(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の外部磁場において前記外部磁場の非印加時に備える磁化の方向を保持する第１の強磁性層と、前記外部磁場において前記外部磁場の非印加時に備える磁化の方向が変化し得る第２の強磁性層と、前記第１の強磁性層と前記第２の強磁性層との間に介在する第１のトンネル障壁層とを具備し、前記第１の強磁性層、前記第１のトンネル障壁層、及び前記第２の強磁性層は強磁性トンネル接合を形成し、
前記第１のトンネル障壁層は絶縁体からなり、
前記第２の強磁性層は前記第１のトンネル障壁層上に形成され、
前記第２の強磁性層の膜厚は０．３ｎｍ乃至２．５ｎｍの範囲内にあり、
前記第２の強磁性層に含まれる強磁性材料の組成は一般式（ＣｏＦｅ）100-xＹxまたは一般式（ＣｏＦｅＮｉ）100-xＹxで表され、前記ＹはＢ、Ｓｉ、Ｚｒ、Ｐ、Ｍｏ、Ａｌ、及びＮｂからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素であり、
前記ｘは不等式３≦ｘ≦１６に示す関係を満足することを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
前記外部磁場において前記外部磁場の非印加時に備える磁化の方向を保持する第３の強磁性層と第２のトンネル障壁層とをさらに具備し、前記第３の強磁性層及び前記第２のトンネル障壁層は前記第２の強磁性層が前記第１のトンネル障壁層と前記第２のトンネル障壁層との間に介在し且つ前記第２の強磁性層並びに前記第１及び第２のトンネル障壁層が前記第１の強磁性層と前記第３の強磁性層との間に介在するように配置され、前記第３の強磁性層、前記第２のトンネル障壁層、及び前記第２の強磁性層は強磁性トンネル接合を形成したことを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子を挟んで交差する第１及び第２の配線とを具備することを特徴とする磁気メモリ。
【請求項４】
請求項１または請求項２に記載の磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子を支持する支持体と、前記磁気抵抗効果素子に接続された一対の電極とを具備することを特徴とする磁気ヘッド。
【請求項５】
磁気記録媒体、
請求項１または請求項２に記載の磁気抵抗効果素子と前記磁気抵抗効果素子を支持する支持体と前記磁気抵抗効果素子に接続された一対の電極とを具備し且つ前記磁気記録媒体に記録された情報を読み出す磁気ヘッド、及び、
前記磁気ヘッドを前記磁気記録媒体に対して相対移動させる移動機構を具備することを特徴とする磁気再生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気抵抗効果素子、磁気メモリ、磁気ヘッド、及び磁気再生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
強磁性一重トンネル接合は、薄い絶縁体層を一対の強磁性層で挟持してなる構造を有している。それら強磁性層を電極として用いてバイアス電圧を印加すると、強磁性一重トンネル接合にはトンネル電流が流れる。
【０００３】
強磁性一重トンネル接合において、トンネル電流が流れる際のトンネル抵抗，すなわちトンネルコンダクタンス，は、一方の強磁性層の磁化方向と他方の強磁性層の磁化方向とがなす角度に依存して変化する。換言すれば、強磁性一重トンネル接合で得られる磁気抵抗効果（ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ  ｅｆｆｅｃｔ）は、強磁性層間で磁化方向がなす角度に応じてトンネルコンダクタンスが変化することに基づいている。例えば、一方の強磁性層の磁化方向が膜面に平行な第１の方向であり且つ他方の強磁性層の磁化方向が第１の方向とは逆向きの第２の方向である場合には、トンネルコンダクタンスは最小となる。また、それら強磁性層の磁化方向がともに第１の方向である場合には、トンネルコンダクタンスは最大となる。
【０００４】
