JP2003318462A - Magnetoresistance effect element and magnetic head and magnetic memory using the element - Google Patents

Magnetoresistance effect element and magnetic head and magnetic memory using the element

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JP2003318462A
JP2003318462A JP2002119830A JP2002119830A JP2003318462A JP 2003318462 A JP2003318462 A JP 2003318462A JP 2002119830 A JP2002119830 A JP 2002119830A JP 2002119830 A JP2002119830 A JP 2002119830A JP 2003318462 A JP2003318462 A JP 2003318462A
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magnetic
magnetic layer
alloy
effect element
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Yasunari Sugita
康成 杉田
Yasuhiro Kawawake
康博 川分
Nozomi Matsukawa
望 松川
Akihiro Odakawa
明弘 小田川
Yoshio Kawashima
良男 川島
Mitsuo Satomi
三男 里見
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a magnetoresistance effect element (MR element) including an antiferromagnetic layer, a fixed magnetic layer, a non-magnetic layer, and a free magnetic layer, capable of holding a high soft magnetic characteristic even when the MR element is miniaturized and having heat resistance corresponding to a manufacturing process of a high temperature and to provide a magnetic head of high sensitivity and high output and a magnetic memory (MRAM) of high density. <P>SOLUTION: A Ni-Fe-X alloy layer is laminated at least on one face of a multilayer film unit including the antiferromagnetic layer, the fixed magnetic layer, the non-magnetic layer, and the free magnetic layer to provide the MR element suppressing the deterioration of the soft magnetic characteristic of the free magnetic layer and having heat resistance. Further the magnetic head of high sensitivity and high output and the MRAM of high density can be provided by using the MR element. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、磁気抵抗効果素子
(以下、「MR素子」と記す)と、これを用いた磁気デ
バイスである磁気ヘッドおよび磁気メモリに関するもの
である。本発明のMR素子は、磁気ディスク、光磁気デ
ィスクおよび磁気テープなどの媒体に対して用いられる
高密度磁気記録再生ヘッドや、自動車などに用いられる
磁気センサー、および磁気ランダムアクセスメモリなど
の用途に適している。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a magnetoresistive effect element (hereinafter referred to as "MR element"), a magnetic head and a magnetic memory which are magnetic devices using the same. The MR element of the present invention is suitable for high density magnetic recording / reproducing heads used for media such as magnetic disks, magneto-optical disks and magnetic tapes, magnetic sensors used for automobiles, and magnetic random access memories. ing.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、電子のスピンに依存した伝導現象
に基づく磁気抵抗効果(MR効果)を、磁気ヘッドや磁
気メモリ(Magnetic Random Access Memory(MRA
M))などに応用するための開発が盛んに行われてい
る。MR効果は、[磁性層/非磁性層/磁性層]の構造
を含む多層膜において、非磁性層を介して隣り合う磁性
層同士の磁化方向の相対角度に応じて抵抗値が異なる現
象である。一般に、磁化方向が平行の場合に抵抗値が最
も小さく、逆に反平行の場合に抵抗値が最も大きくな
る。このようなMR効果を利用した素子を、MR素子と
呼ぶ。MR素子のうち、非磁性層としてCuなどの導電性
材料を用いたものをGMR素子という。GMR素子に
は、電流を膜面に平行に流すもの(CIP−GMR:Cu
rrent In Plane−GMR)と、電流を膜面に垂直に流す
もの(CPP−GMR:Current Perpendicular to Pla
ne−GMR)がある。また、非磁性層にAl2O3などの絶
縁性材料を用いたMR素子をTMR素子という。TMR
素子では、非磁性層を挟む磁性層のスピン分極率が高い
ほど大きな磁気抵抗変化率(MR比)を得ることができ
る。現在、大きなMR比を発現するMR素子として、こ
のTMR素子が期待されている。
2. Description of the Related Art In recent years, the magnetoresistive effect (MR effect) based on the conduction phenomenon depending on the spin of electrons has been used in a magnetic head and a magnetic random access memory (MRA).
M)) etc. are being actively developed. The MR effect is a phenomenon in which a resistance value varies depending on the relative angle of the magnetization directions of the magnetic layers adjacent to each other in the multilayer film including the structure of [magnetic layer / nonmagnetic layer / magnetic layer]. . Generally, the resistance value is smallest when the magnetization directions are parallel, and conversely, the resistance value is largest when anti-parallel. An element utilizing such an MR effect is called an MR element. Among MR elements, those using a conductive material such as Cu as the non-magnetic layer are called GMR elements. The GMR element is one in which an electric current flows parallel to the film surface (CIP-GMR: Cu
rrent In Plane-GMR) and one that allows current to flow perpendicularly to the film surface (CPP-GMR: Current Perpendicular to Pla
ne-GMR). An MR element using an insulating material such as Al 2 O 3 for the non-magnetic layer is called a TMR element. TMR
In the element, the higher the spin polarizability of the magnetic layers sandwiching the non-magnetic layer, the larger the magnetoresistance change rate (MR ratio) can be obtained. At present, this TMR element is expected as an MR element exhibiting a large MR ratio.

【0003】また、GMR素子やTMR素子などのMR
素子を微小磁界で動作するデバイスとして利用するため
に、スピンバルブ型と呼ばれるMR素子が提案されてい
る。スピンバルブ型MR素子では、非磁性層を挟む一方
の磁性層(固定磁性層)の磁化方向が、反強磁性体を含
む反強磁性層からの交換バイアス磁界によって固定され
ている。これに対し、もう一方の磁性層(自由磁性層)
の磁化方向は外部磁界に対して自由に動くことができる
ため、固定磁性層と自由磁性層との間の磁化方向の相対
角度を容易に変化させることができる。このようなスピ
ンバルブ型MR素子はGMR素子においてすでに磁気ヘ
ッドに応用されており、GMR素子に比べて高出力であ
るTMR素子を用いたスピンバルブ型MR素子を、次世
代磁気ヘッドや高密度のMRAMなどに応用することが
期待されている。
MR such as GMR element and TMR element
An MR element called a spin valve type has been proposed in order to use the element as a device that operates in a minute magnetic field. In the spin-valve MR element, the magnetization direction of one magnetic layer (fixed magnetic layer) sandwiching the non-magnetic layer is fixed by the exchange bias magnetic field from the antiferromagnetic layer containing the antiferromagnetic material. On the other hand, the other magnetic layer (free magnetic layer)
Since the magnetization direction of can move freely with respect to the external magnetic field, the relative angle of the magnetization direction between the fixed magnetic layer and the free magnetic layer can be easily changed. Such a spin-valve MR element has already been applied to a magnetic head in a GMR element, and a spin-valve MR element using a TMR element, which has a higher output than a GMR element, is used in a next-generation magnetic head or a high-density magnetic head. It is expected to be applied to MRAM and the like.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】スピンバルブ型MR素
子を、磁気ヘッドやMRAMなどのデバイスに応用する
ためには、出力をより向上、安定させる必要がある。ま
た、素子には、デバイスの製造プロセスに耐えることの
できる耐熱性が求められている。例えば、磁気ヘッドを
製造する過程では、一般に250℃〜300℃程度の熱処理が
行われる。ハードディスクドライブ(HDD)に搭載さ
れる場合には、その動作環境温度(例えば150℃程度)
において長時間安定して動作することが要求される。ま
た、MR素子をCMOS上に作製してMRAMデバイス
として応用する研究が進んでいるが、CMOS製造プロ
セスではさらに高温の熱処理(400℃〜450℃)を行うこ
とが不可避である。
In order to apply the spin valve MR element to a device such as a magnetic head or MRAM, it is necessary to further improve and stabilize the output. Further, the element is required to have heat resistance capable of withstanding the manufacturing process of the device. For example, in the process of manufacturing a magnetic head, heat treatment is generally performed at about 250 ° C to 300 ° C. When mounted on a hard disk drive (HDD), the operating environment temperature (for example, about 150 ℃)
It is required to operate stably for a long time. Further, researches are underway to manufacture MR elements on CMOS and apply them as MRAM devices, but in the CMOS manufacturing process, it is inevitable to perform heat treatment at a higher temperature (400 ° C. to 450 ° C.).

【0005】素子の出力向上のためには、自由磁性層の
膜厚を低減して磁化量を小さくし、外部磁界に対する感
度を向上させることが有力な手段である。しかし、この
方法では、自由磁性層の軟磁気特性(保磁力、異方性磁
界など)が劣化するなどの問題が起きる可能性がある。
また、高温の熱処理を行った場合、自由磁性層と自由磁
性層に隣接する層との間で界面拡散が生じたり、自由磁
性層を構成する磁性膜の微細構造が変化したりすること
により、同じく自由磁性層の軟磁気特性が劣化する可能
性がある。自由磁性層の軟磁気特性が劣化した場合、素
子の出力は低下し、デバイスへの応用が難しくなる。
In order to improve the output of the device, reducing the film thickness of the free magnetic layer to reduce the amount of magnetization and improving the sensitivity to an external magnetic field are effective means. However, this method may cause problems such as deterioration of the soft magnetic properties (coercive force, anisotropic magnetic field, etc.) of the free magnetic layer.
Further, when high-temperature heat treatment is performed, interface diffusion occurs between the free magnetic layer and a layer adjacent to the free magnetic layer, or the fine structure of the magnetic film forming the free magnetic layer changes, Similarly, the soft magnetic properties of the free magnetic layer may deteriorate. When the soft magnetic characteristics of the free magnetic layer deteriorate, the output of the element decreases and it becomes difficult to apply it to a device.

【0006】その他、MRAMの大容量化などのために
MR素子の微細化が求められているが、素子面積を小さ
くした場合、一般に、自由磁性層の保磁力が増大し、素
子の出力が低下する。増大した保磁力を低減するために
は、自由磁性層の膜厚を低減し磁化量を小さくすること
が有力な方法であるが、膜厚を低減した場合、上記の例
と同様の問題が起きる可能性がある。
In addition, miniaturization of the MR element is required to increase the capacity of the MRAM. However, when the element area is reduced, the coercive force of the free magnetic layer generally increases and the output of the element decreases. To do. In order to reduce the increased coercive force, it is effective to reduce the film thickness of the free magnetic layer to reduce the amount of magnetization, but when the film thickness is reduced, the same problem as in the above example occurs. there is a possibility.

【0007】このように、スピンバルブ型MR素子を磁
気ヘッドやMRAMなどに応用する場合、素子の出力、
感度向上、微細化などに伴う自由磁性層の薄膜化と同時
に、素子の耐熱性が大きな課題となる。
As described above, when the spin-valve MR element is applied to a magnetic head or MRAM, the output of the element,
At the same time as the free magnetic layer becomes thinner due to improved sensitivity and miniaturization, heat resistance of the device becomes a major issue.

【0008】そこで、本発明は、磁性層の膜厚が薄い場
合でも良好な軟磁気特性を有し、高出力かつ耐熱性に優
れたMR素子を提供することを目的とする。また、上記
MR素子を用いた磁気ヘッドおよび磁気メモリを提供す
ることを目的とする。
Therefore, an object of the present invention is to provide an MR element having good soft magnetic characteristics even when the thickness of the magnetic layer is thin, high output and excellent heat resistance. It is another object of the present invention to provide a magnetic head and a magnetic memory using the MR element.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の磁気抵抗効果素子は、反強磁性層と、上記
反強磁性層と磁気的に結合した固定磁性層と、非磁性層
と、上記固定磁性層よりも磁化方向が相対的に回転しや
すい自由磁性層とを含む多層膜ユニットが基板上に形成
され、上記非磁性層を介して上記固定磁性層と上記自由
磁性層とが積層された構造を含む磁気抵抗効果素子であ
って、上記多層膜ユニットの少なくとも一方の面に、Ni
-Fe-X合金層を積層した構造を含むことを特徴としてい
る。ただし、Xは、Cr、V、Nb、Pt、Pd、Rh、Ru、Ir、Cu
およびAuから選ばれる少なくとも1種の元素である。
In order to achieve the above object, a magnetoresistive effect element of the present invention comprises an antiferromagnetic layer, a fixed magnetic layer magnetically coupled to the antiferromagnetic layer, and a nonmagnetic layer. A multi-layer unit including a layer and a free magnetic layer in which the magnetization direction is more easily rotated than the pinned magnetic layer, is formed on the substrate, and the pinned magnetic layer and the free magnetic layer are interposed via the non-magnetic layer. A magnetoresistive effect element including a structure in which and are laminated, wherein at least one surface of the multilayer film unit has a Ni
-It is characterized by including a structure in which Fe-X alloy layers are laminated. However, X is Cr, V, Nb, Pt, Pd, Rh, Ru, Ir, Cu
And at least one element selected from Au.

【0010】上記のような構造とすることで、磁性層の
膜厚が薄い場合でも良好な軟磁気特性を有し、高出力か
つ耐熱性に優れたMR素子を得ることができる。
With the above-mentioned structure, it is possible to obtain an MR element having good soft magnetic characteristics, high output and excellent heat resistance even when the magnetic layer has a small thickness.

【0011】本発明の磁気ヘッドは、上記に記載の磁気
抵抗効果素子と、上記磁気抵抗効果素子により検知すべ
き磁界以外の磁界の、上記素子への導入を制限する磁気
シールドとを備えたことを特徴としている。また、本発
明の磁気ヘッドは、上記に記載の磁気抵抗効果素子と、
上記磁気抵抗効果素子に検知すべき磁界を導入するヨ−
クとを備えたことを特徴としていてもよい。
A magnetic head of the present invention comprises the magnetoresistive effect element described above and a magnetic shield for limiting introduction of a magnetic field other than the magnetic field to be detected by the magnetoresistive effect element into the element. Is characterized by. Further, the magnetic head of the present invention, the magnetoresistive effect element described above,
A yaw for introducing a magnetic field to be detected into the magnetoresistive effect element.
It may be characterized in that it is provided with ku.

【0012】上記のような構造とすることで、耐熱性に
優れた、高感度高出力の磁気ヘッドを得ることができ
る。
With the above structure, it is possible to obtain a magnetic head having high heat resistance and high sensitivity and high output.

【0013】本発明の磁気メモリは、上記に記載の磁気
抵抗効果素子と、上記磁気抵抗効果素子に情報を記録す
るための情報記録用導体線と、上記情報を読み出すため
の情報読出用導体線とを備えたことを特徴としている。
A magnetic memory according to the present invention includes the magnetoresistive effect element described above, an information recording conductor line for recording information on the magnetoresistive effect element, and an information reading conductor line for reading the information. It is characterized by having and.

【0014】上記のような構造とすることで、耐熱性に
優れた高密度な磁気メモリを得ることができる。
With the above structure, a high-density magnetic memory having excellent heat resistance can be obtained.

【0015】[0015]

【発明の実施の形態】最初に、本発明におけるMR素子
について、図面を参照しながら説明する。
First, an MR element according to the present invention will be described with reference to the drawings.

【0016】図1は、本発明におけるMR素子の例を示
す断面図である。
FIG. 1 is a sectional view showing an example of an MR element according to the present invention.

【0017】図1に示す例では、基板60側から、反強
磁性層10、固定磁性層20、非磁性層30、自由磁性
層40、Ni-Fe-X合金層50が順に積層されている。こ
の素子では、反強磁性層、固定磁性層、非磁性層および
自由磁性層を含む多層膜ユニットにおける基板と反対側
の面に接するように、Ni-Fe-X合金層が配置されてい
る。
In the example shown in FIG. 1, the antiferromagnetic layer 10, the pinned magnetic layer 20, the nonmagnetic layer 30, the free magnetic layer 40, and the Ni—Fe—X alloy layer 50 are sequentially laminated from the substrate 60 side. . In this element, a Ni-Fe-X alloy layer is arranged so as to be in contact with the surface of the multilayer film unit including the antiferromagnetic layer, the pinned magnetic layer, the nonmagnetic layer and the free magnetic layer opposite to the substrate.

【0018】また、図1に示す素子では、反強磁性層1
0からの交換バイアス磁界によって固定磁性層20に一
方向の磁界異方性が生じており、その磁化方向は外部磁
界に対して容易に回転しない。これに対し、自由磁性層
40の磁化方向は相対的に回転しやすく、スピンバルブ
型のMR素子となっている。
In the element shown in FIG. 1, the antiferromagnetic layer 1
The exchange bias magnetic field from 0 causes magnetic field anisotropy in one direction in the pinned magnetic layer 20, and its magnetization direction does not easily rotate with respect to the external magnetic field. On the other hand, the magnetization direction of the free magnetic layer 40 is relatively easy to rotate, and it is a spin valve type MR element.

【0019】なお、後述するが、図1に示すMR素子を
実際のデバイスとして用いる場合、必要に応じてさらに
電極などが設けられる。また、図1に示す非磁性層30
は絶縁性材料からなる(TMRである)が、導電性材料
からなる層であっても(GMRであっても)構わない。
以降の図2〜図5に示す例においても同様である。
As will be described later, when the MR element shown in FIG. 1 is used as an actual device, electrodes and the like are further provided if necessary. In addition, the nonmagnetic layer 30 shown in FIG.
Is made of an insulating material (TMR), but may be a layer made of a conductive material (GMR).
The same applies to the examples shown in FIGS. 2 to 5 below.

【0020】自由磁性層40は、軟磁気特性に優れてい
ることが重要であり、例えば、式Ni pCoqFerで示される
組成を有する金属Aを用いることができる。p、qおよ
びrは、0≦p≦1、0≦q≦1、0≦r≦1、p+q+r=
1の範囲で、必要な特性に応じて調整される。
The free magnetic layer 40 has excellent soft magnetic characteristics.
Is important, for example the formula Ni pCoqFerIndicated by
A metal A having a composition can be used. p, q and
And r are 0 ≦ p ≦ 1, 0 ≦ q ≦ 1, 0 ≦ r ≦ 1, p + q + r =
It is adjusted according to the required characteristics in the range of 1.

【0021】金属Aが3成分系である場合(p≠0、q≠
0、r≠0)、0.6≦p≦0.9、0<q≦0.4、0<r≦0.3で
示される範囲、または0<p≦0.4、0.2≦q≦0.95、0<
r≦0.5で示される範囲のものが好適である。金属AがNi
とFeの2成分系である場合(p≠0、q=0、r≠0)、
0.6≦p<1で示される範囲のものが好ましい。また、金
属AがCoとFeの2成分系である場合(p=0、q≠0、r
≠0)、0.7≦q≦0.95で示される範囲のものが好まし
い。
When the metal A is a ternary system (p ≠ 0, q ≠
0, r ≠ 0), 0.6 ≦ p ≦ 0.9, 0 <q ≦ 0.4, 0 <r ≦ 0.3, or 0 <p ≦ 0.4, 0.2 ≦ q ≦ 0.95, 0 <
The range of r ≦ 0.5 is preferable. Metal A is Ni
And a binary system of Fe (p ≠ 0, q = 0, r ≠ 0),
The range of 0.6 ≦ p <1 is preferable. When the metal A is a binary system of Co and Fe (p = 0, q ≠ 0, r
≠ 0), and the range of 0.7 ≦ q ≦ 0.95 is preferable.

【0022】あるいは、Co-Fe-B、Co-Mn-B、Fe-Co-Siな
どの3d遷移金属を主体とするアモルファス磁性材料など
も軟磁気特性に優れているため用いることができる。ま
た、必要に応じて複数の磁性材料を積層することもでき
る。
Alternatively, amorphous magnetic materials such as Co-Fe-B, Co-Mn-B, and Fe-Co-Si mainly containing 3d transition metals can be used because they have excellent soft magnetic characteristics. Further, a plurality of magnetic materials can be laminated if necessary.

