(57)【要約】【課題】  フリー層の磁化方向を所望の方向にバイアスすることが可能なＴＭＲ素子を提供する【解決手段】  磁化方向が固定された強磁性材料からなるレファレンス層(65)と、外部磁場の影響を受けて磁化方向が変化する軟磁性材料からなるフリー層(67)との間に、第１の非磁性中間層(66)が挟まれている。フリー層の、第１の非磁性中間層とは反対側の表面上に、反強磁性材料からなる磁化補償層(69)が配置されている。磁化補償層は、フリー層の磁化方向を、レファレンス層の磁化方向とは反対向きにバイアスする。【選択図】  図１
2008227208.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化方向が固定された強磁性材料からなるレファレンス層と、
外部磁場の影響を受けて磁化方向が変化する軟磁性材料からなるフリー層と、
前記レファレンス層とフリー層との間に配置された非磁性材料からなる第１の非磁性中間層と、
前記フリー層の、前記第１の非磁性中間層とは反対側の表面上に配置された反強磁性材料からなる磁化補償層と
を有し、前記磁化補償層は、前記フリー層の磁化方向を、前記レファレンス層の磁化方向とは反対向きにバイアスするように、該フリー層と交換結合している磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
前記レファレンス層からの影響によりバイアスされた前記フリー層の磁化の大きさよりも、前記レファレンス層及び前記磁化補償層の両方からの影響によりバイアスされた前記フリー層の磁化の大きさの方が小さくなるように、前記フリー層と前記磁化補償層とが交換結合している請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
さらに、前記フリー層と磁化補償層との間に配置された非磁性材料からなる第２の非磁性中間層を有する請求項１または２に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
前記第１の非磁性中間層が、厚さ方向にトンネル電流が流れる厚さを持つ絶縁層である請求項１乃至３のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
前記第１の非磁性中間層が、非磁性導電材料で形成されている請求項１乃至３のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
基板の一部の領域上に配置されたた請求項１乃至５のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子と、
前記磁気抵抗効果素子の側方に配置され、前記フリー層の磁化方向を、前記レファレンス層の磁化方向と直交する方向にバイアスする磁区制御膜と
を有する磁気ヘッド。
【請求項７】
基板上に配置され、第１の方向に延在する複数の読出用ワード線と、
前記基板上に、前記読出用ワード線に対応して配置され、前記第１の方向に延在する書込用ワード線と、
前記基板上に配置され、前記第１の方向と交差する第２の方向に延在する複数のビット線と、
前記書込用ワード線とビット線との交差箇所の各々に配置された請求項１乃至５のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子と、
前記読出用ワード線と前記ビット線との交差箇所の各々に配置され、対応する読出用ワード線に与えられる電圧によってオンオフ状態が切り替わるトランジスタと
を有し、前記書込用ワード線を流れる電流及び前記ビット線を流れる電流による磁場によって、対応する磁気抵抗効果素子のフリー層の磁化方向が変化し、該磁気抵抗効果素子のレファレンス層及びフリー層の一方が、対応するトランジスタに接続され、他方が対応するビット線に接続されている磁気抵抗効果型ランダムアクセスメモリ。
【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、それを用いた磁気ヘッド及び磁気抵抗効果型ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）に関し、特に、レファレンス層からの影響によるフリー層の磁化を補償して、出力信号の対称性を高めた磁気抵抗効果素子、それを用いた磁気ヘッド及びＭＲＡＭに関する。
