(57)【要約】本発明は、ピン層である第１の磁化が固定された磁気層（４１０）と、外部磁場がない場合、前記ピン層の磁化に対して実質的に垂直な磁化を有し、磁気脱共役のために第１の分離層（４２０）によって前記ピン層から分離されている高感度層であるフリー磁化磁気層（４３０）とを備える磁気抵抗センサに関する。前記センサは、横方向のスピン移動を制御する役割を果たし、前記分離層の反対側で前記高感度層の横に位置する横結合層（４４０）を更に備える。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピン層である第１の磁化が固定された磁気層（４１０）と、
外部磁場がない場合、前記ピン層の磁化に対して実質的に垂直な磁化を有し、磁気脱共役のために第１の分離層（４２０）によって前記ピン層から分離されている高感度層であるフリー磁化磁気層（４３０）と、
を備える磁気抵抗センサであって、
スピン保持した電子を前記高感度層へ後方散乱させるのに適し、前記ピン層に向かって連続的な直流を流す手段となり、前記分離層の反対側で前記高感度層の横に位置する横結合層（４４０）とを更に備える磁気抵抗センサ。
【請求項２】
前記分離層が第１トンネルバリアを形成する第１絶縁層である請求項１記載の磁気抵抗センサ。
【請求項３】
前記分離層が電流を制限するのに適した第１の非連続的な絶縁層である請求項１記載の磁気抵抗センサ。
【請求項４】
前記分離層が第１非磁性金属層である請求項１記載の磁気抵抗センサ。
【請求項５】
前記横結合層が第２トンネルバリアを形成し、前記分離層より低い表面抵抗を有する第２絶縁層又は半導体層を備える請求項２又は３記載の磁気抵抗センサ。
【請求項６】
前記横結合層が第２の非連続的な絶縁層であり、電流を制限するのに適し、前記分離層より低い表面抵抗を有する請求項２又は３記載の磁気抵抗センサ。
【請求項７】
前記高感度層に直接接する第２金属層（４４３）を備え、前記第２金属層は、前記第２金属層より高抵抗である第３金属層（４４５）に組み込まれ又は付加されている請求項２、３又は４記載の磁気抵抗センサ。
【請求項８】
ピン層である第１の磁化が固定された磁気層（４１０）と、
外部磁場がない場合、前記ピン層の磁化に対して実質的に垂直な磁化を有し、磁気脱共役のために第１の分離層（４２０）によって前記ピン層から分離されている高感度層であるフリー磁化磁気層（４３０）と、
を備える磁気抵抗センサであって、
電子の後方散乱を減少させること及び／又はスピンメモリの損失を生じさせることに適し、前記ピン層から直流を流す手段となり、前記分離層の反対側で前記高感度層の横に位置する横結合層である層（４４０）とを更に備える磁気抵抗センサ。
【請求項９】
前記分離層が第１トンネルバリアを形成する第１絶縁層である請求項８記載の磁気抵抗センサ。
【請求項１０】
前記分離層が電流を制限するのに適した第１の非連続的な絶縁層である請求項８記載の磁気抵抗センサ。
【請求項１１】
前記分離層が第１非磁性金属層である請求項８記載の磁気抵抗センサ。
【請求項１２】
前記横結合層は前記横結合層における電子の平均自由行程が前記高感度層の一様な磁区の特有の横方向の長さより短くなる程度に高抵抗である請求項９又は１０記載の磁気抵抗センサ。
【請求項１３】
前記横結合層が低抵抗である第２の金属層であって、スピンの反転を引き起こすのに適した不純物を備える請求項９、１０又は１１記載の磁気抵抗センサ。
【請求項１４】
前記第２金属層が前記第１金属層より低抵抗である請求項１１及び１３記載の磁気抵抗センサ。
【請求項１５】
前記第１分離層がアルミナ、ＭｇＯ又はＴｉＯｘからなる請求項２又は９記載の磁気抵抗センサ。
【請求項１６】
前記第１金属層がＣｕからなる請求項４又は１１記載の磁気抵抗センサ。
【請求項１７】
前記第２絶縁層がアルミナ、ＭｇＯ又はＴｉＯｘからなる請求項５記載の磁気抵抗センサ。
【請求項１８】
前記第２絶縁層がＴｉＯｘ又はＴａＯの単層からなる請求５又は６記載の磁気抵抗センサ。
【請求項１９】
前記第２絶縁層が合金又はＡｌＣｕの酸化によって製造される二分子層からなる請求項６記載の磁気抵抗センサ。
【請求項２０】
前記第２金属層がＣｕからなり、前記第３金属層がＴａ、Ｒｕ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｗ、Ｒｅからなる群に属する請求項７記載の磁気抵抗センサ。
【請求項２１】
前記横結合層がＴａ、Ｒｕ又はＣｒからなる請求項１２記載の磁気抵抗センサ。
【請求項２２】
前記横結合層がＮｉＦｅＣｒ合金又はＮｉＣｏＦｅＣｒ合金からなる請求項１２記載の磁気抵抗センサ。
【請求項２３】
前記横結合層がＴａとＣｕの原子単層の積層からなる請求項１２記載の磁気抵抗センサ。
【請求項２４】
前記不純物がＭｎ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｐｔ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕからなる群に属する請求項１３記載の磁気抵抗センサ。
【請求項２５】
