JP2009260248A

JP2009260248A - 磁気抵抗効果素子および積層構造体

Info

Publication number: JP2009260248A
Application number: JP2008323983A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Ibusuki; 隆弘指宿; Masashige Sato; 雅重佐藤; Shinjiro Umehara; 慎二郎梅原
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2008-03-28
Filing date: 2008-12-19
Publication date: 2009-11-05
Also published as: US20090244790A1

Abstract

【課題】反強磁性層で（００２）結晶面の配向面を実現することができる積層構造体を提供する。
【解決手段】磁気抵抗効果素子は、窒化物で形成される下地層５２上に反強磁性層５３は積層される。反強磁性層５３は（１１１）結晶面に最密面を有する。反強磁性層５３では下地層の表面に平行に（００２）結晶面が結晶配向される。反強磁性層５３上には、反強磁性層５３との交換結合に基づき所定の方向に磁化を固定するリファレンス層５６が積層される。こういった磁気抵抗効果素子ではリファレンス層５６で（００２）面が優先配向されることができる。
【選択図】図５

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子に関し、特に、（１１１）結晶面に最密面を有する反強磁性層を備える積層構造体に関する。

トンネル接合磁気抵抗効果（ＴＭＲ）素子は広く知られる。ＴＭＲ素子は、外部磁化の作用に拘わらず磁化方向を固定するリファレンス層と、外部磁化の作用に応じて磁化方向の変化を許容するフリー層とを備える。リファレンス層とフリー層との間には非磁性材料から形成される非磁性層が挟み込まれる。リファレンス層の磁化方向とフリー層の磁化方向との相対角度に応じてＴＭＲ素子の電気抵抗は変化する。リファレンス層の磁化方向の固定にあたって反強磁性層が利用される。反強磁性層は下地層上に積層される。反強磁性層では下地層の表面に平行に（１１１）結晶面の配向が確立される。
特開２００５−２４４２５４号公報特開２００７−８１１２６号公報特開２００５−１１６７０３号公報Ｍ．Ｈａｔｔｏｒｉ外，「ＦａｂｒｉｃａｔｉｏｎｏｆＭａｇｎｅｔｉｃＴｕｎｎｅｌＪｕｎｃｔｉｏｎｗｉｔｈＣｏ２ＭｎＳｉ（１１０）ＥｐｉｔａｘｉａｌＦｉｌｍ」，Ｊ．Ｍａｇｎ．Ｓｏｃ．Ｊｐｎ．，２００７年，Ｖｏｌ．３１，Ｎｏ．２，ｐ．８９〜９３Ｍ．Ｔａｋａｎｏ外，「ＦａｂｒｉｃａｔｉｏｎｏｆＨｉｇｈｌｙ（１００）ＯｒｉｅｎｔｅｄＣｏ２ＭｎＧｅＴｈｉｎＦｉｌｍｓａｎｄＭａｇｎｅｔｉｃＴｕｎｎｅｌＪｕｎｃｔｉｏｎｓｗｉｔｈＣｏ２ＭｎＧｅ（１００）ＦｉｌｍｏｎＮｏｎ−ｓｉｎｇｌｅ−ｃｒｙｓｔａｌＳｕｂｓｔｒａｔｅ」，Ｊ．Ｍａｇｎ．Ｓｏｃ．Ｊｐｎ．，２００８年，Ｖｏｌ．３２，Ｎｏ．１，ｐ．１２〜１６

ＴＭＲ素子ではホイスラー合金の利用が模索される。ホイスラー合金は例えばリファレンス層として利用される。ホイスラー合金ではフェルミ面でアップスピンおよびダウンスピンの状態密度に極端に差が生じることから、ホイスラー合金は高い磁気抵抗変化率の実現に役立つと期待される。このとき、ホイスラー合金では下地層の表面に平行に（００２）結晶面の配向が確立されることが望まれる。こういった配向面の確立にあたって膜厚の増加はできる限り抑制されなければならない。フェルミ面で高い分極率を有するホイスラー合金には、例えばＣｏ_２ＭｎＡｌ、Ｃｏ_２ＭｎＳｉ、Ｃｏ_２ＦｅＡｌ、Ｃｏ_２ＦｅＳｉ、Ｃｏ_２ＦｅＡｌ_０．５Ｓｉ_０．５などが挙げられる。

本発明は、上記実状に鑑みてなされたもので、反強磁性層で（００２）結晶面の配向面を実現することができる積層構造体を提供することを目的とする。そういった積層構造体を含む磁気抵抗効果素子を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、磁気抵抗効果素子は、窒化物で形成される下地層と、該下地層上に積層される反強磁性層からなり、（１１１）結晶面に最密面を有し、下地層の表面に平行に（００２）結晶面を結晶配向するピニング層と、該ピニング層上に積層されて、ピニング層との交換結合に基づき所定の方向に磁化を固定するリファレンス層と、該リファレンス層上に積層されて、非磁性材料から形成される非磁性層と、該非磁性層上に積層されて、強磁性材料から形成され、外部磁化の作用に応じて磁化方向の変化を許容するフリー層とを備える。

こういった磁気抵抗効果素子ではリファレンス層で（００２）面が優先配向されることができる。例えばリファレンス層にホイスラー合金が利用されると、磁気抵抗変化率は大いに高められることができる。その結果、磁気抵抗効果素子の感度は高められる。

前記反強磁性層はＩｒおよびＭｎを含めばよい。前記リファレンス層はホイスラー合金からなればよい。前記窒化物はＭｇ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｏのいずれか１種類以上を含めばよい。前記非磁性材料は絶縁材料であればよい。

