JP2000150985A

JP2000150985A - 磁気抵抗効果素子

Info

Publication number: JP2000150985A
Application number: JP11315319A
Authority: JP
Inventors: Hisanao Tsuge; 久尚柘植
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1999-01-01
Filing date: 1999-11-05
Publication date: 2000-05-30

Abstract

(57)【要約】【課題】磁気ヘッドや磁気メモリに必要な抵抗値及び
電流密度を備え、高感度でしかも安定に信号磁界を検出
できる磁気抵抗効果素子を制御よく得る。【解決手段】反強磁性層１１により交換結合磁界を付
与した強磁性層（固定層）１２と、トンネルバリア層１
４を介して薄い高分極率膜１５及び軟磁性膜１６の二層
膜からなる強磁性層（フリー層）１３とで基本構造が形
成されている磁気抵抗効果素子。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高密度磁気ディス
ク装置における再生用磁気ヘッドや高密度磁気メモリ
（ＭＲＡＭ）に適した磁気抵抗効果素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】強磁性トンネル接合は二つの強磁性層の
間に数nm厚の薄い絶縁体からなるトンネルバリア層を挟
んだ構造を持つ。この素子では強磁性層間に一定の電流
を流した状態で強磁性層面内に外部磁界を印加した場
合、両磁性層の磁化の相対角度に応じて抵抗値が変化す
る磁気抵抗効果現象が現れる。この磁化の向きが平行で
ある場合には抵抗値は最小となり、反平行である場合に
は抵抗値が最大となる。従って、両磁性層に保磁力差を
付与することによって、外部磁界の強さに応じて磁化の
平行及び反平行状態を実現できるため、抵抗値の変化に
よる磁界検出が可能となる。磁界感度を決める磁気抵抗
変化率は、二つの強磁性層の分極率をＰ₁ 、Ｐ₂ とする
と、２Ｐ₁ Ｐ₂ ／（１−Ｐ₁ Ｐ₂ ）で表される。この式
は、双方の分極率が大きいほど磁気抵抗変化率が大きく
なることを意味している。

【０００３】近年、トンネルバリア層の品質の向上によ
り、２０％という理論値に近い磁気抵抗変化率を示す強
磁性トンネル接合が得られるようになったことから、磁
気ヘッドや磁気メモリへの応用の可能性が高まってき
た。こうした大きな磁気抵抗変化率を報告している代表
例として、「１９９６年４月、ジャーナル・オブ・アプ
ライド・フィジックス、79巻、4724〜4729頁（Journal
of Applied Physics,vol.79, 4724〜4729,199
6）」がある。

【０００４】この接合素子を図面を用いて説明する。図
１２に示すように、強磁性層としてＣｏＦｅ膜１２２と
Ｃｏ膜１２４を用い、これらの両強磁性層によってＡｌ
₂ ０ ₃ からなるトンネルバリア層１２３を挟んだ構造を
持つ。この構造は図１３に示すようなプロセスで作製さ
れている。蒸着マスクを用いてガラス基板１３１上にＣ
ｏＦｅからなる第１の強磁性層１３２を真空蒸着し（図
１３（ａ））、引き続きマスクを交換して１．２〜２．
０nm厚のＡｌ層１３３を蒸着する（図１３（ｂ））。こ
のＡｌ層表面を酸素グロー放電に曝すことによって、Ａ
ｌ₂ ０₃ からなるトンネルバリア層１３４を形成する
（図１３（ｃ））。最後に、このトンネルバリア層１３
４を介して第１の強磁性層１３２と長手方向が垂直に交
わるようにＣｏからなる第２の強磁性層１３５を成膜し
て十字電極型の強磁性トンネル接合素子を完成させる
（図１３（ｄ））。この方法では、磁気抵抗変化率とし
て最大１８％という大きな値が得られている。

【０００５】その他の例として、特開平５−６３２５４
号公報、特開平６−２４４４７７号公報、特開平８−７
０１４８号公報、特開平８−７０１４９号公報、特開平
８−３１６５４８号公報及び「１９９７年、日本応用磁
気学会誌、２１巻、493〜496頁」などの報告がある。こ
こではトンネルバリア層の形成に、Ａｌ層を成膜後、大
気中に曝してＡｌ2 ０3 を成長させる方法を用いてい
る。このように、これらの報告では図１３とはトンネル
バリアの形成方法が異なるものの、強磁性層としてＦ
ｅ、Ｃｏ、Ｎｉ及びそれらの合金からなる単層膜が使わ
れている点は共通である。

