KR20080077330A - 자기 저항 효과 소자, 자기 헤드, 자기 기억 장치 및 자기메모리 장치 - Google Patents

자기 저항 효과 소자, 자기 헤드, 자기 기억 장치 및 자기메모리 장치 Download PDF

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KR20080077330A
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Abstract

본 발명의 과제는 높은 MR비를 갖는 고출력, 고감도의 자기 저항 효과 소자를 제공하는 것이다.
자기 저항 효과 소자를 구성하는 GMR막(30)은, 고정 자화층(36, 46)과, 자유 자화층(38)과, 상기 고정 자화층과 자유 자화층 사이에 삽입되는 비자성층(37, 47)을 구비하는 CPP형 자기 저항 효과 소자이며, 상기 자유 자화층과, 상기 고정 자화층 중 적어도 한쪽은 CoFeGe로 구성되고, 당해 CoFeGe는, 삼원계 조성도에 있어서, 각 조성의 좌표를 (Co 함유량, Fe 함유량, Ge 함유량)으로서 나타내면(각 함유량은 at％), 점 A(42.5, 30, 27.5), 점 B(35, 52.5, 12.5), 점 C(57.5, 30.0, 12.5), 및 점 D(45.0, 27.5, 27.5)를 연결하는 영역 내의 조성을 갖는다.
자기 저항 소자, GMR막, 자유 자화층, 고정 자화층, 강자성 접합층

Description

자기 저항 효과 소자, 자기 헤드, 자기 기억 장치 및 자기 메모리 장치 {MAGNETORESISTIVE EFFECT ELEMENT, MAGNETIC HEAD, MAGNETIC STORAGE UNIT, AND MAGNETIC MEMORY UNIT}
본 발명은, 자기 기억 장치 등에 있어서 정보 재생에 이용되는 자기 저항 효과 소자와, 이를 이용한 자기 디바이스 또는 장치에 관한 것으로, 특히 자기 저항 효과 소자를 구성하는 적층막의 적층 방향으로 센스 전류를 흐르게 하는 CPP(Current-Perpendicular-to-Plane)형의 구조를 갖는 자기 저항 효과 소자와, 그 적용 디바이스 또는 장치에 관한 것이다.
최근, 자기 기억 장치의 자기 헤드에는, 자기 기록 매체에 기록된 정보를 재생하기 위한 재생용 소자로서, 자기 저항 효과 소자가 이용되고 있다. 자기 저항 효과 소자는, 자기 기록 매체로부터 누설되는 신호 자계의 배향의 변화를 전기 저항의 변화로 변환하는 자기 저항 효과를 이용하여, 자기 기록 매체에 기록된 정보를 재생한다. 자기 기억 장치의 고기록 밀도화에 수반하여, 스핀 밸브막을 구비한 것이 주류가 되고 있다. 스핀 밸브막은, 자화가 소정 방향으로 고정된 고정 자화층과, 비자성층과, 자기 기록 매체로부터의 누설 자계의 방향이나 강도에 따라서 자화의 방향이 바뀌는 자유 자화층이 적층되어 구성되어 있다. 스핀 밸브막은 고정 자화층의 자화와 자유 자화층의 자화가 이루는 각에 따라서 전기 저항치가 변화된다. 이 전기 저항치의 변화를 스핀 밸브막에 일정치의 센스 전류를 흐르게 하여 전압 변화로서 검출함으로써, 자기 저항 효과 소자가 자기 기록 매체에 기록된 비트를 재생한다.
종래의 자기 저항 효과 소자에서는, 스핀 밸브막의 면내 방향으로 센스 전류를 흐르게 하는 CIP(Current-In-Plane) 구조가 채용되어 왔다. 그러나, 가일층의 고기록 밀도화를 도모하기 위해서는, 자기 기록 매체의 선 기록 밀도 및 트랙 밀도를 증가시킬 필요가 있다. 자기 저항 효과 소자에서는, 자기 기록 매체의 트랙 폭에 대응하는 소자 폭 및 소자 높이(소자의 깊이), 즉 소자 단면적을 저감시킬 필요가 있다. 이 경우, CIP 구조에서는, 센스 전류의 전류 밀도가 커지기 때문에, 과열에 의해 스핀 밸브막을 구성하는 재료의 마이그레이션 등에 의한 성능 열화가 발생할 우려가 있다. 그래서, 스핀 밸브막의 적층 방향, 즉 고정 자화층, 비자성층, 자유 자화층이 적층된 방향으로 센스 전류를 흐르게 하는 CPP(Current-Perpendicular-to-Plane)형의 구조가 제안되어, 차세대의 재생용 소자로서 활발히 연구가 행해지고 있다. CPP형 스핀 밸브막은, 코어 폭(자기 기록 매체의 트랙 폭에 대응하는 스핀 밸브막의 폭)이 축소되어도 출력이 거의 변화하지 않는다는 장점을 가지므로, 고기록 밀도화에 적합하다.
CPP형 스핀 밸브막의 출력은, 스핀 밸브막에 대해 외부 자계를 일 방향으로부터 역방향으로 자장 스위핑하여 인가하였을 때의 단위 면적의 자기 저항 변화량 에 의해 결정된다. 단위 면적의 자기 저항 변화량은, 스핀 밸브막의 자기 저항 변화량과, 스핀 밸브막의 막면의 면적을 곱한 것이다. 단위 면적의 자기 저항 변화량을 증가시키기 위해서는, 자유 자화층이나 고정 자화층에, 스핀 의존 벌크 산란 계수와 비저항의 곱이 큰 재료를 이용할 필요가 있다. 스핀 의존 벌크 산란이라 함은, 전도 전자가 갖는 스핀의 배향에 의존하여, 자유 자화층이나 고정 자화층의 층 내에서 전도 전자가 산란되는 정도가 다른 현상이다. 스핀 의존 벌크 산란 계수가 클수록 자기 저항 변화량이 커진다. 스핀 의존 벌크 산란 계수가 큰 재료로서는, (Co2Fe)100 - XGeX(0 ≤ X ≤ 30 at％)나 Co-Fe-Al 재료를 이용한 자기 저항 효과 소자가 제안되어 있다(예를 들어, 특허문헌 1 참조).
[특허문헌 1] 일본 특허 공개 제2006-73688호 공보
그러나, 자유 자화층이나 고정 자화층에 상기한 재료를 사용해도, 장래의 고기록 밀도를 향해 리드 갭이 좁아진 경우, 자기 저항 변화량이 부족해진다. 그래서, 본 발명은, 자기 저항 변화량을 충분히 확보하여, 높은 MR비를 갖는 고출력, 고감도의 자기 저항 효과 소자를 제공하는 것을 과제로 한다.
또한, 이와 같은 자기 저항 효과 소자를 이용한 자기 헤드, 자기 기억 장치, 및 자기 메모리 장치를 제공하는 것을 과제로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 자유 자화층과 고정 자화층 중 적어도 한쪽을 CoFeGe로 구성하고, CoFeGe의 조성을 특정한 조성 범위로 설정한다.
구체적으로는, 본 발명의 제1 측면에서는, 고정 자화층과, 자유 자화층과, 상기 고정 자화층과 자유 자화층 사이에 삽입되는 비자성층을 구비하는 CPP형 자기 저항 효과 소자에 있어서, 상기 자유 자화층과 상기 고정 자화층 중 적어도 한쪽은 CoFeGe로 구성되고, 당해 CoFeGe가, 삼원계 조성도에 있어서, 각 조성의 좌표를 (Co 함유량, Fe 함유량, Ge 함유량)으로서 나타내면, 점 A(42.5, 30, 27.5), 점 B(35, 52.5, 12.5), 점 C(57.5, 30.0, 12.5), 및 점 D(45.0, 27.5, 27.5)를 연결하는 영역 내의 조성을 갖는다. 단, 각 함유량은 원자％(at％)로 나타낸다.
바람직한 구성예에서는, 자유 자화층과 고정 자화층 중 어느 한쪽을 CoFeGe막으로 구성하는 경우에, 다른 쪽을 CoFeGe 또는 CoFeAl로 구성한다.
다른 바람직한 구성예에서는, 자유 자화층과 고정 자화층 중 적어도 한쪽을 구성하는 CoFeGe막과, 상기 비자성층과의 계면에 삽입되는 계면 자성층을 더 갖는다.
자유 자화층과 고정 자화층 중 적어도 한쪽에 CoFeGe를 이용하고, 또한 상술한 조성 범위 내로 설정함으로써, 단위 면적의 자기 저항 변화량(ΔRA)을 크게 할 수 있다. ΔRA를 크게 하면, 정보의 판독시에, 유지된 "0" 및 "1" 에 대응하는 자기 저항치의 차가 크기 때문에, 고출력, 고감도에서 정확한 판독이 가능하다.
고출력이고 또한 자계 검지 감도가 양호한 자기 저항 효과 소자나, 이를 이용한 자기 헤드, 자기 기억 장치, 및 자기 메모리 장치가 제공된다.
이하 도면을 참조하면서 실시 형태를 설명한다. 또, 설명의 편의를 위해, 특별히 언급하지 않는 한,「단위 면적의 자기 저항 변화량(ΔRA)」을「자기 저항 변화량(ΔRA)」혹은 단순히「ΔRA」라 약칭한다.
[제1 실시예]
도1은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 복합형 자기 헤드(10)의 개략 구성도이다. 복합형 자기 헤드(10)는, 자기 저항 효과 소자(20)와, 유도형 기록 소자(13)를 구비한다. 도1에 있어서, 화살표 X의 방향은, 자기 저항 효과 소자(20)에 대향하는 자기 기록 매체(도시 생략)의 이동 방향을 나타낸다. 자기 저항 효과 소자(20)는, 헤드 슬라이더(도시 생략)의 기체(基體)가 되는 Al2O3-TiC 등의 평탄 한 세라믹 기판(11) 상에 형성되고, 또한 그 위에 유도형 기록 소자(13)가 형성되어 있다.
유도형 기록 소자(13)는, 매체 대향면에 자기 기록 매체의 트랙 폭에 상당하는 폭을 갖는 상부 자극(14)과, 상부 자극(14)에 대향하는 하부 자극(16)과, 이들 2개의 자극 사이에 위치하고 비자성 재료로 이루어지는 기록 갭층(15)을 포함한다. 유도형 기록 소자(13)는 또한, 상부 자극(14)과 하부 자극(16)을 자기적으로 접속하는 요크(도시 생략)와, 요크를 권취하고, 기록 전류에 의해 기록 자계를 유기하는 코일(도시 생략)을 포함한다. 상부 자극(14), 하부 자극(16), 및 요크는 연자성 재료로 구성된다. 연자성 재료로서는, 기록 자계를 확보하기 위해 포화 자속 밀도가 큰 재료, 예를 들어 Ni80Fe20, CoZrNb, FeN, FeSiN, FeCo, CoNiFe 등을 들 수 있다. 또한, 유도형 기록 소자(13)는 도1의 구성에 한정되는 것은 아니며, 임의의 공지의 구조를 채용할 수 있다.
