(57)【要約】【課題】単位セルのサイズがマイクロメーター以下であってもバイアスポイント調節が容易であり、素子の大きさに関係なくバイアスポイント位置と磁気抵抗伝達曲線の形状が一定に維持される、有効交換磁場の大きい合成反強磁性体基板スピンバルブ磁気抵抗構造体を提供する。【解決手段】基板上に形成され、非磁性スぺーサ層により分離されているフリー層と固定層を含むスピンバルブ磁気抵抗構造において、前記スぺーサ層の上部に、第３強磁性層−第２反平行結合層−第２強磁性層−第１反平行結合層−第１強磁性層−反強磁性層を含むことを特徴とする。【選択図】      図２
2004327947.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成され、非磁性スぺーサ層により分離されているフリー層と固定層を含むスピンバルブ磁気抵抗素子において、
基板と、
前記基板の上部に形成されたフリー層と、
前記フリー層の上部に、非磁性電導性材料により形成されたスぺーサ層と、
前記スぺーサ層の上部に、第３強磁性層、第２強磁性層、第１強磁性層、及び前記第３強磁性層と前記第２強磁性層との間に位置して前記第３強磁性層と前記第２強磁性層を分離する第２反平行結合層と、前記第２強磁性層と前記第１強磁性層との間に位置して前記第２強磁性層と前記第１強磁性層を分離する第１反平行結合層からなる固定層と、
前記固定層の前記第１強磁性層の上部に形成された反強磁性層とを含むことを特徴とするスピンバルブの磁気抵抗素子。
【請求項２】
前記フリー層は、ＣｏＦｅ層とＮｉＦｅ層の二層により構成されることを特徴とする請求項１に記載のスピンバルブの磁気抵抗素子。
【請求項３】
前記スぺーサ層は、Ｃｕからなることを特徴とする請求項１に記載のスピンバルブの磁気抵抗素子。
【請求項４】
前記第１反平行結合層と前記第２反平行結合層は、Ｒｕからなることを特徴とする請求項１に記載のスピンバルブの磁気抵抗素子。
【請求項５】
前記第３強磁性層、前記第２強磁性層、前記第１強磁性層は、ＣｏＦｅからなることを特徴とする請求項１に記載のスピンバルブの磁気抵抗素子。
【請求項６】
前記反強磁性層の上部にキャッピング層を形成し、前記フリー層と前記基板との間にシード層を形成することを特徴とする請求項１に記載のスピンバルブの磁気抵抗素子。
【請求項７】
基板上に形成され、非磁性スぺーサ層により分離されているフリー層と固定層を含む逆スピンバルブの磁気抵抗素子において、
基板と、
前記基板の上部に形成された反強磁性層と、
前記反強磁性層の上部に、第３強磁性層、第２強磁性層、第１強磁性層、及び前記第３強磁性層と前記第２強磁性層との間に位置して前記第３強磁性層と前記第２強磁性層を分離する第２反平行結合層と、前記第２強磁性層と前記第１強磁性層との間に位置して前記第２強磁性層と前記第１強磁性層を分離する第１反平行結合層からなる固定層と、
前記固定層の上部に、非磁性電導性材料により形成されたスぺーサ層と、
前記スぺーサ層の上部に形成されたフリー層とを含むことを特徴とする逆スピンバルブの磁気抵抗素子。
【請求項８】
前記反強磁性層と前記基板との間にシード層が形成され、前記フリー層の上部にキャッピング層が形成されることを特徴とする請求項７に記載の逆スピンバルブの磁気抵抗素子。
【請求項９】
前記第３強磁性層、前記第２強磁性層、前記第１強磁性層は、ＣｏＦｅからなることを特徴とする請求項７に記載の逆スピンバルブの磁気抵抗素子。
【請求項１０】
基板上に形成され、非磁性スぺーサ層により分離されているフリー層と固定層を含むトンネル接合磁気抵抗素子において、
基板と、
前記基板の上部に形成されたフリー層と、
前記フリー層の上部に、非磁性非電導性材料により形成されたスぺーサ層と、
前記スぺーサ層の上部に、第３強磁性層、第２強磁性層、第１強磁性層、及び前記第３強磁性層と前記第２強磁性層との間に位置して前記第３強磁性層と前記第２強磁性層を分離する第２反平行結合層と、前記第２強磁性層と前記第１強磁性層との間に位置して前記第２強磁性層と前記第１強磁性層を分離する第１反平行結合層からなる固定層と、
前記固定層の上部に形成された反強磁性層とを含むことを特徴とするトンネル接合磁気抵抗素子。
【請求項１１】
前記スぺーサ層は、Ａｌ２Ｏ３からなることを特徴とする請求項１０に記載のトンネル接合磁気抵抗素子。
【請求項１２】
前記フリー層は、ＣｏＦｅ層とＮｉＦｅ層の二層により構成されることを特徴とする請求項１０に記載のトンネル接合磁気抵抗素子。
【請求項１３】
前記反強磁性層の上部にキャッピング層を形成し、前記フリー層と前記基板との間にシード層を形成することを特徴とする請求項１０に記載のトンネル接合磁気抵抗素子。
【請求項１４】
磁気記録ディスクドライブにおいて、
磁気記録ディスクと、
前記ディスクを回転させるため前記ディスクに連結されたモータと、
スピンバルブ磁気抵抗センサーを支持し、前記センサーを付着するための基板を提供するキャリアと、
前記磁気抵抗センサーは前記基板上に形成され、
前記基板の上部に形成されたフリー層と、
前記フリー層の上部に、非磁性材料により形成されたスぺーサ層と、
前記スぺーサ層の上部に、第３強磁性層、第２強磁性層、第１強磁性層、及び前記第３強磁性層と前記第２強磁性層との間に位置して前記第３強磁性層と前記第２強磁性層を分離する第２反平行結合層と、前記第２強磁性層と前記第１強磁性層との間に位置して前記第２強磁性層と前記第１強磁性層を分離する第１反平行結合層からなる固定層と、
