JP2001217483A - トンネル型磁気抵抗効果型素子及びその製造方法 - Google Patents
トンネル型磁気抵抗効果型素子及びその製造方法Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 従来のトンネル型磁気抵抗効果型素子では、
絶縁障壁を金属層から酸化して形成し、この際、前記絶
縁障壁を薄く形成する必要性から、酸素の導入圧力や、
時間等の制御が難しく、完全に金属層だけ酸化させるこ
とは難しかった。 【解決手段】 絶縁障壁層10上に2つの強磁性層1
1,12を平面的に設置する。これにより先に絶縁障壁
層10を形成することができるので、金属層を酸化して
絶縁障壁層10を形成する際に、強磁性層11,12の
酸化への影響を考慮する必要がなく、また前記絶縁障壁
層10を厚く形成でき、ピンホール等の欠陥を抑制する
ことができるから、特性の良いトンネル型磁気抵抗効果
型素子を製造することが可能になる。
絶縁障壁を金属層から酸化して形成し、この際、前記絶
縁障壁を薄く形成する必要性から、酸素の導入圧力や、
時間等の制御が難しく、完全に金属層だけ酸化させるこ
とは難しかった。 【解決手段】 絶縁障壁層10上に2つの強磁性層1
1,12を平面的に設置する。これにより先に絶縁障壁
層10を形成することができるので、金属層を酸化して
絶縁障壁層10を形成する際に、強磁性層11,12の
酸化への影響を考慮する必要がなく、また前記絶縁障壁
層10を厚く形成でき、ピンホール等の欠陥を抑制する
ことができるから、特性の良いトンネル型磁気抵抗効果
型素子を製造することが可能になる。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、例えばハードディ
スク装置などの磁気再生装置やその他の磁気検出装置に
搭載されるトンネル型磁気抵抗効果型素子に係り、特
に、安定した抵抗変化率を得ることが可能であるトンネ
ル型磁気抵抗効果型素子及びその製造方法に関する。
スク装置などの磁気再生装置やその他の磁気検出装置に
搭載されるトンネル型磁気抵抗効果型素子に係り、特
に、安定した抵抗変化率を得ることが可能であるトンネ
ル型磁気抵抗効果型素子及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】ハードディスク装置などに搭載される再
生専用のヘッドとして、巨大磁気抵抗効果を示すGMR
素子があり、GMR(giant magnetoresistive)素子
は高い感度を有することで知られている。
生専用のヘッドとして、巨大磁気抵抗効果を示すGMR
素子があり、GMR(giant magnetoresistive)素子
は高い感度を有することで知られている。
【0003】前記GMR素子の中でも、構造が比較的単
純で、弱い外部磁界で抵抗が変化するものにスピンバル
ブ膜があり、前記スピンバルブ膜は最も単純には4層構
造で構成される。
純で、弱い外部磁界で抵抗が変化するものにスピンバル
ブ膜があり、前記スピンバルブ膜は最も単純には4層構
造で構成される。
【0004】図15は、スピンバルブ膜の構造を示す部
分模式図である。図15は、記録媒体との対向面側から
見た正面図である。
分模式図である。図15は、記録媒体との対向面側から
見た正面図である。
【0005】図15に示す符号1および3はNiFe合
金などで形成される強磁性層であり、前記強磁性層間
に、Cuなどで形成された非磁性導電層2が介在する。
金などで形成される強磁性層であり、前記強磁性層間
に、Cuなどで形成された非磁性導電層2が介在する。
【0006】このスピンバルブ膜の場合では、強磁性層
1がフリー磁性層と呼ばれる層であり、強磁性層3が固
定磁性層である。以下、強磁性層1をフリー磁性層と、
強磁性層3を固定磁性層と称す。
1がフリー磁性層と呼ばれる層であり、強磁性層3が固
定磁性層である。以下、強磁性層1をフリー磁性層と、
強磁性層3を固定磁性層と称す。
【0007】図15に示すように前記固定磁性層3上に
はNiMn合金などで形成される反強磁性層4が接して
形成され、磁場中アニールが施されることにより前記固
定磁性層3と反強磁性層4間に交換異方性磁界が生じ、
前記固定磁性層3は、ハイト方向(図示Y方向)に磁化
が固定される。
はNiMn合金などで形成される反強磁性層4が接して
形成され、磁場中アニールが施されることにより前記固
定磁性層3と反強磁性層4間に交換異方性磁界が生じ、
前記固定磁性層3は、ハイト方向(図示Y方向)に磁化
が固定される。
【0008】一方、前記フリー磁性層1は、バイアス層
(図示しない)などの影響を受けることで、磁化がトラ
ック幅方向(図示X方向)に揃えられ、前記固定磁性層
3とフリー磁性層1との磁化が交叉する関係にされる。
(図示しない)などの影響を受けることで、磁化がトラ
ック幅方向(図示X方向)に揃えられ、前記固定磁性層
3とフリー磁性層1との磁化が交叉する関係にされる。
【0009】図15に示すようにフリー磁性層1から反
強磁性層4までの積層膜のトラック幅方向(図示X方
向)両側には、電極層5,5が設けられている。なお、
前記導電層5,5は、Cu(銅)やW(タングステ
ン)、Cr(クロム)などで形成されている。
強磁性層4までの積層膜のトラック幅方向(図示X方
向)両側には、電極層5,5が設けられている。なお、
前記導電層5,5は、Cu(銅)やW(タングステ
ン)、Cr(クロム)などで形成されている。
【0010】図15に示すスピンバルブ膜では、ハード
ディスクなどの記録媒体からの漏れ磁界により、前記フ
リー磁性層1の磁化方向が変動すると、固定磁性層3の
固定磁化方向との関係で電気抵抗が変化し、この電気抵
抗値の変化に基づく電圧変化により、記録媒体からの洩
れ磁界が検出される。スピンバルブ膜の抵抗変化率(M
R比)は、数%から十数%程度である。
ディスクなどの記録媒体からの漏れ磁界により、前記フ
リー磁性層1の磁化方向が変動すると、固定磁性層3の
固定磁化方向との関係で電気抵抗が変化し、この電気抵
抗値の変化に基づく電圧変化により、記録媒体からの洩
れ磁界が検出される。スピンバルブ膜の抵抗変化率(M
R比)は、数%から十数%程度である。
【0011】ところで、近年の高記録密度化で、ハード
ディスク装置の面記録密度は上昇し続け、現在主流とな
っているGMR素子では、今後の高い記録密度(具体的
には40Gビット/(インチ)2以上)に対応可能か否
かが問題となってくる。
ディスク装置の面記録密度は上昇し続け、現在主流とな
っているGMR素子では、今後の高い記録密度(具体的
には40Gビット/(インチ)2以上)に対応可能か否
かが問題となってくる。
【0012】そこでGMR素子に変わる再生用ヘッドと
して、トンネル型磁気抵抗効果型素子(Tunneling mag
netoresistive)が脚光を浴びるようになってきた。ト
ンネル型磁気抵抗効果型素子の抵抗変化率(TMR比)
は、数10%に達するので、GMR素子に比べて非常に
大きな再生出力が得られることになる。
して、トンネル型磁気抵抗効果型素子(Tunneling mag
netoresistive)が脚光を浴びるようになってきた。ト
ンネル型磁気抵抗効果型素子の抵抗変化率(TMR比)
は、数10%に達するので、GMR素子に比べて非常に
大きな再生出力が得られることになる。
【0013】図16は、従来のトンネル型磁気抵抗効果
型素子の構造を示す部分模式図である。図16は記録媒
体との対向面側から見た正面図である。
型素子の構造を示す部分模式図である。図16は記録媒
体との対向面側から見た正面図である。
【0014】図16に示す符号1および3は、図15に
示すスピンバルブ膜と同様に、フリー磁性層と固定磁性
層であり、前記固定磁性層3上には反強磁性層4が接し
て形成されている。
示すスピンバルブ膜と同様に、フリー磁性層と固定磁性
層であり、前記固定磁性層3上には反強磁性層4が接し
て形成されている。
【0015】スピンバルブ膜と構造上大きく異なる点
は、フリー磁性層1と固定磁性層3との間に、例えばA
l2O3(アルミナ)などで形成された絶縁障壁層6が形
成されていることと、電極層5,5が、フリー磁性層1
から反強磁性層4で成る多層膜の膜面に対し、垂直方向
(図示Z方向)の両側に設けられていることである。
は、フリー磁性層1と固定磁性層3との間に、例えばA
l2O3(アルミナ)などで形成された絶縁障壁層6が形
成されていることと、電極層5,5が、フリー磁性層1
から反強磁性層4で成る多層膜の膜面に対し、垂直方向
(図示Z方向)の両側に設けられていることである。
【0016】トンネル型磁気抵抗効果型素子では、2つ
の強磁性層(フリー磁性層1と固定磁性層3)に電圧を
印加すると、トンネル効果により絶縁障壁層6を介して
電流(トンネル電流)が流れる。
の強磁性層(フリー磁性層1と固定磁性層3)に電圧を
印加すると、トンネル効果により絶縁障壁層6を介して
電流(トンネル電流)が流れる。
【0017】トンネル型磁気抵抗効果型素子もスピンバ
ルブ膜の場合と同様に、固定磁性層3の磁化は図示Y方
向に固定され、フリー磁性層1の磁化は図示X方向に揃
えられ、外部磁界の影響を受けて磁化方向は変動するよ
うになっている。
ルブ膜の場合と同様に、固定磁性層3の磁化は図示Y方
向に固定され、フリー磁性層1の磁化は図示X方向に揃
えられ、外部磁界の影響を受けて磁化方向は変動するよ
うになっている。
【0018】固定磁性層3とフリー磁性層1との磁化が
反平行の場合に、トンネル電流は最も流れにくくなり、
抵抗値は最大になり、固定磁性層3とフリー磁性層1と
の磁化が平行の場合に、トンネル電流は最も流れ易くな
り、抵抗値は最小になる。
反平行の場合に、トンネル電流は最も流れにくくなり、
抵抗値は最大になり、固定磁性層3とフリー磁性層1と
の磁化が平行の場合に、トンネル電流は最も流れ易くな
り、抵抗値は最小になる。
【0019】そして、外部磁界の影響を受けてフリー磁
性層1の磁化が変動することにより、変化する電気抵抗
を電圧変化としてとらえ、記録媒体からの洩れ磁界が検
出されるようになっている。
性層1の磁化が変動することにより、変化する電気抵抗
を電圧変化としてとらえ、記録媒体からの洩れ磁界が検
出されるようになっている。
【0020】トンネル型磁気抵抗効果型素子における抵
抗変化率(TMR比;ΔRTMR)は、2PpPF/(1−
PPPF)で表される。ここでPpは、固定磁性層のスピ
ン分極率(上向きスピンと下向きスピンの電子数の差
を、全電子数で規格化したもの。以下、単に分極率と称
す)であり、PFはフリー磁性層の分極率であり、この
式からわかるように、抵抗変化率は、強磁性層の分極率
によって決定される。分極率を大きくすれば、理論上抵
抗変化率は大きくなる。
抗変化率(TMR比;ΔRTMR)は、2PpPF/(1−
PPPF)で表される。ここでPpは、固定磁性層のスピ
ン分極率(上向きスピンと下向きスピンの電子数の差
を、全電子数で規格化したもの。以下、単に分極率と称
す)であり、PFはフリー磁性層の分極率であり、この
式からわかるように、抵抗変化率は、強磁性層の分極率
によって決定される。分極率を大きくすれば、理論上抵
抗変化率は大きくなる。
【0021】
【発明が解決しようとする課題】2つの強磁性層1,3
の間に絶縁障壁層6を設けて成るトンネル型磁気抵抗効
果型素子の存在自体は、かなり以前から知られていた
が、前記トンネル型磁気抵抗効果型素子が実用化に至ら
なかった理由の一つとして、絶縁障壁層6を電子がトン
ネルできる程度に薄く形成する必要性があり、そのよう
に薄く均一な絶縁障壁層6を形成することが、非常に困
難であったことが挙げられる。例えば前記絶縁障壁層6
の厚さは、数10Åである。
の間に絶縁障壁層6を設けて成るトンネル型磁気抵抗効
果型素子の存在自体は、かなり以前から知られていた
が、前記トンネル型磁気抵抗効果型素子が実用化に至ら
なかった理由の一つとして、絶縁障壁層6を電子がトン
ネルできる程度に薄く形成する必要性があり、そのよう
に薄く均一な絶縁障壁層6を形成することが、非常に困
難であったことが挙げられる。例えば前記絶縁障壁層6
の厚さは、数10Åである。
【0022】そこで絶縁障壁層6を薄く形成するため
に、従来では次のような方法で前記絶縁障壁層6を形成
していた。
に、従来では次のような方法で前記絶縁障壁層6を形成
していた。
【0023】すなわち、まず下から順に電極層5および
フリー磁性層1を形成した後、前記フリー磁性層1の上
に金属Alをスパッタ法等で成膜する。次に純酸素自然
酸化法や酸素プラズマ法を用いて、前記金属Alを酸化
させてAl2O3とし、絶縁障壁層6を形成していた。
フリー磁性層1を形成した後、前記フリー磁性層1の上
に金属Alをスパッタ法等で成膜する。次に純酸素自然
酸化法や酸素プラズマ法を用いて、前記金属Alを酸化
させてAl2O3とし、絶縁障壁層6を形成していた。
【0024】この方法であると、Al2O3のターゲット
を用いて前記Al2O3を直接スパッタ成膜する場合に比
べ、ピンホールなどの欠陥の少ない薄い絶縁障壁層6を
形成できて有利である。
を用いて前記Al2O3を直接スパッタ成膜する場合に比
べ、ピンホールなどの欠陥の少ない薄い絶縁障壁層6を
形成できて有利である。
【0025】しかしながら、上記のように金属層を酸化
させて絶縁障壁層6を形成する方法では、酸素導入の際
の圧力および導入時間の制御が非常に難しく、酸化の際
に、金属層のみならず、前記金属層の下に形成されてい
るフリー磁性層1まで酸化されてしまったり、あるいは
前記金属層を完全に酸化できずに、絶縁障壁層6に一
部、金属層が残るといった不具合が発生していた。
させて絶縁障壁層6を形成する方法では、酸素導入の際
の圧力および導入時間の制御が非常に難しく、酸化の際
に、金属層のみならず、前記金属層の下に形成されてい
るフリー磁性層1まで酸化されてしまったり、あるいは
前記金属層を完全に酸化できずに、絶縁障壁層6に一
部、金属層が残るといった不具合が発生していた。
【0026】このように金属層のみを完全に酸化するこ
とは、技術上難しく、フリー磁性層1への一部酸化や、
金属層の残存により、抵抗変化率は低下し、従来のよう
に、フリー磁性層1、絶縁障壁層6および固定磁性層3
を積層して成る積層型トンネル型磁気抵抗効果型素子で
は、充分な再現性を得ることは困難であった。
とは、技術上難しく、フリー磁性層1への一部酸化や、
金属層の残存により、抵抗変化率は低下し、従来のよう
に、フリー磁性層1、絶縁障壁層6および固定磁性層3
を積層して成る積層型トンネル型磁気抵抗効果型素子で
は、充分な再現性を得ることは困難であった。
【0027】本発明は上記従来の問題点を解決するため
のものであり、製造方法が容易で且つ再現性の高いトン
ネル型磁気抵抗効果型素子及びその製造方法を提供する
ことを目的としている。
のものであり、製造方法が容易で且つ再現性の高いトン
ネル型磁気抵抗効果型素子及びその製造方法を提供する
ことを目的としている。
【0028】
【課題を解決するための手段】本発明におけるトンネル
型磁気抵抗効果型素子は、絶縁障壁層と、この絶縁障壁
層に直接的にあるいは間接的に設置され、前記絶縁障壁
層の膜面方向に並べられた少なくとも2つ以上の強磁性
層と、一対の電極層とを有し、前記強磁性層間には所定
の間隔が開けられ、前記間隔は、一方の前記電極層から
強磁性層に流れた電流が、前記絶縁障壁層を通って他の
強磁性層へ至るトンネル効果を発揮し得る大きさである
ことを特徴とするものである。
型磁気抵抗効果型素子は、絶縁障壁層と、この絶縁障壁
層に直接的にあるいは間接的に設置され、前記絶縁障壁
層の膜面方向に並べられた少なくとも2つ以上の強磁性
層と、一対の電極層とを有し、前記強磁性層間には所定
の間隔が開けられ、前記間隔は、一方の前記電極層から
強磁性層に流れた電流が、前記絶縁障壁層を通って他の
強磁性層へ至るトンネル効果を発揮し得る大きさである
ことを特徴とするものである。
【0029】トンネル型磁気抵抗効果型素子は、強磁性
層からの入射電子が、古典的には絶縁障壁を乗り越える
のに不十分なエネルギーしか持っていない場合でも、絶
縁障壁の向かい側の強磁性層に移り得る効果、すなわち
量子論的なトンネル効果を利用したものである。
層からの入射電子が、古典的には絶縁障壁を乗り越える
のに不十分なエネルギーしか持っていない場合でも、絶
縁障壁の向かい側の強磁性層に移り得る効果、すなわち
量子論的なトンネル効果を利用したものである。
【0030】古典論では、絶縁障壁のポテンシャルがV
で、入射電子のエネルギーがEで、V>Eである場合、
前記入射電子は、Vのポテンシャルの障壁を通過するこ
とができないとされるが、前記絶縁障壁の厚さが薄いな
ど、ある諸条件を備える場合に、入射電子がVのポテン
シャルの障壁を通り抜けることが実験的に確認されてい
る。
で、入射電子のエネルギーがEで、V>Eである場合、
前記入射電子は、Vのポテンシャルの障壁を通過するこ
とができないとされるが、前記絶縁障壁の厚さが薄いな
ど、ある諸条件を備える場合に、入射電子がVのポテン
シャルの障壁を通り抜けることが実験的に確認されてい
る。
