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JP2008085220A - 磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド、および磁気再生装置 - Google Patents

磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド、および磁気再生装置 Download PDF

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JP2008085220A JP2006265836A JP2006265836A JP2008085220A JP 2008085220 A JP2008085220 A JP 2008085220A JP 2006265836 A JP2006265836 A JP 2006265836A JP 2006265836 A JP2006265836 A JP 2006265836A JP 2008085220 A JP2008085220 A JP 2008085220A
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雅幸 高岸
Hitoshi Iwasaki
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Abstract

【課題】低抵抗及びインターレイヤーカップリングの問題を生じることなく、高い磁気抵抗効果を発現できるような新規な磁気抵抗効果素子を提供する。
【解決手段】実質的に磁化方向が固着された第１の磁性層と、外部磁界に応じて磁化方向が変化する第２の磁性層と、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間において、絶縁部分と磁性金属部分とが交互に位置するようにして設けられた中間層と、前記第1の磁性層、前記中間層及び前記第２の磁性層を含む積層膜の膜面垂直に電流を通電するための電極とを具え、前記中間層において、前記磁性金属部分が非強磁性金属を含むようにして磁気抵抗効果素子を構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、膜面に対して垂直方向に電流を通電する構造の磁気抵抗効果素子、ならびにこれを用いた磁気ヘッド、磁気記録再生装置、および磁気メモリに関する。
磁性体の積層構造体における巨大磁気抵抗効果（Giant MagnetoResistive Effect：ＧＭＲ）の発見により、磁気デバイスの性能が飛躍的に向上している。特に、スピンバルブ膜（Spin-Valve：ＳＶ膜）は磁気デバイスに容易に適用できる構造を有し、ＧＭＲ効果を有効に発揮させることができるので、磁気ヘッドおよびＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）などの磁気デバイスに大きな技術的進歩をもたらした。
「スピンバルブ膜」とは、２つの強磁性層の間に非強磁性金属スペーサ層を挟んだ構造を有し、一方の強磁性層（「ピン層」や「磁化固着層」などと称される）の磁化を反強磁性層などで固着し、もう一方の強磁性層（「フリー層」や「磁化自由層」などと称される）の磁化を外部磁界（たとえば媒体磁界）に応じて回転するようにした積層膜をいう。スピンバルブ膜では、ピン層とフリー層の磁化方向の相対角度が変化することによって、巨大な磁気抵抗変化が得られる。
従来のスピンバルブ膜は、膜面に平行にセンス電流を通電するＣＩＰ（Current In Plane）−ＧＭＲ素子であった。近年、ＣＩＰ−ＧＭＲ素子よりも大きなＭＲを発現することから、膜面にほぼ垂直方向にセンス電流を通電するＴＭＲ（Tunneling MagnetoResistace）素子、あるいはＣＰＰ（Current Perpendicular to the Plane）−ＧＭＲ素子が注目されている。
一方、近年においては、Ｎｉ細線同士の微少接合を用いて、高い磁気抵抗変化率の磁気抵抗効果が得られることが観測されている（非特許文献１参照）。
また、この磁気微小結合を三次元構造に展開した磁気抵抗効果素子の開発が進められている（特許文献１参照）。特許文献１では３次元方向のナノコンタクトの作製法、つまり穴あけ法として、ＥＢ（Electron Beam）照射プロセス、ＦＩＢ（Focused Ion Beam）照射プロセス、ＡＦＭ（Atomic Force Microscope）技術などが開示されている。
Phys. Rev. Lett. 82 2923 (1999) 特開２００３−２０４０９５号
