【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高密度磁気記録再生ヘッド（磁気ディスク、光磁気ディスク、磁気テープ等）や自動車等に用いられる磁気センサー、また、磁気ランダムアクセスメモリー（MRAM）等に用いられるトンネル磁気抵抗効果素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
インターネットの普及により急速な情報化革新の進展と、高度通信網が発展するにしたがい、大量の情報が高速に扱う必要性が高まってきている。中でもハードディスク装置（HDD）は大量の情報を格納し、しかも高速転送が可能な外部記録装置である。HDDの大容量化は巨大磁気抵抗効果（Giant Magnet Resistive effect : GMR効果）を利用した再生ヘッド性能の向上をはじめとする技術革新によりその記録密度は年率60%〜100%で伸びている。また、現在は携帯電話やノートパソコンといったモバイル通信機器が日常生活に不可欠のものとなり、モバイル機器を通じて文字情報や動画情報等の様々な情報のやりとりがなされている。このモバイル機器に於いても、大量の情報を瞬時に格納し転送するための、小型軽量・低消費な記録媒体の必要性が高まっており、フラッシュメモリーやFeRAM（Ferro electric Random Access Memory）をはじめとして、不揮発性メモリーの開発が行われている。中でも近年では、大容量・高速な不揮発性メモリーデバイスとして、大きな磁気抵抗変化率を示すトンネル磁気抵抗効果（Tunnel Magnet Resistive effect : TMR効果）を利用した次世代磁気ヘッドや不揮発性ランダムアクセスメモリー（MRAM：Magnetic Random Access Memory）への期待が大きい。
【０００３】
TMR効果は数nm程度のトンネル絶縁層を介して積層した２つの強磁性層（自由磁性層、固定磁性層）間に電圧を印加するとトンネル電流が生じ、２つの強磁性層の磁化方向が平行と反平行とで抵抗値が異なる現象である。TMR効果の最初の報告は1975年にJulliere（非特許文献１）によるものである。その後、室温でMiyazaki（非特許文献２）とMoodera(非特許文献３)らのグループによる10%以上の磁気抵抗変化率（TMR比）の報告された。TMR素子は微小磁界での抵抗変化率は従来から知られている異方性磁気抵抗効果（AMR効果：Anisotropic Magnetoresistance）や巨大磁気抵抗効果（GMR効果：Giant Mangetoresistance）よりも非常に大きな変化率を示ことから、HDD用次世代磁気ヘッドやMRAMへの応用に向けたTMR現象の研究開発が加速している。
【０００４】
TMR素子はその構成する層厚が数ｎｍ以下の非常に極薄の積層膜である。特にトンネル絶縁層には主にAl2O3やAlNといった絶縁特性に優れた材料が用いられているが、優れたトンネル磁気抵抗特性を得るにはその膜厚は約3nm以下の極薄のトンネル層が用いられている。TMR素子を磁気ヘッドや磁気メモリーデバイス応用へ展開するには、固定磁性層側に反強磁性層を配置して交換結合バイアス磁界を生じさせて、固定磁性層の磁化方向を固定する手法がとられており、この反強磁性層を用いたTMR素子はスピンバルブ型TMR素子と呼ばれる。この構成とすることで自由磁性層は比較的、外部磁界に対して自由に磁化方向を変化させることが可能となり、固定磁性層と自由磁性層の磁化方向を相対的に変化させて磁気抵抗を生じることができる。スピンバルブ型TMR素子を磁気ヘッドに用いるには磁気媒体からの信号磁界の変化を自由磁性層の磁化方向を変化させて情報を検知する。MRAMとして用いる場合は、素子の膜上下に自由磁性層の磁化方向を反転させるためのワード線と、素子の抵抗を読みとるためのビット線を有する構成とし、TMR素子をマトリックス状に配列する。
【０００５】
【非特許文献１】
Physics Letters, vol1. 54A (1975). No.3, p225
【非特許文献２】
Journal of Magnetism and Magnetic Materials Vol. 139 (1995) p231.
【非特許文献３】
Physical Review Letters Vol. 74 (1995) p3273.
【非特許文献４】
IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 35, 2904 (1999)
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながらTMR素子を磁気ヘッドやMRAM等の実用へ応用する上で大きな問題点の１つとして、TMR素子に印加するバイアス電圧が増大するにつれてそのトンネル抵抗変化率（以下TMR比と呼ぶ）は減少して、出力が低下してしまうという課題がある。このバイアス電圧の印加によるMR比の減少の原因として強磁性層中または強磁性層とトンネル絶縁層との界面において、バイアス電圧によってマグノンが励起されてトンネル電子のスピンが保存されず、また、トンネル絶縁層中の欠陥による非弾性散乱が増加することが原因でTMR比が低下すると考えられている。
【０００７】
このTMR比のバイアス電圧依存性を緩和する為に３つの強磁性層と２つのトンネル絶縁層を介して交互に積層された２重トンネルTMR素子が提案されている（非特許文献４）。２重トンネルTMR素子では１つあたりに印加されるバイアス電圧が大まかに半分になるためTMR素子のバイアス電圧依存性が緩やかになる。しかもTMR比はトンネル絶縁層が１層の従来の素子と比較してもほとんど変化はない。この中でも特に、２つの反強磁性層を用いた２重トンネルスピンバルブ型TMR素子において、バイアス電圧依存性が従来のスピンバルブ型TMR素子よりも緩和され実用特性的な観点からも改善されていることが報告されている。
【０００８】
２重トンネルスピンバルブ型TMR素子では２つのトンネル絶縁層に挟まれた強磁性層が外部磁界に対して自由に磁化回転が可能な自由磁性層となる構成である場合、自由磁性層の磁化反転を利用して、磁界感度が良く、高出力な磁気センサやMRAMとして用いることができると考えられている。自由磁性層には軟磁気特性に優れ、高TMR比を得るためにはスピン分極率が大きな材料を用いなければならないことから、パーマロイ（Ni-Fe合金）やCo-Fe合金およびこれらの積層膜が用いられる。
【０００９】
しかしながら、デバイスの製造工程において必要とされる各種熱処理や、デバイス動作時における発熱や温度上昇等により、不純物拡散や積層膜中の界面拡散等から生ずる自由磁性層の軟磁気特性の劣化とTMR比の減少という問題がある。特に自由磁性層が２つのトンネル絶縁層に挟まれた構造である２重トンネルTMR素子において、トンネル絶縁層を構成する酸素や窒素などが熱拡散することにより自由磁性層中に酸化物や窒化物の一部が形成されて軟磁気特性の劣化を引き起こすという問題がある。
【００１０】
また、反強磁性層を用いた２重トンネルスピンバルブ型TMR素子では膜厚が厚くなるために、例えばシールド型磁気ヘッドに用いる場合には、狭ギャップ化が困難になり記録密度を大きくできないという問題がある。さらに、ヨーク型磁気ヘッドの場合では、記録媒体からの信号磁界を導入するフラックスガイドと、その磁界を検知する自由磁性層との距離が大きくなるため磁界感度が低下するという問題がある。
【００１１】
MRAMに用いるにはマトリックス状に配置されたTMR素子に情報を選択的に書き込むことが必要である。情報書き込みするにはワード線とビット線から発生する合成磁界により自由磁性層の磁化反転を行う電流駆動型であることがMRAMの特徴である。TMR素子はそのワード線とビット線の間に配置される構造となっているため、ビット線（ワード線）と自由磁性層との距離は少なくとも反強磁性層と固定磁性層の膜厚分以上離れてしまう為に、ビット線（ワード線）に流す電流量が増大し、消費電力が大きくなるという問題がある。
【００１２】
本発明はTMR比のバイアス電圧特性を改善し、バイアス電圧依存性が小さくて、しかも高出力・高感度で、なおかつ熱的安定性に優れたトンネル磁気抵抗効果素子、これを用いた磁気ヘッド、磁気記録装置、及びメモリー素子を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明に係るトンネル磁気抵抗効果素子は、第１強磁性層、第１トンネル絶縁層、第２強磁性層が順に積層した構成を持ち、第１強磁性層と第２強磁性層の相対的な磁化方向によりトンネル抵抗が異なるトンネル磁気抵抗効果素子において、該第２強磁性層に接して第１界面安定層、第２トンネル絶縁層が順次積層し、該第１界面安定層はRu、Rh、Pd、Ag、Ir、Pt、Auから選ばれる少なくとも１種を主成分とすることを特徴とする。
【００１４】
前記第１界面安定層の膜厚は0.4nm以上5nm以下であることが好ましい。
【００１５】
前記第１トンネル絶縁層と前記第２トンネル絶縁層はAlの酸化物もしくは窒化物もしくは酸窒化物からなることが好ましい。
【００１６】
前記第２トンネル絶縁層に接して、Ru、Rh、Pd、Ag、Ir、Pt、Auから選ばれる少なくとも１種を主成分とする第２界面安定層を含むことが好ましい。
【００１７】
前記第１強磁性層にAーMn系（ここでAはPt、Pd、Ir、Fe、Ru、Rhから選ばれるいずれか１種の元素）反強磁性層が接していることが好ましい。
【００１８】
磁気記録媒体からの信号磁界を検知するトンネル磁気抵抗効果型ヘッドであって、磁性体を含む２つのシールド部と、前記２つのシールド部の間のギャップ内に設けられる上記磁気抵抗効果素子とを備えたトンネル磁気抵抗効果型ヘッドもまた、本発明の趣旨に含まれる。
【００１９】
磁気記録媒体からの信号磁界を検知するトンネル磁気抵抗効果型ヘッドであって、磁性体を含む磁束ガイド部と、前記磁束ガイド部により導かれた信号磁界を検知する上記トンネル磁気抵抗効果素子とを備えたトンネル磁気抵抗効果型ヘッドもまた、本発明の趣旨に含まれる。
【００２０】
磁気記録媒体と、前記磁気記録媒体を走査する磁気ヘッドとを備えた磁気記録装置において、上記トンネル磁気抵抗効果型ヘッドもまた、本発明の趣旨に含まれる。
【００２１】
上記トンネル磁気抵抗効果素子と、前記第１強磁性層もしくは第２強磁性層の少なくとも１層の磁化を反転させる為の磁界を発生する情報記録用導体線部（ワード線部）と、前記トンネル磁気抵抗効果素子の抵抗変化を検知するための情報読出用導体線部（センス線部）とを備えたトンネル磁気抵抗効果メモリー素子もまた、本発明の趣旨に含まれる。この場合、トンネル磁気抵抗効果メモリー素子をマトリックス状に配列して構成されることが好ましい。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下本発明のトンネル磁気抵抗効果素子（以下TMR素子と呼ぶ）、これを用いた磁気ヘッド、磁気記録装置、及びメモリー素子について図面に基づいて説明する。
【００２３】
本発明のTMR素子の一例を図１に示す。第１強磁性層１１と第２強磁性層１３は第１トンネル絶縁層１２によって磁気的に分離されており、第１強磁性層１１と第２強磁性層１３の相対的な磁化方向が異なることで第１トンネル絶縁層１２との間に生ずるトンネル電流が変化する。第１強磁性層１１と第２強磁性層１３の少なくとも一方の第２強磁性層１３には第１界面安定層１４を介して第２トンネル絶縁層１５が積層している。本発明のTMR素子１では第１強磁性層１１の磁化方向を所望の方向に固定するための反強磁性層１６が積層しており、２つのトンネル絶縁層を有する構成をしている。図１に示したTMR素子１では第２強磁性層１３は外部磁界に対して第１強磁性層１１よりも自由に磁化回転できるために、外部磁界による磁化方向の変化を読みとることができる。
【００２４】
第１トンネル絶縁層１２と第２トンネル絶縁層１５には絶縁体、もしくは半導体であれば何れでも良いが、特にMg、 Ti、 Zr、 Hf、 V、 Nb、Ta、Crを含む IIa〜VIa、La 、 Ceを含む ランタノイド、Zn、 B、 Al、 Ga、 Siを含む IIb〜IVbから選ばれた元素と、F、O、C、N、Bから選ばれた少なくとも元素との化合物であることが好ましい。特に、Alの酸化物、窒化物、酸窒化物やMgの酸化物は他の材料に比べて絶縁特性に優れ、薄膜化が可能であり再現性にも優れている。膜厚はトンネル電流が生じうる厚さであればよくて、0.4nm以上10nm以下、より望ましくは3nm以下であればよい。
【００２５】
第１界面安定層１４は主に第２トンネル絶縁層１５を構成する各種原子の第２強磁性層１３への熱拡散を防止する作用がある。例えば第２トンネル絶縁層１５がAl酸化物からなる場合、第２強磁性層１３と第２トンネル絶縁層１５と隣接する場合に生ずるような第２強磁性層１３の酸化による磁気特性の劣化を抑制する効果がある。さらに、第２トンネル絶縁層１５と第１界面安定層１４との界面構造を熱的に安定し、第２トンネル絶縁層１５のバリア特性の劣化を抑制し、TMR素子１の熱的特性の安定化にも効果がある。ここで界面構造の熱的安定性とは例えば金属層１４／第２トンネル絶縁層１５の界面が熱による拡散の進行を抑制し平滑な界面が実現できることをいう。この平滑な界面は第２トンネル絶縁層１５のバリア厚さの均一性やバリア高さの高いトンネル絶縁層が得られることにより、熱処理によるTMR特性の劣化が少なく、バイアス電圧を増加させても高感度で高出力特性を示すTMR素子が得られる。
【００２６】
第１界面安定層１４は第２強磁性層１３を主に構成する金属原子の酸化物または窒化物の生成自由エネルギーよりも大きな元素であり、Ru、Rh、Pd、Ag、Ir、Pt、Auから選ばれる少なくとも１種を主成分とする原子もしくはこれら合金が用いられる。従って、第２トンネル絶縁層１５を構成する酸素や窒素の第２強磁性層１３への拡散を抑制し、しかも第１界面安定層１４とは反応しないために均質なトンネルバリア層を得ることが可能となる。さらに第２トンネル絶縁層１５を構成する原子の熱拡散が抑制されるために、第２強磁性層１３の磁気特性の劣化を抑制する効果が大きい。第１界面安定層１４の膜厚は第１トンネル絶縁層１５に印加される電圧を低減するためには、逐次的なトンネル過程であればよいので0.4nm以上5nm以下、より好ましくは2nm以下でよい。
【００２７】
