(57)【要約】  基板上に、下地層、反強磁性層、第１の強磁性層、非磁性層、第２の強磁性層が順に積層される磁気抵抗効果素子であって、上記下地層は、金属窒化物で形成され、上記反強磁性層は、ＩｒとＭｎとを含む反強磁性材料で形成されている。また、磁気ヘッドが、薄膜コイルと上記薄膜コイルが発生する磁束を通す磁極とを有する記録素子と、上記の磁気抵抗効果素子を有する再生素子とを備えている。また、情報記憶装置が、この磁気ヘッドと、この磁気ヘッドにより情報の記録と再生が行われる記憶再生媒体と、上記磁気ヘッドと、上記記憶再生媒体による情報の記録信号と再生信号を処理する信号処理基板とを備えている。
2009096012.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、下地層、反強磁性層、第１の強磁性層、非磁性層、第２の強磁性層が順に積層される磁気抵抗効果素子であって、
前記下地層は、金属窒化物で形成され、
前記反強磁性層は、ＩｒとＭｎとを含む反強磁性材料で形成されることを特徴とした磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
前記下地層は，ＣｕＮで形成されたものであることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
前記ＣｕＮで形成される下地層は、（２００）結晶面が前記基板の表面と平行になる様に、結晶配向することを特徴とする請求項２記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
前記ＩｒとＭｎとで形成される反強磁性層は、（２００）結晶面が前記基板の表面と平行になる様に、結晶配向することを特徴とする請求項１から３のうちいずれか１項記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
前記非磁性層は、絶縁材料で形成され、その厚さ方向にトンネル電流が流れる厚さであることを特徴とした請求項１から４のうちいずれか１項記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
前記絶縁材料は、ＭｇＯであることを特徴とした請求項５記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項７】
前記第１の強磁性層は、少なくとも２層以上からなり、その層間は非磁性層で分断されており、交換結合により、分断された強磁性層の磁化方向が反平行方向に結合されることを特徴とした請求項１から６のうちいずれか１項記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項８】
前記基板上に、前記ＣｕＮで形成される下地層の層間に、アモルファス層を更に備えることを特徴する請求項２又は３記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項９】
基板上に、ＣｕＮからなる下地層、ＩｒとＭｎとを含む反強磁性層、第１の強磁性層、非磁性層、第２の強磁性層が順に積層される磁気抵抗効果素子を有する再生素子と、
薄膜コイルと、前記薄膜コイルが発生する磁束を通す磁極とを有する記録素子と、
を備えることを特徴とした磁気ヘッド。
【請求項１０】
基板上に、ＣｕＮからなる下地層、ＩｒとＭｎとを含む反強磁性層、第１の強磁性層、非磁性層、第２の強磁性層が順に積層される磁気抵抗効果素子を有する再生素子と、
薄膜コイルと、前記薄膜コイルが発生する磁束を通す磁極とを有する記録素子と、
を含む磁気ヘッドと、
前記磁気ヘッドにより情報の記録と再生が行われる記憶再生媒体と、
前記磁気ヘッドと、前記記憶再生媒体による情報の記録信号と再生信号を処理する信号処理基板とを備えることを特徴とする情報記憶装置。                                                                            
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板上に、下地層、反強磁性層、第１の強磁性層、非磁性層、第２の強磁性層が順に積層される磁気抵抗効果素子、このような磁気抵抗効果素子を有する磁気ヘッド、および、このような磁気ヘッドを有する情報記憶装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、コンピュータ技術の発展とともに、コンピュータに内蔵される機器や、コンピュータに外部から接続される周辺機器に関する技術も急速に発展している。こうした技術の中でも、ハードディスク装置（ＨＤＤ）をはじめとする情報記憶装置や、情報が記憶される記憶媒体（記憶再生媒体）の開発は特に盛んであり、市場には様々な種類の情報記憶装置や記憶媒体が出回っている。情報を記憶する方式としては、１ビット分の情報を１つの磁化の磁化方向（所定方向について平行かあるいは反平行か）で表す規則の下で、複数個の磁化の磁化方向の組み合わせで情報を記憶する方式が従来からよく知られている。この方式では、記憶媒体に設けられた記憶領域に、情報を表す記録用の電気信号（記録信号）に応じた方向の磁化を形成することで情報の記憶が行われ、磁化方向を読み取って磁化方向を表す再生用の電気信号（再生信号）を生成することで情報の再生が行われる。そこで、この方式を採用した情報記憶装置では、記録信号に応じた方向の磁化を形成する記録素子と、磁化方向を表す再生信号を生成する再生素子とが設けられている。【０００３】
最近では、記憶領域における記録密度が高密度化しており、こうした高記録密度の情報の読み取りに適した小型の再生素子が強く望まれている。小型化に適した再生素子としては、磁気抵抗効果膜と呼ばれる膜を利用して磁化方向の読み取りを行う再生素子が知られている。この磁気抵抗効果膜は、２つの強磁性層の間に非磁性層を挟んだ積層構造を有しており、磁気抵抗効果膜には、非磁性層を介して２つの強磁性層の間を流れる電流に対する電気抵抗の大きさが、２つの強磁性体層の磁化方向が互いに平行の状態にあるか、あるいは、互いに反平行の状態にあるかで異なるという性質（磁気抵抗効果）がある。磁気抵抗効果膜を利用する再生素子では、各磁化の磁化方向に応じて２つの強磁性層間の電気抵抗値が変化することを、電気的に検出することで磁化方向の読み取りが行われる。磁気抵抗効果を利用する方式は、コイルによる電磁誘導を利用する方式に比べ、磁化方向の検出機構が単純であるため、再生素子の小型化が実現することとなる。【０００４】
図１は、磁気抵抗効果膜を有する再生素子を採用したハードディスク装置（ＨＤＤ）の磁気ヘッドにおいて、その再生素子の周辺を表した外観図である。【０００５】
この図では、再生素子１０４に近接しながら回転する磁気ディスク１０３の表面をｘｙ平面とし、その平面の法線方向をｚ軸とし、再生素子１０４の位置を原点として定義されたｘｙｚ直交座標系の中で、再生素子１０４が表されている。ここで、ｘ軸方向が、磁気ディスク１０３に対し再生素子１０４が相対的に移動する方向であり、磁気ディスク１０３の円周方向である。ｘ軸の方向に再生素子１０４が相対的に移動することによって、再生素子１０４は、磁気ディスク１０３の各トラック（半径が一定の円周領域）に沿って並んだ単位記憶領域であって１ビット分の情報を表す磁化を１つ有する１ビット領域に順次近接し、情報の読み取りを行う。ここで、各１ビット領域は、図のｚ軸の正方向あるいは負方向に向いた磁化を備えている。【０００６】
図に示すように、再生素子１０４は、２つの磁気シールド層１００、１０１と、これらの磁気シールド層１００、１０１の間に配置された磁気効果膜１０２を備えている。なお、再生素子１０４の構成要素としては、上述した磁気シールド層１００、１０１や磁気効果膜１０２以外に、これらを支える支持部材となる基板や、磁気シールド層１００、１０１の間に設けられる磁区制御膜といった構成要素も存在するが、ここではその図示は省略されている。再生素子１０４では、磁気効果膜１０２に最近接する１ビット領域であって磁化方向の読み取りの対象となる１ビット領域の磁界以外の外部磁界は、磁気シールド層１００、１０１によってシールドされる。すなわち、最近接の１ビット領域からの磁界のみが磁気効果膜１０２に検出される。ここで、上述した非磁性層および２つの強磁性層は、磁気効果膜１０２において、この図のｘ軸方向に積み重なった層である。次に、この磁気効果膜１０２の層構成について説明する。【０００７】
図２は、図１の磁気効果膜１０２の層構成を表した模式図である。【０００８】
