもよく、その状態では、抵抗が高く、出力が非常に小さい応答によって、外部データビットの読取りが不適当になる。
ＡＰ状態１７６への切換は、熱および比較的強い外部場といったさまざまな特性に応答して起こる場合があり、データ変換ヘッドの壊滅的な故障をもたらす場合がある。そのため、図１および図２のＡＦＭタブの包含は、磁気スタックに不利に厚さを追加せずに、フリー層の磁化を安定させる交換バイアス磁場を生成することができる。また、ＡＦＭタブをＡＢＳからある距離離して引っ込ませることにより、交換バイアス磁場はＡＢＳでフリー層の磁気応答に影響を与えない。
各フリー層の上面に沿ってＡＦＭタブを配置することはさらに、フリー層の後部に配向された磁石とは対称的に、交換バイアス磁場がＡＢＳに垂直となることを可能にする。図１および図２に示すようなＡＦＭタブの構成はまた、フリー層のデフォルト磁化および磁化しきい値を設定可能なさまざまな交換バイアス強度を生成するための、フリー層のストライプ高さおよびタブ長さの操作を可能にする。したがって、ストライプ高さの少なくとも半分といった比較的大きい面積範囲を有するＡＦＭタブの構成は、熱励起または磁気励起にもかかわらずフリー層がデフォルト磁化に戻ることをもたらし得る。
図４は、この発明のさまざまな実施例に従って構成された例示的な磁気素子１８０を示す。素子１８０は、各々個別に磁場に敏感である１対の強磁性フリー多層１８２および１８４を有する。すなわち、各フリー多層１８２および１８４は、図１および図２のフリー層と同様に、正味磁化を有し得る。図４に示すように、フリー多層は、第１のＡＦＭタブ１８６に結合されたＣｏxＦｅ1-x強磁性フリー層と、ＮｉxＦｅ1-x中間層と、スペーサ１８８に結合された（ＣｏxＦｅ1-x）yＢ1-y強磁性フリー層とを有して構成可能である。
理解され得るように、フリー多層２１２および２１４の各層の化学組成は変更可能であり、変数ＸおよびＹは、０％〜１００％に及ぶ各成分の原子濃度または重量濃度を示す。多層１８２および１８４の１つの例示的な構成は、ＣｏＦｅ30強磁性フリー層とＣｏＦｅ48Ｂ20強磁性フリー層との間に配置されたＮｉＦｅ4中間層をもたらす。しかしながら、変数ＸおよびＹはどの範囲においても要望通り選択的に修正可能であるため、そのような多層構成は要求または限定されていない。
別の例示的な実施例では、各層は本質的に、面心立方（faced centered cubic：ＦＣＣ）または体心立方（body centered cubic：ＢＣＣ）の格子構造を有する非晶質、ナノ結晶質、または結晶質であり得る。フリー多層１８２および１８４のそのような多様性および構成は、ＡＦＭタブの交換バイアス磁場が、フリー多層の磁化により効率的に影響を与えて安定させることを可能にする。
フリー多層は、図１および図２のフリー層とともに、または図４に示すようなフリー磁気感知層として独立して使用可能である。多層１８２および１８４の使用は、７００Ｏｅを上回るような大きい交換バイアスを生み出し得る一方、約２００Ｏｅといった適当な保磁場を可能にする。このため、ＡＦＭタブ１８６をフリー多層に結合することは、磁気安定化の改良を通して磁気素子１８０の正確性および耐久性を高めることができる。
ＣｏxＦｅ1-x強磁性フリー層をスペーサ層１８８から最も遠くに配置することは、ＣｏxＦｅ1-xの結晶構造によるＡＦＭタブ１８６のより効率的な堆積を可能にし得る。そのような結晶構造はさらに、ＡＦＭタブ１８６の交換結合が強化され得る界面を提供することができる。すなわち、ＡＦＭタブ１８６がＩｒxＭｎ1-x、ＰｔxＭｎ1-x、ＮｉＣｏ、および（ＮｉxＣｏ1-x）Ｏといった材料で構成されている場合、フリー多層１８２および１８４のＣｏxＦｅ1-xとＡＦＭタブ１８６との間の交換バイアス磁場は、作動的に増加する。
