JP4516086B2 - 磁気抵抗効果素子及びその製造方法、磁気メモリ、磁気ヘッド並びに磁気記録装置 - Google Patents

磁気抵抗効果素子及びその製造方法、磁気メモリ、磁気ヘッド並びに磁気記録装置 Download PDF

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Description

本発明は、磁気抵抗効果素子及びその製造方法、磁気メモリ、磁気ヘッド並びに磁気記録装置に関し、特に高い磁気抵抗効果が得られる磁気抵抗効果素子、磁気メモリ表示入力装置及びそれらの製造方法、磁気ヘッド並びにこの磁気ヘッドを備えた磁気記録装置に関する。
近年、ハードディスクドライブにおける磁気記録密度は急激に上昇し、それに伴い、再生ヘッドに要求される再生感度・再生分解能も年々上昇している。スピン依存散乱を動作原理に用いたＧＭＲ（Giant MagnetoResistance effect）ヘッドの出現は飛躍的に出力を上げ高記録密度化に対応した。また、さらなる高記録密度化に対応するための再生素子構造が提案されている。
最近、金属磁性体中の磁壁を情報として扱う不揮発性固体メモリ素子の報告がなされている。磁気モーメントは電子スピン情報に基づいて決められ、磁壁はそのスピン情報の境界に形成されることから、従来の磁界で磁壁をドライブするのではなく、より微細化に対応できる電子電流で磁壁をドライブする研究が精力的に進められている。
ふたつの磁性体の間に、くびれた構造を有する磁性体を設けた磁気抵抗素子が開示されている（特許文献１）。
また一方、大小二つの磁性体の「くびれ」を有するワイヤに磁壁を閉じ込め、大きなくびれでは低抵抗（情報「０」）、小さなくびれでは高抵抗（情報「１」）、さらに「０」と「１」の書き換えは、磁壁を電流ドライブにてくびれ間を移動させる素子がある。本発明者は、スパッタＮｉＦｅ（パーマロイ）膜をイオンミリングで２次元的および３次元的に絞り込んだ形状にしたポイントコンタクトにおいて、およそ１０〜２０％の磁気抵抗効果（ＭＲ）が生ずることを確認した（非特許文献１及び２）。
これらの公知技術においては、磁性体をパターニングすることによりポイントコンタクトを形成している。しかし、最新のリソグラフィ技術をもってしても、理想的なポイントコンタクトを再現性よく形成することは容易ではなく、また磁気抵抗効果のさらなる向上は実現されていなかった。
一方、絶縁膜の両側を磁性層でサンドイッチした磁性層間を不連続な磁性膜で接続することで、上下磁性層間を微小接点部で接続する製造方法が開示されている（特許文献２）。この公知例では、磁気感受層の上に、磁気感受層よりも小さい面積で絶縁部と基準磁性部を成膜し、基準磁性部と磁気感受部の上に磁性体を成膜する。磁性体の成膜量を徐々に増やすと、磁気感受部と基準磁性部の段差部部分が成膜された磁性体によって導通する箇所が表れる。この導通部を微小接触部として用いる。その後、基準磁性部の上に磁区制御部と上部電極を成膜する。
しかし、この公知例の場合、基準磁性部と磁区制御部との間に微小接触部に用いる磁性体を挟みこまれてしまう。
特開２００２−２７０９２２号公報 Y. Ohsawa, "Current-driven resistance change and magnetoresistance measurements in NiFe films with a nanoconstriction," IEEE Trans. Magn., vol. 42, No. 10, p2615(2006) Y. Ohsawa, "In-situ magnetoresistance measurements of a nanoconstricted NiFe film with in-plane configuration, "IEEE Trans. Magn., vol. 41, No. 10, p2577(2005) 特開２００４−３４２１６７号公報
本発明は、高い磁気抵抗効果が得られるポイントコンタクトを有し、同時に固着磁界の不均一によるノイズや反磁界の影響による信号感度劣化を抑制した磁気抵抗効果素子及びその製造方法、磁気メモリ、磁気ヘッド並びに磁気記録装置を提供する。
本発明の一態様によれば、絶縁体層と、前記絶縁体層を挟んで積層された第１及び第２の強磁性体層と、前記第２の強磁性体層と積層された磁性バイアス層と、前記絶縁体層の側面に不連続に形成され、前記第２の強磁性体層と前記磁性バイアス層との界面に介在せず、強磁性体からなり、前記第１の強磁性体層と前記第２の強磁性体層とを電気的に接続する接続部と、を備え、前記接続部は、非磁性元素を含有してなることを特徴とする磁気抵抗効果素子が提供される。
また、本発明の他の一態様によれば、絶縁体層と、前記絶縁体層を挟んで積層された第１及び第２の強磁性体層と、前記第２の強磁性体層と積層された磁性バイアス層と、前記絶縁体層の側面と前記第２の強磁性体層の側面と前記磁性バイアス層の側面に不連続に形成され、強磁性体からなり、前記第１の強磁性体層と前記第２の強磁性体層とを電気的に接続する接続部と、を備え、前記接続部は、非磁性元素を含有してなることを特徴とする磁気抵抗効果素子が提供される。
また、本発明の他の一態様によれば、絶縁体層を挟んで積層された第１及び第２の強磁性体層と前記第２の強磁性体層と積層された磁性バイアス層とを形成する工程と、前記絶縁体層の側面に強磁性体を不連続に形成して前記第１の強磁性体層と前記第２の強磁性体層とを電気的に接続し且つ非磁性元素を含有してなる接続部を形成する工程と、を備えたことを特徴とする磁気抵抗効果素子の製造方法が提供される。
また、本発明の他の一態様によれば、絶縁体層と、前記絶縁体層を挟んで積層された第１及び第２の強磁性体層と、前記第２の強磁性体層と積層された磁性バイアス層と、前記絶縁体層の側面に不連続に形成され、前記第２の強磁性体層と前記磁性バイアス層との界面に介在せず、前記第１の強磁性体層と前記第２の強磁性体層とを電気的に接続する強磁性体からなる接続部と、を有する磁気抵抗効果素子を備え、前記第１の強磁性体層の磁化と前記第２の強磁性体層の磁化は、互いに略反対方向に固着されてなり、前記接続部が前記第１の強磁性体層に接する面積と前記接続部が前記第２の強磁性体層に接する面積とが異なっており、前記第１の強磁性体層と前記第２の強磁性体層との間で電流を流すことにより前記接続部内に形成される磁壁を移動させて書き込みを行うことを特徴とする磁気メモリが提供される。
また、本発明の他の一態様によれば、絶縁体層と、前記絶縁体層を挟んで積層された第１及び第２の強磁性体層と、前記第２の強磁性体層と積層された磁性バイアス層と、前記絶縁体層の側面と前記第２の強磁性体層の側面と前記磁性バイアス層の側面に不連続に形成され、前記第１の強磁性体層と前記第２の強磁性体層とを電気的に接続する強磁性体からなる接続部と、を有する磁気抵抗効果素子を備え、前記第１の強磁性体層の磁化と前記第２の強磁性体層の磁化は、互いに略反対方向に固着されてなり、前記接続部が前記第１の強磁性体層に接する面積と前記接続部が前記第２の強磁性体層に接する面積とが異なっており、前記第１の強磁性体層と前記第２の強磁性体層との間で電流を流すことにより前記接続部内に形成される磁壁を移動させて書き込みを行うことを特徴とする磁気メモリが提供される。
また、本発明の他の一態様によれば、上記の磁気抵抗効果素子を備え、特定の書き込みワード線とビット線とに書き込み電流を流し、前記第１の強磁性体層と前記第２の強磁性体層との間で電流を流すことにより書き込みを行うことを特徴とする磁気メモリが提供される。
また、本発明の他の一態様によれば、上記の磁気抵抗効果素子を備え、磁気記録媒体に磁気的に記録された情報の読み取りを可能としたことを特徴とする磁気ヘッドが提供される。
また、本発明の他の一態様によれば、上記の磁気ヘッドを備えたことを特徴とする磁気記録装置が提供される。
本発明によれば、高い磁気抵抗効果が得られるポイントコンタクトを有する磁気抵抗効果素子及びその製造方法、磁気メモリ、磁気ヘッド並びに磁気記録装置が提供される。
