JP6874050B2 - 磁界に対する応答が改善された磁気抵抗素子 - Google Patents

Description

本発明は一般にスピンエレクトロニクス磁気抵抗素子に関し、より詳細には、磁界に対する改善された応答を有する巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子およびトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Ｔｕｎｎｅｌ Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子に関する。

本明細書において使用されるとき、「磁界検知素子」という用語は、磁界を検知することができる様々な電子素子を記述するために使用されている。このような磁界検知素子の１つは磁気抵抗（ＭＲ）素子である。磁気抵抗素子は、磁気抵抗素子によって遭遇される磁界に関連して変化する抵抗を有する。

知られているように、異なるタイプの磁気抵抗素子が存在しており、例えばアンチモン化インジウム（ＩｎＳｂ）などの半導体磁気抵抗素子、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子、異方性磁気抵抗素子（ＡＭＲ）、および磁気トンネル接合（ＭＴＪ）素子とも呼ばれているトンネリング磁気抵抗（ＴＭＲ：Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子が存在している。

これらの磁気抵抗素子のうち、ＧＭＲ素子およびＴＭＲ素子は、スピンエレクトロニクス（すなわち電子スピン）を使用して動作し、抵抗は、非磁性層によって分離された異なる磁性層の磁気配向に関連付けられる。スピンバルブ構成の場合、抵抗は、別の層であるいわゆる「基準層」に対する、いわゆる「自由層」中の磁化の角方向に関連付けられる。自由層および基準層については、以下でより完全に説明される。

磁気抵抗素子は、単一の素子であっても、または別法としては、様々な構成、例えば半ブリッジまたは全（ホイートストン）ブリッジで配置された２つまたはそれ以上の磁気抵抗素子を含むことも可能である。

本明細書において使用されるとき、「磁界センサ」という用語は、磁界検知素子を使用している、一般的には他の回路と組み合わせた回路を記述するために使用されている。典型的な磁界センサの場合、磁界検知素子および他の回路は、共通の基板の上に統合され得る。

磁界センサは、それらに限定されないが、磁界の方向の角度を検知する角度センサ、電流搬送導体によって搬送される電流によって生成される磁界を検知する電流センサ、強磁性体の近接を検知する磁気スイッチ、強磁性物品、例えば輪形磁石または強磁性ターゲット（例えば歯車の歯）の磁気領域の通過を検知する、磁界センサがバックバイアス磁石または他の磁石と組み合わせて使用される回転検出器、および磁界の磁界密度を検知する磁界センサを始めとする様々な応用例で使用されている。

様々なパラメータが、磁界センサおよび磁界検知素子の性能を特徴付ける。磁界検知素子に関しては、パラメータは、磁界検知素子の出力信号が磁界に応答して変化する感度、および磁界センサの出力信号が磁界に対して直線的に変化する（すなわち正比例する）度合である直線性を含む。

ＧＭＲ素子およびＴＭＲ素子は、例えばホール素子と比較すると、比較的高い感度を有することが知られている。また、ＧＭＲ素子およびＴＭＲ素子は、適度に良好な直線性を
有することも知られているが、磁界の限られた範囲にわたるものであり、ホール素子が動作することができる範囲よりもさらに範囲が限定されている。しかしながらＧＭＲ素子またはＴＭＲ素子の直線性は、磁界の範囲が限定されている上に、不規則性の問題を抱えていることが知られている。また、いくつかのＧＭＲ素子およびＴＭＲ素子には、高温貯蔵の後、挙動が変化する傾向があることも知られている。したがって、直線性不規則性が低減され、また、高温貯蔵の影響が小さいＧＭＲ素子またはＴＭＲ素子を提供することが望ましい。

また、従来のＧＭＲ素子およびＴＭＲ素子、ならびに具体的にはスピンバルブは、磁界測定または電流測定におけるそれらの精度を低くする望ましくないヒステリシス挙動をも有することが知られている。したがってヒステリシスが小さいＧＭＲ素子またはＴＭＲ素子を提供することがやはり望ましい。

本発明は、直線性不規則性が低減され、ヒステリシス挙動が著しく低減され、また、高温および高磁界貯蔵状態の影響が小さいＧＭＲ素子またはＴＭＲ素子（あるいは任意のスピンエレクトロニクス磁気抵抗素子）を提供する。

本発明の態様を理解するために有用な例によれば、磁気抵抗素子は、第１の強磁性層、第２の強磁性層、および第１の強磁性層と第２の強磁性層の間のスペーサ層であって、第１の強磁性層と第２の強磁性層の間の反強磁性結合を可能にするように選択された厚さを有する選択された材料からなるスペーサ層を備える第１の合成反強磁性体（ＳＡＦ）構造を含む。磁気抵抗素子は、第１の強磁性層、第２の強磁性層、および第１の強磁性層と第２の強磁性層の間のスペーサ層であって、第１の強磁性層と第２の強磁性層の間の反強磁性結合を可能にするように選択された厚さを有する選択された材料からなるスペーサ層を備える第２の合成反強磁性体（ＳＡＦ）構造をさらに含む。磁気抵抗素子は、第１の合成反強磁性体（ＳＡＦ）構造の近傍に配置され、かつ、結合された第１の反強磁性層と、第１の合成反強磁性体（ＳＡＦ）構造および第２の合成反強磁性体（ＳＡＦ）構造が第１の反強磁性層と第２の反強磁性層の間に配置されるように、第２の合成反強磁性体（ＳＡＦ）構造の近傍に配置され、かつ、結合された第２の反強磁性層をさらに含む。磁気抵抗素子は、第１の合成反強磁性体（ＳＡＦ）構造と第２の合成反強磁性体（ＳＡＦ）構造の間に配置された自由層構造をさらに含む。磁気抵抗素子は、第１の合成反強磁性体（ＳＡＦ）構造と自由層構造の間に配置された第１の非磁性層と、第２の合成反強磁性体（ＳＡＦ）構造と自由層構造の間に配置された第２の非磁性層とをさらに含む。第１の非磁性層の材料は、第１の非磁性層の厚さを０．５ｎｍより厚くすることができ、一方、第１の合成反強磁性体（ＳＡＦ）構造と自由層構造の間の所望の部分固定化を可能にするように選択される。

いくつかの実施形態では、上記磁気抵抗素子は、以下の態様のうちの１つまたは複数を任意の組合せで含むことができる。
上記磁気抵抗素子のいくつかの実施形態では、第１の非磁性層の材料は、第１の合成反強磁性体（ＳＡＦ）構造と自由層構造の間の磁気結合を最大強磁性結合と最大反強磁性結合の間にすることができるように、第１の非磁性層の厚さを０．５ｎｍより厚くすることができるように選択される。

上記磁気抵抗素子のいくつかの実施形態では、第１の非磁性層は、第１の合成反強磁性体（ＳＡＦ）構造と自由層構造の間の調整可能なＲＫＫＹ結合を提供するように選択される材料からなる。

上記磁気抵抗素子のいくつかの実施形態では、第１の非磁性層はＲｕからなる。
上記磁気抵抗素子のいくつかの実施形態では、第１の非磁性層の厚さは、約０．９ｎｍと約４．０ｎｍの間である。

上記磁気抵抗素子のいくつかの実施形態では、第１の非磁性層の厚さは、約０．１ｎｍと約４．０ｎｍの間である。
上記磁気抵抗素子のいくつかの実施形態では、第２の非磁性層の材料および厚さは、第２の合成反強磁性体（ＳＡＦ）構造と自由層構造の間の実質的にゼロ磁気結合を可能にするように選択される。

上記磁気抵抗素子のいくつかの実施形態では、第２の非磁性層は、Ｃｕ、ＡｕまたはＡｇからなる。
上記磁気抵抗素子のいくつかの実施形態では、第２の非磁性層の厚さは、約２．０ｎｍと約３．０ｎｍの間である。

上記磁気抵抗素子のいくつかの実施形態では、第１の反強磁性構造および第２の反強磁性構造は、いずれもＰｔＭｎからなる。
上記磁気抵抗素子のいくつかの実施形態では、第１の反強磁性構造および第２の反強磁性構造は、いずれもＰｔＭｎからなる。

上記磁気抵抗素子のいくつかの実施形態では、第１の反強磁性構造はＩｒＭｎからなり、また、第２の反強磁性構造はＰｔＭｎからなる。
上記磁気抵抗素子のいくつかの実施形態では、第１の反強磁性構造はＩｒＭｎからなり、また、第２の反強磁性構造はＰｔＭｎからなる。

上記磁気抵抗素子のいくつかの実施形態では、第１の合成反強磁性体（ＳＡＦ）構造および第２の合成反強磁性体（ＳＡＦ）構造内の磁界方向は、９０度隔てるように焼きなまされ、第１の反強磁性層内の磁界方向は、第１の合成反強磁性体（ＳＡＦ）構造内の磁界方向と平行になるように焼きなまされ、また、第２の反強磁性層内の磁界方向は、第２の合成反強磁性体（ＳＡＦ）構造内の磁界方向と平行になるように焼きなまされる。