前記固定層の上部に形成された反強磁性層とを含むことを特徴とする磁気抵抗構造を含んでおり、
前記キャリアを移動させるアクチュエータと、
前記キャリアを前記アクチュエータに連結する連結手段と、
前記スピンバルブ磁気抵抗センサーに電気的に連結され、前記磁気抵抗センサーの抵抗変化を検知する検知手段と、
前記モータとアクチュエータを支持する手段からなることを特徴とする磁気記録ディスクドライブ。
【請求項１５】
前記スぺーサ層は、Ｃｕからなり、前記磁気抵抗構造がスピンバルブ磁気抵抗構造であることを特徴とする請求項１４に記載の磁気記録ディスクドライブ。
【請求項１６】
前記スぺーサ層は、Ａｌ２Ｏ３からなり、前記磁気抵抗構造がトンネル接合磁気抵抗構造であることを特徴とする請求項１４に記載の磁気記録ディスクドライブ。
【請求項１７】
磁気ランダムアクセスメモリを構成する単位セルにおいて、
半導体の基板と、
前記半導体基板の表面に位置するソース領域と、
前記ソース領域と一定距離が離隔されて位置するドレイン領域と、
前記ソース領域と前記ドレイン領域の間の領域の上部に形成されているゲート電極と、
前記ソース領域と前記ドレイン領域の中でいずれかの一つの領域と連結されて磁気データを記憶している磁気メモリ素子と、
前記磁気メモリ素子は、フリー層と、
前記フリー層の上部に、非磁性材料により形成されたスぺーサ層と、
前記スぺーサ層の上部に、第３強磁性層、第２強磁性層、第１強磁性層、及び前記第３強磁性層と前記第２強磁性層との間に位置して前記第３強磁性層と前記第２強磁性層を分離する第２反平行結合層と、前記第２強磁性層と前記第１強磁性層との間に位置して前記第２強磁性層と前記第１強磁性層とを分離する第１反平行結合層からなる固定層と、
前記固定層の上部に形成された反強磁性層とを含むことを特徴とするスピンバルブ磁気抵抗構造を含むことを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリの単位セル。
【請求項１８】
前記スぺーサ層は、Ｃｕからなり、前記磁気抵抗構造がスピンバルブ磁気抵抗構造であることを特徴とする請求項１７に記載の磁気ランダムアクセスメモリの単位セル。
【請求項１９】
前記スぺーサ層は、Ａｌ２Ｏ３からなり、前記磁気抵抗構造がトンネル接合磁気抵抗構造であることを特徴とする請求項１７に記載の磁気ランダムアクセスメモリの単位セル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は磁気情報記憶技術（ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ  ｓｔｏｒａｇｅ  ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）に係り、特に、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：ｇｉａｎｔ  ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）に基づくスピンバルブ構造、またはトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）に基づくトンネル接合磁気抵抗構造を有するセンサーを含む磁気記録ディスクドライブ、またはそのような構造を有する磁気メモリ素子（ＤＲＡＭのキャパシタに対応する役割を果たす）を含む磁気ランダムアクセスメモリ（磁気メモリ）（ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｒａｎｄｏｍ  ａｃｃｅｓｓ  ｍｅｍｏｒｙ）デバイス技術に関する。
本発明は、より詳細には、そのような磁気記録ディスクドライブのセンサーや磁気ランダムアクセスメモリデバイスの磁気メモリ素子に適用されるスピンバルブ磁気抵抗、またはトンネル接合磁気抵抗構造（以下の説明ではスピンバルブ磁気抵抗構造に関して述べるが、これはトンネル接合磁気抵抗構造にも同じく適用される）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
巨大磁気抵抗を有するスピンバルブ多層構造は、高密度データ記憶を必要とする磁気記録ディスクドライブや磁気メモリデバイスに適用されている。
スピンバルブのバイアスポイント（ＢＰ）と敏感度を改善するためには、スピンバルブ多層構造の固定層（ｐｉｎｎｅｄ  ｌａｙｅｒ）から発生する静磁気磁場（ｍａｇｎｅｔｏｓｔａｔｉｃ  ｆｉｅｌｄ（Ｈｍｓ））を減少させる必要がある。単位セルのサイズが減少することによって全体エネルギーに対する静磁気相互作用（ｍａｇｎｅｔｏｓｔａｔｉｃ  ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｓ）の寄与が増加するので、素子のサイズが小さくなることによってこれは一層必要となる。このような問題を解決するため、富士通社とＳＥＡＧＡＴＥ社は各々フリー層と固定層に隣接するバイアス補償層（ｂｉａｓ  ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ  ｌａｙｅｒ）を使用した。また、ＩＢＭ社は固定層の純モーメント（ｎｅｔ  ｍｏｍｅｎｔ）を減らすため合成反強磁性体基板スピンバルブ（ＳＳＶ）構造を採択した。
【０００３】
