CN101933172B - 磁电阻效应元件、磁头以及信息存储装置 - Google Patents

磁电阻效应元件、磁头以及信息存储装置 Download PDF

Info

Publication number
CN101933172B
CN101933172B CN200880125996.1A CN200880125996A CN101933172B CN 101933172 B CN101933172 B CN 101933172B CN 200880125996 A CN200880125996 A CN 200880125996A CN 101933172 B CN101933172 B CN 101933172B
Authority
CN
China
Prior art keywords
layer
basalis
mentioned
magnetosphere
cun
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN200880125996.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN101933172A (zh
Inventor
指宿隆弘
佐藤雅重
梅原慎二郎
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fujitsu Ltd filed Critical Fujitsu Ltd
Publication of CN101933172A publication Critical patent/CN101933172A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN101933172B publication Critical patent/CN101933172B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11B—INFORMATION STORAGE BASED ON RELATIVE MOVEMENT BETWEEN RECORD CARRIER AND TRANSDUCER
    • G11B5/00—Recording by magnetisation or demagnetisation of a record carrier; Reproducing by magnetic means; Record carriers therefor
    • G11B5/127—Structure or manufacture of heads, e.g. inductive
    • G11B5/33—Structure or manufacture of flux-sensitive heads, i.e. for reproduction only; Combination of such heads with means for recording or erasing only
    • G11B5/39—Structure or manufacture of flux-sensitive heads, i.e. for reproduction only; Combination of such heads with means for recording or erasing only using magneto-resistive devices or effects
    • G11B5/3903—Structure or manufacture of flux-sensitive heads, i.e. for reproduction only; Combination of such heads with means for recording or erasing only using magneto-resistive devices or effects using magnetic thin film layers or their effects, the films being part of integrated structures
    • G11B5/3906—Details related to the use of magnetic thin film layers or to their effects
    • G11B5/3909—Arrangements using a magnetic tunnel junction
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y10/00—Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y25/00—Nanomagnetism, e.g. magnetoimpedance, anisotropic magnetoresistance, giant magnetoresistance or tunneling magnetoresistance
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
    • G01R33/09—Magnetoresistive devices
    • G01R33/098—Magnetoresistive devices comprising tunnel junctions, e.g. tunnel magnetoresistance sensors
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11B—INFORMATION STORAGE BASED ON RELATIVE MOVEMENT BETWEEN RECORD CARRIER AND TRANSDUCER
    • G11B5/00—Recording by magnetisation or demagnetisation of a record carrier; Reproducing by magnetic means; Record carriers therefor
    • G11B5/127—Structure or manufacture of heads, e.g. inductive
    • G11B5/33—Structure or manufacture of flux-sensitive heads, i.e. for reproduction only; Combination of such heads with means for recording or erasing only
    • G11B5/39—Structure or manufacture of flux-sensitive heads, i.e. for reproduction only; Combination of such heads with means for recording or erasing only using magneto-resistive devices or effects
    • G11B5/3903—Structure or manufacture of flux-sensitive heads, i.e. for reproduction only; Combination of such heads with means for recording or erasing only using magneto-resistive devices or effects using magnetic thin film layers or their effects, the films being part of integrated structures
    • G11B5/3906—Details related to the use of magnetic thin film layers or to their effects
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F10/324—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
    • H01F10/3254—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the spacer being semiconducting or insulating, e.g. for spin tunnel junction [STJ]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F10/324—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
    • H01F10/3268—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the exchange coupling being asymmetric, e.g. by use of additional pinning, by using antiferromagnetic or ferromagnetic coupling interface, i.e. so-called spin-valve [SV] structure, e.g. NiFe/Cu/NiFe/FeMn
    • H01F10/3272—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the exchange coupling being asymmetric, e.g. by use of additional pinning, by using antiferromagnetic or ferromagnetic coupling interface, i.e. so-called spin-valve [SV] structure, e.g. NiFe/Cu/NiFe/FeMn by use of anti-parallel coupled [APC] ferromagnetic layers, e.g. artificial ferrimagnets [AFI], artificial [AAF] or synthetic [SAF] anti-ferromagnets
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/80—Constructional details
    • H10N50/85—Magnetic active materials
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10B—ELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B61/00—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices
    • H10B61/20—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices comprising components having three or more electrodes, e.g. transistors
    • H10B61/22—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices comprising components having three or more electrodes, e.g. transistors of the field-effect transistor [FET] type

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Hall/Mr Elements (AREA)
  • Magnetic Heads (AREA)
  • Thin Magnetic Films (AREA)
  • Mram Or Spin Memory Techniques (AREA)

Abstract

磁电阻效应元件在基板上按顺序层叠有基底层、反铁磁层、第1铁磁层、非磁层、第2铁磁层，上述基底层由金属氮化物形成，上述反铁磁层由包含Ir和Mn在内的反铁磁性材料形成。另外，磁头具有：记录元件，其具有薄膜线圈和通过由上述薄膜线圈所产生的磁通的磁极；以及再现元件，其具有上述磁电阻效应元件。另外，信息存储装置具有：该磁头；通过该磁头进行信息的记录和再现的存储再现介质；以及信号处理基板，其对上述磁头和上述存储再现介质的信息的记录信号和再现信号进行处理。