【0023】自由磁性層40としては、上記の組成を有
する磁性膜を用いることができる。また、複数の上記磁
性膜の積層膜であってもよい。なお、自由磁性層40
は、センサーやMRヘッド用として要求される低磁歪特
性値である1×10-5以下であることが好ましい。
As the free magnetic layer 40, a magnetic film having the above composition can be used. Further, it may be a laminated film of a plurality of the above magnetic films. The free magnetic layer 40
Is preferably 1 × 10 −5 or less, which is a low magnetostrictive characteristic value required for sensors and MR heads.

【0024】固定磁性層20としては、磁気異方性の大
きい磁性材料を含む磁性膜を用いることが好ましい。磁
気異方性の大きい磁性材料として、例えば、Co、Co-Fe
合金などや、あるいはCo-Pt合金およびFe-Pt合金に代表
される、式M-Dで示される組成を有する高保磁力磁性材
料(ただし、Mは、Fe、CoおよびNiから選ばれる少なく
とも1種の元素であり、Dは、Pt、Rh、Pd、Ru、Cr、R
e、IrおよびTaから選ばれる少なくとも1種の元素であ
る)など、その他、Co-Sm合金に代表される磁性元素-希
土類元素合金などを用いることができる。しかし、スピ
ンバルブ型MR素子では、反強磁性層10によって固定
磁性層20の磁化方向が固定可能なため、上記した軟磁
気特性に優れる磁性材料を用いることもできる。
As the pinned magnetic layer 20, it is preferable to use a magnetic film containing a magnetic material having large magnetic anisotropy. Examples of magnetic materials having large magnetic anisotropy include Co and Co-Fe.
Alloy or the like, or a high coercive force magnetic material having a composition represented by the formula MD represented by Co-Pt alloy and Fe-Pt alloy (where M is at least one element selected from Fe, Co and Ni) And D is Pt, Rh, Pd, Ru, Cr, R
(At least one element selected from e, Ir and Ta), and other magnetic element-rare earth element alloys represented by Co-Sm alloys can be used. However, in the spin-valve MR element, since the magnetization direction of the pinned magnetic layer 20 can be fixed by the antiferromagnetic layer 10, the above-mentioned magnetic material having excellent soft magnetic characteristics can also be used.

【0025】反強磁性層10としては、式Z-Mnで示され
る(ただし、Zは、Pt、Ni、Pd、Cr、Rh、Re、Ir、Ruお
よびFeから選ばれる少なくとも1種の元素である)組成
を有するMn合金を含むことが好ましい。なかでもMn合金
として、Pt-Mn、Pd-Mn、Pd-Pt-Mn、Ni-Mn、Ir-Mn、Cr-P
t-Mn、Ru-Rh-Mn、Fe-Mnなどが特に好ましい。上記Mn合
金と強磁性体との間に働く交換結合エネルギーは、他の
反強磁性体(NiO、CrAl、α-Fe2O3など)を用いた場合
よりも大きく、微小磁界下においても、より出力の大き
い安定したMR素子とすることができる。
The antiferromagnetic layer 10 is represented by the formula Z-Mn (where Z is at least one element selected from Pt, Ni, Pd, Cr, Rh, Re, Ir, Ru and Fe). It is preferable to include an Mn alloy having a certain composition. Among them, as Mn alloys, Pt-Mn, Pd-Mn, Pd-Pt-Mn, Ni-Mn, Ir-Mn, Cr-P
Particularly preferred are t-Mn, Ru-Rh-Mn, Fe-Mn and the like. The exchange coupling energy that acts between the Mn alloy and the ferromagnetic material is larger than that when using other antiferromagnetic materials (NiO, CrAl, α-Fe 2 O 3, etc.), and even under a small magnetic field, A stable MR element with a larger output can be obtained.

【0026】非磁性層30は、導電性材料および絶縁性
材料のいずれから構成されていても構わない(GMR素
子としてもTMR素子としても用いることができる)。
導電性材料としては、Cu、Ag、Au、CrおよびRuから選ば
れる少なくとも1種の元素を含む材料が、大きなMR比
が得られるため好ましい。この場合、非磁性層30の膜
厚は1.5nm以上5.0nm以下が好ましい。絶縁性材料と
しては、Mg-Oなどを用いてもよいが、絶縁特性に優れ
た、Alの酸化物、窒化物および酸窒化物から選ばれる少
なくとも1種の化合物を含む材料が好ましい。上記絶縁
材料を用いることで非磁性層30にトンネル電流が流
れ、TMR効果を得ることができる。この場合、有効な
TMR効果を得るために非磁性層30の膜厚は、0.4n
m以上5.0nm以下が好ましい。
The nonmagnetic layer 30 may be made of either a conductive material or an insulating material (it can be used as both a GMR element and a TMR element).
As the conductive material, a material containing at least one element selected from Cu, Ag, Au, Cr and Ru is preferable because a large MR ratio can be obtained. In this case, the thickness of the nonmagnetic layer 30 is preferably 1.5 nm or more and 5.0 nm or less. As the insulating material, Mg—O or the like may be used, but a material containing at least one compound selected from oxides, nitrides and oxynitrides of Al, which has excellent insulating properties, is preferable. By using the above insulating material, a tunnel current flows in the nonmagnetic layer 30 and the TMR effect can be obtained. In this case, in order to obtain an effective TMR effect, the thickness of the nonmagnetic layer 30 is 0.4n.
It is preferably m or more and 5.0 nm or less.

【0027】図1に示すように、自由磁性層40上にNi
-Fe-X合金層50を積層することで、自由磁性層40に
働く応力や磁歪などを抑え、自由磁性層40の保磁力や
異方性磁界などの増大を抑制したり、MR出力向上など
を目的とした薄膜化に伴う軟磁気特性の劣化を抑えたり
することが可能となる。また、Ni-Fe-X合金層50は、
自由磁性層40の保護層としての役割もあり、高温の熱
処理プロセスや動作時の温度上昇などに伴う不純物拡散
や界面拡散などを制限し、自由磁性層40の軟磁気特性
の劣化を抑える働きもある。
As shown in FIG. 1, Ni is formed on the free magnetic layer 40.
-By stacking the Fe-X alloy layer 50, the stress and magnetostriction acting on the free magnetic layer 40 are suppressed, the coercive force and anisotropic magnetic field of the free magnetic layer 40 are suppressed from increasing, and the MR output is improved. For this reason, it is possible to suppress deterioration of the soft magnetic characteristics due to thinning. In addition, the Ni-Fe-X alloy layer 50 is
It also has a role as a protective layer of the free magnetic layer 40, and also has a function of restricting impurity diffusion and interface diffusion due to a high temperature heat treatment process and temperature rise during operation, and suppressing deterioration of the soft magnetic characteristics of the free magnetic layer 40. is there.

【0028】Ni-Fe-X合金層50は、式NiaFe(1-a-b)Xb
で示される組成を有することが好ましい。ただし、aお
よびbは、0.4<a<1、0<b<0.5、a+b<1を満た
す数値である。
The Ni-Fe-X alloy layer 50 has the formula Ni a Fe (1-ab) X b
It is preferable to have a composition represented by However, a and b are numerical values that satisfy 0.4 <a <1, 0 <b <0.5, and a + b <1.

【0029】なかでも、aおよびbが、0.5≦a≦0.9、
0.05≦b≦0.4を満たす数値であることが好ましい。こ
のとき、Ni-Fe-X合金層50は、Niを主成分とする合金
(ここで主成分とは、原子組成比で0.5以上を示す成分
をいう)であり、上記効果を、より高温まで安定して得
ることができる。
Among them, a and b are 0.5 ≦ a ≦ 0.9,
It is preferable that the numerical value satisfies 0.05 ≦ b ≦ 0.4. At this time, the Ni-Fe-X alloy layer 50 is an alloy containing Ni as a main component (here, the main component means a component showing an atomic composition ratio of 0.5 or more), and the above effect can be obtained even at higher temperatures. It can be stably obtained.

【0030】なお、Xの添加量を調整することで、Ni-Fe
-X合金層50の飽和磁化量を自由磁性層40よりも十分
に低減させ、実質的に非磁性にすることも可能である。
By adjusting the amount of addition of X, Ni-Fe
It is also possible to make the amount of saturation magnetization of the -X alloy layer 50 sufficiently smaller than that of the free magnetic layer 40 to make it substantially non-magnetic.

【0031】また、Xとして、Cr、VおよびNbから選ばれ
る少なくとも1種の元素を用いた場合、Ni-Fe-X合金の
比抵抗を約30μΩcm以上にすることができる。このと
き、Ni-Fe-X合金層50の抵抗を自由磁性層40よりも
大きくすることが可能になり、非磁性層30がCuなどの
導電性材料からなるGMR素子においても、磁気抵抗に
寄与しないNi-Fe-X合金層50への電流分流が抑えられ
るために、より大きなMR比を得ることができる。
When at least one element selected from Cr, V and Nb is used as X, the specific resistance of the Ni-Fe-X alloy can be about 30 μΩcm or more. At this time, the resistance of the Ni-Fe-X alloy layer 50 can be made larger than that of the free magnetic layer 40, and even in the GMR element in which the nonmagnetic layer 30 is made of a conductive material such as Cu, it contributes to the magnetic resistance. Since the current shunt to the Ni-Fe-X alloy layer 50 which is not performed is suppressed, a larger MR ratio can be obtained.

【0032】図1に示すように、基板と反対側のユニッ
ト面に積層する場合のNi-Fe-X合金層50の膜厚は、0.5
nm〜10nmが好ましい。この範囲よりも薄い場合に
は、Ni-Fe-X合金層が連続膜とならず上記効果が得られ
なくなる可能性があり、逆に厚い場合には、TMR素子
では特に制限はないが、GMR素子、とりわけCIP−
GMR素子において、得られるMR効果が小さくなる可
能性がある。
As shown in FIG. 1, the film thickness of the Ni-Fe-X alloy layer 50 when laminated on the unit surface opposite to the substrate is 0.5.
nm to 10 nm is preferable. If the thickness is less than this range, the Ni-Fe-X alloy layer may not be a continuous film and the above effect may not be obtained. On the contrary, if the thickness is thicker, the TMR element is not particularly limited. Element, especially CIP-
In the GMR element, the obtained MR effect may be reduced.

【0033】Ni-Fe-X合金層50上に、保護層として、T
a、Nb、Zr、Wなどの高抵抗金属を含む層をさらに配置し
てもよいし、耐食性に優れた白金族元素であるPt、Pd、
Ru、Ir、Rh、Auなどを含む層を配置することもできる。
On the Ni-Fe-X alloy layer 50, as a protective layer, T
a, Nb, Zr, a layer containing a high resistance metal such as W may be further arranged, or Pt, Pd which is a platinum group element excellent in corrosion resistance,
A layer containing Ru, Ir, Rh, Au, or the like can be arranged.

【0034】また、図1に示す例において、自由磁性層
40とNi-Fe-X合金層50との間に、必要に応じてさら
に別の層を付加することもできる。この場合、反強磁性
層から付加した層までが多層膜ユニットになる。
Further, in the example shown in FIG. 1, another layer may be added between the free magnetic layer 40 and the Ni—Fe—X alloy layer 50, if necessary. In this case, the layer from the antiferromagnetic layer to the added layer becomes a multilayer film unit.

【0035】図2は、本発明におけるMR素子の別の例
を示す断面図である。
FIG. 2 is a sectional view showing another example of the MR element according to the present invention.

【0036】図2に示す例では、基板60側から、Ni-F
e-X合金層50、自由磁性層40、非磁性層30、固定
磁性層20、反強磁性層10が順に積層されている。こ
の素子では、反強磁性層、固定磁性層、非磁性層および
自由磁性層を含む多層膜ユニットと基板との間に、Ni-F
e-X合金層が配置されている。
In the example shown in FIG. 2, from the substrate 60 side, Ni-F
The eX alloy layer 50, the free magnetic layer 40, the nonmagnetic layer 30, the pinned magnetic layer 20, and the antiferromagnetic layer 10 are sequentially stacked. In this device, a Ni-F layer is provided between the substrate and the multilayer unit including the antiferromagnetic layer, the pinned magnetic layer, the nonmagnetic layer and the free magnetic layer.
An eX alloy layer is placed.

【0037】図2に示す例においても、自由磁性層40
にNi-Fe-X合金層50が積層されており、図1に示した
例と同様に、薄膜化などに伴う自由磁性層40の軟磁気
特性の劣化を抑制することができる。
Also in the example shown in FIG. 2, the free magnetic layer 40 is used.
The Ni-Fe-X alloy layer 50 is laminated on the inner surface of the free magnetic layer 40. As with the example shown in FIG. 1, deterioration of the soft magnetic characteristics of the free magnetic layer 40 due to thinning can be suppressed.

【0038】さらに図2に示す例では、Ni-Fe-X合金層
50は、基板と多層膜ユニットとの間に配置されている
ため、自由磁性層40の膜構造や結晶配向性を制御する
下地層としての機能も有している。Ni-Fe-X合金層50
は、一般に、特定の膜厚以上になると、面心立方晶(fc
c)配向を示す結晶配向膜となる。従って、Ni-Fe-X合金
層を下地層として用いれば、自由磁性層40の主構造
を、初期の膜成長過程段階からfcc配向にすることがで
きる。ここで、主構造とは、合金層の結晶構造のうち約
60vol%以上を占める構造をいう。主構造がfcc配向であ
る自由磁性層は良好な軟磁気特性を有しているため、自
由磁性層40の薄膜化が可能となる。よって、上記のよ
うにNi-Fe-X合金膜50を積層することで、出力を向上
させた、耐熱性のあるMR素子を得ることができる。
Further, in the example shown in FIG. 2, since the Ni—Fe—X alloy layer 50 is arranged between the substrate and the multilayer film unit, the film structure and crystal orientation of the free magnetic layer 40 are controlled. It also has a function as a base layer. Ni-Fe-X alloy layer 50
Is generally face-centered cubic (fc
c) It becomes a crystal orientation film showing orientation. Therefore, if the Ni-Fe-X alloy layer is used as the underlayer, the main structure of the free magnetic layer 40 can be oriented in the fcc orientation from the initial film growth process stage. Here, the main structure is about the crystal structure of the alloy layer.
A structure that occupies 60 vol% or more. Since the free magnetic layer whose main structure has the fcc orientation has good soft magnetic characteristics, the free magnetic layer 40 can be thinned. Therefore, by stacking the Ni—Fe—X alloy films 50 as described above, it is possible to obtain a heat-resistant MR element with improved output.

【0039】また、図2に示すMR素子においてNi-Fe-
X合金層50は、下地層として自由磁性層40のみなら
ず非磁性層30の結晶構造にまで影響を与える場合があ
る。特に、非磁性層30に絶縁性材料を用いたTMR素
子の場合、非磁性材料として用いられるAl2O3などの結
晶性が向上するなど、非磁性層の膜質が向上すると考え
られ、よりMR比の大きい、安定したMR素子を得るこ
とができる。
In the MR element shown in FIG. 2, Ni-Fe-
The X alloy layer 50 may affect not only the free magnetic layer 40 but also the crystal structure of the nonmagnetic layer 30 as an underlayer. In particular, in the case of a TMR element using an insulating material for the non-magnetic layer 30, it is considered that the film quality of the non-magnetic layer is improved, for example, the crystallinity of Al 2 O 3 or the like used as the non-magnetic material is improved. A stable MR element having a large ratio can be obtained.

【0040】基板と多層膜ユニットとの間に配置する場
合のNi-Fe-X合金層50の膜厚は、少なくとも1nm以上
あればよい。Ni-Fe-X合金層は1nm以上の膜厚になると
fcc配向を示すため、この層上に形成される自由磁性層
40の結晶配向も初期状態から良好となり、優れた軟磁
気特性を有する自由磁性層とすることができる。
The film thickness of the Ni—Fe—X alloy layer 50 when it is arranged between the substrate and the multilayer film unit may be at least 1 nm or more. When the Ni-Fe-X alloy layer has a thickness of 1 nm or more
Since the fcc orientation is exhibited, the crystal orientation of the free magnetic layer 40 formed on this layer also becomes good from the initial state, and a free magnetic layer having excellent soft magnetic characteristics can be obtained.

【0041】また、図1に示した例と同様に、Ni-Fe-X
合金のXとしてCr、VおよびNbから選ばれる少なくとも1
種の元素を用いた場合、非磁性層がCuなどの導電性材料
であるGMR素子においても大きなMR比を得ることが
できる。
Further, as in the example shown in FIG. 1, Ni-Fe-X
At least 1 selected from Cr, V and Nb as X of the alloy
When a seed element is used, a large MR ratio can be obtained even in a GMR element in which the nonmagnetic layer is a conductive material such as Cu.

【0042】なお、Ni-Fe-X合金層50と基板60との
間に、下地層として、高抵抗であるTa、Nb、Zr、Wなど
を含む層をさらに積層してもよいし、耐食性に優れた白
金族元素であるPt、Pd、Ru、Ir、RhやAuなどを含む層を
積層することもできる。
A layer containing high resistance Ta, Nb, Zr, W, etc. may be further laminated between the Ni—Fe—X alloy layer 50 and the substrate 60 as a base layer, and may be corrosion resistant. It is also possible to stack layers containing Pt, Pd, Ru, Ir, Rh, Au and the like, which are excellent platinum group elements.

【0043】また、図2に示す例において、自由磁性層
40とNi-Fe-X合金層50との間に、必要に応じてさら
に別の層を配置することもできる。この場合、配置した
層から反強磁性層までが多層膜ユニットとなる。なお、
配置する層としては、fcc配向しやすい材料が好まし
い。
Further, in the example shown in FIG. 2, another layer may be arranged between the free magnetic layer 40 and the Ni—Fe—X alloy layer 50, if necessary. In this case, the layer from the arranged layer to the antiferromagnetic layer becomes a multilayer film unit. In addition,
The layer to be arranged is preferably made of a material that easily causes fcc orientation.

【0044】図3は、本発明におけるMR素子の別の例
を示す断面図である。
FIG. 3 is a sectional view showing another example of the MR element according to the present invention.

【0045】図3に示す例では、基板60側から、Ni-F
e-X合金層50、反強磁性層10、固定磁性層20、非
磁性層30、自由磁性層40が順に積層されている。こ
の素子では、反強磁性層、固定磁性層、非磁性層および
自由磁性層を含む多層膜ユニットと基板との間にNi-Fe-
X合金層が積層されている。
In the example shown in FIG. 3, from the substrate 60 side, Ni-F
The eX alloy layer 50, the antiferromagnetic layer 10, the pinned magnetic layer 20, the nonmagnetic layer 30, and the free magnetic layer 40 are sequentially stacked. In this element, a Ni-Fe- layer is formed between the substrate and the multilayer unit including the antiferromagnetic layer, the pinned magnetic layer, the nonmagnetic layer and the free magnetic layer.
X alloy layers are laminated.

【0046】反強磁性層の反強磁性特性は、一般に、そ
の下地層の結晶性に大きな影響を受ける。従って、図3
に示すように、反強磁性層10の下地層としてNi-Fe-X
合金層50を積層すれば、上記のようにNi-Fe-X合金は1
nm以上の膜厚において良好なfcc配向膜となるため、
反強磁性層10をfcc配向させることで優れた反強磁性
特性を得ることが可能となる。即ち、固定磁性層20に
対する交換バイアス磁界が大きく、熱的に安定した反強
磁性層10とすることができ、耐熱性に優れたMR素子
を得ることができる。
The antiferromagnetic property of the antiferromagnetic layer is generally greatly affected by the crystallinity of the underlying layer. Therefore, FIG.
As shown in FIG. 3, Ni-Fe-X is used as a base layer of the antiferromagnetic layer 10.
When the alloy layer 50 is laminated, the Ni-Fe-X alloy is 1 as described above.
Since it becomes a good fcc alignment film at a film thickness of nm or more,
It is possible to obtain excellent antiferromagnetic properties by orienting the antiferromagnetic layer 10 in the fcc orientation. That is, the anti-ferromagnetic layer 10 having a large exchange bias magnetic field with respect to the pinned magnetic layer 20 and thermally stable can be obtained, and an MR element having excellent heat resistance can be obtained.

