(57)【要約】【課題】従来技術の非対称性問題を解決する。【解決手段】磁気抵抗センサの自由層を安定させるスタック内バイアスが提供される。より具体的には、自由層の上に提供された安定化層が傾斜した磁化を有する。この傾斜によって、自由層とピン層の間の中間層結合が減少し、従来技術のヒステリシス問題と非対称性問題が実質的に解消される。さらに、アニール温度差と磁界方向を使用するアニール方法を含む、スタック内バイアスの安定化層を傾斜させる方法を提供する。【選択図】図３
2007005802.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気抵抗素子であって、
外部磁界に応じて調整可能な磁化を有する自由層と、
固定された磁化を有するピン層と、
前記ピン層と前記自由層の間に挟まれたスペーサと、
傾斜した磁化方向を有するとともに、前記スペーサと反対側の前記自由層上に配置された連続し分離されていない安定化層とを含み、
側面硬質バイアス層を含まない磁気抵抗素子。
【請求項２】
前記安定化層が、単磁区構造における自由層を安定させる第１の成分と、前記ピン層と前記自由層の間の中間層結合を補償する第２の成分とを含む請求項１に記載の磁気抵抗素子。
【請求項３】
前記傾斜磁化方向の角度が、前記自由層の磁化方向から約１８０度の原点状態から１５度〜７５度である請求項１に記載の磁気抵抗素子。
【請求項４】
前記安定化層が、前記自由層の幅よりも大きな幅を有する請求項１に記載の磁気抵抗素子。
【請求項５】
前記スペーサが、絶縁体材料と導体材料のいずれかを含む請求項１に記載の磁気抵抗素子。
【請求項６】
前記スペーサが、前記自由層と前記ピン層の間に少なくとも１つの導電性ナノコンタクトを有する絶縁体マトリクスを含む請求項１に記載の磁気抵抗素子。
【請求項７】
前記少なくとも１つの導電性ナノコンタクトが、磁性体と非磁性体のいずれかである請求項６に記載の磁気抵抗素子。
【請求項８】
前記安定化層、前記スペーサ、前記ピン層および前記自由層の側面に配置された側面シールドをさらに含む請求項１に記載の磁気抵抗素子。
【請求項９】
磁気抵抗素子であって、
外部磁界に応じて調整可能な磁化方向を有する自由層と、
固定された磁化方向を有するピン層と、
前記ピン層と前記自由層の間に挟まれたスペーサと、
傾斜した磁化方向を有するとともに、前記スペーサと反対側の前記自由層上に配置された連続し分離されていない安定化層と、
前記安定化層、前記スペーサ、前記ピン層、および前記自由層の側面に配置された絶縁体と、
前記絶縁体の外側面に配置され、前記スペーサが前記自由層と前記ピン層の間の少なくとも１つの導電性ナノコンタクトを有する絶縁体マトリクスを含み、前記少なくとも１つの導電性ナノコンタクトが磁性体と非磁性体のいずれかである側面硬質バイアスと、を含む磁気抵抗素子。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの導電性ナノコンタクトが、Ｎｉ、Ｃｏ、およびＦｅのうちの少なくとも１つを含む請求項９に記載の磁気抵抗素子。
【請求項１１】
前記傾斜した磁化方向を有する前記安定化層が、自由層を単磁区状態で安定させる第１の成分と、前記自由層と前記ピン層の間の中間層結合を補償する第２の成分とを含む請求項９に記載の磁気抵抗素子。
【請求項１２】
前記傾斜磁化方向の角度は、原点状態から１５度〜７５度であり、原点角度が、前記自由層の磁化方向から約１８０度である請求項９に記載の磁気抵抗素子。
【請求項１３】
前記安定化層が、前記自由層よりも大きな幅を有する請求項９に記載の磁気抵抗素子。
【請求項１４】
磁気抵抗素子であって、
外部磁界に応じて調整可能な磁化方向を有する自由層と、
固定された磁化方向を有するピン層と、
前記ピン層と前記自由層の間に挟まれ、絶縁体を含むスペーサと、
傾斜した磁化方向を有するとともに、前記スペーサと反対側の前記自由層上に配置された連続し分離されていない安定化層と、
前記安定化層、前記スペーサ、前記ピン層および前記自由層の側面に配置された絶縁体と、
