JP4776164B2 - 磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド、磁気再生装置および磁気メモリ - Google Patents

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド、磁気再生装置および磁気メモリに関し、より詳細には、磁気抵抗効果膜の膜面に対して垂直方向にセンス電流を流す構造の磁気抵抗効果素子、ならびにこれを用いた磁気ヘッド、磁気再生装置および磁気メモリに関する。

近年、磁気記録媒体の小型化・大容量化が進められ、情報読み出し時の再生用磁気ヘッドと磁気記録媒体との相対速度が小さくなってきているため、小さい相対速度であっても大きな出力が取り出せるＭＲヘッドへの期待が高まっている。

これに対し、強磁性層／非磁性層／強磁性層のサンドイッチ構造の多層膜で、強磁性層が反強磁性結合しない場合でも、大きな磁気抵抗効果を実現した例が報告されている。すなわち、非磁性層（「スペーサ層」または「中間層」などと称する）を挟んだ２層の強磁性層の一方（「ピン層」または「磁化固着層」などと称する）に交換バイアス磁場を印加して磁化を固定しておき、他方の強磁性層（「フリー層」または「磁化自由層」などと称する）を外部磁場（信号磁場など）により磁化反転させる。これにより、非磁性層を挟んで配置された２つの強磁性層の磁化方向の相対角度を変化させることによって、大きな磁気抵抗効果が得られる。このようなタイプの多層膜は「スピンバルブ(spin valve)」と呼ばれている。

スピンバルブは低磁場で磁化を飽和させることができるため、ＭＲヘッドに適しており、既に実用化されている。しかし、その磁気抵抗変化率は最大でも約２０％までであり、更に高い磁気抵抗変化率を有する磁気抵抗効果素子が必要となってきた。

磁気抵抗効果素子においては、センス電流を素子膜面に対して平行方向に流すＣＩＰ(Current-in-Plane)型の構造と、センス電流を素子膜面に対して垂直方向に流すＣＰＰ(Current Perpendicular to Plane)型の構造とがある。ＣＰＰ型磁気抵抗効果素子は、ＣＩＰ型磁気抵抗効果素子の１０倍程度の磁気抵抗変化率を示すとの報告があり、磁気抵抗変化率１００％の達成も不可能ではない。

しかし、スピンバルブ構造の場合、スピン依存する層の総膜厚が非常に薄く、界面の数も少ないことから、ＣＰＰ型磁気抵抗効果素子において垂直通電した場合には抵抗自体が小さくなり、出力絶対値も小さくなってしまう。従来のＣＩＰ型磁気抵抗効果素子で採用されている膜構造のスピンバルブに垂直通電すると、ピン層およびフリー層の厚さが５ｎｍの場合、１μｍ²当たりの出力絶対値ＡΔＲは、約０．５ｍΩμｍ²と小さい。つまり、スピンバルブ膜を用いたＣＰＰ型磁気抵抗効果素子を実用化するためには、出力増大が重要であり、このためには、磁気抵抗効果素子のうちで、スピン依存伝導に関与する部分の抵抗値を上げ、抵抗変化量を大きくすることが極めて重要である。

これに対して、磁気抵抗効果（ＭＲ）を向上させるため、スピンバルブの膜の中に絶縁体を含む抵抗調節層を挿入するという手法が考案されている（非特許文献１または非特許文献２参照）。スピンバルブは、電子をスピン依存散乱させる部分（ピン層／スペーサ層／フリー層）と、スピン依存散乱が小さい部分（下地層、反強磁性層、保護層など）とから構成される。前者の抵抗をＲｓｄ、後者の抵抗をＲｓｉとすると、スピンバルブのＭＲはＭＲ＝ΔＲｓｄ／（Ｒｓｉ＋Ｒｓｄ）と表すことができる。ＲｓｄがＲｓｉよりも大きければ大きいほど、ＭＲが向上するという効果に着目したのが、上述したように絶縁体を含む抵抗調節層の挿入である。

抵抗調節層は、電流の流れない完全絶縁体の部分と、電流の流れる低抵抗部分（メタルパス）から構成され、抵抗調節層の近傍ではメタルパスに向かって電流が狭窄される。これを電流狭窄効果という。電流狭窄効果によって抵抗が上がるのは、抵抗調節層近傍のみとなり、抵抗調節層から離れた位置のスピン依存散乱はＭＲにあまり寄与しなくなる。したがって、抵抗調節層の近傍に、スピン依存散乱が大きな材料を配置した方が効果的である。

ところが、スピン依存散乱の大きな材料は、フリー層としては磁気特性が悪いものが多い（特許文献１参照）。スピンバルブではフリー層の磁気特性が良好であることが要求される。磁気記録媒体からの信号磁場を感度よく読み取るために、フリー層の軟磁気特性（低保磁力）や低磁歪が必要になる。この磁気特性を左右するのが、フリー層の材料および結晶性である。高ＭＲが得られる材料で、磁気特性を満たすためには、フリー層の結晶性を制御することが重要になってくる。
J. Appl. Phys., 89, p6943 (2001) IEEE Trans. Magn., 38, p2277 (2002) 特開２００３−６０２６３号公報

非特許文献４または非特許文献５に開示されている手法に基づいてスピンバルブ中心部分に挿入された抵抗調節層には、以下のような特性が要求される。ひとつは絶縁部の質である。ＣＰＰ型磁気抵抗効果素子では電流を膜面垂直に流すことから、抵抗調節層には高い耐電圧特性が必要になる。ふたつ目は導電部（メタルパス）の質である。メタルパスに不純物などが存在してスピンを持った電子が散乱されると、ＭＲの劣化を招く。このため、できるだけメタルパスの純度は高い方がよい。これら絶縁体とメタルパスの質を左右するのは、スピンバルブのうち抵抗調節層の下に位置する部分の結晶粒径と結晶配向性である。したがって、抵抗調節層の下側にあるスピンバルブの結晶粒径と結晶配向性を制御することが重要になる。

