JP2005333106A - Switched-connection element and manufacturing method therefor, and device having switched-connection element - Google Patents

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匡清 角田
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高橋  研
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a switched-connection element that achieves a thinner film stack, especially a thinner antiferromagnetic film, and improves a one-way anisotropy constant J<SB>k</SB>and a blocking temperature T<SB>B</SB>, and its preferable manufacturing method as well as a device equipped with the switched-connection element. <P>SOLUTION: In a switched-connection element 1 that is formed by stacking an antiferromagnetic layer 4 and a ferromagnetic layer 5 in order on a substrate 2, the ferromagnetic layer 5 that is connected to the antiferromagnetic layer by switching, the antiferromagnetic layer 4 has a regular phase (Mn<SB>3</SB>Ir) of an Mn-Ir alloy. A preferable manufacturing method for the switched-connection element is when forming an antiferromagnetic thin film layer, to heat a substrate up to a specified temperature preset so as to form the regular phase of the Mn-Ir alloy, and to apply annealing treatment to it after the antiferromagnetic thin film layer has been formed. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、交換結合素子とその製造方法、並びにスピンバルブ型磁気抵抗素子,トンネル型磁気抵抗素子,磁気ヘッド,磁気式メモリ等の交換結合素子を具備したデバイスに関する。   The present invention relates to an exchange coupling element, a manufacturing method thereof, and a device including an exchange coupling element such as a spin valve magnetoresistive element, a tunnel magnetoresistive element, a magnetic head, and a magnetic memory.

ハードディスクに代表される磁気記録媒体は、更なる記録密度の向上が期待されており、これに伴って磁気抵抗素子を備えたヘッドにも更なる高性能化が求められている。なかでも、再生ヘッドの狭ギャップ化に有利なスピンバルブ型磁気抵抗素子においては、隣接する強磁性層と反強磁性層とからなる積層膜の薄型化が必須課題となっている。   A magnetic recording medium represented by a hard disk is expected to further improve the recording density, and accordingly, a head having a magnetoresistive element is required to have higher performance. In particular, in a spin-valve magnetoresistive element that is advantageous for narrowing the read head, it is essential to reduce the thickness of a laminated film composed of adjacent ferromagnetic layers and antiferromagnetic layers.

このため、いかに極薄領域においてスピンバルブ膜の特性を維持するかが重要である。強磁性層と反強磁性層からなる交換結合素子の界面に誘導される交換磁気異方性は、スピンバルブ膜の機能上、ピン層たる強磁性層の磁化の固定という中心的な役割を果たすが、これを極薄膜下において有効かつ安定に引き出すことは重要な技術課題である。   Therefore, it is important how to maintain the characteristics of the spin valve film in an extremely thin region. The exchange magnetic anisotropy induced at the interface of the exchange coupling element composed of a ferromagnetic layer and an antiferromagnetic layer plays a central role in fixing the magnetization of the ferromagnetic layer as the pinned layer in terms of the function of the spin valve film. However, it is an important technical issue to extract this effectively and stably under the ultrathin film.

前記交換磁気異方性は、強磁性層と反強磁性層の界面における単位面積当たりの交換結合エネルギー(いわゆる交換結合の強さ)を表す一方向異方性定数Jkによって評価される。このJkは、MsとdfとHexとの積で表され、Msは強磁性層の飽和磁化であって振動試料型磁力計(VSM)にて測定され、dfは強磁性層の膜厚であり、Hexは、反強磁性層と強磁性層との交換結合磁界であって、前記の磁化曲線においてピン層の磁化の変化に対応するMHループ中心のゼロ磁界点からのシフト量、または磁気抵抗変化曲線においてピン層の磁化方向変化に伴って生じるMRループの中心のゼロ磁界点からのシフト量として定義される。 The exchange magnetic anisotropy is evaluated by a unidirectional anisotropy constant J k representing exchange coupling energy per unit area (so-called exchange coupling strength) at the interface between the ferromagnetic layer and the antiferromagnetic layer. This J k is represented by the product of Ms, df, and Hex, Ms is the saturation magnetization of the ferromagnetic layer, measured by a vibrating sample magnetometer (VSM), and df is the film thickness of the ferromagnetic layer. Hex is an exchange coupling magnetic field between the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer, and the shift amount from the zero magnetic field point at the center of the MH loop corresponding to the change in magnetization of the pinned layer in the magnetization curve, or the magnetic field It is defined as the amount of shift from the zero magnetic field point at the center of the MR loop that occurs with changes in the magnetization direction of the pinned layer in the resistance change curve.

ハードディスクドライブ等の磁気記録装置は、実使用下において内部温度が100℃以上に上昇することがあり、また、磁気抵抗素子部はセンス電流による自己発熱によって更に数十℃上昇するので、スピンバルブの動作時の温度としては、最大約150℃となる。このため、反強磁性層によってピン層に誘導された交換磁気異方性が低下し、一方向にピン止めされたピン層の磁化が外部磁界によって容易に乱される。この耐熱性の低下は、反強磁性層の膜厚が低下するほど顕著になる。ところで、交換結合素子において全膜厚に占める割合は反強磁性層が最も大きいため、素子の薄膜化のためには反強磁性層の膜厚を減らすことが必要となる。従ってJkの更なる向上が求められている。 In a magnetic recording device such as a hard disk drive, the internal temperature may rise to 100 ° C. or more under actual use, and the magnetoresistive element portion further rises by several tens of degrees Celsius due to self-heating by the sense current. The maximum operating temperature is about 150 ° C. For this reason, the exchange magnetic anisotropy induced in the pinned layer by the antiferromagnetic layer is reduced, and the magnetization of the pinned layer pinned in one direction is easily disturbed by the external magnetic field. This decrease in heat resistance becomes more prominent as the film thickness of the antiferromagnetic layer decreases. By the way, since the ratio of the total film thickness in the exchange coupling element is the largest in the antiferromagnetic layer, it is necessary to reduce the film thickness of the antiferromagnetic layer in order to reduce the thickness of the element. Therefore further improvement of the J k are required.

上記一方向異方性定数Jkの向上を目的とした交換結合素子とその製造方法の発明に関しては、本願発明と同一発明者等によって、例えば特許文献1〜3により出願されている。また、非特許文献1には、反強磁性層の磁気異方性とその役割について、技術の変遷を含めた当該技術の包括的な説明がなされている。本願発明の説明の便宜上、上記各種文献の開示内容の一部に関して、適宜引用して後述する。 With respect to the invention of the exchange coupling element and its manufacturing method for the purpose of improving the unidirectional anisotropy constant J k , an application has been filed by, for example, Patent Documents 1 to 3 by the same inventors as the present invention. Non-Patent Document 1 provides a comprehensive description of the technology, including changes in technology, regarding the magnetic anisotropy of the antiferromagnetic layer and its role. For the convenience of explanation of the present invention, some of the disclosure contents of the above-mentioned various references will be described later with appropriate citation.

まず、前記反強磁性層の膜厚に関わり、非特許文献1のP62の左欄「臨界膜厚」の項には、図20に基づく下記の記載がある。なお、図20は、非特許文献1にFig.12として開示された図で、一方向異方性定数(Jk)の反強磁性層膜厚(dAF)依存性を示した図である。 First, regarding the film thickness of the antiferromagnetic layer, the item “critical film thickness” in the left column of P62 of Non-Patent Document 1 includes the following description based on FIG. FIG. 20 is a diagram disclosed in Non-Patent Document 1 as FIG. 12 and shows the dependence of the unidirectional anisotropy constant (J k ) on the antiferromagnetic layer thickness (d AF ). .

即ち、非特許文献1には、「昨今のHDD用スピンバルブ薄膜の反強磁性層には極薄化が強く求められている。極薄の膜厚で大きな交換磁気異方性を誘導するためには、如何なる反強磁性材料が適しているのだろうか?これまでのスピンバルブ薄膜用の反強磁性材料の開発の経緯を振り返ると、1995〜96年をピークに実に数多くの材料が試された。その結果として、大きな一方向異方性定数と高いブロッキング温度を示すPtMnが現在のスタンダードとなっている。しかしながらPtMnの最も大きな問題点は、その臨界膜厚が100〜200 Aと現在の要求からすると厚いことにある。PtMnの場合には、成膜後の熱処理による規則化度が交換磁気異方性に影響を及ぼすことが知られており、完全に規則化を進行させた場合には臨界膜厚を60~70 A程度に低減できる可能性も示されてはいるが、いずれにしても十分な薄さではない。」旨記載され、また、前記図20に基づき、「これまでに検討されてきた反強磁性材料の中で、Mn-Irが最もその臨界膜厚が薄いことが判る。同じg-Mn合金のMn-Niと比較しても臨界膜厚は半分程度である。このような臨界膜厚に関しても、反強磁性層の磁気異方性が大きな役割を果たしている。」旨記載されている。   That is, Non-Patent Document 1 states that “the antiferromagnetic layer of the present HDD spin valve thin film is strongly required to be extremely thin. In order to induce a large exchange magnetic anisotropy with a very thin film thickness. What kind of antiferromagnetic material is suitable for this? In reviewing the history of development of antiferromagnetic materials for spin valve thin films so far, many materials have been tried since 1995-96. As a result, PtMn, which exhibits a large unidirectional anisotropy constant and a high blocking temperature, is the current standard, but the biggest problem with PtMn is that its critical film thickness is 100-200 A. In the case of PtMn, it is known that the degree of ordering by heat treatment after film formation affects the exchange magnetic anisotropy, and when ordering is completely advanced Can reduce critical film thickness to around 60-70 A Although it is shown, it is described that “it is not thin enough in any case,” and based on FIG. 20, “Mn—Ir among the antiferromagnetic materials studied so far. The critical film thickness is about half that of Mn-Ni of the same g-Mn alloy. Anisotropy plays a big role. "

上記のように、Mn-Irは膜厚を薄くできる可能性が最も高いが、図20からも明らかなように、PtMnやNiMnに比較して一方向異方性定数(Jk)が低い問題がある。 As described above, Mn-Ir has the highest possibility of reducing the film thickness, but as is clear from FIG. 20, the unidirectional anisotropy constant (J k ) is lower than that of PtMn or NiMn. There is.

ところで、スピンバルブ型磁気抵抗素子に要求される課題としては、上記反強磁性膜の極薄化の課題以外に下記の課題がある。これらの課題に関しては、特許文献2の記載を引用して以下に述べる。即ち、「ハードディスクドライブの再生ヘッドとして用いられるスピンバルブ型磁気抵抗素子には、外乱磁界に対する信頼性、特に高温での動作特性、耐ESD(Electrostatic discharge)、固定磁化層の磁化の反転防止のため、高いブロッキング温度TBと交換結合磁界Hexが要求されている。また、記録密度向上とともにスピンバルブ型磁気抵抗素子の厚みを低減することが必要となり、極薄化と耐熱性の向上がともに要求されている。特に40 Gbit/in2超の記録密度に対応するには、TBとして300℃以上が必要とされている。」
なお、上記耐ESDに関しては、前記非特許文献1のP59の右欄「ブロッキング温度」の項に、下記のように記載されている。即ち、「スピンバルブ膜においては、静電気放電による瞬間的な大電流で、素子の物理的破壊に至らずとも固定層磁化のピンニング特性が劣化するESD(electrostatic discharge)破壊現象を回避することが重要な課題である。これはESD電流によってスピンバルブ素子の温度が上昇するとともに、誘導される磁界の作用で固定層の交換磁気異方性が変化する現象と理解されている。一般に強磁性層/反強磁性層積層膜の交換磁気異方性は測定温度の上昇とともに小さくなり、ある有限の温度(ブロッキング温度)で消失する。従って、このブロッキング温度を高くすることが有効なESD対策の一つである。ところが、ブロッキング温度は反強磁性のネール点に一致する場合もあるが、特に反強磁性層厚(dAF)が薄い場合、ネール点以下の温度となりdAFの減少に伴って低下する。」旨、記載されている。
By the way, as the problems required for the spin valve magnetoresistive element, there are the following problems in addition to the problem of making the antiferromagnetic film extremely thin. These problems will be described below with reference to the description in Patent Document 2. That is, “The spin-valve magnetoresistive element used as a reproducing head of a hard disk drive has reliability against disturbance magnetic field, especially operating characteristics at high temperature, ESD (Electrostatic discharge), and prevention of magnetization reversal of the fixed magnetic layer. are required to have high blocking temperature T B and the exchange coupling magnetic field Hex. Further, the recording density requires reducing the thickness of the spin-valve type magnetoresistive element, both requests improvement of extremely thin and heat-resistant and and. especially corresponding to 40 Gbit / in 2 than recording density is, the 300 ° C. or higher are needed as T B. "
The ESD resistance is described as follows in the right column “Blocking Temperature” on page 59 of Non-Patent Document 1. That is, “In spin valve films, it is important to avoid ESD (electrostatic discharge) breakdown phenomenon, in which pinning characteristics of pinned layer magnetization deteriorate even if the device is not physically destroyed due to an instantaneous large current due to electrostatic discharge. This is understood as a phenomenon in which the exchange magnetic anisotropy of the fixed layer is changed by the action of the induced magnetic field as the temperature of the spin valve element rises due to the ESD current. The exchange magnetic anisotropy of the antiferromagnetic layered film decreases with increasing measurement temperature and disappears at a certain finite temperature (blocking temperature), so increasing the blocking temperature is one effective ESD countermeasure. . However, although the blocking temperature is sometimes matching the Neel antiferromagnetic, especially if the antiferromagnetic layer thickness (d AF) is thin, d AF becomes a temperature below the Neel point Decreases with decreasing. "Effect, is described.