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面構造を表す概念図である。 また、図２は、この磁気抵抗効果素子を矢印Ａの方向から眺めた概念図である。
本具体例の磁気抵抗効果素子１０は、第１の強磁性体層３０と、第２の強磁性体層４０と、第２の強磁性体層４０と積層された磁性バイアス層８０、これら第１及び第２の強磁性体層３０、４０の間に設けられた絶縁体層５０と、絶縁体層５０の側面に不連続に設けられた接続部６０と、を備える。磁性バイアス層８０は、第２の強磁性体層４０の磁化を所定の方向に固着する役割を有し、その材料としては例えば反強磁性体を用いることができる。接続部６０は、強磁性体からなり、第１及び第２の強磁性体層３０、４０とを電気的に接続している。また、第２の強磁性体層４０の側面に形成された接続部６０Ｂの少なくとも一部は、磁性バイアス層８０の側面にも接している。そして、接続部６０は、連続的な薄膜ではなく、複数の島状体を有する島状構造、ネットワーク状に接続されている網目状構造、または複数のピンホールを有するピンホール構造などの不連続な構造を有する。
絶縁体層５０の厚みは、例えば、２〜十数ｎｍ程度とすることができる。絶縁体層５０の側面に不連続に設けられた接続部６０は、第１の強磁性体層３０と第２の強磁性体層４０との間を流れる電流経路の途上に、幅が最も狭い最狭部６０Ｐを有する。本具体例においては、最狭部６０Ｐは、第１の島状体６０Ａと第２の島状体６０Ｂとが接触した境界とされている。この最狭部６０Ｐが、ポイントコンタクトとして作用する。なお、図２においては、ふたつの島状体６０Ａ、６０Ｂのみを表したが、接続部６０は３つ以上の島状体を含んでもよい。
島状体６０Ａ、６０Ｂのそれぞれは、例えば、単結晶の結晶粒としてもよく、または、島状体６０Ａ、６０Ｂのそれぞれを多結晶としてもよい。例えば、最狭部６０Ｐの近傍の磁性体は、絶縁体層５０の側面上で、例えば、互いに異なる向きに配向した結晶粒６０Ａ、６０Ｂを接続させた構造を有するものとすることができる。そして、結晶粒６０Ａ、６０Ｂの結晶粒界が、磁壁を閉じ込めるポイントコンタクトとすることができる。結晶粒６０Ａ、６０Ｂのサイズは、通常の形成条件によれば、最大でも１０〜２０ｎｍであり、成長の初期段階では３〜５ｎｍ程度である。従って、このようなふたつの結晶粒６０Ａ、６０Ｂが接続された最狭部６０Ｐの粒界の幅は、十分に小さく、狭いポイントコンタクトが形成される。その結果として、高い磁気抵抗効果が得られる。つまり、第１の強磁性体層３０の磁化方向と第２の強磁性体層の４０の磁化方向の相対的な関係を、高い感度で検出することが可能となる。
図３０及び図３１は、特許文献２に開示されている方法により再生磁気ヘッドを製造する際の工程途中の状態を例示する模式断面図である。
図３０に表したように、下部電極１、磁気感受部２、絶縁部３、基準磁性部４を成膜する。絶縁部３と基準磁性部４は、磁気感受部２よりも小さく形成されている。そして、この状態で磁性体７を成膜する。磁性体７は、島状に成長し、成膜量を徐々に増やすと、磁性感受部２と基準磁性部４との段差部部分が成膜された磁性体７によって導通する箇所が表れる。
その後、図３１に表したように、磁区制御部５と上部電極６を基準磁性部４の上に成膜する。
しかし、この方法によれば、図３１から明らかなように、基準磁性部４と磁区制御部５との間に磁性体７が介在する。図３０に表した状態において、段差の部分は磁性体７の成長の核となりやすい。このため、基準磁性部４の端部と磁区制御部５との間にも、磁性体７Ａが入り込みやすい。つまり、基準磁性部４は、その端部において、磁性体７Ａも含めた局所的に厚い強磁性体層となる。
例えば、記録密度が １Ｔｂｐｓｉ（tera bit per square inch）に近づくと、磁気ヘッドの上下シールドの間隔は、２５〜３０ナノメータ程度と非常に微細化する必要がある。この場合、磁性基準部４の厚みは、たかだか２〜３ナノメータ以下となる。一方、磁気接点を形成するための磁性体７の厚みは少なくとも１ナノメータ程度は必要とされる。つまり、磁性体７が介在することにより、基準磁性部４の厚みが本来よりも数１０パーセント以上厚くなる領域が形成されることになり、ピニング（pinning）磁界が低下した部分が基準磁性部４に発生する。しかも、磁性体７Ａが介在した基準磁性部４の端部は、磁気感受部２との間で電流が選択的に流れる重要な部分である。本比較例においては、この重要な部分において、基準磁性部４の実効的な厚みが、磁性体７Ａの存在により大幅に厚くなってしまう。
通常の垂直通電型（ＣＰＰ）素子であれば、基準磁性部４の局所的な膜厚の増加はそれほど問題とならないが、この比較例の再生磁気ヘッドのように、「局所的な通電領域とピニング磁界劣化部分とが一致」し、さらに「通電領域が磁性膜側面」である場合、通電による電流磁界や、通電による発熱、さらに側面に発生する反磁界により基準磁性部４の磁化変動が引き起こされ、ノイズが発生しやすい。
また、微小接点を形成するための磁性体７をナノメートルのオーダーの小さなサイズで島状形成すると、反磁界が大きく、そのため信号磁界有無に関わらず内部に磁壁を形成する可能性が高い。すなわち、信号磁界に関わらず高い抵抗を示したままである可能性があり、何らかのバイアス手段が求められる。
以上説明したように、１Ｔｂｐｓｉレベルの高記録密度に対応するためには、基準磁性部４の厚みが微小接点用の磁性体７の厚みと同程度に薄くなる。そして、ノイズを抑制するためには、微小接点用の磁性体７の磁化についても固着すべき部分はしっかりと固着する必要がある。
これに対して、本実施形態においては、第２の強磁性体層４０と磁性バイアス層８０との間に、接続部６は介在していない。つまり、接続部６０は、強磁性体層４０と磁性バイアス層８０の側面に形成されている。この場合、磁性体６０Ｂの磁性バイアス層８０と接触している部分では、これらが直接交換結合することによる強いピニング磁界を受けており、接続部６０の端部に反磁界により発生する磁区が抑制される。一方、接続部６０Ｂの強磁性体層４０と接触している部分では、磁性バイアス層８０からのピニング磁界を強磁性体層４０との交換結合を介して受ける。そして、本実施形態においては、強磁性体層４０と磁性バイアス層８０との間に接続部６０は介在していないので、強磁性体層４０の磁化を固着するための磁性バイアス層８０からのピニング磁界が強磁性体層４０に安定して印加される。その結果として、強磁性体層４０のうちで電流が選択的に流れる端部近傍においても、磁化が安定して固着され、ノイズが抑制される。
また、結晶粒同士を接続することで、その粒界には、原子距離オーダーの原子転位・欠陥が導入される。これにより、例えば１ｎｍ以下の長さで交換スティフネスの低下した領域が導入され、磁壁はその部分に閉じ込められる。
また、結晶粒という物理的サイズがある程度決まった単位同士を接続させることにより、最狭部（ポイントコンタクト）６０Ｐ付近の磁性体の断面積を急峻且つ不連続的に変化させることができる。こうすることで磁壁の面積に比例する磁壁エネルギーは、最狭部（ポイントコンタクト）６０Ｐから離れると急激に上昇し、最狭部６０Ｐへの局在性が上がり、より狭い磁壁を形成しやすくなる。また、最狭部６０Ｐに移動してきた磁壁は、最狭部６０Ｐに閉じ込められやすくなるため、安定した抵抗値を得やすくなる。
また、結晶粒界には、結晶粒内には含まれない非磁性元素が不純物として偏析することが多い。つまり、最狭部６０Ｐが結晶粒６０Ａ、６０Ｂの粒内とは組成を異にすることで、さらに交換スティフネスを低下させることが可能となり、また例えば最狭部６０Ｐに酸素（Ｏ）が局在すると、２ｐ軌道の電子による電子分極が向上して磁気抵抗効果の向上につながる。また、金（Ａｕ）や白金（Ｐｔ）や銅（Ｃｕ）などの貴金属を混入させると、接合部の交換スティフネスを低下させて、より狭い磁壁を形成してより大きな磁気抵抗効果が得られる。
なお、島状体６０Ａ、６０Ｂのそれぞれを多結晶により形成した場合でも、これら島状体６０Ａ、６０Ｂが接続している部分の面積が十分に小さければ、同様の効果を得ることが可能である。
