JP2007329492A - 磁気記録素子への書き込み方法および磁気記録素子 - Google Patents

Abstract

【課題】スピン注入に適した構造を有し、配線およびＴＭＲ素子に流れる電流密度を抑えることができる磁気記録素子およびこの磁気記録素子への書き込み方法を提供する。
【解決手段】磁化方向が固着された第１の磁化固着層と、第１の誘電体層と、磁化方向が反転可能な磁気記録層と、第２の誘電体層と、磁化方向が固着された第２の磁化固着層とを有する磁気記録素子へ書き込みを行うにあたり、前記磁気記録素子を構成する前記第１または第２の磁化固着層を通して前記磁気記録層にスピン電流を供給するとともに、書き込み用の配線に電流を流して前記磁気記録層に電流磁界を印加することを特徴とする磁気記録素子への書き込み方法。
【選択図】 図１３

Description

本発明は強磁性二重トンネル接合を有する磁気抵抗効果素子、およびそれを用いた磁気記録素子に関する。

磁気抵抗効果は強磁性体に磁場を印加すると電気抵抗が変化する現象である。この効果を利用した磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）は、温度安定性に優れ、使用温度範囲が広いという特徴があるため、磁気ヘッドや磁気センサーなどに用いられ、最近では磁気記録素子（磁気抵抗効果メモリ、ＭＲＡＭ）なども試作されるようになってきている。これらの磁気抵抗効果素子は、外部磁界に対する感度が大きいこと、および応答スピードが速いことが要求される。

近年、２つの強磁性層の間に誘電体層を挿入したサンドイッチ膜を有し、膜面に垂直に流れるトンネル電流を利用する磁気抵抗効果素子、いわゆる強磁性トンネル接合素子（トンネル接合型磁気抵抗効果素子、ＴＭＲ）が見出されている。強磁性トンネル接合素子は２０％以上の磁気抵抗変化率を示す（Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．７９，４７２４（１９９６））ため、磁気ヘッドや磁気抵抗効果メモリへの応用の可能性が高まってきた。しかし、この強磁性一重トンネル接合素子では、所望の出力電圧値を得るために印加電圧を増やすと、磁気抵抗変化率がかなり減少するという問題がある（Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．７４，３２７３（１９９５））。

また、強磁性一重トンネル接合を構成する一方の強磁性層に接して反強磁性層を設け、この強磁性層を磁化固着層とした構造を有する強磁性一重トンネル接合素子が提案されている（特開平１０−４２２７）。しかし、この強磁性一重トンネル接合素子でも同様に、所望の出力電圧値を得るために印加電圧を増やすと、磁気抵抗変化率がかなり減少するという問題がある。

一方、Ｆｅ／Ｇｅ／Ｆｅ／Ｇｅ／Ｆｅという積層構造を形成した強磁性二重トンネル接合を有する磁気抵抗効果素子においては、スピン偏極共鳴トンネル効果により大きなＭＲ変化率が得られることが理論的に予想されている（Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ５６，５４８４（１９９７））。しかし、これらは低温（８Ｋ）での結果であり、室温で上記のような現象が起こることは予想されていない。なお、この例ではＡｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂、ＡｌＮなどの誘電体を用いていない。また、上記構造の強磁性二重トンネル接合素子は、反強磁性層でピンされた強磁性層がないため、ＭＲＡＭ等に使用すると何度かの書き込みによって磁化固着層の一部の磁気モーメントが回転する結果、出力が徐々に低下するという問題がある。

さらに、磁性粒子を分散させた誘電体層を含む強磁性多重トンネル接合素子が提案されている（Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ５６（１０），Ｒ５７４７（１９９７））；応用磁気学会誌２３，４−２，（１９９９）；Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７３（１９），２８２９（１９９８））。これらの素子でも２０％以上の磁気抵抗変化率が得られるようになったことから、磁気ヘッドや磁気抵抗効果メモリへの応用が期待されている。特に、強磁性二重トンネル接合素子は、印加電圧を増やしても磁気抵抗変化率の減少が小さいという利点がある。しかし、これらの素子でも、反強磁性層でピンした強磁性層がないため、ＭＲＡＭ等に使用すると何度かの書き込みによって磁化固着層の一部の磁気モーメントが回転する結果、出力が徐々に低下するという問題がある。また、連続膜からなる強磁性層を用いた強磁性二重トンネル接合素子（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７３（１９），２８２９（１９９８））では、誘電体層に挟まれた強磁性層がＣｏ，Ｎｉ₈₀Ｆｅ₂₀などの単層膜からなるため、電流磁界によって磁気モーメントを反転させるための反転磁場を自由に設計できないという問題があるうえに、磁歪の大きいＣｏ等を加工すると保磁力が大きくなるという問題もあった。

強磁性トンネル接合素子をＭＲＡＭなどに応用する場合、配線（ビット線またはワード線）に電流を流すことにより、磁化が固定されていない強磁性層（フリー層、磁気記録層）に外部磁界（電流磁界）を印加して磁気記録層の磁化を反転させる。しかし、メモリセルの縮小とともに磁気記録層の磁化の反転に要する磁界（スイッチング磁界）が増加し、書き込みのために配線に大電流を流す必要がある。このため、ＭＲＡＭの記憶容量の増大とともに、書き込み時の消費電力が増加する。例えば、１Ｇｂ以上の高密度ＭＲＡＭデバイスでは、電流磁界による書き込み時に配線に流す電流密度が増大し、配線が溶融するという問題が生じるおそれもある。

このような問題に対処する１つの方法として、スピン偏極したスピン電流を注入し、磁化反転を行う試みがなされている（Ｊ．Ｍａｇ．Ｍａｇ．Ｍａｔ．，１５９（１９９６）Ｌ１；Ｊ．Ｍａｇ．Ｍａｇ．Ｍａｔ．，２０２（１９９９）１５７）。しかし、スピン電流を注入して磁化反転を行う方法では、ＴＭＲ素子を流れる電流密度が大きくなり、トンネル絶縁層が破壊されるおそれがある。しかも、スピン注入に適した素子構造は未だ提案されていない。

本発明の目的は、所望の出力電圧値を得るために印加電圧を増やしても磁気抵抗変化率があまり減少せず、書き込みによって磁化固着層の一部の磁気モーメントが回転して出力が徐々に低下する問題がなく、さらに強磁性層のモーメントを反転させるための反転磁場を自由に設計できるトンネル接合型の磁気抵抗効果素子および磁気記録素子を提供することにある。

本発明の他の目的は、メモリセルの縮小に伴う磁気記録層の磁化を反転させるための反転磁場の増加を抑制できるトンネル接合型の磁気抵抗効果素子および磁気記録素子を提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、スピン注入に適した構造を有し、配線およびＴＭＲ素子に流れる電流密度を抑えることができる磁気記録素子およびこの磁気記録素子への書き込み方法を提供することにある。

本発明の第１の磁気抵抗効果素子は、第１の反強磁性層／第１の強磁性層／第１の誘電体層／第２の強磁性層／第２の誘電体層／第３の強磁性層／第２の反強磁性層が積層された強磁性二重トンネル接合を有する磁気抵抗効果素子であって、前記第２の強磁性層がＣｏ基合金またはＣｏ基合金／Ｎｉ−Ｆｅ合金／Ｃｏ基合金の三層膜からなり、前記第１ないし第３の強磁性層にトンネル電流を流すことを特徴とする。

本発明の第２の磁気抵抗効果素子は、第１の強磁性層／第１の誘電体層／第２の強磁性層／第１の反強磁性層／第３の強磁性層／第２の誘電体層／第４の強磁性層が積層された強磁性二重トンネル接合を有する磁気抵抗効果素子であって、前記第１および第４の強磁性層がＣｏ基合金またはＣｏ基合金／Ｎｉ−Ｆｅ合金／Ｃｏ基合金の三層膜からなり、前記第１ないし第４の強磁性層にトンネル電流を流すことを特徴とする。

本発明の第３の磁気抵抗効果素子は、第１の反強磁性層／第１の強磁性層／第１の誘電体層／第２の強磁性層／第２の反強磁性層／第３の強磁性層／第２の誘電体層／第４の強磁性層／第３の反強磁性層が積層された強磁性二重トンネル接合を有する磁気抵抗効果素子であって、前記第１および第４の強磁性層または前記第２および第３の強磁性層がＣｏ基合金またはＣｏ基合金／Ｎｉ−Ｆｅ合金／Ｃｏ基合金の三層膜からなり、前記第１ないし第４の強磁性層にトンネル電流を流すことを特徴とする。

本発明の第４の磁気抵抗効果素子は、第１の強磁性層／第１の誘電体層／第２の強磁性層／第１の非磁性層／第３の強磁性層／第２の非磁性層／第４の強磁性層／第２の誘電体層／第５の強磁性層が積層された強磁性二重トンネル接合を有する磁気抵抗効果素子であって、互いに隣り合う第２、第３、第４の強磁性層が非磁性層を介して反強磁性結合しており、前記第１および第５の強磁性層がＣｏ基合金またはＣｏ基合金／Ｎｉ−Ｆｅ合金／Ｃｏ基合金の三層膜からなり、前記第１ないし第５の強磁性層にトンネル電流を流すことを特徴とする。

本発明の磁気抵抗効果素子においては、前記Ｃｏ基合金またはＣｏ基合金／Ｎｉ−Ｆｅ合金／Ｃｏ基合金の三層膜の膜厚が、１〜５ｎｍであることが好ましい。

本発明の磁気記録素子は、トランジスタまたはダイオードと、第１ないし第４のいずれかの磁気抵抗効果素子とを具備したことを特徴とする。

本発明の磁気記録素子は、トランジスタまたはダイオードと、第１または第３の磁気抵抗効果素子とを具備した磁気記録素子において、前記磁気抵抗効果素子の少なくとも最上層の反強磁性層がビットラインの一部を構成していることを特徴とする。

本発明の他の磁気記録素子は、磁化方向が固着された第１の磁化固着層と、第１の誘電体層と、磁化方向が反転可能な磁気記録層と、第２の誘電体層と、磁化方向が固着された第２の磁化固着層とを有し、前記磁気記録層が、磁性層、非磁性層、および磁性層の三層膜を含み、該三層膜を構成する２つの磁性層が反強磁性結合しており、前記２つの磁化固着層の誘電体層に接する領域の磁化が実質的に反平行であることを特徴とする。

本発明のさらに他の磁気記録素子は、磁化方向が固着された第１の磁化固着層と、第１の誘電体層と、磁化方向が反転可能な磁気記録層と、第２の誘電体層と、磁化方向が固着された第２の磁化固着層とを有し、前記磁気記録層が、磁性層、非磁性層、および磁性層の三層膜を含み、該三層膜を構成する２つの磁性層が反強磁性結合しており、前記第２の磁化固着層が、磁性層、非磁性層、および磁性層の三層膜を含み、該三層膜を構成する２つの磁性層が反強磁性結合しており、前記第１の磁化固着層の長さが、前記第２の磁化固着層および前記磁気記録層の長さよりも長く形成されており、前記２つの磁化固着層の誘電体層に接する領域の磁化が実質的に反平行であることを特徴とする。

これらの磁気記録素子への書き込み方法は、磁気記録素子を構成する前記第１または第２の磁化固着層を通して前記磁気記録層にスピン電流を供給するとともに、書き込み用の配線に電流を流して前記磁気記録層に電流磁界を印加することを特徴とする。

本発明の強磁性二重トンネル接合を有する磁気抵抗効果素子では、所望の出力電圧値を得るため印加電圧値を増やしても磁気抵抗変化率があまり減少せず、書き込みによって磁化固着層の一部の磁気モーメントが回転して出力が徐々に低下するという問題もなく、しかも反転磁場を自由に設計できる。また、ＭＲＡＭの高密度化に伴って配線幅およびＴＭＲ素子サイズが小さくなっても、配線の溶融またはトンネルバリア層の破壊を抑制することができ、信頼性を向上できる。したがって、大きな出力電圧が安定して得られる微細な磁気抵抗効果素子を提供でき、磁気抵抗効果型ヘッド、磁界センサー、磁気記憶素子などに好適に用いることができる。

以下、本発明に係る磁気抵抗効果素子の基本構造を、図１〜図４を参照して説明する。

図１に本発明の第１の磁気抵抗効果素子を示す。この磁気抵抗効果素子１０では、第１の反強磁性層１１／第１の強磁性層１２／第１の誘電体層１３／第２の強磁性層１４／第２の誘電体層１５／第３の強磁性層１６／第２の反強磁性層１７を積層して強磁性二重トンネル接合を形成している。この素子では、第１ないし第３の強磁性層にトンネル電流を流す。この素子では、第１および第３の強磁性層１２、１６がピン層（磁化固着層）、第２の強磁性層１４がフリー層（ＭＲＡＭの場合には磁気記録層）である。第１の磁気抵抗効果素子では、フリー層である第２の強磁性層１４がＣｏ基合金（たとえばＣｏ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｎｉなど）またはＣｏ基合金／Ｎｉ−Ｆｅ合金／Ｃｏ基合金の三層膜からなる。

図２に本発明の第２の磁気抵抗効果素子を示す。この磁気抵抗効果素子２０では、第１の強磁性層２１／第１の誘電体層２２／第２の強磁性層２３／第１の反強磁性層２４／第３の強磁性層２５／第２の誘電体層２６／第４の強磁性層２７を積層して強磁性二重トンネル接合を形成している。この素子では、第１ないし第４の強磁性層にトンネル電流を流す。この素子では、第２および第３の強磁性層２３、２５がピン層、第１および第４の強磁性層２１、２７がフリー層（ＭＲＡＭの場合には磁気記録層）である。第２の磁気抵抗効果素子においては、フリー層である第１および第４の強磁性層２１、２７がＣｏ基合金（たとえばＣｏ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｎｉなど）またはＣｏ基合金／Ｎｉ−Ｆｅ合金／Ｃｏ基合金の三層膜からなる。

