(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化自由層としての磁性積層膜と、
磁化固着層としての強磁性体膜と、
前記磁性積層膜と前記強磁性体膜との間に設けられた絶縁膜と、
を備え、前記絶縁膜をトンネルして前記磁性積層膜と前記強磁性体膜との間に電流が流れるトンネル接合型の磁気抵抗効果素子であって、
その平面形状は、端部の幅が中央部の幅よりも広い形状であり、
前記磁性積層膜は、第１の強磁性体層と、第２の強磁性体層と、これら第１及び第２の強磁性体層の間に挿入された反強磁性体層と、を有することを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
磁化自由層としての磁性積層膜と、
磁化固着層としての強磁性体膜と、
前記磁性積層膜と前記強磁性体膜との間に設けられた絶縁膜と、
を備え、前記絶縁膜をトンネルして前記磁性積層膜と前記強磁性体膜との間に電流が流れるトンネル接合型の磁気抵抗効果素子であって、
その平面形状の幅と長さとの比が、１：１．５〜１：１０であり、
前記磁性積層膜は、第１の強磁性体層と、第２の強磁性体層と、これら第１及び第２の強磁性体層の間に挿入された反強磁性体層と、を有することを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
磁化自由層としての磁性積層膜と、
磁化固着層としての強磁性体膜と、
前記磁性積層膜と前記強磁性体膜との間に設けられた絶縁膜と、
を備え、前記絶縁膜をトンネルして前記磁性積層膜と前記強磁性体膜との間に電流が流れるトンネル接合型の磁気抵抗効果素子であって、
前記磁性積層膜は、第１の強磁性体層と、第１の非磁性金属層と、反強磁性体層と、第２の非磁性金属層と、第２の強磁性体層と、をこの順に積層してなることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
前記非磁性金属層の層厚は、０．１ｎｍ以上で１０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項３記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
前記第１及び第２の強磁性体層と前記反強磁性体層との間に作用する交換結合の大きさは、１０００エルステッド以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
前記反強磁性体層は、イリジウム・マンガン（ＩｒＭｎ）、白金マンガン（ＰｔＭｎ）、鉄マンガン（ＦｅＭｎ）、ルテニウム・マンガン（ＲｕＭｎ）、ニッケル・マンガン（ＮｉＭｎ）及びパラジウム白金マンガン（ＰｄＰｔＭｎ）よりなる群から選択されたいずれかの合金からなり、
前記反強磁性体層の層厚は、０．１ｎｍ以上で５０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項７】
請求項２〜４のいずれか１つに記載の磁気抵抗効果素子であって、その平面形状は、端部の幅が中央部の幅よりも広い形状を有することを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１つに記載の磁気抵抗効果素子を備え、
前記磁性積層膜の全体としての磁化方向は書き換え可能とされたことを特徴とする磁気メモリ。
【請求項９】
請求項１〜７のいずれか１つに記載の磁気抵抗効果素子と、
書き込み用電流配線と、
を備え、
前記磁性積層膜の全体としての磁化方向は、前記書き込み用電流配線に供給された電流により生ずる磁場によって書き換え可能とされたことを特徴とする磁気メモリ。
【請求項１０】
請求項１〜７のいずれか１つに記載の磁気抵抗効果素子を備えたことを特徴とする磁気ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気抵抗効果素子、磁気メモリ及び磁気ヘッドに関し、より詳細には、強磁性トンネル接合型の構造を有し、素子サイズを微細化しても外部磁場に対して高感度を維持できる磁気抵抗効果素子、磁気メモリ及び磁気ヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁気抵抗効果素子は、磁気ヘッドなどの磁気検出素子や、磁気メモリなどの広範な応用分野において実用化が期待されている。
【０００３】
例えば、固体磁気記憶メモリとして、巨大磁気抵抗効果（Giant Magneto-Resistance Effect）を示す磁気素子を用いた磁気ランダムアクセスメモリの提案が行われており、特に、磁気素子として「強磁性トンネル接合」を用いた磁気メモリに注目が集まっている。
【０００４】
強磁性トンネル接合は、主に、（第１の強磁性層）／（絶縁膜）／ （第２の強磁性層）という３層膜で構成され、絶縁膜をトンネルして電流が流れる。この場合、接合抵抗値は、第１及び第２の強磁性層の磁化の相対角の余弦に比例して変化する。したがって、抵抗値は、第１及び第２の強磁性層の磁化が平行のときに極小値、反平行のときに極大値をとる。これは、トンネル磁気抵抗（Tunneling Magneto-Resistance effect：ＴＭＲ）効果と呼ばれている。例えば、文献（Appl. Phys. Lett., Vol.77、 p.283 (2000)）では、ＴＭＲ効果による抵抗値変化は室温において  ４９。７％にもなることが報告されている。
【０００５】
強磁性トンネル接合をメモリセルとして含む磁気メモリ素子においては、強磁性層のひとつの磁化を固定して「基準層」とし、他の強磁性層を「記憶層」とする。このセルにおいて、基準層と記憶層の磁化の配置が平行または反平行に対して２進情報「０」、「１」を対応づけることにより、情報を記憶させることができる。
【０００６】