Description

磁电阻效应元件、磁头以及信息存储装置
技术领域
本发明涉及在基板上按顺序层叠有基底层、反铁磁层、第1铁磁层、非磁层、第2铁磁层的磁电阻效应元件、具有该磁电阻效应元件的磁头以及具有该磁头的信息存储装置。
背景技术
近年来伴随计算机技术的发展，与内置于计算机的设备、从外部连接到计算机的周边设备有关的技术也急速发展。在这样的技术中以硬盘装置（HDD）为代表的信息存储装置和存储信息的存储介质（存储再现介质）的开发尤其盛行，市场上涌现各种类型的信息存储装置和存储介质。作为存储信息的方式，以往已知有根据利用1个磁化的磁化方向（与既定方向平行或反平行）表示1位的信息的规则，通过多个磁化的磁化方向的组合来存储信息的方式。在该方式中，通过在设置于存储介质中的存储区域中形成与表示信息的记录用电信号（记录信号）对应的方向的磁化，来进行信息的存储，通过读取磁化方向生成表示磁化方向的再现用电信号（再现信号），从而进行信息的再现。于是在采用该方式的信息存储装置中，设有形成与记录信号对应的方向的磁化的记录元件和生成表示磁化方向的再现信号的再现元件。
最近，存储区域中的记录密度变高，强烈要求出现适合于该高记录密度的信息的读取的小型再现元件。作为适合于小型化的再现元件，已知有使用被称作磁电阻效应膜的膜进行磁化方向的读取的再现元件。该磁电阻效应膜具有在2个铁磁层之间夹着非磁层的层叠结构，磁电阻效应膜存在如下性质（磁电阻效果），即相对于经由非磁层在2个铁磁层之间流动的电流的电阻的大小根据2个铁磁性体层的磁化方向是处于彼此平行的状态还是处于彼此反平行的状态而不同。在使用磁电阻效应膜的再现元件中，通过电气地检测2个铁磁层间的电阻值按照各磁化的磁化方向发生变化的情况，来进行磁化方向的读取。使用磁电阻效应的方式相比使用基于线圈的电磁感应的方式，磁化方向的检测机构简单，因而可实现再现元件的小型化。
图1是表示在采用了具有磁电阻效应膜的再现元件的硬盘装置（HDD）的磁头中其再现元件周边的外观图。
在该图中，在以接近再现元件104并且旋转的磁盘103的表面为xy平面，以该平面的法线方向为z轴，以再现元件104的位置为原点而定义的xyz正交坐标系中表示再现元件104。其中，x轴方向为再现元件104相对于磁盘103相对移动的方向，是磁盘103的圆周方向。再现元件104相对于x轴方向相对移动，从而再现元件104依次接近1位区域，该1位区域是沿着磁盘103的各轨道（半径一定的圆周区域）排列的单位存储区域，并具有1个表示1位的信息的磁化，来进行信息的读取。其中，各1位区域具有朝向图中z轴正方向或负方向的磁化。
如图所示，再现元件104具有2个磁密封层100、101和配置于这些磁密封层100、101之间的磁电阻效应膜102。并且，作为再现元件104的构成要素，除了上述磁密封层100、101和磁电阻效应膜102之外，还存在作为支撑它们的支撑部件的基板、设置于磁密封层100、101之间的磁区控制膜等构成要素，在此省略了它们的图示。再现元件104中，最接近磁电阻效应膜102的1位区域、即作为磁化方向的读取对象的1位区域的磁场之外的外部磁场通过磁密封层100、101被密封。即，仅来自最接近的1位区域的磁场被磁电阻效应膜102检测出来。其中，上述非磁层和2个铁磁层是在磁电阻效应膜102中层叠于该图x轴方向的层。下面说明该磁电阻效应膜102的层结构。
图2是表示图1的磁电阻效应膜102的层结构的示意图。
磁电阻效应膜102具有如下的层结构：在图1左侧的磁密封层100上按顺序层叠有辅助基底层1c、基底层2、反铁磁层3、第1铁磁层4、非磁层7、第2铁磁层8、表面保护层9。其中，反铁磁层3是具有反铁磁性的层，第1铁磁层4和第2铁磁层8是具有铁磁性的层，非磁层7是由磁化率极小难以磁化的材料构成的层。另外，辅助基底层1c是用于提高基底层2与图1的磁密封层100的粘结性的层，基底层2是用于将反铁磁层3平滑地固定于层叠有辅助基底层1c的磁密封层100上的层。表面保护层9是用于保护磁电阻效应膜102表面的层，也是与图1右侧的磁密封层101接触的层。
如图所示的第1铁磁层4和反铁磁层3那样，已知在铁磁层与反铁磁层接触的状态下，由于铁磁层与反铁磁层的界面产生的交换耦合（磁相互作用的一种，是磁化之间的相互作用），导致铁磁层的磁化方向固定，即便受到外部磁场的影响其磁化方向也难以改变。图中举例表示了与反铁磁层3接触的第1铁磁层4的磁化方向被固定于图中朝右的箭头的方向的情形。另一方面，第2铁磁层8与反铁磁层3分离，因此不会受到第1铁磁层4那样的制约，第2铁磁层8的磁化方向受到外部磁场的影响而发生变化。具体而言，受到与磁电阻效应膜102接近的1位区域的磁场的影响，磁电阻效应膜102中第2铁磁层8的磁化方向发生变化。其中，经由非磁层7在第1铁磁层4与第2铁磁层8之间流过的电流所感应的电阻大小由于磁电阻效应，在第1铁磁层4的磁化与第2铁磁层8的磁化彼此平行的状态下较小，而在第1铁磁层4的磁化与第2铁磁层8的磁化彼此反平行的状态下较大。利用这种性质，图1的再现元件104中，输出向第1铁磁层4与第2铁磁层8之间施加电压时流过这2个铁磁层之间的电流的检测信号，检测利用该检测信号所表示的电流的变化，从而检测各1位区域的磁化方向。
在使用磁电阻效应的读取方式中，磁电阻效应膜102仅受到接近磁电阻效应膜102的1位区域的磁场的影响，因此x轴方向上的磁电阻效应膜102的长度（图1的读取间隙长度Lrg）必须小于或等于x轴方向上的1位区域的长度（图1的位长Lb）。其中，欲提高磁盘的记录密度优选缩短位长，因此要想达到高记录密度，就要求实现与较短位长对应的读取间隙长度短的再现元件。此处已知为了在反铁磁层3和与反铁磁层3接触的第1铁磁层4之间产生能固定第1铁磁层的磁化的充分的交换耦合，就需要反铁磁层3的厚度在某种厚度之上。但是，如果增厚反铁磁层3，则图1的读取间隙Lrg也会增大，难以达成高记录密度化。具体而言，2003年以前，大多采用铂（Pt）与锰（Mn）的合金、铅（Pd）与铂（Pt）与锰（Mn）的合金作为反铁磁层3的材料，在这些材料中，为了对几nm左右的第1铁磁层4产生充分的交换耦合，要求反铁磁层3的层厚在15nm以上，这就成为了高记录密度化的障碍。最近，当采用铱（Ir）与锰（Mn）的合金（以下简称为Ir-Mn）作为反铁磁层3的材料的情况下，已报告了仅需要一半以下的层厚（即7.5nm以下）的反铁磁层3就能产生充分的交换耦合（例如参见专利文献1），通过如上采用Ir-Mn作为反铁磁层3的材料，可实现适合于高记录密度化的小型的再现元件。
专利文献1：日本特开2005-244254号公报
如上所述，基底层2是用于将反铁磁层3平滑地固定于层叠有辅助基底层1c的磁密封层100上的层，作为基底层2的材料，以专利文献1为代表，以往使用的是将镍（Ni）、铁（Fe）、铬（Cr）的某几个组合构成的合金或铜（Cu）、钌（Ru）、钽（Ta）等金属。
但是，在由这些材料构成的基底层2之上层叠了采用Ir-Mn的反铁磁层3的情况下，在基底层2上Ir-Mn为（111）面取向，无法获得平坦的膜。如果在表面存在凹凸的反铁磁层3上层叠第1铁磁层4、非磁层7和第2铁磁层8，则所层叠的这些层也成为欠平坦的层，尤其非磁层7相比其他层要薄，因而会受到反铁磁层3的界面的凹凸的影响，易于成为波浪状弯曲的形状的层。如果非磁层7成为如上弯曲的形状，则与非磁层7之间的界面的附近的第1铁磁层4的磁场会对第2铁磁层8的磁化状态施加影响，第2铁磁层8对于读取对象的1位区域的磁场的磁化响应性会降低。通过该非磁层作用于2层铁磁层之间的相互作用一般称作粒状表面效应。进而，如果非磁层7为弯曲的形状，则当对第1铁磁层4与第2铁磁层8之间施加电压而流过电流时，有时对电压的耐性会降低而使得非磁层7断裂。如上，在对于外部磁场的响应性较低，对电压的耐性也较低的状态下，存在无法充分发挥作为再现元件的能力的问题。
当在磁电阻效应膜中采用Ir-Mn作为反铁磁层的材料的情况下，虽然具有可实现再现元件的小型化的优点，然而为了充分发挥该优点，就需要在抑制其成为平坦性不好的反铁磁层上花费工夫。
并且，在以上说明中以使用磁电阻效应膜102的再现元件104为例进行了说明，而采用Ir-Mn作为反铁磁层的材料的情况下的上述问题是除了再现元件之外，也会在使用磁电阻效应膜102进行磁化检测的所有磁电阻效应元件中产生的问题。例如该问题也会在具有多个图2的磁电阻效应膜102而以多个第2铁磁层8的磁化方向的形式来存储信息的随机存取存储器（RAM）中产生。
发明内容
鉴于上述情况，本发明提供一种即便采用铱（Ir）和锰（Mn）作为反铁磁层的材料的情况下也能抑制成为平坦性不好的反铁磁层的磁电阻效应元件、将该磁电阻效应元件用作再现元件的磁头以及具有该磁头的信息存储装置。
作为达成上述目的的磁电阻效果元件的基本方式为，其在基板上按顺序层叠有基底层、反铁磁性层磁层、第1铁磁层、非磁层、第2铁磁层，上述基底层由CuN形成，上述反铁磁层由包含Ir和Mn的反铁磁性材料形成，由上述CuN形成的基底层以（200）晶面与上述基板的表面平行的方式进行结晶取向，在上述基板与由上述CuN形成的基底层的层之间还具有非晶层。
根据该基本方式，基底层由金属氮化物形成，从而相比利用将镍（Ni）、铁（Fe）、铬（Cr）的某几个组合构成的合金或铜（Cu）、钌（Ru）、钽（Ta）等金属那样的以往所使用的材料形成基底层的情况，不易在包含Ir和Mn的反铁磁层表面产生凹凸。于是层叠于反铁磁层上的第1铁磁层、非磁层和第2铁磁层也能避免成为欠缺平坦性的层，可避免对外部磁场的响应性和对电压的耐性降低。其结果，能够充分发挥可实现磁电阻效果元件的小型化这一采用铱（Ir）和锰（Mn）作为反铁磁层的材料的情况下的优点。