前記絶縁体の外側面に配置された側面硬質バイアスと、を含む磁気抵抗素子。
【請求項１５】
外部磁界に応じて調整可能な磁化を有する自由層と、
固定された磁化を有するピン層と、
前記ピン層と前記自由層の間に挟まれたスペーサと、
傾斜した磁化方向を有するとともに、前記スペーサと反対側の前記自由層上に配置された連続し分離されていない安定化層と、を含む磁気抵抗素子が、側面硬質バイアス層を含まない装置。
【請求項１６】
前記装置が、磁界センサとメモリのいずれかを含む請求項１５に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スタック内バイアス（in-stack bias）を有する磁気抵抗素子に関し、より具体的には傾斜スタック内バイアスを有する磁気抵抗センサ等の磁気抵抗素子及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来技術のハードディスクドライブなどの磁気記録技術において、ヘッドは、互いに独立に動作する読み取り装置と書き込み装置を備えている。読み取り装置は、自由層、ピン層、およびピン層と自由層の間のスペーサを含む。
【０００３】
読み取り装置において、ピン層の磁化の向きは固定される。しかしながら、例えば記録媒体などの外部磁界の影響（これに限定されない）により自由層の磁化の向きが変化することがある。
【０００４】
読み取り装置に外部磁界（フラックス）が印加されると、自由層の磁化方向がある角度だけ変化し、すなわち回転する。フラックスが正のときは自由層の磁化が上向きに回転し、フラックスが負のときは自由層の磁化が下向きに回転する。外部磁界が印加されて自由層の磁化方向がピン層と同じに合わされると、層間の抵抗が小さくなり、層の間を電子が移動し易くなる。
【０００５】
しかしながら、自由層がピン層と反対の磁化方向を有するときは、層間の抵抗が大きい。この大きい抵抗は、層間の電子の移動が困難になるために生じる。
【０００６】
図１（ａ）は、ＣＰＰ方式の従来技術のトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）スピンバルブを示す。ＴＭＲスピンバルブにおいて、スペーサ２３は、絶縁体またはトンネル障壁層である。したがって、電子は、絶縁スペーサ２３を自由層２１からピン層２５に、またはその逆に横切ることができる。ＴＭＲスピンバルブは、約５０％の高い磁気抵抗（ＭＲ）を有する。
【０００７】
図１（ｂ）は、従来技術の垂直通電型巨大磁気抵抗（ＣＰＰＧＭＲ：current perpendicular to plane, giant magnetoresistive）スピンバルブを示す。この場合、スペーサ２３は導体の役割をする。従来技術のＣＰＰ−ＧＭＲスピンバルブは、大きな抵抗変化△Ｒと高周波応答を有する適度な素子抵抗を必要とする。また、小さい媒体磁界を検出できるように低い保磁力も必要である。また、ピン止め磁界は強くなければならない。
【０００８】
図１（ｃ）は、従来技術の弾道磁気抵抗（ＢＭＲ）スピンバルブを示す。絶縁体として働くスペーサ２３内で、強磁性体領域４７がピン層２５を自由層２１に接続する。接点領域は、約数ナノメートルである。その結果、このナノコンタクト内にできる磁壁内の電子の拡散によってＭＲが実質的に大きくなる。他の要因には、強磁性体のスピン分極と、ＢＭＲスピンバルブとナノコンタクトしている領域の構造がある。
【０００９】
前述の従来技術のスピンバルブにおいて、スピンバルブのスペーサ２３は、ＴＭＲの場合は絶縁体、ＧＭＲの場合は導体、およびＢＭＲの場合は磁気ナノサイズコネクタを有する絶縁体である。従来技術のＴＭＲスペーサは、一般にアルミナなどの絶縁性の大きい金属で作成されるが、従来技術のＧＭＲスペーサは、一般に、銅などの導電性の大きい金属で作成される。
【００１０】
