(57)【要約】【課題】ＣＰＰ構造のスピンバルブ型ＧＭＲ素子に導通部を有する中間層を適用する場合に、導通部を含む電流経路の状態を制御することによって、導通部に基づく大きな磁気抵抗効果を再現性よく得ることを可能にする。【解決手段】スピンバルブ型磁気抵抗効果膜２は、磁化固着層５と磁化自由層７とこれら間に介在された非磁性中間層６とを有する。非磁性中間層６は絶縁層１４内に配置された非磁性金属材料からなる導通部１５を備える。非磁性中間層６上に積層された強磁性体膜７は、導通部１５の上方に配置され、かつ膜面に対して略垂直方向に結晶成長した垂直配向部１６と、垂直配向部１６以外の部分に存在する非垂直配向部１７とを有する。磁気抵抗効果素子１はスピンバルブ型磁気抵抗効果膜２の膜面垂直方向にセンス電流を通電する一対の電極３、４を具備する。【選択図】図３
2006114609.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化方向が実質的に一方向に固着された強磁性体膜を有する磁化固着層と、
磁化方向が外部磁界に対応して変化する強磁性体膜を有する磁化自由層と、
前記磁化固着層と前記磁化自由層との間に介在された絶縁層と、前記絶縁層内に前記磁化固着層と前記磁化自由層とを接続するように配置され、かつ非磁性金属材料からなる導通部とを有する非磁性中間層と、
前記磁化固着層、前記非磁性中間層および前記磁化自由層の膜面に対して略垂直方向にセンス電流を通電するように設けられた一対の電極とを具備し、
前記磁化固着層および前記磁化自由層を構成する前記強磁性体膜のうち、前記非磁性中間層上に積層された強磁性体膜は、前記導通部の上方に配置され、かつ膜面に対して略垂直方向に結晶成長した垂直配向部と、前記垂直配向部以外の部分に存在する非垂直配向部とを有することを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
請求項１記載の磁気抵抗効果素子において、
前記導通部は、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｔｉ、およびＭｎから選ばれる少なくとも1種を主成分とする非磁性金属材料からなることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載の磁気抵抗効果素子において、
前記非垂直配向部は、非晶質状態、低結晶質状態、または前記垂直配向部とは配向方向が異なる結晶質状態を有することを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか１項記載の磁気抵抗効果素子を具備することを特徴とする磁気ヘッド。
【請求項５】
請求項４記載の磁気ヘッドを具備し、前記磁気ヘッドで磁気記録媒体に磁気的に記録された情報を読み出すことを特徴とする磁気再生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は磁気抵抗効果素子とそれを用いた磁気ヘッドおよび磁気再生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、磁気抵抗効果素子（Magnetoresistive effect element）の開発が進められている。特に、巨大磁気抵抗効果（Giant Magnetoresistive Effect：ＧＭＲ）を示す磁気抵抗効果膜の開発に伴って、それを適用した磁気デバイス、特に磁気ヘッドとして使用される磁気抵抗効果ヘッド（ＭＲヘッド）の性能は飛躍的に向上している。
【０００３】
上述したＧＭＲ膜としては、強磁性層／非磁性層／強磁性層のサンドイッチ構造膜で大きな磁気抵抗効果が得られるスピンバルブ膜（Spin valve膜）が知られている。スピンバルブ膜は、2つの強磁性層間に非磁性層（中間層やスペーサ層等と称する）を介在させた構造を有する。一方の強磁性層（磁化固着層やピン層等と称する）に交換バイアス磁界を印加して磁化を固定すると共に、他方の強磁性層（磁化自由層やフリー層等と称する）を信号磁界等の外部磁場で磁化反転させ、磁化固着層と磁化自由層との磁化方向の相対的な角度を変化させることによって、大きな磁気抵抗効果を得ることができる。