上述した文献に記載された磁気抵抗効果は、新規な磁気微少接合点における磁化の急激な変化によって生じると考えられる。つまり、磁気微小接合点で形成される磁区を狭くすることが高磁気抵抗効果に繋がる。磁区幅を狭くする間接的な手法としては、磁気微小接合点の径（複合スペーサ層中の強磁性金属部の径）を小さくする事が上げられる。しかしながら、その磁気微小接合点の径を微小にすると抵抗が過度に大きくなる可能性がある。
一方、抵抗を下げるためにはその磁気微小接合点の径を大きくすれば良いが、径が大きくなると磁気微小接合点を介したピン層とフリー層との磁気的な結合が強くなり、インターレイヤーカップリングが大きくなる。これはヘッドにした時の動作点が高磁界側にシフトすることを意味しており好ましくない現象である。
上記問題に鑑み、本発明は、低抵抗及び高インターレイヤーカップリングによる動作点シフトの問題を生じることなく、高い磁気抵抗効果を発現できるような新規な磁気抵抗効果素子を提供することを特徴とする。
上記目的を達成すべく、本発明の一態様は、
実質的に磁化方向が固着された第１の磁性層と、
外部磁界に応じて磁化方向が変化する第２の磁性層と、
前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられ、絶縁部分と磁性金属部分とを有する中間層と、
前記第１の磁性層、前記中間層及び前記第２の磁性層を含む積層膜の膜面垂直に電流を通電するための電極とを具え、
前記中間層において、前記磁性金属部分が非強磁性金属を含むことを特徴とする、磁気抵抗効果素子に関する。
本発明者らは、上記問題を解決すべく鋭意検討を実施した。その結果、上記一態様に示すように、実質的に磁化方向が固着された第１の磁性層と、外部磁界に応じて磁化方向が変化する第２の磁性層との間において、絶縁部分と磁性金属部分とを有する中間層を設け、この中間層における磁性金属部分を介した磁気結合を生ぜしめるようにしている。さらに、前記中間層の前記磁性金属部分に非強磁性金属を含めるようにし、その部分の磁化を減少させるようにしている。
この結果、前記中間層の前記磁性金属部に生じる磁壁の膜厚方向の幅を狭める事が出来るため、高い磁気抵抗効果が出現するとともに、さらに前記中間層を上下方向から挟み込む第１の磁性層及び第２の磁性層間のインターレイヤーカップリングを小さくする事が出来る。特に磁気微小接合点の径を大きくして、その素子抵抗を減少させるような場合においてもインターレイヤーカップリングを抑制することができる。
なお、上記中間層における前記磁性金属部分の、前記非強磁性金属はCu，Cr，V，Ta，Nb，Sc，Ti，Mn，Zn，Ga，Ge，Zr，Y，Tc，Re，B，In，C，Si，Sn，Ca，Sr，Ba，Au，Ag，Pd，Pt，Ir，Rh，Ru，Os，Hfから選ばれる少なくとも一種とすることができる。また、特にはＣｕを含むようにすることができる。これによって、本発明における上記作用効果をより効果的に実現することができるようになる。
同様に、上記中間層における磁性金属部分、並びに上記第1の磁性膜及び第２の磁性膜は、Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉの少なくとも一つを含むようにすることができる。これによって、本発明における上記作用効果をより効果的に実現することができるようになる。
以上、本発明によれば、高抵抗及び高インターレイヤーカップリングの問題を生じることなく、高い磁気抵抗効果を発現できるような新規な磁気抵抗効果素子を提供することができる。
以下、本発明のその他の特徴及び利点について、発明を実施するための最良の形態に基づいて説明する。
（磁気抵抗効果素子）
図１は、本発明の磁気抵抗効果素子の一例を示す構成図である。図１に示す磁気抵抗効果素子１０は、下電極ＬＥ及び上電極ＵＥの間に複数の膜が積層されたような構成を呈している。具体的には、下電極ＬＥ側から順に、下地層１１、反強磁性層１２、複合ピン層１３、中間層１４、フリー層１５、及び保護層１６が順次に積層されたような構成を呈している。複合ピン層１３は、第1のピン層１３１及び第２のピン層１３３間に磁化反平行結合層１３２が挟まれたような構成を呈している。中間層１４は、絶縁部分１４１と磁性金属部分１４２とが交互に位置するようにして設けられている。
本例では、複合ピン層１３、中間層１４及びフリー層１５によってスピンバルブ膜が構成されている。
また、複合ピン層１３が本発明における実質的に磁化方向が固着された第1の磁性層に相当し、フリー層１５が本発明における外部磁界に応じて磁化方向が変化する第２の磁性層に相当している。また、中間層１４が本発明における中間層に相当している。なお、第1の磁性層は複合ピン層１３のように複数の層の積層体とする代わりに単一の磁性層で構成しても良い。
