JP4985006B2 - 磁気抵抗効果素子、磁性積層構造体、及び磁性積層構造体の製造方法 - Google Patents
磁気抵抗効果素子、磁性積層構造体、及び磁性積層構造体の製造方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JP4985006B2 JP4985006B2 JP2007072280A JP2007072280A JP4985006B2 JP 4985006 B2 JP4985006 B2 JP 4985006B2 JP 2007072280 A JP2007072280 A JP 2007072280A JP 2007072280 A JP2007072280 A JP 2007072280A JP 4985006 B2 JP4985006 B2 JP 4985006B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- layer
- underlayer
- disposed
- thickness
- pinning
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 title claims description 88
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title description 9
- 238000000034 method Methods 0.000 title description 9
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims description 42
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 36
- 230000005415 magnetization Effects 0.000 claims description 30
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims description 27
- 239000003302 ferromagnetic material Substances 0.000 claims description 21
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 19
- 229910001030 Iron–nickel alloy Inorganic materials 0.000 claims description 19
- 229910052741 iridium Inorganic materials 0.000 claims description 13
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 claims description 13
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 12
- 239000002885 antiferromagnetic material Substances 0.000 claims description 11
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 10
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 10
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 10
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 5
- 238000005546 reactive sputtering Methods 0.000 claims description 4
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 claims description 3
- QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N nitrogen group Chemical group [N] QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000000470 constituent Substances 0.000 claims 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 321
- 229910003321 CoFe Inorganic materials 0.000 description 17
- 229910019236 CoFeB Inorganic materials 0.000 description 15
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 14
- 229910001873 dinitrogen Inorganic materials 0.000 description 11
- 230000005381 magnetic domain Effects 0.000 description 7
- 230000005290 antiferromagnetic effect Effects 0.000 description 5
- 230000005294 ferromagnetic effect Effects 0.000 description 5
- 238000009812 interlayer coupling reaction Methods 0.000 description 5
- ORQBXQOJMQIAOY-UHFFFAOYSA-N nobelium Chemical compound [No] ORQBXQOJMQIAOY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 4
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 4
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 3
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 2
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 2
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 2
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 2
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910019222 CoCrPt Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910019041 PtMn Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 1
- VNNRSPGTAMTISX-UHFFFAOYSA-N chromium nickel Chemical compound [Cr].[Ni] VNNRSPGTAMTISX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000696 magnetic material Substances 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 229910001120 nichrome Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010606 normalization Methods 0.000 description 1
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 1
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 1
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 1
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
- 238000000992 sputter etching Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G11—INFORMATION STORAGE
- G11B—INFORMATION STORAGE BASED ON RELATIVE MOVEMENT BETWEEN RECORD CARRIER AND TRANSDUCER
- G11B5/00—Recording by magnetisation or demagnetisation of a record carrier; Reproducing by magnetic means; Record carriers therefor
- G11B5/127—Structure or manufacture of heads, e.g. inductive
- G11B5/33—Structure or manufacture of flux-sensitive heads, i.e. for reproduction only; Combination of such heads with means for recording or erasing only
- G11B5/39—Structure or manufacture of flux-sensitive heads, i.e. for reproduction only; Combination of such heads with means for recording or erasing only using magneto-resistive devices or effects