図３に本発明の第３の磁気抵抗効果素子を示す。この磁気抵抗効果素子３０では、第１の反強磁性層３１／第１の強磁性層３２／第１の誘電体層３３／第２の強磁性層３４／第２の反強磁性層３５／第３の強磁性層３６／第２の誘電体層３７／第４の強磁性層３８／第３の反強磁性層３９を積層して強磁性二重トンネル接合を形成している。この素子では、第１ないし第４の強磁性層にトンネル電流を流す。この素子では、第２および第３の強磁性層３４、３６をピン層として設計した場合には第１および第４の強磁性層３２、３８がフリー層（ＭＲＡＭの場合には磁気記録層）になる。一方、第１および第４の強磁性層３２、３８をピン層として設計した場合には第２および第３の強磁性層３４、３６がフリー層（ＭＲＡＭの場合には磁気記録層）になる。第３の磁気抵抗効果素子においては、フリー層として用いられる、第１および第４の強磁性層３２、３８、または第２および第３の強磁性層３４、３６のいずれかの組がＣｏ基合金（たとえばＣｏ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｎｉなど）またはＣｏ基合金／Ｎｉ−Ｆｅ合金／Ｃｏ基合金の三層膜からなる。

図４に本発明の第４の磁気抵抗効果素子を示す。この磁気抵抗効果素子４０では、第１の強磁性層４１／第１の誘電体層４２／第２の強磁性層４３／第１の非磁性層４４／第３の強磁性層４５／第２の非磁性層４６／第４の強磁性層４７／第２の誘電体層４８／第５の強磁性層４９を積層して強磁性二重トンネル接合を形成している。この素子では、第１ないし第５の強磁性層にトンネル電流を流す。また、互いに隣り合う第２、第３、第４の強磁性層４３、４５、４７は非磁性層４４、４６を介して反強磁性結合している。この素子では、第２ないし第４の強磁性層４３、４５、４７がピン層、第１および第５の強磁性層４１、４９がフリー層（ＭＲＡＭの場合には磁気記録層）である。第４の磁気抵抗効果素子では、フリー層である第１および第５の強磁性層４１、４９がＣｏ基合金（たとえばＣｏ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｎｉなど）またはＣｏ基合金／Ｎｉ−Ｆｅ合金／Ｃｏ基合金の三層膜からなる。

図５に第４の磁気抵抗効果素子の変形例を示す。図５の磁気抵抗効果素子では、図４の第３の強磁性層４５の代わりに、その強磁性層の中間に反強磁性層を設けた構造すなわち強磁性層４５ａ／反強磁性層５０／強磁性層４５ｂの三層膜を形成している。

なお、第４の磁気抵抗効果素子を構成する第２および第４の強磁性層４３、４７の少なくとも一方に接触させて反強磁性層を設けてもよい。

本発明に係る強磁性二重トンネル接合を有する磁気抵抗効果素子は、少なくとも２層の誘電体層を有するので、１つのトンネル接合に実効的に印加される電圧が小さい。このため、磁気抵抗変化率の電圧依存性が顕著ではなく、所望の出力電圧値を得るために印加電圧を増やしても磁気抵抗変化率の低下が少ないというメリットがある。

本発明に係る強磁性二重トンネル接合を有する磁気抵抗効果素子は、上記の４つの基本構造のいずれも、磁化固着層（ピン層）のスピンが反強磁性層または反強磁性結合により固定されているので、書き込みを繰り返しても磁化固着層の磁気モーメントが回転することがなく、出力が徐々に低下するという問題を防止できる。

また、本発明に係る磁気抵抗効果素子では、フリー層（磁気記録層）に磁歪が小さいＣｏ基合金（Ｃｏ−Ｆｅ，Ｃｏ−Ｆｅ−Ｎｉ等）またはＣｏ基合金／Ｎｉ−Ｆｅ合金／Ｃｏ基合金の三層膜を用いている。フリー層は、図１における第２の強磁性層１４、図２における第１および第４の強磁性層２１、２７、図３における第１および第４の強磁性層３２、３８、または第２および第３の強磁性層３４、３６のいずれかの組、図４および図５における第１および第５の強磁性層４１、４９である。このため、反転磁場が小さく抑えられ、電流磁界を印加するために配線に流す電流を小さくすることができる。フリー層にＣｏ基合金／Ｎｉ−Ｆｅ合金／Ｃｏ基合金の三層膜を用いた場合、各層の膜厚比を変えることによって、反転磁場の大きさを自由に設計できる。

特に、図３の構造を有する磁気抵抗効果素子では、反転磁場は磁性体の保磁力ではなく磁性体／反強磁性体の界面に生じている交換磁場で決定される。そして、この交換磁場は第１および第３の反強磁性層３１、３９ならびに第２の反強磁性層３５の種類、膜厚、合金組成を変えることによって自由に設計できるという利点がある。このため、図３の基本構造は、上述した４つの基本構造のうちでも好ましい特性を示す。また、図３の構造は、加工寸法がサブミクロンになり、接合面積が非常に小さくなった場合に特に有効である。すなわち、加工寸法がサブミクロンになった場合には、書き込み磁場が加工ダメージやフリー層（磁気記録層）のドメインの影響によってばらつきやすくなる。これに対して、図３の構造のようにフリー層（磁気記録層）に接して反強磁性層が設けられている場合、書き込み磁場を交換磁場に基づいて設計することができるため、書き込み磁場のばらつきを回避できる。このため、素子の歩留りも著しく向上することができる。

一方、本発明の磁気抵抗効果素子を微細加工する際に、加工精度を上げるためには全体の膜厚が薄いことが好ましい。この点では、図２、図４または図５のように反強磁性層がなるべく少ない構造が好ましい。

次に、本発明の磁気抵抗効果素子を構成する各層に用いられる材料について説明する。フリー層（磁気記録層）には、上述したようにＣｏ基合金（Ｃｏ−Ｆｅ，Ｃｏ−Ｆｅ−Ｎｉ等）またはＣｏ基合金／Ｎｉ−Ｆｅ合金／Ｃｏ基合金の三層膜が用いられる。また、これらの合金にＡｇ，Ｃｕ，Ａｕ，Ａｌ，Ｍｇ，Ｓｉ，Ｂｉ，Ｔａ，Ｂ，Ｃ，Ｏ，Ｎ，Ｓｉ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｚｒ，Ｉｒ，Ｗ，Ｍｏ，Ｎｂなどの非磁性元素を多少添加してもよい。本発明の磁気抵抗効果素子は、磁気抵抗効果型磁気ヘッド、磁気記録素子、磁界センサー等に適用することができ、これらの用途ではフリー層に一軸異方性を付与することが好ましい。

フリー層の厚さは、０．１ｎｍ〜１００ｎｍが好ましく、０．５〜５０ｎｍがより好ましく、１〜５ｎｍが最も好ましい。フリー層の厚さが１ｎｍ未満になると、フリー層が連続膜にならず、誘電体層中に強磁性粒子が分散した、いわゆるグラニュラー構造となるおそれがある。この結果、接合特性の制御が困難になりスイッチング磁場がばらつくおそれがあるうえに、微粒子の大きさによっては室温で超常磁性となりＭＲ変化率が極端に低下するという問題も生じる。一方、フリー層の厚さが５ｎｍを超えると、磁気抵抗効果素子をＭＲＡＭに応用するにあたり例えば０．２５μｍルールで素子を設計したときに、反転磁場が１００Ｏｅを超えるため配線に大電流を流す必要が生じる。また、フリー層の厚さが５ｎｍを超えると、ＭＲ変化率がバイアス電圧の上昇とともに低下する、いわゆるバイアス依存性が顕著になる。フリー層の厚さが１〜５ｎｍの範囲であれば、微細化に伴う反転磁場の増大およびＭＲ変化率のバイアス依存性が抑制される。また、フリー層の厚さがこの範囲であれば、加工精度も良好になる。

ピン層の材料は特に制限されず、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉまたはこれらの合金、スピン分極率の大きいマグネタイト、ＣｒＯ₂、ＲＸＭｎＯ_3-y（Ｒ；希土類、Ｘ；Ｃａ，Ｂａ，Ｓｒ）などの酸化物、ＮｉＭｎＳｂ，ＰｔＭｎＳｂなどのホイスラー合金などを用いることができる。ピン層は超常磁性にならない程度の厚さが必要であり、０．４ｎｍ以上であることが好ましい。また、強磁性を失わないかぎり、これら磁性体にＡｇ，Ｃｕ，Ａｕ，Ａｌ，Ｍｇ，Ｓｉ，Ｂｉ，Ｔａ，Ｂ，Ｃ，Ｏ，Ｎ，Ｓｉ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｚｒ，Ｉｒ，Ｗ，Ｍｏ，Ｎｂなどの非磁性元素を多少添加してもよい。

なお、反強磁性層によってピン層を強く固定したい場合、ピン層として強磁性層／非磁性層／強磁性層の三層膜を用い、非磁性層を介して積層された２層の強磁性層を反強磁性結合させてもよい。非磁性層の材料は特に限定されず、Ｒｕ，Ｉｒ，Ｃｒ，Ｃｕなどの金属を用いることができる。非磁性層の膜厚を調整することによって、磁性層間に反強磁性結合が生じる。非磁性層の膜厚は０．５〜２．５ｎｍであることが好ましい。耐熱性および反強磁性結合の強さなどを考慮すると、非磁性層の膜厚は０．７〜１．３ｎｍであることがより好ましい。具体的には、Ｃｏ（またはＣｏ−Ｆｅ）／Ｒｕ／Ｃｏ（またはＣｏ−Ｆｅ），Ｃｏ（またはＣｏ−Ｆｅ）／Ｉｒ／Ｃｏ（またはＣｏ−Ｆｅ）などの三層膜が挙げられる。

反強磁性層の材料としては、Ｆｅ−Ｍｎ，Ｐｔ−Ｍｎ，Ｐｔ−Ｃｒ−Ｍｎ，Ｎｉ−Ｍｎ，Ｉｒ−Ｍｎ，ＮｉＯ，Ｆｅ₂Ｏ₃などを用いることができる。

誘電体層の材料としては、Ａｌ₂Ｏ₃，ＳｉＯ₂，ＭｇＯ，ＡｌＮ，Ｂｉ₂Ｏ₃，ＭｇＦ₂，ＣａＦ₂，ＳｒＴｉＯ₂，ＡｌＬａＯ₃などを用いることができる。誘電体層は、酸素、窒素またはフッ素の欠損が生じていてもよい。誘電体層の厚さは特に限定されないが、薄い方が好ましく、１０ｎｍ以下、さらに５ｎｍ以下であることが好ましい。

本発明の磁気抵抗効果素子が形成される基板は特に限定されず、Ｓｉ，ＳｉＯ₂，Ａｌ₂Ｏ₃，スピネル，ＡｌＮなど各種基板を用いることができる。本発明においては、基板上に下地層を介して磁気抵抗効果素子を積層してもよく、また磁気抵抗効果素子の上部に保護層を設けてもよい。これらの下地層および保護層の材料としては、Ｔａ、Ｔｉ、Ｗ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕ、Ｔｉ／Ｐｔ、Ｔａ／Ｐｔ、Ｔｉ／Ｐｄ、Ｔａ／Ｐｄ、またはＴｉＮｘなどの窒化物などを用いることが好ましい。

本発明に係る磁気抵抗効果素子は、各種スパッタ法、蒸着法、分子線エピタキシャル法などの通常の成膜方法を用いて各層を形成することにより製造することができる。

次に、本発明の磁気抵抗効果素子を適用した磁気記録素子（ＭＲＡＭ）について説明する。本発明の磁気抵抗効果素子を適用するＭＲＡＭは、非破壊読み出しおよび破壊読み出しのいずれの場合でも、上述した電流磁界を印加するために配線に流す電流を小さくできるという効果を得ることができる。

具体的なＭＲＡＭの形態としては、トランジスタ上に強磁性二重トンネル接合素子を積層した構造、またはダイオードと強磁性二重トンネル接合素子とを積層した構造が考えられている。以下で説明するように、これらの構造では特に第１または第３の強磁性二重トンネル接合素子を適用し、少なくとも最上層の反強磁性層をビットラインの一部として用いることが好ましい。

図６および図７を参照して、ＭＯＳトランジスタ上に例えば第１の強磁性二重トンネル接合素子（図１）を積層した構造を有するＭＲＡＭを説明する。図６は３×３セルのＭＲＡＭの等価回路図、図７は１セルのＭＲＡＭの断面図を示す。

図６の等価回路図に示すように、トランジスタ６０と図１の強磁性二重トンネル接合素子（ＴＭＲ）１０とからなる記録セルはマトリックス状に配列されている。トランジスタ６０のゲート電極からなる読み出し用のワードライン（ＷＬ１）６２と、書き込み用のワードライン（ＷＬ２）７１とは平行に配置されている。また、ＴＭＲ１０の他端（上部）と接続されたビットライン（ＢＬ）７４は、ワードライン（ＷＬ１）６２およびワードライン（ＷＬ２）７１と直交して配置されている。

図７に示すように、シリコン基板６１、ゲート電極６２、ソース、ドレイン領域６３、６４からなるトランジスタ６０が形成されている。ゲート電極６２は読み出し用のワードライン（ＷＬ１）を構成している。ゲート電極６２上には絶縁層を介して書き込み用のワードライン（ＷＬ２）７１が形成されている。トランジスタ６０のドレイン領域６４にはコンタクトメタル７２が接続され、さらにコンタクトメタル７２には下地層７３が接続されている。この下地層７３上の書き込み用のワードライン（ＷＬ２）７１の上方に対応する位置に、図１に示したような強磁性二重トンネル接合素子（ＴＭＲ）１０が形成されている。すなわち、下地層７３上に、第１の反強磁性層１１／第１の強磁性層（ピン層）１２／第１の誘電体層１３／第２の強磁性層（フリー層）１４／第２の誘電体層１５／第３の強磁性層（ピン層）１６ａ、１６ｂ／第２の反強磁性層１７が積層されている。この例では、ピン層を１６ａ、１６ｂの二層で構成している。このＴＭＲ１０の第２の反強磁性層１７上にビットライン（ＢＬ）７４の金属層が形成されている。

図７に示すように、フリー層である第２の強磁性層１４の面積と上部の反強磁性層１７およびピン層１６ｂの面積とは異なっており、上部の反強磁性層１７およびピン層１６ｂはビットライン７４の一部を構成している。すなわち、ビットライン７４はピン層１６ｂ／反強磁性層１７／金属層の積層体からなっている。なお、反強磁性層１７の下に反強磁性層１７と同一面積のピン層１６ｂを設けずに、ビットライン７４を反強磁性層１７／金属層で構成してもよい。

この構造では、大きな面積を有する反強磁性層１７によりピン層１６ｂ、１６ａのスピンをより安定に固着することができ、書き込みを繰り返してもピン層１６ｂ、１６ａの磁気モーメントが回転することがなく、出力の低下を有効に防止できる。