下電極ＬＥ及び上電極ＵＥは、上記積層膜に対しての略垂直方向にセンス電流を通電するためのものであり、この結果、磁気抵抗効果素子１０は、センス電流を素子膜面に対して垂直方向に流すＣＰＰ（Current Perpendicular to Plane）型の磁気抵抗効果素子を構成する。
下地層１１は、例えばバッファ層及びシード層の２層構造とすることができる。前記バッファ層は下電極ＬＥ表面の荒れを緩和したりするための層であり、Ta, Ti, W, Zr, Hf, Crまたはこれらの合金から構成することができる。前記シード層は、スピンバルブ膜の結晶配向を制御するための層であり、Ru,（FexNi100−x）100−yXy（X＝Cr, V, Nb, Hf, Zr, Mo,15＜x＜25,20＜y＜45）などから構成することができる。
反強磁性層１２は、複合ピン層１３に一方向異方性（unidirectional anisotropy）を付与して磁化を固着する機能を有する反強磁性材料（例えば、PtMn, PdPtMn, IrMn, RuRhMn）が用いられる。
複合ピン層１３における第1の第１のピン層１３１及び第２のピン層１３３は、例えば、Fe, Co, Ni, FeCo合金，FeNi合金から構成することができる。磁化反平行結合層１３２は、第１のピン層１３１及び１３３を反強磁性的に結合するものであり、例えば、Ru, Ir及びRhから構成することができる。
中間層１４における絶縁部分１４１は、Al，Mg，Li，Si，Ca，Sc，Ti，V，Cr，Mn，Fe，Co，Ni，Cu，Zn，Ga，Se，Sr，Y，Zr，Nb，Mo，Pd，Ag，Cd，In，Sn，Sb，Ba，Ka，Hf，Ta，W，Re，Pt，Hg，Pb，Bi，ランタノイド元素の少なくとも一種を含む酸化物、窒化物、酸窒化物、炭化物等から構成できる。その他、絶縁層１４１には、電流を絶縁する機能を有する材料を適宜に利用できる。
中間層１４における磁性金属部分１４２は、中間層１４の層垂直方向に電流を流す通路（パス）であり、Fe，Co，Ni等の強磁性体または合金からなる金属を含む。第２のピン層１３３の磁化方向と反対の磁場がフリー層１５に印加され、フリー層１５の磁化方向がその磁場方向に向いた場合、第２のピン層１３３とフリー層１５の磁化方向が反平行となる。この場合、磁化方向が異なる２つの強磁性層（複合ピン層１３，フリー層１５）に磁性金属部分１４２が挟まれることから、磁性金属部分１４２には磁壁ＤＷが発生する。
なお、本例では、図１に示すように、強磁性金属層１４２の径ｄは必ずしも層方向に均一ではない（図１では、下部での幅の方が上部での幅よりも大きい）。この場合、強磁性金属層１４２の幅ｄの代表値として、層方向での平均値を採用することができる。
また、本例では、中間層１４の、磁性金属部分１４２に非強磁性金属を混入させている。その非強磁性金属はCu，Cr，V，Ta，Nb，Sc，Ti，Mn，Zn，Ga，Ge，Zr，Y，Tc，Re，B，In，C，Si，Sn，Ca，Sr，Ba，Au，Ag，Pd，Pt，Ir，Rh，Ru，Os，Hfから選ばれる少なくとも一種から選択することが好ましく、特にはCuであることが好ましい。この場合に、以下に示すように、複合ピン層１３（第２のピン層１３３）とフリー層１５とのインターレイヤーカップリングを、特に磁気微小接合点の径、すなわち磁性金属部分１４２を大きくし、その間の抵抗を減少させたような場合においても効果的に抑制することができる。
フリー層（磁化自由層）１５は、外部磁界に対応して磁化方向が変化する強磁性体（例えば、Fe，Co，Ni，FeCo合金，FeNi合金）などから構成することができる。本例では、フリー層１５を単層としているが、複数の層が積層された積層構造としても良い。
保護層１６は、スピンバルブ膜を保護する機能を有する。保護層１６は、例えば、Cu／Ruの２層構造及びCu／Ta／Ruの３層構造とすることができる。
図２は、本例における、中間層１４の近傍での磁気抵抗効果素子１０の断面における磁化状態を模式的に表す説明図であり、図３は、本例におけるＲ−Ｈ特性を示すグラフである。
図２に示すように、本例の磁気抵抗効果素子１０においては、中間層１４中の磁性金属部分１４２に上述したような非強磁性金属を含有させるようにしているので、その磁化（Ｍｓ）が減少する．、そのため，複合ピン層１３（第２のピン層１３３）とフリー層１５とのインターレイヤーカップリングを抑制することができるとともに、磁性金属部分１４２に形成される磁壁ＤＷ幅の膜厚の上下方向における狭小化によって抵抗変化率すなわち磁気抵抗効果が増大する。