こういった磁気抵抗効果素子の実現にあたって特定の積層構造体は提供されることができる。積層構造体は、窒化物で形成される下地層と、下地層上に積層され、（１１１）結晶面に最密面を有し、下地層の表面に平行に（００２）結晶面を結晶配向する反強磁性層とを備えればよい。

以上のように本発明によれば、反強磁性層で（００２）結晶面の配向面を実現することができる積層構造体は提供される。

以下、添付図面を参照しつつ本発明の一実施形態を説明する。

図１は記憶媒体駆動装置の一具体例すなわちハードディスク駆動装置（ＨＤＤ）１１の内部構造を概略的に示す。このＨＤＤ１１は筐体すなわちハウジング１２を備える。ハウジング１２は箱形のベース１３およびカバー（図示されず）から構成される。ベース１３は例えば平たい直方体の内部空間すなわち収容空間を区画する。ベース１３は例えばアルミニウムといった金属材料から鋳造に基づき成形されればよい。カバーはベース１３の開口に結合される。カバーとベース１３との間で収容空間は密閉される。カバーは例えばプレス加工に基づき１枚の板材から成形されればよい。

収容空間には、記憶媒体としての１枚以上の磁気ディスク１４が収容される。磁気ディスク１４はスピンドルモーター１５の駆動軸に装着される。スピンドルモーター１５は例えば３６００ｒｐｍや４２００ｒｐｍ、５４００ｒｐｍ、７２００ｒｐｍ、１００００ｒｐｍ、１５０００ｒｐｍといった高速度で磁気ディスク１４を回転させることができる。ここでは、例えば磁気ディスク１４は垂直磁気記録ディスクに構成される。すなわち、磁気ディスク１４上の記録用磁性膜では磁化容易軸は磁気ディスク１４の表面に直交する垂直方向に設定される。

収容空間にはキャリッジ１６がさらに収容される。キャリッジ１６はキャリッジブロック１７を備える。キャリッジブロック１７は、垂直方向に延びる支軸１８に回転自在に連結される。キャリッジブロック１７には支軸１８から水平方向に延びる複数のキャリッジアーム１９が区画される。キャリッジブロック１７は例えば押し出し成型に基づきアルミニウムから成型されればよい。

個々のキャリッジアーム１９の先端にはヘッドサスペンション２１が取り付けられる。ヘッドサスペンション２１はキャリッジアーム１９の先端から前方に延びる。ヘッドサスペンション２１にはフレキシャが貼り付けられる。ヘッドサスペンション２１の先端でフレキシャにはジンバルが区画される。ジンバルに磁気ヘッドスライダーすなわち浮上ヘッドスライダー２２が搭載される。ジンバルの働きで浮上ヘッドスライダー２２はヘッドサスペンション２１に対して姿勢を変化させることができる。浮上ヘッドスライダー２２には磁気ヘッドすなわち電磁変換素子が搭載される。

磁気ディスク１４の回転に基づき磁気ディスク１４の表面で気流が生成されると、気流の働きで浮上ヘッドスライダー２２には正圧すなわち浮力および負圧が作用する。浮力および負圧とヘッドサスペンション２１の押し付け力とが釣り合うことで磁気ディスク１４の回転中に比較的に高い剛性で浮上ヘッドスライダー２２は浮上し続けることができる。

キャリッジブロック１７には例えばボイスコイルモーター（ＶＣＭ）２３といった動力源が接続される。このボイスコイルモーター２３の働きでキャリッジブロック１７は支軸１８回りで回転することができる。こうしたキャリッジブロック１７の回転に基づきキャリッジアーム１９およびヘッドサスペンション２１の揺動は実現される。浮上ヘッドスライダー２２の浮上中にキャリッジアーム１９が支軸１８回りで揺動すると、浮上ヘッドスライダー２２は磁気ディスク１４の半径線に沿って移動することができる。その結果、浮上ヘッドスライダー２２上の電磁変換素子は最内周記録トラックと最外周記録トラックとの間でデータゾーンを横切ることができる。こうして浮上ヘッドスライダー２２上の電磁変換素子は目標の記録トラック上に位置決めされる。

図２は一具体例に係る浮上ヘッドスライダー２２を示す。この浮上ヘッドスライダー２２は、例えば平たい直方体に形成される基材すなわちスライダー本体２５を備える。スライダー本体２５の空気流出側端面には絶縁性の非磁性膜すなわち素子内蔵膜２６が積層される。この素子内蔵膜２６に電磁変換素子２７が組み込まれる。電磁変換素子２７の詳細は後述される。

スライダー本体２５は例えばＡｌ_２Ｏ_３−ＴｉＣ（アルチック）といった硬質の非磁性材料から形成される。素子内蔵膜２６は例えばＡｌ_２Ｏ_３（アルミナ）といった比較的に軟質の絶縁非磁性材料から形成される。スライダー本体２５は媒体対向面２８で磁気ディスク１４に向き合う。媒体対向面２８には平坦なベース面２９すなわち基準面が規定される。磁気ディスク１４が回転すると、スライダー本体２５の前端から後端に向かって媒体対向面２８には気流３１が作用する。

媒体対向面２８には、前述の気流３１の上流側すなわち空気流入側でベース面２９から立ち上がる１筋のフロントレール３２が形成される。フロントレール３２はベース面２９の空気流入端に沿ってスライダー幅方向に延びる。同様に、媒体対向面２８には、気流３１の下流側すなわち空気流出側でベース面２９から立ち上がるリアセンターレール３３が形成される。リアセンターレール３３はスライダー幅方向の中央位置に配置される。リアセンターレール３３は素子内蔵膜２６に至る。媒体対向面２８には左右１対のリアサイドレール３４、３４がさらに形成される。リアサイドレール３４は空気流出側でスライダー本体２５の側端に沿ってベース面２９から立ち上がる。リアサイドレール３４、３４同士の間にリアセンターレール３３は配置される。