磁気効果膜１０２は、図１の左側の磁気シールド層１００の上に、補助下地層１ｃ、下地層２、反強磁性層３、第１強磁性層４、非磁性層７、第２強磁性層８、表面保護層９が、この順に重なった層構成を備えている。ここで、反強磁性層３は反強磁性を有する層であり、第１強磁性層４および第２強磁性層８は強磁性を有する層であり、非磁性層７は磁化率が極めて小さく磁化しにくい材料で構成された層である。また、補助下地層１ｃは、下地層２と図１の磁気シールド層１００との接着性を高めるための層であり、下地層２は、補助下地層１ｃが積層した磁気シールド層１００に、反強磁性層３を滑らかに定着させるための層である。表面保護層９は、磁気効果膜１０２表面を保護するための層であり、図１の左側の磁気シールド層１０１に接する層でもある。【０００９】
図に示す第１強磁性層４と反強磁性層３のように、強磁性層と反強磁性層が接した状態では、強磁性層と反強磁性層との境界面に生じる交換結合（磁気相互作用の一種で磁化の間の相互作用）により、強磁性層の磁化方向が固定されてしまい、外部磁界の影響を受けてもその磁化方向が変化しにくくなることが知られている。図では、反強磁性層３に接する第１強磁性層４の磁化方向が、例として図の右向き矢印の方向に固定されている様子が示されている。一方、第２強磁性層８は、反強磁性層３から離れており、このため、第１強磁性層４のような制約を受けることなく、第２強磁性層８の磁化方向は、外部磁界の影響を受けて変化する。具体的には、磁気効果膜１０２に近接した１ビット領域の磁界の影響を受けて、磁気効果膜１０２中の第２強磁性層８の磁化方向が変化する。ここで、非磁性層７を介して第１強磁性層４と第２強磁性層８との間を流れる電流が感じる抵抗の大きさは、磁気抵抗効果により、第１強磁性層４の磁化と第２強磁性層８の磁化とが互いに平行な状態のときに小さく、第１強磁性層４の磁化と第２強磁性層８の磁化とが互いに反平行なときに大きくなる。このような性質を利用して、図１の再生素子１０４では、第１強磁性層４と第２強磁性層８との間に電圧が印加されたときの、これら２つの強磁性層の間を流れる電流の検出信号の出力が行われており、この検出信号で表される電流の変化を検出することによって、各１ビット領域の磁化方向が検出される。【００１０】
磁気抵抗効果を利用した読取方式では、磁気効果膜１０２が、磁気効果膜１０２に近接する１ビット領域の磁界の影響だけを受けるようにするため、ｘ軸方向についての磁気効果膜１０２の長さ（図１の読取ギャップ長Ｌｒｇ）は、ｘ軸方向についての１ビット領域の長さ（図１のビット長Ｌｂ）と同程度かそれ以下であることが必要である。ここで、磁気ディスクの記録密度を向上させるためにはビット長を短くすることが望ましく、従って、高記録密度化を達成するには、短いビット長に対応した、読取ギャップ長の短い再生素子を実現することが要求される。ここで、反強磁性層３と、反強磁性層３に接する第１強磁性層４との間で、第１強磁性層の磁化が固定されるほど充分な交換結合が生じるためには、反強磁性層３の厚さがある程度以上厚いことが必要であることが知られている。しかし、反強磁性層３を厚くすると、図１の読取ギャップ長Ｌｒｇも増加することになり、高記録密度化を達成するのが困難になる。具体的には、２００３年以前には、反強磁性層３の材料としては白金（Ｐｔ）とマンガン（Ｍｎ）の合金や、鉛（Ｐｄ）と白金（Ｐｔ）とマンガン（Ｍｎ）の合金が採用されることが多く、これらの材料では、数ｎｍ程度の第１強磁性層４に対し、充分な交換結合が生じるために反強磁性層３の層厚が１５ｎｍ以上であることが要求され、高記録密度化の障害となっていた。最近、反強磁性層３の材料としてイリジウム（Ｉｒ）とマンガン（Ｍｎ）の合金（以下、Ｉｒ−Ｍｎと略す）が採用された場合には、半分以下の層厚（つまり７．５ｎｍ以下）の反強磁性層３で充分な交換結合が生じることが報告されており（例えば、特許文献１参照）、このように反強磁性層３の材料としてＩｒ−Ｍｎを採用することで、高記録密度化に適した小型の再生素子が実現する。
【特許文献１】特開２００５−２４４２５４号公報
【００１１】
上述したように、下地層２は、補助下地層１ｃが積層した磁気シールド層１００に、反強磁性層３を滑らかに定着させるための層であり、下地層２の材料としては、特許文献１をはじめ従来から、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）のいくつかを組み合わせてなる合金や、銅（Ｃｕ）、ルテニウム（Ｒｕ）、タンタル（Ｔａ）といった金属が用いられてきている。【００１２】
しかしながら、これらの材料からなる下地層２の上に、Ｉｒ−Ｍｎが採用された反強磁性層３が積層された場合、下地層２の上でＩｒ−Ｍｎが（１１１）面配向となり、平坦な膜が得られない。表面に凹凸がある反強磁性層３に、第１強磁性層４、非磁性層７、および第２強磁性層８が積層されると、積層されたこれらの層もまた平坦性に欠けた層となり、特に、非磁性層７は他の層に比べて薄い層であるため、反強磁性層３の境界面の凹凸の影響を受けて、波打つように曲がった形状の層になりやすい。非磁性層７がこのように曲がった形状になると、非磁性層７との境界面近くの第１強磁性層４の磁界が第２強磁性層８の磁化状態に影響を与えるようになり、読み取り対象の１ビット領域の磁界に対する第２強磁性層８の磁化の応答性が低下する。この非磁性層を介した２層の強磁性層間に働く相互作用は、一般にオレンジピール効果と言われる。さらに、磁性層７が曲がった形状になると、第１強磁性層４と第２強磁性層８との間に電圧が印加されて電流が流れる際に、電圧に対する耐性が低下して非磁性層７が破断することもある。このように、外部磁界に対する応答性が低く、電圧に対する耐性も低い状態では、再生素子としての能力が充分に発揮されないこととなり問題となる。【００１３】
磁気抵抗効果膜において反強磁性層の材料としてＩｒ−Ｍｎが採用された場合には、再生素子の小型化が実現するという利点があるものの、この利点を充分に生かすためには、平坦性の低い反強磁性層となることを抑える工夫が必要となる。【００１４】
なお、以上の説明では、磁気抵抗効果膜１０２を利用する再生素子１０４を例にとって説明したが、反強磁性層の材料としてＩｒ−Ｍｎが採用された場合の上述の問題は、再生素子以外にも、磁気抵抗効果膜１０２を利用して磁化の検出を行う磁気抵抗効果素子全般について生じ得る問題である。例えば、この問題は、図２の磁気効果膜１０２を複数備えて複数の第２強磁性層８の磁化方向の形式で情報を記憶するランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）についても生じ得る問題である。
【発明の開示】
【００１５】
上記事情に鑑み、反強磁性層の材料としてイリジウム（Ｉｒ）とマンガン（Ｍｎ）が採用された場合でも平坦性の低い反強磁性層となることを抑える磁気抵抗効果素子、この磁気抵抗効果素子を再生素子として採用する磁気ヘッド、および、この磁気ヘッドを備えた情報記憶装置を提供する。
【００１６】
上記目的を達成する磁気抵抗効果素子の基本形態は、
基板上に、下地層、反強磁性層、第１の強磁性層、非磁性層、第２の強磁性層が順に積層される磁気抵抗効果素子であって、
上記下地層は、金属窒化物で形成され、
上記反強磁性層は、ＩｒとＭｎとを含む反強磁性材料で形成されるものである。
【００１７】
この基本形態によれば、下地層が金属窒化物で形成されることで、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）のいくつかを組み合わせてなる合金や、銅（Ｃｕ）、ルテニウム（Ｒｕ）、タンタル（Ｔａ）といった金属のような、従来から用いられてきた材料で下地層が形成される場合と比べて、ＩｒとＭｎとを含む反強磁性層の表面に凹凸が生じにくい。そこで、反強磁性層に積層する、第１強磁性層、非磁性層、および第２強磁性層についても、平坦性に欠けた層となることが回避され、外部磁界に対する応答性や電圧に対する耐性が低下することが避けられる。この結果、磁気抵抗効果素子の小型化が実現するという、反強磁性層の材料としてイリジウム（Ｉｒ）とマンガン（Ｍｎ）が採用された場合の利点を充分に生かすことができる。
【００１８】
ここで、上記の下地層としては、例えば、窒化銅（ＣｕＮ）で形成された層を採用することができる。
【００１９】
このように、下地層がＣｕＮで形成された形態においては、「上記ＣｕＮで形成される下地層は、（２００）結晶面が上記基板の表面と平行になる様に、結晶配向する」という応用形態は好適である。
【００２０】
ミラー指数が（２００）の結晶面が、基板の表面と平行になる様に結晶配向することで、その上に積層される反強磁性層の平坦性が増し、好ましい磁気抵抗効果素子が実現する。