将米勒（Miller）指数为（200）的晶面的结晶取向为与基板表面平行的方式，从而增加了层叠于其上的反铁磁层的平坦性，实现了优选的磁电阻效应元件。
另外，在上述基本方式中，优选“上述由Ir和Mn形成的反铁磁层以（200）晶面与上述基板的表面平行的方式进行结晶取向”的应用方式。
根据这种应用方式，增加了反铁磁层的平坦性，可实现优选的磁电阻效应元件。
另外，在上述基本方式中，优选“上述非磁层由绝缘材料形成，其厚度为在其厚度方向流过隧道电流”的应用方式。
根据这种应用方式，非磁层为由绝缘体的材料构成的层，且成为具有可流过隧道电流（量子力学中根据隧道效应而通过位垒进行流动的电流）的厚度的层，从而能够获得对于在第1铁磁层与第2铁磁层之间流过的电流的磁电阻效应。对隧道电流的磁电阻效应相比流过通常电流的情况要大，可实现对外部磁场响应性较高的磁电阻效应元件。此时例如可采用MgO作为绝缘材料。
另外，在上述基本方式中，还可以采用“上述第1铁磁层由至少2层以上构成，其层之间通过非磁层隔开，所隔开的铁磁层的磁化方向通过交换耦合而在反平行方向上耦合”的应用方式。
通常非晶层不存在结晶那样的长距离秩序但存在短距离秩序，因此在短距离之间存在类似于结晶的取向性。于是，通过把基底层层叠于具有非晶形结构的上述非晶层上，从而由于非晶层的取向性的影响，易于使基底层的结晶取向性一致。
达成上述目的的磁头的基本方式在于，该磁头具有：再现元件，其具有磁电阻效应元件，该磁电阻效应元件在基板上按顺序层叠有由CuN构成的基底层、包含Ir和Mn的反铁磁层、第1铁磁层、非磁层、第2铁磁层；以及记录元件，其具有薄膜线圈和通过由上述薄膜线圈所产生的磁通的磁极，由上述CuN形成的基底层以（200）晶面与上述基板的表面平行的方式进行结晶取向，在上述基板与由上述CuN形成的基底层的层之间还具有非晶层。
这种磁头的基本方式中采用上述基本方式的磁电阻效应元件作为再现元件，因此能充分发挥在磁电阻效应元件中采用包含Ir和Mn的反铁磁层所产生的优点，可实现适合于高密度记录的小型磁头。
达成上述目的的信息存储装置的基本方式在于，该信息存储装置具有：磁头；存储再现介质，其通过上述磁头进行信息的记录和再现；以及信号处理基板，其处理上述磁头和上述存储再现介质的信息的记录信号和再现信号，上述磁头具有：再现元件，其具有磁电阻效应元件，该磁电阻效应元件在基板上按顺序层叠有由CuN构成的基底层、包含Ir和Mn的反铁磁层、第1铁磁层、非磁层、第2铁磁层；以及记录元件，其具有薄膜线圈和通过由上述薄膜线圈所产生的磁通的磁极，由上述CuN形成的基底层以（200）晶面与上述基板的表面平行的方式进行结晶取向，在上述基板与由上述CuN形成的基底层的层之间还具有非晶层。
这种信息存储装置的基本方式中具有上述基本方式的磁头，因此能充分发挥在磁电阻效应元件中采用包含Ir和Mn的反铁磁层所产生的优点，可实现适合于高密度记录的信息存储装置。
如上所述，根据磁电子效应元件、磁头和信息存储装置的上述基本方式，即便在采用铱（Ir）和锰（Mn）作为反铁磁层的材料的情况下也能抑制其成为平坦性低的反铁磁层。
附图说明
图1是表示采用具有磁电阻效应膜的再现元件的硬盘装置（HDD）的磁头中，其再现元件周边的外观图。
图2是表示图1的磁电阻效应膜的层结构的示意图。
图3是表示作为信息存储装置的具体实施方式的磁盘装置的图。
图4是表示图3所示磁头的图。
图5是表示图4的磁电阻效应膜的层结构的示意图。
图6是表示到制作图4的再现元件为止的各阶段的情形的图。
图7是表示实验1的结果的图。
图8是表示实验2的结果的图。
图9是说明实验3的图。
图10是表示实验4的结果的图。
图11是表示X线解析的概要的说明图。
图12是表示实验5的结果的图。
图13是表示实验6的结果的图。
图14是表示具有图5的磁电阻效应膜的MRAM的概要结构的图。
具体实施方式
下面参照附图针对基本方式（和应用方式）说明对于上述磁电阻效应元件、磁头以及信息存储装置的具体实施方式。
图3是表示作为信息存储装置的具体实施方式的磁盘装置的图。
在图3所示的磁盘装置500中设有产生以垂直于图面的方向为旋转轴的旋转驱动力的旋转式致动器54。该旋转式致动器54支撑悬架系统定位臂53，悬架系统定位臂53接受旋转式致动器54的旋转驱动力而在图面内绕旋转式致动器54转动。在悬架系统定位臂53的前端通过被称作万向架的支撑工具安装有滑动器52，而在该滑动器52的前端部安装有磁头51。
磁头51担负着读取来自磁盘50的信息和向磁盘50写入信息的任务。在读取和写入信息时，悬架系统定位臂53被旋转式致动器54旋转驱动，从而磁头51被配置于从圆盘状磁盘50的表面浮起微小高度的位置上，在该状态下，进行从磁盘50的信息读取和对磁盘50的信息写入。在该图中，在以磁头51的位置为原点，磁盘50的表面为xy平面，垂直于图面的法线方向为Z轴而定义的xyz正交坐标系之中，表示出了磁头51，该坐标系的获取方式与图1的坐标系的获取方式相同。在圆盘状的磁盘50的表面以同心圆状设有多个轨道55，在上述xyz正交坐标系中，x轴方向是轨道55的切线方向，y轴方向是轨道55的宽度方向。在各轨道55上，沿着轨道55排列有被称作1位区域的存储1位的信息的单位存储区域。在这些1位区域中，分别逐个地设有朝向图中z轴正方向或负方向的磁化，利用这2个朝向来表示1位的信息。该磁盘50以圆盘中心为旋转中心在图面内旋转，配置于磁盘50表面附近的磁头51依次接近旋转的磁盘50的各1位区域。
进行信息记录时，向与磁盘50接近的磁头51输入电记录信息，磁头51按照所输入的记录信号对各1位区域施加磁场，通过这些各1位区域的磁化方向的形式记录该记录信号所承载的信息。另外，在信息再现时，磁头3按照通过磁化分别产生的磁场而生成电再现信号，从而取出以磁化方向的形式记录于各1位区域的信息。此处，当磁头51通过1个轨道55进行了信息读取之后，当通过其他轨道55进行信息读取或写入时，受到旋转式致动器54的旋转驱动力的悬架系统定位臂53转动而使得磁头51移动到邻近该另一轨道55的位置，在该另一轨道55的各1位区域中通过上述方式进行信息的读取和写入。
上述旋转式致动器54、悬架系统定位臂53、滑动器52、磁头51等直接涉及信息的存储再现的各部分与磁盘50一起被收容于基座56，图3表示出基座56内侧的情形。在基座56的里侧设有具备控制上述各部分的控制电路的控制基板57。上述各部分通过未图示的机构与该控制基板57电导通，输入到磁头51的上述记录信号和磁头51生成的上述再现信号在该控制基板57中被处理。该控制基板57相当于上述信息存储装置的基本方式中所说的信号处理基板的一个例子。
下面详细说明磁头51的结构。
图4是表示图3所示的磁头51的图。
图4的部分（a）是在平行于图3的xy平面的面上表示磁头51的图，图4的部分（b）是在平行于图3的xz平面的面上表示磁头51的图。
磁头51具有如下2个元件，即：记录元件40，其在记录信息时按照记录信号对各1位区域施加磁场，以磁化方向的形式记录信息；以及再现元件20，其在再现信息时按照由各1位区域的磁化分别产生的磁场，生成表示信息的电再现信号。
记录元件40是具有主磁极41、主磁极辅助层42、辅助磁极43、连接部45的元件。其中，主磁极41、主磁极辅助层42、辅助磁极43和连接部45构成在磁记录时所产生的磁通的磁路的一部分。以与该磁路交链的方式配置有记录用的薄膜线圈44。具有这种结构的记录元件40可通过公知方法制作出来。
再现元件20是使用隧道磁电阻效应（TMR效应）进行信息再现的元件，具有下部磁密封层1b、磁电阻效应膜21、上部磁密封层1d、支撑基板1a。
支撑基板1a是支撑下部磁密封层1b、磁电阻效应膜21、上部磁密封层1d的支撑部件，是在具有氧化铝（Al2O3）和碳化钛（TiC）的非磁性材料的表面形成有氧化铝膜的基板（AlTiC基板）。再现元件20的表面层叠有下部磁密封层1b。
下部磁密封层1b、磁电阻效应膜21、上部磁密封层1d的概观与图1所示的相同。下部磁密封层1b和上部磁密封层1d通过镍（Ni）和铁（Fe）的合金（Ni-Fe）构成，是具有高透磁率的2、3nm左右层厚的层。并且，作为下部磁密封层和上部磁密封层的材料，只要是透磁率大的材料即可，可以采用Ni-Fe之外的材料。
接着说明磁电阻效应膜21。
图5是表示图4的磁电阻效应膜21的层结构的示意图。
如该图所示，磁电阻效应膜21具有在图4的下部磁密封层1b上按顺序层叠有辅助基底层1c、基底层2、反铁磁层3、第1铁磁层4、非磁层7、第2铁磁层8、表面保护层9的结构。各层所发挥的作用与图2所述相同，图4的磁电阻效应膜21也采用铱（Ir）与锰（Mn）的合金材料（Ir-Mn）作为反铁磁层3的材料。但是与现有的磁电阻效应膜不同，图4的磁电阻效应膜21中，基底层2由具有氮化铜（CuN）的材料构成，这一点是与现有的磁电阻效应膜显著不同的。后面会叙述采用氮化铜（CuN）作为基底层2的材料的效果，下面首先说明图4的磁电阻效应膜21的各层详细情况。
辅助基底层1c是由具有钽（Ta）的材料构成的层，是具有非晶态结构的层。基底层2是如上所述由具有氮化铜（CuN）的材料构成的层。辅助基底层1c的层厚与基底层2的层厚之和例如为5nm左右。
反铁磁层3是如上所述由铱（Ir）与锰（Mn）的合金材料（Ir-Mn）构成的反铁磁性的层，其层厚例如为7nm左右。
