JP2010062191A - 磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド、情報記憶装置、および磁気メモリ - Google Patents

Abstract

【課題】更なる高記録密度化が実現可能な磁気抵抗効果素子を得る。
【解決手段】ＣｏＦｅＡｌにＳｉ又はＧｅが添加された磁性材料で形成され、内部の磁化の向きが固定されているリファレンス層１４３ｃと、リファレンス層１４３ｃ上に非磁性材料で形成された非磁性層１４４と、この非磁性層１４４上に、ＣｏＦｅＡｌにＳｉ又はＧｅが添加された磁性材料で形成され、磁化の向きが、外部の磁界の向きに応じた向きに変化する自由磁化層１４５とを備えた。
【選択図】 図３

Description

本件は、周辺磁界の向きによって電気抵抗値が変化する磁気抵抗効果素子、磁気抵抗効果素子を使って情報再生を行う磁気ヘッド、磁気ヘッドが搭載された情報記憶装置、および上記の磁気抵抗効果素子を使って情報を記憶する磁気メモリに関する。

近年、磁気記憶装置の磁気ヘッドには、磁気記録媒体に記録された情報を再生するための再生用素子として、磁気抵抗効果素子が用いられている。磁気抵抗効果素子は、磁気記録媒体から漏洩する信号磁界の向きの変化を電気抵抗の変化に変換する磁気抵抗効果を利用して、磁気記録媒体に記録された情報を再生する。磁気記憶装置の高記録密度化に伴って、スピンバルブ膜を備えたものが主流となっている。スピンバルブ膜は、反強磁性層の上に磁化が所定の方向に固定されたピンド層と非磁性結合層、リファレンス層からなる所謂積層フェリピン層とその上に積層される非磁性層と、磁気記録媒体からの漏洩磁界の方向や強度に応じて磁化の方向が変わる自由磁化層が積層して構成されている。スピンバルブ膜は、リファレンス層の磁化と自由磁化層の磁化とがなす角に応じて電気抵抗値が変化する。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、磁気抵抗効果素子が磁気記録媒体に記録されたビットを再生する。

情報記憶装置の高記録密度化に伴って、磁気抵抗効果膜の積層方向に電流を流すＣＰＰ（Ｃｕｒｒｅｎｔ−Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ−ｔｏ−Ｐｌａｎｅ）型の磁気ヘッドが適用されている。

ＣＰＰ型のスピンバルブ膜の出力は、スピンバルブ膜に外部磁界を一方向からその逆の方向に磁界を掃引して印加した際の単位面積の磁気抵抗変化量で決まってくる。単位面積の磁気抵抗変化量は、スピンバルブ膜の磁気抵抗変化量（ΔＲ）とスピンバルブ膜の膜面の面積（Ａ）を乗じたものである（以降磁気抵抗変化量をΔＲＡとする）。単位面積の磁気抵抗変化量を増加させるためには、自由磁化層やリファレンス層にスピン依存バルク散乱係数と比抵抗との積が大きな材料を用いる必要がある。スピン依存バルク散乱とは、伝導電子が持つスピンの向きに依存して自由磁化層や固定磁化層の層内で伝導電子が散乱する度合いが異なる現象であり、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。スピン依存バルク散乱係数が大きく且つ比抵抗が大きな材料としては、組成を限定したＣｏＦｅＡｌ材料を用いた磁気抵抗効果素子が提案されている（特許文献１参照）。
特開２００７−８８４１５

しかしながら、近年では、ハードディスク装置等に対する高記録密度化の要求は増すばかりであり、リファレンス層や自由磁化層にＣｏＦｅＡｌを使用しても、ＣＰＰ型の磁気抵抗効果素子における更なる高感度化が困難となってきている。

本件は、上記事情に鑑み、更に高感度の磁気抵抗効果素子、そのような高感度で情報再生を行う磁気ヘッド、そのような磁気ヘッドが搭載された情報記憶装置、および上記の磁気抵抗効果素子を使って情報を記憶する磁気メモリを提供することを目的とする。

上記目的を達成する磁気抵抗効果素子の基本形態は、ＣｏＦｅＡｌにＳｉ又はＧｅが添加された磁性材料で形成された、磁化の向きが固定されているリファレンス層と、上記リファレンス層上に非磁性材料で形成された非磁性層と、上記非磁性層上に、ＣｏＦｅＡｌにＳｉ又はＧｅが添加された磁性材料で形成された、磁化の向きが外部からの作用に応じた向きに変化する自由磁化層とを備えたことを特徴とする。

ここで、上記にいう「外部からの作用」とは、上記自由磁化層に対して磁界を印加することや、あるいは、電子が取り得る２つのスピンの向きのうち何れか一方の向きのスピンを持った電子のみからなる電子流である偏極スピン電流を上記自由磁化層に流すこと等を意味する。

この磁気抵抗効果素子の基本形態は、リファレンス層と非磁性層と自由磁化層とを備えたＣＰＰ型の磁気抵抗効果素子である。ここで、本件の開発者は、従来、リファレンス層や自由磁化層を形成する材料として用いられているＣｏＦｅＡｌにＳｉやＧｅを添加することで、大きな比抵抗が得られることを見出した。ＣＰＰ型の磁気抵抗効果素子の感度を高めるためには、自由磁化層やリファレンス層を、いわゆる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で形成する必要がある。上記の磁気抵抗効果素子の基本形態によれば、ＣｏＦｅＡｌに対するＳｉやＧｅの添加によって比抵抗の更なる増加が図られた材料で自由磁化層やリファレンス層が形成されることから、更に高感度の磁気抵抗効果素子が実現される。

また、上記目的を達成する磁気ヘッドの基本形態は、ＣｏＦｅＡｌにＳｉ又はＧｅが添加された磁性材料で形成された、磁化の向きが固定されているリファレンス層と、上記リファレンス層上に非磁性材料で形成された非磁性層と、上記非磁性層上に、ＣｏＦｅＡｌにＳｉ又はＧｅが添加された磁性材料で形成された、磁化の向きが、磁気記憶媒体が発する磁界の向きに応じた向きに変化する自由磁化層と、上記リファレンス層と上記非磁性層と上記自由磁化層との積層物に対して、その積層物における積層方向に電流を流すための一対の電極とを備えたことを特徴とする。

この磁気ヘッドの基本形態は、比抵抗の増加が図られた材料で形成された自由磁化層やリファレンス層を備えた上述の磁気抵抗効果素子を、上記磁気記憶媒体に対する情報再生のための磁気ヘッドに適用したものであり、更なる高感度での情報再生が可能となっている。

また、上記目的を達成する情報記憶装置の基本形態は、磁気記憶媒体および、
ＣｏＦｅＡｌにＳｉ又はＧｅが添加された磁性材料で形成された、内部の磁化の向きが固定されているリファレンス層と、上記リファレンス層上に非磁性材料で形成された非磁性層と、上記非磁性層上に、ＣｏＦｅＡｌにＳｉ又はＧｅが添加された磁性材料で形成された、内部の磁化の向きが、上記磁気記憶媒体が発する磁界の向きに応じた向きに変化する自由磁化層と、上記リファレンス層と上記非磁性層と上記自由磁化層との積層物に対して、その積層物における積層方向に電流を流すための一対の電極とを備えた磁気ヘッドを備えたものであることを特徴とする。

この情報記憶装置の基本形態によれば、更なる高記録密度化が実現可能な上述の磁気ヘッドが搭載されていることから、更に大容量での情報記録が可能となっている。

また、上記目的を達成する磁気メモリの基本形態は、
ＣｏＦｅＡｌにＳｉ又はＧｅが添加された磁性材料で形成された、磁化の向きが固定されているリファレンス層と、上記リファレンス層上に非磁性材料で形成された非磁性層と、上記非磁性層上に、ＣｏＦｅＡｌにＳｉ又はＧｅが添加された磁性材料で形成された、磁化の向きが外部からの作用に応じた向きに変化する自由磁化層とを備えた磁気抵抗効果素子および、上記磁気抵抗効果素子の上記自由磁化層に情報に応じた作用を与えることでその自由磁化層内の磁化の向きをその情報に応じた向きに向かせて、その情報をその自由磁化層に磁化の向きとして書き込む書込み部を備えたことを特徴とする。