第１及び第２の磁気副層が反強磁性結合副層をサンドイッチ構造に含む合成フェリ磁性層で、前記第１磁気副層の磁化が反強磁性層によって固定され、前記第２磁気副層が前記ピン層（４１０）を構成する層を更に備える請求項１乃至２４のいずれか一つに記載の磁気抵抗センサ。
【請求項２６】
前記合成フェリ磁性層がＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅであり、前記ＣｏＦｅ磁気副層が１ｎｍから５ｎｍの厚さを有し、前記第１のＲｕ反強磁性結合層が０.５ｎｍから１ｎｍの厚さを有する請求項２５記載の磁気抵抗センサ。
【請求項２７】
前記合成フェリ磁性層がＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅＢ又はＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅであり、前記ＣｏＦｅ及びＣｏＦｅＢ磁気副層が１ｎｍから５ｎｍの厚さを有し、前記第１のＲｕ反強磁性結合副層が０.５ｎｍから１ｎｍの厚さを有し、前記第２磁気副層が面心立方格子構造を有する合金のＣｏＦｅＢ又はＣｏＦｅからなる請求項２５記載の磁気抵抗センサ。
【請求項２８】
前記磁気を固定する反強磁性層がＰｔＭｎ、ＰｔＰｄＭｎ又はＩｒＭｎからなる請求項２５、２６又は２７記載の磁気抵抗センサ。
【請求項２９】
前記磁気を固定する反強磁性層が１５から２５ｎｍの厚さを持つＰｔＭｎからなる請求項２８記載の磁気抵抗センサ。
【請求項３０】
前記高感度層がＣｏＦｅ合金、特にＣｏ９０Ｆｅ１０からなる請求項１乃至２９のいずれか一つに記載の磁気抵抗センサ。
【請求項３１】
前記高感度層が２つの副層からなり、一方は０.５ｎｍから２ｎｍの厚さを有し、前記分離層に直接接するＣｏ又はＣｏＦｅ合金からなり、他方は１.５ｎｍから５ｎｍの厚さを有するＮｉＦｅからなる請求項１乃至２９のいずれか一つに記載の磁気抵抗センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気センサ、特に層面に対して垂直に電流を流す（ＣＰＰ）構造のスピンバルブに関する。
【０００２】
特に、本発明は磁気記録の分野において有用である。
【背景技術】
【０００３】
磁気センサは、コンピュータハードディスクの読出ヘッド、磁気トラックの読出装置、磁気インキ、位置エンコーダ、軸位置エンコーダ、電子コンパスなど、多数の用途に用いられている。
【０００４】
近年、ハードディスクの記録密度の急激な増加に追いつくことが、磁場センサにおける膨大な研究の主題となっている。
【０００５】
１９９２年以降、コンピュータハードディスクの読出ヘッドに用いられる磁気センサは、磁気抵抗型であった。このタイプのセンサでは、磁場変動によって磁気抵抗物質の抵抗が変動する結果、センサの端部において電圧が変動する。
【０００６】
最初の磁気抵抗センサは、磁気薄層における磁気抵抗の異方性を利用していた。磁気薄層の抵抗は、磁化方向と流れる電流との間の角度に依存する。
【０００７】
近時の磁気抵抗センサは、スピンバルブを用いたものである。スピンバルブとは、一般に、非磁性金属の薄層によって分離された二つの磁気層からなる構造体である。ピン層と呼ばれている一方の磁気層の磁化は、反強磁性体の交換相互作用によって維持されている。「フリー」又は「高感度」層と呼ばれている他方の磁気層の磁化は、磁場の変化に従って変動する。二つの磁気層の磁化の相対的な方向に応じて、磁気層の電気抵抗が変化する（巨大磁気抵抗効果と呼ばれている）。スピンバルブに関する記述は、たとえば、Ｂ．Ｄｉｅｎｙ  “Ｇｉａｎｔ  ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ  ｉｎ  ｓｐｉｎ―ｖａｌｖｅ  ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒｓ”、Ｊｏｕｒｎ．Ｍａｇｎ．Ｍａｔｅｒ．１３６、（１９９４）、ｐｐ．３３５―３５９にある。
【０００８】
最初のスピンバルブは、ＣＩＰ（Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｉｎ  Ｐｌａｎｅ；面内電流）と呼ばれている構造で、層の表面に対して平行に電流を流していた。ハードディスクのビットサイズの縮小（２００６年には約１００ｎｍ  ｘ  ４０ｎｍ）は、ＣＰＰ（Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ  ｔｏ  ｐｌａｎｅ；表面に垂直な電流）構造を有し、高度な集積レベルと広範囲の電磁抵抗変動とを有するスピンバルブの開発を導いた。
【０００９】
この構造によれば、磁気抵抗素子で構成されるスクリーンは、電力導線および電圧タップとして機能する。ＣＰＰ構成を有するスピンバルブに関する記述は、国際公開第９７／４４７８１号にある。
【００１０】
図１は、一例として、ＣＰＰ構造のスピンバルブ１００を用いた磁気抵抗センサを示す。
【００１１】