【０００６】これらの磁気抵抗効果素子を高密度記録用
の再生磁気ヘッドに適用する技術としては、スピンバル
ブに用いられている技術がある。非磁性層によって磁気
的に分離された二つの強磁性層の一方に反強磁性層を重
ねることによって交換結合磁界を付与して固定層とし、
もう一方をフリー層とするものである。固定層の磁化の
向きは媒体面と直行するように設定され、フリー層の磁
化の向きは媒体面と平行に設定されている。情報を書き
込んだ媒体からの漏れ磁界でフリー層の磁化の向きを変
えることによって、固定層の磁化の向きとの相対角度を
モジュレートし、その結果生じる素子の抵抗変化により
信号検出を行う。強磁性トンネル接合が強磁性層間にト
ンネルバリア層を用いるのに対して、スピンバルブでは
非磁性層を用いるという違いはあるものの、交換結合磁
界を利用する手法は共通技術として有効であることはよ
く知られている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】磁気抵抗効果素子を高
密度磁気ヘッドに適用するためには、媒体からの漏れ磁
界を高感度かつ安定に検出できなければならない。従来
の強磁性トンネル接合を構成する二つの強磁性層は双方
とも単層膜であり、高感度化のために大きな磁気抵抗変
化率を得ようとすると大きな分極率を持つ強磁性層が必
要である。しかし、こうした強磁性層は一般的に数１０
Ｏｅ以上の大きな保持力を持つ。従って、交換結合磁界
を利用するスピンバルブと類似の構成を用いた場合に
は、磁気抵抗曲線に顕著なヒステリシス特性が現れるた
め、安定な信号検出は困難となる。

【０００８】また、磁気抵抗効果素子を磁気ヘッドに適
用するためには、熱雑音の影響を低減するために実用素
子寸法である程度低い抵抗値が必要であるが、従来のト
ンネルバリア形成法ではその実現が困難であった。ま
た、磁気ヘッドの高密度化には信号出力電圧の大きさが
鍵を握るが、従来技術では素子特性を損なうことなく低
抵抗かつ十分な高電流密度が得られないという課題もあ
った。さらに、従来技術ではウエーハ内やロット間の素
子特性のばらつきが大きく、実用に供するだけの十分な
製造歩留まりを得ることは難しかった。これらの課題
は、主に従来のトンネルバリア層の形成方法に起因する
と考えられる。酸素グロー放電を用いる方法では、イオ
ンやラジカル状態の活性酸素を導電層の酸化に用いるた
め薄い酸化膜厚の制御すなわち素子抵抗の制御が難しい
といった問題や、同時に発生する活性化された不純物ガ
スによってトンネルバリア層が汚染され接合品質が劣化
するという問題がある。一方、大気中自然酸化による方
法では、大気中の粉塵でトンネルバリア層にピンホール
を生じたり、水分、炭素酸化物、窒素酸化物等の汚染を
受けることによって酸素グロー放電と同様に多くの問題
を抱えている。

【０００９】本発明の目的は、このような従来技術の課
題を解決し、高感度でしかも安定に信号磁界を検出で
き、実用に必要な抵抗値及び信号出力電圧特性を備える
磁気抵抗効果素子を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的に従い、本発明
の磁気抵抗効果素子は、強磁性層の間にトンネルバリア
層を挟んだ強磁性トンネル接合の構造を有し、一方の強
磁性層の外側に反強磁性層を配置した磁気抵抗効果素子
において、少なくとも反強磁性層と接していない方の強
磁性層がトンネルバリア層側に薄い高分極率膜を備えた
軟磁性膜で構成され。かつ前記軟磁性膜はＮｉ_x Ｆｅ
_1-x（０．３５≦ｘ≦０．８１）であることを特徴と
し、前記高分極率膜はＣｏＦｅ膜、又はＮｉ_x Ｆｅ_1-x
（０≦ｘ＜０．３５）膜、又は完全スピン分極を持つ金
属間化合物であることを特徴とし、金属間化合物である
場合にはＮｉＭｎＳｂなどの半金属膜であることを特徴
とする。