【０００４】
ＧＭＲ素子においては、磁気抵抗効果膜の膜面垂直方向にセンス電流を通電する、いわゆるＣＰＰ（Current Perpendicular to Plane）構造の素子が提案されている。スピンバルブ型のＧＭＲ素子においても、ＣＰＰ構造を適用することでＭＲ変化率の向上が期待されており、ＣＩＰ（Current in Plane）構造の10倍程度のＭＲ変化率が得られたことが報告されている。また、ＣＰＰ構造のＧＭＲ素子はトンネル効果を利用したＴＭＲ素子等に比べて抵抗が低いというような利点も有している。
【０００５】
ところで、スピンバルブ型ＧＭＲ素子はスピン依存する層の総膜厚が非常に薄く、界面の数も少ないことから、ＣＰＰ構造を適用した場合には素子抵抗が小さくなり、その結果として出力絶対値が小さくなってしまう。例えば、磁化固着層および磁化自由層の膜厚がそれぞれ5nmのスピンバルブ型ＧＭＲ素子に垂直通電した場合、1μm2当たりの出力絶対値ＡΔＲは約0.5mΩμm2と小さい。つまり、ＣＰＰ構造のスピンバルブ型ＧＭＲ素子を実用化するためには、素子中のスピン依存伝導に関与する部分の抵抗値を上げ、抵抗変化量を大きくして出力の増大を図ることが重要となる。
【０００６】
このような点に対して、磁気抵抗効果（ＭＲ）を向上させるために、スピンバルブ膜中に絶縁体を含む抵抗調整層を中間層等として挿入するという手法が提案されている（例えば非特許文献１〜２参照）。スピンバルブ型ＧＭＲ素子は、電子をスピン依存散乱させる部分（磁化固着層／中間層／磁化自由層）と、スピン依存散乱が小さい部分（下地層、反強磁性層、保護層等）とを有している。前者の抵抗をＲsd、後者の抵抗をＲsiとすると、スピンバルブ型ＧＭＲ素子の磁気抵抗効果（ＭＲ）は、ＭＲ＝Ｒsd／（Ｒsd＋Ｒsi）と表すことができる。従って、ＲsdがＲsiよりも大きければ大きいほどＭＲが向上する。絶縁体を含む抵抗調整層を有するＣＰＰ構造のスピンバルブ型ＧＭＲ素子は、このような効果に着目したものである。
【非特許文献１】J.Appl. Phys. 89, 6943(2001)
【非特許文献２】IEEE Trans. Mag. 38, 2277(2002)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述した抵抗調整層（中間層）を有するＣＰＰ構造のスピンバルブ型ＧＭＲ素子において、抵抗調整層は電流が完全に流れない完全絶縁体の部分と電流が流れる導通部（メタルパス）とから構成されており、抵抗調整層の近傍では導通部に向かって電流が狭窄される。このようなＣＰＰ構造のスピンバルブ型ＧＭＲ素子では、電流狭窄効果で磁化固着層および磁化自由層共に導通部の直上直下が電流経路となるため、磁気抵抗効果（ＭＲ）の向上を図るためには導通部を含む電流経路の状態を制御することが重要となる。しかし、従来のスピンバルブ型ＧＭＲ素子ではスピン依存散乱部の抵抗を抵抗調整層（中間層）で高めているだけで、電流経路の状態制御はなされていない。このため、導通部を適用したことによる大きな磁気抵抗効果を再現性よく得るまでには至っていない。
【０００８】
