(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気素子であって、
頂面および底面を有し、かつ印加磁界が存在する場合に、その磁化の方向が好適な方向に固定される底部固着強磁性層と、
頂面および底面を有し、かつ印加磁界が存在する場合に、その磁化の方向が好適な方向に固着される頂部固着強磁性層であって、前記底部固着強磁性層および前記頂部固着強磁性層の磁化の方向が、相互に逆平行に形成されている、前記頂部固着強磁性層と、
前記底部固着強磁性層と前記頂部固着強磁性層との間に形成されている底部トンネル・バリヤ層と、自由強磁性層と、頂部トンネル・バリヤ層とを備え、
前記頂部トンネル・バリヤ層は、逆平行整列磁極に対して最大抵抗を有し、かつ平行整列磁極に対して最小抵抗を有する磁気トンネル接合を形成する材料からなり、前記底部トンネル・バリヤ層は、平行整列磁極に対して最大抵抗を有し、かつ逆平行整列磁極に対して最小抵抗を有する磁気トンネル接合を形成する材料からなる、磁気素子。
【請求項２】
前記自由強磁性層、前記頂部固着強磁性層および前記底部固着強磁性層は、ニッケル−鉄、ニッケル−鉄−コバルト、コバルト−鉄、およびコバルトのうちの少なくとも１つからなり、
前記自由強磁性層は、前記底部トンネル・バリヤ層と前記頂部トンネル・バリヤ層とを分離する単一層として形成され、前記自由強磁性層は、反転磁界よりも大きい印加磁界が存在する場合に自由に回転する磁化を有する、請求項１に記載の磁気素子。
【請求項３】
磁気素子であって、
頂面および底面を有し、かつ印加磁界が存在する場合に、その磁化の方向が好適な方向に固定される底部固着強磁性層と、
前記底部固着強磁性層の頂面上に形成されている底部トンネル・バリヤ層と、
前記底部トンネル・バリヤ層の頂面上に形成された自由強磁性層であって、該自由強磁性は頂面および底面を有し、かつ反転磁界よりも大きい印加磁界が存在する場合に、その磁化方向が自由に回転する、前記自由強磁性層と、
前記自由強磁性層の頂面上に形成されている頂部トンネル・バリヤ層と、
前記頂部トンネル・バリヤ層の頂面上に形成されており、印加磁界が存在する場合に、磁化方向が好適な方向に固定される頂部固着強磁性層であって、前記底部固着強磁性層および前記頂部固着強磁性層の磁化の方向が、相互に逆平行に形成されている、前記頂部固着強磁性層とを備え、
それにより、前記自由強磁性層の磁化の方向が、前記底部固着強磁性層および前記頂部固着強磁性層と平行または逆平行に整列されているか、または前記底部固着強磁性層および前記頂部固着強磁性層と直交して整列されており、前記頂部トンネル・バリヤ層は、逆平行整列磁極に対して最大抵抗を有し、かつ平行整列磁極に対して最小抵抗を有し、前記底部トンネル・バリヤ層は、平行整列磁極に対して最大抵抗を有し、かつ逆平行整列磁極に対して最小抵抗を有する、磁気素子。
【請求項４】
磁気素子を製造するための方法であって、
頂面と底面と厚さを有し、かつ印加磁界が存在する場合に、その磁化の方向が好適な方向に固着される底部固着強磁性層を形成するステップと、
頂面および底面を有し、かつ印加磁界が存在する場合に、その磁化の方向が好適な方向に固着されている頂部固着強磁性層を形成するステップであって、前記底部固着強磁性層および前記頂部固着強磁性層の磁化の方向が相互に逆平行に形成されている、前記頂部固着強磁性層を形成するステップと、
前記底部固着強磁性層と前記頂部固着強磁性層との間に、底部トンネル・バリヤ層、自由強磁性層、および頂部トンネル・バリヤ層を形成するステップとを含み、
前記頂部トンネル・バリヤ層は、逆平行整列磁極に対して最大抵抗を有し、かつ平行整列磁極に対して最小抵抗を有する磁気トンネル接合を形成する材料からなり、前記底部トンネル・バリヤ層は、平行整列磁極に対して最大抵抗を有し、かつ逆平行整列磁極に対して最小抵抗を有する磁気トンネル接合を形成する材料からなる、方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（発明の分野）
