JP2005079487A - 磁気抵抗効果膜並びにこれを用いた磁気抵抗効果ヘッドおよび固体メモリ - Google Patents
磁気抵抗効果膜並びにこれを用いた磁気抵抗効果ヘッドおよび固体メモリ Download PDFInfo
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Abstract
【課題】 反強磁性層を使用することなく所要の機能を備えた磁気抵抗効果膜を形成することができ、これによって分解能が高く、コア幅の狭い磁気抵抗効果ヘッドを作製可能とする。
【解決手段】 磁化固定層、第１の固定磁性層、反平行結合中間層、第２の固定磁性層、非磁性中間層、自由磁性層、保護層がこの順に積層されてなる磁気抵抗効果膜において、前記第１の固定磁性層の磁化方向を固定する磁化固定層として、前記第１の固定磁性層との間に交換結合作用を起こさない材料からなり、前記第２の固定磁性層の磁化方向を一方向に固定する配向制御層が設けられていることを特徴とする。
【選択図】 図１
【解決手段】 磁化固定層、第１の固定磁性層、反平行結合中間層、第２の固定磁性層、非磁性中間層、自由磁性層、保護層がこの順に積層されてなる磁気抵抗効果膜において、前記第１の固定磁性層の磁化方向を固定する磁化固定層として、前記第１の固定磁性層との間に交換結合作用を起こさない材料からなり、前記第２の固定磁性層の磁化方向を一方向に固定する配向制御層が設けられていることを特徴とする。
【選択図】 図１
Description
ハードディスクドライブの面記録密度は現在も年率100%の増加を続けている。この傾向を今後も維持していくためには、ドライブに搭載されている再生ヘッドの線密度方向の分解能の向上、およびトラック密度方向の素子幅の狭小化が必須である。現在、再生ヘッドとして実用されている磁気抵抗効果ヘッドにおいては、前者はギャップ長を縮小すること、後者は磁気抵抗効果素子の素子幅を減少することが重要である。
図１０、１１にこのような磁気抵抗効果ヘッドの構造を示す。ハードディスク等の記録媒体の再生ヘッドに用いられる磁気抵抗効果素子には現在二種類のタイプがあり、センス電流を膜面内方向に流すCIP (Current In-Plane) 型（図１０）と、膜面に垂直方向に流すCPP (Current Perpendicular to Plane) 型（図１１）とがある。
図１０に示す磁気抵抗効果ヘッドでは、磁気抵抗効果膜１０が、下部絶縁層１２および上部絶縁層１４を介して、下部シールド層１６と上部シールド層１８によって挟まれた配置となっている。２２はバイアス印加層、２４は電流端子層である。
また、図１１に示す磁気抵抗効果ヘッドでは、磁気抵抗効果膜１０が下部シールド層１６と上部シールド層１８によって挟まれた配置となっている。図１１では、２０が絶縁層、２２がバイアス印加層である。
図１０に示す磁気抵抗効果ヘッドでは、磁気抵抗効果膜１０が、下部絶縁層１２および上部絶縁層１４を介して、下部シールド層１６と上部シールド層１８によって挟まれた配置となっている。２２はバイアス印加層、２４は電流端子層である。
また、図１１に示す磁気抵抗効果ヘッドでは、磁気抵抗効果膜１０が下部シールド層１６と上部シールド層１８によって挟まれた配置となっている。図１１では、２０が絶縁層、２２がバイアス印加層である。
磁気抵抗効果ヘッドの再生分解能を決めるギャップ長は、磁気抵抗効果素子の部分を上下で挟んでいる下部シールド層 と上部シールド層 の間の間隔のうち、最も狭い部分の間隔で定義されるが、CIP ヘッドにおいてはこの間隔は、（下部絶縁層の厚さ）＋（磁気抵抗効果膜の厚さ）＋（上部絶縁層の厚さ）の合計であるのに対し、CPP ヘッドにおいては（電極膜を含む）磁気抵抗効果膜の厚さそのものに相当する。このギャップ長は小さければ小さいほど再生ヘッドの分解能が高くなる。このことから、磁気抵抗効果膜を薄くすることで再生ヘッドの分解能が向上する。
磁気抵抗効果膜を薄くすることは、磁気抵抗効果素子の素子幅の減少にも効果的である。その理由を以下に述べる。
図１２は、CIP 型磁気抵抗効果ヘッドの作製法を示したものである。CPP 型も基本的に作製法は同じである。まず、下部シールド層１６および下部絶縁層１２を形成した後、磁気抵抗効果膜３０をスパッタ法で成膜する（図１２(a)）。次に、素子幅を規定するためのレジストパターン３２がフォトリソグラフィ法で形成される（図１２(b)）。現在のところ、このレジストパターン３２の幅は0.05 〜0.2 μm である。
図１２は、CIP 型磁気抵抗効果ヘッドの作製法を示したものである。CPP 型も基本的に作製法は同じである。まず、下部シールド層１６および下部絶縁層１２を形成した後、磁気抵抗効果膜３０をスパッタ法で成膜する（図１２(a)）。次に、素子幅を規定するためのレジストパターン３２がフォトリソグラフィ法で形成される（図１２(b)）。現在のところ、このレジストパターン３２の幅は0.05 〜0.2 μm である。
