JP3896789B2 - 磁気トンネル素子及び磁気ヘッド - Google Patents
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Description
【０００１】
【技術分野】
本発明は、トンネル障壁層を介して一対の磁性層を積層し、一方の磁性層から他方の磁性層にトンネル電流が流れ、このトンネル電流のコンダクタンスが一対の磁性層の磁化の分極率に依存して変化する磁気トンネル素子及び磁気ヘッドに関する。
【０００２】
この磁気トンネリング効果では、一対の磁性金属層の磁化の分極率により磁気抵抗比を理論的に算出でき、特に、一対の磁性金属層にＦｅを用いた場合には、約４０％の磁気抵抗比を期待することができる。
【０００３】
このため、少なくとも、一対の磁性金属層で薄い絶縁層を挟持してなる層構造を有する磁気トンネル素子が外部磁界検出用の素子として注目を集めている。
【０００４】
ところで、上述したような磁気トンネル素子では、薄い絶縁層として金属酸化物を用いるのが一般的である。しかしながら、絶縁層として金属酸化物を用いた場合、ピンホール等が形成されてしまうことがあり一対の磁性金属層間に短絡が生じてしまうことがある。また、絶縁層として金属酸化物を用いた場合、金属の酸化度が不十分なことがあり、トンネル障壁が不完全となってしまい磁気トンネリング効果が発現しない場合もある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は、このような実情に鑑みて提案されたものであり、トンネル電流がトンネル障壁層に確実に流れ、安定的な磁気トンネリング効果を発現する磁気トンネル素子及び磁気ヘッドを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る磁気トンネル素子は、第１の磁性層と、上記第１の磁性層上に形成され、上記第１の磁性層側から酸化度が増加してなるトンネル障壁層と、上記トンネル障壁層上に形成された第２の磁性層とを備え、上記第１の磁性層が少なくとも外部磁界に応じて磁化方向を変化させる磁化自由膜を備えるとともに、上記第２の磁性層が少なくとも所定の方向の固定磁化とされた磁化固定層を備え、上記第２の磁性層から上記第１の磁性層に向かって電子を供給することにより上記トンネル障壁層にトンネル電流を流すことを特徴とするものである。
【０００９】
また、本発明に係る磁気トンネル素子は、第１の磁性層と、上記第１の磁性層上に形成され、上記第１の磁性層側から酸化度が増加してなるトンネル障壁層と、上記トンネル障壁層上に形成された第２の磁性層とを備え、上記第１の磁性層が少なくとも所定の方向の固定磁化とされた磁化固定層を備えるとともに、上記第２の磁性層が少なくとも外部磁界に応じて磁化方向を変化させる磁化自由膜を備え、上記第２の磁性層から上記第１の磁性層に向かって電子を供給することにより上記トンネル障壁層にトンネル電流を流すことを特徴とするものである。
【００１０】
以上のように構成された本発明に係る磁気トンネル素子では、第１の磁性層上に金属を段階的に酸化させることによりトンネル障壁層が形成されている。すなわち、第１の磁性層上には、最も酸化度の低いトンネル障壁層が形成されることとなる。このため、トンネル障壁層は、第１の磁性層に対する接着性が良好なものとなる。また、この磁気トンネル素子では、トンネル障壁層に対する電子の供給方向を規定している。このため、この磁気トンネル素子では、トンネル障壁層に対して、電圧の大きさに依存せず安定したトンネル電流が流れることとなる。
【００１５】
さらに、本発明に係る磁気ヘッドは、第１の磁性層と、上記第１の磁性層上に形成され、上記第１の磁性層側から酸化度が増加してなるトンネル障壁層と、上記トンネル障壁層上に形成された第２の磁性層とを有し、上記第１の磁性層が少なくとも外部磁界に応じて磁化方向を変化させる磁化自由膜を備えるとともに、上記第２の磁性層が少なくとも所定の方向の固定磁化とされた磁化固定層を備え、上記第２の磁性層から上記第１の磁性層に向かって電子を供給することにより上記トンネル障壁層にトンネル電流を流す磁気トンネル素子を備え、上記磁気トンネル素子を感磁部とすることを特徴とするものである。
【００１６】
さらにまた、本発明に係る磁気ヘッドは、第１の磁性層と、上記第１の磁性層上に形成され、上記第１の磁性層側から酸化度が増加してなるトンネル障壁層と、上記トンネル障壁層上に形成された第２の磁性層とを有し、上記第１の磁性層が少なくとも所定の方向の固定磁化とされた磁化固定層を備えるとともに、上記第２の磁性層が少なくとも外部磁界に応じて磁化方向を変化させる磁化自由膜を備え、上記第２の磁性層から上記第１の磁性層に向かって電子を供給することにより上記トンネル障壁層にトンネル電流を流す磁気トンネル素子を備え、上記磁気トンネル素子を感磁部とすることを特徴とするものである。
【００１７】
以上のように構成された本発明に係る磁気ヘッドでは、第１の磁性層上に金属を段階的に酸化させることによりトンネル障壁層が形成された磁気トンネル素子を感磁部としている。すなわち、磁気トンネル素子において、第１の磁性層上には、最も酸化度の低いトンネル障壁層が形成されることとなる。このため、トンネル障壁層は、第１の磁性層に対する接着性が良好なものとなる。また、この磁気ヘッドでは、トンネル障壁層に対する電子の供給方向を規定している。このため、この磁気ヘッドでは、トンネル障壁層に対して、電圧の大きさに依存せず安定したトンネル電流が流れることとなり、感磁部である磁気トンネル素子が安定的に動作することになる。
【００１８】
【発明を実施するための最良の形態】
以下、本発明に係る磁気トンネル素子及び磁気ヘッドの最良の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
【００１９】
