JP2002204002A - スピントンネル磁気抵抗効果膜及び素子及びそれを用いた磁気抵抗センサー、及び磁気装置及びその製造方法 - Google Patents
スピントンネル磁気抵抗効果膜及び素子及びそれを用いた磁気抵抗センサー、及び磁気装置及びその製造方法Info
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Abstract
ド適用に十分な低抵抗を示し、ゼロ磁場前後で直線的に
大きな磁界感度を示すスピントンネル磁気抵抗効果膜、
スピントンネル磁気抵抗効果素子、及びそれを用いた磁
気装置を提供することを目的とする。 【構成】 反強磁性体と交換結合して交換バイアスを与
えられた磁性薄膜と磁界を検知する磁性薄膜がトンネル
バリア層を介して積層されたスピントンネル磁気抵抗効
果膜において、下地層(Ta, Zr, Hf)上に磁性薄膜または
反強磁性薄膜(PtMn, PdMn, NiMn)を積層し、表面の凹凸
を0.1から5オングストロームとする。この時表面凹
凸を制御する手段が、成膜室に10-6Torrから10-9To
rr分圧の酸素、窒素、水素あるいはこれらの混合ガスを
導入する、あるいは、成膜中に基板温度を0℃以下にす
る、あるいは下地層表面を酸化することによることを特
徴とする。また、下部電極材料として、高透磁率アモル
ファス磁性材料と非磁性金属導電層との積層膜を用いる
ことを特徴とする。
Description
た情報である磁界強度を信号として読みとるためのスピ
ントンネル磁気抵抗効果素子およびそれに用いるスピン
トンネル磁気抵抗効果膜に関し、更に詳しくは小さい外
部磁界で大きな出力を実現するスピントンネル磁気抵抗
効果膜、スピントンネル磁気抵抗効果素子、及びその素
子を用いたスピントンネル磁気抵抗センサ及び磁気装置
に関するものである。
間に数nm厚の薄い絶縁体からなるトンネルバリア層を挟
んだ構造を持つ。この素子では強磁性層間に一定の電流
を流した状態で強磁性層面内に外部磁界を印加した場
合、両磁性層の磁化の相対角度に応じて抵抗値が変化す
る磁気抵抗効果現象が現れる。この磁化の向きが平行で
ある場合には抵抗値は最小となり、反平行である場合に
は抵抗値がその角度に応じて変化し、磁化の向きが逆向
きとなると最大となる。
とによって、外部磁界の強さに応じて磁化の平行および
反平行状態を実現できるため、抵抗値の変化による磁界
検出が可能となる。磁界感度を決める磁気抵抗変化率
は、二つの強磁性層の分極率をP1, P2とすると、2P1P2/
(1-P1P2)で表される。この式は、双方の分極率が大きい
程磁気抵抗変化率が大きくなることを意味している。近
年、トンネルバリア層の品質の向上により、20%とい
う理論値に近い磁気抵抗変化率を示す強磁性トンネル接
合が得られるようになったことから、磁気ヘッドや磁気
メモリへの応用の可能性が高まってきている。
いる代表例として、「1996年4月、ジャーナル・オブ・
アプライド・フィジックス、79巻、4724から4729頁 (J
ournal of Applied Physics, vol. 79, 4724〜4729, 19
96)」、「1997年、ジャーナル・オブ・アプライド・フ
ィジックス、81巻、3741-3746頁、(Journal of Applied
Physics, vol. 81, 3741-3746)」がある。この報告例
では、Si基板上に20 nmのPt電極を積層し、その上に4 n
mのNiFe層、10nmのFeMn層、8 nmのNiFe層、1-3nmのAlを
成膜後、酸素プラズマによりAl酸化膜を形成し、続いて
上部電極としての8 nmのNiFe層に交換結合磁界を付与し
ている。この素子において、室温で22%の高い磁気抵抗
変化率が得られている。
ーズ、72巻、605-607頁、1998年(Applied Physics Lett
ers, vol. 72, 605-607, 1998)」では、NiOを反強磁性
材料として採用したCo/Al2O3/Co/NiOなる構成の強磁性
トンネル接合素子で、室温で17%の磁気抵抗変化率を報
告している。また、「アイ・イー・イー・イー・トラン
ザクション・オン・マグネティックス、33巻、3553-355
5頁、1997年 (IEEETransactions on Magnetics, vol. 3
3, 3553-3555, 1997)」では、FeMnを反強磁性体として
用いたNiFe/Co/Al-AlOx/Co/NiFe/FeMn/NiFeなる構成の
強磁性トンネル接合素子で、室温で最大24%の磁気抵
抗変化率を観測し、その磁気ヒステリシスもスピンバル
ブと同様なものが得られたことを報告している。
定する方法は、スピンバルブ膜で従来用いられており、
これらの報告例は、この方法を強磁性トンネル接合に適
用したものであると言える。
膜と同様なものが得られており、ゼロ磁場付近でのヒス
テリシスが低減される。従って、保磁力差型の強磁性ト
ンネル接合に比べて、磁気センサー等のデバイス応用に
適した構成となっている。
ドに適用するためには、このように一方の強磁性体を反
強磁性体で交換バイアスしたスピンバルブ的な構造を有
することが好ましいが、そこで用いられる反強磁性体
は、デバイス動作上支障のない熱安定性、ならびにデバ
イス作製プロセスにおける高い耐食性が要求される。し
かし、上述した報告例は、ブロッキング温度(交換結合
磁界の消失する温度)の低いFeMn(ブロッキング温度1
50℃)、NiO (ブロッキング温度200℃)を用いて
いるため、熱安定性の面で不十分である。
子動作時の温度上昇によってピン層磁化を固定する磁界
が弱まり、環境からの磁場(センス電流等から生じる磁
場など)の影響で、ピン層磁化方向が変化するなどの結
果、その磁場感度が低下してしまうからである。なお、
ブロッキング温度の高い反強磁性体を用いた場合は、素
子の温度が上昇しても、ピン層の磁化方向が変化しにく
く、感度が落ちにくい。また、特にFeMnは腐食されやす
いという欠点もあり、デバイス作製プロセス上も問題点
を残している。
を有する反強磁性体として、PtMn、PdMn、NiMnに代表さ
れるMn系規則合金がある。これらMn系規則合金の反強磁
性体は、その高いブロッキング温度ゆえに熱安定性に優
れ、かつ良好な耐食性も兼ね備えているため、強磁性ト
ンネル接合素子を磁気ヘッド等のデバイスに応用する場
合、極めて有利な材料系であると言える。
態で交換結合磁界が出現しない。なぜなら成膜直後の状
態では、これらの材料が不規則相となっているためであ
る。
結合磁界を出現させるために、従来よりも高温で、長時
間の磁場中熱処理( PtMnで250℃、PdMnで230
