JP2002151758A - 強磁性トンネル磁気抵抗効果素子、磁気メモリ及び磁気抵抗効果型ヘッド - Google Patents
強磁性トンネル磁気抵抗効果素子、磁気メモリ及び磁気抵抗効果型ヘッドInfo
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- JP2002151758A JP2002151758A JP2000347446A JP2000347446A JP2002151758A JP 2002151758 A JP2002151758 A JP 2002151758A JP 2000347446 A JP2000347446 A JP 2000347446A JP 2000347446 A JP2000347446 A JP 2000347446A JP 2002151758 A JP2002151758 A JP 2002151758A
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- 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
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- 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
Abstract
(57)【要約】
【課題】熱揺らぎに対して安定な強磁性トンネル磁気抵
抗効果素子を提供する。 【解決手段】強磁性トンネル磁気抵抗効果素子の自由層
を強磁性層（381、383）と中間層（382）を少なくとも5
層以上積層し、中間層382を介して隣接する2層の強磁性
層381と383の磁化を反強磁性的に配列させることによ
り、異方性磁界Hkや飽和磁化Msを変えることなく、しか
も感度の劣化を招かずに自由層の体積を大きくすること
ができるため、熱揺らぎに対して安定になる。
抗効果素子を提供する。 【解決手段】強磁性トンネル磁気抵抗効果素子の自由層
を強磁性層（381、383）と中間層（382）を少なくとも5
層以上積層し、中間層382を介して隣接する2層の強磁性
層381と383の磁化を反強磁性的に配列させることによ
り、異方性磁界Hkや飽和磁化Msを変えることなく、しか
も感度の劣化を招かずに自由層の体積を大きくすること
ができるため、熱揺らぎに対して安定になる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、例えば磁気ランダ
ム・アクセス・メモリ内の磁気メモリ・セルに代表され
るように磁気的に情報を記憶する機能を有するトンネル
磁気抵抗効果素子、あるいは、例えば磁気記録再生装置
において磁気的に記録された情報を読み出す再生素子に
用いられる強磁性トンネル磁気抵抗効果素子に関するも
のである。
ム・アクセス・メモリ内の磁気メモリ・セルに代表され
るように磁気的に情報を記憶する機能を有するトンネル
磁気抵抗効果素子、あるいは、例えば磁気記録再生装置
において磁気的に記録された情報を読み出す再生素子に
用いられる強磁性トンネル磁気抵抗効果素子に関するも
のである。
【０００２】
【従来の技術】強磁性体の磁化の方向によってその電気
抵抗が変わる磁気抵抗効果は、磁気ランダム・アクセス
・メモリの記憶セルや、磁界センサなどに用いられてい
る。
抵抗が変わる磁気抵抗効果は、磁気ランダム・アクセス
・メモリの記憶セルや、磁界センサなどに用いられてい
る。
【０００３】前者については、異方性磁気抵抗効果（AM
R効果）膜および巨大磁気抵抗効果（GMR効果）膜が記憶
セルに用いられているが、これらの膜は金属で構成され
ているためセルの抵抗が低く、記憶状態が変化したとき
に発生する抵抗変化も小さいという問題がある。
R効果）膜および巨大磁気抵抗効果（GMR効果）膜が記憶
セルに用いられているが、これらの膜は金属で構成され
ているためセルの抵抗が低く、記憶状態が変化したとき
に発生する抵抗変化も小さいという問題がある。
【０００４】後者の代表的なものとしては、ロータリー
エンコーダーや磁気記録再生装置の再生素子が挙げられ
る。これらにおいては、高感度化が要求されており、当
初はAMR効果膜が用いられていたが、現在ではより感度
が高いGMR効果膜が主に用いられている。しかしなが
ら、磁気記録再生装置、特に磁気ディスク装置について
は、記録密度の向上が著しく、GMR効果膜でも感度が不
足することが予想され、さらに高感度な磁気抵抗効果膜
が必要になりつつある。
エンコーダーや磁気記録再生装置の再生素子が挙げられ
る。これらにおいては、高感度化が要求されており、当
初はAMR効果膜が用いられていたが、現在ではより感度
が高いGMR効果膜が主に用いられている。しかしなが
ら、磁気記録再生装置、特に磁気ディスク装置について
は、記録密度の向上が著しく、GMR効果膜でも感度が不
足することが予想され、さらに高感度な磁気抵抗効果膜
が必要になりつつある。
【０００５】上述した磁気ランダム・アクセス・メモリ
における問題と、磁気抵抗センサの高感度化の要求を解
決する磁気抵抗効果膜の有力な候補の一つとして、２層
の強磁性層の間にトンネル障壁層が挟まれた強磁性トン
ネル磁気抵抗効果(TMR効果)膜が注目されている。TMR効
果膜については、例えば、1995年発刊のジャーナルオブ
マグネティズム アンド マグネティック マテリア
ルズ 第139巻 L231〜L234 頁に、２層のFe層の間にAl
酸化膜を挟んだ構成において、室温で約18％の抵抗変化
率が得られたと報告されており、酸化膜が挟まれている
ため抵抗が大きく、その大きい抵抗に対して抵抗変化率
が、GMR効果膜で得られる１０％程度よりも大きい１８
％であるため、抵抗変化量としては、GMR効果膜に比べ
ると格段に大きな値が期待できる。
における問題と、磁気抵抗センサの高感度化の要求を解
決する磁気抵抗効果膜の有力な候補の一つとして、２層
の強磁性層の間にトンネル障壁層が挟まれた強磁性トン
ネル磁気抵抗効果(TMR効果)膜が注目されている。TMR効
果膜については、例えば、1995年発刊のジャーナルオブ
マグネティズム アンド マグネティック マテリア
ルズ 第139巻 L231〜L234 頁に、２層のFe層の間にAl
酸化膜を挟んだ構成において、室温で約18％の抵抗変化
率が得られたと報告されており、酸化膜が挟まれている
ため抵抗が大きく、その大きい抵抗に対して抵抗変化率
が、GMR効果膜で得られる１０％程度よりも大きい１８
％であるため、抵抗変化量としては、GMR効果膜に比べ
ると格段に大きな値が期待できる。
【０００６】特開平10-162326 号公報には、TMR効果膜
を記憶セルとして用いた磁気ランダム・アクセス・メモ
リが、また、特開平3-154217号公報には、TMR効果膜を
磁気抵抗センサ膜として用いたMRヘッドが開示されてい
る。さらに、特開平11-161919 号公報には、TMR効果膜
の下部磁性層あるいは上部磁性層の少なくとも何れか一
方に、強磁性層/中間層/強磁性層の3層膜を用いた強磁
性トンネル磁気抵抗効果膜が開示されている。