【0047】また、さらに、固定磁性層20、非磁性層
30および自由磁性層40の各層に、fcc配向しやすい
材料(例えば、固定磁性層としてCo-Fe合金など、自由
磁性層としてCo-Fe合金やNi-Fe合金など)を用いれば、
fcc配向した固定磁性層20および自由磁性層40を得
ることができる。fcc配向した自由磁性層は優れた軟磁
気特性を有するため、MR出力向上のための自由磁性層
の薄膜化が期待できる。
Further, in each of the pinned magnetic layer 20, the non-magnetic layer 30, and the free magnetic layer 40, a material that easily causes fcc orientation (for example, a pinned magnetic layer is a Co—Fe alloy or the like, a free magnetic layer is a Co—Fe alloy). Alloy or Ni-Fe alloy)
The pinned magnetic layer 20 and the free magnetic layer 40 having the fcc orientation can be obtained. Since the fcc-oriented free magnetic layer has excellent soft magnetic characteristics, it is expected that the free magnetic layer can be thinned to improve the MR output.

【0048】また、図2に示す例と同様に、非磁性層3
0として絶縁性材料を用いたTMR素子の場合、非磁性
材料として用いられるAl2O3などの結晶性が向上するな
ど、非磁性層の膜質が向上することで、よりMR比の大
きい、熱的安定性に優れたMR素子を得ることができ
る。
Further, similarly to the example shown in FIG. 2, the nonmagnetic layer 3
In the case of a TMR element using an insulating material as 0, the crystal quality of Al 2 O 3 used as a non-magnetic material is improved and the film quality of the non-magnetic layer is improved. It is possible to obtain an MR element having excellent mechanical stability.

【0049】また、図3に示す例において、反強磁性層
10とNi-Fe-X合金層50との間に、必要に応じてさら
に別の層を付加することもできる。この場合、付加した
層から自由磁性層までが多層膜ユニットとなる。なお、
付加する層としては、fcc配向しやすい材料が好まし
い。
Further, in the example shown in FIG. 3, another layer may be added between the antiferromagnetic layer 10 and the Ni—Fe—X alloy layer 50, if necessary. In this case, the layer from the added layer to the free magnetic layer becomes a multilayer film unit. In addition,
As the layer to be added, a material that easily causes fcc orientation is preferable.

【0050】図4は、本発明におけるMR素子の別の例
を示す断面図である。
FIG. 4 is a sectional view showing another example of the MR element according to the present invention.

【0051】図4に示す例では、基板60側から、Ni-F
e-X合金層50a、反強磁性層10、固定磁性層20、
非磁性層30、自由磁性層40、Ni-Fe-X合金層50b
が順に積層されている。この素子では、反強磁性層、固
定磁性層、非磁性層および自由磁性層を含む多層膜ユニ
ットの両面にNi-Fe-X合金層が積層されている。
In the example shown in FIG. 4, from the substrate 60 side, Ni-F
eX alloy layer 50a, antiferromagnetic layer 10, pinned magnetic layer 20,
Non-magnetic layer 30, free magnetic layer 40, Ni-Fe-X alloy layer 50b
Are sequentially stacked. In this element, Ni-Fe-X alloy layers are laminated on both surfaces of a multilayer film unit including an antiferromagnetic layer, a pinned magnetic layer, a nonmagnetic layer and a free magnetic layer.

【0052】図4に示す例において、Ni-Fe-X合金層5
0aは反強磁性層10の下地層となっており、図3に示
す例と同様に、優れた反強磁性特性を示す反強磁性層1
0および優れた軟磁気特性を示す自由磁性層40とする
ことができる。さらにこの例では、Ni-Fe-X合金層50
bを自由磁性層40上に積層しており、非磁性層30と
の界面で生じる応力や磁歪による自由磁性層40の軟磁
気特性の劣化をも抑制することができる。このとき、Ni
-Fe-X合金層50bは、保護層として、高温における熱
処理や動作温度の上昇により起こる界面拡散や不純物拡
散を原因とする自由磁性層40の軟磁気特性の劣化を防
ぐ効果も有している。
In the example shown in FIG. 4, the Ni-Fe-X alloy layer 5
Reference numeral 0a is a base layer of the antiferromagnetic layer 10, and as with the example shown in FIG. 3, the antiferromagnetic layer 1 having excellent antiferromagnetic properties.
The free magnetic layer 40 exhibiting 0 and excellent soft magnetic characteristics can be obtained. Further, in this example, the Ni-Fe-X alloy layer 50
Since b is stacked on the free magnetic layer 40, deterioration of the soft magnetic characteristics of the free magnetic layer 40 due to stress or magnetostriction generated at the interface with the nonmagnetic layer 30 can be suppressed. At this time, Ni
As the protective layer, the -Fe-X alloy layer 50b also has an effect of preventing the soft magnetic characteristics of the free magnetic layer 40 from deteriorating due to interface diffusion or impurity diffusion caused by heat treatment at high temperature or increase in operating temperature. .

【0053】下地層となるNi-Fe-X合金層50aの膜厚
は、1nm以上が好ましい。また、Ni-Fe-X合金層50b
の膜厚は、0.5nm〜10nmの範囲が好ましい。
The film thickness of the Ni-Fe-X alloy layer 50a which is the underlayer is preferably 1 nm or more. In addition, the Ni-Fe-X alloy layer 50b
The film thickness of is preferably in the range of 0.5 nm to 10 nm.

【0054】図4に示す例において、これまでの例と同
様に、Ni-Fe-X合金層50aと基板との間に、下地層と
して、Ta、Nb、Zr、Wなどを含む高抵抗の層をさらに付
加しもよいし、耐食性に優れた白金族元素であるPt、P
d、Ru、Ir、RhやAuなどを含む層を付加してもよい。自
由磁性層40上に積層されているNi-Fe-X合金層50b
上にも同様の層を付加することができる。
In the example shown in FIG. 4, similar to the examples up to now, a high-resistance material containing Ta, Nb, Zr, W, etc. as an underlayer between the Ni—Fe—X alloy layer 50a and the substrate. Additional layers may be added, and Pt and P which are platinum group elements with excellent corrosion resistance
A layer containing d, Ru, Ir, Rh, Au or the like may be added. Ni-Fe-X alloy layer 50b laminated on the free magnetic layer 40
Similar layers can be added on top.

【0055】本発明におけるMR素子において、より大
きく、安定したMR効果を得るために、固定磁性層の代
わりに、図5に示すような積層フェリ固定磁性層21を
用いることができる。以下、図5を用いて説明する。
In the MR element of the present invention, in order to obtain a larger and stable MR effect, a laminated ferri pinned magnetic layer 21 as shown in FIG. 5 can be used instead of the pinned magnetic layer. This will be described below with reference to FIG.

【0056】積層フェリ固定磁性層21は、非磁性膜2
12を介して、2つの磁性膜(第1磁性膜211および
第2磁性膜213)を積層した積層膜を含む固定磁性層
である。上記両磁性膜は、非磁性膜212を介した反強
磁性的交換結合状態にあり、実質的に固定磁性層の交換
結合磁界を大きく(膜厚を大きく)したのと同じ効果を
得ることができる。また、非磁性膜は、その両面に磁性
膜が接している限り、複数存在していても構わない。
The laminated ferrimagnetic pinned magnetic layer 21 is composed of the non-magnetic film 2
It is a pinned magnetic layer including a laminated film in which two magnetic films (the first magnetic film 211 and the second magnetic film 213) are laminated with 12 in between. Both of the magnetic films are in an antiferromagnetic exchange coupling state via the non-magnetic film 212, and substantially the same effect can be obtained as when the exchange coupling magnetic field of the pinned magnetic layer is increased (the film thickness is increased). it can. Further, a plurality of non-magnetic films may be present as long as the magnetic films are in contact with both surfaces thereof.

【0057】非磁性膜212としては、Ru、Ir、Rh、Re
およびCrから選ばれる少なくとも一種の元素を含む膜が
好ましく、その膜厚は、0.4〜1.5nmが好ましい。
As the non-magnetic film 212, Ru, Ir, Rh, Re
A film containing at least one element selected from Cr and Cr is preferable, and its film thickness is preferably 0.4 to 1.5 nm.

【0058】また、非磁性膜212を狭持する第1磁性
膜211および第2磁性膜213としては、Co、Co-F
e、Co-Pt、Co-Cr-PtなどのCo系合金が好ましい。
Further, as the first magnetic film 211 and the second magnetic film 213 that sandwich the non-magnetic film 212, Co and Co-F are used.
Co-based alloys such as e, Co-Pt, and Co-Cr-Pt are preferable.

【0059】また、本発明におけるMR素子において、
より大きなMR比を得るために、自由磁性層または固定
磁性層(あるいは積層フェリ固定磁性層)と非磁性層と
の界面の少なくとも一方に、スピン分極率の大きい磁性
材料を含む高スピン分極率層を挿入することができる。
In the MR element of the present invention,
In order to obtain a larger MR ratio, a high spin polarizability layer containing a magnetic material having a high spin polarizability in at least one of the interfaces between the free magnetic layer or the pinned magnetic layer (or the laminated ferri pinned magnetic layer) and the non-magnetic layer. Can be inserted.

【0060】スピン分極率の大きい磁性材料として、例
えば、Co-Fe合金(Coの原子組成比が0〜0.9)、Ni-Fe合
金(Niの原子組成比が0〜0.65)および式M-Eで示される
組成を有する合金材料(ただし、Mは、Fe、CoおよびNi
から選ばれる少なくとも一種の磁性元素、EはPt、Pd、I
r、RuおよびRhから選ばれる少なくとも一種の元素であ
り、Mの原子組成比が0.5〜1である)などを用いること
ができる。その他、Fe3O4、CrO2、LaSrMnO、LaCaSrMnO
などに代表されるハ−フメタル材料、あるいは、NiMnS
b、PtMnSbなどのホイスラー合金などを用いることがで
きる。
As the magnetic material having a large spin polarizability, for example, Co--Fe alloy (Co atomic composition ratio is 0 to 0.9), Ni--Fe alloy (Ni atomic composition ratio is 0 to 0.65) and the formula ME are shown. Alloy material having the following composition (where M is Fe, Co and Ni)
At least one magnetic element selected from, E is Pt, Pd, I
At least one element selected from r, Ru and Rh, and the atomic composition ratio of M is 0.5 to 1) and the like can be used. Others, Fe 3 O 4 , CrO 2 , LaSrMnO, LaCaSrMnO
Half metal materials such as NiMnS
Heusler alloys such as b and PtMnSb can be used.

【0061】高スピン分極率層として、上記磁性材料の
単層膜あるいは積層膜を用いることができる。高スピン
分極率層の膜厚は、少なくとも0.5nm以上であること
が好ましい。固定磁性層(あるいは積層フェリ固定磁性
層)と非磁性層との界面に用いる場合は膜厚の上限に特
に制限はない。自由磁性層と非磁性層との界面に用いる
場合で、自由磁性層に用いる磁性材料よりも軟磁気特性
が良好でないときは、その膜厚は2nm以下とすること
が好ましく、1nm以下とすることがより好ましい。な
お、高スピン分極率層は、非磁性層が絶縁材料からなる
TMR素子におけるMR比の向上に特に効果的である。
As the high spin polarizability layer, a single layer film or a laminated film of the above magnetic material can be used. The film thickness of the high spin polarizability layer is preferably at least 0.5 nm or more. When used at the interface between the pinned magnetic layer (or the laminated ferrimagnetic pinned magnetic layer) and the non-magnetic layer, the upper limit of the film thickness is not particularly limited. When used at the interface between the free magnetic layer and the non-magnetic layer, if the soft magnetic characteristics are not better than those of the magnetic material used for the free magnetic layer, the film thickness is preferably 2 nm or less, and 1 nm or less. Is more preferable. The high spin polarizability layer is particularly effective for improving the MR ratio in the TMR element in which the nonmagnetic layer is made of an insulating material.

【0062】また、図1および図3〜5に示すような、
反強磁性層が基板側に位置している多層膜ユニットを含
むMR素子では、反強磁性層と基板との間に下地層を配
置することが好ましい。図3〜図5に示すように、Ni-F
e-X合金層を多層膜ユニットと基板との間に配置した場
合には、Ni-Fe-X合金層と反強磁性層との間、Ni-Fe-X合
金層と基板との間のどちらに配置しても構わない。下地
層によって反強磁性層の構造が制御され、反強磁性層と
固定磁性層との間に良好な交換結合を生じさせることが
できる。
Further, as shown in FIG. 1 and FIGS.
In the MR element including the multilayer unit in which the antiferromagnetic layer is located on the substrate side, it is preferable to dispose the underlayer between the antiferromagnetic layer and the substrate. As shown in FIGS. 3 to 5, Ni-F
When the eX alloy layer is placed between the multilayer unit and the substrate, it may be placed between the Ni-Fe-X alloy layer and the antiferromagnetic layer or between the Ni-Fe-X alloy layer and the substrate. You can place it. The structure of the antiferromagnetic layer is controlled by the underlayer, and good exchange coupling can be generated between the antiferromagnetic layer and the pinned magnetic layer.

【0063】例えば、反強磁性層として、Ir-Mn、Rh-M
n、Ru-MnおよびRh-Ru-Mnなどのfcc配向を主構造とする
反強磁性体を用いた場合、下地層として、Ta、Nb、Ti、
HfおよびZrなどを用いれば、反強磁性層がより良好な反
強磁性特性を示すようになる。また、配置した下地層と
反強磁性層との間に、fcc配向を有するNi-Feのバッファ
ー層をさらに設けることが好ましい。また、反強磁性層
として、Ni-Mn、Pt-MnおよびPd-Pt-Mnなどを用いた場
合、上記材料は、熱処理時にfcc配向からfct(面心正方
晶)配向へと主構造が変化することで固定磁性層との間
に交換結合磁界が生じる。しかし、この場合でも、成膜
時にはfcc配向を主構造としているため、下地層としてT
a、Nb、Ti、HfおよびZrなどを用いれば、より良好な反
強磁性特性を得ることができる。同じく、Ni-Feバッフ
ァー層をさらに設けることが好ましい。
For example, as the antiferromagnetic layer, Ir-Mn, Rh-M
n, Ru-Mn and Rh-Ru-Mn when using an antiferromagnetic material having a main structure of fcc orientation, Ta, Nb, Ti, as the underlayer,
By using Hf and Zr, the antiferromagnetic layer exhibits better antiferromagnetic properties. Further, it is preferable to further provide a Ni—Fe buffer layer having an fcc orientation between the underlying layer and the antiferromagnetic layer. When Ni-Mn, Pt-Mn, Pd-Pt-Mn, etc. are used for the antiferromagnetic layer, the main structure of the above materials changes from fcc orientation to fct (face centered tetragonal) orientation during heat treatment. By doing so, an exchange coupling magnetic field is generated between the fixed magnetic layer. However, even in this case, since the main structure is fcc orientation during film formation, the T
Use of a, Nb, Ti, Hf, Zr and the like makes it possible to obtain better antiferromagnetic properties. Similarly, it is preferable to further provide a Ni-Fe buffer layer.

【0064】次に、本発明におけるMR素子の製造方法
について説明する。
Next, a method of manufacturing the MR element according to the present invention will be described.

【0065】本発明におけるMR素子を構成する各薄膜
の形成には、パルスレーザデポジション(PLD)、イ
オンビームデポジション(IBD)、クラスターイオン
ビーム、およびRF、DC、ECR、ヘリコン、誘導結
合プラズマ(ICP)、対向ターゲットなどの各種スパ
ッタリング法、MBE、イオンプレーティング法などを
適用できる。これらPVD法の他に、CVD法、メッキ
法あるいはゾルゲル法などを用いることもできる。
For forming each thin film constituting the MR element in the present invention, pulse laser deposition (PLD), ion beam deposition (IBD), cluster ion beam, and RF, DC, ECR, helicon, inductively coupled plasma are used. (ICP), various sputtering methods such as opposed targets, MBE, ion plating method, etc. can be applied. In addition to the PVD method, a CVD method, a plating method, a sol-gel method, or the like can be used.

【0066】Al2O3、Al-N、Al-O-N、Mg-Oなどの絶縁性
材料からなる非磁性層(トンネル絶縁層)を作製する場
合には、例えば、AlまたはMgの薄膜前駆体を作製し、O
またはNを、分子、イオン、ラジカルなどとして含む雰
囲気中において、上記薄膜前駆体と、OまたはNとを、温
度および時間を制御しながら反応させればよい。薄膜前
駆体は、ほぼ完全に酸化または窒化され、トンネル絶縁
層を得ることができる。また、薄膜前駆体として、Oま
たはNを化学両論比未満含んだ不定比化合物を作製して
もよい。
When a nonmagnetic layer (tunnel insulating layer) made of an insulating material such as Al 2 O 3 , Al—N, Al—ON, or Mg—O is prepared, for example, a thin film precursor of Al or Mg. Make O
Alternatively, the thin film precursor may be reacted with O or N in an atmosphere containing N as molecules, ions, radicals, etc. while controlling the temperature and time. The thin film precursor can be almost completely oxidized or nitrided to obtain a tunnel insulating layer. Further, as the thin film precursor, a nonstoichiometric compound containing O or N in an amount less than the stoichiometric ratio may be prepared.

【0067】例えば、スパッタリング法を用いて、トン
ネル絶縁層としてAl2O3を作製する場合、AlまたはAlOx
(x≦1.5)を、ArまたはAr+O2雰囲気中で成膜し、これ
をO2またはO2+不活性ガス中で酸化させることを繰り返
せばよい。なおプラズマやラジカルの作製には、ECR
放電、グロ−放電、RF放電、ヘリコン、誘導結合プラ
ズマ(ICP)などの通常の手段を用いればよい。
For example, when Al 2 O 3 is formed as the tunnel insulating layer by using the sputtering method, Al or AlO x
A film of (x ≦ 1.5) may be formed in an Ar or Ar + O 2 atmosphere, and this may be oxidized in O 2 or O 2 + inert gas. ECR is used for plasma and radical production.
Normal means such as discharge, glow discharge, RF discharge, helicon, inductively coupled plasma (ICP) may be used.

【0068】以下、本発明におけるMR素子を用いたデ
バイスについて説明する。
A device using the MR element of the present invention will be described below.

【0069】膜面垂直方向に電流を流すMR素子を含む
磁気デバイスを作製するには、半導体プロセスやGMR
ヘッド作製プロセスなどで一般的に用いられる手法であ
る、イオンミリング、RIE、FIBなどの物理的また
は化学的エッチング法、微細パターン形成のためのステ
ッパー、EB法などを用いたフォトリソグラフィー技術
を組み合わせて微細加工すればよい。
In order to manufacture a magnetic device including an MR element for passing a current in the direction perpendicular to the film surface, a semiconductor process or GMR is used.
Combining photolithography techniques using physical or chemical etching methods such as ion milling, RIE, FIB, etc., which are generally used in the head manufacturing process, steppers for forming fine patterns, EB methods, etc. Fine processing is sufficient.