本実施形態の磁気抵抗効果素子を形成する方法としては、後に詳述するように、第１及び第２の強磁性体層３０、４０と磁性バイアス層８０と絶縁体層５０との側面を露出させ、この側面上に強磁性体材料を堆積させて接続部６０を形成する方法を挙げることができる。この場合、接続部６０を堆積する初期成長過程において、島状構造、網目状構造またはピンホールを有する構造などの不連続な構造体が形成される。例えば、島状に形成された結晶核がそれぞれ結晶粒として成長し、隣接する結晶粒が接触した部分を最狭部６０Ｐとすることができる。
蒸着法やスパッタリングあるいはＣＶＤ（chemical vapor deposotion）などの通常の堆積方法を用いる場合、同質の材料の上のほうが堆積されやすい傾向がある。つまり、第１及び第２の強磁性体層３０、４０と磁性バイアス層８０と絶縁体層５０の側面に強磁性体からなる接続部６０を堆積させた場合、絶縁体層５０の側面の上よりも第１及び第２の強磁性体層３０、４０と磁性バイアス層８０の側面において接続部６０が堆積されやすい。そして、第１及び第２の強磁性体層３０、４０と磁性バイアス層８０の上から成長した結晶粒６０Ａ、６０Ｂが絶縁体層５０の側面に進出し、絶縁体層５０の側面の上においてこれら結晶粒６０Ａ、６０Ｂが接触することにより、最狭部６０Ｐが形成される。つまり、絶縁体層５０の側面上にポイントコンタクトを形成しやすいという効果が得られる。
ここで、第２の強磁性体層４０の側と第１の強磁性体層３０の側からそれぞれ成長してきた結晶粒６０B、６０Aは、それらの主な役割がやや異なり、磁化が固着される結晶粒６０Bと、磁化が自由に変化する結晶粒６０Aと、に分かれる。したがって、磁気抵抗効果素子のノイズを抑制するためには、結晶粒６０Bの磁化が、少なくとも強磁性体層４０および磁性バイアス層８０と接触している部分において確実に固着されている必要がある。
本具体例においては、結晶粒６０Bは、磁性バイアス層８０および強磁性体層４０とそれぞれ交換結合することで安定な磁気バイアスを受けており、最狭部６０Pにのみ磁壁を形成することができるのでノイズを抑制しつつ高い磁気抵抗効果が得られる。
従来のトップダウン的な形成方法を用いた場合、結晶粒同士の接続を途中で断裂させず不連続な形状で形成することは極めて困難であり、また 最もくびれた部分と結晶粒界とを一致させるのは偶然に頼るしかない。これに対して、本具体例によれば、結晶粒同士の接続部すなわち結晶粒界を最狭部６０Ｐとすることが容易となる。多結晶体による最狭部６０Ｐの結晶粒界の接合は、急峻な絞込みと磁壁を得るために理想的であるが、例えば特許文献１などには、このような結晶粒界の接合の開示はされていない。
ここで、絶縁体層５０の材料としては、例えば、アルミナやＭｇＯなど電気的に絶縁性の各種の材料を用いることができる。
また、第１及び第２の強磁性体層３０、４０と接続部６０の材料としては、例えば、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、または、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）及びクロム（Ｃｒ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む合金、酸化物、窒化物あるいはホイスラー合金、あるいは鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）及びクロム（Ｃｒ）の少なくともいずれかの元素を含む化合物半導体または酸化物半導体であり、強磁性を有するものを挙げることができる。
例えば、第２の強磁性体層の磁化を外部磁界に感応して可変とする場合には、ＮｉＦｅ（パーマロイ）などの保磁力が相対的に低い材料を用い、電子散乱を起こす接続部６０の材料としては電子分極率が高いＦｅ系をベースにしたＦｅ、ＦｅＣｏ、ＦｅＣｏＮｉ、ホイスラー合金などの材料を用いることで、高磁界感度と高抵抗変化を得ることができる。
図３（ａ）は、本発明の実施の形態にかかるもうひとつの磁気抵抗効果素子の断面構造を表す概念図であり、図３（ｂ）はその一部拡大図である。
また、図４（ａ）は、この磁気抵抗効果素子を矢印Ａの方向から眺めた概念図であり、図４（ｂ）はその一部拡大図である。なお、図３以降の図については、既出の図に関して説明したものと同様の要素には同一の符号を付して、詳細な説明は適宜省略する。
本具体例の磁気抵抗効果素子１０も、第１の強磁性体層３０と、第２の強磁性体層４０と、これら第１及び第２の強磁性体層３０、４０の間に設けられた絶縁体層５０と、絶縁体層５０の側面に設けられ第１及び第２の強磁性体層３０、４０を電気的に接続する強磁性体から成る接続部６０と、を備える。ただし、接続部６０は、第１の強磁性体層３０の側から絶縁体層５０の側面を越えて第２の強磁性体層４０に至る島状体である。
この場合には、接続部６０のうちで破線Ｌ１で表した部分よりも下の部分６０Ｌは、第１の強磁性体層３０と交換結合し、破線Ｌ２により表した部分よりも上の部分６０Ｕは、第２の強磁性体層４０と交換結合している場合が多い。その場合には、破線Ｌ１の部分か、または破線Ｌ２の部分、または磁壁は破線Ｌ１により表される部分と破線Ｌ２により表される部分との間に形成される。つまり、磁壁は破線Ｌ１により表される部分と破線Ｌ２により表される部分との間に、ポイントコンタクトが形成される。この場合にも、接続部６０のサイズを制御することにより、高い磁気抵抗効果が得られ、第１の強磁性体層３０の磁化方向と第２の強磁性体層４０の磁化方向の相対的な関係を高い感度で検出できる。
なお、図３及び図４に表した具体例においては、接続部６０には磁性バイアス層８０と交換結合している部分はない。しかし、１Ｔｂｐｓｉクラスの磁気再生素子では、強磁性体層（磁化固着層）４０の膜厚は２〜３ナノメータ程度あるいはそれ以下であるので、強磁性体層４０の側壁に形成される接続部６０の上の部分６０Ｕは極めて微小であり、事実上、強磁性体層４０の一部とみなしてよい。したがって、強磁性体層４０の上に形成される磁性バイアス層８０と強磁性体層４０との交換結合がフラットな界面でしっかり行われていれば、本具体例のような構造でもノイズフリーに動作することができる。
また、後に詳述するように、接続部６０に電流を流すと、接続部６０に形成される磁壁の位置を変化させることができる。図３及び図４に表した具体例の場合、接続部６０の断面積は、第１の強磁性体層３０に近づくほど大きくなる。つまり、磁壁を接続部６０の内部で第１の強磁性体層３０に近づけるほど、磁壁の面積は大きくなる。磁壁の面積が大きくなると磁気抵抗は小さくなる。この性質を利用して情報を格納する磁気メモリを実現できる。つまり、電流を流して接続部６０の内部での磁壁の位置を変えることにより情報を書き込み、磁気抵抗効果によりこの磁壁の位置に応じた磁気抵抗を検出することにより情報の読み出しが可能となる。
図５は、本発明の実施の形態にかかる第３の具体例の磁気抵抗効果素子の断面構造を表す概念図である。
本具体例においては、第１の強磁性体層３０の主面上に、絶縁体層５０と第２の強磁性体層４０の積層体の側面が立設されている。そして、図１及び図２に関して前述したものと同様に、接続部６０が第１の結晶粒６０Ａと第２の結晶粒６０Ｂとを有し、これら結晶粒６０Ａ、６０Ｂが接触した結晶粒界とされている。この最狭部６０Ｐが、ポイントコンタクトとして作用する。このようにしても、図１及び図２に関して前述したもの同様の効果が得られる。
図６は、本発明の実施の形態にかかる第４の具体例の磁気抵抗効果素子の断面構造を表す概念図である。
本具体例においても、図５に関して前述したものと同様に、第１の強磁性体層３０の主面上に、絶縁体層５０と第２の強磁性体層４０の積層体の側面が立設されている。そして、図３及び図４に関して前述したものと同様に、接続部６０は第１の強磁性体層３０から絶縁体層５０を越えて第２の強磁性体層４０に至るように形成されている。このようにしても、図３及び図４に関して前述したもの同様の効果が得られる。