第1铁磁层4是按顺序层叠如下3个层而得到的层：由具有钴（Co）和铁（Fe）的材料（Co-Fe）构成的铁磁性的第1磁化固定相层4a；由具有钌（Ru）的材料构成且磁化率极小的非磁性的非磁性中间层4b；以及由具有钴（Co）、铁（Fe）和硼（B）的材料（Co-Fe-B）构成的铁磁性的第2磁化固定相层4c。其中，第1磁化固定相层4a的层厚例如为1.5nm左右，非磁性中间层4b的层厚为0.5nm左右，第2磁化固定相层4c的层厚为2.5nm左右。如上，第1铁磁层4构成为在第1磁化固定相层4a和第2磁化固定相层4c这2个铁磁层之间存在非磁性的非磁性中间层4b，而如3层的层厚所示那样，第1铁磁层4是层整体以铁磁性材料为主要分量的层。其中，第1磁化固定相层4a的磁化方向通过在第1磁化固定相层4a与反铁磁层3的界面上产生的交换耦合而被固定。另一方面，在第1磁化固定相层4a与第2磁化固定相层4c这2个层之间，隔着非磁性中间层4b也存在交换耦合，通过该交换耦合将第1磁化固定相层4a的磁化方向与第2磁化固定相层4c的磁化方向保持为彼此反平行的状态。因此，通过上述2种交换耦合，在第1铁磁层4实现了第1磁化固定相层4a的磁化方向与第2磁化固定相层4c的磁化方向都被固定的状况。并且，作为非磁性中间层4b的材料，除了钌（Ru）之外，还可采用包含铑（Rh）在内的材料。这种情况下，优选铑的含量在5原子%以上40原子%以下，更优选在20原子%以上30原子%以下。另外，非磁性中间层4b的厚度优选在0.3nm以上0.7nm以下，更优选在0.4nm以上0.7nm以下。
非磁层7是由具有氧化镁（MgO）的材料构成的层。该非磁层7是磁化率极小的层，并且是电绝缘性的层。如上，非磁层7是绝缘性的层，而由于层厚较小，因此隧道电流（利用量子力学中的隧道效应而穿透位垒流动的电流）能够通过非磁层7在位于非磁层7下侧的第1铁磁层4与位于非磁层7上侧的第2铁磁层8之间流过。作为非磁层7的层厚，例如可采用1.0nm～1.5nm左右。其中，通过非磁层7而在第1铁磁层4与第2铁磁层8之间流动的隧道电流所感应的电阻的大小根据磁电阻效应（隧道磁电阻效应），在第1铁磁层4的磁化与第2铁磁层8的磁化彼此平行的状态下较小，而在第1铁磁层4的磁化与第2铁磁层8的磁化彼此反平行的状态下较大。
第2铁磁层8是由具有钴（Co）、铁（Fe）和硼（B）的材料（Co-Fe-B）构成的铁磁性的层，其层厚为3nm左右。该第2铁磁层8的磁化不同于第1铁磁层4的第1磁化固定相层4a和第2磁化固定相层4c，能够按照外部磁场自由改变磁化方向。具体而言，邻近磁电阻效应膜21的图3的磁盘50中各1位区域的磁化根据是朝向图3的z轴的正方向还是负方向，而朝向图2的z轴的正方向或负方向。
表面保护层9是由具有钽（Ta）的材料构成的层，其层厚例如为3nm左右。
以上是关于磁电阻效应膜21的各层详细情况的说明。
在具有图5的磁电阻效应膜21的图4的再现元件20中，在不存在外部磁场对于再现元件20的影响的状况下，以第2铁磁层8的磁化朝向沿着图5的y轴的方向（即y轴的正方向或负方向，关于坐标系一并参照图1和图3）的方式，设有将第2铁磁层8的磁化方向偏置的后述的磁区控制膜26。另一方面，第1铁磁层4中的第1磁化固定相层4a的磁化和第2磁化固定相层4c的磁化起因于与上述反铁磁层3的交换耦合，对于再现元件20无论是否存在外部磁场，上述磁化都朝向沿着图5的z轴的方向（即z轴的正方向或负方向）。
再现元件20中，输出在对第1铁磁层4与第2铁磁层8之间施加电压时在这2个铁磁层之间流过的隧道电流的检测信号。当再现元件20接近磁盘103的1位区域时，再现元件20受到该1位区域的磁化所产生的磁场（对于再现元件20而言的外部磁场）的影响，根据该1位区域的磁化是朝向图5的z轴的正方向还是负方向，第2铁磁层8的磁化会朝向图5的z轴的正方向或负方向。通过上述隧道磁电阻效应，在第1铁磁层4与第2铁磁层8之间流过的隧道电流根据第2铁磁层8的磁化朝向哪个方向而发生变化，因此通过来自再现元件20的检测信号来表示磁盘103的各1位区域的磁化方向。该检测信号为上述再现信号，在图3的磁盘500中，磁头51中的再现元件20如上所述生成检测信号以执行信息的读取。
具有如上所述结构的磁电阻效应膜21的图4的再现元件20相当于上述基本方式中磁电阻效应元件的一个实施方式，将图5的辅助基底层1c、图4的下部密封层1b和图4的支撑基板1a组合起来的结构相当于上述基本方式中基板的一个例子。
通过在该再现元件20中采用Ir-Mn作为反铁磁层3的材料，从而可使得反铁磁层3的层厚较薄，而且能产生足够用于固定第1铁磁层4（尤其是第1磁化固定相层4a）的磁化方向的交换耦合，实现适合于高记录密度化的小型再现元件。
以往使用将镍（Ni）、铁（Fe）、铬（Cr）的某几个组合构成的合金或钌（Ru）、钽（Ta）作为基底层的材料。但是，当在由这些材料构成的基底层之上层叠有采用Ir-Mn的反铁磁层的情况下，Ir-Mn在基底层上为（111）面取向，无法获得平坦的膜。如果在表面存在凹凸的反铁磁层层叠第1铁磁层、非磁层和第2铁磁层，则层叠的这些层也成为欠缺平坦性的层，尤其非磁层相比其他层要薄，因而会受到反铁磁层的界面的凹凸的影响，易于成为波浪状弯曲的形状的层。如果非磁层成为如上所述弯曲的形状，则在与非磁层的界面附近的第1铁磁层的磁场会对第2铁磁层的磁化施加影响，第2铁磁层对于读取对象的1位区域的磁场的磁化响应性会降低。进而，如果磁层为弯曲的形状，则当对第1铁磁层与第2铁磁层之间施加电压而流过电流时，有时对电压的耐性会降低而使得非磁层断裂。如上所述，在对于外部磁场的响应性低、对电压耐性也低的状态下，存在无法充分发挥作为再现元件的能力的问题。
在图4的再现元件20中，基底层2由氮化铜（CuN）形成，从而相比通过将镍（Ni）、铁（Fe）、铬（Cr）的某几个组合构成的合金或钌（Ru）、钽（Ta）等以往所使用的材料形成基底层的情况，如通过具体的试验结果叙述的那样，不易在包含Ir和Mn的反铁磁层3表面产生凹凸。于是层叠于反铁磁层3上的第1铁磁层4、非磁层7和第2铁磁层8也能避免成为欠缺平坦性的层，可避免各层中对外部磁场的响应性和对电压的耐性降低。其结果，在图4的再现元件20中，能够充分发挥可实现再现元件的小型化这一采用铱（Ir）和锰（Mn）作为反铁磁层3的材料的情况下的优点。
下面说明不易在反铁磁层3的表面产生凹凸的基底层2中的氮化铜（CuN）的微观特征。在该基底层2中的氮化铜（CuN）中通过铜原子（Cu）和氮原子（N）形成结晶结构，在该结晶结构中，米勒指数为“200”的晶面与图4的支撑基板1a的表面（更正确而言是将图5的辅助基底层1c、图4的下部密封层1b、图4的支撑基板1a组合起来得到的表面）平行。在图4的再现元件20中，Ir和Mn的合金层叠于如上所述结晶取向的基底层2之上而形成结晶结构，从而形成上述反铁磁层3。此时，受到基底层2中氮化铜（CuN）的结晶取向的影响，在Ir和Mc的合金的结晶结构中也以米勒指数为“200”的晶面与图4的支撑基板1a的表面（更正确而言是将图5的辅助基底层1c、图4的下部密封层1b、图4的支撑基板1a组合起来得到的表面）平行的方式产生结晶取向。如果这样产生Ir和Mc的合金的结晶取向，则反铁磁层3在沿着图4的支撑基板1a的表面的方向上的形状稳定性会提高，不易在反铁磁层3的表面产生凹凸。
其中，在图4的再现元件20中，基底层2层叠于具有非晶形结构的辅助基底层1c之上，在该辅助基底层1c之上形成上述氮化铜（CuN）的结晶结构。通常非晶形虽然不存在结晶那样的长距离秩序但存在短距离秩序，因此存在类似于结晶的取向性。于是，通过在具有非晶形结构的上述辅助基底层1c上层叠基底层2，从而通过非晶层的取向性的影响，可易于使基底层2的结晶取向性一致。
下面说明图4的再现元件20的制造方法。
图6是表示到制作出图4的再现元件20为止的各阶段的情形的图。
首先说明到制作出图6的部分（a）所示结构为止的工序。先在具有氧化铝（AL2O3）和碳化钛（TiC）的非磁性材料的表面形成氧化铝膜，制作支撑基板1a（AlTiC基板）。然后在支撑基板1a上通过溅射形成下部磁密封层1b，进而同样通过溅射在下部磁密封层1b之上形成辅助基底层1c。此后如图6的部分（a）所示，在辅助基底层1c之上按顺序形成从基底层2到第2铁磁层8为止的各层，最后在第2铁磁层8之上形成表面保护层9。
接着说明到制作出图6的部分（b）所示结构为止的工序。首先通过光蚀刻以抗蚀图形49覆盖图6的部分（a）所示的表面保护层9的部分区域。以该抗蚀图形49为掩模，通过离子束铣对从辅助基底层1c到表面保护层9的各层形成图案。此时，没有被抗蚀图形49覆盖的区域中会露出下部磁密封层22。在图6的部分（b）中表示出在层叠有从辅助基底层1c到表面保护层9的各层的梯形形状的层叠结构体两侧下部磁密封层22露出的情形。
下面说明到制作出图6的部分（c）所示结构为止的工序。
例如使用由AL2O3构成且厚度为3nm～10nm的绝缘膜25通过溅射覆盖图6的部分（b）所示的结构的上侧整面。然后通过溅射使用磁区控制膜26覆盖如上被绝缘膜25覆盖的整体，直到由于上述图案形成而被除去的凹陷部分（例如图6的部分（b）的梯形形状的层结构的两侧）被埋住。作为该磁区控制膜26的材料，例如可采用通过由钴（Co）、铬（Cr）和铂（Rt）构成的合金（CoCrPt）构成的材料。