このような強磁性一重トンネル接合は、様々なデバイスへの応用が期待されている。例えば、一方の強磁性層を磁化方向が固定された磁化固着層とし且つ他方の強磁性層を外部磁場に応じて磁化方向が変化し得るフリー層とした強磁性一重トンネル接合については、固体磁気メモリ（或いは、磁気ランダムアクセスメモリ：ＭＲＡＭ）のメモリセルとして利用することが提案されており、このＭＲＡＭは、低記憶容量ながら既に試作されている。
【０００５】
ＭＲＡＭは、基本的には不揮発性であり、高速の書き込み及び読み出しが可能であり、しかも、書き込み及び読み出しの繰り返しに対する耐疲労特性が高いなどの優れた特徴を有している。しかしながら、以下に説明するように、ＭＲＡＭは、大容量化に伴ってメモリセルのサイズを縮小した場合に、フリー層の磁化方向を反転させるのに必要な磁場，所謂、反転磁場，が大きくなり、より大きな書き込み電流が必要となるという問題を有している。
【０００６】
フリー層の反転磁場は１／Ｗ（Ｗ：セルの幅）に比例している。また、この反転磁場は、フリー層の膜厚ｔ及び飽和磁化Ｍｓにも比例することが知られている。すなわち、フリー層の反転磁場はｔ・Ｍｓ／Ｗに比例している。なお、フリー層の反転磁場が１／Ｗに比例しているのは、フリー層の磁化方向を反転させてＭＲＡＭセルに記憶された情報を書き換えるためには、フリー層内部に生じる反磁場を上回る外部磁場を印加する必要があるが、この反磁場はセルの幅方向に生じる磁極によってもたらされるためである。
【０００７】
上記比例関係から明らかなように、メモリセルのサイズを縮小した場合に反転磁場が増大するのを回避するためには、例えば、フリー層の膜厚ｔを減少させればよい。しかしながら、膜厚ｔを薄くした場合、本来、連続膜であるべきフリー層は得られず、下地上に多数の微粒子を分散させた形態となる。そのような多数の微粒子が形成する薄膜は、強磁性体ではなく常磁性体となるため、磁気抵抗比が著しく減少することとなる。
【０００８】
また、メモリセルのサイズを縮小した場合に反転磁場が増大するのを回避するために飽和磁化Ｍｓを減少させることもできる。しかしながら、飽和磁化Ｍｓを減少させるためにフリー層を構成する材料に非磁性材料を添加した場合、往々にして、フェルミ面における伝導電子のスピン分極度も低下して磁気抵抗比の低下を招くこととなる。
【０００９】
すなわち、従来技術では、メモリセルのサイズを縮小した場合に、十分に高い磁気抵抗比を維持しつつフリー層の反転磁界の増大を防止することができなかった。なお、ＭＲＡＭに関連して説明した問題は、強磁性一重トンネル接合を利用した磁気ヘッドにおいても同様に存在している。また、強磁性一重トンネル接合に関して上述した問題は、強磁性二重トンネル接合においても同様である。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、サイズを縮小化した場合においても十分に高い磁気抵抗比を維持し且つ反転磁界の増大を防止し得る磁気抵抗効果素子、磁気メモリ、磁気ヘッド、及び磁気再生装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、所定の外部磁場において前記外部磁場の非印加時に備える磁化の方向を保持する第１の強磁性層と、前記外部磁場において前記外部磁場の非印加時に備える磁化の方向が変化し得る第２の強磁性層と、前記第１の強磁性層と前記第２の強磁性層との間に介在する第１のトンネル障壁層とを具備し、前記第１の強磁性層、前記第１のトンネル障壁層、及び前記第２の強磁性層は強磁性トンネル接合を形成し、前記第１のトンネル障壁層は絶縁体からなり、前記第２の強磁性層は前記第１のトンネル障壁層上に形成され、前記第２の強磁性層の膜厚は０．３ｎｍ乃至２．５ｎｍの範囲内にあり、前記第２の強磁性層に含まれる強磁性材料の組成は一般式（ＣｏＦｅ）100-xＹxまたは一般式（ＣｏＦｅＮｉ）100-xＹxで表され、前記ＹはＢ、Ｓｉ、Ｚｒ、Ｐ、Ｍｏ、Ａｌ、及びＮｂからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素であり、前記ｘは不等式３≦ｘ≦１６に示す関係を満足することを特徴とする磁気抵抗効果素子を提供する。
【００１２】