上記磁気抵抗素子のいくつかの実施形態では、磁気抵抗素子はスピンバルブを備える。
上記磁気抵抗素子のいくつかの実施形態では、磁気抵抗素子はＧＭＲ検知素子を備える。

上記磁気抵抗素子のいくつかの実施形態では、磁気抵抗素子はＴＭＲ検知素子を備える。
本発明の別の態様を理解するために有用な別の例によれば、磁気抵抗素子を製造する方法は、基板の上に磁気抵抗素子を堆積させるステップを含み、磁気抵抗素子は、第１の強磁性層、第２の強磁性層、および第１の強磁性層と第２の強磁性層の間に配置されたスペーサ層であって、第１の強磁性層と第２の強磁性層の間の反強磁性結合を可能にするように選択された厚さを有する選択された材料からなるスペーサ層を備える第１の合成反強磁性体（ＳＡＦ）構造を含む。磁気抵抗素子は、第１の強磁性層、第２の強磁性層、および第１の強磁性層と第２の強磁性層の間に配置されたスペーサ層であって、第１の強磁性層と第２の強磁性層の間の反強磁性結合を可能にするように選択された厚さを有する選択された材料からなるスペーサ層を備える第２の合成反強磁性体（ＳＡＦ）構造をさらに含む。磁気抵抗素子は、第１の合成反強磁性体（ＳＡＦ）構造の近傍に配置され、かつ、結合された第１の反強磁性層と、第１の合成反強磁性体（ＳＡＦ）構造および第２の合成反強磁性体（ＳＡＦ）構造が第１の反強磁性層と第２の反強磁性層の間に配置されるように、
第２の合成反強磁性体（ＳＡＦ）構造の近傍に配置され、かつ、結合された第２の反強磁性層をさらに含む。磁気抵抗素子は、第１の合成反強磁性体（ＳＡＦ）構造と第２の合成反強磁性体（ＳＡＦ）構造の間に配置された自由層構造をさらに含む。磁気抵抗素子は、第１の合成反強磁性体（ＳＡＦ）構造と自由層構造の間に配置された第１の非磁性層と、第２の合成反強磁性体（ＳＡＦ）構造と自由層構造の間に配置された第２の非磁性層とをさらに含む。第１の非磁性層の材料は、第１の非磁性層の厚さを０．５ｎｍより厚くすることができ、一方、第１の合成反強磁性体（ＳＡＦ）構造と自由層構造の間の所望の部分固定化を可能にするように選択される。

いくつかの実施形態では、上記方法は、以下の態様のうちの１つまたは複数を任意の組合せで含むことができる。
上記方法のいくつかの実施形態では、第１の非磁性層の材料は、第１の合成反強磁性体（ＳＡＦ）構造と自由層構造の間の磁気結合を最大強磁性結合と最大反強磁性結合の間にすることができるように、第１の非磁性層の厚さを０．５ｎｍより厚くすることができるように選択される。

いくつかの実施形態では、上記方法は、
第１の合成反強磁性体（ＳＡＦ）構造および第１の反強磁性構造を、第１の焼きなまし温度で、第１の焼きなまし磁界で、第１の焼きなまし磁界方向で、かつ、第１の焼きなまし継続期間で焼きなますステップと、
第２の合成反強磁性体（ＳＡＦ）構造および第２の反強磁性構造を、第２の焼きなまし温度で、第２の焼きなまし磁界で、第２の焼きなまし磁界方向で、かつ、第２の焼きなまし継続期間で焼きなますステップと
をさらに含み、
第１の焼きなまし磁界方向は選択された磁化方向にあり、
第２の焼きなまし磁界方向は、第１の焼きなまし磁界方向に対して直角であり、
第１の焼きなまし磁界は第２の焼きなまし磁界より大きく、第２の焼きなまし磁界は、第１の合成反強磁性体（ＳＡＦ）構造の焼きなまし、または第１の反強磁性構造の焼きなましに影響を及ぼすことなく、第２の合成反強磁性体（ＳＡＦ）構造の焼きなまし、および第２の反強磁性構造の焼きなましが得られるように選択される。

上記方法のいくつかの実施形態では、第１の合成反強磁性体（ＳＡＦ）構造および第２の合成反強磁性体（ＳＡＦ）構造は、いずれも２つまたはそれ以上のＣｏＦｅ層からなる。

上記方法のいくつかの実施形態では、第１の反強磁性構造および第２の反強磁性構造は、いずれもＰｔＭｎからなる。
上記方法のいくつかの実施形態では、第１の焼きなまし磁界は約１テスラであり、また、第２の焼きなまし磁界は約１テスラの範囲内である。

上記方法のいくつかの実施形態では、第１の焼きなまし温度は約２９５℃であり、第２の焼きなまし温度は約１６０℃であり、また、第１の焼きなまし継続期間は約１時間であり、第２の焼きなまし継続期間は約１時間である。

上記方法のいくつかの実施形態では、第１の反強磁性構造はＩｒＭｎからなり、また、第２の反強磁性構造はＰｔＭｎからなる。
上記方法のいくつかの実施形態では、第１の焼きなまし磁界は約１テスラであり、また、第２の焼きなまし磁界は約１テスラの範囲内である。

上記方法のいくつかの実施形態では、第１の焼きなまし温度は約２９５℃であり、第２
の焼きなまし温度は約１６０℃であり、また、第１の焼きなまし継続期間は約１時間であり、第２の焼きなまし継続期間は約３０分である。

上記方法のいくつかの実施形態では、第１の非磁性層の厚さは、約０．９ｎｍと約４ｎｍの間である。
上記方法のいくつかの実施形態では、第１の非磁性層は、第１の合成反強磁性体（ＳＡＦ）構造と自由層構造の間の調整可能なＲＫＫＹ結合を提供するように選択される材料からなる。

上記方法のいくつかの実施形態では、第１の非磁性層はＲｕからなる。
本発明の以上の特徴ならびに本発明自体は、図面についての以下の詳細な説明からより完全に理解されよう。

巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子の理想の伝達特性および実際の伝達特性を示すグラフである。 単一の固定構造を有する従来技術のＧＭＲ素子の層を示すブロック図である。 二重固定構造を有する従来技術のＧＭＲ素子の層を示すブロック図である。 特定の二重固定構造を有する磁気抵抗素子の例の層を示すブロック図である。 いくつかの実施形態では、図４、１０または１１の磁気抵抗素子の形状を表すことができるヨーク形状を有する磁界検知素子の上面図である。 回転速度測定のために磁気ターゲットの上に置かれた磁気抵抗素子磁界センサのブロック図である。 図４、５、１０および１１の二重固定ＧＭＲ素子を形成するために使用され得るプロセスステップの例を示すフローチャートである。 図４、５、１０および１１の二重固定ＧＭＲ素子を形成するために使用され得る代替プロセスステップの例を示すフローチャートである。 図４、５、１０および１１の二重固定ＧＭＲ素子を形成するために使用され得る代替プロセスステップの例を示すフローチャートである。 特定の二重固定構造を有する磁気抵抗素子の別の例の層を示すブロック図である。 特定の二重固定構造を有する磁気抵抗素子のさらに別の例の層を示すブロックである。

本発明を説明する前に、本明細書においては、特定の形状（例えばヨーク形）を有するＧＭＲ素子またはＴＭＲ素子が参照されることがあることに留意されたい。しかしながら本明細書において説明される技法は、様々な大きさおよび形状に適用することができることは当業者には理解されよう。

本明細書において使用されるとき、「異方性」または「異方性の」という用語は、特定の軸または方向であって、追加外部磁界に遭遇しない場合、その特定の軸または方向に対する強磁性層またはフェリ磁性層の磁化がある方向に向く傾向を示す特定の軸または方向を意味している。軸方向異方性は、結晶性効果によって、または形状異方性によって生成されることが可能であり、結晶性効果および形状異方性は、いずれも磁界の２つの等価方向を許容する。また、方向異方性は、隣接する層の中にやはり生成されることが可能であり、例えば隣接する層内の特定の軸に沿った単一の磁界方向のみを許容する反強磁性層によって生成され得る。

以上に鑑みて、磁性層内に異方性を導入することにより、外部磁界が存在しない場合のその異方性に沿って整列されるように磁性層の磁化を強制することができることは理解されよう。ＧＭＲ素子またはＴＭＲ素子の場合、方向異方性は、例えば外部磁界に応答して磁性層内に磁界のコヒーレント回転を得る能力を提供し、この能力は、対応する素子のヒステリシス挙動を抑制する特性を有する。

本明細書において使用されるとき、「磁界検知素子」という用語は、磁界を検知することができる様々な電子素子を記述するために使用されている。磁気抵抗素子は、このような磁界検知素子の１つのタイプである。

