JP2008235528A - 磁気抵抗効果素子、磁性積層構造体、及び磁性積層構造体の製造方法 - Google Patents

磁気抵抗効果素子、磁性積層構造体、及び磁性積層構造体の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 IrとMnとを含む反強磁性のピニング層の表面の平坦度を高めることができる磁気抵抗効果素子を提供する。
【解決手段】 基板の主表面上に、NiFeNで形成されている下地層(2)が配置されている。その上に、IrとMnとを含む反強磁性材料で形成されているピニング層(3)が配置されている。その上に、ピニング層と、直接または他の強磁性材料層を介して交換結合することにより磁化方向が固定される強磁性材料からなるレファレンス層(4c)が配置されている。その上に、非磁性材料からなる非磁性層(7)が配置されている。その上に、外部磁場の影響によって磁化方向が変化する強磁性材料からなるフリー層(8)が配置されている。
【選択図】 図1

Description

本発明は、IrとMnとを含む反強磁性材料からなるピニング層を含む磁気抵抗効果素子、磁性積層構造体、及び磁性積層構造体の製造方法に関する。
ハードディスクドライブ(HDD)の読取素子や、磁気抵抗効果型ランダムアクセスメモリ(MRAM)に用いられる強磁性体膜の磁化方向を固定するために、反強磁性層と強磁性層とを積層した交換結合膜が用いられている。
図12に、HDDの読取素子、及び磁気記録媒体の部分斜視図を示す。磁気記録媒体103の表面をxy面とし、法線方向をz軸とするxyz直交座標系を定義する。x軸方向がトレーリング方向、y軸方向がトラック幅方向に対応するとする。一対の磁気シールド層100、101が、x軸方向に間隙を隔てて配置され、両者の間に、磁気抵抗効果素子102が配置されている。磁気抵抗効果素子102は、z軸方向に微小な間隙を隔てて磁気記録媒体103に対向している。磁気抵抗効果素子102には、例えばトンネル磁気抵抗効果素子(TMR素子)やスピンバルブ膜が用いられる。
TMR素子は、例えば下地層、反強磁性ピニング層、強磁性レファレンス層、トンネルバリア層、フリー層、及びキャップ層がx軸方向に積層された構造を有する。磁気記録媒体103から発生する磁場を、磁気抵抗効果素子102のフリー層で感知し、磁場の変化が電気信号として読み出される。
一対の磁気シールド層100、101は、読み取り対象のビットに隣接するビットからの磁場を吸収する役割を果たす。このため、ビット長Lbは、磁気抵抗効果素子102の合計の厚さ(読取ギャップ長)Lrgに依存する。読取ギャップLrgが長くなると、ビット長Lbも長くなってしまう。ビット長Lbを短くするために、読取ギャップ長Lrgを短くすることが望まれる。
2003年までは、HDD用の読取素子の下地層に、Ta/NiFe積層、Ta/Ru積層、NiCr層、NiFeCr層が用いられ、反強磁性ピニング層に、PtMn層やPdPtMn層が用いられていた。ところが、反強磁性ピニング層は、強磁性レファレンス層と交換結合するために、15nm以上の厚さを必要とした。ピニング層が厚くなると、読取ギャップ長Lrgが長くなるため、ビット長Lbを短くして記録密度の向上を図ることが困難である。
ピニング層にIrMnを用いると、その厚さを4nm程度まで薄くしても、ピニング層がピンド層に交換結合する。このため、ピニング層にIrMnを用いた磁気抵抗効果素子は、記録密度の向上に適している(例えば、下記の特許文献1)。
トンネルバリア層にMgOを用いたTMR素子において、その特性を最大限発揮させるために、MgOを(200)配向させることが好ましい。トンネルバリア層の下地となるレファレンス層に、アモルファスのCoFeBを用いることにより、MgOを(200)配向させることができる(下記の非特許文献1参照)。
特開2005−244254号公報 David D. Djayaprawira et al.,"230% room-temperature magnetoresistance in CoFeB/MgO/CoFeB magnetic tunneljunctions", Appl. Phys. Lett., 86, 092502 (2005)
TMR素子のピニング層にIrMnを用いると、その表面の平坦度が低下する(面粗度が高くなる)。TMR素子の面積抵抗RAを低くするためにトンネルバリア層を薄くすると、レファレンス層の表面の凹凸に起因して、レファレンス層と磁化フリー層との間の静磁気的な相互作用が大きくなる。これにより、磁化フリー層の磁化方向が、レファレンス層の磁化の影響を受けてしまう。また、MgOからなるトンネルバリア層が薄い場合には、レファレンス層の表面の凹凸に起因して、トンネルバリア層にピンホールが発生し、特性が劣化する場合もある。