【0070】このような方法で作製されたMR素子の例
を図6に示す。図6に示す素子では、基板504上に、
下部電極503、MR素子505、上部電極502が順
に積層され、MR素子505周囲の電極間には層間絶縁
膜501が配置されている。層間絶縁膜501には、上
部電極502と下部電極503との電気的な短絡を防ぐ
働きがある。この素子では、上部電極502と下部電極
503とに挟まれたMR素子505に電流を流して電極
間の電圧を読みとる。このような素子構成とすることで
MR素子505の膜面に対して垂直方向に電流を流し、
MR出力を読み出すことが可能となる。なお、電極など
の表面を平坦化するために、CMPや、クラスターイオ
ンビームエッチングなどを用いることができる。
An example of an MR element manufactured by such a method is shown in FIG. In the device shown in FIG. 6, on the substrate 504,
A lower electrode 503, an MR element 505, and an upper electrode 502 are sequentially stacked, and an interlayer insulating film 501 is arranged between the electrodes around the MR element 505. The interlayer insulating film 501 has a function of preventing an electrical short circuit between the upper electrode 502 and the lower electrode 503. In this element, a current is passed through the MR element 505 sandwiched between the upper electrode 502 and the lower electrode 503 to read the voltage between the electrodes. With such an element structure, a current flows in the direction perpendicular to the film surface of the MR element 505,
The MR output can be read. Note that CMP, cluster ion beam etching, or the like can be used to planarize the surface of the electrode or the like.

【0071】電極502、503の材料としては、Pt、
Au、Cu、Ru、Al、TiNなどの、抵抗率が100μΩcm以下
の低抵抗材料を用いればよい。層間絶縁膜501として
は、Al2O3、SiO2などの絶縁性に優れた材料を用いれば
よい。
The materials of the electrodes 502 and 503 are Pt and
A low resistance material having a resistivity of 100 μΩcm or less such as Au, Cu, Ru, Al or TiN may be used. As the interlayer insulating film 501, a material having an excellent insulating property such as Al 2 O 3 or SiO 2 may be used.

【0072】本発明のMR素子を用いた磁気ヘッドの一
例を図7に示す。なお、図7は、わかりやすくするため
に、磁気ヘッドの一部(例えば、上部シールド512の
一部)を取り除いた図となっている。この磁気ヘッド
は、MR素子511と、検知すべき磁界以外の磁界がM
R素子へ導入されることを制限している、磁性体からな
る2つの磁気シールド(上部シールド512および下部
シールド513)を備えている。その他、この磁気ヘッ
ドは、上部記録コア514、コイル515、リード部5
16、シールドギャップ517、ハードバイアス部51
8などを備えている。
FIG. 7 shows an example of a magnetic head using the MR element of the present invention. Note that FIG. 7 is a diagram in which a part of the magnetic head (for example, a part of the upper shield 512) is removed for easy understanding. In this magnetic head, the MR element 511 and the magnetic field other than the magnetic field to be detected are M
It is provided with two magnetic shields (upper shield 512 and lower shield 513) made of a magnetic material that restrict introduction into the R element. In addition, this magnetic head has an upper recording core 514, a coil 515, and a lead portion 5.
16, shield gap 517, hard bias portion 51
Eight and so on.

【0073】図8は、図7に示す磁気ヘッドのMR素子
511近傍を矢印Aの方向から見た断面図であり、図9
は、図7の点線Bで示す平面で切った断面を用いた模式
図である。まず、MR素子周辺の構造について図8を用
いて説明する。
FIG. 8 is a sectional view of the vicinity of the MR element 511 of the magnetic head shown in FIG. 7, as seen from the direction of arrow A.
FIG. 8 is a schematic view using a cross section cut along a plane indicated by a dotted line B in FIG. 7. First, the structure around the MR element will be described with reference to FIG.

【0074】図8に示すように、MR素子521は、上
部シールドギャップ522と下部シールドギャップ52
3との間に配置されている。シールドギャップの材料と
しては、例えば、Al2O3、AlNおよびSiO2などの絶縁膜を
用いればよい。
As shown in FIG. 8, the MR element 521 comprises an upper shield gap 522 and a lower shield gap 52.
It is arranged between 3 and 3. As a material for the shield gap, for example, an insulating film such as Al 2 O 3 , AlN and SiO 2 may be used.

【0075】上部シールドギャップ522および下部シ
ールドギャップ523のさらに外側には、それぞれ上部
シールド524および下部シールド525が設けられて
いる。シールドの材料としては、例えば、Ni-Fe合金、F
e-Al-Si合金およびCo-Nb-Zr合金などの軟磁性材料を用
いることができる。
Outside the upper shield gap 522 and the lower shield gap 523, an upper shield 524 and a lower shield 525 are provided, respectively. As the material of the shield, for example, Ni-Fe alloy, F
Soft magnetic materials such as e-Al-Si alloys and Co-Nb-Zr alloys can be used.

【0076】MR素子521の自由磁性層の磁化方向を
制御するためには、ハードバイアス部526を用いてM
R素子521にバイアス磁界を加えればよい。ハードバ
イアス部の材料としては、Co-Pt合金などを用いること
ができる。なお、ハードバイアス部526の代わりに、
Fe-Mnなどの反強磁性体を用いることもできる。
In order to control the magnetization direction of the free magnetic layer of the MR element 521, the hard bias unit 526 is used to control the magnetization direction.
A bias magnetic field may be applied to the R element 521. A Co—Pt alloy or the like can be used as the material of the hard bias portion. Note that instead of the hard bias unit 526,
An antiferromagnetic material such as Fe-Mn can also be used.

【0077】MR素子521は、シールドギャップ52
2および523によってシールド524および525と
絶縁されており、リード部527を介して電流を流すこ
とにより、MR素子521の抵抗変化を読みとることが
できる。
The MR element 521 has a shield gap 52.
It is insulated from the shields 524 and 525 by 2 and 523, and the resistance change of the MR element 521 can be read by passing a current through the lead portion 527.

【0078】実際の磁気ヘッドでは、図8に示す部分は
再生ヘッド部であり、通常、さらに記録ヘッド部が配置
される。記録ヘッド部をさらに配置した磁気ヘッドの例
を図10に示す。図10に示すように、再生ヘッド部5
51上に記録ヘッド部552をさらに配置すればよい。
記録ヘッド部552は、上部記録コア554と上部シー
ルド556とを備えており、両者の間の空隙が、記録ギ
ャップ553となる。
In an actual magnetic head, the portion shown in FIG. 8 is a reproducing head portion, and usually a recording head portion is further arranged. FIG. 10 shows an example of a magnetic head in which a recording head unit is further arranged. As shown in FIG. 10, the reproducing head unit 5
The recording head unit 552 may be further arranged on the 51.
The recording head unit 552 includes an upper recording core 554 and an upper shield 556, and a gap between the two serves as a recording gap 553.

【0079】なお、図8および10には、アバティッド
接合(abutted junction)に基づく磁気ヘッド構造を示
したが、よりトラック幅528および555を微小化す
ることが可能である、オーバーレイ(overlaid)構造に
基づく磁気ヘッド構造であってもよい。
Although the magnetic head structure based on the abutted junction is shown in FIGS. 8 and 10, the track width 528 and 555 can be further reduced to an overlaid structure. It may be a magnetic head structure based on the above.

【0080】次に、本発明における磁気ヘッドの記録再
生のメカニズムを、図9を用いて説明する。情報を記録
する場合には、記録ヘッド部531のコイル532に電
流を流せばよい。電流を流すことにより発生した磁束
が、上部記録コア533と上部シールド534間の記録
ギャップ535から漏れることで磁気記録媒体536の
記録磁化部537に記録することができる。再生は、記
録磁化部537から漏れた磁束538が、再生ヘッド部
539の上部シールド534および下部シールド540
間の再生ギャップ541を通してMR素子542に作用
し、MR素子の抵抗が変化することで行われる。
Next, the recording / reproducing mechanism of the magnetic head according to the present invention will be described with reference to FIG. When recording information, a current may be passed through the coil 532 of the recording head unit 531. The magnetic flux generated by passing the current leaks from the recording gap 535 between the upper recording core 533 and the upper shield 534 and can be recorded in the recording magnetized portion 537 of the magnetic recording medium 536. In reproduction, the magnetic flux 538 leaked from the recording magnetizing unit 537 causes the upper shield 534 and the lower shield 540 of the reproducing head unit 539.
This is performed by acting on the MR element 542 through the reproduction gap 541 between them and changing the resistance of the MR element.

【0081】本発明におけるMR素子を用いた磁気ヘッ
ドの別の例を図11に示す。図11に示す例では、検知
すべき信号磁界をMR素子561にガイドするためのヨ
ーク(上部ヨーク563および下部ヨーク564)と絶
縁層部562とを備えている。上部ヨーク563および
下部ヨーク564は、一般に、軟磁性材料によって構成
されている。記録媒体からの信号磁界は、上部ヨーク5
63によりMR素子561に導かれる。上部ヨーク56
3はギャップ565を有しており、MR素子561は、
MR素子561と上部ヨーク563および下部ヨーク5
64とが磁気的に接続するように、ギャップ565と下
部ヨーク564との間に配置すればよい。
Another example of the magnetic head using the MR element of the present invention is shown in FIG. In the example shown in FIG. 11, a yoke (upper yoke 563 and lower yoke 564) for guiding the signal magnetic field to be detected to the MR element 561 and an insulating layer portion 562 are provided. The upper yoke 563 and the lower yoke 564 are generally made of a soft magnetic material. The signal magnetic field from the recording medium is transferred to the upper yoke 5
It is guided to the MR element 561 by 63. Upper yoke 56
3 has a gap 565, and the MR element 561 has
MR element 561, upper yoke 563 and lower yoke 5
It may be arranged between the gap 565 and the lower yoke 564 so that 64 is magnetically connected.

【0082】図11に示す例では、上部ヨーク563、
MR素子561および下部ヨーク564によって磁気回
路が形成されており、再生ギャップ566で検出した記
録媒体からの信号磁界をMR素子561により電気信号
として検出することができる。なお、再生ギャップ56
6の長さ(再生ギャップ長)は、0.2μm以下が好まし
い。
In the example shown in FIG. 11, the upper yoke 563,
A magnetic circuit is formed by the MR element 561 and the lower yoke 564, and the signal magnetic field from the recording medium detected by the reproducing gap 566 can be detected by the MR element 561 as an electric signal. The reproduction gap 56
The length of 6 (reproduction gap length) is preferably 0.2 μm or less.

【0083】図11に示す磁気ヘッドのMR素子561
を含む部分を、点線I−I’で切断した切断面の断面図を
図12および図13に示す。図11に示したMR素子5
61周囲の構造の一例を、図12および図13を用いて
より詳細に説明する。図12は、CIP−GMR素子を
用いた場合の一例、図13は、CPP−GMRまたはT
MR素子を用いた場合の一例である。
MR element 561 of the magnetic head shown in FIG.
12 and 13 are cross-sectional views of a cut surface of the portion including the line taken along the dotted line I-I '. MR element 5 shown in FIG.
An example of the structure around 61 will be described in more detail with reference to FIGS. 12 and 13. FIG. 12 shows an example of using a CIP-GMR element, and FIG. 13 shows CPP-GMR or T
This is an example of using an MR element.

【0084】図12に示す例では、MR素子561の膜
面に平行に電流を流すようにリード部567が配置され
ており、図13に示す例では、MR素子561の膜面に
垂直に電流を流すようにリード部567が配置されてい
る。図13に示す例では、リード部567が絶縁層部5
62によってヨークと電気的に絶縁されているが、リー
ド部とヨークとが電気的に接続されていても構わない。
その場合、ヨークとリード部とを兼用とすることができ
る。
In the example shown in FIG. 12, the lead portion 567 is arranged so that the current flows in parallel to the film surface of the MR element 561. In the example shown in FIG. 13, the current is perpendicular to the film surface of the MR element 561. The lead portion 567 is arranged so that the current flows. In the example shown in FIG. 13, the lead portion 567 is the insulating layer portion 5.
Although it is electrically insulated from the yoke by 62, the lead portion and the yoke may be electrically connected.
In that case, the yoke and the lead portion can be combined.

【0085】また、それぞれの例において、MR素子5
61の自由磁性層の磁化方向を制御するためのハードバ
イアス部568がさらに配置されている。図12に示す
例では、ハードバイアス部568はMR素子561と接
するように配置されることが好ましい。図13に示す例
では、MR素子561としてTMR素子を用いる場合、
素子にトンネル電流を安定して流すために、ハードバイ
アス部568がMR素子561と電気的に絶縁されてい
ることが好ましい。
In each example, the MR element 5
A hard bias portion 568 for controlling the magnetization direction of the free magnetic layer 61 is further arranged. In the example shown in FIG. 12, the hard bias section 568 is preferably arranged so as to be in contact with the MR element 561. In the example shown in FIG. 13, when a TMR element is used as the MR element 561,
It is preferable that the hard bias portion 568 be electrically insulated from the MR element 561 in order to stably pass the tunnel current through the element.

【0086】絶縁層部562の材料としては、Al2O3、A
lNおよびSiO2などを用いることができる。上部ヨーク5
63および下部ヨーク564に用いる材料としては、Fe
-Si-Al、Ni-Fe、Ni-Fe-Co、Co-Nb-Zr、Co-Ta-Zr、Fe-Ta
-Nなどの軟磁性材料が好ましい。上記軟磁性材料からな
る膜と、Ta、Ru、Cuなどからなる非磁性膜との積層膜を
用いることもできる。ハードバイアス部568の材料と
しては、Co-Pt合金などを用いることができる。リード
部567としては、一般的な低電気抵抗の材料である、
Cu、Au、Ptなどを用いればよい。なお、下部ヨーク56
4として、磁性体からなる基板(例えば、Mn-Znフェラ
イト基板)を用いることもできる。
As the material of the insulating layer portion 562, Al 2 O 3 and A are used.
1N and SiO 2 can be used. Upper yoke 5
The material used for 63 and the lower yoke 564 is Fe.
-Si-Al, Ni-Fe, Ni-Fe-Co, Co-Nb-Zr, Co-Ta-Zr, Fe-Ta
Soft magnetic materials such as -N are preferred. It is also possible to use a laminated film of a film made of the soft magnetic material and a non-magnetic film made of Ta, Ru, Cu or the like. As a material for the hard bias portion 568, a Co—Pt alloy or the like can be used. The lead portion 567 is a material having a general low electric resistance,
Cu, Au, Pt or the like may be used. The lower yoke 56
As the substrate 4, a substrate made of a magnetic material (for example, a Mn-Zn ferrite substrate) can be used.

【0087】また、図11に示すようなヨークを備えた
磁気ヘッドの場合、MR素子561の自由磁性層は、上
部ヨーク563側に配置することが好ましい。
In the case of a magnetic head having a yoke as shown in FIG. 11, it is preferable that the free magnetic layer of the MR element 561 be arranged on the side of the upper yoke 563.

【0088】上記のようなヨーク型磁気ヘッドにおい
て、本発明のMR素子を用いることで、耐熱性に優れた
高出力の磁気ヘッドとすることができる。
By using the MR element of the present invention in the above-mentioned yoke type magnetic head, a high output magnetic head excellent in heat resistance can be obtained.

【0089】なお、このようなヨーク型磁気ヘッドは、
一般に、図7に示すようなシールド型磁気ヘッドに対
し、感度では劣るものの、シ−ルドギャップ中にMR素
子を配置する必要がないため、狭ギャップ化では有利で
ある。また、MR素子が記録媒体に対して露出している
構造ではないため、記録媒体と磁気ヘッドとが接触する
ことなどで生じるヘッドの破損や摩耗が少なく、信頼性
の面で優れている。そのため、ヨーク型磁気ヘッドは、
記録媒体が磁気テープであるストリーマーなどに用いる
場合に、特に優れているといえる。
Incidentally, such a yoke type magnetic head is
Generally, the sensitivity is inferior to that of the shield type magnetic head as shown in FIG. 7, but it is advantageous to narrow the gap because it is not necessary to dispose the MR element in the shield gap. Further, since the MR element is not exposed to the recording medium, the head is not damaged or worn due to contact between the recording medium and the magnetic head, which is excellent in reliability. Therefore, the yoke type magnetic head is
It can be said that it is particularly excellent when it is used for a streamer whose recording medium is a magnetic tape.

【0090】本発明のMR素子をメモリ素子として用い
たMRAMの例を図14に示す。MR素子601は、Cu
やAlなどからなるビット(センス)線602とワ−ド線
603の交点にマトリクス状に配置される。ビット線は
情報再生用導体線に、ワード線は情報記録用導体線にそ
れぞれ相当する。これらの線に信号電流を流した時に発
生する合成磁界により、MR素子601に信号が記録さ
れる。信号は、on状態となったラインが交差する位置に
配置された素子(図14では、MR素子601a)に記
録される(2電流一致方式)。
FIG. 14 shows an example of an MRAM using the MR element of the present invention as a memory element. MR element 601 is Cu
Are arranged in a matrix at intersections of bit (sense) lines 602 and word lines 603 made of Al or Al. The bit line corresponds to the information reproducing conductor line, and the word line corresponds to the information recording conductor line. A signal is recorded in the MR element 601 by the combined magnetic field generated when a signal current is passed through these lines. The signal is recorded in the element (MR element 601a in FIG. 14) arranged at the position where the lines in the on state intersect (two current coincidence method).

【0091】図15〜図17を参照してMRAMの動作
についてさらに説明する。これらの図には、書き込み動
作および読み込み動作の基本例が示されている。図15
に示すMRAMでは、MR素子701の磁化状態を個別
に読みとるために、FETなどのスイッチ素子705が
素子ごとに配置されている。このMRAMは、CMOS
基板上への作製に適している。図15に示すMRAMで
は、非線形素子706が素子ごとに配置されている。非
線形素子706としては、バリスタ、トンネル素子など
や、上記の3端子スイッチ素子などを用いることができ
る。非線形素子の代わりに整流素子を用いてもよい。こ
のMRAMは、ダイオ−ドの成膜プロセスなどを用いれ
ば、安価なガラス基板上にも作製できる。図17に示す
MRAMでは、図15および図16に示したスイッチ素
子や非線形素子などを用いず、ワ−ド線704とビット
線703との交点に、MR素子701が直接配置されて
いる。このMRAMでは、読み出し時に複数の素子に電
流が流れることになるため、読み出しの精度から、素子
数を10000個以下に制限することが好ましい。
The operation of the MRAM will be further described with reference to FIGS. These figures show basic examples of write and read operations. Figure 15
In the MRAM shown in (1), a switch element 705 such as a FET is arranged for each element in order to read the magnetization state of the MR element 701 individually. This MRAM is CMOS
Suitable for fabrication on a substrate. In the MRAM shown in FIG. 15, the non-linear element 706 is arranged for each element. As the non-linear element 706, a varistor, a tunnel element, or the like, or the above-mentioned three-terminal switch element or the like can be used. A rectifying element may be used instead of the non-linear element. This MRAM can be formed on an inexpensive glass substrate by using a diode film forming process. In the MRAM shown in FIG. 17, the MR element 701 is directly arranged at the intersection of the word line 704 and the bit line 703 without using the switch element or the non-linear element shown in FIGS. In this MRAM, since a current flows through a plurality of elements during reading, it is preferable to limit the number of elements to 10,000 or less in terms of reading accuracy.

【0092】図15〜図17に示す例では、ビット線7
03が、素子に電流を流して抵抗変化を読みとるセンス
線としても用いられている。しかし、ビット電流による
誤動作や素子破壊を防ぐため、センス線とビット線とを
別途配置してもよい。この場合、ビット線は、素子と電
気的な絶縁を保ちながら、かつ、センス線と平行に配置
することが好ましい。なお、書き込み時における消費電
力の観点から、ワ−ド線、ビット線とMR素子との間隔
は、500nm以下であることが好ましい。
In the example shown in FIGS. 15 to 17, the bit line 7
Reference numeral 03 is also used as a sense line for reading a resistance change by passing a current through the element. However, the sense line and the bit line may be separately arranged in order to prevent malfunction and element destruction due to the bit current. In this case, the bit line is preferably arranged in parallel with the sense line while maintaining electrical insulation from the element. From the viewpoint of power consumption during writing, the distance between the word line, bit line and MR element is preferably 500 nm or less.

