(57)【要約】感磁素子において、強磁性トンネル接合部の２つの強磁性膜に挟まれた絶縁膜を窒化アルミニウム膜により形成し、強磁性トンネル接合部の障壁高さを０．４ｅｖ以下にする。窒化アルミニウム膜は、アルミニウム膜を窒化処理、特にアルミニウム膜に原子状窒素Ｎ＊を接触させて窒化反応を起こさせることにより形成される。その結果、トンネル磁気抵抗変化率が高くかつトンネル抵抗の低い強磁性トンネル接合部を有する高感度な感磁素子を得る。
2004025744.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの強磁性膜と該強磁性膜に挟まれた絶縁膜とよりなる強磁性トンネル接合部を有し、絶縁膜は窒化アルミニウム膜である感磁素子であって、
前記強磁性トンネル接合部の障壁高さが０．４ｅＶ以下であることを特徴とする感磁素子。
【請求項２】
前記強磁性トンネル接合部の障壁高さが０．２ｅＶ以上、かつ０．４ｅＶ以下であることを特徴とする請求項１記載の感磁素子。
【請求項３】
前記強磁性トンネル接合部の障壁幅は０．７６ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の感磁素子。
【請求項４】
前記強磁性トンネル接合部の抵抗値が７Ω・μｍ２以下であることを特徴とする請求項１記載の感磁素子。
【請求項５】
前記２つの強磁性膜のうち一方の強磁性膜の前記絶縁膜とは反対側に、隣接して形成された反強磁性膜を更に備え、反強磁性膜との相互作用により該強磁性膜の磁化が固定されることを特徴とする請求項１記載の感磁素子。
【請求項６】
前記窒化アルミニウム膜はアルミニウム膜を原子状窒素Ｎ＊に曝して窒化処理されてなることを特徴とする請求項１記載の感磁素子。
【請求項７】
前記窒化アルミニウム膜は４０原子％〜６０原子％の範囲の窒素を含むことを特徴とする請求項１記載の感磁素子。
【請求項８】
第１の反強磁性膜と、第１の強磁性膜と、第１の絶縁膜と、第２の強磁性膜と、第２の絶縁膜と、第３の強磁性膜と、第２の反強磁性膜とがこの順に積層されてなる２つの強磁性トンネル接合部を有し、第１および第２の絶縁膜のうち少なくとも一方は窒化アルミニウム膜である感磁素子であって、
前記窒化アルミニウム膜を有する強磁性トンネル接合部の障壁高さが０．４ｅＶ以下であることを特徴とする感磁素子。
【請求項９】
前記第２の強磁性膜は、非磁性膜を挟んだ２つの強磁性膜が反強磁性結合されてなる積層体であることを特徴とする請求項８記載の感磁素子。
【請求項１０】
第１の強磁性膜と、絶縁膜と、第２の強磁性膜とがこの順に積層されてなる強磁性トンネル接合部を有し、前記絶縁膜は窒化アルミニウム膜である感磁素子の製造方法であって、
前記第１の強磁性膜上にアルミニウム膜を堆積する工程と、
前記アルミニウム膜を、窒素を含むガス中にプラズマを励起することにより前記アルミニウム膜を前記窒化アルミニウム膜に変換する工程とを含むことを特徴とする感磁素子の製造方法。
【請求項１１】
第１の強磁性膜と、絶縁膜と、第２の強磁性膜とがこの順に積層されてなる強磁性トンネル接合部を有し、前記絶縁膜は窒化アルミニウム膜である感磁素子の製造方法であって、
前記第１の強磁性膜上にアルミニウム膜を堆積する工程と、
前記アルミニウム膜を、窒素を含むガス中にプラズマを励起することにより形成される原子状窒素Ｎ＊に曝すことにより、前記アルミニウム膜を前記窒化アルミニウム膜に変換する工程とを含むことを特徴とする感磁素子の製造方法。
【請求項１２】
前記プラズマはマイクロ波により励起されることを特徴とする請求項１１記載の感磁素子の製造方法。
【請求項１３】
請求項１記載の感磁素子を備えた磁気ヘッド。
【請求項１４】
請求項１２記載の磁気ヘッドを備えた磁気記憶装置。
【請求項１５】
請求項１記載の感磁素子を備えたエンコーダ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、強磁性トンネル接合部を有する感磁素子、その感磁素子を用いた磁気ヘッド、エンコーダ装置、及び磁気記憶装置に関する。
磁気記憶装置、特に磁気ディスク装置の磁気ヘッドの再生用ヘッドには感磁素子が備えられている。従来、この感磁素子にはスピンバルブ型のＧＭＲ薄膜が用いられているが、さらなる磁気抵抗効果率の向上を図るために強磁性トンネル接合部を有するＴＭＲ薄膜の研究が進められている。
【背景技術】  金属膜／絶縁膜／金属膜という接合を有する積層体の両側の金属膜に電圧を印加すると、絶縁膜が数ｎｍ以下の厚さでは絶縁膜にも拘わらず電流が流れる現象が認められる。これは、量子力学的効果により絶縁膜のエネルギー障壁を電子が透過する確率が０でないことによる。この電流及び接合は、それぞれトンネル電流、トンネル接合と呼ばれている。