【００２１】
また、上記の基本形態において、「上記ＩｒとＭｎとで形成される反強磁性層は、（２００）結晶面が上記基板の表面と平行になる様に、結晶配向する」という応用形態も好適である。
【００２２】
このような応用形態によれば、反強磁性層の平坦性が増し、好ましい磁気抵抗効果素子が実現する。
【００２３】
また、上記の基本形態において、「上記非磁性層は、絶縁材料で形成され、その厚さ方向にトンネル電流が流れる厚さである」という応用形態も好適である。
【００２４】
このような応用形態によれば、非磁性層が絶縁体の材料で構成された層であって、かつ、トンネル電流（量子力学におけるトンネル効果によりポテンシャル障壁を透過して流れる電流）が流れる程度の厚さの層となることで、第１の強磁性層と第２の強磁性層との間に流れるトンネル電流に対する磁気抵抗効果が得られる。トンネル電流に対する磁気抵抗効果は、通常の電流が流れる場合に比べて大きく、外部磁界に対し応答性の高い磁気抵抗効果素子が実現する。このとき、絶縁材料としては、例えば、ＭｇＯが採用されてもよい。
【００２５】
また、上記の基本形態においては、「上記第１の強磁性層は、少なくとも２層以上からなり、その層間は非磁性層で分断されており、交換結合により、分断された強磁性層の磁化方向が反平行方向に結合される」という応用形態が採用されてもよい。
【００２６】
また、下地層がＣｕＮで形成された上記の応用形態においては、「上記基板上に、上記ＣｕＮで形成される下地層の層間に、アモルファス層を更に備える」という応用形態も好適である。
【００２７】
一般に、アモルファスには、結晶ほどの長距離秩序は存在しないが短距離秩序が存在するため、短距離間においては結晶に似た配向性が存在する。そこで、アモルファスの構造を有する上記のアモルファス層に下地層を積層することにより、アモルファス層の配向性の影響で下地層の結晶配向性が揃いやすくなる。
【００２８】
上記目的を達成する磁気ヘッドの基本形態は、
基板上に、ＣｕＮからなる下地層、ＩｒとＭｎとを含む反強磁性層、第１の強磁性層、非磁性層、第２の強磁性層が順に積層される磁気抵抗効果素子を有する再生素子と、
薄膜コイルと、上記薄膜コイルが発生する磁束を通す磁極とを有する記録素子と、
を備える。
【００２９】
このような磁気ヘッドの基本形態は、上述した基本形態の磁気抵抗効果素子を再生素子として採用しているため、磁気抵抗効果素子においてＩｒとＭｎとを含む反強磁性層を採用することに伴う利点を充分に生かすことができ、高記録密度に適した小型の磁気ヘッドが実現する。
【００３０】
上記目的を達成する情報記憶装置の基本形態は、
基板上に、ＣｕＮからなる下地層、ＩｒとＭｎとを含む反強磁性層、第１の強磁性層、非磁性層、第２の強磁性層が順に積層される磁気抵抗効果素子を有する再生素子と、
薄膜コイルと、上記薄膜コイルが発生する磁束を通す磁極とを有する記録素子と、
を含む磁気ヘッドと、
上記磁気ヘッドにより情報の記録と再生が行われる記憶再生媒体と、
上記磁気ヘッドと、上記記憶再生媒体による情報の記録信号と再生信号を処理する信号処理基板とを備えている。
【００３１】
このような情報記憶装置の基本形態は、上述した基本形態の磁気ヘッドを備えているため、磁気抵抗効果素子においてＩｒとＭｎとを含む反強磁性層を採用することに伴う利点を充分に生かすことができ、高記録密度に適した情報記憶装置が実現する。
【００３２】
以上説明したように、磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド、および情報記憶装置の上記基本形態によれば、反強磁性層の材料としてイリジウム（Ｉｒ）とマンガン（Ｍｎ）が採用された場合でも平坦性の低い反強磁性層となることが抑えられる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】磁気抵抗効果膜を有する再生素子を採用したハードディスク装置（ＨＤＤ）の磁気ヘッドにおいて、その再生素子の周辺を表した外観図である。
【図２】図１の磁気効果膜の層構成を表した模式図である。
【図３】情報記憶装置の具体的な実施形態である磁気ディスク装置を表した図である。
【図４】図３に示す磁気ヘッドを表した図である。
【図５】図４の磁気効果膜の層構成を表した模式図である。
【図６】図４の再生素子が作製されるまでの各段階の様子を示した図である。
【図７】実験１の結果を表す図である。
【図８】実験２の結果を表す図である。
【図９】実験３を説明する図である。
【図１０】実験４の結果を表した図である。
【図１１】Ｘ線解析の概要を表す説明図である。
【図１２】実験５の結果を表す図である。
【図１３】実験６の結果を表した図である。
【図１４】図５の磁気抵抗効果膜を有するＭＲＡＭの概略的な構成を表した図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
基本形態（および応用形態）について上述した磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド、および、情報記憶装置に対する具体的な実施形態を、以下図面を参照して説明する。【００３５】
図３は、情報記憶装置の具体的な実施形態である磁気ディスク装置を表した図である。【００３６】
図３に示す磁気ディスク装置５００には、図に垂直な方向を回転軸とする回転駆動力を発生するロータリアクチュエータ５４が設けられている。このロータリアクチュエータ５４は、サスペンションアーム５３を支持しており、ロータリアクチュエータ５４の回転駆動力を受けて、サスペンションアーム５３は、ロータリアクチュエータ５４の周りを図の面内で回動する。サスペンションアーム５３の先端には、ジンバルと呼ばれる支持具でスライダ５２が取り付けられており、さらに、このスライダ５２の先端部には、磁気ヘッド５１が取り付けられている。【００３７】
磁気ヘッド５１は、磁気ディスク５０からの情報の読み取りや磁気ディスク５０への情報の書き込みを行う役割を担っている。情報の読み取りや書き込みの際には、ロータリアクチュエータ５４によりサスペンションアーム５３が回転駆動されることで、磁気ヘッド５１は、円盤状の磁気ディスク５０の表面から微小な高さだけ浮上した位置に配置され、この状態で、磁気ディスク５０からの情報の読み取りや磁気ディスク５０への情報の書き込みを行う。この図では、磁気ヘッド５１の位置を原点とし、磁気ディスク１０３の表面をｘｙ平面とし、図に垂直な法線方向をｚ軸として定義されたｘｙｚ直交座標系の中で、磁気ヘッド５１が表されており、この座標系のとり方は、図１の座標系のとり方と同じである。円盤状の磁気ディスク５０の表面には、同心円状に多数のトラック５５が設けられており、上記のｘｙｚ直交座標系では、ｘ軸方向がトラック５５の接線方向であり、ｙ軸方向がトラック５５の幅方向である。各トラック５５には、トラック５５に沿って、１ビット領域と呼ばれる１ビット分の情報を記憶する単位記憶領域が並んでいる。これらの１ビット領域には、図のｚ軸の正方向あるいは負方向を向いた磁化がそれぞれ１つずつ設けられており、この２つの向きで１ビット分の情報が表される。この磁気ディスク５０は、円盤の中心を回転中心として図の面内を回転し、磁気ディスク５０表面近くに配置された磁気ヘッド５１は、回転する磁気ディスク５０１の各１ビット領域に順次近接する。【００３８】
情報の記録時には、磁気ディスク５０に近接した磁気ヘッド５１に電気的な記録信号が入力され、磁気ヘッド５１は、入力された記録信号に応じて各１ビット領域に磁界を印加して、その記録信号に担持された情報をそれらの各１ビット領域の磁化方向の形式で記録する。また、情報の再生時には、磁気ヘッド３は、各１ビット領域において磁化方向の形式で記録された情報を、磁化それぞれから発生する磁界に応じて電気的な再生信号を生成することにより取り出す。ここで、磁気ヘッド５１が１つのトラック５５で情報の読み取りを行った後、別のトラック５５で情報の読み取りや書き込みを行う際には、ロータリアクチュエータ５４の回転駆動力を受けたサスペンションアーム５３が回動して磁気ヘッド５１がその別のトラック５５に近接した位置に移動し、その別のトラック５５の各１ビット領域において、上述した方式で情報の読み取りや書き込みを行う。【００３９】
上述した、ロータリアクチュエータ５４、サスペンションアーム５３、スライダ５２、磁気ヘッド５１など、情報の記憶再生に直接的に携わる各部は、磁気ディスク５０とともに、ベース５６に収容されており、図３では、ベース５６の内側の様子が表されている。ベース５６の裏側には、上記の各部を制御する制御回路を有する制御基板５７が設けられている。上記の各部は、不図示の機構でこの制御基板５７と電気的に導通しており、磁気ヘッド５１に入力される上述の記録信号や、磁気ヘッド５１で生成された上述の再生信号は、この制御基板５７において処理される。この制御基板５７が、上述した情報記憶装置の基本形態にいう信号処理基板の一例に相当する。【００４０】