℃、NiMnで270℃以上、5時間程度)が必要である。
ピントンネル磁気抵抗効果素子においても、小さい外部
磁場で動作するとは言え、実用的なセンサー、磁気ヘッ
ドとして使用する場合、FeMnのネール温度が低く、素子
の熱安定性に問題があった。反強磁性薄膜としてネール
温度の高いPtMn, PdMn, NiMnなどを用いる場合、反強磁
性相(規則相)を得るために適当な熱処理が必要であ
り、この熱処理によりトンネルバリア層中の酸素あるい
は窒素が磁性薄膜中へ拡散し、抵抗変化率すなわち素子
とした時の出力が低下してしまうという問題があった。
造方法では、スピントンネル素子の抵抗が100Ω以上
と非常に大きく、磁気抵抗検出システムにおける高周波
応答特性の劣化やショットノイズの影響により、高記録
密度において十分なS/Nが得られないという問題があ
った。
薄層化し素子抵抗を低下させた場合、ピンホールの影響
により電流リークが発生し、磁気抵抗変化率が低下して
しまうという問題があった。
報が知られているが、当該公報では、下シールド層の表
面粗度を3nm以下とした磁気抵抗効果素子に関して記
載されてはいるが、係る技術に於いては下シールド層の
表面粗度を3nm以下としても、実質的にトンネルバリ
ア層の表面に与える影響は少なく、目的とする磁気抵抗
効果素子は得られなかった。
化しても磁気抵抗変化率が低下せず、高周波応答特性、
熱安定性に優れ、磁気ヘッド適用に十分な低抵抗を示
し、ゼロ磁場前後で直線的に大きな磁界感度を示すスピ
ントンネル磁気抵抗効果膜およびスピントンネル磁気抵
抗効果素子を提供することにある。
の磁性薄膜がトンネルバリア層を介して積層された構成
からなり、このトンネルバリア層を介して積層された一
方の磁性薄膜(第1の磁性薄膜)に反強磁性薄膜が隣接
して設けてあり、この反強磁性薄膜によるバイアス磁界
をHr、他方の磁性薄膜(第2の磁性薄膜)の保磁力をHc
2 とした時、Hc2 < Hrであることを特徴とするスピント
ンネル磁気抵抗効果膜における、下地層および積層構成
および作製方法に関する。
の平坦性と多層膜における界面を明確にする働きを示
し、Ta, Hf, Zrまたはこれらの合金が望ましい。この時
下地層としてTa, Hf, Zrまたはこれらの合金を用いる場
合、膜厚は10から100オングストロームが望まし
い。膜厚が10オングストローム以下では下地層として
の効果が損なわれ、また100オングストローム以上で
は下地層がアモルファス状態から結晶状態へと変化し、
下地としての効果が小さくなるためである。
なくとも一層からなる磁性薄膜を積層し、この磁性薄膜
の表面の平均凹凸を0.1から5オングストロームとし
ていることを特徴とする。これにより、この上に積層し
たトンネルバリア層の連続性すなわち膜厚の均一性が保
たれると共に、トンネルバリア層との界面における磁性
薄膜の酸化が抑制され、より大きな抵抗変化が得られ
る。また、これによりトンネルバリア層の熱処理による
劣化が改善される。
は、PtMn, PtMn-X(XはRu, Ir, Cr,Fe,Co, Ni, Pd, Rh),
PdMn, NiMnまたはこれらの少なくとも2種から選択さ
れる合金とすることが好ましい。また、この反強磁性薄
膜の膜厚は50から350オングストローム程度が望ま
しい。
強磁性薄膜の相変化が不十分となり、十分な交換バイア
ス磁界が得られない。交換バイアス磁界を得る上で膜厚
の上限は特にはないが、350オングストローム以上と
するとスピントンネル磁気抵抗効果素子におけるシール
ド間の間隔が大きくなり、外部信号の読取り精度が悪く
なってしまう。
性層を積層することにより、スピントンネル磁気抵抗効
果膜における層構造の平坦性が改善され、大きな磁気抵
抗変化率を得ることが可能である。反強磁性層の表面の
平均凹凸は、この下地にTa,Hf, Zrまたはこれらの合金
を用いることにより改善され、特に0.1から5オング
ストローム程度とすることが望ましい。反強磁性層の平
均凹凸が5オングストロームを超えた場合、その上に積
層する磁性薄膜等の界面の凹凸が大きくなり、トンネル
バリア層の膜厚の均一性が悪くなる。
5オングストロームとすることにより、その上に積層す
る磁性薄膜等の界面が明確となり、熱処理によるトンネ
ルバリア層の劣化とそれに伴う磁気抵抗変化の低下が改
善される。本発明では、反強磁性薄膜およびそれに隣接
する磁性薄膜を200℃から300℃で磁界中熱処理
し、磁性薄膜の一方向異方性を誘起することが可能であ
る。
を0.1から5オングストロームに制御するため、成膜
室に10-6 Torrから10-9 Torr分圧の酸素、窒素、
水素あるいはこれらの混合ガスを導入して成膜する。
とで酸化させることにより、その上に積層する磁性薄膜
の結晶粒成長が抑制され、表面の平均凹凸を小さくする
ことが可能である。また、磁性薄膜の表面の平均凹凸を
0.1から5オングストロームに制御するため、成膜中
に基板温度を0℃以下に冷却することも効果的である。
この時、磁性薄膜の結晶粒成長が抑制され、より平坦な
層構造が実現される。
る下部電極材料は、シールド効果を有する高い透磁率を
有するアモルファス磁性材料と非磁性金属導電層との積
層膜とすることも好ましい。
トンネル磁気抵抗効果膜の平坦性を改善する効果があ
り、非磁性金属導電層との積層においても同様の効果が
得られる。この高透磁率アモルファス磁性材料は、CoZr
を主成分とする合金とすることが好ましい。より具体的
には、CoZrNb, CoZrMo, CoZrTa, CoZrTaCrなどが挙げら
れる。
特に制限はないが、アモルファス磁性層上に積層した時
平坦性が良好となるTa, Zr, Hf, Pt, Ru, Au, Cu, Mo,
あるいはこれらの少なくとも2種からなる合金からなる
少なくとも一層であることが望ましい。
Al窒化膜、Ta酸化膜、Mg酸化膜あるいは少なくともこれ
らの二層膜であることを特徴とする。これにより安定な
トンネル障壁が形成され、高い磁気抵抗変化率を得るこ
とが可能となる。本発明のトンネルバリア層は、10-7
Torrから10-10Torrの真空中に、酸素あるいは窒素あ
るいは酸素ラジカルあるいは窒素ラジカルを含むガスを
導入し、酸化あるいは窒化して形成することを特徴とす
る。
物の汚染を抑制し、素子抵抗の制御性と均一性を高める
ことが可能である。実験結果よりトンネルバリア層の厚
さは、3から12オングストロームであることが望まし
い。
トロームより厚くなると、トンネル接合抵抗が顕著に増
加することにより高周波応答性が悪くなり、磁気抵抗効
果素子として好ましくない。一方、膜厚が3オングスト
ローム以下になると、磁性薄膜間の磁気相互作用が大き
くなりすぎ、また磁気的な直接接触状態(ピンホール)
