【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は強磁性トンネル接合を有する積層膜、その製造方法、磁気センサ、磁気記録装置、及び、磁気メモリ装置に関するものであり、特に、磁気ディスクの再生ヘッド（リードヘッド）或いはエンコーダ等に用いる強磁性トンネル接合を有する積層膜を構成するトンネル絶縁膜の構成に特徴のある強磁性トンネル接合を有する積層膜、その製造方法、磁気センサ、磁気記録装置、及び、磁気メモリ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、コンピュータの外部記憶装置であるハードディスク装置等の磁気ヘッドとしては、コイルに発生する誘導電流により磁場を感知する誘導型の薄膜磁気ヘッド（インダクティブヘッド）が使用されていたが、近年のハードディスク装置等の高密度化、高速化の要請の高まりに伴い、磁場そのものを感知する磁気センサが再生用磁気ヘッドの主流となっている。
【０００３】
この様な磁気センサとしては、磁気抵抗効果を利用したものが採用されているが、このＭＲヘッドにおける再生原理は、リード電極から一定のセンス電流を流した場合に、磁気抵抗効果素子を構成する磁性薄膜の電気抵抗が記録媒体からの磁界により変化する現象を利用するものである。
【０００４】
近年のハードディスクドライブの高密度記録化に伴って、１ビットの記録面積が減少するとともに、発生する磁場は小さくなり、小さい外部磁場の変化を感知することができる必要があり、そのために、感度のより高い巨大磁気抵抗効果を利用した磁気ヘッドが採用されはじめている。
【０００５】
現在、巨大磁気抵抗効果を利用した磁気センサとしては、スピンバルブ膜を用いるとともに、電流を横方向に流すＣＩＰ方式のリードヘッドが用いられているが、このＣＩＰ方式の磁気センサにおいては、上下の磁気シールド層との間に、絶縁層、即ち、リードギャップ層を介在させる必要があるため、短ビット長化には限界がある。
【０００６】
そこで、この様な問題を解決するものとして、磁気センサ膜の膜面に垂直に電流を流すＣＰＰ（Ｃｕｒｒｅｎｔ ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ｔｏ ｔｈｅｐｌａｎｅ）方式の採用が検討されているが、この様なＣＰＰ方式のリードヘッドの一種として強磁性トンネル接合を利用した磁気センサ、即ち、トンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）素子がある。
【０００７】
一般に、金属／絶縁体／金属という構造をもつ接合において、両側の金属間に電圧を印加すると、絶縁体が充分薄い場合にわずかに電流が流れる。
通常、絶縁体は電流を通さないが、絶縁体が数Å〜数十Åと充分薄い場合には、量子力学的効果によってごくわずかに電子が透過する確率を持つためであり、この電流のことを「トンネル電流」といい、この構造をもつ接合を「トンネル接合」という。
【０００８】
このような絶縁層には、金属の酸化膜を絶縁障壁として用いるのが通常であり、例えば、Ａｌの表面層を自然酸化、プラズマ酸化、或いは、熱酸化などで酸化させる。
【０００９】
この時、酸化条件を調節することで、表面の数Å〜数十Åを酸化層とすることができるが、この酸化アルミニウムは絶縁体であるために、トンネル接合の障壁層として用いることができ、このような接合の特徴としては、印加電圧に対する電流が、通常の抵抗と異なり非線形性を持つことから、非線形の素子として用いられたりしてきた。
【００１０】
このトンネル接合の両側の金属を強磁性金属に置き換えた構造が強磁性トンネル接合と呼ばれるものであり、強磁性トンネル接合においては、トンネル確率 （トンネル抵抗） が、両側の磁性層の磁化状態に依存することが知られている。
【００１１】
即ち、磁場によってトンネル抵抗をコントロールできることになる。
ここで、磁化の相対角度をθとすると、トンネル抵抗Ｒは、
Ｒ＝Ｒｓ ＋０．５ΔＲ（１−ｃｏｓθ） ・・・（１）
表される。
したがって、両磁性層の磁化の角度がそろっているとき（θ＝０ ）にはトンネル抵抗が小さく（Ｒ＝Ｒｓ ）、両磁性層の磁化が反対向き（θ＝１８０°）のときにはトンネル抵抗が大きくなる（Ｒ＝Ｒｓ ＋ΔＲ）。
【００１２】
この様な現象は、強磁性体内部の電子が分極していることに起因して起こるものである。
電子は通常、上向きのスピン状態のもの（ｕｐ電子）と下向きのスピン状態のもの（ｄｏｗｎ電子）が存在するが、通常の非磁性金属内部の電子は、両電子が同数だけ存在するため、全体として磁性を持たない。
一方、強磁性体内部の電子は、ｕｐ電子数（Ｎｕｐ）とｄｏｗｎ電子数（Ｎｄｏｗｎ）が異なるために、全体としてｕｐもしくはｄｏｗｎの磁性を持つ。
【００１３】
このようなスピン状態の電子が薄い絶縁膜をトンネルする場合、これらの電子は、それぞれのスピン状態を保ったままトンネルすることが知られている。
したがって、トンネル先の電子状態に空きがあれば、トンネルが可能であるが、トンネル先の電子状態に空きがなければ、電子はトンネルできない。
【００１４】
したがって、トンネル抵抗の変化率ΔＲ／Ｒｓ は、電子源の偏極率Ｐ１ と、トンネル先の偏極率Ｐ２ の積で表される。
ΔＲ／ＲＳ ＝２×Ｐ１ ×Ｐ２ ／（１−Ｐ１ ×Ｐ２ ） ・・・（２）
ここで、電子源の偏極率Ｐ１ とトンネル先の偏極率Ｐ２ は、トンネル接合を構成する両磁性層の分極率Ｐを意味し、
Ｐ＝２（Ｎｕｐ−Ｎｄｏｗｎ）／（Ｎｕｐ＋Ｎｄｏｗｎ） ・・・（３）
で表される。
【００１５】
この分極率Ｐは、強磁性金属の種類に依存するものであり、例えば、ＮｉＦｅ、Ｃｏ、ＣｏＦｅの分極率は、夫々０．３、０．３４、０．４６であり、その場合、理論的には、夫々約２０％、２６％、５４％の磁気抵抗変化率（ＭＲｒａｔｉｏ ）が期待できる。
このＭＲｒａｔｉｏ の値は、異方性磁気抵抗効果（ＡＭＲ）や、巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）よりも大きく、磁気センサや磁気ヘッドへの応用が考えられいる。
【００１６】
また、トンネル抵抗Ｒは次式に示すように、絶縁層の絶縁障壁高さ（ φ） と幅（ Ｗ） に依存する。
Ｒ∝Ｅｘｐ（Ｗ×φ１／２ ） ・・・（４）
したがって、トンネル抵抗Ｒは、絶縁障壁高さφが低い場合、また、障壁幅Ｗが狭い場合小さくなる。
【００１７】
ここで、図８を参照して従来のＭＴＪ磁気センサを説明するが、この場合のＭＴＪは、強磁性トンネル接合である。
図８（ａ）及び（ｂ）参照
図８（ａ）は、本発明者が独自に作製した従来型のＭＴＪ磁気センサの概略的平面図であり、図８（ｂ）はＭＴＪ部の概念的断面図である。
まず、ＳｉＯ２ 膜８２を形成したシリコン基板８１上に、２５ｎｍのＴａ、３０ｎｍのＡｕ、及び、５ｎｍのＴａを順次積層させた下部電極８３、厚さが６ｎｍのＮｉＦｅフリー層８４、厚さが１ｎｍのＣｏＦｅフリー層８５、及び、厚さが０．５〜１．５ｎｍのＡｌ膜を順次堆積させる。
なお、この時、下部電極８３の長手方向に磁場を印加した状態で堆積を行うものであり、ＣｏＦｅはＮｉＦｅより分極率が大きいので、強磁性トンネル抵抗変化を大きくする目的でＣｏＦｅフリー層８５を挿入している。
【００１８】
次いで、例えば、Ｏ２ ガスを１００ｓｃｃｍ流した状態で室温において６時間暴露することによって、Ａｌ膜の表面を酸化させてＡｌ−Ａｌ２ Ｏ３ 膜８６に変換する。
【００１９】
次いで、下部の磁性層に直交する方向に、磁場を印加しながら、厚さが２．５ｎｍのＣｏＦｅピンド層８７及び厚さが１５ｎｍのＩｒＭｎピン層８８を積層し、さらに、その上に酸化防止膜として厚さが２０ｎｍのＡｕ酸化防止膜８９を積層する。
【００２０】
次いで、イオンミリング法を用いてＡｕ酸化防止膜８９乃至下部電極８３を所定形状にパターニングしたのち、Ａｕ酸化防止膜８９乃至ＮｉＦｅフリー層８４のみを０．０４μｍ×１．０μｍの大きさにエッチングして、下部電極８３を露出させ、次いで、全体をＳｉＯ２ 膜２１で覆ったのち、Ａｕ酸化防止膜８９を露出させ、次いで、全面にＴａ層及びＡｕ層を順次堆積させたのち、図８（ａ）に示す形状にパターニングすることによって上部電極９２とし、次いで、下部電極８３に達するビアホールを形成し、Ａｕで埋め込んで下部引出電極９３を形成する。
【００２１】
この場合の強磁性トンネル接合（ＭＴＪ）部９０は、「磁性層（フリー層）／ 絶縁層／ 磁性層（ピンド層）／ 反強磁性層（ピン層）」という構造からなり、ＣｏＦｅピンド層８７がＩｒＭｎピン層８８と交換結合し、ＣｏＦｅピンド層８７の磁化方向が固定される。
【００２２】
したがって、外部から磁場を印加すると、ＣｏＦｅフリー層８５及びＮｉＦｅフリー層８４のみが磁化回転するので、フリー層とピンド層の磁化の相対角度が変化するために、定電流源９４からセンス電流を流すと、上記の式（１）で示したように、磁場に依存してトンネル抵抗が変化し、その変化が電圧計９５によって検知されることになる。
【００２３】
図９参照
図９は、上述の工程で作製した従来型のＭＴＪ磁気センサの特性図であり、磁気抵抗変化率ＭＲｒａｔｉｏ としては約２０％が得られる。
【００２４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、強磁性トンネル接合膜では、上述のように、主に絶縁層に酸化アルミニウムが使用されているが、磁性トンネル接合膜を磁気センサ、特に超高密度記録用磁気ヘッド材料として使用するには、酸化アルミニウムを用いたトンネル接合膜の抵抗値は大きすぎるため、抵抗値を下げる必要がある。
【００２５】
抵抗値を下げる方法としては、上記の式（４）から明らかなように、絶縁層の膜厚Ｗを薄くするか、絶縁障壁高さφを低くすれば良い。
絶縁層を薄くするためには、薄くピンホールのない膜を作る必要があるが、現在用いられている酸化アルミニウム膜の厚さは約１０Å＝１ｎｍと薄く、これ以上薄くピンホールのない膜を作るのは困難であるという問題がある。
【００２６】
例えば、上記の図９において、抵抗ＲＡが５Ω・μｍ２ 以下の低抵抗領域においては、膜がスカスカの状態で材料的に不安定になっており、ショートしてしまうので、所期のトンネル特性が得られないという問題がある。
【００２７】
一方、絶縁障壁高さを低くする方法として、酸化アルミニウム膜の代わりに窒化アルミニウム膜を作製する方法が提案されている（必要ならば、Ｊ．Ｊ．Ｓｕｎ，Ｒ．Ｃ．Ｓｏｕｓａ，Ｊ．Ｍａｇｎ．Ｓｏｃ．Ｊａｐａｎ ｖｏｌ．２３，ｐ．５５，１９９９参照）。
【００２８】
この場合、窒化アルミニウム膜を形成する際には、Ａｒ＋Ｎ２ 混合ガスを使用し、反応性スパッタ法で形成しているが、ＭＲ比は２％以下であり、高いＭＲ比は得られていないという問題がある（必要ならば、Ｍ．Ｓｃｈｗｉｃｋｅｔ ｅｔ ａｌ．，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，８９，ｐ．６８７１，２００１参照）。