磁気記録ディスクドライブや磁気ランダムアクセスメモリデバイスを作動させる際には、磁気抵抗伝達曲線（ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ  ｔｒａｎｓｆｅｒ  ｃｕｒｖｅ）の中間地点と定義される磁気バイアスポイント（ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｂｉａｓ  ｐｏｉｎｔ）の調節が重要な要素となる。磁気抵抗伝達曲線は、一般的に磁気記録ディスクドライブに対しては線形をなして、磁気ランダムアクセスメモリに対しては直角をなす。
図１は本発明と関連する合成反強磁性体基板スピンバルブ（ＳＳＶ：ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ  ａｎｔｉｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔ−ｂａｓｅｄ  ｓｐｉｎ−ｖａｌｖｅｓ）磁気抵抗の構造を示す。これと関連して米国特許第５，７０１，２２３号では、前記構造と基板からの積層方向が反対である逆スピンバルブ磁気抵抗について説明している。すなわち、この米国特許では、逆スピンバルブ磁気抵抗構造を採択する磁気記録ハードディスクについて記述しており、本発明ではスピンバルブ構造であり、積層方向ではないものについて記述しているから、前記米国特許は本発明と関連する従来技術を示していると言える。
【０００４】
図１において、フリー層は非磁性電導性スぺーサ層（例えば、Ｃｕ）により合成反強磁性構造（固定層）と分離される。合成反強磁性構造の磁化は反強磁性層（ＡＦＭ：ａｎｔｉｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ  ｌａｙｅｒ）により固定される。合成反強磁性構造の固定層は、第１強磁性層（Ｐ１）、第２強磁性層（Ｐ２）及びこの二つの層を分離する非磁性材料からなる反平行結合層（ＡＰＣ：ａｎｔｉｐａｒａｌｌｅｌ  ｃｏｕｐｌｉｎｇ  ｌａｙｅｒ）とを含む。
【０００５】
第１強磁性層と第２強磁性層に用いられる典型的な材料はＣｏＦｅであり、反平行結合層に用いられる典型的な材料はＲｕである。合成反強磁性構造において、二つの強磁性層は磁化方向が相互反平行をなす。また、フリー層が基板上に積層されたシード層（ｓｅｅｄ  ｌａｙｅｒ）上に形成されて、反強磁性層上にキャッピング層（ｃａｐｐｉｎｇ  ｌａｙｅｒ）を形成させてスピンバルブ磁気抵抗構造が完成される。シード層に用いられる典型的な材料はＮｉＦｅ、Ｃｕ、Ｒｕ等であり、キャッピング層に用いられる典型的な材料はＴａである。
【０００６】
ここで、反強磁性層とスぺーサ層との間に存在する固定層は、ＣｏＦｅ（Ｐ１）／Ｒｕ／ＣｏＦｅ（Ｐ２）の三層構造になっており、このような構造の固定層を有する合成反強磁性体基板スピンバルブは熱的性質及び磁気抵抗性質が改善される長所を有する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のスピンバルブ磁気抵抗構造は、単位セルのサイズがマイクロメーター以下になると、Ｐ１層とＰ２層の厚み差により交換非対称（ｐｏｏｒ  ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ  ｓｙｍｍｅｔｒｙ）が不良になる問題があった。
【０００８】
また、ＳＳＶの場合は、単位セルのサイズが減少するほどバイアスポイントが固定層の二番目のＣｏＦｅ層の静磁気磁場により指数関数的（ｅｘｐｏｎｅｎｔｉａｌｌｙ）に増加する問題があった。
【０００９】
また、有効交換磁場（ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ  ｅｘｃｈａｎｇｅ  ｆｉｅｌｄ）が遥かに大きくなる必要があり、素子のサイズ変化に関係なく磁気抵抗伝達曲線の形態が維持される必要もあった。
【００１０】
したがって、本発明は従来の問題点を解決するため案出されたもので、本発明の第１の目的は、磁気バイアスポイントの調節が容易な、特に、単位セルのサイズがマイクロメーター以下であってもバイアスポイント調節が容易な合成反強磁性体基板スピンバルブ（ＳＳＶ）の磁気抵抗構造を提供することにある。
【００１１】
本発明の第２の目的は、素子のサイズ変化に関係なくバイアスポイント位置が一定に維持される合成反強磁性体基板スピンバルブ磁気抵抗構造を提供することにある。
【００１２】
本発明の第３の目的は、有効交換磁場が大きい合成反強磁性体基板スピンバルブの磁気抵抗構造を提供することにある。
【００１３】
本発明の第４の目的は、素子のサイズ変化に関係なく磁気抵抗伝達曲線の形態が維持されるスピンバルブ磁気抵抗構造を提供することにある。
【００１４】
以上の本発明の目的は、スピンバルブ磁気抵抗構造だけではなくトンネル接合磁気抵抗構造にも該当する。従って、より具体的には本発明は以下の磁気抵抗素子・ディスクドライブおよび単位セルを提供する。
【００１５】
１．基板上に形成され、非磁性スぺーサ層により分離されているフリー層と固定層を含むスピンバルブ磁気抵抗素子において、
基板と、
前記基板の上部に形成されたフリー層と、
前記フリー層の上部に、非磁性電導性材料により形成されたスぺーサ層と、
前記スぺーサ層の上部に、第３強磁性層、第２強磁性層、第１強磁性層、及び前記第３強磁性層と前記第２強磁性層との間に位置して前記第３強磁性層と前記第２強磁性層を分離する第２反平行結合層と、前記第２強磁性層と前記第１強磁性層との間に位置して前記第２強磁性層と前記第１強磁性層を分離する第１反平行結合層からなる固定層と、
