WO1997045883A1

WO1997045883A1 - Element a effet magnetoresistant, tete a effet magnetoresistant, element de memoire et procede de fabrication correspondant

Info

Publication number: WO1997045883A1
Application number: PCT/JP1997/001830
Authority: WO
Inventors: Hiroshi Sakakima; Mituo Satomi; Shinji Nagamachi; Masahiro Ueda
Original assignee: Shimadzu Corporation; Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
Priority date: 1996-05-28
Filing date: 1997-05-28
Publication date: 1997-12-04
Also published as: DE69726244T2; US6077618A; JP3834700B2; KR100466975B1; EP0844679B1; DE69726244D1; EP0844679A1; KR19990036013A; EP0844679A4

Description

明細書磁気抵抗効果素子、磁気抵抗効果型ヘッド、メモリ一素子およびその作製法技術分野

本発明は、磁気抵抗効果素子、磁気抵抗効果型ヘッド、メモリ一素子およびこれらの作製法に関する。背景技術

近年、， R_U 等の金属非磁性薄膜を介して反強磁性的結合をなす [Fe/Cr ] , [Co/Ru] 人工格子膜が強磁場（l ~ 10k0e)で巨大磁気抵抗効果を示すことが発見された（PHYSICAL REVIEW LETTERS, Vo l. No. 21， p2472- 2475， 1988, PHY SICAL REVIEW LETTERS, Vo l. No. 19, p2304-2307, 1990) 。これらの技術による膜は大きな磁気抵抗（以下、 M Rという）変化を示すものの、磁性膜間が反強磁性的に結合しているため、 M R効果を生じるのに必要な磁界が数 kOe と大きく、実用上問題があった。

また、金属非磁性薄膜 Cuで分離され、磁気的結合の弱い 2種類の磁性薄膜 M-Fe と Coを用いた [Ni-Fe/Cu/Co] 人工格子膜においても巨大磁気抵抗効果が発見されており、室温印加磁界 0. 5k0eで M R比が約 8 %のものが得られてい (Journal of The Pnysical Society of Japan, Vol. 59, No. 9, S- eptember, 1990, pp. 3061_³064) 。しかし、この技術においても完全に磁性膜間の磁性的結合を断つことが困難で更に小さな印加磁界でより大きな M R変化を示す磁気抵抗効果素子の開発が課題であった。

なお、膜面に垂直方向に電流を流すと大きな M R変化が得られるが、上記の人工格子膜は極めて薄いため、膜面に垂直方向の抵抗は極めて低く、実用上問題がある。微小印加磁界で動作するものとしては反強磁性材料の Fe - Mn を Ni- Fe/Cu /Ni-Feにつけたスピンバルブ型のものが提案され（Journal of Magnet-is m and Magneti c Material s 93, p. 101-104 , 1991)、磁気抵抗効果型へッドへの応用が検討されている。しかしながら、この技術の構成の場合は、 M R変化が 2〜4 %と小さい問題点がある。

更に二つの磁性膜問に絶縁膜を用いたトンネル型磁気抵抗効果素子が開発されているが（日本応用磁気学会誌 Vol. 19, No. 2, p369- 372， 1995) 、絶緣膜の膜質のコントロールが困難で特性の再現性の良好なものを得るのが困難である。

メモリ一素子としては、ワード線と従来の M R材料をセンス線に用いたものが提案されているが（IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, V0し 27, NO. 6， P5520 - 5522， 1991)、 M R変化率が小さいため情報読み出し時の出力が小さいという問題がある。

本発明は、以上のような問題を解決するものであり、その目的は、より小さな磁界のもとでより大きな M R変化を得ることができる磁気抵抗効果素子、磁気抵抗効果型ヘッド、メモリ一素子およびこれらの作製法を提供することを目的とする。発明の開示

上記の目的を達成するため、本発明の磁気抵抗効果素子は、基本構造が

〔磁性膜 Z非磁性絶縁膜 Z磁性膜〕の積層体からなる磁気抵抗効果素子であって、上記非磁性絶縁膜の露出した部位に、当該絶縁膜と磁性膜との接触部分より十分小さな導電部分が形成され、かつ、その導電部分により上記磁性膜が相互に電気的に接続されているとともに、上下の磁性膜に電極リード部が設けられている。また、基本構造が〔磁性膜/非磁性絶縁膜/ 磁性膜〕の積層体において、上記非磁性絶緣膜に、当該絶縁膜と磁性膜との接触部分より十分小さな円柱状の導電部分が形成されていてもよい。こ非磁性絶縁膜は導電体の酸化物あるいは窒化物からなり、これらの導電部分は、その非磁性絶縁膜における窒素濃度あるいは酸素濃度より減少した濃度であることが好ましい。

絶縁膜の露出した部位に形成された上記の導電部分により、上下の磁性膜を電気的に接続し、トンネリングに対応するチャネルが形成される。これにより、従来の絶縁膜のみを用いたトンネル型巨大磁気抵抗効果膜の特性が改善される。

また、上記非磁性絶縁膜を介して隣り合う磁性膜の一方に軟磁性膜、もう一方にそれより保磁力が大きい磁性膜を用いることが好ましい。この構成では、微小な信号磁界によって、保磁力が小さい磁性膜、すなわち軟磁性膜は印加磁界方向に磁化反転するが、保磁力の大きい磁性膜、すなわち、硬質磁性膜は反転せず、両磁性膜の磁化方向は反平行となり、素子の抵抗は増加し、 M R変化率は大きくなる。

さらに、一方の上記磁性膜の膜面に，その磁性膜の磁化反転を抑制するために、導電性の磁化反転抑制膜を設け、基本構造を〔磁化反転抑制膜/ 磁性膜 Z非磁性絶縁膜磁性膜〕の積層体とし、上記非磁性絶縁膜の露出した部位に、当該絶縁膜と磁性膜との接触部分より十分小さな導電部分が形成され、その導電部分により上記磁性膜が相互に電気的に接続され、上下の磁性膜に電極リ一ド部が設けられた構成としてもよい。