図２に本発明の他の一例のTMR素子２を示す。TMR素子２は図１に示したTMR素子１の構造において、第２トンネル絶縁層１５を介してRu、Rh、Pd、Ag、Ir、Pt、Auから選ばれる少なくとも１種を主成分とする元素もしくは合金からなる第２界面安定層１７が積層した構造となっている。図２のように第２トンネル絶縁層１５を第１界面安定層１４と第２界面安定層１７で挟んだ構造とすることで、第２トンネル絶縁層１５を構成する酸素や窒素等の原子拡散が抑制され、しかも第１界面安定層１４と第２界面安定層１７とは反応しないので第２トンネル絶縁層１５の両側の界面は平滑で熱的にも安定であるため、熱的安定性に優れたTMR素子２を得ることが可能となる。さらに、第１界面安定層１４は隣接する第２強磁性層１３の磁気特性の劣化を抑制し、第２界面安定層１７は隣接する電極層（図示せず）の電気特性（例えば抵抗値の増大）の劣化を抑制する効果もある。
【００２８】
TMR素子のトンネル絶縁層を作成する方法としては、▲１▼材料ターゲットから直接形成する方法や、▲２▼金属層を作成後に絶縁処理（例えば酸化処理）する方法がある。ここでトンネル絶縁層としてAl酸化物（Al2O3）を作成する方法を例として以下に示す。▲１▼としてはAl2O3酸化物ターゲットを用意して、例えばスパッタ法やイオンビームデポジッション法により直接、酸化層を基板上に形成する方法である。この場合、成膜条件によっては作成されたAl酸化層は酸素欠損となる場合もあるので酸素ガス雰囲気中で成膜してもよい。さらにAlターゲットを用いて酸素ガス中でAlを酸素と反応することを利用して形成してもよい。▲２▼としてはAlターゲットをスパッタ法やモレキュラービームエキタキシー法（MBE法）等の物理的手法（PVD：Physical Vapor Deposition）によりAl金属層を形成した後に、自然酸化法やプラズマ酸化法やラジカル酸化法やオゾン酸化法によりAl金属層を酸化してAl酸化層を形成することができる。ここで自然酸化法とは真空中もしくは大気中で酸化する方法であり、特に真空中での酸化は純酸素もしくは純酸素と他の元素（ArやKr等の不活性ガス）との混合ガスを導入して酸化する。ラジカル酸化法とはRFコイルやECRプラズマ等により導入された酸素ガスが不対電子をもつ状態になった酸素ラジカルになり、その酸素ラジカルの中性成分だけを利用して酸化する方法である。プラズマ酸化法は上記のラジカル酸化法とほぼ同様に導入ガスをプラズマ状態にすることで、酸化力の強い酸素ラジカルやオゾンなどを用いて酸化する方法である。
【００２９】
上記のようにトンネル絶縁層は作成されるため、本発明のTMR素子において酸化物や窒化物になりにくい元素から構成される第１界面安定層１４や第２界面安定層１７上に第２トンネル絶縁層１５が形成される場合、トンネル絶縁特性の優れた第２トンネル絶縁層１５を得ることが可能となる。さらに、例えば第１界面安定層１４上に第２トンネル絶縁層１５が形成される行程において、第１界面安定層１４は基板側に配置される第２強磁性層１３の酸化や窒化を防止する働きがある。特に自由磁性層として第２強磁性層１３が機能する場合、一部の酸化物や窒化物が形成されることによる第２強磁性層１３の軟磁気特性の劣化を抑制することが可能となる。
【００３０】
第１界面安定層１４はRu、Rh、Pd、Ag、Ir、Pt、Auから選ばれる少なくとも１種を主成分とする原子もしくは合金から構成されるが、適当な条件の下で磁界中熱処理を行うことにより隣接する第２強磁性層１３との界面で磁気異方性を生じ、その磁気特性を制御することが可能でもある。TMR素子を磁気ヘッドに適用する場合は、その固定磁性層と自由磁性層の磁化方向は概略直交させて用い、自由磁性層の磁化方向は信号磁界と略直角方向を向くことがデバイス設計上必要である。本発明のTMR素子の第２強磁性層１３が自由磁性層として機能する場合には第１界面安定層１４との界面に生じる磁気異方性を所望の方向に付与するように磁界中熱処理を行うことで可能であるという利点がある。同様に、本発明のTMR素子をMRAMに用いる場合、外部磁界に対して磁化回転が容易な自由磁性層をメモリー層に用い、その自由磁性層の磁化容易軸は後述する図１１〜１３を例に説明すると、センス線兼ワード線７０１と平行又は直交する方向に規定される。この磁化容易軸はセル形状を例えば長方形状もしくは楕円形状にするとその長軸方向が形状異方性により磁化容易軸となる。高密度化によりセル面積が1μm2以下の微細素子となると、磁性体の熱揺らぎにより、形状異方性とは異なる方向に磁化が向く問題が生じるが、本発明のTMR素子の第２強磁性層１３を自由磁性層として用いた場合、第１界面安定層１４との界面に生じる磁気異方性によりセルの微細化による第２強磁性層１３（自由磁性層）の磁化のずれを抑制できるので特性の安定性が向上する。なお第２強磁性層１３が自由磁性層である場合、第１界面安定層１４との界面に誘起させる磁気異方性が大きくなることで第２強磁性層１３の軟磁気特性を示す保磁力が増大するという懸念も生じるが、第１界面安定層１４の膜厚を5nm以下とすることで薄膜界面の相互作用により保磁力の増大の問題は回避できる。
【００３１】
反強磁性層１６にはA-Mn系金属反強磁性材料を用いるのが望ましい。Aの元素としてAはPt、Pd、Ir、Fe、Ru、Rhから選ばれる少なくとも１種から合金がよく、例えばFe-Mn、Rh-Mn、Ir-Mn、Pt-Mn、Pt-Pd-Mn等の反強磁性材料を用いるとよい。これらA-Mn系金属反強磁性材料を用いることによりそれに隣接する強磁性層の磁化方向を固定する機能に優れている。この中でも特に規則合金であるPt-Mn、Pt-Pd-Mnは規則化させるのに300℃程度の熱処理が必要であるが、規則化熱処理後の耐熱性という観点から優れている。
【００３２】
第１強磁性層１１および第２強磁性層１３に用いられる磁性材料としては種々の磁性材料を用いることが可能である。例えば、Fe、Co、Ni、Co-Fe合金、Ni-Fe合金、Co-Ni合金、Fe-Co-Ni合金等を用いればよい。この中でもNixCoyFez（0.6≦x≦0.9、0≦y≦0.4、0≦z≦0.3）やNix'Coy'Fez'（0≦x'≦0.4、0.2≦y'≦0.95、0≦z'≦0.5）は特に軟磁気特性に優れているため自由磁性層に用いることで保磁力を小さくすることが可能となる。また、Fe-Pt合金、Co-Pt合金等に代表される磁気異方性の大きなM-T合金（MはFe、Co、Niから選ばれる少なくとも一種、TはRu、Rh、Pd、Pt、Ir、希土類から選ばれる少なくとも一種）を固定磁性層に用いてもよい。また、スピン分極率の大きなFe3O4、CrO2、ペロブスカイト型酸化物、NiMnSb等のホイスラー合金を用いてもよい。第１強磁性層１１および第２強磁性層１３は上記磁性材料による単一組成の膜からなる必要はなく、必要に応じた磁気特性を得るためにこの異なった磁性材料からなる積層構造としても良い。例えば上記M-T合金の軟磁気特性を得るために上記軟磁気特性に優れたNixCoyFezやNix'Coy'Fez'との積層膜として自由磁性層に用いてもよい。
【００３３】
第１強磁性層１１および第２強磁性層１３はさらに磁性層A／非磁性層B／磁性層Cのように非磁性層Bを介して２つの強磁性層が積層した構造としてもよい。特に２つの強磁性層が非磁性層Bを介してお互いの磁化が反平行に向くように反強磁性的交換結合もしくは静磁結合させることで、膜の端面から生じる漏洩磁界を小さくすることが可能となる。
【００３４】
図１、図２にはTMR素子の膜構造のみを示しているが、トンネル絶縁層の膜面に概略垂直方向に電流を流す構造とするには、半導体プロセスや、GMRヘッド作製プロセス等で用いられるイオンミリング、RIE、FIB等の物理的あるいは化学的エッチング法や、微細パタ−ン形成のためにステッパ−、EB法等を用いたフォトリソグラフィ−技術を組み合わせて微細加工することで図３のような素子を作成することが可能である。上部電極５０２と下部電極５０３に挟まれたTMR素子部５０５に電流を流して電圧を読みとる。層間絶縁層５０１は上部電極５０２と下部電極５０３との短絡を防ぐ働きがある。図３の素子構成とすることでTMR素子部５０５のトンネル絶縁層の膜面に対して垂直方向に電流を流し出力を読み出すことが可能となる。また電極等の表面平坦化のために、CMP（ケミカルメカニカルポリッシング）やクラスタ−イオンビ−ムエッチングやECRエッチングを用いることも効果的である。上部電極５０２と下部電極５０３にはPt、Au、Cu、Ru、Alなどの低抵抗金属を用いればよい。層間絶縁層５０１としては、Al2O3、SiO2等の絶縁特性のすぐれているものを用いればよい。
【００３５】
本発明のTMR素子部５０５の膜形成には、パルスレ−ザデポジション(PLD)、イオンビ−ムデポジション（IBD）、クラスタ−イオンビ−ムまたはRF、DC、ECR、ヘリコン、ICPまたは対向タ−ゲットなどのスパッタリング法、MBE法等のPVD法で作成することが可能である。
【００３６】
図４に本発明のTMR素子を用いた磁気ヘッドの構成の一例を示す。図４では磁性体からなる２つのシールド（上部シールド２０３と下部シールド２０２）を有し、２つのシールド部の再生ギャップ２０４内にTMR素子部２０１を設けるように構成されている。記録は巻線部２０５に電流を流して記録用磁極２０６と上部シールド２０３の間の記録ギャップ２０７からの漏洩磁界により信号を記録媒体（図示せず）に書き込み、再生は磁気記録媒体（図示せず）からの信号磁界を再生ギャップ２０４（シールドギャップ）間に設けられたTMR素子部２０１の自由磁性層により読みとることにより行われる。この場合、自由磁性層は紙面に対して概略垂直方向に磁化が向いており、固定磁性層の磁化は紙面内で自由磁性層の磁化方向と概略直交している。図４には示していないがTMR素子部２０１には電極部が膜の上下に接続され、上下の電極部と上下のシールド部とは絶縁層により電気的に絶縁してもよいし、上下の電極部を上下シールドと接続して、上下のシールドも電極部を兼用する構造としてもよい。上部および下部のシールド２０３、２０２にはNi-Fe、Fe-Al-Si、Co-Nb-Zr合金などの透磁率の高い軟磁性膜が使われる。TMR素子部２０１の自由磁性層の磁区制御のためにCo-Pt、Co-Pt-Cr合金等の高保磁力磁性膜を紙面垂直方向にTMR素子を両側から挟んだ配置にすることでバイアス磁界を加えることも可能である。また絶縁部２０８としては、Al2O3、AlN、SiO2等の絶縁膜が使われる。
【００３７】
図５は検知すべき外部磁界を透磁率の高い磁性膜で構成されるヨークによりTMR素子部３０１に導くことによりTMR素子部３０１の感度を向上させることを説明する図である。基本的にヨーク部６０は磁界Hが磁化回転の容易な自由磁性層に導入されるように配置される。従って、第１強磁性層１１と第２強磁性層１３のうちヨーク部６０に導入された磁界Hとの距離が最も近い方が自由磁性層となるような構成となる。図５のTMR素子部３０１には図１で示したTMR素子１を例として示している。図５ではヨークから導入された磁界Hにより、第２強磁性層１３の磁化が変化することでMR効果が生じる。従って自由磁性層（図５では第２強磁性層１３）と２つのヨーク部６０の間隙からの距離が近いほど磁界感度は良い。TMR素子部３０１に従来の２つの反強磁性層を用いた２重トンネルスピンバルブ型TMR素子を用いる場合、第２トンネル絶縁層１５上にさらに固定磁性層／反強磁性層が積層された構造となるため（第１界面安定層１４は除く）、ヨーク部６０から導入された磁界Hを検知する自由磁性層とヨーク部６０との距離が遠くなるため磁界感度が低下してしまうが、本発明のTMR素子を用いること高感度・高出力で熱的安定性に優れた外部磁界センサ−が可能となる。
【００３８】
本発明におけるMR素子を用いた磁気ヘッドの別の例を図６に示す。図６に示す例では、検知すべき信号磁界をMR素子５７１にガイドするためのヨーク（上部ヨーク５７３および下部ヨーク５７４）と絶縁層部５７２とを備えている。上部ヨーク５７３および下部ヨーク５７４は、一般に、軟磁性材料によって構成されている。記録媒体からの信号磁界は、上部ヨーク５７３によりMR素子５７１に導かれる。上部ヨークはギャップ５７５を有しており、MR素子５７１は、MR素子５７１と上部ヨーク５７３および下部ヨーク５７４とが磁気的に接続するように、ギャップ５７５と下部ヨーク５７４との間に配置すればよい。
【００３９】
図６に示す例では、上部ヨーク５７３、MR素子５７１および下部ヨーク５７４によって磁気回路が形成されており、再生ギャップ５７６で検出した記録媒体からの信号磁界をMR素子５７１により電気信号として検出することができる。なお、再生ギャップ５７６の長さ（再生ギャップ長）は0.2μm以下が好ましい。
【００４０】
図６にしめす磁気ヘッドのMR素子５７１を含む部分を、点線Ｉ−Ｉ’で切断した切断面の断面図を図７に示す。図６に示したMR素子５７１周囲の構造の一例を、図７を用いてより詳細に説明する。MR素子５７１の周囲には、MR素子５７１の膜面に垂直に電流を流すためのリード部５７７と、MR素子５７１の自由磁性層の磁化方向を制御するためのハードバイアス部５７８とが配置されている。図７に示す例では、リード部５７７が絶縁層部５７２によってヨークと電気的に絶縁されているが、リード部とヨーク部とが電気的に接続されていても構わない。その場合、ヨークとリード部とを兼用することができる。ハードバイアス部５７８は、MR素子５７１にトンネル電流を安定して流すために、MR素子５７１と電気的に絶縁されていることが好ましい。
【００４１】
絶縁層部５７２の材料としては、Al2O3、AlNおよびSiO2等を用いることができる。上部ヨーク５７３および下部ヨーク５７４に用いる材料としては、Fe-Si-Al、Ni-Fe、Ni-Fe-Co、Co-Nb-Zr、Co-Ta-Zr、Fe-Ta-Nなどの軟磁性材料が好ましい。上記軟磁性材料からなる膜と、Ta、Ru、Cuなどからなる非磁性膜との積層膜を用いることもできる。ハードバイアス部５７８の材料としては、Co-Pt、Co-Cr-Ta等のCo系合金などの高保磁力材料もしくは、Ir-Mn、Fe-Mn、Pt-Mn等の反強磁性材料を用いることができる。リード部５７７としてはCu、Au、Al、Pt、Ta、Crなどの金属またはこれらの合金を用いると好ましい。なお、下部ヨーク５７４を兼ねる基板として、Mn-Znフェライト、Ni-Znフェライトなどの、磁性体からなる基板を用いることもできる。
【００４２】
また、図６に示すようなヨークを備えた磁気ヘッドの場合、MR素子５７１の自由磁性層は、上部ヨーク５７３側に配置することが好ましい。
【００４３】
上記のようなヨーク型磁気ヘッドにおいて、本発明のMR素子をもちいることで、耐熱性に優れた高出力の磁気ヘッドとすることができる。
【００４４】
なお、このようなヨーク型磁気ヘッドは、一般に図４に示すようなシールド型磁気ヘッドに対し、感度では劣るものの、シールドギャップ中にMR素子を配置する必要がないため、狭ギャップ下では有利である。また、MR素子が記録媒体に対して露出している構造ではないため、記録媒体と磁気ヘッドとが接触することで生ずるヘッドの破損や摩耗が少なく、信頼性の面で優れている。そのため、ヨーク型磁気ヘッドは、記録媒体が磁気テープであるストリーマーなどに用いる場合に、特に優れている。
【００４５】
