JP2008091551A - Magnetoresistance effect element, magnetic storage device, and magnetic memory device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、磁気記憶装置において情報を再生するための磁気抵抗効果素子、磁気記憶装置、および磁気メモリ装置に関し、特に、磁気抵抗効果素子を構成する積層膜の積層方向にセンス電流を流すCPP(Current−Perpendicular−to−Plane)型の構造を有する磁気抵抗効果素子に関する。 The present invention relates to a magnetoresistive effect element, a magnetic memory device, and a magnetic memory device for reproducing information in a magnetic memory device, and more particularly, to a CPP (flowing sense current in the stacking direction of stacked films constituting the magnetoresistive effect element). The present invention relates to a magnetoresistive effect element having a current-perpendicular-to-plane) type structure.
近年、磁気記憶装置の磁気ヘッドには、磁気記録媒体に記録された情報を再生するための再生用素子として磁気抵抗効果素子が用いられている。磁気抵抗効果素子は磁気記録媒体から漏洩する信号磁界の向きの変化を電気抵抗の変化に変換する磁気抵抗効果を利用して磁気記録媒体に記録された情報を再生する。 In recent years, magnetoresistive elements have been used in magnetic heads of magnetic storage devices as reproducing elements for reproducing information recorded on magnetic recording media. The magnetoresistive effect element reproduces information recorded on the magnetic recording medium using a magnetoresistive effect that converts a change in the direction of the signal magnetic field leaking from the magnetic recording medium into a change in electrical resistance.
磁気記憶装置の高記録密度化に伴い、スピンバルブ膜を備えたものが主流となっている。スピンバルブ膜は、磁化が所定の方向に固定された固定磁化層と、非磁性層と、磁気記録媒体からの漏洩磁界の方向や強度に応じて磁化の方向が変わる自由磁化層が積層して構成されている。スピンバルブ膜は、固定磁化層の磁化と自由磁化層の磁化とがなす角に応じて電気抵抗値が変化する。電気抵抗値の変化を、スピンバルブ膜に一定値のセンス電流を流して電圧変化として検出することで、磁気抵抗効果素子が磁気記録媒体に記録されたビットを再生する。 With the increase in recording density of magnetic storage devices, those having a spin valve film have become mainstream. A spin valve film is composed of a fixed magnetic layer whose magnetization is fixed in a predetermined direction, a nonmagnetic layer, and a free magnetic layer whose magnetization direction changes depending on the direction and strength of the leakage magnetic field from the magnetic recording medium. It is configured. The electric resistance value of the spin valve film changes according to the angle formed by the magnetization of the fixed magnetization layer and the magnetization of the free magnetization layer. A change in electrical resistance value is detected as a voltage change by passing a constant sense current through the spin valve film, so that the magnetoresistive element reproduces a bit recorded on the magnetic recording medium.
従来、磁気抵抗効果素子は、スピンバルブ膜の面内方向にセンス電流を流すCIP(Current−In−Plane)型の構造が採用されてきた。磁気記録装置のさらなる高記録密度化を図るためには、磁気記録媒体では、その線記録密度およびトラック密度を増加させる必要がある。一方、磁気抵抗効果素子では、磁気記録媒体のトラック幅に対応する素子幅、および素子高さ(素子の奥行き)の両方、すなわち素子断面積を低減する必要がある。この場合、CIP型の構造では、センス電流の電流密度が大きくなるため過熱によりスピンバルブ膜を構成する材料のマイグレーション等による性能劣化が生じるおそれがある。 Conventionally, the magnetoresistive effect element has adopted a CIP (Current-In-Plane) type structure in which a sense current flows in the in-plane direction of the spin valve film. In order to further increase the recording density of the magnetic recording apparatus, it is necessary to increase the linear recording density and the track density of the magnetic recording medium. On the other hand, in the magnetoresistive effect element, it is necessary to reduce both the element width corresponding to the track width of the magnetic recording medium and the element height (element depth), that is, the element cross-sectional area. In this case, in the CIP type structure, since the current density of the sense current is increased, there is a possibility that performance degradation may occur due to migration of a material constituting the spin valve film due to overheating.
そこで、スピンバルブ膜の積層方向、すなわち、固定磁化層、非磁性層、および自由磁化層が積層された方向にセンス電流を流すCPP(Current−Perpendicular−to−Plane)型の構造が提案され、次世代の再生用素子として盛んに研究が行われている。CPP型のスピンバルブ膜は、素子幅が狭小化されても出力がほとんど変化しないという特長を有するため、高記録密度化に適している。 Therefore, a CPP (Current-Perpendicular-to-Plane) type structure is proposed in which a sense current flows in the stacking direction of the spin valve film, that is, the direction in which the fixed magnetic layer, the nonmagnetic layer, and the free magnetic layer are stacked. Active research is being carried out as a next-generation reproducing element. Since the CPP type spin valve film has a feature that the output hardly changes even when the element width is narrowed, it is suitable for increasing the recording density.
CPP型のスピンバルブ膜の出力は、スピンバルブ膜に外部磁界を一方向からその逆の方向に磁界を掃引して印加した際の磁気抵抗変化量で決まってくる。この磁気抵抗変化量は、センス電流の方向に垂直な膜面の単位面積の磁気抵抗変化量である。単位面積の磁気抵抗変化量は、スピンバルブ膜の磁気抵抗変化量とスピンバルブ膜の膜面の面積を乗じたものである。単位面積の磁気抵抗変化量を増加させるためには、自由磁化層や固定磁化層にスピン依存バルク散乱係数と比抵抗との積が大きな材料を用いる必要がある。スピン依存バルク散乱とは、伝導電子が持つスピンの向きに依存して自由磁化層や固定磁化層の層内で伝導電子が散乱する度合いを示す。スピン依存バルク散乱係数が大きいほど、磁気抵抗変化量が大きくなる。 The output of the CPP type spin valve film is determined by the amount of change in magnetoresistance when an external magnetic field is applied to the spin valve film by sweeping the magnetic field from one direction to the opposite direction. This magnetoresistance change amount is the magnetoresistance change amount of a unit area of the film surface perpendicular to the direction of the sense current. The amount of change in magnetoresistance per unit area is the product of the amount of change in magnetoresistance of the spin valve film and the area of the film surface of the spin valve film. In order to increase the amount of change in magnetoresistance per unit area, it is necessary to use a material having a large product of the spin-dependent bulk scattering coefficient and the specific resistance for the free magnetic layer and the fixed magnetic layer. Spin-dependent bulk scattering refers to the degree to which conduction electrons are scattered in the free magnetic layer or the fixed magnetic layer depending on the spin direction of the conduction electrons. The greater the spin-dependent bulk scattering coefficient, the greater the magnetoresistance change.
スピン依存バルク散乱係数が大きな材料として、Mnを含むホイスラー合金組成の強磁性材料を自由磁化層に用いた磁気抵抗効果素子が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。さらに、特許文献1ではMnを含むホイスラー合金組成を自由磁化層に用いた場合、製造中の熱処理により自由磁化層に接するCuやCrの非磁性層にMn原子が拡散して、磁気抵抗変化量の著しい減少が生じるため、自由磁化層と非磁性層との間にCoFe膜を形成して、磁気抵抗変化量の低下を回避する手法が提案されている。
しかしながら、上記特許文献1のように自由磁化層と非磁性層との間にCoFe膜を形成した場合、CoFe膜は厚いほどMnの非磁性層側への拡散を抑制できるが、これと同時に保磁力も増大する。このため、自由磁化層とCoFe膜の磁化が外部磁界に対する感度が低下する。
However, when a CoFe film is formed between the free magnetic layer and the nonmagnetic layer as in
そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなされたもので、本発明の目的は、Mnの拡散を抑制して高出力で外部磁界を検知する感度に対する磁気抵抗効果素子、これを用いた磁気記憶装置および磁気メモリ装置を提供することである。 Accordingly, the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a magnetoresistive effect element for sensitivity to detect an external magnetic field at a high output by suppressing diffusion of Mn, and a magnetic memory using the same. An apparatus and a magnetic memory device are provided.
本発明の一観点によれば、CPP型の磁気抵抗効果素子であって、固定磁化層と、非磁性金属層と、拡散防止層と、自由磁化層とがこの順に積層され、前記自由磁化層はMn系ホイスラー合金からなり、前記拡散防止層はCoFeAlからなることを特徴とする磁気抵抗効果素子が提供される。 According to one aspect of the present invention, there is provided a CPP-type magnetoresistive element, in which a fixed magnetic layer, a nonmagnetic metal layer, a diffusion prevention layer, and a free magnetic layer are stacked in this order, and the free magnetic layer Is made of a Mn-based Heusler alloy, and the diffusion preventing layer is made of CoFeAl.
本発明によれば、自由磁化層と非磁性金属層との間にCoFeAlからなる拡散防止層を設けて、自由磁化層のMn系ホイスラー合金のMn原子が非磁性金属層に拡散するのを抑止する。また、CoFeAl膜がCoFeよりも飽和磁束密度が低いので、膜厚×飽和磁束密度で表される磁化量を所定値に設定する場合、CoFeよりも自由磁化層の膜厚を増加でき、自由磁化層のMn系ホイスラー合金はスピン依存バルク散乱がCoFeよりも大きいので。したがって、高出力の磁気抵抗効果素子が得られる。これと共に、CoFeAlからなる拡散防止層が自由磁化層に接して設けられているので、拡散防止層の磁化と自由磁化層の磁化は互いに交換結合しながら外部磁界に対して応答する。CoFeAlはCoFeよりも低保磁力かつ低飽和磁束密度なので、拡散防止層および自由磁化層の積層体の磁化は外部磁界に対する感度が向上する。これらのことから、高出力で外部磁界に対する感度が良好な磁気抵抗効果素子が得られる。 According to the present invention, a diffusion prevention layer made of CoFeAl is provided between the free magnetic layer and the nonmagnetic metal layer to prevent Mn atoms of the Mn-based Heusler alloy of the free magnetic layer from diffusing into the nonmagnetic metal layer. To do. In addition, since the CoFeAl film has a lower saturation magnetic flux density than CoFe, when the magnetization amount represented by film thickness × saturation magnetic flux density is set to a predetermined value, the film thickness of the free magnetic layer can be increased more than CoFe, and free magnetization This is because the Mn-based Heusler alloy in the layer has higher spin-dependent bulk scattering than CoFe. Therefore, a high-output magnetoresistive element can be obtained. At the same time, since the diffusion preventing layer made of CoFeAl is provided in contact with the free magnetic layer, the magnetization of the diffusion preventing layer and the magnetization of the free magnetic layer respond to an external magnetic field while being exchange coupled. Since CoFeAl has a lower coercive force and a lower saturation magnetic flux density than CoFe, the magnetization of the laminate of the diffusion prevention layer and the free magnetic layer improves the sensitivity to an external magnetic field. As a result, a magnetoresistive element having high output and good sensitivity to an external magnetic field can be obtained.
本発明の他の観点によれば、CPP型の磁気抵抗効果素子であって、固定磁化層と、非磁性絶縁層と、自由磁化層と、他の拡散防止層と、保護層とがこの順に積層され、前記保護層は非磁性金属材料からなり、前記自由磁化層はMn系ホイスラー合金からなり、前記他の拡散防止層はCoFeAlからなることを特徴とする磁気抵抗効果素子が提供される。 According to another aspect of the present invention, there is provided a CPP type magnetoresistive element, wherein a fixed magnetic layer, a nonmagnetic insulating layer, a free magnetic layer, another diffusion prevention layer, and a protective layer are arranged in this order. A magnetoresistive effect element is provided, wherein the protective layer is made of a nonmagnetic metal material, the free magnetic layer is made of a Mn-based Heusler alloy, and the other diffusion prevention layer is made of CoFeAl.
本発明によれば、自由磁化層と保護膜との間にCoFeAlからなる拡散防止層を設けて、自由磁化層のMn系ホイスラー合金のMn原子が保護膜に拡散するのを抑止する。また、CoFeAl膜がCoFeよりも飽和磁束密度が低いので、膜厚×飽和磁束密度で表される磁化量を所定値に設定する場合、CoFeよりも自由磁化層の膜厚を増加でき、自由磁化層のMn系ホイスラー合金はスピン依存バルク散乱がCoFeよりも大きいので。したがって、高出力の磁気抵抗効果素子が得られる。他の拡散防止層が自由磁化層に接して設けられているので、他の拡散防止層の磁化と自由磁化層の磁化は互いに交換結合しながら外部磁界に対して応答する。他の拡散防止層のCoFeAlはCoFeよりも低保磁力かつ低飽和磁束密度なので、他の拡散防止層と自由磁化層との積層体の磁化は外部磁界に対する感度が向上する。これらのことから、高出力で外部磁界に対する感度が良好な磁気抵抗効果素子が得られる。 According to the present invention, a diffusion preventing layer made of CoFeAl is provided between the free magnetic layer and the protective film, and Mn atoms of the Mn-based Heusler alloy of the free magnetic layer are prevented from diffusing into the protective film. In addition, since the CoFeAl film has a lower saturation magnetic flux density than CoFe, when the magnetization amount represented by film thickness × saturation magnetic flux density is set to a predetermined value, the film thickness of the free magnetic layer can be increased more than CoFe, and free magnetization This is because the Mn-based Heusler alloy in the layer has higher spin-dependent bulk scattering than CoFe. Therefore, a high-output magnetoresistive element can be obtained. Since the other anti-diffusion layer is provided in contact with the free magnetic layer, the magnetization of the other anti-diffusion layer and the magnetization of the free magnetic layer respond to an external magnetic field while being exchange-coupled with each other. Since CoFeAl of the other anti-diffusion layer has a lower coercive force and a lower saturation magnetic flux density than CoFe, the magnetization of the laminate of the other anti-diffusion layer and the free magnetic layer improves the sensitivity to the external magnetic field. As a result, a magnetoresistive element having high output and good sensitivity to an external magnetic field can be obtained.
本発明のその他の観点によれば、上記いずれか一項記載の磁気抵抗効果素子を有する磁気ヘッドと、記録素子と、磁気記録媒体とを備える磁気記憶装置が提供される。 According to another aspect of the present invention, there is provided a magnetic storage device including a magnetic head having the magnetoresistive effect element according to any one of the above, a recording element, and a magnetic recording medium.
本発明によれば、磁気抵抗効果素子が高出力でかつ磁気記録媒体からの信号磁界に対する感度が良好であるので、磁気記憶装置の高記録密度化が可能となる。 According to the present invention, since the magnetoresistive element has a high output and a high sensitivity to a signal magnetic field from a magnetic recording medium, it is possible to increase the recording density of the magnetic storage device.
本発明のその他の観点によれば、固定磁化層と、非磁性金属層と、拡散防止層と、自由磁化層と、が積層されたCPP型の磁気抵抗効果膜と、前記磁気抵抗効果膜に磁界を印加して、前記自由磁化層の磁化を所定の方向に向ける書込手段と、前記磁気抵抗効果膜にセンス電流を供給して抵抗値を検出する読出手段とを備え、前記自由磁化層はMn系ホイスラー合金からなり、前記拡散防止層はCoFeAlからなることを特徴とする磁気メモリ装置が提供される。 According to another aspect of the present invention, a CPP type magnetoresistive film in which a fixed magnetic layer, a nonmagnetic metal layer, a diffusion prevention layer, and a free magnetic layer are stacked, and the magnetoresistive film A writing means for applying a magnetic field to direct the magnetization of the free magnetic layer in a predetermined direction; and a reading means for detecting a resistance value by supplying a sense current to the magnetoresistive film; A magnetic memory device is provided in which is made of a Mn-based Heusler alloy and the diffusion prevention layer is made of CoFeAl.