この構成においても、その非磁性絶緣膜に、その非磁性絶縁膜における窒素濃度あるいは酸素濃度より減少した濃度の導電部分が、当該絶縁膜と磁性膜との接触部分より十分小さく、円柱状に形成し、かつ、その導電部分により磁性膜間が相互に電気的に接続するとともに、上下の磁性膜に電極リード部を設けた構成としてもよい。この磁化反転抑制膜は導電性反強磁性体とするのが好ましい。

この構成においては、磁化反転膜により、この磁化反転膜に接合する磁性膜は容易に磁化反転せず、硬質磁性膜に対応する構成となる。さらに、磁性膜のうち、少なくとも一方の磁性膜は非晶質合金膜であつてもよいし、磁性膜のうち、少なくとも一方の磁性膜と非磁性絶緣膜の界面に主構成元素の一つとして Coあるいはト 'eを含有する厚さ 2 nm以下の界面磁性膜を設けた構成としてもよい。この構成とすれば、より大きな M R変化率を得ることが可能である。

また、非磁性絶縁膜が Nbの酸化物により構成されていてもよい。

以上の構成により、微小磁界でも容易に磁化反転する軟磁性膜と容易には磁化反転しなレ、磁性膜とを特殊な非磁性絶縁膜で分離し、両磁性膜の磁気的結合を極めて弱くして軟磁性膜の磁化回転を良好にすることにより、素子の磁界感度を向上することができる。また、よりおおきな M R変化率を示す膜面垂直方向の磁気抵抗効果を得ることができる。

本発明の磁気抵抗効果型へッドは、上記の本発明の磁気抵抗効果素子が用いられた構成であり、検知すべき磁気媒体からの信号磁界方向と一方の磁性膜の磁化容易軸方向が平行で、もう一方の磁性膜の磁化容易軸が直交するよう構成されている。

この構成により、出力が大きく線形性の良好な磁気抵抗効果型へッドが得られる。

また、本発明のメモリー素子は、上記の本発明の磁気抵抗効果素子が用いられた構成であり、この磁気抵抗効果素子近傍に情報記録用磁界を発生する導体線からなるヮード線が絶縁膜を介して設けられているとともに、各電極リード部を導体線で接続した情報読み出し用センス線が設けられている。さらに、本発明の磁気抵抗効果素子が複数個マトリクス状に配置され、その各磁気抵抗効果素子近傍に互いに絶縁された直交するワード線を設け、その各磁気抵抗効果素子の上下に形成された電極リード部を互いに導体線で接続するセンス線が設けられている構成が好ましい。

本発明の磁気抵抗効果型へッドおよびメモリ一素子においては、膜面垂直方向も抵抗が高く、素子の膜面垂直方向に電流を流すことが可能で、より大きな M R変化率を得ることが可能である。

本発明の磁気抵抗効果素子の作製法は、二つの磁性体に挟まれた、導電体の酸化物あるいは窒化物からなる非磁性絶緣膜に対して、高速イオンビームあるいは高速中性粒子ビームを照射することにより、その照射部分ににその非磁性絶縁膜における窒素濃度あるいは酸素濃度より减少した濃度の導電部分を、当該非磁性絶縁膜と磁性膜との接触部分より十分小さい領域に形成し、その導電部分により上記磁性膜を相互に電気的に接続することによって特徴付けられる。図面の簡単な説明

図 1 ( a ) 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斜視図であり、図 1 ( b ) はこの図 1 ( a ) における要部 Aの拡大図である。図 2は本発明の磁気抵抗効果素子の他の実施の形態の構成を示す斜視図である。

図 3は本発明の磁気抵抗効果型へッドの実施の形態の構成を示す斜視図である。

図 4は本発明のメモリ一素子の実施の形態の構成を示す斜視図である。図 5 ( a ) は本発明の磁気抵抗効果素子の更に他の実施の形態の構成を示す斜視図であり、図 5 ( b ) はこの図 5 ( a ) における X— X断面図である。

図 6は本発明の磁気抵抗効果素子の更に他の実施の形態の構成を示す斜視図である。

図 7は本発明の磁気抵抗効果型へッドの他の実施の形態の構成を示す斜視図である。

図 8は本発明のメモリ一素子の他の実施の形態の構成を示す斜視図であ P

6 る。

図 9は本発明実施例 1の磁気抵抗効果素子の磁気抵抗変化率を示す図である。

図 1 0は本発明の磁気抵抗効果素子の作製に際して適した集束イオンビ —ム装置の構成を模式的に示す縦断面図である。発明を実施するための最良の形態

以下、添付の図面を参照しつつ、本発明の好適な実施の形態について説明する。

図 1 ( a ) 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斜視図であり、図 1 ( b ) はこの図 1 ( a ) における要部 Aの拡大図である。この形態における磁気抵抗効果素子は、〔磁性膜 3 _/ /非磁性膜 2 磁性膜 1〕の基本構造を有し、非磁性膜 2の露出した部位のエッジ部 C ' 、 C ' '、 C " に、非磁性膜 2と磁性膜 3との接触部分より十分小さな導電部分 Cが形成されており、その導電部分により磁性膜 3、 1が相互に電気的に接続される。なお、上下の磁性膜 3、 1に電極リード部（図示せず）が設けられる。

この構成の磁気抵抗効果素子による動作原理は以下のようになる。微小な磁界 Hが印加された場合、保磁力の小さい磁性膜、すなわち、軟磁性膜（図では磁性膜 1 とする）は印加磁界方向に磁化反転するが、保磁力の大きい磁性膜（図では磁性膜 3とする）、すなわち、硬質磁性膜は磁化反転せず、この硬質磁性膜の磁化方向が印加磁界方向と反平行の場合は、両磁性膜の磁化方向は反平行となって素子の抵抗は増加する。印加磁界をさらに強くすると、両磁性膜の磁化方向は平行となり素子の抵抗は減少する。