【0031】図13に示すトンネル型磁気抵抗効果型素
子は、強磁性体Lと強磁性体Rとの間に、絶縁障壁が介
在し、強磁性層Lと強磁性層Rに電極が接続されてい
る。
子は、強磁性体Lと強磁性体Rとの間に、絶縁障壁が介
在し、強磁性層Lと強磁性層Rに電極が接続されてい
る。
【0032】入射電子のエネルギーが、障壁のポテンシ
ャルより低くても、前記入射電子が障壁を通り抜ける場
合、それは図13に示すように、入射電子の波動関数と
透過電子の波動関数が、絶縁障壁の膜厚の範囲内で重な
り合った場合である。このような場合に、入射電子は障
壁を通り抜けトンネル電流が流れることとなる。
ャルより低くても、前記入射電子が障壁を通り抜ける場
合、それは図13に示すように、入射電子の波動関数と
透過電子の波動関数が、絶縁障壁の膜厚の範囲内で重な
り合った場合である。このような場合に、入射電子は障
壁を通り抜けトンネル電流が流れることとなる。
【0033】上記理論からすれば、前記入射電子の波動
関数と透過電子の波動関数が重なり合わない場合には、
障壁内にトンネル電流は流れず、トンネル効果を発揮し
得ないことになるが、波動関数の重なりが起こるか否か
は、絶縁障壁の膜厚に関係し、前記膜厚が厚くなればな
るほど、前記波動関数の重なりは起こらなくなってしま
う。
関数と透過電子の波動関数が重なり合わない場合には、
障壁内にトンネル電流は流れず、トンネル効果を発揮し
得ないことになるが、波動関数の重なりが起こるか否か
は、絶縁障壁の膜厚に関係し、前記膜厚が厚くなればな
るほど、前記波動関数の重なりは起こらなくなってしま
う。
【0034】上記したように従来では、強磁性層/絶縁
障壁層/強磁性層の3層膜が積層された積層型のトンネ
ル型磁気抵抗効果型素子で構成され、適切なトンネル効
果を発揮し得るために、絶縁障壁の膜厚を薄く形成する
必要があったが、実際問題として、非常に薄い膜厚の絶
縁障壁を形成するのは、技術上難があった。
障壁層/強磁性層の3層膜が積層された積層型のトンネ
ル型磁気抵抗効果型素子で構成され、適切なトンネル効
果を発揮し得るために、絶縁障壁の膜厚を薄く形成する
必要があったが、実際問題として、非常に薄い膜厚の絶
縁障壁を形成するのは、技術上難があった。
【0035】そこで本発明では、絶縁障壁層に、少なく
とも2つの強磁性層を、直接的にあるいは間接的に設置
し、しかも前記絶縁障壁層の膜面方向に並べて設けたの
である。
とも2つの強磁性層を、直接的にあるいは間接的に設置
し、しかも前記絶縁障壁層の膜面方向に並べて設けたの
である。
【0036】そして、前記強磁性層間に所定の間隔を開
け、前記間隔は、前記電極層から強磁性層に流れる電流
が、前記強磁性層間に位置する絶縁障壁層内を透過す
る、いわゆるトンネル効果を発揮し得る大きさである構
成とした。
け、前記間隔は、前記電極層から強磁性層に流れる電流
が、前記強磁性層間に位置する絶縁障壁層内を透過す
る、いわゆるトンネル効果を発揮し得る大きさである構
成とした。
【0037】上記構成では、まず絶縁障壁層を薄く形成
する必要がないという利点がある。すなわち絶縁障壁層
に、少なくとも2つの強磁性層を、直接的にあるいは間
接的に設置し、しかも前記絶縁障壁層の膜面方向に並べ
て設け、前記強磁性層間には所定の間隔を開け、この間
隔の大きさによって前記絶縁障壁層内にトンネル電流が
流れるか否かが決定される。前記間隔が大きすぎれば、
前記絶縁障壁層にトンネル電流が流れず、抵抗変化(す
なわちTMR効果)は生じない。
する必要がないという利点がある。すなわち絶縁障壁層
に、少なくとも2つの強磁性層を、直接的にあるいは間
接的に設置し、しかも前記絶縁障壁層の膜面方向に並べ
て設け、前記強磁性層間には所定の間隔を開け、この間
隔の大きさによって前記絶縁障壁層内にトンネル電流が
流れるか否かが決定される。前記間隔が大きすぎれば、
前記絶縁障壁層にトンネル電流が流れず、抵抗変化(す
なわちTMR効果)は生じない。
【0038】そこで前記強磁性層間の間隔は、トンネル
効果を発揮し得る程度に狭く形成されている必要があ
り、例えば前記間隔は、従来、強磁性層/絶縁障壁層/
強磁性層の3層が積層された積層型トンネル型磁気抵抗
効果型素子の場合の前記絶縁障壁層の膜厚程度で形成さ
れることが好ましいと考えられる。
効果を発揮し得る程度に狭く形成されている必要があ
り、例えば前記間隔は、従来、強磁性層/絶縁障壁層/
強磁性層の3層が積層された積層型トンネル型磁気抵抗
効果型素子の場合の前記絶縁障壁層の膜厚程度で形成さ
れることが好ましいと考えられる。
【0039】このように本発明では、絶縁障壁層の膜厚
は、トンネル効果の発生に直接的な影響を与えるもので
はなく、前記トンネル効果は、前記絶縁障壁層上の強磁
性層間の間隔によって決定されるものであり、また先に
絶縁障壁層を形成した後、強磁性層を形成する製造工程
を取ることができるから、前記絶縁障壁層を、金属層か
ら酸化して形成する場合に、強磁性層の酸化への影響を
考慮する必要がなく、また前記絶縁障壁層を完全に酸化
して、絶縁障壁層として必要な電気抵抗等を確保するこ
とが可能である。
は、トンネル効果の発生に直接的な影響を与えるもので
はなく、前記トンネル効果は、前記絶縁障壁層上の強磁
性層間の間隔によって決定されるものであり、また先に
絶縁障壁層を形成した後、強磁性層を形成する製造工程
を取ることができるから、前記絶縁障壁層を、金属層か
ら酸化して形成する場合に、強磁性層の酸化への影響を
考慮する必要がなく、また前記絶縁障壁層を完全に酸化
して、絶縁障壁層として必要な電気抵抗等を確保するこ
とが可能である。
【0040】以上のように本発明では、強磁性層に酸化
の影響を与えることなく、金属層を完全に酸化した絶縁
障壁層を形成することができ、しかも上記したように前
記絶縁障壁層の膜厚を厚く形成できるから、ピンホール
等の欠陥の少ない絶縁障壁層を形成することが可能にな
り、従来の積層型トンネル型磁気抵抗効果型素子に比べ
て、再現性、安定性ともに高い素子を作製することがで
きる。
の影響を与えることなく、金属層を完全に酸化した絶縁
障壁層を形成することができ、しかも上記したように前
記絶縁障壁層の膜厚を厚く形成できるから、ピンホール
等の欠陥の少ない絶縁障壁層を形成することが可能にな
り、従来の積層型トンネル型磁気抵抗効果型素子に比べ
て、再現性、安定性ともに高い素子を作製することがで
きる。
【0041】また本発明では、少なくとも2つの強磁性
層のうち、少なくとも一つは磁化方向が所定方向に固定
された固定磁性層であり、少なくとも一つは前記固定磁
性層の磁化方向と交叉する方向に磁化が揃えられたフリ
ー磁性層であることが好ましい。
層のうち、少なくとも一つは磁化方向が所定方向に固定
された固定磁性層であり、少なくとも一つは前記固定磁
性層の磁化方向と交叉する方向に磁化が揃えられたフリ
ー磁性層であることが好ましい。
【0042】上記の場合、前記固定磁性層には反強磁性
層が接して形成され、前記反強磁性層と固定磁性層間に
発生する交換異方性磁界により前記固定磁性層の磁化が
所定方向に固定されることが好ましい。
層が接して形成され、前記反強磁性層と固定磁性層間に
発生する交換異方性磁界により前記固定磁性層の磁化が
所定方向に固定されることが好ましい。
【0043】また上記の場合、少なくとも前記フリー磁
性層は、記録媒体との対向面に露出形成されている構成
としてもよい。
性層は、記録媒体との対向面に露出形成されている構成
としてもよい。
【0044】また、前記フリー磁性層の少なくとも一方
の端部には、反強磁性層が接して形成され、前記フリー
磁性層と反強磁性層間に発生する交換異方性磁界により
前記フリー磁性層の磁化は、固定磁性層の磁化と交叉す
る方向に揃えられてもよいし、あるいは、前記フリー磁
性層のトラック幅方向の両側、あるいは片側にバイアス
層が設けられ、前記バイアス層からのバイアス磁界によ
り、前記フリー磁性層の磁化は、固定磁性層の磁化方向
と交叉する方向に揃えられてもよい。
の端部には、反強磁性層が接して形成され、前記フリー
磁性層と反強磁性層間に発生する交換異方性磁界により
前記フリー磁性層の磁化は、固定磁性層の磁化と交叉す
る方向に揃えられてもよいし、あるいは、前記フリー磁
性層のトラック幅方向の両側、あるいは片側にバイアス
層が設けられ、前記バイアス層からのバイアス磁界によ
り、前記フリー磁性層の磁化は、固定磁性層の磁化方向
と交叉する方向に揃えられてもよい。
【0045】また本発明では、強磁性層は3つ設けら
れ、1つはフリー磁性層で、2つは固定磁性層であり、
前記フリー磁性層と固定磁性層は、電極層からの電流
が、前記絶縁障壁層を経て、一方の固定磁性層−フリー
磁性層−他方の固定磁性層の順に流れるように所定の間
隔を開けて設置されることが好ましい。また、一対の電
極層はそれぞれ、各固定磁性層に直接的にあるいは間接
的に接して設けられることが好ましい。
れ、1つはフリー磁性層で、2つは固定磁性層であり、
前記フリー磁性層と固定磁性層は、電極層からの電流
が、前記絶縁障壁層を経て、一方の固定磁性層−フリー
磁性層−他方の固定磁性層の順に流れるように所定の間
隔を開けて設置されることが好ましい。また、一対の電
極層はそれぞれ、各固定磁性層に直接的にあるいは間接
的に接して設けられることが好ましい。
【0046】強磁性層を3つ設ける理由は、共鳴トンネ
ル効果により抵抗値を低減することにある。強磁性層を
3つ設けた場合における共鳴トンネル効果の基本原理に
ついて図14を用いて説明する。なお図14は、電極層
間にバイアス電圧がかかっていない場合を模式的に示し
たものである。
ル効果により抵抗値を低減することにある。強磁性層を
3つ設けた場合における共鳴トンネル効果の基本原理に
ついて図14を用いて説明する。なお図14は、電極層
間にバイアス電圧がかかっていない場合を模式的に示し
たものである。
【0047】図14に示すように、強磁性体Lと強磁性
体Mとの間、及び強磁性体Mと強磁性体Rとの間には、
絶縁障壁が存在し、前記強磁性体Lと強磁性体Rには電
極が接続されている。
体Mとの間、及び強磁性体Mと強磁性体Rとの間には、
絶縁障壁が存在し、前記強磁性体Lと強磁性体Rには電
極が接続されている。
【0048】図14に示すように、強磁性体Lには、異
なるエネルギーを持った電子1と電子2が存在するとす
る。
なるエネルギーを持った電子1と電子2が存在するとす
る。
【0049】電子1は、絶縁障壁を通り抜けにくく、透
過率は非常に低い。一方、電子2は、電子1よりエネル
ギーが低いにも関わらず、絶縁障壁を完全に通り抜け、
透過率は1である。
過率は非常に低い。一方、電子2は、電子1よりエネル
ギーが低いにも関わらず、絶縁障壁を完全に通り抜け、
透過率は1である。
【0050】このように、よりエネルギーの低い電子2
の方が、絶縁障壁を通り抜け易い理由は、強磁性体Mに
おいて、電子の取り得るエネルギー(それは図14で
は、束縛準位として表されている)が離散的であること
に起因している。
の方が、絶縁障壁を通り抜け易い理由は、強磁性体Mに
おいて、電子の取り得るエネルギー(それは図14で
は、束縛準位として表されている)が離散的であること
に起因している。
【0051】この束縛準位と入射電子2のエネルギーと
が共鳴(一致)した場合には、入射電子2の透過率は1
となり、従って抵抗値を低下させることが可能になるの
である。
が共鳴(一致)した場合には、入射電子2の透過率は1
となり、従って抵抗値を低下させることが可能になるの
である。
【0052】上記した共鳴トンネル効果を利用し、強磁
性層を3つ設けた場合に、従来のように、強磁性体L/
絶縁障壁/強磁性体M/絶縁障壁/強磁性体Rを、下か
ら順に積層した構造では、薄い膜厚の絶縁障壁を2層分
形成しなくてはならないから、図16に示す絶縁障壁層
6を1層だけ形成するトンネル型磁気抵抗効果型素子の
場合に比べて、製造がより困難となり、歩留まりの低下
が顕著に現われる。
性層を3つ設けた場合に、従来のように、強磁性体L/
絶縁障壁/強磁性体M/絶縁障壁/強磁性体Rを、下か
ら順に積層した構造では、薄い膜厚の絶縁障壁を2層分
形成しなくてはならないから、図16に示す絶縁障壁層
6を1層だけ形成するトンネル型磁気抵抗効果型素子の
場合に比べて、製造がより困難となり、歩留まりの低下
が顕著に現われる。
【0053】これに対し本発明では、絶縁障壁層を予め
金属層の酸化等により形成し、前記絶縁障壁層上に、3
つの強磁性層を平面的に設置するだけで、共鳴トンネル
効果を利用したトンネル型磁気抵抗効果型素子を形成で
きるから、従来に比べて製造は容易化し、歩留まり良く
トンネル型磁気抵抗効果型素子の製造を行うことが可能
である。
金属層の酸化等により形成し、前記絶縁障壁層上に、3
つの強磁性層を平面的に設置するだけで、共鳴トンネル
効果を利用したトンネル型磁気抵抗効果型素子を形成で
きるから、従来に比べて製造は容易化し、歩留まり良く
トンネル型磁気抵抗効果型素子の製造を行うことが可能
である。
【0054】また本発明では、強磁性層は3つ設けら
れ、2つはフリー磁性層で、1つは固定磁性層であり、
前記フリー磁性層と固定磁性層は、電極層からの電流
が、前記絶縁障壁層を経て、一方のフリー磁性層−固定
磁性層−他方のフリー磁性層の順に流れるように所定の
間隔を開けて設置されることが好ましい。また、一対の
電極層はそれぞれ、各フリー磁性層に直接的にあるいは
間接的に接して設けられることが好ましい。
れ、2つはフリー磁性層で、1つは固定磁性層であり、
前記フリー磁性層と固定磁性層は、電極層からの電流
が、前記絶縁障壁層を経て、一方のフリー磁性層−固定
磁性層−他方のフリー磁性層の順に流れるように所定の
間隔を開けて設置されることが好ましい。また、一対の
電極層はそれぞれ、各フリー磁性層に直接的にあるいは
間接的に接して設けられることが好ましい。
【0055】また本発明では、前記反強磁性層は、X−
Mn合金(ただしXは、Pt,Pd,Ir,Rh,R
u,Osのうちいずれか1種または2種以上の元素であ
る)で形成されている。これら反強磁性層は、交換異方
性磁界が大きく、またブロッキング温度が高いなどの利
点がある。
Mn合金(ただしXは、Pt,Pd,Ir,Rh,R
u,Osのうちいずれか1種または2種以上の元素であ
る)で形成されている。これら反強磁性層は、交換異方
性磁界が大きく、またブロッキング温度が高いなどの利
点がある。
【0056】また本発明では、前記強磁性層は、強磁性
の金属あるいは半金属で形成されることが好ましい。
の金属あるいは半金属で形成されることが好ましい。
【0057】前述したように、理論的にTMR比は、強
磁性層の分極率によって決定される。このためできる限
り分極率の高い強磁性層を使用することがTMR比向上
の点からは好ましい。
磁性層の分極率によって決定される。このためできる限
り分極率の高い強磁性層を使用することがTMR比向上
の点からは好ましい。
【0058】また本発明では、強磁性層を、強磁性金属
あるいは半金属で形成するものであるが、半金属のある
種は、分極率が1か、あるいは1に近く、よって強磁性
層に、それら半金属を使用すれば、理論上、TMR比を
最も大きくすることが可能である。
あるいは半金属で形成するものであるが、半金属のある
種は、分極率が1か、あるいは1に近く、よって強磁性
層に、それら半金属を使用すれば、理論上、TMR比を
最も大きくすることが可能である。
【0059】本発明では、前記強磁性層は、NiFe合
金、CoFe合金、Co合金、CoNiFe合金のいず
れか1種、または2種以上で形成されることが好まし
い。
金、CoFe合金、Co合金、CoNiFe合金のいず
れか1種、または2種以上で形成されることが好まし
い。
【0060】あるいは本発明では、前記強磁性層は、ペ
ロフスカイト型酸化物R1-xAxMnO3(Rは、La3+,
Pr3+,Nd3+などの3価希土類イオンから選ばれる1
種または2種以上の元素、Aは、Ca2+,Sr2+,Ba
2+などの2価のアルカリ土類イオンから選ばれる1種ま
たは2種以上の元素)で形成された強磁性金属あるいは
半金属であることが好ましい。
ロフスカイト型酸化物R1-xAxMnO3(Rは、La3+,
Pr3+,Nd3+などの3価希土類イオンから選ばれる1
種または2種以上の元素、Aは、Ca2+,Sr2+,Ba
2+などの2価のアルカリ土類イオンから選ばれる1種ま
たは2種以上の元素)で形成された強磁性金属あるいは
半金属であることが好ましい。
【0061】上記の場合、前記Rは、La3+で、AはS
r2+であり、組成比xは、0.17以上であることが好
ましい。
r2+であり、組成比xは、0.17以上であることが好
ましい。
【0062】また前記強磁性層は、組成A2MnXある
いはAMnX(ただしAは、Cu,Au,Pd,Ni,
Coのうち1種または2種以上、Xは、Al,In,S
n,Ga,Ge,Sb,Siのうち1種または2種以
上)からなるホイスラー合金で形成されることが好まし
い。
いはAMnX(ただしAは、Cu,Au,Pd,Ni,
Coのうち1種または2種以上、Xは、Al,In,S
n,Ga,Ge,Sb,Siのうち1種または2種以
上)からなるホイスラー合金で形成されることが好まし
