JP2009182129A - 磁気抵抗効果素子およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】磁化方向が実質的に一方向に固着された磁化固着層と、磁化方向が外部磁界に対応して変化する磁化自由層と、前記磁化固着層と前記磁化自由層との間に設けられた中間層と、前記磁化固着層または磁化自由層の上に設けられたキャップ層と、前記磁化固着層中、前記磁化自由層中、前記磁化固着層と前記中間層との界面、前記中間層と前記磁化自由層との界面、および前記磁化固着層または磁化自由層と前記キャップ層との界面のいずれかに設けられ、酸素または窒素を含有する材料で形成された機能層とを含む磁気抵抗効果膜と、前記磁気抵抗効果膜の膜面に垂直に電流を流すための一対の電極とを有し、前記機能層の結晶配向面が、その上または下の隣接する層の結晶配向面と異なることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【選択図】 図2
Description
(ここで、xは1〜2の定数、T≧1)。
(ここで、xは1〜2の定数、T≧1)。
基板(図示せず)上に、微細加工プロセスによって予め下電極11を形成しておく。下電極11上に、下地層12としてたとえばTa[5nm]/Ru[2nm]を成膜する。Taは下電極の荒れを緩和するためのバッファ層である。Ruはその上に成膜されるスピンバルブ膜の結晶配向および結晶粒径を制御するシード層である。
下地層12上にピニング層13を成膜する。ピニング層13の材料としては、PtMn、PdPtMn、IrMn、RuRhMnなどの反強磁性材料を用いることができる。
ピニング層13上にピン層14を形成する。ピン層14には、たとえば下部ピン層141(Co90Fe10)、磁気結合層142(Ru)、および上部ピン層143(Co90Fe10)からなるシンセティックピン層を用いることができる。
次に、スペーサ層を形成する。スペーサ層は、図2(a)のようなCCP構造を有するものでもよいし、図2(b)のような金属層でもよい。
次に、図5を参照して説明した方法に従って、SF層21を含むフリー層18を形成する。
フリー層18の上に、キャップ層19としてたとえばCu[1nm]/Ru[10nm]を積層する。キャップ層19の上にスピンバルブ膜へ垂直通電するための上電極20を形成する。
本実施例においては、図2(b)に示す磁気抵抗効果素子を作製した。実施例1の磁気抵抗効果素子の構成を示す。
下地層12:Ta[1nm]/Ru[2nm]
ピニング層13:Ir22Mn78[7nm]
ピン層14:Co90Fe10[4nm]/Ru[0.85nm]/Co90Fe10[4nm]
スペーサ層(オールメタル)16:Cu[3nm]
下部フリー層181:Co90Fe10[2nm]
SF層21:図5の方法で作製した(Fe80Co20[0.4nm]の窒化層)×5層
上部フリー層182:Co90Fe10[2nm]
キャップ層19
上電極20。
比較例1として、フリー層18が膜厚4nmのCo90Fe10からなりSF層を含まない磁気抵抗効果素子を作製した。比較例1の磁気抵抗効果素子の構成を示す。
下地層12:Ta[1nm]/Ru[2nm]
ピニング層13:Ir22Mn78[7nm]
ピン層14:Co90Fe10[4nm]/Ru[0.85nm]/Co90Fe10[4nm]
スペーサ層(オールメタル)16:Cu[3nm]
フリー層18:Co90Fe10[4nm]
キャップ層19
上電極20。
比較例2として、実施例1と同一の層構成を有するが、フリー層中のSF層を金属層の成膜および窒化処理のモジュールを1回だけ行って形成した磁気抵抗効果素子を作製した。
下地層12:Ta[1nm]/Ru[2nm]
ピニング層13:Ir22Mn78[7nm]
ピン層14:Co90Fe10[4nm]/Ru[0.85nm]/Co90Fe10[4nm]
スペーサ層(オールメタル)16:Cu[3nm]
下部フリー層181:Co90Fe10[2nm]
SF層21:Fe80Co20[1nm]を成膜し、実施例1と同一条件で1回だけ窒化した窒化層
上部フリー層182:Co90Fe10[2nm]
