JP2012174737A - 磁気抵抗効果素子、磁気ヘッドアセンブリ及び磁気記録装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】実施形態に係る磁気抵抗効果素子は、積層体と、前記積層体の積層方向に電流を流すための一対の電極と、を備える。前記積層体は、第1の磁性層と、第2の磁性層と、前記第1の磁性層と前記第2の磁性層との間に配置されたスペーサ層と、を有する。そして、前記第1の磁性層、前記第2の磁性層及び前記スペーサ層の少なくとも1つの層が金属酸化物からなる酸化物層を含み、前記金属酸化物の結晶構造は、NaCl構造である。
【選択図】図1
Description
ハードディスクドライブの記録密度の向上とデータ転送レートの向上を実現するためには、再生ヘッドには高周波応答性が良いことが要求されるため、再生ヘッド素子には低抵抗化が要求される。現在採用されているTMR素子の低抵抗化のためには、トンネル絶縁層を薄くすることが有効である。しかしながら、トンネル絶縁層を薄くしすぎると、絶縁層に多くのピンホールが生じてしまうため、MR変化率の低下やフリー層とピン層の磁気結合の増加によるノイズの増大など、TMR素子の特性が劣化する問題が生ずる。
このような問題点を解決するために、CPP−GMR素子の構成の改変やスペーサ層の材料の選択等が行われている。
以下、図面を参照しつつ実施形態について説明する。また、以下説明する図面において、符号が一致するものは、同様のものを示しており、重複した説明は省略する。
先ず、第1の実施形態について説明する。
図1に示すように、第1の実施形態の磁気抵抗効果素子10には、積層体が設けられている。積層体には、第1の磁性層14と、第2の磁性層18と、これらの間に設けられたスペーサ層16とが含まれる。
図2(a)は、NaCl構造をした金属酸化物の結晶構造を例示する図であり、(b)及び(c)は、スピネル構造をした金属酸化物の結晶構造を例示する図である。
金属元素をMeとし、酸素元素をOとするとき、図2(a)に示すNaCl構造の金属酸化物の化学式は、ほぼ、MeOと表すことができる。酸素元素は2価のマイナスイオンとなるため、この金属酸化物の金属元素は2価のプラスイオン(Me2+)となる。なお、実際には、NaCl構造の金属酸化物は、Me0.95O1.00程度の組成比をとる場合に、最も安定する。この場合、この金属酸化物の酸素濃度は、約51原子%である。図2(a)には、金属元素(Me)が鉄(Fe)である場合を示している。化学式は、Fe0.95O1と表される。このNaCl構造の鉄酸化物は「ウスタイト(Wustit)」と呼ばれる。
また、酸化物層21の膜厚は、均一な酸化物層を形成するためには、0.5nm以上であることが望ましく、素子抵抗の増大を抑えるためには、4nm以下であることが望ましい。
図5は、第1の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を例示する斜視図である。
図5に示すように、本実施形態に係る磁気抵抗効果素子10においては、下電極11が設けられており、下電極11上に下地層12が設けられ、下地層12上にピニング層13が設けられている。下地層12は、例えば、バッファ層及びシード層が積層されている。バッファ層は下電極11側に位置し、シード層はピニング層13側に位置する。
スペーサ層16上には、磁化方向が自由に回転するフリー層18が設けられ、フリー層上には、磁気抵抗効果素子10を酸化等の劣化から保護するキャップ層19が設けられている。
下電極11及び上電極20の材料としては、電流を磁気抵抗効果素子10に流すために、電気抵抗が比較的小さい銅(Cu)、金(Au)等が用いられる。
本実施形態においては、フリー層18の下部又はスペーサ層の上部に酸化物層21が設けられている。
なお、シード層の結晶粒径を5nm以上20nm以下にすることで、結晶粒界による電子乱反射及び非弾性散乱サイトが少なくなる。このサイズの結晶粒径を得るには、ルテニウム層を2nm形成する。また、(NixFe100−x)100−yZy(ZはCr、V、Nb、Hf、Zr又はMo)の場合には、第3元素Zの組成yを0%〜30%程度として(yが0の場合も含む)、2nm形成することが好ましい。
ピニング層13は、その上に形成されるピン層14となる強磁性層に一方向異方性(unidirectional anisotropy)を付与して磁化を固着する機能を有する。ピニング層13の材料としては、IrMn、PtMn、PdPtMn、又はRuRhMnなどの反強磁性材料を用いることができる。この内、高記録密度対応のヘッドの材料として、IrMnが有利である。IrMnは、PtMnよりも薄い膜厚で一方向異方性を印加することができ、高密度記録の為に必要な狭ギャップ化に適している。
ピニング層13として、反強磁性層の代わりに、ハード磁性層も用いることができる。ハード磁性層として、例えば、CoPt(Co=50%〜85%)、(CoxPt100−x)100−yCry(x=50%〜85%、y=0%〜40%)、FePt(Pt=40%〜60%)を用いることができる。ハード磁性層(特に、CoPt)は比抵抗が比較的小さいため、直列抵抗および面積抵抗RA(Resistance Area)の増大を抑制できる。
スピンバルブ膜及びピニング層13の結晶配向性は、X線回折により測定できる。スピンバルブ膜のfcc(111)ピーク、ピニング層13(PtMn)のfct(111)ピークまたはbcc(110)ピークでのロッキングカーブの半値幅を3.5°〜6°として、良好な配向性を得ることができる。なお、この配向の分散角は断面TEMを用いた回折スポットからも判別することができる。
ピニング層13と下部ピン層141は一方向異方性(Unidirectional Anisotropy)を持つように交換磁気結合している。磁気結合層142を挟む下部ピン層141及び上部ピン層143は、磁化の向きが互いに反平行になるように強く結合している。