本明細書において使用されるとき、「磁界センサ」という用語は、磁界検知素子を使用している、一般的には他の回路と組み合わせた回路を記述するために使用されている。磁界センサは、それらに限定されないが、磁界の方向の角度を検知する角度センサ、電流搬送導体によって搬送される電流によって生成される磁界を検知する電流センサ、強磁性体の近接を検知する磁気スイッチ、強磁性物品、例えば輪形磁石の磁気領域の通過を検知する回転検出器、および磁界の磁界密度を検知する磁界センサを始めとする様々な応用例で使用されている。

本明細書において説明される構造および方法は、ＧＭＲ磁気抵抗素子およびＴＭＲ磁気抵抗素子の両方に適用する。しかしながら同じまたは同様の構造および方法を、現在知られているものであれ、あるいは後に開発されるものであれ、他のスピンエレクトロニクス磁気抵抗素子に適用することができることを理解されたい。これは、具体的には、酸化物をベースとするスピンエレクトロニクス構造を含む。

ここで図１を参照すると、グラフ１００は、ミリテスラ（ｍＴ）の磁界単位のスケールを有する水平軸、および任意の単位の抵抗単位のスケールを有する垂直軸を有する。
曲線１０２は、理想ＧＭＲ素子の伝達関数、すなわちＧＭＲ素子によって遭遇される抵抗対磁界を表している。伝達関数１０２は、上側飽和点１０２ｂと下側飽和点１０２ｃの間に線形領域１０２ａを有する。領域１０２ｄ、１０２ｅは飽和領域である。線形領域１０２ａは理想線形領域であることを理解されたい。さらに、理想ＧＭＲ素子は、その磁気履歴に無関係に、所与の磁界に対して同じ抵抗を示す。

ステップ、例えばステップ１０４は、ＧＭＲ素子の実際の伝達関数を表している。飽和点１０２ｂ、１０２ｃを越えると、ステップ１０４によって表されている実際の伝達関数は、飽和領域１０２ｄ、１０２ｅと一体になる。

ステップ１０４は望ましくない。ステップ１０４は、ＧＭＲ素子内のいわゆる自由層内における磁気領域の磁気挙動によって生じる。自由層の挙動については、図２に関連して以下でより完全に説明される。

ステップ１０４は、間隔が等しく、かつ、ステップの高さが等しい規則的ステップとして示されているが、ステップ１０４は、間隔が不等で、かつ、ステップの高さ（すなわち振幅）が不等の不規則ステップであってもよい。ステップは、通常、局部ヒステリシスに対応し、また、自由層の再現可能局所回転に相当する。

次に図２を参照すると、従来技術のＧＭＲ素子２００は、基板の上に配置された複数の層を含む。基板の上側の表面は、図２の一番下に、最も下側の線として示されている。
図２の左側に、個々の層が機能名称によって識別されている。図２の右側には、機能層を形成することができる副層の磁気特性が示されている。一般に、磁気材料は様々な磁気
特性を有することができ、また、それらに限定されないが、強磁性、反強磁性および非磁性を含む様々な用語によって分類され得る。様々なタイプの磁気材料についての説明は、本明細書においては詳細にはなされていない。しかしながら、ここでは、強磁性材料は、強磁性材料中の原子の磁気モーメントが、概して、平行で、かつ、同じ方向になるように整列する傾向があり、強磁性材料の非ゼロ正味磁気磁化をもたらす材料である、と言及しておくだけで十分であるとしておく。

銅、銀および金のようなほとんどの材料は、正味磁化を示さない反磁性材料である。これらの材料には、印加される（外部）磁界とは逆で、かつ、それに比例する極端に弱い磁化を示す傾向がある。反磁性材料は非磁気材料とも呼ばれる。

反強磁性材料は、反強磁性材料中の磁気モーメントが、概して、平行で、かつ、反対方向になるように整列する傾向があり、ゼロ正味磁化をもたらす材料である。
示されているように、従来技術のＧＭＲ素子２００は、基板の上に配置されたシード層２０２、シード層２０２の上に配置された反強磁性固定化層（ｐｉｎｎｉｎｇ ｌａｙｅｒ）２０４、および反強磁性固定化層２０４の上に配置された固定層（ｐｉｎｎｅｄ ｌａｙｅｒ）２０６を含むことができる。固定層２０６は、第１の強磁性固定層２０６ａ、第２の強磁性固定層２０６ｃ、およびそれらの間に配置されたスペーサ層２０６ｂからなり得る。

また、従来のＧＭＲ素子２００は、第２の強磁性固定層２０６ｃの上に配置されたスペーサ層２０８、およびスペーサ層２０８の上に配置された自由層２１０を含むことも可能である。スペーサ層２０６ｂは非磁性金属層である。また、スペーサ２０８も非磁性層であり、ＧＭＲの場合は金属層であり、あるいはＴＭＲの場合は絶縁層であってもよい。自由層２１０は、第１の強磁性自由層２１０ａおよび第２の強磁性自由層２１０ｂからなり得る。

キャップ層２１２は、ＧＭＲ素子２００を保護するために自由層２１０の上に配置され得る。
従来技術のＧＭＲ素子２００の層の厚さの例は、ナノメートルの単位で示されている。従来技術のＧＭＲ素子の層の材料の例は、原子記号によって示されている。

いくつかの層には、ＧＭＲ素子２００が外部磁界に遭遇しない場合の層の磁界方向の方向を示す矢印が示されている。ページから出ていく矢印は、円の中の点で示されており、また、ページの中に入る矢印は、円の中の十字で示されている。

一番下から上に向かって層を取り上げると、シード層２０２は、上の層の結晶特性に影響を及ぼす基板の上に規則的な結晶構造を提供するために使用される。
反強磁性固定化層２０４に関して、反強磁性固定化層２０４内の副層（すなわち層部分）には、右矢印および左矢印によって示されている異なる交互方向を指す磁界を有し、ゼロの正味磁界を有する反強磁性固定化層をもたらす傾向がある。反強磁性固定化層２０４の頂部表面には、１つの方向、ここでは左に向かって示されている方向を指す磁気モーメントを有する傾向がある。

固定層２０６に関して、第１の強磁性固定層２０６ａには、反強磁性固定化層２０４の頂部表面に結合する傾向があり、したがって第１の強磁性固定層２０６ａ内の磁界は、反強磁性固定化層２０４の頂部表面における、ここでは左に向かって示されている磁気モーメントに平行に整列され得る。

第１の強磁性固定層２０６ａと第２の強磁性固定層２０６ｃの間にスペーサ層２０６ｂ
が存在しているため、第２の強磁性固定層２０６ｃには、第１の強磁性固定層２０６ａと反強磁性結合する傾向があり、したがって第２の強磁性固定層２０６ｃは、他の方向、ここでは右を指して示されている方向を指す磁界を有する。３つの層２０６ａ、２０６ｂ、２０６ｃの組合せは、合成反強磁性構造または層と呼ばれ得る。

第１の自由層および第２の自由層２１０ａ、２１０ｂは、外部磁界が存在しない場合、ページから出る方向を指すそれぞれの磁界を有する。この指示方向は、ページから出る方向指示に沿った特定の異方性を生成することによって達成され得る。その異方性は、ＧＭＲ素子の形状によって生成され得る。例えば異方性は、ヨーク形状を有するようにＧＭＲ素子２００（上面図）をパターン化することによって、または結晶異方性または磁気異方性によって生成され得る。ヨーク形状については、図５に関連して以下でより完全に説明される。ヨーク形状を生成したことにより、自由層２１０は優先軸（ヨーク軸）を有する。ヨーク軸が基準磁化に対して直角である場合、交差した異方性が達成され、それにより自由層異方性の次数の磁場拡張（ｆｉｅｌｄ ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｏｒｄｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｆｒｅｅ ｌａｙｅｒ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ）に対する線形応答が獲得され得る。

動作時、従来のＧＭＲ素子２００が矢印２１４の方向を指す外部磁界に露出されると、強磁性自由層２１０ａ、２１０ｂ内の磁界は、右に向かって回転し、第２の強磁性固定層２０６ｃ内の磁界指示方向とますます整列されるようになる（または完全に整列され、すなわち右方向を指す）傾向を示す。しかしながら固定層２０６内の磁界は反強磁性固定化層によって固定され、回転しない。強磁性自由層２１０ａ、２１０ｂ内の磁界が回転する量は、外部磁界の大きさで決まる。強磁性自由層２１０ａ、２１０ｂ内の磁界と、第２の強磁性固定層２０６ｃ内の磁界の方向が整列すればするほど、ＧＭＲ素子２００の抵抗が小さくなる傾向がある。具体的には、抵抗には、主として第１の自由層２１０ａ内、第２の（Ｃｕ）スペーサ層２０８内、および第２の強磁性（例えばＣｏＦｅ）固定層２０６ｃ内で変化する傾向がある。