記録情報の書き込みは、このセルに対して別に設けた書き込み配線に電流を流して発生する磁場により記憶層の磁化を反転させる。また、読み出しは、強磁性トンネル接合に電流を流し、ＴＭＲ効果による抵抗変化を検出することにより行われる。磁気メモリは、このようなメモリセルを多数配置することで大容量のメモリとして構成される。
【０００７】
実際の構成については、任意のひとつのセルを選択できるように、例えばＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）同様に各セルに対しスイッチングトランジスタを配置し、周辺回路を組み込んで構成される。また、ワード線とビット線が交差する位置にダイオードとあわせて強磁性トンネル接合を組み込む方式も提案されている（米国特許第５、６４０、３４３号、同第５、６５０、９５８号）。
【０００８】
さて、強磁性トンネル接合をメモリセルとして用いる磁気メモリの高集積化を考えると、メモリセルの大きさは小さくなり、セルを構成する強磁性体の大きさも必然的に小さくなる。同様の事情は、磁気記録システムにおいて、記録密度を上げて記録ビットサイズが縮小される場合にも生ずる。
【０００９】
一般に、強磁性体が小さくなると、その保磁力は大きくなる。保磁力の大きさは磁化を反転するために必要なスイッチング磁場の大きさの目安となるので、その増大はスイッチング磁場の増大を意味する。よって、ビット情報を書き込む際には、より大きな電流を書き込み配線に流さなければならなくなり、消費電力の増加、配線寿命の短命化など、好ましくない結果をもたらす。従って、磁気メモリのメモリセルに用いられる強磁性体の保磁力を低減することは高集積化磁気メモリの実用化において重要な課題である。
【００１０】
この課題を解決するために、「記憶層」として、少なくとも２つの強磁性層を含み、それらの間に介在する非磁性層からなる多層膜を用い、さらに、これら強磁性層の間に反強磁性結合を含むものを用いることが提案されている（特開平９−２５１６２号公報、特願平１１−２６３７４１号公報、米国特許第５、９５３、２４８号）。
【００１１】
この場合、「記憶層」に含まれる２つの強磁性層は、その磁気モーメントまたは厚さが異なっており、反強磁性的結合により磁化が逆方向を向いている。このため、実効的に互いに磁化が相殺し、記憶層全体としては、磁化容易軸方向に小さな磁化を持った強磁性体と同等と考えることができる。この記憶層のもつ磁化容易軸方向の小さな磁化の向きとは逆向きに磁場を印加すると、各強磁性層の磁化は、反強磁性結合を保ったまま反転する。このため、磁力線が閉じていることから反磁場の影響が小さく、記録層のスイッチング磁場は、各強磁性層の保磁力により決まるため、小さなスイッチング磁場で磁化の反転が可能になる。
【００１２】
なお、磁性層の間に層間結合がない場合（Ｊ＝０）には、磁性層からの洩れ磁場による静磁結合による相互作用が存在するが、この場合については、上記の結合がある場合と同様に、スイッチング磁場が低減することが知られている（第２４回日本応用磁気学会学術講演会１２ａＢ−３、１２ａＢ−７、第２４回日本応用磁気学会学術講演概要集ｐ。２６、２７）。
【００１３】
しかし、磁性層間の層間結合がなく、静磁結合のみが存在する場合には、前記に記載した磁化のつくる磁気的構造が不安定であり、また、ヒステリシス曲線または磁気抵抗曲線における角型比が小さく、大きな磁気抵抗比を得ることが困難であり、磁気抵抗効果素子として用いるのは好ましくない。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
以上説明したように、「記録層」の磁化を反転するために必要なスイッチング磁場を低減することは、高密度磁気記録システムや磁気メモリの実現において必要不可欠な要素であり、非磁性金属層を介した反強磁性結合を含む多層膜を用いることが提案されている。
【００１５】
しかしながら、高密度磁気記録システムや高集積化磁気メモリに用いられるような小さな磁気抵抗効果素子が有する微小な強磁性体においては、例えばその短軸の幅が数ミクロンからサブミクロン程度になると、磁化領域の端部においては「反磁場」の影響により、磁性体の中央部分の磁気的構造とは異なる磁気的構造が生じることが知られている。このような端部の磁気的構造は、「エッジドメイン」と呼ばれている（例えば、J. App. Phys., 81, p.5471 (1997)  参照）。
【００１６】
図１５は、このようなエッジドメインを有する磁気構造を例示する模式図である。同図（ａ）及び（ｂ）に表したいずれの磁気構造においても、磁化領域の中央部分においては磁気異方性にしたがった方向に磁化Ｍ１が生じるが、両端部においては、中央部分と異なる方向に磁化Ｍ２〜Ｍ５が生じる。ここで、図１５（ａ）に例示したような磁区構造を「Ｓ型構造」、図１５（ｂ）に例示したような磁区構造を「Ｃ型構造」と称する。
【００１７】
高密度磁気記録システムや高集積化磁気メモリのセルに用いられるような微小な磁性体においては、その端部に生ずるエッジドメインの影響が大きく、磁化反転における磁気的構造パターンの変化が複雑になる。その結果、保磁力が大きくなり、またスイッチング磁場が増大するという問題がある。
【００１８】
このような複雑な磁気的構造の変化が生じることをできるだけ防ぐ方法として、エッジドメインを固定することが考えられている（米国特許第５、７４８、５２４、特開２０００−１００１５３号公報）。これにより、磁化反転の際の挙動が制御できるが、実質的にスイッチング磁場の低減ははかれない。また、エッジドメインを固定するために、別の構造を付加する必要があり、高密度化には適さない。
【００１９】
本発明は、かかる課題の認識に基づいてなされたものであり、その目的は、あらたに構造を付加することなく、上述の如き微小な磁気検出素子や磁気メモリセルなどにおいて安定な磁気的構造をもつ磁気抵抗効果素子を提供することにより、磁場検出あるいはセルに情報を書き込む際に必要なスイッチング磁場を低減することができる磁気抵抗効果素子を提供することにある。