磁気トンネル素子は、図１に示すように、非磁性基板１上に帯状に形成された第１の磁性金属層２と、この第１の磁性金属層２の略中心部を覆うように形成されたトンネル障壁層３と、このトンネル障壁層３上に形成された第２の磁性金属層４とを備える。この磁気トンネル素子において、第１の磁性金属層２及び第２の磁性金属層４とは、それぞれの長手方向が略直交するように形成されている。このため、この磁気トンネル素子では、第１の磁性金属層２と第２の磁性金属層４とが、それぞれの略中心部でトンネル障壁層３を介して積層されている。
【００２０】
この磁気トンネル素子における第１の磁性金属層２と第２の磁性金属層４とがトンネル障壁層３を介して積層された部分の断面図を図２に示す。図２に示すように、第１の磁性金属層２は、非磁性基板１側からＮｉＦｅ層５とＣｏ層６とを順次積層してなる２層構造とした。また、第２の磁性電極層４は、トンネル障壁層３側からＣｏ層７とＮｉＦｅ層８とＦｅＭｎ層９とＴａ層１０とを順次積層してなる４層構造とした。
【００２１】
具体的に、非磁性基板１としては、表面を３０００オングストローム酸化したＳｉ（１００％）基板が用いられた。
【００２２】
また、第１の磁性金属層２において、ＮｉＦｅ膜５は、保磁力が低く、外部磁界に対してその磁化方向を変化させる磁化自由膜である。この第１の磁性金属層２において、Ｃｏ層６は、後述するＣｏ層７とともにスピン分極率を増加させるために配された層である。すなわち、ＮｉＦｅ膜５及びトンネル障壁層３の界面とＮｉＦｅ９及びトンネル障壁層３の界面とに、Ｃｏ層６及びＣｏ層７を配することによって、この磁気トンネル素子の磁気抵抗比を大きくすることができる。
【００２３】
具体的には、上述した非磁性基板１上に１８８オングストロームの膜厚でＮｉＦｅ膜５が形成され、このＮｉＦｅ膜５上に３３オングストロームの膜厚でＣｏ膜６が形成される。なお、これらＮｉＦｅ膜５及びＣｏ膜６は、メタルマスクを用いたスパッタリングにより帯状に成膜された。
【００２４】
そして、この第１の磁性金属層２には、いわゆるアニール処理が施される。このアニール処理は、第１の磁性金属膜２の長手方向に３３０Ｏｅの磁界を印加しながら３５０℃で６×１０−４Ｐａの真空中で行った。
【００２５】
また、トンネル障壁層３は、金属を段階的に酸化することにより第１の磁性金属層２側から酸化度が増加するような層である。このトンネル障壁層３は、第１の磁性金属層２と第２の磁性金属層４との間の電気的な障壁となり、いわゆるトンネル障壁となる。
【００２６】
このトンネル障壁層３、例えば、Ａｌ，Ｇｄ，Ｈｆ，Ｆｅ，Ｃｏ、Ｎｉ，Ｓｅ，Ｍｇ等の金属を用いて形成される。しかしながら、トンネル障壁層３としては、これらの金属元素に限定されず、酸化されることによりトンネル障壁となり得れば、如何なる金属を用いても良い。
【００２７】
このトンネル障壁層３を形成する際には、上述したように形成された第１の磁性金属層２上に、酸素分圧を増加させながら金属元素を成膜すればよい。このように酸素分圧を増加させることにより、トンネル障壁層３は、第１の磁性金属層２側から酸化度が増加するように形成される。
【００２８】
具体的に、トンネル障壁層３を成膜する際のプロセスガスには、ＡｒとＯ２との混合ガスを用いることができる。このＡｒとＯ２との混合ガス雰囲気下で、上記金属を６０秒間成膜することによって、トンネル障壁層３を形成することができる。そして、成膜開始時には、混合ガスにおける分圧比を、Ａｒ：Ｏ２＝１０：０とし、６０秒後には、分圧比がＡｒ：Ｏ２＝１０：１となるように酸素分圧を正比例で増加させた。
【００２９】
なお、上述した手法では、酸素分圧を正比例で増加させることにより、金属を段階的に酸化してトンネル障壁層３を形成したが、本発明は、このような手法に限定されるものではない。すなわち、金属を段階的に酸化させるためには、酸素分圧を指数関数的に増加させても良い。
【００３０】
さらに、第２の磁性金属層４において、ＦｅＭｎ層９は、反強磁性材料であり、ＮｉＦｅ層８の磁化を所定の方向に固定している。このＦｅＭｎ層９により、ＮｉＦｅ層８は、磁化固定膜となる。この第２の磁性金属層４において、Ｃｏ層７は、上述したように、磁気トンネル素子の磁気抵抗比を向上させるために配された層である。さらに、この第２の磁性金属層４において、Ｔａ層１０は、ＦｅＭｎ層９の腐食を防止するために配された層である。
【００３１】
具体的には、Ｃｏ層７の膜厚を２６オングストロームとし、ＮｉＦｅ層８の膜厚を１８８オングストロームとし、ＦｅＭｎ層９の膜厚を４５０オングストロームとし、Ｔａ層１０の膜厚を２００オングストロームとするように、メタルマスクを用いたスパッタリングにより順次帯状に成膜された。このとき、各層は、長手方向に対して直交する方向に５２Ｏｅの磁界を印加しながら成膜された。
【００３２】
なお、各層をスパッタリングする際のプロセスガスとしては、Ａｒガスが用いられた。そして、各層を成膜する際のＡｒガス圧は、ＮｉＦｅ膜５，８及びＣｏ６，７膜の場合には０．３Ｐａとし、Ａｌの場合は０．２Ｐａとし、ＦｅＭｎ膜９の場合には０．６Ｐａとした。
【００３３】
また、具体的に、第１の磁性金属層２と第２の磁性金属層４とが重なり合う部分の面積、すなわち、トンネル電流が流れる部分の面積としては、１００×１００〜５００×５００μｍ２の９種類を作製した。
【００３４】
以上のように構成された磁気トンネル素子では、外部磁界が印加されると、第１の磁性金属層２におけるＮｉＦｅ膜５の磁化方向が変化する。これに対して、第２の磁性金属層４では、外部磁界が印加されても磁化方向を変化させない。したがって、磁気トンネル素子に対して外部磁界を印加すると、ＮｉＦｅ膜５の磁化方向とＮｉＦｅ膜８の磁化方向との相対角度が変化する。
【００３５】