逆に、ＧＭＲ素子が矢印２１４とは逆の方向を指す外部磁界に露出されると、自由層２１０内の磁界は、左に向かって回転し、第２の強磁性固定層２０６ｃ内の磁界指示方向とますます反整列される（ａｎｔｉ−ａｌｉｇｎｅｄ）ようになる（または完全に反整列され、すなわち左方向を指す）傾向を示す。回転する量は外部磁界の大きさで決まる。強磁性自由層２１０ａ、２１０ｂ内の磁界と、第２の強磁性固定層２０６ｃ内の磁界の方向が反整列すればするほど、ＧＭＲ素子２００の抵抗が大きくなる傾向がある。

以上に鑑みて、図１を簡単に参照すると、外部磁界が存在しない場合、ＧＭＲ素子２００の抵抗は、線形領域１０２ａの中心に存在しており、抵抗は、外部磁界２１４の方向に応じて、伝達特性曲線１０２上を右または左へ移動することができる（すなわちより小さくなるか、またはより大きくなる）ことは理解されよう。層の全整列または全反整列が達成されると、ＧＭＲ素子２００は、それぞれ下側飽和領域１０２ｅまたは上側飽和領域１０２ｄに存在することになる。

一般に、強磁性自由層２１０ａ、２１０ｂには、それらに限定されないが、磁界が第１の方向を指す第１の複数の磁気領域、および磁界が１つまたは複数の他の方向を指す第２の複数の磁気領域を含む複数の磁気領域を自然に有する傾向がある。強磁性自由層２１０ａ、２１０ｂ内の第１の複数の磁気領域は、ＧＭＲ素子２００が外部磁界に露出されない場合、ページから出ていくように示されている自由層２１０の正味磁界と整列される磁界指示方向を有するが、ＧＭＲ素子２００が磁界に露出されると回転することができる。上で説明したように、第１の複数の磁気領域の磁界指示方向は、外部磁界に応答して回転する。第２の複数の磁気領域には、１つまたは複数の他の方向を指す磁界指示方向を有する
傾向がある。

簡潔に言うと、図１のステップ１０４に関して、個々のステップは、強磁性自由層２１０ａ、２１０ｂ内の正味磁界が外部磁界に応答してどこを指したとしても（すなわち回転したとしても）、第１の複数の磁気領域に存在しない（例えば第２の複数の磁気領域に存在する）磁気領域のうちの１つまたは複数、すなわち強磁性自由層２１０ａ、２１０ｂ内の正味磁界の方向を指さない磁界を有する磁気領域のうちの１つまたは複数が、強磁性自由層２１０ａ、２１０ｂ内の磁界の正味磁界指示方向と整列されるようになる方向に突然スナップする（すなわちジャンプする）と生成される。しかしながら、強磁性自由層２１０ａ、２１０ｂ内の正味磁界の方向を指さない磁界を有する磁気領域のうちの１つまたは複数は、強磁性自由層２１０ａ、２１０ｂ内の磁界の正味磁界指示方向と整列されるようになる方向によりゆっくり変化することも可能であり、その場合、図１のステップのうちの１つまたは複数の傾斜は、示されている傾斜より緩やかになるが、それでも依然として望ましくない。したがって自由層２１０内の正味磁界の方向以外の方向を指す自由層２１０内の磁気領域の数を少なくすること（すなわち第２の複数の磁気領域内の磁気領域の量を少なくすること）が望ましい。この低減により、ステップ１０４がより少なくなり、ステップ１０４がより小さくなり、またはステップ１０４が存在しなくなる。

自由層の正味磁界の方向以外の方向を指す自由層２１０内の磁気領域の数を少なくするために、すなわちページから出る方向以外の方向を指す磁気領域の数を少なくするために、外部バイアス化磁石が使用され得る。代替として、いわゆる「二重固定」構造を使用してスタック内磁気バイアスを達成するために、複数の層が基本ＧＭＲ素子２００に加えられ得る。

次に図３を参照すると、従来技術の二重固定ＧＭＲ素子３００は、非磁性シード層３０２、シード層３０２の上に配置された反強磁性固定化層３０４、固定化層３０４の上に配置された固定層３０６、固定層３０６の上に配置されたスペーサ層３０８、およびスペーサ層の上に配置された自由層３１０を含むことができる。いくつかの構造では、自由層３１０は、２つの強磁性自由層３１０ａ、３１０ｂからなり得る。いくつかの構造では、スペーサ層３０８は非磁性層である。

二重固定ＧＭＲ素子３００は、自由層３１０の上に配置されたスペーサ層３１２、スペーサ層３１２の上に配置された第２の固定層３１４、第２の固定層３１４の上に配置された第２の固定化層３１６、および第２の固定化層３１６の上に配置された非磁性キャップ層３１８をさらに含むことができる。いくつかの構造では、スペーサ層３１２は非磁性層である。

ＧＭＲ素子３００の層の厚さの例は、ナノメートルの単位で示されている。ＧＭＲ素子３００の層の材料の例は、原子記号によって示されている。
先行技術の二重固定ＧＭＲ素子３００は、第２の固定層３１４によって生成される静磁界を達成する。第２の固定層３１４層は、第２の反強磁性固定化層３１６の底部表面に強磁性結合されており、したがって第２の固定層３１４内の磁界は、反強磁性固定化層３１６の底部表面における磁気モーメントと同じ方向、ここではページに入る方向を指して示されている方向を指す。

第２の反強磁性固定化層３１６のために使用される材料は、第１の反強磁性固定化層３０４のために使用される材料とは異なっている。この方法によれば、２つの材料の異なる阻止温度（ｂｌｏｃｋｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ）（ＩｒＭｎの場合、２３０℃未満であり、また、ＰｔＭｎの場合、２５０℃より十分に高い温度）を利用することにより、２つの層３０４、３１６の磁化が独立して操作され得る。

第２の固定層３１４は、ここでは、第１の固定層３０６の磁界に対して直角になるように、ページに入る方向を指すように示されている方向に配向された磁界を有する。具体的には、第２の固定層３１４によって生成され、かつ、自由層３１０によって遭遇される磁界の指示方向は、自由層３１０の正味磁界の方向とは異なる方向を指す自由層３１０内の磁気領域の数の低減をもたらし、例えばページから出る方向とは異なる方向を指す磁気領域の数の低減をもたらす。

スペーサ層３１２の厚さは、第２の固定層３１４と自由層３１０の間の所望の磁気結合強度を提供するように選択される。いくつかの実施形態では、スペーサ層３１２のＴａの厚さはわずか数オングストロームであり、また、結合は、スペーサ層３１２中のやはりピンホールを通して生じる。わずか数オングストロームの堆積の厚さは制御が困難であり、また、ピンホール密度も制御が困難であることは理解されよう。したがって第２の固定層３１４と自由層３１０の間の磁気結合の量は制御が困難である。

ＧＭＲ素子の場合、スペーサ３０８は金属非磁性層である（通常は銅）。ＴＭＲ素子の場合、スペーサ３０８は絶縁非磁性層である（例えばＡｌ２Ｏ３またはＭｇＯ）。さもなければＧＭＲ素子３００は、匹敵するＴＭＲ素子と同じ、または同様の層を有することができる。したがってＴＭＲ素子は明確には示されていない。

次に図４を参照すると、二重固定ＧＭＲ素子４００の例は、基板の上に配置された複数の層を含む。基板の上側の表面は、図４の一番下に暗黒の線で示されている。
図４の左側に、個々の層が機能名称によって識別されている。図４の右側には、機能層を形成することができる副層の磁気特性が示されている。

ＧＭＲ素子４００の層の厚さの例は、ナノメートルの単位で示されている。ＧＭＲ素子４００の層の材料の例は、原子記号によって示されている。
一般に、磁気材料は様々な磁気特性を有することができ、また、それらに限定されないが、強磁性、反強磁性および非磁性を含む様々な用語によって分類され得る。これらのタイプの磁気材料の簡単な説明は、上で与えられている。

示されているように、例示的ＧＭＲ素子４００は、図３の先行技術のＧＭＲ素子に対して上で説明した層と同じ層のいくつかを含むことができる。図３の先行技術のＧＭＲ素子と同様、例示的ＧＭＲ素子４００は、基板の上に配置されたシード層４０２、シード層４０２の上に配置された反強磁性固定化層４０４、および反強磁性固定化層４０４の上に配置された固定層４０６を含むことができる。しかしながらいくつかの実施形態では、固定層４０６は、第１の強磁性固定層４０６ａ、第２の強磁性固定層４０６ｃ、およびそれらの間に配置されたスペーサ層４０６ｂからなり得る。いくつかの実施形態では、スペーサ層４０６ｂは非磁気材料からなる。

いくつかの他の実施形態では、固定層４０６は、上記の代わりに、図３の固定層３０６と同じ、または同様の１つの固定層からなり得る。
第１の強磁性固定層４０６ａと第２の強磁性固定層４０６ｃの間にスペーサ４０６ｂが存在しているため、第２の強磁性固定層４０６ｃには、第１の強磁性固定層４０６ａと反強磁性結合する傾向があり、したがって第２の強磁性固定層４０６ｃは、他の方向、ここでは右を指して示されている方向を指す磁界を有する。上で説明したように、３つの層４０６ａ、４０６ｂ、４０６ｃの組合せは、合成反強磁性構造または層と呼ばれ得る。