接着，将抗蚀图形49与堆积于抗蚀图形49之上的绝缘膜25和磁区控制膜26一起除去。通过该除去作业，对磁区控制膜26而言，仅残留由从辅助基底层1c到表面保护层9的各层构成的层叠结构体的两侧被填充的磁区控制膜26，而覆盖该层叠结构体上侧的磁区控制膜26被除去。然后，通过化学机械研磨（CMP）使得残留的磁区控制膜26的表面变得平坦，从而将上述层叠结构体的上侧表面（表面保护层9的表面）与残留的磁区控制膜26的表面调整为平滑连接。最后，通过溅射将上部磁密封层23堆积于表面保护层9的表面和磁区控制膜26的表面之上。由此就完成了具备图6的部分（c）所示结构的再现元件20。
其中，在图6的部分（c）所示的结构中，预先在磁场中对磁区控制膜26进行热处理，以使得第2铁磁层8的磁化方向在针对上述层叠结构体不存在外部磁场的影响的状况下，向沿着图6的部分（c）的y轴的方向（y轴的正方向或负方向）偏置。另一方面，关于第1铁磁层4中的第1磁化固定相层4a和第2磁化固定相层4c，通过对yz平面内的反铁磁层3的配置下工夫，从而第1磁化固定相层4a的磁化和第2磁化固定相层4c的磁化被固定为朝向与图6的部分（c）的z轴平行或反平行的方向。具体而言，通常在反铁磁性体中，构成反铁磁性体的结晶格子的旋转在相邻结晶格子之间与既定方向彼此反平行，在图6的部分（c）的反铁磁层3中，以使该既定方向为沿着图6的部分（c）的z轴的方向（与z轴平行或反平行的方向）的方式形成反铁磁层3。
以上说明中采用氮化铜（CuN）作为基底层2的材料，而作为基底层2的材料，除了氮化铜（CuN）之外，在采用钛（Ti）、镁（Mg）、铝（Al）、铬（Cr）、镍（Ni）、铁（Fe）、钼（Mo）中的任一种的氮化物或将它们中的某几个组合起来的金属氮化物的情况下，也能获得上述那样使反铁磁层3变得平坦的效果。如上，采用氮化铜（CuN）之外的金属氮化物作为基底层2的材料的再现元件、磁头和HDD是在上述说明中将基底层2的材料由氮化铜（CuN）变更为这些金属氮化物而得到的，这里省略对它们的详细说明。
下面使用具体实验说明采用金属氮化物作为基底层材料时的平坦化效果、各层之间的磁相互作用、晶面的状态。
【实验1】
下面说明实验1。
改变基底层的材料制作4个样本，该样本是通过溅射在对表面进行蚀刻以变得平坦的硅基板上按顺序形成由Ta构成且具有非晶形结构的厚度为3nm的辅助基底层、厚度为4nm的基底层、由Ir-Mn构成、厚度为7nm的反铁磁层、由Co-Fe构成厚度为1.7nm的第1磁化固定层、由Ru构成厚度为0.7nm的非磁性中间层、由Co-Fe-B构成厚度为2nm的第2磁化固定层而得到的。在该4个样本中分别使用Ru、Ni-Fe、Cu、CuN作为基底层的材料。并且，在对基底层使用CuN的样本中，通过使用氩气与氮气的分压比为1:4的溅射气的溅射来形成基底层。对于这4种样本，使用原子间力显微镜求出Co-Fe-B层表面的凹凸的标准偏差（高度的标准偏差）以及最突出的部位与最凹陷的部位的高低差（最大高低差）。
图7是表示实验1的结果的图。
图7的部分（a）表示上述4种样本各自的高度标准偏差（单位为nm），图7的部分（b）表示上述4种样本各自的最大高低差（单位为nm）。如该图所示可知，4个样本中基底层使用CuN的样本的高度标准偏差与最大高低差这两方都为最小，如果对基底层使用CuN则平坦化效果好。
【实验2】
接着说明实验2。
对硅基板的表面进行蚀刻使其平坦，在其上形成通过依次层叠厚度为5nm的Ta层、厚度为20nm的CuN层、厚度为3nm的Ta层、厚度为20nm的CuN层、厚度为3nm的Ta层而构成的辅助基底层。然后在该辅助基底层之上形成由CuN构成的厚度为3nm的基底层、由Ir-Mn构成的厚度为7nm的反铁磁层、由Co-Fe构成的厚度为1.7nm的第1磁化固定层、由Ru构成的厚度为0.68nm的非磁性中间层、由Co-Fe-B构成的厚度为2.5nm的第2磁化固定层、由MgO构成的厚度为1.0nm～1.5nm的非磁层和由Co-Fe-B构成的厚度为3nm的第2铁磁层。再在该第2铁磁层之上形成由厚度为5nm的Ta层、厚度为10nm的Cu层和厚度为10nm的Ru层构成的3层结构的表面保护层，从而制作出在该实验2中使用的样本。还制作了具有与上述层结构相同的层结构，但非磁层的厚度在1.0nm～1.5nm范围内的不同厚度的样本。如上，重复进行非磁层厚度不同的样本的制作，准备好非磁层的厚度在1.0nm～1.5nm范围内彼此不同的多个样本。这些样本的非磁层的厚度彼此不同，因此为具有彼此不同的面电阻的样本，非磁层越厚的样本其面电阻的值也会越大。
另外，与上述方法相同，改变非磁层的厚度来准备多个样本，这些样本除了基底层使用Ru这点之外，具有与上述层结构相同的层结构。
进而，与上述方法相同，改变非磁层的厚度来准备多个样本，这些样本除了基底层使用Ni-Fe这点之外，具有与上述层结构相同的层结构。
分别对以上样本求出MR比。此处所谓的MR比是指，对于第2铁磁层的磁化和第2磁化固定层的磁化，将这两个磁化的方向为反平行的状态下的非磁层的电阻值与这两个磁化的方向为平行的状态下的非磁层的电阻值之差，除以这两个磁化的方向为平行的状态下的非磁层的电阻值来求出比值，并以百分比表示该比值。该MR比越大，则与第2铁磁层的磁化方向对应的电阻的变化就越大，因此磁电阻效果就会越大。
图8是表示实验2的结果的图。
图8示出的图表分别涉及横轴取面电阻（单位为Ω·μm2）、纵轴取MR比（单位为%）时的各样本：基底层使用CuN的样本、基底层使用Ru的样本、基底层使用Ni-Fe的样本。
如该图所示可知，基底层使用CuN的样本的图表位于其他2个图表上侧，通过对基底层使用CuN，从而可获得较高的磁电阻效应。通常如图8所述那样，在面电阻为2.5【Ω·cm2】上下的区域中，会显现出面电阻越大（即非磁层越厚），则MR比越大的倾向。例如图中3个图表中任意一个面电阻都为单调增加。考虑到该倾向，则如图8所示，基底层使用CuN的样本的图表位于其他2个图表上侧的理由就在于，CuN比其他材料的平坦化效果高，因而非磁层界面的扭曲和弯曲小，能通过相比其他材料小的面电阻来获得相同的MR比。
【实验3】
下面说明实验3。
在该实验3中，除了实验2所说明的基底层使用CuN且面电阻彼此不同的多个样本、基底层使用Ni-Fe且面电阻彼此不同的多个样本以及基底层使用Ru且面电阻彼此不同的多个样本之外，还准备了基底层使用Cu且面电阻彼此不同的多个样本、基底层使用Ni-FeN且面电阻彼此不同的样本、基底层使用CrN且面电阻彼此不同的样本。这些样本除去基底层材料不同这点之外，都是具有与图2中说明的样本相同结构的样本，与实验2相同，它们是通过改变非磁层的厚度使得面电阻彼此不同而制作出的样本。
实验3中，从外部对这些样本施加磁场，调查改变该外部磁场时的MR比的变化。
图9是说明实验3的图。
如果对具有上述层结构的样本改变了外部磁场，则第2铁磁层的磁化的值会由于磁滞而描绘出磁滞环而发生变化，与此对应地，分别以外部磁场和MR比作为坐标分量的点也会在外部磁场和MR比的坐标空间内如图9的部分（a）的虚线图表和实线图表那样描绘出环而发生变化。在该实验3中，对基底层的材料彼此不同的各样本求出环的中心点的外部磁场。例如，图中虚线图表的中心点B的外部磁场Hin’和图中实线图表的中心点A的外部磁场Hin就是环的中心点的外部磁场。
假设第2铁磁层作为单体独立存在，则表示相对于外部磁场的该第2铁磁层的磁化的变化的磁滞环的中心为外部磁场和磁化都为零的点（即原点）。另一方面，在具有实验2那样的层结构的样本中，第2铁磁层还受到由第2磁化固定层的磁化所产生的磁场的影响，因而第2铁磁层的磁滞环的中心偏离零，外部磁场移动到抵消第2磁化固定层的磁化所产生的磁场的点。该抵消点处的外部磁场如图9的部分（a）的Hin和Hin’那样，是提供外部磁场和MR比的坐标空间内的环的中心点的外部磁场，因此通过求出环的中心点的外部磁场，从而可求出第2铁磁层与第2磁化固定层的磁相互作用的大小。其中，在上述样本中，第2铁磁层是由相同材料构成的相同厚度的层，第2铁磁层的饱和磁化的大小是相同的。因此改变外部磁场时的MR比的最大值和最小值在上述任一个样本中都是相同的，环的中心点处的MR比是共同的值。于是通过对面电阻固定的样本比较环的中心点处的外部磁场的大小，从而可推测出为了获得相同的MR比所需的第2铁磁层与第2磁化固定层的相互作用。
例如图9的部分（a）的Hin和Hin’之中，Hin’大于Hin，因此与虚线图表对应的样本相比与实线图表对应的样本，为了获得相同的MR比，与虚线图表对应的样本就需要更大的第2铁磁层与第2磁化固定层的相互作用。
图9的部分（b）示出的图表分别涉及横轴取面电阻（单位为Ω·μm2）、纵轴取环的中心点处的外部磁场时的各个样本：基底层使用Cu的样本、基底层使用Ni-Fe的样本、基底层使用Ru的样本、基底层使用CuN的样本、基底层使用Ni-FeN的样本、基底层使用CrN的样本。
如该图所示可知，基底层使用CuN的样本、基底层使用Ni-FeN的样本、基底层使用CrN的样本的各图表位于基底层使用Cu的样本、基底层使用Ni-Fe的样本、基底层使用Ru的样本的各图表的下侧，通过对基底层使用CuN、Ni-FeN、CrN等金属氮化物，从而能通过更小的面电阻使得第2铁磁层与第2磁化固定层之间具有既定大小的耦合力（相互作用）。其中，越是非磁层厚、面电阻大的样本，由于第2铁磁层与第2磁化固定层之间的距离长，因此第2铁磁层与第2磁化固定层的相互作用就越小，因此环的中心点处的外部磁场大小也越小。实际上，如图9的部分（b）所示，与上述6种基底层材料对应的6个图表的面电阻都单调减小。考虑到该事实，如图9的部分（b）那样，对基底层使用CuN、Ni-FeN、CrN等金属氮化物的样本的图表位于对基底层使用Cu、Ni-Fe、Ru的样本的图表的下侧的理由在于，金属氮化物相比其他材料平坦化效果好，从而非磁层界面的扭曲和弯曲能够较小，因而被认为为了获得相同大小的耦合力所需的面电阻较小。