なお、本発明のMR素子を用いた図６および図７のヨーク型磁気ヘッドは媒体に記録された情報を読み出す（再生する）ものであり、媒体に記録するためのインダクティブ型記録ヘッドとを搭載することにより記録再生型磁気ヘッドとすることが可能となる。
【００４６】
以下、本発明の磁気記録再生装置の一形態について図８および図９、１０を参照しつつ説明する。図４、図６に示した本発明の磁気ヘッドを用いて図８および図９、１０に示す高密度磁気記録装置を構成することができる。図８に示すように本発明の磁気ヘッド４０１、その駆動部４０２、情報を記録する磁気記録媒体４０３、及び信号処理部４０４を用いて高出力で熱的安定性に優れた磁気記録装置４００を構成することが可能となる。また、図９、１０には本発明の磁気ヘッドを用いた別の磁気記録再生装置の構成を示す。図９は磁気記録再生装置の回転ドラム装置の斜視図であり、図１０は磁気記録再生装置の走行系概略図である。図９の回転ドラム装置１０３は、下ドラム１０６および上回転ドラム１０２を有し、その外周面に磁気ヘッド１０５が備えられている。図示しない磁気テープは、リード１０４に沿って上回転ドラム１０２の回転軸に対して傾斜して走行している。磁気ヘッド１０５は、磁気テープの走行方向に対して傾斜して摺動する。また、上回転ドラム１０２と磁気テープとが密着しながら安定して摺動走行するように、上回転ドラム１０２の外周面には複数の溝１０１が設けられている。磁気テープと上回転ドラムとの間に巻き込まれた空気はこの溝１０１から排出される。磁気記録再生装置の走行系は、図１０に示すように、回転ドラム装置１１３、供給リール１０７、巻き取りリール１２２、回転ポスト１０８，１１０，１１１，１１６，１１７，１１９、傾斜ポスト１１２，１１５、キャプスタン１１８、ピンチローラー１２０、テンションアーム１０９を備えている。回転ドラム装置１１３の外周面には、上記で説明した本発明の磁気ヘッド１０５が配置されている。供給リール１０７に巻かれた磁気テープ１２１は、ピンチローラー１２０とキャプスタン１１８による引き込み動作で走行し、傾斜ポスト１１２，１１５による案内で回転ドラム装置８１３に搭載された磁気ヘッド１１４，１２３に押しつけられ、ピンチローラー１２０とキャプスタン１１８との間を通って巻き取りリール１２２に巻き取られていく。この回転ドラム装置は、上回転ドラム方式であって再生用磁気ヘッド１１４は回転ドラム外周面から２０μｍ程度突き出すように２個取り付けられている。本発明の磁気ヘッドを用いた磁気記録再生装置において、図６のようなヨーク型磁気ヘッドを使用すれば、ヘリカルスキャン方式で問題となる摩耗によるTMR素子の形状変化が起こらない。また、接触摺動によるTMR素子の静電破壊、および磁気テープや大気中からの化学反応物質によるTMR素子の腐食などのおそれが極めて少ないために、高い信頼性を確保できる。また、従来の磁気ヘッドより高出力で耐熱性に優れた本発明のトンネル磁気抵抗効果膜を利用した磁気ヘッドを搭載しているため、温度特性変化が小さく熱安定性に優れ、高い記録密度を達成することができる。
【００４７】
本発明のTMR素子を用いて、図１１に示す高出力で熱的安定性に優れ、低消費電力の磁気ランダムアクセスメモリー（MRAM）が可能となる。素子は例えば図１０に示されたＡ１に代表されるように、CuやAlをベ−スに作られたTMR素子の抵抗変化を検知する情報読出用導体線部（センス線部）６０１とTMR素子に磁界を発生させるための情報記録用導体線部（ワード線）６０２の交点にマトリクス様に配置され、それぞれのラインに信号電流を流した時に発生する合成磁界を用いた２電流一致方式により信号情報が記録される。
【００４８】
図１２〜図１４における磁気メモリーデバイスの電流による書き込み動作と、読み込み動作の基本例について、図１２を参照して説明する。尚、それぞれの図ではTMR素子部７１０の例として図１２に示したTMR素子１の第１強磁性層１１／第１トンネル絶縁層１２／第２強磁性層１３／第１界面安定層１４／第２トンネル絶縁層１５を抽出してメモリー素子として示している。TMR素子部７１０を構成する２つの強磁性層１１・１３のうち、一方は外部磁界により磁化反転しやすく、他方は磁化反転し難いものを用いる。なお、図中の第２強磁性層１３を磁化反転しやすいメモリー層として説明する。TMR素子部７１０は長方形であると仮定し、センス線兼ワード線部７０１に流す電流が発生する磁界がTMR素子の長手方向であるとする。この場合、第２強磁性層１３（自由磁性層）の磁化容易軸は長手方向である。情報の記録はワード線部７０２とセンス線兼ワード線部７０１に電流を流し、それぞれから発生する磁界の合成された磁界で第２強磁性層１３の磁化を反転して記録を行う。情報の読み出しはセンス線兼ワード線部７０１とワード線部７０２に逆向きの電流を流して、このときセンス線兼ワード線部７０１とセンス線部７００を通じて電気的に接続されたTMR素子部７１０に抵抗変化が生じるか否かで情報の読み出しを行う。情報の記録の際にセンス線兼ワード線部７０１から発生する磁界は距離の２乗に反比例して減少するため、メモリー層として働く第２強磁性層１３とセンス線兼ワード線部７０１との距離はできるだけ近い方が、消費電力を抑えることができるので望ましい。従来の２重トンネルスピンバルブ型TMR素子をもちいる場合よりも、本発明のTMR素子は、メモリー層（第２強磁性層１３）とセンス線兼ワード線７０１との距離が近いため、情報記録の際の消費電力を低減することが可能である。このことは、高密度化によるTMR素子の微細化に伴う、メモリー層の磁化反転磁界の増大による書き込み消費電力の増大を抑制する効果も期待できる。さらに、TMR比のバイアス電圧依存性が小さいので高出力化が可能である。
【００４９】
図１２では、素子の磁化状態を個別に読み取るために、素子毎にFETに代表されるスイッチ素子７０３を設けた構成を示している。このランダムアクセスメモリーは、CMOS基板上に容易に構成できる。また図１２では、素子毎に非線形素子７０４（あるいは整流素子）を用いた構成を示している。ここで、非線形素子７０４は、バリスタや、トンネル素子を用いても良い。このランダムアクセスメモリーは、ダイオ−ドの成膜プロセスなどを増やすだけで、安価なガラス基板上にも作製可能である。また図１４では、図１３や図１４のような素子分離のためのスイッチ素子７０３、あるいは非線形素子７０４などを用いず、直接ワード線７０２とセンス線部７０１の交点に素子が配置される構成としている。図１２〜図１４では、それぞれ、センス線兼ワード線部７０１は素子に電流を流して抵抗変化を読み取る情報読出用導体線部と情報記録用導体線部とを併用する場合について示しているが、センス線部７０１に流した電流による誤動作や素子破壊を防ぐため、センス線部７０１とは別にワード線を別途設けてもよい。このとき別途設けられたワード線は、素子と電気的に絶縁された位置で且つ、センス線部７０１と平行に配置することが好ましい。
（実施例１）
本発明の実施の一形態として、図１に示したスピンバルブ型TMR素子について説明する。到達真空度が1×10-8Torr以下の成膜チャンバー中において500nmの熱酸化膜付きSi基板上にDCおよびRFマグネトロンスパッタ法によりTMR膜を作製した。まず基板上に下部電極としてTa(3nm)/Cu(50nm)/Ta(3nm)を積層した。その上に反強磁性層１６のPt0.49-Mn0.51(20nm)、第１強磁性層１１のCo0.75-Fe0.25(3nm)を積層した。その上に第１トンネル絶縁層１２のAl-O(1nm)を作成した。Al-Oトンネル絶縁層の括弧内の膜厚は酸化処理前のAlの設計膜厚の合計値を示し、実際にはAlを0.3〜0.7nm成膜後、真空に排気された酸化チャンバー内に酸素ガスを導入してAl層を自然酸化する事を繰り返すことで作成した。Alの自然酸化法の条件は200Torrの酸素含有雰囲気中で室温で１分間保持した。その上に第２強磁性層１３のCo0.75-Fe0.25(1nm)/ Ni0.8-Fe0.1(3nm)、第１界面安定層１４のPt(2nm)を積層した。その上に第２トンネル絶縁層１５のAl-O(1.4nm)を作成した。Al-O(1.4)トンネル絶縁層の括弧内の膜厚は酸化処理前のAlの膜厚を表しており、Al（1.4nm）層をプラズマ酸化することにより作成した。プラズマ酸化処理条件は酸素ガス圧が75%に流量調整されたAr+O2混合ガス（0.8mTorr）中で、ワンターンコイルに150WのRF電力を投入することで酸素プラズマを生成し、酸化時間30秒で行った。以上のように作成した本実施例の試料を実施例試料１とする。実施例１のTMR素子部の膜構成は以下のようになる。
【００５０】
実施例試料１：Pt0.49-Mn0.51(20nm)/ Co0.75-Fe0.25(3nm)/ Al-O(1nm)/ Co0.75-Fe0.25(1nm)/ Ni0.8-Fe0.2(3nm)/ Pt(2nm)/ Al-O(1.4nm)
比較のため従来構成の下記の試料も作成した。
【００５１】
従来例試料Ａ：Pt0.49-Mn0.51(20nm)/ Co0.75-Fe0.25(3nm)/ Al-O(1nm)/ Co0.9-Fe0.1(1nm)/ Ni0.8-Fe0.2(3nm)/ Co0.9-Fe0.1(1nm)/ Al-O(1.2nm)/ Co0.75-Fe0.25(3nm)/ Pt0.49-Mn0.51(20nm)
ただし従来例試料ＡのAl-Oは括弧内に示されている膜厚のAl層を、実施例試料１のAl-O(1.4nm)層を作成したのと同様な条件でプラズマ酸化することにより作成した。
【００５２】
これら試料の膜上には保護層兼上部電極の一部としてTa(15nm)/Pt(10nm)を形成した後に、フォトリソグラフィーとイオンミリングを用いて図３に示すようなMR素子とした。層間絶縁層にはAl2O3をスパッタすることで形成し、上部電極にはTa(3nm)/Cu(500nm)/Pt(10nm)を用いた。MR素子部のセル形状は2μm×6μmである。このように作成したMR素子を280℃で5kOeの磁界をセルの長手方向に印加して３時間磁界中熱処理を実施した。熱処理後、MR特性としてMR比を求めた。MR比を求めるための磁気抵抗の測定には、セルの長手方向に最大1kOeの磁界を印加して直流四端子法で行った。MR比の算出には、最大抵抗値をRmax、最小抵抗値をRminとして次式により行った（以下の実施例においても同様である）。
【００５３】
MR比＝｛（Rmax−Rmin）／Rmin｝×１００ （％）
さらにMR比のバイアス電圧依存性を調べた。MR素子に印加する電圧を5mVから最大2Vまで変化させて、各印加電圧において磁気抵抗を測定した。そして、5mV印加時に測定したMR比の半分の値を示す印加電圧をVhとした。実施例試料１のMR比は42%、Vhは700mVであった。比較例試料ＡのMR比は45%、Vhは720mVであり、両試料の特性の差異はほとんどなかった。
【００５４】
次に上記試料を表１に示す温度（310℃から400℃）でまで無磁界中で熱処理を１時間行ったあと、室温で磁気抵抗を測定し、各熱処理温度におけるMR比を調べた。同時に磁気抵抗曲線から自由磁性層（実施例試料１ではCo-Fe/Ni-Fe、従来例試料ＡではCo-Fe/Ni-Fe/Co-Fe）の保磁力(以下Hcと呼ぶ)も同時に調べた。保磁力の算出には、固定磁性層が磁化回転しない磁界範囲（つまり自由磁性層が磁化回転する磁界範囲）で磁気抵抗を測定し、その磁気抵抗曲線（マイナー曲線）から以下のように行った。図１５はマイナー曲線を示す。図１５に示すようにMR比が半分になるときの磁界をそれぞれ、H1、H2（H1>H2）としたと次式により算出した。
【００５５】
Hc＝｜H1−H2｜／2
結果を表１に示す。
【００５６】
【表１】
【００５７】
このように本発明のMR素子は従来の素子と比較してMR比の熱的安定性に非常に優れていることが分かった。実施例試料１の400℃の熱処理後にMR比のバイアス依存性を調べたところVhは700mV程度であり、280℃の熱処理後とほとんど変化がなかった。それに対して、比較例試料Ａの400℃熱処理後のVhは360mV程度と減少し、熱劣化が大きかった。さらに、自由磁性層の保磁力の熱処理温度依存性では従来例試料Ａでは保磁力が増大し熱劣化したが、実施例試料１ではほとんどHcの変化はなく安定した特性を示した。
【００５８】
（実施例２）
本発明の実施の一形態として、図２に示すMR素子を以下の手順で作成した。到達真空度が1×10-8Torr以下の成膜チャンバー中において500nmの熱酸化膜付きSi基板上にDCおよびRFマグネトロンスパッタ法によりTMR膜を作製した。まず基板上に下部電極としてTa(3nm)/Cu(50nm)/Ta(3nm)を積層した。その上に第２界面安定層１７のAu(5nm)を積層した後に、Alを2nm成膜し、チャンバー内でプラズマ窒化を行って第２トンネル絶縁層１５のAl-N(2nm)を作成した。プラズマ窒化は１ｍTorrの窒素ガス中に200WのRF電力を投入したカソードを用いて5分間行った。その上に第１界面安定層１４のPd（1nm）、第２強磁性層１３のNi0.8-Fe0.2(4nm)/Fe0.9-Pt0.1(1nm)を積層した。その上に第１トンネル絶縁層１２のAl-O（0.6nm）をAl（0.6nm）形成後、200Torrの酸素ガス中で１分間Al層を自然酸化することにより作成した。その上に第１強磁性層１１のCo0.9-Fe0.1(3nm)/Ru(0.8nm)/Co0.9-Fe0.1(3nm)を、反強磁性層１６のIr0.2-Mn0.8 (8nm)を作成した。ここで第１強磁性層１１はRuを介して２つのCo-Feが反強磁性的交換結合により反平行に磁化が向く状態が安定であるようになっている。以上のMR膜を実施例試料２とする。その膜構成を下記に示す。
【００５９】
実施例試料２：Au(5nm)/ Al-N(2nm)/ Pd(1nm)/ Ni0.8-Fe0.2(4nm)/ Fe0.9-Pt0.1(1nm)/ Al-O(0.6nm)/ Co0.9-Fe0.1(3nm)/ Ru(0.8nm)/ Co0.9-Fe0.1(3nm)/ Ir0.8-Mn0.2(8nm)
比較のため従来構成の下記の試料も作成した。
【００６０】
従来例試料B：Ir0.8-Mn0.2(8nm)/ Co0.8-Fe0.2(3nm)/ Ru(0.8nm)/ Co0.8-Fe0.2(3nm)/ Al-O(0.7nm)/ Co0.9-Fe0.1(5nm)/ Al-O(0.8nm)/ Co0.8-Fe0.2(3nm)/ Ru(0.8nm)/ Co0.8-Fe0.2(3nm)/ Ir0.8-Mn0.2(8nm)
従来例試料Ｂのトンネル絶縁層Al-Oは実施例１の従来例試料Ａと同様にAl層を成膜後、プラズマ酸化により作成した。
【００６１】