また、本具体例の場合、接続部６０を形成する際に、第１の強磁性体層３０の主面上から接続部６０が成長を開始し、絶縁体層５０の側面を覆って第２の強磁性体層４０にまで至るように成長させることが容易となる。この場合、接続部６０に形成される磁壁の面積は、第１の強磁性体層３０に近い側において大きく、第２の強磁性体層４０に近い側においては小さくなる。つまり、接続部６０に流す電流の方向に応じて、磁気抵抗が大きくなるか小さくなるかの方向を予め決めることが容易となり、磁気メモリの素子構造を形成しやすいという効果も得られる。
図７は、本発明の実施の形態にかかる第５の具体例の磁気抵抗効果素子の断面構造を表す概念図である。
本具体例においては、第１の強磁性体層３０の主面上に段差が形成され、絶縁体層５０と第２の強磁性体層４０の側面は、この段差に略連続して立設されている。そして、図１及び図２に関して前述したものと同様に、接続部６０が第１の結晶粒６０Ａと第２の結晶粒６０Ｂとを有し、これら結晶粒６０Ａ、６０Ｂが接触した結晶粒界とされている。この最狭部６０Ｐが、ポイントコンタクトとして作用する。このようにしても、図１及び図２に関して前述したもの同様の効果が得られる。
図８は、本発明の実施の形態にかかる第６の具体例の磁気抵抗効果素子の断面構造を表す概念図である。
本具体例においても、図７に関して前述したものと同様に、第１の強磁性体層３０の主面上に段差が形成され、絶縁体層５０と第２の強磁性体層４０の積層体の側面は、この段差の上に設けられている。そして、図３及び図４に関して前述したものと同様に、接続部６０は第１の強磁性体層３０から絶縁体層５０を越えて第２の強磁性体層４０に至るように形成されている。このようにしても、図３及び図４に関して前述したもの同様の効果が得られる。
本具体例においても、接続部６０を形成する際に、第１の強磁性体層３０の主面上から接続部６０が成長を開始し、絶縁体層５０の側面を覆って第２の強磁性体層４０にまで至るように成長させることが容易となる。この場合、接続部６０に形成される磁壁の面積は、第１の強磁性体層３０に近い側において大きく、第２の強磁性体層４０に近い側においては小さくなる。つまり、接続部６０に流す電流の方向に応じて、磁気抵抗が大きくなるか小さくなるかの方向を予め決めることが容易となり、磁気メモリの素子構造を形成しやすいという効果が得られる。
また、図８（ａ）に表したように強磁性体層３０に段差が設けられ、その上に強磁性体層４０と絶縁体層５０の側面が立設されていると、図６（ａ）に表したように強磁性体層３０が平坦な場合と比べて、以下に説明する効果がある。
まず第１に、接続部６０が多面的に磁性体３０と接触し交換結合することで、強磁性体層（磁化自由層）３０の磁化の情報をより確実に受け取ることができる。すなわち、接続部６０は小さくて反磁界も大きいので、強磁性体層３０との確実な交換結合は重要である。
第２に、接続部６０を構成する元素の各層との濡れやすさの違いから、液滴的な断面形状もそれぞれの界面で異なってくる。接続部６０と同質の材料からなる強磁性体層４０、３０の上では比較的良く濡れるので、液滴は接触角が小さい（低くつぶれた）形状となるが、絶縁体層５０の上では濡れにくいので接触角が大きく（高くはじいたような）形状となりやすい。これらの界面ごとに接続部６０の形状の変化が発生することは、さらに磁壁を閉じ込めやすくなることを意味する。すなわち、図８（ｂ）において強磁性体層４０と絶縁体層５０との境目であるＬ２の部分と、強磁性体層３０と絶縁体層５０との境目であるＬ１の部分（図４（ａ）参照）では、接続部６０の形状が不連続に変化し、このように形状が変化した部分が磁壁を捕らえる作用を有するので、より確実な電磁変換につながる。
以下、本実施形態の実施の形態について、実施例を参照しつつさらに詳細に説明する。 図９は、本発明の磁気抵抗効果素子の第１の実施例を表す模式断面図である。
絶縁体層５０をはさんで第１の強磁性体層３０と第２の強磁性体層４０が積層され、第２の強磁性体層４０と絶縁体層５０にトレンチが形成されている。そして、トレンチの側壁に接続部６０が形成され、最狭部６０Ｐが設けられている。
この磁気抵抗効果素子は、磁気ヘッドの読み取り部として用いることができる。すなわち、図９の紙面を媒体対向面（air bearing surface：ＡＢＳ）に対して平行な面とし、第１の強磁性体層３０を外部磁界に対して磁化Ｍの方向が変化する磁化自由層（フリー層）とする。一方、第２の強磁性体層４０の磁化Ｍを固着して、外部磁界に反応しない磁化固着層（ピン層）とする。
具体的には、例えば、第１の強磁性体層３０として厚み５ｎｍのＮｉＦｅ膜（トラック幅ＴＷは３０ｎｍと、ハイトＨが２５ｎｍ角）、絶縁体層５０として厚み５ｎｍのアルミナ膜、第２の強磁性体層４０として厚み３ｎｍのＮｉＦｅ膜を用いることができる。
なお、第２の強磁性体層４０の磁化を固着するために、図示しない反強磁性体層を積層するとよい。この場合、反強磁性体層としては、例えば厚みが１３ｎｍ程度のＰｔＭｎ膜やＩｒＭｎ膜などの各種の反強磁性体からなる膜を用いることができる。また、反強磁性体の代わりに、ＣｏＰｔやＣｏＰｔＣｒなどの５００Ｏｅ（エルステッド）以上の高い保磁力を有する硬磁性体からなる硬磁性体層を設けて第２の強磁性体層４０の磁化を固着してもよい。
また、トレンチは第１の強磁性体層３０のほぼ中央付近に設け、その開口幅ＴＲは１０ｎｍ程度とすることができる。後に詳述するように、トレンチの開口形状は、円形でもよくストライブ状でもよい。
また、接続部６０は、例えば、ＮｉＦｅを平均膜厚換算で１ｎｍ程度となるように堆積することにより形成できる。その上から、絶縁体層７０としてアルミナを厚み５ｎｍ程度堆積し、さらにその上には、厚み３ｎｍ程度のＴａ層を介して厚み１．５μｍ程度のＮｉＦｅからなる上シールド（上部電極）１２０が形成されている。一方、第１の強磁性体層３０の下には、厚み３ｎｍ程度のＣｕなどの非磁性材料からなる下ギャップ膜１３０を介して厚み１．５μｍ程度のＮｉＦｅからなる下シールド（下部電極）１１０が形成されている。
強磁性体層３０（フリー層）に接する下ギャップ膜１３０の材料としては、強磁性体層３０よりも電気伝導率が高い材料を用いることが望ましい。そのような材料を用いることにより、強磁性体層３０と強磁性体層４０との接点（接続部６０）を介して流れ込んできた電流が狭い領域に限定されたまま電極１１０に流れ出すからである。このように電流を集中させることは、最も磁界に敏感な領域（強磁性体層３０と４０のコンタクト部分）の近傍に電流を限定し、高効率な電磁変換を行うことができるからである。下ギャップ膜１３０の材料として電気伝導率の低い非磁性金属を用いると、信号磁界に対して不感応な領域にまで電流が広がり、電磁変換効率が低下する。ここで、信号磁界に対して不感応な領域とは、強磁性体層（フリー層）３０のトラック幅ＴＷの方向にみた両端の部分であり、例えば、図１５（ｃ）に表したバイアス層１６０によって強く磁気バイアスを受けて透磁率が低下している部分である、
本実施例の磁気抵抗効果素子においては、接続部６０にポイントコンタクトとなる最狭部６０Ｐが形成され、大きな磁気抵抗効果が得られる。そして、第１の強磁性体層３０の磁化Ｍが磁気記録媒体からの信号磁界により変化し、この変化を高い感度で検出することができる。
この構造のプロセス的なメリットは、特許文献１に記載されているような、ナノサイズの加工が必要ないということである。つまり、ナノメータのサイズの穴を絶縁膜に開け、そこへ磁性膜を埋め込むようなプロセスが不要となる。本実施形態によれば、比較的大きなパターン（段差、メサまたはトレンチ）を形成すればよいので、プロセスの難度を低く抑え（歩留まり向上）、強磁性体層３０との接触周囲長で素子抵抗値を制御できる。すなわち、周囲長を長くすることで素子抵抗値を下げ、短くすることで素子抵抗値を上げることができる。
図１０は、本発明の磁気抵抗効果素子の第２の実施例を表す模式断面図である。
磁気抵抗効果素子は、上述したトレンチを有する構造だけでなく、メサを有する構造とすることもできる。すなわち、第１の強磁性体層３０の主面上に、第２の強磁性体層４０と絶縁体層５０からなるメサが形成されている。そして、メサの側壁に接続部６０が形成され、最狭部６０Ｐが設けられている。
本実施例においても、接続部６０にポイントコンタクトとなる最狭部６０Ｐが形成され、大きな磁気抵抗効果が得られる。そして、第１の強磁性体層３０の磁化Ｍが磁気記録媒体からの信号磁界により変化し、この変化を高い感度で検出することができる。
