(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体上に反強磁性層が積層されるとともに、該反強磁性層と交換結合して磁化方向が固定される磁化固定層が前記反強磁性層上に積層されてなり、かつ前記磁化固定層は、強磁性層／非磁性層／強磁性層の３層構造を含む積層フェリ磁性層としてなり、さらに前記積層フェリ磁性層における強磁性層はCoFe合金（組成式CoxFe100-x）からなり、前記反強磁性層は、MnIr合金（組成式MnyIr100-y）またはMnPt合金（組成式MnzPt100-z）からなる交換結合素子において、
前記積層フェリ磁性層における強磁性層の合金組成比は、前記反強磁性層に隣接する側（隣接側）と非隣接側とで異ならせるものとし、
隣接側強磁性層は、Co成分ｘが原子％で、４２≦ｘ≦８３の範囲からなり、非隣接側強磁性層のCo成分は、原子％で７５〜９０とすることを特徴とする交換結合素子。
【請求項２】
前記反強磁性層は、MnIr合金におけるMn成分のｙが原子％で２１．５≦ｙ≦２８．５の範囲からなることを特徴とする請求項１に記載の交換結合素子。
【請求項３】
前記反強磁性層は、MnPt合金におけるMn成分のｚが原子％で５３≦ｚ≦５７の範囲からなることを特徴とする請求項１に記載の交換結合素子。
【請求項４】
前記反強磁性層の厚さが４nm以上１９nm以下の範囲であることを特徴とする請求項１または２に記載の交換結合素子。
【請求項５】
前記反強磁性層の厚さが５nm以上１０nm以下の範囲であることを特徴とする請求項１または２に記載の交換結合素子。
【請求項６】
前記反強磁性層の厚さが１６nm以上２８nm以下の範囲であることを特徴とする請求項３に記載の交換結合素子。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の交換結合素子を具備してなることを特徴とするスピンバルブ型磁気抵抗素子。
【請求項８】
請求項７に記載のスピンバルブ型磁気抵抗素子を具備してなることを特徴とする磁気ヘッド。
【請求項９】
請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の交換結合素子を具備してなることを特徴とするトンネル型磁気抵抗素子。
【請求項１０】
請求項９に記載のトンネル型磁気抵抗素子を具備してなることを特徴とする磁気式メモリ。
【請求項１１】
請求項９に記載のトンネル型磁気抵抗素子を具備してなることを特徴とする磁気ヘッド。
【請求項１２】
請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の交換結合素子の製造方法であって、少なくとも初期圧力を１０-9Torr以下とした状態で、基体上に反強磁性層と磁化固定層を順次積層して形成することを特徴とする交換結合素子の製造方法。
【請求項１３】
前記反強磁性層を成膜した後であって磁化固定層を成膜する前に、前記反強磁性層を熱処理することを特徴とする請求項１２に記載の交換結合素子の製造方法。
【請求項１４】
前記反強磁性層を赤外光照射により加熱して熱処理することを特徴とする請求項１３に記載の交換結合素子の製造方法。
【請求項１５】
少なくとも前記反強磁性層の成膜から前記熱処理終了までの間を、１０-9Torr以下の圧力とした状態で行うことを特徴とする請求項１３または１４に記載の交換結合素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、交換結合素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ハードディスクドライブの再生ヘッドとして用いられるスピンバルブ型磁気抵抗素子は一般に、反強磁性層／磁化固定層／非磁性層／磁化自由層の積層構造からなることが知られている。磁化固定層は、反強磁性層と反磁性的に交換結合してその磁化方向が一方向に固定されている。この反強磁性層／磁化固定層の構成からなるものは一般に交換結合素子と呼ばれている。また磁化自由層は、例えば記録媒体等の外部磁界によりその磁化方向が自由に変動するものである。磁化方向が一方向に固定された磁化固定層に対して、この磁化自由層の磁化方向が変動することにより、巨大磁気抵抗効果(ＧＭＲ効果)が発現し、外部磁界の変化を抵抗の変化として捉えることが可能になっている。従って磁化固定層は、外部磁界の作用によってもその磁化方向が変動しないことが要求され、そのために反強磁性層との間の一方向異方性定数Ｊkが高いことが求められる。
【０００３】
一方、最近では、電源を切った状態でもデータが保存されるいわゆる不揮発メモリの需要が増大しており、この不揮発メモリの１種として磁気式メモリが提案されている。この磁気式メモリは、記憶素子としてトンネル型磁気抵抗素子の利用が検討されている。トンネル型磁気抵抗素子は、反強磁性層／磁化固定層／絶縁層／磁化自由層の積層構造からなるもので、このトンネル型磁気抵抗素子においても、反強磁性層／磁化固定層の構成からなる上記の交換結合素子が備えられている。交換結合素子の一方向異方性定数Ｊkが小さいと、磁化固定層の磁化方向が外部磁界等により変動しやすくなって、記録素子(トンネル型磁気抵抗素子)に保持された記録情報が失われるおそれがあるので、磁気式メモリに対する信頼性を向上させるためにも、交換結合素子における一方向異方性定数Ｊkの向上が求められている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
交換結合素子の一方向異方性定数Ｊk(以下Ｊkと表記)は、単位面積当たりに作用する交換結合のエネルギーであり、Ｊk＝Ｍs・ｄF・Ｈexで表される。ここでＭsは磁化固定層の磁化であり、ｄFは磁化固定層の膜厚であり、Ｈexは交換結合磁界である。このＪkを大きくするために、従来から反強磁性層の探索が行われており、これまでにMn-Pt合金、Mn-Ni合金、Mn-Ir合金等の反強磁性材料が見い出されてきた。しかし、例えばMn-Pt合金で得られるＪkは0.32erg/cm2程度であり、Mn-Ni合金で得られるＪkは0.32erg/cm2程度であり、Mn-Ir合金で得られるＪkは0.38erg/cm2程度であり、この程度のＪkではスピンバルブ型磁気抵抗素子やトンネル型磁気抵抗素子への適用は不十分であり、さらなるＪkの向上が望まれている。また、上記Ｊkの増大とともにＭＲ比の増大をも図ることが望まれている。
【０００５】
現状では、磁化固定層として非磁性層を２つの強磁性層で挟んだ積層フェリ磁性層を採用し、磁化固定層自体の磁気モーメントを小さくして外部磁界の影響を少なくし、Ｊkを補うような対策がとられている。しかし、この積層フェリ磁性層からなる磁化固定層は、強磁性層単層からなる磁化固定層よりも膜厚が増大するため、スピンバルブ型磁気抵抗素子あるいはトンネル型磁気抵抗素子の薄膜化が困難になるという問題があった。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、高い一方向異方性定数Ｊkを有し、かつＭＲ比の増大をも図った交換結合素子及びその製造方法を提供するとともに、この交換結合素子を備えたスピンバルブ型磁気抵抗素子、トンネル型磁気抵抗素子、磁気ヘッド及び並びに磁気式メモリを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明は以下の構成を採用した。本発明の交換結合素子は、基体上に反強磁性層が積層されるとともに、該反強磁性層と交換結合して磁化方向が固定される磁化固定層が前記反強磁性層上に積層されてなり、かつ前記磁化固定層は、強磁性層／非磁性層／強磁性層の３層構造を含む積層フェリ磁性層としてなり、さらに前記積層フェリ磁性層における強磁性層はCoFe合金（組成式CoxFe100-x）からなり、前記反強磁性層は、MnIr合金（組成式MnyIr100-y）またはMnPt合金（組成式MnzPt100-z）からなる交換結合素子において、前記積層フェリ磁性層における強磁性層の合金組成比は、前記反強磁性層に隣接する側（隣接側）と非隣接側とで異ならせるものとし、隣接側強磁性層は、Co成分ｘが原子％で、４２≦ｘ≦８３の範囲からなり、非隣接側強磁性層のCo成分は、原子％で７５〜９０とすることを特徴とする（請求項１）。