また、前記特許文献2には、「上記課題に対して従来は、反強磁性層材料の検討、あるいは反強磁性層の膜厚を厚くすることにより対処してきた。たとえば、TBが300数十度と高いPt-Mn合金を用いることなどが挙げられる。しかし、Pt-Mn合金からなる反強磁性層は、反強磁性層としての機能を発現するために必要な厚さが厚いという問題がある。」旨の記載や、「一方、Mn-Ir合金は各種反強磁性層の構成材料の中で最も臨界厚が小さい材料である。このMn-Ir合金によれば、製法にもよるが5nm以上あればJkの飽和値を得ることができ、Jkの絶対値も、Pt-Mn合金に匹敵する。しかし、TBが250℃以下と低いのが致命的と言われてきた。これに対し、厚みを厚くして反強磁性層中の結晶粒の持つ磁気異方性エネルギーを増加することで、TBを高めることはできる。たとえば、Mn-Ir膜においても膜厚を20nmとすれば300℃を越えるTBが得られる。しかしながら、先に述べた狭ギャップ化のためには、反強磁性層を15nm以下とすることが必要であり、膜厚増加によるTBの向上は現実的な手段ではない。また、反強磁性層の膜厚増加とともに、Jkの減少、ΔRの減少、Rsの増加、結果として磁気抵抗変化率(MR比)の低下、といった問題が発生する。このため、Mn-Ir膜厚として適当な値で妥協しなければならず、通常、7〜10nmで使用される。このため、Mn-Ir合金でTBを300℃以上とするのは困難であった。」旨の記載がある。 Further, the Patent Document 2, the conventional relative "above problems have been addressed by increasing the thickness of the examination, or the antiferromagnetic layer of the antiferromagnetic layer materials. For example, T B is 300 number The use of a Pt-Mn alloy that is too high can be mentioned, but the antiferromagnetic layer made of a Pt-Mn alloy has a problem that it is thick enough to exhibit its function as an antiferromagnetic layer. "Mn-Ir alloy is the material with the smallest critical thickness among the constituent materials of various antiferromagnetic layers. According to this Mn-Ir alloy, it depends on the manufacturing method." If the thickness is 5 nm or more, a saturation value of J k can be obtained, and the absolute value of J k is comparable to that of the Pt—Mn alloy, but it has been said that the T B is as low as 250 ° C. or less. In contrast, increasing the thickness increases the magnetic anisotropy energy of the crystal grains in the antiferromagnetic layer. In, increasing the T B can be. For example, if also the film thickness and 20nm in Mn-Ir film is T B exceeding 300 ° C. is obtained. However, because of the narrower gap mentioned earlier, anti it is necessary to the ferromagnetic layer and 15nm or less, the improvement of T B by the thickness increase is not a realistic means. Further, the thickness increase of the antiferromagnetic layer, a decrease in J k, reduction of ΔR Rs increases, resulting in a decrease in magnetoresistive change rate (MR ratio), etc. For this reason, the Mn-Ir film thickness must be compromised with an appropriate value, usually 7 to 10 nm. used. Therefore, it is difficult. "effect according to the T B and 300 ° C. or more Mn-Ir alloy.

上記のような問題に鑑み、特許文献2の発明は、反強磁性層の改質方法を開示する。即ち、「高い一方向異方性定数Jkを有し、かつ高いブロッキング温度TBを有し、膜厚が薄い交換結合素子を得るために、基体上に反強磁性層を形成し、該反強磁性層を初期真空度が10-9Torr以下の真空雰囲気中で熱処理する」ことを開示する。 In view of the above problems, the invention of Patent Document 2 discloses a method for modifying an antiferromagnetic layer. In other words, "has high unidirectional anisotropy constant J k, and have a high blocking temperature T B, in order to obtain a thin exchange coupling element thickness, forming an antiferromagnetic layer on a substrate, the “Antiferromagnetic layer is heat-treated in a vacuum atmosphere having an initial vacuum of 10 −9 Torr or less”.

また、特許文献1は、「高い一方向異方性定数Jkを有し、かつ薄膜化しても諸特性を維持できる交換結合素子を得るために、基体上に、下地層、反強磁性層、及び該反強磁性層と交換結合する強磁性層が順次積層されてなり、前記下地層が、少なくとも2以上の下地膜からなり、前記下地膜のいずれか1つがCu膜からなるとともに他のいずれか1つがNi-Fe合金膜またはCo-Fe合金膜からなるもの」を開示する。 Patent Document 1 states that “in order to obtain an exchange coupling element having a high unidirectional anisotropy constant J k and maintaining various characteristics even when it is thinned, an underlayer, an antiferromagnetic layer are formed on a substrate. And a ferromagnetic layer exchange-coupled with the antiferromagnetic layer are sequentially stacked, the underlayer is made of at least two undercoat films, and any one of the undercoat films is made of a Cu film and the other Any one of them is made of a Ni—Fe alloy film or a Co—Fe alloy film ”.

さらに、特許文献3は、「高い一方向異方性定数Jkを有する交換結合素子及びその製造方法を提供するために、基体上に反強磁性層が積層されるとともに、該反強磁性層と交換結合して磁化方向が固定される磁化固定層が前記反強磁性層上に積層されてなり、前記磁化固定層の少なくとも一部または全部に、組成式CoxFe100-xで表され、組成比を示すxが原子%で42≦x≦83の範囲である合金が含まれるもの」を開示する。 Further, Patent Document 3 states that “in order to provide an exchange coupling element having a high unidirectional anisotropy constant J k and a method for manufacturing the same, an antiferromagnetic layer is laminated on a substrate, and the antiferromagnetic layer is formed. A magnetization pinned layer whose magnetization direction is fixed by exchange coupling with the antiferromagnetic layer is laminated on at least a part or all of the magnetization pinned layer and expressed by a composition formula Co x Fe 100-x. , Including alloys in which x indicating the composition ratio is in the range of 42 ≦ x ≦ 83 in atomic percent ”is disclosed.

さらにまた、前記非特許文献1は、そのFig.13 およびFig.14に基づき、Mn-Ir膜に対するアニール処理の効果(Jkの向上効果)について開示する。図18および図19は、前記非特許文献1のFig.13 およびFig.14に相当する。 Furthermore, Non-Patent Document 1 discloses the effect of the annealing treatment on the Mn—Ir film (the effect of improving J k ) based on FIGS. 13 and 14. 18 and 19 correspond to FIGS. 13 and 14 of Non-Patent Document 1.

非特許文献1の記載を引用すれば、「図18は、熱酸化膜付Si基板上のTa/Ni-Fe/Cuバッファー層上に作製したMn75Ir25 dAF / Co70Fe30(40 A)の積層膜のJKの反強磁性層厚(dAF)依存性を成膜後の磁界(1 kOe)中熱処理温度(Ta)の関数として示した図であり、熱処理温度の増大に伴って,JKが増大してゆくが、Ta = 300°C以上の熱処理において,dAF = 50 A以下の極薄の反強磁性膜厚の領域では逆にTaの増大に伴ってJKが低下してゆく」旨記載され、
また、「図19の結果によれば、dAF = 30 Aの場合を除き,JKは熱処理時間の延長に伴って徐々に増大してゆくことが判った。200 hの熱処理後に,dAF = 50 Aもしくは75 Aの積層膜においてJK = 0.87 erg/cm2の大きな値が得られた。この値は実用に供されているPtMn/Co-Fe系で報告されている一方向異方性定数の2倍以上の値であり、昨今の反強磁性層の極薄化への要求に対して十分魅力的な結果であると考える。また、200 hの熱処理前後においてin-planeならびにout-of-plane X線回折法による構造解析の結果、結晶粒径の増大や反強磁性層の規則化などの構造変化が生じていないことを別途確認している」旨記載されている。
To cite the description of Non-Patent Document 1, “FIG. 18 shows a Mn 75 Ir 25 d AF / Co 70 Fe 30 (40 produced on a Ta / Ni—Fe / Cu buffer layer on a Si substrate with a thermal oxide film. A) The dependence of J K on the antiferromagnetic layer thickness (d AF ) of the laminated film as a function of the heat treatment temperature (T a ) in the magnetic field (1 kOe) after film formation. with the, but J K Yuku increases, in the heat treatment of the above T a = 300 ° C, with increasing T a reversed in antiferromagnetic film thickness in the region of d AF = 50 a or less ultrathin J K is to Yuku "effect described decrease in Te,
Further, “According to the results of FIG. 19, it was found that J K gradually increased with the extension of the heat treatment time except for the case of d AF = 30 A. After the heat treatment for 200 h, d AF A large value of J K = 0.87 erg / cm 2 was obtained in the laminated film of = 50 A or 75 A. This value is a unidirectional anisotropic reported in the PtMn / Co-Fe system in practical use. This value is more than twice the sex constant, and is considered to be attractive enough to meet the recent demands for ultra-thin antiferromagnetic layers. As a result of structural analysis by -of-plane X-ray diffraction method, it has been separately confirmed that structural changes such as increase in crystal grain size and ordering of the antiferromagnetic layer have not occurred ".

上記特許文献1〜3および非特許文献1に記載された技術は、それぞれ有効ではあるものの、前記課題の要請に対して、まだ十分とはいえない。しかしながら、後述する本願発明と重ねて適用することにより、その効果は加算される技術である。   Although the techniques described in Patent Documents 1 to 3 and Non-Patent Document 1 are effective, they are not yet sufficient for the request for the above-mentioned problems. However, the effect is a technique that is added by applying the present invention to the present invention described later.

次に、前記磁気ヘッドに使用されるスピンバルブ型磁気抵抗素子以外のトンネル型磁気抵抗素子および磁気式メモリ等の交換結合素子を具備したデバイスについて述べる。   Next, a device provided with an exchange coupling element such as a tunnel type magnetoresistive element and a magnetic memory other than the spin valve type magnetoresistive element used in the magnetic head will be described.

最近では、電源を切った状態でもデータが保存されるいわゆる不揮発メモリの需要が増大しており、この不揮発メモリの1種として磁気式メモリ(MRAM)が提案されている。この磁気式メモリは、記憶素子としてトンネル型磁気抵抗(TMR)素子の利用が検討されている。トンネル型磁気抵抗素子は、反強磁性層/磁化固定層/絶縁層/磁化自由層の積層構造からなるもので、このトンネル型磁気抵抗素子においても、反強磁性層/磁化固定層の構成からなる上記の交換結合素子が具備されている。交換結合素子の一方向異方性定数Jkが小さいと、磁化固定層の磁化方向が外部磁界等により変動しやすくなって、記録素子(トンネル型磁気抵抗素子)に保持された記録情報が失われるおそれがあるので、磁気式メモリに対する信頼性を向上させるためにも、交換結合素子における一方向異方性定数Jkの向上が求められている。
特開2000−171012号公報 特開2002−198585号公報 特開2002−289947号公報 角田他,「強磁性/反強磁性積層膜の交換磁気異方性−反強磁性層の磁気異方性とその役割−」,日本応用磁気学会誌,Vol.28,No.2,2004,P55〜P65
Recently, there is an increasing demand for so-called non-volatile memories that store data even when the power is turned off, and magnetic memories (MRAM) have been proposed as one type of non-volatile memories. In this magnetic memory, use of a tunneling magnetoresistive (TMR) element as a storage element is being studied. The tunnel type magnetoresistive element has a laminated structure of an antiferromagnetic layer / magnetization fixed layer / insulating layer / magnetization free layer. This tunnel type magnetoresistive element also has a configuration of an antiferromagnetic layer / magnetization fixed layer. The above-described exchange coupling element is provided. If the unidirectional anisotropy constant J k of the exchange coupling element is small, the magnetization direction of the magnetization fixed layer is likely to fluctuate due to an external magnetic field or the like, and the recorded information held in the recording element (tunnel magnetoresistive element) is lost. since there is a possibility that cracking, in order to improve the reliability of magnetic memories, improvement in unidirectional anisotropy constant J k in exchange coupling elements are required.
JP 2000-171012 A JP 2002-198585 A JP 2002-289947 A Tsunoda et al., “Exchange magnetic anisotropy of ferromagnetic / antiferromagnetic multilayers: Magnetic anisotropy and role of antiferromagnetic layers”, Journal of Japan Society of Applied Magnetics, Vol.28, No.2,2004, P55 to P65

上記のように、交換結合素子並びに交換結合素子を具備したデバイスにおいては、高い一方向異方性定数Jkを有すること、高いブロッキング温度TBを有すること、膜厚が薄いこと、耐ESDを有すること等が要請される。前記非特許文献1によれば、膜の薄型化の要請からMn-Ir合金を反強磁性膜として使用した交換結合素子に関して、一方向異方性定数Jkはかなり改善されたが、反強磁性膜の薄型化の要請に応えるためには、Jkのさらなる向上が望まれ、また耐ESD向上のために、ブロッキング温度TBのさらなる向上(300℃以上の達成)が必要である。 As described above, in the device provided with the exchange coupling elements as well as exchange coupling elements, to have high unidirectional anisotropy constant J k, to have a high blocking temperature T B, the film thickness is thin, the ESD resistance Is required. According to Non-Patent Document 1, the unidirectional anisotropy constant J k is considerably improved with respect to an exchange coupling element using an Mn—Ir alloy as an antiferromagnetic film due to the demand for thinning the film. to meet the demand for thinning of the magnetic layer, the further improvement of the J k is desired, also for resistance to ESD improvements (achievement of 300 ° C. or higher) further improvement of the blocking temperature T B is required.

さらに、前記非特許文献1に開示された大きなJkの向上効果は、長時間(数十〜200時間程度)のアニール処理によって達成できるもので、製造時間および製造コストの低減が望まれる。 Furthermore, the large J k improvement effect disclosed in Non-Patent Document 1 can be achieved by annealing for a long time (several tens to 200 hours), and reduction of manufacturing time and manufacturing cost is desired.

本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、この発明の課題は、積層膜、特に反強磁性膜の薄型化,一方向異方性定数Jkの向上およびブロッキング温度TBの向上を図った交換結合素子とその好適な製造方法並びに交換結合素子を具備したデバイスを提供することにある。 The present invention has been made in view of the above, an object of the present invention, improvement in the laminated film, particularly thinning of the antiferromagnetic film, improvement in unidirectional anisotropy constant J k and blocking temperature T B It is another object of the present invention to provide an exchange coupling element, a suitable manufacturing method thereof, and a device including the exchange coupling element.

上記課題は、以下により達成される。即ち、基板上に、反強磁性層、及び前記反強磁性層と交換結合する強磁性層が順次積層されてなる交換結合素子において、前記反強磁性層が、Mn-Ir合金の規則相(Mn3Ir)を備えることを特徴とする(請求項1)。なお、前記請求項1における規則相は、Irの一部を、例えばRuのような第三元素で置き換えたものを含むものとする。 The above-mentioned subject is achieved by the following. That is, in an exchange coupling element in which an antiferromagnetic layer and a ferromagnetic layer exchange-coupled to the antiferromagnetic layer are sequentially stacked on a substrate, the antiferromagnetic layer is formed of an ordered phase of an Mn—Ir alloy ( Mn 3 Ir) (Claim 1). The ordered phase in claim 1 includes a part in which a part of Ir is replaced with a third element such as Ru.