なお、図９及び図１０に表した実施例において、図３、図４、図６及び図８に関して前述したように、接続部６０としてひとつの島状体により第１の強磁性体層３０と第２の強磁性体層４０とを接続してもよい。
図１１〜図１３は、図９及び図１０に表した磁気抵抗効果素子のトレンチまたはメサの平面形状を説明するための模式図である。すなわち、図１１（ａ）、図１２（ａ）、図１３（ａ）は、トレンチまたはメサの平面形状を表す模式図であり、図１１（ｂ）、図１２（ｂ）、図１３（ｂ）は、それぞれ図９に例示したトレンチを形成した場合のＡ−Ａ線断面図であり、図１１（ｃ）、図１２（ｃ）、図１３（ｃ）は、それぞれ図１０に例示したメサを形成した場合のＡ−Ａ線断面図である。なお、これらの図においては、接続部６０は、便宜上省略した。
図１１に表した具体例の場合、トレンチまたはメサは、媒体対向面１０Ａに対して垂直な方向に延在している。一方、図１２に表した具体例の場合、トレンチまたはメサは、略円形に形成されている。また、図１３に表した具体例の場合、トレンチまたはメサは、媒体対向面１０Ａに対して平行な方向に延在している。
これらいずれの場合も、媒体対向面１０Ａに対して平行なトラック幅ＴＷは例えば３０ｎｍであり、ハイトＨは例えば２５ｎｍ程度とすることができる。また、第１の強磁性体層（フリー層）３０の磁化Ｍは、信号磁界がない状態ではトラック幅（ＴＷ）方向を向いている。一方、第２の強磁性体層４０の磁化Ｍは、ハイトＨ方向に固着されている。
第２の強磁性体層４０の側面においては、反磁界により、磁化Ｍが側面に対して平行な方向に向けられる傾向がある。図１３に表した具体例の場合、トレンチまたはメサの側面に対して、第２の強磁性体層４０の磁化Ｍは垂直な方向に固着されているので、トレンチまたはメサの側面において磁化Ｍの方向が変化する傾向が強い。トレンチまたはメサの側面は、接続部６０が形成され、磁気抵抗効果を検知する部分であるので、第２の強磁性体層４０の磁化Ｍの方向がずれてしまうと、第１の強磁性体層３０の磁化Ｍの方向すなわち媒体からの信号磁界の情報を正確に検知しにくくなる。
これに対して、図１１に表した具体例の場合、トレンチまたはメサの側面に対して、第２の強磁性体層４０の磁化Ｍは平行な方向に固着されているので、トレンチまたはメサの側面において磁化Ｍの方向は変化にくい。つまり、接続部６０が形成され、磁気抵抗効果を検知する部分において、第２の強磁性体層４０の磁化Ｍの方向がずれることはない。その結果として、第１の強磁性体層３０の磁化Ｍの方向すなわち媒体からの信号磁界の情報を正確に検知することができ、大きな出力を得られやすい。
また、図１２に表した具体例は、図１１に表したものと図１３に表したものの中間的な構造であり、円形のトレンチまたはメサの側面のうちで、媒体対向面１０Ａに対して平行に近い部分では第１の強磁性体層３０の磁化Ｍの方向をやや正確に検知することができない傾向があるが、媒体対向面１０Ａに対して垂直に近い部分では第１の強磁性体層３０の磁化Ｍの方向を正確に検知することができる。
以上まとめると、トレンチまたはメサの側面、すなわち接続部６０が形成される側面は、磁化固着層の磁化の方向に対して垂直よりは平行に近いことが望ましい。
図１４及び図１５は、図１０に表した実施例の磁気抵抗効果素子の製造方法を例示する工程断面図である。
まず、下部電極となる下シールド１１０として、厚み１．５μｍ程度のＮｉＦｅ膜を、図示しない基板の上に形成する。その表面を研磨して平坦化した後、図１４（ａ）に表したように、厚み３ｎｍ程度のＴａからなる下ギャップ膜１３０、厚み５ｎｍ程度のＮｉＦｅからなる第１の強磁性体層３０、厚み５ｎｍ程度のアルミナからなる絶縁体層５０、厚み３ｎｍ程度のＮｉＦｅからなる第２の強磁性体層４０、厚み１３ｎｍ程度のＰｔＭｎなどの反強磁性体からなる磁性バイアス層８０、厚み３ｎｍ程度のＴａからなるキャップ層（図示せず）を順次形成する。
次に、図１４（ｂ）に表したように、トラック幅となる部分の中央付近に、幅１０ｎｍにてＥＢ（electron beam）描画によりレジストマスク３００をライン状に形成し、イオンミリングにて第１の強磁性体層３０の表面までエッチングを行う。なお、ＳｉＯ２などのハードマスクに転写して塩素系もしくは一酸化炭素＋アンモニア系のガスでＲＩＥ（reactive ion etching ）を行い、アルミナの絶縁体層５０でエッチングを止めて、その後イオンミリングすると、第１の強磁性体層３０の表面のエンドポイントが得やすい。
次に、図１４（ｃ）に表したように、接続部６０として、イオンビームスパッタリング法によりＮｉＦｅを平坦面の平均膜厚として２ｎｍ程度形成する。さらに、この表面をイオンビームにて約１ｎｍ分程度エッチングし、平均膜厚厚が約１ｎｍ相当の接続部６０を形成する。このようにして、絶縁体層５０の側面において、島状などの不連続な接続部６０を形成できる。イオンビームスパッタリング成膜の前にイオンビームを試料表面に照射することで、微小な欠陥を表面に導入することができ、その結果、微細な接続部６０を形成することができ、微小な最狭部（ポイントコンタクト）６０Pを形成することができる。
またここで、接続部６０の形成に際して、成膜とエッチングとを複数回繰り返すと、最終的に換算膜厚１ｎｍとした場合でも、接合界面への酸素混入や欠陥の導入などの効果により磁気抵抗効果が向上することもあった。なお、接続部６０の堆積に際しては、イオンビームスパッタでなく、通常のスパッタ法や真空蒸着法を用いてもよい。
次に、図１５（ａ）に表したように、上部電極と第１の強磁性体層３０とのショートを防ぐために、絶縁体層７０として厚み２０ｎｍ程度のアルミナを堆積する。
次に、図１５（ｂ）に表したように、有機溶剤によりマスク３００のリフトオフを行い、さらに必要に応じて絶縁体層７０の表面を平坦化する。
次に、図１５（ｃ）に表したように、第１の強磁性体層３０のトラック幅ＴＷを幅３０ｎｍ程度に規定する。そして、その両脇にアルミナからなる絶縁体層１５０、１７０で囲われたバイアス層１６０膜を形成する。バイアス層１６０としては、厚みが３０ｎｍ程度のＣｏＰｔなどを用いることができる。さらに、その上に上ギャップ膜１４０として、厚みが３ｎｍ程度のＴａと、上部電極（上シールド）１２０として厚み１．５μｍ程度のＮｉＦｅを堆積する。
以上説明した工程により、シールド型磁気再生素子の要部が完成する。なお、図９に表したようなトレンチ構造で形成する場合には、図１４（ｂ）に表したメサを形成する工程において、メサの代わりに第１の強磁性体層３０に至るトレンチ構造を形成すれば、後は同様の工程で形成できる。
また、強磁性体層４０を、磁性膜／金属非磁性膜／磁性膜のような積層膜（いわゆる積層フェリ構造）にすることで、媒体対向面（ＡＢＳ）のエッジに発生する磁化を抑制することができる。
図１６は、強磁性体層４０に積層構造を用いた磁気抵抗効果素子を表す模式断面図である。この構造においては、強磁性体層４０は、ＣｏＦｅなどからなる磁性膜４２と、Ｒｕ（ルテニウム）などからなる非磁性膜４４と、ＣｏＦｅなどからなる磁性膜４６と、の積層構造を有する。この構造を用いれば、媒体対向面のエッジに発生する磁化を抑制できるので、強磁性体層（フリー層）３０の中央の最も磁界感度の良好な部分に選択的にコンタクトを形成することができる。また、この構造の場合、絶縁体層５０から磁性バイアス層８０に至る積層構造のパターニングを大きなサイズで行うことができるため（図１４（ｂ）のプロセスに相当する）、素子サイズが例えば２０nm程度にまで小さくなった場合にも形成しやすく、プロセス歩留まり的に有効な構造である。
図１７は、本発明の磁気抵抗効果素子の第３の実施例を表す模式断面図である。
また、図１８は、本実施例の磁気抵抗効果素子の模式斜視図である。