【０００８】
係る交換結合素子においては、磁化固定層が上記のように構成され、また強磁性層および反強磁性層が前記組成の合金から形成されることにより、一方向異方性定数Ｊkを従来よりも高くすることが可能になる。
【０００９】
また、積層フェリ磁性層における強磁性層の合金組成比を、反強磁性層に隣接する側（隣接側）と非隣接側とで異なるものとし、隣接側強磁性層により一方向異方性定数の増大を図り、非隣接側強磁性層によりMR比の増大を図ることにより、一方向異方性定数の増大と、MR比の増大とを同時に達成できる交換結合素子の提供が可能となる。
【００１０】
係る交換結合素子によれば、磁化固定層または反強磁性層に隣接する強磁性層が上記組成の合金から形成されることにより、一方向異方性定数Ｊkを従来よりも高くすることが可能になる。具体的には、Ｊkを0.4erg/cm2以上にすることが可能になる。
【００１１】
一方向異方性定数を増大させる磁性材料と、MR比を増大させる磁性材料とは必ずしも一致せず、上記発明のように、積層フェリ磁性層における強磁性層の合金組成を、反強磁性層に隣接する側（隣接側）と非隣接側とで異なるものとすることにより、一方向異方性定数の増大と、MR比の増大とを同時に達成できる交換結合素子の提供が可能となる。
【００１２】
更に本発明の交換結合素子は、先に記載の交換結合素子であり、前記反強磁性層は、MnIr合金におけるMn成分のｙが原子％で２１．５≦ｙ≦２８．５の範囲からなることを特徴とする（請求項２）。あるいは前記反強磁性層は、MnPt合金におけるMn成分のｚが原子％で５３≦ｚ≦５７の範囲からなることを特徴とする（請求項３）。
【００１３】
係る交換結合素子によれば、反強磁性層を上記の組成の合金で形成することにより、反強磁性層と磁化固定層との間の一方向異方性定数Ｊkを高めることができ、磁化固定層の磁化方向を強固に固定することが可能になる。
【００１４】
また本発明の交換結合素子は、先に記載の交換結合素子であり、前記反強磁性層Ｍｎ-Ｉｒの厚さが４nm以上１９nm以下の範囲であることを特徴とする（請求項４）。更に本発明の交換結合素子は、先に記載の交換結合素子であり、前記反強磁性層Ｍｎ-Ｉｒの厚さが５nm以上１０nm以下の範囲であることを特徴とする（請求項５）。更にまた本発明の交換結合素子は、先に記載の交換結合素子であり、前記反強磁性層Ｍｎ−Ｐｔの厚さが１６nm以上２８nm以下の範囲であることを特徴とする（請求項６）。
【００１５】
係る交換結合素子によれば、反強磁性層の厚さが上記の範囲であるので、反強磁性層と磁化固定層との間の一方向異方性定数Ｊkを高めることができ、磁化固定層の磁化方向を強固に固定することが可能になる。具体的には、反強磁性層Ｍｎ-Ｉｒの厚さを４nm以上１９nm以下の範囲とすることにより、Ｊkを0.4erg/cm2以上にすることが可能になる。また、反強磁性層Ｍｎ-Ｉｒの厚さを５nm以上１０nm以下の範囲とすることにより、Ｊkを0.5erg/cm2以上にすることが可能になる。更に、反強磁性層Ｍｎ−Ｐｔの厚さを１６nm以上２８nm以下の範囲とすることにより、Ｊkが0.4erg/cm2を超えるものとすることが可能になる。
【００１６】
次に本発明のスピンバルブ型磁気抵抗素子は、先のいずれかに記載の交換結合素子を具備してなることを特徴とする（請求項７）。
【００１７】
また本発明の磁気ヘッドは、上記のスピンバルブ型磁気抵抗素子を具備してなることを特徴とする（請求項８）。上記の磁気ヘッドの具体例として、上記の交換結合素子の強磁性層上に非磁性電導層と別の強磁性層を積層してスピンバルブ型磁気抵抗素子を形成し、このスピンバルブ型磁気抵抗素子を一対の絶縁膜で挟み、更にこれらのスピンバルブ型磁気抵抗素子及び絶縁膜をシールド層で挟んだものを例示できる。
【００１８】
次に、本発明のトンネル型磁気抵抗素子は、先のいずれかに記載の交換結合素子を具備してなることを特徴とする（請求項９）。
【００１９】
また本発明の磁気式メモリは、上記のトンネル型磁気抵抗素子を具備してなることを特徴とする（請求項１０）。上記の磁気式メモリの具体例として、例えば、スイッチング素子としてのトランジスタに上記のトンネル型磁気抵抗素子を接続してメモリセルを構成し、このメモリセルに対してワード線及びビット線を配設したものを例示できる。
【００２０】
また本発明の磁気ヘッドは、上記のトンネル型磁気抵抗素子を具備してなることを特徴とする（請求項１１）。上記の磁気ヘッドの具体例として、上記の交換結合素子の強磁性層上に絶縁膜と別の強磁性層を積層してトンネル型磁気抵抗素子を形成し、このトンネル型磁気抵抗素子を一対の絶縁膜で挟み、更にこれらのトンネル型磁気抵抗素子及び絶縁膜をシールド層で挟んだものを例示できる。
【００２１】
次に本発明の交換結合素子の製造方法は、前記請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の交換結合素子の製造方法であって、少なくとも初期圧力を１０-9Torr以下とした状態で、基体上に反強磁性層と磁化固定層を順次積層して形成することを特徴とする（請求項１２）。
【００２２】
係る交換結合素子の製造方法によれば、少なくとも初期圧力を１０-9Torr以下とした状態で、基体上に反強磁性層と、上記組成の合金を含む磁化固定層を順次積層することにより、反強磁性層及び磁化固定層中の不純物を極力低減し、更に上記組成の磁化固定層を積層することにより、一方向異方性定数Ｊkが従来よりも高い交換結合素子を得ることが可能になる。
【００２３】
また本発明の交換結合素子の製造方法は、先に記載の交換結合素子の製造方法であって、前記反強磁性層を成膜した後であって磁化固定層を成膜する前に、前記反強磁性層を熱処理することを特徴とする（請求項１３）。
【００２４】
また本発明の交換結合素子の製造方法は、先に記載の交換結合素子の製造方法であって、前記反強磁性層を赤外光照射により加熱して熱処理することを特徴とする（請求項１４）。係る交換結合素子の製造方法によれば、反強磁性層に赤外光を照射して熱処理することにより、一方向異方性定数Ｊkがより優れた交換結合素子の製造が可能になる。
【００２５】
また、少なくとも前記反強磁性層の成膜から前記熱処理終了までの間を、１０-9Torr以下の圧力とした状態で行うことが好ましい（請求項１５）。係る交換結合素子の製造方法によれば、一方向異方性定数Ｊkがより優れた交換結合素子の製造が可能になる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。尚、本明細書において、圧力をTorrの単位で表記するが、これをＳＩ単位であるPa(パスカル)に変換する場合には、１Torr＝１３３Paにより換算すればよい。また、膜厚をÅの単位で表記する場合があるが、これをＳＩ単位であるnm(ナノメートル)に変換する場合には、１Å＝０．１nmにより換算すればよい。更に磁界をＯｅ(エルステッド)の単位で表記する場合があるが、これをＳＩ単位であるA/m(アンペア毎メートル)に変換する場合には、１ Ｏｅ＝７９．５８A/mにより換算すればよい。
【００２７】