従来技術において、読み取り動作中に自由層の磁化が媒体磁界自体からだけ影響を受けるように、ピン層と自由層の間の中間層の結合が大きくならないようにしなければならない。中間層の結合が大きいと、出力読み取り信号に悪影響を及ぼす望ましくない影響を有する。例えば、信号非対称性とヒステリシスが実質的に大きくなる。この影響は、セスペデス（Cespedes）らの論文である非特許文献１に開示されている。
【非特許文献１】Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 272-76: 157 1-72 Part 2, 2004
【００１１】
電流閉じ込め経路ＣＰＰヘッドにおいて、スペーサは、Ｃｕ-Ａｌ2Ｏ3などの絶縁体によって互いに分離された非磁性導電体領域で作成される。したがって、特にＧＭＲとＴＭＲの場合には、自由層とピン層の相互作用は、層の厚さが薄くなるほど大きくなる。例えば、ＴＭＲヘッドでは、全体の素子抵抗を小さくするために絶縁体スペーサがきわめて薄くされる。そのようにＴＭＲスペーサの厚さを薄くすると、自由層とピン層の間にピンホールができ、その結果中間層結合が大きくなる。
【００１２】
ＢＭＲの場合、中間層結合は、自由層とピン層の間のスペーサ内に存在するナノコンタクト（直接接続）の関数として大きくなる。自由層とピン層が逆の磁化方向を有するとき、磁壁ができることがある。その結果、強い電子散乱によってＭＲ比率を高くすることができる。例えば、自由層とピン層が、スペーサのアルミナマトリクスに埋め込まれたＮｉ磁性ナノ粒子によって接続されると、約１００エルステッド（場合によっては約２００エルステッド）よりも大きい中間層結合が生じる。その結果、伝達曲線（すなわち、外部磁界の関数としての電圧）が非対称になり、出力信号が実質的に減少する。
【００１３】
前述の従来技術の問題に取り組むために、従来技術の安定化層を使用して自由層の単磁区（mono-domain）を作成する。図２にこの安定化層を示す。ピン層５３と自由層５５の間にスペーサ５１が配置され、自由層５５のスペーサ５１と反対側に非磁性体スペーサ層５７が配置される。非磁性スペーサ層５７の上に安定化層５９が提供される。安定化層５９を作成した結果として、安定化層とスペーサの間の磁化方向の差が約１８０度になるので、自由層５５が単磁区になる。
【００１４】
従来技術のシミュレーションにおいて、中間層結合がない場合と中間層結合がある場合の所望の安定化磁界が決定された。中間層結合がない場合、自由層のヒステリシスは、自由層が１００ｎｍ×１００ｎｍの大きさを有するときにＮｉＦｅの場合に約１５０エルステッドの外部磁界強度で消滅する。磁界強度が強すぎると自由層のスチフネスまたは感度が低下し、それに対して磁界強度が弱すぎると安定性が低下する。また、ヒステリシスを有する伝達曲線も問題になる。しかしながら、自由層の厚さが薄くなるほど消磁界が強くなり、ヒステリシスも大きくなる。１００エルステッドの中間層結合と１５０エルステッドのバイアス磁界を追加することによって、ヒステレシス問題が実質的に軽減され、バイアス磁界が自由層磁化容易軸内で作用するが、バイアスポイントは元の位置からずれる。
【００１５】
しかしながら、従来技術のヒステリシス問題に取り組む場合でも、従来技術のさらに別の問題がある。例えば、従来技術の中間層結合による非対称性の問題がまだある。したがって、図１と図２に示したような従来技術において、従来技術の非対称性問題を解決する必要性が満たされていない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明の目的は、従来技術の問題と欠点を解消することである。しかしながら、そのような目的または任意の目的は本発明において達成されなくてもよい。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
外部磁界に応じて調整可能な磁化を有する自由層、実質的に固定された磁化を有するピン層、およびピン層と自由層の間に挟まれたスペーサを有する磁気抵抗素子を提供する。さらに、連続し分離されていない安定化層が提供され、スペーサと反対側の自由層上に配置される。安定化層は、傾斜した磁化方向を有し、磁気抵抗素子は、側面硬質バイアス層を含まない。