以上のような理由から、絶縁体を含むスピンバルブにおいては、安定した高ＭＲとフリー層の磁気特性を両立させるために、結晶配向や結晶粒径を制御することが重要になることがわかる。

本発明の目的は、好適な材料を組み合わせることによって、結晶配向性や結晶粒径を制御し、高い磁気抵抗変化量を実現できる磁気抵抗効果素子を提供し、さらにこれを用いた磁気ヘッド、磁気再生装置、磁気メモリを提供することにある。

本発明の一態様に係る磁気抵抗効果素子は、下地層と、前記下地層上に形成された反強磁性層と、前記反強磁性層上に形成され磁化方向が実質的に一方向に固着された磁化固着層と、前記磁化固着層上に形成された非磁性金属中間層と、前記非磁性金属中間層上に形成され磁化方向が外部磁界に対応して変化する磁性体膜を有する磁化自由層とを有し、前記非磁性中間層はＡｌ、Ｃｒ、Ｍｇ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｓｉ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｖ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｎｂ、Ｒｅ、Ｐｄ、Ｂ、Ｃのうち少なくとも２種の元素と、前記元素の一部が酸化された絶縁部とを含み、前記磁化自由層は結晶構造が体心立方晶である体心立方晶層を含む磁気抵抗効果膜と、 前記磁気抵抗効果膜の膜面に対して略垂直な方向にセンス電流を通電するために電気的に接続された一対の電極とを備え、前記下地層は、下層から順に、Ｔａ３ｎｍ／（Ｎｉ _８０ Ｆｅ _２０ ） _６０ Ｃｒ _４０ ５ｎｍ／（Ｎｉ _８０ Ｆｅ _２０ ） _７８ Ｃｒ _２２ １ｎｍ、または、Ｔａ５ｎｍ／Ｒｕ１ｎｍ／Ｃｕ２ｎｍであることを特徴とする。

本発明の他の態様に係る磁気ヘッドは、上記の磁気抵抗効果素子を備えたことを特徴とする。本発明の他の態様に係る磁気再生装置は、上記の磁気ヘッドを備え、磁気記録媒体に磁気的に記録された情報の読み取りを可能としたことを特徴とする。本発明の他の態様に係る磁気メモリは、上記の磁気抵抗効果素子を備えたことを特徴とする。

本発明に係る磁気抵抗効果素子によれば、高い磁気抵抗変化量を実現できる。その結果として、高感度の磁気検出が安定して得られ、高い記録密度でも高出力で高いＳ／Ｎを有する磁気ヘッド、およびそれを搭載した磁気再生装置や、高集積な磁気メモリなどを提供することができる。

以下、実施例を参照しつつ本発明をより詳細に説明する。

（第１の実施例）
本発明に係る磁気抵抗効果素子を説明する前に、まず参照用の磁気抵抗効果素子について説明する。図１は、参照用の磁気抵抗効果素子の断面図である。

図１の磁気抵抗効果素子（スピンバルブ）は、下電極（ＬＥ）１、下地層（ＢＦ）２、反強磁性層（ＡＦ）３、ピン層４［第１ピン層（第１磁化固着層、Ｐ１）４１、磁化反平行結合層（ＡＣ）４２、および第２ピン層（第２磁化固着層、Ｐ２）４３］、スペーサ層（Ｓ）５、フリー層（磁化自由層、Ｆ）６、スピンフィルター層（ＳＦ）７、保護層（ＰＬ）８、上電極（ＵＥ）９を積層した構造を有する。

第１ピン層４１は隣接する反強磁性層３によってその磁化が実質的に一方向に固着されており、第２ピン層４３は磁化反平行結合層４２を介して第１ピン層４１と反対方向に磁化固着されている。フリー層６は、その磁化が外部磁界に応じて変化しうる強磁性層を含む層である。スペーサ層５は、第２ピン層４３とフリー層５との間の磁気的な結合を遮断する層である。図１の磁気抵抗効果素子ではスペーサ層５は金属のみで構成されている。

以下の材料を用いて図１の構造を有する磁気抵抗効果素子を作製した。
下地層２：Ｔａ ５ｎｍ／Ｒｕ ２ｎｍ
反強磁性層３：ＰｔＭｎ １５ｎｍ
第１ピン層４１：Ｃｏ₉₀Ｆｅ₁₀ ３ｎｍ〜４ｎｍ
磁化反平行結合層４２：Ｒｕ １ｎｍ
第２ピン層４３：表１参照
スペーサ層５：Ｃｕ ３ｎｍ
フリー層６：表１参照
スピンフィルター層７：Ｃｕ １ｎｍ
保護層８：Ｒｕ ５ｎｍ。

第１ピン層４１の膜厚は、第２ピン層４３の飽和磁化に応じて変化させた。第２ピン層４３とフリー層５の材料および膜厚は、表１のように変化させた。これらの磁気抵抗効果素子の磁気抵抗変化量とそのフリー層５の保磁力Ｈｃを表中に併記する。なお、図１のように抵抗調節層のないスピンバルブでは全体の抵抗が低いので、理解のしやすさを考慮して、表１では出力を単位面積あたりの磁気抵抗変化量（ＡΔＲ）で表している。

表１の結果から、以下のことがいえる。
（１）試料１、２、３を比較すると、Ｎｉ₈₀Ｆｅ₂₀フリー層ではＣｏ₉₀Ｆｅ₁₀フリー層に比べてＡΔＲが小さいことがわかる。また、試料２と３からわかるように、フリー層のスペーサ層との界面にＣｏ₉₀Ｆｅ₁₀を設ければスピン依存界面散乱の減少を補うことができるが、スピン依存バルク散乱による損失分が大きいため、試料１よりはＡΔＲが小さくなっている。Ｎｉ₈₀Ｆｅ₂₀フリー層では保磁力が小さい。

