JP2008066563A - 磁気抵抗効果素子の製造方法、磁気ヘッド、磁気記録再生装置、および磁気メモリ - Google Patents

Abstract

【課題】高ＭＲ変化率が得られ、高密度化への対応が期待できる磁気抵抗効果素子、ならびにこれを用いた磁気ヘッド、磁気記録再生装置および磁気ランダムアクセスメモリーを提供する。
【解決手段】磁化方向が固着された第１の磁性層と、磁化方向が固着された第２の磁性層と、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられた中間層と、前記第１の磁性層、前記中間層および前記第２の磁性層を含む積層膜の膜面垂直に電流を通電する電極とを有し、前記中間層が絶縁体領域とFe,Co,Ni,Crの少なくともひとつを含む金属領域からなり、前記金属領域は前記第１および第２の磁性層と接触するようにして磁気抵抗効果素子を作製する。
【選択図】図２

Description

本発明は、膜面に対して垂直方向に電流を通電する構造の磁気抵抗効果素子、ならびにこれを用いた磁気ヘッド、磁気記録再生装置、および磁気メモリに関する。

磁性体の積層構造体における巨大磁気抵抗効果（Giant MagnetoResistive Effect：ＧＭＲ）の発見により、磁気デバイスの性能が飛躍的に向上している。特に、スピンバルブ膜（Spin-Valve：ＳＶ膜）は磁気デバイスに容易に適用できる構造を有し、ＧＭＲ効果を有効に発揮させることができるので、磁気ヘッドおよびＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）などの磁気デバイスに大きな技術的進歩をもたらした。

「スピンバルブ膜」とは、２つの強磁性層の間に非磁性金属スペーサ層を挟んだ構造を有し、一方の強磁性層（「ピン層」や「磁化固着層」などと称される）の磁化を反強磁性層などで固着し、もう一方の強磁性層（「フリー層」や「磁化自由層」などと称される）の磁化を外部磁界（たとえば媒体磁界）に応じて回転するようにした積層膜をいう。スピンバルブ膜では、ピン層とフリー層の磁化方向の相対角度が変化することによって、巨大な磁気抵抗変化が得られる。

従来のスピンバルブ膜は、膜面に平行にセンス電流を通電するＣＩＰ（Current In Plane）−ＧＭＲ素子であった。近年、ＣＩＰ−ＧＭＲ素子よりも大きなＭＲを発現することから、膜面にほぼ垂直方向にセンス電流を通電するＴＭＲ（Tunneling MagnetoResistace）素子、あるいはＣＰＰ（Current Perpendicular to the Plane）−ＧＭＲ素子、が注目されている。

ＴＭＲ素子では、ＭＲが高いが素子の抵抗が高すぎ、Ｓ／Ｎが悪くなったりＨＤＤの転送レートが上がらなかったりという問題を抱えているため、面記録密度500Gbpsi以上のＨＤＤに応用するためには低抵抗化と高ＭＲの両立を図る必要がある。一方ＣＰＰ−ＧＭＲ素子は、ＴＭＲ素子とは逆に素子抵抗が大幅に小さく、抵抗変化量自体かなり小さいため、大きな再生出力信号を得ることが難しいとう問題を抱えている。絶縁層中にこれを貫通する非磁性金属からなる微細な電流パス（電流狭窄部）を形成したスペーサ層を用いたＣＰＰ−ＧＭＲ素子が提案されている。このようなＣＰＰ素子は、電流狭窄［ＣＣＰ（Current-confined-path）］効果を示し、非磁性金属スペーサ層を用いた単純なＣＰＰ−ＧＭＲ素子よりも大きな再生出力信号を得ることができる。しかし、高記録密度対応の磁気ヘッド応用を考えた場合、ＣＣＰ−ＣＰＰ−ＧＭＲ素子でもＭＲ変化率が不足する可能性がある。

高記録密度に対応できる巨大なＭＲ変化率を実現する構造として、ＢＭＲ（Ballistic MagnetoResistance）効果を利用する素子（以下、ＢＭＲ素子という）が提案されている（たとえば特許文献１参照）。
特開２００３−２０４０９５号公報

これは、従来スピンバルブでいうピン層とフリー層を接続するスペーサ部分が、数原子オーダーという微小な強磁性金属であるような系で見られる現象である。大きなＭＲの起源としては、（1）微小接点でコンダクタンスが量子化すること、あるいは、（2）微小接点に磁壁（磁化が回転する部分）が閉じ込められること、によって主に説明されているが、統一的な解釈はいまだ提示されていないのが現状である。また、様々な系での実験が報告されているが、再現性よくバリスティック伝導を示すほど小さな接点領域を作製できる構成がまだ提案されておらず、デバイス応用への道はまだ遠い。