フロントレール３２、リアセンターレール３３およびリアサイドレール３４、３４の頂上面にはいわゆる空気軸受け面（ＡＢＳ）３５、３６、３７、３７が規定される。空気軸受け面３５、３６、３７の空気流入端は段差でフロントレール３２、リアセンターレール３３およびリアサイドレール３４の頂上面にそれぞれ接続される。気流３１が媒体対向面２８に受け止められると、段差の働きで空気軸受け面３５、３６、３７には比較的に大きな正圧すなわち浮力が生成される。しかも、フロントレール３２の後方すなわち背後には大きな負圧が生成される。これら浮力および負圧のバランスに基づき浮上ヘッドスライダー２２の浮上姿勢は確立される。なお、浮上ヘッドスライダー２２の形態はこういった形態に限られるものではない。

空気軸受け面３６の空気流出側でリアセンターレール３３には電磁変換素子２７が埋め込まれる。電磁変換素子２７は例えば読み出し素子と書き込み素子とを備える。読み出し素子にはトンネル接合磁気抵抗効果（ＴＭＲ）素子が用いられる。ＴＭＲ素子では磁気ディスク１４から作用する磁界の向きに応じてトンネル接合膜の抵抗変化が引き起こされる。こういった抵抗変化に基づき磁気ディスク１４から情報は読み出される。書き込み素子にはいわゆる単磁極ヘッドが用いられる。単磁極ヘッドは薄膜コイルパターンの働きで磁界を生成する。この磁界の働きで磁気ディスク１４に情報は書き込まれる。電磁変換素子２７は素子内蔵膜２６の表面に読み出し素子の読み出しギャップや書き込み素子の書き込みギャップを臨ませる。ただし、空気軸受け面３７の空気流出側で素子内蔵膜２６の表面には硬質の保護膜が形成されてもよい。こういった硬質の保護膜は素子内蔵膜２６の表面で露出する読み出しギャップや書き込みギャップを覆う。保護膜には例えばＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）膜が用いられればよい。

図３に示されるように、読み出し素子４２では、上下１対の導電層すなわち下側電極層４３および上側電極層４４にトンネル接合磁気抵抗効果膜４５が挟み込まれる。下側電極層４３および上側電極層４４は例えばＦｅＮやＮｉＦｅといった高透磁率材料から構成されればよい。下側電極層４３や上側電極層４４の膜厚は例えば２．０μｍ〜３．０μｍに設定される。こうして下側電極層４３および上側電極層４４は下部シールド層および上部シールド層として機能することができる。その結果、下側電極層４３および上側電極層４４の間隔は磁気ディスク１４上で記録トラックの線方向に磁気記録の分解能を決定する。

書き込み素子４６すなわち単磁極ヘッドは、リアセンターレール３３の表面で露出する主磁極４７および補助磁極４８を備える。主磁極４７および補助磁極４８は例えばＦｅＮやＮｉＦｅといった磁性材料から構成されればよい。図４を併せて参照し、補助磁極４８の後端は主磁極４７に磁性連結片４９で接続される。磁性連結片４９周りで磁気コイルすなわち薄膜コイルパターン５０が形成される。こうして主磁極４７、補助磁極４８および磁性連結片４９は、薄膜コイルパターン５１の中心位置を貫通する磁性コアを形成する。

図５は本発明の第１実施形態に係るトンネル接合磁気抵抗効果膜４５の構造を概略的に示す。このトンネル接合磁気抵抗効果膜４５ではいわゆるボトム型の積層構造が確立される。トンネル接合磁気抵抗効果膜４５は、図５に示されるように、下側電極層４３上に広がる補助下地層５１を備える。補助下地層５１は例えばＴａ（タンタル）から形成される。補助下地層５１ではアモルファス構造が確立される。補助下地層５１の膜厚は例えば２．０ｎｍに設定される。

補助下地層５１の表面には下地層５２が重ね合わせられる。下地層５２は窒化物から形成される。ここでは、下地層５２はＮｉＦｅＮ（ニッケル鉄窒化物）から形成される。下地層５２の膜厚は例えば３．０ｎｍに設定される。

下地層５２の表面にはピニング層５３が重ね合わせられる。ピニング層５３は反強磁性層から形成される。ここでは、ピニング層５３はＩｒＭｎ（イリジウムマンガン）合金から形成される。ピニング層５３ではｆｃｃ構造が確立される。ｆｃｃ構造は（１１１）結晶面に最密面を有する。後述されるように、下地層５２の窒化物の働きでピニング層５３では（００２）面が下地層５２の表面に平行に優先配向される。ピニング層５３の膜厚は例えば７．０ｎｍに設定される。

ピニング層５３の表面にはピンド層５４が重ね合わせられる。ピンド層５４は強磁性層から形成される。ここでは、ピンド層５４はＣｏＦｅ（コバルト鉄）合金から形成される。ピンド層５４の膜厚は例えば１．７ｎｍに設定される。ピンド層５４とピニング層５３との間には交換結合が確立される。この交換結合の働きでピンド層５４の磁化は所定の方向に固定される。こういった交換結合の確立にあたってＩｒＭｎからなるピニング層５３では４．０ｎｍ以上の膜厚が確保されればよい。

ピンド層５４の表面には非磁性中間層５５が重ね合わせられる。非磁性中間層５５は非磁性材料から形成される。ここでは、非磁性中間層５５はＲｕ（ルテニウム）から形成される。非磁性中間層５５の膜厚は０．６８ｎｍに設定される。