（２）試料１、２、４を比較すると、第２ピン層やフリー層の材料を変えることで、ＭＲを高くできることがわかる。特にＦｅ₅₀Ｃｏ₅₀のＡΔＲが最も大きく、Ｃｏ₉₀Ｆｅ₁₀のＡΔＲも比較的大きいが、Ｎｉ₈₀Ｆｅ₂₀のＡΔＲは小さい。しかし、ＡΔＲが大きいほど保磁力が大きくなっている。特に、結晶構造が体心立方晶であるＦｅ₅₀Ｃｏ₅₀、Ｆｅ₈₀Ｃｏ₂₀、Ｆｅは保磁力が２０ Ｏｅ以上と大きく、これらの材料を用いた図１の構造を有する磁気抵抗効果素子は磁気抵抗効果ヘッドとしては実用化できない。

（３）試料４〜１２を比較すると、（２）で説明した体心立方晶の材料と保磁力の小さいＮｉ₈₀Ｆｅ₂₀とを組み合わせることで保磁力を低減できることがわかる。さらに、フリー層において体心立方晶のＦｅ₅₀Ｃｏ₅₀、Ｆｅ₈₀Ｃｏ₂₀、Ｆｅの膜厚を減らすことでＨｃを低減できるが、それに伴いＡΔＲも減少する。これは、単純にスピン依存バルク散乱の大きなＦｅ₅₀Ｃｏ₅₀、Ｆｅ₈₀Ｃｏ₂₀、Ｆｅを小さなＮｉ₈₀Ｆｅ₂₀に変更したことが主な原因であるが、体心立方晶が薄膜化することで不安定となり、Ｆｅ₅₀Ｃｏ₅₀、Ｆｅ₈₀Ｃｏ₂₀、Ｆｅ自体のスピン依存界面散乱やスピン依存バルク散乱が小さくなっていることも一因である。

なお、上記以外の組成の組み合わせでも同様の傾向が得られる。例えば、フリー層としてスペーサに接する（Ｆｅ_100-xＣｏ_x）_100-yＮｉ_y層（０≦ｘ≦８５、０＜ｙ＜５０）とスペーサから遠い方に配置されたＮｉ_100-xＦｅ_x層（１５≦ｘ≦２５）との積層膜を用いた場合にも、上記と同様の傾向が確認されている。

また、フリー層に用いられる強磁性層に、添加元素（Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｒｅ、Ｂから選ばれる少なくとも１つの元素、以下Ｍ１と表示する）を０％より多く１０％より少ない範囲で添加するとＡΔＲを増大させることができるが、ＡΔＲとＨｃの関係は同様の傾向である。

更に、フリー層に用いられる強磁性層に、１原子層以上１ｎｍ以下のＭ１金属層（Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｒｅ、Ｂから選ばれる少なくとも１つの元素）を挿入した場合にもＡΔＲを増大させることができるが、ＡΔＲとＨｃの関係は同様の傾向である。

次に、本発明に係る磁気抵抗効果素子を説明する。図２は、本発明の磁気抵抗効果素子の一例を示す断面図である。

図２の磁気抵抗効果素子（スピンバルブ）は、下電極（ＬＥ）１、下地層（ＢＦ）２、反強磁性層（ＡＦ）３、ピン層４［第１ピン層（第１磁化固着層、Ｐ１）４１、磁化反平行結合層（ＡＣ）４２、および第２ピン層（第２磁化固着層、Ｐ２）４３］、スペーサ層（Ｓ）５［第１金属層５１、抵抗増大層５２、および第２金属層５３］、フリー層（磁化自由層、Ｆ）６、スピンフィルター層（ＳＦ）７、保護層（ＰＬ）８、上電極（ＵＥ）９を積層した構造を有する。下電極１および上電極９を通して磁気抵抗効果膜の膜厚方向に対して略垂直方向にセンス電流が通電され、ＣＰＰ型磁気抵抗効果素子が実現されている。

第１ピン層４１は隣接する反強磁性層３によってその磁化が実質的に一方向に固着されており、第２ピン層４３は磁化反平行結合層４２を介して第１ピン層４１と反対方向に磁化固着されている。フリー層６は、その磁化が外部磁界に応じて変化しうる強磁性層を含む層である。スペーサ層５は、第２ピン層４３とフリー層５との間の磁気的な結合を遮断する層である。図２に示す本発明に係る磁気抵抗効果素子では、スペーサ層５は第１金属層５１、抵抗増大層５２、および第２金属層５３を積層した構造を有する。抵抗増大層５２は絶縁部とメタルパスとを含む。

以下の材料を用いて図２の構造を有する磁気抵抗効果素子を作製した。
下地層２：Ｔａ ５ｎｍ／Ｒｕ ２ｎｍ
反強磁性層３：ＰｔＭｎ １５ｎｍ
第１ピン層４１：Ｃｏ₉₀Ｆｅ₁₀ ３ｎｍ〜４ｎｍ
磁化反平行結合層４２：Ｒｕ １ｎｍ
第２ピン層４３：表２参照
第１金属層５１：Ｃｕ ０．２ｎｍ
抵抗増大層５２：Ｃｕメタルパスを含むＡｌＯ_x １．５ｎｍ
第２金属層５３：Ｃｕ ０．５ｎｍ
フリー層６：表２参照
スピンフィルター層７：Ｃｕ １ｎｍ
保護層８：Ｒｕ ５ｎｍ。

第１ピン層４１の膜厚は、第２ピン層４３の飽和磁化に応じて変化させた。第２ピン層４３とフリー層５の材料および膜厚は、表２のように変化させた。これらの磁気抵抗効果素子の磁気抵抗変化量ＭＲ［％］（＝ＡΔＲ／ＡＲ）とそのフリー層５の保磁力Ｈｃを表中に併記する。