ＮｉＦｅ膜５の磁化方向とＮｉＦｅ膜８の磁化方向との相対角度が変化すると、トンネル障壁層３に対して流れるトンネル電流に対する抵抗値が変化する。言い換えると、トンネル障壁層３に流れるトンネル電流に対する抵抗値は、ＮｉＦｅ膜５の磁化方向とＮｉＦｅ膜８の磁化方向との相対角度に依存して変化する。
【００３６】
したがって、磁気トンネル素子では、トンネル障壁層３に所定のトンネル電流を流がすとともに当該トンネル電流の電圧値を検出することによって、トンネル電流に対する抵抗値の変化を電圧変化として検出することができる。すなわち、トンネル素子では、トンネル電流の電圧変化を検出することにより外部磁界を検出することができる。
【００３７】
特に、この磁気トンネル素子では、第２の磁性金属層４が第１の磁性金属層２と比して低電位となるように電圧を印加する場合と、逆に、第２の磁性金属層４が第１の磁性金属層２と比して高電位となるように電圧を印加する場合とで、電圧変化に対する磁気抵抗比の変化量が異なっている。以下の説明において、第２の磁性金属層４が第１の磁性金属層２と比して低電位となるように印加した電圧を「正電圧」と称し、逆に、第２の磁性金属層４が第１の磁性金属層２と比して高電位となるように印加した電圧を「負電圧」と称する。
【００３８】
この磁気トンネル素子では、図３に示すように、正電圧の変化に対する磁気抵抗比の変化量が、負電圧の変化に対する磁気抵抗比の変化量と比較して小となっている領域を有している。言い換えると、正電圧を印加した場合、磁気トンネル素子には、電圧変化に依存することなく磁気抵抗比が略々一定値を示す領域がある。
【００３９】
なお、この図３において、縦軸は、最大の磁気抵抗比を所定の電圧値における磁気抵抗比で除算した値（「規格化されたＭＲ比」として示す。）を示し、横軸は、磁気トンネル素子に対して印加する電圧（正電圧はプラスとし、負電圧はマイナスとした。）の大きさを示す。
【００４０】
この磁気トンネル素子は、電圧変化に依存することなく磁気抵抗比が略々一定値を示すような領域で駆動されることによって、安定的な磁気トンネリング効果を示すことになる。すなわち、この磁気トンネル素子においては、第２の磁性金属層４から第１の磁性金属層２に対して電子を流すことによって、電圧の変化に依らず略々一定の磁気抵抗比を示すため、安定的に動作することができる。具体的には、この図３から判るように、０〜５０ｍＶの正電圧を印加することによって、磁気トンネル素子は、磁気抵抗比の変化を１％以内とすることができる。したがって、磁気トンネル素子は、０〜５０ｍＶの正電圧で駆動されることによって、安定的に動作することができる。
【００４１】
また、この磁気トンネル素子では、少なくとも正電圧が０〜１．２５ｍＶの範囲における磁気抵抗比の変化が１％以内であることが好ましい。言い換えると、磁気トンネル素子では、磁気抵抗比の変化が１％以内となる正電圧の最大値が１．２５ｍＶ以上であることが好ましい。
【００４２】
例えば、磁気トンネル素子として、Ｆｅを用いて磁気抵抗比が４０％程度を示すものを使用した場合、電圧変化出力を０．５ｍＶ得るためには、駆動電圧を１．２５ｍＶとする必要がある。言い換えると、磁気抵抗比の変化が１％以内となる正電圧の最大値が１．２５ｍＶ未満である場合には、磁気抵抗比が４０％程度であるような磁気トンネル素子を用いて十分な電圧変化出力を得られない虞がある。
【００４３】
この磁気トンネル素子は、例えば、磁気記録媒体に記録された信号を再生する磁気ヘッドに使用されることが好ましい。言い換えると、磁気ヘッドとしては、磁気記録媒体のからの磁界を検出する感磁部として上述した磁気トンネル素子を使用することが好ましい。この磁気ヘッドにおいて、磁気トンネル素子に対して正電圧を印加することによって、磁気記録媒体からの磁界を安定的に検出することができる。
【００４４】
また、磁気トンネル素子は、通常の異方性磁気抵抗効果素子や巨大磁気抵抗効果素子と比較して磁気抵抗比が大きいため、高密度記録の磁気記録媒体に対する磁気ヘッドとして用いることが好ましい。言い換えると、磁気ヘッドは、感磁部として磁気トンネル素子を用いることによって、高密度記録された磁気記録媒体を確実に再生することができる。
【００４５】
ところで、上述した磁気トンネル素子では、正電圧を印加して電圧変化に依存することなく磁気抵抗比を略々一定なものとした。これは、磁気トンネル素子において、トンネル障壁層３が金属を段階的に酸化することにより第１の磁性金属層２側から酸化度が増加しするように形成されているためである。
【００４６】
このトンネル障壁層３に対して上述したように正電圧を印加することによって、酸化度の高い側から電子が供給されることとなる。言い換えると、この磁気トンネル素子は、酸化度が高い第２の磁性金属層４側から電子を供給することにより、安定的に磁気トンネリング効果を示すこととなる。
【００４７】
このことを検証するために、上述したような磁気トンネル素子に対して、図４に示すように、所定の電流を供給する定電流源と、第１の磁性金属層２と第２の磁性金属層４との間の電圧を測定する電圧計とを接続し、電子の供給方向を変化させてその抵抗値及び磁気抵抗比を測定した。
【００４８】
このとき、第１の磁性金属層２から第２の磁性金属層４へ向かって電子を供給する場合を「−方向」と呼び、逆に、第２の磁性金属層４から第１の磁性金属層２に向かって電子を供給する場合を「＋方向」と呼ぶ。そして、電圧計は、「−方向」に電子を供給した場合にマイナスを示し、「＋方向」に電子を供給した場合にプラスを示すように接続された。
【００４９】
このように構成された磁気トンネル素子に対して、一定方向の外部磁界を印加し、電圧を変化させたときの抵抗値変化及び磁気抵抗比変化を測定した。その結果を図５示す。
【００５０】
この図５から明らかなように、−方向に電子を供給した場合には、印加される電圧が増大するに従って抵抗値が変化している。言い換えると、−方向に電子を供給した場合には、トンネル障壁層３の抵抗値は、電圧値によって変化してしまうといった電圧依存性を有している。