MgOからなるトンネルバリア層の下地のレファレンス層を、アモルファスCoFeBで形成した場合、MgO膜をある程度の厚さ成長させれば、良好な(200)配向性を示すMgOが得られる。ところが、MgO膜が薄い場合には、十分な(200)配向性を示す膜を得ることが困難である。MgO膜の配向性が低下すると、MR比が低下してしまう。
本発明の目的は、IrとMnとを含む反強磁性のピニング層の表面の平坦度を高めることができる磁気抵抗効果素子、磁性積層構造体、及びその製造方法を提供することである。本発明の他の目的は、MgOからなるトンネルバリア層が薄くても、高いMR比を実現することができる磁気抵抗効果素子を提供することである。
本発明の一観点によると、
基板の主表面上に配置されており、NiFeNで形成されている下地層と、
前記下地層の上に配置されており、IrとMnとを含む反強磁性材料で形成されているピニング層と、
前記ピニング層の上に配置されており、該ピニング層と、直接または他の強磁性材料層を介して交換結合することにより磁化方向が固定される強磁性材料からなるレファレンス層と、
前記レファレンス層の上に配置された非磁性材料からなる非磁性層と、
前記非磁性層の上に配置され、外部磁場の影響によって磁化方向が変化する強磁性材料からなるフリー層と
を有する磁気抵抗効果素子が提供される。
本発明の他の観点によると、
基板の主表面上に配置されており、NiFeNで形成されている下地層と、
前記下地層の上に配置されており、IrとMnとを含む反強磁性材料で形成されているピニング層と、
前記ピニング層の上に配置されており、該ピニング層と交換結合することにより磁化方向が固定される強磁性材料からなるピンド層と
を有する磁性積層構造体が提供される。
本発明のさらに他の観点によると、
NiFeターゲットを用い、スパッタガスとして窒素を含むガスを用いた反応性スパッタリングにより、NiFeNからなる下地層を、基板上に形成する工程と、
前記下地層の上に、IrとMnとを含む反強磁性材料からなるピニング層を形成する工程と
を有する磁性積層構造体の製造方法が提供される。
本発明のさらに他の観点によると、
基板の主表面上に配置されており、NiFeNで形成されている下地層と、
前記下地層の上に配置されており、外部磁場の影響によって磁化方向が変化する強磁性材料で形成されているフリー層と、
前記フリー層の上に配置されており、MgOで形成されているトンネルバリア層と、
前記トンネルバリア層の上に配置されており、磁化方向が固定された強磁性材料で形成されているレファレンス層と
を有する磁気抵抗効果素子が提供される。
下地層をNiFeNで形成すると、下地層をNiFeやRuで形成した場合に比べて、その上のIrとMnを含むピニング層の表面の平坦度が向上する。これにより、レファレンス層からの影響によるフリー層内の層間結合磁場が小さくなる。
図1に、第1の実施例による磁気抵抗効果素子の断面図を示す。支持基板1の上に、下地層2、ピニング層3、ピンド層4a、非磁性中間層4b、レファレンス層4c、トンネルバリア層(非磁性層)7、フリー層8、及びキャップ層9がこの順番に積層されている。支持基板1は、例えばAl−TiC基板の上にNiFe層とTa層とがこの順番に積層された構造を有する。
下地層2は、NiFeNで形成されており、その厚さは例えば3nmである。NiFeN膜は、NiFeターゲットを用い、スパッタガスとしてArとNとを用いた反応性スパッタリングにより形成することができる。なお、NiとFeに第三元素を添加したターゲットを用いてもよい。使用可能な第三元素として、例えばCo、Cr、Cu等が挙げられる。また、コスパッタリングにより成膜してもよい。ピニング層3はIrMnで形成されており、その厚さは、例えば7nmである。
ピンド層4aはCoFe等の強磁性材料で形成されており、その厚さは、例えば1.7nmである。非磁性中間層4bはRu等の非磁性金属で形成されており、その厚さは、例えば0.68nmである。レファレンス層4cはCoFeBで形成されており、その厚さは、例えば2.5nmである。ピンド層4aがピニング層3と交換結合することにより、ピンド層4aの磁化方向が固定される。ピンド層4aとレファレンス層4cとは、非磁性中間層4bを介して、ピンド層4aの磁化方向とレファレンス層4cの磁化方向とが反平行になるように、交換結合している。すなわち、レファレンス層4cは、ピンド層4aを介してピニング層3と間接的に交換結合する。ピンド層4aからレファレンス層4cまでの3層構造は、シンセティックフェリピン層4を構成する。
なお、シンセティックフェリピン層4に代えて、単層の強磁性レファレンス層を用いてもよい。この場合には、レファレンス層が、直接、ピニング層3と交換結合する。