表２の結果から、以下のことがいえる。
（１）試料１３、１４、１５を比較すると、Ｃｏ₉₀Ｆｅ₁₀フリー層ではＨｃが大きい。保磁力Ｈｃの小さい材料であるＮｉ₈₀Ｆｅ₂₀をフリー層に用いるとＨｃが低減されるが、スピン依存界面散乱が小さいためＭＲも減少してしまう。スピン依存界面散乱を増大させるためにスペーサに接するＣｏ₉₀Ｆｅ₁₀層とスペーサから遠い方に配置されたＮｉ₈₀Ｆｅ₂₀層との積層フリー層を用いた場合、フリー層全体がＣｏ₉₀Ｆｅ₁₀である場合と同等のＭＲが得られ、Ｈｃも低減させることができた。これは、抵抗調節層をもたない表１の試料１、２、３では、Ｃｏ₉₀Ｆｅ₁₀／Ｎｉ₈₀Ｆｅ₂₀の積層フリー層を用いても、フリー層全体がＣｏ₉₀Ｆｅ₁₀である場合のＡΔＲまで到達しなかったのとは異なる現象である。このような現象は、電流狭窄効果のある抵抗調節層をもつ表２の試料では、抵抗調節層近傍の材料によってほぼＭＲが決まるからであると考えられる。

（２）試料１６〜２４は、（１）で得られた低Ｈｃと高ＭＲを両立させるコンセプトを確認するために、Ｃｏ₉₀Ｆｅ₁₀よりも高いＭＲを示すＦｅ₅₀Ｃｏ₅₀、Ｆｅ₈₀Ｃｏ₂₀、Ｆｅを用いた例である。Ｆｅ₅₀Ｃｏ₅₀、Ｆｅ₈₀Ｃｏ₂₀、およびＦｅは結晶構造が体心立方晶であり、Ｈｃが大きめであるが、スペーサがＣｕ３ｎｍであった表１の試料４〜１２よりははるかにＨｃが低減されている。特に、保磁力の小さいＮｉ₈₀Ｆｅ₂₀と組み合わせて積層構造にすると、Ｈｃを実用可能なレベルにまで低下させることができた。Ｆｅリッチの組成を有する強磁性層は本質的にＨｃが小さめなので、Ｎｉ₈₀Ｆｅ₂₀との積層構造を採用しなくても低Ｈｃが得られている。これは、スペーサに抵抗調節層を設けたことによってフリー層の結晶構造が変化したためである。具体的には、抵抗調節層を設けていない図１の素子ではフリー層の結晶粒が１５ｎｍ程度であったが、抵抗調節層を設けた図２の素子ではフリー層の結晶が細かく分断され７ｎｍ以下程度になっていることが断面ＴＥＭからわかった。このような場合、一般的にはＨｃが大きいとされる体心立方晶の合金であっても、Ｈｃを低減できると考えられる。更に結晶粒径を小さくすることで、高ＭＲを持つ体心立方晶の材料をフリー層に更に厚く用いることが可能になる。

（３）試料１６〜２４を比較すると、フリー層において体心立方晶のＦｅ₅₀Ｃｏ₅₀、Ｆｅ₈₀Ｃｏ₂₀、Ｆｅの膜厚を減らすとＭＲが減少してしまうが、表１よりはその減少の程度がゆるやかであることがわかる。なお、（１）で述べたように、Ｃｏ₉₀Ｆｅ₁₀ １ｎｍ／Ｎｉ₈₀Ｆｅ₂₀ ３．５ｎｍ（試料１５）では１ｎｍのＣｏ₉₀Ｆｅ₁₀を挿入しただけで、全体がＣｏ₉₀Ｆｅ₁₀である場合と同じＭＲを示した。これに対して、Ｆｅ₅₀Ｃｏ₅₀、Ｆｅ₈₀Ｃｏ₂₀、Ｆｅでは２ｎｍ程度の膜を挿入した場合（試料１７、２０、２３）でもＭＲが減少している。これは、薄い膜では体心立方晶が不安定となっているためと考えられる。したがって、高いＭＲを得るためには、できるだけ厚い体心立方晶を用いることが必要である。

以上においてはスペーサ中に抵抗増大層を形成した実施例について説明したが、上記のような効果はピン層に抵抗増大層を形成した場合にも期待できる。

なお、上記以外の組成の組み合わせでも同様の傾向が得られる。例えば、フリー層としてスペーサに接する（Ｆｅ_100-xＣｏ_x）_100-yＮｉ_y層（０≦ｘ≦８５、０＜ｙ＜５０）とスペーサから遠い方に配置されたＮｉ_100-xＦｅ_x層（１５≦ｘ≦２５）との積層膜を用いた場合にも、上記と同様の傾向が確認されている。実用上は、磁歪を小さくするために組成を少し調整した合金が効果的がある場合がある。

また、フリー層に用いられる強磁性層に、添加元素（Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｒｅ、Ｂから選ばれる少なくとも１つの元素、以下Ｍ１と表示する）を０％より多く１０％より少ない範囲で添加するとＡΔＲを増大させることができるが、ＡΔＲとＨｃの関係は同様の傾向である。

更に、フリー層に用いられる強磁性層に、１原子層以上１ｎｍ以下のＭ１金属層（Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｒｅ、Ｂから選ばれる少なくとも１つの元素）を挿入した場合にもＡΔＲを増大させることができるが、ＡΔＲとＨｃの関係は同様の傾向である。

磁化固着層についても、高ＭＲを発現する（Ｆｅ_100-xＣｏ_x）_100-yＮｉ_y（０≦ｘ≦８５、０≦ｙ≦５０）；（Ｆｅ_100-xＣｏ_x）_100-yＮｉ_yにＭ１添加元素（Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｒｅ、Ｂから選ばれる少なくとも１つの元素）を０％より多く１０％より少なく範囲で添加した合金；これらの層に、１原子層以上１ｎｍ以下のＭ１金属層（Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｒｅ、Ｂから選ばれる少なくとも１つの元素）を挿入された積層膜などに変更して組み合わせると、より高ＭＲが得られることがわかった。

