JPWO2006006420A1 - 磁気抵抗効素子、磁気ランダムアクセスメモリ、磁気ヘッド及び磁気記憶装置 - Google Patents

磁気抵抗効素子、磁気ランダムアクセスメモリ、磁気ヘッド及び磁気記憶装置 Download PDF

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Abstract

磁気抵抗効果素子は、反強磁性層、固定強磁性層、第１非磁性層及び自由強磁性層を具備する。反強磁性層は基板の上面側に形成される。固定強磁性層は反強磁性層の上に形成される。第１非磁性層は固定強磁性層の上に形成される。自由強磁性層は第１非磁性層の上に形成される。固定強磁性層は非晶質層を備える。非晶質層はＸ−Ｙ−Ｚの化学式で表される非晶質材料を含む。ＸはＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉのうちから選択される元素である。ＹはＡｌ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖのうちから選択される元素である。ＺはＮ、Ｃ、Ｂのうちから選択される元素である。

Description

本発明は、磁気抵抗効素子、及びそれを適用した磁気ランダムアクセスメモリ、磁気ヘッド及び磁気記憶装置に関する。
電子のスピンに依存した伝導現象に基づく磁気抵抗効果を、磁気ヘッドや磁気ランダムアクセスメモリ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ（ＭＲＡＭ））などに応用するための開発が盛んである。磁気抵抗効果は、強磁性層／非磁性層／強磁性層の構造を含む積層膜において、非磁性層を介して隣り合う強磁性層同士の磁化方向の相対角度に応じて抵抗値が異なる現象である。一般に、磁化方向が平行の場合に抵抗値が最も小さく、反平行の場合に抵抗値が最も大きくなる。
このような磁気抵抗効果を発生させる積層膜（磁気抵抗効果積層膜）の内、非磁性層としてＣｕなどの導電性材料を用いたものを、一般的に巨大磁気抵抗効果膜（ＧＭＲ膜：Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ膜）という。ＧＭＲ膜には、電流を膜面に平行に流すもの（ＣＩＰ−ＧＭＲ膜：Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｉｎ Ｐｌａｎｅ−ＧＭＲ膜）と、電流を膜面に垂直に流すもの（ＣＰＰ−ＧＭＲ膜：Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ｔｏ Ｐｌａｎｅ−ＧＭＲ膜）とがある。また、非磁性層にアルミナなどの絶縁性材料を用いた磁気抵抗効果膜をトンネル磁気抵抗効果膜（ＴＭＲ膜：Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ膜）という。
アルミナなどにより形成された非磁性層をトンネルバリア層と呼ぶ。ＴＭＲ膜では、非磁性層を挟む磁性層のスピン分極率が高いほど大きな磁気抵抗変化率（ＭＲ比）を得ることができる。スピン分極率の大きな材料としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉなどの磁性金属、Ｃｏ−Ｆｅ合金、Ｎｉ−Ｆｅ合金などの磁性金属合金、１００％のスピン分極率が期待されるハーフメタリック強磁性体などが挙げられる。そして、より大きなＭＲ比を発現する磁気抵抗効果膜としては、前述のＴＭＲ膜が期待されている。
ところで、ＧＭＲ膜やＴＭＲ膜などの磁気抵抗効果膜を、微小磁界で動作するデバイスに応用するために、スピンバルブ型と呼ばれる磁気抵抗効果膜が提案されている。スピンバルブ型磁気抵抗効果膜では、非磁性層を挟む一方の磁性層の磁化方向が固定され、もう一方の磁性層の磁化方向が外部磁界に対して自由に動くことができる。磁化が固定されている磁性層は固定（強）磁性（磁化固定）層と、磁化が自由に動く磁性層は自由（強）磁性（磁化自由）層と呼ばれている。この方法により、固定磁性層と自由磁性層との間の磁化方向の相対角度を容易に変化させることができる。
固定磁性層は、主に以下の３通りの方法で実現することが出来る。一つは、自由磁性層よりも大きな保磁力を有する磁性体を用いることで、自由磁性層の保磁力と固定磁性層の保磁力との差を用いる。二つ目として、固定磁性層となる磁性層を保磁力の大きい永久磁石膜などと積層し、双方の膜の界面に生じる結合磁界によって固定層の磁化を固定する方法である。三つ目は固定磁性層となる磁性層を反強磁性体層と積層し、双方の膜の界面に生じる交換結合磁界によって固定磁性層の磁化を固定する方法（交換結合方式）である。この三つ目の方法がＧＭＲ膜においては既に磁気ヘッドに応用されて実用化されている。そして、この実績をもとに、ＧＭＲ膜とともにＴＭＲ膜を用いたスピンバルブ型磁気抵抗効果膜についても、この交換結合方式が、次世代の磁気ヘッドやＭＲＡＭなどへの応用に向けて期待されている。
磁気抵抗効果膜を磁気ヘッドやＭＲＡＭに応用する場合、磁気抵抗効果膜には、デバイス化する際に必要とされる高温でのプロセスに耐える耐熱性が必要である。例えば、ＭＲＡＭに適用する場合３５０℃以上の耐熱性が求められる。しかしながら、このような高温で熱処理を施すと、磁気抵抗効果特性が劣化しＭＲ比が低減する場合がある。この劣化は、素子を構成する多層膜内の元素が相互拡散することが原因の一つと考えられている。
図１は、磁気抵抗効果素子としての交換結合方式のスピンバルブ型ＴＭＲ膜の構成の一例を示す断面図である。基板１０９上に、膜構成は基板１０９側から、下電極層１０６としてＴａ膜３０ｎｍ、下地層１０５としてＮｉＦｅ膜３ｎｍ、反強磁性体層１０４としてＰｔＭｎ膜１５ｎｍ、固定強磁性層（磁化固定層）１０３としてＣｏＦｅ膜３ｎｍ、Ｒｕ膜０．８ｎｍ、ＣｏＦｅ膜３ｎｍの３層膜、非磁性層（トンネルバリア層）１０２として酸化Ａｌ膜１ｎｍ、自由強磁性層（磁化自由層）１０１としてＮｉＦｅ膜５ｎｍ、上電極層１０７としてＴａ膜２０ｎｍである。
図２は、ＴＭＲ膜を２７５℃および３５０℃で熱処理した後のＭｎの膜中での分布を示すグラフである。２次イオン（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）を用いて評価した結果である。熱処理温度の上昇と共に、反強磁体層１０４のＰｔＭｎ膜のＭｎが拡散する。特に、非磁性層１０２の付近に溜まって行く様子が確認された。このＭｎがバリアの性質に影響を及ぼし、ＭＲ比の低下などを招いていると考えられる。よって、このＭｎの拡散を抑制することは、耐熱性の高いＴＭＲ膜を得るために重要と考えられる。
Ｍｎ拡散を抑制するために、非磁性層層１０２と固定強磁性層１０３（ＣｏＦｅ）との間に酸化鉄膜（ＦｅＯｘ）を挿入する方法が、Ｚｏｎｇｚｈｉ Ｚｈａｎｇ，Ｓ．Ｃａｒｄｏｓｏ，Ｐ．Ｐ．Ｆｒｅｉｔａｓ，Ｘ．Ｂａｔｌｌｅ，Ｐ．Ｗｅｉ，Ｎ．Ｂａｒｒａｄａｓ，ａｎｄ Ｊ．Ｃ．Ｓｏａｒｅｓ，“４０％ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ａｆｔｅｒ ａｎｎｅａｌ ａｔ ３８０℃ ｆｏｒ ｔｕｎｎｅｌ ｊｕｎｃｔｉｏｎｓ ｗｉｔｈ ｉｒｏｎ＆＃８２１１；ｏｘｉｄｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｌａｙｅｒｓ”，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，８９（２００１）ｐ．６６６５に開示されている。この方法により、３８０℃の熱処理でも４０％のＭＲ比が得られるとしている。しかしながら、この方法では、大きいＭＲ比の得られる熱処理条件のマージンが極めて狭く、製造の際には歩留りが上がらない。また、酸化鉄の磁気特性は熱処理によって大きく変化する。固定強磁性層はＣｏＦｅ層に酸化鉄層が積層された構成であるため、熱処理によって固定強磁性層全体の磁化の大きさが変化する。固定強磁性層の磁化は、ＴＭＲ膜をパタン化した時に自由強磁性層に影響を及ぼす。例えば、ＭＲＡＭの場合、固定強磁性層からの磁化が自由強磁性層に及ぼす影響で、自由強磁性層の磁化反転特性にオフセットが生じる。酸化鉄層が積層された構成ではこのオフセットが常に変化するため、安定なデバイス動作が困難になる。