자기 저항 효과 소자(20)는, 세라믹 기판(11)의 표면에 형성된 알루미나막(12) 상에, 하부 전극(21), 자기 저항 효과막(30)(이하,「GMR막(30)」이라 함), 알루미나막(25), 상부 전극(22)이 적층된 구성으로 되어 있다. GMR막(30)은 하부 전극(21) 및 상부 전극(22)과 각각 전기적으로 접속되어 있다.
GMR막(30)의 양측에는 절연막(23)을 통해 자구(磁區) 제어막(24)이 설치되어 있다. 자구 제어막(24)은, 예를 들어 Cr막과 강자성의 CoCrPt막과의 적층체로 이루어진다. 자구 제어막(24)은 GMR막(30)을 구성하는 자유 자화층(도2 참조)의 단자구화(單磁區化)를 도모하여, 벌크 하우젠 노이즈의 발생을 방지한다. 하부 전 극(21)과 상부 전극(22)은 센스 전류(Is)의 유로로서의 기능에 부가하여, 자기 실드로서의 기능도 겸한다. 그로 인해, 하부 전극(21) 및 상부 전극(22)은 연자성 합금, 예를 들어 NiFe, CoFe 등으로 구성된다. 또한 하부 전극(21)과 GMR막(30)과의 계면에 도전막, 예를 들어 Cu막, Ta막, Ti막 등을 설치해도 좋다. 또한, 자기 저항 효과 소자(20) 및 유도형 기록 소자(13)는, 부식 등을 방지하기 위해 알루미나막이나 수소화 카본막 등에 의해 덮여진다.
센스 전류(Is)는, 예를 들어 상부 전극(22)으로부터 GMR막(30)을 그 막면에 대해 수직 방향으로 흐르게 하여 하부 전극(21)에 도달한다. GMR막(30)은 자기 기록 매체로부터의 누설되는 신호 자계의 강도 및 방향에 대응하여 전기 저항치, 소위 자기 저항치가 변화된다. 자기 저항 효과 소자(20)는, GMR막(30)의 자기 저항치의 변화를, 소정의 전류량의 센스 전류(Is)를 흐르게 하여 전압 변화로서 검출한다. 이와 같이 하여, 자기 저항 효과 소자(20)는 자기 기록 매체에 기록된 정보를 재생한다. 또, 센스 전류(Is)가 흐르는 방향은 도1에 나타내는 방향에 한정되지 않고, 역방향이라도 좋다. 또한, 자기 기록 매체의 이동 방향도 역방향이라도 좋다.
도2는 제1 실시 형태에 관한 자기 저항 효과 소자를 구성하는 GMR막의 제1 구성예를 나타낸다. 제1 구성예의 GMR막(30)은, 하지층(31), 반강자성층(32), 고정 자화 적층체(33), 비자성 금속층(37), 자유 자화층(38), 보호층(39)이 순차 적층된 구성이며, 소위 싱글 스핀 밸브 구조를 갖는다. 하지층(下地層)(31)은, 도1에 도시하는 하부 전극(21)의 표면에 스퍼터법 등에 의해 형성되고, 예를 들어 NiCr막이나, Ta막과 Ru막의 적층체, 또는 Ta막(예를 들어 막 두께 5 ㎚)과 NiFe막(예를 들어 막 두께 5 ㎚)의 적층체 등으로 구성된다. 이 NiFe막은, Fe의 함유량이 17 at％ 내지 25 at％의 범위 내인 것이 바람직하다. 이와 같은 조성의 NiFe막이나 Ru막을 이용함으로써, NiFe막이나 Ru막의 결정 성장 방향인 (111)결정면 및 이에 결정학적으로 등가의 결정면의 표면에 반강자성층(32)이 에피택셜 성장한다. 이에 의해, 반강자성층(32)의 결정성을 향상시킬 수 있다.
반강자성층(32)은, 예를 들어 막 두께 4 ㎚ 내지 30 ㎚(바람직하게는 4 ㎚ 내지 10 ㎚)의 Mn-TM 합금(TM은, Pt, Pd, Ni, Ir 및 Rh 중 적어도 1종을 포함함)으로 구성된다. Mn-TM 합금으로서는, 예를 들어 PtMn, PdMn, NiMn, IrMn, PtPdMn을 들 수 있다. 반강자성층(32)은, 고정 자화 적층체(33)의 제1 고정 자화층(34)에 교환 상호 작용을 미쳐, 제1 고정 자화층(34)의 자화를 소정 배향으로 고정한다. 고정 자화 적층체(33)는, 반강자성층(32)측으로부터 제1 고정 자화층(34), 비자성 결합층(35), 제2 고정 자화층(36)이 이 순서로 적층되어, 소위 적층 페리 구조를 갖는다. 고정 자화 적층체(33)는 제1 고정 자화층(34)의 자화와 제2 고정 자화층(36)의 자화가 반강자성적으로 교환 결합하여, 자화의 배향이 서로 반평행(反平行)하게 된다.
제1 및 제2 고정 자화층(34, 36)은, 각각 막 두께 1 내지 30 ㎚의 Co, Ni, 및 Fe 중 적어도 어느 하나를 포함하는 강자성 재료로 구성된다. 제1 및 제2 고정 자화층(34, 36)에 적합한 강자성 재료로서는, 예를 들어 CoFe, CoFeB, CoFeAl, CoFeGe, NiFe, FeCoCu, CoNiFe 등을 들 수 있다. 또, 제1 및 제2 고정 자화층(34, 36) 각각은, 1층뿐만 아니라, 2층 이상의 적층체로 해도 좋다. 그 경우, 적층체는 각 층이 동일 원소의 조합으로 또한 서로 다른 조성비의 재료를 이용해도 좋고, 혹은 서로 다른 원소를 조합한 재료를 이용해도 좋다.
제2 고정 자화층(36)은, CoFeAl 또는 CoFeGe로 구성되는 것이 특히 바람직하다. 이는 이하의 이유에 의한 것이다. CoFeAl과 CoFeGe의 스핀 의존 벌크 산란 계수 β는, 연자성 재료인 CoFe의 스핀 의존 벌크 산란 계수와 같은 정도로, 그 밖의 연자성 재료에 비교하여, 매우 큰 스핀 의존 벌크 산란도를 나타낸다. 예를 들어, Co90Fe10의 스핀 의존 벌크 산란 계수 β는 0.55이며, Co50Fe20Al30의 스핀 의존 벌크 산란 계수 β는 0.50이다. 또한, CoFeAl이나 CoFeGe의 비저항 ρ는 CoFe보다도 매우 크고, 예를 들어 Co90Fe10이 20 μΩ㎝인 것에 반해, Co50Fe20Al30은 Co90Fe10의 6배 정도인 130 μΩ㎝, Co50Fe20Ge30은 11배 이상인 236 μΩ㎝이다. 자기 저항 변화량(ΔRA)은, 스핀 의존 벌크 산란 계수 β와 비저항 ρ의 곱에 의존하므로, CoFeAl이나 CoFeGe의 쪽이 CoFe보다도 자기 저항 변화량(ΔRA)이 매우 크다. 따라서, 제2 고정 자화층(36)에 CoFeAl 또는 CoFeGe를 이용함으로써, 자기 저항 변화량(ΔRA)을 대폭으로 증가시킬 수 있다. 이 경우, CoFeGe막 및 CoFeAl막의 스핀 의존 벌크 산란 계수 β는, β ≥ 0.4인 것이 바람직하다.
또한, CoFeAl이나 CoFeGe의 비저항 ρ는, CoFeAl 및 CoFeGe의 조성비에 그다지 의존하지 않으므로, 제조시의 CoFeAl의 조성 관리가 용이해지는 이점도 있다. 또, CoFeGe는 이러한 이점들로부터, 다음에 설명하는 자유 자화층(38)에도 적합하게 이용된다.
제2 고정 자화층(36)을 CoFeGe로 구성하는 경우에는, 그 자기 저항 변화량(ΔRA)을 특히 크게 유지하는 관점에서, 도9에 나타내는 삼원계 조성도의 각 조성의 좌표를 (Co 함유량, Fe 함유량, Ge 함유량)으로서 나타내면, 점 A(42.5, 30, 27.5), 점 B(35, 52.5, 12.5), 점 C(57.5, 30.0, 12.5), 점 D(45.0, 27.5, 27.5)를 이 순서로 연결한 영역 ABCD의 범위 내의 조성을 갖는 것이 바람직하다. 여기서, Co, Fe, 및 Ge의 각 함유량은 원자％(at％)로 나타낸다.
제1 고정 자화층(34)으로서 적합한 연재료로서는, 비저항이 낮은 점에서, Co60Fe40, NiFe를 예로 들 수 있다. 이것은, 제1 고정 자화층(34)의 자화는, 제2 고정 자화층(36)의 자화의 배향에 대해 역방향이 되므로, 제1 고정 자화층(34)이 자기 저항 변화량(ΔRA)을 저하시키는 방향으로 작용한다. 이와 같은 경우, 비저항이 낮은 강자성 재료를 이용함으로써, 자기 저항 변화량(ΔRA)의 저하를 억제할 수 있다.
비자성 결합층(35)은, 그 막 두께가 제1 고정 자화층(34)과 제2 고정 자화층(36)이 반강자성적으로 교환 결합하는 범위로 설정된다. 그 범위는, 0.4 ㎚ 내지 1.5 ㎚(바람직하게는 0.4 ㎚ 내지 0.9 ㎚)이다. 비자성 결합층(35)은, Ru, Rh, Ir, Ru계 합금, Rh계 합금, Ir계 합금 등의 비자성 재료로 구성된다. Ru계 합금으로서는 Ru에, Co, Cr, Fe, Ni, 및 Mn 중 어느 하나, 혹은 이들 합금과의 비자성 재료가 적합하다.
또한, 도시를 생략하지만, 제1 고정 자화층(34)과 반강자성층(32) 사이에 제1 고정 자화층(34)보다도 포화 자속 밀도가 높은 강자성 재료로 이루어지는 강자성 접합층을 마련해도 좋다. 이에 의해, 제1 고정 자화층(34)과 반강자성층(32)과의 교환 상호 작용을 증가시킬 수 있고, 제1 고정 자화층(34)의 자화의 배향이 소정 배향으로부터 변위하거나 반전되는 문제를 회피할 수 있다.