また、下部ピン層141が薄すぎると、MR変化率に影響を与える上部ピン層143も薄くしなければならなくなるため、MR変化率が小さくなる。一方、下部ピン層141が厚すぎるとデバイス動作に必要な十分な一方向性異方性磁界を得ることが困難になる。
また、下部ピン層141の磁気膜厚(飽和磁化Bs×膜厚t(Bs・t積))を考慮する場合、上部ピン層143の磁気膜厚とほぼ等しいことが好ましい。つまり、上部ピン層143の磁気膜厚と下部ピン層141の磁気膜厚とが対応することが好ましい。
ここで、‘/’は‘/’の左側に記載されたものから順に積層していることを示し、Au/Cu/Ruと記載された場合、Au層上にCu層を積層し、Cu層上にRu層を積層していることを示す。また、‘×2’とは、2層であることを示し、(Au/Cu)×2と記載された場合、Au層上にCu層を積層し、Cu層上にさらにAu層、Cu層と順次積層していることを示す。また、‘[ ]’はその材料の膜厚を示す。
上部ピン層143としては、Fe50Co50を用いることができる。Fe50Co50は、bcc構造を有する磁性材料である。この材料は、スピン依存界面散乱効果が大きいため、大きなMR変化率を実現することができる。bcc構造をもつFeCo系合金として、FexCo100−x(x=30%〜100%)や、FexCo100−xに添加元素を加えたものが挙げられる。そのなかでも、諸特性をすべて満たしたFe40Co60〜Fe80Co20が使いやすい材料の一例である。
上部ピン層143が、高MR変化率を実現しやすいbcc構造をもつ磁性層から形成されている場合には、この磁性層の全膜厚が1.5nm以上であることが好ましい。bcc構造を安定に保つためである。スピンバルブ膜に用いられる金属材料は、fcc構造またはfct構造であることが多いため、上部ピン層143のみがbcc構造を有することがあり得る。このため、上部ピン層143の膜厚が薄すぎると、bcc構造を安定に保つことが困難になり、高いMR変化率が得られなくなる。
なお、エネルギーアシストの方法として、イオンビームの照射以外に加熱処理などを行ってもよい。この場合、たとえば、金属材料層を成膜後に100℃〜300℃の温度で加熱しながら、酸素を供給してもよい。
また、フリー層18の一部として、CoZrNbなどのアモルファス磁性層を用いても構わない。ただし、アモルファス磁性層を用いる場合でも、MR変化率に大きな影響を与えるスペーサ層16と接する界面は結晶構造を有する磁性層を用いることが必要である。
図5において、下電極11及び上電極20は、磁気抵抗効果素子10の積層方向に電流を流す。この電流が流れることによって、磁気抵抗効果に起因する抵抗の変化を検出することができる。
第1の実施形態に係る磁気抵抗効果素子10を作製して、RA値及びMR変化率を評価した。すなわち、図5に示すように、酸化物層21をスペーサ層16の上部又はフリー層18の下部に設けた。
下地層12:Ta[1nm]/Ru[2nm]
ピニング層13:Ir22Mn78[7nm]
ピン層14:Co90Fe10[4.4nm]/Ru[0.9nm]/Fe50Co50[4nm]
スペーサ層16:Cu[1.5nm]
酸化物層21:Zn−Fe−O[1.5nm]
フリー層18:Fe50Co50[3nm]
下地層12:Ta[1nm]/Ru[2nm]
ピニング層13:Ir22Mn78[7nm]
ピン層14:Co90Fe10[4.4nm]/Ru[0.9nm]/Fe50Co50[4nm]
スペーサ層16:Cu[1.5nm]
フリー層18:Fe50Co50[4nm]
本発明者らは、酸化物層21の表面酸化の条件を鋭意検討することにより、異なる結晶構造を有する酸化物層の作成に成功した。
実施例1−1の酸化物層の結晶配向分散角をX線回折装置において、2θ―θをNaCl(111)面の値に固定して、あおり角ωを変えて測定を行った結果を示す。図7より、実施例1−1の酸化物層の結晶配向分散角は5°であった。この結晶配向分散は少ないほど、高いMR変化率を得ることができ、望ましい。10°以下が望ましく、実施例1−1のように5°以下がさらに望ましい。
図10に示すように、回折スポットDS31として、膜面垂直方向に配向した面間隔d=0.252nmを有する結晶面に起因した回折スポットが確認されており、回折スポットDS31から70°傾いた方向に、同様に面間隔d=0.252nmの結晶面に起因した回折スポットDS32が確認されている。この回折スポットDS31と回折スポットDS32がなす角度は、<111>方向とその等価面、例えば<−111>のなす角度70°と一致しているため、回折スポットDS31は(111)配向面、回折スポットDS32は(111)配向面の等価面であることがわかる。
次に、第2の実施形態に係る磁気抵抗効果素子について説明する。
図11は、第2の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を例示する斜視図である。
図11に示すように、本実施形態に係る磁気抵抗効果素子においては、酸化物層21が、スペーサ層とピン層の間に設けられている。その他の構成は、フリー層の膜厚が4nmであることを除けば、下記に示すように、第1の実施形態に係る磁気抵抗効果素子と同様である。
ピニング層13:Ir22Mn78[7nm]
ピン層14:Co90Fe10[4.4nm]/Ru[0.9nm]/Fe50Co50[3nm]
酸化物層21:Zn−Fe−O[1.5nm]
スペーサ層16:Cu[1.5nm]
フリー層18:Fe50Co50[4nm]
本実施形態においても、第1の実施形態と同様に酸化物層21の表面酸化の条件を鋭意検討することにより、異なる結晶構造および結晶配向を有する酸化物層の作成に成功した。
また、実施例2−1の酸化物層の結晶配向分散角は5°であった。この結晶配向分散は少ないほど、高いMR変化率を得ることができ、望ましい。10°以下が望ましく、実施例2−1のように5°以下がさらに望ましい。
