(57)【要約】【課題】形状磁気異方性を有する自由層を含むＭＲ素子を用いた磁気抵抗効果装置において、自由層の磁化の反転を抑制する。【解決手段】磁気抵抗効果装置１は、ＭＲ素子１０とバイアス磁界発生部２０を備えている。ＭＲ素子１０は、一方向に長い形状の自由層１４を含んでいる。バイアス磁界発生部２０は、バイアス磁界を発生する強磁性層２１を含んでいる。強磁性層２１は、自由層１４の外周を囲うように配置された２つの主要部分２１Ｍ１，２１Ｍ２と第１の側方部分２１Ｓ１と第２の側方部分２１Ｓ２を含んでいる。自由層１４の長手方向に垂直な任意の断面において、第１の側方部分２１Ｓ１と自由層１４との間の最短距離と、第２の側方部分２１Ｓ２と自由層１４との間の最短距離は、３５ｎｍ以下である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気抵抗効果素子と、バイアス磁界発生部とを備えた磁気抵抗効果装置であって、
前記磁気抵抗効果素子は、印加される磁界によって方向が変化可能な磁化を有する自由層を含み、
前記バイアス磁界発生部は、前記自由層に対して印加されるバイアス磁界を発生する強磁性層を含み、
前記自由層は、第１の方向における両端に位置する第１の面および第２の面と、前記第１の面と第２の面を接続する外周面とを有し、
前記第１の面は、前記第１の方向に直交する第２の方向に長い形状を有し、
前記強磁性層は、１つまたは２つの主要部分と、第１の側方部分と、第２の側方部分とを含み、
前記第１の面の重心を通り前記第１の方向および第２の方向に平行な第１の断面において、前記１つまたは２つの主要部分は、前記第２の方向における前記自由層の片側または両側に位置し、
前記第１の面の重心を通り前記第２の方向に垂直な第２の断面において、前記第１の側方部分と前記第２の側方部分は、前記第１の方向および第２の方向に垂直な第３の方向における前記自由層の両側に位置し、
前記第２の断面において、前記自由層の前記外周面と前記第１の側方部分との間の最短距離と、前記自由層の前記外周面と前記第２の側方部分との間の最短距離は、３５ｎｍ以下であることを特徴とする磁気抵抗効果装置。
【請求項２】
前記自由層と交差し前記第２の方向に垂直な任意の断面において、前記自由層の前記外周面と前記第１の側方部分との間の最短距離と、前記自由層の前記外周面と前記第２の側方部分との間の最短距離は、３５ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果装置。
【請求項３】
前記第２の断面において、前記自由層の前記外周面と前記第１の側方部分との間の最短距離と、前記自由層の前記外周面と前記第２の側方部分との間の最短距離は、２０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１または２記載の磁気抵抗効果装置。
【請求項４】
前記磁気抵抗効果素子は、更に、所定の方向の磁化を有する磁化固定層と、前記磁化固定層と前記自由層の間に配置されたギャップ層とを含み、
前記磁化固定層、ギャップ層および自由層は、前記第１の方向に積層されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の磁気抵抗効果装置。
【請求項５】
更に、前記自由層と前記強磁性層とを隔てる非磁性膜を備えたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の磁気抵抗効果装置。
【請求項６】
前記第２の断面において、前記自由層の前記外周面と前記第１の側方部分との間の最短距離と、前記自由層の前記外周面と前記第２の側方部分との間の最短距離は、１〜２０ｎｍの範囲内であることを特徴とする請求項５記載の磁気抵抗効果装置。
【請求項７】
前記１つまたは２つの主要部分は、２つの主要部分であり、
前記自由層の前記第１の面から前記第２の面に向かう方向に見たときに、前記２つの主要部分、前記第１の側方部分および前記第２の側方部分は、前記自由層の外周全体を囲っていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の磁気抵抗効果装置。
【請求項８】
前記バイアス磁界の方向は、前記第２の方向であることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の磁気抵抗効果装置。
【請求項９】
前記バイアス磁界の方向は、前記第２の方向に対して鋭角をなすことを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の磁気抵抗効果装置。
【請求項１０】
前記バイアス磁界発生部は、更に、前記強磁性層と交換結合する反強磁性層を含むことを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載の磁気抵抗効果装置。
【請求項１１】
請求項１ないし１０のいずれかに記載の磁気抵抗効果装置の製造方法であって、
後に前記磁気抵抗効果素子になる構造体を形成する工程と、
前記構造体が前記磁気抵抗効果素子になると共に前記構造体に収容部が形成されるように、前記構造体の一部を除去する工程と、
前記収容部に前記バイアス磁界発生部を形成する工程と
を備えたことを特徴とする磁気抵抗効果装置の製造方法。
【請求項１２】
請求項１ないし１０のいずれかに記載の磁気抵抗効果装置の製造方法であって、
後に前記バイアス磁界発生部になる構造体を形成する工程と、
前記構造体が前記バイアス磁界発生部になると共に前記構造体に収容部が形成されるように、前記構造体の一部を除去する工程と、
前記収容部に前記磁気抵抗効果素子を形成する工程と
を備えたことを特徴とする磁気抵抗効果装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗効果素子とバイアス磁界発生部とを含む磁気抵抗効果装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、種々の用途で、磁気抵抗効果素子を用いた磁気センサ等の磁気抵抗効果装置が利用されている。磁気抵抗効果素子としては、例えばスピンバルブ型の磁気抵抗効果素子が用いられる。スピンバルブ型の磁気抵抗効果素子は、方向が固定された磁化を有する磁化固定層と、印加磁界の方向に応じて方向が変化可能な磁化を有する自由層と、磁化固定層と自由層の間に配置されたギャップ層とを有している。
【０００３】
磁気抵抗効果素子を用いた磁気抵抗効果装置では、磁気抵抗効果素子が、その線形領域で動作することが望ましい。磁気抵抗効果素子の線形領域とは、磁気抵抗効果素子に対する印加磁界と磁気抵抗効果素子の抵抗値の関係を表す特性図において、印加磁界の変化に対して磁気抵抗効果素子の抵抗値が直線的またはほぼ直線的に変化する領域である。
【０００４】
線形領域で動作するように磁気抵抗効果素子の動作領域を調整する方法としては、磁気抵抗効果素子に対してバイアス磁界を印加する方法や、磁気抵抗効果素子の自由層に、形状磁気異方性等の一軸磁気異方性を持たせる方法が知られている。
【０００５】
特許文献１ないし３には、磁気抵抗効果素子と、磁気抵抗効果素子に対してバイアス磁界を印加する強磁性層とを備えた装置が記載されている。
【０００６】
特許文献１では、磁気抵抗効果素子は一方向に長く、強磁性層は、磁気抵抗効果素子の長手方向の両端に位置する２つの縁部と、磁気抵抗効果素子の長手方向に平行な１つの縁部とを囲むように設けられている。
【０００７】