これら試料の膜上には保護層兼上部電極の一部としてTa(15nm)/Pt(10nm)を形成した。その後250℃で10kOeの磁界を印加して５時間熱処理を行った後、200℃で100Oeの磁界を250℃で熱処理したときに印加した磁界方向とは膜面内で直交する方向に印加した状態で２時間磁界中熱処理を行った。熱処理後、フォトリソグフィーとイオンミリングを用いて図３に示すようなMR素子とした。層間絶縁層にはAl2O3をスパッタすることで形成し、上部電極にはTa(3nm)/Cu(500nm)/Pt(10nm)を用いた。TMR素子部のセル形状は4μm×8μmとした。セルの長手方向が200℃での熱処理時に印加した磁界方向となる方にして自由磁性層（実施例試料２はNi-Fe/ Fe-Pt、従来例試料ＢはCo-Fe）の磁化容易軸方向を規定した。素子作成後、室温で200Oeの磁界をセルの短手方向に印加して磁気抵抗を測定して、MR比と自由磁性層の異方性磁界（Hk）を調べた。異方性磁界は図１５のマイナー曲線において、自由磁性層の磁化回転に要する磁界をH3、H4（H3>H4）としたとき、次式により算出した。
【００６２】
Hk＝｜H3−H4｜／2
実施例試料２のMR比は38%、Hkは5Oeであり、従来例試料ＢのTMR比は35%、Hkは7Oeであった。実施例試料２の方が異方性磁界はやや小さいため磁界感度はよい。
【００６３】
次に両試料を220℃で100Oeの回転磁界中で10時間熱処理した後に、先ほどと同様に磁気抵抗を測定して自由磁性層の異方性磁界（Hk）を調べた。すると実施例試料２のHkは6Oeであったのに対し、従来例試料ＢのHkは３Oeに減少した。しかし、従来例試料Ｂの保磁力Hcは0Oeから10Oeに増大していることからCo-Fe自由磁性層の磁化容易軸方向が素子の長手方向からずれていることが分かった。実施例試料２の保磁力Hcは回転磁界熱処理後も変化がなくほぼ0Oeであることから、自由磁性層に付与した磁化容易軸方向は回転磁界熱処理によっても変化せず安定であることが分かった。
（実施例３）
図６および図７に示すようなヨークを備えた磁気ヘッドを作製した。
【００６４】
基板としてMn-Znフェライト基板を用い、この基板が下部ヨークを兼ねる構造とした。絶縁層部にはAl2O3を用い、上部ヨークには高透磁率のNi-Fe合金膜とTaの積層膜を用いた。MR素子の下部電極にはTa/Cu/Taの積層膜、上部電極にはTa/Cr/Auの積層膜を用いた。ハードバイアス部にはCo-Pt合金を用いた。MR素子を磁気ヘッドに組み込む際には、自由磁性層の磁化容易軸方向が検知すべき信号磁界の方向と垂直になるように、固定磁性層の磁化容易方向が検知すべき信号磁界の方向と平行になるように配置した。また、自由磁性層を単磁区化するためにハードバイアス部としてCo-Pt膜を付与した。
【００６５】
MR素子膜の膜構成は図１に準ずるものであり下記に示す。
【００６６】
実施例試料３：Pt0.49-Mn0.51(20nm)/ Co0.9-Fe0.1(3nm)/ Ru(0.8nm)/ Co0.9-Fe0.1(3nm)/ Al-O(0.6nm)/ Ni0.8-Fe0.2(3nm)/ Pt(2nm)/ Al-O(1.0nm)
第１強磁性層１１にはRu層を介して反強磁性的に交換結合した２つのCoFe層からなる積層膜を用いた。第１トンネル絶縁層１２および第２トンネル絶縁層１５にはAlの自然酸化膜を用いた。Al-Oの形成にはAlを0.3nm成膜後、200Torrの純酸素中で30秒間、自然酸化した後に、さらにAlを0.3nm成膜後、200Torrの純酸素中で30秒間、自然酸化する行程を経て行った。Al-Oの括弧内は酸化前のAl層の設計膜厚の合計値を示している。MR素子膜作成後に、280℃で5kOeの磁界中で5時間熱処理を行った後、200℃の温度で100Oeの磁界を先ほどの5kOeの磁界方向から面内で90度回転させた方向に印加して2時間、熱処理を行った。なお、熱処理時に印加した5kOeの磁界は検知すべき磁界方向とした。なお、MR素子膜作成後には保護兼上部電極の一部としてTa/Ptの積層膜が形成されている。
【００６７】
比較のため従来構成の下記のMR膜構成の従来例試料Cを作成し、上記実施例試料３のMR膜を用いた磁気ヘッドと同じ構成の磁気ヘッドを作成した。
従来例試料C：Pt0.49-Mn0.51(20nm)/ Co0.75-Fe0.25(3nm)/ Al-O(0.6nm)/ Ni0.8-Fe0.2(3nm)/ Al-O(0.6nm)/ Co0.75-Fe0.25(3nm)/ Pt0.49-Mn0.51(20nm)
上記実施例試料３と従来例試料Cを用いた磁気ヘッドの再生ギャップ長はともに0.1μmとした。また、MR素子の形状は図６に示すMR高さ５７５、図７に示すMR幅５７９をそれぞれ２μm、５μmとした。また、実施例試料３および従来例試料Cの自由磁性層（ともにNi-Fe(3nm)）から上部ヨークまでの垂直距離は、従来例試料Cの方が実施例試料３よりもPt-Mn層の20nmの厚みだけ離れた配置となっている。
【００６８】
このように準備した磁気ヘッドに対し、ドラムテスターを用いて再生出力を測定した。記録媒体にはMPテープを用い、記録にはインダクティブ型の記録ヘッドをを用いて情報を記録し、作成した磁気ヘッドをMPテープ上に走行させてその出力を測定した。作成したヘッド出力特性を調べたところ、実施例試料３を用いた磁気ヘッドは従来例試料Cを用いた磁気ヘッドよりも1dB以上の出力向上が得られた。次にこれらの磁気ヘッドの熱的安定性を調べるために180℃の恒温槽に入れて0.5Vの電圧を印加した状態で１０日間保持して、試験前後の出力の特性比較を行った。すると、実施例試料３を用いた磁気ヘッドの出力低下はほとんどなかったのに対して、従来例試料Cを用いた磁気ヘッドの出力低下は15%であった。以上より本発明の磁気ヘッドが従来のそれに比べて出力特性が高く、しかも磁気ヘッドの熱的安定性に優れていることが分かった。
（実施例４）
実施例２で用いた実施例試料２と従来例試料Ｂと同じ膜構成のMR素子を用いて、図４に示すような磁気ヘッドを構成して、特性を評価した。基板にはAl2O3-TiC基板を用い、上部記録用磁極２０６、上部シールド２０３、下部シールド２０２にはNi0.8Fe0.2合金をメッキで作製した。MR素子部の上下にはCuをTaで挟んだ積層膜の電極部と接続し、さらにAl2O3で上下シールドと絶縁した。
【００６９】
また、自由磁性層の磁化容易方向が検知すべき信号磁界方向と垂直になるように（トラック幅方向）、固定磁性層１２の磁化容易軸の方向が検知すべき信号磁界方向と平行になるように磁性膜に異方性を付与した。この異方性の付与方法は、MR膜を作成後、まず、磁界中280℃で5kOeの磁界中で５時間熱処理して、固定磁性層の容易方向を規定した後、更に、200℃で100Oeの磁界中で１時間熱処理して、自由層の容易軸を規定して行った。以上のようにして作成したシールド型磁気ヘッドの再生ギャップ２０４を0.2μm、TMR素子のトラック幅は1μm、MR高さも1μｍとした。実施例２の実施例試料２および従来例試料Ｂとそれぞれ同じ膜構成を用いたシールド型磁気ヘッドをそれぞれ実施例試料５、従来例試料Ｅとする。
【００７０】
作製した磁気ヘッドの熱的安定性調べるために170℃の恒温槽に入れて250mVの電圧を印加した状態で20日間保持するという試験を実施した。この試験の前と後の出力の比較をした。その結果、本発明の実施例試料５の磁気ヘッドでは出力の低下が約2%以内であり非常に安定した出力特性を示したのに対して、従来例試料Ｅの磁気ヘッドでは出力低下は約45%と非常に大きな出力低下が見られた。従って本発明の磁気ヘッドは従来の磁気ヘッドと比較して大きく熱的安定性が向上しており、優れた耐久性を有することが分かった。
（実施例５）
実施例１で作製した実施例試料１と従来例試料Ａを用いて図１２に示したスイッチ素子７０３のない単一の磁気メモリー素子を作製した。ワード線部７０２およびセンス線部７００およびセンス線兼ワード線部７０１にはCuを用いた。実施例１で作成した実施例試料１および従来例試料Ａの下部電極をセンス線部７００とし、また、上部電極としてセンス線兼ワード線部７００を用いている。センス線部７００は基板上に作成されたCuよりなるワード線部７０２上にアルミナ膜で絶縁した後に形成されている。MR素子部のセル形状は1μm×2.5μmとし、TMR素子部は280℃で5kOeの磁界をセルの長手方向に印加して３時間実施した。このときのMR素子部の抵抗は両試料とも数kΩでほぼ同じであった。ワード線部７０２とセンス線兼ワード線部７００にパルス電流を流して磁界を発生させ自由磁性層の磁化反転を起こして情報「０」を記録した。次にワード線部７０２とセンス線兼ワード線部７００に反対方向にパルス電流を流して自由磁性層の磁化を反転させて情報「１」を記録した。センス線部７００とセンス線部兼ワード線部７０２との間に約400mVのバイアス電圧を印加してセンス電流を流し、情報「０」と情報「１」の状態の素子出力を測定したところ実施例試料１では約120mVの高出力の信号が得られた。同様に従来例試料Ａを用いた磁気メモリー素子に情報「０」と「１」を記録するためにワード線部７０２とセンス先見ワード線部７００にパルス電流を流して実施例試料１と同様の高出力の信号を得るためには、実施例試料１でワード線部７０２とセンス線兼ワード線部７００に流すパルス電流よりも約15%大きな電流を必要とした。
【００７１】
次にこれらのMR素子を図１１に示すようなスイッチ素子７０３を持つメモリー素子で、図１０に示すようなマトリックス上に状に配置した磁気ランダムアクセスメモリー（MRAM）の試作を行った。素子配列は、１６×１６素子のメモリーを１ブロックとし合計８ブロックとした。まずFETをスウィッチングトランジスター（SW-Tr）としてCMOSをマトリックス上に配置し、CMPで表面を平坦化した後、上記実施例試料１と従来例試料AのMR素子をCMOSに対応してマトリックス様に設けた。それぞれのセル面積は0.1μm×0.25μmとした。なお、ワード線及びビット線などは全てCuを用いた。最後に400℃で水素シンター処理を行った。
【００７２】
各（N、M）番地の素子への情報の記録は（N、M）番地の素子で交差するワード線とセンス線兼ワード線に電流を流して発生する合成磁界により、８つのブロックの、８素子にそれぞれの自由磁性層（この場合はCo-Fe(1nm)/Ni-Fe(3nm)膜）の磁化反転を同時に行い８ビットずつの信号を記録した。次にCMOSで作製されたFETのゲートをそれぞれのブロックに付き１素子ずつONし、センス電流を流した。このとき、各ブロック内でのセンス線、素子及びFETに発生する電圧と、ダミー電圧をコンパレータにより比較し、それぞれの素子の出力電圧から、同時に８ビットの情報を読みとった。その結果、実施例試料１を用いたMRAMでは単一磁気メモリー素子の場合と同様に素子出力が得られたが、従来例試料Ａを用いたMRAMはほとんど全く出力が得られなかった。これは本発明のMR素子は400℃での水素シンター処理に耐えられるものの、従来素子は耐えられないことに起因していると考えられる。
【００７３】
【発明の効果】
本発明により、熱的安定性の課題を改善し、400℃の熱処理に対しても安定したMR特性を有するトンネル磁気抵抗効果素子を得ることができる。
【００７４】
本発明のトンネル磁気抵抗効果素子は、MR比のバイアス電圧特性を改善し、バイアス電圧依存性が小さくて、高出力・高感度を実現し、さらに、MR特性の熱的安定性に優れている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のトンネル磁気抵抗効果素子の一例を示す図
【図２】本発明のトンネル磁気抵抗効果素子の一例を示す図
【図３】膜の上下に電極を配置した本発明のトンネル磁気抵抗効果素子の断面の模式図
【図４】本発明のシールドを有する磁気ヘッドの一例を示す図
【図５】本発明のヨークを有する磁気ヘッドの一例を示す図
【図６】本発明におけるMR素子を用いた磁気ヘッドの別の例を示す図
【図７】図６にしめす磁気ヘッドのMR素子５７１を含む部分を、点線Ｉ−Ｉ'で切断した切断面の断面図
【図８】本発明の磁気記録装置の一例を示す図
【図９】本発明の磁気記録装置の一例の回転ドラム装置の一形態の斜視図
【図１０】本発明の磁気記録装置の一例における走行系の概略図を示す図
【図１１】本発明の磁気メモリー素子の一例を示す図
【図１２】本発明のトンネル磁気抵抗効果素子を用いた磁気メモリー素子の書き込み動作と読み込み動作の一基本例の図
【図１３】本発明のトンネル磁気抵抗効果素子を用いた磁気メモリー素子の書き込み動作と読み込み動作の一基本例の図
【図１４】本発明のトンネル磁気抵抗効果素子を用いた磁気メモリー素子の書き込み動作と読み込み動作の一基本例の図
【図１５】実施例に係るグラフを示す図
【符号の説明】
１１：第１強磁性層
１２：第１トンネル絶縁層
１３：第２強磁性層
１４：第１界面安定層
１５：第２トンネル絶縁層
１６：反強磁性層
１７：第２界面安定層
５０１：層間絶縁層
５０２：上部電極
５０３：下部電極
５０５：TMR素子部
２０１：TMR素子部
２０２：下部シールド
２０３：上部シールド
２０４：再生ギャップ
２０５：巻線部
２０７：記録ギャップ
３０１： TMR素子部
６０：ヨーク部
１１：第１強磁性層
１３：第２強磁性層
Ｈ：磁界
５７１：MR素子５７１
５７２：絶縁層部
５７３：上部ヨーク
５７４：下部ヨーク
５７５：ギャップ
５７６：再生ギャップ
５７７：リード部
５７８：ハードバイアス部
４０１：磁気ヘッド４０１
４０２：駆動部
４０３：磁気記録媒体
４０４：信号処理部
１０１：溝
１０２：上回転ドラム
１０３：回転ドラム装置
１０４：リード
１０５：磁気ヘッド
１０６：下ドラム
１１３：回転ドラム装置
１０７：供給リール
１２２：巻き取りリール
１０８，１１０，１１１，１１６，１１７，１１９：回転ポスト
１１２，１１５：傾斜ポスト
１１８：キャプスタン
１２０：ピンチローラー
１０９：テンションアーム
１２１：磁気テープ
１１４，１２３：磁気ヘッド
８１３：回転ドラム装置
１１８：キャプスタン
１２２：巻き取りリール
６０１：情報読出用導体線部（センス線部）
６０２：情報記録用導体線部（ワード線）
７１０：TMR素子部
７０１：センス線兼ワード線部
７０２：ワード線部
７０３：スイッチ素子
７０４：非線形素子[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a magnetic sensor used for a high-density magnetic recording / reproducing head (magnetic disk, magneto-optical disk, magnetic tape, etc.), an automobile, and the like, and a tunnel magnetoresistive element used for a magnetic random access memory (MRAM). Things.