次に、第3の実施形態に係る磁気抵抗効果素子について説明する。
図12は、第3の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を例示する斜視図である。
図12に示すように、本実施形態に係る磁気抵抗効果素子においては、酸化物層21が、スペーサ層16中に設けられている。すなわち、ピン層14上にスペーサ層16を構成する下部金属層15が設けられ、その上に、酸化物層21が設けられている。そして、酸化物層21上に、スペーサ層16を構成する上部金属層17が設けられている。その他の構成は、フリー層の膜厚が4nmであることを除けば、下記に示すように、第1の実施形態に係る磁気抵抗効果素子10と同様である。
ピニング層13:Ir22Mn78[7nm]
ピン層14:Co90Fe10[4.4nm]/Ru[0.9nm]/Fe50Co50[4nm]
下部金属層15:Cu[0.5nm]
酸化物層21:Zn−Fe−O[1.5nm]
上部金属層15:Zn[0.5nm]
フリー層18:Fe50Co50[4nm]
本実施形態においても、第1の実施形態と同様に酸化物層21の表面酸化の条件を鋭意検討することにより、異なる結晶構造および結晶配向を有する酸化物層の作成に成功した。
次に、第4の実施形態に係る磁気抵抗効果素子について説明する。
図13は、第4の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を例示する斜視図である。
図13に示すように、本実施形態に係る磁気抵抗効果素子においては、酸化物層21が、スペーサ層すべてを占めている。すなわち、酸化物層21のみでスペーサ層が構成されている。その他の構成は、酸化物層の膜厚が2nm、フリー層の膜厚が4nmであることを除けば、下記に示すように、第1の実施形態に係る磁気抵抗効果素子と同様である。
ピニング層13:Ir22Mn78[7nm]
ピン層14:Co90Fe10[4.4nm]/Ru[0.9nm]/Fe50Co50[4nm]
酸化物層21:Zn−Fe−O[2nm]
フリー層18:Fe50Co50[4nm]
本実施例においても、実施例1と同様に酸化物層21の表面酸化の条件を鋭意検討することにより、異なる結晶構造および結晶配向を有する酸化物層の作成に成功した。
実施例4−1の磁気抵抗効果素子10の断面TEM観察結果より、ピン層とフリー層の間に酸化物層21が均一に形成されていることが確認できた。また、EDXライン分析結果より、機能層21に相当する場所は、Zn、Fe、Oのピークが一致しており、成膜時にはFe[1nm]/Zn[0.6nm]のように積層構造で成膜したZnとFeが表面酸化時のエネルギーアシストにより、完全に混合した酸化物層が形成されていることがわかった。
次に、第5の実施形態に係る磁気抵抗効果素子について説明する。
図14は、第5の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を例示する分解斜視図である。
図14に示すように、本実施形態に係る磁気抵抗効果素子においては、酸化物層21が、スペーサ層とフリー層の間に設けられているとともに、スペーサ層には電流狭窄層41が設けられている。すなわち、ピン層上には、スペーサ層を構成する下部金属層が設けられ、下部金属層上には、電流狭窄層41が設けられている。電流狭窄層41は、貫通孔が形成された絶縁材で、貫通孔には、金属部材が埋設されたものである。電流狭窄層41上には、スペーサ層を構成する上部金属層が設けられ、上部金属層上には、酸化物層21が設けられている。本実施形態においては、スペーサ層は、下部金属層、電流狭窄層41及び上部金属層から構成されている。その他の構成は、フリー層の膜厚が4nmであることを除けば、下記に示すように、第1の実施形態に係る磁気抵抗効果素子と同様である。
ピニング層13:Ir22Mn78[7nm]
ピン層14:Co90Fe10[4.4nm]/Ru[0.9nm]/Fe50Co50[4nm]
下部金属層15:Cu[0.6nm]
電流狭窄層41:Al2O3絶縁層中にCuメタルパスが上下に貫通した構造[2nm]
上部金属層15:Zn[0.5nm]
酸化物層21:Zn−Fe−O[1.5nm]
フリー層18:Fe50Co50[4nm]
本実施形態においても、第1の実施形態と同様に酸化物層21の表面酸化の条件を鋭意検討することにより、異なる結晶構造および結晶配向を有する酸化物層の作成に成功した。
次に、第6の実施形態に係る磁気抵抗効果素子について説明する。
本実施形態に係る磁気抵抗効果素子の構成は、図5に示すような第1の実施形態に係るものと同様であるが、第1の実施形態との違いは酸化物層21の材料を変更した点である。
下地層12:Ta[1nm]/Ru[2nm]
ピニング層13:Ir22Mn78[7nm]
ピン層14:Co90Fe10[4.4nm]/Ru[0.9nm]/Fe50Co50[4nm]
スペーサ層16:Cu[1.5nm]
酸化物層21:[表6に記載]
フリー層18:Fe50Co50[3nm]
ここで、前述したように酸化物層21の結晶構造は、磁気抵抗効果素子10の断面TEM試料に対して、酸化物層部分に1nm程度に電子ビームを絞り込んで照射し、ナノディフラクションパターンをとることによっても、解析できる。実施例6−1〜6−15の試料のナノディフラクションパターンを測定した結果、NaCl構造の(111)面配向に対応したディフラクションパターンを確認することができた。
実施例6−1〜6−15の磁気抵抗効果素子10の断面TEM観察結果より、スペーサ層とフリー層の間に酸化物層21が均一に形成されていることが確認できた。
次に、第7の実施形態に係る磁気抵抗効果素子について説明する。
本実施形態に係る磁気抵抗効果素子の構成は、図5に示すような第1の実施形態に係るものと同様であるが、第1の実施形態との違いは酸化物層21の材料を変更した点である。
下地層12:Ta[1nm]/Ru[2nm]
