(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
面内磁化方向を有する固定層と、
面内磁化方向を有して前記固定層と垂直に離隔されて整列された自由層と、
前記固定層と前記自由層との間に配置された導電スペーサ層と、
前記固定層の磁化方向を固定し、前記固定層と垂直に離隔されて整列された反強磁性層と、
前記固定層と前記反強磁性層との間に配置された貴金属スペーサ層と、を含むことを特徴とする磁気素子。
【請求項２】
前記貴金属スペーサ層は、銅又は白金の単層薄膜、銅及び白金の多層薄膜であり、
前記貴金属スペーサ層の厚さは、０.１ ｎｍないし０.８ ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の磁気素子。
【請求項３】
前記自由層は形状磁気異方性を有し、
前記磁気素子はホイートストンブリッジ構造で連結されることを特徴とする請求項１に記載の磁気素子。
【請求項４】
前記導電スペーサ層は銅であり、２.２ ｎｍの厚さを有することを特徴とする請求項１に記載の磁気素子。
【請求項５】
前記貴金属スペーサ層はＰｔ２Ｃｕ１、Ｃｕ２Ｐｔ１、又はＣｕ３Ｐｔ２であり、
ここで下付き文字はオングストローム単位の厚さであることを特徴とする請求項１に記載の磁気素子。
【請求項６】
前記固定層はＣｏＦｅであり、
前記自由層はＮｉＦｅの第１強磁性層及びＣｏＦｅの第２強磁性層を含むことを特徴とする請求項１に記載の磁気素子。
【請求項７】
面内磁化方向を有する固定層と、
面内磁化方向を有して前記固定層と垂直に離隔されて整列された自由層と、
前記固定層と前記自由層との間に配置されたトンネル絶縁層と、
前記固定層の磁化方向を固定し、前記固定層と垂直に離隔されて整列された反強磁性層と、
前記固定層と前記反強磁性層との間に配置された貴金属スペーサ層と、を含むことを特徴とする磁気素子。
【請求項８】
前記貴金属スペーサ層は、銅又は白金の単層薄膜、銅及び白金の多層薄膜であり、
前記貴金属スペーサ層の厚さは、０.１ ｎｍないし０.８ ｎｍであることを特徴とする請求項７に記載の磁気素子。
【請求項９】
前記自由層は形状磁気異方性を有し、
前記磁気素子はホイートストンブリッジ構造で連結されることを特徴とする請求項７に記載の磁気素子。
【請求項１０】
前記トンネル絶縁層はＭｇＯ、ＡｌＯｘ、又はＧｄＯｘであることを特徴とする請求項７に記載の磁気素子。
【請求項１１】
前記貴金属スペーサ層はＰｔ２Ｃｕ１、Ｃｕ２Ｐｔ１、又はＣｕ３Ｐｔ２であり、
ここで下付き文字はオングストローム単位の厚さであることを特徴とする請求項７に記載の磁気素子。
【請求項１２】
前記固定層はＣｏＦｅであり、
前記自由層はＮｉＦｅの第１強磁性層及びＣｏＦｅの第２強磁性層を含むことを特徴とする請求項７に記載の磁気素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気素子に関するものとして、より詳細には、反強磁性層と固定層との間に挿入された超薄膜貴金属スペーサ層を有する巨大磁気抵抗効果を用いた磁気素子又はトンネル磁気抵抗効果を有する磁気素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）効果は、スピンバルブ構造で自由層（ｆｒｅｅ ｌａｙｅｒ）と固定層（ｆｉｘｅｄ ｌａｙｅｒ）の磁化方向が平行な場合に電気的抵抗が低く、反平行な場合に電気的抵抗が高くなる現象である。巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）効果は、バイオセンサ、ハードディスクリーダヘッド、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）の振動感知器などのような磁気センサに使用される重要な核心技術である。巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子は、磁気センサとして使用される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の解決しようとする技術的課題は、ホイートストンブリッジ構造の磁気センサで磁化容易軸方向の外部磁場による信号を抑制し、磁化困難軸方向の外部磁場による信号感度を増加させることである。
本発明の解決しようとする技術的課題は、ホイートストンブリッジ構造の磁気センサで磁化困難軸方向の外部磁場に対するセンシング範囲を増加させることである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の一実施例による磁気素子は、面内磁化方向を有する固定層と、面内磁化方向を有して前記固定層と垂直に離隔されて整列された自由層と、前記固定層と前記自由層との間に配置された導電スペーサ層と、前記固定層の磁化方向を固定し、前記固定層と垂直に離隔されて整列された反強磁性層と、前記固定層と前記反強磁性層との間に配置された貴金属スペーサ層と、を含む。
【０００５】
本発明の一実施例において、前記貴金属スペーサ層は、銅又は白金の単層薄膜、銅及び白金の多層薄膜であり、前記貴金属スペーサ層の厚さは、０.１ ｎｍないし０.８ ｎｍである。
【０００６】
本発明の一実施例において、前記自由層は形状磁気異方性を有し、前記磁気素子はホイートストンブリッジ構造で連結される。
【０００７】
本発明の一実施例において、前記導電スペーサ層は銅であり、２.２ ｎｍの厚さを有する。
【０００８】
本発明の一実施例において、前記貴金属スペーサ層はＰｔ２Ｃｕ１、Ｃｕ２Ｐｔ１、又はＣｕ３Ｐｔ２であり、ここで下付き文字はオングストローム単位の厚さである。
【０００９】
本発明の一実施例において、前記固定層はＣｏＦｅであり、前記自由層はＮｉＦｅの第１強磁性層及びＣｏＦｅの第２強磁性層を含む。
【００１０】
本発明の一実施例による磁気素子は、面内磁化方向を有する固定層と、面内磁化方向を有して前記固定層と垂直に離隔されて整列された自由層と、前記固定層と前記自由層との間に配置されたトンネル絶縁層と、前記固定層の磁化方向を固定し、前記固定層と垂直に離隔されて整列された反強磁性層と、前記固定層と前記反強磁性層との間に配置された貴金属スペーサ層と、を含む。