ここで、この磁気メモリの基本形態においても、上記にいう「外部からの作用」とは、上記自由磁化層に対して磁界を印加することや、あるいは、電子が取り得る２つのスピンの向きのうち何れか一方の向きのスピンを持った電子のみからなる電子流である偏極スピン電流を上記自由磁化層に流すこと等を意味する。

この磁気メモリの基本形態によれば、上述の更に高感度の磁気抵抗効果素子を使って情報を記録することができる。

以上、説明したように、本件によれば、更に高感度の磁気抵抗効果素子、そのような高感度で情報再生を行う磁気ヘッド、そのような磁気ヘッドが搭載された情報記憶装置、および上記の磁気抵抗効果素子を使って情報を記憶する磁気メモリを得ることができる。

以下、上記に基本形態について説明した磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド、情報記憶装置、および磁気メモリの具体的な実施形態について、図面を参照して説明する。

まず、第１実施形態について説明する。この第１実施形態は、磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド、および情報記憶装置の具体的な実施形態である。

図１は、基本形態について説明した情報記憶装置の具体的な一実施形態に相当するハードディスク装置を示す図である。

この図１に示すハードディスク装置１０はハウジング１１と、そのハウジング１１内に備えられた次のような構成要素からなる。

ハウジング１１内には、スピンドル（図示されず）により駆動されるハブ１２、ハブ１２に固定されスピンドルにより回転される磁気ディスク１３、アクチュエータユニット１４、アクチュエータユニット１４に支持され、磁気ディスク１３の径方向に駆動されるアーム１５およびサスペンション１６、サスペンション１６に支持された磁気ヘッド１００が備えられている。また、本実施形態の磁気ディスク１３は、ディスク面に対して垂直な方向の磁化によって情報が記録される垂直磁気記録方式の磁気記憶媒体であり、磁気ヘッド１００は、後述するように、情報再生用の磁気抵抗効果素子と、情報記録用の誘導型記録素子とで構成されている。この誘導型記録素子は、垂直磁気記録方式に対応した単磁極型の素子である。さらに、図１のハウジング１１内には、この磁気ヘッド１００における磁気抵抗効果素子での情報再生と、誘導型記録素子での情報記録とを制御する制御回路１７も備えられている。

ここで、磁気ディスク１３は、上述の基本形態における磁気記憶媒体の一例に相当する。尚、上述の基本形態における磁気記憶媒体は、本実施形態の磁気ディスク１３のような垂直磁気記録方式の磁気ディスク装置に限るものではなく、例えば、面内磁気記録方式の磁気ディスク装置や、斜め異方性を有する磁気ディスクや、磁気ディスク以外の、例えば磁気テープ等といった磁気記憶媒体であっても良い。

また、磁気ヘッド１００は、基本形態について説明した磁気ヘッドの具体的な一実施形態に相当する。尚、基本形態について上述した磁気ヘッドは、本実施形態の磁気ヘッド１００のような垂直磁気記録用の磁気ヘッドに限るものではなく、面内記録用の磁気ヘッドであっても良い。

また、基本形態について上述した情報記憶装置は、図１に示す基本構成を有したハードディスク装置に限るものでは無く、一般に知られている他の構成のハードディスク装置や、例えば磁気テープに情報を記録する装置等であっても良い。

次に、基本形態について説明した磁気ヘッドの具体的な一実施形態である、図１の磁気ヘッド１００の詳細について説明する。

図２は、基本形態について説明した磁気ヘッドの具体的な一実施形態である、図１の磁気ヘッドの詳細を示す図である。

この図２には、図１の磁気ヘッド１００が、磁気ディスク１３側から見た模式的な平面図で示されている。

この図２に示すように、磁気ヘッド１０は、大略して、Ａｌ_２Ｏ_３−ＴｉＣ等のセラミックからなるヘッドスライダの基体１０１の上に形成された磁気抵抗効果素子１２０と、その上に形成された誘導型記録素子１３０から構成される。この図２中、矢印Ｘの方向は、磁気抵抗効果素子１３０に対向する磁気ディスク１３（図１参照）の移動方向を示す。ここで、上記の磁気抵抗効果素子１２０が、上述の基本形態における磁気抵抗効果素子の一例に相当する。

誘導型記録素子１３０は、磁気記憶媒体のトラック幅に相当する幅を、図２中の矢印Ｙの方向に有する上部磁極１３１と、非磁性材料からなる記録ギャップ層１３２を挟んで上部磁極１３１に対向する下部磁極１３３と、上部磁極１３１と下部磁極１３３とを接続するヨーク（図示されず）と、記録電流により記録磁界を誘起するコイル（図示されず）等からなる。上部磁極１３１、下部磁極１３３、およびヨークは軟磁性材料より構成される。この軟磁性材料としては、記録磁界を確保するために飽和磁束密度の大きな材料、例えば、Ｎｉ_８０Ｆｅ_２０、ＣｏＺｒＮｂ、ＦｅＮ、ＦｅＳｉＮ、ＦｅＣｏ、ＣｏＮｉＦｅ等が挙げられる。尚、基本形態について上述した磁気ヘッドは、本実施形態の誘導型記録素子１３０を備えた形態に限定されるものではなく、一般に知られた他の構造の誘導型記録素子を備えたものであっても良い。

情報記録時には、図１の制御回路１７によって、誘導型記録素子１３０における上記のコイルに、情報に応じて極性が順次に変化する記録電流が流される。その結果、このコイルによって情報に応じて向きが変化する記録磁界が誘起される。記録磁界は、上記のヨークを通って、上部磁極１３１から、図１の磁気ディスク１３の表面に印加される。記録磁界の印加を受けた磁気ディスク１３では、磁化が、その印加された記録磁界の向きに応じて、磁気ディスク１３の表裏何れかの向きを向くこととなる。

ここで、情報再生時には、磁気ディスク１３が回転され、磁気ヘッド１００の直下を、磁気ディスク１３が通過する。その結果、この磁気ディスク１３に、各々が記録対象の情報に応じて表裏何れかの向きを向いた複数の磁化の配列として、情報が記録されることとなる。

磁気抵抗効果素子１２０は、基体１０１の表面に形成されたアルミナ膜１０２上に、下部電極１２１、磁気抵抗効果膜１４０、アルミナ膜１２５、上部電極１２２が積層された構成となっている。磁気抵抗効果膜１４０は、下部電極１２１および上部電極１２２とそれぞれ電気的に接続されている。

ここで、上記の下部電極１２１と上部電極１２２とのそれぞれが、上述の磁気ヘッドや情報記憶装置の基本形態における電極の一例に相当する。

磁気抵抗効果膜１４０の両側には、絶縁膜１２３を介して磁区制御膜１２４が設けられている。磁区制御膜１２４は、例えば、Ｃｒ膜と強磁性のＣｏＣｒＰｔ膜との積層体からなる。磁区制御膜１２４は、磁気抵抗効果膜１４０を構成する後述の自由磁化層の単磁区化を図り、バルクハウゼンノイズの発生を防止する。下部電極１２１および上部電極１２２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１２１および上部電極１２２は、軟磁性合金、例えばＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ等から構成される。さらに、上述したように、本実施形態では、磁気抵抗効果膜１４０は、下部電極１２１と電気的に直に接続されているが、磁気抵抗効果膜１４０と下部電極１２１との界面に導電膜、例えば、Ｃｕ膜、Ｔａ膜、Ｔｉ膜等を設けてもよい。

また、この図２の磁気ヘッド１００では、図示は省略されているが、磁気抵抗効果素子１２０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等により覆われている。

情報再生時には、磁気ディスク１３が回転され、磁気ヘッド１００の直下を、各々が情報に応じた向きを向いた磁化の配列が通過し、磁気抵抗効果膜１４０では、媒体磁界の向きに応じて電気抵抗値が変化する。以下では、この媒体磁界の向きに応じて変化する電気抵抗値を磁気抵抗値と呼ぶ。情報再生時には、磁気抵抗効果膜１４０において、磁気ヘッド１００の直下を順次に通過する各磁化からの磁界の向きに応じた、即ち、各磁化が担持している情報に応じた磁気抵抗値の変化が発生する。