ピニング層13:Ir22Mn78[7nm]
ピン層14:Co90Fe10[4.4nm]/Ru[0.9nm]/Fe50Co50[4nm]
スペーサ層16:Cu[1.5nm]
酸化物層21:[表7に記載]
フリー層18:Fe50Co50[3nm]
ここで、特に酸化物層21の金属元素MeにFeを用いた場合、添加元素としてZn、In、Sn、Cdを加えた場合に特に高いMR変化率が確認できた。
実施例7−1〜7−23の磁気抵抗効果素子10の断面TEM観察結果より、スペーサ層とフリー層の間に酸化物層21が均一に形成されていることが確認できた。
次に、第8の実施形態に係る磁気抵抗効果素子について説明する。
本実施形態に係る磁気抵抗効果素子の構成は、図5に示すような第1の実施形態に係るものと同様であるが、第1の実施形態との違いは酸化物層21の材料を変更した点である。
表7は、酸化物層21の材料を変化させた場合の第8の実施形態に係る磁気抵抗効果素子のMR変化率及び面積抵抗を示したものである。
下地層12:Ta[1nm]/Ru[2nm]
ピニング層13:Ir22Mn78[7nm]
ピン層14:Co90Fe10[4.4nm]/Ru[0.9nm]/Fe50Co50[4nm]
スペーサ層16:Cu[1.5nm]
酸化物層21:[表8に記載]
フリー層18:Fe50Co50[3nm]
実施例8−1〜8−20の磁気抵抗効果素子10の断面TEM観察結果より、スペーサ層とフリー層の間に酸化物層21が均一に形成されていることが確認できた。
次に、第9の実施形態に係る磁気抵抗効果素子について説明する。
本実施形態に係る磁気抵抗効果素子の構成は、図5に示すような第1の実施形態に係るものと同様であるが、第1の実施形態との違いは酸化物層21の材料を変更した点である。
表9は、酸化物層21の材料を変化させた場合の第9の実施形態に係る磁気抵抗効果素子のMR変化率及び面積抵抗を示したものである。
下地層12:Ta[1nm]/Ru[2nm]
ピニング層13:Ir22Mn78[7nm]
ピン層14:Co90Fe10[4.4nm]/Ru[0.9nm]/Fe50Co50[4nm]
スペーサ層16:Cu[1.5nm]
酸化物層21:[表9に記載]
フリー層18:Fe50Co50[3nm]
実施例9−1〜9−11の磁気抵抗効果素子10の断面TEM観察結果より、スペーサ層とフリー層の間に酸化物層21が均一に形成されていることが確認できた。
次に、第10の実施形態に係る磁気抵抗効果素子について説明する。
本実施形態に係る磁気抵抗効果素子の構成は、図5に示すような第1の実施形態に係るものと同様であるが、第1の実施形態との違いは酸化物層21の材料を変更した点である。
表10は、酸化物層21の材料を変化させた場合の第10の実施形態に係る磁気抵抗効果素子のMR変化率及び面積抵抗を示したものである。
下地層12:Ta[1nm]/Ru[2nm]
ピニング層13:Ir22Mn78[7nm]
ピン層14:Co90Fe10[4.4nm]/Ru[0.9nm]/Fe50Co50[4nm]
スペーサ層16:Cu[1.5nm]
酸化物層21:[表10に記載]
フリー層18:Fe50Co50[3nm]
また、実施例10−3の酸化物層の結晶配向分散角は5°であった。この結晶配向分散は少ないほど、高いMR変化率を得ることができ、望ましい。10°以下が望ましく、実施例10−3のように5°以下がさらに望ましい。
実施例10−1〜10−6の磁気抵抗効果素子10の断面TEM観察結果より、スペーサ層とフリー層の間に酸化物層21が均一に形成されていることが確認できた。
次に、第11の実施形態に係る磁気抵抗効果素子について説明する。
本実施形態に係る磁気抵抗効果素子の構成は、図5に示すような第1の実施形態に係るものと同様であるが、第1の実施形態との違いは酸化物層21の材料を変更した点である。
表11は、酸化物層21の材料を変化させた場合の第11の実施形態に係る磁気抵抗効果素子のMR変化率及び面積抵抗を示したものである。
下地層12:Ta[1nm]/Ru[2nm]
ピニング層13:Ir22Mn78[7nm]
ピン層14:Co90Fe10[4.4nm]/Ru[0.9nm]/Fe50Co50[4nm]
スペーサ層16:Cu[1.5nm]
酸化物層21:[表11に記載]
フリー層18:Fe50Co50[3nm]
実施例11−1〜11−6の磁気抵抗効果素子10の断面TEM観察結果より、スペーサ層とフリー層の間に酸化物層21が均一に形成されていることが確認できた。
次に、第12の実施形態に係る磁気抵抗効果素子について説明する。
本実施形態に係る磁気抵抗効果素子の構成は、図5に示すような第1の実施形態に係るものと同様であるが、第1の実施形態との違いは酸化物層21の材料を変更した点である。
表12は、酸化物層21の材料を変化させた場合の第12の実施形態に係る磁気抵抗効果素子のMR変化率及び面積抵抗を示したものである。
下地層12:Ta[1nm]/Ru[2nm]
ピニング層13:Ir22Mn78[7nm]
ピン層14:Co90Fe10[4.4nm]/Ru[0.9nm]/Fe50Co50[4nm]
スペーサ層16:Cu[1.5nm]
酸化物層21:[表12に記載]
フリー層18:Fe50Co50[3nm]
ここで、前述したように酸化物層21の結晶構造は、磁気抵抗効果素子10の断面TEM試料に対して、酸化物層部分に1nm程度に電子ビームを絞り込んで照射し、ナノディフラクションパターンをとることによっても、解析できる。実施例12−1〜12−9の試料のナノディフラクションパターンを測定した結果、スピネル構造の(111)面配向に対応したディフラクションパターンを確認することができた。
実施例12−1〜12−9の磁気抵抗効果素子10の断面TEM観察結果より、スペーサ層とフリー層の間に酸化物層21が均一に形成されていることが確認できた。
次に、第13の実施形態に係る磁気抵抗効果素子について説明する。
