(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気抵抗素子であって、
基板と、
前記基板の上に配置された第１の層であって、シード層を含む、第１の層と、
前記第１の層の上に配置された第２の層であって、第１の反強磁性固定化層を含む、第２の層と、
前記第２の層の上に配置された第３の層であって、前記第３の層は第１の固定層を含み、前記第２の層の位置は前記第３の層の磁化に影響を与えるように選択される、第３の層と、
前記第３の層の上に配置された第４の層であって、第１の非磁性スペーサ層を含む、第４の層と、
前記第４の層の上に配置された第５の層であって、前記第５の層は自由層を含み、前記自由層は複数の磁区を有し、前記複数の磁区は、
第１の方向を指す磁界を有する第１の複数の磁区と、
第１の方向とは異なる１つ又は複数の方向を指す磁界を有する第２の複数の磁区と
を含む、第５の層と、
前記第５の層の上に配置された第６の層であって、第２の固定層を含み、単一の強磁性層からなる、第６の層と、
前記第６の層の上に配置された第７の層であって、前記第７の層は第２の反強磁性固定化層を含み、前記第７の層の位置は前記第６の層の磁化に影響を与えるように選択され、前記第６の層は前記第５の層に対して選択された位置にあり、前記第５の層に対する前記第６の層の前記選択された位置は、前記第５の層を完全に固定することなく、前記第５の層における前記第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７の層と、
前記第５の層と、一緒に考慮した前記第６及び第７の層との間に配置された第８の層であって、前記第８の層は第２の非磁性スペーサ層を含み、前記第８の層の材料は、前記第５の層と前記第６の層との間での所望の部分的な固定を可能にしながら、前記第８の層の厚さが０．５ｎｍよりも大きくなることを可能にするように選択される、第８の層と
を備え、前記第１の固定層は、
前記第２の層に近接して配置された第１の強磁性固定層と、
前記第１の強磁性固定層の上に配置された第３の非磁性スペーサ層と、
前記第３の非磁性スペーサ層の上に配置された第２の強磁性固定層と
から構成され、
前記第１及び第２の固定層における磁界方向は、９０度離れるようにアニールされ、前記第２の固定層における磁界方向は、前記第２の反強磁性固定化層における磁界方向と平行であり、
前記第１及び第２の反強磁性固定化層の両方がＰｔＭｎから構成され、
前記磁気抵抗素子の少なくとも一部はヨーク形状を有し、
前記第６の層及び第７の層が、前記第６の層及び第７の層全体においてそれぞれの一様な厚さを有する、
磁気抵抗素子。
【請求項２】
前記第２の非磁性スペーサ層の材料は、前記第５の層と前記第６の層との間の磁気結合が最大の強磁性結合と最大の反強磁性結合との間となることを可能にするように、前記第２の非磁性スペーサ層の厚さが０．５ｎｍより大きいことを可能にするように選択される、請求項１に記載の磁気抵抗素子。
【請求項３】
前記第２の非磁性スペーサ層は、前記第５の層と前記第６の層との間の調整可能なＲＫＫＹ結合を提供するように選択された材料から構成される、請求項１に記載の磁気抵抗素子。
【請求項４】
前記第２の非磁性スペーサ層はＲｕから構成される、請求項１に記載の磁気抵抗素子。
【請求項５】
前記第２の非磁性スペーサ層の厚さは約０．９ｎｍと約２ｎｍの間である、請求項４に記載の磁気抵抗素子。
【請求項６】
前記第２の非磁性スペーサ層が、Ｒｕ、Ａｇ又はＡｕのうちの選択された１つから構成される、請求項１に記載の磁気抵抗素子。
【請求項７】
前記第２の非磁性スペーサ層の厚さは約０．９ｎｍと約２ｎｍの間である、請求項６に記載の磁気抵抗素子。
【請求項８】
前記第２の非磁性スペーサ層の厚さは約０．９ｎｍと約２ｎｍの間である、請求項１に記載の磁気抵抗素子。
【請求項９】
前記第２の非磁性スペーサ層の材料及び厚さは、前記第５の層の部分的な固定をもたらすように選択され、前記部分的な固定は、前記第６の層と前記第５の層との間の磁気結合が前記第３の層と前記第５の層との間の磁気結合よりも小さいことに対応する、請求項１に記載の磁気抵抗素子。
【請求項１０】
前記第２の非磁性スペーサ層はＲｕから構成され、前記第２の非磁性スペーサ層の厚さは約０．５ｎｍから約１．７ｎｍの間である、請求項１に記載の磁気抵抗素子。
【請求項１１】
前記第２の反強磁性固定化層の材料は、両方が３００℃より上の、ネール温度及びブロッキング温度を有するように選択される、請求項１に記載の磁気抵抗素子。
【請求項１２】
前記第１及び第２の固定層の両方がＣｏＦｅから構成される、請求項１に記載の磁気抵抗素子。
【請求項１３】
前記第１及び第２の強磁性固定層はＣｏＦｅから構成され、前記第３の非磁性スペーサ層はＲｕから構成される、請求項１２に記載の磁気抵抗素子。
【請求項１４】
磁気抵抗素子の製造方法であって、
基板上に二重固定磁気抵抗素子を堆積させるステップを含み、
前記二重固定磁気抵抗素子は、
前記基板の上に配置された第１の反強磁性固定化層と、
前記反強磁性固定化層の上に配置された第１の固定層と、
前記第１の固定層の上に配置された第１の非磁性スペーサ層と、
前記第１の非磁性スペーサ層の上に配置された自由層と、
前記自由層の上に配置され、単一の強磁性層からなる第２の固定層と、
前記第２の固定層の上に配置された第２の反強磁性固定化層と、
前記第２の固定層と前記自由層との間に配置された第２の非磁性スペーサ層であって、前記第２の非磁性スペーサ層の材料は、前記第２の固定層と前記自由層との間の所望の部分的な固定を可能にしながら、前記第２の非磁性スペーサ層の厚さが０．５ｎｍよりも大きくなることを可能にするように選択される、第２の非磁性スペーサ層と
を含み、前記第１の固定層は、
前記第１の反強磁性固定化層に近接して配置された第１の強磁性固定層と、
前記第１の強磁性固定層の上に配置された第３の非磁性スペーサ層と、
前記第３の非磁性スペーサ層の上に配置された第２の強磁性固定層と
から構成され、
前記第１及び第２の固定層における磁界方向は、９０度離れるようにアニールされ、前記第２の固定層における磁界方向は、前記第２の反強磁性固定化層における磁界方向と平行であり、
前記第１及び第２の反強磁性固定化層の両方がＰｔＭｎから構成され、
前記二重固定磁気抵抗素子を堆積させるステップは、前記二重固定磁気抵抗素子の少なくとも一部をヨーク形状に堆積させるステップを含み、
前記第２の固定層及び前記第２の反強磁性固定化層が、前記第２の固定層及び前記第２の反強磁性固定化層全体においてそれぞれの一様な厚さを有する、
方法。
【請求項１５】
前記第２の非磁性スペーサ層の材料は、前記第２の固定層と前記自由層との間の磁気結合が最大の強磁性結合と最大の反強磁性結合との間になることを可能にするように、前記第２の非磁性スペーサ層の厚さが０．５ｎｍより大きいことを可能にするように選択される、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
第１のアニーリング温度、第１のアニーリング磁界、第１のアニーリング磁界方向及び第１のアニーリング時間で、前記第１の固定層及び前記第１の反強磁性固定化層をアニールするステップと、
第２のアニーリング温度、第２のアニーリング磁界、第２のアニーリング磁界方向及び第２のアニーリング時間で、前記第２の固定層及び前記第２の反強磁性固定化層をアニールするステップと
を含み、
前記第１のアニーリング磁界方向は選択された磁化方向にあり、
前記第２のアニーリング磁界方向は前記第１のアニーリング磁界方向と直交し、
前記第１のアニーリング磁界は前記第２のアニーリング磁界より高く、前記第２のアニーリング磁界は、前記第１の固定層のアニーリング又は前記第１の反強磁性固定化層のアニーリングに影響を与えることなく、前記第２の固定層のアニーリング及び前記第２の反強磁性固定化層のアニーリングをもたらすように選択される、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記第１のアニーリング磁界は約１テスラであり、前記第２のアニーリング磁界は約２０ミリテスラから約１００ミリテスラの範囲にある、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記第１のアニーリング温度は約２９５℃であり、前記第２のアニーリング温度は約３