【００５１】
これに対して、＋方向に電子を供給した場合には、印加される電圧が増大しても略々一定の抵抗値を示している。このことは、＋方向に電子を供給した場合には、トンネル障壁層３は、電圧依存性を有しないことを示している。なお、この図５に示すように、一定方向の外部磁界を印加してるため磁気抵抗比は一定である。また、上述した図３は、この図５における磁気抵抗比の値を用いて作製したものである。
【００５２】
このことから、第１の磁性金属層２側から酸化度が増加してなるトンネル障壁層３を有する場合、＋方向に電子を供給することにより、磁気トンネル素子は、電圧依存性を有しないで安定した磁気トンネル効果を示すことが証明された。これは、トンネル障壁層３における第２の磁性金属層４側の部分が最も酸化されているため、トンネル障壁層３の厚さ方向におけるトンネル障壁のポテンシャルが図６に示すようになっているためであると考えられる。
【００５３】
また、上述した磁気トンネル素子では、酸素分圧を徐々に増加させてトンネル障壁層３を形成している。このため、この磁気トンネル素子において、トンネル障壁層３は、第１の磁性金属層２に対する接着性に優れたものとなる。したがって、この磁気トンネル素子においては、トンネル障壁層３が第１の磁性金属層２から剥離してしまったり、第１の磁性金属層２と第２の磁性金属層４とがピンホールを介して短絡してしまうようなことが確実に防止される。これにより、この磁気トンネル素子では、常に安定的にトンネル電流が流れることとなる。
【００５４】
ところで、この磁気トンネル素子では、上述したように、アニール処理を行っている。このアニール処理は、磁気抵抗比や軟磁気特性或いは磁気的安定性等を考慮して決定された温度条件や磁場条件下で行われる。したがって、磁気トンネル素子は、このアニール処理を施すことにより、所望の磁気抵抗比や軟磁気特性を示すこととなる。
【００５５】
これに対して、アニール処理を行わずに形成された磁気トンネル素子は、一定方向の外部磁界を印加した状態で、電圧を変化させたときの抵抗値変化及び磁気抵抗比変化が図７に示すようになっている。この図７に示すように、アニール処理を行わない場合は、＋方向又は−方向のいずれの方向に電子を供給しても、電圧に対する依存性は見られない。
【００５６】
このことから、アニール処理を施した磁気トンネル素子に対して、上述したように、第２の磁性金属層４から第１の磁性金属層２に向かって電子を供給すると効果的であることがわかる。
【００５７】
なお、上述した磁気トンネル素子では、正電圧を印加することによって、磁気抵抗比が電圧依存性を有することなく略々一定の値を示した。しかしながら、本発明は、このようなものに限定されず、例えば、負電圧の変化に対する磁気抵抗比の変化量が、正電圧の変化に対する磁気抵抗比の変化量と比較して小となっている領域を有するような磁気トンネル素子に対しても適用できる。すなわち、この場合、磁気トンネル素子に対しては、負電圧を印加して、第１の磁性金属層２から第２の磁性金属層４に対して電子を供給することにより、電圧変化に依存することなく磁気抵抗比が略々一定値を示すこととなる。したがって、この磁気トンネル素子では、負電圧を印加することによって、安定的に磁気トンネル効果を示すことができる。
【００５９】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明に係る磁気トンネル素子及び磁気ヘッドでは、第１の磁性層上に形成され、第１の磁性層側から酸化度が増加してなるトンネル障壁層を備え、第２の磁性層から第１の磁性層に向かって電子を供給している。このため、この磁気トンネル素子では、印加される電圧の大きさに依存することなく、安定した磁気トンネル効果を示すことができる。また、この磁気トンネル素子及び磁気ヘッドでは、絶縁層における第１の磁性層との接着面が最も酸化度が低くなっているため、第１の磁性層と絶縁層との接着性が良好なのもとなる。したがって、この磁気トンネル素子及び磁気ヘッドは、常に安定的に磁気トンネル効果を示すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 一例として示す磁気トンネル素子の要部斜視図である。
【図２】 磁気トンネル素子の要部断面図である。
【図３】 磁気トンネル素子における電圧と規格化された磁気抵抗比との関係を示す特性図である。
【図４】 定電流源及び電圧計を接続した磁気トンネル素子の要部斜視図である。
【図５】 磁気トンネル素子に印加される電圧と抵抗値及び磁気抵抗比を示す特性図である。
【図６】 磁気トンネル素子におけるトンネル障壁を模式的に示す概念図である。
【図７】 アニール処理を施さずに形成された磁気トンネル素子に印加される電圧と抵抗値及び磁気抵抗比を示す特性図である。
【技術分野】
本発明は、トンネル障壁層を介して一対の磁性層を積層し、一方の磁性層から他方の磁性層にトンネル電流が流れ、このトンネル電流のコンダクタンスが一対の磁性層の磁化の分極率に依存して変化する磁気トンネル素子及び磁気ヘッドに関する。
【０００２】
この磁気トンネリング効果では、一対の磁性金属層の磁化の分極率により磁気抵抗比を理論的に算出でき、特に、一対の磁性金属層にＦｅを用いた場合には、約４０％の磁気抵抗比を期待することができる。
【０００３】
このため、少なくとも、一対の磁性金属層で薄い絶縁層を挟持してなる層構造を有する磁気トンネル素子が外部磁界検出用の素子として注目を集めている。
【０００４】