【００１１】
本発明の一実施例において、前記貴金属スペーサ層は、銅又は白金の単層薄膜、銅及び白金の多層薄膜であり、前記貴金属スペーサ層の厚さは、０.１ ｎｍないし０.８ ｎｍである。
【００１２】
本発明の一実施例において、前記自由層は形状磁気異方性を有し、前記磁気素子はホイートストンブリッジ構造で連結される。
【００１３】
本発明の一実施例において、前記トンネル絶縁層はＭｇＯ、ＡｌＯｘ、又はＧｄＯｘである。
【００１４】
本発明の一実施例において、前記貴金属スペーサ層はＰｔ２Ｃｕ１、Ｃｕ２Ｐｔ１、又はＣｕ３Ｐｔ２であり、ここで下付き文字はオングストローム単位の厚さである。
【００１５】
本発明の一実施例において、前記固定層はＣｏＦｅであり、前記自由層はＮｉＦｅの第１強磁性層及びＣｏＦｅの第２強磁性層を含む。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の一実施例による磁気素子は、反強磁性層と固定層との間に貴金属スペーサ層を挿入して磁気素子の磁化困難軸方向の感度数値（Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ Ｖａｌｕｅ）を調節する。
【００１７】
本発明の一実施例による磁気素子は、反強磁性層と固定層との間に貴金属スペーサ層を挿入して磁気素子の磁化困難軸方向のバイアス磁場のセンシング範囲を増加させる。
【００１８】
本発明の一実施例による磁気素子は、反強磁性層と固定層との間に貴金属スペーサ層を挿入して磁気素子の磁化容易軸方向のバイアス磁場を減少させる。
【００１９】
本発明の一実施例による磁気素子は、反強磁性層と固定層との間に貴金属スペーサ層を挿入して磁壁に起因する静磁気相互作用を向上させるネール磁壁の密度を増加させ、ｆｌｕｘ−ｃｌｏｓｕｒｅを伸ばすことで反平行な状態から平行な状態に磁化転換が起こる自由層の磁化転換磁場の大きさを増加させ、結果的に自由層のバイアス磁場を減らす。バイアス磁場の減少は、磁化困難軸方向から感度を向上させる。
【００２０】
本発明の一実施例による磁気素子において、超薄膜貴金属スペーサ層は、反強磁性層と固定層との間に貴金属スペーサ層を挿入して、固定層のネール磁壁密度の調節を通じて自由層のバイアス磁場を制御する。貴金属スペーサ層は、上/下界面で電子の正反射性散乱を起こし、さらに磁気抵抗値の上昇効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施例によるホイートストンブリッジＧＭＲ磁気センサを説明する概念図である。
【図２】図１の第１ＧＭＲ磁気抵抗で磁化困難軸方向の外部磁場に従う抵抗を示す。
【図３】図１の第１ＧＭＲ磁気抵抗の固定層の磁化方向及び自由層の形状異方性方向を示す。
【図４】図１の第１ＧＭＲ磁気抵抗で磁化困難軸方向の外部磁場に従う自由層の磁化方向を示す。
【図５】図１の第２ＧＭＲ磁気抵抗で磁化困難軸方向の外部磁場に従う抵抗を示す。
【図６】図１の第２ＧＭＲ磁気抵抗の固定層の磁化方向及び自由層の形状異方性方向を示す。
【図７】図１の第２ＧＭＲ磁気抵抗で磁化困難軸方向の外部磁場に従う自由層の磁化方向を示す。
【図８Ａ】図１の第１ないし第４ＧＭＲ磁気抵抗で磁化容易軸方向の外部磁場に従う抵抗を示す。
【図８Ｂ】図１の第１ないし第４ＧＭＲ磁気抵抗で磁化容易軸方向の外部磁場に従う抵抗を示す。
【図８Ｃ】図１の第１ないし第４ＧＭＲ磁気抵抗で磁化容易軸方向の外部磁場に従う抵抗を示す。
【図８Ｄ】図１の第１ないし第４ＧＭＲ磁気抵抗で磁化容易軸方向の外部磁場に従う抵抗を示す。
【図９Ａ】図１の第１ないし第４ＧＭＲ磁気抵抗で磁化困難軸方向の外部磁場に従う抵抗を示す。
【図９Ｂ】図１の第１ないし第４ＧＭＲ磁気抵抗で磁化困難軸方向の外部磁場に従う抵抗を示す。
【図９Ｃ】図１の第１ないし第４ＧＭＲ磁気抵抗で磁化困難軸方向の外部磁場に従う抵抗を示す。
【図９Ｄ】図１の第１ないし第４ＧＭＲ磁気抵抗で磁化困難軸方向の外部磁場に従う抵抗を示す。
【図１０Ａ】図１のホイートストンブリッジ磁気センサで磁化容易軸方向の外部磁場Ｈｘ、Ｈｙに従う第１端子ａと第３端子ｃとの間の電圧を示す。
【図１０Ｂ】図１のホイートストンブリッジ磁気センサで磁化容易軸方向の外部磁場Ｈｘ、Ｈｙに従う第１端子ａと第３端子ｃとの間の電圧を示す。
【図１１Ａ】本発明の一実施例によるＧＭＲ抵抗素子を示す平面図である。
【図１１Ｂ】本発明の一実施例によるＧＭＲ抵抗素子を示す断面図である。
【図１２Ａ】本発明の一実施例による磁気素子で貴金属スペーサ層の材質及び厚さに対して磁化容易軸方向の外部磁場に従う磁化特性を示す。
【図１２Ｂ】本発明の一実施例による磁気素子で貴金属スペーサ層の材質及び厚さに対して磁化容易軸方向の外部磁場に従う磁化特性を示す。
【図１２Ｃ】本発明の一実施例による磁気素子で貴金属スペーサ層の材質及び厚さに対して磁化容易軸方向の外部磁場に従う磁化特性を示す。
【図１２Ｄ】本発明の一実施例による磁気素子で貴金属スペーサ層の材質及び厚さに対して磁化容易軸方向の外部磁場に従う磁化特性を示す。
【図１３】本発明の一実施例による磁気素子で貴金属スペーサ層の有無に従うＭＯＫＥ（Ｍａｇｎｅｔｏ−ｏｐｔｉｃ Ｋｅｒｒ ｅｆｆｅｃｔ）顕微鏡写真及びヒステリシス特性を示す図面である。
【図１４Ａ】本発明の一実施例による磁気素子で磁化容易軸方向の外部磁場に従う磁気抵抗比を示す実験結果である。
【図１４Ｂ】本発明の一実施例による磁気素子で磁化容易軸方向の外部磁場に従う磁気抵抗比を示す実験結果である。
【図１４Ｃ】本発明の一実施例による磁気素子で磁化容易軸方向の外部磁場に従う磁気抵抗比を示す実験結果である。
【図１４Ｄ】本発明の一実施例による磁気素子で磁化容易軸方向の外部磁場に従う磁気抵抗比を示す実験結果である。
【図１５】図１４Ａないし図１４Ｄにおいて、Ｃｕ３Ｐｔ２条件で磁気抵抗比を拡大したグラフである。
【図１６Ａ】本発明の一実施例による磁気素子で磁化困難軸方向の外部磁場に従う磁気抵抗比を示す実験結果である。
【図１６Ｂ】本発明の一実施例による磁気素子で磁化困難軸方向の外部磁場に従う磁気抵抗比を示す実験結果である。
