WO2004025744A1 - 感磁素子及びその製造方法、並びにその感磁素子を用いた磁気ヘッド、エンコーダ装置、及び磁気記憶装置 - Google Patents
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- H01F10/3272—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the exchange coupling being asymmetric, e.g. by use of additional pinning, by using antiferromagnetic or ferromagnetic coupling interface, i.e. so-called spin-valve [SV] structure, e.g. NiFe/Cu/NiFe/FeMn by use of anti-parallel coupled [APC] ferromagnetic layers, e.g. artificial ferrimagnets [AFI], artificial [AAF] or synthetic [SAF] anti-ferromagnets
Definitions
- Magnetic head encoder device, and magnetic storage device
- the present invention relates to a magneto-sensitive element having a ferromagnetic tunnel junction, a magnetic head using the magneto-sensitive element, an encoder device, and a magnetic storage device.
- a magnetic storage device in particular, a reproducing head of a magnetic head of a magnetic disk device is provided with a magnetic sensitive element.
- a spin-valve type GMR thin film has been used for this magneto-sensitive element! /
- research on TMR thin films with a ferromagnetic tunnel junction has been conducted to further improve the magnetoresistance effect. Is underway. Background art
- a metal oxide film is usually used for the insulating film.
- the surface layer of aluminum is oxidized by a natural oxidation method, a plasma oxidation method, a thermal oxidation method, or the like.
- an aluminum oxide film having a thickness of several nm or less on the surface can be formed and used as an insulating film for this junction.
- Tunnel junctions have been used as non-linear devices because their IV characteristics exhibit non-ohmic rather than ohmic characteristics.
- a ferromagnetic tunnel junction When the metal film of the tunnel junction is replaced with a ferromagnetic film, a ferromagnetic tunnel junction can be formed. It is known that the tunnel resistance of a ferromagnetic tunnel junction depends on the magnetization states of the ferromagnetic films on both sides. That is, the tunnel resistance can be controlled by the externally applied magnetic field.
- the electrons inside the ferromagnetic film are polarized.
- the electrons inside a non-magnetic metal are non-magnetic as a whole because there are the same number of electrons having an upward spin and a downward spin.
- the number of electrons having an upward spin N up is different from the number of electrons having a downward spin Nd, so that the magnetic metal as a whole has an upward or downward magnetization. It is known that the spin direction is preserved when electrons tunnel through an insulating film. Therefore, tunneling cannot be performed unless there is a vacancy in the electronic state at the end of the insulating film, that is, at the tunnel destination.
- Tunnel magnetoresistance ratio (hereinafter referred to as TMR rate) ARZR is defined as ⁇ R by the polarization rate Pi of the electron source (one ferromagnetic film) and the polarization rate P 2 of the tunnel destination (the other ferromagnetic film).
- Pl and P2 depend on the type and composition of the ferromagnetic film.For example, the polarizabilities of NiFe, Co, and CoFe are 0.3, 0.34, and 0.46, respectively. Theoretically, they are about 20%, 26%, and 54%, and higher TMR rates than the conventional anisotropic magnetoresistance effect (AMR) and giant magnetoresistance effect (GMR) can be expected.
- AMR anisotropic magnetoresistance effect
- GMR giant magnetoresistance effect
- the present invention generally provides a new and useful magneto-sensitive element that solves the above-mentioned problem, a method for manufacturing the same, and a magnetic head, an encoder device, and a magnetic storage device using the magneto-sensitive element. Make it an issue.
- a specific object of the present invention is to provide a highly sensitive magnetosensitive element having a ferromagnetic tunnel junction having a high tunnel magnetoresistance change rate and a low tunnel resistance, and a method of manufacturing the same.
- Another subject of the present invention is:
- a magnetic sensing element having a ferromagnetic tunnel junction comprising two ferromagnetic films and an insulating film sandwiched between the ferromagnetic films, wherein the insulating film is a nitride aluminum film.
- An object of the present invention is to provide a magneto-sensitive element in which a barrier height of the ferromagnetic tunnel junction is 4 eV or less.
- the insulating film of the ferromagnetic tunnel junction for detecting an external magnetic field in the magneto-sensitive element is made of aluminum nitride, and the barrier height of the ferromagnetic tunnel junction is set to 0.4 eV or less.
- An object of the present invention is to provide a magneto-sensitive element in which a barrier height of a ferromagnetic tunnel junction having the aluminum nitride film is 0.4 eV or less.
- the ferromagnetic tunnel junction is provided double in the magneto-sensitive element, and the first ferromagnetic film and the third ferromagnetic film are adjacent to the first antiferromagnetic film and the second antiferromagnetic film, respectively. The direction of magnetization is fixed by the ferromagnetic film.
- the insulating film of the ferromagnetic tunnel junction is made of aluminum nitride, and the barrier height of the ferromagnetic tunnel junction is set to 0.4 eV or less. By reducing the barrier height of the insulating film with aluminum nitride, the tunnel resistance can be reduced and the tunnel magnetoresistance change rate can be increased. As a result, it is possible to provide a more sensitive magnetic sensing element having a stable switching magnetic field.
- a ferromagnetic tunnel junction formed by laminating a first ferromagnetic film, an insulating film, and a second ferromagnetic film in this order, wherein the insulating film is a nitride aluminum film;
- a step of converting the aluminum film into the aluminum nitride film by exciting the aluminum film into a gas containing nitrogen to convert the aluminum film into the aluminum nitride film.
- aluminum nitride which is an insulating film forming a ferromagnetic tunnel junction, excites plasma in a gas containing nitrogen and converts generated nitrogen ions or atomic nitrogen N * into primary gas.
- the ferromagnetic film is formed by contacting an aluminum film formed on the ferromagnetic film to cause a nitriding reaction.
- the energy of nitrogen ions incident on the aluminum film is preferably as low as possible. In particular, it is more preferable to use only atomic nitrogen N * that reaches the aluminum film surface by riding the flow of nitrogen gas in the vacuum chamber.
- the aluminum nitride film can be formed without deteriorating the film quality of the aluminum film, and the intrusion of excessive nitrogen can be suppressed, so that the denseness of the aluminum nitride can be maintained. Therefore, since a high-quality aluminum nitride film can be obtained, a ferromagnetic tunnel junction having a high tunnel magnetoresistance change rate and a low tunnel resistance is provided. A highly sensitive magnetic sensing element can be realized.
- FIG. 1 is a diagram showing a main part of a magneto-sensitive element according to an embodiment of the present invention.
- FIG. 2 is a diagram showing a schematic configuration of a microphone mouth-wave radical gun for performing a radical treatment.
- FIG. 3 is a diagram showing a main part of a magneto-sensitive element according to a first modification of the embodiment of the present invention.
- FIG. 4 is a diagram showing a main part of a magneto-sensitive element according to a second modification of the embodiment of the present invention.
- FIG. 5A is a plan view of a four-terminal circuit configured to measure the I-V characteristics of the magneto-sensitive element of the embodiment of the present invention.
- FIG. 5B is a plan view of a main part of the magneto-sensitive element of the embodiment of the present invention. It is sectional drawing.
- FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the TMR rate and the RA value.
- FIG. 7 is a diagram illustrating an example of the I-V characteristic.
- FIG. 8A is a diagram showing the relationship between the insulation barrier width d and the RA value
- FIG. 8B is a diagram showing the relationship between the insulation barrier height and the RA value.
- FIG. 9 is a sectional view showing a main part of the magnetic storage device according to the second embodiment of the present invention.
- FIG. 10 is a plan view showing a main part of the magnetic storage device shown in FIG.
- FIG. 11 is an enlarged perspective view of the magnetic head shown in FIG.
- FIG. 12 is a diagram showing the configuration of the medium facing surface of the reproducing magnetic head.
- FIG. 13 is a schematic configuration diagram of a magnetic memory according to the third embodiment of the present invention.
- FIG. 14 is a schematic configuration diagram of a contactless rotary switch according to a fourth embodiment of the present invention.
- FIG. 1 is a diagram showing a main part of the magneto-sensitive element of the present embodiment.
- a magneto-sensitive element 10 of the present embodiment includes a substrate 11, a lower electrode 12, a first ferromagnetic film 13, an insulating film 14, and a second strong magnetic permanent magnet film 15.
- the anti-ferromagnetic material film 16, the anti-oxidation film 18 and the upper electrode 19 are laminated in this order.
- the feature of this configuration is that the first ferromagnetic film 13 / insulating film 14 / second ferromagnetic film 15 forms a ferromagnetic tunnel junction, and the magnetization of the second ferromagnetic film 15 is adjacent to the antiferromagnetic film.
- the direction of magnetization of the first ferromagnetic film 13 which is a free layer changes with respect to the second ferromagnetic film 15 of the magnetization fixed layer according to the magnetic field applied from the outside, and the two magnetizations
- the tunnel resistance varies depending on the relative angle.
- Substrate 11 an insulating material such as AlTiC (ceramic and A 1 2 Rei_3 and T i C), can be used a semiconductor such as S i wafer, in particular the material of the substrate 11 is not a limitation. From the viewpoint of uniformly forming a thin film forming a ferromagnetic tunnel junction laminated on the substrate 11, the flatness is preferably good.