また、前記請求項1の発明の実施態様としては、下記請求項2ないし4の発明が好ましい。即ち、前記請求項1に記載の交換結合素子において、前記Mn-Ir合金は、Irの組成比を20〜33原子%とすることを特徴とする(請求項2)。   As an embodiment of the invention of claim 1, the inventions of claims 2 to 4 are preferable. That is, in the exchange coupling device according to claim 1, the Mn—Ir alloy has an Ir composition ratio of 20 to 33 atomic% (claim 2).

さらに、前記請求項1または2に記載の交換結合素子において、前記反強磁性層におけるMn-Ir合金の平均面内結晶粒径は、9nm(90Å)以上とすることを特徴とする(請求項3)。   Furthermore, in the exchange coupling element according to claim 1 or 2, the average in-plane crystal grain size of the Mn-Ir alloy in the antiferromagnetic layer is 9 nm (90%) or more. 3).

また、前記請求項1に記載の交換結合素子において、前記基体と反強磁性層との間に、下地層を備えることを特徴とする(請求項4)。   In the exchange coupling element according to claim 1, an underlayer is provided between the base and the antiferromagnetic layer (claim 4).

前記交換結合素子の発明によれば、詳細は後述するが、規則相(Mn3Ir)の存在により、ブロッキング温度TBが向上し、360℃以上となる。また、一方向異方性定数Jkが、従来に比較して著しく向上し、最大で1.3 erg/cm2の大きな値が得られ、これにより、膜の極薄化が可能となる。さらに、アニール処理時間も短時間(例えば、1時間程度)で、前記良好な特性が得られる。 According to the invention of the exchange coupling elements will be described in detail later, the presence of ordered phase (Mn 3 Ir), improved blocking temperature T B, the 360 ° C. or higher. In addition, the unidirectional anisotropy constant J k is remarkably improved as compared with the conventional one, and a maximum value of 1.3 erg / cm 2 is obtained at the maximum, thereby enabling the film to be extremely thinned. Further, the good characteristics can be obtained in a short annealing time (for example, about 1 hour).

次に、本発明の交換結合素子の製造方法としては、下記請求項5ないし7の発明が好ましい。即ち、基板上に、下地層を介して若しくは介さずに、Mn-Ir合金からなる反強磁性薄膜層、及び前記反強磁性薄膜層と交換結合する強磁性薄膜層を順次形成する交換結合素子の製造方法において、前記反強磁性薄膜層を形成する際に、前記基板を、Mn-Ir合金の規則相を形成するために予め定めた所定の基板温度となるように加熱し、かつ前記反強磁性薄膜層の形成後に、アニール処理を行うことを特徴とする(請求項5)。   Next, as a method for manufacturing the exchange coupling element of the present invention, the inventions of the following claims 5 to 7 are preferable. That is, an exchange coupling element in which an antiferromagnetic thin film layer made of an Mn—Ir alloy and a ferromagnetic thin film layer exchange-coupled to the antiferromagnetic thin film layer are sequentially formed on a substrate with or without an underlayer. In the manufacturing method, when the antiferromagnetic thin film layer is formed, the substrate is heated to a predetermined substrate temperature that is predetermined in order to form an ordered phase of the Mn—Ir alloy, and the antiferromagnetic thin film layer is heated. Annealing treatment is performed after the formation of the ferromagnetic thin film layer (claim 5).

また、前記基板上に下地層を介して反強磁性薄膜層を形成する際の所定の基板温度は、下地層材料がRuの場合、少なくとも100℃以上とし、下地層材料がCuの場合、100〜180℃とすることを特徴とする(請求項6)。   The predetermined substrate temperature when forming the antiferromagnetic thin film layer on the substrate via the underlayer is at least 100 ° C. or more when the underlayer material is Ru, and 100 when the underlayer material is Cu. It is set to -180 degreeC (Claim 6).

さらに、前記アニール処理の際の反強磁性層薄膜の加熱処理温度は、280〜360℃とすることを特徴とする(請求項7)。   Furthermore, the heat treatment temperature of the antiferromagnetic layer thin film during the annealing treatment is 280 to 360 ° C. (Claim 7).

前記請求項5ないし7の作用効果の詳細については、後述する。   Details of the effects of the fifth to seventh aspects will be described later.

また、先に記載のいずれかの交換結合素子を具備するデバイスの発明としては、下記請求項8ないし11の発明が好ましい。即ち、前記請求項1ないし4のいずれか1項に記載の交換結合素子を具備してなることを特徴とするスピンバルブ型磁気抵抗素子(請求項8)。さらに、請求項1ないし4のいずれか1項に記載の交換結合素子を具備してなることを特徴とするトンネル型磁気抵抗素子(請求項9)。さらにまた、前記請求項1ないし4のいずれか1項に記載の交換結合素子を具備してなることを特徴とする磁気ヘッド(請求項10)。また、前記請求項9に記載のトンネル型磁気抵抗素子を具備してなることを特徴とする磁気式メモリ(請求項11)。   In addition, as the invention of a device comprising any of the exchange coupling elements described above, the inventions of the following claims 8 to 11 are preferable. That is, a spin valve magnetoresistive element comprising the exchange coupling element according to any one of claims 1 to 4 (claim 8). Furthermore, the tunnel type magnetoresistive element (Claim 9) characterized by comprising the exchange coupling element of any one of Claims 1 thru | or 4. Furthermore, a magnetic head comprising the exchange coupling element according to any one of claims 1 to 4 (claim 10). A magnetic memory comprising the tunnel magnetoresistive element according to claim 9 (claim 11).

この発明によれば、積層膜特に反強磁性膜の薄型化,一方向異方性定数Jkの向上およびブロッキング温度TBの向上を図った交換結合素子とその好適な製造方法並びに良好な特性を有する交換結合素子を具備したデバイスが提供できる。 According to the present invention, thin, unidirectional anisotropy constant J k improved and blocking temperature T the preferred manufacturing method as well as good properties as exchange coupling elements with improved B of the multilayer film particularly antiferromagnetic film A device having an exchange coupling element having the following can be provided.

次に、この発明の実施形態に関して、図に基いて説明する。なお、以後の説明において、圧力をTorrの単位で表記するが、これをSI単位であるPa(パスカル)に変換する場合には、1Torr=133Paにより換算すればよい。また、膜厚をÅの単位で表記する場合があるが、これをSI単位であるnm(ナノメートル)に変換する場合には、1Å=0.1nmにより換算すればよい。更に磁界をOe(エルステッド)の単位で表記する場合があるが、これをSI単位であるA/m(アンペア毎メートル)に変換する場合には、1Oe=79.58A/mにより換算すればよい。
(第1の実施形態:交換結合素子)
HYPERLINK "http://www.patent.ne.jp/patent/cache/" \l "fig1" 図1は、本発明に係る典型的な交換結合素子の実施形態の断面模式図である。図1において、交換結合素子1は、基板2上に積層された反強磁性層4と、反強磁性層4上に形成された強磁性層5と、保護層6とから構成されている。上記基板2は、例えば少なくとも表面に0.5〜10nm程度のTaからなる層を備えているものが好ましい。なお、基板2は、Taからなる層に代えてTa-Ni-Fe系合金からなる層を表面に形成してなるものであってもよい。
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description, the pressure is expressed in units of Torr. However, when this is converted into Pa (Pascal) which is an SI unit, it may be converted by 1 Torr = 133 Pa. In some cases, the film thickness is expressed in units of Å, but when this is converted into nm (nanometer), which is an SI unit, conversion may be made by 1 Å = 0.1 nm. Further, the magnetic field may be expressed in units of Oe (Oersted), but when this is converted to A / m (ampere per meter), which is an SI unit, it may be converted by 1 Oe = 79.58 A / m. .
(First embodiment: exchange coupling element)
HYPERLINK "http://www.patent.ne.jp/patent/cache/" \ l "fig1" FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an embodiment of a typical exchange coupling element according to the present invention. In FIG. 1, the exchange coupling element 1 includes an antiferromagnetic layer 4 laminated on a substrate 2, a ferromagnetic layer 5 formed on the antiferromagnetic layer 4, and a protective layer 6. The substrate 2 preferably has, for example, at least a surface provided with a layer made of Ta of about 0.5 to 10 nm. The substrate 2 may be formed by forming a layer made of a Ta—Ni—Fe alloy on the surface in place of the layer made of Ta.

また反強磁性層4は例えば膜厚が4nm以上19nm以下のMn-Ir合金からなる層であり、強磁性層5と交換結合して強磁性層5の磁化を一方向に固定する。Mn-Ir合金は、Irの組成比が20原子%以上30原子%以下のもの、特に、Mn75Ir25に分類される組成のMn-Ir膜を用いることが好ましい。 The antiferromagnetic layer 4 is a layer made of an Mn—Ir alloy having a film thickness of 4 nm to 19 nm, for example, and exchange-couples with the ferromagnetic layer 5 to fix the magnetization of the ferromagnetic layer 5 in one direction. As the Mn—Ir alloy, it is preferable to use an Mn—Ir film having an Ir composition ratio of 20 atomic% to 30 atomic%, particularly a composition classified as Mn 75 Ir 25 .

強磁性層5は、例えば膜厚が1〜5nmのNi-Fe合金またはCo-Fe合金、あるいはCo、またはそれらの積層膜からなる層であり、特にFeの組成比が5原子%以上50原子%以下のCo-Fe合金が好ましい。また、Ni-Fe合金、Co-Fe合金のいずれも、他の添加元素が添加されていても良い。更に強磁性層5は、適当厚のRu膜を介して2つの強磁性膜を積層させて積層フェリ構造としてもよい。この積層フェリ構造によれば、2つの強磁性膜間に働く反強磁性的結合により強磁性層の磁化方向が固定されるため、ブロッキング温度TBまで加熱されても大きな磁気異方性を維持することが可能となる。保護層6は例えば膜厚が0.5〜5nmのTaからなる層であり、強磁性層5の表面の酸化を防止する。 The ferromagnetic layer 5 is a layer made of, for example, a Ni—Fe alloy or Co—Fe alloy having a film thickness of 1 to 5 nm, or Co, or a laminated film thereof. In particular, the composition ratio of Fe is 5 atom% or more and 50 atoms. % Or less Co-Fe alloy is preferred. In addition, other additive elements may be added to both the Ni—Fe alloy and the Co—Fe alloy. Further, the ferromagnetic layer 5 may have a laminated ferrimagnetic structure by laminating two ferromagnetic films via a Ru film having an appropriate thickness. According to the laminated ferrimagnetic structure, the magnetization direction of the ferromagnetic layer is fixed by antiferromagnetic coupling acting between the two ferromagnetic films, maintaining a large magnetic anisotropy be heated to a blocking temperature T B It becomes possible to do. The protective layer 6 is a layer made of Ta having a film thickness of 0.5 to 5 nm, for example, and prevents oxidation of the surface of the ferromagnetic layer 5.

また、基板2と反強磁性層4との間に下地層を設けても良い。下地層は、下地膜単体か、2以上の下地膜の積層構造のいずれかであってもよい。下地膜単体の場合、Cu膜、Ni-Fe合金膜またはCo-Fe合金膜のいずれかであることが好ましい。この場合の下地層の厚さは1nm以上5nm以下の範囲が好ましい。また積層構造の下地層の場合は、2つの下地膜のうちいずれか1つがCu膜とするとともに他の1つがNi-Fe合金膜またはCo-Fe合金膜とする、特にNi-Fe-Cr合金膜とすることが好ましい。この場合、下地層の全層厚は1nm以上5nm以下の範囲が好ましく、また各下地膜の各膜厚はそれぞれ0.5nm以上1.5nm以下が好ましい。   Further, an underlayer may be provided between the substrate 2 and the antiferromagnetic layer 4. The base layer may be either a single base film or a laminated structure of two or more base films. In the case of a single base film, it is preferably a Cu film, a Ni—Fe alloy film, or a Co—Fe alloy film. In this case, the thickness of the underlayer is preferably in the range of 1 nm to 5 nm. In the case of a layered base layer, one of the two base films is a Cu film and the other is a Ni-Fe alloy film or a Co-Fe alloy film, particularly a Ni-Fe-Cr alloy. A film is preferred. In this case, the total thickness of the base layer is preferably in the range of 1 nm to 5 nm, and the thickness of each base film is preferably 0.5 nm to 1.5 nm.

下地層の全層厚が1nm以上であれば、下地層の(111)配向した結晶性を維持することが可能になり、また層厚が5nm以下であれば、交換結合素子1を磁気抵抗効果素子等に用いた場合に、検出電流の分流が抑制されてシャントロスを低減することが可能になる。更に、下地層が積層構造の場合、各下地膜の各膜厚が0.5nm以上であれば、各下地膜の結晶性を維持することが可能になり、また各膜厚が1.5nm以下であれば上記と同様に検出電流のシャントロスを低減することが可能になる。   If the total thickness of the underlayer is 1 nm or more, it becomes possible to maintain the (111) -oriented crystallinity of the underlayer, and if the layer thickness is 5 nm or less, the exchange coupling element 1 is made to have magnetoresistance effect. When used in an element or the like, the shunt current can be reduced by suppressing the shunting of the detection current. Furthermore, when the underlayer has a laminated structure, the crystallinity of each underlayer can be maintained if the thickness of each underlayer is 0.5 nm or more, and each thickness is 1.5 nm or less. Then, it becomes possible to reduce the detected current santros in the same manner as described above.

下地層を構成するCu、Ni-Fe合金、Co-Fe合金はいずれもfcc結晶構造(面心立方構造)を有する材料であり、これらの材料はスパッタリング等によって(111)面を優先配向しつつ成膜されるため、膜表面での(111)面の露出確率が高くなる。従って、この下地層上に反強磁性層4及び強磁性層5をエピタキシャル成長させつつ成膜すると、反強磁性層4及び強磁性層5が(111)面配向された状態で形成され、この結果、反強磁性層4と強磁性層5との界面で誘導される一方向異方性定数Jkを高くし、交換結合磁界Hexを向上できる。   Cu, Ni—Fe alloy, and Co—Fe alloy constituting the underlayer are all materials having an fcc crystal structure (face-centered cubic structure), and these materials preferentially orient the (111) plane by sputtering or the like. Since the film is formed, the exposure probability of the (111) plane on the film surface is increased. Therefore, when the antiferromagnetic layer 4 and the ferromagnetic layer 5 are epitaxially grown on the underlayer, the antiferromagnetic layer 4 and the ferromagnetic layer 5 are formed in a (111) plane orientation. As a result, The unidirectional anisotropy constant Jk induced at the interface between the antiferromagnetic layer 4 and the ferromagnetic layer 5 can be increased, and the exchange coupling magnetic field Hex can be improved.