本発明によれば、磁気抵抗効果膜は高出力であるので、情報の読出しの際に、保持された"0"および "1"に対応する磁気抵抗値の差が大きいので、正確な読出しができる。さらに、本発明では、前記非磁性金属層と自由磁化層との間に、自由磁化層に含まれるMnの非磁性金属層への拡散を防止する拡散防止層を備える。拡散防止層により磁気メモリ装置の製造過程における加熱処理や使用時の発熱等の温度上昇による非磁性金属層中へのMnの拡散を抑制できる。その結果、耐熱性に優れ、磁気抵抗変化量の劣化を抑制できる。 According to the present invention, since the magnetoresistive film has a high output, the difference between the magnetoresistive values corresponding to “0” and “1” held at the time of reading information is large. it can. Further, according to the present invention, a diffusion preventing layer for preventing diffusion of Mn contained in the free magnetic layer into the nonmagnetic metal layer is provided between the nonmagnetic metal layer and the free magnetic layer. The diffusion preventing layer can suppress the diffusion of Mn into the nonmagnetic metal layer due to a temperature increase such as heat treatment in the manufacturing process of the magnetic memory device or heat generation during use. As a result, the heat resistance is excellent, and the deterioration of the magnetoresistance change amount can be suppressed.
本発明によれば、高出力でかつ磁界に対する感度が良好な磁気抵抗効果素子、これを用いた磁気記憶装置、および磁気メモリ装置を実現できる。 According to the present invention, it is possible to realize a magnetoresistive effect element having high output and good sensitivity to a magnetic field, a magnetic storage device using the same, and a magnetic memory device.
以下図面を参照しつつ実施の形態を説明する。なお、説明の便宜のため、特に断らない限り、「単位面積の磁気抵抗変化量ΔRA」を「磁気抵抗変化量ΔRA」あるいは単に「ΔRA」と略称する。 Embodiments will be described below with reference to the drawings. For convenience of explanation, unless otherwise specified, “magnetic resistance change amount ΔRA of unit area” is abbreviated as “magnetic resistance change amount ΔRA” or simply “ΔRA”.
(第1の実施の形態)
本発明の第1の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子と、誘導型記録素子を備えた複合型の磁気ヘッドについて説明する。
(First embodiment)
A composite magnetic head including a magnetoresistive effect element according to a first embodiment of the present invention and an inductive recording element will be described.
図1は、複合型の磁気ヘッドの媒体対向面の要部を示す図である。図1中、矢印Xの方向は、磁気抵抗効果素子に対向する磁気記録媒体(不図示)の移動方向を示す。 FIG. 1 is a diagram showing the main part of the medium facing surface of a composite magnetic head. In FIG. 1, the direction of arrow X indicates the moving direction of a magnetic recording medium (not shown) facing the magnetoresistive element.
図1を参照するに、磁気ヘッド10は、大略して、ヘッドスライダの基体となるAl2O3−TiC等の平坦なセラミック基板11の上に形成された磁気抵抗効果素子20と、その上に形成された誘導型記録素子13から構成される。
Referring to FIG. 1, a
誘導型記録素子13は、媒体対向面に磁気記録媒体のトラック幅に相当する幅を有する上部磁極14と、非磁性材料からなる記録ギャップ層15を挟んで上部磁極14に対向する下部磁極16と、上部磁極14と下部磁極16とを磁気的に接続するヨーク(図示されず)と、ヨークを巻回し、記録電流により記録磁界をする誘起するコイル(図示されず)等からなる。上部磁極14、下部磁極16、およびヨークは軟磁性材料より構成される。この軟磁性材料としては、記録磁界を確保するために飽和磁束密度の大なる材料、例えば、Ni80Fe20、CoZrNb、FeN、FeSiN、FeCo、CoNiFe等が挙げられる。なお、誘導型記録素子13はこれに限定されるものではなく、公知の構造の誘導型記録素子を用いることができる。
The
磁気抵抗効果素子20は、セラミック基板11の表面に形成されたアルミナ膜12上に、下部電極21、磁気抵抗効果膜30(以下、「GMR膜30」と称する。)、アルミナ膜25、上部電極22が積層された構成となっている。GMR膜30は、下部電極21および上部電極22とそれぞれ電気的に接続されている。
The
GMR膜30の両側には、絶縁膜23を介して磁区制御膜24が設けられている。磁区制御膜24は、例えば、Cr膜と強磁性のCoCrPt膜との積層体からなる。磁区制御膜24は、GMR膜30を構成する自由磁化層(図2に示す符号39)の単磁区化を図り、バルクハウゼンノイズの発生を防止する。
A magnetic
下部電極21および上部電極22は、センス電流Isの流路としての機能に加え、磁気シールドとしての機能も兼ねる。そのため、下部電極21および上部電極22は、軟磁性合金、例えばNiFe、CoFe等から構成される。さらに下部電極21とGMR膜30との界面に導電膜、例えば、Cu膜、Ta膜、Ti膜等を設けてもよい。これらの導電膜によりGMR膜30を構成する各層の結晶性が向上する。
The
また、磁気抵抗効果素子20および誘導型記録素子13は、腐食等を防止するためアルミナ膜や水素化カーボン膜等により覆われる。
The
センス電流Isは、例えば、上部電極22から、GMR膜30をその膜面に略垂直方向(GMR膜の積層方向に流れ下部電極21に達する。GMR膜30は、磁気記録媒体からの漏洩する信号磁界の強度および方向に対応して電気抵抗値、いわゆる磁気抵抗値が変化する。磁気抵抗効果素子20は、GMR膜30の磁気抵抗値の変化を、所定の電流量のセンス電流Isを流して、電圧変化として検出する。このようにして、磁気抵抗効果素子20は磁気記録媒体に記録された情報を再生する。なお、センス電流Isの流れる方向は図1に示す方向に限定されず、逆向きでもよい。また、磁気記録媒体の移動方向も逆向きでもよい。
The sense current Is flows, for example, from the
なお、磁気ヘッド10の記録素子13および磁気抵抗効果素子20の形成方法は公知の方法、例えば、スパッタ法や真空蒸着法、化学気相成長法等の成膜方法と、フォトリソグラフィ法およびドライエッチング法を組み合わせたパターニング方法を用いることができる。
The
また、本発明の一つの実施の形態として複合型の磁気ヘッド10を示したが、本発明の他の実施の形態として、磁気ヘッドは第1の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子(あるいは後ほど説明する第2の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子)のみを備える再生専用の磁気ヘッドでもよい。
Also, the composite
次に、磁気抵抗効果素子20を構成するGMR膜30について5つの例(第1例〜第5例)を説明する。磁気抵抗効果素子20には、第1例〜第5例のGMR膜のいずれを適用してもよい。
Next, five examples (first to fifth examples) of the
[第1例のGMR膜]
図2は、第1の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を構成する第1例のGMR膜の断面図である。
[GMR film of first example]
FIG. 2 is a cross-sectional view of a first example GMR film constituting the magnetoresistive effect element according to the first embodiment.
図2を参照するに、第1例のGMR膜30は、下地層31、反強磁性層32、固定磁化積層体33、非磁性金属層37、拡散防止層38、自由磁化層39、保護層40が順次積層された構成からなる。GMR膜30は、いわゆるシングルスピンバルブ構造を有する。
Referring to FIG. 2, the
下地層31は、図1に示す下部電極21の表面にスパッタ法等により形成される。下地層31は、例えば、NiCr膜や、Ta膜(例えば膜厚5nm)とNiFe膜(例えば膜厚5nm)との積層体等から構成される。NiFe膜は、Feの含有量が17原子%〜25原子%の範囲内であることが好ましい。このような組成のNiFe膜を用いることにより、NiFe膜の結晶成長方向である(111)結晶面およびこれに結晶学的に等価な結晶面の表面に、反強磁性層32がエピタキシャル成長する。これにより、反強磁性層32の結晶性を向上させることができ、さらには、反強磁性層32上に積層された各層34〜38を介して自由磁化層39の結晶性が向上し、自由磁化層39の保磁力を低下させることができる。
The
反強磁性層32は、例えば膜厚4nm〜30nm(好ましくは4nm〜10nm)のMn−TM合金(TMは、Pt、Pd、Ni、IrおよびRhのうち少なくとも1種から選択される。)から構成される。Mn−TM合金としては、例えば、PtMn、PdMn、NiMn、IrMn、PtPdMnが挙げられる。反強磁性層32は、固定磁化積層体33の第1固定磁化層34に交換相互作用を及ぼして第1固定磁化層34の磁化を所定の向きに固定する。
The
固定磁化積層体33は、反強磁性層32側から第1固定磁化層34、非磁性結合層35、第2固定磁化層36が順に積層されてなる。固定磁化積層体33は、第1固定磁化層34の磁化と第2固定磁化層36の磁化とが反強磁性的に交換結合し、磁化の向きが互いに反平行となる、いわゆる積層フェリ構造を有する。
The fixed
第1および第2固定磁化層34,36は、それぞれ膜厚1〜30nmのCo、Ni、およびFeのうち、少なくともいずれかを含む強磁性材料から構成される。この強磁性材料としては、例えば、CoFe、CoFeB、CoFeAl、NiFe、FeCoCu、CoNiFe等が挙げられる。
The first and second pinned
第2固定磁化層36として、CoFeZ(但し、Zは、Al、Si、Ga、Ge、Cu、Mg、V、Cr、In、Sn、B、およびNiから選択される少なくとも1種の元素である。)の一般式で表され、Co50Fe25Z25(但し、含有量は原子%で示している。)の組成でホイスラー合金の結晶構造を形成する強磁性材料を用いてもよい。CoFeZ強磁性材料は、スピン依存バルク散乱係数が大きいので、磁気抵抗効果素子のΔRAを増加できる。第2固定磁化層36の強磁性材料は保磁力が高くても磁気抵抗効果素子の特性に悪影響を及ぼさないため、スピン依存バルク散乱係数が大きい組成範囲から選択できる。
As the second pinned
また、第1固定磁化層34として好適な強磁性材料としては、比抵抗が低い点で、CoFe、NiFeが挙げられる。これは、第1固定磁化層34の磁化は、第2固定磁化層36の磁化の向きに対して逆向きとなるので、スピン依存バルク散乱係数の符号が第2固定磁化層36と同じ場合は、第1固定磁化層34が磁気抵抗変化量ΔRAを低下させる方向に働く。このような場合、比抵抗の低い強磁性材料を用いることで、磁気抵抗変化量ΔRAの低下を抑制することができる。
Further, examples of the ferromagnetic material suitable for the first pinned
非磁性結合層35は、その膜厚が第1固定磁化層34と第2固定磁化層36とが反強磁性的に交換結合する範囲に設定される。その範囲は、0.4nm〜1.5nm(好ましくは0.4nm〜0.9nm)である。非磁性結合層35は、Ru、Rh、Ir、Ru系合金、Rh系合金、Ir系合金等の非磁性材料から構成される。Ru系合金としてはRuに、Co、Cr、Fe、Ni、およびMnのうちいずれか一つ、あるいはこれらの合金との非磁性材料が好適である。
The thickness of the
なお、第1および第2固定磁化層34,36のそれぞれは、1層のみならず、2層以上の積層体としてもよく、この積層体は、その各々の層が同一の元素の組み合わせでかつ互いに異なる組成比の材料を用いてもよく、あるいは、互いに異なる元素を組み合わせた材料を用いてもよい。
Each of the first and second pinned
さらに、図示を省略するが、第1固定磁化層34と反強磁性層32との間に第1固定磁化層34よりも飽和磁束密度が高い強磁性材料からなる強磁性接合層を設けてもよい。これにより、第1固定磁化層34と反強磁性層32との間に働く交換相互作用を増加でき、第1固定磁化層34の磁化の向きが所定の向きから変位したり反転したりする問題を回避できる。
Further, although not shown, a ferromagnetic junction layer made of a ferromagnetic material having a saturation magnetic flux density higher than that of the first pinned
非磁性金属層37は、例えば、膜厚1.5nm〜10nmの非磁性の金属材料から構成される。非磁性金属層37に好適な導電性材料としてはCu、Al、Cr等が挙げられる。
The
拡散防止層38はCoFeAlからなる。CoFeAlを用いることで、以下に説明するように、磁気抵抗効果素子の高出力化および高感度化が可能になる。
The
CoFeAlは、後の図7において説明するが、自由磁化層39のMn系ホイスラー合金のMnの非磁性金属層37への拡散を抑止する。そのためMnの拡散による磁気抵抗変化量ΔRAの低下を抑止できる。特に非磁性金属層37がCuの場合はMnが拡散し易く、磁気抵抗変化量ΔRAが極めて低下するので、拡散防止層38によってその低下を回避する。
As will be described later with reference to FIG. 7, CoFeAl suppresses diffusion of Mn of the Mn-based Heusler alloy of the free
さらに、CoFeAlは、後の図8において説明するが、保磁力および飽和磁束密度がCoFeよりも低い。保磁力は磁化の飽和の困難性を示しており、外部磁界に対する応答は保磁力が低いほどよい。CoFeAlがCoFeよりも保磁力が低いので、より低い外部磁界により磁化の向きが反転されて自由磁化層39と共に外部磁界に反応可能となる。
Furthermore, as will be described later with reference to FIG. 8, CoFeAl has lower coercive force and saturation magnetic flux density than CoFe. The coercive force indicates the difficulty of magnetization saturation, and the lower the coercive force, the better the response to an external magnetic field. Since CoFeAl has a lower coercive force than CoFe, the direction of magnetization is reversed by a lower external magnetic field, and can react to the external magnetic field together with the free
また、自由磁化層39が拡散防止層38と共に外部磁界に追従して磁化が回転する際、磁化の回転の容易性は自由磁化層39および拡散防止層38のそれぞれの飽和磁束密度と膜厚との積(以下、「飽和磁束密度膜厚積」と称する。)の総和により決定され、その総和は所定値以下に設定される。CoFeAlはCoFeよりも飽和磁束密度が低く、かつ、Mnの拡散防止層として機能する厚さはCoFeと略同等と考えられるため、CoFeよりも飽和磁束密度膜厚積を抑制できる。そのため、抑制された飽和磁束密度膜厚積の分を自由磁化層39に割り当てられるので、自由磁化層39の膜厚を増加できる。自由磁化層39のMn系ホイスラー合金のスピン依存バルク散乱係数は、CoFeやCoFeAlよりも大きいため、自由磁化層39の膜厚を増加することで磁気抵抗変化量ΔRAを増加でき、磁気抵抗効果素子20の高出力化が可能になる。
In addition, when the
また、CoFeAlのスピン依存バルク散乱係数は、軟磁性材料であるCoFeのスピン依存バルク散乱係数と同程度で、その他の軟磁性材料よりも比較的大きなスピン依存バルク散乱係数を有する。例えば、Co90Fe10のスピン依存バルク散乱係数は0.55であるのに対し、Co50Fe20Al30のスピン依存バルク散乱係数は0.50である。また、比抵抗はCoFeAlがCoFeよりも極めて大きく、例えばCo90Fe10が20μΩcmであるに対して、Co50Fe20Al30はCo90Fe10の6倍程度の130μΩcmである。磁気抵抗変化量はスピン依存バルク散乱係数と比抵抗との積に依存するので、CoFeAlの方がCoFeよりも磁気抵抗変化量ΔRAが極めて大きい。したがって、拡散防止層38にCoFeAlを用いることで、磁気抵抗変化量ΔRAを大幅に増加することができ、磁気抵抗効果素子20のいっそうの高出力化が可能になる。
Further, the spin-dependent bulk scattering coefficient of CoFeAl is approximately the same as the spin-dependent bulk scattering coefficient of CoFe, which is a soft magnetic material, and has a relatively larger spin-dependent bulk scattering coefficient than other soft magnetic materials. For example, the spin-dependent bulk scattering coefficient of Co 90 Fe 10 is 0.55, whereas the spin-dependent bulk scattering coefficient of Co 50 Fe 20 Al 30 is 0.50. The specific resistance of CoFeAl is much larger than that of CoFe. For example, Co 90 Fe 10 is 20 μΩcm, whereas Co 50 Fe 20 Al 30 is 130 μΩcm, which is about six times that of Co 90 Fe 10 . Since the magnetoresistance change depends on the product of the spin-dependent bulk scattering coefficient and the specific resistance, CoFeAl has a much larger magnetoresistance change ΔRA than CoFe. Therefore, by using CoFeAl for the
さらに、CoFeAlのスピン依存バルク散乱係数および比抵抗は、CoFeAlの組成比に対する依存性が小さいため、製造の際のCoFeAlの組成管理が容易になるという利点もある。なお、CoFeAlはこれらの利点から、次に説明する自由磁化層38にも好適に用いられる。
Furthermore, since the spin-dependent bulk scattering coefficient and specific resistance of CoFeAl are less dependent on the composition ratio of CoFeAl, there is also an advantage that the composition management of CoFeAl during manufacture becomes easy. CoFeAl is also preferably used for the free
さらに、拡散防止層38のCoFeAlは、後の図9および図10に示すように、組成を選択することで、保磁力をさらに低減できる。すなわち、図10に示すように、CoFeAlの三元系組成図において、各組成の座標を(Co含有量、Fe含有量、Al含有量)として表すと、点A(55,10,35)、点B(50,15,35)、点C(50,20,30)、点D(55,25,20)、点E(60,25,15)、点F(70,15,15)として、点A、点B、点C、点D、点E、点F、および点Aをこの順にそれぞれ直線で結んだ領域ABCDEFAの範囲内の組成に設定される(図10中、太い実線で示す範囲)。この組成範囲は、ホイスラー合金組成であるCo50Fe25Al25と同等の磁気抵抗変化量ΔRAを有し、かつ保磁力が低減されている。したがって、磁気抵抗効果素子20は高出力が得られると共に、信号磁界に対する感度が高めることができる。
Further, the CoFeAl of the
さらにまた、自由磁化層38の組成範囲を、後の図8に示すCoFeAlの三元系組成図において、各組成の座標を(Co含有量、Fe含有量、Al含有量)として表すと、点A(55,10,35)、点B(50,15,35)、点C(50,20,30)、点G(65,20,15)として、点A、点B、点C、点G、および点Aをこの順にそれぞれ直線で結んだ領域内の組成に設定する図10中、太い破線で示す範囲)ことで、拡散防止層38自体の保磁力を20Oe以下にすることができるので、信号磁界に対する感度がいっそう高めることができる。
Furthermore, when the composition range of the free
また、拡散防止層38は、膜厚0.5nm〜2.0nmの範囲に設定されることが好ましい。拡散防止層38の膜厚が0.5nmを切るとMnの拡散防止機能が低下し、2.0nmを超えると、GMR膜の膜厚が増大しリードギャップ長が増大し、高記録密度での再生出力が十分に得られなくなる。
Moreover, it is preferable that the
自由磁化層39は、Mn系のホイスラー合金からなる。ホイスラー合金はスピン依存バルク散乱係数がCoFeのスピン依存バルク散乱係数と同程度で、比抵抗がCoFeよりも極めて大きい。そのため、磁気抵抗変化量ΔRAは、CoFeを用いた場合よりも極めて大きくなる。
The free
Mn系のホイスラー合金、例えば、Co2MnGeの場合、その結晶構造は、体心立方格子の頂点にCoがあって中心にMnとGeが交互に規則的に配置されている。このような構造をとることで片方の電子スピン(例えばアップスピン)が金属的なバンド構造、もう片方の電子スピン(例えばダウンスピン)が絶縁体的なバンド構造を有するハーフメタルと呼ばれる材料になる。その結果、スピンバルク散乱係数、すなわち、磁性材料内でスピンが散乱する割合が大きくなり、磁気抵抗変化量ΔRAが増加する。 In the case of a Mn-based Heusler alloy, such as Co 2 MnGe, the crystal structure has Co at the apex of the body-centered cubic lattice, and Mn and Ge are alternately arranged regularly at the center. By adopting such a structure, one electron spin (for example, up spin) has a metallic band structure, and the other electron spin (for example, down spin) has a material called a half metal having an insulating band structure. . As a result, the spin bulk scattering coefficient, that is, the proportion of spin scattering in the magnetic material increases, and the magnetoresistance change ΔRA increases.