비자성 금속층(37)은, 예를 들어 막 두께 1.5 ㎚ 내지 10 ㎚인 비자성의 도전성 재료로 구성된다. 비자성 금속층(37)에 적합한 도전성 재료로서는 Cu, Al 등을 들 수 있다.
자유 자화층(38)은 비자성 금속층(37)의 표면에 마련되고, 예를 들어 막 두께가 2 ㎚ 내지 12 ㎚인 CoFeGe로 구성된다. CoFeGe는, 상술한 바와 같이, 스핀 의존 벌크 산란 계수가 CoFe의 스핀 의존 벌크 산란 계수와 동일한 정도이며, 비저항이 CoFe의 비저항보다도 매우 크다. 그로 인해 자유 자화층(38)은, CoFe를 이용한 경우보다도 자기 저항 변화량(ΔRA)이 매우 커진다. 또한, CoFeGe의 조성을, 삼원계 조성도(도9 참조)에 있어서, 각 조성의 좌표를 (Co 함유량, Fe 함유량, Ge 함유량)으로서 나타내면, 점 A(42.5, 30, 27.5), 점 B(35, 52.5, 12.5), 점 C(57.5, 30.0, 12.5), 점 D(45.0, 27.5, 27.5)를 이 순서로 연결하는 영역의 범위 내에 있도록 구성하면, 공지예에서 호이슬러(Heussler) 합금으로 하고 있는 (Co2Fe)100 - XGeX(0 ≤ X ≤ 30 at％)의 조성보다도 높은 자기 저항 변화량(ΔRA)을 나타낸다. 따라서, 자기 저항 효과 소자는 고출력을 얻을 수 있다.
여기서, 고정 자화(강자성)층과 자유 자화층 중 어느 한쪽에 이용되는 상기 조성 범위 내의 CoFeGe를 스퍼터법으로 형성하는 경우, 소정의 조성의 CoFeGe 합금 타겟을 이용하여 성막하는 방법이나, Co, Fe, Ge의 단체(單體) 타겟을 3개 동시에 스퍼터하는 방법, 이들 3종류의 단체 타겟으로 적층하여 성막하는 방법 등이 있다. 혹은, 예를 들어 Co 단체 타겟과 FeGe 합금 타겟과 같이, 2종류의 원소의 합금 타겟과 단체 타겟을 조합하여 동시에 방전시키는 방법이나, 이와 같은 단체 타겟과 2종류의 원소의 합금 타겟을 적층시켜 성막하는 방법 등을 적용할 수 있다.
보호층(39)은 비자성의 도전성 재료로 이루어지고, 예를 들어 Ru, Cu, Ta, Au, Al 및 W 중 어느 하나를 포함하는 금속막으로 구성되고, 또한 이들 금속막의 적층체로 구성해도 좋다. 보호층(39)은, 이하에 설명하는 반강자성층(32)의 반강자성을 출현시키기 위한 열처리시에 자유 자화층(38)의 산화를 방지할 수 있다.
다음에, 제1 구성예의 GMR막(30)의 형성 방법을, 도2를 참조하여 설명한다. 우선, 스퍼터법, 증착법, CVD법 등에 의해, 하지층(31)으로부터 보호층(39)까지 각각의 층을 상술한 재료를 이용하여 형성한다.
계속해서, 이와 같이 하여 얻어진 적층체를 자계 중에서 열처리한다. 열처리는, 진공 분위기에서, 예를 들어 가열 온도 250 ℃ 내지 320 ℃, 가열 시간 약 2 내지 4시간, 인가 자계 1592 kA/m의 조건에서 행한다. 이 열처리에 의해, 상술한 Mn-TM 합금 중 일부는, 규칙 합금화하여 반강자성이 출현한다. 또한, 열처리시에 소정 방향으로 자계를 인가함으로써, 반강자성층(32)의 자화의 방향을 소정 방향으로 설정하여, 반강자성층(32)과 고정 자화층(33)의 교환 상호 작용에 의해 고정 자화층(33)의 자화를 소정 배향으로 고정할 수 있다.
계속해서, 하지층(31)으로부터 보호층(39)까지의 적층체를, 도1에 도시한 바 와 같이 소정의 형상으로 패터닝하여 GMR막(30)을 얻는다. 또, 하기에 설명하는 제2 구성예 내지 제6 구성예의 GMR막(30)도, 제1 구성예의 GMR막(30)과 마찬가지로 하여 형성한다. 어떠한 예에 있어서도, 제1 구성예의 GMR막(30)과 마찬가지로, 자유 자화층(38)이 CoFeGe로 이루어지므로, 자기 저항 변화량(ΔRA)이 크다. 따라서, 고출력의 자기 저항 효과 소자를 실현할 수 있다.
도3은 제1 실시 형태의 자기 저항 효과 소자(20)를 구성하는 GMR막의 제2 구성예로서, GMR막(40)의 구성을 나타낸다. 도2와 동일 구성 요소에는 동일 참조 부호를 부여하여 설명을 생략한다.
제2 구성예인 GMR막(40)은, 하지층(31), 하부 반강자성층(32), 하부 고정 자화 적층체(33), 하부 비자성 금속층(37), 자유 자화층(38), 상부 비자성 금속층(47), 상부 고정 자화 적층체(43), 상부 반강자성층(42), 보호층(39)이 이 순서로 적층되어 있다. 즉, GMR막(40)은, 도2에 도시하는 제1 구성예의 GMR막(30)의 자유 자화층(38)과 보호층(39) 사이에, 상부 비자성 금속층(47), 상부 고정 자화 적층체(43), 상부 반강자성층(42)을 마련한 구성을 갖고, 소위 듀얼 스핀 밸브 구조를 갖는다. 또, 하부 반강자성층(32), 하부 고정 자화 적층체(33), 및 하부 비자성 금속층(34)은, 도2에 도시하는 제1 구성예의 GMR막(30)의 반강자성층(32), 고정 자화층(33), 및 비자성 금속층(34)과 같은 재료 및 막 두께를 가지므로, 동일 부호를 사용하고 있다. 상부 비자성 금속층(47), 상부 반강자성층(42)은, 각각 하부 비자성 금속층(37), 하부 반강자성층(32)과 같은 재료를 이용할 수 있고, 막 두께도 같은 범위로 설정된다. 또한, 상부 고정 자화 적층체(43)는 상부 반강자성 층(42)측으로부터 상부 제1 고정 자화층(44), 상부 비자성 결합층(45), 상부 제2 고정 자화층(46)이 이 순서로 적층되어, 소위 적층 페리 구조를 갖는다. 상부 제1 고정 자화층(44), 상부 비자성 결합층(45), 상부 제2 고정 자화층(46)은, 각각 하부 제1 고정 자화층(34), 하부 비자성 결합층(35), 하부 제2 고정 자화층(36)과 같은 재료를 이용할 수 있고, 막 두께도 같은 범위로 설정된다.
GMR막(40)의 자유 자화층(38)은, 도2의 제1 구성예의 GMR막(30)의 자유 자화층(38)과 마찬가지로, 적절한 조성 범위의 CoFeGe로 구성된다. 따라서, 자기 저항 효과 소자(20)는, 제1 구성예의 GMR막(30)의 경우와 같은 이유에 의해, 큰 자기 저항 변화량(ΔRA)을 갖는다. 또한, GMR막(40)은, 하부 고정 자화 적층체(33), 하부 비자성 금속층(37), 자유 자화층(38)으로 이루어지는 스핀 밸브 구조와, 자유 자화층(38), 상부 비자성 금속층(47), 상부 고정 자화 적층체로 이루어지는 스핀 밸브 구조를 가지므로, 전체의 자기 저항 변화량(ΔRA)이 증가하여, 제1 구성예의 GMR막(30)의 자기 저항 변화량(ΔRA)에 대해 거의 2배가 된다. 즉, 제2 구성예의 GMR막(40)을 자기 저항 효과 소자(20)에 이용함으로써, 제1 구성예의 GMR막(30)을 이용한 경우보다도 한층 더 고출력의 자기 저항 효과 소자(20)를 실현할 수 있다. 또한, GMR막(40)의 형성 방법은 제1 구성예의 GMR막(30)의 형성 방법과 마찬가지므로, 그 설명을 생략한다.
도4는 제1 실시 형태의 자기 저항 효과 소자(20)를 구성하는 GMR막의 제3 구성예를 나타내는 도면이다. 제3 구성예의 GMR막(50)은 제2 구성예의 GMR막(40)의 변형예로, 자유 자화층(38)의 상하를, 제1 및 제2 계면 자성층(52, 53) 사이에 끼 워 넣는다. 이들 계면 자성층(52, 53)은 자유 자화층(38)으로부터 비자성층(37, 47)에의 Ge의 확산을 방지한다.
환언하면, GMR막(50)은, 도3의 제2 구성예의 GMR막(40)의 자유 자화층(38) 대신에, 자유 자화 적층체(51)를 갖고, 하지층(31), 하부 반강자성층(32), 하부 고정 자화 적층체(33), 하부 비자성 금속층(37), 자유 자화 적층체(51), 상부 비자성 금속층(47), 상부 고정 자화 적층체(43), 상부 반강자성층(42), 보호층(39)이 이 순서로 적층되어 있다. 동일 구성 요소에 대해서는 동일 참조 부호를 부여하고 있어, 설명을 생략한다.
자유 자화 적층체(51)는 하부 비자성 금속층(37)측으로부터, 제1 계면 자성층(52), 자유 자화층(38), 제2 계면 자성층(53)이 이 순서로 적층되어 이루어진다. 자유 자화층(38)은, 도2의 제1 구성예의 GMR막(30)과 같은 조성 범위의 CoFeGe로 구성된다. 제1 계면 자성층(52) 및 제2 계면 자성층(53)은, 각각, 예를 들어 두께가 0.2 ㎚ 내지 2.5 ㎚인 연자성막이다. 제1 계면 자성층(52) 및 제2 계면 자성층(53)은, 각각 스핀 의존 계면 산란 계수가 CoFeGe보다도 큰 재료, 예를 들어 CoFe, CoFe 합금, NiFe, NiFe 합금으로부터 선택되는 것이 바람직하다. CoFe 합금으로서는, 예를 들어 CoFeNi, CoFeCu, CoFeCr, CoFeAl 등이 있다. 또한, NiFe 합금으로서는, 예를 들어 NiFeCu, NiFeCr 등을 들 수 있다. 자유 자화 적층체(51)는, 자유 자화층(38)을 이와 같은 스핀 의존 계면 산란 계수가 큰 연자성 재료막 사이에 끼움으로써, 자기 저항 변화량(ΔRA)을 증가시킬 수 있다.