- the lower electrode 12 has a thickness of, for example, lower layers of 511111 to 4011111, Cu, Au, or a laminate thereof.
- the first ferromagnetic film 13 for example a thickness of 1 nm ⁇ 30 nm Co, Fe, N i ⁇ Pi soft ferromagnetic material containing these elements, for example, N i so F e 20, C o 7 It is composed of 5 Fe 25 or the like, or a laminate of these films.
- the magnetization of the first ferromagnetic film 13 is in the plane of the film, and the direction of the magnetic field changes according to the direction of the external magnetic field.
- the insulating film 14 is made of aluminum nitride having a thickness of 0.5 nm to 2. Onm (preferably 0.7 nm to 1.2 nm)!
- This aluminum nitride film is formed by converting an aluminum film formed by a vapor deposition method, a Spack method, or the like by nitriding treatment by a manufacturing method described later.
- the second ferromagnetic film 15 has the same thickness and soft magnetic ferromagnetic material as the first ferromagnetic film 13. It consists of. Note that the second ferromagnetic film may have a composition different from that of the first ferromagnetic film 13.
- the direction of magnetization of the second magnetic film 15 is fixed by an interaction with an antiferromagnetic film 16 described later. That is, the direction of magnetization does not change even when an external magnetic field is applied.
- the magnetization of the first ferromagnetic film 13 described above changes its direction according to the external magnetic field, so that the tunneling magnetoresistance is determined by the relative angle of the magnetization of the first ferromagnetic film 13 to the magnetization of the second ferromagnetic film 15. The rate changes.
- the antiferromagnetic film 16 is, for example, a group consisting of Re, Ru, Rh, Pd, Ir, Pt, Cr, Fe, Ni, Cu, Ag and Au having a thickness of 5 nm to 30 nm. It is composed of an antiferromagnetic layer containing at least one element and Mn. Among the Mn content Shi preferred that a 45 atomic% to 95 atomic 0/0 les.
- the antiferromagnetism of the antiferromagnetic film 16 appears by performing a heat treatment in a predetermined magnetic field.
- the antioxidant film 18 is made of, for example, a nonmagnetic metal such as Au, Ta, Al, or W having a thickness of 5 nm to 30 nm. This is provided to prevent oxidation of these stacked bodies during the heat treatment of the antiferromagnetic film 16.
- the upper electrode 19 is made of a non-magnetic material having good conductivity similarly to the lower electrode 12.
- the magneto-sensitive element 10 of the present embodiment is characterized in that an aluminum film is converted into an aluminum nitride film by atomic nitrogen N * as an insulating film 14, in particular, as an insulating film 14.
- N * as an insulating film 14
- a method of manufacturing the magneto-sensitive element 10 of the present embodiment will be described focusing on the nitriding treatment.
- Each film constituting the magneto-sensitive element 10 other than the insulating film 14 is formed by a sputtering method, a plating method, a vacuum evaporation method, or the like.
- an aluminum film having a thickness of 0.5 nm to 1.5 nm is formed on the laminate by sputtering, vacuum evaporation, or the like.
- the aluminum film is subjected to a nitriding treatment by a natural nitriding method, a radical nitriding method, a plasma nitriding method, or the like.
- a natural nitriding method nitrogen is introduced into a processing chamber, thereby exposing the aluminum film to nitrogen and causing a nitridation reaction on the surface of the aluminum film.
- the nitriding reaction is uniform over the entire aluminum film or the entire substrate. Although it is preferable in terms of proceeding, the nitridation reaction is slower than the other methods, so that the nitriding treatment time becomes longer.
- nitrogen is converted into an ion or an atomic state (radical) by exciting plasma in the processing chamber, and nitrogen ions and atomic nitrogen N * penetrate and react from the surface of the aluminum film. Convert to aluminum nitride film. Nitrogen ions are accelerated and collide with the aluminum film, so they are more reactive and can reduce the nitriding time, which is preferable. However, if excessive acceleration energy is applied to the nitrogen ion, the aluminum film may be damaged, the surface properties and crystallinity of the aluminum surface may be degraded, and a pinhole may be formed.
- the radical nitriding method reacts with the aluminum film only by the atomic nitrogen N * and is not accelerated, so that the atomic nitrogen N * may damage the aluminum film when it comes into contact with the aluminum film. This is preferable because it can be converted into aluminum nitride without deteriorating the crystallinity of the aluminum film.
- FIG. 2 is a diagram showing a schematic configuration of a microphone mouth-wave radical gun for performing a radical treatment.
- the microphone mouth-wave radical gun 20 has a vacuum chamber 22 provided with a sample table 21 for supporting a substrate to be processed, and evacuates the inside of the vacuum chamber 22 to form a vacuum.
- the pressure in the vacuum chamber is reduced to 0.
- Set the flow rate to about 8 Pa and the flow rate to about 30 sccm.
- the substrate 28 on which the magneto-sensitive element 10 is formed is placed on the sample stage 21, and the temperature of the substrate 28 is set to 25 ° C.
- This temperature setting is preferably in the range of 10 ° C. to 40 ° C., and within this range, the results described below are almost the same.
- a 2.4 GHz microwave is introduced into the discharge tube 23 through the matching device 31 from the coaxial waveguide 30 connected to the external microphone mouth wave power source 29, and the discharge tube 2 3 A high-density plasma is generated inside.
- the distance between the connection portion 22A of the discharge tube 23 and the vacuum chamber 22 and the substrate 28 is set to about 30 cm.
- the input power of the discharge tube 23 is set to 100 W to 200 W, and the processing time is set to about 200 seconds.
- Atomic nitrogen N * generated in the discharge tube 23 is exhausted from the exhaust port 22B at the other end of the vacuum chamber, so that the nitrogen gas flows from the discharge tube 23 along with the flow of nitrogen gas. After entering the vacuum chamber 22, it comes into contact with the aluminum-film surface of the substrate 28 and is converted into an aluminum nitride film.
- the processing time is appropriately selected in relation to the power input power, which is approximately several hundred seconds.
- the microwave radical gun 20 has been described as an example, but a helicon wave or a high-frequency plasma generator can be used. In that case, nitrogen ions may be removed using an ion filter, and only atomic nitrogen N * may be used.
- a second ferromagnetic film 15, an antiferromagnetic film 16, an antioxidant film 18, and an upper electrode 19 are formed on the aluminum nitride film.
- a magnetic field of about 18.5 kA / m (1500 Oe) is applied in a predetermined direction to bring about the antiferromagnetism of the antiferromagnetic film 16 and about 250 ° C. And heat for 180 minutes.
- the magneto-sensitive element 10 of the present embodiment shown in FIG. 1 is formed.
- the insulating film 14 forming the ferromagnetic tunnel junction is converted into an aluminum nitride film by subjecting the aluminum film to a nitride treatment.
- nitriding is performed using atomic nitrogen N *, the aluminum film is not damaged, so the film quality is good, and the interface between the power insulating film 14 and the second magnetic layer 15 is uniform. Pum film can be obtained.
- FIG. 3 is a diagram illustrating a main part of a magneto-sensitive element according to a first modification of the present embodiment.
- portions corresponding to the portions described above are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
- the magneto-sensitive element 40 of this modification has a double ferromagnetic tunnel junction. That is, the magneto-sensitive element 40 of the present modified example includes a lower electrode 12, an antiferromagnetic film 16A, a second ferromagnetic film 15A, and an insulating film 14A on the substrate 11. , The first ferromagnetic film 13, the insulating film 14 B, the second ferromagnetic film 15 B, the antiferromagnetic film 16 B, the antioxidant film 18, and the upper electrode 19. It has a structure laminated in order.
- the feature of this configuration is that the first ferromagnetic tunnel junction 41 consisting of the second ferromagnetic film 15 A / insulating film 14 AZ first ferromagnetic film 13 and the first ferromagnetic film 13 Z insulation
- the second ferromagnetic tunnel junction 42 made of the film 14 BZ second ferromagnetic film 15 B is provided.
- the magnetic layers of the second ferromagnetic films 15A and 15B are fixed in the same direction by the adjacent antiferromagnetic films 16A and 16B, respectively.
- FIG. 4 is a diagram illustrating a main part of a magneto-sensitive element according to a second modification of the present embodiment.
- parts corresponding to the parts described above are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
- the magneto-sensitive element 50 of the present modified example has two ferromagnetic films in which the first ferromagnetic film 13 of the first modified example is antiferromagnetically coupled via a thin non-magnetic film.
- the configuration is the same as that of the first modified example, except that it is replaced with 13A and 13B. That is, the lower ferromagnetic film 13A / non-magnetic film 53Z and the upper ferromagnetic film 13B are used.
- the lower and upper ferromagnetic films 13A and 13B are made of the same magnetic material, and The side ferromagnetic film 13 is formed to be thicker than the upper ferromagnetic film 13B.
- the lower and upper ferromagnetic films 13A and 13B can be made of the same material as the above-mentioned first ferromagnetic film having a thickness of 1 to 30 nm, and the nonmagnetic film 53 has a thickness of, for example, 0.4 nm to 2 nm. Ru, Cr, Ru alloy, Cr alloy.
