(57)【要約】【課題】トンネルバリア層の膜厚を薄くすることなく低抵抗化を図ることができ、所要のＭＲ比が得られるトンネル磁気抵抗素子及びこれを用いた磁気ヘッド並びに磁気記憶装置を提供する。【解決手段】トンネルバリア層２７と、該トンネルバリア層２７を挟む配置に設けられた磁化固定層２６と磁化自由層２８とを備え、前記トンネルバリア層２７が、MgO/ZnO/Mgの三層構造からなる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
トンネルバリア層と、該トンネルバリア層を挟む配置に設けられた磁化固定層と磁化自由層とを備え、
前記トンネルバリア層が、MgO/ZnO/Mgの三層構造からなることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
前記トンネルバリア層におけるMg層の厚さが、２Å未満であることを特徴とする請求項１記載のトンネル磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
前記トンネルバリア層におけるMgO層が、岩塩型(001)方向に結晶配向していることを特徴とする請求項１または２記載のトンネル磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
前記トンネルバリア層におけるZnO層が、岩塩型(001)方向に結晶配向していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載のトンネル磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
再生ヘッドと記録ヘッドとを備える磁気ヘッドであって、
前記再生ヘッドは、
トンネルバリア層と、該トンネルバリア層を挟む配置に設けられた磁化固定層と磁化自由層とを備え、前記トンネルバリア層が、MgO/ZnO/Mgの三層構造からなるトンネル磁気抵抗効果素子を備えることを特徴とする磁気ヘッド。
【請求項６】
前記トンネルバリア層におけるMg層の厚さが、２Å未満であることを特徴とする請求項５記載の磁気ヘッド。
【請求項７】
前記トンネルバリア層におけるMgO層が、岩塩型(001)方向に結晶配向していることを特徴とする請求項５または６記載の磁気ヘッド。
【請求項８】
再生ヘッドと記録ヘッドとを備える磁気ヘッドが形成されたヘッドスライダと、
該ヘッドスライダを媒体上で支持するサスペンションと、
該サスペンションを支持するアクチュエータアームと、
前記磁気ヘッドに電気的に接続され、前記磁気記録媒体に情報を記録・再生する制御回路とを備え、
前記磁気ヘッドの再生ヘッドは、
トンネルバリア層と、該トンネルバリア層を挟む配置に設けられた磁化固定層と磁化自由層とを備え、前記トンネルバリア層が、MgO/ZnO/Mgの三層構造からなるトンネル磁気抵抗効果素子を備えることを特徴とする磁気記憶装置。
【請求項９】
前記トンネルバリア層におけるMg層の厚さが、２Å未満であることを特徴とする請求項８記載の磁気記憶装置。
【請求項１０】
前記トンネルバリア層におけるMgO層が、岩塩型(001)方向に結晶配向していることを特徴とする請求項８または９記載の磁気記憶装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はトンネル磁気抵抗効果素子及び磁気ヘッドに関し、より詳細にはトンネルバリア層の膜厚を薄くすることなくトンネルバリア層の低抵抗化を図ることができ、所要のMR比を得ることができるトンネル磁気抵抗効果素子及び磁気ヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
トンネルバリア層に岩塩型MgOを使用した磁気抵抗効果素子は、非常に大きな磁気抵抗変化（MR比）を有することが知られている。このため、高記録密度が求められる磁気記録装置においては、トンネルバリア層にMgOを使用した磁気ヘッドが使用されている。