-
- G—PHYSICS
- G11—INFORMATION STORAGE
- G11B—INFORMATION STORAGE BASED ON RELATIVE MOVEMENT BETWEEN RECORD CARRIER AND TRANSDUCER
- G11B5/00—Recording by magnetisation or demagnetisation of a record carrier; Reproducing by magnetic means; Record carriers therefor
- G11B5/127—Structure or manufacture of heads, e.g. inductive
- G11B5/33—Structure or manufacture of flux-sensitive heads, i.e. for reproduction only; Combination of such heads with means for recording or erasing only
- G11B5/39—Structure or manufacture of flux-sensitive heads, i.e. for reproduction only; Combination of such heads with means for recording or erasing only using magneto-resistive devices or effects
- G11B5/3903—Structure or manufacture of flux-sensitive heads, i.e. for reproduction only; Combination of such heads with means for recording or erasing only using magneto-resistive devices or effects using magnetic thin film layers or their effects, the films being part of integrated structures
- G11B5/3967—Composite structural arrangements of transducers, e.g. inductive write and magnetoresistive read
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y10/00—Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y25/00—Nanomagnetism, e.g. magnetoimpedance, anisotropic magnetoresistance, giant magnetoresistance or tunneling magnetoresistance
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
- G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
- G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
- G01R33/09—Magnetoresistive devices
- G01R33/093—Magnetoresistive devices using multilayer structures, e.g. giant magnetoresistance sensors
-
- G—PHYSICS
- G11—INFORMATION STORAGE
- G11B—INFORMATION STORAGE BASED ON RELATIVE MOVEMENT BETWEEN RECORD CARRIER AND TRANSDUCER
- G11B5/00—Recording by magnetisation or demagnetisation of a record carrier; Reproducing by magnetic means; Record carriers therefor
- G11B5/127—Structure or manufacture of heads, e.g. inductive
- G11B5/33—Structure or manufacture of flux-sensitive heads, i.e. for reproduction only; Combination of such heads with means for recording or erasing only
- G11B5/39—Structure or manufacture of flux-sensitive heads, i.e. for reproduction only; Combination of such heads with means for recording or erasing only using magneto-resistive devices or effects
- G11B5/3903—Structure or manufacture of flux-sensitive heads, i.e. for reproduction only; Combination of such heads with means for recording or erasing only using magneto-resistive devices or effects using magnetic thin film layers or their effects, the films being part of integrated structures
- G11B5/3906—Details related to the use of magnetic thin film layers or to their effects
-
- G—PHYSICS
- G11—INFORMATION STORAGE
- G11B—INFORMATION STORAGE BASED ON RELATIVE MOVEMENT BETWEEN RECORD CARRIER AND TRANSDUCER
- G11B5/00—Recording by magnetisation or demagnetisation of a record carrier; Reproducing by magnetic means; Record carriers therefor
- G11B5/127—Structure or manufacture of heads, e.g. inductive
- G11B5/33—Structure or manufacture of flux-sensitive heads, i.e. for reproduction only; Combination of such heads with means for recording or erasing only
- G11B5/39—Structure or manufacture of flux-sensitive heads, i.e. for reproduction only; Combination of such heads with means for recording or erasing only using magneto-resistive devices or effects
- G11B5/3903—Structure or manufacture of flux-sensitive heads, i.e. for reproduction only; Combination of such heads with means for recording or erasing only using magneto-resistive devices or effects using magnetic thin film layers or their effects, the films being part of integrated structures
- G11B5/3906—Details related to the use of magnetic thin film layers or to their effects
- G11B5/3909—Arrangements using a magnetic tunnel junction
-
- G—PHYSICS
- G11—INFORMATION STORAGE
- G11C—STATIC STORES
- G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
- G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
- G11C11/14—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using thin-film elements
- G11C11/15—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using thin-film elements using multiple magnetic layers
-
- G—PHYSICS
- G11—INFORMATION STORAGE
- G11C—STATIC STORES
- G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
- G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
- G11C11/16—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N50/00—Galvanomagnetic devices