本発明の目的は、高ＭＲ変化率が得られ、高密度化への対応が期待できる新規な磁気抵抗効果素子、ならびにこれを用いた磁気ヘッド、磁気記録再生装置および磁気ランダムアクセスメモリーを提供することにある。

上記目的を達成すべく、本発明の一態様は、
磁化方向が固着された第１の磁性層と、磁化方向が固着された第２の磁性層と、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられた中間層と、前記第１の磁性層、中間層および第２の磁性層を含む積層膜の膜面垂直に電流を通電する電極とを有し、
前記中間層が絶縁体領域とFe,Co,Ni,Crの少なくともひとつを含む金属領域からなり、
前記金属領域は前記第１および第２の磁性層と接触していることを特徴とする磁気抵抗効果素子（第１の磁気抵抗効果素子）に関する。

また、本発明の一態様は、
第１の非磁性層と、第２の非磁性層と、前記第１の非磁性層と前記第２の非磁性層との間に設けられた中間層と、前記第１の非磁性層、前記中間層および前記第２の非磁性層を含む積層膜の膜面垂直に電流を通電する電極とを有し、
前記中間層が絶縁体領域とFe,Co,Ni,Crの少なくともひとつを含む金属領域からなり、
前記金属領域は前記第１および第２の非磁性層と接触していることを特徴とする磁気抵抗効果素子（第２の磁気抵抗効果素子）に関する。

さらに、本発明の一態様は、
磁化方向が固着された磁性層と、非磁性層と、前記磁性層と前記非磁性層との間に設けられた中間層と、前記磁性層、前記中間層および前記非磁性層を含む積層膜の膜面垂直に電流を通電する電極とを有し、
前記中間層が絶縁体領域とFe,Co,Ni,Crの少なくともひとつを含む金属領域からなり、
前記金属領域は前記磁性層および前記非磁性層と接触していることを特徴とする磁気抵抗効果素子（第３の磁気抵抗効果素子）に関する。

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を実施した。その結果、所定の大きさを有し、かつ所定の金属材料を含む金属領域が所定の大きさの絶縁体領域を介して、例えば交互に配列したような構成の膜体を形成することにより、前記金属領域内にはランダムな方向を向いた磁化成分が存在するようになり、その後、前記膜体の膜面に対して略平行な磁場を印加して前記磁化成分の磁化方向を同方向に配列することにより、比較的大きな抵抗変化が生じ、それに伴って比較的大きなＭＲ効果が発現することを見出した。

したがって、上述した膜体（中間層）を磁気抵抗効果膜として用い、これを挟み込むようにして上下方向に磁性層及び／又は非磁性層を設け、さらにこの磁性層及び／又は非磁性層の外方面上に電極を設け、前記膜体に対して略垂直方向の電流を流すようにすることにより、新規な構成の、いわゆるＣＰＰ型の磁気抵抗効果素子を提供することができる。

上記磁気抵抗効果素子において、前記金属領域はFe,Co,Ni,Crの少なくともひとつを含むようにして構成する。

また、前記絶縁体領域はFe、Co、Ni、Cr、Al、Si、Mgの少なくとも一つを含む酸化物又は窒化物から構成することができる。この場合において、上記膜体中に発現するＭＲ効果を増大させることができるようになる。

なお、上記第１および第３の磁気抵抗効果素子においては、中間層を挟み込む一方あるいは両方の層が磁化方向が固着された磁性層から構成されている。したがって、これらの態様の磁気抵抗効果素子においては、前記中間層に印加される信号磁場と略平行なバイアス磁化としても機能することができる。したがって、上述したランダムな磁化配列から磁化方向を揃えて前記中間層内にＭＲ効果を発現させる際の、信号磁場強度を低減することができる。

また、上記態様においては、前記中間層において、前記金属領域の膜面方向の面積が、前記絶縁体領域の膜面方向の面積よりも大きいようにすることができる。この場合、前記磁性層からの上記磁化バイアス効果を増大させるようにすることができる。

さらに、上記態様においては、前記金属領域と前記第１および第２の磁性層との接触面積が、前記金属領域の略中央部で膜面方向に広がる断面積よりも大きいようにすることができる。この場合、上記磁性層からの前記金属領域に対する磁化バイアス効果をその厚さ方向において均一化することができるようになる。

したがって、上述した磁気抵抗効果素子の新規なＭＲ効果を利用することにより、比較的高ＭＲ変化率の新たな磁気抵抗効果素子を得ることができ、高密度化への対応が期待できる磁気抵抗効果素子、ならびにこれを用いた磁気ヘッド、磁気記録再生装置および磁気ランダムアクセスメモリーを提供することができるようになる。