トンネルバリア層7はMgO等の絶縁材料で形成されており、その厚さは、厚さ方向にトンネル電流が流れる程度、例えば1.0〜1.5nmとされている。フリー層8はCoFeB等の強磁性材料で形成されており、その厚さは、例えば3nmである。キャップ層9は非磁性金属で形成される。例えば、厚さ5nmのTi層と、厚さ10nmのTa層との2項構造を有する。ピニング層3からキャップ層9までの各層は、例えばスパッタリングにより形成される。
図2A及び図2Bを参照して、ピニング層3の表面の平坦度の改善効果について説明する。シリコン基板の表面をエッチングして平坦化し、その上に厚さ3nmのTa層、NiFeNからなる厚さ4nmの下地層、厚さ7nmのIrMn層、及び厚さ1nmのRu層を順番にスパッタリングにより形成した試料を作製した。下地層の成膜には、スパッタガスとしてArとNとの混合ガスを用い、Nの分圧比を変えて複数の試料を作製した。比較のために、下地層にRuを用いた試料、及びNiFeを用いた試料を作製した。NiFeからなる下地層は、スパッタガス中の窒素ガスの分圧比を0にすることにより形成される。
図2A及び図2Bは、それぞれ各試料の最上のRu層の表面の高低差、及び高さの標準偏差を示す。高低差は、原子間力顕微鏡を用いて測定した。図2A及び図2Bの横軸は、下地層成膜時の窒素ガス分圧比を単位「%」で表し、図2Aの縦軸は、高低差を単位「nm」で表し、図2Bの縦軸は、高さの標準偏差を単位「nm」で表す。なお、下地層にRuを用いた試料の高低差及び高さの標準偏差を破線で示している。
下地層にNiFeNを用いると、RuやNiFeを用いる場合に比べて、表面の平坦度が向上することがわかる。下地層の成膜時の窒素ガス分圧比を30〜75%のときに平坦度が向上することが実証されたが、窒素ガスの分圧比を0%よりも高くし、かつ30%未満にしても、NiFeを用いた試料の平坦度より高い平坦度が得られる。
次に、図3A及び図3Bを参照して、MR比の改善効果について説明する。図1に示した支持基板1として、シリコン基板の表面をエッチングして平坦化し、その上に厚さ5nmのTa層、厚さ20nmのCuN層、厚さ3nmのTa層、厚さ20nmのCuN層、厚さ3nmのTa層を形成したものを準備した。その上に、NiFeNからなる厚さ3nmの下地層2、IrMnからなる厚さ7nmのピニング層3、CoFeからなる厚さ1.7nmのピンド層4a、Ruからなる厚さ0.68nmの非磁性中間層4b、CoFeBからなる厚さ2.5nmのレファレンス層4c、MgOからなる厚さ1.0〜1.5nmのトンネルバリア層7、及びCoFeBからなる厚さ3nmのフリー層8を形成した。キャップ層9を、厚さ5nmのTa層、厚さ10nmのCu層、及び厚さ10nmのRu層からなる3層構造とした。トンネルバリア層4bの膜厚を変えることによって、複数の面積抵抗RAを持つ試料を作製した。比較のために、下地層2にRuを用いた試料、及びNiFeを用いた試料を作製した。
図3Aは、MR比と面積抵抗RAとの関係を示す。横軸は面積抵抗RAを単位「Ω・μm」で表し、縦軸はMR比を単位「%」で表す。図中の正方形、菱形、及び円記号が、それぞれ下地層2にNiFeN、NiFe、及びRuを用いた試料に対応する。下地層2にNiFeNを用いると、NiFeやRuを用いた場合に比べて、大きなMR比が得られることがわかる。
図3Bは、下地層2を成膜する時のスパッタガス中の窒素ガスの分圧比と、MR比との関係を示す。横軸は窒素ガスの分圧比を単位「%」で表し、縦軸はMR比を単位「%」で表す。面積抵抗RAが10Ω・μmになるようにトンネルバリア層7の厚さを調節した複数の試料を作製した。比較のために、下地層2にRuを用いた試料のMR比を破線で示している。窒素ガスの分圧比が0%の試料は、下地層2にNiFeを用いたものである。
下地層2にNiFeNを用いた試料は、NiFeを用いた試料やRuを用いた試料に比べて、高いMR比を示している。窒素ガスの分圧比が25%〜60%の範囲内で、高いMR比を示すことが実証された。
下地層2にNiFeNを用いることによるMR比の向上は、下地層上の各層の表面の平坦度の向上に起因していると考えられる。
次に、図4A及び図4Bを参照して、下地層2の厚さの好適な範囲について説明する。下地層2にNiFeNを用い、下地層2の厚さが2nm、3nm、4nm、及び5nmの試料を作製した。積層構造は、図3に示した評価に用いた試料と同一である。下地層2の厚さを1nmとした場合には、IrMnからなるピニング層3とCoFeからなるピンド層4aとの間に交換結合が発現せず、ピンド層4aの磁化方向を固定することができなかった。なお、トンネルバリア層7の厚さを1.0〜1.5nmの範囲内で変化させて種々の面積抵抗RAをもつ試料を作製した。比較のために、下地層2にRuを用いた試料を作製した。