を記憶セルとして用いた磁気ランダム・アクセス・メモ
リが、また、特開平3-154217号公報には、TMR効果膜を
磁気抵抗センサ膜として用いたMRヘッドが開示されてい
る。さらに、特開平11-161919 号公報には、TMR効果膜
の下部磁性層あるいは上部磁性層の少なくとも何れか一
方に、強磁性層/中間層/強磁性層の3層膜を用いた強磁
性トンネル磁気抵抗効果膜が開示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】現在試作されているTM
R 効果膜を記憶セルに用いた磁気ランダム・アクセス・
メモリは、記憶容量が1キロビットであり、そのセルの
大きさは0.28×0.84 μm2と、半導体メモリに比べると
セル面積は大きく、半導体メモリと同等かそれ以上の高
密度メモリを実現するためにはさらに縮小する必要があ
る。
R 効果膜を記憶セルに用いた磁気ランダム・アクセス・
メモリは、記憶容量が1キロビットであり、そのセルの
大きさは0.28×0.84 μm2と、半導体メモリに比べると
セル面積は大きく、半導体メモリと同等かそれ以上の高
密度メモリを実現するためにはさらに縮小する必要があ
る。
【０００８】また、磁気ディスク装置においても高記録
密度化が急速に進行しており、磁気記録再生装置の再生
素子のトラック幅、素子高さが小さくなっており、この
動向は磁気抵抗効果膜がGMR効果膜からTMR 効果膜と高
感度になっても変わるものではない。
密度化が急速に進行しており、磁気記録再生装置の再生
素子のトラック幅、素子高さが小さくなっており、この
動向は磁気抵抗効果膜がGMR効果膜からTMR 効果膜と高
感度になっても変わるものではない。
【０００９】このように、磁気ランダム・アクセス・メ
モリにおいても磁気記録再生装置の再生素子において
も、TMR効果膜の面積を小さくすることが必然である
が、そのときに問題となるのが熱揺らぎに対する安定性
である。ここで、熱揺らぎの問題とは、強磁性体の異方
性エネルギー定数Kuと体積Vの積である異方性エネルギ
ーKu・Vが熱エネルギー k・T（k：ボルツマン定数、T：
強磁性体の温度）に対してある程度大きな値になってい
ないと、磁化の状態が熱の影響で揺らいでしまい、長期
間においては記憶が不安定になり判別できなくなるもの
である。上記従来技術では、熱揺らぎに対する安定性に
ついては触れていない。
モリにおいても磁気記録再生装置の再生素子において
も、TMR効果膜の面積を小さくすることが必然である
が、そのときに問題となるのが熱揺らぎに対する安定性
である。ここで、熱揺らぎの問題とは、強磁性体の異方
性エネルギー定数Kuと体積Vの積である異方性エネルギ
ーKu・Vが熱エネルギー k・T（k：ボルツマン定数、T：
強磁性体の温度）に対してある程度大きな値になってい
ないと、磁化の状態が熱の影響で揺らいでしまい、長期
間においては記憶が不安定になり判別できなくなるもの
である。上記従来技術では、熱揺らぎに対する安定性に
ついては触れていない。
【００１０】本発明の目的は、さらに小サイズ化する磁
気ランダム・アクセス・メモリの記憶セルや磁気記録再
生装置の再生素子の磁気抵抗効果膜の大きさが小さくな
っても、安定に動作する強磁性トンネル磁気抵抗効果素
子、およびそれを用いた磁気ランダム・アクセス・メモ
リや磁気記録再生装置の再生素子を提供するものであ
る。
気ランダム・アクセス・メモリの記憶セルや磁気記録再
生装置の再生素子の磁気抵抗効果膜の大きさが小さくな
っても、安定に動作する強磁性トンネル磁気抵抗効果素
子、およびそれを用いた磁気ランダム・アクセス・メモ
リや磁気記録再生装置の再生素子を提供するものであ
る。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記目的は、本発明によ
れば、以下のような強磁性トンネル磁気抵抗効果素子を
提供することにより達成することができる。
れば、以下のような強磁性トンネル磁気抵抗効果素子を
提供することにより達成することができる。
【００１２】すなわち、下部磁性層と、トンネル障壁層
と、上部磁性層が積層されており、下部磁性層および上
部磁性層のいずれか一方が外部磁界に対してその磁化の
方向が拘束されている固定層であり、もう一方が外部磁
界に対してその磁化の方向が回転することができる自由
層であって、固定層と自由層の磁化の相対的な角度によ
って抵抗が変化する強磁性トンネル磁気抵抗効果膜と、
この強磁性トンネル磁気抵抗効果膜にセンス電流を供給
するための下部及び上部電極が配置され、さらに抵抗変
化を検出するための検出手段を有する強磁性トンネル磁
気抵抗効果素子において、自由層を強磁性層と中間層が
少なくとも5層以上積層されている多層構造にし、中間
層を介して隣接する強磁性層の磁化を反強磁性的に配列
させるものである。
と、上部磁性層が積層されており、下部磁性層および上
部磁性層のいずれか一方が外部磁界に対してその磁化の
方向が拘束されている固定層であり、もう一方が外部磁
界に対してその磁化の方向が回転することができる自由
層であって、固定層と自由層の磁化の相対的な角度によ
って抵抗が変化する強磁性トンネル磁気抵抗効果膜と、
この強磁性トンネル磁気抵抗効果膜にセンス電流を供給
するための下部及び上部電極が配置され、さらに抵抗変
化を検出するための検出手段を有する強磁性トンネル磁
気抵抗効果素子において、自由層を強磁性層と中間層が
少なくとも5層以上積層されている多層構造にし、中間
層を介して隣接する強磁性層の磁化を反強磁性的に配列
させるものである。
【００１３】このような構造にすることにより熱揺らぎ
安定性の高い強磁性トンネル磁気抵抗効果素子が得られ
る理由は次のようなことである。
安定性の高い強磁性トンネル磁気抵抗効果素子が得られ
る理由は次のようなことである。
【００１４】磁気ディスク装置において、熱揺らぎに対
して安定となる目安は、磁気記録媒体の結晶粒の体積を
Ｖ、媒体材料の異方性エネルギー定数をＫuとすると、 Ku ・V / k・T > 80 (1) であると言われている。(1)式は磁気記録媒体だけでは
なく、記憶素子あるいは再生素子に用いられている強磁
性体にも拡張することができる。強磁性トンネル磁気抵
抗効果膜について考えてみると、固定層は保磁力の大き
な材料を用いるか、あるいは反強磁性体との交換結合に
よってその磁化の方向が拘束されており、異方性エネル
ギー定数としては大きいので、熱揺らぎに対しては安定
である。一方、自由層は、外部磁界によってその磁化が
回転することが必要であるから、異方性エネルギーを大
きくすると磁化が回転し難くなるため、適度な大きさに
保つ必要がある。従って、(1)式を満足するためには、
自由層の体積Vを大きくする必要がある。ところが、前
述のように強磁性トンネル磁気抵抗効果膜は小サイズ化
が必要であることから、自由層の面積 S は小さくなる
ので、ある体積 V を確保するためには膜厚 t を厚くす
る必要がある。しかし、膜厚 t を厚くすると、自由層
の飽和磁化 Ms との積である磁化量 Ms・t が大きくな
るので、磁界に対する感度が鈍くなるという問題が生じ
る。