実際、図３に示すように、本例の磁気抵抗効果素子においては、上記インターレイヤーカップリングに起因したＲ−Ｈ曲線の外部磁場シフトもほとんどみられず、抵抗変化率ΔＲ自体も高い値を示すことが分かる。
図４は、本例と異なり、中間層１４中の磁性金属部分１４２に上述したような非強磁性金属を含有させていない磁気抵抗効果素子の断面における磁化状態を模式的に表す説明図であり、図５は、このような磁気抵抗効果素子のＲ−Ｈ特性を示すグラフである。
中間層１４中の磁性金属部分１４２に非強磁性金属元素を含有させていない場合においては、磁性金属部分１４２に生じる磁壁ＤＷ幅はその径とほぼ同等になり、絶縁部分１４１の厚みよりも広がる。したがって、複合ピン層１３（第３の磁性層１３３）とフリー層１５とのインターレイヤーカップリングが増大し、磁壁幅が増大したことにより抵抗変化率ΔＲも減少してしまうようになる。
実際、図５に示すように、上記磁気抵抗効果素子においては、上記インターレイヤーカップリングに起因したＲ−Ｈ曲線の外部磁場シフトが観察され、抵抗変化率ΔＲ自体も低い値しか示さないことが分かる。
（磁気抵抗効果素子の製造方法）
以下、図１に示す磁気抵抗効果素子１０の製造方法の一例を概略的に説明する。最初に、所定の基板上に、下電極ＬＥ、下地層１１、反強磁性層１２、複合ピン層１３、中間層１４、フリー層１５、保護層１６及び上電極ＵＥを順次に形成する。通常、これらの各層は減圧下で形成されるようになる。以下、各層の具体的形成方法について説明する。
（１）下電極ＬＥ〜反強磁性層１２の形成
基板（図示せず）上に、下電極ＬＥを微細加工プロセスによって形成する。次いで、下電極ＬＥ上に、下地層１１及び反強磁性層１２を順に成膜する。
（２）複合ピン層１３の形成
第１のピン層１３１、磁化反平行結合層１３２及び第２のピン層１３３を順に成膜する。この際、適宜第２のピン層１３３の表面に非強磁性金属層を成膜したり、ピン層の材料と非強磁性金属との合金層を成膜したりすることができる。
（３）中間層１４の形成
次に、Ａｌ2Ｏ3からなる絶縁部分１４１とＦｅを主成分としてＣｕが混入した磁性金属部分１４２とを含む中間層１４を形成する場合を例に説明する。
最初に、第２のピン層１３３に、磁性金属部分１４２の供給源となるＦｅを主成分としＣｕが存在する第１の金属層を成膜した後、この第1の金属層上に絶縁部分１４１に変換される第２の金属層（例えば、Ａｌ）を成膜する。次いで、前記第２の金属層に希ガス（例えばＡｒ）のイオンビームを照射して前処理（イオントリートメント）を行う。イオントリートメントの結果、前記第２の金属層中に前記第１の金属層の一部が混入した状態になる。
次いで、酸化ガス（例えば、酸素を含む希ガス）を供給して前記第２の金属層を酸化し、絶縁部分１４１を形成する。このとき、前記第２の金属層中に混入した前記第１の金属層の一部が酸化され難い条件を選択する。このような酸化処理によって、前記第２の金属層がＡｌ２Ｏ３からなる絶縁部分１４１となるとともに、前記第２の金属層中に混入した前記第１の金属層が磁性金属部分１４２となる。
なお、前記酸化法としては磁性金属部分１４２が酸化されずに確実に形成されるような条件であればその方法は限定されない。イオンビーム酸化法、プラズマ酸化法及びイオンアシスト酸化法等いずれも使用可能である。なお、酸化処理に換えて、窒化処理又は炭化処理を選択することも可能である。
また、中間層１４は、以下に示すような方法でも形成することができる。最初に、第２のピン層１３３上または第２のピン層１３３自体に、磁性金属部分１４２の供給源となる第１の金属層を成膜する。その後、前記第１の金属層上に絶縁部分１４１に変換される第２の金属層（例えば、Ａｌ）を成膜する。前記第２の金属層の成膜後、酸化ガス（例えば、酸素を含む希ガス）を供給して前記第２の金属層を酸化し、絶縁層を形成する。この酸化法は、イオンビーム酸化法、プラズマ酸化法、イオンアシスト酸化法及び自然酸化法等から適宜選択して使用する。なお、酸化処理に換えて、窒化処理又は炭化処理を選択することも可能である。
次いで、前記絶縁層に希ガス（例えばＡｒ）のイオンビームを照射して後処理（イオントリートメント）を行う。イオントリートメントの結果、前記絶縁層中に前記第１の金属層が侵入した状態となり、Ａｌ２Ｏ３からなる絶縁部分１４１と磁性金属部分１４２とを有する中間層１４が形成される。この酸化後の磁性金属部分１４２を形成する処理はイオントリートメント法の他，プラズマ処理、加熱処理などを用いることも可能である．
（４）フリー層１５、保護層１６お呼び上電極ＵＥの形成
次いで、上述のようにして形成した中間層１４上にフリー層１５を形成し、その後、フリー層１５の上に、保護層１６及び上電極ＵＥを順に形成する。この結果、磁気抵抗効果素子１０を得ることができる。