図4Aに、面積抵抗RAとMR比との関係を示す。横軸は面積抵抗RAを単位「Ω・μm」で表し、縦軸はMR比を単位「%」で表す。図中の各折れ線に付した数値は、下地層2の厚さである。比較のために、下地層2にRuを用いた試料のMR比を破線で示す。下地層2の膜厚を2〜3nmとした場合、面積抵抗RAが5〜15Ω・μmの試料のMR比が、Ruの下地層を用いた試料のMR比よりも高くなった。また、下地層2の膜厚を4〜5nmとした場合には、面積抵抗RAが7.5〜15Ω・μmの試料のMR比が、Ruの下地層を用いた試料のMR比よりも高くなった。
図4Bに、面積抵抗RAを10Ω・μmに設定したときのMR比と、下地層2の厚さとの関係を示す。横軸は下地層2の厚さを単位「nm」で表し、縦軸はMR比を単位「%」で表す。比較のために、下地層2に厚さ2nmのRu層を用いた試料のMR比を破線で示す。特に、下地層2の厚さを2〜3nmとした試料のMR比が相対的に高いことがわかる。
図5に、図1に示した積層構造を持つ試料に印加する外部磁場を変化させたときの、外部磁場に対するMR比(電気抵抗をR、最小電気抵抗をRminとしたとき、(R−Rmin)/Rmin)を正規化して示す。なお、試料の面積抵抗RAは2Ω・μmである。比較のために、下地層2にRuを用いた試料のヒステリシスループを破線で示す。横軸は外部磁場を単位「Oe」で表し、縦軸は、最大値を1とした正規化MR比を表す。磁場0の位置から、ヒステリシスループが正規化MR比0.5の線と交差する2点の中点までの磁場のシフト量が、レファレンス層4cがフリー層8に与える層間結合磁場Hinに相当する。
下地層2にNiFeNを用いた試料の層間結合磁場Hin1が、下地層2にRuを用いた試料の層間結合磁場Hin2よりも小さいことがわかる。下地層2にNiFeNを用いることによって層間結合磁場が小さくなるのは、レファレンス層4cの表面の平坦度が向上したためと考えられる。
次に、図6A及び図6Bを参照して、第2の実施例について説明する。上記第1の実施例では、トンネルバリア層7の下地となるレファレンス層4cをCoFeBで形成した。レファレンス層4cにボロン(B)を含有させたのは、レファレンス層4cをアモルファス相にして、その上のMgOからなるトンネルバリア層7の結晶性を高めるためである。第2の実施例では、シンセティックフェリピン層4に代えて、単層のレファレンス層4cが用いられ、このレファレンス層4cがCoFeで形成される。
図6Aに、第2の実施例による磁気抵抗効果膜の断面図を示す。支持基板1の上に、下地層2、ピニング層3、レファレンス層4c、トンネルバリア層7、フリー層8、及びキャップ層9がこの順番に積層されている。支持基板1は、表面をエッチングして平坦化されたシリコン基板の上に厚さ3nmのTa層が形成された構造を有する。レファレンス層4cは、CoFeで形成されており、その厚さは2.0nmである。キャップ層9は、厚さ5nmのTa層、厚さ10nmのCu層、及び厚さ10nmのRu層がこの順番に積層された3層で構成される。下地層2、ピニング層3、トンネルバリア層7、及びフリー層8は、図1に示した磁気抵抗効果膜の対応する層と同一の構造である。
比較のために、レファレンス層4cを、厚さ1.7nmのCoFe層と、厚さ2.0nmのCoFeB層とがこの順番に積層された2層構造とした試料も作製した。CoFeは結晶質であり、CoFeB層はアモルファスである。
図6Bに、面積抵抗RAとMR比との関係を示す。横軸は面積抵抗RAを単位「Ω・μm」で表し、縦軸はMR比を単位「%」で表す。面積抵抗RAが約10Ω・μm以上の場合、すなわちトンネルバリア層7が相対的に厚い場合には、トンネルバリア層7の下地にアモルファスのCoFeB層を用いた試料の方が高いMR比を示す。これに対し、面積抵抗RAが約10Ω・μm以下の場合、すなわちトンネルバリア層7が相対的に薄い場合には、トンネルバリア層7の下地に結晶質のCoFe層を用いた試料の方が高いMR比を示す。以下、この実験結果について考察する。
(200)配向した下地層2の良好な結晶性が、ピニング層3及びその上のCoFe層まで引き継がれる。ところが、MgOからなるトンネルバリア層7の下地にCoFeB層を挿入する場合には、CoFeB層がアモルファスになるため、下地層2の結晶性がMgOからなるトンネルバリア層7まで引き継がれない。このため、トンネルバリア層7の成長初期段階に形成された下層部分の結晶性が悪くなる。ところが、膜厚が厚くなるに従って、結晶性が高まり、良好な(200)配向が得られると考えられる。
これに対し、レファレンス層4cがCoFeで形成されている場合には、(200)配向した下地層2の良好な結晶性が引き継がれて、ピニング層3も良好な(200)配向を示す。この配向性が、レファレンス層4cを経由して、トンネルバリア層7まで引き継がれる。このため、成長初期段階から、(200)配向した結晶性の高いMgO膜が得られる。ところが、膜厚が厚くなるに従って、CoFeとMgOとの格子不整合による歪が発生し、結晶性が低下してしまうと考えられる。