[0002]
[Prior art]
With the rapid spread of information technology and the development of advanced communication networks due to the spread of the Internet, the need to handle large amounts of information at high speed has been increasing. Above all, a hard disk drive (HDD) is an external recording device that stores a large amount of information and is capable of high-speed transfer. To increase the capacity of HDDs, the recording density is increasing at an annual rate of 60% to 100% due to technological innovations such as improvement of read head performance using a giant magnetoresistive effect (GMR effect). At present, mobile communication devices such as mobile phones and notebook computers have become indispensable in daily life, and various types of information such as text information and moving image information are exchanged through the mobile devices. Even in this mobile device, the need for a small, lightweight, low-consumption recording medium to store and transfer a large amount of information instantaneously is increasing, including flash memory and FeRAM (Ferro electric Random Access Memory). Non-volatile memory is being developed. Among them, in recent years, as a large-capacity, high-speed nonvolatile memory device, a next-generation magnetic head and a nonvolatile random access memory (MRAM) using a tunnel magnetoresistive effect (TMR effect) exhibiting a large magnetoresistance change rate. : Magnetic Random Access Memory).
[0003]
In the TMR effect, when a voltage is applied between two ferromagnetic layers (free magnetic layer and pinned magnetic layer) stacked via a tunnel insulating layer of about several nm, a tunnel current occurs, and the magnetization directions of the two ferromagnetic layers are parallel. And antiparallel are different phenomena. The first report of the TMR effect was made by Julliere (Non-Patent Document 1) in 1975. Later, at room temperature, a group of Miyazaki (Non-Patent Document 2) and a group of Mooodera (Non-Patent Document 3) reported a magnetoresistance ratio (TMR ratio) of 10% or more. The TMR element has a much higher rate of change in resistance in a small magnetic field than the conventionally known anisotropic magnetoresistance (AMR effect) or giant magnetoresistance (GMR effect: Giant Mangetoresistance). As a result, research and development of the TMR phenomenon for application to next-generation magnetic heads for HDDs and MRAM is accelerating.
[0004]
The TMR element is a very thin laminated film having a layer thickness of several nm or less. Especially for the tunnel insulating layer, mainly Al Two O Three Although materials having excellent insulation properties such as AlN and AlN are used, an extremely thin tunnel layer having a thickness of about 3 nm or less is used to obtain excellent tunnel magnetoresistance properties. In order to apply TMR elements to magnetic heads and magnetic memory devices, there is a method of placing an antiferromagnetic layer on the fixed magnetic layer side and generating an exchange coupling bias magnetic field to fix the magnetization direction of the fixed magnetic layer. The TMR element using the antiferromagnetic layer is called a spin valve type TMR element. With this configuration, the magnetization direction of the free magnetic layer can be relatively freely changed with respect to the external magnetic field, and the magnetization direction of the fixed magnetic layer and the magnetization direction of the free magnetic layer are relatively changed to reduce the magnetic resistance. Can occur. In order to use a spin valve type TMR element in a magnetic head, a change in a signal magnetic field from a magnetic medium is detected by changing a magnetization direction of a free magnetic layer. When used as an MRAM, a word line for reversing the magnetization direction of the free magnetic layer above and below the element film and a bit line for reading the resistance of the element are provided, and the TMR elements are arranged in a matrix.
[0005]
[Non-patent document 1]
Physics Letters, vol1. 54A (1975). No. 3, p225
[Non-patent document 2]
Journal of Magnetism and Magnetic Materials Vol. 139 (1995) p231.
[Non-Patent Document 3]
Physical Review Letters Vol. 74 (1995) p3273.
[Non-patent document 4]
IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 35, 2904 (1999)
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, one of the major problems in applying the TMR element to practical applications such as magnetic heads and MRAMs is that, as the bias voltage applied to the TMR element increases, its tunnel resistance change rate (hereinafter referred to as the TMR ratio) decreases. Therefore, there is a problem that the output is reduced. The cause of the decrease in the MR ratio due to the application of the bias voltage is that the magnon is excited by the bias voltage in the ferromagnetic layer or at the interface between the ferromagnetic layer and the tunnel insulating layer, so that the spin of the tunnel electrons is not preserved. It is thought that the TMR ratio decreases due to an increase in inelastic scattering due to defects in the insulating layer.
[0007]
In order to alleviate the bias voltage dependence of the TMR ratio, a double tunnel TMR element alternately stacked via three ferromagnetic layers and two tunnel insulating layers has been proposed (Non-Patent Document 4). In the double tunnel TMR element, the bias voltage applied to each TMR element is roughly halved, so that the bias voltage dependence of the TMR element becomes gentle. Moreover, the TMR ratio hardly changes even when compared with a conventional device having a single tunnel insulating layer. In particular, in the double tunnel spin valve type TMR element using two antiferromagnetic layers, the bias voltage dependency is relaxed as compared with the conventional spin valve type TMR element, and is improved from the viewpoint of practical characteristics. It has been reported.
[0008]
In a double tunnel spin valve type TMR element, when the ferromagnetic layer sandwiched between two tunnel insulating layers is configured to be a free magnetic layer that can freely rotate magnetization with respect to an external magnetic field, the magnetization reversal of the free magnetic layer It is considered that the magnetic sensor can be used as a high-output magnetic sensor or MRAM with good magnetic field sensitivity by utilizing the magnetic field. For the free magnetic layer, a material having excellent soft magnetic properties and a high spin polarizability must be used in order to obtain a high TMR ratio. Therefore, permalloy (Ni-Fe alloy), Co-Fe alloy, and a laminated film of these materials Is used.
[0009]
However, due to various heat treatments required in the device manufacturing process, heat generation and temperature rise during device operation, the soft magnetic characteristics of the free magnetic layer deteriorate due to impurity diffusion and interface diffusion in the laminated film, and the TMR ratio. There is a problem of a decrease in. In particular, in a double tunnel TMR element having a structure in which a free magnetic layer is sandwiched between two tunnel insulating layers, oxides and nitrides are included in the free magnetic layer due to thermal diffusion of oxygen, nitrogen, and the like constituting the tunnel insulating layer. Is formed to cause deterioration of soft magnetic characteristics.
[0010]
In addition, since the thickness of a double tunnel spin valve type TMR element using an antiferromagnetic layer becomes large, it is difficult to narrow the gap and increase the recording density when used in, for example, a shield type magnetic head. There's a problem. Further, in the case of the yoke type magnetic head, there is a problem that the magnetic field sensitivity is reduced because the distance between the flux guide for introducing the signal magnetic field from the recording medium and the free magnetic layer for detecting the magnetic field is increased.
[0011]
For use in MRAM, it is necessary to selectively write information to TMR elements arranged in a matrix. A characteristic of the MRAM is that it is a current drive type in which the magnetization reversal of the free magnetic layer is performed by a combined magnetic field generated from a word line and a bit line for writing information. Since the TMR element has a structure arranged between the word line and the bit line, the distance between the bit line (word line) and the free magnetic layer is at least equal to the thickness of the antiferromagnetic layer and the fixed magnetic layer. Since they are separated from each other, there is a problem that the amount of current flowing through a bit line (word line) increases and power consumption increases.
[0012]
The present invention improves the bias voltage characteristic of the TMR ratio, has a small bias voltage dependency, has high output and high sensitivity, and has excellent thermal stability, and a magnetic head using the same. It is an object to provide a magnetic recording device and a memory element.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
A tunnel magnetoresistive element according to the present invention that solves the above-mentioned problem has a configuration in which a first ferromagnetic layer, a first tunnel insulating layer, and a second ferromagnetic layer are sequentially stacked, and the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer In a tunneling magneto-resistance effect element having a different tunnel resistance depending on a relative magnetization direction of a magnetic layer, a first interface stable layer and a second tunnel insulating layer are sequentially stacked in contact with the second ferromagnetic layer, and the first interface stable layer is formed. The layer is characterized by containing at least one selected from the group consisting of Ru, Rh, Pd, Ag, Ir, Pt, and Au as a main component.
[0014]
It is preferable that the thickness of the first interface stable layer is 0.4 nm or more and 5 nm or less.
[0015]
Preferably, the first tunnel insulating layer and the second tunnel insulating layer are made of Al oxide, nitride or oxynitride.
[0016]
It is preferable that a second interface stabilizing layer containing at least one selected from Ru, Rh, Pd, Ag, Ir, Pt, and Au as a main component is provided in contact with the second tunnel insulating layer.
[0017]
It is preferable that the first ferromagnetic layer is in contact with an A-Mn-based (here, A is any one element selected from Pt, Pd, Ir, Fe, Ru, Rh) antiferromagnetic layer.
[0018]
A tunnel magnetoresistive head for detecting a signal magnetic field from a magnetic recording medium, comprising: two shields including a magnetic material; and the magnetoresistive element provided in a gap between the two shields. The provided tunnel magnetoresistive head is also included in the gist of the present invention.
[0019]
A tunnel magnetoresistive head for detecting a signal magnetic field from a magnetic recording medium, comprising: a magnetic flux guide portion including a magnetic material; and the tunnel magnetoresistive element for detecting a signal magnetic field guided by the magnetic flux guide portion. The provided tunnel magnetoresistive head is also included in the gist of the present invention.
[0020]
In a magnetic recording apparatus including a magnetic recording medium and a magnetic head that scans the magnetic recording medium, the tunnel magnetoresistive head is also included in the gist of the present invention.
[0021]
The tunnel magnetoresistive element; an information recording conductor line (word line) for generating a magnetic field for reversing the magnetization of at least one of the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer; The scope of the present invention also includes a tunnel magnetoresistive memory element including an information reading conductor line (sense line) for detecting a change in resistance of the magnetoresistive element. In this case, it is preferable that the tunnel magnetoresistive effect memory elements are arranged in a matrix.
[0022]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, a tunnel magnetoresistive element (hereinafter, referred to as a TMR element) of the present invention, a magnetic head using the same, a magnetic recording device, and a memory element will be described with reference to the drawings.
[0023]
FIG. 1 shows an example of the TMR element of the present invention. The first ferromagnetic layer 11 and the second ferromagnetic layer 13 are magnetically separated by the first tunnel insulating layer 12, and the relative magnetization directions of the first ferromagnetic layer 11 and the second ferromagnetic layer 13 are different. As a result, a tunnel current generated between the first tunnel insulating layer 12 and the first tunnel insulating layer 12 changes. A second tunnel insulating layer 15 is stacked on at least one of the first ferromagnetic layer 11 and the second ferromagnetic layer 13 with a first interface stable layer 14 interposed therebetween. In the TMR element 1 of the present invention, the antiferromagnetic layer 16 for fixing the magnetization direction of the first ferromagnetic layer 11 to a desired direction is laminated, and has a configuration having two tunnel insulating layers. In the TMR element 1 shown in FIG. 1, since the second ferromagnetic layer 13 can rotate the magnetization more freely with respect to the external magnetic field than the first ferromagnetic layer 11, the change in the magnetization direction due to the external magnetic field can be read.
[0024]
The first tunnel insulating layer 12 and the second tunnel insulating layer 15 may be made of any insulator or semiconductor, but may be any of Mg, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, and Cr containing IIa to VIa, It is a compound of an element selected from IIb to IVb including La, Ce, a lanthanoid including Zn, B, Al, Ga, and Si, and at least an element selected from F, O, C, N, and B. preferable. In particular, Al oxides, nitrides, oxynitrides, and Mg oxides have better insulation properties than other materials, can be made thinner, and have excellent reproducibility. The film thickness may be a thickness at which a tunnel current can be generated, and may be 0.4 nm or more and 10 nm or less, more preferably 3 nm or less.
[0025]
The first interface stabilizing layer 14 mainly has an action of preventing heat diffusion of various atoms constituting the second tunnel insulating layer 15 to the second ferromagnetic layer 13. For example, when the second tunnel insulating layer 15 is made of Al oxide, deterioration of magnetic characteristics due to oxidation of the second ferromagnetic layer 13 that occurs when the second ferromagnetic layer 13 is adjacent to the second tunnel insulating layer 15 is prevented. Has the effect of suppressing. Further, the interface structure between the second tunnel insulating layer 15 and the first interface stabilizing layer 14 is thermally stabilized, the barrier characteristics of the second tunnel insulating layer 15 are suppressed from deteriorating, and the thermal characteristics of the TMR element 1 are stabilized. It is also effective for Here, the thermal stability of the interface structure means that, for example, the interface between the metal layer 14 and the second tunnel insulating layer 15 can suppress the progress of diffusion due to heat and can realize a smooth interface. This smooth interface allows the tunnel insulating layer having a uniform barrier thickness and a high barrier height of the second tunnel insulating layer 15 to be obtained, so that the TMR characteristic is less deteriorated by the heat treatment and high even when the bias voltage is increased. A TMR element having high sensitivity and high output characteristics can be obtained.
[0026]
The first interface stabilizing layer 14 is an element having a higher free energy of formation of an oxide or nitride of a metal atom mainly constituting the second ferromagnetic layer 13, and is composed of Ru, Rh, Pd, Ag, Ir, Pt, and Au. At least one element selected from the group consisting of atoms or alloys thereof is used. Therefore, it is possible to suppress diffusion of oxygen and nitrogen constituting the second tunnel insulating layer 15 into the second ferromagnetic layer 13 and obtain a uniform tunnel barrier layer since the second tunnel insulating layer 15 does not react with the first interface stable layer 14. It becomes possible. Further, since the thermal diffusion of the atoms constituting the second tunnel insulating layer 15 is suppressed, the effect of suppressing the deterioration of the magnetic properties of the second ferromagnetic layer 13 is great. The thickness of the first interface stabilizing layer 14 should be 0.4 nm or more and 5 nm or less, more preferably 2 nm or less, since a sequential tunneling process may be used to reduce the voltage applied to the first tunnel insulating layer 15. Good.
[0027]
FIG. 2 shows another example of the TMR element 2 of the present invention. The TMR element 2 has the same structure as that of the TMR element 1 shown in FIG. 1 except that at least one element selected from Ru, Rh, Pd, Ag, Ir, Pt, and Au is interposed via the second tunnel insulating layer 15. Alternatively, the second interface stable layer 17 made of an alloy is laminated. As shown in FIG. 2, the second tunnel insulating layer 15 has a structure in which the first interface stable layer 14 and the second interface stable layer 17 are interposed between the first interface insulating layer 15 and the second interface stable layer 17. And the first interface stable layer 14 and the second interface stable layer 17 do not react with each other, so that the interface on both sides of the second tunnel insulating layer 15 is smooth and thermally stable. An excellent TMR element 2 can be obtained. Further, the first interface stable layer 14 suppresses the deterioration of the magnetic properties of the adjacent second ferromagnetic layer 13, and the second interface stable layer 17 controls the electrical properties (for example, the resistance value) of the adjacent electrode layer (not shown). Increase) is also suppressed.
[0028]
As a method of forming the tunnel insulating layer of the TMR element, there are (1) a method of directly forming from a material target and (2) a method of performing an insulating treatment (for example, an oxidizing treatment) after forming a metal layer. Here, an Al oxide (Al Two O Three The following is an example of a method for creating the). (1) Al Two O Three In this method, an oxide target is prepared and an oxide layer is directly formed on a substrate by, for example, a sputtering method or an ion beam deposition method. In this case, the formed Al oxide layer may become oxygen deficient depending on the film forming conditions, and thus the film may be formed in an oxygen gas atmosphere. Further, it may be formed by utilizing the reaction of Al with oxygen in oxygen gas using an Al target. (2) After forming an Al metal layer on an Al target by a physical method (PVD: Physical Vapor Deposition) such as a sputtering method or a molecular beam epitaxy (MBE method), a natural oxidation method, a plasma oxidation method, or a radical method is used. The Al metal layer can be oxidized by an oxidation method or an ozone oxidation method to form an Al oxide layer. Here, the natural oxidation method is a method of oxidizing in a vacuum or in the air. Particularly, in the oxidation in a vacuum, pure oxygen or a mixed gas of pure oxygen and another element (an inert gas such as Ar or Kr) is used. Introduce and oxidize. The radical oxidation method is a method in which oxygen gas introduced by an RF coil, ECR plasma, or the like becomes oxygen radicals having unpaired electrons, and is oxidized using only neutral components of the oxygen radicals. The plasma oxidation method is a method of oxidizing by using oxygen radicals or ozone having a strong oxidizing power by bringing the introduced gas into a plasma state almost in the same manner as the above radical oxidation method.