【0093】[0093]

【実施例】以下、実施例を用いて本発明をさらに詳細に
説明するが、本発明は以下の例に限定されるものではな
い。
EXAMPLES The present invention will be described in more detail with reference to examples, but the present invention is not limited to the following examples.

【0094】熱酸化膜付Si基板(3インチφ)上に、マ
グネトロンスパッタリング法を用いて、各実施例に記載
の膜構成のMR素子を作製し、MR特性を調べた。素子
のMR特性としては、MR比、自由磁性層の保磁力
c、自由磁性層の異方性磁界Hkおよび固定磁性層の交
換バイアス磁界Hexを求めた。
On the Si substrate with thermal oxide film (3 inch φ), the MR element having the film constitution described in each of the examples was prepared by using the magnetron sputtering method, and the MR characteristics were examined. As the MR characteristics of the element, the MR ratio, the coercive force H c of the free magnetic layer, the anisotropic magnetic field H k of the free magnetic layer and the exchange bias magnetic field H ex of the fixed magnetic layer were obtained.

【0095】上記MR特性の算出は素子の磁気抵抗を測
定することで行った。磁気抵抗の測定は、固定磁性層の
磁化容易軸方向(反強磁性層と固定磁性層との間に交換
結合磁界を生じさせるために行った熱処理時に印加した
磁界方向)と同方向に最大4.0×105A/mの外部磁界を
素子に印加して、直流四端子法により行った。
The MR characteristics were calculated by measuring the magnetic resistance of the device. Magnetoresistance was measured up to 4.0 in the same direction as the easy axis of magnetization of the pinned magnetic layer (the direction of the magnetic field applied during the heat treatment performed to generate the exchange coupling magnetic field between the antiferromagnetic layer and the pinned magnetic layer). An external magnetic field of × 10 5 A / m was applied to the device to perform the direct current four-terminal method.

【0096】まず、MR比は、磁気抵抗の測定により求
められた最大抵抗値をRmax、最小抵抗値をRminとし
て、次式(1)により算出した。
First, the MR ratio was calculated by the following equation (1), where R max is the maximum resistance value and R min is the minimum resistance value obtained by measuring the magnetic resistance.

【0097】 MR比={(Rmax−Rmin)/Rmin}×100(%) (1)MR ratio = {(R max −R min ) / R min } × 100 (%) (1)

【0098】次に、交換バイアス磁界Hexの算出方法を
図21(a)を用いて説明する。図21(a)は、MR
素子のメジャー曲線(メジャーループ)の一例を示す模
式図である。メジャー曲線は素子の磁気抵抗を測定する
ことで得ることができる。図21(a)に示すメジャー
ループにおいて、外部からの印加磁界Hが零磁界付近で
記録されているMR比の変化は、自由磁性層の磁化回転
に対応している。また、印加磁界Hの値が、図21
(a)に示すHex付近で記録されているMR比の変化
は、反強磁性層と交換結合している固定磁性層の磁化回
転に対応している。このような固定磁性層の磁化回転に
対応する磁界を交換バイアス磁界Hexと呼び、その大き
さは、図21(a)に示すように、素子のMR比が最大
値(M0)の半分になるときの印加磁界Hで与えられ
る。交換バイアス磁界Hexが大きくなれば、固定磁性層
の磁化回転が起こりにくくなり、素子の安定性がより向
上する。
Next, a method of calculating the exchange bias magnetic field H ex will be described with reference to FIG. FIG. 21A shows the MR
It is a schematic diagram which shows an example of a major curve (major loop) of an element. The major curve can be obtained by measuring the magnetic resistance of the device. In the major loop shown in FIG. 21A, the change in the MR ratio recorded when the externally applied magnetic field H is near the zero magnetic field corresponds to the magnetization rotation of the free magnetic layer. The value of the applied magnetic field H is shown in FIG.
The change in MR ratio recorded near H ex shown in (a) corresponds to the magnetization rotation of the pinned magnetic layer exchange-coupled with the antiferromagnetic layer. A magnetic field corresponding to the magnetization rotation of the pinned magnetic layer is called an exchange bias magnetic field H ex, and its magnitude is half the maximum value (M 0 ) of the MR ratio of the element as shown in FIG. Is given by the applied magnetic field H. When the exchange bias magnetic field H ex is large, the magnetization rotation of the pinned magnetic layer is hard to occur, and the stability of the element is further improved.

【0099】次に、自由磁性層の保持力Hcおよび異方
性磁界Hkの算出方法を図21(b)を用いて説明す
る。図21(b)は、MR素子のマイナー曲線の一例で
あり、図21(a)に示したメジャー曲線のうち、自由
磁性層の磁化回転に対応する部分を拡大したものであ
る。図21(a)に示した曲線では、印加磁界Hを増加
させた場合も減少させた場合も、自由磁性層の磁化回転
は同じ印加磁界の大きさで起こっているようにみえる。
しかし、実際には、印加磁界に対して素子がヒステリシ
スを有しているため、図21(b)に示すように、印加
磁界Hを増加させる場合と減少させる場合とで、自由磁
性層が磁化回転する印加磁界Hの大きさは異なってい
る。印加磁界Hを増加させる場合と、減少させる場合と
のそれぞれにおいて、素子のMR比が最大値(M0)の
半分になる印加磁界をH1およびH2、素子の自由磁性層
の磁化回転が完了する印加磁界をH3およびH4としたと
きに、保磁力Hcと異方性磁界Hkは次式(2)および
(3)により求めることができる。
Next, a method of calculating the coercive force H c and the anisotropic magnetic field H k of the free magnetic layer will be described with reference to FIG. FIG. 21B is an example of a minor curve of the MR element, which is an enlarged view of a portion corresponding to the magnetization rotation of the free magnetic layer in the major curve shown in FIG. In the curve shown in FIG. 21A, it seems that the magnetization rotation of the free magnetic layer occurs at the same magnitude of the applied magnetic field regardless of whether the applied magnetic field H is increased or decreased.
However, in reality, since the element has a hysteresis with respect to the applied magnetic field, as shown in FIG. 21B, the free magnetic layer is magnetized depending on whether the applied magnetic field H is increased or decreased. The magnitude of the rotating applied magnetic field H is different. In each of the case where the applied magnetic field H is increased and the case where the applied magnetic field H is decreased, the applied magnetic field at which the MR ratio of the element is half the maximum value (M 0 ) is H 1 and H 2 , and the magnetization rotation of the free magnetic layer of the element When the applied magnetic field to be completed is H 3 and H 4 , the coercive force H c and the anisotropic magnetic field H k can be obtained by the following equations (2) and (3).

【0100】 保磁力Hc=|H1−H2|/2 (A/m) (2) 異方性磁界Hk=|H3−H4|/2 (A/m) (3)Coercive force H c = | H 1 −H 2 | / 2 (A / m) (2) Anisotropic magnetic field H k = | H 3 −H 4 | / 2 (A / m) (3)

【0101】(実施例1)熱酸化膜付Si基板/Ta(3)
/Cu(50)/Ta(3)/Pt-Mn(20)/Co-Fe(5)/Al-O
(1.0)/Co-Fe(1)/Ni-Fe(3)/Ni-Fe-Pt合金層
(2)
(Example 1) Si substrate with thermal oxide film / Ta (3)
/ Cu (50) / Ta (3) / Pt-Mn (20) / Co-Fe (5) / Al-O
(1.0) / Co-Fe (1) / Ni-Fe (3) / Ni-Fe-Pt alloy layer (2)

【0102】ここで、括弧内の数値は膜厚を示してい
る。単位はnmであり、以下、同様にして膜厚を表示す
る。ただし、Al-Oの膜厚の値は、酸化処理前のAlの設計
膜厚値(合計値)を示している(Al-Nにおける窒化処理
を含め、以下同様である)。Al-Oは、Alを0.3〜0.7nm
成膜した後、200Torr(26.3kPa)の酸素含有雰囲気
中において1分間の酸化を繰り返して作製した。
Here, the numerical value in the parentheses indicates the film thickness. The unit is nm, and hereinafter, the film thickness is similarly displayed. However, the value of the film thickness of Al-O indicates the design film thickness value (total value) of Al before the oxidation treatment (the same applies below including the nitriding treatment of Al-N). Al-O is 0.3-0.7 nm for Al
After the film formation, the film was formed by repeating the oxidation for 1 minute in the oxygen-containing atmosphere of 200 Torr (26.3 kPa).

【0103】基板上のTa(3)/Cu(50)は、下部電極
であり、下部電極とPt-Mn層との間のTa(3)は下地層で
ある。Pt-Mn層は、反強磁性層であり、その組成はPt0.5
Mn0.5であった。また、自由磁性層であるCo-Fe(1)/N
i-Fe(3)の各層、固定磁性層であるCo-Fe(5)の組成
は、それぞれCo0.75Fe0.25、Ni0.8Fe0.2であった。Ni-F
e-Pt合金層が、本発明におけるNi-Fe-X合金層に相当す
る。
Ta (3) / Cu (50) on the substrate is a lower electrode, and Ta (3) between the lower electrode and the Pt-Mn layer is a base layer. The Pt-Mn layer is an antiferromagnetic layer and its composition is Pt 0.5.
It was Mn 0.5 . In addition, Co-Fe (1) / N, which is a free magnetic layer
The composition of each i-Fe (3) layer and Co-Fe (5), which is the pinned magnetic layer, were Co 0.75 Fe 0.25 and Ni 0.8 Fe 0.2 , respectively. Ni-F
The e-Pt alloy layer corresponds to the Ni-Fe-X alloy layer in the present invention.

【0104】上記サンプルの成膜は、1×10-8Torr(1.3
×10-6Pa)以下になるまで排気した後、Arガスが約0.
8mTorr(約0.1Pa)の雰囲気になるように調整したチ
ャンバー内で行った。また、このとき、100Oe(8.0×
103A/m)の磁界をサンプル面に対して平行に印加し
ながら成膜した。その後、上記サンプルのNi-Fe-Pt合金
層の上に、Ta(15)/Pt(5)を積層した。Ta(15)/P
t(5)は、保護層であるが、一部上部電極を兼ねてい
る。次に、フォトリソグラフィーおよびイオンミリング
を用いて、図6に示すようなメサ型に微細加工し、層間
絶縁膜としてAl2O 3を用いて周囲を絶縁した後、上部に
スルーホールを開け、この上にCu(50)/Ta(3)の上
部電極を形成してMR素子を作製した。作製したMR素
子を280℃、5kOe(4.0×105A/m)の真空磁界中で
1.5時間保持し、Pt-Mn(20)/Co-Fe(5)に磁気異
方性を付与した。
The film formation of the above sample was 1 × 10-8Torr (1.3
× 10-6After evacuation to less than Pa), Ar gas is about 0.
The temperature is adjusted so that the atmosphere is 8 mTorr (about 0.1 Pa).
I went inside the room. At this time, 100 Oe (8.0 x
Ten3A / m) magnetic field is applied parallel to the sample surface
While forming a film. After that, the above sample Ni-Fe-Pt alloy
Ta (15) / Pt (5) was laminated on the layer. Ta (15) / P
t (5) is a protective layer, but also partly serves as the upper electrode
It Next, photolithography and ion milling
Is used to perform microfabrication into a mesa type as shown in FIG.
Al as insulating film2O 3After insulating the surroundings using
Open a through hole and place Cu (50) / Ta (3) on this
A partial electrode was formed to produce an MR element. Made MR element
280 ℃, 5kOe (4.0 × 10FiveA / m) in a vacuum magnetic field
Hold for 1.5 hours and magnetically change Pt-Mn (20) / Co-Fe (5)
It has been given a tortoise.

【0105】上記の方法を用い、実施例として、Ni-Fe-
Pt合金層の組成がNi0.55Fe0.1Pt0.3 5およびNi0.7Fe0.15
Pt0.15の2種類を準備し、比較例として、Ni-Fe-Pt合金
層を積層しない(他の層は全て実施例と同一)素子を準
備した。また、実施例および比較例ともに、素子サイズ
を変更したサンプルを複数準備した。なお、各サンプル
の形状は、面方向から見て正方形とした。
Using the above method, as an example, Ni-Fe-
The composition of the Pt alloy layer is Ni 0.55 Fe 0.1 Pt 0.3 5 and Ni 0.7 Fe 0.15
Two types of Pt 0.15 were prepared, and as a comparative example, an element in which no Ni—Fe—Pt alloy layer was laminated (all other layers were the same as those in the example) was prepared. In addition, in each of the examples and the comparative examples, a plurality of samples having different element sizes were prepared. The shape of each sample was square when viewed from the surface direction.

【0106】各サンプルのMR特性として、自由磁性層
の保磁力Hc(A/m)およびMR比(%)を調べた。
As the MR characteristics of each sample, the coercive force H c (A / m) and MR ratio (%) of the free magnetic layer were examined.

【0107】図18に、保磁力Hcの素子サイズ依存性
を示す。なお、素子サイズとして、MR素子の一辺の長
さd(μm)を用いた(素子面積はd×d(μm2)で
ある)。
FIG. 18 shows the dependence of the coercive force H c on the element size. The length of one side of the MR element, d (μm), was used as the element size (the element area is d × d (μm 2 )).

【0108】図18に示すように、Ni-Fe-Pt合金層を自
由磁性層上に積層した実施例の2サンプルでは、Ni-Fe-
Pt合金層を有さない比較例と比べ、同じ素子サイズにお
ける自由磁性層の保磁力Hcが小さい結果となった。Ni-
Fe-Pt合金層によって、界面応力や磁歪などを原因とし
た保磁力の増大が抑制された可能性が考えられる。
As shown in FIG. 18, in the two samples of the embodiment in which the Ni—Fe—Pt alloy layer was laminated on the free magnetic layer, the Ni—Fe—
As compared with the comparative example having no Pt alloy layer, the coercive force H c of the free magnetic layer was smaller in the same element size. Ni-
It is possible that the Fe-Pt alloy layer suppressed the increase in coercive force due to interface stress and magnetostriction.

【0109】一般に素子サイズが小さくなれば自由磁性
層の保磁力が増大する傾向にあるが、Ni-Fe-Pt合金層に
よって保磁力を抑制することが可能であるため、本発明
により素子サイズをより小さくすることができる。即
ち、素子サイズを小さくしても保磁力を小さくすること
が可能で、例えば、MRAMに本発明のMR素子を用い
た場合、情報を書き込むために必要な電流値を低減でき
るため、MRAMの高密度化と低消費電力の観点からも
非常に効果的である。
Generally, as the element size decreases, the coercive force of the free magnetic layer tends to increase. However, since the Ni-Fe-Pt alloy layer can suppress the coercive force, the present invention can reduce the element size. Can be smaller. That is, it is possible to reduce the coercive force even if the element size is reduced. For example, when the MR element of the present invention is used for the MRAM, the current value required for writing information can be reduced, so that the MRAM has a high value. It is also very effective in terms of density and low power consumption.

【0110】なお、本実施例において、素子サイズおよ
びNi-Fe-Pt合金層の有無に関わらず、全サンプルのMR
比は約40%とほぼ同一であった。
In this example, the MR of all samples was examined regardless of the element size and the presence or absence of the Ni-Fe-Pt alloy layer.
The ratio was almost the same as about 40%.

【0111】次に、上記実施例および比較例のサンプル
に対し、400℃、無磁界中で1時間熱処理を実施し、熱
処理による自由磁性層の保磁力の変化を調べたところ、
比較例では保磁力が約2倍に増大していたのに対して、
実施例の2サンプルではほとんど保磁力の増大は見られ
ず、耐熱性にも優れていることがわかった。
Next, the samples of the above Examples and Comparative Examples were subjected to heat treatment at 400 ° C. for 1 hour in a non-magnetic field, and the change in coercive force of the free magnetic layer due to the heat treatment was examined.
In the comparative example, the coercive force was doubled, whereas
It was found that the two samples of the examples showed almost no increase in coercive force and were excellent in heat resistance.

【0112】その他、Ni-Fe-Pt合金層の代わりに、式Ni
-Fe-X(ただし、Xは、Cr、V、Nb、Pt、Pd、Rh、Ru、I
r、CuおよびAuから選ばれる少なくとも一種の元素であ
る)で示される合金層を用いた場合にも同様の効果を得
ることができた。このとき、Ni-Fe-Xの組成比が、Niと
して0.4を超え1未満、Xとして0を超え0.5未満の範囲
(ただし、Ni、XおよびFeの原子組成比の合計は1)に
おいて、自由磁性層の保磁力の増大をより抑制すること
ができ、なかでも、Niが0.5〜0.9、Xが0.05〜0.4の場合
に特に効果的であった。
Other than the Ni-Fe-Pt alloy layer, the formula Ni
-Fe-X (where X is Cr, V, Nb, Pt, Pd, Rh, Ru, I
Similar effects could be obtained when an alloy layer represented by (at least one element selected from r, Cu and Au) is used. At this time, if the composition ratio of Ni-Fe-X is in the range of more than 0.4 and less than 1 as Ni and more than 0 and less than 0.5 as X (however, the total atomic composition ratio of Ni, X and Fe is 1), The increase in coercive force of the magnetic layer can be further suppressed, and in particular, it was particularly effective when Ni was 0.5 to 0.9 and X was 0.05 to 0.4.

【0113】(実施例2)実施例1と同様の方法を用い
て、下記に示す膜構成のMR素子を作製した。
(Example 2) Using the same method as in Example 1, an MR element having the following film structure was produced.

【0114】熱酸化膜付Si基板/Ta(3)/Cu(50)/T
a(3)/Ni-Fe-X合金層(3)/Ni-Fe(1)/Co-Fe(1)
/Al-N(0.7)/Co-Fe(3.5)/Ir-Mn(10)
Si substrate with thermal oxide film / Ta (3) / Cu (50) / T
a (3) / Ni-Fe-X alloy layer (3) / Ni-Fe (1) / Co-Fe (1)
/ Al-N (0.7) / Co-Fe (3.5) / Ir-Mn (10)

【0115】基板上のTa(3)/Cu(50)は、下部電極
であり、下部電極とNi-Fe-X合金層との間のTa(3)は下
地層である。Ir-Mn層は反強磁性層であり、組成はIr0.8
Mn0.2であった。また、自由磁性層であるNi-Fe(1)/C
o-Fe(1)の各層、固定磁性層であるCo-Fe(3.5)の組
成はそれぞれNi0.8Fe0.2、Co0.7Fe0.3であった。
Ta (3) / Cu (50) on the substrate is the lower electrode, and Ta (3) between the lower electrode and the Ni—Fe—X alloy layer is the underlayer. The Ir-Mn layer is an antiferromagnetic layer and has a composition of Ir 0.8.
It was Mn 0.2 . In addition, the free magnetic layer Ni-Fe (1) / C
The composition of each layer of o-Fe (1) and Co-Fe (3.5) as the pinned magnetic layer were Ni 0.8 Fe 0.2 and Co 0.7 Fe 0.3 , respectively.

【0116】Al-N層は、Alを0.7nm成膜した後、ArとN
2の混合ガス中でICPを用いてAlを窒化することで作
製した。Ir-Mn層の上には、保護層(一部上部電極を兼
ねている)としてTa(15)/Pt(5)を積層し、上部電
極にはCu(50)/Ta(3)を用いて、素子サイズ0.2μm
×0.4μmのMR素子を作製した。
The Al-N layer is formed by depositing 0.7 nm of Al and then forming Ar and N
It was produced by nitriding Al using ICP in a mixed gas of 2 . On the Ir-Mn layer, Ta (15) / Pt (5) is laminated as a protective layer (also partially serving as the upper electrode), and Cu (50) / Ta (3) is used for the upper electrode. Element size 0.2 μm
An MR element of 0.4 μm was prepared.