또, 제1 계면 자성층(52) 및 제2 계면 자성층(53)에는, 같은 조성의 재료를 이용해도 좋고, 같은 원소를 포함하지만 조성비가 다른 재료를 이용해도 좋다. 또한, 서로 다른 원소로 이루어지는 재료를 이용해도 좋다. 또한, 제1 계면 자성층(52)과 제2 계면 자성층(53)에는, 자유 자화층(38)과 다른 조성비의 CoFeGe, 예를 들어 자유 자화층(38)보다도 보자력이 높은 재료를 이용해도 좋다.
제3 구성예의 GMR막(50)은, 제2 구성예의 GMR막(40)과 같은 효과를 갖고, 또한 자유 자화층(38)의 양면에 제1 계면 자성층(52) 및 제2 계면 자성층(53)을 마련함으로써, 자기 저항 변화량(ΔRA)을 제2 구성예의 GMR막(40)보다도 더욱 증가시킬 수 있다.
도5는 제1 실시 형태의 자기 저항 효과 소자(20)를 구성하는 GMR막의 제4 구성예를 나타낸다. 제4 구성예의 GMR막(60)은, 제2 구성예의 GMR막(40)의 변형예이다. 도면 중, 동일 구성 요소에는 동일 참조 부호를 부여하여, 설명을 생략한다.
제4 구성예의 GMR막(60)은, 하부 제2 고정 자화층(36)과 하부 비자성 금속층(37) 사이에 제3 계면 자성층(63)을 삽입하고, 상부 제2 고정 자화층(46)과 상부 비자성 금속층(47) 사이에 제4 계면 자성층(64)을 삽입한다. 즉, GMR막(60)은, 도3에 도시하는 제2 구성예의 GMR막(40)의 하부 고정 자화 적층체(33)와 상부 고정 자화 적층체(43) 대신에, 하부 고정 자화 적층체(61)와 상부 고정 자화 적층체(62)를 설치한 구성을 갖고, 하지층(31), 하부 반강자성층(32), 하부 고정 자화 적층체(61), 하부 비자성 금속층(37), 자유 자화층(38), 상부 비자성 금속층(47), 상부 고정 자화 적층체(62), 상부 반강자성층(42), 보호층(39)이 순차 적층되어 있다.
하부 고정 자화 적층체(61)는 하부 제2 고정 자화층(36)의 하부 비자성 금속 층(37)측에 제3 계면 자성층(63)을 갖고, 상부 고정 자화 적층체(62)는 상부 제2 고정 자화층(46)의 상부 비자성 금속층(47)측에 제4 계면 자성층(64)을 갖는다. 제3 계면 자성층(63) 및 제4 계면 자성층(64)은, 각각 예를 들어 두께가 0.2 ㎚ 내지 2.5 ㎚의 범위로 설정되고, 강자성 재료로 구성된다. 제3 계면 자성층(63) 및 제4 계면 자성층(64)은, 각각 스핀 의존 계면 산란이 CoFeGe보다도 큰 재료, 예를 들어 CoFe, CoFe 합금, NiFe, NiFe 합금으로부터 선택되는 것이 바람직하다. CoFe 합금으로서는, 예를 들어 CoFeNi, CoFeCu, CoFeCr, CoFeAl 등을 들 수 있다. 또한, NiFe 합금으로서는, 예를 들어 NiFeCu, NiFeCr 등을 들 수 있다. 이에 의해, 자기 저항 변화량(ΔRA)을 증가시킬 수 있다.
제3 계면 자성층(63)과 제4 계면 자성층(64)에는, 같은 조성의 재료를 이용해도 좋고, 같은 원소를 포함하지만 조성비가 다른 재료를 이용해도 좋다. 또한, 서로 다른 원소로 이루어지는 재료를 이용해도 좋다.
제4 구성예의 GMR막(60)은, 제2 구성예의 GMR막(40)과 같은 효과를 갖고, 제3 계면 자성층(63) 및 제4 계면 자성층(64)을 더 마련함으로써, 제2 구성예의 GMR막(20)보다도 자기 저항 변화량(ΔRA)을 더욱 증가시킬 수 있다.
도6은 제1 실시 형태의 자기 저항 효과 소자(20)를 구성하는 GMR막의 제5 구성예를 나타낸다. 제5 구성예의 GMR막(65A)은 제4 구성예의 GMR막(60)의 변형예로, 하부 제2 고정 자화층(36)을, 제3 계면 자성층(63)과 제1 강자성 접합층(68) 사이에 끼워 넣고, 상부 제2 고정 자화층(46)을 제4 계면 자성층(64)과 제2 강자성 접합층(69) 사이에 끼워 넣는다.
즉, 제5 구성예의 GMR막(65A)은, 하지층(31), 하부 반강자성층(32), 하부 고정 자화 적층체(66), 하부 비자성 금속층(37), 자유 자화층(38), 상부 비자성 금속층(47), 상부 고정 자화 적층체(67), 상부 반강자성층(42), 보호층(39)이 이 순서로 적층되어 있다. 하부 고정 자화 적층체(66)는 하부 제2 고정 자화층(36)의 하부 비자성 결합층(35)측에 제1 강자성 접합층(68)을 갖고, 상부 고정 자화 적층체(67)는 상부 제2 고정 자화층(46)의 상부 비자성 결합층(45)측에 제2 강자성 접합층(69)을 갖는다.
제1 강자성 접합층(68) 및 제2 강자성 접합층(69)은, 그 두께가 예를 들어 0.2 ㎚ 내지 2.5 ㎚의 범위로 설정되고, Co, Ni, 및 Fe 중 어느 하나를 적어도 포함하는 강자성 재료, 예를 들어 CoFe, CoFeB, CoNiFe로 이루어진다. 제1 강자성 접합층(68) 및 제2 강자성 접합층(69)은, 그 포화 자화가 각각 하부 제2 고정 자화층(36) 및 상부 제2 고정 자화층(46)의 포화 자화보다도 큰 강자성 재료를 이용함으로써, 각각 하부 제1 고정 자화층(34), 상부 제1 고정 자화층(44)과의 교환 결합을 높여, 하부 제2 고정 자화층(36) 및 상부 제2 고정 자화층(46)의 자화의 배향을 보다 안정화할 수 있다. 그 결과, 자기 저항 변화량(ΔRA)을 안정화할 수 있다.
제5 구성예의 GMR막(65A)은 제4 구성예의 GMR막(60)과 같은 효과를 갖고, 제1 강자성 접합층(68) 및 제2 강자성 접합층(69)을 더 마련함으로써, 자기 저항 변화량(ΔRA)을 안정화할 수 있다.
도7은 제1 실시 형태의 자기 저항 효과 소자(20)를 구성하는 GMR막의 제6 구성예를 나타낸다. 제6 구성예의 GMR막(65B)은 제3 구성예의 GMR막(50)과, 제5 구 성예의 GMR막(65A)의 조합이다. GMR막(65B)은 하지층(31), 하부 반강자성층(32), 하부 고정 자화 적층체(66), 하부 비자성 금속층(37), 자유 자화 적층체(51), 상부 비자성 금속층(47), 상부 고정 자화 적층체(67), 상부 반강자성층(42), 보호층(39)이 이 순서로 적층되고, 자유 자화 적층체(51)는 하부 비자성 금속상(37) 상에 제1 계면 자성층(52), 자유 자화층(38), 및 제2 계면 자성층(53)이 이 순서로 배치되어 있다.
제6 구성예에서는, 자유 자화층(38)과, 하부 제2 고정 자화층(36) 및 상부 제2 고정 자화층(47)의 전체가 CoFeGe로 구성되는 경우에, 이들 층과 비자성 금속층(37, 47)의 모든 경계면에 계면 자성층(52, 53, 63, 64)을 삽입하고, 또한 하부 제2 고정 자화층(36)과 하부 비자성 결합층(35) 사이, 및 상부 제2 고정 자화층(46)과 상부 비자성 결합층(45) 사이에 각각 제1 및 제2 강자성 접합층(68, 69)을 삽입한다. 이 구성에 의해, GMR막(65B)의 자기 저항 변화량(ΔRA)을 가장 효과적으로 향상시키는 동시에, 안정화할 수 있다.
또, 제1 실시 형태에서는, 제3 구성예 내지 제6 구성예의 GMR막은, 제2 구성예의 듀얼 스핀 밸브 구조의 GMR막(40)의 변형예이지만, 제3 구성예 내지 제6 구성예의 GMR막과 같은 구성을, 도2의 제1 구성예의 싱글 스핀 밸브 구조의 GMR막(30)의 자유 자화층(38)이나 제2 고정 자화층(36)에 적용해도 좋다.
도8은, 도3에 도시하는 제2 구성예의 GMR막(40)에 있어서, 자유 자화층(38)을 구성하는 CoFeGe막의 조성을 다양하게 변화시킨 샘플(번호 1 내지 번호 20)에서 MR비(％)를 측정한 측정 결과표이다.
각 샘플은 열산화막이 형성된 실리콘 기판(11) 상에(도1 참조), 하부 전극(21)으로서, 실리콘 기판측으로부터 Cu(250 ㎚)와 NiFe(50 ㎚)의 적층막을 형성하고, 하지층(31)으로부터 보호층(39)에 이르는 적층체의 각 층을, 초고진공(진공도 : 2 × 10-6 Pa 이하) 분위기에서 스퍼터 장치를 이용하여 기판의 가열을 행하지 않고 형성하였다. 이들 층의 조성 및 막 두께는, 하기에 나타내는 바와 같다. 계속해서, 반강자성층의 반강자성을 출현시키기 위한 열처리를 행하였다. 열처리의 조건은, 가열 온도 300 ℃, 처리 시간 3시간, 인가 자계 1952 kA/m로 하였다. 계속해서, 이와 같이 하여 얻어진 적층체를 이온 밀링에 의해 연삭하여, 0.1 μ㎡ 내지 0.6 μ㎡의 범위의 6종류의 접합 면적을 갖는 적층체를 제작하였다. 또, 접합 면적마다 40개의 적층체를 제작하였다. 계속해서, 이와 같이 얻어진 적층체를 실리콘 산화막으로 덮고, 계속해서 건식 에칭에 의해 보호층을 노출시켜 보호층에 접촉하도록 Au막으로 이루어지는 상부 전극(22)을 형성하였다. 이하에, 샘플 번호 1 내지 번호 20의 GMR막(40)의 구체적 구성을 나타낸다. 또, 괄호 안의 수치는 막 두께를 나타내며, 이하의 실시예에 있어서 마찬가지이다.