上記のように、交換結合素子は種々の構成があり、目的に応じた構成が採用される。従って、本発明に係る交換結合素子の構成は、上記の構成に限定されるものではない。   As described above, the exchange coupling element has various configurations, and a configuration according to the purpose is adopted. Therefore, the configuration of the exchange coupling element according to the present invention is not limited to the above configuration.

(第2の実施形態:交換結合素子の製造方法)
図2は、本発明の交換結合素子の製造に用いて好適な成膜装置の平面模式図を示す。この成膜装置21は、メタル膜形成室22と、スパッタ膜形成室23と、熱処理室24と、搬送室25と、ガス流量制御ユニット26と、真空計27とを主体として構成されている。メタル膜形成室22はゲートバルブ22aを介して搬送室25に連結され、またスパッタ膜形成室23はゲートバルブ23aを介して搬送室25に連結され、更に熱処理室24はゲートバルブ24aを介して搬送室25に連結されている。
Second Embodiment: Method for Manufacturing Exchange Coupling Element
FIG. 2 is a schematic plan view of a film forming apparatus suitable for use in manufacturing the exchange coupling element of the present invention. The film forming apparatus 21 is mainly composed of a metal film forming chamber 22, a sputtered film forming chamber 23, a heat treatment chamber 24, a transfer chamber 25, a gas flow rate control unit 26, and a vacuum gauge 27. The metal film formation chamber 22 is connected to the transfer chamber 25 via a gate valve 22a, the sputter film formation chamber 23 is connected to the transfer chamber 25 via a gate valve 23a, and the heat treatment chamber 24 is further connected via a gate valve 24a. It is connected to the transfer chamber 25.

また、搬送室25は3組の搬送ローダ28,29,30が取り付けられており、これらの搬送ローダ28,29,30は搬送室25内に収納された成膜対象物を、メタル膜形成室22、スパッタ膜形成室23及び熱処理室24にそれぞれ搬送できるように構成されている。また、メタル膜形成室22、スパッタ膜形成室23及び熱処理室24にはそれぞれ、ガス流量制御ユニット26と真空計27とが接続されており、各室内の圧力及び雰囲気ガスの種類を調整できるようになっている。   The transfer chamber 25 is provided with three sets of transfer loaders 28, 29, and 30. These transfer loaders 28, 29, and 30 transfer a film formation object stored in the transfer chamber 25 to a metal film forming chamber. 22, it can be transferred to the sputtered film formation chamber 23 and the heat treatment chamber 24, respectively. In addition, a gas flow rate control unit 26 and a vacuum gauge 27 are connected to the metal film forming chamber 22, the sputtered film forming chamber 23, and the heat treatment chamber 24, respectively, so that the pressure in each chamber and the type of atmospheric gas can be adjusted. It has become.

メタル膜形成室22には、成膜用のターゲット22b…が複数個備えられており、また搬送室25から搬送された成膜対象物を移動させる試料ステージ22cが備えられている。ターゲット22b…はメタル成膜室内22の天井内側に取り付けられ、また試料ステージ22cはメタル成膜室内22の床面に移動自在に取り付けられている。各ターゲットは、例えば高純度のTa、Cu、Ni-Fe-Cr合金、Co-Fe合金、及びMn−Ir合金により形成されている。   The metal film forming chamber 22 is provided with a plurality of film forming targets 22b... And a sample stage 22c for moving the film forming object transferred from the transfer chamber 25. The targets 22b are attached to the inside of the ceiling of the metal film forming chamber 22, and the sample stage 22c is movably attached to the floor surface of the metal film forming chamber 22. Each target is made of, for example, high-purity Ta, Cu, Ni—Fe—Cr alloy, Co—Fe alloy, and Mn—Ir alloy.

次に交換結合素子1の製造方法を説明する。まず、Siからなる基板2を搬送室内に設置し、この基板2を搬送ローダ30によって熱処理室24に搬送する。熱処理室24では、酸素雰囲気中で加熱処理することにより、基板2の表面に下地層3の一部である例えばSiO2膜を形成する。次に搬送ローダ30により基板2を搬送室25に戻す。 Next, a method for manufacturing the exchange coupling element 1 will be described. First, the substrate 2 made of Si is placed in the transfer chamber, and the substrate 2 is transferred to the heat treatment chamber 24 by the transfer loader 30. In the heat treatment chamber 24, for example, a SiO 2 film which is a part of the base layer 3 is formed on the surface of the substrate 2 by performing heat treatment in an oxygen atmosphere. Next, the substrate 2 is returned to the transfer chamber 25 by the transfer loader 30.

メタル膜形成室22内は、図示しない排気ポンプにより、予め10-9Torr以下、好ましく10-10Torr以下の初期圧力まで減圧された状態になっている。そして、搬送室25内をメタル形成室22内とほぼ同程度あるいは若干の低真空度とした上でゲートバルブ22aを解放し、搬送ローダ28によって基体2をメタル膜形成室22の試料ステージ22cに搬送する。次に高純度アルゴンガスを導入してメタル膜形成室22内の圧力を0.6〜3mTorrとし、基体2の温度を室温に保った状態で、試料ステージ22cを駆動して基体2をTaターゲット22b下に移動させる。そして、DCマグネトロンスパッタ法を用い、一方向に磁界を印加しつつ、先に形成されたSiO2膜上に、下地層3の一部である例えばNi-Fe-Cr膜を成膜する。次にNi-Fe-Cr膜の形成と同様な方法で、Cu膜を順次形成して下地層3を形成する。 The inside of the metal film forming chamber 22 is previously depressurized to an initial pressure of 10 −9 Torr or less, preferably 10 −10 Torr or less by an exhaust pump (not shown). The gate valve 22a is released after the inside of the transfer chamber 25 is almost the same as or slightly lower than the inside of the metal forming chamber 22, and the substrate 2 is moved to the sample stage 22c of the metal film forming chamber 22 by the transfer loader 28. Transport. Next, high purity argon gas is introduced, the pressure in the metal film forming chamber 22 is set to 0.6 to 3 mTorr, and the temperature of the base 2 is kept at room temperature, and the sample stage 22c is driven to set the base 2 to the Ta target. Move down 22b. Then, using a DC magnetron sputtering method, for example, a Ni—Fe—Cr film as a part of the underlayer 3 is formed on the previously formed SiO 2 film while applying a magnetic field in one direction. Next, a Cu film is sequentially formed by the same method as the formation of the Ni—Fe—Cr film to form the underlayer 3.

次に下地層3上に反強磁性層4を形成する。反強磁性層4の膜厚は4nm以上19nm以下の範囲が好ましく、この膜厚は成膜速度を一定とし、成膜時間を制御することで調整する。また反強磁性層4の組成は、ターゲットの合金組成を調整することにより、MnyIr100-y(組成比yは原子%で70≦y≦80の範囲)なる組成にできる。反強磁性層4の成膜の際に、前述のように、Mn-Ir合金の規則相を形成するために予め定めた所定の基板温度となるように、好ましくは、基板温度が100〜180℃となるように加熱する。 Next, the antiferromagnetic layer 4 is formed on the underlayer 3. The film thickness of the antiferromagnetic layer 4 is preferably in the range of 4 nm or more and 19 nm or less, and this film thickness is adjusted by controlling the film formation time while keeping the film formation speed constant. The composition of the antiferromagnetic layer 4 can be adjusted to a composition of Mn y Ir 100 -y (composition ratio y is in the range of 70 ≦ y ≦ 80 in atomic%) by adjusting the alloy composition of the target. When the antiferromagnetic layer 4 is formed, as described above, the substrate temperature is preferably 100 to 180 so that the predetermined substrate temperature is predetermined in order to form the ordered phase of the Mn—Ir alloy. Heat to ℃.

次に、下地層3及び反強磁性層4の形成と同様な方法で、強磁性層5を形成する。係る強磁性層5は、CoxFe100-xなる組成(組成比を示すxが原子%で42≦x≦83の範囲とすることが好ましい。また強磁性層5の膜厚は反強磁性層4の場合と同様に、成膜速度を一定とし、成膜時間を制御することで調整する。 Next, the ferromagnetic layer 5 is formed by the same method as the formation of the underlayer 3 and the antiferromagnetic layer 4. The ferromagnetic layer 5 has a composition of Co x Fe 100-x ( x indicating the composition ratio is preferably in the range of 42 ≦ x ≦ 83 in atomic%. The film thickness of the ferromagnetic layer 5 is antiferromagnetic. As in the case of the layer 4, the film formation rate is fixed and the film formation time is controlled.

そして更に、強磁性層5上に、Cuからなる反応防止層及びTaからなる保護層を順次積層する。   Further, a reaction preventing layer made of Cu and a protective layer made of Ta are sequentially laminated on the ferromagnetic layer 5.

次に、各層3、4…を積層した基板2を、搬送ローダ28及び30を用いて、搬送室25経由で熱処理室24に搬送し、熱処理室24内の初期圧力を10-9Torr以下、好ましく10-10Torr以下まで減圧した状態で熱処理(アニール)を行う。熱処理温度は、前述のように好ましくは、280〜360℃、熱処理時間は約1時間として、メタル膜形成室22において成膜時に印加した磁界方向と同方向に1kOeの磁界を印加しつつ、基体2を熱処理室24内に内蔵されたヒータまたは後述する赤外線(IR)等で加熱する。この熱処理により、反強磁性層4と強磁性層5との界面で交換結合磁界が発現し、強磁性層5の磁化方向が一方向に固定される。このようにして、前記実施形態1に記載の交換結合素子1が得られる。 Next, the substrate 2 on which the layers 3, 4... Are stacked is transferred to the heat treatment chamber 24 via the transfer chamber 25 using the transfer loaders 28 and 30, and the initial pressure in the heat treatment chamber 24 is 10 −9 Torr or less. Heat treatment (annealing) is preferably performed in a state where the pressure is reduced to 10 −10 Torr or less. As described above, the heat treatment temperature is preferably 280 to 360 ° C., and the heat treatment time is about 1 hour. 2 is heated by a heater built in the heat treatment chamber 24 or infrared rays (IR) described later. By this heat treatment, an exchange coupling magnetic field appears at the interface between the antiferromagnetic layer 4 and the ferromagnetic layer 5, and the magnetization direction of the ferromagnetic layer 5 is fixed in one direction. In this way, the exchange coupling element 1 described in the first embodiment is obtained.

なお、上記熱処理はTaからなる保護層を成膜後、メタル膜形成室22より搬送室25に搬送したのち、本成膜装置21より各層3、4…を積層した基体2を取り出し、別途装置により真空雰囲気下で磁界中熱処理を施しても良い。その際の真空度、磁界強度、熱処理条件については上記熱処理室24内での条件と共通するので省略する。   In the heat treatment, after a protective layer made of Ta is formed, the film is transferred from the metal film forming chamber 22 to the transfer chamber 25, and then the substrate 2 on which the layers 3, 4,. Thus, heat treatment in a magnetic field may be performed in a vacuum atmosphere. The degree of vacuum, magnetic field strength, and heat treatment conditions at that time are the same as the conditions in the heat treatment chamber 24, and are therefore omitted.

また、上記の交換結合素子1の製造方法において、反強磁性層4の成膜直後であって強磁性層5の形成前に別途熱処理を行っても良い。反強磁性層4の形成後であって強磁性層5の形成前に、真空雰囲気を保持したまま熱処理室24へ搬送し、その後メタル形成室22に再度搬送し、続いて強磁性層5、反応防止層および保護層を成膜する。本熱処理を行うことで、交換結合素子1のJkをより高めることができる。尚、この場合の熱処理は、ヒータ加熱による熱処理のみならず、赤外光照射による熱処理でもよい。 In the method for manufacturing the exchange coupling element 1, a separate heat treatment may be performed immediately after the formation of the antiferromagnetic layer 4 and before the formation of the ferromagnetic layer 5. After the formation of the antiferromagnetic layer 4 and before the formation of the ferromagnetic layer 5, it is transferred to the heat treatment chamber 24 while maintaining the vacuum atmosphere, and then transferred again to the metal formation chamber 22. A reaction preventing layer and a protective layer are formed. By performing this heat treatment, the J k of the exchange coupling element 1 can be further increased. The heat treatment in this case is not limited to heat treatment by heater heating, but may be heat treatment by infrared light irradiation.

上記赤外光照射による熱処理は、図3に示すような赤外線熱処理装置40で行う。この赤外線熱処理装置40は、赤外光を透過する透過窓41を備えたチャンバ42と、チャンバ52内を10-9Torr以下、好ましくは10-10Torr以下の真空雰囲気とする図示しない排気機構と、赤外光をチャンバ42の外側から透過窓41に透過させてチャンバ42内に照射する赤外光源43を主体として構成されている。 The heat treatment by the infrared light irradiation is performed by an infrared heat treatment apparatus 40 as shown in FIG. The infrared heat treatment apparatus 40 includes a chamber 42 having a transmission window 41 that transmits infrared light, an exhaust mechanism (not shown) that makes the inside of the chamber 52 a vacuum atmosphere of 10 −9 Torr or less, preferably 10 −10 Torr or less. The infrared light source 43 is mainly configured to transmit infrared light from the outside of the chamber 42 to the transmission window 41 and irradiate the chamber 42 with the infrared light.

チャンバ42は、図示しない排気機構に接続されていて、内部を10-9Torr以下、好ましくは10-10Torr以下の真空雰囲気にできるようになっている。また、チャンバ42内には試料ステージ44が備えられていて、試料ホルダー45を介して基体2を固定できるようになっている。また、試料ステージ44には熱電対等の温度センサ46が取り付けられている。また、試料ステージ44は、図3における上下方向に駆動できるように構成されていて、赤外光源43と基体2との照射距離を調整できるように構成されている。 The chamber 42 is connected to an exhaust mechanism (not shown) so that the inside of the chamber 42 can be in a vacuum atmosphere of 10 −9 Torr or less, preferably 10 −10 Torr or less. A sample stage 44 is provided in the chamber 42 so that the substrate 2 can be fixed via a sample holder 45. A temperature sensor 46 such as a thermocouple is attached to the sample stage 44. Further, the sample stage 44 is configured to be driven in the vertical direction in FIG. 3 and is configured to be able to adjust the irradiation distance between the infrared light source 43 and the substrate 2.