前記固定層の前記第１強磁性層の上部に形成された反強磁性層とを含むことを特徴とするスピンバルブの磁気抵抗素子。
【００１６】
２．前記フリー層は、ＣｏＦｅ層とＮｉＦｅ層の二層により構成されることを特徴とする前記１に記載のスピンバルブの磁気抵抗素子。
３．前記スぺーサ層は、Ｃｕからなることを特徴とする前記１に記載のスピンバルブの磁気抵抗素子。
４．前記第１反平行結合層と前記第２反平行結合層は、Ｒｕからなることを特徴とする前記１に記載のスピンバルブの磁気抵抗素子。
【００１７】
５．前記第３強磁性層、前記第２強磁性層、前記第１強磁性層は、ＣｏＦｅからなることを特徴とする前記１に記載のスピンバルブの磁気抵抗素子。
６．前記反強磁性層の上部にキャッピング層を形成し、前記フリー層と前記基板との間にシード層を形成することを特徴とする前記１に記載のスピンバルブの磁気抵抗素子。
【００１８】
７．基板上に形成され、非磁性スぺーサ層により分離されているフリー層と固定層を含む逆スピンバルブの磁気抵抗素子において、
基板と、
前記基板の上部に形成された反強磁性層と、
前記反強磁性層の上部に、第３強磁性層、第２強磁性層、第１強磁性層、及び前記第３強磁性層と前記第２強磁性層との間に位置して前記第３強磁性層と前記第２強磁性層を分離する第２反平行結合層と、前記第２強磁性層と前記第１強磁性層との間に位置して前記第２強磁性層と前記第１強磁性層を分離する第１反平行結合層からなる固定層と、
前記固定層の上部に、非磁性電導性材料により形成されたスぺーサ層と、
前記スぺーサ層の上部に形成されたフリー層とを含むことを特徴とする逆スピンバルブの磁気抵抗素子。
【００１９】
８．前記反強磁性層と前記基板との間にシード層が形成され、前記フリー層の上部にキャッピング層が形成されることを特徴とする前記７に記載の逆スピンバルブの磁気抵抗素子。
９．前記第３強磁性層、前記第２強磁性層、前記第１強磁性層は、ＣｏＦｅからなることを特徴とする前記７に記載の逆スピンバルブの磁気抵抗素子。
【００２０】
１０．基板上に形成され、非磁性スぺーサ層により分離されているフリー層と固定層を含むトンネル接合磁気抵抗素子において、
基板と、
前記基板の上部に形成されたフリー層と、
前記フリー層の上部に、非磁性非電導性材料により形成されたスぺーサ層と、
前記スぺーサ層の上部に、第３強磁性層、第２強磁性層、第１強磁性層、及び前記第３強磁性層と前記第２強磁性層との間に位置して前記第３強磁性層と前記第２強磁性層を分離する第２反平行結合層と、前記第２強磁性層と前記第１強磁性層との間に位置して前記第２強磁性層と前記第１強磁性層を分離する第１反平行結合層からなる固定層と、
前記固定層の上部に形成された反強磁性層とを含むことを特徴とするトンネル接合磁気抵抗素子。
【００２１】
１１．前記スぺーサ層は、Ａｌ２Ｏ３からなることを特徴とする前記１０に記載のトンネル接合磁気抵抗素子。
１２．前記フリー層は、ＣｏＦｅ層とＮｉＦｅ層の二層により構成されることを特徴とする前記１０に記載のトンネル接合磁気抵抗素子。
１３．前記反強磁性層の上部にキャッピング層を形成し、前記フリー層と前記基板との間にシード層を形成することを特徴とする前記１０に記載のトンネル接合磁気抵抗素子。
【００２２】
１４．磁気記録ディスクドライブにおいて、
磁気記録ディスクと、
前記ディスクを回転させるため前記ディスクに連結されたモータと、
スピンバルブ磁気抵抗センサーを支持し、前記センサーを付着するための基板を提供するキャリアと、
前記磁気抵抗センサーは前記基板上に形成され、
前記基板の上部に形成されたフリー層と、
前記フリー層の上部に、非磁性材料により形成されたスぺーサ層と、
前記スぺーサ層の上部に、第３強磁性層、第２強磁性層、第１強磁性層、及び前記第３強磁性層と前記第２強磁性層との間に位置して前記第３強磁性層と前記第２強磁性層を分離する第２反平行結合層と、前記第２強磁性層と前記第１強磁性層との間に位置して前記第２強磁性層と前記第１強磁性層を分離する第１反平行結合層からなる固定層と、
前記固定層の上部に形成された反強磁性層とを含むことを特徴とする磁気抵抗構造を含んでおり、
前記キャリアを移動させるアクチュエータと、
前記キャリアを前記アクチュエータに連結する連結手段と、
前記スピンバルブ磁気抵抗センサーに電気的に連結され、前記磁気抵抗センサーの抵抗変化を検知する検知手段と、
前記モータとアクチュエータを支持する手段からなることを特徴とする磁気記録ディスクドライブ。
【００２３】
１５．前記スぺーサ層は、Ｃｕからなり、前記磁気抵抗構造がスピンバルブ磁気抵抗構造であることを特徴とする前記１４に記載の磁気記録ディスクドライブ。
１６．前記スぺーサ層は、Ａｌ２Ｏ３からなり、前記磁気抵抗構造がトンネル接合磁気抵抗構造であることを特徴とする前記１４に記載の磁気記録ディスクドライブ。
【００２４】
１７．磁気ランダムアクセスメモリを構成する単位セルにおいて、
半導体の基板と、
前記半導体基板の表面に位置するソース領域と、
前記ソース領域と一定距離が離隔されて位置するドレイン領域と、
前記ソース領域と前記ドレイン領域の間の領域の上部に形成されているゲート電極と、
前記ソース領域と前記ドレイン領域の中でいずれかの一つの領域と連結されて磁気データを記憶している磁気メモリ素子と、
前記磁気メモリ素子は、フリー層と、
前記フリー層の上部に、非磁性材料により形成されたスぺーサ層と、