特許文献２，３では、上方から見たときに、強磁性層は、磁気抵抗効果素子の外周全体を囲むように設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平１１−３５３６２１号公報
【特許文献２】特開平５−２５８２４５号公報
【特許文献３】国際公開第２００９／０９０７３９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
形状磁気異方性を有する自由層を含む磁気抵抗効果素子では、印加磁界が無いときの自由層の磁化の方向は、自由層の磁化容易軸に平行で互いに反対方向である２方向のうちの一方に設定されている。しかし、この磁気抵抗効果素子では、外乱磁界の印加等によって、自由層の磁化が反転することがあった。例えば、この磁気抵抗効果素子を用いた磁気センサでは、自由層の磁化が反転すると、その後の磁気センサの検出値が、本来の値とは異なる値になるおそれがある。
【００１０】
一方、磁気抵抗効果素子の周辺に強磁性層を配置して、磁気抵抗効果素子に対してバイアス磁界を印加する場合には、強磁性層の配置の制約等から、磁気抵抗効果素子に対して十分な大きさのバイアス磁界を印加することができない場合がある。
【００１１】
そこで、形状磁気異方性を有する自由層を含む磁気抵抗効果素子を用いると共に、例えば特許文献３に記載されているように、上方から見たときに磁気抵抗効果素子の外周全体を囲むように強磁性層を設けて、自由層の磁化の方向を制御することが考えられる。
【００１２】
しかし、この場合でも、以下のような問題点がある。実際に製造された磁気抵抗効果素子では、ほぼ自由層の長手方向に延びる自由層の２つの側面に微小な凹凸が存在する。そして、この凹凸に起因して自由層内に反転核が形成される場合がある。この反転核が形成された自由層に外乱磁界が印加されると、反転核を起点として、自由層内の磁化反転領域が拡大し、自由層の部分的あるいは全体的な磁化反転が発生する場合がある。
【００１３】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、形状磁気異方性を有する自由層を含む磁気抵抗効果素子を用いた磁気抵抗効果装置であって、自由層の磁化の反転を抑制できるようにした磁気抵抗効果装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の磁気抵抗効果装置は、磁気抵抗効果素子と、バイアス磁界発生部とを備えている。磁気抵抗効果素子は、印加される磁界によって方向が変化可能な磁化を有する自由層を含んでいる。バイアス磁界発生部は、自由層に対して印加されるバイアス磁界を発生する強磁性層を含んでいる。自由層は、第１の方向における両端に位置する第１の面および第２の面と、第１の面と第２の面を接続する外周面とを有している。第１の面は、第１の方向に直交する第２の方向に長い形状を有している。
【００１５】
強磁性層は、１つまたは２つの主要部分と、第１の側方部分と、第２の側方部分とを含んでいる。第１の面の重心を通り第１の方向および第２の方向に平行な第１の断面において、１つまたは２つの主要部分は、第２の方向における自由層の片側または両側に位置している。第１の面の重心を通り第２の方向に垂直な第２の断面において、第１の側方部分と第２の側方部分は、第１の方向および第２の方向に垂直な第３の方向における自由層の両側に位置している。
【００１６】
第２の断面において、自由層の外周面と第１の側方部分との間の最短距離と、自由層の外周面と第２の側方部分との間の最短距離は、３５ｎｍ以下である。
【００１７】
本発明の磁気抵抗効果装置では、自由層と交差し第２の方向に垂直な任意の断面において、自由層の外周面と第１の側方部分との間の最短距離と、自由層の外周面と第２の側方部分との間の最短距離は、３５ｎｍ以下であってもよい。
【００１８】
また、本発明の磁気抵抗効果装置では、第２の断面において、自由層の外周面と第１の側方部分との間の最短距離と、自由層の外周面と第２の側方部分との間の最短距離は、２０ｎｍ以下であってもよい。
【００１９】
また、本発明の磁気抵抗効果装置において、磁気抵抗効果素子は、更に、所定の方向の磁化を有する磁化固定層と、磁化固定層と自由層の間に配置されたギャップ層とを含んでいてもよい。磁化固定層、ギャップ層および自由層は、第１の方向に積層されている。
【００２０】
また、本発明の磁気抵抗効果装置は、更に、自由層と強磁性層とを隔てる非磁性膜を備えていてもよい。この場合、第２の断面において、自由層の外周面と第１の側方部分との間の最短距離と、自由層の外周面と第２の側方部分との間の最短距離は、１〜２０ｎｍの範囲内であってもよい。
【００２１】
また、本発明の磁気抵抗効果装置において、１つまたは２つの主要部分は、２つの主要部分であってもよい。この場合、自由層の第１の面から第２の面に向かう方向に見たときに、２つの主要部分、第１の側方部分および第２の側方部分は、自由層の外周全体を囲っていてもよい。
【００２２】
また、本発明の磁気抵抗効果装置において、バイアス磁界の方向は、第２の方向であってもよいし、第２の方向に対して鋭角をなしていてもよい。
【００２３】
また、本発明の磁気抵抗効果装置において、バイアス磁界発生部は、更に、強磁性層と交換結合する反強磁性層を含んでいてもよい。
【００２４】
本発明の第１および第２の観点の製造方法は、本発明の磁気抵抗効果装置を製造する方法である。
【００２５】
本発明の第１の観点の製造方法は、後に磁気抵抗効果素子になる構造体を形成する工程と、構造体が磁気抵抗効果素子になると共に構造体に収容部が形成されるように、構造体の一部を除去する工程と、収容部にバイアス磁界発生部を形成する工程とを備えている。
【００２６】
本発明の第２の観点の製造方法は、後にバイアス磁界発生部になる構造体を形成する工程と、構造体がバイアス磁界発生部になると共に構造体に収容部が形成されるように、構造体の一部を除去する工程と、収容部に磁気抵抗効果素子を形成する工程とを備えている。
【発明の効果】
【００２７】
本発明の磁気抵抗効果装置およびその製造方法によれば、自由層内に反転核が形成されることを抑制でき、その結果、自由層の磁化の反転を抑制することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果装置の要部を示す平面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果装置の第１の断面を示す断面図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果装置の第２の断面を示す断面図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果装置を含む磁気センサの一例の構成を示す回路図である。
【図５】比較例の磁気抵抗効果装置の要部を示す平面図である。
【図６】比較例の磁気抵抗効果装置の問題点を説明するための説明図である。
【図７】本発明の第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果装置の効果を説明するための説明図である。
【図８】シミュレーションのモデルを示す説明図である。
【図９】シミュレーションの結果を示す特性図である。
【図１０】本発明の第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果装置の製造方法における一工程を示す断面図である。