次に、磁気ヘッド５１の構成について詳しく説明する。【００４１】
図４は、図３に示す磁気ヘッド５１を表した図である。【００４２】
図４のパート（ａ）は、磁気ヘッド５１を、図３のｘｙ平面に平行な面で表した図であり、図４のパート（ｂ）は、磁気ヘッド５１を、図３のｘｚ平面に平行な面で表した図である。【００４３】
磁気ヘッド５１は、情報の記録時に記録信号に応じて各１ビット領域に磁界を印加して磁化方向の形式で情報を記録する記録素子４０と、情報の再生時に各１ビット領域の磁化それぞれから発生する磁界に応じて、情報を表す電気的な再生信号を生成する再生素子２０との２つの素子を備えている。【００４４】
記録素子４０は、主磁極４１、主磁極補助層４２、補助磁極４３、接続部４５を有する素子である。ここで、主磁極４１、主磁極補助層４２、補助磁極４３、および接続部４５が、磁気記録時に発生する磁束の磁路の一部を構成する。この磁路と鎖交するように、記録用の薄膜コイル４４が配置されている。このような構成を有する記録素子４０は、公知の方法で作製することができる。【００４５】
再生素子２０は、トンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ効果）を利用して情報の再生を行う素子であり、下部磁気シールド層１ｂ、磁気抵抗効果膜２１、上部磁気シールド層１ｄ、支持基板１ａを備えている。【００４６】
支持基板１ａは、下部磁気シールド層１ｂ、磁気抵抗効果膜２１、上部磁気シールド層１ｄを支える支持部材であり、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）と炭化チタン（ＴｉＣ）とを有する非磁性の材料の表面に酸化アルミニウム膜が形成された基板（ＡｌＴｉＣ基板）である。再生素子２０では、この表面に下部磁気シールド層１ｂが積層されている。【００４７】
下部磁気シールド層１ｂ、磁気抵抗効果膜２１、上部磁気シールド層１ｄの概観は、図１で示したものと同一である。下部磁気シールド層１ｂおよび上部磁気シールド層１ｄは、ニッケル（Ｎｉ）と鉄（Ｆｅ）の合金（Ｎｉ−Ｆｅ）で構成されており、高い透磁率を有する、２，３ｎｍ程度の層厚の層である。なお、下部磁気シールド層および上部磁気シールド層の材料としては、透磁率の大きい材料であれば、Ｎｉ−Ｆｅ以外の材料が採用されてもよい。【００４８】
次に、磁気抵抗効果膜２１について説明する。【００４９】
図５は、図４の磁気効果膜２１の層構成を表した模式図である。【００５０】
この図に示すように、磁気効果膜２１は、図４の下部磁気シールド層１ｂの上に、補助下地層１ｃ、下地層２、反強磁性層３、第１強磁性層４、非磁性層７、第２強磁性層８、表面保護層９が、この順に重なった層構成を備えている。各層の果たす役割は、図２で上述したものと同じであり、図４の磁気効果膜２１でも、反強磁性層３の材料としてイリジウム（Ｉｒ）とマンガン（Ｍｎ）の合金材料（Ｉｒ−Ｍｎ）が採用されている。しかしながら、従来の磁気効果膜とは異なり、図４の磁気効果膜２１では、下地層２が窒化銅（ＣｕＮ）を有する材料で構成されており、この点が従来の磁気効果膜とは大きく異なる。下地層２の材料として窒化銅（ＣｕＮ）を採用することの効果については後述することとし、以下では、まず、図４の磁気効果膜２１の各層の詳細について説明する。【００５１】
補助下地層１ｃは、タンタル（Ｔａ）を有する材料で構成された層であり、アモルファスの構造を有する層である。下地層２は、上述したように窒化銅（ＣｕＮ）を有する材料で構成された層である。補助下地層１ｃの層厚と下地層２の層厚の和は、例えば５ｎｍ程度である。【００５２】
反強磁性層３は、上述したようにイリジウム（Ｉｒ）とマンガン（Ｍｎ）の合金材料（Ｉｒ−Ｍｎ）で構成された反強磁性の層であり、その層厚は、例えば７ｎｍ程度である。【００５３】
第１強磁性層４は、コバルト（Ｃｏ）および鉄（Ｆｅ）を有する材料（Ｃｏ−Ｆｅ）で構成された強磁性の第１磁化固定相層４ａと、ルテニウム（Ｒｕ）を有する材料で構成され磁化率が極めて小さい非磁性の非磁性中間層４ｂと、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、およびホウ素（Ｂ）を有する材料（Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ）で構成された強磁性の第２磁化固定相層４ｃとの３つの層が、この順に積層されてなる層である。ここで、第１磁化固定相層４ａの層厚は、例えば１．５ｎｍ程度であり、非磁性中間層４ｂの層厚は、０．５ｎｍ程度であり、第２磁化固定相層４ｃの層厚は、２．５ｎｍ程度である。このように第１強磁性層４は、第１磁化固定相層４ａと第２磁化固定相層４ｃとの２つの強磁性の層の間に非磁性の非磁性中間層４ｂが存在している構成となっているが、３層の層厚に示されているように、第１強磁性層４は、層全体としては強磁性の材料を主成分としている層である。ここで、第１磁化固定相層４ａと反強磁性層３との境界面に生じる交換結合により、第１磁化固定相層４ａの磁化方向は固定されている。一方、非磁性中間層４ｂを間に挟んで、第１磁化固定相層４ａと第２磁化固定相層４ｃとの２つの層の間にも交換結合が存在しており、この交換結合により、第１磁化固定相層４ａの磁化方向と第２磁化固定相層４ｃの磁化方向とは互いに反平行の状態に保たれている。従って、上記の２種類の交換結合により、第１強磁性層４では、第１磁化固定相層４ａの磁化方向と第２磁化固定相層４ｃの磁化方向とは、いずれも固定されている状況が実現している。なお、非磁性中間層４ｂの材料としては、ルテニウム（Ｒｕ）に加え、ロジウム（Ｒｈ）も含む材料が採用されてもよい。この場合には、ロジウムの含有量を５原子％以上４０原子％以下とすることが好ましく、２０原子％以上３０原子％以下とすることがより好ましい。また、非磁性中間層４ｂの厚さは、０．３ｎｍ以上０．７ｎｍ以下であることが好ましく、０．４ｎｍ以上０．７ｎｍ以下であることがより好ましい。【００５４】
非磁性層７は、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を有する材料で構成された層である。この非磁性層７は、磁化率が極めて小さい層であるとともに、電気的に絶縁性の層でもある。このように非磁性層７は絶縁性の層であるが、層厚が小さいために、非磁性層７の下側に位置する第１強磁性層４と、非磁性層７の上側に位置する第２強磁性層８との間では、非磁性層７を介して、トンネル電流（量子力学におけるトンネル効果によりポテンシャル障壁を透過して流れる電流）が流れることができる。非磁性層７の層厚としては、例えば１．０ｎｍ〜１．５ｎｍ程度が採用可能である。ここで、非磁性層７を介して第１強磁性層４と第２強磁性層８との間を流れるトンネル電流が感じる抵抗の大きさは、磁気抵抗効果（トンネル磁気抵抗効果）により、第１強磁性層４の磁化と第２強磁性層８の磁化とが互いに平行な状態のときに小さく、第１強磁性層４の磁化と第２強磁性層８の磁化とが互いに反平行なときに大きくなる。【００５５】
第２強磁性層８は、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、およびホウ素（Ｂ）を有する材料（Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ）で構成された強磁性の層であり、その層厚としては３ｎｍ程度である。この第２強磁性層８の磁化は、第１強磁性層４の第１磁化固定相層４ａや第２磁化固定相層４ｃと異なり、外部磁場に応じて自由に磁化方向を変えることができる。具体的には、磁気効果膜２１に近接した図３の磁気ディスクの５０における各１ビット領域の磁化が、図３のｚ軸について正の方向あるいは負の方向のいずれかを向いているかに応じて、図２のｚ軸について正の方向あるいは負の方向を向く。【００５６】
表面保護層９は、タンタル（Ｔａ）を有する材料で構成された層であり、その層厚は、例えば３ｎｍ程度である。【００５７】
以上が、磁気効果膜２１の各層の詳細についての説明である。【００５８】