【背景技術】
【０００２】
図６Ａに、従来の磁気ヘッドに用いられるトンネル磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）の断面図を示す。下地基板６０の主表面上に、ピニング層６２、ピンド層６３、非磁性中間層６４、レファレンス層６５、トンネル絶縁層６６、フリー層６７、及び非磁性キャップ層７３がこの順番に積層されている。ピニング層６２は、例えばＩｒＭｎ等の反強磁性材料で形成される。ピンド層６３、レファレンス層６５は、ＣｏＦｅ等の強磁性材料で形成される。非磁性中間層６４は、Ｒｕ等の非磁性材料で形成される。トンネル絶縁層６６は、ＡｌＯ等の絶縁材料で形成される。フリー層６７は、例えばＣｏＦｅ等の軟磁性材料で形成される。非磁性キャップ層７３は、Ｔａ等の非磁性材料で形成される。
【０００３】
近年の磁気記録媒体の記録密度の向上に伴い、磁気ヘッドに用いられるＴＭＲ素子の微細化が必要となってきている。ＴＭＲ素子の微細化に伴う面積抵抗ＲＡの増加を抑制するために、トンネル絶縁層６６を薄くすることが望まれる。トンネル絶縁層６６を薄くすると、レファレンス層６５とトンネル絶縁層６６との界面の凹凸に起因する静磁結合や、トンネル絶縁層６６のピンホール等の電流パスを介した電気伝導による磁気結合により、レファレンス層６５とフリー層６７との間の磁気的な相互作用が増大する。この相互作用によってフリー層６７内に発生する磁場を、層間結合磁場（Ｈｉｎ）と呼ぶ。
【０００４】
図６Ａにおいて、下地基板６０の主表面をｙｚ面とし、法線方向をｘ軸とするｘｙｚ直交座標系を定義する。ｘｙ面が磁気記録媒体に対向する浮上面に平行であり、ｙ軸方向がトラック幅方向に対応するようにｙ軸の向きを定義し、浮上面からＴＭＲ素子の内部に向かう向きをｚ軸の正の向きと定義する。ピンド層６３の磁化方向はｚ軸の負の向きに固定され、レファレンス層６５の磁化方向は、ｚ軸の正の向きに固定されている。
【０００５】
図６Ｂに、フリー層６７のバイアスされた磁化方向と、ピンド層６３及びレファレンス層６５の固定された磁化方向との関係を示す。通常、ｙ軸方向に関してＴＭＲ素子を挟むように（図６Ａの紙面の手前と奥に）、磁区制御膜を配置し、フリー層６７の磁化方向をｙ軸方向にバイアスする。さらに、レファレンス層６５からの層間結合磁場Ｈｉｎにより、フリー層６４の磁化方向が、ｚ軸の正の向きにバイアスされる。このため、フリー層６７の磁化方向は、ｙ軸に平行な方向からｚ軸の正の向きに傾いてしまう。
【０００６】
図８Ａに、外部磁場Ｈを変化させたときのＭＲ比の変化の様子を示す。ｚ軸の正の向きの外部磁場Ｈを正とする。外部磁場Ｈが正のとき、フリー層６７の磁化がｚ軸の正の方向を向き、レファレンス層６５の磁化方向と平行になるため、ＭＲ比は０である。外部磁場Ｈを徐々に小さくすると、外部磁場Ｈが負のある値Ｈ１になった時点で、フリー層６７の磁化の向きが反転し（レファレンス層６５の磁化方向と反平行になり）、ＭＲ比が増大する。外部磁場Ｈをさらに負の向きに大きくすると、レファレンス層６５の磁化の向きも変化し始める。このため、外部磁場Ｈが負の向きに大きくなるに従って、ＭＲ比は徐々に低下する。ＭＲ比が、その最大値の１／２になるときの外部磁場Ｈの大きさを、降伏磁場Ｈｕａと呼ぶこととする。
【０００７】
ｚ軸の負の向きの外部磁場Ｈの絶対値を小さくすると、レファレンス層６５及びピンド層６３の磁化方向が、本来の方向に戻るため、徐々にＭＲ比が大きくなる。さらに外部磁場Ｈが負のある値Ｈ２になった時点でフリー層６７の磁化の向きが反転し（レファレンス層６５の磁化方向と平行になり）、ＭＲ比が０になる。
【０００８】
外部磁場が０のときのフリー層６７の磁化方向が、レファレンス層６５からの影響によってｚ軸の負の向きにバイアスされているため、上述の磁場大きさＨ１及びＨ２は、負の値である。磁場の大きさＨ１とＨ２との平均が、層間結合磁場Ｈｉｎに相当する。
【０００９】