［第１の実施形態：交換結合素子］図１には、本発明の第１の実施形態である交換結合素子１を示す。なお、第１の実施形態は、請求項１に関わる磁化固定層が積層フェリ磁性層を備えるものではなく、単層の強磁性層を備える形態であるが、説明の便宜上、まず、この形態について述べ、後述する第２の実施形態において、積層フェリ磁性層を備えるものについて述べる。図１に示す交換結合素子１は、Ｓｉからなる基体２上に積層された下地層３と、反強磁性層４と、反強磁性層４上に形成された磁化固定層５と、Cuからなる反応防止層６と、Taからなる保護層７とから構成されている。
【００２８】
反強磁性層４は、反強磁性を示す合金からなるもので、磁化固定層５と交換結合して磁化固定層５の磁化方向を一方向に固定する。この反強磁性層４は、初期圧力を１０-9Torr以下とした状態で、スパッタリング法、蒸着法、あるいはその他の薄膜形成手段によって形成されたものであり、反強磁性層４内部に混入する不純物濃度が少なくなっている。これにより、反強磁性層４の結晶構造が乱れることがなく、磁化固定層５との間に生じる一方向異方性定数Ｊk(以下Ｊkと表記する)を増大させることができる。尚、反強磁性層４は初期圧力が１０-6Torr以下の状態で形成されたものであっても良い。この場合、層内部への不純物の混入量が若干増大し、これにより最適な合金組成の範囲が若干狭くなるが、それでも十分なＪkを発現させることができる。
【００２９】
反強磁性層４は、組成式MnyIｒ100-yで表され、組成比を示すｙが原子％で２１．５≦ｙ≦２８．５の範囲である合金からなるものである。反強磁性層４の組成比を示すｙは、２１．５原子％以上２８．５原子％以下の範囲が好ましく、２４原子％以上２６原子％以下の範囲がより好ましい。組成比ｙが２１．５原子％未満または２８．５原子％を超える範囲では、Ｊkが低下してしまうので好ましくない。あるいは反強磁性層４は、組成式MnzPｔ100-zで表され、組成比を示すｚが原子％で５３≦ｚ≦５７の範囲である合金からなるものである。反強磁性層４の組成比を示すｚは、５３原子％以上５７原子％以下の範囲が好ましい。組成比ｚが５３原子％未満または５７原子％を超える範囲では、Ｊkが低下してしまうので好ましくない。反強磁性層４は特に、MnyIｒ100-y合金からなることがＪkをより向上できる点で好ましい。
【００３０】
また反強磁性層４は、磁化固定層５の積層前に初期真空度が１０-9Torr以下、好ましくは１０-10Torr以下の真空雰囲気中で熱処理されたものが好ましい。反強磁性層４が初期真空度１０-9Torr以下の高真空中で熱処理されると、反強磁性層４の表面の酸化や表面への気体状の不純物の吸着を防止しつつ熱処理がなされ、反強磁性層４の表面の原子配列等が変化し、反強磁性層４の表面が改質される。この改質された表面に磁化固定層５を積層した場合、反強磁性層４と磁化固定層５との間の交換結合磁界が増強され、より高いＪkを発現させることができ、磁化固定層５の磁化方向を強固に固定することが可能になる。
【００３１】
また反強磁性層にＭｎ−Ｉｒを選択した時、反強磁性層４の膜厚は、４nm以上１９nm以下の範囲が好ましく、５nm以上１０nm以下の範囲がより好ましい。膜厚が４nm未満あるいは１９nmを超えた範囲では、Ｊkが低下してしまうので好ましくない。また反強磁性層をＭｎ−Ｐｔとし、該反強磁性層４の膜厚を、１６nm以上２８nm以下の範囲としても良い。具体的には、磁化固定層５の合金組成を最適化するとともに反強磁性層４にＭｎ−Ｉｒを選択して、該反強磁性層４の厚さを４nm以上１９nm以下の範囲とした場合はＪkを0.4erg/cm2以上にでき、また該反強磁性層４の厚さを５nm以上１０nm以下の範囲とした場合はＪkを0.5erg/cm2以上にできる。また、反強磁性層４にＭｎ−Ｐｔを選択し、該反強磁性層４の厚さを１６nm以上２８nm以下の範囲とした場合にＪkが0.4erg/cm2を超えるものとすることができる。
【００３２】
次に磁化固定層５は、強磁性を示す合金からなるもので、図１中矢印で示すように、反強磁性層４と交換結合して磁化方向が一方向に固定されている。この磁化固定層５は、反強磁性層と同様に初期圧力を１０-9Torr以下とした状態で、スパッタリング法、蒸着法、あるいはその他の薄膜形成手段によって形成されたものであり、磁化固定層５内部に混入する不純物濃度が少なくなっている。これにより、磁化固定層５の結晶構造が乱れることがなく、反強磁性層４との間に生じるＪkを増大させることができる。尚、磁化固定層５は初期圧力が１０-6Torr以下の状態で形成されたものであっても良い。この場合、層内部への不純物の混入量が若干増大し、これにより最適な合金組成の範囲が若干狭くなるが、それでも十分なＪkを発現させることができる。
【００３３】
また磁化固定層５は、その少なくとも一部または全部が、組成式CoxFe100-xで表され、組成比を示すｘが原子％で４２≦ｘ≦８３の範囲である合金から構成されている。即ち、磁化固定層５の全部を上記組成の合金としても良く、磁化固定層５を合金組成の異なる複数の強磁性膜の積層体とし、少なくとも反強磁性層４に接する部分を上記組成の合金としても良い。組成比ｘが４２原子％未満あるいは８３原子％を越えると、Ｊkが低下してしまうので好ましくない。尚、磁化固定層４が１０-6Torr以下の初期圧力下で形成されたものである場合は、上記合金の組成比ｘを５４原子％以上７５原子％以下に範囲にすることが好ましい。尚、磁化固定層５の厚さは連続膜が形成できる限り薄いことが望ましいが、例えば１．５nm〜４．０nmとすることができる。
【００３４】
次に下地層３は、例えばSiO2膜３ａ、Ta膜３ｂ、Ni-Fe合金膜３ｃ及びCu膜３ｄを順次積層したものが好ましい。この下地層３を形成することにより、反強磁性層４の結晶配向を制御することが可能になる。Ta膜３ｂの膜厚は２〜５nmの範囲が好ましく、Ni-Fe合金膜３ｃの膜厚は１〜５nmの範囲が好ましく、Cu膜３ｄの膜厚は０〜５nmの範囲が好ましい。なおTa膜３ｂとNiFe合金膜３ｃとはその界面において界面反応層を形成することにより反強磁性層４の結晶配向の制御性を向上させることができるので、少なくともTa膜３ｂは２nm以上、Ni-Fe合金膜３ｃの膜厚は１nm以上あることが好ましい。また用途に応じて電気抵抗の低いＣｕ膜３ｄは省略することが可能である。また、全ての膜、Ta膜３ｂ、Ni-Fe合金膜３ｃ、Cu膜３ｄは、上部の交換結合素子部における表面粗さを低下させること、素子の集積度を向上させることから、すべて５nm以下の膜厚とすることが好ましい。
【００３５】
保護層７は例えば膜厚が２nmのTaからなる膜である。また反応防止層6は磁化固定層5と保護層7との界面反応を抑止する目的で用いられ、厚さ１nm程度を形成すればよい。また反応防止層6は省略しても良い。
【００３６】
係る交換結合素子１によれば、反強磁性層４及び磁化固定層５が上記組成の合金からそれぞれ形成されるので、一方向異方性定数Ｊkを従来より高くすることができる。具体的には、Ｊkを少なくとも0.4erg/cm2以上にすることが可能になる。
【００３７】
［第２の実施形態：交換結合素子］次に本発明の第２の実施形態である交換結合素子を図面を参照して説明する。図２には、第２の実施形態の交換結合素子１１を示す。尚、この交換結合素子１１の構成要素のうち、第１の実施形態の交換結合素子１の構成要素と同一の構成要素には同一符号を付してその説明を省略する。
【００３８】
この交換結合素子１１は、Ｓｉからなる基体２上に積層された下地層３と、反強磁性層４と、反強磁性層４上に形成された磁化固定層１５と、Cuからなる非磁性導電層６と、Taからなる保護層７とから構成されている。基体２、下地層３、反強磁性層４、反応防止層６及び保護層７は、第１の実施形態で説明した下地層、反強磁性層、反応防止層及び保護層と同一であるので説明を省略する。
【００３９】