この評価結果からわかるように、面積抵抗RAが10Ω・μm以下になるようにトンネルバリア層を薄くする場合には、下地層2とトンネルバリア層7との間にアモルファス層を介在させることなく、下地層2の結晶性をトンネルバリア層7まで引き継ぐことが好ましい。
図6Aでは、ピニング層3とトンネルバリア層7との間に単層のレファレンス層4cを配置したが、単層のレファレンス層4cに代えて、図1に示したようにシンセティックフェリピン層を採用してもよい。この場合、ピンド層4a及びレファレンス層4cをCoFeで形成すれば、下地層2の結晶性をトンネル絶縁層7まで引き継ぐことができる。
図6Aでは、ピニング層3及びレファレンス層4cを、フリー層8よりも基板側に配置した、いわゆるボトム型TMR素子を示しが、上下関係を逆転させたトップ型TMR素子においても、同様の効果が期待できる。
図7に、トップ型TMR素子の断面図を示す。支持基板1の上に下地層2が形成され、その上に、フリー層8、トンネルバリア層7、レファレンス層4c、ピニング層3、及びキャップ層9がこの順番に積層されている。フリー層8は、結晶性のCoFeで形成されている。これにより、NiFeNからなる下地層2の結晶性が、フリー層8を経由して、MgOからなるトンネルバリア層7まで引き継がれる。このため、トンネルバリア層7を薄くしても、高い結晶性を持ち、(200)配向したMgO膜が得られる。
上記第1及び第2の実施例によるTMR素子のトンネルバリア層を、Cu等の非磁性金属層に置き換えて、CIP(Current in Plane)型スピンバルブ膜やCPP(Current Perpendicular to the Plane)型スピンバルブ膜を作製することもできる。この場合にも、ピニング層3の表面の平坦度を高めるという効果が得られる。
また、上記第1及び第2の実施例では、ピニング層3にIrMnを用いたが、IrとMnとを主成分とする他の反強磁性材料を用いても同様の効果が得られるであろう。
図8Aに、第3の実施例による磁気ヘッドの浮上面(媒体に対向する面)の正面図を示す。浮上面をxy面とし、トレーリング方向をx軸、トラック幅方向をy軸、浮上面に垂直な方向をz軸とするxyz直交座標系を定義する。図8Bに、磁気ヘッドのzx面に平行な断面図を示す。
基板30の上に、再生素子部20及び記録素子部40がこの順番に積層されている。再生素子部20は、下部磁気シールド層22、磁気抵抗効果膜21、上部磁気シールド層23を含む。記録素子部40は、主磁極41、主磁極補助層42、補助磁極43、接続部45を含む。主磁極41、主磁極補助層42、補助磁極43、及び接続部45が、磁気記録時に発生する磁束の磁路の一部を構成する。この磁路と鎖交するように、記録用コイル44が配置されている。記録素子部40は、公知の方法で作製することができる。
次に、図9A〜図9Cを参照して、再生素子部20の作製方法について説明する。
図9Aに示すように、Al−TiC等の非磁性基板の上にAl膜を形成して支持基板30を準備する。支持基板30の上に、下部磁気シールド層22をスパッタリングにより形成する。下部磁気シールド層22はNiFe等の高透磁率材料で形成され、その厚さは例えば2〜3μmである。下部磁気シールド層22の上に、Taからなる補助下地層24をスパッタリングにより形成する。
補助下地層24の上に、下地層2からフリー層8までの各層を形成する。この積層構造は、例えば第1または第2の実施例による磁気抵抗効果膜の構造と同一である。補助下地層24と下地層22との合計の厚さは例えば5nmである。なお、シンセティックフェリピン層4を、厚さ1.5nmのCoFeピンド層4a、Ru80Rh20からなる厚さ0.5nmの非磁性中間層4b、及びCoFeBからなる厚さ2.5nmのレファレンス層4cの3層で構成してもよい。この場合、非磁性中間層4bのRh含有量を5〜40原子%とすることが好ましく、20〜30原子%とすることがより好ましい。また、非磁性中間層4bの厚さは、0.3〜0.7nmとすることが好ましく、0.4〜0.7nmとすることがより好ましい。なお、非磁性中間層4bをRuで形成してもよい。
フリー層8の上に、キャップ層9を形成する。キャップ層9として、例えば厚さ3nm以上のTa層を用いる。なお、Ta層に代えてRu層やTi層を用いてもよいし、Ta層とRu層との積層構造としてもよい。
図9Bに示すように、キャップ層9の一部の領域を、通常のフォトリソグラフィによりレジストパターン49で覆う。このレジストパターン49をマスクとして、キャップ層9から補助下地層24までの各層を、イオンミリングによりパターニングする。レジストパターン49で覆われていなかった領域に、下部磁気シールド層22が露出する。