図５の磁気効果膜２１を有する図４の再生素子２０には、第２強磁性層８の磁化が、再生素子２０に対して外部磁場の影響がない状況下では図５のｙ軸に沿った方向（すなわちｙ軸の正方向あるいは負方向、なお、座標系については図１および図３も参照）を向くように、第２強磁性層８の磁化方向をバイアスする後述の磁区制御膜２６が設けられている。一方、第１強磁性層４中の、第１磁化固定相層４ａの磁化と第２磁化固定相層４ｃの磁化とは、上述した反強磁性層３との交換結合に起因して、再生素子２０に対して外部磁場の有無に関わらず、図５のｚ軸に沿った方向（すなわちｚ軸の正方向あるいは負方向）を向いている。【００５９】
再生素子２０では、第１強磁性層４と第２強磁性層８との間に電圧が印加されたときの、これら２つの強磁性層の間を流れるトンネル電流の検出信号の出力が行われている。磁気ディスク１０３の１ビット領域に再生素子２０が近接する際には、再生素子２０には、その１ビット領域の磁化の作る磁場（再生素子２０に対する外部磁場）の影響を受け、その１ビット領域の磁化が、図５のｚ軸について正の方向あるいは負の方向のいずれかを向いているかに応じて、第２強磁性層８の磁化は、図５のｚ軸について正の方向あるいは負の方向を向く。上述したトンネル磁気抵抗効果により、第２強磁性層８の磁化がいずれの方向を向くかで第１強磁性層４と第２強磁性層８との間を流れるトンネル電流が変化するため、再生素子２０からの検出信号により磁気ディスク１０３の各１ビット領域の磁化方向が表されることとなる。この検出信号が、上述した再生信号であり、図３の磁気ディスク５００では、磁気ヘッド５１中の再生素子２０が、このように検出信号を生成することにより情報の読み取りが実行される。【００６０】
以上説明した構成の磁気抵抗効果膜２１を備えた図４の再生素子２０が、上述した基本形態における磁気抵抗効果素子の一実施形態に相当し、図５の補助下地層１ｃと、図４の下部シールド層１ｂと、図４の支持基板１ａを合わせたものが、上述した基本形態における基板の一例に相当する。【００６１】
この再生素子２０では、Ｉｒ−Ｍｎが反強磁性層３の材料として採用されることで、薄い層厚の反強磁性層３でありながら、第１強磁性層４（特に第１磁化固定相層４ａ）の磁化方向を固定するのに充分な交換結合を生じさせることができ、高記録密度化に適した小型の再生素子となっている。【００６２】
従来、下地層の材料としては、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）のいくつかを組み合わせてなる合金や、ルテニウム（Ｒｕ）や、タンタル（Ｔａ）が用いられてきている。しかしながら、これらの材料からなる下地層の上に、Ｉｒ−Ｍｎが採用された反強磁性層が積層された場合、下地層の上でＩｒ−Ｍｎが（１１１）面配向となり、平坦な膜が得られない。表面に凹凸がある反強磁性層に、第１強磁性層、非磁性層、および第２強磁性層が積層されると、積層されたこれらの層もまた平坦性に欠けた層となり、特に、非磁性層は他の層に比べて薄い層であるため、反強磁性層の境界面の凹凸の影響を受けて、波打つように曲がった形状の層になりやすい。非磁性層がこのように曲がった形状になると、非磁性層との境界面近くの第１強磁性層の磁界が第２強磁性層の磁化に影響を与えるようになり、読み取り対象の１ビット領域の磁界に対する第２強磁性層の磁化の応答性が低下する。さらに、磁性層が曲がった形状になると、第１強磁性層と第２強磁性層との間に電圧が印加されて電流が流れる際に、電圧に対する耐性が低下して磁性層が破断することもある。このように、外部磁界に対する応答性が低く、電圧に対する耐性も低い状態では、再生素子としての能力が充分に発揮されないこととなり問題となる。【００６３】
図４の再生素子２０では、下地層２が窒化銅（ＣｕＮ）で形成されることで、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）のいくつかを組み合わせてなる合金や、ルテニウム（Ｒｕ）や、タンタル（Ｔａ）といった従来から用いられてきた材料で下地層が形成される場合と比べて、具体的な実験結果で後述するように、ＩｒとＭｎとを含む反強磁性層３の表面に凹凸が生じにくくなっている。そこで、反強磁性層３に積層する、第１強磁性層４、非磁性層７、および第２強磁性層８についても、平坦性に欠けた層となることが回避され、各層において外部磁界に対する応答性や電圧に対する耐性が低下することが避けられる。この結果、図４の再生素子２０では、再生素子の小型化が実現するという、反強磁性層３の材料としてイリジウム（Ｉｒ）とマンガン（Ｍｎ）が採用された場合の利点を充分に生かすことができる。【００６４】
ここで、反強磁性層３の表面に凹凸を生じにくくする下地層２中の窒化銅（ＣｕＮ）の微視的な特徴について説明する。この下地層２中の窒化銅（ＣｕＮ）においては銅原子（Ｃｕ）と窒素原子（Ｎ）とで結晶構造が形成されており、この結晶構造では、ミラー指数が（２００）の結晶面が、図４の支持基板１ａの表面（より正確には、図５の補助下地層１ｃと、図４の下部シールド層１ｂと、図４の支持基板１ａを合わせたものの表面）と平行になっている。図４の再生素子２０では、ＩｒとＭｎとの合金が、このように結晶配向した下地層２の上に積層されて結晶構造を形成することで上記の反強磁性層３が形成される。このとき、下地層２中の窒化銅（ＣｕＮ）の結晶配向の影響を受けて、ＩｒとＭｎとの合金の結晶構造においても、ミラー指数が（２００）の結晶面が、図４の支持基板１ａの表面（より正確には、図５の補助下地層１ｃと、図４の下部シールド層１ｂと、図４の支持基板１ａを合わせたものの表面）と平行になる様に結晶配向が生じる。このようにＩｒとＭｎとの合金の結晶配向が生じると、図４の支持基板１ａ表面に沿った方向について反強磁性層３の形状の安定性が高くなり、反強磁性層３表面に凹凸が生じにくくなる。【００６５】
ここで、図４の再生素子２０においては、下地層２は、アモルファスの構造を有する補助下地層１ｃの上に積層されており、この補助下地層１ｃ上で上記の窒化銅（ＣｕＮ）の結晶構造が形成される。一般に、アモルファスには、結晶ほどの長距離秩序は存在しないが短距離秩序が存在するため、結晶に似た配向性が存在する。そこで、アモルファスの構造を有する上記の補助下地層１ｃに下地層２を積層することにより、アモルファス層の配向性の影響で下地層２の結晶配向性が揃いやすくなる。【００６６】
次に、図４の再生素子２０の作製方法について説明する。【００６７】
図６は、図４の再生素子２０が作製されるまでの各段階の様子を示した図である。【００６８】
まず、図６のパート（ａ）に示す構成が作製されるまでの工程について説明する。まず、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）と炭化チタン（ＴｉＣ）とを有する非磁性の材料の表面に酸化アルミニウム膜を形成し、支持基板１ａ（ＡｌＴｉＣ基板）を作製する。次に支持基板１ａの上に、スパッタリングにより下部磁気シールド層１ｂを形成し、さらに下部磁気シールド層１ｂの上に、同じくスパッタリングにより補助下地層１ｃを形成する。そして、図６のパート（ａ）に示すように、補助下地層１ｃの上に、下地層２から第２強磁性層８までの各層を順に形成し、最後に、第２強磁性層８の上に、表面保護層９を形成する。【００６９】
次に、図６のパート（ｂ）に示す構成が作製されるまでの工程について説明する。まず、図６のパート（ａ）に示す表面保護層９の一部の領域を、フォトリソグラフィによりレジストパターン４９で覆う。このレジストパターン４９をマスクとして、補助下地層１ｃから表面保護層９までの各層を、イオンミリングによりパターニングする。このとき、レジストパターン４９で覆われていなかった領域では下部磁気シールド層２２が露出する。図６のパート（ｂ）では、補助下地層１ｃから表面保護層９までの各層が積層された台形状の積層構造体の両側に、下部磁気シールド層２２が露出している様子が示されている。【００７０】
次に、図６のパート（ｃ）に示す構成が作製されるまでの工程について説明する。【００７１】
図６のパート（ｂ）に示す構成の上側の全面を、例えばＡｌ2Ｏ3からなる厚さ３ｎｍ〜１０ｎｍの絶縁膜２５で、スパッタリングにより覆う。さらに、このように絶縁膜２５で覆われた全体を、上述したパターニングにより除去されて凹んだ部分（例えば、図６のパート（ｂ）の台形状の層構成の両側）が埋まるまで、スパッタリングにより磁区制御膜２６で覆う。この磁区制御膜２６の材料としては、例えば、コバルト（Ｃｏ）、クロム（Ｃｒ）、および白金（Ｐｔ）からなる合金（ＣｏＣｒＰｔ）で構成されたものが採用される。
