WO2004025744A1

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

Info

Publication number: WO2004025744A1
Application number: PCT/JP2002/009426
Authority: WO
Inventors: Masashige Sato; Hideyuki Kikuchi; Kazuo Kobayashi
Original assignee: Fujitsu Limited
Priority date: 2002-09-13
Filing date: 2002-09-13
Publication date: 2004-03-25
Also published as: JPWO2004025744A1; US20050207071A1

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 N_up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 (N_up— 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 φ^ν2) (2)

7 =(α d)V(9 6 φ)~(α d e²/32)Χ φ·^3/2 (3)

α

/3 = e²/4 π h (4)

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

請求の範囲

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。 -