本実施形態に係る磁気抵抗効果素子の構成は、図5に示すような第1の実施形態に係るものと同様であるが、第1の実施形態との違いは酸化物層21の膜厚を変更した点である。
表13は、NaCl構造の(Fe−Zn)Ox(ウスタイト)を構成要素とする酸化物層21の膜厚を変化させた場合における第13の実施形態に係る磁気抵抗効果素子のMR変化率及び面積抵抗を示したものである。
その他の構成は、下記に示すように、第1の実施形態に係る磁気抵抗効果素子と同様である。
ピニング層13:Ir22Mn78[7nm]
ピン層14:Co90Fe10[4.4nm]/Ru[0.9nm]/Fe50Co50[4nm]
スペーサ層16:Cu[1.5nm]
酸化物層21:Zn−Fe−O[膜厚は表13に記載]
フリー層18:Fe50Co50[3nm]
本実施形態においても、第1の実施形態と同様に、X線回折とXPS分析により、酸化物層21の結晶構造の解析を行った。表8には、結晶構造の解析結果と磁気抵抗効果素子10の素子特性も合わせてのせている。本発明者らは、酸化物層21の表面酸化の条件を鋭意検討することにより、NaCl構造の(111)配向であるZn−Fe−O膜を作製することに成功した。
実施例13−3の磁気抵抗効果素子10の断面TEM観察結果より、スペーサ層とフリー層の間に酸化物層21が均一に形成されていることが確認できた。
次に、第14の実施形態に係る磁気抵抗効果素子について説明する。
本実施形態に係る磁気抵抗効果素子の構成は、図5に示すような第1の実施形態に係るものと同様であるが、第1の実施形態との違いは酸化物層21の膜厚を変更した点である。
表14は、MeXOY型(Y/X≦4/3)のスピネル構造の酸化物層21の膜厚を変化させた場合における第14の実施形態に係る磁気抵抗効果素子のMR変化率及び面積抵抗を示したものである。
その他の構成は、下記に示すように、第1の実施形態に係る磁気抵抗効果素子と同様である。
ピニング層13:Ir22Mn78[7nm]
ピン層14:Co90Fe10[4.4nm]/Ru[0.9nm]/Fe50Co50[4nm]
スペーサ層16:Cu[1.5nm]
酸化物層21:Zn−Fe−O[膜厚は表14に記載]
フリー層18:Fe50Co50[3nm]
また、実施例14−3の酸化物層の結晶配向分散角は5°であった。この結晶配向分散は少ないほど、高いMR変化率を得ることができ、望ましい。10°以下が望ましく、実施例14−3のように5°以下がさらに望ましい。
次に、第15の実施形態に係る磁気抵抗効果素子について説明する。
本実施形態に係る磁気抵抗効果素子の構成は、図5に示すような第1の実施形態に係るものと同様であるが、第1の実施形態との違いは酸化物層21に用いたZn−Fe−O膜中のメタル元素であるZnXFe1−XのZn濃度Xを変更した点である。
表15は、ZnXFe1−XのZn濃度を変化させた場合における第15の実施形態に係る磁気抵抗効果素子のMR変化率及び面積抵抗を示したものである。
下地層12:Ta[1nm]/Ru[2nm]
ピニング層13:Ir22Mn78[7nm]
ピン層14:Co90Fe10[4.4nm]/Ru[0.9nm]/Fe50Co50[4nm]
スペーサ層16:Cu[1.5nm]
酸化物層21:Zn−Fe−O[1.5nm]
フリー層18:Fe50Co50[3nm]
また、実施例15−6の酸化物層の結晶配向分散角は5°であった。この結晶配向分散は少ないほど、高いMR変化率を得ることができ、望ましい。10°以下が望ましく、実施例15−6のように5°以下がさらに望ましい。
次に、第16の実施形態に係る磁気抵抗効果素子について説明する。
本実施形態に係る磁気抵抗効果素子の構成は、図5に示すような第1の実施形態に係るものと同様であるが、第1の実施形態との違いは酸化物層21に用いたZn−Fe−Co−O膜中のメタル元素であるZnX(Fe50Co50)1−XのZn濃度Xを変更した点である。
表16は、ZnX(Fe50Co50)1−XのZn濃度を変化させた場合における第16の実施形態に係る磁気抵抗効果素子のMR変化率及び面積抵抗を示したものである。
下地層12:Ta[1nm]/Ru[2nm]
ピニング層13:Ir22Mn78[7nm]
ピン層14:Co90Fe10[4.4nm]/Ru[0.9nm]/Fe50Co50[4nm]
スペーサ層16:Cu[1.5nm]
酸化物層21:Zn−Fe−O[1.5nm]
フリー層18:Fe50Co50[3nm]
また、実施例16−6の酸化物層の結晶配向分散角は5°であった。この結晶配向分散は少ないほど、高いMR変化率を得ることができ、望ましい。10°以下が望ましく、実施例16−6のように5°以下がさらに望ましい。
次に、第17の実施形態に係る磁気抵抗効果素子について説明する。
本実施形態に係る磁気抵抗効果素子の構成は、図5に示すような第1の実施形態に係るものと同様であるが、第1の実施形態との違いは酸化物層21に用いたZn−Fe−O膜中のメタル元素であるZnXFe1−XのZn濃度Xを変更した点である。
表17は、ZnXFe1−XのZn濃度を変化させた場合における第17の実施形態に係る磁気抵抗効果素子のMR変化率及び面積抵抗を示したものである。
下地層12:Ta[1nm]/Ru[2nm]
ピニング層13:Ir22Mn78[7nm]
ピン層14:Co90Fe10[4.4nm]/Ru[0.9nm]/Fe50Co50[4nm]
スペーサ層16:Cu[1.5nm]
酸化物層21:Zn−Fe−O[1.5nm]
フリー層18:Fe50Co50[3nm]
実施例17−5の磁気抵抗効果素子10の断面TEM観察結果より、スペーサ層とフリー層の間に酸化物層21が均一に形成されていることが確認できた。
次に、第18の実施形態に係る磁気抵抗効果素子について説明する。
本実施形態に係る磁気抵抗効果素子の構成は、図5に示すような第1の実施形態に係るものと同様であるが、第1の実施形態との違いは酸化物層21に用いたZn−Fe−O膜の膜面垂直方向の面間隔を変更した点である。本発明者らは、酸化物層21の表面酸化の条件を鋭意検討することにより、異なる面間隔を有する酸化物層の作製に成功した。