本発明は、情報を記憶するため、および／または検知するための磁気素子、およびその製造方法に関する。本発明は、特に磁気抵抗比を改善するために磁気素子を製造し、形成するための方法に関する。
【０００２】
（発明の背景）
本出願は、モトローラ整理番号ＣＲ９７−１３３である同時係属出願であり、同一譲受人に譲渡され、引用により本明細書の記載に援用される、「磁気ランダム・アクセス・メモリおよびその製造方法」（ＭＡＧＮＥＴＩＣ  ＲＡＮＤＯＭ  ＡＣＣＥＳＳ  ＭＥＭＯＲＹ  ＡＮＤ  ＦＡＢＲＩＣＡＴＩＮＧ  ＭＥＴＨＯＤ  ＴＨＥＲＥＯＦ）と題された、１９９８年８月３１日に出願された米国特許出願第０９／１４４，６８６号、およびモトローラ整理番号ＣＲ９７−１５８である同時係属出願であり、および同一譲受人に譲渡され、引用により本明細書の記載に援用される、「磁気フィルムのパターン形成プロセス」（ＰＲＯＣＥＳＳ  ＯＦ  ＰＡＴＴＥＲＮＩＮＧ  ＭＡＧＮＥＴＩＣ  ＦＩＬＭＳ）と題された、１９９７年１２月８日に出願された米国特許出願第０８／９８６，７６４号、および同一譲受人に譲渡され、引用により本明細書の記載に援用される「絶縁層および導電層を含む多重層を有する磁気デバイス」（ＭＡＧＮＥＴＩＣ  ＤＥＶＩＣＥ  ＨＡＶＩＮＧ  ＭＵＬＴＩ−ＬＡＹＥＲ  ＷＩＴＨ  ＩＮＳＵＬＡＴＩＮＧ  ＡＮＤ  ＣＯＮＤＵＣＴＩＶＥ  ＬＡＹＥＲＳ）と題された１９９８年６月１６日に出願された米国特許第５，７６８，１８１号に関連する。
【０００３】
通常、磁気メモリ素子のような磁気素子は、非磁気層により分離されている強磁性層を含む構造を有する。情報は、磁気層内に磁化ベクトルの方向として記憶される。例えば、ある１つの磁気層における磁気ベクトルは、磁気的に固定（ｆｉｘｅｄ）または固着（ｐｉｎｎｅｄ）されており、一方、他方の磁気層の磁化方向は、それぞれ、「平行」状態および「逆平行」状態と呼ばれる同一方向または反対方向の間で自由に切り替わる。平行状態および逆平行状態の場合、磁気メモリ素子は、２つの異なる抵抗を示す。２つの磁気層の点における磁化ベクトルが、それぞれ、ほぼ同一方向および反対方向を向いている場合には、抵抗値は最小および最大になる。従って、抵抗の変化に検知により、ＭＲＡＭデバイスのようなデバイスが磁気メモリ素子内に記憶している情報を供給することが可能になる。最小抵抗値と最大抵抗値との差を最小抵抗値で除したものは、磁気抵抗比（ＭＲ）と呼ばれる。
【０００４】
ＭＲＡＭデバイスは、磁気素子、より詳細には、磁気メモリ素子と、例えば、磁気メモリ素子用の制御回路、磁気メモリ素子内の状態を検出するためのコンパレータ、入出力回路等のような他の回路とを集積したものである。これらの回路は、デバイスの消費電力を少なくするために、ＣＭＯＳ（相補形金属酸化膜半導体）技術により製造される。
【０００５】
磁気素子は、構造的に、非常に薄い層を含み、これらの層の中のあるものの厚さは、数十オングストロームである。磁気素子の製造性スループットおよび性能は、使用する磁気構造およびその複雑さにより左右される。従って、簡単構造を追及した磁気デバイスを製造する必要がある。標準磁気素子よりも層の数が少なく、ターゲットも少ない磁気素子構造の開発が望まれている。さらに、中央に位置するＲ−Ｈ（１）ループが、数百万から数千万の各ビット上に対する正確な重畳に依存しないデバイスの開発も待望されている。
【０００６】
ＭＲＡＭ素子製造のような、通常の磁気素子の製造の際には、スパッタ蒸着、蒸発、またはエピタキシ技術により金属フィルムの成長が行われる。このような磁気素子構造体としては、基板、基部電極多重層スタック、合成反強磁性（ＳＡＦ）構造体、絶縁トンネル・バリヤ層、および頂部電極スタックがある。基部電極層スタックは、基板の上に形成され、かつ基板上に蒸着された第１のシード層、シード層上に形成されたテンプレート強磁性層、テンプレート層上の反強磁性材料層、および下に位置する反強磁性層上に形成され、該反強磁性層と交換結合している固着強磁性層を含む。強磁性層が固着層と呼ばれるのは、その磁気モーメント（磁化方向）は、印加磁界が存在する場合に、回転を阻止されているためである。合成反強磁性構造体は、ルテニウム層等により分離されている、固着強磁性層および固定強磁性層を含む。頂部電極スタックは、自由強磁性層およびこの自由層上の形成された保護層を含む。自由強磁性層の磁気モーメントは、交換結合により固着されていないので、印加磁界が存在する場合でも自由に回転することができる。すでに説明したように、このタイプの磁気素子構造体は、層が非常に複雑に配置されており、そのため、スループットを向上させることができない。