２枚の金属スクリーン１０１と１０２は、磁場測定区域を固定し、電流源および電圧タップとして機能する。幅ｄは、最大の読出分解能を提供する幅である。スピンバルブは、基本的に、反強磁性層１１０、層１１０によって磁化が固定されている磁気層１２０、非磁気薄層１３０、外部磁場によって磁化が変動する磁気層１４０から構成される。外部磁場がない場合、特定の磁化方向を与えるために、一対の側部の永久磁石（図示せず）を用いて、バイアス磁界をフリー層１４０に及ぼすことができる。
【００１２】
フリー層１４０の磁化方向とピン層の磁化方向とが平行である場合、スピンバルブの抵抗は低くなるが、これらが反平行である場合には、スピンバルブの抵抗は高くなる。測定磁場が層の表面にあるとき、フリー層の表面の磁化が回転する。フリー層の磁化の相対的な方向がスピンバルブの抵抗を決定する。
【００１３】
ＣＰＰ構造のスピンバルブは、それらを構成する層の薄さと金属特性とのために、非常に低抵抗である。プリアンプ（数十Ω）の典型的な入力インピーダンスに適したインピーダンスセンサを製造するために、高表面抵抗（Ω・μｍ２で計測）を有する磁気抵抗物質を用いる方法が考えられる。その方法として、非磁気分離層に、局所的に電流路を閉じ込めるように設定された、非連続的な酸化被膜を導入する方法がすでに提案されている。しかしながら、この方法によると、非常に高い電流密度が発生し、そのためにセンサの耐用年数に弊害をもたらす電子移動現象が生じてしまう。最終的に、最も有望な技術は、磁気抵抗トンネル接合、すなわちＭＴＪｓを用いたものである。ＭＴＪ接合は、分離層１３０が、たとえばアルミナや酸化マグネシウム（ＭｇＯ）のような絶縁体からなるという点で、ＣＣＰ構造のスピンバルブと区別される。
【００１４】
スピンバルブのもう一つの欠点は、読出信号に影響を及ぼすノイズである。ノイズの原因はさまざまである。Ｎ．Ｓｍｉｔｈ  ｅｔ  ａｌ．“Ｗｈｉｔｅ-ｎｏｉｓｅ  ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ  ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎｓ  ｉｎ  ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ  ｈｅａｄｓ”、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７８（２００１）、ｐｐ．１１４８−１１５０に述べられているように、スピンバルブの磁気抵抗の相対的変動が低い場合、すなわち低ΔＲ／Ｒ比率（ΔＲは平行状態と反平行状態の間の抵抗の変動）の場合には、ノイズの主要な原因は、電気によるもの（より正確には、伝導電子のブラウン運動から生じているジョンソンノイズ）である。他方で、この比率が高い場合、ノイズの主要な原因は磁気によるものである。実際に、この場合、高感度層の磁化の変動によって、センサの抵抗が広範囲に変動する。これらの磁化変動は、熱揺らぎ、磁壁の不可逆的な運動、磁区の不安定性に起因するものであってもよい。同様の電力の消費により、熱運動は、センサの寸法の縮小に相応して高くなる。
【００１５】
同様に、ＭＴＪ接合センサが低ΔＲ／Ｒ比率である場合には、ノイズの主要な原因は、電気によるもの（すなわちトンネル接合のショットノイズ）であるが、高ΔＲ／Ｒ比率の場合は、ノイズは上述の通り基本的に磁気によるものである。
【００１６】
このように、スピンバルブ又は磁性トンネル接合を有する磁気抵抗センサが、非常に高感度（高比率ΔＲ／Ｒを有する）であるために、信号対ノイズ比（ＳＮＲ）は、基本的に磁気によるノイズによって定まる。
【００１７】
図２は、典型的ノイズ密度曲線（ＲＩ２によって正規化されている。ここで、Ｒはセンサの抵抗、Ｉはセンサを流れる電流である。）を示す。測定磁場の周波数ｆは、磁気抵抗センサ（ＣＰＰスピンバルブ又は磁気トンネル接合を用いたもの）の測定信号に影響を及ぼす。
【００１８】
３つの異なるノイズの仕組みは、それぞれ以下のように区別される：
【００１９】
領域（Ｉ）で示される低周波領域（０から数百ＭＨｚに及ぶ）において、  測定ノイズは、部分的には電気によるもの（ジョンソンノイズ又はショットノイズ）であり、部分的には磁気によるもの（センサの高感度層の磁化の熱揺らぎ）であるホワイトノイズと、バイアス磁場による高感度層の不十分な磁気分極化による１／ｆのノイズとの合計である。実際に、不十分な分極化は、高感度層に、不可逆的に移動しやすい磁壁、又は高感度層の磁化回転中に磁化が飛ぶ不安定な磁区を生じさせることがある。
【００２０】
領域（ＩＩＩ）で示される高周波領域（概して約１．５ＧＨｚから数十ＧＨｚに及ぶ）において、ノイズ曲線の形状は、強磁性共鳴現象、すなわちＦＭＲに起因する。それらの周波数が高感度層の磁化の自然な進行周波数に対応するとき、熱によって発生するＦＭＲ励振は自然に増幅する。
【００２１】
領域（ＩＩ）で示される中間領域は、低周波領域と高周波領域とを分離している。この領域において、ノイズは基本的にホワイトノイズであり、１／ｆノイズやＦＭＲ共鳴は、実質的には存在しない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２２】