の発生が避けられないことから、両磁性薄膜の磁化方向
が相異なる状態が生じにくくなる。また、ピンホールを
通したリーク電流の影響が顕著となり、磁気抵抗変化率
が低下する。本発明の磁性薄膜に用いる磁性体の種類は
Ni, Fe, Co, FeCo, NiFe, NiFeCoまたはこれらの合金が
好ましい。
界面でのスピン分極率を大きくすることが可能となり、
より大きな抵抗変化が得られる。本発明ではこれらの磁
性体から選択して磁性薄膜を形成する。特に、トンネル
バリア層を介して積層される二つの磁性薄膜のうち、反
強磁性薄膜と隣接していない磁性薄膜(第2の磁性薄
膜)の異方性磁界Hk2が、保磁力Hc2より大きい材料を選
択することにより実現できる。
によっても大きくできる。例えば、NiFeを10オングス
トローム程度の厚さにすると、異方性磁界Hk2を保磁力H
c2より大きくすることができる。
抗効果膜は、磁性薄膜の磁化容易軸が、印加される信号
磁界方向に対して垂直方向になっていて、印加信号磁界
方向の磁性薄膜の保磁力がHc2 < Hk2 < Hrになるように
する。このように磁化容易軸を信号磁界方向に垂直とす
ると、バルクハウゼンノイズを抑制することができる。
そしてこのような磁化容易軸方向の制御は磁場中成膜す
ることにより製造できる。
る二つの磁性薄膜のうち反強磁性薄膜と隣あう磁性薄膜
(第1の磁性薄膜)の磁化容易軸方向と、反強磁性薄膜
と隣あわない磁性薄膜(第2の磁性薄膜)の磁化容易軸
方向とが直交するようにする。これも成膜中印加磁界を
90度回転させる、あるいは磁場中で基板を90度回転
させることにより実現できる。
膜)の膜厚は、100オングストローム以下が望まし
い。膜厚を200オングストローム以上とすると、膜厚
の増加に伴って素子とした時に反磁界の影響が大きく現
れ、外部磁界に対する感度が悪くなってしまう。一方、
磁性薄膜の厚さの下限は特にないが、3オングストロー
ム以下は磁性薄膜が不連続膜となり易く、磁気抵抗変化
が小さくなる。また、厚さを3オングストローム以上と
すれば、膜厚を均一に保つことが容易となり、特性も良
好となる。
ることもない。さらに、磁性薄膜/トンネルバリア層界
面にCo, Fe, FeCoまたはNiFeCoを挿入することにより、
伝導電子のスピン分極率が上昇し、より大きな抵抗変化
を得ることが可能である。挿入する膜厚の下限は1オン
グストロームである。これ以下では、挿入効果が減少す
ると共に、膜厚制御も困難となる。
グストローム程度が望ましい。これ以上にすると、磁界
を検知する磁性薄膜(第2の磁性薄膜)の軟磁気特性が
悪くなり、磁気抵抗効果素子の動作範囲における出力に
ヒステリシスが現れる。
性薄膜と隣接して積層される磁性薄膜(第1の磁性薄
膜)との間に、反強磁性的に結合した磁性薄膜/非磁性
薄膜/磁性薄膜の三層膜を介挿した構成としても良い。
ス磁界が顕著に上昇し、スピントンネル磁気抵抗効果素
子の熱安定性が向上する。また、磁界を検知する第2の
磁性薄膜と、第1の磁性薄膜との静磁的な相互作用が低
減され、スピントンネル磁気抵抗効果素子の出力が改善
される。反強磁性結合した三層膜における非磁性薄膜は
Ru, Cr, Rh, Irまたはこれらの少なくとも2種から選択
される合金であることが望ましい。
磁界が大きくなり、スピントンネル磁気抵抗効果素子と
した時の熱安定性が改善される。この時、反強磁性結合
した三層膜における非磁性層の膜厚は、4から10オン
グストロームであることが望ましい。これにより、非常
に大きな反強磁性結合磁界が得られるためである。反強
磁性結合した三層膜における磁性層は、Co, FeCo, NiF
e, NiFeCoからなる。これにより大きな反強磁性結合が
得られると共に、大きな抵抗変化が得られる。
抗効果膜において、外部磁場を検知する磁性薄膜(第2
の磁性薄膜)、すなわち反強磁性層と隣接しない磁性薄
膜の容易磁化方向に永久磁石薄膜を隣接させることによ
り、磁区安定化が図られバルクハウゼンジャンプなどの
非直線的な出力が回避される。
CrTaPt,CoCrPt, CoNiPt, CoNiCr, CoCrPtSi, FeCoCrな
どが好ましい。そして、これらの永久磁石薄膜の下地層
として、Crなどが用いられてもよい。また、基板として
は、ガラス、Si、MgO、Al2O3、GaAs、フェライト、CaTi
2O3、BaTi2O3、Al2O3-TiC等を用いることができる。
顕微鏡、走査型電子顕微鏡、オージェ電子分光分析等に
より測定することができる。また、薄膜の結晶構造は、
X線回折や高速電子線回折等により確認することができ
る。さらに、薄膜表面の平均凹凸は原子間力顕微鏡によ
り測定することができる。
おいて、最上層に酸化を抑制する保護膜として、Ta, H
f, Zr, Tiなどが積層されてもよく、さらに、上部電極
材料となる金属導電層が設けられてもよい。
効果膜では、一方の磁性薄膜に隣接(又は反強磁性結合
した三層膜を介して隣接)して反強磁性薄膜が形成され
ていて、交換バイアス力が働いていることが必須であ
る。
薄膜の磁化の向きが互いに逆向きに向いたとき、最大の
抵抗を示すことにあるからである。すなわち、本発明で
は図4(a)で示すごとく外部磁場Hが磁性薄膜の異方
性磁界Hk2と一方の磁性薄膜の抗磁力Hrの間であると
き、すなわちHk2 < H < Hrであるとき、隣合った磁性薄
膜の磁化の方向が互いに逆向きになり、抵抗が増大す
る。
効果膜を用いた磁気抵抗効果素子の一例を示す展開斜視
図である。このMRセンサは、図3に示すように、基板
10上に形成されたスピントンネル磁気抵抗効果膜11
からなり、基板10上に下地層1および反強磁性薄膜2
を形成し、トンネルバリア層5を介した磁性薄膜4、6
間の磁化容易方向を直交させ、磁気記録媒体20から放
出される信号磁界が磁性薄膜6の磁化容易方向に対し垂
直となるように設定する。
的に結合した三層膜3A、3B、3Cに隣接しており、
反強磁性薄膜2により交換バイアス磁界が印加され、一
方向異方性が付与されている。そして、第2の磁性薄膜
6の磁化方向が磁気記録媒体の信号磁界の大きさに応答
して回転することにより、抵抗が変化し磁場を検知す
る。素子抵抗は磁気抵抗検出システムにおける周波数特
性あるいはS/Nに大きく影響し、100Ω以上では磁
気ヘッドとしては不十分である。
あるため、素子抵抗は40Ωから100Ω程度である必
要がある。ここで、外部磁場、保磁力及び磁化の方向の
関係を説明する。図4(a)に示すように、交換バイア
スされた磁性薄膜(第1の磁性薄膜)4の交換バイアス
磁界をHr、他方の磁性薄膜(第2の磁性薄膜)6の保磁
力をHc2、異方性磁界をHk2とする ( 0 < Hk2 < Hr )。