しかしながら、磁気記録媒体の記録密度が増大すると、これにともなって磁気抵抗効果素子のサイズを小さくしなければならなくなるため、トンネルバリア層の膜厚を変えることなく磁気抵抗効果素子を小さくしていくと、トンネルバリア層の抵抗が大きくなってしまう。トンネルバリア層の抵抗が大きくなると、磁気抵抗効果素子の高速応答特性が劣化するという問題が生じる。
【０００３】
したがって、磁気抵抗効果素子を小さくしても素子の特性が劣化しないようにするには、トンネルバリア層の膜厚を薄くして低抵抗化を図る必要がある。たとえば、700 Gbit/in2程度の記録密度を実現するには、トンネル磁気抵抗効果素子のRA（面積抵抗）を0.5Ωμm2以下にする必要がある。
【０００４】
【非特許文献１】S.Yuasa et al., Nat.Mater.3(2004)868
【非特許文献２】S.S.P.Parkin et al.,Nat.Mater.3(2004)862
【非特許文献３】D.D.Djayaprawira et al.,Appl.Phys.Lett.86(2005)092502
【特許文献１】米国特許公報第７２５２８５２号
【特許文献２】米国特許公報第７２７０８９６号
【特許文献３】米国特許公報第７３００７１１号
【特許文献４】特開２００７−３０５６１０号公報
【特許文献５】特開２００７−２９９４６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、トンネルバリア層の膜厚を薄くすると低抵抗にはなるものの、トンネルバリア層にピンホールなどの欠陥が生じやすくなり、ブレイクダウン電圧が低下して素子破壊をひきおこしやすくなるという問題が生じる。
このため、ブレイクダウン電圧の低下を招かない程度の厚さにトンネルバリア層の膜厚を維持することができ、かつ、所要のＭＲ比特性が得られ、あわせて低抵抗化を図ることができるトンネル磁気抵抗効果素子が求められる。
【０００６】
本発明は、トンネルバリア層の膜厚を薄くすることなく低抵抗化を図ることができ、所要のＭＲ比が得られるトンネル磁気抵抗素子及びこれを用いた磁気ヘッド並びに磁気記憶装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本実施形態の一観点によれば、トンネルバリア層と、該トンネルバリア層を挟む配置に設けられた磁化固定層と磁化自由層とを備え、前記トンネルバリア層が、MgO/ZnO/Mgの三層構造からなるトンネル磁気抵抗効果素子が提供される。
【０００８】
また、他の実施形態の一観点によれば、再生ヘッドと記録ヘッドとを備える磁気ヘッドであって、前記再生ヘッドは、トンネルバリア層と、該トンネルバリア層を挟む配置に設けられた磁化固定層と磁化自由層とを備え、前記トンネルバリア層が、MgO/ZnO/Mgの三層構造からなるトンネル磁気抵抗効果素子を備える磁気ヘッドが提供される。
【０００９】
さらに他の実施形態の一観点によれば、再生ヘッドと記録ヘッドとを備える磁気ヘッドが形成されたヘッドスライダと、該ヘッドスライダを媒体上で支持するサスペンションと、該サスペンションを支持するアクチュエータアームと、前記磁気ヘッドに電気的に接続され、前記磁気記録媒体に情報を記録・再生する制御回路とを備え、前記磁気ヘッドの再生ヘッドは、トンネルバリア層と、該トンネルバリア層を挟む配置に設けられた磁化固定層と磁化自由層とを備え、前記トンネルバリア層が、MgO/ZnO/Mgの三層構造からなるトンネル磁気抵抗効果素子を備える磁気記憶装置が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係るトンネル磁気抵抗効果素子によれば、トンネルバリア層の膜厚を薄くすることなく、磁気抵抗効果素子に求められる所要のMR比特性を備え、かつトンネル磁気抵抗効果素子の低抵抗化を図ることができる。トンネルバリア層として所要の膜厚を確保できることから、トンネルバリア層にピンホール等の欠陥が生じることを防止し、信頼性の高いトンネル磁気抵抗効果素子として提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