して安定となる目安は、磁気記録媒体の結晶粒の体積を
Ｖ、媒体材料の異方性エネルギー定数をＫuとすると、 Ku ・V / k・T > 80 (1) であると言われている。(1)式は磁気記録媒体だけでは
なく、記憶素子あるいは再生素子に用いられている強磁
性体にも拡張することができる。強磁性トンネル磁気抵
抗効果膜について考えてみると、固定層は保磁力の大き
な材料を用いるか、あるいは反強磁性体との交換結合に
よってその磁化の方向が拘束されており、異方性エネル
ギー定数としては大きいので、熱揺らぎに対しては安定
である。一方、自由層は、外部磁界によってその磁化が
回転することが必要であるから、異方性エネルギーを大
きくすると磁化が回転し難くなるため、適度な大きさに
保つ必要がある。従って、(1)式を満足するためには、
自由層の体積Vを大きくする必要がある。ところが、前
述のように強磁性トンネル磁気抵抗効果膜は小サイズ化
が必要であることから、自由層の面積 S は小さくなる
ので、ある体積 V を確保するためには膜厚 t を厚くす
る必要がある。しかし、膜厚 t を厚くすると、自由層
の飽和磁化 Ms との積である磁化量 Ms・t が大きくな
るので、磁界に対する感度が鈍くなるという問題が生じ
る。
【００１５】熱揺らぎ安定性を確保しつつ、なおかつ磁
界感度を向上させるためには、同じ体積 V で自由層の
磁化量 Ms・t を小さく保つことが必要であり、これ
は、自由層が強磁性層と中間層の多層構造からなり、中
間層を介して隣接する強磁性層の磁化を反強磁性的に配
列させることにより実現できる。このとき、(1)式は、
自由層の平均の異方性磁界を Hk 、平均の飽和磁化を M
s、自由層を構成する各強磁性層の体積の和を Vferro
とすると、 Hk・Ms・Vferro / 2 > 80・k・T (2) ここで、k：ボルツマン定数、T：強磁性トンネル磁気抵
抗効果素子の温度と書き換えることができる。
界感度を向上させるためには、同じ体積 V で自由層の
磁化量 Ms・t を小さく保つことが必要であり、これ
は、自由層が強磁性層と中間層の多層構造からなり、中
間層を介して隣接する強磁性層の磁化を反強磁性的に配
列させることにより実現できる。このとき、(1)式は、
自由層の平均の異方性磁界を Hk 、平均の飽和磁化を M
s、自由層を構成する各強磁性層の体積の和を Vferro
とすると、 Hk・Ms・Vferro / 2 > 80・k・T (2) ここで、k：ボルツマン定数、T：強磁性トンネル磁気抵
抗効果素子の温度と書き換えることができる。
【００１６】このとき、自由層を構成する強磁性層とし
ては、Fe、Co、Niおよびそれらの合金を、中間層として
は、Cr、Ru、Rh、Ir、Re及びそれらの合金を用いること
ができるが、その中でも、強磁性層としてCo-Fe合金、C
o-Ni-Fe合金、Ni-Fe合金を、中間層としてRuを用いるこ
とが好ましい。
ては、Fe、Co、Niおよびそれらの合金を、中間層として
は、Cr、Ru、Rh、Ir、Re及びそれらの合金を用いること
ができるが、その中でも、強磁性層としてCo-Fe合金、C
o-Ni-Fe合金、Ni-Fe合金を、中間層としてRuを用いるこ
とが好ましい。
【００１７】なお、特開平11-161919 号公報には、２層
の強磁性層が中間層を介して反強磁性的に結合した自由
層が開示されているが、記憶セルサイズや磁気ヘッドの
再生素子の磁気抵抗効果膜が小さくなると、自由層の面
積 S に対して膜厚 t が大きくなり、磁界感度が鈍くな
るので、さらに強磁性層一層の膜厚 t が薄くできるよ
うに強磁性層と中間層の層数を多くする必要がある。
の強磁性層が中間層を介して反強磁性的に結合した自由
層が開示されているが、記憶セルサイズや磁気ヘッドの
再生素子の磁気抵抗効果膜が小さくなると、自由層の面
積 S に対して膜厚 t が大きくなり、磁界感度が鈍くな
るので、さらに強磁性層一層の膜厚 t が薄くできるよ
うに強磁性層と中間層の層数を多くする必要がある。
【００１８】
【発明の実施の形態】熱揺らぎ安定性の高い強磁性トン
ネル磁気抵抗効果素子を実現するための方法を、磁気ラ
ンダム・アクセス・メモリを例に説明する。
ネル磁気抵抗効果素子を実現するための方法を、磁気ラ
ンダム・アクセス・メモリを例に説明する。
【００１９】図１に磁気ランダム・アクセス・メモリの
概略図を示す。ある面内には平行な導線21、22、23がワ
ード線として、これらとは別の面内には平行な導線24、
25、26がビット線として配置されており、上方から見た
ときにワード線とビット線が交差する位置に強磁性トン
ネル磁気抵抗効果（TMR効果）を利用したメモリ・セル3
0が配置される。図１では3本のビット線と3本のワード
線と9個のメモリ・セルを示してあるが、実用的な磁気
ランダム・アクセス・メモリではより多くのビット線、
ワード線、メモリ・セルが配置されている。
概略図を示す。ある面内には平行な導線21、22、23がワ
ード線として、これらとは別の面内には平行な導線24、
25、26がビット線として配置されており、上方から見た
ときにワード線とビット線が交差する位置に強磁性トン
ネル磁気抵抗効果（TMR効果）を利用したメモリ・セル3
0が配置される。図１では3本のビット線と3本のワード
線と9個のメモリ・セルを示してあるが、実用的な磁気
ランダム・アクセス・メモリではより多くのビット線、
ワード線、メモリ・セルが配置されている。
【００２０】メモリ・セル30は、ダイオード部301と強
磁性トンネル接合部302とを含み、メモリの動作中、電
流はメモリ・セル30を垂直方向に流れることになる。従
来の異方性磁気抵抗効果（AMR効果）あるいは巨大磁気
抵抗効果（GMR効果）を利用する場合にはメモリ・セル
の面内方向に電流が流れるため、メモリ・セルを高密度
に配置するのに大きな制約になっていたが、セルの垂直
方向に流すTMR効果を用いることにより高密度のメモリ
を作成することが可能になる。
磁性トンネル接合部302とを含み、メモリの動作中、電
流はメモリ・セル30を垂直方向に流れることになる。従
来の異方性磁気抵抗効果（AMR効果）あるいは巨大磁気
抵抗効果（GMR効果）を利用する場合にはメモリ・セル
の面内方向に電流が流れるため、メモリ・セルを高密度
に配置するのに大きな制約になっていたが、セルの垂直
方向に流すTMR効果を用いることにより高密度のメモリ
を作成することが可能になる。
【００２１】また、図１には示されていないが、ビット
線やワード線には、任意のビット線やワード線を選択し
て電流を流す回路や、抵抗変化を検出する検出回路など
が接続されており、ビット線が配置されている面内とワ
ード線が配置されている面内に挟まれた空間で、メモリ
・セルが配置されていない部分には、通常絶縁材料層が
設けられている。
線やワード線には、任意のビット線やワード線を選択し
て電流を流す回路や、抵抗変化を検出する検出回路など
が接続されており、ビット線が配置されている面内とワ
ード線が配置されている面内に挟まれた空間で、メモリ
・セルが配置されていない部分には、通常絶縁材料層が
設けられている。
【００２２】メモリ・セル30の構造の一例を図２に示