これは、反応性スパッタ法では、薄い膜の成膜が困難なためと考えられる。
【００２９】
そこで、本発明者、独自に窒化Ａｌ膜を形成してその特性を調べてみた。
なお、この場合には、上記図８で説明したＭＴＪ磁気センサの製造工程における酸化工程を窒化工程に代えただけで、窒化条件としては、Ｎ２ ガスを１０００ｓｃｃｍ流した状態で、室温において１時間の窒化処理を行ってＡｌ−ＡｌＮ膜を形成した。
【００３０】
図１０参照
図１０は、上述の工程で作製した窒化Ａｌ膜を用いたＭＴＪ磁気センサの特性図であり、図に示すように、磁気抵抗変化率としては２Ω・μｍ２ 以下の低抵抗領域において約３％が得られる。
しかし、この場合も、低抵抗化は実現でき、従来の窒化Ａｌ膜に比べてＭＲ比（ＭＲｒａｔｉｏ ）の改善も見られたが、いまだＭＲ比が不十分であるという問題がある。
【００３１】
したがって、本発明は、酸化アルミニウムより低抵抗で、且つ、高いＭＲ比が得られる絶縁膜を形成することを目的とする。
【００３２】
【課題を解決するための手段】
図１は本発明の原理的構成の説明図であり、この図１を参照して本発明における課題を解決するための手段を説明する。
図１参照
上述の目的を達成するために、本発明は、磁性層２／非磁性層３／磁性層４からなる強磁性トンネル接合１を有する積層膜において、前記非磁性層３は、窒素と酸素とアルミニウムを含むことを特徴とする。
【００３３】
この様に、強磁性トンネル接合１を構成するトンネル絶縁膜を窒素と酸素とアルミニウムを含む非磁性層３で構成することによって、４Ω・μｍ２ 近傍の低抵抗領域においても、実用に供し得る１０％以上のＭＲ比を実現することができる。
【００３４】
この場合の非磁性層３中の酸素／（酸素＋窒素）の比率は０．１〜５０原子％、より好適には、０．１〜１０原子％が望ましく、５０原子％を越えると従来のＡｌ−Ａｌ２ Ｏ３ 膜との差異が確認できなくなる。
【００３５】
この様な窒素と酸素とアルミニウムを含む非磁性層３からなるトンネル絶縁膜を形成するためには、磁性層４上にアルミニウム薄膜を堆積させたのち、アルミニウム薄膜を窒素と酸素の混合ガスに暴露して窒素と酸素とアルミニウムを含む非磁性層３とし、次いで、非磁性層３上に磁性層２を堆積させれば良い。
【００３６】
また、窒素と酸素の混合ガスに代えて、窒素と酸素の混合プラズマ或いは窒素と酸素の混合ラジカルに暴露しても良いものである。
【００３７】
さらには、アルミニウム薄膜を窒素または酸素のいずれか一方のガスに暴露したのち、窒素または酸素のいずれか他方のガスに暴露しても良いものであり、この場合も、窒素と酸素に代えて、窒素プラズマと酸素プラズマ、或いは、窒素ラジカルと酸素ラジカルに暴露しても良いものである。
【００３８】
また、上述の強磁性トンネル接合１を有する積層膜を用いることによって、感度の良い磁気センサを構成することができ、また、この磁気センサと誘導型のライトヘッドと組み合わせることによって感度の良い磁気ヘッドを構成することができ、これらを搭載することによって、高密度記録の磁気記録装置を構成することができる。
【００３９】
さらに、上述の磁気センサをメモリセルとして用いることによって、感度の高い磁気メモリ装置を構成することができ、且つ、感度が高いことによって１ビット線当りに接続できるセル数を増やすことができるので、磁気メモリ装置の高集積度化が可能になる。
【００４０】
【発明の実施の形態】
ここで、図２及び図３を参照して、本発明の第１の実施の形態のＭＴＪ磁気センサを説明する。
図２（ａ）及び（ｂ）参照
図２（ａ）は、本発明の第１の実施の形態のＭＴＪ磁気センサの平面図であり、また、図２（ｂ）は、ＭＴＪ部２０の近傍を拡散した概念的拡大図である。
まず、ＳｉＯ２ 膜１２を形成したシリコン基板１１上に、２５ｎｍのＴａ、３０ｎｍのＡｕ、及び、５ｎｍのＴａを順次堆積させた下部電極１３、厚さが６ｎｍのＮｉＦｅフリー層１４、厚さが１ｎｍのＣｏＦｅフリー層１５、及び、厚さが０．５〜１．５ｎｍ、例えば、０．８ｎｍのＡｌ膜（図示は省略）を順次堆積させる。
なお、この時、図２（ａ）における上下方向に磁場を印加した状態で堆積を行うものであり、ＮｉＦｅの組成は、例えば、Ｎｉ８０Ｆｅ２０であり、ＣｏＦｅの組成は、例えば、Ｃｏ７４Ｆｅ２６である。
【００４１】
次いで、例えば、１％の酸素ガスを混入した窒素ガスを１０００ｓｃｃｍ流した状態で、室温において１時間暴露することによって、Ａｌ膜の表面を酸窒化して、酸窒化Ａｌ膜１６を形成してトンネル絶縁膜とする。
この場合、酸窒化Ａｌ膜１６は、必ずしも深さ方向において完全に酸窒化したものではない。
【００４２】
次いで、図２（ａ）において左右方向に、磁場を印加しながら、厚さが２．５ｎｍのＣｏＦｅピンド層１７及び厚さが１５ｎｍのＩｒＭｎピン層１８を積層し、さらに、その上に厚さが２０ｎｍのＡｕ酸化防止膜１９を積層する。
なお、ＣｏＦｅの組成は、例えば、Ｃｏ７４Ｆｅ２６であり、また、ＩｒＭｎの組成は、例えば、Ｉｒ２０Ｍｎ８０である。
【００４３】
次いで、イオンミリング法を用いてＡｕ酸化防止膜１９乃至下部電極１３を図２（ａ）に示す形状にパターニングしたのち、Ａｕ酸化防止膜１９乃至ＮｉＦｅフリー層１４のみを更に図２（ａ）に示すように例えば、０．０４μｍ×１．０μｍの四角柱状にエッチングして、下部電極１３を露出させる。
【００４４】
次いで、全体をＳｉＯ２ 膜２１で覆ったのち、Ａｕ酸化防止膜１９を露出させ、次いで、全面にＴａ膜及びＡｕ膜を順次堆積させたのち、図２（ａ）に示す形状にパターニングすることによって、Ｔａ／Ａｕ上部電極２２とする。
【００４５】
次いで、下部電極１３に達するビアホールを形成し、Ａｕで埋め込んで下部引出電極２３を形成することによって、本発明の第１の実施の形態のＭＴＪ磁気センサの基本構成が得られる。
【００４６】
図３参照
図３は、本発明の第１の実施の形態のＭＴＪ磁気センサの特性図であり、抵抗値≒４Ω・μｍ２ で、ＭＲ比１３％の特性を持つ低抵抗・高ＭＲ比の強磁性トンネル接合の作成が可能になり、抵抗値≒３Ω・μｍ２ でも、ＭＲ比１０％の低抵抗・高ＭＲ比特性が得られた。
【００４７】
この様に、本発明の第１の実施の形態においては、トンネル絶縁膜として酸・窒化アルミニウム膜を用いているので、低抵抗・高ＭＲ比の強磁性トンネル接合の作成が可能になり、感度の高い磁気センサを構成することが可能になる。
【００４８】
なお、この場合の酸窒化Ａｌ膜１６中の酸素混入量は、ＳＩＭＳ（二次イオン質量分析器）によって測定を試みたところ、酸素／（酸素＋窒素）として、０．１〜５０原子％、より好適には０．１〜１０原子％が望ましい。
なお、酸素／（酸素＋窒素）が５０原子％をを越えた場合、従来のＡｌ−Ａｌ２ Ｏ３ 膜との差異は確認できなかった。
【００４９】
次に、図４乃至図６を参照して、磁気ディスク装置に搭載可能なＭＴＪ磁気センサを説明する。
即ち、上記の第１の実施の形態のＭＴＪ磁気センサの場合には、上下電極の端子構造から、磁気ディスクに近接して配置できないため、磁気ディスク装置用の磁気ヘッドとしては用いることができない構成である。
【００５０】
図４（ａ）及び（ｂ）参照
図４（ａ）は、本発明の第２の実施の形態のＭＴＪ磁気センサの概略的断面図であり、また、図４（ｂ）は、図４（ａ）における破線で示す円内の概略的拡大図である。
まず、Ａｌ２ Ｏ３ −ＴｉＣ基板３１上に、スパッタ法を用いて、例えば、ＮｉＦｅからなり、厚さが、例えば、０．５μｍの下部磁気シールド層３２を形成したのち、Ａｌ２ Ｏ３ 膜（図示を省略）を介してＴａからなる下部電極３３、厚さが５ｎｍのＮｉＦｅフリー層３４、厚さが１ｎｍのＣｏＦｅフリー層３５、及び、厚さが０．８ｎｍのＡｌ膜（図示は省略）を順次堆積させる。
なお、磁場を印加した状態で堆積を行うものであり、各ＮｉＦｅの組成は、例えば、Ｎｉ８０Ｆｅ２０であり、ＣｏＦｅの組成は、例えば、Ｃｏ７４Ｆｅ２６である。
【００５１】
次いで、上記の第１の実施の形態と同様に、チャンバー内に１％の酸素を混入した窒素ガスを１０００ｓｃｃｍ流した状態で、室温において１時間暴露することによってＡｌ膜の表面を酸窒化し、酸窒化Ａｌ膜３６を形成してトンネル絶縁膜とする。
【００５２】
次いで、先の磁場印加方向と直交する方向に、磁場を印加しながら、厚さが２．５ｎｍのＣｏＦｅピンド層３７及び厚さが２５ｎｍのＰｔＭｎピン層３８を積層し、さらに、その上に酸化防止膜として厚さが２０ｎｍのＡｕ酸化防止膜３９を積層する。
なお、ＣｏＦｅの組成は、例えば、Ｃｏ７４Ｆｅ２６であり、また、ＰｔＭｎの組成は、例えば、Ｐｔ４８Ｍｎ５２である。
【００５３】
次いで、レジストパターン（図示を省略）をマスクとしてイオンミリング法を用いてＡｕ酸化防止膜３９乃至下部電極３３を所定形状にパターニングしたのち、Ａｕ酸化防止膜層３９乃至ＮｉＦｅフリー層３４のみを更に０．７μｍ×０．７μｍの四角柱状にエッチングして、下部電極３３を露出させる。
【００５４】
次いで、スパッタリング法を用いて全面にＳｉＯ２ 膜４１を堆積させて、後述する磁区制御膜とＭＴＪ部４０との間の絶縁膜とする。
【００５５】
引き続いて、スパッタ法を用いて、全面に、厚さが２０〜５０ｎｍ、例えば、３０ｎｍのＣｏＣｒＰｔ膜を堆積させたのち、ＣＭＰ（化学機械研磨）法を用いて、Ａｕ酸化防止膜３９が露出するまで研磨して全体を平坦化することによって、ＣｏＣｒＰｔ磁区制御膜４２を形成する。
なお、この場合のＣｏＣｒＰｔの組成は、例えば、Ｃｏ７８Ｃｒ１０Ｐｔ１２である。
【００５６】
次いで、再び、スパッタ法を用いて、全面に、厚さが、例えば、０．２μｍのＳｉＯ２ 平坦化膜４３を堆積させたのち、Ａｕ酸化防止膜３９を露出させ、次いで、全面にＴａ膜及びＡｕ膜を順次堆積させたのち、所定形状にパターニングすることによって、上部電極４４を形成する。
【００５７】
次いで、Ａｌ２ Ｏ３ 膜（図示を省略）で被覆したのち、スパッタリング法を用いて全面にＮｉ８０Ｆｅ２０からなる上部磁気シールド層４５を形成し、以降は従来の誘導型のライトヘッドを上部磁気シールド層４５上に形成し、スライダー加工することによってＭＴＪを利用した複合型磁気ヘッドが得られる。
【００５８】
図５参照
図５は、スライダー加工後の上下の磁気シールド層の形状を示す平面図であり、下部磁気シールド層３２及び上部磁気シールド層４５の研磨端面にＭＴＪ部４０が露出する構成となる。
【００５９】
図６参照
図６は、本発明の第２の実施の形態のＭＴＪ磁気センサを搭載した磁気ディスク装置の平面図であり、スピンドルモータ５３の回転軸に取り付けられるとともに、ディスククランプリング５２によって固定された磁気ディスク５１、先端部にサスペンション５５を介して本発明の第２の実施の形態のＭＴＪ磁気センサを備えたスライダー５６と取り付けられたヘッドアーム５４から基本構成が構成される。
【００６０】
次に、図７を参照して、本発明の第３の実施の形態の磁気抵抗メモリ装置を説明する。