以上のように、本発明によれば、高ＭＲ変化率が得られ、高密度化への対応が期待できる新規な磁気抵抗効果素子、ならびにこれを用いた磁気ヘッド、磁気記録再生装置および磁気ランダムアクセスメモリーを提供することができる。

以下、本発明の詳細、並びにその他の特徴、利点について、発明を実施するための最良の形態に基づいて説明する。

（磁気抵抗効果素子）
図１は、本発明の磁気抵抗効果素子の一例を示す構成図である。なお、図１においては、本発明の特徴を明確にすべく、実際の磁気抵抗効果素子の構成とは若干異なるようにして記載している。

図１に示す磁気抵抗効果素子１０は、金属領域１１Ａ及び絶縁体領域１１Ｂを有する中間層１１と、その上下方向から挟み込むようにして設けられた第１の非磁性層１２及び第２の非磁性層１３を含んでいる。金属領域１１Ａは、上述したように、Fe,Co,Ni,Crの少なくともひとつを含むようにして構成されている。また、絶縁体領域１１Ｂは、Fe、Co、Ni、Cr、Al、Si、Mgの少なくとも一つを含む酸化物又は窒化物から構成されている。なお、第１の非磁性層１２及び第２の非磁性層１３の外表面には、図示しない一対の電極が設けられ、第１の非磁性層１２、中間層１１および第２の非磁性層１３を含む積層膜の膜面垂直に電流を流すように構成されている。

また、中間層１１において、金属領域１１Ａの面内断面積Ｓ１が絶縁体領域１１Ｂの面内断面積Ｓ２よりも大きくなるように構成されている。

具体的に、金属領域１１Ａは、中間層１１の面内方向におけるその大きさ（幅）が５０ｎｍ以下であることが好ましく、さらには３０ｎｍ以下であることが好ましく、特には２０ｎｍ以下であることが好ましい。また、１原子層以上であることが好ましく、さらには１ｎｍ以上であることが好ましく、特には５ｎｍ以上であることが好ましい。

絶縁体領域１１Ｂは、中間層１１の厚さ方向における大きさ（厚さ）が１０ｎｍ以下であることが好ましく、さらには４ｎｍ以下であることが好ましく、特には３ｎｍ以下であることが好ましい。また、１原子層以上であることが好ましく、さらには０．５ｎｍ以上であることが好ましく、特には２ｎｍ以上であることが好ましい。

金属領域１１Ａ及び絶縁体領域１１Ｂが上記のような大きさを有することによって、本発明の磁気抵抗効果素子１０は、中間層１１の膜面に対して略平行な磁場を印加して磁化成分の磁化方向を同方向に配列することによる比較的大きな抵抗変化に起因した、本発明独自の比較的大きなＭＲ効果を簡易に発現することができるようになる。

さらに、中間層１１において、金属領域１１Ａの第１の非磁性層１２及び第２の非磁性層１３との接触面積Ｓ３が、金属領域１１Ａの面内断面積Ｓ１よりも大きくなるように構成されている。

なお、中間層１１の金属領域１１Ａは第１の非磁性層１２及び第２の非磁性層１３と接触しているので、第１の非磁性層１２及び第２の非磁性層１３に対して略垂直に通電されるセンス電流は、中間層１１の金属領域１１Ａを介して通電されることになる。

外部磁場（磁気記録媒体からの信号磁場）が存在しない場合、図１（ａ）に示すように、中間層１１の金属領域１１Ａ内では磁化成分がねじれてあるいは図示のように傾いて存在する。その後、中間層１１の膜面に対して略平行に外部磁場が印加されるようになると、金属領域１１Ａ内でねじれてあるいは傾いて存在していた磁化が前記外部磁場の方向に揃えられるようになる。したがって、この間に中間層１１の電気抵抗は大きく変化し、これによって中間層１１内には比較的大きなＭＲ効果が発現するようになる。

図２は、本発明の磁気抵抗効果素子の他の例を示す構成図である。なお、図２においても、本発明の特徴を明確にすべく、実際の磁気抵抗効果素子の構成とは若干異なるようにして記載している。また、図１に示す磁気抵抗効果素子と同一あるいは類似の構成要素については、同じ参照数字を用いて表している。図２（ａ）〜（ｃ）は、本例における磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図であり、図２(ｄ)は、本例における磁気抵抗効果素子の、ＭＲ効果を示す膜体を部分的に拡大して示す平面図である。

