(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピニング層を有する磁化固着層と、前記磁化固着層上に配置され、絶縁層と、この絶縁層の層方向に電流を通過させる導電体と、を有する非磁性層と、前記非磁性層上に配置され、前記非磁性層との界面にＣｏＦｅ層が挿入されたＮｉＦｅ層を有する磁化自由層とを有するスピンバルブ膜と、
前記磁化自由層の内部に配置され、Ｔｉ又はＰｄを含み、前記非磁性層から１ｎｍ以上離れて一層あるいは複数層配置され、かつ厚さが０．１ｎｍ以上で１ｎｍ以下（１ｎｍを除く）の所定の層と、
前記スピンバルブ膜の上下に設けられ前記スピンバルブ膜の膜面に垂直に通電する１対の電極と、
を具備し、
前記スピンバルブ膜のｆｃｃ（１１１）ピーク、前記ピニング層のｆｃｔ（１１１）ピークまたはｂｃｃ（１１０）でのロッキングカーブの半値幅が３．５〜６度である磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
前記所定の層が、前記磁化自由層に配置され、かつＴｉ、およびＰｄのいずれかを含む請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
前記スピンバルブ膜の結晶粒径が１０〜４０ｎｍである請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子を具備する磁気抵抗効果ヘッド。
【請求項５】
請求項４記載の磁気抵抗効果ヘッドを具備する磁気記憶装置。
【請求項６】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子を具備する磁気メモリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗効果膜の膜面の垂直方向にセンス電流を流して磁気を検知する磁気抵抗効果素子、磁気抵抗効果ヘッド、磁気記憶装置、および磁気メモリに関する。
【背景技術】
【０００２】
巨大磁気抵抗効果（Giant Magneto-Resistive Effect：ＧＭＲ）の発見により、磁気デバイス、特に磁気ヘッド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）の磁気ヘッドやＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）などへの適用は、磁気デバイス分野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、二つの強磁性層の間に非磁性の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、膜面に対してほぼ垂直方向にセンス電流を通電するＣＰＰ（Current Perpendicular to Plane）−ＧＭＲ素子（以下、「ＣＰＰ素子」という）が、ＣＩＰ−ＧＭＲ素子よりも大きなＧＭＲ効果を発現することから、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、ＲＡ（抵抗×通電面積）で評価するのが妥当である。具体的には、ＲＡは、２００Ｇｂｐｓｉ(Gigabit per square inch)の記録密度で数百ｍΩμｍ２〜１Ωμｍ２、５００Ｇｂｐｓｉの記録密度で５００ｍΩμｍ２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、磁気デバイスがますます微細化される傾向下において、抵抗が低くても大きなＭＲ変化率が得られるポテンシャルを有している。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。
【０００７】
しかし、ピン層／スペーサ層／フリー層（これら三層構造をスピン依存散乱ユニット、またはスピンバルブ膜と呼ぶ）が金属層で形成されているメタルＣＰＰ素子では、磁化による抵抗変化量が小さく、高密度化に伴う微弱磁界を検知するのは困難である。
【０００８】
この問題を解決するために、非磁性スペーサ層として、厚み方向への電流パスを含む酸化物層［ＮＯＬ（nano-oxide layer）］を用いたＣＰＰ素子が提案されている（例えば特許文献１参照）。このようなＣＰＰ素子では、電流狭窄［ＣＣＰ（Current-confined-path）］効果により素子抵抗およびＭＲ変化率ともに増大させることができる。以下、このような素子をＣＣＰ−ＣＰＰ素子という。
【０００９】
ここで、素子（磁気デバイス）の微細化傾向に伴い、ＣＰＰスピンバルブ膜の平面方向のサイズを１００ｎｍ×１００ｎｍより小さくすることが要求される。例えば、磁気ディスクの高密度化により、０．１μｍ以下のトラック幅が必要となる。
【００１０】
このように面積の小さなＣＰＰスピンバルブ膜の膜面垂直方向にセンス電流を流す場合、スピントランスファートルクに起因するノイズが生じることが報告されている（STI（Spin-Transfer Induced）ノイズの発生、非特許文献１、２参照）。
【００１１】
スピントランスファー効果は、ある臨界値以上の電流をＣＰＰスピンバルブ膜に通電したときに、外部磁界を全く印加しない状態でも、フリー層の磁化方向が変化する現象である。このとき、通電方向が変化すると、フリー層の磁化方向が反転する可能性がある。言い換えれば、通電方向が一方向に固定されれば、フリー層の磁化安定方向も一方向に固定されることになる。
【００１２】
なお、このときの磁化安定方向は、次のようになる。電子がピン層からフリー層に流れる（電流がフリー層からピン層に流れる）ときには、フリー層の磁化方向がピン層の向きに揃うようなスピントルクが働く。一方、電子がフリー層からピン層に流れる（電流がピン層からフリー層に流れる）ときには、フリー層の磁化方向がピン層とは反平行の向きに揃うような方向にスピントルクが働く。
【００１３】
磁気ヘッドでは、媒体磁界の向きによって、フリー層の磁化方向が変化する。このため、通電方向が一定の場合、フリー層の磁化方向によっては、フリー層が磁化的に不安定となり、ノイズが発生する可能性がある。
【００１４】
このように、外部磁界を印加せず、センス電流を流した状態においても、フリー層内の磁化が不安定となり、素子のノイズが増大する可能性がある。このノイズは、スピントランスファー効果に誘導されたノイズということで、ＳＴＩ（Spin Transfer Induced）ノイズと呼ばれる。
【００１５】
ＳＴＩノイズが発生すると、信号出力が一定でも、ノイズが増大することから、磁気ヘッドのＳ／Ｎ比が悪くなり、ＨＤＤでのＢＥＲ（Bit Error Rate）が増大してしまう。この結果、高密度記録時の微弱な媒体磁界を素子で検知することが困難となり、磁気ヘッド等に用いることが実質的に不可能となる危険性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開２００２−２０８７４４号公報
【非特許文献】
【００１７】
【非特許文献１】M. Covington et al., Phys. Rev. B69, 184406 (2004)
【非特許文献２】M. Covington et al., J. Magn. Magn. Mater. 287, 325 (2005)
【非特許文献３】H. Yuasa et al., J. Appl. Phys. 92 (5), 2646 (2002)
【非特許文献４】H. Fukuzawa et al., Appl. Phys. Lett. 87, 082507 (2005)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
非特許文献１、２には、メタルＣｕ層をスペーサ層として用いた、メタルＣＰＰスピンバルブ膜でのＳＴＩノイズが示されている。ＣＣＰを有するＮＯＬスペーサ層を用いた、ＣＣＰ−ＣＰＰスピンバルブ膜においては、メタルＣＰＰスピンバルブ膜と比べて、ＳＴＩノイズを巡る状況がより複雑となる可能性がある。
【００１９】
ＣＣＰ−ＣＰＰスピンバルブ膜では、ＣＣＰの電流狭窄されたスペーサ層を介して、電流が局所的に集中した状態で、フリー層からピン層、もしくはピン層からフリー層へと、電子が注入される。局所的な電流密度は通常のメタルＣＰＰスピンバルブ膜よりもはるかに大きな値となる。ＳＴＩノイズが電流密度に敏感な点を考慮すると、ＣＣＰ−ＣＰＰスピンバルブ膜でのＳＴＩノイズは、メタルＣＰＰスピンバルブ膜でのＳＴＩノイズよりも大きくなる可能性がある。このように、ＣＣＰ−ＣＰＰスピンバルブ膜において、ＳＴＩノイズの抑制は重要な課題である。
【００２０】