- H10N50/01—Manufacture or treatment
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N50/00—Galvanomagnetic devices
- H10N50/10—Magnetoresistive devices
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Mathematical Physics (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Hall/Mr Elements (AREA)
- Magnetic Heads (AREA)
- Thin Magnetic Films (AREA)
- Measuring Magnetic Variables (AREA)
- Mram Or Spin Memory Techniques (AREA)
Description
本発明は、ＩｒとＭｎとを含む反強磁性材料からなるピニング層を含む磁気抵抗効果素子、磁性積層構造体、及び磁性積層構造体の製造方法に関する。
ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）の読取素子や、磁気抵抗効果型ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）に用いられる強磁性体膜の磁化方向を固定するために、反強磁性層と強磁性層とを積層した交換結合膜が用いられている。
図１２に、ＨＤＤの読取素子、及び磁気記録媒体の部分斜視図を示す。磁気記録媒体１０３の表面をｘｙ面とし、法線方向をｚ軸とするｘｙｚ直交座標系を定義する。ｘ軸方向がトレーリング方向、ｙ軸方向がトラック幅方向に対応するとする。一対の磁気シールド層１００、１０１が、ｘ軸方向に間隙を隔てて配置され、両者の間に、磁気抵抗効果素子１０２が配置されている。磁気抵抗効果素子１０２は、ｚ軸方向に微小な間隙を隔てて磁気記録媒体１０３に対向している。磁気抵抗効果素子１０２には、例えばトンネル磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）やスピンバルブ膜が用いられる。
ＴＭＲ素子は、例えば下地層、反強磁性ピニング層、強磁性レファレンス層、トンネルバリア層、フリー層、及びキャップ層がｘ軸方向に積層された構造を有する。磁気記録媒体１０３から発生する磁場を、磁気抵抗効果素子１０２のフリー層で感知し、磁場の変化が電気信号として読み出される。
一対の磁気シールド層１００、１０１は、読み取り対象のビットに隣接するビットからの磁場を吸収する役割を果たす。このため、ビット長Ｌｂは、磁気抵抗効果素子１０２の合計の厚さ（読取ギャップ長）Ｌｒｇに依存する。読取ギャップＬｒｇが長くなると、ビット長Ｌｂも長くなってしまう。ビット長Ｌｂを短くするために、読取ギャップ長Ｌｒｇを短くすることが望まれる。
２００３年までは、ＨＤＤ用の読取素子の下地層に、Ｔａ／ＮｉＦｅ積層、Ｔａ／Ｒｕ積層、ＮｉＣｒ層、ＮｉＦｅＣｒ層が用いられ、反強磁性ピニング層に、ＰｔＭｎ層やＰｄＰｔＭｎ層が用いられていた。ところが、反強磁性ピニング層は、強磁性レファレンス層と交換結合するために、１５ｎｍ以上の厚さを必要とした。ピニング層が厚くなると、読取ギャップ長Ｌｒｇが長くなるため、ビット長Ｌｂを短くして記録密度の向上を図ることが困難である。
ピニング層にＩｒＭｎを用いると、その厚さを４ｎｍ程度まで薄くしても、ピニング層がピンド層に交換結合する。このため、ピニング層にＩｒＭｎを用いた磁気抵抗効果素子は、記録密度の向上に適している（例えば、下記の特許文献１）。
トンネルバリア層にＭｇＯを用いたＴＭＲ素子において、その特性を最大限発揮させるために、ＭｇＯを（２００）配向させることが好ましい。トンネルバリア層の下地となるレファレンス層に、アモルファスのＣｏＦｅＢを用いることにより、ＭｇＯを（２００）配向させることができる（下記の非特許文献１参照）。
ＴＭＲ素子のピニング層にＩｒＭｎを用いると、その表面の平坦度が低下する（面粗度が高くなる）。ＴＭＲ素子の面積抵抗ＲＡを低くするためにトンネルバリア層を薄くすると、レファレンス層の表面の凹凸に起因して、レファレンス層と磁化フリー層との間の静磁気的な相互作用が大きくなる。これにより、磁化フリー層の磁化方向が、レファレンス層の磁化の影響を受けてしまう。また、ＭｇＯからなるトンネルバリア層が薄い場合には、レファレンス層の表面の凹凸に起因して、トンネルバリア層にピンホールが発生し、特性が劣化する場合もある。
ＭｇＯからなるトンネルバリア層の下地のレファレンス層を、アモルファスＣｏＦｅＢで形成した場合、ＭｇＯ膜をある程度の厚さ成長させれば、良好な（２００）配向性を示すＭｇＯが得られる。ところが、ＭｇＯ膜が薄い場合には、十分な（２００）配向性を示す膜を得ることが困難である。ＭｇＯ膜の配向性が低下すると、ＭＲ比が低下してしまう。
本発明の目的は、ＩｒとＭｎとを含む反強磁性のピニング層の表面の平坦度を高めることができる磁気抵抗効果素子、磁性積層構造体、及びその製造方法を提供することである。本発明の他の目的は、ＭｇＯからなるトンネルバリア層が薄くても、高いＭＲ比を実現することができる磁気抵抗効果素子を提供することである。
本発明の一観点によると、
基板の主表面上に配置されており、ＮｉＦｅＮで形成されている下地層と、
前記下地層の上に配置されており、ＩｒとＭｎとを含む反強磁性材料で形成されているピニング層と、
前記ピニング層の上に配置されており、該ピニング層と、直接または他の強磁性材料層を介して交換結合することにより磁化方向が固定される強磁性材料からなるレファレンス層と、
前記レファレンス層の上に配置された非磁性材料からなる非磁性層と、
前記非磁性層の上に配置され、外部磁場の影響によって磁化方向が変化する強磁性材料からなるフリー層と
を有する磁気抵抗効果素子が提供される。
基板の主表面上に配置されており、ＮｉＦｅＮで形成されている下地層と、
前記下地層の上に配置されており、ＩｒとＭｎとを含む反強磁性材料で形成されているピニング層と、
前記ピニング層の上に配置されており、該ピニング層と、直接または他の強磁性材料層を介して交換結合することにより磁化方向が固定される強磁性材料からなるレファレンス層と、
前記レファレンス層の上に配置された非磁性材料からなる非磁性層と、
前記非磁性層の上に配置され、外部磁場の影響によって磁化方向が変化する強磁性材料からなるフリー層と
を有する磁気抵抗効果素子が提供される。
本発明の他の観点によると、
基板の主表面上に配置されており、ＮｉＦｅＮで形成されている下地層と、
前記下地層の上に配置されており、ＩｒとＭｎとを含む反強磁性材料で形成されているピニング層と、
前記ピニング層の上に配置されており、該ピニング層と交換結合することにより磁化方向が固定される強磁性材料からなるピンド層と
を有する磁性積層構造体が提供される。
基板の主表面上に配置されており、ＮｉＦｅＮで形成されている下地層と、
前記下地層の上に配置されており、ＩｒとＭｎとを含む反強磁性材料で形成されているピニング層と、
前記ピニング層の上に配置されており、該ピニング層と交換結合することにより磁化方向が固定される強磁性材料からなるピンド層と
を有する磁性積層構造体が提供される。
本発明のさらに他の観点によると、
ＮｉＦｅターゲットを用い、スパッタガスとして、窒素の分圧比が２５％〜６０％になるように窒素を含むガスを用いた反応性スパッタリングにより、ＮｉＦｅＮからなる下地層を、基板上に形成する工程と、
前記下地層の上に、ＩｒとＭｎとを含む反強磁性材料からなるピニング層を形成する工程と
を有する磁性積層構造体の製造方法が提供される。
ＮｉＦｅターゲットを用い、スパッタガスとして、窒素の分圧比が２５％〜６０％になるように窒素を含むガスを用いた反応性スパッタリングにより、ＮｉＦｅＮからなる下地層を、基板上に形成する工程と、
前記下地層の上に、ＩｒとＭｎとを含む反強磁性材料からなるピニング層を形成する工程と
を有する磁性積層構造体の製造方法が提供される。
本発明のさらに他の観点によると、
基板の主表面上に配置されており、ＮｉＦｅＮで形成されている下地層と、
前記下地層の上に配置されており、外部磁場の影響によって磁化方向が変化する強磁性材料で形成されているフリー層と、
前記フリー層の上に配置されており、ＭｇＯで形成されているトンネルバリア層と、
前記トンネルバリア層の上に配置されており、磁化方向が固定された強磁性材料で形成されているレファレンス層と
を有する磁気抵抗効果素子が提供される。
基板の主表面上に配置されており、ＮｉＦｅＮで形成されている下地層と、
前記下地層の上に配置されており、外部磁場の影響によって磁化方向が変化する強磁性材料で形成されているフリー層と、
前記フリー層の上に配置されており、ＭｇＯで形成されているトンネルバリア層と、
前記トンネルバリア層の上に配置されており、磁化方向が固定された強磁性材料で形成されているレファレンス層と
を有する磁気抵抗効果素子が提供される。
下地層をＮｉＦｅＮで形成すると、下地層をＮｉＦｅやＲｕで形成した場合に比べて、その上のＩｒとＭｎを含むピニング層の表面の平坦度が向上する。これにより、レファレンス層からの影響によるフリー層内の層間結合磁場が小さくなる。
図１に、第１の実施例による磁気抵抗効果素子の断面図を示す。支持基板１の上に、下地層２、ピニング層３、ピンド層４ａ、非磁性中間層４ｂ、レファレンス層４ｃ、トンネルバリア層（非磁性層）７、フリー層８、及びキャップ層９がこの順番に積層されている。支持基板１は、例えばＡｌ２Ｏ３−ＴｉＣ基板の上にＮｉＦｅ層とＴａ層とがこの順番に積層された構造を有する。
下地層２は、ＮｉＦｅＮで形成されており、その厚さは例えば３ｎｍである。ＮｉＦｅＮ膜は、ＮｉＦｅターゲットを用い、スパッタガスとしてＡｒとＮ２とを用いた反応性スパッタリングにより形成することができる。なお、ＮｉとＦｅに第三元素を添加したターゲットを用いてもよい。使用可能な第三元素として、例えばＣｏ、Ｃｒ、Ｃｕ等が挙げられる。また、コスパッタリングにより成膜してもよい。ピニング層３はＩｒＭｎで形成されており、その厚さは、例えば７ｎｍである。