また、抵抗調節層の材料は、Ａｌ、Ｃｒ、Ｍｇ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｓｉ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｖ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｎｂ、Ｒｅ、Ｐｄ、Ｂ、Ｃのうち少なくとも２種の元素と、これらの元素の一部が酸化された絶縁部とを含むものであれば、同様の効果が得られる。

以上の結果から、高ＭＲと低Ｈｃを両立させるには、下記の（Ｉ）〜（III）の群から択され、結晶粒径が７ｎｍ以下に分断された強磁性層をフリー層のうちスペーサと接する位置に設けるのが有効であることがわかった。

（Ｉ）体心立方晶の（Ｆｅ_100-xＣｏ_x）_100-yＮｉ_y層（０≦ｘ≦８５、０≦ｙ≦５０）
（II）Ｍ１添加元素が添加された、体心立方晶の｛（Ｆｅ_100-xＣｏ_x）_100-yＮｉ_y｝_100-zＭ１_z層（０≦ｘ≦８５、０＜ｙ＜５０、０＜ｚ＜１０、Ｍ１はＣｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｒｅ、Ｂから選ばれる少なくとも１つの元素）
（III）（Ｆｅ_100-xＣｏ_x）_100-yＮｉ_y（０≦ｘ≦８５、０＜ｙ＜５０）に、１原子層以上１ｎｍ以下のＭ１金属層（Ｍ１：Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｒｅ、Ｂから選ばれる少なくとも１つの元素）が少なくとも１層挿入され強磁性結合した層。

なお、上記（Ｉ）〜（III）の強磁性層に、Ｎｉ_1-xＦｅ_x（１５≦ｘ≦２５）、（Ｎｉ_100-xＦｅ_x）_100-zＭ２_z（１５≦ｘ≦２５、０＜ｚ＜１０、Ｍ２はＣｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｒｅ、Ｂから選ばれる少なくとも１つの元素）、または１原子層以上１ｎｍ以下のＭ２金属層（Ｍ２：Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｒｅ、Ｂから選ばれる少なくとも１つの元素）を少なくとも１層含むＮｉ_100-xＦｅ_x（１５≦ｘ≦２５）などを積層した場合、Ｈｃがより低減されるが、体心立方晶が不安定になってＭＲが減少してしまう傾向がある。これを防ぐには、本質的にＨｃが小さいＦｅリッチの組成を有する強磁性層を用いるとよい。

また、体心立方晶である（Ｆｅ_100-xＣｏ_x）_100-yＮｉ_y（０≦ｘ≦８５、０≦ｙ≦５０）にＣｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｒｅ、Ｂを添加または積層することで、Ｈｃが約５０％から７０％程度低減されることがわかった。したがって、このような材料は高ＭＲと低Ｈｃを得るのに最適といえる。

（第２の実施例）
図３は、絶縁層を持たない金属層のみから構成される参照用の磁気抵抗効果素子の断面図である。

図３の磁気抵抗効果素子（スピンバルブ）は、下電極（ＬＥ）１、下地層（ＢＦ）２、反強磁性層（ＡＦ）３、ピン層（Ｐ）４、スペーサ層（Ｓ）５、フリー層（磁化自由層、Ｆ）６、スピンフィルター層（ＳＦ）７、保護層（ＰＬ）８、上電極（ＵＥ）９を積層した構造を有する。

以下の材料を用いて図３の構造を有する磁気抵抗効果素子を作製した。
下地層２：下記参照
反強磁性層３：ＰｔＭｎ １５ｎｍ
ピン層４：Ｆｅ₅₀Ｃｏ₅₀ ５ｎｍ
スペーサ層５：Ｃｕ ５ｎｍ
フリー層６：Ｆｅ₅₀Ｃｏ₅₀ ５ｎｍ
スピンフィルター層７：Ｃｕ １ｎｍ
保護層８：Ｔａ ２０ｎｍ。

下地層としては、下記の４種の材料を用いた。
Ｔａ ５ｎｍ／Ｒｕ ６ｎｍ
Ｔａ ５ｎｍ／Ｎｉ₈₀Ｆｅ₂₀ ２ｎｍ
Ｔａ ３ｎｍ／（Ｎｉ₈₀Ｆｅ₂₀）₆₀Ｃｒ₄₀ ５ｎｍ
（Ｎｉ₈₀Ｆｅ₂₀）₆₀Ｃｒ₄₀ ６．５ｎｍ
これらの下地層を用いた磁気抵抗効果素子を順に、１−Ａ、１−Ｂ、１−Ｃ、１−Ｄと呼ぶ。

上記のような下地層を用いた磁気抵抗効果素子の結晶配向性は、１−Ｂ、１−Ａ、１−Ｃ、１−Ｄの順に良好であった。同じ膜を熱酸化Ｓｉ基板上に成膜し、スピンバルブ部分のＸ線回折でのロッキングカーブ半値幅ＦＷＨＭ(Full Width at Half Maximum)と、素子の単位面積あたりの電気抵抗変化量（ＡΔＲ）との関係を調べた結果を図４に示す。ＦＷＨＭが小さいほど、結晶配向性が高いことを意味する。なお、図３のように金属のみからなる磁気抵抗効果素子の場合、磁気抵抗効果素子全体の抵抗が電極抵抗に比べて小さく、ＭＲよりもＡΔＲの方が精度よく比較できるので、図４ではＡΔＲをプロットしている。図４から、結晶配向性とＡΔＲは相関しないと言える。

また、図３の磁気抵抗効果素子では、結晶粒径も下地層に大きく依存する。断面ＴＥＭで観察したところ、下地層から保護層まで結晶が柱状に成長していた。結晶粒径を見積もったところ、１−Ａ、１−Ｂでは粒径が約１０〜１５ｎｍであり、１−Ｃ、１−Ｄでは粒径が約３０ｎｍ〜４０ｎｍであった。図５に、結晶粒径と素子のＡΔＲとの関係を示す。図５から、結晶粒径とＡΔＲは相関しないと言える。