上記に鑑み、本発明は、ノイズの低減を図った磁気抵抗効果素子、磁気抵抗効果ヘッド、磁気記憶装置、および磁気メモリを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明に係る磁気抵抗効果素子は、ピニング層を有する磁化固着層と、前記磁化固着層上に配置され、絶縁層と、この絶縁層の層方向に電流を通過させる導電体と、を有する非磁性層と、前記非磁性層上に配置され、前記非磁性層との界面にＣｏＦｅ層が挿入されたＮｉＦｅ層を有する磁化自由層とを有するスピンバルブ膜と、前記磁化自由層の内部に配置され、Ｔｉ又はＰｄを含み、前記非磁性層から１ｎｍ以上離れて一層あるいは複数層配置され、かつ厚さが０．１ｎｍ以上で１ｎｍ以下（１ｎｍを除く）の所定の層と、前記スピンバルブ膜の上下に設けられ前記スピンバルブ膜の膜面に垂直に通電する１対の電極と、を具備し、前記スピンバルブ膜のｆｃｃ（１１１）ピーク、前記ピニング層のｆｃｔ（１１１）ピークまたはｂｃｃ（１１０）でのロッキングカーブの半値幅が３．５〜６度であることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を表す斜視図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の製造工程を表すフロー図である。
【図３】磁気抵抗効果素子の製造に用いられる成膜装置の概略図を示す模式図である。
【図４】酸化チャンバーの構成を表す模式図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を表す斜視図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の製造工程を表すフロー図である。
【図７】本発明の実施形態に係る磁気ヘッドの断面図である。
【図８】本発明の実施形態に係る磁気ヘッドの断面図である。
【図９】本発明の実施形態に係る磁気記録再生装置の斜視図である。
【図１０】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である。
【図１１】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。
【図１２】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。
【図１３】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１４】図１３のＡ−Ａ’線に沿う断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の実施の形態においては、合金の組成は原子％（atomic％）で表される。
【００２４】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子（ＣＣＰ−ＣＰＰ素子）を表す斜視図である。なお、図１および以降の図は全て模式図であり、図上での膜厚同士の比率と、実際の膜厚同士の比率は必ずしも一致しない。
【００２５】
図１に示すように本実施の形態に係る磁気抵抗効果素子は、磁気抵抗効果膜１０、およびこれを上下から夾む下電極１１および上電極２０を有し、図示しない基板上に構成される。
【００２６】
磁気抵抗効果膜１０は、下地層１２、ピニング層１３、ピン層１４、下部金属層１５、スペーサ層（ＣＣＰ−ＮＯＬ）１６、上部金属層１７、フリー層１８、キャップ層１９が順に積層されて構成される。この内、ピン層１４、スペーサ層１６、およびフリー層１８が、全体として、二つの強磁性層の間に非磁性のスペーサ層を挟んでなるスピンバルブ膜に対応する。なお、見やすさのために、スペーサ層１６はその上下層（下部金属層１５および上部金属層１７）から切り離した状態で表している。
【００２７】
本実施形態では、ピン層１４、およびフリー層１８の少なくとも一方にダンピングファクタ（ＤＦ）調整層２１を挿入することで、ＳＴＩノイズの低減を図っている。
【００２８】
なお、図１のＣＣＰ−ＣＰＰ素子はピン層１４を下部に配置したボトム型であるが、ピン層１４を上部に配置したトップ型でも差し支えない。即ち、下電極１１、下地層１２〜キャップ層１９、および上電極２０の積層構造の上下を逆転することが可能である。
【００２９】
以下、磁気抵抗効果素子の構成要素を説明する。
【００３０】
下電極１１は、スピンバルブ膜の垂直方向に通電するための電極である。下電極１１と上電極２０との間に電圧が印加されることで、スピンバルブ膜内部をその膜垂直方向に沿って電流が流れる。この電流によって、磁気抵抗効果に起因する抵抗の変化を検出することで、磁気の検知が可能となる。具体的な材料としては、下シールドと兼用したＮｉＦｅや、非磁性のＣｕ，Ｔａ，Ｒｕ、Ｃｒなどの金属層が用いられる。
【００３１】
下地層１２は、例えば、バッファ層１２ａ、シード層１２ｂに区分することができる。
【００３２】
バッファ層１２ａは下電極１１表面の荒れを緩和したりするための層である。シード層１２ｂは、その上に成膜されるスピンバルブ膜の結晶配向および結晶粒径を制御するための層である。
【００３３】
バッファ層１２ａとしては、Ｔａ、Ｔｉ、Ｗ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｒまたはこれらの合金を用いることができる。バッファ層１２ａの膜厚は２〜１０ｎｍ程度が好ましく、３〜５ｎｍ程度がより好ましい。バッファ層１２ａの厚さが薄すぎるとバッファ効果が失われる。
【００３４】
一方、バッファ層１２ａの厚さが厚すぎるとＭＲ変化率に寄与しない直列抵抗を増大させることになるので好ましくない。なお、バッファ層１２ａ上に成膜されるシード層１２ｂがバッファ効果も有する場合には、バッファ層１２ａを必ずしも設ける必要はない。
【００３５】
シード層１２ｂは、その上に成膜される層の結晶配向を制御できる材料であればよいが、ｈｃｐ構造（hexagonal close-packed structure：六方最密構造）またはｆｃｃ構造（face-centered cubic structure：面心立方構造）を有する金属層などが好ましい。シード層１２ｂとして、Ｒｕを用いることにより、その上のスピンバルブ膜の結晶配向をｆｃｃ（１１１）配向にすることができる。また、ピニング層１３（例えば、ＰｔＭｎ）の結晶配向を規則化したｆｃｔ構造（face-centered tetragonal structure：面心正方構造）、あるいはｂｃｃ（body-centered cubic structure：体心立方構造）（１１０）配向とすることができる。
【００３６】
スピンバルブ膜やピニング層１３の結晶配向性は、Ｘ線回折により測定できる。スピンバルブ膜のｆｃｃ（１１１）ピーク、ピニング層１３（ＰｔＭｎ）のｆｃｔ（１１１）ピークまたはｂｃｃ（１１０）ピークでのロッキングカーブの半値幅を３．５〜６度として、良好な配向性を得ることができる。なお、この配向の分散角は断面ＴＥＭを用いた回折スポットからも判別することができる。
【００３７】
また、シード層１２ｂを設けることにより、スピンバルブ膜の結晶粒径を１０〜４０ｎｍに制御することができ、ＣＣＰ−ＣＰＰ素子のサイズが小さくなっても特性のばらつきを招くことなく高ＭＲ変化率を実現できる。
【００３８】
シード層１２ｂとして、Ｒｕの代わりに、例えばＮｉｘＦｅ１００−ｘ（ｘ＝９０〜５０％、好ましくは７５〜８５％）や、ＮｉＦｅに第３元素Ｘを添加して非磁性にした（ＮｉｘＦｅ１００−ｘ）１００−ｙＸｙ（Ｘ＝Ｃｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｍｏ）などのＮｉＦｅベースの合金を用いることもできる。Ｒｕよりも、ＮｉＦｅベースのほうが、シード層１２ｂとして良好な結晶配向性を得るのがより容易であり、上記と同様に測定したロッキングカーブの半値幅を３〜５度とすることができる。
【００３９】
上述した１０〜４０ｎｍという適正な結晶粒径を得るためには、第３元素Ｘの組成ｙを０〜３０％程度とすることが好ましい（ｙが０％の場合も含む）。結晶粒径を４０ｎｍよりも粗大化させるためには、さらに多量の添加元素を用いることが好ましい。例えば、ＮｉＦｅＣｒの場合にはＣｒ量を３５〜４５％程度とし、ｆｃｃとｂｃｃの境界相を示す組成を用いることが好ましい。
【００４０】
ただし、高密度記録に対応した再生ヘッドとして用いる場合には、素子サイズが１００ｎｍ以下になるので、結晶粒径が大きすぎると特性のばらつきを招くことがあり、大きな結晶粒を用いることはあまり好ましくない。一方、例えばＭＲＡＭとして用いる場合には、素子サイズが１００ｎｍ以上の場合があるので、結晶粒径を粗大化させるシード層１２ｂを用いてもよい。
【００４１】
シード層１２ｂの膜厚は１．５ｎｍ〜６ｎｍ程度が好ましく、２〜４ｎｍがより好ましい。シード層１２ｂの厚さが薄すぎると結晶配向制御などの効果が失われる。一方、シード層１２ｂの厚さが厚すぎると直列抵抗の増大を招くうえに、スピンバルブ膜の界面凹凸の原因となることがある。