００℃であり、前記第１のアニーリング時間は約１時間であり、前記第２のアニーリング時間は約１時間である、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記第１及び第２の固定層の両方がＣｏＦｅから構成される、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記第１及び第２の固定層の両方がＣｏＦｅから構成される、請求項１４に記載の方法。
【請求項２１】
前記第２の非磁性スペーサ層はＲｕから構成され、前記第２の非磁性スペーサ層の厚さが約０．９ｎｍと約２ｎｍの間である、請求項１４に記載の方法。
【請求項２２】
前記第２の非磁性スペーサ層はＲｕから構成され、前記第２の非磁性スペーサ層の厚さが約０．５ｎｍと約１．５ｎｍの間である、請求項１４に記載の方法。
【請求項２３】
前記ヨーク形状の長さ（Ｌ）及び前記ヨーク形状の横方向アームの長さ（ｄ）は、それぞれ前記ヨーク形状の幅（ｗ）の少なくとも３倍であり、前記ヨーク形状の幅（ｗ）は、約１μｍと約２０μｍの間であり、前記長さ（Ｌ）は前記ヨーク形状の最長の寸法である、請求項１４に記載の方法。
【請求項２４】
前記ヨーク形状の長さ（Ｌ）及び前記ヨーク形状の横方向アームの長さ（ｄ）は、それぞれ前記ヨーク形状の幅（ｗ）の少なくとも３倍であり、前記ヨーク形状の幅（ｗ）は、約１μｍと約２０μｍの間であり、前記長さ（Ｌ）は前記ヨーク形状の最長の寸法である、請求項１に記載の磁気抵抗素子。
【請求項２５】
前記第２の非磁性スペーサ層は、約−５０ｍＴと約５０Ｔの間の、前記第５の層と前記第６の層との間のＲＫＫＹ結合を提供する、請求項１０に記載の磁気抵抗素子。
【請求項２６】
前記第２の非磁性スペーサ層は、約−５０ｍＴと約５０Ｔの間の、前記自由層と前記第２の固定層との間のＲＫＫＹ結合を提供する、請求項２２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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、磁界に対する改善された応答を有する巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子及びトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
本明細書において使用されるとき、「磁界検知素子」という用語は、磁界を検知することができる様々な電子素子を記述するために使用されている。このような磁界検知素子の１つは磁気抵抗（ＭＲ）素子である。磁気抵抗素子は、磁気抵抗素子によって経験される磁界に関連して変化する抵抗を有する。
【０００３】
知られているように、異なるタイプの磁気抵抗素子が存在しており、例えばアンチモン化インジウム（ＩｎＳｂ）などの半導体磁気抵抗素子、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子、例えばスピンバルブ、異方性磁気抵抗素子（ＡＭＲ）、及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）素子がある。
【０００４】
これらの磁気抵抗素子のうち、ＧＭＲ素子及びＴＭＲ素子は、スピンエレクトロニクス（すなわち電子スピン）を使用して動作し、ＧＭＲ素子又はＴＭＲ素子の抵抗は、いわゆる「自由層」中の磁化の角度方向に関連付けられる。自由層については、以下でより完全に説明される。
【０００５】
磁気抵抗素子は、単一の素子であってもよいし、又は、代替的に、様々な構成、例えば半ブリッジ又は全（ホイートストン）ブリッジで配置された２つ又はそれ以上の磁気抵抗素子を含むことも可能である。
【０００６】
知られているように、金属系又は金属磁気抵抗素子（例えば、ＧＭＲ、ＴＭＲ、ＡＭＲ）は、それらが形成された基板に対して平行な感度の軸を有する傾向がある。
本明細書において使用されるとき、「磁界センサ」という用語は、磁界検知素子を使用している、一般的には他の回路と組み合わせた回路を記述するために使用されている。典型的な磁界センサの場合、磁界検知素子及び他の回路は、共通の基板上に集積化され得る。
【０００７】
磁界センサは、限定されないが、磁界の方向の角度を検知する角度センサ、電流搬送導体によって搬送される電流によって生成される磁界を検知する電流センサ、強磁性体の近接を検知する磁気スイッチ、強磁性物品、例えばリング磁石又は強磁性ターゲット（例えば歯車の歯）の磁区の通過を検知する、磁界センサがバックバイアス磁石又は他の磁石と組み合わせて使用される回転検出器、及び磁界の磁界密度を検知する磁界センサを始めとする様々な応用例で使用されている。
【０００８】
様々なパラメータが、磁界センサ及び磁界検知素子の性能を特徴付ける。磁界検知素子に関しては、パラメータは、磁界検知素子の出力信号が磁界に応答して変化する感度、及び磁界センサの出力信号が磁界に対して線形に変化する（すなわち正比例する）度合である線形性を含む。
【０００９】
ＧＭＲ素子及びＴＭＲ素子は、例えばホール素子と比較すると、比較的高い感度を有することが知られている。また、ＧＭＲ素子及びＴＭＲ素子は、適度に良好な線形性を有することも知られているが、磁界の限られた範囲にわたるものであり、当該範囲はホール素子が動作することができる範囲よりもさらに限定されている。しかしながら、限定された磁界の範囲においてさえ、ＧＭＲ素子又はＴＭＲ素子の線形性が不規則性の問題を抱えていることが知られている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
したがって、線形性の不規則性が低減されたＧＭＲ素子又はＴＭＲ素子を提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、線形性の不規則性が低減されたＧＭＲ又はＴＭＲ素子（又は任意のスピンエレクトロニクスの磁気抵抗素子）を提供する。
本発明の態様を理解するための有用な例によれば、磁気抵抗素子は、基板と、基板の上に配置された第１の層とを含み、第１の層はシード層を含む。磁気抵抗素子はまた、基板の上に配置された第２の層を含み、第２の層は第１の反強磁性固定化層（ｐｉｎｎｉｎｇ  ｌａｙｅｒ）を含む。磁気抵抗素子はまた、基板の上に配置されて第２の層に近接する第３の層を含み、第３の層は第１の固定層を含み、第２の層の位置は第３の層の磁化に影響を与えるように選択される。磁気抵抗素子はまた、基板の上に配置されて第３の層に近接する第４の層を含み、第４の層は第１の非磁性スペーサ層を含む。磁気抵抗素子はまた、基板の上に配置されて第４の層に近接する第５の層を含み、第５の層は自由層を含み、自由層は複数の磁区を有する。複数の磁区は、第１の方向を指す磁界を有する第１の複数の磁区と、第１の方向とは異なる１つ又は複数の方向を指す磁界を有する第２の複数の磁区とを含む。磁気抵抗素子はまた、基板の上に配置された第６の層を含み、第６の層は第２の固定層を含む。磁気抵抗素子はまた、基板の上に配置されて第６の層に近接する第７の層を含み、第７の層は第２の反強磁性固定化層を含む。第７の層の位置は、第６の層の磁化に影響を与えるように選択される。第６の層は、第５の層に対して選択された位置にある。第５の層に対する第６の層の選択された位置は、第５の層を完全に固定することなく、第５の層における第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。磁気抵抗素子はまた、第５の層と、一緒に考慮した第６及び第７の層との間に配置された第８の層を含む。第８の層は、第２の非磁性スペーサ層を含む。第８の層の材料は、第５の層と第６の層との間での所望の部分的な固定を可能にしながら、第８の層の厚さが０．５ｎｍよりも大きくなることを可能にするように選択される。