- As the lower ferromagnetic film 13 and the upper ferromagnetic film 53 / 13B for example, Co 75 Fe 25 (20 nm) / Ru (0.8 nm) / C 075 Fe 25 (12 nm) I do.
- the direction of the magnetization of the lower ferromagnetic film 13A is changed according to the external magnetic field, and the magnetization of the upper ferromagnetic film 13B antiferromagnetically coupled to this magnetization is lower.
- the direction is opposite to the direction of magnetization of the magnetic film 13A.
- An antiferromagnetic film adjacent to each of the two second ferromagnetic films 15A and 15B whose magnetization is fixed is set so that the magnetizations are fixed in opposite directions.
- the TMR ratio is doubled by the first and second ferromagnetic tunnel junctions 51 and 52, and the lower ferromagnetic film constituting the free layer 13AZ non-magnetic film 53Z the upper ferromagnetic film With 13B, the switching characteristics of these magnetizations can be improved.
- FIG. 5A is a plan view of a four-terminal circuit configured to measure the I-V characteristics of the magneto-sensitive element of this embodiment
- FIG. 5B is a cross-sectional view of a main part of the magneto-sensitive element of this embodiment.
- Figure 5 A For reference, two sets of the lower electrode 61 and the upper electrode 62 are drawn out of the magneto-sensitive element 60 shown as a dot because it is minute in the figure, and an applied current I is applied to the lower and upper electrodes of one set.
- a current source 63 was connected to the other pair, and a digibol 64 and the like for detecting the voltage V were connected to the other pair, and I-V characteristics were measured. Referring to FIG.
- the laminated body is cut into a bonding area of several ⁇ 2 or less by photolithography and reactive ion etching to form a silicon oxide film (see FIG. 5B). (Not shown). This will be specifically described below.
- a stack of Ta / Au / Ta was formed on the Si substrate 65 as the lower electrode 66 by 25 nm, 30 nm, and 5 nm, respectively.
- the N 175F e 2 5 4 nm C 074F e 2 s a 3 nm is formed as the first ferromagnetic film 68A 68 B.
- an aluminum film was formed to a thickness of 0.5 nm l. 5 nm, and the microwave radical gun described above was used to apply a power of 10 OW, a vacuum chamber pressure of 0.8 Pa, and a nitrogen gas flow rate of 30 sccm.
- the time was set to 120 seconds to 250 seconds, and the nitriding treatment was performed to convert the aluminum nitride film 69 into a layered aluminum nitride film.
- Co 74 Fe 26 with a thickness of 2.5 nm was formed as the second ferromagnetic film 70, and IrMn with a thickness of 15 nm was formed as the antiferromagnetic layer 71.
- Au having a thickness of 20 nm was formed as the antioxidant film 72.
- a bonding area of several ⁇ 2 was ground by photolithography and ion milling, a silicon oxide film (not shown) was formed for insulation, and then an upper electrode 73 was formed. [Evaluation]
- the tunnel resistance R of the magneto-sensitive element of the example was measured, and the TMR ratio and the R ⁇ value were determined.
- the tunnel resistance R is detected, and the voltage between the lower electrode and the upper electrode is detected.
- the magnitude of the external magnetic field was set to 19.5 kA / m (-50 OOe) and 39.5 kA / m (50 OOe), and the magnetization of the magnetic layer fixed to the antiferromagnetic film in the film plane
- the measurement was performed with the direction and ⁇ applied.
- the TMR rate is the minimum value of the tunnel resistance R, Rmi!
- FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the TMR rate and the RA value.
- RA It can be seen that the TMR ratio has the maximum value when the value is 2 to 5 ⁇ ⁇ ⁇ 2 .
- M 2 there TMR ratio is about 4% in the RA value 7 Omega.
- M 2 an aluminum nitride film by a reactive sputtering method described above Better than the one made.
- the RA value exceeds 7 ⁇ ⁇ zm 2 , the TMR rate further decreases, but this is because the aluminum film serving as the insulating film is not completely nitrided in the thickness direction. It is presumed that there is.
- the IV characteristics of the magneto-sensitive element of the example were measured, and the insulating barrier height ⁇ and the insulating barrier width d of the insulating film were obtained by numerical calculation using the following equations (1) to (4).
- FIG. 7 is a diagram illustrating an example of the I-V characteristic.
- V is the applied voltage
- h, m, and e are Planck's constant, electron mass, and what, respectively.
- FIG. 8A is a diagram showing the relationship between the insulation barrier width d and the RA value
- FIG. 8B is a diagram showing the relationship between the insulation barrier height ⁇ and the RA value.
- the relationship between the insulation barrier width d and the RA value shows that the insulation barrier width d tends to decrease as the RA value decreases! / It can be seen that when the RA value is 7 ⁇ ⁇ ⁇ m 2 or less, the insulation barrier width d is 0.76 nm or less.
- the insulation barrier height ⁇ also shows a tendency for the insulation barrier height ⁇ to decrease as the RA value decreases.
- the insulating barrier height ⁇ is 0.4 eV or less.
- the insulating barrier height ⁇ was about 0.6 eV. It is suitable as an insulating film for a ferromagnetic tunnel junction.
- Figures 7, 8A and 8B show that aluminum nitride by nitridation with atomic nitrogen
- the insulating barrier width d is 0.76 nm or less or the insulating barrier height ⁇ is 0.4 eV or less
- the RA value of the ferromagnetic tunnel junction is 7 ⁇ ⁇ ⁇ m 2. It can be reduced to the following.
- the TMR rate can be higher than 4%. It is to be noted that the lower the insulating barrier height ⁇ is, the better, but if it is excessively low, the tunnel resistance decreases and the TMR ratio also decreases.
- the aluminum nitride film obtained by nitriding the aluminum film with atomic nitrogen and converting it is used as the insulating film of the ferromagnetic tunnel junction. Rate can be improved and the RA value can be reduced. That is, it is possible to realize a magneto-sensitive element that can operate at high speed with high sensitivity.
- FIG. 9 is a cross-sectional view showing a main part of the magnetic storage device.
- FIG. 10 is a plan view showing a main part of the magnetic storage device shown in FIG.
- the magnetic storage device 120 generally includes a housing 123. Inside the housing 1 2 3, there are a motor 1 2 4, a hub 1 2 5, multiple magnetic recording media 1 2 6, multiple recording and playback heads 1 2 7, multiple suspensions 1 2 8, multiple arms 1 2 9 and Actuator Unit 1 2 1 are provided.
- the magnetic recording medium 126 is attached to a hub 125 rotated by a motor 124.
- the read / write head 127 is a composite of an inductive magnetic head 127 A and a read magnetic head 127 B using a magneto-sensitive element having a ferromagnetic tunnel junction. Consists of a mold head. Each recording / reproducing head 127 is attached to the tip of a corresponding arm 127 via a suspension 128.
- the arm 129 is driven by the actuator unit 121.
- the basic configuration of this magnetic storage device is well known, and a detailed description thereof is omitted in this specification.
- This embodiment of the magnetic storage device 120 is characterized by a reproducing magnetic head 127 B.
- FIG. 11 is an enlarged perspective view of the magnetic head shown in FIG.
- the reproducing magnetic head 1 27 B is connected to the slide 1 It is provided on one side of the rotation direction (indicated by an arrow) of the magnetic recording medium 126 of the magnetic disk 130.
- the magnetic head for induction recording 127 A is not shown for convenience of explanation.
- FIG. 12 is a diagram showing a configuration of a surface of the magnetic head for reproduction facing the magnetic recording medium.
- the reproducing magnetic head 1 2 7 B has two shield films 13 1, a magneto-sensitive element 13 2 sandwiched between the shield films 13 1, and a shield film. And an insulating film 133 for insulating the magnetic element.
- the magneto-sensitive element 132 for example, the above-described magneto-sensitive element of the first embodiment shown in FIGS. 1 to 3 is used.
- the tunneling resistance value of the magneto-sensitive element 132 changes due to the relative angle of the magnetization forming the ferromagnetic tunnel junction of the magneto-sensitive element changing according to the magnetic field leaking from the magnetic recording medium 126. I will do it.
- Information on the magnetic recording medium 126 can be read by detecting the current supplied and discharged by the lower electrode 134 and the upper electrode 1.35 and the voltage determined by the tunnel resistance value.
- the recording / reproducing head 127 of the magnetic storage device 120 is provided with the high-sensitivity magneto-sensitive element 132, the reproducing capability is high and corresponds to one bit of information. Even if the magnetic field leaking from the magnetic reversal area of 1 magnetic reversal is very small, it can be reproduced and is compatible with high-density recording.
- FIG. 13 shows the second embodiment of the present invention.
- MRAM Magnetic Random Access Memory
- FIG. 14 is a schematic configuration diagram of a magnetic memory according to a third embodiment.
- a magnetic memory 80 has a structure in which the magneto-sensitive elements 81 according to the first embodiment of the present invention are arranged in a matrix, and a read line 82 and a column run in the row direction.
- a current source, a switch, a voltage detection circuit, etc. (not shown) for supplying a current to each of the word line 82 and the bit line 83 are connected to the bit line 83 running in the direction. .
- a current is simultaneously applied to the word line 82 and the bit line 83 connected to the magneto-sensitive element 81 to be written, and the magnetic field generated by the current causes the magneto-sensitive element 8 to move. Invert the magnetization of 1.