磁気抵抗メモリ装置（ＭＲＡＭ：Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）は、強磁性体の巨大磁気抵抗効果を用いてメモリセルを形成するものであり、構造が簡単で微細化・集積化に向く、メモリセルが不揮発であるため低消費電力である、応答速度も速い、などの点から次世代のＲＡＭとして注目されている。
【００６１】
このＭＲＡＭに用いる。磁気抵抗素子にはいくつかの構造が実際に使われ、あるいは提案されているが、基本的には２種類の薄い強磁性体を積層電極として、その間にＣｕ等の常磁性金属（分離層） をはさんだスピンバルブ型と、２種類の薄い強磁性体の間に薄い酸化物等のトンネルバリアをはさんだトンネル型（ＴＭＲ）がある。
【００６２】
どちらも一方の電極（ピンド層）の磁性を固定し、もう一方の電極（フリー層）の磁化を外部磁場により反転させることにより、”１”，”０”の情報を書き込むものであり、メモリセルを構成する磁気抵抗効果素子の感度が問題となる。
【００６３】
そこで、感度を高めるために、上記の酸窒化アルミニウム膜をトンネル絶縁膜として用いたＭＴＪ接合を利用してメモリセルを構成したので、図７を参照して説明する。
図７（ａ）参照
図７（ａ）は、本発明の第３の実施の形態の磁気抵抗メモリ装置の要部等価回路図であり、ビット線６１とワード線６２との交点にＭＴＪ部７１を配置し、ｉ番目のビット線６１をスイッチＳｂｉを介してセンスアンプ６４に接続したものである。
なお、この場合のセンスアンプを含む周辺回路部は、化合物半導体を用いた半導体周辺回路６３によって構成したものであり、センスアンプ６４はＭＥＳＦＥＴによって構成される。
【００６４】
図７（ｂ）及び（ｃ）参照
図７（ｂ）及び（ｃ）はＭＴＪ部７１の模式図であり、ビット線６１上にＴａ膜７２を介して、ＰｔＭｎピン層７３／ＣｏＦｅピンド層７４／酸窒化Ａｌ膜７５／ＣｏＦｅフリー層７６／ＮｉＦｅフリー層７７を順次積層し、Ｔａ膜７８を介してワード線６２と接続したものである。
【００６５】
この場合、図７（ｂ）に示すＣｏＦｅフリー層７６及びＮｉＦｅフリー層７７の磁化方向が、ＰｔＭｎピン層７３によって磁化方向を固定したＣｏＦｅピンド層７４と同一である場合、素子の縦方向の抵抗は小さく、一方、図７（ｃ）に示すように反対であれば大きくなるという磁気抵抗の変化を見ることで情報を読み出すものである。
【００６６】
図においては番地（ｍ，ｍ）に位置するＭＴＪ部７１に書き込む場合、一対のスイッチＳｗｍを接続して番地（ｍ，ｍ）に位置するＭＴＪ部７１に接続するワード線６２に書込電流Ｉｗｗを流すとともに、一対のスイッチＳｂｍを接続して番地（ｍ，ｍ）に位置するＭＴＪ部７１に接続するビット線６１に書込電流Ｉｂｗを流し、それぞれの電流Ｉｗｗ，Ｉｂｗによって発生した磁界によりＣｏＦｅフリー層７６及びＮｉＦｅフリー層７７の磁化方向を変化させて情報”１”を書き込む。
【００６７】
一方、番地（ｍ，ｍ）に位置するＭＴＪ部７１に書き込まれた情報を消去する場合、一対のスイッチＳｗｍを接続して番地（ｍ，ｍ）に位置するＭＴＪ部７１に接続するワード線６２に書込電流Ｉｗｗと逆方向の消去電流Ｉｗｅを流すとともに、一対のスイッチＳｂｍを接続して番地（ｍ，ｍ）に位置するＭＴＪ部７１に接続するビット線６１に書込電流Ｉｂｗと逆方向の消去電流Ｉｂｅを流し、それぞれの電流Ｉｗｅ，Ｉｂｅによって発生した磁界によりＣｏＦｅフリー層７６及びＮｉＦｅフリー層７７の磁化方向を変化させて状態を”０”とする。
なお、元々”０”の状態のメモリセル、即ち、ＭＴＪ部７１においては、磁化方向が変化しないので、”０”の状態のままとなる。
【００６８】
また、番地（ｍ，ｍ）に位置するＭＴＪ部７１に書き込まれた情報を読み出す場合、ワード線６２に接続されているスイッチＳｗｍの一方のみをオンにするとともに、ビット線６１に接続されているセンスアンプ６４側のスイッチＳｂｗのみをオンにして、ワード線６２側から書込電流より小さな読出電流Ｉｂ を流し、ＣｏＦｅフリー層７６及びＮｉＦｅフリー層７７の磁化方向に応じてＭＴＪ部７１を貫通して流れた電流量をセンスアンプ６４で検出する。
【００６９】
この第３の実施の形態においては、抵抗値が小さくＭＲ比の大きなＭＴＪ部２０を用いてメモリセルを構成しているので、ビット線当たりのメモリセル数を従来のＭＲＡＭに比べて増やすことができ、それによって、大容量メモリ装置の構築が可能になる。
なお、この場合のビット線６１及びワード線６２は、各種の導電体で構成することが可能であるが、例えば、Ｗで構成すれば良い。
【００７０】
以上、本発明の各実施の形態を説明してきたが、本発明は各実施の形態に記載した構成に限られるものではなく、各種の変更が可能である。
例えば、上記の各実施の形態の説明においては、酸窒化Ａｌ膜を酸素と窒素の混合ガス中に暴露することによって形成しているが、酸素と窒素の混合プラズマに暴露しても良いものであり、さらには、マイクロ波ラジカルガン或いは高周波電源を用いてラジカル化した酸素と窒素の混合ラジカルに暴露しても良いものである。
【００７１】
また、酸窒化工程は同時に行う必要は必ずしもなく、酸素ガスに暴露したのち窒素ガスに暴露しても良く、或いは、逆に、窒素ガスに暴露したのち酸素ガスに暴露しても良いものである。
【００７２】
または、酸素ガス及び窒素ガスに代えて、酸素プラズマに暴露したのち窒素プラズマに暴露しても良く、或いは、逆に、窒素プラズマに暴露したのち酸素プラズマに暴露しても良いものである。
【００７３】
または、酸素ガス及び窒素ガスに代えて、酸素ラジカルに暴露したのち窒素ラジカルに暴露しても良く、或いは、逆に、窒素ラジカルに暴露したのち酸素ラジカルに暴露しても良いものである。
【００７４】
また、上記の各実施の形態における、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、ＰｔＭｎ、ＩｒＭｎ、及び、ＣｏＣｒＰｔの組成比は単なる一例であり、他の組成比の材料を用いても良いものである。
【００７５】
また、上記の第１の実施の形態においては、ピン層となる反強磁性層をＩｒＭｎで構成しているが、ＰｔＭｎ或いはＰｄＰｔＭｎ等の他の反強磁性体を用いても良いものであり、一方、第２の実施の形態においては、ＰｔＭｎを用いているが、ＩｒＭｎ或いはＰｄＰｔＭｎ等の他の反強磁性体を用いても良いものである。
【００７６】
また、上記の各実施の形態においては、フリー層をＮｉＦｅ／ＣｏＦｅの２層構造としているが、必ずしも２層構造である必要はなく、ＮｉＦｅ或いはＣｏＦｅの単層構造で形成しても良いものである。
【００７７】
また、上記の各実施の形態においては、ピンド層を単層のＣｏＦｅによって構成しているが、例えば、０．４ｎｍのＣｏＦｅ、０．８ｎｍのＲｕ、及び、０．５ｎｍのＣｏＦｅ層を堆積させ、その上に反強磁性層を設けるＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅのフェリピン構造で形成しても良いものである。
【００７８】
また、上記の第１及び第２の実施の形態においては、ＴＭＲ素子を反強磁性層が最上層となるＴｏｐ型として説明しているが、第３の実施の形態のように、積層構造を反対にして反強磁性層が最下層となるＢｏｔｔｏｍ型で構成しても良いものである。
【００７９】
また、上記の第３の実施の形態においては、ＭＴＪ部を反強磁性層が最下層となるＢｏｔｔｏｍ型として説明しているが、第１の実施の形態のように、積層構造を反対にして反強磁性層が最上層となるＴｏｐ型で構成しても良いものである。
【００８０】
また、本発明の第２の実施の形態の説明においては、複合型薄膜磁気ヘッドに用いる磁気センサとして説明しているが、本発明は単独のリードヘッド用の磁気センサとしても適用されるものであることは言うまでもないことであり、さらには、エンコーダ装置にも用いられるものである。
【００８１】
ここで、再び、図１を参照して、本発明の詳細な特徴を説明する。
図１参照
（付記１） 磁性層２／非磁性層３／磁性層４からなる強磁性トンネル接合１を有する積層膜において、前記非磁性層３は、窒素と酸素とアルミニウムを含むことを特徴とする強磁性トンネル接合を有する積層膜。
（付記２） 磁性層４上にアルミニウム薄膜を堆積させたのち、前記アルミニウム薄膜を窒素と酸素の混合ガスに暴露して窒素と酸素とアルミニウムを含む非磁性層３とし、次いで、前記非磁性層３上に磁性層２を堆積させて磁性層２／非磁性層３／磁性層４からなる強磁性トンネル接合１を形成する工程を少なくとも含むことを特徴とする強磁性トンネル接合を有する積層膜の製造方法。
（付記３） 磁性層４上にアルミニウム薄膜を堆積させたのち、前記アルミニウム薄膜を窒素と酸素の混合プラズマに暴露して窒素と酸素とアルミニウムを含む非磁性層３とし、次いで、前記非磁性層３上に磁性層２を堆積させて磁性層２／非磁性層３／磁性層４からなる強磁性トンネル接合１を形成する工程を少なくとも含むことを特徴とする強磁性トンネル接合を有する積層膜の製造方法。
（付記４） 磁性層４上にアルミニウム薄膜を堆積させたのち、前記アルミニウム薄膜を窒素と酸素の混合ラジカルに暴露して窒素と酸素とアルミニウムを含む非磁性層３とし、次いで、前記非磁性層３上に磁性層２を堆積させて磁性層２／非磁性層３／磁性層４からなる強磁性トンネル接合１を形成する工程を少なくとも含むことを特徴とする強磁性トンネル接合を有する積層膜の製造方法。
（付記５） 磁性層４上にアルミニウム薄膜を堆積させたのち、前記アルミニウム薄膜を窒素または酸素のいずれか一方のガスに暴露し、次いで、窒素または酸素のいずれか他方のガスに暴露して窒素と酸素とアルミニウムを含む非磁性層３としたのち、前記非磁性層３上に磁性層２を堆積させて磁性層２／非磁性層３／磁性層４からなる強磁性トンネル接合１を形成する工程を少なくとも含むことを特徴とする強磁性トンネル接合を有する積層膜の製造方法。
（付記６） 磁性層４上にアルミニウム薄膜を堆積させたのち、前記アルミニウム薄膜を窒素または酸素のいずれか一方のプラズマに暴露し、次いで、窒素または酸素のいずれか他方のプラズマに暴露して窒素と酸素とアルミニウムを含む非磁性層３としたのち、前記非磁性層３上に磁性層２を堆積させて磁性層２／非磁性層３／磁性層４からなる強磁性トンネル接合１を形成する工程を少なくとも含むことを特徴とする強磁性トンネル接合を有する積層膜の製造方法。
（付記７） 磁性層４上にアルミニウム薄膜を堆積させたのち、前記アルミニウム薄膜を窒素または酸素のいずれか一方のラジカルに暴露し、次いで、窒素または酸素のいずれか他方のラジカルに暴露して窒素と酸素とアルミニウムを含む非磁性層３としたのち、前記非磁性層３上に磁性層２を堆積させて磁性層２／非磁性層３／磁性層４からなる強磁性トンネル接合１を形成する工程を少なくとも含むことを特徴とする強磁性トンネル接合を有する積層膜の製造方法。
（付記８） 付記１記載の強磁性トンネル接合１を有する積層膜を用いたことを特徴とする磁気センサ。