【００４２】
ピニング層１３は、その上に成膜されるピン層１４となる強磁性層に一方向異方性を付与して磁化を固着する機能を有する。ピニング層１３の材料としては、ＰｔＭｎ、ＰｄＰｔＭｎ、ＩｒＭｎ、ＲｕＲｈＭｎなどの反強磁性材料を用いることができる。
【００４３】
十分な強さの一方向異方性を付与するために、ピニング層１３の膜厚を適切に設定する。ピニング層１３がＰｔＭｎやＰｄＰｔＭｎの場合には、膜厚は８〜２０ｎｍ程度が好ましく、１０〜１５ｎｍがより好ましい。ピニング層１３がＩｒＭｎやＲｕＲｈＭｎの場合には、ＰｔＭｎなどより薄い膜厚でも一方向異方性を付与することができるので、５〜１８ｎｍが好ましく、７〜１５ｎｍがより好ましい。
【００４４】
ＰｔＭｎ等の反強磁性層の比抵抗は概ね１００μΩｃｍ以上と大きいため、ピニング層１３がＭＲ変化率に直接寄与しない直列抵抗を増大させ、ＲＡの値を大きくする要因になる可能性がある。直列抵抗の増加を防止するために、ピニング層１３として、反強磁性層の代わりに、ハード磁性層を用いることができる。ハード磁性層としては、例えばＣｏＰｔ（Ｃｏ＝５０〜８５％）、（ＣｏｘＰｔ１００−ｘ）１００−ｙＣｒｙ（ｘ＝５０〜８５％、ｙ＝０〜４０％）、ＦｅＰｔ（Ｐｔ４０〜６０％）などを用いることができる。ハード磁性層（特にＣｏＰｔ）は比抵抗が比較的小さいため、直列抵抗およびＲＡの増大を抑制できる。
【００４５】
ピン層１４は、下部ピン層１４１（例えば、Ｃｏ９０Ｆｅ１０）、磁気結合層１４２（例えば、Ｒｕ）、および上部ピン層１４３（例えば、Ｃｏ９０Ｆｅ１０［４ｎｍ］）からなる３層構造のシンセティックピン層とすることができる。ピニング層１３（例えば、ＰｔＭｎ）とその直上の下部ピン層１４１は一方向異方性をもつように交換磁気結合している。磁気結合層１４２の上下の下部ピン層１４１および上部ピン層１４３は、磁化の向きが互いに反平行になるように強く磁気結合している。
【００４６】
下部ピン層１４１には、例えばＣｏｘＦｅ１００−ｘ合金（ｘ＝０〜１００％）、ＮｉｘＦｅ１００−ｘ合金（ｘ＝０〜１００％）、またはこれらに非磁性元素を添加したものを用いることができる。
【００４７】
下部ピン層１４１は、磁気膜厚すなわち飽和磁化Ｂｓ×膜厚ｔ（Ｂｓ・ｔ積）が、上部ピン層１４３とほぼ等しくなるように設計することが好ましい。一例として、上部ピン層１４３が（Ｆｅ５０Ｃｏ５０［１ｎｍ］／Ｃｕ［０．２５ｎｍ］）×２／Ｆｅ５０Ｃｏ５０［１ｎｍ］の場合には、ＦｅＣｏの飽和磁化が約２．２Ｔであるため、磁気膜厚は２．２Ｔ×３ｎｍ＝６．６Ｔｎｍとなる。下部ピン層１４１についてはＣｏ９０Ｆｅ１０の飽和磁化が約１．８Ｔなので、上記と等しい磁気膜厚を与える下部ピン層１４１の膜厚ｔは６．６Ｔｎｍ／１．８Ｔ＝３．６６ｎｍとなる。したがって、膜厚が約３．６ｎｍのＣｏ９０Ｆｅ１０を用いることが望ましい。
【００４８】
下部ピン層１４１に用いられる磁性層の膜厚は２〜５ｎｍ程度が好ましい。ピニング層１３（例えば、ＰｔＭｎ）による一方向異方性磁界強度およびＲｕを介した下部ピン層１４１と上部ピン層１４３との反強磁性結合磁界強度という観点に基づく。下部ピン層１４１が薄すぎるとＭＲ変化率が小さくなる。一方、下部ピン層１４１が厚すぎるとデバイス動作に必要な十分な一方向性異方性磁界を得ることが困難になる。
【００４９】
磁気結合層１４２（例えば、Ｒｕ）は上下の磁性層に反強磁性結合を生じさせてシンセティックピン構造を形成する機能を有する。磁気結合層１４２としてのＲｕ層の膜厚は０．８〜１ｎｍであることが好ましい。なお、上下の磁性層（下部ピン層１４１および上部ピン層１４３）に十分な反強磁性結合を生じさせる材料であれば、Ｒｕ以外の材料を用いてもよい。
【００５０】
上部ピン層１４３（Ｃｏ９０Ｆｅ１０［４ｎｍ］）は、スピン依存散乱ユニットの一部をなす。上部ピン層１４３として、ｆｃｃ構造をもつＣｏ９０Ｆｅ１０の換わりに、ｂｃｃ構造をもつＦｅＣｏなどを用いた場合、スピン依存界面散乱効果が大きいため、大きなＭＲ変化率を実現することができる。ｂｃｃ構造をもつＦｅＣｏ系合金としては、ＦｅｘＣｏ１００−ｘ（ｘ＝３０〜１００％）や、ＦｅｘＣｏ１００−ｘに添加元素を加えたものが挙げられる。スピンバルブ膜に用いられる金属材料は、ｆｃｃ構造またはｆｃｔ構造であることが多いため、上部ピン層１４３のみがｂｃｃ構造を有することがあり得る。
【００５１】
上部ピン層１４３の膜厚が薄すぎると、ｂｃｃ構造を安定に保つことが困難になり、高いＭＲ変化率が得られなくなるので、上部ピン層１４３の膜厚は２ｎｍ以上であることが好ましい。一方、大きなピン固着磁界を得るために、上部ピン層１４３の膜厚は５ｎｍ以下であることが好ましい。
【００５２】
上部ピン層１４３が高ＭＲ変化率を実現しやすいｂｃｃ構造をもつ磁性層から形成されている場合には、ｂｃｃ構造をより安定に保つために、ｂｃｃ構造をもつ層の膜厚は２ｎｍ以上であることが好ましい。
【００５３】
大きなピン固着磁界とｂｃｃ構造の安定性とを両立させるには、ｂｃｃ構造をもつ層の膜厚は２．５ｎｍ〜４ｎｍ程度が好ましい。ＦｅＣｏ系の磁性膜に関しては、相図上でより安定なｂｃｃ構造が得られる組成範囲として、Ｆｅ７５Ｃｏ２５〜Ｆｅ８５Ｃｏ１５が挙げられる。
【００５４】
上部ピン層１４３には、ｂｃｃ構造をもつ磁性材料の代わりに、ｆｃｃ構造のＣｏＦｅ合金や、ｈｃｐ構造をもつコバルト合金も用いることができる。Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉなどの単体金属、またはこれらのいずれか一つの元素を含む合金材料はすべて用いることができる。上部ピン層１４３の磁性材料として、大きなＭＲ変化率を得るのに有利なものから並べると、ｂｃｃ構造をもつ合金材料、５０％以上のコバルト組成をもつコバルト合金、５０％以上のＮｉ組成をもつニッケル合金の順になる。
【００５５】
上部ピン層１４３中にダンピングファクタ（ＤＦ）調整層２１を挿入して、ＳＴＩノイズの抑制を図ることができる。この詳細は後述する。
【００５６】
下部金属層１５は、電流パス１６２を形成するときに用いられ、いわば電流パス１６２の供給源である。ただし、電流パス１６２の形成後にも明確な金属層として残存している必要はない。
【００５７】
スペーサ層（ＣＣＰ−ＮＯＬ）１６は、絶縁層１６１、電流パス１６２を有する。なお、スペーサ層１６、下部金属層１５、および上部金属層１７を含めて、スペーサ層として取り扱うことも可能である。
【００５８】
絶縁層１６１は、酸化物、窒化物、酸窒化物等から構成され、アモルファスから形成されるＡｌ2Ｏ3もあれば、ＭｇＯのような結晶構造を有する場合もある。
【００５９】
絶縁層１６１に用いる典型的な絶縁材料として、Ａｌ２Ｏ３をベース材料としたものや、これに添加元素を加えたものがある。添加元素として、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｍｇ、Ｚｒ，Ｖ，Ｍｏ、Ｓｉ，Ｃｒ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｗ、Ｂ，Ｃなどがある。これらの添加元素の割合は０％〜５０％程度の割合で適宜変えて用いることができる。
【００６０】
絶縁層１６１には、Ａｌ２Ｏ３のようなＡｌ酸化物の換わりに、Ｔｉ酸化物、Ｈｆ酸化物、Ｍｇ酸化物、Ｚｒ酸化物、Ｃｒ酸化物、Ｖ酸化物、Ｔａ酸化物、Ｎｂ酸化物、Ｍｏ酸化物、Ｓｉ酸化物なども用いることができる。これらの酸化物の場合でも、添加元素として上述したような材料を用いることができる。また、添加元素の量としても０％〜５０％程度の割合で適宜変えて用いることができる。
【００６１】
これら酸化物の換わりに、上述したようなＡｌ，Ｓｉ，Ｈｆ，Ｔｉ，Ｍｇ，Ｚｒ，Ｖ，Ｍｏ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｗ，Ｂ，Ｃをベースとした酸窒化物や、窒化物を用いても良い。
【００６２】
電流パス１６２は、電流を狭窄するためのものであり、絶縁層１６１の層方向に電流を通過させる導電体として機能し、例えば、Ｃｕ等の非磁性金属から構成できる。即ち、スペーサ層１６は電流狭窄構造（ＣＣＰ構造）を有する。電流狭窄効果により素子抵抗およびＭＲ変化率を増大させることができる。
【００６３】
電流パス１６２は絶縁層１６１と比べて著しく酸素、窒素の含有量が少ない領域であり（少なくとも２倍以上の酸素や窒素の含有量の差がある）、一般的には結晶相である。結晶相は非結晶相よりも抵抗が小さいため、電流パス１６２として機能しやすい。
【００６４】
上部金属層１７は、その上に成膜されるフリー層１８がスペーサ層１６の酸化物に接して酸化されないように保護するバリア層としての機能を有する。
【００６５】