また、本発明は、前記磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子を挟んで交差する第１及び第２の配線とを具備することを特徴とする磁気メモリを提供する。
【００１３】
さらに、本発明は、前記磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子を支持する支持体と、前記磁気抵抗効果素子に接続された一対の電極とを具備することを特徴とする磁気ヘッドを提供する。
【００１４】
加えて、本発明は、磁気記録媒体、前記磁気抵抗効果素子と前記磁気抵抗効果素子を支持する支持体と前記磁気抵抗効果素子に接続された一対の電極とを具備し且つ前記磁気記録媒体に記録された情報を読み出す磁気ヘッド、及び、前記磁気ヘッドを前記磁気記録媒体に対して相対移動させる移動機構を具備することを特徴とする磁気再生装置を提供する。
【００１６】
本発明において、上記強磁性トンネル接合は、強磁性一重トンネル接合であってもよく、或いは、強磁性二重トンネル接合であってもよい。後者の場合、上記磁気抵抗効果素子は、上記外部磁場において外部磁場の非印加時に備える磁化の方向を保持する第３の強磁性層と第２のトンネル障壁層とをさらに有し、それら第３の強磁性層及び第２のトンネル障壁層は、第２の強磁性層が２つのトンネル障壁層間に介在し且つ第２の強磁性層及び２つのトンネル障壁層が第１及び第３の強磁性層間に介在するように配置される。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について、図面を参照しながらより詳細に説明する。なお、各図において、同様または類似する構成要素には同一の参照符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１８】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を概略的に示す断面図である。図１に示す磁気抵抗効果素子１は、強磁性一重トンネル接合２ａを有している。この強磁性一重トンネル接合２ａは、一対の強磁性層３，４間に絶縁体などからなるトンネル障壁層６を介在させた構造を有している。この強磁性一重トンネル接合２ａは、それら強磁性層３，４間をトンネル障壁層６を介してトンネル電流が流れるように構成されている。
【００１９】
強磁性層３のトンネル障壁層６と接する面の裏面には、反強磁性層８が配置されている。これにより、強磁性層３の磁化方向は、外部磁場を作用させても変化することはない。一方、強磁性層４の磁化方向は、基本的には、外部磁場に応じて自由に回転し得る。すなわち、図１に示す磁気抵抗効果素子１において、強磁性層３は磁化方向が固定された第１の強磁性層，所謂、磁化固着層，であり、強磁性層４は外部磁場に応じて磁化方向が変化し得る第２の強磁性層，所謂、フリー層，である。換言すれば、図１に示す磁気抵抗効果素子１は、強磁性層４の磁化方向を外部磁場によって反転または回転させて強磁性層３の磁化方向と強磁性層４の磁化方向とがなす角度を変化させるとトンネル抵抗或いはトンネル電流が変化するという磁気抵抗効果を利用するものである。
【００２０】
上述した強磁性一重トンネル接合２ａ及び反強磁性層８は、通常、基板１０の一方の主面上に、各種薄膜を順次成膜することにより形成される。なお、図１の磁気抵抗効果素子１において、基板１０と反強磁性層８との間には、拡散バリア層１１及び配向制御層１２が基板１０側から順次積層されており、強磁性層４上には、保護層１３及び配線層１４が順次積層されている。また、参照番号１５は絶縁層である。
【００２１】
図２は、本発明の第２の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を概略的に示す断面図である。図２に示す磁気抵抗効果素子１は、強磁性一重ンネル接合２ａの代わりに強磁性二重トンネル接合２ｂを有しており且つ強磁性二重トンネル接合２ｂと保護層１３との間にさらに反強磁性層９を有していること以外は図１に示す磁気抵抗効果素子１とほぼ同様の構造を有している。
【００２２】
図２に示す磁気抵抗効果素子１において、強磁性二重トンネル接合２ｂは、強磁性層３，４間にトンネル障壁層６を介在させ、強磁性層４，５間にトンネル障壁層７を介在させた構造を有している。この強磁性二重トンネル接合２ｂは、強磁性層３，４間及び強磁性層４，５間をトンネル障壁層６，７を介してトンネル電流が流れるように構成されている。