- the free layer shown in Fig. 1 The magnetization of the first ferromagnetic film 13 of the first embodiment is stored as bit 0 or bit 1 depending on whether the magnetization of the second ferromagnetic film 15 is TO or antiparallel to the magnetization of the second ferromagnetic film 15. can do.
- a current flows from the bit line 83 connected to the magnetic sensing element 81 to be read to the word line 82 through the magnetic sensing element 81.
- the state is read from the voltage across the magneto-sensitive element 81. Therefore: • It is possible to determine whether the bit of the magneto-sensitive element 81 is 0 or 1.
- the magneto-sensitive element of the first embodiment is used. Since the magneto-sensitive element has high sensitivity, the write current can be reduced, and the ferromagnetic tunnel resistance can be reduced. Since the current is reduced, the current flowing during the read operation can be increased to some extent, and the read can be performed stably without being disturbed by noise.
- FIG. 14 is a schematic configuration diagram of a contactless rotary switch according to the fourth embodiment of the present invention.
- the contactless rotary switch 90 of the present embodiment includes a rotatable shaft 91, a rotating disk 92 coupled to the shaft, and a peripheral end surface of the rotating disk 92.
- the magneto-sensitive element 95 for example, the above-described magneto-sensitive element of the first embodiment shown in FIGS. 1 to 3 is used.
- the plurality of magnetic bodies 93 are arranged at equal angular intervals so that the magnetization directions are circumferential and the magnetic bodies 93 adjacent to each other have opposite magnetization directions. Therefore, when the shaft '91 is driven to rotate, a magnetic field leaked or sucked from the magnetic body 93 is alternately applied to the rotation detecting element 94.
- the rotation detection element 94 is separated in the rotation direction.
- two magneto-sensitive elements are provided. Since the tunneling resistance of the magneto-sensitive element changes according to the magnetic field from the magnetic material, a voltage signal proportional to the tunneling resistance is output by the applied current.
- the rotation direction and speed (rotation speed) of the shaft are detected based on the magnitude and phase of the voltage signals of the two magneto-sensitive elements.
- the rotation detecting element 94 of the contactless rotation switch 90 since the rotation detecting element 94 of the contactless rotation switch 90 includes the high-sensitivity magneto-sensitive element 95, even if the magnetic body 93 is minutely rotated, it can be rotated with high precision. Direction, speed, and its change can be detected. Furthermore, since the magneto-sensitive element 95 can be miniaturized, a compact non-contact rotary switch can be provided.
- the encoder device of the present invention is not limited to a contactless rotary switch, but also includes, for example, a backward encoder.
- a contactless rotary switch but also includes, for example, a backward encoder.
- the insulating film of the ferromagnetic tunnel junction for detecting the external magnetic field in the magneto-sensitive element is made of aluminum nitride, and the barrier height of the ferromagnetic tunnel junction is reduced to 0.4 eV or less. It became possible to reduce the tunneling resistance, and at the same time, it was possible to increase the tunnel magnetoresistance change rate. As a result, a highly sensitive magnetosensitive element was realized.
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Description
感磁素子及ぴその製造方法、 並びにその感磁素子を用いた
磁気へッド、 エンコーダ装置、 及び磁気記憶装置 技術分野
本発明は、 強磁性トンネル接合部を有する感磁素子、 その感磁素子を用いた磁 気へッド、 エンコーダ装置、 及び磁気記憶装置に関する。
磁気記憶装置、 特に磁気ディスク装置の磁気へッドの再生用へッドには感磁素 子が備えられている。 従来、 この感磁素子にはスピンバルブ型の GMR薄膜が用 Vヽられて!/、るが、 さらなる磁気抵抗効果率の向上を図るために強磁性トンネル接 合部を有する TMR薄膜の研究が進められている。 背景技術
金属膜 Z絶縁膜/金属膜という接合を有する積層体の両側の金属膜に電圧を印 加すると、 絶縁膜が数 nm以下の厚さでは絶縁膜にも拘わらず電流が流れる現象 が認められる。 これは、 量子力学的効果により絶縁膜のエネルギー障壁を電子が ¾ϋする確率が 0でな 、ことによる。 この電流及び接合は、 それぞれトンネル電 流、 トンネル接合と呼ばれている。
絶縁膜には金属の酸化膜が通常使用される。 例えば、 アルミニウムの表面層を 自然酸化法やプラズマ酸化法、 熱酸化法などにより酸化させる。 これらの方法お ょぴその条件により、 表面の数 n m以下の厚さの酸化アルミニウム膜を形成する ことができ、 この接合の絶縁膜として使用することができる。 トンネル接合は、 I - V特 '性はォーミックではなく非線形性を示すので、 非線型素子として使用さ れてきた。