はヒステリシスを示し、プラス磁界に対する反転磁界を
Hrk2、マイナス磁界に対する反転磁界をHrk1とする。こ
のとき、Hr=(Hrk1+Hrk2)/2の関係となる。最初、外部磁
場Hを H < -Hk2となるように印加しておく(領域
(A))。この時、磁性薄膜4及び6の磁化方向は、H
と同じ−(負)方向に向いている。
Hk2 (領域(B))において磁性薄膜6の磁化は+方向
に回転し、Hk2 < H < Ha2 の領域(C)では、磁性薄膜
4及び6の磁化方向は互いに逆向きになる。更に外部磁
場を大きくしたHa2 < H< Hrk2の領域(D)では、磁性
薄膜4の磁化も反転し、Hrk2 < Hの領域(E)では磁性
薄膜4及び6の磁化方向は+方向に揃って向く。
磁性薄膜4及び6の相対的な磁化方向によって変化し、
ゼロ磁場前後で直線的に変化し、領域(C)で最大の値
(Rmax)をとるようになる。
添付図面を参照して説明する。図1(a)、図1
(b)、図2(a)及び図2(b)は、本発明の実施例
であるスピントンネル磁気抵抗効果膜のそれぞれの具体
例の構成を示する断面図である。
抵抗効果素子は、下部電極層9、下地層1、反強磁性薄
膜2を形成した基板10上に第1の磁性薄膜4と第2の
磁性薄膜6を有し、前記2層の磁性薄膜4、6の間にト
ンネルバリア層5を有する。さらに、この上に上部電極
層7を有する。
なくとも一層から構成される。
反強磁性薄膜あるいは永久磁石薄膜8が隣接して配置さ
れている。
ル磁気抵抗効果素子は、下部電極層9、下地層1、第2
の磁性薄膜6、第1の磁性薄膜4を有し、2層の磁性薄
膜6、4の間にトンネルバリア層5を有する。さらに、
この上に反強磁性薄膜2および上部電極層7を有する。
あるいは永久磁石薄膜8が隣接して配置されている。
磁気抵抗効果素子は、下部電極層9、下地層1、反強磁
性薄膜2を形成した基板10上に、非磁性薄膜3Bを介
して反強磁性的に結合した第3および第4の磁性薄膜3
A、3Cを有し、これと隣接して第1の磁性薄膜4を有
する。この上にさらにトンネルバリア層5を形成し、第
2の磁性薄膜6と上部電極層7を積層する。
あるいは永久磁石薄膜8が側面に隣接して配置されてい
る。
ネル磁気抵抗効果素子は、下部電極層9、下地層1、第
2の磁性薄膜6、およびトンネルバリア層5を有する。
この上に第1の磁性薄膜4、および非磁性薄膜3Bを介
して反強磁性適に結合した第4および第3の磁性薄膜3
C、3Aを有し、されにこの上に、反強磁性薄膜2およ
び上部電極層7を積層する。また、第2の磁性薄膜6に
は反強磁性薄膜あるいは永久磁石薄膜8が隣接して配置
されている。
於て示される矢印は、図面の紙面に平行な方向の磁化容
易軸が形成されている事を示してており、同様に〇内に
×を含む符号は、図面の紙面に垂直な方向で且つ図面手
前から図面の裏面に向かう磁化容易軸が形成されている
事を示してており、又〇内に黒点を含む符号は、図面の
紙面に垂直な方向で且つ図面裏面から図面の手前側に向
かう磁化容易軸が形成されている事を示している。
求項で示した材料について全て実施例で説明する。
果膜の成膜工程を示す。
の中に入れ、10-8 Torr 以下まで真空引きを行う。基
板温度を室温から液体窒素温度に保ち、下部電極層9、
下地層1(Ta, Zr, Hf)成膜し、適当な分圧(好ましくは
10-2から10-8Torr)の酸素を導入し、表面を酸化さ
せる。
Torr 以下、好ましくは10-10 Torr以下まで、真空引
きした後、所定の分圧の酸素を導入することで行う。そ
の後、10-6から10-9 Torr分圧(より好ましくは1
0-7から10-8Torr分圧)の酸素あるいは水素あるいは
窒素を導入する。
B、3C等を順次成膜する。この際、好ましくはこれら
反強磁性薄膜、磁性薄膜等を成膜する際、基板温度を0
℃以下として成膜することが好ましい。
て、成膜する膜の平均凹凸を平坦化することができる。
リア層5となるAlあるいはTaあるいはMgを成膜し、連続
して真空度を10-7から10-10 Torrとして、酸素ある
いは窒素あるいは酸素ラジカルあるいは窒素ラジカルを
含むガスを導入し、このAl又はTa又はMgを酸化あ
るいは窒化してトンネルバリア層5を形成する。
性薄膜6および上部電極層7を形成する。この時反強磁
性薄膜2に隣接する第1の磁性薄膜4の磁化容易軸と、
トンネルバリア層5を介してこれと隣接する第2の磁性
薄膜6の磁化容易軸とが直交するように、成膜中印加磁
界を90°回転させた状態で成膜する。
から20 kOeのDC磁界を交換結合層の容易磁化方向に
印加しながら200℃から300℃で熱処理し、スピン
トンネル磁気抵抗効果膜とする。
を配置し、基板と平行に300Oe程度の外部磁場が印加
されているような状態で行った。
磁場印加方向が磁性薄膜の磁化容易軸となる。そして、
以下に示すスピントンネル磁気抵抗効果膜は、反強磁性
薄膜、磁性薄膜および非磁性薄膜について約0.2から
2.0オングストローム/秒の成膜速度で成膜を行っ
た。
/PtMn(250)/CoFe(30)/Al(7)-ox/CoFe(10)/NiFe(60)/Zr
(30)と表示されている場合、基板上にCoZrTa薄膜を1マ
イクロメートル、Zr薄膜を30オングストローム、PtMn
反強磁性薄膜を250オングストローム、CoFe薄膜を3
0オングストローム、Al薄膜を7オングストローム積層
し、その後バリア酸化処理を施し、さらにCoFe薄膜を1
0オングストローム、NiFe薄膜を60オングストロー
ム、Zr薄膜を30オングストローム順次成膜することを
意味する。
ミリングとフォトリソグラフィーを用いて素子形状へ加
工した。まず、下地電極形状のフォトレジスト(PR)を
形成し最下層まですべてミリングする。
のスピントンネル磁気抵抗効果膜(TMR膜)上に新た
に接合サイズを規定するPRを形成してバリア層までのミ
リングを行う。
の絶縁層(Al2O3)を成膜する。その後、接合サイズのPR
を除去してから、さらに上部電極層を成膜する。上部電
極形状のPRを形成後、イオンミリングにより上部電極を
加工し、PR除去した後、素子加工を完了する。完成した
素子は四端子法を用いて磁場中にて抵抗値を測定し、磁
気抵抗特性を評価した。
垂直方向になるようにかけながら、−700から700
Oeまで変化させたときの抵抗を4端子法により測定し、
その抵抗から磁気抵抗変化率ΔR/Rを求めた。抵抗変
化率ΔR/Rは、最大抵抗値をRmax、最小抵抗値をRmin
とし、次式により計算した。
接合抵抗は、素子サイズを1μm角に加工した時の抵抗
として、規格化した。(素子抵抗はスピントンネル磁気
抵抗効果膜を所望の素子サイズに加工した時の抵抗であ
る)また、平均凹凸は、原子間力顕微鏡を用いて、0.