【实验4】
下面说明实验4。
在该实验中，在制作实验1中说明的以CuN作为基底层的材料的样本时，通过改变为了氮化而添加的氮气的流量，从而制作出在彼此不同的氮气流量下所制成的多个样本。这些样本除了氮气的流量不同之外，都与实验1中说明的以CuN作为基底层的材料的样本相同。而且调查了在由Co-Fe构成的第1磁化固定层与由Ir-Mn构成的反铁磁层之间产生的交换耦合力Jex。
另外，在制作在实验1中说明的以CuN作为基底层的材料的样本时，在将溅射气中的氩气与氮气的分压比恒定保持于3:7的状态下，制作出基底层的厚度（CuN膜厚）彼此不同的多个样本。这些样本除了氮气的流量不同以及基底层的厚度不同之外，都与实验1中说明的以CuN作为基底层的材料的样本相同。而且调查了在由Co-Fe构成的第1磁化固定层与由Ir-Mn构成的反铁磁层之间产生的交换耦合力Jex。
图10是表示实验4的结果的图。
图10的部分（a）表示出横轴取氮（N2）气的流量（单位为sccm）、纵轴取交换耦合力Jex（单位为erg/cm2）时，上述在彼此不同的氮气流量下制成的多个样本的结果。另外为了便于比较，该图10的部分（a）还针对实验1中说明的以Cu为基底层的材料的样本和以Ru为基底层的材料的样本表示出了各自的交换耦合力Jex的结果。如图10的部分（a）所示，以CuN为基底层的材料的各样本的交换耦合力Jex小于以Cu或Ru为基底层的材料的各样本的交换耦合力Jex，而以CuN为基底层的材料的所有样本都能实现0.4erg/cm2以上的交换耦合力。通常，如果第1磁化固定层与反铁磁层之间产生的交换耦合力的大小大于等于0.4erg/cm2，则能充分固定第1磁化固定层的磁化方向，能够充分发挥作为磁化电阻效应膜的功能。根据该图10的部分（a）的结果可知，在以CuN为基底层的材料的情况下，相比采用Cu和Ru等以往所使用的基底层材料的情况而言，虽然交换耦合力多少会降低一些，然而还是能够发挥出充分的交换耦合力。
图10的部分（b）表示出横轴取CuN膜厚（单位为nm）、纵轴取交换耦合力Jex（单位为erg/cm2）时的上述具有彼此不同的CuN膜厚的多个样本的结果。如图10的部分（b）所示，无论何种CuN膜厚的情况下，交换耦合力Jex都在0.4erg/cm2以上，根据该结果可知，与CuN膜厚无关，能够在第1磁化固定层与反铁磁层之间产生充分的交换耦合力。
【实验5】
下面说明实验5。
在该实验中，准备好在具有非晶形结构的辅助基底层之上形成有CuN的基底层的样本，使用X射线折射来调查该样本表面的结晶取向性（米勒指数）。该CuN基底层是应用使用了具有氩气和氮气的溅射气的溅射而形成的。在该实验中，对具有使用氩（Ar）气的流量为15sccm且氮气流量为20sccm的溅射气形成的基底层的样本和具有使用氩（Ar）气的流量为15sccm且氮气流量为40sccm的溅射气形成的基底层的样本进行了X射线折射。而且为了便于比较，准备了形成Cu基底层来代替上述CuN基底层的样本，对该样本也进行了X射线折射。这里说明此时所进行的X射线折射的概要。
图11是表示X射线解析的概要的说明图。
在该X射线解析中，向样本400照射由产生特性X射线（此处为CuKα射线）的X射线源100产生的X射线束，通过计数器200测定其反射强度。样本400为具有上述实验5中说明的上述层叠结构的样本，以使固定台表面与基底层的层表面平行的方式配置于固定台300上。该固定台300能够通过未图示的机构相对于X射线束的照射方向旋转，计数器200也根据该固定台300的旋转而旋转。具体而言，如该图所示，以当固定台300的旋转角度（即X射线束的照射角度）为θ时计数器200的旋转角度为2θ的方式，使固定台300和计数器200进行旋转。在该X射线解析中，当改变了X射线束的照射角度θ时，求出通过布拉格（Bragg）反射而使得X射线的反射强度变强（出现峰值）的角度，从而针对样本400的结晶结构求出平行于固定台表面的面的取向性（米勒指数）。
图12是表示实验5的结果的图。
在该图中表示出了对Cu基底层的样本与上述溅射气中氮气分量不同的具有CuN的基底层的2种样本的X射线的解析结果，可知在Cu基底层的样本中出现米勒指数为（111）的面的峰值，在该样本中，平行于固定台表面的面是米勒指数为（111）的面。另一方面，可知在具有CuN的基底层的2种样本中表现出米勒指数为（200）的晶面的峰值，在这些样本中，平行于固定台表面的面是米勒指数为（200）的面。
根据该实验可得出以下结论，当采用CuN作为基底层的材料的情况下，基底层表面的晶面容易成为米勒指数为（200）的晶面。
【实验6】
下面说明实验6。
在该实验中，准备如下的样本：在具有非晶形结构的辅助基底层上形成基底层，在该基底层上按顺序形成由Ir-Mn构成的反铁磁层、由Co-Fe构成的第1磁化固定层、由Ru构成的非磁层，使用实验5中所述的X射线折射调查该样本表面的结晶的取向性（米勒指数）。其中，作为上述样本，准备了采用Ni-CrN作为基底层材料的样本、采用Ru作为基底层材料的样本、采用CuN作为基底层材料的样本、采用CrN作为基底层材料的样本。其中，在形成上述样本中Ni-CrN、CuN、CrN的各基底层时，设溅射气中的氩气流量为15sccm、氮气流量为40sccm来形成基底层。而除了这些样本之外，还准备了采用Ni-CrN作为基底层材料，使形成该基底层时溅射气中的氩气流量为5sccm、氮气流量为50sccm来形成基底层而得到的样本。
图13是表示实验6的结果的图。
如图13所示，在采用Ru作为基底层材料的样本中，能够清楚识别出Ir-Mn的（111）面的峰值，与此相对，在使用Ni-CrN、CuN、CrN等金属氮化物作为基底层材料的样本中，不会出现Ir-Mn的（111）面的峰值而会出现Ir-Mn的（200）面的峰值。由此可得到如下结论，通过采用Ni-CrN、CuN、CrN等金属氮化物作为基底层材料，从而在形成于基底层上的由Ir-Mn构成的反铁磁层中，沿着基底层的晶面易于成为米勒指数为（200）的晶面。
以上就是关于采用金属氮化物作为基底层材料时的平坦化效果、各层之间的磁相互作用、晶面的状态的实验说明。
接着，针对图5的磁电阻效应膜21，说明存储信息的存储部所采用的MRAM（Magnetoresistive Random Access Memory）。
图14是表示具有图5的磁电阻效应膜21的MRAM的概要结构的图。
图14的部分（a）表示该MRAM的剖面图。该MRAM具有在硅基板80上配置有读取用字线82、MOS晶体管83、写入用字线88、位线89和图5的磁电阻效应膜21的结构。
读取用字线82与写入用字线88是一一对应的，在图14的部分（a）中沿垂直的方向延伸。而位线89在图14的部分（a）的左右方向延伸。MOS晶体管83配置于读取用字线82与位线89的交叉部位。其中，读取用字线82兼作为MOS晶体管83的栅极。即，通过施加给读取用字线82的电压来控制MOS晶体管83的导通状态。
磁电阻效应膜21配置于写入用字线88与位线89的交叉部位。在该MRAM中，磁电阻效应膜21的第2铁磁层8（参见图5）的磁化方向受到流过写入用字线88和位线89的电流所产生的磁场的影响而发生变化。磁电阻效应膜21的基底层2（参见图5）经由贯穿了布线87、多层布线层的多个插头84和独立布线85，与MOS晶体管83的一个杂质扩散区域81连接。其中，磁电阻效应膜21的表面保护层9（参见图5）与位线89连接。即，布线87和位线89是使得在磁电阻效应膜21中流过其厚度方向的读出（sence）电流的电极。MOS晶体管83的另一个杂质扩散区域81经由插头84与接地布线86连接。
图14的部分（b）表示出该MRAM的等效电路图。如该图所示，多个读取用字线82和写入用字线88在图14的部分（b）的上下方向延伸。多个位线89在图14的部分（b）中在图中的左右方向延伸。
如图14的部分（b）所示，磁电阻效应膜21配置于位线89与写入用字线88的交叉部位，而MOS晶体管83配置于读取用字线82与位线89的交叉部位。磁电阻效应膜21的一个端子与对应的位线89连接，另一个端子与对应的MOS晶体管83的一个端子连接。MOS晶体管83的另一个端子接地。另外，MOS晶体管83的栅极与对应的读取用字线82连接。
在如上说明的MRAM中，通过具有多个图5的结构的磁电阻效应膜21，从而以多个第2铁磁层8的磁化方向的形式进行信息存储。在该MRAM中，通过以氮化铜（CuN）形成磁电阻效应膜21的基底层2，从而不易在包含Ir和Mn的反铁磁层3表面产生凹凸，作为层叠于反铁磁层3上的各层，能避免成为欠缺平坦性的层，还能避免对外部磁场的响应性和对电压耐性的降低。其结果，在该MRAM中，可充分发挥能够使反铁磁层3的厚度变薄这一Ir-Mn的优点，能实现小型的MRAM。
以上是针对基本方式（和应用方式）对上述磁电阻效应元件、磁头和信息存储装置的具体实施方式的说明。
在以上说明中，图5的第1铁磁层为包括第1磁化固定层、非磁性中间层和第2磁化固定层的3层结构，而在磁电阻效应元件、磁头和信息存储装置的基本方式中，第1铁磁层也可以是单层。
另外，在上述说明中，磁电阻效应膜21是非磁层由绝缘体MgO构成且使用了隧道磁电阻效应（TMR）的磁电阻效应膜，而在磁电阻效应元件、磁头和信息存储装置的基本方式中，还可以采用非磁层并非绝缘体而利用巨大磁电阻效应（GMR）的磁电阻效应膜。