絶縁膜には金属の酸化膜が通常使用される。例えば、アルミニウムの表面層を自然酸化法やプラズマ酸化法、熱酸化法などにより酸化させる。これらの方法およびその条件により、表面の数ｎｍ以下の厚さの酸化アルミニウム膜を形成することができ、この接合の絶縁膜として使用することができる。トンネル接合は、Ｉ−Ｖ特性はオーミックではなく非線形性を示すので、非線型素子として使用されてきた。
トンネル接合の金属膜を強磁性膜に置換すると、強磁性トンネル接合を形成することができる。強磁性トンネル接合は、そのトンネル抵抗が両側の強磁性膜の磁化状態に依存することが知られている。すなわち外部から印加する磁場によってトンネル抵抗を制御することができる。トンネル抵抗Ｒは、それぞれの強磁性膜の磁化の相対角度θを用いて、Ｒ＝Ｒｓ＋０．５ΔＲ（１−ｃｏｓθ）と表される。すなわち、磁化の向きが平行なとき（θ＝０）はトンネル抵抗Ｒが最小となり（Ｒ＝Ｒｓ）、磁化の向きが反平行なとき（θ＝１８０）は最大となる（Ｒ＝Ｒｓ＋ΔＲ）。
これは、強磁性膜内部の電子が分極していることに起因している。例えば非磁性金属内部の電子は、上向きスピンと下向きスピンを有する電子は同数存在するため全体として非磁性となる。一方磁性金属内部では、上向きスピンを有する電子数Ｎｕｐと下向きスピンを有する電子数Ｎｄｏｗｎは異なるため、全体として上向きあるいは下向きの磁化を有する。電子が絶縁膜をトンネルする際はスピンの向きが保存されることが知られている。したがって、絶縁膜を透過した先、すなわちトンネル先の電子状態に空きがなければトンネルすることができない。
トンネル磁気抵抗変化率（以下ＴＭＲ率と呼ぶ。）ΔＲ／Ｒは、電子源（一方の強磁性膜）の偏極率Ｐ１とトンネル先（他方の強磁性膜）の偏極率Ｐ２により、ΔＲ／Ｒ＝２Ｐ１×Ｐ２／（１−Ｐ１×Ｐ２）で表され、Ｐ１、Ｐ２＝２（Ｎｕｐ−Ｎｄｏｗｎ）／（Ｎｕｐ＋Ｎｄｏｗｎ）で表される。Ｐ１、Ｐ２は強磁性膜の種類及び組成に依存し、例えば、ＮｉＦｅ、Ｃｏ、ＣｏＦｅの分極率はそれぞれ０．３、０．３４、０．４６であり、この場合ＴＭＲ率は、理論的には約２０％、２６％、５４％となり、従来の異方性磁気抵抗効果（ＡＭＲ）や、巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）より高いＴＭＲ率が期待できる。
一方、強磁性トンネル接合に電流を流し、その電位差を検出する観点から、トンネル抵抗Ｒの大きさは小さい方が野望ましい。トンネル抵抗Ｒは、絶縁膜の絶縁障壁高さφと絶縁障壁幅ｄに依存することが知られている。すなわち、トンネル抵抗Ｒは、Ｒ＝ｅｘｐ（ｄ×φ１／２）と表され、絶縁障壁高さφの低い、絶縁障壁ｄの狭い絶縁膜が望まれている。
従来、絶縁膜には主に酸化アルミニウム膜が用いることが提案されている。しかしながら、磁気センサ、特に超高密度記録、例えば１００Ｇｂｉｔ／ｉｎ２以上の磁気ヘッドに使用するにはトンネル抵抗Ｒが高抵抗であるので実用化には困難が伴う。また、一方、酸化アルミニウム膜の代わりに窒化アルミニウム膜を使用してトンネル抵抗Ｒを低減する検討が行われている。Ｓｕｎらは、窒素を含むアルゴンガス雰囲気中でアルミニウムを反応性スッパッタリングにより成膜し、窒化アルミニウム膜を形成しているが、高いＴＭＲ率の強磁性トンネル接合は得られていない（Ｊ．Ｊ．Ｓｕｎ，Ｒ．Ｃ．Ｓｏｕｓａ；Ｊ．Ｍａｇｎ．Ｓｏｃ．Ｊａｐａｎ  ２３，５５（１９９９））。
【発明の開示】
そこで、本発明は上記の課題を解決した新規かつ有用な感磁素子及びその製造方法、並びにその感磁素子を用いた磁気ヘッド、エンコーダ装置、及び磁気記憶装置を提供することを概括課題とする。
本発明により具体的な課題は、トンネル磁気抵抗変化率が高くかつトンネル抵抗の低い強磁性トンネル接合部を有する高感度な感磁素子及びその製造方法を提供することにある。
本発明の他の課題は、
２つの強磁性膜と該強磁性膜に挟まれた絶縁膜とよりなる強磁性トンネル接合部を有し、絶縁膜は窒化アルミニウム膜である感磁素子であって、
前記強磁性トンネル接合部の障壁高さが０．４ｅＶ以下である感磁素子を提供することである。
本発明によれば、感磁素子において外部磁場を検知する強磁性トンネル接合部の絶縁膜を窒化アルミニウムより構成し、強磁性トンネル接合部の障壁高さを０．４ｅＶ以下する。窒化アルミニウムでかつ絶縁膜の障壁高さを低下させることによりトンネル抵抗値を低減することが可能となるとともにトンネル磁気抵抗変化率を増加することが可能となる。その結果、高感度な感磁素子を提供することができる。
本発明のその他の課題は、