本実施例の磁気抵抗効果素子は、磁気メモリーに用いて好適な具体例である。すなわち、第１及び第２の強磁性体層３０、４０は、磁化Ｍの方向が互いに逆方向に固着されている。接続部６０は、図６に関して前述したものと同様に、ひとつの島状体により第１の強磁性体層３０と第２の強磁性体層４０とを接続している。図６に関して前述したように、接続部６０の形成に際しては、第１の強磁性体層３０と絶縁体層５０と界面のステップ部に初期成長核が生成されやすく、また、第１の強磁性体層３０の主面から絶縁体層５０の側面に沿って成長する傾向が強い。つまり、接続部６０は、第１の強磁性体層３０の主面から成長し、島状に形成された接続部６０は平均的に見れば、図１８に表したように、電流が流れる方向に対して垂直な断面は、第２の強磁性体層４０に近づくほど小さくなる。例えば、接続部６０と第１の強磁性体層３０との接続部の面積ＰＣ２は大きく、接続部６０と第２の強磁性体層４０との接続部の面積ＰＣ１は小さい。
一方、第１の強磁性体層３０の磁化Ｍと第２の強磁性体層４０の磁化Ｍの方向が異なるので、接続部６０には磁壁が形成される。そして、下部電極１１０と上部電極１２０との間に電流を流した時の抵抗は、第２の強磁性体層４０の側に磁壁が導入されると高抵抗となり、逆に第１の強磁性体層３０の側に磁壁が導入されると低抵抗となる。ここで、接続部６０に形成される磁壁は、臨界電流密度（およそ１×１０１１Ａ／ｍ２）以上の電流を流すと、電流とは反対の方向に移動する。従って、上部電極１２０から下部電極１１０への通電により、電子に押された磁壁は第２の強磁性体層４０の側へ移動し、高抵抗となる。一方、下部電極１１０から上部電極１２０への通電により、電子に押された磁壁は第１の強磁性体層３０の側へ移動し、低抵抗となる。
このような抵抗値の変化をも情報「１」と「０」に割り当てることにより、情報を書き込むメモリとして用いることができる。
一方、再生すなわち読み出しの際には、臨界電流密度以下の電流値をもって通電することで、磁壁を移動させることなく抵抗値を検出できる。
このように、上下方向に積層した強磁性体層３０、４０の間を接続部６０により接続する場合は、接続部６０の成長方向に制御しやすいので、書き込み電流の方向による抵抗の変化を規定しやすいというメリットがある。
図１９は、本実施例において、磁壁がトラップされる場所を説明するための模式斜視図である。
図１９（ａ）は接続部６０に「くびれ」がない場合を表す。すなわち、図３、図４及び図６に関して前述したものと同様に、接続部６０のうちで、破線Ｌ２よりも上の部分６０Ｕは、第２の強磁性体層４０と交換結合している場合が多い。従って、磁壁は、破線Ｌ１の部分、破線Ｌ２の部分、またはＬ１とＬ２との間の部分に形成されることが多い。図１９（ａ）に表した具体例の場合には、破線Ｌ１からＬ２にかけて、接続部６０の断面積は連続的に変化する。
これに対して、図１９（ｂ）に表した具体例の場合には、破線Ｌ１と破線Ｌ２との間に、「くびれ」による断面積が小さい部分Ｌ３がある。
図２０は、これら具体例に対応する断面積とコンダクタンスの変化を表したグラフ図である。
図２０に表した曲線Ａは図１９（ａ）に対応し、磁壁の位置が破線Ｌ１からＬ２に移動するにつれて、接続部６０の断面積とコンダクタンスは連続的に変化する。これに対して、曲線Ｂは図１９（ｂ）に対応し、磁壁の位置が破線Ｌ１からＬ２に移動する間に、破線Ｌ３の位置で接続部６０の断面積とコンダクタンスに極小が表れる。なおここで、磁気抵抗効果素子の抵抗は、接続部６０に形成される磁壁の面積に反比例する。
このように、接続部６０の形状よって、コンダクタンス（抵抗）の挙動にばらつきはあるものの、破線Ｌ１とＬ２の位置におけるコンダクタンス（抵抗）の大小関係は、維持することが可能である。つまり、磁壁を接続部６０の両端（破線Ｌ１とＬ２の位置）に移動させれば、全体としては、高抵抗状態と低抵抗状態との間を安定的に遷移させることが可能である。
つまり、第１の強磁性体層３０から第２の強磁性体層４０に向けて接続部６０を成長させることにより、書き込み電流の方向と、抵抗の変化と、の関係を規定でき、所定の動作をする磁気メモリを安定的に形成できる。
図２１及び図２２は、本実施例の磁気抵抗効果素子の製造方法を表す工程断面図である。 まず、下部電極１１０として、厚み０．５μｍ程度のＣｕ膜と厚み５ｎｍ程度のＴａ膜を、図示しない基板の上に順次形成する。その表面を研磨して平坦化した後、図２１（ａ）に表したように、厚み３ｎｍ程度のＴａからなる下地層（図示せず）、厚み２０ｎｍ程度のＰｔＭｎなどの反強磁性体からなる磁性バイアス層９０、厚み５ｎｍ程度のＮｉＦｅからなる第１の強磁性体層３０、厚み１０ｎｍ程度のアルミナからなる絶縁体層５０、厚み３ｎｍ程度のＮｉＦｅからなる第２の強磁性体層４０、厚み１３ｎｍ程度のＩｒＭｎなどの反強磁性体からなる磁性バイアス層８０、厚み３ｎｍ程度のＴａからなるキャップ層（図示せず）を順次形成する。なお、磁性バイアス層８０、９０をネール温度の異なる反強磁性体により形成することにより、磁場中アニールにより互いに反対方向の磁化を付与することが容易となる。
次に、図２１（ｂ）に表したように、メモリセルとなる部分の中央付近に、ＥＢ（electron beam）描画によりレジストマスク３００をライン状に形成し、イオンミリングにて第１の強磁性体層３０の表面までエッチングを行う。ここでも、ＳｉＯ２などのハードマスクに転写して塩素系もしくは一酸化炭素＋アンモニア系のガスでＲＩＥ（reactive ion etching ）を行い、アルミナの絶縁体層５０でエッチングを止めて、その後イオンミリングすると、第１の強磁性体層３０の表面のエンドポイントが得やすい。
次に、図２１（ｃ）に表したように、接続部６０として、イオンビームスパッタリング法によりＮｉＦｅを平坦面の平均膜厚として２ｎｍ程度形成する。さらに、この表面をイオンビームにて約１ｎｍ分程度エッチングし、平均膜厚が約１ｎｍ相当の接続部６０を形成する。このようにして、絶縁体層５０の側面において、島状などの不連続な接続部６０を形成できる。
またここで、接続部６０の形成に際して、成膜とエッチングとを複数回繰り返すと、最終的に換算膜厚１ｎｍとした場合でも、接合界面への酸素混入や欠陥の導入などの効果により磁気抵抗効果が向上することもあった。また、接続部６０の堆積に際しては、イオンビームスパッタでなく、通常のスパッタ法や真空蒸着法を用いてもよい。
次に、図２２（ａ）に表したように、上部電極と第１の強磁性体層３０とのショートを防ぐために、絶縁体層７０として厚み２０ｎｍ程度のアルミナを堆積する。
次に、図２２（ｂ）に表したように、有機溶剤によりマスク３００のリフトオフを行い、さらに必要に応じて絶縁体層７０の表面を平坦化する。
次に、図２２（ｃ）に表したように、メモリセルのサイズを例えば１００ｎｍ角程度に規定し、その上に、上部電極１２０として厚み３ｎｍ程度のＴａと厚み０．５μｍ程度の金（Ａｕ）を堆積する。
以上説明した工程により、磁気メモリとしての磁気再生素子の要部が完成する。なお、本具体例においても、図９に表したようなトレンチ構造で形成する場合には、図２１（ｂ）に表したメサを形成する工程において、メサの代わりに第１の強磁性体層３０に至るトレンチ構造を形成すれば、後は同様の工程で形成できる。
図２３は、本発明の磁気抵抗効果素子の第４の実施例を表す模式断面図である。
本実施例においては、第１の強磁性体層３０、絶縁体層５０、第２の強磁性体層４０からなる積層体の側面が逆テーパ状に形成されている。すなわち、積層体の側面は、第１の強磁性体層３０から第２の強磁性体層４０に向けて、外側にはり出すように傾斜している。そして、この側面に接続部６０が形成されている。このように、逆テーパ状の側面を形成し、そこに接続部６０を形成してもよい。
図２４は、本発明の磁気抵抗効果素子の第５の実施例を表す模式断面図である。
本実施例においては、第１の強磁性体層３０と第２の強磁性体層４０の側面に対して、絶縁体層５０の側面が相対的に後退している。そして、この側面に接続部６０が形成されている。このように、絶縁体層５０の側面を後退させ、そこに接続部６０を形成してもよい。本実施例においては、後退した段差部分において、磁壁がさらに捉えられやすくなり、磁気抵抗効果の向上につながる。
図２５は、本発明の磁気抵抗効果素子の第６の実施例を表す模式断面図である。