ここで、情報再生時には、図１の制御回路１７によって、磁気抵抗効果素子１２０には、上部電極１２２から、磁気抵抗効果膜１４０通り下部電極１２１に達するセンス電流Ｉｓが流される。そして、この制御回路１７において、磁気抵抗効果膜１４０の磁気抵抗値の変化が、センス電流Ｉｓが流れたときの電圧変化として検出される。つまり、制御回路１７において、磁気ディスク１３に記録されている情報に応じた磁気抵抗値の変化が、この電圧変化として検出される。本実施形態では、磁気抵抗効果素子１２０を用いた情報再生が、このように実行される。なお、センス電流Ｉｓの流れる方向は図２に示す方向に限定されず、逆向きでもよい。また、磁気ディスク１３の移動方向も、図２に示す矢印Ｘの方向と逆向きでもよい。

図３は、図２に示す磁気抵抗効果膜の断面図である。

この図３に示すように、磁気抵抗効果膜１４０は、下地層１４１、反強磁性層１４２、固定磁化積層体１４３、非磁性層１４４、自由磁化層１４５、保護層１４６が順次に積層された構成からなる、いわゆるシングルスピンバルブ構造を有する。

ここで、自由磁化層１４５が、上述の基本形態における自由磁化層の一例に相当し、非磁性層１４４が、この基本形態における非磁性層の一例に相当する。

下地層１４１は、図２に示す下部電極１０２の表面にスパッタ法等により形成される。また、この下地層１４１は、例えば、ＮｉＣｒやＲｕの層であっても良く、あるいは、Ｔａ膜（例えば膜厚５ｎｍ）とＮｉＦｅ膜（例えば膜厚５ｎｍ），Ｔａ膜と（例えば膜厚５ｎｍ）とＲｕ膜（例えば膜厚５ｎｍ）との積層体等であっても良い。また、下地層１４１がＴａ膜とＮｉＦｅ膜との積層体である場合、その積層体におけるＮｉＦｅ膜は、Ｆｅの含有量が１７原子％〜２５原子％の範囲内であることが好ましい。このような組成のＮｉＦｅ膜を用いることにより、ＮｉＦｅ膜の結晶成長面である（１１１）結晶面上に反強磁性層１４２がエピタキシャル成長する。これにより、反強磁性層１４２の結晶性を向上させることができる。

反強磁性層１４２は、４ｎｍ〜３０ｎｍ（好ましくは４ｎｍ〜１０ｎｍ）の範囲内の膜厚を有し、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。）から構成された層である。Ｍｎ−ＴＭ合金としては、例えば、ＰｔＭｎ、ＰｄＭｎ、ＮｉＭｎ、ＩｒＭｎ、ＰｔＰｄＭｎが挙げられる。反強磁性層１４２は、後述の固定磁化積層体１４３のピンド層１４３ａに交換相互作用を及ぼしてピンド層１４３ａ内の磁化を所定の向きに固定する役割を担っている。

固定磁化積層体１４３は、ピンド層１４３ａ、非磁性結合層１４３ｂ、リファレンス層１４３ｃが、反強磁性層１４２側からこの記載順に積層された、いわゆる積層フェリ構造を有する。

ここで、リファレンス層１４３ｃが、上述の基本形態におけるリファレンス層の一例に相当する。

この固定磁化積層体１４３では、ピンド層１４３ａとリファレンス層１４３ｃとが反強磁性的に交換結合されており、その結果、各層の磁化の向きが互いに反平行となっている。これにより、リファレンス層１４３ｃの磁化が発する磁界が、ピンド層１４３ａの磁化が発する磁界によって打ち消されて、フリー層にかかる磁場が抑制され磁気抵抗効果が上昇することとなる。

このことは、上述の基本形態に対し、
「上記リファレンス層の上記非磁性層側とは反対側に磁性材料で形成された、磁化の向きが、上記リファレンス層の磁化が固定されるべき第１の向きとは反対の第２の向きに固定されているピンド層と、
上記ピンド層と上記リファレンス層との間に形成された、上記ピンド層の磁化と上記リファレンス層内の磁化とを反強磁性的に結合させることで上記リファレンス層内の磁化を上記第１の向きに固定させる、非磁性材料からなる非磁性結合層とを備えた積層フェリ構造を備えた」という応用形態が好適であることを意味している。

上記のピンド層１４３ａは、この応用形態におけるピンド層の一例に相当し、非磁性結合層１４３ｂは、この応用形態における非磁性結合層の一例に相当する。

上記の反強磁性層１４２は、この応用形態における反強磁性層の一例に相当する。

ピンド層１４３ａは、軟磁性材料で形成されている。ピンド層１４３ａの形成に好適な軟磁性材料としては、比抵抗が低い点で、Ｃｏ_６０Ｆｅ_４０やＮｉＦｅが挙げられる。本実施形態では、ピンド層１４３ａとリファレンス層１４３ｃとは上記のように反強磁性的に交換結合される。その結果、ピンド層１４３ａの磁化は、リファレンス層１４３ｃの磁化の向きに対して逆向きとなるので、ピンド層１４３ａが、この磁気抵抗効果膜１４０における磁気抵抗変化量ΔＲＡを低下させる方向に働く。このため、ピンド層１４３ａを上記のような比抵抗の低い軟磁性材料で形成することで、この磁気抵抗変化量ΔＲＡの低下を抑制することができる。

リファレンス層１４３ｃは、膜厚が１〜１０ｎｍの範囲内の何れかの膜厚で、構成材料が、（（Ｃｏ_ａＦｅ_ｂＡｌ_ｃ）_{１００−Ｘ}Ｍ_Ｘ（ここで５０≦ａ≦７０，１０≦ｂ≦２５，１５≦ｃ≦３５，０＜Ｘ＜３０（ａｔ％），Ｍ＝Ｓｉ又はＧｅ）という組成の合金からなる層となっている。

尚、上述の基本形態におけるリファレンス層は、本実施形態のリファレンス層１４３ｃのように１層の構造に限るものではなく、例えば、上記の（Ｃｏ_ａＦｅ_ｂＡｌ_ｃ）_{１００−Ｘ}Ｍ_Ｘからなる層と、Ｃｏ，Ｎｉ，Ｆｅ等の他の磁性元素のうちの２種類以上の磁性元素からなる合金で形成された層との積層体であっても良い。また、このような積層体の場合、後者の層については、上記の磁性元素の種類や組成比が次のように互いに異なる複数種類を備えても良い。これら複数種類の層としては、各層の磁性元素の組み合わせが互いに異なっているというものであっても良く、あるいは、各層の磁性元素の組み合わせは互いに同一であるが組成比が互いに異なっているというものであっても良い。

非磁性結合層１４３ｂは、ピンド層１４３ａとリファレンス層１４３ｃとが反強磁性的に交換結合する範囲の膜厚となっている。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１４３ｂは、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｕ系合金、Ｒｈ系合金、Ｉｒ系合金等の非磁性材料から構成される。Ｒｕ系合金としては、Ｒｕに、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、およびＭｎのうち何れか一つが添加された合金、あるいは、Ｒｕに、これらの合金が添加された合金等が好適である。

非磁性層１４４は、１．５ｎｍ〜１０ｎｍの範囲内の何れかの膜厚を有する非磁性の層となっている。非磁性層１４４に好適な材料としては、Ｃｕ、Ａｌ、Ｃｒ、ＴｉＯ、ＭｇＯ、ＺｎＯ等が挙げられる。

自由磁化層１４５は、膜厚が１〜１０ｎｍの範囲内の何れかの膜厚で、構成材料が、（（Ｃｏ_ａＦｅ_ｂＡｌ_ｃ）_{１００−Ｘ}Ｍ_Ｘ（ここで５０≦ａ≦７０，１０≦ｂ≦２５，１５≦ｃ≦３５，０＜Ｘ＜３０（ａｔ％），Ｍ＝Ｓｉ又はＧｅ）という組成の合金からなる層となっている。

尚、上述の基本形態における自由磁化層は、本実施形態の自由磁化層１４５のように１層の構造に限るものではなく、例えば、上記の（Ｃｏ_ａＦｅ_ｂＡｌ_ｃ）_{１００−Ｘ}Ｍ_Ｘからなる層と、Ｃｏ，Ｎｉ，Ｆｅ等の他の磁性元素のうちの２種類以上の磁性元素からなる合金で形成された層との積層体であっても良い。また、このような積層体の場合、後者の層については、上記の磁性元素の種類や組成比が次のように互いに異なる複数種類を備えても良い。これら複数種類の層としては、各層の磁性元素の組み合わせが互いに異なっているというものであっても良く、あるいは、各層の磁性元素の組み合わせは互いに同一であるが組成比が互いに異なっているというものであっても良い。