【００１１】好ましくは、前記高分極率膜の膜厚は１０
nm以下であることを特徴とする。

【００１２】また前記トンネルバリア層はＡｌの自然酸
化膜であることを特徴とし、好ましくは、前記Ａｌの
膜厚は1.0〜2.5nmであることを特徴とする。

【００１３】本発明の磁気抵抗効果素子は、強磁性層の
間にトンネルバリア層を挟んだ強磁性トンネル接合の構
造を有し、一方の強磁性層がトンネルバリア層側に薄い
高分極率膜を備えた軟磁性膜で構成され、もう一方の強
磁性層の外側に反強磁性層を配置した磁気抵抗効果素子
の製造方法において、金属または半導体からなる導電層
を成膜した後、真空中に酸素を含むガスを導入し、この
導電層表面を自然酸化してトンネルバリア層を形成する
工程によって製造される。

【００１４】本発明においては、少なくとも反強磁性層
と接していない方の強磁性層がトンネルバリア層との界
面に高分極率の薄膜を備えた軟磁性膜で構成されている
ため、保磁力を小さく保ったまま、大きな磁気抵抗変化
率が得られ、上記目的を達成できる。

【００１５】また、本発明の磁気抵抗効果素子を得るた
めに行われる製造方法においては、真空中に酸素を含む
ガスを導入し、導電層表面を自然酸化してトンネルバリ
ア層を形成するので、不純物ガスの影響を受けない清浄
な雰囲気で熱平衡状態を保ったまま酸化層の成長が可能
であり、高品質トンネルバリア層を制御よく作製するこ
とができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明の磁気抵抗効果素子に関す
る第１の実施の形態について、図面を参照して説明す
る。

【００１７】図１に示すように、反強磁性層１１／強磁
性層１２の積層膜からなる固定層と強磁性層１３からな
るフリー層との間にトンネルバリア層１４を挟んだ構造
を持つ磁気抵抗効果素子において、フリー層を構成する
強磁性層１３がトンネルバリア層１４に接する側に薄い
高分極率膜１５を備えた軟磁性膜１６で構成されてい
る。この高分極率膜１５は一般的に軟磁性膜として用い
られるパーマロイなどの薄膜に比べ保磁力が大きい。し
かし、薄い高分極率膜１５を軟磁性膜１６と重ねること
によって、トンネルバリア層１４と接する強磁性層13表
面の分極率を大きく保ったまま保磁力を低減させること
ができる。強磁性トンネル接合の磁気抵抗変化率はトン
ネル現象に寄与する薄い強磁性層表面の性質により決ま
るため、こうしたフリー層構造を用いることによって大
きな分極率と小さな保磁力を合わせ持つ高密度磁気ヘッ
ドに適した磁気抵抗効果素子が得られる。一方、固定層
となる強磁性層１２としては分極率の大きな材料を優先
的に選べばよいが、フリー層と同様な構成にすることも
できる。

【００１８】高分極率膜１５としては、ＣｏＦｅ、又は
Ｎｉ_x Ｆｅ_1-x （０≦ｘ＜０．３５）が候補として挙
げられる。完全スピン分極を持つ金属間化合物を用いる
場合には薄膜としても１００％に近い分極率が得られる
ため、さらに大きな磁気抵抗変化率を持つ磁気抵抗効果
素子が実現できる。高分極率膜１５の膜厚は１０nm以下
であれば、フリー層の保磁力はほぼ軟磁性膜１６の性質
で決まるため小さな値が得られるが、５nm以下であれば
より効果的である。軟磁性膜１６としてＮｉ_xＦｅ_1-x
（０．３５≦ｘ≦０．８）を用いれば、１Ｏｅ以下の小
さな保持力が得られる。また、トンネルバリア層として
Ａｌの自然酸化膜を選択すればピンホール密度を大幅に
低減した高品質の接合が得られる。このＡｌの膜厚は厚
すぎると酸化後に金属Ａｌが残ってスピン散乱の原因と
なり、薄すぎると下地の強磁性層の表面まで酸化されて
磁気抵抗変化率の低下を引き起こすため、１．０〜２．
５nmであることが好ましい。この最適膜厚は下地強磁性
層表面の凹凸の大きさなどの条件によって決まる。