す。メモリ・セル30は、ダイオード部301と強磁性トン
ネル接合部302からなる。ダイオード部301は、n型シリ
コン層31とp型シリコン層32からなるシリコン接合ダイ
オードである。強磁性トンネル接合部302は、下部電極
層33と、下地層34と、反強磁性層35と、固定層36と、障
壁層37と、自由層38と、上部電極層39とが積層されてい
る。ここで、下部電極層33はダイオード部301と強磁性
トンネル接合部とを電気的に接続するためのものであ
り、例えばRu、Pt、Hf、Zr、Taなどを用いることができ
る。下地層34は、これより上に積層される反強磁性材
料、磁性材料の磁気特性などが結晶配向性により大きく
影響を受けるため、主に結晶配向性を制御するために設
けるものであり、具体的には、Ni-Fe系合金、あるいは
これにCr、Ta、Mo、Nbから選ばれる元素を少なくとも一
種類含む合金を用いることができる。また、反強磁性層
35は、強磁性材料からなる固定層36とその界面で交換結
合して、固定層36の磁化が外部磁界が作用した際にも動
かずに、ある基準の方向を常に向いているようにするた
めのものである。一方、自由層38も強磁性材料からなる
ものであるが、ある一定以上の大きさの外部磁界が作用
したときにその磁化の方向を変えて、情報を記憶する役
割を有する。反強磁性層35としては、Pt-Mn系合金、Pt-
Pd-Mn系合金、Cr-Mn-Pt系合金、Ni-Mn系合金、Ir-Mn系
合金、Ru-Rh-Mn系合金、Fe-Mn系合金を用いることがで
きる。固定層36および自由層38は、Ni、Fe、Coおよびそ
れらの合金であればよいが、障壁層37との界面にはスピ
ン分極率の大きな材料を用いることが望ましい。また、
障壁層37は薄いAlの酸化物であり、上部電極層39は、下
部電極層と同様にRu 、Pt、Hf、Zr、Taなどを用いるこ
とができる。
す。メモリ・セル30は、ダイオード部301と強磁性トン
ネル接合部302からなる。ダイオード部301は、n型シリ
コン層31とp型シリコン層32からなるシリコン接合ダイ
オードである。強磁性トンネル接合部302は、下部電極
層33と、下地層34と、反強磁性層35と、固定層36と、障
壁層37と、自由層38と、上部電極層39とが積層されてい
る。ここで、下部電極層33はダイオード部301と強磁性
トンネル接合部とを電気的に接続するためのものであ
り、例えばRu、Pt、Hf、Zr、Taなどを用いることができ
る。下地層34は、これより上に積層される反強磁性材
料、磁性材料の磁気特性などが結晶配向性により大きく
影響を受けるため、主に結晶配向性を制御するために設
けるものであり、具体的には、Ni-Fe系合金、あるいは
これにCr、Ta、Mo、Nbから選ばれる元素を少なくとも一
種類含む合金を用いることができる。また、反強磁性層
35は、強磁性材料からなる固定層36とその界面で交換結
合して、固定層36の磁化が外部磁界が作用した際にも動
かずに、ある基準の方向を常に向いているようにするた
めのものである。一方、自由層38も強磁性材料からなる
ものであるが、ある一定以上の大きさの外部磁界が作用
したときにその磁化の方向を変えて、情報を記憶する役
割を有する。反強磁性層35としては、Pt-Mn系合金、Pt-
Pd-Mn系合金、Cr-Mn-Pt系合金、Ni-Mn系合金、Ir-Mn系
合金、Ru-Rh-Mn系合金、Fe-Mn系合金を用いることがで
きる。固定層36および自由層38は、Ni、Fe、Coおよびそ
れらの合金であればよいが、障壁層37との界面にはスピ
ン分極率の大きな材料を用いることが望ましい。また、
障壁層37は薄いAlの酸化物であり、上部電極層39は、下
部電極層と同様にRu 、Pt、Hf、Zr、Taなどを用いるこ
とができる。
【００２３】自由層38は一軸異方性を有し、磁化容易軸
方向に2つの安定状態をとることができ、各々の方向が
”0”および ”1”の記憶情報に相当する。これに対し
て、前述のように、固定層36は反強磁性層35と交換結合
により一方向異方性を有している。自由層38の一軸異方
性の方向と固定層36の一方向異方性の方向を略平行にす
ることにより、自由層38と固定層36の磁化は、略平行状
態および略反平行状態をとることになる。強磁性トンネ
ル磁気抵抗効果においては、略平行なときはコンダクタ
ンスが大きく、略反平行なときはコンダクタンスが小さ
いので、それぞれ低抵抗状態と高抵抗状態となり、これ
らを ”0”あるいは ”1”の信号として取り出すことが
できる。
方向に2つの安定状態をとることができ、各々の方向が
”0”および ”1”の記憶情報に相当する。これに対し
て、前述のように、固定層36は反強磁性層35と交換結合
により一方向異方性を有している。自由層38の一軸異方
性の方向と固定層36の一方向異方性の方向を略平行にす
ることにより、自由層38と固定層36の磁化は、略平行状
態および略反平行状態をとることになる。強磁性トンネ
ル磁気抵抗効果においては、略平行なときはコンダクタ
ンスが大きく、略反平行なときはコンダクタンスが小さ
いので、それぞれ低抵抗状態と高抵抗状態となり、これ
らを ”0”あるいは ”1”の信号として取り出すことが
できる。
【００２４】自由層38の記憶情報の書き換えは、書き換
えを行いたいメモリ・セル（以下、選択セルと呼ぶ）に
おいて交差するワード線とビット線に適切な大きさの電
流を流すことにより、選択セルに磁化困難軸を越えるに
必要な磁界が印加されることにより行うことができる。
ここで、適切な大きさの電流とは、電流が流れるワード
線あるいはビット線に接続されているメモリ・セルのう
ち、書き換えを実行したくないメモリ・セル（以下、非
選択セルと呼ぶ）では、磁化困難軸を越えることができ
ない磁界しか作用しない電流の大きさ、すなわち磁化反
転が起こらない電流の大きさである。
えを行いたいメモリ・セル（以下、選択セルと呼ぶ）に
おいて交差するワード線とビット線に適切な大きさの電
流を流すことにより、選択セルに磁化困難軸を越えるに
必要な磁界が印加されることにより行うことができる。
ここで、適切な大きさの電流とは、電流が流れるワード
線あるいはビット線に接続されているメモリ・セルのう
ち、書き換えを実行したくないメモリ・セル（以下、非
選択セルと呼ぶ）では、磁化困難軸を越えることができ
ない磁界しか作用しない電流の大きさ、すなわち磁化反
転が起こらない電流の大きさである。
【００２５】図２のメモリ・セル30の構造において、自
由層38のみの構造を図３〜５に示す。図３は、強磁性層
のみ一層で構成される従来の自由層の構造である。この
構造では、メモリ・セルの面積が小サイズ化していく
と、熱揺らぎに対して情報を長期間保証できる体積を維
持するためには、膜厚を厚くしなければならず、それに
より外部磁界に対する感度が鈍くなり、情報を書き換え
るために磁化を反転させるために大きな電流値が必要に
なったり、磁化の反転が不安定になったり、という問題
が起こる。
由層38のみの構造を図３〜５に示す。図３は、強磁性層
のみ一層で構成される従来の自由層の構造である。この
構造では、メモリ・セルの面積が小サイズ化していく