【図１１】図１０に示した工程に続く工程を示す断面図である。
【図１２】図１１に示した工程に続く工程を示す断面図である。
【図１３】本発明の第１の実施の形態における第１の変形例の磁気抵抗効果装置の要部を示す平面図である。
【図１４】本発明の第１の実施の形態における第２の変形例の磁気抵抗効果装置の要部を示す平面図である。
【図１５】本発明の第２の実施の形態に係る磁気抵抗効果装置の断面図である。
【図１６】本発明の第３の実施の形態に係る磁気抵抗効果装置の断面図である。
【図１７】本発明の第３の実施の形態に係る磁気抵抗効果装置の製造方法における一工程を示す断面図である。
【図１８】図１７に示した工程に続く工程を示す断面図である。
【図１９】図１８に示した工程に続く工程を示す断面図である。
【図２０】本発明の第４の実施の形態に係る磁気抵抗効果装置の断面図である。
【図２１】本発明の第４の実施の形態に係る磁気抵抗効果装置の製造方法における一工程を示す断面図である。
【図２２】図２１に示した工程に続く工程を示す断面図である。
【図２３】図２２に示した工程に続く工程を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
［第１の実施の形態］
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。始めに、本発明の第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果装置１の構成について説明する。図１は、磁気抵抗効果装置１の要部を示す平面図である。図２は、磁気抵抗効果装置１の第１の断面を示す断面図である。図３は、磁気抵抗効果装置１の第２の断面を示す断面図である。第１の断面と第２の断面については、後で説明する。
【００３０】
図２および図３に示したように、磁気抵抗効果装置１は、磁気抵抗効果素子１０と、バイアス磁界発生部２０と、非磁性膜３０と、下部電極４１と、上部電極４２とを備えている。以下、磁気抵抗効果素子をＭＲ素子と記す。下部電極４１は、上面４１ａと下面４１ｂを有している。
【００３１】
ここで、以下のように、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向を定義する。Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向は、互いに直交する。本実施の形態では、下部電極４１の上面４１ａに垂直であって、下面４１ｂから上面４１ａに向かう方向をＺ方向とする。Ｘ方向とＹ方向は、いずれも、下部電極４１の上面４１ａに対して平行な方向である。また、Ｘ方向とは反対の方向を−Ｘ方向とし、Ｙ方向とは反対の方向を−Ｙ方向とし、Ｚ方向とは反対の方向を−Ｚ方向とする。Ｚ方向、Ｙ方向、Ｘ方向は、それぞれ本発明における第１の方向、第２の方向、第３の方向に対応する。また、以下、基準の位置に対してＺ方向の先にある位置を「上方」と言い、基準の位置に対して「上方」とは反対側にある位置を「下方」と言う。
【００３２】
上部電極４２は、下部電極４１の上方に配置されている。ＭＲ素子１０は、下部電極４１と上部電極４２の間に配置されている。ＭＲ素子１０は、下部電極４１に接する下面と、上部電極４２に接する上面と、下面と上面とを接続する外周面とを有している。
【００３３】
非磁性膜３０は、ＭＲ素子１０の周辺における下部電極４１の上面４１ａと、ＭＲ素子１０の外周面とを覆っている。バイアス磁界発生部２０は、ＭＲ素子１０の周辺において、非磁性膜３０と上部電極４２との間に配置されている。本実施の形態では特に、非磁性膜３０は絶縁膜である。
【００３４】
ＭＲ素子１０は、下部電極４１側から順に積層された反強磁性層１１、磁化固定層１２、ギャップ層１３および自由層１４を含んでいる。自由層１４は、第１の方向すなわちＺ方向における両端に位置する上面１４ａおよび下面１４ｂと、上面１４ａと下面１４ｂとを接続する外周面１４ｃとを有している。上面１４ａは、本発明における自由層の第１の面に対応し、下面１４ｂは、本発明における自由層の第２の面に対応する。
【００３５】
自由層１４と同様に、反強磁性層１１、磁化固定層１２およびギャップ層１３の各々も、上面と下面と外周面を有している。ＭＲ素子１０の外周面は、反強磁性層１１、磁化固定層１２、ギャップ層１３および自由層１４の外周面によって構成されている。
【００３６】
磁化固定層１２は、所定の方向の磁化を有している。反強磁性層１１は、下部電極４１に電気的に接続されている。反強磁性層１１は、反強磁性材料よりなり、磁化固定層１２との間で交換結合を生じさせて、磁化固定層１２の磁化の方向を固定する。
【００３７】
自由層１４は、印加される磁界によって方向が変化可能な磁化を有している。自由層１４は、上部電極４２に電気的に接続されている。ギャップ層１３は、磁化固定層１２と自由層１４の間に配置されている。
【００３８】
なお、ＭＲ素子１０における層１１〜１４の配置は、図２および図３に示した配置とは上下が反対でもよい。また、ＭＲ素子１０は、反強磁性層１１を含まない構成であってもよい。この構成は、例えば、反強磁性層１１および磁化固定層１２の代わりに、２つの強磁性層とこの２つの強磁性層の間に配置された非磁性金属層とを含む人工反強磁性構造の磁化固定層を含む構成であってもよい。
【００３９】
上部電極４２と下部電極４１は、ＭＲ素子１０に対して、磁気的信号検出用の電流を流すためのものである。
【００４０】
ＭＲ素子１０は、スピンバルブ型のＭＲ素子である。また、ＭＲ素子１０は、磁気的信号検出用の電流を、ＭＲ素子１０を構成する各層の面に対してほぼ垂直な方向に流すＣＰＰ（Current Perpendicular to Plane）タイプのＭＲ素子である。
【００４１】
ＭＲ素子１０は、ＴＭＲ（トンネル磁気抵抗効果）素子でもよいし、ＧＭＲ（巨大磁気抵抗効果）素子でもよい。ＴＭＲ素子では、ギャップ層１３はトンネルバリア層である。ＧＭＲ素子では、ギャップ層１３は非磁性導電層である。ＭＲ素子１０では、自由層１４の磁化の方向が磁化固定層１２の磁化の方向に対してなす角度に応じて抵抗値が変化し、この角度が０°のときに抵抗値は最小値となり、角度が１８０°のときに抵抗値は最大値となる。
【００４２】
図１では、上部電極４２を省略して、ＭＲ素子１０とバイアス磁界発生部２０を示している。図１は、自由層１４の上面１４ａから下面１４ｂに向かう方向に見たとき、すなわち上方から見たときのＭＲ素子１０およびバイアス磁界発生部２０の形状と配置を表している。上方から見たときに、ＭＲ素子１０は、第２の方向すなわちＹ方向に長い形状を有している。従って、図１に示したように、自由層１４の上面１４ａおよび全体も、Ｙ方向に長い形状を有している。これにより、自由層１４は、形状磁気異方性を有している。自由層１４の磁化容易軸は、自由層１４の長手方向すなわちＹ方向に平行な方向に向いている。磁化固定層１２の磁化の方向は、例えばＸ方向または−Ｘ方向である。
【００４３】
図１には、上方から見たときのＭＲ素子１０および自由層１４の形状が楕円形である例を示している。しかし、上方から見たときのＭＲ素子１０および自由層１４の形状は、楕円形に限らず、例えば長方形であってもよい。
【００４４】