1μm角における平均粗さとして測定した結果を示して
いる。 ΔR/R=(Rmax−Rmin)/Rmin×100 (%) 又、磁化の測定は、振動試料型磁力計により行った。
以下に示す。 トンネルバリア層Al-Ox a. Sub/CoZrX(1 μm)/(Ta,Zr,Hf,Ti)( 10-100Å)/NiM
n(30-400)/CoFe(10-100)/Al(3-20)-Ox/CoFe(1-40)/NiFe
(1-100)/Ta(5-50) b. Sub/CoZrX(1 μm)/(Ta,Zr,Hf,Ti)( 10-100Å)/PdM
n(30-400)/CoFe(10-100)/Al(3-20)-Ox/CoFe(1-40)/NiFe
(1-100)/Ta(5-50) c. Sub/CoZrX(1μm)/(Ta,Zr,Hf,Ti)(10-100Å)/PtMn
(30-400)/CoFe(10-100)/Al(3-20)-Ox/CoFe(1-40)/NiFe
(1-100)/Ta(5-50) d. Sub/CoZrX(1 μm)/PtMn(30-400)/CoFe( 10-100)/A
l(3-20)-Ox/CoFe(1-40)/NiFe(1-100)/Ta(5-50) e. Sub/CoZrX(1μm)/(Ta,Zr,Hf,Ti)(10-100Å)/FeMn
(30-400)/CoFe(10-100)/Al(3-20)-Ox/CoFe(1-40)/NiFe
(1-100)/Ta(5-50) f. Sub/CoZrX(1 μm)/(Ta,Zr,Hf,Ti)( 10-100Å)/NiF
e(1-100)/CoFe(1-40)/Al(3-20)-Ox/CoFe(10-100)/NiMn
(30-400)/Ta(5-50) g. Sub/CoZrX(1 μm)/(Ta,Zr,Hf,Ti)( 10-100Å)/NiF
e(1-100)/CoFe(1-40)/Al(3-20)-Ox/CoFe(10-100)/PdMn
(30-400)/Ta(5-50) h. Sub/CoZrX(1 μm)/(Ta,Zr,Hf,Ti)( 10-100Å)/NiF
e(1-100)/CoFe(1-40)/Al(3-20)-Ox/CoFe(10-100)/PtMn
(30-400)/Ta(5-50) i. Sub/CoZrX(1 μm)/NiFe(1-100 Å)/CoFe(1-40)/Al
(3-20)-Ox/CoFe(10-100)/PtMn(30-400)/Ta(5-50) j. Sub/CoZrX(1μm)/(Ta,Zr,Hf,Ti)(10-100Å)/NiFe
(1-100)/CoFe(1-40)/Al(3-20)-Ox/CoFe(10-100)/FeMn(3
0-400)/Ta(5-50) 2.トンネルバリア層Al-Nx a. Sub/CoZrX(1μm)/(Ta,Zr,Hf,Ti)(10-100Å)/NiMn
(30-400)/CoFe(10-100)/Al(3-20)-Nx/CoFe(1-40)/NiFe
(1-100)/Ta(5-50) b. Sub/CoZrX(1μm)/(Ta,Zr,Hf,Ti)(10-100Å)/PdMn
(30-400)/CoFe(10-100)/Al(3-20)-Nx/CoFe(1-40)/NiFe
(1-100)/Ta(5-50) c. Sub/CoZrX(1μm)/(Ta,Zr,Hf,Ti)(10-100Å)/PtMn
(30-400)/CoFe(10-100)/Al(3-20)-Nx/CoFe(1-40)/NiFe
(1-100)/Ta(5-50) 3.トンネルバリア層Ta-Ox a. Sub/CoZrX(1μm)/(Ta,Zr,Hf,Ti)(10-100Å)/NiMn
(30-400)/CoFe(10-100)/Ta(3-20)-Ox/CoFe(1-40)/NiFe
(1-100)/Ta(5-50) b. Sub/CoZrX(1μm)/(Ta,Zr,Hf,Ti)(10-100Å)/PdMn
(30-400)/CoFe(10-100)/Ta(3-20)-Ox/CoFe(1-40)/NiFe
(1-100)/Ta(5-50) c. Sub/CoZrX(1μm)/(Ta,Zr,Hf,Ti)(10-100Å)/PtMn
(30-400)/CoFe(10-100)/Ta(3-20)-Ox/CoFe(1-40)/NiFe
(1-100)/Ta(5-50) 4.トンネルバリア層Mg-Ox a. Sub/CoZrX(1μm)/(Ta,Zr,Hf,Ti)(10-100Å)/NiMn
(30-400)/CoFe(10-100)/Mg(3-20)-Ox/CoFe(1-40)/NiFe
(1-100)/Ta(5-50) b. Sub/CoZrX(1μm)/(Ta,Zr,Hf,Ti)(10-100Å)/PdMn
(30-400)/CoFe(10-100)/Mg(3-20)-Ox/CoFe(1-40)/NiFe
(1-100)/Ta(5-50) c. Sub/CoZrX(1μm)/(Ta,Zr,Hf,Ti)(10-100Å)/PtMn
(30-400)/CoFe(10-100)/Mg(3-20)-Ox/CoFe(1-40)/NiFe
(1-100)/Ta(5-50) 5. CoFe/(Ru,Cr,Rh,Ir)/CoFe磁性層 a. Sub/CoZrX(1 μm)/(Ta,Zr,Hf,Ti)( 10-100Å)/PtM
n(30-400)/CoFe(10-50)/(Ru,Cr,Rh,Ir)(4-16)/CoFe(10-
50)/NiFe(0-40)/Al(3-20)-Ox/CoFe(1-40)/NiFe(1-100)/
Ta(5-50) b. Sub/CoZrX(1 μm)/(Ta,Zr,Hf,Ti)( 10-100Å)/PtM
n(30-400)/CoFe(10-50)/(Ru,Cr,Rh,Ir)(4-16)/CoFe(10-
50)/NiFeCo(0-40)/Al(3-20)-Ox/CoFe(1-40)/NiFe(1-10
0)/Ta(5-50) c. Sub/CoZrX(1 μm)/(Ta,Zr,Hf,Ti)(10-100 Å)/PtM
n(30-400)/CoFe(10-50)/(Ru,Cr,Rh,Ir)(4-16)/CoFe(10-
50)/NiFe(0-40)/Al(3-20)-Nx/CoFe(1-40)/NiFe(1-100)/
Ta(5-50) d. Sub/CoZrX(1 μm)/(Ta,Zr,Hf,Ti)(10-100 Å)/PtM
n(30-400)/CoFe(10-50)/(Ru,Cr,Rh,Ir)(4-16)/CoFe(10-
50)/NiFeCo(0-40)/Al(3-20)-Nx/CoFe(1-40)/NiFe(1-10
0)/Ta(5-50) e. Sub/CoZrX(1 μm)/(Ta,Zr,Hf,Ti)(10-100 Å)/PtM
n(30-400)/CoFe(10-50)/(Ru,Cr,Rh,Ir)(4-16)/CoFe(10-
50)/NiFe(0-40)/Ta(3-20)-Ox/CoFe(1-40)/NiFe(1-100)/
Ta(5-50) f. Sub/CoZrX(1 μm)/(Ta,Zr,Hf,Ti)(10-100 Å)/PtM
n(30-400)/CoFe(10-50)/(Ru,Cr,Rh,Ir)(4-16)/CoFe(10-
50)/NiFeCo(0-40)/Ta(3-20)-Ox/CoFe(1-40)/NiFe(1-10
0)/Ta(5-50) g. Sub/CoZrX(1 μm)/(Ta,Zr,Hf,Ti)(10-100 Å)/PtM