と、熱揺らぎに対して情報を長期間保証できる体積を維
持するためには、膜厚を厚くしなければならず、それに
より外部磁界に対する感度が鈍くなり、情報を書き換え
るために磁化を反転させるために大きな電流値が必要に
なったり、磁化の反転が不安定になったり、という問題
が起こる。
【００２６】この問題を解決する手段として、自由層を
強磁性層と中間層が少なくとも5層以上積層し、中間層
を介して積層されている隣接する2層の強磁性層の磁化
が反強磁性的に配列させる方法が有効であり、図４およ
び図５に、その構造の例を示す。図４は、紙面右向きに
磁化が向いている第１の強磁性層381と、左向きの第２
の強磁性層383とが、中間層382を介して積層されてお
り、磁化の大きさは第２の強磁性層382に比べて第１の
強磁性層381が大きいため、これら全体で見ると右方向
の磁化成分を有している。図５は、同じ磁化の大きさを
有し、磁化の向きが紙面左方向を向いている第２強磁性
層385と右方向を向いている第３の強磁性層386が中間層
382を介して積層されており、さらにこれらよりも大き
な磁化を有する第１の強磁性層384が、中間層382を介し
て第２の強磁性層385のうち最上部に配置されているも
のと積層されているものであり、これら全体としてみる
と右方向の磁化成分を有している。
強磁性層と中間層が少なくとも5層以上積層し、中間層
を介して積層されている隣接する2層の強磁性層の磁化
が反強磁性的に配列させる方法が有効であり、図４およ
び図５に、その構造の例を示す。図４は、紙面右向きに
磁化が向いている第１の強磁性層381と、左向きの第２
の強磁性層383とが、中間層382を介して積層されてお
り、磁化の大きさは第２の強磁性層382に比べて第１の
強磁性層381が大きいため、これら全体で見ると右方向
の磁化成分を有している。図５は、同じ磁化の大きさを
有し、磁化の向きが紙面左方向を向いている第２強磁性
層385と右方向を向いている第３の強磁性層386が中間層
382を介して積層されており、さらにこれらよりも大き
な磁化を有する第１の強磁性層384が、中間層382を介し
て第２の強磁性層385のうち最上部に配置されているも
のと積層されているものであり、これら全体としてみる
と右方向の磁化成分を有している。
【００２７】図４および図５は、本発明の特定の実施例
であり、自由層が強磁性層と中間層の多層構造からな
り、中間層を介して隣接する強磁性層の磁化が反強磁性
的に配列しており、全体としていずれかの方向に磁化成
分を有していれば、これらの構成に限定されるものでな
い。
であり、自由層が強磁性層と中間層の多層構造からな
り、中間層を介して隣接する強磁性層の磁化が反強磁性
的に配列しており、全体としていずれかの方向に磁化成
分を有していれば、これらの構成に限定されるものでな
い。
【００２８】第１の強磁性層381および384、第２の強磁
性層383および385、第３の強磁性層386としては、Fe、C
o、Niおよびそれらの合金を用いることができるが、そ
のなかでも、Co-Fe合金、Co-Ni-Fe合金、Ni-Fe合金など
磁化の分散が小さく、比較的異方性分散が小さい一軸異
方性が誘導される材料を用いることが好ましい。中間層
382としては、Cr、Ru、Rh、Ir、Re及びそれらの合金を
用いることができるが、強磁性層としてCo-Fe合金、Co-
Ni-Fe合金、Ni-Fe合金などを用いる場合には、強い反強
磁性配列を得る目的でRuを用いることが好ましい。
性層383および385、第３の強磁性層386としては、Fe、C
o、Niおよびそれらの合金を用いることができるが、そ
のなかでも、Co-Fe合金、Co-Ni-Fe合金、Ni-Fe合金など
磁化の分散が小さく、比較的異方性分散が小さい一軸異
方性が誘導される材料を用いることが好ましい。中間層
382としては、Cr、Ru、Rh、Ir、Re及びそれらの合金を
用いることができるが、強磁性層としてCo-Fe合金、Co-
Ni-Fe合金、Ni-Fe合金などを用いる場合には、強い反強
磁性配列を得る目的でRuを用いることが好ましい。
【００２９】本発明の構造を用いた場合の効果について
説明する。図6は、異方性磁界 Hk=2.4 kA/m [30 Oe]、M
s=0.151 T [1510 G]のcase 1と、異方性磁界 Hk=1.6 kA
/m [20 Oe]、Ms=0.127 T [1270 G]のcase 2について、
(3)式 Hk・Ms・Vferro / 2 ・k・T (3) ここで、k：ボルツマン定数、T：強磁性トンネル磁気抵
抗効果素子の温度により、自由層の体積と熱揺らぎの指
標である Ku・V/k・T を計算した結果を示した図である。
この図より熱揺らぎ安定性が確保できる Ku・V/k・T ＞ 8
0 を満たす最小自由層体積が、case 1 では 1.745×105
nm3 であるのに対し、case 2 では3.108×105 nm3
と、約1.8倍も大きな体積が必要であることが分かる。
ここで、材料として考えてみると、case 1 の特性を満
たすような材料を自由層に用いると、熱揺らぎ安定性は
向上するが、大きな書き込み電流が必要となり、消費電
力の増大をもたらすため実用的ではない。これを考慮し
て異方性磁界 Hk を小さくした場合（具体的な材料とし
ては CoNiFe を想定）が case 2 である。
説明する。図6は、異方性磁界 Hk=2.4 kA/m [30 Oe]、M
s=0.151 T [1510 G]のcase 1と、異方性磁界 Hk=1.6 kA
/m [20 Oe]、Ms=0.127 T [1270 G]のcase 2について、
(3)式 Hk・Ms・Vferro / 2 ・k・T (3) ここで、k：ボルツマン定数、T：強磁性トンネル磁気抵
抗効果素子の温度により、自由層の体積と熱揺らぎの指
標である Ku・V/k・T を計算した結果を示した図である。
この図より熱揺らぎ安定性が確保できる Ku・V/k・T ＞ 8
0 を満たす最小自由層体積が、case 1 では 1.745×105
nm3 であるのに対し、case 2 では3.108×105 nm3
と、約1.8倍も大きな体積が必要であることが分かる。
ここで、材料として考えてみると、case 1 の特性を満
たすような材料を自由層に用いると、熱揺らぎ安定性は
向上するが、大きな書き込み電流が必要となり、消費電
力の増大をもたらすため実用的ではない。これを考慮し
て異方性磁界 Hk を小さくした場合（具体的な材料とし
ては CoNiFe を想定）が case 2 である。
【００３０】case 2 において、メモリ・セルが正方形
であると仮定して Ku・V/k・T ＞ 80を満たすのに必要な
自由層の面積と厚さを、正方形の一辺の長さが250 nm、
180nm、130 nm、100 nm である場合について計算した結
果を表1に示す。自由層の一辺が250 nmでは、自由層の
面積 Sは6.25×104 nm2 であるから、最小膜厚tは4.97
nm となる。同様の計算を行うと、一辺が180 nm、130 n
m、100 nmのときの最小膜厚は、それぞれ 9.59 nm、18.