ここで、リファレンス層１４３ｃ及び自由磁化層１４５の形成に、上記のようにＣｏＦｅＡｌにＳｉやＧｅが添加された合金が用いられているのは以下の理由による。

本件の開発者は、このＣｏＦｅＡｌにＳｉやＧｅを添加することで、以下の表に示すように、従来よりも大きな比抵抗が得られることを見出した。

表１は、ＣｏＦｅＡｌにＳｉが添加された合金における比抵抗を示す表であり、表２は、ＣｏＦｅＡｌにＧｅが添加された合金における比抵抗を示す表である。

これらの表から分かるように、ＳｉやＧｅが無添加（表中でＸ＝０（ａｔ％））のときの比抵抗よりも、添加時の比抵抗の方が大きい。

一般的に、磁気抵抗効果膜における磁気抵抗変化量ΔＲＡは、自由磁化層やリファレンス層において伝導電子が散乱する度合いを表わすスピン依存バルク散乱係数と比抵抗との積に依存する。

本実施形態では、上記のようにＣｏＦｅＡｌにＳｉやＧｅを添加して、自由磁化層１４５やリファレンス層１４３ｃでの比抵抗を増加させることで、磁気抵抗効果膜１４０における大きな磁気抵抗変化量ΔＲＡが実現されている。情報再生時において、磁気抵抗効果素子１２０にセンス電流Ｉｓが流れたときの、記録情報に応じた電圧変化は、磁気抵抗効果膜１４０の磁気抵抗変化量ΔＲＡに依存する。本実施形態では、自由磁化層１４５やリファレンス層１４３ｃでの比抵抗の増加によって、情報再生における再生感度の向上が図られている。

また、ＳｉやＧｅの添加対象であるＣｏＦｅＡｌの組成範囲は、特開２００７−８８４１５より、磁気抵抗変化量ΔＲＡや飽和磁束密度Ｂｓや保磁力Ｈｃとして好ましい値を得るという観点から、Ｃｏ_ａＦｅ_ｂＡｌ_ｃ（５０≦ａ≦７０，１０≦ｂ≦２５，１５≦ｃ≦３５）という範囲が好ましい。

保護層１４６は、磁気抵抗効果膜１４０の形成時に、反強磁性層１４２の反強磁性を出現させるための後述の熱処理の際に自由磁化層１４５の酸化を防止する役割を担っており、非磁性の導電性材料で形成されている。この非磁性の導電性材料としては、例えばＲｕ、Ｃｕ、Ｔａ、Ａｕ、Ａｌ、およびＷの何れかを含む金属が挙げられる。また、本実施形態では、保護層１４６は、このような金属の単層膜であるが、上記のような酸化を防止する役割を果たす保護層は単層膜に限るものではなく、上記の金属の膜が積層された積層体であっても良い。

次に、この図３に示す磁気抵抗効果膜１４０の形成方法について説明する。

最初に、スパッタ法、蒸着法、ＣＶＤ法等により、下地層１４１から保護層１４６までの各々の層を上述した材料を用いて形成する。

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。熱処理は、真空雰囲気で、例えば加熱温度２５０℃〜３２０℃、加熱時間約２〜４時間、印加磁界１５９２ｋＡ／ｍという条件下において行われる。この熱処理により、上述したＭｎ−ＴＭ合金のうちの一部が規則合金化して、反強磁性層１４２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１４２の磁化の向きがその方向に設定され、その結果、反強磁性層１４２とピンド層１４３ａとの交換相互作用により、ピンド層１４３ａの磁化が所定の向きに固定される。

次いで、下地層１４１から保護層１４６までの積層体を図２に示すような形状にパターニングして磁気抵抗効果膜１４０を得る。

このように形成された磁気抵抗効果膜１４０は上述したように磁気抵抗変化量ΔＲＡが大きく、その結果、磁気ヘッド１００における再生感度の向上が図られている。そして、図１に示す本実施形態のハードディスク装置１０では、この再生感度の高い磁気ヘッド１００を用いることで、更なる高記録密度化が実現されており、大容量での情報記録および情報再生が可能となっている。

以下、上述の第１実施形態に対応した実施例に基づいて本件を更に具体的に説明するが、本件は以下の実施例に何ら限定されるものではない。

［第１実施例］
図３に示す磁気抵抗効果膜の構成を有し、リファレンス層と自由磁化層とが、ＣｏＦｅＡｌにＳｉが添加された合金で形成されている磁気抵抗効果素子を以下の方法で作製した。

まず、熱酸化膜が形成されたシリコン基板上に、下部電極として、シリコン基板側からＣｕ（２５０ｎｍ）／ＮｉＦｅ（５０ｎｍ）の積層膜を形成し、次いで下記の組成および膜厚を有する下地層〜保護層までの積層体の各層を超高真空（真空度：２×１０^−６Ｐａ以下）雰囲気でスパッタ装置を用いて室温で成膜した。

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フォトリソグラフィーとイオンミリングによる微細加工を行って、０．１μｍ^２〜０．６μｍ^２の範囲の６種類の接合面積を有する６種類の積層体を作製した。

以下に、第１実施例の磁気抵抗効果膜の具体的構成を示す。なお、括弧内の数値は膜厚を表している。

下地層：Ｒｕ（４ｎｍ）
反強磁性層：ＩｒＭｎ（５ｎｍ）
ピンド層：Ｃｏ６０Ｆｅ４０（４ｎｍ）
非磁性結合層：Ｒｕ（０．７ｎｍ）
リファレンス層：（ＣｏＦｅＡｌ）_{１００−Ｘ}Ｍ_Ｘ Ｍ＝Ｓｉ（４ｎｍ）
非磁性層：Ｃｕ（３．５ｎｍ）
自由磁化層：（ＣｏＦｅＡｌ）_{１００−Ｘ}Ｍ_Ｘ Ｍ＝Ｓｉ（５ｎｍ）
保護層：Ｒｕ（５ｎｍ）
そして、６種類の大きさのサンプルについて、磁気抵抗変化量ΔＲＡを測定し、磁気抵抗変化率であるＭＲ比（ΔＲＡ／ＲＡ）の平均値を求めた。

なお、磁気抵抗変化量ΔＲＡの測定は、次のように行なった。

まず、センス電流の電流値を２ｍＡに設定し、外部磁界を、リファレンス層の磁化方向と平行に印加し、その外部磁界の強度を−７９ｋＡ／ｍ〜７９ｋＡ／ｍの範囲で変化させ、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て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ΔＲＡを求めた。

また、後述のＨｉｎやＨｃは、外部磁界を上記と同じ方向に印加し、強度を−７．９ｋＡ／ｍ〜７．９ｋＡ／ｍの範囲で変化させて得られる磁気抵抗曲線のヒステリシスから求めた。

図４は、磁気抵抗曲線を示す図である。

Ｈｉｎは、この図４に示すように外部磁界の向きが変わった時の抵抗値変化の応答する磁界のシフト量を表す。リファレンス層と自由磁化層の磁気的な結合力が切れている時は、Ｈｉｎが表わすシフト量が小さくなり、自由磁化層の磁化が外部の磁界の変化に感度良く反応でき、外部磁界の向きの変化が、直ちに抵抗値の変化として検出されることとなる。即ち、磁気抵抗効果素子の感度の観点からは、このＨｉｎが小さい方が好ましい。

このＨｉｎは、主に非磁性の膜厚とラフネスによって決まり、非磁性の膜厚が薄いほど、あるいは、ラフネスが大きいほど、リファレンス層と自由磁化層が部分的に磁気的に結合してしまいＨｉｎが大きくなる。一般に、非磁性の形成時にラフネスを制御することは困難であることが多く、Ｈｉｎの低減は、非磁性の膜厚を厚くすることで行われる。一方で、磁気抵抗効果素子では、この非磁性の膜厚の増加は、上部端子と下部端子の間の距離の増加を招き、結果的に、ビット方向の効率を低下させてしまう。このビット方向の効率の観点からは、非磁性の膜厚は、３．５ｎｍ以下の膜厚が望ましい。また、磁気抵抗効果素子として正常に作用するためには、Ｈｉｎは、少なくともＨｉｎ≦１０Ｏｅとなることが要求される。そこで、本実施例では、非磁性の膜厚が、両者の兼合いから３．５ｎｍに設定されている。

