(57)【要約】【課題】  ＭＲ比を向上させて、センスマージンを大きく向上させることができ、磁気抵抗ヘッドの場合、従来のＧＭＲ、ＴＭＲ素子に比べてさらに大容量の高密度記録媒体を具現させる原動力となる磁気抵抗素子を提供する。【解決手段】  固定化層、固定層、非磁性層および自由層の順で形成された層を含む磁気抵抗素子において、自由層、固定層または固定化層が金属間化合物で形成されていることを特徴とする磁気抵抗素子。【選択図】  図２Ａ
2005217422.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定化層、固定層、非磁性層および自由層の順で形成された層を含む磁気抵抗素子において、
前記自由層が、金属間化合物で形成されていることを特徴とする磁気抵抗素子。
【請求項２】
前記固定層が、金属間化合物で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗素子。
【請求項３】
前記固定化層が、金属間化合物で形成されていることを特徴とする請求項２に記載の磁気抵抗素子。
【請求項４】
前記固定化層が、金属間化合物で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗素子。
【請求項５】
前記金属間化合物は、Ｘ2ＹＺの一般構造式で表され、ここで、ＸはＣｏ系列の金属およびＣｕ系列の金属よりなる群から選ばれる少なくとも１種の金属であり、ＹはＭｎ、Ｖ、Ｔｉ、ＮｉおよびＨｆよりなる群から選ばれる少なくとも１種であり、Ｚは３Ａ族物質または４Ａ族物質であって、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇａ、ＧｅＳｎおよびＳｂよりなる群から選ばれる少なくとも１種の非磁性体であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の磁気抵抗素子。
【請求項６】
前記金属間化合物は、ＰｔＭｎＳｂ、ＮｉＭｎＳｂ、ＣｕＭｎＳｂ、ＰｄＭｎＳｂ、ＰｔＦｅＳｂ、ＰｔＣｒＳｂおよびＰｈＭｎＳｂからなる群から選ばれる少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の磁気抵抗素子。
【請求項７】
固定化層、固定層、非磁性層および自由層の順で形成された層を含む磁気抵抗素子において、
前記固定層が、金属間化合物で形成されていることを特徴とする磁気抵抗素子。
【請求項８】
前記固定化層は、金属間化合物で形成されていることを特徴とする請求項７に記載の磁気抵抗素子。
【請求項９】
前記金属間化合物は、ＰｔＭｎＳｂ、ＮｉＭｎＳｂ、ＣｕＭｎＳｂ、ＰｄＭｎＳｂ、ＰｔＦｅＳｂ、ＰｔＣｒＳｂおよびＰｈＭｎＳｂからなる群から選ばれる少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項７に記載の磁気抵抗素子。
【請求項１０】
前記金属間化合物は、ＰｔＭｎＳｂ、ＮｉＭｎＳｂ、ＣｕＭｎＳｂ、ＰｄＭｎＳｂ、ＰｔＦｅＳｂ、ＰｔＣｒＳｂおよびＰｈＭｎＳｂからなる群から選ばれる少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項７に記載の磁気抵抗素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は磁気抵抗素子に係り、より詳細には、金属間化合物または金属間合金を磁気抵抗素子の自由層、固定層などに使用した磁気抵抗素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、高真空の超薄膜蒸着技術および表面処理技術の急速な発達によって、スピン−スピン相互作用が及ぶ範囲のオーダーである数ｎｍの厚さに磁性薄膜を精密に成長させ、素子を製作することが可能になった。それにより、バルク形態の磁性物質では観察できなかったいろいろな現象が観測され、その現象を家電製品および産業部品などに応用する段階に至った。例えば、超高密度の情報保存媒体に情報を記録する磁気記録用ヘッド、ＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）などがある。
【０００３】
