JP7202267B2 - 磁気抵抗効果素子および磁気抵抗効果デバイス - Google Patents
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Description
以下では、基板上に順に積層された下地層、反強磁性層、強磁性固定層、非磁性中間層、強磁性自由層および保護層を有するGMR(Giant Magneto Resistance、巨大磁気抵抗)積層膜を備えた磁気抵抗効果素子の性能を向上させることについて説明する。具体的には、保護層上から侵入する磁界をより効率よく検出することについて説明する。本実施の形態の主な特徴は、保護層の材料および保護層の膜厚を工夫している点にある。
図1に、本実施の形態のGMR積層膜の構成を示す。本実施の形態のGMR積層膜は、基板101を有し、基板101上に形成された下地層102を有している。下地層102は、GMR積層膜を平坦に形成する役割と、下地層102上に形成されたGMR積層膜の構成膜を結晶化させる役割を持つ。下地層102は、Ta(タンタル)、Ti(チタン)、Ni(ニッケル)、Cr(クロム)またはFe(鉄)を含む金属から成る。具体的には、下地層102は1種類以上の材料から構成され、例えば、Ta層およびNiCr(ニッケルクロム)層の2層から成る積層膜により形成することができる。下地層102の膜厚が薄い場合、下地層として機能しなくなるため、下地層102は1nm以上の膜厚を有することが望ましい。
本実施の形態の磁気抵抗効果素子は、図1に示すGMR積層膜の積層方向(高さ方向、縦方向、垂直方向)における保護層107の上方に位置する検出対象(例えば、磁性粒子)から生じる漏れ磁界を検出するものである。GMR積層膜に検出対象が近付くと、当該漏れ磁界により強磁性自由層106の磁化の向きが180°変わる。このとき、強磁性固定層104の磁化方向は固定されているため、変化しない。これにより、例えば強磁性自由層106の磁化の向きと強磁性固定層104の磁化の向きとが相対的に逆方向、つまり反平行になると、GMR積層膜の抵抗値が上昇する。また、GMR積層膜と検出対象とが互いに遠ざかると、強磁性自由層106が当該漏れ磁界の影響を受けなくなり、強磁性自由層106の磁化の向きと強磁性固定層104の磁化の向きとが同じとなる。これにより、GMR積層膜の抵抗値が低下する。
次に、GMR積層膜の作製方法について説明する。GMR積層膜の各層は、例えば、到達真空度1.0×10-5Pa以下の超高真空中で行うスパッタリング法により形成できる。各層の材料は、形成する各層と同じ組成を持つスパッタリングターゲットを用いて形成できる。平坦且つ結晶性および配向性のよい層を得るため、成膜時のAr(アルゴン)圧力は10mTorr以下であることが好ましい。成膜後は1.0×10-5Pa以下の超高真空下で磁界中アニール処理を行う。その際のアニール温度は、平坦且つ結晶性および配向性のよい層を得るため、200℃以上、400℃以下であることが好ましい。より好ましくは、240℃以上、300℃以下でアニールすると、さらに平坦且つ結晶性および配向性のよい層が得られる。またアニールにおける磁界の大きさが5kOe以上であると、強磁性固定層の磁化方向の固定化が促進されるため好ましい。
GMR積層膜のセンシング位置である強磁性自由層を保護する観点から、強磁性自由層上には保護層が必要である。ここで、GMR積層膜上から侵入する磁界を検出する際は、保護層を通ってセンシング位置である強磁性自由層に入る磁界を検出する必要がある。したがって、保護層は磁界をよく通す材料から成ることが重要となる。
磁気抵抗効果素子を構成するGMR積層膜の構造は、図2に示すような積層構造を有していてもよい。本実施の形態のGMR積層膜は、基板201上に順に形成された下地層202、反強磁性層203、第1の強磁性固定層204、非磁性結合層205、第2の強磁性固定層206、非磁性中間層207、強磁性自由層208および保護層209により構成されている。このようなGMR積層膜でも、前記実施の形態1と同様に、保護層209上から侵入する磁界を効率よく検出することができる。
本発明者らは、まず強磁性体と磁気結合しない酸化物反強磁性体の膜厚を調べるための試料を作製した。ここで作製したGMR積層膜の構造は、図2に示すものと同じである。保護層209の材料である酸化物反強磁性体としては、NiO(酸化ニッケル)を用いている。
保護層にNiOを用いた磁気抵抗効果デバイスの試料について説明する。磁気抵抗効果デバイスの構造については、図4を用いて後述する。磁気抵抗効果デバイスは、磁気抵抗効果素子を備えたものである。ここで用いる磁気抵抗効果デバイスを構成するGMR積層膜の構造は、図2に示すものと同じである。
102、202 下地層
103、203 反強磁性層
104 強磁性固定層
105、207 非磁性中間層
106、208 強磁性自由層
107、209 保護層
204 第1の強磁性固定層
205 非磁性結合層
206 第2の強磁性固定層
Claims (10)
- 反強磁性層と、
前記反強磁性層上に形成された第1強磁性固定層と、
前記第1強磁性固定層上に形成された第1非磁性層と、
前記第1非磁性層上に形成された強磁性自由層と、
前記強磁性自由層上に形成され、前記強磁性自由層の上面に接する保護層と、
により構成された磁気抵抗効果積層膜を備え、
前記保護層は、
10nm以下の膜厚を有し、
前記強磁性自由層との間で磁気結合を有さず、
酸化物反強磁性体を含む、磁気抵抗効果素子。 - 請求項1記載の磁気抵抗効果素子において、
前記保護層は、第1元素の酸化物を含み、
前記第1元素は、Ni、Cr、Fe、CoまたはMnである、磁気抵抗効果素子。 - 請求項2記載の磁気抵抗効果素子において、
前記反強磁性層は、前記第1元素の酸化物を含む、磁気抵抗効果素子。 - 請求項1記載の磁気抵抗効果素子において、
前記第1非磁性層は、Cuを含み、
前記第1強磁性固定層または前記強磁性自由層は、Fe、Ni、Coまたはこれらの合金を含む、磁気抵抗効果素子。 - 請求項1記載の磁気抵抗効果素子において、
前記第1強磁性固定層は、
第2強磁性固定層と、
前記第2強磁性固定層上に形成された第2非磁性層と、
前記第2非磁性層上に形成された第3強磁性固定層と、
を有する、磁気抵抗効果素子。 - 請求項5記載の磁気抵抗効果素子において、
前記第2強磁性固定層または前記第3強磁性固定層は、CoまたはCo-Fe合金を含み、
前記第2非磁性層は、RuまたはIrを含む、磁気抵抗効果素子。 - 請求項5記載の磁気抵抗効果素子において、
前記第2強磁性固定層の磁化方向と、前記第3強磁性固定層の磁化方向とは、互いに反平行の関係にある、磁気抵抗効果素子。 - 請求項1記載の磁気抵抗効果素子において、
前記反強磁性層は、Ni、Cr、Fe、Co若しくはMnを含む酸化物、または、Fe、Mn、Pt若しくはIrを含む金属から成る、磁気抵抗効果素子。 - 請求項1記載の磁気抵抗効果素子において、
前記反強磁性層の下に形成された下地層と、
前記下地層の下に形成された基板と、
をさらに有し、
前記下地層は、Ta、Ti、Ni、CrまたはFeを含む金属から成る、磁気抵抗効果素子。 - 請求項1記載の磁気抵抗効果素子を備え、
磁気抵抗効果積層膜の上面に接続された複数の電極を有する、磁気抵抗効果デバイス。
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