【０００７】
別の構造体としては、１つのトンネル・バリヤおよびＴａＮｙのような１つの導電スペーサにより分離されている３つの磁気層を備える磁気素子材料スタックがある。中央磁気層は、自由に回転できるように、すなわち、方向を自由に変えることができるように形成され、頂部磁気層および底部磁気層は、端部における磁束の閉じ込め（ｆｌｕｘ  ｃｌｏｓｕｒｅ）からの低いエネルギーのために、逆平行配置または反強磁性方向に固定されている。動作中、構造体は、中央磁気層の磁化方向が２つの方向のどちらを向いているかにより異なる抵抗を有する。より優れた信号、すなわち改善された磁気抵抗比を有する磁気素子を達成するためには、二重のトンネル・バリヤ層を備えることが望ましい。いまのところ、トンネル・バリヤを導電スペーサの代わりに使用した場合には、この構造体はうまく動作しないことが分かっている。
【０００８】
従って、本発明の１つの目的は、改善された磁気抵抗比を有する改善された磁気素子を提供することにある。
本発明のもう１つの目的は、より高いＭＲ％または信号、およびより低い電圧依存性を有する改善された磁気素子を提供することにある。
【０００９】
本発明のさらにもう１つの目的は、改善された磁気抵抗比を有する磁気素子を形成する方法を提供することにある。
本発明のさらにもう１つの目的は、高スループットの製造を行うことができる、改善された磁気抵抗比を有する磁気素子を形成する方法を提供することにある。
【００１０】
（発明の概要）
上記およびその他の要望は、固着強磁性材料からなる第１の磁気層、自由に回転する第２の磁気層、固着強磁性材料からなる第３の磁気層、および２つのトンネル・バリヤ層を備える磁気素子を供給することにより達成される。該構造体は、一方のトンネル・バリヤ層が正方向を向いていて、他方のトンネル・バリヤ層が、反対方向を向いている２つのトンネル・バリヤ層を含む構造体、または２つのトンネル・バリヤ層が同じタイプのものであって、さらに、両方のトンネル・バリヤにわたって磁気抵抗比の同符号変化（ｓａｍｅ  ｓｉｇｎ  ｃｈａｎｇｉｎｇ  ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ  ｒａｔｉｏｓ）を可能にする、合成反強磁性構造体を含む構造体と定義される。磁気素子が合成反強磁性構造体を備える場合には、一般に、スペーサ層が含まれる。磁気素子は、さらに金属のリードを備える。金属のリード、複数の磁気層、複数のトンネル・バリヤ層、およびスペーサ層は誘電体のような基板材料上に形成されている。さらに、本明細書は、改善された磁気抵抗比を有する磁気素子の製造方法を開示している。
【００１１】
（好ましい実施形態の詳細な説明）
本発明を示すいくつかの図面においては、類似の素子を識別するために類似の番号を使用している。図１および図２は、本発明の磁気素子の第１および第２の実施形態の断面図である。より詳細に説明すると、図１は完全にパターン形成された磁気素子１０の第１の実施形態である。磁気素子１０は、底部固着磁気層１２と、底部トンネル・バリヤ層１４と、自由磁気層１６と、頂部トンネル・バリヤ層１８と、頂部固着トンネル磁気層２０とを構造的に備える。底部固着磁気層１２、自由磁気層１６、および頂部固着磁気層２０は、強磁性層を備える。底部磁気層１２は、金属リード２４上に形成されている拡散バリヤ層２２上に形成される。拡散バリヤ層２２は、通常、窒化タンタル（ＴａＮ）上に形成され、磁気素子１０の熱安定性を助長する。金属リード２４は、通常、ある種の誘電材料（図示せず）上に形成される。
【００１２】