このような磁気抵抗素子は、磁気エネルギーにより抵抗が変わる原理を利用した素子である。ハードディスクドライブ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ：以下、ＨＤＤ）等の情報保存媒体に保存されている情報を検出する磁気抵抗ヘッドとして、最近、巨大磁気抵抗ヘッド（Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ Ｈｅａｄ：以下、ＧＭＲヘッド）、またはトンネル磁気抵抗ヘッド（Ｔｕｎｎｅｌ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ Ｈｅａｄ：以下、ＴＭＲヘッド）などが広く使われている。
【０００４】
ＧＭＲ構造は、一般に、強磁性体（固定層）／金属非磁性体（スペーサ層）／強磁性体（自由層）の連続的な配列で形成される。これは、電子が強磁性体層を通過する時、２つの磁性体層の磁化配列によって抵抗値が変化することを応用したものであって、この現象は、スピン依存散乱で説明可能である。また、ＴＭＲ構造は、一般に、強磁性体／絶縁体（トンネル障壁層）／強磁性体の連続的な配列で形成される。この構造では、２つの強磁性体層の間に絶縁体層が配置され、２つの強磁性体の相対的な磁化方向によってトンネリング電流が変わる現象を利用する。ＧＭＲ現象を利用するＭＲＡＭの場合、磁化方向による抵抗値の差が相対的に小さいために、電圧値の差を大きくすることができない。また、セルを構成するためには、ＧＭＲ膜と組合わせるＭＯＳＦＥＴを縮小しなければならない問題があるため、最近では、ＴＭＲ膜を採用してＭＲＡＭを実用化するための研究が進んでいる。
【０００５】
ＴＭＲ素子の一般的な形態を図１に示した。図１は、従来のＴＭＲ素子１０を示す断面図である。その構造を簡単に説明すれば、次の通りである。基板１１の上に、固定層である第１強磁性層１３の電子スピンを固定する役割を有する反強磁性層１２が形成され、反強磁性層１２の上部に、第１強磁性層１３、トンネル障壁層１４、および自由層の役割を有する第２強磁性層１５が順次形成されている。このようなＴＭＲ素子１０は、２つの強磁性層の間の相対的な磁化方向によってトンネリング電流が変わる現象である磁気トンネル接合原理を利用したものである。ここで、固定層である第１強磁性層１３のスピン方向を固定する反強磁性層１２は、一般的に反強磁性物質を使用して形成され、したがって、反強磁性層１２は、通常、固定化層と呼ばれる。
【０００６】
固定層である第１強磁性層１３と自由層である第２強磁性層１５との磁化スピンが逆方向である場合、電流を印加すると、ＴＭＲ素子１０の高い磁気抵抗により少ない電流がトンネル障壁層１４を通過して流れる。逆に、固定層と自由層とのスピン方向が同一であれば、磁気抵抗が低いため多くの電流が流れる。この時、磁気抵抗比（Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ Ｒａｔｉｏ；ＭＲ比）は、次の数式１で表される。
数式１：
【数１】
2005217422.tif 000003
【０００７】
ここで、Ｐ1は固定層１３のスピン分極を表し、Ｐ２は自由層１５のスピン分極を表す。ＭＲ比が高ければ、固定層１３と自由層１５とのスピン方向を判別するのが容易であり、磁気抵抗の高低により“１”または“０”のデータを判別できるため、情報記録および再生性能が優秀な磁気抵抗素子を製造できる。
【０００８】
前記で説明したように、高いＭＲ比の実現は、磁気抵抗素子の性能を向上させるために決定的なものである。従来の磁気抵抗素子では、自由層および固定層のような強磁性層に使用する磁性物質としてＣｏＦｅまたはＮｉＦｅなどを使用してきた。このような強磁性層に使用する強磁性物質についての研究では、高ＭＲ比および高集積度の素子を実現するために、さらに高いＭＲ比を持つ物質が求められている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、前記のように、従来、磁気抵抗素子に使用しなかった物質を磁気抵抗素子の強磁性層に使用することによって、高いＭＲ比を持ち、かつさらに性能の優秀な磁気抵抗素子を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記目的を達成するために、本発明は、固定化層、固定層、非磁性層および自由層の順で形成された層を含む磁気抵抗素子において、前記自由層が、金属間化合物で形成されていることを特徴とする磁気抵抗素子を提供する。
本発明において、前記固定層を金属間化合物で形成できる。
本発明において、前記固定化層を金属間化合物で形成できる。
【００１１】