ピンド層４ａはＣｏＦｅ等の強磁性材料で形成されており、その厚さは、例えば１．７ｎｍである。非磁性中間層４ｂはＲｕ等の非磁性金属で形成されており、その厚さは、例えば０．６８ｎｍである。レファレンス層４ｃはＣｏＦｅＢで形成されており、その厚さは、例えば２．５ｎｍである。ピンド層４ａがピニング層３と交換結合することにより、ピンド層４ａの磁化方向が固定される。ピンド層４ａとレファレンス層４ｃとは、非磁性中間層４ｂを介して、ピンド層４ａの磁化方向とレファレンス層４ｃの磁化方向とが反平行になるように、交換結合している。すなわち、レファレンス層４ｃは、ピンド層４ａを介してピニング層３と間接的に交換結合する。ピンド層４ａからレファレンス層４ｃまでの３層構造は、シンセティックフェリピン層４を構成する。
なお、シンセティックフェリピン層４に代えて、単層の強磁性レファレンス層を用いてもよい。この場合には、レファレンス層が、直接、ピニング層３と交換結合する。
トンネルバリア層７はＭｇＯ等の絶縁材料で形成されており、その厚さは、厚さ方向にトンネル電流が流れる程度、例えば１．０〜１．５ｎｍとされている。フリー層８はＣｏＦｅＢ等の強磁性材料で形成されており、その厚さは、例えば３ｎｍである。キャップ層９は非磁性金属で形成される。例えば、厚さ５ｎｍのＴｉ層と、厚さ１０ｎｍのＴａ層との２項構造を有する。ピニング層３からキャップ層９までの各層は、例えばスパッタリングにより形成される。
図２Ａ及び図２Ｂを参照して、ピニング層３の表面の平坦度の改善効果について説明する。シリコン基板の表面をエッチングして平坦化し、その上に厚さ３ｎｍのＴａ層、ＮｉＦｅＮからなる厚さ４ｎｍの下地層、厚さ７ｎｍのＩｒＭｎ層、及び厚さ１ｎｍのＲｕ層を順番にスパッタリングにより形成した試料を作製した。下地層の成膜には、スパッタガスとしてＡｒとＮ２との混合ガスを用い、Ｎ２の分圧比を変えて複数の試料を作製した。比較のために、下地層にＲｕを用いた試料、及びＮｉＦｅを用いた試料を作製した。ＮｉＦｅからなる下地層は、スパッタガス中の窒素ガスの分圧比を０にすることにより形成される。
図２Ａ及び図２Ｂは、それぞれ各試料の最上のＲｕ層の表面の高低差、及び高さの標準偏差を示す。高低差は、原子間力顕微鏡を用いて測定した。図２Ａ及び図２Ｂの横軸は、下地層成膜時の窒素ガス分圧比を単位「％」で表し、図２Ａの縦軸は、高低差を単位「ｎｍ」で表し、図２Ｂの縦軸は、高さの標準偏差を単位「ｎｍ」で表す。なお、下地層にＲｕを用いた試料の高低差及び高さの標準偏差を破線で示している。
下地層にＮｉＦｅＮを用いると、ＲｕやＮｉＦｅを用いる場合に比べて、表面の平坦度が向上することがわかる。下地層の成膜時の窒素ガス分圧比を３０〜７５％のときに平坦度が向上することが実証されたが、窒素ガスの分圧比を０％よりも高くし、かつ３０％未満にしても、ＮｉＦｅを用いた試料の平坦度より高い平坦度が得られる。
次に、図３Ａ及び図３Ｂを参照して、ＭＲ比の改善効果について説明する。図１に示した支持基板１として、シリコン基板の表面をエッチングして平坦化し、その上に厚さ５ｎｍのＴａ層、厚さ２０ｎｍのＣｕＮ層、厚さ３ｎｍのＴａ層、厚さ２０ｎｍのＣｕＮ層、厚さ３ｎｍのＴａ層を形成したものを準備した。その上に、ＮｉＦｅＮからなる厚さ３ｎｍの下地層２、ＩｒＭｎからなる厚さ７ｎｍのピニング層３、ＣｏＦｅからなる厚さ１．７ｎｍのピンド層４ａ、Ｒｕからなる厚さ０．６８ｎｍの非磁性中間層４ｂ、ＣｏＦｅＢからなる厚さ２．５ｎｍのレファレンス層４ｃ、ＭｇＯからなる厚さ１．０〜１．５ｎｍのトンネルバリア層７、及びＣｏＦｅＢからなる厚さ３ｎｍのフリー層８を形成した。キャップ層９を、厚さ５ｎｍのＴａ層、厚さ１０ｎｍのＣｕ層、及び厚さ１０ｎｍのＲｕ層からなる３層構造とした。トンネルバリア層４ｂの膜厚を変えることによって、複数の面積抵抗ＲＡを持つ試料を作製した。比較のために、下地層２にＲｕを用いた試料、及びＮｉＦｅを用いた試料を作製した。
図３Ａは、ＭＲ比と面積抵抗ＲＡとの関係を示す。横軸は面積抵抗ＲＡを単位「Ω・μｍ２」で表し、縦軸はＭＲ比を単位「％」で表す。図中の正方形、菱形、及び円記号が、それぞれ下地層２にＮｉＦｅＮ、ＮｉＦｅ、及びＲｕを用いた試料に対応する。下地層２にＮｉＦｅＮを用いると、ＮｉＦｅやＲｕを用いた場合に比べて、大きなＭＲ比が得られることがわかる。
図３Ｂは、下地層２を成膜する時のスパッタガス中の窒素ガスの分圧比と、ＭＲ比との関係を示す。横軸は窒素ガスの分圧比を単位「％」で表し、縦軸はＭＲ比を単位「％」で表す。面積抵抗ＲＡが１０Ω・μｍ２になるようにトンネルバリア層７の厚さを調節した複数の試料を作製した。比較のために、下地層２にＲｕを用いた試料のＭＲ比を破線で示している。窒素ガスの分圧比が０％の試料は、下地層２にＮｉＦｅを用いたものである。
下地層２にＮｉＦｅＮを用いた試料は、ＮｉＦｅを用いた試料やＲｕを用いた試料に比べて、高いＭＲ比を示している。窒素ガスの分圧比が２５％〜６０％の範囲内で、高いＭＲ比を示すことが実証された。
下地層２にＮｉＦｅＮを用いることによるＭＲ比の向上は、下地層上の各層の表面の平坦度の向上に起因していると考えられる。
次に、図４Ａ及び図４Ｂを参照して、下地層２の厚さの好適な範囲について説明する。下地層２にＮｉＦｅＮを用い、下地層２の厚さが２ｎｍ、３ｎｍ、４ｎｍ、及び５ｎｍの試料を作製した。積層構造は、図３に示した評価に用いた試料と同一である。下地層２の厚さを１ｎｍとした場合には、ＩｒＭｎからなるピニング層３とＣｏＦｅからなるピンド層４ａとの間に交換結合が発現せず、ピンド層４ａの磁化方向を固定することができなかった。なお、トンネルバリア層７の厚さを１．０〜１．５ｎｍの範囲内で変化させて種々の面積抵抗ＲＡをもつ試料を作製した。比較のために、下地層２にＲｕを用いた試料を作製した。
図４Ａに、面積抵抗ＲＡとＭＲ比との関係を示す。横軸は面積抵抗ＲＡを単位「Ω・μｍ２」で表し、縦軸はＭＲ比を単位「％」で表す。図中の各折れ線に付した数値は、下地層２の厚さである。比較のために、下地層２にＲｕを用いた試料のＭＲ比を破線で示す。下地層２の膜厚を２〜３ｎｍとした場合、面積抵抗ＲＡが５〜１５Ω・μｍ２の試料のＭＲ比が、Ｒｕの下地層を用いた試料のＭＲ比よりも高くなった。また、下地層２の膜厚を４〜５ｎｍとした場合には、面積抵抗ＲＡが７．５〜１５Ω・μｍ２の試料のＭＲ比が、Ｒｕの下地層を用いた試料のＭＲ比よりも高くなった。
図４Ｂに、面積抵抗ＲＡを１０Ω・μｍ２に設定したときのＭＲ比と、下地層２の厚さとの関係を示す。横軸は下地層２の厚さを単位「ｎｍ」で表し、縦軸はＭＲ比を単位「％」で表す。比較のために、下地層２に厚さ２ｎｍのＲｕ層を用いた試料のＭＲ比を破線で示す。特に、下地層２の厚さを２〜３ｎｍとした試料のＭＲ比が相対的に高いことがわかる。
図５に、図１に示した積層構造を持つ試料に印加する外部磁場を変化させたときの、外部磁場に対するＭＲ比（電気抵抗をＲ、最小電気抵抗をＲｍｉｎとしたとき、（Ｒ−Ｒｍｉｎ）／Ｒｍｉｎ）を正規化して示す。なお、試料の面積抵抗ＲＡは２Ω・μｍ２である。比較のために、下地層２にＲｕを用いた試料のヒステリシスループを破線で示す。横軸は外部磁場を単位「Ｏｅ」で表し、縦軸は、最大値を１とした正規化ＭＲ比を表す。磁場０の位置から、ヒステリシスループが正規化ＭＲ比０．５の線と交差する２点の中点までの磁場のシフト量が、レファレンス層４ｃがフリー層８に与える層間結合磁場Ｈｉｎに相当する。
下地層２にＮｉＦｅＮを用いた試料の層間結合磁場Ｈｉｎ１が、下地層２にＲｕを用いた試料の層間結合磁場Ｈｉｎ２よりも小さいことがわかる。下地層２にＮｉＦｅＮを用いることによって層間結合磁場が小さくなるのは、レファレンス層４ｃの表面の平坦度が向上したためと考えられる。
次に、図６Ａ及び図６Ｂを参照して、第２の実施例について説明する。上記第１の実施例では、トンネルバリア層７の下地となるレファレンス層４ｃをＣｏＦｅＢで形成した。レファレンス層４ｃにボロン（Ｂ）を含有させたのは、レファレンス層４ｃをアモルファス相にして、その上のＭｇＯからなるトンネルバリア層７の結晶性を高めるためである。第２の実施例では、シンセティックフェリピン層４に代えて、単層のレファレンス層４ｃが用いられ、このレファレンス層４ｃがＣｏＦｅで形成される。
図６Ａに、第２の実施例による磁気抵抗効果膜の断面図を示す。支持基板１の上に、下地層２、ピニング層３、レファレンス層４ｃ、トンネルバリア層７、フリー層８、及びキャップ層９がこの順番に積層されている。支持基板１は、表面をエッチングして平坦化されたシリコン基板の上に厚さ３ｎｍのＴａ層が形成された構造を有する。レファレンス層４ｃは、ＣｏＦｅで形成されており、その厚さは２．０ｎｍである。キャップ層９は、厚さ５ｎｍのＴａ層、厚さ１０ｎｍのＣｕ層、及び厚さ１０ｎｍのＲｕ層がこの順番に積層された３層で構成される。下地層２、ピニング層３、トンネルバリア層７、及びフリー層８は、図１に示した磁気抵抗効果膜の対応する層と同一の構造である。
比較のために、レファレンス層４ｃを、厚さ１．７ｎｍのＣｏＦｅ層と、厚さ２．０ｎｍのＣｏＦｅＢ層とがこの順番に積層された２層構造とした試料も作製した。ＣｏＦｅは結晶質であり、ＣｏＦｅＢ層はアモルファスである。
図６Ｂに、面積抵抗ＲＡとＭＲ比との関係を示す。横軸は面積抵抗ＲＡを単位「Ω・μｍ２」で表し、縦軸はＭＲ比を単位「％」で表す。面積抵抗ＲＡが約１０Ω・μｍ２以上の場合、すなわちトンネルバリア層７が相対的に厚い場合には、トンネルバリア層７の下地にアモルファスのＣｏＦｅＢ層を用いた試料の方が高いＭＲ比を示す。これに対し、面積抵抗ＲＡが約１０Ω・μｍ２以下の場合、すなわちトンネルバリア層７が相対的に薄い場合には、トンネルバリア層７の下地に結晶質のＣｏＦｅ層を用いた試料の方が高いＭＲ比を示す。以下、この実験結果について考察する。
（２００）配向した下地層２の良好な結晶性が、ピニング層３及びその上のＣｏＦｅ層まで引き継がれる。ところが、ＭｇＯからなるトンネルバリア層７の下地にＣｏＦｅＢ層を挿入する場合には、ＣｏＦｅＢ層がアモルファスになるため、下地層２の結晶性がＭｇＯからなるトンネルバリア層７まで引き継がれない。このため、トンネルバリア層７の成長初期段階に形成された下層部分の結晶性が悪くなる。ところが、膜厚が厚くなるに従って、結晶性が高まり、良好な（２００）配向が得られると考えられる。