【００２０】
さらに本発明は、そのような磁気抵抗効果素子を用いたランダムアクセス可能な非破壊磁気メモリや磁気ヘッドを提供することも目的とする。
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明においては、強磁性トンネル接合型の磁気抵抗効果素子の磁化自由層あるいは記憶層として用いる強磁性層について、強磁性体層と反強磁性体層とを含む積層膜とする。そして、反強磁性体層と隣接するかまたは非磁性金属層を介して最近接に置かれた強磁性体層との間に交換結合により相互作用させることにより、スイッチング磁場の小さな磁気抵抗効果素子を提供する。
【００２１】
このような磁性積層膜の構造としては、強磁性体層／反強磁性体層／強磁性体層、または、強磁性体層／非磁性金属層／反強磁性体層／非磁性金属層／強磁性体層という積層構造がある。強磁性体層／反強磁性体層／強磁性体層という構造の場合には、反強磁性体層と強磁性体層との間の交換結合の大きさを制御するために、弱い反強磁性体を用いるとよい。
【００２２】
また、強磁性体層／非磁性金属層／反強磁性体層／非磁性金属層／強磁性体層という構造の場合には、反強磁性体層と強磁性体層との間におかれた非磁性金属層の厚さを適当に設定することによって交換結合を制御できる。
【００２３】
すなわち、本発明の第１の磁気抵抗効果素子は、磁化自由層としての磁性積層膜と、磁化固着層としての強磁性体膜と、前記磁性積層膜と前記強磁性体膜との間に設けられた絶縁膜と、を備え、前記絶縁膜をトンネルして前記磁性積層膜と前記強磁性体膜との間に電流が流れるトンネル接合型の磁気抵抗効果素子であって、その平面形状は、端部の幅が中央部の幅よりも広い形状であり、前記磁性積層膜は、第１の強磁性体層と、第２の強磁性体層と、これら第１及び第２の強磁性体層の間に挿入された反強磁性体層と、を有することを特徴とする。
または、磁化自由層としての磁性積層膜と、磁化固着層としての強磁性体膜と、前記磁性積層膜と前記強磁性体膜との間に設けられた絶縁膜と、を備え、前記絶縁膜をトンネルして前記磁性積層膜と前記強磁性体膜との間に電流が流れるトンネル接合型の磁気抵抗効果素子であって、その平面形状の幅と長さとの比が、１：１．５〜１：１０であり、前記磁性積層膜は、第１の強磁性体層と、第２の強磁性体層と、これら第１及び第２の強磁性体層の間に挿入された反強磁性体層と、を有することを特徴とする。
【００２４】
また、本発明の第２の磁気抵抗効果素子は、磁化自由層としての磁性積層膜と、磁化固着層としての強磁性体膜と、前記磁性積層膜と前記強磁性体膜との間に設けられた絶縁膜と、を備え、前記絶縁膜をトンネルして前記磁性積層膜と前記強磁性体膜との間に電流が流れるトンネル接合型の磁気抵抗効果素子であって、前記磁性積層膜は、第１の強磁性体層と、第１の非磁性金属層と、反強磁性体層と、第２の非磁性金属層と、第２の強磁性体層と、をこの順に積層してなることを特徴とする。
【００２５】
この第２の磁気抵抗効果素子においては、前記非磁性金属層の層厚は、０．１ｎｍ以上で１０ｎｍ以下であるものとすると、強磁性体層と反強磁性体層との交換結合を適度に緩和することができる。
【００２６】
すなわち、非磁性金属層の層厚がこれよりも厚くなると交換結合が抑制されるが、逆に層厚がこれよりも薄くなると交換結合を緩和する作用が不十分となる。
【００２７】
また、第１及び第２の磁気抵抗効果素子において、前記第１及び第２の強磁性体層と前記反強磁性体層との間に作用する交換結合の大きさは、１０００エルステッド以下であるものとすれば、磁性積層膜全体としての保持力を低く維持できる。
【００２８】
また、前記反強磁性体層は、イリジウム・マンガン（ＩｒＭｎ）、白金マンガン（ＰｔＭｎ）、鉄マンガン（ＦｅＭｎ）、ルテニウム・マンガン（ＲｕＭｎ）、ニッケル・マンガン（ＮｉＭｎ）及びパラジウム白金マンガン（ＰｄＰｔＭｎ）よりなる群から選択されたいずれかの合金からなり、
前記反強磁性体層の層厚は、０．１ｎｍ以上で５０ｎｍ以下であるものとすれば、適度な交換結合が得られ、保持力を下げることができる。
【００２９】
また、上記した本発明の磁気抵抗効果において、端部の幅が中央部の幅よりも広い形状を有するものすると、端部における「エッジドメイン」を安定化することができ、結果としてスイッチング磁場をさらに小さくすることができる。
【００３０】
一方、本発明の磁気メモリは、上記のいずれかの磁気抵抗効果素子を備え、前記磁気抵抗効果素子の前記強磁性体膜の磁化方向は固定され、前記磁性積層膜の全体としての磁化方向は書き換え可能とされたことを特徴とする。
【００３１】
上記構成によれば、素子を微細化しても書き込みが確実且つ容易に行えるので従来よりも大幅に高密度の集積型の磁気メモリを実現できる。
【００３２】
または、本発明の磁気メモリは、請求項１〜５のいずれか１つに記載の磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子に電流を供給する電流配線と、前記磁気抵抗効果素子に対する前記電流の供給を制御するスイッチング素子と、を備え、
前記磁気抵抗効果素子の前記強磁性体膜の磁化方向はを固定され、前記磁性積層膜の全体としての磁化方向は、前記電流配線に電流を供給することにより生ずる磁場によって書き換え可能とされたことを特徴とする。
【００３３】
上記構成によっても、素子を微細化しても書き込みが確実且つ容易に行えるので従来よりも大幅に高密度の集積型の磁気メモリを実現できる。
【００３４】
一方、本発明の磁気ヘッドは、上記のいずれかの磁気抵抗効果素子を備えたことを特徴とし、高密度記録に対応して素子サイズを微細化しても再生感度を高く維持できる。
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