第１の反強磁性膜と、第１の強磁性膜と、第１の絶縁膜と、第２の強磁性膜と、第２の絶縁膜と、第３の強磁性膜と、第２の反強磁性膜とがこの順に積層されてなる２つの強磁性トンネル接合部を有し、第１および第２の絶縁膜のうち少なくとも一方は窒化アルミニウム膜である感磁素子であって、
前記窒化アルミニウム膜を有する強磁性トンネル接合部の障壁高さが０．４ｅＶ以下である感磁素子を提供することである。
本発明によれば、感磁素子において強磁性トンネル接合部を二重に設け、第１の強磁性膜および第３の強磁性膜はそれぞれ隣接する第１の反強磁性膜及び第２の反強磁性膜により磁化の方向が固定されている。したがって、二重の磁性トンネル接合部により一層トンネル磁気抵抗変化率を増加することが可能となり、強磁性トンネル接合部が対称に配置されているので、第２の強磁性膜の磁化が外部磁場に応じて回転するスイッチング磁場を安定化することが可能となる。さらに強磁性トンネル接合部の絶縁膜を窒化アルミニウムより構成し、強磁性トンネル接合部の障壁高さを０．４ｅＶ以下する。窒化アルミニウムでかつ絶縁膜の障壁高さを低下させることによりトンネル抵抗値を低減することが可能となるとともにトンネル磁気抵抗変化率を増加することが可能となる。その結果、スイッチング磁場が安定した、より一層高感度な感磁素子を提供することができる。
本発明のその他の課題は、
第１の強磁性膜と、絶縁膜と、第２の強磁性膜とがこの順に積層されてなる強磁性トンネル接合部を有し、前記絶縁膜は窒化アルミニウム膜である感磁素子の製造方法であって、
前記第１の強磁性膜上にアルミニウム膜を堆積する工程と、
前記アルミニウム膜を、窒素を含むガス中にプラズマを励起することにより前記アルミニウム膜を前記窒化アルミニウム膜に変換する工程とを含む感磁素子の製造方法を提供することである。
本発明によれば、強磁性トンネル接合部を形成する絶縁膜である窒化アルミニウムは、窒素を含むガス中にプラズマを励起し、発生する窒素イオンあるいは原子状窒素Ｎ＊を第１の強磁性膜上に形成されたアルミニウム膜に接触させて、窒化反応を生じさせて形成される。窒素イオンのアルミニウム膜への入射エネルギーは可能な限り低い程良く、特に真空チャンバ内の窒素ガスの流れに乗ってアルミニウム膜表面に到達する原子状窒素Ｎ＊のみを用いることが更に好ましい。このような場合アルミニウム膜の膜質を損なわずに窒化アルミニウム膜を形成することができ、過剰な窒素の侵入を抑制することができるので窒化アルミニウムの緻密性を保持可能である。したがって良質な窒化アルミニウム膜が得られるため、トンネル磁気抵抗変化率が高くトンネル抵抗が低抵抗の強磁性トンネル接合部を有する高感度な感磁素子を実現することができる。
【図面の簡単な説明】  図１は、本発明の実施の形態の感磁素子の主要部を示す図である。
図２は、ラジカル処理を行うマイクロ波ラジカルガンの概要構成を示す図である。
図３は、本発明の実施の形態の第１変形例である感磁素子の主要部を示す図である。
図４は、本発明の実施の形態の第２変形例である感磁素子の主要部を示す図である。
図５Ａは、本発明の実施例の感磁素子のＩ−Ｖ特性を測定するために構成した四端子回路の平面図、図５Ｂは本発明の実施例の感磁素子の主要部の断面図である。
図６は、ＴＭＲ率とＲＡ値との関係を示す図である。
図７は、Ｉ−Ｖ特性の一例を示す図である。
図８Ａは絶縁障壁幅ｄとＲＡ値との関係を示す図、図８Ｂは絶縁障壁高さφとＲＡ値との関係を示す図である。
図９は、本発明の第２の実施の形態の磁気記憶装置の要部を示す断面図である。
図１０は、図９に示す磁気記憶装置の要部を示す平面図である。
図１１は、図１０に示す磁気ヘッドを拡大して示す斜視図である。
図１２は、再生用磁気ヘッドの媒体対向面の構成を示す図である。
図１３は、本発明の第３の実施の形態の磁気メモリの概略構成図である。
図１４は、本発明の第４の実施の形態の無接点回転スイッチの概略構成図である。
発明を実施するための最良の態様
以下に、本発明の実施の形態を挙げて詳細に説明する。
［第１の実施の形態］
まずは、本発明の感磁素子について説明する。
図１は、本実施の形態の感磁素子の主要部を示す図である。図１を参照するに、本実施の形態の感磁素子１０は、基板１１上に、下部電極１２と、第１強磁性膜１３と、絶縁膜１４と、第２強磁性膜１５と、反強磁性膜１６と、酸化防止膜１８と、上部電極１９とがこの順に積層された構造を有している。この構成で特徴的なのはこのうち第１強磁性膜１３／絶縁膜１４／第２強磁性膜１５が強磁性トンネル接合を形成し、第２強磁性膜１５の磁化は隣接する反強磁性膜１６との界面の一方向異方性を利用して固定されている。したがって、外部から印加される磁場に応じて、磁化固定層の第２強磁性膜１５に対して、フリー層である第１強磁性膜１３の磁化の方向が変化し、２つの磁化の相対角度によりトンネル抵抗値が変化する。