（付記９） 付記１記載の強磁性トンネル接合１を有する積層膜を用いたことを特徴とする磁気ヘッド。
（付記１０） 付記８記載の磁気センサを搭載したことを特徴とする磁気記録装置。
（付記１１） 付記８記載の磁気センサをメモリセルとして用いたことを特徴とする磁気メモリ装置。
【００８２】
【発明の効果】
本発明によれば、ＭＴＪ磁気磁気センサを構成する際に、トンネル絶縁膜として酸窒化Ａｌ膜を用いているので、低抵抗領域において高いＭＲ比を実現することができ、高記録密度のＨＤＤ装置或いは高集積度の磁気抵抗メモリ装置の実現・普及に寄与するところが大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理的構成の説明図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態のＭＴＪ磁気センサの構成説明図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態のＭＴＪ磁気センサの特性図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態のＭＴＪ磁気センサの概略的断面図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態のＭＴＪ磁気センサの平面図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態のＭＴＪ磁気センサを搭載した磁気ディスク装置の平面図である。
【図７】本発明の第３の実施の形態の磁気抵抗メモリ装置の説明図である。
【図８】従来のＭＴＪ磁気センサの構成説明図である。
【図９】酸化Ａｌ膜を用いたＭＴＪ磁気センサの特性図である。
【図１０】窒化Ａｌ膜を用いたＭＴＪ磁気センサの特性図である。
【符号の説明】
１ 強磁性トンネル接合
２ 磁性層
３ 非磁性層
４ 磁性層
５ 反強磁性層
１１ シリコン基板
１２ ＳｉＯ２ 膜
１３ 下部電極
１４ ＮｉＦｅフリー層
１５ ＣｏＦｅフリー層
１６ 酸窒化Ａｌ膜
１７ ＣｏＦｅピンド層
１８ ＩｒＭｎピン層
１９ Ａｕ酸化防止膜
２０ ＭＴＪ部
２１ ＳｉＯ２ 膜
２２ Ｔａ／Ａｕ上部電極
２３ 下部引出電極
３１ Ａｌ２ Ｏ３ −ＴｉＣ基板
３２ 下部磁気シールド層
３３ 下部電極
３４ ＮｉＦｅフリー層
３５ ＣｏＦｅフリー層
３６ 酸窒化Ａｌ膜
３７ ＣｏＦｅピンド層
３８ ＰｔＭｎピン層
３９ Ａｕ酸化防止膜
４０ ＭＴＪ部
４１ ＳｉＯ２ 膜
４２ ＣｏＣｒＰｔ磁区制御膜
４３ ＳｉＯ２ 平坦化膜
４４ 上部電極
４５ 上部磁気シールド層
５１ 磁気記録媒体
５２ ディスククランプリング
５３ スピンドルモータ
５４ ヘッドアーム
５５ サスペンション
５６ スライダー
６１ ビット線
６２ ワード線
６３ 半導体周辺回路
６４ センスアンプ
７１ ＭＴＪ部
７２ Ｔａ膜
７３ ＰｔＭｎピン層
７４ ＣｏＦｅピンド層
７５ 酸窒化Ａｌ膜
７６ ＣｏＦｅフリー層
７７ ＮｉＦｅフリー層
７８ Ｔａ膜
８１ シリコン基板
８２ ＳｉＯ２ 膜
８３ 下部電極
８４ ＮｉＦｅフリー層
８５ ＣｏＦｅフリー層
８６ Ａｌ−Ａｌ２ Ｏ３ 膜
８７ ＣｏＦｅピンド層
８８ ＩｒＭｎピン層
８９ Ａｕ酸化防止膜
９０ ＭＴＪ部
９１ ＳｉＯ２ 膜
９２ 上部電極
９３ 下部引出電極
９４ 定電流源
９５ 電圧計[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a laminated film having a ferromagnetic tunnel junction, a method of manufacturing the same, a magnetic sensor, a magnetic recording device, and a magnetic memory device. In particular, the present invention relates to a magnetic disk used for a reproducing head (read head) or an encoder for a magnetic disk. The present invention relates to a laminated film having a ferromagnetic tunnel junction characterized by the structure of a tunnel insulating film constituting a laminated film having a magnetic tunnel junction, a method for manufacturing the same, a magnetic sensor, a magnetic recording device, and a magnetic memory device.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, an induction type thin film magnetic head (inductive head) that senses a magnetic field by an induced current generated in a coil has been used as a magnetic head such as a hard disk device as an external storage device of a computer. As the demand for higher density and higher speed has increased, magnetic sensors that sense the magnetic field itself have become the mainstream of magnetic heads for reproduction.
[0003]
As such a magnetic sensor, a sensor utilizing the magnetoresistive effect is employed. The principle of reproduction in this MR head is that a magnetoresistive effect element is formed when a constant sense current flows from a lead electrode. This utilizes a phenomenon in which the electric resistance of a magnetic thin film changes due to a magnetic field from a recording medium.
[0004]
With the recent increase in the recording density of hard disk drives, the recording area of one bit has been reduced, and the generated magnetic field has become smaller. Therefore, it is necessary to be able to detect small changes in the external magnetic field. Magnetic heads utilizing higher giant magnetoresistance are beginning to be adopted.
[0005]
At present, as a magnetic sensor utilizing the giant magnetoresistive effect, a CIP type read head which uses a spin valve film and allows current to flow in a horizontal direction is used. Since it is necessary to interpose an insulating layer, that is, a read gap layer, between the magnetic shield layer and the magnetic shield layer, there is a limit to shortening the bit length.
[0006]
In order to solve such a problem, adoption of a CPP (Current Perpendicular to the Plane) method in which a current flows perpendicularly to the film surface of the magnetic sensor film is being studied. As one type, there is a magnetic sensor using a ferromagnetic tunnel junction, that is, a tunnel magnetoresistance (TMR) element.
[0007]
Generally, when a voltage is applied between metals on both sides of a junction having a metal / insulator / metal structure, a slight current flows when the insulator is sufficiently thin.
Normally, an insulator does not pass a current, but if the insulator is thin enough to have a thickness of several to several tens of millimeters, the quantum mechanical effect has a very slight probability that electrons will pass through. Is called “tunnel current”, and a junction having this structure is called “tunnel junction”.
[0008]