【００３５】
図１は、本発明の第１の実施の形態にかかる磁気抵抗効果素子の要部断面構造を例示する模式図である。
【００３６】
すなわち、本発明の磁気抵抗効果素子は、磁性積層膜１と強磁性体膜３との間に絶縁膜２が挿入された強磁性トンネル接合構造を有する。磁性積層膜１は、それ全体として、強磁性的な特性を有し、従来の強磁性トンネル接合構造においては、単一の強磁性体膜として設けられていたものに対応する。つまり、絶縁膜２をトンネルして磁性積層膜１と強磁性体膜３との間を電流が流れ、接合抵抗値は、磁性積層膜１と強磁性体膜３の磁化の相対角度の余弦に比例して変化する。
【００３７】
後に詳述するように、例えば、磁気検出素子として用いる場合には、磁性積層膜１を「磁化自由層」、強磁性体膜３を「磁化固着層」とすることができる。また、磁気メモリ素子として用いる場合には、磁性積層膜１を「記憶層」、強磁性体膜３を「基準層」とすることができる。
【００３８】
さて、本発明の第１の実施形態においては、このような強磁性トンネル接合素子の磁性積層膜１を、強磁性体層１Ａ／反強磁性体層１Ｂ／強磁性体層１Ｃという積層構造にする。但し、図１の積層構造は、上下を反転させたものでもよい。つまり、絶縁膜２の下側に磁性積層膜１を設け、上側に強磁性体膜３を設けてもよい。
【００３９】
図２は、磁性積層膜１の積層構造を拡大して表す模式図である。本発明者は、このような積層構造の磁気特性について詳細に検討し、独自の知見を得た。
【００４０】
まず、その強磁性体層１Ａ、１Ｃの材料としてＣｏ９０Ｆｅ１０を用い、それらの間に介在する反強磁性体層１ＢとしてＩｒＭｎを用いた。また，強磁性体層１Ａ、１Ｃの厚さはそれぞれ２ｎｍと３ｎｍとし、反強磁性層１Ｂの厚さは１ｎｍとした。また，この積層膜は、幅Ｗが０．１μｍ、長さＬが０．３μｍであり、アスペクト比１：３の長方形である。また、強磁性体層１Ａ、１Ｃと反強磁性体層１Ｂとの間の交換結合として、３０  Ｏｅ（エルステッド）の大きさを想定した。
【００４１】
図３は、図２に表した磁性積層膜１の磁気ヒステリシスを表すグラフ図である。すなわち、同図の横軸は印加される磁場強度、縦軸は飽和磁化Ｍｓに対する磁化の割合をそれぞれ表す。
【００４２】
図３において、保磁力はヒステリシス曲線の幅に対応する磁場強度として定義される。図２に例示した磁性積層膜１においては、強磁性体層１Ａ及び１Ｃには反強磁性体層１Ｂの交換結合による相互作用が働いているために、Ｘ軸の正側と負側とで保磁力の値が異なる。そこで、これらをそれぞれ、「右保磁力」（正側）、「左保磁力」（負側）と称することにする。本具体例の場合は、交換結合がそれほど大きくないために、左右の差はほとんどなく、右保磁力は２２９  Ｏｅ、左保磁力は２３１  Ｏｅとなっている。
【００４３】
図４は、比較例として、単一の強磁性体層についての磁気ヒステリシスを表すグラフ図である。すなわち、同図は、図２のような反強磁性体層を介する積層構造体ではなく、単一の強磁性体層の磁気特性を表す。
【００４４】
図４においては、ヒステリシス曲線に図３に見られるシフト（図３において符号Ａ、Ｂにより例示した）は見られず、左右の保磁力は一致し、２９４  Ｏｅと図３よりも高い。つまり、図１乃至図２に表した磁性積層膜１は、単一の強磁性体層よりも保磁力が低減されていることが分かる。
【００４５】
同様の効果は、前述した具体例には限らず、例えば、強磁性体層１Ａ、１Ｃの材料としては  鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）や、それらの積層体、合金など、通常用いられる磁性材料を同様に用いることができる。
【００４６】
また、反強磁性体層１Ｂの材料としても  白金マンガン（ＰｔＭｎ）、鉄マンガン（ＦｅＭｎ）、ルテニウム・マンガン（ＲｕＭｎ）、ニッケル・マンガン（ＮｉＭｎ）、パラジウム白金マンガン（ＰｄＰｔＭｎ）などのマンガン系の反強磁性体をはじめとする各種の反強磁性材料を用いることができ、特に導電性の高いものであるとなお良い。
【００４７】
また、素子サイズも用途に応じて適宜決定することができ、その幅は１μｍ程度より小さいものとした場合に、単一の強磁性体層と比較して保持力の低減が顕著となる。アスペクト比についても、図１５に関して前述したような「エッジドメイン」が生ずるような場合に、特に顕著な効果がえられ、例えばアスペクト比として、１：１．５〜１：１０のような場合に効果が大きい。
【００４８】
またさらに、本発明者が先に出願した特願２００１−０７６６１４号において詳述したように、磁気抵抗効果素子の平面形状を、その端部の幅が中央部の幅よりも広いものとすると、端部における「エッジドメイン」を安定化させ、スイッチング磁場、すなわち書き込みのための磁場をさらに小さくすることができる。この場合、磁気抵抗効果素子の理想的な平面形状は、例えば、「蝶ネクタイ」のように両端に向けて幅が拡がる形状である。また、このような「蝶ネクタイ」形状を、その一対の対角線のうちの一方に沿って引き延ばしたような形状とすると、対称性を抑制することにより、さらにスイッチング磁場を小さくすることが可能となる。
【００４９】
一方、強磁性体層１Ａ、１Ｃの厚さは、１０ｎｍ以下がよく、５ｎｍ以下とするとさらに好ましい。
【００５０】
ところで、反強磁性体層１Ｂを介した交換結合については、保磁力が大きくならないようにするために、またヒステリシスの原点からのシフトが大きくなりすぎないように、大きさの範囲を限定する必要がある。
【００５１】
図５は、交換結合の大きさＨｅｘと保磁力Ｈｃとの関係を表すグラフ図である。
同図においては、図２に表した本発明の磁性積層膜１を実線で表し、比較例として単一の強磁性体層の場合を破線でそれぞれ表した。
【００５２】