従来技術では、この非磁性膜に金属を用いると磁性膜間の磁気的結合を遮断するのが困難であり、その膜厚を増加させると磁気的結合の分離はできるものの、 M R変化率は低下する。また、非磁性膜に絶縁体を用い、膜面垂直方向のトンネル効果により、電流を流そうとすれば、絶緣膜の膜質等により特性の再現性が悪くなる。

本実施の形態では、非磁性膜 2の露出した部位に、上記の導電部分 Cを設けた構成を採用することにより、上記の従来技術の問題を解消することができる。また、本実施の形態の非磁性絶縁膜部のトンネル効果は後述する磁気抵抗効果素子の作製法を用いることにより、制御可能となり、素子設計が容易となる。

このように基本構造が〔磁性膜 3 /非磁性膜 2 /磁性膜 1〕の構成に限ることなく、図 2に示すように〔磁化反転抑制膜 4 /磁性膜 3 ' 非磁性膜 2ノ磁性膜 1〕なる構成であってもよい。この構成においては、磁化反転抑制膜 4により磁性膜 3 ' は容易に磁化反転せず、この磁化反転抑制膜 4 磁性膜 3 ' の構成が図 1の磁性膜 3に対応する構成となる。従って、磁性膜 3 ' と磁性膜 1は異なる膜でもよいし、同じ膜でもよい。

さらに、上記した基本構造の磁気抵抗効果素子を例えば非磁性膜 2などの絶緣膜を介して積層する構成としてもよい。

さらに、磁性膜と非磁性膜の界面に主構成元素の一つとして Coもしくは Feを含有する厚さ 2 n m以下の界面磁性膜を設けることにより、より大きな M R変化率を得ることが可能である。

この磁気抵抗効果型ヘッドは、基本構造が〔磁性膜 3 /非磁性膜 2 /磁性膜 1〕の磁気抵抗効果素子を用いた構成となっており、磁気媒体からの信号磁界 Hと磁気抵抗素子部の軟磁性膜部 1の磁化容易軸 Zは直交し、もう一方の磁性膜 3のそれとは平行となっている。また、軟磁性膜部 1の一部には信号磁界 Hと平行な方向に突起部 3 aが設けられており、効率よく信号磁界 Hを検出できるよう配慮されている。軟磁性膜部 1および磁性膜 3にはリード電極部 S、 S ' が設けられており、この間の抵抗変化を検出する。この構成により線形性が良好で低ノイズで高出力の磁気抵抗効朵型ヘッドが可能となる。図 3から明らかなように、本発明ではバタ一ユングされた磁性膜の形状が異方性を有していても、検知すべき磁界方向と磁性膜の磁化容易軸方向の制御が容易であることに特徴があり、図 3の構成ではパターニングされた磁性膜の長手方向が磁化容易軸となることを利用している。なお、もう一方の磁性膜 3は信号磁界で磁化反転が起きないように保磁力が大きく、しかもより大きな M R変化率を得るために磁化曲線の角型比（残留磁化/飽和磁化）が少なくとも 0 . 7以上の硬質磁性膜が望ましい。また、〔磁化反転抑制膜 4 磁性膜 3 ' ノ非磁性膜 2 Z磁性膜 1 〕なる構成の磁気抵抗効果素子を用いても、同様の磁気抵抗効果型ヘッドを得ることができる。

図 4は本発明のメモリ一素子の実施の形態の構成を示す斜視図である。磁気抵抗効果素子部 M (図 4中、非磁性膜 2を含む磁性膜 3、 1 の交差部分）は導体線 S， S * に接続されてセンス線を構成しており、この磁気抵抗効果素子部 M近傍には、絶緣膜を介し情報記録用のワード棟 W、 W が設けられている。このメモリ一素子の動作原理は以下のようになる。すなわち、情報の記録はワード線 W、 W に電流を流し、〔磁性膜 3ノ非磁性膜 2 /磁性膜 1〕タイプの磁気抵抗効果素子の場合は保磁力の大きい方の磁性膜 3を磁化反転して情報を記録し、読み出しはワード線 W、 W に弱い電流を流し、保磁力の小さい方の磁性膜 1のみを磁化反転し、その時磁気抵抗効果素子部 Mに生じる磁気抵抗変化をセンス線より検出して情報の読み出しがなされる。このメモリー素子の場合、保磁力の大きい方の磁性膜 3はワード線により発生する磁界で磁化反転する必要があり、あまり保磁力が大きいと困難となるので、適当な大きさの保磁力の半硬質磁性膜であることが望ましい。また、情報の記録状態を明確にするためにはこの半硬質磁性膜の磁化曲線の角型性が良好なことが望ましい。

また、磁気抵抗効果素子部が〔磁化反転抑制膜 4 /磁性膜 3 ' /非磁性膜 2ノ磁性膜 1〕なる構成で、特に磁化反転抑制膜 4が反強磁性体の場合、ワード線電流発生磁界で磁性膜 3 ' の磁化反転を起こすことは困難な場合が多く、この場合は情報の記録はワード線に電流を流し、磁性膜 1を磁化反転して情報を記録し、読み出しもヮ一ド線に電流を流し磁性膜 1を磁化反転して行う。先に説明した〔磁性膜 3 /非磁性膜 2 磁性膜 1〕タイプの構成は非破壊読み出しとなるのに対し、〔磁化反転抑制膜 4 Z磁性膜 3 ' /非磁性膜 2 /磁性膜 1〕タイプの構成では破壊読み出しとなる。以上の実施の形態では、非磁性絶緣膜 2の露出した部位に導電部分じが形成された構成を示したが、これに限ることなく、図 5 ( a ) 、（b ) に示すように、性膜 1 と磁性膜 3に挟まれた非磁性絶緣膜 2に、局所的にこの非磁性絶縁膜 2を貫通する円柱状の導電部分 Cを設けた構成としてもよく、先の実施の形態と同様な作用効果を得ることができる。