また、ＴＭＲ１０のフリー層１４より上部の構造は、フリー層１４／第２の誘電体層１５／ピン層１６ａの成膜およびパターニングと、ピン層１６ｂ／反強磁性層１７／金属層の成膜およびパターニングにより形成される。従来は、ＴＭＲ１０のフリー層１４より上部の構造は、フリー層１４／第２の誘電体層１５／ピン層１６／反強磁性層１７の成膜およびパターニングと、ビットライン金属層の成膜およびパターニングにより形成されていた。したがって、図７の構造を採用すれば、比較的膜厚の厚い反強磁性層１７のパターニング工程が別工程に分離されるので、上記の最初のパターニングでは一度に微細加工すべき膜厚を薄くできる。このため、強磁性トンネル接合部の加工ダメージを少なくできるとともに、加工精度を向上できる。

図８および図９を参照して、ダイオードと例えば第１の強磁性トンネル接合素子（図１）とを積層した構造を有するＭＲＡＭを説明する。図８は３×３セルのＭＲＡＭの等価回路図、図９はＭＲＡＭの斜視図である。

図８の等価回路図に示すように、ダイオード８０とＴＭＲ１０との積層体からなる記録セルはマトリックス状に配列されている。ダイオード８０とＴＭＲ１０との積層体はワードライン（ＷＬ）９１上に形成され、ダイオード８０の一端とワードライン（ＷＬ）９１とが接続されている。ＴＭＲ１０の他端には、ワードライン（ＷＬ）９１と直交して配置されたビットライン（ＢＬ）９２が接続されている。

図９に示すように、ワードライン（ＷＬ）９１の金属層上にシリコンダイオード８０が形成され、その上に下地層８１が形成されている。原子拡散を防ぐために金属層とシリコンダイオードとの間にＴｉＮｘなどの窒化膜を設けてもよい。この下地層８１上に、図１に示したような強磁性二重トンネル接合素子（ＴＭＲ）１０が形成されている。すなわち、下地層８１上に、第１の反強磁性層１１／第１の強磁性層（ピン層）１２／第１の誘電体層１３／第２の強磁性層（フリー層）１４／第２の誘電体層１５／第３の強磁性層（ピン層）１６ａ、１６ｂ／第２の反強磁性層１７が積層されている。この例では、ピン層を１６ａ、１６ｂの二層で構成している。このＴＭＲ１０の第２の反強磁性層１７上にビットライン（ＢＬ）９２の金属層が形成されている。

このような構造のＭＲＡＭでも、図７を参照して説明したのと同様な効果が得られる。すなわち、大きな面積を有する反強磁性層１７によりピン層１６ｂ、１６ａのスピンをより安定に固着することができ、書き込みを繰り返してもピン層１６ｂ、１６ａの磁気モーメントが回転することがなく、出力の低下を有効に防止できる。また、比較的膜厚の厚い反強磁性層１７のパターニング工程が別工程に分離されるので、強磁性トンネル接合部の加工ダメージを少なくできるとともに、加工精度を向上できる。

なお、ＭＲＡＭの用途では、フリー層に強磁性層／非磁性層／強磁性層の三層膜を使用し、非磁性層を介して強磁性層を反強磁性結合させてもよい。このような構成では、磁束が三層膜内で閉じているため、電流磁界によりフリー層の磁気モーメントを反転させたときに、ピン層への静磁場の影響がなくなるとともに、記録層からの漏れ磁束を小さくできるため、スイッチング磁界を小さくできる。このため、書き込みによって磁化固着層の一部の磁気モーメントが回転して出力が徐々に低下するという問題がなくなる。この構成では、強磁性層／非磁性層／強磁性層のうち、電流磁界を印加するためのワード線に近い方の強磁性層を、よりソフトな強磁性体で形成するか、膜厚をより厚くすることが好ましい。三層膜を構成する２つの強磁性層の膜厚を異ならせる場合、膜厚の差を０．５〜５ｎｍの範囲にすることが好ましい。

本発明に係る他のＭＲＡＭについて説明する。このＭＲＡＭは、磁化方向が固着された第１の磁化固着層と、第１の誘電体層と、磁化方向が反転可能な磁気記録層と、第２の誘電体層と、磁化方向が固着された第２の磁化固着層とを有する強磁性二重トンネル接合素子を含む。そして、磁気記録層は、磁性層、非磁性層、および磁性層の三層膜を含み、この三層膜を構成する２つの磁性層が反強磁性結合している。このように２つの磁性層が反強磁性結合して磁気記録層で磁束が閉じているので、スイッチング磁界を低減でき、配線に流す電流密度を低減できる。また、２つの磁化固着層の誘電体層に接する領域の磁化が実質的に反平行である。このため、２つの磁化固着層のうちどちらを通して磁気記録層に電流を流すかを選択することによって、磁気記録層にアップスピン電流またはダウンスピン電流を供給するかを選択できる。このため、スピン電流の供給方向を変化させて磁気記録層の磁化を容易に反転させることができ、ＴＭＲ素子に流す電流を低減できる。このように、このＭＲＡＭは、磁気記録層にスピン電流を供給するとともに電流磁界を印加するのに適した構造を有しており、配線およびＴＭＲ素子に流す電流密度を抑えることができる。

上記の強磁性二重トンネル接合素子を構成する反強磁性結合した磁気記録層は強磁性層と非磁性金属層とを交互に積層することによって容易に作製できる。反強磁性結合した磁気記録層は膜厚が薄い方が容易に微細加工できるため、強磁性層／非磁性金属層／強磁性層からなる三層膜であることが好ましい。また、反強磁性結合した強磁性層として強磁性層／ソフト磁性層／強磁性層からなる三層膜を用いてもよい。特に、強磁性層としてＣｏ_xＦｅ_1-x（０．５≦ｘ＜１．０）を用いた場合、２つのＣｏ_xＦｅ_1-x層の間に例えばＮｉ−Ｆｅ合金からなる薄いソフト磁性層を挿入すれば、スイッチング磁界を格段に小さくすることができる。これは、Ｎｉ−Ｆｅ合金層がｆｃｃ（１１１）配向であり、その上のＣｏ_xＦｅ_1-x層もｆｃｃ（１１１）配向となり、Ｃｏ_xＦｅ_1-x自体のスイッチング磁界が低減すること、および強磁性層のトータルの磁化の値が小さくなることによる。

したがって、反強磁性結合した磁気記録層の例としては、（ａ）強磁性層／非磁性層／強磁性層、（ｂ）（強磁性層／ソフト磁性層／強磁性層）／非磁性層／強磁性層、（ｃ）（強磁性層／ソフト磁性層／強磁性層）／非磁性層／（強磁性層／ソフト磁性層／強磁性層）などが挙げられる。この場合、反強磁性結合の強さは０．５ｅｒｇ／ｃｍ²以上とある程度大きいことが好ましい。磁化固着膜も、磁気記録層と同様な積層構造とし、反強磁性結合させてもよい。

図１０〜図１２を参照して、このＭＲＡＭに用いられる強磁性二重トンネル接合素子の例を説明する。

図１０の強磁性二重トンネル接合素子は、下地層１０１／第１の反強磁性層１０２／第１の磁化固着層１０３／第１の誘電体層１０４／強磁性層１０５ａ、非磁性層１０５ｂおよび強磁性層１０５ｃの三層膜からなる磁気記録層１０５／第２の誘電体層１０６／第２の磁化固着層１０７／第２の反強磁性層１０８／保護層１０９を積層した構造を有する。

磁気記録層１０５の強磁性層１０５ａおよび強磁性層１０５ｃは反強磁性結合している。第１の誘電体層１０４に接する第１の磁化固着層１０３と、第２の誘電体層１０６に接する第２の磁化固着層１０７は、それぞれの磁化が反平行になっている。

図１１の強磁性二重トンネル接合素子は、下地層１１１／第１の反強磁性層１１２／第１の磁化固着層１１３／第１の誘電体層１１４／強磁性層１１５ａ、非磁性層１１５ｂおよび強磁性層１１５ｃの三層膜からなる磁気記録層１１５／第２の誘電体層１１６／強磁性層１１７ａ、非磁性層１１７ｂおよび強磁性層１１７ｃの三層膜からなる第２の磁化固着層１１７／第２の反強磁性層１１８／保護層１１９を積層した構造を有する。

磁気記録層１１５の強磁性層１１５ａおよび強磁性層１１５ｃは反強磁性結合している。第２の磁化固着層１１７の強磁性層１１７ａおよび強磁性層１１７ｃは反強磁性結合している。第１の誘電体層１１４に接する第１の磁化固着層１１３と、第２の誘電体層１１６に接する第２の磁化固着層１１７を構成する強磁性層１１７ａは、それぞれの磁化が反平行になっている。

この場合、第１の磁化固着層１１３の長さを、第２の磁化固着層１１７および磁気記録層１１５の長さよりも長く形成して金属配線を兼ねるようにすることが好ましい。このような構成では、第２の磁化固着層１１７でも磁気記録層１１５でも磁束が閉じており、しかも長く形成された第１の磁化固着層１１３からの漏れ磁束はほとんど影響がないので、隣接する記録層への静磁場の影響を低減できる。

図１２の強磁性二重トンネル接合素子は、下地層１２１／第１の反強磁性層１２２／強磁性層１２３ａ、非磁性層１２３ｂおよび強磁性層１２３ｃの三層膜からなる第１の磁化固着層１２３／第１の誘電体層１２４／強磁性層１２５ａ、非磁性層１２５ｂおよび強磁性層１２５ｃの三層膜からなる磁気記録層１２５／第２の誘電体層１２６／強磁性層１２７ａ、非磁性層１２７ｂ、強磁性層１２７ｃ、非磁性層１２７ｄ、強磁性層１２７ｅの五層膜からなる第２の磁化固着層１２７／第２の反強磁性層１２８／保護層１２９を積層した構造を有する。

磁気記録層１２５の強磁性層１２５ａおよび強磁性層１２５ｃは反強磁性結合している。第１の磁化固着層１２３の強磁性層１２３ａおよび強磁性層１２３ｃは反強磁性結合している。第２の磁化固着層１２７の強磁性層１２７ａ、強磁性層１２７ｃおよび強磁性層１２７ｅは反強磁性結合している。第１の誘電体層１１４に接する第１の磁化固着層１２３を構成する強磁性層１２３ｃと、第２の誘電体層１２６に接する第２の磁化固着層１２７を構成する強磁性層１２７ａは、それぞれの磁化が反平行になっている。この場合も、図１１と同様に、第１の磁化固着層１２３の長さを、第２の磁化固着層１１７および磁気記録層１１５の長さよりも長く形成してもよい。

図１３に、図１１の強磁性二重トンネル接合素子を用いたＭＲＡＭの断面図を示す。Ｓｉ基板１５１上のＳｉＯ₂絶縁層には溝が形成され、この溝に埋め込まれた金属からなるワードライン１５２が形成されている。ワードライン１５２上にはＳｉＯ₂絶縁層が形成され、その上に金属配線１５３と強磁性二重トンネル接合素子（ＴＭＲ素子）が形成されている。このＴＭＲ素子は、図１１に示すように下地層１１１／第１の反強磁性層１１２／第１の磁化固着層１１３／第１の誘電体層１１４／強磁性層１１５ａ、非磁性層１１５ｂおよび強磁性層１１５ｃの三層膜からなる磁気記録層１１５／第２の誘電体層１１６／強磁性層１１７ａ、非磁性層１１７ｂおよび強磁性層１１７ｃの三層膜からなる第２の磁化固着層１１７／第２の反強磁性層１１８／保護層１１９を積層した構造を有する。このＴＭＲ素子は所定の接合面積となるように加工されており、その周囲には層間絶縁膜が成膜されている。この層間絶縁膜上には、ＴＭＲ素子の保護層１１９と接続するビットライン１５４が形成されている。

このＭＲＡＭでは、ワードライン１５２に電流を流して磁気記録層１１５に電流磁界（例えば困難軸方向）を印加するとともに、ビットライン１５４から各層を通して磁気記録層１１５へダウンスピン電流を注入するか、または金属配線１５３から各層を通して磁気記録層１１５へアップスピン電流を注入することにより、磁気記録層１１５の磁化を反転させて書き込みを行う。このように、磁気記録層１１５にスピン電流を注入するとともに電流磁界を印加して書き込みを行えば、ＴＭＲ素子に流すスピン電流を低減するとともに配線（ワードライン）に流す電流密度を低減することができる。したがって、１Ｇｂ以上のＭＲＡＭでも、配線の溶融またはＴＭＲ素子のトンネルバリア層（誘電体層)の破壊を抑制することができ、信頼性を向上できる。

なお、図１３のＭＲＡＭでは、ビットライン１５４を流れる電流は磁気記録層１１５に、ワードライン１５２からの電流磁界とは方向の異なる（例えば容易軸方向の）電流磁界を印加するように作用する。この方向の電流磁界を増強するとともにその制御性を向上し、一方で磁気記録層１１５へ注入するスピン電流をより低減するために、図１４に示すように、ビットライン１５４上に絶縁層１５５、およびビットライン１５４と平行に延びる第２ワードライン１５６を形成してもよい。図１４のＭＲＡＭでは、ＴＭＲ素子に流す電流の向きの変化と、第２ワードライン１５６に流す電流の向きの変化を併用して、より小さい電流で磁気記録層１１５の磁化の反転を繰り返すことができる。

次に、本発明の磁気抵抗効果素子を適用した磁気抵抗効果ヘッドについて説明する。

図１５は本発明に係る強磁性二重トンネル接合素子を含む磁気抵抗効果ヘッドを搭載した磁気ヘッドアセンブリの斜視図である。アクチュエータアーム２０１は、磁気ディスク装置内の固定軸に固定されるための穴が設けられ、図示しない駆動コイルを保持するボビン部等を有する。アクチュエータアーム２０１の一端にはサスペンション２０２が固定されている。サスペンション２０２の先端には上述した各形態の強磁性二重トンネル接合素子を含む磁気抵抗効果ヘッドを搭載したヘッドスライダ２０３が取り付けられている。また、サスペンション２０２には信号の書き込みおよび読み取り用のリード線２０４が配線され、このリード線２０４の一端はヘッドスライダ２０３に組み込まれた磁気抵抗効果ヘッドの各電極に接続され、リード線２０４の他端は電極パッド２０５に接続されている。