本発明において、前記金属間化合物は、Ｘ2ＹＺの一般構造式で表され、ここで、ＸはＣｏ系列の金属およびＣｕ系列の金属よりなる群から選ばれる少なくとも１種の金属であり、ＹはＭｎ、Ｖ、Ｔｉ、ＮｉおよびＨｆよりなる群から選ばれる少なくとも１種であり、Ｚは３Ａ族物質または４Ａ族物質であって、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇａ、ＧｅＳｎおよびＳｂよりなる群から選ばれる少なくとも１種の非磁性体である。
本発明において、前記金属間化合物は、ＰｔＭｎＳｂ、ＮｉＭｎＳｂ、ＣｕＭｎＳｂ、ＰｄＭｎＳｂ、ＰｔＦｅＳｂ、ＰｔＣｒＳｂおよびＰｈＭｎＳｂからなる群から選ばれる少なくとも一つを含む。
【００１２】
また、本発明は、固定化層、固定層、非磁性層および自由層の順で形成された層を含む磁気抵抗素子において、前記固定層が、金属間化合物で形成されていることを特徴とする磁気抵抗素子を提供する。
そして、前記固定化層は金属間化合物で形成される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、磁気抵抗素子の自由層、固定層または固定化層を、従来の物質と異なる金属間化合物または金属間合金を使用して形成することによって、さらに向上したＭＲ比が得られる。したがって、センスマージンを大きく向上させることができ、磁気抵抗ヘッドの場合、従来のＧＭＲ、ＴＭＲ素子に比べてさらに大容量の高密度記録媒体を実現させる原動力となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照して本発明による磁気抵抗素子についてさらに詳細に説明する。
図２Ａは、本発明による磁気抵抗素子の第１実施形態を示す図面である。
【００１５】
本発明による磁気抵抗素子の第１実施形態は次の通りである。すなわち、図２Ａに示すとおり、基板２１の上に固定化層２２が形成され、固定化層２２の上部に、固定層２３と、非磁性層であるトンネル障壁層２４と、自由層２５とが順次形成されている。ここで、磁気抵抗素子は、従来のＴＭＲ素子の基本構造と同じ構造を有する。本発明では、このような磁気抵抗素子の固定層２３または自由層２５を金属間化合物で形成したことを特徴とする。固定層２３のみを金属間化合物で形成してもよく、固定層２３および自由層２５をいずれも金属間化合物で形成してもよい。また、固定層２３は、従来の強磁性物質で形成してもよく、自由層２５のみを金属間化合物で形成してもよい。固定化層２２を金属間化合物で形成しない場合には、従来のＩｒＭｎ合金、ＦｅＭｎ合金およびＮｉＭｎ合金から選ばれる反強磁性物質のいずれか１種で形成することができる。
【００１６】
図２Ｂは、本発明の第２実施形態に係る磁気抵抗素子の構造を示す断面図である。図２Ｂに示すとおり、Ｓｉウェーハなどからなる基板２１上に、自由層２５、スペーサ層２６、固定層２３、固定化層２２が順次形成される。これは、スピンバルブ型ＧＭＲ素子の基本的構造である。ここで、自由層２５または固定層２３は、金属間化合物で形成される。従来の磁気抵抗素子における自由層２５または固定層２３は、強磁性物質であるＣｏＦｅ合金などにより形成されたが、本発明の磁気抵抗素子における自由層２５または固定層２３は金属間化合物で形成されていることを特徴とする。前記スペーサ層２６は、従来技術と同様に、Ｃｕなどの非磁性体で形成できる。従来技術による磁気抵抗素子では、固定化層２２は、通常、Ｍｎを含む合金で形成される。例えば、ＩｒＭｎ合金、ＦｅＭｎ合金、ＮｉＭｎ合金などの反強磁性物質で形成して、前記固定層２３の磁化方向を固定させる役割を有する。本発明では、前記固定化層２２もまた、従来の反強磁性物質を使用せずに金属間化合物で形成できる。
【００１７】
このような構造の磁気抵抗素子の動作について説明すれば次の通りである。ここでは、スピンバルブ型磁気抵抗素子について、図２Ｂを参照して説明する。
磁気抵抗素子に外部磁場が印加されると、固定層２３の磁化方向に対して自由層２５の磁化方向が変化する。その結果、固定層２３と自由層２５との間の磁気抵抗が変化する。このような磁気抵抗の変化を通じて、ＭＲＡＭや磁気記録媒体、例えば、ＨＤＤに保存されている磁気情報が感知できる。したがって、固定層２３と自由層２５との間の磁気抵抗の変化を検知することにより、磁気記録媒体に記録されている情報を読み取ることができる。この時、磁気抵抗素子の使用時に、ＭＲ比（最小磁気抵抗に対する磁気抵抗の変化量）および交換結合力Ｈex（反強磁性層が固定層の磁化方向を固定させる力）が安定的に保持されねばならない。
【００１８】
前記のように、本発明は、磁気抵抗素子の固定層２３、自由層２５または固定化層２２が、金属間化合物や金属間合金を含んで形成されていることを特徴とする。