い。
【0063】また本発明では、前記絶縁障壁層は、金属
及び/または半導体の酸化物の絶縁材料で形成されてい
ることが好ましい。
及び/または半導体の酸化物の絶縁材料で形成されてい
ることが好ましい。
【0064】具体的には、前記絶縁材料は、Al,M
g,Nb,Ni,Gd,Ge,Si,Hfから選択され
た少なくとも一種以上の元素の酸化物であることが好ま
しい。
g,Nb,Ni,Gd,Ge,Si,Hfから選択され
た少なくとも一種以上の元素の酸化物であることが好ま
しい。
【0065】絶縁障壁層を金属及び/または半導体の酸
化物で形成する場合には、予め金属及び/または半導体
をスパッタ等で成膜しておき、その後、純酸素自然酸化
法や酸素プラズマ法等を用いて、前記金属及び/または
半導体の層を酸化し、金属及び/または半導体の酸化物
である絶縁障壁層を形成する。
化物で形成する場合には、予め金属及び/または半導体
をスパッタ等で成膜しておき、その後、純酸素自然酸化
法や酸素プラズマ法等を用いて、前記金属及び/または
半導体の層を酸化し、金属及び/または半導体の酸化物
である絶縁障壁層を形成する。
【0066】また本発明では、前記絶縁障壁層は、ペロ
フスカイト型酸化物R1-xAxMnO 3(Rは、La3+,P
r3+,Nd3+などの3価希土類イオンから選ばれる1種
または2種以上の元素、Aは、Ca2+,Sr2+,Ba2+
などの2価のアルカリ土類イオンから選ばれる1種また
は2種以上の元素)で形成された常磁性絶縁体であるこ
とが好ましい。
フスカイト型酸化物R1-xAxMnO 3(Rは、La3+,P
r3+,Nd3+などの3価希土類イオンから選ばれる1種
または2種以上の元素、Aは、Ca2+,Sr2+,Ba2+
などの2価のアルカリ土類イオンから選ばれる1種また
は2種以上の元素)で形成された常磁性絶縁体であるこ
とが好ましい。
【0067】上記の場合、前記Rは、La3+で、AはS
r2+であり、組成比xは、0.26以下であることが好
ましい。あるいは、前記Rは、Pr3+で、AはCa2+で
あることが好ましい。
r2+であり、組成比xは、0.26以下であることが好
ましい。あるいは、前記Rは、Pr3+で、AはCa2+で
あることが好ましい。
【0068】さらに本発明では、前記絶縁障壁層は、絶
縁体マトリックス中に金属微粒子が分散したグラニュラ
ー構造であることが好ましい。
縁体マトリックス中に金属微粒子が分散したグラニュラ
ー構造であることが好ましい。
【0069】絶縁障壁層が、ペロフスカイト型酸化物R
1-xAxMnO3や絶縁体マトリックス中に金属微粒子が
分散したグラニュラー構造であると、絶縁障壁層がAl
2O3で形成されたならば、必要であった強磁性層間に開
けられるべき間隔よりも、前記間隔を広げてもトンネル
効果を適正に発揮させることができ、よって加工精度の
緩和を図ることが可能であり、製造工程を容易化するこ
とができる。
1-xAxMnO3や絶縁体マトリックス中に金属微粒子が
分散したグラニュラー構造であると、絶縁障壁層がAl
2O3で形成されたならば、必要であった強磁性層間に開
けられるべき間隔よりも、前記間隔を広げてもトンネル
効果を適正に発揮させることができ、よって加工精度の
緩和を図ることが可能であり、製造工程を容易化するこ
とができる。
【0070】また本発明におけるトンネル型磁気抵抗効
果型素子の製造方法は、(a)基板上に金属層を形成す
る工程と、(b)前記金属層を酸化して絶縁障壁層を形
成する工程と、(c)前記絶縁障壁層上に強磁性層を形
成する工程と、(d)絶縁障壁層内に電流がトンネル
し、トンネル効果を発揮し得る程度の間隔を前記強磁性
層間に形成する工程と、を有することを特徴とするもの
である。
果型素子の製造方法は、(a)基板上に金属層を形成す
る工程と、(b)前記金属層を酸化して絶縁障壁層を形
成する工程と、(c)前記絶縁障壁層上に強磁性層を形
成する工程と、(d)絶縁障壁層内に電流がトンネル
し、トンネル効果を発揮し得る程度の間隔を前記強磁性
層間に形成する工程と、を有することを特徴とするもの
である。
【0071】上記製造方法によれば、まず最初に基板上
に金属層を形成し、前記金属層を酸化して絶縁障壁層を
形成している。そして、その後に強磁性層を前記絶縁障
壁層上に形成している。
に金属層を形成し、前記金属層を酸化して絶縁障壁層を
形成している。そして、その後に強磁性層を前記絶縁障
壁層上に形成している。
【0072】このため本発明では、金属層の酸化の際
に、強磁性層は形成されておらず、従って、強磁性層の
酸化への影響を考慮する必要なく、前記金属層の酸化を
行うことができ、製造工程を容易化できる。
に、強磁性層は形成されておらず、従って、強磁性層の
酸化への影響を考慮する必要なく、前記金属層の酸化を
行うことができ、製造工程を容易化できる。
【0073】また本発明によれば、前記絶縁障壁層の膜
厚を厚く形成することが可能であるから、前記絶縁障壁
層にピンホール等の欠陥が発生しにくく、特性の安定し
たトンネル型磁気抵抗効果型素子を形成することができ
る。
厚を厚く形成することが可能であるから、前記絶縁障壁
層にピンホール等の欠陥が発生しにくく、特性の安定し
たトンネル型磁気抵抗効果型素子を形成することができ
る。
【0074】あるいは本発明におけるトンネル型磁気抵
抗効果型素子の製造方法は、(e)基板上に、ペロフス
カイト型酸化物R1-xAxMnO3(Rは、La3+,P
r 3+,Nd3+などの3価希土類イオンから選ばれる1種
または2種以上の元素、Aは、Ca2+,Sr2+,Ba2+
などの2価のアルカリ土類イオンから選ばれる1種また
は2種以上の元素)からなる常磁性絶縁体の絶縁障壁層
を形成する工程と、(f)前記絶縁障壁層上に、ペロフ
スカイト型酸化物R1-xAxMnO3からなる強磁性金属
あるいは半金属の強磁性層を形成する工程と、(g)絶
縁障壁層内に電流がトンネルし、トンネル効果を発揮し
得る程度の間隔を前記強磁性層間に形成する工程と、を
有することを特徴とするものである。
抗効果型素子の製造方法は、(e)基板上に、ペロフス
カイト型酸化物R1-xAxMnO3(Rは、La3+,P
r 3+,Nd3+などの3価希土類イオンから選ばれる1種
または2種以上の元素、Aは、Ca2+,Sr2+,Ba2+
などの2価のアルカリ土類イオンから選ばれる1種また
は2種以上の元素)からなる常磁性絶縁体の絶縁障壁層
を形成する工程と、(f)前記絶縁障壁層上に、ペロフ
スカイト型酸化物R1-xAxMnO3からなる強磁性金属
あるいは半金属の強磁性層を形成する工程と、(g)絶
縁障壁層内に電流がトンネルし、トンネル効果を発揮し
得る程度の間隔を前記強磁性層間に形成する工程と、を
有することを特徴とするものである。
【0075】また本発明では、先に(f)工程における
強磁性層を基板上に形成した後、(g)工程にて、前記
強磁性層間に間隔を形成し、最後に(e)工程における
絶縁障壁層を、強磁性層上に形成してもよい。
強磁性層を基板上に形成した後、(g)工程にて、前記
強磁性層間に間隔を形成し、最後に(e)工程における
絶縁障壁層を、強磁性層上に形成してもよい。
【0076】本発明では、(e)工程における絶縁障壁
層を形成するためのペロフスカイト型酸化物R1-xAxM
nO3を、Rに、La3+、AにSr2+を選択し、組成比
xを、0.26以下とすることが好ましい。あるいは、
Rに、Pr3+、AにCa2+を選択することが好まし
い。これにより前記ペロフスカイト型酸化物R1-xAxM
nO3を、常磁性絶縁体にすることができる。
層を形成するためのペロフスカイト型酸化物R1-xAxM
nO3を、Rに、La3+、AにSr2+を選択し、組成比
xを、0.26以下とすることが好ましい。あるいは、
Rに、Pr3+、AにCa2+を選択することが好まし
い。これにより前記ペロフスカイト型酸化物R1-xAxM
nO3を、常磁性絶縁体にすることができる。
【0077】さらに、(f)工程における強磁性層を形
成するためのペロフスカイト型酸化物R1-xAxMnO3
を、Rに、La3+、AにSr2+を選択し、組成比xを
0.17以上とすることが好ましい。これによりペロフ
スカイト型酸化物R1-xAxMnO3を、強磁性金属にす
ることができる。
成するためのペロフスカイト型酸化物R1-xAxMnO3
を、Rに、La3+、AにSr2+を選択し、組成比xを
0.17以上とすることが好ましい。これによりペロフ
スカイト型酸化物R1-xAxMnO3を、強磁性金属にす
ることができる。
【0078】上記の製造方法であると、絶縁障壁層及び
強磁性層を、共にペロフスカイト型酸化物R1-xAxMn
O3で形成することになる。このため、前記絶縁障壁層
及び強磁性層をエピタキシャル成長により形成すること
ができ、薄くて平滑な前記絶縁障壁層を形成することが
できる。またペロフスカイト型酸化物R1-xAxMnO 3
の組成比等を適正に調整すれば、Al2O3などに比べ電
気抵抗の低い絶縁障壁層を形成することが可能であり、
前記絶縁障壁層上に形成される強磁性層を、広い間隔を
おいて形成しても、トンネル効果を適切に発揮し得るか
ら、加工精度を緩和でき、製造工程を容易化でき、しか
も歩留まりの向上を図ることができる。
強磁性層を、共にペロフスカイト型酸化物R1-xAxMn
O3で形成することになる。このため、前記絶縁障壁層
及び強磁性層をエピタキシャル成長により形成すること
ができ、薄くて平滑な前記絶縁障壁層を形成することが
できる。またペロフスカイト型酸化物R1-xAxMnO 3
の組成比等を適正に調整すれば、Al2O3などに比べ電
気抵抗の低い絶縁障壁層を形成することが可能であり、
前記絶縁障壁層上に形成される強磁性層を、広い間隔を
おいて形成しても、トンネル効果を適切に発揮し得るか
ら、加工精度を緩和でき、製造工程を容易化でき、しか
も歩留まりの向上を図ることができる。
【0079】
【発明の実施の形態】図1は、本発明におけるトンネル
型磁気抵抗効果(Tunneling magnetoresistive)素子
の基本構造を示す部分模式図である。
型磁気抵抗効果(Tunneling magnetoresistive)素子
の基本構造を示す部分模式図である。
【0080】図1に示す符号10は、絶縁障壁層であ
り、前記絶縁障壁層10は膜厚がH1で形成される。
り、前記絶縁障壁層10は膜厚がH1で形成される。
【0081】本発明では前記絶縁障壁層10の上に、強
磁性層11、12が形成されている。図1に示すように
前記強磁性層11,12は、前記絶縁障壁層10上に直
接的にあるいは間接的に設置され、前記絶縁障壁層の膜
面方向に並べられている。
磁性層11、12が形成されている。図1に示すように
前記強磁性層11,12は、前記絶縁障壁層10上に直
接的にあるいは間接的に設置され、前記絶縁障壁層の膜
面方向に並べられている。
【0082】そして前記強磁性層11,12間には、所
定の間隔T1が開けられている。本発明では、前記絶縁
障壁層10は、金属及び/または半導体の酸化物の絶縁
材料で形成されていることが好ましい。
定の間隔T1が開けられている。本発明では、前記絶縁
障壁層10は、金属及び/または半導体の酸化物の絶縁
材料で形成されていることが好ましい。
【0083】また具体的には、前記絶縁材料は、Al,
Mg,Nb,Ni,Gd,Ge,Si,Hfから選択さ
れた少なくとも一種以上の元素の酸化物であることが好
ましい。すなわち前記絶縁障壁層10は、Al2O3,A
lOx,GeOx,NiO,GdOx,MgO等で形成さ
れる。
Mg,Nb,Ni,Gd,Ge,Si,Hfから選択さ
れた少なくとも一種以上の元素の酸化物であることが好
ましい。すなわち前記絶縁障壁層10は、Al2O3,A
lOx,GeOx,NiO,GdOx,MgO等で形成さ
れる。
【0084】また、前記絶縁障壁層10は、ペロフスカ
イト型酸化物R1-xAxMnO3(Rは、La3+,Pr3+,
Nd3+などの3価希土類イオンから選ばれる1種または
2種以上の元素、Aは、Ca2+,Sr2+,Ba2+などの
2価のアルカリ土類イオンから選ばれる1種または2種
以上の元素)で形成された常磁性絶縁体で形成されても
よい。この場合、前記Rは、La3+で、AはSr2+であ
り、組成比xは、0.26以下であることが好ましい。
あるいは、Rは、Pr3+、AはCa2+であることが
好ましい。
イト型酸化物R1-xAxMnO3(Rは、La3+,Pr3+,
Nd3+などの3価希土類イオンから選ばれる1種または
2種以上の元素、Aは、Ca2+,Sr2+,Ba2+などの
2価のアルカリ土類イオンから選ばれる1種または2種
以上の元素)で形成された常磁性絶縁体で形成されても
よい。この場合、前記Rは、La3+で、AはSr2+であ
り、組成比xは、0.26以下であることが好ましい。
あるいは、Rは、Pr3+、AはCa2+であることが
好ましい。
【0085】また本発明では、前記絶縁障壁層10は、
絶縁体マトリックス中に金属微粒子が分散したグラニュ
ラー構造であることが好ましい。
絶縁体マトリックス中に金属微粒子が分散したグラニュ
ラー構造であることが好ましい。
【0086】ところで本発明では、強磁性層11,12
と絶縁障壁層10からなるトンネル型磁気抵抗効果型素
子において、適切なトンネル効果を発揮せしめるため
に、前記強磁性層11,12間に開けられた間隔T1
は、前記強磁性層11,12間の絶縁障壁層10内に適
切にトンネル電流が流れ得る大きさでなければならな
い。
と絶縁障壁層10からなるトンネル型磁気抵抗効果型素
子において、適切なトンネル効果を発揮せしめるため
に、前記強磁性層11,12間に開けられた間隔T1
は、前記強磁性層11,12間の絶縁障壁層10内に適
切にトンネル電流が流れ得る大きさでなければならな
い。
【0087】すなわち、前記強磁性層11,12間に開
けられた間隔T1があまり大きくなっていると、強磁性
層11からの入射電子の波動関数と、透過電子の波動関
数とが、間隔T1における絶縁障壁層10内において、
重なり合わなくなり(図13参照)、入射電子は絶縁障
壁層10を通り抜けることができず、トンネル電流は流
れない。
けられた間隔T1があまり大きくなっていると、強磁性
層11からの入射電子の波動関数と、透過電子の波動関
数とが、間隔T1における絶縁障壁層10内において、
重なり合わなくなり(図13参照)、入射電子は絶縁障
壁層10を通り抜けることができず、トンネル電流は流
れない。
【0088】このため、前記強磁性層11、12間にお
ける間隔T1は、前記強磁性層11からの入射電子の波
動関数と、透過電子の波動関数とが、間隔T1における
絶縁障壁層10内において、重なり合い、トンネル電流
が流れる程度の大きさである必要性がある。
ける間隔T1は、前記強磁性層11からの入射電子の波
動関数と、透過電子の波動関数とが、間隔T1における
絶縁障壁層10内において、重なり合い、トンネル電流
が流れる程度の大きさである必要性がある。
【0089】例えば前記間隔T1は、従来、強磁性層と
絶縁障壁層とを積層して構成した積層型トンネル型磁気
抵抗効果型素子の前記絶縁障壁層の膜厚であることが好
ましい。具体的には、10Å〜20Å程度であることが
好ましい。
絶縁障壁層とを積層して構成した積層型トンネル型磁気
抵抗効果型素子の前記絶縁障壁層の膜厚であることが好
ましい。具体的には、10Å〜20Å程度であることが
好ましい。
【0090】図1に示すトンネル型磁気抵抗効果型素子
では、強磁性層11と強磁性層12との磁化方向が平行
である場合、コンダクタンスG(抵抗の逆数)は最大に
なり、トンネル電流は最大になる。一方、強磁性層11
と強磁性層12との磁化方向が反平行である場合、コン
ダクタンスGは最小になり、トンネル電流は最小にな
る。
では、強磁性層11と強磁性層12との磁化方向が平行
である場合、コンダクタンスG(抵抗の逆数)は最大に
なり、トンネル電流は最大になる。一方、強磁性層11
と強磁性層12との磁化方向が反平行である場合、コン
ダクタンスGは最小になり、トンネル電流は最小にな
る。
【0091】またトンネル型磁気抵抗効果型素子では、
磁気抵抗変化率(TMR比;△RTM R)は、(GAP -1−
GP -1)/GP -1で表される。ここでGAPは、強磁性層1
1と強磁性層12の磁化が反平行である場合のコンダク
タンス(最小値)であり、GPは、強磁性層11と強磁
性層12の磁化が平行である場合のコンダクタンス(最
大値)である。
磁気抵抗変化率(TMR比;△RTM R)は、(GAP -1−
GP -1)/GP -1で表される。ここでGAPは、強磁性層1
1と強磁性層12の磁化が反平行である場合のコンダク
タンス(最小値)であり、GPは、強磁性層11と強磁
性層12の磁化が平行である場合のコンダクタンス(最
大値)である。
【0092】さらに上記式は、次のように変形すること
ができる。すなわち、 ΔRTMR=2P11P12/(1−P11P12) ここでP11は、強磁性層11の分極率であり、P12は、
強磁性層12の分極率である。
ができる。すなわち、 ΔRTMR=2P11P12/(1−P11P12) ここでP11は、強磁性層11の分極率であり、P12は、