For such an insulating layer, a metal oxide film is generally used as an insulating barrier. For example, an Al surface layer is oxidized by natural oxidation, plasma oxidation, thermal oxidation, or the like.
[0009]
At this time, by adjusting the oxidation conditions, several to several tens of the surface can be made into an oxide layer, but since this aluminum oxide is an insulator, it can be used as a barrier layer of a tunnel junction. The characteristic of such a junction is that it has been used as a non-linear element because a current with respect to an applied voltage has non-linearity unlike a normal resistor.
[0010]
A structure in which the metal on both sides of the tunnel junction is replaced with a ferromagnetic metal is called a ferromagnetic tunnel junction. In a ferromagnetic tunnel junction, the tunnel probability (tunnel resistance) depends on the magnetization state of the magnetic layers on both sides. It is known to
[0011]
That is, the tunnel resistance can be controlled by the magnetic field.
Here, assuming that the relative angle of magnetization is θ, the tunnel resistance R is
R = R s + 0.5ΔR (1-cos θ) (1)
expressed.
Therefore, when the angles of magnetization of both magnetic layers are uniform (θ = 0), the tunnel resistance is small (R = R s ), When the magnetizations of both magnetic layers are in opposite directions (θ = 180 °), the tunnel resistance increases (R = R s + ΔR).
[0012]
Such a phenomenon occurs due to the polarization of the electrons inside the ferromagnetic material.
Electrons usually have an upward spin state (up electron) and a downward spin state (down electron), but the electrons inside a normal non-magnetic metal have the same number of both electrons. Has no magnetism.
On the other hand, the number of electrons inside the ferromagnetic material is the number of up electrons (N up ) And the number of down electrons (N down ) Are different, and therefore have an up or down magnetism as a whole.
[0013]
When electrons in such a spin state tunnel through a thin insulating film, it is known that these electrons tunnel while maintaining their spin states.
Therefore, if there is a vacancy in the electronic state at the tunnel destination, tunneling is possible, but if there is no vacancy in the electronic state at the tunnel destination, electrons cannot tunnel.
[0014]
Therefore, the rate of change of the tunnel resistance ΔR / R s Is the polarization rate P of the electron source. 1 And the polarization rate P at the tunnel end 2 It is expressed by the product of
ΔR / R S = 2 × P 1 × P 2 / (1-P 1 × P 2 ) (2)
Here, the polarization rate P of the electron source 1 And the polarization P at the tunnel end 2 Means the polarizability P of both magnetic layers constituting the tunnel junction,
P = 2 (N up -N down ) / (N up + N down ・ ・ ・ ・ ・ ・ (3)
Is represented by
[0015]
The polarizability P depends on the type of the ferromagnetic metal. For example, the polarizabilities of NiFe, Co, and CoFe are 0.3, 0.34, and 0.46, respectively. Have about 20%, 26%, and 54% magnetoresistive change rates (MR ratio ) Can be expected.
This MR ratio Is larger than the anisotropic magnetoresistance effect (AMR) or the giant magnetoresistance effect (GMR), and application to a magnetic sensor or a magnetic head is considered.
[0016]
The tunnel resistance R depends on the height (φ) and the width (W) of the insulating barrier of the insulating layer as shown in the following equation.
R∝Exp (W × φ 1/2 ) ・ ・ ・ (4)
Therefore, the tunnel resistance R decreases when the insulating barrier height φ is low and when the barrier width W is narrow.
[0017]
Here, a conventional MTJ magnetic sensor will be described with reference to FIG. 8, in which the MTJ is a ferromagnetic tunnel junction.
See FIGS. 8A and 8B
FIG. 8A is a schematic plan view of a conventional MTJ magnetic sensor independently produced by the present inventors, and FIG. 8B is a conceptual cross-sectional view of the MTJ section.
First, SiO 2 A lower electrode 83 in which 25 nm of Ta, 30 nm of Au, and 5 nm of Ta are sequentially stacked on a silicon substrate 81 on which a film 82 is formed, a NiFe free layer 84 having a thickness of 6 nm, and a CoFe free layer having a thickness of 1 nm. A layer 85 and an Al film having a thickness of 0.5 to 1.5 nm are sequentially deposited.
At this time, the deposition is performed in a state where a magnetic field is applied in the longitudinal direction of the lower electrode 83. Since CoFe has a larger polarizability than NiFe, the CoFe free layer 85 is formed for the purpose of increasing the ferromagnetic tunnel resistance change. Has been inserted.
[0018]
Then, for example, O 2 The surface of the Al film was oxidized by exposing at a room temperature for 6 hours while flowing a gas at a flow rate of 100 sccm. 2 O 3 The film 86 is converted.