【００２３】
また、図２に示す磁気抵抗効果素子１において、強磁性層３に関して説明したのと同様に、強磁性層５も反強磁性層９の存在によって磁化方向が固定された磁化固着層である。図２に示す磁気抵抗効果素子１は、強磁性層４の磁化方向を外部磁場によって反転または回転させて強磁性層３，５の磁化方向と強磁性層４の磁化方向とがなす角度を変化させるとトンネル抵抗或いはトンネル電流が変化するという磁気抵抗効果を利用するものである。
【００２４】
さて、上述した第１及び第２の実施形態に係る磁気抵抗効果素子１は、強磁性層４を以下に説明する材料で構成したことを特徴としている。すなわち、図１及び図２に示す磁気抵抗効果素子１において、強磁性層４の組成は、一般式（ＣｏＦｅ）１００−ｘＹｘまたは一般式（ＣｏＦｅＮｉ）１００−ｘＹｘで表される。なお、それら一般式において、ＹはＢ、Ｓｉ、Ｚｒ、Ｐ、Ｍｏ、Ａｌ、及びＮｂからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素である。また、ｘは不等式０＜ｘ＜１００を満足する数値であり、好ましくは、不等式３＜ｘ＜１６を満足する数値である。
【００２５】
これら一般式に示す材料は、元素Ｙを含有していないこと以外は同様の組成を有する材料に比べて飽和磁化Ｍｓが小さく、したがって、磁気抵抗効果素子１のサイズを縮小化した場合（或いは、強磁性層４の幅Ｗを狭めた場合）においても、反転磁界が過剰に大きくなることがない。また、強磁性層４の膜厚ｔを減少させた場合においても、元素Ｙを含有する上記材料によると結晶化が抑制されるため、強磁性層４を連続膜として形成することができる。すなわち、磁気抵抗効果素子１のサイズを縮小化した場合であっても、上記一般式に示す材料を用いることにより、式ｔ・Ｍｓ／Ｗに比例する強磁性層４の反転磁界を十分に小さな値に維持することが可能となる。
【００２６】
図３は、本発明の第１及び第２の実施形態に係る磁気抵抗効果素子１の強磁性層４の組成とその磁気抵抗変化率との関係の一例を示すグラフである。このグラフは、一般式（Ｃｏ９Ｆｅ）１００−ｘＢｘに示す組成を有し且つ厚さが１ｎｍの強磁性層４を用いた磁気抵抗効果素子１について得られたデータに基づいて描かれており、横軸は強磁性層４中のＢの濃度に相当する上記一般式中のｘを示し、縦軸は磁気抵抗変化率（％）を示している。
【００２７】
室温下での通常の成膜方法では、Ｂを含有しないＣｏ９Ｆｅ膜を連続膜として成膜可能な膜厚の下限はせいぜい１．５ｎｍ程度である。Ｃｏ９Ｆｅ膜が不連続膜として形成された場合、その不連続膜は数ｎｍ径の微粒子の集合体で構成される。これら微粒子のそれぞれは室温下における強磁性を失い、磁化方向が定まらなくなって、所謂、超常磁性となる。その結果、実用的な磁界強度の範囲内においては、磁気抵抗変化率は顕著に低下する。
【００２８】
それに対し、Ｃｏ９ＦｅにＢを添加すると、膜厚０．５ｎｍ程度までは連続膜を形成することができ、例えば、膜厚が１ｎｍである場合には、図３に示すように、ｘを３乃至１６とすることにより１０％以上と十分に高い磁気抵抗変化率を得ることができ、ｘを５程度とすることにより２０％以上もの磁気抵抗変化率を得ることができる。
【００２９】
なお、図３に示すデータは、元素ＹとしてＢを添加した場合に得られたものであるが、元素ＹとしてＳｉ、Ｚｒ、Ｐ、Ｍｏ、Ａｌ、及びＮｂを添加した場合においても同様の傾向が観測される。
【００３０】
元素Ｙを添加した場合に極めて薄い連続膜を形成可能となる理由は、元素Ｙの添加によって、成膜過程で成膜面上に到達した原子の拡散或いは移動が抑制されるため、結晶化が抑制されるからである。逆に言えば、元素Ｙを添加しない場合、成膜面上に到達した原子の拡散或いは移動は比較的自由に行われるため結晶化が生じ易い。そのため、従来技術では、膜厚を薄くした場合に個々の島の径が数ｎｍ程度の島状構造が形成され、各島は強磁性体であるにも関わらずその磁化方向が揺らいでしまう超常磁性を示すこととなり、その結果、磁気抵抗変化率が著しく低くなるのである。
【００３１】