【００１８】
さらに、外部磁界に応じて調整可能な磁化方向を有する自由層、実質的に固定された磁化方向を有するピン層、ピン層と自由層の間に挟まれたスペーサ、およびスペーサの反対側の自由層上に配置された連続し分離されていない安定化層を含む磁気抵抗素子を提供する。安定化層は、傾斜した磁化方向を有する。また、安定化層、スペーサ、ピン層、および自由層の側面に配置された絶縁体と、絶縁体の外側面に配置された側面硬質バイアスとを提供する。スペーサは、自由層とピン層の間の少なくとも１つの導電性ナノコンタクトを有する絶縁体マトリクスを含み、少なくとも１つの導電性ナノコンタクトは、磁性体と非磁性体のいずれかである。
【００１９】
また、外部磁界に応じて調整可能な磁化方向を有する自由層、実質的に固定された磁化方向を有するピン層、ピン層と自由層の間に挟まれたスペーサ、およびスペーサと反対側の自由層上に配置された連続し分離されていない安定化層を含む磁気抵抗素子を提供する。安定化層は、傾斜した磁化方向を有する。さらに、安定化層、スペーサ、ピン層および自由層の側面に絶縁体が配置され、絶縁体の外側面に側面硬質バイアスが配置される。スペーサは絶縁体を含む。
【００２０】
さらに、外部磁界に応じて調整可能な磁化を有する自由層、実質的に固定された磁化を有するピン層、ピン層と自由層の間に挟まれたスペーサ、およびスペーサと反対側の自由層上に配置された連続し分離されていない安定化層を含む装置を提供する。安定化層は、傾斜した磁化方向を有し、磁気抵抗素子は側面硬質バイアス層を含まない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
例示的かつ非限定的な実施形態は、本明細書に示した例示的かつ非限定的な実施形態による、傾斜スタック内バイアスおよび当業者によって理解されるようなその等価物を有する磁気抵抗素子を含む。さらに、実施形態において、層の構成が提供されない場合、それらの層は、当業者によって理解されるような構成を有する。
【００２２】
本実施形態において、連続した単一の完全に接合された（すなわち、分離されていない）層の傾斜安定化層を提供する。この安定化層は、静磁界の２つの成分を発生させる働きをする。第１の成分は、自由層磁化容易軸の方向であり、単磁区構造の自由層を安定化する働きをする。
【００２３】
第２の成分は、第１の成分の方向から約９０度の向きであり、中間層結合の反対方向に磁界を印加することによってピン層と自由層の間の中間層結合を低減（補償）する働きをする。これにより、従来技術の非対称性問題とヒステリシス問題が実質的に解消される。
【００２４】
図３は、例示的かつ非限定的な実施形態によるスピンバルブを示す。スピンバルブは、間に挟まれたスペーサ１０５によってピン層１０３から分離された自由層１０１を有する。さらに、自由層１０１の上に非磁性体スペーサ層１０７が提供される。自由層１０１は、外部磁界に応じて調整可能な磁化を有し、ピン層１０３は、実質的に固定された磁化を有する。
【００２５】
非磁性体スペーサ層１０７の上に安定化層１０９が提供される。本発明の安定化層１０９は、様々な特定の特性を有する。例えば限定ではなく、この安定化層は、水平方向の単一の連続した非強磁性体層である。さらに、安定化層１０９は、隙間なく完全に接合される。安定化層１０９は、実質的に連続した非分離層として実質的に自由層１０１全体を覆う。
【００２６】
さらに、安定化層１０９は、その磁化方向１１１がある方向から自由層の磁化方向に対して約１８０度傾斜している。自由層の磁化方向は、ピン層の磁化方向から約９０度である。前述のように、第１の成分１１１ａは、自由層の安定性を維持するように向けられ、第１の成分に対して約９０度でかつピン層の磁化方向と同じ向きを有する第２の成分１１１ｂは、自由層１０１とピン層１０３の間の中間層結合を補償するように向けられる。この実施形態において、磁気抵抗素子は、側面硬質バイアス層を含まない。
【００２７】