（６）熱処理
上述のようにして得た磁気抵抗効果素子１０を磁界中で熱処理することにより、第１のピン層１３1の磁化方向を固着させる。
（磁気ヘッド、及び磁気記録再生装置）
上述した磁気抵抗効果素子は、記録再生一体型の磁気ヘッドアセンブリに組み込んで、磁気記録再生装置に搭載することができる。
図６は、このような磁気記録再生装置の概略構成を例示する要部斜視図である。図６に示す磁気記録再生装置１５０は、ロータリーアクチュエータを用いた形式の装置である。同図において、磁気ディスク２００は、スピンドル１５２に装着され、図示しない駆動装置制御部からの制御信号に応答する図示しないモータにより矢印Ａの方向に回転する。なお、図に示す磁気記録再生装置１５０では、単独の磁気ディスク２００のみを用いているが、複数の磁気ディスク２００を具えることができる。
磁気ディスク２００に格納する情報の記録再生を行うヘッドスライダ１５３は、薄膜状のサスペンション１５４の先端に取り付けられている。ヘッドスライダ１５３は、上述したいずれかの実施形態に係る磁気抵抗効果素子を含む磁気ヘッドをその先端付近に搭載している。
磁気ディスク２００が回転すると、ヘッドスライダ１５３の媒体対向面（ＡＢＳ）は磁気ディスク２００の表面から所定の浮上量をもって保持される。但し、このような浮上型に代えて、スライダが磁気ディスク２００と接触するいわゆる「接触走行型」であってもよい。サスペンション１５４は、図示しない駆動コイルを保持するボビン部などを有するアクチュエータアーム１５５の一端に接続されている。アクチュエータアーム１５５の他端には、リニアモータの一種であるボイスコイルモータ１５６が設けられている。ボイスコイルモータ１５６は、アクチュエータアーム１５５のボビン部に巻き上げられた図示しない駆動コイルと、このコイルを挟み込むように対向して配置された永久磁石および対向ヨークからなる磁気回路とから構成される。
アクチュエータアーム１５５は、スピンドル１５７の上下２箇所に設けられた図示しないボールベアリングによって保持され、ボイスコイルモータ１５６により回転摺動が自在にできるようになっている。
図７は、アクチュエータアーム１５５から先の磁気ヘッドアセンブリをディスク側から眺めた拡大斜視図である。磁気ヘッドアッセンブリ１６０は、例えば駆動コイルを保持するボビン部などを有するアクチュエータアーム１５５を有し、アクチュエータアーム１５５の一端にはサスペンション１５４が接続されている。
サスペンション１５４の先端には、上述したいずれかの実施形態に係る磁気抵抗効果素子を含む磁気ヘッドを具備するヘッドスライダ１５３が取り付けられている。サスペンション１５４は信号の書き込みおよび読み取り用のリード線１６４を有し、このリード線１６４とヘッドスライダ１５３に組み込まれた磁気ヘッドの各電極とが電気的に接続されている。図中１６５は磁気ヘッドアッセンブリ１６０の電極パッドである。
図６及び７に示す磁気記録再生装置においては、上述した本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を含む磁気ヘッドを具えることにより、従来よりも高い記録密度で磁気ディスク２００に磁気的に記録された情報を確実に読み取ることが可能となる。
（磁気メモリ）
上述した磁気抵抗効果素子は、例えばメモリセルがマトリクス状に配置されたランダムアクセス磁気メモリ（magnetic random access memory、ＭＲＡＭ）などの磁気メモリを構成することができる。
図８は、磁気メモリのマトリクス構成の一例を示す図である。この図は、メモリセルをアレイ状に配置した場合の回路構成を示す。アレイ中の１ビットを選択するために、列デコーダ３５０、行デコーダ３５１が備えられており、ビット線３３４とワード線３３２によりスイッチングトランジスタ３３０がオンになって一意に選択され、センスアンプ３５２で検出することにより磁気抵抗効果素子１０中の磁気記録層（フリー層）に記録されたビット情報を読み出すことができる。ビット情報を書き込むときは、特定の書き込みワード線３２３とビット線３２２に書き込み電流を流して発生する磁場を印加する。
図９は、上記磁気メモリのマトリクス構成の他の例を示す図である。この場合、マトリクス状に配線されたビット線３２２とワード線３３４とが、それぞれデコーダ３６０、３６１により選択されて、アレイ中の特定のメモリセルが選択される。それぞれのメモリセルは、磁気抵抗効果素子１０とダイオードＤとが直列に接続された構造を有する。ここで、ダイオードＤは、選択された磁気抵抗効果素子１０以外のメモリセルにおいてセンス電流が迂回することを防止する役割を有する。書き込みは、特定のビット線３２２と書き込みワード線３２３とにそれぞれに書き込み電流を流して発生する磁場により行われる。