[0019]
Next, a CoFe pinned layer 87 having a thickness of 2.5 nm and an IrMn pinned layer 88 having a thickness of 15 nm are laminated while applying a magnetic field in a direction perpendicular to the lower magnetic layer, and further, oxidation prevention is performed thereon. An Au oxidation preventing film 89 having a thickness of 20 nm is laminated as a film.
[0020]
Next, after the Au oxidation preventing film 89 to the lower electrode 83 are patterned into a predetermined shape by using an ion milling method, only the Au oxidation preventing film 89 to the NiFe free layer 84 are etched to a size of 0.04 μm × 1.0 μm. Then, the lower electrode 83 is exposed, and then the whole is made of SiO 2. 2 After covering with the film 21, the Au oxidation preventing film 89 is exposed, and then a Ta layer and an Au layer are sequentially deposited on the entire surface, and then patterned into a shape shown in FIG. Next, a via hole reaching the lower electrode 83 is formed and buried with Au to form a lower extraction electrode 93.
[0021]
The ferromagnetic tunnel junction (MTJ) portion 90 in this case has a structure of “magnetic layer (free layer) / insulating layer / magnetic layer (pinned layer) / antiferromagnetic layer (pinned layer)”, and includes a CoFe pinned layer 87. Are exchange-coupled with the IrMn pinned layer 88, and the magnetization direction of the CoFe pinned layer 87 is fixed.
[0022]
Therefore, when a magnetic field is applied from the outside, only the CoFe free layer 85 and the NiFe free layer 84 rotate, and the relative angle of magnetization between the free layer and the pinned layer changes, so that a sense current flows from the constant current source 94. Then, as shown in the above equation (1), the tunnel resistance changes depending on the magnetic field, and the change is detected by the voltmeter 95.
[0023]
See FIG.
FIG. 9 is a characteristic diagram of the conventional MTJ magnetic sensor manufactured in the above-described steps, and shows the magnetoresistance ratio MR. ratio About 20% is obtained.
[0024]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the ferromagnetic tunnel junction film, as described above, aluminum oxide is mainly used for the insulating layer. However, in order to use the magnetic tunnel junction film as a magnetic sensor, particularly a magnetic head material for ultra-high density recording. Since the resistance value of the tunnel junction film using aluminum oxide is too large, it is necessary to lower the resistance value.
[0025]
As apparent from the above equation (4), the resistance value can be reduced by reducing the thickness W of the insulating layer or reducing the insulating barrier height φ.
In order to make the insulating layer thinner, it is necessary to make a thin film without pinholes. However, the thickness of the currently used aluminum oxide film is as thin as about 10 ° = 1 nm, and a thinner film without pinholes is required. There is a problem that it is difficult to make.
[0026]
For example, in FIG. 9 described above, the resistance RA is 5Ω · μm 2 In the following low resistance regions, the film is unstable in terms of material in the state of squeezing, and short-circuit occurs, so that there is a problem that desired tunnel characteristics cannot be obtained.
[0027]
On the other hand, as a method of lowering the insulating barrier height, a method of manufacturing an aluminum nitride film instead of an aluminum oxide film has been proposed (if necessary, JJ Sun, RC Sousa, J. Magn). Soc. Japan vol.23, p.55, 1999).
[0028]
In this case, when forming the aluminum nitride film, Ar + N 2 Although a mixed gas is used and formed by a reactive sputtering method, the MR ratio is 2% or less, and there is a problem that a high MR ratio is not obtained (if necessary, see M. Schwicket et al., J. Appl. Phys., 89, p. 6871, 2001).
This is probably because the reactive sputtering method makes it difficult to form a thin film.
[0029]
Therefore, the present inventors independently formed an Al nitride film and examined its characteristics.
In this case, the oxidation step in the manufacturing process of the MTJ magnetic sensor described with reference to FIG. 2 With the gas flowing at 1000 sccm, nitriding treatment was performed at room temperature for 1 hour to form an Al-AlN film.
[0030]
See FIG.
FIG. 10 is a characteristic diagram of the MTJ magnetic sensor using the Al nitride film manufactured in the above-described process. As shown in FIG. 10, the magnetoresistance change rate is 2 Ω · μm. 2 About 3% is obtained in the following low resistance regions.
However, also in this case, the resistance can be reduced, and the MR ratio (MR ratio) is lower than that of the conventional Al nitride film. ratio ), But the MR ratio is still insufficient.
[0031]
Therefore, an object of the present invention is to form an insulating film having lower resistance than aluminum oxide and a high MR ratio.
[0032]
[Means for Solving the Problems]
FIG. 1 is an explanatory diagram of the basic configuration of the present invention, and means for solving the problems in the present invention will be described with reference to FIG.
See FIG.
In order to achieve the above object, the present invention provides a laminated film having a ferromagnetic tunnel junction 1 composed of a magnetic layer 2 / a non-magnetic layer 3 / a magnetic layer 4, wherein the non-magnetic layer 3 comprises nitrogen, oxygen and aluminum. It is characterized by including.
[0033]
As described above, by forming the tunnel insulating film constituting the ferromagnetic tunnel junction 1 with the nonmagnetic layer 3 containing nitrogen, oxygen and aluminum, 4 Ω · μm 2 Even in the vicinity of the low resistance region, an MR ratio of 10% or more that can be practically used can be realized.
[0034]
In this case, the ratio of oxygen / (oxygen + nitrogen) in the non-magnetic layer 3 is preferably 0.1 to 50 at%, more preferably 0.1 to 10 at%, and if it exceeds 50 at%, the conventional ratio is obtained. Al-Al 2 O 3 The difference from the film cannot be confirmed.
[0035]
In order to form such a tunnel insulating film composed of the nonmagnetic layer 3 containing nitrogen, oxygen and aluminum, an aluminum thin film is deposited on the magnetic layer 4 and then exposed to a mixed gas of nitrogen and oxygen. Then, the nonmagnetic layer 3 containing nitrogen, oxygen and aluminum is formed, and then the magnetic layer 2 is deposited on the nonmagnetic layer 3.
[0036]
Further, instead of the mixed gas of nitrogen and oxygen, it may be exposed to a mixed plasma of nitrogen and oxygen or a mixed radical of nitrogen and oxygen.
[0037]
Furthermore, after exposing the aluminum thin film to one of nitrogen or oxygen gas, it may be exposed to either nitrogen or oxygen gas.In this case, instead of nitrogen and oxygen, Exposure to nitrogen plasma and oxygen plasma, or nitrogen radicals and oxygen radicals may be performed.
[0038]
Further, by using the laminated film having the above-described ferromagnetic tunnel junction 1, a highly sensitive magnetic sensor can be formed, and by combining this magnetic sensor with an inductive write head, a highly sensitive magnetic head can be obtained. , And by mounting them, a magnetic recording device for high-density recording can be configured.
[0039]
Further, by using the above magnetic sensor as a memory cell, a highly sensitive magnetic memory device can be formed, and the number of cells that can be connected per bit line can be increased due to the high sensitivity. It is possible to increase the degree of integration of the magnetic memory device.
[0040]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Here, the MTJ magnetic sensor according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
See FIGS. 2A and 2B
FIG. 2A is a plan view of the MTJ magnetic sensor according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 2B is a conceptual enlarged view in which the vicinity of the MTJ unit 20 is diffused.
First, SiO 2 A lower electrode 13 in which 25 nm of Ta, 30 nm of Au, and 5 nm of Ta are sequentially deposited on a silicon substrate 11 on which a film 12 is formed, a NiFe free layer 14 having a thickness of 6 nm, and a CoFe free layer having a thickness of 1 nm. A layer 15 and an Al film (not shown) having a thickness of 0.5 to 1.5 nm, for example, 0.8 nm are sequentially deposited.
At this time, the deposition is performed in a state in which a magnetic field is applied in the up-down direction in FIG. 2A. 80 Fe 20 And the composition of CoFe is, for example, Co 74 Fe 26 It is.
[0041]
Then, the surface of the Al film is oxynitrided by, for example, exposing at room temperature for 1 hour while flowing a nitrogen gas mixed with 1% oxygen gas at a flow rate of 1000 sccm, thereby forming an oxynitride Al film 16 to form a tunnel. An insulating film is used.
In this case, the oxynitride Al film 16 is not necessarily completely oxynitrided in the depth direction.
[0042]
2A, a CoFe pinned layer 17 having a thickness of 2.5 nm and an IrMn pinned layer 18 having a thickness of 15 nm are laminated while applying a magnetic field in the left-right direction. Is deposited with a 20 nm thick Au oxidation prevention film 19.
The composition of CoFe is, for example, Co 74 Fe 26 The composition of IrMn is, for example, Ir 20 Mn 80 It is.
[0043]
Next, after the Au oxidation preventing film 19 to the lower electrode 13 are patterned into the shape shown in FIG. 2A by using the ion milling method, only the Au oxidation preventing film 19 to the NiFe free layer 14 are further shown in FIG. As shown, for example, the lower electrode 13 is exposed by etching into a quadrangular prism shape of 0.04 μm × 1.0 μm.
[0044]
Then, the whole is made of SiO 2 After covering with the film 21, the Au oxidation preventing film 19 is exposed, then a Ta film and an Au film are sequentially deposited on the entire surface, and then patterned into a shape shown in FIG. The electrode 22 is used.
[0045]
Next, a via hole reaching the lower electrode 13 is formed and buried with Au to form the lower extraction electrode 23, whereby the basic configuration of the MTJ magnetic sensor according to the first embodiment of the present invention is obtained.
[0046]
See FIG.
FIG. 3 is a characteristic diagram of the MTJ magnetic sensor according to the first embodiment of the present invention. 2 Thus, a ferromagnetic tunnel junction having a low resistance and a high MR ratio having a characteristic of an MR ratio of 13% can be formed, and the resistance value is about 3 Ω · μm. 2 However, low resistance and high MR ratio characteristics with an MR ratio of 10% were obtained.