下地層12:Ta[1nm]/Ru[2nm]
ピニング層13:Ir22Mn78[7nm]
ピン層14:Co90Fe10[4.4nm]/Ru[0.9nm]/Fe50Co50[4nm]
スペーサ層16:Cu[1.5nm]
酸化物層21:表18に記載[1.5nm]
フリー層18:Fe50Co50[3nm]
実施例18−5の磁気抵抗効果素子10の断面TEM観察結果より、スペーサ層とフリー層の間に酸化物層21が均一に形成されていることが確認できた。
次に、第19の実施形態に係る磁気抵抗効果素子について説明する。
本実施形態に係る磁気抵抗効果素子の構成は、図5に示すような第19の実施形態に係るものと同様であるが、第19の実施形態との違いは酸化物層21に用いた材料をZn−Fe−O膜からZn−FeCo−O膜に変更した点である。本発明者らは、酸化物層21の表面酸化の条件を鋭意検討することにより、Zn−FeCo−O膜においても異なる面間隔を有する酸化物層の作製に成功した。
下地層12:Ta[1nm]/Ru[2nm]
ピニング層13:Ir22Mn78[7nm]
ピン層14:Co90Fe10[4.4nm]/Ru[0.9nm]/Fe50Co50[4nm]
スペーサ層16:Cu[1.5nm]
酸化物層21:表19に記載[1.5nm]
フリー層18:Fe50Co50[3nm]
実施例19−5の磁気抵抗効果素子10の断面TEM観察結果より、スペーサ層とフリー層との間に酸化物層21が均一に形成されていることが確認できた。
次に、第20の実施形態に係る磁気抵抗効果素子について説明する。
図15は、第20の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を例示する斜視図である。
図15に示すように、本実施形態に係る磁気抵抗効果素子は、ピン層14がフリー層18よりも上に設けられたトップスピンバルブ型の構造であることが第1の実施形態と異なる。
このようなトップスピンバルブ構造を用いた場合でも、NaCl構造、もしくはMeXOY型(Y/X≦4/3)で表されるスピネル構造を有する酸化物層を設けることにより、高いスピン依存界面散乱を発現し、MR変化率を大きく向上することができる。
よって、高集積化を図ることができる磁気抵抗効果素子を提供することができる。
次に、第21の実施形態に係る磁気抵抗効果素子について説明する。
図16は、第21の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を例示する分解斜視図である。
図16に示すように、本実施形態に係る磁気抵抗効果素子は、フリー層上にスペーサ層が設けられ、スペーサ層上に酸化物層が設けられている。そして、酸化物層上には再びフリー層が設けられている。すなわち、本実施形態に係る磁気抵抗効果素子においては、ピン層を有しておらず、2層のフリー層で形成されている点が第1の実施形態と異なる。
このような2層のフリー層からなる磁気抵抗効果素子を用いた場合でも、NaCl構造、もしくはMeXOY(X/Y≦4/3)で表されるスピネル構造を有する酸化物層を設けることにより、高いスピン依存界面散乱を発現し、MR変化率を大きく向上することができる。
よって、高集積化を図ることができる磁気抵抗効果素子を提供することができる。
次に、第22の実施形態に係る磁気抵抗効果素子について説明する。
図17は、第22の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を例示する斜視図である。
図17に示すように、本実施形態に係る磁気抵抗効果素子は、ピン層14a上にスペーサ層16aが設けられ、スペーサ層16a上に、フリー層18aが設けられている。スペーサ層16aの上部又はフリー層18aの下部に酸化物層21aが設けられている。ここまでは、第1の実施形態と同様である。しかし、フリー層18a上に中間層51が設けられ、中間層51上に、第1の実施形態と逆の構成、すなわち、フリー層18b、スペーサ層16b、ピン層14bがこの順で設けられている。そして、フリー層18bの上部又はスペーサ層16bの下部に、酸化物層21bが設けられている。
よって、高集積化を図ることができる磁気抵抗効果素子を提供することができる。
次に、第23の実施形態に係る磁気抵抗効果素子について説明する。本実施形態は、第1の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の製造方法についてのものである。
図18は、第23の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の製造方法を例示するフローチャート図である。以降、本実施形態に係る磁気抵抗効果素子10の製造方法について説明する。本実施形態においては、各層の形成方法として、DCマグネトロンスパッタ、RFマグネトロンスパッタ等のスパッタ法、イオンビームスパッタ法、蒸着法、CVD(Chemical Vapor Deposition)法、およびMBE(Molecular Beam Epitaxy)法などを用いることができる。
ステップS14では、ピン層14上に第1の金属層を形成する。第1の金属層は、Au、Ag、Cu、及びZnのいずれかの金属を用いて形成する。
ステップS15では、スペーサ層16上に酸化物層21を形成する。一例を挙げると、スペーサ層16上にFeとZnの金属層を成膜する。ここで、FeとZnの金属層は、Fe/ZnやZn/Feや(Fe/Zn)×2のようなFe層とZn層の積層体としても良いし、Zn50Fe50のような合金の単層としてもよい。ここで、酸化物層の母材料としては、Zn、In、Sn及びCdからなる群より選択された少なくとも1種の材料並びにFe、Co及びNiからなる群より選択された少なくとも1種の金属を含む金属層を成膜することができる。