この交換結合素子１１の磁化固定層１５は、２つの強磁性層１５ａ、１５ｂと、これらの強磁性層１５ａ、１５ｂの間に挟まれた非磁性層１５ｃとが積層されてなる積層フェリ磁性層である。この磁化固定層１５においては、２つの強磁性層１５ａ、１５ｂが非磁性層１５ｃを介して反強磁性的に結合しており、全体としてフェリ磁性状態になっている。即ち、反強磁性層４に隣接する強磁性層１５ａの磁化方向が反強磁性層４との交換結合により図中右向き(図中矢印の方向)に固定され、この強磁性層１５ａにもう一方の強磁性層１５ｂが反強磁性的に結合してその磁化方向が図中左方向(図示矢印方向)に固定されている。このように２つの強磁性層１５ａ、１５ｂの磁化方向が反対向きなので、磁化固定層１５全体の磁気モーメントが減少し、これにより外部磁界の影響が小さくなって磁化固定層１５の磁化方向が強固に固定される。
【００４０】
また、この磁化固定層１５は、初期圧力を１０-9Torr以下とした状態で、スパッタリング法、蒸着法、あるいはその他の薄膜形成手段によって形成されたものであり、磁化固定層１５内部に混入する不純物濃度が少なくなっている。これにより、磁化固定層１５を構成する強磁性層１５ａ、１５ｂの結晶構造が乱れることがなく、反強磁性層４との間に生じるＪkを増大させることができる。尚、磁化固定層１５は初期圧力が１０-6Torr以下の状態で形成されたものであっても良い。この場合、層内部への不純物の混入量が若干増大し、これにより最適な合金組成の範囲が若干狭くなるが、それでも十分なＪkを発現させることができる。
【００４１】
また磁化固定層１５のうち反強磁性層４に隣接する強磁性層１５ａは、その少なくとも一部または全部が、組成式CoxFe100-xで表され、組成比を示すｘが原子％で４２≦ｘ≦８３の範囲である合金からなることが好ましい。即ち、強磁性層１５ａの全部を上記組成の合金としても良く、強磁性層１５ａを合金組成の異なる複数の強磁性膜の積層体とし、少なくとも反強磁性層４に接する部分を上記組成の合金としても良い。
【００４２】
組成比ｘが４２原子％未満あるいは８３原子％を越えると、Ｊkが低下してしまうので好ましくない。尚、磁化固定層４が１０-6Torr以下の初期圧力下で形成されたものである場合は、上記合金の組成比ｘを５４原子％以上７５原子％以下に範囲にすることが好ましい。
【００４３】
強磁性層１５ａおよび１５ｂの膜厚は例えば1〜3nmの範囲がよい。更に非磁性層１５ｃは例えばRuからなり、その膜厚は例えば０．２〜１．０nmの範囲が好ましく、０．６〜０．９nmの範囲がより好ましい。該膜厚は上記範囲０．２〜１．０nmおいて上下の強磁性層１５ａ、１５ｂの磁化方向を反強磁性的に強固に結合させることが可能である。さらに該範囲中においてもより薄いほうがより強固に結合できる。しかし、一方膜厚制御の安定性から６nm以上の膜厚が望ましく、実用的な観点からは０．６〜０．９nmがより好ましい。
【００４４】
尚、磁化固定層１５の構成は上述した構成に限られるものではなく、３または４以上の強磁性層と、２または３以上の非磁性層とが交互に積層されてなる多層構造の積層フェリ磁性層であっても良い。
【００４５】
係る交換結合素子１１によれば、反強磁性層４及び磁化固定層１５の一部が上記組成の合金からそれぞれ形成されるので、一方向異方性定数Ｊkをより高くすることができ、更に磁化固定層１５が積層フェリ磁性層であるので磁化固定層１５の磁化方向を強固に固定することが可能になる。
【００４６】
［第３の実施形態：交換結合素子の製造方法］次に、図１に示した交換結合素子１を例とし、この交換結合素子１の製造方法を説明する。図３に、本発明の交換結合素子の製造に用いて好適な成膜装置の平面模式図を示す。この成膜装置２１は、メタル膜形成室２２と、スパッタ膜形成室２３と、熱処理室２４と、搬送室２５と、ガス流量制御ユニット２６と、真空計２７とを主体として構成されている。メタル膜形成室２２はゲートバルブ２２ａを介して搬送室２５に連結され、またスパッタ膜形成室２３はゲートバルブ２３ａを介して搬送室２５に連結され、更に熱処理室２４はゲートバルブ２４ａを介して搬送室２５に連結されている。
【００４７】
また、搬送室２５は３組の搬送ローダ２８，２９，３０が取り付けられており、これらの搬送ローダ２８，２９，３０は搬送室２５内に収納された成膜対象物を、メタル膜形成室２２、スパッタ膜形成室２３及び熱処理室２４にそれぞれ搬送できるように構成されている。また、メタル膜形成室２２、スパッタ膜形成室２３及び熱処理室２４にはそれぞれ、ガス流量制御ユニット２６と真空計２７とが接続されており、各室内の圧力及び雰囲気ガスの種類を調整できるようになっている。
【００４８】
メタル膜形成室２２には、成膜用のターゲット２２ｂ…が複数個備えられており、また搬送室２５から搬送された成膜対象物を移動させる試料ステージ２２ｃが備えられている。ターゲット２２ｂ…はメタル成膜室内２２の天井内側に取り付けられ、また試料ステージ２２ｃはメタル成膜室内２２の床面に移動自在に取り付けられている。各ターゲットは、例えば高純度のTa、Cu、Ni-Fe合金、Co-Fe合金、及びMn−Ir合金により形成されている。
【００４９】
次に交換結合素子１の製造方法を説明する。まず、Ｓｉからなる基体２を搬送室内に設置し、この基体２を搬送ローダ３０によって熱処理室３０に搬送する。熱処理室３０では、酸素雰囲気中で加熱処理することにより、基体２の表面に下地層３の一部であるSiO2膜３ａを形成する。次に搬送ローダ３０により基体２を搬送室２５に戻す。
【００５０】
メタル膜形成室２２内は、図示しない排気ポンプにより予め１０-6以下もしくは１０-9Torr以下の初期圧力まで減圧された状態になっている。そして、搬送室２５内をメタル形成室２２内とほぼ同程度あるいは若干の低真空度とした上でゲートバルブ２２ａを解放し、搬送ローダ２８によって基体２をメタル膜形成室２２の試料ステージ２２ｃに搬送する。次に高純度アルゴンガスを導入してメタル膜形成室２２内の圧力を０．６〜３mTorrとし、基体２の温度を室温に保った状態で、試料ステージ２２ｃを駆動して基体２をTaターゲット２２ｂ下に移動させる。そして、ＤＣマグネトロンスパッタ法を用い、一方向に磁界を印加しつつ、先に形成されたSiO2膜３ａ上に、下地層３の一部であるTa膜３ｂを成膜する。
【００５１】
次にTa膜３ｂの形成と同様な方法で、Ni-Fe膜３ｃ及びCu膜３ｄを順次形成して下地層３を形成する。次に下地層３の形成と同様な方法で、下地層３上に反強磁性層４を形成する。反強磁性層４の膜厚は４nm以上１９nm以下の範囲が好ましく、この膜厚は成膜速度を一定とし、成膜時間を制御することで調整する。また反強磁性層４の組成は、ターゲットの合金組成を調整することにより、MnyIr100-y（組成比ｙは原子％で２１．５≦ｙ≦２８．５の範囲）あるいはMnzPt100-z（組成比ｚは原子％で５３≦ｙ≦５８の範囲）なる組成にできる。
【００５２】
次に、下地層３及び反強磁性層４の形成と同様な方法で、磁化固定層５を形成する。係る磁化固定層５は、組成範囲がある特定の範囲にある場合に、優れたＪｋを発現する。即ち、磁化固定層５の組成を、CoxFe100-xなる組成(組成比を示すｘが原子％で４２≦ｘ≦８３の範囲)とすることが好ましい。また組成比ｘを５４原子％以上７５原子％以下の範囲としてもよい。また磁化固定層５の膜厚は反強磁性層４の場合と同様に、成膜速度を一定とし、成膜時間を制御することで調整する。
【００５３】
そして更に、磁化固定層５上に、Cuからなる反応防止層６及びTaからなる保護層７を順次積層する。
【００５４】