非磁性中間層５５の表面にはリファレンス層５６が重ね合わせられる。リファレンス層５６はホイスラー合金から形成される。ここでは、リファレンス層５６はＣｏ_２ＭｎＳｉ（コバルトマンガンシリコン）合金から形成される。リファレンス層５６の膜厚は例えば２．５ｎｍに設定される。ホイスラー合金では所定の結晶構造（例えばＬ２_１構造やＢ２構造）が確立される。リファレンス層５６では（００２）面が非磁性中間層５５の表面に平行に優先配向される。リファレンス層５６はピンド層５４および非磁性中間層５５と協働で積層フェリ構造を確立する。したがって、ピンド層５４とリファレンス層５６との間には交換結合が確立される。この交換結合の働きでリファレンス層５６の磁化方向とピンド層５４の磁化方向との間には反平行の関係が確立される。ただし、リファレンス層５６は直接にピニング層５３の表面に重ね合わせられてもよい。この場合には、リファレンス層５６とピニング層５３との間に交換結合が確立される。

リファレンス層５６の表面にはトンネルバリア層５７が重ね合わせられる。トンネルバリア層５７は絶縁材料から形成される。ここでは、トンネルバリア層５７はＭｇＯ（酸化マグネシウム）から形成される。トンネルバリア層５７の膜厚は例えば１．０ｎｍ〜１．５ｎｍの範囲で設定される。

トンネルバリア層５７の表面にはフリー層５８が重ね合わせられる。フリー層５８は強磁性層から形成される。ここでは、フリー層５８はＣｏＦｅＢ層から形成される。フリー層５８の膜厚は例えば３．０ｎｍに設定される。フリー層５８は、外部磁化の作用に応じて磁化方向の変化を許容する。

フリー層５８の表面にはキャップ層５９が重ね合わせられる。キャップ層５９は例えば非磁性金属から形成される。ここでは、キャップ層５９はＴａ（タンタル）で形成される。キャップ層５９の膜厚は例えば３．０ｎｍ以上に設定される。こういったキャップ層５９にはＲｕ（ルテニウム）層やＴｉ（チタン）層が用いられることができる。その他、キャップ層５９にはＴａ層およびＲｕ層の積層体が用いられてもよい。

キャップ層５９には前述の上側電極層４４が重ね合わせられる。上側電極層４４および下側電極層４３の間には１対の磁区制御膜６１が配置される。磁区制御膜６１は媒体対向面２８に沿ってトンネル接合磁気抵抗効果膜４５を挟み込む。磁区制御膜６１は例えば硬磁性材料から形成される。ここでは、磁区制御膜６１は例えばＣｏＣｒＰｔ（コバルトクロム白金合金）から形成される。磁区制御膜６１には所定の方向に磁化が確立される。磁化の働きで媒体対向面２８に沿ってフリー層５８を横切る磁界は確立される。フリー層５８では磁化の向きは揃えられる。

磁区制御膜６１とトンネル接合磁気抵抗効果膜４５との間には絶縁膜６２が形成される。絶縁膜６２は例えばＡｌ_２Ｏ_３から形成される。絶縁膜６２の膜厚は例えば３．０ｎｍ〜１０．０ｎｍの範囲で設定される。絶縁膜６２は磁区制御膜６１とトンネル接合磁気抵抗効果膜４５とを絶縁する。同様に、磁区制御膜６１と下側電極層４３との間には絶縁膜６２が形成される。絶縁膜６２は例えばＡｌ_２Ｏ_３から形成される。絶縁膜６２の膜厚は例えば３．０ｎｍ〜１０．０ｎｍの範囲で設定される。絶縁膜６２は磁区制御膜６１と下側電極層４３とを絶縁する。したがって、たとえ磁区制御膜６１が導電性を有していても、上側電極層４４と下側電極層４３との間ではトンネル接合磁気抵抗効果膜４５のみで導通が確立される。

以上のようなトンネル接合磁気抵抗効果膜４５によれば、ホイスラー合金の（００２）面が優先配向されることから、磁気抵抗変化率は大いに高められることができる。その結果、読み出し素子４２の感度は高められる。こういった読み出し素子４２は記録密度の向上に大いに貢献することができる。しかも、ＩｒＭｎのピニング層５３は薄い膜厚であっても十分な交換結合を確立する。窒化物の下地層５２は薄い膜厚であっても確実にピニング層５３で（００２）結晶面の面配向を確立する。トンネル接合磁気抵抗効果膜４５の膜厚の増大は極力抑制されることができる。その結果、下側電極層４３および上側電極層４４の間隔は小さい値に維持されることができる。記録トラックの線方向に磁気記録の分解能は高められることができる。

次に読み出し素子４２および書き込み素子４６の製造方法を簡単に説明する。まず、Ａｌ_２Ｏ_３−ＴｉＣ基板は用意される。Ａｌ_２Ｏ_３−ＴｉＣ基板の表面には第１Ａｌ_２Ｏ_３膜が形成される。第１Ａｌ_２Ｏ_３膜上では個々の浮上ヘッドスライダー２２ごとに読み出し素子４２や書き込み素子４６が形成される。書き込み素子４６は周知のとおりに形成されればよい。読み出し素子４２や書き込み素子４６の形成後、Ａｌ_２Ｏ_３−ＴｉＣ基板の表面には第２Ａｌ_２Ｏ_３膜が形成される。第１および第２Ａｌ_２Ｏ_３膜は素子内臓膜２６となる。Ａｌ_２Ｏ_３−ＴｉＣ基板から個々の浮上ヘッドスライダー２２は切り出される。