フリー層６７の磁化方向がｚ軸の負の方向にバイアスされているため、ＭＲ比と外部磁場との関係を表すヒステリシスループがシフトする。通常、磁気ヘッドにおいては、フリー層６７の磁化方向はｙ軸方向にバイアスされているが、ｚ軸方向へのバイアスにより、磁気ヘッドの読取信号の対称性が崩れてしまう。対称性の乱れは、読取エラーの原因になる。
【００１０】
図７Ａに、上記課題を解決するために考案されたＴＭＲ素子の断面図を示す。図７Ａに示されたＴＭＲ素子においては、ピンド層６３の磁化が、レファレンス層６５の磁化よりも大きい。このため、フリー層６７の位置に、ｚ軸の負の向きの合成磁場が発生する。この合成磁場の向きは、レファレンス層６５からの影響で発生する層間結合磁場Ｈｉｎと反対向きである。このため、両者が打ち消しあって、フリー層６７の磁化方向を、ｙ軸に平行な方向にバイアスすることができる。これにより、磁気ヘッドにおける読み取り信号の対称性が良好に保たれる。
【００１１】
図７Ｂに、下記の特許文献１に開示された磁気ヘッドの断面図を示す。フリー層６７の上に、Ｔａからなるスペーサ７０、ＣｏＦｅからなるフリー側ピンド層７１、及びＰｔＭｎからなるフリー側ピニング層７２が配置され、その上に非磁性キャップ層７３が配置されている。フリー側ピンド層７１の磁化方向が、ｙ軸方向に固定されている。フリー側ピンド層７１は、スペーサ７０を介して、フリー層６７と交換結合し、フリー層６７の磁化方向をｙ軸方向にバイアスする。
【００１２】
図６Ａに示した磁気ヘッドにおいては、ＴＭＲ素子の側方に磁区制御膜を配置することにより、フリー層６７の磁化方向をバイアスｙ軸方向にバイアスしていたが、図７Ｂに示した磁気ヘッドにおいては、ＴＭＲ素子の側方に磁区制御膜を配置することなく、フリー層６７の磁化方向をｙ軸方向にバイアスすることができる。
【００１３】
【特許文献１】米国特許第６７４１４３２号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
図６Ａに示した磁気ヘッドにおいては、レファレンス層６５とピンド層６３との磁化の大きさが等しく、かつその方向が反対向きである。すなわち、巨視的には両者の磁化が打ち消し合うため、これらの層の磁化方向が外部磁場の影響を受けにくい。これに対し、図７Ａに示した磁気ヘッドにおいては、ピンド層６３の磁化とレファレンス層６５の磁化とがつり合っていないため、これらの層の磁化方向が外部磁場の影響を受けやすい。
【００１５】
図７Ｂに示した磁気ヘッドでは、図６Ａに示した磁気ヘッドと同様に、レファレンス層６５からの層間結合磁場Ｈｉｎによりフリー層６７の磁化方向が、ｙ軸方向から傾いた方向にバイアスされてしまう。
【００１６】
本発明の目的は、フリー層の磁化方向を所望の方向にバイアスすることが可能な磁気抵抗効果素子を提供することである。本発明の他の目的は、この磁気抵抗効果素子を用いた磁気ヘッド及びＭＲＡＭを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の一観点によると、
磁化方向が固定された強磁性材料からなるレファレンス層と、
外部磁場の影響を受けて磁化方向が変化する軟磁性材料からなるフリー層と、
前記レファレンス層とフリー層との間に配置された非磁性材料からなる第１の非磁性中間層と、
前記フリー層の、前記第１の非磁性中間層とは反対側の表面上に配置された反強磁性材料からなる磁化補償層と
を有し、前記磁化補償層は、前記フリー層の磁化方向を、前記レファレンス層の磁化方向とは反対向きにバイアスするように、該フリー層と交換結合している磁気抵抗効果素子が提供される。
【００１８】
本発明の他の観点によると、上記磁気抵抗効果素子を用いた磁気ヘッド及びＭＲＡＭが提供される。
【発明の効果】
【００１９】
磁化補償層が、フリー層の磁化方向を、レファレンス層の磁化方向とは反対向きにバイアスする、レファレンス層からの層間結合磁場の影響を軽減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図１に、第１の実施例によるＴＭＲ素子の断面図を示す。下地基板６０の主表面上に、下地層６１が形成されている。下地層６１は、例えば、厚さ３ｎｍのＴａ層と厚さ２ｎｍのＲｕ層とがこの順番に積層された２層構造を有する。その他に、Ｔａ層とＮｉＦｅ層との２層構造としてもよいし、単層のＮｉＣｒ層、またはＮｉＦｅＣｒ層としてもよい。下地層６１の厚さは、５ｎｍ以上とすることが好ましい。