次に、各層３、４…を積層した基体２を、搬送ローダ２８及び３０を用いて、搬送室２５経由で熱処理室２４に搬送し、熱処理室２４内の初期圧力を１０-6Torr以下〜１０-9Torr以下まで減圧した状態で熱処理を行う。熱処理は、反強磁性層４がMnIr合金の場合は熱処理温度２５０〜３５０℃、熱処理時間３０〜１００分の範囲とし、反強磁性層４がMnPt合金の場合は熱処理温度２００〜３００℃、熱処理時間１００〜３００分の範囲として、メタル膜形成室２２において成膜時に印加した磁界方向と同方向に１００Oe以上の磁界を印加しつつ、基体２を熱処理室２４内に内蔵されたヒータ等で加熱する。この熱処理により、反強磁性層４と磁化固定層５との界面で交換結合磁界が発現し、磁化固定層５の磁化方向が一方向に固定される。このようにして、図１に示す交換結合素子１が得られる。なお、上記熱処理はTaからなる保護層７を成膜後、メタル膜形成室２２より搬送室２５に搬送したのち、本成膜装置２１より各層３、４…を積層した基体２を取り出し、別途装置により真空雰囲気下で磁界中熱処理を施しでも良い。その際の真空度、磁界強度、熱処理条件については上記熱処理室２４内での条件と共通するので省略する。
【００５５】
また、上記の交換結合素子１の製造方法において、反強磁性層４の成膜直後であって磁化固定層５の形成前に別途熱処理を行っても良い。反強磁性層４の形成後であって磁化固定層５の形成前に、真空雰囲気を保持したまま熱処理室２４へ搬送し、その後メタル形成室２２に再度搬送し、続いて磁化固定層５、反応防止層６、保護層７を成膜する。本熱処理を行うことで、交換結合素子１のＪkをより高めることができる。尚、この場合の熱処理は、ヒータ加熱による熱処理のみならず、赤外光照射による熱処理でもよい。
【００５６】
赤外光照射時の反強磁性層４の熱処理温度は、例えば赤外光源への通電量により調節される。また赤外光照射時の初期圧力は、１０-9Torr以下、好ましくは１０-10Torr以下とするのが好ましい。初期圧力が１０-9Torrより低下すると、雰囲気中に残留した酸素、水等が反強磁性層４の表面に吸着し、場合によっては反強磁性層４の表面が酸化されたり変質されてしまい、Ｊkを低下させてしまうので好ましくない。このように、上記の高真空中で反強磁性層４を熱処理することにより、反強磁性層４の表面の酸化や表面への気体原子の吸着を防止することができ、表面の原子配列等を変化させて反強磁性層４の表面状態を改善することができ、この表面に磁化固定層５を積層すれば、反強磁性層４と磁化固定層５との間で交換結合磁界を発現させ、高いＪkを発現させることができる。
【００５７】
また、磁化固定層を、２以上の強磁性層と１以上の非磁性層とが交互に積層されてなる積層フェリ磁性層とし、強磁性層のうち反強磁性層に隣接する強磁性層をCoxFe100-xなる組成(組成比を示すｘが原子％で４２≦ｘ≦８３の範囲)の合金で形成することにより、図２に示す交換結合素子１１を形成しても良い。
【００５８】
［第４の実施形態：スピンバルブ型磁気抵抗素子］次に本発明の第４の実施形態であるスピンバルブ型磁気抵抗素子を図面を参照して説明する。図４には、本発明の第４の実施形態であるスピンバルブ型磁気抵抗素子４０を示す。このスピンバルブ型磁気抵抗素子４０は、基体２上に、下地層３と、反強磁性層４と、磁化固定層５と、非磁性導電層４６と、別の強磁性層４７と、保護層４８とが順次積層されて構成されている。このスピンバルブ型磁気抵抗素子４０においては、反強磁性層４及び固定磁化層５の積層体が交換結合素子４１を構成する。尚、上記の基体２、下地層３、反強磁性層４及び磁化固定層５の詳細な構成は、第２の実施形態にて説明した基体２、反強磁性層４及び磁化固定層１５の構成、材質、膜厚等と同様であり、その説明を省略する。
【００５９】
非磁性導電層４６は例えば膜厚が２〜２．５nmのCuからなる層であり、磁化固定層５と別の強磁性層４７の間に位置してこれらの層５、４７の磁化方向に依存した電子のスピン依存伝導を生じさせる。また強磁性層４７は例えば膜厚が１〜５nmのNi-Fe合金またはCo-Fe合金またはCoまたはそれらの積層膜からなる層であり、非磁性導電層４６に隣接している。このスピンバルブ型磁気抵抗素子４０においては、強磁性層４７が磁化自由層を構成する。この強磁性層４７の磁化方向は、例えばバイアス磁界等によって例えば磁化固定層の磁化方向の直交方向(図の手前方向)に揃えられている。また保護層４８は、例えば膜厚が２nmのTaからなる膜である。強磁性層４７と保護層４８との界面反応を嫌う場合は、両層間に厚さ１nm程度の反応防止層としてのCu膜を挿入しても良い。
【００６０】
このスピンバルブ型磁気抵抗素子４０に外部磁界が印加されると、磁化自由層である強磁性層４７の磁化方向が外部磁界の影響により変動し、磁化固定層５との間で磁化方向の変動が生じて電子のスピン依存伝導性が変化して抵抗変化が生じ、この抵抗変化を検知することで外部磁界の変動を検知できる。なお、磁化固定層５の磁化方向は反強磁性層４との交換結合により強固に固定されているので、外部磁界が印加されてもその磁化方向が変動することがない。
【００６１】
上記のスピンバルブ型磁気抵抗素子４０によれば、Ｊkが高い本発明に係る交換結合素子４１を備えているので、外部磁界によって磁化固定層５の磁化方向が変動することがなく、高い磁気抵抗変化率(ＭＲ比)を発現することができる。更に、上記の強磁性層４７と保護層４８との間に、電子を弾性散乱させる金属酸化物からなる鏡面反射層を形成しても良い。鏡面反射層を形成した場合には、ＭＲ比を更に向上させることができる。
【００６２】
また、上記のスピンバルブ型磁気抵抗素子４０によれば、反強磁性層４の層厚を１９nm以下にできるので、スピンバルブ型磁気抵抗素子４０の全厚を低減することができ、ギャップ長を短縮して高記録密度化に対応させることができる。
【００６３】
また、上記のスピンバルブ型磁気抵抗素子４０の磁化固定層５を、強磁性層と非磁性層の積層体からなる積層フェリ磁性層としても良い。この積層フェリ磁性層たる磁化固定層の具体的な構成は、例えば第２の実施形態で説明した磁化固定層１５の構成を例示できる。尚、積層フェリ磁性層たる磁化固定層において非磁性導電層４６に接する層は強磁性層になるが、この強磁性層はCo90Fe10なる組成の合金とすることが好ましい。係る強磁性層を上記の組成の合金とすることにより、スピン依存散乱が大きくなり磁気抵抗効果をより大きくすることができる。
【００６４】
係る積層フェリ磁性層からなる磁化固定層を備えたスピンバルブ型磁気抵抗素子であれば、磁化固定層の磁化方向をより強固に固定することができ、外部磁界の影響を排除してＭＲ比をより高くすることができる。
【００６５】
［第５の実施形態：磁気ヘッド］図５には、本発明の第５の実施形態であるＧＭＲ型再生ヘッド及びこの再生ヘッドと誘導型記録ヘッドを組み合わせた記録再生分離型磁気ヘッドを示し、図６には、ＧＭＲ型再生ヘッドの要部を示す。図５及び図６において、符号８００は本発明に係るスピンバルブ型磁気抵抗素子、８０１は本発明に係る交換結合素子、８０３は下地層、８０４は反強磁性層、８０５は固定磁化層として機能する強磁性層、８０６は非磁性導電層、８０７は磁化自由層として機能する強磁性層、８０８はＭＲ電極、８０９はハード膜、８１１はＧＭＲ型再生ヘッド、８１２は記録ヘッドの下部磁極(８２４)を兼ねるＧＭＲ型再生ヘッド８１１の上部シールド層、８１３、８１４は非磁性絶縁膜、８１５はＧＭＲ型再生ヘッド８１１の下部シールド、８２１は記録ヘッド、８２２は記録ヘッド８２１の上部ポール、８２３は導電体からなるコイル、８２４はＧＭＲ型再生ヘッド８１１の上部シールド(８１２)を兼ねる記録ヘッドの下部磁極である。
【００６６】
尚、スピンバルブ型磁気抵抗素子８００の下地層８０３、反強磁性層８０４、強磁性層(磁化固定層)８０５、非磁性導電層８０６及び強磁性層(磁化自由層)８０７の詳細な構成は、第４の実施形態で説明したスピンバルブ型磁気抵抗素子４０の下地層３、反強磁性層４、強磁性層(磁化固定層)５、非磁性導電層４６及び強磁性層(磁化自由層)４７の構成とほぼ同一である。
【００６７】