上電極20。
以下の材料を用い、図3(b)に示した磁気抵抗効果素子を作製した。
下地層12:Ta[1nm]/Ru[2nm]
ピニング層13:Ir22Mn78[7nm]
下部ピン層141:Co90Fe10[4nm]
反強磁性結合層142:Ru[0.85nm]
第1の上部ピン層144:Co90Fe10[2nm]
SF層21:図5の方法で作製した(Fe80Co20[0.4nm]の窒化層)×5層
第2の上部ピン層145:Co90Fe10[2nm]
スペーサ層(オールメタル)16:Cu[3nm]
フリー層18:Co90Fe10[4nm]
キャップ層19:Cu[1nm]/Ru[10nm]
上電極20。
以下の材料を用い、図3(a)に示した磁気抵抗効果素子を作製した。
下地層12:Ta[1nm]/Ru[2nm]
ピニング層13:Ir22Mn78[7nm]
下部ピン層141:Co90Fe10[4nm]
反強磁性結合層142:Ru[0.85nm]
第1の上部ピン層144:Co90Fe10[2nm]
SF層21:図5の方法で作製した(Fe80Co20[0.4nm]の窒化層)×5層
第2の上部ピン層145:Co90Fe10[2nm]
スペーサ層(CCP−NOL)16:Al2O3絶縁層161およびCu電流パス162
フリー層18:Co90Fe10[4nm]
キャップ層19:Cu[1nm]/Ru[10nm]
上電極20。
以下の材料を用い、図2(a)に示した磁気抵抗効果素子を作製した。
下地層12:Ta[1nm]/Ru[2nm]
ピニング層13:Ir22Mn78[7nm]
ピン層14:Co90Fe10[4nm]/Ru[0.85nm]/Co90Fe10[4nm]
スペーサ層(CCP−NOL)16:Al2O3絶縁層161およびCu電流パス162
下部フリー層181:Co90Fe10[2nm]
SF層21:図5の方法で作製した(Fe80Co20[0.4nm]の窒化層)×5層
上部フリー層182:Co90Fe10[2nm]
キャップ層19:Cu[1nm]/Ru[10nm]
上電極20。
以下の材料を用い、図4(b)に示した磁気抵抗効果素子を作製した。
下地層12:Ta[1nm]/Ru[2nm]
ピニング層13:Ir22Mn78[7nm]
下部ピン層141:Co90Fe10[4nm]
反強磁性結合層142:Ru[0.85nm]
第1の上部ピン層144:Co90Fe10[2nm]
SF層22:図5の方法で作製した(Fe80Co20[0.4nm]の窒化層)×5層
第2の上部ピン層145:Co90Fe10[2nm]
スペーサ層(オールメタル)16:Cu[3nm]
下部フリー層181:Co90Fe10[2nm]
SF層21:図5の方法で作製した(Fe80Co20[0.4nm]の窒化層)×5層
上部フリー層182:Co90Fe10[2nm]
キャップ層19:Cu[1nm]/Ru[10nm]
上電極20。
以下の材料を用い、図4(a)に示した磁気抵抗効果素子を作製した。
下地層12:Ta[1nm]/Ru[2nm]
ピニング層13:Ir22Mn78[7nm]
下部ピン層141:Co90Fe10[4nm]
反強磁性結合層142:Ru[0.85nm]
第1の上部ピン層144:Co90Fe10[2nm]
SF層22:図5の方法で作製した(Fe80Co20[0.4nm]の窒化層)×5層
第2の上部ピン層145:Co90Fe10[2nm]
スペーサ層(CCP−NOL)16:Al2O3絶縁層161およびCu電流パス162
下部フリー層181:Co90Fe10[2nm]
SF層21:図5の方法で作製した(Fe80Co20[0.4nm]の窒化層)×5層
上部フリー層182:Co90Fe10[2nm]
キャップ層19:Cu[1nm]/Ru[10nm]
上電極20。
以下、実施形態に係る磁気抵抗効果素子の応用について説明する。
図12は、実施形態に係る磁気抵抗効果素子を磁気ヘッドに組み込んだ状態を示している。図12は、磁気記録媒体(図示せず)に対向する媒体対向面に対してほぼ平行な方向に磁気抵抗効果素子を切断した断面図である。図13は、この磁気抵抗効果素子を媒体対向面ABSに対して垂直な方向に切断した断面図である。