また、Ｈｃは保磁力であり、図４に示すようにヒステリシスループの幅を示している。外部磁界に対して感度良く自由磁化層内の磁化が反転するためには、このＨｃは小さいほど良く、Ｈｃが、Ｈｃ≦１０Ｏｅとなることが望ましい。

［第２実施例］
リファレンス層と自由磁化層とが、ＣｏＦｅＡｌにＧｅが添加された合金で形成されている他は、上述の第１実施例と同じ条件で、磁気抵抗効果素子の作成を行い、上記の磁気抵抗値変化率ＭＲ比、Ｈｉｎ、およびＨｃを求めた。

図５は、第１および第２実施例についての磁気抵抗値変化率ＭＲ比を示すグラフであり、図６は、第１および第２実施例についてのＨｉｎを示すグラフであり、図７は、第１および第２実施例についてのＨｃを示すグラフである。

図５のグラフでは、横軸にＳｉおよびＧｅの組成がとられ、縦軸にＭＲ比がとられており、図６のグラフでは、横軸にＳｉおよびＧｅの組成がとられ、縦軸にＨｉｎがとられており、図７のグラフでは、横軸にＳｉおよびＧｅの組成がとられ、縦軸にＨｃがとられている。また、各グラフとも、第１実施例は、四角印のプロット点を結ぶ点線で示されており、第２実施例は、菱形印を結ぶ実線で示されている。

図５のグラフから、ＣｏＦｅＡｌにＧｅやＳｉを３０ａｔ％の範囲内で添加することでＭＲ比が増大し、Ｇｅの場合（第２実施例）では、２５ａｔ％でＭＲ比＝６．３％が実現でき、Ｓｉの場合（第１実施例）では、２０ａｔ％でＭＲ比＝５．４％が実現できることが確認された。このことから、第４元素としてＳｉ，Ｇｅを添加することでＭＲ比の増加が実現できることが分かる。

また、図６および図７のグラフから、Ｓｉの場合（第１実施例）では、３０ａｔ％未満の範囲内における全範囲の添加で、ＨｉｎとＨｃとの双方について、上述の１０Ｏｅ以下という望ましい値が実現できることが確認された。また、Ｇｅの場合（第２実施例）では、ＨｉｎとＨｃとの双方について、このような望ましい値を実現できる添加量についての望ましい組成範囲が、３０ａｔ％未満の範囲内に存在していることが確認された。

以上、実施例も挙げて説明したように、図３に示す第１実施形態の磁気抵抗効果膜１４０によれば、比抵抗の増加に伴う大きな磁気抵抗変化量が実現され、そのような磁気抵抗効果膜１４０を備えた磁気抵抗効果素子１２０を再生素子として備える、図２に示す第１実施形態の磁気ヘッド１００の高い再生感度が実現される。その結果、図１に示す第１実施形態のハードディスク装置１０では、この再生感度の高い磁気ヘッド１００を用いることで、更なる高記録密度化が実現され、大容量での情報記録および情報再生が可能となっている。

次に、第２実施形態について説明する。この第２実施形態も、上述の第１実施形態と同様に、磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド、および情報記憶装置の具体的な実施形態である。ただし、この第２実施形態は、磁気抵抗効果膜の構成が、第１実施形態と異なっている。以下では、第２実施形態について、この第１実施形態との相違点に注目した説明を行う。

図８は、第２実施形態の磁気抵抗効果膜の断面図である。

尚、この図８では、図３に示す第１実施形態の磁気抵抗効果膜１４０の構成要素と同等な構成要素は図３と同じ符号が付されており、以下では、これら同等な構成要素についての重複説明を省略する。また、図３の構成要素と実質的には同等であるが、説明の便宜上、図３とは名称を変更した構成要素については、図８では、図３と同じ符号に「’」が付されて示されており、以下では、これら実質的に同等な構成要素についての重複説明も省略する。

この図８に示す磁気抵抗効果膜１５０は、下地層１４１、下部反強磁性層１４２’、下部固定磁化積層体１４３’、下部非磁性層１４４’、自由磁化層１４５、上部非磁性層１５４、上部固定磁化積層体１５３、上部反強磁性層１５２、保護層１４６が順次積層された構成からなる。即ち、磁気抵抗効果膜１５０は、図３に示す磁気抵抗効果膜１４０の自由磁化層１４５と保護層１４６との間に、上部非磁性層１５４、上部固定磁化積層体１５３、上部反強磁性層１５２を設けた構成を有し、いわゆるデュアルスピンバルブ構造を有している。

上部非磁性１５４および上部反強磁性層１５２は、各々、下部非磁性層１４４’および下部反強磁性層１４２’と同様の材料で形成され、膜厚も同様の膜厚となっている。

また、下部固定磁化積層体１４３’は、下部ピンド層１４３ａ’、下部非磁性結合層１４３ｂ’、下部リファレンス層１４３ｃ’が下地層１４１側からこの記載順に積層された積層フェリ構造を有している。さらに、上部固定磁化積層体１５３は、上部ピンド層１５３ａ、上部非磁性結合層１５３ｂ、上部リファレンス層１５３ｃが、上部反強磁性層１５２側からこの記載順に積層された積層フェリ構造を有している。上部ピンド層１５３ａ、上部非磁性結合層１５３ｂ、上部リファレンス層１５３ｃは、各々、下部ピンド層１４３ａ’、下部非磁性結合層１４３ｂ’、および下部リファレンス層１４３ｃ’と同様の材料で形成され、膜厚も同様の膜厚となっている。

図８の磁気抵抗効果膜１５０は、上部リファレンス層１５３ｃ及び下部リファレンス層１４３ｃ’、自由磁化層１４５が、図３に示す磁気抵抗効果膜１４０と同様、（（Ｃｏ_ａＦｅ_ｂＡｌ_ｃ）_{１００−Ｘ}Ｍ_Ｘ（ここで５０≦ａ≦７０，１０≦ｂ≦２５，１５≦ｃ≦３５，０＜Ｘ＜３０（ａｔ％），Ｍ＝Ｓｉ又はＧｅ）から構成される。この積層構造により、図８の磁気抵抗効果膜１５０は、図３の磁気抵抗効果膜１４０の場合と同様の理由により大きな磁気抵抗変化量ΔＲＡを有している。

さらに、磁気抵抗効果膜１５０は、下部固定磁化積層体１４３’、下部非磁性層１４４’、自由磁化層１４５、からなるスピンバルブ構造と、自由磁化層１４５、上部非磁性層１５４、上部固定磁化積層体１５３からなるスピンバルブ構造との２つのスピンバルブ構造を有している。したがって、磁気抵抗効果膜１５０は磁気抵抗変化量ΔＲＡが倍増し、その値は、図３の磁気抵抗効果膜１４０の磁気抵抗変化量ΔＲＡの約二倍の値となる。その結果、図８の磁気抵抗効果膜１５０を磁気抵抗効果素子に用いることで、図３の磁気抵抗効果膜１４０を用いた場合よりも、いっそう高感度の磁気抵抗効果素子が実現できる。

このことは、上述の基本形態に対して上記のようなデュアルスピンバルブ構造を実現する、
「上記自由磁化層上に非磁性材料で形成された第２の非磁性層と、
上記第２の非磁性層上に形成され、磁化の向きが、上記リファレンス層内の磁化の向きと同じ向きに固定されている第２のリファレンス層とを備えた」という応用形態が好適であり、
この応用形態に対し、
「上記第２のリファレンス層の上記第２の非磁性層側とは反対側に磁性材料で形成された、磁化の向きが、その第２のリファレンス層内の磁化が固定されるべき第１の向きとは反対の第２の向きに固定されている第２のピンド層と、
上記第２のピンド層と上記第２のリファレンス層との間に形成された、上記第２のピンド層内の磁化とその第２のリファレンス層内の磁化とを反強磁性的に結合させることでその第２のリファレンス層内の磁化を上記第１の向きに固定させる、非磁性材料からなる第２の非磁性結合層とを備えた」という応用形態がさらに好適であり、
このさらに好適な応用形態に対し、
「上記第２のピンド層上に反強磁性材料で形成された、その第２のピンド層内の磁化の向きを上記第２の向きに固定する第２の反強磁性層を備えた」という応用形態が一層好適であることを意味している。