図 4乃至図 6は、それぞれ図 2乃至図 4で示した実施の形態において、この構成、すなわち、磁性膜 1と磁性膜 3あるいは磁性膜 1 と磁性膜 3 ' に挟まれた非磁性絶縁膜 2に図 5 ( a ) 、 ( b ) に示す微小微小導体部分 Cが形成された構成を採用した実施の形態を示す。

本発明の実施の形態の磁気抵抗効果素子を構成する軟磁性膜 1、（半）硬質磁性膜 3、導電性磁化反転抑制膜 4および非磁性絶緣膜 2には以下の構成のものが望ましい。

まず、軟磁性膜 1 としては磁気抵抗変化を生じやすく、低磁界で磁化反転しやすい、

N 1 X C o γ F e _z

を主成分とし、原子組成比が、

X=0. 6 〜0. 9 、 Y=0 〜0. 4 、 Ζ=0 〜0· 3

の Ni- rich の磁性膜が望ましく、その代表的なものは、 N i o. β C oo. i s F e ₀. o s N i o. C o o. 2 F e ₀. i 2等である。これらより、やや動作磁歪が大きくなるものの、より大きな磁気抵抗変化が得られるものとして、

N i X' C o γ' 丄 e z'

を主成分とし、原子組成比が、

X' =0〜0.4 、 Υ' =0.2-0.95、 Ζ' =0〜(J.5

の Co- rich の磁性膜があり、その代表的なものは、

C o F e 、 C o N i F e ₀.₂ 等である。これらのものは磁歪が小さく実用上素子に使用する場合有効である。上記の軟磁性膜以外では非晶質合金膜があり、これは極めて薄い膜でも軟磁性を示すためこれを用いると素子全体の膜厚を薄くすることが可能である。これらの代表的なものは C oMn B, C o F e B , C o N b B等である。

また、 F e系膜は磁歪は零ではないものの大きな MR変化率が得られ、作製条件により比較的保磁力の小さいものや大きいものができ、軟磁性膜としても後述する半硬質磁性膜としても使用できる。

(半）硬質磁性膜 3としては検知すべき磁界で磁化反転しないように保磁力がある程度大きく角型の磁化曲線を有するものが望ましい。また、素子が大きな磁気抵抗効果を示すには主要構成元素の一つとして F eや C o を含有することが望ましい。その代表的なものは、

C o、 C o 0. s F e 0. 5 、 C o。■ ₇₅ P t。.₂₅等である。

導電性磁化反転抑制膜 4としては、磁性膜 3 ' に付けることにより磁性膜 3 ' の磁化反転を抑制する効果があれば何でもよいが、例えば I r Mn , N i Mn等の反強磁性体や、 T b C o, S mC o等の硬質磁性膜が挙げられる。

界面磁性膜としては C oもしくは F eを含有する薄膜が MR変化率を向上させるのに有効であるが、磁性膜 1 と非磁性膜 2の界面に設ける場合は磁性膜 1の軟磁性を損なわないように膜厚を 2 nm以下にすることが望ましレ、。

非磁性絶縁膜 2としては、 Α £ θ , N b Ο等の酸化膜があるが、これにイオンを照射注入することにより、その注入部分の酸素が反跳して酸素濃度がもとの非磁性絶縁膜 2の酸素濃度より低い低酸素濃度領域が形成され、その領域が導電部分となる。この効果が特に顕著なものは、 N bの酸化膜であるが、窒化膜の絶縁膜でもイオンの照射注入により同様に非磁性絶縁膜 2の窒素濃度より低い低窒素濃度領域が形成され、その領域が導電部分となる。このように非磁性絶緣膜 2としては反跳によって導電部分を形成することができる膜であればよい。

ワード線やセンス線の導体線部は抵抗の低い金属が好ましく、例えば、 A u、 C u等が挙げられる。

イオンを打ち込むことにより、微小な導電層が形成される機構は、以下のように考えられる。打ち込まれたイオンと非磁性絶縁膜中の金属原子と酸素（窒素）原子は衝突し、金属原子と酸素（窒素）原子はそれぞれィォンにより運動エネルギを与えられる。運動を始めた金属原子、酸素（窒素 ) 原子は質量、運動エネルギにより決まる飛程分だけ移動し、エネルギを失って停止する。飛程は質量が小さくなるに従って長くなる。非磁性絶縁膜層の厚みを酸素（窒素）原子の飛程以上で、金属原子の飛程以下にしておくことにより、イオンビームの照射部位において絶縁層中に局所的にその絶縁層に比べ、低酸素（低窒素）部位が生じ、導電層が形成される。ィオンビーム自体も飛程をもっため、導電領域は絶緣層の厚みおよびィオンビームの飛程により規定される。

図 1に示すような〔磁性膜 3 非磁性膜 2 磁性膜 1〗なる構造において、磁性膜 1の上面の非磁性膜 2 (図中に符号 2で示す部分）の厚みを高速イオンビームの飛程より十分厚くし、一方磁性膜 1の端面にかかる非磁性膜（図中に符号 C、 C で示す部分）の厚みを上記条件を満たすようにするとき、高速イオンビームを全面に照射することにより、 4ケ所のエツジ部分（C、じ' 、 c ' ' 、 c ' ' ' ) に上記機構により微小な導電層が形成される。その大きさは断面は図 1の拡大図において Cで示される部分であり、奥行きはビーム打ち込み深さに相当する。これらのサイズは軟磁性膜部 1、非磁性絶縁膜の膜厚および打ち込むビームエネルギによって決まるので、それぞれ容易にナノメートル精度の制御を行うことが可能である。このとき、マスクを用いるかあるいは図 1 0に示すような集束イオンビーム装置を用いて、高速イオンビームの照射部位を制限することにより、 C 、 C 、 C ' ' 、 C ' ' のうち任意の 1〜 3ケ所のみに導電部分 3を形成することもできる。