なお、フリー層１８の酸化はアニール条件の最適化などによって回避可能なので、必ずしも上部金属層１７を設けなくてもよい。しかし、製造上のマージンを考慮すると、スペーサ層１６上に上部金属層１７を形成することが好ましい。
【００６６】
上部金属層１７の構成材料として、Ｃｕ以外に、Ａｕ、Ａｇ、Ｒｕなどを用いることもできる。上部金属層１７の材料は、スペーサ層１６の電流パス１６２の材料と同一であることが好ましい。上部金属層１７の材料が電流パス１６２の材料と異なる場合には界面抵抗の増大を招くが、両者が同一の材料であれば界面抵抗の増大は生じない。
【００６７】
上部金属層１７の膜厚は、０〜１ｎｍが好ましく、０．１〜０．５ｎｍがより好ましい。上部金属層１７が厚すぎると、スペーサ層１６で狭窄された電流が上部金属層１７で広がって電流狭窄効果が不十分になり、ＭＲ変化率の低下を招く。
【００６８】
フリー層１８は、磁化方向が外部磁界によって変化する強磁性体を有する層であり、例えば、界面にＣｏＦｅを挿入してＮｉＦｅを用いたＣｏ90Ｆｅ10［１ｎｍ］／Ｎｉ83Ｆｅ17［３．５ｎｍ］という３層を用いてもよい。高いＭＲ変化率を得るためには、スペーサ層１６の界面に位置するフリー層１８の磁性材料の選択が重要である。この場合、スペーサ層１６との界面には、ＮｉＦｅ合金よりもＣｏＦｅ合金を設けることが好ましい。なお、ＮｉＦｅ層を用いない場合には、Ｃｏ90Ｆｅ10［４ｎｍ］を用いることができる。
【００６９】
ＣｏＦｅ合金のなかでも、軟磁気特性が安定であることから、Ｃｏ90Ｆｅ10が好ましい。Ｃｏ90Ｆｅ10近傍のＣｏＦｅ合金を用いる場合には、膜厚を０．５〜４ｎｍとすることが好ましい。
【００７０】
また、フリー層１８として、１〜２ｎｍのＣｏＦｅ層またはＦｅ層と、０．１〜０．８ｎｍ程度の極薄Ｃｕ層とを、複数層交互に積層したものを用いてもよい。
【００７１】
フリー層１８の場合においても、ピン層１４の場合と同様に、スペーサ層１６がＣｕ層から形成される場合には、ｂｃｃのＦｅＣｏ層をスペーサ層１６との界面材料として用いるとＭＲ変化率が大きくなるので、スペーサ層１６との界面材料として、ｆｃｃのＣｏＦｅ合金の換わりにｂｃｃのＦｅＣｏ合金を用いることもできる。この場合にはｂｃｃ層が形成されやすい、ＦｅｘＣｏ１００−ｘ（ｘ＝３０〜１００）や、これに添加元素を加えた材料も用いることができる。
【００７２】
ここで、これらのフリー層１８中にダンピングファクタ（ＤＦ）調整層２１を挿入して、ＳＴＩノイズの抑制を図ることができる。この詳細は後述する。
【００７３】
キャップ層１９は、スピンバルブ膜を保護する機能を有する。キャップ層１９は、例えば、複数の金属層、例えば、Ｃｕ層とＲｕ層の２層構造とすることができる。このときＣｕ層の膜厚は０．５〜１０ｎｍ程度が好ましい。また、Ｒｕ層の膜厚を０．５〜１０ｎｍ程度とすることができる。
【００７４】
キャップ層１９として、Ｃｕ層を用いず、０．５〜１０ｎｍ程度の厚さのＲｕ層をフリー層１８上に直接設けてもよい。また、Ｒｕ層の代わりに他の金属層を設けてもよい。キャップ層１９の構成は特に限定されず、キャップとしてスピンバルブ膜を保護可能なものであれば、他の材料を用いてもよい。
【００７５】
上電極２０は、スピンバルブ膜の垂直方向に通電するための電極である。下電極１１と上電極２０との間に電圧が印加されることで、スピンバルブ膜内部をその膜垂直方向に沿って電流が流れる。
【００７６】
（ダンピングファクタ（ＤＦ）調整層２１の詳細）
ダンピングファクタ調整層２１はＳＴＩノイズを低減するための層である。前述したように、磁化方向を動かそうとするトルクによって、ＳＴＩノイズが発生する。スピントルクを持った電子（簡易的な言い方をすると、磁性層の磁化情報をもった電子）がピン層１４からフリー層１８もしくはその逆向きに流れることで、磁化情報を互いに平行に揃える方向、もしくは反平行の向きに揃えるトルクが発生し、このトルクがノイズの原因となる。このような磁化方向を動かそうとするトルクを抑制すること（電流通電による磁化トルクを安定させること）がＳＴＩノイズの低減に有効である。このトルクへのダンピングを表すパラメータがダンピングファクタである。
【００７７】
本実施形態では、ダンピングファクタを増大させて、ＳＴＩノイズを低減し、しかもＭＲ変化率を高い値に維持することが可能である。具体的な手法として、ＣＣＰ−ＣＰＰスピンバルブ膜の磁性層中に、ダンピングファクタ調整層２１として、例えば、０．５ｎｍ程度の極薄のＰｔ層を挿入する。これによりスピントランスファートルク現象、ひいてはＳＴＩノイズが抑制される。
【００７８】
ここで、ダンピングファクタ調整層２１として、原子番号が大きな材料、または非磁性３ｄ遷移金属の極薄層を用いることが、ダンピングファクタを上昇させるために有効である。ダンピングファクタ調整層２１は、ピン層１４、またはフリー層１８に挿入される。
【００７９】
しかしながら、通常のメタルＣＰＰスピンバルブ膜の磁性層に大きな原子番号の材料を混入させることは、弊害をもたらす危険性がある。具体的には、大きな原子番号を有する材料を磁性層に混入させると、スピン軌道相互作用によってＧＭＲ効果が減少する。特に、メタルＣＰＰスピンバルブ膜においては、ＧＭＲ効果への影響が顕著である。これは、ＣＰＰ−ＧＭＲでは、スピン依存界面散乱効果とスピン依存バルク散乱効果の二つがあるが、通常のメタルＣＰＰスピンバルブ膜ではスピン依存バルク散乱効果の方が顕著であることに起因する。
【００８０】
スピン依存界面散乱効果は、スペーサ層１６と、ピン層１４、もしくはフリー層１８の界面におけるＧＭＲ効果であり、界面近傍のみで生じる現象である。それに対し、スピン依存バルク散乱効果は、ピン層１４、もしくはフリー層１８の磁性層内部で生じるＧＭＲ効果である。スピン依存バルク散乱効果は磁性層内での現象であるため、磁性層の膜厚が厚いほうが、スピン依存バルク散乱効果が大きくなり、ＭＲ変化率が大きくなる。
【００８１】
通常のメタルＣＰＰスピンバルブ膜においては、スピン依存界面散乱効果によるＧＭＲ現象は小さく、ＧＭＲ現象のほとんどがスピン依存バルク散乱効果に起因する（非特許文献３：H. Yuasa et al., J. Appl. Phys. 92 (5), 2646 (2002)）。この非特許文献３のＦｉｇ５で、磁性層膜厚がゼロの極限でのＡｄＲ（面積抵抗変化量）に比べて（この値がスピン依存界面散乱効果に相当）、磁性層膜厚が厚いところでのＡｄＲのほうがはるかに大きいこと（磁性層膜厚が厚いところではスピン依存界面散乱効果とスピン依存バルク散乱効果の和をみていることになる）から、この事実を理解することができる。
【００８２】
つまり、通常のメタルＣＰＰスピンバルブ膜においては、スピンバルク散乱効果の寄与が非常に大きい。このため、スピン依存バルク散乱効果を低下させる大きな原子番号の材料を磁性層に挿入することは、ＭＲ変化率の低下、ひいてはヘッド出力の低下、という観点において好ましくない。即ち、低ＳＴＩノイズと高出力の両立が困難である。このように、通常のメタルスペーサ層１６を有するメタルＣＰＰスピンバルブ膜において、大きな原子番号の元素をピン層１４もしくはフリー層１８の磁性層に挿入するのは好ましい手法とは言いにくい。
【００８３】
一方、ＣＣＰ−ＣＰＰスピンバルブ膜においては、スピン依存バルク散乱効果よりも、スピン依存界面散乱効果の影響のほうがはるかに大きい（非特許文献４：H. Fukuzawa et al., Appl. Phys. Lett. 87, 082507 (2005)）。これは、スピンバルブ膜のトータル抵抗に占める、ＣＣＰ部分の寄与が非常に大きいため、ＣＣＰ近傍での界面効果の影響が大きいことに起因する。つまり、ＣＣＰ−ＣＰＰスピンバルブ膜においては、多少のスピン依存バルク散乱効果の低下があったとしても、スピン依存界面散乱効果の低下が起こらなければ、ＭＲ変化率およびヘッド出力の低下は生じにくい。このため、低ＳＴＩノイズと高いＭＲ変化率の両立を図ることが容易となる。
【００８４】
上記の理由によって、ＣＣＰ−ＣＰＰ素子において、ダンピングファクタ調整層２１によって、ＭＲを事実上低下させることなく、ＳＴＩノイズを抑制することが可能となる。
【００８５】
ダンピングファクタ調整層２１としては、Ｐｔ以外にもＺｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ａｇ，Ｌａ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ，Ｒｅ，Ｏｓ，Ｉｒ，Ｐｔ，Ａｕなどの原子番号が比較的大きな材料や、非磁性のＴｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎなどの３ｄ遷移金属も用いることができる。
【００８６】