続いて、レジストパターン３２をマスクにしてイオンビームにより磁気抵抗効果膜３０をエッチングする（図１２(c)）。磁気抵抗効果膜３０のうち、レジストパターン３２によって保護されていない部分はイオンビームによってスパッタエッチングされるが、スパッタされた原子の一部は前記レジストパターン３２の側壁に付着する。
例として、磁気抵抗効果膜３０の有効膜厚が38 nm であった場合、この付着量は16 〜28 nm 程度に達する。付着量はエッチング量が多いほど厚くなるため、エッチング前の磁気抵抗効果膜３０が薄いほど付着量が少なくて済む。
例として、磁気抵抗効果膜３０の有効膜厚が38 nm であった場合、この付着量は16 〜28 nm 程度に達する。付着量はエッチング量が多いほど厚くなるため、エッチング前の磁気抵抗効果膜３０が薄いほど付着量が少なくて済む。
エッチングの後、磁気抵抗効果膜３０の磁区制御を行うためのハード膜と、磁気抵抗効果素子にセンス電流を流すための端子がスパッタ成膜３４され（図１２(d)）不要部分をレジストごとリフトオフし（図１２(e)）、上部絶縁層１４および上部シールド層１８を形成して完成する。図１２(d)に示すハード膜／端子成膜の際に、スパッタ成膜３４の付着量が多いとハード膜と端子は磁気抵抗効果素子から離れた位置に成膜されるため、素子幅は広がってしまうことになる。
前記の例で言えば、スパッタ成膜時の付着量がレジストパターン３２の片側で16 〜28 nm あるため、素子幅は0.032 〜0.056 μm 広がってしまう。現状の素子幅が0.1 〜0.2 μm であることを考えると、この広がり分は非常に大きい。よってこの広がりを防ぐために、前記磁気抵抗効果膜の総膜厚を薄くすることはきわめて有効な手段である。
前記の例で言えば、スパッタ成膜時の付着量がレジストパターン３２の片側で16 〜28 nm あるため、素子幅は0.032 〜0.056 μm 広がってしまう。現状の素子幅が0.1 〜0.2 μm であることを考えると、この広がり分は非常に大きい。よってこの広がりを防ぐために、前記磁気抵抗効果膜の総膜厚を薄くすることはきわめて有効な手段である。
図１３は、図１２に比べて総膜厚が薄い磁気抵抗効果膜により図１２と同じプロセスでCIP 型磁気抵抗効果ヘッドを作製した場合に素子の形状がどのように変わるかを模式的に示したものである。
磁気抵抗効果膜の総膜厚が薄い場合、図１３(c)のエッチングプロセスで発生する再付着膜の厚さは磁気抵抗効果膜１０の総膜厚にほぼ比例するため、例えば磁気抵抗効果膜１０を34.6 nm → 19.6 nm と薄くすれば再付着の厚さも16〜28 nm → 9 〜16 nmまで薄くできる。これは直接には、図１３(e)に示されるコア幅を最大で38 nm 狭くできることを意味する。レジストパターン幅が50〜200 nm であることを考えるとこの大きさはレジストパターン幅に匹敵する量であり、磁気抵抗効果膜の薄層化が狭コア幅化を実現する上で重要な要素であると言える。またギャップ長は、磁気抵抗効果膜を薄くした分短くなる。下部絶縁層１２と上部絶縁層１４の厚さが何れも18 nm の場合、図１２(f) におけるギャップ長は70.6 nm であるのに対し、図１３(f) におけるギャップ長は55.6 nm と、薄層化により２２％短くなる。
特開平１１−１８５２１９号公報
特開平０７−１６９０２６号公報
磁気抵抗効果膜の総膜厚が薄い場合、図１３(c)のエッチングプロセスで発生する再付着膜の厚さは磁気抵抗効果膜１０の総膜厚にほぼ比例するため、例えば磁気抵抗効果膜１０を34.6 nm → 19.6 nm と薄くすれば再付着の厚さも16〜28 nm → 9 〜16 nmまで薄くできる。これは直接には、図１３(e)に示されるコア幅を最大で38 nm 狭くできることを意味する。レジストパターン幅が50〜200 nm であることを考えるとこの大きさはレジストパターン幅に匹敵する量であり、磁気抵抗効果膜の薄層化が狭コア幅化を実現する上で重要な要素であると言える。またギャップ長は、磁気抵抗効果膜を薄くした分短くなる。下部絶縁層１２と上部絶縁層１４の厚さが何れも18 nm の場合、図１２(f) におけるギャップ長は70.6 nm であるのに対し、図１３(f) におけるギャップ長は55.6 nm と、薄層化により２２％短くなる。
以上のように、磁気抵抗効果膜の薄層化は狭コア幅化と狭ギャップ化を同時に実現できる有効な手段であるが、現在使用されている磁気抵抗効果膜においては固定磁性層を一方向に固定するために反強磁性膜を使用しているため、この磁気抵抗効果膜の総膜厚を30 nm 以下にすることが難しい。CIP ヘッドに用いられる一般的な磁気抵抗効果膜の構成は、例えば、
NiCr5.0nm/PtMn13.0nm/CoFe1.5nm/Ru0.8nm/CoFe2.3nm/Cu2.0nm/CoFe1.0nm/NiFe3.0nm/Ru1.0nm/Ta5.0nm
であり、総膜厚は34.6 nm である。また、CPP ヘッドの場合は、例えば、