また、図 5 ( a ) 、 ( b ) に示すような〔磁性膜 3 /非磁性膜 2 /磁性膜 1〕なる構造において、磁性層 1の上面の非磁性膜 2に対して、磁性膜 3を成膜する前に集束した高速ィオンビームを照射することにより、照射部分 Cに微小な円柱上の導電層が形成される。そのサイズは非磁性膜 2の膜厚および打ち込むビームのサイズによって決まるので、それぞれ容易にナノメ一トル精度の制御を行うことが可能となる。

ここで、本実施の形態の磁気抵抗効果素子を作製するに際して用いるのに適した集束ィオンビーム装置の構成例を、図面を参照しながら説明するこの例において、集束イオンイオンビーム装置は、ヒータにより加熱される液体金属イオン源 2 1 と、そのイオン取り出し口に近接配置された引き出し電極 2 3、イオン源から引き出されたイオンを集束させるコンデンサレンズ 2 4、質量分析器としての E X Bマスフィルタ 2 6およびビームアパーチャ 2 5、ビームを走査するための漏向電極 2 7、ターゲットである基板（図示せず）の直前でイオンビームを集束させる対物レンズ 2 8、基板を支持するサンプルホルダ 2 9、およびそのサンプルホルダ 2 9を支承するサンプルステージ 3 0を主構成要素とし、これらは真空チャンバ 2 0内に収容されている。このような枭束イオンイオンビーム装置によって、図 5 (a ) 、 (b) に示すような、局所的に、円柱状の導電部分を形成することができる。なお、図 1乃至図 4に示すような所定領域にわたって導電層を形成する場合は、集束イオンビーム装置を用いなくてもよく、その所定領域にィォンを注入することのできる装置であればよい。また、一定のエネルギをもつ粒子ビームであれば中性ビームでもよい。

次に、具体的な実施例について説明する。

(実施例 1 )

スパッタ法により磁性膜 1 として N i ₆₈C o₀.₂ F e ₁₂を 1 2nmの厚さに蒸着した後、厚さ 1 Onmの Nbの酸化膜を形成し、その後パター二ングしてストライプ状にする。この後さらに、 N bの酸化膜を厚さ 5nraに形成する。この結果、磁性体 1の上面には厚さ 1 5nmの非磁性絶縁層 2が、また側面には厚さ 5nmの非磁性絶緣膜 2' が形成される。その後、スパッタ法で磁性膜 3として C o₀. F e を 2 nmの厚さに蒸着した後、ノ、。ターニングして図 1に示したような絶緣膜部が露出した形状とする。更に、 5keV 〜 50 keV のエネルギをもつィオンビームを照射して図 1に示したような導電部分 Cを形成し、トンネル型様磁気抵抗効果素子を作製した。磁性膜 1 と磁性膜 3の電極リード部に電流を流して膜面垂直方向の MR 変化特性を調べたところ、図 9に示すような結果が得られた。本実施例では、印加磁界 5 OOeを印加して測定したところ 1 8%の MR変化率が得られた。

(実施例 2)

スパッタ法により磁性膜 1 として C o 0. r₂Mn₀.。₈B。.₂。を 2nmの厚さに蒸着した後、実施例 1に示したものと同じ方法を用いて磁性膜 1のパタ —ニングおよび非磁性絶緣層 2の形成を行う。さらにスパッタ法で磁性膜 3 ' 、磁化反転抑制膜 4として C oを 2 nm、 I r M nを 1 O nm蒸着し、パタ一ユングして図 2に示したような絶緣層膜部が露出した形状とし、更にイオンを照射注入して図 2に示したような導電部分 Cを形成し、電極に電流を膜面垂直方向の M R特性を図 2に示した検知すべき磁界方向に印加磁界 2 O Oeを印加して測定したところ 1 0 %の M R変化率が得られた。

(実施例 3 )

スパッタ法により磁性膜 1 として N i _B F e ₂ を 1 O nmの厚さに蒸着した後、実施例 1に示したものと同じ方法を用いて磁性膜 1のパター二ングおよび非磁性絶縁層 2の形成を行う。さらにスパッタ法で磁性膜 3として C oを 5 nm蒸着し、パターニングして図 3に示したような絶縁膜部が露出した形状とし、更にイオンを照射注入して図 3に示したような導電部分 Cを形成し、上下磁性膜部に電極 S， S ' を設けることにより、磁気抵抗効果型ヘッドを作製した。このヘッドに検知すべき磁界方向に、 1 O Oe の磁界を印加し発生した出力を測定したところ、類似形状で従来 M R材料である N i一 F e膜を用いたへッドに比べて 6倍の出力があることが分かつた。

(実施例 4 )

スパッタ法により磁性膜 1 として N i 。. ₈ F e。. ₂ を 1 O nmの厚さに蒸着した後、実施例 1に示したものと同じ方法を用いて磁性膜 1のパター二ングぉよび非磁性絶縁層 2の形成を行う。さらにスパッタ法で磁性膜 3として C oを 5 _nm蒸着し、バタ一ニングして図 4に示したような絶縁膜部が露出した形状とし、更にイオンを照射注人して図 4に示したような導電部分 Cを形成し、上下磁性膜部に電極を付けセンス線を形成した後、 S i O ₂ をスパッタリングして絶縁膜を付け。更に A uを蒸着してパターユングしてワード線を作製することにより、メモリ一素子を作製した。ワード線に電流を流して磁性膜 3を一方向に磁化した後、磁性膜 1のみを磁化反転すべく磁性膜 3の磁化方向と反対方向の磁界を発生する弱電流をヮード線に流してセンス線の抵抗変化を測定したところ出力変化があり、磁性膜の磁化方向に磁界を発生する弱電流をヮ一ド線に流したところセンス線には出力変化が生じず、メモリ一素子として動作することが分かった。また、何度弱電流をヮ一ド線に流して情報の読み出しをしても出力変化があり、非破壊読み出しが可能なことが分かった _c