図５Ａ〜５Ｃは各々、図４の磁気素子において使用可能な磁気スタックの一部を示す。図５Ａでは、フリー多層２０２は、ＮｉxＦｅ1-x層と（ＣｏxＦｅ1-x）yＢ1-y層との間に金属挿入層を有して構成されている。図５Ｂの多層２０４に示すように、金属挿入層はまた、ＣｏxＦｅ1-x層とＮｉxＦｅ1-x層との間に配置されてもよい。磁気スタック２００の構成は、単一の金属挿入層に限定されない。図５Ｃは、１対の金属挿入層の間に配置されたＮｉxＦｅ1-x層を有するような多層２０６を示す。
なお、図５Ａ〜５Ｃに示す多層２０２〜２０６は単なる例示であり、スペーサ層またはトンネリングバリア層２０８の片側にある磁気スタックのほんの一部を提供している。そのため、金属挿入層を採用している磁気スタックは、スペーサ層２０８の片側または両側に、図５Ａ〜５Ｃの多層構造のいずれかを有し得る。しかしながら、図５Ａ〜５Ｃに示すような金属層の挿入が、４００Ｏｅを上回る強化されたバイアス磁化を提供できるということが、これまでに観察されている。
金属挿入層の組成および厚さは限定されていないが、Ｔａ、Ｈｆ、Ｌａ、Ｔｉ、およびＷといったさまざまな異なる金属であってもよい。金属層の挿入は、フリー多層２１２および２１４の磁気モーメントを弱くして、多層に影響を与える交換バイアス磁場全体を増加させることができる。金属層の１つの例示的な使用では、固体のＴａ層が．２ナノメートル未満の厚さを有して構成され、ＣｏxＦｅ1-x層とＮｉxＦｅ1-x層との間に配置され、一方、Ｔｉ合金層が．２オングストロームよりも大きい厚さを有して、ＮｉxＦｅ1-x層と（ＣｏxＦｅ1-x）yＢ1-y層との間に設置される。
図４に戻って、フリー多層１８２および１８４は各々、ＡＢＳとＡＦＭタブ１８６との間に配置された電極層１９２を通して、磁気シールド１９０に結合される。シールド１９０は各々、ＡＦＭタブ１８６を収納するよう適合された厚さ減少領域１９４を有して構成可能である。ＡＦＭタブ１８６の結合で達成された磁気安定化の強化により、シールド１９０は、厚さ減少領域１９４を有しつつ、望ましくない磁束に対する適切な保護を提供することができる。図示されているように、シールド１９０の厚さは、隣接する媒体トラックといった浮遊磁化に対してフリー多層のための最大の磁気保護を提供するために、ＡＢＳで最大である。
図６に示す例示的な磁気素子２２０では、シールド２２２の厚さ減少領域は、第１のフリー層２２４および第２のフリー層２２６のストライプ高さを超えて延在していない。厚さ減少領域には絶縁材料２２８がさらに充填されており、それは、フリー層２２４および２２６と平行なシャント抵抗を生成しないよう、交換バイアス磁場を減少させることができる。その結果、絶縁材料２２８は、シャント抵抗の減少によるより大きい振幅リードバック信号損失を提供する。
シールド２２２は、ＡＦＭタブ２３０の後部を遮蔽するよう、フリー層２２４および２２６のストライプ高さを超えて延在しているが、そのような構成は、より大きいまたはより小さい遮蔽に適応するよう変更可能である。たとえば、シールド２２２は、ＡＢＳの反対側のフリー層２２４および２２６の背後で接していてもよく、または、図２の磁石といった後部に位置付けられた磁石を収納するための他の厚さ減少区域を含んでいてもよい。
図７は、双方のＡＦＭタブ２４２と磁石２４４とが第１のフリー層２４６および第２のフリー層２４８の垂直面上に位置付けられている、そのような例示的な磁気素子２４０を示す。二重のバイアス磁界が各フリー層２４６および２４８に影響を与えるため、ＡＦＭタブ２４２のタブ長さおよび面積範囲は、予め定められたデフォルト磁化および磁化しきい値を設定するよう修正されてもよい。絶縁材料２５０がＡＦＭタブ２４２の周りにのみ示されているが、その材料は、磁石２４４を包含してシールド２５２間の空間を絶縁するよう延在可能である。
図８では、例示的な磁気素子２６０は、フリー層２６４とＡＦＭタブ２６６との間に配置された合成反強磁性体（synthetic antiferromagnet：ＳＡＦ）２６２を有して構成されている。ＳＡＦ２６２は、単一層として、または、強磁性フリー基準層２６８と導電層２７０と磁気的ピン止め層２７２との積層として構成可能である。導電層２７０はさらに、ＳＡＦ２６２のための正味磁化を可能とするよう、基準層２６８とピン止め層２７２との間に配置され得る。いくつかの実施例では、導電層２７０はルテニウムであってもよい。そのようなＳＡＦの構成およびＡＦＭタブ２６６とフリー層２６４との間への配置は、ＡＦＭタブ２６６の交換バイアス磁場を強化することによってフリー層をさらに安定させ得る。