NiCr5.0nm/PtMn13.0nm/CoFe1.5nm/Ru0.8nm/CoFe2.3nm/Cu2.0nm/CoFe1.0nm/NiFe2.0nm/CoFe1.0nm/Cu2.0nm/CoFe2.3nm/Ru0.8nm/CoFe2.0nm/PtMn13.0nm/Ta5.0nm
のような構成であり、総膜厚は53.7 nm となる。
CIP ヘッドの磁気抵抗効果膜の総膜厚のうち38% (CPP ヘッドでは48%) を占めているのがPtMn であるが、PtMn が反強磁性を示すためには最低でも13 nm の厚さが必要であるため、PtMn を使用している限りは前記総膜厚を薄くすることは難しい。
NiCr5.0nm/PtMn13.0nm/CoFe1.5nm/Ru0.8nm/CoFe2.3nm/Cu2.0nm/CoFe1.0nm/NiFe3.0nm/Ru1.0nm/Ta5.0nm
であり、総膜厚は34.6 nm である。また、CPP ヘッドの場合は、例えば、
NiCr5.0nm/PtMn13.0nm/CoFe1.5nm/Ru0.8nm/CoFe2.3nm/Cu2.0nm/CoFe1.0nm/NiFe2.0nm/CoFe1.0nm/Cu2.0nm/CoFe2.3nm/Ru0.8nm/CoFe2.0nm/PtMn13.0nm/Ta5.0nm
のような構成であり、総膜厚は53.7 nm となる。
CIP ヘッドの磁気抵抗効果膜の総膜厚のうち38% (CPP ヘッドでは48%) を占めているのがPtMn であるが、PtMn が反強磁性を示すためには最低でも13 nm の厚さが必要であるため、PtMn を使用している限りは前記総膜厚を薄くすることは難しい。
本発明は、このように、従来の反強磁性層を備えた磁気抵抗効果膜においては、反強磁性層が磁気抵抗効果膜の総膜厚の５０％近くを占めており、その機能上、反強磁性層の厚さを一定の厚さ以下にすることができないことから、磁気抵抗効果膜の総膜厚を薄くすることが限界となっていることに鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、強い一方向異方性を示す膜構造を用いることによって、反強磁性層を使用することなく所要の機能を備えた磁気抵抗効果膜を形成することができ、これによって分解能が高く、コア幅の狭い磁気抵抗効果ヘッドを作製可能とする技術を提供するものである。
本発明は、上記目的を達成するため次の構成を備える。
すなわち、磁化固定層、第１の固定磁性層、反平行結合中間層、第２の固定磁性層、非磁性中間層、自由磁性層、保護層がこの順に積層されてなる磁気抵抗効果膜において、前記第１の固定磁性層の磁化方向を固定する磁化固定層として、前記第１の固定磁性層との間に交換結合作用を起こさない材料からなり、前記第２の固定磁性層の磁化方向を一方向に固定する配向制御層が設けられていることを特徴とする。
すなわち、磁化固定層、第１の固定磁性層、反平行結合中間層、第２の固定磁性層、非磁性中間層、自由磁性層、保護層がこの順に積層されてなる磁気抵抗効果膜において、前記第１の固定磁性層の磁化方向を固定する磁化固定層として、前記第１の固定磁性層との間に交換結合作用を起こさない材料からなり、前記第２の固定磁性層の磁化方向を一方向に固定する配向制御層が設けられていることを特徴とする。
前記配向制御層としては、タンタル(Ta) またはタンタル合金が用いられ、第１の固定磁性層の総磁気モーメントと、第２の固定磁性層の総磁気モーメントの差分の大きさが0．7 〜1．4 T・nm であるもの、また、前記配向制御層としては、タンタル(Ta) またはタンタル合金が用いられ、第１の固定磁性層の総磁気モーメントを第１の固定磁性層の総磁気モーメントで割った比の大きさが1．15 ないし1．45であるものが好適に用いられる。
また、前記配向制御層として、ニッケル−クロム(NiCr) またはニッケル−鉄− クロム(NiFeCr) が用いられ、前記NiCr またはNiFeCr 中のNi 濃度が55 〜65 モル%であり、第１の固定磁性層の総磁気モーメントから前記第２の固定磁性層の総磁気モーメントを引いた差分の大きさが0.7〜1.4 T・nm であるもの、また、前記配向制御層として、ニッケル−クロム(NiCr) またはニッケル−鉄− クロム(NiFeCr) が用いられており、前記NiCr またはNiFeCr 中のNi 濃度が55 〜65 モル%であり、前記第１の固定磁性層の総磁気モーメントを前記第２の固定磁性層の総磁気モーメントで割った比の大きさが1.15〜1.45であるものが好適に用いられる。
また、前記配向制御層の、第１の固定磁性層が接している面と反対の面側には、強磁性層、反強磁性層またはフェリ磁性層が存在していないことを特徴とする。
また、前記第１の固定磁性層が、コバルト濃度が35 〜71 モル%の範囲であるコバルト−鉄(CoFe)二元合金、またはコバルト濃度が35 〜71 モル%の範囲であるコバルト−鉄に第三元素を加えてなる三元合金からなり、この固定磁性層の飽和磁化と層厚との積が3 T・nm 〜7 T・nm の範囲にあるものが好適に用いられる。