バイアス磁界発生部２０は、自由層１４に対してバイアス磁界を印加するものである。バイアス磁界発生部２０は、自由層１４に対して印加されるバイアス磁界を発生する強磁性層２１を含んでいる。本実施の形態では特に、強磁性層２１は、硬磁性材料よりなる硬磁性層である。本実施の形態における強磁性層２１の保磁力は、２５０Ｏｅ（１Ｏｅは７９．６Ａ／ｍ）以上であることが好ましい。非磁性膜３０は、自由層１４と強磁性層２１とを隔てている。
【００４５】
ここで、図１に示したように、自由層１４の上面１４ａの重心Ｃを通りＺ方向およびＹ方向に平行な断面を第１の断面ＣＳ１と言う。また、重心Ｃを通りＹ方向に垂直な断面を第２の断面ＣＳ２と言う。図２は、図１における右側から見た第１の断面ＣＳ１を示している。図３は、図１における下側から見た第２の断面ＣＳ２を示している。
【００４６】
強磁性層２１は、１つまたは２つの主要部分と、第１の側方部分２１Ｓ１と、第２の側方部分２１Ｓ２とを含んでいる。１つまたは２つの主要部分は、自由層１４に対してバイアス磁界を印加するために必要な部分である。図１には、１つまたは２つの主要部分が２つの主要部分２１Ｍ１，２１Ｍ２である例を示している。後で詳しく説明するが、第１および第２の側方部分２１Ｓ１，２１Ｓ２は、自由層１４内に反転核が形成されることを抑制するために必要な部分である。
【００４７】
図１および図２に示したように、第１の断面ＣＳ１において、２つの主要部分２１Ｍ１，２１Ｍ２は、Ｙ方向における自由層１４の両側に位置している。主要部分２１Ｍ１は、自由層１４に対して−Ｙ方向の先に位置している。主要部分２１Ｍ２は、自由層１４に対してＹ方向の先に位置している。
【００４８】
なお、１つまたは２つの主要部分は、主要部分２１Ｍ１，２１Ｍ２の一方のみであってもよい。この場合は、第１の断面ＣＳ１において、１つの主要部分は、Ｙ方向における自由層１４の片側に位置することになる。
【００４９】
図１および図３に示したように、第２の断面ＣＳ２において、第１および第２の側方部分２１Ｓ１，２１Ｓ２は、Ｘ方向における自由層１４の両側に位置している。第１の側方部分２１Ｓ１は、自由層１４に対して−Ｘ方向の先に位置している。第２の側方部分２１Ｓ２は、自由層１４に対してＸ方向の先に位置している。
【００５０】
第１および第２の側方部分２１Ｓ１，２１Ｓ２の各々は、非磁性膜３０を介して、ＭＲ素子１０の外周面に対向する端面を有している。第１および第２の側方部分２１Ｓ１，２１Ｓ２の各々の端面は、自由層１４の外周面１４ｃに対向する部分を含んでいる。
【００５１】
図１に示したように、本実施の形態では特に、自由層１４の上面１４ａから下面１４ｂに向かう方向に見たとき、すなわち上方から見たときに、２つの主要部分２１Ｍ１，２１Ｍ２、第１の側方部分２１Ｓ１および第２の側方部分２１Ｓ２は、連続し、自由層１４の外周全体を囲っている。図１では、主要部分２１Ｍ１と第１の側方部分２１Ｓ１の境界、主要部分２１Ｍ１と第２の側方部分２１Ｓ２の境界、主要部分２１Ｍ２と第１の側方部分２１Ｓ１の境界、および主要部分２１Ｍ２と第２の側方部分２１Ｓ２の境界を、それぞれ点線で示している。
【００５２】
ここで、図３に示したように、第２の断面ＣＳ２における、自由層１４の外周面１４ｃと第１の側方部分２１Ｓ１との間の最短距離を第１の距離Ｇ１と言い、第２の断面ＣＳ２における、自由層１４の外周面１４ｃと第２の側方部分２１Ｓ２との間の最短距離を第２の距離Ｇ２と言う。本実施の形態では、第１および第２の距離Ｇ１，Ｇ２は３５ｎｍ以下である。
【００５３】
本実施の形態では特に、第２の断面ＣＳ２に限らず、自由層１４と交差しＹ方向に垂直な任意の断面において、自由層１４の外周面１４ｃと第１の側方部分２１Ｓ１との間の最短距離と、自由層１４の外周面１４ｃと第２の側方部分２１Ｓ２との間の最短距離は、３５ｎｍ以下である。
【００５４】
また、自由層１４の外周面１４ｃと第１の側方部分２１Ｓ１の端面とが対向する領域の全域において、自由層１４の外周面１４ｃと第１の側方部分２１Ｓ１との間隔は、３５ｎｍ以下であることが好ましい。同様に、自由層１４の外周面１４ｃと第２の側方部分２１Ｓ２の端面とが対向する領域の全域において、自由層１４の外周面１４ｃと第２の側方部分２１Ｓ２との間隔は、３５ｎｍ以下であることが好ましい。
【００５５】
図１において、符号Ｍｂを付した４つの矢印は、それぞれ２つの主要部分２１Ｍ１，２１Ｍ２、第１の側方部分２１Ｓ１および第２の側方部分２１Ｓ２の磁化の方向の一例を表している。この例では、これら４つの部分２１Ｍ１，２１Ｍ２，２１Ｓ１，２１Ｓ２の磁化の方向Ｍｂは、いずれもＹ方向である。また、図１において、符号Ｈｂを付した矢印は、自由層１４に印加されるバイアス磁界の方向を表している。この例では、バイアス磁界の方向ＨｂもＹ方向である。この場合、自由層１４に対してバイアス磁界以外の磁界が印加されていない状態における自由層１４の磁化の方向もＹ方向である。
【００５６】
本実施の形態に係る磁気抵抗効果装置１は、例えば磁気センサに用いられる。ここで、図４を参照して、本実施の形態に係る磁気抵抗効果装置１を用いた磁気センサの一例について説明する。図４は、磁気センサの一例の構成を示す回路図である。
【００５７】
図４に示した磁気センサ５０は、Ｘ方向または−Ｘ方向の検出対象磁界の強度に応じて変化する検出信号を生成するものである。磁気センサ５０は、ホイートストンブリッジ回路５１と、差分検出器５２とを有している。ホイートストンブリッジ回路５１は、所定の電圧が印加される電源ポートＶと、グランドに接続されるグランドポートＧと、第１の出力ポートＥ１と、第２の出力ポートＥ２とを含んでいる。
【００５８】
ホイートストンブリッジ回路５１は、更に、第１の抵抗部Ｒ１と、第２の抵抗部Ｒ２と、第３の抵抗部Ｒ３と、第４の抵抗部Ｒ４とを含んでいる。第１の抵抗部Ｒ１は、電源ポートＶと第１の出力ポートＥ１との間に設けられている。第２の抵抗部Ｒ２は、第１の出力ポートＥ１とグランドポートＧとの間に設けられている。第３の抵抗部Ｒ３は、電源ポートＶと第２の出力ポートＥ２との間に設けられている。第４の抵抗部Ｒ４は、第２の出力ポートＥ２とグランドポートＧとの間に設けられている。
【００５９】
抵抗部Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４の各々は、本実施の形態に係る磁気抵抗効果装置１を含んでいる。図４において、塗りつぶした矢印は、磁化固定層１２の磁化の方向を表し、白抜きの矢印は、自由層１４の磁化の方向を表している。抵抗部Ｒ１，Ｒ４における磁化固定層１２の磁化の方向はＸ方向である。抵抗部Ｒ２，Ｒ３における磁化固定層１２の磁化の方向は−Ｘ方向である。
【００６０】
抵抗部Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４の各々における自由層１４の磁化の方向は、検出対象磁界の強度に応じて変化する。図４において、Ｘ方向から反時計回り方向に見て自由層１４の磁化の方向がＸ方向に対してなす角度は、０°より大きく１８０°よりも小さい範囲で変化する。出力ポートＥ１の電位と、出力ポートＥ２の電位と、出力ポートＥ１，Ｅ２の電位差は、自由層１４の磁化の方向に応じて変化する。差分検出器５２は、出力ポートＥ１，Ｅ２の電位差に対応する信号を、磁気センサ５０の検出信号として出力する。検出信号は、検出対象磁界の強度に応じて変化する。
【００６１】
以下、本実施の形態に係る磁気抵抗効果装置１の作用および効果について説明する。始めに、比較例の磁気抵抗効果装置の問題点について説明する。図５は、比較例の磁気抵抗効果装置１０１の要部を示す平面図である。比較例の磁気抵抗効果装置１０１は、ＭＲ素子１１０と、バイアス磁界発生部１２０と、非磁性膜１３０と、図示しない下部電極および上部電極を備えている。