また、図３では、ｘが５を超えて増加すると磁気抵抗変化率が低下している。その理由は必ずしも明らかとされている訳ではないが、元素Ｙの濃度が高くなると伝導電子の散乱が多くなり、フェルミレベルの伝導電子のスピン分極度が著しく低下するためであると考えられる。
【００３２】
以上説明したように、上記一般式に示す材料によると、極めて薄い連続膜を形成可能であり、しかも、非磁性材料である元素Ｙを含有しているにも関わらず十分に高い磁気抵抗変化率を得ることができる。すなわち、強磁性層４を上記一般式に示す材料で構成することにより、磁気抵抗効果素子１のサイズを縮小化した場合においても、十分に高い磁気抵抗比を維持し且つ反転磁界の増大を防止することができる。
【００３３】
上述した磁気抵抗効果素子１において、強磁性層３，５を構成する材料は特に制限されるものではなく、例えば、パーマロイに代表されるＮｉＦｅ合金、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、及びそれらを含む合金、ＮｉＭｎＳｂ、ＰｔＭｎＳｂのようなホイスラー合金などのハーフメタル、ＣｒＯ２、マグネタイト、Ｍｎペロブスカイトなどの酸化物系のハーフメタル、アモルファス合金などの種々の軟磁性材料から、ＣｏＰｔ合金、ＦｅＰｔ合金、遷移金属−希土類合金などの硬質磁性材料まで、種々の強磁性材料を使用することができる。
【００３４】
また、上述した磁気抵抗効果素子１において、反強磁性層８，９は、それぞれ、強磁性層３，５との交換結合によりそれらの磁化方向を固定するために設けられている。これら反強磁性層８，９としては、例えば、ＦｅＭｎ、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、ＮｉＭｎなどの反強磁性合金やＮｉＯ、Ｆｅ２Ｏ３などの反強磁性材料からなる薄膜に加え、Ｃｏ／Ｒｕ／Ｃｏ、Ｃｏ／Ａｕ／Ｃｏなどの反強磁性交換結合膜を用いてもよい。
【００３５】
トンネル障壁層６，７は、それぞれ、強磁性層３，４間及び強磁性層４，５間にトンネル電流を流し得る範囲のポテンシャル高さと厚さを有するものであればよい。トンネル障壁層６，７の材料としては、例えば、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｇ、希土類元素、及びこれらの元素を含む合金の酸化物または窒化物などを用いることができる。但し、酸化物絶縁体からなる薄膜は、その作製条件等によってポテンシャル障壁が大きく変化する。磁気抵抗効果素子１の特性は、ポテンシャル障壁の幅及び高さに応じて大きく変化するので、そのような酸化物絶縁体を用いる場合、素子特性の設定の自由度が高くなる反面、素子サイズに応じて種類や作製条件等を適宜設定する必要がある。
【００３６】
上記磁気抵抗効果素子１において、基板１０としては、例えば、表面にＳｉＯ２酸化膜が形成されたシリコン単結晶基板を用いることができる。基板１０上に形成する拡散バリア層１１は拡散を防ぐためのものであり、その材料としては、例えば、Ｔａ、ＴａＰｔ、Ｔｉ、ＴｉＮｘ、及びＣｏＳｉ２等を用いることができる。拡散バリア層上に形成する配向制御層１２は、所望の結晶配向性を有する反強磁性層８を形成するための下地層であり、例えば、ＮｉＦｅ、Ｃｕ、Ａｇ、及びＡｕなどの材料で構成され得る。また、保護層１３の材料としては、例えば、ＴａやＡｕ等を使用することができ、配線層１４の材料としては、例えば、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、及びＡｕ等を使用することができる。
【００３７】
次に、第１及び第２の実施形態に係る磁気抵抗効果素子１を用いた磁気メモリについて説明する。
【００３８】
図４は、本発明の第１及び第２の実施形態に係る磁気抵抗効果素子１を用いた磁気メモリ（ＭＲＡＭ）を概略的に示す断面図である。また、図５は、図４に示すＭＲＡＭの等価回路図である。
【００３９】
図４に示すＭＲＡＭ２１はシリコン基板２２を有している。このシリコン基板上にはゲート電極２４が形成されており、シリコン基板２２の表面領域には、このゲート電極２４を挟むようにしてソース・ドレイン領域２５，２６が形成されている。これにより、ＭＯＳトランジスタ２３が構成されている。なお、ゲート電極２４は、読み出し用のワードライン（ＷＬ１）を構成している。また、ワードライン（ＷＬ１）２４上には、絶縁膜２７を介して書き込み用のワードライン（ＷＬ２）２８が形成されている。