また、落合隆夫、手束展規、猪俣浩一郎、杉本 諭、斉藤好昭、“ピン層にＣｏＦｅ／ＣｏＦｅＯｘ／ＣｏＦｅを用いた強磁性トンネル接合の耐熱性の改善”、日本応用磁気学会誌Ｖｏｌ．２７，Ｎｏ．４（２００３）ｐ．３０７には、固定強磁性層のＣｏＦｅ層間にＣｏＦｅＯｘ層を挿入し、ＣｏＦｅ／ＣｏＦｅＯｘ／ＣｏＦｅとする構成が開示されている。このとき最大のＭＲ比４７％が３５０℃の熱処理後に得られたとしている。しかしながら、この場合、ＣｏＦｅＯｘ層では比較的低温の熱処理でも酸素が拡散することが指摘されている。即ち、固定強磁性層の磁気特性が比較的低温から変化してしまい、前述したＦｅＯｘ層の挿入の場合と同様、安定なデバイス動作が困難となる。
関連する技術として特開２００４−４７５８３号公報に、磁気抵抗効果素子、磁気メモリ、磁気ヘッド及び磁気記憶装置が開示されている。この従来技術では、反強磁性層の結晶粒の大きさと磁化固定層の厚さを規定し、Ｍｎ拡散の影響を抑制すると記載されている。即ち、反強磁性体層を構成する材料の結晶粒の平均粒径をＤ、前記反強磁性体層と非磁性層（バリア層）との間の距離をＨとした時、
１ｎｍ≦Ｄ＜１０ｎｍ、ならびに、Ｄ≧２×ＨまたはＨ≧１．４×Ｄ
あるいは、
Ｄ≧１０ｎｍ
であるとする。
図３は、この従来技術におけるＴＭＲ膜の構成の断面図である。結晶粒界が反強磁性層１０４と固定磁性層１０３に連続的に形成された場合、上記のようにＤとＨを規定しても、耐熱性改善の顕著な効果は得難い。粒界１１０を伝って拡散が促進されるためである。
そこで、この従来技術では、さらに、反強磁性体層１０４と非磁性層１０２との間に拡散制御層１１２を挿入することを開示している。図４は、この従来技術におけるＴＭＲ膜の構成の断面図である。ここで、拡散制御層１１２は、式Ｍ−Ｘで示される組成を有する強磁性材料を含む。但し、Ｍは、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉから選ばれる少なくとも１種の元素であり、Ｘは、ＩＶａ族〜ＶＩＩａ族、ＶＩＩＩ族、Ｉｂ族、ランタノイド、Ａｌ、Ｓｉ、Ｓｃ、Ｙ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｏ、ＰおよびＳより選ばれる少なくとも１種の非磁性元素である。この場合、粒界１１０は図４のようになり、粒界１１０を介しての拡散は図３に比較して抑制される。
図５〜図７は、この従来技術におけるＭｎの拡散の様子を示すＴＭＲ膜の断面図である。この場合、例えば、図５のように、反強磁性体層のＭｎの拡散が進行し、Ｍｎ１１１は層間に蓄積される。ここで一度は拡散が抑制される。しかし、その後、蓄積されたＭｎ１１１が上層の粒界１１０に達する。そして、図６のように、その時点から上層の粒界１１０を伝ってさらに上層へと拡散する。最終的には、図７のように、非磁性層１０２へ達する。すなわち、ある熱処理温度、あるいは、ある熱処理時間から急激にＭＲ比が低減する、という問題が生じた。この問題は特に、各層をスパッタ成膜する時の条件である、到達真空度、基板温度、スパッタガス圧力、スパッタ電力で異なる。例えば、スパッタガス圧を０．１Ｐａから１Ｐａへと高くすると、熱処理温度が３００℃程度と低くても、ＭＲ比は低減した。また、基板温度が１５０℃と高い場合、室温で成膜した場合に比べて耐熱性は低下した。即ち、耐熱性に優れたＴＭＲ膜を作製するためには、成膜条件を厳密に制御する必要があることを意味し、製造歩留りの低下、製造コストの増加を招く原因となっている。
また、特開２００４−４７５８３号公報では、粒界制御層である式Ｍ−Ｘで示される組成を有する強磁性材料が、アモルファス構造である場合を開示している。具体的にはＣｏＦｅＢやＮｉＦｅＢが開示されている。しかし、これらのアモルファス構造膜は、高温での熱処理で結晶化し粒界を形成するのみならず、３００℃以下の熱処理であってもＢの拡散が生じ、反強磁性層のＭｎの拡散とは別に、Ｂの拡散によってバリア特性を劣化させている。
一方、特開平９−２３０３１号公報では、Ｘ−Ｍ−Ｚの組成を有する軟磁性膜が、平均結晶粒径２０ｎｍ以下の元素Ｘの結晶粒と、元素Ｍの炭化物または窒化物とに分離されてなることを特徴とする軟磁性膜を用いた磁気抵抗効果多層膜が開示されている。ただし元素Ｘは、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうち、１種または２種以上を示す。元素Ｍは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗのうち、１種または２種以上を示す。元素Ｚは、Ｃ、Ｎのうち、１種または２種を示す。しかし、元素Ｘの結晶粒と、元素Ｍの炭化物または窒化物とに分離されてなる場合、相互の結晶粒界は存在し、この結晶粒界を伝ってＭｎの拡散が進行し、ある熱処理温度、或いは、ある熱処理時間から急激にＭＲ比が低減する、という問題が生じた。
３５０℃以上の熱処理工程に対して特性が劣化せず耐熱性のある磁気抵抗効果膜を有する磁気抵抗効果素子が望まれる。製造歩留りが高く、製造コストの低い磁気抵抗効果素子が望まれる。耐熱性の高く、製造歩留りが高く、製造コストの低い磁気ランダムアクセスメモリ、磁気ヘッド及び磁気記憶装置が望まれる。
関連する技術として特開２００２−１５８３８１号公報に強磁性トンネル接合素子およびその製造方法が開示されている。この強磁性トンネル接合素子は、Ｍｎを含有する反強磁性層と、前記反強磁性層上に形成された、第１および第２の２つの強磁性層の間に絶縁層またはアモルファス磁性層を挟んだ構造を有する磁化固着層と、前記磁化固着層上に形成されたトンネルバリア層と、前記トンネルバリア層上に形成された磁化自由層とを具備する。前記磁化固着層の絶縁層またはアモルファス磁性層が、前記反強磁性層に含まれるＭｎの拡散を防止する機能を有していても良い。前記磁化固着層の第１の強磁性層を酸化雰囲気、窒化雰囲気または炭化雰囲気に暴露して、前記磁化固着膜の絶縁層を形成しても良い。
関連する技術として特開２００２−１５０５１４号公報に磁気抵抗効果型磁気ヘッド及び磁気記録再生装置が開示されている。この磁気抵抗効果型磁気ヘッドは、反強磁性膜と、固定層と、非磁性膜と、自由層とが順に形成されている。固定層は、該反強磁性膜との交換結合によりその磁化方向が外部磁界に固定された強磁性膜を有する。自由層は、外部磁界に応じてその磁化が回転する強磁性膜を有するとが順に形成されている。前記固定層を構成する強磁性膜の磁化と前記自由層を構成する強磁性膜の磁化との相対角度が変化することにより磁気抵抗効果を生じる。前記固定層は、一対の強磁性膜の間に酸化物膜が形成されている。該酸化物膜の膜厚が５×１０−１０ｍ以上３０×１０−１０ｍ以下である。該酸化物膜がＭｇ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｃａ、Ｔｉ、Ｚｒのうち少なくとも１種類以上の元素を含むものである。