トンネル接合の金属膜を強磁性膜に置換すると、 強磁性トンネル接合を形成す ることができる。 強磁性トンネル接合は、 そのトンネル抵抗が両側の強磁性膜の 磁化状態に依存することが知られている。 すなわち外部から印加する磁場によつ てトンネル抵抗を制御することができる。 トンネル抵抗 Rは、 それぞれの強磁性
膜の磁ィ匕の相対角度 0を用いて、 R = Rs+0. 5 AR (1 - c o s Θ) と表され る。 すなわち、 磁化の向きが ¥^亍なとき (0=0) はトンネル抵抗 Rが最小とな り (R = Rs)、磁ィ匕の向きが反 亍なとき (0 = 180) は最大となる (R = Rs
+ AR)0
これは、 強磁性膜内部の電子が分極していることに起因している。 例えば非磁 性金属内部の電子は、 上向きスピンと下向きスピンを有する電子は同数存在する ため全体として非磁性となる。 一方磁性金属内部では、 上向きスピンを有する電 子数 Nupと下向きスピンを有する電子数 Nd,は異なるため、 全体として上向き あるいは下向きの磁化を有する。 電子が絶縁膜をトンネルする際はスピンの向き が保存されることが知られている。 したがって、 絶縁膜を¾1した先、 すなわち トンネル先の電子状態に空きがなければトンネルすることができない。
トンネル磁気抵抗変化率(以下 TMR率と呼ぶ。) ARZRは、電子源(一方の 強磁性膜) の偏極率 Piとトンネル先 (他方の強磁性膜) の偏極率 P2により、 Δ R/R=2 PiX P2/ (1 -ΡιΧ P2) で表され、 Ρι、 P2= 2 (Nup— Ndown) / (Nup+ Ndown) で表される。 Pl、 P2は強磁性膜の種類及び組成に依存し、例 えば、 Ni Fe、 Co、 Co Feの分極率はそれぞれ 0. 3、 0. 34、 0. 4 6であり、 この場合 TMR率は、 理論的には約 20 %、 26 %、 54 %となり、 従来の異方性磁気抵抗効果 (AMR) や、 巨大磁気抵抗効果 (GMR) より高い TMR率が期待できる。
一方、 強磁性トンネル接合に電流を流し、 その電位差を検出する観点から、 ト ンネル抵抗 Rの大きさは小さい方が野望ましい。 トンネル抵抗 Rは、 絶縁膜の絶 縁障壁高さ Ψと絶縁障壁幅 dに依存することが知られている。 すなわち、 トンネ ル抵抗 Rは、 R=e xp (dX ^2) と表され、 絶縁障壁高さ φの低い、 絶縁障 壁 dの狭レヽ絶縁膜が望まれている。
従来、 絶縁膜には主に酸ィ匕アルミニウム膜が用いることが提案されている。 し かしながら、 磁気センサ、 特に超高密度記録、 例えば 100Gb i t_ i n2以 上の磁気へッドに使用するにはトンネル抵抗 Rが高抵抗であるので実用化には困 難が伴う。 また、 一方、 酸化アルミニウム膜の代わりに窒化アルミニウム膜を使 用してトンネル抵抗 Rを低減する検討が行われている。 Sunらは、 窒素を含むァ
ルゴンガス雰囲気中でアルミニウムを反応性スッパッタリングにより成膜し、 窒 化アルミニウム膜を形成しているが、 高い TMR率の強磁性トンネル接合は得ら れていない (J. J. Sun, R. C. Sousa; J. Magn. Soc. Japan 23, 55(1999))。 発明の開示
そこで、 本発明は上記の課題を解決した新規かつ有用な感磁素子及ぴその製造 方法、 並びにその感磁素子を用いた磁気へッド、 エンコーダ装置、 及び磁気記憶 装置を ¾することを概括課題とする。
本発明により具体的な課題は、 トンネル磁気抵抗変化率が高くかつトンネル抵 抗の低い強磁性トンネル接合部を有する高感度な感磁素子及びその製造方法を提 供することにある。
本発明の他の課題は、
2つの強磁性膜と該強磁性膜に挟まれた絶縁膜とよりなる強磁性トンネル接合 部を有し、 絶縁膜は窒ィ匕アルミユウム膜である感磁素子であって、
前記強磁性トンネル接合部の障壁高さが 4 e V以下である感磁素子を提供 することである。
本発明によれば、 感磁素子において外部磁場を検知する強磁性トンネル接合部 の絶縁膜を窒化アルミニゥムより構成し、強磁性トンネル接合部の障壁高さを 0 . 4 e V以下する。 窒化アルミニウムでかつ絶縁膜の障壁高さを低下させることに よりトンネル抵抗値を低減することが可能となるとともにトンネル磁気抵抗変化 率を増加することが可能となる。 その結果、 高感度な感磁素子を提供することが できる。
本発明のその他の課題は、
第 1の反強磁性膜と、第 1の強磁性膜と、第 1の絶縁膜と、第 2の強磁性膜と、 第 2の絶縁膜と、 第 3の強磁性膜と、 第 2の反強磁性膜とがこの順に積層されて なる 2つの強磁性トンネル接合部を有し、 第 1および第 2の絶縁膜のうち少なく とも一方は窒ィ匕アルミニウム膜である感磁素子であって、
前記窒化アルミニウム膜を有する強磁性トンネル接合部の障壁高さが 0 . 4 e V以下である感磁素子を提供することである。
本発明によれば、 感磁素子において強磁性トンネル接合部を二重に設け、 第 1 の強磁性膜および第 3の強磁性膜はそれぞれ隣接する第 1の反強磁性膜及び第 2 の反強磁性膜により磁化の方向が固定されている。 したがって、 二重の磁性トン ネル接合部により一層トンネル磁気抵抗変化率を増加することが可能となり、 強 磁性トンネル接合部が対称に配置されているので、 第 2の強磁性膜の磁化が外部 磁場に応じて回転するスィツチング磁場を安定化することが可能となる。 さらに 強磁性トンネル接合部の絶縁膜を窒ィ匕アルミニゥムより構成し、 強磁性トンネル 接合部の障壁高さを 0 . 4 e V以下する。 窒ィ匕アルミニウムでかつ絶縁膜の障壁 高さを低下させることによりトンネル抵抗値を低減することが可能となるととも にトンネル磁気抵抗変化率を增加することが可能となる。 その結果、 スィッチン グ磁場が安定した、 より一層高感度な感磁素子を提供することができる。
本発明のその他の課題は、
第 1の強磁性膜と、 絶縁膜と、 第 2の強磁性膜とがこの順に積層されてなる強 磁性トンネル接合部を有し、 前記絶縁膜は窒ィ匕アルミニゥム膜である感磁素子の 製造方法であって、
前記第 1の強磁性膜上にアルミニウム膜を堆積する工程と、
前記アルミニウム膜を、 窒素を含むガス中にプラズマを励起することにより前 記アルミニゥム膜を前記窒化アルミニゥム膜に変換する工程とを含む感磁素子の 製造方法を提供することである。
本発明によれば、 強磁性トンネル接合部を形成する絶縁膜である窒化アルミ二 ゥムは、 窒素を含むガス中にプラズマを励起し、 発生する窒素イオンあるいは原 子状窒素 N*を第 1の強磁性膜上に形成されたアルミニウム膜に接触させて、窒化 反応を生じさせて形成される。 窒素イオンのアルミニウム膜への入射エネルギー は可能な限り低い程良く、 特に真空チャンバ内の窒素ガスの流れに乗ってアルミ 二ゥム膜表面に到達する原子状窒素 N*のみを用いることが更に好ましレ、。このよ うな場合アルミニウム膜の膜質を損なわずに窒化アルミ二ゥム膜を形成すること ができ、 過剰な窒素の侵入を抑制することができるので窒化アルミニウムの緻密 性を保持可能である。 したがって良質な窒化アルミニウム膜が得られるため、 ト ンネル磁気抵抗変化率が高く トンネル抵抗が低抵抗の強磁性トンネル接合部を有
する高感度な感磁素子を実現することができる。 図面の簡単な説明
図 1は、 本発明の実施の形態の感磁素子の主要部を示す図である。
図 2は、 ラジカル処理を行うマイク口波ラジカルガンの概要構成を示す図であ る。
図 3は、 本発明の実施の形態の第 1変形例である感磁素子の主要部を示す図で ある。
図 4は、 本発明の実施の形態の第 2変形例である感磁素子の主要部を示す図で ある。
図 5 Aは、 本発明の実施例の感磁素子の I—V特性を測定するために構成した 四端子回路の平面図、 図 5 Bは本発明の実施例の感磁素子の主要部の断面図であ る。
図 6は、 TMR率と R A値との関係を示す図である。
図 7は、 I一 V特性の一例を示す図である。
図 8 Aは絶縁障壁幅 dと R A値との関係を示す図、 図 8 Bは絶縁障壁高さ と R A値との関係を示す図である。
図 9は、本発明の第 2の実施の形態の磁気記憶装置の要部を示す断面図である。 図 1 0は、 図 9に示す磁気記憶装置の要部を示す平面図である。
図 1 1は、 図 1 0に示す磁気へッドを拡大して示す斜視図である。
図 1 2は、 再生用磁気へッドの媒体対向面の構成を示す図である。
図 1 3は、 本努明の第 3の実施の形態の磁気メモリの概略構成図である。 図 1 4は、 本発明の第 4の実施の形態の無接点回転スィツチの概略構成図であ る 発明を実施するための最良の態様
以下に、 本発明の実施の形態を挙げて詳細に説明する
[第 1の実施の形態]
まずは、 本発明の感磁素子について説明する。
図 1は、本実施の形態の感磁素子の主要部を示す図である。図 1を参照するに、 本実施の形態の感磁素子 10は、 基板 11上に、 下部電極 12と、 第 1強磁性膜 13と、 絶縁膜 14と、 第 2強磁十生膜 15と、 反強磁十生膜 16と、 酸ィ匕防止膜 1 8と、 上部電極 19とがこの順に積層された構造を有している。 この構成で特徴 的なのはこのうち第 1強磁性膜 13/絶縁膜 14/第 2強磁性膜 15が強磁性ト ンネル接合を形成し、 第 2強磁性膜 15の磁化は隣接する反強磁性膜 16との界 面の一方向異方性を利用して固定されている。 したがって、 外部から印加される 磁場に応じて、 磁ィ匕固定層の第 2強磁性膜 15に対して、 フリー層である第 1強 磁性膜 13の磁化の方向が変化し、 2つの磁化の相対角度により トンネル抵抗値 が変ィ匕する。
