(57)【要約】【課題】  熱処理によるトンネル抵抗変化率の低下を抑制した強磁性トンネル接合素子、これを用いた磁気ヘッド、磁気記録装置、および磁気メモリ装置を提供する。【解決手段】  強磁性トンネル接合素子１０は、下地層１１、反強磁性層１２、固定磁化層１３、トンネル絶縁膜１４、自由磁化積層体１５、保護膜１９がこの順で積層され、自由磁化積層体１５は、トンネル絶縁膜１４側から、第１自由磁化層１６、拡散抑制層１７、第２自由磁化層１８がこの順で積層されてなる。第１自由磁化層１６と第２自由磁化層１８とが強磁性的に交換結合し、各々の磁化方向は外部から磁界が印加されていない状態で互いに平行になっている。第１自由磁化層１６と第２自由磁化層１８との間に設けられた拡散抑制層１７により、熱処理により第１自由磁化層１６の添加元素が第２自由磁化層１８に拡散することを抑制する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定磁化層と、
前記固定磁化層上に設けられたトンネル絶縁膜と、
前記トンネル絶縁膜上に設けられた自由磁化積層体とを備える強磁性トンネル接合素子であって、
前記自由磁化積層体は、前記トンネル絶縁膜側から第１の自由磁化層と、拡散抑制層と、第２の自由磁化層とがこの順で積層され、該第１の自由磁化層と第２の自由磁化層とが強磁性的に結合してなり、
前記第１の自由磁化層は、ＣｏＦｅと、Ｂ、Ｃ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｚｒ、およびＰからなる群のうち少なくとも１種からなる添加元素とを含み、
前記拡散抑制層は、前記第１の自由磁化層の添加元素が第２の自由磁化層に拡散することを抑制することを特徴とする強磁性トンネル接合素子。
【請求項２】
前記拡散抑制層は、Ｔａ、Ｔｉ、Ｒｕ、およびＨｆからなる群のうちいずれか１種からなることを特徴とする請求項２記載の強磁性トンネル接合素子。
【請求項３】
固定磁化層と、
前記固定磁化層上に設けられたトンネル絶縁膜と、
前記トンネル絶縁膜上に設けられた自由磁化積層体とを備える強磁性トンネル接合素子であって、
前記自由磁化積層体は、前記トンネル絶縁膜側から第１の自由磁化層と、第２の自由磁化層と、他の拡散抑制層と、がこの順で積層され、該第１の自由磁化層と第２の自由磁化層とが強磁性的に結合してなり、
前記第１の自由磁化層は、ＣｏＦｅと、Ｂ、Ｃ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｚｒ、およびＰからなる群のうち少なくとも１種からなる添加元素とを含み、
前記他の拡散抑制層は、前記第１の自由磁化層の添加元素が第２の自由磁化層に拡散することを抑制することを特徴とする強磁性トンネル接合素子。
【請求項４】
前記他の拡散抑制層は、Ｒｕ、Ｔｉ、およびＨｆからなる群のうちいずれか１種からなることを特徴とする請求項３記載の強磁性トンネル接合素子。
【請求項５】
前記第２の自由磁化層は、第１の自由磁化層よりも保磁力の低い材料からなることを特徴とする請求項１〜４のうち、いずれか一項記載の強磁性トンネル接合素子。
【請求項６】
前記第２の自由磁化層は、ＮｉＦｅを含む強磁性材料からなることを特徴とする請求項１〜５のうち、いずれか一項記載の強磁性トンネル接合素子。
【請求項７】
前記トンネル絶縁膜は、Ｍｇ、Ａｌ、Ｔｉ、およびＺｒからなる群のうちいずれか１種の酸化物、窒化物、および酸窒化物のうちいずれかの材料からなることを特徴とする請求項１〜６のうち、いずれか一項記載の強磁性トンネル接合素子。
【請求項８】
請求項１〜７のうちいずれか一項記載の強磁性トンネル接合素子を備える磁気ヘッド。
【請求項９】
請求項８記載の磁気ヘッドと、磁気記録媒体とを備える磁気記憶装置。
【請求項１０】
請求項１〜７のうちいずれか一項記載の強磁性トンネル接合素子と、
前記強磁性トンネル接合素子に磁界を印加して、前記第１の自由磁化層および第２の自由磁化層の各々の磁化を所定の方向に向ける書込手段と、
前記強磁性トンネル接合素子にセンス電流を供給してトンネル抵抗値を検出する読出手段とを備える磁気メモリ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、強磁性トンネル接合素子、これを用いた磁気ヘッド、磁気記録装置、および磁気メモリ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気ヘッド等の磁気センサとして、一対の強磁性層の間にトンネル絶縁膜を挟持した構成の強磁性トンネル接合素子を使用することが提案されている。かかる強磁性トンネル接合素子は微弱な磁界変化に対して非常に大きな磁気抵抗変化を示すと考えられ、磁気ヘッドの超高感度磁気センサとして有望である。
【０００３】
図１（Ａ）および（Ｂ）は、かかる強磁性トンネル接合素子の原理を説明する図である。図１（Ａ）および（Ｂ）を参照するに、強磁性トンネル接合素子１００は、ＮｉＦｅあるいはＣｏ等よりなる２層の強磁性層１０１、１０３との間に挟持された、厚さが数ｎｍ程度で組成がＡｌＯxで表されるトンネル絶縁膜１０２を備えている。上向きスピンを有する電子および下向きスピンを有する電子は、トンネル絶縁膜１０２中を、その主面に略垂直な方向に流れるトンネル電流を形成する。
【０００４】
図１（Ａ）は外部磁界が実質的に存在しない状態を示している。ここで、一方の強磁性層１０１は、その下側に接して反強磁性層（不図示）が設けられ、反強磁性層の作用により磁化の方向が固定された、固定磁化層である。他方の強磁性層１０３は、外部磁界の方向に応じてその磁化方向が変化する、いわゆる自由磁化層である。自由磁化層１０３は、外部磁界が実質的に印加されていない状態では、その磁化が磁化容易軸の一方向を向き、ここでは固定磁化層１０１と自由磁化層１０３の磁化方向が互いに平行になっているとする。これに対し、図１（Ｂ）の状態では外部磁界Ｈにより、自由磁化層１０３の磁化方向が外部磁界Ｈと同じ方向を向き、固定磁化層１０１の磁化方向と反平行になる。
【０００５】
このような構成の強磁性トンネル接合素子１００では、トンネル電流のトンネル確率が２つの強磁性層１０１、１０３の磁化状態に依存して変化する。その結果、強磁性トンネル接合素子のトンネル抵抗Ｒが、外部磁界Ｈにより、下式（１）により変化する。
Ｒ＝Ｒs＋（１／２）ΔＲ（１−ｃｏｓθ）  …  （１）
ただし、上式中Ｒsは固定磁化層１０１と自由磁化層１０３の磁化方向が互いに平行である場合のトンネル抵抗を表し、θは固定磁化層１０１と自由磁化層１０３の磁化が互いになす角度を示す。またΔＲは固定磁化層１０１と自由磁化層１０３の磁化が平行である場合と反平行である場合のトンネル抵抗の差を表し、常に正の値を有する。ΔＲを用いて、トンネル抵抗変化率がΔＲ／Ｒsで定義される。
【０００６】
上式（１）から分かるように、トンネル抵抗Ｒは固定磁化層１０１と自由磁化層１０３の磁化が互いに平行である場合に最小になり、反平行である場合に最大になる。かかるトンネル抵抗Ｒの変化は、電子流が上向きスピンを有する電子（アップスピン電子）と下向きスピンを有する電子( ダウンスピン電子）とを含むことに起因する。一般に非磁性体ではアップスピン電子の数とダウンスピン電子の数は等しく、このため非磁性体は全体としては磁性を示さない。これに対し、強磁性体内ではアップスピン電子の数とダウンスピン電子の数とが異なり、したがって、強磁性体は全体として上向きあるいは下向きの磁化を示す。
【０００７】
このような固定磁化層１０１と自由磁化層１０３との間を電子がトンネルする場合、電子のスピン状態はトンネルの前と後で保存されるが、このことはまた、電子が自由磁化層１０３から固定磁化層１０１にトンネルするには、固定磁化層１０１中に、当該電子のスピン状態に対応した空きエネルギー準位が存在する必要があることを意味している。このような空きエネルギー準位が存在しない場合、電子のトンネルは生じない。
【０００８】
トンネル抵抗の変化率ΔＲ／Ｒs（ＴＭＲ比）は電子源自由磁化層１０３中のスピン分極率とトンネル先自由磁化層１０３のエネルギー準位における分極率との積として、下式（２）により表される。
ΔＲ／Ｒs＝２Ｐ1Ｐ2／（１−Ｐ1Ｐ2）  …  （２）
ただし、Ｐ1は強磁性層１０３のスピン分極率を、またＰ2は強磁性層１０１の空き準位のスピン分極率を表す。Ｐ1およびＰ2は、Ｐ1，Ｐ2＝２（Ｎup−Ｎdown）／（Ｎup＋Ｎdown）で与えられる。ただしＮupはアップスピン電子数ないしアップスピン電子に対する準位数を、またＮdownはダウンスピン電子数ないしダウンスピン電子に対する準位数を表す。
【０００９】
一般にスピン分極率Ｐ1，Ｐ2は強磁性材料の種類に依存するが、材料によっては５０％近い値が得られる場合もある。したがって、かかる強磁性トンネル接合素子を使った磁気センサでは、異方性磁気抵抗効果や巨大磁気抵抗効果（いわゆるＧＭＲ）を使った磁気センサよりもはるかに大きい、数十％に達する磁気抵抗変化率が期待される。すなわち、強磁性トンネル接合素子を使った磁気ヘッドは、非常に高分解能な磁気記録再生に有効であると期待されている（例えば特許文献１参照。）。
【００１０】
近年、トンネル絶縁膜に酸化マグネシウム、強磁性層に単結晶Ｆｅを用いた、Ｆｅ（００１）／ＭｇＯ（００１）／Ｆｅ（００１）の積層体を有する強磁性トンネル接合素子が提案されている（非特許文献１参照。）。この積層体は、分子線エピタキシ法によりエピタキシャル成長させて形成している。この強磁性トンネル接合素子が室温において２００％以上のトンネル抵抗変化率を示すことが報告されている。
【００１１】