하지층(31) : Ru(4 ㎚)
하부 반강자성층(32) : IrMn(7 ㎚)
하부 제1 고정 자화층(34) : Co60Fe40(2 ㎚)
하부 비자성 결합층(35) : Ru(0.7 ㎚)
하부 제2 고정 자화층(36) : CoFeAl(3 ㎚)
하부 비자성 금속층(37) : Cu(3.5 ㎚)
자유 자화층(38) : CoFeGe(4.5 ㎚)
상부 비자성 금속층(47) : Cu(3.5 ㎚)
상부 제2 고정 자화층(46) : CoFeAl(3.0 ㎚)
상부 비자성 결합층(45) : Ru(0.7 ㎚)
상부 제1 고정 자화층(44) : Co60Fe40(3.5 ㎚)
상부 반강자성층(42) : IrMn(7 ㎚)
보호층(39) : Ru(5 ㎚)
이와 같이 하여 얻어진 샘플 번호 1 내지 번호 20의 각각에 대해, 자기 저항 변화량(ΔRA)값을 측정하고, 동일 정도의 접합 면적을 갖는 자기 저항 효과 소자마다 자기 저항 변화율 MR비(ΔRA/RA)의 평균치를 구하였다. 또, 자기 저항 변화량(ΔRA)의 측정은, 센스 전류의 전류치를 2 ㎃로 설정하고, 외부 자계를 하부 및 상부 제2 고정 자화층(36, 46)의 자화 방향과 평행하게, -79 kA/m 내지 79 kA/m의 범위에서 스위핑하고, 하부 전극과 상부 전극 사이의 전압을 디지털 전압계(Voltmeter)에 의해 측정하여, 자기 저항 곡선을 얻었다. 그리고, 자기 저항 곡선의 최대치와 최소치의 차로부터 자기 저항 변화량(ΔR)을 구하였다. 또한, 자유 자화층(38)의 보자력은, 외부 자계를 상기와 같은 방향으로 -7.9 kA/m 내지 7.9 kA/m의 범위에서 스위핑하여, 얻어진 자기 저항 곡선의 히스테리시스로부터 구하였다.
도8을 참조하면, 샘플 번호 1 내지 번호 20에서는, MR비는 대략 5 mΩμ㎡ 이상(혹은 5 ％ 이상)인 것을 알 수 있다. 발명자들의 검토에 따르면, 샘플 번호 1 내지 번호 20의 자기 저항 변화율은, 자유 자화층에 CoFe를 이용한 경우보다도 큰 것을 알 수 있었다.
이와 같은 양호한 값은, CoFeGe막을 상부 및/또는 하부 제2 고정 자화층(36, 46)에 적용한 경우에도 달성된다.
도9는 Co, Fe, 및 Ge의 3원계 조성 다이어그램이며, 자유 자화층(38)의 조성 범위를 나타내는 도면이다. 도8에 나타낸 샘플 번호 1 내지 번호 20의 CoFeGe 자유 자화층(38)의 MR비를, 그 조성의 좌표 상에 나타내고 있다. 비교예로서, 공지의 호이슬러 합금의 조성과 MR비를 점선으로 나타낸다.
공지의 호이슬러 합금의 조성인 Co50Fe25Ge25의 MR비가 5.59 ％인 것에 반해, 좌표점 ABCD로 둘러싸이는 범위의 조성을 갖는 실시 형태의 CoFeGe 자유 자화층(38)에서는, 5.6％ 이상을 달성한다. 특히 Fe 함유가 많고, Ge가 적은 측의 조성에서 MR비가 높게 되어 있는 것을 알 수 있다. 점선으로 나타내지는 종래의 조성 범위(Co2Fe)100 - XGeX(0 ≤ X ≤ 30 at％)의 MR비와 비교하여, 제2 구성예의 GMR막(40)의 조성 범위의 쪽이 MR비가 높은 것은 명백하다.
이 결과로부터, 자유 자화층(38)의 CoFeGe의 조성 범위는, 각 조성의 좌표를 (Co 함유량, Fe 함유량, Ge 함유량)으로서 나타내면, 점 A(42.5, 30, 27.5), 점 B(35, 52.5, 12.5), 점 C(57.5, 30.0, 12.5), 점 D(45.0, 27.5, 27.5)를 연결한 영역 내의 조성으로 설정되는 것이 바람직하다. 이 조성 범위는, MR비가 호이슬러 합금의 조성인 Co50Fe25Ge25의 경우보다도 높아, 신호 자계에 대한 출력이 양호해진다.
또한, 도7의 제6 구성예의 구조를 채용하여, 자유 자화층(38)과 하부 및 상부의 제2 고정 자화층(36, 46)에 Co45Fe35Ge20을 이용하여, 모든 CoFeGe 계면에 CoFe 계면 자성층을 삽입한 경우에, MR비는 최대 8.39 ％를 나타내는 것이, 실험에 의해 확인되었다. CoFeGe와 비자성층(37, 47) 사이에 계면 자성층(예를 들어 CoFe막)을 삽입한 쪽이, Ge의 확산을 억제하여, 높은 MR비를 달성할 수 있는 것을 알 수 있다.
CoFeGe는, 연자성 재료인 CoFe와 동일 정도의 스핀 의존 벌크 산란 계수를 갖고, 그 값은 그 밖의 연자성 재료와 비교하여 비교적 큰 데다가, CoFeGe의 비저항은 CoFe의 비저항의 8배 이상이다. 따라서, CoFeGe를 자유 자화층(38)이나, 비자성 금속층(37, 47)과 접하는 측의 고정 자화층(제2 고정 자화층)(36, 46)에 이용함으로써, 스핀 의존 벌크 산란 계수와 비저항의 곱으로부터 구해지는 자기 저항 변화량이 CoFe와 비교하여 매우 커진다. 그 결과, 자기 저항 효과 소자(20)의 출력을 증대시킬 수 있는 것이다.
이와 같이, 자기 저항 효과 소자(20)는, 자유 자화층(38)과, 비자성 금속층(37, 47)에 접하는 측의 고정 자화층(36, 46)의 적어도 한쪽에, 영역 ABCD 내의 조성의 CoFeGe를 이용함으로써, 단위 면적의 자기 저항 변화량(ΔRA)을 크게 하여 고출력을 실현할 수 있다. Ge의 조성을 늘림으로써 비저항치를 높이는 것은 가능하지만, Ge가 27.5 ％를 초과하면 자기 모멘트가 급감하므로, MR비가 저하된다. 반대로, Ge가 12.5 ％보다 낮은 경우에는, 비저항치가 CoFe와 비교하여 상승하지 않고, MR비도 증가하지 않는다. 따라서, Ge 조성의 최적의 범위는 12.5 ％ 내지 27.5 ％가 된다.
(제2 실시 형태)
도10은 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 자기 헤드에서 이용되는 자기 저항 효과막의 개략 구성도이다. 제2 실시 형태에서는, 자기 저항 효과 소자(20)는 터널 자기 저항 효과막(이하「TMR막」이라 함)을 갖는다. 제1 실시 형태에서 이용한 GMR막 대신에 TMR막을 이용하는 것 이외에는, 동일한 구성을 취하므로, 자기 헤드의 설명은 생략한다.
도10 내지 도15는, 제2 실시 형태의 자기 저항 효과 소자(20)를 구성하는 TMR막의 제1 구성예 내지 제6 구성예를 나타낸다. 제1 구성예 내지 제6 구성예의 TMR막(70 내지 74B)은, 도2 내지 도7의 GMR막(30, 40, 50, 60, 65A, 65B)에서 이용한 비자성 금속층(37, 47) 대신에, 절연 재료로 이루어지는 비자성 절연층(37a, 47a)을 이용하는 것 이외에는, 동일한 적층 구조를 갖는다.
비자성 절연층(37a, 47a)은, 예를 들어 두께가 0.2 ㎚ 내지 2.0 ㎚이며, Mg, Al, Ti, 및 Zr로 이루어지는 군 중 어느 1종의 산화물로 이루어진다. 이와 같은 산화물로서는, MgO, AlOx, TiOx, ZrOx를 예로 들 수 있다. 여기서, x는 각각 재료의 화합물의 조성으로부터 어긋난 조성이라도 좋은 것을 나타낸다. 특히, 비자성 절연층(37a, 47a)은 결정질 MgO인 것이 바람직하고, 특히 터널 저항 변화율이 증가하는 점에서, MgO의 (001)면은 막면에 평행한 것이 바람직하다. 또한, 비자성 절 연층(37a, 47a)은 Al, Ti, 및 Zr로 이루어지는 군 중 어느 1종의 질화물, 혹은 산질화물로 구성되어도 좋다. 이와 같은 질화물로서는, AlN, TiN, ZrN을 예로 들 수 있다. 비자성 절연층(37a, 47a)의 형성 방법은, 스퍼터법, CVD법, 증착법을 이용하여 상기한 재료를 직접 형성해도 좋고, 스퍼터법, CVD법, 증착법을 이용하여 금속막을 형성 후, 산화 처리나 질화 처리를 행하여 산화막이나 질화막으로 변환해도 좋다.
단위 면적의 터널 저항 변화량은 제1 실시 형태의 단위 면적의 자기 저항 변화량(ΔRA)의 측정과 마찬가지로 하여 얻을 수 있다. 단위 면적의 터널 저항 변화량은, 자유 자화층(38) 및 제2 고정 자화층(36, 46)의 분극률이 클수록 증가한다. 분극률은, 절연층[비자성 절연층(37a, 47a)]을 개재시킨 강자성층[자유 자화층(38) 및 제2 고정 자화층(36, 46)]의 분극률이다. CoFeGe의 스핀 의존 벌크 산란 계수는, 종래 이용되어 온 NiFe나 CoFe보다도 크기 때문에, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 자유 자화층(38)과 제2 고정 자화층(36, 46) 중 적어도 한쪽에 CoFeGe를 이용함으로써, 단위 면적의 터널 저항 변화량의 증가가 예상된다. 자유 자화층(38)에 CoFeGe를 이용하는 경우에, 제2 고정 자화층(36, 46)에 CoFeGe 또는 CoFeAl을 이용함으로써, 단위 면적의 터널 저항 변화량의 증가가 예상된다.
자유 자화층(38)의 CoFeGe의 조성 범위는, 제1 실시 형태에서 설명한 자유 자화층(38)의 CoFeGe의 조성 범위와 같은 범위로, 도8의 영역 ABCD 내의 조성 범위로 설정된다. 이에 의해, 고출력의 TMR막을 갖는 자기 저항 효과 소자를 실현할 수 있다.
또, 제2 실시 형태에서는, 제3 구성예 내지 제5 구성예의 TMR막(72 내지 74A)은, 제2 구성예의 TMR막(71)의 변형예이지만, 이와 같은 듀얼형의 TMR막의 구성을, 도10의 TMR막(70)의 자유 자화층(38)이나 제2 고정 자화층(36)에 적용해도 좋다. 또한, 제3 구성예의 TMR막(72)과, 제5 구성예의 TMR막(74A)을 조합하여, 도15에 도시하는 제6 구성예의 TMR막(74B)으로 해도 좋다. 이 경우에는 최적의 출력을 얻을 수 있다.
