JP2009283661A - Magnetoresistive effect element, magnetic head, magnetic storage device, and magnetic memory device - Google Patents

Magnetoresistive effect element, magnetic head, magnetic storage device, and magnetic memory device Download PDF

Info

Publication number
JP2009283661A
JP2009283661A JP2008134029A JP2008134029A JP2009283661A JP 2009283661 A JP2009283661 A JP 2009283661A JP 2008134029 A JP2008134029 A JP 2008134029A JP 2008134029 A JP2008134029 A JP 2008134029A JP 2009283661 A JP2009283661 A JP 2009283661A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
layer
magnetic
film
nonmagnetic
diffusion
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
JP2008134029A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Arata Jogo
新 城後
Yutaka Shimizu
豊 清水
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fujitsu Ltd filed Critical Fujitsu Ltd
Priority to JP2008134029A priority Critical patent/JP2009283661A/en
Publication of JP2009283661A publication Critical patent/JP2009283661A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Images

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a structure can prevent diffusion of an element such as Ge in a reference layer while keeping exchange coupling between the reference layer and other layer, in a spin valve film of a CPP magnetoresistive effect element. <P>SOLUTION: A diffusion prevention layer formed of an Al thin film is formed on at least either of a lower part and an upper part of the reference layer included in a spin valve layer of the CPP magnetoresistive effect element. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド、磁気記憶装置及び磁気メモリ装置に係る。また本発明は特にCPP型の磁気抵抗効果素子、同上磁気抵抗効果素子を使用した磁気ヘッド及び同上磁気ヘッドを使用した磁気記憶装置に関する。また本発明は更に、同上磁気抵抗効果素子を使用した磁気メモリ装置に関する。   The present invention relates to a magnetoresistive effect element, a magnetic head, a magnetic storage device, and a magnetic memory device. The present invention also relates to a CPP type magnetoresistive element, a magnetic head using the same magnetoresistive element, and a magnetic storage device using the same magnetic head. The present invention further relates to a magnetic memory device using the magnetoresistive effect element.

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, a magnetoresistive element is used as a reproducing element for reproducing information recorded on a magnetic recording medium in a magnetic head of a magnetic storage device. 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、スピンバルブ膜を有する磁気抵抗効果素子を備えたものが主流となっている。このスピンバルブ膜では、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とが積層している。スピンバルブ膜では、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、その電気抵抗値が変化する。この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。このようにして、磁気抵抗効果素子により磁気記録媒体に記録されたビットが再生される。   With the increase in recording density of magnetic storage devices, those equipped with magnetoresistive effect elements having a spin valve film have become mainstream. In this spin valve film, a fixed magnetic layer whose magnetization is fixed in a predetermined direction, a nonmagnetic layer, and a free magnetic layer whose magnetization direction changes according to the direction and strength of the leakage magnetic field from the magnetic recording medium are laminated. is doing. In the spin valve film, the electric resistance value changes according to the angle formed by the magnetization of the fixed magnetization layer and the magnetization of the free magnetization layer. This change in electrical resistance value is detected as a voltage change by passing a constant sense current through the spin valve film. In this way, the bits recorded on the magnetic recording medium by the magnetoresistive effect element are reproduced.

従来、磁気抵抗効果素子としては、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)型の構造のものが採用されてきた。ここで磁気記録装置のさらなる高記録密度化を図るため、磁気記録媒体上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, as a magnetoresistive effect element, a CIP (Current-In-Plane) type structure in which a sense current flows in the in-plane direction of the spin valve film has been adopted. Here, 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 on 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, since the current density of the sense current is increased in the CIP type structure, 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、以下同様)型の構造のものが提案されている。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、磁気記録装置の高記録密度化に適している。   Therefore, a CPP (Current-Perpendicular-to-Plane, hereinafter the same) type structure 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. Things have been proposed. 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 of the magnetic recording apparatus.

CPP型のスピンバルブ膜の出力は、スピンバルブ膜に印加する外部磁界を一方向からその逆の方向に掃引する際の磁気抵抗変化量で決まる。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当たりの磁気抵抗変化量である。単位面積当たり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とを乗じて得られる。単位面積当たり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係数とは、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 the external magnetic field applied to the spin valve film is swept from one direction to the opposite direction. This magnetoresistance change amount is the magnetoresistance change amount per unit area of the film surface perpendicular to the direction of the sense current. The magnetoresistance change amount per unit area is obtained by multiplying the magnetoresistance change amount 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. The spin-dependent bulk scattering coefficient indicates 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、ホイスラー合金組成の軟磁性合金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。
特開平9−199768号公報 特許第3470952号 特開2005−116703号公報 特開2007−180470号公報
As a material having a large spin-dependent bulk scattering coefficient, a magnetoresistive element using a soft magnetic alloy having a Heusler alloy composition for a free magnetic layer has been proposed.
JP-A-9-199768 Japanese Patent No. 3470952 JP-A-2005-116703 JP 2007-180470 A

CPP型の磁気抵抗効果素子のスピンバルブ膜においてリファレンス層と他の層との間の交換結合を維持しつつリファレンス層中のGe等の元素の拡散を防止し得る構成を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a structure capable of preventing diffusion of elements such as Ge in a reference layer while maintaining exchange coupling between the reference layer and another layer in a spin valve film of a CPP type magnetoresistive effect element. To do.

CPP型の磁気抵抗効果素子のスピンバルブ層に含まれるリファレンス層の界面にAl(アルミニウムを示す。以下同様)の薄膜を有する拡散防止層を形成する。   A diffusion prevention layer having a thin film of Al (aluminum is shown; the same applies hereinafter) is formed at the interface of the reference layer included in the spin valve layer of the CPP type magnetoresistive element.

当該拡散防止層によりリファレンス層中のGe等の元素の拡散が防止される。また当該拡散防止層を形成しても、リファレンス層と、当該拡散防止層を介した他の層との間の交換結合は維持される。   The diffusion preventing layer prevents diffusion of elements such as Ge in the reference layer. Even if the diffusion preventing layer is formed, exchange coupling between the reference layer and another layer via the diffusion preventing layer is maintained.

スピンバルブ膜においてリファレンス層と他の層との間の交換結合を維持しつつリファレンス層中のGe等の元素の拡散を防止することが可能なため、高信頼性を有し、磁界を検知する感度が良好でかつ高出力な磁気抵抗効果素子を提供し得る。   It is possible to prevent diffusion of elements such as Ge in the reference layer while maintaining exchange coupling between the reference layer and other layers in the spin valve film, so that the magnetic field is detected with high reliability. A magnetoresistive element having good sensitivity and high output can be provided.

実施例は、後述するように、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、磁気ヘッド、磁気記憶装置及び磁気メモリ装置を含む。ここで磁気抵抗効果素子は、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型の構造を有する。   The embodiment includes a magnetoresistive element, a magnetic head, a magnetic storage device, and a magnetic memory device for reproducing information in the magnetic storage device, as will be described later. Here, the magnetoresistive effect element has a CPP type structure in which a sense current flows in the stacking direction of the stacked films constituting the magnetoresistive effect element.

この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。またこの磁気抵抗効果素子は、磁気記憶装置の高記録密度化が可能なスピンバルブ膜を備えている。スピンバルブ膜では、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とが積層されている。スピンバルブ膜では、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その電気抵抗値が変化する。この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記録媒体に記録されたビットを再生することが可能となる。   This magnetoresistive effect element reproduces information recorded on the magnetic recording medium by utilizing 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. The magnetoresistive element includes a spin valve film that can increase the recording density of the magnetic storage device. In a spin valve film, a fixed magnetization layer whose magnetization is fixed in a predetermined direction, a nonmagnetic layer, and a free magnetization layer whose magnetization direction changes according to the direction and strength of the leakage magnetic field from the magnetic recording medium are laminated. ing. In the spin valve film, the electric resistance value changes according to the angle formed by the magnetization of the fixed magnetization layer and the magnetization of the free magnetization layer. By detecting this change in electrical resistance value as a voltage change by passing a constant sense current through the spin valve film, it is possible to reproduce the bits recorded on the magnetic recording medium.

すなわち実施例は、素子を構成する積層膜の膜面に垂直方向にセンス電流を通電するための上下電極端子を有するCPP型の磁気抵抗効果素子である。磁気抵抗効果素子は磁気抵抗効果膜を有する。磁気抵抗効果膜は、少なくとも下から反強磁性層,ピンド層,非磁性結合層,リファレンス層,非磁性中間層、及び外部磁界に応じて磁化が回転する自由磁化層が積層されている。すなわち磁気抵抗効果素子はスピンバルブ構造を持つ。また上記リファレンス層として、Ge,SiまたはMnを含む磁性材料が使用される。更に、非磁性結合層及び非磁性中間層の各々と、リファレンス層との間に、それぞれ極薄構造のAlで形成された拡散防止層が挿入される。   That is, the embodiment is a CPP type magnetoresistive element having upper and lower electrode terminals for passing a sense current in a direction perpendicular to the film surface of the laminated film constituting the element. The magnetoresistive effect element has a magnetoresistive effect film. In the magnetoresistive film, an antiferromagnetic layer, a pinned layer, a nonmagnetic coupling layer, a reference layer, a nonmagnetic intermediate layer, and a free magnetic layer whose magnetization rotates according to an external magnetic field are stacked at least from below. That is, the magnetoresistive effect element has a spin valve structure. Further, a magnetic material containing Ge, Si, or Mn is used as the reference layer. Further, a diffusion preventing layer made of Al having an ultrathin structure is inserted between each of the nonmagnetic coupling layer and the nonmagnetic intermediate layer and the reference layer.

また上記リファレンス層の材料の組成は(CoFe100-x)M(ここで0≦x≦100,0<y<30原子%とされ、MはGe、SiまたはMnとされる)としてもよい。あるいはリファレンス層の組成は(CoMn100-x)M(ここで0≦x≦100,0<y<30原子%とされ、MはGe、SiまたはAlとされる)としてもよい。あるいはリファレンス層の組成は、Co50Fe25Al12.5Si12.5、Co50Fe25Ge12.5Si12.5、Co50Fe25Ge12.5Al12.5、Co50Fe25Ge12.5Mn12.5、Co50Fe25Al12.5Mn12.5またはCo50Fe25Si12.5Mn12.5としてもよい。 The composition of the material of the reference layer is (Co x Fe 100-x ) M y (where 0 ≦ x ≦ 100, 0 <y <30 atomic%, and M is Ge, Si or Mn) Also good. Alternatively, the composition of the reference layer may be (Co x Mn 100-x ) M y (where 0 ≦ x ≦ 100, 0 <y <30 atomic%, and M is Ge, Si, or Al). Alternatively, the composition of the reference layer is Co 50 Fe 25 Al 12.5 Si 12.5 , Co 50 Fe 25 Ge 12.5 Si 12.5 , Co 50 Fe 25 Ge 12.5 Al 12.5 , Co 50 Fe 25 Ge 12.5 Mn 12.5 , Co 50 Fe 25 Al 12.5 Mn It may be 12.5 or Co 50 Fe 25 Si 12.5 Mn 12.5 .

また上記Alで形成された拡散防止層の膜厚は0.1乃至1.0[nm]の範囲内とすることが望ましい。   The film thickness of the diffusion prevention layer made of Al is preferably in the range of 0.1 to 1.0 [nm].

また他の実施例は、素子を構成する積層膜の膜面に垂直方向にセンス電流を通電するための上下電極端子を有するCPP型の磁気抵抗効果素子である。磁気抵抗効果素子は磁気抵抗効果膜を有する。この実施例では、磁気抵抗効果膜は以下の積層構造を有する。すなわち、下から下部反強磁性層,下部ピンド層,下部非磁性結合層,下部リファレンス層及び下部非磁性中間層が積層されている。更に外部磁界に応じて磁化が回転する自由磁化層が積層されている。更に上部非磁性中間層,上部リファレンス層,上部非磁性結合層,上部ピンド層及び上部反強磁性層が積層されている。すなわち磁気抵抗効果膜は、いわゆるデュアルタイプのスピンバルブ構造を持つ。上部及び下部のそれぞれのリファレンス層として、拡散の大きいGe,SiまたはMnを含む磁性材料が使用される。上部非磁性結合層及び上部非磁性中間層の各々と上部リファレンス層との間に、極薄構造のAlで形成された拡散防止層が挿入される。同様に下部磁性結合層及び下部非磁性中間層の各々と下部リファレンス層との間にも、極薄構造のAlで形成された拡散防止層が挿入される。これらのAlで形成された拡散防止層により各材料の拡散が防止され、当該磁気抵抗効果素子を使用する磁気記憶装置あるいは磁気メモリ装置の再生出力,信頼性及び感度が向上する。   Another embodiment is a CPP type magnetoresistive element having upper and lower electrode terminals for passing a sense current in a direction perpendicular to the film surface of the laminated film constituting the element. The magnetoresistive effect element has a magnetoresistive effect film. In this embodiment, the magnetoresistive film has the following laminated structure. That is, a lower antiferromagnetic layer, a lower pinned layer, a lower nonmagnetic coupling layer, a lower reference layer, and a lower nonmagnetic intermediate layer are stacked from the bottom. Furthermore, a free magnetic layer whose magnetization rotates according to an external magnetic field is laminated. Further, an upper nonmagnetic intermediate layer, an upper reference layer, an upper nonmagnetic coupling layer, an upper pinned layer, and an upper antiferromagnetic layer are laminated. That is, the magnetoresistive film has a so-called dual type spin valve structure. A magnetic material containing highly diffused Ge, Si, or Mn is used for the upper and lower reference layers. Between each of the upper nonmagnetic coupling layer and the upper nonmagnetic intermediate layer and the upper reference layer, a diffusion prevention layer made of Al having an ultrathin structure is inserted. Similarly, an anti-diffusion layer made of Al having an ultrathin structure is inserted between each of the lower magnetic coupling layer and the lower nonmagnetic intermediate layer and the lower reference layer. The diffusion prevention layer formed of these Al prevents the diffusion of each material, and the reproduction output, reliability, and sensitivity of the magnetic storage device or magnetic memory device using the magnetoresistive effect element are improved.

更に他の実施例は、素子を構成する積層膜の膜面に垂直方向にセンス電流を通電するための上下電極端子を有するCPP型の磁気抵抗効果素子である。磁気抵抗効果素子は磁気抵抗効果膜を有する。この実施例では、磁気抵抗効果膜は以下の積層構造を有する。すなわち、少なくとも下から反強磁性層,ピンド層,非磁性結合層,リファレンス層,酸化層及び外部磁界に応じて磁化が回転する自由磁化層が積層されている。この磁気抵抗効果膜はいわゆるスピンバルブ構造を持つ。前記リファレンス層として拡散の大きいGe、SiまたはMnを含む磁性材料を使用し、非磁性結合層及び酸化層の各々と、リファレンス層との間に、それぞれ極薄構造のAlで形成された拡散防止層を挿入する。これらのAlで形成された拡散防止層により、各材料の拡散が防止され、当該磁気抵抗効果素子を使用する磁気記憶装置あるいは磁気メモリ装置の再生出力、信頼性及び感度が向上する。   Still another embodiment is a CPP type magnetoresistive element having upper and lower electrode terminals for passing a sense current in a direction perpendicular to the film surface of the laminated film constituting the element. The magnetoresistive effect element has a magnetoresistive effect film. In this embodiment, the magnetoresistive film has the following laminated structure. That is, an antiferromagnetic layer, a pinned layer, a nonmagnetic coupling layer, a reference layer, an oxide layer, and a free magnetic layer whose magnetization rotates according to an external magnetic field are stacked at least from the bottom. This magnetoresistive film has a so-called spin valve structure. The reference layer uses a magnetic material containing Ge, Si, or Mn having a large diffusion, and is formed of Al having a very thin structure between the nonmagnetic coupling layer and the oxide layer and the reference layer. Insert a layer. These diffusion prevention layers formed of Al prevent the diffusion of each material, thereby improving the reproduction output, reliability, and sensitivity of the magnetic storage device or magnetic memory device using the magnetoresistive effect element.