また、単結晶Ｆｅの代わりに強磁性層に非晶質ＣｏＦｅを用いたＣｏＦｅ／ＭｇＯ（００１）／ＣｏＦｅの積層体の強磁性トンネル接合素子が室温において２２０％のトンネル抵抗変化率を示すことが報告されている（非特許文献２参照。）。また、非晶質ＣｏＦｅの代わりに非晶質ＣｏＦｅＢでも極めて高いトンネル抵抗変化率を示すことが報告されている（非特許文献３参照。）この強磁性トンネル接合素子はスパッタ法により非晶質ＣｏＦｅ膜、非晶質ＣｏＦｅＢ膜、およびＭｇＯ膜を形成できるので、磁気ヘッドの従来の製造工程に適用し易いいという利点がある。
【特許文献１】特許第２８７１６７０号明細書
【非特許文献１】Ｙｕａｓａ  ｅｔ  ａｌ．  Ｎａｔｕｒｅ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  ｖｏｌ．３（２００４）ｐ．８６８〜ｐ．８７１
【非特許文献２】Ｐａｒｋｉｎ  ｅｔ  ａｌ．  Ｎａｔｕｒｅ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  ｖｏｌ．３（２００４）ｐ．８６２〜ｐ．８６７
【非特許文献３】Ｔｓｕｎｅｋａｗａ  ｅｔ  ａｌ．  “ＩＮＴＥＲＭＡＧ  ２００５”  予稿集、２００５年４月４日、発表番号ＨＰ−０８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ところで、図１（Ａ）および（Ｂ）に示す強磁性トンネル接合素子において、非特許文献３に記載されているように、自由磁化層１０３のＣｏＦｅＢ膜に、ＮｉＦｅ膜やＣｏＦｅ膜等の強磁性膜等を積層した強磁性トンネル接合素子では、トンネル絶縁膜の膜質を高める熱処理により、かかる強磁性膜等を積層しない場合よりもトンネル抵抗変化率が大幅に低下するという問題がある。
【００１３】
また、強磁性トンネル接合素子の反強磁性層にＰｄＰｔＭｎ膜等の規則化合金を用いた場合に、規則化の熱処理を行う場合もかかるトンネル抵抗変化率が低下するおそれがある。
【００１４】
そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなされたもので、本発明の目的は、熱処理によるトンネル抵抗変化率の低下を抑制した強磁性トンネル接合素子、これを用いた磁気ヘッド、磁気記録装置、および磁気メモリ装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の一観点によれば、固定磁化層と、前記固定磁化層上に設けられたトンネル絶縁膜と、前記トンネル絶縁膜上に設けられた自由磁化積層体とを備える強磁性トンネル接合素子であって、前記自由磁化積層体は、前記トンネル絶縁膜側から第１の自由磁化層と、拡散抑制層と、第２の自由磁化層とがこの順で積層され、該第１の自由磁化層と第２の自由磁化層とが強磁性的に結合してなり、前記第１の自由磁化層は、ＣｏＦｅと、Ｂ、Ｃ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｚｒ、およびＰからなる群のうち少なくとも１種からなる添加元素とを含み、前記拡散抑制層は、前記第１の自由磁化層の添加元素が第２の自由磁化層に拡散することを抑制することを特徴とする強磁性トンネル接合素子が提供される。
【００１６】
本発明によれば、自由磁化積層体は、第１の自由磁化層と第２の自由磁化層との間に拡散抑制層が設けられている。拡散抑制層は、第１の自由磁化層の添加元素が熱処理により第２の自由磁化層へ拡散をするのを抑制して、添加元素の拡散による強磁性トンネル接合素子のトンネル抵抗変化率の低下を抑制できる。
【００１７】
本発明の他の観点によれば、固定磁化層と、前記固定磁化層上に設けられたトンネル絶縁膜と、前記トンネル絶縁膜上に設けられた自由磁化積層体とを備える強磁性トンネル接合素子であって、前記自由磁化積層体は、前記トンネル絶縁膜側から第１の自由磁化層と、第２の自由磁化層と、他の拡散抑制層と、がこの順で積層され、該第１の自由磁化層と第２の自由磁化層とが強磁性的に結合してなり、前記第１の自由磁化層は、ＣｏＦｅと、Ｂ、Ｃ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｚｒ、およびＰからなる群のうち少なくとも１種からなる添加元素とを含み、前記他の拡散抑制層は、前記第１の自由磁化層の添加元素が第２の自由磁化層に拡散することを抑制することを特徴とする強磁性トンネル接合素子が提供される。
【００１８】
本発明によれば、自由磁化積層体は、第１の自由磁化層と第２の自由磁化層が積層され、その上に他の拡散抑制層が設けられている。第１の自由磁化層と第２の自由磁化層とが直接接触している場合でも、他の拡散抑制層を第２の自由磁化層上に設けることで、第１の自由磁化層の添加元素が、熱処理により第２の自由磁化層へ拡散するのを抑制する。その結果、トンネル抵抗変化率の低下を抑制できる。本願発明者等の検討によれば、他の拡散抑制層の具体的な作用は不明であるが、後ほど説明する実施例等により確認されたものである。
【００１９】
前記第２の自由磁化層は、第１の自由磁化層よりも保磁力の低い材料からなる構成としてもよい。第１の自由磁化層と、第１の自由磁化層よりも保磁力が低い第２の自由磁化層とが積層され、第１の自由磁化層と第２の自由磁化層とが強磁性的に交換結合しているので、外部からの磁界に対する感度が向上する。これと共に、拡散抑制層は、第１の自由磁化層の添加元素が熱処理により第２の自由磁化層へ拡散をするのを抑制するので、トンネル抵抗変化率の低下を抑制できる。
【００２０】
本発明のその他の観点によれば、上記いずれかの強磁性トンネル接合素子を備える磁気ヘッドが提供される。また、本発明のその他の観点によれば、上記の磁気ヘッドと、磁気記録媒体とを備える磁気記憶装置が提供される。
【００２１】
これらの発明によれば、磁気ヘッドおよび磁気記憶装置は、上記の発明の強磁性トンネル接合素子を備えているので、それぞれ信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比）の高い磁気ヘッド、磁気記憶装置が実現でき、高記録密度化が可能となる。
【００２２】
本発明のその他の観点によれば、上記いずれかの強磁性トンネル接合素子と、前記強磁性トンネル接合素子に磁界を印加して、前記第１の自由磁化層および第２の自由磁化層の各々の磁化を所定の方向に向ける書込手段と、前記強磁性トンネル接合素子にセンス電流を供給してトンネル抵抗値を検出する読出手段とを備える磁気メモリ装置が提供される。
【００２３】
本発明によれば、磁気メモリ装置は、上記の発明の強磁性トンネル接合素子を備えているので、情報の読出しの際に、保持された“０”および“１”の情報にそれぞれ対応するトンネル抵抗値の差が大きく、その結果、精確な読出しができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、熱処理によるトンネル抵抗変化率の低下を抑制した強磁性トンネル接合素子、これを用いた磁気ヘッド、磁気記録装置、および磁気メモリ装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下図面を参照しつつ実施の形態を説明する。
【００２６】
（第１の実施の形態）
図２は、本発明の第１の実施の形態に係る強磁性トンネル接合素子の要部断面図である。
【００２７】
図２を参照するに、第１の実施の形態に係る強磁性トンネル接合素子１０は、下地層１１、反強磁性層１２、固定磁化層１３、トンネル絶縁膜１４、自由磁化積層体１５、保護膜１９がこの順で積層されてなる。自由磁化積層体１５は、トンネル絶縁膜１４側から、第１自由磁化層１６、拡散抑制層１７、第２自由磁化層１８がこの順で積層されてなる。第１自由磁化層１６と第２自由磁化層１８とは強磁性的に結合し、各々の磁化方向は外部から磁界が印加されていない状態で互いに平行になっている。第１自由磁化層１６および第２自由磁化層１８は、外部からの磁界の方向に応じて、その磁化方向が変化し、固定磁化層１３の磁化方向とのなす角に対応してトンネル抵抗値が変化する。後ほど詳述するように、第１の実施の形態に係る強磁性トンネル接合素子１０はトンネル抵抗変化率が高いので、外部からの磁界に対して、Ｓ／Ｎ比が良好である。
【００２８】
下地層１１は、図示されない下部電極の表面に、例えば厚さが５ｎｍ〜４０ｎｍのＴａ、Ｃｕ、Ａｕ、あるいはこれらの積層体から構成される。また、下地層１１はその表面にさらにＮｉＦｅ膜（例えば、Ｆｅ含有量が１７原子％〜２５原子％の範囲）を設けてもよい。このようなＮｉＦｅ膜を用いることにより、ＮｉＦｅ膜の結晶成長方向である（１１１）結晶面およびこれに結晶学的に等価な結晶面の表面に、反強磁性層１２がエピタキシャル成長する。これにより、反強磁性層１２の結晶性を向上させることができ、その結果、反強磁性層１２の固定磁化層１３への交換相互作用が増加し、固定磁化層１３の磁化方向の安定性が向上する。
【００２９】
なお、下地層１１の下側にトンネル抵抗値を検出するためのセンス電流を流通させるための下部電極（不図示）を形成してもよく、また、下地層１１と下部電極とを兼用して下部電極の形成を省略してもよい。
【００３０】
反強磁性層１２は、例えば膜厚５ｎｍ〜３０ｎｍ（好ましくは１０ｎｍ〜２０ｎｍ）のＭｎ−ＴＭ合金（ＴＭは、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ、ＩｒおよびＲｈのうち少なくとも１種を含む。）から構成される。反強磁性層１２は、成膜後に磁界中で熱処理を行うことにより規則合金化して反強磁性が出現する。反強磁性層１２は、固定磁化層１３に交換相互作用を及ぼして固定磁化層１３の磁化を所定の方向に固定する。
【００３１】
固定磁化層１３は、膜厚１〜３０ｎｍのＣｏ、Ｎｉ、およびＦｅのうちいずれか１種を含む強磁性材料から構成される。固定磁化層１３はその磁化方向が反強磁性層１２の交換相互作用により所定の方向に固定される。すなわち、固定磁化層１３は、外部からの磁界が印加されても、その磁界強度が上述した交換相互作用よりも小さい範囲では、磁化方向が変化しない。