本発明に係る交換結合素子８０１を含むスピンバルブ型磁気抵抗素子８００を上部シールド層８１２と下部シールド層８１５で挟んだ部分が再生ヘッドとして機能し、薄膜Cuからなるコイル８２３を上部磁極８２２と下部磁極８２４で挟んだ部分が記録ヘッドとして機能する。この記録再生分離型磁気ヘッドは、ＧＭＲ型再生ヘッド８１１の上部シールド層８１２が、記録ヘッド８２１の下部磁極８２４を兼ねる構成とした場合であるが、上部シールド層と下部磁極に別材料を用いて別構成としたり、あるいは両者の間に他の構成物を配置しても本発明の作用、効果は失われるものではない。
【００６８】
このＧＭＲ型再生ヘッド８１１によれば、Ｊkが高い本発明に係る交換結合素子８０１を備えているので、記録磁界等の外部磁界によって磁化固定層８０５の磁化方向が変動することがなく、高い磁気抵抗変化率(ＭＲ比)を発現することができる。
【００６９】
［第６の実施形態：トンネル型磁気抵抗素子］次に本発明の第６の実施形態であるトンネル型磁気抵抗素子を図面を参照して説明する。図７には、本発明の第６の実施形態であるトンネル型磁気抵抗素子５０を示す。このトンネル型磁気抵抗素子５０は、基体２上に、下地層３と、反強磁性層４と、磁化固定層５と、絶縁層５６と、別の強磁性層５７と、保護層５８とが順次積層されて構成されている。このトンネル型磁気抵抗素子５０においては、反強磁性層４及び固定磁化層５の積層体が交換結合素子５１を構成する。尚、上記の基体２、下地層３、反強磁性層４及び磁化固定層５の詳細な構成は、第２の実施形態にて説明した基体２、反強磁性層４及び磁化固定層１５の構成、材質、膜厚等と同様であり、その説明を省略する。尚、下地層３には、例えばSiO2膜３ａとTa膜３ｂとの間に、別のTa膜とCu膜を追加しても良い。SiO2膜上に成膜するTa膜はここにおいてはこのTa膜に続けて形成されるCu膜とSiO2膜との密着性の向上を目的に用いられ、５nm程度の膜厚でよい。さらにこのTaに続けて形成されるCu膜は膜のシート抵抗を低減することを目的に用いられ、例えば２０〜５００nmと、用途に応じて決定すればよい。なお、該Ｃｕ膜は電気抵抗を下げることが目的であり、Ｃｕ以外にＡｌ、あるいはその合金、その他の低抵抗材料を用いても良い。
【００７０】
絶縁層５６は例えば膜厚が０．５〜３．０nmのAl2O3等の非磁性絶縁体からなる層であり、磁化固定層５と別の強磁性層４７の間に位置してこれらの層５、４７の磁化方向に依存したトンネル電流を流す。また強磁性層５７は例えば膜厚が１〜５nmのNi-Fe合金またはCo-Fe合金またはCoまたはそれらの積層膜からなる層であり、絶縁層５６に隣接している。トンネル型磁気抵抗素子５０においては、強磁性層５７が磁化自由層を構成する。強磁性層５７は下部強磁性層５７ａ及び上部強磁性層５７ｂからなる２層構造で構成されている。下部強磁性層５７ａは例えば、Ｃｏ75Ｆｅ25の組成からなるもので、この下部強磁性層５７ａを絶縁層５６に隣接して配すればＴＭＲ効果を増大させる効果がある。更に上部強磁性層５７ｂは例えばNi-Fe合金膜が挙げられる。この上部強磁性層５７ｂを積層することにより、強磁性層５７の磁化反転が容易となり、低磁界での動作が可能となる。下部強磁性層５７ｂは例えば2〜５nm、上部強磁性層５７ａは例えば１０〜５０ｎｍの膜厚にできる。また保護膜５８は、例えば膜厚が２nmのTaからなる膜である。また、強磁性層５７上層であって、保護層５８の下層に、Ｃｕ層を配置してよい。これにより絶縁層より上の上部電極層のシート抵抗を低減でき、ＴＭＲ素子の安定動作に効果的である。なお、該Ｃｕ層は電気抵抗を下げることが目的であり、Ｃｕ以外にＡｌ、あるいはその合金、その他の低抵抗材料を用いても良い。
【００７１】
このトンネル型磁気抵抗素子５０の磁化自由層たる強磁性層５７に外部磁界が印加されると、その磁化方向が外部磁界の影響により変動し、磁化固定層５との間で磁化方向の変動が生じ、これにより絶縁層５７を介して磁化固定層５及び磁化自由層５７間を流れるトンネル電流量が変動し、これによりトンネル型磁気抵抗素子５０の抵抗変化が生じる。なお、磁化固定層５の磁化方向は反強磁性層４との交換結合により強固に固定されているので、外部磁界が印加されてもその磁化方向が変動することがない。
【００７２】
上記のトンネル型磁気抵抗素子５０によれば、Ｊkが高い本発明に係る交換結合素子５１を備えているので、外部磁界によって磁化固定層５の磁化方向が変動することがなく、高い磁気抵抗変化率(ＭＲ比)を発現することができる。
【００７３】
また、上記のトンネル型磁気抵抗素子５０によれば、反強磁性層４の層厚を１９nm以下にできるので、トンネル型磁気抵抗素子５０の全厚を低減することができ、トンネル型磁気抵抗素子５０の集積度を向上することができる。
【００７４】
また、上記のトンネル型磁気抵抗素子５０の磁化固定層５を、強磁性層と非磁性層の積層体からなる積層フェリ磁性層としても良い。この積層フェリ磁性層たる磁化固定層の具体的な構成は、例えば第２の実施形態で説明した磁化固定層１５の構成を例示できる。尚、積層フェリ磁性層たる磁化固定層において絶縁層５６に接する層は強磁性層になるが、この強磁性層はCo75Fe25なる組成の合金とすることが好ましい。係る強磁性層を上記の組成の合金とすることにより、分極率が大きくなってトンネル型磁気抵抗効果をより増大することができる。
【００７５】
係る積層フェリ磁性層からなる磁化固定層を備えたトンネル型磁気抵抗素子であれば、磁化固定層の磁化方向をより強固に固定することができ、外部磁界の影響を排除してＭＲ比をより高くすることができる。
【００７６】
尚、上記のトンネル型磁気抵抗素子５０を、図５に示すスピンバルブ型磁気抵抗素子８０１に置き換えてＴＭＲ型再生ヘッドを構成しても良い。このＴＭＲ再生ヘッドによれば、Ｊkが高い本発明に係る交換結合素子を備えているので、記録磁界等の外部磁界によって磁化固定層の磁化方向が変動することがなく、高い磁気抵抗変化率(ＭＲ比)を発現することができる。
【００７７】
［第７の実施形態：磁気式メモリ］次に本発明の第７の実施形態である磁気式メモリを図面を参照して説明する。図８は磁気式メモリの要部であるメモリセルの断面図である。このメモリセルは、セル選択用の素子であるMOSFET９０１と、ワード線９０２と、ビット線９０３と、トンネル型磁気抵抗素子９０４とから構成されている。ワード線９０２はMOSFET９０１に接続されている。またビット線９０３はトンネル型磁気抵抗素子９０４に接続され、更にトンネル型磁気抵抗素子９０４は接続配線９０５を介してMOSFET９０１に接続されている。データの読み込み時においては、MOSFET９０１によりメモリセルを選択し、ワード線９０２からMOSFET９０１を介してトンネル型磁気抵抗素子９０４に電流を流す。トンネル型磁気抵抗素子９０４の磁化固定層及び強磁性層のそれぞれの磁化方向によって電気抵抗が異なることを利用して、記録されたデータを読み取ることができる。また書き込み時においてはビット線９０３およびワード線９０２とに電流を流し、ビット線９０３に流れる電流が形成する磁界と、ワード線９０２に流れる電流が形成する磁界と、の合成磁界によってトンネル型磁気抵抗素子の強磁性層のみを磁化反転させる。反強磁性層によりピン止めされた磁化固定層は磁化反転せず、強磁性層の磁化のみ反転させることができるために、上記の平行、反平行状態を意図して形成することが可能であり、これによりメモリの記憶及び消去が行える。
【００７８】
係る磁気式メモリによれば、上記の交換結合素子からなるトンネル型磁気抵抗素子を備えているので、磁化固定層の磁化が上記合成磁界によって反転することがなく、信頼性の高いメモリを構成することができる。
【００７９】
【実施例】
(実験例１:磁化固定層の最適組成の調査) 図１に示す構成の交換結合素子を製造して磁化固定層の最適組成の調査を行った。まず、基体として、Ｓｉ単結晶の基板を用意した。この基板を熱処理して表面にSiO2膜を形成した。そしてこの基板を硫酸過酸化水素混合液(硫酸：過酸化水素＝４：１)に浸し、更に基板を希フッ酸水溶液(ＨＦ：水＝１：１００)に浸し、更に超純水で濯ぐことにより、基板の表面をエッチングした。