【特許文献１】国際公開第９７／４４７８１号
【非特許文献】
【００２３】
【非特許文献１】Ｂ．Ｄｉｅｎｙ，“Ｇｉａｎｔ  ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ  ｉｎ  ｓｐｉｎ―ｖａｌｖｅ  ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒｓ”，Ｊｏｕｒｎ．Ｍａｇｎ．Ｍａｔｅｒ．１３６（１９９４）．ｐｐ．３３５―３５９
【非特許文献２】Ｎ．Ｓｍｉｔｈ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｗｈｉｔｅ-ｎｏｉｓｅ  ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ  ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎｓ  ｉｎ  ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ  ｈｅａｄｓ”，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７８（２００１），ｐｐ．１１４８−１１５０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
したがって、本件発明の目的は、有用な周波数幅において高い信号対ノイズ比が生じてしまう状況の中で、非常に高い品質（高感度かつ小寸法）の磁気抵抗センサ構造を提案することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
本発明は、ピン層である第１の磁化が固定された磁気層と、外部磁場がない場合、前記ピン層の磁化に対して実質的に垂直な磁化を有し、磁気脱共役のために第１の分離層によって前記ピン層から分離されている高感度層であるフリー磁化磁気層とを備える磁気抵抗センサと定義されている。
【００２６】
第１の実施形態によれば、磁気抵抗センサは、スピン保持した電子を前記高感度層へ後方散乱するのに適し、前記ピン層に向かって連続的な直流を流す手段となり、前記分離層の反対側で前記高感度層の横に位置する横結合層を更に備える。
【００２７】
第１の変形例によれば、分離層は、第１トンネルバリアを形成する第１絶縁層である。
【００２８】
第２の変形例によれば、分離層は、電流を制限するのに適した第１の非連続的な絶縁層である。
【００２９】
第３の変形例によれば、分離層は、第１非磁性金属層である。
【００３０】
第１又は第２の変形例によれば、横結合層は、第２絶縁層又は第２トンネルバリアを形成している半導体層で、分離層より低い表面抵抗を有する層であってもよい。
【００３１】
あるいは、横結合層は、分離層より低い表面抵抗を有し、電流制限に適した第２の非連続的な絶縁層を備えてもよい。
【００３２】
磁気抵抗センサは更に、高感度層に直接接する第２金属層を備えるものであってもよく、第２金属層は、第２金属層より高抵抗である第３金属層に直接接し又は付加されている。
【００３３】
第２の実施形態によれば、磁気抵抗センサは、分離層の反対側で高感度層の横に位置する横結合層で、電子の横散乱を減らすためにおよび／又はスピンメモリの損失を生じさせるために適し、ピン層から横結合層に対して直流電流を流す手段となる層を備える。
【００３４】
第１の変形例によれば、分離層は第１トンネルバリアを形成する第１絶縁層である。
【００３５】
第２の変形例によれば、分離層は、電流制限に適した第１の非連続的な絶縁層である。
【００３６】
第３の変形例によれば、分離層は、第１非磁性金属層である。
【００３７】
第１又は第２の変形例によれば、横結合層の電子の平均自由行程が、高感度層の一様な磁区の特有の横方向の長さより短くなる程度に、横結合層が高抵抗であってもよい。
【００３８】
あるいは、３つの変形例のうちの１つによれば、横結合層は、低抵抗の第２金属層であり、スピンの反転を引き起こすことに適した不純物を備えてもよい。
【００３９】
第２金属層は、第１金属層より低抵抗であってもよい。
【００４０】
第１分離層は、アルミナ、ＭｇＯ又はＴｉＯｘであってもよい。
【００４１】
第１金属層は、Ｃｕであってもよい。
【００４２】
第２絶縁層は、アルミナ、ＭｇＯ、ＴｉＯｘ又はＴａＯの単層であってもよい。
【００４３】
第２絶縁層は、合金又はＡｌＣｕの二重層の酸化によって製造されるものであってもよい。
【００４４】
第２の金属層はＣｕであってもよく、第３金属層はＴａ、Ｒｕ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｗ、Ｒｅからなる群に属するものであってもよい。
【００４５】
横結合は、Ｔａ、Ｒｕ又はＣｒであってもよい。
【００４６】
横結合層は、ＮｉＦｅＣｒ合金又はＮｉＣｏＦｅＣｒ合金からなる。
【００４７】
横結合層は、更に、ＴａとＣｕの原子単層の積層からなるようにしてもよい。