基板１１は、アルチック（Ａｌ２Ｏ３とＴｉＣとのセラミック）などの絶縁体、Ｓｉウェハなどの半導体を用いることができ、特に基板１１の材質は限定されない。基板１１上に積層される強磁性トンネル接合を形成する薄膜を均一に形成する観点から平坦度が良好であることが好ましい。下部電極１２は、例えば厚さが５ｎｍ〜４０ｎｍのＴａ、Ｃｕ、Ａｕ、あるいはこれらの積層体より構成されている。
第１強磁性膜１３は、例えば厚さが１ｎｍ〜３０ｎｍのＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ及びこれらの元素を含む軟磁性強磁性材料、例えば、Ｎｉ８０Ｆｅ２０、Ｃｏ７５Ｆｅ２５など、または、これらの膜の積層体により構成されている。第１強磁性膜１３の磁化は、膜の面内にあり、外部磁場の方向に応じて磁化の向きが変わるようになっている。
絶縁膜１４は、厚さが０．５ｎｍ〜２．０ｎｍ（好ましくは０．７ｎｍ〜１．２ｎｍ）の窒化アルミニウムにより構成されている。この窒化アルミニウム膜は、後述する製造方法により、蒸着法、スパッタ法などにより形成されたアルミニウム膜を窒化処理することにより変換されて形成されたものである。窒化アルミニウム膜の組成は、Ａｌ１−ｘＮｘと表した場合、化合物組成Ｘ＝５０原子％に対して良好な絶縁特性を有し、かつ安定で窒素が拡散しない点でＸ＝４０原子％〜６０原子％であることが好ましい。窒化処理によりこのような組成の窒化アルミニウム膜を形成することができる。
第２強磁性膜１５は、第１強磁性膜１３と同様の厚さおよび軟磁性強磁性材料により構成されている。なお、第２強磁性膜は、第１強磁性膜１３と異なる組成であってもよい。
この第２磁性膜１５は後述する反強磁性膜１６との交換相互作用により磁化の方向が固定される。すなわち、外部磁場が印可されても磁化の方向は変化しない。その結果、上述した第１強磁性膜１３の磁化のみが外部磁場に応じて向きが変化するので、第２強磁性膜１５の磁化に対する第１強磁性膜１３の磁化の相対角度によりトンネル磁気抵抗率が変化する。
反強磁性膜１６は、例えば厚さが５ｎｍ〜３０ｎｍのＲｅ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇ及びＡｕよりなる群のうち少なくとも１種の元素とＭｎとを含む反強磁性層により構成される。このうちＭｎの含有量は４５原子％〜９５原子％であることが好ましい。この反強磁性膜１６は、所定の磁場中で加熱処理を行うことにより反強磁性が出現する。
酸化防止膜１８は、例えば厚さが５ｎｍ〜３０ｎｍのＡｕ、Ｔａ、Ａｌ、Ｗなどの非磁性金属により構成される。反強磁性膜１６の熱処理の際にこれらの積層体が酸化するのを防止するために設けられる。上部電極１９は、下部電極１２と同様に導電性の良好な非磁性材料により構成される。
本実施の形態の感磁素子１０は絶縁膜１４としてアルミニウム膜を窒化処理、特に原子状窒素Ｎ＊により窒化アルミニウム膜に変換したものを用いている点に特徴がある。次にこの窒化処理を中心に本実施の形態の感磁素子１０の製造方法を説明する。
絶縁膜１４以外の感磁素子１０を構成する各々の膜を、スパッタ法、メッキ法、真空蒸着法などにより形成する。
先ず、基板１１上に、下部電極１２と第１強磁性膜１３をこの順に形成後に、この積層体の上にスパッタ法、真空蒸着法などにより厚さ０．５ｎｍ〜１．５ｎｍのアルミニウム膜を形成する。
次いで、自然窒化法、ラジカル窒化法、プラズマ窒化法などによりアルミニウム膜を窒化処理する。自然窒化法は、処理室内に窒素を導入することにより、アルミニウム膜を窒素に曝し、アルミニウム膜の表面において窒化反応を起こさせる。自然窒化法は、窒化反応がアルミニウム膜全体あるいは基板全体に亘って均一に進む点で好ましいが、窒化反応が他の方法と比較して遅いため窒化処理時間が長くなってしまう。
一方、プラズマ窒化処理は、処理室内にプラズマを励起することにより窒素がイオンあるいは原子状態（ラジカル）になり、窒索イオン及び原子状窒素Ｎ＊がアルミニウム膜表面から侵入・反応して窒化アルミニウム膜に変換する。窒素イオンは、加速されてアルミニウム膜に衝突するので、より反応性に富み、窒化処理時間を短縮することができる点で好ましい。ただし、過度の加速エネルギーを窒素イオンに与えるとアルミニウム膜に損傷を与え、アルミニウム表面の表面性や結晶性の劣化を招き、さらにはピンホールなどを形成してしまうおそれもある。