（トンネル磁気抵抗効果素子）
図１、２、３は、本発明に係るトンネル磁気抵抗効果素子の膜構成例を示す。図１〜３において、同一の構成層については、同一の番号を付している。
図１に示すトンネル磁気抵抗効果素子１０は、下部シールド層２１、反強磁性下地層２２、反強磁性層２３、磁化固定層２６、トンネルバリア層２７、磁化自由層２８、キャップ層２９、上部シールド層３０からなる。なお、下部シールド層２１は下部電極を兼ね、上部シールド層３０は上部電極を兼ねる。
【００１２】
トンネル磁気抵抗効果素子１０を形成する各層は主にスパッタリング法により成膜して形成される。下部シールド層２１には軟磁性材料、たとえばNiFeを使用する。反強磁性下地層２２には、たとえばTaとRuを積層して形成する。反強磁性層２３にはIrMnが使用される。反強磁性下地層２２は、反強磁性層２３に使用するIrMnを(111)方向に結晶配向させるために設けている。反強磁性層２３には、PtMn、PdPtMn等の反強磁性材も使用される。
磁化固定層２６は、強磁性材たとえばCoFeB、もしくはCoFeB／CoFeの積層構造に形成される。磁化固定層２６は反強磁性層２３との交換結合によって磁化方向が固定される。
【００１３】
トンネルバリア層２７は、MgO層と、ZnO層と、Mｇ層をこの順に成膜した三層構造に形成される。
各層は、ダイレクトスパッタリング法、反応性スパッタリング法、自然酸化法、プラズマ酸化法、オゾン酸化法のいずれかにより形成される。
MgO層とZnO層をダイレクトスパッタリング法により形成する場合は、MgOターゲットとZnOターゲットをそれぞれ使用し、Ar、He、Ne、Kr、Xe、N2ガスのいずれかまたは混合ガス種によりスパッタリングする。
MgO層とZnO層を反応性スパッタリング法により形成する場合は、MgターゲットとZnターゲットをそれぞれ使用し、例えばArと酸素との混合ガス種によりスパッタリングする。
【００１４】
MgO層とZnO層を自然酸化法、プラズマ酸化法、オゾン酸化法のいずれかの方法により形成する場合は、はじめに所望の厚さの金属MgまたはZnをスパッタリング法により形成する。次に、いずれかの酸化法によりMgO層とZnO層とを形成する。自然酸化法による場合は、酸素を酸化種として酸化層を形成する。プラズマ酸化法による場合は、酸素プラズマにより生成した酸素ラジカルや酸素イオンを酸化種として酸化層を形成する。オゾン酸化法による場合は、オゾンが分解されて生成した酸素分子や原子状酸素を酸化種とすることにより酸化層を形成する。
ここで、MgO層とZnO層との形成手法は同一である必要はなく、例えばMgO層を自然酸化法により形成し、ZnO層をダイレクトスパッタリング法により形成することができる。
【００１５】
Mg層の成膜は、Mgターゲットを用い、Ar、He、Ne、Kr、Xeのいずれかの希ガス種によりスパッタリングする方法による。Mg膜を成膜する際は、２Å未満、たとえば厚さ１．５Åといった１原子層厚に満たない厚さに成膜する。このようにMg層を薄く成膜することによって、MgはZnO層の表面に部分的に付着し、トンネルバリア層全体として絶縁層として機能する。
【００１６】
MgO層はアモルファスの下地層上に成膜することによって岩塩型の(001)方向に結晶配向する。トンネルバリア層としてMgOを使用する場合に、MgOを(001)方向に結晶配向させることによって大きなMR比が得られることが知られている。磁化固定層２６として使用するCoFeBはアモルファスとして成膜されるから、たとえばCoFeBを磁化固定層２６とすることによってMgOを(001)方向に結晶配向させて成膜することができる。
MgO層が(001)方向に結晶配向して形成されることにより、その上層に形成されるZnOもMgO層にならって、(001)方向に結晶配向して形成される。