【００３２】
固定磁化層１３に好適な強磁性材料としては、ＣｏＦｅおよびＣｏＦｅ合金が挙げられる。ＣｏＦｅ合金は、ＣｏＦｅを主成分とし、このＣｏＦｅを非晶質化あるいは微結晶化させる添加元素Ｍ1を含むことが好ましい。ここで、添加元素Ｍ1は、固定磁化層１３をスパッタ法により成膜した際にＣｏＦｅを非晶質化させる元素であれば特に制限はないが、例えば、Ｂ、Ｃ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｚｒ、およびＰからなる群のうち少なくとも１種からなることが好ましい。このようなＣｏＦｅ合金としては、ＣｏＦｅＢが特に好ましい。
【００３３】
固定磁化層１３にＣｏＦｅ−Ｍ1を使用して非晶質あるいは微結晶状態にすることで、トンネル絶縁膜１４は、固定磁化層１３による結晶学的に異方性を有する結合作用の影響をほとんど受けなくなるためトンネル絶縁膜１４の膜質が向上する。すなわち、トンネル絶縁膜１４が非晶質や微結晶状態の場合は、原子の拡散により組成の一様性が良好となり、トンネル絶縁膜１４が結晶質状態の場合は、組成の一様性に加え、結晶配向性が促進される。
【００３４】
特にトンネル絶縁膜１４がＭｇＯ膜の場合、ＭｇＯ膜は結晶質状態であり、膜面に平行に（００１）面が配向するように形成される。熱処理により固定磁化層１３の表面の結晶学的な影響を受けずに、自己組織的に（００１）面配向が促進される。そのためＭｇＯ膜は結晶配向性が良好となり、トンネル抵抗変化率が増加する。
【００３５】
ここで、固定磁化層１３が非晶質あるいは微結晶状態である場合とは、固定磁化層１３をＸ線回折法、例えばＸ線ディフラクトメータ（θ−２θ）法により得られる回折パターンで鋭い回折線が観察されない場合をいう。すなわち、回折パターンがブロードな回折線あるいは全く回折線が観察されない場合をいう。なお、結晶学的な異方性による影響とは、例えば、固定磁化層１３が多結晶体の場合、トンネル絶縁膜１４がＭｇＯ膜であるとき、固定磁化層１３の多結晶体を構成する個々の結晶がＭｇＯ膜に作用してＭｇＯ膜の結晶配向を阻害することである。
【００３６】
なお、固定磁化層１３は、上記の強磁性層を１層のみならず、２層以上の積層体としてもよい。この積層体は、その各々の層が同一の元素の組み合わせでかつ互いに異なる組成比の材料を用いてもよく、あるいは、互いに異なる元素を組み合わせた材料を用いてもよい。なお、固定磁化層１３は次の図３に示す固定磁化積層体としてもよい。
【００３７】
図３は、固定磁化積層体を備える強磁性トンネル接合素子の要部断面図である。図３中、固定磁化積層体およびその上下の層１２、１４のみを示し、その他の層は図２と同様であるので図示を省略している。
【００３８】
図３を参照するに、固定磁化積層体２１は、反強磁性層１２側から、第１固定磁化層２１Ａ、非磁性結合層２１Ｃ、および第２固定磁化層２１Ｂが順に積層されてなる。固定磁化積層体２１は、第１固定磁化層２１Ａと第２固定磁化層２１Ｂが非磁性結合層２１Ｃを介して反強磁性的に交換結合する、いわゆる積層フェリ構造を有する。第１固定磁化層２１Ａおよび第２固定磁化層２１Ｂは、図２に示す固定磁化層１３と同様の材料を用いることができる。特に、第２固定磁化層２１Ｂは上述した熱処理によるトンネル絶縁膜１４の膜質が向上する点で、上述したＣｏＦｅおよびＣｏＦｅ合金であることが好ましい。また、第１固定磁化層２１Ａおよび第２固定磁化層２１Ｂは各々の膜厚も同様の範囲に設定される。
【００３９】
非磁性結合層２１Ｃは、その膜厚が第１固定磁化層２１Ａと第２固定磁化層２１Ｂとが反強磁性的に結合する範囲に設定される。その範囲は、０．４ｎｍ〜１．５ｎｍ（好ましくは０．４ｎｍ〜０．９ｎｍ）である。非磁性結合層２１Ｃは、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｕ系合金、Ｒｈ系合金、Ｉｒ系合金等の非磁性材料から構成される。Ｒｕ系合金としてはＲｕと、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、およびＭｎのうち少なくとも１種からなる材料が好ましい。第１固定磁化層２１Ａの磁化と第２固定磁化層２１Ｂの磁化は反平行となるので、固定磁化積層体２１からの正味の漏洩磁界の磁界強度が低下する。そのため、この漏洩磁界が図２に示す自由磁化積層体１５の磁化の方向を変位させてしまうという悪影響が抑制される。そのため、自由磁化積層体１５の磁化が磁気記録媒体からの漏洩磁界に精確に反応できるので、強磁性トンネル接合素子の検出精度が向上する。なお、自由磁化積層体１５の磁化とは、図２に示す第１自由磁化層１６および第２自由磁化層の磁化の両方を総称している。
【００４０】
図２に戻り、トンネル絶縁膜１４は、Ｍｇ、Ａｌ、Ｔｉ、およびＺｒからなる群のうちいずれか１種の酸化物からなる。このような酸化物としては、ＭｇＯ、ＡｌＯx、ＴｉＯx、ＺｒＯxが挙げられる。ここで、ｘは各々材料の化合物の組成からずれた組成でもよいことを示す。特に、トンネル絶縁膜１４は、結晶質のＭｇＯであることが好ましく、特にトンネル抵抗変化率が増加する点で、ＭｇＯの（００１）面は、膜面に略平行であることが好ましい。
【００４１】
また、トンネル絶縁膜１４は、Ａｌ、Ｔｉ、およびＺｒからなる群のうちいずれか１種の窒化物、あるいは酸窒化物から構成されてもよい。このような窒化物としては、ＡｌＮ、ＴｉＮ、ＺｒＮが挙げられる。
【００４２】
トンネル絶縁膜１４は、上述した材料のうちＭｇＯ以外の材料からなる場合は、その厚さが０．５ｎｍ〜２．０ｎｍ（さらに好ましくは０．７ｎｍ〜１．２ｎｍ）の範囲に設定されることが好ましい。また、トンネル絶縁膜１４がＭｇＯの場合は、その膜質が良好な点で０．７ｎｍ〜２．０ｎｍの範囲に設定されることが好ましい。
【００４３】
自由磁化積層体１５は、上述したように第１自由磁化層１６、拡散抑制層１７、および第２自由磁化層１８からなる。
【００４４】
第１自由磁化層１６は、ＣｏＦｅと添加元素Ｍ2を含む強磁性材料から構成される。添加元素Ｍ2は、Ｂ、Ｃ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｚｒ、およびＰからなる群のうち少なくとも１種から選択される。添加元素Ｍ2は、第１自由磁化層１６を成膜した際にＣｏＦｅを非晶質状態あるいは微結晶状態にさせ易くする。第１自由磁化層１６を非晶質状態あるいは微結晶状態にすることで、第１自由磁化層１６の下に形成されたトンネル絶縁膜１４は、第１自由磁化層１６による結晶学的な異方性の影響を受けなくなるため、熱処理を行うことでトンネル絶縁膜１４の膜質が向上する。すなわち、トンネル絶縁膜１４が非晶質や微結晶状態の場合は、原子の拡散により組成の一様性が良好となる。また、トンネル絶縁膜１４が結晶質状態の場合は、組成の一様性に加え、結晶配向性が促進される。その結果、トンネル抵抗変化率が増加する。
【００４５】
特にトンネル絶縁膜１４がＭｇＯ膜の場合、上述したように、第１自由磁化層１６による結晶学的な影響を受けずに、熱処理によって自己組織的に（００１）面配向が促進される。そのためＭｇＯ膜は結晶配向性が良好となり、トンネル抵抗変化率が増加する。ここで、第１自由磁化層１６が非晶質あるいは微結晶状態である場合とは、上述した固定磁化層１３の場合と同様である。
【００４６】
また、第１自由磁化層１６は、添加元素Ｍ2の含有量が、第１自由磁化層１６自体を非晶質化させ易い点で１０原子％〜２５原子％の範囲に設定されることが好ましい。
【００４７】
拡散抑制層１７は、Ｔａ、Ｔｉ、Ｒｕ、およびＨｆからなる群のうちいずれか１種から選択される。拡散抑制層１７は、第１自由磁化層１６と第２自由磁化層１８との間に位置することで、製造工程における様々な熱処理において第１自由磁化層１６の添加元素Ｍ2が第２自由磁化層１８に拡散することを抑制できる。熱処理としては、例えば反強磁性層１２の規則化のための熱処理や、トンネル絶縁膜１４の膜質向上のための熱処理が挙げられる。
【００４８】
また、拡散抑制層１７は、第１自由磁化層１６のＣｏの拡散や、第２自由磁化層１８のＮｉの拡散も抑制できる。拡散抑制層１７の材料は、本願発明者等が実験により見出したものであり、後ほど実施例において詳しく説明する。
【００４９】
拡散抑制層１７は、その厚さが０．１ｎｍ〜０．５ｎｍの範囲に設定されることが好ましい。これにより、拡散抑制層１７は、第１自由磁化層１６の添加元素Ｍ2が第２自由磁化層１８に拡散することを抑制する。これと共に、拡散抑制層１７は、第１自由磁化層１６と第２自由磁化層１８とを強磁性的に交換結合させて、第１自由磁化層１６および第２自由磁化層１８の磁化を互いに平行にする。
【００５０】
第２自由磁化層１８は、Ｃｏ、Ｎｉ、およびＦｅのうちいずれか１種を含む強磁性材料から構成される。第２自由磁化層１８は、第１自由磁化層１６よりも保磁力の低い強磁性材料から構成されることが好ましい。このような強磁性材料で、第２自由磁化層１８に好適な強磁性材料としてはＮｉＦｅを含む材料が挙げられる。ＮｉＦｅを含む材料としては、例えば、ｆｃｃ構造を有するＮｉＦｅ、ＣｏＮｉＦｅでｆｃｃ構造を有する組成範囲が挙げられる。さらに、これらの強磁性材料に、第１自由磁化層１６の添加元素Ｍ2の含有量よりも低い含有量のＢ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ等が含まれていてもよい。
【００５１】