図４は、例示的かつ非限定的な実施形態によるボトムスピンバルブを示す。分かりやすくするために、図３に関して前に述べた内容と実質的に同じ内容を有する残りの参照符号の詳しい説明は省略する。さらに、前述のように、安定化層１０９の上にＡＦＭ層１１３を配置することができる。代替として、ＡＦＭの代わりに硬質磁石層を使用して実質的に類似の機能を達成することができる。
【００２８】
図４は、例示的かつ非限定的な実施形態によるボトムスピンバルブを示す。しかしながら、当業者によって理解されるように、トップスピンバルブを使用することもできる。さらに、ＡＦＭ層の下にバッファ層（図示せず）を提供することができ、上部シールドまたは下部シールドを使用することができる。
【００２９】
次に、傾斜の程度と傾斜角の詳細を説明し、図５に示す。従来技術において、自由層の磁化方向に対して約１８０度の方向から傾斜はない。したがって、従来技術の傾斜角は、約０度であると考えられる。これは、「原点」位置と呼ばれることもある。
【００３０】
しかしながら、本発明において、「傾斜」は、図５に示したような約４５度の位置の前後プラス／マイナス約３０度の範囲内の角度（例えば、約１５〜約７５度）を含むように定義される。したがって、「傾斜」は、原点からどちらかの方向の２つの領域によって定義される（図５の斜線領域）。
【００３１】
原点から約４５度の傾斜は概算であり、結合の強さによってのみ限定される。傾斜が＋角度側か−角度側かは自由層とピン層の間に結合によって決まる。例えば限定ではなく、結合強度が適度な場合には傾斜角が小さくなり、結合強度が大きい場合、傾斜角は、この高い結合強度を補償するために大きくならなければならない。
【００３２】
安定化層１０９は、自由層１０１よりも実質的に大きくすることができる。さらに、スペーサ１０５に関して、この層は、当業者によって知られるようなＡｌ2Ｏ3、ＭｇＯ、または類似の材料を含む絶縁体でよい。したがって、そのような構造は、従来技術に関して前に説明したＴＭＲヘッドに使用することができる。
【００３３】
代替として、スペーサ１０５は、例えば限定ではなく例として、当業者によって理解されるようなＣｕや類似の材料などの導電体層でよい。したがって、そのような構造は、従来技術に関して前に述べたＧＭＲヘッドに使用することができる。
【００３４】
他の代替の例示的かつ非限定的な実施形態において、スペーサ１０５は、自由層１０１をピン層１０３に電気的に結合する導体材料を有する絶縁体マトリクスを含むことができる。導体材料は、非磁性体（例えば、銅）でもよく、あるいは磁性体（例えば、Ｎｉ、Ｃｏ、およびＦｅの少なくとも１つ）でもよい。導体材料は、自由層とピン層の間にナノコンタクトを構成する。
【００３５】
導体材料が非磁性体のとき、装置は、垂直通電式電流閉じ込め経路（ＣＣＰ−ＣＰＰ：current-confined path with a current perpendicular to plane）ヘッドであると考えられる。代替として、材料が磁性体のとき、装置は、従来技術に関して前に述べたようなＢＭＲ装置であると考えられる。
【００３６】
しかしながら、本発明による前述のＴＭＲ、ＧＭＲ、ＣＣＰ−ＣＰＰおよびＢＭＲヘッドは、安定化層１０９の傾斜の点で従来技術のヘッドと異なり、従来技術の中間層結合問題に取り組むことによって従来技術のヒステリシス問題と非対称性問題を軽減する。
【００３７】
本発明による装置において、ＴＭＲ、ＢＭＲ、ＣＣＰ−ＣＰＰまたはＧＭＲヘッドには、側面硬質バイアスと側面シールドは不要である。図６に、側面シールド１２３を有する構造を示す。より具体的には、スピンバルブの側面に絶縁体１２１が提供される。次に、磁気抵抗素子を近隣トラックの影響から守るために軟質シールド１２３が提供される。
【００３８】
さらに、ＴＭＲ、ＢＭＲおよびＣＣＰ−ＣＰＰヘッドの場合には、側面シールド１２３の代わりに硬質磁石で作成された従来技術の側面硬質バイアスを含むことができる。しかしながら、本発明のＧＭＲヘッドの場合には、この従来技術の硬質バイアスは含まれない。側面硬質バイアスは、高い保磁力を有する硬質磁石（例えば、ＣｏＰｔ、ＣｏＰｔＣｒ合金）で作成され、すなわち、単磁区構造における自由層を安定させるために側面硬質バイアスの磁化方向が固定される。側面シールドは、低い保磁力と高い透磁率を有する材料で作成されるが、ＮｉＦｅや類似の材料を使用することができる。