更に他の実施例は、上記の実施例のいずれかの磁気抵抗効果素子を備える磁気ヘッドである。   Still another embodiment is a magnetic head including the magnetoresistive element of any of the above embodiments.

更に他の実施例は、当該磁気抵抗効果素子を備える磁気ヘッドと、当該磁気ヘッドにより情報の記録がなされ、あるいは記録情報が読み取られる磁気記録媒体とを有する磁気記憶装置である。   Still another embodiment is a magnetic storage device having a magnetic head including the magnetoresistive element and a magnetic recording medium on which information is recorded or information is read by the magnetic head.

更に他の実施は、上記の実施例のいずれかの磁気抵抗効果素子を有する磁気メモリ装置である。   Yet another embodiment is a magnetic memory device having the magnetoresistive effect element according to any of the above embodiments.

ここでリファレンス層として、上記のようにSi,GeまたはMnを含む磁性層を使用した場合,それらの元素の拡散により,実用化に必要な磁気抵抗効果膜の再生出力や信頼性,感度を確保することが困難であった。上記各実施例の磁気抵抗効果素子は、これらの拡散しやすい材料による特性の劣化を防ぐことができる。   Here, when the magnetic layer containing Si, Ge or Mn is used as the reference layer as described above, the reproduction output, reliability, and sensitivity of the magnetoresistive effect film necessary for practical use are secured by diffusion of these elements. It was difficult to do. The magnetoresistive effect element of each of the above embodiments can prevent deterioration of characteristics due to these easily diffusing materials.

すなわち上記各実施例では、Alで形成された拡散防止層を設けることで各材料の拡散を防ぎ、再生出力,信頼性,感度を向上させることができる。ここで上記の如くAlで形成された拡散防止層の膜厚を0.1乃至 1.0nmの範囲にすることで、上記磁性層に含まれるSi,GeあるいはMnの非磁性結合層への拡散を防ぐことができ、ピンド層とリファレンス層との結合力が増加する。同様に非磁性中間層とリファレンス層との間にAlで形成された拡散防止層を挿入することで、Si,GeあるいはMnの原子の拡散によるラフネスの悪化を抑えることができる。その結果自由磁化層の感度を向上させることが可能となり、結果として再生出力を高めることが可能となる。   That is, in each of the above embodiments, by providing a diffusion prevention layer made of Al, diffusion of each material can be prevented, and reproduction output, reliability, and sensitivity can be improved. Here, the diffusion of Si, Ge or Mn contained in the magnetic layer into the non-magnetic coupling layer is controlled by setting the film thickness of the diffusion prevention layer formed of Al as described above in the range of 0.1 to 1.0 nm. And the binding force between the pinned layer and the reference layer increases. Similarly, by inserting a diffusion prevention layer formed of Al between the nonmagnetic intermediate layer and the reference layer, deterioration of roughness due to diffusion of Si, Ge, or Mn atoms can be suppressed. As a result, the sensitivity of the free magnetic layer can be improved, and as a result, the reproduction output can be increased.

ここでAlで形成された拡散防止層の膜厚が1nmより厚い場合、非磁性結合層によるピンド層とリファレンス層との交換結合が消失する。このため、Alで形成された拡散防止層の膜厚としては、スパッタにより成膜可能な0.1nmから1nmの範囲が最適な範囲である。   Here, when the film thickness of the diffusion prevention layer made of Al is thicker than 1 nm, the exchange coupling between the pinned layer and the reference layer by the nonmagnetic coupling layer disappears. For this reason, the optimum range of the film thickness of the diffusion prevention layer formed of Al is from 0.1 nm to 1 nm that can be formed by sputtering.

又上記実施例による磁気ヘッドは、このようにリファレンス層の両方の界面に極薄のAlで形成された拡散防止層を挿入した磁気抵抗効果素子を備える。実施例による磁気抵抗効果素子が高信頼かつ高感度,高出力であるため、当該磁気ヘッドは、より高記録密度の磁気記録に対応させることが可能な構成を有する。   In addition, the magnetic head according to the above embodiment includes the magnetoresistive effect element in which the diffusion prevention layer formed of ultrathin Al is inserted at both interfaces of the reference layer. Since the magnetoresistive effect element according to the embodiment has high reliability, high sensitivity, and high output, the magnetic head has a configuration that can cope with magnetic recording with higher recording density.

他の実施例として、上記いずれかの磁気抵抗効果素子を有する磁気ヘッドと、磁気記録媒体とを備える磁気記憶装置が考えられる。当該磁気記録装置によれば、上記の如く、当該磁気抵抗効果素子が高出力であるため、当該磁気記憶装置の高記録密度化が可能となる。   As another embodiment, a magnetic storage device including a magnetic head having any one of the above magnetoresistive elements and a magnetic recording medium can be considered. According to the magnetic recording apparatus, as described above, since the magnetoresistive effect element has a high output, the recording density of the magnetic storage apparatus can be increased.

また更に他の実施例として、上記の如く反強磁性層,ピンド層,非磁性結合層、リファレンス層,非磁性中間層及び自由磁化層とを備えるCPP型の磁気抵抗効果素子を使用した磁気メモリ装置が考えられる。ここで前記リファレンス層は、スピン依存バルク散乱の大きい(CoFe100−x)M(ここで0≦x≦100,0<y<30原子%、MはGe,SiまたはMnとされる)を有する。あるいは当該リファレンス層は(CoMn100-X)M(ここで0≦x≦100,0<y<30原子%、MはGe,SiまたはAlとされる)を有する。あるいは当該リファレンス層はCo50Fe25Al12.5Si12.5、Co50Fe25Ge12.5Si12.5、Co50Fe25Ge12.5Al12.5、Co50Fe25Ge12.5Mn12.5、Co50Fe25Al12.5Mn12.5、またはCo50Fe25Si12.5Mn12.5を有する。更に非磁性結合層及び非磁性中間層の各々とリファレンス層との間に、それぞれ極薄のAlで形成された拡散防止層を挿入する。その結果各材料の拡散を防ぎ再生出力,信頼性,感度を向上させることが可能となる。このような構成の磁気抵抗効果膜に磁界を印加し、前記自由磁化層の磁化を所定の方向に向ける書込手段を設ける。また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を設ける。このようにして磁気メモリ装置が得られる。 As yet another embodiment, a magnetic memory using a CPP type magnetoresistive element having an antiferromagnetic layer, a pinned layer, a nonmagnetic coupling layer, a reference layer, a nonmagnetic intermediate layer, and a free magnetic layer as described above. A device is conceivable. Here, the reference layer has a large spin-dependent bulk scattering (Co x Fe 100-x ) M y (where 0 ≦ x ≦ 100, 0 <y <30 atomic%, and M is Ge, Si, or Mn. ). Alternatively, the reference layer has (Co x Mn 100-X ) M y (where 0 ≦ x ≦ 100, 0 <y <30 atomic%, and M is Ge, Si, or Al). Alternatively, the reference layer may be Co 50 Fe 25 Al 12.5 Si 12.5 , Co 50 Fe 25 Ge 12.5 Si 12.5 , Co 50 Fe 25 Ge 12.5 Al 12.5 , Co 50 Fe 25 Ge 12.5 Mn 12.5 , Co 50 Fe 25 Al 12.5 Mn 12.5 , or with a Co 50 Fe 25 Si 12.5 Mn 12.5 . Further, a diffusion prevention layer made of ultrathin Al is inserted between each of the nonmagnetic coupling layer and the nonmagnetic intermediate layer and the reference layer. As a result, the diffusion of each material can be prevented and the reproduction output, reliability, and sensitivity can be improved. Writing means is provided for applying a magnetic field to the magnetoresistive effect film having such a configuration to direct the magnetization of the free magnetic layer in a predetermined direction. Also provided is a reading means for detecting a resistance value by supplying a sense current to the magnetoresistive film. In this way, a magnetic memory device is obtained.

上記各実施例によれば、信頼性が高く,磁界を検知する感度が良好でかつ高出力な磁気抵抗効果素子、これを用いた磁気ヘッド、磁気記憶装置、および磁気メモリ装置を提供することができる。   According to each of the above embodiments, it is possible to provide a magnetoresistive effect element having high reliability, good sensitivity for detecting a magnetic field, and high output, and a magnetic head, a magnetic storage device, and a magnetic memory device using the magnetoresistive effect element. it can.

以下図面を参照しつつ、実施例1につき、詳細に説明する。なお、説明の便宜のため、特に断らない限り、「単位面積当たりの磁気抵抗変化量ΔRA」を「磁気抵抗変化量ΔRA」あるいは単に「ΔRA」と略称する。   Hereinafter, Example 1 will be described in detail with reference to the drawings. For convenience of explanation, unless otherwise specified, “magnetic resistance change amount ΔRA per unit area” is abbreviated as “magnetic resistance change amount ΔRA” or simply “ΔRA”.

実施例1の磁気抵抗効果素子と、誘導型記録素子とを備えた複合型の磁気ヘッドについて説明する。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(図示を省略)の移動方向を示す。図1を参照するに、複合型磁気ヘッド10は、大略して、ヘッドスライダの基体となるAl23−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とを有する。 A composite magnetic head provided with the magnetoresistive effect element of Example 1 and an inductive recording element will be described. 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 the arrow X indicates the moving direction of a magnetic recording medium (not shown) facing the magnetoresistive element. Referring to FIG. 1, a composite magnetic head 10 is roughly composed of a magnetoresistive effect element 20 formed on a flat ceramic substrate 11 such as Al 2 O 3 —TiC serving as a base of a head slider, It has an inductive recording element 13 formed thereon.

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とを有する。誘導型記録素子13は更に、上部磁極14と下部磁極16とを磁気的に接続するヨーク(図示を省略)と、ヨークに巻回され、記録電流により記録磁界をする誘起するコイル(図示を省略)とを有する。上部磁極14、下部磁極16、およびヨークは軟磁性材料で形成される。この軟磁性材料として、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あるいはCoNiFe等が挙げられる。なお、誘導型記録素子13の構成は上記のものに限定されることなく、他の公知の構成を用いることもできる。 The inductive recording element 13 includes an upper magnetic pole 14 having a width corresponding to the track width of the magnetic recording medium on the medium facing surface, and a lower magnetic pole 16 facing the upper magnetic pole 14 with a recording gap layer 15 made of a nonmagnetic material interposed therebetween. Have The inductive recording element 13 further includes a yoke (not shown) that magnetically connects the upper magnetic pole 14 and the lower magnetic pole 16, and a coil (not shown) that is wound around the yoke and generates a recording magnetic field by a recording current. ). The upper magnetic pole 14, the lower magnetic pole 16, and the yoke are made of a soft magnetic material. Examples of the soft magnetic material include a material having a high saturation magnetic flux density in order to secure a recording magnetic field, such as Ni 80 Fe 20 , CoZrNb, FeN, FeSiN, FeCo, or CoNiFe. The configuration of the inductive recording element 13 is not limited to the above, and other known configurations can be used.

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が積層された構成を有する。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 magnetoresistive effect element 20 includes a lower electrode 21, a magnetoresistive effect film 30 (hereinafter referred to as “GMR film 30”), an alumina film 25, an upper electrode on an alumina film 12 formed on the surface of the ceramic substrate 11. 22 has a laminated structure. The GMR film 30 is electrically connected to the lower electrode 21 and the upper electrode 22, respectively.

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膜との積層体の構成を有する。磁区制御膜24は、GMR膜30に含まれる自由磁化層(図2に示す。)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。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またはCoFe等で形成される。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膜またはTi膜等を設けてもよい。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ことが望ましい。   A magnetic domain control film 24 is provided on both sides of the GMR film 30 via an insulating film 23. The magnetic domain control film 24 has, for example, a stacked structure of a Cr film and a ferromagnetic CoCrPt film. The magnetic domain control film 24 makes the free magnetic layer (shown in FIG. 2) included in the GMR film 30 a single magnetic domain and prevents the occurrence of Barkhausen noise. The lower electrode 21 and the upper electrode 22 have a function as a magnetic shield in addition to a function as a flow path of the sense current Is. Therefore, the lower electrode 21 and the upper electrode 22 are formed of a soft magnetic alloy such as NiFe or CoFe. Further, a conductive film such as a Cu film, a Ta film, or a Ti film may be provided at the interface between the lower electrode 21 and the GMR film 30. The magnetoresistive effect element 20 and the inductive recording element 13 are preferably covered with an alumina film, a hydrogenated carbon film, or the like in order to prevent corrosion or the like.

センス電流Isは、例えば上部電極22から、GMR膜30を、その膜面に垂直に流れ、下部電極21に達する。磁気記録媒体から漏洩する信号磁界の強度および方向に対応して当該GMR膜30の電気抵抗値、いわゆる磁気抵抗値が変化する。磁気抵抗効果素子20において、所定の電流量のセンス電流Isを流すことにより、GMR膜30の磁気抵抗値の変化を電圧変化として検出することができる。このようにして、磁気抵抗効果素子20を用いて磁気記録媒体に記録された情報を再生することができる。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、その逆向きでもよい。また、磁気記録媒体の移動方向も上記X方向とは逆向きの方向でもよい。   The sense current Is flows, for example, from the upper electrode 22 through the GMR film 30 perpendicularly to the film surface and reaches the lower electrode 21. The electric resistance value of the GMR film 30, that is, the so-called magnetoresistance value changes in accordance with the intensity and direction of the signal magnetic field leaking from the magnetic recording medium. In the magnetoresistive effect element 20, a change in the magnetoresistance value of the GMR film 30 can be detected as a voltage change by passing a sense current Is of a predetermined current amount. In this manner, information recorded on the magnetic recording medium can be reproduced using the magnetoresistive effect element 20. The direction in which the sense current Is flows is not limited to the direction shown in FIG. In addition, the moving direction of the magnetic recording medium may be a direction opposite to the X direction.

図2は、上記実施例1の磁気抵抗効果素子に含まれる第1例のGMR膜の断面図である。   FIG. 2 is a cross-sectional view of the first example GMR film included in the magnetoresistive effect element of the first embodiment.

図2を参照するに、第1例のGMR膜30では、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、自由磁化層38、保護層39が順次積層されている。当該GMR膜30は、いわゆるシングルスピンバルブ構造を有する。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、例えば、NiCr膜や、Ta膜(例えば膜厚5nm)と、NiFe膜(例えば膜厚5nm)との積層体等の構成を有する。この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る。   Referring to FIG. 2, in the GMR film 30 of the first example, a base layer 31, an antiferromagnetic layer 32, a fixed magnetization stack 33, a nonmagnetic metal layer 37, a free magnetization layer 38, and a protective layer 39 are sequentially stacked. ing. The GMR film 30 has a so-called single spin valve structure. The underlayer 31 is formed on the surface of the lower electrode 21 shown in FIG. 1 by sputtering or the like. For example, a stacked body of a NiCr film, a Ta film (for example, a film thickness of 5 nm), and a NiFe film (for example, a film thickness of 5 nm). Etc. This NiFe film preferably has a Fe content in the range of 17 atomic% to 25 atomic%. By using the NiFe film having such a composition, the antiferromagnetic layer 32 is epitaxially grown on the surface of the (111) crystal plane which is the crystal growth direction of the NiFe film and the crystallographically equivalent crystal plane. Thereby, the crystallinity of the antiferromagnetic layer 32 can be improved.