本実施形態における上部非磁性層１５４が、上記の応用形態における第２の比磁性層の一例に相当し、上部リファレンス層１５３ｃが、この応用形態における第２のリファレンス層の一例に相当し、上部ピンド層１５３ａが、この応用形態における第２のピンド層の一例に相当し、上部非磁性結合層１５３ｂが、この応用形態における第２の非磁性結合層の一例に相当し、上部反強磁性層１５２が、この応用形態における第２の反強磁性層の一例に相当する。

尚、磁気抵抗効果膜１５０の形成方法については、その形成方法が図３の磁気抵抗効果膜１４０の形成方法とほぼ同様であるので説明を省略する。また、図３の磁気抵抗効果膜１４０についての上述の実施例に対する評価を、この図８の磁気抵抗効果膜１５０にも適用できることから、図３の磁気抵抗効果膜１４０についての実施例についても説明を省略する。

次に、第３実施形態について説明する。この第３実施形態は、基本形態について説明した磁気抵抗効果素子および磁気メモリの具体的な実施形態である。

図９は、第３実施形態の磁気メモリを示す図であり、図１０は、図９に示す磁気メモリの等価回路を示す図である。

本実施形態の磁気メモリ２０は、各々１ビット相当の情報が記憶される複数のメモリセル２００がマトリクス状に配列されたものである。また、本実施形態の磁気メモリ２０では、各メモリセル２００での情報の記憶に、図３に示す磁気抵抗効果膜１４０と同等な磁気抵抗効果膜が使われている。尚、図９および図１０では、この磁気抵抗効果膜については、図３での符号と同じ符号である「１４０」が付されて示されている。また、この磁気抵抗効果膜の構成要素についても、図３と同じ符号が付されて示されており、以下では、これらの構成要素については重複説明を省略する。

図９のパート（ａ）には、１つのメモリセル２００に注目した磁気メモリ２０の断面図が示されており、パート（ｂ）には、メモリセル２００中の磁気抵抗効果膜１４０周辺の拡大断面図が示されている。また、図１０には、磁気メモリ２０の等価回路が、１つのメモリセル２００に注目して示されている。

尚、図９のパート（ａ）には、３次元の直交座標軸が示されている。このうち、Ｙ軸方向は紙面に垂直な方向であり、Ｙ１の向きは紙面の奥に向かう向き、Ｙ２の向きは紙面の手前に向かう向きである。なお、以下の説明において例えば単にＸ軸方向という場合は、Ｘ１の向きおよびＸ２の向きのいずれでも良いことを示し、Ｙ軸方向およびＺ軸方向についても同様である。

本実施形態の磁気メモリ２０は、複数のメモリセル２００が、上記の直交座標軸におけるＸＹ平面上に、マトリクス状に配列されて構成されたものである。

各メモリセル２００は、大略して磁気抵抗効果膜１４０とＭＯＳ型電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）２１０からなる。

ここで、一般に、ＭＯＳ型ＦＥＴには、ホールがキャリアとなるｐチャネルＭＯＳ型ＦＥＴと、電子がキャリアとなるｎチャネルＭＯＳ型ＦＥＴとがあるが、本実施形態のＭＯＳ型ＦＥＴ２１０はｎチャネルＭＯＳ型ＦＥＴである。尚、基本形態について説明した磁気メモリは、ｎチャネルＭＯＳ型ＦＥＴを用いた形態に限るものではなく、ｐチャネルＭＯＳ型ＦＥＴを用いた形態であっても良い。

ＭＯＳ型ＦＥＴ２１０は、シリコン基板２１１中にｐ型不純物が注入されて形成されたｐウェル領域２１２と、ｐウェル領域２１２の表面の近傍に互いに離隔してｎ型不純物が注入されて形成された２つの不純物拡散領域２１３ａ、２１３ｂを有する。ここで、一方の不純物拡散領域２１３ａをソースＳ、他方の不純物拡散領域２１３ｂをドレインＤとする。ＭＯＳ型ＦＥＴ２１０は、２つの不純物拡散領域２１３ａ、２１３ｂの間のｐウェル領域２１２の表面にゲート絶縁膜２１４を介してゲート電極Ｇが設けられている。

ＭＯＳ型ＦＥＴ２１０のソースＳは、垂直配線２０１および層内配線２０２を介して磁気抵抗効果膜１４０の下地層１４１に電気的に接続される。また、ドレインＤには垂直配線２０１を介してプレート線２０３が電気的に接続される。ゲート電極Ｇには読出用ワード線２０４に電気的に接続される。なお、ゲート電極Ｇについては、本実施形態とは異なり、読出用ワード線の一部がゲート電極を兼ねるという形態であっても良い。

また、本実施形態のメモリセル２００では、ビット線２０６が、磁気抵抗効果膜１４０の保護層１４６に電気的に接続される。磁気抵抗効果膜１４０の下側には離隔して書込用ワード線２０５が設けられている。

また、このメモリセル２００では、磁気抵抗効果膜１４０の自由磁化層１４５における磁化容易軸の方向が、図９のパート（ａ）に示すＸ軸方向に設定され、磁化困難軸の方向がＹ軸方向に設定されている。磁化容易軸の形成方法についてここでは特定しないが、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。形状異方性により磁化容易軸をＸ軸方向に形成する場合は、磁気抵抗効果膜１４０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軸方向の辺よりもＸ軸方向の辺が長い矩形とする。

また、磁気メモリ２０では、各メモリセル２００におけるシリコン基板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２０７に覆われている。

また、磁気抵抗効果膜１４０、プレート線２０３、読出用ワード線２０４、ビット線２０６、書込用ワード線２０５、垂直配線２０１、および層内配線２０２は、上記で説明した電気的な接続以外は層間絶縁膜２０７により互いに電気的に絶縁されている。

磁気メモリ２０では、各メモリセル２００における磁気抵抗効果膜１４０に１ビット相当の情報が保持される。情報は、リファレンス層１４３ｃの磁化の向きに対して、自由磁化層１４５の磁化の向きが平行であるか、反平行の状態であるかによって保持される。

次に、各メモリセル２００に対する書込み動作および読出し動作について説明する。

まず、メモリセル２００に対する書込み動作について説明する。

メモリセル２００に対する書込み動作は、磁気抵抗効果膜１４０の上下に配置されたビット線２０６と書込用ワード線２０５とに電流が流されることにより行われる。

本実施形態では、ビット線２０６と書込用ワード線２０５とを合わせたものが、上述の磁気メモリの基本形態における書込み部の一例に相当する。

ビット線２０６は、磁気抵抗効果膜１４０の上方に、Ｘ軸方向に延在している。このビット線２０６に電流が流されることにより、ビット線２０６の周りに誘起される磁界が、磁気抵抗効果膜１４０にＹ軸方向に印加される。また、書込用ワード線２０５は、磁気抵抗効果膜１４０の下方に、Ｙ軸方向に延在している。そして、書込用ワード線２０５に電流が流されることにより、書込用ワード線２０５の周りに誘起される磁界が、磁気抵抗効果膜１４０にＸ軸方向に印加される。

ここで、磁気抵抗効果膜１４０の自由磁化層１４５の磁化は、実質的に磁界が印加されない場合はＸ軸方向（例えばＸ２の向き）を向いており、その磁化方向は安定である。

メモリセル２００に対する書込み動作の際には、ビット線２０６と書込用ワード線２０５に同時に電流が流される。例えば、自由磁化層１４５の磁化をＸ１の向きに向ける場合には、書込用ワード線２０５にＹ１の向きの電流が流される。これにより、磁気抵抗効果膜１４０に、Ｘ１の向きに磁界が印加される。この際、ビット線２０６には、Ｘ１の向きおよびＸ２の向きの何れかの向きの電流が流される。このビット線２０６に流される電流によって生じる磁界は、磁気抵抗効果膜１４０にＹ１の向きまたはＹ２の向きに印加され、自由磁化層１４５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。