[0047]
As described above, in the first embodiment of the present invention, a ferromagnetic tunnel junction having a low resistance and a high MR ratio can be formed because the oxy-aluminum nitride film is used as the tunnel insulating film, and the sensitivity is improved. , It is possible to configure a magnetic sensor having a high density.
[0048]
The amount of oxygen mixed in the Al oxynitride film 16 in this case was measured by SIMS (secondary ion mass spectrometer), and as a result, 0.1 / 50 atomic% as oxygen / (oxygen + nitrogen) was obtained. More preferably, the content is 0.1 to 10 atomic%.
When oxygen / (oxygen + nitrogen) exceeds 50 atomic%, the conventional Al-Al 2 O 3 No difference from the membrane could be confirmed.
[0049]
Next, an MTJ magnetic sensor that can be mounted on a magnetic disk drive will be described with reference to FIGS.
That is, in the case of the MTJ magnetic sensor according to the first embodiment, since it cannot be arranged close to the magnetic disk due to the terminal structure of the upper and lower electrodes, it cannot be used as a magnetic head for a magnetic disk device. It is.
[0050]
See FIGS. 4A and 4B
FIG. 4A is a schematic cross-sectional view of an MTJ magnetic sensor according to a second embodiment of the present invention, and FIG. 4B is a schematic cross-sectional view of a circle shown by a broken line in FIG. FIG.
First, Al 2 O 3 After forming a lower magnetic shield layer 32 made of, for example, NiFe and having a thickness of, for example, 0.5 μm on the TiC substrate 31 by sputtering, 2 O 3 Through a film (not shown), a lower electrode 33 made of Ta, a NiFe free layer 34 having a thickness of 5 nm, a CoFe free layer 35 having a thickness of 1 nm, and an Al film having a thickness of 0.8 nm (not shown) (Omitted) are sequentially deposited.
The deposition is performed in a state where a magnetic field is applied, and the composition of each NiFe is, for example, Ni 80 Fe 20 And the composition of CoFe is, for example, Co 74 Fe 26 It is.
[0051]
Then, similarly to the first embodiment, the surface of the Al film is oxynitrided by exposure at room temperature for 1 hour while flowing a nitrogen gas containing 1% oxygen into the chamber at 1000 sccm, as in the first embodiment. An aluminum oxynitride film 36 is formed to form a tunnel insulating film.
[0052]
Next, a CoFe pinned layer 37 having a thickness of 2.5 nm and a PtMn pinned layer 38 having a thickness of 25 nm are laminated while applying a magnetic field in a direction perpendicular to the direction in which the magnetic field is applied, and further oxidized thereon. An Au oxidation preventive film 39 having a thickness of 20 nm is laminated as a preventive film.
The composition of CoFe is, for example, Co 74 Fe 26 The composition of PtMn is, for example, PtMn. 48 Mn 52 It is.
[0053]
Next, after the Au oxidation preventing film 39 to the lower electrode 33 are patterned into a predetermined shape using an ion milling method by using a resist pattern (not shown) as a mask, only the Au oxidation preventing film layer 39 to the NiFe free layer 34 are further reduced to zero. The lower electrode 33 is exposed by etching into a square column of 0.7 μm × 0.7 μm.
[0054]
Then, the entire surface is formed by sputtering using a sputtering method. 2 The film 41 is deposited to form an insulating film between the magnetic domain control film described later and the MTJ unit 40.
[0055]
Subsequently, a CoCrPt film having a thickness of 20 to 50 nm, for example, 30 nm is deposited on the entire surface by using a sputtering method, and then the Au oxidation preventing film 39 is exposed by using a CMP (chemical mechanical polishing) method. The CoCrPt magnetic domain control film 42 is formed by polishing to flatten the whole.
The composition of CoCrPt in this case is, for example, Co 78 Cr 10 Pt 12 It is.
[0056]
Then, again, using a sputtering method, a SiO 2 layer having a thickness of, for example, 0.2 μm 2 After depositing the planarizing film 43, the Au oxidation preventing film 39 is exposed, and then a Ta film and an Au film are sequentially deposited on the entire surface, and then patterned into a predetermined shape to form the upper electrode 44.
[0057]
Then, Al 2 O 3 After covering with a film (not shown), Ni 80 Fe 20 The upper magnetic shield layer 45 is formed, and thereafter, a conventional inductive write head is formed on the upper magnetic shield layer 45 and processed by a slider to obtain a composite magnetic head using the MTJ.
[0058]
See FIG.
FIG. 5 is a plan view showing the shapes of the upper and lower magnetic shield layers after the slider processing. The MTJ portion 40 is exposed at the polished end faces of the lower magnetic shield layer 32 and the upper magnetic shield layer 45.
[0059]
See FIG.
FIG. 6 is a plan view of a magnetic disk device equipped with the MTJ magnetic sensor according to the second embodiment of the present invention. The magnetic disk device is mounted on a rotating shaft of a spindle motor 53 and fixed by a disk clamp ring 52. The basic configuration is composed of a slider 56 provided with an MTJ magnetic sensor according to the second embodiment of the present invention and a head arm 54 attached thereto via a suspension 55 at the distal end portion.
[0060]
Next, a magnetoresistive memory device according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
2. Description of the Related Art A magnetoresistive memory device (MRAM: Magneto-Resistance Random Access Memory) is a device that forms a memory cell using a giant magnetoresistance effect of a ferromagnetic material, and has a simple structure and is suitable for miniaturization and integration. Is attracting attention as a next-generation RAM because of its non-volatility, low power consumption and fast response speed.
[0061]
Used for this MRAM. Several structures are actually used or proposed for the magnetoresistive element. Basically, two kinds of thin ferromagnetic materials are used as a laminated electrode, and a paramagnetic metal such as Cu (separation layer) is interposed between them. There are a spin-valve type sandwiching a thin film and a tunnel type (TMR) sandwiching a tunnel barrier made of a thin oxide or the like between two types of thin ferromagnetic materials.
[0062]
In both cases, information of "1" and "0" is written by fixing the magnetism of one electrode (pinned layer) and inverting the magnetization of the other electrode (free layer) by an external magnetic field. The sensitivity of the magnetoresistive element constituting the cell becomes a problem.
[0063]
Therefore, in order to increase the sensitivity, a memory cell is configured using an MTJ junction using the above-described aluminum oxynitride film as a tunnel insulating film, and will be described with reference to FIG.
See FIG. 7 (a)
FIG. 7A is an equivalent circuit diagram of a main part of a magnetoresistive memory device according to a third embodiment of the present invention, in which an MTJ section 71 is arranged at an intersection of a bit line 61 and a word line 62, and Bit line 61 to switch S bi Are connected to the sense amplifier 64 via the.
In this case, the peripheral circuit section including the sense amplifier is constituted by a semiconductor peripheral circuit 63 using a compound semiconductor, and the sense amplifier 64 is constituted by a MESFET.
[0064]
See FIGS. 7B and 7C
FIGS. 7B and 7C are schematic diagrams of the MTJ section 71. A PtMn pin layer 73 / CoFe pinned layer 74 / Al oxynitride film 75 / CoFe free layer is provided on the bit line 61 via a Ta film 72. 76 / NiFe free layer 77 is sequentially laminated and connected to the word line 62 via a Ta film 78.
[0065]
In this case, when the magnetization directions of the CoFe free layer 76 and the NiFe free layer 77 shown in FIG. 7B are the same as the CoFe pinned layer 74 whose magnetization direction is fixed by the PtMn pin layer 73, the resistance of the element in the longitudinal direction is reduced. The information is read by observing a change in the magnetoresistance, which is small, while increasing as shown in FIG. 7 (c).
[0066]
In the figure, when writing to the MTJ unit 71 located at the address (m, m), a pair of switches S wm To the word line 62 connected to the MTJ unit 71 located at the address (m, m). ww And a pair of switches S bm And write current I to bit line 61 connected to MTJ section 71 located at address (m, m). bw And each current I ww , I bw The information “1” is written by changing the magnetization direction of the CoFe free layer 76 and the NiFe free layer 77 by the magnetic field generated by the above.
[0067]
On the other hand, when erasing information written in the MTJ unit 71 located at the address (m, m), a pair of switches S wm To the word line 62 connected to the MTJ unit 71 located at the address (m, m). ww Erase current I in the opposite direction to we And a pair of switches S bm And write current I to bit line 61 connected to MTJ section 71 located at address (m, m). bw Erase current I in the opposite direction to be And each current I we , I be The magnetization direction of the CoFe-free layer 76 and the NiFe-free layer 77 is changed by the magnetic field generated as described above to bring the state to "0".
Note that, in the memory cell originally in the state of “0”, that is, in the MTJ section 71, the magnetization direction does not change, so that the state remains in the state of “0”.
[0068]
When reading information written in the MTJ unit 71 located at the address (m, m), the switch S connected to the word line 62 is used. wm Is turned on, and the switch S on the side of the sense amplifier 64 connected to the bit line 61 is turned on. bw Only on, the read current I smaller than the write current from the word line 62 side. b And the amount of current flowing through the MTJ portion 71 according to the magnetization direction of the CoFe free layer 76 and the NiFe free layer 77 is detected by the sense amplifier 64.
[0069]
In the third embodiment, since the memory cells are configured using the MTJ unit 20 having a small resistance value and a large MR ratio, the number of memory cells per bit line can be increased as compared with the conventional MRAM. Yes, which allows the construction of large capacity memory devices.
In this case, the bit line 61 and the word line 62 can be made of various conductors, but may be made of W, for example.
[0070]
The embodiments of the present invention have been described above. However, the present invention is not limited to the configurations described in the embodiments, and various modifications are possible.