また、例示的ＧＭＲ素子４００は、第２の強磁性固定層４０６ｃの上に配置されたスペーサ層４０８、およびスペーサ層４０８の上に配置された自由層４１０をも含むことがで
きる。いくつかの実施形態では、自由層４１０は、第２の強磁性自由層４１０ｂの下に配置された第１の強磁性自由層４１０ａからなり得る。いくつかの実施形態では、スペーサ層４０８は、非磁気材料（例えばＧＭＲの場合は導電性Ｃｕ、またはＴＭＲの場合は絶縁材料）からなる。

図３の先行技術のＧＭＲ素子３００と同様、図４のＧＭＲ素子４００は、第２の強磁性自由層４１０ｂの上に配置されたスペーサ層４１２、およびスペーサ層４１２の上に配置された第２の固定層４１４をさらに含むことができる。いくつかの実施形態では、第２の固定層４１４は強磁性材料からなり得る。いくつかの実施形態では、スペーサ層４１２は非磁気材料（例えばＲｕ）からなる。

図４のＧＭＲ素子４００は、第２の固定層４１４の上に配置された第２の反強磁性固定化層４１６をさらに含むことができる。
キャップ層４１８は、ＧＭＲ素子４００を保護するためにＧＭＲ素子４００の頂部に配置され得る。

いくつかの層には、ＧＭＲ素子４００が外部磁界に遭遇しない場合の層の磁界の方向を示す矢印が示されている。ページから出ていく矢印は、円の中の点で示されており、また、ページの中に入る矢印は、円の中の十字で示されている。

いくつかの実施形態では、シード層４０２はＲｕまたはＴａからなり、また、第１の反強磁性固定化層４０４はＰｔＭｎからなる。いくつかの実施形態では、第１の固定層４０６は、ＣｏＦｅからなる第１の強磁性固定層４０６ａからなる。スペーサ層４０６ｂはＲｕからなり、また、第２の強磁性固定層４０６ｃはＣｏＦｅからなる。いくつかの実施形態では、スペーサ層４０８はＣｕからなる（または別法としてはＡｕまたはＡｇからなる）。いくつかの実施形態では、第１の強磁性自由層４１０ａはＣｏＦｅからなり、また、第２の強磁性自由層４１０ｂはＮｉＦｅからなる。いくつかの実施形態では、スペーサ層４１２はＲｕからなり（または別法としてはＡｕまたはＡｇからなる）、第２の固定層４１４はＣｏＦｅからなり、第２の反強磁性固定化層４１６はＰｔＭｎからなり、また、キャップ層４１８はＴａからなる。しかしながら他の材料も可能である。

Ｒｕ（またはＡｕまたはＡｇ）からなるスペーサ層４１２は、スペーサ層４１２の実現可能な範囲の厚さを可能にし（以下で説明される）、それにより自由層４２０を部分的に固定することができる。部分固定化については、以下でより完全に説明される。

いくつかの他の実施形態では、第１および第２の反強磁性固定化層４０４および４１６は、ＩｒＭｎ、ＦｅＭｎまたは任意の他のタイプの反強磁性材料からなり得る。図にはＰｔＭｎまたはＩｒＭｎが示されており、また、以下の例にはＰｔＭｎが使用されている。いくつかの他の実施形態では、第２の固定層４１４は、そうではなく、第１の固定層４０６の副層と同じ、または同様の複数の副層からなり得る。いくつかの他の実施形態では、スペーサ層４０８は、ＴａまたはＣｕからなり得る。

スペーサ層４１２の厚さは、第２の固定層４１４と自由層４１０の間の所望の量の（すなわち部分）磁気結合を提供するように選択される。また、スペーサ層４１２の厚さは、第２の固定層４１４と自由層４１０の間の所望のタイプの磁気結合、すなわち強磁性結合または反強磁性結合、あるいは強磁性と反強磁性の間の結合を提供するように選択される。ここでは結合は、強磁性結合になるように示されているが、結合は、スペーサ層４１２の厚さを選択することにより、反強磁性にすることも、あるいは強磁性と反強磁性の間の結合にすることも可能である。

スペーサ層４１２がＲｕからなるいくつかの実施形態では、スペーサ層４１２の厚さは、約０．１ｎｍから約４ｎｍの範囲内になるように選択されるが、製造プロセスの頑丈性のためには約０．９ｎｍと４．０ｎｍの間であること、すなわち反復可能で、かつ、信頼性が高い厚さでスペーサ層４１２が堆積され得る十分な厚さであることが好ましい。いくつかの実施形態では、スペーサ層４１２の厚さは０．５ｎｍより厚く、あるいは０．６ｎｍ、０．７ｎｍ、０．８ｎｍ、０．９ｎｍ、１．０ｎｍまたは２．０ｎｍより厚く、すなわち図３の先行技術の二重固定ＧＭＲ素子３００のスペーサ層３１２の厚さより厚い。

ＣｏＦｅおよびＮｉＦｅが同様の磁気特性を有すると見なすと、第１の強磁性自由層４１０ａより上および第１の強磁性自由層４１０ａより下の材料の層は、同様であるが順序が逆であり、すなわちＮｉＦｅ（またはＣｏＦｅ）／Ｒｕ／ＣｏＦｅ／ＰｔＭｎであることが認識されよう。しかしながらスペーサ層４０６ｂは、周囲の層の間の強力な結合を提供することが望ましく、したがってスペーサ層４０６ｂは薄いことが望ましく、一方、スペーサ層４１２は、周囲の層の間のそれほど強力ではない結合を提供することが望ましく、したがってスペーサ層４１２は、より厚いことが望ましい。

Ｒｕは、Ｒｕの厚さに応じて、周囲の層の間の反強磁性結合または強磁性結合（Ｒｕｄｅｒｍａｎ Ｋｉｔｔｅｌ Ｋａｓｕｙａ ＹｏｓｈｉｄａすなわちＲＫＫＹ結合とも呼ばれる）を可能にするため、スペーサ層４１２にうってつけである。本質的に、Ｒｕ材料は、その存在にもかかわらずＲｕを介した結合を許容する。これは、達成可能な厚さの値の範囲でより厚いＲｕ層４１２を可能にし、それにより自由層４１０の所望の部分固定化を達成することができ、また、自由層４１０の所望の部分固定化を調整することができる。部分固定化については、上でより完全に説明されており、また、以下でより完全に説明される。

それとは対称的に、図３のＴａスペーサ層３１２は、非磁性スペーサ層としてのみ使用され、ＲＫＫＹ結合を提供しないことを理解されたい。本質的に、Ｔａスペーサ層３１２は、自由層３１０を固定層３１４から減結合するだけである。しかしながら、上で説明したように、図４のＲｕスペーサ層４１２は、自由層４１０と固定層４１４の間のＲＫＫＹ結合を提供する。

いくつかの実施形態では、Ｒｕスペーサ層４１２の厚さは、約−５０ｍＴと約５０ｍＴの間のＲＫＫＹ結合を提供するように選択される。ＲＫＫＹ結合には、あり得るプロセス変動に関して安定になる傾向があり、すなわち結合の量には、製造プロセスの変化、等々によるＲｕ層の約１０パーセントの厚さ変化に対しても一定を維持し、かつ、安定を維持する傾向がある。

層４０２〜４１０の動作については、図２および３の同様の層に関連して上で説明されている。
自由層４１０内の磁界の指示方向と整列した固定磁界指示方向を有する第２の固定層４１４には、特定の挙動を自由層４１０内にもたらす傾向がある。具体的には、第２の固定層４１４内の磁界の指示方向は、自由層の正味磁界の方向以外の方向を指す自由層４１０内の磁気領域の数の低減、すなわち外部磁界が存在しない場合、ページから出る方向以外の方向を指す磁気領域の数の低減をもたらす。

図２に関連して上で説明したように、一般に、強磁性自由層４１０ａ、４１０ｂには、それらに限定されないが、磁界が第１の方向を指す第１の複数の磁気領域、および磁界が第１の方向とは異なる１つまたは複数の方向を指す第２の複数の磁気領域を含む複数の磁気領域を自然に有する傾向がある。上で説明した第１の方向は、自由層４１０の上側および下側の表面に平行であってもよい。第１の複数の磁気領域は、ＧＭＲ素子４００が外部
磁界に露出されない場合、ページから出ていくように示されている自由層４１０の正味磁界と整列される磁界指示方向を有するが、ＧＭＲ素子４００が磁界に露出されると回転することができる。上で説明したように、自由層４１０内の第１の複数の磁気領域の磁界指示方向は、外部磁界に応答して回転する。第２の複数の磁気領域には、第１の方向とは異なる１つまたは複数の方向を指す磁界指示方向を有する傾向がある。