基板 11は、 アルチック ( A 12〇3と T i Cとのセラミック) などの絶縁体、 S iウェハなどの半導体を用いることができ、 特に基板 11の材質は限定されな い。 基板 11上に積層される強磁性トンネル接合を形成する薄膜を均一に形成す る観点から平坦度が良好であることが好ましい。 下部電極 12は、 例えば厚さが 511111〜4011111の下&、 Cu、 Au、 あるいはこれらの積層体より構成されて レ、る。
第 1強磁性膜 13は、 例えば厚さが 1 nm〜30 nmの Co、 Fe、 N i及ぴ れらの元素を含む軟磁性強磁性材料、例えば、 N i so F e 20、 C o 75 F e 25など、 または、これらの膜の積層体により構成されている。第 1強磁性膜 13の磁化は、 膜の面内にあり、外部磁場の方向に応じて磁ィ匕の向きが変わるようになつている。 絶縁膜 14は、 厚さが 0. 5nm〜2. Onm (好ましくは 0. 7nm〜l. 2 nm)の窒化アルミニゥムにより構成されて!/、る。この窒化アルミニゥム膜は、 後述する製造方法により、 蒸着法、 スパック法などにより形成されたアルミユウ ム膜を窒化処理することにより変換されて形成されたものである。 窒化アルミ二 ゥム膜の組成は、 A 1 i-xNxと表した場合、化合物組成 X =50原子0 /0に対して良 好な絶縁特性を有し、 力つ安定で窒素が拡散しない点で X=40原子%〜60原 子%であることが好まし!/、。 窒化処理によりこのような組成の窒化アルミニゥム 膜を形成することができる。
第 2強磁性膜 15は、 第 1強磁性膜 13と同様の厚さおよび軟磁性強磁性材料
により構成されている。 なお、 第 2強磁性膜は、 第 1強磁性膜 13と異なる組成 であってもよい。
この第 2磁性膜 15は後述する反強磁性膜 16との交 m¾互作用により磁化の 方向が固定される。すなわち、外部磁場が印可されても磁化の方向は変化しない。 その結果、 上述した第 1強磁性膜 13の磁化のみが外部磁場に応じて向きが変化 するので、 第 2強磁性膜 15の磁化に対する第 1強磁性膜 13の磁化の相対角度 によりトンネル磁気抵抗率が変化する。
反強磁性膜 16は、例えば厚さが 5 nm〜 30 nmの Re、 Ru、 Rh、 P d、 I r、 P t、 Cr、 F e、 N i、 Cu、 A g及ぴ Auよりなる群のうち少なくと も 1種の元素と Mnとを含む反強磁性層により構成される。 このうち Mnの含有 量は 45原子%〜 95原子0 /0であることが好ましレ、。 この反強磁性膜 16は、 所 定の磁場中で加熱処理を行うことにより反強磁性が出現する。
酸化防止膜 18は、 例えば厚さが 5 nm〜30 nmの Au、 Ta、 Al、 Wな どの非磁性金属により構成される。 反強磁性膜 16の熱処理の際にこれらの積層 体が酸化するのを防止するために設けられる。 上部電極 19は、 下部電極 12と 同様に導電性の良好な非磁性材料により構成される。
本実施の形態の感磁素子 10は絶縁膜 14としてアルミニウム膜を窒ィ匕処理、 特に原子状窒素 N*により窒化アルミニウム膜に変換したものを用いている点に 特徴がある。 次にこの窒ィ匕処理を中心に本実施の形態の感磁素子 10の製造方法 を説明する。
絶縁膜 14以外の感磁素子 10を構成する各々の膜を、スパッタ法、メッキ法、 真空蒸着法などにより形成する。
先ず、 基板 11上に、 下部電極 12と第 1強磁性膜 13をこの順に形成後に、 この積層体の上にスパッタ法、 真空蒸着法などにより厚さ 0. 5nm〜l. 5n mのアルミニウム膜を形成する。
次いで、 自然窒化法、 ラジカル窒化法、 プラズマ窒ィ匕法などによりアルミニゥ ム膜を窒ィ匕処理する。 自然窒化法は、 処理室内に窒素を導入することにより、 ァ ルミ二ゥム膜を窒素に曝し、 アルミニウム膜の表面において窒化反応を起こさせ る。 自然窒化法は、 窒化反応がアルミニウム膜全体あるいは基板全体に亘つて均
一に進む点で好ましいが、 窒化反応が他の方法と比較して遅いため窒化処理時間 が長くなつてしまう。
一方、 ブラズマ窒化処理は、 処理室内にプラズマを励起することにより窒素が イオンあるいは原子状態(ラジカル) になり、窒素イオン及び原子状窒素 N*がァ ルミ二ゥム膜表面から侵入'反応して窒化アルミニウム膜に変換する。 窒素ィォ ンは、 加速されてアルミニウム膜に衝突するので、 より反応性に富み、 窒化処理 時間を短縮することができる点で好ましレ、。 ただし、 過度の加速エネルギーを窒 素ィオンに与えるとアルミ-ゥム膜に損傷を与え、 アルミユウム表面の表面性や 結晶性の劣化を招き、 さらにはピンホールなどを形成してしまうおそれもある。 他方、 ラジカル窒化法は、原子状窒素 N*のみにより、かつ加速されずにアルミ ニゥム膜と反応するので、原子状窒素 N*がアルミニウム膜に接触する際にアルミ 二ゥム膜に損傷を与えることがなく、 アルミニゥム膜の結晶性を損なうことなく 窒化アルミニゥムに変換できる点で好ましい。
図 2は、 ラジカル処理を行うマイク口波ラジカルガンの概要構成を示す図であ る。 図 2を参照するに、 マイク口波ラジカルガン 2 0は、 被処理基板を支持する 試料台 2 1を備えた真空チャンバ 2 2を有し、 前記真空チャンパ 2 2内を真空に し、 前記真空チヤンパ 2 2の壁面の一部に形成した放電管 2 3に窒素ボンべ 2 4 よりパルプ 2 5及び流量コントローラ 2 6を介して N2ガスを導入することで真 空チャンバ内の圧力を 0 . 8 P a程度、 流量を 3 0 s c c m程度に設定する。 さ らに、 感磁素子 1 0を形成する基板 2 8を試料台 2 1に置き、 基板 2 8の温度を 2 5 °Cに設定する。 この温度設定は 1 0°C〜4 0 °Cの範囲であるのが好ましく、 この範囲内であれば以下に述べる結果はほとんど同様のものになる。
次に外部のマイク口波電源 2 9に接続された同軸導波管 3 0から整合器 3 1を 通して放電管 2 3内に 2. 4 GH zのマイクロ波を導入し、 放電管 2 3内に高密 度のプラズマを生成する。 放電管 2 3と真空チヤンパ 2 2の接続部 2 2 Aと基板 2 8の間隔は 3 0 c m程度に設定する。
放電管 2 3の投入パワーを 1 0 0 W〜 2 0 0W、 処理時間を 2 0 0秒程度に設 定する。放電管 2 3内で発生した原子状窒素 N*は、真空チャンパの他端で排気口 2 2 Bより窒素ガスが排気されるため、 窒素ガスの流れに乗って放電管 2 3より
真空チヤンバ 2 2内に入り、 基板 2 8のアルミ-ゥム膜表面に接触し窒化アルミ ニゥム膜に変換する。 なお、 処理時間はおおよそ数百秒である力 投入パワーと の関係で適宜選択される。
なお、 マイクロ波ラジカルガン 2 0を例として説明したが、 ヘリコン波あるい は高周波プラズマ発生装置を用いることができる。 その際はイオンフィルタを用 いて窒素イオンを除去し、 原子状窒素 N*のみを用いるようにしてもよい。
次に、 窒化アルミ-ゥム膜の上に、 第 2強磁性膜 1 5と、 反強磁性膜 1 6と、 酸化防止膜 1 8と、 上部電極 1 9とをこの)噴に形成する。 次に反強磁性膜 1 6の 反強磁性を出現させるために所定の方向に磁場を 1 1 8 . 5 k A/m ( 1 5 0 0 O e ) 程度印可して 2 5 0 °C程度で 1 8 0分加熱処理する。 以上により、 図 1に 示す本実施の形態の感磁素子 1 0が形成される。
本実施の形態によれば、 上述したように、 強磁性トンネル接合を構成する絶縁 膜 1 4がアルミニゥム膜を窒ィ匕処理にすることにより窒化アルミニゥム膜に変換 される。特に原子状窒素 N*を用いて窒化するので、 アルミニウム膜を損傷するこ とないので膜質の良好な、 力つ絶縁膜 1 4 /第 2磁性層 1 5の界面が均一な窒ィ匕 アルミ-ゥム膜を得ることができる。
図 3は、 本実施の形態の第 1変形例である感磁素子の主要部を示す図である。 図 3中、 先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、 説明を省 略する。
図 3を参照するに、 本変形例の感磁素子 4 0は、 強磁性トンネル接合部を二重 に形成したものである。 すなわち、 本変形例の感磁素子 4 0は、 基板 1 1上に、 下部電極 1 2と、反強磁性膜 1 6 Aと、第 2強磁性膜 1 5 Aと、絶縁膜 1 4 Aと、 第 1強磁性膜 1 3と、 絶縁膜 1 4 Bと、 第 2強磁性膜 1 5 Bと、 反強磁性膜 1 6 Bと、 酸化防止膜 1 8と、 上部電極 1 9とがこの順に積層された構造を有してい る。 この構成で特徴的なのは第 2強磁性膜 1 5 A/絶縁膜 1 4 AZ第 1強磁性膜 1 3よりなる第 1の強磁性トンネル接合部 4 1と、 第 1強磁性膜 1 3 Z絶縁膜 1 4 B Z第 2強磁性膜 1 5 Bよりなる第 2の強磁性トンネル接合部 4 2とが設けら れていることである。 第 2強磁性膜 1 5 A、 1 5 Bの磁ィ匕がそれぞれ隣接する反 強磁性膜 1 6 A、 1 6 Bにより同じ方向に固定されている。 したがって、 本変形