いくつかの実施例では、ＳＡＦ２６２の代わりに、図４〜５ＣのＣｏxＦｅ1-x、ＮｉxＦｅ1-x、および（ＣｏxＦｅ1-x）yＢ1-yフリー多層が使用可能であり、ＣｏxＦｅ1-x層がＡＦＭタブ２６６に直接結合された状態で構成された場合、交換バイアス磁場の強化を提供することができる。なお、磁気素子２６０のシールド２７４は、ＳＡＦ２６２の包含による厚さのさらなる減少に適応するよう、修正されて示されている。シールド２８４は、複数の厚さ減少区域を有してＡＢＳの反対側のフリー層の後部で磁石２７６を収納する、といった数々の異なる態様で構成可能である、ということが理解され得る。
ＳＡＦ２６２は図８ではＡＦＭタブ２６６と共通の面積範囲を共有するよう示されているが、そのような配向は要求されてはいない。なぜなら、さまざまな実施例では、ＳＡＦ２６２は、フリー層２６４の面積範囲より小さいものの、ＡＦＭタブ２６６の面積範囲より大きいまたは小さい面積範囲を有するためである。そのため、フリー層２６４の上面に沿って測定されたＳＡＦ２６２の面積範囲は、磁気素子２６０の動作特性を変更するために要望に応じて修正可能である。
図１〜８では、共通の構造として接続されても接続されなくてもよいいくつかのＡＦＭタブが提示されてきた。図９の磁気素子２８０では、単一のＡＦＭタブ２８２が、１対の強磁性フリー層２８４および２８６の片側に結合されている。図示されているように、単一のＡＦＭタブ２８２が双方のフリー層に接触してデフォルト磁化およびしきい値磁化に影響を与えるようにするために、第１のフリー層２８４の面積範囲は第２のフリー層２８６の面積範囲よりも小さい。デフォルト磁化の操作および磁気素子２８０の動作は、フリー層の距離差２８８を調節することによって修正可能である。たとえば、距離差２８８を増加させることは、第２のフリー層２８６に直接接触するＡＦＭタブ２８２の表面積をより大きくすることができ、逆もまた同様である。
さまざまな実施例では、第１のフリー層２８４および第２のフリー層２８６は同じ面積範囲で構成され、次に、エッチングプロセスなどによって第１のフリー層２８４およびスペーサ層２９０の一部の除去が行なわれる。しかしながら、フリー層２８４および２８６は、図９に示す配向に限定されない。なぜなら、第１のフリー層２８４は第２のフリー層２８６よりも大きい面積範囲を有し得るためである。
図示されているような磁気素子２８０は、上部シールド２９２が底部シールド２９４とは異なる厚さ減少を有する非対称的な構成を有している。この非対称性はさらに、シールド２９２および２９４に取付けられても取付けられなくてもよい絶縁材料２９６および２９８の形状にまで及んでいる。すなわち、上部シールド２９２、およびＡＦＭタブ２８２と上部シールドとの間に配置された上部絶縁材料２９６は、底部シールド２９４および底部絶縁材料２９８の９０°の角度遷移とは対照的に、上部シールドの厚さ減少領域からテーパを有して遷移している。
いくつかの実施例では、第１のフリー層２８４から第２のフリー層２８６への遷移は、ＡＦＭタブ２８２と同様にテーパが付けられている。一方、他の実施例では、底部絶縁材料２９８は、上部絶縁材料２９６およびフリー層２８４、２８６の厚さよりも大きい厚さを有する。磁気素子２８０のさまざまな構成は、第１のフリー層２８４および第２のフリー層２８６を安定させる強力な交換バイアス磁場の相互作用を保ちながら幅広いさまざまな使用に適応するよう、構成および動作の修正を可能にする。