自由磁化層39に好適なMn系のホイスラー合金としては、Co2MnX(XはAl、Ge、Si、Ga、In、Sb、およびSnからなる群のうちいずれか一つ)、Ni2MnAl、Ni2MnSn、Cu2MnAl、Pd2MnIn、Pd2MnSn、Pd2MnSb、NiMnSb、PtMnSb、PdMnSb、およびPtMnSnである。
As the Mn-based Heusler alloy suitable for the free
また、自由磁化層39は、その膜厚が例えば2nm〜8nmに設定されることが好ましく、飽和磁束密度膜厚積が拡散防止層と合わせて8nmT以下に設定することが好ましい。ただし、飽和磁束密度膜厚積は十分な再生出力が得られる点で2nmT以上に設定されるべきである。
The free
保護層40は非磁性金属材料からなり、例えばRu、Cu、Ta、Au、Al、およびWのいずれかを含む金属膜から構成され、さらに、これらの金属膜の積層体から構成してもよい。保護層40は、以下に説明する反強磁性層32の反強磁性を出現させるための熱処理等の際に自由磁化層39の酸化を防止できる。
The
なお、図示を省略するが、第1例のGMR膜30の変形例として、自由磁化層39と保護層40との間に、拡散防止層38と同様の材料および膜厚の範囲から選択される他の拡散防止層をさらに設けることが好ましい。保護層40の材料(例えばCu)によっては自由磁化層39中のMnが保護層40へ拡散する場合がある。そうすると自由磁化層39の磁気モーメントが減少して磁気抵抗変化量ΔRAが減少してしまう。他の拡散防止層を設けることで、Mnの拡散を防止してΔRAの劣化を回避できる。
Although not shown, as a modification of the
次に第1例のGMR膜30の形成方法を、図2を参照しつつ説明する。最初に、スパッタ法、蒸着法、CVD法等により、下地層31、反強磁性層32、固定磁化積層体33、非磁性金属層37、拡散防止層38、自由磁化層39、までの各々の層を上述した材料を用いて順次形成する。
Next, a method for forming the
次いで、このようにして得られた積層体を所定の方向の磁界を印加しながら熱処理する。熱処理は、真空雰囲気で、例えば加熱温度250℃〜320℃、加熱時間約2〜4時間、印加磁界1592kA/mに設定する。この熱処理により、反強磁性層32の磁化の方向を所定の方向に設定して、反強磁性層32と固定磁化層33との交換相互作用により固定磁化層33の磁化を所定の向きに固定することができる。なお、この熱処理において、上述したMn−TM合金のうちの一部の材料は規則合金化して反強磁性が出現する。
Next, the laminated body thus obtained is heat-treated while applying a magnetic field in a predetermined direction. The heat treatment is performed in a vacuum atmosphere, for example, a heating temperature of 250 ° C. to 320 ° C., a heating time of about 2 to 4 hours, and an applied magnetic field of 1592 kA / m. By this heat treatment, the magnetization direction of the
以上説明したように、第1例のGMR膜30は、自由磁化層39と非磁性金属層37との間にCoFeAlからなる拡散防止層38を設けて、自由磁化層39のMn系ホイスラー合金のMn原子が非磁性金属層37に拡散するのを抑止する。また、CoFeAl膜がCoFeよりも飽和磁束密度が低いので、自由磁化層39の膜厚を増加でき、自由磁化層39のMn系ホイスラー合金はスピン依存バルク散乱がCoFeよりも大きいので。したがって、高出力の磁気抵抗効果素子が得られる。
As explained above, the
これと共に、第1例のGMR膜30は、拡散防止層38が自由磁化層39に接して設けられているので、拡散防止層38の磁化と自由磁化層39の磁化は互いに交換結合しながら外部磁界に対して応答する。拡散防止層38のCoFeAlはCoFeよりも低保磁力かつ低飽和磁束密度なので、拡散防止層38および自由磁化層39の積層体の磁化は外部磁界に対する感度が向上する。これらのことから、高出力で外部磁界に対する感度が良好な磁気抵抗効果素子が得られる。
At the same time, in the
[第2例のGMR膜]
次に、第1の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を構成する第2例のGMR膜について説明する。第2例のGMR膜は、図2に示す第1例のGMR膜30の変形例である。
[GMR film of second example]
Next, a second example GMR film constituting the magnetoresistive effect element according to the first embodiment will be described. The GMR film of the second example is a modification of the
図3は、第1の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を構成する第2例のGMR膜の断面図である。図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。 FIG. 3 is a cross-sectional view of a second example GMR film constituting the magnetoresistive effect element according to the first embodiment. In the figure, portions corresponding to the portions described above are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
図3を参照するに、第2例のGMR膜50は、下地層31、反強磁性層32、固定磁化積層体53、第2拡散防止層51、非磁性金属層37、第1拡散防止層38、自由磁化層39、保護層40が順次積層された構成からなる。固定磁化積層体53は、反強磁性層32側から第1固定磁化層34、非磁性結合層35、第2固定磁化層56が順に積層されてなる。GMR膜50は、シングルスピンバルブ構造を有する。なお、第1拡散防止層38は、図2の拡散防止層38と同様の材料および膜厚を有するので同一の符号を用いている。
Referring to FIG. 3, the
GMR膜50は、第2固定磁化層56が自由磁化層39の材料と同様のMn系ホイスラー合金からなる。第2固定磁化層56は、第1例のGMR膜で説明した好適なMn系ホイスラー合金から選択されることが好ましい。なお、第2固定磁化層56は自由磁化層39と組成が同一の材料でもよく、異なる材料でもよい。第2固定磁化層56にもMn系ホイスラー合金を用いることで、磁気抵抗変化量ΔRAを第1例のGMR膜よりもさらに向上でき、磁気抵抗効果素子10のいっそうの高出力化が図れる。
In the
第2拡散防止層51はCoFeAlからなる。CoFeAlを用いることで第2固定磁化層56のMn系ホイスラー合金のMnの非磁性金属層37への拡散を抑止する。そのためMnの拡散による磁気抵抗変化量ΔRAの低下を抑止できる。特に非磁性金属層37がCuの場合はMnが拡散し易く、磁気抵抗変化量ΔRAが極めて低下するので、第2拡散防止層51によってその低下を回避する。
The second diffusion prevention layer 51 is made of CoFeAl. By using CoFeAl, diffusion of Mn of the Mn-based Heusler alloy of the second pinned
以上により、第2例のGMR膜50は、第2固定磁化層56がMn系ホイスラー合金からなり、このMn原子が非磁性金属層37に拡散するのを抑止する第2拡散防止層51が設けられている。そのため、いっそうの高出力で信号磁界に対する感度が良好な磁気抵抗効果素子を実現できる。
As described above, the
なお、図示は省略するが、第2例のGMR膜50の変形例として、図3に示す非磁性結合層35と第2固定磁化層56との間に、第2拡散防止層51と同様の組成および膜厚範囲から選択されたCoFeAl膜を形成してもよい。これにより第2固定磁化層56の磁化がCoFeAl膜を介して第1固定磁化層34の磁化とより強い交換相互作用により反強磁性的に結合され、固定磁化積層体53全体の磁化の不所望な反転を回避できる。
Although not shown, as a modification of the
なお、第2例のGMR膜50およびその変形例のGMR膜の形成方法は第1例のGMR膜と略同様であるので、その説明を省略する。以下の例でも同様に省略する。
The method for forming the
[第3例のGMR膜]
次に、第1の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を構成する第3例のGMR膜について説明する。第3例のGMR膜は、図2に示す第1例のGMR膜30の変形例である。
[GMR film of third example]
Next, a third example GMR film constituting the magnetoresistive effect element according to the first embodiment will be described. The third example GMR film is a modification of the first
図4は、第1の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を構成する第3例のGMR膜の断面図である。図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。 FIG. 4 is a cross-sectional view of a third example GMR film constituting the magnetoresistive effect element according to the first embodiment. In the figure, portions corresponding to the portions described above are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
図4を参照するに、第3例のGMR膜60は、下地層31、下部反強磁性層32、下部固定磁化積層体33、下部非磁性金属層37、下部拡散防止層38、自由磁化層39、上部拡散防止層68、上部非磁性金属層67、上部固定磁化積層体63、上部反強磁性層62、保護層40が順次積層された構成からなる。すなわち、GMR膜60は、図2に示す第1例のGMR膜30の自由磁化層39と保護層40との間に、上部拡散防止層68、上部非磁性金属層67、上部固定磁化積層体63、上部反強磁性層62を設けた構成を有する。GMR膜60は、いわゆるデュアルスピンバルブ構造を有する。なお、下部反強磁性層32、下部固定磁化積層体33、および下部非磁性金属層37、および下部拡散防止層38は、各々、図2に示す第1例のGMR膜30の反強磁性層32、固定磁化層33、非磁性金属層37、および拡散防止層38と同様の材料および膜厚を有するので同一の符号を用いている。
Referring to FIG. 4, the
また、上部拡散防止層68、上部非磁性金属層67、および上部反強磁性層62は、各々、下部拡散防止層38、下部非磁性金属層37、および下部反強磁性層32と同様の材料を用いることができ、膜厚も同様の範囲に設定される。
The upper
また、上部固定磁化積層体63は、上部非磁性金属層67側から上部第2固定磁化層66、上部非磁性結合層65、および上部第1固定磁化層64が順に積層されてなり、いわゆる積層フェリ構造を有する。上部第1固定磁化層64、上部非磁性結合層65、および上部第2固定磁化層66は、各々、下部第1固定磁化層34、下部非磁性結合層35、および下部第2固定磁化層36と同様の材料を用いることができ、膜厚も同様の範囲に設定される。
The upper pinned magnetization stack 63 is formed by sequentially stacking an upper second pinned
GMR膜60は、自由磁化層39が、図2に示す第1例のGMR膜30の自由磁化層39と同様のMn系ホイスラー合金からなり、自由磁化層39と下部非磁性金属層37および上部非磁性金属層67とのそれぞれの間にCoFeAlからなる下部拡散防止層38および上部拡散防止層68が形成されている。したがって、自由磁化層39のMn系ホイスラー合金のMn原子が下部非磁性金属層37および上部非磁性金属層67に拡散するのを抑止する。また、Mn系ホイスラー合金はスピン依存バルク散乱がCoFeよりも大きく、さらにCoFeAl膜がCoFeよりも飽和磁束密度が低いので、自由磁化層39の膜厚を増加できる。したがって、高出力の磁気抵抗効果素子が得られる。
In the
これと共に、下部拡散防止層38および上部拡散防止層68はそれぞれ自由磁化層39に接して設けられているので、下部拡散防止層38および上部拡散防止層68の磁化と自由磁化層39の磁化は互いに交換結合しながら外部磁界に対して応答する。下部拡散防止層38および上部拡散防止層68のCoFeAlはCoFeよりも低保磁力かつ低飽和磁束密度なので、下部拡散防止層38および上部拡散防止層68および自由磁化層39の磁化は外部磁界に対する感度が向上する。これらのことから、高出力で外部磁界に対する感度が良好な磁気抵抗効果素子が得られる。
At the same time, since the lower
さらに、GMR膜60は、下部固定磁化積層体33、下部非磁性金属層37、下部拡散防止層38、および自由磁化層39からなるスピンバルブ構造と、自由磁化層39、上部拡散防止層68、上部非磁性金属層67、上部固定磁化積層体63からなるスピンバルブ構造を合わせ有する。したがって、GMR膜60は磁気抵抗変化量ΔRAが増加し、第1例のGMR膜の磁気抵抗変化量ΔRAに対して略二倍となる。その結果、第3例のGMR膜60を備える磁気抵抗効果素子は、第1例のGMR膜を備える場合よりも、いっそう高出力の磁気抵抗効果素子が実現できる。なお、GMR膜60の形成方法は第1例のGMR膜の形成方法と略同様であるので、説明を省略する。
Further, the
以上により、第3例のGMR膜60は、第1例のGMR膜と同様の効果を有し、さらに第1例のGMR膜の磁気抵抗変化量ΔRAに対して略二倍の磁気抵抗変化量ΔRAを有する。その結果、いっそう高出力の磁気抵抗効果素子を実現できる。
As described above, the
[第4例のGMR膜]
次に、第1の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を構成する第4例のGMR膜について説明する。第4例のGMR膜は、図4に示す第3例のGMR膜60の変形例である。
[GMR film of fourth example]
Next, a fourth example GMR film constituting the magnetoresistive effect element according to the first embodiment will be described. The fourth example GMR film is a modification of the third
図5は、第1の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を構成する第4例のGMR膜の断面図である。図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。 FIG. 5 is a cross-sectional view of a fourth example GMR film constituting the magnetoresistive effect element according to the first embodiment. In the figure, portions corresponding to the portions described above are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
図5を参照するに、第4例のGMR膜70は、下地層31、下部反強磁性層32、下部固定磁化積層体71、下部非磁性金属層37、下部第2拡散防止層38、自由磁化層39、上部第1拡散防止層68、上部非磁性金属層67、上部固定磁化積層体72、上部反強磁性層62、保護層40が順次積層された構成からなる。下部固定磁化積層体71は、下部反強磁性層32側から下部第1固定磁化層34、下部非磁性結合層35、下部第2固定磁化層56、下部第2拡散防止層73が順に積層されてなる。また、上部固定磁化積層体72は、上部非磁性金属層67側から上部第2拡散防止層74、上部第2固定磁化層76、上部非磁性結合層65、および上部第1固定磁化層64が順に積層されてなる。
Referring to FIG. 5, the
GMR膜70は、下部第2固定磁化層56および上部第2固定磁化層76が自由磁化層39の材料と同様のMn系ホイスラー合金からなる。第2固定磁化層56は、第1例のGMR膜で説明した好適なMn系ホイスラー合金から選択されることが好ましい。なお下部第2固定磁化層56および上部第2固定磁化層76は自由磁化層39と組成が同一の材料でもよく、異なる材料でもよい。下部第2固定磁化層56および上部第2固定磁化層76にもMn系ホイスラー合金を用いることで、磁気抵抗変化量ΔRAを第3例のGMR膜よりもさらに向上でき、磁気抵抗効果素子10のいっそうの高出力化が図れる。
In the
さらに、GMR膜70は、下部第2固定磁化層56と下部非磁性金属層37との間に下部第2拡散防止層73が設けられ、上部非磁性金属層67と上部第2固定磁化層76との間に上部第2拡散防止層74が設けられている。下部第2拡散防止層73および上部第2拡散防止層74はCoFeAlからなる。CoFeAlを用いることで下部第2固定磁化層56および上部第2拡散防止層74のMn系ホイスラー合金のMnの下部非磁性金属層37および上部非磁性金属層67へのそれぞれの拡散を抑止する。そのためMnの拡散による磁気抵抗変化量ΔRAの低下を抑止できる。特に非磁性金属層37がCuの場合はMnが拡散し易く、磁気抵抗変化量ΔRAが極めて低下するので、下部第2拡散防止層73および上部第2拡散防止層74によってその低下を回避する。
Further, in the
以上により、第4例のGMR膜70は、第3例のGMR膜と同様の効果を有し、さらに
下部第2固定磁化層56および上部第2固定磁化層76のMn系ホイスラー合金の効果、および下部第2拡散防止層73および上部第2拡散防止層74のMn拡散抑止効果により磁気抵抗変化量ΔRAを増加でき、いっそう高出力化できる。
As described above, the
[第5例のGMR膜]
次に、第1の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を構成する第5例のGMR膜について説明する。第5例のGMR膜は、図5に示す第4例のGMR膜70の変形例である。
[GMR film of fifth example]
Next, a fifth example GMR film constituting the magnetoresistive effect element according to the first embodiment will be described. The fifth example GMR film is a modification of the fourth