【００４８】
反転を引き起こすことに適した不純物は、Ｍｎ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｐｔ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕからなる群に属するものであってもよい。
【００４９】
第１又は第２の変形例による磁気抵抗センサは、反強磁性結合副層をサンドイッチ構造に含む第１および第２の磁気副層からなり、第１磁気副層の磁化は反強磁性層によって固定されており、第２磁気副層は上記ピン層からなる合成フェリ磁性層を更に備えてもよい。
【００５０】
合成フェリ磁性の層はＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅであってもよく、ＣｏＦｅ磁気副層は１から５ｎｍの厚さを有し、第１のＲｕ反強磁性結合層は０．５から１ｎｍの厚さを有する。
【００５１】
あるいは、合成フェリ磁性層は、ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅＢ又はＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅであってもよく、ＣｏＦｅとＣｏＦｅＢの磁気副層は１ｎｍから５ｎｍの厚さを有し、第１のＲｕ反強磁性結合副層は０.５ｎｍから１ｎｍの厚さを有し、第２磁気副層は面心立方格子構造を有するＣｏＦｅＢ又はＣｏＦｅ合金からなる。
【００５２】
固定反強磁性層は、ＰｔＭｎ、ＰｔＰｄＭｎ又はＩｒＭｎ（例えば厚さ１５ｎｍから２５ｎｍのＰｔＭｎ）であってもよい。
【００５３】
高感度層は、ＣｏＦｅ合金、特にＣｏ９０Ｆｅ１０であってもよい。
【００５４】
あるいは、高感度層は２つの副層からなるようにしてもよく、一方はＣｏ又は分離層に直接接しているＣｏＦｅ合金（厚さ０.５ｎｍから２ｎｍ）であり、他方は厚さ１.５から５ｎｍのＮｉＦｅである副層からなるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】ＣＰＰ構造を有するスピンバルブを用いた従来の磁気抵抗センサの概略を示す。
【図２】図１の磁気抵抗センサの測定信号に影響を及ぼすノイズ密度を示す。
【図３Ａ】磁気層における横方向のスピン移動効果を概略的に示す。
【図３Ｂ】磁気層における横方向のスピン移動効果を概略的に示す。
【図３Ｃ】磁気層における横方向のスピン移動効果を概略的に示す。
【図３Ｄ】磁気層における横方向のスピン移動効果を概略的に示す。
【図４】本発明の磁気抵抗センサを概略的に示す。
【図５Ａ】本発明の第１の実施形態において選択可能な磁気抵抗センサの詳細を概略的に示す。
【図５Ｂ】本発明の第１の実施形態において選択可能な磁気抵抗センサの詳細を概略的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００５６】
添付図面を参照して本発明の好適な実施形態を示すことによって、本発明のその他の特徴および利点を明らかにする。
【００５７】
本発明の基本的な概念は、磁気抵抗センサにおける磁気によるノイズを減らすために、横方向のスピン移動効果と呼ばれている効果を利用することにある。
【００５８】
横方向のスピン移動効果（文献ではセルフトルクと呼ばれている）は、Ｍ．Ｄ．  Ｓｔｉｌｅｓ  ｅｔ  ａｌ．  “Ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｌｏｇｉｃａｌ  ｔｈｅｏｒｙ  ｏｆ  ｃｕｒｒｅｎｔ−ｉｎｄｕｃｅｄ  ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ  ｐｒｅｃｅｓｓｉｏｎ”  Ｐｈｙｓ．  Ｒｅｖ．  Ｂ．  Ｖｏｌ．  ６９、  ０５４４０８  （２００４）と、  Ｍ．Ｌ．  Ｐｏｌｉａｎｓｋｉ  ｅｔ  ａｌ．  “Ｃｕｒｒｅｎｔ−ｉｎｄｕｃｅｄ  ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ  ｓｐｉｎ  ｗａｖｅ  ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ  ｉｎ  ａ  ｔｈｉｎ  ｎａｎｏｍａｇｎｅｔ”  Ｐｈｙｓ．  Ｒｅｖ．  Ｌｅｔｔ．  Ｖｏｌ．  ９２、  Ｎｕｍｂｅｒ  ２、  ０２６６０２  （２００４）とに記載されている。
【００５９】
図３Ａから３Ｃに、横方向のスピン移動現象を概略的に例示する。
【００６０】
これらの図は、フリー磁化磁気層（又は高感度層）３１０と、非磁性金属層３２０との間の界面を表す。
【００６１】
図３Ａと３Ｂにおいては、高感度層における磁化方向Ｍは完全に一様であると仮定されるが、図３Ｃと３Ｄにおいては、磁化方向が変動しているという点で異なる。
【００６２】
図３Ａと３Ｃにおいては、スピン電流は高感度層から非磁性層へ流れ、電子は非磁性層から高感度層へ移動する。これに反して、図３Ｂと３Ｄにおいては、スピン偏極した電流が非磁性層から高感度層へ流れ、電子は高感度層から非磁性層へ移動する。