図２に示す磁気抵抗効果素子１０においては、第１の非磁性層１２及び１３の代わり第１の磁性層２２及び第２の磁性層２３から構成している点で上記図１に示す磁気抵抗効果素子と相違し、その他の部分については同様の構成を呈している。また、本例においては、第１の磁性層２２及び第２の磁性層２３内に互いに同一方向であって、中間層１１の面方向と略平行に磁化Ｍ１が形成されている。

この場合においても、中間層１１に対して膜面に略平行に外部磁場が印加されるようになると、金属領域１１Ａ内でねじれてあるいは傾いて存在していた磁化が前記外部磁場の方向に揃えられるようになる。したがって、この間に中間層１１の電気抵抗は大きく変化し、これによって中間層１１内には比較的大きなＭＲ効果が発現するようになる。

なお、前記外部磁場を第１の磁性層２２及び第２の磁性層２３内に形成された磁化方向と同一方向に印加することによって、上述した磁化配列に要求される外部磁場の大きさを低減することができるようになる。したがって、第１の磁性層２２及び第２の磁性層２３内の磁化Ｍ１を予め前記外部磁場の方向と略同一に設定しておくことにより、第１の磁性層２２及び第２の磁性層１３は磁化バイアス層としても機能するようになる。

なお、第１の磁性層２２及び第２の磁性層２３を磁化バイアス層として使用する場合、このバイアス磁場の効果を最大限利用するためには、上下強磁性層と接続している金属領域１１Ａの面積を大きく取るとよい。具体的には、図２(ｄ)に示すように、ＭＲ効果を示す中間層１１内において、絶縁体領域１１Ｂに比較して、金属領域１１Ａを大きくし、絶縁体領域１１Ｂに比較して金属領域１１Ａの第１の磁性層２２及び第２の磁性層２３に対する接触面積を大きくする。

また、中間層１１の、金属領域１１Ａに対する磁化バイアス効果は、中間層１１の、第１の磁性層２２及び第２の磁性層２３に接触している側よりも、中央付近で小さくなる。したがって、前記磁化バイアス効果を中間層１１の厚さ方向において均一に利用するためには、図２(ｃ)に示すように、金属領域１１Ａの、第１の磁性層２２及び第２の磁性層２３と接触する部分の面積をその中央付近における面内方向部分の面積よりも大きくする、すなわち金属領域１１Ａの中央付近における面内方向部分の面積を第１の磁性層２２及び第２の磁性層２３と接触する部分の面積よりも小さくする。

なお、図２に示す例では、第１の非磁性層１２及び第２の非磁性層１３の双方を磁性層に変更しているが、いずれか一方のみを磁性層に変更するようにすることもできる。この場合には、当然に磁性層の減少に伴い、磁化バイアス機能は多少劣化するようになる。しかしながら、非磁性層として汎用の電極材料を用いることができるので、磁気抵抗効果素子全体としての抵抗値を低減させることができ、より少ないセンス電流でＭＲ効果を検出することができるようになる。

なお、上述した磁気抵抗効果素子において、中間層１１内の金属領域１１Ａ及び１１Ｂは以下のようにして形成することができる。すなわち、第１の非磁性層１２あるいは第１の磁性層２２上にFe,Co,Ni,Crの少なくともひとつを含む金属層を一様に形成する。次いで、前記金属層に対して、Arイオンビームを照射しながら酸素を導入して、選択的に酸化する。これによって、前記金属層内に酸化物からなる絶縁体領域１１Ｂを形成することができる。この場合、前記金属層の非酸化領域が金属領域１１Ａを構成することになる。なお、Arイオンビームの代わりに、RFプラズマを用いても作製できる。

また、絶縁体領域１１Ｂを窒化物から構成する場合は、窒素プラズマや窒素イオンビームなどを用いて選択的に窒化することによって形成することもできる。この場合、前記金属層の、非窒化領域が金属領域１１Ａを構成することになる。なお、上記窒素プラズマなどを形成する際は、窒素ガスなどを直接的に用いることもできるが、アンモニアガスなどを用い、これを分解して得た活性窒素などを用いることもできる。

（磁気ヘッド、及び磁気記録再生装置）
上述した磁気抵抗効果素子は、記録再生一体型の磁気ヘッドアセンブリに組み込んで、磁気記録再生装置に搭載することができる。

図３は、このような磁気記録再生装置の概略構成を例示する要部斜視図である。図３に示す磁気記録再生装置１５０は、ロータリーアクチュエータを用いた形式の装置である。同図において、磁気ディスク２００は、スピンドル１５２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矢印Ａの方向に回転する。なお、図に示す磁気記録再生装置１５０では、単独の磁気ディスク２００のみを用いているが、複数の磁気ディスク２００を具えることができる。