【図１６Ｃ】本発明の一実施例による磁気素子で磁化困難軸方向の外部磁場に従う磁気抵抗比を示す実験結果である。
【図１６Ｄ】本発明の一実施例による磁気素子で磁化困難軸方向の外部磁場に従う磁気抵抗比を示す実験結果である。
【図１７】本発明の一実施例による磁気素子で感度（Ｓ）−自由層のバイアス磁場Ｈｂｉａｓの相関関係を示すグラフである。
【図１８】本発明の他の実施例による磁気素子を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
巨大磁気抵抗（Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）磁気センサは、信号対雑音比と熱的安定性に優れたという特性を有する。スピンバルブ構造の薄膜をホイットストーンプッシュ−プルブリッジ（Ｗｈｅａｔｓｔｏｎｅ ｐｕｓｈ−ｐｕｌｌ ｂｒｉｄｇｅ）パターンの形で作ったときに、ユニポーラ信号（ｕｎｉｐｏｌａｒ ｓｉｇｎａｌ）がバイポーラ信号（ｂｉｐｏｌａｒ ｓｉｇｎａｌ）に変わる。巨大磁気抵抗磁気センサは、この点を用いて磁気センサとして使用される。自由層の磁化困難軸（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｈａｒｄ ａｘｉｓ）方向に磁場を印加したときに、非履歴曲線（ｎｏｎ−ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ ｃｕｒｖｅ）が現れる。この点を利用すれば、センサの線形性特性が確保される。また、磁化困難軸方向の低い磁場領域で現れる傾きあるいは感度数値（Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ Ｖａｌｕｅ）は、巨大磁気抵抗センサの感度特性に影響を及ぼす大変重要な要素である。磁化困難軸方向の低い磁場領域で現れる感度数値（Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ Ｖａｌｕｅ）の増加が求められる。また、磁化容易軸方向の磁場による磁化容易軸信号が発生すると、磁化困難軸方向の磁場による磁化困難軸信号は、磁化容易軸信号と重なることで磁化困難軸信号を歪ませる。これによって、測定しようとするセンシング範囲内で磁化容易軸方向の磁場による磁化容易軸信号を抑制する方法が求められる。
【００２３】
また、トンネル磁気抵抗磁気センサで、同一に磁化容易軸方向の磁場による磁化容易軸信号が発生すると、磁化困難軸方向の磁場による磁化困難軸信号が歪まれる。
【００２４】
本発明の一実施例によれば、磁気抵抗素子の固定層と反強磁性層との間に貴金属スペーサ層を挿入して、磁場範囲内で磁化容易軸方向の磁場による磁化容易軸信号を抑制する。磁気抵抗素子は、巨大磁気抵抗素子又はトンネル磁気抵抗素子である。
【００２５】
以下、添付した図面を参照して本発明をより詳細に説明する。以下、好ましい実施例を挙げて本発明をより詳細に説明する。しかし、この実施例は、本発明をより具体的に説明するためのものであり、実験条件、物質種類などによって本発明が制限又は限定されるものではないことは、当業界の通常の知識を有する者に自明である。本発明は、ここで説明される実施例に限らず、他の形態で具体化される。むしろ、ここで紹介される実施例は、開示された内容が徹底かつ完全になるように、そして、当業者に本発明の思想が十分に伝わるように提供されるものである。図面において、構成要素は明確にするために誇張されたものである。明細書の全体にわたって同一の参照番号として表示された部分は、同一の構成要素を示す。
【００２６】
図１は、本発明の一実施例によるホイートストンブリッジＧＭＲ磁気センサを説明する概念図である。
【００２７】
図２は、図１の第１ＧＭＲ磁気抵抗で磁化困難軸方向の外部磁場に従う抵抗を示す。
【００２８】
図３は、図１の第１ＧＭＲ磁気抵抗の固定層の磁化方向及び自由層の形状異方性方向を示す。
【００２９】
図４は、図１の第１ＧＭＲ磁気抵抗で磁化困難軸方向の外部磁場に従う自由層の磁化方向を示す。
【００３０】
図５は、図１の第２ＧＭＲ磁気抵抗で磁化困難軸方向の外部磁場に従う抵抗を示す。
【００３１】
図６は、図１の第２ＧＭＲ磁気抵抗の固定層の磁化方向及び自由層の形状異方性方向を示す。
【００３２】
図７は、図１の第２ＧＭＲ磁気抵抗で磁化困難軸方向の外部磁場に従う自由層の磁化方向を示す。
【００３３】
図８Ａないし図８Ｄは、図１の第１ないし第４ＧＭＲ磁気抵抗で磁化容易軸方向の外部磁場に従う抵抗を示す。
【００３４】
図９Ａないし図９Ｄは、図１の第１ないし第４ＧＭＲ磁気抵抗で磁化困難軸方向の外部磁場に従う抵抗を示す。
【００３５】
図１０Ａ及び図１０Ｂは、図１のホイートストンブリッジ磁気センサで磁化容易軸方向の外部磁場Ｈｘ、Ｈｙに従う第１端子ａと第３端子ｃとの間の電圧を示す。
【００３６】
図１ないし図７、図８Ａないし図８Ｄ、図９Ａないし図９Ｄ、及び図１０Ａ及び図１０Ｂに示すように、ホイートストンブリッジ磁気センサ１０は、第１ないし第４ＧＭＲ磁気抵抗１２ａ〜１２ｄを含む。ホイートストンブリッジ磁気センサ１０は、第１ないし第４端子ａ、ｂ、ｃ、ｄを含み、第１端子ａと第３端子ｃとの間の電圧は出力電圧を示す。第２端子ｂは外部直流電圧に連結され、第４端子ｄは接地される。第１ＧＭＲ磁気抵抗１２ａと第４ＧＭＲ磁気抵抗１２ｄは、互いに離隔されて並行に配置される。第２ＧＭＲ磁気抵抗１２ｂと第３ＧＭＲ磁気抵抗１２ｃは、前記第１ＧＭＲ磁気抵抗に対して９０度回転し、互いに離隔されて並行に配置される。
【００３７】
ＧＭＲ磁気抵抗１２ａ〜１２ｄそれぞれは、形状磁気異方性を有するように長さ方向に延長され、離隔されて戻ってくる曲がりくねった形を有する。ＧＭＲ磁気抵抗の形状磁気異方性方向は、ＧＭＲ磁気抵抗の延長方向である。固定層の磁化方向は、すべてのＧＭＲ磁気抵抗に対して同一であり、延長方向に４５度回転したｘ軸方向である。全てのＧＭＲ磁気抵抗は、面内（ｉｎ−ｐｌａｎｅ）磁気異方性を有する。
【００３８】