次に、レジストパターン４９を、レジストパターン４９の上に堆積している絶縁膜２５や磁区制御膜２６とともに除去する。この除去作業により、磁区制御膜２６については、補助下地層１ｃから表面保護層９までの各層からなる積層構造体の両側を埋めていた磁区制御膜２６だけが残り、この積層構造体の上側を覆っていた磁区制御膜２６は除去されることとなる。そして、残った磁区制御膜２６の表面を、化学機械研磨（ＣＭＰ）により平坦化することで、上記の積層構造体の上側の面（表面保護層９の表面）と、残った磁区制御膜２６の表面とが滑らかにつながるように調整する。最後に、表面保護層９の表面および磁区制御膜２６の表面の上に、上部磁気シールド層２３を、スパッタリングにより堆積させる。これにより、図６のパート（ｃ）に示す構成を備えた再生素子２０が完成する。【００７２】
ここで、図６のパート（ｃ）に示す構成においては、磁区制御膜２６は、第２強磁性層８の磁化方向が、上記の積層構造体に対して外部磁場の影響がない状況下では図６のパート（ｃ）のｙ軸に沿った方向（ｙ軸の正方向あるいは負方向）にバイアスされるように、あらかじめ磁場中で熱処理されている。一方、第１強磁性層４中の、第１磁化固定相層４ａと第２磁化固定相層４ｃは、ｙｚ平面内での反強磁性層３の配置を工夫することで、第１磁化固定相層４ａの磁化と第２磁化固定相層４ｃの磁化とは、図６のパート（ｃ）のｚ軸に平行あるいは反平行の方向に向くように固定されている。具体的には、一般に反強磁性体では、反強磁性体を構成する結晶格子のスピンは、隣接結晶格子間において所定方向について互いに反平行となっており、図６のパート（ｃ）の反強磁性層３では、この所定方向が、図６のパート（ｃ）のｚ軸に沿った方向（ｚ軸に平行あるいは反平行の方向）となるように反強磁性層３が形成されている。【００７３】
以上の説明では、下地層２の材料としては、窒化銅（ＣｕＮ）が採用されていたが、下地層２の材料としては、窒化銅（ＣｕＮ）以外にも、チタン（Ｔｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）のいずれかの窒化物、あるいは、これらのいくつかを組み合わせた金属の窒化物が採用された場合であっても、上述したような反強磁性層３を平坦化する効果は得られる。このように、窒化銅（ＣｕＮ）以外の金属窒化物が下地層２の材料として採用された、再生素子、磁気ヘッド、およびＨＤＤは、以上の説明で、下地層２の材料を、窒化銅（ＣｕＮ）からそれらの金属窒化物に変更したものであり、ここでは、それらについての詳しい説明は省略する。【００７４】
以下では、金属窒化物が下地層の材料として採用されたときの、平坦化の効果、各層の間の磁気的な相互作用、結晶面の状態について、具体的な実験を用いて説明する。
［実験１］
以下、実験１について説明する。【００７５】
表面をエッチングして平坦化したシリコン基板の上に、Ｔａからなりアモルファス構造を有する厚さ３ｎｍの補助下地層、厚さ４ｎｍの下地層、Ｉｒ−Ｍｎからなる厚さ７ｎｍの反強磁性層、Ｃｏ−Ｆｅからなる厚さ１．７ｎｍの第１磁化固定層、Ｒｕからなる厚さ０．７ｎｍの非磁性中間層、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂからなる厚さ２ｎｍの第２磁化固定層を順番にスパッタリングにより形成した試料を、下地層の材料を変えて４つ作製した。この４つの試料では、Ｒｕ、Ｎｉ−Ｆｅ、Ｃｕ、ＣｕＮが、下地層の材料としてそれぞれ用いられている。なお、下地層にＣｕＮを用いた試料においては、アルゴンガスと窒素ガスの分圧比が１：４となっているスパッタガスを用いたスパッタリングにより下地層が形成される。これら４種類の試料について、原子間力顕微鏡を用いて、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ層表面における凹凸の標準偏差（高さの標準偏差）と、最も突出した所と最も凹んだ所の高低差（最大高低差）とを求めた。【００７６】
図７は、実験１の結果を表す図である。【００７７】
図７のパート（ａ）には、上記４種類の試料それぞれの高さの標準偏差（単位はｎｍ）が表されており、図７のパート（ｂ）には、上記４種類の試料それぞれの最大高低差（単位はｎｍ）が表されている。この図に示すように、４つの試料のうち下地層にＣｕＮを用いた試料が、高さの標準偏差と最大高低差との両方について、最小となっており、下地層にＣｕＮを用いると平坦化の効果が高いということがわかる。
［実験２］
次に、実験２について説明する。【００７８】
シリコン基板の表面をエッチングして平坦化し、その上に、厚さ５ｎｍのＴａ層、厚さ２０ｎｍのＣｕＮ層、厚さ３ｎｍのＴａ層、厚さ２０ｎｍのＣｕＮ層、厚さ３ｎｍのＴａ層が順次積層されてなる補助下地層を形成した。さらにこの補助下地層の上に、ＣｕＮからなる厚さ３ｎｍの下地層、Ｉｒ−Ｍｎからなる厚さ７ｎｍの反強磁性層、Ｃｏ−Ｆｅからなる厚さ１．７ｎｍの第１磁化固定層、Ｒｕからなる厚さ０．６８ｎｍの非磁性中間層、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂからなる厚さ２．５ｎｍの第２磁化固定層、ＭｇＯからなる厚さ１．０ｎｍ〜１．５ｎｍの非磁性層、およびＣｏ−Ｆｅ−Ｂからなる厚さ３ｎｍの第２強磁性層を形成した。さらに、この第２強磁性層の上に、厚さ５ｎｍのＴａ層、厚さ１０ｎｍのＣｕ層、および厚さ１０ｎｍのＲｕ層からなる３層構造の表面保護層を形成することで、この実験２で用いられる試料を作成した。さらに、上記の層構成と同じ層構成を備えているが、非磁性層の厚さが１．０ｎｍ〜１．５ｎｍの範囲の異なる厚さとなっている試料を作成した。このように、非磁性層の厚さが異なる試料の作成を繰り返し行い、非磁性層の厚さが１．０ｎｍ〜１．５ｎｍの範囲で互いに異なる複数の試料を準備した。これらの試料は、非磁性層の厚さが互いに異なるために、互いに異なる面積抵抗を持つ試料であり、非磁性層が厚い試料ほど、その面積抵抗の値は大きくなる。【００７９】
また、下地層にＲｕが用いられている点を除けば上記の層構成と同じ層構成を有する試料を、上述したのと同様に非磁性層の厚さを変えて複数準備した。【００８０】
さらに、下地層にＮｉ−Ｆｅが用いられている点を除けば上記の層構成と同じ層構成を有する試料を、上述したのと同様に非磁性層の厚さを変えて複数準備した。【００８１】
以上の試料それぞれについてＭＲ比を求めた。ここでいうＭＲ比とは、第２強磁性層の磁化と第２磁化固定層の磁化について、これらの磁化の向きが反平行の状態での非磁性層の抵抗値と、これらの磁化の向きが平行の状態での非磁性層の抵抗値との差を、これらの磁化の向きが平行の状態での非磁性層の抵抗値で割ることで比を求め、その比の値をパーセント表示したものである。このＭＲ比が大きいほど、第２強磁性層の磁化の向きに応じた抵抗の変化が大きく、従って、磁気抵抗効果が大きいことになる。【００８２】
図８は、実験２の結果を表す図である。【００８３】
図８には、横軸に面積抵抗（単位はΩ・μｍ2）、縦軸にＭＲ比（単位は％）をとったときの、下地層にＣｕＮが用いられている試料、下地層にＲｕが用いられている試料、下地層にＮｉ−Ｆｅが用いられている試料のそれぞれについてのグラフが示されている。【００８４】
この図に示すように、下地層にＣｕＮが用いられている試料のグラフが、他の２つのグラフの上側にあり、下地層にＣｕＮが用いられることで、高い磁気抵抗効果が得られることがわかる。一般に、図８に記載されているように面積抵抗が２．５［Ω・ｃｍ2］前後の領域では、面積抵抗が大きいほど（すなわち、非磁性層が厚いほど）、ＭＲ比が大きいという傾向が現れる。例えば、図では３つのグラフは、いずれも、面積抵抗について単調増加となっている。この傾向を考慮すると、図８のように、下地層にＣｕＮが用いられている試料のグラフが他の２つのグラフの上側にくる理由としては、ＣｕＮは他の材料に比べて平坦化の効果が高いために非磁性層の境界面のねじれや曲がりが小さくなり、同じＭＲ比を得るのに他の材料よりも小さい面積抵抗で達成されることが考えられる。
［実験３］
次に、実験３について説明する。【００８５】
この実験３では、実験２で説明した、下地層にＣｕＮが用いられていて面積抵抗が互いに異なる複数の試料と、下地層にＮｉ−Ｆｅが用いられていて面積抵抗が互いに異なる複数の試料と、下地層にＲｕが用いられていて面積抵抗が互いに異なる複数の試料に加え、下地層にＣｕが用いられていて面積抵抗が互いに異なる複数の試料、下地層にＮｉ−ＦｅＮが用いられていて面積抵抗が互いに異なる複数の試料、下地層にＣｒＮが用いられていて面積抵抗が互いに異なる複数の試料を準備した。これらの試料は、下地層の材料が異なる点を除き、図２で説明したのと同じ構成を備えた試料であり、実験２と同様に、非磁性層の厚さを変えることで面積抵抗が互いに異なるように作成された試料である。【００８６】
実験３では、これらの試料に対し外部から磁場を印加し、その外部磁場を変えていったときのＭＲ比の変化を調べた。【００８７】
図９は、実験３を説明する図である。【００８８】
上記の層構成を有する試料に対し外部磁場を変えていくと、第２強磁性層の磁化の値が磁気ヒステリシスによりヒステリシスループを描いて変化していくのに対応して、外部磁場およびＭＲ比をそれぞれ座標成分とする点も、外部磁場およびＭＲ比の座標空間内で、図９のパート（ａ）の点線グラフや実線グラフのようにループを描いて変化していく。この実験３では、下地層の材料が互いに異なる各試料についてループの中心点の外部磁場を求めた。例えば、図の点線グラフの中心点Ｂの外部磁場Ｈｉｎ’や、図の実線グラフの中心点Ａの外部磁場Ｈｉｎがループの中心点の外部磁場である。【００８９】
仮に、第２強磁性層が単体で孤立して存在しているとすると、外部磁場に対するこの第２強磁性層の磁化の変化を表すヒステリシスループの中心は、外部磁場および磁化がともにゼロとなる点（つまり原点）である。一方、実験２のような層構成を有する試料中では、第２強磁性層は、第２磁化固定層の磁化が作る磁場の影響も受けるために、第２強磁性層のヒステリシスループの中心はゼロからずれて、外部磁場が、第２磁化固定層の磁化が作る磁場を打ち消す点に移行する。この打ち消す点での外部磁場が、図９のパート（ａ）のＨｉｎやＨｉｎ’のように、外部磁場およびＭＲ比の座標空間内におけるループの中心点を与える外部磁場であり、従って、ループの中心点での外部磁場を求めることで、第２強磁性層と第２磁化固定層との磁気的な相互作用の大きさが求められる。ここで、上記の試料では、第２強磁性層は同一の材料で構成された同じ厚さの層であり、第２強磁性層の飽和磁化の大きさは同じである。このため、外部磁場を変化させたときの、ＭＲ比の最大値や最小値は上記のいずれの試料でも同じであり、ループの中心点でのＭＲ比は共通の値となる。そこで、面積抵抗が一定の試料について、ループの中心点での外部磁場の大きさを比較することで、同じＭＲ比を得るのに必要となる、第２強磁性層と第２磁化固定層との相互作用を推し量ることができる。【００９０】
例えば、図９のパート（ａ）のＨｉｎおよびＨｉｎ’のうち、Ｈｉｎ’は、Ｈｉｎよりも大きくなっており、従って、点線グラフに対応する試料は、実線グラフに対応する試料よりも、同じＭＲ比を得るのに第２強磁性層と第２磁化固定層とのより大きな相互作用を必要とすることとなる。【００９１】
図９のパート（ｂ）には、横軸に面積抵抗（単位はΩ・μｍ2）、縦軸にループの中心点での外部磁場をとったときの、下地層にＣｕが用いられている試料、下地層にＮｉ−Ｆｅが用いられている試料、下地層にＲｕが用いられている試料、下地層にＣｕＮが用いられている試料、下地層にＮｉ−ＦｅＮが用いられている試料、下地層にＣｒＮが用いられている試料のそれぞれについてのグラフが示されている。【００９２】
この図に示すように、下地層にＣｕＮが用いられている試料、下地層にＮｉ−ＦｅＮが用いられている試料、下地層にＣｒＮが用いられている試料の各グラフは、下地層にＣｕが用いられている試料、下地層にＮｉ−Ｆｅが用いられている試料、下地層にＲｕが用いられている試料の各グラフの下側にあり、下地層にＣｕＮ、Ｎｉ−ＦｅＮ、ＣｒＮといった金属窒化物が用いられることで、第２強磁性層と第２磁化固定層との間に所定の大きさの結合力（相互作用）を持たせるのが、より小さい面積抵抗で実現可能であることがわかる。ここで、非磁性層が厚くて面積抵抗が大きい試料ほど、第２強磁性層と第２磁化固定層との間の距離が長いために第２強磁性層と第２磁化固定層との相互作用は小さいので、ループの中心点での外部磁場の大きさも小さくなる。実際、図９のパート（ｂ）のように、上記６種類の下地層の材料に対応した６つのグラフは、いずれも、面積抵抗について単調減少となっている。この事実を考慮すると、図９のパート（ｂ）のように下地層に、ＣｕＮ、Ｎｉ−ＦｅＮ、ＣｒＮといった金属窒化物が用いられている試料のグラフが、下地層に、Ｃｕ、Ｎｉ−Ｆｅ、Ｒｕが用いられている試料のグラフに比べて下側にくる理由としては、金属窒化物は他の材料に比べて平坦化の効果が高くて非磁性層の境界面のねじれや曲がりが小さくでき、そのために、同じ大きさの結合力を得るのに必要な面積抵抗が小さくなることが考えられる。
［実験４］
次に、実験４について説明する。【００９３】
この実験では、実験１で説明した、ＣｕＮを下地層の材料とする試料を作成する際に、窒化のために加えられる窒素ガスの流量を変えることで、互いに異なる窒素ガスの流量の下で作製された複数の試料を作成した。これらの試料は、窒素ガスの流量が異なる点を除き、実験１で説明した、ＣｕＮを下地層の材料とする試料と同じである。そして、Ｃｏ−Ｆｅからなる第１磁化固定層と、Ｉｒ−Ｍｎからなる反強磁性層との間に生じる交換結合力Ｊｅｘを調べた。【００９４】
また、実験１で説明した、ＣｕＮを下地層の材料とする試料を作成する際に、スパッタガス中のアルゴンガスと窒素ガスの分圧比を３：７で一定に保った状態で、下地層の厚さ（ＣｕＮ膜厚）が互いに異なる複数の試料を作成した。これらの試料は、窒素ガスの流量が異なる点と、下地層の厚さが異なる点を除き、実験１で説明した、ＣｕＮを下地層の材料とする試料と同じである。そして、Ｃｏ−Ｆｅからなる第１磁化固定層と、Ｉｒ−Ｍｎからなる反強磁性層との間に生じる交換結合力Ｊｅｘを調べた。【００９５】
図１０は、実験４の結果を表した図である。【００９６】
図１０のパート（ａ）には、横軸に窒素（Ｎ2）ガスの流量（単位はｓｃｃｍ）、縦軸に交換結合力Ｊｅｘ（単位はｅｒｇ／ｃｍ2）をとったときの、上述した、互いに異なる窒素ガスの流量の下で作製された複数の試料の結果が示されている。また、この図１０のパート（ａ）には、比較のために、実験１で説明した、Ｃｕを下地層の材料とする試料およびＲｕを下地層の材料とする試料についても、それぞれの交換結合力Ｊｅｘの結果が示されている。図１０のパート（ａ）に示すように、ＣｕＮを下地層の材料とする各試料の交換結合力Ｊｅｘは、ＣｕやＲｕを下地層の材料とする試料の交換結合力Ｊｅｘと比べて小さくなっているが、ＣｕＮを下地層の材料とする試料のいずれにおいても、０．４ｅｒｇ／ｃｍ2以上の交換結合力が実現されている。一般に、第１磁化固定層と、反強磁性層との間に生じる交換結合力の大きさとしては、０．４ｅｒｇ／ｃｍ2以上あれば、第１磁化固定層の磁化方向が十分に固定され、磁化抵抗効果膜として十分な機能を発揮することができる。この図１０のパート（ａ）の結果から、ＣｕＮを下地層の材料とした場合には、ＣｕやＲｕといった、従来から用いられている下地層の材料が採用された場合と比べて交換結合力が多少低下するものの、充分な交換結合力が発揮されるということがわかる。【００９７】
図１０のパート（ｂ）には、横軸にＣｕＮ膜厚（単位はｎｍ）、縦軸に交換結合力Ｊｅｘ（単位はｅｒｇ／ｃｍ2）をとったときの、上述した、互いに異なるＣｕＮ膜厚を有する複数の試料の結果が示されている。図１０のパート（ｂ）に示すように、どのＣｕＮ膜厚の場合も交換結合力Ｊｅｘが０．４ｅｒｇ／ｃｍ2以上となっており、この結果から、ＣｕＮ膜厚に関らず、第１磁化固定層と、反強磁性層との間に充分な交換結合力が生じることがわかる。
［実験５］
次に、実験５について説明する。【００９８】
この実験では、アモルファス構造を有する補助下地層の上にＣｕＮの下地層を形成した試料を準備し、その試料の表面の結晶の配光性（ミラー指数）をＸ線回折を用いて調べた。このＣｕＮの下地層は、アルゴンガスと窒素ガスを有するスパッタガスを用いたスパッタリングを用いて形成される。この実験では、アルゴン（Ａｒ）ガスの流量が１５ｓｃｃｍで窒素ガスの流量が２０ｓｃｃｍのスパッタガスを用いて形成された下地層を有する試料と、アルゴン（Ａｒ）ガスの流量が１５ｓｃｃｍで窒素ガスの流量が４０ｓｃｃｍのスパッタガスを用いて形成された下地層を有する試料とについてＸ線回折を行った。また、比較のために、上記のＣｕＮの下地層の代わりにＣｕの下地層を形成した試料を準備し、この試料についても、Ｘ線回折を行った。ここで、ここで行われるＸ線の概要について説明する。【００９９】
図１１は、Ｘ線解析の概要を表す説明図である。【０１００】
このＸ線解析では、特性Ｘ線（ここでは、ＣｕＫα線）を発生するＸ線源１００で発生したＸ線のビームを、試料４００に照射し、その反射強度をカウンタ２００で測定する。試料４００は、上記の実験５の説明で上述した積層構造を有する試料であり、固定台３００の上に、固定台表面と下地層の層表面とが平行となるように配置されている。この固定台３００は、Ｘ線ビームの照射方向に対して不図示の機構で回転することができ、この固定台３００の回転に合わせて、カウンタ２００も回転する。具体的には、この図に示すように、固定台３００の回転角度（つまりＸ線ビームの照射角度）がθのとき、カウンタ２００の回転角度が２θとなるように、固定台３００およびカウンタ２００の回転が行われる。このＸ線解析では、Ｘ線ビームの照射角度θを変えていったときに、ブラッグ反射によりＸ線の反射強度が強くなる（ピークが現れる）角度を求めることで、試料４００の結晶構造について固定台の表面に平行な面の配光性（ミラー指数）が求められる。【０１０１】