このように第１自由磁化層１６に、第１自由磁化層１６よりも保磁力の低い第２自由磁化層１８を強磁性的に結合させることにより、外部からの磁界に対する感度を向上させることができる。すなわち、一般に、強磁性膜はその保磁力が低いほど、外部からの磁界の方向に反応し易くなる。第２自由磁化層１８は、第１自由磁化層１６よりも保磁力が低いので、外部から磁界が印加されると、第１自由磁化層１６よりも先に第２自由磁化層１８の磁化が、磁界の方向に反応する。そうすると、第１自由磁化層１６の磁化は、第２自由磁化層１８の磁化と強磁性的に交換結合しているために、第２自由磁化層１８の磁化の方向に引きずられ、方向が変化する。したがって、トンネル抵抗変化率に寄与する第１自由磁化層１６の磁化が、第２自由磁化層１８がない場合よりも、より低い磁界強度で反応するようになる。この結果、強磁性トンネル接合素子１０の外部からの磁界に対する感度が向上する。
【００５２】
保護膜１９は、例えば厚さが５ｎｍ〜３０ｎｍのＡｕ、Ｔａ、Ａｌ、Ｗ、Ｒｕなどの非磁性金属、あるいはこれらの積層体から構成される。保護膜１９は、例えば、第２自由磁化層１８側からＴａ膜およびＲｕ膜をこの順で積層してもよく、この逆の順で積層してもよい。熱処理の際に、保護膜１９の下地の積層体が酸化するのを防止する。
【００５３】
本実施の形態の強磁性トンネル接合素子１０は、自由磁化積層体１５は、第１自由磁化層１６と第２自由磁化層１８との間に拡散抑制層１７が設けられている。拡散抑制層１７は、第１自由磁化層１６の添加元素Ｍ2が熱処理により第２自由磁化層１８へ拡散することを抑制するので、添加元素Ｍ2の拡散による強磁性トンネル接合素子１０のトンネル抵抗変化率の低下を抑制できる。
【００５４】
また、第１自由磁化層１６と第２自由磁化層１８とが強磁性的に交換結合している。この第２自由磁化層１８に第１自由磁化層１６よりも保磁力が低い強磁性材料を用いることで、外部からの磁界に対して第２自由磁化層１８の磁化が反応して、さらに第１自由磁化層１６の磁化が反応する。したがって、強磁性トンネル接合素子１０は、第１自由磁化層１６のみの場合よりも外部からの磁界に対する感度が向上する。
【００５５】
次に、第１の実施の形態に係る強磁性トンネル接合素子１０の製造方法を図２を参照しつつ説明する。最初にＤＣマグネトロンスパッタ装置を用いて、図示されない自然酸化膜が形成されたシリコン基板上に、上述した材料からなるターゲットを使用して、Ａｒ雰囲気で、下地層１１、反強磁性層１２、固定磁化層１３を順次成膜する。なお、下地層１１を下部電極と兼用してもよく、シリコン基板と下地層１１との間に、Ａｕ等の低抵抗材料からなる下部電極を形成してもよい。
【００５６】
次いで、ＲＦスパッタ装置を用いて、トンネル絶縁膜１４の材料からなるターゲットを使用してＡｒガス雰囲気で、固定磁化層１３の表面にトンネル絶縁膜１４を形成する。なお、トンネル絶縁膜１４が酸化物の場合は、Ａｒガス雰囲気に酸素ガスを混合してもよい。トンネル絶縁膜１４が窒化物の場合は、Ａｒガス雰囲気に窒素ガスを混合してもよい。さらにまた、トンネル絶縁膜１４が酸窒化物の場合は、Ａｒガス雰囲気に酸素ガスおよび窒素ガスを混合してもよい。
【００５７】
また、トンネル絶縁膜１４は以下のようにして形成してもよい。ＤＣマグネトロンスパッタ装置を用いて、トンネル絶縁膜１４の元素のターゲットを使用して金属膜を成膜する。次いで、金属膜を酸化、窒化、あるいは酸窒化処理する。酸化、窒化、あるいは酸窒化処理は、酸素ガス、窒素ガス、あるいは酸素ガスと窒素ガスの混合ガスを使用して、上記金属膜をこれらのガスに曝してもよく、これらのガスを含むＡｒガス雰囲気で上記金属膜をプラズマ処理してもよい。
【００５８】
また、トンネル絶縁膜１４は以下のようにして形成してもよい。ＤＣマグネトロンスパッタ装置を用いて、トンネル絶縁膜１４の金属元素のターゲットを使用して、酸素ガス、窒素ガス、あるいは酸素ガスおよび窒素ガスを混合した雰囲気で成膜しながら反応させてトンネル絶縁膜１４を形成する。
【００５９】
次いで、再びＤＣマグネトロンスパッタ装置を用いて、トンネル絶縁膜１４の表面に上述した材料からなるターゲットを使用して、Ａｒ雰囲気で、第１自由磁化層１６、拡散抑制層１７、第２自由磁化層１８、保護膜１９を順次成膜する。
【００６０】
次いで、積層体に所定の方向に磁界を印加しながら反強磁性層１２を規則化する熱処理と、第１自由磁化層１６および第２自由磁化層１８の磁化容易軸を形成するための熱処理を行う。最初に反強磁性層１２の規則化を行うため、真空雰囲気で所定の方向に磁界を印加して約２８０℃に加熱する。これにより、反強磁性層１２が規則化して固定磁化層１３の磁化方向を固定する。次いで、第１自由磁化層１６および第２自由磁化層１８の磁化容易軸を形成あるいは再形成するために、所定の方向、例えば、反強磁性層１２の規則化熱処理の磁化方向と直交方向に磁界を印加して約２３０℃で熱処理する。これにより、第１自由磁化層１６および第２自由磁化層１８の磁化容易軸が形成される。
【００６１】
また、トンネル絶縁膜１４の膜質を向上させるための熱処理を行ってもよい。例えば、トンネル絶縁膜１４がＭｇＯ膜からなる場合に、２５０℃〜４００℃の温度範囲、好ましくは３５０℃〜４００℃の温度範囲で熱処理することで（００１）面の配向を向上してトンネル抵抗変化率を向上させる。また、トンネル絶縁膜１４がＭｇＯ膜以外の材料からなる場合も、２５０℃〜４００℃の温度範囲で熱処理することで膜質が向上し、トンネル抵抗変化率が向上することが期待できる。一方、かかる高温の熱処理による悪影響が懸念されるが、第１の実施の形態に係る強磁性トンネル接合素子１０は、第１自由磁化層１６と第２自由磁化層１８との間に拡散抑制層１７を設けているので、第１自由磁化層１６の添加元素Ｍ2が第２自由磁化層１８に拡散することを抑制し、この拡散によるトンネル抵抗変化率の低下を抑制できる。
【００６２】
なお、上述した反強磁性層１２を規則化する熱処理と、磁化容易軸を形成するための熱処理と、トンネル絶縁膜１４の膜質を向上させるための熱処理を同時に行ってもよい。
【００６３】
次いで、図示を省略するが、上記の工程により形成された積層体を所定の形状にパターニングし、酸化アルミニウムやシリコン酸化膜等の絶縁膜により覆い、絶縁膜の一部を開口して保護膜１９を露出し、さらにその表面に上部電極を設ける。以上により、強磁性トンネル接合素子１０が形成される。
【００６４】
この製造方法では、拡散抑制層１７を設けているので、第１自由磁化層１６の添加元素の拡散による強磁性トンネル接合素子１０の性能劣化が抑制されているため、拡散抑制層１７を設けない場合よりも、より高温の熱処理が可能となる。これにより、トンネル絶縁膜１４の膜質向上が可能となる。また、このように高温の熱処理が可能となるので、熱処理時間を短縮化でき、生産効率を向上できる。
【００６５】
なお、上述したＤＣマグネトロンスパッタ装置の代わりに、他のＤＣスパッタ装置を用いてもよく、さらにＲＦスパッタ装置を用いてもよい。また、必要に応じてＣＶＤ装置を用いてもよい。
【００６６】
次に、第１の実施の形態に係る実施例１〜実施例５を説明する。実施例１〜実施例５は第１の実施の形態に係る強磁性トンネル接合素子の構成を有するものであり、図２の構成に、固定磁化層の代わりに図３に示す固定磁化積層体を有する構成とした。実施例１〜実施例５は図２に示す自由磁化積層体１５の拡散抑制層１７に様々な材料を使用して作製したものである。
【００６７】
［実施例１］
実施例１の強磁性トンネル接合素子を以下のようにして作製した。自然酸化膜が形成されたシリコン基板上に、下記の組成および膜厚を有する下地層から保護膜までの各層を形成した。具体的には、トンネル絶縁膜のＭｇＯ膜以外の各層は、ＤＣマグネトロンスパッタ装置を用いて、各々の材料のスパッタターゲットを使用してＡｒ雰囲気中（圧力３０ｍＰａ）で成膜した。また、ＭｇＯ膜は、ＲＦスパッタ装置を用いてＭｇＯからなるスパッタターゲットを使用し、Ａｒ雰囲気（圧力８０ｍＰａ）で成膜した。
【００６８】
次いで、ＭｇＯ膜の（００１）面の配向促進と反強磁性層の反強磁性を出現させるために熱処理を兼ねて行った。熱処理の条件は、加熱温度３５０℃、処理時間２時間、印加磁界１１８５ｋＡ／ｍ（１５ｋＯｅ）とした。
【００６９】
次いで、このようにして得られた積層体をイオンミリングにより研削し、直径０．６μｍの円柱状の積層体を作製した。
【００７０】
次いで、このようにして得られた積層体をＲＦスパッタ装置を用いてシリコン酸化膜で覆った。次いでドライエッチングによりシリコン酸化膜の一部を除去して保護膜を露出させ、保護膜に接触するようにＡｕ膜の上部電極を形成した。なお、上記の括弧内の数値は膜厚を表し、以下の実施例、比較例、および分析のための積層体において同様である。また、積層体の表示は、膜毎に「／」で区切って示し、左側の膜の方が下側に形成されたものである。なお、下地層のＴａ膜を下部電極として用いた。
【００７１】
下地層：Ｔａ（５０ｎｍ）
反強磁性層：ＰｔＭｎ（１５ｎｍ）
第１固定磁化層：Ｃｏ74Ｆｅ26（３ｎｍ）
非磁性結合層：Ｒｕ（０．８ｎｍ）
第２固定磁化層：Ｃｏ60Ｆｅ20Ｂ20（３ｎｍ）
トンネル絶縁膜：ＭｇＯ（２．０ｎｍ）
自由磁化積層体
第１自由磁化層：Ｃｏ60Ｆｅ20Ｂ20（３ｎｍ）
拡散抑制層：Ｔａ（０．５ｎｍ）
第２自由磁化層：Ｎｉ80Ｆｅ20（３ｎｍ）
保護膜：Ｔａ（５ｎｍ）／Ｒｕ（１０ｎｍ）
［実施例２〜実施例５］
拡散抑制層のＴａ膜の代わりに、実施例２〜実施例５では各々Ｒｕ膜、Ｔｉ膜、Ｈｆ膜、Ｒｈ膜とした以外は、実施例１と同様の構成の強磁性トンネル接合素子を作製した。なお、各々の膜厚は０．５ｎｍとした。
【００７２】
比較のため、本実施の形態によらない比較例１および比較例２の強磁性トンネル接合素子を作製した。
【００７３】
［比較例１］
比較例１は、拡散抑制層および第２自由磁化層を省略して自由磁化積層体を第１自由磁化層のＣｏ60Ｆｅ20Ｂ20（３ｎｍ）のみとした以外は実施例１と同様の構成とした。
【００７４】
［比較例２］