ところで、上述したような磁気トンネル素子では、薄い絶縁層として金属酸化物を用いるのが一般的である。しかしながら、絶縁層として金属酸化物を用いた場合、ピンホール等が形成されてしまうことがあり一対の磁性金属層間に短絡が生じてしまうことがある。また、絶縁層として金属酸化物を用いた場合、金属の酸化度が不十分なことがあり、トンネル障壁が不完全となってしまい磁気トンネリング効果が発現しない場合もある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は、このような実情に鑑みて提案されたものであり、トンネル電流がトンネル障壁層に確実に流れ、安定的な磁気トンネリング効果を発現する磁気トンネル素子及び磁気ヘッドを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る磁気トンネル素子は、第１の磁性層と、上記第１の磁性層上に形成され、上記第１の磁性層側から酸化度が増加してなるトンネル障壁層と、上記トンネル障壁層上に形成された第２の磁性層とを備え、上記第１の磁性層が少なくとも外部磁界に応じて磁化方向を変化させる磁化自由膜を備えるとともに、上記第２の磁性層が少なくとも所定の方向の固定磁化とされた磁化固定層を備え、上記第２の磁性層から上記第１の磁性層に向かって電子を供給することにより上記トンネル障壁層にトンネル電流を流すことを特徴とするものである。
【０００９】
また、本発明に係る磁気トンネル素子は、第１の磁性層と、上記第１の磁性層上に形成され、上記第１の磁性層側から酸化度が増加してなるトンネル障壁層と、上記トンネル障壁層上に形成された第２の磁性層とを備え、上記第１の磁性層が少なくとも所定の方向の固定磁化とされた磁化固定層を備えるとともに、上記第２の磁性層が少なくとも外部磁界に応じて磁化方向を変化させる磁化自由膜を備え、上記第２の磁性層から上記第１の磁性層に向かって電子を供給することにより上記トンネル障壁層にトンネル電流を流すことを特徴とするものである。
【００１０】
以上のように構成された本発明に係る磁気トンネル素子では、第１の磁性層上に金属を段階的に酸化させることによりトンネル障壁層が形成されている。すなわち、第１の磁性層上には、最も酸化度の低いトンネル障壁層が形成されることとなる。このため、トンネル障壁層は、第１の磁性層に対する接着性が良好なものとなる。また、この磁気トンネル素子では、トンネル障壁層に対する電子の供給方向を規定している。このため、この磁気トンネル素子では、トンネル障壁層に対して、電圧の大きさに依存せず安定したトンネル電流が流れることとなる。
【００１５】
さらに、本発明に係る磁気ヘッドは、第１の磁性層と、上記第１の磁性層上に形成され、上記第１の磁性層側から酸化度が増加してなるトンネル障壁層と、上記トンネル障壁層上に形成された第２の磁性層とを有し、上記第１の磁性層が少なくとも外部磁界に応じて磁化方向を変化させる磁化自由膜を備えるとともに、上記第２の磁性層が少なくとも所定の方向の固定磁化とされた磁化固定層を備え、上記第２の磁性層から上記第１の磁性層に向かって電子を供給することにより上記トンネル障壁層にトンネル電流を流す磁気トンネル素子を備え、上記磁気トンネル素子を感磁部とすることを特徴とするものである。
【００１６】
さらにまた、本発明に係る磁気ヘッドは、第１の磁性層と、上記第１の磁性層上に形成され、上記第１の磁性層側から酸化度が増加してなるトンネル障壁層と、上記トンネル障壁層上に形成された第２の磁性層とを有し、上記第１の磁性層が少なくとも所定の方向の固定磁化とされた磁化固定層を備えるとともに、上記第２の磁性層が少なくとも外部磁界に応じて磁化方向を変化させる磁化自由膜を備え、上記第２の磁性層から上記第１の磁性層に向かって電子を供給することにより上記トンネル障壁層にトンネル電流を流す磁気トンネル素子を備え、上記磁気トンネル素子を感磁部とすることを特徴とするものである。
【００１７】
以上のように構成された本発明に係る磁気ヘッドでは、第１の磁性層上に金属を段階的に酸化させることによりトンネル障壁層が形成された磁気トンネル素子を感磁部としている。すなわち、磁気トンネル素子において、第１の磁性層上には、最も酸化度の低いトンネル障壁層が形成されることとなる。このため、トンネル障壁層は、第１の磁性層に対する接着性が良好なものとなる。また、この磁気ヘッドでは、トンネル障壁層に対する電子の供給方向を規定している。このため、この磁気ヘッドでは、トンネル障壁層に対して、電圧の大きさに依存せず安定したトンネル電流が流れることとなり、感磁部である磁気トンネル素子が安定的に動作することになる。
【００１８】
【発明を実施するための最良の形態】
以下、本発明に係る磁気トンネル素子及び磁気ヘッドの最良の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
【００１９】
磁気トンネル素子は、図１に示すように、非磁性基板１上に帯状に形成された第１の磁性金属層２と、この第１の磁性金属層２の略中心部を覆うように形成されたトンネル障壁層３と、このトンネル障壁層３上に形成された第２の磁性金属層４とを備える。この磁気トンネル素子において、第１の磁性金属層２及び第２の磁性金属層４とは、それぞれの長手方向が略直交するように形成されている。このため、この磁気トンネル素子では、第１の磁性金属層２と第２の磁性金属層４とが、それぞれの略中心部でトンネル障壁層３を介して積層されている。
【００２０】
この磁気トンネル素子における第１の磁性金属層２と第２の磁性金属層４とがトンネル障壁層３を介して積層された部分の断面図を図２に示す。図２に示すように、第１の磁性金属層２は、非磁性基板１側からＮｉＦｅ層５とＣｏ層６とを順次積層してなる２層構造とした。また、第２の磁性電極層４は、トンネル障壁層３側からＣｏ層７とＮｉＦｅ層８とＦｅＭｎ層９とＴａ層１０とを順次積層してなる４層構造とした。
【００２１】
具体的に、非磁性基板１としては、表面を３０００オングストローム酸化したＳｉ（１００％）基板が用いられた。
【００２２】