図１２は、実験５の結果を表す図である。【０１０２】
この図では、Ｃｕの下地層の試料と、上述した、スパッタガス中の窒素ガス成分の異なる、ＣｕＮの下地層を有する２種類の試料とについてのＸ線解析の結果が示されており、Ｃｕの下地層の試料では、ミラー指数が（１１１）面のピークが現れており、この試料では、固定台の表面に平行な面が、ミラー指数が（１１１）面となっていることがわかる。一方、ＣｕＮの下地層を有する２種類の試料では、ミラー指数が（２００）の結晶面のピークが現れており、これらの試料では、固定台の表面に平行な面が、ミラー指数が（２００）面となっていることがわかる。【０１０３】
この実験により、ＣｕＮが下地層の材料として採用される場合には、下地層表面の結晶面が、ミラー指数が（２００）の結晶面となりやすいということが結論される。
［実験６］
次に、実験６について説明する。【０１０４】
この実験では、アモルファス構造を有する補助下地層の上に下地層を形成し、その下地層の上にＩｒ−Ｍｎからなる反強磁性層、Ｃｏ−Ｆｅからなる第１磁化固定層、Ｒｕからなる非磁性層をこの順番で形成した試料を準備し、その試料の表面の結晶の配光性（ミラー指数）を、実験５で上述したＸ線回折を用いて調べた。ここで、上記の試料としては、下地層の材料としてＮｉ−ＣｒＮを採用した試料、下地層の材料としてＲｕを採用した試料、下地層の材料としてＣｕＮを採用した試料、下地層の材料としてＣｒＮを採用した試料を準備した。ここで、上記の試料のうち、Ｎｉ−ＣｒＮ、ＣｕＮ、ＣｒＮの各下地層の形成の際には、スパッタガス中のＡｒガスの流量を１５ｓｃｃｍとし、Ｎ2ガスの流量を４０ｓｃｃｍとして下地層の形成を行った。また、これらの試料の他に、下地層の材料としてＮｉ−ＣｒＮを採用し、その下地層の形成の際にスパッタガス中のＡｒガスの流量を５ｓｃｃｍ、Ｎ2ガスの流量を５０ｓｃｃｍとして下地層の形成を行った試料も準備した。【０１０５】
図１３は、実験６の結果を表した図である。【０１０６】
図１３に示すように、下地層の材料としてＲｕを採用した試料では、Ｉｒ−Ｍｎの（１１１）面のピークがはっきりと認められるのに対し、下地層の材料としてＮｉ−ＣｒＮ、ＣｕＮ、ＣｒＮといった金属窒化物を用いた試料では、Ｉｒ−Ｍｎの（１１１）面のピークは現れておらずＩｒ−Ｍｎの（２００）面のピークが現れている。このことから、Ｎｉ−ＣｒＮ、ＣｕＮ、ＣｒＮといった金属窒化物が下地層の材料として採用されることで、下地層の上に形成されるＩｒ−Ｍｎからなる反強磁性層では、下地層に沿った結晶面が、ミラー指数が（２００）の結晶面となりやすいということが結論される。【０１０７】
以上が、金属窒化物が下地層の材料として採用されたときの、平坦化の効果、各層の間の磁気的な相互作用、結晶面の状態についての実験の説明である。【０１０８】
次に、図５の磁気抵抗効果膜２１を、情報を記憶する記憶部に採用したＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）について説明する。【０１０９】
図１４は、図５の磁気抵抗効果膜２１を有するＭＲＡＭの概略的な構成を表した図である。【０１１０】
図１４のパート（ａ）には、このＭＲＡＭの断面図が示されている。このＭＲＡＭは、シリコン基板８０の上に、読出用ワード線８２、ＭＯＳトランジスタ８３、書込用ワード線８８、ビット線８９、および、図５の磁気抵抗効果膜２１が配置された構成を備えている。【０１１１】
読出用ワード線８２と書込用ワード線８８とは１対１に対応しており、図１４のパート（ａ）に垂直な方向に延びている。一方、ビット線８９は、図１４のパート（ａ）の左右方向に延びている。ＭＯＳトランジスタ８３は、読出用ワード線８２とビット線８９との交差箇所に配置されている。ここで、読出用ワード線８２が、ＭＯＳトランジスタ８３のゲート電極を兼ねている。すなわち、読出用ワード線８２に与えられる電圧によって、ＭＯＳトランジスタ８３の導通状態が制御される。【０１１２】
磁気抵抗効果膜２１は、書込用ワード線８８とビット線８９との交差箇所に配置されている。このＭＲＡＭでは、書込用ワード線８８およびビット線８９を流れる電流による磁場の影響を受けて、磁気抵抗効果膜２１の第２強磁性層８（図５参照）の磁化方向が変化する。磁気抵抗効果膜２１の下地層２（図５参照）は、配線８７、多層配線層を貫通する複数のプラグ８４および孤立配線８５を介して、ＭＯＳトランジスタ８３の一方の不純物拡散領域８１に接続されている。ここで、磁気抵抗効果膜２１の表面保護層９（図５参照）は、ビット線８９に接続されている。すなわち、配線８７およびビット線８９が、磁気抵抗効果膜２１に、その厚さ方向のセンス電流を流す電極となる。ＭＯＳトランジスタ８３のもう一方の不純物拡散領域８１が、プラグ８４を介して接地配線８６に接続されている。【０１１３】
図１４のパート（ｂ）には、このＭＲＡＭの等価回路図が示されている。この図に示すように、複数の読出用ワード線８２および書込用ワード線８８が、図１４のパート（ｂ）の上下方向に延びている。複数のビット線８９は、図１４のパート（ｂ）では、この図の左右方向に延びている。【０１１４】
図１４のパート（ｂ）に示すように、磁気抵抗効果膜２１はビット線８９と書込用ワード線８８との交差箇所に配置されており、また、ＭＯＳトランジスタ８３は読出用ワード線８２とビット線８９との交差箇所に配置されている。磁気抵抗効果膜２１の一方の端子は、対応するビット線８９に接続されており、他方の端子が対応するＭＯＳトランジスタ８３の一方の端子に接続されている。ＭＯＳトランジスタ８３の他方の端子は接地されている。また、ＭＯＳトランジスタ８３のゲート電極は、対応する読出用ワード線８２に接続されている。【０１１５】
以上説明した構成のＭＲＡＭでは、図５の構成の磁気抵抗効果膜２１を複数備えることで、複数の第２強磁性層８の磁化方向の形式で情報の記憶が行われる。このＭＲＡＭにおいても、磁気抵抗効果膜２１の下地層２が窒化銅（ＣｕＮ）で形成されることで、ＩｒとＭｎとを含む反強磁性層３の表面に凹凸が生じにくくなっており、反強磁性層３に積層する各層についても、平坦性に欠けた層となることが回避されて外部磁界に対する応答性や電圧に対する耐性が低下することが避けられている。この結果、このＭＲＡＭでは、反強磁性層３の厚さを薄くすることができるというＩｒ−Ｍｎの利点が充分に生かされており、小型のＭＲＡＭが実現している。【０１１６】
以上が、基本形態（および応用形態）について上述した磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド、および、情報記憶装置に対する具体的な実施形態についての説明である。【０１１７】
以上の説明では、図５の第１強磁性層が、第１磁化固定層、非磁性中間層、および第２磁化固定層の３層構成となっていたが、磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド、および、情報記憶装置の基本形態では、第１強磁性層が単層であってもよい。【０１１８】
また、以上の説明では、磁気抵抗効果膜２１は、非磁性層が絶縁体のＭｇＯで構成されてトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）を利用する磁気抵抗効果膜であったが、磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド、および、情報記憶装置の基本形態では、非磁性層が絶縁体ではなく巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）を利用する磁気抵抗効果膜が採用されてもよい。
【図１】
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【図２】
2009096012.tif 000004
【図３】
2009096012.tif 000005
【図４】
2009096012.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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