図１６は図１５に示す磁気ヘッドアセンブリを搭載した磁気ディスク装置の内部構造を示す斜視図である。磁気ディスク２１１はスピンドル２１２に装着され、図示しない駆動装置制御部からの制御信号に応答する図示しないモータにより回転する。図１５のアクチュエータアーム２０１は固定軸２１３に固定され、サスペンション２０２およびその先端のヘッドスライダ２０３を支持している。磁気ディスク２１１が回転すると、ヘッドスライダ２０３の媒体対向面は磁気ディスク２１１の表面から所定量浮上した状態で保持され、情報の記録再生を行う。アクチュエータアーム２０１の基端にはリニアモータの１種であるボイスコイルモータ２１４が設けられている。ボイスコイルモータ２１４はアクチュエータアーム２０１のボビン部に巻き上げられた図示しない駆動コイルとこのコイルを挟み込むように対向して配置された永久磁石および対向ヨークからなる磁気回路とから構成される。アクチュエータアーム２０１は固定軸２１３の上下２個所に設けられた図示しないボールベアリングによって保持され、ボイスコイルモータ２１４により回転摺動が自在にできるようになっている。

磁気抵抗効果ヘッドの用途では、第１、第２および第４の強磁性二重トンネル接合素子（図１，図２および図４）を用いることが好ましく、第１の強磁性二重トンネル接合素子を用いることがより好ましい。また、磁気抵抗効果ヘッドの用途では、磁場中成膜または磁場中熱処理により、隣り合うピン層とフリー層のスピンをほぼ直交させることが好ましい。このようにすれば、磁気ディスクからの漏れ磁場に対して線形応答が得られ、どのようなヘッド構造でも使用できる。

以下、本発明の実施例について説明する。

実施例１
Ｓｉ／ＳｉＯ₂基板またはＳｉＯ₂基板上に図１に示すような構造を有する２種の強磁性二重トンネル接合素子（試料Ａおよび試料Ｂ）を作製した例を説明する。

試料Ａは、Ｔａ下地層、Ｆｅ−Ｍｎ／Ｎｉ−Ｆｅの二層膜からなる第１の反強磁性層、ＣｏＦｅからなる第１の強磁性層、Ａｌ₂Ｏ₃からなる第１の誘電体層、Ｃｏ₉Ｆｅからなる第２の強磁性層、Ａｌ₂Ｏ₃からなる第２の誘電体層、ＣｏＦｅからなる第３の強磁性層、Ｎｉ−Ｆｅ／Ｆｅ−Ｍｎの二層膜からなる第２の反強磁性層、Ｔａ保護層を順次積層した構造を有する。

試料Ｂは、Ｔａ下地層、Ｉｒ−Ｍｎからなる第１の反強磁性層、Ｃｏ−Ｆｅからなる第１の強磁性層、Ａｌ₂Ｏ₃からなる第１の誘電体層、ＣｏＦｅ／Ｎｉ−Ｆｅ／ＣｏＦｅの三層膜からなる第２の強磁性層、Ａｌ₂Ｏ₃からなる第２の誘電体層、ＣｏＦｅからなる第３の強磁性層、Ｉｒ−Ｍｎからなる第２の反強磁性層、Ｔａ保護層を順次積層した構造を有する。

試料Ａは以下のようにして作製した。基板をスパッタ装置に入れ、初期真空度を１×１０^-7Ｔｏｒｒに設定した後、Ａｒを導入して所定の圧力に設定した。基板上に、Ｔａ ５ｎｍ／Ｆｅ₅₄Ｍｎ₄₆ ２０ｎｍ／Ｎｉ₈Ｆｅ₂ ５ｎｍ／ＣｏＦｅ ３ｎｍ／Ａｌ₂Ｏ₃ １．７ｎｍ／Ｃｏ₉Ｆｅ ３ｎｍ／Ａｌ₂Ｏ₃ ２ｎｍ／ＣｏＦｅ ３ｎｍ／Ｎｉ₈Ｆｅ₂ ５ｎｍ／Ｆｅ₅₄Ｍｎ₄₆ ２０ｎｍ／Ｔａ ５ｎｍを順次積層した。なお、Ａｌ₂Ｏ₃は、純Ａｒガス中でＡｌターゲットを用いてＡｌを成膜した後、真空を破ることなく酸素を導入しプラズマ酸素に曝すことによって形成した。

上記積層膜を成膜した後、フォトリソグラフィ技術により最上部のＴａ保護層上に１００μｍ幅の下部配線形状を規定する第１のレジストパターンを形成し、イオンミリング技術を用いて加工した。

次に、第１のレジストパターンを除去した後、フォトリソグラフィ技術により最上部のＴａ保護層上に接合寸法を規定する第２のレジストパターンを形成し、イオンミリング技術を用いて第１のＡｌ₂Ｏ₃より上部のＣｏ₉Ｆｅ／Ａｌ₂Ｏ₃／ＣｏＦｅ／Ｎｉ−Ｆｅ／Ｆｅ−Ｍｎ／Ｔａを加工した。第２のレジストパターンを残したまま、電子ビーム蒸着により厚さ３００ｎｍのＡｌ₂Ｏ₃を堆積した後、第２のレジストパターンおよびその上のＡｌ₂Ｏ₃をリフトオフし、接合部以外の部分に層間絶縁膜を形成した。

次いで、電極配線の形成領域以外の領域を覆う第３のレジストパターンを形成した後、表面を逆スパッタしてクリーニングした。全面にＡｌを堆積した後、第３のレジストパターンおよびその上のＡｌをリフトオフして、Ａｌ電極配線を形成した。その後、磁場中熱処理炉に導入し、ピン層に一方向異方性を導入した。

試料Ｂは以下のようにして作製した。基板をスパッタ装置に入れ、初期真空度を１×１０^-7Ｔｏｒｒに設定した後、Ａｒを導入して所定の圧力に設定した。基板上に、Ｔａ ５ｎｍ／Ｉｒ₂₂Ｍｎ₇₈ ２０ｎｍ／ＣｏＦｅ ３ｎｍ／Ａｌ₂Ｏ₃１．５ｎｍ／ＣｏＦｅ １ｎｍ／Ｎｉ₈Ｆｅ₂ ｔ（ｔ＝１、２または３ｎｍ）／ＣｏＦｅ １ｎｍ／Ａｌ₂Ｏ₃ １．８ｎｍ／ＣｏＦｅ ３ｎｍ／Ｉｒ₂₂Ｍｎ₇₈２０ｎｍ／Ｔａ ５ｎｍを順次積層した。Ａｌ₂Ｏ₃は上記と同様な方法により形成した。

上記積層膜を成膜した後、フォトリソグラフィ技術により最上部のＴａ保護層上に１００μｍ幅の下部配線形状を規定する第１のレジストパターンを形成し、イオンミリング技術を用いて加工した。次に、第１のレジストパターンを除去した後、フォトリソグラフィ技術により最上部のＴａ保護層上に接合寸法を規定する第２のレジストパターンを形成し、イオンミリング技術を用いて第１のＡｌ₂Ｏ₃より上部のＣｏＦｅ／Ｎｉ₈Ｆｅ₂／ＣｏＦｅ／Ａｌ₂Ｏ₃／ＣｏＦｅ／Ｉｒ₂₂Ｍｎ₇₈／Ｔａを加工した。次いで、上記と同様にして、Ａｌ₂Ｏ₃層間絶縁膜の形成、Ａｌ電極配線の形成、ピン層への一方向異方性の導入を行った。

また、比較のために、以下のような試料Ｃおよび試料Ｄを作製した。試料Ｃは強磁性一重トンネル接合素子であり、Ｔａ／Ｉｒ−Ｍｎ／ＣｏＦｅ／Ａｌ₂Ｏ₃／ＣｏＦｅ／Ｎｉ−Ｆｅ／Ｔａという積層構造を有する。

試料Ｄは反強磁性層を含まない強磁性二重トンネル接合であり、Ｔａ ５ｎｍ／ＣｏＰｔ ２０ｎｍ／Ａｌ₂Ｏ₃ １．５ｎｍ／ＣｏＦｅ １ｎｍ／Ｎｉ₈Ｆｅ₂３ｎｍ／ＣｏＦｅ １ｎｍ／Ａｌ₂Ｏ₃ １．８ｎｍ／ＣｏＰｔ ２０ｎｍ／Ｔａ ５ｎｍという積層構造を有する。

図１７に試料ＡおよびＢの磁気抵抗効果曲線を示す。試料Ａは２５Ｏｅという小さな磁場でＭＲ変化率２７％が得られている。試料Ｂではフリー層（磁気記録層）におけるＮｉ₈Ｆｅ₂とＣｏＦｅとの膜厚比を変えることで反転磁場を制御できることがわかる。すなわち、Ｎｉ₈Ｆｅ₂の膜厚が１ｎｍ、２ｎｍ、３ｎｍのとき、それぞれ１６Ｏｅ、３６Ｏｅ、５２Ｏｅという小さな磁場で抵抗が大きく変化し、２６％以上の大きなＭＲ変化率が得られている。

図１８に試料Ａ、ＢおよびＣについてＭＲ変化率の印加電圧依存性を示す。なお、この図ではＭＲ変化率を電圧０Ｖのときの値で規格化して示している。この図から、試料ＡおよびＢは、試料Ｃに比較して磁気抵抗変化率の値が半分になる電圧Ｖ_1/2が大きく、電圧増大に伴うＭＲ変化率の減少が小さいことがわかる。

次に、試料Ａ、ＢおよびＤをソレノイドコイル中に置き、パルス磁界７０Ｏｅ中で磁化固着層の磁気記録状態の疲労試験を行った。図１９に試料Ａ、ＢおよびＤについて、パルス磁場の反転回数と出力電圧との関係を示す。この図では、出力電圧を初期の出力電圧値で規格化している。この図から明らかなように、試料Ｄではパルス磁場の反転回数の増加に伴って出力電圧が著しく低下している。これに対して、試料ＡおよびＢは磁化固着層の磁気記録状態の疲労は見られない。

以上のように図１の構造を有する強磁性二重トンネル接合素子は、磁気記録素子、磁気ヘッドに適用した場合に好適な特性を示すことがわかる。

なお、誘電体層としてＳｉＯ₂，ＡｌＮ，ＭｇＯ，ＬａＡｌＯ₃またはＣａＦ₂を用いた場合にも上記と同様の傾向が見られた。

実施例２
Ｓｉ／ＳｉＯ₂基板またはＳｉＯ₂基板上に図２に示すような構造を有する２種の強磁性二重トンネル接合素子（試料Ａ２および試料Ｂ２）を作製した例を説明する。

試料Ａ２は、Ｔａ下地層、Ｎｉ−Ｆｅ／ＣｏＦｅの二層膜からなる第１の強磁性層、Ａｌ₂Ｏ₃からなる第１の誘電体層、ＣｏＦｅからなる第２の強磁性層、Ｉｒ−Ｍｎからなる反強磁性層、ＣｏＦｅからなる第３の強磁性層、Ａｌ₂Ｏ₃からなる第２の誘電体層、ＣｏＦｅ／Ｎｉ−Ｆｅの二層膜からなる第４の強磁性層、Ｔａ保護層を順次積層した構造を有する。

試料Ｂ２は、Ｔａ下地層、Ｎｉ−Ｆｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅの三層膜からなる第１の強磁性層、Ａｌ₂Ｏ₃からなる第１の誘電体層、ＣｏＦｅ／Ｎｉ−Ｆｅの二層膜からなる第２の強磁性層、Ｆｅ−Ｍｎからなる第１の反強磁性層、Ｎｉ−Ｆｅ／ＣｏＦｅの二層膜からなる第３の強磁性層、Ａｌ₂Ｏ₃からなる第２の誘電体層、ＣｏＦｅ／Ｒｕ／Ｎｉ−Ｆｅからなる第４の強磁性層、Ｔａ保護層を順次積層した構造を有する。

試料Ａ２は以下のようにして作製した。基板をスパッタ装置に入れ、初期真空度を１×１０^-7Ｔｏｒｒに設定した後、Ａｒを導入して所定の圧力に設定した。基板上に、Ｔａ ３ｎｍ／Ｎｉ₈₁Ｆｅ₁₉ ｔ（ｔ＝３、５または８ｎｍ）／ＣｏＦｅ １ｎｍ／Ａｌ₂Ｏ₃ １．２ｎｍ／ＣｏＦｅ １ｎｍ／Ｉｒ₂₂Ｍｎ₇₈ １７ｎｍ／ＣｏＦｅ １ｎｍ／Ａｌ₂Ｏ₃ １．６ｎｍ／ＣｏＦｅ １ｎｍ／Ｎｉ₈₁Ｆｅ₁₉ ｔ（ｔ＝３、５または８ｎｍ）／Ｔａ ５ｎｍを順次積層した。なお、Ａｌ₂Ｏ₃は、純Ａｒガス中でＡｌターゲットを用いてＡｌを成膜した後、真空を破ることなく酸素を導入しプラズマ酸素に曝すことによって形成した。

上記積層膜を成膜した後、フォトリソグラフィ技術により最上部のＴａ保護層上に１００μｍ幅の下部配線形状を規定する第１のレジストパターンを形成し、イオンミリング技術を用いて加工した。

次に、第１のレジストパターンを除去した後、フォトリソグラフィ技術により最上部のＴａ保護層上に接合寸法を規定する第２のレジストパターンを形成し、イオンミリング技術を用いて第１のＡｌ₂Ｏ₃より上部のＣｏＦｅ／Ｉｒ−Ｍｎ／ＣｏＦｅ／Ａｌ₂Ｏ₃／ＣｏＦｅ／Ｎｉ−Ｆｅ／Ｔａを加工した。第２のレジストパターンを残したまま、電子ビーム蒸着により厚さ３００ｎｍのＡｌ₂Ｏ₃を堆積した後、第２のレジストパターンおよびその上のＡｌ₂Ｏ₃をリフトオフし、接合部以外の部分に層間絶縁膜を形成した。

次いで、電極配線の形成領域以外の領域を覆う第３のレジストパターンを形成した後、表面を逆スパッタしてクリーニングした。全面にＡｌを堆積した後、第３のレジストパターンおよびその上のＡｌをリフトオフして、Ａｌ電極配線を形成した。その後、磁場中熱処理炉に導入し、ピン層に一方向異方性を導入した。