【００８０】
エッチング処理済みの基板を図３に示す成膜装置に投入し、メタル膜形成室内の初期圧力を１０-9Torr以下(ＵＣプロセス)若しくは１０-6Torr以下(ノーマルプロセス)とした後、高純度アルゴンガスを導入して圧力を１〜３mTorrとした状態で、スパッタリング法による成膜処理を行い、図１に示すような構成の交換結合素子を製造した。スパッタリングに用いたターゲット種類及びスパッタリング条件を、表１および表２に示す。
【００８１】
【表１】
0004039656.tif 000002
【００８２】
【表２】
0004039656.tif 000003
【００８３】
得られた交換結合素子の具体的な構成は、Si基板/SiO2膜(50)/Ta膜(5)/Ni-Fe膜(2)/Cu膜(5)/反強磁性層(7.5)/磁化固定層(4)/Cu膜(4)/Ta膜(2)、なる構成であった。なお、かっこ書きは各層の膜厚を示す。単位はnmである。また、反強磁性層はMn73.8Ir26.2なる組成の合金とMn46Pt54なる組成の合金の２種類であり、磁化固定層はCoxFe100-x(ｘ＝0,35,50,60,70,80,90原子％)なる組成の合金である。
【００８４】
次に、得られた交換結合素子に対して１ｋＯｅ(79.58kA/m)の磁場中で熱処理を行い、反強磁性層と磁化固定層との間で交換結合磁界を発現させて磁化固定層の磁化方向を一方向に固定した。尚、熱処理は、反強磁性層がMn-Irの場合、５×１０-6Torr以下の真空中で、２００℃／分の昇温速度で３００℃まで加熱して３０分間保持した後に２００℃／分の降温速度で室温まで冷却する条件で行い、反強磁性層がMnPtの場合は２５０℃まで加熱して２００分間保持した後に２００℃／分の降温速度で室温まで冷却する条件で行った。
【００８５】
また、一部の交換結合素子については、反強磁性層を形成した後であって磁化固定層の形成前に、反強磁性層表面に赤外光を照射することにより反強磁性層を熱処理した。この時の熱処理条件は、圧力を１０-9Torr以下とし、熱処理温度を１８０℃とし、熱処理時間を２０分とした。このようにして、本発明に係る交換結合素子を製造した。
【００８６】
得られた交換結合素子について、磁化曲線を振動試料型磁力計にて測定し、磁化固定層の飽和磁化Ｍs及び交換結合磁界Ｈexを求めた。更にこのＭs及びＨexから、一方向異方性定数ＪkをＪk＝ＭsＨexｄFの式により算出した。なおｄFは磁化固定層の膜厚(4nm)である。
【００８７】
図９に、反強磁性層としてMn73.8Ir26.2合金を用いた交換結合素子のＪkと磁化固定層の組成との関係を示し、図１０には、反強磁性層としてMn46Pt54合金を用いた交換結合素子のＪkと磁化固定層の組成との関係を示す。尚、図１０でMn73.8Ir26.2合金を用いた交換結合素子のＪk(白丸プロット)を示しているが、これは 図９示す白丸プロットの交換結合素子と同じものである。
【００８８】
図９に示すように、１０-9Torr以下の初期圧力で成膜した交換結合素子では、磁化固定層の組成比を示すｘが４２〜８３原子％の範囲でＪkが0.4erg/cm2を越えていることがわかる。特に、組成比ｘが５０〜７０原子％の範囲でＪkが0.45erg/cm2を越えていることがわかる。一方、１０-6Torr以下の初期圧力で成膜した交換結合素子でも、組成比ｘが５４〜７５原子％の範囲でＪkが0.4erg/cm2を越えていることがわかる。また図１０に示すように、Mn46Pt54合金からなる反強磁性層の場合、組成比ｘが６０〜７０原子％の範囲でＪkが0.4erg/cm2を越えていることがわかる。
【００８９】
このように、磁化固定層の組成を最適化することにより、１０-6Torr以下の初期圧力で成膜した交換結合素子のみならず、１０-9Torr以下の初期圧力で成膜した交換結合素子でも、Ｊkが0.4erg/cm2を越えることがわかる。
【００９０】
また図９に示すように、反強磁性層に赤外光照射して熱処理した場合は、膜時の初期圧力の高低に関わらず、Ｊkが向上していることがわかる。特に、１０-6Torr以下の初期圧力で成膜するとともに赤外光照射で熱処理した交換結合素子は、Ｊkが0.64erg/cm2に達していることがわかる。このように赤外光照射による熱処理を行った場合は、Ｊkが大幅に向上することがわかる。
【００９１】
(実験例２:反強磁性層の最適組成の調査)成膜時の初期圧力を１０-9Torr以下としたこと以外は実験例１の場合と同様にして、基体上に反強磁性層等を積層して交換結合素子を製造した。得られた交換結合素子の具体的な構成は、Si基板/SiO2膜(50)/Ta膜(5)/Ni-Fe膜(2)/Cu膜(5)/反強磁性層(7.5〜20)/磁化固定層(4)/Cu膜(4)/Ta膜(2)、なる構成であった。なお、かっこ書きは各層の膜厚を示す。単位はnmである。また、反強磁性層は厚さ７．５nmのMnyIr100-y(ｙ＝21,24,25.3,26.2,28.1,30,30.6原子％)なる組成の合金、または厚さ２０nmのMnzPt100-z(ｚ＝48,50.5,51,52,53,54.5,56,59原子％)なる組成の合金であり、磁化固定層はCo70Fe30なる組成の合金である。
【００９２】
次に、得られた交換結合素子に対して、１ｋＯｅ(79.58kA/m)の磁場中で熱処理を行い、反強磁性層と磁化固定層との間で交換結合磁界を発現させて磁化固定層の磁化方向を一方向に固定した。尚、熱処理は、反強磁性層がMn-Irの場合、５×１０-6Torr以下の真空中で、２００℃／分の昇温速度で３００℃まで加熱して３０分間保持した後に２００℃／分の降温速度で室温まで冷却する条件で行い、反強磁性層がMnPtの場合は２５０℃まで加熱して２００分間保持した後に２００℃／分の降温速度で室温まで冷却する条件で行った。このようにして、本発明に係る交換結合素子を製造した。
【００９３】
得られた交換結合素子について、実験例１と同様にしてＪkを測定した。図１１に、交換結合素子のＪkと反強磁性層の組成(MnyIr100-y)との関係を示し、図１２に、交換結合素子のＪkと反強磁性層の組成(MnzPt100-z)との関係を示す。図１１に示すように、反強磁性層(MnyIr100-y)の組成比を示すｙが２１．５〜２８．５原子％の範囲でＪkが0.4erg/cm2を越えることがわかる。特に、組成比ｙが２４〜２６原子％の範囲でＪkが0.5erg/cm2を越えることがわかる。また図１２に示すように、反強磁性層(MnzPt100-z)の組成比を示すｚが５３〜５７原子％の範囲でＪkが0.4erg/cm2を越えることがわかる。このように、反強磁性層の組成を最適化することにより、１０-9Torr以下の初期圧力で成膜した交換結合素子においてＪkが0.4erg/cm2を越えることがわかる。
【００９４】
(実験例３:反強磁性層の最適膜厚の調査)成膜時の初期圧力を１０-9Torr以下としたこと以外は実験例１の場合と同様にして、基体上に反強磁性層等を積層して交換結合素子を製造した。得られた交換結合素子の具体的な構成は、Si基板/SiO2膜(50)/Ta膜(5)/Ni-Fe膜(2)/Cu膜(5)/反強磁性層(2.5〜20)/磁化固定層(4)/Cu膜(4)/Ta膜(2)、なる構成であった。なお、かっこ書きは各層の膜厚を示す。単位はnmである。また、反強磁性層は、膜厚が２．５〜２０nmのMn73.8Ir26.2なる組成の合金であり、磁化固定層は、Co62Fe38なる組成及びCo90Fe10なる組成の２種類の合金である。
【００９５】