(実施例 5)

スパッタ法により磁性膜 1 として N i ₀.₆₈C o ₂ F e ₁₂を 1 2nmの厚さに蒸着した後、 N bの酸化膜を 1 Onm形成し、パターニングしてストライプ状にする。この結果、磁性体 1の上面には厚さ 1 Onmの非磁性絶縁層 2が形成される。引き続き、更に 5keV 〜50keV のエネルギをもつ集束イオンビームを照射して図 5 (a) 、 (b) に示したような導電部分 C を形成する。更にスパッタ法で磁性膜 3として C o。.₅ F e を 2 nm蒸着し、パターニングして図 5 (a) 、 (b) に示したような形状とすることにより、トンネル型様磁気抵抗効果素子を作製した。磁性膜 1 と磁性膜 3の電極リード部に電流を流して膜面垂直方向の MR特性を印加磁界 50 Oeで測定したところ 1 8 %の MR変化率が得られた。

(実施例 6)

スパッタ法により磁性膜 1 として C oo.₇₂Mn₀.。₈B₀.₂₀を 2nmの厚さに蒸着した後、実施例 5に示したものと同じ方法を用いて磁性膜 1のバタ —ニングおよび非磁性絶緣層 2の形成を行う。更に、集束イオンを照射注入して導電部分 Cを形成し、引き続き、スパッタ法で磁性膜 3 ' 、磁化反転抑制膜 4として C oを 2nm、 I r Mnを 1 Onm蒸着し、パタ一ユングして図 6に示したような形状とし、磁性膜 1、 3 ' に電極リードを設け、電流を流して膜面垂直方向の MR特性を印加磁界 2 OOeで測定したところ 1 0 %の MR変化率が得られた。

(実施例 7)

スパッタ法により磁性膜 1 として N i 0. ₈ F e o. 2 を 1 2nmの厚さに蒸着した後、実施例 5に示したものと同じ方法を用いて磁性膜 1のパター二ングぉよび非磁性絶縁層 2の形成を行う。さらにスパッタ法で磁性膜 3として C o。.₅ F e 0. 5 を 2nm蒸着し、パターニングして図 7に示したような形状とし、さらに電極 S, S ' で示す配線を設けて磁気抵抗効果型へッドを作製した。このへッドに検知すべき磁界方向に、 1 OOeの磁界を印加し発生した出力を測定したところ、類似形状で従来 MR材料である N i — F e膜を用いたへッドに比べて 6倍の出力があることがわかった。

(実施例 8)

スパッタ法により磁性膜 1 として N i。.₈ F e 0. ₂ を l Onmの厚さに蒸着した後、実施例 5に示した同じ方法を用いて磁性膜 1のパターニング及び非磁性絶緣層 2の形成を行う。次に、集束イオンを照射注入して導電部分 Cを形成し、更にスパッタ法で磁性膜 3として C oを 5ηπι蒸着し、バタ —ニングして図 8に示すような形状とし、上下磁性膜部に電極を付けセンス線を形成した後、 S i 0₂ をスパッタリングして絶縁膜を付け。更に A uを蒸着してパターニングしてワード線を作製することにより、メモリ一素子を作製した。ヮ一ド線に電流を流して磁性膜 3を一方向に磁化した後、磁性膜 1のみを磁化反転すべく磁性膜 3の磁化方向と反対方向の磁界を発生する弱電流をワード線に流してセンス線の抵抗変化を測定したところ出力変化があり、磁性膜の磁化方向に磁界を発生する弱電流をヮ一ド線に流したところセンス線には出力変化が生じず、メモリ一素子として動作することが分かった。また、何度弱電流をワード線に流して情報の読み出しをしても出力変化があり、非破壊読み出しが可能なことが分かつた。

Claims

言胄求の範囲

1 . 基本構造が〔磁性膜 Z非磁性絶縁膜 Z磁性膜〕の積層体からなる磁気抵抗効果素子であって、上記非磁性絶縁膜の露出した部位に、当該絶縁膜と磁性膜との接触部分より十分小さな導電部分が形成され、かつ、その導電部分により上記磁性膜が相互に電気的に接続されているとともに、上下の磁性膜に電極リ一ド部が設けられていることを特徴とする磁気抵抗効果素子。

2 . 基本構造が〔磁性膜ノ非磁性絶縁膜ノ磁性膜〕の積層体からなる磁気抵抗効果素子であって、上記非磁性絶縁膜に、当該絶縁膜と磁性膜との接触部分より十分小さな円柱状の導電部分が形成され、かつ、その導電部分により磁性膜問が相互に電気的に接続されているとともに、上下の磁性膜に電極リ一ド部が設けられていることを特徴とする磁気抵抗効果素子。

3 . 上記非磁性絶縁膜は導電体の酸化物あるいは窒化物からなり、上記導電部分は、その非磁性絶緣膜における窒素濃度あるいは酸素濃度より减少した濃度であることを特徵とする請求の範囲第 1項または第 2項に記載の磁気抵抗効果素子。

4 . 上記非磁性絶縁膜を介して隣り合う磁性膜の一方に軟磁性膜、もラー方にそれより保磁力が大きい磁性膜を用いることを特徴どする請求の範囲第 1項、第 2項または第 3項に記載の磁気抵抗効果素子。

5 . —方の上記磁性膜の膜面に，その磁性膜の磁化反転を抑制するために、導電性の磁化反転抑制膜が設けられ、基本構造が〔磁化反転抑制膜ノ磁性膜非磁性絶縁膜/磁性膜〕の積層体からなり、上記非磁性絶縁膜の露出した部位に、当該絶縁膜と磁性膜との接触部分より十分小さな導電部分が形成され、その導電部分により上記磁性膜が相互に電気的に接続され、上下の磁性膜に電極リ一ド部が設けられていることを特徴とする磁気抵抗効果素子。