【００１２】
上記磁気抵抗素子のいくつかの実施形態では、第８の層の周囲のいくつかの層は異なっているか又は省略される。
いくつかの実施形態では、上述磁気抵抗素子は、任意の組み合わせで、以下の態様のうちの１つ又は複数を含むことができる。
【００１３】
上記磁気抵抗素子のいくつかの実施形態では、第２の非磁性スペーサ層の材料は、第５の層と第６の層との間の磁気結合が最大の強磁性結合と最大の反強磁性結合との間となることを可能にするように、第２の非磁性スペーサ層の厚さが０．５ｎｍより大きいことを可能にするように選択される。
【００１４】
上記磁気抵抗素子のいくつかの実施形態では、第２の非磁性スペーサ層は、第５の層と第６の層との間の調整可能なＲＫＫＹ結合を提供するように選択された材料から構成される。
【００１５】
上記磁気抵抗素子のいくつかの実施形態では、第２の非磁性スペーサ層はＲｕで構成される。
上記磁気抵抗素子のいくつかの実施形態では、第２の非磁性スペーサ層の厚さは約０．９ｎｍと約２ｎｍの間である。
【００１６】
上記磁気抵抗素子のいくつかの実施形態では、第２の非磁性スペーサ層は、Ｒｕ、Ａｇ、又はＡｕのうちの選択された１つから構成される。
上記磁気抵抗素子のいくつかの実施形態では、第２の非磁性スペーサ層の厚さは約０．９ｎｍと約２ｎｍの間である。
【００１７】
上記磁気抵抗素子のいくつかの実施形態では、第２の非磁性スペーサ層の厚さは約０．９ｎｍと約２ｎｍの間である。
上記磁気抵抗素子のいくつかの実施形態では、第２の非磁性スペーサ層の材料及び厚さは、第５の層の部分的な固定をもたらすように選択され、当該部分的な固定が第６の層と第５の層との間の磁気結合が第３の層と第５の層との間の磁気結合よりも小さいことに対応する。
【００１８】
上記磁気抵抗素子のいくつかの実施形態では、第２の非磁性スペーサ層の厚さは約０．１ｎｍと約１．７ｎｍの間である。
上記磁気抵抗素子のいくつかの実施形態では、第２の反強磁性固定化層の材料は、第１の反強磁性固定化層の材料と同じである。
【００１９】
上記磁気抵抗素子のいくつかの実施形態では、第１及び第２の固定層における磁界方向は、９０度離れるようにアニールされ、第２の固定層における磁界方向は、第２の反強磁性固定化層における磁界方向と平行である。
【００２０】
上記磁気抵抗素子のいくつかの実施形態では、第２の反強磁性固定化層の材料は、両方が３００℃より上の、ネール温度とブロッキング温度を有するように選択される。
上記磁気抵抗素子のいくつかの実施形態では、第２の層は第１の層の上に配置され、第３の層は第２の層の上に配置され、第４の層は第３の層の上に配置され、第５の層は第４の層の上に配置され、第８の層は第５の層の上に配置され、第６及び第７の層はいずれかの順序で第８の層の上に配置される。
【００２１】
上記磁気抵抗素子のいくつかの実施形態では、第１及び第２の反強磁性固定化層は、ＰｔＭｎ、ＩｒＭｎ又はＦｅＭｎのうちのそれぞれ選択された１つから構成される。
上記磁気抵抗素子のいくつかの実施形態では、第２の層は第１の層の上に配置され、第３の層は第２の層の上に配置され、第４の層は第３の層の上に配置され、第５の層は第４の層の上に配置され、第８の層は第５の層の上に配置され、第６及び第７の層はいずれかの順序で第８の層の上に配置され、第２の固定層はＣｏＦｅから構成され、第２の反強磁性固定化層はＰｔＭｎ、ＩｒＭｎ又はＦｅＭｎのうちの選択された１つから構成される。
【００２２】
上記磁気抵抗素子のいくつかの実施形態では、第３の層は、
第２の層に近接して配置される第１の強磁性固定層、
第１の強磁性固定層の上に配置された第３の非磁性スペーサ層、及び
第２の非磁性スペーサ層の上に配置された第２の強磁性固定層
を含む。
【００２３】
上記磁気抵抗素子のいくつかの実施形態では、強磁性固定層はＣｏＦｅから構成され、第３の非磁性スペーサ層はＲｕから構成される。
上記磁気抵抗素子のいくつかの実施形態では、第１及び第２の固定層における磁界方向は、９０度離れるようにアニールされ、第２の固定層における磁界方向は第２の反強磁性固定化層における磁界方向と平行である。
【００２４】
本発明の態様を理解するのに有用な別の例によれば、磁気抵抗素子の製造方法は、基板上に二重固定磁気抵抗素子を堆積させることを含む。二重固定磁気抵抗素子は、第１の反強磁性固定化層を含む。二重固定磁気抵抗素子はまた、反強磁性固定化層に近接する第１の固定層を含む。二重固定磁気抵抗素子はまた、第１の反強磁性固定化層に近接して配置された第１の非磁性スペーサ層を含む。二重固定磁気抵抗素子はまた、第２の固定層を含む。二重固定磁気抵抗素子はまた、第２の固定層に近接する第２の反強磁性固定化層を含む。二重固定磁気抵抗素子は、第１及び第２の固定層の間に自由層を含む。二重固定磁気抵抗素子はまた、第２の固定層と自由層との間に第２の非磁性スペーサ層を含む。第２の非磁性スペーサ層の材料は、第２の固定層と自由層との間の所望の部分的な固定を可能にしながら、第２の非磁性スペーサ層の厚さが０．５ｎｍよりも大きくなることを可能にするように選択される。
【００２５】
上記方法のいくつかの実施形態では、第２の非磁性スペーサ層の周りのいくつかの層は異なるか又は省略される。
いくつかの実施形態では、上記の方法は、任意の組み合わせで、以下の態様のうちの１つ又は複数を含むことができる。
【００２６】
上記方法のいくつかの実施形態では、第２の非磁性スペーサ層の材料は、第２の固定層と自由層との間の磁気結合が最大の強磁性結合と最大の反強磁性結合との間になることを可能にするように、０．５ｎｍより大きい第２の非磁性スペーサ層の厚さを可能にするように選択される。
【００２７】
いくつかの実施形態において、上記方法はさらに、
第１のアニーリング温度、第１のアニーリング磁界、第１のアニーリング磁界方向及び第１のアニーリング時間で、第１の固定層及び第１の反強磁性層をアニールすること、
第２のアニーリング温度、第２のアニーリング磁界、第２のアニーリング磁界方向及び第２のアニーリング時間で、第２の固定層及び第２の反強磁性層をアニールすること
を含み、
第１のアニーリング磁界方向は選択された磁化方向であり、
第２のアニーリング磁界方向は第１のアニーリング磁界方向と直交し、
第１のアニーリング磁界は第２のアニーリング磁界より高く、第２のアニーリング磁界は、第１の固定層のアニーリング又は第１の反強磁性層のアニーリングに影響を与えることなく、第２の固定層のアニーリング及び第２の反強磁性層のアニーリングをもたらすように選択される。
【００２８】
上記方法のいくつかの実施形態では、第１のアニーリング磁界は約１テスラであり、第２のアニーリング磁界は約２０ミリテスラから約１００ミリテスラの範囲である。
上記方法のいくつかの実施形態では、第１のアニーリング温度は約２９５℃であり、第２のアニーリング温度は約３００℃であり、第１のアニーリング時間は約１時間であり、第２のアニーリング時間は約１時間である。
【００２９】
上記方法のいくつかの実施形態では、第１及び第２の固定層の両方がＣｏＦｅから構成される。
上記方法のいくつかの実施形態では、第１及び第２の反強磁性固定化層の両方がＰｔＭｎから構成される。
【００３０】
上記方法のいくつかの実施形態では、第１及び第２の反強磁性固定化層の両方がＰｔＭｎから構成される。
上記方法のいくつかの実施形態では、第１及び第２の反強磁性固定化層は、同じ材料で構成される。
【００３１】
上記方法のいくつかの実施形態では、第１及び第２の固定層の両方がＣｏＦｅから構成される。
上記方法のいくつかの実施形態では、第２の非磁性スペーサ層の厚さは約０．９ｎｍから約２ｎｍの間である。
【００３２】
本発明の前述の特徴及び本発明自体は、図面についての以下の詳細な説明からより完全に理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子の理想的な及び実際の伝達特性を示すグラフである。