非磁性材料を挿入することで、ピン層１４、またはフリー層１８内（即ち、ダンピングファクタ調整層２１を介した上下磁性層間）での磁気結合が分断される可能性がある。ダンピングファクタ調整層２１を介した磁気結合を十分大きな値として保つためには、ダンピングファクタ調整層２１の膜厚として、０．１〜１ｎｍ、さらに好ましくは０．１ｎｍ〜０．７ｎｍが好ましい。
【００８７】
ダンピングファクタ調整層２１はピン層１４、フリー層１８のいずれか一方のみに挿入されていても差し支えない。
【００８８】
スペーサ層１６の近傍にダンピングファクタ調整層２１を挿入すると、ＭＲ変化率の減少を招き好ましくない。スペーサ層１６から少なくとも１ｎｍ以上離れた位置に、ダンピングファクタ調整層２１を挿入することが好ましい。即ち、ＭＲ変化率への影響を考慮し、スペーサ層１６からある程度離れた位置にダンピングファクタ調整層２１を配置する。
【００８９】
このように、スペーサ層１６との界面近傍から１ｎｍ程度離れた位置にダンピングファクタ調整層２１が配置されることによって、スピン依存界面散乱効果には悪影響を与えることなく、ダンピングファクタを抑制することができる。つまり、ＣＣＰ−ＣＰＰの場合にはＭＲ変化率を犠牲にすることなく、効率的にＳＴＩノイズを抑制することが可能となる。
【００９０】
材料によっては、スペーサ層１６との界面近傍から１ｎｍ以下の領域にダンピングファクタ調整層２１を挿入することも可能である。具体的には、Ｔｉ、Ｚｒ、ＰｄやＮｂなどをダンピングファクタ調整層２１として用いたときには、比較的スピン依存界面散乱効果の影響を乱すことがないので、スペーサ層１６との界面から１ｎｍ以下の領域にダンピングファクタ調整層２１を挿入しても構わない。より具体的には、スペーサ層１６との界面（つまり界面から０ｎｍの距離）から１ｎｍまでの距離における挿入位置でも用いることができる。当然のことながら、これらの材料は、それよりも離れた距離など、任意の位置に挿入することが可能ある。
【００９１】
ＭＲ変化率への影響が少ない、という観点において、これらＴｉ、Ｚｒ、Ｐｄ、Ｎｂなどの材料はダンピングファクタ調整層２１として用いやすい材料である。
【００９２】
ダンピングファクタ調整層２１はピン層１４、もしくはフリー層１８といった磁性層に複数層挿入しても構わない。この場合には、上記Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂなどの材料を用いるときはスペーサ層１６からの距離が１ｎｍ以下のところに第一層を挿入し、Ｐｔ等他の元素のときにはスペーサ層１６からの距離が１ｎｍよりも離れたところに第一層を挿入する。
【００９３】
そして、第２層、第３層といった積層膜を前記第１層よりもスペーサ層１６から離れた位置に挿入することになる。これら第１層と第２層、もしくは第２層と第３層との間の距離は、１ｎｍから２ｎｍ程度が好ましい範囲である。しかし、厚い磁性層を用いる場合にはこの範囲よりも厚い間隔で用いることも可能である。
【００９４】
フリー層１８、もしくはピン層１４内でダンピングファクタ調整層２１を複数層用いることのメリットとして、ダンピングファクタ調整の効果、ひいてはノイズ低減の効果がより増大する点がある。ダンピングファクタ調整層２１を複数層挿入するのは、フリー層１８だけの場合でもよいし、ピン層１４だけの場合でもよく、またピン層１４、フリー層１８両方を積層構成にしても構わない。
【００９５】
複数層のダンピングファクタ調整層２１を用いるデメリットとして、ＭＲ変化率が低減したり、ダンピングファクタ調整層２１を介した磁性層間の磁気結合が弱まったりすることで、磁気特性が悪くなる可能性がある。磁気特性を防止するため、フリー層１８、もしくはピン層１４内でのダンピングファクタ調整層２１の膜厚の総量が、一層の場合と同様の膜厚範囲であることが好ましい。また、一つの磁性層内での複数のダンピングファクタ調整層２１間の距離としては、上述したように、１〜２ｎｍが好ましい範囲となる。
【００９６】
ここで、本実施形態のような、ダンピングファクタ調整層２１を用いる代わりに、磁性層（ピン層１４、フリー層１８）の構成材料自体に、ＳＴ効果が抑制されるような材料（例えば、合金材料）を選択することが考えられる。
【００９７】
しかし、この場合にはＭＲ変化率が低下してしまう。ＣＣＰ構造をもつＣＰＰスピンバルブ膜ではスペーサ層１６の界面近傍でのＭＲ効果が大きく、この界面近傍にＭＲ変化率を低下させるような添加元素が存在することは好ましくない。
【００９８】
スペーサ層１６との界面近傍では高ＭＲ化を損なわない磁性材料を用い、磁性層（ピン層１４、フリー層１８）の内部に極薄の層（ダンピングファクタ調整層２１）を挿入することでＳＴ効果を抑制できる。このようにすることで、ＳＴ効果の抑制と、ＭＲ変化率の維持とを両立することが容易となる。
【００９９】
以下、本実施形態を比較例と対比して説明する。
【０１００】
Ａ．Ｐｔを磁性層全体に添加する場合との比較  比較例として、Ｐｔを磁性層全体に添加元素として用いた場合を考える。フリー層１８として用いる、ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅのような積層磁性層に、Ｐｔを全体的に添加すると、ＣｏＦｅＰｔ／ＮｉＦｅＰｔのフリー層１８となる。この場合、ダンピングファクタが上昇し、ＳＴＩノイズを抑制することができる。しかし、その一方では、ＭＲ変化率が低下するため、ヘッド出力の低下を招くことになる。具体的には、Ｐｔ添加しないフリー層においては、９％であったＭＲ変化率が、Ｐｔを添加したフリー層においては、４％となり、ＭＲ変化率が大幅に低下してしまう。
【０１０１】
一方、本実施形態では、Ｐｔの極薄層をＣＣＰの界面から少し遠ざかったところに挿入することで、大きなスピン依存界面散乱効果を維持したままで、ダンピングファクタ調整する効果が発揮される。具体的には、０．５ｎｍの極薄Ｐｔ層をＮｉＦｅ層中に挿入することで、ＭＲ変化率は８．５％と若干低下するが、さほど大きな低下ではなく、かつＳＴＩノイズを大幅に抑制することが可能となる。即ち、本実施形態では、ＭＲ変化率が微減して信号出力が微減する影響よりも、ノイズが低減することでＳ／Ｎ比が向上するメリットの方が大きく、結果的にＢＥＲ（Bit Error Rate）が低下し、良好な特性を得ることが可能となる。
【０１０２】
Ｂ．メタルＣＰＰスピンバルブ膜の場合との比較
ＣＣＰ構造を有しないメタルＣＰＰスピンバルブ膜の場合には、スピン依存界面散乱効果が主ではなく、スピン依存バルク散乱効果が非常に大きな寄与となっている。このため、スペーサ層１６の界面から遠ざかったところに極薄のＰｔ層を挿入したとしても、ＭＲ変化率は低下してしまい、ダンピングファクタ調整層２１としての機能を発揮することができない。
【０１０３】
具体的な例を挙げると、ＣＣＰスペーサ層を有しない、５ｎｍのＣｕスペーサ層を有する通常のメタルＣＰＰスピンバルブ膜で、標準的なＣｏＦｅ／ＮｉＦｅフリー層の場合には、ＭＲ変化率は２％である。このとき、ＮｉＦｅ層中に０．５ｎｍの極薄Ｐｔ層等を挿入すると、ＭＲ変化率は１％になってしまう。単純なメタルＣＰＰスピンバルブ膜の場合には、もともとのＭＲ変化率が１〜３％とただでさえ小さい値で、磁気ヘッドとして十分な出力を取りにくい。そして、このメタルＣＰＰスピンバルブ膜にダンピングファクタ調整層２１を挿入することによるＭＲ変化率の劣化量は、ＣＣＰ−ＣＰＰの場合よりも大きい。このため、トータルパフォーマンスとしては、メタルＣＰＰスピンバルブ膜のダンピングファクタ調整層２１として、極薄Ｐｔ層を用いることは困難である。
【０１０４】
このように、ＣＣＰスピンバルブ膜とダンピングファクタ調整層２１とを組み合わせることで、大きな効果が発揮される。
【０１０５】
Ｃ．ダンピングファクタ調整層２１を変更することによる影響
基本となるＣＣＰ−ＣＰＰスピンバルブ膜を固定し、ダンピングファクタ調整層２１を変えたときのＭＲ変化率への影響を検討する。
【０１０６】
ＭＲ変化率に大きな影響を与えるピン層１４、スペーサ層１６、フリー層１８の構成としては以下のような構成を用いて検討した。まず、ピン層１４３として、２〜３ｎｍのＦｅ５０Ｃｏ５０に、０．２ｎｍの極薄Ｃｕを１ｎｍのＦｅＣｏごとに積層したものを用いた。スペーサ層１６は、ＣＣＰ構造を有するＡｌ２Ｏ３を絶縁層として用い、Ｃｕをメタルパスとして用いた１．５〜２ｎｍのスペーサ層１６とした。フリー層１８としては、ＣｏＦｅ  １ｎｍ／ＮｉＦｅ  ３．５ｎｍを基本膜構成とした。
【０１０７】
このようなＣＣＰ−ＣＰＰスピンバルブ膜において、ダンピングファクタ調整層２１を用いたときの、ダンピングファクタ調整層２１の材料、および挿入位置依存性を示したものを以下の表１に示す。
【表１】
0005118766.tif 000002
【０１０８】
この表１は、ダンピングファクタ調整層２１をフリー層１８のみに挿入した場合の、材料、および挿入位置（距離：ＣＣＰ界面からの距離）へのＭＲ変化率の依存性を表す。なお、比較例０は、ダンピングファクタ調整層２１を有しない場合である。