図13に示した磁気ヘッドは、記録再生一体型の磁気ヘッドアセンブリに組み込んで、磁気記録装置に搭載することができる。図14は、このような磁気記録装置の概略構成を例示する要部斜視図である。本実施形態の磁気記録装置150は、ロータリーアクチュエータを用いた形式の装置である。同図において、磁気ディスク200は、スピンドル152に装着され、図示しない駆動装置制御部からの制御信号に応答する図示しないモータにより矢印Aの方向に回転する。本実施形態の磁気記録装置150は、複数の磁気ディスク200を備えてもよい。
実施形態に係る磁気抵抗効果素子を搭載した磁気メモリについて説明する。実施形態に係る磁気抵抗効果素子を用いて、たとえばメモリセルがマトリクス状に配置されたランダムアクセス磁気メモリ(MRAM:magnetic random access memory)などの磁気メモリを実現できる。
本発明は上記の実施形態に限られず拡張、変更可能であり、拡張、変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。磁気抵抗効果膜の具体的な構造や、その他、電極、バイアス印加膜、絶縁膜などの形状や材質に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる。たとえば、磁気抵抗効果素子を再生用磁気ヘッドに適用する際に、素子の上下に磁気シールドを付与することにより、磁気ヘッドの検出分解能を規定することができる。
Claims (18)
- 磁化方向が実質的に一方向に固着された磁化固着層と、磁化方向が外部磁界に対応して変化する磁化自由層と、前記磁化固着層と前記磁化自由層との間に設けられた中間層と、前記磁化固着層または磁化自由層の上に設けられたキャップ層と、前記磁化固着層中、前記磁化自由層中、前記磁化固着層と前記中間層との界面、前記中間層と前記磁化自由層との界面、および前記磁化固着層または磁化自由層と前記キャップ層との界面のいずれかに設けられ、酸素または窒素を含有する材料で形成された機能層とを含む磁気抵抗効果膜と、
前記磁気抵抗効果膜の膜面に垂直に電流を流すための一対の電極と
を有し、前記機能層の結晶配向面が、その上または下の隣接する層の結晶配向面と異なることを特徴とする磁気抵抗効果素子。 - 前記機能層の結晶配向面の逆格子スポットと、その上または下の隣接する層の結晶配向面の逆格子スポットとが、10度以上90度以下傾いていることを特徴とする請求項1に記載の磁気抵抗効果素子。
- 磁化方向が実質的に一方向に固着された磁化固着層と、磁化方向が外部磁界に対応して変化する磁化自由層と、前記磁化固着層と前記磁化自由層との間に設けられた中間層と、前記磁化固着層または磁化自由層の上に設けられたキャップ層と、前記磁化固着層中、前記磁化自由層中、前記磁化固着層と前記中間層との界面、前記中間層と前記磁化自由層との界面、および前記磁化固着層または磁化自由層と前記キャップ層との界面のいずれかに設けられた機能層とを含む磁気抵抗効果膜と、
前記磁気抵抗効果膜の膜面に垂直に電流を流すための一対の電極と
を有し、前記機能層の結晶配向面の逆格子スポットと、その上または下の隣接する層の結晶配向面の逆格子スポットとが、10度以上90度以下傾いていることを特徴とする磁気抵抗効果素子。 - 前記機能層の結晶配向の分散角が5度以下であることを特徴とする請求項1に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記磁化固着層または前記磁化自由層の結晶配向の分散角が5度以下であることを特徴とする請求項1に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記機能層はFe、Co、Ni、MnおよびCrからなる群より選択される材料を含有することを特徴とする請求項1に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記機能層はAl、Si、Mg、Zr、Hf、Nb、W、TiおよびPdからなる群より選択される材料を含有することを特徴とする請求項1に