磁気ディスク２００に格納する情報の記録再生を行うヘッドスライダ１５３は、薄膜状のサスペンション１５４の先端に取り付けられている。ヘッドスライダ１５３は、上述したいずれかの実施形態に係る磁気抵抗効果素子を含む磁気ヘッドをその先端付近に搭載している。

磁気ディスク２００が回転すると、ヘッドスライダ１５３の媒体対向面（ＡＢＳ）は磁気ディスク２００の表面から所定の浮上量をもって保持される。但し、このような浮上型に代えて、スライダが磁気ディスク２００と接触するいわゆる「接触走行型」であってもよい。サスペンション１５４は、図示しない駆動コイルを保持するボビン部などを有するアクチュエータアーム１５５の一端に接続されている。アクチュエータアーム１５５の他端には、リニアモータの一種であるボイスコイルモータ１５６が設けられている。ボイスコイルモータ１５６は、アクチュエータアーム１５５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１５５は、スピンドル１５７の上下２箇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１５６により回転摺動が自在にできるようになっている。

図４は、アクチュエータアーム１５５から先の磁気ヘッドアセンブリをディスク側から眺めた拡大斜視図である。磁気ヘッドアッセンブリ１６０は、例えば駆動コイルを保持するボビン部などを有するアクチュエータアーム１５５を有し、アクチュエータアーム１５５の一端にはサスペンション１５４が接続されている。

サスペンション１５４の先端には、上述したいずれかの実施形態に係る磁気抵抗効果素子を含む磁気ヘッドを具備するヘッドスライダ１５３が取り付けられている。サスペンション１５４は信号の書き込みおよび読み取り用のリード線１６４を有し、このリード線１６４とヘッドスライダ１５３に組み込まれた磁気ヘッドの各電極とが電気的に接続されている。図中１６５は磁気ヘッドアッセンブリ１６０の電極パッドである。

図３及び４に示す磁気記録再生装置においては、上述した本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を含む磁気ヘッドを具えることにより、従来よりも高い記録密度で磁気ディスク２００に磁気的に記録された情報を確実に読み取ることが可能となる。

（磁気メモリ）
上述した磁気抵抗効果素子は、例えばメモリセルがマトリクス状に配置されたランダムアクセス磁気メモリ（magnetic random access memory、ＭＲＡＭ）などの磁気メモリを構成することができる。

図５は、磁気メモリのマトリクス構成の一例を示す図である。この図は、メモリセルをアレイ状に配置した場合の回路構成を示す。アレイ中の１ビットを選択するために、列デコーダ３５０、行デコーダ３５１が備えられており、ビット線３３４とワード線３３２によりスイッチングトランジスタ３３０がオンになって一意に選択され、センスアンプ３５２で検出することにより磁気抵抗効果素子１０中の磁気記録層（フリー層）に記録されたビット情報を読み出すことができる。ビット情報を書き込むときは、特定の書き込みワード線３２３とビット線３２２に書き込み電流を流して発生する磁場を印加する。

図６は、上記磁気メモリのマトリクス構成の他の例を示す図である。この場合、マトリクス状に配線されたビット線３２２とワード線３３４とが、それぞれデコーダ３６０、３６１により選択されて、アレイ中の特定のメモリセルが選択される。それぞれのメモリセルは、磁気抵抗効果素子１０とダイオードＤとが直列に接続された構造を有する。ここで、ダイオードＤは、選択された磁気抵抗効果素子１０以外のメモリセルにおいてセンス電流が迂回することを防止する役割を有する。書き込みは、特定のビット線３２２と書き込みワード線３２３とにそれぞれに書き込み電流を流して発生する磁場により行われる。

図７は、本発明の実施形態に係る磁気メモリの要部を示す断面図である。図８は、図７のＡ−Ａ’線に沿う断面図である。これらの図に示した構造は、図４または図５に示した磁気メモリに含まれる１ビット分のメモリセルに対応する。このメモリセルは、記憶素子部分３１１とアドレス選択用トランジスタ部分３１２とを有する。

記憶素子部分３１１は、磁気抵抗効果素子１０と、これに接続された一対の配線３２２、３２４とを有する。磁気抵抗効果素子１０は、上述した実施形態に係る磁気抵抗効果素子である。

一方、選択用トランジスタ部分３１２には、ビア３２６および埋め込み配線３２８を介して接続されたトランジスタ３３０が設けられている。このトランジスタ３３０は、ゲート３３２に印加される電圧に応じてスイッチング動作をし、磁気抵抗効果素子１０と配線３３４との電流経路の開閉を制御する。