【００６２】
ＭＲ素子１１０は、本実施の形態におけるＭＲ素子１０と同様に、下部電極側から順に積層された反強磁性層、磁化固定層、ギャップ層および自由層１１４を含んでいる。ＭＲ素子１１０の形状は、本実施の形態におけるＭＲ素子１０と同様である。
【００６３】
バイアス磁界発生部１２０は、自由層１１４に対してバイアス磁界を印加するものである。バイアス磁界発生部１２０は、自由層１１４に対して印加されるバイアス磁界を発生する強磁性層１２１を含んでいる。強磁性層１２１は、第１の部分１２１Ａと第２の部分１２１Ｂとを含んでいる。第１の部分１２１Ａは、自由層１１４に対して−Ｙ方向の先に配置されている。第２の部分１２１Ｂは、自由層１１４に対してＹ方向の先に配置されている。強磁性層１２１は、本実施の形態における強磁性層２１の第１および第２の側方部分２１Ｓ１，２１Ｓ２に相当する部分を含んでいない。
【００６４】
非磁性膜１３０は、ＭＲ素子１１０の外周面を覆い、自由層１１４と強磁性層１２１とを隔てている。
【００６５】
図５において、符号Ｍｂを付した２つの矢印は、第１および第２の部分１２１Ａ，１２１Ｂの磁化の方向を表している。第１および第２の部分１２１Ａ，１２１Ｂの磁化の方向はＹ方向である。自由層１１４に印加されるバイアス磁界の方向もＹ方向である。
【００６６】
次に、図６を参照して、比較例の磁気抵抗効果装置１０１の問題点について説明する。一般的に、実際に製造されたＭＲ素子では、自由層の外周面に微小な凹凸が存在する。そして、この凹凸に起因して、自由層内に反転核が形成される場合がある。図６は、比較例における自由層１１４内に反転核が形成される様子を表している。図６は、自由層１１４の外周面１１４ｃに存在する１つの凸部１１４ｄを示している。図６において、符号Ｍｆを付した矢印は、自由層１１４の磁化の方向を表している。図６に示したように、自由層１１４における凸部１１４ｄの近傍では、凸部１１４ｄに起因した反磁界が生じて、その結果、自由層１１４の磁化の方向Ｍｆとは異なる方向、例えば方向Ｍｆとは反対方向の磁化を有する微小領域が発生する。この微小領域が反転核となる。図６において、記号“＋”と記号“−”は、それぞれ、凸部１１４ｄの近傍に生じたＮ極とＳ極を表している。また、凸部１１４ｄの近傍に描かれた２つの矢印は、反磁界を表している。
【００６７】
比較例の磁気抵抗効果装置１０１では、反転核が形成された自由層１１４に外乱磁界が印加されると、反転核を起点として、自由層１１４内の磁化反転領域が拡大し、自由層１１４の部分的あるいは全体的な磁化反転が発生する場合がある。このようにして自由層１１４の磁化反転が発生すると、自由層１１４の磁化反転が発生する前と比べて、磁気抵抗効果装置１０１の特性が変化する。これは、例えば磁気抵抗効果装置１０１を用いた磁気センサの特性の変動の原因となる。磁気センサの特性の変動とは、例えば、感度、線形性、ヒステリシス特性等の悪化である。
【００６８】
次に、図７を参照して、本実施の形態に係る磁気抵抗効果装置１の効果について説明する。図７は、上方から見た自由層１４、第１の側方部分２１Ｓ１および非磁性膜３０のそれぞれの一部を示している。図７には、自由層１４の外周面１４ｃに存在する１つの凸部１４ｄを示している。図７において、符号Ｍｆを付した矢印は自由層１４の磁化の方向を表し、符号Ｍｂを付した矢印は第１の側方部分２１Ｓ１の磁化の方向を表している。
【００６９】
本実施の形態では、自由層１４は、第１および第２の側方部分２１Ｓ１，２１Ｓ２と静磁気結合する。図７において、凸部１４ｄ内に描かれた矢印は、第１の側方部分２１Ｓ１によって凸部１４ｄ内に生じた磁界を表している。図７に示したように、本実施の形態では、凸部１４ｄの近傍に、凸部１４ｄに起因した反磁界が生じることが抑制される。
【００７０】
本実施の形態では、自由層１４が第１の側方部分２１Ｓ１と静磁気結合することにより、第１の側方部分２１Ｓ１に面した自由層１４の外周面１４ｃの一部に存在する微小な凹凸に起因して、自由層１４内に反転核が形成されることが抑制される。同様に、本実施の形態では、自由層１４が第２の側方部分２１Ｓ２と静磁気結合することにより、第２の側方部分２１Ｓ２に面した自由層１４の外周面１４ｃの一部に存在する微小な凹凸に起因して、自由層１４内に反転核が形成されることが抑制される。これらのことから、本実施の形態によれば、自由層１４の磁化の反転を抑制することができる。
【００７１】
自由層１４が第１および第２の側方部分２１Ｓ１，２１Ｓ２と静磁気結合するためには、自由層１４の外周面１４ｃと第１の側方部分２１Ｓ１の間隔と、自由層１４の外周面１４ｃと第２の側方部分２１Ｓ２の間隔が、ある程度小さいことが必要である。本実施の形態において、第１および第２の距離Ｇ１，Ｇ２が３５ｎｍ以下であるという要件は、自由層１４が第１および第２の側方部分２１Ｓ１，２１Ｓ２と静磁気結合するために必要な要件である。
【００７２】
次に、シミュレーションの結果を参照して、本実施の形態における第１および第２の距離Ｇ１，Ｇ２の規定について説明する。図８は、シミュレーションのモデルを示す説明図である。このモデルは、自由層１４と、強磁性層２１と、これらの間の非磁性膜３０を含んでいる。互いに対向する自由層１４の外周面１４ｃの一部と強磁性層２１の端面の一部の各々には、一定の周期λおよび一定の振幅ｈの複数の凹凸が存在する。互いに対向する自由層１４の外周面１４ｃの一部と強磁性層２１の端面の一部との間隔Ｇは一定である。図８において、記号“＋”はＮ極を表し、記号“−”はＳ極を表している。
【００７３】
図８に示したモデルでは、自由層１４と強磁性層２１の間に、凹凸に起因したネール結合が生じる。このネール結合による自由層１４と強磁性層２１の間の層間結合エネルギーは、上記の周期λ、振幅ｈおよび間隔Ｇに依存する。
【００７４】
シミュレーションでは、周期λ、振幅ｈおよび間隔Ｇと、層間結合エネルギーとの関係を調べた。シミュレーションの結果を、図９に示す。図９において、横軸は間隔Ｇを示し、縦軸は、任意単位（ａ．ｕ．）で表した層間結合エネルギーを示している。図９において、符号７１を付した線は、周期λが１００ｎｍ、振幅ｈが１５ｎｍのときの間隔Ｇと層間結合エネルギーとの関係を表している。符号７２を付した線は、周期λが１００ｎｍ、振幅ｈが３５ｎｍのときの間隔Ｇと層間結合エネルギーとの関係を表している。符号７３を付した線は、周期λが１４ｎｍ、振幅ｈが５ｎｍのときの間隔Ｇと層間結合エネルギーとの関係を表している。符号７４を付した線は、周期λが１４ｎｍ、振幅ｈが８ｎｍのときの間隔Ｇと層間結合エネルギーとの関係を表している。符号７５を付した線は、周期λが１４ｎｍ、振幅ｈが１８ｎｍのときの間隔Ｇと層間結合エネルギーとの関係を表している。
【００７５】
図９に示したように、間隔Ｇが大きくなるほど、層間結合エネルギーは小さくなる。間隔Ｇが３５ｎｍよりも大きくなると、符号７１〜７５に対応する５つのケースの中では最も層間結合エネルギーが大きい、符号７２に対応するケースであっても、層間結合エネルギーは非常に小さくなる。そこで、本実施の形態では、第１および第２の距離Ｇ１，Ｇ２を３５ｎｍ以下にしている。第１および第２の距離Ｇ１，Ｇ２は、２０ｎｍ以下であることが好ましい。
【００７６】
一方、第１および第２の距離Ｇ１，Ｇ２は、非磁性膜３０の厚みとほぼ等しい。欠陥のない非磁性膜３０を形成するためには、第１および第２の距離Ｇ１，Ｇ２は、１ｎｍ以上であることが好ましい。そのため、磁気抵抗効果装置１が非磁性膜３０を備えている場合には、第１および第２の距離Ｇ１，Ｇ２は、１〜２０ｎｍの範囲内であることが好ましい。