【００６３】
図３Ａの構造では、磁化Ｍに対して反平行のスピンｓを保持した電子は、非磁性層から出て高感度層によって反射される。反射された電子はスピン方向を保持したまま横に散乱し、電界によって再び界面に戻される。したがって、高感度層の磁化に対する相互作用は、横方向に不変である。それにもかかわらず、下記図３Ｃで示すように高感度層の平衡状態は不安定である。
【００６４】
図３Ｂの構造では、高感度層から出た電子は、磁化方向Ｍに沿ったスピンｓを有し、電界の作用によって非磁性層に侵入する。これらのうちいくつかの電子はブラウン運動によって界面で後方散乱されるが、それらのスピンがＭと平行に維持されているため、高感度層に対する相互作用は、横方向に不変である。
【００６５】
図３Ｃの構成においては、非磁性層から出る電子ｓは、高感度層の第１区域Ｚ１における局所的な磁化Ｍ１に対して反平行のスピンを有し、界面で反射され、横に散乱した後、高感度層においてＭ１と異なる方向の局所的な磁化Ｍ２を有する他方の領域Ｚ２に戻る。そのスピンｓはその磁気モーメントが高感受性層に移動することによってＭ２に対してと反平行に再配向される。この移動がＭ２のＭ１に対する配向の乱れを強調する。横方向のスピン効果は、磁化変動を増加させることによって、高感度層を不安定にする。
【００６６】
反対に、図３Ｄにおいては、高感度層の第１領域Ｚ１から出る、この領域の局所的な磁化Ｍ１に沿ったスピンを有する電子は、そのブラウン運動によって、無視できない確率で非磁性層の界面において後方散乱される。その電子が局所的な磁化Ｍ２を有する高感度層の領域Ｚ２に戻る場合、Ｍ１と異なり、磁気モーメントが高感受性層に移動することによってスピンｓはＭ２に対して平行になる。この移動は、Ｍ２の磁化をＭ１の方向に整列して配向する傾向をもつトルクに等しい。この場合、横方向のスピン移動効果は、磁化を一様な状態にすることによって、高感度層を安定させる。
【００６７】
横方向のスピン移動効果とは、通過又は界面反射する電子によって放出される横方向の結合のために高感度層において発生するスピン移動をいう。
【００６８】
図４に、本発明にかかるセンサの構造を例示する。
【００６９】
センサ４００は、磁場測定領域を固定するとともに、直流を入力して測定電圧を測定するための２枚の金属スクリーン４０１と４０２とを備える。
【００７０】
先行技術と同様に、磁化が反強磁性層（図示せず）によって固定されている第１磁気層４１０と、高感度層を構成するフリー磁化磁気層４３０とを備える。非磁性分離層４２０は、ピン層と高感度層とを分離する役割をする。分離層は金属（典型的にはＣｕ）層であるが、電流路を制限するために、任意に非連続的な酸化物層をサンドイッチ構造に配置し、又は、例えばアルミナ又はマグネシウム（ＭｇＯ）のような純粋な絶縁層であってもよい。これらは、それぞれ電流を制限するスピンバルブ、又は磁気トンネル接合のスピンバルブを形成する。
【００７１】
反強磁性層は、ＩｒＭｎ合金、ＰｔＭｎ合金、ＰｔＰｄＭｎ合金であってもよい。次に示すように、ピン層は、例えば、３ｎｍのＣｏＦｅ単層又は合成反強磁性構造ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅの一部である。
【００７２】
第１の固定された磁気層４１０は、一定の方向に沿い、測定磁場Ｈｅｘｔに対して実質的に平行な磁化Ｍｔを有する。適用される磁場がない場合、フリー磁化磁気層は、層面に第１の層の磁化に対して実質的に垂直な磁化Ｍを有する。この垂直方向は、一対の側部の永久磁石（例えばＣｏＣｒ合金からなり、磁気抵抗素子の両端に位置する）を用いてバイアス磁場を与えることによって得られる。あるいは、この素子がトンネル接合素子である場合は、フリー層の磁化の垂直配向は、トンネル接合と、電流を流す役割をする金属スクリーンとの間の積層（積層バイアス）に位置する永久磁石層によって得られる。永久磁石層の磁化は、層面で選択され、ピン層の磁化に対して垂直となる。トンネル接合のフリー層を流れる電流を部分的に流れなくすることによって、永久磁石層から生じる磁場に沿って、フリー層の磁化を任意の方向とする。
【００７３】
高感度層の垂直分極化を選択することによって、センサのリニアな応答を得ることができる。そして、スピンバルブ又はトンネル接合の磁気抵抗は、高感度層およびピン層の磁化方向の角度に従って変化する。
【００７４】
先行技術とは異なり、センサ４００は、高感度層に対する横方向のスピン移動効果を制御することに適した第２の層４４０（下記では横結合層と呼ばれている）を更に含む。
【００７５】
第１の実施形態によれば、センサは、横結合層からピン層に直流電流を流し、図３Ｄのように電子が高感度層から横結合層へ移動するための手段（例えば電流源（図示せず））からなる。
【００７６】
第１の実施形態によれば、横結合層は、電子がスピンを保持したまま高感度層に後方散乱される間、電子の後方散乱を促進することに適している。通常は、図５Ａと５Ｂにそれぞれ示されるように、横結合層４４０は金属層４４３の中に組み込まれ又は付加される後方散乱層４４５からなる。横方向のスピン効果は高感度層の磁化を安定させるので、図２の領域（Ｉ）で用いられる場合には、センサにおける磁気によるノイズが減少する。