他方、ラジカル窒化法は、原子状窒素Ｎ＊のみにより、かつ加速されずにアルミニウム膜と反応するので、原子状窒素Ｎ＊がアルミニウム膜に接触する際にアルミニウム膜に損傷を与えることがなく、アルミニウム膜の結晶性を損なうことなく窒化アルミニウムに変換できる点で好ましい。
図２は、ラジカル処理を行うマイクロ波ラジカルガンの概要構成を示す図である。図２を参照するに、マイクロ波ラジカルガン２０は、被処理基板を支持する試料台２１を備えた真空チャンバ２２を有し、前記真空チャンバ２２内を真空にし、前記真空チャンバ２２の壁面の一部に形成した放電管２３に窒素ボンベ２４よりバルブ２５及び流量コントローラ２６を介してＮ２ガスを導入することで真空チャンバ内の圧力を０．８Ｐａ程度、流量を３０ｓｃｃｍ程度に設定する。さらに、感磁素子１０を形成する基板２８を試料台２１に置き、基板２８の温度を２５℃に設定する。この温度設定は１０℃〜４０℃の範囲であるのが好ましく、この範囲内であれば以下に述べる結果はほとんど同様のものになる。
次に外部のマイクロ波電源２９に接続された同軸導波管３０から整合器３１を通して放電管２３内に２．４ＧＨｚのマイクロ波を導入し、放電管２３内に高密度のプラズマを生成する。放電管２３と真空チャンバ２２の接続部２２Ａと基板２８の間隔は３０ｃｍ程度に設定する。
放電管２３の投入パワーを１００Ｗ〜２００Ｗ、処理時間を２００秒程度に設定する。放電管２３内で発生した原子状窒素Ｎ＊は、真空チャンバの他端で排気口２２Ｂより窒素ガスが排気されるため、窒素ガスの流れに乗って放電管２３より真空チャンバ２２内に入り、基板２８のアルミニウム膜表面に接触し窒化アルミニウム膜に変換する。なお、処理時間はおおよそ数百秒であるが、投入パワーとの関係で適宜選択される。
なお、マイクロ波ラジカルガン２０を例として説明したが、ヘリコン波あるいは高周波プラズマ発生装置を用いることができる。その際はイオンフィルタを用いて窒素イオンを除去し、原子状窒素Ｎ＊のみを用いるようにしてもよい。
次に、窒化アルミニウム膜の上に、第２強磁性膜１５と、反強磁性膜１６と、酸化防止膜１８と、上部電極１９とをこの順に形成する。次に反強磁性膜１６の反強磁性を出現させるために所定の方向に磁場を１１８．５ｋＡ／ｍ（１５００Ｏｅ）程度印可して２５０℃程度で１８０分加熱処理する。以上により、図１に示す本実施の形態の感磁素子１０が形成される。
本実施の形態によれば、上述したように、強磁性トンネル接合を構成する絶縁膜１４がアルミニウム膜を窒化処理にすることにより窒化アルミニウム膜に変換される。特に原子状窒素Ｎ＊を用いて窒化するので、アルミニウム膜を損傷することないので膜質の良好な、かつ絶縁膜１４／第２磁性層１５の界面が均一な窒化アルミニウム膜を得ることができる。
図３は、本実施の形態の第１変形例である感磁素子の主要部を示す図である。図３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。
図３を参照するに、本変形例の感磁素子４０は、強磁性トンネル接合部を二重に形成したものである。すなわち、本変形例の感磁素子４０は、基板１１上に、下部電極１２と、反強磁性膜１６Ａと、第２強磁性膜１５Ａと、絶縁膜１４Ａと、第１強磁性膜１３と、絶縁膜１４Ｂと、第２強磁性膜１５Ｂと、反強磁性膜１６Ｂと、酸化防止膜１８と、上部電極１９とがこの順に積層された構造を有している。この構成で特徴的なのは第２強磁性膜１５Ａ／絶縁膜１４Ａ／第１強磁性膜１３よりなる第１の強磁性トンネル接合部４１と、第１強磁性膜１３／絶縁膜１４Ｂ／第２強磁性膜１５Ｂよりなる第２の強磁性トンネル接合部４２とが設けられていることである。第２強磁性膜１５Ａ、１５Ｂの磁化がそれぞれ隣接する反強磁性膜１６Ａ、１６Ｂにより同じ方向に固定されている。したがって、本変形例によれば、フリー層である第１強磁性膜の磁化が外部磁場に応じて方向が変化することにより、第１強磁性膜の磁化と２つの第２強磁性膜の磁化の相対角度はそれぞれ同様となるので、第１及び第２強磁性トンネル接合部のトンネル抵抗は同様に変化するのでＴＭＲ率は２倍になり、より高感度の感磁素子が実現できる。
図４は、本実施の形態の第２変形例である感磁素子の主要部を示す図である。
図４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。