【0117】作製したMR素子を250℃、5kOe(4.0
×105A/m)の真空磁界中で、素子の長手方向に磁界
を印加しながら3時間保持し、Co-Fe(3.5)/Ir-Mn(1
0)に磁気異方性を付与した。
The manufactured MR element was tested at 250 ° C. and 5 kOe (4.0
In a vacuum magnetic field of × 10 5 A / m), the magnetic field was applied in the longitudinal direction of the device and held for 3 hours to produce Co-Fe (3.5) / Ir-Mn (1
0) was given magnetic anisotropy.

【0118】上記の方法を用い、実施例として、Ni-Fe-
X合金層の組成を変えたサンプルを5種類準備(下記表
1:サンプルa01〜a05)し、比較例として、Ni-Fe-X合
金層の代わりに通常の軟磁性材料であるNi-Fe層を用い
たサンプルと、何も積層しなかったサンプルとの2種類
を準備(下記表1:サンプルa06〜a07)した。各サンプ
ルに対し、自由磁性層の保磁力Hc(A/m)を調べ
た。
Using the above method, as an example, Ni-Fe-
Five kinds of samples with different composition of X alloy layer were prepared (Table 1: Samples a01 to a05 below), and as a comparative example, Ni-Fe layer which is a normal soft magnetic material instead of Ni-Fe-X alloy layer was prepared. Two kinds of samples were prepared (Samples a06 to a07 below). The coercive force H c (A / m) of the free magnetic layer was examined for each sample.

【0119】表1に、各サンプルのNi-Fe-X合金層の組
成と、保磁力Hcの測定結果とを示す。
Table 1 shows the composition of the Ni—Fe—X alloy layer of each sample and the measurement result of the coercive force H c .

【0120】[0120]

【表1】 [Table 1]

【0121】表1に示すように、比較例であるa06とa07
の結果を比較すると、a07の保磁力の方が小さいことが
わかる。これは、a06においてNi-Fe-X合金層の代わりに
積層したNi0.8Fe0.2層が自由磁性層としての役割を果た
しているため、a06の自由磁性層が実質的に厚くなり、
その反磁界がa07よりも大きくなったことに起因してい
ると考えられる。
As shown in Table 1, comparative examples a06 and a07.
Comparing the results of, it can be seen that the coercive force of a07 is smaller. This is because the Ni 0.8 Fe 0.2 layer laminated in place of the Ni-Fe-X alloy layer in a06 plays a role as a free magnetic layer, so the free magnetic layer in a06 becomes substantially thicker,
It is considered that the demagnetizing field is larger than that of a07.

【0122】実施例(a01〜a05)と比較例(a06、a07)
とを比べると、Ni-Fe-X合金層を積層した実施例の全て
のサンプルにおいて、保磁力Hcが低減していることが
わかる。その理由として、Ni-Fe-X合金層によってNi-Fe
層の飽和磁界が低減され、自由磁性層の反磁界が小さく
なることや、Ni-Fe-X合金層とNi-Fe層との界面における
磁歪が小さくなること、その他、Ni-Fe-X合金層が自由
磁性層のバッファー層として機能しているなどの可能性
が考えられる。
Examples (a01-a05) and Comparative Examples (a06, a07)
Comparing with, it can be seen that the coercive force H c is reduced in all the samples of the examples in which the Ni—Fe—X alloy layers are laminated. The reason is that the Ni-Fe-X alloy layer causes the Ni-Fe
The saturation magnetic field of the layer is reduced, the demagnetizing field of the free magnetic layer is reduced, the magnetostriction at the interface between the Ni-Fe-X alloy layer and the Ni-Fe layer is reduced, and other Ni-Fe-X alloys It is possible that the layer functions as a buffer layer of the free magnetic layer.

【0123】(実施例3)実施例1と同様の方法を用い
て、下記に示す膜構成のMR素子を作製した。実施例と
して2サンプル、比較例として2サンプル準備した。
(Example 3) Using the same method as in Example 1, an MR element having the following film structure was produced. Two samples were prepared as examples and two samples were prepared as comparative examples.

【0124】実施例b01: 熱酸化膜付Si基板/Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/Ni-F
e-Pt合金層(2)/Pt-Mn(15)/Co-Fe(3)/Al-O(2.
0)/Ni-Fe(5)/Ta(15)/Pt(10) 実施例b02: 熱酸化膜付Si基板/Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/Ni-F
e-Pt合金層(2)/Pt-Mn(15)/Co-Fe(3)/Ru(0.
7)/Co-Fe(3)/Al-O(2.0)/Ni-Fe(5)/Ta(15)/
Pt(10) 比較例b03: 熱酸化膜付Si基板/Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/Pt-M
n(15)/Co-Fe(3)/Al-O(2.0)/Ni-Fe(5)/Ta(1
5)/Pt(10) 比較例b04: 熱酸化膜付Si基板/Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/Pt-M
n(15)/Co-Fe(3)/Ru(0.8)/Co-Fe(3)/Al-O
(2.0)/Ni-Fe(5)/Ta(15)/Pt(10)
Example b01: Si substrate with thermal oxide film / Ta (3) / Cu (50) / Ta (3) / Ni-F
e-Pt alloy layer (2) / Pt-Mn (15) / Co-Fe (3) / Al-O (2.
0) / Ni-Fe (5) / Ta (15) / Pt (10) Example b02: Si substrate with thermal oxide film / Ta (3) / Cu (50) / Ta (3) / Ni-F
e-Pt alloy layer (2) / Pt-Mn (15) / Co-Fe (3) / Ru (0.
7) / Co-Fe (3) / Al-O (2.0) / Ni-Fe (5) / Ta (15) /
Pt (10) Comparative Example b03: Si substrate with thermal oxide film / Ta (3) / Cu (50) / Ta (3) / Pt-M
n (15) / Co-Fe (3) / Al-O (2.0) / Ni-Fe (5) / Ta (1
5) / Pt (10) Comparative Example b04: Si substrate with thermal oxide film / Ta (3) / Cu (50) / Ta (3) / Pt-M
n (15) / Co-Fe (3) / Ru (0.8) / Co-Fe (3) / Al-O
(2.0) / Ni-Fe (5) / Ta (15) / Pt (10)

【0125】各サンプルにおける基板上のTa(3)/Cu
(50)は下部電極であり、下部電極上のTa(3)は下地
層、基板から最も遠いTa(15)/Pt(10)は保護層であ
る。また、Pt-Mn層は、反強磁性層であり、組成はPt
0.48Mn0.52であった。自由磁性層であるNi-Fe(5)の組
成は、Ni0.8Fe0.2であり、Ni-Fe-X合金層であるNi-Fe-P
t合金層の組成は、Ni0.6Fe0.1Pt0.30であった。実施例b
01および比較例b03におけるCo-Fe(3)は固定磁性層で
ある。
Ta (3) / Cu on the substrate in each sample
(50) is a lower electrode, Ta (3) on the lower electrode is a base layer, and Ta (15) / Pt (10) farthest from the substrate is a protective layer. The Pt-Mn layer is an antiferromagnetic layer and has a composition of Pt.
It was 0.48 Mn 0.52 . The composition of Ni-Fe (5), which is the free magnetic layer, is Ni 0.8 Fe 0.2 , and Ni-Fe-P, which is the Ni-Fe-X alloy layer.
The composition of the t alloy layer was Ni 0.6 Fe 0.1 Pt 0.30 . Example b
Co-Fe (3) in 01 and Comparative Example b03 is a pinned magnetic layer.

【0126】Al-O層は、Alを2.0nm成膜した後にプラ
ズマ酸化することにより作製した。プラズマ酸化は、酸
素分圧が75%に調整されたAr−O2混合ガス(圧力0.8mTo
rr)雰囲気下で、ワンターンコイルに150WのRF電力
を投入することで酸素プラズマを生成させて行った。酸
化時間は30秒とした。
The Al—O layer was formed by forming Al to a thickness of 2.0 nm and then performing plasma oxidation. Plasma oxidation is performed by Ar-O 2 mixed gas (pressure 0.8mTo) with oxygen partial pressure adjusted to 75%.
rr) In an atmosphere, oxygen plasma was generated by applying 150 W of RF power to the one-turn coil. The oxidation time was 30 seconds.

【0127】また、実施例b02および比較例b04における
固定磁性層は、積層フェリ固定磁性層とした(Co-Fe
(3)/Ru(0.7)/Co-Fe(3)部分に相当)。
The pinned magnetic layer in Example b02 and Comparative Example b04 was a laminated ferri pinned magnetic layer (Co-Fe
(3) / Ru (0.7) / Co-Fe (3) part).

【0128】なお、上部電極としては、Ta(3)/Cu(50)
/Pt(50)/Ta(15)を用い、各サンプルの素子サイズは、
20μm×50μmとした。
As the upper electrode, Ta (3) / Cu (50) was used.
Using / Pt (50) / Ta (15), the element size of each sample is
It was set to 20 μm × 50 μm.

【0129】作製したMR素子に対して、素子の長手方
向に5kOe(4.0×105A/m)の磁界を印加した状態
で、270℃で10時間熱処理を行い、その後、各サンプル
のMR特性を磁気抵抗測定より求めた。
Heat treatment was performed on the manufactured MR element at 270 ° C. for 10 hours while applying a magnetic field of 5 kOe (4.0 × 10 5 A / m) in the longitudinal direction of the element, and then the MR characteristics of each sample. Was determined by measuring the magnetic resistance.

【0130】表2に、各サンプルに対する磁気抵抗測定
から求めたMR比、自由磁性層の保磁力Hcおよび固定
磁性層の交換バイアス磁界Hexの測定結果を示す。
Table 2 shows the measurement results of the MR ratio, the coercive force H c of the free magnetic layer and the exchange bias magnetic field H ex of the fixed magnetic layer, which are obtained by measuring the magnetic resistance of each sample.

【0131】[0131]

【表2】 [Table 2]

【0132】表2に示すように、Ni-Fe-Pt合金層を積層
した実施例(b01、b02)では、自由磁性層の保磁力(H
c)が比較例(b03、b04)に対して大幅に減少している
ことがわかる。また、MR比もやや増大している。
As shown in Table 2, in the examples (b01, b02) in which Ni-Fe-Pt alloy layers were laminated, the coercive force (H
It can be seen that c ) is significantly reduced compared to the comparative examples (b03, b04). Also, the MR ratio is slightly increasing.

【0133】このような保磁力低減の原因として、Ni-F
e-Pt合金層が下地層となり、自由磁性層であるNi-Fe層
の結晶構造に影響を与えた可能性が考えられる。上記各
サンプルに対して、X線回折により各層の結晶構造およ
び配向性を調べたところ、比較例(b03、b04)では明確
な回折強度が得られず、各層は無配向の多結晶構造であ
った。一方、実施例(b01、b02)では、Pt-Mn層のfct(1
11)配向および固定磁性層であるCo-Fe層のfcc(111)配
向を示す強い回折ピークが得られた。また、さらに、自
由磁性層であるNi-Fe層のfcc(111)配向を示す回折ピー
クも得ることができた。このことから、実施例(b01、b
02)の自由磁性層の保磁力が低減したのは、Ni-Fe-Pt層
により、Ni-Fe-Pt層上にある各層の結晶配向性が向上し
たことに起因すると考えられる。
As a cause of such a reduction in coercive force, Ni-F
It is possible that the e-Pt alloy layer acted as an underlayer and affected the crystal structure of the Ni-Fe layer, which is the free magnetic layer. When the crystal structure and orientation of each layer of each of the above samples were examined by X-ray diffraction, no clear diffraction intensity was obtained in Comparative Examples (b03, b04), and each layer had a non-oriented polycrystalline structure. It was On the other hand, in the example (b01, b02), the ft (1
11) Orientation and strong diffraction peaks showing the fcc (111) orientation of the Co-Fe layer as the fixed magnetic layer were obtained. Further, a diffraction peak showing the fcc (111) orientation of the Ni—Fe layer, which is the free magnetic layer, was also obtained. From these facts, the examples (b01, b
It is considered that the decrease in the coercive force of the free magnetic layer of 02) is due to the improvement of the crystal orientation of each layer on the Ni-Fe-Pt layer by the Ni-Fe-Pt layer.

【0134】さらに、各サンプルにおいて、トンネル絶
縁層であるAl-O層の酸化前のAl層に対してX線回折測定
を行ってみたところ、実施例(b01、b02)のAl層が良好
なfcc(111)配向を示したのに対して、比較例(b03、b0
4)のAl層は無配向の多結晶構造であった。Al層がfcc(1
11)配向であれば、酸化後のAl-O層の結晶状態が良好と
なり、トンネル絶縁層としての特性も向上する可能性が
ある。
Furthermore, in each sample, when the Al layer before oxidation of the Al—O layer which is the tunnel insulating layer was subjected to X-ray diffraction measurement, the Al layers of the examples (b01, b02) were found to be good. In contrast to the fcc (111) orientation, comparative examples (b03, b0
The Al layer in 4) had a non-oriented polycrystalline structure. Al layer is fcc (1
If the orientation is 11), the crystalline state of the Al-O layer after oxidation becomes good, and the characteristics as a tunnel insulating layer may be improved.

【0135】また、固定磁性層が積層フェリ構造である
実施例b02の交換バイアス磁界Hexが、同様の積層フェ
リ固定磁性層を持つ比較例b04の交換バイアス磁界より
も増大していることがわかる。Ni-Fe-Pt合金層により、
固定磁性層であるCo-Fe層がfcc配向し、非磁性膜である
Ruを介した反強磁性的交換結合力が増大した可能性が考
えられる。
Further, it can be seen that the exchange bias magnetic field H ex of Example b02 in which the pinned magnetic layer has the laminated ferri structure is larger than the exchange bias magnetic field of Comparative Example b04 having the same laminated ferri pinned magnetic layer. . By Ni-Fe-Pt alloy layer,
The Co-Fe layer, which is the pinned magnetic layer, has a fcc orientation and is a non-magnetic film
It is possible that the antiferromagnetic exchange coupling force via Ru increased.

【0136】上記結果から、Ni-Fe-Pt合金層を積層する
ことにより、自由磁性層の保磁力が減少し、素子として
の感度が向上する効果と、積層フェリ固定磁性層の反強
磁性的交換結合力が増大し、素子出力の安定性が向上す
る効果とを同時に得られることがわかる。
From the above results, by stacking the Ni-Fe-Pt alloy layers, the coercive force of the free magnetic layer is reduced, the sensitivity as an element is improved, and the antiferromagnetic property of the laminated ferri pinned magnetic layer is improved. It can be seen that the effect of increasing the exchange coupling force and improving the stability of the device output can be obtained at the same time.

【0137】(実施例4)実施例1と同様の方法を用い
て、下記に示す膜構成のMR素子を作製した。
Example 4 Using the same method as in Example 1, an MR element having the following film structure was produced.

【0138】熱酸化膜付Si基板/Ta(3)/Ni-Fe-Cr合金
層(4)/Pt-Mn(15)/Co-Fe(2)/Ru(0.7)/Co-Fe
(3)/Cu(2.5)/Co-Fe(1)/Ni-Fe(5)/Ni-Fe-Cr
合金層(t1)/Ta(3)
Si substrate with thermal oxide film / Ta (3) / Ni-Fe-Cr alloy layer (4) / Pt-Mn (15) / Co-Fe (2) / Ru (0.7) / Co-Fe
(3) / Cu (2.5) / Co-Fe (1) / Ni-Fe (5) / Ni-Fe-Cr
Alloy layer (t 1 ) / Ta (3)

【0139】上記に示すように、本実施例では、反強磁
性層であるPt-Mn層と基板との間と、自由磁性層であるC
o-Fe(1)/Ni-Fe(5)上との双方に、Ni-Fe-X合金層で
あるNi-Fe-Cr合金層を配置した。
As described above, in this embodiment, between the Pt-Mn layer which is the antiferromagnetic layer and the substrate, and C which is the free magnetic layer.
A Ni-Fe-Cr alloy layer, which is a Ni-Fe-X alloy layer, was arranged both on the o-Fe (1) / Ni-Fe (5).

【0140】また、固定磁性層は、Co-Fe(2)/Ru(0.
7)/Co-Fe(3)の積層フェリ構造となっている。
The pinned magnetic layer is made of Co--Fe (2) / Ru (0.
7) / Co-Fe (3) laminated ferri structure.

【0141】自由磁性層の組成は、それぞれCo0.9F
e0.1、Ni0.8Fe0.2であった。また、Pt-Mn層およびNi-Fe
-Cr合金層の組成は、それぞれPt0.48Mn0.52、Ni0.6Fe
0.15Cr0.25であった。基板から最も遠いTa(3)層は、
保護層である。
The composition of the free magnetic layer was Co 0.9 F, respectively.
The values were e 0.1 and Ni 0.8 Fe 0.2 . In addition, Pt-Mn layer and Ni-Fe
-Cr alloy layers are composed of Pt 0.48 Mn 0.52 and Ni 0.6 Fe, respectively.
It was 0.15 Cr 0.25 . The Ta (3) layer farthest from the substrate is
It is a protective layer.

【0142】なお、本実施例における素子サイズは、5
mm×5mmとした。
The element size in this embodiment is 5
mm × 5 mm.

【0143】作製したMR素子に対して、実施例1と同
様の磁界中熱処理を行い、反強磁性層/固定磁性層に対
して磁気異方性を付与した。熱処理後、室温において、
素子の膜面に平行に電流を流してサンプルの磁気抵抗を
測定し、自由磁性層上に形成されたNi-Fe-Cr合金層の膜
厚t1に対するMR比および自由磁性層の保磁力Hcの変
化を調べた。磁気抵抗測定における測定磁界は、固定磁
性層の磁化容易軸方向、つまり反強磁性層と固定磁性層
との間に交換結合磁界を生じさせるための熱処理時に印
加した磁化方向と同方向とした。図19(a)および
(b)に測定結果を示す。図19における、「Ni-Fe-Cr
合金層の膜厚t1=0」は、Ni-Fe-Cr合金層が積層されて
いないことを意味している。
The manufactured MR element was subjected to heat treatment in the same magnetic field as in Example 1 to impart magnetic anisotropy to the antiferromagnetic layer / fixed magnetic layer. After heat treatment, at room temperature,
The magnetic resistance of the sample was measured by passing an electric current in parallel with the film surface of the device, and the MR ratio to the film thickness t 1 of the Ni—Fe—Cr alloy layer formed on the free magnetic layer and the coercive force H of the free magnetic layer were measured. The change in c was investigated. The measurement magnetic field in the magnetoresistance measurement was in the direction of the easy axis of magnetization of the pinned magnetic layer, that is, the same direction as the magnetization direction applied during the heat treatment for generating an exchange coupling magnetic field between the antiferromagnetic layer and the pinned magnetic layer. The measurement results are shown in FIGS. 19 (a) and 19 (b). In FIG. 19, “Ni-Fe-Cr
The film thickness t 1 = 0 of the alloy layer means that the Ni—Fe—Cr alloy layer is not laminated.

【0144】図19(b)に示すように、0.5nm以上
の膜厚のNi-Fe-Cr合金層を自由磁性層上に配置すること
により、自由磁性層の保磁力を80A/m以下と非常に小
さくできることがわかった。Ni-Fe-Cr合金層により、界
面応力や磁歪、格子歪みなどにより発生する自由磁性層
の保磁力の増大が抑制されている可能性が考えられる。
As shown in FIG. 19B, the coercive force of the free magnetic layer is set to 80 A / m or less by arranging the Ni—Fe—Cr alloy layer having a thickness of 0.5 nm or more on the free magnetic layer. It turns out that it can be made very small. It is possible that the Ni-Fe-Cr alloy layer suppresses the increase in coercive force of the free magnetic layer caused by interface stress, magnetostriction, and lattice distortion.