これに対し、レファレンス層４ｃがＣｏＦｅで形成されている場合には、（２００）配向した下地層２の良好な結晶性が引き継がれて、ピニング層３も良好な（２００）配向を示す。この配向性が、レファレンス層４ｃを経由して、トンネルバリア層７まで引き継がれる。このため、成長初期段階から、（２００）配向した結晶性の高いＭｇＯ膜が得られる。ところが、膜厚が厚くなるに従って、ＣｏＦｅとＭｇＯとの格子不整合による歪が発生し、結晶性が低下してしまうと考えられる。
この評価結果からわかるように、面積抵抗ＲＡが１０Ω・μｍ２以下になるようにトンネルバリア層を薄くする場合には、下地層２とトンネルバリア層７との間にアモルファス層を介在させることなく、下地層２の結晶性をトンネルバリア層７まで引き継ぐことが好ましい。
図６Ａでは、ピニング層３とトンネルバリア層７との間に単層のレファレンス層４ｃを配置したが、単層のレファレンス層４ｃに代えて、図１に示したようにシンセティックフェリピン層を採用してもよい。この場合、ピンド層４ａ及びレファレンス層４ｃをＣｏＦｅで形成すれば、下地層２の結晶性をトンネル絶縁層７まで引き継ぐことができる。
図６Ａでは、ピニング層３及びレファレンス層４ｃを、フリー層８よりも基板側に配置した、いわゆるボトム型ＴＭＲ素子を示しが、上下関係を逆転させたトップ型ＴＭＲ素子においても、同様の効果が期待できる。
図７に、トップ型ＴＭＲ素子の断面図を示す。支持基板１の上に下地層２が形成され、その上に、フリー層８、トンネルバリア層７、レファレンス層４ｃ、ピニング層３、及びキャップ層９がこの順番に積層されている。フリー層８は、結晶性のＣｏＦｅで形成されている。これにより、ＮｉＦｅＮからなる下地層２の結晶性が、フリー層８を経由して、ＭｇＯからなるトンネルバリア層７まで引き継がれる。このため、トンネルバリア層７を薄くしても、高い結晶性を持ち、（２００）配向したＭｇＯ膜が得られる。
上記第１及び第２の実施例によるＴＭＲ素子のトンネルバリア層を、Ｃｕ等の非磁性金属層に置き換えて、ＣＩＰ（Current in Plane）型スピンバルブ膜やＣＰＰ（Current Perpendicular to the Plane）型スピンバルブ膜を作製することもできる。この場合にも、ピニング層３の表面の平坦度を高めるという効果が得られる。
また、上記第１及び第２の実施例では、ピニング層３にＩｒＭｎを用いたが、ＩｒとＭｎとを主成分とする他の反強磁性材料を用いても同様の効果が得られるであろう。
図８Ａに、第３の実施例による磁気ヘッドの浮上面（媒体に対向する面）の正面図を示す。浮上面をｘｙ面とし、トレーリング方向をｘ軸、トラック幅方向をｙ軸、浮上面に垂直な方向をｚ軸とするｘｙｚ直交座標系を定義する。図８Ｂに、磁気ヘッドのｚｘ面に平行な断面図を示す。
基板３０の上に、再生素子部２０及び記録素子部４０がこの順番に積層されている。再生素子部２０は、下部磁気シールド層２２、磁気抵抗効果膜２１、上部磁気シールド層２３を含む。記録素子部４０は、主磁極４１、主磁極補助層４２、補助磁極４３、接続部４５を含む。主磁極４１、主磁極補助層４２、補助磁極４３、及び接続部４５が、磁気記録時に発生する磁束の磁路の一部を構成する。この磁路と鎖交するように、記録用コイル４４が配置されている。記録素子部４０は、公知の方法で作製することができる。
次に、図９Ａ〜図９Ｃを参照して、再生素子部２０の作製方法について説明する。
図９Ａに示すように、Ａｌ２Ｏ３−ＴｉＣ等の非磁性基板の上にＡｌ２Ｏ３膜を形成して支持基板３０を準備する。支持基板３０の上に、下部磁気シールド層２２をスパッタリングにより形成する。下部磁気シールド層２２はＮｉＦｅ等の高透磁率材料で形成され、その厚さは例えば２〜３μｍである。下部磁気シールド層２２の上に、Ｔａからなる補助下地層２４をスパッタリングにより形成する。
補助下地層２４の上に、下地層２からフリー層８までの各層を形成する。この積層構造は、例えば第１または第２の実施例による磁気抵抗効果膜の構造と同一である。補助下地層２４と下地層２２との合計の厚さは例えば５ｎｍである。なお、シンセティックフェリピン層４を、厚さ１．５ｎｍのＣｏＦｅピンド層４ａ、Ｒｕ８０Ｒｈ２０からなる厚さ０．５ｎｍの非磁性中間層４ｂ、及びＣｏＦｅＢからなる厚さ２．５ｎｍのレファレンス層４ｃの３層で構成してもよい。この場合、非磁性中間層４ｂのＲｈ含有量を５〜４０原子％とすることが好ましく、２０〜３０原子％とすることがより好ましい。また、非磁性中間層４ｂの厚さは、０．３〜０．７ｎｍとすることが好ましく、０．４〜０．７ｎｍとすることがより好ましい。なお、非磁性中間層４ｂをＲｕで形成してもよい。
フリー層８の上に、キャップ層９を形成する。キャップ層９として、例えば厚さ３ｎｍ以上のＴａ層を用いる。なお、Ｔａ層に代えてＲｕ層やＴｉ層を用いてもよいし、Ｔａ層とＲｕ層との積層構造としてもよい。
図９Ｂに示すように、キャップ層９の一部の領域を、通常のフォトリソグラフィによりレジストパターン４９で覆う。このレジストパターン４９をマスクとして、キャップ層９から補助下地層２４までの各層を、イオンミリングによりパターニングする。レジストパターン４９で覆われていなかった領域に、下部磁気シールド層２２が露出する。
図９Ｃに示した構造に至るまでの工程について説明する。図９Ｂに示したレジストパターン４９を残した状態で、全面に、例えばＡｌ２Ｏ３からなる厚さ３〜１０ｎｍの絶縁膜２５を、スパッタリングにより堆積させる。絶縁膜２５の上に、例えばＣｏＣｒＰｔ等からなる磁区制御膜２６を、スパッタリングにより堆積させる。磁区制御膜２６を堆積させた後、レジストパターン４９（図９Ｂ）を、その上に堆積している絶縁膜２５及び磁区制御膜２６と共に除去する。補助下地層２４からキャップ層９までの積層構造体の両側（ｙ軸方向の正側と負側）に、磁区制御膜２６が残る。
磁区制御膜２６の表面を、化学機械研磨（ＣＭＰ）により平坦化する。その後、キャップ層９及び磁区制御膜２６の上に、例えばＮｉＦｅ等からなる厚さ２〜３μｍの上部磁気シールド層２３を、スパッタリングにより堆積させる。ここまでの工程で、図８Ａ及び図８Ｂに示した再生素子部２０が完成する。
フリー層８の磁化方向がｙ軸方向にバイアスされるように、磁区制御膜２６が、磁場中で熱処理されている。また、ピンド層４ａ及びレファレンス層４ｃの磁化方向は、ピニング層３との交換結合により、ｚ軸方向に固定される。
磁気記録媒体に記録された情報に基づく磁場に応じて、フリー層８の磁化方向が変化する。その結果、補助下地層２４からキャップ層９までの積層構造を持つＴＭＲ素子の電気抵抗が変化する。この抵抗の変化を電気的に検出することにより、磁気記録媒体に記録された情報を読み取ることができる。
図１０に、上記第３の実施例による磁気ヘッドを用いた磁気ディスク装置の概略図を示す。ロータリアクチュエータ５４で支持されたサスペンションアーム５３の先端に、ジンバルと呼ばれる支持具でスライダ５２が取り付けられている。スライダ５２の端部に磁気ヘッド５１が取り付けられている。磁気ヘッド５１には、上記第３の実施例による磁気ヘッドが用いられる。
磁気ヘッド５１は、磁気ディスク５０の表面から微小な高さだけ浮上している。磁気ディスク５０の表面に、同心円状の多数のトラック５５が画定されている。ロータリアクチュエータ５４を駆動してサスペンションアーム５３を旋回させることにより、磁気ヘッド５１を、磁気ディスク５０上の半径方向に関して異なる位置に移動させることができる。
磁気ヘッドに、上記第１または第２の実施例によるＴＭＲ素子、またはスピンバルブ膜を用いることにより、ピニング層の表面の平坦度の低下に起因する素子特性の劣化を防止することができる。
図１１Ａ及び図１１Ｂを参照して、第４の実施例にについて説明する。第３の実施例では、ＴＭＲ素子を磁気ヘッドに適用したが、第４の実施例では、ＭＲＡＭに適用する。
図１１Ａに、第４の実施例によるＭＲＡＭの断面図を示す。シリコン基板８０の上に、読出用ワード線８２、ＭＯＳトランジスタ８３、書込用ワード線８８、ビット線８９、及びＴＭＲ素子９０が配置されている。読出用ワード線８２と書込用ワード線８８とは、１対１に対応し、第１の方向（図１１Ａにおいて紙面に垂直な方向）に延在する。ビット線８９は、第１の方向と交差する第２の方向（図１１Ａにおいて横方向）に延在する。
ＭＯＳトランジスタ８３は、読出用ワード線８２とビット線８９との交差箇所に配置されている。読出用ワード線８２が、ＭＯＳトランジスタ８３のゲート電極を兼ねる。すなわち、読出用ワード線８２に与えられる電圧によって、ＭＯＳトランジスタ８３の導通状態が制御される。
ＴＭＲ素子９０は、書込用ワード線８８とビット線８９との交差箇所に配置されている。ＴＭＲ素子９０は、図１に示した第１の実施例または図６Ａに示した第２の実施例によるＴＭＲ素子と同じ積層構造を有する。書込用ワード線８８及びビット線８９を流れる電流による磁場の影響を受けて、ＴＭＲ素子９０のフリー層の磁化方向が変化する。ＴＭＲ素子９０の下地層（図１の下地層２）が、配線８７、多層配線層を貫通する複数のプラグ８４及び孤立配線８５を介して、ＭＯＳトランジスタ８３の一方の不純物拡散領域８１に接続されている。ＴＭＲ素子９０のキャップ層（図１のキャップ層９）が、ビット線８９に接続されている。すなわち、配線８７及びビット線８９が、ＴＭＲ素子９０に、その厚さ方向のセンス電流を流す電極となる。
ＭＯＳトランジスタ８３のもう一方の不純物拡散領域８１が、プラグ８４を介して接地配線８６に接続されている。
図１１Ｂに、第４の実施例によるＭＲＡＭの等価回路図を示す。複数の読出用ワード線８２が第１の方向（図１１Ｂにおいて縦方向）に延在する。読出用ワード線８２に対応して、第１の方向に延在する書込用ワード線８８が配置されている。複数のビット線８９が、第１の方向と交差する第２の方向（図１１Ｂにおいて横方向）に延在する。
ビット線８９と書込用ワード線８８との交差箇所に、ＴＭＲ素子９０が配置されている。読出用ワード線８２とビット線８９との交差箇所にＭＯＳトランジスタ８３が配置されている。ＴＭＲ素子９０の一方の端子が、対応するビット線８９に接続されており、他方の端子が対応するＭＯＳトランジスタ８３の一方の端子に接続されている。ＭＯＳトランジスタ８３の他方の端子は接地されている。ＭＯＳトランジスタ８３のゲート電極は、対応する読出用ワード線８２に接続されている。