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記中間層はAu、AgおよびCuからなる群より選択される元素を含有する金属層であることを特徴とする請求項1に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記中間層は酸素または窒素を含有する絶縁層および前記絶縁層を貫通する電流パスを含むことを特徴とする請求項1に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記電流パスはAu、Ag、Cu、Fe、CoおよびNiからなる群より選択される元素を含有することを特徴とする請求項9に記載の磁気抵抗効果素子。
- 請求項1に記載の磁気抵抗効果素子を有する磁気ヘッドジンバルアセンブリ。
- 請求項11に記載の磁気ヘッドジンバルアセンブリを有する磁気記録装置。
- 磁化方向が実質的に一方向に固着された磁化固着層と、磁化方向が外部磁界に対応して変化する磁化自由層と、前記磁化固着層と前記磁化自由層との間に設けられた中間層と、前記磁化固着層または磁化自由層の上に設けられたキャップ層と、前記磁化固着層中、前記磁化自由層中、前記磁化固着層と前記中間層との界面、前記中間層と前記磁化自由層との界面、および前記磁化固着層または磁化自由層と前記キャップ層との界面のいずれかに設けられ、酸素または窒素を含有する機能層とを含む磁気抵抗効果膜と、前記磁気抵抗効果膜の膜面に垂直に電流を流すための一対の電極とを有する磁気抵抗効果素子の製造方法において、
前記機能層を形成するにあたり、金属層を成膜する工程と、前記金属層を酸素または窒素のいずれかのガスに暴露する工程とを1モジュールとし、このモジュールを2回以上繰り返すことを特徴とする磁気抵抗効果素子の製造方法。 - 磁化方向が実質的に一方向に固着された磁化固着層と、磁化方向が外部磁界に対応して変化する磁化自由層と、前記磁化固着層と前記磁化自由層との間に設けられた中間層と、前記磁化固着層または磁化自由層の上に設けられたキャップ層と、前記磁化固着層中、前記磁化自由層中、前記磁化固着層と前記中間層との界面、前記中間層と前記磁化自由層との界面、および前記磁化固着層または磁化自由層と前記キャップ層との界面のいずれかに設けられた機能層とを含み、前記機能層の結晶配向面の逆格子スポットと、その上または下の隣接する層の結晶配向面の逆格子スポットとが、10度以上90度以下傾いている磁気抵抗効果膜と、前記磁気抵抗効果膜の膜面に垂直に電流を流すための一対の電極とを有する磁気抵抗効果素子の製造方法において、
前記機能層を形成するにあたり、金属層を成膜する工程と、前記金属層を酸素または窒素のいずれかのガスに暴露する工程とを1モジュールとし、このモジュールを2回以上繰り返すことを特徴とする磁気抵抗効果素子の製造方法。 - 前記金属層はFe、Co、Ni、MnおよびCrからなる群より選択される材料を含有することを特徴とする請求項13に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
- 前記機能層は窒素を含有する層であり、前記機能層の膜厚をTナノメートル、前記モジュールの繰り返し回数をNとしたとき、
N≧(T/0.5)×x
(ここで、xは1〜2の定数、T≧1)
を満たすことを特徴とする請求項13に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。 - 1回に成膜する前記金属層の膜厚が1nm以下であることを特徴とする請求項13に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
- 前記機能層は酸素を含有する層であり、前記機能層の膜厚をTナノメートル、前記モジュールの繰り返し回数をNとしたとき、
N≧(T/1)×x
(ここで、xは1〜2の定数、T≧1)
を満たすことを特徴とする請求項13に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
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