【0145】また、図19(a)に示すように、素子の
MR比は、Ni-Fe-Cr合金層を積層しても減少することな
くほぼ一定であった。これは、Ni-Fe-Cr合金の比抵抗が
100μΩcm以上と高抵抗であるため、Ni-Fe-Cr合金層
に対する、MR効果に寄与しない電流分流損がほとんど
生じないためと考えられる。
Further, as shown in FIG. 19A, the MR ratio of the element was almost constant without decreasing even when the Ni—Fe—Cr alloy layers were laminated. This is because the resistivity of Ni-Fe-Cr alloy is
It is considered that the high resistance of 100 μΩcm or more causes almost no current shunt loss that does not contribute to the MR effect to the Ni—Fe—Cr alloy layer.

【0146】(実施例5)実施例1と同様の方法を用い
て、下記に示す膜構成のMR素子を作製した。
(Example 5) Using the same method as in Example 1, an MR element having the following film structure was produced.

【0147】熱酸化膜付Si基板/Ta(3)/Ni-Fe-Cr合金
層(4)/Pt-Mn(15)/Co-Fe(2.5)/Ru(0.7)/Co-
Fe(2.5)/Cu(2.3)/Co-Fe(1)/Ni-Fe(t2)/Ni
-Fe-Cr合金層(1)/Ta(3)
Si substrate with thermal oxide film / Ta (3) / Ni-Fe-Cr alloy layer (4) / Pt-Mn (15) / Co-Fe (2.5) / Ru (0.7) / Co-
Fe (2.5) / Cu (2.3 ) / Co-Fe (1) / Ni-Fe (t 2) / Ni
-Fe-Cr alloy layer (1) / Ta (3)

【0148】本実施例では、固定磁性層をCo-Fe(2.5)
/Ru(0.7)/Co-Fe(2.5)の積層フェリ構造とした。
また、反強磁性層であるPt-Mn層と基板との間と、自由
磁性層であるCo-Fe(1)/Ni-Fe(t2)上との双方に、
Ni-Fe-X合金層であるNi-Fe-Cr合金層を積層した。
In this embodiment, the pinned magnetic layer is made of Co--Fe (2.5).
A laminated ferri structure of / Ru (0.7) / Co-Fe (2.5) was adopted.
Further, both between the Pt-Mn layer which is the antiferromagnetic layer and the substrate and on the Co-Fe (1) / Ni-Fe (t 2 ) which is the free magnetic layer,
A Ni-Fe-Cr alloy layer, which is a Ni-Fe-X alloy layer, was laminated.

【0149】本実施例では、自由磁性層上にNi-Fe-Cr合
金層を積層した場合の、自由磁性層の膜厚t2と、自由
磁性層が示す異方性磁界との関係を調べた。
In this example, the relationship between the film thickness t 2 of the free magnetic layer and the anisotropic magnetic field exhibited by the free magnetic layer when a Ni—Fe—Cr alloy layer was laminated on the free magnetic layer was investigated. It was

【0150】自由磁性層の組成は、それぞれNi0.8F
e0.2、Co0.9Fe0.1であった。また、Pt-Mn層およびNi-Fe
-Cr合金層の組成は、Pt0.48Mn0.52およびNi0.6Fe0.15Cr
0.25であった。基板から最も遠いTa(3)層は、保護層
である。
The composition of each free magnetic layer was Ni 0.8 F.
It was e 0.2 and Co 0.9 Fe 0.1 . In addition, Pt-Mn layer and Ni-Fe
-Cr alloy layer composition is Pt 0.48 Mn 0.52 and Ni 0.6 Fe 0.15 Cr
It was 0.25 . The Ta (3) layer furthest from the substrate is the protective layer.

【0151】なお、本実施例における素子サイズは、5
mm×5mmとした。
The device size in this embodiment is 5
mm × 5 mm.

【0152】作製したMR素子に対して、以下のような
磁界中熱処理を実施した。まず、5kOe(4.0×105
/m)の磁界を印加した状態で室温から280℃まで約1.5
時間かけて昇温し、280℃で5時間保持することで、反
強磁性層/固定磁性層に磁気異方性を付与した。その
後、約1.5時間かけて200℃まで降温し、200℃に達した
時点で印加磁界を100Oe(8.0×103A/m)に変更、
サンプルを90°回転させて1時間保持した後、室温まで
降温することで自由磁性層にも磁気異方性を付与した。
このように固定磁性層と自由磁性層のそれぞれに対し、
互いに直交する磁気異方性を付与した後に、室温におい
て、各サンプルの磁気抵抗を測定し、自由磁性層である
Ni-Fe層の膜厚t2に対する素子のMR比および自由磁性
層の異方性磁界Hkを求めた。磁気抵抗の測定磁界は、
固定磁性層の磁化方向、即ち、自由磁性層の磁化方向と
直交する方向に印加した。
The MR element thus produced was subjected to the following heat treatment in a magnetic field. First, 5kOe (4.0 × 10 5 A
/ M) with a magnetic field applied, from room temperature to 280 ° C approximately 1.5
The temperature was raised over time and the temperature was maintained at 280 ° C. for 5 hours to impart magnetic anisotropy to the antiferromagnetic layer / fixed magnetic layer. After that, the temperature was lowered to 200 ° C over about 1.5 hours, and when the temperature reached 200 ° C, the applied magnetic field was changed to 100 Oe (8.0 × 10 3 A / m),
The sample was rotated 90 ° and held for 1 hour, and then cooled to room temperature to impart magnetic anisotropy to the free magnetic layer.
Thus, for each of the fixed magnetic layer and the free magnetic layer,
After imparting magnetic anisotropy perpendicular to each other, the magnetic resistance of each sample was measured at room temperature to obtain a free magnetic layer.
The MR ratio of the element with respect to the film thickness t 2 of the Ni-Fe layer and the anisotropic magnetic field H k of the free magnetic layer were obtained. The measured magnetic field of the magnetoresistance is
The voltage was applied in the direction perpendicular to the magnetization direction of the pinned magnetic layer, that is, the magnetization direction of the free magnetic layer.

【0153】図20(a)および(b)に、測定結果を
示す。なお、図20には、比較例として、Ni-Fe-Cr合金
層を積層しないサンプル(その他の膜構成は本実施例と
同一)の結果も示す。
20 (a) and 20 (b) show the measurement results. Note that FIG. 20 also shows, as a comparative example, the results of a sample in which a Ni—Fe—Cr alloy layer is not laminated (other film configurations are the same as those of this example).

【0154】図20(b)に示すように、Ni-Fe-Cr合金
層を有しない比較例では、Ni-Fe層の膜厚t2が小さくな
るにつれて自由磁性層の異方性磁界Hkが増大していく
ことがわかる。それに対し、Ni-Fe-Cr合金層をNi-Fe層
上に積層した実施例では、自由磁性層の異方性磁界Hk
は、Ni-Fe層の層厚に関わらずほぼ一定の値を保ってい
る。Ni-Fe-Cr合金層によって、自由磁性層の膜厚を薄く
した場合でも良好な軟磁気特性が得られることがわか
る。
As shown in FIG. 20B, in the comparative example having no Ni—Fe—Cr alloy layer, the anisotropic magnetic field H k of the free magnetic layer was reduced as the film thickness t 2 of the Ni—Fe layer was reduced. It can be seen that is increasing. On the other hand, in the embodiment in which the Ni—Fe—Cr alloy layer is laminated on the Ni—Fe layer, the anisotropic magnetic field H k of the free magnetic layer is
Holds a substantially constant value regardless of the layer thickness of the Ni-Fe layer. It can be seen that the Ni-Fe-Cr alloy layer provides good soft magnetic characteristics even when the thickness of the free magnetic layer is reduced.

【0155】また、図20(a)に示すように、Ni-Fe-
Cr合金層の有無に関わらず、Ni-Fe層の膜厚t2が小さく
なるにつれてMR比は若干増大するが、Ni-Fe層の膜厚
が5nm以下の場合、Ni-Fe-Cr合金層を有する実施例の
方が高いMR比を示した。自由磁性層を薄膜化する場合
に問題となる異方性磁界の増大を抑制する効果もあわせ
て考えると、Ni-Fe-Cr合金層の積層が非常に効果的であ
ることがわかる。
Further, as shown in FIG. 20 (a), Ni-Fe-
The MR ratio slightly increases as the film thickness t 2 of the Ni-Fe layer decreases regardless of the presence or absence of the Cr alloy layer. However, when the film thickness of the Ni-Fe layer is 5 nm or less, the Ni-Fe-Cr alloy layer The example having the above ratio showed a higher MR ratio. Considering the effect of suppressing the increase of the anisotropic magnetic field, which is a problem when thinning the free magnetic layer, it can be seen that the stacking of Ni—Fe—Cr alloy layers is very effective.

【0156】(実施例6)実施例5で作製したMR素子
を用い、図11および図12に示したようなヨーク構造
を備えた磁気ヘッドを作製した。磁気ヘッドの基板に
は、磁性体であるMn-Znフェライト基板を用い、下部ヨ
ークを兼用する構成とした。絶縁層部にはAl2O3を用
い、上部ヨークには高透磁率材料であるCoNbZr系アモル
ファス合金膜を用いた。
(Example 6) Using the MR element manufactured in Example 5, a magnetic head having a yoke structure as shown in FIGS. 11 and 12 was manufactured. As the substrate of the magnetic head, an Mn-Zn ferrite substrate, which is a magnetic material, is used, and the lower yoke is also used. Al 2 O 3 was used for the insulating layer portion, and a CoNbZr-based amorphous alloy film that was a high magnetic permeability material was used for the upper yoke.

【0157】MR素子は下記に示す膜構成とした(基板
側から、順に、Ta(3)、Ni-Fe-Cr合金層(4)が積層して
いる)。
The MR element had the following film structure (Ta (3) and Ni—Fe—Cr alloy layer (4) were laminated in this order from the substrate side).

【0158】実施例c01: Ta(3)/Ni-Fe-Cr合金層(4)/Pt-Mn(15)/Co-Fe
(2)/Ru(0.7)/Co-Fe(3)/Cu(2.5)/Co-Fe
(1)/Ni-Fe(3)/Ni-Fe-Cr合金層(1)/Ta(3)
Example c01: Ta (3) / Ni-Fe-Cr alloy layer (4) / Pt-Mn (15) / Co-Fe
(2) / Ru (0.7) / Co-Fe (3) / Cu (2.5) / Co-Fe
(1) / Ni-Fe (3) / Ni-Fe-Cr alloy layer (1) / Ta (3)

【0159】また、比較例として、下記に示す膜構成の
MR素子を用いて、実施例c01と同様の磁気ヘッドを作
製した。
As a comparative example, a magnetic head similar to that of Example c01 was manufactured by using the MR element having the film structure shown below.

【0160】比較例c02: Ta(3)/Pt-Mn(15)/Co-Fe(2)/Ru(0.7)/Co-Fe
(3)/Cu(2.5)/Co-Fe(1)/Ni-Fe(3)/Ta(3)
Comparative Example c02: Ta (3) / Pt-Mn (15) / Co-Fe (2) / Ru (0.7) / Co-Fe
(3) / Cu (2.5) / Co-Fe (1) / Ni-Fe (3) / Ta (3)

【0161】MR素子のサイズは、図11に示すMR高
さ570で8μm、図12に示すMR幅569で10μm
とした。
The size of the MR element is 8 μm at the MR height 570 shown in FIG. 11 and 10 μm at the MR width 569 shown in FIG.
And

【0162】また、実施例5と同様な方法を用いて、固
定磁性層と自由磁性層のそれぞれに、互いに直交する磁
気異方性を付与した。
Further, by using the same method as in Example 5, magnetic anisotropy orthogonal to each other was given to each of the fixed magnetic layer and the free magnetic layer.

【0163】MR素子を磁気ヘッドに組み込む際には、
自由磁性層の磁化容易軸方向が検知すべき信号磁界の方
向と垂直になるように、固定磁性層の磁化容易方向が検
知すべき信号磁界の方向と平行になるように配置した。
また、自由磁性層を単磁区化するために、ハードバイア
ス部としてCo-Pt膜を付加させた。リード部には、Cr/A
uの積層膜を用いた。
When incorporating the MR element into the magnetic head,
The magnetization direction of the free magnetic layer was arranged to be perpendicular to the direction of the signal magnetic field to be detected, and the magnetization direction of the fixed magnetic layer was arranged to be parallel to the direction of the signal magnetic field to be detected.
In addition, a Co-Pt film was added as a hard bias portion to make the free magnetic layer a single magnetic domain. Cr / A on the lead
A laminated film of u was used.

【0164】このようにして準備した磁気ヘッドに対
し、ドラムテスターを用いて再生出力を測定した。ま
ず、記録媒体としてMPテープを用い、MIGヘッドを
用いてMPテープに情報を記録した。続いて、準備した
磁気ヘッドを上記MPテープ上に走行させ、得られる再
生出力を測定した。実施例c01のMR素子を備えた磁気
ヘッドの再生出力は、比較例c02のMR素子を備えた磁
気ヘッドの再生出力よりも0.5dB大きかった。
The reproducing output of the magnetic head thus prepared was measured using a drum tester. First, an MP tape was used as a recording medium, and information was recorded on the MP tape using an MIG head. Then, the prepared magnetic head was run on the MP tape, and the obtained reproduction output was measured. The reproduction output of the magnetic head including the MR element of Example c01 was 0.5 dB higher than the reproduction output of the magnetic head including the MR element of Comparative Example c02.

【0165】さらに、磁気ヘッドの熱安定性を調べるた
めに、実施例c01および比較例c02のMR素子を備えた磁
気ヘッドに対して、25mAの電流を1000時間通電するテ
ストを行った。上記のドラムテスターとMPテープを用
いて、上記テスト前後での磁気ヘッドの再生出力を調べ
たところ、実施例c01の素子を備えた磁気ヘッドの、テ
スト前後における出力低下は2%未満であったのに対
し、比較例c02の素子を備えた磁気ヘッドは約20%の出
力低下を起こし、さらに再生出力波形に大きな歪みが生
じていた。このことから、本発明におけるMR素子を備
えた磁気ヘッドは、熱安定性にも優れていることがわか
った。
Further, in order to investigate the thermal stability of the magnetic head, a test was conducted by applying a current of 25 mA to the magnetic heads equipped with the MR elements of Example c01 and Comparative Example c02 for 1000 hours. When the reproduction output of the magnetic head before and after the test was examined using the above drum tester and MP tape, the output reduction of the magnetic head equipped with the element of Example c01 before and after the test was less than 2%. On the other hand, the magnetic head equipped with the element of Comparative Example c02 had a decrease in output of about 20%, and further had a large distortion in the reproduced output waveform. From this, it was found that the magnetic head provided with the MR element according to the present invention was also excellent in thermal stability.

【0166】(実施例7)実施例1で作製したMR素子
を用いて、図17に示したような磁気メモリ(MRA
M)を作製した。
(Embodiment 7) Using the MR element manufactured in Embodiment 1, the magnetic memory (MRA) shown in FIG. 17 is used.
M) was prepared.

【0167】MRAMの作製は、以下の通り行った。ま
ず、300nmの熱酸化膜を有するSi基板上に、Cuからな
るワード線を形成し、その表面にAl2O3絶縁膜を成膜し
て形成した後、Cuからなる下部電極を形成した。ここで
いったんCMPにより下部電極表面の平滑化を行った
後、下記に示す膜構成のMR素子を積層した。
The MRAM was manufactured as follows. First, a word line made of Cu was formed on a Si substrate having a thermal oxide film of 300 nm, an Al 2 O 3 insulating film was formed on the surface of the word line, and then a lower electrode made of Cu was formed. Here, the lower electrode surface was once smoothed by CMP, and then an MR element having the following film structure was laminated.

【0168】実施例d01: Pt-Mn(20)/Co-Fe(5)/Al-O(1.0)/Co-Fe(1)/
Ni-Fe(3)/Ni-Fe-Pt合金層(2) 比較例d02: Pt-Mn(20)/Co-Fe(5)/Al-O(1.0)/Co-Fe(1)/
Ni-Fe(3)
Example d01: Pt-Mn (20) / Co-Fe (5) / Al-O (1.0) / Co-Fe (1) /
Ni-Fe (3) / Ni-Fe-Pt alloy layer (2) Comparative example d02: Pt-Mn (20) / Co-Fe (5) / Al-O (1.0) / Co-Fe (1) /
Ni-Fe (3)

【0169】次に、実施例および比較例とも、反強磁性
層であるPt-Mn層と固定磁性層であるCo-Fe(5)とが交
換結合磁界を生じるように、実施例1と同様の磁界中熱
処理を5時間行った。その後、実施例1と同様に、メサ
型加工などを行って、MR素子を形成した。最後に、上
部電極としてビット線を形成し、図17に示すようなス
イッチ素子を持たない単一磁気メモリを作製した。
Next, in both the example and the comparative example, the same procedure as in example 1 was performed so that the Pt-Mn layer as the antiferromagnetic layer and the Co-Fe (5) as the pinned magnetic layer generate an exchange coupling magnetic field. Was heat-treated in the magnetic field for 5 hours. Then, as in Example 1, the MR element was formed by performing mesa processing or the like. Finally, a bit line was formed as an upper electrode to fabricate a single magnetic memory without a switching element as shown in FIG.

【0170】作製した磁気メモリに対し、ワード線とビ
ット線に電流を流して磁界を発生させ、MR素子の自由
磁性層(Co-Fe(1)/Ni-Fe(3))の磁化方向を反転さ
せて情報「0」を記録した。次に、ワード線とビット線
に先ほどとは逆方向の電流を流して磁界を発生させ、自
由磁性層を磁化反転させて情報「1」を記録した。その
後、それぞれの状態のMR素子に対してバイアス電圧を
印加することでセンス電流を流し、情報「0」と情報
「1」の状態における素子電圧の差を測定したところ、
実施例、比較例ともに、同程度の出力差が得られた。よ
って、実施例、比較例ともに、自由磁性層を情報記録層
とした磁気メモリとして機能することがわかった。
With respect to the manufactured magnetic memory, a current is applied to the word line and the bit line to generate a magnetic field, and the magnetization direction of the free magnetic layer (Co-Fe (1) / Ni-Fe (3)) of the MR element is changed. Information “0” was recorded by reversing. Next, a current in the opposite direction to the previous direction was applied to the word line and the bit line to generate a magnetic field, and the magnetization of the free magnetic layer was inverted to record information "1". After that, a bias current was applied to the MR element in each state to flow a sense current, and the difference between the element voltages in the information “0” and information “1” states was measured.
Similar output differences were obtained in both the example and the comparative example. Therefore, it was found that both the example and the comparative example function as a magnetic memory having the free magnetic layer as the information recording layer.

【0171】次に、上記のMR素子をCMOS基板上に
配置し、図14に示すような集積磁気メモリを作製し
た。素子配列は、16×16素子のメモリを1ブロック
として、合計8ブロックとした。MR素子の配置は、次
のように行った。まずCMOS基板上に、スイッチ素子
としてFETをマトリックス状に配置し、CMPで表面
を平坦化した後、上記実施例d01と比較例d02のMR素子
を、FETに対応してマトリックス状に配置した。それ
ぞれの素子サイズは0.1μm×0.2μmとした。各ブロッ
ク中1素子は、配線抵抗や素子最低抵抗、FET抵抗な
どをキャンセルするためのダミー素子とした。なお、ワ
ード線、ビット線などは全てCuを用いた。磁気メモリ形
成後、水素シンター処理を400℃で行った。
Next, the MR element was placed on a CMOS substrate to fabricate an integrated magnetic memory as shown in FIG. The element array has a total of 8 blocks, with a memory of 16 × 16 elements as one block. The MR element was arranged as follows. First, FETs as switch elements were arranged in a matrix on a CMOS substrate, and the surface was flattened by CMP, and then the MR elements of the above-mentioned Example d01 and Comparative Example d02 were arranged in a matrix corresponding to the FETs. Each element size was 0.1 μm × 0.2 μm. One element in each block was a dummy element for canceling wiring resistance, minimum element resistance, FET resistance and the like. Note that Cu was used for all the word lines and bit lines. After forming the magnetic memory, hydrogen sintering treatment was performed at 400 ° C.