[0029]
Since the tunnel insulating layer is formed as described above, the second tunnel stable layer is formed on the first interface stable layer 14 and the second interface stable layer 17 made of an element which hardly becomes an oxide or a nitride in the TMR element of the present invention. When the insulating layer 15 is formed, it is possible to obtain the second tunnel insulating layer 15 having excellent tunnel insulating characteristics. Further, for example, in the process of forming the second tunnel insulating layer 15 on the first interface stable layer 14, the first interface stable layer 14 prevents oxidation and nitridation of the second ferromagnetic layer 13 disposed on the substrate side. There is work. In particular, when the second ferromagnetic layer 13 functions as a free magnetic layer, it is possible to suppress the deterioration of the soft magnetic characteristics of the second ferromagnetic layer 13 due to the formation of a part of an oxide or a nitride. .
[0030]
The first interface stabilizing layer 14 is composed of an atom or an alloy mainly containing at least one selected from Ru, Rh, Pd, Ag, Ir, Pt, and Au. By doing so, magnetic anisotropy occurs at the interface with the adjacent second ferromagnetic layer 13, and its magnetic characteristics can be controlled. When applying a TMR element to a magnetic head, it is necessary for device design that the magnetization directions of the pinned magnetic layer and the free magnetic layer be approximately perpendicular to each other, and that the magnetization direction of the free magnetic layer be substantially perpendicular to the signal magnetic field. It is. When the second ferromagnetic layer 13 of the TMR element of the present invention functions as a free magnetic layer, heat treatment in a magnetic field is performed so as to impart magnetic anisotropy generated at the interface with the first interface stable layer 14 in a desired direction. There is an advantage that it is possible to do so. Similarly, when the TMR element of the present invention is used in an MRAM, a free magnetic layer whose magnetization is easily rotated by an external magnetic field is used as a memory layer, and the easy axis of the free magnetic layer is shown in FIGS. In other words, it is defined in a direction parallel or orthogonal to the sense line and word line 701. If the cell shape is, for example, rectangular or elliptical, the axis of easy magnetization has its major axis direction as the axis of easy magnetization due to shape anisotropy. 1μm cell area due to high density Two In the case of the following fine element, a problem arises in that the magnetization is oriented in a direction different from the shape anisotropy due to thermal fluctuation of the magnetic material. However, the second ferromagnetic layer 13 of the TMR element of the present invention was used as a free magnetic layer. In this case, the magnetic anisotropy generated at the interface with the first interface stable layer 14 can suppress the deviation of the magnetization of the second ferromagnetic layer 13 (free magnetic layer) due to the miniaturization of the cell, so that the stability of characteristics is improved. When the second ferromagnetic layer 13 is a free magnetic layer, the magnetic anisotropy induced at the interface with the first interface stabilizing layer 14 increases, so that the coercive force indicating the soft magnetic characteristics of the second ferromagnetic layer 13 However, if the thickness of the first interface stabilizing layer 14 is set to 5 nm or less, the problem of an increase in coercive force due to the interaction between the thin film interfaces can be avoided.
[0031]
It is desirable to use an A-Mn metal antiferromagnetic material for the antiferromagnetic layer 16. As the element of A, A is preferably an alloy of at least one selected from Pt, Pd, Ir, Fe, Ru, and Rh. For example, Fe-Mn, Rh-Mn, Ir-Mn, Pt-Mn, Pt-Pd-Mn It is preferable to use an antiferromagnetic material such as By using these A-Mn-based metal antiferromagnetic materials, the function of fixing the magnetization direction of the ferromagnetic layer adjacent thereto is excellent. Among them, particularly ordered alloys such as Pt-Mn and Pt-Pd-Mn require heat treatment at about 300 ° C. for ordering, but are excellent from the viewpoint of heat resistance after the ordered heat treatment.
[0032]
Various magnetic materials can be used as the magnetic material used for the first ferromagnetic layer 11 and the second ferromagnetic layer 13. For example, Fe, Co, Ni, a Co-Fe alloy, a Ni-Fe alloy, a Co-Ni alloy, an Fe-Co-Ni alloy, or the like may be used. Among them, Ni x Co y Fe z (0.6 ≦ x ≦ 0.9, 0 ≦ y ≦ 0.4, 0 ≦ z ≦ 0.3) or Ni x ' Co y ' Fe z ' (0 ≦ x ′ ≦ 0.4, 0.2 ≦ y ′ ≦ 0.95, 0 ≦ z ′ ≦ 0.5) are particularly excellent in soft magnetic properties, so that they can be used in a free magnetic layer to reduce the coercive force. In addition, an MT alloy having a large magnetic anisotropy represented by an Fe-Pt alloy, a Co-Pt alloy, etc. (M is at least one selected from Fe, Co, Ni, and T is Ru, Rh, Pd, Pt, Ir, At least one selected from rare earths) may be used for the pinned magnetic layer. In addition, Fe with large spin polarizability Three O Four , CrO Two Heusler alloys such as perovskite oxides and NiMnSb may be used. The first ferromagnetic layer 11 and the second ferromagnetic layer 13 do not need to be formed of a single composition film made of the above magnetic material, and may have a laminated structure made of different magnetic materials in order to obtain required magnetic characteristics. good. For example, in order to obtain the soft magnetic properties of the MT alloy, Ni having excellent soft magnetic properties is used. x Co y Fe z And Ni x ' Co y ' Fe z ' May be used for the free magnetic layer as a laminated film.
[0033]
The first ferromagnetic layer 11 and the second ferromagnetic layer 13 may have a structure in which two ferromagnetic layers are further laminated via a nonmagnetic layer B such as a magnetic layer A / nonmagnetic layer B / magnetic layer C. In particular, the leakage magnetic field generated from the end face of the film can be reduced by antiferromagnetic exchange coupling or magnetostatic coupling between the two ferromagnetic layers via the nonmagnetic layer B so that their magnetizations are antiparallel to each other. It becomes possible.
[0034]
FIGS. 1 and 2 show only the film structure of the TMR element. However, a structure in which a current flows in a direction substantially perpendicular to the film surface of the tunnel insulating layer is used in a semiconductor process or a GMR head manufacturing process. The fine processing shown in FIG. 3 is performed by combining a physical or chemical etching method such as ion milling, RIE, FIB, etc., and a photolithography technique using a stepper, an EB method, etc. for forming a fine pattern. Such an element can be produced. A current is supplied to the TMR element portion 505 sandwiched between the upper electrode 502 and the lower electrode 503 to read a voltage. The interlayer insulating layer 501 has a function of preventing a short circuit between the upper electrode 502 and the lower electrode 503. With the element configuration shown in FIG. 3, it is possible to read out the output by flowing a current in a direction perpendicular to the film surface of the tunnel insulating layer of the TMR element portion 505. It is also effective to use CMP (Chemical Mechanical Polishing), cluster ion beam etching, or ECR etching for flattening the surface of the electrodes and the like. For the upper electrode 502 and the lower electrode 503, a low-resistance metal such as Pt, Au, Cu, Ru, or Al may be used. As the interlayer insulating layer 501, Al Two O Three , SiO Two What has excellent insulating characteristics, such as, may be used.
[0035]
In forming the film of the TMR element portion 505 of the present invention, pulse laser deposition (PLD), ion beam deposition (IBD), cluster ion beam or RF, DC, ECR, helicon, ICP or opposed target, etc. It can be prepared by a PVD method such as a sputtering method or an MBE method.
[0036]
FIG. 4 shows an example of the configuration of a magnetic head using the TMR element of the present invention. In FIG. 4, two shields (an upper shield 203 and a lower shield 202) made of a magnetic material are provided, and the TMR element unit 201 is provided in a reproduction gap 204 between the two shields. In recording, a current is applied to the winding portion 205 to write a signal to a recording medium (not shown) by a leakage magnetic field from a recording gap 207 between the recording magnetic pole 206 and the upper shield 203, and reproduction is performed in a magnetic recording medium (not shown). The signal magnetic field is read by the free magnetic layer of the TMR element section 201 provided between the reproducing gaps 204 (shield gaps). In this case, the magnetization of the free magnetic layer is oriented in a direction substantially perpendicular to the plane of the paper, and the magnetization of the fixed magnetic layer is substantially orthogonal to the magnetization direction of the free magnetic layer in the plane of the paper. Although not shown in FIG. 4, the TMR element portion 201 has electrode portions connected above and below the film, and the upper and lower electrode portions and the upper and lower shield portions may be electrically insulated by an insulating layer. The electrode portion may be connected to the upper and lower shields, and the upper and lower shields may be configured to also serve as the electrode portions. For the upper and lower shields 203 and 202, a soft magnetic film having high magnetic permeability such as Ni-Fe, Fe-Al-Si, or Co-Nb-Zr alloy is used. In order to control the magnetic domain of the free magnetic layer of the TMR element section 201, the bias magnetic field is reduced by arranging a high coercivity magnetic film such as a Co-Pt or Co-Pt-Cr alloy with the TMR element sandwiched from both sides in the direction perpendicular to the paper. It is also possible to add. Further, as the insulating portion 208, Al Two O Three , AlN, SiO Two An insulating film such as is used.
[0037]
FIG. 5 is a diagram for explaining that the sensitivity of the TMR element section 301 is improved by introducing an external magnetic field to be detected to the TMR element section 301 by a yoke composed of a magnetic film having a high magnetic permeability. Basically, the yoke portion 60 is arranged so that the magnetic field H is introduced into the free magnetic layer in which magnetization rotation is easy. Therefore, the first ferromagnetic layer 11 and the second ferromagnetic layer 13 are configured such that the one closest to the magnetic field H introduced into the yoke part 60 becomes the free magnetic layer. 5 shows the TMR element 1 shown in FIG. 1 as an example. In FIG. 5, the magnetic field H introduced from the yoke changes the magnetization of the second ferromagnetic layer 13 to produce the MR effect. Therefore, the closer the distance from the gap between the free magnetic layer (the second ferromagnetic layer 13 in FIG. 5) and the two yoke portions 60, the better the magnetic field sensitivity. When a conventional double tunnel spin valve type TMR element using two antiferromagnetic layers is used for the TMR element section 301, a structure in which a fixed magnetic layer / antiferromagnetic layer is further laminated on the second tunnel insulating layer 15 is used. (Excluding the first interface stabilizing layer 14), the distance between the free magnetic layer for detecting the magnetic field H introduced from the yoke part 60 and the yoke part 60 becomes long, and the magnetic field sensitivity is reduced. The use of the TMR element of the invention makes it possible to provide an external magnetic field sensor having high sensitivity, high output, and excellent thermal stability.
[0038]
FIG. 6 shows another example of the magnetic head using the MR element according to the present invention. In the example shown in FIG. 6, a yoke (upper yoke 573 and lower yoke 574) for guiding a signal magnetic field to be detected to the MR element 571 and an insulating layer portion 572 are provided. The upper yoke 573 and the lower yoke 574 are generally made of a soft magnetic material. The signal magnetic field from the recording medium is guided to the MR element 571 by the upper yoke 573. The upper yoke has a gap 575, and the MR element 571 is disposed between the gap 575 and the lower yoke 574 so that the MR element 571 is magnetically connected to the upper yoke 573 and the lower yoke 574. Good.
[0039]
In the example shown in FIG. 6, a magnetic circuit is formed by the upper yoke 573, the MR element 571, and the lower yoke 574, and a signal magnetic field from the recording medium detected by the reproduction gap 576 is detected as an electric signal by the MR element 571. Can be. The length of the reproduction gap 576 (reproduction gap length) is preferably 0.2 μm or less.
[0040]
FIG. 7 is a cross-sectional view of a section of the magnetic head including the MR element 571 taken along a dotted line II ′ shown in FIG. An example of the structure around the MR element 571 shown in FIG. 6 will be described in more detail with reference to FIG. Around the MR element 571, a lead section 577 for flowing a current perpendicular to the film surface of the MR element 571 and a hard bias section 578 for controlling the magnetization direction of the free magnetic layer of the MR element 571 are arranged. ing. In the example shown in FIG. 7, the lead portion 577 is electrically insulated from the yoke by the insulating layer portion 572, but the lead portion and the yoke portion may be electrically connected. In that case, the yoke and the lead portion can be shared. The hard bias unit 578 is preferably electrically insulated from the MR element 571 in order to allow a tunnel current to flow to the MR element 571 stably.
[0041]
As a material of the insulating layer portion 572, Al Two O Three , AlN and SiO Two Etc. can be used. Materials used for the upper yoke 573 and the lower yoke 574 include soft magnetic materials such as Fe-Si-Al, Ni-Fe, Ni-Fe-Co, Co-Nb-Zr, Co-Ta-Zr, and Fe-Ta-N. Materials are preferred. It is also possible to use a laminated film of a film made of the above soft magnetic material and a non-magnetic film made of Ta, Ru, Cu or the like. As the material of the hard bias portion 578, a high coercive force material such as a Co-based alloy such as Co-Pt and Co-Cr-Ta or an antiferromagnetic material such as Ir-Mn, Fe-Mn and Pt-Mn is used. Can be. It is preferable to use a metal such as Cu, Au, Al, Pt, Ta, or Cr or an alloy thereof as the lead portion 577. Note that as the substrate also serving as the lower yoke 574, a substrate made of a magnetic material such as Mn-Zn ferrite or Ni-Zn ferrite can be used.
[0042]
In the case of a magnetic head having a yoke as shown in FIG. 6, the free magnetic layer of the MR element 571 is preferably arranged on the upper yoke 573 side.
[0043]
In the above-described yoke type magnetic head, by using the MR element of the present invention, a high-output magnetic head having excellent heat resistance can be obtained.
[0044]
Although such a yoke type magnetic head is generally inferior in sensitivity to a shield type magnetic head as shown in FIG. 4, it is not necessary to arrange an MR element in a shield gap. is there. In addition, since the MR element is not exposed to the recording medium, the head is less damaged or worn due to contact between the recording medium and the magnetic head, and is excellent in reliability. Therefore, the yoke type magnetic head is particularly excellent when used for a streamer or the like in which the recording medium is a magnetic tape.
[0045]
The yoke type magnetic head shown in FIGS. 6 and 7 using the MR element of the present invention reads (reproduces) information recorded on a medium, and has an inductive type recording head for recording on the medium. By doing so, a recording / reproducing magnetic head can be obtained.