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種を含む。)で形成される。Mn−TM合金としては、例えば、PtMn、PdMn、NiMn、IrMn、あるいは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(すなわちピンド層)34に交換相互作用を及ぼしピンド層34の磁化を所定の向きに固定する。固定磁化積層体33は、反強磁性層32側から、ピンド層34、非磁性結合層35、リファレンス層36が順に積層された構成、いわゆる積層フェリ構造を有する。固定磁化積層体33では、ピンド層34の磁化とリファレンス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になる。   The antiferromagnetic layer 32 is formed of, for example, a Mn-TM alloy (TM includes at least one of Pt, Pd, Ni, Ir, and Rh) having a film thickness of 4 nm to 30 nm (preferably 4 nm to 10 nm). The Examples of the Mn-TM alloy include PtMn, PdMn, NiMn, IrMn, and PtPdMn. The antiferromagnetic layer 32 causes exchange interaction with the first pinned magnetic layer (that is, the pinned layer) 34 of the pinned magnetization stack 33 to pin the magnetization of the pinned layer 34 in a predetermined direction. The fixed magnetization stack 33 has a so-called stacked ferrimagnetic structure in which a pinned layer 34, a nonmagnetic coupling layer 35, and a reference layer 36 are stacked in this order from the antiferromagnetic layer 32 side. In the fixed magnetization stack 33, the magnetization of the pinned layer 34 and the magnetization of the reference 36 are antiferromagnetically exchange-coupled, and the magnetization directions are antiparallel to each other.

ピンド層34として好適な軟磁性材料としては、比抵抗が低い点で、Co60Fe40、またはNiFeが挙げられる。ここで、ピンド層34の磁化は、リファレンス層36の磁化の向きに対して逆向きとなるので、ピンド層34が、磁気抵抗変化量ΔRAを低下させる作用を及ぼす。このような場合、ピンド層34として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。 As a soft magnetic material suitable for the pinned layer 34, Co 60 Fe 40 or NiFe can be cited because of its low specific resistance. Here, since the magnetization of the pinned layer 34 is opposite to the magnetization direction of the reference layer 36, the pinned layer 34 acts to reduce the magnetoresistance change ΔRA. In such a case, the use of a ferromagnetic material having a low specific resistance as the pinned layer 34 can suppress a decrease in the magnetoresistance change ΔRA.

リファレンス層36は、それぞれの膜厚1〜10nm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で形成される。リファレンス36の組成は、CoFe、CoFeB、CoFeAl、NiFe、FeCoCuまたはCoNiFeとしてもよい。あるいは(CoxFe100−X)M(ここで0≦x≦100,0<y<30原子%、MはGe,SiまたはMnを示す)としてもよい。あるいは(CoMn100−x)M(ここで0≦x≦100,0<y<30原子%、MはGe,SiまたはAlを示す)としてもよい。あるいはCo50Fe25Al12.5Si12.5、Co50Fe25Ge12.5Si12.5、Co50Fe25Ge12.5Al12.5、Co50Fe25Ge12.5Mn12.5、Co50Fe25Al12.5Mn12.5、またはCo50Fe25Si12.5Mn12.5等としてもよい。なお、ピンド層34及びリファレンス層36は各々、1層の構成であってもよいし、2層以上の積層体の構成であってもよい。積層体の構成の場合、当該積層体が有するそれぞれの層に、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い。あるいは、それぞれの層に、互いに異なる元素を組み合わせた材料を用いてもよい。リファレンス層36の材料として特に好ましいのは、(CoFe100−X)M(ここで0≦x≦100,0<y<30原子%、MはGe,SiまたはMnを示す)である。あるいは(CoMn100−x)M(ここで0≦x≦100,0<y<30原子%、MはGe,SiまたはAlを示す)である。あるいはCo50Fe25Al12.5Si12.5、Co50Fe25Ge12.5Si12.5、Co50Fe25Ge12.5Al12.5、Co50Fe25Ge12.5Mn12.5、Co50Fe25Al12.5Mn12.5またはCo50Fe25Si12.5Mn12.5である。これは、以下の理由による。上記各材料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あり、その他の軟磁性材料よりも比較的大きい。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、Co50Fe25Ge25のスピン依存バルク散乱係数は0.50である。また、比抵抗につき、CoFeGeはCoFeよりも極めて大きく、例えばCo90Fe10が20μΩcmであるに対して、Co50Fe25Ge25は6倍以上の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。このため、CoFeGe等の方がCoFeよりも磁気抵抗変化量ΔRAが極めて大きい。したがって、リファレンス層36にそれらの材料のうちの何れかを用いることで、磁気抵抗変化量ΔRAを大幅に増加させることができる。 The reference layer 36 is formed of a ferromagnetic material containing at least one of Co, Ni, and Fe having a thickness of 1 to 10 nm. The composition of the reference 36 may be CoFe, CoFeB, CoFeAl, NiFe, FeCoCu, or CoNiFe. Alternatively, (CoxFe 100-X ) M y (where 0 ≦ x ≦ 100 , 0 <y <30 atomic%, M represents Ge, Si, or Mn) may be used. Alternatively, (Co x Mn 100-x ) M y (where 0 ≦ x ≦ 100, 0 <y <30 atomic%, M represents Ge, Si, or Al) may be used. Or Co 50 Fe 25 Al 12.5 Si 12.5 , Co 50 Fe 25 Ge 12.5 Si 12.5 , Co 50 Fe 25 Ge 12.5 Al 12.5 , Co 50 Fe 25 Ge 12.5 Mn 12.5 , Co 50 Fe 25 Al 12.5 Mn 12.5 , or Co 50 Fe 25 Si 12.5 Mn 12.5 or the like may be used. Note that each of the pinned layer 34 and the reference layer 36 may have a single-layer configuration or a stacked-layer configuration of two or more layers. In the case of a structure of a stacked body, materials having different composition ratios may be used for each layer included in the stacked body in the same combination of elements. Alternatively, a material in which different elements are combined may be used for each layer. Particularly preferable as the material of the reference layer 36 is (Co x Fe 100-X ) M y (where 0 ≦ x ≦ 100, 0 <y <30 atomic%, M represents Ge, Si or Mn). . Or a (Co x Mn 100-x) M y (0 ≦ x ≦ 100,0 <y <30 at%, where, M denotes the Ge, Si or Al). Or Co 50 Fe 25 Al 12.5 Si 12.5 , Co 50 Fe 25 Ge 12.5 Si 12.5 , Co 50 Fe 25 Ge 12.5 Al 12.5 , Co 50 Fe 25 Ge 12.5 Mn 12.5 , Co 50 Fe 25 Al 12.5 Mn 12.5 or Co 50 Fe 25 Si 12.5 Mn 12.5 . This is due to the following reason. The spin-dependent bulk scattering coefficient of each of the above materials is comparable to the spin-dependent bulk scattering coefficient of CoFe, which is a soft magnetic material, and is relatively larger 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 25 Ge 25 is 0.50. In terms of specific resistance, CoFeGe is much larger than CoFe, for example, Co 90 Fe 10 is 20 μΩcm, whereas Co 50 Fe 25 Ge 25 is 130 μΩcm, which is 6 times or more. The amount of change in magnetoresistance depends on the product of the spin-dependent bulk scattering coefficient and the specific resistance. For this reason, CoFeGe and the like have a much larger magnetoresistance change ΔRA than CoFe. Therefore, the magnetoresistance change ΔRA can be significantly increased by using any of these materials for the reference layer 36.

また,非磁性層35,37と当該リファレンス層36の上記材料との界面にAlの薄膜、すなわちAlで形成された拡散防止層1−1,1−2を挿入する。あるいはリファレンス層36が上記の如く積層体の構成を有する場合には、非磁性層35,37の各々と当該磁性層の積層体との界面にAlの薄膜、すなわちAlで形成された拡散防止層1−1,1−2を挿入する。この場合、比抵抗の増加に効果のあるMn,Si,Ge材料が非磁性層35,37に拡散することが防止される。その際のAlで形成された拡散防止層1−1,1−2の膜厚は、膜としてスパッタ可能な膜厚である0.1nmから1nmの範囲が好適である。非磁性結合層35の膜厚は、第1固定磁化層(すなわちピンド層)34と第2固定磁化層(すなわちリファレンス層)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、あるいはIr系合金等の非磁性材料で形成される。Ru系合金としては、Ruと、Co、Cr、Fe、Ni、およびMnのうちいずれか一つとの合金が好適である。あるいはこのRu系合金としては、Ruと、Co、Cr、Fe、Ni、およびMnのうちいずれか2種以上との合金も好適である。   In addition, Al thin films, that is, diffusion preventing layers 1-1 and 1-2 made of Al, are inserted at the interface between the nonmagnetic layers 35 and 37 and the material of the reference layer 36. Alternatively, when the reference layer 36 has a layered structure as described above, an Al thin film, that is, a diffusion prevention layer formed of Al, is formed at the interface between each of the nonmagnetic layers 35 and 37 and the layered magnetic layer. 1-1 and 1-2 are inserted. In this case, the Mn, Si, and Ge materials effective in increasing the specific resistance are prevented from diffusing into the nonmagnetic layers 35 and 37. At this time, the film thickness of the diffusion preventing layers 1-1 and 1-2 formed of Al is preferably in the range of 0.1 nm to 1 nm which is a film thickness that can be sputtered as a film. The film thickness of the nonmagnetic coupling layer 35 is set in a range in which the first pinned magnetic layer (that is, the pinned layer) 34 and the second pinned magnetic layer (that is, the reference layer) 36 are antiferromagnetically exchange coupled. The range is 0.4 nm to 1.5 nm (preferably 0.4 nm to 0.9 nm). The nonmagnetic coupling layer 35 is formed of a nonmagnetic material such as Ru, Rh, Ir, Ru-based alloy, Rh-based alloy, or Ir-based alloy. As the Ru-based alloy, an alloy of Ru and any one of Co, Cr, Fe, Ni, and Mn is preferable. Alternatively, as this Ru-based alloy, an alloy of Ru and any two or more of Co, Cr, Fe, Ni, and Mn is also suitable.

非磁性中間層37は、例えば、膜厚1.5nm〜10nmの非磁性の導電性材料で形成される。非磁性中間層37に好適な導電性材料としてはCu、AlあるいはCr等が挙げられる。   The nonmagnetic intermediate layer 37 is formed of, for example, a nonmagnetic conductive material having a thickness of 1.5 nm to 10 nm. Examples of the conductive material suitable for the nonmagnetic intermediate layer 37 include Cu, Al, and Cr.

自由磁化層38は、非磁性中間層37の表面に設けられ、例えば膜厚が2nm〜12nmのCoFe,NiFe,CoFeAlあるいはCoFeGeで形成される。   The free magnetic layer 38 is provided on the surface of the nonmagnetic intermediate layer 37 and is made of, for example, CoFe, NiFe, CoFeAl, or CoFeGe having a thickness of 2 nm to 12 nm.

保護層39は非磁性の導電性材料で形成され、例えばRu、Cu、Ta、Au、Al、およびWのうちのいずれかを含む金属膜で形成され、あるいはこれらの金属膜の積層体で形成される。保護層39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の際、自由磁化層38の酸化を防止する。   The protective layer 39 is formed of a nonmagnetic conductive material, for example, formed of a metal film containing any of Ru, Cu, Ta, Au, Al, and W, or formed of a laminate of these metal films. Is done. The protective layer 39 prevents the free magnetic layer 38 from being oxidized during the heat treatment for causing the antiferromagnetism of the antiferromagnetic layer 32 described below to appear.

次にこの第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、蒸着法あるいはCVD法等により、下地層31から保護層39までの各々の層を上述した材料を用いて形成する。   Next, a method for forming the GMR film 30 of the first example will be described with reference to FIG. First, each layer from the base layer 31 to the protective layer 39 is formed using the above-described materials by sputtering, vapor deposition, CVD, or the like.

次いで、このようにして得られた積層体を磁界中で熱処理する。具体的には、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の各設定にて行う。この熱処理により、上述したMn−TM合金のうちの一部は、規則合金化し、そこに反強磁性が出現する。また、熱処理の際に所定の方向に磁界を印加することで、反強磁性層32の磁化の方向を所定の方向に設定し、反強磁性層32とピンド層33との交換相互作用によりピンド層33の磁化を所定の向きに固定し得る。   Next, the laminated body thus obtained is heat-treated in a magnetic field. Specifically, in a vacuum atmosphere, for example, the heating temperature is 250 ° C. to 320 ° C., the heating time is about 2 to 4 hours, and the applied magnetic field is set to 1592 kA / m. By this heat treatment, a part of the Mn-TM alloy described above becomes a regular alloy, and antiferromagnetism appears there. In addition, by applying a magnetic field in a predetermined direction during the heat treatment, the magnetization direction of the antiferromagnetic layer 32 is set to a predetermined direction, and the pinned layer 33 is pinned by the exchange interaction between the antiferromagnetic layer 32 and the pinned layer 33. The magnetization of the layer 33 can be fixed in a predetermined direction.

次いで、下地層31から保護層39までの積層体を所定の形状にパターニングしてGMR膜30を得る。なお、以下に説明する第2例〜第3例のGMR膜も、上記した第1例のGMR膜30と同様の方法にて形成し得る。   Next, the GMR film 30 is obtained by patterning the stacked body from the base layer 31 to the protective layer 39 into a predetermined shape. Note that the GMR films of the second to third examples described below can also be formed by the same method as the GMR film 30 of the first example.