図４を参照するに、本変形例の感磁素子５０は、第１変形例の第１強磁性膜１３を、薄層の非磁性膜を介して反強磁性結合した２つの強磁性膜１３Ａ、１３Ｂに置換した以外は第１変形例と同様に構成されている。すなわち、下側強磁性膜１３Ａ／非磁性膜５３／上側強磁性膜１３Ｂとし、例えば、これらの下側及び上側強磁性膜１３Ａ、１３Ｂの磁性材料組成を同様として、さらに下側強磁性膜１３の膜厚を上側強磁性膜１３Ｂより厚く形成する。下側及び上側強磁性膜１３Ａ、１３Ｂは厚さ１〜３０ｎｍの上述した第１強磁性膜と同様の材料を用いることができ、非磁性膜５３は、例えば厚さ０．４ｎｍ〜２ｎｍのＲｕ、Ｃｒ、Ｒｕ合金、Ｃｒ合金により構成される。下側強磁性膜１３Ａ／非磁性膜５３／上側強磁性膜１３Ｂとしては、例えばＣｏ７５Ｆｅ２５（２０ｎｍ）／Ｒｕ（０．８ｎｍ）／Ｃｏ７５Ｆｅ２５（１２ｎｍ）とする。このようにすると、外部磁場に応じて、下側強磁性膜１３Ａの磁化の方向が変化し、この磁化と反強磁性的に結合した上側強磁性膜１３Ｂの磁化は下側強磁性膜１３Ａの磁化の方向と反対の向きになる。磁化が固定される２つの第２強磁性膜１５Ａ、１５Ｂを互いに反対方向に磁化が固定されるようにそれぞれに隣接する反強磁性膜を設定する。本変形例によれば、第１及び第２強磁性トンネル接合部５１、５２によりＴＭＲ率は２倍となるとともに、フリー層を構成する下側強磁性膜１３Ａ／非磁性膜５３／上側強磁性膜１３Ｂにより、これらの磁化のスイッチング特性を向上することができる。
【実施例】  図５Ａは、本実施例の感磁素子のＩ−Ｖ特性を測定するために構成した四端子回路の平面図、図５Ｂは本実施例の感磁素子の主要部の断面図である。図５Ａを参照するに、図中微小なため点状に示される感磁素子６０より２組の下部電極６１および上部電極６２を引き出して、一方の組の下部及び上部電極に印加電流Ｉを流すための電流源６３を接続し、他方の組に電圧Ｖを検出するためのデジボル６４等を接続し、Ｉ−Ｖ特性を測定した。図５Ｂを参照するに、感磁素子６０は酸化防止膜までを形成後、フォトリソグラフィ法および反応性イオンエッチングにより、積層体を数μｍ２以下の接合面積に切削し、シリコン酸化膜（図示せず）により絶縁した。以下具体的に説明する。
Ｓｉ基板６５上に下部電極６６としてＴａ／Ａｕ／Ｔａの積層体をそれぞれ２５ｎｍ、３０ｎｍ、５ｎｍ形成した。次に、第１強磁性膜６８Ａ、６８ＢとしてＮｉ７５Ｆｅ２５を４ｎｍ、Ｃｏ７４Ｆｅ２６を３ｎｍ形成した。次にアルミニウム膜を０．５ｎｍ〜１．５ｎｍの厚さに形成し、上述したマイクロ波ラジカルガンにより、投入パワー１００Ｗ、真空チャンバ内圧力を０．８Ｐａ、窒素ガス流量３０ｓｃｃｍ、処理時間１２０秒〜２５０秒に設定して窒化処理を行い窒化アルミニウム膜６９に変換した。第２強磁性膜７０として厚さ２．５ｎｍのＣｏ７４Ｆｅ２６、反強磁性層７１として厚さ１５ｎｍのＩｒＭｎを形成した。次いで酸化防止膜７２として厚さ２０ｎｍのＡｕを形成した。次いでフォトリソグラフィ法及びイオンミリングにより数μｍ２の接合面積に研削し、絶縁のためにシリコン酸化膜（図示せず）を形成し、次いで上部電極７３を形成した。
［評価］
実施例の感磁素子のトンネル抵抗Ｒを測定し、ＴＭＲ率及びＲＡ値と求めた。トンネル抵抗Ｒを、磁化が平行の状態で感磁素子の下部電極と上部電極間の電圧が５０ｍＶになる電流値を印加し、下部電極と上部電極間の電圧を検知して、外部磁界の大きさを−３９．５ｋＡ／ｍ（−５００Ｏｅ）〜３９．５ｋＡ／ｍ（５００Ｏｅ）に設定し、膜面内に反強磁性膜に固定された磁性層の磁化方向と平行に印可して測定した。また、ＴＭＲ率は、トンネル抵抗Ｒの最小値をＲｍｉｎ、最大値をＲｍａｘとして、ＴＭＲ率（％）＝（Ｒｍａｘ−Ｒｍｉｎ）／（Ｒｍａｘ−Ｒｍｉｎ）×１００とし、ＲＡ値をＲｍｉｎと強磁性トンネル接合の接合面積Ａとの積とした。
図６は、ＴＭＲ率とＲＡ値との関係を示す図である。図６を参照するに、ＲＡ値が２〜５Ω・μｍ２ではＴＭＲ率が最大値をもつことがわかる。また、ＲＡ値が５Ω・μｍ２より大きな範囲ではＴＭＲ率が減少するが、ＲＡ値が７Ω・μｍ２ではＴＭＲ率が４％程度あり、上述した反応性スパッタ法により窒化アルミニウム膜を作製したものより良好である。なお、ＲＡ値が７Ω・μｍ２を超える範囲ではさらにＴＭＲ率が減少するが、これは、絶縁膜となるアルミニウム膜の厚さ方向に亘って完全に窒化していないためであると推察される。
次に実施例の感磁素子のＩ−Ｖ特性を測定し、以下の式（１）〜（４）を用いて絶縁膜の絶縁障壁高さφおよび絶縁障壁幅ｄを数値計算により求めた。
図７は、Ｉ−Ｖ特性の一例を示す図である。図７に示すように電流Ｉは、Ｖ＝０付近では線形的に変化するが、Ｖ＝０から離れるにつれてＶ３に比例する。したがって、Ｉ−Ｖ特性は計算式（１）のように表すことができる。
Ｉ（φ）＝θ（Ｖ＋γＶ３）      （１）
θ＝（αβφ１／２ｄ）×ｅｘｐ（−αｄφ１／２）      （２）
γ＝（αｄ）２／（９６φ）−（αｄｅ２／３２）×φ−３／２      （３）
α＝４π（２ｍ）１／２／ｈ、β＝ｅ２／４πｈ      （４）
ここで、Ｖは印加電圧、ｈ、ｍ、ｅはそれぞれプランク定数、電子の質量、及び電荷である。