比較例２は、拡散抑制層を省略して自由磁化積層体を第１自由磁化層および第２自由磁化層の積層体とした以外は実施例１と同様の構成とした。すなわち、比較例２の自由磁化積層体は以下の構成を有する。
【００７５】
自由磁化積層体
第１自由磁化層：Ｃｏ60Ｆｅ20Ｂ20（３ｎｍ）
第２自由磁化層：Ｎｉ80Ｆｅ20（３ｎｍ）
図４は、実施例１〜５および比較例１〜２の強磁性トンネル接合素子の特性図である。
【００７６】
図４を参照するに、比較例１は、１５４％の高いトンネル抵抗変化率を有している。これは、比較例１には第２自由磁化層が設けられていないので熱処理によるトンネル抵抗変化率の低下が生じないと考えられる。これに対し、比較例２は、トンネル抵抗変化率が８２％に低下している。これは、第１自由磁化層のＣｏ60Ｆｅ20Ｂ20膜に接して第２自由磁化層のＮｉ80Ｆｅ20膜が設けられているので、Ｃｏ60Ｆｅ20Ｂ20膜に含まれるＢがＮｉ80Ｆｅ20膜に拡散したことによりトンネル抵抗変化率が低下したものである（後の図８に示す積層体３の分析で明らかにする。）。
【００７７】
一方、実施例１〜実施例５では、第１自由磁化層と第２自由磁化層との間に、各々、Ｔａ膜、Ｒｕ膜、Ｔｉ膜、Ｈｆ膜、Ｒｈ膜の拡散抑制層が設けられているので、比較例２に比べてトンネル抵抗変化率が高くなっている。すなわち、拡散抑制層を設けることで、比較例２のような大幅なトンネル抵抗変化率の低下を抑制できることが分かる。
【００７８】
特に、実施例１〜実施例４は、各々、Ｔａ膜、Ｒｕ膜、Ｔｉ膜、Ｈｆ膜、Ｒｈ膜の拡散抑制層を設けることで比較例１と略同等かそれ以上のトンネル抵抗変化率を示している。このことは、拡散抑制層により熱処理によるトンネル抵抗変化率の低下が略防止されていることが分かる。
【００７９】
さらに、実施例１〜実施例５は、自由磁化積層体の保磁力が、比較例１の保磁力よりも低くなっている。すなわち、実施例１〜実施例５は、比較例１よりも磁界強度の小さな磁界に対して磁化方向が変化してトンネル抵抗値が変化することが分かる。したがって、外部から印加される磁界に対する感度が高いことが分かる。
【００８０】
なお、トンネル抵抗変化率は以下のようにして測定した。図５は、トンネル抵抗変化率の測定方法を説明するための図である。図５を参照するに、強磁性トンネル接合素子１０を挟むように下部電極２５Ａおよび上部電極２５Ｂを形成した。下部電極２５Ａは図２に示す下地層１１に電気的に接続され、上部電極２５Ｂは保護膜に電気的に接続されている。下部電極２５Ａと上部電極２５Ｂとの間に直流電流源２６を接続して、強磁性トンネル接合素子１０の膜面に対して垂直方向に０．１ｍＡのセンス電流を流した。そして、第２固定磁化層のＣｏ60Ｆｅ20Ｂ20膜の磁化方向に平行に磁界を印加し、−７９ｋＡ／ｍ〜７９ｋＡ／ｍの範囲で磁界強度を変化させて、下部電極２５Ａと上部電極２５Ｂとの間の電圧変化をデジタルボルトメータ２７により測定した。得られた電圧値から抵抗値を求め、トンネル抵抗値とした。そして、第２固定磁化層と第１自由磁化層の磁化が互いに平行になったときのトンネル抵抗値をＲｓ、第２固定磁化層と第１自由磁化層の磁化が互いに平行になったときと反平行になったときのトンネル抵抗値の差をΔＲとして、ΔＲ／Ｒｓをトンネル抵抗変化率とした。
【００８１】
また、トンネル抵抗Ｒｓと強磁性トンネル接合素子１０の膜面に平行な断面積Ａ（μｍ2)との積から１μｍ2当たりのトンネル抵抗値を求めた。図４に示すように、実施例１〜実施例５、および比較例１〜比較例２の各々のトンネル抵抗値は同程度であり、トンネル抵抗値が極端に小さなものがないので、上部電極と下部電極との電気的な短絡等の異常はなく、トンネル抵抗値の測定が正常に行われたことが分かる。また、保磁力はトンネル抵抗値の差ΔＲが５０％になる磁界から求めた。
【００８２】
次に、第１の実施の形態に係る強磁性トンネル接合素子の拡散抑制層の作用を調べるため、以下の３種類の積層体を上述した実施例および比較例と同様の条件で作製し、熱処理の前後での積層体の組成分布をオージェ電子分光分析法により調べた。
【００８３】
［積層体１］
積層体１は、シリコン基板上に以下に示す下地層から保護膜までの各層を積層した構成からなる。積層体１は、先の実施例１とトンネル絶縁膜と自由磁化積層体が略同様の構成からなる。
【００８４】
下地層：Ｔａ（５０ｎｍ）
トンネル絶縁膜：ＭｇＯ（１．５ｎｍ）
自由磁化積層体
第１自由磁化層：Ｃｏ60Ｆｅ20Ｂ20（３ｎｍ）
拡散抑制層：Ｔａ（０．５ｎｍ）
第２自由磁化層：Ｎｉ80Ｆｅ20（３ｎｍ）
保護膜：Ｒｕ（１０ｎｍ）／Ｔａ（５ｎｍ）
［積層体２］
積層体２は、拡散抑制層がＲｕ膜（０．５ｎｍ）である以外は積層体１と同様の構成からなり、先の実施例２と、トンネル絶縁膜および自由磁化積層体が略同様の構成からなる。
【００８５】
［積層体３］
積層体３は、シリコン基板上に以下に示す下地層から保護膜までの各層を積層した構成からなる。積層体３は、拡散抑制層が設けられておらず、先の比較例２と、トンネル絶縁膜および自由磁化積層体が略同様の構成からなる。
【００８６】
下地層：Ｔａ（５０ｎｍ）
トンネル絶縁膜：ＭｇＯ（１．５ｎｍ）
自由磁化積層体
第１自由磁化層：Ｃｏ60Ｆｅ20Ｂ20（３ｎｍ）
第２自由磁化層：Ｎｉ80Ｆｅ20（３ｎｍ）
保護膜：Ｔａ（５ｎｍ）
図６は積層体１、図７は積層体２の熱処理前後の深さ方向のＢ濃度プロファイルを示す図である。図８は、積層体３の熱処理前後の深さ方向のＢおよびＮｉ濃度プロファイルを示す図である。図中、熱処理前の濃度プロファイルを破線で、熱処理後の濃度プロファイルを実線で示している。縦軸は原子濃度を示し、横軸は、積層体の表面から積層体を構成する材料を除去するためにスパッタした時間を示し、すなわち、スパッタ時間は積層体の表面からの深さに対応する。また、各々の図の上側に、スパッタ時間に対応する各層の位置を示している。なお、これらの点は後に示す図１１においても同様である。
【００８７】
図６を参照するに、積層体１では、Ｃｏ60Ｆｅ20Ｂ20膜に含まれるＢの濃度のピークは熱処理後でもほとんどその位置が変化していないことが分かる。このことから、Ｃｏ60Ｆｅ20Ｂ20膜を覆うＴａ膜によって、Ｃｏ60Ｆｅ20Ｂ20膜に含まれるＢのＮｉ80Ｆｅ20膜への拡散が抑制されていることが分かる。
【００８８】
図７を参照するに、積層体２では、Ｃｏ60Ｆｅ20Ｂ20膜に含まれるＢの濃度のピークは熱処理後でややＲｕ膜側にずれているが、Ｃｏ60Ｆｅ20Ｂ20膜内にあるので、Ｂの拡散がほとんど生じていないことが分かる。このことから、Ｃｏ60Ｆｅ20Ｂ20膜を覆うＲｕ膜によってＣｏ60Ｆｅ20Ｂ20膜に含まれるＢのＮｉ80Ｆｅ20膜への拡散が抑制されていることが分かる。
【００８９】
図８を参照するに、Ｃｏ60Ｆｅ20Ｂ20膜に含まれるＢの濃度のピークは熱処理後でＮｉ80Ｆｅ20膜に移動していることが分かる。また、Ｎｉ80Ｆｅ20膜に含まれるＮｉの濃度のピークがＣｏ60Ｆｅ20Ｂ20膜との境界付近に移動していることが分かる。これらにより、拡散抑制層がない場合は、ＢやＮｉの拡散によりＣｏ60Ｆｅ20Ｂ20膜やＮｉ80Ｆｅ20膜の組成が変化し、比較例２に示されるようにトンネル抵抗変化率の大幅な低下が生じていることが分かる。
【００９０】
したがって、以上の結果と積層体１および積層体２に各々対応する実施例１および実施例２のトンネル抵抗変化率が比較例１と略同等であることとを考え合わせると、拡散抑制層によりＢの拡散が抑制されることによりトンネル抵抗変化率の低下が抑制されていることが分かる。
【００９１】
なお、オージェ電子分光分析は、アルバックファイ社製のＳＡＭ６７０（装置名）を用い、積層体のスパッタにはＡｒイオンを２ｋｅＶに加速して行った。
（第２の実施の形態）
図９は、本発明の第２の実施の形態に係る強磁性トンネル接合素子の要部断面図である。図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００９２】
図９を参照するに、第２の実施の形態に係る強磁性トンネル接合素子３０は、下地層１１、反強磁性層１２、固定磁化層１３、トンネル絶縁膜１４、自由磁化積層体３１、保護膜１９がこの順で積層されてなる。自由磁化積層体３１は、トンネル絶縁膜１４側から、第１自由磁化層１６、第２自由磁化層１８、拡散抑制層３２がこの順で積層されてなる。第１自由磁化層１６と第２自由磁化層１８とは強磁性的に結合し、各々の磁化方向は外部から磁界が印加されていない状態で互いに平行になっている。強磁性トンネル接合素子３０は、自由磁化積層体３１の拡散抑制層３２が第２自由磁化層１８上に設けられている以外は、図２に示す第１の実施の形態に係る強磁性トンネル接合素子１０と同様の構成からなる。
【００９３】
拡散抑制層３２は、Ｒｕ、Ｔｉ、およびＨｆからなる群のうちいずれか１種から選択される。拡散抑制層３２は、第１の実施の形態の図２に示す拡散抑制層１７と同様に、熱処理において第１自由磁化層１６の添加元素Ｍ2が第２自由磁化層１８に拡散することを抑制できる。拡散抑制層３２は、第２自由磁化層１８の上側に設けられているが、後ほど説明する実施例５と積層体４の分析結果により、添加元素Ｍ2の拡散抑制作用が確認されたものである。
【００９４】
拡散抑制層３２は、その厚さが添加元素Ｍ2の拡散を抑制する点で０．２ｎｍ〜２０ｎｍの範囲に設定されることが好ましい。第１自由磁化層１６の添加元素Ｍ2が第２自由磁化層１８に拡散することを抑制する。
【００９５】
［実施例６］
実施例６では、自由磁化積層体を以下の構成とした以外は、実施例１と同様の構成からなる強磁性トンネル接合素子を作製した。また、実施例６の作製方法は実施例１と略同様であるのでその説明を省略する。
【００９６】
自由磁化積層体
第１自由磁化層：Ｃｏ60Ｆｅ20Ｂ20（３ｎｍ）
第２自由磁化層：Ｎｉ80Ｆｅ20（３ｎｍ）