強磁性層12の分極率である。
【0093】上記式から、抵抗変化率(TMR比)は、
理論上、強磁性層11,12の分極率に支配され、強磁
性層11,12の分極率を大きくすれば、抵抗変化率を
大きくすることが可能であり、特に近年、再生用ヘッド
として主流になっているスピンバルブ膜等のGMR(gi
ant magnetoresistive)素子に比べ、数倍から数十倍
の抵抗変化率を期待することができる。
理論上、強磁性層11,12の分極率に支配され、強磁
性層11,12の分極率を大きくすれば、抵抗変化率を
大きくすることが可能であり、特に近年、再生用ヘッド
として主流になっているスピンバルブ膜等のGMR(gi
ant magnetoresistive)素子に比べ、数倍から数十倍
の抵抗変化率を期待することができる。
【0094】本発明では、図1に示すトンネル型磁気抵
抗効果型素子構造、すなわち絶縁障壁層10上に、2つ
の強磁性層11,12が平面的に並べられたトンネル型
磁気抵抗効果型素子を、例えばハードディスク装置に搭
載される再生用ヘッドとして使用することが可能であ
る。
抗効果型素子構造、すなわち絶縁障壁層10上に、2つ
の強磁性層11,12が平面的に並べられたトンネル型
磁気抵抗効果型素子を、例えばハードディスク装置に搭
載される再生用ヘッドとして使用することが可能であ
る。
【0095】図2及び図3は、図1に示すトンネル型磁
気抵抗効果型素子をハードディスク装置用の再生ヘッド
として応用した模式図である。なお図2及び図3に示す
トンネル型磁気抵抗効果型素子は、記録媒体との対向面
側から見た正面図で表されている。
気抵抗効果型素子をハードディスク装置用の再生ヘッド
として応用した模式図である。なお図2及び図3に示す
トンネル型磁気抵抗効果型素子は、記録媒体との対向面
側から見た正面図で表されている。
【0096】再生用ヘッド(トンネル型磁気抵抗効果型
素子)は、磁気抵抗効果を利用してハードディスクなど
の記録媒体からの洩れ磁界を検出し、記録信号を読み取
るものである。また本発明では、前記トンネル型磁気抵
抗効果型素子上に、記録用のインダクティブヘッドが積
層された、いわゆる複合型薄膜磁気素子(ヘッド)であ
ってもよい。
素子)は、磁気抵抗効果を利用してハードディスクなど
の記録媒体からの洩れ磁界を検出し、記録信号を読み取
るものである。また本発明では、前記トンネル型磁気抵
抗効果型素子上に、記録用のインダクティブヘッドが積
層された、いわゆる複合型薄膜磁気素子(ヘッド)であ
ってもよい。
【0097】図2に示すように、膜厚H1で形成された
絶縁障壁層10上には、2つの強磁性層13及び14
が、直接的にあるいは間接的に設置され、前記絶縁障壁
層の膜面方向に並べられている。
絶縁障壁層10上には、2つの強磁性層13及び14
が、直接的にあるいは間接的に設置され、前記絶縁障壁
層の膜面方向に並べられている。
【0098】前記強磁性層13,14のうち、一方の強
磁性層13は、固定磁性層であり、他方の強磁性層14
はフリー磁性層である。なお以下では、強磁性層13の
ことを固定磁性層13と、強磁性層14のことをフリー
磁性層14と称することとする。
磁性層13は、固定磁性層であり、他方の強磁性層14
はフリー磁性層である。なお以下では、強磁性層13の
ことを固定磁性層13と、強磁性層14のことをフリー
磁性層14と称することとする。
【0099】ところで本発明では、前記固定磁性層13
及びフリー磁性層14は、強磁性の金属あるいは半金属
で形成されることが好ましい。
及びフリー磁性層14は、強磁性の金属あるいは半金属
で形成されることが好ましい。
【0100】上記したように抵抗変化率(TMR比)
は、理論上、強磁性層の分極率を大きくすれば大きくな
ることがわかっている。
は、理論上、強磁性層の分極率を大きくすれば大きくな
ることがわかっている。
【0101】このため強磁性金属あるいは半金属で前記
固定磁性層13及びフリー磁性層14を形成すれば、前
記固定磁性層13及びフリー磁性層14の分極率を大き
くすることができ、よって抵抗変化率(TMR比)を向
上できて好ましい。
固定磁性層13及びフリー磁性層14を形成すれば、前
記固定磁性層13及びフリー磁性層14の分極率を大き
くすることができ、よって抵抗変化率(TMR比)を向
上できて好ましい。
【0102】例えば、前記固定磁性層13及びフリー磁
性層14は、NiFe合金、CoFe合金、Co合金、
CoNiFe合金のいずれか1種、または2種以上で形
成されることが好ましい。これらは、いずれも強磁性金
属である。
性層14は、NiFe合金、CoFe合金、Co合金、
CoNiFe合金のいずれか1種、または2種以上で形
成されることが好ましい。これらは、いずれも強磁性金
属である。
【0103】また本発明では、前記強磁性層は、ペロフ
スカイト型酸化物R1-xAxMnO3(Rは、La3+,Pr
3+,Nd3+などの3価希土類イオンから選ばれる1種ま
たは2種以上の元素、Aは、Ca2+,Sr2+,Ba2+な
どの2価のアルカリ土類イオンから選ばれる1種または
2種以上の元素)で形成された強磁性金属であることが
好ましい。このペロフスカイト型酸化物R1-xAxMnO
3の諸性質や結晶構造については、後述することとす
る。
スカイト型酸化物R1-xAxMnO3(Rは、La3+,Pr
3+,Nd3+などの3価希土類イオンから選ばれる1種ま
たは2種以上の元素、Aは、Ca2+,Sr2+,Ba2+な
どの2価のアルカリ土類イオンから選ばれる1種または
2種以上の元素)で形成された強磁性金属であることが
好ましい。このペロフスカイト型酸化物R1-xAxMnO
3の諸性質や結晶構造については、後述することとす
る。
【0104】なお本発明では、前記Rは、La3+で、A
はSr2+であり、組成比xは、0.17以上であること
が好ましく、これにより前記ペロフスカイト型酸化物R
1-xAxMnO3は強磁性金属あるいは半金属となり、そ
の分極率は1か、あるいは1に近いことが知られてい
る。
はSr2+であり、組成比xは、0.17以上であること
が好ましく、これにより前記ペロフスカイト型酸化物R
1-xAxMnO3は強磁性金属あるいは半金属となり、そ
の分極率は1か、あるいは1に近いことが知られてい
る。
【0105】あるいは本発明では、固定磁性層13及び
フリー磁性層14は、ホイスラー合金で形成されること
が好ましい。前記ホイスラー合金は、組成A2MnXあ
るいはAMnX(ただしAは、Cu,Au,Pd,N
i,Coのうち1種または2種以上、Xは、Al,I
n,Sn,Ga,Ge,Sb,Siのうち1種または2
種以上)からなる。
フリー磁性層14は、ホイスラー合金で形成されること
が好ましい。前記ホイスラー合金は、組成A2MnXあ
るいはAMnX(ただしAは、Cu,Au,Pd,N
i,Coのうち1種または2種以上、Xは、Al,I
n,Sn,Ga,Ge,Sb,Siのうち1種または2
種以上)からなる。
【0106】この金属の特徴は、強磁性でない金属元素
の組合わせにより強磁性体を作り出せることであり、特
にNiMnSb等のホイスラー合金は、分極率が1か、
あるいは1に近いことが知られている。
の組合わせにより強磁性体を作り出せることであり、特
にNiMnSb等のホイスラー合金は、分極率が1か、
あるいは1に近いことが知られている。
【0107】したがってこれらペロフスカイト型酸化物
R1-xAxMnO3、またはホイスラー合金を、固定磁性
層13及びフリー磁性層14に使用すると、理論上、抵
抗変化率(TMR比)を、大きくすることが可能であ
る。
R1-xAxMnO3、またはホイスラー合金を、固定磁性
層13及びフリー磁性層14に使用すると、理論上、抵
抗変化率(TMR比)を、大きくすることが可能であ
る。
【0108】図2に示すように、前記固定磁性層13と
フリー磁性層14との間には、所定の間隔T1が開けら
れている。この間隔T1は図1で説明した通り、固定磁
性層13とフリー磁性層14間の絶縁障壁層10内に、
トンネル電流が流れ得る大きさで形成される。
フリー磁性層14との間には、所定の間隔T1が開けら
れている。この間隔T1は図1で説明した通り、固定磁
性層13とフリー磁性層14間の絶縁障壁層10内に、
トンネル電流が流れ得る大きさで形成される。
【0109】図2に示すように、前記固定磁性層13の
上には、反強磁性層15が形成されている。
上には、反強磁性層15が形成されている。
【0110】前記反強磁性層15は、X−Mn(ただし
Xは、Pt,Pd,Ir,Rh,Ru,Osのうちいず
れか1種または2種以上の元素である)で形成されてい
ることが好ましい。特にXの中でもPtを選択し、Pt
Mn合金を反強磁性層15として使用することが好まし
い。
Xは、Pt,Pd,Ir,Rh,Ru,Osのうちいず
れか1種または2種以上の元素である)で形成されてい
ることが好ましい。特にXの中でもPtを選択し、Pt
Mn合金を反強磁性層15として使用することが好まし
い。
【0111】前記X−Mn合金は、従来から反強磁性層
として使用されているNiMn合金やFeMn合金など
に比べて耐食性に優れ、しかもブロッキング温度が高
く、交換結合磁界(交換異方性磁界)も大きい。
として使用されているNiMn合金やFeMn合金など
に比べて耐食性に優れ、しかもブロッキング温度が高
く、交換結合磁界(交換異方性磁界)も大きい。
【0112】図2に示すように、固定磁性層13と反強
磁性層15は接して形成され、磁場中アニール(熱処
理)を施すことにより、前記固定磁性層13と反強磁性
層15との界面にて交換結合磁界(交換異方性磁界)が
発生し、例えば図2に示すように、前記固定磁性層13
の磁化が、ハイト方向(図示Y方向)に固定される。
磁性層15は接して形成され、磁場中アニール(熱処
理)を施すことにより、前記固定磁性層13と反強磁性
層15との界面にて交換結合磁界(交換異方性磁界)が
発生し、例えば図2に示すように、前記固定磁性層13
の磁化が、ハイト方向(図示Y方向)に固定される。
【0113】また図2に示すように、フリー磁性層14
上にも反強磁性層16が形成されている。前記反強磁性
層16は、固定磁性層13上に形成された反強磁性層1
5と同じ材質で形成されても異なる材質で形成されても
どちらでもよい。
上にも反強磁性層16が形成されている。前記反強磁性
層16は、固定磁性層13上に形成された反強磁性層1
5と同じ材質で形成されても異なる材質で形成されても
どちらでもよい。
【0114】フリー磁性層14は、その上に形成された
反強磁性層16との交換異方性磁界によるエクスチェン
ジバイアス方式によって、磁化が固定磁性層13の磁化
と交叉する方向、つまりトラック幅方向(図示X方向)
に揃えられ、外部磁界の影響を受けて、容易に変動する
ようになっている。
反強磁性層16との交換異方性磁界によるエクスチェン
ジバイアス方式によって、磁化が固定磁性層13の磁化
と交叉する方向、つまりトラック幅方向(図示X方向)
に揃えられ、外部磁界の影響を受けて、容易に変動する
ようになっている。
【0115】すなわち図2に示すように反強磁性層16
は、フリー磁性層14の少なくとも片側端部上に形成さ
れている。前記反強磁性層16とフリー磁性層14の片
側端部には、磁場中アニールにより、交換異方性磁界が
発生し、前記フリー磁性層14の片側端部の磁化は図示
X方向に強固に固定される。
は、フリー磁性層14の少なくとも片側端部上に形成さ
れている。前記反強磁性層16とフリー磁性層14の片
側端部には、磁場中アニールにより、交換異方性磁界が
発生し、前記フリー磁性層14の片側端部の磁化は図示
X方向に強固に固定される。
【0116】前記フリー磁性層14のそれ以外の領域で
は、図示X方向の磁化の影響を前記フリー磁性層14の
片側端部から受け、これにより前記フリー磁性層全体の
磁化は図示X方向に揃えられる。ただし反強磁性層16
が設けられている以外の領域のフリー磁性層14の磁化
は、外部磁界の影響を受けて容易に変動できる程度の強
さである。
は、図示X方向の磁化の影響を前記フリー磁性層14の
片側端部から受け、これにより前記フリー磁性層全体の
磁化は図示X方向に揃えられる。ただし反強磁性層16
が設けられている以外の領域のフリー磁性層14の磁化
は、外部磁界の影響を受けて容易に変動できる程度の強
さである。
【0117】なお図2に示すように、前記反強磁性層1
6は、固定磁性層13から最も離れたフリー磁性層14
の外方側端部上に設けられている。このように、前記反
強磁性層16を固定磁性層13から離した位置に形成す
るのは、前記反強磁性層16と固定磁性層13間でトン
ネル効果を発揮し得ないようにするためである。
6は、固定磁性層13から最も離れたフリー磁性層14
の外方側端部上に設けられている。このように、前記反
強磁性層16を固定磁性層13から離した位置に形成す
るのは、前記反強磁性層16と固定磁性層13間でトン
ネル効果を発揮し得ないようにするためである。
【0118】そして上記のように、外部磁界の影響を受
けない状態で、固定磁性層13の固定磁化方向と、フリ
ー磁性層14の磁化方向とを交叉するように設定する
と、抵抗変化率(TMR比)の変動を最も大きくでき
て、再生感度を向上させることができる。
けない状態で、固定磁性層13の固定磁化方向と、フリ
ー磁性層14の磁化方向とを交叉するように設定する
と、抵抗変化率(TMR比)の変動を最も大きくでき
て、再生感度を向上させることができる。
【0119】また図2に示すように、固定磁性層13の
トラック幅方向(図示X方向)の外方側端部、及びフリ
ー磁性層14のトラック幅方向の外方側端部には、電極
層17,17が形成されている。
トラック幅方向(図示X方向)の外方側端部、及びフリ
ー磁性層14のトラック幅方向の外方側端部には、電極
層17,17が形成されている。
【0120】前記電極層17は、W(タングステン)や
Cr(クロム)等で形成されている。
Cr(クロム)等で形成されている。
【0121】ところで前記電極層17の形成位置は、図
2に示す位置以外であってもよい。例えば前記固定磁性
層13の上に形成された反強磁性層15上に電極層17
を形成することができる。さらには、前記固定磁性層1
3の紙面前方(つまり記録媒体との対向面側)や、固定
磁性層13のハイト側後方に前記電極層17を形成して
もかわない。
2に示す位置以外であってもよい。例えば前記固定磁性
層13の上に形成された反強磁性層15上に電極層17
を形成することができる。さらには、前記固定磁性層1
3の紙面前方(つまり記録媒体との対向面側)や、固定
磁性層13のハイト側後方に前記電極層17を形成して
もかわない。
【0122】またフリー磁性層14上には反強磁性層1
6が形成され、前記電極層17を前記反強磁性層16の
形成されていない領域上に形成してもよい。
6が形成され、前記電極層17を前記反強磁性層16の
形成されていない領域上に形成してもよい。
【0123】また前記フリー磁性層14は、記録媒体と
の対向面に露出形成されている構成とすることができ
る。
の対向面に露出形成されている構成とすることができ
る。
【0124】この場合、前記電極層17は、フリー磁性
層14の紙面前方(すなわち記録媒体との対向面側)以
外に形成される必要があり、例えば前記電極層17をフ
リー磁性層14の後端部(ハイト側後方)に形成するこ
とが可能である。
層14の紙面前方(すなわち記録媒体との対向面側)以
外に形成される必要があり、例えば前記電極層17をフ
リー磁性層14の後端部(ハイト側後方)に形成するこ
とが可能である。
【0125】そして図2に示すように、電極層17,1
7上、フリー磁性層14上、反強磁性層16,15上、
さらにはフリー磁性層14と固定磁性層13との間にお
ける間隔T1内に、絶縁層18が形成される。
7上、フリー磁性層14上、反強磁性層16,15上、
さらにはフリー磁性層14と固定磁性層13との間にお
ける間隔T1内に、絶縁層18が形成される。
【0126】ところで前記絶縁層18が、フリー磁性層
14と固定磁性層13との間に開けられた間隔T1内に
埋められると、フリー磁性層14及び固定磁性層13間
に流れるトンネル電流が絶縁障壁層10内を通らず、絶
縁層18を通る可能性がある。
14と固定磁性層13との間に開けられた間隔T1内に
埋められると、フリー磁性層14及び固定磁性層13間
に流れるトンネル電流が絶縁障壁層10内を通らず、絶
縁層18を通る可能性がある。
【0127】このため本発明では、適切にトンネル電流
が、絶縁障壁層10内を通るようにすべく、例えば前記
絶縁層18の電気抵抗値を絶縁障壁層10よりも、より
十分に高くして、トンネル電流が絶縁障壁層10側に流
れるようにする必要がある。
が、絶縁障壁層10内を通るようにすべく、例えば前記
絶縁層18の電気抵抗値を絶縁障壁層10よりも、より
十分に高くして、トンネル電流が絶縁障壁層10側に流
れるようにする必要がある。
【0128】図3は、絶縁障壁層10上に、固定磁性層
13とフリー磁性層14が平面的に並んで設けられてお
り、前記固定磁性層13には反強磁性層15が接して形
成され、前記固定磁性層13の磁化はハイト方向(図示