図6は、第1の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を構成する第5例のGMR膜の断面図である。図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。 FIG. 6 is a cross-sectional view of a fifth example GMR film constituting the magnetoresistance effect element according to the first exemplary embodiment. In the figure, portions corresponding to the portions described above are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
図6を参照するに、第5例のGMR膜80は、下地層31、下部反強磁性層32、下部固定磁化積層体81、下部非磁性金属層37、下部第2拡散防止層38、自由磁化層39、上部第1拡散防止層68、上部非磁性金属層67、上部固定磁化積層体82、上部反強磁性層62、保護層40が順次積層された構成からなる。下部固定磁化積層体81は、下部反強磁性層32側から、下部第1固定磁化層34、下部非磁性結合層35、下部界面磁性層83、下部第2固定磁化層56、下部第2拡散防止層73が順に積層されてなる。また、上部固定磁化積層体82は、上部非磁性金属層67側から上部第2拡散防止層74、上部第2固定磁化層76、上部界面磁性層84、上部非磁性結合層65、および上部第1固定磁化層64が順に積層されてなる。すなわち、GMR膜80は、図5に示す第4例のGMR膜70の下部非磁性結合層35と下部第2固定磁化層56との間に下部界面磁性層83を設け、さらに上部第2固定磁化層76と上部非磁性結合層65との間に上部界面磁性層84を設けた構成を有する。
Referring to FIG. 6, the
下部界面磁性層83および上部界面磁性層84は、CoFeAlからなる。CoFeAlを用いることで、Mn系ホイスラー合金からなる下部第2固定磁化層56および上部第2拡散防止層74がそれぞれ下部界面磁性層83および上部界面磁性層84と強磁性的に交換結合する。そのため、下部第2固定磁化層56および上部第2拡散防止層74はそれぞれ下部第1固定磁化層34および上部第1固定磁化層64とより強い交換相互作用によって反強磁性的に結合するので、下部固定磁化積層体81全体および上部固定磁化積層体82全体の磁化の不所望な反転を回避できる。下部界面磁性層83および上部界面磁性層84は、その膜厚は、それぞれ0.2nm〜2.5nmの範囲に設定されることが好ましい。下部界面磁性層83および上部界面磁性層84には同じ組成比でもよく、異なる組成比でもよい。
The lower interface
以上により、第5例のGMR膜80は、第4例のGMR膜と同様の効果を有し、さらに下部界面磁性層83および上部界面磁性層84を設けることにより、下部固定磁化積層体81全体および上部固定磁化積層体82全体の磁化を安定化できるので磁気抵抗効果素子の動作を安定化できる。
As described above, the
次にCoFeAl膜の拡散防止効果を説明する。 Next, the diffusion preventing effect of the CoFeAl film will be described.
以下の構成の磁気抵抗効果素子を作製し、Co58Fe20Al22膜の上下面をCoFe膜で挟んだ磁気抵抗効果素子を作製し(「試作例1」と称する。)、磁気抵抗変化量ΔRAとCoFe膜の膜厚との関係を測定した。また、比較のためCo2MnGe膜の上下面をCoFe膜で挟んだ磁気抵抗効果素子を作製し(「試作例2」と称する。)、同様に上記関係を測定した。 A magnetoresistive element having the following configuration is manufactured, and a magnetoresistive element in which the upper and lower surfaces of the Co 58 Fe 20 Al 22 film are sandwiched between CoFe films (referred to as “prototype example 1”) and the amount of change in magnetoresistance is manufactured. The relationship between ΔRA and the thickness of the CoFe film was measured. For comparison, a magnetoresistive element in which the upper and lower surfaces of the Co 2 MnGe film were sandwiched between CoFe films was fabricated (referred to as “prototype example 2”), and the above relationship was measured in the same manner.
[試作例1]
熱酸化シリコン基板上に下記の膜を順次積層した。なお、同じ行の右側に記載した膜は左側の膜の上に積層されることを示す。また、括弧内の数値は膜厚を示す。以下の実施例において同様である。
[Prototype Example 1]
The following films were sequentially stacked on a thermally oxidized silicon substrate. Note that the film described on the right side of the same row is stacked on the left film. The numerical value in parentheses indicates the film thickness. The same applies to the following embodiments.
下部電極:Cu膜(350nm)/NiFe膜(50nm)
下地層:NiCr膜(4nm)
下部反強磁性層:IrMn膜(5nm)
下部第1固定磁化層:Co60Fe40膜(3.5nm)
下部非磁性結合層:Ru膜(0.75nm)
界面CoFe膜:Co40Fe60膜
下部第2固定磁化層:Co58Fe20Al22膜
界面CoFe膜
下部非磁性金属層:Cu膜(3.5nm)
界面CoFe膜
自由磁化層:Co58Fe20Al22膜
界面CoFe膜
上部非磁性金属層:Cu膜(3.5nm)
界面CoFe膜
上部第2固定磁化層:Co58Fe20Al22膜
界面CoFe膜
上部非磁性結合層:Ru膜(0.75nm)
上部第1固定磁化層:Co60Fe40膜(3.5nm)
上部反強磁性層:IrMn膜(5nm)
保護層:Ru膜(5nm)
上記試作例1の作製方法は以下の通りである。超高真空のスパッタ装置の真空容器に熱酸化シリコン基板を載置し、基板加熱を行わない状態で上記の各層を成膜し、得られた積層体をフォトリソグラフィ法およびイオンミリングにより積層方向にセンス電流を流せるように素子化した。素子面積を0.1μm2〜0.6μm2に設定した。また、6つの界面CoFe膜の膜厚を0nm、0.25nm、0.50nm、0.75nm、および1.00nmに同時に異ならせた。また、界面CoFe膜の膜厚に応じて、下部第2固定磁化層、自由磁化層、上部第2固定磁化層の膜厚を変え、界面CoFe膜/下部第2固定磁化層/界面CoFe膜、界面CoFe膜/自由磁化層/界面CoFe膜、界面CoFe膜/上部第2固定磁化層/界面CoFe膜の各積層体のそれぞれの飽和磁化膜厚積が同等になるようにした。
Lower electrode: Cu film (350 nm) / NiFe film (50 nm)
Underlayer: NiCr film (4 nm)
Lower antiferromagnetic layer: IrMn film (5 nm)
Lower first fixed magnetic layer: Co 60 Fe 40 film (3.5 nm)
Lower nonmagnetic coupling layer: Ru film (0.75 nm)
Interface CoFe film: Co 40 Fe 60 film Lower second fixed magnetic layer: Co 58 Fe 20 Al 22 film Interface CoFe film Lower nonmagnetic metal layer: Cu film (3.5 nm)
Interfacial CoFe film Free magnetic layer: Co 58 Fe 20 Al 22 film Interfacial CoFe film Upper nonmagnetic metal layer: Cu film (3.5 nm)
Interface CoFe film Upper second fixed magnetization layer: Co 58 Fe 20 Al 22 film Interface CoFe film Upper nonmagnetic coupling layer: Ru film (0.75 nm)
Upper first fixed magnetic layer: Co 60 Fe 40 film (3.5 nm)
Upper antiferromagnetic layer: IrMn film (5 nm)
Protective layer: Ru film (5 nm)
The manufacturing method of the trial example 1 is as follows. A thermally oxidized silicon substrate is placed in a vacuum container of an ultra-high vacuum sputtering apparatus, and the above layers are formed without heating the substrate. The resulting laminate is laminated in the stacking direction by photolithography and ion milling. An element was formed so that a sense current could flow. Set element area to 0.1μm 2 ~0.6μm 2. The film thicknesses of the six interfacial CoFe films were simultaneously changed to 0 nm, 0.25 nm, 0.50 nm, 0.75 nm, and 1.00 nm. Further, depending on the thickness of the interface CoFe film, the thickness of the lower second fixed magnetization layer, the free magnetization layer, and the upper second fixed magnetization layer is changed, and the interface CoFe film / lower second fixed magnetization layer / interface CoFe film, The respective saturation magnetization film thickness products of the interface CoFe film / free magnetic layer / interface CoFe film, interface CoFe film / upper second fixed magnetization layer / interface CoFe film were made to be equal.
[試作例2]
試作例2の磁気抵抗効果素子は、試作例1の下部第2固定磁化層、自由磁化層、上部第2固定磁化層をCo2MnGe膜とし、界面CoFe膜の膜厚を0nm、0.50nm、0.75nm、1.00nm、および1.50nmに異ならせた以外は試作例1と同様とした。
[Prototype example 2]
In the magnetoresistive effect element of Prototype Example 2, the lower second fixed magnetic layer, the free magnetic layer, and the upper second fixed magnetic layer of Prototype Example 1 are Co 2 MnGe films, and the thickness of the interface CoFe film is 0 nm and 0.50 nm. , 0.75 nm, 1.00 nm, and 1.50 nm.
図7は、Co58Fe20Al22膜およびCo2MnGe膜のCu膜中への拡散の程度を説明するための図である。 FIG. 7 is a diagram for explaining the degree of diffusion of the Co 58 Fe 20 Al 22 film and the Co 2 MnGe film into the Cu film.
図7を参照するに、試作例2(Co2MnGe膜)の場合は、界面CoFe膜が1.0nmの厚さでは磁気抵抗変化量ΔRAが高く、界面CoFe膜の膜厚を薄くするにつれて磁気抵抗変化量ΔRAが減少し、界面CoFe膜を形成しない場合(膜厚0.0nmの場合)最もΔRAが低下している。これにより、界面CoFe膜が薄くなるにつれて磁気抵抗変化量ΔRAが減少しているので、Co2MnGe膜のMnのCu膜への拡散が生じることでΔRAが減少していることが容易に推定される。 Referring to FIG. 7, in Prototype Example 2 (Co 2 MnGe film), the magnetoresistance change ΔRA is high when the thickness of the interface CoFe film is 1.0 nm, and the magnetism increases as the film thickness of the interface CoFe film decreases. When the resistance change amount ΔRA decreases and the interface CoFe film is not formed (when the film thickness is 0.0 nm), ΔRA is the lowest. Thereby, since the magnetoresistance change ΔRA decreases as the interface CoFe film becomes thinner, it is easily estimated that ΔRA is reduced by the diffusion of Mn of the Co 2 MnGe film into the Cu film. The
他方、試作例1(Co58Fe20Al22膜)では、界面CoFe膜が1.0nmの厚さでは磁気抵抗変化量ΔRAが最も小さく、界面CoFe膜の膜厚を薄くするにつれて磁気抵抗変化量ΔRAがやや増加し、界面CoFe膜を形成しない場合(膜厚0.0nmの場合)最もΔRAが大きい。このことは、界面CoFe膜がない場合にもCo58Fe20Al22膜のCu膜への拡散が生じていないことを示しており、これにより、Co58Fe20Al22膜がMnのような拡散し易い原子の拡散を抑止可能なことを示している。このことから、上述した第1例から第5例に用いられているCoFeAl膜は拡散防止効果を有することが確認できた。 On the other hand, in Prototype Example 1 (Co 58 Fe 20 Al 22 film), the magnetoresistance change ΔRA is the smallest when the thickness of the interface CoFe film is 1.0 nm, and the magnetoresistance change as the thickness of the interface CoFe film is reduced. When ΔRA slightly increases and no interfacial CoFe film is formed (when the film thickness is 0.0 nm), ΔRA is the largest. This indicates that the Co 58 Fe 20 Al 22 film does not diffuse into the Cu film even when there is no interfacial CoFe film, which makes the Co 58 Fe 20 Al 22 film like Mn. It shows that it is possible to suppress diffusion of atoms that are easy to diffuse. From this, it was confirmed that the CoFeAl film used in the first to fifth examples described above has a diffusion preventing effect.
次にCoFeAl膜を自由磁化層に接して形成することのCoFe膜に対する優位性を説明する。 Next, the advantage of forming the CoFeAl film in contact with the free magnetic layer over the CoFe film will be described.
[試作例3]
下記の順序で積層した構成の積層体を作製し、振動試料型磁力計(VSM)により磁気特性を測定した。
[Prototype Example 3]
A laminated body having a structure in which the layers were laminated in the following order was produced, and the magnetic characteristics were measured with a vibrating sample magnetometer (VSM).
Ru膜(5nm)/Cu膜(2nm)/Co58Fe20Al22膜(10nm)/Cu膜(2nm)/Ru膜(5nm)
この積層体の形成は、超高真空のスパッタ装置の真空容器に熱酸化シリコン基板を載置し、基板加熱を行わない状態で上記の各層を成膜した。
Ru film (5 nm) / Cu film (2 nm) / Co 58 Fe 20 Al 22 film (10 nm) / Cu film (2 nm) / Ru film (5 nm)
The laminated body was formed by placing a thermal silicon oxide substrate on a vacuum container of an ultra-high vacuum sputtering apparatus and forming each of the above layers without heating the substrate.
また、比較のため、Co58Fe20Al22膜の代わりに、Co60Fe40膜およびCo40Fe60膜についても同様に積層体を形成した。 For comparison, a laminate was similarly formed for a Co 60 Fe 40 film and a Co 40 Fe 60 film instead of the Co 58 Fe 20 Al 22 film.