【００３９】
さらに、安定化層を傾斜させる方法も提供する。ピン層、スタック内バイアスおよび自由層をそれぞれ連続的にアニールしなければならない。アニールを行うために、ピン層を比較的高い温度と高い印加磁界強度でアニールして、ピン層の磁化をあらかじめ定義した方向（空気軸受面に対して垂直）に設定する。次に、安定化層（すなわち、スタック内バイアス）の磁化が、ピン層の磁化を固定するために使用される第１のＡＦＭ層のブロッキング温度よりも低く、かつ安定化層の磁化を固定するために使用される第２のＡＦＭ層のブロッキング温度よりも高い温度で、アニールすることによって固定される。次に、自由層は、低い磁界と、ピン層と安定化層のそれぞれの磁化を固定するために使用される両方のＡＦＭ層のブロッキング温度よりも低い、適度な温度でアニールされる。
【００４０】
ＡＦＭ層は、前述の図面には実施形態が示されていないが、当業者には周知であり、従来技術のＡＦＭ層と実質的に類似のものでよいことに注意されたい。さらに、前述の温度（より具体的には、温度差）と印加される磁界と方向でのアニール段階によって安定化層の磁界が傾斜する。したがって、以上述べた傾斜方法によって傾斜安定化スピンバルブが作成される。
【００４１】
この実施形態には様々な利点がある。例えば限定ではなく、これらの実施形態によって従来技術の非対称性問題が実質的に解決され、従来技術のヒステリシス問題も実質的に解決される。
【００４２】
さらに、以上の実施形態は、一般に、磁気抵抗読み取りヘッドの磁気抵抗素子を対象とする。この磁気抵抗読み取りヘッドは、必要に応じて、多くの装置のどの装置にも使用することができる。例えば限定ではなく、前述のように、読み取りヘッドをハードディスクドライブ（ＨＤＤ）磁気記録装置に含めることができる。
【００４３】
しかしながら、本発明はこれに限定されず、磁気抵抗効果を利用する他の装置も本発明の磁気抵抗素子を含むことができる。例えば限定ではなく、磁界センサまたはメモリが本発明を利用することができる。磁界センサは、人体解剖（例えば、頭部）の断面などのターゲット組織の断面を測定する磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）装置に使用することができるが、応用例はこれに限定されない。そのような応用例は本発明の範囲内である。
【００４４】
本発明は、前述の特定の実施形態に限定されない。添付した特許請求の範囲に定義した本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく実施形態に多くの修正を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】（ａ）〜（ｃ）は、様々な従来技術の磁気読み取りスピンバルブシステムを示す図である。
【図２】安定化層を有する従来技術のスピンバルブを示す図である。
【図３】本発明の例示的かつ非限定的な実施形態によるスピンバルブを示す図である。
【図４】本発明の例示的かつ非限定的な実施形態によるボトムスピンバルブを示す図である。
【図５】本発明の例示的かつ非限定的な実施形態による傾斜の角度を示す図である。
【図６】本発明の例示的かつ非限定的な実施形態による側面シールドを含む装置を示す図である。
【符号の説明】
【００４６】
１０１  自由層
１０３  ピン層
１０５  スペーサ
１０７  非磁性体スペーサ層
１０９  安定化層
１１１  磁化方向
【図１】
2007005802.tif 000003
【図２】
2007005802.tif 000004
【図３】
2007005802.tif 000005
【図４】
2007005802.tif 000006
【図５】
2007005802.tif 000007
【図６】
2007005802.tif 000008