【００７７】
次に、図１０ないし図１２を参照して、本実施の形態に係る磁気抵抗効果装置１の製造方法について説明する。図１０ないし図１２は、それぞれ、磁気抵抗効果装置１の製造過程における積層体の断面であって、前記第２の断面に対応する断面を示している。
【００７８】
本実施の形態に係る磁気抵抗効果装置１の製造方法では、まず、図１０に示したように、図示しない基板上に、下部電極４１を形成する。次に、下部電極４１の上に、後にＭＲ素子１０になる構造体８０を形成する。具体的には、下部電極４１の上に、例えばスパッタ法によって、反強磁性層１１となる反強磁性膜１１Ｐ、磁化固定層１２となる磁性膜１２Ｐ、ギャップ層１３となる非磁性膜１３Ｐ、自由層１４となる磁性膜１４Ｐを順に形成する。次に、構造体８０の上に、構造体８０をパターニングするために用いられるマスク８１を形成する。マスク８１は、後に容易に除去できるように、図１０に示したように、アンダーカットを有する形状のものであることが好ましい。
【００７９】
図１１は、次の工程を示す。この工程では、マスク８１をエッチングマスクとして用いて、例えばイオンミリングによって、構造体８０がＭＲ素子１０になると共に構造体８０に収容部８２が形成されるように、構造体８０の一部を除去する。
【００８０】
図１２は、次の工程を示す。この工程では、まず、マスク８１を残したまま、例えばスパッタ法によって、図１１に示した積層体の上面全体の上に、非磁性膜３０と、バイアス磁界発生部２０を構成する強磁性層２１を順に形成する。バイアス磁界発生部２０（強磁性層２１）は、図１１に示した収容部８２に形成される。次に、マスク８１を除去する。次に、ＭＲ素子１０、バイアス磁界発生部２０（強磁性層２１）および非磁性膜３０の上に、上部電極４２を形成する。これにより、磁気抵抗効果装置１が完成する。
【００８１】
本実施の形態に係る磁気抵抗効果装置１の製造方法によれば、ＭＲ素子１０とバイアス磁界発生部２０を自己整合的に形成することができる。これにより、本実施の形態によれば、ＭＲ素子１０とバイアス磁界発生部２０を精度よく位置合わせすることができる。また、本実施の形態によれば、自由層１４の外周面１４ｃと第１の側方部分２１Ｓ１の間隔と、自由層１４の外周面１４ｃと第２の側方部分２１Ｓ２の間隔を、所望の小さい値になるように精度よく制御することができる。
【００８２】
次に、本実施の形態に係る磁気抵抗効果装置１の第１および第２の変形例について説明する。
【００８３】
図１３は、第１の変形例の磁気抵抗効果装置１の要部を示す平面図である。第１の変形例では、２つの主要部分２１Ｍ１，２１Ｍ２、第１の側方部分２１Ｓ１および第２の側方部分２１Ｓ２の磁化の方向Ｍｂは、第２の方向すなわちＹ方向に対して鋭角をなす同じ方向である。第１の変形例では、バイアス磁界の方向は、第２の方向すなわちＹ方向に対して鋭角をなす。図１３において、符号Ｈｂを付した３つの矢印は、それぞれ、３つの矢印が描かれた自由層１４内の３箇所におけるバイアス磁界の方向を表している。図１３に示した例では、これら３箇所におけるバイアス磁界の方向は、いずれも、主要部分２１Ｍ１，２１Ｍ２および側方部分２１Ｓ１，２１Ｓ２の磁化の方向Ｍｂよりも、若干Ｘ方向に向かって傾いている。図１３に示したように、自由層１４内の位置によってバイアス磁界の方向は若干異なっていてもよい。第１の変形例では、自由層１４に対してバイアス磁界以外の磁界が印加されていない状態における自由層１４の磁化の方向は、自由層１４の形状磁気異方性による異方性磁界とバイアス磁界とによって決まり、Ｙ方向に対して鋭角をなす。
【００８４】
第１の変形例によれば、バイアス磁界の方向Ｈｂによって、自由層１４に対してバイアス磁界以外の磁界が印加されていない状態における自由層１４の磁化の方向を制御することができる。これにより、ＭＲ素子１０の動作領域を調整することができる。
【００８５】
図１４は、第２の変形例の磁気抵抗効果装置１の要部を示す平面図である。第２の変形例では、上方から見たときのＭＲ素子１０および自由層１４の形状は、Ｙ方向に長い長方形である。また、第２の変形例におけるバイアス磁界発生部２０の強磁性層２１は、互いに分離された２つの主要部分２１Ｍ１，２１Ｍ２、第１の側方部分２１Ｓ１および第２の側方部分２１Ｓ２を含んでいる。
【００８６】
第１の断面ＣＳ１において、２つの主要部分２１Ｍ１，２１Ｍ２は、Ｙ方向における自由層１４の両側に位置している。主要部分２１Ｍ１は、自由層１４に対して−Ｙ方向の先に位置している。主要部分２１Ｍ２は、自由層１４に対してＹ方向の先に位置している。
【００８７】
第２の断面ＣＳ２において、第１および第２の側方部分２１Ｓ１，２１Ｓ２は、Ｘ方向における自由層１４の両側に位置している。第１の側方部分２１Ｓ１は、自由層１４に対して−Ｘ方向の先に位置している。第２の側方部分２１Ｓ２は、自由層１４に対してＸ方向の先に位置している。非磁性膜３０は、自由層１４と強磁性層２１とを隔てている。
【００８８】
図１４には、１つまたは２つの主要部分が２つの主要部分２１Ｍ１，２１Ｍ２である例を示している。しかし、１つまたは２つの主要部分は、主要部分２１Ｍ１，２１Ｍ２の一方のみであってもよい。
【００８９】
第２の変形例において、２つの主要部分２１Ｍ１，２１Ｍ２、第１の側方部分２１Ｓ１および第２の側方部分２１Ｓ２の磁化の方向Ｍｂとバイアス磁界の方向Ｈｂは、Ｙ方向であってもよいし、第１の変形例のようにＹ方向に対して鋭角をなす同じ方向であってもよい。
【００９０】
第２の変形例のように、１つまたは２つの主要部分と第１の側方部分２１Ｓ１と第２の側方部分２１Ｓ２が互いに分離されている場合でも、これらが連続している場合と同様の効果が得られる。
【００９１】
［第２の実施の形態］
次に、図１５を参照して、本発明の第２の実施の形態について説明する。図１５は、本実施の形態に係る磁気抵抗効果装置２０１の断面図である。なお、図１５は、第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果装置１の第２の断面（図３参照）に対応する断面を示している。
【００９２】
本実施の形態に係る磁気抵抗効果装置２０１の構成は、以下の点で第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果装置１と異なっている。すなわち、本実施の形態に係る磁気抵抗効果装置２０１では、バイアス磁界発生部２０の強磁性層２１は、軟磁性材料よりなる軟磁性層である。本実施の形態における強磁性層２１の保磁力は、２０Ｏｅ以下であることが好ましい。
【００９３】
また、本実施の形態では、バイアス磁界発生部２０は、更に、強磁性層２１と交換結合する反強磁性層２２を含んでいる。反強磁性層２２は、強磁性層２１と非磁性膜３０との間に配置されている。
【００９４】
第１の実施の形態で説明したように、強磁性層２１は、１つまたは２つの主要部分と、第１の側方部分２１Ｓ１と、第２の側方部分２１Ｓ２とを含んでいる。反強磁性層２２は、反強磁性材料よりなり、強磁性層２１との間で交換結合を生じさせて、１つまたは２つの主要部分、第１の側方部分２１Ｓ１および第２の側方部分２１Ｓ２の磁化の方向を固定する。
【００９５】
本実施の形態におけるその他の構成、作用および効果は、第１の実施の形態と同様である。
【００９６】