関連する技術として特開２００１−３５２１１２号公報に磁気抵抗効果素子及び磁気抵抗効果型ヘッドが開示されている。この磁気抵抗効果素子は、反強磁性層と、磁性層（固定層）と、非磁性層と、磁性層（自由層）が順次積層した多層膜である。固定層は、外部磁界により容易には磁化回転しない。自由層は、外部磁界により容易に磁化回転が可能である。反強磁性層、固定層、非磁性層、自由層のいずれかの層中か、または、反強磁性層、固定層、非磁性層、自由層のいずれかの界面に酸化物層を形成している。かつ、前記反強磁性層、固定層、非磁性層及び自由層から選ばれる少なくとも一つの層（以下「他層」という）と、前記酸化物層との間に、前記他層の酸化を抑制する為の酸素拡散防止層を形成している。酸素拡散防止層が、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｒｕ、Ｎｉ及びＮｉ１−ＸＭＸ合金（ただし、ＭはＦｅ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｔａのうち１種以上、０≦Ｘ＜４０、Ｘは原子組成比）から選ばれる少なくとも一つを主成分としても良い。酸化物層が元素Ｄ（ただし、ＤはＡｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉから選ばれる少なくとも１種の元素）を主成分とする酸化物からなっていても良い。
特開２００１−２３６６０７号公報に薄膜磁気ヘッド及びその製造方法の技術が開示されている。この薄膜磁気ヘッドは記録ヘッドを有する。記録ヘッドは、読み出しヘッドと、下部磁気コア層と、上部磁気コア層と、コイル層とで形成される。前記両磁気コア層が、ＦｅａＭｇｂＮｂｃＯｄ（但し、添え字のａ、ｂ、ｃ、ｄは原子量％を示す）なる組成式で表される。かつ、前記組成はａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１００、４５≦ａ≦８５、５．５≦ｂ≦２８、０．５≦ｃ≦３、８≦ｄ≦３５、の範囲である軟磁性材料で構成されることを特徴とする。主としてＦｅで平均結晶粒径が１５ｎｍ以下である金属磁性結晶粒を形成し、Ｍｇ，Ｎｂ，Ｏで前記金属磁性結晶粒を略覆う粒界生成物を形成した軟磁性材料で構成されていても良い。
関連する技術として特開２００１−６９３２号公報に磁気抵抗効果膜とこれを用いた磁気読取りセンサが開示されている。この磁気抵抗効果膜は、規則系反強磁性層と、これに接合される固定磁性構造部と、非磁性導電層と、少なくとも１層以上の磁性層を有する自由磁性層部とを有する磁気抵抗効果膜である。上記固定磁性構造部が、第１の強磁性層と、非磁性中間層と、第２の強磁性層との３層構造を１組以上含む多層膜構造であり、上記第１および第２の強磁性層の磁化方向が、互いに平行もしくは平行成分を含む。
従って、本発明の目的は、素子製造プロセスにおける熱処理工程でも、特性が劣化せず耐熱性の高い磁気抵抗効果膜を有する磁気抵抗効果素子、磁気抵抗効果素子の製造方法、磁気ランダムアクセスメモリ、磁気ヘッド及び磁気記憶装置を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、製造歩留りが高く、製造コストの低い磁気抵抗効果膜を有する磁気抵抗効果素子、磁気抵抗効果素子の製造方法、磁気ランダムアクセスメモリ、磁気ヘッド及び磁気記憶装置を提供することにある。
本発明の一の観点において、磁気抵抗効果素子は、反強磁性層と、固定強磁性層と、第１非磁性層と、自由強磁性層とを具備している。反強磁性層は、基板の上面側に形成されている。固定強磁性層は、反強磁性層の上に形成されている。第１非磁性層は、固定強磁性層の上に形成されている。自由強磁性層は、第１非磁性層の上に形成されている。固定強磁性層は、非晶質層を備えている。非晶質層は、Ｘ−Ｙ−Ｚの化学式で表される非晶質材料を含んでいる。Ｘは、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉのうちから選択される少なくとも１種類の元素である。Ｙは、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖのうちから選択される少なくとも１種類の元素である。Ｚは、Ｎ、Ｃ、Ｂのうちから選択される少なくとも１種類の元素である。
好適には、固定強磁性層は、第１固定強磁性層と、第２非磁性層と、第２固定強磁性層とを更に備える。反強磁性層の上に形成された第１固定強磁性層と、第２非磁性層は、第1固定強磁性層の上に形成されている。第２固定強磁性層は、第２非磁性層の上に形成されている。
好適には、非晶質層は、第２非磁性層と反強磁性層との間に形成される。非晶質層は、Ｙ−Ｚの化学式で表される化合物を更に含むことが好ましい。
本発明の他の観点において、磁気抵抗効果素子の製造方法は、基板の上面側に反強磁性層を形成する工程と、反強磁性層の上に固定強磁性層を形成する工程と、固定強磁性層の上に第１非磁性層を形成する工程と、第１非磁性層の上に自由強磁性層を形成する工程とを具備している。固定強磁性層を形成する工程は、非晶質層を形成する工程を備えている。非晶質層は、Ｘ−Ｙ−Ｚの化学式で表される非晶質材料を含んでいる。Ｘは、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉのうちから選択される少なくとも１種類の元素である。Ｙは、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖのうちから選択される少なくとも１種類の元素である。Ｚは、Ｎ、Ｃ、Ｂのうちから選択される少なくとも１種類の元素である。
好適には、固定強磁性層を形成する工程は、反強磁性層の上に第１固定強磁性層を形成する工程と、第1固定強磁性層の上に第２非磁性層を形成する工程と、第２非磁性層の上に第２固定強磁性層を形成する工程とを更に備える。
非晶質層を形成する工程は、第２非磁性層を形成する工程と、反強磁性層を形成する工程との間に行われることが好ましい。
また、非晶質層は、Ｙ−Ｚの化学式で表される化合物を更に含むことが好ましい。
上記の磁気抵抗効果素子の製造方法において、各層を形成する際に行われる成膜は真空装置内で行われ、真空装置の成膜チャンバの到達真空度は３×10−６Ｐａ以下である。本発明により、膜中に取り込まれる酸素や水素といった不純物を少なくすることができ、Ｙ−Ｚを主成分とする化合物の生成が促進される。
上記の磁気抵抗効果素子の製造方法において、成膜はスパッタ法で行われ、スパッタガス圧力が０．０１Ｐａ以上３Ｐａ以下である。本発明により、膜の異常成長、欠陥の形成を抑制でき、欠陥を伝っての拡散の無い、高耐熱なＴＭＲ膜を得ることができる。
本発明の更に他の観点において、磁気ランダムアクセスメモリは、複数のビット線と、複数のワード線と、磁気抵抗効果素子とを具備している。複数のビット線は、第１方向へ伸びている。複数のワード線は、第１方向と実質的に垂直な第２方向へ伸びている。磁気抵抗効果素子は、複数のビット線と複数のワード線との交点の各々に対応して設けられ、上記のいずれか一項に記載されている。
上記課題を解決するために、本発明の磁気ヘッドは、再生素子と、第１磁気コアと、第２磁気コアと、コイルとを具備している。第１磁気コアは、再生素子から離れて設けられている。第２磁気コアは、第１磁気コアに関して再生素子と反対の側に、所定のギャップを形成するように、第１磁気コアから離れて設けられている。コイルは、第１磁気コアと第２磁気コアとの間に絶縁層を介して設けられている。再生素子は、シールド内に設けられた２つの電極と、２つの電極に挟まれた上記のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子とを備える。