Y方向)に固定されている。
13とフリー磁性層14が平面的に並んで設けられてお
り、前記固定磁性層13には反強磁性層15が接して形
成され、前記固定磁性層13の磁化はハイト方向(図示
Y方向)に固定されている。
【0129】この実施例では、フリー磁性層14のトラ
ック幅方向(図示X方向)の外方側端部にハードバイア
ス層19が設けられている。
ック幅方向(図示X方向)の外方側端部にハードバイア
ス層19が設けられている。
【0130】前記ハードバイアス層19は、例えばCo
―Pt合金やCo―Cr―Pt合金などで形成されてい
る。
―Pt合金やCo―Cr―Pt合金などで形成されてい
る。
【0131】前記ハードバイアス層19は、予めトラッ
ク幅方向(図示X方向)に磁化されており、前記ハード
バイアス層19からのバイアス磁界により、フリー磁性
層14の磁化は図示X方向に揃えられる。これにより固
定磁性層13とフリー磁性層14との磁化は交叉する関
係となる。
ク幅方向(図示X方向)に磁化されており、前記ハード
バイアス層19からのバイアス磁界により、フリー磁性
層14の磁化は図示X方向に揃えられる。これにより固
定磁性層13とフリー磁性層14との磁化は交叉する関
係となる。
【0132】なお図3に示すように、前記フリー磁性層
14には、外方側端部にしかハードバイアス層19が形
成されていないが、確実に前記フリー磁性層14の磁化
を図示X方向に揃えるには、前記フリー磁性層14の両
側にハードバイアス層19を設けることが好ましい。
14には、外方側端部にしかハードバイアス層19が形
成されていないが、確実に前記フリー磁性層14の磁化
を図示X方向に揃えるには、前記フリー磁性層14の両
側にハードバイアス層19を設けることが好ましい。
【0133】しかしながら図3に示す実施例では、フリ
ー磁性層14の両側にハードバイアス層19を形成する
ことになると、前記フリー磁性層14と固定磁性層13
との間に開けられた間隔T1内に、前記ハードバイアス
層19を形成しなければならなくなるが、前記間隔T1
は、トンネル効果を発揮し得るために非常に狭い間隔で
形成されるので、前記間隔T1内にハードバイアス層1
9を形成することは、非常に困難であると考えられる。
ー磁性層14の両側にハードバイアス層19を形成する
ことになると、前記フリー磁性層14と固定磁性層13
との間に開けられた間隔T1内に、前記ハードバイアス
層19を形成しなければならなくなるが、前記間隔T1
は、トンネル効果を発揮し得るために非常に狭い間隔で
形成されるので、前記間隔T1内にハードバイアス層1
9を形成することは、非常に困難であると考えられる。
【0134】そこで、例えばフリー磁性層14を記録媒
体との対向面に露出形成し、固定磁性層13を前記フリ
ー磁性層14のハイト方向後方側に形成することで、前
記フリー磁性層14のトラック幅方向(図示X方向)の
両側には、ハードバイアス層19を形成すべき際に障害
となる層が存在しなくなり、よって前記フリー磁性層1
4のトラック幅方向(図示X方向)の両側にハードバイ
アス層19を形成することが可能である。その具体的な
実施例を図4に示す。図4は、トンネル型磁気抵抗効果
型素子を上から見た部分平面図である。
体との対向面に露出形成し、固定磁性層13を前記フリ
ー磁性層14のハイト方向後方側に形成することで、前
記フリー磁性層14のトラック幅方向(図示X方向)の
両側には、ハードバイアス層19を形成すべき際に障害
となる層が存在しなくなり、よって前記フリー磁性層1
4のトラック幅方向(図示X方向)の両側にハードバイ
アス層19を形成することが可能である。その具体的な
実施例を図4に示す。図4は、トンネル型磁気抵抗効果
型素子を上から見た部分平面図である。
【0135】図4に示すように、フリー磁性層14は記
録媒体との対向面に露出形成され、固定磁性層13は、
前記フリー磁性層14のハイト方向(図示Y方向)後方
に、間隔T1を開けて形成されている。
録媒体との対向面に露出形成され、固定磁性層13は、
前記フリー磁性層14のハイト方向(図示Y方向)後方
に、間隔T1を開けて形成されている。
【0136】そして固定磁性層13及びフリー磁性層1
4間に流れる電流は、間隔T1の絶縁障壁層10内をト
ンネルできるようになっている。
4間に流れる電流は、間隔T1の絶縁障壁層10内をト
ンネルできるようになっている。
【0137】図4に示すように、固定磁性層13が、フ
リー磁性層14のハイト方向(図示Y方向)の後方側に
形成されることで、前記フリー磁性層14のトラック幅
(図示X方向)の両側に、適切にハードバイアス層19
を形成することが可能になり、前記フリー磁性層14の
磁化を適切にトラック幅方向に揃えることができる。
リー磁性層14のハイト方向(図示Y方向)の後方側に
形成されることで、前記フリー磁性層14のトラック幅
(図示X方向)の両側に、適切にハードバイアス層19
を形成することが可能になり、前記フリー磁性層14の
磁化を適切にトラック幅方向に揃えることができる。
【0138】また図示されていないが、前記固定磁性層
13の上には前記固定磁性層13の磁化をハイト方向
(図示Y方向)に固定するための反強磁性層15が形成
されている。
13の上には前記固定磁性層13の磁化をハイト方向
(図示Y方向)に固定するための反強磁性層15が形成
されている。
【0139】次に電極層17の形成位置についてである
が、図3に示すように、電極層17,17は、固定磁性
層13のトラック幅方向の外方側端部に形成され、さら
にフリー磁性層のトラック幅方向の外方側端部にハード
バイアス層19を介して形成されている。
が、図3に示すように、電極層17,17は、固定磁性
層13のトラック幅方向の外方側端部に形成され、さら
にフリー磁性層のトラック幅方向の外方側端部にハード
バイアス層19を介して形成されている。
【0140】しかしながら前記電極層17は、図3に示
す形成位置以外であってもよい。つまり前記電極層1
7,17は、固定磁性層13の上に形成された反強磁性
層15上に形成され、また、フリー磁性層14上に形成
されてもよい。
す形成位置以外であってもよい。つまり前記電極層1
7,17は、固定磁性層13の上に形成された反強磁性
層15上に形成され、また、フリー磁性層14上に形成
されてもよい。
【0141】あるいは固定磁性層13の紙面前面(記録
媒体との対向面側)やハイト方向の後方に電極層17が
形成され、さらには、フリー磁性層14のハイト方向の
後方に前記電極層17が形成されていてもよい。
媒体との対向面側)やハイト方向の後方に電極層17が
形成され、さらには、フリー磁性層14のハイト方向の
後方に前記電極層17が形成されていてもよい。
【0142】図4では、電極層17,17の形成位置が
表されていないが、上記した場合と同様の形成位置で形
成される。ただ、図4の場合には、固定磁性層13の前
端面には、フリー磁性層14との間に、トンネル効果を
発揮し得る狭い間隔T1しか空いてないので、製造上、
前記固定磁性層13の前端面に電極層17を形成するの
は不可能であると考えられる。
表されていないが、上記した場合と同様の形成位置で形
成される。ただ、図4の場合には、固定磁性層13の前
端面には、フリー磁性層14との間に、トンネル効果を
発揮し得る狭い間隔T1しか空いてないので、製造上、
前記固定磁性層13の前端面に電極層17を形成するの
は不可能であると考えられる。
【0143】また図2ないし図3に示すように、反強磁
性層15、16は、固定磁性層13及びフリー磁性層1
4の上側に形成されているが、下側に形成され、固定磁
性層13(フリー磁性層14)と絶縁障壁層10との間
に介在させてもよい。
性層15、16は、固定磁性層13及びフリー磁性層1
4の上側に形成されているが、下側に形成され、固定磁
性層13(フリー磁性層14)と絶縁障壁層10との間
に介在させてもよい。
【0144】以上詳述した図2ないし図4に示すトンネ
ル型磁気抵抗効果型素子では、記録媒体からの外部磁界
の影響を受け、フリー磁性層14の磁化方向が変動する
と、固定磁性層13−絶縁障壁層10−フリー磁性層1
4を経て流れるトンネル電流の電流量が変化し、この電
流量の変化を電気抵抗の変化としてとらえる。そして前
記電気抵抗の変化を電圧変化として、記録媒体からの洩
れ磁界が検出されるようになっている。
ル型磁気抵抗効果型素子では、記録媒体からの外部磁界
の影響を受け、フリー磁性層14の磁化方向が変動する
と、固定磁性層13−絶縁障壁層10−フリー磁性層1
4を経て流れるトンネル電流の電流量が変化し、この電
流量の変化を電気抵抗の変化としてとらえる。そして前
記電気抵抗の変化を電圧変化として、記録媒体からの洩
れ磁界が検出されるようになっている。
【0145】図5及び図6に示すトンネル型磁気抵抗効
果型素子は、絶縁障壁層10上に、強磁性層が3つ形成
された場合の実施例である。図5及び図6に示すトンネ
ル型磁気抵抗効果型素子は、例えばハードディスク装置
に搭載される再生用ヘッドとして使用されるものであ
る。図5及び図6は、トンネル型磁気抵抗効果型素子を
上側から見た部分平面図である。
果型素子は、絶縁障壁層10上に、強磁性層が3つ形成
された場合の実施例である。図5及び図6に示すトンネ
ル型磁気抵抗効果型素子は、例えばハードディスク装置
に搭載される再生用ヘッドとして使用されるものであ
る。図5及び図6は、トンネル型磁気抵抗効果型素子を
上側から見た部分平面図である。
【0146】図5及び図6に示すように、絶縁障壁層1
0上に3つの強磁性層を形成する理由は、強磁性層間を
流れる電流に、共鳴トンネル効果を起させ、抵抗値を低
減させることにある。
0上に3つの強磁性層を形成する理由は、強磁性層間を
流れる電流に、共鳴トンネル効果を起させ、抵抗値を低
減させることにある。
【0147】図5に示すように、絶縁障壁層10上に
は、3つの強磁性層20,21,22が平面的に並べて
設けられており、強磁性層20は、フリー磁性層であ
り、強磁性層21,22は、固定磁性層である。
は、3つの強磁性層20,21,22が平面的に並べて
設けられており、強磁性層20は、フリー磁性層であ
り、強磁性層21,22は、固定磁性層である。
【0148】図5に示すように前記フリー磁性層20
は、記録媒体との対向面に露出形成され、固定磁性層2
1,22は、フリー磁性層20のハイト方向後方側に間
隔T1をおいて形成されている。
は、記録媒体との対向面に露出形成され、固定磁性層2
1,22は、フリー磁性層20のハイト方向後方側に間
隔T1をおいて形成されている。
【0149】そして電流はトンネル電流として、固定磁
性層22とフリー磁性層20との間における間隔T1の
絶縁障壁層10内、及びフリー磁性層20と固定磁性層
21との間における間隔T1の絶縁障壁層10内を流れ
るようになっており、固定磁性層22/絶縁障壁層10
/フリー磁性層20、及びフリー磁性層20/絶縁障壁
層10/固定磁性層21の各3層膜で、トンネル効果が
発揮される。
性層22とフリー磁性層20との間における間隔T1の
絶縁障壁層10内、及びフリー磁性層20と固定磁性層
21との間における間隔T1の絶縁障壁層10内を流れ
るようになっており、固定磁性層22/絶縁障壁層10
/フリー磁性層20、及びフリー磁性層20/絶縁障壁
層10/固定磁性層21の各3層膜で、トンネル効果が
発揮される。
【0150】図5に示すように、フリー磁性層20のト
ラック幅方向(図示X方向)の両側にはハードバイアス
層19,19が形成され、前記ハードバイアス層19は
図示X方向に磁化されている。そして前記フリー磁性層
20の磁化は、ハードバイアス層19からのバイアス磁
界の影響を受けて図示X方向に揃えられる。なお、ハー
ドバイアス層19の代わりに、反強磁性層を用いてエク
スチェンジバイアス方式により前記フリー磁性層20の
磁化を図示X方向に揃えても良い。
ラック幅方向(図示X方向)の両側にはハードバイアス
層19,19が形成され、前記ハードバイアス層19は
図示X方向に磁化されている。そして前記フリー磁性層
20の磁化は、ハードバイアス層19からのバイアス磁
界の影響を受けて図示X方向に揃えられる。なお、ハー
ドバイアス層19の代わりに、反強磁性層を用いてエク
スチェンジバイアス方式により前記フリー磁性層20の
磁化を図示X方向に揃えても良い。
【0151】また図示されていないが、固定磁性層2
1,22上あるいは下にはX−Mn合金(ただしXは、
Pt,Pd,Ir,Rh,Ru,Osのうちいずれか1
種または2種以上の元素である)からなる反強磁性層が
形成されており、前記反強磁性層との界面で発生する交
換異方性磁界により前記固定磁性層21,22の磁化は
ハイト方向(図示Y方向)に固定される。
1,22上あるいは下にはX−Mn合金(ただしXは、
Pt,Pd,Ir,Rh,Ru,Osのうちいずれか1
種または2種以上の元素である)からなる反強磁性層が
形成されており、前記反強磁性層との界面で発生する交
換異方性磁界により前記固定磁性層21,22の磁化は
ハイト方向(図示Y方向)に固定される。
【0152】次に電極層17,17の形成位置である
が、図5に示す実施例の場合、一対の電極層17はそれ
ぞれ、各固定磁性層21,22に直接的にあるいは間接
的に接して形成されていることが好ましい。
が、図5に示す実施例の場合、一対の電極層17はそれ
ぞれ、各固定磁性層21,22に直接的にあるいは間接
的に接して形成されていることが好ましい。
【0153】このように2つの固定磁性層21,22に
電極層17,17を設ければ、トンネル電流が、固定磁
性層21とフリー磁性層20間、及びフリー磁性層20
と固定磁性層21間の絶縁障壁層10内に流れるのであ
る。
電極層17,17を設ければ、トンネル電流が、固定磁
性層21とフリー磁性層20間、及びフリー磁性層20
と固定磁性層21間の絶縁障壁層10内に流れるのであ
る。
【0154】また図5に示す電極層17,17は、各固
定磁性層21,22のトラック幅方向(図示X方向)の
外方側端部に接して設けられているが、これ以外の位置
に前記電極層17を設けることも可能である。
定磁性層21,22のトラック幅方向(図示X方向)の
外方側端部に接して設けられているが、これ以外の位置
に前記電極層17を設けることも可能である。
【0155】例えば前記電極層17を、各固定磁性層2
1,22の上に設けられた反強磁性層上に形成してもよ
いし、あるいは前記電極層17を、各固定磁性層21,
22の後端部側(ハイト方向側)、トラック幅方向の内
方側端部に設置してもよい。
1,22の上に設けられた反強磁性層上に形成してもよ
いし、あるいは前記電極層17を、各固定磁性層21,
22の後端部側(ハイト方向側)、トラック幅方向の内
方側端部に設置してもよい。
【0156】ところで、図5に示すように、電極層17
及び、ハードバイアス層19は、絶縁障壁層10の上に
設けられておらず、前記絶縁障壁層10の側面に形成さ
れていることがわかる。
及び、ハードバイアス層19は、絶縁障壁層10の上に
設けられておらず、前記絶縁障壁層10の側面に形成さ
れていることがわかる。
【0157】その理由は、仮に前記電極層17及びハー
ドバイアス層19が絶縁障壁層10上に形成され、前記
電極層17及びハードバイアス層19間が、間隔T1以
下であると、前記電極層17及びハードバイアス層19
間にトンネル電流が流れ易くなり、好ましくないからで
ある。
ドバイアス層19が絶縁障壁層10上に形成され、前記
電極層17及びハードバイアス層19間が、間隔T1以
下であると、前記電極層17及びハードバイアス層19
間にトンネル電流が流れ易くなり、好ましくないからで
ある。
【0158】換言すれば、前記電極層17及びハードバ
イアス層19間の間隔が、前記間隔T1以上で形成され
るなら、前記電極層17及びハードバイアス層19は、
絶縁障壁層10上に形成されてもよい。
イアス層19間の間隔が、前記間隔T1以上で形成され
るなら、前記電極層17及びハードバイアス層19は、
絶縁障壁層10上に形成されてもよい。
【0159】ところで図5に示す実施例では、上記の通
り、電極層17から流れる電流(トンネル電流)は、固
定磁性層21−固定磁性層21とフリー磁性層20間の
絶縁障壁層10−フリー磁性層20−フリー磁性層20
と固定磁性層22間の絶縁障壁層10−固定磁性層22
を経て流れ、このように前記電流は一方向に流れるよう
になっているが、前記電流を一方向に適切に流すために
は、固定磁性層21,22とフリー磁性層20との間隔
T1を、絶縁障壁層10内にトンネル電流が流れる程度
にまで狭めることと、さらに、固定磁性層21,22間
の間隔T2を広げ、前記間隔T2の絶縁障壁層10内
に、トンネル電流が流れないようにしなければならな
い。
り、電極層17から流れる電流(トンネル電流)は、固
定磁性層21−固定磁性層21とフリー磁性層20間の
絶縁障壁層10−フリー磁性層20−フリー磁性層20
と固定磁性層22間の絶縁障壁層10−固定磁性層22
を経て流れ、このように前記電流は一方向に流れるよう
になっているが、前記電流を一方向に適切に流すために
は、固定磁性層21,22とフリー磁性層20との間隔