【図２】単一の固定された構成を有する従来技術のＧＭＲ素子の層を示すブロック図である。
【図３】二重の固定された構成を有する従来技術のＧＭＲ素子の層を示すブロック図である。
【図４】特定の二重固定配置を有する磁気抵抗素子の実施形態の層を示すブロック図である。
【図５】いくつかの実施形態において、図４の磁気抵抗素子の形状を記述することができる、ヨーク形状を有する磁界検知素子の平面図である。
【図６】回転速度測定のために磁性ターゲットの上に配置される磁気抵抗素子磁界センサのブロック図である。
【図７】図４及び５の二重固定ＧＭＲ素子を形成するために使用することができる処理ステップの一例を示すフローチャートである。
【図８】図４及び５の二重固定ＧＭＲ素子を形成するために使用することができる代替的な処理ステップの例を示すフローチャートである。
【図９】図４及び５の二重固定ＧＭＲ素子を形成するために使用することができる代替的な処理ステップの例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
本発明について説明する前に、本明細書においては、特定の形状（例えばヨーク形）を有するＧＭＲ素子又はＴＭＲ素子が参照されることがあることに留意されたい。しかしながら本明細書において説明される技法は、様々な大きさ及び形状に適用することができることが当業者には理解されよう。
【００３５】
本明細書において使用されるとき、「異方性」又は「異方性の」という用語は、さらなる外部磁界を経験しない場合に、強磁性層又はフェリ磁性層の磁化が向く傾向のある、特定の軸又は方向を指す。軸方向異方性は、結晶性効果によって、又は形状異方性によって生成されることが可能であり、結晶性効果及び形状異方性は、いずれも磁界の２つの同等な方向を許容する。また、方向異方性は、隣接する層の中にやはり生成されることが可能であり、例えば隣接する層内の特定の軸に沿った単一の磁界方向のみを許容する反強磁性層によって生成され得る。
【００３６】
以上に鑑みて、磁性層内に異方性を導入することにより、外部磁界が存在しない場合にその異方性に沿って整列されるように磁性層の磁化を強制することができることが理解されよう。ＧＭＲ素子又はＴＭＲ素子の場合、方向異方性は、例えば外部磁界に応答して磁性層内に磁界のコヒーレント回転を得る能力を提供する。
【００３７】
本明細書において使用されるとき、「磁界検知素子」という用語は、磁界を検知することができる様々な電子素子を記述するために使用される。磁気抵抗素子は、磁界検知素子の１つのタイプにすぎない。
【００３８】
本明細書において使用されるとき、「磁界センサ」という用語は、磁界検知素子を使用する、一般的には他の回路と組み合わせた回路を記述するために使用される。磁界センサは、限定されないが、磁界の方向の角度を検知する角度センサ、電流搬送導体によって搬送される電流によって生成される磁界を検知する電流センサ、強磁性体の近接を検知する磁気スイッチ、強磁性物品、例えばリング磁石の磁区の通過を検知する回転検出器、及び磁界の磁界密度を検知する磁界センサを含む様々な応用例で使用される。
【００３９】
本明細書において説明される構造及び方法は、ＧＭＲ磁気抵抗素子及びＴＭＲ磁気抵抗素子の両方に適用される。しかしながら、同じ又は同様の構造及び方法を、現在知られているものであれ、あるいは後に開発されるものであれ、他のスピンエレクトロニクス磁気抵抗素子に適用することができることを理解されたい。
【００４０】
ここで図１を参照すると、グラフ１００は、ミリテスラ（ｍＴ）の磁界単位のスケールを有する水平軸、及び任意の単位の抵抗単位のスケールを有する垂直軸を有する。
曲線１０２は、理想的なＧＭＲ素子の伝達関数、すなわちＧＭＲ素子によって経験される抵抗対磁界を表している。伝達関数１０２は、上側飽和点１０２ｂと下側飽和点１０２ｃの間に線形領域１０２ａを有する。領域１０２ｄ、１０２ｅは飽和している。線形領域１０２ａは理想的な線形領域であることを理解されたい。
【００４１】
ステップ（段、段差）、例えばステップ１０４は、ＧＭＲ素子の実際の伝達関数を表している。飽和点１０２ｂ、１０２ｃを越えると、ステップ１０４によって表されている実際の伝達関数は、飽和領域１０２ｄ、１０２ｅと一体になる。
【００４２】
ステップ１０４は望ましいものではない。ステップ１０４は、ＧＭＲ素子におけるいわゆる自由層内の磁区の磁気的挙動に起因する。自由層の挙動は、図２に関連して以下でより完全に説明される。
【００４３】
ステップ１０４は等しい間隔及び等しいステップの高さを有する規則正しいステップであるように示されているが、ステップ１０４はまた、不均等な間隔及び不均等なステップの高さ（すなわち、振幅）を有する不規則なものであってもよい。
【００４４】
次に図２を参照すると、従来技術のＧＭＲ素子２００は、基板の上に配置された複数の層を含む。基板の上側の表面は、図２の一番下に、最も下側の線として示されている。
図２の左側に、個々の層が機能名称によって識別されている。図２の右側には、機能層を形成することができる副層（サブレイヤ）の磁気特性が示されている。一般に、磁気材料は様々な磁気特性を有することができ、また、限定されないが、強磁性、反強磁性及び非磁性を含む様々な用語によって分類され得る。様々なタイプの磁気材料についての説明は、本明細書においては詳細にはなされていない。しかしながら、ここでは、強磁性材料は、強磁性材料内の伝導電子の磁気モーメントが、概して、平行で、かつ、同じ方向になるように整列する傾向があり、強磁性材料の非ゼロ正味磁界をもたらす材料である、と言及しておくだけで十分であるとしておく。
【００４５】
銅、銀及び金のようなほとんどの材料は、正味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）磁界とは逆で、かつ、それに比例する極端に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。
【００４６】
反強磁性材料は、反強磁性材料中の磁気モーメントが、概して、平行で、かつ、反対方向になるように整列する傾向があり、ゼロ正味磁界をもたらす材料である。
示されているように、従来技術のＧＭＲ素子２００は、基板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固定化層（ｐｉｎｎｉｎｇ  ｌａｙｅｒ）２０４、及び反強磁性固定化層２０４の上に配置された固定層（ｐｉｎｎｅｄ  ｌａｙｅｒ）２０６を含むことができる。固定層２０６は、第１の強磁性固定層２０６ａ、第２の強磁性固定層２０６ｃ、及びそれらの間に配置されたスペーサ層２０６ｂからなり得る。
【００４７】
また、従来のＧＭＲ素子２００は、第２の強磁性固定層２０６ｃの上に配置されたスペーサ層２０８、及びスペーサ層２０８の上に配置された自由層２１０を含むことも可能である。スペーサ層２０６ｂは非磁性金属層である。また、スペーサ２０８も非磁性層であり、ＧＭＲの場合は金属層であり、あるいはＴＭＲの場合は絶縁層であってもよい。自由層２１０は、第１の強磁性自由層２１０ａ及び第２の強磁性自由層２１０ｂからなり得る。
【００４８】
キャップ層２１２は、ＧＭＲ素子２００を保護するために自由層２１０の上に配置され得る。
従来技術のＧＭＲ素子２００の層の厚さの例は、ナノメートルの単位で示されている。従来技術の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。
【００４９】
いくつかの層には、ＧＭＲ素子２００が外部磁界を経験しない場合の層の磁界方向の方向を示す矢印が示されている。ページから出ていく矢印は、円の中の点で示されており、また、ページの中に入る矢印は、円の中の十字で示されている。
【００５０】
一番下から上に向かって層を取り上げると、シード層２０２は、上の層の結晶特性に影響を及ぼす、基板上の規則的な結晶構造を提供するために使用される。