同図から分かるように、単一の強磁性体層の場合（破線）は、保持力Ｈｃが３００  Ｏｅで一定となる。これに対して、本発明の磁性積層膜においては、交換結合の大きさＨｅｘがゼロ近傍において保磁力Ｈｃの最小値があり、Ｈｅｘが３００  Ｏｅ程度までは、保磁力Ｈｃが十分小さい。そして、さらにＨｅｘが大きくなると保持力Ｈｃは増加し、Ｈｅｘがおよそ１ｋＯｅを超えると単一層（破線）よりも大きい値を示すようになる。
【００５３】
従って、磁気抵抗効果素子における磁性積層膜１の反転磁化、すなわちスイッチング磁場の低減をはかるには、交換結合の大きさとして１ｋＯｅ以下であることが必要であり、望ましくは４００  Ｏｅ以下、さらに望ましくは１００  Ｏｅとするとよい。
【００５４】
また、磁性積層膜１のスイッチング磁場の大きさは、２つの強磁性体層１Ａ、１Ｃの厚さがそれぞれ  ２．０ｎｍ、３．０ｎｍの場合よりも１．０ｎｍの場合の方が小さくなるので、強磁性体層１Ａ、１Ｃの厚さは薄いことが望ましく、３ｎｍ以下が特に好適である。
【００５５】
本発明者は、本実施形態の磁性積層膜１について、強磁性体層１Ａ、１Ｃにおける磁化のつくる磁気構造（磁区パターン）についても調べた。
【００５６】
図６（ａ）は、交換結合の大きさＨｅｘが３０Ｏｅの場合の強磁性体層１Ａ、１Ｃにおける磁区パターンを表す模式図である。
【００５７】
同図から分かるように、強磁性体層１Ａ、１Ｃの磁化は全体としてほぼ一方向を向いており、端部のエッジドメインはそれほど広い領域を占めていない。
【００５８】
一方、図６（ｂ）は、比較例としての単一の強磁性体層における磁区パターンを表す模式図である。この場合には、中央部分と異なる磁化方向が端部にはっきりと見られ、明瞭な「エッジドメイン」が存在することが分かる。
【００５９】
一般的に、エッジドメインの存在によってＴＭＲ（トンネリング磁気抵抗）効果は低下するため、エッジドメインは小さいほうがよい。本発明によれば、単一の強磁性体層と比べて、エッジドメインのサイズを十分に小さくすることができる。
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。
【００６０】
図７は、本発明の第２の実施の形態にかかる磁気抵抗効果素子の要部断面構造を表す模式図である。
【００６１】
本実施形態の磁気抵抗効果素子も、磁性積層膜１’と強磁性体膜３との間に絶縁膜２が挿入された強磁性トンネル接合構造を有する。絶縁膜２をトンネルして磁性積層膜１’と強磁性体膜３との間を電流が流れ、接合抵抗値は、磁性積層膜１’と強磁性体膜３の磁化の相対角度の余弦に比例して変化する。第１実施形態に関して前述したように、磁性積層膜１’を磁気検出素子の「磁化自由層」や磁気メモリの「記憶層」などとして用いることができる。
ここで、本実施形態においては、磁性積層膜１’の構成が異なる。すなわち、本実施形態の磁性積層膜１’においては、強磁性体層１Ａ、１Ｃと反強磁性体層１Ｂとの間に、非磁性金属層１Ｄ、１Ｅがそれぞれ設けられている。
【００６２】
非磁性金属層１Ｄ、１Ｅは、強磁性体層１Ａ、１Ｃと反強磁性体層１Ｂとの磁気結合を適度に緩和する役割を有する。非磁性金属層１Ｄ、１Ｅの材料としては、例えば、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、レニウム（Ｒｅ）、オスミウム（Ｏｓ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、パラジウム（Ｐｄ）、クロム（Ｃｒ）、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、ロジウム（Ｒｈ）、白金（Ｐｔ）などを用いることができる。その膜厚は、強磁性体層１Ａ、１Ｃと反強磁性体層１Ｂとの間の磁気結合が適度に緩和できる程度の厚みが望ましい。
【００６３】
本発明者は、本実施形態の磁性積層膜１’を、スパッタ装置を用いて試作し、その磁気特性を評価した。
【００６４】
ここで、強磁性体層１Ａ、１Ｃとしては  Ｃｏ９０Ｆｅ１０、または、Ｃｏ９０Ｆｅ１０／ＮｉＦｅ／Ｃｏ９０Ｆｅ１０なる積層構造を用いた。また、２つの強磁性体層１Ａ、１Ｃは、どちらも１．５ｎｍで同じ厚さとした。
【００６５】
但し、スパッタによる場合も、強磁性体層１Ａ、１Ｃの材料は、この具体例に限定されるものではなく、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、またはそれらの積層膜や合金などを用いることができる。
【００６６】
２つの強磁性体層１Ａ、１Ｃの間には、反強磁性体であるイリジウム・マンガン（ＩｒＭｎ）の層１Ｂを設けた。またここで、強磁性体層１Ａ、１Ｃと反強磁性体層１Ｂとの間に働く交換相互作用の大きさを適度に制御するために、ＩｒＭｎの組成について、Ｉｒの成分比を２２原子％から２６原子％の範囲内にならないようにした。これは、例えばスパッタ用のターゲットとしてＩｒ成分が１５原子％の組成をもつＩｒＭｎを用いることにより得られる。
【００６７】
あるいは、Ｉｒ成分比が２２原子％から２６原子％の範囲内のスパッタターゲットを用いた場合には、Ｉｒあるいはマンガン（Ｍｎ）の金属ターゲットを同時スパッタすることにより組成をこの範囲からずらすことができる。または、イリジウムやマンガン以外の元素を添加することにより、ＩｒＭｎの反強磁性を抑制してもよい。この場合の添加元素としては、例えば、銅（Ｃｕ）や金（Ａｕ）などの非磁性金属元素を用いることが望ましい。
【００６８】
一方、強磁性体層１Ａ、１Ｃと反強磁性体層１Ｂとの間に、非磁性金属層１Ｄ、１Ｅとして、厚さ０．８ｎｍの銅（Ｃｕ）の層を設けた。但し、本発明における非磁性金属層としては、銅以外にも、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）をはじめとする各種の非磁性の金属を用いることができる。
【００６９】