ＴＭＲ素子９０を、上記第１または第２の実施例によるＴＭＲ素子と同じ積層構造にすることにより、そのピニング層の表面の平坦度の低下に起因する素子特性の劣化を防止することができる。
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
上述の実施例から、以下の付記に示された発明が導出される。
（付記１）
基板の主表面上に配置されており、ＮｉＦｅＮで形成されている下地層と、
前記下地層の上に配置されており、ＩｒとＭｎとを含む反強磁性材料で形成されているピニング層と、
前記ピニング層の上に配置されており、該ピニング層と、直接または他の強磁性材料層を介して交換結合することにより磁化方向が固定される強磁性材料からなるレファレンス層と、
前記レファレンス層の上に配置された非磁性材料からなる非磁性層と、
前記非磁性層の上に配置され、外部磁場の影響によって磁化方向が変化する強磁性材料からなるフリー層と
を有する磁気抵抗効果素子。
基板の主表面上に配置されており、ＮｉＦｅＮで形成されている下地層と、
前記下地層の上に配置されており、ＩｒとＭｎとを含む反強磁性材料で形成されているピニング層と、
前記ピニング層の上に配置されており、該ピニング層と、直接または他の強磁性材料層を介して交換結合することにより磁化方向が固定される強磁性材料からなるレファレンス層と、
前記レファレンス層の上に配置された非磁性材料からなる非磁性層と、
前記非磁性層の上に配置され、外部磁場の影響によって磁化方向が変化する強磁性材料からなるフリー層と
を有する磁気抵抗効果素子。
（付記２）
前記ピニング層は、その（２００）結晶面が前記基板の主表面と平行になるように結晶配向している付記１に記載の磁気抵抗効果素子。
前記ピニング層は、その（２００）結晶面が前記基板の主表面と平行になるように結晶配向している付記１に記載の磁気抵抗効果素子。
（付記３）
前記下地層の厚さが２ｎｍ以上である付記１または２に記載の磁気抵抗効果素子。
前記下地層の厚さが２ｎｍ以上である付記１または２に記載の磁気抵抗効果素子。
（付記４）
前記下地層の厚さが４ｎｍ以下である付記１乃至３のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
前記下地層の厚さが４ｎｍ以下である付記１乃至３のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
（付記５）
前記非磁性層が、絶縁材料で形成され、その厚さ方向にトンネル電流が流れる厚さを有する付記１乃至４のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
前記非磁性層が、絶縁材料で形成され、その厚さ方向にトンネル電流が流れる厚さを有する付記１乃至４のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
（付記６）
前記非磁性層がＭｇＯで形成されている付記５に記載の磁気抵抗効果素子。
前記非磁性層がＭｇＯで形成されている付記５に記載の磁気抵抗効果素子。
（付記７）
前記下地層の結晶配向性が、前記ピニング層及び前記レファレンス層を介して、前記非磁性層まで引き継がれている付記６に記載の磁気抵抗効果素子。
前記下地層の結晶配向性が、前記ピニング層及び前記レファレンス層を介して、前記非磁性層まで引き継がれている付記６に記載の磁気抵抗効果素子。
（付記８）
さらに、
前記ピニング層とレファレンス層との間に配置された強磁性材料からなるピンド層と、
前記ピンド層と前記レファレンス層との間に配置された非磁性材料からなる中間層とを含み、
前記ピンド層は、前記ピニング層と交換結合することにより、その磁化方向が固定され、
前記ピンド層と前記レファレンス層とは、前記中間層を介して、両者の磁化方向が相互に反平行になるように交換相互作用を及ぼし合う付記１乃至７のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
さらに、
前記ピニング層とレファレンス層との間に配置された強磁性材料からなるピンド層と、
前記ピンド層と前記レファレンス層との間に配置された非磁性材料からなる中間層とを含み、
前記ピンド層は、前記ピニング層と交換結合することにより、その磁化方向が固定され、
前記ピンド層と前記レファレンス層とは、前記中間層を介して、両者の磁化方向が相互に反平行になるように交換相互作用を及ぼし合う付記１乃至７のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
（付記９）
基板の主表面上に配置されており、ＮｉＦｅＮで形成されている下地層と、
前記下地層の上に配置されており、ＩｒとＭｎとを含む反強磁性材料で形成されているピニング層と、
前記ピニング層の上に配置されており、該ピニング層と交換結合することにより磁化方向が固定される強磁性材料からなるピンド層と
を有する磁性積層構造体。
基板の主表面上に配置されており、ＮｉＦｅＮで形成されている下地層と、
前記下地層の上に配置されており、ＩｒとＭｎとを含む反強磁性材料で形成されているピニング層と、
前記ピニング層の上に配置されており、該ピニング層と交換結合することにより磁化方向が固定される強磁性材料からなるピンド層と
を有する磁性積層構造体。
（付記１０）
前記下地層を形成するＮｉＦｅＮは、その（２００）面が前記基板の主表面と平行になるように配向している付記９に記載の磁性積層構造体。
前記下地層を形成するＮｉＦｅＮは、その（２００）面が前記基板の主表面と平行になるように配向している付記９に記載の磁性積層構造体。
（付記１１）
ＮｉＦｅターゲットを用い、スパッタガスとして窒素を含むガスを用いた反応性スパッタリングにより、ＮｉＦｅＮからなる下地層を、基板上に形成する工程と、
前記下地層の上に、ＩｒとＭｎとを含む反強磁性材料からなるピニング層を形成する工程と
を有する磁性積層構造体の製造方法。
ＮｉＦｅターゲットを用い、スパッタガスとして窒素を含むガスを用いた反応性スパッタリングにより、ＮｉＦｅＮからなる下地層を、基板上に形成する工程と、
前記下地層の上に、ＩｒとＭｎとを含む反強磁性材料からなるピニング層を形成する工程と
を有する磁性積層構造体の製造方法。
（付記１２）
前記スパッタガスが、ＡｒとＮ２とを含む付記１１に記載の磁性積層構造体の製造方法。
前記スパッタガスが、ＡｒとＮ２とを含む付記１１に記載の磁性積層構造体の製造方法。
（付記１３）
前記スパッタガス中のＮ２ガスの分圧比が３０％以上である付記１２に記載の磁性積層構造体の製造方法。
前記スパッタガス中のＮ２ガスの分圧比が３０％以上である付記１２に記載の磁性積層構造体の製造方法。
（付記１４）
基板の主表面上に配置されており、ＮｉＦｅＮで形成されている下地層と、
前記下地層の上に配置されており、外部磁場の影響によって磁化方向が変化する強磁性材料で形成されているフリー層と、
前記フリー層の上に配置されており、ＭｇＯで形成されているトンネルバリア層と、
前記トンネルバリア層の上に配置されており、磁化方向が固定された強磁性材料で形成されているレファレンス層と
を有する磁気抵抗効果素子。
基板の主表面上に配置されており、ＮｉＦｅＮで形成されている下地層と、
前記下地層の上に配置されており、外部磁場の影響によって磁化方向が変化する強磁性材料で形成されているフリー層と、
前記フリー層の上に配置されており、ＭｇＯで形成されているトンネルバリア層と、
前記トンネルバリア層の上に配置されており、磁化方向が固定された強磁性材料で形成されているレファレンス層と
を有する磁気抵抗効果素子。
（付記１５）
前記フリー層がＣｏＦｅで形成されており、Ｂを含有しない付記１４に記載の磁気抵抗効果素子。
前記フリー層がＣｏＦｅで形成されており、Ｂを含有しない付記１４に記載の磁気抵抗効果素子。
（付記１６）
前記下地層の結晶性が、前記フリー層を経由して前記トンネルバリア層まで引き継がれている付記１４または１５に記載の磁気抵抗効果素子。
前記下地層の結晶性が、前記フリー層を経由して前記トンネルバリア層まで引き継がれている付記１４または１５に記載の磁気抵抗効果素子。
１ 支持基板
２ 下地層
３ ピニング層
４ ピンド構造
４ａ ピンド層
４ｂ 非磁性中間層
４ｃ レファレンス層
７ トンネルバリア層
８ フリー層
９ キャップ層
２０ 再生素子部
２１ ＴＭＲ素子
２２ 下部磁気シールド層
２３ 上部磁気シールド層
２４ 補助下地層
３０ 基板
４０ 記録素子部
４１ 主磁極
４２ 主磁極補助層
４３ 補助磁極
４４ 記録用コイル
４５ 接続部
４９ レジストパターン
５０ 磁気ディスク
５１ 磁気ヘッド
５２ スライダ
５３ サスペンションアーム
５４ ロータリアクチュエータ
５５ トラック
８０ 基板
８１ 不純物拡散領域
８２ 読出用ワード線
８３ ＭＯＳトランジスタ
８４ プラグ
８５ 孤立配線
８６ 接地配線
８７ 配線
８８ 書込用ワード線
８９ ビット線
９０ ＴＭＲ素子
２ 下地層
３ ピニング層
４ ピンド構造
４ａ ピンド層
４ｂ 非磁性中間層
４ｃ レファレンス層
７ トンネルバリア層
８ フリー層
９ キャップ層
２０ 再生素子部
２１ ＴＭＲ素子
２２ 下部磁気シールド層
２３ 上部磁気シールド層
２４ 補助下地層
３０ 基板
４０ 記録素子部
４１ 主磁極
４２ 主磁極補助層
４３ 補助磁極
４４ 記録用コイル
４５ 接続部
４９ レジストパターン
５０ 磁気ディスク
５１ 磁気ヘッド
５２ スライダ
５３ サスペンションアーム
５４ ロータリアクチュエータ
５５ トラック
８０ 基板
８１ 不純物拡散領域
８２ 読出用ワード線
８３ ＭＯＳトランジスタ
８４ プラグ
８５ 孤立配線
８６ 接地配線
８７ 配線
８８ 書込用ワード線
８９ ビット線
９０ ＴＭＲ素子
Claims (9)
- 基板の主表面上に配置されており、ＮｉＦｅＮで形成されている下地層と、
前記下地層の上に配置されており、ＩｒとＭｎとを含む反強磁性材料で形成されているピニング層と、
前記ピニング層の上に配置されており、該ピニング層と、直接または他の強磁性材料層を介して交換結合することにより磁化方向が固定される強磁性材料からなるレファレンス層と、
前記レファレンス層の上に配置された非磁性材料からなる非磁性層と、
前記非磁性層の上に配置され、外部磁場の影響によって磁化方向が変化する強磁性材料からなるフリー層と