固定層の磁化方向は、自由層の磁化容易軸と一致する。外部磁場は、磁化容易軸方向（ｘ軸）に印加される磁化容易軸磁場と磁化困難軸方向（ｙ軸方向）に印加される磁化困難軸磁場を含む。
【００３９】
前記磁気素子は、基板上に順次積層したシード層（Ｔａ（５.０ ｎｍ））、自由層（Ｔａ（５.０ ｎｍ））、金属スペーサ層（Ｃｕ（２.２ ｎｍ））、固定層（Ｃｏ９０Ｆｅ１０（２.０ ｎｍ））、及び反強磁性層（Ｉｒ２１Ｍｎ７９（６.０ ｎｍ））、及びキャッピング層（Ｔａ（５.０ ｎｍ）を含む。
【００４０】
図２、図３及び図４に示すように、第１ＧＭＲ磁気抵抗１２ａに磁化困難軸方向（ｙ軸）に外部磁場Ｈｙを印加すると、外部磁場Ｈｙの強さが十分に大きい場合には、自由層は外部磁場方向に整列する。一方、外部磁場Ｈｙの強さが小さい場合には、自由層は形状磁気異方性方向（延長方向）に回転する。また、外部磁場Ｈｙが除去された場合には、自由層は形状磁気異方性方向に整列する。
【００４１】
図５、図６及び図７に示すように、第２ＧＭＲ磁気抵抗１２ｂに磁化困難軸方向（ｙ軸）に外部磁場Ｈｙを印加すると、外部磁場Ｈｙの強さが十分に大きい場合には、自由層は外部磁場方向に整列する。一方、外部磁場Ｈｙの強さが小さい場合には、自由層は形状磁気異方性方向に回転する。また、外部磁場Ｈｙが除去された場合には、自由層は形状磁気異方性方向に整列する。
【００４２】
図８Ａないし図８Ｄに示すように、第１ＧＭＲ抵抗１２ａの値は、磁化容易軸方向（ｘ軸）の外部磁場Ｈｘの強さ及び符号に従ってヒステリシスを示す。ヒステリシスで急激な傾きを有する外部磁場の強さは、Ａ地点及びＢ地点である 。また、Ａ地点及びＢ地点の中間値は、バイアス磁場Ｈｂｉａｓである。Ａ地点は約２５ Ｏｅであり、Ｂ地点は約１０ Ｏｅであり、バイアス磁場Ｈｂｉａｓは約１７ Ｏｅである。
【００４３】
図９Ａないし図９Ｄに示すように、第１ＧＭＲ抵抗１２ａの値は、磁化困難軸方向（ｙ軸）の外部磁場Ｈｙの強さ及び符号に従って単一値を有し、外部磁場Ｈｙがゼロに近接した場合に最小値を有する。
【００４４】
図１０Ａ及び図１０Ｂに示すように、ホイートストンブリッジ磁気センサ１０で磁化容易軸方向の外部磁場Ｈｘに従う第１端子ａと第３端子ｃとの間の電圧Ｖａｃは、Ａ地点（約２５ Ｏｅ）で負の最大値を示し、Ｂ地点（約１０ Ｏｅ）で正の最大値を示す。地球磁場は１ Ｏｅ以下であり、地球磁場を測定するためのセンシング範囲は、正の数Ｏｅないし負の数Ｏｅである。
【００４５】
しかし、正の数Ｏｅないし負の数Ｏｅのセンシング範囲内で、磁化容易軸方向の外部磁場Ｈｘに従う第１端子ａと第３端子ｃとの間の電圧Ｖａｃは、ピーク又は外部磁場Ｈｘに依存する値を有する。このような磁化容易軸方向の外部磁場による電圧信号Ｖａｃは、測定しようとする磁化困難軸方向の信号に歪みを誘発する。
【００４６】
したがって、ＧＭＲ磁気抵抗で磁化容易軸方向の外部磁場Ｈｘに従う抵抗ヒステリシスが最大傾きを有する地点であるＡ地点及びＢ地点は、センシング範囲を脱するように設計されなければならない。Ａ地点及びＢ地点の中間値であるバイアス磁場Ｈｂｉａｓは、ゼロの値を有することが好ましい。磁化容易軸方向の外部磁場Ｈｘに従う第１端子ａと第３端子ｃとの間の電圧Ｖａｃは、センシング範囲内でゼロであるか、又は一定の値を有する必要がある。
【００４７】
本発明の一実施例によれば、バイアス磁場Ｈｂｉａｓを調節することができるＧＭＲ抵抗素子構造を提案する。本発明の一実施例による磁気抵抗素子において、Ａ地点及びＢ地点はセンシング範囲（例えば、負の数Ｏｅないし正の数Ｏｅ）を脱して位置する。
【００４８】
また、本発明の一実施例によれば、磁化困難軸方向の感度数値（Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ Ｖａｌｕｅ）が増加する。
【００４９】
図１１Ａは、本発明の一実施例によるＧＭＲ抵抗素子を示す平面図である。
図１１Ｂは、本発明の一実施例によるＧＭＲ抵抗素子を示す断面図である。
【００５０】
図１１Ａ及び図１１Ｂに示すように、磁気素子１００はＧＭＲ抵抗素子である。前記磁気素子１００は、面内磁化方向を有する固定層１５２と、前記固定層１５２と垂直に離隔されて整列された自由層１３０と、前記固定層１５２と前記自由層１３０との間に配置された導電スペーサ層１４０と、前記固定層の磁化方向を固定し、前記固定層１５２と垂直に離隔されて整列された反強磁性層１５６と、前記固定層１５２と前記反強磁性層１５４との間に配置された貴金属スペーサ層１５４と、を含む。前記貴金属スペーサ層１５４は、銅又は白金の単層薄膜、銅及び白金の多層薄膜であり、前記貴金属スペーサ層１５４の厚さは、０.１ ｎｍないし０.８ ｎｍである。前記磁気素子１０は、ホイートストンブリッジ構造で連結されて、磁気センサを構成する。
【００５１】
前記磁気素子１００は、基板１００上に正の第１方向に延長された後、第２方向に延長され、再び負の第１方向に延長することを繰り返して曲がりくねった構造を有する。前記磁気素子１００の両端は、電極１０２ａ、１０２ｂを通じて電極パッドに連結される。
【００５２】
前記磁気素子の固定層１５２の磁化方向は、前記磁気素子の延長である第１方向で４５度回転して面内に配置される。前記磁気素子の固定層１５２の磁化方向は、磁化容易軸方向である。また、前記磁気素子の自由層１３０の磁化容易軸は、固定層１５２の磁化容易軸と同一である。前記磁気素子の形状異方性方向は、前記第１方向である。これによって、外部磁場が印加されない場合、前記自由層１３０は、前記形象異方性方向（第１方向）に整列される。
【００５３】
基板１１０は、シリコン基板又は半導体基板である。前記基板１１０は、シリコン酸化膜のような絶縁層を含む。具体的には、ｐ−ｔｙｐｅシリコン基板に水酸化方式で酸化させた基板が使用される。
【００５４】
シード層１２０は、前記基板１１０上に配置される。前記シード層１２０はＴａである。前記シード層１２０の厚さは、５.０ｎｍである。前記シード層１２０は、スピンバルブ構造の巨大磁気抵抗薄膜に滑らかな表面を提供する。
【００５５】