図8は、CoFeAl膜およびCoFe膜の磁気特性図である。図8中、棒グラフは飽和磁束密度を示し、折れ線グラフは保磁力を示している。 FIG. 8 is a magnetic characteristic diagram of the CoFeAl film and the CoFe film. In FIG. 8, the bar graph indicates the saturation magnetic flux density, and the line graph indicates the coercive force.
図8を参照するに、Co58Fe20Al22膜は、Co60Fe40膜およびCo40Fe60膜に対して、保磁力の1/3程度以下であり、Co58Fe20Al22膜の飽和磁束密度は、略半分である。このように、CoFeAl膜を自由磁化層に接する拡散防止層として用いた場合、CoFe膜よりも保磁力が低いので有利なことは容易に推測できる。 Referring to FIG. 8, Co 58 Fe 20 Al 22 film, to the Co 60 Fe 40 film and Co 40 Fe 60 film, not more than about 1/3 of the coercive force, Co 58 Fe 20 Al 22 film The saturation magnetic flux density is approximately half. Thus, when the CoFeAl film is used as a diffusion preventing layer in contact with the free magnetic layer, it can be easily estimated that the CoFe film is advantageous because it has a lower coercive force than the CoFe film.
また、CoFeAl膜は飽和磁束密度が低いことから以下の利点がある。磁気抵抗効果素子では自由磁化層の磁化の回転し易さを確保するために飽和磁束密度膜厚を所定値以下に設定する設計を行う。例えば、飽和磁束密度膜厚を8nmTに設定する場合、自由磁化層にCo2MnGe膜(飽和磁束密度1.3T)、その上下に拡散防止層を膜厚1nmで形成したとき、拡散防止層がCo60Fe40膜(飽和磁束密度2.0T)では、Co60Fe40膜/Co2MnGe膜/Co60Fe40膜の積層体のCo2MnGe膜の膜厚は2.7nmに設定される。一方、Co58Fe20Al22膜(飽和磁束密度1.0T)では、が、Co58Fe20Al22膜/Co2MnGe膜/Co58Fe20Al22膜の積層体のCo2MnGe膜の膜厚は4.6nmに設定される。すなわち、Co58Fe20Al22膜を用いた方がCo60Fe40膜よりも、Co2MnGe膜の膜厚を1.9nm(=4.6−2.7)も厚くできる。したがって、Co58Fe20Al22膜を用いた場合Co2MnGe膜をより厚く設定できるので、より高出力の磁気抵抗効果素子を形成可能である。なお、CoFeAl膜はその組成比が異なっても飽和磁束密度は図10に示す組成範囲領域ABCDEFAの範囲では略同等であるため、上記の利点はCo58Fe20Al22膜のみならず、これと異なる組成比のCoFeAl膜を用いても同様である。 Further, since the CoFeAl film has a low saturation magnetic flux density, it has the following advantages. The magnetoresistive effect element is designed to set the saturation magnetic flux density film thickness to a predetermined value or less in order to ensure easy rotation of the magnetization of the free magnetic layer. For example, when the saturation magnetic flux density film thickness is set to 8 nm T, when the Co 2 MnGe film (saturation magnetic flux density 1.3 T) is formed on the free magnetic layer and the diffusion prevention layers are formed on the upper and lower sides thereof with a film thickness of 1 nm, the diffusion prevention layer is In the Co 60 Fe 40 film (saturation magnetic flux density 2.0T), the thickness of the Co 2 MnGe film of the Co 60 Fe 40 film / Co 2 MnGe film / Co 60 Fe 40 film is set to 2.7 nm. . On the other hand, the Co 58 Fe 20 Al 22 film (saturated magnetic flux density 1.0 T), but the Co 2 MnGe film Co 58 Fe 20 Al 22 film / Co 2 MnGe film / Co 58 Fe 20 Al 22 film laminate The film thickness is set to 4.6 nm. In other words, using the Co 58 Fe 20 Al 22 film can increase the thickness of the Co 2 MnGe film by 1.9 nm (= 4.6-2.7) compared to the Co 60 Fe 40 film. Therefore, when the Co 58 Fe 20 Al 22 film is used, the Co 2 MnGe film can be set thicker, so that a higher output magnetoresistive element can be formed. Even if the composition ratio of the CoFeAl film is different, the saturation magnetic flux density is substantially the same in the range of the composition range region ABCDEFA shown in FIG. 10, and thus the above-described advantages are not limited to the Co 58 Fe 20 Al 22 film. The same applies even when CoFeAl films having different composition ratios are used.
[試作例4]
試作例4は、CoFeAl膜単体の保磁力と組成との関係を得るため、CoFeAl膜を自由磁化層として磁気抵抗効果素子を作製したものである。保磁力は磁気抵抗効果素子の磁気抵抗曲線のヒステリシスから求めた。
[Prototype Example 4]
In Prototype Example 4, in order to obtain the relationship between the coercive force and the composition of a single CoFeAl film, a magnetoresistive effect element was manufactured using the CoFeAl film as a free magnetic layer. The coercive force was obtained from the hysteresis of the magnetoresistance curve of the magnetoresistive effect element.
試作例4の磁気抵抗効果素子の構成は以下の通りである。 The configuration of the magnetoresistive effect element of Prototype Example 4 is as follows.
下地層:NiCr(4nm)
下部反強磁性層:IrMn(5nm)
下部第1固定磁化層:Co60Fe40(3.5nm)
下部非磁性結合層:Ru(0.72nm)
下部第2固定磁化層:CoFeAl(5.0nm)
下部非磁性金属層:Cu(3.5nm)
自由磁化層:CoFeAl(6.5nm)
上部非磁性金属層:Cu(3.5nm)
上部第2固定磁化層:CoFeAl(5.0nm)
上部非磁性結合層:Ru(0.72nm)
上部第1固定磁化層:Co60Fe40(3.5nm)
上部反強磁性層:IrMn(5nm)
保護層:Ru(5nm)
図9は、試作例4の自由磁化層、下部および上部第2固定磁化層の組成および保磁力を示す図である。
Underlayer: NiCr (4 nm)
Lower antiferromagnetic layer: IrMn (5 nm)
Lower first fixed magnetic layer: Co 60 Fe 40 (3.5 nm)
Lower nonmagnetic coupling layer: Ru (0.72 nm)
Lower second fixed magnetic layer: CoFeAl (5.0 nm)
Lower nonmagnetic metal layer: Cu (3.5 nm)
Free magnetic layer: CoFeAl (6.5 nm)
Upper nonmagnetic metal layer: Cu (3.5 nm)
Upper second fixed magnetic layer: CoFeAl (5.0 nm)
Upper nonmagnetic coupling layer: Ru (0.72 nm)
Upper first fixed magnetic layer: Co 60 Fe 40 (3.5 nm)
Upper antiferromagnetic layer: IrMn (5 nm)
Protective layer: Ru (5 nm)
FIG. 9 is a diagram showing the composition and coercivity of the free magnetic layer, the lower and upper second fixed magnetic layers of Prototype Example 4.
試作例4の磁気抵抗効果素子は以下のようにして作製および保磁力の測定を行った。試作例4のサンプルとして図9に示す、組成が違いに異なるNo.1〜No.27のサンプルを作製した。 The magnetoresistive effect element of Prototype Example 4 was produced and measured for coercive force as follows. As a sample of Prototype Example 4, as shown in FIG. 1-No. 27 samples were produced.
まず、熱酸化膜が形成されたシリコン基板上に、下部電極として、シリコン基板側からCu(250nm)/NiFe(50nm)の積層膜を形成し、次いで下記の組成および膜厚を有する下地層〜保護層までの積層体の各層を超高真空(真空度:2×10-6Pa以下)雰囲気でスパッタ装置を用いて基板の加熱を行わないで形成した。なお、各サンプルにおいて、下部第2固定磁化層、自由磁化層、および上部第2固定磁化層のCoFeAlの組成は同等であり、その組成を図9に示している。 First, a Cu (250 nm) / NiFe (50 nm) laminated film is formed as a lower electrode on a silicon substrate on which a thermal oxide film is formed from the silicon substrate side, and then an underlayer having the following composition and film thickness: Each layer of the laminate up to the protective layer was formed in a super high vacuum (degree of vacuum: 2 × 10 −6 Pa or less) atmosphere using a sputtering apparatus without heating the substrate. In each sample, the composition of CoFeAl in the lower second fixed magnetic layer, the free magnetic layer, and the upper second fixed magnetic layer is the same, and the compositions are shown in FIG.
次いで、反強磁性層の反強磁性を出現させるための熱処理を行った。熱処理の条件は、加熱温度300℃、処理時間3時間、印加磁界1952kA/mとした。 Next, heat treatment was performed to make the antiferromagnetic layer appear antiferromagnetic. The heat treatment conditions were a heating temperature of 300 ° C., a treatment time of 3 hours, and an applied magnetic field of 1952 kA / m.
次いで、このようにして得られた積層体をイオンミリングにより研削し、0.1μm2〜0.6μm2の範囲の6種類の接合面積を有する積層体を作製した。なお、各接合面積毎に40個の積層体を作製した。 Then, the thus obtained laminate was ground by ion milling, to produce a laminate, having six junction area in the range of 0.1μm 2 ~0.6μm 2. In addition, 40 laminated bodies were produced for each bonding area.
次いで、このようにして得られた積層体をシリコン酸化膜で覆い、次いでドライエッチングにより保護層を露出させ、保護層に接触するようにAu膜からなる上部電極を形成した。 Next, the laminated body thus obtained was covered with a silicon oxide film, then the protective layer was exposed by dry etching, and an upper electrode made of an Au film was formed so as to be in contact with the protective layer.
このようにして得られたサンプルNo.1〜No.27のそれぞれについて、磁気抵抗曲線(ヒステリシスカーブ、磁気抵抗変化量ΔR値と印加磁界との関係)を測定した。具体的には、この測定は、以下の用に行った。センス電流の電流値を2mAに設定し、外部磁界を下部および上部第2固定磁化層の磁化方向に平行に−7.9kA/m〜7.9kA/mの範囲で掃引し、下部電極と上部電極との間の電圧をデジタルボルトメータにより測定し、磁気抵抗曲線(ヒステリシスカーブ)を得た。そして、このヒステリシスカーブから保磁力を求めた。このようにして得られたサンプルNo.1〜No.27の保磁力は図9に示す通りである。 Sample No. obtained in this way. 1-No. For each of 27, a magnetoresistance curve (hysteresis curve, relationship between magnetoresistance change ΔR value and applied magnetic field) was measured. Specifically, this measurement was performed for the following purposes. The current value of the sense current is set to 2 mA, the external magnetic field is swept in the range of −7.9 kA / m to 7.9 kA / m in parallel with the magnetization direction of the lower and upper second fixed magnetization layers, and the lower electrode and the upper electrode The voltage between the electrodes was measured with a digital voltmeter to obtain a magnetoresistance curve (hysteresis curve). And the coercive force was calculated | required from this hysteresis curve. Sample No. obtained in this way. 1-No. The coercivity of 27 is as shown in FIG.
図10は、試作例4のCoFeAl膜の保磁力と組成との関係図である。図10は、Co、Fe、およびAlの3元系の組成図に図9に示したサンプルNo.1〜27の自由磁化層の保磁力(単位:Oe)をその組成の座標上に合わせて数値で示している。
FIG. 10 is a relationship diagram between the coercive force and the composition of the CoFeAl film of Prototype Example 4. FIG. 10 shows the composition of the ternary system of Co, Fe, and Al with the sample No. shown in FIG. The coercive force (unit: Oe) of the free
図10を参照するに、自由磁化層の保磁力は、ホイスラー合金の組成であるCo50Fe25Al25の保磁力が30.5Oeであるのに対して、Co含有量が多い側、およびFe含有量が少ない側の組成で低くなっていることが分かる。但し、Co含有量が80原子%でかつAl含有量が25原子%では自由磁化層の保磁力が増大する。 Referring to FIG. 10, the coercive force of the free magnetic layer is such that Co 50 Fe 25 Al 25 , which is a composition of Heusler alloy, has a coercive force of 30.5 Oe, whereas the Co content is higher, and Fe It turns out that it is low with the composition of the side with less content. However, when the Co content is 80 atomic% and the Al content is 25 atomic%, the coercive force of the free magnetic layer increases.
この結果から、CoFeAl膜の保磁力を30Oe以下に設定するための組成範囲は、各組成の座標を(Co含有量、Fe含有量、Al含有量)として表すと、点A(55,10,35)、点B(50,15,35)、点C(50,20,30)、点D(55,25,20)、点E(60,25,15)、点F(70,15,15)として、点A、点B、点C、点D、点E、点F、および点Aをこの順にそれぞれ直線で結んだ領域ABCDEFA内(図10の太線の実線で囲まれた領域)の組成に設定すればよいことが分かる。 From this result, the composition range for setting the coercive force of the CoFeAl film to 30 Oe or less is represented by a point A (55, 10, and 5) when the coordinates of each composition are expressed as (Co content, Fe content, Al content). 35), point B (50, 15, 35), point C (50, 20, 30), point D (55, 25, 20), point E (60, 25, 15), point F (70, 15, 15), in the area ABCDEFA where the points A, B, C, D, E, F, and A are connected in this order by a straight line (area surrounded by the solid solid line in FIG. 10). It can be seen that the composition should be set.
さらに、CoFeAl膜の保磁力を20Oe以下に設定するための組成範囲は、点A(55,10,35)、点B(50,15,35)、点C(50,20,30)、点G(65,20,15)として、点A、点B、点C、点G、および点Aをこの順にそれぞれ直線で結んだ領域ABCGA(図10の太線の破線で囲まれた領域)の組成に設定すればよいことが分かる。 Furthermore, the composition ranges for setting the coercivity of the CoFeAl film to 20 Oe or less are point A (55, 10, 35), point B (50, 15, 35), point C (50, 20, 30), point As G (65, 20, 15), the composition of a region ABCGA (region surrounded by a thick broken line in FIG. 10) in which points A, B, C, G, and A are connected in a straight line in this order. It turns out that it should just set to.
以上から得られた組成範囲のCoFeAl膜を自由磁化層に接する拡散防止層に用いて、自由磁化層と拡散防止層の積層体としての保磁力を低減できる。 By using the CoFeAl film having the composition range obtained as described above for the diffusion preventing layer in contact with the free magnetic layer, the coercive force as a laminated body of the free magnetic layer and the diffusion preventing layer can be reduced.