また、磁気抵抗効果素子１０の下方には、書き込み配線３２３が、配線３２２とほぼ直交する方向に設けられている。これら書き込み配線３２２、３２３は、例えばアルミニウム（Al）、銅（Cu）、タングステン（W）、タンタル（Ta）あるいはこれらいずれかを含む合金により形成することができる。

このような構成のメモリセルにおいて、ビット情報を磁気抵抗効果素子１０に書き込むときは、配線３２２、３２３に書き込みパルス電流を流し、それら電流により誘起される合成磁場を印加することにより磁気抵抗効果素子の記録層の磁化を適宜反転させる。

また、ビット情報を読み出すときは、配線３２２と、磁気記録層を含む磁気抵抗効果素子１０と、下電極３２４とを通してセンス電流を流し、磁気抵抗効果素子１０の抵抗値または抵抗値の変化を測定する。

上記磁気メモリは、上述した磁気抵抗効果素子を用いることにより、セルサイズを微細化しても、記録層の磁区を確実に制御して確実な書き込みを確保でき、且つ、読み出しも確実に行うことができる。

本件の発明を実証するため、フォトリソグラフィーを使って本発明の構成に係わる磁気抵抗効果素子を作製した。最初に、下部電極を作製し、その上に順次膜体を形成して積層体を作製した後、０．５μｍ角〜３μｍ角のサイズにパターニングし、上部電極を形成した。また、以下の示す中間層は、本発明の磁気抵抗効果膜に相当し、表１に示すIAO技術を用いて、その内部に金属領域及び絶縁体領域を形成するようにしている。
なお、上記積層体の具体的な構成は以下に示す通りである。

（積層例１）
下地層 ：Ta5nm/Ru2nm
反強磁性層 ：PtMn15nm
強磁性層３ ：CoFe3nm
反強磁性結合層 ：Ru0.8nm
強磁性層１ ：CoFe3nm
中間層 ：表１に記載
強磁性層２ ：CoFe3nm
保護層 ：Cu1nm/Ta2nm/Ru5nm

上記積層体において、PtMnによる一方向磁気異方性によって強磁性層３の磁化を固着するため、10 kOeの磁場中で270℃10時間のアニールを施した。Ruはその上下の層の磁化が反平行結合する膜厚0.8nmとした。なお、「PtMn/強磁性層3/Ru/強磁性層1」はピン層を構成するが、このようなピン層はシンセティックピン構成と呼ばれる。

評価は、上下の電極を使って垂直通電させ、外部磁場を掃引して磁気抵抗変化を測定することで行った。PtMnとRuによって磁化固着されている強磁性層１の磁化の方向を0度とし、反時計回りをプラス方向として角度を回転させて測定した。

まず、ID：3のサンプルについて、電気抵抗特性を把握した。電気抵抗の外部磁場依存性（Ｒ−Ｈ曲線）を図９に示す。なお、本例では、磁場を0度に挿引したものである。約±1 ０kOeの外部磁場によって、本サンプルの電気抵抗が大きく変化し、ＭＲ効果を呈することが確認された。

また、±1 kOe以内の低磁場領域で、磁場に対し非対称なR-H曲線を呈している。これは、強磁性層1と強磁性層２の磁化配列の変化によるものである。また、Ｒ−Ｈ曲線の各部分における予測される磁化配列を、図中に示した。各図中の数字は、それぞれＲ−Ｈ曲線中の数字に相当するものであり、かかるＲ−Ｈ曲線部分における予想される磁化配列を示したものである。

上下の強磁性層の磁化配列の違いによる電気抵抗の変化が、数字２及び４と数字３との抵抗変化である。数字３は上下の磁化が反平行であるときの電気抵抗、数字２及び４は磁化が平行に揃ったときの電気抵抗である。

これに対し、数字２及び４と数字１及び５の抵抗変化量が、本発明にかかる、金属領域の磁化配列の違いによる抵抗変化である。数字２及び４では、中間層における金属領域の磁化がねじれなどで揃っていない場合、あるいは、金属領域の磁化が、それぞればらばらの方向を向いている場合であり、数字１及び５は、金属領域の磁化が外部磁場によって同一方向に揃った場合である。

本例では、数字２及び４と数字３との抵抗変化と、数字２及び４と数字１及び５の抵抗変化とを比較すると、後者の場合の抵抗変化の方が大きいことが分かる。したがって、磁場に対する感度はまだまだ向上の余地があるものの、上記中間層内に形成された金属領域の磁化配列の変化によって、電気抵抗が比較的大きく変化し、かかる磁化配列の変化によってＭＲ効果が発現されることが確認された。