第１Ａｌ_２Ｏ_３膜上には規定の位置で下側電極層４３が形成される。形成にあたって例えばスパッタリングは用いられる。下側電極層４３は所定の形状に象られる。下側電極層４３上には、補助下地層５１の材料の膜、下地層５２の材料の膜、ピニング層５３の材料の膜、ピンド層５４の材料の膜、非磁性中間層５５の材料の膜、リファレンス層５６の材料の膜、トンネルバリア層５７の材料の膜、フリー層５８の材料の膜およびキャップ層５９の材料の膜が順次形成される。すなわち、図６に示されるように、膜厚２．０ｎｍのＴａ膜６３、膜厚３．０ｎｍのＮｉＦｅＮ膜６４、膜厚７．０ｎｍのＩｒＭｎ膜６５、膜厚１．７ｎｍのＣｏＦｅ膜６６、膜厚０．６８ｎｍのＲｕ膜６７、膜厚２．５ｎｍのＣｏ_２ＭｎＳｉ膜６８、１．０〜１．５ｎｍのＭｇＯ膜６９、膜厚３．０ｎｍのＣｏＦｅＢ膜７１および膜厚３．０ｎｍのＴａ膜７２が形成される。各膜６３〜７２の形成にあたって例えばスパッタリングは用いられる。スパッタリングは室温で実施される。特に、ＮｉＦｅＮ膜６４の形成にあたっていわゆる反応性スパッタリングが用いられる。ここでは、スパッタリング装置のチャンバー内にはＮｉＦｅターゲットが設置される。チャンバー内にはＡｒ（アルゴン）ガスおよびＮ_２（窒素）ガスが導入される。成膜後、１．５［Ｔ］の磁場中で加熱処理が実施される。例えば摂氏３５０度で２時間にわたって加熱は維持される。その結果、ホイスラー膜すなわちＣｏ_２ＭｎＳｉ膜６８で規則化が促進される。同時に、ＩｒＭｎ膜６５およびＣｏＦｅ膜６６の間で交換結合が誘起される。

その後、フォトリソグラフィ技術に基づきＴａ膜６３、ＮｉＦｅＮ膜６４、ＩｒＭｎ膜６５、ＣｏＦｅ膜６６、Ｒｕ膜６７、Ｃｏ_２ＭｎＳｉ膜６８、ＭｇＯ膜６９、ＣｏＦｅＢ膜７１およびＴａ膜７２の積層体からトンネル接合磁気抵抗効果膜４５は削り出される。削り出しにあたって、図６に示されるように、上層のＴａ膜７２上にはフォトレジスト膜７３が形成される。イオンミリングが実施される。フォトレジスト膜７３の周囲で積層体は除去される。フォトレジスト膜７３の周囲で下側電極層４３の表面は露出する。

その後、Ａｌ_２Ｏ_３−ＴｉＣ基板上では膜厚３．０ｎｍ〜１０．０ｎｍで絶縁膜６２が形成される。ここでは、例えばＡｌ_２Ｏ_３膜が形成される。形成にあたってスパッタリングは用いられる。Ａｌ_２Ｏ_３はフォトレジスト膜７３上および下側電極層４３上に堆積する。続いて絶縁膜６２上にはスパッタリングに基づき磁区制御膜６１の材料の膜が形成される。ここでは、ＣｏＣｒＰｔ膜が形成される。トンネル接合磁気抵抗効果膜４５はＣｏＣｒＰｔ膜で囲まれる。その後、トンネル接合磁気抵抗効果膜４５上から絶縁膜６２やＣｏＣｒＰｔ膜がリフトオフされる。すなわち、トンネル接合磁気抵抗効果膜４５上からフォトレジスト膜７３は除去される。

ＣｏＣｒＰｔ膜の表面は平坦化研磨処理される。化学機械研磨（ＣＭＰ）が用いられる。キャップ層５９および磁区制御膜６１の表面は連続面に平坦化される。こうした連続面上で上側電極層４４が積層形成される。形成にあたって例えばスパッタリングは用いられる。上側電極層４４は所定の形状に象られる。磁区制御膜６１は磁場中で加熱処理される。磁区制御膜６１には所定の方向に磁化が確立される。こうして読み出し素子４２は形成される。

発明者は窒化物層と反強磁性層との関係を検証した。検証にあたって発明者は支持基板上で前述のトンネル接合磁気抵抗効果膜４５を形成した。支持基板にはＡｌ_２Ｏ_３−ＴｉＣ基板が用いられた。Ａｌ_２Ｏ_３−ＴｉＣ基板の表面にはＮｉＦｅめっき膜が形成された。ＮｉＦｅめっき膜の表面は化学機械研磨に基づき平坦化された。ＮｉＦｅＮ下地層５２の形成にあたって窒素ガスの分圧は７３％に設定された。ＩｒＭｎピニング層５３の配向面が観察された。観察にあたって特性Ｘ線ＣｕＫα線利用のＸ線回折装置が用いられた。観察にあたって発明者は比較例を用意した。比較例ではＮｉＦｅＮ下地層５２に代えてＮｉＦｅ下地層が用いられた。図７に示されるように、ＮｉＦｅＮ下地層５２の場合にはＩｒＭｎピニング層５３で（００２）面の配向が確認された。その一方で、ＮｉＦｅ下地層の場合にはＩｒＭｎピニング層５３で最密面すなわち（１１１）面の配向が確認された。窒素の添加に基づきＩｒＭｎピニング層５３で配向面が変化することが確認された。

続いて発明者はＣｏ_２ＭｎＳｉリファレンス層５６の配向面を観察した。観察にあたって、ガラス基板上で、前述と同様に、膜厚３．０ｎｍのＴａ層、膜厚３．０ｎｍのＮｉＦｅＮ層、膜厚４．０ｎｍのＩｒＭｎ層、膜厚１．７ｎｍのＣｏＦｅ層、膜厚０．４ｎｍのＲｕ層および膜厚１０．０ｎｍのＣｏ_２ＭｎＳｉ層が順番に形成された。図８に示されるように、ＩｒＭｎ層で（００２）面の配向が確認されると同時に、Ｃｏ_２ＭｎＳｉ層で（００２）面の配向が確認された。Ｃｏ_２ＭｎＳｉ層で（１１１）面の配向は確認されなかった。下地のＩｒＭｎ層で（００２）面が確立されると、Ｃｏ_２ＭｎＳｉ層で（００２）面の配向が確立されることが確認された。