図１０は、本発明の実施形態に係る磁気メモリの要部を示す断面図である。図１１は、図１０のＡ−Ａ’線に沿う断面図である。これらの図に示した構造は、図８または図９に示した磁気メモリに含まれる１ビット分のメモリセルに対応する。このメモリセルは、記憶素子部分３１１とアドレス選択用トランジスタ部分３１２とを有する。
記憶素子部分３１１は、磁気抵抗効果素子１０と、これに接続された一対の配線３２２、３２４とを有する。磁気抵抗効果素子１０は、上述した実施形態に係る磁気抵抗効果素子である。
一方、選択用トランジスタ部分３１２には、ビア３２６および埋め込み配線３２８を介して接続されたトランジスタ３３０が設けられている。このトランジスタ３３０は、ゲート３３２に印加される電圧に応じてスイッチング動作をし、磁気抵抗効果素子１０と配線３３４との電流経路の開閉を制御する。
また、磁気抵抗効果素子１０の下方には、書き込み配線３２３が、配線３２２とほぼ直交する方向に設けられている。これら書き込み配線３２２、３２３は、例えばアルミニウム（Al）、銅（Cu）、タングステン（W）、タンタル（Ta）あるいはこれらいずれかを含む合金により形成することができる。
このような構成のメモリセルにおいて、ビット情報を磁気抵抗効果素子１０に書き込むときは、配線３２２、３２３に書き込みパルス電流を流し、それら電流により誘起される合成磁場を印加することにより磁気抵抗効果素子の記録層の磁化を適宜反転させる。
また、ビット情報を読み出すときは、配線３２２と、磁気記録層を含む磁気抵抗効果素子１０と、下電極３２４とを通してセンス電流を流し、磁気抵抗効果素子１０の抵抗値または抵抗値の変化を測定する。
上記磁気メモリは、上述した磁気抵抗効果素子を用いることにより、セルサイズを微細化しても、記録層の磁区を確実に制御して確実な書き込みを確保でき、且つ、読み出しも確実に行うことができる。
（実施例１）
磁気抵抗効果素子１０の実施例１を説明する。実施例１では、以下の方法で磁気抵抗効果素子１０を作製した。
・下地層１１：Ｔａ［５ｎｍ］／ＮｉＦｅＣｒ［７ｎｍ］
・反強磁性層１２：ＰｔＭｎ［１５ｎｍ］
・第１のピン層１３１：Ｃｏ９Ｆｅ１［３．３ｎｍ］
・磁化反平行結合層１３２：Ｒｕ［０．９ｎｍ］
・ 第２のピン層１３３：Ｆｅ５Ｃｏ５［２．５ｎｍ］／Ｃｕ［０．１ｎｍ］を順次成膜後、 ・
・Ａｌ［０．９ｎｍ］を成膜、Ａｒイオンの存在下で酸化処理をした。その後イオントリートメント処理をして中間層１４：Ａｌ酸化物／ＦｅＣｏ−Ｃｕ金属層を形成した。その後
・フリー層１５：Ｆｅ５Ｃｏ５［２．５ｎｍ］
・保護層１６：Ｃｕ［１ｎｍ］／Ｔａ［２ｎｍ］／Ｒｕ［１５ｎｍ］を成膜した。
作製した磁気抵抗効果素子１０を磁界中において、２７０℃で１０時間ほど熱処理した。実施例１の素子のＲＡは０．５Ωμｍ２であった。またこの時のＭＲ値として２００％が観測され、複合ピン層１３３とフリー層１５とのインターレイヤーカップリングは２０Oeだった。
（実施例２）
実施例２では、以下の方法で磁気抵抗効果素子１０を作製した。
・下地層１１：Ｔａ［５ｎｍ］／Ru［２ｎｍ］
・反強磁性層１２：ＰｔＭｎ［１５ｎｍ］
・第１のピン層１３１：Ｃｏ９Ｆｅ１［３．３ｎｍ］
・磁化反平行結合層１３２：Ｒｕ［０．９ｎｍ］
・ 第２のピン層１３３：Ｆｅ５Ｃｏ５［２．５ｎｍ］／Ｃｕ［０．１ｎｍ］を順次成膜後、
・ Ａｌ［０．９ｎｍ］を成膜、Ａｒイオンの存在下で酸化処理をした。その後イオントリートメント処理をして中間層１４：Ａｌ酸化物／ＦｅＣｏ−Ｃｕ金属層を形成した。その後
・フリー層１５：Ｆｅ５Ｃｏ５［２．５ｎｍ］
・保護層１６：Ｃｕ［１ｎｍ］／Ｔａ［２ｎｍ］／Ｒｕ［１５ｎｍ］を成膜した。
作製した磁気抵抗効果素子１０を磁界中において、２７０℃で１０時間ほど熱処理した。実施例２の素子のＲＡは０．3Ωμｍ２であった。またこの時のＭＲ値として１５０％が観測され、複合ピン層１３３とフリー層１５とのインターレイヤーカップリングは２５Oeだった。
（実施例３）
磁気抵抗効果素子１０の実施例３を説明する。実施例３では、以下の方法で磁気抵抗効果素子１０を作製した。
・下地層１１：Ｔａ［５ｎｍ］／ＮｉＦｅＣｒ［７ｎｍ］
・反強磁性層１２：ＰｔＭｎ［１５ｎｍ］
・第１のピン層１３１：Ｃｏ９Ｆｅ１［３．３ｎｍ］
・磁化反平行結合層１３２：Ｒｕ［０．９ｎｍ］
・第２のピン層１３３：Ｆｅ５Ｃｏ５［２．５ｎｍ］／Ｚｒ［０．１ｎｍ］を順次成膜後、
・Ａｌ［０．９ｎｍ］を成膜、Ａｒイオンの存在下で酸化処理をした。その後イオントリートメント処理をして中間層１４：Ａｌ酸化物／ＦｅＣｏ−Ｚｒ金属層を形成した。その後
・フリー層１５：Ｆｅ５Ｃｏ５［２．５ｎｍ］