このような磁界の印加により、自由磁化層１４５の磁化は、Ｘ１の向きの磁界と、Ｙ１の向きまたはＹ２の向きとに同時に曝される。その結果、磁界の印加前にはＸ２の向きを向いていた自由磁化層１４５の磁化が、Ｘ１の向きに反転する。そして磁界を取り去った後も自由磁化層１４５の磁化はＸ１の向きを向いており、その磁化は、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安定している。

このようにして、磁気抵抗効果膜１４０には自由磁化層１４５の磁化の向きに応じて、「１」あるいは「０」を記録できる。例えば、リファレンス層１４３ｃの磁化の向きがＸ１の向きの場合に、自由磁化層１４５の磁化方向がＸ１の向き（抵抗値が小さい状態）のときは「１」、Ｘ２の向き（抵抗値が大きい状態）のときは「０」を表わすと、設計段階で決めておく。

なお、書込み動作の際にビット線２０６および書込用ワード線２０５に供給される電流の大きさは、ビット線２０６あるいは書込用ワード線２０５の何れか一方のみに電流が流れても自由磁化層１４５の磁化の反転が生じない程度に設定される。これにより、電流を供給したビット線２０６と電流を供給した書込用ワード線２０５との交点に相当する、書込み対象のメモリセル２００の磁気抵抗効果膜１４０の自由磁化層１４５の磁化のみに記録が行われる。また、書込み動作の際には、ビット線２０６に流された電流が磁気抵抗効果膜１４０に流れないように、ソースＳ側がハイピーダンスに設定される。

次に、メモリセル２００に対する読出し動作について説明する。

メモリセル２００に対する読出し動作は、ビット線２０６を介して、読出し対象のメモリセル２００のＭＯＳ型ＦＥＴ２１０におけるソースＳに対して負電圧を印加するとともに、読出用ワード線２０４を介して、そのメモリセル２００のＭＯＳ型ＦＥＴ２１０におけるゲート電極Ｇに、ＭＯＳ型ＦＥＴ２１０の閾値電圧よりも大きな電圧（正電圧）を印加することで行われる。

このような電圧の印加により、読出し対象のメモリセル２００のＭＯＳ型ＦＥＴ２１０のみがオンとなり、電子がビット線２０６から、磁気抵抗効果膜１４０、ソースＳ、およびドレインＤを介してプレート線２０３に流れる。

ここで、本実施形態では、図１０に示すように、磁気メモリ２０のプレート線２０３に電流計等の電流値検出器２５が接続される。この電流値検出器２５での、上記のような電圧の印加時における電流値の検出によって、リファレンス層１４３ｃの磁化の向きに対する自由磁化層１４５の磁化の向きに対応する磁気抵抗値が検出される。これにより、磁気メモリ２０の各メモリセル２００の磁気抵抗効果膜１４０で保持されている「１」あるいは「０」の情報を読み出すことができる。

本実施形態の磁気メモリ２０は、各メモリセル２００の磁気抵抗効果膜１４０のリファレンス層１４３ｃ及び自由磁化層１４５にＣｏＦｅＡｌにＧｅ又はＳｉを含む磁性材料が使用されていることから再生出力および感度に優れている。したがって、磁気メモリ２０は、情報の読出しの際に、各メモリセル２００の磁気抵抗効果膜１４０で保持された「０」や「１」の情報に対応する磁気抵抗値の差を正確に検出することができる。

尚、本実施形態では、基本形態について上述した磁気メモリの一実施形態として、各メモリセルの磁気抵抗効果膜として、図３に示す磁気抵抗効果膜１４０が採用された形態を例示したが、基本形態について上述した磁気メモリはこれに限るものではなく、例えば、各メモリセルの磁気抵抗効果膜として、図８に示す磁気抵抗効果膜１５０が採用された形態等であっても良い。

また、本実施形態では、情報の読出し時における読出し対象のメモリセル２００の選択が、そのメモリセル２００のＭＯＳ型ＦＥＴ２１０をオンさせることにより行われる。しかし、基本形態について説明した磁気メモリはこの形態に限るものではなく、読出し対象のメモリセルの選択方法としては、一般に知られている種々の選択方法を適用することができる。

以上に説明した本実施形態の磁気メモリ２０における、各メモリセル２００の磁気抵抗効果膜１４０の形成方法や実施例についての説明は、上述の第１実施形態の図３の磁気抵抗効果膜１４０の形成方法や実施例についての説明と重複するので割愛する。

次に、第４実施形態について説明する。この第４実施形態も、上述の第３実施形態と同様に、基本形態について説明した磁気抵抗効果素子および磁気メモリの具体的な実施形態である。

図１１は、第４実施形態の磁気メモリを示す図である。

本実施形態の磁気メモリ３０は、各々１ビット相当の情報が記憶される複数のメモリセル３００がマトリクス状に配列されたものである。また、本実施形態の磁気メモリ３０でも、各メモリセル３００での情報の記憶に、上述の第３実施形態と同様に、図３に示す磁気抵抗効果膜１４０と同等な磁気抵抗効果膜が使われている。そこで、図１１では、この磁気抵抗効果膜が、図３での符号と同じ符号である「１４０」が付されて示されている。

この図１１に示す磁気メモリ３０は、磁気抵抗効果膜１４０に情報を書込むための機構が第３実施形態の磁気メモリ２０と異なる。

磁気メモリ３０の各メモリセル３００は、書込用ワード線２０５が設けられていない以外は、図９に示すメモリセル２００と同様の構成を有する。以下、図９を、この図１１とあわせて参照しつつ説明する。

本実施形態の磁気メモリ３０は、各メモリセル３００に対する書込み動作が第３実施形態の磁気メモリ２０と異なっている。

本実施形態の磁気メモリ３０における書込み動作は、第３実施形態の磁気メモリ２０とは異なり、ビット線３０１とＭＯＳ型ＦＥＴ２１０とを使って行われる。

本実施形態では、ビット線３０１とＭＯＳ型ＦＥＴ２１０とを合わせたものが、上述の磁気メモリの基本形態における書込み部の一例に相当する。

この書込み動作では、以下に説明する偏極スピン電流Ｉｗが、ビット線３０１を介して、書込み対象のメモリセル３００の磁気抵抗効果膜１４０に流される。また、このとき、書込み対象のメモリセル３００の選択は、そのメモリセル３００のＭＯＳ型ＦＥＴ２１０をオン状態にして、ビット線３０１からプレート線２０３までの、偏極スピン電流Ｉｗの流路が開かれることで行われる。

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うち、何れか一方の向きのスピンを持った電子のみからなる電子流である。この偏極スピン電流Ｉｗが、上記の磁気抵抗効果膜１４０に対し、図中のＺ１の向きあるいはＺ２の向きに流されると、自由磁化層１４５の磁化にトルクが発生し、いわゆるスピン注入磁化反転が起きる。このときのスピン注入磁化反転では、自由磁化層１４５の磁化は、磁気抵抗効果膜１４０の積層方向を流れる偏極スピン電流Ｉｗの流れの向きに応じて、リファレンス層１４３ｃの磁化の向きに対して平行となる向き、あるいは、反平行となる向きを向く。

図１１の磁気メモリ３０における書込み動作では、この偏極スピン電流Ｉｗの流れの向きを、書込み対象の情報に応じた向きに設定することで、各メモリセル３００のＧＭＲ素子１４０にその情報が書き込まれることとなる。このとき、偏極スピン電流Ｉｗをなす電子のスピンの向きは、電子が取り得る２つの向きのうちの何れか一方の向きに揃っていれば良く、どの向きに揃っているかは問わないものとする。

ここで、偏極スピン電流Ｉｗの電流量は、図９の第３実施形態の磁気メモリ２０の書き込み動作の際にビット線２０６および書込用ワード線２０５に流す電流量よりも少なく、消費電力を低減できる。

尚、本実施形態の磁気メモリ３０の各メモリセル３００に対する読取り動作は、図９の第３実施形態の磁気メモリ２０の各メモリセル２００に対する読取り動作と同様であるので説明を割愛する。

また、本実施形態の磁気メモリ３０における、各メモリセル３００の磁気抵抗効果膜１４０の形成方法や実施例についての説明は、上述の第１実施形態の図３の磁気抵抗効果膜１４０の形成方法や実施例についての説明と重複するので割愛する。