【０１０９】
表１から判るように、Ｐｔのような標準的なダンピングファクタ調整層２１をスペーサ層１６の界面に挿入した場合には、ＭＲ変化率は大きく減少し、有効とはいえない。通常は、スペーサ層１６の界面から１ｎｍ以上離れた位置にダンピングファクタ調整層２１を挿入することが望ましい。
【０１１０】
一方、ダンピングファクタ調整層２１がＴｉ，Ｚｒ，ＰｄやＨｆの場合には、これをスペーサ層１６の界面近傍に挿入してもＭＲ変化率の減少の程度は比較的小さく、界面近傍においても用いることができる。しかしながら、界面よりも磁性層内部に挿入した場合のほうが、ＭＲ変化率減少への影響が少なくなるので、ＭＲ変化率の観点からは望ましい。
【０１１１】
具体的なＳＴＩノイズの状況に応じて、界面近傍に設けるか、それとも磁性層内部に設けるかが最適化される。媒体の磁界に対する磁化応答はフリー層１８が担い、ピン層１４は媒体磁界の向きによらず磁化固着されているため、フリー層１８にダンピングファクタ調整層２１を挿入することがＳＴＩノイズ低減に有効である。よって、実施例１〜１１のようにフリー層１８に挿入することが、ＭＲ変化率と、ＳＴＩノイズ低減とが両立する構成として好ましい。
【０１１２】
ピン層１４のみにダンピングファクタ調整層２１を挿入した場合の実施例２１〜３１を表２に示す。この場合も材料への依存性は定性的には実施例１〜１１と同様である。しかしながら、ピン層１４の場合にはスピン依存界面散乱効果が大きなｂｃｃ−ＦｅＣｏを用いていることで、スピン依存界面散乱効果の上昇程度が大きい。このため、ダンピングファクタ調整層２１を挿入することによるＭＲ変化率の減少へのダメージはフリー層１８の場合よりも大きくなる。
【表２】
0005118766.tif 000003
【０１１３】
ピン層１４、フリー層１８ともに挿入した場合の実施例４１〜５１を表３に示す。傾向はこれまでと同様であり、ピン層１４のみ、フリー層１８のみに挿入した場合と比較すると、ＭＲ変化率の減少度合いは大きくなるが、ＳＴＩノイズ抑制効果は大きくなる。
【表３】
0005118766.tif 000004
【０１１４】
（磁気抵抗効果素子の製造方法）
以下、本実施の形態における磁気抵抗効果素子の製造方法についてより詳細に説明する。
【０１１５】
図２は、本発明の第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の製造工程を表すフロー図である。
【０１１６】
図３は、磁気抵抗効果素子の製造に用いられる成膜装置の概略を示す模式図である。また、図４は、この成膜装置中の酸化チャンバー６０を表す模式図である。
【０１１７】
図３に示すように、搬送チャンバー（ＴＣ）５０を中心として、ロードロックチャンバー５１、プレクリーニングチャンバー５２、第１の金属成膜チャンバー（ＭＣ１）５３、第２の金属成膜チャンバー（ＭＣ２）５４、酸化チャンバー（ＯＣ）６０がそれぞれゲートバルブを介して設けられている。この成膜装置では、ゲートバルブを介して接続された各チャンバーの間で、真空中において基板を搬送することができるので、基板の表面は清浄に保たれる。
【０１１８】
金属成膜チャンバー５３，５４は多元（５〜１０元）のターゲットを有する。成膜方式は、ＤＣマグネトロンスパッタ、ＲＦマグネトロンスパッタ等のスパッタ法や、イオンビームスパッタ法、蒸着法などが挙げられる。
【０１１９】
図４に示すように、酸化チャンバー６０は真空ポンプ６１によって真空引きされ、酸化チャンバー６０にはマスフローコントローラー（ＭＦＣ）６３により流量制御された酸素ガスが酸素供給管６２から導入される。
【０１２０】
酸化チャンバー６０内にはイオンソース７０が設けられている。イオンソースの形式は、ＩＣＰ（Inductive coupled plasma）型、Capacitive coupled plasma型、ＥＣＲ（Electron-cyclotron resonance）型、カウフマン型などが挙げられる。
【０１２１】
イオンソース７０に対向するように基板ホルダー８０および基板１が配置される。イオンソース７０からのイオン放出口には、イオン加速度を調整する３枚のグリッド７１、７２、７３が設けられている。イオンソース７０の外側にはイオンを中和するニュートラライザ７４が設けられている。基板ホルダー８０は傾斜可能に支持されている。基板１へのイオンの入射角度は広い範囲で変えることができるが、典型的な入射角度の値は１５°〜６０°である。
【０１２２】
以下、磁気抵抗効果素子の製造工程を説明する。
【０１２３】
基板（図示せず）上に、下電極１１、下地層１２、ピニング層１３、ピン層１４、下部金属層１５、スペーサ層１６、上部金属層１７、フリー層１８、キャップ層１９、上電極２０を順に形成する。なお、形成の順序をこの逆とすることも可能である。
【０１２４】
基板をロードロックチャンバー５１にセットし、金属の成膜を金属成膜チャンバー５３、５４で、酸化を酸化チャンバー６０でそれぞれ行う。金属成膜チャンバーの到達真空度は１×１０−８Ｔｏｒｒ以下とすることが好ましく、５×１０−１０Ｔｏｒｒ〜５×１０−９Ｔｏｒｒ程度が一般的である。搬送チャンバー５０の到達真空度は１０−９Ｔｏｒｒオーダーである。酸化チャンバー６０の到達真空度は８×１０−８Ｔｏｒｒ以下である。
【０１２５】
（１）下電極１１、下地層１２、ピニング層１３の形成（ステップＳ１１）  基板（図示せず）上に、下電極１１を形成する。
【０１２６】
下電極１１上に、下地層１２として、例えば、Ｔａ［５ｎｍ］／Ｒｕ［２ｎｍ］を成膜する。既述のように、Ｔａは下電極の荒れを緩和したりするためのバッファ層１２ａである。Ｒｕはその上に成膜されるスピンバルブ膜の結晶配向および結晶粒径を制御するシード層１２ｂである。
【０１２７】
下地層１２上にピニング層１３を成膜する。ピニング層１３の材料としては、ＰｔＭｎ、ＰｄＰｔＭｎ、ＩｒＭｎ、ＲｕＲｈＭｎなどの反強磁性材料を用いることができる。
【０１２８】
（２）ピン層１４（およびダンピングファクタ調整層２１）の形成（ステップＳ１２）  ピニング層１３上にピン層１４を形成する。ピン層１４は、例えば、下部ピン層１４１（Ｃｏ９０Ｆｅ１０）、磁気結合層１４２（Ｒｕ）、および上部ピン層１４３（Ｃｏ９０Ｆｅ１０［４ｎｍ］）からなるシンセティックピン層とすることができる。
【０１２９】
上部ピン層１４３の成膜の途中で、成膜する材料を切り換えることでダンピングファクタ調整層２１を挿入することができる。具体的には、成膜材料をＣｏ９０Ｆｅ１０からＰｔに切り換えて、またＣｏ９０Ｆｅ１０に戻すことで、上部ピン層１４３中にＰｔからなるダンピングファクタ調整層２１が挿入される。
【０１３０】
（３）スペーサ層１６の形成（ステップＳ１３）
次に、電流狭窄構造（ＣＣＰ構造）を有するスペーサ層１６を形成する。スペーサ層１６を形成するには、酸化チャンバー６０を用いる。
【０１３１】
スペーサ層１６を形成するには、以下のような方法を用いる。ここでは、アモルファス構造を有するＡｌ2Ｏ3からなる絶縁層１６１中に金属結晶構造を有するＣｕからなる電流パス１６２を含むスペーサ層１６を形成する場合を例に説明する。
【０１３２】
１）上部ピン層１４３上に、電流パスの供給源となる下部金属層１５（例えばＣｕ）を成膜した後、下部金属層１５上に絶縁層に変換される被酸化金属層（例えばＡｌＣｕやＡｌ）を成膜する。
【０１３３】
被酸化金属層に希ガス（例えばＡｒ）のイオンビームを照射して前処理を行う。この前処理をＰＩＴ（Pre-ion treatmentという）。このＰＩＴの結果、被酸化金属層中に下部金属層の一部が吸い上げられて侵入した状態になる。
【０１３４】
２）酸化ガス（例えば酸素）を供給して被酸化金属層を酸化する。この酸化により、被酸化金属層をＡｌ2Ｏ3からなる絶縁層１６１に変換するとともに、絶縁層１６１を貫通する電流パス１６２を形成して、スペーサ層１６を形成する。
【０１３５】
例えば、希ガス（Ａｒ、Ｘｅ、Ｋｒ、Ｈｅなど）のイオンビームを照射しながら酸化ガス（例えば酸素）を供給して被酸化金属層を酸化する（イオンビームアシスト酸化（ＩＡＯ：Ion beam-assisted Oxidation））。この酸化処理により、絶縁層１６１であるＡｌ2Ｏ3と電流パス１６２であるＣｕとが分離した形態のスペーサ層１６が形成される。Ａｌが酸化されやすく、Ｃｕが酸化されにくいという、酸化エネルギーの差を利用した処理である。
【０１３６】
（４）上部金属層１７、フリー層１８（およびダンピングファクタ調整層２１）の形成（ステップＳ１４）
スペーサ層１６の上に、上部金属層１７として、例えば、Ｃｕ［０．２５ｎｍ］を成膜する。
【０１３７】
上部金属層１７の上に、フリー層１８、例えば、Ｃｏ90Ｆｅ10［１ｎｍ］／Ｎｉ83Ｆｅ17［３．５ｎｍ］を形成する。
【０１３８】