【００２１】
下地層６１の上に、ピニング層６２、ピンド層６３、非磁性中間層６４、レファレンス層６５、トンネル絶縁層６６、フリー層６７、非磁性中間層６８、及び磁化補償層６９がこの順番に形成されている。
【００２２】
ピニング層６２は、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、ＰｄＰｔＭｎ等の反強磁性材料で形成されており、その厚さは７ｎｍ以上とすることが好ましい。ピンド層６３は、ＣｏＦｅ等の強磁性材料で形成されており、その厚さは１．５〜２ｎｍである。非磁性中間層６４は、Ｒｕ等の非磁性金属で形成されており、その厚さは０．７ｎｍである。レファレンス層６５は、ＣｏＦｅＢ等の強磁性材料で形成されており、その厚さは２ｎｍである。トンネル絶縁層６６はＭｇＯ等の誘電体材料で形成されており、その厚さは、厚さ方向にトンネル電流が流れることができる程度、例えば約１ｎｍである。
【００２３】
フリー層６７は、ＮｉＦｅ等の強磁性材料で形成されており、その厚さは２〜４ｎｍである。非磁性中間層６８は、Ｔａ等の非磁性金属で形成されており、その厚さは０．１〜０．５ｎｍである。磁化補償層６９は、ＩｒＭｎ等の反強磁性材料で形成され、その厚さは５ｎｍである。
【００２４】
下地層６１また磁化補償層６９までの各層は、スパッタリングにより形成することができる。
【００２５】
下地基板６０の主表面に平行な面をｙｚ面とし、主表面の法線方向をｘ軸方向とするｘｙｚ直交座標系を定義する。ピンド層６３とピニング層６２とが交換結合することにより、ピンド層６３の磁化方向がｚ軸の負の方向に固定されるように、ピニング層６２に磁化が与えられている。ピンド層６３とレファレンス層６５とが、非磁性中間層６４を介して交換結合することにより、レファレンス層６５の磁化方向がｚ軸の正の方向に固定される。
【００２６】
レファレンス層６５の影響を受けてフリー層６７に与えられる層間結合磁場Ｈｉｎにより、フリー層６７の磁化方向がｚ軸の正の方向にバイアスされる。さらに、フリー層６７と磁化補償層６９とが、非磁性中間層６８を介して交換結合することにより、その磁化方向がｚ軸の負の向きにバイアスされるように、磁化補償膜６９に磁化が与えられている。
【００２７】
磁化補償膜６９から与えられるｚ軸の負の向きのバイアスが、レファレンス層６５からの層間結合磁場Ｈｉｎによるｚ軸の正の向きのバイアスと等しくなれば、層間結合磁場Ｈｉｎによるバイアスの影響を打ち消すことができる。このため、ＴＭＲ素子の両側に、フリー層６７の磁化方向をｙ軸方向にバイアスするための磁区制御膜を配置すれば、フリー層６７の磁化方向がｙ軸方向に平行になる。
【００２８】
図８Ｂに、外部磁場Ｈに対するＭＲ比の変動の様子を示す。フリー層６７の磁化方向がｙ軸に平行になるようにバイアスされているため、ヒステリシスループの対称性が維持される。また、ピンド層６３の磁化の大きさとレファレンス層６５の磁化の大きさとが等しく、向きが反対であるため、ピンド層６３の磁化方向の反転耐性は低下しない。
【００２９】
非磁性中間層６８の厚さを調節することによって、フリー層６７と磁化補償層６９との間の交換相互作用の大きさを調節することができる。非磁性中間層６８の厚さは、レファレンス層６５からの影響を受けてフリー層６７に発生する層間結合磁場Ｈｉｎが打ち消されるように調節することが好ましい。
【００３０】
なお、層間結合磁場Ｈｉｎを完全に打ち消す必要ない。レファレンス層６５からの影響によりバイアスされたフリー層６７の磁化の大きさよりも、レファレンス層６５及び磁化補償層６９の両方からの影響によりバイアスされたフリー層６７の磁化の大きさの方が小さくなるようにすれば、層間結合磁場Ｈｉｎの影響を軽減することができる。
【００３１】
図２Ａ〜図２Ｊを参照して、第１の実施例によるＴＭＲ素子を用いた第２の実施例による磁気再生ヘッドの製造方法について説明する。図２Ａ〜図２Ｊは、磁気記録媒体に対向する浮上面に平行な断面を示す。浮上面をｘｙ面とし、トレーリング方向をｘ軸、トラック幅方向をｙ軸、浮上面に垂直な方向をｚ軸とするｘｙｚ直交座標系を定義する。
【００３２】