4 nm、31.1 nm と、一辺の長さが短くなる程必要膜厚は
大きくなる。膜厚が厚くなり、自由層の一辺の長さの比
（表1のL/ｔ）が小さくなると、磁界に対する感度が鈍
くなるという問題があり、これを解決するためには強磁
性層一層の厚さを薄くする必要がある。なお、感度確保
のためには、L/tは40以上あることが好ましい。強磁性
層一層の厚さを薄いままに保ち、なおかつ熱揺らぎに対
して安定な自由層の必要膜厚を確保するためには、自由
層を強磁性層と中間層の積層構造として、中間層を介し
て隣接する強磁性層の磁を互いに反強磁性的に配列させ
ることにより、異方性磁界Hk及び飽和磁化Msの値を変え
ることなく、自由層の体積を大きくすることができる。
であると仮定して Ku・V/k・T ＞ 80を満たすのに必要な
自由層の面積と厚さを、正方形の一辺の長さが250 nm、
180nm、130 nm、100 nm である場合について計算した結
果を表1に示す。自由層の一辺が250 nmでは、自由層の
面積 Sは6.25×104 nm2 であるから、最小膜厚tは4.97
nm となる。同様の計算を行うと、一辺が180 nm、130 n
m、100 nmのときの最小膜厚は、それぞれ 9.59 nm、18.
4 nm、31.1 nm と、一辺の長さが短くなる程必要膜厚は
大きくなる。膜厚が厚くなり、自由層の一辺の長さの比
（表1のL/ｔ）が小さくなると、磁界に対する感度が鈍
くなるという問題があり、これを解決するためには強磁
性層一層の厚さを薄くする必要がある。なお、感度確保
のためには、L/tは40以上あることが好ましい。強磁性
層一層の厚さを薄いままに保ち、なおかつ熱揺らぎに対
して安定な自由層の必要膜厚を確保するためには、自由
層を強磁性層と中間層の積層構造として、中間層を介し
て隣接する強磁性層の磁を互いに反強磁性的に配列させ
ることにより、異方性磁界Hk及び飽和磁化Msの値を変え
ることなく、自由層の体積を大きくすることができる。
【００３１】自由層を強磁性層／中間層／強磁性層の３
層構造にする従来構造の場合には、L/tの値はたかだか
２倍になるだけであり、メモリ・セルのサイズが小さく
なると十分な感度が確保できなくなる。
層構造にする従来構造の場合には、L/tの値はたかだか
２倍になるだけであり、メモリ・セルのサイズが小さく
なると十分な感度が確保できなくなる。
【００３２】
【表１】
【００３３】以上では磁気ランダム・アクセス・メモリ
の実施の形態について述べたが、以下においては磁気記
録再生装置の再生素子の実施の形態について述べる。
の実施の形態について述べたが、以下においては磁気記
録再生装置の再生素子の実施の形態について述べる。
【００３４】図7は、その構造の一例である。基板上
に、例えばNi81Fe19膜からなる上部シールド層51、下部
シールド層52の間に、下部電極を兼ねた下部ギャップ層
46、反強磁性層45、固定層44、障壁層43、自由層42、上
部電極を兼ねた上部ギャップ層41からなるTMR効果磁気
抵抗センサ膜が配置されている。ここで、自由層42は、
図４あるいは図5に示した多層構造からなる。なお、TMR
効果磁気抵抗センサ膜と、上部シールド層51、下部シー
ルド層52の間には、例えば酸化アルミニウムと酸化シリ
コンの混合膜などの絶縁膜が形成されている。
に、例えばNi81Fe19膜からなる上部シールド層51、下部
シールド層52の間に、下部電極を兼ねた下部ギャップ層
46、反強磁性層45、固定層44、障壁層43、自由層42、上
部電極を兼ねた上部ギャップ層41からなるTMR効果磁気
抵抗センサ膜が配置されている。ここで、自由層42は、
図４あるいは図5に示した多層構造からなる。なお、TMR
効果磁気抵抗センサ膜と、上部シールド層51、下部シー
ルド層52の間には、例えば酸化アルミニウムと酸化シリ
コンの混合膜などの絶縁膜が形成されている。
【００３５】自由層42及び固定層44には、Ni-Fe、Co、C
o-Fe、Ni-Fe-Coおよびこれらの積層膜を用いることがで
きるが、障壁層43との界面には、スピン分極率の大きい
材料、例えばCo75Fe25、Ni40Fe60などを用いることが望
ましい。障壁層43は、Alの酸化物である。また、反強磁
性層25には、Pt-Mn系合金、Pt-Pd-Mn系合金、Cr-Mn-Pt
系合金、Ni-Mn系合金、Ru-Rh-Mn系合金、Ir-Mn系合金、
Fe-Mn系合金を用いることができ、交換結合磁界を向上
させるために面心構造を有する材料からなる下地層を設
けることもある。さらに、自由層42から発生するバルク
ハウゼンノイズを抑制するために、縦バイアス磁界を印
加する縦バイアス印加層を設けてもよい。
o-Fe、Ni-Fe-Coおよびこれらの積層膜を用いることがで
きるが、障壁層43との界面には、スピン分極率の大きい
材料、例えばCo75Fe25、Ni40Fe60などを用いることが望
ましい。障壁層43は、Alの酸化物である。また、反強磁
性層25には、Pt-Mn系合金、Pt-Pd-Mn系合金、Cr-Mn-Pt
系合金、Ni-Mn系合金、Ru-Rh-Mn系合金、Ir-Mn系合金、
Fe-Mn系合金を用いることができ、交換結合磁界を向上
させるために面心構造を有する材料からなる下地層を設
けることもある。さらに、自由層42から発生するバルク
ハウゼンノイズを抑制するために、縦バイアス磁界を印
加する縦バイアス印加層を設けてもよい。
【００３６】また、図8および図9は、磁気記録再生装置
の再生素子の別の構造の例である。図8は、上部シール
ド層51、下部シールド層52の間に、例えば膜厚10 nmのN
i81Fe19膜からなる磁束ガイド60を配置し、磁束ガイド6
0は、媒体対向面から素子高さ方向100に伸びており、媒
体対向面から離れた位置で、例えば膜厚0.8 nmのRuから
なるスペーサ層71を介して、TMR効果膜の自由層42と反
強磁性的に結合している。さらに、自由層42は、障壁層
43を介して、反強磁性層45との交換結合によりその磁化
の方向が拘束されている固定層44と積層されている。な
お、図中には、反強磁性層45の下に下地層46を設けてあ
るが、固定層44と反強磁性層45との間の交換結合が、安