T1を、絶縁障壁層10内にトンネル電流が流れる程度
にまで狭めることと、さらに、固定磁性層21,22間
の間隔T2を広げ、前記間隔T2の絶縁障壁層10内
に、トンネル電流が流れないようにしなければならな
い。
【0160】図5に示すように、2つの固定磁性層2
1,22間には、間隔T2が開けられているが、この間
隔T2が狭くなると、電極層17からの電流は、固定磁
性層21,22間の絶縁障壁層10内にも分流し、前記
固定磁性層21,22間でトンネル効果が生じてしま
う。
1,22間には、間隔T2が開けられているが、この間
隔T2が狭くなると、電極層17からの電流は、固定磁
性層21,22間の絶縁障壁層10内にも分流し、前記
固定磁性層21,22間でトンネル効果が生じてしま
う。
【0161】すなわち電極層17から流れる電流は、固
定磁性層21−フリー磁性層20−固定磁性層22を流
れるルートと、固定磁性層21−固定磁性層22を流れ
るルートの2ルートに分流し、その結果、抵抗変化率
(TMR比)を低下せしめ、再生特性を悪化させる原因
となる。
定磁性層21−フリー磁性層20−固定磁性層22を流
れるルートと、固定磁性層21−固定磁性層22を流れ
るルートの2ルートに分流し、その結果、抵抗変化率
(TMR比)を低下せしめ、再生特性を悪化させる原因
となる。
【0162】このため、電流は、固定磁性層21−フリ
ー磁性層20−固定磁性層22の一方向のみに適切に流
れるようにするために、固定磁性層21と22の間は、
トンネル電流が流れない程度に広げておかなければなら
ない。
ー磁性層20−固定磁性層22の一方向のみに適切に流
れるようにするために、固定磁性層21と22の間は、
トンネル電流が流れない程度に広げておかなければなら
ない。
【0163】また上記したように、前記電極層17,1
7は、各固定磁性層21,22のトラック幅方向の内方
側端部に形成されてもよいが、この場合においても、前
記電極層17,17間は、トンネル電流が流れない程度
に広げておかなければならない。
7は、各固定磁性層21,22のトラック幅方向の内方
側端部に形成されてもよいが、この場合においても、前
記電極層17,17間は、トンネル電流が流れない程度
に広げておかなければならない。
【0164】図6は、絶縁障壁層10上に3つの強磁性
層を平面的に並べて設けたトンネル型磁気抵抗効果型素
子の他の実施形態を示す部分平面図である。
層を平面的に並べて設けたトンネル型磁気抵抗効果型素
子の他の実施形態を示す部分平面図である。
【0165】図6に示すように、絶縁障壁層10上に
は、3つの強磁性層23,24,25が平面的に設置さ
れている。この実施例では、3つの強磁性層23,2
4,25がすべて、記録媒体との対向面に露出形成さ
れ、記録媒体との対向面からハイト方向(図示Y方向)
に並列的に設けられている。
は、3つの強磁性層23,24,25が平面的に設置さ
れている。この実施例では、3つの強磁性層23,2
4,25がすべて、記録媒体との対向面に露出形成さ
れ、記録媒体との対向面からハイト方向(図示Y方向)
に並列的に設けられている。
【0166】3つの強磁性層のうち、強磁性層23,2
5はフリー磁性層であり、強磁性層24は固定磁性層で
ある。
5はフリー磁性層であり、強磁性層24は固定磁性層で
ある。
【0167】前記固定磁性層24の上あるいは下には、
例えば図示しないX−Mn(ただしXは、Pt,Pd,
Ir,Rh,Ru,Osのうちいずれか1種または2種
以上の元素である)からなる反強磁性層が設けられ、前
記反強磁性層と固定磁性層24との間で発生する交換異
方性磁界により、前記固定磁性層24の磁化は図示Y方
向に固定される。
例えば図示しないX−Mn(ただしXは、Pt,Pd,
Ir,Rh,Ru,Osのうちいずれか1種または2種
以上の元素である)からなる反強磁性層が設けられ、前
記反強磁性層と固定磁性層24との間で発生する交換異
方性磁界により、前記固定磁性層24の磁化は図示Y方
向に固定される。
【0168】また2つのフリー磁性層23,25のトラ
ック幅方向(図示X方向)の外方側端部には、ハードバ
イアス層19,19が設けらている。前記ハードバイア
ス層19は図示X方向に磁化が固定されており、前記ハ
ードバイアス層19からのバイアス磁界により前記フリ
ー磁性層23,25の磁化は図示X方向に揃えられる。
ック幅方向(図示X方向)の外方側端部には、ハードバ
イアス層19,19が設けらている。前記ハードバイア
ス層19は図示X方向に磁化が固定されており、前記ハ
ードバイアス層19からのバイアス磁界により前記フリ
ー磁性層23,25の磁化は図示X方向に揃えられる。
【0169】なおハードバイアス層19に代えて、反強
磁性層を用いてエクスチェンジバイアス方式により、前
記フリー磁性層23,25の磁化を図示X方向に揃えて
も良い。
磁性層を用いてエクスチェンジバイアス方式により、前
記フリー磁性層23,25の磁化を図示X方向に揃えて
も良い。
【0170】図6に示すように、フリー磁性層23と固
定磁性層24との間、及び固定磁性層24とフリー磁性
層25との間には、間隔T1が開けられており、この間
隔T1は、フリー磁性層23と固定磁性層24間、及び
固定磁性層24とフリー磁性層25間に位置する絶縁障
壁層10内に、電流がトンネル電流として流れる程度の
大きさである。
定磁性層24との間、及び固定磁性層24とフリー磁性
層25との間には、間隔T1が開けられており、この間
隔T1は、フリー磁性層23と固定磁性層24間、及び
固定磁性層24とフリー磁性層25間に位置する絶縁障
壁層10内に、電流がトンネル電流として流れる程度の
大きさである。
【0171】図6に示すように、前記フリー磁性層2
3,25のトラック幅方向(図示X方向)の外方側端部
には、ハードバイアス層19を介して電極層17,17
が設けられている。前記電極層17は、これ以外の形成
位置であってもよく、例えば前記フリー磁性層23,2
5上に形成されてもよいし、あるいはフリー磁性層2
3,25の後端部(ハイト方向側)に設けられても良
い。
3,25のトラック幅方向(図示X方向)の外方側端部
には、ハードバイアス層19を介して電極層17,17
が設けられている。前記電極層17は、これ以外の形成
位置であってもよく、例えば前記フリー磁性層23,2
5上に形成されてもよいし、あるいはフリー磁性層2
3,25の後端部(ハイト方向側)に設けられても良
い。
【0172】そしてこの実施例では、前記電流は、フリ
ー磁性層23−フリー磁性層23と固定磁性層24間の
絶縁障壁層10−固定磁性層24−固定磁性層24とフ
リー磁性層25間の絶縁障壁層10−フリー磁性層25
を経てトンネル電流が、流れるようになっている。
ー磁性層23−フリー磁性層23と固定磁性層24間の
絶縁障壁層10−固定磁性層24−固定磁性層24とフ
リー磁性層25間の絶縁障壁層10−フリー磁性層25
を経てトンネル電流が、流れるようになっている。
【0173】以上のように図5及び図6に示す実施例で
は、絶縁障壁層10上に、3つの強磁性層を設け、共鳴
トンネル効果を利用して、抵抗値を低下させるものであ
る。
は、絶縁障壁層10上に、3つの強磁性層を設け、共鳴
トンネル効果を利用して、抵抗値を低下させるものであ
る。
【0174】共鳴トンネル効果に関しては、先に図14
で説明したように、絶縁障壁に挟まれた真ん中の強磁性
体M(図5で言えば、フリー磁性層20、図6で言え
ば、固定磁性層24)の束縛準位と、入射電子2のエネ
ルギーとが共鳴(一致)した場合に、電子2の透過率は
1になり、これによりトンネル電流が絶縁障壁層10を
流れる場合において、抵抗値を下げることが可能にな
る。
で説明したように、絶縁障壁に挟まれた真ん中の強磁性
体M(図5で言えば、フリー磁性層20、図6で言え
ば、固定磁性層24)の束縛準位と、入射電子2のエネ
ルギーとが共鳴(一致)した場合に、電子2の透過率は
1になり、これによりトンネル電流が絶縁障壁層10を
流れる場合において、抵抗値を下げることが可能にな
る。
【0175】ただし抵抗変化率を向上させるためには、
電流(トンネル電流)の強磁性層の通る順番を適正化す
る必要がある。適正化は、フリー磁性層と固定磁性層に
交互に電流が流れるようにすることで行なわれる。
電流(トンネル電流)の強磁性層の通る順番を適正化す
る必要がある。適正化は、フリー磁性層と固定磁性層に
交互に電流が流れるようにすることで行なわれる。
【0176】すなわち図5に示す実施例では、フリー磁
性層20が1つ、固定磁性層21,22が2つ設けられ
ているが、電流は、固定磁性層21−フリー磁性層20
−固定磁性層22の順番で流れ、フリー磁性層20と固
定磁性層21,22に交互に電流が流れるようになって
いる。
性層20が1つ、固定磁性層21,22が2つ設けられ
ているが、電流は、固定磁性層21−フリー磁性層20
−固定磁性層22の順番で流れ、フリー磁性層20と固
定磁性層21,22に交互に電流が流れるようになって
いる。
【0177】また図6に示す実施例では、フリー磁性層
23,25が2つ、固定磁性層24が1つ設けられてい
るが、電流は、フリー磁性層23−固定磁性層24−フ
リー磁性層25の順番で流れ、フリー磁性層23,25
と固定磁性層24に交互に電流が流れるようになってい
る。
23,25が2つ、固定磁性層24が1つ設けられてい
るが、電流は、フリー磁性層23−固定磁性層24−フ
リー磁性層25の順番で流れ、フリー磁性層23,25
と固定磁性層24に交互に電流が流れるようになってい
る。
【0178】このようにフリー磁性層と固定磁性層を、
電流が流れる順番において交互に設置することで、フリ
ー磁性層と固定磁性層を一層づつ設けた場合よりも大き
なトンネル効果が発揮されることになり、抵抗変化率
(TMR比)を向上させ得るものと考えられる。
電流が流れる順番において交互に設置することで、フリ
ー磁性層と固定磁性層を一層づつ設けた場合よりも大き
なトンネル効果が発揮されることになり、抵抗変化率
(TMR比)を向上させ得るものと考えられる。
【0179】しかしながら、電流の流れる順番が、固定
磁性層−固定磁性層−フリー磁性層、あるいはフリー磁
性層−フリー磁性層−固定磁性層のように、フリー磁性
層あるいは固定磁性層が2つ続けて設置される場合に
は、抵抗変化率(TMR比)は、フリー磁性層と固定磁
性層を1つづつ設けた場合(図2または図3参照)とほ
ぼ同等の値しか示さないと考えられるが、強磁性層を3
つ設けたことで、共鳴トンネル効果により、抵抗値の低
下を図ることは可能である。
磁性層−固定磁性層−フリー磁性層、あるいはフリー磁
性層−フリー磁性層−固定磁性層のように、フリー磁性
層あるいは固定磁性層が2つ続けて設置される場合に
は、抵抗変化率(TMR比)は、フリー磁性層と固定磁
性層を1つづつ設けた場合(図2または図3参照)とほ
ぼ同等の値しか示さないと考えられるが、強磁性層を3
つ設けたことで、共鳴トンネル効果により、抵抗値の低
下を図ることは可能である。
【0180】なお図5及び図6では、絶縁障壁層10及
び強磁性層の材質について説明を省略したが、前記絶縁
障壁層10及び強磁性層は、図1で説明した際の材質で
形成される。
び強磁性層の材質について説明を省略したが、前記絶縁
障壁層10及び強磁性層は、図1で説明した際の材質で
形成される。
【0181】以上のように図1ないし図6に示した本発
明におけるトンネル型磁気抵抗効果型素子は、少なくと
も2つの強磁性層が、絶縁障壁層10に直接的にあるい
は間接的に設置され、且つ前記絶縁障壁層10の膜面方
向に並べられているので、この構成によれば、従来のよ
うに強磁性層及び絶縁障壁層を順に積層したものに比
べ、ピンホール等の欠陥の少ない絶縁障壁層10を形成
でき、再現性の良い安定した出力を得ることができる。
明におけるトンネル型磁気抵抗効果型素子は、少なくと
も2つの強磁性層が、絶縁障壁層10に直接的にあるい
は間接的に設置され、且つ前記絶縁障壁層10の膜面方
向に並べられているので、この構成によれば、従来のよ
うに強磁性層及び絶縁障壁層を順に積層したものに比
べ、ピンホール等の欠陥の少ない絶縁障壁層10を形成
でき、再現性の良い安定した出力を得ることができる。
【0182】図7ないし図9は、本発明におけるトンネ
ル型磁気抵抗効果型素子の製造方法を示す一工程図であ
る。
ル型磁気抵抗効果型素子の製造方法を示す一工程図であ
る。
【0183】図7に示すように基板上に、膜厚H1を有
する金属層30、例えばAl層を形成する。
する金属層30、例えばAl層を形成する。
【0184】次に図7に示すように、前記金属層30
を、例えば酸素プラズマ法を用いて、酸素イオンを、前
記金属層30に衝突させることで、前記金属層30を酸
化していき、Al2O3(アルミナ)から成る絶縁障壁層
10を形成する。なお金属層30を酸化させる方法は、
酸素プラズマ法でなくてもよい。例えば純酸素自然酸化
法やその他の酸化法によって行うことも可能である。
を、例えば酸素プラズマ法を用いて、酸素イオンを、前
記金属層30に衝突させることで、前記金属層30を酸
化していき、Al2O3(アルミナ)から成る絶縁障壁層
10を形成する。なお金属層30を酸化させる方法は、
酸素プラズマ法でなくてもよい。例えば純酸素自然酸化
法やその他の酸化法によって行うことも可能である。
【0185】また前記金属層30は、その膜厚がH1で
形成されているが、本発明では前記膜厚H1を、従来に
おける積層型のトンネル型磁気抵抗効果型素子の絶縁障
壁層の膜厚よりも厚く形成することが可能である。
形成されているが、本発明では前記膜厚H1を、従来に
おける積層型のトンネル型磁気抵抗効果型素子の絶縁障
壁層の膜厚よりも厚く形成することが可能である。
【0186】すなわち従来において図16に示すように
積層型のトンネル型磁気抵抗効果型素子では、絶縁障壁
層6の膜面に対し垂直方向にトンネル電流が流れるよう
にするために、前記絶縁障壁層6の膜厚を、トンネル電
流が流れる程度の膜厚で薄く形成する必要があった。
積層型のトンネル型磁気抵抗効果型素子では、絶縁障壁
層6の膜面に対し垂直方向にトンネル電流が流れるよう
にするために、前記絶縁障壁層6の膜厚を、トンネル電
流が流れる程度の膜厚で薄く形成する必要があった。
【0187】しかしながら本発明において、絶縁障壁層
10を流れるトンネル電流は、前記絶縁障壁層10の膜
面に対し垂直方向に流れるわけではなく、膜面と平行な
方向に流れるのである。このため本発明では前記絶縁障
壁層10の膜厚H1を厚く形成してもよくなる。これに
より、絶縁障壁層10の形成工程を容易化することが可
能である。
10を流れるトンネル電流は、前記絶縁障壁層10の膜
面に対し垂直方向に流れるわけではなく、膜面と平行な
方向に流れるのである。このため本発明では前記絶縁障
壁層10の膜厚H1を厚く形成してもよくなる。これに
より、絶縁障壁層10の形成工程を容易化することが可
能である。
【0188】また従来のように、非常に薄い膜厚で絶縁
障壁層6を形成しなければならない場合では、前記絶縁
障壁層6にピンホール等の欠陥が生じ易いが、本発明で
は、絶縁障壁層10を厚い膜厚H1で形成できるので、
前記絶縁障壁層10にピンホール等の欠陥は生じにく
い。
障壁層6を形成しなければならない場合では、前記絶縁
障壁層6にピンホール等の欠陥が生じ易いが、本発明で
は、絶縁障壁層10を厚い膜厚H1で形成できるので、
前記絶縁障壁層10にピンホール等の欠陥は生じにく
い。
【0189】また本発明では、次工程で説明するよう
に、絶縁障壁層10を形成した後に、前記絶縁障壁層1
0上に強磁性層を形成するので、従来の積層型トンネル
型磁気抵抗効果型素子の場合のように、金属層を酸化す
る際に強磁性層まで酸化の影響を及ぼすという危険性は
無くなる。
に、絶縁障壁層10を形成した後に、前記絶縁障壁層1
0上に強磁性層を形成するので、従来の積層型トンネル
型磁気抵抗効果型素子の場合のように、金属層を酸化す
る際に強磁性層まで酸化の影響を及ぼすという危険性は
無くなる。
【0190】すなわち、図16に示す従来の積層型トン
ネル型磁気抵抗効果型素子では、金属層を酸化して絶縁
障壁層6を形成する場合に、酸化工程の時間や導入酸素
の圧力等を適性に調整しないと、酸化が金属層のみなら
ず、絶縁障壁層6の下側に設けられた強磁性層(フリー
磁性層)1表面にまで及び、あるいは金属層が完全に酸
化されずに、絶縁障壁層6に一部金属層が残る場合があ
る。このように強磁性層1までも酸化されたり、あるい
は金属層が一部残されると、抵抗変化率は小さくなり、
再生特性を悪化させる原因となる。特に積層型トンネル
型磁気抵抗効果型素子の場合は、絶縁障壁層6が非常に
薄い膜厚で形成されることから、酸化工程で、金属層の
みを適正に酸化して絶縁障壁層6を形成することは至難
の業である。
ネル型磁気抵抗効果型素子では、金属層を酸化して絶縁
障壁層6を形成する場合に、酸化工程の時間や導入酸素
の圧力等を適性に調整しないと、酸化が金属層のみなら
ず、絶縁障壁層6の下側に設けられた強磁性層(フリー
磁性層)1表面にまで及び、あるいは金属層が完全に酸
化されずに、絶縁障壁層6に一部金属層が残る場合があ