(第2の実施の形態)
本発明の第2の実施の形態に係る磁気ヘッドは、磁気抵抗効果素子がトンネル磁気抵抗効果(以下、「TMR」と称する。)膜を有するものである。第2の実施の形態に係る磁気ヘッドの構成は、図1に示す磁気ヘッド10の磁気抵抗効果素子20を構成するGMR膜30の代わりにTMR膜を設けた以外は、略同様であるので、磁気ヘッドの説明を省略する。以下、磁気抵抗効果素子20を構成するTMR膜について5つの例(第1例〜第4例)を説明する。磁気抵抗効果素子20には、第1例〜第4例のTMR膜のいずれを適用してもよい。
(Second Embodiment)
In the magnetic head according to the second embodiment of the present invention, the magnetoresistive element has a tunnel magnetoresistive (hereinafter referred to as “TMR”) film. The configuration of the magnetic head according to the second embodiment is substantially the same except that a TMR film is provided instead of the
[第1例のTMR膜]
図11は、本発明の第2の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を構成する第1例のTMR膜の断面図である。図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
[TMR film of first example]
FIG. 11 is a sectional view of the TMR film of the first example constituting the magnetoresistive effect element according to the second embodiment of the present invention. In the figure, portions corresponding to the portions described above are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
図11を参照するに、第1例のTMR膜91は、下地層31、反強磁性層32、固定磁化積層体33、非磁性絶縁層37a、第1拡散防止層38、自由磁化層39、第3拡散防止層41、保護層40が順次積層された構成からなる。
Referring to FIG. 11, the
TMR膜91は、先の図2に示したGMR膜30において、非磁性金属層37を絶縁材料からなる非磁性絶縁層37aに置き換え、さらに第3拡散防止層41をさらに形成した以外は同様の構成からなる。TMR膜91は、自由磁化層39と第2固定磁化層36との間に非磁性絶縁層37aを設けることにより、第2固定磁化層36の磁化方向に対して自由磁化層39の磁化方向がなす角度に応じて強磁性トンネル効果が生じ、自由磁化層39と第2固定磁化層36との間の電気抵抗値が変化する。
The
非磁性絶縁層37aは、例えば厚さが0.2nm〜2.0nmからなり、Mg、Al、Ti、およびZrからなる群のうちいずれか1種の酸化物からなる。このような酸化物としては、MgO、AlOx、TiOx、ZrOxが挙げられる。ここで、xは各々材料の化合物の組成からずれた組成でもよいことを示す。特に、非磁性絶縁層37aは、結晶質のMgOであることが好ましく、特に、センス電流の方向に垂直な膜面の単位面積のトンネル抵抗変化量(以下、特に断らない限り「トンネル抵抗変化量」と称する。)が増加する点で、MgOの(001)面は、膜面に略平行であることが好ましい。また、非磁性絶縁膜37aはAl、Ti、およびZrからなる群のうちいずれか1種の窒化物、あるいは酸窒化物から構成されてもよい。このような窒化物としては、AlN、TiN、ZrNが挙げられる。
The nonmagnetic insulating
非磁性絶縁膜37aの形成方法は、スパッタ法、CVD法、蒸着法を用いて上記の材料を直接形成してもよく、スパッタ法、CVD法、蒸着法を用いて金属膜を形成後、酸化処理や窒化処理を行って酸化膜や窒化膜に変換してもよい。なお、後ほど図13に示す第3例のTMR膜の上部非磁性絶縁層67aも非磁性絶縁膜37aと同様の方法で形成される。
As a method for forming the nonmagnetic
トンネル抵抗変化量は、第1の実施の形態の単位面積の磁気抵抗変化量ΔRAの測定と同様して得られる。トンネル抵抗変化量は、自由磁化層39および第2固定磁化層36の分極率が大きいほど増加する。分極率は、絶縁層(非磁性絶縁膜37a)を介した強磁性層(自由磁化層39あるいは第2固定磁化層36)の分極率である。Mn系ホイスラー合金のスピン依存バルク散乱係数は、CoFe膜と同程度あるいはそれよりも大きいため、第1の実施の形態と同様に、自由磁化層39にMn系ホイスラー合金を用いることで、単位面積のトンネル抵抗変化量の増加できる。
The tunnel resistance change amount is obtained in the same manner as the measurement of the magnetoresistance change amount ΔRA of the unit area of the first embodiment. The amount of tunnel resistance change increases as the polarizabilities of the free
また、第1拡散防止層38および第3拡散防止層41は、第1の実施の形態において説明したのと同様のCoFeAlからなる。これにより、自由磁化層39から非磁性絶縁層37aおよび保護膜40へのMnの拡散を抑止できる。
The first
以上により、第1例のTMR膜91は、自由磁化層39と非磁性絶縁層37aおよび保護膜40とのそれぞれの間にCoFeAlからなる拡散防止層38を設けて、自由磁化層39のMn系ホイスラー合金のMn原子が非磁性絶縁層37aおよび保護膜40に拡散するのをより完全に抑止する。また、Mn系ホイスラー合金はスピン依存バルク散乱がCoFeよりも大きく、さらにCoFeAl膜がCoFeよりも飽和磁束密度が低いので、自由磁化層39の膜厚を増加できる。したがって、高出力の磁気抵抗効果素子が得られる。
As described above, the
これと共に、第1例のTMR膜91は、拡散防止層38および第3拡散防止層41が自由磁化層39の上下に接して設けられているので、拡散防止層38および第3拡散防止層41の磁化と自由磁化層39の磁化は互いに交換結合しながら外部磁界に対して応答する。拡散防止層38および第3拡散防止層41のCoFeAlはCoFeよりも低保磁力かつ低飽和磁束密度なので、拡散防止層38および第3拡散防止層41および自由磁化層39の磁化は外部磁界に対する感度が向上する。これらのことから、高出力で外部磁界に対する感度が良好な磁気抵抗効果素子が得られる。
[第2例のTMR膜]
次に、第2の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を構成する第2例のTMR膜について説明する。第2例のTMR膜は、図11に示す第1例のTMR膜91の変形例である。
At the same time, in the
[TMR film of the second example]
Next, a TMR film of a second example constituting the magnetoresistive effect element according to the second embodiment will be described. The TMR film of the second example is a modification of the
図11は、第2の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を構成する第2例のTMR膜の断面図である。図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。 FIG. 11 is a cross-sectional view of a TMR film of a second example constituting the magnetoresistive effect element according to the second embodiment. In the figure, portions corresponding to the portions described above are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
図11を参照するに、第2例のTMR膜92は、下地層31、反強磁性層32、固定磁化積層体53、第2拡散防止層51、非磁性絶縁層37a、第1拡散防止層38、自由磁化層39、第3拡散防止層41、保護層40が順次積層された構成からなる。固定磁化積層体53は、反強磁性層32側から第1固定磁化層34、非磁性結合層35、第2固定磁化層56が順に積層されてなる。
Referring to FIG. 11, the
第2例のTMR膜92は、第2固定磁化層56がMn系ホイスラー合金からなり、第2固定磁化層56と非磁性絶縁層37aとの間に第2拡散防止層51が設けられている以外は、図11の第1例のTMR膜と同様の構成を有する。
In the
TMR膜92は、第2固定磁化層56がMn系ホイスラー合金からなるので、トンネル抵抗変化量を第1例のTMR膜よりも大きくできる。さらに非磁性絶縁層37aと自由磁化層39との間に第1拡散防止層38を設け、第2固定磁化層56と非磁性絶縁層37aとの間に第2拡散防止層51を設け、自由磁化層39と保護膜40との間に第3拡散防止層41を設けているので、第1の実施の形態においても述べたように、自由磁化層39および第2固定磁化層56のMnの拡散をより完全に防止できる。特に、磁界中熱処理においてTMR膜91が高温に曝されるとMnが拡散し易くなるが、第1〜第3拡散防止層38,51,41によりMnの拡散を防止できる。また、
以上により、第2例のTMR膜92は、第1例のTMR膜の効果と同様の効果を有し、さらに第2固定磁化層56がMn系ホイスラー合金からなるので、トンネル抵抗変化量を増加できる。したがって、高出力で、信号磁界に対する感度が良好な磁気抵抗効果素子を実現できる。
[第3例のTMR膜]
次に、第2の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を構成する第3例のTMR膜について説明する。第3例のTMR膜は、図11に示す第1例のTMR膜91の変形例である。
In the
As described above, the
[TMR film of third example]
Next, a third example TMR film constituting the magnetoresistive effect element according to the second embodiment will be described. The TMR film of the third example is a modification of the
図13は、第2の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を構成する第3例のTMR膜の断面図である。図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。 FIG. 13 is a cross-sectional view of a third example TMR film constituting the magnetoresistive effect element according to the second embodiment. In the figure, portions corresponding to the portions described above are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
図13を参照するに、第3例のTMR膜93は、下地層31、下部反強磁性層32、下部固定磁化積層体33、下部非磁性絶縁層37a、下部拡散防止層38、自由磁化層39、上部拡散防止層68、上部非磁性絶縁層67a、上部固定磁化積層体63、上部反強磁性層62、保護層40が順次積層された構成からなる。すなわち、TMR膜93は、図11に示す第1例のTMR膜91の自由磁化層39と保護層40との間に、上部拡散防止層68、上部非磁性絶縁層67a、上部固定磁化積層体63、上部反強磁性層62を設けた構成を有する。
Referring to FIG. 13, the
なお、下部反強磁性層32、下部固定磁化積層体33、下部非磁性絶縁層37a、および下部拡散防止層38は、各々、図11に示す第1例のTMR膜90の反強磁性層32、固定磁化層33、非磁性絶縁層37a、および第1拡散防止層38と同様の材料および膜厚を有するので同一の符号を用いている。また、上部拡散防止層68、上部非磁性絶縁層67a、および上部反強磁性層62は、各々、下部拡散防止層38、下部非磁性絶縁層37a、下部反強磁性層32と同様の材料を用いることができ、膜厚も同様の範囲に設定される。
The lower
また、上部固定磁化積層体63は、上部非磁性絶縁層67a側から上部第2固定磁化層66、上部非磁性結合層65、および上部第1固定磁化層64が順に積層されてなり、いわゆる積層フェリ構造を有する。上部第1固定磁化層64、上部非磁性結合層65、および上部第2固定磁化層66は、各々、下部第1固定磁化層34、下部非磁性結合層35、および下部第2固定磁化層36と同様の材料を用いることができ、膜厚も同様の範囲に設定される。
The upper pinned magnetization stack 63 is formed by sequentially stacking an upper second pinned
TMR膜93は、デュアルスピンバルブ構造を有するので、トンネル抵抗変化量が増加し、第1例のTMR膜のトンネル抵抗変化量に対して略二倍となる。
Since the
以上により、第3例のTMR膜93は、いっそう高出力の磁気抵抗効果素子が実現できる。
As described above, the
[第4例のTMR膜]
次に、第2の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を構成する第4例のTMR膜について説明する。第4例のTMR膜は、図13に示す第3例のTMR膜の変形例である。
[TMR film of fourth example]
Next, a fourth example TMR film constituting the magnetoresistive effect element according to the second embodiment will be described. The TMR film of the fourth example is a modification of the TMR film of the third example shown in FIG.
図14は、第2の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を構成する第4例のTMR膜の断面図である。図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。 FIG. 14 is a cross-sectional view of a fourth example TMR film constituting the magnetoresistive effect element according to the second embodiment. In the figure, portions corresponding to the portions described above are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
図14を参照するに、第4例のTMR膜94は、下部第2固定磁化層56がMn系ホイスラー合金からなり、下部非磁性結合層35と下部第2固定磁化層56との間にCoFeAlからなる下部界面磁性層83が設けられ、下部第2固定磁化層56と下部非磁性絶縁層37aとの間に下部第2拡散防止層73が設けられている。TMR膜94は、さらに、上部第2固定磁化層66がMn系ホイスラー合金からなり、上部非磁性絶縁層67aと上部第2固定磁化層76との間にCoFeAlからなる上部第2拡散防止層74が設けられ、上部第2固定磁化層66と上部非磁性結合層65との間に上部界面磁性層84が設けられている。その他の構成は、図13に示す第3例のTMR膜93と同様である。
Referring to FIG. 14, in the
下部第2固定磁化層56および上部第2固定磁化層66がMn系ホイスラー合金からなるので、トンネル抵抗変化量が大きい。さらに、下部第2拡散防止層73および上部第2拡散防止層74を設けることで、下部第2固定磁化層56および上部第2固定磁化層66のMnの拡散をより完全に防止できる。
Since the lower second pinned
さらに、下部界面磁性層83および上部界面磁性層84は、それぞれ、図6の第1の実施の形態の第5例のGMR膜80の下部界面磁性層83および上部界面磁性層84と同様の材料および膜厚から選択される。これにより、下部固定磁化積層体81全体および上部固定磁化積層体82全体の磁化の不所望な反転を回避できる。
Further, the lower interface
以上により、第5例のTMR膜94は、第4例のTMR膜と同様の効果を有し、さらにトンネル抵抗変化量が増加する。また、下部固定磁化積層体81全体および上部固定磁化積層体82全体の磁化を安定化できるので磁気抵抗効果素子の動作を安定化できる。
As described above, the
(第3の実施の形態)
図15は、本発明の実施の第3の実施の形態に係る磁気記憶装置の要部を示す平面図である。
(Third embodiment)
FIG. 15 is a plan view showing a main part of a magnetic memory device according to the third embodiment of the present invention.