例によれば、 フリ一層である第 1強磁性膜の磁化が外部磁場に応じて方向が変化 することにより、 第 1強磁性膜の磁化と 2つの第 2強磁性膜の磁化の相対角度は それぞれ同様となるので、 第 1及ぴ第 2強磁性トンネル接合部のトンネル抵抗は 同様に変化するので TMR率は 2倍になり、より高感度の感磁素子が実現できる。 図 4は、 本実施の形態の第 2変形例である感磁素子の主要部を示す図である。 図 4中、 先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、 説明を省 略する。
図 4を参照するに、 本変形例の感磁素子 50は、 第 1変形例の第 1強磁性膜 1 3を、 薄層の非磁性膜を介して反強磁性結合した 2つの強磁性膜 13A、 13B に置換した以外は第 1変形例と同様に構成されている。 すなわち、 下側強磁性膜 13 A/非磁性膜 53 Z上側強磁性膜 13 Bとし、 例えば、 これらの下側及び上 側強磁性膜 13A、 13Bの磁生材; 成を同様として、 さらに下側強磁性膜 1 3の膜厚を上側強磁性膜 13 Bより厚く形成する。下側及び上側強磁性膜 13A、 13Bは厚さ l〜30nmの上述した第 1強磁性膜と同様の材料を用いることが でき、非磁性膜 53は、例えば厚さ 0. 4 nm〜2 nmの Ru、 C r、 Ru合金、 C r合金により構成される。 下側強磁性膜 13 ΑΖ»性膜 53/上側強磁性膜 13 Bとしては、 例えば C o 75 F e 25 (20 nm) /Ru (0. 8 nm) /C 075 F e25 (12nm) とする。 このようにすると、 外部磁場に応じて、 下側強磁性 膜 13 Aの磁化の方向が変ィ匕し、 この磁化と反強磁性的に結合した上側強磁性膜 13 Bの磁化は下側強磁性膜 13 Aの磁化の方向と反対の向きになる。 磁化が固 定される 2つの第 2強磁性膜 15A、 15 Bを互いに反対方向に磁化が固定され るようにそれぞれに隣接する反強磁性膜を設定する。 本変形例によれば、 第 1及 ぴ第 2強磁性トンネル接合部 51、 52により TMR率は 2倍となるとともに、 フリー層を構成する下側強磁性膜 13AZ非磁性膜 53Z上側強磁性膜 13Bに より、 これらの磁化のスイッチング特性を向上することができる。
C実施例]
図 5 Aは、 本実施例の感磁素子の I一 V特性を測定するために構成した四端子 回路の平面図、 図 5 Bは本実施例の感磁素子の主要部の断面図である。 図 5 Aを
参照するに、 図中微小なため点状に示される感磁素子 60より 2組の下部電極 6 1およぴ上部電極 62を引き出して、 一方の組の下部及び上部電極に印加電流 I を流すための電流源 63を接続し、 他方の組に電圧 Vを検出するためのデジボル 64等を接続し、 I一 V特性を測定した。 図 5 Bを参照するに、 感磁素子 60は 酸化防止膜までを形成後、 フォトリソグラフィ法および反応性イオンエッチング により、 積層体を数 μπι2以下の接合面積に切削し、 シリコン酸化膜 (図示せず) により絶縁した。 以下具体的に説明する。
S i基板 65上に下部電極 66として Ta/Au/Taの積層体をそれぞれ 2 5nm 30nm 5nm形成した。 次に、 第 1強磁性膜 68A 68 Bとして N 175F e25を 4 nm C 074F e2sを 3 nm形成した。次にアルミニウム膜を 0. 5nm l. 5 nmの厚さに形成し、 上述したマイクロ波ラジカルガンにより、 投入パワー 10 OW、 真空チャンパ内圧力を 0. 8 P a、 窒素ガス流量 30 s c c m、 処理時間 120秒〜 250秒に設定して窒化処理を行レヽ窒化アルミニゥム 膜 69に変換した。第 2強磁性膜 70として厚さ 2. 5nmの Co74Fe26、反強 磁性層 71として厚さ 15nmの I rMnを形成した。 次 、で酸化防止膜 72と して厚さ 20 nmの Auを形成した。 次いでフォトリソグラフィ法及ぴィオンミ リングにより数 μπι2の接合面積に研削し、 絶縁のためにシリコン酸化膜 (図示 せず) を形成し、 次いで上部電極 73を形成した。 [評価]
実施例の感磁素子のトンネル抵抗 Rを測定し、 TMR率及び R Α値と求めた。 トンネル抵抗 Rを、 磁ィ匕が TOの状態で感磁素子の下部電極と上部電極間の電圧 が 50 m Vになる電流値を印加し、 下部電極と上部電極間の電圧を検知して、 外 部磁界の大きさを一 39. 5 kA/m (—50 OOe) 39. 5 kA/m (5 0 OOe) に設定し、 膜面内に反強磁性膜に固定された磁性層の磁化方向と 亍 に印可して測定した。 また、 TMR率は、 トンネル抵抗 Rの最小値を Rmi!!、最大 値を Rmaxとして、 TMR率 (%) = (Rmax-Rmin) / (R ma " " kmin 0 0とし、 R A値を Rminと強磁性トンネル接合の接合面積 Aとの積とした。
図 6は、 TMR率と R A値との関係を示す図である。 図 6を参照するに、 RA
値が 2〜5 Ω · μπι2では TMR率が最大値をもつことがわかる。 また、 RA値が 5 Ω . m2より大きな範囲では TMR率が減少するが、 RA値が 7 Ω . m2で は TMR率が 4%程度あり、 上述した反応性スパッタ法により窒化アルミニウム 膜を作製したものより良好である。 なお、 RA値が 7 Ω · zm2を超える範囲で はさらに TMR率が減少するが、 これは、 絶縁膜となるアルミニウム膜の厚さ方 向に亘つて完全に窒ィ匕していないためであると推察される。
次に実施例の感磁素子の I—V特性を測定し、 以下の式 (1) 〜 (4) を用い て絶縁膜の絶縁障壁高さ Φおよび絶縁障壁幅 dを数値計算により求めた。
図 7は、 I一 V特性の一例を示す図である。 図 7に示すように電流 Iは、 V = 0付近では線形的に変化するが、 V=0から離れるにつれて V3に比例する。 し たがって、 I一 V特性は計算式 (1) のように表すごとができる。
Θ =(α β ^2/ά)Χ e χ ρ(-ο; d φν2) (2)
7 =(α d)V(9 6 φ)~(α d e2/32)Χ φ·3/2 (3)
ここで、 Vは印加電圧、 h、 m、 eはそれぞれプランク定数、 電子の質量、 及ぴ 何である。
図 8 Aは絶縁障壁幅 dと R A値との関係を示す図、 図 8 Bは絶縁障壁高さ φと R A値との関係を示す図である。
図 8 Aを参照するに、 絶縁障壁幅 dと RA値との関係は、 R A値が小さいほど 絶縁障壁幅 dが減少する傾向を示して!/、る。 R A値が 7 Ω · μ m2以下のときに、 絶縁障壁幅 dが 0. 76 nm以下になっていることがわかる。
また、 図 8 Bに示すように、 絶縁障壁高さ φも同様に、 RA値が小さいほど絶 縁障壁高さ Φが減少する傾向を示している。 特に、 RA値が 7 Ω · μηι2以下の ときに、 絶縁障壁高さ φが 0. 4 eV以下になっていることがわかる。 また、 上 述した反応性スパッタ法により窒化アルミニウム膜を作製したものは、 絶縁障壁 高さ φが 0. 6 eV程度であったので、 本発明による原子状窒素による窒化処理 による窒化アルミニゥム膜は、 強磁性トンネル接合の絶縁膜として好適である。 図 7、 図 8 Aおよび図 8 Bより、 原子状窒素による窒化処理による窒化アルミ
二ゥム膜は、 絶縁障壁幅 dを 0 . 7 6 n m以下、 あるいは絶縁障壁高さ φを 0 . 4 e V以下とすることにより、 強磁性トンネル接合の R A値を 7 Ω · μ m2以下 に低減することが可能である。 さらに、 TMR率を 4 %以上とすることも可能で ある。 なお、 絶縁障壁高さ φは低いほどよいが、 過度に低い場合トンネル抵抗が 低下し、 力つ TMR率も低下するので 0 . 2 e V以上であることが好ましい。 したがって、 感磁素子の本実施例によれば、 強磁性トンネル接合部の絶縁膜と してアルミニゥム膜を原子状窒素による窒化処理されて変換された窒化アルミ二 ゥム膜を用いることにより、 TMR率を向上しかつ R A値を低減することができ る。 つまり、 高感度でかつ高速動作可能な感磁素子を実現することができる。
[第 2の実施の形態]
次に、 本発明の磁気記憶装置の一実施の形態を示す図 9及び図 1 0と共に説明 する。 図 9は、 磁気記憶装置の要部を示す断面図である。 図 1 0は、 図 9に示す 磁気記憶装置の要部を示す平面図である。
図 9及ぴ図 1 0を参照するに、 磁気記憶装置 1 2 0は大略ハウジング 1 2 3力 らなる。 ハウジング 1 2 3内には、 モータ 1 2 4、 ハブ 1 2 5、 複数の磁気記録 媒体 1 2 6、 複数の記録再生へッド 1 2 7、 複数のサスペンション 1 2 8、 複数 のアーム 1 2 9及びァクチユエータュニット 1 2 1が設けられている。 磁気記録 媒体 1 2 6は、 モータ 1 2 4より回転されるハブ 1 2 5に取り付けられている。 記録再生へッド 1 2 7は、 誘導型記録用磁気へッド 1 2 7 Aと強磁性トンネル接 合部を有する感磁素子を用いた再生用磁気へッド 1 2 7 Bとの複合型へッドから なる。 各記録再生へッド 1 2 7は対応するアーム 1 2 9の先端にサスペンション 1 2 8を介して取り付けられている。 アーム 1 2 9はァクチユエータュニット 1 2 1により駆動される。 この磁気記憶装置の基本構成自体は周知であり、 その詳 細な説明は本明細書では省略する。
磁気記憶装置 1 2 0の本実施の形態は、 再生用磁気へッド 1 2 7 Bに特徴があ る。