金属間化合物または金属間合金についてさらに詳細に説明すれば次の通りである。
金属間化合物または金属間合金の一般的な構造式は、Ｘ2ＹＺで表される。ここで、ＸはＣｏ系列の金属およびＣｕ系列の金属よりなる群から選ばれる少なくとも１種の金属であり、ＹはＭｎ、Ｖ、Ｔｉ、ＮｉおよびＨｆよりなる群から選ばれる少なくとも１種である。そして、Ｚは３Ａ族物質または４Ａ族物質であって、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇａ、ＧｅＳｎおよびＳｂよりなる群から選ばれる少なくとも１種の非磁性体である。このような構造式：Ｘ2ＹＺで表される金属間化合物として、Ｃｏ2ＭｎＳｉ、Ｃｕ2ＭｎＡｌ、Ｃｕ2ＭｎＳｎまたはＣｏ2ＴｉＳｎなどが挙げられる。
【００１９】
図３は、構造式：Ｘ2ＹＺで表される金属間化合物の結晶構造を示したものであり、Ｃｏ2ＭｎＳｉを例に採れば、ＡサイトとＢサイトにはＣｏが位置し、ＣサイトにはＭｎが位置し、ＤサイトにはＳｉが位置する。
【００２０】
そして、また、他の金属間化合物の構造式としてＸＹＺが挙げられる。構造式：ＸＹＺで表される金属間化合物の例として、ＰｔＭｎＳｂ、ＮｉＭｎＳｂ、ＣｕＭｎＳｂ、ＰｄＭｎＳｂ、ＰｔＦｅＳｂ、ＰｔＣｒＳｂ、ＰｈＭｎＳｂなどがある。
【００２１】
このような構造を有する金属間化合物を利用した磁気抵抗素子の製造工程は、従来のＧＭＲ、ＴＭＲ等の磁気抵抗素子の製造工程時、強磁性層を蒸着させる工程を金属間化合物を蒸着させる工程に変更して行うことができる。但し、従来の金属間化合物の製造工程は、生産性が低下し、および組成制御が困難であるため、効率的ではなかった。例えば、スパッタリングによって金属間化合物を基板上に形成する場合、一般的に金属間化合物は壊れやすいため、単一のターゲットとして製作し難い。したがって、金属間化合物を形成するときには、コスパッタリング（ｃｏ−ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）工程を利用して金属間化合物を蒸着させることが望ましい。コスパッタリング工程は、成分物質のそれぞれを別個のターゲットとして、スパッタ（ｓｐｕｔｔｅｒ）装置内に配置して、各成分物質の蒸着速度を調節することによって、基板上に所望の組成を持つ金属間化合物層を形成させることができる。
【００２２】
図４は、前記コスパッタリングにより金属間化合物を基板上に蒸着させることを示す図面である。ここで、Ｃｕ2ＭｎＡｌを例とすれば、Ｃｕ、ＭｎおよびＡｌは、それぞれＣｕターゲット４１ａ、Ｍｎターゲット４１ｂおよびＡｌターゲット４１ｃに形成される。このようなターゲットを、基板４２が装着された基板定着部４３上に所定の距離だけ離隔して配置し、スパッタリングを行う。圧力、温度および蒸着速度等の工程条件は、所望の形態の薄膜が製造できるように調節できる。本発明の実施形態による磁気抵抗素子の製作時には、約１０-3Ｔｏｒｒの圧力で約２００〜４００℃の温度を保持した。そして、Ｃｕは約８３Å／ｍｉｎ、Ｍｎは約４４Å／ｍｉｎ、Ａｌは約５７Å／ｍｉｎの蒸着速度を保持した。基板４２上に、金属間化合物を除く他の絶縁層（トンネル障壁層）またはスペーサ層は、従来の方法を利用して形成することができる。一般的には、同一チャンバ内で全体の磁気抵抗素子を形成し、熱処理工程を行うことができる。
【００２３】
図５Ａは、自由層２５が金属間化合物で形成された本発明の第１実施形態による磁気抵抗素子について、Ｘ線回折（Ｘ−Ｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ：ＸＲＤ）データを示すグラフである。ここで、熱処理温度が約２５０℃、３００℃および４００℃である場合、強度（ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）値を比較するために約２００℃の結果を基準にｙ軸方向に１００単位ずつ移動させた。
【００２４】
図５Ａに示すとおり、３３度、６２度および６８度の角度で観測されるピークは、シリコン基板の特性を示す。そして、約２６度で観測されるピークは、超格子の（１１１）方向のピークであり、約４２度で観測されるピークは、金属間化合物の（２００）方向の各構成成分による結晶構造が乱れている（ｄｉｓｏｒｄｅｒ）特性を示している。超格子ピークが発生する場合、磁性薄膜の特性がよく具現されることが知られている。ここで、基板の温度が上昇するほど約２６度近辺の超格子ピークが明確に発現され、約４２度付近で薄膜の結晶構造が乱れる特性が減少することが分かる。