次に、得られた交換結合素子に対して、１ｋＯｅ(79.58kA/m)の磁場中で熱処理を行い、反強磁性層と磁化固定層との間で交換結合磁界を発現させて磁化固定層の磁化方向を一方向に固定した。尚、熱処理は、反強磁性層がMn-Irの場合、５×１０-6Torr以下の真空中で、２００℃／分の昇温速度で３００℃まで加熱して３０分間保持した後に２００℃／分の降温速度で室温まで冷却する条件で行い、反強磁性層がMnPtの場合は２５０℃まで加熱して２００分間保持した後に２００℃／分の降温速度で室温まで冷却する条件で行った。このようにして、本発明に係る交換結合素子を製造した。
【００９６】
得られた交換結合素子について、実験例１と同様にしてＪkを測定した。図１３に、Co62Fe38なる組成の磁化固定層を備えた交換結合素子のＪkと反強磁性層の膜厚との関係を示し、図１４には、Co90Fe10なる組成の磁化固定層を備えた交換結合素子のＪkと反強磁性層の膜厚との関係を示す。
【００９７】
図１３から明らかなように、反強磁性層の膜厚が４〜１９．５nmの範囲でＪkが0.4erg/cm2を越えることがわかる。特に反強磁性層の膜厚が５〜１０nmの範囲でＪkが0.5erg/cm2を越えることがわかる。一方、図１４に示すように、磁化固定層がCo90Fe10なる組成の合金の場合は、膜厚が５nmのときにＪkが0.2erg/cm2に達するに過ぎず、磁化固定層の組成が最適な組成範囲から外れた場合にはＪkの向上が全く見られないことがわかる。
【００９８】
また、上記の反強磁性層を厚さ〜４０nmのMn46Pt54合金とし、磁化固定層をCo62Fe38なる組成としたこと以外は上記と同様にして交換結合素子を製造した。図１５に、この交換結合素子のＪkと反強磁性層の膜厚との関係を示す。図１５に示すように、Mn46Pt54合金からなる反強磁性層の場合は、反強磁性層の膜厚が１６〜２８nmの範囲でＪkが0.4erg/cm2を越えることがわかる。
【００９９】
以上の実験の結果から、磁化固定層の組成をCoxFe100-x(ｘ＝４２〜８３原子％)とし、反強磁性層の組成をMnyIr100-y(ｙ＝２１．５〜２８．５原子％)とし、反強磁性層の膜厚を４〜１９nmとし、成膜時の初期圧力を１０-9Torr以下とすることで、Ｊkが0.4erg/cm2を越えることがわかる。また、磁化固定層の組成をCoxFe100-x(ｘ＝５０〜７０原子％)とし、反強磁性層の組成をMnyIr100-y(ｙ＝２４〜２６原子％)とし、反強磁性層の膜厚を５〜１０nmとし、成膜時の初期圧力を１０-9Torr以下とすることで、Ｊkが0.5erg/cm2を越えることがわかる。更に、磁化固定層の組成をCo60Fe40とし、反強磁性層の組成をMnyIr100-y(ｙ＝２４〜２６原子％)とし、反強磁性層の膜厚を５〜１０nmとし、成膜時の初期圧力を１０-9Torr以下とし、反強磁性層の形成後に赤外光照射して熱処理することで、Ｊkが0.6erg/cm2に達することがわかる。
【０１００】
更にまた、磁化固定層の組成をCoxFe100-x(ｘ＝４２〜８３原子％)とし、反強磁性層の組成をMnzPt100-z(ｚ＝５３〜５６原子％)とし、反強磁性層の膜厚を１６〜２８nmとし、成膜時の初期圧力を１０-9Torr以下とすることで、Ｊkが0.4erg/cm2を越えることがわかる。
【０１０１】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明の交換結合素子には、磁化固定層の少なくとも一部または全部に、組成式CoxFe100-xで表され、組成比を示すｘが原子％で４２≦ｘ≦８３の範囲である合金が含まれるので、一方向異方性定数Ｊkを従来よりも高くすることができる。
【０１０２】
また本発明の交換結合素子においては、磁化固定層が、強磁性層／非磁性層／強磁性層の３層構造を含む積層フェリ磁性層としてなり、さらに、反強磁性層に隣接する強磁性層の組成がCoxFe100-x(４２≦ｘ≦８３)の合金からなるので、強磁性層が上記組成の合金から形成されることにより一方向異方性定数Ｊkをより高くできるとともに、磁化固定層が積層フェリ磁性層であるため磁化固定層の磁化方向を強固に固定することができる。さらにまた、前記積層フェリ磁性層における強磁性層の合金組成を、反強磁性層に隣接する側（隣接側）と非隣接側とで異なるものとし、隣接側強磁性層は、Co成分ｘが原子％で、４２≦ｘ≦８３の範囲からなり、非隣接側強磁性層のCo成分は、原子％で７５〜９０とすることにより、一方向異方性定数の増大と、MR比の増大とを同時に達成できる交換結合素子の提供が可能となる。
【０１０３】
また本発明のスピンバルブ型磁気抵抗素子によれば、本発明に係る交換結合素子を備えているので、外部磁界によって磁化固定層の磁化方向が変動することがなく、高い磁気抵抗変化率(ＭＲ比)を発現することができる。更に本発明のトンネル型磁気抵抗素子によれば、本発明に係る交換結合素子を備えているので、外部磁界によって磁化固定層の磁化方向が変動することがなく、高い磁気抵抗変化率(ＭＲ比)を発現することができる。
【０１０４】
そして、本発明の交換結合素子の製造方法によれば、少なくとも初期圧力を１０-9Torr以下とした状態で、反強磁性層と上記組成の合金を含む磁化固定層を順次積層するので、反強磁性層及び磁化固定層中の不純物が極力低減され、一方向異方性定数Ｊkが従来よりも高い交換結合素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０５】
【図１】 本発明の第１の実施形態である交換結合素子の模式図である。
【図２】 本発明の第２の実施形態である交換結合素子の模式図である。
【図３】 本発明の交換結合素子の製造に用いて好適な成膜装置の平面模式図である。
【図４】 第４の実施形態であるスピンバルブ型磁気抵抗素子の模式図である。
【図５】 本発明の第５の実施形態であるＧＭＲ型再生ヘッドを備えた記録再生分離型磁気ヘッドを示す模式図である。
【図６】 ＧＭＲ型再生ヘッドの要部を示す模式図である。
【図７】 本発明の第６の実施形態であるトンネル型磁気抵抗素子を示す模式図である。
【図８】 本発明の第７の実施形態である磁気式メモリの要部を示す断面模式図である。
【図９】 交換結合素子のＪkと磁化固定層の組成との関係を示すグラフである。
【図１０】 交換結合素子のＪkと磁化固定層の組成との関係を示すグラフである。
【図１１】 交換結合素子のＪkと反強磁性層の組成との関係を示すグラフである。
【図１２】 交換結合素子のＪkと反強磁性層の組成との関係を示すグラフである。
【図１３】 交換結合素子のＪkと反強磁性層の膜厚との関係を示すグラフである。
【図１４】 交換結合素子のＪkと反強磁性層の膜厚との関係を示すグラフである。
【図１５】 交換結合素子のＪkと反強磁性層の膜厚との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【０１０６】
１、１１、４１、５１ 交換結合素子
２ 基体
３ 下地層
４ 反強磁性層
５、１５ 磁化固定層
１５ａ 強磁性層（反強磁性層に隣接する強磁性層）
１５ｂ 強磁性層
１５ｃ 非磁性層
４０、８００ スピンバルブ型磁気抵抗素子
５０ トンネル型磁気抵抗素子
８１１ ＧＭＲ型再生ヘッド（磁気ヘッド）
【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】
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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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【図１５】
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