次に、上記実施例1の磁気抵抗効果素子20に含まれるGMR膜としての、第2例のGMR膜について説明する。この場合、図1に示す磁気抵抗効果素子20のGMR膜30の代わりに第2例のGMR膜40を使用する。図3は、実施例1の磁気抵抗効果素子20に含まれるGMR膜としての第2例のGMR膜40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、その説明を省略する。   Next, a second example GMR film as a GMR film included in the magnetoresistive effect element 20 of Example 1 will be described. In this case, the GMR film 40 of the second example is used instead of the GMR film 30 of the magnetoresistive effect element 20 shown in FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view of a second example GMR film 40 as a GMR film included in the magnetoresistive effect element 20 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、この第2例のGMR膜40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、自由磁化層38、上部非磁性金属層47、上部固定磁化積層体43、上部反強磁性層42及び保護層39を含む。またGMR膜40は、上記各層が順次積層された構成を有する。すなわち、GMR膜40では、図2に示す第1例のGMR膜30の自由磁化層38と保護層39との間に、上部非磁性金属層47、上部固定磁化積層体43、上部反強磁性層42が設けられている。すなわち第2例のGMR膜40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34は、それぞれ図2に示す上記第1例のGMR膜30の反強磁性層32、固定磁化層33、および非磁性金属層34と同様の材料および膜厚を有するため同一の符号を用いている。また上部非磁性金属層47および上部反強磁性層42としては、それぞれ下部非磁性金属層37および下部反強磁性層32と同様の材料を用いて形成することができる。またこれら上部非磁性金属層47、上部反強磁性層42のそれぞれの膜厚も、下部非磁性金属層37、下部反強磁性層32と同様の範囲に設定し得る。また、上部固定磁化積層体43は、上部反強磁性層42側から上部ピンド層44、上部非磁性結合層45、上部リファレンス層46が順に積層された構成、すなわち、いわゆる積層フェリ構造を有する。上部ピンド層44、上部非磁性結合層45、上部リファレンス層46は、それぞれ下部ピンド層34、下部非磁性結合層35、下部リファレンス層36と同様の材料を用いて形成することができる。またこれら上部ピンド層44、上部非磁性結合層45、上部リファレンス層46の膜厚は、それぞれ、下部ピンド層34、下部非磁性結合層35、下部リファレンス層36の膜厚と同様の範囲に設定し得る。   Referring to FIG. 3, the GMR film 40 of the second example includes an underlayer 31, a lower antiferromagnetic layer 32, a lower fixed magnetization stack 33, a lower nonmagnetic metal layer 37, a free magnetic layer 38, and an upper nonmagnetic metal. A layer 47, an upper pinned magnetization stack 43, an upper antiferromagnetic layer 42, and a protective layer 39. The GMR film 40 has a configuration in which the above layers are sequentially stacked. That is, in the GMR film 40, the upper nonmagnetic metal layer 47, the upper pinned magnetization stack 43, and the upper antiferromagnetic layer are provided between the free magnetic layer 38 and the protective layer 39 of the GMR film 30 of the first example shown in FIG. A layer 42 is provided. That is, the GMR film 40 of the second example has a so-called dual spin valve structure. Note that the lower antiferromagnetic layer 32, the lower pinned magnetization stack 33, and the lower nonmagnetic metal layer 34 are the antiferromagnetic layer 32, the pinned magnetization layer 33, the GMR film 30 of the first example shown in FIG. The same reference numerals are used because they have the same material and film thickness as the nonmagnetic metal layer 34. The upper nonmagnetic metal layer 47 and the upper antiferromagnetic layer 42 can be formed using the same materials as the lower nonmagnetic metal layer 37 and the lower antiferromagnetic layer 32, respectively. The film thicknesses of the upper nonmagnetic metal layer 47 and the upper antiferromagnetic layer 42 can also be set in the same range as the lower nonmagnetic metal layer 37 and the lower antiferromagnetic layer 32. The upper pinned magnetization stack 43 has a configuration in which an upper pinned layer 44, an upper nonmagnetic coupling layer 45, and an upper reference layer 46 are stacked in this order from the upper antiferromagnetic layer 42 side, that is, a so-called stacked ferrimagnetic structure. The upper pinned layer 44, the upper nonmagnetic coupling layer 45, and the upper reference layer 46 can be formed using the same materials as the lower pinned layer 34, the lower nonmagnetic coupling layer 35, and the lower reference layer 36, respectively. The film thicknesses of the upper pinned layer 44, upper nonmagnetic coupling layer 45, and upper reference layer 46 are set in the same ranges as the film thicknesses of the lower pinned layer 34, lower nonmagnetic coupling layer 35, and lower reference layer 36, respectively. Can do.

このGMR膜40では、上部リファレンス層46及び下部リファレンス層36の各々が、図2に示す第1例のGMR膜のリファレンス層36と同様の構成を有する要に形成し得る。すなわち、(CoFe100−x)M(ここで0≦x≦100,0<y<30原子%、MはGe,SiまたはMnを示す)または(CoMn100−x)M(ここで0≦x≦100,0<y<30原子%、MはGe,SiまたはAlを示す)で形成し得る。あるいはCo50Fe25Al12.5Si12.5、Co50Fe25Ge12.5Si12.5、Co50Fe25Ge12.5Al12.5、Co50Fe25Ge12.5Mn12.5、Co50Fe25Al12.5Mn12.5、またはCo50Fe25Si12.5Mn12.5で形成し得る。また図3に示す如く、上記非磁性層35,37および45,47の各々と、下部リファレンス層36および上部リファレンス層46の各々の上記材料との界面に、Alの薄膜、すなわちAlで形成された拡散防止層1−1,1−2,1−3,1―4を挿入する。あるいはリファレンス層46及び36の各々が上記の如く積層体の構成を有する場合には、上記非磁性層35,37および45,47の各々と、当該リファレンス層36、46としてのそれぞれの積層体との界面に、Alの薄膜、すなわちAlで形成された拡散防止層1−1,1−2,1−3,1―4を挿入する。この場合、リファレンス層36,46が有する、比抵抗の増加に効果のあるMn,Si,Ge材料が、Alで形成された拡散防止層1−1,1−2,1−3,1―4を通し、非磁性層35,37,45,47に拡散することが可能となる.その際のAlで形成された拡散防止層1−1,1−2,1−3,1―4の各々の膜厚は、膜としてスパッタ可能な膜厚である0.1nm〜1nmの範囲が好適である。このような積層構造により、第2例のGMR膜40を有する磁気抵抗効果素子は、第1例のGMR膜30を有する磁気抵抗効果素子の場合と同様の理由により、大きな磁気抵抗変化量ΔRAを有するようになる。 In the GMR film 40, each of the upper reference layer 46 and the lower reference layer 36 can be formed to have the same configuration as the reference layer 36 of the GMR film of the first example shown in FIG. That is, (Co x Fe 100-x ) M y (where 0 ≦ x ≦ 100, 0 <y <30 atomic%, M represents Ge, Si, or Mn) or (Co x Mn 100-x ) M y (Where 0 ≦ x ≦ 100, 0 <y <30 atomic%, M represents Ge, Si or Al). Or Co 50 Fe 25 Al 12.5 Si 12.5 , Co 50 Fe 25 Ge 12.5 Si 12.5 , Co 50 Fe 25 Ge 12.5 Al 12.5 , Co 50 Fe 25 Ge 12.5 Mn 12.5 , Co 50 Fe 25 Al 12.5 Mn 12.5 , or Co 50 Fe 25 Si 12.5 Mn 12.5 may be formed. Further, as shown in FIG. 3, an Al thin film, that is, Al is formed at the interface between each of the nonmagnetic layers 35, 37, 45, and 47 and each of the materials of the lower reference layer 36 and the upper reference layer 46. Diffusion prevention layers 1-1, 1-2, 1-3, and 1-4 are inserted. Alternatively, when each of the reference layers 46 and 36 has a laminated structure as described above, each of the nonmagnetic layers 35, 37 and 45, 47 and the respective laminated bodies as the reference layers 36, 46 At the interface, an Al thin film, that is, a diffusion preventing layer 1-1, 1-2, 1-3, and 1-4 formed of Al is inserted. In this case, the diffusion prevention layers 1-1, 1-2, 1-3, and 1-4 in which the Mn, Si, and Ge materials that are effective in increasing the specific resistance of the reference layers 36 and 46 are formed of Al. It is possible to diffuse into the nonmagnetic layers 35, 37, 45 and 47. At this time, the film thickness of each of the diffusion prevention layers 1-1, 1-2, 1-3, and 1-4 formed of Al is in a range of 0.1 nm to 1 nm that can be sputtered as a film. Is preferred. Due to such a laminated structure, the magnetoresistive effect element having the GMR film 40 of the second example has a large magnetoresistance change ΔRA for the same reason as that of the magnetoresistive effect element having the GMR film 30 of the first example. To have.

さらに、このGMR膜40は、下部固定磁化積層体33、下部非磁性金属層37、自由磁化層38からなるスピンバルブ構造を有する。更にこのGMR膜40は、自由磁化層38、上部非磁性金属層47、上部固定磁化積層体43からなるスピンバルブ構造をも有する。したがって、GMR膜40では、その磁気抵抗変化量ΔRAが増加し、その結果GMR膜40は、第1例のGMR膜30の磁気抵抗変化量ΔRAに対し、約二倍の磁気抵抗変化量を有する。その結果、第2例のGMR膜40を磁気抵抗効果素子に用いることで、第1例のGMR膜30を用いた場合よりも、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40の形成方法は上記した第1例のGMR膜30の形成方法と略同様であるので、その説明を省略する。   Further, the GMR film 40 has a spin valve structure including a lower fixed magnetization stack 33, a lower nonmagnetic metal layer 37, and a free magnetization layer 38. Further, the GMR film 40 also has a spin valve structure including a free magnetic layer 38, an upper nonmagnetic metal layer 47, and an upper fixed magnetization stack 43. Therefore, in the GMR film 40, the magnetoresistance change amount ΔRA increases, and as a result, the GMR film 40 has a magnetoresistance change amount about twice the magnetoresistance change amount ΔRA of the GMR film 30 of the first example. . As a result, by using the GMR film 40 of the second example for the magnetoresistive effect element, it is possible to realize a magnetoresistive effect element with higher output than when the GMR film 30 of the first example is used. The method for forming the GMR film 40 is substantially the same as the method for forming the GMR film 30 of the first example described above, and a description thereof will be omitted.

図6〜8は、上記実施例1のGMR膜のリファレンス層においてGeを含む磁性材料を用いた場合の特性を示す図である。図6は、リファレンス層におけるGe組成及びその膜厚と、Alで形成された拡散防止層の有無をパラメータとして、出力を表すMR比を示す図である。図7は、リファレンス層におけるGe組成及びその膜厚と、Alで形成された拡散防止層の有無をパラメータとして、再生素子の感度Hinを示す図である。図8は、リファレンス層におけるGe組成及びその膜厚と、Alで形成された拡散防止層の有無をパラメータとして、ピン層の信頼性を表すHuaを示す図である。ここでピン層とは、ピンド層,非磁性結合層およびリファレンス層の積層体を示す(以下同様)。ここでは実施例1の各サンプルを以下のようにして作製した。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)の積層膜を形成した。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。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。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。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。以下に、実施例1のGMR膜の具体的構成を示す。なお、括弧内の数値は膜厚を表す。なおこの点は以下の実施例においても同様である。 6 to 8 are diagrams showing characteristics when a magnetic material containing Ge is used in the reference layer of the GMR film of Example 1 described above. FIG. 6 is a diagram showing the MR ratio representing the output with the Ge composition and thickness of the reference layer and the presence / absence of the diffusion prevention layer formed of Al as parameters. FIG. 7 is a diagram showing the sensitivity Hin of the reproducing element using the Ge composition and thickness of the reference layer and the presence / absence of a diffusion prevention layer formed of Al as parameters. FIG. 8 is a diagram showing Hua representing the reliability of the pinned layer using the Ge composition and thickness of the reference layer and the presence / absence of the diffusion prevention layer formed of Al as parameters. Here, the pinned layer refers to a laminated body of a pinned layer, a nonmagnetic coupling layer, and a reference layer (the same applies hereinafter). Here, each sample of Example 1 was produced as follows. On the silicon substrate on which the thermal oxide film was formed, a Cu (250 nm) / NiFe (50 nm) laminated film was formed as a lower electrode from the silicon substrate side. Next, do not heat the substrate using a sputtering apparatus in an ultrahigh vacuum (degree of vacuum: 2 × 10 −6 Pa or less) layer of each of the laminated body from the base layer to the protective layer having the following composition and film thickness. Formed. 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. 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. 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. The specific configuration of the GMR film of Example 1 is shown below. The numerical value in parentheses represents the film thickness. This also applies to the following embodiments.

下地層:Ru(4nm)
反強磁性層:IrMn(5nm)
ピンド層:Co60Fe40(2nm)
非磁性結合層:Ru(0.72nm)
拡散防止層:Al(0.25nm)
リファレンス層:CoFeGe(2〜3nm)
拡散防止層:Al(0.25nm)
非磁性金属層:Cu(3.5nm)
自由磁化層:CoFeGe(4.5nm)
非磁性金属層:Cu(1.5nm)
保護層:Ru(5nm)
これらのサンプルにつき,磁気抵抗変化量ΔR値を測定し、同程度の接合面積を有する磁気抵抗効果素子毎に磁気抵抗変化率MR比(ΔRA/RA)の平均値を求めた。なお、磁気抵抗変化量ΔRの測定は以下の如くに行った。すなわち、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(すなわちリファレンス層)の磁化方向に平行に−79kA/m〜79kA/mの範囲で掃引した。また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、磁気抵抗曲線を得た。そして、磁気抵抗曲線の最大値と最小値との差から磁気抵抗変化量ΔRを求めた。また、後述のHinやHuaは、外部磁界を上記と同じ方向に−7.9kA/m〜7.9kA/mの範囲で掃引し、得られた磁気抵抗曲線のヒステリシスから求めた。ここでHinとは,図5に示すように、外部磁場の向きが変わる際、抵抗の変化が応答するのに要される磁場のシフト量を表す。リファレンス層と自由磁化層との間の磁気的な結合力が切れている時はそのシフト量が小さくなり、外部の磁場の変化に感度良く反応し得る状態となる。このHinは主に非磁性中間層の膜厚とラフネスによって決まる。非磁性中間層の膜厚が薄い場合や,ラフネスが大きくリファレンス層と自由磁化層とが部分的に磁気的結合してしまう場合、自由磁化層が媒体からの磁場に感度良く反応することができなくなる。このような場合非磁性中間層を厚くしてHinを下げる方法が考えられる。しかしながらCPP型素子の場合非磁性中間層の膜厚を増加させると上部端子と下部端子との間の距離が増加し、ビット方向の効率が低下してしまう。このため非磁性中間層の厚さは3.5nm以下が望ましい。また,磁気抵抗効果素子として正常に作用するための条件として、少なくともHin≦15[Oe]であることが要求される。また,Huaとは,図5に示すように、マイナスから磁場を変化させて抵抗の変化が起きた後に抵抗が下がる際の、磁気抵抗曲線の中点と原点との間の磁場の差を示す。この値Huaが大きいことは、外部磁場に対して磁化曲線が影響を受けにくいことを意味する。したがってHuaが大きいほど、より信頼性の高い磁気抵抗効果膜と言える。実用上Hua≧2000[Oe]が要求される。
Underlayer: Ru (4 nm)
Antiferromagnetic layer: IrMn (5 nm)
Pinned layer: Co 60 Fe 40 (2 nm)
Nonmagnetic coupling layer: Ru (0.72 nm)
Diffusion prevention layer: Al (0.25 nm)
Reference layer: CoFeGe (2-3 nm)
Diffusion prevention layer: Al (0.25 nm)
Nonmagnetic metal layer: Cu (3.5 nm)
Free magnetic layer: CoFeGe (4.5 nm)
Nonmagnetic metal layer: Cu (1.5 nm)
Protective layer: Ru (5 nm)
For these samples, the magnetoresistance change ΔR value was measured, and the average value of magnetoresistance change MR ratio (ΔRA / RA) was determined for each magnetoresistive effect element having the same junction area. The magnetoresistance change ΔR was measured as follows. That is, the current value of the sense current was set to 2 mA, and the external magnetic field was swept in the range of −79 kA / m to 79 kA / m parallel to the magnetization directions of the lower and upper second fixed magnetization layers (that is, the reference layer). Further, the voltage between the lower electrode and the upper electrode was measured with a digital voltmeter to obtain a magnetoresistance curve. Then, the magnetoresistance change ΔR was obtained from the difference between the maximum value and the minimum value of the magnetoresistance curve. Further, Hin and Hua described later were obtained from the hysteresis of the obtained magnetoresistance curve by sweeping the external magnetic field in the same direction as described above in the range of −7.9 kA / m to 7.9 kA / m. Here, as shown in FIG. 5, the term “Hin” represents the amount of magnetic field shift required for the change in resistance to respond when the direction of the external magnetic field changes. When the magnetic coupling force between the reference layer and the free magnetic layer is broken, the shift amount becomes small, and it becomes possible to react with sensitivity to an external magnetic field change. This Hin is mainly determined by the film thickness and roughness of the nonmagnetic intermediate layer. When the nonmagnetic intermediate layer is thin, or when the roughness is large and the reference layer and the free magnetic layer are partially magnetically coupled, the free magnetic layer can respond to the magnetic field from the medium with high sensitivity. Disappear. In such a case, a method of reducing Hin by increasing the thickness of the nonmagnetic intermediate layer is conceivable. However, in the case of the CPP type element, when the film thickness of the nonmagnetic intermediate layer is increased, the distance between the upper terminal and the lower terminal is increased, and the efficiency in the bit direction is lowered. For this reason, the thickness of the nonmagnetic intermediate layer is desirably 3.5 nm or less. Further, as a condition for functioning normally as a magnetoresistive effect element, it is required that at least Hin ≦ 15 [Oe]. Further, as shown in FIG. 5, Hua indicates the difference in magnetic field between the midpoint and the origin of the magnetoresistance curve when the resistance is lowered after the resistance is changed by changing the magnetic field from minus. . A large value Hua means that the magnetization curve is hardly affected by the external magnetic field. Therefore, it can be said that the higher the Hua, the more reliable the magnetoresistive film. Practically, Hua ≧ 2000 [Oe] is required.