底部固着強磁性層１２および頂部強磁性層２０は、印加磁界が存在する場合、その磁気モーメントの回転が阻止されるので、固着または固定されていると表現される。強磁性層１２，１６，２０は、通常、以下の金属、すなわち、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）およびコバルト（Ｃｏ）の中の１つまたはそれ以上の合金により形成され、各層は、それぞれ頂面１３，１７，２１、およびそれぞれ底面１１，１５，１９を含む。磁気層１６は、自由強磁性層と呼ばれる。従って、自由強磁性層１６の磁気モーメントは、磁束の閉じ込め内の交換結合または静磁気結合により、固定されたり固着されたりしないで、印加磁界内においても自由に回転する。自由強磁性層１６は、固着磁気層１２，２０と、共線的に並んで形成され、以下の金属、すなわち、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）およびコバルト（Ｃｏ）のうちの１つまたはそれ以上の合金により形成されている。固着強磁性層１２，２０は、５〜５０００Åの範囲内の厚さを有する。自由強磁性層１６の厚さは、通常、５００Åより薄い。第２の拡散バリヤ層２６は、頂部固着磁気層２０の一番上の面２１上に形成される。金属リード２８は、第２の拡散バリヤ層２６の表面上に形成される。
【００１３】
この特定の実施形態の場合には、底部トンネル・バリヤ層１４は、タンタル（Ｔａ）と酸素（Ｏ）から形成される。より詳細に説明すると、底部トンネル・バリヤ層１４は、ＴａＯＹという一般式を有する材料から形成される。前記式中、１＜Ｙ＜２．５である。頂部トンネル・バリヤ層１８は、通常、ＡｌＯｘという式を有する酸化アルミニウム（Ａｌ）から形成される。前記式中、ｘ≦１．５である。
【００１４】
この特定の実施形態の場合には、頂部トンネル・バリヤ層１８は、磁気トンネル接合が、逆平行整列磁極に対して最大抵抗（Ｒ）を有し、平行整列磁極に対して最小抵抗（Ｒ）を有するような正のトンネル・バリヤ（ｎｏｒｍａｌ  ｔｕｎｎｅｌ  ｂａｒｒｉｅｒ）として記載されている。より詳細に説明すると、自由強磁性層１６が底部固着磁気層１２に平行に整列しており、頂部固着磁気層２０に対して逆平行に整列している場合には、抵抗は最大になる。自由強磁性層１６が、底部固着磁気層１２に逆平行に整列しており、頂部固着磁気層２０に対して平行に整列している場合には、抵抗は最小になる。底部トンネル・バリヤ層１４は、磁気トンネル接合部が平行整列磁極に対して最大抵抗（Ｒ）を有し、逆平行整列磁極に対して最小抵抗（Ｒ）を有するような逆のトンネル・バリヤ（ｒｅｖｅｒｓｅ  ｔｕｎｎｅｌ  ｂａｒｒｉｅｒ）として記載されている。このタイプの構造体は、より高い磁気抵抗比（ＭＲ％）またはより強力な信号、およびより低い電圧依存性を有する。通常、ＭＲ％は、バイアス電圧が増大するにつれて小さくなる。従って、それぞれにバイアス電圧の半分が掛かる、二重のトンネル・バリヤ層１６，１８を内蔵させることにより、バイアス電圧が増大するにつれて、磁気抵抗比の低減率が少なくなる。さらに、４つのターゲットを必要とするだけで、正確に重畳させる必要はない。動作中、底部から頂部への自由磁気層１６のすべてのトポロジー的な正（陽）の結合（ｐｏｓｉｔｉｖｅ  ｃｏｕｐｌｉｎｇ）は打ち消される。このタイプの構造体は、ＭＲＡＭ用途用に設計される。磁気素子１０の動作中、磁気層１２，２０は、特に高密度のＭＲＡＭに対する小型のメモリ・セルに対する磁束の閉じ込めおよび磁気エネルギーの低減により、逆平行方向を向き、この方向に固定される。磁気層１６は、ＭＲＡＭ用途のようなメモリ・デバイスで使用された場合に、依然として自由に方向を変えることができる。これに代わって、大型のＭＲＡＭセルにおいて、反強磁性層からピンニングを用いて、底部磁気層１２および頂部磁気層２０を固着することが可能である。
【００１５】