次に、以下の材料を用いて図２に示す本発明の磁気抵抗効果素子を作製した。
下地層２：下記参照
反強磁性層３：ＰｔＭｎ １５ｎｍ
第１ピン層４１：Ｃｏ₉₀Ｆｅ₁₀ ４ｎｍ
磁化反平行結合層４２：Ｒｕ １ｎｍ
第２ピン層４３：Ｆｅ₅₀Ｃｏ₅₀ ５ｎｍ
第１金属層５１：Ｃｕ ０．２ｎｍ
抵抗増大層５２：Ｃｕメタルパスを含むＡｌＯ_x １．０ｎｍ、１．５ｎｍ、または２．０ｎｍ
第２金属層５３：Ｃｕ ０．５ｎｍ
フリー層６：Ｆｅ₅₀Ｃｏ₅₀ １ｎｍ／Ｎｉ₈₀Ｆｅ₂₀ ３．５ｎｍ
スピンフィルター層７：Ｃｕ １ｎｍ
保護層８：Ｔａ ２０ｎｍ。

下地層としては、下記の６種の材料を用いた。
Ｔａ ５ｎｍ／Ｒｕ ６ｎｍ
Ｔａ ５ｎｍ／Ｎｉ₈₀Ｆｅ₂₀ ２ｎｍ
Ｔａ ３ｎｍ／（Ｎｉ₈₀Ｆｅ₂₀）₆₀Ｃｒ₄₀ ５ｎｍ
（Ｎｉ₈₀Ｆｅ₂₀）₆₀Ｃｒ₄₀ ６．５ｎｍ
Ｔａ ３ｎｍ／（Ｎｉ₈₀Ｆｅ₂₀）₆₀Ｃｒ₄₀ ５ｎｍ／（Ｎｉ₈₀Ｆｅ₂₀）₇₈Ｃｒ₂₂ １ｎｍ
Ｔａ ５ｎｍ／Ｒｕ １ｎｍ／Ｃｕ ２ｎｍ。

図６（ａ）に抵抗増大層のＡｌＯ_xの厚さとＲＡとの関係、図６（ｂ）抵抗増大層のＡｌＯ_xの厚さとＭＲとの関係を示す。

これらの図に示されるように、下地層の材料によって、ＲＡやＭＲのＡｌＯ_x厚さ依存性が異なっていることがわかる。下地層の材料によって、磁気抵抗効果素子の結晶配向性および結晶粒径が変化していると考えられる。

そこで、ＲＡやＭＲのＡｌＯ_x膜厚依存性が、結晶配向性および結晶粒径のうちどちらのパラメータによって変わっているのかを検討した。結晶配向性の指標として磁気抵抗効果素子のＸ線回折におけるロッキングカーブの半値幅（ＦＷＨＭ）を測定した。結晶粒径は断面ＴＥＭから見積もった。図７（ａ）に結晶粒径とＲＡとの関係、図７（ｂ）にＦＷＨＭとＲＡとの関係を示す。図８（ａ）に結晶粒径とＭＲとの関係、図８（ｂ）にＦＷＨＭとＭＲとの関係を示す。

なお、図２のように絶縁体を含む抵抗調節層が挿入されると結晶成長が分断され、抵抗調節層５２の下側にある部分（反強磁性層から第２ピン層まで）と抵抗調節層５２より上側にある部分（フリー層より上側の部分）とで結晶性が変わる。抵抗調節層５２の形成に関わるのは、抵抗調節層５２の下側に位置する部分の結晶性であるので、抵抗調節層５２の下側の部分の結晶性だけを観測する必要がある。ところが、Ｘ線回折のロッキングカーブで配向性を判断する場合、スピンバルブ膜全体の配向性が反映されて抵抗調節層５２の上下の配向性を切り分けることができなくなる。ところで抵抗調節層５２がなければスペーサの下側に続けて上側が結晶成長する。

そこで、図７（ｂ）および図８（ｂ）の横軸としては、スペーサとして抵抗調節層を挿入していないＣｕ ３ｎｍを用いたモデルサンプルのＦＷＨＭを示している。

これらの図を比較すると、ＲＡは結晶粒径に支配され、ＭＲは結晶粒径と結晶配向性の両方に支配されているようである。具体的に言うと、ＲＡは結晶粒径が大きいと高めになる傾向がある。一方、ＭＲはやや複雑な挙動を示す。粒径が１０〜１５ｎｍ程度のサンプルのＭＲが最も低く、高ＭＲを実現できる粒径は、５ｎｍ程度の小さ目のものと、３０ｎｍ程度の大き目のものに二極化している。大きな粒径同士で比較すると、結晶配向性の高いものほど、ＭＲが大きめになっている。

結晶粒径に対してＲＡやＭＲがこのような振る舞いをするメカニズムとして、以下のような解釈が考えられる。粒径が小さくなるとＭＲが増加するのは、メタルパスが容易に形成され、メタルパスの純度が上がっているためと考えられる。逆に、粒径が大きくなると、メタルパスがまばらに形成されるようになってＲＡは高めになるが、電流狭窄効果がより顕著になってＭＲが高くなると考えられる。

また、結晶配向性に対するＭＲの振る舞いは、次のように考えられる。第１に、配向性がよいスピンバルブではメタルパスの質が向上することが考えられる。第２に、抵抗増大層５２の近傍にある第１金属層５１、第２金属層５３とピン層、フリー層との界面がきれいに形成され、スピンに依存しない電子の散乱が抑制されることが考えられる。

これらの素子を磁気抵抗効果ヘッドに適用した場合、ＲＡが高すぎるとＳ／Ｎが悪くなり、実用化できない。そこで、できるだけ低ＲＡで高ＭＲを実現した方がよい。この目的のためには、同じＲＡでＭＲを比較するとその優劣がわかりやすくなる。