［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。始めに、図１６を参照して、本実施の形態に係る磁気抵抗効果装置３０１の構成について説明する。図１６は、本実施の形態に係る磁気抵抗効果装置３０１の断面図である。なお、図１６は、第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果装置１の第１の断面（図２参照）に対応する断面を示している。
【００９７】
本実施の形態に係る磁気抵抗効果装置３０１の構成は、以下の点で第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果装置１と異なっている。すなわち、本実施の形態に係る磁気抵抗効果装置３０１は、第１の実施の形態におけるＭＲ素子１０、非磁性膜３０、下部電極４１および上部電極４２の代わりに、ＭＲ素子３１０、非磁性膜３３０、第１の電極３４１および第２の電極３４２を備えている。磁気抵抗効果装置３０１は、更に、絶縁層３４０を備えている。
【００９８】
ＭＲ素子３１０は、絶縁層３４０の上に配置されている。ＭＲ素子３１０は、絶縁層３４０に接する下面と、上面と、下面と上面とを接続する外周面とを有している。
【００９９】
非磁性膜３３０は、ＭＲ素子３１０の周辺における絶縁層３４０の上面と、ＭＲ素子３１０の外周面とを覆っている。バイアス磁界発生部２０は、ＭＲ素子３１０の周辺において、非磁性膜３３０の上に配置されている。本実施の形態では特に、非磁性膜３３０は非磁性金属膜である。
【０１００】
第１の電極３４１は、バイアス磁界発生部２０の主要部分２１Ｍ１の上面から、主要部分２１Ｍ１の近傍における非磁性膜３３０およびＭＲ素子３１０の上面の一部にかけて形成されている。第２の電極３４２は、バイアス磁界発生部２０の主要部分２１Ｍ２の上面から、主要部分２１Ｍ２の近傍における非磁性膜３３０およびＭＲ素子３１０の上面の一部にかけて形成されている。
【０１０１】
ＭＲ素子３１０は、絶縁層３４０側から順に積層された反強磁性層３１１、磁化固定層３１２、ギャップ層３１３および自由層３１４を含んでいる。自由層３１４は、第１の方向すなわちＺ方向における両端に位置する上面３１４ａおよび下面３１４ｂと、上面３１４ａと下面３１４ｂとを接続する外周面３１４ｃとを有している。上面３１４ａは、本発明における自由層の第１の面に対応し、下面３１４ｂは、本発明における自由層の第２の面に対応する。
【０１０２】
自由層３１４と同様に、反強磁性層３１１、磁化固定層３１２およびギャップ層３１３の各々も、上面と下面と外周面を有している。ＭＲ素子３１０の外周面は、反強磁性層３１１、磁化固定層３１２、ギャップ層３１３および自由層３１４の外周面によって構成されている。反強磁性層３１１、磁化固定層３１２、ギャップ層３１３および自由層３１４の機能は、第１の実施の形態における反強磁性層１１、磁化固定層１２、ギャップ層１３および自由層１４の機能と同じである。
【０１０３】
第１の電極３４１と第２の電極３４２は、ＭＲ素子３１０に対して、磁気的信号検出用の電流を流すためのものである。
【０１０４】
ＭＲ素子３１０は、磁気的信号検出用の電流を、ＭＲ素子３１０を構成する各層の面に対してほぼ平行な方向に流すＣＩＰ（Current In Plane）タイプのＧＭＲ素子である。ギャップ層３１３は、非磁性導電層である。
【０１０５】
本実施の形態におけるバイアス磁界発生部２０は、自由層３１４に対してバイアス磁界を印加するものである。図１６には、バイアス磁界発生部２０が、第１の実施の形態と同様に、硬磁性材料よりなる硬磁性層である強磁性層２１を含んでいる例を示している。
【０１０６】
次に、図１６ないし図１９を参照して、本実施の形態に係る磁気抵抗効果装置３０１の製造方法について説明する。図１７ないし図１９は、それぞれ、磁気抵抗効果装置３０１の製造過程における積層体の断面であって、図１６に示した断面に対応する断面を示している。
【０１０７】
本実施の形態に係る磁気抵抗効果装置１の製造方法では、まず、図１７に示したように、図示しない基板上に、絶縁層３４０を形成する。次に、絶縁層３４０の上に、後にＭＲ素子３１０になる構造体３８０を形成する。具体的には、絶縁層３４０の上に、例えばスパッタ法によって、反強磁性層３１１となる反強磁性膜３１１Ｐ、磁化固定層３１２となる磁性膜３１２Ｐ、ギャップ層３１３となる非磁性膜３１３Ｐ、自由層３１４となる磁性膜３１４Ｐを順に形成する。次に、構造体３８０の上に、構造体３８０をパターニングするために用いられるマスク３８１を形成する。マスク３８１は、後に容易に除去できるように、図１７に示したように、アンダーカットを有する形状のものであることが好ましい。
【０１０８】
図１８は、次の工程を示す。この工程では、マスク３８１をエッチングマスクとして用いて、例えばイオンミリングによって、構造体３８０がＭＲ素子３１０になると共に構造体３８０に収容部３８２が形成されるように、構造体３８０の一部を除去する。
【０１０９】
図１９は、次の工程を示す。この工程では、まず、マスク３８１を残したまま、例えばスパッタ法によって、図１８に示した積層体の上面全体の上に、非磁性膜３３０と、バイアス磁界発生部２０を構成する強磁性層２１を順に形成する。バイアス磁界発生部２０（強磁性層２１）は、図１８に示した収容部３８２に形成される。次に、マスク３８１を除去する。次に、図１６に示したように、ＭＲ素子３１０、バイアス磁界発生部２０（強磁性層２１）および非磁性膜３３０の上に、第１および第２の電極３４１，３４２を形成する。これにより、磁気抵抗効果装置３０１が完成する。
【０１１０】
なお、本実施の形態におけるバイアス磁界発生部２０は、第２の実施の形態と同様に、反強磁性層２２と強磁性層２１の積層体であってもよい。
【０１１１】
本実施の形態におけるその他の構成、作用および効果は、第１または第２の実施の形態と同様である。
【０１１２】
［第４の実施の形態］
次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。始めに、図２０を参照して、本実施の形態に係る磁気抵抗効果装置４０１の構成について説明する。図２０は、本実施の形態に係る磁気抵抗効果装置４０１の断面図である。なお、図２０は、第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果装置１の第１の断面（図２参照）に対応する断面を示している。
【０１１３】
本実施の形態に係る磁気抵抗効果装置４０１の構成は、以下の点で第３の実施の形態に係る磁気抵抗効果装置４０１と異なっている。すなわち、本実施の形態に係る磁気抵抗効果装置４０１は、第３の実施の形態におけるＭＲ素子３１０、第１の電極３４１、第２の電極３４２および絶縁層３４０の代わりに、ＭＲ素子４１０、第１の電極４４１、第２の電極４４２および絶縁層４４０を備えている。本実施の形態では、第３の実施の形態における非磁性膜３３０は設けられていない。
【０１１４】
ＭＲ素子４１０、第１の電極４４１、第２の電極４４２および絶縁層４４０の配置は、第３の実施の形態におけるＭＲ素子３１０、第１の電極３４１、第２の電極３４２および絶縁層３４０の配置と同様である。本実施の形態では、バイアス磁界発生部２０は、ＭＲ素子３１０の周辺において、絶縁層４４０の上に配置されている。
【０１１５】