【0172】作製した磁気メモリに対し、ワード線とビ
ット線の合成磁界により、各ブロックそれぞれ8素子の
自由磁性層の磁化反転を同時に行い、信号を記録させ
た。次に、FETのゲートを、それぞれのブロックに付
き1素子づつONし、素子にセンス電流を流した。このと
き、各ブロック内でのビット線、素子およびFETに発
生する電圧とダミー電圧とをコンパレータにより比較し
て、それぞれの素子の出力を読みとった。
With respect to the manufactured magnetic memory, the magnetic field of the free magnetic layer of 8 elements in each block was simultaneously reversed by the combined magnetic field of the word line and the bit line to record a signal. Next, the gates of the FETs were turned on one by one for each block, and a sense current was passed through the devices. At this time, the voltage generated on the bit line, the element and the FET in each block and the dummy voltage were compared by the comparator and the output of each element was read.

【0173】結果、実施例d01のMR素子を用いたMR
AMでは、単一磁気メモリの場合と同様に良好な素子出
力が得られたが、比較例d02のMR素子を用いたMRA
Mでは、全く素子出力が得られなかった。このことか
ら、比較例d02のMR素子は、おそらく実施例1に示し
たような自由磁性層の保磁力増大などの原因から、400
℃の熱処理に耐えられないのに対し、実施例d01のMR
素子は、400℃の熱処理に対しても十分な耐熱性を持っ
ていることがわかる。
As a result, MR using the MR element of Example d01
In AM, a good element output was obtained as in the case of the single magnetic memory, but the MRA using the MR element of Comparative Example d02 was obtained.
In M, no element output was obtained. From this, the MR element of Comparative Example d02 has a 400% increase in the coercive force of the free magnetic layer as described in Example 1.
Although it cannot withstand the heat treatment at ℃, MR of Example d01
It can be seen that the element has sufficient heat resistance even with heat treatment at 400 ° C.

【0174】[0174]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
反強磁性層、固定磁性層、非磁性層、自由磁性層を含む
多層膜ユニットの少なくとも一方の面に対し、Ni-Fe-X
合金層を積層することで、良好な軟磁気特性を有し、高
感度で、かつ耐熱性に優れた磁気抵抗効果素子を得るこ
とができる。また、本発明の磁気抵抗効果素子を用いる
ことで、高い記録密度に対応した磁気ヘッドおよび高速
・高密度の磁気メモリを得ることができる。
As described above, according to the present invention,
At least one surface of the multilayer unit including the antiferromagnetic layer, the pinned magnetic layer, the nonmagnetic layer, and the free magnetic layer is Ni-Fe-X
By stacking the alloy layers, a magnetoresistive effect element having good soft magnetic characteristics, high sensitivity, and excellent heat resistance can be obtained. Further, by using the magnetoresistive effect element of the present invention, a magnetic head corresponding to a high recording density and a high speed / high density magnetic memory can be obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】 本発明における磁気抵抗効果素子の例を示す
断面図
FIG. 1 is a sectional view showing an example of a magnetoresistive effect element according to the present invention.

【図2】 本発明における磁気抵抗効果素子の例を示す
断面図
FIG. 2 is a sectional view showing an example of a magnetoresistive effect element according to the present invention.

【図3】 本発明における磁気抵抗効果素子の例を示す
断面図
FIG. 3 is a sectional view showing an example of a magnetoresistive effect element according to the present invention.

【図4】 本発明における磁気抵抗効果素子の例を示す
断面図
FIG. 4 is a sectional view showing an example of a magnetoresistive effect element according to the present invention.

【図5】 本発明における磁気抵抗効果素子の例を示す
断面図
FIG. 5 is a sectional view showing an example of a magnetoresistive effect element according to the present invention.

【図6】 電極をさらに配置した本発明における磁気抵
抗効果素子の例を示す断面図
FIG. 6 is a sectional view showing an example of a magnetoresistive effect element according to the present invention in which electrodes are further arranged.

【図7】 本発明における磁気ヘッドの例を示す模式図FIG. 7 is a schematic diagram showing an example of a magnetic head according to the present invention.

【図8】 本発明における磁気ヘッドの構造例を示す断
面図
FIG. 8 is a sectional view showing a structural example of a magnetic head according to the present invention.

【図9】 本発明における磁気ヘッドの記録再生方法の
例を示す模式図
FIG. 9 is a schematic diagram showing an example of a recording / reproducing method of a magnetic head according to the present invention.

【図10】 本発明における磁気ヘッドの構造例を示す
断面図
FIG. 10 is a sectional view showing a structural example of a magnetic head according to the present invention.

【図11】 本発明における磁気ヘッドの例を示す断面
FIG. 11 is a sectional view showing an example of a magnetic head according to the present invention.

【図12】 本発明における磁気ヘッドの構造例を示す
断面図
FIG. 12 is a sectional view showing a structural example of a magnetic head according to the present invention.

【図13】 本発明における磁気ヘッドの構造例を示す
断面図
FIG. 13 is a sectional view showing a structural example of a magnetic head according to the present invention.

【図14】 本発明における磁気メモリの例を示す模式
FIG. 14 is a schematic diagram showing an example of a magnetic memory according to the present invention.

【図15】 本発明における磁気メモリの動作の基本例
を示す模式図
FIG. 15 is a schematic diagram showing a basic example of the operation of the magnetic memory according to the present invention.

【図16】 本発明における磁気メモリの動作の基本例
を示す模式図
FIG. 16 is a schematic diagram showing a basic example of the operation of the magnetic memory according to the present invention.

【図17】 本発明における磁気メモリの動作の基本例
を示す模式図
FIG. 17 is a schematic diagram showing a basic example of the operation of the magnetic memory according to the present invention.

【図18】 実施例により測定した、本発明における磁
気抵抗素子の素子サイズと保磁力との関係を示す図
FIG. 18 is a graph showing the relationship between the element size and the coercive force of the magnetoresistive element according to the present invention, which is measured by an example.

【図19】 (a)は、実施例により測定した、本発明
の磁気抵抗素子におけるNi-Fe-Cr合金層の膜厚と、素子
のMR比との関係を示す図であり、(b)は、実施例に
より測定した、本発明の磁気抵抗素子におけるNi-Fe-Cr
合金層の膜厚と、自由磁性層の保磁力との関係を示す図
である
FIG. 19 (a) is a diagram showing the relationship between the film thickness of the Ni—Fe—Cr alloy layer in the magnetoresistive element of the present invention and the MR ratio of the element, which is measured by an example, and (b). Is the Ni-Fe-Cr in the magnetoresistive element of the present invention measured by the example.
It is a figure which shows the relationship between the film thickness of an alloy layer, and the coercive force of a free magnetic layer.

【図20】 (a)は、実施例により測定した、本発明
の磁気抵抗素子におけるNi-Fe層の膜厚と、素子のMR
比との関係を示す図であり、(b)は、実施例により測
定した、本発明の磁気抵抗素子におけるNi-Fe層の膜厚
と、自由磁性層の異方性磁界との関係を示す図である
FIG. 20 (a) is a graph showing the film thickness of the Ni—Fe layer in the magnetoresistive element of the present invention and the MR of the element measured by the example
It is a figure showing the relation with a ratio, (b) shows the relation between the film thickness of the Ni-Fe layer and the anisotropic magnetic field of the free magnetic layer in the magnetoresistive element of the present invention measured by the example. Is a figure

【図21】 交換バイアス磁界(Hex)、異方性磁界
(Hk)および保磁力(Hc)の測定方法を説明するため
の模式図である
FIG. 21 is a schematic diagram for explaining a method for measuring an exchange bias magnetic field (H ex ), an anisotropic magnetic field (H k ) and a coercive force (H c ).

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 反強磁性層 20 固定磁性層 30 非磁性層 40 自由磁性層 50、50a、50b Ni-Fe-X合金層 60、504 基板 21 積層フェリ固定磁性層 211 第1磁性膜 212 非磁性膜 213 第2磁性膜 501 層間絶縁膜 502 上部電極 503 下部電極 505、511、521、542、561、601、6
01a、701 MR素子 512、524、534、556 上部シールド 513、525、540 下部シールド 514、533、554 上部記録コア 515、532 コイル 516、527、567 リード部 517 シールドギャップ 518、526、568 ハードバイアス部 522 上部シールドギャップ 523 下部シールドギャップ 528、555 トラック幅 531、552 記録ヘッド部 535、553 記録ギャップ 536 磁気記録媒体 537 記録磁化部 538 磁束 539、551 再生ヘッド部 541、566 再生ギャップ 562 絶縁層部 563 上部ヨーク 564 下部ヨーク 565 ギャップ 569 MR幅 570 MR高さ 602、703 ビット線 603、704 ワード線 705 スイッチ素子 706 非線形素子
10 antiferromagnetic layer 20 pinned magnetic layer 30 nonmagnetic layer 40 free magnetic layers 50, 50a, 50b Ni-Fe-X alloy layers 60, 504 substrate 21 laminated ferri pinned magnetic layer 211 first magnetic film 212 nonmagnetic film 213 2 magnetic film 501 interlayer insulating film 502 upper electrode 503 lower electrode 505, 511, 521, 542, 561, 601, 6
01a, 701 MR element 512, 524, 534, 556 Upper shield 513, 525, 540 Lower shield 514, 533, 554 Upper recording core 515, 532 Coil 516, 527, 567 Lead portion 517 Shield gap 518, 526, 568 Hard bias Part 522 Upper shield gap 523 Lower shield gap 528, 555 Track width 531, 552 Recording head part 535, 553 Recording gap 536 Magnetic recording medium 537 Recording magnetizing part 538 Magnetic flux 539, 551 Reproducing head part 541, 566 Reproducing gap 562 Insulating layer part 563 Upper yoke 564 Lower yoke 565 Gap 569 MR width 570 MR height 602, 703 Bit line 603, 704 Word line 705 Switch element 706 Non-linear element

───────────────────────────────────────────────────── 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) H01L 27/105 H01L 27/10 447 (72)発明者 松川 望 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 小田川 明弘 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 川島 良男 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 里見 三男 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Fターム(参考) 5D034 AA03 BA02 BA03 BA04 BA05 CA04 CA08 5E049 AA01 AA04 AA07 AA09 AC00 AC05 BA12 CB02 DB12 FC03 GC01 5F083 FZ10 LA12 LA16 NA08 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (51) Int.Cl. 7 Identification code FI theme code (reference) H01L 27/105 H01L 27/10 447 (72) Inventor Nozomu Matsukawa 1006 Kadoma, Kadoma-shi, Osaka Matsushita Electric Industrial Company (72) Inventor Akihiro Odagawa 1006 Kadoma, Kadoma City, Osaka Prefecture Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. (72) Inventor Yoshio Kawashima 1006 Kadoma, Kadoma City, Osaka Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. (72) Inventor Mitsuo Satomi 1006, Kadoma, Kadoma, Osaka Prefecture Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. F term (reference) 5D034 AA03 BA02 BA03 BA04 BA05 CA04 CA08 5E049 AA01 AA04 AA07 AA09 AC00 AC05 BA12 CB02 DB12 FC03 GC01 5F083 FZ10 LA12 LA16 NA08

Claims (21)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 反強磁性層と、前記反強磁性層と磁気的
に結合した固定磁性層と、非磁性層と、前記固定磁性層
よりも磁化方向が相対的に回転しやすい自由磁性層とを
含む多層膜ユニットが基板上に形成され、前記非磁性層
を介して前記固定磁性層と前記自由磁性層とが積層され
た構造を含む磁気抵抗効果素子であって、 前記多層膜ユニットの少なくとも一方の面に、Ni-Fe-X
合金層を積層した構造を含むことを特徴とする磁気抵抗
効果素子。ただし、Xは、Cr、V、Nb、Pt、Pd、Rh、Ru、
Ir、CuおよびAuから選ばれる少なくとも1種の元素であ
る。
1. An antiferromagnetic layer, a pinned magnetic layer magnetically coupled to the antiferromagnetic layer, a nonmagnetic layer, and a free magnetic layer in which the magnetization direction is relatively easy to rotate than the pinned magnetic layer. A magnetoresistive effect element including a structure in which a multi-layer film unit including a multi-layer unit is formed on a substrate, and the fixed magnetic layer and the free magnetic layer are stacked with the non-magnetic layer interposed therebetween. Ni-Fe-X on at least one side
A magnetoresistive effect element comprising a structure in which alloy layers are laminated. However, X is Cr, V, Nb, Pt, Pd, Rh, Ru,
At least one element selected from Ir, Cu and Au.
【請求項2】 合金層が、式NiaFe(1-a-b)Xbで示される
組成を有することを特徴とする請求項1に記載の磁気抵
抗効果素子。ただし、式NiaFe(1-a-b)Xbにおいて、aお
よびbは、それぞれ以下の式を満たす数値である。 0.4<a<1 0<b<0.5 a+b<1
2. The magnetoresistive element according to claim 1, wherein the alloy layer has a composition represented by the formula Ni a Fe (1-ab) X b . However, in the formula Ni a Fe (1-ab) X b , a and b are numerical values that satisfy the following formulas. 0.4 <a <1 0 <b <0.5 a + b <1
【請求項3】 aが、0.5≦a≦0.9を満たす数値である
ことを特徴とする請求項1または2に記載の磁気抵抗効
果素子。
3. The magnetoresistive effect element according to claim 1, wherein a is a numerical value satisfying 0.5 ≦ a ≦ 0.9.
【請求項4】 bが、0.05≦b≦0.4を満たす数値であ
ることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載
の磁気抵抗効果素子。
4. The magnetoresistive effect element according to claim 1, wherein b is a numerical value satisfying 0.05 ≦ b ≦ 0.4.
【請求項5】 合金層が、基板と多層膜ユニットとの間
に配置されていることを特徴とする請求項1〜4のいず
れか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
5. The magnetoresistive effect element according to claim 1, wherein the alloy layer is arranged between the substrate and the multilayer film unit.
【請求項6】 合金層が、多層膜ユニットの、基板と反
対側の面に積層されていることを特徴とする請求項1〜
4のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
6. The alloy layer is laminated on the surface of the multi-layer film unit opposite to the substrate.
4. The magnetoresistive effect element according to any one of 4 above.
【請求項7】 合金層が、多層膜ユニットの両面に積層
されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一
項に記載の磁気抵抗効果素子。
7. The magnetoresistive element according to claim 1, wherein alloy layers are laminated on both surfaces of the multilayer film unit.
【請求項8】 自由磁性層が、固定磁性層よりも基板側
に位置することを特徴とする請求項1〜7のいずれか一
項に記載の磁気抵抗効果素子。
8. The magnetoresistive effect element according to claim 1, wherein the free magnetic layer is located closer to the substrate than the fixed magnetic layer.
【請求項9】 固定磁性層が、自由磁性層よりも基板側
に位置することを特徴とする請求項1〜7のいずれか一
項に記載の磁気抵抗効果素子。
9. The magnetoresistive element according to claim 1, wherein the fixed magnetic layer is located closer to the substrate than the free magnetic layer.
【請求項10】 非磁性層が、導電性材料からなること
を特徴とする請求項1〜9のいずれか一項に記載の磁気
抵抗効果素子。
10. The magnetoresistive effect element according to claim 1, wherein the non-magnetic layer is made of a conductive material.
【請求項11】 非磁性層が、絶縁性材料からなること
を特徴とする請求項1〜9のいずれか一項に記載の磁気
抵抗効果素子。
11. The magnetoresistive effect element according to claim 1, wherein the nonmagnetic layer is made of an insulating material.
【請求項12】 固定磁性層が、非磁性膜と、前記非磁
性膜を狭持する一対の磁性膜とを含むことを特徴とする
請求項1〜11のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素
子。
12. The magnetoresistive device according to claim 1, wherein the pinned magnetic layer includes a non-magnetic film and a pair of magnetic films sandwiching the non-magnetic film. Effect element.
【請求項13】 非磁性膜が、Ru、Ir、Rh、ReおよびCr
から選ばれる少なくとも1種の元素を含むことを特徴と
する請求項12に記載の磁気抵抗効果素子。
13. The non-magnetic film is Ru, Ir, Rh, Re and Cr.
The magnetoresistive effect element according to claim 12, comprising at least one element selected from the group consisting of:
【請求項14】 反強磁性層が、Mn合金を含むことを特
徴とする請求項1〜13のいずれか一項に記載の磁気抵
抗効果素子。
14. The magnetoresistive effect element according to claim 1, wherein the antiferromagnetic layer contains an Mn alloy.
【請求項15】 Mn合金が、式Z-Mnで示される組成を有
することを特徴とする請求項14に記載の磁気抵抗効果
素子。ただし、Zは、Pt、Ni、Pd、Cr、Rh、Re、Ir、Ru
およびFeから選ばれる少なくとも1種の元素である。
15. The magnetoresistive element according to claim 14, wherein the Mn alloy has a composition represented by the formula Z-Mn. However, Z is Pt, Ni, Pd, Cr, Rh, Re, Ir, Ru
And at least one element selected from Fe.
【請求項16】 合金層の結晶構造が、面心立方晶(fc
c)配向を主構造として含むことを特徴とする請求項1
〜15のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
16. The crystal structure of the alloy layer is a face-centered cubic (fc
c) Orientation is included as a main structure.
16. The magnetoresistive effect element according to any one of items 1 to 15.
【請求項17】 合金層の厚みが、0.5nm以上10nm
以下であることを特徴とする請求項1〜16のいずれか
一項に記載の磁気抵抗素子。
17. The alloy layer has a thickness of 0.5 nm or more and 10 nm or more.
It is the following, The magnetoresistive element as described in any one of Claims 1-16.
【請求項18】 合金層の厚みが、1nm以上であるこ
とを特徴とする請求項17に記載の磁気抵抗素子。
18. The magnetoresistive element according to claim 17, wherein the alloy layer has a thickness of 1 nm or more.
【請求項19】 請求項1〜18のいずれか一項に記載
の磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子により検
知すべき磁界以外の磁界の、前記素子への導入を制限す
る磁気シールドとを備えたことを特徴とする磁気ヘッ
ド。
19. A magnetoresistive effect element according to claim 1, and a magnetic shield for restricting introduction of a magnetic field other than a magnetic field to be detected by the magnetoresistive effect element into the element. A magnetic head comprising:
【請求項20】 請求項1〜18のいずれか一項に記載
の磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子に検知す
べき磁界を導入するヨ−クとを備えたことを特徴とする
磁気ヘッド。
20. A magnetic device comprising: the magnetoresistive effect element according to claim 1; and a yoke for introducing a magnetic field to be detected into the magnetoresistive effect element. head.
【請求項21】 請求項1〜18のいずれか一項に記載
の磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子に情報を
記録するための情報記録用導体線と、前記情報を読み出
すための情報読出用導体線とを備えたことを特徴とする
磁気メモリ。
21. The magnetoresistive effect element according to claim 1, an information recording conductor line for recording information on the magnetoresistive effect element, and information for reading the information. A magnetic memory comprising a read conductor wire.
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