を有する磁気抵抗効果素子。 - 前記ピニング層は、その（２００）結晶面が前記基板の主表面と平行になるように結晶配向している請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記下地層の厚さが２ｎｍ以上である請求項１または２に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記非磁性層が、絶縁材料で形成され、その厚さ方向にトンネル電流が流れる厚さを有する請求項１乃至３のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記非磁性層がＭｇＯで形成されている請求項４に記載の磁気抵抗効果素子。
- 基板の主表面上に配置されており、ＮｉＦｅＮで形成されている下地層と、
前記下地層の上に配置されており、ＩｒとＭｎとを含む反強磁性材料で形成されているピニング層と、
前記ピニング層の上に配置されており、該ピニング層と交換結合することにより磁化方向が固定される強磁性材料からなるピンド層と
を有する磁性積層構造体。 - ＮｉＦｅターゲットを用い、スパッタガスとして、窒素の分圧比が２５％〜６０％になるように窒素を含むガスを用いた反応性スパッタリングにより、ＮｉＦｅＮからなる下地層を、基板上に形成する工程と、
前記下地層の上に、ＩｒとＭｎとを含む反強磁性材料からなるピニング層を形成する工程と
を有する磁性積層構造体の製造方法。 - 基板の主表面上に配置されており、ＮｉＦｅＮで形成されている下地層と、
前記下地層の上に配置されており、外部磁場の影響によって磁化方向が変化する強磁性材料で形成されているフリー層と、
前記フリー層の上に配置されており、ＭｇＯで形成されているトンネルバリア層と、
前記トンネルバリア層の上に配置されており、磁化方向が固定された強磁性材料で形成されているレファレンス層と
を有する磁気抵抗効果素子。 - 前記下地層において、構成元素である窒素が前記下地層の底面から上面まで分布している請求項１乃至５のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2007072280A JP4985006B2 (ja) | 2007-03-20 | 2007-03-20 | 磁気抵抗効果素子、磁性積層構造体、及び磁性積層構造体の製造方法 |
| US12/041,396 US8184407B2 (en) | 2007-03-20 | 2008-03-03 | Magnetoresistance effect device, magnetic lamination structural body, and manufacture method for magnetic lamination structural body |
| KR1020080025486A KR100917558B1 (ko) | 2007-03-20 | 2008-03-19 | 자기 저항 효과 소자, 자성 적층 구조체, 및 자성 적층구조체의 제조 방법 |
| CN2008100868926A CN101271958B (zh) | 2007-03-20 | 2008-03-20 | 磁阻效应器件、磁层叠结构体及磁层叠结构体的制造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2007072280A JP4985006B2 (ja) | 2007-03-20 | 2007-03-20 | 磁気抵抗効果素子、磁性積層構造体、及び磁性積層構造体の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2008235528A JP2008235528A (ja) | 2008-10-02 |
| JP4985006B2 true JP4985006B2 (ja) | 2012-07-25 |
Family
ID=39774431
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2007072280A Expired - Fee Related JP4985006B2 (ja) | 2007-03-20 | 2007-03-20 | 磁気抵抗効果素子、磁性積層構造体、及び磁性積層構造体の製造方法 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US8184407B2 (ja) |
| JP (1) | JP4985006B2 (ja) |
| KR (1) | KR100917558B1 (ja) |
| CN (1) | CN101271958B (ja) |
Families Citing this family (19)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4873415B2 (ja) * | 2007-02-28 | 2012-02-08 | 三洋電機株式会社 | 固体電解コンデンサの製造方法 |
| US8094421B2 (en) * | 2007-12-26 | 2012-01-10 | Hitachi Global Storage Technologies Netherlands, B.V. | Current-perpendicular-to-plane (CPP) read sensor with multiple reference layers |
| JP5012910B2 (ja) * | 2008-01-30 | 2012-08-29 | 富士通株式会社 | 磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド、および、情報記憶装置 |
| JP2010102805A (ja) * | 2008-10-27 | 2010-05-06 | Hitachi Global Storage Technologies Netherlands Bv | トンネル接合型磁気抵抗効果ヘッド |
| US8154828B2 (en) | 2009-07-10 | 2012-04-10 | Tdk Corporation | Magnetoresistive effect element in CPP-type structure and magnetic disk device |
| CN101996734B (zh) * | 2009-08-25 | 2012-12-12 | 中国科学院物理研究所 | 一种线性响应巨磁电阻效应多层膜 |
| US8648589B2 (en) * | 2009-10-16 | 2014-02-11 | HGST Netherlands B.V. | Magnetoresistive sensor employing nitrogenated Cu/Ag under-layers with (100) textured growth as templates for CoFe, CoFeX, and Co2(MnFe)X alloys |
| US8508221B2 (en) * | 2010-08-30 | 2013-08-13 | Everspin Technologies, Inc. | Two-axis magnetic field sensor having reduced compensation angle for zero offset |
| JP5209011B2 (ja) * | 2010-09-16 | 2013-06-12 | 株式会社東芝 | 磁気抵抗素子 |
| US20130065075A1 (en) * | 2011-09-12 | 2013-03-14 | Klemens Pruegl | Magnetoresistive spin valve layer systems |
| US8879214B2 (en) | 2011-12-21 | 2014-11-04 | HGST Netherlands B.V. | Half metal trilayer TMR reader with negative interlayer coupling |
| CN103187522B (zh) * | 2011-12-30 | 2015-04-08 | 中芯国际集成电路制造(北京)有限公司 | 半导体器件制造方法 |
| EP2725579A1 (en) * | 2012-10-29 | 2014-04-30 | Crocus Technology S.A. | TA-MRAM cell with seed layer having improved data retention, reduced writing and reading fields |
| KR102105078B1 (ko) | 2013-05-30 | 2020-04-27 | 삼성전자주식회사 | 자기 기억 소자 |
| US11245069B2 (en) * | 2015-07-14 | 2022-02-08 | Applied Materials, Inc. | Methods for forming structures with desired crystallinity for MRAM applications |
| KR20170012791A (ko) * | 2015-07-24 | 2017-02-03 | 에스케이하이닉스 주식회사 | 전자 장치의 제조 방법 |
| JP7128476B2 (ja) * | 2017-01-24 | 2022-08-31 | 国立大学法人東北大学 | 磁気抵抗素子の製造方法 |
| CN108456849B (zh) * | 2018-02-20 | 2020-06-23 | 泉州嘉德利电子材料有限公司 | 平面各向异性磁阻薄膜及其制备方法 |
| WO2020157293A1 (de) * | 2019-02-01 | 2020-08-06 | Sensitec Gmbh | Anordnung benachbarter schichtstrukturen für einen magnetoresistiven magnetfeldsensor, magnetoresistiver magnetfeldsensor und verfahren zu deren herstellung |