図８Ａは絶縁障壁幅ｄとＲＡ値との関係を示す図、図８Ｂは絶縁障壁高さφとＲＡ値との関係を示す図である。
図８Ａを参照するに、絶縁障壁幅ｄとＲＡ値との関係は、ＲＡ値が小さいほど絶縁障壁幅ｄが減少する傾向を示している。ＲＡ値が７Ω・μｍ２以下のときに、絶縁障壁幅ｄが０．７６ｎｍ以下になっていることがわかる。
また、図８Ｂに示すように、絶縁障壁高さφも同様に、ＲＡ値が小さいほど絶縁障壁高さφが減少する傾向を示している。特に、ＲＡ値が７Ω・μｍ２以下のときに、絶縁障壁高さφが０．４ｅＶ以下になっていることがわかる。また、上述した反応性スパッタ法により窒化アルミニウム膜を作製したものは、絶縁障壁高さφが０．６ｅＶ程度であったので、本発明による原子状窒素による窒化処理による窒化アルミニウム膜は、強磁性トンネル接合の絶縁膜として好適である。
図７、図８Ａおよび図８Ｂより、原子状窒素による窒化処理による窒化アルミニウム膜は、絶縁障壁幅ｄを０．７６ｎｍ以下、あるいは絶縁障壁高さφを０．４ｅＶ以下とすることにより、強磁性トンネル接合のＲＡ値を７Ω・μｍ２以下に低減することが可能である。さらに、ＴＭＲ率を４％以上とすることも可能である。なお、絶縁障壁高さφは低いほどよいが、過度に低い場合トンネル抵抗が低下し、かつＴＭＲ率も低下するので０．２ｅＶ以上であることが好ましい。
したがって、感磁素子の本実施例によれば、強磁性トンネル接合部の絶縁膜としてアルミニウム膜を原子状窒素による窒化処理されて変換された窒化アルミニウム膜を用いることにより、ＴＭＲ率を向上しかつＲＡ値を低減することができる。つまり、高感度でかつ高速動作可能な感磁素子を実現することができる。
［第２の実施の形態］
次に、本発明の磁気記憶装置の一実施の形態を示す図９及び図１０と共に説明する。図９は、磁気記憶装置の要部を示す断面図である。図１０は、図９に示す磁気記憶装置の要部を示す平面図である。
図９及び図１０を参照するに、磁気記憶装置１２０は大略ハウジング１２３からなる。ハウジング１２３内には、モータ１２４、ハブ１２５、複数の磁気記録媒体１２６、複数の記録再生ヘッド１２７、複数のサスペンション１２８、複数のアーム１２９及びアクチュエータユニット１２１が設けられている。磁気記録媒体１２６は、モータ１２４より回転されるハブ１２５に取り付けられている。記録再生ヘッド１２７は、誘導型記録用磁気ヘッド１２７Ａと強磁性トンネル接合部を有する感磁素子を用いた再生用磁気ヘッド１２７Ｂとの複合型ヘッドからなる。各記録再生ヘッド１２７は対応するアーム１２９の先端にサスペンション１２８を介して取り付けられている。アーム１２９はアクチュエータユニット１２１により駆動される。この磁気記憶装置の基本構成自体は周知であり、その詳細な説明は本明細書では省略する。
磁気記憶装置１２０の本実施の形態は、再生用磁気ヘッド１２７Ｂに特徴がある。
図１１は、図１０に示す磁気ヘッドを拡大して示す斜視図である。図１１を参照するに、再生用磁気ヘッド１２７Ｂはスペンション１２８に支持されたスライダ１３０の磁気記録媒体１２６の回転方向（矢印で示す）の一側に設けられている。なお誘導型記録用磁気ヘッド１２７Ａは説明の便宜のため図示されていない。
図１２は、再生用磁気ヘッドの磁気記録媒体の対向面の構成を示す図である。図１２を参照するに、再生用磁気ヘッド１２７Ｂは、２つのシールド膜１３１と、シールド膜１３１に挟まれた感磁素子１３２と、シールド膜と感磁素子とを絶縁する絶縁膜１３３とにより構成されている。感磁素子１３２は上述した例えば、図１〜図３に示す第１の実施の形態の感磁素子が用いられる。
感磁素子１３２は、磁気記録媒体１２６より漏洩する磁場に応じて、感磁素子の強磁性トンネル接合を形成する磁化の相対角度が変化すことによりトンネル抵抗値が変化する。下部電極１３４及び上部電極１３５により供給・排出される電流とトンネル抵抗値より決まる電圧を検出することにより、磁気記録媒体１２６の情報を読み取ることができる。
本実施の形態によれば、磁気記憶装置１２０の記録再生ヘッド１２７は高感度な感磁素子１３２を備えているので、再生能力が高く、情報の１ビットに対応する１磁気反転の磁気反転領域から漏洩する磁場が微小となっても、再生可能であり、高密度記録に対応可能である。
［第３の実施の形態］
次に、本発明の磁気記憶装置の一実施の形態である磁気メモリ（ＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ））について説明する。図１３は本発明の第３の実施の形態の磁気メモリの概略構成図である。