【００１７】
図１において、磁化自由層２８は、CoFe、CoFeB、Ta、NiFeの４層構造とした。磁化自由層２８はNiFeの単層構造とすることも可能である。磁化自由層２８を４層構造としているのは、磁化自由層２８の特性を向上させるためである。キャップ層２９は、保護層として作用するものであり、TaとRuの２層構造とした。上部シールド層３０は、下部シールド層２１と同様にNiFeによって形成した。
【００１８】
図２に示すトンネル磁気抵抗効果素子１１は、下層側から、下部シールド層２１、反強磁性下地層２２、反強磁性層２３、第１の磁化固定層２６ａ、反強磁性結合層２５、第２の磁化固定層２６ｂ、トンネルバリア層２７、磁化自由層２８、キャップ層２９、上部シールド層３０からなる。
本実施形態のトンネル磁気抵抗効果素子１１は、磁化固定層を、第１の磁化固定層２６ａ、反強磁性結合層２５、第２の磁化固定層２６ｂによって形成した点が、上述したトンネル磁気抵抗効果素子１０と相異する。
【００１９】
磁化固定層は、外部磁界が作用してもできるだけ磁化方向が固定されている必要がある。図２に示す磁化固定層は、反強磁性結合層２５を介して磁化固定層を積層する構造とすることによって磁化固定層の磁化方向をより安定させた構造としている。
第１の磁化固定層２６ａとしては、IrMnからなる反強磁性層２３と強い交換結合作用を有するCoFeを使用し、反強磁性結合層２５にRu、第２の磁化固定層２６ｂとしてCoFeBを使用する。
本実施形態においても、トンネルバリア層２７は前述したと同様に、MgO／ZnO／Mｇの三層構造に形成される。
【００２０】
図３に示すトンネル磁気抵抗効果素子１２は、下層側から、下部シールド層２１、磁化自由層２８、トンネルバリア層２７、第２の磁化固定層２６ｂ、反強磁性結合層２５、第１の磁化固定層２６ａ、反強磁性層２３、キャップ層２９、上部シールド層３０からなる。
本実施形態のトンネル磁気抵抗効果素子１２は、下層側に磁化自由層２８とトンネルバリア層２７を配置し、トンネルバリア層２７の上層に第２の磁化固定層２６ｂ等からなる磁化固定層を配置している。これら各層の配置は、図２に示すトンネル磁気抵抗効果素子１１と逆の配置となっている。磁気抵抗効果素子の層構成としては、本実施形態のように、積層方向を逆にすることも可能である。
【００２１】
本実施形態のトンネル磁気抵抗効果素子１２においても、トンネルバリア層２７は前述したトンネルバリア層２７と同様に、MgO／ZnO／Mｇの三層構造に形成される。
なお、本実施形態においては磁化自由層２８がトンネルバリア層２７の下地層となるから、磁化自由層２８のトンネルバリア層２７に接する層（下地となる層）はアモルファスとして成膜される層とし、トンネルバリア層２７のMgO層が(001)方向に結晶配向するようにするのがよい。
【００２２】
図１、２、３に示したトンネル磁気抵抗効果素子１０、１１、１２は、トンネル磁気抵抗効果素子の層構成として典型的な例を示したものである。トンネル磁気抵抗効果素子は、上述した構成以外に種々の層構成とすることが可能である。本発明において特徴とするトンネルバリア層２７についての構成は、層構成が上記例とは異なるトンネル磁気抵抗効果素子についても同様に適用することができる。
また、前述した実施の形態において示したトンネル磁気抵抗効果素子に用いる反強磁性材、強磁性材等は一例を示したもので、トンネル磁気抵抗効果素子を構成する材料は適宜選択可能である。なお、従来のトンネル磁気抵抗効果素子は、上述したトンネル磁気抵抗効果素子１０、１１、１２において、トンネルバリア層２７をMgO単層に置き換えたものとみればよい。
【００２３】
（MR比と抵抗測定結果）
本実施形態のトンネル磁気抵抗効果素子は、(001)方向に結晶配向したMgO層の上にZnO層を積層し、さらに１原子層厚以下の厚さのMgを積層した三層構造からなるトンネルバリア層を備えることを特徴としている。