る。このように強磁性層1までも酸化されたり、あるい
は金属層が一部残されると、抵抗変化率は小さくなり、
再生特性を悪化させる原因となる。特に積層型トンネル
型磁気抵抗効果型素子の場合は、絶縁障壁層6が非常に
薄い膜厚で形成されることから、酸化工程で、金属層の
みを適正に酸化して絶縁障壁層6を形成することは至難
の業である。
【0191】一方本発明においては、基板上にまず絶縁
障壁層10を形成し、その後強磁性層を形成しようとす
るものだから、金属層30を酸化する工程の際に強磁性
層は存在しておらず、従って前記金属層30の酸化は、
強磁性層に悪影響を与えることなく行うことが可能であ
る。また、酸化時間やあるいは導入酸素の圧力を、ある
程度ラフに調整することができる。
障壁層10を形成し、その後強磁性層を形成しようとす
るものだから、金属層30を酸化する工程の際に強磁性
層は存在しておらず、従って前記金属層30の酸化は、
強磁性層に悪影響を与えることなく行うことが可能であ
る。また、酸化時間やあるいは導入酸素の圧力を、ある
程度ラフに調整することができる。
【0192】上記のように、絶縁障壁層10を形成した
後、図8に示すように、前記絶縁障壁層10上に、強磁
性層31をスパッタ等で成膜する。そして前記強磁性層
31上の所定箇所に、例えばレジスト層32を形成す
る。
後、図8に示すように、前記絶縁障壁層10上に、強磁
性層31をスパッタ等で成膜する。そして前記強磁性層
31上の所定箇所に、例えばレジスト層32を形成す
る。
【0193】図8に示すように、強磁性層31上に設け
られたレジスト層32,32間には、所定の間隔T1が
開けられている。この間隔T1は、絶縁障壁層10にト
ンネル電流を流すことができるか否かの重要な寸法であ
り、前記間隔T1が、あまり広く形成されると、強磁性
層間における絶縁障壁層10間にトンネル電流を流すこ
とができなくなるので、前記間隔T1は、高精度に加工
形成される必要がある。
られたレジスト層32,32間には、所定の間隔T1が
開けられている。この間隔T1は、絶縁障壁層10にト
ンネル電流を流すことができるか否かの重要な寸法であ
り、前記間隔T1が、あまり広く形成されると、強磁性
層間における絶縁障壁層10間にトンネル電流を流すこ
とができなくなるので、前記間隔T1は、高精度に加工
形成される必要がある。
【0194】なお前記レジスト層32に対する間隔T1
の形成は、露光現像によって行うことができる。
の形成は、露光現像によって行うことができる。
【0195】次に前記レジスト層32によって覆われて
いない強磁性層31を、エッチングにより除去し、さら
にその後前記レジスト層32を除去する。その状態を表
したのが図9である。
いない強磁性層31を、エッチングにより除去し、さら
にその後前記レジスト層32を除去する。その状態を表
したのが図9である。
【0196】図9に示すトンネル型磁気抵抗効果型素子
では、絶縁障壁層10上に、2つ強磁性層31,31が
平面的に設置されている。なお上記したエッチング工程
の際に、レジスト層32,32間の強磁性層31を削り
すぎ、絶縁障壁層10を若干削ってしまっても(図9に
示す点線部分10a)、トンネル効果等の特性を劣らし
めることにはならない。
では、絶縁障壁層10上に、2つ強磁性層31,31が
平面的に設置されている。なお上記したエッチング工程
の際に、レジスト層32,32間の強磁性層31を削り
すぎ、絶縁障壁層10を若干削ってしまっても(図9に
示す点線部分10a)、トンネル効果等の特性を劣らし
めることにはならない。
【0197】図9に示すトンネル型磁気抵抗効果型素子
を、例えばハードディスク装置に搭載される再生用ヘッ
ドとして用いる場合には、一方の強磁性層31を固定磁
性層とし、他方の強磁性層31をフリー磁性層にする。
固定磁性層31側には、反強磁性層を形成して、磁化を
所定の方向に固定し、フリー磁性層31側には、ハード
バイアス層か、あるいは反強磁性層によるエクスチェン
ジバイアス方式によって、磁化を固定磁性層31の固定
磁化と交叉する方向に揃える。さらに固定磁性層31及
びフリー磁性層31に電極層を設ける。
を、例えばハードディスク装置に搭載される再生用ヘッ
ドとして用いる場合には、一方の強磁性層31を固定磁
性層とし、他方の強磁性層31をフリー磁性層にする。
固定磁性層31側には、反強磁性層を形成して、磁化を
所定の方向に固定し、フリー磁性層31側には、ハード
バイアス層か、あるいは反強磁性層によるエクスチェン
ジバイアス方式によって、磁化を固定磁性層31の固定
磁化と交叉する方向に揃える。さらに固定磁性層31及
びフリー磁性層31に電極層を設ける。
【0198】なお、図8、図9に示すトンネル型磁気抵
抗効果型素子では、絶縁障壁層10上に2つの強磁性層
31が形成された製造工程を示しているが、3つ以上の
強磁性層31を形成する場合においても、図8、図9に
示す製造工程と全く同じ製造方法が使用される。
抗効果型素子では、絶縁障壁層10上に2つの強磁性層
31が形成された製造工程を示しているが、3つ以上の
強磁性層31を形成する場合においても、図8、図9に
示す製造工程と全く同じ製造方法が使用される。
【0199】ところで上記したように、絶縁障壁層10
の形成において、例えば金属Alからなる金属層31を
形成した後、前記金属層31を酸化して、Al2O3から
なる絶縁障壁層10を形成していたが、本発明では、絶
縁障壁層10を、金属及び/または半導体の酸化物の絶
縁材料で形成することができる。具体的には、前記絶縁
材料を、Al,Mg,Nb,Ni,Gd,Ge,Si,
Hfから選択された少なくとも一種以上の元素の酸化物
で形成することが好ましい。
の形成において、例えば金属Alからなる金属層31を
形成した後、前記金属層31を酸化して、Al2O3から
なる絶縁障壁層10を形成していたが、本発明では、絶
縁障壁層10を、金属及び/または半導体の酸化物の絶
縁材料で形成することができる。具体的には、前記絶縁
材料を、Al,Mg,Nb,Ni,Gd,Ge,Si,
Hfから選択された少なくとも一種以上の元素の酸化物
で形成することが好ましい。
【0200】製法としてはAl2O3と同様に、金属ある
いは半導体の層を形成した後、前記層を酸化することで
形成することができる。
いは半導体の層を形成した後、前記層を酸化することで
形成することができる。
【0201】あるいは例えばSiO2で絶縁障壁層10
を形成する場合には、SiO2のターゲットを用意し、
基板上に直接、SiO2からなる絶縁障壁層10を形成
すればよい。
を形成する場合には、SiO2のターゲットを用意し、
基板上に直接、SiO2からなる絶縁障壁層10を形成
すればよい。
【0202】従来において積層型トンネル型磁気抵抗効
果型素子のように、絶縁障壁層を薄い膜厚で形成しなけ
ればならない場合には、SiO2からなる絶縁障壁層を
スパッタで形成しても、ピンホール等の欠陥が生じ易か
ったが、本発明では、前記絶縁障壁層10をある程度厚
い膜厚H1で形成するので、前記絶縁障壁層10をSi
O2で形成した場合でも、前記絶縁障壁層10にピンホ
ール等の欠陥は生じにくい。
果型素子のように、絶縁障壁層を薄い膜厚で形成しなけ
ればならない場合には、SiO2からなる絶縁障壁層を
スパッタで形成しても、ピンホール等の欠陥が生じ易か
ったが、本発明では、前記絶縁障壁層10をある程度厚
い膜厚H1で形成するので、前記絶縁障壁層10をSi
O2で形成した場合でも、前記絶縁障壁層10にピンホ
ール等の欠陥は生じにくい。
【0203】また本発明では、上記したAl2O3やSi
O2などの絶縁材料に代えて、次の材料により絶縁障壁
層10を形成することが可能である。 (1)Mnイオンを含むペロフスカイト型酸化物R1-x
AxMnO3(Rは、La3+,Pr3+,Nd3+などの3価
希土類イオンから選ばれる1種または2種以上の元素、
Aは、Ca2+,Sr2+,Ba2+などの2価のアルカリ土
類イオンから選ばれる1種または2種以上の元素)。
O2などの絶縁材料に代えて、次の材料により絶縁障壁
層10を形成することが可能である。 (1)Mnイオンを含むペロフスカイト型酸化物R1-x
AxMnO3(Rは、La3+,Pr3+,Nd3+などの3価
希土類イオンから選ばれる1種または2種以上の元素、
Aは、Ca2+,Sr2+,Ba2+などの2価のアルカリ土
類イオンから選ばれる1種または2種以上の元素)。
【0204】上記ペロフスカイト酸化物R1-xAxMnO
3は、R及びAの含有量により、電気抵抗率を制御する
ことが可能である。
3は、R及びAの含有量により、電気抵抗率を制御する
ことが可能である。
【0205】結晶構造は、酸素イオンの作る八面体の中
心にMn3+イオンが配置され、このMnO6八面体ユニ
ットが各コーナー酸素を共有して3次元的なネットワー
クを作り、これが電気伝導の舞台となっている。
心にMn3+イオンが配置され、このMnO6八面体ユニ
ットが各コーナー酸素を共有して3次元的なネットワー
クを作り、これが電気伝導の舞台となっている。
【0206】一方、Rは前記ネットワークのいわば「隙
間」に配置され、このネットワークにAが固溶されるよ
うになっている。
間」に配置され、このネットワークにAが固溶されるよ
うになっている。
【0207】次に具体的な組成とその諸性質及び磁気的
性質について以下に述べることとする。
性質について以下に述べることとする。
【0208】RにLa3+を選択し、AにSr2+を選択し
た場合、組成比xは、0〜0.26以下であることが好
ましい。この範囲内であると、La1-xSrxMnO
3は、常温以上において上記組成比を適正に選択するこ
とで、あるいは約80℃以上であると、上記組成式であ
れば常磁性絶縁体相となるため、磁性を帯びず、しかも
電気的な絶縁も適切に図られることになる。
た場合、組成比xは、0〜0.26以下であることが好
ましい。この範囲内であると、La1-xSrxMnO
3は、常温以上において上記組成比を適正に選択するこ
とで、あるいは約80℃以上であると、上記組成式であ
れば常磁性絶縁体相となるため、磁性を帯びず、しかも
電気的な絶縁も適切に図られることになる。
【0209】ただし、組成比xが上記範囲内において大
きくなればなるほど、電気抵抗は急激に低下し、絶縁障
壁層10として使用不可能となる場合がある。
きくなればなるほど、電気抵抗は急激に低下し、絶縁障
壁層10として使用不可能となる場合がある。
【0210】前記絶縁障壁層10は、トンネル効果を適
切に発揮させるために、ある程度電気抵抗は大きくなけ
ればならない。前記電気抵抗があまりに低くなりすぎる
と、トンネル効果は失われ、抵抗変化率(TMR比)が
低下する。
切に発揮させるために、ある程度電気抵抗は大きくなけ
ればならない。前記電気抵抗があまりに低くなりすぎる
と、トンネル効果は失われ、抵抗変化率(TMR比)が
低下する。
【0211】あるいは、前記Rは、Pr3+で、AはCa
2+であることが好ましい。この範囲内であると、常温以
上にて、常磁性絶縁体層になることが知られている。 (2)絶縁体マトリックス中に、金属微粒子が分散した
グラニュラー構造材この材料であれば、絶縁体マトリッ
クス中に金属微粒子が分散しているので、Al2O3や
SiO2などの絶縁材料に比べて電気抵抗を小さくする
ことができる。なお前記絶縁体マトリックスには、Si
O2等が使用される。
2+であることが好ましい。この範囲内であると、常温以
上にて、常磁性絶縁体層になることが知られている。 (2)絶縁体マトリックス中に、金属微粒子が分散した
グラニュラー構造材この材料であれば、絶縁体マトリッ
クス中に金属微粒子が分散しているので、Al2O3や
SiO2などの絶縁材料に比べて電気抵抗を小さくする
ことができる。なお前記絶縁体マトリックスには、Si
O2等が使用される。
【0212】上記した(1)に示すペロフスカイト型酸
化物R1-xAxMnO3では、R及びAとして用いる元素
及びその組成比xを適切に選択することで、常磁性絶縁
体としての性質を維持しつつ、電気抵抗値を低減させる
ことができる。上記したように、LaMnO3にSrを
ドーピングして、一部のLaイオンをSrイオンに置換
し、前記ドーピング量を増やすことによって、電気抵抗
値を低下させることができる。
化物R1-xAxMnO3では、R及びAとして用いる元素
及びその組成比xを適切に選択することで、常磁性絶縁
体としての性質を維持しつつ、電気抵抗値を低減させる
ことができる。上記したように、LaMnO3にSrを
ドーピングして、一部のLaイオンをSrイオンに置換
し、前記ドーピング量を増やすことによって、電気抵抗
値を低下させることができる。
【0213】本発明では、絶縁障壁層10をペロフスカ
イト型酸化物R1-xAxMnO3で形成し、Al2O3等の
絶縁材料に比べて電気抵抗値を低減すれば、図1ないし
図6に示す強磁性層間の間隔T1を広げてもなお、適切
にトンネル効果を発揮できて高い抵抗変化率(TMR
比)を維持することができる。
イト型酸化物R1-xAxMnO3で形成し、Al2O3等の
絶縁材料に比べて電気抵抗値を低減すれば、図1ないし
図6に示す強磁性層間の間隔T1を広げてもなお、適切
にトンネル効果を発揮できて高い抵抗変化率(TMR
比)を維持することができる。
【0214】すなわち強磁性層間の間隔T1は、絶縁障
壁層10にAl2O3等の従来から一般的に用いられてい
る電気抵抗値の高い絶縁材料を使用した場合、適切にト
ンネル効果を発揮せしめるためには、非常に狭く形成す
る必要性があると考えられるが、現在の加工精度による
と、前記間隔T1を狭めるのにも、一定の限界がある。
壁層10にAl2O3等の従来から一般的に用いられてい
る電気抵抗値の高い絶縁材料を使用した場合、適切にト
ンネル効果を発揮せしめるためには、非常に狭く形成す
る必要性があると考えられるが、現在の加工精度による
と、前記間隔T1を狭めるのにも、一定の限界がある。
【0215】これに対し、絶縁障壁層10にペロフスカ
イト型酸化物R1-xAxMnO3を使用すれば、R及びA
の組成比により、適切にしかも容易に電気抵抗値を低下
させることができ、強磁性層間の間隔T1を広げてもト
ンネル効果を発揮し易くできるから、現在の加工精度の
範囲内での加工が可能になる。
イト型酸化物R1-xAxMnO3を使用すれば、R及びA
の組成比により、適切にしかも容易に電気抵抗値を低下
させることができ、強磁性層間の間隔T1を広げてもト
ンネル効果を発揮し易くできるから、現在の加工精度の
範囲内での加工が可能になる。
【0216】また上記(2)の障壁材を使用した場合
も、(1)と同様に、電気抵抗値の低下を図ることがで
きるから、強磁性層間の間隔T1を広げてもトンネル効
果を発揮し易くでき、現在の加工精度の範囲内での加工
が可能になる。
も、(1)と同様に、電気抵抗値の低下を図ることがで
きるから、強磁性層間の間隔T1を広げてもトンネル効
果を発揮し易くでき、現在の加工精度の範囲内での加工
が可能になる。
【0217】また本発明では、絶縁障壁層10上に形成
される強磁性層としては、上記したように、強磁性の金
属あるいは半金属を用いることが、抵抗変化率(TMR
比)の向上の観点から好ましい。特に半金属を使用した
場合には、分極率を1近くにできるから、理論上、抵抗
変化率(TMR比)を大きくすることが可能である。
される強磁性層としては、上記したように、強磁性の金
属あるいは半金属を用いることが、抵抗変化率(TMR
比)の向上の観点から好ましい。特に半金属を使用した
場合には、分極率を1近くにできるから、理論上、抵抗
変化率(TMR比)を大きくすることが可能である。
【0218】強磁性層としては、ペロフスカイト型酸化
物R1-xAxMnO3を使用することができる。上記した
ようにペロフスカイト型酸化物R1-xAxMnO3は、R
及びAに用いられる元素及びその組成比を選択すること
で、磁気的性質は変化し、例えばRにLa3+を使用し、
AにSr2+を使用した場合、組成比xを、0.17以上
にすると、La1-xSrxMnO3は強磁性金属となり、
強磁性層として使用が可能になる。
物R1-xAxMnO3を使用することができる。上記した
ようにペロフスカイト型酸化物R1-xAxMnO3は、R
及びAに用いられる元素及びその組成比を選択すること
で、磁気的性質は変化し、例えばRにLa3+を使用し、
AにSr2+を使用した場合、組成比xを、0.17以上
にすると、La1-xSrxMnO3は強磁性金属となり、
強磁性層として使用が可能になる。
【0219】上記したペロフスカイト型酸化物R1-xAx
MnO3を強磁性層として使用することの利点は、絶縁
障壁層10にも常磁性絶縁体からなるペロフスカイト型
酸化物R1-xAxMnO3を使用した場合に、絶縁障壁層
10及び強磁性層をエピタキシャル成長により形成する
ことができ、薄くて平滑な前記絶縁障壁層10を形成す
ることができることである。
MnO3を強磁性層として使用することの利点は、絶縁
障壁層10にも常磁性絶縁体からなるペロフスカイト型
酸化物R1-xAxMnO3を使用した場合に、絶縁障壁層
10及び強磁性層をエピタキシャル成長により形成する
ことができ、薄くて平滑な前記絶縁障壁層10を形成す