さらに発明者はＣｏ_２ＭｎＳｉリファレンス層５６の配向面を観察した。観察にあたって、ガラス基板上で、前述と同様に、膜厚３．０ｎｍのＴａ層、膜厚３．０ｎｍのＮｉＦｅＮ層、膜厚４．０ｎｍのＩｒＭｎ層、膜厚１．７ｎｍのＣｏＦｅ層、膜厚０．４ｎｍのＲｕ層、膜厚２．０ｎｍのＣｏ_２ＭｎＳｉ層および膜厚４．０ｎｍのＭｇＯ層が順番に形成された。図９に示されるように、ＭｇＯ層で（００２）面の配向が観察された。こういった（００２）面の配向はＣｏ_２ＭｎＳｉ層の（００２）面の配向に応じて確立されることは容易く想像される。すなわち、仮にＣｏ_２ＭｎＳｉ層で（１１１）面の配向が確立されると、ＭｇＯ層では（１１１）面の配向が確立されてしまう。本検証ではＭｇＯ層で（１１１）面の配向は確認されなかった。Ｃｏ_２ＭｎＳｉ層の（００２）面の配向は追認された。

続いて発明者は様々な窒化物に基づき窒化物層と反強磁性層との関係を検証した。前述と同様に支持基板上でトンネル接合磁気抵抗効果膜４５は形成された。ただし、前述のＮｉＦｅＮ層およびＮｉＦｅ層に代えて、ＣｕＮ層およびＣｕ層、ＴｉＮ層およびＴｉ層、ＮｉＣｒＮ層およびＮｉＣｒ層、並びに、ＣｒＮ層およびＣｒ層がそれぞれ下地層５２に用いられた。ＮｉＦｅＮ層、ＣｕＮ層、ＴｉＮ層、ＮｉＣｒＮ層およびＣｒＮ層といった窒化物層の形成にあたって窒素ガスの分圧は７３％に設定された。図１０〜図１３に示されるように、いずれの場合でも窒素の添加に基づき配向面が変化することが確認された。したがって、これら窒化物の有用性は証明された。ただし、図１４に示されるように、Ｒｕ層およびＲｕＮ層の検証結果から明らかなように、ＲｕＮ層では配向面の変化は観察されなかった。

次に発明者は窒素の分圧と窒化物層の配向面との関係を検証した。発明者はシリコン基板上に膜厚３．０ｎｍのＴａ層および膜厚１０．０ｎｍのＣｕＮ層を順番に積層形成した。積層形成にあたってスパッタリングは用いられた。窒化物層すなわちＣｕＮ層の形成にあたって、前述と同様に、反応性スパッタリングは用いられた。窒素ガスの分圧は０％、５７％および７２％の３通りに設定された。図１５に示されるように、窒素の添加に応じて配向面は（１１１）面から（００２）面に変化することが確認された。続いて発明者はシリコン基板上に同様に膜厚３．０ｎｍのＴａ層および膜厚１０．０ｎｍのＮｉＦｅＮ層を順番に積層形成した。窒化物層すなわちＮｉＦｅＮ層の形成にあたって、前述と同様に、反応性スパッタリングは用いられた。窒素ガスの分圧は２５％、４０％、５７％、６７％および７３％の５通りに設定された。図１６に示されるように、窒素の添加量が増加するにつれて、（００２）面の配向は消失していくことが確認された。ＩｒＭｎ層の（００２）面の配向とＮｉＦｅＮ層の（００２）面の配向との間には相関関係は確認されなかった。

なお、積層フェリ構造の確立にあたって前述のピンド層５４、非磁性中間層５５およびリファレンス層５６は、膜厚１．５ｎｍのＣｏＦｅピンド層、膜厚０．５ｎｍのＲｕ８０Ｒｈ２０（ルテニウムロジウム合金）非磁性中間層および膜厚２．５ｎｍのホイスラー合金リファレンス層に置き換えられてもよい。この場合には、非磁性中間層には５〜４０原子％の範囲でＲｈが含まれることが望まれる。より好ましくは、非磁性中間層には２０〜３０原子％の範囲でＲｈが含まれることが望まれる。その他、非磁性中間層の膜厚は０．３ｎｍ〜０．７ｎｍの範囲で設定されることが望まれる。好ましくは、非磁性中間層の膜厚は０．４ｎｍ〜０．７ｎｍの範囲で設定されることが望まれる。ただし、非磁性中間層にはＲｕ単層が用いられてもよい。

さらに発明者は前述のＣｏ_２ＭｎＳｉに代えてＣｏ_２ＦｅＡｌ_０．５Ｓｉ_０．５（以下「ＣｏＦｅＡｌＳｉ」）の有用性を検証した。検証にあたって、ガラス基板上で、前述と同様に、膜厚３．０ｎｍのＴａ層、膜厚３．０ｎｍのＮｉＦｅＮ層、膜厚７．０ｎｍのＩｒＭｎ層および膜厚３０．０ｎｍのＣｏＦｅＡｌＳｉ層が順番に形成された。積層体は形成された。各膜の形成にあたってスパッタリングが用いられた。スパッタリングは室温で実施された。成膜後、積層体には高真空熱処理炉で２時間にわたって摂氏３５０度の熱処理が施された。発明者はＸ線回折装置で積層体の結晶構造を観察した。図１７に示されるように、ＩｒＭｎ層で（００２）面の配向が確認されると同時に、ＣｏＦｅＡｌＳｉ層で（００１）面および（００２）面の配向が確認された。ＣｏＦｅＡｌＳｉ層の（００１）面の配向はＡ２構造に相当する。ＣｏＦｅＡｌＳｉ層の（００２）面の配向はＢ２構造に相当する。同時に、発明者は（００１）面の積分強度Ｓ１および（００２）面の積分強度Ｓ２に基づきＢ２構造の体積率を算出した。６０％程度の体積率が確認された。このとき、（００１）面の積分強度Ｓ１はＡ２構造の体積量に相当する。（００２）面の積分強度Ｓ２はＡ２構造およびＢ２構造の総体積量に相当する。