前記スぺーサ層の上部に、第３強磁性層、第２強磁性層、第１強磁性層、及び前記第３強磁性層と前記第２強磁性層との間に位置して前記第３強磁性層と前記第２強磁性層を分離する第２反平行結合層と、前記第２強磁性層と前記第１強磁性層との間に位置して前記第２強磁性層と前記第１強磁性層とを分離する第１反平行結合層からなる固定層と、
前記固定層の上部に形成された反強磁性層とを含むことを特徴とするスピンバルブ磁気抵抗構造を含むことを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリの単位セル。
【００２５】
１８．前記スぺーサ層は、Ｃｕからなり、前記磁気抵抗構造がスピンバルブ磁気抵抗構造であることを特徴とする前記１７に記載の磁気ランダムアクセスメモリの単位セル。
１９．前記スぺーサ層は、Ａｌ２Ｏ３からなり、前記磁気抵抗構造がトンネル接合磁気抵抗構造であることを特徴とする前記１７に記載の磁気ランダムアクセスメモリの単位セル。
【００２６】
【課題を達成するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明は、従来使用されていた合成反強磁性体基板スピンバルブ磁気抵抗の構造において、ＣｏＦｅ（Ｐ１）／Ｒｕ／ＣｏＦｅ（Ｐ２）の三層構造になっている固定層をＣｏＦｅ（Ｐ１）／Ｒｕ／ＣｏＦｅ（Ｐ２）／Ｒｕ／ＣｏＦｅ（Ｐ３）に変更して使用する。したがって、本発明によって改良された合成反強磁性体基板スピンバルブ（ＭＳＳＶ：Ｍｏｄｉｆｉｅｄ  ＳＳＶ）磁気抵抗の構造は、フリー層（ｆｒｅｅ  ｌａｙｅｒ）（ＮｉＦｅ／ＣｏＦｅ）／スぺーサ層（Ｃｕ）／固定層（ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅ）／反強磁性対層（ＩｒＭｎ）を含む。また、トンネル接合磁気抵抗構造はスぺーサ層としてＣｕの代わりにＡｌ２Ｏ３を使用する。
【００２７】
すなわち、フリー層（例えば、ＮｉＦｅ／ＣｏＦｅの二つの層からなる）は、非磁性電導性スぺーサ層（例えば、Ｃｕ）により合成反強磁性構造（固定層）と分離される。合成反強磁性構造（固定層）の磁化は反強磁性層により固定される。合成反強磁性構造（固定層）は、第１強磁性層（Ｐ１）、第２強磁性層（Ｐ２）、第３強磁性層（Ｐ３）、及び第１強磁性層と第２強磁性層との間に存在してこの二つの層を分離する非磁性材料である第１反平行結合層（ＡＰＣ）と、第２強磁性層と第３強磁性層との間に存在してこの二つの層を分離する非磁性材料である第２反平行結合層（ＡＰＣ）とを含む。
【００２８】
ここで、第１、第２、第３強磁性層（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３）の典型的な材料はＣｏＦｅであり、第１、第２反平行結合層（ＡＰＣ）の典型的な材料はＲｕである。
【００２９】
この合成反強磁性体基板スピンバルブ磁気抵抗の構造において、強磁性体である三つの層は磁化方向が互いに反平行である。フリー層は基板上に積層されたシード層（ｓｅｅｄ  ｌａｙｅｒ）上に形成される。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００３１】
図１は本発明と関連する従来の合成反強磁性体基板スピンバルブ磁気抵抗の構造を示したものである。その構造は、基板上に積層されたシード層上にフリー層が形成され、このフリー層は、非磁性電導性（ｎｏｎｍａｇｎｅｔｉｃ  ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ  ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ）スぺーサ層（例えば、Ｃｕ）により合成反強磁性構造と分離され、合成反強磁性構造の固定層は、第１強磁性層（Ｐ１）、第２強磁性層（Ｐ２）、及びこの二つの層を分離する非磁気性材料である反平行結合層を含む。
【００３２】
第１強磁性層と第２強磁性層に用いられる典型的な材料はＣｏＦｅであり、反平行結合層に用いられる典型的な材料はＲｕである。合成反強磁性構造の磁化は反強磁性層（例えば、ＩｒＭｎ）により固定されて、合成反強磁性構造の二つの強磁性層は磁化方向が互いに反平行をなす。反強磁性層上にキャッピング層（例えば、Ｔａ）を形成させてスピンバルブ磁気抵抗構造が完成される。
【００３３】
図２は本発明によって改良された合成反強磁性体基板スピンバルブ（ＭＳＳＶ：ｍｏｄｉｆｉｅｄ  ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ  ａｎｔｉｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔ−ｂａｓｅｄ  ｓｐｉｎ−ｖａｌｖｅｓ）磁気抵抗構造の概略図である。
【００３４】
本発明は従来用いられていた合成反強磁性体基板スピンバルブ（ＳＳＶ）磁気抵抗の構造において、固定層ＣｏＦｅ（Ｐ１）／Ｒｕ／ＣｏＦｅ（Ｐ２）の構造をＣｏＦｅ（Ｐ１）／Ｒｕ／ＣｏＦｅ（Ｐ２）／Ｒｕ／ＣｏＦｅ（Ｐ３）の構造に改良して使用する。したがって、本発明によって改良された合成反強磁性体基板スピンバルブ（ＭＳＳＶ）磁気抵抗の構造は、フリー層（ＮｉＦｅ／ＣｏＦｅ）／スぺーサ層（Ｃｕ）／固定層（ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅ）／反強磁性体層（ＩｒＭｎ）を含むようになる。
また、トンネル接合磁気抵抗の構造はスぺーサ層としてＣｕの代わりにＡｌ２Ｏ３を使用する。
【００３５】