図９にＲＡとＭＲとの関係を示す。たとえば面記録密度２００Ｇｂｐｓｉにおいて求められるＲＡは、５００ｍΩμｍ²程度である。この程度のＲＡで、もっとも高いＭＲを示すものは、大きな結晶粒径でかつ配向性の高いＴａ ３ｎｍ／（Ｎｉ₈₀Ｆｅ₂₀）₆₀Ｃｒ₄₀ ５ｎｍ／（Ｎｉ₈₀Ｆｅ₂₀）₇₈Ｃｒ₂₂ １ｎｍと、結晶粒が小さいＴａ ５ｎｍ／Ｒｕ １ｎｍ／Ｃｕ ２ｎｍである。

以上のようなＲＡおよびＭＲの下地層依存性は、絶縁層を持たない図３の磁気抵抗効果素子では見られなかったものである。したがって、図２のように抵抗増大層を持つスピンバルブにおいて、抵抗増大層のメタルパスの分布や純度、抵抗増大層近傍の非磁性金属層とピン層／フリー層の界面を制御する場合にこそ、好適な下地層の選択が重要になることがわかる。

ＭＲ向上に適した下地層は、結晶粒径を３ｎｍから７ｎｍ、望ましくは５ｎｍ程度、または２５ｎｍ以上、望ましくは３０ｎｍ以上とすることができ、かつ配向性を向上させる効果のあるものである。

この観点から、下地層としては、最下層がＴａ、２層目が（Ｎｉ_100-xＦｅ_x）_100-yＣｒ_y合金（１５≦ｘ≦２５，３０＜ｙ≦４５）またはＲｕ、３層目が（Ｎｉ_100-xＦｅ_x）_100-yＣｒ_y合金（１５≦ｘ≦２５，２０≦ｙ≦３０）、ＣｕまたはＣｏ_100-xＦｅ_x（５＜ｘ＜１５）であるものが好ましい。

なお、上記においては、第２ピン層５３とフリー層６の材料をそれぞれＦｅ₅₀Ｃｏ₅₀ ３ｎｍ、Ｆｅ₅₀Ｃｏ₅₀ １ｎｍ／Ｎｉ₈₀Ｆｅ₂₀ ３．５ｎｍに固定していたが、実施例１で示したような高ＭＲと低Ｈｃを実現する材料を用いた場合でも、下地層の変更によって同様の効果が得られた。

抵抗調節層の材料は、Ａｌ、Ｃｒ、Ｍｇ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｓｉ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｖ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｎｂ、Ｒｅ、Ｐｄ、Ｂ、Ｃのうち少なくとも２種の元素と、これらの元素の一部が酸化された絶縁部とを含むものであれば、同様の効果が得られる。

なお、図１０に示すような、スペーサ、第２ピン層、反強磁性層を２つずつ持つデュアルタイプのＣＰＰ型磁気抵抗効果素子においても、実施例１、２で示した効果が得られる。

また、絶縁体を含む抵抗増大層は、スペーサに限らず、スピンバルブの他の層に挿入されていてもよく、好適な下地層を用いて結晶粒径と結晶配向性を制御することで、ＭＲを増加させることができる。

（第３の実施例）
次に、本発明の磁気抵抗効果素子を搭載した磁気再生装置について説明する。図２や図１０を参照して説明した本発明の磁気抵抗効果素子または磁気ヘッドは、例えば、記録再生一体型の磁気ヘッドアセンブリに組み込んで磁気記録再生装置に搭載することができる。

図１１は、このような磁気記録再生装置の概略構成を例示する要部斜視図である。本発明の磁気記録再生装置１５０は、ロータリーアクチュエータを用いた形式の装置である。同図において、記録用媒体ディスク２００は、スピンドル１５２に装着され、図示しない駆動装置制御部からの制御信号に応答する図示しないモータにより矢印Ａの方向に回転する。本発明の磁気記録再生装置１５０は、複数の媒体ディスク２００を備えたものとしてもよい。

媒体ディスク２００に格納する情報の記録再生を行うヘッドスライダ１５３は、薄膜状のサスペンション１５４の先端に取り付けられている。ここで、ヘッドスライダ１５３は、前述したいずれかの実施形態に係る磁気抵抗効果素子または磁気ヘッドをその先端付近に搭載している。

媒体ディスク２００が回転すると、ヘッドスライダ１５３の媒体対向面（ＡＢＳ）は媒体ディスク２００の表面から所定の浮上量をもって保持される。またはスライダが媒体ディスク２００と接触するいわゆる「接触走行型」であってもよい。

サスペンション１５４は、図示しない駆動コイルを保持するボビン部などを有するアクチュエータアーム１５５の一端に接続されている。アクチュエータアーム１５５の他端には、リニアモータの一種であるボイスコイルモータ１５６が設けられている。ボイスコイルモータ１５６は、アクチュエータアーム１５５のボビン部に巻き上げられた図示しない駆動コイルと、このコイルを挟み込むように対向して配置された永久磁石および対向ヨークからなる磁気回路とから構成される。

アクチュエータアーム１５５は、スピンドル１５７の上下２箇所に設けられた図示しないボールベアリングによって保持され、ボイスコイルモータ１５６により回転摺動が自在にできるようになっている。

図１２は、アクチュエータアーム１５５から先の磁気ヘッドアセンブリをディスク側から眺めた拡大斜視図である。すなわち、磁気ヘッドアッセンブリ１６０は、例えば駆動コイルを保持するボビン部などを有するアクチュエータアーム１５５を有し、アクチュエータアーム１５５の一端にはサスペンション１５４が接続されている。