図9Cに示した構造に至るまでの工程について説明する。図9Bに示したレジストパターン49を残した状態で、全面に、例えばAlからなる厚さ3〜10nmの絶縁膜25を、スパッタリングにより堆積させる。絶縁膜25の上に、例えばCoCrPt等からなる磁区制御膜26を、スパッタリングにより堆積させる。磁区制御膜26を堆積させた後、レジストパターン49(図9B)を、その上に堆積している絶縁膜25及び磁区制御膜26と共に除去する。補助下地層24からキャップ層9までの積層構造体の両側(y軸方向の正側と負側)に、磁区制御膜26が残る。
磁区制御膜26の表面を、化学機械研磨(CMP)により平坦化する。その後、キャップ層9及び磁区制御膜26の上に、例えばNiFe等からなる厚さ2〜3μmの上部磁気シールド層23を、スパッタリングにより堆積させる。ここまでの工程で、図8A及び図8Bに示した再生素子部20が完成する。
フリー層8の磁化方向がy軸方向にバイアスされるように、磁区制御膜26が、磁場中で熱処理されている。また、ピンド層4a及びレファレンス層4cの磁化方向は、ピニング層3との交換結合により、z軸方向に固定される。
磁気記録媒体に記録された情報に基づく磁場に応じて、フリー層8の磁化方向が変化する。その結果、補助下地層24からキャップ層9までの積層構造を持つTMR素子の電気抵抗が変化する。この抵抗の変化を電気的に検出することにより、磁気記録媒体に記録された情報を読み取ることができる。
図10に、上記第3の実施例による磁気ヘッドを用いた磁気ディスク装置の概略図を示す。ロータリアクチュエータ54で支持されたサスペンションアーム53の先端に、ジンバルと呼ばれる支持具でスライダ52が取り付けられている。スライダ52の端部に磁気ヘッド51が取り付けられている。磁気ヘッド51には、上記第3の実施例による磁気ヘッドが用いられる。
磁気ヘッド51は、磁気ディスク50の表面から微小な高さだけ浮上している。磁気ディスク50の表面に、同心円状の多数のトラック55が画定されている。ロータリアクチュエータ54を駆動してサスペンションアーム53を旋回させることにより、磁気ヘッド51を、磁気ディスク50上の半径方向に関して異なる位置に移動させることができる。
磁気ヘッドに、上記第1または第2の実施例によるTMR素子、またはスピンバルブ膜を用いることにより、ピニング層の表面の平坦度の低下に起因する素子特性の劣化を防止することができる。
図11A及び図11Bを参照して、第4の実施例にについて説明する。第3の実施例では、TMR素子を磁気ヘッドに適用したが、第4の実施例では、MRAMに適用する。
図11Aに、第4の実施例によるMRAMの断面図を示す。シリコン基板80の上に、読出用ワード線82、MOSトランジスタ83、書込用ワード線88、ビット線89、及びTMR素子90が配置されている。読出用ワード線82と書込用ワード線88とは、1対1に対応し、第1の方向(図11Aにおいて紙面に垂直な方向)に延在する。ビット線89は、第1の方向と交差する第2の方向(図11Aにおいて横方向)に延在する。
MOSトランジスタ83は、読出用ワード線82とビット線89との交差箇所に配置されている。読出用ワード線82が、MOSトランジスタ83のゲート電極を兼ねる。すなわち、読出用ワード線82に与えられる電圧によって、MOSトランジスタ83の導通状態が制御される。
TMR素子90は、書込用ワード線88とビット線89との交差箇所に配置されている。TMR素子90は、図1に示した第1の実施例または図6Aに示した第2の実施例によるTMR素子と同じ積層構造を有する。書込用ワード線88及びビット線89を流れる電流による磁場の影響を受けて、TMR素子90のフリー層の磁化方向が変化する。TMR素子90の下地層(図1の下地層2)が、配線87、多層配線層を貫通する複数のプラグ84及び孤立配線85を介して、MOSトランジスタ83の一方の不純物拡散領域81に接続されている。TMR素子90のキャップ層(図1のキャップ層9)が、ビット線89に接続されている。すなわち、配線87及びビット線89が、TMR素子90に、その厚さ方向のセンス電流を流す電極となる。
MOSトランジスタ83のもう一方の不純物拡散領域81が、プラグ84を介して接地配線86に接続されている。
図11Bに、第4の実施例によるMRAMの等価回路図を示す。複数の読出用ワード線82が第1の方向(図11Bにおいて縦方向)に延在する。読出用ワード線82に対応して、第1の方向に延在する書込用ワード線88が配置されている。複数のビット線89が、第1の方向と交差する第2の方向(図11Bにおいて横方向)に延在する。
ビット線89と書込用ワード線88との交差箇所に、TMR素子90が配置されている。読出用ワード線82とビット線89との交差箇所にMOSトランジスタ83が配置されている。TMR素子90の一方の端子が、対応するビット線89に接続されており、他方の端子が対応するMOSトランジスタ83の一方の端子に接続されている。MOSトランジスタ83の他方の端子は接地されている。MOSトランジスタ83のゲート電極は、対応する読出用ワード線82に接続されている。