試料Ｂ２は以下のようにして作製した。基板をスパッタ装置に入れ、初期真空度を１×１０^-7Ｔｏｒｒに設定した後、Ａｒを導入して所定の圧力に設定した。基板上に、Ｔａ ２ｎｍ／Ｎｉ₈₁Ｆｅ₁₉ ６ｎｍ／Ｒｕ ０．７ｎｍ／Ｃｏ₄Ｆｅ₆ ３ｎｍ／Ａｌ₂Ｏ₃ １．５ｎｍ／ＣｏＦｅ １ｎｍ／Ｎｉ₈₁Ｆｅ₁₉ １ｎｍ／Ｆｅ₅₄Ｍｎ₄₆ ２０ｎｍ／Ｎｉ₈₁Ｆｅ₁₉ １ｎｍ／ＣｏＦｅ １ｎｍ／Ａｌ₂Ｏ₃ １．７ｎｍ／Ｃｏ₄Ｆｅ₆ ３ｎｍ／Ｒｕ ０．７ｎｍ／Ｎｉ₈₁Ｆｅ₁₉ ６ｎｍ／Ｔａ ５ｎｍを順次積層した。Ａｌ₂Ｏ₃は上記と同様な方法により形成した。

上記積層膜を成膜した後、フォトリソグラフィ技術により最上部のＴａ保護層上に１００μｍ幅の下部配線形状を規定する第１のレジストパターンを形成し、イオンミリング技術を用いて加工した。次に、第１のレジストパターンを除去した後、フォトリソグラフィ技術により最上部のＴａ保護層上に接合寸法を規定する第２のレジストパターンを形成し、イオンミリング技術を用いて第１のＡｌ₂Ｏ₃より上部のＣｏＦｅ／Ｎｉ₈₁Ｆｅ₁₉／Ｆｅ₅₄Ｍｎ₄₆／Ｎｉ₈₁Ｆｅ₁₉／ＣｏＦｅ／Ａｌ₂Ｏ₃／Ｃｏ₄Ｆｅ₆／Ｒｕ／Ｎｉ₈₁Ｆｅ₁₉／Ｔａを加工した。次いで、上記と同様にして、Ａｌ₂Ｏ₃層間絶縁膜の形成、Ａｌ電極配線の形成、ピン層への一方向異方性の導入を行った。

また、比較のために、以下のような試料Ｃ２および試料Ｄ２を作製した。試料Ｃ２は強磁性一重トンネル接合素子であり、Ｔａ ３ｎｍ／Ｎｉ₈₁Ｆｅ₁₉５ｎｍ／ＣｏＦｅ １ｎｍ／Ａｌ₂Ｏ₃ １．２ｎｍ／ＣｏＦｅ １ｎｍ／Ｉｒ₂₂Ｍｎ₇₈ １７ｎｍ／ＣｏＦｅ １ｎｍ／Ｔａ ５ｎｍという積層構造を有する。

試料Ｄ２は反強磁性層を含まない強磁性二重トンネル接合であり、Ｔａ ３ｎｍ／Ｎｉ₈₁Ｆｅ₁₉ ５ｎｍ／ＣｏＦｅ １ｎｍ／Ａｌ₂Ｏ₃ １．２ｎｍ／ＣｏＦｅ １ｎｍ／Ａｌ₂Ｏ₃ １．６ｎｍ／ＣｏＦｅ １ｎｍ／Ｎｉ₈₁Ｆｅ₁₉ ５ｎｍ／Ｔａ ５ｎｍという積層構造を有する。

図２０に試料Ａ２およびＢ２の磁気抵抗効果曲線を示す。試料Ａ２ではフリー層（磁気記録層）におけるＮｉ₈Ｆｅ₂とＣｏＦｅとの膜厚比を変えることで反転磁場を制御できることがわかる。すなわち、Ｎｉ₈Ｆｅ₂の膜厚が３ｎｍ、５ｎｍ、８ｎｍのとき、それぞれ１５Ｏｅ、２６Ｏｅ、３８Ｏｅという小さな磁場で抵抗が大きく変化し、２６％以上の大きなＭＲ変化率が得られている。試料Ｂ２は３９Ｏｅという小さな磁場でＭＲ変化率２６％が得られている。

図２１に試料Ａ２、Ｂ２およびＣ２についてＭＲ変化率の印加電圧依存性を示す。なお、この図ではＭＲ変化率を電圧０Ｖのときの値で規格化して示している。この図から、試料Ａ２およびＢ２は、試料Ｃ２に比較して磁気抵抗変化率の値が半分になる電圧Ｖ_1/2が大きく、電圧増大に伴うＭＲ変化率の減少が小さいことがわかる。

次に、試料Ａ２、Ｂ２およびＤ２をソレノイドコイル中に置き、パルス磁界７０Ｏｅ中で磁化固着層の磁気記録状態の疲労試験を行った。図２２に試料Ａ２、Ｂ２およびＤ２について、パルス磁場の反転回数と出力電圧との関係を示す。この図では、出力電圧を初期の出力電圧値で規格化している。この図から明らかなように、試料Ｄ２ではパルス磁場の反転回数の増加に伴って出力電圧が著しく低下している。これに対して、試料Ａ２およびＢ２は磁化固着層の磁気記録状態の疲労は見られない。また、試料Ａ２とＢ２との比較では、フリー層に反強磁性結合したＣｏ₄Ｆｅ₆／Ｒｕ／Ｎｉ₈₁Ｆｅ₁₉の三層構造を用いた試料Ｂ２の方が疲労が少ない。

以上のように図２の構造を有する強磁性二重トンネル接合素子は、磁気記録素子、磁気ヘッドに適用した場合に好適な特性を示すことがわかる。

なお、誘電体層としてＳｉＯ₂，ＡｌＮ，ＭｇＯ，ＬａＡｌＯ₃またはＣａＦ₂を用いた場合にも上記と同様の傾向が見られた。

実施例３
Ｓｉ／ＳｉＯ₂基板またはＳｉ／Ａｌ₂Ｏ₃基板上に図３に示すような構造を有する２種の強磁性二重トンネル接合素子（試料Ａ３および試料Ｂ３）を作製した例を説明する。

試料Ａ３は、Ｔａ下地層、Ｉｒ−Ｍｎからなる第１の反強磁性層、Ｃｏ−Ｆｅからなる第１の強磁性層、Ａｌ₂Ｏ₃からなる第１の誘電体層、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｎｉからなる第２の強磁性層、Ｆｅ−Ｍｎからなる第２の反強磁性層、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｎｉからなる第３の強磁性層、Ａｌ₂Ｏ₃からなる第２の誘電体層、Ｃｏ−Ｆｅからなる第４の強磁性層、Ｉｒ−Ｍｎからなる第３の反強磁性層、Ｔａ保護層を順次積層した構造を有する。

試料Ｂ３は、Ｔａ下地層、Ｉｒ−Ｍｎからなる第１の反強磁性層、Ｃｏ−Ｆｅ／Ｒｕ／Ｃｏ−Ｆｅの三層膜からなる第１の強磁性層、Ａｌ₂Ｏ₃からなる第１の誘電体層、ＣｏＦｅ／Ｎｉ−Ｆｅの二層膜からなる第２の強磁性層、Ｆｅ−Ｍｎからなる第２の反強磁性層、Ｎｉ−Ｆｅ／ＣｏＦｅの二層膜からなる第３の強磁性層、Ａｌ₂Ｏ₃からなる第２の誘電体層、Ｃｏ−Ｆｅ／Ｒｕ／Ｃｏ−Ｆｅの三層膜からなる第４の強磁性層、Ｉｒ−Ｍｎからなる第３の反強磁性層、Ｔａ保護層を順次積層した構造を有する。

試料Ａ３は以下のようにして作製した。基板をスパッタ装置に入れ、初期真空度を１×１０^-7Ｔｏｒｒに設定した後、Ａｒを導入して所定の圧力に設定した。基板上に、Ｔａ ５ｎｍ／Ｉｒ₂₂Ｍｎ₇₈ １８ｎｍ／ＣｏＦｅ ２ｎｍ／Ａｌ₂Ｏ₃ １．７ｎｍ／Ｃｏ₅Ｆｅ₁Ｎｉ₄ ２ｎｍ／Ｆｅ₁Ｍｎ₁ １７ｎｍ／Ｃｏ₅Ｆｅ₁Ｎｉ₄ ２ｎｍ／Ａｌ₂Ｏ₃ ２ｎｍ／ＣｏＦｅ ２ｎｍ／Ｉｒ₂₂Ｍｎ₇₈ １８ｎｍ／Ｔａ ５ｎｍを順次積層した。なお、Ａｌ₂Ｏ₃は、純Ａｒガス中でＡｌターゲットを用いてＡｌを成膜した後、真空を破ることなく酸素を導入しプラズマ酸素に曝すことによって形成した。

上記積層膜を成膜した後、フォトリソグラフィ技術により最上部のＴａ保護層上に１００μｍ幅の下部配線形状を規定する第１のレジストパターンを形成し、イオンミリング技術を用いて加工した。

次に、第１のレジストパターンを除去した後、フォトリソグラフィ技術により最上部のＴａ保護層上に接合寸法を規定する第２のレジストパターンを形成し、イオンミリング技術を用いて第１のＡｌ₂Ｏ₃より上部のＣｏ₅Ｆｅ₁Ｎｉ₄／Ｆｅ₁Ｍｎ₁／Ｃｏ₅Ｆｅ₁Ｎｉ₄／Ａｌ₂Ｏ₃／ＣｏＦｅ／Ｉｒ₂₂Ｍｎ₇₈／Ｔａを加工した。第２のレジストパターンを残したまま、電子ビーム蒸着により厚さ３５０ｎｍのＡｌ₂Ｏ₃を堆積した後、第２のレジストパターンおよびその上のＡｌ₂Ｏ₃をリフトオフし、接合部以外の部分に層間絶縁膜を形成した。

次いで、電極配線の形成領域以外の領域を覆う第３のレジストパターンを形成した後、表面を逆スパッタしてクリーニングした。全面にＡｌを堆積した後、第３のレジストパターンおよびその上のＡｌをリフトオフして、Ａｌ電極配線を形成した。その後、磁場中熱処理炉に導入し、ピン層に一方向異方性を導入した。

試料Ｂ３は以下のようにして作製した。基板をスパッタ装置に入れ、初期真空度を１×１０^-7Ｔｏｒｒに設定した後、Ａｒを導入して所定の圧力に設定した。基板上に、Ｔａ ３ｎｍ／Ｉｒ−Ｍｎ １４ｎｍ／Ｃｏ−Ｆｅ １．５ｎｍ／Ｒｕ ０．７ｎｍ／Ｃｏ−Ｆｅ １．５ｎｍ／Ａｌ₂Ｏ₃ １．７ｎｍ／ＣｏＦｅ１ｎｍ／Ｎｉ₈₁Ｆｅ₁₉ ２ｎｍ／Ｆｅ₄₅Ｍｎ₅₅ １９ｎｍ／Ｎｉ₈₁Ｆｅ₁₉ ２ｎｍ／ＣｏＦｅ １ｎｍ／Ａｌ₂Ｏ₃ ２．１ｎｍ／Ｃｏ₉Ｆｅ ２ｎｍ／Ｒｕ ０．８ｎｍ／Ｃｏ₉Ｆｅ ２ｎｍ／Ｉｒ−Ｍｎ １４ｎｍ／Ｔａ ５ｎｍを順次積層した。Ａｌ₂Ｏ₃は上記と同様な方法により形成した。

上記積層膜を成膜した後、フォトリソグラフィ技術により最上部のＴａ保護層上に１００μｍ幅の下部配線形状を規定する第１のレジストパターンを形成し、イオンミリング技術を用いて加工した。次に、第１のレジストパターンを除去した後、フォトリソグラフィ技術により最上部のＴａ保護層上に接合寸法を規定する第２のレジストパターンを形成し、イオンミリング技術を用いて第１のＡｌ₂Ｏ₃より上部のＣｏＦｅ／Ｎｉ₈₁Ｆｅ₁₉／Ｆｅ₄₅Ｍｎ₅₅／Ｎｉ₈₁Ｆｅ₁₉／ＣｏＦｅ／Ａｌ₂Ｏ₃／Ｃｏ₉Ｆｅ／Ｒｕ／Ｃｏ₉Ｆｅ／Ｉｒ−Ｍｎ／Ｔａを加工した。次いで、上記と同様にして、Ａｌ₂Ｏ₃層間絶縁膜の形成、Ａｌ電極配線の形成、ピン層への一方向異方性の導入を行った。

また、比較のために、以下のような試料Ｃ３および試料Ｄ３を作製した。試料Ｃ３は強磁性一重トンネル接合素子であり、Ｔａ ３ｎｍ／Ｉｒ−Ｍｎ１４ｎｍ／Ｃｏ−Ｆｅ １．５ｎｍ／Ｒｕ ０．７ｎｍ／Ｃｏ−Ｆｅ １．５ｎｍ／Ａｌ₂Ｏ₃ １．７ｎｍ／ＣｏＦｅ １ｎｍ／Ｎｉ₈₁Ｆｅ₁₉ ２ｎｍ／Ｆｅ₄₅Ｍｎ₅₅ １９ｎｍ／Ｔａ ５ｎｍという積層構造を有する。

試料Ｄ３は反強磁性層を含まない強磁性二重トンネル接合であり、Ｔａ ５ｎｍ／Ｃｏ₈Ｐｔ₂ １５ｎｍ／ＣｏＦｅ ２ｎｍ／Ａｌ₂Ｏ₃ １．７ｎｍ／Ｃｏ₅Ｆｅ₁Ｎｉ₄ ２ｎｍ／Ａｌ₂Ｏ₃ ２ｎｍ／ＣｏＦｅ ２ｎｍ／Ｃｏ₈Ｐｔ₂ １５ｎｍ／Ｔａ ５ｎｍという積層構造を有する。

図２３に試料Ａ３およびＢ３の磁気抵抗効果曲線を示す。試料Ａ３は５７Ｏｅという小さな磁場でＭＲ変化率２６％が得られている。試料Ｂ３は６３Ｏｅという小さな磁場でＭＲ変化率２７％が得られている。

図２４に試料Ａ３、Ｂ３およびＣ３についてＭＲ変化率の印加電圧依存性を示す。なお、この図ではＭＲ変化率を電圧０Ｖのときの値で規格化して示している。この図から、試料Ａ３およびＢ３は、試料Ｃ３に比較して磁気抵抗変化率の値が半分になる電圧Ｖ_1/2が大きく、電圧増大に伴うＭＲ変化率の減少が小さいことがわかる。