サスペンション１５４の先端には、図２または図１０に示した磁気抵抗効果素子または磁気ヘッドを具備するヘッドスライダ１５３が取り付けられている。サスペンション１５４は信号の書き込みおよび読み取り用のリード線１６４を有し、このリード線１６４とヘッドスライダ１５３に組み込まれた磁気ヘッドの各電極とが電気的に接続されている。図中１６５は磁気ヘッドアッセンブリ１６０の電極パッドである。

本発明によれば、図２または図１０に示した本発明の磁気抵抗効果素子または磁気ヘッドを具備することにより、従来よりも高い記録密度で媒体ディスク２００に磁気的に記録された情報を確実に読み出すことが可能となる。

（第４の実施例）
次に、本発明の磁気抵抗効果素子を搭載した磁気メモリについて説明する。図２や図１０を参照して説明した本発明の磁気抵抗効果素子を用いて、メモリセルがマトリクス状に配置されたランダムアクセス磁気メモリ(magnetic random access memory)などの磁気メモリを実現できる。

図１３は、本実施例の磁気メモリのマトリクス構成を例示する概念図である。同図は、メモリセルをアレイ状に配置した場合の実施形態の回路構成を示す。アレイ中の１ビットを選択するために、列デコーダ３５０、行デコーダ３５１が備えられており、ビット線３３４とワード線３３２によりスイッチングトランジスタ３３０がオンになり一意に選択され、センスアンプ３５２で検出することにより磁気抵抗効果素子３２１を構成する磁気記録層に記録されたビット情報を読み出すことができる。ビット情報を書き込むときは、特定の書き込みワード線３２３とビット線３２２に書き込み電流を流して発生する磁場により行われる。

本発明に係る磁気メモリは、図２または図１０に示した磁気抵抗効果素子を用いることにより、大きな負の磁気抵抗効果が得られるため、セルサイズを微細化しても、記録層の磁区を確実に制御して確実な書き込みが確保され、かつ読み出しも確実に行うことができる。

以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、磁気抵抗効果膜の具体的な構造、形状、材質に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる。

例えば、磁気抵抗効果素子を再生用磁気ヘッドに適用する際に、素子の上下に磁気シールドを付与することにより、磁気ヘッドの検出分解能を規定することができる。

また、本発明は、長手磁気記録方式または垂直磁気記録方式の磁気ヘッドまたは磁気再生装置について同様に適用して同様の効果を得ることができる。

さらに、本発明の磁気再生装置は、特定の記録媒体を定常的に備えたいわゆる固定式のものでもよいし、記録媒体が差し替え可能ないわゆる「リムーバブル」方式のものでもよい。

その他、本発明の実施形態として上述した内容に基づいて、当業者が適宜設計変更して実施しうるすべての磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド、磁気再生装置および磁気メモリも同様に本発明の範囲に属する。

参照用の磁気抵抗効果素子の断面図。 本発明の実施例に係る磁気抵抗効果素子の断面図。 参照用の磁気抵抗効果素子の断面図。 ＦＷＨＭとＡΔＲとの関係を示す図。 粒径とＡΔＲとの関係を示す図。 抵抗増大層のＡｌＯ_xの厚さとＲＡとの関係、および抵抗増大層のＡｌＯ_xの厚さとＭＲとの関係を示す図。 結晶粒径とＲＡとの関係、およびＦＷＨＭとＲＡとの関係を示す図。 結晶粒径とＭＲとの関係、およびＦＷＨＭとＭＲとの関係を示す図。 ＲＡとＭＲとの関係を示す図。 本発明の他の実施例に係る磁気抵抗効果素子の断面図。 本発明に係る磁気記録再生装置の概略構成を例示する要部斜視図 本発明に係る磁気ヘッドアセンブリの斜視図。 本発明に係る磁気メモリのマトリクス構成を例示する概念図。

符号の説明

１…下電極（ＬＥ）、２…下地層（ＢＦ）、３…反強磁性層（ＡＦ）、４…ピン層、４１…第１ピン層（第１磁化固着層、Ｐ１）、４２…磁化反平行結合層（ＡＣ）、４３…第２ピン層、５…スペーサ層（Ｓ）、５１…第１金属層、５２…抵抗増大層、５３…第２金属層、６…フリー層（磁化自由層、Ｆ）、７…スピンフィルター層（ＳＦ）、８…保護層（ＰＬ）、９…上電極（ＵＥ）。

Claims (4)

1. 下地層と、前記下地層上に形成された反強磁性層と、前記反強磁性層上に形成され磁化方向が実質的に一方向に固着された磁化固着層と、前記磁化固着層上に形成された非磁性金属中間層と、前記非磁性金属中間層上に形成され磁化方向が外部磁界に対応して変化する磁性体膜を有する磁化自由層とを有し、前記非磁性中間層はＡｌ、Ｃｒ、Ｍｇ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｓｉ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｖ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｎｂ、Ｒｅ、Ｐｄ、Ｂ、Ｃのうち少なくとも２種の元素と、前記元素の一部が酸化された絶縁部とを含み、前記磁化自由層は結晶構造が体心立方晶である体心立方晶層を含む磁気抵抗効果膜と、
   前記磁気抵抗効果膜の膜面に対して略垂直な方向にセンス電流を通電するために電気的に接続された一対の電極とを備え、
   前記下地層は、下層から順に、Ｔａ３ｎｍ／（Ｎｉ _８０ Ｆｅ _２０ ） _６０ Ｃｒ _４０ ５ｎｍ／（Ｎｉ _８０ Ｆｅ _２０ ） _７８ Ｃｒ _２２ １ｎｍ、または、Ｔａ５ｎｍ／Ｒｕ１ｎｍ／Ｃｕ２ｎｍであることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
2. 請求項１に記載の磁気抵抗効果素子を備えたことを特徴とする磁気ヘッド。
3. 請求項２に記載の磁気ヘッドを備え、磁気記録媒体に磁気的に記録された情報の読み取りを可能としたことを特徴とする磁気再生装置。
4. 請求項１に記載の磁気抵抗効果素子を備えたことを特徴とする磁気メモリ。

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