JP5629608B2 - 磁気抵抗効果素子、磁気ヘッドアセンブリ、磁気記録再生装置、メモリセルアレイ、及び磁気抵抗効果素子の製造方法 - Google Patents
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Description
図1は、磁気抵抗効果素子100を示す図である。磁気抵抗効果素子100は、第1の磁性層20と、スペーサ層30と、酸化物層40と、金属層50と、第2の磁性層60とを備える。酸化物層40と金属層50は接している。磁気抵抗効果素子100は、第1の磁性層20から第2の磁性層60に向かって又は第2の磁性層60から第1の磁性層20に向かって電流が通電される。
第1の磁性層20が磁化自由層である場合、例えば、スペーサ層30側にCoFeが位置するように形成されたNi83Fe17[3.5nm]/Co90Fe10[1nm]という二層構成を用いることができる。ここで、スペーサ層30側に位置するCoFeはFexCo100−x(x=10%〜100%)でもよい。また、CoFe/NiFe/CoFeなどの三層構成としてもよい。なお、NiFe層を用いない場合には、Co90Fe10[4nm]単層を用いることができる。Co90Fe10の合金は、軟磁気特性が安定である。CoFe合金を用いる場合には、膜厚を0.5nm以上4nm以下とする。その他、FexCo100−x(x=10%〜100%)も用いることができる。また、第1の磁性層20として、1nm以上2nm以下のCoFe層またはFe層と、0.1nm以上0.8nm以下の極薄Cu層とを複数層交互に積層したものを用いてもよい。また、第1の磁性層20の一部として、CoZrNbなどのアモルファス磁性層を用いても構わない。第1の磁性層20の構造としては、スペーサ層30側からみて、次のような構成が可能である。即ち、第1の磁性層20の構造として、(1)結晶層のみ、(2)結晶層/アモルファス層の積層、(3)結晶層/アモルファス層/結晶層の積層、などが考えられる。(1)から(3)のいずれでもスペーサ層30と第1の磁性層20の界面は結晶層が接している。また、第1の磁性層20として、Co2MnGe、Co2MnSi、Co2MnAlなどのホイスラー磁性合金層を用いることも可能である。
図11は、第2の実施形態に係る磁気抵抗効果素子200の構成を示す模式図である。
図12は、磁気抵抗効果素子300を示す。磁気抵抗効果素子300は、磁気抵抗効果素子200の変形例である。磁気抵抗効果素子300は、スペーサ層30が電流パス31と絶縁層32からなる電流狭窄層であり、電流狭窄層を下部電極層15と上部電極層17で挟んでいる点が磁気抵抗効果素子200と異なる。
図13は、磁気抵抗効果素子400を示す図である。磁気抵抗効果素子400は、磁気抵抗効果素子200の変形例である。磁気抵抗効果素子400は、酸化物層40と金属層50の配置が入れ替わっている点が磁気抵抗効果素子200と異なる。
図14は、磁気抵抗効果素子500を示す図である。磁気抵抗効果素子500は、磁気抵抗効果素子200の変形例である。磁気抵抗効果素子500は、スペーサ層30とフリー層18との間に酸化物層40を2つの金属層50で挟んだ層が設けられている点が磁気抵抗効果素子200と異なる。
図15は、磁気抵抗効果素子600を示す図である。磁気抵抗効果素子600は、磁気抵抗効果素子200の変形例である。磁気抵抗効果素子600は、スペーサ層30とピン層14との間に酸化物層40が設けられ、酸化物層40とピン層14との間に金属層50が設けられている点が磁気抵抗効果素子200と異なる。
図16は、磁気抵抗効果素子700を示す図である。磁気抵抗効果素子700は、磁気抵抗効果素子200の変形例である。磁気抵抗効果素子700は、下地層12上にフリー層18、金属層50、酸化物層40、スペーサ層30、ピン層14、ピニング層13、キャップ層19の順に積層されている。磁気抵抗効果素子700は、フリー層18が下地層12側に設けられている点と金属層50と酸化物層40の位置が入れ替わっている点が磁気抵抗効果素子200と異なる。