ることができることである。
【0220】また上記したペロフスカイト型酸化物R
1-xAxMnO3や、絶縁体マトリックス中に、金属微粒
子が分散したグラニュラー構造材、あるいはAl2O3よ
うに金属層を形成し前記金属層を酸化して絶縁障壁層を
形成する以外のもの、例えばSiO2等を絶縁障壁層1
0として使用する場合には、次のような効果も発揮され
る。
1-xAxMnO3や、絶縁体マトリックス中に、金属微粒
子が分散したグラニュラー構造材、あるいはAl2O3よ
うに金属層を形成し前記金属層を酸化して絶縁障壁層を
形成する以外のもの、例えばSiO2等を絶縁障壁層1
0として使用する場合には、次のような効果も発揮され
る。
【0221】すなわちAl2O3のように、金属層を形成
し前記金属層を酸化して絶縁障壁層10を形成する構成
の場合には、まず最初に絶縁障壁層10を形成した後、
前記絶縁障壁層10上に強磁性層を形成しなければなら
なかった。
し前記金属層を酸化して絶縁障壁層10を形成する構成
の場合には、まず最初に絶縁障壁層10を形成した後、
前記絶縁障壁層10上に強磁性層を形成しなければなら
なかった。
【0222】しかしながら、酸化を必要としないSiO
2やペロフスカイト型酸化物R1-xA xMnO3あるいは、
絶縁体マトリックス中に、金属微粒子が分散したグラニ
ュラー構造材を絶縁障壁層10として使用した場合に
は、最初に強磁性層を形成した後、前記強磁性層の上に
絶縁障壁層10を形成することも可能である。
2やペロフスカイト型酸化物R1-xA xMnO3あるいは、
絶縁体マトリックス中に、金属微粒子が分散したグラニ
ュラー構造材を絶縁障壁層10として使用した場合に
は、最初に強磁性層を形成した後、前記強磁性層の上に
絶縁障壁層10を形成することも可能である。
【0223】その製造方法は図10ないし図12に示さ
れている。すなわちまず図10に示すように、基板上に
強磁性層31を形成した後、所定の間隔T1が開けられ
たレジスト層32を、前記強磁性層31上に設け、前記
レジスト層32に覆われていない強磁性層31をエッチ
ングで除去する。
れている。すなわちまず図10に示すように、基板上に
強磁性層31を形成した後、所定の間隔T1が開けられ
たレジスト層32を、前記強磁性層31上に設け、前記
レジスト層32に覆われていない強磁性層31をエッチ
ングで除去する。
【0224】次に図11に示す工程では、前記間隔T1
内やその他の部分を絶縁層33で埋めた後、図12に示
すように、前記強磁性層31上に絶縁障壁層10を形成
するのである。
内やその他の部分を絶縁層33で埋めた後、図12に示
すように、前記強磁性層31上に絶縁障壁層10を形成
するのである。
【0225】上記製造方法であれば、前記絶縁障壁層1
0の膜厚を厚く形成することができるから、前記絶縁障
壁層10にピンホール等が無く形成でき、特性の安定し
たトンネル型磁気抵抗効果型素子を製造することが可能
になる。
0の膜厚を厚く形成することができるから、前記絶縁障
壁層10にピンホール等が無く形成でき、特性の安定し
たトンネル型磁気抵抗効果型素子を製造することが可能
になる。
【0226】以上詳述した本発明におけるトンネル型磁
気抵抗効果型素子は、ハードディスク装置内に搭載され
る再生用ヘッドとして使用できる他、MRAM等のメモ
リとして使用することができる。
気抵抗効果型素子は、ハードディスク装置内に搭載され
る再生用ヘッドとして使用できる他、MRAM等のメモ
リとして使用することができる。
【0227】また前記トンネル型磁気抵抗効果型素子を
使用した再生用ヘッドは、摺動型であってもよいし浮上
型であってもどちらでもよい。
使用した再生用ヘッドは、摺動型であってもよいし浮上
型であってもどちらでもよい。
【0228】
【発明の効果】以上詳述した本発明によれば、絶縁障壁
層に、少なくとも2つの強磁性層を、直接的にあるいは
間接的に設置し、しかも前記絶縁障壁層の膜面方向に並
べ、前記強磁性層間にトンネル効果を発揮し得る程度の
間隔を開けることで、前記絶縁障壁層をピンホール等の
欠陥なく形成でき、高い再現性を得ることができる。
層に、少なくとも2つの強磁性層を、直接的にあるいは
間接的に設置し、しかも前記絶縁障壁層の膜面方向に並
べ、前記強磁性層間にトンネル効果を発揮し得る程度の
間隔を開けることで、前記絶縁障壁層をピンホール等の
欠陥なく形成でき、高い再現性を得ることができる。
【0229】また、前記絶縁障壁層にAl2O3等を使用
した場合には、金属層を形成し前記金属層を酸化して絶
縁障壁層を形成することになるが、この場合、本発明に
よれば、まず絶縁障壁層を形成し、その上に強磁性層を
形成することになるから、前記絶縁障壁層の膜厚を厚く
形成でき、ピンホール等の欠陥の発生を抑制できると同
時に、金属層を酸化する際に強磁性層に酸化の影響を与
えることもなく、特性の良いトンネル型磁気抵抗効果型
素子を製造することができる。
した場合には、金属層を形成し前記金属層を酸化して絶
縁障壁層を形成することになるが、この場合、本発明に
よれば、まず絶縁障壁層を形成し、その上に強磁性層を
形成することになるから、前記絶縁障壁層の膜厚を厚く
形成でき、ピンホール等の欠陥の発生を抑制できると同
時に、金属層を酸化する際に強磁性層に酸化の影響を与
えることもなく、特性の良いトンネル型磁気抵抗効果型
素子を製造することができる。
【0230】また強磁性層を3つ形成した場合には、共
鳴トンネル効果により、抵抗値を低減させることが可能
である。
鳴トンネル効果により、抵抗値を低減させることが可能
である。
【0231】さらに組成比等を適正に選択したペロフス
カイト型酸化物R1-xAxMnO3を絶縁障壁層及び強磁
性層に使用すれば、エピタキシャル成長により形成する
ことができるので、薄くて平滑な前記絶縁障壁層を形成
することが可能になる。
カイト型酸化物R1-xAxMnO3を絶縁障壁層及び強磁
性層に使用すれば、エピタキシャル成長により形成する
ことができるので、薄くて平滑な前記絶縁障壁層を形成
することが可能になる。
【図1】本発明におけるトンネル型磁気抵抗効果型素子
の基本的な構造を示す部分模式図、
の基本的な構造を示す部分模式図、
【図2】本発明におけるハードディスク装置に搭載され
る再生用ヘッドとしてのトンネル型磁気抵抗効果型素子
を、記録媒体との対向面から見た部分模式図、
る再生用ヘッドとしてのトンネル型磁気抵抗効果型素子
を、記録媒体との対向面から見た部分模式図、
【図3】本発明におけるハードディスク装置に搭載され
る再生用ヘッドとしての他のトンネル型磁気抵抗効果型
素子を、記録媒体との対向面から見た部分模式図、
る再生用ヘッドとしての他のトンネル型磁気抵抗効果型
素子を、記録媒体との対向面から見た部分模式図、
【図4】本発明におけるハードディスク装置に搭載され
る再生用ヘッドとしての他のトンネル型磁気抵抗効果型
素子を、上から見た部分平面図、
る再生用ヘッドとしての他のトンネル型磁気抵抗効果型
素子を、上から見た部分平面図、
【図5】本発明におけるハードディスク装置に搭載され
る再生用ヘッドとしての他のトンネル型磁気抵抗効果型
素子を、上から見た部分平面図、
る再生用ヘッドとしての他のトンネル型磁気抵抗効果型
素子を、上から見た部分平面図、
【図6】本発明におけるハードディスク装置に搭載され
る再生用ヘッドとしての他のトンネル型磁気抵抗効果型
素子を、上から見た部分平面図、
る再生用ヘッドとしての他のトンネル型磁気抵抗効果型
素子を、上から見た部分平面図、
【図7】本発明におけるトンネル型磁気抵抗効果型素子
の製造方法を示す一工程図、
の製造方法を示す一工程図、
【図8】図7の次に行なわれる一工程図、
【図9】図8の次に行なわれる一工程図、
【図10】本発明の他のトンネル型磁気抵抗効果型素子
の製造方法を示す一工程図、
の製造方法を示す一工程図、
【図11】図10の次に行なわれる一工程図、
【図12】図11の次に行なわれる一工程図、
【図13】強磁性体L/絶縁障壁/強磁性体Rの3層膜
からなるトンネル型磁気抵抗効果型素子の、トンネル効
果の基本原理を示す説明図、
からなるトンネル型磁気抵抗効果型素子の、トンネル効
果の基本原理を示す説明図、
【図14】強磁性体L/絶縁障壁/強磁性体M/絶縁障
壁/強磁性体Rの5層膜からなるトンネル型磁気抵抗効
果型素子の、共鳴トンネル効果の基本原理を示す説明
図、
壁/強磁性体Rの5層膜からなるトンネル型磁気抵抗効
果型素子の、共鳴トンネル効果の基本原理を示す説明
図、
【図15】従来のGMR素子(スピンバルブ膜)の構造
を示す部分模式図、
を示す部分模式図、
【図16】従来のトンネル型磁気抵抗効果型素子の構造
を示す部分模式図、
を示す部分模式図、
10 絶縁障壁層 11、12、31 強磁性層 13、21、22、24 固定磁性層 14、20、23、25 フリー磁性層 15、16 反強磁性層 17 電極層 19 ハードバイアス層 30 金属層 32 レジスト層
Claims (28)
- 【請求項1】 絶縁障壁層と、この絶縁障壁層に直接的
にあるいは間接的に設置され、前記絶縁障壁層の膜面方
向に並べられた少なくとも2つ以上の強磁性層と、一対
の電極層とを有し、 前記強磁性層間には所定の間隔が開けられ、前記間隔
は、一方の前記電極層から強磁性層に流れた電流が、前
記絶縁障壁層を通って他の強磁性層へ至るトンネル効果
を発揮し得る大きさであることを特徴とするトンネル型
磁気抵抗効果型素子。 - 【請求項2】 少なくとも2つの強磁性層のうち、少な
くとも一つは磁化方向が所定方向に固定された固定磁性
層であり、少なくとも一つは前記固定磁性層の磁化方向
と交叉する方向に磁化が揃えられたフリー磁性層である
請求項1記載のトンネル型磁気抵抗効果型素子。 - 【請求項3】 少なくとも前記フリー磁性層は、記録媒
体との対向面に露出形成されている請求項2記載のトン
ネル型磁気抵抗効果型素子。 - 【請求項4】 前記固定磁性層には反強磁性層が接して
形成され、前記反強磁性層と固定磁性層間に発生する交
換異方性磁界により前記固定磁性層の磁化が所定方向に
固定される請求項2または3に記載のトンネル型磁気抵
抗効果型素子。 - 【請求項5】 前記フリー磁性層の少なくとも一方の端
部には、反強磁性層が接して形成され、前記フリー磁性
層と反強磁性層間に発生する交換異方性磁界により前記
フリー磁性層の磁化は、固定磁性層の磁化と交叉する方
向に揃えられる請求項2ないし4のいずれかに記載のト
ンネル型磁気抵抗効果型素子。 - 【請求項6】 前記フリー磁性層のトラック幅方向の両
側、あるいは片側にバイアス層が設けられ、前記バイア
ス層からのバイアス磁界により、前記フリー磁性層の磁
化は、固定磁性層の磁化方向と交叉する方向に揃えられ
る請求項2または3に記載のトンネル型磁気抵抗効果型
素子。 - 【請求項7】 強磁性層は3つ設けられ、1つはフリー
磁性層で、2つは固定磁性層であり、前記フリー磁性層
と固定磁性層は、電極層からの電流が、前記絶縁障壁層
を経て、一方の固定磁性層−フリー磁性層−他方の固定
磁性層の順に流れるように所定の間隔を開けて設置され
る請求項2ないし6のいずれかに記載のトンネル型磁気
抵抗効果型素子。 - 【請求項8】 一対の電極層はそれぞれ、各固定磁性層
に直接的にあるいは間接的に接して設けられる請求項7
記載のトンネル型磁気抵抗効果型素子。 - 【請求項9】 強磁性層は3つ設けられ、2つはフリー
磁性層で、1つは固定磁性層であり、前記フリー磁性層
と固定磁性層は、電極層からの電流が、前記絶縁障壁層
を経て、一方のフリー磁性層−固定磁性層−他方のフリ
ー磁性層の順に流れるように所定の間隔を開けて設置さ
れる請求項2ないし6のいずれかに記載のトンネル型磁
気抵抗効果型素子。 - 【請求項10】 一対の電極層はそれぞれ、各フリー磁
性層に直接的にあるいは間接的に接して設けられる請求
項9記載のトンネル型磁気抵抗効果型素子。 - 【請求項11】 前記反強磁性層は、X−Mn合金(た
だしXは、Pt,Pd,Ir,Rh,Ru,Osのうち
いずれか1種または2種以上の元素である)で形成され
ている請求項2ないし9のいずれかに記載のトンネル型
磁気抵抗効果型素子。 - 【請求項12】 前記強磁性層は、強磁性の金属あるい
は半金属で形成される請求項1ないし11のいずれかに
記載のトンネル型磁気抵抗効果型素子。 - 【請求項13】 前記強磁性層は、NiFe合金、Co
Fe合金、Co合金、CoNiFe合金のいずれか1
種、または2種以上で形成される請求項12記載のトン
ネル型磁気抵抗効果型素子。 - 【請求項14】 前記強磁性層は、ペロフスカイト型酸
化物R1-xAxMnO 3(Rは、La3+,Pr3+,Nd3+な
どの3価希土類イオンから選ばれる1種または2種以上
の元素、Aは、Ca2+,Sr2+,Ba2+などの2価のア
ルカリ土類イオンから選ばれる1種または2種以上の元
素)で形成された強磁性金属あるいは半金属である請求
項12記載のトンネル型磁気抵抗効果型素子。 - 【請求項15】 前記Rは、La3+で、AはSr2+であ
り、組成比xは、0.17以上である請求項14記載の
トンネル型磁気抵抗効果型素子。 - 【請求項16】 前記強磁性層は、組成A2MnXある
いはAMnX(ただしAは、Cu,Au,Pd,Ni,
Coのうち1種または2種以上、Xは、Al,In,S
n,Ga,Ge,Sb,Siのうち1種または2種以
上)からなるホイスラー合金で形成される請求項12記
載のトンネル型磁気抵抗効果型素子。 - 【請求項17】 前記絶縁障壁層は、金属及び/または
半導体の酸化物の絶縁材料で形成されている請求項1な
いし16のいずれかに記載のトンネル型磁気抵抗効果型
素子。 - 【請求項18】 前記絶縁材料は、Al,Mg,Nb,
Ni,Gd,Ge,Si,Hfから選択された少なくと
も一種以上の元素の酸化物である請求項17記載のトン
ネル型磁気抵抗効果型素子。 - 【請求項19】 前記絶縁障壁層は、ペロフスカイト型
酸化物R1-xAxMnO3(Rは、La3+,Pr3+,Nd3+
などの3価希土類イオンから選ばれる1種または2種以
上の元素、Aは、Ca2+,Sr2+,Ba2+などの2価の
アルカリ土類イオンから選ばれる1種または2種以上の
元素)で形成された常磁性絶縁体である請求項1ないし
16のいずれかに記載のトンネル型磁気抵抗効果型素
子。 - 【請求項20】 前記Rは、La3+で、AはSr2+であ
り、組成比xは、0.26以下である請求項19記載の
トンネル型磁気抵抗効果型素子。 - 【請求項21】 前記Rは、Pr3+で、AはCa2+であ
る請求項19記載のトンネル型磁気抵抗効果型素子。 - 【請求項22】 前記絶縁障壁層は、絶縁体マトリック
ス中に金属微粒子が分散したグラニュラー構造材である
請求項1ないし16のいずれかに記載のトンネル型磁気
抵抗効果型素子。 - 【請求項23】 (a)基板上に金属層を形成する工程
と、(b)前記金属層を酸化して絶縁障壁層を形成する
工程と、(c)前記絶縁障壁層上に強磁性層を形成する
工程と、(d)絶縁障壁層内に電流がトンネルし、トン
ネル効果を発揮し得る程度の間隔を前記強磁性層間に形
成する工程と、を有することを特徴とするトンネル型磁
気抵抗効果型素子の製造方法。 - 【請求項24】 (e)基板上に、ペロフスカイト型酸
化物R1-xAxMnO 3(Rは、La3+,Pr3+,Nd3+な
どの3価希土類イオンから選ばれる1種または2種以上
の元素、Aは、Ca2+,Sr2+,Ba2+などの2価のア
ルカリ土類イオンから選ばれる1種または2種以上の元
素)からなる常磁性絶縁体の絶縁障壁層を形成する工程
と、(f)前記絶縁障壁層上に、ペロフスカイト型酸化
物R1-xAxMnO3からなる強磁性金属あるいは半金属
の強磁性層を形成する工程と、(g)絶縁障壁層内に電
流がトンネルし、トンネル効果を発揮し得る程度の間隔
を前記強磁性層間に形成する工程と、を有することを特
徴とするトンネル型磁気抵抗効果型素子の製造方法。 - 【請求項25】 先に(f)工程における強磁性層を基
板上に形成した後、(g)工程にて、前記強磁性層間に
間隔を形成し、最後に(e)工程における絶縁障壁層
を、強磁性層上に形成する請求項24記載のトンネル型
磁気抵抗効果型素子の製造方法。 - 【請求項26】 (e)工程における絶縁障壁層を形成
するためのペロフスカイト型酸化物R1-xAxMnO
3を、Rに、La3+、AにSr2+を選択し、組成比x
を、0.26以下とする請求項24または25に記載の
トンネル型磁気抵抗効果型素子の製造方法。 - 【請求項27】 (e)工程における絶縁障壁層を形成
するためのペロフスカイト型酸化物R1-xAxMnO
3を、Rに、Pr3+、AにCa2+を選択する請求項
24または25に記載のトンネル型磁気抵抗効果型素子
の製造方法。 - 【請求項28】 (f)工程における強磁性層を形成す
るためのペロフスカイト型酸化物R1-xAxMnO3を、
Rに、La3+、AにSr2+を選択し、組成比xを0.1
7以上とする請求項24ないし27のいずれかに記載の
トンネル型磁気抵抗効果型素子の製造方法。
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