(제3 실시 형태)
도16은 제3 실시 형태에 관한 자기 기억 장치(90)의 주요부를 도시하는 평면도이다. 자기 기억 장치(90)는 하우징(91) 내에 수용되고, 스핀들(도시 생략)에 의해 구동되는 허브(92), 허브(92)에 고정되고 스핀들에 의해 회전되는 자기 기록 매체(93), 액츄에이터 유닛(94), 액츄에이터 유닛(94)에 지지되고 자기 기록 매체(93)의 직경 방향으로 구동되는 아암(95) 및 서스펜션(96), 서스펜션(96)에 지지되는 자기 헤드(98)를 갖는다. 자기 기록 매체(93)는 면내 자기 기록 방식 혹은 수직 자기 기록 방식 중 어느 쪽의 자기 기록 매체라도 좋고, 경사 이방성을 갖는 기록 매체라도 좋다. 자기 기록 매체(93)는 자기 디스크에 한정되지 않고, 자기 테이프라도 좋다.
자기 헤드(98)는, 도1에 도시한 바와 같이, 세라믹 기판(11)의 상에 형성된 자기 저항 효과 소자(20)와, 그 위에 형성된 유도형 기록 소자(13)로 구성된다. 유도형 기록 소자(13)는 면내 기록용 링형의 기록 소자라도 좋고, 수직 자기 기록용 단자극형(monopole)의 기록 소자라도 좋고, 다른 공지의 기록 소자라도 좋다. 자기 저항 효과 소자(20)는, 제1 실시 형태의 제1 구성예 내지 제6 구성예 중 어느 하나의 GMR막, 혹은 제2 실시 형태의 제1 구성예 내지 제6 구성예의 어느 하나의 TMR막을 구비한다. 따라서, 자기 저항 효과 소자(20)는 단위 면적의 자기 저항 변화량(ΔRA), 혹은 단위 면적의 터널 저항 변화량이 크고, 고출력이다. 따라서, 자기 기억 장치(90)는 고기록 밀도 기록에 적합하다. 또, 제3 실시 형태에 관한 자기 기억 장치(90)의 기본 구성은, 도16에 나타내는 구성에 한정되는 것은 아니다.
(제4 실시 형태)
도17은 제4 실시 형태에 관한 자기 메모리 장치의 제1 구성예를 나타낸다. 도17의 (A)는 개략 단면도, 도17의 (B)는 도17의 (A)에서 이용되는 GMR막(30)의 구성도이다. 도18은 제1 구성예의 자기 메모리 장치의 하나의 메모리 셀의 등가 회로도이다. 도17의 (A)에서는 방향을 나타내기 위해 직교 좌표축을 나타내고 있다. 이 중, Y1 및 Y2 방향은 지면(紙面)에 수직인 방향으로, Y1 방향은 지면 안쪽을 향하는 방향, Y2 방향은 지면의 전방을 향하는 방향이다. 이하의 설명에 있어서, 단순히 X 방향으로 하는 경우에는, X1 방향 및 X2 방향 중 어느 것이라도 좋은 것을 나타내고, Y 방향 및 Z 방향에 대해서도 마찬가지로 한다. 도면 중, 앞서 설명한 구성 요소에 대응 부분에는 동일 참조 부호를 부여하여, 설명을 생략한다.
자기 메모리 장치(100)는, 예를 들어 매트릭스 형상으로 배열된 복수의 메모리 셀(101)로 이루어진다. 메모리 셀(101)은, 대체로 자기 저항 효과(GMR)막(30)과 MOS형 전계 효과 트랜지스터(FET)(102)를 갖는다. MOS형 FET는, p채널 MOS형 FET 혹은 n채널 MOS형 FET를 이용할 수 있지만, 여기서는 전자가 캐리어로 되는 n 채널 MOS형 FET를 예로서 설명한다. MOS형 FET(102)는, 실리콘 기판(103) 중에 형성된 p형 불순물을 포함하는 p웰 영역(104)과, p웰 영역(104) 중의 실리콘 기판(103)의 표면 근방에 서로 이격되어 n형 불순물이 도입된 불순물 확산 영역(105a, 105b)을 갖는다. 여기서, 한쪽의 불순물 확산 영역(105a)을 소스(S), 다른 쪽의 불순물 확산 영역(105b)을 드레인(D)으로 한다. MOS형 FET(102)는, 2개의 불순물 확산 영역(105a, 105b) 사이의 실리콘 기판(103)의 표면에 게이트 절연막(106)을 개재시켜 게이트 전극(G)이 설치되어 있다.
MOS형 FET(102)의 소스(S)는, 수직 배선(114) 및 층내 배선(115)을 개재시켜 GMR막(30)의 한쪽측, 예를 들어 하지층(31)에 전기적으로 접속된다. 또한, 드레인(D)에는 수직 배선(114)을 개재시켜 플레이트선(108)이 전기적으로 접속된다. 게이트 전극(G)에는 판독용 워드선(109)에 전기적으로 접속된다. 또한, 게이트 전극(G)이 판독용 워드선(109)을 겸해도 좋다. 또한, 비트선(110)은 GMR막(30)의 다른 쪽측, 예를 들어 보호막(39)에 전기적으로 접속된다. GMR막(30)의 하측에는 이격되어 기입용 워드선(111)이 설치되어 있다. GMR막(30)은, 앞서 도2에 도시한 GMR막(30)과 같은 구성을 갖는 GMR막(30)은, 자유 자화층(38)의 자화 용이축의 방향을 도17의 (A)에 나타내는 X축 방향을 따라 설정하고, 자화 곤란축의 방향을 Y 방향을 따라 설정한다. 자화 용이축의 방향은, 열처리에 의해 형성해도 좋고, 형상 이방성에 의해 형성해도 좋다. 형상 이방성에 의해 X축 방향으로 자화 용이축을 형성하는 경우에는, GMR막(30)의 막면에 평행한 단면 형상(X-Y 평면에 평행한 단면 형상)을 Y 방향의 변보다도 X 방향의 변이 긴 직사각형으로 한다.
또, 자기 메모리 장치(100)는 실리콘 기판(103)의 표면이나 게이트 전극(G)이 실리콘 질화막이나 실리콘 산화막 등의 층간 절연막(113)으로 덮혀 있다. 또한, GMR막(30), 플레이트선(108), 판독용 워드선(109), 비트선(110), 기입용 워드선(111), 수직 배선(114), 및 층내 배선(115)은, 상기에서 설명한 전기적인 접속 이외에는 층간 절연막(113)에 의해 서로 전기적으로 절연되어 있다.
자기 메모리 장치(100)는 GMR막(30)에 정보를 유지한다. 정보는 제2 고정 자화층(36)의 자화의 방향에 대해, 자유 자화층(38)의 자화의 방향이 평행 혹은 반 평행의 상태인지에 의해 유지된다.
다음에, 자기 메모리 장치(100)의 기입 및 판독 동작을 설명한다.
자기 메모리 장치(100)의 GMR막(30)에의 정보의 기입 동작은, GMR막(30)의 상하에 배치된 비트선(110)과 기입용 워드선(111)에 의해 행해진다. 비트선(110)은 GMR막(30)의 상방을 X 방향으로 연장하고 있고, 비트선(110)에 전류를 흐르게 함으로써, GMR막(30)에 Y 방향으로 인가된다. 또한, 기입용 워드선(111)은 GMR막(30)의 하방을 Y 방향으로 연장하고 있고, 기입용 워드선(111)에 전류를 흐르게 함으로써, GMR막(30)에 X 방향으로 자계가 인가된다. GMR막(30)의 자유 자화층(38)의 자화는, 실질적으로 자계가 인가되지 않는 경우에는 X 방향(예를 들어 X2 방향으로 함)을 향하고 있어, 그 자화 방향은 안정된다.
정보를 GMR막(30)에 기입할 때는 비트선(110)과 기입용 워드선(111)에 동시에 전류를 흐르게 한다. 예를 들어, 자유 자화층(38)의 자화가 X1 방향을 향하는 경우에는, 기입용 워드선(111)에 흐르게 하는 전류를 Y1 방향으로 흐르게 한다. 이에 의해, GMR막(30)에 있어서 자계가 X1 방향이 된다. 이 때, 비트선(110)에 흐르게 하는 전류의 방향은, X1 방향 및 X2 방향 중 어느 것이라도 좋다. 비트선(110)에 흐르게 하는 전류에 의해 생기는 자계는, GMR막(30)에 있어서 Y1 방향 또는 Y2 방향이 되고, 자유 자화층(38)의 자화가 자화 곤란축의 장벽을 넘기 위한 자계의 일부로서 기능한다. 즉, 자유 자화층(38)의 자화에 X1 방향의 자계와, Y1 방향 또는 Y2 방향이 동시에 인가됨으로써, X2 방향을 향하고 있던 자유 자화층(38)의 자화는 X1 방향으로 반전한다. 그리고 자계를 제거한 후도 자유 자화층(38)의 자화는 X1 방향을 향하고 있어, 다음의 기입 동작의 자계 혹은 소거용 자계가 인가되지 않는 한 안정된다.
이와 같이 하여, GMR막(30)에는 자유 자화층(38)의 자화의 방향에 따라서, "1" 혹은 "0"을 기록할 수 있다. 예를 들어, 제2 고정 자화층(36)의 자화의 방향이 X1 방향인 경우에, 자유 자화층(38)의 자화 방향이 X1 방향(터널 저항치가 낮은 상태)일 때는 "1", X2 방향(터널 저항치가 높은 상태)일 때는 "0"으로 설정한다. 또한, 기입 동작시에 비트선(110) 및 기입용 워드선(111)에 공급되는 전류의 크기는, 비트선(110) 혹은 기입용 워드선(111) 중 어느 한쪽으로만 전류가 흘러도 자유 자화층(38)의 자화의 반전이 생기지 않을 정도로 설정된다. 이에 의해, 전류를 공급한 비트선(110)과 전류를 공급한 기입용 워드선(111)과의 교점에 있는 GMR막(30)의 자유 자화층(38)의 자화에만 기록이 행해진다. 또, 기입 동작시에 비트선(110)에 전류를 흐르게 하였을 때에, GMR막(30)에는 전류가 흐르지 않도록, 소스(S)측이 하이 임피던스로 설정된다.