拡散抑制層：Ｒｕ（１０ｎｍ）
図１０は、第２の実施の形態に係る実施例および比較例の強磁性トンネル接合素子の特性図である。なお、図１０中の比較例１および比較例２は図４において示したものと同様であり、説明の便宜のために示している。
【００９７】
図１０を参照するに、実施例６の強磁性トンネル接合素子は、拡散抑制層が設けられていない比較例２に比べてトンネル抵抗変化率が高くなっている。このことから、第２自由磁化層上にＲｕ膜の拡散抑制層を設けることで、トンネル抵抗変化率の低下を抑制できることが分かる。また、実施例６は、第２自由磁化層が設けられていない比較例１よりもトンネル抵抗変化率が低いが、自由磁化積層体の保磁力が、比較例１の保磁力よりも低くなっている。これらのことから、実施例６は、トンネル抵抗変化率の低下を抑制しつつ、自由磁化積層体の保磁力を低減して、外部から印加される磁界に対する感度が高められていることが分かる。なお、トンネル抵抗変化率および保磁力の測定は、実施例１と同様にして行った。
【００９８】
第２の実施の形態に係る強磁性トンネル接合素子の拡散抑制層の作用を調べるため、上述した実施例６と同様の条件で以下に示す積層体４を作製し、熱処理の前後での積層体の組成分布をオージェ電子分光分析法により調べた。なお、オージェ電子分光分析法の条件は積層体１〜３と同様の条件で行った。
【００９９】
［積層体４］
積層体４は、自由磁化積層体が実施例６と同様である以外は積層体１と同様の構成からなる。
【０１００】
図１１は、積層体４の熱処理前後の深さ方向のＢおよびＮｉ濃度プロファイルを示す図である。
【０１０１】
図１１を参照するに、積層体４では、Ｃｏ60Ｆｅ20Ｂ20膜に含まれるＢの濃度のピークは熱処理後でもほとんどその位置が変化していないことが分かる。また、Ｎｉ80Ｆｅ20膜に含まれるＮｉの濃度のピークがほとんどその位置が変化していないことが分かる。これらのことから、Ｎｉ80Ｆｅ20膜を覆うＲｕ膜によって、Ｃｏ60Ｆｅ20Ｂ20膜に含まれるＢのＮｉ80Ｆｅ20膜への拡散が抑制され、かつＮｉ80Ｆｅ20膜に含まれるＮｉのＣｏ60Ｆｅ20Ｂ20膜への拡散が抑制されていることが分かる。この具体的な作用については不明であるが、第１の実施の形態で説明した熱処理によるトンネル抵抗変化率の低下とＢあるいはＮｉの拡散との関係から考えると、Ｎｉ80Ｆｅ20膜を覆うＲｕ膜の作用により、Ｂ、さらにはＮｉの拡散が抑制され、その結果、トンネル抵抗変化率の低下が抑制されたと考えられる。
【０１０２】
第２の実施の形態に係る強磁性トンネル接合素子３０は、拡散抑制層３２を第２自由磁化層１８上に設けることで、第１自由磁化層１６の添加元素Ｍ2が第２自由磁化層１８に拡散するのを抑制できる。また、拡散抑制層３２を第１の実施の形態の拡散抑制層よりも厚膜できるので成膜がし易くなる。
【０１０３】
（第３の実施の形態）
次に本発明の第３の実施の形態に係る再生素子と誘導型記録素子を備えた複合型の磁気ヘッドについて説明する。
【０１０４】
図１２は、本発明の第３の実施の形態に係る磁気ヘッドが磁気記録媒体上を浮上する様子を示す断面図である。
【０１０５】
図１２を参照するに、第３の実施の形態に係る磁気ヘッド４０は、板状のサスペンション４１と、その先端部に設けられたジンバル４２に固着されたヘッドスライダ５０からなる。サスペンション４１とジンバル４２とはばね材により接続されている。ヘッドスライダ５０は、磁気記録媒体４６に対向する面（媒体対向面）５０ａの空気流出端５０−１側に次の図１３で説明する再生素子および誘導型記録素子を有する素子部４３が設けられている。
【０１０６】
磁気ヘッド４０は、矢印Ｘ方向に移動する磁気記録媒体４６上を流れる空気流（矢印ＡＩＲの方向）により、媒体対向面５０ａが浮上力（上向きの力）を得て浮上する。一方、スライダ４０を支持するサスペンション４１から下向きの力が印加される。これらの上向きおよび下向きの力の均衡により、スライダ４０が所定の浮上量（素子部４３の表面と磁気記録媒体４６の表面との距離）を維持して浮上する。そして素子部４３は、磁気記録媒体の記録層（図示せず）からの漏洩磁界を検出する。
【０１０７】
図１３は、図１２のヘッドスライダの媒体対向面の要部を示す図である。図１２中、矢印Ｘの方向は、磁気記録媒体の移動方向を示す。
【０１０８】
図１３を参照するに、ヘッドスライダ５０は、大略して、Ａｌ2Ｏ3−ＴｉＣ等からなるヘッドスライダの基体５１の上に形成された再生素子６０と、その上に形成された誘導型記録素子５３から構成される。
【０１０９】
誘導型記録素子５３は、媒体対向面に磁気記録媒体のトラック幅に相当する幅を有する上部磁極５４と、非磁性材料からなる記録ギャップ層５５を挟んで上部磁極５４に対向する下部磁極５６と、上部磁極５４と下部磁極５６とを磁気的に接続するヨーク（図示されず）と、ヨークを巻回し、記録電流により記録磁界をする誘起するコイル（図示されず）等からなる。上部磁極５４、下部磁極５６、およびヨークは、軟磁性材料より構成され、記録磁界を確保するために飽和磁束密度の大なる材料、例えば、Ｎｉ80Ｆｅ20、ＣｏＺｒＮｂ、ＦｅＮ、ＦｅＳｉＮ、ＦｅＣｏ合金等からなる。なお、誘導型記録素子５３はこれに限定されるものではなく、公知の構造の誘導型記録素子を用いることができ、さらに、誘導型記録素子５３は、主磁極と補助磁極を備えた垂直磁気記録用の記録素子でもよい。
【０１１０】
再生素子６０は、セラミック基板５１の表面に形成されたアルミナ膜５２上に、下部電極６１、強磁性トンネル接合素子１０、アルミナ膜６５、上部電極６２が積層され、上部電極６２が強磁性トンネル接合素子１０の表面に電気的に接続された構成となっている。強磁性トンネル接合素子１０の両側には、絶縁膜６３を介して磁区制御膜６４が設けられている。磁区制御膜６４は、例えば、下部電極６１側からＣｒ膜および強磁性のＣｏＣｒＰｔ膜を積層した積層体からなる。磁区制御膜６４は、強磁性トンネル接合素子１０を構成する図２の固定磁化層１３、第１自由磁化層１５、および第２自由磁化層１８の単磁区化を図り、バルクハウゼンノイズの発生を防止する。
【０１１１】
下部電極６１および上部電極６２はセンス電流Ｉsの流路としての機能に加え、磁気シールドとしての機能も兼ねるため、軟磁性合金、例えばＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ等から構成される。さらに下部電極６１と強磁性トンネル接合素子１０との界面に導電膜、例えば、Ｃｕ膜、Ｔａ膜、Ｔｉ膜等を設けてもよい。
【０１１２】
また、再生素子６０および誘導型記録素子５３は、腐食等を防止するためアルミナ膜や水素化カーボン膜等により覆われる。
【０１１３】
強磁性トンネル接合素子１０は、第１の実施の形態に係る図２の強磁性トンネル接合素子である。強磁性トンネル接合素子１０の説明は第１の実施の形態での説明と重複するので省略する。センス電流Ｉｓは、例えば上部電極６２から、強磁性トンネル接合素子１０をその膜面に略垂直に流れ下部電極６１に達する。強磁性トンネル接合素子１０は、磁気記録媒体からの漏洩磁界の強度および方向に対応してトンネル抵抗値が変化する。再生素子６０は、例えば、強磁性トンネル接合素子１０のトンネル抵抗値の変化を電圧変化として検出する。このようにして、再生素子６０は磁気記録媒体に記録された情報を再生する。なお、センス電流Ｉｓの流れる方向は図１に示す方向に限定されず、逆向きでもよい。また、磁気記録媒体の移動方向も逆向きでもよい。
【０１１４】
なお、強磁性トンネル接合素子１０は、図３に示す強磁性トンネル接合素子でもよく、図９に示す強磁性トンネル接合素子でもよい。
【０１１５】
第３の実施の形態に係る磁気ヘッド４０は、再生素子６０がトンネル抵抗変化率の低下が抑制され、トンネル抵抗変化率が高い強磁性トンネル接合素子１０を有するので信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比）が高い。したがって、磁気ヘッド４０は、高記録密度化により磁気記録媒体からの漏洩磁界の強度が低下しても検知した信号のＳ／Ｎ比が高いので、高記録密度化に対応できる。
【０１１６】
また、先の図２に示す強磁性トンネル接合素子１０の第２自由磁化層に第１自由磁化層よりも保磁力の低い材料を用いることで、磁気ヘッド４０は、磁気記録媒体からの漏洩磁界に対する感度が高くなる。したがって、この点でも磁気ヘッド４０は、高記録密度化に対応できる。
（第４の実施の形態）
図１４は、本発明の第４の実施の形態に係る磁気記憶装置の要部を示す図である。
【０１１７】
図１４を参照するに、第４の実施の形態に係る磁気記憶装置７０は、ハウジング７１と、ハウジング７１内に格納された、ディスク状の磁気記録媒体７２、磁気ヘッド４０、アクチュエータユニット７３等から構成される。磁気記録媒体７２は、ハブ７４に固定され、図示されないスピンドルモータにより駆動される。また、磁気ヘッド４０は、そのサスペンション４１の基部がアーム７５に固定され、アーム７５を介してアクチュエータユニット７４に取り付けられている。磁気ヘッド４０は、アクチュエータユニット７４により、磁気記録媒体６２の径方向に回動される。また、ハウジング７１の裏側には、記録再生制御、磁気ヘッド位置制御、およびスピンドルモータ制御等を行う電子基板（図示されず。）が設けられている。
【０１１８】
磁気記録媒体７２は、例えば、記録層の磁化容易軸方向が記録層の膜面に平行な面内磁気記録媒体である。面内磁気記録媒体は、例えば、基板上に、ＣｒあるいはＣｒ合金からなる下地層、ＣｏＣｒＰｔ合金からなる記録層、保護膜、および潤滑層がこの順に積層されて構成される。記録層は下地層の作用により記録層の磁化容易軸方向が膜面に平行になる。
【０１１９】