また、チャンバ42の上部には赤外光を透過する透過窓41が備えられている。透過窓41は、赤外光に対して高い透過率を有するとともに、チャンバ42内を高真空に保つためにガスバリア性に優れた材料からなるものが好ましく、例えばα-Al23等が好ましい。 A transmission window 41 that transmits infrared light is provided in the upper portion of the chamber 42. The transmission window 41 is preferably made of a material having a high transmittance with respect to infrared light and having an excellent gas barrier property in order to keep the inside of the chamber 42 at a high vacuum, such as α-Al 2 O 3. .

赤外光源43は、電源47に接続されたフィラメント48と、開口部60を有する反射板49とから構成されている。電源47からフィラメント48に通電することにより発した赤外光は、反射板49の集光効果により赤外光源43内に位置する焦点に一旦集光され、開口部60からチャンバ42の透過窓41に向けて放射状に照射される。更に赤外光は透過窓41を透過してチャンバ42内の試料ステージ近傍まで届くように構成されている。   The infrared light source 43 includes a filament 48 connected to a power supply 47 and a reflector 49 having an opening 60. Infrared light emitted by energizing the filament 48 from the power supply 47 is once condensed at a focal point located in the infrared light source 43 by the condensing effect of the reflection plate 49, and is transmitted from the opening 60 to the transmission window 41 of the chamber 42. Radiated radially toward Further, the infrared light is configured to pass through the transmission window 41 and reach the vicinity of the sample stage in the chamber 42.

なお、開口部60には図示しない絞りが取り付けられていて、赤外光の照射範囲を調整できるように構成されている。また、赤外光源43も試料ステージ44と同様に、図3における上下方向に駆動できるように構成されていて、基体2との照射距離を調整できるように構成されている。   Note that a diaphragm (not shown) is attached to the opening 60 so that the irradiation range of infrared light can be adjusted. Similarly to the sample stage 44, the infrared light source 43 is configured so that it can be driven in the vertical direction in FIG. 3 so that the irradiation distance from the substrate 2 can be adjusted.

赤外光照射時の反強磁性層4の熱処理温度は、例えば赤外光源への通電量により調節される。また赤外光照射時の初期圧力は、10-9Torr以下、好ましくは10-10Torr以下とするのが好ましい。初期圧力が10-9Torrより低下すると、雰囲気中に残留した酸素、水等が反強磁性層4の表面に吸着し、場合によっては反強磁性層4の表面が酸化されたり変質されてしまい、Jkを低下させてしまうので好ましくない。このように、上記の高真空中で反強磁性層4を熱処理することにより、反強磁性層4の表面の酸化や表面への気体原子の吸着を防止することができ、表面の原子配列等を変化させて反強磁性層4の表面状態を改善することができ、この表面に強磁性層5を積層すれば、反強磁性層4と強磁性層5との間で交換結合磁界を発現させ、高いJkを発現させることができる。 The heat treatment temperature of the antiferromagnetic layer 4 at the time of infrared light irradiation is adjusted by, for example, the amount of current supplied to the infrared light source. The initial pressure at the time of infrared light irradiation is 10 −9 Torr or less, preferably 10 −10 Torr or less. When the initial pressure falls below 10 −9 Torr, oxygen, water, etc. remaining in the atmosphere are adsorbed on the surface of the antiferromagnetic layer 4, and in some cases, the surface of the antiferromagnetic layer 4 is oxidized or altered. , Jk is lowered, which is not preferable. Thus, by heat-treating the antiferromagnetic layer 4 in the high vacuum described above, the oxidation of the surface of the antiferromagnetic layer 4 and the adsorption of gas atoms to the surface can be prevented. The surface state of the antiferromagnetic layer 4 can be improved by changing the magnetic field, and if a ferromagnetic layer 5 is laminated on this surface, an exchange coupling magnetic field is developed between the antiferromagnetic layer 4 and the ferromagnetic layer 5. And high J k can be expressed.

(第3の実施形態:スピンバルブ型磁気抵抗素子)
図4に、交換結合素子を具備したスピンバルブ型磁気抵抗素子の断面模式図を示す。図4において、スピンバルブ型磁気抵抗素子10は、基板12上に積層された本発明に係る交換結合素子11と、交換結合素子11上に形成された非磁性高導電体層16と、非磁性高導電体層16上に形成された別の強磁性層17と、保護層18とから構成されている。
(Third Embodiment: Spin Valve Magnetoresistive Element)
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of a spin valve magnetoresistive element equipped with an exchange coupling element. In FIG. 4, a spin valve magnetoresistive element 10 includes an exchange coupling element 11 according to the present invention laminated on a substrate 12, a nonmagnetic high conductor layer 16 formed on the exchange coupling element 11, and a nonmagnetic layer. It is composed of another ferromagnetic layer 17 formed on the high conductor layer 16 and a protective layer 18.

交換結合素子11は、前記第1の実施形態にて説明した交換結合素子1と同様のものであり、基板12上に積層された下地層13と、下地層13上に形成された反強磁性層14と、反強磁性層14上に形成された強磁性層15とから構成されている。また下地層13は、基体12に隣接する第1下地膜13aと、反強磁性層14に隣接する第2下地膜13bとからなる積層膜である。上記の交換結合素子11、基体12、下地層13(第1下地膜13a、第2下地膜13b)、反強磁性層14及び強磁性層15は、第1の実施形態にて説明した交換結合素子1、基体2、下地層3(第1下地膜3a、第2下地膜3b)、反強磁性層4及び強磁性層5の構成、材質、膜厚等と同様であるので、その説明を省略する。   The exchange coupling element 11 is the same as the exchange coupling element 1 described in the first embodiment, and an underlayer 13 stacked on a substrate 12 and an antiferromagnetic material formed on the underlayer 13. The layer 14 includes a ferromagnetic layer 15 formed on the antiferromagnetic layer 14. The underlayer 13 is a laminated film composed of a first underlayer 13 a adjacent to the substrate 12 and a second underlayer 13 b adjacent to the antiferromagnetic layer 14. The exchange coupling element 11, the substrate 12, the underlayer 13 (the first underlayer film 13 a and the second underlayer film 13 b), the antiferromagnetic layer 14, and the ferromagnetic layer 15 are exchange coupled as described in the first embodiment. Since the configuration, material, film thickness, etc. of the element 1, the substrate 2, the base layer 3 (the first base film 3a and the second base film 3b), the antiferromagnetic layer 4 and the ferromagnetic layer 5 are the same, the description thereof will be given. Omitted.

(第4の実施形態:トンネル型磁気抵抗素子)
図5はトンネル型磁気抵抗素子の模式断面図を示す。トンネル型磁気抵抗素子50は、基板2上に、下地層3と、反強磁性層4と、強磁性層5と、絶縁層56と、別の強磁性層57と、保護層58とが順次積層されて構成されている。このトンネル型磁気抵抗素子50においては、反強磁性層4及び強磁性層5の積層体が交換結合素子51を構成する。尚、上記の基板2、下地層3、反強磁性層4及び強磁性層5の詳細な構成は、第1の実施形態にて説明した基板2、反強磁性層4及び強磁性層5の構成、材質、膜厚等と同様であり、その説明を省略する。
(Fourth Embodiment: Tunnel Type Magnetoresistive Element)
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of a tunnel type magnetoresistive element. The tunnel type magnetoresistive element 50 includes an underlayer 3, an antiferromagnetic layer 4, a ferromagnetic layer 5, an insulating layer 56, another ferromagnetic layer 57, and a protective layer 58 on the substrate 2 in order. It is configured by stacking. In the tunnel type magnetoresistive element 50, the stacked body of the antiferromagnetic layer 4 and the ferromagnetic layer 5 constitutes an exchange coupling element 51. The detailed configurations of the substrate 2, the underlayer 3, the antiferromagnetic layer 4, and the ferromagnetic layer 5 are the same as those of the substrate 2, the antiferromagnetic layer 4 and the ferromagnetic layer 5 described in the first embodiment. The configuration, material, film thickness, and the like are the same, and the description thereof is omitted.

絶縁層56は、例えば膜厚が0.5〜3.0nmのAl2O3等の非磁性絶縁体からなる層であり、強磁性層5と別の強磁性層47の間に位置してこれらの層5、47の磁化方向に依存したトンネル電流を流す。また強磁性層57は例えば膜厚が1〜5nmのNi-Fe合金またはCo-Fe合金またはCoまたはそれらの積層膜からなる層であり、絶縁層56に隣接している。トンネル型磁気抵抗素子50においては、強磁性層57が磁化自由層を構成する。強磁性層57は下部強磁性層57a及び上部強磁性層57bからなる2層構造で構成されている。 The insulating layer 56 is a layer made of a nonmagnetic insulator such as Al 2 O 3 having a film thickness of 0.5 to 3.0 nm, for example, and is located between the ferromagnetic layer 5 and another ferromagnetic layer 47. A tunnel current depending on the magnetization direction of these layers 5 and 47 is passed. The ferromagnetic layer 57 is a layer made of, for example, a Ni—Fe alloy, a Co—Fe alloy, Co, or a laminated film thereof having a thickness of 1 to 5 nm, and is adjacent to the insulating layer 56. In the tunneling magnetoresistive element 50, the ferromagnetic layer 57 constitutes a magnetization free layer. The ferromagnetic layer 57 has a two-layer structure including a lower ferromagnetic layer 57a and an upper ferromagnetic layer 57b.

下部強磁性層57aは例えば、Co75Fe25の組成からなるもので、この下部強磁性層57aを絶縁層56に隣接して配すればTMR効果を増大させる効果がある。更に上部強磁性層57bは例えばNi-Fe合金膜が挙げられる。この上部強磁性層57bを積層することにより、強磁性層57の磁化反転が容易となり、低磁界での動作が可能となる。下部強磁性層57bは例えば2〜5nm、上部強磁性層57aは例えば10〜50nmの膜厚にできる。また保護膜58は、例えば膜厚が2nmのTaからなる膜である。また、強磁性層57上層であって、保護層58の下層に、Cu層を配置してよい。これにより絶縁層より上の上部電極層のシート抵抗を低減でき、TMR素子の安定動作に効果的である。なお、該Cu層は電気抵抗を下げることが目的であり、Cu以外にAl、あるいはその合金、その他の低抵抗材料を用いても良い。 The lower ferromagnetic layer 57a is made of, for example, a composition of Co 75 Fe 25. If the lower ferromagnetic layer 57a is disposed adjacent to the insulating layer 56, the TMR effect is increased. Further, the upper ferromagnetic layer 57b is, for example, a Ni—Fe alloy film. By laminating the upper ferromagnetic layer 57b, the magnetization reversal of the ferromagnetic layer 57 is facilitated, and operation in a low magnetic field is possible. The lower ferromagnetic layer 57b can have a thickness of 2 to 5 nm, for example, and the upper ferromagnetic layer 57a can have a thickness of 10 to 50 nm, for example. The protective film 58 is a film made of Ta having a thickness of 2 nm, for example. Further, a Cu layer may be disposed above the ferromagnetic layer 57 and below the protective layer 58. As a result, the sheet resistance of the upper electrode layer above the insulating layer can be reduced, which is effective for stable operation of the TMR element. The purpose of the Cu layer is to lower the electrical resistance, and Al, alloys thereof, and other low resistance materials may be used in addition to Cu.

このトンネル型磁気抵抗素子50の磁化自由層たる強磁性層57に外部磁界が印加されると、その磁化方向が外部磁界の影響により変動し、強磁性層5との間で磁化方向の変動が生じ、これにより絶縁層57を介して強磁性層5及び磁化自由層57間を流れるトンネル電流量が変動し、これによりトンネル型磁気抵抗素子50の抵抗変化が生じる。なお、強磁性層5の磁化方向は反強磁性層4との交換結合により強固に固定されているので、外部磁界が印加されてもその磁化方向が変動することがない。   When an external magnetic field is applied to the ferromagnetic layer 57 which is a magnetization free layer of the tunnel type magnetoresistive element 50, the magnetization direction fluctuates due to the influence of the external magnetic field, and the magnetization direction fluctuates with the ferromagnetic layer 5. As a result, the amount of tunneling current flowing between the ferromagnetic layer 5 and the magnetization free layer 57 via the insulating layer 57 varies, thereby causing a resistance change of the tunneling magnetoresistive element 50. Since the magnetization direction of the ferromagnetic layer 5 is firmly fixed by exchange coupling with the antiferromagnetic layer 4, the magnetization direction does not change even when an external magnetic field is applied.

上記のトンネル型磁気抵抗素子50によれば、Jkが高い本発明に係る交換結合素子51を備えているので、外部磁界によって強磁性層5の磁化方向が変動することがなく、高い磁気抵抗変化率(MR比)を発現することができる。 According to the tunneling magnetoresistive element 50 described above, since the exchange coupling element 51 according to the present invention having a high J k is provided, the magnetization direction of the ferromagnetic layer 5 is not changed by an external magnetic field, and the high magnetoresistance The rate of change (MR ratio) can be expressed.

また、上記のトンネル型磁気抵抗素子50によれば、反強磁性層4の層厚を19nm以下にできるので、トンネル型磁気抵抗素子50の全厚を低減することができ、トンネル型磁気抵抗素子50の集積度を向上することができる。   Further, according to the tunnel type magnetoresistive element 50 described above, the thickness of the antiferromagnetic layer 4 can be reduced to 19 nm or less. Therefore, the total thickness of the tunnel type magnetoresistive element 50 can be reduced, and the tunnel type magnetoresistive element 50 can be reduced. The integration degree of 50 can be improved.