TMR素子90を、上記第1または第2の実施例によるTMR素子と同じ積層構造にすることにより、そのピニング層の表面の平坦度の低下に起因する素子特性の劣化を防止することができる。
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
上述の実施例から、以下の付記に示された発明が導出される。
(付記1)
基板の主表面上に配置されており、NiFeNで形成されている下地層と、
前記下地層の上に配置されており、IrとMnとを含む反強磁性材料で形成されているピニング層と、
前記ピニング層の上に配置されており、該ピニング層と、直接または他の強磁性材料層を介して交換結合することにより磁化方向が固定される強磁性材料からなるレファレンス層と、
前記レファレンス層の上に配置された非磁性材料からなる非磁性層と、
前記非磁性層の上に配置され、外部磁場の影響によって磁化方向が変化する強磁性材料からなるフリー層と
を有する磁気抵抗効果素子。
(付記2)
前記ピニング層は、その(200)結晶面が前記基板の主表面と平行になるように結晶配向している付記1に記載の磁気抵抗効果素子。
(付記3)
前記下地層の厚さが2nm以上である付記1または2に記載の磁気抵抗効果素子。
(付記4)
前記下地層の厚さが4nm以下である付記1乃至3のいずれか1項に記載の磁気抵抗効果素子。
(付記5)
前記非磁性層が、絶縁材料で形成され、その厚さ方向にトンネル電流が流れる厚さを有する付記1乃至4のいずれか1項に記載の磁気抵抗効果素子。
(付記6)
前記非磁性層がMgOで形成されている付記5に記載の磁気抵抗効果素子。
(付記7)
前記下地層の結晶配向性が、前記ピニング層及び前記レファレンス層を介して、前記非磁性層まで引き継がれている付記6に記載の磁気抵抗効果素子。
(付記8)
さらに、
前記ピニング層とレファレンス層との間に配置された強磁性材料からなるピンド層と、
前記ピンド層と前記レファレンス層との間に配置された非磁性材料からなる中間層とを含み、
前記ピンド層は、前記ピニング層と交換結合することにより、その磁化方向が固定され、
前記ピンド層と前記レファレンス層とは、前記中間層を介して、両者の磁化方向が相互に反平行になるように交換相互作用を及ぼし合う付記1乃至7のいずれか1項に記載の磁気抵抗効果素子。
(付記9)
基板の主表面上に配置されており、NiFeNで形成されている下地層と、
前記下地層の上に配置されており、IrとMnとを含む反強磁性材料で形成されているピニング層と、
前記ピニング層の上に配置されており、該ピニング層と交換結合することにより磁化方向が固定される強磁性材料からなるピンド層と
を有する磁性積層構造体。
(付記10)
前記下地層を形成するNiFeNは、その(200)面が前記基板の主表面と平行になるように配向している付記9に記載の磁性積層構造体。
(付記11)
NiFeターゲットを用い、スパッタガスとして窒素を含むガスを用いた反応性スパッタリングにより、NiFeNからなる下地層を、基板上に形成する工程と、
前記下地層の上に、IrとMnとを含む反強磁性材料からなるピニング層を形成する工程と
を有する磁性積層構造体の製造方法。
(付記12)
前記スパッタガスが、ArとNとを含む付記11に記載の磁性積層構造体の製造方法。
(付記13)
前記スパッタガス中のNガスの分圧比が30%以上である付記12に記載の磁性積層構造体の製造方法。
(付記14)
基板の主表面上に配置されており、NiFeNで形成されている下地層と、
前記下地層の上に配置されており、外部磁場の影響によって磁化方向が変化する強磁性材料で形成されているフリー層と、
前記フリー層の上に配置されており、MgOで形成されているトンネルバリア層と、
前記トンネルバリア層の上に配置されており、磁化方向が固定された強磁性材料で形成されているレファレンス層と
を有する磁気抵抗効果素子。
(付記15)
前記フリー層がCoFeで形成されており、Bを含有しない付記14に記載の磁気抵抗効果素子。
(付記16)
前記下地層の結晶性が、前記フリー層を経由して前記トンネルバリア層まで引き継がれている付記14または15に記載の磁気抵抗効果素子。