n(30-400)/CoFe(10-50)/(Ru,Cr,Rh,Ir)(4-16)/CoFe(10-
50)/NiFe(0-40)/Mg(3-20)-Ox/CoFe(1-40)/NiFe(1-100)/
Ta(5-50) h. Sub/CoZrX(1 μm)/(Ta,Zr,Hf,Ti)(10-100 Å)/PtM
n(30-400)/CoFe(10-50)/(Ru,Cr,Rh,Ir)(4-16)/CoFe(10-
50)/NiFeCo(0-40)/Mg(3-20)-Ox/CoFe(1-40)/NiFe(1-10
0)/Ta(5-50) i. Sub/CoZrX(1 μm)/(Ta,Zr,Hf,Ti)(10-100 Å)/NiF
e(1-100)/CoFe(1-40)/Al(3-20)-Ox/NiFe(0-40)/CoFe(10
-50)/(Ru,Cr,Rh,Ir)(4-16)/CoFe(10-50)/PtMn(30-400)/
Ta(5-50) 図6は接合抵抗のバリア層厚依存に関する、磁性薄膜表
面凹凸依存性である。
素子サイズを1μm角に加工した時の抵抗として規格化
したものである。
(100Å)/PtMn(200)/CoFe(20)/Ru(6)/CoFe(20)/NiFe(10)
/Al(3-20)-Ox/CoFe(10)/NiFe(50)/Ta(50)とし、図中の
凹凸は反強磁性薄膜(PtMn)の表面平均凹凸の値を示し
ている。
層化の際に電流リークの影響が生じ、接合抵抗値は顕著
に低下することが分かる。また、積層順序を逆にした、
Sub/CoZrTa(1μm)/Ta(10-100Å)/NiFe(50)/CoFe(10)/A
l(3-20)-Ox/NiFe(10)/CoFe(20)/Ru(6)/CoFe(20)/PtMn(2
00)/Ta(50)の構成においても、同様の結果が得られた。
る、磁性薄膜の表面凹凸依存性である。
凹凸の増加に伴って、バリア層薄層化の際に電流リーク
の影響が生じ、抵抗変化率が顕著に低下することが分か
る。
ネルバリア層の薄膜化の際に電流リークの影響が生じ、
抵抗変化率が顕著に低下する事が分かる。特にトンネル
バリア層を15オングストローム以下と薄くすると表面
平均凹凸の制御による影響が大きくなり、抵抗変化率1
5%以上を確保するには、表面平均凹凸を5オングスト
ローム以下にする必要がある事が分かる。
接合抵抗を100Ωμm2 以下(μm各の素子抵抗で1
00Ω以下)とする為には、トンネルバリア層厚は更に
薄い12オングストローム以下とする事が好ましく、ト
ンネルバリア層12オングストローム以下で、且つ表面
平均凹凸5オングストローム以下とすることで、高抵抗
変化率と高周波応答特性とを両立出来る事が分かる。
成においても同様であった。
る、磁性薄膜表面凹凸依存性である。
面凹凸の増加に伴い、低抵抗領域で抵抗変化率すなわち
出力低下が顕著となることが分かる。すなわち、低抵抗
で高い出力を得るためには、磁性薄膜の平均表面凹凸を
5オングストローム以下に小さくすることが重要であ
る。
下、素子幅1μm以下)が今後進展する事が予想され、
その高周波応答特性を良好に保つ為に、接合抵抗が低
く、かつ抵抗変化率の大きな素子が必要となる。本発明
の表面凹凸制御の技術は、この素子の小型化を実現する
為の技術として極めて有効であると言える。
成においても同様であった。
分圧依存性である。まず、装置内の真空度は10-6〜1
0-10 Torr とし、ここに酸素、窒素、水素ガスを導入
した状態で膜を成膜する。
の制御ができることが分かる。特に導入ガス分圧が10
-6から10-9Torrとすることで膜の平均表面凹凸を5Å
以下に制御できることが分かる。
することで、さらに凹凸の制御が可能であることがわか
る。逆にガス分圧がこの範囲外となると、スピントンネ
ル磁気抵抗効果膜の結晶性が顕著に劣化し、表面凹凸は
大きくなる傾向にある。また、この領域においては、ガ
ス導入により膜中の不純物濃度が増加するためか、磁気
抵抗変化率が低下する。
成の反強磁性薄膜(PtMn)の平均表面凹凸を示してい
る。ここでの膜構成はSub(基板10)/CoZrTa(1 μm)
(下部電極層9)/Ta(100Å)(下地層1)を構成
した上に上記のように成膜室の導入ガス分圧を制御して
/PtMn(200)(反強磁性薄膜2)/CoFe(20)(第3の磁性薄
膜3A)/Ru(6)(非磁性薄膜3B)/CoFe(20)(第4の
磁性薄膜3C)/NiFe(10)(第1の磁性薄膜4)を順次
成膜したものである。
ているが、その上に形成する第1,3,4の磁性薄膜の
平均表面凹凸もほぼ同様の凹凸を示していた。
の酸素導入分圧に関する、下地層材料依存である。
r,Hf,Ti)(100Å)/PtMn(200)/CoFe(20)/Ru(6)/CoFe(20)/
NiFe(10)/Al(6)-Ox/CoFe(10)/NiFe(50)/Ta(50)とした。
0-8Torr以上、より好ましくは10 -6Torr以上)で酸化
することにより、磁性薄膜の平坦性が顕著に改善される
ことが分かる。
も、磁性薄膜表面の平坦性は改善されるが、Ta, Zr, Hf
に比較すると顕著な改善は見られないことが分かる。こ
のような結果は、積層順序を逆にした構成においても同
様であった。
導入分圧に関する、下地材料依存である。構成は、上記
図10の場合と同一である。抵抗変化率は、上記磁性薄
膜表面の平均凹凸の改善に対応して上昇するが、酸素導
入分圧を10-2Torrより高くすると減少する。
増加することと磁性薄膜の結晶性が劣化し、磁性薄膜の
スピン分極率が低下してしまうためである。このような
結果は、積層順序を逆にした構成においても同様であっ
た。
度依存性である。
r,Hf,Ti)(100Å)/PtMn(200)/CoFe(20)/Ru(6)/CoFe(20)/
NiFe(10)/Al(3-20)-Ox/CoFe(10)/NiFe(50)/Ta(50)とし
た。
凸である。平均表面凹凸は基板温度を低下させてPtMnを
成膜することによりなだらかに低下し、特に0℃以下に
おいて5オングストローム以下に平坦性が改善される。
CoFeの表面凹凸、更には、その上のRu層、その上のCoFe
層、その上のNiFe層の平均凹凸へも影響を及ぼし、結果
としてトンネルバリア層の表面凹凸へも影響を及ぼすこ
ととなる。
は、トンネルバリア層5下に位置するこれらCoFe/Ru/Co
Fe/NiFeを成膜する際の基板温度をも0℃以下として成
膜することが好ましい。
Feを成膜する際にも基板温度を0℃以下として成膜する
ことで、このCoFe表面の平均凹凸も図12に示すPtMnの
平均凹凸とほぼ同様の結果となった。
構成、即ち、Sub/CoZrTa(1μm)/(Ta,Zr,Hf,Ti)(100Å)
/NiFe(50)/ CoFe(10)/ Al(3-20)-Ox/ NiFe(10)/CoFe(2
0)/ Ru(6)/ CoFe(20)/ PtMn(200)/ Ta(50) においても
同様であった。
磁界の、非磁性層厚依存である。
r,Hf)(100Å)/PtMn(200)/CoFe(20)/(Ru,Cr,Rh,Ir,Ti)(4
-16)/CoFe(20)/NiFe(10)/Al(3-20)-Ox/CoFe(10)/NiFe(5
0)/Ta(50)とした。
ーム以下にすることにより、顕著に増加する。また、飽
和磁界は5から6オングストローム付近で飽和し、4オ
ングストローム以下では磁性薄膜間の磁気的な直接接触
状態(ピンホール)の影響が顕著となる。