다음에, 자기 메모리 장치(100)의 GMR막(30)에의 정보의 판독 동작은, 비트선(110)에 소스(S)에 대해 부전압을 인가하고, 판독용 워드선(109), 즉 게이트 전극(G)에 MOS형 FET(102)의 임계치 전압보다도 큰 전압(정전압)을 인가하여 행한다. 이에 의해 MOS형 FET(102)는 온이 되고, 전자가 비트선(110)으로부터, GMR막(30), 소스(S), 및 드레인(D)을 통해 플레이트선(108)에 흐른다. 플레이트선(108)에 전류계 등의 전류치 검출기(118)를 전기적으로 접속함으로써, 제2 고정 자화층(36)의 자화의 방향에 대한 자유 자화층(38)의 자화의 방향을 나타내는 자기 저항치를 검출한다. 이에 의해, GMR막(30)이 유지하는 "1" 혹은 "0"의 정보를 판독할 수 있다.
제4 실시 형태의 제1 구성예의 자기 메모리 장치(100)는, GMR막(30)의 자유 자화층(38)이 CoFeGe로 구성되고, 자기 저항 변화량(ΔRA)이 크다. 즉, 자기 메모리 장치(100)에서는, 정보의 판독시에, 유지된 "0" 및 "1"에 대응하는 자기 저항치의 차가 크기 때문에, 정확한 판독을 할 수 있다. 또한, GMR막(30)은, 자유 자화층(38)의 CoFeGe가 도9에 나타내는 영역 ABCD의 범위 내의 조성으로 설정되어 있으므로, 그 MR비는 공지의 호이슬러 합금 조성인 Co50Fe25Ge25보다도 높다. 또한, 자기 메모리 장치(100)를 구성하는 GMR막(30)을, 도3 내지 도7에 도시하는 제2 구성예 내지 제6 구성예의 GMR막(40, 50, 60, 65A, 65B) 중 어느 하나로 치환해도 좋다.
자유 자화층(38)과 함께, 혹은 자유 자화층(38) 대신에, 제2 고정 자화층(36, 46)을 소정 범위 내의 조성을 갖는(도9 참조) CoFeGe로 구성함으로써도, 동 등 이상의 효과를 얻을 수 있다.
도19는 제1 구성예의 자기 메모리 장치(100)의 변형예에서 이용되는 TMR막(70)의 구성도이다. 이 TMR막(70)은, 도17에서 이용된 GMR막(30) 대신에 이용되고 있다. TMR막(70)은, 제2 실시 형태의 자기 저항 효과 소자를 구성하는 TMR막의 제1 구성예와 마찬가지이다. TMR막(70)은, 예를 들어 하지층(31)이 층내 배선(115)에 접촉하고, 보호막(39)이 비트선(110)에 접촉하고 있다. 또한, 자유 자화층(38)의 자화 용이축은 상술한 GMR막(30)과 마찬가지로 배치된다. TMR막(70)을 이용한 경우의 자기 메모리 장치(100)의 기입 동작 및 판독 동작은 GMR막과 마찬가지이므로 그 설명을 생략한다.
TMR막(70)은, 제2 실시 형태에 있어서 설명한 바와 같이 터널 저항 효과를 나타낸다. TMR막(70)의 자유 자화층(38)은 CoFeGe로 구성되어, 터널 저항 변화량이 크다. 따라서, 자기 메모리 장치(100)는, 정보의 판독시에, 유지된 "0" 및 "1"에 대응하는 터널 저항 변화량이 커서, 정확한 판독을 할 수 있다. 자기 메모리 장치를 구성하는 TMR막에는, 도13 내지 도15에 도시하는 제2 구성예 내지 제6 구성예를 채용해도 좋다.
자유 자화층(38)과 함께, 혹은 자유 자화층(38) 대신에 제2 고정 자화층(36, 46)을 소정의 조성 범위 내의 CoFeGe로 구성함으로써, 동등 이상의 효과를 얻을 수 있다.
도20은 제4 실시 형태의 자기 메모리 장치의 제2 구성예를 나타낸다. 동일 구성 요소에는 동일 참조 부호를 부여하여, 설명을 생략한다. 자기 메모리 장 치(120)는 GMR막(30)에 정보를 기입하기 위한 기구 및 동작이, 제1 구성예의 자기 메모리 장치(100)와 다르다.
자기 메모리 장치(120)의 메모리 셀은, 기입용 워드선(111)이 설치되어 있지 않은 점을 제외하고, 도17의 (A) 및 도17의 (B)에 나타내는 메모리 셀(101)과 같은 구성이다. 이하, 도17의 (B)와 도20을 참조하면서 설명한다.
자기 메모리 장치(120)는 편극 스핀 전류(Iw)를 GMR막(30)에 주입하고, 그 전류의 배향에 따라, 자유 자화층(38)의 자화의 배향을 제2 고정 자화층(36)의 자화의 배향에 대해 평행한 상태로부터 반평행한 상태로, 혹은 반평행한 상태로부터 평행한 상태로 반전시킨다. 편극 스핀 전류(Iw)는, 전자가 취할 수 있는 2개의 스핀의 배향 중, 한쪽 배향의 전자로 이루어지는 전자류이다. 편극 스핀 전류(Iw)의 배향을 GMR막(30)의 Z1 방향 혹은 Z2 방향으로 흐르게 함으로써, 자유 자화층(38)의 자화에 토크를 발생시켜, 소위 스핀 주입 자화 반전을 일으키게 한다. 편극 스핀 전류(Iw)의 전류량은, 자유 자화층(38)의 막 두께에 따라서 적절하게 선택되지만 수 ㎃ 내지 20 ㎃ 정도이다. 편극 스핀 전류(Iw)의 전류량은, 도17의 제1 구성예의 기입 동작에서 비트선(110) 및 기입용 워드선(111)에 흐르는 전류량보다도 적어, 소비 전력을 저감시킬 수 있다.
또, 편극 스핀 전류는, GMR막(30)과 대략 동일한 구성을 갖는 Cu막을 2개의 강자성층 사이에 끼운 적층체에 수직으로 전류를 흐르게 함으로써 생성할 수 있다. 전자의 스핀의 배향은 2개의 강자성층의 자화의 배향을 평행 혹은 반평행하게 설정함으로써 제어할 수 있다. 자기 메모리 장치(120)의 판독 동작은, 도17의 제1 구 성예의 자기 메모리 장치(100)와 마찬가지이다.
제2 구성예의 자기 메모리 장치(120)는, 제1 구성예의 자기 메모리 장치(100)가 갖는 효과에 더하여, 저소비 전력화가 가능하다는 효과도 갖는다. 또한, 자기 메모리 장치(120)에 있어서, GMR막(30) 대신에, 도3 내지 도7에 도시하는 제2 구성예 내지 제6 구성예의 GMR막(40, 50, 60, 65A, 65B) 중 어느 하나로 치환해도 좋고, 혹은 도10 내지 도15에 도시하는 제1 구성예 내지 제6 구성예의 TMR막으로 치환해도 좋다. 또한, 제4 실시 형태의 제1 구성예 및 제2 구성예의 자기 메모리 장치(100, 120)에서는, MOS형 FET에 의해 기입 동작 및 판독 동작시의 전류 방향을 제어하고 있었지만, 다른 공지의 수단에 의해 전류 방향의 제어를 행해도 좋다.
이상 본 발명의 바람직한 실시 형태에 대해 상세하게 서술하였지만, 본 발명은 이러한 특정한 실시 형태에 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위 내에 있어서, 다양한 변형ㆍ변경이 가능하다. 예를 들어, 제3 실시 형태에서는, 자기 기록 매체가 디스크 형상인 경우를 예로 설명하였지만, 본 발명은, 자기 기록 매체가 테이프 형상인 자기 테이프 장치라도 적용할 수 있는 것은 물론이다. 또한, 자기 저항 효과 소자와 기록 소자를 구비하는 자기 헤드를 일례로서 설명하였지만, 자기 저항 효과 소자만을 구비하는 자기 헤드라도 좋다. 또한, 복수의 자기 저항 효과 소자가 배치된 자기 헤드라도 좋다.
마지막으로, 이상의 설명에 관하여 이하의 부기를 개시한다.
(부기 1)
고정 자화층과, 자유 자화층과, 상기 고정 자화층과 자유 자화층 사이에 삽입되는 비자성층을 구비하는 CPP형 자기 저항 효과 소자이며,
상기 자유 자화층과, 상기 고정 자화층 중 적어도 한쪽은 CoFeGe로 구성되고, 당해 CoFeGe가, 삼원계 조성도에 있어서, 각 조성의 좌표를 (Co 함유량, Fe 함유량, Ge 함유량)으로서 나타내면(각 함유량은 at％), 점 A(42.5, 30, 27.5), 점 B(35, 52.5, 12.5), 점 C(57.5, 30.0, 12.5), 및 점 D(45.0, 27.5, 27.5)를 연결하는 영역 내의 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
(부기 2)
상기 자유 자화층과 고정 자화층 중 어느 한쪽을 CoFeGe막으로 구성하는 경우에, 다른 쪽을 CoFeGe 또는 CoFeAl로 구성하는 것을 특징으로 하는 부기 1에 기재된 자기 저항 효과 소자.
(부기 3)
상기 자유 자화층과 고정 자화층 중 적어도 한쪽을 구성하는 CoFeGe막과, 상기 비자성층과의 계면에 삽입되는 계면 자성층을 더 갖는 것을 특징으로 하는 부기 1에 기재된 자기 저항 효과 소자.
(부기 4)
상기 자유 자화층을 사이에 두고 상기 고정 자화층과 반대측에 배치되는 대칭 배치의 고정 자화층과,
상기 자유 자화층과, 상기 대칭 배치의 고정 자화층 사이에 삽입되는 제2 비자성층을 더 갖고,
상기 자유 자화층, 상기 고정 자화층, 및 상기 대칭 배치의 고정 자화층 중 적어도 하나의 층이 상기 영역 내의 조성을 갖는 CoFeGe로 구성되는 것을 특징으로 하는 부기 1에 기재된 자기 저항 효과 소자.
(부기 5)
상기 자유 자화층은 상기 비자성층과 상기 제2 비자성층 사이에 위치하고,
상기 자유 자화층과 상기 비자성층 사이, 및 상기 자유 자화층과 상기 제2 비자성층 사이에 각각 삽입되는 계면 자성층을 더 갖는 것을 특징으로 하는 부기 4에 기재된 자기 저항 효과 소자.
(부기 6)
상기 계면 자성층을 CoXFe(100 - X)(여기서 0 ≤ X ≤ 100 at％), Ni80Fe 또는 CoFeAl의 자성 합금으로 구성하는 것을 특징으로 하는 부기 3 또는 부기 5에 기재된 자기 저항 효과 소자.
(부기 7)
상기 영역 내의 조성의 범위에 있어서, MR비는 5.6 ％ 이상인 것을 특징으로 하는 부기 5에 기재된 자기 저항 효과 소자.