Claims (7)

1.一种磁电阻效应元件，其在基板上按顺序层叠有基底层、反铁磁性层磁层、第1铁磁层、非磁层、第2铁磁层，其特征在于，
上述基底层由CuN形成，
上述反铁磁层由包含Ir和Mn的反铁磁性材料形成，
由上述CuN形成的基底层以（200）晶面与上述基板的表面平行的方式进行结晶取向，
在上述基板与由上述CuN形成的基底层的层之间还具有非晶层。
2.根据权利要求1所述的磁电阻效应元件，其特征在于，上述由Ir和Mn形成的反铁磁层以（200）晶面与上述基板的表面平行的方式进行结晶取向。
3.根据权利要求1所述的磁电阻效应元件，其特征在于，上述非磁层由绝缘材料形成，其厚度为在其厚度方向流过隧道电流。
4.根据权利要求3所述的磁电阻效应元件，其特征在于，上述绝缘材料是MgO。
5.根据根据权利要求1所述的磁电阻效应元件，其特征在于，上述第1铁磁层由至少2层以上构成，其层之间通过非磁层隔开，所隔开的铁磁层的磁化方向通过交换耦合而在反平行方向上耦合。
6.一种磁头，其特征在于，具有：
再现元件，其具有磁电阻效应元件，该磁电阻效应元件在基板上按顺序层叠有由CuN构成的基底层、包含Ir和Mn的反铁磁层、第1铁磁层、非磁层、第2铁磁层；以及
记录元件，其具有薄膜线圈和通过由上述薄膜线圈所产生的磁通的磁极，
由上述CuN形成的基底层以（200）晶面与上述基板的表面平行的方式进行结晶取向，
在上述基板与由上述CuN形成的基底层的层之间还具有非晶层。
7.一种信息存储装置，其特征在于，具有：
磁头；
存储再现介质，其通过上述磁头进行信息的记录和再现；以及
信号处理基板，其处理上述磁头和上述存储再现介质的信息的记录信号和再现信号，
上述磁头具有：再现元件，其具有磁电阻效应元件，该磁电阻效应元件在基板上按顺序层叠有由CuN构成的基底层、包含Ir和Mn的反铁磁层、第1铁磁层、非磁层、第2铁磁层；以及记录元件，其具有薄膜线圈和通过由上述薄膜线圈所产生的磁通的磁极，
由上述CuN形成的基底层以（200）晶面与上述基板的表面平行的方式进行结晶取向，
在上述基板与由上述CuN形成的基底层的层之间还具有非晶层。
CN200880125996.1A 2008-01-30 2008-01-30 磁电阻效应元件、磁头以及信息存储装置 Expired - Fee Related CN101933172B (zh)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/JP2008/051426 WO2009096012A1 (ja) 2008-01-30 2008-01-30 磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド、および、情報記憶装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN101933172A CN101933172A (zh) 2010-12-29
CN101933172B true CN101933172B (zh) 2014-03-26