本発明は、ＣＰＰ構造のスピンバルブ型ＧＭＲ素子に導通部を有する中間層を適用する場合に、導通部を含む電流経路の状態を制御することによって、絶縁層内に配置された導通部による大きな磁気抵抗効果を再現性よく得ることを可能にした磁気抵抗効果素子とそれを用いた磁気ヘッドおよび磁気再生装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の磁気抵抗効果素子は、磁化方向が実質的に一方向に固着された強磁性体膜を有する磁化固着層と、磁化方向が外部磁界に対応して変化する強磁性体膜を有する磁化自由層と、前記磁化固着層と前記磁化自由層との間に介在された絶縁層と、前記絶縁層内に前記磁化固着層と前記磁化自由層とを接続するように配置され、かつ非磁性金属材料からなる導通部とを有する非磁性中間層と、前記磁化固着層、前記非磁性中間層および前記磁化自由層の膜面に対して略垂直方向にセンス電流を通電するように設けられた一対の電極とを具備し、前記磁化固着層および前記磁化自由層を構成する前記強磁性体膜のうち、前記非磁性中間層上に積層された強磁性体膜は、前記導通部の上方に配置され、かつ膜面に対して略垂直方向に結晶成長した垂直配向部と、前記垂直配向部以外の部分に存在する非垂直配向部とを有することを特徴としている。
【００１０】
本発明の磁気抵抗効果素子において、導通部は例えばＣｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｔｉ、およびＭｎから選ばれる少なくとも1種を主成分とする非磁性金属材料により構成される。また非垂直配向部は、例えば非晶質状態、低結晶質状態、または垂直配向部とは配向方向が異なる結晶質状態を有するものである。
【００１１】
本発明の磁気ヘッドは、上記した本発明の磁気抵抗効果素子を具備することを特徴としている。本発明の磁気再生装置は、本発明の磁気ヘッドを具備し、前記磁気ヘッドで磁気記録媒体に磁気的に記録された情報を読み出すことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の磁気抵抗効果素子は、非磁性中間層上に積層された強磁性体膜の導通部上方に位置する部分のみに、膜面に対して略垂直方向に結晶成長した垂直配向部を配置している。このような垂直配向部で電流経路の状態を制御しているため、導通部による大きな磁気抵抗効果を再現性よく得ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。図１は本発明の一実施形態による磁気抵抗効果素子の構造を示す断面図である。図１に示す磁気抵抗効果素子１は、スピンバルブ構造を有する磁気抵抗効果膜２と、このスピンバルブ型磁気抵抗効果膜２の膜面に対して略垂直方向にセンス電流を通電するように設けられた一対の電極３、４とから主として構成されている。スピンバルブ型磁気抵抗効果膜２は、磁気抵抗効果素子１の実用性を高めるものである。
【００１４】
スピンバルブ型磁気抵抗効果膜２は、磁化固着層５／非磁性中間層６／磁化自由層７構造の積層膜を有している。すなわち、下部電極３上には下地層８を介してＰｔ−Ｍｎ合金、Ｉｒ−Ｍｎ合金等からなる反強磁性層９が形成されている。反強磁性層９上には磁化固着層５となる強磁性体膜が形成されている。この強磁性体膜は反強磁性層９からの交換バイアス磁界で磁化方向が実質的に一方向に固着されており、これにより強磁性体膜は磁化固着層５として機能する。
【００１５】
磁化固着層５は図１に示した単層構造の強磁性体膜に限らず、積層構造を有していてもよい。図２はＲｕ等からなる磁化反平行結合層１０の両側に強磁性体膜１１、１２を配置した積層膜からなる磁化固着層５を示している。この構造では強磁性体膜１１が反強磁性層９によって磁化方向が一方向に固着されており、さらに強磁性金属膜１１、１２は磁化反平行結合層１０を介して磁化が反平行状態で結合している。磁化固着層５を構成する強磁性体膜には、例えばＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、これら元素同士の合金、あるいはこれら元素を主成分とする合金等が適用される。
【００１６】
磁化固着層５上には非磁性中間層６を介して磁化自由層７として機能する強磁性体膜が形成されている。この強磁性体膜は磁化方向が信号磁界等の外部磁界に対応して変化するものであり、これにより磁化自由層７として機能する。磁化自由層７を構成する強磁性体膜には磁化固着層５と同様に、例えばＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、これら元素同士の合金、あるいはこれら元素を主成分とする合金等が使用される。また、磁化自由層７の構造も単層構造に限らず、強磁性体膜を含む積層構造を適用することができる。磁化自由層７上には保護層１３が形成されており、その上に上部電極４が配置されている。
【００１７】
磁化固着層５および磁化自由層７の膜厚は特に限定されるものではないが、例えば10nm以下とすることが好ましい。なお、図１および図２では下層側に磁化固着層５を配置したスピンバルブ型磁気抵抗効果膜２を示したが、磁化固着層５と磁化自由層７の位置は逆であってもよい。すなわち、下層側に磁化固着層５を配置し、その上に非磁性中間層６を介して磁化固着層７を配置した膜構造を適用することも可能である。また、スピンバルブ型磁気抵抗効果膜２は2層の非磁性中間層を有するデュアルスピンバルブ構造を有するものであってもよい。
【００１８】
上述した磁化固着層５と磁化自由層７との間に介在された非磁性中間層６は、絶縁部１４と導通部１５とから構成されている。絶縁部１４は非磁性中間層６の全体形状を構成するものであり、磁化固着層５と磁化自由層７との間に層状に配置されている。このような層状の絶縁部（絶縁層）１４内には、磁化固着層５と磁化自由層７とを接続するように1つ以上の導通部１５が配置されている。絶縁部１４には電気伝導特性が絶縁性でかつ非磁性の金属酸化物、金属炭化物、金属窒化物等が用いられる。このような化合物の具体例としては、Ａｌ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｈｆ、Ｍｇ、Ｃｕ、Ｃａ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｚｒ、Ｌｉ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｙ、希土類元素等の酸化物、炭化物、窒化物が挙げられる。
【００１９】
絶縁部１４内に配置された導通部１５は、磁化固着層５と磁化自由層７との間のポイントコンタクトを実現し、これにより電子をスピン依存散乱させる部分（磁化固着層５／非磁性中間層６／磁化自由層７）の抵抗値Ｒsdを高めるものである。このような導通部１５は非磁性金属材料により構成されている。導通部１５を構成する非磁性金属材料としては、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｔｉ、およびＭｎから選ばれる少なくとも1種、もしくはこれらを主成分とする合金等が例示される。導通部１５の大きさ（最小部の二次元的な大きさ）は、例えば2〜5nm程度とすることが好ましい。導通部１５の大きさが大きすぎると、電流狭窄等による抵抗値の向上効果を十分に得ることができない。
【００２０】
絶縁部１４と導通部１５とから構成された非磁性中間層６の膜厚は、微細な導通部１５の形成性、また導通部１５によるポイントコンタクトの形成性等を高める上で、例えば5nm以下とすることが好ましい。非磁性中間層６の膜厚はさらに3nm以下とすることがより好ましい。なお、絶縁材料（絶縁部１４）による一様な膜の形成性等を考慮すると、非磁性中間層６の膜厚は1nm以上とすることが好ましい。非磁性中間層６は導通部１５が磁化固着層５および磁化自由層７と接していればよく、導通部１５は絶縁部１４の上下もしくは下側に拡張された部分を有していてもよい。
【００２１】
上述したような非磁性金属材料からなる導通部１５は優れた結晶状態、言い換えると結晶配向した状態を有している。このような結晶性を向上させた導通部１５を有する非磁性中間層６上には磁化自由層７が形成されている。磁化自由層７は、導通部１５の上方では結晶成長が連続的になるため、その部分の結晶性を向上させることができる。具体的には膜面に対して略垂直方向に結晶成長させることができる。すなわち、図３に示すように、磁化自由層７を構成する強磁性体膜は、導通部１５の上方に位置する部分に、膜面に対して略垂直方向に結晶成長した垂直配向部１６を有している。ここで、膜面に対して略垂直方向とは膜面垂直方向から±5°の範囲を示すものであり、垂直配向部１６の結晶成長方向はこのような範囲を許容するものである。
【００２２】
一方、非磁性中間層６中の絶縁部（絶縁層）１３は非晶質状態となる。このため、磁化自由層７の絶縁部１４上に位置する部分は、絶縁部１４の状態に起因して非晶質状態や低結晶質状態（質の悪い結晶状態）となる。これは絶縁部１３と磁化自由層７との間に拡張された導通部が存在する場合も同様である。このように、磁化自由層７を構成する強磁性体膜の垂直配向部１６以外の部分は、非晶質状態や低結晶質状態等を有する非垂直配向部１７とされている。なお、非垂直配向部１７は非晶質状態や低結晶質状態に限らず、垂直配向部１６とは配向方向が異なる結晶質状態であってもよい。なお、図３に示す導通部１５は絶縁部１４の上下に拡張された部分を有している。
【００２３】
このように、磁化自由層７を構成する強磁性体膜は、導通部１５の上方に存在する垂直配向部１６と、それ以外の部分に存在する非晶質状態や低結晶質状態、あるいは垂直配向部１６とは配向方向が異なる結晶質状態等の非垂直配向部１７とを有している。ここで、導通部１５および磁化自由層７の結晶性の良し悪しや結晶成長方向は、その部分を断面ＴＥＭで観察し、原子像が写し出されるかどうかで判断することが可能である。すなわち、結晶性が高い部分は断面ＴＥＭ像に原子像が明確に写し出され、さらにそのような断面ＴＥＭ像をフーリエ変換することで結晶成長方向を判定することができる。一方、非晶質状態や低結晶質状態の部分は断面ＴＥＭ像に原子像が明確に写らない。また、そのような断面ＴＥＭ像をフーリエ変換することで判断することができる。
【００２４】
上述した状態を有する導通部１５および磁化自由層７は、例えば以下のようにして形成することができる。導通部１５および磁化自由層７の製造工程について、図４を参照して説明する。まず、図４（ａ）に示すように、磁化固着層５上に導通部１５の形成源となるＣｕ層等の非磁性金属層２１を形成し、さらにその上に絶縁層１５の形成母体となるＡｌ層等の金属層２２を形成する。
【００２５】
次に、図４（ｂ）に示すように、絶縁層１５の形成母体となる金属層２２にイオンビーム２３を照射して導通部１５の核を生成する。すなわち、金属層２２にイオンビーム２３を照射すると原子の凝集等が起こるため、金属層２２の下側に位置する非磁性金属層２１の一部が吸い上げられて、導通部１５の核となる部分が生成する。導通部１５の核生成工程には、イオンビーム２３に代えてプラズマを適用してもよい。さらに、例えば100〜200℃の熱アシストで導通部１５の核生成を行うことも可能である。これら各処理は組合せて適用してもよい。
【００２６】
続いて、図４（ｃ）に示すように、イオンビーム２３を照射しながら酸素２４を導入して、Ａｌ層等の金属層２２を酸化して絶縁層１４を形成する。このように、酸素２４に加えてイオンビーム２３を照射することで、Ａｌ層等の金属層２２が選択的に酸化される。その一方で、Ｃｕ層等の非磁性金属層２１は上方に吸い上げられると同時に還元されるため、絶縁層１４内にＣｕ等の非磁性金属からなる導通部１５が形成される。この際、導通部１５は第２の工程で生成された核に基づいて結晶成長するだけでなく、イオンビーム２３により還元されることで良好な結晶性を維持して成長する。さらに、その結晶成長方向は膜面に対して略垂直方向となる。
【００２７】
導通部１５の形成工程は、核生成工程と同様に、イオンビーム２３に代えてプラズマを適用して実施してもよい。すなわち、プラズマと酸素を同時に照射することによっても、結晶性に優れた導通部１５を得ることができる。さらに、例えば100〜200℃の熱アシストを行いながら酸素に晒すことによっても、結晶性に優れた導通部１５を得ることができる。なお、熱アシストを適用する場合には、条件によっては核生成工程を省略することができる。また、イオンビーム照射、プラズマ照射、熱アシストの各処理を組合せて導通部１５の形成工程を実施してもよい。
【００２８】
この後、図４（ｄ）に示すように、導通部１５を有する非磁性中間層６上に導通部１５の拡張部分となるＣｕ層等の非磁性金属層２５と磁化自由層（強磁性体膜）７を順に成膜する。なお、非磁性金属層２５の形成は省略してもよい。磁化自由層７の導通部１５の上方に位置する部分は、結晶性に優れる導通部１５に対して連続的に成長結晶するため、膜面垂直方向に結晶成長した垂直配向部１６となる。垂直配向部１６以外の部分は、前述したように非晶質状態の絶縁部１４に起因して、非晶質状態や低結晶質状態等を有する非垂直配向部１７となる。このようにして、垂直配向部１６と非垂直配向部１７とを有する磁化自由層７を得ることができる。
【００２９】
磁化固着層５／非磁性中間層６／磁化自由層７構造の積層膜を有するスピンバルブ型磁気抵抗効果膜２には、その上下に設けられた下部および上部電極３、４から膜面垂直方向にセンス電流を通電する。磁気抵抗効果素子１は、磁化自由層７の磁化方向を信号磁界等の外部磁界で変化させ、その際の磁化固着層５との相対的な磁化方向に基づいて磁気抵抗効果を発現させるものである。このような磁気抵抗効果素子１において、垂直配向部１６と非垂直配向部１７とを有する磁化自由層７を適用したスピンバルブ型磁気抵抗効果膜２では、図５に示すように、センス電流は磁化自由層７の垂直配向部１６を選択的に流れるため、電流狭窄効果が向上する。これは結晶性の高い垂直配向部１６より非晶質状態や低結晶質状態等の非垂直配向部１７の比抵抗が高いためである。
【００３０】
一方、従来の導通部の形成方法は、単にＡｌ層等の金属層を酸素に暴露しているだけであるため、金属層の酸化による絶縁層の形成と同時に導通部が形成されるものの、導通部の結晶性を高めることはできない。すなわち、従来法による導通部は非晶質状態や低結晶質状態となる。従って、このような導通部上に形成した磁化自由層も、導通部と同様に非晶質状態や低結晶質状態となる。このような従来法で作製したスピンバルブ型磁気抵抗効果膜におけるセンス電流の流れを図６に示す。
【００３１】
図６に示す従来のスピンバルブ型磁気抵抗効果膜２Ａにおいて、導通部１５Ａは非晶質状態や低結晶質状態となっており、同様に磁化自由層７Ａ全体も非晶質状態や低結晶質状態となっている。このようなスピンバルブ型磁気抵抗効果膜２Ａでは、導通部１５Ａに向かって電流狭窄が生じるものの、磁化自由層７Ａは一様な非晶質状態や低結晶質状態であるため、上記した実施形態のように高度な電流狭窄は起こらない。さらに、導通部１５Ａや磁化自由層７Ａが非晶質状態や低結晶質状態であるため、電子のスピンに依存しない散乱が増加する。これは磁気抵抗効果（ＭＲ）が低下することを意味する。
【００３２】
スピンバルブ型磁気抵抗効果膜２の磁気抵抗効果（ＭＲ）は、ＭＲ＝ΔＲsd／（Ｒsd＋Ｒsi）と表すことができる。ＲsdはＭＲに寄与するスピン依存散乱部分（磁化固着層５／非磁性中間層６／磁化自由層７）の抵抗値、ΔＲsdはその部分の抵抗変化量、ＲsiはＭＲに寄与しない部分（下地層８、反強磁性層９、保護層１３等）の抵抗値である。上記した式から明らかなように、磁気抵抗効果（ＭＲ）はスピン依存散乱部分の抵抗変化量ΔＲsdを上げることで高めることができる。また、スピン依存散乱部分では電流の流れる領域が狭いほど抵抗変化量ΔＲsdが向上する。
【００３３】
この実施形態のスピンバルブ型磁気抵抗効果膜２では、上述したように磁化自由層７の垂直配向部１６と非垂直配向部１７の比抵抗の差により電流狭窄効果を高めているため、抵抗変化量ΔＲsdを増大させることができる。これによって、磁気抵抗効果（ＭＲ）を向上させることが可能となる。さらに、導通部１５および垂直配向部１６は結晶性に優れることから、これらの部分でのスピンに依存しない電子の散乱が抑えられる。これはスピンに依存しない電子の散乱によるＭＲの低下が抑制されることを意味する。これらによって、垂直配向部１６と非垂直配向部１７とを有する磁化自由層７を適用したスピンバルブ型磁気抵抗効果膜２によれば、導通部１５に基づく大きな磁気抵抗効果を再現性よく得ることが可能となる。
【００３４】
なお、ここでは非磁性中間層６上に磁化自由層７を配置した構造について主として説明したが、前述したように磁化固着層５と磁化自由層７の位置は逆であってもよい。すなわち、非磁性中間層６上に磁化固着層５を配置した構造であっても同様な効果を得ることができる。この場合には、非磁性中間層６上に形成される磁化固着層５に、垂直配向部１６と非垂直配向部１７とを有する構造が適用される。
【００３５】
上述した実施形態の磁気抵抗効果素子１は、従来の磁気抵抗効果素子と同様に磁気ヘッド等の構成素子として使用されるものである。磁気抵抗効果素子１を用いた磁気ヘッドは、磁気記録媒体に磁気的に記録された情報の読み出しに使用される。このような磁気ヘッドを用いて、種々の磁気再生装置が構成される。また、磁気抵抗効果素子１は磁気ヘッドに限らず、磁気メモリ等の磁気記憶装置等の構成素子としても利用可能である。
【実施例】
【００３６】
次に、本発明の具体的な実施例およびその評価結果について述べる。
【００３７】
実施例１、比較例１〜２
この実施例１では図２に構造を示した磁気抵抗効果素子１を作製した。すなわち、図２に構造を示した磁気抵抗効果素子１において、スピンバルブ型磁気抵抗効果膜２の下地層８に膜厚5nmのＴａ膜と膜厚2nmのＲｕ膜の積層膜を適用し、この下地層８上に反強磁性層９として膜厚15nmのＰｔＭｎ合金膜を形成した。さらに、その上に磁化固着層５として膜厚4nmのＣｏ90Ｆｅ10合金膜１１と膜厚0.9nmのＲｕ膜１０と膜厚4nmのＣｏ90Ｆｅ10合金膜１２を順に形成した。
【００３８】
次に、磁化固着層５上に絶縁部１４と導通部１５とを有する非磁性中間層６を形成した。すなわち、磁化固着層５上に膜厚0.5nmのＣｕ層を形成し、さらにその上に膜厚1.5nmのＡｌ層を形成した。次いで、Ａｌ層にＡｒ+イオンビームを照射して核生成を行った後、Ａｒ+イオンビームを照射しながら酸素を導入することによって、Ａｌ層を酸化して絶縁層１４を形成すると同時に、絶縁層１４内にＣｕからなる導通部１５を形成した。なお、導通部１５の数は核生成工程の条件（イオンビームの照射強度や照射時間等）を制御することにより調整することができる。
【００３９】
この後、非磁性中間層６上に磁化自由層７として膜厚1nmのＣｏ90Ｆｅ10合金膜と膜厚3nmのＮｉ80Ｆｅ20合金膜を順に形成し、さらにその上に保護層１８として膜厚1nmのＣｕ膜と膜厚5nmのＴａ膜の積層膜を形成した。このようにして得た積層膜（スピンバルブ型磁気抵抗効果膜２）の断面ＴＥＭ写真を図７に示す。この実施例１のスピンバルブ型磁気抵抗効果膜において、導通部は結晶性に優れており、また導通部の上方には磁化自由層の垂直配向部が形成されている。さらに、磁化自由層の絶縁部上の部分は非晶質状態もしくは低結晶質状態となっている。これらの点は断面ＴＥＭ写真をフーリエ変換することで確認された。
【００４０】
一方、本発明との比較例１として、絶縁層の形成母体となるＡｌ層にイオンビームを照射することなく単に酸素を照射して非磁性中間層を形成する以外は、実施例１と同様にしてスピンバルブ型磁気抵抗効果膜を作製した。このようにして得たスピンバルブ型磁気抵抗効果膜の断面ＴＥＭ写真を図８に示す。この比較例１のスピンバルブ型磁気抵抗効果膜においては、絶縁層内に導通部が形成されているものの、導通部は非晶質状態もしくは低結晶質状態となっている。さらに、磁化自由層もその全体が非晶質状態もしくは低結晶質状態となっている。これらの点は断面ＴＥＭ写真をフーリエ変換することで確認された。
【００４１】
次に、上記した実施例１および比較例１の各スピンバルブ型磁気抵抗効果膜を1μm×1μmのサイズにリソグラフィでパターニングすると共に、その上下に電極を配置して磁気抵抗効果素子を作製した。このようにして得た各磁気抵抗効果素子のＭＲ比を測定した。ここでは導通部の個数に基づいて磁気抵抗効果素子の素子抵抗ＲＡを変化させ、それぞれの磁気抵抗効果素子についてＭＲ比の測定を行った。これらの測定結果を図９に示す。図９は各磁気抵抗効果素子の素子抵抗ＲＡとＭＲ比との関係を示している。なお、図９中の比較例２は中間層に単層構造のＣｕ層を適用した磁気抵抗効果素子である。
【００４２】
図９から明らかなように、実施例１によるスピンバルブ型磁気抵抗効果素子は比較例１に比べてＭＲ比が向上していることが分かる。これは、導通部１５の結晶性向上並びに磁化自由層７の垂直配向部１６に基づくものである。なお、非磁性中間層の形成工程にプラズマ照射や熱アシストを適用した場合にも同様な結果が得られた。また、磁化自由層７と磁化固着層５の位置を上下逆にした場合も同様であった。
【００４３】
実施例２〜５、比較例３〜６
上述した実施例１において、磁化固着層５および磁化自由層７の形成材料を表１に示す材料に変更する以外は、実施例１と同様にしてスピンバルブ型磁気抵抗効果素子を作製した。これら実施例２〜５のスピンバルブ型磁気抵抗効果素子は、いずれも実施例１と同様に結晶性に優れた導通部を有し、かつ導通部の上方に磁化自由層の垂直配向部が形成されていることが確認された。また、比較例３〜６のスピンバルブ型磁気抵抗効果素子は、非磁性中間層の形成工程に比較例１と同様な工程を適用する以外は実施例２〜５と同様にして作製したものである。これら各スピンバルブ型磁気抵抗効果素子のＭＲ比を測定した。表１にＭＲ比の測定結果を併せて示す。
【００４４】
【表１】
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【００４５】
表１から明らかなように、各実施例の磁気抵抗効果素子はいずれも大きなＭＲ比が得られていることが分かる。このように、磁化固着層および磁化自由層に各種の強磁性金属膜を適用した場合においても、導通部の結晶性向上並びに磁化自由層の垂直配向部に基づく磁気抵抗効果の向上効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の一実施形態による磁気抵抗効果素子の構造を模式的に示す断面図である。
【図２】図１に示す磁気抵抗効果素子の変形例を示す断面図である。
【図３】図１に示す磁気抵抗効果素子の要部を拡大して示す断面図である。
【図４】図１に示す磁気抵抗効果素子におけるスピンバルブ型磁気抵抗効果膜の要部製造工程の一例を示す断面図である。
【図５】図１に示す磁気抵抗効果素子におけるセンス電流の流れを説明するための図である。
【図６】本発明との比較例による磁気抵抗効果素子のセンス電流の流れを説明するための図である。
【図７】実施例１によるスピンバルブ型磁気抵抗効果膜の断面ＴＥＭ写真である。
【図８】比較例１によるスピンバルブ型磁気抵抗効果膜の断面ＴＥＭ写真である。
【図９】実施例１および比較例１によるスピンバルブ型磁気抵抗効果素子の素子抵抗とＭＲ比との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００４７】
１…磁気抵抗効果素子、２…スピンバルブ型磁気抵抗効果膜、３，４…電極、５…磁化固着層、６…非磁性中間層、７…磁化自由層、１４…絶縁部、１５…導通部、１６…垂直配向部、１５…非垂直配向部。
【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９】
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【図７】
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【図８】
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