(부기 8)
상기 CoFeGe는, 비저항 ρ이 50 μΩ㎝ 이상, 300 μΩ㎝ 이하이며, 스핀 의존 벌크 산란 계수 β가 β ≥ 0.4를 충족시키는 것을 특징으로 하는 부기 1에 기재된 자기 저항 효과 소자.
(부기 9)
상기 고정 자화층은 제1 고정 자화막과, 제2 고정 자화막과, 상기 제1 및 제2 고정 자화막 사이에 위치하는 비자성 결합층으로 구성되는 것을 특징으로 하는 부기 1에 기재된 자기 저항 효과 소자.
(부기 10)
상기 제2 고정 자화막은 상기 비자성층측에 위치하고,
상기 제2 고정 자화막과, 상기 비자성층 사이에 삽입되는 계면 자성층을 더 갖는 것을 특징으로 하는 부기 9에 기재된 자기 저항 효과 소자.
(부기 11)
부기 1 내지 부기 10 중 어느 하나에 기재된 자기 저항 효과 소자를 구비하는 자기 헤드.
(부기 12)
부기 1 내지 부기 10 중 어느 하나에 기재된 자기 저항 효과 소자를 갖는 자기 헤드와,
자기 기록 매체를 구비하는 자기 기억 장치.
(부기 13)
고정 자화층과, 자유 자화층과, 상기 고정 자화층과 자유 자화층 사이에 삽입되는 비자성층을 갖는 CPP형 자기 저항 효과막으로 구성되는 기억 소자와,
비트선과 워드선에 전류를 흐르게 하여 전류 자계에 의해 자장을 인가하는 방법, 또는 자기 저항 효과막에 스핀 편극 전류를 흐르게 하는 방법으로, 상기 자 유 자화층의 자화를 소정 방향으로 향하게 하는 기입 수단과,
상기 자기 저항 효과막에 센스 전류를 공급하여 저항치를 검출하는 판독 수단을 구비하고,
상기 자유 자화층과 고정 자화층 중 적어도 한쪽이 FeCoGe로 구성되고,
상기 자유 자화층과 고정 자화층 중 적어도 한쪽은 CoFeGe로 구성되고,
당해 CoFeGe가, 삼원계 조성도에 있어서, 각 조성의 좌표를 (Co 함유량, Fe 함유량, Ge 함유량)으로서 나타내면(각 함유량은 at％), 점 A(42.5, 30, 27.5), 점 B(35, 52.5, 12.5), 점 C(57.5, 30.0, 12.5), 및 점 D(45.0, 27.5, 27.5)를 연결하는 영역 내의 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 자기 메모리 장치.
(부기 14)
상기 비트선은 상기 기억 소자의 일단부측에 접속되고,
상기 기억 소자의 타단부측에 접속되는 스위칭 소자를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 부기 13에 기재된 자기 메모리 장치.
도1은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 자기 헤드의 매체 대향면의 주요부를 도시하는 도면.
도2는 제1 실시 형태의 자기 저항 효과 소자를 구성하는 GMR막의 제1 구성예를 나타내는 도면.
도3은 제1 실시 형태의 자기 저항 효과 소자를 구성하는 GMR막의 제2 구성예를 나타내는 도면.
도4는 제1 실시 형태의 자기 저항 효과 소자를 구성하는 GMR막의 제3 구성예를 나타내는 도면.
도5는 제1 실시 형태의 자기 저항 효과 소자를 구성하는 GMR막의 제4 구성예를 나타내는 도면.
도6은 제1 실시 형태의 자기 저항 효과 소자를 구성하는 GMR막의 제5 구성예를 나타내는 도면.
도7은 제1 실시 형태의 자기 저항 효과 소자를 구성하는 GMR막의 제6 구성예를 나타내는 도면.
도8은 제2 구성예의 CMR막의 자유 자화층의 조성과 MR비를 나타내는 표.
도9는 자유 자화층에 적용하는 CoFeGe막의 조성 범위를 나타내는 3원계 조성 다이어그램.
도10은 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 자기 저항 효과 소자를 구성하는 TMR막의 제1 구성예를 나타내는 도면.
도11은 제2 실시 형태의 자기 저항 효과 소자를 구성하는 TMR막의 제2 구성예를 나타내는 도면.
도12는 제2 실시 형태의 자기 저항 효과 소자를 구성하는 TMR막의 제3 구성예를 나타내는 도면.
도13은 제2 실시 형태의 자기 저항 효과 소자를 구성하는 TMR막의 제4 구성예를 나타내는 도면.
도14는 제2 실시 형태의 자기 저항 효과 소자를 구성하는 TMR막의 제5 구성예를 나타내는 도면.
도15는 제2 실시 형태의 자기 저항 효과 소자를 구성하는 TMR막의 제6 구성예를 나타내는 도면.
도16은 제3 실시 형태에 관한 자기 기억 장치의 주요부를 도시하는 평면도.
도17은 제4 실시 형태에 관한 자기 메모리 장치의 제1 구성예를 나타내는 도면으로, 도17의 (A)는 개략 단면도, 도17의 (B)는 도17의 (A)에서 이용하는 GMR막의 구성도.
도18은 도17의 제1 구성예의 하나의 메모리 셀의 등가 회로도.
도19는 도17의 제1 구성예의 변형예에서 이용하는 TMR막의 구성도.
도20은 제4 실시 형태에 관한 자기 메모리 장치의 제2 구성예를 나타내는 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10, 98 : 자기 헤드
13 : 유도형 기록 소자
20 : 자기 저항 효과 소자
30, 40, 50, 60, 65A, 65B : 자기 저항 효과(GMR)막
31 : 하지층
32 : 반강자성층(하부 반강자성층)
33 : 고정 자화 적층체(하부 고정 자화 적층체)
34 : 제1 고정 자화층(하부 제1 고정 자화층)
35 : 비자성 결합층(하부 비자성 결합층)
36 : 제2 고정 자화층(하부 제2 고정 자화층)
37 : 비자성 금속층(하부 비자성 금속층)
37a : 비자성 절연층(하부 비자성 절연층)
38 : 자유 자화층
39 : 보호층
42 : 상부 반강자성층
43, 62, 67 : 상부 고정 자화 적층체
44 : 상부 제1 고정 자화층
45 : 상부 비자성 결합층
46 : 상부 제2 고정 자화층
47 : 상부 비자성 금속층
47a : 상부 비자성 절연층
51 : 자유 자화 적층체
52, 53, 63, 64 : 계면 자성층
61, 66 : 하부 고정 자화 적층체
68, 69 : 강자성 접합층
70, 71, 72, 73, 74A, 74B : 터널 자기 저항 효과(TMR)막
90 : 자기 기억 장치
100, 120 : 자기 메모리 장치

Claims (10)

  1. 고정 자화층과, 자유 자화층과, 상기 고정 자화층과 자유 자화층 사이에 삽입되는 비자성층을 구비하는 CPP형 자기 저항 효과 소자이며,
    상기 자유 자화층과, 상기 고정 자화층 중 적어도 한쪽은 CoFeGe로 구성되고, 당해 CoFeGe가, 삼원계 조성도에 있어서, 각 조성의 좌표를 (Co 함유량, Fe 함유량, Ge 함유량)으로서 나타내면(각 함유량은 at％), 점 A(42.5, 30, 27.5), 점 B(35, 52.5, 12.5), 점 C(57.5, 30.0, 12.5), 및 점 D(45.0, 27.5, 27.5)를 연결하는 영역 내의 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 자유 자화층과 고정 자화층 중 어느 한쪽을 CoFeGe막으로 구성하는 경우에, 다른 쪽을 CoFeGe 또는 CoFeAl로 구성하는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
  3. 제1항에 있어서, 상기 자유 자화층과 고정 자화층 중 적어도 한쪽을 구성하는 CoFeGe막과, 상기 비자성층과의 계면에 삽입되는 계면 자성층을 더 갖는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
  4. 제1항에 있어서, 상기 자유 자화층을 사이에 두고 상기 고정 자화층과 반대측에 배치되는 대칭 배치의 고정 자화층과,
    상기 자유 자화층과, 상기 대칭 배치의 고정 자화층 사이에 삽입되는 제2 비자성층을 더 갖고,
    상기 자유 자화층, 상기 고정 자화층 및 상기 대칭 배치의 고정 자화층 중 적어도 하나의 층이, 상기 영역 내의 조성을 갖는 CoFeGe로 구성되는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
  5. 제4항에 있어서, 상기 자유 자화층은 상기 비자성층과 상기 제2 비자성층 사이에 위치하고,
    상기 자유 자화층과 상기 비자성층 사이, 및 상기 자유 자화층과 상기 제2 비자성층 사이에 각각 삽입되는 계면 자성층을 더 갖는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
  6. 제3항 또는 제5항에 있어서, 상기 계면 자성층을 CoXFe(100 - X)(여기서 0 ≤ X ≤ 100 at％), Ni80Fe 또는 CoFeAl의 자성 합금으로 구성하는 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
  7. 제5항에 있어서, 상기 영역 내의 조성의 범위에 있어서, MR비는 5.6 ％ 이상인 것을 특징으로 하는 자기 저항 효과 소자.
  8. 제1항 내지 제5항 또는 제7항 중 어느 한 항에 기재된 자기 저항 효과 소자를 구비하는 자기 헤드.
  9. 제1항 내지 제5항 또는 제7항 중 어느 한 항에 기재된 자기 저항 효과 소자를 갖는 자기 헤드와,
    자기 기록 매체를 구비하는 자기 기억 장치.
  10. 고정 자화층과, 자유 자화층과, 상기 고정 자화층과 자유 자화층 사이에 삽입되는 비자성층을 갖는 CPP형 자기 저항 효과막으로 구성되는 기억 소자와,
    비트선과 워드선에 전류를 흐르게 하여 전류 자계에 의해 자장을 인가하는 방법, 또는 자기 저항 효과막에 스핀 편극 전류를 흐르게 하는 방법으로, 상기 자유 자화층의 자화를 소정 방향으로 향하게 하는 기입 수단과,
    상기 자기 저항 효과막에 센스 전류를 공급하여 저항치를 검출하는 판독 수단을 구비하고,
    상기 자유 자화층과 고정 자화층 중 적어도 한쪽이 CoFeGe로 구성되고,
    당해 CoFeGe가, 삼원계 조성도에 있어서, 각 조성의 좌표를 (Co 함유량, Fe 함유량, Ge 함유량)으로서 나타내면(각 함유량은 at％), 점 A(42.5, 30, 27.5), 점 B(35, 52.5, 12.5), 점 C(57.5, 30.0, 12.5), 및 점 D(45.0, 27.5, 27.5)를 연결하는 영역 내의 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 자기 메모리 장치.
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