採用することにより大きな飽和磁界すなわち反強磁性結
合磁界が得られ、Ti等他の金属では、十分な反強磁性結
合は得られなかった。このような結果は、積層順序を逆
にした構成においても同様であった。
厚依存を、バリア層材料について比較したものである。
r,Hf)(100Å)/PtMn(200)/CoFe(20)/(Ru,Cr,Rh,Ir)(4-1
6)/CoFe(20)/NiFe(10)/(Al(3-20)-Ox,Ta(3-20)-Ox,Al(3
-20)-Nx,Mg(3-20)-Ox,Si(3-20)-Ox)/CoFe(10)/NiFe(50)
/Ta(50)とした。
5% 以上の値が得られるが、ごく薄領域においてはバ
リア層の均一性あるいは障壁高さの影響が現れ、各材料
によって抵抗変化率が大きく異なる。
ローム付近においても、高い抵抗変化率が得られる。こ
の時接合抵抗は、バリア層厚の減少とともに単調に低下
する。また、本発明の比較として用いたSiOxをバリア層
として用いた場合、抵抗変化はほとんど生じないことが
確認された。
入した時の、抵抗変化率の挿入厚依存である。
Å)/PtMn(200)/CoFe(20)/Ru(6)/CoFe(20)/(Co,FeCo,NiF
eCo,Fe)(1-25)/Al(3-20)-Ox/CoFe(10)/NiFe(50)/Ta(50)
とした。抵抗変化率は高分極率を有する強磁性層を挿入
することにより上昇し、1から3オングストローム付近
においても、効果が確認された。
ル磁気抵抗効果素子の一部省略断面図である。磁気抵抗
効果素子11は上下磁気シールド間14、15に上下電
極材料13、19を介して適宜の数の層が積層され、パ
ターニングされることになる。そして、スピントンネル
磁気抵抗効果膜11は、側面が絶縁層12で被覆され、
又スピントンネル磁気抵抗効果膜11には永久磁石膜8
が隣接しており、これにより磁界を検知する磁性層が単
磁区化されることになる。
磁気抵抗効果素子の断面図および正面図である。スピン
トンネル磁気抵抗効果素子はフェライト基板上に積層さ
れ、パターニングされることになる。シールド型と同
様、スピントンネル磁気抵抗効果膜には永久磁石膜が隣
接しており、これにより磁界を検知する磁性層が単磁区
化され、外部磁束はヨークにより導かれる。
効果膜を素子高さ0.4μm、素子幅0.4μmとし、
隣接して磁区安定化膜としてCoCrPt永久磁石膜を配置し
た時の素子のMR曲線を示したものである。
が図られバルクハウゼンジャンプなどの非直線的な出力
が回避されると共に、従来の磁気抵抗効果膜と比較して
6〜10倍程度の出力が得られた。
効果素子を記録再生ヘッドに用いた磁気記録再生装置で
ある。
のモータ101で回転する磁気記録媒体102の磁気記
録面に対して、記録再生ヘッド103がサスペンション
104,アーム105により取り付けられ、アクチュエ
ータ106によって位置制御される構成からなる。
02に記録された情報を再生する機能を担う本発明の図
1(a)から図2(b)のスピントンネル磁気抵抗効果
膜からなる磁気抵抗効果素子と、磁気記録媒体102へ
の記録機能を担う記録部とからなる。
の記録再生チャネル107からの信号により行われる。
この記録再生チャネル107,記録再生ヘッド103,
この再生ヘッド103の位置決めを行うアクチュエータ
106,及び磁気記録媒体102を回転させる駆動用の
モータ102は、制御ユニット108で制御される。
ントンネル磁気抵抗効果膜からなる磁気抵抗効果素子
(磁気抵抗センサ)により再生を行うため、面密度記録
が100ギガビット/平方インチ以上の高記録密度での
再生を良好に行える磁気記録再生装置が実現できる。
ド適用に十分な低抵抗を示し、ゼロ磁場前後で直線的に
大きな磁界感度を示すスピントンネル磁気抵抗効果膜お
よびスピントンネル磁気抵抗効果素子およびそれを用い
た磁気装置を得ることができる。
スピントンネル磁気抵抗効果素子の一部省略側面図であ
り、図1(b)は、本発明の第2の具体例に於けるスピ
ントンネル磁気抵抗効果素子の一部省略側面図である。
スピントンネル磁気抵抗効果素子の一部省略側面図であ
り、図2(b)は、本発明の第4の具体例に於けるスピ
ントンネル磁気抵抗効果素子の一部省略側面図である。
ネル磁気抵抗センサの構成例を示す立体展開図である。
抗効果素子の作用原理を説明するB−H曲線であり、図
4(b)は、本発明のスピントンネル磁気抵抗効果素子
の作用原理を説明するR−H曲線である。
ネル磁気抵抗効果膜の成膜工程を説明する省略図であ
る。
素子の接合抵抗のバリア層依存に関する、磁性薄膜表面
凹凸依存である。
素子の抵抗変化率のバリア層厚依存に関する、磁性薄膜
表面凹凸依存である。
素子の抵抗変化率と接合抵抗の相関に関する、磁性薄膜
表面凹凸依存である。
膜素子の磁性薄膜表面凹凸の、成膜時導入ガス分圧依存
である。
効果素子の磁性薄膜表面凹凸の、下地層酸化時の酸素導
入分圧依存である。
効果素子の抵抗変化率の、下地層酸化時の酸素導入分圧
依存である。
効果素子の磁性薄膜表面凹凸の基板温度依存である。
効果膜の飽和磁界の非磁性層厚依存である。
効果膜の抵抗変化率のトンネルバリア層厚依存である。
効果膜の抵抗変化率の界面磁性層挿入厚依存である。
ル磁気抵抗効果素子の一部省略側面図である。
磁気抵抗効果素子の一部省略側面図および正面図であ
る。
効果素子のMR曲線である。
効果膜を再生ヘッドに用いた磁気記録再生装置の概略構
成図である。
Claims (29)
- 【請求項1】 少なくとも、下部電極層/反強磁性薄膜
/第1の磁性薄膜/トンネルバリア層/第2の磁性薄膜
/上部電極層をこの順に積層した構造からなり、前記反
強磁性薄膜による第1の磁性薄膜の交換結合磁界をHr、
第2の磁性薄膜の保磁力をHc2としたとき、Hc2 < Hrで
あるスピントンネル磁気抵抗効果膜において、前記下部
電極層と前記反強磁性薄膜との間にTa, Zr, Hfまたはこ
れらの合金からなる下地層を設け、該下地層上の前記反
強磁性薄膜の表面の平均凹凸が0.1から5オングスト
ロームであることを特徴とするスピントンネル磁気抵抗
効果膜。 - 【請求項2】 請求項1記載のスピントンネル磁気抵抗
効果膜において、前記第1の磁性薄膜の表面の平均凹凸
が0.1から5オングストロームであることを更に特徴
とするスピントンネル磁気抵抗効果膜。 - 【請求項3】 少なくとも、下部電極層/反強磁性薄膜
/第3の磁性薄膜/非磁性薄膜/第4の磁性薄膜/第1
の磁性薄膜/トンネルバリア層/第2の磁性薄膜/上部
電極層をこの順に積層した構造からなり、前記第3の磁
性薄膜と第4の磁性薄膜が非磁性薄膜を介して反強磁性
的な結合をしており、前記反強磁性薄膜による前記第1
の磁性薄膜の交換結合磁界をHr、第2の磁性薄膜の保磁
力をHc2としたとき、Hc2 < Hrであるスピントンネル磁
気抵抗効果膜において、前記下部電極層と前記反強磁性
薄膜との間にTa, Zr, Hfまたはこれらの合金からなる下
地層を設け、該下地層上の前記反強磁性薄膜の表面の平
均凹凸が0.1から5オングストロームであることを特
徴とするスピントンネル磁気抵抗効果膜。 - 【請求項4】 請求項3記載のスピントンネル磁気抵抗
効果膜において、前記第1 の磁性薄膜の表面の平均凹
凸が0.1から5オングストロームであることを更に特
徴とするスピントンネル磁気抵抗効果膜。 - 【請求項5】 少なくとも、下部電極層/第2の磁性薄
膜/トンネルバリア層/第1の磁性薄膜/反強磁性薄膜
/上部電極層をこの順に積層した構造からなり、前記反