図２は、通常、読取ヘッドおよび磁気センサとして使用する場合の、参照番号１０’で示す完全にパターン形成された磁気素子構造体のもう１つの実施形態である。第２の実施形態の構成部材に類似の第１の実施形態のすべての構成部材は、異なる実施形態であることを示すプライム記号が付されている同一の番号で表されていることに留意されたい。図１のところで説明した構造体と同様に、この構造体も、底部固着磁気層１２’、底部トンネル・バリヤ層１４’、自由磁気層１６’、頂部トンネル・バリヤ層１８’および頂部固着磁気層２０’を備える。底部固着層１２’，自由磁気層１６’、および頂部固着磁気層２０’は、強磁性層を含む。底部磁気層１２’は、金属リード２４’上に形成されている拡散バリヤ層２２’上に形成される。拡散バリヤ層２２’は、通常、窒化タンタル（ＴａＮ）から形成されており、磁気素子１０’の熱安定性を助長する。金属リード２４’は、通常、ある種の誘電材料（図示せず）から形成される。
【００１６】
底部固着強磁性層１２’および頂部固着強磁性層２０’は、印加磁界が存在する場合には、磁気モーメントが回転できないように、固着されているか、または固定されている。強磁性層１２’，１６’，２０’は、通常、下記の金属、すなわち、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）およびコバルト（Ｃｏ）の中の１つまたはそれ以上の合金により形成されており、それぞれ、頂面１３’，１７’，２１’およびそれぞれ、底面１１’，１５’，１９’を含む。磁気層１６’は、自由強磁性層である。自由強磁性層１６’の磁気モーメントは、磁束の閉じ込めを通る交換結合または静磁気結合により、固定されてもいないし、固着されてもいない。自由強磁性層１６’は、通常、下記の金属、すなわち、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）およびコバルト（Ｃｏ）の中の１つまたはそれ以上の合金から形成される。図１の実施形態とは対照的に、この特定の実施形態の場合には、自由強磁性層１６’は、固着強磁性層１２’，２０’に対して直交して整列している。固着強磁性層１２’，２０’は、５〜５０００Åの範囲内の厚さを有する。自由強磁性層１６’の厚さは、通常、５００Åより薄い。第２の拡散バリヤ層２６’は、頂部固着磁気層２０’の一番上の面２１’上に形成される。金属リード２８’は、第２の拡散バリヤ層２６’の表面上に形成される。
【００１７】
この特定の実施形態の場合には、底部トンネル・バリヤ層１４’は、タンタル（Ｔａ）と酸素（Ｏ）から形成される。より詳細に説明すると、底部トンネル・バリヤ層１４’は、ＴａＯＹという一般式を有する材料から形成される。ここで、１＜Ｙ＜２．５である。頂部トンネル・バリヤ層１８’は、通常、ＡｌＯｘという式を有するアルミニウムから形成される。ここで、ｘ≦１．５である。
【００１８】
上記第１の実施形態と同様に、頂部トンネル・バリヤ層１８’は、磁気トンネル接合部が、逆平行整列磁極に対して最大抵抗（Ｒ）を有し、平行整列磁極に対して最小抵抗（Ｒ）を有するような正のトンネル・バリヤとして記載されている。トンネル・バリヤ層１４’は、図１のところですでに説明したように、逆のトンネル・バリヤである。図１の実施形態とは対照的に、自由強磁性層１６’は、底部固着磁気層１２’、および頂部固着磁気層２０’に対して直交して整列されている。このタイプの構造体は、より高い磁気抵抗比（ＭＲ％）またはより強力な信号、およびより低い電圧依存性を有する。通常、磁気抵抗比は、バイアス電圧が増大するにつれて小さくなる。図１の実施形態と同様に、それぞれにバイアス電圧の半分が掛かる、二重のトンネル・バリヤ層１６’，１８’を内蔵させることにより、バイアス電圧が増大するにつれ、磁気抵抗比の低減率が少なくなる。さらに、４つのターゲットを必要とするだけで、正確に重畳させる必要はない。動作中、底部から頂部へのすべてのトポロジー的な正の結合は打ち消される。このタイプの構造体は、読取ヘッドおよび磁気センサ用に形成される。磁気素子１０’の動作中、磁気層１２’，２０’は、小型のデバイスに対する磁束の閉じ込めおよび磁気エネルギーの低減により逆平行方向を向き、この方向に固定される。磁気層１６’は、依然として磁気層１２’，２０’に対して垂直方向に自由に回転することができ、そのため、読取ヘッド、または磁界センサ・デバイスでの使用に適している。これに代わって、大型のＭＲＡＭセルにおいては、反強磁性層からのピンニングを用いて、底部磁気層１２’および頂部磁気層２０’を固着することが可能である。