フリー層１８の成膜の途中で、成膜する材料を切り換えることでダンピングファクタ調整層２１を挿入することができる。具体的には、成膜材料をＮｉ83Ｆｅ17からＰｔに切り換えて、またＮｉ83Ｆｅ17に戻すことで、フリー層１８のＮｉ83Ｆｅ17中にＰｔからなるダンピングファクタ調整層２１が挿入される。
【０１３９】
（５）キャップ層１９、および上電極２０の形成（ステップＳ１５）
フリー層１８の上に、キャップ層１９として例えば、Ｃｕ［１ｎｍ］／Ｒｕ［１０ｎｍ］を積層する。キャップ層１９の上にスピンバルブ膜へ垂直通電するための上電極２０を形成する。
【０１４０】
（実施例）
本発明の実施例の一例として、以下のような構成を挙げることができる。この実施例では、上部ピン層１４３中、およびフリー層１８のＦｅ５０Ｃｏ５０層中に、ダンピングファクタ調整層２１として、０．５ｎｍのＰｔ層を配置している。ダンピングファクタ調整層２１を用いることで、ＲＡが３００〜１０００ｍｍ２で、ＭＲ変化率が８〜１５％という高い値を保持しつつ、ＳＴＩノイズを抑制することが可能となる。
【０１４１】
・下電極１１
・下地層１２：Ｔａ［５ｎｍ］／Ｒｕ［２ｎｍ］
・ピニング層１３：Ｐｔ５０Ｍｎ５０［１５ｎｍ］
・ピン層１４：Ｃｏ９０Ｆｅ１０［４ｎｍ］／Ｒｕ［０．９ｎｍ］／Ｆｅ５０Ｃｏ５０［
２ｎｍ］／Ｐｔ０．５ｎｍ／Ｆｅ５０Ｃｏ５０［２ｎｍ］
・下部金属層１５：Ｃｕ［０．５ｎｍ］
・スペーサ層（ＣＣＰ−ＮＯＬ）１６：Ａｌ２Ｏ３からなる絶縁層１６１およびＣｕからなる電流パス１６２（Ａｌ９０Ｃｕ１０［０．９ｎｍ］を成膜した後、酸化処理）
・上部金属層１７：Ｃｕ［０．２５ｎｍ］
・フリー層１８：Ｃｏ９０Ｆｅ１０［１ｎｍ］／Ｎｉ８３Ｆｅ１７［１ｎｍ］／Ｐｔ［０
．５ｎｍ］／Ｎｉ８３Ｆｅ１７［１ｎｍ］
・キャップ層１９：Ｃｕ［１ｎｍ］／Ｒｕ［１０ｎｍ］
・ 上電極２０
（第２の実施の形態）
図５は、本発明の第２の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子（ＣＣＰ−ＣＰＰ素子）を表す斜視図である。
【０１４２】
図５に示すように本実施の形態に係る磁気抵抗効果素子は、磁気抵抗効果膜１０ａ、およびこれを上下から夾む下電極１１および上電極２０を有し、図示しない基板上に構成される。
【０１４３】
磁気抵抗効果膜１０ａは、下地層１２、ピニング層１３、ピン層１４ａ、下部金属層１５、スペーサ層（ＣＣＰ−ＮＯＬ）１６、上部金属層１７、フリー層１８ａ、キャップ層１９が順に積層されて構成される。磁気抵抗効果膜１０ａは、本質的に磁気抵抗効果膜１０と異なる訳ではないので、これら下地層１２〜キャップ層１９の詳細な説明は省略する。
【０１４４】
本実施形態では、フリー層１８ａ上の界面（フリー層１８ａとキャップ層１９の境界）に電子乱反射層（Diffusive Electron Scattering Layer: DESL）２２を配置することで、ＳＴＩノイズの低減を図っている。第１の実施形態と異なり、ピン層１４ａには電子乱反射層２２は配置していない。
【０１４５】
電子乱反射層２２は、キャップ層１９の下に配置され、電子を乱反射させる層である。電子乱反射層２２で電子を乱反射させることで、強磁性層（フリー層１８ａ）の外側界面（スペーサ層１６とは反対側の界面）での電子反射を制限し、ＳＴ効果、ひいてはＳＴＩノイズを抑制することができる。なお、電子乱反射層２２をキャップ層１９に含めて考えることも可能である。
【０１４６】
（１）非磁性アモルファス材料によって、電子乱反射層２２を構成できる。非磁性アモルファス材料のアモルファス構造によって、電子を乱反射させ、ＳＴＩノイズが抑制される。
【０１４７】
非磁性アモルファス材料として、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｂ、Ｓｉ、Ｗなどの単体金属、またはこれらの元素を少なくとも５０％以上含む合金材料を用いることができる。非磁性アモルファス材料として、ＡｌＢや、ＡｌＳｉＢ、ＡｌＳｉなどの合金組成によるアモルファス材料を用いても良い。
【０１４８】
非磁性アモルファス材料のアモルファス構造による電子の乱反射を利用してＳＴＩノイズを抑制するため、電子乱反射層２２が結晶構造を有することは好ましくない。電子乱反射層２２内の結晶化を抑制するために、電子乱反射層２２がある程度薄い方が好ましい。
【０１４９】
また、狭ギャップという観点からも、電子乱反射層２２がある程度薄い方が好ましい。具体的には、電子乱反射層２２の厚さとして０．５〜５ｎｍが好ましく、１〜３ｎｍがより好ましい。
【０１５０】
（２）また、ミキシング層によって、電子乱反射層２２を構成できる。ミキシング層によって、電子の乱反射を発生させ、ＳＴＩノイズを抑制できる。
【０１５１】
２つの層を積層し、その界面にミキシング層を形成できる。即ち、相互に固溶な関係にある少なくとも二種以上の合金材料を２層にわけて積層し、その界面に固溶なミキシング層を形成できる。相互に固溶な材料の組み合わせとして、ＣｕとＡｌ（ＣｕＡｌ合金を形成）、ＣｕとＮｉ（ＣｕＮｉ合金を形成）などが挙げられる。
【０１５２】
（磁気抵抗効果素子の製造方法）
図６は、本発明の第２の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の製造工程を表すフロー図である。
【０１５３】
図６は、ダンピングファクタ調整層２１に換えて電子乱反射層２２を形成する点が図２と異なる。これ以外の点では、図６は図２と本質的に異なる訳ではないので、以下、電子乱反射層２２の形成のみを説明する。
【０１５４】
図６のステップＳ２５での電子乱反射層２２の形成には次の手法（１）〜（３）のいずれかを適用できる。
【０１５５】
（１）アモルファス層の形成
既述のＴａなどの単体金属、これらの元素を少なくとも５０％以上含む合金材料、ＡｌＢなどの合金材料を成膜することで、非磁性アモルファス材料の層が形成される。この成膜にＤＣマグネトロンスパッタ、ＲＦマグネトロンスパッタ等のスパッタ法や、イオンビームスパッタ法、蒸着法を用いることができる。
【０１５６】
なお、これらの材料はアモルファス化し易いことから、冷却等のアモルファス化を促進する手段を成膜時に適用しなくても差し支えない。
【０１５７】
（２）ミキシング層の形成
１）既述のように、相互に固溶な関係にある少なくとも二種以上の合金材料を第１層、第２層にわけて積層することで、その界面に固溶なミキシング層を形成できる。この積層にＤＣマグネトロンスパッタ、ＲＦマグネトロンスパッタ等のスパッタ法や、イオンビームスパッタ法、蒸着法を用いることができる。
【０１５８】
例えば、フリー層１８ａ上に、第１層としてＡｌを０．５ｎｍ、第２層としてＣｕを０．５ｎｍ、順に積層する。ＡｌとＣｕは互いに固溶な関係にあるため、その界面においてミキシング層が形成され、このミキシング層で電子が乱反射される。
【０１５９】
なお、Ａｌ［０．５ｎｍ］／Ｃｕ［０．５ｎｍ］に引き続いて、Ｒｕを１０ｎｍ積層し、キャップ層１９とすることができる（図６のステップＳ２６）。
【０１６０】
２）第１層、第２層の界面に表面処理を施して、ミキシング層の形成を促進することも可能である。
【０１６１】
例えば、フリー層１８ａ上に、第１層としてＡｌを０．５ｎｍ成膜し、その後、第２層としてＣｕを０．５ｎｍ成膜後、プラズマやイオンビーム等の処理をその表面に施す。表面処理を施すことで、Ａｌ層とＣｕ層の界面でのミキシング層の形成をエンハンス（促進）できる。イオン等の入射エネルギーにより、Ａｌ層とＣｕ層の界面の原子が移動し、入り交じることで、ミキシング層の形成が促進される。
【０１６２】
この表面処理は、第１、第２層の成膜後のみならず、成膜中に行っても良い。例えば、第１層の成膜後、第２層の成膜中に、表面処理を施すことができる。
【０１６３】
この表面処理には、Ａｒ，Ｎｅ等の不活性ガスをプラズマ化、イオン化して用いることができる。このとき、希ガスのイオンの他に、中性原子も、この表面処理に寄与し得る。界面に入射した際に、ある程度のエネルギーを有していれば、そのイオン化の有無を問わず、界面の原子を移動させることができる。
【０１６４】
表面処理によるミキシング層の形成促進は、ＡｌとＣｕの組み合わせ以外に、他の材料の組み合わせの場合（例えば、ＮｉとＣｕ）でも有効である。
【０１６５】
（実施例）
本発明の実施例の一例として、以下のような構成を挙げることができる。ここではキャップ層１９内のＴａ層が電子乱反射層２２として機能する。即ち、ここでは電子乱反射層２２をキャップ層１９に含めて考えている。フリー層１８の内部にある非磁性層や、スペーサ層１６との界面にある非磁性層はダンピングファクタ調整層２１として考えるが、フリー層１８の最上部に積層された非磁性層はキャップ層１９の一部とみなすことができる。
【０１６６】