Family Cites Families (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100256069B1 (ko) | 1994-08-10 | 2000-05-01 | 이형도 | 박막자기헤드의 제조방법 |
| JPH09212828A (ja) * | 1996-02-02 | 1997-08-15 | Hitachi Ltd | 磁気ヘッドおよびその製造方法 |
| JP4409656B2 (ja) * | 1998-03-20 | 2010-02-03 | 株式会社東芝 | 磁気抵抗効果素子及び磁気再生装置 |
| US6303218B1 (en) | 1998-03-20 | 2001-10-16 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Multi-layered thin-film functional device and magnetoresistance effect element |
| JPH11329882A (ja) * | 1998-05-13 | 1999-11-30 | Sharp Corp | 交換結合膜の製造方法および磁気抵抗効果素子 |
| TWI222630B (en) * | 2001-04-24 | 2004-10-21 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Magnetoresistive element and magnetoresistive memory device using the same |
| US6930863B2 (en) | 2003-01-10 | 2005-08-16 | International Business Machines Corporation | Graded laminated thin film poles and shields for magnetic heads |
| US7251110B2 (en) * | 2005-01-18 | 2007-07-31 | Hitachi Global Storage Technologies Netherlands B.V. | GMR sensor having layers treated with nitrogen for increased magnetoresistance |
| JP3868975B2 (ja) | 2005-04-08 | 2007-01-17 | 富士通株式会社 | 磁気抵抗センサ及びその製造方法 |
-
2007
- 2007-03-20 JP JP2007072280A patent/JP4985006B2/ja not_active Expired - Fee Related
-
2008
- 2008-03-03 US US12/041,396 patent/US8184407B2/en not_active Expired - Fee Related
- 2008-03-19 KR KR1020080025486A patent/KR100917558B1/ko not_active IP Right Cessation
- 2008-03-20 CN CN2008100868926A patent/CN101271958B/zh not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US20080232003A1 (en) | 2008-09-25 |
| KR100917558B1 (ko) | 2009-09-16 |
| CN101271958B (zh) | 2010-12-08 |
| US8184407B2 (en) | 2012-05-22 |
| CN101271958A (zh) | 2008-09-24 |
| KR20080085771A (ko) | 2008-09-24 |
| JP2008235528A (ja) | 2008-10-02 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP4985006B2 (ja) | 磁気抵抗効果素子、磁性積層構造体、及び磁性積層構造体の製造方法 | |
| JP5153061B2 (ja) | 磁気メモリ構造およびトンネル磁気抵抗効果型再生ヘッドならびにそれらの製造方法 | |
| US8873204B1 (en) | Current-perpendicular-to-the-plane (CPP) magnetoresistive (MR) sensor structure with multiple stacked sensors and center shield with CoFeB insertion layer | |
| KR100378414B1 (ko) | 자기저항효과소자, 그 제조방법, 및 그것을 사용한 자기기억장치 | |
| US10777222B1 (en) | Two-dimensional magnetic recording (TDMR) read head structure with different stacked sensors and disk drive incorporating the structure | |
| US6731477B2 (en) | Current-perpendicular-to-plane spin-valve sensor with metallic oxide barrier layer and method of fabrication | |
| CN102483931B (zh) | 具有复合磁屏蔽的磁性传感器 | |
| KR100894521B1 (ko) | 터널 자기 저항 소자, 자기 헤드 및 자기 메모리 | |
| KR20090038809A (ko) | 강자성 터널 접합 소자, 강자성 터널 접합 소자의 제조 방법, 자기 헤드, 자기 기억 장치, 및 자기 메모리 장치 | |
| US8107202B2 (en) | Magnetoresistive sensor with novel pinned layer structure | |
| JP2009152333A (ja) | 強磁性トンネル接合素子、磁気ヘッド、及び磁気記憶装置 | |
| JP3703348B2 (ja) | スピンバルブ型薄膜素子とそのスピンバルブ型薄膜素子を備えた薄膜磁気ヘッド | |
| JP2009140952A (ja) | Ｃｐｐ構造磁気抵抗効果素子およびその製造方法並びに記憶装置 | |
| US20070195469A1 (en) | Magnetoresistive effect element, magnetic head, magnetic reproducing apparatus, and manufacturing method of magnetoresistive effect element | |
| KR101145044B1 (ko) | 자기 저항 효과 소자, 자기 헤드, 및 정보 기억 장치 | |
| US7123451B2 (en) | Thin-film magnetic head for reading magnetic information on a hard disk by utilizing a magnetoresistance effect | |
| US8675316B2 (en) | Magnetoresistive sensor with sub-layering of pinned layers | |
| US8081402B2 (en) | Magnetoresistive head having a current screen layer for confining current therein and method of manufacture thereof | |
| JP2009064528A (ja) | 磁気抵抗効果ヘッド及びその製造方法 | |
| JP2011123944A (ja) | Ｔｍｒリード・ヘッドの製造方法及びｔｍｒ積層体 | |
| JP2004079936A (ja) | 強磁性トンネル接合を有する積層膜、その製造方法、磁気センサ、磁気記録装置、及び、磁気メモリ装置 | |
| JP2009059950A (ja) | 磁気抵抗効果膜、磁気ヘッド、磁気ディスク装置、磁気メモリ装置、及び磁気抵抗効果膜の製造方法 | |
| JP2010062191A (ja) | 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 | |
| JP3561026B2 (ja) | 磁気抵抗効果ヘッド | |
| JP2008227208A (ja) | 磁気抵抗効果素子、それを用いた磁気ヘッド及び磁気抵抗効果型ランダムアクセスメモリ |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20091208 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20110818 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20110830 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20110930 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20120403 |
|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20120416 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20150511 Year of fee payment: 3 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |