(57)【要約】【課題】ピン層とフリー層との間の磁気結合の大きさを制御することにより、外部磁界に対するフリー層の磁化回転という実用的な動作を確保して、高いＭＲ変化率を示す磁気抵抗効果素子を提供する。【解決手段】３層以上の金属磁性層と、前記３層以上の金属磁性層の間に設けられた、絶縁層とこの絶縁層を貫通する金属磁性材料で形成された電流狭窄部とを含む２層以上の接続層と、前記金属磁性層および接続層の膜面垂直方向に電流を通電させる電極とを有する磁気抵抗効果素子。【選択図】      図１
2006073875.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
３層以上の金属磁性層と、
前記３層以上の金属磁性層の間に設けられた、絶縁層とこの絶縁層を貫通する金属磁性材料を含む電流狭窄部とを有する２層以上の接続層と、
前記金属磁性層および接続層の膜面垂直方向に電流を通電させる電極と
を具備したことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
前記３層以上の金属磁性層のうち最下層または最上層の金属磁性層は磁化方向が固着され、前記最下層の金属磁性層と前記最上層の金属磁性層はそれらの間に挟まれた２層以上の接続層および１層または２層以上の中間の金属磁性層を介して磁気的に結合し、外部磁界がゼロのときに最下層の金属磁性層の磁化方向と最上層の金属磁性層の磁化方向がほぼ直交するように中間の金属磁性層の磁化方向がねじれている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】
前記複数の接続層と前記複数の金属磁性層との間の少なくとも１個所に、非磁性金属層を有する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４】
前記接続層は厚さが０．５ｎｍ以上２．５ｎｍ以下であり、前記絶縁層はＡｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｔａの酸化物または窒化物で形成され、前記電流狭窄部はＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉを含む金属磁性材料で形成されている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５】
前記電流狭窄部は径が０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下であり、前記接続層の膜面において前記電流狭窄部が占める面積比率が１〜３０％である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６】
前記電流狭窄部は金属磁性材料と非磁性金属材料が積層されている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７】
前記電流狭窄部を形成する金属磁性材料および非磁性金属材料のうち少なくとも一方は複数層含まれていることを特徴とする請求項６に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項８】
前記接続層の両面と上下の金属磁性層との間にそれぞれ非磁性金属層が形成されている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９】
前記接続層の両面と上下の金属磁性層との間にそれぞれ非磁性金属層が形成され、前記接続層の電流狭窄部は金属磁性材料と非磁性金属材料が積層されている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１０】
３層以上の金属磁性層と、
前記３層以上の金属磁性層の間に設けられた２層以上の非磁性金属層と、
前記金属磁性層および非磁性金属層の膜面垂直方向に電流を通電させる電極と
を具備したことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項１１】
前記３層以上の金属磁性層のうち最下層または最上層の金属磁性層は磁化方向が固着され、前記最下層の金属磁性層と前記最上層の金属磁性層はそれらの間に挟まれた２層以上の非磁性金属層および１層または２層以上の中間の金属磁性層を介して磁気的に結合し、外部磁界がゼロのときに最下層の金属磁性層の磁化方向と最上層の金属磁性層の磁化方向がほぼ直交するように中間の金属磁性層の磁化方向がねじれていることを特徴とする請求項１０に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１２】
請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子を具備したことを特徴とする磁気ヘッド。
【請求項１３】
磁気記録媒体と、請求項１２記載の磁気ヘッドとを具備したことを特徴とする磁気記録再生装置。
【請求項１４】
請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子を具備したことを特徴とする磁気メモリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜面に対して垂直方向に電流を通電する構造の磁気抵抗効果素子、ならびにこれを用いた磁気ヘッド、磁気再生装置、および磁気メモリに関する。
【背景技術】
【０００２】
磁性体の積層構造体における巨大磁気抵抗効果（Giant MagnetoResistive Effect：ＧＭＲ）の発見により、磁気デバイスの性能が飛躍的に向上している。特に、スピンバルブ膜（Spin-Valve：ＳＶ膜）は磁気デバイスに容易に適用できる構造を有し、ＧＭＲ効果を有効に発揮させることができるので、磁気ヘッドおよびＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）などの磁気デバイスに大きな技術的進歩をもたらした。
【０００３】
「スピンバルブ膜」とは、２つの強磁性層の間に非磁性金属スペーサ層を挟んだ構造を有し、一方の強磁性層（「ピン層」や「磁化固着層」などと称される）の磁化を反強磁性層などで固着し、もう一方の強磁性層（「フリー層」や「磁化自由層」などと称される）の磁化を外部磁界（たとえば媒体磁界）に応じて回転するようにした積層膜をいう。スピンバルブ膜では、ピン層とフリー層の磁化方向の相対角度が変化することによって、巨大な磁気抵抗変化が得られる。
【０００４】
従来のスピンバルブ膜は、膜面に平行にセンス電流を通電するＣＩＰ（Current In Plane）−ＧＭＲ素子であった。近年、ＣＩＰ−ＧＭＲ素子よりも大きなＧＭＲ効果を発現することから、膜面にほぼ垂直方向にセンス電流を通電するＣＰＰ（Current Perpendicular to the Plane）−ＧＭＲ素子（以下、「ＣＰＰ素子」と呼ぶ）が注目されている。
【０００５】
これらの磁気抵抗効果素子を磁気ヘッドに応用することを考慮した場合、素子抵抗が高くなるとショットノイズおよび高周波応答の点で問題が生じる。素子抵抗に関しては、ＡＲ（通電面積×抵抗）で評価するのが妥当である。具体的には、２００Ｇｂｐｓｉ(Gigabit per square inch)の記録密度で、ＡＲは１Ωμｍ2以下であることが必要とされている。
【０００６】
このような要求に対して、ＣＰＰ素子は、素子の抵抗が素子面積に依存し、素子を微細化した場合に抵抗変化量が増大するという利点を有し、磁気デバイスがますます微細化される傾向下では有利に適用できる。このような背景から、ＣＰＰ素子およびそれを用いた磁気ヘッドは、２００Ｇｂｐｓｉ〜１Ｔｂｐｓｉ(Terabit per square inch)の記録密度を実現するための有力候補と考えられる。ただし、非磁性金属からなるスペーサ層を用いたメタルＣＰＰ素子は、抵抗変化量自体かなり小さいため、大きな再生出力信号を得ることが困難である。
【０００７】
この問題を一部解決するために、絶縁層中にこれを貫通する非磁性金属からなる微細な電流パス（電流狭窄部）を形成したスペーサ層を用いたＣＰＰ素子が提案されている。このようなＣＰＰ素子は、電流狭窄［ＣＣＰ（Current-confined-path）］効果を示し、非磁性金属スペーサ層を用いた単純なＣＰＰ素子よりも大きな再生出力信号を得ることができる（以下、ＣＣＰ−ＣＰＰ素子という）。しかし、高記録密度対応の磁気ヘッド応用を考えた場合、ＣＣＰ−ＣＰＰ素子でもＭＲ変化率が不足する可能性がある。
【０００８】
高記録密度に対応できる巨大なＭＲ変化率を実現する構造として、酸化物層中の電流狭窄部を金属磁性材料で形成したスペーサ層を用い、ＢＭＲ（Ballistic MagnetoResistace）効果を利用する素子（以下、ＢＭＲ素子という）が提案されている（たとえば特許文献１参照）が、高ＭＲが得られる場合の物理原理は未だ不明確であり、単純に磁性パスでバリスティック伝導を生じさせれば良いというものではない。バリスティック伝導が高ＭＲ変化率の本質的な理由ではない、新たな機構のＭＲ素子が熱望されている。
【特許文献１】特開２００３−２０４０９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来提案されているＢＭＲ素子は、ピン層とフリー層との間に、絶縁層中にこれを貫通する金属磁性材料からなる微細な電流狭窄部が形成された電流狭窄層を設けた構造を有する。このように絶縁層中に金属磁性材料からなる電流狭窄部が形成された電流狭窄層を用いた場合には、ピン層とフリー層の間の層間結合磁界Ｈinが大きくなり、外部媒体に対するフリー層の磁化回転が妨げられるという問題が生じやすい。ここで、従来型のスピンバルブ膜においては、実用上の観点から、Ｈinは約２０Ｏｅまでが限度であるといわれている。しかし、ＣＣＰ−ＣＰＰ素子やＢＭＲ素子では、電流狭窄層の厚さすなわち絶縁層の厚さを厚くするのは不利である。このため、非磁性金属材料で電流狭窄部を形成したＣＣＰ−ＣＰＰ素子でさえ、プロセス条件が適切でない場合にはＨinが２０Ｏｅよりも大きくなる場合が生じる。まして、金属磁性材料で電流狭窄部を形成したＢＭＲ素子では、Ｈinを２０Ｏｅ以下に低減することは困難であり、その実用化が極めて困難である。このように、世の中でＢＭＲ素子と呼ばれているものでの実用的な素子の実現は困難である。さらに、前述したように、世の中でＢＭＲ素子と呼ばれているもので高ＭＲ変化率が得られる物理原理は未だ不明であり、たとえＨinだけが低減できたとしても、このような素子構造では高ＭＲ変化率が得られないのが現状である。
【００１０】
上記のような従来ＣＣＰ−ＣＰＰ素子やＢＭＲ素子における限界を打破するために、本発明の目的は、このような従来のＣＣＰ−ＣＰＰ素子やＢＭＲ素子とは全く異なる原理によって高いＭＲ変化率が得られる磁気抵抗効果素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一態様に係る磁気抵抗効果素子は、３層以上の金属磁性層と、前記３層以上の金属磁性層の間に設けられた、絶縁層とこの絶縁層を貫通する金属磁性材料を含む電流狭窄部とを有する２層以上の接続層と、前記金属磁性層および接続層の膜面垂直方向に電流を通電させる電極とを具備したことを特徴とする。
【００１２】
本発明の他の態様に係る磁気抵抗効果素子は、３層以上の金属磁性層と、前記３層以上の金属磁性層の間に設けられた２層以上の非磁性金属層と、前記金属磁性層および非磁性金属層の膜面垂直方向に電流を通電させる電極とを具備したことを特徴とする。
【００１３】
本発明に係る磁気ヘッドは、上記の磁気抵抗効果素子を具備したことを特徴とする。本発明に係る磁気記録再生装置は、磁気記録媒体と、上記の磁気ヘッドとを具備したことを特徴とする。本発明に係る磁気メモリは、上記の磁気抵抗効果素子を具備したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子は、ピン層とフリー層との間の磁気結合の大きさを適切に制御することができ、外部磁界に対するフリー層の磁化回転という実用的な動作を確保して、高いＭＲ変化率を得ることができる。さらに、磁気抵抗効果素子を用いて、高密度記録に対応した磁気ヘッドおよびそれを搭載した磁気記録再生装置（Hard Disk Driveなど）や、高密度記録に対応した磁気メモリ（ＭＲＡＭ）を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】
【００１５】
図１に本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子（スプリングスピンバルブ膜という）の主要部の断面図を示す。この図では、金属磁性層１ａ、接続層２ａ、金属磁性層１ｂ、接続層２ｂ、金属磁性層１ｃ、接続層２ｃ、金属磁性層１ｄ、接続層２ｄ、金属磁性層１ｅ、接続層２ｅ、金属磁性層１ｆが積層されている。接続層２ａ〜２ｅは、絶縁層３と、この絶縁層３を貫通する金属磁性材料で形成された電流狭窄部４とを含む。金属磁性材料を含む電流狭窄部は、隣接する２つの金属磁性層間を電気接続（オーミック接続）する。図１の積層膜の下には、下電極、バッファ層、ピニング層などが設けられる。図１の積層膜の上には、キャップ層、上電極などが設けられる。電流は、図１の積層膜に対して膜面に垂直方向に通電される。
【００１６】
図１の積層膜において、互いに隣接する金属磁性層は、間に挟まれた接続層を介して磁気的に弱く結合している。図２（ａ）および（ｂ）を参照して、外部磁化（媒体磁界）がゼロの場合および外部磁界（媒体磁界）が印加された場合の金属磁性層１ａ〜１ｆの磁化方向について説明する。最下層の金属磁性層１ａは磁化方向が固着されてピン層として機能し、最上層の金属磁性層１ｆは外部磁界に応じて磁化方向が変化しフリー層として機能する。なお、最下層の金属磁性層１ａと最上層の金属磁性層１ｆとの中間にある金属磁性層１ｂ〜１ｅおよび接続層２ａ〜２ｅの機能については、通常のスピンバルブ膜のようなピン層、スペーサ層またはフリー層としての機能に単純に分類できないし、そのように定義する必要もない。
【００１７】
図２（ａ）に示すように、外部磁界がゼロのときには、最上層の金属磁性層１ｆの磁化方向は最下層の金属磁性層１ａの磁化方向とほぼ直交する方向にバイアスされており、最下層の金属磁性層１ａと最上層の金属磁性層１ｆとの間にある中間の金属磁性層１ｂ〜１ｅの磁化方向は少しずつねじれるように変化している。このように、３層以上の金属磁性層同士が互いに弱く磁気結合して、それらの磁化方向がスプリング状に少しずつねじれているので、図１の積層膜をスプリングスピンバルブ膜と命名した。
【００１８】
一方、図２（ｂ）に示すように、外部磁界が印加されたときには、最上層の金属磁性層１ｆの磁化方向が外部磁界の方向に従って変化し、それに応じて中間の金属磁性層１ｅ〜１ｂの磁化方向も少しずつ変化する。そして、図２（ｂ）のように最上層の金属磁性層１ｆの磁化方向と最下層の金属磁性層１ａの磁化方向とが平行になった場合には、膜面垂直方向にセンス電流を通電したときに低抵抗になる。
【００１９】
以上のような原理により、本発明に係る磁気抵抗効果素子は、スピンバルブ膜としての実用的な動作と高いＭＲ変化率とを両立できる。
【００２０】
次に、本発明の磁気抵抗効果素子に用いられる材料について説明する。
【００２１】
（i）下電極は、Ｃｕ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｔａなどから形成される。
【００２２】
（ii）バッファ層（下地層）は下記のような材料から形成される。
【００２３】
Ｔｉ，Ｔａ，Ｗ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｎｂ，Ｖ，Ｚｒ，Ｈｆからなる群より選択される金属またはこれらの金属を含む合金［厚さ３〜１０ｎｍ］、
Ｔａ［３〜５ｎｍ］／Ｒｕ［２ｎｍ］、
ＮｉＦｅＣｒ［３〜５ｎｍ］、
Ｔａ［３ｎｍ］／ＮｉＦｅＣｒ［３〜５ｎｍ］、
Ｔａ［３ｎｍ］／ＮｉＦｅ［３〜５ｎｍ］。
【００２４】
（iii）ピニング層は下記のような材料から形成される。
【００２５】
ＩｒＭｎ，ＰｔＭｎ，ＰｄＰｔＭｎなどの反強磁性層、
ＣｏＰｔ，ＣｏＰｒＣｒ，ＦｅＰｔなどのハード層、
ＩｒＭｎ，ＰｔＭｎ，ＰｄＰｔＭｎなどの反強磁性層／強磁性層／Ｒｕ、
ＣｏＰｔ，ＣｏＰｒＣｒ，ＦｅＰｔなどのハード層／強磁性層／Ｒｕ。
【００２６】
たとえば、ＰｔＭｎ／ＣｏＦｅ［３ｎｍ］／Ｒｕのような積層構造のピニング層は、Ｒｕを介して上下の金属磁性層が反強磁性的に磁気結合するので、いわゆるシンセティックピニング層と呼ばれる。ピニング層としてはＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、ＰｄＰｔＭｎからなる単層ピニング層やハード層からなる単層ピニング層を用いてもよいが、シンセティックピニング層ではピン層の実質的なネット磁気モーメントをゼロにしてピン層からの漏洩磁界の影響を防ぐことができる。なお、シンセティックピニング層に含まれる強磁性層の材料は、後述するスプリングスピンバルブ膜中の金属磁性層の材料と同様のものを用いることができるので、その説明を参照されたい。
【００２７】
シンセティックピニング層に含まれるＲｕより下に形成されている金属磁性層の膜厚は、Ｒｕより上のスプリングスピンバルブ膜に含まれる金属磁性層の合計膜厚の１／２以下であることが望ましい。また、Ｒｕより下に形成されている金属磁性層の膜厚は、１〜１０ｎｍであることが望ましく、１〜５ｎｍであることがさらに望ましい。
【００２８】
（iv）金属磁性層は下記のような材料から形成され、磁性層単層でもよいし、磁性層と非磁性層との積層膜でもよい。
【００２９】
Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｏ−Ｆｅ、Ｎｉ−Ｆｅ、Ｎｉ−Ｃｏ、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｎｉ、Ｃｏを含む合金、Ｎｉを含む合金、Ｆｅを含む合金、
（ＦｅＣｏ／Ｃｕ）×ｎ周期、
（ＣｏＮｉ／Ｃｕ）×ｎ周期、
（ＮｉＦｅ／Ｃｕ）×ｎ周期、
（ＦｅＣｏＮｉ／Ｃｕ）×ｎ周期。
【００３０】
（ＦｅＣｏ／Ｃｕ）×ｎの積層膜などでは、ＦｅリッチすなわちＦｅ濃度が５０％以上の磁性層を用いることが好ましい。このような金属磁性層では、バルク散乱を増す効果が得られる。Ｃｕなどの非磁性層の膜厚は、上下の金属磁性層の磁気結合を強くするためにあまり厚くすることは好ましくなく、０．１ｎｍ〜１ｎｍが好ましく、０．１ｎｍ〜０．５ｎｍがより好ましい。また、ＣｏＭｎＧｅ，ＮｉＭｎＳｂなどのホイスラー合金材料を用いても構わない。
【００３１】
また、以上の磁性材料に添加元素を添加してもよい。添加元素としては、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｖ、Ｍｎ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｐｔなどが挙げられる。特にＦｅＣｏにＣｕを添加したＦｅＣｏＣｕ合金はバルク散乱効果が増すので好ましい。非磁性添加元素の濃度は、１〜５０原子％が好ましく、２〜２０原子％がより好ましい。また、これらの金属磁性材料を窒化したものを用いてもよい。
【００３２】
金属磁性層の厚さｔmは１ｎｍ〜１０ｎｍが望ましく、１．５ｎｍ〜５ｎｍがさらに望ましい。複数の金属磁性層に同じ材料を用いてもよいし異なる材料を用いてもよい。ただし、ピニング層から離れた金属磁性層は、媒体磁界に対して容易に磁化回転する機能を有する必要があるので、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、ＮｉＣｏ、Ｆｅ、ＮｉＦｅＣｏ、ＣｏＦｅＮｉ合金や、これらに添加元素を添加して軟磁性材料で形成することが好ましい。一方、ピニング層に近い金属磁性層の材料は軟磁性材料に限定する必要はなく、高いＭＲ変化率を得るのに有利な磁性材料を用いることが好ましい。
【００３３】
金属磁性層の層数が３層以上であれば、スプリングスピンバルブ膜としての機能を発揮する。金属磁性層の層数は、３層〜２０層が好ましく、３層〜１０層がより好ましい。金属磁性層の合計膜厚は、約３ｎｍ〜３０ｎｍが好ましく、約５ｎｍ〜２０ｎｍがより好ましい。金属磁性層の合計膜厚が厚すぎると、ＭＲ変化率は大きくなるが、抵抗も上昇するため、高周波応答の点で好ましくない。金属磁性層の合計膜厚が薄いと、磁気ヘッドやＭＲＡＭを作製するプロセス上の観点からは好ましい。しかし、金属磁性層の合計膜厚を薄くしすぎると、ＭＲ変化率が大きな値を示す材料が限定されるおそれがある。
【００３４】
金属磁性層の結晶構造は、ｆｃｃ構造の場合にはｆｃｃ（１１１）配向性、ｂｃｃ構造の場合にはｂｃｃ（１１０）配向性、ｈｃｐ構造の場合にはｈｃｐ（００１）配向性またはｈｃｐ（１１０）配向性をもつことが望ましい。
【００３５】
結晶配向性は、配向のばらつき角度が４．０度以内であることが望ましく、３．５度以内がより好ましく、３．０度以内がさらに好ましい。これは、例えばＸ線回折でθ−２θ測定により得られたピーク位置でのロッキングカーブの半値幅として測定可能な値である。磁気ヘッドにおいては、断面のナノディフラクションスポットの分散角度として検知することができる。
【００３６】
（v）接続層（電流狭窄層）は、絶縁層３とこの絶縁層を貫通する金属磁性材料で形成された電流狭窄部４とを含む。接続層は、隣接する金属磁性層を互いに磁気的、電子伝導的に結合させる機能を有する。膜面垂直方向に通電される電流は、電流狭窄部を流れ、電流狭窄部を囲む絶縁層には流れない。各金属磁性層は接続層を介して磁気的に結合することによって、図２（ａ）に示したように、各金属磁性層の磁化が少しずつねじれた状態を実現でき、スプリングスピンバルブ膜としての動作が可能となる。
【００３７】
電流狭窄部４の材料としては、上述した金属磁性層の材料と同様に、Ｆｅ、ＣｏまたはＮｉを含む合金、ＣｏＦｅ合金、ＮｉＦｅ合金、ＮｉＣｏ合金、およびこれらの金属磁性層と極薄の非磁性金属層との積層膜などが挙げられる。非磁性金属層の材料としては、Ｃｕ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｖ，Ｍｎ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗなどが挙げられる。
【００３８】
電流狭窄部として積層膜を用いる場合、非磁性金属層の厚さが厚すぎると、接続層を介した上下金属磁性層が弱くなるため好ましくない。しかし、電流狭窄部に積層膜を用い、非磁性金属層の厚さを適切に設定することにより、接続層を挟む上下の金属磁性層の磁気結合の強さを制御することができ、図２（ａ）に示す各金属磁性層の磁化回転角を有利に制御できる。非磁性層の膜厚は０．１〜１ｎｍが好ましく、０．１〜０．５ｎｍがより好ましい。
【００３９】
電流狭窄部４を取り囲む絶縁層３の材料としては、ＡｌＯｘ（Ａｌ2Ｏ3に代表される），ＳｉＯｘ（ＳｉＯ2に代表される），ＭｇＯ，ＺｒＯｘ，ＨｆＯｘ，ＴｉＯｘ，ＣｒＯｘ，ＦｅＯｘ，ＦｅＣｏＯｘ，ＮｉＯｘ，ＣｏＯｘ，ＶＯｘ，ＷＯｘ，ＴａＯｘなどが挙げられる。
【００４０】
接続層を挟む上下の金属磁性層の絶縁性を良好に保つという観点からは、絶縁層３の材料としてＡｌＯｘ、ＳｉＯｘ、ＨｆＯｘ、ＺｒＯｘなどが特に好ましい。これらの酸化物は、添加元素としてＺｒ，Ｈｆ，Ｍｇ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｖ，Ｗなどの酸化物を含んでいてもよい。絶縁層３の材料として、ＦｅＯｘ、ＣｏＯｘ、ＮｉＯｘなどの磁性酸化物を用いることもできる。このように絶縁層３を磁性酸化物で形成した場合、接続層を挟む上下の金属磁性層の磁気結合は電流狭窄部４を介した磁気結合と磁性酸化物からなる絶縁層３を介した磁気結合の組み合わせとなり、磁気結合を様々に制御できる。特に、ＦｅＯｘはネール点やキュリー点が室温よりもかなり高い値を示すことが多いため、室温において動作させる磁気抵抗効果素子に応用する場合に利用価値が高い。例えば、Ｆｅを含むＦｅ3Ｏ4，ＣｏＦｅ2Ｏ4，ＭｎＦｅ2Ｏ4，ＮｉＦｅ2Ｏ4，γ−Ｆｅ2Ｏ3などのスピネル酸化物や、α−Ｆｅ2Ｏ3などのコランダム系の反強磁性材料などが挙げられる。なお、絶縁層３の材料は、酸化物に限らず、窒化物でもよい。
【００４１】
接続層（絶縁層３および電流狭窄部４）の厚さｔcは０．５〜５ｎｍが好ましく、微小サイズの電流狭窄部４を形成しやすいという観点から１〜２ｎｍがより好ましい。
【００４２】
図３は接続層の膜面を示す平面図である。接続層の膜面における１つの電流狭窄部４のサイズＤpは０．５〜１０ｎｍが好ましく、１〜７ｎｍがより好ましい。接続層の膜面に占める電流狭窄部４の面積比率は１〜３０％が好ましく、３％〜２０％がより好ましい。電流狭窄部４のサイズおよび面積比率によって、接続層を挟む上下の金属磁性層の磁気結合の大きさや磁化回転角も変化し、ＭＲ変化率の値も変化する。電流狭窄部４のサイズＤpおよび電流狭窄部４の面積比率が上記の範囲であれば、スプリングスピンバルブ膜としての動作が可能となる。
【００４３】
接続層は以下のような方法により形成することができる。たとえば、電流狭窄部となるべき金属材料と絶縁層となるべき金属材料をスパッタリング、ＭＢＥ、ＣＶＤ、蒸着などによって成膜した後に、酸化処理を施して絶縁層となるべき金属材料を酸化する方法を用いることができる。この場合、電流狭窄部となるべき金属材料と絶縁層となるべき金属材料とが混合した状態で成膜されていても、酸化時の酸化活性度の違いによって電流狭窄部となるべき金属材料は金属のまま維持され電流狭窄部を形成することできる。酸化方法としては、自然酸化、ラジカル酸化、イオンビーム酸化、ＲＦプラズマ酸化などが用いられる。酸化処理時に酸化活性を上げるために、ＵＶ照射や基板加熱などを行ってもよい。サイズが良好に制御された電流狭窄部を形成するには、イオンビーム酸化、ＲＦプラズマ酸化を行うことが特に好ましい。イオンビーム酸化を行う場合には、酸素ガスをイオンソースに導入するか、または酸素ガスを酸化チャンバーに直接導入してもよい。イオンビームの加速エネルギーは５０〜１００Ｖに設定することが好ましい。
【００４４】
また、絶縁層を形成する絶縁材料と電流狭窄部を形成する合金材料をＲＦコスパッタリングして、両者を分離した状態で成膜する方法を用いることもできる。特に、絶縁層の材料がＡｌＯｘまたはＳｉＯｘである場合には、この方法を有効に用いることができる。
【００４５】
（vi）キャップ層は、は下記のような材料から形成される。
【００４６】
Ｃｕ［０〜１０ｎｍ］／Ｔａ［１〜５ｎｍ］
Ｃｕ［０〜１０ｎｍ］／Ｒｕ［０〜１０ｎｍ］。
【００４７】
（vii）上電極は、下電極と同様に、Ｃｕ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｔａなどから形成される。
【００４８】
図４に示すように、本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子（スプリングスピンバルブ膜）１０は、下電極１１と上電極１２との間に挟まれて配置され、膜面垂直方向に電流が通電される。
【００４９】
本発明の実施形態に係るスプリングスピンバルブ膜１０を磁気ヘッドに適用する場合、スプリングスピンバルブ膜１０の幅Ｗをトラック幅に対応させて加工する。幅Ｗは０．１μｍ以下、高記録密度のためには５０ｎｍ以下に設定される。スプリングスピンバルブ膜１０の奥行きｈも幅Ｗとほぼ同じサイズに加工される。なお、フリー層の磁化方向をピン層の磁化方向と直交する方向にバイアスするために、例えばスプリングスピンバルブ膜１０の横にハード層を設けるか、またはスプリングスピンバルブ膜１０の上にインスタックバイアス層を設ける。
【００５０】
本発明の実施形態に係るスプリングスピンバルブ膜１０を磁気メモリ（ＭＲＡＭ）に適用する場合、磁気ヘッドの場合よりも大きいサイズでよく、Ｗおよびｈは１μｍ以下に加工すればよい。また、バイアス層は一般的には設けられず、スプリングスピンバルブ膜１０の形状を工夫することによって一軸異方性を付与してスイッチング動作が可能にする。
【００５１】
本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子（スプリングスピンバルブ膜）を用いれば、２０〜１０００％の高いＭＲ変化率と、６０〜１０００ｍΩμｍ2の低いＲＡを実現することができる。
【００５２】
次に、以上で説明した実施形態に対応する磁気抵抗効果素子（スプリングスピンバルブ膜）の具体例を説明する。膜構成は以下のとおりである。
【００５３】
下電極：Ｃｕ
バッファ層：Ｔａ［５ｎｍ］／ＮｉＦｅＣｒ［５ｎｍ］
ピニング層：ＰｔＭｎ［１５ｎｍ］／ＣｏＦｅ［３ｎｍ］／Ｒｕ［１ｎｍ］
金属磁性層：ＣｏＦｅ［２ｎｍ］
接続層：Ｃｏ電流狭窄部を含むＡｌ2Ｏ3［１．５ｎｍ］
金属磁性層：ＣｏＦｅ［２ｎｍ］
接続層：Ｃｏ電流狭窄部を含むＡｌ2Ｏ3［１．５ｎｍ］
金属磁性層：ＣｏＦｅ［１ｎｍ］／ＮｉＦｅ［３ｎｍ］
キャップ層：Ｃｕ［１ｎｍ］／Ｒｕ［５ｎｍ］
上電極：Ｃｕ。
【００５４】
この磁気抵抗効果素子（スプリングスピンバルブ膜）は以下のような方法により製造する。基板上にＣｕを成膜し、パターニングして下電極を形成する。この基板を、ＤＣマグネトロンスパッタリング装置に装入する。この装置は、スパッタリング室に真空バルブを介して接続された酸化室を有する。バッファ層：Ｔａ／ＮｉＦｅＣｒ、ピニング層：ＰｔＭｎ／ＣｏＦｅ／Ｒｕおよび金属磁性層：ＣｏＦｅを成膜する。
【００５５】
接続層の絶縁層となるＡｌ［０．９ｎｍ］を成膜し、この段階で基板を酸化室に搬送して、イオンビーム酸化、ＲＦプラズマ酸化またはラジカル酸化を行う。この酸化処理により、Ａｌが酸化されて接続層の絶縁層であるＡｌ2Ｏ3が形成されるとともに、下地のＣｏＦｅがＡｌ2Ｏ3中を吸い上げられて電流狭窄部が形成される。この場合、原子の移動を促進しやすい酸化プロセスであるイオンビーム酸化またはＲＦプラズマ酸化を行うことが好ましい。
【００５６】
また、電流狭窄部となるべきＣｏと絶縁層となるべきＡｌとの合金であるＡｌＣｏ合金を成膜し、この段階で基板を酸化室に搬送して酸化してもよい。ＡｌＣｏ合金の組成は、Ａｌ80Ｃｏ30からＡｌ95Ｃｏ5までの範囲であることが望ましい。ＡｌとＣｏとは非固溶であるため分離した状態で成膜されやすく、この状態で酸化することにより酸化されやすいＡｌが酸化されるが酸化されにくいＣｏは電流狭窄部として形成される。この場合にも、原子の移動を促進しやすい酸化プロセスであるイオンビーム酸化またはＲＦプラズマ酸化を行うことが好ましい。
【００５７】
上述したように、接続層の厚さｔcは０．５〜５ｎｍが好ましく、１〜２ｎｍがより好ましい。接続層の厚さがこの範囲であれば、金属狭窄部を有する酸化物層を形成するのが容易であると同時に、酸化物層による絶縁効果も有効に発揮される。
【００５８】
次に、基板を再度スパッタリング室へ搬送し、金属磁性層：ＣｏＦｅ［２ｎｍ］を成膜する。その後、接続層となるＡｌまたはＡｌＣｏを成膜した後、上記と同様に、基板を酸化室に搬送して酸化することにより接続層を形成する。
【００５９】
次いで、基板は再度スパッタリング室に搬送し、金属磁性層：ＣｏＦｅ［１ｎｍ］／ＮｉＦｅ［３ｎｍ］およびキャップ層：Ｃｕ［１ｎｍ］／Ｒｕ［５ｎｍ］を成膜する。
【００６０】
成膜後の基板を２９０℃において４時間、１０ｋＯｅ程度の磁場中で熱処理を行う。この熱処理により、ＰｔＭｎの規則化を行うとともに、電流狭窄部中において磁性元素との結合が不十分な酸素を酸化されやすい元素に結合させる。たとえば、ａｓ−ｄｅｐｏ（成膜したまま）では接続層の一部にＣｏＯが存在するが、熱処理によりＣｏＯは還元され、酸化されやすいＡｌと酸素が結合してＡｌ2Ｏ3が生成する。この結果、より高い純度の金属磁性材料を含む電流狭窄部が形成される。
【００６１】
その後、フォトリソグラフィーによってスプリングスピンバルブ膜を素子幅がトラック幅とほぼ等しくなるように微細加工する。具体的には、素子の一辺のサイズが１００ｎｍ〜３０ｎｍになるようにパターニングする。このようなスプリングスピンバルブ膜では、面積抵抗ＲＡが５００ｍΩμｍ2程度で、しかも高いＭＲ変化率が得られる。
【００６２】
図５に本発明の他の実施形態に係る磁気抵抗効果素子（スプリングスピンバルブ膜）の主要部の断面図を示す。この図では、金属磁性層１ａ、接続層２ａ、金属磁性層１ｂ、接続層２ｂ、金属磁性層１ｃ、接続層２ｃ、非磁性金属層５、金属磁性層１ｄ、接続層２ｄ、金属磁性層１ｅ、接続層２ｅ、金属磁性層１ｆが積層されている。図５の磁気抵抗効果素子において、図１と異なるのは、接続層２ｃと金属磁性層１ｄとの間にＣｕなどからなる非磁性金属層５が形成されていることである。
【００６３】
非磁性金属層５が２ｎｍ以上と厚い場合には、非磁性金属層５を挟む上下の金属磁性層１ｃおよび金属磁性層１ｄは、小さな層間結合磁界（ＯｒａｎｇｅピールによるＮｅｅｌ結合磁界とＲＫＫＹ結合磁界）を除いて、基本的には磁気結合しない。
【００６４】
一方、非磁性金属層５がたとえば２ｎｍ以下と比較的薄い場合には、非磁性金属層５を挟む上下の金属磁性層１ｃおよび金属磁性層１ｄの磁気結合は無視できない大きさになる。したがって、図５のような膜構成でも、図２（ａ）に示したように、各金属磁性層の磁化が少しずつねじれた状態を実現でき、スプリングスピンバルブ膜としての動作が可能となる。
【００６５】
図５のような構造を実現するためには、非磁性金属層５の膜厚を、上下の金属磁性層が弱い強磁性結合を示すように設定する。たとえば非磁性材料がＣｕの場合にＲＫＫＹ結合成分を考えると、Ｃｕの膜厚を以下のように設定することが好ましい。すなわち、Ｃｕ層を介した上下の金属磁性層のＲＫＫＹ磁気結合に関しては、強磁性的な結合と反強磁性的な結合が非磁性層の膜厚に対して振動して変化するという現象が知られている（S.S.P. Parkin et al, Phys. Rev. Lett. 66, 2152 (1991)）。このような振動現象において強磁性結合を示すＣｕの膜厚は例えば１〜１．６ｎｍおよび２．４〜２．６ｎｍである。完全にフラットな膜が形成された場合には、強磁性的な結合を得るためのこのような膜厚範囲にすることが望ましい。しかし、実際には非磁性層を介した強磁性層間の磁気結合はＲＫＫＹ結合だけで決まるものではなく、膜の凹凸に起因して発生する強磁性的結合であるＮｅｅｌ結合（オレンジピールカップリングともいう）も存在する。Ｎｅｅｌ結合に関しては、非磁性層の膜厚が薄くなればなるほど大きくなる。よって、Ｎｅｅｌ結合によって強磁性的磁気結合が決定される場合を考えると、非磁性層の膜厚が２ｎｍ以下で無視できなくなり、ある程度の強磁性結合成分を得るためには１．５ｎｍ以下であることが望ましいため、最適な膜厚範囲としては、０．１〜１．５ｎｍということになる。非磁性金属層の材料としては、Ｃｕに限らず、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｖ、Ｔｉ、Ｚｒ、およびこれらを含む合金材料を用いることができる。これらのうち、熱的安定性の観点からは特にＣｕが望ましく、上下の金属磁性層の磁気結合を比較的大きくできるという観点からはＣｒ、Ｍｎが望ましい。
【００６６】
図６に、本発明のさらに他の実施形態に係る磁気抵抗効果素子（スプリングスピンバルブ膜）の主要部の断面図を示す。この図では、金属磁性層１ａ、非磁性金属層５ａ、金属磁性層１ｂ、非磁性金属層５ｂ、金属磁性層１ｃ、非磁性金属層５ｃ、金属磁性層１ｄ、非磁性金属層５ｄ、金属磁性層１ｅが積層されている。図６の磁気抵抗効果素子の膜構成は、図１の磁気抵抗効果素子における複数の接続層を、複数の非磁性金属層に置き換えたものに相当する。非磁性金属層の材料および膜厚は、図５で説明したとおりである。
【００６７】
この場合にも、非磁性金属層を挟む上下の金属磁性層が磁気的に結合していれば、図２（ａ）に示したように、各金属磁性層の磁化が少しずつねじれた状態を実現でき、スプリングスピンバルブ膜としての動作が可能となる。
【００６８】
図７に、本発明のさらに他の実施形態に係る磁気抵抗効果素子（スプリングスピンバルブ膜）の主要部の断面図を示す。この図では、金属磁性層１ａ〜１ｆのうち隣接する金属磁性層の間に、１層の接続層（たとえば２ａまたは２ｃ）が挟まれているか、１層の非磁性金属層（たとえば５ａまたは５ｃ）が挟まれているか、または接続層と非磁性金属層の積層膜（たとえば２ｂと５ｂ）が挟まれている。このような膜構成でも、各金属磁性層の磁化が少しずつねじれた状態を実現でき、スプリングスピンバルブ膜としての動作が可能となる。
【００６９】
図１および図５〜図７に示したように、本発明の実施形態に係るスプリングスピンバルブ膜では、全ての金属磁性層が磁気的に弱く結合した状態を実現するには、接続層または非磁性金属層の層数が２層以上であることが必要である。これは、接続層または非磁性金属層が１層のみでは、磁気結合の影響が大きくなりすぎるためである。すなわち、上下の金属磁性層どうしを金属磁性層内における磁気結合よりも弱く磁気結合させる接続層または非磁性層の層数を増加させることにより、図２（ａ）のように段階的にねじれた磁化回転を実現でき、スプリングスピンバルブ膜としての動作が可能となる。
【００７０】
次に、電流狭窄部に金属磁性材料を含む接続層を用いた場合に、その上下にある２層の金属磁性層間の磁気結合を減少させるのに有効な他の実施形態に係る構造を、図８〜図１１を参照して説明する。図８〜図１１においては、説明を簡略化するために、上下の２層の金属磁性層とその間の接続層のみを図示する。
【００７１】
図８においては、金属磁性層１ａ、接続層２ａ、金属磁性層１ｂが積層されている。接続層２ａは、絶縁層３とこの絶縁層３を貫通する電流狭窄部４とを含み、電流狭窄部４は金属磁性層４１と非磁性金属層４２とからなっている。このように電流狭窄部４を金属磁性層４１と非磁性金属層４２の積層構造とすることにより、上下の金属磁性層１ａおよび金属磁性層１ｂの間の磁気結合を減少させることができる。
【００７２】
この場合、電流狭窄部４を形成する金属磁性層４１と非磁性金属層４２は、少なくともいずれか一方が複数層を含んでいてもよい。このような例を図９に示す。図９においては、電流狭窄部４は金属磁性層４１、非磁性金属層４２、金属磁性層４１、非磁性金属層４２の積層構造となっており、金属磁性層４１と非磁性金属層４２がそれぞれ２層ずつ含まれている。
【００７３】
図１０においては、金属磁性層１ａ、非磁性金属層５ａ、接続層２ａ、非磁性金属層５ｂ、金属磁性層１ｂが積層されており、接続層２ａは絶縁層３とこの絶縁層３を貫通する電流狭窄部４とを含む。このように、接続層２ａと上下の金属磁性層１ａおよび金属磁性層１ｂとの間の両方に非磁性金属層５ａおよび非磁性金属層５ｂを挟むことによっても、上下の金属磁性層１ａおよび金属磁性層１ｂの間の磁気結合を減少させることができる。
【００７４】
さらに、これらの構造を組み合わせてもよい。組み合わせの例を図１１に示す。図１１においては、金属磁性層１ａ、非磁性金属層５ａ、接続層２ａ、非磁性金属層５ｂ、金属磁性層１ｂが積層されており、接続層２ａは絶縁層３とこの絶縁層３を貫通する電流狭窄部４とを含み、電流狭窄部４は金属磁性層４１、非磁性金属層４２、金属磁性層４１、非磁性金属層４２の積層構造となっている。
【００７５】
なお、図８〜図１１に示した構造を採用し、上下の金属磁性層１ａおよび金属磁性層１ｂの間の磁気結合を最適に制御できた場合、上下の金属磁性層１ａおよび金属磁性層１ｂをそれぞれピン層およびフリー層として機能させることもできる（すなわち、必ずしも３層以上の金属磁性層を用いてスピンスプリング構造を形成する必要はない場合もある）。
【００７６】
次に、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子（スプリングスピンバルブ膜）の応用について説明する。
【００７７】
図１２および図１３は、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を磁気ヘッドに組み込んだ状態を示している。図１２は、磁気記録媒体（図示せず）に対向する媒体対向面に対してほぼ平行な方向に磁気抵抗効果素子を切断した断面図である。図１３は、この磁気抵抗効果素子を媒体対向面Ｐに対して垂直な方向に切断した断面図である。
【００７８】
図１２および図１３に例示した磁気ヘッドは、いわゆるハード・アバッテッド（hard abutted）構造を有する。磁気抵抗効果膜１０は図１または図５〜図７に示した構造を有するものである。磁気抵抗効果膜１０の上下には、下電極１１と上電極１２とがそれぞれ設けられている。図１２において、磁気抵抗効果膜１０の両側面には、バイアス磁界印加膜１３と絶縁膜１４とが積層して設けられている。図１３に示したように、磁気抵抗効果膜１０の媒体対向面には保護層１５が設けられている。
【００７９】
磁気抵抗効果膜１０に対するセンス電流は、その上下に配置された電極１１、１２によって矢印Ａで示したように、膜面に対してほぼ垂直方向に通電される。また、左右に設けられた一対のバイアス磁界印加膜１３、１３により、磁気抵抗効果膜１０にはバイアス磁界が印加される。このバイアス磁界により、磁気抵抗効果膜１０のフリー層の磁気異方性を制御して単磁区化することによりその磁区構造が安定化し、磁壁の移動に伴うバルクハウゼンノイズ（Barkhausen noise）を抑制することができる。
【００８０】
本発明によれば、磁気抵抗効果膜のＭＲ変化率が向上しているので、磁気ヘッドに応用した場合に高感度の磁気再生が可能となる。
【００８１】
図１２および図１３に示した磁気ヘッドは、記録再生一体型の磁気ヘッドアセンブリに組み込んで、磁気記録再生装置に搭載することができる。
【００８２】
図１４は、このような磁気記録再生装置の概略構成を例示する要部斜視図である。すなわち、本発明の磁気記録再生装置１５０は、ロータリーアクチュエータを用いた形式の装置である。同図において、磁気ディスク２００は、スピンドル１５２に装着され、図示しない駆動装置制御部からの制御信号に応答する図示しないモータにより矢印Ａの方向に回転する。本発明の磁気記録再生装置１５０は、複数の磁気ディスク２００を備えたものとしてもよい。
【００８３】
磁気ディスク２００に格納する情報の記録再生を行うヘッドスライダ１５３は、薄膜状のサスペンション１５４の先端に取り付けられている。ヘッドスライダ１５３は、上述したいずれかの実施形態に係る磁気抵抗効果素子を含む磁気ヘッドをその先端付近に搭載している。
【００８４】
磁気ディスク２００が回転すると、ヘッドスライダ１５３の媒体対向面（ＡＢＳ）は磁気ディスク２００の表面から所定の浮上量をもって保持される。あるいはスライダが磁気ディスク２００と接触するいわゆる「接触走行型」であってもよい。
【００８５】
サスペンション１５４は、図示しない駆動コイルを保持するボビン部などを有するアクチュエータアーム１５５の一端に接続されている。アクチュエータアーム１５５の他端には、リニアモータの一種であるボイスコイルモータ１５６が設けられている。ボイスコイルモータ１５６は、アクチュエータアーム１５５のボビン部に巻き上げられた図示しない駆動コイルと、このコイルを挟み込むように対向して配置された永久磁石および対向ヨークからなる磁気回路とから構成される。
【００８６】
アクチュエータアーム１５５は、スピンドル１５７の上下２箇所に設けられた図示しないボールベアリングによって保持され、ボイスコイルモータ１５６により回転摺動が自在にできるようになっている。
【００８７】
図１５は、アクチュエータアーム１５５から先の磁気ヘッドアセンブリをディスク側から眺めた拡大斜視図である。すなわち、磁気ヘッドアッセンブリ１６０は、例えば駆動コイルを保持するボビン部などを有するアクチュエータアーム１５５を有し、アクチュエータアーム１５５の一端にはサスペンション１５４が接続されている。
【００８８】
サスペンション１５４の先端には、上述したいずれかの実施形態に係る磁気抵抗効果素子を含む磁気ヘッドを具備するヘッドスライダ１５３が取り付けられている。サスペンション１５４は信号の書き込みおよび読み取り用のリード線１６４を有し、このリード線１６４とヘッドスライダ１５３に組み込まれた磁気ヘッドの各電極とが電気的に接続されている。図中１６５は磁気ヘッドアッセンブリ１６０の電極パッドである。
【００８９】
本発明によれば、上述した本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を含む磁気ヘッドを具備することにより、従来よりも高い記録密度で磁気ディスク２００に磁気的に記録された情報を確実に読み取ることが可能となる。
【００９０】
次に、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を搭載した磁気メモリについて説明する。すなわち、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を用いて、例えばメモリセルがマトリクス状に配置されたランダムアクセス磁気メモリ（magnetic random access memory、ＭＲＡＭ）などの磁気メモリを実現できる。
【００９１】
図１６は、本発明の実施形態に係る磁気メモリのマトリクス構成の一例を示す図である。この図は、メモリセルをアレイ状に配置した場合の回路構成を示す。アレイ中の１ビットを選択するために、列デコーダ３５０、行デコーダ３５１が備えられており、ビット線３３４とワード線３３２によりスイッチングトランジスタ３３０がオンになり一意に選択され、センスアンプ３５２で検出することにより磁気抵抗効果素子１０中の磁気記録層（フリー層）に記録されたビット情報を読み出すことができる。ビット情報を書き込むときは、特定の書き込みワード線３２３とビット線３２２に書き込み電流を流して発生する磁場を印加する。
【００９２】
図１７は、本発明の実施形態に係る磁気メモリのマトリクス構成の他の例を示す図である。この場合、マトリクス状に配線されたビット線３２２とワード線３３４とが、それぞれデコーダ３６０、３６１により選択されて、アレイ中の特定のメモリセルが選択される。それぞれのメモリセルは、磁気抵抗効果素子１０とダイオードＤとが直列に接続された構造を有する。ここで、ダイオードＤは、選択された磁気抵抗効果素子１０以外のメモリセルにおいてセンス電流が迂回することを防止する役割を有する。書き込みは、特定のビット線３２２と書き込みワード線３２３とにそれぞれに書き込み電流を流して発生する磁場により行われる。
【００９３】
図１８は、本発明の実施形態に係る磁気メモリの要部を示す断面図である。図１９は、図１８のＡ−Ａ’線に沿う断面図である。これらの図に示した構造は、図１６または図１７に示した磁気メモリに含まれる１ビット分のメモリセルに対応する。このメモリセルは、記憶素子部分３１１とアドレス選択用トランジスタ部分３１２とを有する。
【００９４】
記憶素子部分３１１は、磁気抵抗効果素子１０と、これに接続された一対の配線３２２、３２４とを有する。磁気抵抗効果素子１０は、上述した実施形態に係る磁気抵抗効果素子（スプリングスピンバルブ膜）である。