このようにしてスパッタリングにより作製した膜を、電子ビーム描画法を用いて微細加工し、幅０．５μｍ、アスペクト比１：４とした。ただし、これらサイズの具体例は、本発明の範囲を限定するものではない。
【００７０】
このようにして作製した積層構造体について、磁化特性を測定した。
【００７１】
図８（ａ）は、本具体例の積層構造体の磁化ヒステリシスを表すグラフ図である。すなわち、同図に表した磁化曲線は、印加する磁場（横軸）に対する磁化（縦軸）の関係を表す。
【００７２】
本具体例においては、反強磁性体層１Ｂの形成に際して、Ｉｒ成分が２２原子％のＩｒＭｎからなるスパッタターゲットを用いた。このため、反強磁性体層１Ｂに隣接して強磁性体層１Ａ、１Ｃを設けると交換結合が強くなりすぎる。
【００７３】
これに対して、本具体例においては、非磁性金属層１Ｄ、１Ｅを挿入することにより、交換結合の大きさを制御することができる。具体的には、保磁力として５  Ｏｅ、スイッチング磁場として３５  Ｏｅの値がそれぞれ得られた。
一方、図８（ｂ）は、比較例として、単一の強磁性体層における磁化ヒステリシスを表すグラフ図である。図８（ａ）と比べると、保磁力は大変に大きくなり、３００  Ｏｅ以上となっていることがわかる。
【００７４】
つまり、本実施形態においては、非磁性金属層１Ｄ、１Ｅを挿入することにより、反強磁性体層１Ｂと強磁性体層１Ａ、１Ｃとの間の交換結合を適度に調節し、磁性積層膜全体としての保持力を低減できる。
【００７５】
次に、本発明の磁気抵抗効果素子について、微細化にともなうスイッチング磁場のスケーリングを調べた結果として説明する。すなわち、微細加工により、強磁性体層１Ａ、１Ｃの幅を、０．２μｍ、０．５μｍ、０．８μｍ、１．２μｍとして、それぞれの保磁力Ｈｃを測定した。
【００７６】
図９は、それぞれの保持力を、強磁性体層１Ａ、１Ｃの幅の逆数に対してプロットしたグラフ図である。すなわち、同図には、本発明の第１実施形態にかかる磁気抵抗効果素子における保持力を黒四角形で表し、比較例として、従来の磁性体単層膜（材料はＣｏ９０Ｆｅ１０で、厚さ３．０ｎｍ）における保磁力を×印により表示した。
【００７７】
図９から、どのサイズ幅においても、本発明の場合のほうが、保磁力すなわちスイッチング磁場が小さいことがわかる。
【００７８】
さらに、本発明について得られた結果を幅０．１μｍまで外挿すると、弱い反強磁性結合がある場合に最小のスイッチング磁場として約８４  Ｏｅが得られる。これに対して、従来技術である単一の強磁性体層を用いた場合には、幅０．５μｍの時にスイッチング磁場が１００  Ｏｅ以上になり、さらに幅が狭くなると急激にスイッチング磁場が大きくなり、実用が困難であることが明らかである。
【００７９】
ここで、磁気抵抗効果素子に設ける電流配線による磁場の大きさを計算機シミュレーションにより求めた結果の一例について併せて説明する。電流配線は、断面が長方形で、幅０．１μｍ、アスペクト比１：２とし、銅（Ｃｕ）またはタングステン（Ｗ）を材料とする。そして、配線の周囲の全部または一部に、ニッケル鉄（ＮｉＦｅ）合金などの高透磁率材料によるシールドを設ける。
【００８０】
この配線に、５．８×１０６Ａ／ｃｍ２の電流を流した場合、配線から５０ｎｍ離れた位置における磁場の大きさは約９０  Ｏｅとなる。従って、強磁性体層１Ａ、１Ｃの幅が０．１μｍの場合においても、本発明の磁気抵抗効果素子に対しては、磁化反転が可能となることがわかる。つまり、本発明の磁気抵抗効果素子を用いて磁気メモリ素子を形成した場合には、強磁性体層１Ａ、１Ｃのサイズを０．１μｍ程度まで微細化しても電流配線により発生する磁界により磁化反転すなわち「書き込み」が可能となる。
【００８１】
次に、本発明の磁気抵抗効果素子を磁気ランダムアクセスメモリのセルとして応用した実施の形態について説明する。
【００８２】
本発明の磁気磁気抵抗効果素子を磁気メモリ素子として用いた場合、スイッチング磁場が十分に小さいので、大容量の磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）のセルとして用いて高速且つ確実な書き込みが可能となる。
【００８３】
図１０は、本発明によるＭＲＡＭセルの要部構成を例示する模式図である。
【００８４】
すなわち、本発明のＭＲＡＭは、上述した本発明の磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ）１０の一端がビット線２０に接続され、他端が配線３０を介してＭＯＳＦＥＴなどのスイッチング素子４０に接続されている。
【００８５】
ＭＯＳＦＥＴ４０は、半導体層にソース４４、ドレイン４６が形成され、ゲート４２に印加する電圧によりオン・オフを制御できる。
【００８６】
またこれらとは別に、書き込み用ワード線５０がビット線２０と直交する方向に配線されている。
【００８７】
磁気抵抗効果素子１０においては、図１乃至図９に関して前述したいずれかの磁性積層膜１、１’を「記憶層」とし、これと絶縁膜２をはさんで対向する強磁性体膜３を「固定層」とし、絶縁膜２を介してトンネル電流が流れる。
【００８８】
このようなセルをアレイ状に集積することにより、磁気ランダムアクセスメモリが形成される。スイッチング素子４０は、これらのうちの任意のセルを選択可能とするために設けられている。スイッチング素子４０としては、ＭＯＳＦＥＴのかわりに、ダイオードあるいはその他のスイッチング作用を有する素子を同様に用いることができる。すなわち、ダイオードと本発明の磁気抵抗効果素子からなるセルを積層して形成し、磁気抵抗効果素子上にビット線２０を接続し、さらに、このセルを多数個アレイ状に集積してもよい。
【００８９】
図１０のセルの動作について説明すると、まず、読み出しの際には、ゲート４２に所定の電圧を印加してＭＯＳＦＥＴ４０をオンにし、ビット線２０を介して磁気抵抗効果素子１０にセンス電流を供給することによりデータの読み出しを行う。
【００９０】