[0046]
Hereinafter, one embodiment of the magnetic recording / reproducing apparatus of the present invention will be described with reference to FIGS. Using the magnetic head of the present invention shown in FIGS. 4 and 6, the high-density magnetic recording device shown in FIGS. 8, 9 and 10 can be constructed. As shown in FIG. 8, a magnetic recording device 400 having high power and excellent thermal stability is provided by using a magnetic head 401, a driving unit 402, a magnetic recording medium 403 for recording information, and a signal processing unit 404 of the present invention. It becomes possible to configure. 9 and 10 show the configuration of another magnetic recording / reproducing apparatus using the magnetic head of the present invention. FIG. 9 is a perspective view of a rotary drum device of the magnetic recording / reproducing apparatus, and FIG. 10 is a schematic diagram of a traveling system of the magnetic recording / reproducing apparatus. The rotating drum device 103 in FIG. 9 has a lower drum 106 and an upper rotating drum 102, and a magnetic head 105 is provided on the outer peripheral surface thereof. A magnetic tape (not shown) runs along the lead 104 while being inclined with respect to the rotation axis of the upper rotating drum 102. The magnetic head 105 slides while being inclined with respect to the running direction of the magnetic tape. Further, a plurality of grooves 101 are provided on the outer peripheral surface of the upper rotary drum 102 so that the upper rotary drum 102 and the magnetic tape are stably slid while traveling in close contact with each other. Air trapped between the magnetic tape and the upper rotating drum is discharged from the groove 101. As shown in FIG. 10, the running system of the magnetic recording / reproducing apparatus includes a rotating drum device 113, a supply reel 107, a take-up reel 122, rotating posts 108, 110, 111, 116, 117, 119, inclined posts 112, 115, A capstan 118, a pinch roller 120, and a tension arm 109 are provided. The magnetic head 105 of the present invention described above is arranged on the outer peripheral surface of the rotating drum device 113. The magnetic tape 121 wound on the supply reel 107 travels by a retracting operation by the pinch roller 120 and the capstan 118, and is pressed against the magnetic heads 114 and 123 mounted on the rotary drum device 813 by the guides by the inclined posts 112 and 115. , Between the pinch roller 120 and the capstan 118, and wound on the take-up reel 122. This rotary drum device is of an upper rotary drum type, and two reproducing magnetic heads 114 are mounted so as to protrude from the outer peripheral surface of the rotary drum by about 20 μm. In the magnetic recording / reproducing apparatus using the magnetic head of the present invention, if a yoke type magnetic head as shown in FIG. 6 is used, the change in the shape of the TMR element due to abrasion which is a problem in the helical scan method does not occur. In addition, since there is very little risk of the TMR element being electrostatically damaged by contact sliding and corrosion of the TMR element by a magnetic tape or a chemically reactive substance from the atmosphere, high reliability can be ensured. In addition, since the magnetic head using the tunnel magnetoresistive film of the present invention, which has higher output and higher heat resistance than the conventional magnetic head, is mounted, the temperature characteristics change is small, the thermal stability is excellent, and a high recording density is achieved. Can be achieved.
[0047]
Using the TMR element of the present invention, a magnetic random access memory (MRAM) with high power and excellent thermal stability and low power consumption as shown in FIG. 11 can be realized. The element is, for example, an information reading conductor line part (sense line part) 601 for detecting a resistance change of a TMR element made of Cu or Al, as represented by A1 shown in FIG. It is arranged in a matrix at the intersections of information recording conductor lines (word lines) 602 for generating a magnetic field in the element, and a two-current matching method using a composite magnetic field generated when a signal current flows through each line. Signal information is recorded.
[0048]
A basic example of the write operation and the read operation by the current of the magnetic memory device in FIGS. 12 to 14 will be described with reference to FIG. In each of the figures, the first ferromagnetic layer 11 / first tunnel insulating layer 12 / second ferromagnetic layer 13 / first interface stable layer 14 / first ferromagnetic layer 11 of the TMR element 1 shown in FIG. The second tunnel insulating layer 15 is extracted and shown as a memory element. One of the two ferromagnetic layers 11 and 13 constituting the TMR element portion 710 is one which is easily inverted by an external magnetic field and the other is hardly inverted. Note that the second ferromagnetic layer 13 in the drawing will be described as a memory layer in which the magnetization is easily inverted. The TMR element 710 is assumed to be rectangular, and the magnetic field generated by the current flowing through the sense / word line 701 is assumed to be in the longitudinal direction of the TMR element. In this case, the axis of easy magnetization of the second ferromagnetic layer 13 (free magnetic layer) is the longitudinal direction. To record information, current is supplied to the word line portion 702 and the sense / word line portion 701, and recording is performed by reversing the magnetization of the second ferromagnetic layer 13 with a combined magnetic field generated from the word lines. To read information, a reverse current flows through the sense line / word line unit 701 and the word line unit 702, and at this time, the TMR element unit 710 electrically connected to the sense line / word line unit 701 and the sense line unit 700. The information is read based on whether or not a resistance change occurs. Since the magnetic field generated from the sense line / word line portion 701 at the time of recording information is inversely proportional to the square of the distance, the magnetic field generated between the second ferromagnetic layer 13 serving as a memory layer and the sense line / word line portion 701 is reduced. It is desirable that the distance be as short as possible because power consumption can be suppressed. In the TMR element of the present invention, the distance between the memory layer (the second ferromagnetic layer 13) and the sense line / word line 701 is shorter than in the case of using the conventional double tunnel spin valve type TMR element. In this case, it is possible to reduce power consumption. This can also be expected to have the effect of suppressing an increase in write power consumption due to an increase in the magnetization reversal magnetic field of the memory layer accompanying the miniaturization of the TMR element due to the increase in density. Further, since the dependency of the TMR ratio on the bias voltage is small, high output can be achieved.
[0049]
FIG. 12 shows a configuration in which a switching element 703 typified by an FET is provided for each element in order to individually read the magnetization state of the element. This random access memory can be easily configured on a CMOS substrate. FIG. 12 shows a configuration in which a nonlinear element 704 (or a rectifying element) is used for each element. Here, as the nonlinear element 704, a varistor or a tunnel element may be used. This random access memory can be manufactured on an inexpensive glass substrate only by increasing the process of forming a diode. In FIG. 14, a switch element 703 for element isolation or a non-linear element 704 as shown in FIGS. 13 and 14 is not used, and an element is directly arranged at an intersection of a word line 702 and a sense line portion 701. I have. FIGS. 12 to 14 each show a case where the sense line / word line portion 701 uses both an information reading conductor line portion and an information recording conductor line portion which read a resistance change by flowing a current through the element. A word line may be provided separately from the sense line unit 701 in order to prevent a malfunction or device destruction due to a current flowing through the sense line unit 701. At this time, it is preferable that the separately provided word line be arranged at a position electrically insulated from the element and in parallel with the sense line portion 701.
(Example 1)
As an embodiment of the present invention, a spin valve type TMR element shown in FIG. 1 will be described. Ultimate vacuum of 1 × 10 -8 A TMR film was formed on a 500 nm thermally oxidized Si substrate by DC and RF magnetron sputtering in a deposition chamber of Torr or less. First, Ta (3 nm) / Cu (50 nm) / Ta (3 nm) was laminated as a lower electrode on the substrate. The Pt of the antiferromagnetic layer 16 0.49 -Mn 0.51 (20 nm), Co of the first ferromagnetic layer 11 0.75 -Fe 0.25 (3 nm). Al-O (1 nm) of the first tunnel insulating layer 12 was formed thereon. The film thickness in parentheses of the Al-O tunnel insulating layer indicates the total value of the designed film thickness of Al before the oxidation treatment. It was created by repeating the spontaneous oxidation of the Al layer by introducing oxygen gas. The condition of the natural oxidation method of Al was maintained at room temperature for 1 minute in an atmosphere containing 200 Torr of oxygen. The Co of the second ferromagnetic layer 13 is 0.75 -Fe 0.25 (1nm) / Ni 0.8 -Fe 0.1 (3 nm) and Pt (2 nm) of the first interface stabilizing layer 14 were laminated. Al-O (1.4 nm) of the second tunnel insulating layer 15 was formed thereon. The film thickness in parentheses of the Al-O (1.4) tunnel insulating layer represents the film thickness of Al before the oxidation treatment, and was formed by plasma-oxidizing the Al (1.4 nm) layer. Plasma oxidation treatment conditions are Ar + O with oxygen gas pressure adjusted to 75%. Two In a mixed gas (0.8 mTorr), an oxygen plasma was generated by supplying RF power of 150 W to the one-turn coil, and the oxidation was performed for 30 seconds. The sample of the present example prepared as described above is referred to as Example sample 1. The film configuration of the TMR element portion of the first embodiment is as follows.
[0050]
Example sample 1: Pt 0.49 -Mn 0.51 (20nm) / Co 0.75 -Fe 0.25 (3nm) / Al-O (1nm) / Co 0.75 -Fe 0.25 (1nm) / Ni 0.8 -Fe 0.2 (3nm) / Pt (2nm) / Al-O (1.4nm)
For comparison, the following sample having a conventional configuration was also prepared.
[0051]
Conventional sample A: Pt 0.49 -Mn 0.51 (20nm) / Co 0.75 -Fe 0.25 (3nm) / Al-O (1nm) / Co 0.9 -Fe 0.1 (1nm) / Ni 0.8 -Fe 0.2 (3nm) / Co 0.9 -Fe 0.1 (1nm) / Al-O (1.2nm) / Co 0.75 -Fe 0.25 (3nm) / Pt 0.49 -Mn 0.51 (20nm)
However, in the case of Al-O of the conventional sample A, the Al layer having the thickness shown in parentheses is obtained by plasma oxidation under the same conditions as those for forming the Al-O (1.4 nm) layer of the sample 1 of the embodiment. Created by
[0052]
After forming Ta (15 nm) / Pt (10 nm) as a part of the protective layer and upper electrode on the films of these samples, an MR element as shown in FIG. 3 was formed by photolithography and ion milling. Al for interlayer insulation layer Two O Three Was formed by sputtering, and Ta (3 nm) / Cu (500 nm) / Pt (10 nm) was used for the upper electrode. The cell shape of the MR element is 2 μm × 6 μm. The thus-prepared MR element was subjected to a heat treatment in a magnetic field at 280 ° C. for 3 hours by applying a magnetic field of 5 kOe in the longitudinal direction of the cell. After the heat treatment, the MR ratio was determined as the MR characteristic. The measurement of the magnetoresistance for obtaining the MR ratio was performed by a DC four-terminal method by applying a maximum magnetic field of 1 kOe in the longitudinal direction of the cell. The calculation of the MR ratio was performed by the following equation, with the maximum resistance value being Rmax and the minimum resistance value being Rmin (the same applies to the following examples).
[0053]
MR ratio = {(Rmax-Rmin) / Rmin} x 100 (%)
Furthermore, the bias voltage dependence of the MR ratio was investigated. The voltage applied to the MR element was changed from 5 mV to a maximum of 2 V, and the magnetoresistance was measured at each applied voltage. Then, an applied voltage indicating a half value of the MR ratio measured when 5 mV was applied was defined as Vh. Example sample 1 had an MR ratio of 42% and a Vh of 700 mV. Comparative sample A had an MR ratio of 45% and Vh of 720 mV, and there was almost no difference between the characteristics of the two samples.
[0054]
Next, the sample was heat-treated in a magnetic field at a temperature shown in Table 1 (310 ° C. to 400 ° C.) for 1 hour, and then the magnetoresistance was measured at room temperature to examine the MR ratio at each heat treatment temperature. At the same time, the coercive force (hereinafter referred to as Hc) of the free magnetic layer (Co-Fe / Ni-Fe in the sample 1 of the embodiment and Co-Fe / Ni-Fe / Co-Fe in the sample A of the prior art) is also determined from the magnetoresistance curve. Examined. To calculate the coercive force, the magnetoresistance was measured in a magnetic field range in which the pinned magnetic layer did not rotate (that is, the magnetic field range in which the free magnetic layer rotated), and the magnetoresistance curve (minor curve) was used as follows. . FIG. 15 shows a minor curve. As shown in FIG. 15, the magnetic fields when the MR ratio is halved are 1 , H Two (H 1 > H Two ) Was calculated by the following equation.
[0055]
Hc = | H 1 −H Two ｜ / 2
Table 1 shows the results.
[0056]
[Table 1]
[0057]
Thus, it has been found that the MR element of the present invention is much more excellent in the thermal stability of the MR ratio than the conventional element. When the bias dependency of the MR ratio was examined after the heat treatment at 400 ° C. of Example Sample 1, Vh was about 700 mV, which was almost the same as that after the heat treatment at 280 ° C. On the other hand, Vh of the comparative sample A after the heat treatment at 400 ° C. decreased to about 360 mV, and the thermal deterioration was large. Further, in the heat treatment temperature dependency of the coercive force of the free magnetic layer, the coercive force was increased in the conventional sample A and thermally deteriorated, but in the sample 1, the Hc was hardly changed and stable characteristics were exhibited.
[0058]
(Example 2)
As an embodiment of the present invention, the MR element shown in FIG. 2 was created by the following procedure. Ultimate vacuum of 1 × 10 -8 A TMR film was formed on a 500 nm thermally oxidized Si substrate by DC and RF magnetron sputtering in a deposition chamber of Torr or less. First, Ta (3 nm) / Cu (50 nm) / Ta (3 nm) was laminated as a lower electrode on the substrate. After laminating Au (5 nm) of the second interface stabilizing layer 17 thereon, Al was deposited to a thickness of 2 nm, and plasma nitriding was performed in a chamber to form Al-N (2 nm) of the second tunnel insulating layer 15. . The plasma nitriding was performed for 5 minutes using a cathode in which 200 W of RF power was supplied to 1 mTorr of nitrogen gas. Pd (1 nm) of the first interface stable layer 14 and Ni of the second ferromagnetic layer 13 0.8 -Fe 0.2 (4nm) / Fe 0.9 -Pt 0.1 (1 nm). After forming Al-O (0.6 nm) of the first tunnel insulating layer 12 thereon, Al (0.6 nm) was formed, and the Al layer was naturally oxidized in an oxygen gas of 200 Torr for 1 minute. The first ferromagnetic layer 11 has Co on it. 0.9 -Fe 0.1 (3nm) / Ru (0.8nm) / Co 0.9 -Fe 0.1 (3 nm) is changed to Ir of the antiferromagnetic layer 16. 0.2 -Mn 0.8 (8 nm). Here, the first ferromagnetic layer 11 is configured such that the state in which two Co—Fe magnetizations are oriented antiparallel through Ru through antiferromagnetic exchange coupling is stable. The above MR film is referred to as Example Sample 2. The film configuration is shown below.
[0059]
Example sample 2: Au (5 nm) / Al-N (2 nm) / Pd (1 nm) / Ni 0.8 -Fe 0.2 (4nm) / Fe 0.9 -Pt 0.1 (1nm) / Al-O (0.6nm) / Co 0.9 -Fe 0.1 (3nm) / Ru (0.8nm) / Co 0.9 -Fe 0.1 (3nm) / Ir 0.8 -Mn 0.2 (8nm)
For comparison, the following sample having a conventional configuration was also prepared.
[0060]
Conventional sample B: Ir 0.8 -Mn 0.2 (8nm) / Co 0.8 -Fe 0.2 (3nm) / Ru (0.8nm) / Co 0.8 -Fe 0.2 (3nm) / Al-O (0.7nm) / Co 0.9 -Fe 0.1 (5nm) / Al-O (0.8nm) / Co 0.8 -Fe 0.2 (3nm) / Ru (0.8nm) / Co 0.8 -Fe 0.2 (3nm) / Ir 0.8 -Mn 0.2 (8nm)
The tunnel insulating layer Al-O of the conventional sample B was formed by plasma oxidation after forming an Al layer similarly to the conventional sample A of the first embodiment.