【００１９】次に、本発明の磁気抵抗効果素子の製造方
法に関する第２の実施の形態について、図面を参照して
説明する。

【００２０】図２に示すように、反強磁性層２１、強磁
性層（固定層）２２、導電層２３を真空中で連続成膜し
た後（図２（ａ））、真空を破ることなく純酸素を導入
し、導電層２３の表面を自然酸化してトンネルバリア層
２４を形成する（図２（ｂ））。図２（ｂ）に示すよう
に、導電層２３は過不足無く酸化されることが望まし
い。酸素を排気した後、ＣｏＦｅ、又はＮｉ_x Ｆｅ_1-x
（０≦ｘ＜０．３５）、又は完全スピン分極を持つ金属
間化合物からなる高分極率膜２５を成膜し、引き続き、
軟磁性膜26を成膜して、強磁性トンネル接合素子の基本
構造を完成させる（図２（ｃ））。

【００２１】強磁性層にＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉまたはそれら
を含む合金を用いた場合には、導電層２３として強磁性
層の表面自由エネルギーより小さな値を持つＡｌを選択
することにより、下地となる強磁性層２２に対して良好
な被覆性を呈する。その結果、完成された素子ではピン
ホールによる強磁性層間の電気的ショートのない良好な
特性が得られる。また、Ａｌの酸素一原子当たりの生成
自由エネルギーはＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉよりも大きいためト
ンネルバリア層となるＡｌ₂ ０₃ は接合界面で熱的に安
定である。本実施の形態ではフリー層２７よりも先に固
定層を成膜したが、この逆の工程でも同様な効果が得ら
れる。

【００２２】

【実施例１】本発明の第１の実施例を図面を参照して詳
細に説明する。

【００２３】本発明の磁気抵抗効果素子の基本構造は、
図３に示すように、表面を熱酸化したＳｉ基板３１上に
５nm厚のＴａ膜と５nm厚のパーマロイＮｉ_0.81Ｆｅ_0.19
膜の二層膜からなるバッファー層３２を介して形成され
た１５nm厚のＦｅＭｎ膜からなる反強磁性層３３と厚さ
１０nmのＮｉ_0.81Ｆｅ_0.19膜からなる第１の強磁性層３
４、さらにその上にＡｌ₂ ０₃ 膜からなるトンネルバリ
ア層３５を介して形成された厚さ３nmのＣｏＦｅ膜３６
と厚さ１５nmのＮｉ_0.81Ｆｅ_0.19軟磁性膜３７の二層膜
からなる第２の強磁性層３８で構成される。バッファー
層３２は反強磁性的な性質を持つ面心立方構造γ相のＦ
ｅＭｎ膜を成長させるために用いる。この構造を得るた
めにはバッファー層を構成するＮｉ_0.81Ｆｅ_0.19膜は
（１１１）配向していることが必要であり、そのシード
層としてＴａ膜を用いている。Ｔａ膜以外にもＮｂ、Ｔ
ｉ、Ｈｆ、Ｚｒなどの他の薄膜を使っても同様な効果が
得られる。本実施例では反強磁性層としてＦｅＭｎを用
いているが、他にもＩｒＭｎ、ＮｉＭｎ、ＰｔＭｎ、Ｐ
ｄＭｎなどを用いることができる。第１の強磁性層３４
は固定層、第２の強磁性層３８はフリー層を構成する
が、この二つの層の磁化の向きは互いに直行している。