図２Ａに示すように、基板１の上に下部シールド層２を形成する。基板１は、アルミニウムチタンカーバイド等で形成されている。下部シールド層２は、ＮｉＦｅ等の強磁性材料で形成され、その厚さは５０〜１００ｎｍである。下部シールド層２は、例えばめっき法により形成される。
【００３３】
下部シールド層２の上に、エッチング耐性膜３、磁気抵抗効果膜４、キャップ層５、スペーサ層６、及び研磨耐性膜７を順番に、スパッタリングにより成膜する。エッチング耐性膜３は、例えばタンタル（Ｔａ）で形成され、その厚さは５ｎｍである。磁気抵抗効果膜４は、図１に示した第１の実施例によるＴＭＲ素子と同じ積層構造を有する。
【００３４】
キャップ層５は、ルテニウム（Ｒｕ）で形成されており、その厚さは例えば１０ｎｍである。スペーサ層６は、酸化シリコンで形成されており、その厚さは例えば５０〜１００ｎｍである。研磨耐性膜７は、Ｔａで形成されており、その厚さは例えば２０〜３０ｎｍである。エッチング耐性膜３は、磁気抵抗効果膜４とはエッチング耐性の異なる材料で形成されており、キャップ層５は、スペーサ層６とはエッチング耐性の異なる材料で形成されている。
【００３５】
図２Ｂに示すように、研磨耐性膜７の表面のうち、再生素子を形成すべき領域（再生素子形成領域）１１を覆い、その両側の表面を露出させるレジストパターン１０を形成する。再生素子形成領域１１の幅（ｙ軸方向の寸法）は、例えば４０〜７０ｎｍである。
【００３６】
図２Ｃに示すように、レジストパターン１０をエッチングマスクとして、研磨耐性膜７及びスペーサ層６を、ＣＦ４とＡｒとの混合ガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によりエッチングして凹部を形成する。キャップ層５が、エッチングストッパとして機能する。スペーサ層６のエッチング後、レジストパターン１０を剥離する。
【００３７】
図２Ｄに示すように、研磨耐性膜７及びスペーサ層６をマスクとして、キャップ層５及び磁気抵抗効果膜４を、ＣＯとＮＨ３との混合ガスを用いたＲＩＥによりエッチングする。エッチング耐性膜３がエッチングストッパとして機能する。
【００３８】
図２Ｅに示すように、基板全面を覆うように、絶縁膜１５をスパッタリングにより形成する。絶縁膜１５は、例えばＡｌ２Ｏ３で形成され、その厚さは８〜１０ｎｍである。絶縁膜１５の上に、磁区制御膜１８をスパッタリングにより形成する。磁区制御膜１８の厚さは、研磨耐性膜７の上面からエッチング耐性膜３の上面まで達する凹部の深さ以上とする。磁区制御膜１８には、ＣｏＣｒＰｔ等の硬質磁性材料が用いられる。
【００３９】
図２Ｆに示すように、研磨耐性膜７の上面よりも上方に堆積している磁区制御膜１８及び絶縁膜１５を、ＣＭＰにより除去する。研磨耐性膜７が、研磨ストッパとして機能する。
【００４０】
図２Ｇに示すように、研磨耐性膜７及びスペーサ層６を、ＲＩＥにより選択的に除去する。ＲＩＥの条件は、図２Ｃに示した工程で、研磨耐性膜７及びスペーサ層６をエッチングする条件と同一である。これにより、キャップ層５が露出する。
【００４１】
図２Ｈに示すように、再生素子形成領域１１及びその両側をフォトレジストによりマスクして、その他の領域のキャップ層５、及び磁気抵抗効果膜４を除去する。このエッチングは、イオンミリングにより行う。このとき、絶縁膜１５及び磁区制御膜１８の外側の縁の近傍領域もエッチングされる。残された磁区制御膜１８よりも外側に、エッチング耐性膜３が露出する。
【００４２】
図２Ｈのエッチング工程で用いたフォトレジスト膜を残した状態で、図２Ｉに示すように、磁区制御膜１８よりも外側の領域のエッチング耐性膜３の上に、Ａｌ２Ｏ３からなる絶縁膜２０をスパッタリングにより形成する。このとき、フォトレジスト膜の上にも、絶縁膜が堆積する。絶縁膜２０の成膜後、フォトレジスト膜と、その上に堆積している絶縁膜とを、リフトオフ法により除去する。
【００４３】
図２Ｊに示すように、全面に、ＮｉＦｅからなる上部シールド層２２を、スパッタリングまたは鍍金により形成する。上部シールド層２２は、再生素子形成領域１１において、キャップ層５を介して磁気抵抗効果膜４に電気的に接続される。
【００４４】