[0061]
Ta (15 nm) / Pt (10 nm) was formed on the films of these samples as a part of the protective layer and upper electrode. After applying a magnetic field of 10 kOe at 250 ° C and performing heat treatment for 5 hours, a magnetic field of 100 Oe at 200 ° C was applied in a direction perpendicular to the direction of the magnetic field applied when the heat treatment was performed at 250 ° C. For 2 hours in a magnetic field. After the heat treatment, an MR element as shown in FIG. 3 was formed using photolithography and ion milling. Al for interlayer insulation layer Two O Three Was formed by sputtering, and Ta (3 nm) / Cu (500 nm) / Pt (10 nm) was used for the upper electrode. The cell shape of the TMR element was 4 μm × 8 μm. The easy axis of the free magnetic layer (Ni-Fe / Fe-Pt in the sample 2 of the embodiment, Co-Fe in the sample B of the prior art) is set such that the longitudinal direction of the cell becomes the direction of the magnetic field applied during the heat treatment at 200 ° C. Direction is specified. After the device was fabricated, a magnetic field of 200 Oe was applied in the transverse direction of the cell at room temperature, and the magnetoresistance was measured to examine the MR ratio and the anisotropic magnetic field (Hk) of the free magnetic layer. In the minor curve of FIG. 15, the anisotropic magnetic field indicates the magnetic field required for rotating the magnetization of the free magnetic layer by H. Three , H Four (H Three > H Four ) Was calculated by the following equation.
[0062]
Hk = | H Three −H Four ｜ / 2
The MR ratio of Example Sample 2 was 38% and Hk was 5 Oe, and the TMR ratio of Conventional Sample B was 35% and Hk was 7 Oe. Since the anisotropic magnetic field of Example Sample 2 is slightly smaller, the magnetic field sensitivity is better.
[0063]
Next, after heat-treating both samples at 220 ° C. in a rotating magnetic field of 100 Oe for 10 hours, the anisotropy magnetic field (Hk) of the free magnetic layer was examined by measuring the magnetoresistance in the same manner as above. As a result, Hk of Example Sample 2 was 6 Oe, whereas Hk of Conventional Sample B was reduced to 3 Oe. However, since the coercive force Hc of the conventional sample B increased from 0 Oe to 10 Oe, it was found that the easy axis direction of the Co—Fe free magnetic layer was shifted from the longitudinal direction of the element. Since the coercive force Hc of Example Sample 2 remained unchanged after the rotating magnetic field heat treatment and was almost 0 Oe, it was found that the direction of the easy axis of magnetization applied to the free magnetic layer was stable without being changed by the rotating magnetic field heat treatment. .
(Example 3)
A magnetic head having a yoke as shown in FIGS. 6 and 7 was manufactured.
[0064]
A Mn-Zn ferrite substrate was used as a substrate, and this substrate was configured to also serve as a lower yoke. Al for the insulating layer Two O Three And a laminated film of a high magnetic permeability Ni—Fe alloy film and Ta was used for the upper yoke. A laminated film of Ta / Cu / Ta was used for the lower electrode of the MR element, and a laminated film of Ta / Cr / Au was used for the upper electrode. A Co-Pt alloy was used for the hard bias portion. When incorporating the MR element into the magnetic head, the easy magnetization direction of the fixed magnetic layer and the direction of the signal magnetic field to be detected are set so that the direction of the easy axis of magnetization of the free magnetic layer is perpendicular to the direction of the signal magnetic field to be detected. They were arranged so as to be parallel. Further, a Co-Pt film was provided as a hard bias part in order to make the free magnetic layer a single magnetic domain.
[0065]
The film configuration of the MR element film conforms to FIG. 1 and is shown below.
[0066]
Example sample 3: Pt 0.49 -Mn 0.51 (20nm) / Co 0.9 -Fe 0.1 (3nm) / Ru (0.8nm) / Co 0.9 -Fe 0.1 (3nm) / Al-O (0.6nm) / Ni 0.8 -Fe 0.2 (3nm) / Pt (2nm) / Al-O (1.0nm)
As the first ferromagnetic layer 11, a laminated film composed of two CoFe layers antiferromagnetically exchange-coupled via a Ru layer was used. A natural oxide film of Al was used for the first tunnel insulating layer 12 and the second tunnel insulating layer 15. To form Al-O, after Al is formed to a thickness of 0.3 nm, it is naturally oxidized in pure oxygen of 200 Torr for 30 seconds, and then after Al is formed to a thickness of 0.3 nm, it is naturally oxidized in pure oxygen of 200 Torr for 30 seconds. I went through the process. The parentheses in Al-O show the total design thickness of the Al layer before oxidation. After the MR element film was formed, a heat treatment was performed at 280 ° C in a magnetic field of 5 kOe for 5 hours, and then a magnetic field of 100 Oe was applied at a temperature of 200 ° C in a direction rotated 90 ° in the plane from the magnetic field direction of 5 kOe. For 2 hours. The magnetic field of 5 kOe applied during the heat treatment was set to the direction of the magnetic field to be detected. After forming the MR element film, a Ta / Pt laminated film is formed as a part of the protection and upper electrode.
[0067]
For comparison, a conventional sample C having the following MR film configuration having a conventional configuration was prepared, and a magnetic head having the same configuration as the magnetic head using the MR film of the above-described sample 3 was prepared.
Conventional sample C: Pt 0.49 -Mn 0.51 (20nm) / Co 0.75 -Fe 0.25 (3nm) / Al-O (0.6nm) / Ni 0.8 -Fe 0.2 (3nm) / Al-O (0.6nm) / Co 0.75 -Fe 0.25 (3nm) / Pt 0.49 -Mn 0.51 (20nm)
The reproducing gap length of each of the magnetic heads using the sample 3 of the example and the sample C of the conventional example was 0.1 μm. The shape of the MR element was such that the MR height 575 shown in FIG. 6 and the MR width 579 shown in FIG. 7 were 2 μm and 5 μm, respectively. Also, the vertical distance from the free magnetic layer (both Ni-Fe (3 nm)) of the sample of the example 3 and the sample C of the conventional example to the upper yoke is smaller in the sample C of the conventional example than in the sample 3 of the example. 20 nm apart.
[0068]
The reproduced output of the magnetic head thus prepared was measured using a drum tester. Information was recorded using an inductive type recording head for recording using an MP tape as a recording medium, and the output was measured by running the created magnetic head on the MP tape. When the output characteristics of the prepared head were examined, the magnetic head using the sample 3 of the embodiment obtained an output improvement of 1 dB or more compared with the magnetic head using the sample C of the conventional example. Next, in order to examine the thermal stability of these magnetic heads, the magnetic heads were placed in a thermostat at 180 ° C., maintained at a voltage of 0.5 V for 10 days, and the output characteristics before and after the test were compared. Then, while the output of the magnetic head using the sample 3 of the example was hardly reduced, the output of the magnetic head using the sample C of the conventional example was reduced by 15%. From the above, it has been found that the magnetic head of the present invention has higher output characteristics than the conventional magnetic head, and has excellent thermal stability of the magnetic head.
(Example 4)
A magnetic head as shown in FIG. 4 was constructed by using the MR element having the same film configuration as the sample 2 of the example used in the example 2 and the sample B of the conventional example, and the characteristics were evaluated. Al on the substrate Two O Three -Using a TiC substrate, the upper recording magnetic pole 206, the upper shield 203, and the lower shield 202 are made of Ni. 0.8 Fe 0.2 The alloy was made by plating. The upper and lower sides of the MR element are connected to the electrodes of the laminated film with Cu sandwiched by Ta, and Two O Three Insulated from upper and lower shields.
[0069]
The direction of the easy axis of the fixed magnetic layer 12 is parallel to the direction of the signal magnetic field to be detected such that the direction of easy magnetization of the free magnetic layer is perpendicular to the direction of the signal magnetic field to be detected (track width direction). Was given anisotropy to the magnetic film. The method of imparting anisotropy is as follows: after forming the MR film, first heat-treat at 280 ° C. in a magnetic field of 5 kOe in a magnetic field of 5 kOe to define the easy direction of the fixed magnetic layer. The heat treatment was performed for 1 hour in the magnetic field described above to define the easy axis of the free layer. The reproducing gap 204 of the shield type magnetic head prepared as described above was 0.2 μm, the track width of the TMR element was 1 μm, and the MR height was 1 μm. Shielded magnetic heads using the same film configuration as the sample 2 of the embodiment 2 and the sample B of the conventional example are referred to as a sample 5 and a sample E of the prior art, respectively.
[0070]
In order to examine the thermal stability of the manufactured magnetic head, a test was conducted in which the magnetic head was kept in a thermostat at 170 ° C. and maintained at a voltage of 250 mV for 20 days. The output before and after this test was compared. As a result, the output of the magnetic head of the sample 5 of the embodiment of the present invention showed a very stable output characteristic with a decrease in output within about 2%, while the output of the magnetic head of the sample E of the conventional example showed a decrease of about A very large output reduction of 45% was observed. Therefore, it has been found that the magnetic head of the present invention has greatly improved thermal stability as compared with the conventional magnetic head, and has excellent durability.
(Example 5)
A single magnetic memory element without the switch element 703 shown in FIG. 12 was manufactured using the example sample 1 manufactured in the example 1 and the conventional example sample A. Cu was used for the word line portion 702, the sense line portion 700, and the sense line / word line portion 701. The lower electrode of the sample 1 of the embodiment and the sample A of the conventional example prepared in the embodiment 1 is used as the sense line portion 700, and the sense line / word line portion 700 is used as the upper electrode. The sense line portion 700 is formed on a word line portion 702 made of Cu formed on a substrate after being insulated with an alumina film. The cell shape of the MR element was 1 μm × 2.5 μm, and the TMR element was applied at 280 ° C. for 3 hours by applying a magnetic field of 5 kOe in the longitudinal direction of the cell. At this time, the resistance of the MR element portion was several kΩ and almost the same in both samples. A pulse current was applied to the word line portion 702 and the sense / word line portion 700 to generate a magnetic field, thereby causing the magnetization reversal of the free magnetic layer to record information “0”. Next, a pulse current was applied to the word line portion 702 and the sense / word line portion 700 in opposite directions to reverse the magnetization of the free magnetic layer, thereby recording information "1". A bias current of about 400 mV was applied between the sense line portion 700 and the sense line portion / word line portion 702 to flow a sense current, and the element outputs in the state of information "0" and information "1" were measured. In Example 1, a high output signal of about 120 mV was obtained. Similarly, in order to record information “0” and “1” in the magnetic memory element using the conventional sample A, a pulse current is applied to the word line portion 702 and the sense look-ahead word line portion 700, and the same as in the sample 1 of the embodiment. In order to obtain a high output signal, a current about 15% larger than the pulse current flowing through the word line section 702 and the sense / word line section 700 in the sample 1 of the embodiment was required.
[0071]
Next, a trial production of a magnetic random access memory (MRAM) in which these MR elements are memory elements having a switch element 703 as shown in FIG. 11 and arranged in a matrix as shown in FIG. 10 was performed. The element array was made up of a total of eight blocks with one block of memory of 16 × 16 elements. First, CMOS is arranged on a matrix as a FET as a switching transistor (SW-Tr), and the surface is flattened by CMP. Provided. Each cell area was 0.1 μm × 0.25 μm. Note that the word lines and the bit lines were all made of Cu. Finally, hydrogen sintering was performed at 400 ° C.
[0072]
Information is recorded in each element at the address (N, M) by the combined magnetic field generated by applying a current to the word line and the sense / word line crossing at the element at the address (N, M). The magnetization reversal of each free magnetic layer (in this case, a Co—Fe (1 nm) / Ni—Fe (3 nm) film) was simultaneously performed on the eight elements to record an 8-bit signal. Next, the gate of the FET made of CMOS was turned on one element at a time in each block, and a sense current was passed. At this time, the voltage generated in the sense line, the element and the FET in each block was compared with the dummy voltage by a comparator, and 8-bit information was simultaneously read from the output voltage of each element. As a result, in the MRAM using the sample 1 of the example, the device output was obtained as in the case of the single magnetic memory device, but almost no output was obtained in the MRAM using the sample A of the conventional example. This is thought to be because the MR element of the present invention can withstand hydrogen sintering at 400 ° C., but the conventional element cannot.
[0073]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to improve the problem of thermal stability and obtain a tunnel magnetoresistance effect element having stable MR characteristics even at a heat treatment of 400 ° C.
[0074]
INDUSTRIAL APPLICABILITY The tunnel magnetoresistive element of the present invention improves the bias voltage characteristic of the MR ratio, realizes high output and high sensitivity with low bias voltage dependence, and has excellent thermal stability of the MR characteristic. .
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an example of a tunnel magnetoresistance effect element of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing an example of a tunnel magnetoresistance effect element according to the present invention.
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a tunnel magnetoresistive element of the present invention in which electrodes are arranged above and below a film.
FIG. 4 is a diagram showing an example of a magnetic head having a shield according to the present invention.
FIG. 5 shows an example of a magnetic head having a yoke according to the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing another example of a magnetic head using an MR element according to the present invention.
7 is a cross-sectional view of a section including a MR element 571 of the magnetic head shown in FIG. 6 taken along a dotted line II ′.
FIG. 8 is a diagram showing an example of the magnetic recording apparatus of the present invention.
FIG. 9 is a perspective view of one embodiment of a rotary drum device as an example of the magnetic recording device of the present invention.
FIG. 10 is a diagram showing a schematic diagram of a traveling system in an example of the magnetic recording apparatus of the present invention.
FIG. 11 is a diagram showing an example of the magnetic memory element of the present invention.
FIG. 12 is a diagram of a basic example of a write operation and a read operation of a magnetic memory element using the tunnel magnetoresistive element of the present invention.
FIG. 13 is a diagram of a basic example of a write operation and a read operation of a magnetic memory element using the tunnel magnetoresistive element of the present invention.
FIG. 14 is a diagram of a basic example of a write operation and a read operation of a magnetic memory element using the tunnel magnetoresistive element of the present invention.
FIG. 15 is a diagram showing a graph according to the embodiment.
[Explanation of symbols]
11: first ferromagnetic layer
12: First tunnel insulating layer
13: Second ferromagnetic layer
14: first interface stable layer
15: Second tunnel insulating layer
16: Antiferromagnetic layer
17: Second interface stable layer
501: interlayer insulating layer
502: upper electrode
503: Lower electrode
505: TMR element part
201: TMR element part
202: Lower shield
203: Upper shield
204: playback gap
205: winding part
207: Recording gap
301: TMR element
60: Yoke part
11: first ferromagnetic layer
13: Second ferromagnetic layer
H: Magnetic field
571: MR element 571
572: insulating layer part
573: Upper yoke
574: Lower yoke
575: Gap
576: Playback gap
577: Lead section
578: Hard bias section
401: magnetic head 401
402: drive unit
403: Magnetic recording medium
404: signal processing unit
101: Groove
102: Upper rotating drum
103: Rotary drum device
104: Lead
105: Magnetic head
106: Lower drum
113: Rotary drum device
107: Supply reel
122: Take-up reel
108, 110, 111, 116, 117, 119: rotating post
112, 115: inclined post
118: Capstan
120: pinch roller
109: tension arm
121: Magnetic tape
114, 123: magnetic head
813: rotating drum device
118: Capstan
122: Take-up reel
601: Information reading conductor line portion (sense line portion)
602: conductor line for information recording (word line)
710: TMR element part
701: sense line and word line section
702: Word line section
703: switch element
704: Non-linear element