本実施例においては、第１の強磁性体層３０と第２の強磁性体層４０の側面に対して、絶縁体層５０の側面が相対的に突出している。そして、この側面に接続部６０が形成されている。このように、絶縁体層５０の側面を突出させ、そこに接続部６０を形成してもよい。本実施例においては、突出した段差部分において、磁壁がさらに捉えられやすくなり、磁気抵抗効果の向上につながる。
次に、本発明の第７の実施例として、本発明の磁気抵抗効果素子１０を搭載した磁気再生装置について説明する。すなわち、図１〜図２５に関して説明した本発明の磁気抵抗効果素子１０は、例えば、記録再生一体型の磁気ヘッドアセンブリに組み込まれ、磁気記録再生装置に搭載することができる。
図２６は、このような磁気記録再生装置の概略構成を例示する要部斜視図である。すなわち、本発明の磁気記録再生装置１５０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。同図において、記録用媒体ディスク１８０は、スピンドル１５２に装着され、図示しない駆動装置制御部からの制御信号に応答する図示しないモータにより矢印Ａの方向に回転する。本発明の磁気記録再生装置１５０は、複数の媒体ディスク１８０を備えたものとしてもよい。
媒体ディスク１８０に格納する情報の記録再生を行うヘッドスライダ１５３は、薄膜状のサスペンション１５４の先端に取り付けられている。ここで、ヘッドスライダ１５３は、例えば、前述したいずれかの実施の形態にかかる磁気抵抗効果素子１０をその先端付近に搭載している。
媒体ディスク１８０が回転すると、ヘッドスライダ１５３の媒体対向面（ＡＢＳ）は媒体ディスク１８０の表面から所定の浮上量をもって保持される。あるいはスライダが媒体ディスク１８０と接触するいわゆる「接触走行型」であってもよい。
サスペンション１５４は、図示しない駆動コイルを保持するボビン部などを有するアクチュエータアーム１５５の一端に接続されている。アクチュエータアーム１５５の他端には、リニアモータの一種であるボイスコイルモータ１５６が設けられている。ボイスコイルモータ１５６は、アクチュエータアーム１５５のボビン部に巻き上げられた図示しない駆動コイルと、このコイルを挟み込むように対向して配置された永久磁石および対向ヨークからなる磁気回路とから構成される。
アクチュエータアーム１５５は、スピンドル１５７の上下２箇所に設けられた図示しないボールベアリングによって保持され、ボイスコイルモータ１５６により回転摺動が自在にできるようになっている。
図２７は、アクチュエータアーム１５５から先の磁気ヘッドアセンブリをディスク側から眺めた拡大斜視図である。すなわち、磁気ヘッドアッセンブリ１６０は、例えば駆動コイルを保持するボビン部などを有するアクチュエータアーム１５５を有し、アクチュエータアーム１５５の一端にはサスペンション１５４が接続されている。
サスペンション１５４の先端には、図１〜図２５に関して前述したいずれかの磁気抵抗効果素子１０を具備するヘッドスライダ１５３が取り付けられている。サスペンション１５４は信号の書き込みおよび読み取り用のリード線１６４を有し、このリード線１６４とヘッドスライダ１５３に組み込まれた磁気ヘッドの各電極とが電気的に接続されている。図中１６５は磁気ヘッドアッセンブリ１６０の電極パッドである。
本発明によれば、図１〜図２５に関して前述したような本発明の磁気抵抗効果素子１０を具備することにより、従来よりも高い記録密度で媒体ディスク１８０に磁気的に記録された情報を確実に読みとることが可能となる。
（第６の実施例）
次に、本発明の第６の実施例として、本発明の磁気抵抗効果素子１０を搭載した磁気メモリについて説明する。すなわち、図１〜図２５に関して説明した本発明の磁気抵抗効果素子１０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）などの磁気メモリを実現できる。
図２８は、本実施例の磁気メモリのマトリクス構成を例示する概念図である。
すなわち、同図は、メモリセルをアレイ状に配置した場合の実施形態の回路構成を示す。アレイ中の１ビットを選択するために、列デコーダ３５０、行デコーダ３５１が備えられており、ビット線３３４とワード線３３２によりスイッチングトランジスタ３３０がオンになり一意に選択され、センスアンプ３５２で検出することにより磁気抵抗効果素子１０を構成する磁気記録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、特定の書込みワード線３２３とビット線３２２に書き込み電流を流して行われる。
図２９は、本実施例の磁気メモリのマトリクス構成のもうひとつの具体例を表す概念図である。すなわち、本具体例の場合、マトリクス状に配線されたビット線３２２とワード線３３４とが、それぞれデコーダ３６０、３６１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３２２と書き込みワード線３２３とにそれぞれに書き込み電流を流してより行われる。
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、上述した各具体例に限定されるものではない。例えば、図１〜図２９に関して前述した各具体例のいずれか２つあるいはそれ以上を技術的に可能な範囲で組み合わせたのも、本発明の範囲に包含される。
すなわち、本発明は各具体例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することが可能であり、これらすべては本発明の範囲に包含される。
本発明の実施の形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面構造を表す概念図である。 磁気抵抗効果素子を矢印Ａの方向から眺めた概念図である。 （ａ）は、本発明の実施の形態にかかるもうひとつの磁気抵抗効果素子の断面構造を表す概念図であり、（ｂ）はその一部拡大図である。 （ａ）は、磁気抵抗効果素子を矢印Ａの方向から眺めた概念図であり、（ｂ）はその一部拡大図である。 本発明の実施の形態にかかる第３の具体例の磁気抵抗効果素子の断面構造を表す概念図である。 本発明の実施の形態にかかる第４の具体例の磁気抵抗効果素子の断面構造を表す概念図である。 本発明の実施の形態にかかる第５の具体例の磁気抵抗効果素子の断面構造を表す概念図である。 本発明の実施の形態にかかる第６の具体例の磁気抵抗効果素子の断面構造を表す概念図である。 本発明の磁気抵抗効果素子の第１の実施例を表す模式断面図である。 本発明の磁気抵抗効果素子の第２の実施例を表す模式断面図である。 図９及び図１０に表した磁気抵抗効果素子のトレンチまたはメサの平面形状を説明するための模式図である。 図９及び図１０に表した磁気抵抗効果素子のトレンチまたはメサの平面形状を説明するための模式図である。 図９及び図１０に表した磁気抵抗効果素子のトレンチまたはメサの平面形状を説明するための模式図である。 図１０に表した実施例の磁気抵抗効果素子の製造方法を例示する工程断面図である。 図１０に表した実施例の磁気抵抗効果素子の製造方法を例示する工程断面図である。 本発明の磁気抵抗効果素子の他の実施例を表す模式断面図である。 本発明の磁気抵抗効果素子の第３の実施例を表す模式断面図である。 本発明の実施例の磁気抵抗効果素子の模式斜視図である。 本発明の実施例において、磁壁がトラップされる場所を説明するための模式斜視図である。 本発明の具体例に対応する断面積とコンダクタンスの変化を表したグラフ図である。 本発明の実施例の磁気抵抗効果素子の製造方法を表す工程断面図である。 本発明の実施例の磁気抵抗効果素子の製造方法を表す工程断面図である。 本発明の磁気抵抗効果素子の第４の実施例を表す模式断面図である。 本発明の磁気抵抗効果素子の第５の実施例を表す模式断面図である。 本発明の磁気抵抗効果素子の第６の実施例を表す模式断面図である。 磁気記録再生装置の概略構成を例示する要部斜視図である。 アクチュエータアーム１５５から先の磁気ヘッドアセンブリをディスク側から眺めた拡大斜視図である。 本実施例の磁気メモリのマトリクス構成を例示する概念図である。 本実施例の磁気メモリのマトリクス構成のもうひとつの具体例を表す概念図である。 比較例の再生磁気ヘッドの製造方法を表す模式図である。 比較例の再生磁気ヘッドの製造方法を表す模式図である。