下部シールド層２及び上部シールド層２２が、磁気抵抗効果膜４に、その厚さ方向の電流を流すための電極を兼ねる。磁区制御膜１８が、磁気抵抗効果膜４のフリー層の磁化方向をｙ軸方向にバイアスする。磁気抵抗効果膜４に、図１に示した第１の実施例によるＴＭＲ素子が用いられているため、磁気抵抗効果膜４のレファレンス層６５からの影響を排除し、フリー層６７に生じるバイアス磁化を、ｙ軸に平行にすることができる。
【００４５】
図３Ａに、第３の実施例による磁気ヘッドの浮上面（媒体に対向する面）の正面図を示す。浮上面をｘｙ面とし、トレーリング方向をｘ軸、トラック幅方向をｙ軸、浮上面に垂直な方向をｚ軸とするｘｙｚ直交座標系を定義する。図３Ｂに、磁気ヘッドのｚｘ面に平行な断面図を示す。
【００４６】
基板１の上に、再生素子部２３及び記録素子部３０がこの順番に積層されている。再生素子部２３は、下部磁気シールド層２、磁気抵抗効果膜４、上部磁気シールド層２２を含む。記録素子部３０は、主磁極３１、主磁極補助層３２、補助磁極３３、接続部３５を含む。主磁極３１、主磁極補助層３２、補助磁極３３、及び接続部３５が、磁気記録時に発生する磁場の磁路の一部を構成する。この磁路と鎖交するように、記録用コイル３４が配置されている。
【００４７】
再生素子部２３の形成には、図２Ａ〜図２Ｊに示した第２の実施例による再生素子の製造方法が採用される。記録素子部３０は、公知の方法で形成することができる。
【００４８】
図４に、上記実施例による方法で作製した磁気ヘッドを用いた磁気ディスク装置の概略図を示す。ロータリアクチュエータ５４で支持されたサスペンションアーム５３の先端に、ジンバルと呼ばれる支持具でスライダ５２が取り付けられている。スライダ５２の端部に磁気ヘッド５１が取り付けられている。磁気ヘッド５１には、上記第３の実施例による磁気ヘッドが用いられる。
【００４９】
磁気ヘッド５１は、磁気ディスク５０の表面から微小な高さだけ浮上している。磁気ディスク５０の表面に、同心円状の多数のトラック５５が画定されている。ロータリアクチュエータ５４を駆動してサスペンションアーム５３を旋回させることにより、磁気ヘッド５１を、磁気ディスク５０上の半径方向に関して異なる位置に移動させることができる。
【００５０】
実施例においては、磁気ヘッドに、図１に示した第１の実施例によるＴＭＲ素子を用いることにより、読み取り信号の対称性の乱れを防止し、読取エラーの発生を防止することができる。
【００５１】
図５Ａ及び図５Ｂを参照して、第４の実施例にについて説明する。第２及び第３の実施例では、ＴＭＲ素子を磁気ヘッドに適用したが、第４の実施例では、ＭＲＡＭに適用する。
【００５２】
図５Ａに、第４の実施例によるＭＲＡＭの断面図を示す。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、及びＴＭＲ素子９０が配置されている。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、第１の方向（図８Ａにおいて紙面に垂直な方向）に延在する。ビット線８９は、第１の方向と交差する第２の方向（図８Ａにおいて横方向）に延在する。
【００５３】
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。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。
【００５４】
ＴＭＲ素子９０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。ＴＭＲ素子９０は、図１に示した第１の実施例によるＴＭＲ素子と同じ積層構造を有する。書込用ワード線８８及びビット線８９を流れる電流による磁場の影響を受けて、ＴＭＲ素子９０のフリー層の磁化方向が変化する。ＴＭＲ素子９０の下地層（図１の下地層６１）が、配線８７、多層配線層を貫通する複数のプラグ８４及び孤立配線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。ＴＭＲ素子９０の磁化補償層（図１の磁化補償層６９）が、ビット線８９に接続されている。すなわち、配線８７及びビット線８９が、ＴＭＲ素子９０に、その厚さ方向のセンス電流を流す電極となる。