また、第１の磁性金属層２において、ＮｉＦｅ膜５は、保磁力が低く、外部磁界に対してその磁化方向を変化させる磁化自由膜である。この第１の磁性金属層２において、Ｃｏ層６は、後述するＣｏ層７とともにスピン分極率を増加させるために配された層である。すなわち、ＮｉＦｅ膜５及びトンネル障壁層３の界面とＮｉＦｅ９及びトンネル障壁層３の界面とに、Ｃｏ層６及びＣｏ層７を配することによって、この磁気トンネル素子の磁気抵抗比を大きくすることができる。
【００２３】
具体的には、上述した非磁性基板１上に１８８オングストロームの膜厚でＮｉＦｅ膜５が形成され、このＮｉＦｅ膜５上に３３オングストロームの膜厚でＣｏ膜６が形成される。なお、これらＮｉＦｅ膜５及びＣｏ膜６は、メタルマスクを用いたスパッタリングにより帯状に成膜された。
【００２４】
そして、この第１の磁性金属層２には、いわゆるアニール処理が施される。このアニール処理は、第１の磁性金属膜２の長手方向に３３０Ｏｅの磁界を印加しながら３５０℃で６×１０−４Ｐａの真空中で行った。
【００２５】
また、トンネル障壁層３は、金属を段階的に酸化することにより第１の磁性金属層２側から酸化度が増加するような層である。このトンネル障壁層３は、第１の磁性金属層２と第２の磁性金属層４との間の電気的な障壁となり、いわゆるトンネル障壁となる。
【００２６】
このトンネル障壁層３、例えば、Ａｌ，Ｇｄ，Ｈｆ，Ｆｅ，Ｃｏ、Ｎｉ，Ｓｅ，Ｍｇ等の金属を用いて形成される。しかしながら、トンネル障壁層３としては、これらの金属元素に限定されず、酸化されることによりトンネル障壁となり得れば、如何なる金属を用いても良い。
【００２７】
このトンネル障壁層３を形成する際には、上述したように形成された第１の磁性金属層２上に、酸素分圧を増加させながら金属元素を成膜すればよい。このように酸素分圧を増加させることにより、トンネル障壁層３は、第１の磁性金属層２側から酸化度が増加するように形成される。
【００２８】
具体的に、トンネル障壁層３を成膜する際のプロセスガスには、ＡｒとＯ２との混合ガスを用いることができる。このＡｒとＯ２との混合ガス雰囲気下で、上記金属を６０秒間成膜することによって、トンネル障壁層３を形成することができる。そして、成膜開始時には、混合ガスにおける分圧比を、Ａｒ：Ｏ２＝１０：０とし、６０秒後には、分圧比がＡｒ：Ｏ２＝１０：１となるように酸素分圧を正比例で増加させた。
【００２９】
なお、上述した手法では、酸素分圧を正比例で増加させることにより、金属を段階的に酸化してトンネル障壁層３を形成したが、本発明は、このような手法に限定されるものではない。すなわち、金属を段階的に酸化させるためには、酸素分圧を指数関数的に増加させても良い。
【００３０】
さらに、第２の磁性金属層４において、ＦｅＭｎ層９は、反強磁性材料であり、ＮｉＦｅ層８の磁化を所定の方向に固定している。このＦｅＭｎ層９により、ＮｉＦｅ層８は、磁化固定膜となる。この第２の磁性金属層４において、Ｃｏ層７は、上述したように、磁気トンネル素子の磁気抵抗比を向上させるために配された層である。さらに、この第２の磁性金属層４において、Ｔａ層１０は、ＦｅＭｎ層９の腐食を防止するために配された層である。
【００３１】
具体的には、Ｃｏ層７の膜厚を２６オングストロームとし、ＮｉＦｅ層８の膜厚を１８８オングストロームとし、ＦｅＭｎ層９の膜厚を４５０オングストロームとし、Ｔａ層１０の膜厚を２００オングストロームとするように、メタルマスクを用いたスパッタリングにより順次帯状に成膜された。このとき、各層は、長手方向に対して直交する方向に５２Ｏｅの磁界を印加しながら成膜された。
【００３２】
なお、各層をスパッタリングする際のプロセスガスとしては、Ａｒガスが用いられた。そして、各層を成膜する際のＡｒガス圧は、ＮｉＦｅ膜５，８及びＣｏ６，７膜の場合には０．３Ｐａとし、Ａｌの場合は０．２Ｐａとし、ＦｅＭｎ膜９の場合には０．６Ｐａとした。
【００３３】
また、具体的に、第１の磁性金属層２と第２の磁性金属層４とが重なり合う部分の面積、すなわち、トンネル電流が流れる部分の面積としては、１００×１００〜５００×５００μｍ２の９種類を作製した。
【００３４】
以上のように構成された磁気トンネル素子では、外部磁界が印加されると、第１の磁性金属層２におけるＮｉＦｅ膜５の磁化方向が変化する。これに対して、第２の磁性金属層４では、外部磁界が印加されても磁化方向を変化させない。したがって、磁気トンネル素子に対して外部磁界を印加すると、ＮｉＦｅ膜５の磁化方向とＮｉＦｅ膜８の磁化方向との相対角度が変化する。
【００３５】
ＮｉＦｅ膜５の磁化方向とＮｉＦｅ膜８の磁化方向との相対角度が変化すると、トンネル障壁層３に対して流れるトンネル電流に対する抵抗値が変化する。言い換えると、トンネル障壁層３に流れるトンネル電流に対する抵抗値は、ＮｉＦｅ膜５の磁化方向とＮｉＦｅ膜８の磁化方向との相対角度に依存して変化する。
【００３６】
したがって、磁気トンネル素子では、トンネル障壁層３に所定のトンネル電流を流がすとともに当該トンネル電流の電圧値を検出することによって、トンネル電流に対する抵抗値の変化を電圧変化として検出することができる。すなわち、トンネル素子では、トンネル電流の電圧変化を検出することにより外部磁界を検出することができる。
【００３７】
特に、この磁気トンネル素子では、第２の磁性金属層４が第１の磁性金属層２と比して低電位となるように電圧を印加する場合と、逆に、第２の磁性金属層４が第１の磁性金属層２と比して高電位となるように電圧を印加する場合とで、電圧変化に対する磁気抵抗比の変化量が異なっている。以下の説明において、第２の磁性金属層４が第１の磁性金属層２と比して低電位となるように印加した電圧を「正電圧」と称し、逆に、第２の磁性金属層４が第１の磁性金属層２と比して高電位となるように印加した電圧を「負電圧」と称する。
【００３８】
この磁気トンネル素子では、図３に示すように、正電圧の変化に対する磁気抵抗比の変化量が、負電圧の変化に対する磁気抵抗比の変化量と比較して小となっている領域を有している。言い換えると、正電圧を印加した場合、磁気トンネル素子には、電圧変化に依存することなく磁気抵抗比が略々一定値を示す領域がある。