図17は、磁気抵抗効果素子800を示す図である。磁気抵抗効果素子800は、磁気抵抗効果素子200の変形例である。磁気抵抗効果素子800は、ピニング層13とピン層14がフリー層18に入れ替わっている点が磁気抵抗効果素子200と異なる。これら2つのフリー層18は、磁界が印加されていない状態では、お互いにフリー層18の磁化が90°になるようにバイアスされている。磁化が90°になるようにするには、スペーサ層30を介した磁気結合とハードバイアスなどの組み合わせを用いる。
図18は、磁気抵抗効果素子900を示す図である。磁気抵抗効果素子900は、磁気抵抗効果素子200の変形例である。磁気抵抗効果素子900は、酸化物層40が2つの金属層50で挟まれている点が磁気抵抗効果素子200と異なる。
図19は、磁気抵抗効果素子1000を示す図である。磁気抵抗効果素子1000は、中間層55を備え、紙面上側の上部ピン層143の磁化の向きと紙面下側の上部ピン層143の磁化の向きが逆向きである点が主に磁気抵抗効果素子200と異なる。磁気抵抗効果素子1000は、積層構造が上下逆さまでも良い。磁気抵抗効果素子1000は差動型構造と呼ばれる。磁気抵抗効果素子1000は、中間層55から上側又は下側の抵抗変化が外部磁界に対して逆極性で振舞う。そのため、垂直磁気記録媒体において媒体磁化の向きが上向きと下向きが隣り合う、磁化遷移領域において出力が得られる。すなわち、差動型の媒体磁界検出を行うことが出来る。なお、中間層55には、例えばCu[5nm]を用いることができる。中間層55として、その他、Au、Ag、Ru、Ir、Os、Re、Rh、Taなどの非磁性金属を用いても良い。また、中間層55として、Co、Fe、Niから選択される強磁性金属と、Ru、Ir、Os、Re、Rhから選択される強磁性金属層間に配置した際に反強磁性結合を生ずる金属との積層体で形成しても良い。この場合、フリー層18aとフリー層18bの磁化方向を反平行結合とすることができる
(実施例1)
磁気抵抗効果素子200を作製した。作製した磁気抵抗効果素子200の作製条件、MR(%)、及びRA(Ωμm2)を図20に示す。磁気抵抗効果素子200の各層の詳細は以下の通りである。
ピニング層13:Ir22Mn78[7nm]
ピン層14:Co75Fe25[4nm]/Ru[0.8nm]/Fe50Co50[4nm]
スペーサ層30:Cu[1.5nm]
酸化物層40:図20に示すS10を用いて作製
金属層50:図20に示すS20を用いて作製
フリー層18:Fe50Co50[3nm]
酸化物層40は、Fe[1nm]/Zn[0.6nm]を成膜し、表面にIAO処理を施すことでZn−Fe−O[1.6nm]として作製した。次に、Arのプラズマを還元性ガスとして還元処理を行った。
磁気抵抗効果素子400を製造した。作製した磁気抵抗効果素子400の作製条件、MR(%)、及びRA(Ωμm2)を図22に示す。磁気抵抗効果素子400の各層の詳細は以下の通りである。
ピニング層13:Ir22Mn78[7nm]
ピン層14:Co75Fe25[4nm]/Ru[0.8nm]/Fe50Co50[4nm]
スペーサ層30:Cu[1.5nm]
金属層50:図22に示すS30を用いて作製
酸化物層40:図22に示すS40を用いて作製
フリー層18:Fe50Co50[3nm]
酸化物層40は、Fe[1nm]/Zn[0.6nm]を成膜し、表面にIAO処理を施すことでZn−Fe−O[1.6nm]として作製した。次に、Arのプラズマを還元性ガスとして還元処理を行った。
磁気抵抗効果素子500を製造した。作製した磁気抵抗効果素子500の作製条件、MR(%)、及びRA(Ωμm2)を図23に示す。磁気抵抗効果素子500の各層の詳細は以下の通りである。
ピニング層13:Ir22Mn78[7nm]
ピン層14:Co75Fe25[4nm]/Ru[0.8nm]/Fe50Co50[4nm]
スペーサ層30:Cu[1.5nm]
金属層50:図23に示すS50を用いて作製
酸化物層40:図23に示すS60を用いて作製