【００５５】
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。
【００５６】
図５Ｂに、第４の実施例によるＭＲＡＭの等価回路図を示す。複数の読出用ワード線８２が第１の方向（図５Ｂにおいて縦方向）に延在する。読出用ワード線８２に対応して、第１の方向に延在する書込用ワード線８８が配置されている。複数のビット線８９が、第１の方向と交差する第２の方向（図５Ｂにおいて横方向）に延在する。
【００５７】
ビット線８９と書込用ワード線８８との交差箇所に、ＴＭＲ素子９０が配置されている。読出用ワード線８２とビット線８９との交差箇所にＭＯＳトランジスタ８３が配置されている。ＴＭＲ素子９０の一方の端子が、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。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。
【００５８】
ＴＭＲ素子９０を、上記第１の実施例によるＴＭＲ素子と同じ積層構造にすることにより、そのフリー層に生ずるレファレンス層からの層間結合磁場Ｈｉｎの影響を排除することができる。
【００５９】
上記実施例では、ＴＭＲ素子に磁化補償層を適用したが、巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）素子に適用することも可能である。この場合には、トンネル絶縁層６６に代えて、Ｃｕ等の非磁性導電材料からなる中間層を用いる。
【００６０】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【００６１】
上記実施例から、以下の付記に示された発明が導出される。
【００６２】
（付記１）
磁化方向が固定された強磁性材料からなるレファレンス層と、
外部磁場の影響を受けて磁化方向が変化する軟磁性材料からなるフリー層と、
前記レファレンス層とフリー層との間に配置された非磁性材料からなる第１の非磁性中間層と、
前記フリー層の、前記第１の非磁性中間層とは反対側の表面上に配置された反強磁性材料からなる磁化補償層と
を有し、前記磁化補償層は、前記フリー層の磁化方向を、前記レファレンス層の磁化方向とは反対向きにバイアスするように、該フリー層と交換結合している磁気抵抗効果素子。
【００６３】
（付記２）
前記レファレンス層からの影響によりバイアスされた前記フリー層の磁化の大きさよりも、前記レファレンス層及び前記磁化補償層の両方からの影響によりバイアスされた前記フリー層の磁化の大きさの方が小さくなるように、前記フリー層と前記磁化補償層とが交換結合している付記１に記載の磁気抵抗効果素子。
【００６４】
（付記３）
さらに、前記フリー層と磁化補償層との間に配置された非磁性材料からなる第２の非磁性中間層を有する付記１または２に記載の磁気抵抗効果素子。
【００６５】
（付記４）
前記第２の非磁性中間層の厚さが１ｎｍ以下である付記３に記載の磁気抵抗効果素子。
【００６６】
（付記５）
前記第１の非磁性中間層が、厚さ方向にトンネル電流が流れる厚さを持つ絶縁層である付記１乃至４のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【００６７】
（付記６）
前記第１の非磁性中間層が、非磁性導電材料で形成されている付記１乃至４のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【００６８】
（付記７）
基板の一部の領域上に配置されたた付記１乃至６のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子と、
前記磁気抵抗効果素子の側方に配置され、前記フリー層の磁化方向を、前記レファレンス層の磁化方向と直交する方向にバイアスする磁区制御膜と
を有する磁気ヘッド。
【００６９】
（付記８）
基板上に配置され、第１の方向に延在する複数の読出用ワード線と、
前記基板上に、前記読出用ワード線に対応して配置され、前記第１の方向に延在する書込用ワード線と、
前記基板上に配置され、前記第１の方向と交差する第２の方向に延在する複数のビット線と、