すなわち、フリー層（本発明の実施の形態ではＮｉＦｅ／ＣｏＦｅの二つの層からなる）は、非磁性電導性スぺーサ層（本発明の実施の形態ではＣｕ）により合成反強磁性構造（固定層）と分離される。合成反強磁性構造の磁化は反強磁性層により固定される。合成反強磁性構造は、第３強磁性層（Ｐ３）、第２強磁性層（Ｐ２）、第１強磁性層（Ｐ１）、及び第３強磁性層と第２強磁性層との間に存在してこの二つの層を分離する非磁性材料である第２反平行結合層（ＡＰＣ）と、第２強磁性層と第１強磁性層との間に存在してこの二つの層を分離する非磁性材料である第１反平行結合層（ＡＰＣ）とを含む。ここで、第１、第２、第３強磁性層（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３）に用いられた材料はＣｏＦｅであり、第１、第２反平行結合層（ＡＰＣ）に用いられた材料はＲｕである。前記合成反強磁性体基板スピンバルブ磁気抵抗の構造において、強磁性体である三つの層は磁化方向が互いに反平行である。フリー層は基板上に積層されたシード層上に形成される。シード層としてはＮｉＦｅ、Ｃｕ、Ｒｕが使用できる。反強磁性層上にキャッピング層（本発明の実施の形態ではＴａ）を形成させてスピンバルブの磁気抵抗構造が完成される。
【００３６】
本発明によって改良された合成反強磁性体基板スピンバルブ（ＭＳＳＶ）の磁気抵抗構造において、第３強磁性層（Ｐ３）は第１強磁性層（Ｐ１）と第２強磁性層（Ｐ２）からの純静磁気磁場（Ｈｍｓ）を補償する役割をする。改良された合成反強磁性体基板スピンバルブ（ＭＳＳＶ）磁気抵抗の典型的な構造は、ＮｉＦｅ（３．２ｎｍ）／ＣｏＦｅ（１．６ｎｍ）／Ｃｕ（２．８ｎｍ）／ＣｏＦｅ（Ｐ３、１．５ｎｍ）／Ｒｕ（０．７ｎｍ）／ＣｏＦｅ（Ｐ２、３．０ｎｍ）／Ｒｕ（０．７ｎｍ）／ＣｏＦｅ（Ｐ１、１．５ｎｍ）／ＩｒＭｎ（９．０ｎｍ）からなる。これは合成反強磁性体基板スピンバルブ（ＳＳＶ）磁気抵抗の構造とはＣｏＦｅ（Ｐ３、１．５ｎｍ）／Ｒｕ（０．７ｎｍ）の二つの層が追加されたこと以外には差がない。
【００３７】
本発明の構造を形成するための薄膜（ｔｈｉｎ  ｆｉｌｍ）の積層方法はスパッタリング（ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）方法であり、基準圧力（ｂａｓｅ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ）は５×１０−８Ｔｏｒｒであり、各層の形成は０．０６〜０．１７ｎｍ／ｓの速度で２〜５ｍＴｏｒｒのＡｒ雰囲気下で行われた。薄膜形成中、基板には外部から１００Ｏｅの磁場が印加される（成長磁場）。蒸着後（ｐｏｓｔｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、アニール処理は１０−６Ｔｏｒｒ、２〜３Ｏｅ、２００〜３００℃で１０〜３００分間行われた。
【００３８】
従来の合成反強磁性体基板スピンバルブ（ＳＳＶ）磁気抵抗の構造では、もし、成長磁場（ｇｒｏｗｔｈ  ｆｉｅｌｄ）が正方向（ｐｏｓｉｔｉｖｅ  ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）に印加されると、ＣｏＦｅ（Ｐ１）層とＣｏＦｅ（Ｐ２）層との間に強い反強磁性結合が存在するため、Ｐ１層よりＰ２層が著しく厚い場合、厚いＰ２層の磁化方向は正方向となり、薄いＰ１層の磁化方向は逆方向（ｎｅｇａｔｉｖｅ  ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）となる。Ｐ２層の厚みがＰ１層の厚みより１．５ｎｍ以上厚い場合、この厚み差による純モーメントが発生して磁化は正方向に発生させることができる。この純モーメントからの静磁気磁場（Ｈｍｓ）がフリー層のバイアスポイントを偏向させて、スイッチングの非対称（ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ  ａｓｙｍｍｅｔｒｙ）をもたらすことができる。
【００３９】
したがって、本発明によって改良された合成反強磁性体基板スピンバルブ（ＭＳＳＶ）磁気抵抗の構造は、Ｐ１層とＰ２層との間の純モーメントをＰ３層を追加して補償しようとするものである。Ｐ３層もＰ２層と反強磁性交換結合されているので、Ｐ３層の磁化方向がＰ２層の磁化方向と反対方向になることにより、純モーメント方向もＰ２層の磁化方向と反対方向になる。したがって、Ｐ３層の厚みをＰ１層とＰ２層の厚み差である１．５ｎｍに近い値に選択すると、Ｐ３層の磁化によって純モーメントの補償ができるようになる。
【００４０】
図３は、本発明によって改良された合成反強磁性体基板スピンバルブ（ＭＳＳＶ）磁気抵抗の構造についての標準化した磁気抵抗伝達曲線を示す。磁場サイクルの間の磁気配列をより理解しやくするため、伝達曲線のいくつか重要な点に対して各層の磁化方向を示した。ＭＳＳＶのＭＲ伝達曲線はＳＳＶ構造と同様に主ピークとサブピークを示す。主ピークとサブピークの二つのピークは伝達曲線から確認できる。
【００４１】
主ピークはフリー層の交換と関連があり、サブピークは磁化フロップ（ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ  ｆｌｏｐ）と関係がある。ＭＳＳＶのＭＲ伝達作用（特性）はＳＳＶのＭＲ伝達作用（特性）と類似であると予測される。
【００４２】
図４（ａ）及び図４（ｂ）は、従来の合成反強磁性体基板スピンバルブ（ＳＳＶ）磁気抵抗の構造と本発明によって改良された合成反強磁性体基板スピンバルブ（ＭＳＳＶ）磁気抵抗の構造において、各々単位セルのサイズによるバイアスポイント（ＢＰ）と有効交換磁場（Ｈｅｘ．ｅｆｆ）の変化を示す図である。