・保護層１６：Ｃｕ［１ｎｍ］／Ｔａ［２ｎｍ］／Ｒｕ［１５ｎｍ］を成膜した．
作製した磁気抵抗効果素子１０を磁界中において、２７０℃で１０時間ほど熱処理した。実施例３の素子のＲＡは０．５Ωμｍ２であった。またこの時のＭＲ値として１８０％が観測され、複合ピン層１３３とフリー層１５とのインターレイヤーカップリングは２３Oeだった。
（実施例４）
実施例４では、以下の方法で磁気抵抗効果素子１０を作製した。
・下地層１１：Ｔａ［５ｎｍ］／Ru［２ｎｍ］
・反強磁性層１２：ＰｔＭｎ［１５ｎｍ］
・第１のピン層１３１：Ｃｏ９Ｆｅ１［３．３ｎｍ］
・磁化反平行結合層１３２：Ｒｕ［０．９ｎｍ］
・第２のピン層１３３：Ｆｅ５Ｃｏ５［２．５ｎｍ］／Ｚｒ［０．１ｎｍ］を順次成膜後、
・Ａｌ［０．９ｎｍ］を成膜、Ａｒイオンの存在下で酸化処理をした。その後イオントリートメント処理をして中間層１４：Ａｌ酸化物／ＦｅＣｏ−Ｚｒ金属層を形成した。その後
・フリー層１５：Ｆｅ５Ｃｏ５［２．５ｎｍ］
・保護層１６：Ｃｕ［１ｎｍ］／Ｔａ［２ｎｍ］／Ｒｕ［１５ｎｍ］を成膜した。
作製した磁気抵抗効果素子１０を磁界中において、２７０℃で１０時間ほど熱処理した。実施例４の素子のＲＡは０．４Ωμｍ２であった。またこの時のＭＲ値として１２０％が観測され、複合ピン層１３３とフリー層１５とのインターレイヤーカップリングは２８Oeだった。
（実施例５）
磁気抵抗効果素子１０の実施例５を説明する。実施例５では、以下の方法で磁気抵抗効果素子１０を作製した。
・下地層１１：Ｔａ［５ｎｍ］／ＮｉＦｅＣｒ［７ｎｍ］
・反強磁性層１２：ＰｔＭｎ［１５ｎｍ］
・第１のピン層１３１：Ｃｏ９Ｆｅ１［３．３ｎｍ］
・磁化反平行結合層１３２：Ｒｕ［０．９ｎｍ］・第２のピン層１３３：Ｆｅ５Ｃｏ５［２．５ｎｍ］／Ｃｕ［０．２ｎｍ］を順次成膜後，
・Ａｌ［０．９ｎｍ］を成膜、Ａｒイオンの存在下で酸化処理をした。その後イオントリートメント処理をして中間層１４：Ａｌ酸化物／ＦｅＣｏ−Ｃｕ金属層を形成した。その後
・フリー層１５：Ｆｅ５Ｃｏ５［２．５ｎｍ］
・保護層１６：Ｃｕ［１ｎｍ］／Ｔａ［２ｎｍ］／Ｒｕ［１５ｎｍ］を成膜した。
作製した磁気抵抗効果素子１０を磁界中において、２７０℃で１０時間ほど熱処理した。実施例５の素子のＲＡは０．５Ωμｍ２であった。またこの時のＭＲ値として２２０％が観測され、複合ピン層１３３とフリー層１５とのインターレイヤーカップリングは１５Oeだった。
（実施例６）
磁気抵抗効果素子１０の実施例１を説明する。実施例１では、以下の方法で磁気抵抗効果素子１０を作製した。
・下地層１１：Ｔａ［５ｎｍ］／ＮｉＦｅＣｒ［７ｎｍ］
・反強磁性層１２：ＰｔＭｎ［１５ｎｍ］
・第１のピン層１３１：Ｃｏ９Ｆｅ１［３．３ｎｍ］
・磁化反平行結合層１３２：Ｒｕ［０．９ｎｍ］
・第２のピン層１３３：（Ｆｅ５Ｃｏ５）0.9Ｃｕ0.1［２．５ｎｍ］を順次成膜後，Ａｌ［０．９ｎｍ］を成膜、Ａｒイオンの存在下で酸化処理をした。その後イオントリートメント処理をして中間層１４：Ａｌ酸化物／ＦｅＣｏ−Ｃｕ金属層を形成した。その後
・フリー層１５：Ｆｅ５Ｃｏ５［２．５ｎｍ］
・保護層１６：Ｃｕ［１ｎｍ］／Ｔａ［２ｎｍ］／Ｒｕ［１５ｎｍ］を成膜した。
作製した磁気抵抗効果素子１０を磁界中において、２７０℃で１０時間ほど熱処理した。実施例１の素子のＲＡは０．５Ωμｍ２であった。またこの時のＭＲ値として２３０％が観測され、複合ピン層１３３とフリー層１５とのインターレイヤーカップリングは１８Oeだった。
上記実施例ではＣｕとＺｒを例に挙げて示したが、他のCr，V，Ta，Nb，Sc，Ti，Mn，Zn，Ga，Ge，Y，Tc，Re，B，In，C，Si，Sn，Ca，Sr，Ba，Au，Ag，Pd，Pt，Ir，Rh，Ru，Os，Hfにおいても同様の結果が得られた。すなわち、本発明の構成の磁気抵抗効果素子は複合ピン層とフリー層とのインターレイヤーカップリングが抑制され、比較的大きな磁気抵抗効果を示すことが確認された。
以上、本発明を上記具体例に基づいて詳細に説明したが、本発明は上記具体例に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能である。
例えば、磁気抵抗効果素子を再生用磁気ヘッドに適用する際に、素子の上下に磁気シールドを付与することにより、磁気ヘッドの検出分解能を規定することができる。
さらに、上記磁気抵抗効果素子は、長手磁気記録方式のみならず垂直磁気記録方式の磁気ヘッドあるいは磁気記録再生装置についても同様に適用して同様の効果を得ることができる。
また、本発明の磁気記録再生装置は、特定の記録媒体を定常的に備えたいわゆる固定式のものでも良く、一方、記録媒体が差し替え可能ないわゆる「リムーバブル」方式のものでも良い。