また、前記反平行結合中間層が、ルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、ロジウム(Rh)、クロム(Cr) およびこれらの合金からなることを特徴とする。
また、前記第１の固定磁性層の保磁力が50 Oe 以上であることを特徴とする。
また、前記第１の固定磁性層が、コバルト濃度が35 〜71 モル%の範囲であるコバルト−鉄(CoFe)二元合金、またはコバルト濃度が35 〜71 モル%の範囲であるコバルト−鉄に第三元素を加えてなる三元合金からなり、この固定磁性層の飽和磁化と層厚との積が3 T・nm 〜7 T・nm の範囲にあるものが好適に用いられる。
また、前記反平行結合中間層が、ルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、ロジウム(Rh)、クロム(Cr) およびこれらの合金からなることを特徴とする。
また、前記第１の固定磁性層の保磁力が50 Oe 以上であることを特徴とする。
また、磁気抵抗効果膜を厚さ方向に挟む配置に下部シールド層と上部シールド層が設けられ、磁気抵抗効果膜にバイアス印加層と電流端子層が設けられた磁気抵抗効果ヘッドであって、前記磁気抵抗効果膜として上述した磁気抵抗効果膜が用いられているものが好適に用いられる。
また、上述した磁気抵抗効果膜は固体メモリとしても好適に用いることができる。
また、上述した磁気抵抗効果膜は固体メモリとしても好適に用いることができる。
本発明に係る磁気抵抗効果膜は、固定磁性層の磁化の方向を固定する反強磁性層にかえて配向制御層を設けたものであり、従来の磁気抵抗効果膜において膜厚の大きな部分を占めていた反強磁性層を、反強磁性層よりもはるかに薄く形成することができる配向制御層によって置き換えることにより、効果的に薄厚化を図ることが可能となる。これによって、磁気抵抗効果膜の狭コア幅化と狭ギャップ化が可能となり、記録媒体の記録密度の向上に対応できる磁気抵抗効果ヘッド等として利用することが可能になる。
本発明に係る磁気抵抗効果膜は、固定磁性層を一方向に固定するための反強磁性層を設けるかわりに、固定磁性層の下地層として配向制御層を設けたことを特徴とする。すなわち、本発明に係る磁気抵抗効果膜の膜構成は、以下のような基本構造からなるものである。
配向制御層/固定磁性層１/反平行結合中間層/固定磁性層２/非磁性層/自由磁性層/保護層
配向制御層/固定磁性層１/反平行結合中間層/固定磁性層２/非磁性層/自由磁性層/保護層
配向制御層には、Ta またはTa 合金、NiCr 合金、NiFeCr 合金を好適に用いることができる。以下に、配向制御層としてこれらの材料を用いることが有効である理由を示す。
図２〜７は、
配向制御層5.0nm/Co65Fe352.0nm/Ru0.8nm/CoFe1.9nm/Cu1.9nm/CoFe1.0nm/NiFe2.0nm/Ta5.0nm
の構造において、固定磁性層１ (Co65Fe35) を成膜する際の下地である配向制御層の材料を変えて磁気抵抗(ρ−H) 特性を測定した結果を示す。なお、本実施形態で、Co65Fe35 2.0nmが第１の固定磁性層、Ru0.8nmが反平行結合中間層、CoFe1.9nmが第２の固定磁性層、Cu1.9nmが非磁性層、CoFe1.0nm/NiFe2.0nmが自由磁性層、Ta5.0nmが保護層である。
図２〜７は、
配向制御層5.0nm/Co65Fe352.0nm/Ru0.8nm/CoFe1.9nm/Cu1.9nm/CoFe1.0nm/NiFe2.0nm/Ta5.0nm
の構造において、固定磁性層１ (Co65Fe35) を成膜する際の下地である配向制御層の材料を変えて磁気抵抗(ρ−H) 特性を測定した結果を示す。なお、本実施形態で、Co65Fe35 2.0nmが第１の固定磁性層、Ru0.8nmが反平行結合中間層、CoFe1.9nmが第２の固定磁性層、Cu1.9nmが非磁性層、CoFe1.0nm/NiFe2.0nmが自由磁性層、Ta5.0nmが保護層である。
図２は固定磁性層１の下地層として何も設けなかった場合、図３は下地層としてCuを使用した場合、図４は下地層としてRuを使用した場合、図５は下地層としてTaを使用した場合、図６は下地層としてNiCrを使用した場合、図７は下地層をNiCrとTaの２層構造とした場合で、NiCrの上にTaを厚さ5.0 nm設けた場合である。
これらの測定結果から、他の材料と比較して、Ta またはNiCr を配向制御層の材料とした場合に、ρ−H 特性に一方向の異方性があることがわかる。その場合の抵抗変化率が11%以上得られている。この時の磁気抵抗効果膜の総膜厚は19.6 nm となり、従来の膜に比べて15nm も薄い。
また、前記配向制御層の下に、別材料の下地層が挿入されていても良い。図７に示す通り、NiCr/Ta 配向制御層においてもρ−H 特性が得られていることから、前記固定磁性層１と接している層がTa であれば、配向制御層Ta の下にさらに下地（図７の場合はNiCr）があったとしても一方向の異方性が得られると考えられるためである。NiCr を配向制御層にした場合についても同じである。