自由層１３０は、前記シード層１２０上に配置される。前記自由層１２０は、順次積層された第１強磁性層１３２及び第２強磁性層１３４を含む。前記第１強磁性層１３２は、Ｎｉ８０Ｆｅ２０である。前記第１強磁性層１３２の厚さは、３.０ｎｍである。前記第２強磁性層１３４は、Ｃｏ９０Ｆｅ１０である。前記第２強磁性層１３４の厚さは、１.８ ｎｍである。前記自由層１３０は、印加される磁場に比較的に自由に磁化転換を提供する。前記自由層１３０はＣｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、及びこれらの合金を含み、単層又は複層構造を有する。具体的に、前記自由層１３０は、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、又はＣｏＦｅＢを含む。前記自由層１３０は、面内磁気異方性を有し、面内磁気異方性の大きさは、前記自由層１３０の厚さと蒸着したときに原子が溜まる結晶構造と面の方向によって調節される。
【００５６】
前記導電スペーサ層１４０は、前記自由層１３０上に配置される。前記導電スペーサ層１４０は銅である。前記導電スペーサ層１４０の厚さは２.０ｎｍである。前記導電スペーサ層１４０は、スピン依存散乱を通じて巨大磁気抵抗効果に寄与する。
【００５７】
前記導電スペーサ層１４０は、巨大磁気抵抗効果と類似するトンネル磁気抵抗に必要であるＭｇＯ、ＡｌＯｘ、ＧｄＯｘなどのような絶縁特性を有するトンネルバリヤ層に変更される。
【００５８】
前記固定層１５２は、前記導電スペーサ層１４０上に配置される。前記固定層１５２はＣｏ９０Ｆｅ１０である。前記固定層の厚さは２.０ｎｍである。前記固定層１５２は、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、及びこれらの合金を含み、単層又は複層構造を有する。具体的に、前記固定層１５２は、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、又はＣｏＦｅＢを含む。前記固定層１５２は面内磁気異方性を有し、面内磁気異方性の大きさは、固定層１５２の厚さと蒸着したときに原子が溜まる結晶構造と面の方向によって調節される。
【００５９】
前記貴金属スペーサ層１５４は、前記固定層１５２上に配置される。
【００６０】
前記貴金属スペーサ層１５４は、Ｐｄ、Ａｇ、Ａｕ、Ｒｕ、Ｃｕ、又はＰｔである。前記貴金属スペーサ層１５４は、銅又は白金の単層薄膜、銅及び白金の多層薄膜であり、前記貴金属スペーサ層１５４の厚さｔは０.１ ｎｍないし０.８ ｎｍである。前記貴金属スペーサ層１５４の厚さが０.８ ｎｍを超えたときには、前記反強磁性層１５６と前記固定層１５２との間の相互作用が減少されて、前記固定層１５２の磁化方向が固定されない。前記貴金属スペーサ層１５４は、前記固定層１５２と前記反強磁性層１５６との間で固定層内のネール（Ｎｅｅｌ）磁壁の密度を高める。前記貴金属スペーサ層１５４は、磁化容易軸方向の外部磁場に従うバイアス磁場Ｈｂｉａｓを減少させる。それに応じて、磁化容易軸方向の外部磁場に起因するホイストンブリッジ回路の信号歪みが減少される。また、前記貴金属スペーサ層１５４は、磁化困難軸方向の外部磁場に従う磁気信号の感度を増加させる。
【００６１】
前記反強磁性層１５６は、前記貴金属スペーサ層１５４上に配置される。前記反強磁性層１５６はＩｒ２１Ｍｎ７９である。前記反強磁性層１５６の厚さは６.０ｎｍである。前記反強磁性層１５６は、交換バイアス磁場の方向に前記固定層１５４の磁化方向を固定させる。
【００６２】
キャッピング層１６０は、前記反強磁性層１５６上に配置される。前記キャッピング層１６０はＴａである。前記キャッピング層１６０の厚さは５.０ｎｍである。前記キャッピング層１６０は、スピンバルブ構造の巨大磁気抵抗薄膜の酸化現象を防ぐ。
【００６３】
磁気素子１００に積層した各層は、直流マグネトロンスパッタリング蒸着法を通じて蒸着される。複数のスパッタリングターゲットが装着されたチャンバ内の真空度は、約７ Ｘ １０−８ Ｔｏｒｒである。蒸着はＡｒガス注入を通じて２ Ｘ １０−３ Ｔｏｒｒの雰囲気で行われる。全ての層は真空状態で連続的に蒸着する。スパッタリングターゲットは、Ｔａ、Ｎｉ８０Ｆｅ２０、Ｃｏ９０Ｆｅ１０、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｉｒ２１Ｍｎ７９である。蒸着過程中に自由層１３０と固定層１５２の磁気異方性を誘導するために、薄膜が蒸着される基板ホールダの周りに酸化鉄で構成された永久磁石が配置される。永久磁石は、自由層１３０又は固定層１５２に８０ Ｏｅの均一な磁場を一方向に印加する。
【００６４】
キャッピング層１６０の蒸着が完了した後、基板１１０は新しいチャンバに移送される。新しいチャンバは、１ Ｘ １０-６ Ｔｏｒｒの真空度を有し、磁気異方性が形成された方向と同一の方向に ２ ｋＯｅ大きさの均一な磁場の下で摂氏２５０度で１０分間の後熱処理工程を行う。これによって、後熱処理工程は、固定層１５２の交換バイアス磁場を形成させ、蒸着時の薄膜の間に生じた応力を安定化させる。
【００６５】
自由層１３０及び固定層１５２の蒸着時に印加される磁場、後熱処理工程の間に印加される温度及び磁場の大きさを通じて、固定層１５２の交換バイアス磁場と磁気異方性、自由層のバイアス磁場と磁気異方性などのような特性が調節される。
【００６６】
巨大磁気抵抗薄膜の磁気的特性は、振動試料型磁力計を用いて測定された。また、磁気抵抗特性は４探針法を用いて測定された。自由層１３０と固定層１５２内の磁壁挙動はＭＯＫＥ（Ｍａｇｎｅｔｏ−ｏｐｔｉｃａｌ Ｋｅｒｒ ｅｆｆｅｃｔ）顕微鏡を用いて観察された。
【００６７】
自由層１３０、反強磁性層１５６、及び金属スペーサ層１５４の厚さ、蒸着時の界面粗さ、原子が溜まる結晶構造と面の方向、ネール磁壁の幅／密度などのような要素を調節すると、磁壁に起因する静磁気相互作用現象を制御して自由層のバイアス磁場Ｈｂｉａｓの大きさが調節される。
【００６８】
また、反強磁性層１５６と固定層１５２との間に挿入される貴金属スペーサ層１５４の厚さ及び材質は、反強磁性層１５６のネール磁壁の幅/密度を調節する。前記貴金属スペーサ層１５２は、磁壁に起因する静磁気相互作用現象を制御し、自由層１３０のバイアス磁場Ｈｂｉａｓの大きさを調節する。