図１３を参照するに、本実施の形態の磁気メモリ８０は、本発明の第１の実施の形態の感磁素子８１がマトリクス状に配置され、行方向に走るワードライン８２と列方向に走るビットライン８３とに接続され、ワードライン８２及びビットライン８３にはそれぞれに電流を流すための電流源、スイッチ、電圧検出回路等（図示せず）が接続されている。
磁気メモリ８０の書き込み動作時は、書き込み目標の感磁素子８１に接続されたワードライン８２およびビットライン８３に同時に電流を流し、その電流により生じた磁場により感磁素子８１の磁化を反転させる。図１に示すフリー層である第１の実施の形態の第１強磁性膜１３の磁化は、第２強磁性膜１５の磁化に対して平行あるいは反平行であるかによりビット０またはビット１であるかを記憶することができる。
また、磁気メモリ８０の読み出し動作時は、読み出し目標の感磁素子８１に接続されたビットライン８３から感磁素子８１を通じてワードライン８２に電流を流す。感磁素子８１の強磁性トンネル接合部の磁化の方向に対応して、低抵抗（２つの磁化が平行の場合）あるいは高抵抗（２つの磁化が反平行の場合）の状態であるので、感磁素子８１の両端の電圧によりその状態を読み取る。したがって、感磁素子８１のビットが０か１であるかを判別することができる。
本実施の形態によれば、第１の実施の形態の感磁素子を用いており、感磁素子は高感度であるので、書き込み電流を低減することが可能であり、また強磁性トンネル抵抗が低減されているので、読み出し動作時に流す電流をある程度増加させることが可能となり、ノイズに妨害されることなく安定して読み出すことができる。
［第４の実施の形態］
次に、本発明のエンコーダ装置の一実施の形態である無接点回転スイッチについて説明する。
図１４は、本発明の第４の実施の形態の無接点回転スイッチの概略構成図である。図１４を参照するに、本実施の形態の無接点回転スイッチ９０は、回転自在のシャフト９１と、シャフトに結合された回転円板９２と、回転円板９２の周端面に形成された複数の磁性体９３と、回転円板９２の周端面に近接して配置された回転検出素子９４と、回転検出素子に配設された感磁素子９５などから構成されている。感磁素子９５は、上述した例えば、図１〜図３に示す第１の実施の形態の感磁素子が用いられる。
複数の磁性体９３は、等角度間隔に離隔されて磁化の向きを周方向に、かつ隣合う磁性体９３の磁化の向きが逆になるように配置されている。したがって、シャフト９１が回転駆動されると、回転検出素子９４に、磁性体９３から漏洩または吸入される磁場が交互に印可される。回転検出素子９４には、回転方向に離隔されて２つの感磁素子が配設されている。感磁素子は磁性体からの磁場に応じてトンネル抵抗値が変化するので、印加電流によりトンネル抵抗値に比例した電圧信号を出力する。２つの感磁素子の電圧信号の大きさと位相によりシャフトの回転方向及び速度（回転数）を検出する。
本実施の形態によれば、無接点回転スイッチ９０の回転検出素子９４は高感度な感磁素子９５を備えているので、磁性体９３を微小化しても高精度に回転方向および速度、その変化を検出できる。さらに、感磁素子９５は微小化可能であるので、コンパクトな無接点回転スイッチを提供することができる。
なお、本発明のエンコーダ装置は無接点回転スイッチに限定されず、例えば、リニアエンコーダなども含まれる。
以上本発明の好ましい実施の形態及び実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施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。
【産業上の利用可能性】  本発明によれば、感磁素子において外部磁場を検知する強磁性トンネル接合部の絶縁膜を窒化アルミニウムより構成し、強磁性トンネル接合部の障壁高さを０．４ｅＶ以下することにより、トンネル抵抗値を低減することが可能となるとともにトンネル磁気抵抗変化率を増加することが可能となり、その結果、高感度な感磁素子を実現することができた。
【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６】
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【図７】
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【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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【国際調査報告】
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