6 . 一方の上記磁性膜の膜面に，その磁性膜の磁化反転を抑制するために、導電性の磁化反転抑制膜が設けられ、基本構造が〔磁化反転抑制膜ノ磁性膜非磁性絶緣膜磁性膜〕の積層体からなり、上記非磁性絶緣膜には、その非磁性絶縁膜における窒素濃度あるいは酸素濃度より減少した濃度の導！:部分が、当該絶縁膜と磁性膜との接触部分より十分小さく、円柱状に形成され、かつ、その導電部分により磁性膜間が相互に電気的に接続されているとともに、上下の磁性膜に電極リード部が設けられていることを特徴とする磁気抵抗効果素子。

7 . 上記磁化反転抑制膜が導電性反強磁性体からなることを特徴とする請求の範囲第 5項または第 6項に記載の磁気抵抗効果素子。

8 . 上記磁性膜のうち、少なくとも一方の磁性膜は非晶質合金膜であることを特徴とする請求の範囲第 1項、第 2項、第 3項、第 4項、第 5項、第 6項または第 7項に記載の磁気抵抗効果素子。

9 . 上記磁性膜のうち、少なくとも一方の磁性膜と非磁性絶縁膜の界面に主構成元素の一つとして Coあるいは Feを含有する厚さ 2 nm以下の界面磁性膜が設けられていることを特徴とする請求の範囲第 1項、第 2項、第 3項、第 4項、第 5項、第 6項、第 7項または第 8項に記載の磁気抵抗効果素子。

1 0 . 上記非磁性絶縁膜が Nbの酸化物により構成されていることを特徴とする請求の範囲第 1項、第 2項、第 3項、第 4項、第 5項、第 6項、第 7 項、第 8項または第 9項に記載の磁気抵抗効果素子。

1 1 . 請求の範囲第 1項、第 2項、第 3項、第 4項、第 5項、第 6項、第 7項、第 8項、第 9項または第 1 0項に記載された磁気抵抗効果素子が用いられた磁気抵抗効果型へッドであって、検知すべき磁気媒体からの信号磁界方向と一方の磁性膜の磁化容易軸方向が平行で、もう一方の磁性膜の磁化容易軸が直交するよう構成されたことを特徴とする磁気抵抗効果型へッ卜。

1 2 . 請求の範囲第 1項、第 2項、第 3項、第 4項、第 5項、第 6項、第 7項、第 8項、第 9項または第 1 0項に記載された磁気抵抗効果素子が用いられたメモリ一素子であって、この磁気抵抗効果素子近傍に情報記録用磁界を発生する導体線からなるワード線が絶縁膜を介して設けられているとともに、上記各電極リード部を導体線で接続した情報読み出し用センス線が設けられていることを特徴とするメモリ一素子。

1 3 . 請求項 1、 2、 3、 4、 5、 6、 7、 8、 9のいずれかに記載された磁気抵抗効果素子が複数用いられたメモリ一素子であって、これらの磁気抵抗効果素子がマトリクス状に配置され、その各磁気抵抗効果素子近傍に互いに絶縁された直交するワード線が設けられているとともに、各磁気抵抗効果素子の上下に形成された電極リ一ド部を互いに導体線で接続するセンス線が設けられていることを特徴とするメモリ一素子。

1 4 . 請求の範囲第 1項、第 2項、第 3項、第 4項、第 5項、第 6項、第 7項、第 8項、第 9項または第 1 0項に記載された磁気抵抗効果素子を製造する方法であって、二つの磁性体に挟まれた、導電体の酸化物あるいは窒化物からなる非磁性絶緣膜に対して、高速ィオンビームあるいは高速中性粒子ビームを照射することにより、その照射部分にその非磁性絶縁膜における窒素濃度あるいは酸素濃度より減少した濃度の導電部分を、当該非磁性絶縁膜と磁性膜との接触部分より十分小さい領域に形成し、その導電部分により上記磁性膜を相互に電気的に接続することを特徴とする磁気抵抗効果素子の作製法。補正書の請求の範囲

[ 1 9 9 7年 1 1月 3日（0 3 . 1 1 . 9 7 ) 国際事務局受理：出願当初の請求の範囲 1，，5及び 6は補正された；他の請求の範囲は変更なし。（4頁） ]

1 . (補正後） S本構造が〔磁性膜非磁性絶緣膜ノ磁性膜〕の積層 ί本からなろ磁気抵抗効果素子であって、上記非磁性絶緣膜の霜出した部位に、当該絶緣膜と磁性膜との接触部分により十分小さな導電部分が形成され、その導電部分により上記磁性膜が相互に電気的に接続され、かつ、上記非磁性絶緣膜を挟むそれぞれの磁性膜に電極リ一ド部が設けられているとともに、当該磁気抵抗効果素子の抵抗は、上記各磁性膜の磁化方向が互いに平行であるときは減少し、反平行のときは増加すろよう構成されていることを特徴とする磁気抵抗効果素子。

2 . (補正後）基本構造が〔磁性膜非磁性絶縁膜磁性膜〕の稜層体からなる磁気抵抗効果素子であって、上記非磁性絶緣膜に、当該絶縁膜と磁性膜との接触部分により十分小さな円柱状の導電部分が形成され、その導電部分により磁性膜問が相互に電気的に接続され、かつ、上記非磁性絶緣膜を挟むそれぞれの磁性膜に電極リ一ド部が設けられているとともに、当該磁気抵抗効果素子の抵抗は、上記各磁性膜の磁化方向が互いに平行であろときは減少し、反平行のときは増加するよう構成されていることを特徴とする磁気抵抗効果素子。

3 . 上記非磁性絶緣膜は導電体の酸化物あるいは窒化物からなり、上記導電部分は、その非磁性絶緣膜における窒素港度あるいは酸素濃度より減少した濃度であることを特 '傲とする請求の範囲第 1項または第 2項に記載の磁気抵抗効果素子。

4 . 上記非磁性絶緣膜を介して隣り合う磁性膜の一方に軟磁性膜、も '）一方にそれより ί呆磁力が大きい磁性膜を用いることを特徴とすろ請求の範囲第 1項、第 2項または第 3項に記載の磁気抵抗効果素子.