ここでは、（Ｆｅ５０Ｃｏ５０／Ｃｕ）を２回繰り返し積層して、上部ピン層１４３ａを形成している。非特許文献３で示したように、ＦｅＣｏはスピン依存界面散乱効果が大きいため用いており、Ｃｕを積層するのはスピン依存バルク散乱効果を向上させるためである。
【０１６７】
なお、上部ピン層１４３ａをＦｅ５０Ｃｏ５０のみから形成しても差し支えない。
【０１６８】
・下電極１１
・下地層１２：Ｔａ［５ｎｍ］／Ｒｕ［２ｎｍ］
・ピニング層１３：Ｐｔ５０Ｍｎ５０［１５ｎｍ］
・ピン層１４：Ｃｏ９０Ｆｅ１０［４ｎｍ］／Ｒｕ［０．９ｎｍ］／（Ｆｅ５０Ｃｏ５０
［１ｎｍ］／Ｃｕ［０．２５ｎｍ］）×２／Ｆｅ５０Ｃｏ５０［１ｎｍ］
・下部金属層１５：Ｃｕ［０．５ｎｍ］
・スペーサ層（ＣＣＰ−ＮＯＬ）１６
・上部金属層１７：Ｃｕ［０．２５ｎｍ］
・フリー層１８：Ｃｏ９０Ｆｅ１０［１ｎｍ］／Ｎｉ８３Ｆｅ１７［３．５ｎｍ］
・キャップ層１９：Ｔａ［１ｎｍ］／Ｃｕ［１０ｎｍ］
・上電極２０
（磁気ヘッド）
図７および図８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７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８は、この磁気抵抗効果素子を媒体対向面ＡＢＳに対して垂直な方向に切断した断面図である。
【０１６９】
図７および図８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は上述したＣＣＰ−ＣＰＰ膜である。磁気抵抗効果膜１０の上下には、下電極１１と上電極２０とがそれぞれ設けられている。図７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４１と絶縁膜４２とが積層して設けられている。図８に示すように、磁気抵抗効果膜１０の媒体対向面には保護層４３が設けられている。
【０１７０】
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、２０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４１、４１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１８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。
【０１７１】
磁気抵抗効果膜１０のＳ／Ｎ比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。
【０１７２】
（ハードディスクおよびヘッドジンバルアセンブリー）
図７および図８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。
【０１７３】
図９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。
【０１７４】
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。
【０１７５】
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。
【０１７６】
サスペンション１５４は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、ボビン部に巻か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。
【０１７７】
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。
【０１７８】
図１０は、アクチュエータアーム１５５から先のヘッドジンバルアセンブリーをディスク側から眺めた拡大斜視図である。すなわち、アセンブリ１６０は、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。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はアセンブリ１６０の電極パッドである。
【０１７９】
本実施形態によれば、上述の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、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。
【０１８０】
（磁気メモリ）
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（ＭＲＡＭ： magnetic random access memory）などの磁気メモリを実現できる。
【０１８１】
図１１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膜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。
【０１８２】
図１２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。
【０１８３】
図１３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１４は、図１３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１１または図１２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。
【０１８４】
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（ＣＣＰ−ＣＰＰ素子）である。
【０１８５】
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。
【０１８６】
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。
【０１８７】
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。
【０１８８】
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。
【０１８９】
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（ＣＣＰ−ＣＰＰ素子）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。
【０１９０】
（その他の実施形態）
本発明の実施形態は上記の実施形態に限られず拡張、変更可能であり、拡張、変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
【０１９１】
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。
【０１９２】
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。
【０１９３】
また、本発明の実施形態は、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適用できる。
【０１９４】
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。
【０１９５】
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。
【符号の説明】
【０１９６】
１０…磁気抵抗効果膜（磁気抵抗効果素子）、１１…下電極、１２…下地層、１３…ピニング層、１４…ピン層、１４１…下部ピン層、１４２…磁気結合層、１４３…上部ピン層、１５…下部金属層、１６…スペーサ層、１６１…絶縁層、１６２…電流パス、１７…上部金属層、１８…フリー層、１９…キャップ層、２０…上電極、２１…ダンピングファクタ調整層、２２…電子乱反射層
【図１】
0005118766.tif 000005
【図２】
0005118766.tif 000006
【図３】
0005118766.tif 000007
【図４】
0005118766.tif 000008
【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
0005118766.tif 000012
【図９】
0005118766.tif 000013
【図１０】
0005118766.tif 000014
【図１１】
0005118766.tif 000015
【図１２】
0005118766.tif 000016
【図１３】
0005118766.tif 000017
【図１４】
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