反強磁性固定化層２０４に関して、反強磁性固定化層２０４内の副層（サブレイヤ、すなわち層部分）は、右矢印及び左矢印によって示されている異なる交互の方向を指す磁界を有し、ゼロの正味磁界を有する反強磁性固定化層をもたらす傾向がある。反強磁性固定化層２０４の頂部表面は、１つの方向、ここでは左に向かって示されている方向を指す磁気モーメントを有する傾向がある。
【００５１】
固定層２０６に関して、第１の強磁性固定層２０６ａは、反強磁性固定化層２０４の頂部表面に強磁性的に結合する傾向があり、したがって第１の強磁性固定層２０６ａ内の磁界は、反強磁性固定化層２０４の頂部表面における、ここでは左に向かって示されている磁気モーメントと同じ方向を指し示し得る。
【００５２】
第１の強磁性固定層２０６ａと第２の強磁性固定層２０６ｃとの間にスペーサ層２０６ｂが存在しているため、第２の強磁性固定層２０６ｃは、第１の強磁性固定層２０６ａと反強磁性的に結合する傾向があり、したがって第２の強磁性固定層２０６ｃは、他の方向、ここでは右を指して示されている方向を指す磁界を有する。３つの層２０６ａ、２０６ｂ、２０６ｃの組み合わせは、合成反強磁性構造又は層と呼ばれ得る。
【００５３】
第１の自由層及び第２の自由層２１０ａ、２１０ｂは、外部磁界が存在しない場合、ページから出る方向を指すそれぞれの磁界を有する。この指示方向は、ページから出る方向指示に沿った特定の異方性を生成することによって達成され得る。その異方性は、ＧＭＲ素子の形状によって生成され得る。例えば、異方性は、ヨーク形状を有するようにＧＭＲ素子２００（上面図）をパターン化することによって、又は結晶異方性もしくは磁気異方性によって生成され得る。ヨーク形状については、図５に関連して以下でより完全に説明される。ヨーク形状を生成したことにより、自由層２１０は優先軸（ヨーク軸）を有する。ヨーク軸が基準磁化に対して直交する場合、交差した異方性が達成され、それにより自由層異方性の次数の磁界拡張（ｆｉｅｌｄ  ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｏｒｄｅｒ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｆｒｅｅ  ｌａｙｅｒ  ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ）に対する線形応答が獲得され得る。
【００５４】
動作時、従来のＧＭＲ素子２００が矢印２１４の方向を指す外部磁界に曝されると、強磁性自由層２１０ａ、２１０ｂ内の磁界は、右に向かって回転し、第２の強磁性固定層２０６ｃ内の磁界指示方向とますます整列されるようになる（又は完全に整列され、すなわち右方向を指す）傾向を示す。しかしながら、固定層２０６内の磁界は反強磁性固定化層によって固定され、回転しない。強磁性自由層２１０ａ、２１０ｂ内の磁界の回転の量は、外部磁界の大きさに依存する。強磁性自由層２１０ａ、２１０ｂ内の磁界と、第２の強磁性固定層２０６ｃ内の磁界の方向が整列すればするほど、ＧＭＲ素子２００の抵抗が小さくなる傾向がある。具体的には、抵抗は、主として第１の自由層２１０ａ内、第２の（Ｃｕ）スペーサ層２０８内、及び第２の強磁性（例えばＣｏＦｅ）固定層２０６ｃ内で変化する傾向がある。
【００５５】
逆に、ＧＭＲ素子が矢印２１４とは逆の方向を指す外部磁界に曝されると、自由層２１０内の磁界は、左に向かって回転し、第２の強磁性固定層２０６ｃ内の磁界指示方向とますます反整列される（ａｎｔｉ−ａｌｉｇｎｅｄ）ようになる（又は完全に反整列され、すなわち左方向を指す）傾向を示す。回転する量は外部磁界の大きさに依存する。強磁性自由層２１０ａ、２１０ｂ内の磁界と、第２の強磁性固定層２０６ｃ内の磁界の方向が反整列すればするほど、ＧＭＲ素子２００の抵抗が大きくなる傾向がある。
【００５６】
以上に鑑みて、図１を簡単に参照すると、外部磁界が存在しない場合、ＧＭＲ素子２００の抵抗は、線形領域１０２ａの中心に存在しており、抵抗は、外部磁界２１４の方向に応じて、伝達特性曲線１０２上を右又は左へ移動することができる（すなわちより小さくなるか、又はより大きくなる）ことが理解されよう。層の全整列又は全反整列が達成されると、ＧＭＲ素子２００は、それぞれ下側飽和領域１０２ｅ又は上側飽和領域１０２ｄに存在することになる。
【００５７】
一般に、強磁性自由層２１０ａ、２１０ｂは、磁界が第１の方向を指す第１の複数の磁区、及び磁界が１つ又は複数の他の方向を指す第２の複数の磁区を含むがこれらに限定されない、複数の磁区を通常有する傾向がある。強磁性自由層２１０ａ、２１０ｂ内の第１の複数の磁区は、ＧＭＲ素子２００が外部磁界に露出されない場合にページから出ていくように示されるが、ＧＭＲ素子２００が磁界に露出される場合に回転し得る、自由層２１０の正味磁界と整列される磁界指示方向を有する。上で説明したように、第１の複数の磁区の磁界指示方向は、外部磁界に応答して回転する。第２の複数の磁区は、１つ又は複数の他の方向を指す磁界指示方向を有する傾向がある。
【００５８】
簡潔に言うと、図１のステップ１０４に関して、個々のステップは、強磁性自由層２１０ａ、２１０ｂ内の正味磁界が外部磁界に応答してどこを指したとしても（すなわち回転したとしても）、第１の複数の磁区に存在しない（例えば第２の複数の磁区に存在する）磁区のうちの１つ又は複数、すなわち強磁性自由層２１０ａ、２１０ｂ内の正味磁界の方向を指さない磁界を有する磁区のうちの１つ又は複数が、強磁性自由層２１０ａ、２１０ｂ内の磁界の正味磁界指示方向と整列されるようになる方向に突然スナップする（すなわちジャンプする）ときに生成される。しかしながら、強磁性自由層２１０ａ、２１０ｂ内の正味磁界の方向を指さない磁界を有する磁区のうちの１つ又は複数は、強磁性自由層２１０ａ、２１０ｂ内の磁界の正味磁界指示方向と整列されるようになる方向に、よりゆっくり変化することも可能であり、その場合、図１のステップのうちの１つ又は複数の傾斜は、示されている傾斜より緩やかになるが、それでも依然として望ましくない。したがって自由層２１０内の正味磁界の方向以外の方向を指す自由層２１０内の磁区の数を少なくすること（すなわち第２の複数の磁区内の磁区の量を少なくすること）が望ましい。この低減により、ステップ１０４がより少なくなり、ステップ１０４がより小さくなり、又はステップ１０４が存在しなくなる。
【００５９】
自由層の正味磁界の方向以外の方向を指す自由層２１０内の磁区の数を少なくするために、すなわちページから出る方向以外の方向を指す磁区の数を少なくするために、外部バイアス化磁石が使用され得る。代替として、いわゆる「二重固定」構造を使用してスタック内磁気バイアスを達成するために、複数の層が基本的なＧＭＲ素子２００に加えられ得る。
【００６０】
次に図３を参照すると、従来技術の二重固定ＧＭＲ素子３００は、非磁性シード層３０２、シード層３０２の上に配置された反強磁性固定化層３０４、固定化層３０４の上に配置された固定層３０６、固定層３０６の上に配置されたスペーサ層３０８、及びスペーサ層の上に配置された自由層３１０を含むことができる。いくつかの構造では、自由層３１０は、２つの強磁性自由層３１０ａ、３１０ｂからなり得る。いくつかの構造では、スペーサ層３０８は非磁性層である。
【００６１】
二重固定ＧＭＲ素子３００は、自由層３１０の上に配置されたスペーサ層３１２、スペーサ層３１２の上に配置された第２の固定層３１４、第２の固定層３１４の上に配置された第２の固定化層３１６、及び第２の固定化層３１６の上に配置された非磁性キャップ層３１８をさらに含むことができる。いくつかの構造では、スペーサ層３１２は非磁性層である。
【００６２】
ＧＭＲ素子３００の層の厚さの例は、ナノメートルの単位で示されている。ＧＭＲ素子３００の層の材料の例は、原子記号によって示されている。