【００１９】
図３について説明すると、この図は、本発明の磁気素子の第３の実施形態の簡単な断面図である。より詳細に説明すると、この図は、その一部として、（今説明している）合成反強磁性（ＳＡＦ）構造体を含む磁気素子３０である。磁気素子３０は、底部固着磁気層３２と、底部トンネル・バリヤ層３４と、合成反強磁性構造体３６と、頂部トンネル・バリヤ層３８と、頂部固着磁気層４０とを含む。底部固着磁気層３２、合成反強磁性構造体３６、および頂部固着磁気層４０は、強磁性層を含む。底部磁気層３２は、金属リード４４上に形成されている拡散バリヤ層４２上に形成される。拡散バリヤ層４２は、通常、窒化タンタル（ＴａＮ）上に形成され、磁気素子３０の熱安定性を助長する。金属リード４４は、通常、同じタイプの誘電材料（図示せず）上に形成される。
【００２０】
底部固着強磁性層３２および頂部強磁性層４０は、印加磁界が存在する場合に、その磁気モーメントの回転が防止されるので、固着されている、または固定されていると表現される。強磁性層３２，４０は、通常、下記の金属、すなわち、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）およびコバルト（Ｃｏ）の中の１つまたはそれ以上の合金により形成され、各層は、それぞれ、頂面３３，４１と、底面３１，３９とを含む。
【００２１】
合成反強磁性構造体３６は、相互に逆平行に形成されており、この実施形態の場合には、静止している場合に、底部固着強磁性層３２、および頂部固着強磁性層４０に対して、共線的に整列している、底部自由磁気層４６および頂部自由磁気層４８を含む。底部自由磁気層４６および頂部自由磁気層４８は、通常、ルテニウム（Ｒｕ）層等から形成されている交換スペーサ５０により分離されている。自由磁気層４６と自由磁気層４８との間の逆平行整列は、底部自由磁気層４６と頂部自由磁気層４８との間で反強磁性結合を行う交換スペーサ層５０により、または静磁気結合、またはその他の手段により達成される。
【００２２】
自由強磁性層４６，４８および固着強磁性層３２，４０は、通常、下記の金属、すなわち、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）およびコバルト（Ｃｏ）の中の１つまたはそれ以上の合金により形成される。固着強磁性層３２，４０は、５〜５０００Åの範囲内の厚さを有する。自由強磁性層４６，４８の厚さは、一般に、それぞれ、５００Åより薄い。第２の拡散バリヤ層５２は、頂部固着磁気層４０の一番上の面４１上に形成される。金属リード５４は、第２の拡散バリヤ層５２の表面上に形成される。
【００２３】
この特定の実施形態の場合には、底部トンネル・バリヤ層３４および頂部トンネル・バリヤ層３８は、両方とも、通常、ＡｌＯｘという式を有する酸化アルミニウムから形成される。ここで、ｘ≦１．５である。合成反強磁性構造体３６を含むこの実施形態の場合には、底部トンネル・バリヤ層３４および頂部トンネル・バリヤ層３８は同じタイプのものである。より詳細に説明すると、底部トンネル・バリヤ層３４および頂部トンネル・バリヤ層３８は、磁気トンネル接合が、逆平行整列磁極に対して最大抵抗（Ｒ）を有し、平行整列磁極に対して最小抵抗（Ｒ）を有するような正のトンネル・バリヤ層である。より詳細に説明すると、自由強磁性層４６，４８が対向して向き合っている場合には、底部自由磁気層４６が固着磁気層３２に逆平行であり、頂部自由磁気層４８が固着磁気層４０に逆平行になっている場合、抵抗は最大になる。底部自由磁気層４６が底部固着磁気層３２に平行になっており、頂部自由磁気層４８が固着磁気層４０に対して平行になっている場合には、抵抗は最小になる。合成反強磁性構造体を含むこの磁気素子は、トンネル・バリヤ層３４，３８を形成するために、同じタイプの材料を内蔵させ、より大きな磁気抵抗比（ＭＲ％）またはより強力な信号を供給し、電圧依存性が小さくなる。通常、磁気抵抗比は、バイアス電圧が増大するにつれて小さくなる。