上記課題を解決するために、本発明の磁気記録装置は、モータと、磁気ヘッドと、保持部と、移動部と、記録再生部と、制御部とを具備する。モータは、磁気記録媒体を回転する。磁気ヘッドは、磁気記録媒体に対してデータの記録再生を行い、上記に記載されている。保持部は、磁気ヘッドを保持する。移動部は、保持部を移動する。記録再生部は、磁気ヘッドを駆動する。制御部は、駆動部及び記録再生部を制御する。
本発明では、Ｘ−Ｙ−Ｚを主成分とする層が非晶質構造であるので、反強磁性層からの主にＭｎの、粒界を伝っての拡散が抑制される。また、Ｎ、Ｃ、Ｂなどのそれ自体では拡散しやすい元素は、Ｙ−Ｚとして安定な化合物になっているため拡散しにくい。さらに、この非晶質構造は、Ｙ−Ｚからなる化合物がＸの結晶質化を阻止しており、単にＸ−Ｙからなる非晶質構造に比べて熱的に安定である。また、Ｘ−Ｙ−Ｚを主成分とする層中に形成されるＹ−Ｚなる化合物は、比抵抗が小さいことから、磁気抵抗効果素子の不必要な抵抗増大を生じない。これは、例えばＹの酸化物が絶縁体であることと大きく異なる点である。
本発明により、素子製造プロセスにおける熱処理工程でも、特性が劣化しないように耐熱性を高くすることができる。製造歩留りを高くし、製造コストを低くすることが可能となる。
図１は、磁気抵抗効果素子としての交換結合方式のスピンバルブ型ＴＭＲ膜の構成の一例を示す断面図である； 図２は、ＴＭＲ膜を２７５℃および３５０℃で熱処理した後のＭｎの膜中での分布を示すグラフである； 図３は、この従来技術におけるＴＭＲ膜の構成の断面図である； 図４は、この従来技術におけるＴＭＲ膜の構成の断面図である； 図５は、この従来技術におけるＭｎの拡散の様子を示すＴＭＲ膜の断面図である； 図６は、この従来技術におけるＭｎの拡散の様子を示すＴＭＲ膜の断面図である； 図７は、この従来技術におけるＭｎの拡散の様子を示すＴＭＲ膜の断面図である； 図８は、本発明の磁気抵抗効果素子の実施の形態の構成を示す断面図である； 図９は、本発明の磁気抵抗効果素子の実施の形態の詳細構成を示す断面図である； 図１０は、本発明の磁気抵抗効果素子の実施の形態の他の詳細構成を示す断面図である； 図１１は、本発明の磁気抵抗効果素子の実施の形態の更に他の詳細構成を示す断面図である； 図１２は、本発明の磁気抵抗効果素子の実施の形態の更に他の詳細構成を示す断面図である； 図１３は、本発明の磁気抵抗効果素子の実施の形態の別の詳細構成を示す断面図である； 図１４は、本発明の磁気抵抗効果素子の実施の形態の更に別の詳細構成を示す断面図である； 図１５は、本発明の磁気抵抗効果素子の実施の形態の更に別の詳細構成を示す断面図である； 図１６は、本発明の磁気抵抗効果素子の実施の形態の更に別の詳細構成を示す断面図である； 図１７は、本発明の磁気抵抗効果素子の実施の形態の更に別の詳細構成を示す断面図である； 図１８は、ＭＲＡＭにメモリ素子として適用された磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図である； 図１９は、ＭＲＡＭにメモリ素子として適用された磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図である； 図２０は、その磁気抵抗効果素子をマトリクス状に配置したＭＲＡＭを示すブロック図である； 図２１は、磁気ヘッドに再生素子として適用された磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図である； 図２２は、磁気抵抗効果素子を含む磁気ヘッドを搭載した磁気記録再生装置の構成を示すブロック図である； 図２３は、本発明の図９の構成の実施例を示す表である； 図２４は、本発明の図９の構成の実施例を示す表である； 図２５は、本発明の図１０〜図１３の構成の実施例を示す表である；そして、 図２６は、本発明の図１４〜図１７の構成の実施例を示す表である。
以下、本発明の磁気抵抗効果素子、磁気抵抗効果素子の製造方法、磁気ランダムアクセスメモリ、磁気ヘッド及び磁気記憶装置の好適な実施の形態に関して、添付図面を参照して説明する。
本発明の磁気抵抗効果素子の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。まず、本発明の磁気抵抗効果素子の実施の形態の構成について説明する。図８は、本発明の磁気抵抗効果素子の実施の形態の構成を示す断面図である。磁気抵抗効果素子は、下地層５、反強磁性層４、固定強磁性層３、非磁性層２、自由強磁性層１を具備する。そして、下電極層６及び上電極層７に接続されている。積層順序を逆にすることも可能である。
下電極層６は、基板の上面側に形成されている。その材料は、例えば、Ｔａ、Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｉｒ、Ａｕ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｕから選択される少なくとも１種類の金属や、ＴａＮ、ＴｉＮが適当である。これにより抵抗値の小さい下電極層６を実現できる。下地層５は、下電極層６の上に形成されている。その材料は、例えば、ＮｉＦｅ、ＮｉＣｒ、ＮｉＦｅＣｒ、Ｒｕ、Ｃｕが適当である。これにより、下地層５に積層される反強磁性層４の結晶性を制御することができる。
反強磁性層４は、下地層５の上に形成されている。その材料は、例えば、Ｍｎ−Ａのような反強磁性体が適当である。ただし、ＡはＰｔ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉから選択される少なくとも１種類の金属である。これにより、これに積層される固定強磁性層３の磁化方向を固定することができる。固定強磁性層３は、磁化固定層である。反強磁性層４の上に形成されている。固定強磁性層３の詳細は、後述する。
非磁性層２は、固定強磁性層３の上に形成されている。非磁性層２として絶縁性材料を用いたトンネルバリア層とする場合、材料は、非磁性の絶縁体または半導体であれば特に限定されない。例えば、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｇａ、Ｓｉ、ＩＩａ〜ＶＩａ族およびＩＩｂ〜ＩＶｂ族から選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｆ、Ｏ、Ｃ、ＮおよびＢから選ばれる少なくとも１種の元素との化合物を用いることが好ましい。特に、絶縁特性に優れ、かつ薄膜化が可能であり安定性や再現性にも優れていることから、Ａｌの酸化物、窒化物または酸窒化物がより好ましい。非磁性層２として、導電性材料を用いる場合、非磁性のＣｕ、Ａｕ、Ａｇ、ＲｕおよびＣｒから選ばれる少なくとも１種の元素を用いることが好ましい。このとき、上記元素の単体膜を用いても、合金膜を用いても構わない。上記のような非磁性層とすることで、比較的低い接合抵抗を実現する磁気抵抗効果素子とすることができる。
自由強磁性層１は、磁化自由層である。非磁性層２の上に形成されている。その材料は、例えば、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉから選択される少なくとも１種類の金属を主成分とすることが適当である。これらの金属および合金はスピン分極率が高く、ＭＲ比の大きい磁気抵抗効果素子を得ることができる。また、その金属または合金が、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｏから選ばれる少なくとも１種の元素を含んでいても良い。これらの元素の添加により、磁気特性の改善が可能である。
上電極層７は、自由強磁性層１の上に形成されている。その材料は、例えば、Ｔａ、Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｉｒ、Ａｕ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｕから選択される少なくとも１種類の金属や、窒化Ｔａ、窒化Ｔｉが適当である。これにより抵抗値の小さい上電極層を実現できる。