前述の説明はデータ変換ヘッドの読取センサの状況における例示的なメモリ素子を説明してきたが、そのようなものは必ずしも限定的ではないということが理解されるであろう。図１０は、この発明のさまざまな実施例に従った固体メモリセルとして使用可能な磁気素子３００を大まかに示す。図１および図６〜９の磁気素子では、望ましくない磁束をフリー層から離れるよう方向付け、素子の磁気感知の安定性および信頼性を改良するために、磁気シールド材料が電極層を介して二重フリー層に取付けられていた。しかしながら、図１０の素子３００によって示すように、磁気シールドは上述のさまざまな磁気素子の動作にとって要求されてはいない。
回転する媒体からの浮遊磁場に遭遇する伝統的な磁気抵抗変換器とは異なり、固体メモリセルはアレイに取付けられていることが多く、遮蔽を必要とする浮遊磁場に最小限しか遭遇しない。そのため、磁気素子３００は、素子３００の全体的な厚さを増加させ得る遮蔽層を有していない。しかしながら、いくつかの実施例では、二重フリー層３０２の一部または全体にわたって磁気シールド層が堆積される。
磁気素子３００は、第１の面積範囲３０６と一致し、形状異方性の増大による磁気安定性を促進する延長されたストライプ高さを有する、二重フリー層３０２および非磁性スペーサ層３０４を構成する。各フリー層３０２は、第２の面積範囲３１０を有するフリー層３０２の予め定められた一部と連続的に接触して係合するＡＦＭタブ３０８に結合されている。ＡＦＭタブ３０８の反強磁性特性は、タブの面積範囲が増加するにつれて強化される。すなわち、ＡＦＭタブ３０８は、各フリー層３０２に接触する多かれ少なかれ反強磁性の材料をもたらすさまざまな面積範囲を有して構成可能である。
ＡＦＭタブ３０８のより大きい面積範囲は、タブ３０８の連続接触によってフリー層３０２に均一に適用されるより大きい交換バイアス磁場を提供できる。図１０に示す例示的な実施例では、ＡＦＭタブ３０８は、フリー層３０２の厚さ３１２および面積範囲の半分よりも大きい面積範囲と有する。図１０にさらに示すように、ＡＦＭタブ３０８は、リード線３１６を介してフリー層３０２との間で電気信号をやり取りするよう各々適合されたキャップ電極層およびシード電極層３１４から隔てられ得る。
動作時、フリー層３０２とＡＦＭタブ３０８との間の接続および交換バイアス磁場相互作用の増加により、磁気素子３００は改良された安定性を有する。磁気安定性は、電極層３１４を通りＡＦＭタブ３０８を通らない電気信号の流れを通してさらに強化される。すなわち、リード線３１６への接続、および結果として起こる電気信号の受信は、ＡＦＭタブ３０８の磁気特性に、続いてフリー層３０２と相互作用する交換バイアス磁場に影響を与え得る。このため、ＡＦＭタブ３０８とリード線３１６との電気的分離は、フリー層３０２における磁気安定性を促進する均一な交換バイアス磁場を可能にする。
磁気素子３００の例示的な一実施例は、ＡＦＭタブ３０８と少なくとも１つの電極層とが同一平面上にあり、離れて隣接しながら第１の強磁性フリー層３０２に各々結合されていることを含み得る。別の例示的な実施例は、ＡＦＭタブ３０８を、フリー層３０２およびスペーサ層３０４の前面３１８から予め定められた距離離して構成する。磁気素子３００の構成にかかわらず、ＡＦＭタブ３０８は、素子厚さの増加を最小限に抑えながら磁気安定性の追加を提供することができる。
図１１は、この発明のさまざまな実施例に従って行なわれる例示的な素子作製ルーチン３２０を提供する。ルーチン３２０はまず、ステップ３２２で、第１の面積範囲を有する第１および第２の強磁性フリー層を提供する。図１〜１０に示すように、強磁性フリー層はスペーサ層によって隔てられ、より小さい面積範囲を有するキャップまたはシードといった電極層に各々接続され得る。さまざまな実施例では、フリー層は各々、図４に示すようなＣｏxＦｅ1-x、ＮｉxＦｅ1-x、および（ＣｏxＦｅ1-x）yＢ1-yの積層である。
ステップ３２２に続き、ステップ３２４で単一のタブを有する磁気素子を作成するか、またはステップ３２６で二重のタブを有する磁気素子を作成するかについて、決定が下され得る。図９に示すように、単一のＡＦＭタブは、ステップ３２８で第１のフリー層およびスペーサ層が第２の面積範囲までエッチングされた後、接触係合を通して双方のフリー層に影響を与え得る。第１のフリー層の代わりに第２のフリー層をエッチングしてもよいため、エッチングはある特定のプロセス、形状、または配向に限定されない。