従って、それぞれにバイアス電圧の半分が掛かる、二重のトンネル・バリヤ層３４，３８を内蔵させることによりバイアス電圧が増大した場合に、磁気抵抗比の低減率が少なくなる。動作中、底部および頂部からのすべてのトポロジー的な正の結合は打ち消される。このタイプの構造体は、ＭＲＡＭ用途用に形成される。磁気素子３０の動作中、磁気層３２，４０は、小型のデバイスに対する磁束の閉じ込めおよび磁気エネルギーの低減により逆平行方向を向き、この方向に固定される。磁気層４６，４８は、磁気層３２，４０に対する２つの共線的に並んだ状態のうちの一方に留まるために、依然として自由に回転することができる。そのため、この構造体は、ＭＲＡＭ用途のようなメモリ・デバイスで使用するのに適している。これに代わって、大型のＭＲＡＭセルにおいては、反強磁性層からのピンニングを用いて、底部磁気層１２’および頂部磁気層２０’を固着することが可能である。
【００２４】
本開示により、すでに説明したように、合成反強磁性構造体３６を、２つのトンネル・バリヤ層３４，３８の間に形成することもできるし、または別な方法としては、底部トンネル・バリヤ層３４の下に形成することもできるし、頂部トンネル・バリヤ層３８の表面３９の上に形成することも予想できることを理解されたい。開示を容易にするために、底部トンネル・バリヤ層３４および頂部トンネル・バリヤ層３８の間への合成反強磁性構造体３６の形成については、図３に関して説明する。
【００２５】
図４について説明すると、この図は、本発明の磁気素子の第４の実施形態の簡単な断面図である。第４の実施形態の構成部材に類似している、図３の第３の実施形態のすべての構成部材には、異なる実施形態であることを示すためのプライム記号を含む類似の参照番号がついていることに留意されたい。図３のところで説明した構造体のように、この構造体も、その一部として合成反強磁性（ＳＡＦ）構造体を含む磁気素子３０’を含む。磁気素子３０’は、底部固着磁気層３２’と、底部トンネル・バリヤ層３４’と、合成反強磁性構造体３６’と、頂部トンネル・バリヤ層３８’と、頂部固着磁気層４０’を含む。底部固着磁気層３２’、合成反強磁性構造体３６’および頂部固着磁気層４０’は、強磁性層を含む。底部磁気層３２’は、金属リード４４’上に形成されている拡散バリヤ層４２’上に形成される。拡散バリヤ層４２’は、通常、窒化タンタル（ＴａＮ）から形成されており、磁気素子３０の熱安定性を助長する。金属リード４４’は、通常、ある種の誘電材料（図示せず）上に形成される。
【００２６】
底部固着強磁性層３２’、および頂部固着強磁性層４０’は、磁界内に位置する場合に、その磁気モーメントの回転が防止されるので、固着されている、または固定されていると表現される。強磁性層３２’，４０’は、通常、下記の金属、すなわち、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）およびコバルト（Ｃｏ）の中の１つまたはそれ以上の合金からできていて、各層は、それぞれ頂面３３’，４１’と、それぞれ底面３１’，３９’とを含む。
【００２７】
合成反強磁性構造体３６’は、底部自由磁気層４６’、相互に逆平行に形成されており、底部固着強磁性層３２’および頂部固着強磁性層４０’に対して垂直方向に整列している頂部自由磁気層４８’を含む。底部自由磁気層４６’および頂部自由磁気層４８’は、通常、ルテニウム（Ｒｕ）等の層で形成される交換スペーサ層５０’により分離されている。自由磁気層４６’と自由磁気層４８’との間の逆平行整列は、底部自由磁気層４６’と頂部自由磁気層４８’との間の反強磁性結合による交換スペーサ層５０’により、または端部静磁気結合により、または他の手段により行われる。
【００２８】
自由強磁性層４６’，４８’および固着強磁性層３２’，４０’は、通常、下記の金属、すなわち、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）およびコバルト（Ｃｏ）の中の１つまたはそれ以上の合金から形成される。固着強磁性層３２’，４０’は、５〜５０００Åの範囲内の厚さを有する。自由強磁性層４６’，４８’の厚さは、一般に、それぞれ、５００Åより薄い。第２の拡散バリヤ層５２’は、頂部固着磁気層４０’の一番上の面４１’上に形成される。金属リード５４’は、第２の拡散バリヤ層５２’の表面上に形成される。