図９は、本発明の磁気抵抗効果素子の実施の形態の詳細構成を示す断面図である。図８の反強磁性層４、固定強磁性層３、非磁性層２、自由強磁性層１において、固定強磁性層３を拡散抑制層３ｃ１とした例である。拡散抑制層３ｃ１は、磁化固定層としての機能のほかに、反強磁性層４のＭｎの拡散を抑制する機能を有する。拡散抑制層３ｃ１は、Ｘ−Ｙ−Ｚを主成分とする非晶質層であって、Ｙ−Ｚからなる化合物を含む。ただし、ＸはＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉから選択される少なくとも１種類の元素である。ＹはＡｌ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖから選択される少なくとも１種類の元素である。ＺはＮ、Ｃ、Ｂから選択される少なくとも１種類の元素である。
Ｘ−Ｙ−Ｚはスパッタ法などの物理的気相成長法により形成される際に、ＺがＸよりもＹと結合しやすいため、ＸとＹ−Ｚ化合物とに分離する。そして、Ｘ−Ｙ−Ｚは全体として結晶層が析出せずに非晶質となり、結晶粒界は形成されない。よって、反強磁性層４から粒界１０を伝って拡散しようとするＭｎは、結晶粒界の無い非晶質の拡散抑制層３ｃ１で食い止められる。膜中で動きやすいＺはＹと結合しているため安定である。拡散抑制層は磁性体であることが必要なので、磁性体材料であるＸを含んでいる。これにより、磁性体としての機能と拡散防止層としての機能とを有することができる。
Ｘ、Ｙ、Ｚの元素比（％）をａ（％）：ｂ（％）：ｃ（％）とした場合、Ｍｎの拡散抑制効果が得られると同時に強磁性体となる範囲として、４０≦ａ＜１００、０＜ｂ≦３０、０＜ｃ≦３０とすることが好ましい。特に、飽和磁化として５ｋＧ以上の大きい値を得られる範囲として、６０≦ａ＜１００、０＜ｂ≦２０、０＜ｃ≦２０とすることが好ましい。非晶質構造を安定化し、顕著なＭｎ拡散抑制効果を得られる範囲として、４０≦ａ＜９０、５＜ｂ≦３０、５＜ｃ≦３０とすることが好ましい。すなわち、高い飽和磁化と顕著なＭｎ拡散抑制効果を得られる範囲として、６０≦ａ＜９０、５＜ｂ≦２０、５＜ｃ≦２０とすることがより好ましい。
顕著なＭｎ拡散抑制効果を得るための磁気抵抗効果素子の成膜のためのスパッタ条件は以下の通りである。成膜チャンバの到達真空度は、３×１０−６Ｐａ以下である。より好ましくは、１×１０−６Ｐａ以下である。これにより、膜中に取り込まれる酸素や水素といった不純物を少なくすることができ、Ｙ−Ｚを主成分とする化合物の生成、ならびに均質な非晶質の析出が促進される。
また、成膜時のスパッタガス圧力は、３Ｐａ以下であることが好ましい。より好ましくは、１Ｐａ以下である。膜の異常成長、欠陥の形成を抑制でき、欠陥を伝っての拡散の無い、高耐熱な磁気抵抗効果素子を得ることができる。また、０．０１Ｐａ以上であることが好ましい。０．０１Ｐａ未満ではスパッタ時の放電が不安定となるからである。
図１０は、本発明の磁気抵抗効果素子の実施の形態の他の詳細構成を示す断面図である。図８の反強磁性層４、固定強磁性層３、非磁性層２、自由強磁性層１において、固定強磁性層３を拡散抑制層３ｃ１と強磁性層３ａ１との積層構造にした例である。拡散抑制層３ｃ１は、反強磁性層４の上に形成されている。図９において説明したものと同等である。
強磁性層３ａ１は、拡散抑制層３ｃ１の上に形成されている。例えば、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉから選択される少なくとも１種類の金属を主成分とすることが適当である。これらの金属および合金はスピン分極率が高く、ＭＲ比の大きい磁気抵抗効果素子を得ることができる。また、強磁性層３ａ１は、その金属または合金が、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｏから選ばれる少なくとも１種の元素を含んでいても良い。これらの元素の添加により、磁気特性の改善が可能である。
図１１は、本発明の磁気抵抗効果素子の実施の形態の更に他の詳細構成を示す断面図である。図８の反強磁性層４、固定強磁性層３、非磁性層２、自由強磁性層１において、固定強磁性層３を強磁性層３ａ１と拡散抑制層３ｃ１との積層構造にした例である。強磁性層３ａ１は、反響磁性層４の上に形成されている。図１０において説明したものと同等である。拡散抑制層３ｃ１は、強磁性層３ａ１の上に形成されている。図９において説明したものと同等である。
図１２は、本発明の磁気抵抗効果素子の実施の形態の更に他の詳細構成を示す断面図である。図８の反強磁性層４、固定強磁性層３、非磁性層２、自由強磁性層１において、固定強磁性層３を強磁性層３ａ１、拡散抑制層３ｃ１、強磁性層３ａ２の積層構造にした例である。強磁性層３ａ１は、反響磁性層４の上に形成されている。図１０において説明したものと同等である。拡散抑制層３ｃ１は、強磁性層３ａ１の上に形成されている。図９において説明したものと同等である。強磁性層３ａ２は、拡散抑制層３ｃ１の上に形成されている。図１０において説明したものと同等である。
図１３は、本発明の磁気抵抗効果素子の実施の形態の別の詳細構成を示す断面図である。図８の反強磁性層４、固定強磁性層３、非磁性層２、自由強磁性層１において、固定強磁性層３を拡散抑制層３ｃ１、強磁性層３ａ１、拡散抑制層３ｃ２の積層構造にした例である。拡散抑制層３ｃ１は、反強磁性層４の上に形成されている。図９において説明したものと同等である。強磁性層３ａ１は、拡散抑制層３ｃ１の上に形成されている。図１０において説明したものと同等である。拡散抑制層３ｃ２は、強磁性層３ａ１の上に形成されている。図９において説明したものと同等である。
図１４は、本発明の磁気抵抗効果素子の実施の形態の更に別の詳細構成を示す断面図である。図８の反強磁性層４、固定強磁性層３、非磁性層２、自由強磁性層１において、固定強磁性層３を拡散抑制層３ｃ１、磁気結合層３ｂ１、強磁性層３ａ１の積層構造にした例である。拡散抑制層３ｃ１は、反強磁性層４の上に形成されている。図９において説明したものと同等である。磁気結合層３ｂ１は、拡散抑制層３ｃ１の上に形成されている。その上下の磁性層の磁化方向を相互に反対向きになるように固定する。これにより、上下の磁性層の端部から漏洩する磁束が閉磁路を形成し、外部に磁束が漏れにくくなる。例えば、Ｃｒ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｒｕ、Ｉｒ、ＲｅおよびＯｓから選ばれる少なくとも１種の元素を含む非磁性膜であることが好ましい。また、上記元素を含む合金や酸化物からなる単体膜や積層膜などを用いることもできる。このときの、磁気結合層３ｂ１の膜厚は０．３〜１．３ｎｍが好ましい。強磁性層３ａ１は、磁気結合層３ｂ１の上に形成されている。図１０において説明したものと同等である。
図１５は、本発明の磁気抵抗効果素子の実施の形態の更に別の詳細構成を示す断面図である。図８の反強磁性層４、固定強磁性層３、非磁性層２、自由強磁性層１において、固定強磁性層３を強磁性層３ａ１、磁気結合層３ｂ１、拡散抑制層３ｃ１の積層構造にした例である。強磁性層３ａ１は、反強磁性層４の上に形成されている。図１０において説明したものと同等である。磁気結合層３ｂ１は、強磁性層３ａ１の上に形成されている。図１４において説明したものと同等である。拡散抑制層３ｃ１は、磁気結合層３ｂ１の上に形成されている。図９において説明したものと同等である。