従来技術の二重固定ＧＭＲ素子３００は、第２の固定層３１４によって生成される静磁界を達成する。第２の固定層３１４は、第２の反強磁性固定化層３１６の底部表面に強磁性結合されており、したがって第２の固定層３１４内の磁界は、反強磁性固定化層３１６の底部表面における磁気モーメントと同じ方向、ここではページに入る方向を指して示されている方向を指す。
【００６３】
第２の反強磁性固定化層３１６のために使用される材料は、第１の反強磁性固定化層３０４のために使用される材料とは異なっている。この方法によれば、２つの材料の異なるブロッキング温度（ｂｌｏｃｋｉｎｇ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ）（ＩｒＭｎの場合、２３０℃未満であり、また、ＰｔＭｎの場合、２５０℃より十分に高い温度）を利用することにより、２つの層３０４、３１６の磁化が独立して操作され得る。
【００６４】
第２の固定層３１４は、ここでは、第１の固定層３０６の磁界に対して直角になるように、ページに入る方向を指すように示されている方向に配向された磁界を有する。具体的には、第２の固定層３１４によって生成され、かつ、自由層３１０によって経験される磁界の指示方向は、自由層３１０の正味磁界の方向とは異なる方向を指す自由層３１０内の磁区の数の低減をもたらし、例えばページから出る方向とは異なる方向を指す磁区の数の低減をもたらす。
【００６５】
スペーサ層３１２の厚さは、第２の固定層３１４と自由層３１０の間の所望の磁気結合強度を提供するように選択される。いくつかの実施形態では、スペーサ層３１２のＴａの厚さはわずか数オングストロームであり、また、結合は、スペーサ層３１２中のピンホールを通しても生じる。わずか数オングストロームの堆積の厚さは制御が困難であり、また、ピンホール密度も制御が困難であることは理解されよう。したがって第２の固定層３１４と自由層３１０の間の磁気結合の量は制御が困難である。
【００６６】
ＧＭＲ素子の場合、スペーサ３０８は金属非磁性層である（通常は銅）。ＴＭＲ素子の場合、スペーサ３０８は絶縁非磁性層である（例えばＡｌ２Ｏ３又はＭｇＯ）。さもなければＧＭＲ素子３００は、匹敵するＴＭＲ素子と同じ、又は同様の層を有することができる。したがってＴＭＲ素子は明確には示されていない。
【００６７】
図４を参照すると、二重固定ＧＭＲ素子４００の例は、基板の上に配置された複数の層を含む。基板の上側の表面は、図４の一番下に暗い線で示されている。
図４の左側に、個々の層が機能名称によって識別されている。図４の右側には、機能層を形成することができる副層の磁気特性が示されている。
【００６８】
ＧＭＲ素子４００の層の厚さの例は、ナノメートルの単位で示されている。ＧＭＲ素子４００の層の材料の例は、原子記号によって示されている。
一般に、磁気材料は様々な磁気特性を有することができ、また、限定されないが、強磁性、反強磁性及び非磁性を含む様々な用語によって分類され得る。これらのタイプの磁気材料の簡単な説明は、上で与えられている。
【００６９】
示されているように、例示的なＧＭＲ素子４００は、図３の従来技術のＧＭＲ素子に対して上で説明した層と同じ層のいくつかを含むことができる。図３の従来技術のＧＭＲ素子と同様、例示的なＧＭＲ素子４００は、基板の上に配置されたシード層４０２、シード層４０２の上に配置された反強磁性固定化層４０４、及び反強磁性固定化層４０４の上に配置された固定層４０６を含むことができる。しかしながらいくつかの実施形態では、固定層４０６は、第１の強磁性固定層４０６ａ、第２の強磁性固定層４０６ｃ、及びそれらの間に配置されたスペーサ層４０６ｂからなり得る。いくつかの実施形態では、スペーサ層４０６ｂは非磁性材料からなる。
【００７０】
いくつかの他の実施形態では、固定層４０６は、上記の代わりに、図３の固定層３０６と同じ、又は同様の１つの固定層からなり得る。
第１の強磁性固定層４０６ａと第２の強磁性固定層４０６ｃの間にスペーサ４０６ｂが存在しているため、第２の強磁性固定層４０６ｃは、第１の強磁性固定層４０６ａと反強磁性的に結合する傾向があり、したがって第２の強磁性固定層４０６ｃは、他の方向、ここでは右を指して示されている方向を指す磁界を有する。上で説明したように、３つの層４０６ａ、４０６ｂ、４０６ｃの組み合わせは、合成反強磁性構造又は層と呼ばれ得る。
【００７１】
また、例示的なＧＭＲ素子４００は、第２の強磁性固定層４０６ｃの上に配置されたスペーサ層４０８、及びスペーサ層４０８の上に配置された自由層４１０をも含むことができる。いくつかの実施形態では、自由層４１０は、第２の強磁性自由層４１０ｂの下に配置された第１の強磁性自由層４１０ａからなり得る。いくつかの実施形態では、スペーサ層４０８は、非磁性材料（例えばＧＭＲの場合は導電性Ｃｕ、又はＴＭＲの場合は絶縁材料）からなる。
【００７２】
図３の従来技術のＧＭＲ素子３００と同様、図４のＧＭＲ素子４００は、第２の強磁性自由層４１０ｂの上に配置されたスペーサ層４１２、及びスペーサ層４１２の上に配置された第２の固定層４１４をさらに含むことができる。いくつかの実施形態では、第２の固定層４１４は強磁性材料からなり得る。いくつかの実施形態では、スペーサ層４１２は非磁性材料（例えばＲｕ）からなる。
【００７３】
図４のＧＭＲ素子４００は、第２の固定層４１４の上に配置された第２の反強磁性固定化層４１６をさらに含むことができる。
キャップ層４１８は、ＧＭＲ素子４００を保護するためにＧＭＲ素子４００の頂部に配置され得る。
【００７４】
いくつかの層には、ＧＭＲ素子４００が外部磁界を経験しない場合の層の磁界の方向を示すか又は当該方向である矢印が示されている。ページから出ていく矢印は、円の中の点で示されており、また、ページの中に入る矢印は、円の中の十字で示されている。
【００７５】
いくつかの実施形態では、シード層４０２はＲｕ又はＴａからなり、また、第１の反強磁性固定化層４０４はＰｔＭｎからなる。いくつかの実施形態では、第１の固定層４０６は、ＣｏＦｅからなる第１の強磁性固定層４０６ａからなり、スペーサ層４０６ｂはＲｕからなり、また、第２の強磁性固定層４０６ｃはＣｏＦｅからなる。いくつかの実施形態では、スペーサ層４０８はＣｕからなる（又は別法としてはＡｕもしくはＡｇからなる）。いくつかの実施形態では、第１の強磁性自由層４１０ａはＣｏＦｅからなり、また、第２の強磁性自由層４１０ｂはＮｉＦｅからなる。いくつかの実施形態では、スペーサ層４１２はＲｕからなり（又は別法としてはＡｕもしくはＡｇからなる）、第２の固定層４１４はＣｏＦｅからなり、第２の反強磁性固定化層４１６はＰｔＭｎからなり、また、キャップ層４１８はＴａからなる。しかしながら他の材料も可能である。
【００７６】
Ｒｕ（又はＡｕもしくはＡｇ）からなるスペーサ層４１２は、スペーサ層４１２の実現可能な範囲の厚さを可能にし（以下で説明される）、それにより自由層４２０を部分的に固定することができる。部分固定化については、以下でより完全に説明される。
【００７７】
いくつかの他の実施形態では、第１及び第２の反強磁性固定化層４０４及び４１６は、ＩｒＭｎ、ＦｅＭｎ又は任意の他のタイプの反強磁性材料からなり得る。いくつかの他の実施形態では、第２の固定層４１４は、そのようなものではなく、第１の固定層４０６の副層と同じ、又は同様の複数の副層からなり得る。いくつかの他の実施形態では、スペーサ層４０８は、Ｔａ又はＣｕからなり得る。
【００７８】
スペーサ層４１２の厚さは、第２の固定層４１４と自由層４１０の間の所望の量の（すなわち部分的な）磁気結合を提供するように選択される。また、スペーサ層４１２の厚さは、第２の固定層４１４と自由層４１０の間の所望のタイプの磁気結合、すなわち強磁性結合又は反強磁性結合、あるいは強磁性と反強磁性の間の結合を提供するように選択される。ここでは結合は、強磁性結合になるように示されているが、結合は、スペーサ層４１２の厚さを選択することにより、反強磁性にすることも、あるいは強磁性と反強磁性の間の結合にすることも可能である。
【００７９】