図6は,実際にCPP−GMR素子を作成してMR比を測定した結果を示す。Alで形成された拡散防止層の挿入の有無によらずGe組成を20原子%から30原子%に上げた場合にMR比が上昇し,35原子%まで上げるとMR比が減少した。30原子%以上でのMRの低下は,拡散の影響というよりもGe35原子%によって磁性層の磁化が急減しMRが落ちてしまったことによるものと考えられる。しかしながら全ての条件においてAlで形成された拡散防止層の挿入を行うことでMR特性が改善した。特にCo45Fe25Ge30組成の膜厚3nm条件においてAlで形成された拡散防止層を挿入することでMR比が5.2%から6.0%に増加した。また,図7はHinの変化を示したグラフである。同図を参照するに、リファレンス層の膜厚が2nmの場合はAlで形成された拡散防止層の効果が見られない。しかしながらGe=30原子%でMR比を上げるためにリファレンス層を3nmに厚くしてAlで形成された拡散防止層を用いた場合Hinが約30%低下した。従来拡散によるラフネス悪化の問題から高いMR比を示す30原子%で3nmのリファレンス層が実現できなかった。これに対し実施例の構成を用いることにより高MRと低Hin(≦15[Oe])を両立させることが可能となった。 FIG. 6 shows the result of actually creating a CPP-GMR element and measuring the MR ratio. The MR ratio increased when the Ge composition was increased from 20 atomic% to 30 atomic% regardless of whether or not a diffusion prevention layer formed of Al was inserted, and the MR ratio decreased when the Ge composition was increased to 35 atomic%. The decrease in MR at 30 atomic% or more is thought to be due to the fact that the magnetization of the magnetic layer suddenly decreased due to 35 atomic% of Ge and the MR decreased rather than the influence of diffusion. However, MR characteristics were improved by inserting a diffusion prevention layer made of Al under all conditions. In particular, the MR ratio was increased from 5.2% to 6.0% by inserting a diffusion prevention layer formed of Al under the condition of a film thickness of 3 nm of Co 45 Fe 25 Ge 30 composition. FIG. 7 is a graph showing changes in Hin. Referring to the figure, when the thickness of the reference layer is 2 nm, the effect of the diffusion preventing layer formed of Al is not seen. However, in order to increase the MR ratio at Ge = 30 atomic%, when the reference layer was thickened to 3 nm and a diffusion prevention layer made of Al was used, Hin was reduced by about 30%. Conventionally, a reference layer of 3 nm at 30 atomic% showing a high MR ratio could not be realized due to the problem of roughness deterioration due to diffusion. On the other hand, it is possible to achieve both high MR and low Hin (≦ 15 [Oe]) by using the configuration of the embodiment.

さらにピン層の安定性を示すHuaについても、Alで形成された拡散防止層を用いることでRu層とCoFeGe層との間の拡散も防止され、全てのリファレンス層の膜条件で500[Oe]程度増加した。このことから、Alで形成された拡散防止層によりリファレンス層の膜厚増加によるHua低下を補うことが出来リファレンス層の膜厚を増厚した条件でもHua≧2000[Oe]が可能となることが分かる。   Further, with respect to Hua indicating the stability of the pinned layer, diffusion between the Ru layer and the CoFeGe layer is also prevented by using a diffusion prevention layer formed of Al, and 500 [Oe] is obtained under the film conditions of all reference layers. Increased. From this, the diffusion prevention layer formed of Al can compensate for a decrease in Hua due to an increase in the thickness of the reference layer, and Hua ≧ 2000 [Oe] can be achieved even under the condition where the thickness of the reference layer is increased. I understand.

上記のようにリファレンス層と隣接する層との間にAlで形成された拡散防止層を挿入することで、Hua,Hinの観点から元素の拡散の影響により磁気抵抗効果膜に適用できなかったCoFeGe組成や膜厚の条件を磁気抵抗効果膜に適用し得るようになる。またこのようにリファレンス層と隣接する層との間にAlで形成された拡散防止層を挿入することで、出力を表すMR比,感度を示すHin,信頼性を示すHuaの全ての特性を改善させることが出来る。また,Geの他にもSiやMn等の拡散しやすい元素を用いたリファレンス層についても、このAlで形成された拡散防止層の層入は同様に有効である。   By inserting the diffusion prevention layer formed of Al between the reference layer and the adjacent layer as described above, CoFeGe that could not be applied to the magnetoresistive effect film due to the influence of element diffusion from the viewpoint of Hua and Hin. The composition and film thickness conditions can be applied to the magnetoresistive film. Further, by inserting the diffusion prevention layer formed of Al between the reference layer and the adjacent layer in this way, all the characteristics of MR ratio indicating output, Hin indicating sensitivity, and Hua indicating reliability are improved. It can be made. Further, in addition to Ge, a reference layer using an easily diffusing element such as Si or Mn is also effective for the diffusion prevention layer formed of Al.

以下に実施例2の磁気ヘッドについて説明する。   The magnetic head of Example 2 will be described below.

実施例2の磁気ヘッドは、磁気抵抗効果素子としてトンネル磁気抵抗効果(以下、「TMR」と称する。)膜を有する。実施例2の磁気ヘッドの構成は、図1に示す磁気ヘッドにおいてGMR膜30の代わりにTMR膜を設けた点を除き、図1に示す磁気ヘッドと略同様である。したがって磁気ヘッド自体の説明を省略する。   The magnetic head of Example 2 has a tunnel magnetoresistance effect (hereinafter referred to as “TMR”) film as a magnetoresistance effect element. The configuration of the magnetic head of Example 2 is substantially the same as that of the magnetic head shown in FIG. 1 except that a TMR film is provided instead of the GMR film 30 in the magnetic head shown in FIG. Therefore, the description of the magnetic head itself is omitted.

図4は実施例2の磁気ヘッドに使用する磁気抵抗効果素子としてのTMR膜70の断面図である。図4を参照するに、TMR膜70は、先の図2に示したGMR膜30において非磁性金属層37を絶縁材料で形成される非磁性絶縁層37aに置き換えた点を除き、GMR膜30と同様の構成を有する。   FIG. 4 is a sectional view of a TMR film 70 as a magnetoresistive effect element used in the magnetic head of the second embodiment. Referring to FIG. 4, the TMR film 70 is the same as the GMR film 30 except that the nonmagnetic metal layer 37 is replaced with a nonmagnetic insulating layer 37a formed of an insulating material in the GMR film 30 shown in FIG. It has the same configuration as.

この非磁性絶縁層37aは、例えば厚さが0.2nm〜2.0nmとされ、Mg、Al、Ti、およびZrからなる群のうちいずれか1種の酸化物で形成される。このような酸化物としては、MgO、AlOx、TiOx、ZrOxが挙げられる。ここで上記化学式中のxは任意の0以外の自然数とすることが可能である。特に、非磁性絶縁層37aは、結晶質のMgOで形成されることが好ましい。またこの場合、特にトンネル抵抗変化率が増加する点で、MgOの(001)面が膜面に略平行であることが好ましい。また、非磁性絶縁層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、あるいは酸窒化物で形成されてもよい。このような窒化物としては、AlN、TiN、ZrNが挙げられる。非磁性絶縁層37aの形成方法として、スパッタ法、CVD法または蒸着法を用いて上記の材料を直接形成してもよい。あるいは、スパッタ法、CVD法または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同金属膜を酸化膜や窒化膜に変換することで非磁性絶縁層37aを形成してもよい。   The nonmagnetic insulating layer 37a has a thickness of 0.2 nm to 2.0 nm, for example, and is formed of any one kind of oxide selected from the group consisting of Mg, Al, Ti, and Zr. Examples of such oxides include MgO, AlOx, TiOx, and ZrOx. Here, x in the above chemical formula can be any natural number other than 0. In particular, the nonmagnetic insulating layer 37a is preferably formed of crystalline MgO. In this case, it is preferable that the (001) surface of MgO is substantially parallel to the film surface, particularly in that the tunnel resistance change rate is increased. The nonmagnetic insulating layer 37a may be formed of any one nitride or oxynitride selected from the group consisting of Al, Ti, and Zr. Examples of such nitride include AlN, TiN, and ZrN. As a method for forming the nonmagnetic insulating layer 37a, the above materials may be directly formed using a sputtering method, a CVD method, or an evaporation method. Alternatively, after forming a metal film using a sputtering method, a CVD method or a vapor deposition method, an oxidation treatment or a nitriding treatment is performed to convert the metal film into an oxide film or a nitride film, thereby forming the nonmagnetic insulating layer 37a. Also good.

実施例2のTMR膜70の単位面積当たりのトンネル抵抗変化量は、上記実施例1のGMR膜30の単位面積当たりの磁気抵抗変化量ΔRAの測定と同様にして測定され得る。実施例2のTMR膜70の単位面積当たりのトンネル抵抗変化量は、自由磁化層38およびピンド層36の分極率が大きいほど増加する。分極率は、絶縁層(非磁性絶縁層37a)を介した強磁性層(自由磁化層38およびピンド層36)の分極率である。リファレンス層36にGe,SiまたはMnを含む磁性材料を使用し,非磁性結合層35及び非磁性中間層37の各々とリファレンス層36との間にそれぞれ極薄のAlで形成された拡散防止膜を挿入する。その結果、当該TMR膜70から得られる出力,感度,信頼性が、従来用いられてきたNiFeやCoFeの場合よりも大きい。このため、実施例2のTMR層40のリファレンス層36として実施例1のGRM膜30のリファレンス層36と同様の構成のものを用いることで、実施例1のGMR膜30と同様に、特性の向上した磁気抵抗効果素子を得ることができる。   The amount of change in tunnel resistance per unit area of the TMR film 70 of Example 2 can be measured in the same manner as the measurement of the amount of change in magnetoresistance ΔRA per unit area of the GMR film 30 of Example 1. The amount of change in tunnel resistance per unit area of the TMR film 70 of Example 2 increases as the polarizabilities of the free magnetic layer 38 and the pinned layer 36 increase. The polarizability is the polarizability of a ferromagnetic layer (free magnetic layer 38 and pinned layer 36) through an insulating layer (nonmagnetic insulating layer 37a). A magnetic material containing Ge, Si, or Mn is used for the reference layer 36, and a diffusion prevention film formed of ultrathin Al between each of the nonmagnetic coupling layer 35 and the nonmagnetic intermediate layer 37 and the reference layer 36. Insert. As a result, the output, sensitivity, and reliability obtained from the TMR film 70 are larger than those of NiFe and CoFe that have been conventionally used. Therefore, by using the same configuration as the reference layer 36 of the GRM film 30 of the first embodiment as the reference layer 36 of the TMR layer 40 of the second embodiment, characteristics similar to those of the GMR film 30 of the first embodiment are obtained. An improved magnetoresistive element can be obtained.

次に実施例3の磁気記憶装置につき、図とともに説明する。   Next, a magnetic storage device according to a third embodiment will be described with reference to the drawings.

図9は実施例3の磁気記憶装置90の要部を示す平面図である。図9を参照するに、磁気記憶装置90はハウジング91を有する。ハウジング91内には、スピンドル(図示せず)により駆動されるハブ92、ハブ92に固定されスピンドルにより回転される磁気記録媒体93及びアクチュエータユニット94が含まれる。またハウジング91内には、アクチュエータユニット94に支持され、磁気記録媒体93の径方向に駆動されるアーム95およびサスペンション96、およびサスペンション96に支持された磁気ヘッド98が設けられている。磁気記録媒体93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93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。   FIG. 9 is a plan view showing the main part of the magnetic storage device 90 of the third embodiment. Referring to FIG. 9, the magnetic storage device 90 has a housing 91. The housing 91 includes a hub 92 driven by a spindle (not shown), a magnetic recording medium 93 fixed to the hub 92 and rotated by the spindle, and an actuator unit 94. In the housing 91, an arm 95 and a suspension 96 supported by the actuator unit 94 and driven in the radial direction of the magnetic recording medium 93, and a magnetic head 98 supported by the suspension 96 are provided. The magnetic recording medium 93 may be either a longitudinal magnetic recording system or a perpendicular magnetic recording system, or a recording medium having oblique anisotropy. The magnetic recording medium 93 is not limited to a magnetic disk but may be a magnetic tape.

磁気ヘッド98は、図1に示したように、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とで形成される。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、あるいは他の公知の記録素子でもよい。磁気抵抗効果素子20としては、上記した実施例1の第1例及び第2例のうちのいずれかのGMR膜、あるいは実施例2のTMR膜を備える。したがって、磁気抵抗効果素子20の単位面積当たりの磁気抵抗変化量ΔRA、あるいは単位面積当たりのトンネル抵抗変化量が大きく、磁気抵抗効果素子20は高出力を有する。よって、このような磁気抵抗効果素子20を有する磁気記憶装置90は、高記録密度記録に好適である。なお、実施例3の磁気記憶装置90の基本構成は、図9に示すものに限定されることはない。
As shown in FIG. 1, the magnetic head 98 is formed of a magnetoresistive effect element 20 formed on the ceramic substrate 11 and an inductive recording element 13 formed thereon. The inductive recording element 13 may be a ring-type recording element for in-plane recording, a single-pole recording element for perpendicular magnetic recording, or another known recording element. The magnetoresistive element 20 includes any one of the GMR film of the first example and the second example of the first embodiment described above or the TMR film of the second embodiment. Therefore, the magnetoresistive effect element 20 has a large magnetoresistance change amount ΔRA per unit area or a tunnel resistance change amount per unit area, and the magnetoresistive effect element 20 has a high output. Therefore, the magnetic storage device 90 having such a magnetoresistive effect element 20 is suitable for high recording density recording. The basic configuration of the magnetic storage device 90 according to the third embodiment is not limited to that shown in FIG.