この場合、所定の膜厚の機能層21を一度の成膜および酸化処理で作製するのではなく、膜厚を分割して薄い膜厚の金属材料層に酸化処理を行うほうが好ましい。
また、ZnとFeを含む金属材料層を酸素雰囲気に晒す自然酸化を用いてもよい。ただし、安定な酸化物を形成するためには、エネルギーアシストを用いた酸化方法のほうが好ましい。
希ガスなどのイオンビームまたはプラズマを用いる場合、当該希ガスは、例えば、アルゴン、キセノン、ヘリウム、ネオンおよびクリプトンから成る群より選択される少なくとも1つを含むガスを使用することができる。
なお、エネルギーアシストの方法として、イオンビームの照射以外に加熱処理などを行ってもよい。この場合、たとえば、金属材料層を成膜後に100℃〜300℃の温度で加熱しながら、酸素を供給してもよい。
また、酸化物層21の作製において、上記の工程を終えた後、酸化処理と還元処理とを再度繰り返すことができる。生成した水の除去と還元処理とを交互に繰り返すことで、より効率的に膜を還元することができる。
ステップS17では、フリー層18上にキャップ層19を形成する。キャップ層19としては、例えば、Cu[1nm]/Ru[10nm]を形成する。
ステップS18では、アニール処理を行う。
その後に、キャップ層19上に磁気抵抗効果素子10へ垂直通電するための電極20を形成する。
次に、第24の実施形態について説明する。本実施形態は磁気ヘッドの実施形態である。
図19及び図20は、第24の実施形態に係る磁気ヘッドを例示する断面図である。
図19は、磁気記録媒体(図示せず)に対向する媒体対向面(ABS面)に対してほぼ平行な方向に磁気抵抗効果素子10を切断した断面図である。図18は、磁気抵抗効果素子10をABS面に対して垂直な方向に切断した断面図である。
磁気抵抗効果膜10のS/N比が向上しているので、磁気ヘッドに応用した場合に高感度の磁気再生が可能となる。
よって、MR変化率を高くすることができる磁気ヘッドを提供することができる。
次に、第25の実施形態について説明する。本実施形態は、磁気記録再生装置の実施形態である。
図21に示すように、実施形態に係る磁気記録再生装置310は、ロータリーアクチュエータを用いた形式の装置である。磁気記録媒体230は、スピンドルモータ330に設けられ、駆動制御部(図示せず)からの制御信号に応答するモータ(図示せず)により媒体移動方向Aの方向に回転する。磁気記録再生装置310は、複数の磁気記録媒体230を備えてもよい。
磁気記録媒体230に格納する情報の記録再生を行うヘッドスライダ280は、図22に示すように、磁気抵抗効果素子10を備えた磁気ヘッド140がヘッドスライダ280に設けられる。ヘッドスライダ280は、Al2O3/TiCなどからなり、磁気ディスクなどの磁気記録媒体230の上を、浮上又は接触しながら相対的に運動できるように設計されている。
磁気記録媒体230が回転すると、サスペンション350により押し付け圧力とヘッドスライダ280の媒体対向面(ABS)で発生する圧力とがつりあう。ヘッドスライダ280の媒体対向面は、磁気記録媒体230の表面から所定の浮上量をもって保持される。ヘッドスライダ280が磁気記録媒体230と接触する「接触走行型」としてもよい。
以上のような構成によって、高集積化を図ることができる磁気ヘッドを提供することができる。
次に、第26の実施形態について説明する。本実施形態は、磁気ヘッドアセンブリの実施形態である。
図23(a)は、第26の実施形態に係る磁気ヘッドアセンブリを組み込んだヘッドスタックアセンブリを例示する斜視図であり、図23(b)は、第26の実施形態に係る磁気ヘッドアセンブリを例示する斜視図である。
図23(b)に示すように、ヘッドジンバルアセンブリ400は、軸受部380から延出したアクチュエータアーム360と、アクチュエータアーム360から延出したサスペンション350とを有する。
実施形態に係る磁気ヘッドアセンブリ(ヘッドジンバルアセンブリ(HGA))400は、実施形態に係る磁気記録ヘッド140と、磁気記録ヘッド140が設けられたヘッドスライダ280と、ヘッドスライダ280を一端に搭載するサスペンション350と、サスペンション350の他端に接続されたアクチュエータアーム360とを備える。
磁気記録再生装置310は、磁気記録媒体230と、ヘッドジンバルアセンブリ400と、ヘッドジンバルアセンブリ400に搭載された磁気記録ヘッド140を用いて磁気記録媒体230への信号の書き込みと読み出しを行う信号処理部とを備える。
実施形態では、ボトム型の磁気抵抗効果素子10について説明したが、ピン層14がスペーサ層16よりも上に形成されたトップ型の磁気抵抗効果素子10でも実施形態の効果を得ることができる。
次に、第27の実施形態について説明する。
本実施形態は、前述の第1の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を搭載した磁気メモリについてのものである。すなわち、前述の第1の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を用いて、例えばメモリセルがマトリクス状に配置されたランダムアクセス磁気メモリ(Magnetic Random Access Memory:MRAM)などの磁気メモリを実現できる。
図24は、メモリセルをアレイ状に配置した場合の回路構成を示す。アレイ中の1ビットを選択するために、列デコーダ550、行デコーダ551が備えられており、ビット線534とワード線532によりスイッチングトランジスタ530がオンになり一意に選択され、センスアンプ552で検出することにより磁気抵抗効果素子10中の磁気記録層(フリー層)に記録されたビット情報を読み出すことができる。ビット情報を書き込むときは、特定の書き込みワード線523とビット線522に書き込み電流を流して発生する磁場を印加する。
図26は、図25に示すA−A’線による断面図である。