【００２５】
図５Ｂおよび図５Ｃは、本発明による磁気抵抗素子の強磁性層と絶縁層との間の境界部の断面を透過型電子顕微鏡(Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ：以下、ＴＥＭ)で撮影した写真である。ここで、Ｃｏ2ＭｎＳｉ（図５Ｂおよび図５Ｃでは、Ｃｏ２ＭｎＳｉと表記）側と絶縁層であるＡｌＯx層間の境界線を明確に視認できる。
【００２６】
前記のように製作して完成した磁気抵抗素子について、振動試料型磁力計（Ｖｉｂｒａｔｉｎｇ  ｓａｍｐｌｅ  ｍａｇｎｅｔｏｍｅｔｅｒ：ＶＳＭ）を利用して磁気特性を調べてグラフで表したものが図５Ｄである。図５Ｄによれば、本発明による磁気抵抗素子のＭＲ比は３０％を超える高い数値を表すことが分かる。
【００２７】
ＭＲ比は、前記数式１に示されたように決定される。一般的に使われる磁気抵抗素子の強磁性物質、例えば、ＮｉＦｅ、ＣｏまたはＣｏＦｅの場合、スピン分極度は約４０ないし５０％である（Ｐ＝０．４〜０．５）。しかし、金属間化合物の場合、約１００％に近いスピン分極度を示すことが知られている（Ｐ＝１．０）。したがって、理論的には、磁気抵抗素子の自由層および固定層に金属間化合物を使用すれば、ＭＲ比は無限大となる。そして、自由層と固定層のうち一つのみに金属間化合物を使用する場合には、Ｐ1＝１、Ｐ2＝０．５であるから、ＭＲ比がほぼ２００％に近い数値が得られる。しかし、これは理想的な場合であって、実際に実現させることはほとんど不可能である。したがって、金属間化合物を固定層または自由層に使用し、金属間化合物の蒸着が正確になされた場合には、さらに大きいＭＲ比が得られることが分かる。
【００２８】
前記実施形態に関する説明で多くの事項が具体的に記載されているが、それらの記載は発明の範囲を限定するものではなく、望ましい実施形態の例示として解釈されねばならない。したがって、本発明の技術的範囲は、前記の実施形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された技術的思想により定められねばならない。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明は、金属間化合物または金属間合金を磁気抵抗素子に使用してＭＲ比を大きく向上させたものであり、ＭＲＡＭまたは磁気抵抗ヘッドなどの磁気抵抗素子を利用する分野で好適に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】従来の磁気抵抗素子を示す断面図である。
【図２Ａ】本発明による磁気抵抗素子の第１実施形態を示す断面図である。
【図２Ｂ】本発明による磁気抵抗素子の第２実施形態を示す断面図である。
【図３】金属間化合物の結晶構造を示す図である。
【図４】本発明による磁気抵抗素子において、金属間化合物を形成する方法を説明する図である。
【図５Ａ】本発明の第１実施形態に係る磁気抵抗素子のＸ線回折データを示すグラフである。
【図５Ｂ】本発明による磁気抵抗素子の金属間化合物層をＴＥＭにより撮影した写真である。
【図５Ｃ】本発明による磁気抵抗素子の金属間化合物層をＴＥＭにより撮影した写真である。
【図５Ｄ】本発明による磁気抵抗素子の第１実施形態について、印加する磁場の大きさによるＭＲ比を測定したグラフである。
【符号の説明】
【００３１】
１０      磁気抵抗素子
１１      基板
１２      反強磁性層
１３      固定層（第１強磁性層）
１４      トンネリング障壁層
１５      自由層（第２強磁性層）
２１      基板
２２      固定化層
２３      固定層
２４      非磁性層
２５      自由層
２６      スペーサ層
４１ａ、４１ｂ、４１ｃ      金属間化合物の構成元素
４２      基板
４３      基板定着部
【図１】
2005217422.tif 000004
【図２Ａ】
2005217422.tif 000005
【図２Ｂ】
2005217422.tif 000006
【図３】
2005217422.tif 000007
【図４】
2005217422.tif 000008
【図５Ａ】
2005217422.tif 000009
【図５Ｄ】
2005217422.tif 000010
【図５Ｂ】
2005217422.tif 000011
【図５Ｃ】
2005217422.tif 000012