【００４０】
ＭＯＳトランジスタ２３のドレイン領域２６にはコンタクトメタル２９の一端が接続されており、コンタクトメタル２９の他端には下地層３０が接続されている。この下地層３０上のワードライン（ＷＬ２）２８に対応する位置には強磁性トンネル接合素子（ＴＭＲ）３１が形成されており、さらに、ＴＭＲ３１上にはビットライン３２が形成されている。
【００４１】
ＭＲＡＭ２１のセルは、以上のようにして構成されている。なお、図４に示すＴＭＲ３１及び下地層３０は、例えば、図１及び図２に示す磁気抵抗効果素子１から、基板１０、保護層１３、配線層１４、及び絶縁層１５などを除いた構造に相当する。
【００４２】
上述したＭＯＳトランジスタ２３とＴＭＲ３１とで構成されるメモリセルは、図５に示すように、アレイ状に配列されている。トランジスタ２３のゲート電極である読み出し用のワードライン（ＷＬ１）２４と、書き込み用のワードライン（ＷＬ２）２８とは平行に配置されている。また、ＴＭＲ３１の上部に接続されたビットライン（ＢＬ）３２は、ワードライン（ＷＬ１）２４及びワードライン（ＷＬ２）２８と直交するように配置されている。
【００４３】
このＭＲＡＭ２１は、第１及び第２の実施形態に係る磁気抵抗効果素子１を用いているので、メモリセルのサイズを縮小した場合においても、十分に高い磁気抵抗比を維持しつつフリー層の反転磁界の増大を防止することができる。すなわち、このＭＲＡＭ２１では、メモリセルのサイズを縮小した場合においても、十分に電流で情報の書き込みが可能である。
【００４４】
なお、ＭＲＡＭ２１においては、トランジスタ２３の代わりに、ダイオードを使用してもよい。例えば、ワードライン２４上にダイオードとＴＭＲ３１との積層体からなるメモリセルを形成し、ＴＭＲ３１上にワードライン２４と直交するようにビットライン３２を形成してもＭＲＡＭ２１を得ることができる。
【００４５】
次に、第１及び第２の実施形態に係る磁気抵抗効果素子１を用いた磁気ヘッドについて説明する。
図６は、本発明の第１及び第２の実施形態に係る磁気抵抗効果素子１を用いた磁気ヘッドを有する磁気ヘッドアセンブリを概略的に示す斜視図である。図６に示す磁気ヘッドアセンブリ４１は、例えば、駆動コイルを保持するボビン部などを備えたアクチュエータアーム４２を有している。このアクチュエータアーム４２にはサスペンション４３の一端が取り付けられており、サスペンション４３の他端にはヘッドスライダ４４が取り付けられている。上述した第１及び第２の実施形態に係る磁気抵抗効果素子１は、このヘッドスライダ４４に組み込まれた磁気再生ヘッドに利用されている。
【００４６】
サスペンション４３上には信号の書き込み及び読み取り用のリード線４５が形成されており、これらリード線４５はヘッドスライダ４４に組み込まれた磁気再生ヘッドの電極にそれぞれ電気的に接続されている。なお、図６において、参照番号４６は、磁気ヘッドアセンブリ４１の電極パッドを示している。
【００４７】
この磁気ヘッドアセンブリ４１は、例えば、以下に説明するような磁気記録再生装置に搭載され得る。
図７は、図６に示す磁気ヘッドアセンブリ４１を搭載した磁気記録再生装置を概略的に示す斜視図である。図７に示す磁気記録再生装置５１において、磁気記録媒体である磁気ディスク５２はスピンドル５３に回転可能に支持されている。スピンドル５３には、制御部（図示せず）からの制御信号に応じて動作するモータ（図示せず）が接続されており、これにより、磁気ディスク５２の回転を制御可能としている。
【００４８】
磁気ディスク５２の円周部近傍には固定軸５４が配置されており、この固定軸５４は、その上下２ヶ所に配置されたボールベアリング（図示せず）を介して図６に示す磁気ヘッドアセンブリ４１を揺動可能に支持している。磁気ヘッドアセンブリ４１のボビン部にはコイル（図示せず）が巻きつけられており、このコイルとそれを挟んで対向して配置された永久磁石と対向ヨークとは磁気回路を形成するのとともにボイスコイルモータ５５を構成している。このボイスコイルモータ５５によって、磁気ヘッドアセンブリ４１の先端のヘッドスライダ４４を、磁気ディスク５２の所望のトラック上へと位置させることを可能としている。なお、この磁気記録再生装置５１において、情報の記録及び再生は、磁気ディスク５２を回転させて、ヘッドスライダ４４を磁気ディスク５２から浮上させた状態で行う。