【００２４】次に、本発明の磁気抵抗効果素子の製造方
法を図面を参照して詳細に説明する。

【００２５】まず、図４（ａ）に示すように表面を熱酸
化したSi基板41上にＴａ膜（膜厚：５nm）とＮｉ_0.81Ｆ
ｅ_0.19膜（膜厚：５nm）の二層膜からなるバッファー層
４２、ＦｅＭｎ膜（膜厚：１５nm）からなる反強磁性
層４３、Ｎｉ_0.81Ｆｅ_0.19膜（膜厚：１０nm）からな
る第１の強磁性層４４、Ａｌ膜（膜厚：２nm）からなる
導電層４５を同一真空中で連続してスパッタ蒸着した。
この成膜には４インチ直径のターゲット５基を備えた高
周波マグネトロンスパッタ装置を用いた。スパッタ条件
はすべてバックグランド圧力１×１０^-7Ｔｏｒｒ以下、
Ａｒ圧力１０ｍＴｏｒｒ、高周波電力２００Ｗであっ
た。次に、スパッタ装置内に純酸素を導入し、酸素圧力
を２０Ｔｏｒｒで１０分間保持して、Ａｌ導電層４５を
自然酸化しトンネルバリア層46を形成した（図４（ｂ）
を排気してバックグランド圧力に到達した後、ＣｏＦｅ
膜（膜厚：３nm）４７、Ｎｉ_0.81Ｆｅ_0.19軟磁性膜（膜
厚：１５nm）４８からなる第２の強磁性層４９、Ｔａ膜
（膜厚：５nm）からなる保護層５０を連続してスパッタ
蒸着し、接合構成層を完成させた（図４（ｃ））。この
保護層５０は接合構成層をプロセス汚染から保護するた
めのものである。この接合構成層の成膜を通して、基板
４１面内の一方向に１００Ｏｅの磁界を印加した。ま
た、成膜後、基板４１面内でこの方向と直行する方向に
２００Ｏｅの磁界を加えた状態で一時間熱処理を行っ
た。

【００２６】次に、通常のフォトリソグラフィ技術とイ
オンミリング技術を用いて接合構成層の全層を、長手方
向が成膜時の磁界印加の方向と一致するように下部配線
形状に加工した（図４（ｃ）。保護層５０上に接合寸法
を規定するためのレジストパターン５１を形成し、トン
ネルバリア層４６までイオンミリングする（図４
（ｅ））。このレジストパターンを残したままＡｌ2
０3 膜（膜厚：２５０nm)からなる絶縁層５２を電子ビ
ーム蒸着した後、リフトオフを行う（図４（ｆ）。保護
層５０と配線層５３間の電気的な接触を得るために、露
出した試料表面の逆スパッタクリーニングを行った後、
Ａｌ膜（膜厚：２００nm）からなる配線層５３を全表面
に蒸着する。次に、レジストパターンを用いて配線層５
３をイオンミリングし、磁気抵抗効果素子を完成させる
（図４（ｇ））。

【００２７】図５に本発明の製造方法を用いて作製した
磁気抵抗効果素子の代表的な磁気抵抗曲線を示す。Ｈ_ex
は反強磁性層４３と第１の強磁性層４４の間の交換結合
磁界の強さ、Ｈ_c1、Ｈ_c2はそれぞれフリー層及び固定層
の保磁力である。磁気抵抗変化率は１０．４％であり、
ＣｏＦｅ膜４７を挿入しない構造で得られた５．９％に
比べ大幅に改善されている。また、フリー層の保磁力は
１６Ｏｅであり、ＣｏＦｅ膜４７を挿入しない場合と比
べても１Ｏｅ以下の増加であった。このように、フリー
層を構成する第２の強磁性層４９として膜厚３nmという
極薄のＣｏＦｅ膜とＮｉ_0.81Ｆｅ_0.19膜の二層構成とす
ることにより、フリー層の保磁力を小さく保ったまま、
磁気抵抗変化率を大幅に改善することができた。

【００２８】一方、接合抵抗は、図６に示すように接合
面積に対して精度よく逆比例の関係を示した。この傾き
から、面積で規格化した抵抗値として２．４×１０^-6Ω
cm²が得られた。磁気ヘッドなど多くのデバイス応用を
可能にする、このような低抵抗値は強磁性トンネル接合
構造の磁気抵抗効果素子では初めて実現した。また、抵
抗値はトンネルバリア層形成時の酸素圧力及び基板温度
を制御することによって、大小数桁変化させることがで
きる。２インチＳｉウエーハ内の接合抵抗の最大ばらつ
きも±４％であり、制御性よく素子が作製できた。

【００２９】図７に１０×１０μm²における磁気抵抗変
化率の接合電流密度依存性を示す。磁気抵抗変化率は電
流密度を増加させても１０⁴ Ａ／cm² までは全く変化が
認めらなかった。３×１０⁴ Ａ／cm² でも磁気抵抗変化
率も約２０％の減少に止まっている。これらの結果か
ら、この磁気抵抗効果素子の直流信号出力電圧を求める
と、１０⁴ Ａ／cm² の電流密度で３ｍＶ、３×１０⁴ Ａ
／cm² で７ｍＶであった。