以上に説明した本実施形態の磁気メモリ３０は、上述の第３実施形態の磁気メモリ２０と同様の効果を有する。さらに、本実施形態の磁気メモリ３０は、第３実施形態の磁気メモリ２０よりも低消費電力化が可能である。

また、本実施形態では、情報の書込み時における書込み対象のメモリセル３００の選択が、そのメモリセル３００のＭＯＳ型ＦＥＴ２１０をオンさせることにより行われる。しかし、基本形態について説明した磁気メモリはこの形態に限るものではなく、書込み対象のメモリセルの選択方法としては、一般に知られている種々の選択方法を適用することができる。

尚、上記では、基本形態について説明した情報記憶装置の一実施形態として、磁気ディスクを備えたハードディスク装置を例示したが、基本形態について説明した情報記憶装置はこれに限るものではなく、例えば、磁気テープに対して情報記録や情報再生を行う磁気テープ装置等であっても良い。

また、上記では、基本形態について説明した磁気ヘッドの一実施形態として、再生素子としての磁気抵抗効果素子と、記録素子としての誘導型記録素子とを１つづつ備えた磁気ヘッドを例示したが、基本形態について説明した磁気ヘッドはこれに限るものではなく、例えば、再生素子としての磁気抵抗効果素子のみを備えたものであっても良く、再生素子としての磁気抵抗効果素子を複数備えたもの等であっても良い。

基本形態について説明した情報記憶装置の具体的な一実施形態に相当するハードディスク装置を示す図である。 基本形態について説明した磁気ヘッドの具体的な一実施形態である、図１の磁気ヘッドの詳細を示す図である。 図２に示す磁気抵抗効果膜の断面図である。 磁気抵抗値曲線を示す図である。 第１および第２実施例についての磁気抵抗値変化率ＭＲ比を示すグラフである。 第１および第２実施例についてのＨｉｎを示すグラフである。 第１および第２実施例についてのＨｃを示すグラフである。 第２実施形態の磁気抵抗効果膜の断面図である。 第３実施形態の磁気メモリを示す図である。 図９に示す磁気メモリの等価回路を示す図である。 第４実施形態の磁気メモリを示す図である。

符号の説明

１０ ハードディスク装置
１１ ハウジング
１２ ハブ
１３ 磁気ディスク
１４ アクチュエータユニット
１５ アーム
１６ サスペンション
１７ 制御回路
２０，３０ 磁気メモリ
２５ 電流値検出器
１００ 磁気ヘッド
１０１ 基体
１０２ アルミナ膜
１２０ 磁気抵抗効果素子
１２１ 下部電極
１２２ 上部電極
１２３ 絶縁膜
１２４ 磁区制御膜
１２５ アルミナ膜
１３０ 誘導型記録素子
１３１ 上部磁極
１３２ 記録ギャップ層
１３３ 下部磁極
１４０，１５０ 磁気抵抗効果膜
１４１ 下地層
１４２ 反強磁性層
１４２’ 下部反強磁性層
１４３ 固定磁化積層体
１４３’ 下部固定磁化積層体
１４３ａ ピンド層
１４３ａ’ 下部ピンド層
１４３ｂ 非磁性結合層
１４３ｂ’ 下部非磁性結合層
１４３ｃ リファレンス層
１４３ｃ’ 下部リファレンス層
１４４ 非磁性層
１４４’ 下部非磁性層
１４５ 自由磁化層
１４６ 保護層
１５２ 上部反強磁性層
１５３ 上部固定磁化積層体
１５３ａ 上部ピンド層
１５３ｂ 上部非磁性結合層
１５３ｃ 上部リファレンス層
１５４ 上部非磁性層
２００，３００ メモリセル
２０１ 垂直配線
２０２ 層内配線
２０３ プレート線
２０４ 読出用ワード線
２０５ 書込用ワード線
２０６，３０１ ビット線
２０７ 層間絶縁膜
２１０ ＭＯＳ型ＦＥＴ
２１１ シリコン基板
２１２ ｐウェル領域
２１３ａ，２１３ｂ 不純物拡散領域
２１４ ゲート絶縁膜

Claims (9)

1. 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（Ｃｕｒｒｅｎｔ−Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ−ｔｏ−Ｐｌａｎｅ）型の磁気抵抗効果素子において、
   ＣｏＦｅＡｌ基合金に少なくともＳｉ又はＧｅが添加された磁性材料で形成された、磁化の向きが固定されているリファレンス層と、
   前記リファレンス層上に非磁性材料で形成された非磁性層と、
   前記非磁性層上に、ＣｏＦｅＡｌにＳｉ又はＧｅが添加された磁性材料で形成された、磁化の向きが外部からの作用に応じた向きに変化する自由磁化層とを備えたことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
2. 前記リファレンス層の前記非磁性層側とは反対側に磁性材料で形成された、磁化の向きが、前記リファレンス層の磁化が固定されるべき第１の向きとは反対の第２の向きに固定されているピンド層と、
   前記ピンド層と前記リファレンス層との間に形成された、前記ピンド層の磁化と前記リファレンス層内の磁化とを反強磁性的に結合させることで前記リファレンス層内の磁化を前記第１の向きに固定させる、非磁性材料からなる非磁性結合層とを備えた積層フェリ構造を備えたことを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
3. 前記ピンド層の前記非磁性結合層側とは反対側に反強磁性材料で形成された、前記ピンド層内の磁化の向きを前記第２の向きに固定する反強磁性層を備えたことを特徴とする請求項２記載の磁気抵抗効果素子。
4. 前記自由磁化層上に非磁性材料で形成された第２の非磁性層と、
   前記第２の非磁性層上に形成され、磁化の向きが、前記リファレンス層内の磁化の向きと同じ向きに固定されている第２のリファレンス層とを備えたことを特徴とする請求項２又は３記載の磁気抵抗効果素子。
5. 前記第２のリファレンス層の前記第２の非磁性層側とは反対側に磁性材料で形成された、磁化の向きが、該第２のリファレンス層内の磁化が固定されるべき第１の向きとは反対の第２の向きに固定されている第２のピンド層と、
   前記第２のピンド層と前記第２のリファレンス層との間に形成された、前記第２のピンド層内の磁化と該第２のリファレンス層内の磁化とを反強磁性的に結合させることで該第２のリファレンス層内の磁化を前記第１の向きに固定させる、非磁性材料からなる第２の非磁性結合層とを備えたことを特徴とする請求項４記載の磁気抵抗効果素子。
6. 前記第２のピンド層上に反強磁性材料で形成された、該第２のピンド層内の磁化の向きを前記第２の向きに固定する第２の反強磁性層を備えたことを特徴とする請求項５記載の磁気抵抗効果素子。
7. 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（Ｃｕｒｒｅｎｔ−Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ−ｔｏ−Ｐｌａｎｅ）型の磁気ヘッドにおいて、
   ＣｏＦｅＡｌ基合金に少なくともＳｉ又はＧｅが添加された磁性材料で形成された、磁化の向きが固定されているリファレンス層と、
   前記リファレンス層上に非磁性材料で形成された非磁性層と、
   前記非磁性層上に、ＣｏＦｅＡｌにＳｉ又はＧｅが添加された磁性材料で形成された、磁化の向きが外部からの作用に応じた向きに変化する自由磁化層と、
   積層方向に電流を流すための一対の電極とを備えたことを特徴とする磁気ヘッド。
8. 磁気記憶媒体および、
   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（Ｃｕｒｒｅｎｔ−Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ−ｔｏ−Ｐｌａｎｅ）型の磁気ヘッドにおいて、
   ＣｏＦｅＡｌ基合金に少なくともＳｉ又はＧｅが添加された磁性材料で形成された、磁化の向きが固定されているリファレンス層と、
   前記リファレンス層上に非磁性材料で形成された非磁性層と、
   前記非磁性層上に、ＣｏＦｅＡｌにＳｉ又はＧｅが添加された磁性材料で形成された、磁化の向きが外部からの作用に応じた向きに変化する自由磁化層と、
   積層方向に電流を流すための一対の電極とを備えた磁気ヘッドを備えたことを特徴とする情報記憶装置。
9. 請求項１から６記載の磁気抵抗効果素子の前記自由磁化層に情報に応じた作用を与えることで自由磁化層内の磁化の向きを情報に応じた向きに向かせて、情報を自由磁化層に磁化の向きとして書き込む書込み部を備えたことを特徴とする磁気メモリ。

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