【００４３】
バイアスポイントは磁気伝達曲線上で零磁場と零磁場に近接した曲線、すなわち、センシングループ（ｓｅｎｓｉｎｇ  ｌｏｏｐ）またはマイナーループ（ｍｉｎｏｒ  ｌｏｏｐ）の中間値（磁気抵抗比が半分になる値）との距離として規定し、有効交換磁場は磁気伝達曲線上で零磁場と零磁場から遠い曲線、すなわち、交換結合ループ（ｅｘｃｈａｎｇｅ  ｂｉａｓｅｄ  ｌｏｏｐ）またはメジャーループ（ｍａｊｏｒ  ｌｏｏｐ）の中間値（磁気抵抗比が半分になる）の磁場として規定する。白い三角形と黒い三角形は各々ＳＳＶとＭＳＳＶのバイアスポイントを示し、白い四角形と黒い四角形は各々ＳＳＶとＭＳＳＶの有効交換磁場を示す。
【００４４】
単位セルのサイズが１０μｍから０．０５μｍまで減少することによって、ＳＳＶのバイアスポイントはＰ１層とＰ２層との間の純磁気モーメントからの静磁気磁場（Ｈｍｓ）により２Ｏｅから３６６Ｏｅまで指数関数的に増加する。反面、ＭＳＳＶのバイアスポイントは単位セルのサイズ減少に関係なく一定な０値を維持する。このような結果は、追加されたＰ３層が純モーメントからの静磁気磁場を成功的に補償し、Ｐ３層をバイアス補償層として用いることにより良好なバイアスポイント調節ができることを意味する。セルのサイズが減少することによってＭＳＳＶとＳＳＶの有効交換磁場の絶対値は増加する。その理由は、セルが小さい際にはフリー層からの静磁気磁場が、ＭＳＳＶの場合にはＰ３層、ＳＳＶの場合にはＰ２層の磁化回転を防止するためである。
【００４５】
ここで、ＭＳＳＶの有効交換磁場の絶対値がＳＳＶの有効交換磁場の絶対値より著しく大きいことを認識する必要がある。０．０５×０．０５μｍセルでは、ＳＳＶの有効交換磁場は１３８２Ｏｅである反面、ＭＳＳＶの場合には２８９７Ｏｅである。特に、ＳＳＶ構造の重要な長所の中で一つは有効交換磁場の値が高いことであった。しかし、ＭＳＳＶではＳＳＶの有効交換磁場値より大きい有効交換磁場値が得られ、これは一層良好な熱的安定性を有することができることを意味する。
【００４６】
図５は０．１μｍ×０．１μｍサイズの単位セルにおいて、本発明によって改良された合成反強磁性体基板スピンバルブ（ＭＳＳＶ）構造の固定層の中で三番目ＣｏＦｅ層（Ｐ３）の厚みによるバイアスポイント（ＢＰ）と有効交換磁場（Ｈｅｘ．ｅｆｆ）の変化を示す図である。
【００４７】
白い三角形と黒い三角形は各々ＭＳＳＶの有効交換磁場とバイアスポイントを示す。Ｐ３層の厚み（ｔＰ３）が薄い際には（ｔｐ３＝１．１ｎｍ）、純モーメントを補償するためにＰ３層の厚みが十分ではないのでフリー層のバイアスポイントは磁場の正方向へ移動する。ｔＰ３が増加することによってフリー層のバイアスポイントは０磁場へ移動する。Ｐ３層の静磁気磁場が純モーメントの静磁気磁場を超過する大きいｔＰ３値である場合には、フリー層のバイアスポイントは磁場の逆方向へ移動する。つまり、これはバイアスポイントはＰ３層の厚みを変化させることによって調節できることを示す。また、Ｐ３層の厚みが増加することによって有効交換磁場が減少することがわかり、これはＰ２層とＰ３層を総合した厚みが増加することによって反強磁性結合の強さが減少するからである。
【００４８】
図６（ａ）及び図６（ｂ）は各々０．１μｍ×０．１μｍサイズの単位セルであって、従来の合成反強磁性体基板スピンバルブ（ＳＳＶ）と本発明によって改良された合成反強磁性体基板スピンバルブ（ＭＳＳＶ）において、−１０００Ｏｅ〜１０００Ｏｅの間の磁場範囲で標準化された磁気抵抗伝達曲線を示す図である。図６（ａ）ではＳＳＶにおいてフリー層のバイアスポイント移動が確実に発生していることがわかり、図６（ｂ）ではＭＳＳＶにおいてバイアスポイントの移動がほとんど発生しないことが確認できる。また、０磁場の付近でＳＳＶとＭＳＳＶとの間に磁気抵抗伝達曲線上に傾度差があることが確認できる。ＳＳＶの傾度は多少傾いた形態であるが、ＭＳＳＶの傾度は直角を維持しており、これはＭＳＳＶでフリー層の磁化が極めて鋭く回転することを意味する。
【００４９】
図７（ａ）及び図７（ｂ）は各々０．１μｍ×０．１μｍサイズの単位セルであって、従来の合成反強磁性体基板スピンバルブ（ＳＳＶ）と本発明によって改良された合成反強磁性体基板スピンバルブ（ＭＳＳＶ）において、印加された磁場による各磁器層の磁化回転角（ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ  ｒｏｔａｔｉｏｎ  ａｎｇｌｅ）を示す。印加された磁場が＋７，０００Ｏｅから−７，０００Ｏｅまで減少することによる（＋７，０００Ｏｅ〜−７，０００Ｏｅ間の循環ではない）各々の磁気層の磁化回転角の変化を示す。図７において、黒い四角形はＰ１層を、スター形態はＰ２層を、白い三角形はＰ３層を、黒い三角形はフリー層を示す。図７（ａ）ではフリー層の磁化が０磁場の付近へ回転を開始するときに、フリー層からの静磁気磁場（Ｈｍｓ）によりＰ２層で磁化の小さい傾斜（ｃａｎｔｉｎｇ）が発生することが見られる。しかし、ＭＳＳＶの場合を示す図７（ｂ）ではのこのような現象は認められない。ＳＳＶにおいてＰ２層の磁化傾斜（ｃａｎｔｉｎｇ）はフリー層上の固定層からの静磁気磁場の強さを減少させることができる。したがって、ＳＳＶで固定層の磁化傾斜による静磁気磁場の減少は磁気抵抗曲線を傾けるようにするものであると見られる。
【００５０】