For example, in the description of each of the above embodiments, the Al oxynitride film is formed by exposing it to a mixed gas of oxygen and nitrogen, but may be exposed to a mixed plasma of oxygen and nitrogen. Alternatively, it may be exposed to a mixed radical of oxygen and nitrogen radicalized by using a microwave radical gun or a high-frequency power source.
[0071]
The oxynitridation step does not necessarily have to be performed simultaneously, and may be performed by exposing to oxygen gas and then exposing to nitrogen gas, or conversely, exposing to nitrogen gas and then exposing to oxygen gas. .
[0072]
Alternatively, instead of oxygen gas and nitrogen gas, exposure to nitrogen plasma may be performed after exposure to oxygen plasma, or conversely, exposure to oxygen plasma may be performed after exposure to nitrogen plasma.
[0073]
Alternatively, instead of oxygen gas and nitrogen gas, exposure to oxygen radicals may be followed by exposure to nitrogen radicals, or conversely, exposure to nitrogen radicals may be followed by exposure to oxygen radicals.
[0074]
Further, the composition ratio of NiFe, CoFe, PtMn, IrMn, and CoCrPt in each of the above embodiments is merely an example, and a material having another composition ratio may be used.
[0075]
Further, in the first embodiment, the antiferromagnetic layer serving as the pinned layer is made of IrMn. However, another antiferromagnetic material such as PtMn or PdPtMn may be used. On the other hand, in the second embodiment, PtMn is used, but another antiferromagnetic material such as IrMn or PdPtMn may be used.
[0076]
Further, in each of the above embodiments, the free layer has a two-layer structure of NiFe / CoFe. However, the free layer does not necessarily have to have a two-layer structure, and may have a single-layer structure of NiFe or CoFe. is there.
[0077]
In each of the above embodiments, the pinned layer is made of a single layer of CoFe. For example, 0.4 nm of CoFe, 0.8 nm of Ru, and 0.5 nm of a CoFe layer are deposited. Alternatively, a ferrite structure of CoFe / Ru / CoFe provided with an antiferromagnetic layer thereon may be used.
[0078]
In the first and second embodiments, the TMR element has been described as a top type in which the antiferromagnetic layer is the uppermost layer. However, as in the third embodiment, the TMR element has a laminated structure. Conversely, a bottom-type antiferromagnetic layer may be used.
[0079]
Further, in the above-described third embodiment, the MTJ portion is described as a bottom type in which the antiferromagnetic layer is the lowermost layer. However, as in the first embodiment, the stacked structure is reversed. The antiferromagnetic layer may be of the top type, which is the uppermost layer.
[0080]
Further, in the description of the second embodiment of the present invention, the magnetic sensor used for the composite thin film magnetic head is described, but the present invention is also applied as a magnetic sensor for a single read head. Needless to say, the present invention is also used for an encoder device.
[0081]
Here, referring to FIG. 1 again, detailed features of the present invention will be described.
See FIG.
(Supplementary Note 1) In a laminated film having a ferromagnetic tunnel junction 1 consisting of a magnetic layer 2 / a non-magnetic layer 3 / a magnetic layer 4, the non-magnetic layer 3 contains nitrogen, oxygen and aluminum. A laminated film having a tunnel junction.
(Supplementary Note 2) After depositing an aluminum thin film on the magnetic layer 4, the aluminum thin film is exposed to a mixed gas of nitrogen and oxygen to form a nonmagnetic layer 3 containing nitrogen, oxygen and aluminum. A step of forming a ferromagnetic tunnel junction 1 comprising a magnetic layer 2 / a non-magnetic layer 3 / a magnetic layer 4 by depositing a magnetic layer 2 on the ferromagnetic tunnel junction 3. Production method.
(Supplementary Note 3) After depositing an aluminum thin film on the magnetic layer 4, the aluminum thin film is exposed to a mixed plasma of nitrogen and oxygen to form a nonmagnetic layer 3 containing nitrogen, oxygen and aluminum. A step of forming a ferromagnetic tunnel junction 1 comprising a magnetic layer 2 / a non-magnetic layer 3 / a magnetic layer 4 by depositing a magnetic layer 2 on the ferromagnetic tunnel junction 3. Production method.
(Supplementary Note 4) After depositing an aluminum thin film on the magnetic layer 4, the aluminum thin film is exposed to a mixed radical of nitrogen and oxygen to form a nonmagnetic layer 3 containing nitrogen, oxygen and aluminum. A step of forming a ferromagnetic tunnel junction 1 comprising a magnetic layer 2 / a non-magnetic layer 3 / a magnetic layer 4 by depositing a magnetic layer 2 on the ferromagnetic tunnel junction 3. Production method.
(Supplementary Note 5) After depositing an aluminum thin film on the magnetic layer 4, the aluminum thin film is exposed to one of nitrogen and oxygen gases, and then exposed to the other gas of nitrogen or oxygen. After forming the nonmagnetic layer 3 containing oxygen, aluminum and aluminum, the magnetic layer 2 is deposited on the nonmagnetic layer 3 to form the ferromagnetic tunnel junction 1 composed of the magnetic layer 2 / the nonmagnetic layer 3 / the magnetic layer 4. A method for manufacturing a laminated film having a ferromagnetic tunnel junction, comprising at least a step.
(Supplementary Note 6) After depositing an aluminum thin film on the magnetic layer 4, the aluminum thin film is exposed to either plasma of nitrogen or oxygen, and then exposed to the other plasma of either nitrogen or oxygen. After forming the nonmagnetic layer 3 containing oxygen, aluminum and aluminum, the magnetic layer 2 is deposited on the nonmagnetic layer 3 to form the ferromagnetic tunnel junction 1 composed of the magnetic layer 2 / the nonmagnetic layer 3 / the magnetic layer 4. A method for manufacturing a laminated film having a ferromagnetic tunnel junction, comprising at least a step.
(Supplementary Note 7) After depositing an aluminum thin film on the magnetic layer 4, the aluminum thin film is exposed to one of radicals of nitrogen or oxygen, and then exposed to one of the other radicals of nitrogen or oxygen. After forming the nonmagnetic layer 3 containing oxygen, aluminum and aluminum, the magnetic layer 2 is deposited on the nonmagnetic layer 3 to form the ferromagnetic tunnel junction 1 composed of the magnetic layer 2 / the nonmagnetic layer 3 / the magnetic layer 4. A method for manufacturing a laminated film having a ferromagnetic tunnel junction, comprising at least a step.
(Supplementary Note 8) A magnetic sensor using the laminated film having the ferromagnetic tunnel junction 1 according to Supplementary Note 1.
(Supplementary Note 9) A magnetic head using the laminated film having the ferromagnetic tunnel junction 1 according to Supplementary Note 1.
(Supplementary Note 10) A magnetic recording apparatus including the magnetic sensor according to Supplementary Note 8.
(Supplementary Note 11) A magnetic memory device using the magnetic sensor according to supplementary note 8 as a memory cell.
[0082]
【The invention's effect】
According to the present invention, a high MR ratio can be realized in a low-resistance region because an Al oxynitride film is used as a tunnel insulating film when configuring an MTJ magneto-magnetic sensor. Alternatively, it greatly contributes to the realization and spread of a highly integrated magnetoresistive memory device.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram of a basic configuration of the present invention.
FIG. 2 is a configuration explanatory diagram of the MTJ magnetic sensor according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a characteristic diagram of the MTJ magnetic sensor according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a schematic sectional view of an MTJ magnetic sensor according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a plan view of an MTJ magnetic sensor according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a plan view of a magnetic disk drive equipped with an MTJ magnetic sensor according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 7 is an explanatory diagram of a magnetoresistive memory device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a diagram illustrating the configuration of a conventional MTJ magnetic sensor.
FIG. 9 is a characteristic diagram of an MTJ magnetic sensor using an Al oxide film.
FIG. 10 is a characteristic diagram of an MTJ magnetic sensor using an AlN film.
[Explanation of symbols]
1 Ferromagnetic tunnel junction
2 Magnetic layer
3 Non-magnetic layer
4 Magnetic layer
5 Antiferromagnetic layer
11 Silicon substrate
12 SiO 2 film
13 Lower electrode
14 NiFe free layer
15 CoFe free layer
16 Al oxynitride film
17 CoFe pinned layer
18 IrMn pin layer
19 Au antioxidant film
20 MTJ section
21 SiO 2 film
22 Ta / Au upper electrode
23 Lower extraction electrode
31 Al 2 O 3 -TiC substrate
32 Lower magnetic shield layer
33 lower electrode
34 NiFe free layer
35 CoFe free layer
36 Al oxynitride film
37 CoFe pinned layer
38 PtMn pin layer
39 Au antioxidant film
40 MTJ section
41 SiO 2 film
42 CoCrPt domain control film
43 SiO 2 Flattening film
44 Upper electrode
45 Upper magnetic shield layer
51 Magnetic recording media
52 Disc Clamp Ring
53 spindle motor
54 Head Arm
55 suspension
56 slider
61 bit line
62 word lines
63 Semiconductor Peripheral Circuit
64 sense amplifier
71 MTJ section
72 Ta film
73 PtMn pin layer
74 CoFe pinned layer
75 Al oxynitride film
76 CoFe free layer
77 NiFe free layer
78 Ta film
81 silicon substrate
82 SiO 2 film
83 lower electrode
84 NiFe free layer
85 CoFe free layer
86 Al-Al 2 O 3 film
87 CoFe pinned layer
88 IrMn pin layer
89 Au antioxidant film
90 MTJ section
91 SiO 2 film
92 Upper electrode
93 Lower extraction electrode
94 constant current source
95 Voltmeter