一方、書き込みの際には、ＭＯＳＦＥＴ４０はオフにし、ビット線２０とワード線５０とにそれぞれ書き込み用電流を流す。すると、これらそれぞれにおいて電流に応じた磁場が発生する。そして、ビット線２０とワード線５０とが交差した部分において得られるこれらの合成磁場により、その箇所に設けられたセルの記憶層の磁場を反転させることができる。この場合、ビット線２０及びワード線５０に流す電流の方向により、磁場を反転させて２値情報のいずれか一方を任意に記憶させることができる。
【００９１】
また、これとは別の方式として、書き込みのために、ＭＯＳＦＥＴ４０をオンにし、ビット線２０を介して磁気抵抗効果素子１０に書き込み用電流を流す方法もある。つまり、素子１０を流れる電流により発生する電流磁界により、素子１０の記憶層の磁化を反転させる。この場合には、ワード線５０は不要となる。
【００９２】
本発明によれば、記憶層として図１乃至図９に関して前述した磁性積層膜１、１’を用いることにより、素子サイズを微細化しても保持力を低く維持できる。すなわち、「記録層」に対する書き込みを容易に実行することができるという効果が得られる。
【００９３】
次に、本発明の磁気抵抗効果素子を磁気ヘッドに応用した実施の形態について説明する。
【００９４】
図１１及び図１２は、本発明の実施の形態にかかる磁気ヘッドの要部構成を模式的に表す概念図である。すなわち、図１１は、磁気記録媒体（図示せず）に対向する媒体対向面Ｐに対して略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。また、図１２は、この磁気抵抗効果素子を媒体対向面Ｐに対して垂直な方向に切断した断面図である。
【００９５】
図１乃至図９に関して前述した本発明の磁気抵抗効果素子１０の上下には、下部電極７０と上部電極６０とがそれぞれ設けられ、また、図１１において、磁気抵抗効果素子１０の両側の側面には、絶縁膜９０が設けられている。さらに、図２に例示したように、絶縁膜９０は、磁気抵抗効果膜１０の背面側も設けられている。
【００９６】
磁気抵抗効果素子１０に対するセンス電流は、その上下に配置された電極６０、７０によって、積層膜の膜面に対して略垂直方向に通電される。
【００９７】
本発明によれば、磁気抵抗効果素子１０の磁化自由層として、磁性積層膜１、１’を用いることにより、微細化した場合でも反転磁化を低く維持できるため、超高密度磁気記録システムにおいて磁気抵抗効果素子のサイズを微細化しても高感度な磁気再生が可能となる。
【００９８】
このような磁気ヘッドは、例えば、記録再生一体型の磁気ヘッドアセンブリに組み込まれ、磁気記録再生装置に搭載することができる。
【００９９】
図１３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、記録用媒体ディスク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、複数の媒体ディスク２００を備えたものとしてもよい。
【０１００】
媒体ディスク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。ここで、ヘッドスライダ１５３は、例えば、前述したいずれかの実施の形態にかかる磁気抵抗効果素子あるいは磁気ヘッドをその先端付近に搭載している。
【０１０１】
媒体ディスク２００が回転すると、ヘッドスライダ１５３の媒体対向面（ＡＢＳ）は媒体ディスク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媒体ディスク２００と接触するいわゆる「接触走行型」であってもよい。
【０１０２】
サスペンション１５４は、図示しない駆動コイルを保持するボビン部などを有する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、アクチュエータアーム１５５のボビン部に巻き上げら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。
【０１０３】
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。
【０１０４】
図１４は、アクチュエータアーム１５５から先の磁気ヘッドアセンブリをディスク側から眺めた拡大斜視図である。すなわち、磁気ヘッドアッセンブリ１６０は、例えば駆動コイルを保持するボビン部などを有する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。
【０１０５】
サスペンション１５４の先端には、図１乃至図９に関して前述したいずれかの磁気抵抗効果素子あるいは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は磁気ヘッドアッセンブリ１６０の電極パッドである。
【０１０６】
本発明によれば、図１乃至図９に関して前述したいずれかの磁気抵抗効果素子を具備することにより、特に素子サイズを微細化した場合において、従来よりも高い記録密度で媒体ディスク２００に磁気的に記録された情報を高感度で確実に読みとることが可能となる。
【０１０７】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、磁気抵抗効果素子を構成する強磁性体層、絶縁膜、反強磁性体層、非磁性金属層、電極などの具体的な材料や、膜厚、形状、寸法などに関しては、当業者が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ものも本発明の範囲に包含される。
【０１０８】
同様に、本発明の磁気メモリ、磁気ヘッドについても、当業者が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ものも本発明の範囲に包含される。
【０１０９】