前記書込用ワード線とビット線との交差箇所の各々に配置された付記１乃至６のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子と、
前記読出用ワード線と前記ビット線との交差箇所の各々に配置され、対応する読出用ワード線に与えられる電圧によってオンオフ状態が切り替わるトランジスタと
を有し、前記書込用ワード線を流れる電流及び前記ビット線を流れる電流による磁場によって、対応する磁気抵抗効果素子のフリー層の磁化方向が変化し、該磁気抵抗効果素子のレファレンス層及びフリー層の一方が、対応するトランジスタに接続され、他方が対応するビット線に接続されている磁気抵抗効果型ランダムアクセスメモリ。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】第１の実施例によるＴＭＲ素子の断面図である。
【図２−１】第２の実施例による再生素子の、製造途中における断面図（その１）である。
【図２−２】第２の実施例による再生素子の、製造途中における断面図（その２）である。
【図２−３】第２の実施例による再生素子の、製造途中における断面図（その３）である。
【図２−４】第２の実施例による再生素子の、製造途中における断面図（その４）である。
【図３】（３Ａ）は、第３の実施例による磁気ヘッドの浮上面の正面図であり、（３Ｂ）はその断面図である。
【図４】第３の実施例による磁気ヘッドを用いた磁気記録装置の概略図である。
【図５】（５Ａ）は、第４の実施例によるＭＲＡＭの断面図であり、（５Ｂ）は、その等価回路図である。
【図６】（６Ａ）は、従来のＴＭＲ素子の断面図であり、（６Ｂ）は、そのピンド層、レファレンス層、及びフリー層の磁化方向を示す図である。
【図７】従来のＴＭＲ素子の断面図である。
【図８】（８Ａ）は、従来のＴＭＲ素子のＭＲ比の外部磁場依存性を示すグラフであり、（８Ｂ）は、第１の実施例によるＴＭＲ素子のＭＲ比の外部磁場依存性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００７１】
１  基板
２  下部シールド層
３  エッチング耐性膜
４  磁気抵抗効果膜
５  キャップ層
６  スペーサ層
７  研磨耐性膜
１０  レジストパターン
１１  再生素子形成領域
１５  絶縁膜
１８  磁区制御膜
２０  絶縁膜
２２  上部シールド層
２３  再生素子部
３０  記録素子部
３１  主磁極
３２  主磁極補助層
３３  補助磁極
３５  接続部
３４  コイル
５０  磁気ディスク
５１  磁気ヘッド
５２  スライダ
５３  サスペンションアーム
５４  ロータリアクチュエータ
５５  トラック
６０  下地基板
６１  下地層
６２  ピニング層
６３  ピンド層
６４  非磁性中間層
６５  レファレンス層
６６  トンネル絶縁層
６７  フリー層
６８  非磁性中間層
６９  磁化補償層
７０  スペーサ
７１  フリー側ピンド層
７２  フリー側ピニング層
７３  非磁性キャップ層
８０  基板
８１  不純物拡散領域
８２  読出用ワード線
８３  ＭＯＳトランジスタ
８４  プラグ
８５  孤立配線
８６  接地配線
８７  配線
８８  書込用ワード線
８９  ビット線
９０  ＴＭＲ素子
【図１】
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【図２−１】
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【図２−２】
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【図２−３】
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【図２−４】
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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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