【００６９】
本発明の変形された実施例によると、前記貴金属スペーサ層１５２は、トンネルバリヤ層を使用したトンネル磁気抵抗効果においても同様に適用される。
【００７０】
磁化困難軸方向の感度数値（Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ Ｖａｌｕｅ）は、スピンバルブ構造で１）固定層１５２の磁気異方性（ｍａｇｎｅｔｉｃ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ）又は交換バイアス磁場（ｅｘｃｈａｎｇｅ ｂｉａｓ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ）数値、２）自由層１３０の磁気異方性（ｍａｇｎｅｔｉｃ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ）又は層間相互交換結合磁場（ｉｎｔｅｒｌａｙｅｒ ｅｘｃｈａｎｇｅ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｆｉｅｌｄ）数値などのような様々な媒介変数の影響を受けると予測される。磁化困難軸方向の感度数値（Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ Ｖａｌｕｅ）に最も大きな影響を及ぼすことは、自由層１３０の層間相互交換結合磁場数値である。
【００７１】
本発明の一実施例によるスピンバルブ構造において、自由層１３０の層間相互交換結合磁場数値は、ＲＫＫＹ（Ｒｕｄｅｒｍａｎ−Ｋｉｔｔｅｌ−Ｋａｓｕｙａ−Ｙｏｓｉｄａ）−形の交換結合（ｅｘｃｈａｎｇｅ ｃｏｕｐｌｉｎｇ）、ネールオレンジピールカップリング（Ｎｅｅｌ ｏｒａｎｇｅ ｐｅｅｌ ｃｏｕｐｌｉｎｇ）、又は固定層１５２の漂遊磁場（Ｓｔｒａｙ ｆｉｅｌｄ）による影響に依存する。前記層間相互交換結合磁場は、自由層１３０の磁化容易軸（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｅａｓｙ ａｘｉｓ）方向に外部磁場を印加したときに現れる磁気ヒステリシス曲線が原点に外れる程度を示す。前記層間相互交換結合の磁場は、自由層１３０のバイアス磁場Ｈｂｉａｓで表現される。
【００７２】
本発明の一実施例によると、スピンバルブ構造で自由層１３０の層間相互交換結合に最も大きな影響を及ぼすことと予想される層は、自由層１３０と固定層１５２との間に挿入される金属スペーサ層１４０である。
【００７３】
前記金属スペーサ層１４０は、銅の材質であり、約２.２ ｎｍ厚さのときに、強い強磁性結合に起因するピンホール結合（Ｐｉｎｈｏｌｅ ｃｏｕｐｌｉｎｇ）が現われなかった。また、前記金属スペーサ層１４０は、ＲＫＫＹ（Ｒｕｄｅｒｍａｎ−Ｋｉｔｔｅｌ−Ｋａｓｕｙａ−Ｙｏｓｉｄａ）−形の交換結合上、二番目に高い反強磁性結合が現れて、自由層のバイアス磁場に対して強磁性結合を相殺させてこの値を減らす厚さである。しかし、金属スペーサ層１４０の階間交換結合定数（ｉｎｔｅｒｌａｙｅｒ ｅｘｃｈａｎｇｅ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｃｏｎｓｔａｎｔ）の数値も小さいだけでなく、金属スペーサ層１４０の厚さが２.２ ｎｍのときの反強磁性結合がＮｅｅｌ ｏｒａｎｇｅ ｐｅｅｌ結合現象による強磁性結合に比べてその影響が著しく小さいため、結果的に自由層１３０のバイアス磁場は、原点から大きく外れて強磁性結合を選好する数値を有する。
【００７４】
自由層１３０のバイアス磁場に外部から作用する要素（ｅｘｔｒｉｎｓｉｃ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）で磁壁に起因する静磁気相互作用の効果がある。前記静磁気相互作用は、自由層１３０と固定層１５２の内に存在するネール磁壁間の相互作用としてｆｌｕｘ−ｃｌｏｓｕｒｅを形成する。前記静磁気相互作用は、自由層１３０の磁化転換過程で固定物の役割を担って、磁化転換過程を妨げる。静磁気相互作用の強さは、自由層１３０と固定層１５２に存在するネール磁壁の大きさと互いの相対的な大きさ、磁壁の量あるいは密度などによって調節される。
【００７５】
自由層１３０のバイアス磁場の大きさを減らせば、巨大磁気抵抗のセンサとして使用された時、磁化困難軸の感度特性が向上し、磁化容易軸に起因するノイズが抑制される。
【００７６】
磁壁に起因した静磁気相互作用の効果（Ｄｏｍａｉｎ ｗａｌｌ ｉｎｄｕｃｅｄ ｍａｇｎｅｔｏｓｔａｔｉｃ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ）を用いて、自由層１３０のバイアス磁場Ｈｂｉａｓを調節する。この効果は、スピンバルブ構造上の自由層１３０又は固定層１５２の種類と厚さ、金属スペーサ層１４０の厚さ、前記貴金属スペーサ層１５４の種類と厚さなどを調節して制御する。
【００７７】
自由層１３０のバイアス磁場Ｈｂｉａｓに通常に影響を及ぼすＲＫＫＹ−形の交換結合、Ｎｅｅｌ ｏｒａｎｇｅ ｐｅｅｌ結合、固定層の漂遊磁場などの３つの要素では、自由層１３０のバイアス磁場Ｈｂｉａｓを減らすことは限界がある。しかし、磁壁に起因する静磁気相互作用を用いれば、自由層１３０のバイアス磁場Ｈｂｉａｓをさらに効果的に減少させる。
【００７８】
自由層１３０のバイアス磁場Ｈｂｉａｓと保磁力、この２つを決める自由層１３０の磁化転換磁場の大きさを調節すれば、自由層１３０のバイアス磁場Ｈｂｉａｓを制御することができる。自由層１３０の磁化転換は２つのケースに分類する。最初に、自由層１３０と固定層１５２が反平行した状態から平行した状態になるように自由層の磁化転換が起こることである。２番目に、自由層１３０と固定層１５２が平行した状態から反平行した状態になるように自由層の磁化転換が起こることである。
【００７９】
磁壁に起因する静磁気相互作用を用いる場合、平行した状態から反平行した状態に磁化転換が起こる磁場の大きさはほとんど変わらず、反平行した状態から平行した状態に磁化転換が起こる磁場の大きさを変化させることができる。したがって、自由層の磁化転換中に反平行した状態から平行した状態に起こる磁場の大きさを増加させれば、結果的に自由層のバイアス磁場の大きさを減らすことができる。