第1の実施例による磁気抵抗効果素子の断面図である。 (2A)は、IrMn層の表面の高低差と、その下地層成膜時の窒素ガス分圧比との関係を示すグラフであり、(2B)は、IrMn層の表面の高さの標準偏差と、その下地層成膜時の窒素ガス分圧比との関係を示すグラフである。 (3A)は、IrMnからなるピニング層の下地にNiFeN、NiFe、及びRuを用いたTMR素子のMR比と面積抵抗RAとの関係を示すグラフであり、(3B)は、MR比と、下地層成膜時の窒素ガス分圧比との関係を示すグラフである。 (4A)は、IrMnからなるピニング層の下地にNiFeN膜を用いたときのNiFeN膜の厚さを異ならせた複数の試料のMR比と面積抵抗RAとの関係を示すグラフであり、(4B)は、面積抵抗RAが10Ω・μmの試料のMR比と、下地層の厚さとの関係を示すグラフである。 IrMnからなるピニング層の下地にNiFeN層を用いた試料と、Ruを用いた試料とに印加する外部磁場を変化させたときの正規化MR比のヒステリシスループを示すグラフである。 (6A)は、ピンド構造にCoFeを用いた第2の実施例によるTMR素子の断面図であり、(6B)は、第2の実施例によるTMR素子と、ピンド構造にCoFeを用いたTMR素子との、MR比と面積抵抗RAとの関係を示すグラフである。 トップ型TMR素子の断面図である。 (8A)は、第3の実施例による磁気ヘッドの浮上面の正面図であり、(8B)は、その断面図である。 (9A)及び(9B)は、第3の実施例による磁気ヘッドの再生素子部の製造方法を説明するための製造途中における素子の断面図である。 (9C)は、第3の実施例による磁気ヘッドの再生素子部の断面図である。 第3の実施例による磁気ヘッドを用いたハードディスクドライブの概略図である。 (11A)は、第4の実施例によるMRAMの断面図であり、(11B)は、MRAMの等価回路図である。 磁気ヘッド及び磁気記録媒体の斜視図である。
符号の説明
1 支持基板
2 下地層
3 ピニング層
4 ピンド構造
4a ピンド層
4b 非磁性中間層
4c レファレンス層
7 トンネルバリア層
8 フリー層
9 キャップ層
20 再生素子部
21 TMR素子
22 下部磁気シールド層
23 上部磁気シールド層
24 補助下地層
30 基板
40 記録素子部
41 主磁極
42 主磁極補助層
43 補助磁極
44 記録用コイル
45 接続部
49 レジストパターン
50 磁気ディスク
51 磁気ヘッド
52 スライダ
53 サスペンションアーム
54 ロータリアクチュエータ
55 トラック
80 基板
81 不純物拡散領域
82 読出用ワード線
83 MOSトランジスタ
84 プラグ
85 孤立配線
86 接地配線
87 配線
88 書込用ワード線
89 ビット線
90 TMR素子

Claims (8)

  1. 基板の主表面上に配置されており、NiFeNで形成されている下地層と、
    前記下地層の上に配置されており、IrとMnとを含む反強磁性材料で形成されているピニング層と、
    前記ピニング層の上に配置されており、該ピニング層と、直接または他の強磁性材料層を介して交換結合することにより磁化方向が固定される強磁性材料からなるレファレンス層と、
    前記レファレンス層の上に配置された非磁性材料からなる非磁性層と、
    前記非磁性層の上に配置され、外部磁場の影響によって磁化方向が変化する強磁性材料からなるフリー層と
    を有する磁気抵抗効果素子。
  2. 前記ピニング層は、その(200)結晶面が前記基板の主表面と平行になるように結晶配向している請求項1に記載の磁気抵抗効果素子。
  3. 前記下地層の厚さが2nm以上である請求項1または2に記載の磁気抵抗効果素子。
  4. 前記非磁性層が、絶縁材料で形成され、その厚さ方向にトンネル電流が流れる厚さを有する請求項1乃至3のいずれか1項に記載の磁気抵抗効果素子。
  5. 前記非磁性層がMgOで形成されている請求項4に記載の磁気抵抗効果素子。
  6. 基板の主表面上に配置されており、NiFeNで形成されている下地層と、
    前記下地層の上に配置されており、IrとMnとを含む反強磁性材料で形成されているピニング層と、
    前記ピニング層の上に配置されており、該ピニング層と交換結合することにより磁化方向が固定される強磁性材料からなるピンド層と
    を有する磁性積層構造体。
  7. NiFeターゲットを用い、スパッタガスとして窒素を含むガスを用いた反応性スパッタリングにより、NiFeNからなる下地層を、基板上に形成する工程と、
    前記下地層の上に、IrとMnとを含む反強磁性材料からなるピニング層を形成する工程と
    を有する磁性積層構造体の製造方法。
  8. 基板の主表面上に配置されており、NiFeNで形成されている下地層と、
    前記下地層の上に配置されており、外部磁場の影響によって磁化方向が変化する強磁性材料で形成されているフリー層と、
    前記フリー層の上に配置されており、MgOで形成されているトンネルバリア層と、
    前記トンネルバリア層の上に配置されており、磁化方向が固定された強磁性材料で形成されているレファレンス層と
    を有する磁気抵抗効果素子。
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