また、上記のトンネル型磁気抵抗素子50の強磁性層5を、強磁性層と非磁性層の積層体からなる積層フェリ磁性層としても良い。係る積層フェリ磁性層からなる強磁性層5を備えたトンネル型磁気抵抗素子であれば、磁化固定層としての強磁性層5の磁化方向をより強固に固定することができ、外部磁界の影響を排除してMR比をより高くすることができる。   Further, the ferromagnetic layer 5 of the tunnel type magnetoresistive element 50 may be a laminated ferrimagnetic layer made of a laminated body of a ferromagnetic layer and a nonmagnetic layer. With the tunnel magnetoresistive element including the ferromagnetic layer 5 made of such a laminated ferrimagnetic layer, the magnetization direction of the ferromagnetic layer 5 as the magnetization fixed layer can be more firmly fixed, and the influence of the external magnetic field can be reduced. This can be eliminated and the MR ratio can be further increased.

なお、上記のトンネル型磁気抵抗素子50を、後述する図6に示すスピンバルブ型磁気抵抗素子800に置き換えてTMR型再生ヘッドを構成しても良い。このTMR再生ヘッドによれば、Jkが高い本発明に係る交換結合素子を備えているので、記録磁界等の外部磁界によって磁化固定層の磁化方向が変動することがなく、高い磁気抵抗変化率(MR比)を発現することができる。 Note that the TMR read head may be configured by replacing the tunnel magnetoresistive element 50 with a spin valve magnetoresistive element 800 shown in FIG. According to this TMR reproducing head, since the exchange coupling element according to the present invention having a high J k is provided, the magnetization direction of the magnetization fixed layer does not fluctuate due to an external magnetic field such as a recording magnetic field, and a high magnetoresistance change rate (MR ratio) can be expressed.

(第5の実施形態:磁気ヘッド)
図6には、本発明の第5の実施形態であるGMR型再生ヘッド及びこの再生ヘッドと誘導型記録ヘッドを組み合わせた記録再生分離型磁気ヘッドを示し、図7には、GMR型再生ヘッドの要部を示す。図6及び図7において、符号800は本発明に係るスピンバルブ型磁気抵抗素子、801は本発明に係る交換結合素子、803は下地層、804は反強磁性層、805は固定磁化層として機能する強磁性層、806は非磁性導電層、807は磁化自由層として機能する強磁性層、808はMR電極、809はハード膜、811はGMR型再生ヘッド、812は記録ヘッドの下部磁極(824)を兼ねるGMR型再生ヘッド811の上部シールド層、813、814は非磁性絶縁膜、815はGMR型再生ヘッド811の下部シールド、821は記録ヘッド、822は記録ヘッド821の上部ポール、823は導電体からなるコイル、824はGMR型再生ヘッド811の上部シールド(812)を兼ねる記録ヘッドの下部磁極である。
(Fifth embodiment: magnetic head)
FIG. 6 shows a GMR reproducing head according to a fifth embodiment of the present invention and a recording / reproducing separated type magnetic head in which this reproducing head is combined with an inductive recording head, and FIG. 7 shows the GMR reproducing head. The main part is shown. 6 and 7, reference numeral 800 denotes a spin valve type magnetoresistive element according to the present invention, 801 denotes an exchange coupling element according to the present invention, 803 denotes an underlayer, 804 denotes an antiferromagnetic layer, and 805 functions as a fixed magnetization layer. , 806 is a nonmagnetic conductive layer, 807 is a ferromagnetic layer functioning as a magnetization free layer, 808 is an MR electrode, 809 is a hard film, 811 is a GMR reproducing head, 812 is a lower magnetic pole (824) ) Also serves as an upper shield layer of the GMR reproducing head 811, 813 and 814 are nonmagnetic insulating films, 815 is a lower shield of the GMR reproducing head 811, 821 is a recording head, 822 is an upper pole of the recording head 821, and 823 is conductive. The body coil 824 is the lower magnetic pole of the recording head that also serves as the upper shield (812) of the GMR reproducing head 811.

なお、スピンバルブ型磁気抵抗素子800の下地層803、反強磁性層804、強磁性層(磁化固定層)805、非磁性導電層806及び強磁性層(磁化自由層)807の詳細な構成は、第3の実施形態で説明したスピンバルブ型磁気抵抗素子10の構成とほぼ同一である。   The detailed configuration of the underlayer 803, the antiferromagnetic layer 804, the ferromagnetic layer (magnetization fixed layer) 805, the nonmagnetic conductive layer 806, and the ferromagnetic layer (magnetization free layer) 807 of the spin valve magnetoresistive element 800 is as follows. The configuration of the spin valve magnetoresistive element 10 described in the third embodiment is almost the same.

本発明に係る交換結合素子801を含むスピンバルブ型磁気抵抗素子800を上部シールド層812と下部シールド層815で挟んだ部分が再生ヘッドとして機能し、薄膜Cuからなるコイル823を上部磁極822と下部磁極824で挟んだ部分が記録ヘッドとして機能する。この記録再生分離型磁気ヘッドは、GMR型再生ヘッド811の上部シールド層812が、記録ヘッド821の下部磁極824を兼ねる構成とした場合であるが、上部シールド層と下部磁極に別材料を用いて別構成としたり、あるいは両者の間に他の構成物を配置しても本発明の作用、効果は失われるものではない。   A portion where the spin valve magnetoresistive element 800 including the exchange coupling element 801 according to the present invention is sandwiched between the upper shield layer 812 and the lower shield layer 815 functions as a reproducing head, and the coil 823 made of thin film Cu is used as the upper magnetic pole 822 and the lower part. A portion sandwiched between the magnetic poles 824 functions as a recording head. In this separated recording / reproducing magnetic head, the upper shield layer 812 of the GMR reproducing head 811 is configured to also serve as the lower magnetic pole 824 of the recording head 821, but different materials are used for the upper shield layer and the lower magnetic pole. Even if it makes another structure, or arrange | positions another structure between both, the effect | action and effect of this invention are not lost.

このGMR型再生ヘッド811によれば、Jkが高い本発明に係る交換結合素子801を備えているので、記録磁界等の外部磁界によって磁化固定層805の磁化方向が変動することがなく、高い磁気抵抗変化率(MR比)を発現することができる。 According to the GMR reproducing head 811, since the exchange coupling element 801 according to the present invention having a high J k is provided, the magnetization direction of the magnetization fixed layer 805 is not changed by an external magnetic field such as a recording magnetic field, and is high. Magnetoresistance change rate (MR ratio) can be expressed.

(第6の実施形態:磁気メモリ)
次に本発明の第6の実施形態である磁気式メモリについて、図8を参照して説明する。
(Sixth embodiment: magnetic memory)
Next, a magnetic memory according to a sixth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

HYPERLINK "http://www.patent.ne.jp/patent/cache/" \l "fig8" 図8は磁気式メモリの要部であるメモリセルの断面図である。このメモリセルは、セル選択用の素子であるMOSFET901と、ワード線902と、ビット線903と、トンネル型磁気抵抗素子904とから構成されている。ワード線902はMOSFET901に接続されている。またビット線903はトンネル型磁気抵抗素子904に接続され、更にトンネル型磁気抵抗素子904は接続配線905を介してMOSFET901に接続されている。データの読み込み時においては、MOSFET901によりメモリセルを選択し、ワード線902からMOSFET901を介してトンネル型磁気抵抗素子904に電流を流す。  HYPERLINK "http://www.patent.ne.jp/patent/cache/" \ l "fig8" FIG. 8 is a cross-sectional view of a memory cell as a main part of the magnetic memory. This memory cell includes a MOSFET 901 which is an element for cell selection, a word line 902, a bit line 903, and a tunnel type magnetoresistive element 904. The word line 902 is connected to the MOSFET 901. The bit line 903 is connected to the tunnel type magnetoresistive element 904, and the tunnel type magnetoresistive element 904 is further connected to the MOSFET 901 through the connection wiring 905. At the time of reading data, a memory cell is selected by the MOSFET 901 and a current is passed from the word line 902 to the tunnel type magnetoresistive element 904 through the MOSFET 901.

トンネル型磁気抵抗素子904の磁化固定層及び強磁性層のそれぞれの磁化方向によって電気抵抗が異なることを利用して、記録されたデータを読み取ることができる。また書き込み時においてはビット線903およびワード線902とに電流を流し、ビット線903に流れる電流が形成する磁界と、ワード線902に流れる電流が形成する磁界と、の合成磁界によってトンネル型磁気抵抗素子の強磁性層のみを磁化反転させる。反強磁性層によりピン止めされた磁化固定層は磁化反転せず、強磁性層の磁化のみ反転させることができるために、上記の平行、反平行状態を意図して形成することが可能であり、これによりメモリの記憶及び消去が行える。   The recorded data can be read using the fact that the electric resistance differs depending on the magnetization directions of the magnetization fixed layer and the ferromagnetic layer of the tunnel type magnetoresistive element 904. Further, at the time of writing, a current is passed through the bit line 903 and the word line 902, and a tunnel type magnetoresistive is generated by a combined magnetic field of a magnetic field formed by a current flowing through the bit line 903 and a magnetic field formed by a current flowing through the word line 902. Only the ferromagnetic layer of the element is reversed. Since the magnetization pinned layer pinned by the antiferromagnetic layer does not reverse the magnetization but can only reverse the magnetization of the ferromagnetic layer, it can be formed with the intention of the above parallel and antiparallel states. Thereby, memory can be stored and erased.

係る磁気式メモリによれば、上記の交換結合素子からなるトンネル型磁気抵抗素子を備えているので、磁化固定層の磁化が上記合成磁界によって反転することがなく、信頼性の高いメモリを構成することができる。   According to such a magnetic memory, since the tunnel type magnetoresistive element composed of the exchange coupling element is provided, the magnetization of the magnetization fixed layer is not reversed by the synthetic magnetic field, and a highly reliable memory is configured. be able to.

以下、本発明の実施例に関わり、構造解析(X線回折)や諸磁気特性に関する実験を行った結果等について、更に詳細に説明する。   Hereinafter, the results of experiments relating to structural analysis (X-ray diffraction) and various magnetic properties related to the examples of the present invention will be described in more detail.

(実施例における交換結合素子の構成と製造方法)
実施例における交換結合素子の構成の模式断面図を、図9に示す。熱酸化により表面にSiO2膜が形成されたSi基板上に、5nm(50Å)のNi-Fe-Cr合金および500ÅのCuからなる下地層を設け、その上にMn-Ir(Mn73Ir27)合金からなる100Åの反強磁性層を、更にその上にCo70Fe30合金からなる40Åの強磁性層を順次積層した。
(Configuration and manufacturing method of exchange coupling element in embodiment)
FIG. 9 shows a schematic cross-sectional view of the configuration of the exchange coupling element in the example. An underlayer composed of a 5 nm (50 mm) Ni—Fe—Cr alloy and 500 μm Cu is provided on a Si substrate having a SiO 2 film formed on the surface by thermal oxidation, and Mn—Ir (Mn 73 Ir 27 ) A 100 反 antiferromagnetic layer made of an alloy and a 40 Å ferromagnetic layer made of a Co 70 Fe 30 alloy were sequentially laminated thereon.

交換結合素子の製造方法は、基本的には前述の製造方法によるが、反強磁性層の成膜は、反強磁性層の表面の清浄性及び反強磁性層中の不純物の低減による結晶粒成長及び高い結晶配向性を得るために超高真空プロセス(XC-process)で行った。即ち、成膜装置内の初期真空度を3×10-11Torr以下に減圧した後に純度9ナインの高純度アルゴンガスを導入し、マグネトロンスパッタ法により行った。また、成膜は膜面内平行に約30 Oeの磁界を印加しつつ行った。 The manufacturing method of the exchange coupling element is basically the above-described manufacturing method, but the film formation of the antiferromagnetic layer is performed by crystal grains by cleaning the surface of the antiferromagnetic layer and reducing impurities in the antiferromagnetic layer. In order to obtain growth and high crystal orientation, it was carried out by ultra high vacuum process (XC-process). That is, after the initial vacuum in the film forming apparatus was reduced to 3 × 10 −11 Torr or less, high purity argon gas having a purity of 9 nines was introduced, and the magnetron sputtering method was used. The film formation was performed while applying a magnetic field of about 30 Oe parallel to the film surface.

また、前記反強磁性層の成膜の際には、後述するように、成膜対象となる基板の温度を種々変えて、基板温度の磁気特性に与える影響について実験した。さらに、成膜後のアニール処理の加熱温度に関しても種々変えて、加熱温度の磁気特性に与える影響について実験した。   Further, when the antiferromagnetic layer was formed, as described later, the temperature of the substrate to be formed was variously changed to experiment on the influence of the substrate temperature on the magnetic characteristics. Furthermore, various changes were also made regarding the heating temperature of the annealing treatment after film formation, and the effect of the heating temperature on the magnetic characteristics was tested.

(X線回折プロファイル)
次に、上記実施例における交換結合素子のX線回折プロファイルの測定結果について述べる。図10は、X線回折プロファイルの測定結果の一例を示す。図10の横軸は、回折角(2θχ)を、縦軸は強度を示す。なお、図の右側に示した温度170℃,130℃および室温(R.T.)は、反強磁性層を成膜する際の基板温度(Tsub)を示す。
(X-ray diffraction profile)
Next, the measurement result of the X-ray diffraction profile of the exchange coupling element in the above embodiment will be described. FIG. 10 shows an example of the measurement result of the X-ray diffraction profile. The horizontal axis in FIG. 10 indicates the diffraction angle (2θχ), and the vertical axis indicates the intensity. The temperatures 170 ° C., 130 ° C. and room temperature (RT) shown on the right side of the figure indicate the substrate temperature (T sub ) when forming the antiferromagnetic layer.

図10から明らかなように、2θχ=34degおよび60deg付近に、規則相のMn3Irに起因するX線回折ピーク(図中Mn3Ir(110)s, Mn3Ir(211)sと付記したピーク)が観測される。従来、強磁性/反強磁性積層膜からこのピークが観測されたことはなく、本願発明におけるこの規則相の存在が、後述する磁気特性、即ち、一方向異方性定数Jkの向上およびブロッキング温度TBの向上をもたらしたものと考えられる。 As is apparent from FIG. 10, X-ray diffraction peaks (Mn 3 Ir (110) s, Mn 3 Ir (211) s in the figure are added) in the vicinity of 2θχ = 34 deg and 60 deg due to Mn 3 Ir of the regular phase. Peak) is observed. Conventionally, this peak has not been observed from the ferromagnetic / antiferromagnetic laminated film, and the presence of this ordered phase in the present invention is an improvement in the magnetic characteristics described later, that is, an improvement in the unidirectional anisotropy constant J k and blocking. It believed that resulted in improvement of the temperature T B.