やはり図２に関連して上で説明したように、図１のステップ１０４に関して、個々のステップは、自由層４１０内の正味磁界が外部磁界に応答してどこを指したとしても（すなわち回転したとしても）、第１の複数の磁気領域に存在しない（例えば第２の複数の磁気領域に存在する）磁気領域のうちの１つまたは複数、すなわち自由層４１０内の正味磁界の方向を指さない磁界を有する磁気領域のうちの１つまたは複数が、自由層４１０内の正味磁界の磁界指示方向と整列されるようになる方向に突然スナップする（またはよりゆっくり回転する）と生成される。

第２の固定層４１４は、第１の方向以外の方向、すなわち外部磁界が存在しない場合の自由層４１０内の正味磁界の方向以外の方向を指す自由層４１０内の磁気領域の数を少なくするために（すなわち第２の複数の磁気領域内の磁気領域の量を少なくするために）、スペーサ層４１２を介して自由層４１０に部分的に磁気結合するように動作することができる。この低減により、ステップ１０４がより少なくなり、ステップ１０４がより小さくなり、またはステップ１０４が存在しなくなる。この低減は、上記第２の複数の磁気領域内の磁気領域の量の低減を含むことができる。

部分固定化とは、第２の固定層４１４と自由層４１０の間の磁気結合の方が、第１の固定層４０６と自由層４１０の間の磁気結合より少ないことを意味する。部分固定化の量は、部分的にはスペーサ層４１２の材料および厚さによって決定される。

ＰｔＭｎ第１および第２の反強磁性固定化層４０４、４１６は、いずれも約３００℃より高いネール温度および阻止温度を有することができる。高温応用例、例えば自動車応用例におけるＧＭＲ素子４００の磁気特性の損失を除去するためには、この高い温度が重要である。

ＧＭＲ素子の層は特定の順序で示されているが、他の実施形態では、層４０４、４０６（すなわち４０６ａ、４０６ｂ、４０６ｃ）および４０８は、それぞれ層４１６、４１４、４１２と交換され得ることを理解されたい。いくつかの実施形態では、図４に示されているすべての層は、シード層およびキャップ層を除き、図１０に関連して以下で示されるように、一番下から一番上まで順序が逆にされ得る。

結合強度、したがって異方性振幅は、自由層４１０と第２の固定層４１４の間の非磁性スペーサ層４１２によって制御される。図３の先行技術の構造では、極めて薄いＴａスペーサ３１２が使用されている。製造においては、薄いＴａスペーサ３１２の厚さを制御することは困難であり、したがって図３の第２の固定層３１４と自由層３１０の間の磁気結合の量を制御することは困難である。それとは対照的に、図４の構造は異なる非磁性スペーサ層４１２を使用し、第２の固定層４１４と自由層４１０の間の強力なＲＫＫＹ結合を可能にしている。スペーサ層４１２には、Ｒｕ、ＡｇまたはＡｕが使用され得る。

ＲＫＫＹ結合は、固定層４１４と自由層４１０の間の距離が長くなるにつれて（すなわち非磁性スペーサ層４１２の厚さが厚くなるにつれて）小さくなり、最大反強磁性結合と最大強磁性結合の間を切り換える。結合の最小（結合の第２の最小と呼ばれる）は、これらの最大と最大の間に出現し、厚さの選択によって結合が調整され得る厚さの範囲で生じる。いくつかの実施形態では、スペーサ層４１２の材料は、結合の第２の最小（例えばＲ
ｕの場合、１．３ｎｍ）近辺で選択されることが可能であり、それにより、単に厚さに応じて急激に結合が小さくなるだけの図２の薄いＴａスペーサ３１２に現在使用されている堆積プロセスよりはるかに優れた再現可能堆積プロセスが得られる。

ＧＭＲ素子の場合、スペーサ層４０８は金属非磁性層である（通常は銅）。ＴＭＲ素子の場合、スペーサ層４０８は絶縁非磁性層である（例えばＡｌ２Ｏ３またはＭｇＯ）。さもなければＧＭＲ素子４００は、匹敵するＴＭＲ素子と同じ、または同様の層を有することができる。したがってＴＭＲ素子は明確には示されていない。

次に、図４の素子と同様の素子が同様の参照名称で示されている図５を参照すると、特定の実施形態によれば、図４の磁気抵抗素子４００、やはり図１０および１１に関連して以下で説明される磁気抵抗素子は、ヨーク５００の形状で形成され得る。断面線Ａ−Ａは、図４、１０および１１の透視図を示す。

ヨーク５００は、主部分５０１、主部分５０１に結合された２つのアーム５０６、５０８、およびそれぞれ２つのアーム５０６、５０８に結合された２つの横方向アーム５１２、５１４を有する。いくつかの実施形態では、主部分５０１、２つのアーム５０６、５０８および２つの横方向アーム５１２、５１４は、それぞれ幅（ｗ）を有する。しかしながら他の実施形態では、幅は異なっていてもよい。

ヨーク５００の長さ（Ｌ）およびヨーク５００の横方向アーム５１２、５１４の長さ（ｄ）は、それぞれヨーク５００の幅（ｗ）の少なくともの３倍であり、また、ヨーク５００の幅（ｗ）は、約１μｍと約２０μｍの間であってもよい。

ヨーク寸法は、例えば以下の範囲内であってもよい。
− ヨーク５００の主部分５０１の長さ（Ｌ）は、約１０μｍと約１０ミリメートルの間であってもよい。

− ヨーク５００のアーム５０６、５０８の長さ（ｌ）は、幅（ｗ）の少なくとも３倍であってもよい。
− ヨーク５００の幅（ｗ）は、約１μｍと約２０μｍの間であってもよい。

ヨーク５００のアーム５０６、５０８は、主部分５０１に平行で、全体の長さ（Ｌ）の約１／４と１／３の間である長さｌを有する横方向アーム５１２、５１４に連結されている。

一般に、ヨーク形状５００を有する磁気抵抗素子４００の感度は、幅（ｗ）と共に鈍くなり、また、磁気抵抗素子４００の低周波雑音は、幅（ｗ）と共に大きくなる。
ヨーク形状は、主部分５０１の縦方向の中央領域により良好な磁気均質性を提供する。これは、主として主部分５０１に沿っているヨーク長の減磁界によるものであり、また、これは、ヨーク５００の長さに沿ったゼロ磁界における磁化として理解され得る図４の自由層４１０の異方性を誘導する。固定層（例えば図４の４０６）がヨークに対して直角の磁界（例えば矢印５０２）を有する場合、矢印５０２の方向に外部磁界が印加されると、自由層４１０の磁化が一様に、すなわち領域をジャンプすることなく回転する。自由層４１０の磁化の均質な回転は、応答にステップがない応答曲線をもたらす（例えば図１参照）。

ＧＭＲ素子の場合、スタック全体がヨーク形状で設計され得るが、ＴＭＲ素子の場合、いくつかの実施形態では、ヨーク形状を有することができるのは自由層のみである。
他の実施形態では、ＧＭＲ素子またはＴＭＲ素子４００は、ヨークの形では形成されず
、その代わりに、例えば寸法Ｌおよびｗを有する直線バーの形で形成され、寸法ｌおよびｄに関連する特徴は有していない。バー形ＧＭＲ素子またはＴＭＲ素子の場合でも、依然として断面線Ａ−Ａは、図４のＧＭＲ素子４００または図１０および１１の磁気抵抗素子の断面を表している。

次に図６を参照すると、磁界センサ６００は、１つまたは複数の磁気抵抗素子を含むことができる。ここでは、図４に関連して上で説明したタイプの素子であっても、または図１０および１１に関連して以下で説明されるタイプの素子であってもよい４つの磁気抵抗素子が共通基板の上に配置されている。４つの磁気抵抗素子は、ブリッジで配置され得る。他の電子構成要素（図示せず）、例えば増幅器およびプロセッサも共通基板の上に統合され得る。

磁界センサ６００は、可動磁気対象、例えば磁北極および磁南極を交互に有する輪形磁石６０２の近傍に配置され得る。輪形磁石６０２は回転対象である。
磁界センサ６００は、輪形磁石の少なくとも回転速度を表す出力信号を生成するように構成され得る。いくつかの構造では、輪形磁石６０２は、ターゲット対象、例えばエンジン内のカム軸に結合され、検知された輪形磁石６０２の回転速度は、ターゲット対象の回転速度を表す。

磁界センサ６００は、回転検出器として使用されているが、他の同様の磁界センサ、例えば図４、１０または１１の１つまたは複数の磁気抵抗素子を有する電流センサも実現され得ることを理解されたい。

図７は、半導体製造設備を使用して実施されることになる、以下で企図されている技法に対応するフローチャートを示したものであることを理解されたい。本明細書においては「処理ブロック」を表す長方形の要素（図７の要素７０４によって代表される）は、プロセスステップを表している。