また、磁気記録媒体７２は、記録層の磁化容易軸方向が記録層の膜面に垂直な垂直磁気記録媒体でもよい。垂直磁気記録媒体は、例えば、基板上に軟磁性裏打ち層、中間層、垂直磁化膜からなる記録層、保護膜、および潤滑層がこの順に積層されて構成される。記録層は、例えばＣｏＣｒＰｔ合金からなる強磁性多結晶構造や、ＣｏＣｒＰｔ−ＳｉＯ2等からなる柱状グラニュラ構造を有する。記録層は、中間層の作用、あるいは自己組織的に記録層の磁化容易軸方向が膜面に略垂直になる。垂直磁気記録媒体は、面内磁気記録媒体よりも記録された磁化の熱安定性に優れるため、面内磁気記録媒体に比べてより高い記録密度が達成できる。
【０１２０】
また、磁気記録媒体７２は、記録層の磁化容易軸方向が記録層の膜面に対して傾斜した斜め配向磁気記録媒体でもよい。斜め配向磁気記録媒体は、例えば、基板上に、ＣｒあるいはＣｒ合金からなる下地層、ＣｏＣｒＰｔ合金からなる記録層、保護膜、および潤滑層がこの順に積層されて構成される。記録層は、下地層を構成する結晶粒子の堆積方向が膜面に対して傾いており、そのため下地層の結晶配向方向が膜面に対して傾いている。記録層は、その下地層の影響で記録層の磁化容易軸が膜面に対して傾いている。このような記録層は、磁気ヘッドからの記録磁界に対して、より小さい記録磁界強度で記録層の磁化方向が反転するため、記録され易い性質、いわゆる記録性能が優れている。斜め配向磁気記録媒体は、記録性能が優れている点で、面内磁気記録媒体および垂直磁気記録媒体に比べてより高い記録密度が達成できる。
【０１２１】
磁気ヘッド４０は、上述した第３の実施の形態に係る磁気ヘッドである。磁気ヘッド４０の再生素子６０は、Ｓ／Ｎ比が高い。したがって、第４の実施の形態に係る磁気記憶装置７０は、高記録密度化により磁気記録媒体７２からの漏洩磁界の強度が低下しても検知でき、検知した信号のＳ／Ｎ比が高いので、高記録密度化に対応できる。
【０１２２】
なお、磁気記憶装置７０の基本構成は、図１４に示すものに限定されるものではない。磁気記録媒体７２はディスク状の形状に限定されない。例えば磁気記憶装置７０は、ヘリカルスキャン型あるいはラテラル型の磁気テープ装置でもよく、その場合、磁気ヘッド４０は、ヘリカルスキャン型の場合シリンダヘッドに実装され、ラテラル型の場合、磁気テープが長手方向に走行する際に磁気テープが接触するヘッドブロックに実装される。
（第５の実施の形態）
図１５は本発明の第５の実施の形態に係る磁気メモリ装置の断面図である。図１６は図１５の磁気メモリ装置の一つのメモリセルの等価回路図である。なお、図１５には方向を示すために直交座標軸を合わせて示している。このうち、Ｙ1およびＹ2方向は紙面に垂直な方向であり、Ｙ1方向は紙面の奥に向かう方向、Ｙ2方向は紙面の手前に向かう方向である。なお、以下の説明において例えば単にＸ方向という場合は、Ｘ1方向およびＸ2方向のいずれでもよく、Ｙ方向およびＺ方向についても同様である。
【０１２３】
図１５および図１６を参照するに、磁気メモリ装置８０は、大略して強磁性トンネル接合素子１０とＭＯＳ型電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）８２からなる複数のメモリセルから構成される。なお、ＭＯＳ型ＦＥＴは、ｐチャネルＭＯＳ型ＦＥＴあるいはｎチャネルＭＯＳ型ＦＥＴを用いることができるが、ここでは、一例として、電子がキャリアとなるｎチャネルＭＯＳ型ＦＥＴを用いた磁気メモリ装置８０について説明する。
【０１２４】
ＭＯＳ型ＦＥＴ８２は、シリコン基板８３中に形成されたｐ型不純物を含むｐウェル領域８４と、ｐウェル領域８４中のシリコン基板８３の表面の近傍に互いに離隔してｎ型不純物が導入された不純物拡散領域８５ａ、８５ｂからなる。ここで、一方の不純物拡散領域８５ａをソースＳ、他方の不純物拡散領域８５ｂをドレインＤとする。２つの不純物拡散領域８５ａ、８５ｂの間のシリコン基板８３の表面にはゲート絶縁膜８６を介してゲート電極８７が設けられる。
【０１２５】
ＭＯＳ型ＦＥＴ８２のソースＳには、強磁性トンネル接合素子１０の一方、例えば図２に示す下地層が電気的に接続される。また、ドレインＤにはプレート線８８が電気的に接続される。ゲート電極８７には読出用ワード線８９に電気的に接続される。なお、ゲート電極８７が読出用ワード線８９を兼ねてもよい。
【０１２６】
強磁性トンネル接合素子１０は、詳細な図示を省略するが、先に図２に示した強磁性トンネル接合素子１０と同様の構成を有する。強磁性トンネル接合素子１０は、図２の第１自由磁化層１６および第２自由磁化層１８の磁化容易軸の方向を図１５に示すＸ軸方向に沿って設定し、磁化困難軸の方向をＹ方向に沿って設定する。磁化容易軸の方向は、熱処理により形成してもよく、形状異方性により形成してもよい。形状異方性によりＸ軸方向に磁化容易軸を形成する場合は、強磁性トンネル接合素子１０の膜面に平行な断面形状（Ｘ−Ｙ平面に平行な断面形状）をＸ方向の辺が長い矩形とする。
【０１２７】
強磁性トンネル接合素子１０の一方の側、例えば図２に示す保護膜にはビット線９０が電気的に接続されている。また、強磁性トンネル接合素子１０の他方の側は上述したようにＭＯＳ型ＦＥＴ８２のソースＳに電気的に接続されている。強磁性トンネル接合素子１０の下側には離隔して書込用ワード線９１が設けられている。
【０１２８】
なお、磁気メモリ装置８０は、シリコン基板８３の表面やゲート電極８７がシリコン窒化膜やシリコン酸化膜等の層間絶縁膜９３に覆われている。また、強磁性トンネル接合素子１０、プレート線８８、読出用ワード線８９、ビット線９０、書込用ワード線９１、垂直配線９４、および層内配線９５は、上記で説明した電気的な接続以外は層間絶縁膜９３により互いに電気的に絶縁されている。
【０１２９】
次に、磁気メモリ装置の書込みおよび読出し動作を説明する。磁気メモリ装置８０の強磁性トンネル接合素子１０への情報の書込み動作は、強磁性トンネル接合素子１０の上下に配置されたビット線９０と書込用ワード線９１により行われる。ビット線９０は強磁性トンネル接合素子１０の上方をＸ方向に延在しており、ビット線９０に電流を流すことにより、強磁性トンネル接合素子１０にＹ方向に印加される。また、書込用ワード線９１は強磁性トンネル接合素子１０の下方をＹ方向に延在しており、書込用ワード線９１に電流を流すことにより、強磁性トンネル接合素子１０にＸ方向に磁界が印加される。
【０１３０】
強磁性トンネル接合素子１０の第１自由磁化層および第２自由磁化層の磁化は、実質的に磁界が印加されない場合はＸ方向（例えばＸ2方向とする。）を向いており、その磁化方向は安定である。なお、第１自由磁化層および第２自由磁化層の磁化は互いに強磁性的に交換結合しているので平行である。以下説明の便宜のため、「第１自由磁化層および第２自由磁化層の磁化」を特に断らない限り、単に「自由磁化積層体の磁化」と称する。
【０１３１】
情報を強磁性トンネル接合素子１０に書込む際はビット線９０と書込用ワード線９１に同時に電流を流す。例えば、自由磁化積層体の磁化をＸ1方向に向ける場合は、書込用ワード線９１に流す電流をＹ1方向に流す。これにより、強磁性トンネル接合素子１０において磁界がＸ1方向となる。この際、ビット線９０に流す電流の方向は、Ｘ1方向およびＸ2方向のいずれでもよい。ビット線９０に流す電流による生じる磁界は、強磁性トンネル接合素子１０においてＹ1方向またはＹ2方向になり、自由磁化積層体の磁化が磁化困難軸の障壁を越えるための磁界の一部として機能する。すなわち、自由磁化積層体の磁化にＸ1方向の磁界と、Ｙ1方向またはＹ2方向とが同時に印加されることで、Ｘ2方向を向いていた自由磁化積層体の磁化は、Ｘ1方向に反転する。そして磁界を取り去った後も自由磁化積層体の磁化はＸ1方向を向いており、次の書込み動作の磁界あるいは消去用の磁界が印加されない限りは安定である。なお、自由磁化積層体の磁化を反転させる場合に印加する磁界の大きさは、次のように表される。
【０１３２】
このようにして、強磁性トンネル接合素子１０には自由磁化積層体の磁化の方向に応じて、“１”あるいは“０”を記録できる。例えば、固定磁化層の磁化方向がＸ1方向の場合に、“１”は自由磁化積層体の磁化方向がＸ1方向（トンネル抵抗値が低い状態）、“０”は自由磁化積層体の磁化方向がＸ2方向（トンネル抵抗値が高い状態）に設定すればよい。
【０１３３】
なお、書込み動作の際にビット線９０あるいは書込用ワード線９１のいずれか一方のみに電流が流れても自由磁化積層体の磁化の反転が生じない大きさの電流が供給される。これにより、電流を供給したビット線９０と電流を供給した書込用ワード線９１との交点にある強磁性トンネル接合素子１０の自由磁化積層体の磁化のみに記録が行われる。
【０１３４】
なお、書込み動作の際にビット線９０に電流を流した際に、強磁性トンネル接合素子１０には電流が流れないように、ソースＳ側がハイピーダンスに設定される。
【０１３５】
次に、磁気メモリ装置８０の強磁性トンネル接合素子１０への情報の読出し動作は、ビット線９０にソースＳに対して負電圧を印加し、読出用ワード線８９、すなわちゲート電極８７にＭＯＳ型ＦＥＴ８２の閾値電圧よりも大きな電圧（正電圧）を印加して行う。これによりＭＯＳ型ＦＥＴはオンとなり、電子がビット線９０から、強磁性トンネル接合素子１０、ソースＳ、およびドレインＤを介してプレート線８８に流れる。この電子の流れる単位時間当たりの量、言い換えれば電流値により、自由磁化積層体の磁化方向に対応する強磁性トンネル効果によるトンネル抵抗値を検出する。これにより、強磁性トンネル接合素子１０が保持する“１”あるいは“０”の情報を読出すことができる。
【０１３６】
強磁性トンネル接合素子１０は、第１の実施の形態で説明したように、自由磁化積層体が第１自由磁化層と第２自由磁化層との間に第１自由磁化層の添加元素Ｍ2の拡散を抑制する拡散抑制層が設けられているので、熱処理によるトンネル抵抗変化率の低下を抑制できる。