【００３９】
なお、この図３において、縦軸は、最大の磁気抵抗比を所定の電圧値における磁気抵抗比で除算した値（「規格化されたＭＲ比」として示す。）を示し、横軸は、磁気トンネル素子に対して印加する電圧（正電圧はプラスとし、負電圧はマイナスとした。）の大きさを示す。
【００４０】
この磁気トンネル素子は、電圧変化に依存することなく磁気抵抗比が略々一定値を示すような領域で駆動されることによって、安定的な磁気トンネリング効果を示すことになる。すなわち、この磁気トンネル素子においては、第２の磁性金属層４から第１の磁性金属層２に対して電子を流すことによって、電圧の変化に依らず略々一定の磁気抵抗比を示すため、安定的に動作することができる。具体的には、この図３から判るように、０〜５０ｍＶの正電圧を印加することによって、磁気トンネル素子は、磁気抵抗比の変化を１％以内とすることができる。したがって、磁気トンネル素子は、０〜５０ｍＶの正電圧で駆動されることによって、安定的に動作することができる。
【００４１】
また、この磁気トンネル素子では、少なくとも正電圧が０〜１．２５ｍＶの範囲における磁気抵抗比の変化が１％以内であることが好ましい。言い換えると、磁気トンネル素子では、磁気抵抗比の変化が１％以内となる正電圧の最大値が１．２５ｍＶ以上であることが好ましい。
【００４２】
例えば、磁気トンネル素子として、Ｆｅを用いて磁気抵抗比が４０％程度を示すものを使用した場合、電圧変化出力を０．５ｍＶ得るためには、駆動電圧を１．２５ｍＶとする必要がある。言い換えると、磁気抵抗比の変化が１％以内となる正電圧の最大値が１．２５ｍＶ未満である場合には、磁気抵抗比が４０％程度であるような磁気トンネル素子を用いて十分な電圧変化出力を得られない虞がある。
【００４３】
この磁気トンネル素子は、例えば、磁気記録媒体に記録された信号を再生する磁気ヘッドに使用されることが好ましい。言い換えると、磁気ヘッドとしては、磁気記録媒体のからの磁界を検出する感磁部として上述した磁気トンネル素子を使用することが好ましい。この磁気ヘッドにおいて、磁気トンネル素子に対して正電圧を印加することによって、磁気記録媒体からの磁界を安定的に検出することができる。
【００４４】
また、磁気トンネル素子は、通常の異方性磁気抵抗効果素子や巨大磁気抵抗効果素子と比較して磁気抵抗比が大きいため、高密度記録の磁気記録媒体に対する磁気ヘッドとして用いることが好ましい。言い換えると、磁気ヘッドは、感磁部として磁気トンネル素子を用いることによって、高密度記録された磁気記録媒体を確実に再生することができる。
【００４５】
ところで、上述した磁気トンネル素子では、正電圧を印加して電圧変化に依存することなく磁気抵抗比を略々一定なものとした。これは、磁気トンネル素子において、トンネル障壁層３が金属を段階的に酸化することにより第１の磁性金属層２側から酸化度が増加しするように形成されているためである。
【００４６】
このトンネル障壁層３に対して上述したように正電圧を印加することによって、酸化度の高い側から電子が供給されることとなる。言い換えると、この磁気トンネル素子は、酸化度が高い第２の磁性金属層４側から電子を供給することにより、安定的に磁気トンネリング効果を示すこととなる。
【００４７】
このことを検証するために、上述したような磁気トンネル素子に対して、図４に示すように、所定の電流を供給する定電流源と、第１の磁性金属層２と第２の磁性金属層４との間の電圧を測定する電圧計とを接続し、電子の供給方向を変化させてその抵抗値及び磁気抵抗比を測定した。
【００４８】
このとき、第１の磁性金属層２から第２の磁性金属層４へ向かって電子を供給する場合を「−方向」と呼び、逆に、第２の磁性金属層４から第１の磁性金属層２に向かって電子を供給する場合を「＋方向」と呼ぶ。そして、電圧計は、「−方向」に電子を供給した場合にマイナスを示し、「＋方向」に電子を供給した場合にプラスを示すように接続された。
【００４９】
このように構成された磁気トンネル素子に対して、一定方向の外部磁界を印加し、電圧を変化させたときの抵抗値変化及び磁気抵抗比変化を測定した。その結果を図５示す。
【００５０】
この図５から明らかなように、−方向に電子を供給した場合には、印加される電圧が増大するに従って抵抗値が変化している。言い換えると、−方向に電子を供給した場合には、トンネル障壁層３の抵抗値は、電圧値によって変化してしまうといった電圧依存性を有している。
【００５１】
これに対して、＋方向に電子を供給した場合には、印加される電圧が増大しても略々一定の抵抗値を示している。このことは、＋方向に電子を供給した場合には、トンネル障壁層３は、電圧依存性を有しないことを示している。なお、この図５に示すように、一定方向の外部磁界を印加してるため磁気抵抗比は一定である。また、上述した図３は、この図５における磁気抵抗比の値を用いて作製したものである。
【００５２】
このことから、第１の磁性金属層２側から酸化度が増加してなるトンネル障壁層３を有する場合、＋方向に電子を供給することにより、磁気トンネル素子は、電圧依存性を有しないで安定した磁気トンネル効果を示すことが証明された。これは、トンネル障壁層３における第２の磁性金属層４側の部分が最も酸化されているため、トンネル障壁層３の厚さ方向におけるトンネル障壁のポテンシャルが図６に示すようになっているためであると考えられる。
【００５３】
また、上述した磁気トンネル素子では、酸素分圧を徐々に増加させてトンネル障壁層３を形成している。このため、この磁気トンネル素子において、トンネル障壁層３は、第１の磁性金属層２に対する接着性に優れたものとなる。したがって、この磁気トンネル素子においては、トンネル障壁層３が第１の磁性金属層２から剥離してしまったり、第１の磁性金属層２と第２の磁性金属層４とがピンホールを介して短絡してしまうようなことが確実に防止される。これにより、この磁気トンネル素子では、常に安定的にトンネル電流が流れることとなる。