別段本明細書に記されていない限り、説明されているブロックの特定のシーケンスは例示的なものにすぎず、本発明の精神から逸脱することなく変更され得ることは当業者には理解されよう。したがって別段言及されていない限り、以下で説明されるブロックは順序不定であり、可能である場合、ステップは、任意の好都合の順序または望ましい順序で実行され得ることを意味している。

ここで図７を参照すると、上記図４における二重固定ＧＭＲ素子を製造するための例示的プロセス７００はブロック７０２で始まり、図４の全スタック４００、または以下の図１０または１１の磁気抵抗素子が逐次堆積ステップで堆積される。この堆積は、ブロック７０４のパターン化プロセスによって継続され得る。パターン化により、例えば図５のヨーク形状を得ることができる。

ブロック７０４のパターン化の後、ブロック７０６で、処理されたウェーハに第１の焼きなましが適用され、第１の固定層（例えば図４の４０６）内の磁界の方向、およびやはり第１の反強磁性層（例えば図４の４０４）内の方向が画定される。典型的には焼きなましは温度Ｔ１で実行され、磁界Ｈ１がウェーハに平行に、また、例えば図５の矢印５０２に平行に印加される。この焼きなましは、例えば２９５℃における１Ｔの磁界の下で１時間の継続期間を有することができるが、これらの値は、スタックの組成、すなわち層の材料に適合される。

ブロック７０６のこの第１の焼きなましの後、ブロック７０８で、第２の固定層（例えば図４の４１４）および第２の反強磁性層（例えば図４の４１６）の磁化を画定するため
に第２の焼きなましが実行され、この第２の焼きなましは、第１の固定層（例えば図４の４０６）内の磁界の方向、および第１の反強磁性層（例えば図４の４０４）内の方向に対して直角に配向される第２の固定層内およびやはり第２の反強磁性層内に磁界を提供する。この焼きなましステップは、例えば、Ｔ１に等しくてもよい温度Ｔ２で、かつ、磁界Ｈ１より小さい磁界Ｈ２で１時間の継続期間を有することができる。磁界Ｈ２は、図５の矢印５０４に平行の方向に印加され得る。このステップは、第１の固定層（例えば図４の４０６）の磁化方向および値を変えることなく、第２の固定層（例えば図４の４１４）の磁化を配向することを意味している。

２つのＰｔＭｎ固定化層４０４、４１６を有する図４の二重固定層構造に対する値の例および値の範囲の例は、以下の表１に挙げられている。

次に、図７の要素と同様の要素が同様の参照名称で示されている図８および９を参照すると、同様のプロセス８００、９００が図７のステップに従ってやはり適用され得るが、示されているように順序が異なっている。

プロセス７００、８００、９００のすべてにおいて、第２の焼きなましの間に印加される磁界Ｈ２は、Ｈ１より小さく、また、別の方向、好ましくはＨ１に対して直角の方向に印加される。

次に、図４の素子と同様の素子が同様の参照名称で示されている図１０を参照すると、二重固定ＧＭＲ素子１０００は、図４の層４０２、４０６、４０８、４１２、４１４および４１６を有するが、図４に関連して上で説明した順序とは逆に積み重ねられている。固定化層４１６はこの場合も、ＰｔＭｎ、ＩｒＭｎ、ＦｅＭｎまたは任意の他のタイプの反強磁性材料からなり得るが、図にはＰｔＭｎまたはＩｒＭｎが示されており、また、以下の例にはＩｒＭｎが使用されている。（ＰｔＭｎは、図４および７〜９に関連する例に対して使用されている。）
図４の二重固定ＧＭＲ素子４００とは異なり、部分固定化のための上で説明した望ましい特性を提供する、上で説明した非磁性層４１２は、自由層４１２の上ではなく、自由層４１２の下に存在している。

固定化層４１６がＩｒＭｎからなる場合、ＧＭＲ素子１０００の反転積重ねは、場合によっては好ましいことを理解されたい。図４のＧＭＲ素子４００の場合、固定化層４１６にＩｒＭｎが使用されていると、固定化層４１６は、恐らくＣｏＦｅ固定層４１４の上に堆積されていたことになり、それは望ましくない。ＩｒＭｎは良好に成長しないこと、すなわちＣｏＦｅ層の上で成長すると、規則的な結晶構造で成長しないことが識別されている。しかしながらＩｒＭｎ層４１６は、シード層４０２の上では良好に成長する。

それぞれ図４および１０の二重固定ＧＭＲ素子４００および１０００の場合、層４０６ａ、４０６ｂ、４０６ｃは、層４０６ａ、４０６ｃが反強磁性結合される（すなわち逆方向の磁界を有する）いわゆる「合成反強磁性体」（ＳＡＦ）構造を形成することを理解されたい。したがって固定層４０６はＳＡＦ構造を形成する。一方、固定層４１４は単一の層である。

固定層として使用されるＳＡＦ構造は、単一の層として形成される固定層よりも安定であることが観察されている。具体的には、磁界（例えば１８０℃、０．２Ｔ）を有する極めて高い温度の貯蔵寿命（ＶＴＳＬ：Ｖｅｒｙ ｈｉｇｈ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｌｉｆｅ）状態の下では、単層固定層には、ＶＴＳＬ状態が除去された後でも、外部磁界の方向と整列されるようになる傾向、すなわち外部磁界の方向に向かって回転する傾向があり、したがって最初に焼きなまされた方向から回転し得る。この望ましくない回転は、ＧＭＲ素子の感度を鈍くすることがあり、さらにはその動作特性曲線の部分にわたってＧＭＲ素子が無感覚になることがある。

それとは対照的に、固定層として使用されるＳＡＦ構造は、より安定であり、同じＶＴＳＬ状態が存在してもそれほどには回転せず、より容易に元の位置に戻る（すなわちヒステリシスが小さい）傾向を示すことも観察されている。そのために、以下で説明される図１１では、図４および１０の単層固定層４１４は、ＳＡＦ構造に置換され得る。したがって自由層４１０は、２つの固定層として使用される２つのＳＡＦ構造で取り囲まれ得る。

次に、図４および１０の素子と同様の素子が同様の参照名称で示されている図１１を参照すると、二重固定ＧＭＲ素子１１００は、図１０の単層固定層４１４がＳＡＦ構造１１０２に置換されていることを除き、図１０の二重固定ＧＭＲ素子１０００と類似している。いくつかの実施形態では、ＳＡＦ構造１１０２は、第１の強磁性固定層１１０２ａ、第２の強磁性固定層１１０２ｃ、およびそれらの間に配置されたスペーサ層１１０２ｂからなり得る。いくつかの実施形態では、スペーサ層１１０２ｂは非磁気材料からなる。

自由層４１０は、いずれもＳＡＦ構造である固定層４０６、１１０２によって取り囲まれていることを明確にされたい。スペーサ層４１２、４０８は、自由層４１０と、それぞれＳＡＦ構造１１０２、２０６の間に配置されている。

また、反強磁性固定化層４１６の上側の表面は、図１０の固定化層４１６の上側の表面とは逆の方向の磁界を有することをも明確にされたい。
２つのＳＡＦ構造内のスペーサ層４０６ｂ、１１０２ｂ（本明細書においては非磁性層とも呼ばれる）は、周囲の強磁性層４０６ａ、４０６ｂと１１０２ａ、１１０２ｂの間の強力な反強磁性結合をもたらすように選択される材料および厚さを有する。

二重固定ＧＭＲ素子１１００は、ＶＴＳＬ状態に関して、図１０の二重固定ＧＭＲ素子１０００または図４の二重固定ＧＭＲ素子４００より高い安定性を有することが観察されている。

図１０の二重固定ＧＭＲ素子１０００の場合と同様、部分固定化のための上で説明した望ましい特性を提供する、上で説明した非磁性層４１２は、自由層４１２の上ではなく、自由層４１２の下に存在している。しかしながら他の実施形態では、キャップ層４１８とシード層４０２の間のすべての層は、その位置が反転され得る。

シード層４０２およびキャップ層４１８以外のすべての層の反転積重ねは、図４の二重固定ＧＭＲ素子と同様ではあるが、様々な層が反転され、さらに図４の固定層４１４が図
１１のＳＡＦ構造１１０２に置換された二重固定ＧＭＲ素子を提供することができることを明確にされたい。

図４、１０および１１には特定の層厚さが示されているが、いくつかの層の厚さは、より敏感な二重固定ＧＭＲ素子を提供するために操作され得ることは理解されよう。
上記図７を簡単に参照すると、ＰｔＭｎ固定化層４０４およびＰｔＭｎ固定化層４１６、すなわち２つのＰｔＭｎ固定化層を有する図１１の二重固定層構造を焼きなますための典型的な値が以下の表２に示されている。

表２の場合、また、図１１の二重固定ＧＭＲ素子の場合、温度Ｔ１、磁界Ｈ１および継続期間１は、ＰｔＭｎ反強磁性層４０４およびＳＡＦ構造４０６の焼きなましを意味している。温度Ｔ２、磁界Ｈ２および継続期間２は、ＰｔＭｎ反強磁性層４１６およびＳＡＦ構造１１０２の焼きなましを意味している。