【００３０】

【実施例２】次に、本発明の第２の実施例を図面を参照
して詳細に説明する。

【００３１】本発明の磁気抵抗効果素子の基本構造は、
図８に示すように、表面を熱酸化したＳｉ基板８１上に
５nm厚のＴａ膜と５nm厚のＮｉ_0.81Ｆｅ_0.19膜の二層膜
からなるバッファー層８２を介して形成された１５nm厚
のＦｅＭｎ膜からなる反強磁性層８３と厚さ１０nmのＣ
ｏＦｅ膜からなる第１の強磁性層８４、さらにその上に
Ａｌ2 ０3 膜からなるトンネルバリア層８５を介して
形成された厚さ３nmのＣｏＦｅ膜８６と厚さ１５nmのＮ
ｉ_0.81Ｆｅ_0.19軟磁性膜８７の二層膜からなる第２の強
磁性層８８で構成される。

【００３２】この磁気抵抗効果素子の製造方法は、第１
の強磁性層としてＮｉ_0.81Ｆｅ_0.19膜の代わりにＣｏＦ
ｅ膜を用いることを除いては図４のプロセスと同じであ
る。この素子では磁気抵抗変化率は１８．８％であり、
第１の強磁性層としてＮｉ_0. ₈₁Ｆｅ_0.19膜を用いた場合
に比べ大幅に改善された。一方、フリー層の保磁力は
２．０Ｏｅと多少大きくなった。このように、フリー層
を構成する第２の強磁性層８８として膜厚３nmという極
薄のＣｏＦｅ膜とＮｉ_0.81Ｆｅ_0.19膜の二層構成とし、
さらに固定層を構成する第１の強磁性層としてＣｏＦｅ
膜を用いることにより、フリー層の保磁力をある程度小
さく保ったまま、磁気抵抗変化率を大幅に改善すること
ができた。この磁気抵抗変化率は接合電流密度を増加さ
せても１０ ⁴ Ａ／cm² までは全く変化が認めらなかっ
た。

【００３３】

【実施例３】次に、本発明の第３の実施例を図面を参照
して詳細に説明する。

【００３４】本発明の磁気抵抗効果素子の基本構造は、
図９に示すように、表面を熱酸化したＳｉ基板９１上に
５nm厚のＴａ膜と５nm厚のＮｉ_0.81Ｆｅ_0.19膜の二層膜
からなるバッファー層９２を介して形成された１５nm厚
のＦｅＭｎ膜からなる反強磁性層９３、１０nm厚のＮｉ
_0.81Ｆｅ_0.19軟磁性膜９４と３nm厚のＣｏＦｅ膜９５の
二層膜からなる第１の強磁性層９６、さらにその上にＡ
ｌ2 ０3 膜からなるトンネルバリア層９７を介して形
成された３nm厚のＣｏＦｅ膜９８と１５nm厚のＮｉ_0.81
Ｆｅ_0.19軟磁性膜９９の二層膜からなる第２の強磁性層
９１０で構成される。

【００３５】この磁気抵抗効果素子の製造方法は、第１
の強磁性層としてＮｉ_0.81Ｆｅ_0.19単層膜の代わりに１
０nm厚のＮｉ_0.81Ｆｅ_0.19軟磁性膜９４と３nm厚のＣｏ
Ｆｅ膜９５の二層膜を用いることを除いては図４のプロ
セスと同じである。この素子では磁気抵抗変化率は１
７．５％であり、第１の強磁性層及び第２の強磁性層と
して薄いＣｏＦｅ膜を挿入しない構造で得られた５．９
％に比べ大幅に改善されている。また、フリー層の保磁
力は１．８Ｏｅであり、ＣｏＦｅ膜を挿入しない場合と
比較しても１Ｏｅ以下の増加であった。このように、固
定層及びフリー層を構成する第１の強磁性層９６及び第
２の強磁性層９１０として膜厚３nmという極薄のＣｏＦ
ｅ膜とＮｉ_0.81Ｆｅ_0.19膜の二層構成とすることによ
り、フリー層の保磁力を小さく保ったまま、磁気抵抗変
化率を大幅に改善することができた。この磁気抵抗変化
率は接合電流密度を増加させても１０⁴ Ａ／cm² までは
全く変化が認めらなかった。