【００９５】
一方、選択用トランジスタ部分３１２には、ビア３２６および埋め込み配線３２８を介して接続されたトランジスタ３３０が設けられている。このトランジスタ３３０は、ゲート３３２に印加される電圧に応じてスイッチング動作をし、磁気抵抗効果素子１０と配線３３４との電流経路の開閉を制御する。
【００９６】
また、磁気抵抗効果素子１０の下方には、書き込み配線３２３が、配線３２２とほぼ直交する方向に設けられている。これら書き込み配線３２２、３２３は、例えばアルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）あるいはこれらいずれかを含む合金により形成することができる。
【００９７】
このような構成のメモリセルにおいて、ビット情報を磁気抵抗効果素子１０に書き込むときは、配線３２２、３２３に書き込みパルス電流を流し、それら電流により誘起される合成磁場を印加することにより磁気抵抗効果素子の記録層の磁化を適宜反転させる。
【００９８】
また、ビット情報を読み出すときは、配線３２２と、磁気記録層を含む磁気抵抗効果素子１０と、下電極３２４とを通してセンス電流を流し、磁気抵抗効果素子１０の抵抗値または抵抗値の変化を測定する。
【００９９】
本発明の実施形態に係る磁気メモリは、上述した実施形態に係る磁気抵抗効果素子（スプリングスピンバルブ膜）を用いることにより、セルサイズを微細化しても、記録層の磁区を確実に制御して確実な書き込みを確保でき、且つ、読み出しも確実に行うことができる。
【０１００】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、磁気抵抗効果膜の具体的な構造や、その他、電極、バイアス印加膜、絶縁膜などの形状や材質に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる。
【０１０１】
例えば、磁気抵抗効果素子を再生用磁気ヘッドに適用する際に、素子の上下に磁気シールドを付与することにより、磁気ヘッドの検出分解能を規定することができる。
【０１０２】
また、本発明は、長手磁気記録方式のみならず垂直磁気記録方式の磁気ヘッドあるいは磁気再生装置についても同様に適用して同様の効果を得ることができる。
【０１０３】
さらに、本発明の磁気再生装置は、特定の記録媒体を定常的に備えたいわゆる固定式のものでも良く、一方、記録媒体が差し替え可能ないわゆる「リムーバブル」方式のものでも良い。
【０１０４】
その他、本発明の実施形態として上述した磁気ヘッドおよび磁気記憶再生装置を基にして、当業者が適宜設計変更して実施しうるすべての磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド、磁気記憶再生装置および磁気メモリも同様に本発明の範囲に属する。
【図面の簡単な説明】
【０１０５】
【図１】本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子の主要部の断面図。
【図２】図１の磁気抵抗効果素子に含まれる金属磁性層の磁化方向を説明する図。
【図３】図１の磁気抵抗効果素子に含まれる接続層の膜面を示す平面図。
【図４】本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子の斜視図。
【図５】本発明の他の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の主要部の断面図。
【図６】本発明のさらに他の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の主要部の断面図。
【図７】本発明のさらに他の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の主要部の断面図。
【図８】本発明のさらに他の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の主要部の断面図。
【図９】本発明のさらに他の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の主要部の断面図。
【図１０】本発明のさらに他の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の主要部の断面図。
【図１１】本発明のさらに他の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の主要部の断面図。
【図１２】本発明の実施形態に係る磁気ヘッドの断面図。
【図１３】本発明の実施形態に係る磁気ヘッドの断面図。
【図１４】本発明の実施形態に係る磁気記録再生装置の斜視図。
【図１５】本発明の実施形態に係る磁気ヘッドアセンブリの斜視図。
【図１６】本発明の実施形態に係る磁気メモリのマトリクス構成の一例を示す図。
【図１７】本発明の実施形態に係る磁気メモリのマトリクス構成の他の例を示す図。
【図１８】本発明の実施形態に係る磁気メモリの要部を示す断面図。
【図１９】図１８のＡ−Ａ’線に沿う断面図。
【符号の説明】
【０１０６】
１ａ〜１ｆ…金属磁性層、２ａ〜２ｅ…接続層、３…絶縁層、４…電流狭窄層、５、５ａ〜５ｄ…非磁性金属層、１０…スプリングスピンバルブ膜、１１…下電極、１２…上電極、１３…バイアス磁界印加膜、１４…絶縁膜、１５…保護層、１５０…磁気記録再生装置、１５２…スピンドル、１５３…ヘッドスライダ、１５４…サスペンション、１５５…アクチュエータアーム、１５６…ボイスコイルモータ、１５７…スピンドル、１６０…磁気ヘッドアッセンブリ、１６４…リード線、２００…磁気記録磁気ディスク、３１１…記憶素子部分、３１２…アドレス選択用トランジスタ部分、３１２…選択用トランジスタ部分、３２１…磁気抵抗効果素子、３２２…ビット線、３２２…配線、３２３…ワード線、３２３…配線、３２４…下部電極、３２６…ビア、３２８…配線、３３０…スイッチングトランジスタ、３３２…ゲート、３３２…ワード線、３３４…ビット線、３３４…ワード線、３５０…列デコーダ、３５１…行デコーダ、３５２…センスアンプ、３６０…デコーダ。
【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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【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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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