上記図７をもう一度簡単に参照すると、ＰｔＭｎ固定化層４０４およびＩｒＭｎ固定化層４１６を有する図４、１０および１１の二重固定層構造を焼きなますための典型的な値が以下の表３に示されている。

表３の場合、また、図４および１０の二重固定ＧＭＲ素子の場合、温度Ｔ１、磁界Ｈ１および継続期間１は、ＰｔＭｎ反強磁性層４０４および固定層４０６の焼きなましを意味している。温度Ｔ２、磁界Ｈ２および継続期間２は、ＩｒＭｎ反強磁性層４１６および関連する固定層４１４の焼きなましを意味している。

表３の場合、また、図１１の二重固定ＧＭＲ素子の場合、温度Ｔ１、磁界Ｈ１および継続期間１は、ＰｔＭｎ反強磁性層４０４および固定（ＳＡＦ）構造４０６の焼きなましを意味している。温度Ｔ２、磁界Ｈ２および継続期間２は、ＩｒＭｎ反強磁性層４１６および固定（ＳＡＦ）構造１１０２の焼きなましを意味している。

上では二重固定ＧＭＲ素子が説明されているが、二重固定構造は、追加固定化層および／または固定層を有する構造の一部であってもよいことを理解されたい。
本明細書に記載されているすべての参考文献は、参照によりそれらのすべてが本明細書に組み込まれている。

以上、本特許の主題である様々な概念、構造および技法を例示する働きをしている好ましい実施形態について説明したが、これらの概念、構造および技法を組み込んだ他の実施形態が使用され得ることがもはや明らかであろう。したがって本特許の範囲は、説明されている実施形態に限定されてはならず、むしろ以下の特許請求の範囲の精神および範囲によってのみ制限されるべきものとする。

Claims (28)

1. 基板の上に堆積された磁気抵抗素子であって、
   前記基板の上に配置された第１の反強磁性固定化層と、
   前記基板の上に配置された第２の反強磁性固定化層と、
   前記第１の反強磁性固定化層に近接して配置された第１の合成反強磁性体（ＳＡＦ）構造と、
   前記第２の反強磁性固定化層に近接して配置された第２の合成反強磁性体（ＳＡＦ）構造であって、前記第１及び第２の合成反強磁性体（ＳＡＦ）構造は前記第１及び第２の反強磁性固定化層の間に配置され、前記第１及び第２の反強磁性固定化層は異なる厚さを有し、前記第１及び第２の反強磁性固定化層は同じ材料からなり、前記第１及び第２の反強磁性固定化層における磁界方向は、それぞれ、第１及び第２の線にそれぞれ平行な第１及び第２の方向を有するように焼きなまされ、前記第１及び第２の方向は互いに９０度異なる、第２の合成反強磁性体（ＳＡＦ）構造と、
   前記第１及び第２の合成反強磁性体（ＳＡＦ）構造の間に配置された自由層構造であって、それぞれ異なる材料からなる第１及び第２の自由層を含む、自由層構造と
   を含む、前記基板の上に堆積された層のスタックを備える、磁気抵抗素子。
2. 前記第１及び第２の反強磁性固定化層の両方がＰｔＭｎからなる、請求項１に記載の磁気抵抗素子。
3. 前記第１の反強磁性固定化層の厚さは５〜１５ｎｍの第１の範囲にあり、前記第２の反強磁性固定化層は１５〜３０ｎｍの第２の範囲である、請求項２に記載の磁気抵抗素子。
4. 前記磁気抵抗素子はヨーク形状を有する、請求項２に記載の磁気抵抗素子。
5. 前記ヨーク形状の長さ（Ｌ）及び前記ヨーク形状の横方向アームの長さ（ｄ）はそれぞれ前記ヨーク形状の幅（ｗ）の少なくとも３倍であり、前記ヨーク形状の幅（ｗ）は１μｍと２０μｍの間であり、前記長さ（Ｌ）は前記ヨーク形状の最も長い寸法である、請求項４に記載の磁気抵抗素子。
6. 前記磁気抵抗素子がスピンバルブを備える、請求項２に記載の磁気抵抗素子。
7. 前記磁気抵抗素子がＧＭＲ検知素子を備える、請求項２に記載の磁気抵抗素子。
8. 前記磁気抵抗素子がＴＭＲ検知素子を備える、請求項２に記載の磁気抵抗素子。
9. 磁気抵抗素子を製造する方法であって、
   基板上の層のスタック内に磁気抵抗素子を堆積させるステップを含み、前記層のスタックは、
   前記基板の上に配置された第１の反強磁性固定化層と、
   前記基板の上に配置された第２の反強磁性固定化層と、
   前記第１の反強磁性固定化層に近接して配置された第１の合成反強磁性体（ＳＡＦ）構造と、
   前記第２の反強磁性固定化層に近接して配置された第２の合成反強磁性体（ＳＡＦ）構造であって、前記第１及び第２の合成反強磁性体（ＳＡＦ）構造は前記第１及び第２の反強磁性固定化層の間に配置され、前記第１及び第２の反強磁性固定化層は異なる厚さを有し、前記第１及び第２の反強磁性固定化層は同じ材料からなる、第２の合成反強磁性体（ＳＡＦ）構造と、
   前記第１及び第２の合成反強磁性体（ＳＡＦ）構造の間に配置された自由層構造であって、それぞれ異なる材料からなる第１及び第２の自由層を含む、自由層構造と
   を含み、前記方法はさらに、
   前記第１及び第２の反強磁性固定化層における磁界方向を、それぞれ、第１及び第２の線にそれぞれ平行な第１及び第２の方向を有するように焼きなますステップであって、前記第１及び第２の方向は互いに９０度異なる、ステップを含む、方法。
10. 前記第１及び第２の反強磁性固定化層の両方がＰｔＭｎからなる、請求項９に記載の方法。
11. 前記第１の反強磁性固定化層の厚さは５〜１５ｎｍの第１の範囲にあり、前記第２の反強磁性固定化層は１５〜３０ｎｍの第２の範囲である、請求項１０に記載の方法。
12. 前記磁気抵抗素子はヨーク形状を有する、請求項１０に記載の方法。
13. 前記ヨーク形状の長さ（Ｌ）及び前記ヨーク形状の横方向アームの長さ（ｄ）はそれぞれ前記ヨーク形状の幅（ｗ）の少なくとも３倍であり、前記ヨーク形状の幅（ｗ）は１μｍと２０μｍの間であり、前記長さ（Ｌ）は前記ヨーク形状の最も長い寸法である、請求項１２に記載の方法。
14. 前記磁気抵抗素子がスピンバルブを備える、請求項１０に記載の方法。
15. 前記磁気抵抗素子がＧＭＲ検知素子を備える、請求項１０に記載の方法。
16. 前記磁気抵抗素子がＴＭＲ検知素子を備える、請求項１０に記載の方法。
17. 前記第１及び第２の自由層のうちの１つがＮｉＦｅを含む、請求項１に記載の磁気抵抗素子。
18. 前記第１及び第２の自由層のうちの１つがＮｉＦｅからなる、請求項１に記載の磁気抵抗素子。
19. 前記第１及び第２の合成反強磁性体（ＳＡＦ）構造が前記自由層構造を含まない、請求項１に記載の磁気抵抗素子。
20. 前記第１及び第２の自由層が同じ磁界方向を有する、請求項１に記載の磁気抵抗素子。
21. 前記層のスタックが、
    前記第１の合成反強磁性体（ＳＡＦ）構造と前記自由層構造との間に配置された第１の非磁性スペーサ層と、
    前記第２の合成反強磁性体（ＳＡＦ）構造と前記自由層構造との間に配置された第２の非磁性スペーサ層とをさらに含む、請求項１に記載の磁気抵抗素子。
22. 前記第１及び第２の自由層のうちの１つがＮｉＦｅを含む、請求項９に記載の方法。
23. 前記第１及び第２の自由層のうちの１つがＮｉＦｅからなる、請求項９に記載の方法。
24. 前記第１及び第２の合成反強磁性体（ＳＡＦ）構造が前記自由層構造を含まない、請求項９に記載の方法。
25. 前記第１及び第２の自由層が同じ磁界方向を有する、請求項９に記載の方法。
26. 前記層のスタックが、
    前記第１の合成反強磁性体（ＳＡＦ）構造と前記自由層構造との間に配置された第１の非磁性スペーサ層と、
    前記第２の合成反強磁性体（ＳＡＦ）構造と前記自由層構造との間に配置された第２の非磁性スペーサ層とをさらに含む、請求項９に記載の方法。
27. 前記第１及び第２の自由層のうちの１つが二元合金を含む、請求項１に記載の磁気抵抗素子。
28. 前記第１及び第２の自由層のうちの１つが二元合金を含む、請求項９に記載の方法。

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