このようなスピンバルブ磁気抵抗構造は、米国特許第５，７０１，２２３号に開示されている磁気記録ディスクドライブに用いられる構成要素として、磁気記録ディスクに記録されているデータを磁気的に認識するためのスピンバルブ磁気抵抗センサーの構造として使用できる。この米国特許の図１と図２の磁気記録ディスクドライブは、本発明によるＭＳＳＶ構造を有する磁気抵抗センサーを用いる磁気記録ディスクドライブとして使用できる。
【００５１】
すなわち、磁気記録ディスクを回転させるため、前記ディスクに連結されたモータとスピンバルブ磁気抵抗センサーを支持し、前記センサーを付着するための基板を提供するキャリアと、前記磁気抵抗センサーは前記基板上に形成され、本発明によるスピンバルブ磁気抵抗構造を含んで、前記キャリアを移動させるアクチュエータと、前記キャリアを前記アクチュエータに連結する連結手段と、前記スピンバルブ磁気抵抗センサーに電気的に連結されて前記磁気抵抗センサーの抵抗変化を検知する検知手段と、前記モータとアクチュエータを支持する手段からなるように磁気記録ディスクドライブを構成することができる。
【００５２】
また、このようなスピンバルブの磁気抵抗構造は磁気ランダムアクセスメモリ（磁気メモリ）の磁気メモリ素子として使用できる。ダイナミックランダムアクセスメモリの典型的な単位セルは電界効果トランジスタ（ｆｉｅｌｄ  ｅｆｆｅｃｔ  ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）１個とキャパシタ（ｃａｐａｃｉｔｏｒ）１個からなっている。
【００５３】
トランジスタは半導体基板の表面に形成されており、互いに離隔されているソース領域とドレイン領域を有し、ソース領域とドレイン領域との間の領域の上に形成されたゲートを有する。キャパシタはメモリ素子（ｓｔｏｒａｇｅ  ｅｌｅｍｅｎｔ）として、前記ソース領域とドレイン領域の中で一つの領域と連結される。このような構造になっているダイナミックランダムアクセスメモリは米国特許第４，９６２，４７６号などに開示されている。
【００５４】
ダイナミックランダムアクセスメモリ（ＤＲＡＭ）の単位セルにおいて、メモリ素子であるキャパシタを磁気抵抗素子に代替したものが磁気ランダムアクセスメモリの単位セルであるが、本発明によるスピンバルブ磁気抵抗構造またはトンネル接合磁気抵抗構造は、メモリ素子として良好な効果があるため磁気ランダムアクセスメモリ単位セルのメモリ素子として使用できる。
また、本発明のスぺーサ層としてこれまで説明したＣｕの代わりにＡｌ２Ｏ３を用いるトンネル接合磁気抵抗構造でも本発明によるスピンバルブ磁気抵抗構造と同一な効果を得ることができる。
【００５５】
また、本発明の好適な実施の形態について添付の図面を参照して詳細に説明したが、以上の説明及び添付図面における多くの具体的態様および詳細は本発明のより全般的な理解を助けることのみを目的として提示したものであり、これらの具体的事項が本発明の範囲内で所定の変形や変更が可能であることは、当該技術分野で通常の知識を有する者には自明なことであろう。
【００５６】
【発明の効果】
上述したように本発明によって改良された合成反強磁性体基板スピンバルブ（ＭＳＳＶ）の磁気抵抗構造またはトンネル接合磁気抵抗構造は、バイアスポイント調節が容易になり、素子のサイズ変化に対してもバイアスポイント調節が可能になる。また、超高密度データの貯蔵が必要な応用分野に要求される大きい有効交換磁場と著しい熱的安定性を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、従来の合成反強磁性体基板スピンバルブ（ＳＳＶ）構造の概略を示す模式図である。
【図２】図２は、本発明によって改良された合成反強磁性体基板スピンバルブ（ＭＳＳＶ）構造の概略を示す模式図である。
【図３】図３は、本発明によって改良された合成反強磁性体基板スピンバルブ（ＭＳＳＶ）構造についての標準化磁気抵抗伝達曲線を示すグラフである。
【図４】図４は、従来の合成反強磁性体基板スピンバルブ（ＳＳＶ）構造と本発明によって改良された合成反強磁性体基板スピンバルブ（ＭＳＳＶ）構造において、単位セルサイズによるバイアスポイント（ＢＰ）の変化（図４（ａ））と有効交換磁場（Ｈｅｘ．ｅｆｆ）の変化（図４（ｂ））を示すグラフである。
【図５】図５は、本発明によって改良された合成反強磁性体基板スピンバルブ（ＭＳＳＶ）構造の０．１μｍ×０．１μｍサイズの単位セルにおいて、固定層における３番目のＣｏＦｅ層（Ｐ３）の厚みに対するバイアスポイント（ＢＰ）および有効交換磁場（Ｈｅｘ．ｅｆｆ）の変化を示すグラフである。
【図６】図６は、従来の合成反強磁性体基板スピンバルブ（ＳＳＶ）構造と本発明によって改良された合成反強磁性体基板スピンバルブ（ＭＳＳＶ）構造のそれぞれについて、−１０００Ｏｅ〜１０００Ｏｅの磁場範囲における０．１μｍ×０．１μｍサイズの単位セルの標準化磁気抵抗伝達曲線（図６（ａ）：従来技術、図６（ｂ）：本発明）を示すグラフである。
【図７】図７は、従来の合成反強磁性体基板スピンバルブ（ＳＳＶ）構造と本発明によって改良された合成反強磁性体基板スピンバルブ（ＭＳＳＶ）構造のそれぞれについて、０．１μｍ×０．１μｍサイズの単位セルに磁場を印加した際の各磁気層の磁化回転角を示すグラフである。
【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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