【００８０】
図１２Ａないし図１２Ｄは、本発明の一実施例による磁気素子で貴金属スペーサ層の材質及び厚さに対して磁化容易軸方向の外部磁場に従う磁化特性を示す。
【００８１】
図１２Ａに示すように、スピンバルブ構造のＧＭＲ磁気素子は、Ｔａ（５.０ ｎｍ）/Ｎｉ８０Ｆｅ２０（３.０ ｎｍ）/Ｃｏ９０Ｆｅ１０（１.８ ｎｍ）/Ｃｕ（２.２ ｎｍ）/Ｃｏ９０Ｆｅ１０（２.０ ｎｍ）/貴金属スペーサ層/Ｉｒ２１Ｍｎ７９（６.０ ｎｍ）/Ｔａ（５.０ ｎｍ）を有する。貴金属スペーサ層１５４は、Ｃｕ又はＰｔである。下付き文字は、オングストローム単位の厚さである。ｘ軸はＯｅ単位の磁場であり、ｙ軸は飽和磁化で規格化した磁化である。外部磁場は自由層の磁化容易軸方向に印加される。ＧＭＲ磁気素子はヒステリシス特性を示す。
【００８２】
ｗ／ｏは貴金属スペーサ層が挿入されないサンプルである。Ｐｔ１Ｃｕ０は貴金属スペーサ層１５４を示し、Ｐｔは１Åであり、Ｃｕは０Åであって存在しない。磁化容易軸方向の外部磁場がゼロの近くでヒステリシス特性を示す。
【００８３】
ホイートストンブリッジセンサを構成する場合、磁化容易軸方向の外部磁場Ｈｘに起因する信号は抑制される必要がある。磁化容易軸方向の外部磁場Ｈｘに起因する信号を抑制するために、ヒステリシスの傾きが最大である地点Ａ、Ｂは、センシング領域の外側に配置される必要がある。ヒステリシスの傾きが最大である２地点Ａ、Ｂの中間地点であるバイアス磁場Ｈｂｉａｓは、ゼロに近接する必要がある。
【００８４】
図１２Ｂに示すように、Ｐｔ１Ｃｕ１のサンプルは、貴金属スペーサ層１５４が挿入されないサンプルｗ／ｏに対比して広いセンシングの領域を有する。また、ヒステリシスの傾きが最大である２地点Ａ、Ｂの中間地点であるバイアス磁場Ｈｂｉａｓは最小値を有する。
【００８５】
図１２Ｂに示すように、Ｐｔ２Ｃｕ１のサンプルは、貴金属スペーサ層１５４が挿入されないサンプルｗ／ｏに対比して広いセンシングの領域を有する。また、ヒステリシスの傾きが最大である２地点Ａ、Ｂの中間地点であるバイアス磁場Ｈｂｉａｓは最小値を有する。
【００８６】
図１２Ｃに示すように、Ｃｕ２Ｐｔ１のサンプルは、貴金属スペーサ層１５４が挿入されないサンプルｗ／ｏに対比して広いセンシングの領域を有する。また、ヒステリシスの傾きが最大である２地点Ａ、Ｂの中間地点であるバイアス磁場Ｈｂｉａｓは最小値を有する。
【００８７】
図１２Ｄに示すように、Ｃｕ３Ｐｔ２のサンプルは貴金属スペーサ層１５４が挿入されなかったサンプルｗ／ｏに対比して広いセンシングの領域を有する。また、ヒステリシスの傾きが最大である２つの地点の中間地点であるバイアス磁場Ｈｂｉａｓは最小値を有する。
【００８８】
前記貴金属スペーサ層１５４を反強磁性層１５６と固定層１５２との間に挿入した場合、反平行状態から平行状態への自由層磁化転換磁場の大きさが調節される。結果的に、自由層１３０のバイアス磁場Ｈｂｉａｓは減少される。特に、単一層を使用した時より二重層を使用した時に大きな効果が得られる。
【００８９】
図１３は、本発明の一実施例による磁気素子で貴金属スペーサ層の有無に従うＭＯＫＥ（Ｍａｇｎｅｔｏ−ｏｐｔｉｃ Ｋｅｒｒ ｅｆｆｅｃｔ）顕微鏡写真及びヒステリシス特性を示す図面である。
【００９０】
図１３に示すように、スピンバルブ構造の巨大磁気抵抗薄膜の反平行状態から平行状態への自由層１３０の磁化転換過程中に磁壁の挙動を数Ｏｅないし数十Ｏｅの範囲で観察したＭＯＫＥ顕微鏡写真が表示される。進行過程は、右側のグラフで簡略に図示した。（ａ）〜（ｄ）：貴金属スペーサ層１５４を挿入しなかったサンプルである。（ｅ）〜（ｈ）：２Å厚さのＰｔと１Å厚さのＣｕを二重層の形で貴金属スペーサ層１５４を挿入したサンプルである。（ｉ）〜（ｌ）：３Å厚さのＣｕと２Å厚さのＰｔを二重層の形で貴金属スペーサ層１５４を挿入したサンプルである。固定層１５２は、反強磁性層１５６によって交換バイアス磁場の方向に強く固定される。したがって、単一磁区状態の挙動を見られるので、自由層１３０のネール磁壁密度が反強磁性層１５６のネール磁壁密度よりさらに高い。
【００９１】
（ａ）〜（ｄ）に示すように、貴金属スペーサ層１５４を挿入しなかった場合、反強磁性層１５６内に異物がない。したがって、ネール磁壁の密度が高くないため、磁化転換過程で磁壁の挙動に対して固定させるｆｌｕｘ−ｃｌｏｓｕｒｅが少ない。それに応じて、磁区のサイズがだいたい大きく、磁壁の挙動が円滑に起こる。
【００９２】
（ｅ）〜（ｈ）及び（ｉ）〜（ｌ）に示すように、貴金属スペーサ層１５４を挿入した場合、反強磁性層１５６内で貴金属スペーサ層１５４の貴金属原子が異物の役割を担う。これによって、貴金属スペーサ層１５４は、ネール磁壁の密度を増加させ、反強磁性層１５６内の増加されたネール磁壁は、自由層１３０内のネール磁壁と磁壁に起因した静磁気相互作用でｆｌｕｘ−ｃｌｏｓｕｒｅを形成する。これによって、貴金属スペーサ層１５４は、反平行状態から平行状態への自由層磁化転換過程に固定物の役割を担う。結果的に、自由層１３０の反平行状態から平行状態への磁化転換磁場の大きさの増加によってバイアス磁場Ｈｂｉａｓは減少する。
【００９３】
図１４Ａないし図１４Ｄは、本発明の一実施例による磁気素子で磁化容易軸方向の外部磁場に従う磁気抵抗比を示す実験結果である。
【００９４】
図１５は、図１４Ａないし図１４Ｄにおいて、Ｃｕ３Ｐｔ２条件で磁気抵抗比を拡大したグラフである。
【００９５】
図１４Ａないし図１４Ｄ及び図１５に示すように、貴金属スペーサ層１５４の有無に従う磁気抵抗比が表示される。外部磁場Ｈｘは、自由層１３０の磁化容易軸方向に印加される。貴金属スペーサ層１５４を挿入した場合、反平行状態から平行状態への自由層磁化転換の磁場の大きさは、ネール磁壁に起因した静磁気相互作用効果によって増加する。それに応じて、自由層の結果的なバイアス磁場Ｈｂｉａｓは減少する。また、貴金属スペーサ層１５４を挿入しなかった時より挿入した時に、貴金属スペーサ層１５４の上/下界面で電子の正反射性散乱（ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｓｐｅｃｕｌａｒ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）によって巨大磁気抵抗比のサイズが増加する。