次に、試料Ａ３、Ｂ３およびＤ３をソレノイドコイル中に置き、パルス磁界７５Ｏｅ中で磁化固着層の磁気記録状態の疲労試験を行った。図２５に試料Ａ３、Ｂ３およびＤ３について、パルス磁場の反転回数と出力電圧との関係を示す。この図では、出力電圧を初期の出力電圧値で規格化している。この図から明らかなように、試料Ｄ３ではパルス磁場の反転回数の増加に伴って出力電圧が著しく低下している。これに対して、試料Ａ３およびＢ３は磁化固着層の磁気記録状態の疲労は見られない。また、試料Ａ３とＢ３との比較では、フリー層に反強磁性結合したＣｏ₉Ｆｅ／Ｒｕ／Ｃｏ₉Ｆｅの三層構造を用いた試料Ｂ３の方が疲労が少ない。

以上のように図３の構造を有する強磁性二重トンネル接合素子は、磁気記録素子、磁気ヘッドに適用した場合に好適な特性を示すことがわかる。

なお、誘電体層としてＳｉＯ₂，ＡｌＮ，ＭｇＯ，ＬａＡｌＯ₃またはＣａＦ₂を用いた場合にも上記と同様の傾向が見られた。

実施例４
Ｓｉ／ＳｉＯ₂基板またはＳｉ／ＡｌＮ基板上に図４または図５に示すような構造を有する２種の強磁性二重トンネル接合素子（試料Ａ４および試料Ｂ４）を作製した例を説明する。

試料Ａ４は、Ｔａ下地層、Ｎｉ−Ｆｅ／Ｃｏ−Ｆｅの二層膜からなる第１の強磁性層、Ａｌ₂Ｏ₃からなる第１の誘電体層、Ｃｏ−Ｆｅからなる第２の強磁性層、Ｒｕからなる第１の非磁性層、Ｃｏ−Ｆｅからなる第３の強磁性層、Ｒｕからなる第２の非磁性層、Ｃｏ−Ｆｅからなる第４の強磁性層、Ａｌ₂Ｏ₃からなる第２の誘電体層、Ｃｏ−Ｆｅ／Ｎｉ−Ｆｅの二層膜からなる第５の強磁性層、Ｔａ保護層を順次積層した構造を有する。

試料Ｂ４は、Ｔａ下地層、Ｎｉ−Ｆｅ／Ｃｏ−Ｆｅの二層膜からなる第１の強磁性層、Ａｌ₂Ｏ₃からなる第１の誘電体層、Ｃｏ−Ｆｅからなる第２の強磁性層、Ｒｕからなる第１の非磁性層、Ｃｏ−Ｆｅ強磁性層／Ｉｒ−Ｍｎ反強磁性層／Ｃｏ−Ｆｅ強磁性層、Ｒｕからなる第２の非磁性層、Ｃｏ−Ｆｅからなる第４の強磁性層、Ａｌ₂Ｏ₃からなる第２の誘電体層、Ｃｏ−Ｆｅ／Ｎｉ−Ｆｅの二層膜からなる第５の強磁性層、Ｔａ保護層を順次積層した構造を有する。

試料Ａ４は以下のようにして作製した。基板をスパッタ装置に入れ、初期真空度を１×１０^-7Ｔｏｒｒに設定した後、Ａｒを導入して所定の圧力に設定した。基板上に、Ｔａ ５ｎｍ／Ｎｉ₈₁Ｆｅ₁₉ １６ｎｍ／Ｃｏ₄Ｆｅ₆ ３ｎｍ／Ａｌ₂Ｏ₃ １．７ｎｍ／ＣｏＦｅ ２ｎｍ／Ｒｕ ０．７ｎｍ／ＣｏＦｅ ２ｎｍ／Ｒｕ ０．７ｎｍ／ＣｏＦｅ ２ｎｍ／Ａｌ₂Ｏ₃ ２ｎｍ／Ｃｏ₄Ｆｅ₆ ３ｎｍ／Ｎｉ₈₁Ｆｅ₁₉ １６ｎｍ／Ｔａ ５ｎｍを順次積層した。なお、Ａｌ₂Ｏ₃は、純Ａｒガス中でＡｌターゲットを用いてＡｌを成膜した後、真空を破ることなく酸素を導入しプラズマ酸素に曝すことによって形成した。

上記積層膜を成膜した後、フォトリソグラフィ技術により最上部のＴａ保護層上に１００μｍ幅の下部配線形状を規定する第１のレジストパターンを形成し、イオンミリング技術を用いて加工した。

次に、第１のレジストパターンを除去した後、フォトリソグラフィ技術により最上部のＴａ保護層上に接合寸法を規定する第２のレジストパターンを形成し、イオンミリング技術を用いて第１のＡｌ₂Ｏ₃より上部のＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅ／Ａｌ₂Ｏ₃／Ｃｏ₄Ｆｅ₆／Ｎｉ₈₁Ｆｅ₁₉／Ｔａを加工した。第２のレジストパターンを残したまま、電子ビーム蒸着により厚さ３００ｎｍのＡｌ₂Ｏ₃を堆積した後、第２のレジストパターンおよびその上のＡｌ₂Ｏ₃をリフトオフし、接合部以外の部分に層間絶縁膜を形成した。

次いで、電極配線の形成領域以外の領域を覆う第３のレジストパターンを形成した後、表面を逆スパッタしてクリーニングした。全面にＡｌを堆積した後、第３のレジストパターンおよびその上のＡｌをリフトオフして、Ａｌ電極配線を形成した。その後、磁場中熱処理炉に導入し、ピン層に一方向異方性を導入した。

試料Ｂ４は以下のようにして作製した。基板をスパッタ装置に入れ、初期真空度を１×１０^-7Ｔｏｒｒに設定した後、Ａｒを導入して所定の圧力に設定した。基板上に、Ｔａ ５ｎｍ／Ｎｉ₈₁Ｆｅ₁₉ １５ｎｍ／Ｃｏ₉Ｆｅ ２ｎｍ／Ａｌ₂Ｏ₃ １．５ｎｍ／ＣｏＦｅ １．５ｎｍ／Ｒｕ ０．７ｎｍ／ＣｏＦｅ １．５ｎｍ／Ｉｒ−Ｍｎ １４ｎｍ／ＣｏＦｅ １．５ｎｍ／Ｒｕ ０．７ｎｍ／ＣｏＦｅ １．５ｎｍ／Ａｌ₂Ｏ₃ ２ｎｍ／Ｃｏ₉Ｆｅ ２ｎｍ／Ｎｉ₈₁Ｆｅ₁₉１５ｎｍ／Ｔａ ５ｎｍを順次積層した。Ａｌ₂Ｏ₃は上記と同様な方法により形成した。

上記積層膜を成膜した後、フォトリソグラフィ技術により最上部のＴａ保護層上に１００μｍ幅の下部配線形状を規定する第１のレジストパターンを形成し、イオンミリング技術を用いて加工した。次に、第１のレジストパターンを除去した後、フォトリソグラフィ技術により最上部のＴａ保護層上に接合寸法を規定する第２のレジストパターンを形成し、イオンミリング技術を用いて第１のＡｌ₂Ｏ₃より上部のＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅ／Ｉｒ−Ｍｎ／ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅ／Ａｌ₂Ｏ₃／Ｃｏ₉Ｆｅ／Ｎｉ₈₁Ｆｅ₁₉／Ｔａを加工した。次いで、上記と同様にして、Ａｌ₂Ｏ₃層間絶縁膜の形成、Ａｌ電極配線の形成、ピン層への一方向異方性の導入を行った。

また、比較のために、以下のような試料Ｃ４および試料Ｄ４を作製した。試料Ｃ４は強磁性一重トンネル接合素子であり、Ｔａ ５ｎｍ／Ｎｉ₈₁Ｆｅ₁₉１６ｎｍ／Ｃｏ₄Ｆｅ₆ ３ｎｍ／Ａｌ₂Ｏ₃ １．７ｎｍ／ＣｏＦｅ ２ｎｍ／Ｒｕ ０．７ｎｍ／ＣｏＦｅ ２ｎｍ／Ｒｕ ０．７ｎｍ／ＣｏＦｅ ２ｎｍ／Ｔａ ５ｎｍという積層構造を有する。

試料Ｄ４は反強磁性結合のない強磁性二重トンネル接合であり、Ｔａ ５ｎｍ／Ｎｉ₈₁Ｆｅ₁₉ １６ｎｍ／Ｃｏ₄Ｆｅ₆ ３ｎｍ／Ａｌ₂Ｏ₃ １．７ｎｍ／ＣｏＦｅ ６ｎｍ／Ａｌ₂Ｏ₃ ２ｎｍ／Ｃｏ₄Ｆｅ₆ ３ｎｍ／Ｎｉ₈₁Ｆｅ₁₉ １６ｎｍ／Ｔａ ５ｎｍという積層構造を有する。

図２６に試料Ａ４およびＢ４の磁気抵抗効果曲線を示す。試料Ａ４は３３Ｏｅという小さな磁場でＭＲ変化率２８％が得られている。試料Ｂ４は１８Ｏｅという小さな磁場でＭＲ変化率２６％が得られている。

図２７に試料Ａ４、Ｂ４およびＣ４についてＭＲ変化率の印加電圧依存性を示す。なお、この図ではＭＲ変化率を電圧０Ｖのときの値で規格化して示している。この図から、試料Ａ４およびＢ４は、試料Ｃ４に比較して磁気抵抗変化率の値が半分になる電圧Ｖ_1/2が大きく、電圧増大に伴うＭＲ変化率の減少が小さいことがわかる。

次に、試料Ａ４、Ｂ４およびＤ４をソレノイドコイル中に置き、パルス磁界４０Ｏｅ中で磁化固着層の磁気記録状態の疲労試験を行った。図２８に試料Ａ４、Ｂ４およびＤ４について、パルス磁場の反転回数と出力電圧との関係を示す。この図では、出力電圧を初期の出力電圧値で規格化している。この図から明らかなように、試料Ｄ４ではパルス磁場の反転回数の増加に伴って出力電圧が著しく低下している。これに対して、試料Ａ４およびＢ４は磁化固着層の磁気記録状態の疲労は見られない。また、試料Ａ４とＢ４との比較では、磁化固着層に反強磁性層を挿入したＣｏＦｅ／Ｉｒ／ＣｏＦｅ／Ｉｒ−Ｍｎ／ＣｏＦｅ／Ｉｒ／ＣｏＦｅの７層構造を用いた試料Ｂ４の方が疲労が少ない。

以上のように図４の構造を有する強磁性二重トンネル接合素子は、磁気記録素子、磁気ヘッドに適用した場合に好適な特性を示すことがわかる。

なお、誘電体層としてＳｉＯ₂，ＡｌＮ，ＭｇＯ，ＬａＡｌＯ₃またはＣａＦ₂を用いた場合にも上記と同様の傾向が見られた。

実施例５
図７または図９に示したＭＲＡＭを想定して、Ｓｉ／ＳｉＯ₂またはＳｉＯ₂基板上に図２９に示すような構造を有する強磁性二重トンネル接合素子（試料Ａ５および試料Ｂ５）を作製した例を説明する。

試料Ａ５は、Ｔａ下地層、Ｆｅ−Ｍｎからなる第１の反強磁性層、Ｎｉ−Ｆｅ／Ｃｏ−Ｆｅの二層膜からなる第１の強磁性層、Ａｌ₂Ｏ₃からなる第１の誘電体層、Ｃｏ₉Ｆｅからなる第２の強磁性層、Ａｌ₂Ｏ₃からなる第２の誘電体層、Ｃｏ−Ｆｅからなる第３の強磁性層、ビットライン（Ｎｉ−Ｆｅからなる第３の強磁性層、Ｆｅ−Ｍｎからなる第２の反強磁性層、Ａｌからなる金属層）を順次積層した構造を有する。

試料Ｂ５は、Ｔａからなる下地層、Ｉｒ−Ｍｎからなる第１の反強磁性層、Ｃｏ−Ｆｅからなる第１の強磁性層、Ａｌ₂Ｏ₃からなる第１の誘電体層、Ｃｏ−Ｆｅ／Ｎｉ−Ｆｅ／Ｃｏ−Ｆｅの三層膜からなる第２の強磁性層、Ａｌ₂Ｏ₃からなる第２の誘電体層、Ｃｏ−Ｆｅからなる第３の強磁性層、ビットライン（Ｃｏからなる第３の強磁性層、Ｉｒ−Ｍｎからなる第２の反強磁性層、Ａｌからなる金属層）を順次積層した構造を有する。

図２９に示されるように、試料Ａ５およびＢ５のいずれも、接合面積に比較して第２の反強磁性膜の面積が大きい。

試料Ａ５は以下のようにして作製した。基板をスパッタ装置に入れ、初期真空度を１×１０^-7Ｔｏｒｒに設定した後、Ａｒを導入して所定の圧力に設定した。基板上に、Ｔａ ５ｎｍ／Ｆｅ₅₄Ｍｎ₄₆ １８ｎｍ／Ｎｉ₈Ｆｅ₂ ５ｎｍ／ＣｏＦｅ ２ｎｍ／Ａｌ₂Ｏ₃ １．７ｎｍ／Ｃｏ₉Ｆｅ ３ｎｍ／Ａｌ₂Ｏ₃ ２ｎｍ／ＣｏＦｅ ２ｎｍ／Ｔａ ５ｎｍを順次積層した。なお、Ａｌ₂Ｏ₃は、純Ａｒガス中でＡｌターゲットを用いてＡｌを成膜した後、真空を破ることなく酸素を導入しプラズマ酸素に曝すことによって形成した。

上記積層膜を成膜した後、フォトリソグラフィ技術により最上部のＴａ層上に５０μｍ幅の下部配線形状を規定する第１のレジストパターンを形成し、イオンミリング技術を用いて加工した。

次に、第１のレジストパターンを除去した後、最上部のＴａ層上に電子線レジストを塗布し、ＥＢ描画装置を用いて第１のＡｌ₂Ｏ₃より上部の各層の微細加工を行い、接合面積１×１μｍ²，０．５×０．５μｍ²，０．１５×０．１５μｍ²の強磁性トンネル接合を作製した。電子線レジストパターンを残したまま、電子ビーム蒸着により厚さ３００ｎｍのＡｌ₂Ｏ₃を堆積した後、電子線レジストパターンおよびその上のＡｌ₂Ｏ₃をリフトオフし、接合部以外の部分に層間絶縁膜を形成した。