金属層50:図23に示すS70を用いて作製
フリー層18:Fe50Co50[3nm]
金属層50は、合金と積層構造の2種類を作製した。合金の場合には、Zn(Fe50Co50)[2nm]で様々なZn組成の金属層50を作製した。積層構造の場合には、(Zn/Fe50Co50)×8の積層構造で全膜厚を2nmとして、ZnとFe50Co50の膜厚比を変えることで様々なZn組成の金属層50を作製した。参考例として、金属層50を成膜しない場合の磁気抵抗効果素子を作製した。また、比較例3−1として、金属層50にZnを含まないFe50Co50[2nm]を作製した。比較例3−2として、金属層50にFe50Co50を含まないZn[2nm]を作製した。
磁気抵抗効果素子200を作製した。作製した磁気抵抗効果素子200の作製条件、MR(%)、及びRA(Ωμm2)を図24に示す。
磁気抵抗効果素子200を作製した。作製した磁気抵抗効果素子200の作製条件、MR(%)、及びRA(Ωμm2)を図25に示す。
磁気抵抗効果素子200を作製した。作製した磁気抵抗効果素子200の作製条件、MR(%)、及びRA(Ωμm2)を図26に示す。
磁気抵抗効果素子200を作製した。作製した磁気抵抗効果素子200の作製条件、MR(%)、及びRA(Ωμm2)を図27に示す。
磁気抵抗効果素子200を作製した。作製した磁気抵抗効果素子200の作製条件、MR(%)、及びRA(Ωμm2)を図28に示す。
磁気抵抗効果素子200を作製した。作製した磁気抵抗効果素子200の作製条件、MR(%)、及びRA(Ωμm2)を図29に示す。
磁気抵抗効果素子200を作製した。作製した磁気抵抗効果素子200の作製条件、MR(%)、及びRA(Ωμm2)を図30に示す。
磁気抵抗効果素子200を作製した。作製した磁気抵抗効果素子200の作製条件、MR(%)、及びRA(Ωμm2)を図31に示す。
磁気抵抗効果素子200を作製した。作製した磁気抵抗効果素子200の作製条件、MR(%)、及びRA(Ωμm2)を図32に示す。
図33は、第3の実施形態に係る磁気記録再生装置150を示す図である。
図34は、第4の実施形態に係るヘッドスタックアセンブリを示す図である。
第5の実施形態に係る磁気記録再生装置として、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を搭載した磁気メモリの例について説明する。すなわち、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を用いて、例えば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(MRAM: magnetic random access memory)などの磁気メモリを実現できる。以下では、磁気抵抗効果素子1を用いる場合として説明するが、磁気抵抗効果素子100、200、300、400、500、600、700、800、900を用いることもできる。
Claims (10)
- 第1の電極と、
第2の電極と、
前記第1の電極と前記第2の電極との間に設けられ、磁化が一方向に固定され又は外部磁場に応じて変化する第1の磁性層と、
前記第1の磁性層と前記第2の電極との間に設けられ、磁化が外部磁場に応じて変化する第2の磁性層と、
前記第1の磁性層と前記第2の磁性層との間に設けられたスペーサ層と、
前記第1の電極と前記第1の磁性層との間、前記第1の磁性層中、前記第1の磁性層と前記スペーサ層との間、前記スペーサ層中、前記スペーサ層と前記第2の磁性層との間、前記第2の磁性層中、又は前記第2の磁性層と前記第2の電極との間の何れかに設けられ、Zn、In、Sn、及びCdから選択される少なくとも一つの元素とFe、Co、及びNiから選択される少なくとも一つの元素とを含む酸化物層と、
前記第1の電極と前記第2の電極とを結ぶ方向において前記酸化物層に接して設けられ、Zn、In、Sn、及びCdから選択される少なくとも一つの元素を5at%以上80at%以下の濃度で含み、かつFe、Co、及びNiから選択される少なくとも一つの元素を含む金属層と、