また、本発明は、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同様に適用して同様の効果を得ることができる。
【０１１０】
さらに、本発明を用いる磁気再生装置は、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。
【０１１１】
その他、本発明の実施の形態として上述した磁気抵抗効果素子、磁気メモリ及び磁気ヘッドを基にして、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、磁気メモリ及び磁気ヘッドも同様に本発明の範囲に属する。
【０１１２】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、保磁力が小さく、したがってスイッチング磁場が小さい磁気抵抗効果素子を提供することができる。
【０１１３】
すなわち、本発明によれば、磁性積層膜と、強磁性体膜と、前記磁性積層膜と前記強磁性体膜との間に設けられた絶縁膜と、を備え、前記絶縁膜をトンネルして前記磁性積層膜と前記強磁性体膜との間に電流が流れるトンネル接合型の磁気抵抗効果素子であって、前記磁性積層膜は、第１の強磁性体層と、第２の強磁性体層と、これら第１及び第２の強磁性体層の間に挿入された反強磁性体層と、を有することを特徴とする磁気抵抗効果素子を提供することにより、保磁力が小さく、したがってスイッチング磁場が小さい磁気抵抗効果素子を提供することができる。
【０１１４】
またさらに、上記した本発明の磁気抵抗効果において、端部の幅が中央部の幅よりも広い形状を有するものすると、端部における「エッジドメイン」を安定化することができ、結果としてスイッチング磁場すなわち書き込みのために必要とされる磁場をさらに小さくすることができる。
【０１１５】
一方、本発明の磁気抵抗効果素子を磁気メモリのメモリセルに用いた場合、磁化反転に必要な磁場を生成するための書き込み電流を小さくすることができる。従って、本発明の素子をメモリセルとした磁気メモリは、消費電力が少なく、高集積化が可能であり、かつ、スイッチング速度をはやくすることが可能となる。
【０１１６】
また、本発明の磁気抵抗効果素子を磁気記録システムにおける再生用の磁気検出素子として用いた場合には、記録密度の高密度化に対応して検出素子のサイズを微細化しても高い再生感度を確保でき、超記録密度の磁気記録システムを実現可能とすることができる。
【０１１７】
すなわち、磁気抵抗効果素子を用いた高集積度の磁気メモリや、超高密度磁気記録システムを実現することができ、産業上のメリットは多大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態にかかる磁気抵抗効果素子の要部断面構造を例示する模式図である。
【図２】磁性積層膜１の積層構造を拡大して表す模式図である。
【図３】図２に表した磁性積層膜１の磁気ヒステリシスを表すグラフ図である。
【図４】比較例として、単一の強磁性体層についての磁気ヒステリシスを表すグラフ図である。
【図５】交換結合の大きさＨｅｘと保磁力Ｈｃとの関係を表すグラフ図である。
【図６】（ａ）は、交換結合の大きさＨｅｘが３０Ｏｅの場合の強磁性体層１Ａ、１Ｃにおける磁区パターンを表す模式図であり、（ｂ）は、比較例としての単一の強磁性体層における磁区パターンを表す模式図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態にかかる磁気抵抗効果素子の要部断面構造を表す模式図である。
【図８】（ａ）は、第２実施形態の積層構造体の磁化ヒステリシスを表すグラフ図であり、（ｂ）は、比較例として、単一の強磁性体層における磁化ヒステリシスを表すグラフ図である。
【図９】保持力を、強磁性体層１Ａ、１Ｃの幅の逆数に対してプロットしたグラフ図である。
【図１０】本発明によるＭＲＡＭセルの要部構成を例示する模式図である。
【図１１】本発明の実施の形態にかかる磁気ヘッドの要部構成を模式的に表す概念図である。
【図１２】本発明の実施の形態にかかる磁気ヘッドの要部構成を模式的に表す概念図である。
【図１３】本発明の磁気抵抗効果素子を用いた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。
【図１４】アクチュエータアーム１５５から先の磁気ヘッドアセンブリをディスク側から眺めた拡大斜視図である。
【図１５】エッジドメインを有する磁気構造を例示する模式図である。
【符号の説明】
１ 磁性積層膜
１Ａ，１Ｃ 強磁性体層
１Ｂ 反強磁性体層
１Ｄ、１Ｅ 非磁性金属層
２ 絶縁膜
３ 強磁性体膜
１０ 磁気抵抗効果素子
２０ ビット線
３０ 配線
４０ スイッチング素子
４２ ゲート
４４ ソース
４６ ドレイン
５０ ワード線
６０ 上部電極
７０ 下部電極
９０ 絶縁膜
１５０  磁気再生装置
１５２  スピンドル
１５３  ヘッドスライダ
１５４  サスペンション
１５５  アクチュエータアーム
１５６  ボイスコイルモータ
１５７  スピンドル
１６４  リード線
１６５  電極パッド
２００  記録用媒体ディスク
【図１】
0003916908.tif 000002
【図２】
0003916908.tif 000003
【図３】
0003916908.tif 000004
【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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【図９】
0003916908.tif 000010
【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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