【００３６】

【実施例４】次に、本発明の第４の実施例を図面を参照
して詳細に説明する。

【００３７】本発明の磁気抵抗効果素子の基本構造は、
図１０に示すように、表面を熱酸化したＳｉ基板１０１
上に５nm厚のＴａ膜と５nm厚のＮｉ_0.81Ｆｅ_0.19膜の二
層膜からなるバッファー層１０２を介して形成された１
５nm厚のＦｅＭｎ膜からなる反強磁性層１０３と厚さ１
０nmのＮｉ_0.81Ｆｅ_0.19膜からなる第１の強磁性層１０
４、さらにその上にＡｌ₂ ０₃ 膜からなるトンネルバリ
ア層１０５を介して形成された厚さ３nmのＦｅ膜１０６
と厚さ１５nmのＮｉ_0.81Ｆｅ_0.19軟磁性膜１０７の二層
膜からなる第２の強磁性層１０８で構成される。

【００３８】この磁気抵抗効果素子の製造方法は、第２
の強磁性層として３nm厚のＣｏＦｅ膜と１５nm厚のＮｉ
_0.81Ｆｅ_0.19軟磁性膜の二層膜の代わりに、３nm厚のＦ
ｅ膜１０６と１５nm厚のＮｉ_0.81Ｆｅ_0.19軟磁性膜１０
７の二層膜を用いることを除いては図４のプロセスと同
じである。この素子では磁気抵抗変化率は１０．０％で
あり、Ｆｅ膜１０６を挿入しない構造で得られた５．９
％に比べ大幅に改善されている。また、フリー層の保磁
力は１．２Ｏｅであり、Ｆｅ膜１０６を挿入しない場合
と比較しても１Ｏｅ以下の増加であった。このように、
フリー層を構成する第２の強磁性層１０８として膜厚３
nmという極薄のＦｅ膜とＮｉ_0.81Ｆｅ_0. ₁₉膜の二層構成
とすることにより、フリー層の保磁力を小さく保ったま
ま、磁気抵抗変化率を大幅に改善することができた。こ
の磁気抵抗変化率は接合電流密度を増加させても１０⁴
Ａ／cm² までは全く変化が認めらなかった。

【００３９】本実施例では固定層を構成する第１の強磁
性層としてＮｉ_0.81Ｆｅ_0.19膜を用いているが、その他
にも実施例２及び３に示したのと同様の発想で、Ｆｅ
膜、又はＮｉ_0.81Ｆｅ_0.19膜と極薄のＦｅ膜の二層膜を
用いても同様の効果が得られることは言うまでもない。

【００４０】

【実施例５】次に、本発明の第５の実施例を図面を参照
して詳細に説明する。

【００４１】本発明の磁気抵抗効果素子の基本構造は、
図１１に示すように、表面を熱酸化したＳｉ基板１１１
上に５nm厚のＴａ膜と５nm厚のＮｉ_0.81Ｆｅ_0.19膜の二
層膜からなるバッファー層１１２を介して形成された１
５nm厚のＦｅＭｎ膜からなる反強磁性層１１３と厚さ１
０nmのＮｉＭｎＳｂ膜からなる第１の強磁性層１１４、
さらにその上にＡｌ₂０₃膜からなるトンネルバリア層１
１５を介して形成された厚さ３nmのＮｉＭｎＳｂ膜１１
６と厚さ１５nmのＮｉ_0.81Ｆｅ_0.19軟磁性膜１１７の二
層膜からなる第２の強磁性層１１８で構成される。

【００４２】この磁気抵抗効果素子の製造方法は、第１
の強磁性層としてＮｉ_0.81Ｆｅ_0.19膜の代わりにＮｉＭ
ｎＳｂ膜を、第２の強磁性層としてＣｏＦｅ膜とＮｉ
_0.81Ｆｅ_0.19軟磁性膜の二層膜の代わりに、ＮｉＭｎＳ
ｂ膜１１６とＮｉ_0.81Ｆｅ_0.19軟磁性膜１１７の二層膜
を用いることを除いては図４のプロセスと同じである。
この素子では磁気抵抗変化率は２１．３％であり、第１
の強磁性層としてＮｉ_0. ₈₁Ｆｅ_0.19膜を用いた場合に比
べ大幅に改善された。一方、フリー層の保磁力は２．６
Ｏｅと多少大きくなった。このように、フリー層を構成
する第２の強磁性層１１８として膜厚３nmという極薄の
ＮｉＭｎＳｂ膜とＮｉ_0.81Ｆｅ_0.19膜の二層構成とし、
さらに固定層を構成する第１の強磁性層としてＮｉＭｎ
Ｓｂ膜を用いることにより、フリー層の保磁力をある程
度小さく保ったまま、磁気抵抗変化率を大幅に改善する
ことができた。この磁気抵抗変化率は接合電流密度を増
加させても１０⁴ Ａ／cm² までは全く変化が認めらなか
った。