さらに発明者は磁気抵抗効果比（ＭＲ比）を観察した。観察にあたって、ガラス基板上で、前述と同様に、膜厚３．０ｎｍのＴａ層、膜厚３．０ｎｍのＮｉＦｅＮ層、膜厚７．０ｎｍのＩｒＭｎ層および膜厚３．０ｎｍのＣｏＦｅＡｌＳｉ層、傾斜膜のＭｇＯ層、膜厚３．０ｎｍのＣｏＦｅＡｌＳｉ層が順番に形成された。傾斜膜ではウェハーの一端から他端に向かって膜厚は連続的に変化した。ウェハーの中心で膜厚１．３ｎｍが確立された。こうして具体例に係るトンネル接合膜は形成された。各膜の形成にあたってスパッタリングが用いられた。スパッタリングは室温で実施された。成膜後、積層体には高真空熱処理炉で２時間にわたって摂氏３５０度の熱処理が施された。発明者は比較例に係るトンネル接合膜を作成した。この比較例では具体例に係るトンネル接合膜で２つのＣｏＦｅＡｌＳｉ層がそれぞれ膜厚３．０ｎｍのＣｏＦｅ層に置き換えられた。図１８から明らかなように、具体例に係るトンネル接合膜ではＣｏＦｅＡｌＳｉ層の利用に基づきＣｏＦｅ層のトンネル接合膜に比べてＭＲ比は高められることが確認された。具体例に係るトンネル接合膜ではＣｏＦｅの分極率よりも大きな分極率を有するホイスラー合金膜の確立が確認された。

図１９は本発明の第２実施形態に係るトンネル接合磁気抵抗効果膜４５ａの構造を概略的に示す。このトンネル接合磁気抵抗効果膜４５ａではいわゆるトップ型に積層構造が確立される。すなわち、下側電極層４３上には、補助下地層５１、下地層５２、フリー層７４、トンネルバリア層５７、リファレンス層７５、非磁性中間層５５、ピンド層５４、ピニング層５３、キャップ層５９が順番に積層される。第１実施形態に係るトンネル接合磁気抵抗効果膜４５と均等な構成には同一の参照符号が付される。このトンネル接合磁気抵抗効果膜４５ａではフリー層７４にホイスラー合金が用いられる。例えばフリー層７４はＣｏ_２ＭｎＳｉ（コバルトマンガンシリコン）合金から形成される。その他、フリー層７４は前述のリファレンス層５６と同様に構成されればよい。リファレンス層７５には強磁性層が用いられる。例えばＣｏＦｅＢ層が用いられる。その他、リファレンス層７５は前述のフリー層５８と同様に構成されればよい。こういったトンネル接合磁気抵抗効果膜４５ａでは下地層５２の窒化物の働きでフリー層７４でホイスラー合金の（００２）面の配向が確立される。磁気抵抗変化率は大いに高められることができる。

図２０は磁気ランダムアクセスメモリー（ＭＲＡＭ）８１の構造を概略的に示す。ＭＲＡＭ８１は複数行に平行に交互に延びる書き込みワード線８２および読み出しワード線８３を備える。複数列のビット線８４は書き込みワード線８２および読み出しワード線８３に交差する。ビット線８４および書き込みワード線８２の交差位置でビット線８４には前述のトンネル接合磁気抵抗効果膜４５（４５ａ）が接続される。トンネル接合磁気抵抗効果膜４５（４５ａ）は例えばＭＯＳトランジスター８５のソースに接続される。ＭＯＳトランジスター８５のドレインは接地される。ＭＯＳトランジスター８５のゲートには読み出しワード線８３が接続される。トンネル接合磁気抵抗効果膜４５（４５ａ）では書き込みワード線８２およびビット線８４の合成磁界に基づきフリー層５６（７４）の磁化方向が反転する。合成磁界は書き込みワード線８２およびビット線８４にそれぞれ流通する電流に基づき生成される。書き込みワード線８２およびビット線８４の組み合わせに基づき個々のトンネル接合磁気抵抗効果膜４５（４５ａ）は選択されることができる。こうしてトンネル接合磁気抵抗効果膜４５（４５ａ）に２値情報は記録される。読み出しにあたって読み出しワード線８３に電流は流通する。電流の流通に応じてＭＯＳトランジスター８５のゲートに電圧は印加される。選択されたビット線８４に電流が流通すると、トンネル接合磁気抵抗効果膜４５（４５ａ）の働きでビット線８４の電圧は変化する。こうして２値情報は検知される。

（付記１）窒化物で形成される下地層と、該下地層上に積層される反強磁性層からなり、（１１１）結晶面に最密面を有し、下地層の表面に平行に（００２）結晶面を結晶配向するピニング層と、該ピニング層上に積層されて、ピニング層との交換結合に基づき所定の方向に磁化を固定するリファレンス層と、該リファレンス層上に積層されて、非磁性材料から形成される非磁性層と、該非磁性層上に積層されて、強磁性材料から形成され、外部磁化の作用に応じて磁化方向の変化を許容するフリー層とを備えることを特徴とする磁気抵抗効果素子。