図１６は、本発明の磁気抵抗効果素子の実施の形態の更に別の詳細構成を示す断面図である。図８の反強磁性層４、固定強磁性層３、非磁性層２、自由強磁性層１において、固定強磁性層３を拡散抑制層３ｃ１、強磁性層３ａ１、磁気結合層３ｂ１、強磁性層３ａ２の積層構造にした例である。拡散抑制層３ｃ１は、反強磁性層４の上に形成されている。図９において説明したものと同等である。強磁性層３ａ１は、拡散抑制層３ｃ１の上に形成されている。図１０において説明したものと同等である。磁気結合層３ｂ１は、強磁性層３ａ１の上に形成されている。図１４において説明したものと同等である。強磁性層３ａ２は、磁気結合層３ｂ１の上に形成されている。図１０において説明したものと同等である。
図１７は、本発明の磁気抵抗効果素子の実施の形態の更に別の詳細構成を示す断面図である。図８の反強磁性層４、固定強磁性層３、非磁性層２、自由強磁性層１において、固定強磁性層３を強磁性層３ａ１、磁気結合層３ｂ１、強磁性層３ａ２、拡散抑制層３ｃ１の積層構造にした例である。強磁性層３ａ１は、反強磁性層４の上に形成されている。図１０において説明したものと同等である。磁気結合層３ｂ１は、強磁性層３ａ１の上に形成されている。図１４において説明したものと同等である。強磁性層３ａ２は、磁気結合層３ｂ１の上に形成されている。図１０において説明したものと同等である。拡散抑制層３ｃ１は、強磁性層３ａ２の上に形成されている。図９において説明したものと同等である。
本発明の磁気抵抗効果素子の製造方法は、成膜前の成膜チャンバの到達真空度が３×１０−６Ｐａ以下であるとすることが好ましい。より好ましくは、１×１０−６Ｐａ以下である。これにより、膜中に取り込まれる酸素や水素といった不純物を少なくすることができ、Ｙ−Ｚを主成分とする化合物の生成、ならびに非晶質の析出が促進される。また、不純物の混入による不必要な抵抗増大を抑制できる。
また、本発明の磁気抵抗効果積層膜の製造方法は、成膜時のスパッタガス圧力が、３Ｐａ以下であることが好ましい。より好ましくは、１Ｐａ以下である。膜の異常成長、欠陥の形成を抑制でき、欠陥を伝っての拡散の無い、高耐熱な磁気抵抗効果素子を得ることができる。また、０．０１Ｐａ以上であることが好ましい。０．０１Ｐａ未満ではスパッタ時の放電が不安定となるからである。
本発明の磁気抵抗効果素子は、拡散抑制層３ｃ１を有している。この層によるＭｎの拡散を抑制する機能により、素子製造プロセスにおける熱処理に伴うＭｎの非晶質層２への拡散を防止することができる。それにより、３５０℃以上の熱処理であっても、磁気抵抗効果素子における磁気抵抗効果のような特性の劣化を防止することができる。それと共に、製造歩留りを向上することが出来、製造コストの低い磁気抵抗効果膜を得ることが可能となる。
本発明の磁気抵抗効果素子は、それをメモリ素子（メモリセル）としてＭＲＡＭに適用することができる。複数のメモリ素子は、ＣｕやＡｌなどからなる複数のビット（センス）線と複数のワ−ド線との交点の各々に、マトリクス状に配置される。複数のビット線のうちから選択される選択ビット線と、複数のワード線のうちから選択される選択ワード線とのそれぞれに信号電流を流した時に発生する合成磁界により、選択ビット線と選択ワード線との交点のメモリ素子に信号が記録される。本発明による磁気抵抗効果素子をＭＲＡＭに適用することで、耐熱性の高い、かつ、製造歩留りが高く、製造コストの低いＭＲＡＭが実現する。
本発明の磁気抵抗効果素子は、それを再生素子として磁気ヘッドに適用することができる。そのような磁気ヘッドとしては、再生素子により検知すべき磁界以外の磁界を再生素子へ導入することを制限するシールドを備えたシールド型磁気ヘッドが典型的な例である。磁気ヘッドは、記録用の書き込みヘッド部と、再生用の再生ヘッド部とを備えている。情報を記録する際には、記録ヘッドのコイルに流した電流により発生した磁束が、上部記録コアと下部磁気コアとの間の空隙である記録ギャップより漏れることで、磁気記録媒体に記録が行われる。情報の再生は、磁気記録媒体に記録されている情報に対応した磁束が、上部シールドと下部シールドとの間の空隙である再生ギャップを通して再生素子に作用し、再生素子の抵抗値が変化することで行われる。このとき、シールドおよびにより、再生素子によって検知されるべき磁界以外の磁界が制限されるため、高感度の磁気ヘッドとすることができる。また、本発明における再生素子を備えることで、耐熱性に優れた高出力の磁気ヘッドとすることができる。
本発明の磁気抵抗効果素子を用いた磁気ヘッドを適用して、ＨＤＤなどの磁気記録装置を構成することができる。磁気記録装置は、磁気ヘッド、駆動部、情報を記録する磁気記録媒体および信号処理部を備えており、磁気ヘッドとして本発明の磁気ヘッドを用いることで、熱に対する耐久性のある安定した磁気記録装置とすることができる。
（実施例１）
図２３は、本発明の図９の構成の実施例を示す表である。下電極層６、下地層５、反強磁性体層４、固定強磁性層３、非磁性層２、自由強磁性層１、上電極層７は、それぞれ表中に記載された材料を用いている。括弧内の数字は膜厚（ｎｍ）である。各膜は、スパッタ法により形成された。その際、到達圧力＝７×１０−７Ｐａ、スパッタガス圧力（Ａｒ）＝０．３Ｐａである。スパッタ電力は３００Ｗとした。ただし、非磁性層２であるＡｌ−Ｏ膜は、金属Ａｌを成膜した後、酸素を含有するＡｒガスに３００Ｗの高周波電力を供給しプラズマを発生させ、酸化させた。スパッタガスや酸化の際に使用するガスはＡｒのみならず、ＫｒやＸｅを用いることができる。その後、スパッタ法で成膜された磁気抵抗効果素子を、１．３Ｔの一方向性磁界中で、真空中、２５０℃で５時間熱処理した。熱処理は、真空中のみならず、窒素雰囲気中や、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅなどの不活性ガス中でも良い。
図２３に示すように、その後の３５０℃で３０分間熱処理した後のＭＲ比は、比較例において１０％前後の小さい値であるのに対し、本発明の構成（図９）において４０％前後以上の大きい値となる。これは磁気抵抗効果素子を、ＭＲＡＭや磁気ヘッドに適用した場合に高い性能を示す十分に大きな値である。また、これらの結果の再現性は非常に良好であった。
（実施例２）
図２４は、本発明の図９の構成の実施例を示す表である。下電極層６、下地層５、反強磁性体層４、固定強磁性層３、非磁性層２、自由強磁性層１、上電極層７は、それぞれ表中に記載された材料を用いている。括弧内の数字は膜厚（ｎｍ）である。各膜は、スパッタ法により形成された。その際の到達圧力（Ｐａ）及びスパッタガス（Ａｒ）圧力（Ｐａ）は、それぞれ表中に記載されている。その他の条件は図２３で説明したとおりである。
図２４に示すように、その後の３５０℃で３０分間熱処理した後のＭＲ比は、比較例において１０％前後の小さい値であるのに対し、本発明の構成（図９）において４０％前後以上の大きい値となる。これは磁気抵抗効果素子を、ＭＲＡＭや磁気ヘッドに適用した場合に高い性能を示す十分に大きな値である。また、これらの結果の再現性は非常に良好であった。
（実施例３）
図２５は、本発明の図１０〜図１３の構成の実施例を示す表である。下電極層６、下地層５、反強磁性体層４、固定強磁性層３、非磁性層２、自由強磁性層１、上電極層７は、それぞれ表中に記載された材料を用いている。括弧内の数字は膜厚（ｎｍ）である。各膜は、スパッタ法により形成された。その際、到達圧力＝７×１０−７Ｐａ、スパッタガス圧力（Ａｒ）＝０．３Ｐａである。スパッタ電力は３００Ｗとした。その他の条件は図２３で説明したとおりである。
図２５に示すように、その後の３５０℃で３０分間熱処理した後のＭＲ比は、比較例において１０％前後の小さい値であるのに対し、本発明の構成（図１０〜図１３）において４０％以上の大きい値となる。これは磁気抵抗効果素子を、ＭＲＡＭや磁気ヘッドに適用した場合に高い性能を示す十分に大きな値である。また、これらの結果の再現性は非常に良好であった。