次に実施例4の第1例の磁気メモリ装置につき図とともに説明する。   Next, a magnetic memory device according to a first example of Embodiment 4 will be described with reference to the drawings.

図10(A)は実施例4の第1例の磁気メモリ装置100の断面図、図10(B)は図10(A)に示されるGMR膜30の構成を示す図である。また、図12は、上記実施例4の第1例の磁気メモリ装置100のうちの一のメモリセル101の等価回路図である。なお、図10(A)では方向を示すために直交座標軸を併せて示している。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、先に説明した部分と対応する部分には同一の参照符号を付し、その説明を省略する。   10A is a cross-sectional view of the magnetic memory device 100 of the first example of the fourth embodiment, and FIG. 10B is a diagram showing the configuration of the GMR film 30 shown in FIG. FIG. 12 is an equivalent circuit diagram of one memory cell 101 in the magnetic memory device 100 of the first example of the fourth embodiment. Note that in FIG. 10A, orthogonal coordinate axes are also shown to indicate directions. Among these, the Y1 and Y2 directions are directions perpendicular to the paper surface, the Y1 direction is a direction toward the back of the paper surface, and the Y2 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 X1 direction or the X2 direction may be used, and the same applies to the Y direction and the Z direction. In the figure, the same reference numerals are assigned to the portions corresponding to the portions described above, and the description thereof is omitted.

図10(A)、(B)、および図12を参照するに、磁気メモリ装置100は、例えばマトリクス状に配列された複数のメモリセル101を有する。メモリセル101は、磁気抵抗効果(GMR)膜30とMOS型電界効果トランジスタ(FET)102とを有する。なお、MOS型FET102としては、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。ここでは、MOS型FET102として、電子がキャリアとなるnチャネルMOS型FETを例にとって説明する。MOS型FET102は、シリコン基板103中に形成されたp型不純物を含むpウェル領域104を有する。MOS型FET102はまた、pウェル領域104中のシリコン基板103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105a、105bを有する。ここで、一方の不純物拡散領域105aをソースS、他方の不純物拡散領域105bをドレインDとする。MOS型FET102では、2つの不純物拡散領域105a、105bの間のシリコン基板103の表面にゲート絶縁膜106を介してゲート電極Gが設けられている。   Referring to FIGS. 10A, 10B, and 12, the magnetic memory device 100 includes a plurality of memory cells 101 arranged in a matrix, for example. The memory cell 101 includes a magnetoresistive effect (GMR) film 30 and a MOS field effect transistor (FET) 102. As the MOS FET 102, a p-channel MOS type FET or an n-channel MOS type FET can be used. Here, an n-channel MOS FET in which electrons are carriers will be described as an example of the MOS FET 102. The MOS type FET 102 has a p well region 104 containing a p type impurity formed in the silicon substrate 103. The MOS type FET 102 also has impurity diffusion regions 105 a and 105 b in which n type impurities are introduced apart from each other in the vicinity of the surface of the silicon substrate 103 in the p well region 104. Here, one impurity diffusion region 105a is a source S, and the other impurity diffusion region 105b is a drain D. In the MOS type FET 102, a gate electrode G is provided on the surface of the silicon substrate 103 between the two impurity diffusion regions 105a and 105b via a gate insulating film 106.

MOS型FET102のソースSは、垂直配線114および層内配線115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、MOS型FET102のドレインDには垂直配線114を介してプレート線108が電気的に接続される。MOS型FET103のゲート電極Gは読出用ワード線109に電気的に接続される。なおこの場合、ゲート電極Gが読出用ワード線109を兼ねてもよい。また、ビット線101は、GMR膜30の他方の側、例えば保護膜39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111が設けられている。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。このGMR膜30は、自由磁化層38の磁化容易軸の方向を図10(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 source S of the MOS type FET 102 is electrically connected to one side of the GMR film 30, for example, the base layer 31 through the vertical wiring 114 and the intralayer wiring 115. In addition, the plate line 108 is electrically connected to the drain D of the MOS FET 102 via the vertical wiring 114. The gate electrode G of the MOS FET 103 is electrically connected to the read word line 109. In this case, the gate electrode G may also serve as the read word line 109. The bit line 101 is electrically connected to the other side of the GMR film 30, for example, the protective film 39. A write word line 111 is provided below the GMR film 30 at a distance. The GMR film 30 has the same configuration as the GMR film 30 shown in FIG. In this GMR film 30, the direction of the easy axis of the free magnetic layer 38 is set along the X-axis direction shown in FIG. 10A, and the direction of the hard axis is set along the Y direction. The direction of the easy axis of magnetization may be formed by heat treatment or by shape anisotropy. When the easy magnetization axis is formed in the X-axis direction due to shape anisotropy, the cross-sectional shape parallel to the film surface of the GMR film 30 (the cross-sectional shape parallel to the XY plane) is set in the X direction rather than the side in the Y direction. A rectangle with a long side.

なおこの磁気メモリ装置100では、シリコン基板103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113で覆われている。また、GMR膜30、プレート線108、読出用ワード線109、ビット線110、書込用ワード線111、垂直配線114、および層内配線115は、上述した電気的な接続以外は層間絶縁膜113により互いに電気的に絶縁されている。   In the magnetic memory device 100, the surface of the silicon substrate 103 and the gate electrode G are covered with an interlayer insulating film 113 such as a silicon nitride film or a silicon oxide film. Further, the GMR film 30, the plate line 108, the read word line 109, the bit line 110, the write word line 111, the vertical wiring 114, and the intra-layer wiring 115 are the interlayer insulating film 113 except for the electrical connection described above. Are electrically insulated from each other.

この磁気メモリ装置100では、そのGMR膜30に情報を保持する。この場合、情報は、第2固定磁化層36の磁化の方向に対し、自由磁化層38の磁化の方向が平行の状態であるか、あるいは反平行の状態であるかにより保持される。   In the magnetic memory device 100, information is held in the GMR film 30. In this case, information is held depending on whether the magnetization direction of the free magnetic layer 38 is parallel to or anti-parallel to the magnetization direction of the second pinned magnetic layer 36.

次に、磁気メモリ装置100の書込みおよび読出し動作について説明する。   Next, write and read operations of the magnetic memory device 100 will be described.

磁気メモリ装置100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110と書込用ワード線111とにより行われる。ビット線110はGMR膜30の上方に、X方向に沿って延在している。ビット線110に電流を流すことにより、GMR膜30にY方向の磁界が印加される。また、書込用ワード線111はGMR膜30の下方に、Y方向に沿って延在している。書込用ワード線111に電流を流すことにより、GMR膜30にX方向の磁界が印加される。GMR膜30の自由磁化層38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している。   The information write operation to the GMR film 30 of the magnetic memory device 100 is performed by the bit lines 110 and the write word lines 111 arranged above and below the GMR film 30. The bit line 110 extends along the X direction above the GMR film 30. By passing a current through the bit line 110, a magnetic field in the Y direction is applied to the GMR film 30. The write word line 111 extends along the Y direction below the GMR film 30. By passing a current through the write word line 111, a magnetic field in the X direction is applied to the GMR film 30. When the magnetic field is not substantially applied, the magnetization of the free magnetic layer 38 of the GMR film 30 faces the X direction (for example, the X2 direction), and the magnetization direction is stable.

情報をGMR膜30に書込む際はビット線110と書込用ワード線111とに同時に電流を流す。例えば、自由磁化層38の磁化をX1方向に向ける場合は、書込用ワード線111に流す電流として、Y1方向の電流を流す。これにより、GMR膜30に印加される磁界がX1方向の磁界となる。この際、ビット線110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110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方向の磁界になり、自由磁化層38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38に対しX1方向の磁界とY1方向またはY2方向の磁界とが同時に印加される。その結果、X2方向を向いていた自由磁化層38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38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、この磁界の方向は安定している。   When information is written to the GMR film 30, a current is simultaneously applied to the bit line 110 and the write word line 111. For example, when the magnetization of the free magnetic layer 38 is directed in the X1 direction, a current in the Y1 direction is passed as a current passed through the write word line 111. Thereby, the magnetic field applied to the GMR film 30 becomes a magnetic field in the X1 direction. At this time, the direction of the current flowing through the bit line 110 may be either the X1 direction or the X2 direction. The magnetic field generated by the current flowing through the bit line 110 becomes a magnetic field in the Y1 direction or the Y2 direction in the GMR film 30, and functions as part of the magnetic field for the magnetization of the free magnetic layer 38 to cross the barrier of the hard axis. That is, a magnetic field in the X1 direction and a magnetic field in the Y1 direction or the Y2 direction are simultaneously applied to the free magnetic layer 38. As a result, the magnetization of the free magnetic layer 38 facing the X2 direction is reversed in the X1 direction. Even after the magnetic field is removed, the magnetization of the free magnetic layer 38 is in the X1 direction, and the direction of this magnetic field is stable unless a magnetic field for the next write operation or a magnetic field for erasure is applied.

このようにして、GMR膜30には自由磁化層38の磁化の方向に応じて、"1"あるいは"0"の情報を記録できる。例えば、第2固定磁化層36の磁化の方向がX1方向の場合、自由磁化層38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"の情報が記録されているものとして扱う。この場合、同様に自由磁化層38の磁化方向がX2方向(トンネル抵抗値が高い状態)のときは"0"の情報が記録されているものとして扱う。なお、書込み動作の際にビット線110および書込用ワード線111に供給される電流の大きさは、ビット線110あるいは書込用ワード線111のいずれか一方のみに電流が流れても自由磁化層38の磁化の反転が生じない程度の大きさに設定される。これにより、電流を供給したビット線110と電流を供給した書込用ワード線111との交点にあるGMR膜30の自由磁化層38の磁化のみにつき、情報の記録が行われる。なお、書込み動作時、ビット線110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。   In this manner, information of “1” or “0” can be recorded in the GMR film 30 according to the magnetization direction of the free magnetic layer 38. For example, when the magnetization direction of the second pinned magnetic layer 36 is the X1 direction, information of “1” is recorded when the magnetization direction of the free magnetic layer 38 is the X1 direction (the tunnel resistance value is low). Treat as. In this case, similarly, when the magnetization direction of the free magnetic layer 38 is the X2 direction (the state where the tunnel resistance value is high), it is treated that information of “0” is recorded. Note that the magnitude of the current supplied to the bit line 110 and the write word line 111 during the write operation is such that the free magnetization is applied even if the current flows only in either the bit line 110 or the write word line 111. The size of the layer 38 is set so as not to cause reversal of magnetization. As a result, information is recorded only for the magnetization of the free magnetic layer 38 of the GMR film 30 at the intersection of the bit line 110 supplied with current and the write word line 111 supplied with current. During the write operation, the source S side is set to high impedance so that no current flows through the GMR film 30 when a current is passed through the bit line 110.

次に、磁気メモリ装置100のGMR膜30からの情報の読出し動作について説明を行う。情報の読み出しは、ソースSに対する負電圧をビット線110に印加し、読出用ワード線109、すなわちゲート電極GにMOS型FET102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FET102はオンとなり、電子がビット線110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108に流れる。プレート線108に電流計等の電流値検出器118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38の磁化の方向に対応する磁気抵抗値を検出することができる。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, an operation of reading information from the GMR film 30 of the magnetic memory device 100 will be described. Information is read by applying a negative voltage with respect to the source S to the bit line 110 and applying a voltage (positive voltage) higher than the threshold voltage of the MOS FET 102 to the read word line 109, that is, the gate electrode G. As a result, the MOS FET 102 is turned on, and electrons flow from the bit line 110 to the plate line 108 via the GMR film 30, the source S, and the drain D. By electrically connecting a current value detector 118 such as an ammeter to the plate line 108, a magnetoresistance value corresponding to the magnetization direction of the free magnetic layer 38 relative to the magnetization direction of the second pinned magnetic layer 36 is detected. be able to. Thereby, “1” or “0” information held by the GMR film 30 can be read.

実施例4の第1例の磁気メモリ装置100では、GMR膜30のリファレンス層36にGe,SiまたはMnを含む磁性材料を使用している。またGMR膜30の非磁性結合層35及び非磁性中間層37の各々とリファレンス層36との間に極薄のAlで形成された拡散防止層1−1,1―2を挿入している。その結果、GMR膜30の出力,感度,信頼性が大きい。したがって、当該GMR膜30を使用した磁気メモリ装置100では、情報の読出しの際、保持された"0"の情報及び"1"の情報のそれぞれに対応する磁気抵抗値間の差により正確に情報を読出すことができる。なお、磁気メモリ装置100が有するGMR膜30を、図2及び図3に示すGMR膜40,50のうちのいずれかで置き換えてもよい。   In the magnetic memory device 100 of the first example of Example 4, a magnetic material containing Ge, Si or Mn is used for the reference layer 36 of the GMR film 30. Further, diffusion preventing layers 1-1 and 1-2 made of ultrathin Al are inserted between the nonmagnetic coupling layer 35 and the nonmagnetic intermediate layer 37 of the GMR film 30 and the reference layer 36, respectively. As a result, the output, sensitivity, and reliability of the GMR film 30 are large. Therefore, in the magnetic memory device 100 using the GMR film 30, when information is read out, the information is accurately determined by the difference between the magnetoresistive values corresponding to the retained “0” information and “1” information. Can be read out. Note that the GMR film 30 included in the magnetic memory device 100 may be replaced with any one of the GMR films 40 and 50 shown in FIGS.

図12は、上記した第1例の磁気メモリ装置100の変形例の磁気メモリ装置が有するTMR膜70の構成図である。図12を図10(A)と共に参照するに、図12に示す変形例の磁気メモリ装置では、図10(A)に示される磁気メモリ装置100が有するGMR膜30の代わりにTMR膜70を用いる。このTMR膜70は、上記した実施例2の磁気抵抗効果素子に含まれる第1例のTMR膜70と同様の構成を有する。TMR膜70につき、例えば、その下地層31が層内配線115に接触し、その保護膜39がビット線110に接触している。また、TMR膜70の自由磁化層38の磁化容易軸は上述したGMR膜30におけるものと同様に設定される。TMR膜70を用いた場合の磁気メモリ装置の書込み動作および読出し動作は、上記したGMR膜30を用いた磁気メモリ装置の書き込み動作及び読み出し動作と同様であるのでその説明を省略する。   FIG. 12 is a configuration diagram of the TMR film 70 included in the magnetic memory device according to a modification of the magnetic memory device 100 according to the first example. Referring to FIG. 12 together with FIG. 10A, in the magnetic memory device of the modification shown in FIG. 12, the TMR film 70 is used instead of the GMR film 30 included in the magnetic memory device 100 shown in FIG. . The TMR film 70 has the same configuration as the TMR film 70 of the first example included in the magnetoresistive effect element of Example 2 described above. For the TMR film 70, for example, the base layer 31 is in contact with the in-layer wiring 115 and the protective film 39 is in contact with the bit line 110. Further, the easy axis of the free magnetic layer 38 of the TMR film 70 is set in the same manner as in the GMR film 30 described above. Since the write operation and the read operation of the magnetic memory device using the TMR film 70 are the same as the write operation and the read operation of the magnetic memory device using the GMR film 30 described above, description thereof is omitted.