（付記２）付記１に記載の磁気抵抗効果素子において、前記反強磁性層はＩｒおよびＭｎを含むことを特徴とする磁気抵抗効果素子。

（付記３）付記１に記載の磁気抵抗効果素子において、前記リファレンス層はホイスラー合金からなることを特徴とする磁気抵抗効果素子。

（付記４）付記１に記載の磁気抵抗効果素子において、前記窒化物はＭｇ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｏのいずれか１種類以上を含むことを特徴とする磁気抵抗効果素子。

（付記５）付記１に記載の磁気抵抗効果素子において、前記非磁性材料は絶縁材料であることを特徴とする磁気抵抗効果素子。

（付記６）窒化物で形成される下地層と、下地層上に積層され、（１１１）結晶面に最密面を有し、下地層の表面に平行に（００２）結晶面を結晶配向する反強磁性層とを備えることを特徴とする積層構造体。

（付記７）付記６に記載の積層構造体において、前記反強磁性層はＩｒおよびＭｎを含むことを特徴とする積層構造体。

（付記８）付記６に記載の積層構造体において、前記反強磁性層上に積層されて、反強磁性層との交換結合に基づき所定の方向に磁化を固定するホイスラー合金層をさらに備えることを特徴とする積層構造体。

（付記９）付記６に記載の積層構造体において、前記窒化物はＭｇ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｏのいずれか１種類以上を含むことを特徴とする積層構造体。

記憶媒体駆動装置の一具体例すなわちハードディスク駆動装置（ＨＤＤ）の内部構造を概略的に示す平面図である。一具体例に係る浮上ヘッドスライダーを概略的に示す拡大斜視図である。媒体対向面から観察される電磁変換素子を概略的に示す電磁変換素子の正面図である。図３の４−４線に沿った断面図である。トンネル接合磁気抵抗効果膜の構造を概略的に示す拡大正面図である。トンネル接合磁気抵抗効果膜の製造工程を概略的に示す図である。ＮｉＦｅ層上に形成されるＩｒＭｎ層とＮｉＦｅＮ層上に形成されるＩｒＭｎ層とで配向面を特定するグラフである。（００２）結晶面に配向面を有するＩｒＭｎ層上に形成されるＣｏ_２ＭｎＳｉ層の配向面を特定するグラフである。（００２）結晶面に配向面を有するＩｒＭｎ層上でＣｏ_２ＭｎＳｉ層上に積層されるＭｇＯ層の配向面を特定するグラフである。Ｃｕ層上に形成されるＩｒＭｎ層とＣｕＮ層上に形成されるＩｒＭｎ層とで配向面を特定するグラフである。Ｔｉ層上に形成されるＩｒＭｎ層とＴｉＮ層上に形成されるＩｒＭｎ層とで配向面を特定するグラフである。ＮｉＣｒ層上に形成されるＩｒＭｎ層とＮｉＣｒＮ層上に形成されるＩｒＭｎ層とで配向面を特定するグラフである。Ｃｒ層上に形成されるＩｒＭｎ層とＣｒＮ層上に形成されるＩｒＭｎ層とで配向面を特定するグラフである。Ｒｕ層上に形成されるＩｒＭｎ層と、ＲｕＮ層上に形成されるＩｒＭｎ層と、ＲｕＯ層上に形成されるＩｒＭｎ層とで配向面を特定するグラフである。窒素の添加量に応じてＣｕ層またはＣｕＮ層の配向面を特定するグラフである。窒素の添加量に応じてＮｉＦｅＮ層の配向面を特定するグラフである。（００２）結晶面に配向面を有するＩｒＭｎ層上に形成されるＣｏ_２ＦｅＡｌ_０．５Ｓｉ_０．５層の配向面を特定するグラフである。Ｃｏ_２ＦｅＡｌ_０．５Ｓｉ_０．５層を備えるトンネル接合膜の磁気抵抗効果比（ＭＲ比）と、ＣｏＦｅ層を備えるトンネル接合膜のＭＲ比とを示すグラフである。本発明の第２実施形態に係るトンネル接合磁気抵抗効果膜の構造を概略的に示す拡大正面図である。磁気ランダムアクセスメモリー（ＭＲＡＭ）の構造を概略的に示す回路図である。

符号の説明

４２磁気抵抗効果素子すなわち読み出し素子、４５積層構造体を利用したトンネル接合磁気抵抗効果膜、４５ａ積層構造体を利用したトンネル接合磁気抵抗効果膜、５２下地層、５３ピニング層、５６リファレンス層、５７非磁性層すなわちトンネルバリア層、５８フリー層。

Claims

窒化物で形成される下地層と、該下地層上に積層される反強磁性層からなり、（１１１）結晶面に最密面を有し、下地層の表面に平行に（００２）結晶面を結晶配向するピニング層と、該ピニング層上に積層されて、ピニング層との交換結合に基づき所定の方向に磁化を固定するリファレンス層と、該リファレンス層上に積層されて、非磁性材料から形成される非磁性層と、該非磁性層上に積層されて、強磁性材料から形成され、外部磁化の作用に応じて磁化方向の変化を許容するフリー層とを備えることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
請求項１に記載の磁気抵抗効果素子において、前記反強磁性層はＩｒおよびＭｎを含むことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
請求項１に記載の磁気抵抗効果素子において、前記リファレンス層はホイスラー合金からなることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
請求項１に記載の磁気抵抗効果素子において、前記窒化物はＭｇ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｏのいずれか１種類以上を含むことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
請求項１に記載の磁気抵抗効果素子において、前記非磁性材料は絶縁材料であることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
窒化物で形成される下地層と、下地層上に積層され、（１１１）結晶面に最密面を有し、下地層の表面に平行に（００２）結晶面を結晶配向する反強磁性層とを備えることを特徴とする積層構造体。