双方のフリー層の上面が露出した状態で、ステップ３３０で、第３の面積範囲を有するＡＦＭタブが各フリー層の上面に結合される。ＡＦＭタブは次に双方のフリー層と連続的に接触し、各フリー層のためにデフォルト磁化を生成する均一な交換バイアス磁場を提供するであろう。
ステップ３３２は、シャント抵抗からの振幅フィードバック損失を減少させるために、絶縁材料をＡＦＭタブおよび第２のフリー層に取付ける。ステップ３２８のエッチングおよびステップ３３０のＡＦＭタブ堆積の後のフリー層のさまざまな構成は、ＡＦＭタブの上面の形状が第２のフリー層の底面の形状とは異なっている非対称的配向を提供することができる。そのため、ＡＦＭタブ上の絶縁材料の形状は、第２のフリー層上の形状と異なっていてもよい。
ステップ３２６で二重ＡＦＭタブ構成が選択された場合、ステップ３３４で、第４の面積範囲を有する１対のＡＦＭタブが、第１および第２のフリー層に結合される。図１〜７に示すように、ＡＦＭタブは各々、フリー層上に同じ面積範囲および配向を有し得る。しかしながら、そのような構成は要求または限定されていない。なぜなら、ＡＦＭタブは異なる面積範囲を有していてもよく、フリー層の上面の異なる領域に接続されてもよいためである。
ステップ３３６は、シャント抵抗を減少させるために各ＡＦＭタブの周りに絶縁材料を取付ける。絶縁材料は双方のＡＦＭタブを包囲し、フリー層に接触するよう延在可能であるが、そのような配向は要求または限定されていない。ルーチン３２０は、決定３３８で素子を固体メモリセルとして構成するか否かを判断することに進む。メモリセルの構成が選択されなかった場合、ステップ３４０で、少なくとも絶縁材料に磁気シールドが取付けられる。上述のように、シールドは、局所的に厚さが減少した区域を有するなどさまざまな形状をとることができ、フリー層の一部または全体にわたって、またオプションとして後部に搭載された磁石の周囲に延在することができる。
メモリセルを作成するという決定は、ステップ３４２で、フリー層に直接隣接する以前に堆積された電極層にリード線を接続することによって、ＡＦＭタブを引き込み導線から隔てることに進む。図９の磁気素子は、ＡＦＭタブがフリー層への電気経路からどのように電気的に分離可能であるかを大まかに示している。
この開示で説明された磁気素子の構成および材料特性は、小さいシールド間間隔を保ちつつ、有利な磁気安定性を可能にする、ということが理解され得る。二重フリー層の延長されたストライプ高さおよび面積範囲は、磁気性能の改良を提供する。また、ＡＢＳからオフセットされたＡＦＭタブは、フリー層との比較的大きく均一な交換バイアス相互作用を通してフリー層の磁気安定性を強化しつつ、小さい素子厚さを可能にする。加えて、実施例は磁気感知に向けられてきたが、請求されている発明はデータ記憶装置用途を含む任意の数の他の用途において容易に利用可能である、ということが理解されるであろう。
参考までに、ここで使用されているような「面積範囲」という用語は、前述の説明と一致するよう、物体の最も長い直交軸に面する関係で配向された物体の累積表面積を意味すると理解され、軸に面していない表面積を考慮してはいない。たとえば、ある表面が、反対方向に面しつつまっすぐに切り立っている表面同士を有するＵ字型の切込みを有する場合があり、表面積は表面同士に面する側を含むものの、切込み上方から見た場合の面積範囲は切込みの表面同士に面する側の面積を含まないであろう。
上述の説明において、この発明のさまざまな実施例の数々の特徴および利点が、この発明のさまざまな実施例の構造および機能の詳細とともに述べられてきたが、この詳細な説明は単なる例示であり、特に部品の構造および構成の事項において、この発明の原理の範囲内で、添付された請求項を表現する用語の広範な一般的意味によって示される全範囲にわたり、変更を詳細に行なってもよい、ということが理解されるべきである。たとえば、特定の用途に依存して、この発明の精神および範囲から逸脱することなく、特定の要素を変更してもよい。