これらの図に示した構造は、図23に示した磁気メモリに含まれる1ビット分のメモリセルに対応する。
図25及び図26に示すように、このメモリセルは、記憶素子部分511とアドレス選択用トランジスタ部分512とを有する。
次に、第28の実施形態について説明する。
本実施形態は、前述の第1の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を搭載した磁気メモリについてのものである。
図27に示すように、本実施形態においては、マトリクス状に配線されたビット線522とワード線534とが、それぞれデコーダ560、561により選択されて、アレイ中の特定のメモリセルが選択される。それぞれのメモリセルは、磁気抵抗効果素子10とダイオードDとが直列に接続された構造を有する。ここで、ダイオードDは、選択された磁気抵抗効果素子10以外のメモリセルにおいてセンス電流が迂回することを防止する役割を有する。書き込みは、特定のビット線522と書き込みワード線523とにそれぞれに書き込み電流を流して発生する磁場により行われる。
第20の実施形態に係る磁気メモリにおける上記以外の構成は、前述した第27の実施形態と同様であるので、説明を省略する。
Claims (16)
- 積層体と、
前記積層体の積層方向に電流を流すための一対の電極と、
を備え、
前記積層体は、
第1の磁性層と、
第2の磁性層と、
前記第1の磁性層と前記第2の磁性層との間に配置されたスペーサ層と、
を有し、
前記第1の磁性層、前記第2の磁性層及び前記スペーサ層の少なくとも1つの層が金属酸化物からなる酸化物層を含み、
前記金属酸化物の結晶構造は、NaCl構造であることを特徴とする磁気抵抗効果素子。 - 前記酸化物層は、鉄、コバルト、ニッケル、マンガン、チタン、バナジウム、亜鉛、銀、パラジウム、白金、ルテニウム、サマリウム、タンタル及びカドミウムからなる群より選択された少なくとも1つの材料を含むことを特徴とする請求項1記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記酸化物層は、鉄を含むことを特徴とする請求項2記載の磁気抵抗効果素子。
- 積層体と、
前記積層体の積層方向に電流を流すための一対の電極と、
を備え、
前記積層体は、
第1の磁性層と、
第2の磁性層と、
前記第1の磁性層及び前記第2の磁性層との間に配置されたスペーサ層と、
を有し、
前記第1の磁性層、前記第2の磁性層及び前記スペーサ層の少なくとも1つの層が金属酸化物からなる酸化物層を含み、
前記金属酸化物の結晶構造は、スピネル構造であり、
前記金属酸化物は、2価の金属イオンを含むことを特徴とする磁気抵抗効果素子。 - 積層体と、
前記積層体の積層方向に電流を流すための一対の電極と、
を備え、
前記積層体は、
第1の磁性層と、
第2の磁性層と、
前記第1の磁性層と前記第2の磁性層との間に配置されたスペーサ層と、
を有し、
前記第1の磁性層、前記第2の磁性層及び前記スペーサ層の少なくとも1つの層が金属酸化物からなる酸化物層を含み、
前記酸化物層は鉄を含み、
前記酸化物層の結晶配向は(111)面配向であり、前記(111)面の面間隔が0.242nm以上であることを特徴とする磁気抵抗効果素子。 - 前記酸化物層は、鉄、コバルト及びニッケルからなる群より選択された少なくとも1つの金属並びに亜鉛、カドミウム、スズ及びインジウムからなる群より選択された少なくとも1つの材料を含むことを特徴とする請求項1、2、4のいずれか1つに記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記酸化物層は、鉄及び亜鉛を含むことを特徴とする請求項5または6に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記酸化物層に含まれる金属材料中の亜鉛濃度は、原子百分率で0.5原子%以上50原子%以下であることを特徴とする請求項7記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記酸化物層の結晶配向は、(111)面配向であることを特徴とする請求項1〜3、6〜8のいずれか1つに記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記酸化物層の結晶配向分散は、5°以下であることを特徴とする請求項1〜9のいずれか1つに記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記酸化物層の膜厚は、0.5nm以上4nm以下であることを特徴とする請求項1〜10のいずれか1つに記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記スペーサ層は、
貫通孔が形成された絶縁材と、
前記貫通孔内に埋め込まれた導電部材と、
を有することを特徴とする請求項1〜11のいずれか1つに記載の磁気抵抗効果素子。 - 前記スペーサ層は、
上部金属層と、
下部金属層と、
を有し、
前記酸化物層は、前記上部金属層と前記下部金属層との間に形成されていることを特徴とする請求項1〜11のいずれか1つに記載の磁気抵抗効果素子。 - 前記第1の磁性層の磁化方向及び前記第2の磁性層の磁化方向は、外部磁場によって回転可能であることを特徴とする請求項1〜13のいずれか1つに記載の磁気抵抗効果素子。
- 請求項1〜14のいずれか1つに記載の磁気抵抗効果素子と、
前記磁気抵抗効果素子を一端に搭載するサスペンションと、
前記サスペンションの他端に接続されたアクチュエータアームと
を備えたことを特徴とする磁気ヘッドアセンブリ。 - 請求項15に記載の磁気ヘッドアセンブリと、
前記磁気ヘッドアセンブリに搭載された前記磁気抵抗効果素子を用いて情報が記録される磁気記録媒体と、
を備えたことを特徴とする磁気記録装置。
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