符号の説明
１０ 磁気抵抗効果素子、 １０Ａ 媒体対向面、 ３０ 第１の強磁性体層、 ４０ 第２の強磁性体層、 ５０ 絶縁体層、 ６０ 接続部、 ６０Ａ、６０Ｂ 島状体（結晶粒）、 ６０Ｐ 最狭部、 ７０ 絶縁体層、 ８０ 磁性バイアス層、 ９０ 磁性バイアス層、１１０ 下シールド（下部電極）、１２０ 上部電極、１３０ 下ギャップ膜、１４０ 上ギャップ膜、１５０ 磁気記録再生装置、１５０ 絶縁体層、１５２ スピンドル、１５３ ヘッドスライダ、１５４ サスペンション、１５５ アクチュエータアーム、１５６ ボイスコイルモータ、１５７ スピンドル、１６０ バイアス層、１６０ 磁気ヘッドアッセンブリ、１６４ リード線、１８０ 媒体ディスク、１８０ 記録用媒体ディスク、３００ マスク、３２２ ビット線、３２３ ワード線、３３０ スイッチングトランジスタ、３３２ ワード線、３３４ ビット線、３３４ ワード線、３５０ 列デコーダ、３５１ 行デコーダ、３５２ センスアンプ、３６０ デコーダ

Claims (16)

  1. 絶縁体層と、
    前記絶縁体層を挟んで積層された第１及び第２の強磁性体層と、
    前記第２の強磁性体層と積層された磁性バイアス層と、
    前記絶縁体層の側面に不連続に形成され、前記第２の強磁性体層と前記磁性バイアス層との界面に介在せず、強磁性体からなり、前記第１の強磁性体層と前記第２の強磁性体層とを電気的に接続する接続部と、
    を備え、
    前記接続部は、非磁性元素を含有してなることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
  2. 絶縁体層と、
    前記絶縁体層を挟んで積層された第１及び第２の強磁性体層と、
    前記第２の強磁性体層と積層された磁性バイアス層と、
    前記絶縁体層の側面と前記第２の強磁性体層の側面と前記磁性バイアス層の側面に不連続に形成され、強磁性体からなり、前記第１の強磁性体層と前記第２の強磁性体層とを電気的に接続する接続部と、
    を備え、
    前記接続部は、非磁性元素を含有してなることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
  3. 前記第１及び第２の強磁性体層と前記磁性バイアス層は、前記絶縁体層の前記側面と略連続する側面をそれぞれ有し、
    前記接続部は、前記第１の強磁性体層の前記側面と、前記第２の強磁性体層の前記側面と、を接続してなることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
  4. 前記第２の強磁性体層は、前記絶縁体層の前記側面と略連続する側面を有し、
    前記絶縁体層の前記側面と前記第２の強磁性体層の前記側面は、前記第１の強磁性体層の主面の上に立設され、
    前記接続部は、前記第１の強磁性体層の前記主面と、前記第２の強磁性体層の前記側面と、を接続してなることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
  5. 前記第１の強磁性体層は、その主面上に段差を有し、
    前記第２の強磁性体層は、前記絶縁体層の前記側面と略連続する側面を有し、
    前記絶縁体層の前記側面と前記第２の強磁性体層の前記側面は、前記第１の強磁性体層の前記段差と略連続して立設され、
    前記接続部は、前記第１の強磁性体層の前記主面と、前記第２の強磁性体層の前記側面と、を接続してなることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
  6. 前記接続部は、第１の島状体と、前記絶縁層の前記側面において前記第１の島状体と接触した第２の島状体と、を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の磁気抵抗効果素子。
  7. 前記接続部は、前記絶縁層の前記側面の上から前記第１の強磁性体層と前記第２の強磁性体層とにそれぞれ延在した島状体を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の磁気抵抗効果素子。
  8. 前記非磁性元素は、酸素（Ｏ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）及び銅（Ｃｕ）よりなる群から選択された少なくともいずれかであることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の磁気抵抗効果素子。
  9. 前記第１及び第２の強磁性体層のいずれか一方の磁化は、固着され、
    前記第１及び第２の強磁性体層のいずれか他方の磁化は、外部磁界により可変とされたことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の磁気抵抗効果素子。
  10. 絶縁体層を挟んで積層された第１及び第２の強磁性体層と前記第２の強磁性体層と積層された磁性バイアス層とを形成する工程と、
    前記絶縁体層の側面に強磁性体を不連続に形成して前記第１の強磁性体層と前記第２の強磁性体層とを電気的に接続し且つ非磁性元素を含有してなる接続部を形成する工程と、
    を備えたことを特徴とする磁気抵抗効果素子の製造方法。
  11. 前記積層する工程と、前記接続部を形成する工程と、の間に、前記第２の強磁性体層と前記絶縁体層とを選択的に除去して前記側面を形成する工程をさらに備えたことを特徴とする請求項１０記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
  12. 絶縁体層と、
    前記絶縁体層を挟んで積層された第１及び第２の強磁性体層と、
    前記第２の強磁性体層と積層された磁性バイアス層と、
    前記絶縁体層の側面に不連続に形成され、前記第２の強磁性体層と前記磁性バイアス層との界面に介在せず、前記第１の強磁性体層と前記第２の強磁性体層とを電気的に接続する強磁性体からなる接続部と、
    を有する磁気抵抗効果素子を備え、
    前記第１の強磁性体層の磁化と前記第２の強磁性体層の磁化は、互いに略反対方向に固着されてなり、前記接続部が前記第１の強磁性体層に接する面積と前記接続部が前記第２の強磁性体層に接する面積とが異なっており、
    前記第１の強磁性体層と前記第２の強磁性体層との間で電流を流すことにより前記接続部内に形成される磁壁を移動させて書き込みを行うことを特徴とする磁気メモリ。
  13. 絶縁体層と、
    前記絶縁体層を挟んで積層された第１及び第２の強磁性体層と、
    前記第２の強磁性体層と積層された磁性バイアス層と、
    前記絶縁体層の側面と前記第２の強磁性体層の側面と前記磁性バイアス層の側面に不連続に形成され、前記第１の強磁性体層と前記第２の強磁性体層とを電気的に接続する強磁性体からなる接続部と、
    を有する磁気抵抗効果素子を備え、
    前記第１の強磁性体層の磁化と前記第２の強磁性体層の磁化は、互いに略反対方向に固着されてなり、前記接続部が前記第１の強磁性体層に接する面積と前記接続部が前記第２の強磁性体層に接する面積とが異なっており、
    前記第１の強磁性体層と前記第２の強磁性体層との間で電流を流すことにより前記接続部内に形成される磁壁を移動させて書き込みを行うことを特徴とする磁気メモリ。
  14. 請求項１〜８のいずれか１つに記載の磁気抵抗効果素子を備え、
    特定の書き込みワード線とビット線とに書き込み電流を流し、前記第１の強磁性体層と前記第２の強磁性体層との間で電流を流すことにより書き込みを行うことを特徴とする磁気メモリ。
  15. 請求項１〜９のいずれか１つ記載の磁気抵抗効果素子を備え、磁気記録媒体に磁気的に記録された情報の読み取りを可能としたことを特徴とする磁気ヘッド。
  16. 請求項１５記載の磁気ヘッドを備えたことを特徴とする磁気記録装置。
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