【００４３】本実施例では固定層を構成する第一の強磁
性層としてＮｉＭｎＳｂ膜を用いているが、その他にも
実施例１及び３に示したのと同様の発想で、Ｎｉ_0.81Ｆ
ｅ_0. ₁₉膜、またはＮｉ_0.81Ｆｅ_0.19膜と極薄のＮｉＭｎ
Ｓｂ膜の二層膜を用いても同様の効果が得られることは
言うまでもない。

【００４４】

【発明の効果】本発明の構造を用いれば、高感度でしか
も安定に信号磁界を検出できる磁気抵抗効果素子が得ら
れ、高密度磁気ヘッドや磁気メモリなどへの応用も可能
である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態を説明するための構
造図である。

【図２】（ａ）〜（ｃ）は本発明の第２の実施の形態を
説明するための工程図である。

【図３】本発明の実施例１を説明するための構造図であ
る。

【図４】（ａ）〜（ｇ）は実施例１を説明するための工
程図である。

【図５】実施例１で作製した磁気抵抗効果素子の磁気抵
抗曲線図である。

【図６】実施例１で作製した磁気抵抗効果素子の接合抵
抗と接合面積の関係を示す図である。

【図７】実施例１で作製した磁気抵抗効果素子の１０μ
m角接合における接合抵抗の電流密度依存性を示す図で
ある。

【図８】本発明の実施例２を説明するための構造図であ
る。

【図９】本発明の実施例３を説明するための構造図であ
る。

【図１０】本発明の実施例４を説明するための構造図で
ある。

【図１１】本発明の実施例５を説明するための構造図で
ある

【図１２】従来の磁気抵抗効果素子を説明するための構
造図である。

【図１３】（ａ）〜（ｄ）は従来の磁気抵抗効果素子を
説明するための工程図である。

【符号の説明】１１、２１反強磁性層１２、２２強磁性層（固定層）１３、２７強磁性層（フリー層）１４、２４トンネルバリア層２５高分極率膜２６軟磁性膜２３導電層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】強磁性層の間にトンネルバリア層を挟んだ
強磁性トンネル接合の構造を有し、一方の強磁性層の外
側に反強磁性層を配置した磁気抵抗効果素子において、
少なくとも反強磁性層と接していない方の強磁性層がト
ンネルバリア層側に薄い高分極率膜を備えた軟磁性膜で
構成され、かつ前記軟磁性膜はＮｉ_x Ｆｅ_1-x （０．３
５≦ｘ≦０．８１）であることを特徴とする磁気抵抗効
果素子。
【請求項２】前記高分極率膜はＣｏＦｅであることを特
徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項３】前記高分極率膜はＮｉ_x Ｆｅ_1-x （０≦ｘ
＜０．３５）であることを特徴とする請求項１記載の磁
気抵抗効果素子。
【請求項４】前記高分極率膜は完全スピン分極を持つ金
属間化合物であることを特徴とする請求項１記載の磁気
抵抗効果素子。
【請求項５】前記金属間化合物が半金属でなることを特
徴とする請求項４記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項６】前記金属間化合物がＮｉＭｎＳｂでなるこ
とを特徴とする請求項５記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項７】前記高分極率膜の膜厚は１０nm以下である
ことを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載の磁気抵
抗効果素子。
【請求項８】前記トンネルバリア層はＡｌの自然酸化膜
であることを特徴とする請求項１〜７の何れか一項記載
の磁気抵抗効果素子。
【請求項９】前記Ａｌの膜厚は１．０〜２．５nmである
ことを特徴とする請求項８記載の磁気抵抗効果素子。