ＭＲ素子４１０は、絶縁層４４０側から順に積層された反強磁性層４１１、磁化固定層４１２、ギャップ層４１３および自由層４１４を含んでいる。自由層４１４は、第１の方向すなわちＺ方向における両端に位置する上面４１４ａおよび下面４１４ｂと、上面４１４ａと下面４１４ｂとを接続する外周面４１４ｃとを有している。上面４１４ａは、本発明における自由層の第１の面に対応し、下面４１４ｂは、本発明における自由層の第２の面に対応する。
【０１１６】
自由層４１４と同様に、反強磁性層４１１、磁化固定層４１２およびギャップ層４１３の各々も、上面と下面と外周面を有している。ＭＲ素子４１０の外周面は、反強磁性層４１１、磁化固定層４１２、ギャップ層４１３および自由層４１４の外周面によって構成されている。反強磁性層４１１、磁化固定層４１２、ギャップ層４１３および自由層４１４の機能は、第１の実施の形態における反強磁性層１１、磁化固定層１２、ギャップ層１３および自由層１４の機能と同じである。
【０１１７】
第１の電極４４１と第２の電極４４２は、ＭＲ素子４１０に対して、磁気的信号検出用の電流を流すためのものである。
【０１１８】
ＭＲ素子４１０は、ＣＩＰタイプのＧＭＲ素子である。ギャップ層４１３は、非磁性導電層である。
【０１１９】
本実施の形態におけるバイアス磁界発生部２０は、自由層４１４に対してバイアス磁界を印加するものである。本実施の形態では、バイアス磁界発生部２０は、絶縁層４４０の上に順に積層された下地膜４３０および強磁性層２１を含んでいる。強磁性層２１は、第１の実施の形態と同様に、硬磁性材料よりなる硬磁性層である。下地膜４３０は、非磁性金属材料よりなる。
【０１２０】
次に、図２０ないし図２３を参照して、本実施の形態に係る磁気抵抗効果装置４０１の製造方法について説明する。図２１ないし図２３は、それぞれ、磁気抵抗効果装置４０１の製造過程における積層体の断面であって、図２０に示した断面に対応する断面を示している。
【０１２１】
本実施の形態に係る磁気抵抗効果装置１の製造方法では、まず、図２１に示したように、図示しない基板上に、絶縁層４４０を形成する。次に、絶縁層４４０の上に、後にバイアス磁界発生部２０になる構造体４８０を形成する。具体的には、絶縁層４４０の上に、下地膜４３０になる非磁性金属膜４３０Ｐおよび強磁性層２１になる磁性層２１Ｐを順に形成する。次に、構造体４８０の上に、構造体４８０をパターニングするために用いられるマスク４８１を形成する。マスク４８１は、後に容易に除去できるように、図２１に示したように、アンダーカットを有する形状のものであることが好ましい。
【０１２２】
図２２は、次の工程を示す。この工程では、マスク４８１をエッチングマスクとして用いて、例えばイオンミリングによって、構造体４８０がバイアス磁界発生部２０になると共に構造体４８０に収容部４８２が形成されるように、構造体４８０の一部を除去する。
【０１２３】
図２３は、次の工程を示す。この工程では、図２２に示した収容部４８２に、ＭＲ素子４１０を形成する。具体的には、まず、マスク４８１を残したまま、例えばスパッタ法によって、図２２に示した積層体の上面全体の上に、反強磁性層４１１、磁化固定層４１２、ギャップ層４１３および自由層４１４を順に形成する。次に、マスク４８１を除去する。次に、図２０に示したように、ＭＲ素子４１０およびバイアス磁界発生部２０（強磁性層２１）の上に、第１および第２の電極４４１，４４２を形成する。これにより、磁気抵抗効果装置４０１が完成する。
【０１２４】
なお、本実施の形態におけるバイアス磁界発生部２０は、第２の実施の形態と同様に、反強磁性層２２と強磁性層２１の積層体であってもよい。本実施の形態では、積層体は、下地膜４３０の上に配置される。
【０１２５】
本実施の形態におけるその他の構成、作用および効果は、第２または第３の実施の形態と同様である。
【０１２６】
なお、本発明は、上記各実施の形態に限定されず、種々の変更が可能である。例えば、本発明における磁気抵抗効果素子は、各実施の形態に示した構成のものに限られず、印加される磁界によって方向が変化可能な磁化を有する自由層を含むものであればよい。
【符号の説明】
【０１２７】
１…磁気抵抗効果装置、１０…ＭＲ素子、１４…自由層、２０…バイアス磁界発生部、２１…強磁性層、２１Ｍ１，２１Ｍ２…主要部分、２１Ｓ１…第１の側方部分、２１Ｓ２…第２の側方部分、３０…非磁性膜。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
2019169613.tif 000018
【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【手続補正書】
【提出日】平成31年3月6日(2019.3.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１０７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１０７】
本実施の形態に係る磁気抵抗効果装置３０１の製造方法では、まず、図１７に示したように、図示しない基板上に、絶縁層３４０を形成する。次に、絶縁層３４０の上に、後にＭＲ素子３１０になる構造体３８０を形成する。具体的には、絶縁層３４０の上に、例えばスパッタ法によって、反強磁性層３１１となる反強磁性膜３１１Ｐ、磁化固定層３１２となる磁性膜３１２Ｐ、ギャップ層３１３となる非磁性膜３１３Ｐ、自由層３１４となる磁性膜３１４Ｐを順に形成する。次に、構造体３８０の上に、構造体３８０をパターニングするために用いられるマスク３８１を形成する。マスク３８１は、後に容易に除去できるように、図１７に示したように、アンダーカットを有する形状のものであることが好ましい。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１１３】
本実施の形態に係る磁気抵抗効果装置４０１の構成は、以下の点で第３の実施の形態に係る磁気抵抗効果装置３０１と異なっている。すなわち、本実施の形態に係る磁気抵抗効果装置４０１は、第３の実施の形態におけるＭＲ素子３１０、第１の電極３４１、第２の電極３４２および絶縁層３４０の代わりに、ＭＲ素子４１０、第１の電極４４１、第２の電極４４２および絶縁層４４０を備えている。本実施の形態では、第３の実施の形態における非磁性膜３３０は設けられていない。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１１４】
ＭＲ素子４１０、第１の電極４４１、第２の電極４４２および絶縁層４４０の配置は、第３の実施の形態におけるＭＲ素子３１０、第１の電極３４１、第２の電極３４２および絶縁層３４０の配置と同様である。本実施の形態では、バイアス磁界発生部２０は、ＭＲ素子４１０の周辺において、絶縁層４４０の上に配置されている。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１２１】
本実施の形態に係る磁気抵抗効果装置４０１の製造方法では、まず、図２１に示したように、図示しない基板上に、絶縁層４４０を形成する。次に、絶縁層４４０の上に、後にバイアス磁界発生部２０になる構造体４８０を形成する。具体的には、絶縁層４４０の上に、下地膜４３０になる非磁性金属膜４３０Ｐおよび強磁性層２１になる磁性層２１Ｐを順に形成する。次に、構造体４８０の上に、構造体４８０をパターニングするために用いられるマスク４８１を形成する。マスク４８１は、後に容易に除去できるように、図２１に示したように、アンダーカットを有する形状のものであることが好ましい。