図１０は、同じ膜構成の素子（ID:3）に対して、磁場を90度方向に掃引した場合のＲ−Ｈ曲線である。上下の強磁性層の磁化配列の違いによる電気抵抗の変化が、数字２及び４と数字３との抵抗変化である。数字３は上下の磁化が反平行であるときの電気抵抗、数字２及び４は磁化が平行に揃ったときの電気抵抗である。

これに対し、数字２及び４と数字１及び５の抵抗変化量が、本発明にかかる、金属領域の磁化配列の違いによる抵抗変化である。数字２及び４では、中間層における金属領域の磁化がねじれなどで揃っていない場合、あるいは、金属領域の磁化が、それぞればらばらの方向を向いている場合であり、数字１及び５は、金属領域の磁化が外部磁場によって同一方向に揃った場合である。

本例でも、数字２及び４と数字３との抵抗変化と、数字２及び４と数字１及び５の抵抗変化とを比較すると、後者の場合の抵抗変化の方が大きいことが分かる。したがって、磁場に対する感度はまだまだ向上の余地があるものの、上記中間層内に形成された金属領域の磁化配列の変化によって、電気抵抗が比較的大きく変化し、かかる磁化配列の変化によってＭＲ効果が発現されることが確認された。

このように、片方の強磁性層しか固着していない積層膜においても、２層の磁化が揃ってから磁場を増加させていったときの抵抗変化量は、２層の磁化を予め固着して互いの磁化を揃えたおいた場合の抵抗変化量のほぼ同じであることが確認された。

次に、上記積層体に代えて下記積層体を形成し、上記同様に抵抗変化を調べた。この場合においても、特に結果のグラフは図示しないものの、図９及び１０に示す場合と同様の結果が得られ、これらに積層体構成においても、ＭＲ効果が発現することが確認された。積層例２では、強磁性層１と２の磁化を同じ方向に固着させており、積層例３では、強磁性層の固着の方法としては、Ruによるシンセティック構造を使わず、反強磁性体で直接磁化固着している。また、積層例４では、保磁力の大きいハード材料で固着している。

（積層例２）
下地層 ：Ta5nm/Ru2nm
反強磁性層 ：PtMn15nm
強磁性層３ ：CoFe3nm
反強磁性結合層 ：Ru0.8nm
強磁性層１ ：CoFe3nm
中間層 ：表１に記載
強磁性層２ ：CoFe3nm
反強磁性結合層 ：Ru0.8nm
強磁性層４ ：CoFe3n
反強磁性層 ：PtMn15nm
保護層 ：Cu1nm/Ta2nm/Ru5nm

（積層例３）
下地層 ：Ta5nm/Ru2nm
反強磁性層 ：PtMn、IrMn、FeMn
強磁性層１ ：CoFe3nm
中間層 ：表１に記載
強磁性層２ ：CoFe3nm
保護層 ：Cu1nm/Ta2nm/Ru5nm

（積層例４）
下地層 ：Ta5nm/Ru2nm
反強磁性層 ：CoPt
強磁性層１ ：CoFe3nm
中間層 ：表１に記載
強磁性層２ ：CoFe3nm
保護層 ：Cu1nm/Ta2nm/Ru5nm

次に、本例における磁気抵抗効果素子においては、上記中間層（磁気抵抗効果膜）を含む積層体の電気伝導がトンネル伝導か金属伝導かを調べるために、上記積層例１におけるID:1、2、3、4、5についてI-V特性を調べた。図１１は、上記IDにおける代表的なI-V特性を示すグラフである。図１１から明らかなように、上記IDにおいては、I-V特性の線形性が保持されており、上記電気伝導がオーミックであり、トンネル伝導ではなく金属伝導であることが確認された。したがって、上記中間層の上下強磁性層と接触している金属領域が上記電気伝導を担っていることが分かる。

以上、本発明を上記具体例に基づいて詳細に説明したが、本発明は上記具体例に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能である。

例えば、磁気抵抗効果素子を再生用磁気ヘッドに適用する際に、素子の上下に磁気シールドを付与することにより、磁気ヘッドの検出分解能を規定することができる。

さらに、上記磁気抵抗効果素子は、長手磁気記録方式のみならず垂直磁気記録方式の磁気ヘッドあるいは磁気記録再生装置についても同様に適用して同様の効果を得ることができる。

また、本発明の磁気記録再生装置は、特定の記録媒体を定常的に備えたいわゆる固定式のものでも良く、一方、記録媒体が差し替え可能ないわゆる「リムーバブル」方式のものでも良い。