【００９６】
貴金属スペーサ１５４の構造がＣｕ３Ｐｔ２条件である場合、磁気抵抗比はヒステリシス特性を示す。磁気抵抗比が急激に増加する領域は、０ Ｏｅを中心にセンシング領域（−６Ｏｅ〜＋６Oｅ）の外側に配置され、バイアス磁場Ｈｂｉａｓは０.５ Ｏｅで０に近接する。したがって、ホイートストンブリッジ構造において、磁化容易軸方向の外部磁場Ｈｘに起因する信号は抑制される。ホイートストンブリッジ構造で、磁化困難軸方向の外部磁場Ｈｙに起因した信号のみが測定される。
【００９７】
図１６Ａないし図１６Ｄは、本発明の一実施例による磁気素子で困難軸方向の外部磁場に従う磁気抵抗比を示す実験結果である。
【００９８】
図１６Ａないし図１６Ｄに示すように、貴金属スペーサ層１５４の有無に従って磁気抵抗比が表示される。外部磁場Ｈｙは、自由層１３０の困難軸方向に印加される。０〜１０ Ｏｅの外部磁場の区間で磁気抵抗比の傾きは感度Ｓに直接的に影響を及ぼす。磁気抵抗比の傾きは、自由層１３０のバイアス磁場Ｈｂｉａｓ）大きさが小さいほど増加する。磁壁に起因する静磁気相互作用効果によって、反平行状態から平行状態への自由層磁化転換磁場が増加する。したがって、自由層の保磁力が増加しても自由層１３０のバイアス磁場Ｈｂｉａｓが減少すると、巨大磁気抵抗素子の感度が向上する。
【００９９】
図１７は、本発明の一実施例による磁気素子で感度Ｓ−自由層のバイアス磁場Ｈｂｉａｓの相関関係を示すグラフである。
【０１００】
図１７に示すように、感度Ｓと自由層１３０のバイアス磁場Ｈｂｉａｓは、互いに強い負の相関関係を有する。貴金属スペーサ層１５４が挿入されなかった場合、バイアス磁場Ｈｂｉａｓは５.３ Ｏｅであり、感度Ｓは６.０１ ｍＶ／ｍＡ・Ｏｅである。貴金属スペーサ層１５４で［Ｐｔ２／Ｃｕ１］二重層が挿入された場合、バイアス磁場Ｈｂｉａｓは０.２５ Ｏｅであり、感度Ｓは８.０２ ｍＶ／ｍＡ・Ｏｅである。貴金属スペーサ層１５４で［Ｃｕ３／Ｐｔ２］二重層が挿入された場合、バイアス磁場Ｈｂｉａｓは０.５ Ｏｅであり、感度Ｓは１２.０１ ｍＶ／ｍＡ・Ｏｅ）である。
【０１０１】
図１８は、本発明の他の実施例による磁気素子を示す断面図である。
【０１０２】
図１８に示すように、前記磁気素子２００は、面内磁化方向を有する固定層１５２と、面内磁化方向性を有して前記固定層１５２と垂直に離隔されて整列された自由層１３０と、前記固定層１５２と前記自由層１３０との間に配置されたトンネル絶縁層１４０と、前記固定層の磁化方向を固定し、前記固定層と垂直に離隔されて整列された反強磁性層１５６と、前記固定層１５２と前記反強磁性層１５６との間に配置された貴金属スペーサ層１５４と、を含む。前記貴金属スペーサ層１５４は、銅又は白金の単層薄膜、銅及び白金の多層薄膜であり、前記貴金属スペーサ層１５４の厚さは、０.１ ｎｍないし０.８ ｎｍである。前記自由層１３０は形状磁気異方性を有し、前記磁気素子２００はホイートストンブリッジ構造で連結される。
【０１０３】
トンネル磁気抵抗効果を用いた磁気素子２００は、巨大磁気抵抗効果を用いた磁気素子１００の金属スペーサ層１４０をトンネル絶縁層２４０に代える。電極２０２ａ、２０２ｂは、磁気素子２００の上部面と下部面に配置される。磁気素子２００は、巨大磁気抵抗素子と類似する効果によって磁化容易軸のバイアス磁場Ｈｂｉａｓを減少させるために、前記貴金属スペーサ層１５４が挿入される。
【０１０４】
前記トンネル絶縁層２４０は、ＭｇＯ、ＡｌＯｘ、又はＧｄＯｘである。前記トンネル絶縁層２４０の厚さは数ｎｍである。
【０１０５】
前記貴金属スペーサ層１５４はＰｔ２Ｃｕ１、Ｃｕ２Ｐｔ１、又はＣｕ３Ｐｔ２であり、下付き字はオングストローム単位の厚さである。
【０１０６】
前記固定層１５４はＣｏＦｅであり、前記自由層１３０はＮｉＦｅの第１強磁性層１３２及びＣｏＦｅの第２強磁性層１３４を含む。
【０１０７】
以上では、本発明を特定の好ましい実施例に対して図示して説明したが、本発明はこのような実施例に限らず、当該発明の属する技術分野において通常の知識を有する者が特許請求の範囲で請求する本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で行うことができる様々な形態の実施例を全て含む。
【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８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図９Ｄ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１２Ｄ】
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【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１４Ｃ】
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【図１４Ｄ】
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【図１５】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１６Ｃ】
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【図１６Ｄ】
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【図１７】
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【図１８】
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