図15を参照するに、磁気記憶装置100は大略ハウジング101からなる。ハウジング101内には、スピンドル(図示されず)により駆動されるハブ102、ハブ102に固定されスピンドルにより回転される磁気記録媒体103、アクチュエータユニット104、アクチュエータユニット104に支持され、磁気記録媒体103の径方向に駆動されるアーム105およびサスペンション106、サスペンション106に支持された磁気ヘッド108が設けられている。
Referring to FIG. 15, the
磁気記録媒体103は面内磁気記録方式あるいは垂直磁気記録方式のいずれの磁気記録媒体でもよく、斜め異方性を有する記録媒体でもよい。磁気記録媒体103は磁気ディスクに限定されず、磁気テープであってもよい。
The
磁気ヘッド108は、図1に示したように、セラミック基板の上に形成された磁気抵抗効果素子20と、その上に形成された誘導型記録素子13から構成される。誘導型記録素子13は面内記録用のリング型の記録素子でもよく、垂直磁気記録用の単磁極型の記録素子でもよく、他の公知の記録素子でもよい。磁気抵抗効果素子20は、第1の実施の形態の第1例〜第5例のいずれかのGMR膜、あるいは第2の実施の形態の第1例〜第4例のいずれかのTMR膜を備える。したがって、磁気抵抗効果素子は、高出力でかつ信号磁界に対する感度が良好である。よって、磁気記憶装置100は、高記録密度記録に好適である。なお、本実施の形態に係る磁気記憶装置100の基本構成は、図15に示すものに限定されるものではない。
As shown in FIG. 1, the
(第4の実施の形態)
図16(A)は本発明の第4の実施の形態に係る第1例の磁気メモリ装置の断面図、(B)は(A)に示すGMR膜の構成図である。また、図17は、第1例の磁気メモリ装置の一つのメモリセルの等価回路図である。なお、図16(A)では方向を示すために直交座標軸を合わせて示している。このうち、Y1およびY2方向は紙面に垂直な方向であり、Y1方向は紙面の奥に向かう方向、Y2方向は紙面の手前に向かう方向である。なお、以下の説明において例えば単にX方向という場合は、X1方向およびX2方向のいずれでもよいことを示し、Y方向およびZ方向についても同様である。図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
(Fourth embodiment)
FIG. 16A is a cross-sectional view of the first example of the magnetic memory device according to the fourth embodiment of the present invention, and FIG. 16B is a configuration diagram of the GMR film shown in FIG. FIG. 17 is an equivalent circuit diagram of one memory cell of the magnetic memory device of the first example. In FIG. 16A, orthogonal coordinate axes are shown together to indicate directions. Among these, the Y 1 and Y 2 directions are directions perpendicular to the paper surface, the Y 1 direction is a direction toward the back of the paper surface, and the Y 2 direction is a direction toward the front of the paper surface. In the following description, for example, simply referring to the X direction indicates that either the X 1 direction or the X 2 direction may be used, and the same applies to the Y direction and the Z direction. In the figure, portions corresponding to the portions described above are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
図16(A)、(B)、および図17を参照するに、磁気メモリ装置110は、例えばマトリクス状に配列された複数のメモリセル111からなる。メモリセル111は、大略して磁気抵抗効果(GMR)膜30とMOS型電界効果トランジスタ(FET)112からなる。なお、MOS型FETは、pチャネルMOS型FETあるいはnチャネルMOS型FETを用いることができるが、ここでは、電子がキャリアとなるnチャネルMOS型FETを例として説明する。
Referring to FIGS. 16A, 16B, and 17, the
MOS型FET112は、シリコン基板113中に形成されたp型不純物を含むpウェル領域114と、pウェル領域114中のシリコン基板113の表面の近傍に互いに離隔してn型不純物が導入された不純物拡散領域115a、115bを有する。ここで、一方の不純物拡散領域115aをソースS、他方の不純物拡散領域115bをドレインDとする。MOS型FET112は、2つの不純物拡散領域115a、115bの間のシリコン基板113の表面にゲート絶縁膜116を介してゲート電極Gが設けられている。
The
MOS型FET112のソースSは、垂直配線124および層内配線125を介してGMR膜30の一方の側、例えば下地層31に電気的に接続される。また、ドレインDには垂直配線124を介してプレート線118が電気的に接続される。ゲート電極Gには読出用ワード線119に電気的に接続される。なお、ゲート電極Gが読出用ワード線119を兼ねてもよい。
The source S of the
また、ビット線120は、GMR膜30の他方の側、例えば保護層40に電気的に接続される。GMR膜30の下側には離隔して書込用ワード線121が設けられている。
The
GMR膜30は、先に図2に示したGMR膜30と同様の構成を有する。GMR膜30は、自由磁化層39の磁化容易軸の方向を図16(A)に示すX軸方向に沿って設定し、磁化困難軸の方向をY方向に沿って設定する。磁化容易軸の方向は、熱処理により形成してもよく、形状異方性により形成してもよい。形状異方性によりX軸方向に磁化容易軸を形成する場合は、GMR膜30の膜面に平行な断面形状(X−Y平面に平行な断面形状)をY方向の辺よりもX方向の辺が長い矩形とする。
The
なお、磁気メモリ装置110は、シリコン基板113の表面やゲート電極Gがシリコン窒化膜やシリコン酸化膜等の層間絶縁膜123に覆われている。また、GMR膜30、プレート線118、読出用ワード線119、ビット線120、書込用ワード線121、垂直配線124、および層内配線125は、上記で説明した電気的な接続以外は層間絶縁膜123により互いに電気的に絶縁されている。
In the
磁気メモリ装置110は、GMR膜30に情報を保持する。情報は、第2固定磁化層36の磁化の方向に対して、自由磁化層39の磁化の方向が平行あるいは反平行の状態であるかにより保持される。
The
次に、磁気メモリ装置110の書込みおよび読出し動作を説明する。磁気メモリ装置110のGMR膜30への情報の書込み動作は、GMR膜30の上下に配置されたビット線120と書込用ワード線121により行われる。ビット線120はGMR膜30の上方をX方向に延在しており、ビット線120に電流を流すことにより、GMR膜30にY方向に印加される。また、書込用ワード線121はGMR膜30の下方をY方向に延在しており、書込用ワード線121に電流を流すことにより、GMR膜30にX方向に磁界が印加される。
Next, write and read operations of the
GMR膜30の自由磁化層39の磁化は、実質的に磁界が印加されない場合はX方向(例えばX2方向とする。)を向いており、その磁化方向は安定である。
When the magnetic field is not substantially applied, the magnetization of the free
情報をGMR膜30に書込む際はビット線120と書込用ワード線121に同時に電流を流す。例えば、自由磁化層39の磁化をX1方向に向ける場合は、書込用ワード線121に流す電流をY1方向に流す。これにより、GMR膜30において磁界がX1方向となる。この際、ビット線120に流す電流の方向は、X1方向およびX2方向のいずれでもよい。ビット線120に流す電流による生じる磁界は、GMR膜30においてY1方向またはY2方向になり、自由磁化層39の磁化が磁化困難軸の障壁を越えるための磁界の一部として機能する。すなわち、自由磁化層39の磁化にX1方向の磁界と、Y1方向またはY2方向とが同時に印加されることで、X2方向を向いていた自由磁化層39の磁化は、X1方向に反転する。そして磁界を取り去った後も自由磁化層39の磁化はX1方向を向いており、次の書込み動作の磁界あるいは消去用の磁界が印加されない限りは安定である。
When writing information to the
このようにして、GMR膜30には自由磁化層39の磁化の方向に応じて、"1"あるいは"0"を記録できる。例えば、第2固定磁化層36の磁化の方向がX1方向の場合に、自由磁化層39の磁化方向がX1方向(トンネル抵抗値が低い状態)のときは"1"、X2方向(トンネル抵抗値が高い状態)のときは"0"に設定する。
In this way, “1” or “0” can be recorded in the
なお、書込み動作の際にビット線120および書込用ワード線121に供給される電流の大きさは、ビット線120あるいは書込用ワード線121のいずれか一方のみに電流が流れても自由磁化層39の磁化の反転が生じない程度に設定される。これにより、電流を供給したビット線120と電流を供給した書込用ワード線121との交点にあるGMR膜30の自由磁化層39の磁化のみに記録が行われる。なお、書込み動作の際にビット線120に電流を流した際に、GMR膜30には電流が流れないように、ソースS側がハイピーダンスに設定される。
Note that the magnitude of the current supplied to the
次に、磁気メモリ装置110のGMR膜30への情報の読出し動作は、ビット線120にソースSに対して負電圧を印加し、読出用ワード線119、すなわちゲート電極GにMOS型FET112の閾値電圧よりも大きな電圧(正電圧)を印加して行う。これによりMOS型FET112はオンとなり、電子がビット線120から、GMR膜30、ソースS、およびドレインDを介してプレート線118に流れる。プレート線118に電流計等の電流値検出器128を電気的に接続することで、第2固定磁化層36の磁化の方向に対する自由磁化層39の磁化の方向に対応する磁気抵抗値を検出する。これにより、GMR膜30が保持する"1"あるいは"0"の情報を読出すことができる。
Next, in the information read operation to the
第4の実施の形態に係る第1例の磁気メモリ装置110は、GMR膜30の自由磁化層39がMn系ホイスラー合金からなるので、磁気抵抗変化量ΔRAが大きい。したがって、磁気メモリ装置110は、情報の読出しの際に、保持された"0"および "1"に対応する磁気抵抗値の差が大きいので、正確な読出しができる。さらに、GMR膜30は、第1の実施の形態において説明したように、自由磁化層39に接して設けた拡散防止層38のCoFeAlをもちいることにより、自由磁化層39と拡散防止層38の積層体の保磁力が低い。したがって、磁気メモリ装置110は、書込み動作の際に印加する磁界を低減することができる。したがって、書込み動作の際のビット線120および書込用ワード線121に流す電流値を低減できるので、磁気メモリ装置110の消費電力を低減できる。
In the
さらに、GMR膜30は、非磁性金属層37と自由磁化層39との間に拡散防止層38を有するため、自由磁化層39に含まれるMnの非磁性金属層37への拡散を防止する。そのため、GMR膜30のΔRAの劣化を防止できる。拡散防止層38にCoFeAlを用いているので、ΔRAの増加および自由磁化層39と拡散防止層38との積層体の保磁力の低下を同時に実現できる。その結果、磁気メモリ装置110は、書込み動作の際に印加する磁界を低減することができる。したがって、書込み動作の際のビット線120および書込用ワード線121に流す電流値を低減できるので、磁気メモリ装置110の消費電力を低減できる。
Further, since the
なお、磁気メモリ装置110を構成するGMR膜30は、図3〜図6に示す第2例〜第5例のGMR膜50,60,70,80のいずれかに置換してもよく、さらに、第1例〜第5例のGMR膜30,50,60,70,80の説明中の変形例を用いてもよい。
The
図18は、第1例の磁気メモリ装置の変形例を構成するTMR膜の構成図である。図18を図16(A)と共に参照するに、磁気メモリ装置110を構成するGMR膜30の代わりにTMR膜91を用いてもよい。TMR膜91は、図11に示す第2の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を構成する第1例のTMR膜91と同様の構成を有する。TMR膜91は、例えば、下地層31が層内配線125に接触し、保護層40がビット線120に接触している。また、自由磁化層39の磁化容易軸は上述したGMR膜30と同様に配置される。TMR膜91を用いた場合の磁気メモリ装置110の書込み動作および読出し動作はGMR膜と同様であるのでその説明を省略する。
FIG. 18 is a configuration diagram of a TMR film constituting a modification of the magnetic memory device of the first example. Referring to FIG. 18 together with FIG. 16A, a
TMR膜91は、第2の実施の形態において説明したようにトンネル抵抗効果を示す。TMR膜91は、自由磁化層39がMn系ホイスラー合金からなるので、トンネル抵抗変化量が大きい。したがって、磁気メモリ装置110は、情報の読出しの際に、保持された"0"および "1"に対応するトンネル抵抗変化量が大きいので、正確な読出しができる。さらに、自由磁化層39の保磁力が低減されているので感度が高く、磁気メモリ装置110の消費電力を低減できる。
The
なお、磁気メモリ装置110を構成するTMR膜91は、図12〜図14に示す第2例〜第4例のTMR膜92〜94を用いてもよく、さらに、第1例〜第4例のTMR膜91〜94の説明中の変形例を用いてもよい。
As the
図19は、第4の実施の形態に係る第2例の磁気メモリ装置の断面図である。図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。 FIG. 19 is a cross-sectional view of a magnetic memory device of a second example according to the fourth embodiment. In the figure, portions corresponding to the portions described above are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
図19を参照するに、磁気メモリ装置130は、GMR膜30に情報を書込むための機構が第1例の磁気メモリ装置と異なる。磁気メモリ装置130のメモリセルは、書込用ワード線121が設けられていない以外は、図16(A)および(B)に示すメモリセル111と同様の構成を有する。
Referring to FIG. 19, the
以下、図16(B)を図19とあわせて参照しつつ説明する。磁気メモリ装置130は、書込み動作が第1例の磁気メモリ装置と異なっている。磁気メモリ装置130は、偏極スピン電流IwをGMR膜30に注入し、その電流の向きによって、自由磁化層39の磁化の向きを第2固定磁化層36の磁化の向きに対して平行の状態から反平行の状態に、あるいは反平行の状態から平行の状態に反転させる。偏極スピン電流Iwは、電子が取り得る2つのスピンの向きの一方の向きの電子からなる電子流である。偏極スピン電流Iwの向きをGMR膜30の紙面下方あるいは上方に流すことで、自由磁化層の磁化にトルクを発生させ、いわゆるスピン注入磁化反転を起こさせる。偏極スピン電流Iwの電流量は、自由磁化層39の膜厚に応じて適宜選択されるが数mA〜20mA程度である。偏極スピン電流Iwの電流量は、図16(A)の第1例の磁気メモリ装置の書き込み動作の際にビット線120および書込用ワード線121に流す電流量よりも少なく、消費電力を低減できる。
Hereinafter, description will be made with reference to FIG. The
なお、偏極スピン電流は、GMR膜30と略同様の構成を有する、Cu膜を2つの強磁性層で挟んだ積層体に垂直に電流を流すことで生成することができる。電子のスピンの向きは2つの強磁性層の磁化の向きを平行あるいは反平行に設定することで制御できる。なお、磁気メモリ装置130の読み取り動作は図16(A)の第1例の磁気メモリ装置110と同様である。
The polarized spin current can be generated by flowing a current perpendicularly to a stacked body having a structure substantially similar to that of the
第2例の磁気メモリ装置130は、第1例の磁気メモリ装置と同様の効果を有する。さらに、第2例の磁気メモリ装置130は、書き込み動作の際の電流量が第1例の磁気メモリ装置よりも低減できるので、低消費電力化が可能である。
The
なお、磁気メモリ装置130は、GMR膜30の代わりに、図3〜図6に示す第2例〜第5例のGMR膜50,60,70,80のいずれかに置換してもよく、あるいは、図11〜図14に示す第1例〜第4例のTMR膜91〜94に置換してもよく、さらにこれらの説明中の変形例のGMR膜あるいはTMR膜に置換してもよい。
The
また、第4の実施の形態の第1例および第2例の磁気メモリ装置110、130では、MOS型FET112により書込み動作および読出し動作の際の電流制御を行っているが、他の公知の手段により電流制御を行ってもよい。
Further, in the
以上本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。 The preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, but the present invention is not limited to the specific embodiments, and various modifications and changes can be made within the scope of the present invention described in the claims. It can be changed.
例えば、第3の実施の形態では、磁気記録媒体がディスク状の場合を例に説明したが、本発明は、磁気記録媒体がテープ状である磁気テープ装置にも適用できることはいうまでもない。また、磁気抵抗効果素子と記録素子とを備える磁気ヘッドを一例として説明したが、磁気抵抗効果素子のみを備える磁気ヘッドでもよい。さらに、複数の磁気抵抗効果素子が配置された磁気ヘッドでもよい。 For example, in the third embodiment, the case where the magnetic recording medium is disk-shaped has been described as an example. However, it goes without saying that the present invention can also be applied to a magnetic tape device in which the magnetic recording medium is tape-shaped. Further, the magnetic head including the magnetoresistive effect element and the recording element has been described as an example, but a magnetic head including only the magnetoresistive effect element may be used. Furthermore, a magnetic head in which a plurality of magnetoresistive elements are arranged may be used.