【００４９】
以上のように、第１及び第２の実施形態に係る磁気抵抗効果素子１は、磁気メモリ、磁気ヘッド、磁気再生装置、及び磁気記録再生装置に利用することができる。また、第１及び第２の実施形態に係る磁気抵抗効果素子１は、磁気センサ及びそれを用いた磁界検出装置などに利用することも可能である。
【００５０】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。
（実施例）
図２に示す磁気抵抗効果素子１を以下に説明する方法により作製した。
まず、Ｓｉ／ＳｉＯ２基板１０をスパッタリング装置内に搬入した。次に、装置内の初期真空度を２×１０−７Ｔｏｒｒ以下に設定し、その後、装置内にＡｒを導入して圧力を２×１０−３とした。次いで、Ｓｉ／ＳｉＯ２基板１０の一方の主面上に、厚さ５ｎｍのＴａからなる拡散バリア層１１、厚さ１５ｎｍのＮｉＦｅからなる配向制御層１２、厚さ１７ｎｍのＩｒ２２Ｍｎ７８からなる反強磁性層８、及び厚さ３ｎｍのＣｏＦｅからなる強磁性層３を連続的に順次成膜した。
【００５１】
次に、Ａｒガス中でＡｌ２Ｏ３ターゲットをスパッタリングすることにより、強磁性層３上に厚さ１．５ｎｍのＡｌ２Ｏｘ層を成膜した。次いで、真空破壊することなく装置内に純酸素を導入するのとともにグロー放電させることにより酸素プラズマを発生させ、この酸素プラズマを利用してＡｌ２ＯｘをＡｌ２Ｏ３へと酸化することによりトンネル障壁層６を得た。このとき、Ａｌ２ＯｘからＡｌ２Ｏ３への変換度合の調節は、グロー放電時のパワー及び酸化時間を制御することにより行った。
【００５２】
装置から純酸素を排気した後、上述したのと同様の条件下でスパッタリングを行うことにより、トンネル障壁層６上に厚さ１．５ｎｍの（Ｃｏ９Ｆｅ）０．９５Ｂ０．５からなる強磁性層４を成膜した。次いで、Ａｒガス中にて、上述したのと同様の条件下でスパッタリングを行って強磁性層４上にＡｌ２Ｏｘ層を成膜し、このＡｌ２Ｏｘ層を酸素プラズマ処理することによりＡｌ２Ｏ３からなるトンネル障壁層７を得た。さらに、上述したのと同様の条件下でスパッタリングを行うことにより、トンネル障壁層７上に、厚さ５ｎｍのＣｏＦｅからなる強磁性層５、厚さ１７ｎｍのＩｒ２２Ｍｎ７８からなる反強磁性層９、及び厚さ５ｎｍのＴａからなる保護膜１３を順次成膜した。
【００５３】
その後、通常のフォトリソグラフィ技術とイオンミリング技術とを用いて、これら薄膜を幅Ｗが２〜０．２５μｍであり且つ長さＬが幅Ｗの３倍となるようにパターニングすることにより二重トンネル接合部を規定した。以上のようにして、図２に示す磁気抵抗効果素子１を得た。
【００５４】
なお、強磁性層３の磁化方向と強磁性層５の磁化方向とは、反強磁性層８，９によって基板面に平行な同一方向に固定した。このような構成によると、強磁性層３，５の磁化方向は数１００Ｏｅ程度の弱い外部磁場によって変化することはなく、強磁性層４の磁化方向は外部磁場に対応して変化する。また、この磁気抵抗効果素子１において、強磁性二重トンネル接合２ｂの抵抗は、強磁性層３，５の磁化方向と強磁性層４の磁化方向とが同一である場合に最も低く、強磁性層３，５の磁化方向と強磁性層４の磁化方向とが反対である場合に最も高い値をとる。
【００５５】
（比較例）
強磁性層４として厚さ１．５ｎｍの（Ｃｏ９Ｆｅ）０．９５Ｂ０．５膜を形成する代わりに厚さ３ｎｍのＣｏ９Ｆｅ膜を形成したこと以外は上記実施例で説明したのと同様の方法により図２に示す磁気抵抗効果素子１を作製した。
【００５６】
次に、上記実施例及び比較例で作製した磁気抵抗効果素子１の磁気抵抗比（ＴＭＲ）を調べた。なお、ＴＭＲは、強磁性二重トンネル接合２ｂの抵抗の最小値をＲｍｉｎとし且つ最大値をＲｍａｘとした場合に、下記等式：
ＴＭＲ（％）＝［（Ｒｍａｘ−Ｒｍｉｎ）／Ｒｍｉｎ］／１００
で定義される。
【００５７】