【００２９】
この特定の実施形態の場合には、底部トンネル・バリヤ層３４’および頂部トンネル・バリヤ層３８’は、通常、ＡｌＯｘという式を有する酸化アルミニウムから形成される。ここで、ｘ≦１．５である。合成反強磁性構造体３６’を含むこの実施形態の場合には、底部トンネル・バリヤ層３４’および頂部トンネル・バリヤ層３８’は同じタイプのものである。より詳細に説明すると、底部トンネル・バリヤ層３４’および頂部トンネル・バリヤ層３８’は、磁気トンネル接合が、逆平行整列磁極に対して最大抵抗（Ｒ）を有し、平行整列磁極に対して最小抵抗（Ｒ）を有するような正のトンネル・バリヤ層である。より詳細に説明すると、自由強磁性層４６’，４８’が対向して向き合っている場合で、底部自由磁気層４６’が回転して固着磁気層３２’に対して逆平行となり、頂部自由磁気層４８’が回転して固着磁気層４０’に対して逆平行となる場合に、抵抗は最大になる。底部自由磁気層４６’が回転して、底部固着磁気層３２’に対して平行になり、頂部自由磁気層４８’が回転して、固着磁気層４０’に対して平行になる場合に、抵抗は最小になる。このタイプの構造体は、トンネル・バリヤ層３４’および３８’を形成するために、同じタイプの材料を内蔵させ、より大きな磁気抵抗比（ＭＲ％）またはより強力な信号を供給し、電圧依存性が小さくなる。通常、磁気抵抗比は、バイアス電圧が増大するにつれて小さくなる。従って、それぞれにバイアス電圧の半分が掛かる、二重のトンネル・バリヤ層３４’，３８’を内蔵させることにより、バイアス電圧が増大した場合、磁気抵抗比の低減率が少なくなる。動作中、底部および頂部からのすべてのトポロジー的な正の結合は打ち消される。このタイプの構造体は、読取ヘッドおよび磁気センサ用に設計される。磁気素子３０’の動作中、磁気層３２’，４０’は、磁束の閉じ込めおよび磁気エネルギーの低減により逆平行方向を向き、この方向に固定される。磁気層４６’，４８’は、磁気層３２’，４０’に対して直交方向を中心として依然として自由に回転することができる。これら磁気層が磁界を検出した場合には、それが検出する磁界に比例する直線的な電圧の変化が起こり、この構造体は、読取ヘッド・デバイスおよび磁気センサで使用するのに適したものになる。
【００３０】
本明細書を読めば分かると思うが、すでに説明したように、合成反強磁性構造体３６’を２つのトンネル・バリヤ層３４’とトンネル・バリヤ層３８’との間に形成できること、または別な方法としては、底部トンネル・バリヤ層３４’の下に形成できること、または頂部トンネル・バリヤ層３８’の表面３９’上に形成できることを理解されたい。底部トンネル・バリヤ層３４’および頂部トンネル・バリヤ層３８’の間への合成反強磁性構造体３６’の内蔵については、説明の都合上図４に関して説明する。
【００３１】
したがって、本発明は、改善された磁気抵抗比を有する磁気素子、および二重のトンネル・バリヤ層を内蔵させることにより磁気抵抗比が改善されるその製造方法に関する。すでに説明したように、この技術は、磁気センサ、磁気記録ヘッド、磁気記録媒体等のようなパターン形成された磁気素子を使用するデバイスに適用することができる。それ故、上記例は本発明の範囲内に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の改善された磁気抵抗比を有する磁気素子の第１の実施形態の断面図。
【図２】  本発明の改善された磁気抵抗比を有する磁気素子の第２の実施形態の断面図。
【図３】  本発明の改善された磁気抵抗比を有する磁気素子の第２の実施形態の断面図。
【図４】  本発明の改善された磁気抵抗比を有する磁気素子の第３の実施形態の断面図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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