次いで、電極配線の形成領域以外の領域を覆う第３のレジストパターンを形成した後、表面を逆スパッタしてクリーニングし、さらにＴａ層を除去した。その後、ビットラインの電極配線としてＮｉ₈Ｆｅ₂ ５ｎｍ／Ｆｅ₅₄Ｍｎ₄₆ １８ｎｍ／Ａｌ ５ｎｍを順次積層した。第３のレジストパターンおよびその上の電極配線をリフトオフした。その後、磁場中熱処理炉に導入し、ピン層に一方向異方性を導入した。

試料Ｂ５は以下のようにして作製した。基板をスパッタ装置に入れ、初期真空度を１×１０^-7Ｔｏｒｒに設定した後、Ａｒを導入して所定の圧力に設定した。基板上に、Ｔａ ５ｎｍ／Ｉｒ₂₂Ｍｎ₇₈ １８ｎｍ／ＣｏＦｅ ３ｎｍ／Ａｌ₂Ｏ₃ １．５ｎｍ／ＣｏＦｅ １ｎｍ／Ｎｉ₈Ｆｅ₂ ３ｎｍ／ＣｏＦｅ １ｎｍ／Ａｌ₂Ｏ₃ １．８ｎｍ／ＣｏＦｅ ３ｎｍ／Ｔａ ５ｎｍを順次積層した。Ａｌ₂Ｏ₃は上記と同様な方法により形成した。

上記積層膜を成膜した後、フォトリソグラフィ技術により最上部のＴａ層上に５０μｍ幅の下部配線形状を規定する第１のレジストパターンを形成し、イオンミリング技術を用いて加工した。

次に、第１のレジストパターンを除去した後、最上部のＴａ層上に電子線レジストを塗布し、ＥＢ描画装置を用いて第１のＡｌ₂Ｏ₃より上部の各層の微細加工を行い、接合面積１×１μｍ²，０．５×０．５μｍ²，０．１５×０．１５μｍ²の強磁性トンネル接合を作製した。電子線レジストパターンを残したまま、電子ビーム蒸着により厚さ３００ｎｍのＡｌ₂Ｏ₃を堆積した後、電子線レジストパターンおよびその上のＡｌ₂Ｏ₃をリフトオフし、接合部以外の部分に層間絶縁膜を形成した。

次いで、電極配線の形成領域以外の領域を覆う第３のレジストパターンを形成した後、表面を逆スパッタしてクリーニングし、さらにＴａ層を除去した。その後、ビットラインの電極配線としてＣｏ／Ｉｒ₂₂Ｍｎ₇₈ １８ｎｍ／Ａｌ ５ｎｍを順次積層した。第３のレジストパターンおよびその上の電極配線をリフトオフした。その後、磁場中熱処理炉に導入し、ピン層に一方向異方性を導入した。

また、比較のために、以下のような試料Ｃ５、試料Ｄ５および試料Ｅ５を作製した。試料Ｃ５は強磁性一重トンネル接合素子であり、Ｔａ ５ｎｍ／Ｉｒ₂₂Ｍｎ₇₈１８ｎｍ／ＣｏＦｅ ３ｎｍ／Ａｌ₂Ｏ₃ １．５ｎｍ／ＣｏＦｅ １ｎｍ／Ｎｉ₈Ｆｅ₂ ３ｎｍ／ＣｏＦｅ １ｎｍ／Ｔａ ５ｎｍという積層構造を有する。

試料Ｄ５は、試料Ｂ５と同様の積層構造、すなわちＴａ ５ｎｍ／Ｉｒ₂₂Ｍｎ₇₈ １８ｎｍ／ＣｏＦｅ ３ｎｍ／Ａｌ₂Ｏ₃ １．５ｎｍ／ＣｏＦｅ １ｎｍ／Ｎｉ₈Ｆｅ₂ ３ｎｍ／ＣｏＦｅ １ｎｍ／Ａｌ₂Ｏ₃ １．８ｎｍ／ＣｏＦｅ ３ｎｍ／Ｉｒ₂₂Ｍｎ₇₈ １８ｎｍ／Ｔａ ５ｎｍという積層構造を有する。しかし、図２９の構造とは異なり、上部のＩｒＭｎからなる第２の反強磁性層（およびＴａ保護層）の面積も接合面積と同一になるように加工されたている。また、ビットラインはＡｌ層のみからなっている。

試料Ｅ５は反強磁性層を含まない強磁性二重トンネル接合であり、Ｔａ ５ｎｍ／ＣｏＦｅＰｔ １３ｎｍ／Ａｌ₂Ｏ₃ １．５ｎｍ／ＣｏＦｅ １ｎｍ／Ｎｉ₈Ｆｅ₂ ３ｎｍ／ＣｏＦｅ １ｎｍ／Ａｌ₂Ｏ₃ １．８ｎｍ／ＣｏＦｅＰｔ １３ｎｍ／Ｔａ ５ｎｍという積層構造を有する。

図３０に試料Ａ５およびＢ５の磁気抵抗効果曲線を示す。試料Ａ５は２９Ｏｅという小さな磁場でＭＲ変化率２８％が得られている。試料Ｂ５は３９Ｏｅという小さな磁場でＭＲ変化率２７％が得られている。

図３１に試料Ａ５、Ｂ５およびＣ５についてＭＲ変化率の印加電圧依存性を示す。なお、この図ではＭＲ変化率を電圧０Ｖのときの値で規格化して示している。この図から、試料Ａ５およびＢ５は、試料Ｃ５に比較して磁気抵抗変化率の値が半分になる電圧Ｖ_1/2が大きく、電圧増大に伴うＭＲ変化率の減少が小さいことがわかる。

次に、試料Ａ５、Ｂ５、Ｄ５およびＥ５をソレノイドコイル中に置き、パルス磁界７０Ｏｅ中で磁化固着層の磁気記録状態の疲労試験を行った。図３２に試料Ａ５、Ｂ５、Ｄ５およびＥ５について、パルス磁場の反転回数と出力電圧との関係を示す。この図では、出力電圧を初期の出力電圧値で規格化している。この図から明らかなように、試料Ｅ５ではパルス磁場の反転回数の増加に伴って出力電圧が著しく低下している。また、試料Ｄ５は、接合面積が小さいほど、疲労が激しくなる傾向を示した。これは、接合面積が小さいと加工ダメージ等で上部磁化固着層が劣化したためであると考えられる。これに対して、試料Ａ５およびＢ５は磁化固着層の磁気記録状態の疲労は見られない。このことから、図２９に示したように、上部の反強磁性層をビットラインの一部として構成することが有利であることがわかる。

以上のように図２９の構造を有する強磁性二重トンネル接合素子は、特に磁気記録素子に適用した場合に好適な特性を示すことがわかる。

なお、誘電体層としてＳｉＯ₂，ＡｌＮ，ＭｇＯ，ＬａＡｌＯ₃またはＣａＦ₂を用いた場合にも上記と同様の傾向が見られた。

実施例６
実施例１〜４と同様な方法により、Ｓｉ／ＳｉＯ₂基板またはＳｉＯ₂基板上に、図１〜図４に示す基本構造を有する強磁性二重トンネル接合素子を作製した。これらの素子の積層構造を表１に示す。なお、下地層および保護層としては、Ｔａ、Ｔｉ、Ｔｉ／Ｐｔ、Ｐｔ、Ｔｉ／Ｐｄ、Ｔａ／Ｐｔ、Ｔａ／Ｐｄ、ＴｉＮｘのいずれかを用いている。

これら試料について、ＭＲ変化率が１／２に減少する電圧値Ｖ_1/2、１０００００回のフリー層（磁気記録層）反転時の出力値と初期出力値との比を表１に示した。いずれの試料でも大きなＭＲ変化率が得られており、電圧依存のＭＲ変化率の減少度合いも強磁性一重トンネル接合素子に比べて小さい。また、フリー層（磁気記録層）の磁化反転を繰り返しても、出力電圧の低下はほとんどなく、疲労が小さい。

したがって、これらの素子は磁気抵抗効果型ヘッド、センサー、磁気記憶素子として用いた場合に有効であることが分かる。

なお、本発明において、各層間の原子拡散・混合が生じることがあり得る。例えば、スパッタリング時にスパッタ強度を強くすれば、ＮｉＦｅ合金層、Ｃｏ基合金層、またはこれらと非磁性層や反強磁性層との間での原子の拡散が生じると考えられる。また、温度や時間にも依存するが、熱処理でも同様の原子拡散が生じると考えられる。こうした原子拡散が発生しても、各層を構成する材料が本発明において要求される磁気特性を示し、明示した材料の範囲内に含まれる限り、本発明の範疇に入る。

実施例７
Ｓｉ／ＳｉＯ₂基板またはＳｉＯ₂基板上に図１に示すような構造を有し、フリー層の厚さが異なる３種の強磁性二重トンネル接合素子（試料Ｔ１，Ｔ２およびＴ３）を作製した例を説明する。

試料Ｔ１は、Ｔａ下地層、Ｆｅ−Ｍｎ／Ｎｉ−Ｆｅの二層膜からなる第１の反強磁性層、ＣｏＦｅからなる第１の強磁性層、Ａｌ₂Ｏ₃からなる第１の誘電体層、Ｃｏ₉Ｆｅからなる第２の強磁性層、Ａｌ₂Ｏ₃からなる第２の誘電体層、ＣｏＦｅからなる第３の強磁性層、Ｎｉ−Ｆｅ／Ｆｅ−Ｍｎの二層膜からなる第２の反強磁性層、Ｔａ保護層を順次積層した構造を有し、フリー層であるＣｏ₉Ｆｅからなる第２の強磁性層の膜厚が２．５ｎｍに設定されている。

試料Ｔ１は以下のようにして作製した。基板をスパッタ装置に入れ、初期真空度を１×１０^-7Ｔｏｒｒに設定した後、Ａｒを導入して所定の圧力に設定した。基板上に、Ｔａ ５ｎｍ／Ｆｅ₅₄Ｍｎ₄₆ ２０ｎｍ／Ｎｉ₈Ｆｅ₂ ５ｎｍ／ＣｏＦｅ ３ｎｍ／Ａｌ₂Ｏ₃ １．７ｎｍ／Ｃｏ₉Ｆｅ ２．５ｎｍ／Ａｌ₂Ｏ₃ ２ｎｍ／ＣｏＦｅ ３ｎｍ／Ｎｉ₈Ｆｅ₂ ５ｎｍ／Ｆｅ₅₄Ｍｎ₄₆ ２０ｎｍ／Ｔａ５ｎｍを順次積層した。なお、Ａｌ₂Ｏ₃は、純Ａｒガス中でＡｌターゲットを用いてＡｌを成膜した後、真空を破ることなく酸素を導入しプラズマ酸素に曝すことによって形成した。

上記積層膜を成膜した後、フォトリソグラフィ技術により最上部のＴａ保護層上に１００μｍ幅の下部配線形状を規定するレジストパターンを形成し、イオンミリング技術を用いて加工した。

次に、レジストパターンを除去した後、フォトリソグラフィ技術または電子線リソグラフィ技術およびＲＩＥにより最上部のＴａ保護層上に接合寸法を規定するＴｉハードマスクを形成し、イオンミリング技術を用いて第１のＡｌ₂Ｏ₃より上部のＣｏ₉Ｆｅ／Ａｌ₂Ｏ₃／ＣｏＦｅ／Ｎｉ−Ｆｅ／Ｆｅ−Ｍｎ／Ｔａを加工した。この工程により接合幅を様々に変化させた。接合幅が１μｍ以下の素子を形成する場合には電子線リソグラフィ技術を用いた。接合部上にレジストパターンを形成し、スパッタ法またはプラズマＣＶＤ法により厚さ３００ｎｍのＳｉＯ₂を堆積した後、レジストパターンおよびその上のＳｉＯ₂をリフトオフし、接合部以外の部分に層間絶縁膜を形成した。

次いで、電極配線の形成領域以外の領域を覆うレジストパターンを形成した後、表面を逆スパッタしてクリーニングした。全面にＡｌを堆積した後、レジストパターンおよびその上のＡｌをリフトオフして、Ａｌ電極配線を形成した。その後、磁場中熱処理炉に導入し、ピン層に一方向異方性を導入した。

試料Ｔ２はフリー層であるＣｏ₉Ｆｅからなる第２の強磁性層の膜厚を７ｎｍとした以外は、試料Ｔ１と同様にして作製した。

試料Ｔ３はフリー層であるＣｏ₉Ｆｅからなる第２の強磁性層の膜厚を１７ｎｍとした以外は、試料Ｔ１と同様にして作製した。

図３３に、試料Ｔ１、Ｔ２およびＴ３について、素子の接合幅とフリー層の反転磁場との関係を示す。この図では横軸を接合幅Ｗの逆数（１／Ｗ）としている。図３３に示されるように、いずれの試料でも接合幅を縮小するに従って反転磁場が増大している。このことは、ＭＲＡＭ応用においては接合幅を縮小するに従って書き込み時の消費電力が増大することを意味する。しかし、フリー層の膜厚が薄い試料Ｔ１では直線の傾きが小さく、接合幅の縮小に伴う反転磁場の増大が抑制されている。一方、フリー層の膜厚が比較的厚い試料Ｔ２およびＴ３では、接合幅の縮小に伴う反転磁場の増大が顕著であり、ＭＲＡＭ応用において書き込み時の消費電力が著しく増大するおそれがある。ここで、現状の加工技術で得られる接合幅０．２５μｍ（１／Ｗ＝４）の素子に着目して反転磁場を比較する。試料Ｔ１では反転磁場が１００Ｏｅより小さく、今後のさらなる微細化に対応できる。一方、試料Ｔ２およびＴ３では反転磁場が１００Ｏｅを超えており、ＭＲＡＭ応用において書き込み時の消費電力がすでに高く、さらなる微細化に対応することは困難である。

図３４に試料Ｔ１、Ｔ２およびＴ３についてＭＲ変化率の印加電圧依存性を示す。なお、この図ではＭＲ変化率を電圧０Ｖのときの値で規格化して示している。フリー層の膜厚が薄い試料Ｔ１ではＭＲ変化率の値が半分になるバイアス電圧Ｖ_1/2が０．９Ｖを超えており、バイアス依存性が抑制されている。一方、フリー層の膜厚が比較的厚い試料Ｔ２およびＴ３は、強磁性一重トンネル接合素子に比べればバイアス依存性が小さいが、Ｖ_1/2は０．８Ｖ未満であり、試料Ｔ１に比べて明らかに劣っている。