定なヘッド動作を行うのに十分であるならば、特に設け
る必要はない。
の再生素子の別の構造の例である。図8は、上部シール
ド層51、下部シールド層52の間に、例えば膜厚10 nmのN
i81Fe19膜からなる磁束ガイド60を配置し、磁束ガイド6
0は、媒体対向面から素子高さ方向100に伸びており、媒
体対向面から離れた位置で、例えば膜厚0.8 nmのRuから
なるスペーサ層71を介して、TMR効果膜の自由層42と反
強磁性的に結合している。さらに、自由層42は、障壁層
43を介して、反強磁性層45との交換結合によりその磁化
の方向が拘束されている固定層44と積層されている。な
お、図中には、反強磁性層45の下に下地層46を設けてあ
るが、固定層44と反強磁性層45との間の交換結合が、安
定なヘッド動作を行うのに十分であるならば、特に設け
る必要はない。
【００３７】自由層42及び磁束ガイド60から発生するバ
ルクハウゼンノイズを抑制するために、磁束ガイド60上
に縦バイアス印加層63が積層されている。本実施の形態
では、自由層42がスペーサ層71を介して磁束ガイド60と
反強磁性的に結合しているため、磁束ガイド60に縦バイ
アス磁界を印加することにより、自由層42と磁束ガイド
60の両方のバルクハウゼンノイズを抑制することができ
る。また、上部電極61は縦バイアス印加層63に積層され
ており、下部電極47は下部シールド層52上に設けられて
いる。なお、磁束ガイド60及びTMR効果膜と、上部シー
ルド層51、下部シールド層52の間には、例えば酸化アル
ミニウムと酸化シリコンの混合膜などの絶縁膜が形成さ
れている。
ルクハウゼンノイズを抑制するために、磁束ガイド60上
に縦バイアス印加層63が積層されている。本実施の形態
では、自由層42がスペーサ層71を介して磁束ガイド60と
反強磁性的に結合しているため、磁束ガイド60に縦バイ
アス磁界を印加することにより、自由層42と磁束ガイド
60の両方のバルクハウゼンノイズを抑制することができ
る。また、上部電極61は縦バイアス印加層63に積層され
ており、下部電極47は下部シールド層52上に設けられて
いる。なお、磁束ガイド60及びTMR効果膜と、上部シー
ルド層51、下部シールド層52の間には、例えば酸化アル
ミニウムと酸化シリコンの混合膜などの絶縁膜が形成さ
れている。
【００３８】図8では、磁束ガイドは１枚の磁束ガイド6
0で構成されているが、図9に示すように、第１の磁束ガ
イド部160と第２の磁束ガイド部161の2つの部分で構成
してもよい。TMR効果膜の自由層42と磁束ガイドとは、
第１の磁束ガイド部160の一部でスペーサ層71を介して
反強磁性的に結合している。第１の磁束ガイド部160と
第２の磁束ガイド部161は、TMR効果膜が配置されている
位置よりも、より素子高さ方向に奥まった位置で接して
おり、これらの磁束ガイド部は磁気回路を形成してお
り、媒体から侵入した磁界が磁気回路に沿って通り抜け
る。なお、上部電極61及び下部電極47の配置は、TMR効
果磁気抵抗センサ膜の膜厚方向にセンス電流が供給でき
れば、必ずしも本図の限りではない。縦バイアス印加層
は、２つの磁束ガイド部160と161の両脇に設けてある。
２つの磁束ガイド部160と161で挟まれた部分に配置され
ているのは、非磁性ギャップ層65である。
0で構成されているが、図9に示すように、第１の磁束ガ
イド部160と第２の磁束ガイド部161の2つの部分で構成
してもよい。TMR効果膜の自由層42と磁束ガイドとは、
第１の磁束ガイド部160の一部でスペーサ層71を介して
反強磁性的に結合している。第１の磁束ガイド部160と
第２の磁束ガイド部161は、TMR効果膜が配置されている
位置よりも、より素子高さ方向に奥まった位置で接して
おり、これらの磁束ガイド部は磁気回路を形成してお
り、媒体から侵入した磁界が磁気回路に沿って通り抜け
る。なお、上部電極61及び下部電極47の配置は、TMR効
果磁気抵抗センサ膜の膜厚方向にセンス電流が供給でき
れば、必ずしも本図の限りではない。縦バイアス印加層
は、２つの磁束ガイド部160と161の両脇に設けてある。
２つの磁束ガイド部160と161で挟まれた部分に配置され
ているのは、非磁性ギャップ層65である。
【００３９】これらの実施の形態においても、自由層42
は、図４あるいは図5に示した多層構造であり、これに
より熱揺らぎに対して安定な再生素子を有する磁気記録
再生装置を得ることができた。
は、図４あるいは図5に示した多層構造であり、これに
より熱揺らぎに対して安定な再生素子を有する磁気記録
再生装置を得ることができた。
【００４０】
【発明の効果】上述してきたように、本発明によれば、
自由層を強磁性層と中間層を少なくとも5層以上積層
し、中間層を介して隣接する2層の強磁性層の磁化を反
強磁性的に配列させることにより、熱揺らぎに対して安
定な強磁性トンネル磁気抵抗効果素子、さらにはそれを
利用した磁気ランダム・アクセス・メモリあるいは磁気
記録再生ヘッドを得ることができる。
自由層を強磁性層と中間層を少なくとも5層以上積層
し、中間層を介して隣接する2層の強磁性層の磁化を反
強磁性的に配列させることにより、熱揺らぎに対して安
定な強磁性トンネル磁気抵抗効果素子、さらにはそれを
利用した磁気ランダム・アクセス・メモリあるいは磁気
記録再生ヘッドを得ることができる。
【図１】磁気ランダム・アクセス・メモリの構造を示す
図。
図。
【図２】強磁性トンネル磁気抵抗効果を利用したメモリ
・セルの構造を示す図。
・セルの構造を示す図。
【図３】従来の強磁性トンネル磁気抵抗効果素子の自由
層の構造を示す図。
層の構造を示す図。
【図４】本発明の強磁性トンネル磁気抵抗効果素子の自
由層の構造を示す図。
由層の構造を示す図。
【図５】本発明の強磁性トンネル磁気抵抗効果素子の自
由層の他の構造を示す図。
由層の他の構造を示す図。
【図６】自由層体積とKu・V/k・Tの関係を示す図。
【図７】強磁性トンネル磁気抵抗効果を利用した磁気記
録再生装置の再生素子の構造を示す図。
録再生装置の再生素子の構造を示す図。
【図８】強磁性トンネル磁気抵抗効果を利用した磁気記
録再生装置の再生素子の他の構造を示す図。
録再生装置の再生素子の他の構造を示す図。