（実施例４）
図２６は、本発明の図１４〜図１７の構成の実施例を示す表である。下電極層６、下地層５、反強磁性体層４、固定強磁性層３、非磁性層２、自由強磁性層１、上電極層７は、それぞれ表中に記載された材料を用いている。括弧内の数字は膜厚（ｎｍ）である。各膜は、スパッタ法により形成された。その際、到達圧力＝７×１０−７Ｐａ、スパッタガス圧力（Ａｒ）＝０．３Ｐａである。スパッタ電力は３００Ｗとした。その他の条件は図２３で説明したとおりである。
図２６に示すように、その後の３５０℃で３０分間熱処理した後のＭＲ比は、比較例において１０％前後の小さい値であるのに対し、本発明の構成（図１４〜図１７）において４０％以上の大きい値となる。これは磁気抵抗効果素子を、ＭＲＡＭや磁気ヘッドに適用した場合に高い性能を示す十分に大きな値である。また、これらの結果の再現性は非常に良好であった。
（実施例５）
本発明の磁気抵抗効果素子をメモリ素子とするＭＲＡＭを作製した。図１８及び図１９は、ＭＲＡＭにメモリ素子として適用された磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図である。図２０は、その磁気抵抗効果素子をマトリクス状に配置したＭＲＡＭを示すブロック図である。
図２０のように、ＭＲＡＭは、複数のビット線１３と、複数の書き込みワード線１４及び複数の読み出しワード線１５と、Ｙセレクタ４１と、Ｘセレクタ４２と、複数のメモリ素子１６とを具備する。ビット線１３は、Ｙ方向に伸びている。書き込みワード線１４と読み出しワード線１５とが一組となり、Ｘ方向に伸びている。Ｙセレクタ４１は、書き込み動作時に複数の書き込みワード線１４から選択書き込みワード線を選択し、読み出し動作時に複数の読み出しワード線１５から選択読み出しワード線を選択する。Ｘセレクタ４２は、複数のビット線１３から選択ビット線１３を選択する。複数のメモリ素子１６は、複数のビット線１３と複数の書き込みワード線１４（複数の読み出しワード線１５）との交点のそれぞれに対応して設けられている。
メモリ素子１６は、本発明の磁気抵抗効果素子であり、図２６中の「２」の構成（図１４）を用いている。比較例として図２６中の「１」の構成を用いた。書き込みワード線１４及び読み出しワード線１５、ビット線１３はＣｕ配線を用いた。そのＣｕ配線の熱処理は３５０℃で行った。このように作製したＭＲＡＭの書き込み動作は、図１８のように、選択ビット線１３と選択書き込みワード線１４とに信号電流を流して、メモリ素子１６の位置に所定の合成磁界を発生させて行う。記録する信号に対応した合成磁界により、対象となるメモリー素子１６に信号が記録された。読み出し動作は、図１９のように、選択ビット線１３−メモリ素子１６−選択読み出しワード線１５に選択されたＦＥＴを介してセンス電流を流して行う。記録された信号に対応した磁気抵抗によりメモリ素子１６に発生するセンス電圧（選択ビット線の電圧）と、ダミーメモリ素子に発生するダミー電圧（ダミー素子用のビット線の電圧）とをコンパレータにより比較して、メモリ素子１６の出力が検出された。
上記のような書き込み動作及び読み出し動作を検証した結果、本発明の磁気抵抗効果素子を用いたＭＲＡＭでは良好な素子出力が得られた。しかし、比較例とした磁気抵抗効果素子を用いたＭＲＡＭでは、十分な素子出力が得られなかった。このことから、本発明による磁気抵抗効果素子を用いたＭＲＡＭでは、３５０℃の熱処理にも十分な耐熱性を持っていることが判明した。
（実施例６）
本発明の磁気抵抗効果素子を再生素子とする磁気ヘッドを作製した。図２１は、磁気ヘッドに再生素子として適用された磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図である。下シールドを兼用する下電極層６は、スライダとなるセラミックの基体２４に積層される。磁気抵抗効果素子１６は、下電極層６と上シールド１７との間に配置される。再生素子は、下電極層６と磁気抵抗効果素子１６と上シールド１７とを含む。第１磁気コア１８に関して再生素子と反対の側に、第２磁気コア２０が配置される。第１磁気コア１８と第２磁気コア２０との間に記録ギャップ１９が設けられている。第１磁気コア１８と第２磁気コア２０との間に非磁性絶縁体２１で覆われたコイル２２が配置される。このコイル２２からの発生磁界によって磁化された第１磁気コア１８と第２磁気コア２０との間の記録ギャップ１９から漏れる磁束によって記録を行う。記録素子は、第１磁気コア１８、（記録ギャップ１９）、第２磁気コア２０、非磁性絶縁体２１及びコイル２２を含む。この再生素子と記録素子とを積層した構造の磁気ヘッドを開発した。なお、前記上シールド１７と第１の磁気コア１８とは一体化することも可能である。
図２１に示す再生素子は、スライダを構成するＡｌ２Ｏ３−ＴｉＯ複合セラミック上に形成されたアルミナからなる絶縁膜の基体２４上に形成した。下シールドを兼用する下電極層６は、スパッタ法によりＣｏ−Ｔａ−Ｚｒ−Ｃｒ膜（膜厚１μｍ、以下同じ）を形成しパタン化した。このＣｏ−Ｔａ−Ｚｒ−Ｃｒ膜上に、順に、下地層５としてＮｉＦｅＣｒ膜（３ｎｍ）、反強磁性層４としてＰｔＭｎ膜（１５ｎｍ）、固定強磁性層３としてＣｏ６８Ｆｅ８Ｔａ１２Ｎ１２（３ｎｍ）／Ｃｏ９０Ｆｅ１０（１ｎｍ）／Ｒｕ（０．８ｎｍ）／Ｃｏ９０Ｆｅ１０（３ｎｍ）積層膜、非磁性層２としてＡｌ−Ｏ膜（０．５ｎｍ）、自由強磁性層１としてＣｏ９０Ｆｅ１０（０．５ｎｍ）／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（４ｎｍ）積層膜、上電極層７としてＲｕ膜（１０ｎｍ）をスパッタ法により形成した。成膜は到達圧力７×１０−７Ｐａ、Ａｒスパッタガス圧力０．３Ｐａで行った。スパッタ電力は３００Ｗとした。非磁性層４であるＡｌ−Ｏ膜は、金属Ａｌを成膜した後、スパッタ装置内に純酸素を導入し、酸素圧力を１０ｍＴｏｒｒ〜２００Ｔｏｒｒの範囲で１０分間保持して、Ａｌ導電層表面を酸化してトンネルバリア層を形成した。このようにして形成した磁気抵抗効果素子を、１．３Ｔの一方向性磁界中で、真空中、２５０℃で５時間熱処理した。上シールド１７はフレームめっき法によりＮｉ−Ｆｅ膜（１μｍ）をパタン形成した。以上により再生素子が形成された。
次に、この後、アルミナ膜（非磁性絶縁膜：０．１μｍ）を介して、第１磁気コア１８としてフレームめっき法により、Ｎｉ−Ｆｅ膜（３μｍ）を形成した。アルミナによる記録ギャップ（磁気ギャップ）１９を形成し、記録磁界発生用コイル２２を形成した。このコイル２２はフォトレジストによる非磁性絶縁体２１で上下左右を挟まれて絶縁されている。コイル２２はＣｕよりなり、フレームめっき法により形成した。更に、第２磁気コア２０を構成するＮｉ−Ｆｅ膜（４μｍ）をフレームめっき法で形成した。以上により記録素子が形成された。上記の再生素子と記録素子との積層体を、保護層２３としてのアルミナ膜で覆い、端子（図示されず）を引き出した。このようにして本発明の磁気ヘッド２６が作製された。
上述の本磁気ヘッドに対する比較例として、固定強磁性層３をＣｏ９０Ｆｅ１０（３ｎｍ）／Ｒｕ（０．８ｎｍ）／Ｃｏ９０Ｆｅ１０（３ｎｍ）積層膜とする比較例としての磁気ヘッドを作製した。本発明の磁気ヘッド２６及び比較例の磁気ヘッドに３５０℃の熱処理を施し、熱処理前後での再生出力を比較した。その結果、本発明の磁気ヘッド２６では熱処理後の出力低減はほとんど無かったのに対し、比較例の磁気ヘッドでは熱処理後には１０％程度にまで低減した。このことから、本発明による磁気抵抗効果素子を用いた磁気ヘッド２６では、３５０℃の熱処理にも十分な耐熱性を持っていることが判明した。