また、前記配向制御層の下に、別材料の下地層が挿入されていても良い。図７に示す通り、NiCr/Ta 配向制御層においてもρ−H 特性が得られていることから、前記固定磁性層１と接している層がTa であれば、配向制御層Ta の下にさらに下地（図７の場合はNiCr）があったとしても一方向の異方性が得られると考えられるためである。NiCr を配向制御層にした場合についても同じである。
図８にはNiCrを配向制御層に用いた場合に、NiCr 中のNi 濃度を変化させて作製した前記の磁気抵抗効果膜のρ−H 特性を示す。ここでNi 濃度が55 〜65 モル%の範囲において、高いMR 比が得られているのが判る。すなわち、配向制御層としてNiCrを使用する場合に、Ni 濃度が55 〜65 モル%の範囲のNiCrを使用することが有効である。このNi 濃度については、NiFeCr を配向制御層に用いた場合も同様である。
次に、固定磁性層１にはCo 濃度が35 〜71 モル%のものを用いるのが良い。また上記組成の固定磁性層１に、磁気抵抗効果を向上するための第三元素、例えば
B、 C、 N、 O、 Si、 V、 Cr、 Mn、 Ni、 Cu、 Nb、 Mo、 Ru、 Rh、 Pd、Ta、 W、 Ir、 Pt
などを添加した三元以上の合金を用いることもできる。
なお固定磁性層２には、Co 濃度が90モル%程度のものを用いると磁気抵抗効果が高くなるので望ましい。また、固定磁性層１、固定磁性層２の各層は、磁気抵抗効果を向上させるため、組成違いのCoFe 層の多層膜や、CoFe を基とする三元合金などからなる多層膜で構成しても良い。
B、 C、 N、 O、 Si、 V、 Cr、 Mn、 Ni、 Cu、 Nb、 Mo、 Ru、 Rh、 Pd、Ta、 W、 Ir、 Pt
などを添加した三元以上の合金を用いることもできる。
なお固定磁性層２には、Co 濃度が90モル%程度のものを用いると磁気抵抗効果が高くなるので望ましい。また、固定磁性層１、固定磁性層２の各層は、磁気抵抗効果を向上させるため、組成違いのCoFe 層の多層膜や、CoFe を基とする三元合金などからなる多層膜で構成しても良い。
固定磁性層１に上記のCo 濃度が35 〜71 モル%のものを用いるのが良い理由を次に示す。
図９は、固定磁性層１に用いるCoFe のCo 濃度を変化させた場合の磁気抵抗の変化を示したものである。Co 濃度が35 〜71 モル%において、MR 比が高くなることがわかる。これは、このCo 濃度の範囲において、一方向の異方性が強まるためである。
図９は、固定磁性層１に用いるCoFe のCo 濃度を変化させた場合の磁気抵抗の変化を示したものである。Co 濃度が35 〜71 モル%において、MR 比が高くなることがわかる。これは、このCo 濃度の範囲において、一方向の異方性が強まるためである。
次に、固定磁性層１と固定磁性層２の総磁気モーメントについて述べる。
磁気モーメントは、厳密には下記の式で与えられる。式中のtmag は磁性層の物理的層厚であるのに対し、tdead は磁性層の上または下に非磁性層が積層された場合に、界面で磁気的秩序を失って磁性を示さなくなる0〜2 nm 程度の領域のことを指す。
磁気モーメント＝ 磁性層の飽和磁化(Bs) ×（磁性層の層厚(tmag)−磁気的デッドレイヤ厚さ(tdead)）
総磁気モーメントは、磁性層が多層膜からなる場合はその各層の磁気モーメントの和で与えられる。
磁気モーメントは、厳密には下記の式で与えられる。式中のtmag は磁性層の物理的層厚であるのに対し、tdead は磁性層の上または下に非磁性層が積層された場合に、界面で磁気的秩序を失って磁性を示さなくなる0〜2 nm 程度の領域のことを指す。
磁気モーメント＝ 磁性層の飽和磁化(Bs) ×（磁性層の層厚(tmag)−磁気的デッドレイヤ厚さ(tdead)）
総磁気モーメントは、磁性層が多層膜からなる場合はその各層の磁気モーメントの和で与えられる。
本発明における磁気抵抗効果膜では、固定磁性層１ の総磁気モーメントから固定磁性層２の総磁気モーメントを引いた差分の大きさが0.7 〜1.4 T・nm となるように設定されているか、または固定磁性層１の総磁気モーメントを固定磁性層２の総磁気モーメントで割った比の大きさが1.15 〜1.45 となるように設定されている必要がある。
表１は前記総磁気モーメントを変えた場合の特性を示したものである。前記総磁気モーメントは、固定磁性層１ または固定磁性層２の磁性層の層厚を変えることで調整している。
総磁気モーメントの差分が0.73〜1.37 T・nm 、総磁気モーメント比が1.15 〜1.45 となる試料について、一方向異方性が発生している。差分または比がこの範囲となる根拠について以下に説明する。
本発明の磁気抵抗効果膜では、一方向異方性は配向制御層と固定磁性層１との間の交換結合に起因して発生している。そのため、前記の差分が正に大きい場合（固定磁性層１の総磁気モーメントが大きい場合など）、前記交換結合が一定であるとすれば、前記固定磁性層１に作用するピン止め磁界は固定磁性層１の総磁気モーメントに反比例するため、一方向異方性が弱められる。
逆に前記の差分が0.7 以下と小さい場合には、前記固定磁性層２は反平行結合中間層を介して固定磁性層１と交換結合することで磁化方向が固定されている。このため前記の差分が小さくなる（固定磁性層２の磁気モーメントが大きい場合など）と、固定磁性層１から受けるピン止め磁界は固定磁性層１の総磁気モーメントに反比例するため、同様に一方向異方性が弱められる。これらのことから、前記差分には最適範囲が存在することになり、それは実験的に0.7〜1.4 T・nm の範囲となる。
また、上記の最適範囲は、前記固定磁性層１の総磁気モーメントと前記固定磁性層２ の総磁気モーメントとの比でも示すことができ、その値は実験的に1.15〜1.45 の範囲となる。
逆に前記の差分が0.7 以下と小さい場合には、前記固定磁性層２は反平行結合中間層を介して固定磁性層１と交換結合することで磁化方向が固定されている。このため前記の差分が小さくなる（固定磁性層２の磁気モーメントが大きい場合など）と、固定磁性層１から受けるピン止め磁界は固定磁性層１の総磁気モーメントに反比例するため、同様に一方向異方性が弱められる。これらのことから、前記差分には最適範囲が存在することになり、それは実験的に0.7〜1.4 T・nm の範囲となる。
また、上記の最適範囲は、前記固定磁性層１の総磁気モーメントと前記固定磁性層２ の総磁気モーメントとの比でも示すことができ、その値は実験的に1.15〜1.45 の範囲となる。
次に、本発明における磁気抵抗効果膜で、固定磁性層１をCoFeRu 合金とした場合のRu 組成に対するρ−H 特性を表２に示す。なお、表２は、前記磁気モーメントの差分が0.9〜1.2 T・nm となるように固定磁性層２の層厚を調整して試験した結果である。
表２から、固定磁性層１にRu を添加することで、MR 比と抵抗変化Δ Rs が増大していることがわかる。これはCoFe 合金の抵抗率が20 μΩ cm と小さいためセンス電流の一部が磁気抵抗効果に寄与しない固定磁性層１に流れてしまう、いわゆるシャント効果によるロスが発生しているのに対し、Ru を添加し固定磁性層１の抵抗率を50 μΩ cm まで高めることでシャント効果が抑制され、磁気抵抗効果が高まっているためである。
同様の効果はRu 以外にも、例えばB、 C、 N、 O、 Si、 V、 Cr、 Mn、 Ni、 Cu、 Nb、 Mo、 Rh、 Pd、 Ta、 W、Ir、 Pt などをCoFe 合金に添加することで得ることができる。
同様の効果はRu 以外にも、例えばB、 C、 N、 O、 Si、 V、 Cr、 Mn、 Ni、 Cu、 Nb、 Mo、 Rh、 Pd、 Ta、 W、Ir、 Pt などをCoFe 合金に添加することで得ることができる。
なお、本発明の構造を用いることでCPP 型の磁気抵抗効果膜においても反強磁性層が不要となり、CIP型と同様の狭コア幅化と狭ギャップ化が実現できる。
またMRAM などの固体メモリに、本発明で開示された固定磁性層を有する磁気抵抗効果膜やトンネル磁気抵抗効果膜を用いることで、ヘッド素子と同様、メモリ素子を0.1 μ m 以下のサイズでもばらつきなく微細加工することが容易となり、固体メモリの記憶容量の増大が可能となる。
またMRAM などの固体メモリに、本発明で開示された固定磁性層を有する磁気抵抗効果膜やトンネル磁気抵抗効果膜を用いることで、ヘッド素子と同様、メモリ素子を0.1 μ m 以下のサイズでもばらつきなく微細加工することが容易となり、固体メモリの記憶容量の増大が可能となる。
また、本発明の構造は、磁気抵抗効果を向上させる目的のため、いわゆるデュアルスピンバルブ膜に用いることもできる。一般的なデュアルスピンバルブ膜の構造は、たとえば下記のようなもので、総膜厚は５３．７nmとなる。
NiCr5.0nm/PtMn13.0/CoFe1.5nm/Ru0.8nm/CoFe2.3nm/Cu2.0nm/CoFe1.0nm/NiFe2.0nm/CoFe1.0nm/Cu2.0nm/CoFe2.3nm/Ru0.8nm/CoFe2.0nm/PtMn13.0nm/Ta5.0nm
これに本発明の構造を適用した場合、たとえば下記のような膜構造になる。総膜厚は35.3nmと、−３５％薄くできる。図１４にこの膜のρ−Ｈ特性を示す。ＭＲ比はデュアルスピンバルブにしなかった場合にくらべて、１２％→１５％に増大し、２０％の出力アップを得ることができる。
Ta5.0nm/Co65Fe352.0nm/Ru0.8nm/CoFe1.9nm/Cu2.0nm/CoFe1.0nm/NiFe2.0nm/CoFe1.0nm/Cu2.0nm/CoFe1.9nm/Ru0.8nm/Co65Fe352.0nm//Ta5.0nm
NiCr5.0nm/PtMn13.0/CoFe1.5nm/Ru0.8nm/CoFe2.3nm/Cu2.0nm/CoFe1.0nm/NiFe2.0nm/CoFe1.0nm/Cu2.0nm/CoFe2.3nm/Ru0.8nm/CoFe2.0nm/PtMn13.0nm/Ta5.0nm
これに本発明の構造を適用した場合、たとえば下記のような膜構造になる。総膜厚は35.3nmと、−３５％薄くできる。図１４にこの膜のρ−Ｈ特性を示す。ＭＲ比はデュアルスピンバルブにしなかった場合にくらべて、１２％→１５％に増大し、２０％の出力アップを得ることができる。
Ta5.0nm/Co65Fe352.0nm/Ru0.8nm/CoFe1.9nm/Cu2.0nm/CoFe1.0nm/NiFe2.0nm/CoFe1.0nm/Cu2.0nm/CoFe1.9nm/Ru0.8nm/Co65Fe352.0nm//Ta5.0nm
（付記１）磁化固定層、第１の固定磁性層、反平行結合中間層、第２の固定磁性層、非磁性中間層、自由磁性層、保護層がこの順に積層されてなる磁気抵抗効果膜において、前記第１の固定磁性層の磁化方向を固定する磁化固定層として、前記第１の固定磁性層との間に交換結合作用を起こさない材料からなり、前記第２の固定磁性層の磁化方向を一方向に固定する配向制御層が設けられていることを特徴とする磁気抵抗効果膜。
（付記２）配向制御層として、タンタル(Ta) またはタンタル合金が用いられ、第１の固定磁性層の総磁気モーメントと、第２の固定磁性層の総磁気モーメントの差分の大きさが0．7 〜1．4 T・nm であることを特徴とする付記１記載の磁気抵抗効果膜。
（付記３）配向制御層として、タンタル(Ta) またはタンタル合金が用いられ、第１の固定磁性層の総磁気モーメントを第１の固定磁性層の総磁気モーメントで割った比の大きさが1．15 ないし1．45であることを特徴とする付記１記載の磁気抵抗効果膜。
（付記４）配向制御層としてニッケル−クロム(NiCr) またはニッケル−鉄− クロム(NiFeCr) が用いられ、前記NiCr またはNiFeCr 中のNi 濃度が55 〜65 モル%であり、第１の固定磁性層の総磁気モーメントから前記第２の固定磁性層の総磁気モーメントを引いた差分の大きさが0.7〜1.4 T・nm であることを特徴とする付記１記載の磁気抵抗効果膜。
（付記５）配向制御層としてニッケル−クロム(NiCr) またはニッケル−鉄− クロム(NiFeCr) が用いられており、前記NiCr またはNiFeCr 中のNi 濃度が55 〜65 モル%であり、前記第１の固定磁性層の総磁気モーメントを前記第２の固定磁性層の総磁気モーメントで割った比の大きさが1.15〜1.45であることを特徴とする付記１記載の磁気抵抗効果膜。
（付記６）配向制御層の、第１の固定磁性層が接している面と反対の面側には、強磁性層、反強磁性層またはフェリ磁性層が存在していないことを特徴とする付記１〜５のいずれか一項記載の磁気抵抗効果膜。
（付記７）第１の固定磁性層が、コバルト濃度が35 〜71 モル%の範囲であるコバルト−鉄(CoFe)二元合金、またはコバルト濃度が35 〜71 モル%の範囲であるコバルト−鉄に第三元素を加えてなる三元合金からなり、この固定磁性層の飽和磁化と層厚との積が3 T・nm 〜7 T・nm の範囲にあることを特徴とする付記６記載の磁気抵抗効果膜。
（付記８）反平行結合中間層が、ルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、ロジウム(Rh)、クロム(Cr) およびこれらの合金からなることを特徴とする付記６または７記載の磁気抵抗効果膜。
（付記９）第１の固定磁性層の保磁力が50 Oe 以上であることを特徴とする付記１〜８のいずれか一項記載の磁気抵抗効果膜。
（付記１０）磁気抵抗効果膜を厚さ方向に挟む配置に下部シールド層と上部シールド層が設けられ、磁気抵抗効果膜にバイアス印加層と電流端子層が設けられた磁気抵抗効果ヘッドであって、前記磁気抵抗効果膜として付記１〜９のいずれか一項記載の磁気抵抗効果膜が用いられていることを特徴とする磁気抵抗効果ヘッド。
（付記１１）付記１〜９のいずれか一項記載の磁気抵抗効果膜を用いた固体メモリ。
（付記１２）磁化固定層、第１の固定磁性層、第１の反平行結合中間層、第２の固定磁性層、第１の非磁性中間層、自由磁性層、第２の非磁性中間層、第３の固定磁性層、第２の反平行結合中間層、第４の固定磁性層、保護層がこの順に積層されてなる磁気抵抗効果膜において、前記第１の固定磁性層の磁化方向を固定する磁化固定層として、前記第１の固定磁性層との間に交換結合作用を起こさない材料からなり、前記第２の固定磁性層の磁化方向を一方向に固定する配向制御層が設けられていることを特徴とする磁気抵抗効果膜。
（付記２）配向制御層として、タンタル(Ta) またはタンタル合金が用いられ、第１の固定磁性層の総磁気モーメントと、第２の固定磁性層の総磁気モーメントの差分の大きさが0．7 〜1．4 T・nm であることを特徴とする付記１記載の磁気抵抗効果膜。
（付記３）配向制御層として、タンタル(Ta) またはタンタル合金が用いられ、第１の固定磁性層の総磁気モーメントを第１の固定磁性層の総磁気モーメントで割った比の大きさが1．15 ないし1．45であることを特徴とする付記１記載の磁気抵抗効果膜。