【００７７】
横結合層の選択は、分離層４２０の性質に依存する。実際に、横結合層の抵抗は、ピン層／分離層／高感受性層の積層（スピンバルブ又はトンネル接合）の磁気抵抗と直列である。結合層の抵抗が測定磁場から実質的に独立している場合、センサの抵抗ΔＲ／Ｒの相対的な変動が減少し、それゆえ、感度も減少する。このようにピン層／分離層／高感受性層の積層より十分に低抵抗であるものが横結合層に有利に選択される。
【００７８】
例えば、分離層がトンネルバリアである場合、後方散乱層４４５は、以下のものであってもよい：
【００７９】
ａ）第１トンネル絶縁体又は半導体バリアより低い高さのバリアおよび／又は第１トンネルバリアより薄い第２のトンネルバリア；
【００８０】
ｂ）電流制限層、すなわち電流制限に適した非連続的な絶縁層；
【００８１】
ｃ）金属層４４３より高抵抗であり、高感度層に直接接する金属層。
【００８２】
第２トンネルバリア／電流制限層の表面抵抗は、第１トンネルバリアより十分に低いものが選択される。
【００８３】
分離層が電流制限層である場合、後方散乱層４４５は、以下のものであってもよい：
【００８４】
ａ）非常に薄いトンネル絶縁体又は半導体バリア；
【００８５】
ｂ）第２電流制限層；
【００８６】
ｃ）金属層４４３より高抵抗であり、高感度層に直接接する金属層。
【００８７】
トンネルバリア／第２電流制限層の表面抵抗は、第１電流制限層より十分に低いものが選択される。
【００８８】
最終的に、分離層が金属層である場合、後方散乱層４４５は、望ましくは、後方散乱層に組み込まれ又は付加され、高感度層に直接接している金属層４４３より高抵抗である金属層である。
【００８９】
後方散乱の間、可能な限り電子にスピンを保持させるために、スピンの反転を生じさせる素子（例えばＰｄ、Ｐｔ、Ｍｎ、Ａｕ）が横結合層に導入されることを回避する必要がある。
【００９０】
本発明の第２の実施形態によれば、センサは、ピン層から横結合層に向かって直流電流を流し、図３Ｃのように電子が横結合層から高感受性層に移動する手段（例えば電流源（図示せず））を備える。
【００９１】
本発明の第２の実施形態によれば、横結合層は、高感度層によって反射される電子の横拡散を減らすためにおよび／又は後方散乱された電子のスピンメモリの損失を生じさせるために適している。このように、高感度層の磁化変動は、横方向のスピン移動効果によっては増幅されない。これは、磁気抵抗センサにおける磁気によるノイズを比較的低レベルに維持する役割を果たす。
【００９２】
横結合層の選択も、分離層の性質に依存する。
【００９３】
例えば、分離層がトンネルバリア又は電流制限層である場合、横結合層は以下のものであってもよい：
【００９４】
ａ）電子が短い平均自由行程を有し、高電気抵抗である層。本発明においては、短い平均自由行程とは、高感度層の同一磁区の特有の横方向の長さより短い平均自由行程を意味する；
【００９５】
ｂ）低抵抗で、電子のスピン反転を生じさせる不純物を含んでいる金属層。
【００９６】
最後に、分離層が金属層である場合、横結合層はスピン反転を生じさせる不純物を含んでいる低抵抗の金属層であってもよい。
【００９７】
本発明にかかる磁気抵抗センサは、以下のように製造することができる。
【００９８】
最初の工程は、電流の入力電極（例えば測定領域を固定している金属スクリーンのうちの１枚）の上に位置する非磁性バッファ層の堆積から始めるのが望ましい。このバッファ層には構造の成長を促進する目的があり、例えば５ｎｍのＮｉＦｅＣｒであってもよい。続いて以下の工程が実施される：
【００９９】
（ａ）  例えばＰｔＭｎ、ＰｔＰｄＭｎあるいはＩｒＭｎ、より好ましくは厚さ１５ｎｍから２５ｎｍのＰｔＭｎからなる第１の磁化を固定させる反強磁性層。その後、以下の（ｂ１）又は（ｂ２）いずれかの選択肢であってもよい：
【０１００】
（ｂ１）反強磁性層（例えばＣｏＦｅ合金の層）に直接接する磁気単層で、Ｃｏリッチな、典型的には約３ｎｍの厚さを有する層。この単層は、本発明にかかるセンサの第１の固定された磁気層を構成する；又は、
【０１０１】
（ｂ２）以下によって構成される人工合成フェリ磁性層：
【０１０２】
‐  反強磁性層（例えば典型的には約３ｎｍの厚さを有するＣｏが豊富なＣｏＦｅ合金の層）に接する第１の磁化が固定された副層；
【０１０３】
‐  典型的には０.５ｎｍから１ｎｍの厚さを有するＲｕ反強磁性結合層；
【０１０４】
‐  センサ４００の磁化が固定された磁気層４１０を構成する第２の磁化が固定された副層。この第２の磁化が固定された副層はＣｏリッチなＣｏＦｅであってもよい。また、ＣｏＦｅＢ又は面心立方格子構造を有するＣｏＦｅであってもよく、分離層が絶縁体の場合には、ＭｇＯであってもよい；
【０１０５】