（実施例７）
本発明の磁気抵抗効果素子を含む磁気ヘッドを搭載した磁気記録再生装置を作製した。図２２は、磁気抵抗効果素子を含む磁気ヘッドを搭載した磁気記録再生装置の構成を示すブロック図である。磁気（記録）媒体２５は、駆動用モータ３２で回転する。磁気媒体２５の磁気記録面に対向して、本発明の磁気ヘッド２６が、サスペンション２７、アーム２８により取り付けられる。それにより、ヴォイスコイルモータ（ＶＣＭ）２９でトラッキングされる。記録再生動作は、磁気ヘッド２６への記録再生チャネル３０からの信号により行われる。この記録再生チャネル３０、磁気ヘッド２６の位置決めを行うＶＣＭ２９、および磁気媒体２５を回転させる駆動用モータ３２は、制御ユニット３１により連動している。磁気ヘッド２６として本発明の磁気ヘッドを用いることで、高温の動作や熱に対する耐久性のある安定した磁気記録装置とすることができた。
本発明により、３５０℃以上の熱処理であっても特性が劣化せず、かつ、製造歩留りが高く、製造コストの低い磁気抵抗効果素子が実現可能となる。さらに、これを用いて、耐熱性の高い、かつ、製造歩留りが高く、製造コストの低いＭＲＡＭや磁気記録再生ヘッド（磁気ヘッド）が実現した。さらに、この磁気ヘッドを用いた高温の動作や熱に対する耐久性のある安定した磁気記憶装置が実現した。

Claims (13)

  1. 基板の上面側に形成された反強磁性層と、
    前記反強磁性層の上に形成された固定強磁性層と、
    前記固定強磁性層の上に形成された第１非磁性層と、
    前記第１非磁性層の上に形成された自由強磁性層と、
    を具備し、
    前記固定強磁性層は、非晶質層を備え、
    前記非晶質層は、Ｘ−Ｙ−Ｚの化学式で表される非晶質材料を含み、
    前記Ｘは、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉのうちから選択される少なくとも１種類の元素であり、
    前記Ｙは、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖのうちか
    ら選択される少なくとも１種類の元素であり、
    前記Ｚは、Ｎ、Ｃ、Ｂのうちから選択される少なくとも１種類の元素である
    磁気抵抗効果素子。
  2. 請求項１に記載の磁気抵抗効果素子において、
    前記固定強磁性層は、
    前記反強磁性層の上に形成された第１固定強磁性層と、
    前記第1固定強磁性層の上に形成された第２非磁性層と、
    前記第２非磁性層の上に形成された第２固定強磁性層と
    を更に備える
    磁気抵抗効果素子。
  3. 請求項２に記載の磁気抵抗効果素子において、
    前記非晶質層は、前記第２非磁性層と前記反強磁性層との間に形成されている
    磁気抵抗効果素子。
  4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子において、
    前記非晶質層は、前記Ｙ−前記Ｚの化学式で表される化合物を更に含む
    磁気抵抗効果素子。
  5. 基板の上面側に反強磁性層を形成する工程と、
    前記反強磁性層の上に固定強磁性層を形成する工程と、
    前記固定強磁性層の上に第１非磁性層を形成する工程と、
    前記第１非磁性層の上に自由強磁性層を形成する工程と
    を具備し、
    前記固定強磁性層を形成する工程は、
    前記非晶質層を形成する工程を備え、
    前記非晶質層は、Ｘ−Ｙ−Ｚの化学式で表される非晶質材料を含み、
    前記Ｘは、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉのうちから選択される少なくとも１種類の元素であり、
    前記Ｙは、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖのうちか
    ら選択される少なくとも１種類の元素であり、
    前記Ｚは、Ｎ、Ｃ、Ｂのうちから選択される少なくとも１種類の元素である
    磁気抵抗効果素子の製造方法。
  6. 請求項５に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法において、
    前記固定強磁性層を形成する工程は、
    前記反強磁性層の上に第１固定強磁性層を形成する工程と、
    前記第1固定強磁性層の上に第２非磁性層を形成する工程と、
    前記第２非磁性層の上に第２固定強磁性層を形成する工程と
    を更に備える
    磁気抵抗効果素子の製造方法。
  7. 請求項６に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法において、
    前記非晶質層を形成する工程は、前記第２非磁性層を形成する工程と、前記反強磁性層
    を形成する工程との間に行う
    磁気抵抗効果素子の製造方法。
  8. 請求項５乃至７のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法において、
    前記非晶質層は、前記Ｙ−前記Ｚの化学式で表される化合物を更に含む
    磁気抵抗効果素子の製造方法。
  9. 請求項５乃至８のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法において、
    各層を形成する際に行われる成膜は真空装置内で行われ、前記真空装置の成膜チャンバ
    の到達真空度は３×10−６Ｐａ以下である
    磁気抵抗効果素子の製造方法。
  10. 請求項５乃至９のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法において、
    前記成膜はスパッタ法で行われ、スパッタガス圧力が０．０１Ｐａ以上３Ｐａ以下であ
    る
    磁気抵抗効果素子の製造方法。
  11. 第１方向へ伸びる複数のビット線と、
    前記第１方向と実質的に垂直な第２方向へ伸びる複数のワード線と、
    前記複数のビット線と前記複数のワード線との交点の各々に対応して設けられた請求項
    １乃至４のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子と
    を具備する
    磁気ランダムアクセスメモリ。
  12. 再生素子と、
    前記再生素子から離れて設けられた第１磁気コアと、
    前記第１磁気コアに関して前記再生素子と反対の側に、所定のギャップを形成するよう
    に、前記第１磁気コアから離れて設けられた第２磁気コアと、
    前記第１磁気コアと前記第２磁気コアとの間に絶縁層を介して設けられたコイルと
    を具備し、
    前記再生素子は、
    シールド内に設けられた２つの電極と、
    前記２つの電極に挟まれた請求項１乃至４のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子と
    を備える
    磁気ヘッド。
  13. 磁気記録媒体を回転するモータと、
    前記磁気記録媒体に対してデータの記録再生を行う請求項１０に記載の磁気ヘッドと、
    前記磁気ヘッドを保持する保持部と、
    前記保持部を移動する移動部と、
    前記磁気ヘッドを駆動する記録再生部と、
    前記移動部及び前記記録再生部を制御する制御部と
    を具備する
    磁気記録装置。
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