を備えることを特徴とする磁気抵抗効果素子。 - 前記金属層が、Zn、In、Sn、及びCdから選択される少なくとも一つの元素を含む層と、Fe、Co、及びNiから選択される少なくとも一つの元素を含む層との積層体からなることを特徴とする請求項1に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記金属層に含まれるFeの濃度が10at%以上80at%以下であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記金属層の膜厚が0.1nm以上4nm以下であることを特徴とする請求項1乃至請求項3の何れか1項に記載の磁気抵抗効果素子。
- 請求項1乃至請求項4の何れか1項に記載の磁気抵抗効果素子が搭載されたヘッドスライダーと、
前記ヘッドスライダーを一端に搭載するサスペンションと、
前記サスペンションの他端に接続されたアクチュエータアームと、
を備えることを特徴とする磁気ヘッドアセンブリ。 - 磁気記録媒体と、
さらに記録ヘッドを備える請求項5に記載の磁気ヘッドアセンブリと、
前記磁気ヘッドアッセンブリに搭載された前記記録ヘッドを用いて前記磁気記録媒体への信号の書き込みと読み出しを行う信号処理部と、
を備えることを特徴とする磁気記録再生装置。 - 列方向に複数設けられた第1の配線と、
行方向に複数設けられた第2の配線と、
前記第1の配線と前記第2の配線が交わる位置であって前記第1の配線と前記第2の配線との間に設けられた、請求項1乃至請求項5の何れか1項に記載の磁気抵抗効果素子と、
を備えることを特徴とするメモリセルアレイ。 - 第1の電極と、
第2の電極と、
前記第1の電極と前記第2の電極との間に設けられ、磁化が一方向に固定され又は外部磁場に応じて変化する第1の磁性層と、
前記第1の磁性層と前記第2の電極との間に設けられ、磁化が外部磁場に応じて変化する第2の磁性層と、
前記第1の磁性層と前記第2の磁性層との間に設けられたスペーサ層と、
前記第1の電極と前記第1の磁性層との間、前記第1の磁性層中、前記第1の磁性層と前記スペーサ層との間、前記スペーサ層中、前記スペーサ層と前記第2の磁性層との間、前記第2の磁性層中、又は前記第2の磁性層と前記第2の電極との間の何れかに設けられ、Zn、In、Sn、及びCdから選択される少なくとも一つの元素とFe、Co、及びNiから選択される少なくとも一つの元素とを含む酸化物層と、
を備える磁気抵抗効果素子の製造方法であって、
前記第1の電極の形成後でかつ前記酸化物層の形成前の前記第1の電極上、前記第1の磁性層の形成途中に形成される前記酸化物層の形成前の前記第1の磁性層上、前記第1の磁性層の形成後でかつ前記酸化物層の形成前の前記第1の磁性層上、前記スペーサ層の形成途中に形成される前記酸化物層の形成前の前記スペーサ層上、前記スペーサ層の形成後でかつ前記酸化物層の形成前の前記スペーサ層上、前記第2の磁性層の形成途中に形成される前記酸化物層の形成前の前記第2の磁性層上、前記第2の磁性層の形成後でかつ前記酸化物層の形成前の前記第2の磁性層上、又は前記酸化物層の形成後の前記酸化物層上にZn、In、Sn、及びCdから選択される少なくとも一つの元素を含み、かつFe、Co、及びNiから選択される少なくとも一つの元素を含む金属層を形成することを特徴とする磁気抵抗効果素子の製造方法。 - 前記金属層に含まれる、Zn、In、Sn、及びCdから選択される少なくとも一つの元素の濃度は、5at%以上80at%以下であることを特徴とする請求項8に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
- 前記金属層は、0.1nm以上4nm以下の膜厚で形成されることを特徴とする請求項8に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
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