【００５４】
ところで、この磁気トンネル素子では、上述したように、アニール処理を行っている。このアニール処理は、磁気抵抗比や軟磁気特性或いは磁気的安定性等を考慮して決定された温度条件や磁場条件下で行われる。したがって、磁気トンネル素子は、このアニール処理を施すことにより、所望の磁気抵抗比や軟磁気特性を示すこととなる。
【００５５】
これに対して、アニール処理を行わずに形成された磁気トンネル素子は、一定方向の外部磁界を印加した状態で、電圧を変化させたときの抵抗値変化及び磁気抵抗比変化が図７に示すようになっている。この図７に示すように、アニール処理を行わない場合は、＋方向又は−方向のいずれの方向に電子を供給しても、電圧に対する依存性は見られない。
【００５６】
このことから、アニール処理を施した磁気トンネル素子に対して、上述したように、第２の磁性金属層４から第１の磁性金属層２に向かって電子を供給すると効果的であることがわかる。
【００５７】
なお、上述した磁気トンネル素子では、正電圧を印加することによって、磁気抵抗比が電圧依存性を有することなく略々一定の値を示した。しかしながら、本発明は、このようなものに限定されず、例えば、負電圧の変化に対する磁気抵抗比の変化量が、正電圧の変化に対する磁気抵抗比の変化量と比較して小となっている領域を有するような磁気トンネル素子に対しても適用できる。すなわち、この場合、磁気トンネル素子に対しては、負電圧を印加して、第１の磁性金属層２から第２の磁性金属層４に対して電子を供給することにより、電圧変化に依存することなく磁気抵抗比が略々一定値を示すこととなる。したがって、この磁気トンネル素子では、負電圧を印加することによって、安定的に磁気トンネル効果を示すことができる。
【００５９】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明に係る磁気トンネル素子及び磁気ヘッドでは、第１の磁性層上に形成され、第１の磁性層側から酸化度が増加してなるトンネル障壁層を備え、第２の磁性層から第１の磁性層に向かって電子を供給している。このため、この磁気トンネル素子では、印加される電圧の大きさに依存することなく、安定した磁気トンネル効果を示すことができる。また、この磁気トンネル素子及び磁気ヘッドでは、絶縁層における第１の磁性層との接着面が最も酸化度が低くなっているため、第１の磁性層と絶縁層との接着性が良好なのもとなる。したがって、この磁気トンネル素子及び磁気ヘッドは、常に安定的に磁気トンネル効果を示すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 一例として示す磁気トンネル素子の要部斜視図である。
【図２】 磁気トンネル素子の要部断面図である。
【図３】 磁気トンネル素子における電圧と規格化された磁気抵抗比との関係を示す特性図である。
【図４】 定電流源及び電圧計を接続した磁気トンネル素子の要部斜視図である。
【図５】 磁気トンネル素子に印加される電圧と抵抗値及び磁気抵抗比を示す特性図である。
【図６】 磁気トンネル素子におけるトンネル障壁を模式的に示す概念図である。
【図７】 アニール処理を施さずに形成された磁気トンネル素子に印加される電圧と抵抗値及び磁気抵抗比を示す特性図である。
Claims (4)
- 第１の磁性層と、
上記第１の磁性層上に形成され、上記第１の磁性層側から酸化度が増加してなるトンネル障壁層と、上記トンネル障壁層上に形成された第２の磁性層とを備え、
上記第１の磁性層が少なくとも外部磁界に応じて磁化方向を変化させる磁化自由膜を備えるとともに、上記第２の磁性層が少なくとも所定の方向の固定磁化とされた磁化固定層を備え、
上記第２の磁性層から上記第１の磁性層に向かって電子を供給することにより上記トンネル障壁層にトンネル電流を流すことを特徴とする磁気トンネル素子。 - 第１の磁性層と、
上記第１の磁性層上に形成され、上記第１の磁性層側から酸化度が増加してなるトンネル障壁層と、上記トンネル障壁層上に形成された第２の磁性層とを備え、
上記第１の磁性層が少なくとも所定の方向の固定磁化とされた磁化固定層を備えるとともに、上記第２の磁性層が少なくとも外部磁界に応じて磁化方向を変化させる磁化自由膜を備え、
上記第２の磁性層から上記第１の磁性層に向かって電子を供給することにより上記トンネル障壁層にトンネル電流を流すことを特徴とする磁気トンネル素子。 - 第１の磁性層と、上記第１の磁性層上に形成され、上記第１の磁性層側から酸化度が増加してなるトンネル障壁層と、上記トンネル障壁層上に形成された第２の磁性層とを有し、
上記第１の磁性層が少なくとも外部磁界に応じて磁化方向を変化させる磁化自由膜を備えるとともに、上記第２の磁性層が少なくとも所定の方向の固定磁化とされた磁化固定層を備え、
上記第２の磁性層から上記第１の磁性層に向かって電子を供給することにより上記トンネル障壁層にトンネル電流を流す磁気トンネル素子を備え、
上記磁気トンネル素子を感磁部とすることを特徴とする磁気ヘッド。 - 第１の磁性層と、上記第１の磁性層上に形成され、上記第１の磁性層側から酸化度が増加してなるトンネル障壁層と、上記トンネル障壁層上に形成された第２の磁性層とを有し、
上記第１の磁性層が少なくとも所定の方向の固定磁化とされた磁化固定層を備えるとともに、上記第２の磁性層が少なくとも外部磁界に応じて磁化方向を変化させる磁化自由膜を備え、
上記第２の磁性層から上記第１の磁性層に向かって電子を供給することにより上記トンネル障壁層にトンネル電流を流す磁気トンネル素子を備え、
上記磁気トンネル素子を感磁部とすることを特徴とする磁気ヘッド。
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