１００：磁気素子、１０２：第１の強磁性フリー層、１０４：第２の強磁性フリー層、１０８：スペーサ層、１１８：スタック、１２２：反強磁性（ＡＦＭ）タブ。
Claims (13)
- 第１の面積範囲を有し、第１および第２の強磁性フリー層間に位置付けられたスペーサ層を含む、磁気応答性スタックと、
第１のフリー層に、スペーサ層とは反対側のその表面上で結合された少なくとも１つの反強磁性（ＡＦＭ）タブとを含み、ＡＦＭタブは、第１の面積範囲よりも小さい第２の面積範囲を有し、
第１の面積範囲および第２の面積範囲は、磁気応答性スタックのスタック方向から見た面積範囲であり、
ＡＦＭタブは、スタックの第１の端に隣接する空気軸受面からオフセット距離離れており、
ＡＦＭタブおよび第１の電極層の各々は、第１のフリー層に接触している、装置。 - 第２のフリー層に、スペーサ層とは反対側のその表面上で結合された第２のＡＦＭタブをさらに含む、請求項１に記載の装置。
- スタックの選択された側に結合された少なくとも１つの磁気シールドをさらに含む、請求項１または２に記載の装置。
- 少なくとも１つの磁気シールドは、ＡＦＭタブの一部を収納する厚さ減少領域を有する、請求項３に記載の装置。
- ＡＦＭタブと磁気シールドとの間に絶縁層が配置されている、請求項３または４に記載の装置。
- ＡＦＭタブと第１の電極層とは同一平面上にあり、双方とも異なる場所で第１の強磁性フリー層に結合されている、請求項１に記載の装置。
- 第１および第２のフリー層は各々、多層構造である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の装置。
- 第１のフリー層は、スペーサ層に結合された（Ｃｏ x Ｆｅ 1-x ） y Ｂ 1-y 層と、ＡＦＭタブに結合されたＣｏ x Ｆｅ 1-x 層と、Ｃｏ x Ｆｅ 1-x 層と（Ｃｏ x Ｆｅ 1-x ） y Ｂ 1-y 層との間に配置されたＮｉ x Ｆｅ 1-x 層とを含んでおり、
第１の金属挿入層がＣｏxＦｅ1-x層とＮｉxＦｅ1-x層との間に位置し、第２の金属挿入層がＮｉxＦｅ1-x層と（ＣｏxＦｅ1-x）yＢ1-y層との間に位置している、請求項１〜７のいずれか１項に記載の装置。 - 各フリー層とＡＦＭタブとの間に合成反強磁性体が配置されている、請求項１〜８のいずれか１項に記載の装置。
- データ変換ヘッドにおける読取センサとして特徴付けられる、請求項１〜９のいずれか１項に記載の装置。
- 装置であって、
第１の面積範囲を有し、第１および第２の強磁性フリー多層構造間に位置付けられたスペーサ層を含む、磁気応答性スタックを含み、第１および第２の強磁性フリー多層構造は各々、スペーサ層に結合された（ＣｏxＦｅ1-x）yＢ1-y層と、ＡＦＭタブに結合されたＣｏxＦｅ1-x層と、ＣｏxＦｅ1-x層と（ＣｏxＦｅ1-x）yＢ1-y層との間に配置されたＮｉxＦｅ1-x層とを含んでおり、前記装置はさらに、
第１のフリー層に、スペーサ層とは反対側のその表面上で結合された少なくとも１つの反強磁性（ＡＦＭ）タブを含み、ＡＦＭタブは、第１の面積範囲よりも小さい第２の面積範囲を有し、
第１の面積範囲および第２の面積範囲は、磁気応答性スタックのスタック方向から見た面積範囲であり、
ＡＦＭタブは、スタックの第１の端に隣接する空気軸受面からオフセット距離離れて、第１のフリー層と接触しており、
ＡＦＭタブと第１の電極層とは同一平面上にあり、双方とも異なる場所で第１のフリー層に結合されている、装置。 - 多層構造のうちの少なくとも１つは、フリー層の磁気モーメントを弱める金属挿入層である、請求項１１に記載の装置。
- 不揮発性固体メモリセルとして特徴付けられる、請求項１１または１２に記載の装置。
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