なお、以上の説明に関してさらに以下の付記を開示する。
(付記1)
CPP型の磁気抵抗効果素子であって、
固定磁化層と、非磁性金属層と、拡散防止層と、自由磁化層とがこの順に積層され、
前記自由磁化層はMn系ホイスラー合金からなり、
前記拡散防止層はCoFeAlからなることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
(付記2)
前記自由磁化層上にさらに他の拡散防止層および保護層がこの順に積層されてなり、
前記他の拡散防止層がCoFeAlからなることを特徴とする付記1記載の磁気抵抗効果素子。
(付記3)
前記自由磁化層上に他の拡散防止層と、他の非磁性金属層と、他の固定磁化層と、がさらに積層されてなることを特徴とする付記1または2記載の磁気抵抗効果素子。
(付記4)
前記固定磁化層は、第1の固定磁化層と、非磁性結合層と、第2の固定磁化層とがこの順に積層されてなり、該第2の固定磁化層と前記非磁性金属層との間にその他の拡散防止層をさらに備え、
前記第2の固定磁化層がMn系ホイスラー合金からなり、
前記その他の拡散防止層がCoFeAlからなることを特徴とする付記1〜3のうち、いずれか一項記載の磁気抵抗効果素子。
(付記5)
前記非磁性結合層と、第2の固定磁化層との間に前記その他の拡散防止層をさらに備えることを特徴とする付記4記載の磁気抵抗効果素子。
(付記6)
前記他の固定磁化層は、他の第2の固定磁化層と、他の非磁性結合層と、他の第1の固定磁化層と、がこの順に積層されてなり、該他の第2の固定磁化層と前記他の非磁性金属層との間にその他の拡散防止層をさらに備え、
前記第2の固定磁化層がMn系ホイスラー合金からなり、
前記その他の拡散防止層がCoFeAlからなることを特徴とする付記3〜5のうち、いずれか一項記載の磁気抵抗効果素子。
(付記7)
前記他の第2の固定磁化層と、他の非磁性結合層との間にさらに前記その他の拡散防止層を備えることを特徴とする付記6記載の磁気抵抗効果素子。
(付記8)
CPP型の磁気抵抗効果素子であって、
固定磁化層と、非磁性絶縁層と、自由磁化層と、他の拡散防止層と、保護層とがこの順に積層され、
前記保護層は非磁性金属材料からなり、
前記自由磁化層はMn系ホイスラー合金からなり、
前記他の拡散防止層はCoFeAlからなることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
(付記9)
前記保護層は他の拡散防止層に接してCu膜を有することを特徴とする付記8記載の磁気抵抗効果素子。
(付記10)
前記非磁性絶縁層と自由磁化層との間に拡散防止層をさらに備え、
前記拡散防止層がCoFeAlからなることを特徴とする付記8または9記載の磁気抵抗効果素子。
(付記11)
前記他の拡散防止層上に保護層の代わりに他の非磁性絶縁層と、他の固定磁化層と、がさらに積層されてなることを特徴とする付記8〜10のうち、いずれか一項記載の磁気抵抗効果素子。
(付記12)
前記固定磁化層は、第1の固定磁化層と、非磁性結合層と、第2の固定磁化層とがこの順に積層されてなり、該第2の固定磁化層と前記非磁性絶縁層との間にその他の拡散防止層をさらに備え、
前記第2の固定磁化層がMn系ホイスラー合金からなり、
前記その他の拡散防止層がCoFeAlからなることを特徴とする付記8〜11のうち、いずれか一項記載の磁気抵抗効果素子。
(付記13)
前記非磁性結合層と、第2の固定磁化層との間に前記その他の拡散防止層をさらに備えることを特徴とする付記12記載の磁気抵抗効果素子。
(付記14)
前記他の固定磁化層は、他の第2の固定磁化層と、他の非磁性結合層と、他の第1の固定磁化層と、がこの順に積層されてなり、該他の第2の固定磁化層と前記他の非磁性絶縁層との間にその他の拡散防止層をさらに備え、
前記第2の固定磁化層がMn系ホイスラー合金からなり、
前記その他の拡散防止層がCoFeAlからなることを特徴とする付記8〜13のうち、いずれか一項記載の磁気抵抗効果素子。
(付記15)
前記他の第2の固定磁化層と、他の非磁性結合層との間にさらに前記その他の拡散防止層を備えることを特徴とする付記14記載の磁気抵抗効果素子。
(付記16)
前記Mn系ホイスラー合金は、Co2MnX(XはAl、Ge、Si、Ga、In、Sb、およびSnからなる群のうちいずれか一つ)、Ni2MnAl、Ni2MnSn、Cu2MnAl、Pd2MnIn、Pd2MnSn、Pd2MnSb、NiMnSb、PtMnSb、PdMnSb、およびPtMnSnからなる群のうちいずれか一つであることを特徴とする付記1〜15のうち、いずれか一項記載の磁気抵抗効果素子。
(付記17)
前記CoFeAlは、三元系の組成図において、各組成の座標を(Co含有量,Fe含有量,Al含有量)として表すと、点A(55,10,35)、点B(50,15,35)、点C(50,20,30)、点D(55,25,20)、点E(60,25,15)、点F(70,15,15)として、点A、点B、点C、点D、点E、点F、および点Aをこの順にそれぞれ直線で結んだ領域内の組成を有することを特徴とする付記1〜16のうち、いずれか一項記載の磁気抵抗効果素子(但し、各含有量は原子%で表す。)。
(付記18)
前記拡散防止層、他の拡散防止層、あるいはその他の拡散防止層は、その膜厚が0.5nm〜2.0nmの範囲に設定されることを特徴とする付記1〜17のうち、いずれか一項記載の磁気抵抗効果素子。
(付記19)
付記1〜18のうち、いずれか一項記載の磁気抵抗効果素子を備える磁気ヘッド。
(付記20)
付記1〜18のうち、いずれか一項記載の磁気抵抗効果素子を有する磁気ヘッドと、記録素子と、磁気記録媒体とを備える磁気記憶装置。
(付記21)
固定磁化層と、非磁性金属層と、拡散防止層と、自由磁化層と、が積層されたCPP型の磁気抵抗効果膜と、
前記磁気抵抗効果膜に磁界を印加して、前記自由磁化層の磁化を所定の方向に向ける書込手段と、
前記磁気抵抗効果膜にセンス電流を供給して抵抗値を検出する読出手段とを備え、
前記自由磁化層はMn系ホイスラー合金からなり、
前記拡散防止層はCoFeAlからなることを特徴とする磁気メモリ装置。
(付記22)
固定磁化層と、非磁性絶縁層と、自由磁化層と、他の拡散防止層と、保護層とがこの順に積層されたCPP型の磁気抵抗効果膜と、
前記磁気抵抗効果膜に磁界を印加して、前記自由磁化層の磁化を所定の方向に向ける書込手段と、
前記磁気抵抗効果膜にセンス電流を供給して抵抗値を検出する読出手段とを備え、
前記自由磁化層はMn系ホイスラー合金からなり、
前記他の拡散防止層はCoFeAlからなることを特徴とする磁気メモリ装置。
(付記23)
前記Mn系ホイスラー合金は、Co2MnX(XはAl、Ge、Si、Ga、In、Sb、およびSnからなる群のうちいずれか一つ)、Ni2MnAl、Ni2MnSn、Cu2MnAl、Pd2MnIn、Pd2MnSn、Pd2MnSb、NiMnSb、PtMnSb、PdMnSb、およびPtMnSnからなる群のうちいずれか一つであることを特徴とする付記20または21記載の磁気メモリ装置。
(付記24)
前記CoFeAlは、三元系の組成図において、各組成の座標を(Co含有量,Fe含有量,Al含有量)として表すと、点A(55,10,35)、点B(50,15,35)、点C(50,20,30)、点D(55,25,20)、点E(60,25,15)、点F(70,15,15)として、点A、点B、点C、点D、点E、点F、および点Aをこの順にそれぞれ直線で結んだ領域内の組成を有することを特徴とする付記21〜23のうちいずれか一項記載の磁気メモリ装置(但し、各含有量は原子%で表す。)。
(付記25)
前記書込手段は、磁気抵抗効果膜の膜面に略平行に自由磁化層の磁化容易軸の一方の向きに第1の磁界を印加すると共に、該膜面に略平行でかつ第1の磁界とは所定の角度をなす方向に第2の磁界を印加して、自由磁化層の磁化の向きを制御することを特徴とする付記21〜24のうち、いずれか一項記載の磁気メモリ装置。
(付記26)
前記書込手段は、磁気抵抗効果膜に偏極したスピンを有する電子流に基づいて自由磁化層の磁化の向きを制御することを特徴とする付記21〜24のうち、いずれか一項記載の磁気メモリ装置。
(付記27)
ビット線と、ワード線と、制御電極および2つの電流供給電極を有するMOS型トランジスタをさらに備え、
前記ワード線は制御電極に電気的に接続され、
前記磁気抵抗効果膜は、ビット線と一方の電流供給電極との間に電気的に接続され、
前記読出手段は、ワード線を所定の電圧に設定してMOS型トランジスタをオンさせ、ビット線と前記一方の電流供給電極との間にセンス電流を流して磁気抵抗値を検出することを特徴とする付記24または25記載の磁気メモリ装置。
In addition, the following additional notes are disclosed regarding the above description.
(Appendix 1)
A CPP type magnetoresistive element,
A fixed magnetization layer, a nonmagnetic metal layer, a diffusion prevention layer, and a free magnetization layer are laminated in this order,
The free magnetic layer is made of a Mn-based Heusler alloy,
2. The magnetoresistive element according to
(Appendix 2)
Another diffusion preventing layer and a protective layer are further laminated in this order on the free magnetic layer,
The magnetoresistive effect element according to
(Appendix 3)
3. The magnetoresistive effect element according to
(Appendix 4)
The fixed magnetization layer is formed by laminating a first fixed magnetization layer, a nonmagnetic coupling layer, and a second fixed magnetization layer in this order, and the second fixed magnetization layer and the nonmagnetic metal layer In addition, another diffusion prevention layer is provided between
The second pinned magnetic layer is made of a Mn-based Heusler alloy;
The magnetoresistive effect element according to any one of
(Appendix 5)
The magnetoresistive element according to
(Appendix 6)
The other pinned magnetic layer is formed by stacking another second pinned magnetic layer, another nonmagnetic coupling layer, and another first pinned magnetic layer in this order. Further comprising another diffusion prevention layer between the fixed magnetization layer and the other nonmagnetic metal layer,
The second pinned magnetic layer is made of a Mn-based Heusler alloy;
The magnetoresistive effect element according to any one of
(Appendix 7)
The magnetoresistive element according to
(Appendix 8)
A CPP type magnetoresistive element,
A fixed magnetic layer, a nonmagnetic insulating layer, a free magnetic layer, another diffusion prevention layer, and a protective layer are laminated in this order,
The protective layer is made of a nonmagnetic metal material,
The free magnetic layer is made of a Mn-based Heusler alloy,
The other diffusion preventing layer is made of CoFeAl.
(Appendix 9)
9. The magnetoresistive element according to
(Appendix 10)
Further comprising a diffusion prevention layer between the nonmagnetic insulating layer and the free magnetic layer,
10. The magnetoresistive effect element according to
(Appendix 11)
Any one of
(Appendix 12)
The fixed magnetization layer is formed by laminating a first fixed magnetization layer, a nonmagnetic coupling layer, and a second fixed magnetization layer in this order, and the second fixed magnetization layer and the nonmagnetic insulating layer In addition, another diffusion prevention layer is provided between
The second pinned magnetic layer is made of a Mn-based Heusler alloy;
The magnetoresistive effect element according to any one of
(Appendix 13)
13. The magnetoresistive effect element according to
(Appendix 14)
The other pinned magnetic layer is formed by stacking another second pinned magnetic layer, another nonmagnetic coupling layer, and another first pinned magnetic layer in this order. Further comprising another diffusion prevention layer between the fixed magnetization layer and the other nonmagnetic insulating layer,
The second pinned magnetic layer is made of a Mn-based Heusler alloy;
14. The magnetoresistive element according to any one of
(Appendix 15)
15. The magnetoresistive element according to
(Appendix 16)
The Mn-based Heusler alloy includes Co 2 MnX (X is any one selected from the group consisting of Al, Ge, Si, Ga, In, Sb, and Sn), Ni 2 MnAl, Ni 2 MnSn, Cu 2 MnAl, Pd 2 MnIn, Pd 2 MnSn,
(Appendix 17)
When the coordinates of each composition are expressed as (Co content, Fe content, Al content) in the ternary composition diagram, the CoFeAl is represented by points A (55, 10, 35) and B (50, 15). , 35), point C (50, 20, 30), point D (55, 25, 20), point E (60, 25, 15), point F (70, 15, 15), point A, point B , Point C, point D, point E, point F, and point A in this order, each having a composition within a straight line, the magnetoresistance according to any one of
(Appendix 18)
Any one of
(Appendix 19)
A magnetic head comprising the magnetoresistive element according to any one of
(Appendix 20)
A magnetic storage device comprising: a magnetic head having the magnetoresistive effect element according to any one of
(Appendix 21)
A CPP-type magnetoresistive film in which a fixed magnetic layer, a nonmagnetic metal layer, a diffusion prevention layer, and a free magnetic layer are stacked;
Writing means for applying a magnetic field to the magnetoresistive film to direct the magnetization of the free magnetic layer in a predetermined direction;
Read means for detecting a resistance value by supplying a sense current to the magnetoresistive film,
The free magnetic layer is made of a Mn-based Heusler alloy,
The magnetic memory device, wherein the diffusion prevention layer is made of CoFeAl.
(Appendix 22)
A CPP type magnetoresistive film in which a fixed magnetic layer, a nonmagnetic insulating layer, a free magnetic layer, another diffusion prevention layer, and a protective layer are laminated in this order;
Writing means for applying a magnetic field to the magnetoresistive film to direct the magnetization of the free magnetic layer in a predetermined direction;
Read means for detecting a resistance value by supplying a sense current to the magnetoresistive film,
The free magnetic layer is made of a Mn-based Heusler alloy,
2. The magnetic memory device according to
(Appendix 23)
The Mn-based Heusler alloy includes Co 2 MnX (X is any one selected from the group consisting of Al, Ge, Si, Ga, In, Sb, and Sn), Ni 2 MnAl, Ni 2 MnSn, Cu 2 MnAl, Pd 2 MnIn, Pd 2 MnSn,
(Appendix 24)
When the coordinates of each composition are expressed as (Co content, Fe content, Al content) in the ternary composition diagram, the CoFeAl is represented by points A (55, 10, 35) and B (50, 15). , 35), point C (50, 20, 30), point D (55, 25, 20), point E (60, 25, 15), point F (70, 15, 15), point A, point B , Point C, point D, point E, point F, and point A, each having a composition in a region connected by a straight line in this order, the magnetic memory device according to any one of
(Appendix 25)
The writing means applies a first magnetic field in one direction of the easy axis of the free magnetic layer substantially parallel to the film surface of the magnetoresistive film, and is substantially parallel to the film surface and the first magnetic field. 25. The magnetic memory device according to any one of
(Appendix 26)
The writing means controls the magnetization direction of the free magnetic layer based on an electron current having a spin polarized in the magnetoresistive effect film. Magnetic memory device.
(Appendix 27)
A MOS transistor having a bit line, a word line, a control electrode and two current supply electrodes;
The word line is electrically connected to a control electrode;
The magnetoresistive film is electrically connected between the bit line and one current supply electrode,
The reading means sets a word line to a predetermined voltage, turns on a MOS transistor, and passes a sense current between the bit line and the one current supply electrode to detect a magnetoresistance value. The magnetic memory device according to
10,108 磁気ヘッド
11 セラミック基板
12,25 アルミナ膜
13 誘導型記録素子
14 上部磁極
15 記録ギャップ層
16 下部磁極
20 磁気抵抗効果素子
21 下部電極
22 上部電極
23 絶縁膜
24 磁区制御膜
30,50,60,70,80 磁気抵抗効果(GMR)膜
31 下地層
32 反強磁性層(下部反強磁性層)
33,53,81 固定磁化積層体(下部固定磁化積層体)
34 第1固定磁化層(下部第1固定磁化層)
35 非磁性結合層(下部非磁性結合層)
36,56 第2固定磁化層(下部第2固定磁化層)
37 非磁性金属層(下部非磁性金属層)
37a 非磁性絶縁層(下部非磁性絶縁層)
38 拡散防止層(第1拡散防止層、下部(第1)拡散防止層)
39 自由磁化層
40 保護層
41 第3拡散防止層
51,73 第2拡散防止層(下部第2拡散防止層)
62 上部反強磁性層
63,72,82 上部固定磁化積層体
64 上部第1固定磁化層
65 上部非磁性結合層
66,76 上部第2固定磁化層
67 上部非磁性金属層
67a 上部非磁性絶縁層
68 第1拡散防止層(上部(第1)拡散防止層)
74 上部第2拡散防止層
83 下部界面磁性層
84 上部界面磁性層
91〜94 トンネル磁気抵抗効果(TMR)膜
100 磁気記憶装置
110,130 磁気メモリ装置
111 メモリセル
112 MOS型FET
118 プレート線
119 読出用ワード線
120 ビット線
121 書込用ワード線
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10,108
33, 53, 81 Fixed magnetization stack (lower fixed magnetization stack)
34. First fixed magnetic layer (lower first fixed magnetic layer)
35 Nonmagnetic coupling layer (lower nonmagnetic coupling layer)
36, 56 Second pinned magnetic layer (lower second pinned magnetic layer)
37 Nonmagnetic metal layer (lower nonmagnetic metal layer)
37a Nonmagnetic insulating layer (lower nonmagnetic insulating layer)
38 Diffusion prevention layer (first diffusion prevention layer, lower (first) diffusion prevention layer)
39 Free
62 Upper
74 Upper second
118
Claims (5)
固定磁化層と、非磁性金属層と、拡散防止層と、自由磁化層とがこの順に積層され、
前記自由磁化層はMn系ホイスラー合金からなり、
前記拡散防止層はCoFeAlからなることを特徴とする磁気抵抗効果素子。 A CPP type magnetoresistive element,
A fixed magnetization layer, a nonmagnetic metal layer, a diffusion prevention layer, and a free magnetization layer are laminated in this order,
The free magnetic layer is made of a Mn-based Heusler alloy,
2. The magnetoresistive element according to claim 1, wherein the diffusion preventing layer is made of CoFeAl.
固定磁化層と、非磁性絶縁層と、自由磁化層と、他の拡散防止層と、保護層とがこの順に積層され、
前記保護層は非磁性金属材料からなり、
前記自由磁化層はMn系ホイスラー合金からなり、
前記他の拡散防止層はCoFeAlからなることを特徴とする磁気抵抗効果素子。 A CPP type magnetoresistive element,
A fixed magnetic layer, a nonmagnetic insulating layer, a free magnetic layer, another diffusion prevention layer, and a protective layer are laminated in this order,
The protective layer is made of a nonmagnetic metal material,
The free magnetic layer is made of a Mn-based Heusler alloy,
The other diffusion preventing layer is made of CoFeAl.
前記磁気抵抗効果膜に磁界を印加して、前記自由磁化層の磁化を所定の方向に向ける書込手段と、
前記磁気抵抗効果膜にセンス電流を供給して抵抗値を検出する読出手段とを備え、
前記自由磁化層はMn系ホイスラー合金からなり、
前記拡散防止層はCoFeAlからなることを特徴とする磁気メモリ装置。 A CPP-type magnetoresistive film in which a fixed magnetic layer, a nonmagnetic metal layer, a diffusion prevention layer, and a free magnetic layer are stacked;
Writing means for applying a magnetic field to the magnetoresistive film to direct the magnetization of the free magnetic layer in a predetermined direction;
Read means for detecting a resistance value by supplying a sense current to the magnetoresistive film,
The free magnetic layer is made of a Mn-based Heusler alloy,
The magnetic memory device, wherein the diffusion prevention layer is made of CoFeAl.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A300 | Application deemed to be withdrawn because no request for examination was validly filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20091201 |