本発明の磁気抵抗効果素子の一例を示す構成図である。 本発明の磁気抵抗効果素子の他の例を示す構成図である。 本発明の磁気抵抗効果素子を含む磁気記録再生装置の一例を示す斜視図である。 本発明の磁気ヘッドアセンブリの一例を示す図である。 本発明の磁気抵抗効果素子を含む磁気メモリマトリクスの一例を示す図である。 本発明の磁気抵抗効果素子を含む磁気メモリマトリクスの他の例を示す図である。 本発明の実施形態に係る磁気メモリの要部を示す断面図である。 図１０のＡ−Ａ’線に沿う断面図である。 本発明の磁気抵抗効果素子の一例におけるＲ−Ｈ曲線を示すグラフである。 同じく、本発明の磁気抵抗効果素子の一例におけるＲ−Ｈ曲線を示すグラフである。 本発明の磁気抵抗効果素子の一例におけるＩ−Ｖ特性曲線を示すグラフである。

符号の説明

１０ 磁気抵抗効果素子
１１ 中間層
１１Ａ 中間層中に含まれる金属領域
１１Ｂ 中間層中に含まれる絶縁体領域
１２ 第１の非磁性層
１３ 第２の非磁性層
２２ 第１の磁性層
２３ 第２の磁性層
１５０ 磁気記録再生装置
１５２ スピンドル
１５３ ヘッドスライダ
１５４ サスペンション
１５５ アクチュエータアーム
１５６ ボイスコイルモータ
１５７ スピンドル
１６０ 磁気ヘッドアッセンブリ
１６４ リード線
２００ 磁気記録磁気ディスク
３１１ 記憶素子部分
３１２ アドレス選択用トランジスタ部分
３１２ 選択用トランジスタ部分
３２１ 磁気抵抗効果素子
３２２ ビット線
３２２ 配線
３２３ ワード線
３２３ 配線
３２４ 下部電極
３２６ ビア
３２８ 配線
３３０ スイッチングトランジスタ
３３２ ゲート
３３２ ワード線
３３４ ビット線
３３４ ワード線
３５０ 列デコーダ
３５１ 行デコーダ
３５２ センスアンプ
３６０ デコーダ

Claims (10)

1. 磁化方向が固着された第１の磁性層と、磁化方向が固着された第２の磁性層と、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられた中間層と、前記第１の磁性層、前記中間層および前記第２の磁性層を含む積層膜の膜面垂直に電流を通電する電極とを有し、
   前記中間層が絶縁体領域とFe,Co,Ni,Crの少なくともひとつを含む金属領域からなり、
   前記金属領域は前記第１および第２の磁性層と接触していることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
2. 第１の非磁性層と、第２の非磁性層と、前記第１の非磁性層と前記第２の非磁性層との間に設けられた中間層と、前記第１の非磁性層、前記中間層および前記第２の非磁性層を含む積層膜の膜面垂直に電流を通電する電極とを有し、
   前記中間層が絶縁体領域とFe,Co,Ni,Crの少なくともひとつを含む金属領域からなり、
   前記金属領域は前記第１および第２の非磁性層と接触していることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
3. 磁化方向が固着された磁性層と、非磁性層と、前記磁性層と前記非磁性層との間に設けられた中間層と、前記磁性層、前記中間層および前記非磁性層を含む積層膜の膜面垂直に電流を通電する電極とを有し、
   前記中間層が絶縁体領域とFe,Co,Ni,Crの少なくともひとつを含む金属領域からなり、
   前記金属領域は前記磁性層および前記非磁性層と接触していることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
4. 前記中間層において、前記絶縁体領域は、Fe、Co、Ni、Cr、Al、Si、Mgの少なくとも一つを含む酸化物又は窒化物であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載の磁気抵抗効果素子。
5. 前記中間層において、前記金属領域の膜面方向の面積が、前記絶縁体領域の膜面方向の面積よりも大きいことを特徴とする、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
6. 前記中間層において、前記金属領域と前記第１および第２の磁性層との接触面積が、前記金属領域の略中央部で膜面方向に広がる断面積よりも大きいこと特徴とする、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
7. 前記中間層の、前記金属領域の面内方向における大きさ（幅）が、５０ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一に記載の磁気抵抗効果素子。
8. 請求項１〜７のいずれか一に記載の磁気抵抗効果素子を具えることを特徴とする、磁気ヘッド。
9. 磁気記録媒体と、請求項８に記載の磁気ヘッドとを具えることを特徴とする、磁気記録再生装置。
10. 請求項１〜７のいずれか一に記載の磁気抵抗効果素子を具えることを特徴とする、磁気メモリ。

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