図 1 1は、 図 1 0に示す磁気へッドを拡大して示す斜視図である。 図 1 1を参 照するに、 再生用磁気へッド 1 2 7 Bはスペンション 1 2 8に支持されたスライ
ダ 1 3 0の磁気記録媒体 1 2 6の回転方向 (矢印で示す) の一側に設けられてい る。なお誘導型記録用磁気へッド 1 2 7 Aは説明の便宜のため図示されていない。 図 1 2は、 再生用磁気へッドの磁気記録媒体の対向面の構成を示す図である。 図 1 2を参照するに、再生用磁気へッド 1 2 7 Bは、 2つのシールド膜 1 3 1と、 シールド膜 1 3 1に挟まれた感磁素子 1 3 2と、 シールド膜と感磁素子とを絶縁 する絶縁膜 1 3 3とにより構成されている。 感磁素子 1 3 2は上述した例えば、 図 1〜図 3に示す第 1の実施の形態の感磁素子が用いられる。
感磁素子 1 3 2は、 磁気記録媒体 1 2 6より漏洩する磁場に応じて、 感磁素子 の強磁性トンネル接合を形成する磁化の相対角度が変ィ匕すことによりトンネル抵 抗値が変ィヒする。 下部電極 1 3 4及び上部電極 1. 3 5により供給'排出される電 流とトンネル抵抗値より決まる電圧を検出することにより、 磁気記録媒体 1 2 6 の情報を読み取ることができる。
本実施の形態によれば、 磁気記憶装置 1 2 0の記録再生へッド 1 2 7は高感度 な感磁素子 1 3 2を備えているので、 再生能力が高く、 情報の 1ビットに対応す る 1磁気反転の磁気反^!域から漏洩する磁場が微小となっても、 再生可能であ り、 高密度記録に対応可能である。
[第 3の実施の形態]
次に、 本発明の磁気記憶装置の一実施の形態である磁気メモリ (MR AM (Magnetic Random Access Memory) ) について説明する。 図 1 3は本発明の第
3の実施の形態の磁気メモリの概略構成図である。
図 1 3を参照するに、 本実施の形態の磁気メモリ 8 0は、 本発明の第 1の実施 の形態の感磁素子 8 1がマトリクス状に配置され、 行方向に走るヮードライン 8 2と列方向に走るビットライン 8 3とに接続され、 ワードライン 8 2及ぴビット ライン 8 3にはそれぞれに電流を流すための電流源、 スィッチ、 電圧検出回路等 (図示せず) が接続されている。
磁気メモリ 8 0の書き込み動作時は、 書き込み目標の感磁素子 8 1に接続され たワードライン 8 2およびビットライン 8 3に同時に電流を流し、 その電流によ り生じた磁場により感磁素子 8 1の磁化を反転させる。 図 1に示すフリー層であ
る第 1の実施の形態の第 1強磁性膜 1 3の磁化は、 第 2強磁性膜 1 5の磁化に対 して TOあるいは反平行であるかによりビット 0またはビット 1であるかを記憶 することができる。
また、 磁気メモリ 8 0の読み出し動作時は、 読み出し目標の感磁素子 8 1に接 続されたビットライン 8 3から感磁素子 8 1を通じてワードライン 8 2に電流を 流す。感磁素子 8 1の強磁性トンネル接合部の磁化の方向に対応して、低抵抗 ( 2 つの磁化が TOの場合) あるいは高抵抗 (2つの磁化が反 ίϊの場合) の状態で あるので、 感磁素子 8 1の両端の電圧によりその状態を読み取る。 したがって、 •感磁素子 8 1のビットが 0か 1であるかを判別することができる。
本実施の形態によれば、 第 1の実施の形態の感磁素子を用いており、 感磁素子 は高感度であるので、 書き込み電流を低減することが可能であり、 また強磁性ト ンネル抵抗が低減されているので、 読み出し動作時に流す電流をある程度増加さ せることが可能となり、 ノィズに妨害されることなく安定して読み出すことがで さる。
[第 4の実施の形態]
次に、 本発明のエンコーダ装置の一実施の形態である無接点回転スィツチにつ いて説明する。
図 1 4は、 本発明の第 4の実施の形態の無接点回転スィッチの概略構成図であ る。 図 1 4を参照するに、 本実施の形態の無接点回転スィッチ 9 0は、 回転自在 のシャフト 9 1と、 シャフトに結合された回転円板 9 2と、 回転円板 9 2の周端 面に形成された複数の磁性体 9 3と、 回転円板 9 2の周端面に近接して配置され た回転検出素子 9 4と、 回転検出素子に配設された感磁素子 9 5などから構成さ れている。 感磁素子 9 5は、 上述した例えば、 図 1〜図 3に示す第 1の実施の形 態の感磁素子が用いられる。
複数の磁性体 9 3は、 等角度間隔に離隔されて磁化の向きを周方向に、 力 隣 合う磁性体 9 3の磁ィ匕の向きが逆になるように配置されている。 したがって、 シ ャフト' 9 1が回転駆動されると、 回転検出素子 9 4に、 磁性体 9 3から漏洩また は吸入される磁場が交互に印可される。 回転検出素子 9 4には、 回転方向に離隔
されて 2つの感磁素子が配設されている。 感磁素子は磁性体からの磁場に応じて トンネル抵抗値が変化するので、 印加電流によりトンネル抵抗値に比例した電圧 信号を出力する。 2つの感磁素子の電圧信号の大きさと位相によりシャフトの回 転方向及び速度 (回転数) を検出する。
本実施の形態によれば、 無接点回転スィツチ 9 0の回転検出素子 9 4は高感度 な感磁素子 9 5を備えているので、 磁性体 9 3を微小ィ匕しても高精度に回転方向 および速度、 その変化を検出できる。 さらに、 感磁素子 9 5は微小化可能である ので、 コンパクトな無接点回転スィツチを提供することができる。
なお、 本発明のエンコーダ装置は無接点回転スィッチに限定されず、 例えば、 リ ユアエンコーダなども含まれる。 以上本発明の好ましい実施の形態及び実施例について詳述したが、 本発明は係 る特定の実施形態に限定されるものではなく、 特許請求の範囲に記載された本発 明の範囲内において、 種々の変形 ·変更が可能である。 産業上の利用可能性
本発明によれば、 感磁素子において外部磁場を検知する強磁性トンネル接合部 の絶縁膜を窒化アルミニゥムより構成し、強磁性トンネル接合部の障壁高さを 0 · 4 e V以下することにより、 トンネノレ抵抗値を低減することが可肯 となるととも にトンネル磁気抵抗変化率を増加することが可能となり、 その結果、 高感度な感 磁素子を実現することができた。
Claims
1 . 2つの強磁性膜と該強磁性膜に挟まれた絶縁膜とよりなる強磁性トンネ ル接合部を有し、 絶縁膜は窒化アルミニゥム膜である感磁素子であつて、 前記強磁性トンネル接合部の障壁高さが 4 e V以下であることを特徴とす る感磁素子。
2. 前記強磁性トンネル接合部の障壁高さが 0 . 2 e V以上、 かつ 0 . 4 e V以下であることを特徴とする請求項 1記載の感磁素子。
3 . 前記強磁性トンネル接合部の障壁幅は 0 . 7 6 n m以下であることを特 徴とする請求項 1記載の感磁素子。
4. 前記強磁性トンネル接合部の抵抗値が 7 Ω · μ m2以下であることを特 徴とする請求項 1記載の感磁素子。
5 . 前記 2つの強磁性膜のうち一方の強磁性膜の前記絶縁膜とは反対側に、 隣接して形成された反強磁性膜を更に備え、 反強磁性膜との相互作用により該強 磁性膜の磁化が固定されることを特徴とする請求項 1記載の感磁素子。
6 . 前記窒化アルミニウム膜はアルミニウム膜を原子状窒素 N*に曝して窒化 処理されてなることを特徴とする請求項 1記載の感磁素子。
7 . 前記窒ィヒアルミニウム膜は 4 0原子%〜6 0原子%の範囲の窒素を含む ことを特徴とする請求項 1記載の感磁素子。
8 . 第 1の反強磁性膜と、 第 1の強磁性膜と、 第 1の絶縁膜と、 第 2の強磁 性膜と、 第 2の絶縁膜と、 第 3の強磁性膜と、 第 2の反強磁性膜とがこの順に積 層されてなる 2つの強磁性トンネル接合部を有し、 第 1および第 2の絶縁膜のう
ち少なくとも一方は窒ィ匕アルミニウム膜である感磁素子であって、
前記窒化アルミニゥム膜を有する強磁性トンネル接合部の障壁高さ力 S 0 . 4 e V以下であることを特徴とする感磁素子。
9 . 前記第 2の強磁性膜は、 非磁性膜を挟んだ 2つの強磁性膜が反強磁性結合 されてなる積層体であることを特徴とする請求項 8記載の感磁素子。
1 0 , 第 1の強磁性膜と、 絶縁膜と、 第 2の強磁性膜とがこの順に積層され てなる強磁性トンネル接合部を有し、 前記絶縁膜は窒化アルミニウム膜である感 磁素子の製造方法であって、
前記第 1の強磁性膜上にアルミニウム膜を堆積する工程と、
前記アルミニウム膜を、 窒素を含むガス中にプラズマを励起することにより前 記アルミニウム膜を前記窒化アルミニウム膜に変換する工程とを含むことを特徴 とする感磁素子の製造方法。
1 1 . 第 1の強磁性膜と、 絶縁膜と、 第 2の強磁性膜とがこの順に積層され てなる強磁性トンネル接合部を有し、 前記絶縁膜は窒化アルミニウム膜である感 磁素子の製造方法であって、
前記第 1の強磁性膜上にアルミニウム膜を堆積する工程と、
前記アルミニゥム膜を、 窒素を含むガス中にブラズマを励起することにより形 成される原子状窒素 N*に曝すことにより、前記アルミニウム膜を前記窒ィヒアルミ ニゥム膜に変換する工程とを含むことを特徴とする感磁素子の製造方法。
1 2 . 前記プラズマはマイクロ波により励起されることを特徴とする請求項 1 1記載の感磁素子の製造方法。
1 3 . 請求項 1記載の感磁素子を備えた磁気へッド。
1 4 . 請求項 1 2記載の磁気へッドを備えた磁気記憶装置。
15. 請求項 1記載の感磁素子を備えたエンコーダ。 -
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