スペーサ層４１２がＲｕから構成されているいくつかの実施形態では、スペーサ層４１２の厚さは約０．１〜約２ｎｍの範囲内になるように選択されるが、製造プロセスのロバスト性のために好ましくは０．９〜２ｎｍであり、すなわち、スペーサ層４１２を再現でき且つ信頼できる厚さをもって堆積することができる十分な厚さであることが好ましい。いくつかの実施形態では、スペーサ層４１２の厚さは０．５ｎｍより大きく、すなわち、図３の従来技術の二重固定ＧＭＲ素子３００のスペーサ層３１２の厚さよりも大きい。
【００８０】
ＣｏＦｅ及びＮｉＦｅが同様の磁気特性を有すると見なすと、第１の強磁性自由層４１０ａより上及び第１の強磁性自由層４１０ａより下の材料の層は、同様であるが順序が逆であり、すなわちＮｉＦｅ（又はＣｏＦｅ）／Ｒｕ／ＣｏＦｅ／ＰｔＭｎであることが認識されよう。しかしながらスペーサ層４０６ｂは、周囲の層の間の強力な結合を提供することが望ましく、したがってスペーサ層４０６ｂは薄いことが望ましく、一方、スペーサ層４１２は、周囲の層の間のそれほど強力ではない結合を提供することが望ましく、したがってスペーサ層４１２は、より厚いことが望ましい。
【００８１】
Ｒｕは、Ｒｕの厚さに応じて、周囲の層の間の反強磁性結合又は磁性結合（Ｒｕｄｅｒｍａｎ  Ｋｉｔｔｅｌ  Ｋａｓｕｙａ  Ｙｏｓｈｉｄａ、すなわちＲＫＫＹ結合とも呼ばれる）を可能にするため、スペーサ層４１２に良く適している。本質的に、Ｒｕ材料は、その存在にもかかわらずＲｕを介した結合を許容する。これは、達成可能な厚さの値の範囲でより厚いＲｕ層４１２を可能にし、それにより自由層４１０の所望の部分固定化を達成することができ、また、自由層４１０の所望の部分固定化を調整することができる。部分固定化については、上でより完全に説明されており、また、以下でより完全に説明される。
【００８２】
対称的に、図３のＴａスペーサ層３１２は、非磁性スペーサ層としてのみ使用され、ＲＫＫＹ結合を提供しないことを理解されたい。本質的に、Ｔａスペーサ層３１２は、自由層３１０を固定層３１４から減結合するだけである。しかしながら、上で説明したように、図４のＲｕスペーサ層４１２は、自由層４１０と固定層４１４の間のＲＫＫＹ結合を提供する。
【００８３】
いくつかの実施形態では、Ｒｕスペーサ層４１２の厚さは、約−５０ｍＴと約５０Ｔの間のＲＫＫＹ結合を提供するように選択される。ＲＫＫＹ結合は、あり得るプロセス変動に関して安定になる傾向があり、すなわち結合の量は、製造プロセスの変化等によるＲｕ層の約１０パーセントの厚さ変化に対しても一定を維持し、かつ、安定を維持する傾向がある。
【００８４】
層４０２〜４１０の動作については、図２及び３の同様の層に関連して上で説明されている。
自由層４１０内の磁界の指示方向と整列した固定磁界指示方向を有する第２の固定層４１４は、特定の挙動を自由層４１０内にもたらす傾向がある。具体的には、第２の固定層４１４内の磁界の指示方向は、自由層の正味磁界の方向以外の方向を指す自由層４１０内の磁区の数の低減、すなわち外部磁界が存在しない場合にページから出る方向以外の方向を指す磁区の数の低減をもたらす。
【００８５】
図２に関連して上で説明したように、一般に、強磁性自由層４１０ａ、４１０ｂは、限定されないが、磁界が第１の方向を指す第１の複数の磁区、及び磁界が第１の方向とは異なる１つ又は複数の方向を指す第２の複数の磁区を含む複数の磁区を通常有する傾向がある。上で説明した第１の方向は、自由層４１０の上側及び下側の表面に平行であってもよい。第１の複数の磁区は、ＧＭＲ素子４００が外部磁界に露出されない場合、ページから出ていくように示されるが、ＧＭＲ素子４００が磁界に露出されると回転することができる、自由層４１０の正味磁界と整列される磁界指示方向を有する。上で説明したように、自由層４１０内の第１の複数の磁区の磁界指示方向は、外部磁界に応答して回転する。第２の複数の磁区は、第１の方向とは異なる１つ又は複数の方向を指す磁界指示方向を有する傾向がある。
【００８６】
また、図２に関連して上で説明したように、図１のステップ１０４に関して、自由層４１０内の正味磁界が外部磁界に応答してどこを指したとしても（すなわち回転したとしても）、第１の複数の磁区に存在しない（例えば第２の複数の磁区に存在する）磁区のうちの１つ又は複数、すなわち自由層４１０内の正味磁界の方向を指さない磁界を有する磁区のうちの１つ又は複数が、自由層４１０内の正味磁界の磁界指示方向と整列されるようになる方向に突然スナップする（又はよりゆっくり回転する）場合に、個々のステップが生成される。
【００８７】
第２の固定層４１４は、第１の方向以外の方向、すなわち外部磁界が存在しない場合の自由層４１０内の正味磁界の方向以外の方向を指す自由層４１０内の磁区の数を少なくするために（すなわち第２の複数の磁区内の磁区の量を少なくするために）、スペーサ層４１２を介して自由層４１０に部分的に磁気結合するように動作することができる。この低減により、ステップ１０４がより少なくなり、ステップ１０４がより小さくなり、又はステップ１０４が存在しなくなる。この低減は、上記第２の複数の磁区内の磁区の量の低減を含むことができる。
【００８８】
部分固定化とは、第２の固定層４１４と自由層４１０の間の磁気結合の方が、第１の固定層４０６と自由層４１０の間の磁気結合より少ないことを意味する。部分固定化の量は、部分的にはスペーサ層４１２の材料及び厚さによって決定される。
【００８９】
ＰｔＭｎの第１及び第２の反強磁性固定化層４０４、４１６は、いずれも約３００℃より高いネール温度及びブロッキング温度を有することができる。高温応用例、例えば自動車応用例におけるＧＭＲ素子４００の磁気特性の損失を除去するためには、この高い温度が重要である。
【００９０】
ＧＭＲ素子の層は特定の順序で示されているが、他の実施形態では、層４０４、４０６（すなわち４０６ａ、４０６ｂ、４０６ｃ）及び４０８は、それぞれ層４１６、４１４、４１２と交換され得ることを理解されたい。いくつかの実施形態では、図４に示されているすべての層は、一番下から一番上まで順序が逆にされ得る。
【００９１】
結合強度、したがって異方性振幅は、自由層４１０と第２の固定層４１４の間の非磁性スペーサ層４１２によって制御される。図３の従来技術の構造では、極めて薄いＴａスペーサ３１２が使用されている。製造においては、薄いＴａスペーサ３１２の厚さを制御することは困難であり、したがって図３の第２の固定層３１４と自由層３１０の間の磁気結合の量を制御することは困難である。対照的に、図４の構造は異なる非磁性スペーサ層４１２を使用し、第２の固定層４１４と自由層４１０の間の強力なＲＫＫＹ結合を可能にしている。スペーサ層４１２には、Ｒｕ、Ａｇ又はＡｕが使用され得る。
【００９２】
ＲＫＫＹ結合は、固定層４１４と自由層４１０の間の距離が長くなるにつれて（すなわち非磁性スペーサ層４１２の厚さが厚くなるにつれて）小さくなり、最大反強磁性結合と最大強磁性結合の間で切り換わる。結合の最小の値（ｍｉｎｉｍａ）（結合の第２の最小の値と呼ばれる）は、これらの最大の値の間に出現し、厚さの選択によって結合が調整され得る厚さの範囲で生じる。スペーサ層４１２の材料は、結合の第２の最小の値（例えばＲｕの場合、１．６ｎｍ）近辺で選択されることが可能であり、それにより、単に厚さに応じて急激にＲＫＫＹ結合が小さくなるだけの図２の薄いＴａスペーサ３１２に現在使用されている堆積プロセスよりはるかに優れた再現可能な堆積プロセスが得られる。
【００９３】
ＧＭＲ素子の場合、スペーサ層４０８は金属非磁性層である（通常は銅）。ＴＭＲ素子の場合、スペーサ層４０８は絶縁非磁性層である（例えばＡｌ２Ｏ３又はＭｇＯ）。さもなければＧＭＲ素子４００は、同等なＴＭＲ素子と同じ、又は同様の層を有することができる。したがってＴＭＲ素子は明確には示されていない。
【００９４】
次に、図４の要素と同様の要素が同様の参照名称で示されている図５を参照すると、特定の実施形態によれば、図４の磁気抵抗素子４００は、ヨーク５００の形状で形成され得る。断面線Ａ−Ａは、図４の透視図を示す。
【００９５】