規則相の存在により、ブロッキング温度TBが向上することは、「規則相の場合にネール温度が不規則相に比較して高い」という公知の事実からも容易に理解できる。図11は、Mn-IrにおけるIrの原子%(横軸)とネール温度TN(℃)(縦軸)との相関を示す公知のデータで、規則相(ordered)と不規則相(disordered)について、それぞれプロットされている。図11によれば、Irの原子%が25%において、不規則相のネール温度は、約450℃であるのに対して、規則相の場合は、約650℃である。前述の非特許文献1における記載、即ち、「ブロッキング温度は反強磁性のネール点に一致する場合もあるが、特に反強磁性層厚(dAF)が薄い場合、ネール点以下の温度となりdAFの減少に伴って低下する」旨の記載からも明らかなように、ブロッキング温度の到達しうる最高値はネール温度であり、少なくともネール温度が高ければ、ブロッキング温度も高くなることが推定できる。 The presence of ordered phase, to improve the blocking temperature T B can be readily understood from the known fact that "higher than the Neel temperature is disordered phase when the ordered phase." FIG. 11 is a well-known data showing the correlation between the atomic% of Ir in Mn-Ir (horizontal axis) and the Neel temperature T N (° C.) (vertical axis), ordered and disordered phases. Is plotted for each. According to FIG. 11, when the atomic% of Ir is 25%, the Neel temperature of the disordered phase is about 450 ° C., whereas that of the ordered phase is about 650 ° C. As described in Non-Patent Document 1, that is, “the blocking temperature may coincide with the antiferromagnetic nail point, but particularly when the antiferromagnetic layer thickness (d AF ) is thin, the temperature becomes the nail point or lower. As is clear from the description of “decreasing with decreasing AF ”, the highest value that the blocking temperature can reach is the Neel temperature, and it can be estimated that the blocking temperature also increases if at least the Neel temperature is high.

なお、図10のX線回折プロファイルにおいて、2θχ=70degのピークは規則相固有のピークではなく、不規則相(Mn75Ir25)と規則相(Mn3Ir)の両方の相に起因する回折ピークである。また、ブロッキング温度TBの向上および一方向異方性定数Jkの向上結果の具体的データについては、後述する。 In the X-ray diffraction profile of FIG. 10, the peak of 2θχ = 70 deg is not a peak unique to the regular phase, but is a diffraction caused by both the irregular phase (Mn 75 Ir 25 ) and the regular phase (Mn 3 Ir). It is a peak. As for the improvement and unidirectional anisotropy constant J k specific data to improve the results of the blocking temperature T B, described below.

(反強磁性層の面内結晶粒径と基板温度との相関)
一般に、平均面内結晶粒径が増大すると、一方向異方性定数Jkが向上することが知られている。図12は、実施例に関わる平均面内結晶粒径の測定結果の一例を示す。図12の横軸は、反強磁性層を成膜する際の基板温度(Tsub)を示し、縦軸は平均面内結晶粒径D220(Å)を示す。例えば、基板温度(Tsub)が100℃の場合、平均面内結晶粒径は約90(Å)であり、基板温度(Tsub)が高い程、平均面内結晶粒径は増大する。
(Correlation between in-plane crystal grain size of antiferromagnetic layer and substrate temperature)
In general, the average surface crystal grain size is increased, the unidirectional anisotropy constant J k is known to be improved. FIG. 12 shows an example of the measurement result of the average in-plane crystal grain size according to the example. The horizontal axis in FIG. 12 represents the substrate temperature (T sub ) when the antiferromagnetic layer is formed, and the vertical axis represents the average in-plane crystal grain size D 220 (Å). For example, when the substrate temperature (T sub ) is 100 ° C., the average in-plane crystal grain size is about 90 (Å), and the average in-plane crystal grain size increases as the substrate temperature (T sub ) increases.

(一方向異方性定数Jkの基板温度(Tsub)依存性)
図13および図14に基づき、一方向異方性定数の基板温度依存性について述べる。まず、図13は、図9に示す交換結合素子に関して行なった、一方向異方性定数Jkの基板温度(Tsub)依存性に関する実験結果(下地層Cuの場合)を示す。図13の縦軸は、アニール加熱温度(Ta)が320℃,280℃,250℃および加熱なしの成膜直後(As deposited)の場合の各一方向異方性定数Jk(erg/cm2)を示し、横軸は基板温度(Tsub)(℃)を示す。アニール加熱は同一の試料に対して、250℃,280℃,320℃の順に順次積算的に行った。各温度でのアニール時間は1時間である。
(Dependence of unidirectional anisotropy constant J k on substrate temperature (T sub ))
The substrate temperature dependence of the unidirectional anisotropy constant will be described with reference to FIGS. First, FIG. 13 shows an experimental result (in the case of the base layer Cu) on the substrate temperature (Tsub) dependence of the unidirectional anisotropy constant Jk performed on the exchange coupling element shown in FIG. The vertical axis in FIG. 13 represents the respective unidirectional anisotropy constants J k (erg / cm) when the annealing heating temperature (T a ) is 320 ° C., 280 ° C., 250 ° C. and immediately after deposition without heating (As deposited). 2 ), and the horizontal axis shows the substrate temperature (T sub ) (° C). The annealing heating was sequentially and cumulatively performed on the same sample in the order of 250 ° C., 280 ° C., and 320 ° C. The annealing time at each temperature is 1 hour.

図13から明らかなように、例えば、基板温度(Tsub)が温度170℃の場合であって、アニール加熱温度(Ta)が320℃の場合、一方向異方性定数Jk(erg/cm2)の値は、最大値の約1.3を示す。 As is apparent from FIG. 13, for example, when the substrate temperature (T sub ) is 170 ° C. and the annealing heating temperature (T a ) is 320 ° C., the unidirectional anisotropy constant J k (erg / The value of cm 2 ) shows a maximum value of about 1.3.

図13によれば、良好な一方向異方性定数Jk(erg/cm2)を得るために好ましい基板温度(Tsub)の温度範囲は、100〜180℃である。また、非特許文献1に記載の従来技術と異なる点は、アニール処理における加熱時間が短くとも、従来の最大値以上の高いJkが得られた点である。 According to FIG. 13, in order to obtain a good unidirectional anisotropy constant J k (erg / cm 2 ), a preferable temperature range of the substrate temperature (T sub ) is 100 to 180 ° C. Further, the difference from the prior art described in Non-Patent Document 1 is that even if the heating time in the annealing treatment is short, a high Jk higher than the conventional maximum value is obtained.

次に、図14について述べる。図14は、図13の場合の下地層Cuに代えて、Ru下地層(厚さ同一)とした場合の、図13と同様の実験結果を示す。図14の場合には、図13の場合とは異なり、アニール加熱温度(Ta)が比較的高い場合に、基板温度(Tsub)が250℃であっても、一方向異方性定数Jk(erg/cm2)の値は高い値を維持しており、基板温度(Tsub)の上限は認められない。従って、Ru下地層の場合、良好な一方向異方性定数Jk(erg/cm2)を得るために好ましい基板温度(Tsub)の温度範囲は、少なくとも100℃以上、好ましくは150℃以上である。 Next, FIG. 14 will be described. FIG. 14 shows the same experimental results as in FIG. 13 in the case of using a Ru underlayer (the same thickness) instead of the underlayer Cu in the case of FIG. In the case of FIG. 14, unlike the case of FIG. 13, when the annealing temperature (T a ) is relatively high, the unidirectional anisotropy constant J can be obtained even if the substrate temperature (T sub ) is 250 ° C. The value of k (erg / cm 2 ) remains high, and no upper limit on the substrate temperature (T sub ) is recognized. Therefore, in the case of the Ru underlayer, a preferable temperature range of the substrate temperature (T sub ) for obtaining a good unidirectional anisotropy constant J k (erg / cm 2 ) is at least 100 ° C. or more, preferably 150 ° C. or more. It is.

なお、Ru下地層の場合、Cu下地層に比較して基板温度の上限が向上した理由は、Ruの融点がCuのそれに比較して高く、高基板温度でMn-Ir膜を成膜した場合にも、下地層との反応が生じにくいためと考えられる。基板温度は、いずれにしても、一般的に異種金属積層膜の相互拡散が生じる400℃以上にすることは好ましくないと考えられる。   In the case of the Ru underlayer, the upper limit of the substrate temperature is improved compared to the Cu underlayer because the melting point of Ru is higher than that of Cu and the Mn-Ir film is formed at a high substrate temperature. In addition, it is considered that the reaction with the underlayer hardly occurs. In any case, it is generally considered that it is not preferable to set the substrate temperature to 400 ° C. or higher at which mutual diffusion of dissimilar metal laminated films occurs.

(一方向異方性定数Jkのアニール加熱温度(Ta)依存性)
図15は、一方向異方性定数Jkのアニール加熱温度(Ta)依存性に関する実験結果を示す。なお、図15も、図9に示す交換結合素子に関する。図15の縦軸は、170℃,130℃および室温(R.T.)の場合の各一方向異方性定数Jk(erg/cm2)を示し、横軸はアニール加熱温度(Ta)(℃)を示す。
(Dependence of unidirectional anisotropy constant J k on annealing heating temperature (T a ))
FIG. 15 shows the experimental results regarding the annealing heating temperature (Ta) dependence of the unidirectional anisotropy constant Jk. FIG. 15 also relates to the exchange coupling element shown in FIG. The vertical axis in FIG. 15 represents each unidirectional anisotropy constant J k (erg / cm 2 ) at 170 ° C., 130 ° C. and room temperature (RT), and the horizontal axis represents the annealing heating temperature (T a ) (° C. ).

図15から明らかなように、良好な一方向異方性定数Jk(erg/cm2)を得るために好ましいアニール加熱温度(Ta)の温度範囲は、280〜360℃である。 As is apparent from FIG. 15, the preferable temperature range of the annealing heating temperature (Ta) is 280 to 360 ° C. in order to obtain a good unidirectional anisotropy constant Jk (erg / cm 2 ).

(一方向異方性定数JkのMn-Ir組成依存性)
図16は、一方向異方性定数JkのMn-Ir組成依存性に関する実験結果を示す。図16の横軸は、Mn-IrにおけるIrの原子%を示し、縦軸は、アニール加熱温度(Ta)が300℃,280℃,250℃および加熱なしの成膜直後(As deposited)の場合の各一方向異方性定数Jk(erg/cm2)を示す。なお、基板温度(Tsub)は、170℃とした。
(Dependence of unidirectional anisotropy constant J k on Mn-Ir composition)
FIG. 16 shows the experimental results regarding the dependency of the unidirectional anisotropy constant J k on the Mn—Ir composition. The horizontal axis of FIG. 16 represents the atomic percentage of Ir in Mn—Ir, and the vertical axis represents the annealing heating temperatures (T a ) of 300 ° C., 280 ° C., 250 ° C. and immediately after deposition without heating (As deposited). Each unidirectional anisotropy constant J k (erg / cm 2 ) is shown. The substrate temperature (T sub ) was 170 ° C.

図16から明らかなように、良好な一方向異方性定数Jk(erg/cm2)を得るために好ましい、Mn-Ir合金におけるIrの組成比は、20〜33原子%であり、より好ましくは、25〜30原子%である。 As is clear from FIG. 16, the composition ratio of Ir in the Mn—Ir alloy, which is preferable for obtaining a good unidirectional anisotropy constant Jk (erg / cm 2 ), is 20 to 33 atomic%, more preferably. Is 25-30 atomic%.

(交換結合素子の磁気特性の温度特性の一例)
図17に、交換結合素子の一方向異方性定数Jkおよびブロッキング温度TB等の磁気特性の一例を示す。図17の縦軸は、基板温度(Tsub)が170℃および室温(R.T.)の場合の各一方向異方性定数Jk(erg/cm2)を示し、横軸は交換結合素子の使用温度(℃)を示す。また、図17において、プロットしたデータに沿う各曲線の右上肩には、それぞれ、ブロッキング温度TBを示す。なお、図17におけるアニール処理における加熱条件は、加熱温度(Ta)=320℃であり、図13に示したデータのうち、Ta =320℃の場合に相当する。
(Example of temperature characteristics of magnetic characteristics of exchange coupling elements)
FIG. 17 shows an example of magnetic characteristics such as the unidirectional anisotropy constant Jk and blocking temperature TB of the exchange coupling element. The vertical axis in FIG. 17 represents each unidirectional anisotropy constant Jk (erg / cm 2 ) when the substrate temperature (Tsub) is 170 ° C. and room temperature (RT), and the horizontal axis is the operating temperature of the exchange coupling element ( ° C). In FIG. 17, the blocking temperature TB is shown on the upper right shoulder of each curve along the plotted data. Note that the heating condition in the annealing process in FIG. 17 is the heating temperature (Ta) = 320 ° C., which corresponds to the case of Ta = 320 ° C. in the data shown in FIG.

図17から明らかなように、例えば、基板温度(Tsub)が温度170℃の場合、ブロッキング温度TBは、360℃と高く、また、一方向異方性定数Jk(erg/cm2)は、最大で1.3であり、交換結合素子の使用温度(℃)が実用最大値(約150℃)においても、一方向異方性定数Jk(erg/cm2)は、それ程低下せず、1.0を超える値を維持している。 As is apparent from FIG. 17, for example, when the substrate temperature (T sub) is a temperature 170 ° C., the blocking temperature T B is as high as 360 ° C., also unidirectional anisotropy constant J k (erg / cm 2) Is 1.3 at maximum, and the unidirectional anisotropy constant Jk (erg / cm 2 ) does not decrease so much even when the use temperature (° C.) of the exchange coupling element is the practical maximum value (about 150 ° C.). The value exceeding 1.0 is maintained.