強磁性薄膜による第1の磁性薄膜の交換結合磁界をHr、
第2の磁性薄膜の保磁力をHc2としたとき、Hc2 < Hrで
あるスピントンネル磁気抵抗効果膜において、前記下部
電極層と前記第2の磁性薄膜との間にTa, Zr, Hfまたは
これらの合金からなる下地層を設け、この下地層上の前
記第2の磁性薄膜の表面の平均凹凸が0.1から5オン
グストロームであることを特徴とするスピントンネル磁
気抵抗効果膜。 - 【請求項6】 少なくとも、下部電極層/第2の磁性薄
膜/トンネルバリア層/第1の磁性薄膜/第4の磁性薄
膜/非磁性薄膜/第3の磁性薄膜/反強磁性薄膜/上部
電極層をこの順に積層した構造からなり、前記第3の磁
性薄膜と第4の磁性薄膜が非磁性薄膜を介して反強磁性
的な結合をしており、前記反強磁性薄膜による第1の磁
性薄膜の交換結合磁界をHr、第2の磁性薄膜の保磁力を
Hc2としたとき、Hc2 < Hrであるスピントンネル磁気抵
抗効果膜において、前記下部電極層と前記第2の磁性薄
膜との間にTa, Zr, Hfまたはこれらの合金からなる下地
層を設け、この下地層上の前記第2の磁性薄膜の表面の
平均凹凸が0.1から5オングストロームであることを
特徴とするスピントンネル磁気抵抗効果膜。 - 【請求項7】 請求項1乃至6のいずれかに記載のスピ
ントンネル磁気抵抗効果膜において、反強磁性薄膜がPt
Mn, PtMn-X(XはRu, Ir, Cr, Fe, Co, Ni, Pd, Rh), PdM
n, NiMn またはこれらの少なくとも2種から選択される
合金からなることを特徴とするスピントンネル磁気抵抗
効果膜。 - 【請求項8】 前記下地層の膜厚が10から100オン
グストロームであることを特徴とする請求項1乃至7の
いずれかに記載のスピントンネル磁気抵抗効果膜。 - 【請求項9】 前記トンネルバリア層がAl酸化膜、Al窒
化膜、Ta酸化膜、Mg酸化膜あるいは少なくともこれらの
二層膜であることを特徴とする請求項1乃至8のいずれ
かに記載のスピントンネル磁気抵抗効果膜。 - 【請求項10】 前記トンネルバリア層の厚みが3から
12オングストロームであることを特徴とする請求項1
乃至9のいずれかに記載のスピントンネル磁気抵抗効果
膜。 - 【請求項11】 前記第1又は第2の磁性薄膜が Ni, F
e, Co, FeCo, NiFe,NiFeCoを主成分とする磁性薄膜であ
り、該磁性薄膜の膜厚が3から100オングストローム
であることを特徴とする請求項1乃至10のいずれかに
記載のスピントンネル磁気抵抗効果膜。 - 【請求項12】 前記下部電極層として、シールド効果
を有するアモルファス磁性材料と非磁性金属導電層との
積層膜を用いることを特徴とする請求項1乃至11のい
ずれかに記載のスピントンネル磁気抵抗効果膜。 - 【請求項13】 前記アモルファス磁性材料がCoZrを主
成分とする合金であることを特徴とする請求項12記載
のスピントンネル磁気抵抗効果膜。 - 【請求項14】 請求項3,4又は6記載の磁気抵抗効
果膜において、反強磁性結合した前記第3の磁性薄膜と
第4の磁性薄膜とで挟まれた非磁性薄膜がRu, Cr, Rh,
Irまたはこれらの少なくとも2種から選択される合金か
らなり、かつ、前記第3の磁性薄膜又は第4の磁性薄膜
がCo, FeCo, NiFe, NiFeCoからなることを特徴とするス
ピントンネル磁気抵抗効果膜。 - 【請求項15】 前記非磁性薄膜の膜厚が4から10オ
ングストロームであることを特徴とする請求項14記載
のスピントンネル磁気抵抗効果膜。 - 【請求項16】 前記トンネルバリア層と前記第1の磁
性薄膜又は第2の磁性薄膜との界面にCo, Fe, FeCoまた
はNiFeCoを1から20オングストローム挿入することを
特徴とする請求項1,2又は5記載のスピントンネル磁
気抵抗効果膜。 - 【請求項17】 請求項1乃至16のいずれかに記載の
スピントンネル磁気抵抗効果膜の製造方法において、表
面凹凸を制御する手段が、成膜室に10-6Torrから10
-9Torr分圧の酸素、窒素、水素あるいはこれらの混合ガ
スを主成分とするガスを導入して成膜することによるこ
とを特徴とするスピントンネル磁気抵抗効果膜の製造方
法。 - 【請求項18】 請求項1乃至16のいずれかに記載の
スピントンネル磁気抵抗効果膜の製造方法において、表
面凹凸を制御する手段が、成膜室に10-7Torrから10
-8Torr分圧の酸素、窒素、水素あるいはこれらの混合ガ
スを主成分とするガスを導入して成膜することによるこ
とを特徴とするスピントンネル磁気抵抗効果膜の製造方
法。 - 【請求項19】 請求項1乃至16のいずれかに記載の
スピントンネル磁気抵抗効果膜の製造方法において、表
面凹凸を制御する手段が、Ta, Zr, Hfまたはこれらの合
金からなる下地層の表面を酸化させることによることを
特徴とするスピントンネル磁気抵抗効果膜の製造方法。 - 【請求項20】 請求項1乃至7のいずれかに記載のス
ピントンネル磁気抵抗効果膜の製造方法において、表面
凹凸を制御する手段が、成膜中に基板温度を0℃以下に
冷却することによることを特徴とするスピントンネル磁
気抵抗効果膜の製造方法。 - 【請求項21】 請求項9記載のスピントンネル磁気抵
抗効果膜の製造方法において、前記トンネルバリア層が
10-7Torrから10-10Torrの真空中に酸素あるいは窒
素あるいは酸素ラジカルあるいは窒素ラジカルを含むガ
スを導入し、酸化あるいは窒化して形成することを特徴
とするスピントンネル磁気抵抗効果膜の製造方法。 - 【請求項22】 請求項21記載のトンネルバリア層の
酸化あるいは窒化が、基板温度を室温から250℃とし
て処理することを特徴とするスピントンネル磁気抵抗効
果膜の製造方法。 - 【請求項23】 請求項1乃至16のいずれかに記載の
磁気抵抗効果膜を、素子高さを0.1から1.0μmとし、素
子幅を0.1 から1.0μmとし、素子抵抗を40Ωから100
Ωとすることを特徴とするスピントンネル磁気抵抗効果
素子。 - 【請求項24】 前記第2の磁性薄膜を単磁区化するに
十分なバイアス磁界を生じさせる手段を有することを特
徴とする請求項23記載のスピントンネル磁気抵抗効果
素子。 - 【請求項25】 前記バイアスを生じさせる手段が、第
2の磁性薄膜に隣接して配置された永久磁石膜または反
強磁性薄膜によるものであることを特徴とする請求項2
4記載のスピントンネル磁気抵抗効果素子。 - 【請求項26】 請求項23,24又は25記載のスピ
ントンネル磁気抵抗効果素子の上下をシールド効果を有
する軟磁性材料ではさんだ構造からなるシールド型スピ
ントンネル磁気抵抗センサ。 - 【請求項27】 請求項23,24又は25記載のスピ
ントンネル磁気抵抗効果素子にシールド効果を有する軟
磁性材料で信号磁界を導く構造からなるヨーク型スピン
トンネル磁気抵抗センサ。 - 【請求項28】 請求項23,24又は25記載のスピ
ントンネル磁気抵抗効果素子と、検出される磁界の関数
として前記スピントンネル磁気抵抗効果素子の抵抗変化
率を検出する手段とを兼ね備えた磁気抵抗検出システ
ム。 - 【請求項29】 情報を記録した磁気記録媒体と、該磁
気記録媒体に記録された情報を再生する請求項26又は
27に記載の磁気抵抗センサーと、該磁気抵抗センサー
を前記磁気記録媒体の選択された位置へ移動制御するた
めのアクチュエータとを少なくとも有する磁気装置。
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