このTMR膜70は、実施例2において説明したようにトンネル抵抗効果を示す。TMR膜70のリファレンス層36としてGe,SiまたはMnを含む磁性材料を使用し,非磁性結合層35及び非磁性中間層37の各々とリファレンス層36との間にそれぞれ極薄のAlで形成された拡散防止層1−1,1−2を挿入している。その結果TMR膜70の出力,感度,信頼性が大きい。したがって、TMR膜70を使用した磁気メモリ装置では、情報の読出しの際に、保持された"0"および"1"のそれぞれ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。   The TMR film 70 exhibits a tunnel resistance effect as described in the second embodiment. A magnetic material containing Ge, Si, or Mn is used as the reference layer 36 of the TMR film 70, and is formed of ultrathin Al between each of the nonmagnetic coupling layer 35 and the nonmagnetic intermediate layer 37 and the reference layer 36. Diffusion prevention layers 1-1 and 1-2 are inserted. As a result, the output, sensitivity, and reliability of the TMR film 70 are large. Therefore, in the magnetic memory device using the TMR film 70, when the information is read, the amount of change in the tunnel resistance corresponding to each of “0” and “1” held is large, so that accurate reading can be performed.

図13は、実施例4の第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。図13を参照するに、実施例4の磁気メモリ装置120は、GMR膜30に情報を書込むための機構が図10(A)とともに上記した第1例の磁気メモリ装置100におけるものと異なる。   FIG. 13 is a cross-sectional view of the magnetic memory device of the second example of 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. Referring to FIG. 13, the magnetic memory device 120 according to the fourth embodiment is different from that in the magnetic memory device 100 according to the first example described above with reference to FIG.

この磁気メモリ装置120のメモリセルは、書込用ワード線111が設けられていない点を除き、図10(A)および(B)に示すメモリセル101と同様の構成を有する。以下、図10(B)を図13とあわせて参照しつつ説明する。   The memory cell of the magnetic memory device 120 has the same configuration as the memory cell 101 shown in FIGS. 10A and 10B except that the write word line 111 is not provided. Hereinafter, description will be made with reference to FIG.

この磁気メモリ装置120の場合、書込み動作が第1例の磁気メモリ装置100の場合のものと異なる。磁気メモリ装置120の場合、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38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反転させる。あるいは偏極スピン電流Iwの電流の向きによって自由磁化層38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をGMR膜30のZ1方向あるいはZ2方向の向きに流すことで、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38の膜厚に応じて適宜選択されるが、数mA〜20mA程度である。この場合の偏極スピン電流Iwの電流量は、図10(A)の第1例の磁気メモリ装置100の書き込み動作の際にビット線110および書込用ワード線111に流す電流量よりも少ない。したがって消費電力を低減できる。   In the case of this magnetic memory device 120, the write operation is different from that in the case of the magnetic memory device 100 of the first example. In the case of the magnetic memory device 120, a polarized spin current Iw is injected into the GMR film 30, and the magnetization direction of the free magnetic layer 38 is parallel to the magnetization direction of the second pinned magnetic layer 36 depending on the direction of the current. Invert from state to antiparallel state. Alternatively, the magnetization direction of the free magnetic layer 38 is inverted from the antiparallel state to the parallel state with respect to the magnetization direction of the second pinned magnetic layer 36 according to the current direction of the polarized spin current Iw. The polarized spin current Iw is an electron flow composed of electrons in one of two spin directions that can be taken by electrons. By causing the polarized spin current Iw to flow in the Z1 direction or the Z2 direction of the GMR film 30, torque is generated in the magnetization of the free magnetic layer, and so-called spin injection magnetization reversal is caused. The amount of the polarized spin current Iw is appropriately selected according to the film thickness of the free magnetic layer 38, and is about several mA to 20 mA. In this case, the amount of the polarized spin current Iw is smaller than the amount of current flowing through the bit line 110 and the write word line 111 during the write operation of the magnetic memory device 100 of the first example of FIG. . Therefore, power consumption can be reduced.

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。この場合電子のスピンの向きは、これら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120の読み取り動作は図10(A)の第1例の磁気メモリ装置100の読取動作と同様である。   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 GMR film 30 and sandwiching a Cu film between two ferromagnetic layers. In this case, the direction of electron spin can be controlled by setting the magnetization directions of these two ferromagnetic layers to be parallel or antiparallel. The reading operation of the magnetic memory device 120 is the same as the reading operation of the magnetic memory device 100 of the first example of FIG.

この第2例の磁気メモリ装置120は、第1例の磁気メモリ装置100の効果と同様の効果を有する。さらに、第2例の磁気メモリ装置120は、第1例の磁気メモリ装置100に対し、上記の如く低消費電力化が可能である。なお、これら実施例4の第1例および第2例の磁気メモリ装置100、120では、MOS型FET102により書込み動作および読出し動作の際の電流方向を制御していたが、他の公知の手段によりこの電流方向の制御を行ってもよい。   The magnetic memory device 120 of the second example has the same effect as that of the magnetic memory device 100 of the first example. Furthermore, the magnetic memory device 120 of the second example can reduce the power consumption as described above compared to the magnetic memory device 100 of the first example. In the magnetic memory devices 100 and 120 of the first example and the second example of the fourth embodiment, the current direction during the write operation and the read operation is controlled by the MOS type FET 102, but by other known means. This current direction control may be performed.

以上好ましい実施例について詳述したが、これら特定の実施例に限定されず、種々の変形・変更が可能である。例えば、上記実施例3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、磁気記録媒体がテープ状である磁気テープ装置において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としてもよい。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としてもよい。   Although the preferred embodiments have been described in detail, the present invention is not limited to these specific embodiments, and various modifications and changes can be made. For example, in the third embodiment, the case where the magnetic recording medium is in the form of a disk has been described as an example. 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.

次に図14とともに、各実施例において用いる上記Alで形成された拡散防止層の材料としてAlを用いる根拠の説明として、他の元素を用いた場合と比較した結果につき説明する。   Next, with reference to FIG. 14, as a description of the basis for using Al as the material of the diffusion prevention layer formed of Al used in each example, the results compared with the case where other elements are used will be described.

図14はAl以外の各種の非磁性金属を、中間層Xに用いた場合のCPP−GMR特性の実験結果を示す。当該実験における膜構成は以下の通りである。

NiCr(4nm)
IrMn(5nm)
Co60Fe(4nm)
Ru(0.7nm)
Fe60Co(4nm)
X(3nm)
Fe60Co40(7nm)
X(3nm)
Fe60Co(4nm)
Ru(0.7nm)
Co60Fe40(4.5nm)
IrMn(5nm)
Ru(5nm)
(XはCu、Mg、Ti、Ru、Ta、Hf、NiCrまたはRhを示す)

図14から、磁性合金とこれらの金属Cu、Mg、Ti、Ru、Ta、Hf、NiCrまたはRhとを隣接させた場合、MR比が大きく低下することが分かる。そのためこれらの合金による層を、上記Alで形成された拡散防止層の代わりに用いた場合、磁気抵抗効果自体が生じず、不適であることが分かる。
FIG. 14 shows the experimental results of CPP-GMR characteristics when various nonmagnetic metals other than Al are used for the intermediate layer X. The film configuration in the experiment is as follows.

NiCr (4nm)
IrMn (5 nm)
Co 60 Fe (4 nm)
Ru (0.7 nm)
Fe 60 Co (4 nm)
X (3nm)
Fe 60 Co 40 (7nm)
X (3nm)
Fe 60 Co (4 nm)
Ru (0.7 nm)
Co 60 Fe 40 (4.5nm)
IrMn (5 nm)
Ru (5 nm)
(X represents Cu, Mg, Ti, Ru, Ta, Hf, NiCr or Rh)

FIG. 14 shows that when the magnetic alloy and these metals Cu, Mg, Ti, Ru, Ta, Hf, NiCr, or Rh are adjacent to each other, the MR ratio is greatly reduced. Therefore, it can be seen that when a layer made of these alloys is used in place of the diffusion prevention layer formed of Al, the magnetoresistance effect itself does not occur and is inappropriate.

次に図15とともに、上記各実施例においてAlが拡散防止層として適する理由について更に説明する。   Next, the reason why Al is suitable as a diffusion preventing layer in each of the above embodiments will be further described with reference to FIG.

図15に、各実施例において、拡散する元素として限定したGe,Si,Mnと、磁性材料として使われるCo,Feとの、Cuに対する拡散係数(Cuは自己拡散)とを示す(金属材料データブック 丸善)。図に示す各々の拡散係数の値は反強磁性層のピンアニール温度300℃での値である。図15から、Alはリファレンス層を形成する他の元素と比較して拡散係数が1/3〜1/9と非常に小さく、拡散しにくい元素であることがわかる。図15に併せて示した各元素の原子半径の値から,Alは遷移金属以外の非磁性金属の中でも半径が1.4Åと、比較的大きいことが分かる。このように、Alの原子半径と、中間層であるCuの原子半径との差が大きいことが、Alの拡散係数が小さい、すなわちAlが拡散しにくい原因として考えられる。またAlと、拡散しやすい元素であるMn,GeあるいはSiとの間の原子半径の差も、AlとCuとの間の原子半径との差以上に大きいことが分かる。したがって、Alで形成された拡散防止層を中間層Cuとの界面に挿入することで、Cuと原子半径が近いMn,GeあるいはSiの侵入を妨げることが可能となるものと考えられる。   FIG. 15 shows diffusion coefficients (Cu is self-diffusion) with respect to Cu of Ge, Si, Mn, which are limited as diffusing elements, and Co, Fe used as a magnetic material in each example (metal material data). Book Maruzen). Each diffusion coefficient value shown in the figure is a value at a pin annealing temperature of 300 ° C. of the antiferromagnetic layer. FIG. 15 shows that Al is an element that has a very small diffusion coefficient of 1/3 to 1/9 compared with other elements forming the reference layer, and is difficult to diffuse. From the value of the atomic radius of each element shown in FIG. 15, it can be seen that Al has a relatively large radius of 1.4 mm among nonmagnetic metals other than transition metals. Thus, the large difference between the atomic radius of Al and the atomic radius of Cu as the intermediate layer is considered to be a cause of a small Al diffusion coefficient, that is, Al is difficult to diffuse. It can also be seen that the difference in atomic radius between Al and the easily diffusing element Mn, Ge or Si is larger than the difference in atomic radius between Al and Cu. Therefore, it is considered that the penetration of Mn, Ge, or Si having an atomic radius close to that of Cu can be prevented by inserting a diffusion prevention layer made of Al at the interface with the intermediate layer Cu.

次に図16とともに、上記した各実施例において、リファレンス層36の組成の根拠につき説明する。   Next, the basis of the composition of the reference layer 36 in each of the above embodiments will be described with reference to FIG.

図16は、CoMnAlの組成におけるAlの組成範囲とBs(磁束密度)との関係の実験結果を示す。この実験結果から,CoMnAlの組成においてAlを35原子%まで混ぜると、その場合の磁束密度が、Alを15原子%混ぜた場合の半分程度まで低下することが分かる。磁性層の磁気モーメントの強さは膜厚×Bsで表されることから、このようにBsが半分になった場合には、所定の特性を維持するためには2倍の膜厚が必要になる。CPP−GMR膜において膜厚の増加はリードギャップ(Read−gap)の増加につながり,このことは将来の高記録密度に逆行する。このため、30原子%以上の非磁性金属組成の磁気ヘッドへの適用は困難であることが分かる。このためCoMnAlの組成におけるAlの組成範囲の上限を30原子%とした。   FIG. 16 shows the experimental results of the relationship between the Al composition range and Bs (magnetic flux density) in the CoMnAl composition. From this experimental result, it can be seen that when Al is mixed up to 35 atomic% in the composition of CoMnAl, the magnetic flux density in that case is reduced to about half that when Al is mixed at 15 atomic%. Since the strength of the magnetic moment of the magnetic layer is expressed by film thickness × Bs, when Bs is halved in this way, twice the film thickness is necessary to maintain predetermined characteristics. Become. In the CPP-GMR film, the increase in the film thickness leads to an increase in the read gap, which goes against the future high recording density. Therefore, it can be seen that application to a magnetic head having a nonmagnetic metal composition of 30 atomic% or more is difficult. Therefore, the upper limit of the Al composition range in the CoMnAl composition is set to 30 atomic%.

実施例1の磁気ヘッドの媒体対向面の要部を示す図である。FIG. 3 is a diagram illustrating a main part of a medium facing surface of the magnetic head according to the first embodiment. 実施例1の磁気抵抗効果素子に含まれる第1例のGMR膜の断面図である。3 is a cross-sectional view of a first example GMR film included in the magnetoresistive element of Example 1. FIG. 実施例1の磁気抵抗効果素子に含まれる第2例のGMR膜の断面図である。6 is a cross-sectional view of a second example GMR film included in the magnetoresistive element of Example 1. FIG. 実施例2の磁気抵抗効果素子に含まれる第1例のTMR膜の断面図である。6 is a cross-sectional view of a TMR film of a first example included in a magnetoresistive element of Example 2. FIG. 磁気抵抗効果の曲線におけるHin,Huaを表す模式図である。It is a schematic diagram showing Hin and Hua in the curve of a magnetoresistive effect. 実施例1のリファレンス層の組成,膜厚およびAlで形成された拡散防止層の有無をパラメータとした時の、MR比を示す図である。It is a figure which shows MR ratio when the composition of the reference layer of Example 1, film thickness, and the presence or absence of the diffusion prevention layer formed with Al are used as parameters. 実施例1のリファレンス層の組成,膜厚およびAlで形成された拡散防止層の有無をパラメータとした時の、Hinを示す図である。It is a figure which shows Hin when the composition of the reference layer of Example 1, a film thickness, and the presence or absence of the diffusion prevention layer formed with Al are used as parameters. 実施例1のリファレンス層の組成,膜厚およびAlで形成された拡散防止層の有無をパラメータとした時の、Huaを示す図である。It is a figure which shows Hua when the composition of the reference layer of Example 1, the film thickness, and the presence or absence of the diffusion prevention layer formed of Al are used as parameters. 実施例3の磁気記憶装置の要部を示す平面図である。FIG. 6 is a plan view showing a main part of a magnetic storage device according to a third embodiment. (A)は実施例4の第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。(A) is sectional drawing of the magnetic memory device of the 1st example of Example 4, (B) is a block diagram of the GMR film | membrane shown to (A). 第1例の磁気メモリ装置における、一のメモリセルの等価回路図である。FIG. 4 is an equivalent circuit diagram of one memory cell in the magnetic memory device of the first example. 第1例の磁気メモリ装置の変形例が有するTMR膜の構成図である。It is a block diagram of the TMR film | membrane which the modification of the magnetic memory device of a 1st example has. 実施例4の第2例の磁気メモリ装置の断面図である。6 is a sectional view of a magnetic memory device according to a second example of Example 4. FIG. 各種非磁性金属を中間層に用いた場合のMR比を示す図である。It is a figure which shows MR ratio at the time of using various nonmagnetic metals for an intermediate | middle layer. Cuに対する各非磁性金属の拡散係数と原子半径とを示す図である。It is a figure which shows the diffusion coefficient and atomic radius of each nonmagnetic metal with respect to Cu. (CoMn)100−xAlにおけるBsのAl組成依存性を示す図である。 (Co 2 Mn) is a diagram showing a Bs of Al composition dependency of 100-x Al x.