図４は、MgO／ZnO／Mgからなる三層構造のトンネルバリア層を有する磁気抵抗効果膜を作成し、ＭＲ比と、面積抵抗RA（素子抵抗と素子面積との積）を測定した結果を示す。
【００２４】
測定に使用したサンプルは、シリコン基板上に、反強磁性下地層としてTa(3nm)/Ru(2nm)、反強磁性層としてIrMn(7nm)、第１の磁化固定層としてCoFe(1.8nm)、反強磁性結合層としてRu(0.9nm)、第２の磁化固定層としてCoFeB(1.8nm)/CoFe(0.5nm)、トンネルバリア層としてMgO/ZnO/Mg、自由磁化層としてCoFe(0.3nm)/CoFeB(1.5nm)/Ta(0.25nm)/NiFe(3.5nm)、キャップ層としてTa(5nm)/Ru(7nm)をそれぞれスパッタリング法により成膜して形成したものである。
【００２５】
図４においては、トンネルバリア層を構成するMgO層の厚さを５Å、ZnO層の厚さを２Åに固定し、Mg層の厚さを0.5Å、1.0Å、1.5Å、2.0Åとしたサンプルについて測定した結果を示す。図４（ａ）が、面積抵抗についての測定結果、図４（ｂ）がMR比についての測定結果である。
図４には、比較のために、トンネルバリア層をMgO/Mg/ZnO、及びMg/MgO/ZnOの積層膜としたサンプルについての測定結果もあわせて示した。MgO/Mg/ZnOからなる積層膜については、MgO/Mgを成膜した後、大気開放することなく真空中にて加熱し、次いでZnOを成膜する方法によって形成したサンプル（加熱あり）についての測定結果も示す。これらの比較例についても、Mgの厚さを変えたときの測定結果を示している。
【００２６】
図４に示す測定結果から、トンネルバリア層がMgO/ZnO/Mg積層膜とMg/MgO/ZnO積層膜からなるサンプルのRA値は、Mｇの厚さが0.5Å〜1.5Åの範囲においてはいずれも0.5Ωμm2以下となっており、これは面記録密度700 Gbit/in2の仕様を満足している。
このRA値の測定結果は、MgO層にZnO層を積層し、さらにMg層を積層することによって、トンネルバリア層の膜厚を厚くすることができる一方、抵抗値は増加せず、むしろ減少するという特徴的な傾向を示している。すなわち、MgO層の膜厚を薄くしてトンネルバリア層を低抵抗化を図る際に、ZnO層とMg層を積層する方法が、トンネルバリア層を低抵抗化する方法として有効に利用できる。
【００２７】
また、Mgの厚さが0.5Å〜1.5Åの範囲におけるMR比についてみると、MgO/ZnO/Mg積層膜を備えるトンネル磁気抵抗効果膜は２０％程度のMR比を有することがわかる。このMR比はこの値は低抵抗化が期待できるCPP-GMRのMR比よりも大きく、トンネル磁気抵抗効果素子として十分に利用できる。
また、MgO/ZnO/Mg積層膜のMR比は、Mg/MgO/ZnO積層膜のMR比を上回っており、この点からMgO/ZnO/Mg積層膜を備えるトンネル磁気抵抗効果素子が優位といえる。
【００２８】
また、MR比の測定結果は、MgO/ZnO/Mg積層膜を備えるトンネル磁気抵抗効果膜では、Mg層の膜厚を増加させるとMR比が若干増大していく傾向を示している。このMg層による作用は他の比較例の傾向とは異なり特徴的である。ただし、Mg層の厚さが２ÅではRA値が0.6Ωμm2となるから、Mg層の厚さとしては２Å程度が上限と考えられる。
【００２９】
ZnO層に積層するMg層による作用は明確ではないが、Mg層の厚さが１原子層厚以下の2Å未満の厚さとした場合は、Mg層は島状に形成され、トンネルバリア層の上層に形成される磁化自由層の酸化抑制層としての機能は有しないと予想される。仮に、Mg層が磁化自由層の酸化抑制層として機能している場合は、Mg層の厚さが増加するとともに抵抗値が低くなると考えられが、Mg層の厚さが1.5Å以上に厚くなると抵抗が逆に上昇している傾向がみられることから、酸化抑制層としては機能していないと考えられる。
【００３０】