本発明の磁気抵抗効果素子の一例を示す構成図である。 図１における磁気抵抗効果素子の、中間層の近傍での断面における磁化状態を模式的に表す説明図である。 図１に示す磁気抵抗効果素子の、抵抗変化率ΔＲの外部磁場Ｈ依存性を示すグラフである。 本発明と異なる磁気抵抗効果素子の、中間層中の磁性金属部分に非強磁性金属を含有させていない場合の、断面における磁化状態を模式的に表す説明図である。 図３に示す磁気抵抗効果素子の、抵抗変化率ΔＲの外部磁場Ｈ依存性を示すグラフである。 本発明の磁気抵抗効果素子を含む磁気記録再生装置の一例を示す斜視図である。 本発明の磁気ヘッドアセンブリの一例を示す図である。 本発明の磁気抵抗効果素子を含む磁気メモリマトリクスの一例を示す図である。 本発明の磁気抵抗効果素子を含む磁気メモリマトリクスの他の例を示す図である。 本発明の実施形態に係る磁気メモリの要部を示す断面図である。 図１０のＡ−Ａ’線に沿う断面図である。
符号の説明
１０ 磁気抵抗効果素子
１１ 下地層
１２ 反強磁性層
１３ 複合ピン層
１３１ 第１のピン層
１３２ 磁化反平行結合層
１３３ 第２のピン層
１４ 中間層
１４１ （中間層の）絶縁部分
１４２ （中間層の）磁性金属部分
１５ フリー層
１６ 保護層
ＬＥ 下電極
ＵＥ 上電極
１５０ 磁気記録再生装置
１５２ スピンドル
１５３ ヘッドスライダ
１５４ サスペンション
１５５ アクチュエータアーム
１５６ ボイスコイルモータ
１５７ スピンドル
１６０ 磁気ヘッドアッセンブリ
１６４ リード線
２００ 磁気記録磁気ディスク
３１１ 記憶素子部分
３１２ アドレス選択用トランジスタ部分
３１２ 選択用トランジスタ部分
３２１ 磁気抵抗効果素子
３２２ ビット線
３２２ 配線
３２３ ワード線
３２３ 配線
３２４ 下部電極
３２６ ビア
３２８ 配線
３３０ スイッチングトランジスタ
３３２ ゲート
３３２ ワード線
３３４ ビット線
３３４ ワード線
３５０ 列デコーダ
３５１ 行デコーダ
３５２ センスアンプ
３６０ デコーダ

Claims (9)

  1. 実質的に磁化方向が固着された第１の磁性層と、
    外部磁界に応じて磁化方向が変化する第２の磁性層と、
    前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられ、絶縁部分と磁性金属部分とを有する中間層と、
    前記第1の磁性層、前記中間層及び前記第２の磁性層を含む積層膜の膜面垂直に電流を通電するための電極とを具え、
    前記中間層において、前記磁性金属部分が非強磁性金属を含むことを特徴とする、磁気抵抗効果素子。
  2. 前記非強磁性金属はCu，Cr，V，Ta，Nb，Sc，Ti，Mn，Zn，Ga，Ge，Zr，Y，Tc，Re，B，In，C，Si，Sn，Ca，Sr，Ba，Au，Ag，Pd，Pt，Ir，Rh，Ru，Os，Hfから選ばれる少なくとも一種であることを特徴とする、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
  3. 前記非強磁性金属は少なくともCuを含むことを特徴とする、請求項２に記載の磁気抵抗効果素子。
  4. 前記絶縁部分は、酸素、窒素及び炭素の少なくとも１つを含む化合物からなることを特徴とする、請求項1〜３のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
  5. 前記磁性金属部分は、Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉの少なくとも一つを含むことを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
  6. 前記第1の磁性膜及び前記第２の磁性膜は、Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉの少なくとも一つを含むことを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
  7. 請求項１〜６のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子を具えることを特徴とする、磁気ヘッド。
  8. 磁気記録媒体と、請求項７に記載の磁気ヘッドとを具えることを特徴とする、磁気記録再生装置。
  9. 請求項１〜８のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子を具えることを特徴とする、磁気メモリ。
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