【図９】強磁性トンネル磁気抵抗効果を利用した磁気記
録再生装置の再生素子の他の構造を示す図。
録再生装置の再生素子の他の構造を示す図。
21, 22, 23：ワード線、24, 25, 26：ビット線、30：メ
モリ・セル、301：ダイオード部、302：強磁性トンネル
接合部、31：n型シリコン層、32：p型シリコン層、33：
下部電極層、34：下地層、35, 45：反強磁性層、36, 4
4：固定層、37,43：障壁層、38, 42：自由層、39：上部
電極層、381, 384：第１の強磁性層、382：中間層、38
3, 385：第２の強磁性層、386：第３の強磁性層、41：
上部ギャップ層、46：下部ギャップ層、47：下部電極、
51：上部シールド層、52：下部シールド層、60：磁束ガ
イド、160：第１の磁束ガイド部、161：第２の磁束ガイ
ド部、61：上部電極、65：非磁性ギャップ層、71：スペ
ーサ層、100：素子高さ方向、101：トラック幅方向。
モリ・セル、301：ダイオード部、302：強磁性トンネル
接合部、31：n型シリコン層、32：p型シリコン層、33：
下部電極層、34：下地層、35, 45：反強磁性層、36, 4
4：固定層、37,43：障壁層、38, 42：自由層、39：上部
電極層、381, 384：第１の強磁性層、382：中間層、38
3, 385：第２の強磁性層、386：第３の強磁性層、41：
上部ギャップ層、46：下部ギャップ層、47：下部電極、
51：上部シールド層、52：下部シールド層、60：磁束ガ
イド、160：第１の磁束ガイド部、161：第２の磁束ガイ
ド部、61：上部電極、65：非磁性ギャップ層、71：スペ
ーサ層、100：素子高さ方向、101：トラック幅方向。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｆ 10/30 Ｇ０１Ｒ 33/06 Ｒ Ｈ０１Ｌ 27/105 Ｈ０１Ｌ 27/10 ４４７ Ｆターム(参考） 2G017 AA01 AB05 AD55 AD57 AD61 AD63 AD65 5D034 BA03 BA08 BA12 BA15 CA04 CA08 5E049 AA10 AC05 BA06 BA12 BA16 DB12 DB18 5F083 FZ10
Claims (7)
- 【請求項１】第１磁性層と、強磁性層と中間層とが少な
くとも5層以上積層されている多層構造との間にトンネ
ル障壁層が形成されており、前記第１磁性層は作用する
外部磁界に対してその磁化の方向が拘束されており、前
記多層構造を構成する強磁性層は外部磁界に対してその
磁化の方向が回転し、その磁化が前記中間層を介して反
強磁性的に配列しており、前記第１磁性層と前記多層構
造を構成する強磁性層の磁化の相対的な角度によって抵
抗が変化する強磁性トンネル磁気抵抗効果膜と、 前記
強磁性トンネル磁気抵抗効果膜にセンス電流を供給する
ための下部および上部磁性層に電気的に接している下部
及び上部電極と、 抵抗変化を検出するための検出手段を有することを特徴
とする強磁性トンネル磁気抵抗効果素子。 - 【請求項２】前記強磁性層が、Fe、Co、Niおよびそれら
の合金であることを特徴とする請求項１記載の強磁性ト
ンネル磁気抵抗効果素子。 - 【請求項３】前記中間層が、Cr、Ru、Rh、Ir、Re及びそ
れらの合金であることを特徴とする請求項1記載の強磁
性トンネル磁気抵抗効果素子。 - 【請求項４】前記強磁性層がCo-Fe合金、Co-Ni-Fe合
金、Ni-Fe合金であり、前記中間層がRuであることを特
徴とする請求項1記載の強磁性トンネル磁気抵抗効果素
子。 - 【請求項５】前記外部磁界に対して磁化の方向が回転す
る磁性層の平均の異方性磁界 Hk と、平均の飽和磁化 M
sと、前記外部磁界に対して磁化の方向が回転する磁性
層を構成する各強磁性層の体積の和 Vferro との間に、 Hk・Ms・Vferro / 2 > 80・k・T ここで、k：ボルツマン定数、T：強磁性トンネル磁気抵
抗効果素子の温度が成り立つことを特徴とする特許請求
項1記載の強磁性トンネル磁気抵抗効果素子。 - 【請求項６】第１およびの第２の複数の導線が複数の交
差領域を形成し、前記複数の交差領域に磁気的に情報を
記憶するセルを有する磁気メモリにおいて、 前記磁気的に情報を記憶するセルが、作用する外部磁界
に対してその磁化の方向が拘束されて第１磁性層と、前
記外部磁界に対して磁化の方向が回転する強磁性層と中
間層とが少なくとも5層以上積層されている多層構造と
の間にトンネル障壁層が形成され、前記多層構造を構成
する隣接する強磁性層は中間層を介してその磁化が反強
磁性的に配列しており、前記第１磁性層と前記多層構造
を構成する強磁性層の磁化の相対的な角度によって抵抗
が変化する強磁性トンネル磁気抵抗効果膜と、 前記トンネル磁気抵抗効果膜にセンス電流を供給するた
めの下部および上部磁性層に電気的に接している下部及
び上部電極とを有することを特徴とする磁気メモリ。 - 【請求項７】磁気抵抗センサ膜と、前記磁気抵抗センサ
膜に信号検出電流を流すための電極と、前記磁気抵抗セ
ンサ膜の電気抵抗変化を検知する手段を有する磁気抵抗
効果型ヘッドにおいて、 前記磁気抵抗センサ膜が、作用する外部磁界に対してそ
の磁化の方向が拘束されて第１磁性層と、前記外部磁界
に対して磁化の方向が回転する強磁性層と中間層とが少
なくとも5層以上積層されている多層構造との間にトン
ネル障壁層が形成され、前記多層構造を構成する隣接す
る強磁性層は中間層を介してその磁化が反強磁性的に配
列しており、前記第１磁性層と前記多層構造を構成する
強磁性層の磁化の相対的な角度によって抵抗が変化する
ことを特徴とする磁気抵抗効果型ヘッド。
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| JP2000347446A JP2002151758A (ja) | 2000-11-09 | 2000-11-09 | 強磁性トンネル磁気抵抗効果素子、磁気メモリ及び磁気抵抗効果型ヘッド |
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