（ｃ）  本発明にかかるセンサの分離層を構成している非磁性層。非磁性層は、トンネルバリアを形成するために、絶縁体（例えばアルミナ又はＭｇＯ又はＴｉＯｘからなる）であってもよい。また、非磁性層は、スピンバルブを製造するために、金属（例えばＣｕ）であってもよい。最後に、非磁性層は、電流制限構造を製造するために、絶縁体と金属（例えばｘの量が０.００５から０.０５の間であるＡｌ１‐ｘＣｕｘ合金の純粋層の酸化によって製造される）との複合層であってもよい；
【０１０６】
（ｄ）本発明にかかるセンサの高感度層を構成する、ＣｏリッチなＣｏＦｅ合金、特にＣｏ９０Ｆｅ１０からなる層。この層は、ＣｏとＦｅの２つの副層（総厚１ｎｍ）の組合せからなり、第１分離層に直接接して形成され、前層の磁気の柔軟性を増加させるために３ｎｍのＮｉＦｅ層が続いて形成されている層で代替してもよい。
【０１０７】
しかしながら、第１の下方の分離層が面心立方格子構造のＭｇＯである場合、同じ構造又はアニールされた非晶質ＣｏＦｅＢ合金からなるＣｏＦｅ合金を使用することが好ましい。それによって界面における格子構造の不適当な組合せが回避される；
【０１０８】
（ｅ）  本発明の実施形態によって明確に区別される構造の横結合層。
【０１０９】
第１の実施形態の場合、前述のように、結合層の組成は分離層の性質に依存する。
【０１１０】
分離層がトンネルバリアを形成する場合、横結合層は以下のように構成されてもよい：
【０１１１】
ｅ１） 第２の非常に薄いトンネルバリア（例えば第１のトンネルバリアと同一材料であるが、より薄い（例えば０.３ｎｍから０.６ｎｍ）絶縁層）；
【０１１２】
ｅ２）電流を制限するための非連続的な絶縁層（例えばＴｉＯｘの層）又は非磁性酸化物（例えばＴａＯ）のナノ層。この非連続的な絶縁層は、合金又は数％のＣｕを含むＡｌＣｕ二重層の酸化によって製造されるものであってもよい；
【０１１３】
ｅ３）高感度層に直接接して形成された低抵抗金属の第１副層と、第１副層より高抵抗である第２金属副層とからなる金属二重層で、第１副層の界面が高抵抗であるか又は電子のためのポテンシャルステップ（例えばＣｕの第１副層と、Ｔａ、Ｒｕ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｗ又はＲｅのいずれか１つの第２副層）を有する層。
【０１１４】
分離層が電流制限層である場合、横結合層は前記選択肢（ｅ１）、（ｅ２）又は（ｅ３）のいずれか１つであってもよい。選択肢（ｅ１）と（ｅ２）とは、トンネルバリア／第２制限層が、第１電流制限層より低抵抗でなければならない。
【０１１５】
分離層が金属層である場合、横結合層は、高感度層に直接接して形成され、低抵抗である第１金属副層と、第１副層より高抵抗又は第１副層との界面がより高抵抗又は電子のためのポテンシャルステップを有する第２の金属副層とからなることが好ましい。例えば、第１副層はＣｕからなり、第２副層はＴａ、Ｒｕ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｗ又はＲｅのいずれからなるものでもよい。
【０１１６】
第２の実施形態の場合、前述のように、結合層の組成は分離層の性質に依存する。
【０１１７】
分離層がトンネルバリア又は電流制限層である場合、横結合層は下記の２つの選択肢（ｅ４とｅ５）のいずれかであってもよい：
【０１１８】
ｅ４）高電気抵抗かつ０.２ｎｍから数ｎｍの厚さを有する層。この層は、例えばＴａ、Ｒｕ、Ｃｒ、あるいは、ＮｉＦｅＣｒ合金又はＮｉＣｏＦｅＣｒ合金であってもよく、電子に短い平均自由行程を与える。この層は、ＴａとＣｕの原子単層の積層であってもよい；
【０１１９】
ｅ５） 低抵抗であるが、電子スピンの反転を生じさせる不純物を含んでいる金属層。不純物としては、Ｍｎのような磁気イオンおよび／又は高スピン軌道結合を有する素子（例えばＰｄ、Ｒｕ、Ｐｔ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｉｒ、Ａｕ）を用いることができる。
【０１２０】
これらの２つの選択肢は、選択肢（ｅ４）記載の高抵抗層に、選択肢（ｅ５）記載の電子のスピン反転を生じさせる不純物を加えることによって組み合わせて用いられるようにしてもよい。
【０１２１】
最後に、分離層が金属である場合、横結合層は上記選択肢（ｅ５）のように製造される。
【図１】
2010533367.tif 000003
【図２】
2010533367.tif 000004
【図３Ａ】
2010533367.tif 000005
【図３Ｂ】
2010533367.tif 000006
【図３Ｃ】
2010533367.tif 000007
【図３Ｄ】
2010533367.tif 000008
【図４】
2010533367.tif 000009
【図５Ａ】
2010533367.tif 000010
【図５Ｂ】
2010533367.tif 000011
【国際調査報告】
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2010533367.tif 000013
2010533367.tif 000014
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