ヨーク５００は、主部分５０１、主部分５０１に結合された２つのアーム５０６、５０８、及びそれぞれ２つのアーム５０６、５０８に結合された２つの横方向アーム５１２、５１４を有する。いくつかの実施形態では、主部分５０１、２つのアーム５０６、５０８及び２つの横方向アーム５１２、５１４は、それぞれ幅（ｗ）を有する。しかしながら他の実施形態では、幅は異なっていてもよい。
【００９６】
ヨーク５００の長さ（Ｌ）及びヨーク５００の横方向アーム５１２、５１４の長さ（ｄ）は、それぞれヨーク５００の幅（ｗ）の少なくとも３倍であり、また、ヨーク５００の幅（ｗ）は、約１μｍと約２０μｍの間であってもよい。
【００９７】
ヨーク寸法は、例えば以下の範囲内であってもよい。
−ヨーク５００の主部分５０１の長さ（Ｌ）は、約１０μｍと約１０ミリメートルの間であってもよい。
【００９８】
−ヨーク５００のアーム５０６、５０８の長さ（ｌ）は、幅（ｗ）の少なくとも３倍であってもよい。
−ヨーク５００の幅（ｗ）は、約１μｍと約２０μｍの間であってもよい。
【００９９】
ヨーク５００のアーム５０６、５０８は、主部分５０１に平行で、全体の長さ（Ｌ）の約１／４と１／３の間である長さｌを有する横方向アーム５１２、５１４に連結されている。
【０１００】
一般に、ヨーク形状５００を有する磁気抵抗素子４００の感度は、幅（ｗ）と共に鈍くなり、また、磁気抵抗素子４００の低周波雑音は、幅（ｗ）と共に大きくなる。
ヨーク形状は、主部分５０１の長手方向の中央領域においてより良好な磁気均質性を提供する。これは、主として主部分５０１に沿っているヨーク長の減磁界によるものであり、また、これは、ヨーク５００の長さに沿ったゼロ磁界における磁化として理解され得る図４の自由層４１０の異方性を誘導する。固定層（例えば図４の４０６）がヨークに対して直交する磁界（例えば矢印５０２）を有する場合、矢印５０２の方向に外部磁界が印加されると、自由層４１０の磁化が一様に、すなわち領域をジャンプすることなく回転する。自由層４１０の磁化の均質な回転は、応答にステップがない応答曲線をもたらす（例えば図１参照）。
【０１０１】
ＧＭＲ素子の場合、スタック全体がヨーク形状で設計され得るが、ＴＭＲ素子の場合、いくつかの実施形態では、ヨーク形状を有することができるのは自由層のみである。
他の実施形態では、ＧＭＲ素子又はＴＭＲ素子４００は、ヨークの形では形成されず、その代わりに、例えば寸法Ｌ及びｗを有する直線バーの形で形成され、寸法ｌ及びｄに関連する特徴は有していない。バー形状のＧＭＲ素子又はＴＭＲ素子の場合でも、依然として断面線Ａ−Ａは、図４のＧＭＲ素子４００の断面を表している。
【０１０２】
次に図６を参照すると、磁界センサ６００は、１つ又は複数の磁気抵抗素子を含むことができる。ここでは、図４に関連して上で説明したタイプの素子であってもよい４つの磁気抵抗素子が共通基板の上に配置されている。４つの磁気抵抗素子は、ブリッジで配置され得る。他の電子コンポーネント（図示せず）、例えば増幅器及びプロセッサも共通基板の上に集積され得る。
【０１０３】
磁界センサ６００は、可動磁性物体、例えば磁北極及び磁南極を交互に有するリング磁石６０２の近傍に配置され得る。リング磁石６０２は回転される。
磁界センサ６００は、リング磁石の少なくとも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。いくつかの構造では、リング磁石６０２は、ターゲット物体、例えばエンジン内のカムシャフトに結合され、検知されたリング磁石６０２の回転速度は、ターゲット物体の回転速度を示す。
【０１０４】
磁界センサ６００は、回転検出器として使用されているが、他の同様の磁界センサ、例えば図４の１つ又は複数の磁気抵抗素子を有する電流センサも実現され得ることを理解されたい。
【０１０５】
図７は、半導体製造設備を使用して実施される、以下で企図されている技法に対応するフローチャートを示したものであることを理解されたい。本明細書においては「処理ブロック」を表す長方形の要素（図７の要素７０４によって代表される）は、プロセスステップを表している。
【０１０６】
別段本明細書に記されていない限り、説明されているブロックの特定のシーケンスは例示的なものにすぎず、本発明の趣旨から逸脱することなく変更され得ることは当業者には理解されよう。したがって別段言及されていない限り、以下で説明されるブロックは順序不定であり、可能である場合、ステップは、任意の好都合の順序又は望ましい順序で実行され得ることを意味している。
【０１０７】
ここで図７を参照すると、上記図４における二重固定ＧＭＲ素子を製造するための例示的プロセス７００はブロック７０２で始まり、図４の全スタック４００が逐次堆積ステップで堆積される。この堆積は、ブロック７０４のパターン化プロセスに続いてもよい。パターン化により、例えば図５のヨーク形状を得ることができる。
【０１０８】
ブロック７０４のパターン化の後、ブロック７０６で、処理されたウェーハに第１のアニーリングが適用され、第１の固定層（例えば図４の４０６）内の磁界の方向、及び第１の反強磁性層（例えば図４の４０４）内の方向が画定される。典型的にはアニーリングは温度Ｔ１で実行され、磁界Ｈ１がウェーハに平行に、また、例えば図５の矢印５０２に平行に印加される。このアニーリングは、例えば２９５℃で１Ｔの磁界の下で１時間の継続期間を有することができるが、これらの値は、スタックの組成、すなわち層の材料に適合される。
【０１０９】
ブロック７０６のこの第１のアニーリングの後、ブロック７０８で、第２の固定層（例えば図４の４１４）及び第２の反強磁性層（例えば図４の４１６）の磁化を画定するために第２のアニーリングが実行され、この第２のアニーリングは、第１の固定層（例えば図４の４０６）内の磁界の方向、及び第１の反強磁性層（例えば図４の４０４）内の方向に対して直角に配向される第２の固定層内及び第２の反強磁性層内の磁界を提供する。このアニーリングステップは、例えば、Ｔ１に等しくてもよい温度Ｔ２で、かつ、磁界Ｈ１より小さい磁界Ｈ２で１時間の継続期間を有することができる。磁界Ｈ２は、図５の矢印５０４に平行な方向に印加され得る。このステップは、第１の固定層（例えば図４の４０６）の磁化方向及び値を変えることなく、第２の固定層（例えば図４の４１４）の磁化を配向することを意味している。
【０１１０】
２つのＰｔＭｎ固定化層４０４、４１６を有する図４の二重固定層構造に対する典型的な値は、１時間の間、Ｔ１＝２９５℃、Ｈ１＝１Ｔ、及び１時間の間、Ｔ２＝３００℃、Ｈ２＝２０ｍＴから１００ｍＴである。しかしながら、他の値を使用することもできる。
【０１１１】
ある実施形態では、値の範囲は次のようになる。
Ｔ１＝２８０℃から３２０℃；Ｈ１≧０．３Ｔ
Ｔ２＝２８０℃から３２０℃；Ｈ２＝２０から６０ｍＴ
継続時間：３０分から２時間
次に、図７の要素と同様の要素が同様の参照名称で示されている図８及び９を参照すると、同様のプロセス８００、９００が図７のステップに従って適用され得るが、示されているように順序が異なっている。
【０１１２】
プロセス７００、８００、９００のすべてにおいて、第２のアニーリング中に印加される磁界Ｈ２は、Ｈ１より小さく、別の方向、好ましくはＨ１に対して直交する方向に印加される。
【０１１３】
本明細書において引用される全ての参考文献は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
この特許の主題である種々の概念、構造及び技術を説明するのに役立つ好適な実施形態を説明したが、これらの概念、構造及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は明らかであろう。したがって、特許の範囲は説明した実施形態に限定されるものではなく、むしろ、以下の特許請求の範囲の趣旨及び範囲によってのみ限定されるべきであると考えられる。
【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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