図８は、本発明の実施例及び比較例に係る磁気抵抗効果素子１の磁気抵抗比を示すグラフである。図中、横軸はトンネル接合部の幅Ｗの逆数１／Ｗ（μｍ−１）を示し、縦軸は強磁性層４の磁化方向を反転させるのに必要な磁場の強さＨｃ（Ｏｅ）を示している。また、図中、曲線６１は本発明の実施例に係る磁気抵抗効果素子１について得られたデータを示し、曲線６２は比較例に係る磁気抵抗効果素子１について得られたデータを示している。
【００５８】
図８に示すように、本発明の実施例に係る磁気抵抗効果素子１では、トンネル接合部の幅Ｗを０．２５μｍ程度に小さくしても、強磁性層４の磁化方向を反転させるのに必要な磁場の強さＨｃは４０Ｏｅ以下と十分に小さい。しかも、磁場の強さＨｃの幅Ｗに対する変化率は小さいので、さらなる微細化にも対応可能であることが分かる。
【００５９】
それに対し、比較例に係る磁気抵抗効果素子１では、トンネル接合部の幅Ｗを０．２５μｍ程度とすると、強磁性層４の磁化方向を反転させるのに必要な磁場の強さＨｃは１００Ｏｅを超え、実用上、強磁性層４の磁化方向を反転させるのが困難となった。
【００６０】
なお、元素ＹとしてＢの代わりにＳｉ、Ｚｒ、Ｐ、Ｍｏ、Ａｌ、及びＮｂを用いたこと以外は上述したのと同様の方法により実施例及び比較例に係る磁気抵抗効果素子１を作製し、それらの比較を行ったところ、元素ＹとしてＢを用いた場合と同様の傾向が見られた。また、強磁性層４の材料として一般式（ＣｏＦｅ）１００−ｘＹｘで表される材料の代わりに一般式（ＣｏＦｅＮｉ）１００−ｘＹｘで表される材料を用いて同様の比較を行ったところ、上述したのと同様の傾向が見られた。
【００６１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、外部磁場に応じて磁化方向が変化し得る強磁性層に、極めて薄い連続膜を形成可能であり且つ十分に高い磁気抵抗変化率を得ることが可能な所定の材料を使用する。そのため、サイズを縮小化した場合においても、十分に高い磁気抵抗比を維持し且つ反転磁界の増大を防止することができる。
すなわち、本発明によると、サイズを縮小化した場合においても十分に高い磁気抵抗比を維持し且つ反転磁界の増大を防止し得る磁気抵抗効果素子、磁気メモリ、磁気ヘッド、及び磁気再生装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を概略的に示す断面図。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を概略的に示す断面図。
【図３】本発明の第１及び第２の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の強磁性層の組成とその磁気抵抗変化率との関係の一例を示すグラフ。
【図４】本発明の第１及び第２の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を用いた磁気メモリを概略的に示す断面図。
【図５】図４に示す磁気メモリの等価回路図。
【図６】本発明の第１及び第２の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を用いた磁気ヘッドを有する磁気ヘッドアセンブリを概略的に示す斜視図。
【図７】図６に示す磁気ヘッドアセンブリを搭載した磁気記録再生装置を概略的に示す斜視図。
【図８】本発明の実施例及び比較例に係る磁気抵抗効果素子の磁気抵抗比を示すグラフ。
【符号の説明】
１…磁気抵抗効果素子
２ａ…強磁性一重トンネル接合
２ｂ…強磁性二重トンネル接合
３〜５…強磁性層
６，７…トンネル障壁層
８，９…反強磁性層
１０…基板
１１…拡散バリア層
１２…配向制御層
１３…保護層
１４…配線層
１５…絶縁層
【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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【図７】
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【図８】
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