5 . (補正後）一方の上記磁性膜の膜面に，その磁性膜の磁化反転を抑制するために、導電性の磁化反転抑制膜が設けられ、 £本 W造が〔磁化反転

補正された用紙 (条約第 19条) 抑制膜 z磁性膜非磁性絶緣膜 z磁性膜〕の積層からなり、上記非磁性絶緣膜の露出した部位に、当該絶緣膜と磁性膜との接触部分により十分小さな導電部分が形成され、その導電部分により上記磁性膜が相互に電気的に接続され、上記非磁性絶緣膜を挟む'それぞれの磁性膜に電極リ一ド部が設けられていろとともに、当該磁気抵抗効果素子の抵抗は、上記各磁性膜の磁化方向が互いに平行であるときは減少し、反平行のときは増加すろよう構成されていることを特徴とすろ磁気抵抗効果素子，

6 . (補正後）一方の上記磁性膜の膜面に，その磁性膜の磁化反転を抑制するために、導電性の磁化反転抑制膜が設けられ、基本構造が〔磁化反転抑制膜 Z磁性膜/非磁性絶縁膜/磁性膜〕の積層体からなり、上記非磁性絶縁膜には、その非磁性絶緣膜における窒素濃度あるいは酸素濃度より減少した濃度の導電部分が、当該絶縁膜と磁性膜との接触部分により十分小さく、円柱状に形成され、その導電部分により磁性膜間が相互に電気的に接続され、かつ、上記非磁性絶縁膜を挟むそれぞれの磁性膜に電極リード部が設けられているとともに、当該磁気抵抗効果素子の抵抗は、上記各磁性膜の磁化方向が互いに平行であるときは減少し、反平行のときは増加するよう構成されていることを特徴とする磁気抵抗効果素子

7 . 上記磁化反転抑制膜が導電性反強磁性体からなることを特徴とする請求の範囲第 5項または第 6項に記載の磁気抵抗効果素子つ

8 . 上記磁性膜のうち、少なくとも一方の磁性糗は非晶質合金膜であることを特徵とする請求の範囲第 1項、第 2項、第 3項、第 4項、第 5項、第 6項または第 7項に記載の磁気抵抗効果素子：

9 . 上記磁性膜のうち、少なくとも一方の磁性膜と非磁性絶緣膜の界面に主構成元素の一つとして Coあろいは Feを含有すろ厚さ 2 nm以下の界面磁性膜が設けられていろことを特徴-とすろ請求の範 ffl第 1項、第 2項、第 3項、第 4項、第 5項、第 6項、第 7項または第 8項に記救の磁気抵抗効果素子..

補正された用紙 (条約第 19条)

1 0 . 上記非磁性絶緣膜が Nhの酸化物により構成されていろことを特徴とする請求の範囲第 1項、第 2項、第 3項、第 4項、第 5項、第 6項、第 7 項、第 8項または第 9項に記載の磁気抵抗効果素子

1 1 . 請求の範囲第 1項、第' 2項、第 3項、第 4項、第 5項、第 6項、第 7項、第 8項、第 9項または第 1 0項に記載された磁気抵抗効果素子が用いられた磁気抵抗効果型へッドであって、検知すべき磁気媒体からの信号磁界方向と一方の磁性膜の磁化容易軸方向が平行で、も '）一方の磁性膜の磁化容易軸が直交するよう構成されたことを特徴とすろ磁気抵抗効果型へッド'。

1 2 . 請求の範囲第 1項、第 2項、第 3項、第 4項、第 5項、第 6項、第 7項、第 8項、第 9項または第 1 0項に記載された磁気抵抗効果素子が用いられたメモリ一素子であって、この磁気抵抗効果素子近傍に情報記録用磁界を発生する導体線からなるヮ一ド線が絶緣膜を介して設けられていろとともに、上記各電極リ一ド部を導体線で接続した情報読み出し用センス線が設けられていることを特徴とするメモリー素子。

1 3 . 請求項 1、 2、 3、 4、 5、 6、 7、 8、 9のいずれかに記載された磁気抵抗効果素子が複数用いられたメモリ一素子であって、これらの磁気抵抗効果素子がマトリクス状に配置され、その各磁気抵抗効果素子近傍に互いに絶緣された直交するヮ一ド線が設けられているとともに、各磁気抵抗効果素子の上下に形成された電極リ一ド部を互いに導体線で接続するセンス線が設けられていることを特徴とするメモリ一素子。

1 4 . 請求の範囲第 1項、第 2項、第 3項、第 4項、第 5項、第 6項、第 7項、第 8項、第 9項または第 1 0項に記載された磁気抵抗効果素子を製造する方法であって、二つの磁性体に挟まれた、導電の酸化物あるいは窒化物からなろ非磁性絶縁膜に対して、高速ィオンビームあろいは高速中性粒子ビームを照射すろ二とにより、その照射部分にその非磁性絶緣膜におけろ窒素濃度あろいは酸素濃度より减少した濃度の導電部分を、当該非

¾正された用紙 (条約第 19 45883 23

磁性絶縁膜と磁性膜との接触部分より十分小さ、領域に形成し、その部分により上記磁性膜を相互に電気的に接続すろことを特徴とする磁気抵抗効果素子の作製法。

補正された用紙 (条約第 19条) 条約〗 9条に基づく説明書本発明は、 G M R (巨大磁気抵抗効果素子）に関するものである。これに対し、引用例には M R材料が絶縁膜を介して積層された構成の開示があり、本発明の構成とは本質的に異なるものである。この点が明確となるよう請求の範囲第 1項、第 2項、第 5項、第 6項に限定を加えたものである。