符号の説明Explanation of symbols

1−1,1−2,1−3,1−4 Alで形成された拡散防止層
10、98 磁気ヘッド
20 磁気抵抗効果素子
30、40 GMR膜
32 反強磁性層(下部反強磁性層)
34 ピンド層(下部ピンド層)
35 非磁性結合層(下部非磁性結合層)
36 リファレンス層(下部リファレンス層)
37 非磁性中間層(下部非磁性中間層)
37a 非磁性絶縁層
38 自由磁化層
42 上部反強磁性層
44 上部ピンド層
45 上部非磁性結合層
46 上部リファレンス層
47 上部非磁性中間層
70 TMR膜
90 磁気記憶装置
93 磁気記録媒体
100、120 磁気メモリ装置
101 メモリセル
1-1, 1-2, 1-3, 1-4 Diffusion preventive layer formed of Al 10, 98 Magnetic head 20 Magnetoresistive element 30, 40 GMR film 32 Antiferromagnetic layer (lower antiferromagnetic layer)
34 Pinned layer (lower pinned layer)
35 Nonmagnetic coupling layer (lower nonmagnetic coupling layer)
36 Reference layer (lower reference layer)
37 Nonmagnetic intermediate layer (lower nonmagnetic intermediate layer)
37a Nonmagnetic insulating layer 38 Free magnetic layer 42 Upper antiferromagnetic layer 44 Upper pinned layer 45 Upper nonmagnetic coupling layer 46 Upper reference layer 47 Upper nonmagnetic intermediate layer 70 TMR film 90 Magnetic storage device 93 Magnetic recording medium 100, 120 Magnetic Memory device 101 Memory cell

Claims (8)

反強磁性層と、
前記反磁性層の上部に形成されたピンド層と、
前記ピンド層の上部に形成された非磁性結合層と、
前記非磁性結合層の上部に形成されたリファレンス層と、
前記リファレンス層の上部に形成された非磁性中間層と、
前記非磁性中間層の上部に形成された自由磁化層と
を有し、
前記反強磁性層と、前記ピンド層と、前記非磁性結合層と、前記リファレンス層と、前記非磁性中間層と、前記自由磁化層とがスピンバルブ構造を形成し、
前記リファレンス層はGe,Si及びMnのうちの少なくとも一の元素を含む磁性材料を有し、
更に前記リファレンス層の下部であって前記非磁性結合層の上部に形成された第1の拡散防止層及び前記リファレンス層の上部であって前記非磁性中間層の下部に形成された第2の拡散防止層のうちの少なくとも一の拡散防止層を有し、
前記少なくとも一の拡散防止層はAlの薄膜を有する
CPP型の磁気抵抗効果素子。
An antiferromagnetic layer;
A pinned layer formed on top of the diamagnetic layer;
A nonmagnetic coupling layer formed on the pinned layer;
A reference layer formed on the nonmagnetic coupling layer;
A nonmagnetic intermediate layer formed on the reference layer;
A free magnetic layer formed on the nonmagnetic intermediate layer,
The antiferromagnetic layer, the pinned layer, the nonmagnetic coupling layer, the reference layer, the nonmagnetic intermediate layer, and the free magnetic layer form a spin valve structure,
The reference layer has a magnetic material containing at least one element of Ge, Si and Mn,
Further, a first diffusion prevention layer formed below the reference layer and above the nonmagnetic coupling layer, and a second diffusion formed above the reference layer and below the nonmagnetic intermediate layer. Having at least one diffusion preventing layer of the preventing layers,
The CPP type magnetoresistive effect element, wherein the at least one diffusion preventing layer has an Al thin film.
前記リファレンス層は、(CoFe100−x)My(ここで0≦x≦100,0<y<30原子%であり、MはGe、Si及びMnのうちの何れかの元素を示す),(CoMn100−x)My(ここで0≦x≦100,0<y<30原子%であり、MはGe,Si及びAlのうちの何れかを示す),Co50Fe25Al12.5Si12.5、Co50Fe25Ge12.5Si12.5、Co50Fe25Ge12.5Al12.5、Co50Fe25Ge12.5Mn12.5、Co50Fe25Al12.5Mn12.5あるいはCo50Fe25Si12.5Mn12.5の組成を有してなる
請求項1に記載の磁気抵抗効果素子。
The reference layer is (Co x Fe 100-x ) My (where 0 ≦ x ≦ 100 , 0 <y <30 atomic%, and M represents any element of Ge, Si, and Mn) , (Co x Mn 100-x ) My (where 0 ≦ x ≦ 100 , 0 <y <30 atomic%, M represents one of Ge, Si and Al), Co 50 Fe 25 Al 12.5 Si 12.5 , Co 50 Fe 25 Ge 12.5 Si 12.5 , Co 50 Fe 25 Ge 12.5 Al 12.5 , Co 50 Fe 25 Ge 12.5 Mn 12.5 , Co 50 Fe 25 Al 12.5 Mn 12.5 or Co 50 Fe 25 Si 12.5 Mn 12.5 The magnetoresistive effect element according to claim 1, comprising:
前記少なくとも一の拡散防止層が有するAlの薄膜の膜厚が0.1乃至1.0[nm]の範囲とされてなる
請求項1または2に記載の磁気抵抗効果素子。
3. The magnetoresistive element according to claim 1, wherein a thickness of an Al thin film included in the at least one diffusion prevention layer is in a range of 0.1 to 1.0 [nm].
下部反強磁性層と、
前記下部反強磁性層の上部に形成された下部ピンド層と、
前記下部ピンド層の上部に形成された下部非磁性結合層と、
前記下部非磁性結合層の上部に形成された下部リファレンス層と、
前記下部リファレンス層の上部に形成された下部非磁性中間層と、
前記下部非磁性中間層の上部に形成された自由磁化層と、
前記自由磁化層の上部に形成された上部非磁性中間層と、
前記上部非磁性中間層の上部に形成された上部リファレンス層と、
前記上部リファレンス層の上部に形成された上部非磁性結合層と、
前記上部非磁性結合層の上部に形成された上部ピンド層と、
前記上部ピンド層の上部に形成された上部反強磁性層と
を有し、
前記下部反強磁性層と、前記下部ピンド層と、前記下部非磁性結合層と、前記下部リファレンス層と、前記下部非磁性中間層と、前記自由磁化層と、前記上部非磁性中間層と、前記上部リファレンス層と、前記上部非磁性結合層と、前記上部ピンド層と、前記上部反強磁性層とがデュアルタイプのスピンバルブ構造を形成し、
前記下部リファレンス層及び前記上部リファレンス層の各々はGe,Si及びMnのうちの少なくとも一の元素を含む磁性材料を有し、
前記下部リファレンス層の下部であって前記下部非磁性結合層の上部に形成された第1の拡散防止層、前記下部リファレンス層の上部であって前記下部非磁性中間層の下部に形成された第2の拡散防止層、前記上部リファレンス層の下部であって前記上部非磁性中間層の上部に形成された第3の拡散防止層、前記上部リファレンス層の上部であって前記上部非磁性結合層の下部に形成された第4の拡散防止層のうちの少なくとも一の拡散防止層を有し、
前記少なくとも一の拡散防止層はAlの薄膜を有する
CPP型の磁気抵抗効果素子。
A lower antiferromagnetic layer,
A lower pinned layer formed on the lower antiferromagnetic layer;
A lower nonmagnetic coupling layer formed on the lower pinned layer;
A lower reference layer formed on the lower nonmagnetic coupling layer;
A lower nonmagnetic intermediate layer formed on the lower reference layer;
A free magnetic layer formed on the lower nonmagnetic intermediate layer;
An upper nonmagnetic intermediate layer formed on the free magnetic layer;
An upper reference layer formed on top of the upper nonmagnetic intermediate layer;
An upper nonmagnetic coupling layer formed on the upper reference layer;
An upper pinned layer formed on the upper nonmagnetic coupling layer;
An upper antiferromagnetic layer formed on the upper pinned layer;
The lower antiferromagnetic layer, the lower pinned layer, the lower nonmagnetic coupling layer, the lower reference layer, the lower nonmagnetic intermediate layer, the free magnetic layer, and the upper nonmagnetic intermediate layer, The upper reference layer, the upper nonmagnetic coupling layer, the upper pinned layer, and the upper antiferromagnetic layer form a dual type spin valve structure,
Each of the lower reference layer and the upper reference layer includes a magnetic material containing at least one element of Ge, Si, and Mn,
A first diffusion prevention layer formed below the lower reference layer and above the lower nonmagnetic coupling layer; and a first diffusion prevention layer formed above the lower reference layer and below the lower nonmagnetic intermediate layer. An anti-diffusion layer, a third anti-diffusion layer formed below the upper reference layer and above the upper nonmagnetic intermediate layer, and an upper portion of the upper reference layer and the upper nonmagnetic coupling layer. Having at least one diffusion preventing layer of the fourth diffusion preventing layer formed in the lower part;
The CPP type magnetoresistive effect element, wherein the at least one diffusion preventing layer has an Al thin film.
反強磁性層と、
前記反磁性層の上部に形成されたピンド層と、
前記ピンド層の上部に形成された非磁性結合層と、
前記非磁性結合層の上部に形成されたリファレンス層と、
前記リファレンス層の上部に形成された酸化層と、
前記酸化層の上部に形成された自由磁化層と
を有し、
前記反強磁性層と、前記ピンド層と、前記非磁性結合層と、前記リファレンス層と、前記酸化層と、前記自由磁化層とがスピンバルブ構造を形成し、
前記リファレンス層はGe,Si及びMnのうちの少なくとも一の元素を含む磁性材料を有し、
更に前記リファレンス層の下部であって前記非磁性結合層の上部に形成された第1の拡散防止層及び前記リファレンス層の上部であって前記酸化層の下部に形成された第2の拡散防止層のうちの少なくとも一の拡散防止層を有し、
前記少なくとも一の拡散防止層はAlの薄膜を有する
CPP型の磁気抵抗効果素子。
An antiferromagnetic layer;
A pinned layer formed on top of the diamagnetic layer;
A nonmagnetic coupling layer formed on the pinned layer;
A reference layer formed on the nonmagnetic coupling layer;
An oxide layer formed on the reference layer;
A free magnetic layer formed on the oxide layer,
The antiferromagnetic layer, the pinned layer, the nonmagnetic coupling layer, the reference layer, the oxide layer, and the free magnetic layer form a spin valve structure,
The reference layer has a magnetic material containing at least one element of Ge, Si and Mn,
Further, a first diffusion prevention layer formed below the reference layer and above the nonmagnetic coupling layer, and a second diffusion prevention layer formed above the reference layer and below the oxide layer. Having at least one anti-diffusion layer of
The CPP type magnetoresistive effect element, wherein the at least one diffusion preventing layer has an Al thin film.
磁気記憶装置において磁気記録媒体に対する情報の記録または当該磁気記録媒体からの情報の再生を行うための磁気ヘッドであって、
請求項1乃至5のうちのいずれか一項記載の磁気抵抗効果素子を備えた
磁気ヘッド。
A magnetic head for recording information on a magnetic recording medium or reproducing information from the magnetic recording medium in a magnetic storage device,
A magnetic head comprising the magnetoresistive effect element according to claim 1.
情報を記録するための磁気記録媒体と、
当該磁気記録媒体に対する情報の記録または当該磁気記録媒体からの情報の再生を行うための磁気ヘッドと
を有し、
前記磁気ヘッドは請求項6記載の磁気ヘッドとされてなる
磁気記憶装置。
A magnetic recording medium for recording information;
A magnetic head for recording information on the magnetic recording medium or reproducing information from the magnetic recording medium,
A magnetic storage device according to claim 6, wherein the magnetic head is a magnetic head.
請求項1乃至5のうちの何れか一項記載の磁気抵抗効果素子と、
前記磁気抵抗効果素子に外部から磁界を印加する磁界印加手段と
を有し、
前記磁界印加手段による磁界の印加により前記磁気抵抗効果素子の前記自由磁化層の磁化の方向を変化させることにより情報を記録する
磁気メモリ装置。
A magnetoresistive effect element according to any one of claims 1 to 5,
Magnetic field applying means for applying a magnetic field from the outside to the magnetoresistive effect element,
A magnetic memory device for recording information by changing a magnetization direction of the free magnetic layer of the magnetoresistive effect element by applying a magnetic field by the magnetic field applying means.
JP2008134029A 2008-05-22 2008-05-22 Magnetoresistive effect element, magnetic head, magnetic storage device, and magnetic memory device Withdrawn JP2009283661A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2008134029A JP2009283661A (en) 2008-05-22 2008-05-22 Magnetoresistive effect element, magnetic head, magnetic storage device, and magnetic memory device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2008134029A JP2009283661A (en) 2008-05-22 2008-05-22 Magnetoresistive effect element, magnetic head, magnetic storage device, and magnetic memory device

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2009283661A true JP2009283661A (en) 2009-12-03

Family

ID=41453816

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2008134029A Withdrawn JP2009283661A (en) 2008-05-22 2008-05-22 Magnetoresistive effect element, magnetic head, magnetic storage device, and magnetic memory device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2009283661A (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7428130B2 (en) Magnetoresistive element, magnetic head, magnetic storage unit, and magnetic memory unit
KR100413174B1 (en) Magnetic resistance element
KR100841280B1 (en) Magnetoresistance effect device, magnetic head, magnetic recording system, and magnetic random access memory
KR100890323B1 (en) Magnetoresistive effect element, magnetic head, magnetic storage device and magnetic memory
JP4786331B2 (en) Method for manufacturing magnetoresistive element
US7525776B2 (en) Magnetoresistive element, magnetoresistive head, magnetic recording apparatus, and magnetic memory
JP4550777B2 (en) Magnetoresistive element manufacturing method, magnetoresistive element, magnetic head, magnetic recording / reproducing apparatus, and magnetic memory
US20080198514A1 (en) Magnetoresistive device, magnetic head, magnetic storage apparatus, and magnetic memory
KR100894521B1 (en) Tunnel magnetoresistance element, magnetic head, and magnetic memory
JP2006319259A (en) Ferromagnetic tunnel junction element, magnetic head using same, magnetic recording device, and magnetic memory device
JP2004260149A (en) Magnetoresistive device with exchange-coupled structure having semi-metallic ferromagnetic heusler alloy in pinned layer thereof
JP2009099741A (en) Ferromagnetic tunnel junction device, method of manufacturing the same, magnetic head, magnetic storage, and magnetic memory device
JP2004214234A (en) Magnetoresistance effect element, magnetoresistance effect-type head, and magnetic recording and reproducing device
JP2004031545A (en) Magnetic detector and its manufacturing method
JP2009152333A (en) Ferromagnetic tunnel junction element, magnetic head, and magnetic storage
JP2009140952A (en) Cpp structure magnetoresistive element, method of manufacturing the same and storage apparatus
JP2003309305A (en) Magnetic detection element
JP2006261454A (en) Magnetoresistance effect element, magnetic head, and magnetic storage device
US8675319B2 (en) Data reader with heusler alloy reference lamination
JP2004146480A (en) Magnetoresistance effect element for laminating heuslar magnetic layer and non-magnetic intermediate layer in body-centered cubic structure and magnetic head
JP2008091551A (en) Magnetoresistance effect element, magnetic storage device, and magnetic memory device
JP4387955B2 (en) Magnetoresistive effect element
JP2008016738A (en) Magnetoresistance effect element, magnetic head, magnetic recording and reproducing device, and magnetic memory
JP2009043993A (en) Magnetoresistance effect device, magnetic storage unit, magnetic memory unit
JP2010062191A (en) Magnetoresistive element, magnetic head, information storage device, and magnetic memory

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: 20110802