Family

ID=40912381

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN200880125996.1A Expired - Fee Related CN101933172B (zh) 2008-01-30 2008-01-30 磁电阻效应元件、磁头以及信息存储装置

Country Status (5)

Country Link
US (1) US8194362B2 (zh)
JP (1) JP5012910B2 (zh)
KR (1) KR101145044B1 (zh)
CN (1) CN101933172B (zh)
WO (1) WO2009096012A1 (zh)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8962493B2 (en) * 2010-12-13 2015-02-24 Crocus Technology Inc. Magnetic random access memory cells having improved size and shape characteristics
US8557610B2 (en) 2011-02-14 2013-10-15 Qualcomm Incorporated Methods of integrated shielding into MTJ device for MRAM
US20130270227A1 (en) * 2012-04-13 2013-10-17 Lam Research Corporation Layer-layer etch of non volatile materials
US9171559B1 (en) * 2014-09-15 2015-10-27 Seagate Technology Llc Sensor structure with pinned stabilization layer
US9640584B2 (en) * 2014-10-02 2017-05-02 Kabushiki Kaisha Toshiba Method of manufacturing a magnetoresistive memory device
KR102385151B1 (ko) 2015-01-27 2022-04-11 한양대학교 산학협력단 수직자기이방성을 갖는 mtj 구조 및 이를 포함하는 자성소자
US9818935B2 (en) 2015-06-25 2017-11-14 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. Techniques for MRAM MTJ top electrode connection

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002141583A (ja) * 1998-11-30 2002-05-17 Nec Corp 磁気抵抗効果素子、再生ヘッド、および記録再生システム
US6542342B1 (en) * 1998-11-30 2003-04-01 Nec Corporation Magnetoresistive effect transducer having longitudinal bias layer directly connected to free layer
JP3868975B2 (ja) 2005-04-08 2007-01-17 富士通株式会社 磁気抵抗センサ及びその製造方法
JP2006318983A (ja) * 2005-05-10 2006-11-24 Sony Corp 磁気メモリ素子、メモリ
JP2007095750A (ja) * 2005-09-27 2007-04-12 Canon Anelva Corp 磁気抵抗効果素子
US8084835B2 (en) * 2006-10-20 2011-12-27 Avalanche Technology, Inc. Non-uniform switching based non-volatile magnetic based memory
DE102006050833B4 (de) * 2006-10-27 2011-04-07 Infineon Technologies Ag Magnetoresistives Sensorelement und ein Verfahren zu dessen Herstellung, sowie dessen Verwendung und eine Sensoranordnung
JP4985006B2 (ja) * 2007-03-20 2012-07-25 富士通株式会社 磁気抵抗効果素子、磁性積層構造体、及び磁性積層構造体の製造方法
US8174800B2 (en) * 2007-05-07 2012-05-08 Canon Anelva Corporation Magnetoresistive element, method of manufacturing the same, and magnetic multilayered film manufacturing apparatus
JP2011008861A (ja) * 2009-06-25 2011-01-13 Sony Corp メモリ

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JP特开2006-318983A 2006.11.24

Also Published As

Publication number Publication date
WO2009096012A1 (ja) 2009-08-06
US20100284103A1 (en) 2010-11-11
KR20100106529A (ko) 2010-10-01
JPWO2009096012A1 (ja) 2011-05-26
JP5012910B2 (ja) 2012-08-29
CN101933172A (zh) 2010-12-29
US8194362B2 (en) 2012-06-05
KR101145044B1 (ko) 2012-05-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN114730569B (zh) 含不同堆叠传感器的二维磁记录读取头结构及磁盘驱动器
JP3235572B2 (ja) 磁気抵抗効果素子，磁気抵抗効果センサ及びそれらを利用したシステム
US6456467B1 (en) Laminated shields with antiparallel magnetizations
US6657823B2 (en) Differential detection read sensor, thin film head for perpendicular magnetic recording and perpendicular magnetic recording apparatus
US6437949B1 (en) Single domain state laminated thin film structure
CN101933172B (zh) 磁电阻效应元件、磁头以及信息存储装置
US7324313B2 (en) Read sensor having an in-stack biasing structure and an AP coupled free layer structure for increased magnetic stability
CN100378803C (zh) 磁阻效应元件、磁头及磁记录装置
JP2009026400A (ja) 差動磁気抵抗効果型磁気ヘッド
JP2012216275A (ja) 改善された硬質磁性体バイアス構造を備える面垂直電流（ｃｐｐ）磁気抵抗（ｍｒ）センサ
JP2008085208A (ja) トンネル磁気抵抗素子、磁気ヘッドおよび磁気メモリ
JP2004227749A (ja) 差動ｃｐｐ型ｇｍｒヘッド
US7038889B2 (en) Method and apparatus for enhanced dual spin valve giant magnetoresistance effects having second spin valve self-pinned composite layer
JPH10241123A (ja) 磁気抵抗効果ヘッド
JP2000228004A (ja) 磁気抵抗効果素子、再生ヘッド、および記録再生システム
CN104252866B (zh) 读取器结构
CN1323386C (zh) 磁电阻元件、磁头和磁记录/再现装置
CN100367352C (zh) 磁阻磁头以及磁记录-复制装置
JP3357649B2 (ja) 磁気再生ヘッド、磁気ヘッド組立体および磁気ディスク駆動装置
JP3367477B2 (ja) 磁気抵抗効果素子、磁気抵抗効果ヘッド及び磁気抵抗検出システム並びに磁気記憶システム
JP3541245B2 (ja) 磁気ヘッド及びそれを有する磁気記憶装置
US6552882B1 (en) Information reproduction head apparatus and information recording/reproduction system
US20090168270A1 (en) Exchange-coupled element and magnetoresistance effect element
JP2002141583A (ja) 磁気抵抗効果素子、再生ヘッド、および記録再生システム
JP2010062191A (ja) 磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド、情報記憶装置、および磁気メモリ

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20140326

Termination date: 20190130