（付記４）配向制御層としてニッケル−クロム(NiCr) またはニッケル−鉄− クロム(NiFeCr) が用いられ、前記NiCr またはNiFeCr 中のNi 濃度が55 〜65 モル%であり、第１の固定磁性層の総磁気モーメントから前記第２の固定磁性層の総磁気モーメントを引いた差分の大きさが0.7〜1.4 T・nm であることを特徴とする付記１記載の磁気抵抗効果膜。
（付記５）配向制御層としてニッケル−クロム(NiCr) またはニッケル−鉄− クロム(NiFeCr) が用いられており、前記NiCr またはNiFeCr 中のNi 濃度が55 〜65 モル%であり、前記第１の固定磁性層の総磁気モーメントを前記第２の固定磁性層の総磁気モーメントで割った比の大きさが1.15〜1.45であることを特徴とする付記１記載の磁気抵抗効果膜。
（付記６）配向制御層の、第１の固定磁性層が接している面と反対の面側には、強磁性層、反強磁性層またはフェリ磁性層が存在していないことを特徴とする付記１〜５のいずれか一項記載の磁気抵抗効果膜。
（付記７）第１の固定磁性層が、コバルト濃度が35 〜71 モル%の範囲であるコバルト−鉄(CoFe)二元合金、またはコバルト濃度が35 〜71 モル%の範囲であるコバルト−鉄に第三元素を加えてなる三元合金からなり、この固定磁性層の飽和磁化と層厚との積が3 T・nm 〜7 T・nm の範囲にあることを特徴とする付記６記載の磁気抵抗効果膜。
（付記８）反平行結合中間層が、ルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、ロジウム(Rh)、クロム(Cr) およびこれらの合金からなることを特徴とする付記６または７記載の磁気抵抗効果膜。
（付記９）第１の固定磁性層の保磁力が50 Oe 以上であることを特徴とする付記１〜８のいずれか一項記載の磁気抵抗効果膜。
（付記１０）磁気抵抗効果膜を厚さ方向に挟む配置に下部シールド層と上部シールド層が設けられ、磁気抵抗効果膜にバイアス印加層と電流端子層が設けられた磁気抵抗効果ヘッドであって、前記磁気抵抗効果膜として付記１〜９のいずれか一項記載の磁気抵抗効果膜が用いられていることを特徴とする磁気抵抗効果ヘッド。
（付記１１）付記１〜９のいずれか一項記載の磁気抵抗効果膜を用いた固体メモリ。
（付記１２）磁化固定層、第１の固定磁性層、第１の反平行結合中間層、第２の固定磁性層、第１の非磁性中間層、自由磁性層、第２の非磁性中間層、第３の固定磁性層、第２の反平行結合中間層、第４の固定磁性層、保護層がこの順に積層されてなる磁気抵抗効果膜において、前記第１の固定磁性層の磁化方向を固定する磁化固定層として、前記第１の固定磁性層との間に交換結合作用を起こさない材料からなり、前記第２の固定磁性層の磁化方向を一方向に固定する配向制御層が設けられていることを特徴とする磁気抵抗効果膜。
１０ 磁気抵抗効果膜
１２ 下部絶縁層
１４ 上部絶縁層
１６ 下部シールド層
１８ 上部シールド層
３０ 磁気抵抗効果膜
３２ レジストパターン
３４ スパッタ成膜
１２ 下部絶縁層
１４ 上部絶縁層
１６ 下部シールド層
１８ 上部シールド層
３０ 磁気抵抗効果膜
３２ レジストパターン
３４ スパッタ成膜
Claims (5)
- 磁化固定層、第１の固定磁性層、反平行結合中間層、第２の固定磁性層、非磁性中間層、自由磁性層、保護層がこの順に積層されてなる磁気抵抗効果膜において、
前記第１の固定磁性層の磁化方向を固定する磁化固定層として、前記第１の固定磁性層との間に交換結合作用を起こさない材料からなり、前記第２の固定磁性層の磁化方向を一方向に固定する配向制御層が設けられていることを特徴とする磁気抵抗効果膜。 - 配向制御層の、第１の固定磁性層が接している面と反対の面側には、強磁性層、反強磁性層またはフェリ磁性層が存在していないことを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果膜。
- 第１の固定磁性層が、コバルト濃度が35 〜71 モル%の範囲であるコバルト−鉄(CoFe)二元合金、またはコバルト濃度が35 〜71 モル%の範囲であるコバルト−鉄に第三元素を加えてなる三元合金からなり、この固定磁性層の飽和磁化と層厚との積が3 T・nm 〜7 T・nm の範囲にあることを特徴とする請求項２記載の磁気抵抗効果膜。
- 反平行結合中間層が、ルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、ロジウム(Rh)、クロム(Cr) およびこれらの合金からなることを特徴とする請求項２または３記載の磁気抵抗効果膜。
- 磁気抵抗効果膜を厚さ方向に挟む配置に下部シールド層と上部シールド層が設けられ、磁気抵抗効果膜にバイアス印加層と電流端子層が設けられた磁気抵抗効果ヘッドであって、前記磁気抵抗効果膜として請求項１〜４のいずれか一項記載の磁気抵抗効果膜が用いられていることを特徴とする磁気抵抗効果ヘッド。
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