Mg層の機能として想定されることは、濡れ性の良いMg層によって、MgO/ZnOの積層膜の膜質が変化したことによって、0.5Ωμm2以下の低RA領域で20%程度のMR比が得られたものと考えられる。
本発明に係るMgO/ZnO/Mgの三層構造からなるトンネルバリア層を備えるトンネル磁気抵抗効果素子によれば、トンネルバリア層として所用の膜厚を確保することによってトンネルバリア層にピンホール等の欠陥が生じることを防止し、信頼性の高い磁気抵抗効果素子として提供することが可能である。
【００３１】
（磁気ヘッド）
図５は、上述したトンネル磁気抵抗効果素子を備える磁気ヘッドの構成例を、ABS面に対して垂直な面方向の断面図として示す。
この磁気ヘッドは、再生ヘッド４０と記録ヘッド５０とを備える。再生ヘッド４０は、下部シールド層４１及び上部シールド層４２と、下部シールド層４１及び上部シールド層４２に挟まれて配置されている磁気抵抗効果膜層４３とを備える。
下部シールド層４１、上部シールド層４２及び磁気抵抗効果膜層４３が上述したトンネル磁気抵抗効果素子１０、１１、１２に相当する。磁気抵抗効果膜層４３には、上述したMgO/ZnO/Mgの三層構造からなるトンネルバリア層２７が形成されている。
【００３２】
記録ヘッド５０は、主磁極５１、第１リターンヨーク５３及び第２リターンヨーク５２とを備える。主磁極５１のABS面から離間する側の下面に磁極層５４が設けられ、主磁極５１と磁極層５４にコイル５５が巻回されている。
【００３３】
（磁気記憶装置）
図６は上述した磁気ヘッドを備える磁気記憶装置の例を示す。
磁気記憶装置６０は、矩形の箱状に形成されたケーシング６１内に、スピンドルモータによって回転駆動される複数の磁気記録媒体６２を備える。磁気記録媒体６２の側方には、媒体面に平行に揺動可能に支持されたアクチュエータアーム６３が配されている。アクチュエータアーム６３の先端には、アクチュエータアーム６３の延長方向にサスペンション６４が取り付けられ、サスペンション６４の先端に、磁気記録媒体６２の媒体面に向けてヘッドスライダ６５が取り付けられている。
【００３４】
ヘッドスライダ６５には、前述したトンネルバリア層を備えたトンネル磁気抵抗効果素子を備える磁気ヘッドが形成されている。
磁気ヘッドはサスペンション６４に形成された配線、及びアクチュエータアーム６３に付設されたフレキシブルケーブル６６を介して、磁気記録媒体に信号を記録し、磁気記録媒体に記録された信号を再生する制御回路に接続される。
磁気ヘッドにより磁気記録媒体６２に情報を記録し、情報を再生する処理は、アクチュエータ６７により、アクチュエータアーム６３を所定位置に揺動させる操作（シーク動作）とともになされる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】トンネル磁気抵抗効果素子の層構成を示す説明図である。
【図２】トンネル磁気抵抗効果素子の層構成の他の例を示す説明図である。
【図３】トンネル磁気抵抗効果素子の層構成のさらに他の例を示す説明図である。
【図４】Mg層の膜厚を変えたときのRA値とMR比の測定結果を示すグラフである。
【図５】磁気ヘッドの構成を示す断面図である。
【図６】磁気記憶装置の内部構成を示す平面図である。
【符号の説明】
【００３６】
１０、１１、１２  トンネル磁気抵抗効果素子
２１  下部シールド層
２２  反強磁性下地層
２３  反強磁性層
２５  反強磁性結合層
２６  磁化固定層
２６ａ  第１の磁化固定層
２６ｂ  第２の磁化固定層
２７  トンネルバリア層
２８  磁化自由層
２９  キャップ層
３０  上部シールド層
４０  再生ヘッド
４３  磁気抵抗効果膜層
５０  記録ヘッド
６０  磁気記憶装置
６５  ヘッドスライダ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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