図３３および図３４から、フリー層の厚さが薄いほど、接合の微細化に伴う反転磁場の増大が抑えられ、かつバイアス依存性も改善されることがわかる。フリー層の厚さが５ｎｍ以下であれば、０．２５μｍルールの素子で反転磁場が１００Ｏｅ以下に抑えられ、かつＭＲ変化率のバイアス依存性も改善される。しかし、フリー層の厚さが１ｎｍ未満になると、フリー層が連続膜にならず、誘電体層中に強磁性粒子が分散した、いわゆるグラニュラー構造となるおそれがある。この結果、接合特性の制御が困難になり、微粒子の大きさによっては室温で超常磁性となりＭＲ変化率が極端に低下するという問題も生じる。したがって、フリー層の厚さは１〜５ｎｍであることが好ましい。

実施例８
Ｓｉ／ＳｉＯ₂基板上に図１４のような構造を有するＭＲＡＭを作製した例を示す。Ｓｉ基板１５１上にプラズマＣＶＤによりＳｉＯ₂を成膜した。ダマシンプロセスを用いてワードライン１５２を形成した。すなわち、レジストを塗布しフォトリソグラフィーによりレジストパターンを形成し、ＲＩＥによりＳｉＯ₂に溝を加工し、メッキ法を用いて溝内にＣｕを埋め込んだ後、ＣＭＰにより平坦化を行い、ワードライン１５２を形成した。その後、プラズマＣＶＤにより、ワードライン１５２上に厚さ２５０ｎｍのＳｉＯ₂層間絶縁膜を形成した。

この試料をスパッタ装置に入れ、初期真空度を３×１０^-8Ｔｏｒｒに設定した後、Ａｒを導入して所定の圧力に設定した。ＳｉＯ₂層間絶縁膜上に、Ｔａ下地層／Ｃｕ（５０ｎｍ）／Ｎｉ₈₁Ｆｅ₁₉（５ｎｍ）／Ｉｒ₂₂Ｍｎ₇₈（１２ｎｍ）／Ｃｏ₅₀Ｆｅ₅₀（３ｎｍ）／Ａｌ₂Ｏ₃（１ｎｍ）／Ｃｏ₉₀Ｆｅ₁₀（２ｎｍ）／Ｎｉ₈₁Ｆｅ₁₉（１ｎｍ）／Ｃｏ₉₀Ｆｅ₁₀（２ｎｍ）／Ｒｕ（０．９ｎｍ）／Ｃｏ₉₀Ｆｅ₁₀（２ｎｍ）／Ｎｉ₈₁Ｆｅ₁₉（１ｎｍ）／Ｃｏ₉₀Ｆｅ₁₀（２ｎｍ）／Ａｌ₂Ｏ₃（１ｎｍ）／Ｃｏ₈₀Ｆｅ₂₀（３ｎｍ）／Ｒｕ（０．９ｎｍ）／Ｃｏ₈₀Ｆｅ₂₀／Ｉｒ₂₂Ｍｎ₇₈（１２ｎｍ）／Ｎｉ₈₁Ｆｅ₁₉（５ｎｍ）／Ａｕ保護膜を積層した。Ａｌ₂Ｏ₃は、純Ａｒガス中でＡｌターゲットを用いてＡｌを成膜した後、真空を破ることなく酸素を導入しプラズマ酸素に曝すことによって形成した。

上記積層膜上にＳｉ₃Ｎ₄を成膜し、レジストを塗布してフォトリソグラフィによりレジストパターンを形成し、ＲＩＥにより金属配線１５３を規定するハードマスクを形成した後、イオンミリングを行い、積層膜を加工した。その後、レジストパターンを除去した。

次に、レジストを塗布してフォトリソグラフィにより接合寸法を規定するレジストパターンを形成し、イオンミリング技術を用いて第１のＡｌ₂Ｏ₃より上部の積層膜を加工してＴＭＲ素子を形成した。ＴＭＲ素子のセルサイズは全て０．４×０．４μｍ²とした。その後、レジストパターンを除去した。

次いで、プラズマＣＶＤによりＳｉＯ₂層間絶縁膜を成膜し、ＣＭＰにより２５０ｎｍの厚さまで削って平坦化した。全面にＣｕ、絶縁膜、およびＣｕを積層した。この積層膜上にＳｉ₃Ｎ₄を成膜し、レジストを塗布してフォトリソグラフィによりレジストパターンを形成し、ＲＩＥによりハードマスクを形成した後、イオンミリングを行い、ビットライン１５４、層間絶縁層１５５、および第２ワードライン１５６を形成した。その後、試料を磁場中熱処理炉に導入し、磁気記録層に一軸異方性を、磁化固着層に一方向異方性を導入した。

得られたＭＲＡＭに対して以下の３つの方法で書き込みを行った。

（１）ＴＭＲ素子に１ｍＡのスピン電流を注入しながら、ワードライン１５２および第２ワードライン１５６に１０ｎｓｅｃの電流パルスを流して磁気記録層１１５の容易軸方向および困難軸方向に電流磁場を印加する方法。

（２）ＴＭＲ素子へのスピン電流の注入のみを行う方法。

（３）ワードライン１５２および第２ワードライン１５６に１０ｎｓｅｃの電流パルスを流して磁気記録層１１５の容易軸方向および困難軸方向に電流磁場を印加する方法。

なお、磁気記録層１１５の困難軸方向に電流磁場を印加するための電流パルスは１０ｎｓｅｃ、３ｍＡ一定とした。

磁気記録層１１５の磁化反転は、書き込みを行った後、ＴＭＲセルに直流電流を流し、出力電圧が変化したかどうかにより判断した。

本実施例における０．４×０．４μｍ²というサイズのＴＭＲ素子に対しては、（２）のＴＭＲ素子へのスピン電流の注入のみを行う方法では、電流値を１０ｍＡまで増加させても、磁化反転は観測されなかった。（３）の磁気記録層１１５の容易軸方向および困難軸方向に電流磁場を印加する方法では、磁気記録層１１５の磁化反転を起こすためには、磁気記録層１１５の容易軸方向に電流磁場を印加するための電流を４．３ｍＡまで増加させる必要があった。

これに対して、（１）の方法で、１ｍＡのスピン電流を流しながら、磁気記録層１１５の容易軸方向に電流磁場を印加するための電流を増加させたところ、２．６ｍＡの電流値で磁気記録層１１５の磁化反転が確認された。また、磁気記録層１１５の容易軸方向に電流磁場を印加するための電流の向き、およびＴＭＲ素子に流すスピン電流の向きを変えることによって、上記のような小さい電流値のままで磁気記録層１１５の磁化反転を繰り返すことができることがわかった。

このように、本実施例のＭＲＡＭの構造および書き込み方法を採用すれば、スピン注入に適した構造を有し、電流磁界を印加するための配線に流す電流およびＴＭＲ素子に流す電流を小さくできる。したがって、ＭＲＡＭの高密度化に伴って配線幅およびＴＭＲ素子サイズが小さくなっても、配線の溶融またはトンネルバリア層の破壊を抑制することができ、信頼性を向上できる。

本発明の第１の磁気抵抗効果素子の基本構造を示す断面図。 本発明の第２の磁気抵抗効果素子の基本構造を示す断面図。 本発明の第３の磁気抵抗効果素子の基本構造を示す断面図。 本発明の第４の磁気抵抗効果素子の基本構造を示す断面図。 本発明の第４の磁気抵抗効果素子の変形例の基本構造を示す断面図。 ＭＯＳトランジスタと強磁性二重トンネル接合素子とを組み合わせたＭＲＡＭの等価回路図。 強磁性二重トンネル接合素子のピン層がビットラインの一部を構成する、図６のＭＲＡＭの断面図。 ダイオードと強磁性二重トンネル接合素子とを組み合わせたＭＲＡＭの等価回路図。 強磁性二重トンネル接合素子のピン層がビットラインの一部を構成する、図８のＭＲＡＭの断面図。 本発明の他のＭＲＡＭに用いられる強磁性二重トンネル接合素子の断面図。 本発明の他のＭＲＡＭに用いられる強磁性二重トンネル接合素子の断面図。 本発明の他のＭＲＡＭに用いられる強磁性二重トンネル接合素子の断面図。 本発明に係るＭＲＡＭの例を示す断面図。 本発明に係るＭＲＡＭの他の例を示す断面図。 本発明に係るトンネル接合型磁気抵抗効果素子を含む磁気抵抗効果ヘッドを搭載した磁気ヘッドアセンブリの斜視図。 図１５に示す磁気ヘッドアセンブリを搭載した磁気ディスク装置の内部構造を示す斜視図。 実施例１の試料ＡおよびＢの磁気抵抗効果曲線を示す図。 実施例１の試料Ａ、ＢおよびＣについて磁気抵抗変化率の印加電圧依存性を示す図。 実施例１の試料Ａ、ＢおよびＤについて、パルス磁場の反転回数と出力電圧との関係を示す図。 実施例２の試料Ａ２およびＢ２の磁気抵抗効果曲線を示す図。 実施例２の試料Ａ２、Ｂ２およびＣ２について磁気抵抗変化率の印加電圧依存性を示す図。 実施例２の試料Ａ２、Ｂ２およびＤ２について、パルス磁場の反転回数と出力電圧との関係を示す図。 実施例３の試料Ａ３およびＢ３の磁気抵抗効果曲線を示す図。 実施例３の試料Ａ３、Ｂ３およびＣ３について磁気抵抗変化率の印加電圧依存性を示す図。 実施例３の試料Ａ３、Ｂ３およびＤ３について、パルス磁場の反転回数と出力電圧との関係を示す図。 実施例４の試料Ａ４およびＢ４の磁気抵抗効果曲線を示す図。 実施例４の試料Ａ４、Ｂ４およびＣ４について磁気抵抗変化率の印加電圧依存性を示す図。 実施例４の試料Ａ４、Ｂ４およびＤ４について、パルス磁場の反転回数と出力電圧との関係を示す図。 実施例５におけるピン層がビットラインの一部を構成する磁気抵抗効果素子の断面図。 実施例５の試料Ａ５およびＢ５の磁気抵抗効果曲線を示す図。 実施例５の試料Ａ５、Ｂ５およびＣ５について磁気抵抗変化率の印加電圧依存性を示す図。 実施例５の試料Ａ５、Ｂ５、Ｄ５およびＥ５について、パルス磁場の反転回数と出力電圧との関係を示す図。 実施例７の試料Ｔ１、Ｔ２およびＴ３について、接合幅と磁気抵抗変化率との関係を示す図。 実施例７の試料Ｔ１、Ｔ２およびＴ３について、磁気抵抗変化率の印加電圧依存性を示す図。

符号の説明

１０…磁気抵抗効果素子
１１…第１の反強磁性層
１２…第１の強磁性層
１３…第１の誘電体層
１４…第２の強磁性層
１５…第２の誘電体層
１６…第３の強磁性層
１７…第２の反強磁性層
２０…磁気抵抗効果素子
２１…第１の強磁性層
２２…第１の誘電体層
２３…第２の強磁性層
２４…第１の反強磁性層
２５…第３の強磁性層
２６…第２の誘電体層
２７…第４の強磁性層
３０…磁気抵抗効果素子
３１…第１の反強磁性層
３２…第１の強磁性層
３３…第１の誘電体層
３４…第２の強磁性層
３５…第２の反強磁性層
３６…第３の強磁性層
３７…第２の誘電体層
３８…第４の強磁性層
３９…第３の反強磁性層
４０…磁気抵抗効果素子
４１…第１の強磁性層
４２…第１の誘電体層
４３…第２の強磁性層
４４…第１の非磁性層
４５…第３の強磁性層
４６…第２の非磁性層
４７…第４の強磁性層
４８…第２の誘電体層
４９…第５の強磁性層
５０…反強磁性層
６０…トランジスタ
６１…シリコン基板
６２…ゲート電極（読み出し用ワードライン）
６２、６３…ソース、ドレイン領域
７１…書き込み用ワードライン
７２…コンタクトメタル
７３…下地層
７４…ビットライン
８０…ダイオード
８１…下地層
９１…ワードライン
９２…ビットライン
１０１…下地層
１０２…第１の反強磁性層
１０３…第１の磁化固着層
１０４…第１の誘電体層
１０５…磁気記録層
１０６…第２の誘電体層
１０７…第２の磁化固着層
１０８…第２の反強磁性層
１０９…保護層
１１１…下地層
１１２…第１の反強磁性層
１１３…第１の磁化固着層
１１４…第１の誘電体層
１１５…磁気記録層
１１６…第２の誘電体層
１１７…第２の磁化固着層
１１８…第２の反強磁性層
１１９…保護層
１２１…下地層
１２２…第１の反強磁性層
１２３…第１の磁化固着層
１２４…第１の誘電体層
１２５…磁気記録層
１２６…第２の誘電体層
１２７…第２の磁化固着層
１２８…第２の反強磁性層
１２９…保護層
１５１…Ｓｉ基板
１５２…ワードライン
１５３…金属配線
１５４…ビットライン
１５５…絶縁層
１５６…第２ワードライン
２０１…アクチュエータアーム
２０２…サスペンション
２０３…ヘッドスライダ
２０４…リード線
２０５…電極パッド
２１１…磁気ディスク
２１２…スピンドル
２１３…固定軸
２１４…ボイスコイルモータ

Claims (2)

1. 磁化方向が固着された第１の磁化固着層と、第１の誘電体層と、磁化方向が反転可能な磁気記録層と、第２の誘電体層と、磁化方向が固着された第２の磁化固着層とを有する磁気記録素子へ書き込みを行うにあたり、前記磁気記録素子を構成する前記第１または第２の磁化固着層を通して前記磁気記録層にスピン電流を供給するとともに、書き込み用の配線に電流を流して前記磁気記録層に電流磁界を印加することを特徴とする磁気記録素子への書き込み方法。
2. 磁化方向が固着された第１の磁化固着層と、第１の誘電体層と、磁化方向が反転可能な磁気記録層と、第２の誘電体層と、磁化方向が固着された第２の磁化固着層と、前記第１または第２の磁化固着層を通して前記磁気記録層にスピン電流を供給する配線と、前記磁気記録層に電流磁界を印加する書き込み用の配線とを具備したことを特徴とする磁気記録素子。

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