本発明に係る典型的な交換結合素子の実施形態の断面模式図。The cross-sectional schematic diagram of embodiment of the typical exchange coupling element which concerns on this invention. 本発明の交換結合素子製造用の成膜装置の平面模式図。The plane schematic diagram of the film-forming apparatus for exchange coupling element manufacture of this invention. 本発明の交換結合素子製造用の赤外線熱処理装置の模式図。The schematic diagram of the infrared heat processing apparatus for exchange coupling element manufacture of this invention. 本発明に関わるスピンバルブ型磁気抵抗素子の断面模式図。1 is a schematic cross-sectional view of a spin valve magnetoresistive element according to the present invention. 本発明に関わるトンネル型磁気抵抗素子の模式断面図。The schematic cross section of the tunnel type magnetoresistive element in connection with this invention. 本発明に関わるGMR型再生ヘッドを備える記録再生分離型磁気ヘッドの斜視図。FIG. 3 is a perspective view of a recording / reproducing separated type magnetic head including a GMR type reproducing head according to the present invention. 本発明に関わるGMR型再生ヘッドの要部を示す図。FIG. 3 is a diagram showing a main part of a GMR reproducing head according to the present invention. 本発明に関わる磁気式メモリの要部としてのメモリセルの断面図。1 is a cross-sectional view of a memory cell as a main part of a magnetic memory according to the present invention. 本発明の実施例における交換結合素子の構成の模式断面図。The schematic cross section of the structure of the exchange coupling element in the Example of this invention. 本発明の実施例に関わるX線回折プロファイルの測定結果の一例を示す図。The figure which shows an example of the measurement result of the X-ray-diffraction profile concerning the Example of this invention. Mn-IrにおけるIrの原子%とネール温度TN(℃)との相関を示す図。The figure which shows the correlation with atomic% of Ir in Mn-Ir, and Neel temperature TN (degreeC). 本発明の実施例に関わる平均面内結晶粒径の測定結果の一例を示す図。The figure which shows an example of the measurement result of the average in-plane crystal grain size in connection with the Example of this invention. 本発明の実施例に関わり、一方向異方性定数Jkの基板温度Tsub依存性に関する実験結果(下地層Cuの場合)を示す図。The figure which concerns on the Example of this invention and shows the experimental result (in the case of base layer Cu) regarding the substrate temperature Tsub dependence of the unidirectional anisotropy constant Jk. 本発明の実施例に関わり、一方向異方性定数Jkの基板温度Tsub依存性に関する実験結果(下地層Ruの場合)を示す図。The figure which concerns on the Example of this invention and shows the experimental result (in the case of base layer Ru) regarding the substrate temperature Tsub dependence of the unidirectional anisotropy constant Jk. 本発明の実施例に関わり、一方向異方性定数Jkのアニール加熱温度Ta依存性に関する実験結果を示す図。Involved in an embodiment of the present invention, shows the experimental results on the annealing heating temperature T a dependency of the unidirectional anisotropy constant J k. 本発明の実施例に関わり、一方向異方性定数JkのMn-Ir組成依存性に関する実験結果を示す図。Involved in an embodiment of the present invention, shows the experimental results on Mn-Ir composition dependency of the unidirectional anisotropy constant J k. 本発明の実施例に関わる交換結合素子の磁気特性の温度特性の一例を示す図。The figure which shows an example of the temperature characteristic of the magnetic characteristic of the exchange coupling element in connection with the Example of this invention. 非特許文献1に開示された、一方向異方性定数(Jk)の反強磁性層膜厚(dAF)依存性を熱処理温度(Ta)の関数として示した図。The figure which showed the antiferromagnetic layer film thickness ( dAF ) dependence of the unidirectional anisotropy constant ( Jk ) disclosed by the nonpatent literature 1 as a function of heat processing temperature ( Ta ). 非特許文献1に開示された、一方向異方性定数(Jk)のアニール処理時間(ta)依存性を反強磁性層膜厚(dAF)の関数として示した図。The figure which showed the annealing process time (t a ) dependence of the unidirectional anisotropy constant (J k ) disclosed in Non-Patent Document 1 as a function of the antiferromagnetic layer thickness (d AF ). 非特許文献1に開示された、一方向異方性定数(Jk)の反強磁性層膜厚(dAF)依存性を示す図。The figure which shows the antiferromagnetic layer film thickness ( dAF ) dependence of the unidirectional anisotropy constant ( Jk ) disclosed by the nonpatent literature 1. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1 交換結合素子
2 基板
4 反強磁性層
5 強磁性層
10,800 スピンバルブ型磁気抵抗素子
50,904 トンネル型磁気抵抗素子
811 GMR型再生ヘッド

DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Exchange coupling element 2 Substrate 4 Antiferromagnetic layer 5 Ferromagnetic layer 10,800 Spin valve type magnetoresistive element 50,904 Tunnel type magnetoresistive element 811 GMR type reproducing head

Claims (11)

基板上に、反強磁性層、及び前記反強磁性層と交換結合する強磁性層が順次積層されてなる交換結合素子において、前記反強磁性層が、Mn-Ir合金の規則相(Mn3Ir)を備えることを特徴とする交換結合素子。 In an exchange coupling device in which an antiferromagnetic layer and a ferromagnetic layer exchange-coupled to the antiferromagnetic layer are sequentially stacked on a substrate, the antiferromagnetic layer is composed of an ordered phase (Mn 3 Ir). An exchange coupling element comprising: 前記Mn-Ir合金は、Irの組成比を20〜33原子%とすることを特徴とする請求項1に記載の交換結合素子。   2. The exchange coupling element according to claim 1, wherein the Mn—Ir alloy has an Ir composition ratio of 20 to 33 atomic%. 前記反強磁性層におけるMn-Ir合金の平均面内結晶粒径は、9nm(90Å)以上とすることを特徴とする請求項1または2に記載の交換結合素子。   The exchange coupling element according to claim 1 or 2, wherein an average in-plane crystal grain size of the Mn-Ir alloy in the antiferromagnetic layer is 9 nm (90 Å) or more. 前記基体と反強磁性層との間に、下地層を備えることを特徴とする請求項1に記載の交換結合素子。   The exchange coupling element according to claim 1, further comprising an underlayer between the base and the antiferromagnetic layer. 基板上に、下地層を介して若しくは介さずに、Mn-Ir合金からなる反強磁性薄膜層、及び前記反強磁性薄膜層と交換結合する強磁性薄膜層を順次形成する交換結合素子の製造方法において、前記反強磁性薄膜層を形成する際に、前記基板を、Mn-Ir合金の規則相を形成するために予め定めた所定の基板温度となるように加熱し、かつ前記反強磁性薄膜層の形成後に、アニール処理を行うことを特徴とする交換結合素子の製造方法。   Manufacture of an exchange coupling element in which an antiferromagnetic thin film layer made of an Mn-Ir alloy and a ferromagnetic thin film layer exchange-coupled to the antiferromagnetic thin film layer are sequentially formed on a substrate with or without an underlayer. In the method, when forming the antiferromagnetic thin film layer, the substrate is heated to a predetermined substrate temperature that is predetermined in order to form an ordered phase of an Mn—Ir alloy, and the antiferromagnetic A method for manufacturing an exchange coupling element, wherein annealing is performed after the thin film layer is formed. 前記基板上に下地層を介して反強磁性薄膜層を形成する際の所定の基板温度は、下地層材料がRuの場合、少なくとも100℃以上とし、下地層材料がCuの場合、100〜180℃とすることを特徴とする請求項5に記載の交換結合素子の製造方法。   The predetermined substrate temperature when forming the antiferromagnetic thin film layer on the substrate via the underlayer is at least 100 ° C. or more when the underlayer material is Ru, and 100 to 180 when the underlayer material is Cu. The method for producing an exchange coupling element according to claim 5, wherein the temperature is set to ° C. 前記アニール処理の際の反強磁性層薄膜の加熱処理温度は、280〜360℃とすることを特徴とする請求項5または6に記載の交換結合素子の製造方法。   The method for manufacturing an exchange coupling element according to claim 5 or 6, wherein the heat treatment temperature of the antiferromagnetic layer thin film during the annealing treatment is 280 to 360 ° C. 請求項1ないし4のいずれか1項に記載の交換結合素子を具備してなることを特徴とするスピンバルブ型磁気抵抗素子。   A spin valve magnetoresistive element comprising the exchange coupling element according to any one of claims 1 to 4. 請求項1ないし4のいずれか1項に記載の交換結合素子を具備してなることを特徴とするトンネル型磁気抵抗素子。   A tunneling magnetoresistive element comprising the exchange coupling element according to claim 1. 請求項1ないし4のいずれか1項に記載の交換結合素子を具備してなることを特徴とする磁気ヘッド。   5. A magnetic head comprising the exchange coupling element according to claim 1. 請求項9に記載のトンネル型磁気抵抗素子を具備してなることを特徴とする磁気式メモリ。

A magnetic memory comprising the tunnel-type magnetoresistive element according to claim 9.

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Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2007105472A1 (en) * 2006-03-03 2007-09-20 Canon Anelva Corporation Method for manufacturing magnetoresistance element and apparatus for manufacturing magnetoresistance element
WO2008152915A1 (en) * 2007-06-11 2008-12-18 Ulvac, Inc. Process for producing magnetic device, apparatus for producing magnetic device, and magnetic device
US20090168270A1 (en) * 2007-12-28 2009-07-02 Fujitsu Limited Exchange-coupled element and magnetoresistance effect element
WO2009096033A1 (en) * 2008-02-01 2009-08-06 Fujitsu Limited Method for manufacturing tunnel magnetoresistive effect element
WO2010050125A1 (en) * 2008-10-31 2010-05-06 株式会社日立製作所 Cpp-gmr element, tmr element, and magnetic recording/reproduction device
US7934309B2 (en) 2007-12-26 2011-05-03 Tdk Corporation Methods of fabricating exchange-coupling film, magnetoresistive element, and thin-film magnetic head
US7993762B2 (en) 2008-12-05 2011-08-09 Tohoku University Magnetic thin film and method of manufacturing the same, and various application devices using the same
US8076012B2 (en) 2008-07-28 2011-12-13 Tohoku University Magnetic thin film and method for forming the film, and magnetic thin film-applied device
US9312478B2 (en) 2011-12-07 2016-04-12 Samsung Electronics Co., Ltd. Magnetic devices and methods of manufacturing the same
JP2017216283A (en) * 2016-05-30 2017-12-07 住友電気工業株式会社 Magnetic field application device and manufacturing device of semiconductor device
US10115890B2 (en) 2014-06-24 2018-10-30 Fuji Electric Co., Ltd. Magnetic thin film and application device including magnetic thin film

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH09237716A (en) * 1994-12-13 1997-09-09 Toshiba Corp Exchange bonding film, magnetoresistance effect element and method for manufacturing magnetoresistance effect element
JP2000216020A (en) * 1999-01-20 2000-08-04 Sharp Corp Magneto-resistive effect film and manufacture thereof
JP2003031869A (en) * 2001-07-17 2003-01-31 Matsushita Electric Ind Co Ltd Magnetoresistive effect element, magnetic head, and magnetic memory
JP2003217962A (en) * 1996-11-20 2003-07-31 Toshiba Corp Antiferromagnetic material film, magnetoresistiance effect element and magnetic device using the same
WO2005008799A1 (en) * 2003-07-18 2005-01-27 Fujitsu Limited Ccp magnetoresistance element, method for manufacturing same, magnetic head and magnetic storage

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH09237716A (en) * 1994-12-13 1997-09-09 Toshiba Corp Exchange bonding film, magnetoresistance effect element and method for manufacturing magnetoresistance effect element
JP2003217962A (en) * 1996-11-20 2003-07-31 Toshiba Corp Antiferromagnetic material film, magnetoresistiance effect element and magnetic device using the same
JP2000216020A (en) * 1999-01-20 2000-08-04 Sharp Corp Magneto-resistive effect film and manufacture thereof
JP2003031869A (en) * 2001-07-17 2003-01-31 Matsushita Electric Ind Co Ltd Magnetoresistive effect element, magnetic head, and magnetic memory
WO2005008799A1 (en) * 2003-07-18 2005-01-27 Fujitsu Limited Ccp magnetoresistance element, method for manufacturing same, magnetic head and magnetic storage

Cited By (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102867910B (en) * 2006-03-03 2016-05-04 佳能安内华股份有限公司 The manufacture method of magneto-resistance effect element
WO2007105472A1 (en) * 2006-03-03 2007-09-20 Canon Anelva Corporation Method for manufacturing magnetoresistance element and apparatus for manufacturing magnetoresistance element
US10629804B2 (en) 2006-03-03 2020-04-21 Canon Anelva Corporation Method of manufacturing magnetoresistive device
US8367156B2 (en) 2006-03-03 2013-02-05 Canon Anelva Corporation Method of manufacturing magnetoresistive device and apparatus for manufacturing the same
WO2008152915A1 (en) * 2007-06-11 2008-12-18 Ulvac, Inc. Process for producing magnetic device, apparatus for producing magnetic device, and magnetic device
JPWO2008152915A1 (en) * 2007-06-11 2010-08-26 株式会社アルバック Magnetic device manufacturing method, magnetic device manufacturing apparatus, and magnetic device
JP5113170B2 (en) * 2007-06-11 2013-01-09 株式会社アルバック Magnetic device manufacturing method, magnetic device manufacturing apparatus, and magnetic device
TWI475646B (en) * 2007-06-11 2015-03-01 Ulvac Inc Method and apparatus for manufacturing magnetic device, and magnetic device
US7934309B2 (en) 2007-12-26 2011-05-03 Tdk Corporation Methods of fabricating exchange-coupling film, magnetoresistive element, and thin-film magnetic head
US20090168270A1 (en) * 2007-12-28 2009-07-02 Fujitsu Limited Exchange-coupled element and magnetoresistance effect element
WO2009096033A1 (en) * 2008-02-01 2009-08-06 Fujitsu Limited Method for manufacturing tunnel magnetoresistive effect element
US8076012B2 (en) 2008-07-28 2011-12-13 Tohoku University Magnetic thin film and method for forming the film, and magnetic thin film-applied device
WO2010050125A1 (en) * 2008-10-31 2010-05-06 株式会社日立製作所 Cpp-gmr element, tmr element, and magnetic recording/reproduction device
US7993762B2 (en) 2008-12-05 2011-08-09 Tohoku University Magnetic thin film and method of manufacturing the same, and various application devices using the same
US9312478B2 (en) 2011-12-07 2016-04-12 Samsung Electronics Co., Ltd. Magnetic devices and methods of manufacturing the same
US10115890B2 (en) 2014-06-24 2018-10-30 Fuji Electric Co., Ltd. Magnetic thin film and application device including magnetic thin film
JP2017216283A (en) * 2016-05-30 2017-12-07 住友電気工業株式会社 Magnetic field application device and manufacturing device of semiconductor device

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