【０１３７】
したがって、磁気メモリ装置８０は、情報の読出しの際に、保持された“０”および “１”に対応するトンネル抵抗値の差が大きいので、正確な読出しができる。また、自由磁化積層体の第２自由磁化層に第１自由磁化層よりも保磁力が低い強磁性材料を用いることで、書込み動作の際に印加する磁界を低減することができる。したがって、書込み動作の際のビット線９０および書込用ワード線９１に流す電流値を低減できるので、磁気メモリ装置８０の消費電力を低減できる。
【０１３８】
また、磁気メモリ装置８０は、強磁性トンネル接合素子１０が熱処理によるトンネル抵抗変化率の劣化が少なく、この点で耐熱性に優れている。したがって、磁気メモリ装置８０の製造工程において、高温となる工程の例えば、ＣＶＤ法により層間絶縁膜を形成する際の基板加熱温度の制約が緩和される効果がある。
【０１３９】
なお、強磁性トンネル接合素子１０は、図３または図９に示す強磁性トンネル接合素子でもよい。また、強磁性トンネル接合素子１０の保護膜側をビット線９０に接続し、下地層側をソースＳに接続したがその逆でもよい。
【０１４０】
また、磁気メモリ装置８０の構成は第５の実施の形態の構成に限定されず、公知の磁気メモリ装置に強磁性トンネル接合素子に図２、図３、あるいは図９に示す強磁性トンネル接合素子を適用できる。
【０１４１】
以上本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【０１４２】
なお、以上の説明に関してさらに以下の付記を開示する。
（付記１）  固定磁化層と、
前記固定磁化層上に設けられたトンネル絶縁膜と、
前記トンネル絶縁膜上に設けられた自由磁化積層体とを備える強磁性トンネル接合素子であって、
前記自由磁化積層体は、前記トンネル絶縁膜側から第１の自由磁化層と、拡散抑制層と、第２の自由磁化層とがこの順で積層され、該第１の自由磁化層と第２の自由磁化層とが強磁性的に結合してなり、
前記第１の自由磁化層は、ＣｏＦｅと、Ｂ、Ｃ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｚｒ、およびＰからなる群のうち少なくとも１種からなる添加元素とを含み、
前記拡散抑制層は、前記第１の自由磁化層の添加元素が第２の自由磁化層に拡散することを抑制することを特徴とする強磁性トンネル接合素子。
（付記２）  前記拡散抑制層は、Ｔａ、Ｔｉ、Ｒｕ、およびＨｆからなる群のうちいずれか１種からなることを特徴とする付記１記載の強磁性トンネル接合素子。
（付記３）  前記拡散抑制層は、その厚さが０．１ｎｍ〜０．５ｎｍの範囲に設定されることを特徴とする付記１または２記載の強磁性トンネル接合素子。
（付記４）  固定磁化層と、
前記固定磁化層上に設けられたトンネル絶縁膜と、
前記トンネル絶縁膜上に設けられた自由磁化積層体とを備える強磁性トンネル接合素子であって、
前記自由磁化積層体は、前記トンネル絶縁膜側から第１の自由磁化層と、第２の自由磁化層と、他の拡散抑制層と、がこの順で積層され、該第１の自由磁化層と第２の自由磁化層とが強磁性的に結合してなり、
前記第１の自由磁化層は、ＣｏＦｅと、Ｂ、Ｃ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｚｒ、およびＰからなる群のうち少なくとも１種からなる添加元素とを含み、
前記他の拡散抑制層は、前記第１の自由磁化層の添加元素が第２の自由磁化層に拡散することを抑制することを特徴とする強磁性トンネル接合素子。
（付記５）  前記他の拡散抑制層は、Ｒｕ、Ｔｉ、およびＨｆからなる群のうちいずれか１種からなることを特徴とする付記４記載の強磁性トンネル接合素子。
（付記６）  前記他の拡散抑制層は、その厚さが０．１ｎｍ〜０．５ｎｍの範囲に設定されることを特徴とする付記４または５記載の強磁性トンネル接合素子。
（付記７）  前記第２の自由磁化層は、第１の自由磁化層よりも保磁力の低い材料からなることを特徴とする付記１〜６のうち、いずれか一項記載の強磁性トンネル接合素子。
（付記８）  前記第２の自由磁化層は、ＮｉＦｅを含む強磁性材料からなることを特徴とする付記１〜７のうち、いずれか一項記載の強磁性トンネル接合素子。
（付記９）  前記トンネル絶縁膜は、Ｍｇ、Ａｌ、Ｔｉ、およびＺｒからなる群のうちいずれか１種の酸化物、窒化物、および酸窒化物のうちいずれかの材料からなることを特徴とする付記１〜８のうち、いずれか一項記載の強磁性トンネル接合素子。
（付記１０）  前記トンネル絶縁膜は、膜面に平行に（００１）面が配向したＭｇＯからなり、
前記固定磁化層はＣｏＦｅ、またはＣｏＦｅと、Ｂ、Ｃ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｚｒ、およびＰからなる群のうち少なくとも１種の添加元素からなることを特徴とする付記９記載の強磁性トンネル接合素子。
（付記１１）  付記１〜１０のうちいずれか一項記載の強磁性トンネル接合素子を備える磁気ヘッド。
（付記１２）  付記１１記載の磁気ヘッドと、磁気記録媒体とを備える磁気記憶装置。
（付記１３）  付記１〜１０のうちいずれか一項記載の強磁性トンネル接合素子と、
前記強磁性トンネル接合素子に磁界を印加して、前記第１の自由磁化層および第２の自由磁化層の各々の磁化を所定の方向に向ける書込手段と、
前記強磁性トンネル接合素子にセンス電流を供給してトンネル抵抗値を検出する読出手段とを備える磁気メモリ装置。
（付記１４）  非接触で交差してマトリックス状にメモリセルを構成するビット線およびワード線をさらに備え、
前記ビット線およびワード線は、強磁性トンネル接合素子の膜面に垂直な方向で該強磁性トンネル接合素子を挟むように配置され、
前記書込手段は、ビット線およびワード線の各々に同時に電流を流して、第１の自由磁化層および第２の自由磁化層の膜面に平行でかつ略垂直方向に磁界を印加して、第１の自由磁化層および第２の自由磁化層の各々の磁化を所定の方向に向けることを特徴とする付記１３記載の磁気メモリ装置。
（付記１５）  前記メモリセルは、他のワード線と、制御電極および２つの電流供給電極を有するＭＯＳ型電界効果トランジスタをさらに備え、
前記他のワード線は制御電極と電気的に接続され、
前記強磁性トンネル接合素子は、ビット線と一方の電流供給電極との間に電気的に接続され、
前記読出手段は、他のワード線を所定の電圧に設定してＭＯＳ型電界効果トランジスタをオンさせ、ビット線と前記一方の電流供給電極との間にセンス電流を流してトンネル抵抗値を検出することを特徴とする付記１３または１４記載の磁気メモリ装置。
【図面の簡単な説明】
【０１４３】
【図１】（Ａ）および（Ｂ）は、強磁性トンネル接合素子の原理を説明するための図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る強磁性トンネル接合素子の要部断面図である。
【図３】固定磁化積層体を備える強磁性トンネル接合素子の要部断面図である。
【図４】第１の実施の形態に係る実施例および比較例の強磁性トンネル接合素子の特性図である。
【図５】トンネル抵抗変化率の測定方法を説明するための図である。
【図６】積層体１の熱処理前後の深さ方向のＢ濃度プロファイルを示す図である。
【図７】積層体２の熱処理前後の深さ方向のＢ濃度プロファイルを示す図である。
【図８】積層体３の熱処理前後の深さ方向のＢおよびＮｉ濃度プロファイルを示す図である。
【図９】本発明の第２の実施の形態に係る強磁性トンネル接合素子の要部断面図である。
【図１０】第２の実施の形態に係る実施例および比較例の強磁性トンネル接合素子の特性図である。
【図１１】積層体４の熱処理前後の深さ方向のＢおよびＮｉ濃度プロファイルを示す図である。
【図１２】本発明の第３の実施の形態に係る磁気ヘッドが磁気記録媒体上を浮上する様子を示す図である。
【図１３】図１２のヘッドスライダの媒体対向面の要部を示す図である。
【図１４】本発明の第４の実施の形態に係る磁気記憶装置の要部を示す図である。
【図１５】本発明の第５の実施の形態に係る磁気メモリ装置の断面図である。
【図１６】図１５の磁気メモリ装置の一つのメモリセルの等価回路図である。
【符号の説明】
【０１４４】
１０、２０、３０    強磁性トンネル接合素子
１１    下地層
１２    反強磁性層
１３    固定磁化層
１４    トンネル絶縁膜
１５、３１    自由磁化積層体
１６    第１自由磁化層
１７、３２    拡散抑制層
１８    第２自由磁化層
１９    保護膜
２１    固定磁化積層体
４０    磁気ヘッド
４３    素子部
５０    ヘッドスライダ
５３    誘導型記録素子
６０    再生素子
７０    磁気記憶装置
７２    磁気記録媒体
８０    磁気メモリ装置
８２    ＭＯＳ型電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）
８８    プレート線
８９    読出用ワード線
９０    ビット線
９１    書込用ワード線
【図１】
2006319259.tif 000003
【図２】
2006319259.tif 000004
【図３】
2006319259.tif 000005
【図４】
2006319259.tif 000006
【図５】
2006319259.tif 000007
【図６】
2006319259.tif 000008
【図７】
2006319259.tif 000009
【図８】
2006319259.tif 000010
【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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