(57)【要約】【課題】高いＭＲ比の磁気抵抗効果素子を提供する。【解決手段】磁化方向が実質的に一方向に固着された磁化固着層と、外部磁界に応じて磁化方向が変化する磁化自由層と、前記磁化固着層と前記磁化自由層との間に設けられた中間層とを有する磁気抵抗効果膜と、前記磁気抵抗効果膜の膜面に垂直にセンス電流を流すための一対の電極とを有し、前記磁化固着層および前記磁化自由層の少なくともいずれか一方は、Ｃｏ，ＦｅまたはＮｉを含む磁性層と、Ｍｎを含有する金属材料および酸素を含有する機能層とを含むことを特徴とする磁気抵抗効果素子。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化方向が実質的に一方向に固着された磁化固着層と、外部磁界に応じて磁化方向が変化する磁化自由層と、前記磁化固着層と前記磁化自由層との間に設けられた中間層とを有する磁気抵抗効果膜と、
前記磁気抵抗効果膜の膜面に垂直にセンス電流を流すための一対の電極とを有し、
前記磁化固着層および前記磁化自由層の少なくともいずれか一方は、Ｃｏ，ＦｅまたはＮｉを含む磁性層と、Ｍｎを含有する金属材料および酸素を含有する機能層とを含むことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
前記磁気抵抗効果膜のうち前記センス電流が実質的に通電される部分の面積Ａと、前記一対の電極間で得られる抵抗Ｒとの積ＡＲが５００ｍΩμｍ2以下であることを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
前記機能層の膜面垂直方向の格子間隔が、前記磁化固着層または前記磁化自由層を構成し前記機能層に隣接する磁性層の膜面垂直方向の格子間隔よりも大きいことを特徴とする請求項２に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
前記機能層はＭｎを５０ａｔ．％以上含有する金属材料、および酸素を含有することを特徴とする請求項２に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
前記機能層の結晶構造がスピネル構造またはルチル構造であることを特徴とする請求項２に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
前記機能層の結晶配向分散角度が５度以下であることを特徴とする請求項２に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項７】
前記中間層はＣｕ、ＡｕおよびＡｇからなる群より選択される元素を含有する金属層であることを特徴とする請求項２に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項８】
前記中間層は酸素または窒素を含有する絶縁層と前記絶縁層を膜面垂直方向に貫通する電流パスを含むことを特徴とする請求項２に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項９】
前記電流パスはＣｕ，ＡｕおよびＡｇからなる群より選択される元素を含有することを特徴とする請求項８に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１０】
前記絶縁層はＡｌ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａからなる群より選択される元素を含有することを特徴とする請求項８に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子を具備することを特徴とする磁気抵抗効果ヘッド。
【請求項１２】
請求項１１に記載の磁気抵抗効果ヘッドを具備することを特徴とする磁気記録再生装置。
【請求項１３】
請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子を具備することを特徴とする磁気メモリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗効果素子、この磁気抵抗効果素子を搭載した磁気抵抗効果ヘッド、磁気記録再生装置および磁気メモリに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ：Hard Disk Drive）の急速な小型化・高密度化が進行し、今後もさらなる高密度化が見込まれている。記録トラック幅を狭くしてトラック密度を高めることで、ＨＤＤの高密度化を実現できる。しかし、トラック幅が狭くなると、記録される磁化の大きさ、すなわち記録信号が小さくなり、媒体信号を再生するＭＲヘッドの再生感度の向上が必要となる。
【０００３】
最近では、巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ：Giant Magneto-Resistance effect）を利用した高感度なスピンバルブ膜を含むＧＭＲヘッドが採用されている。スピンバルブ膜は、２層の強磁性層の間に非磁性スペーサ層を挟んだサンドイッチ構造を有する積層膜であり、抵抗変化を生ずる積層膜構造部位はスピン依存散乱ユニットとも呼ばれる。２層の強磁性層の一方の強磁性層（「ピン層」あるいは「磁化固定層」という）の磁化方向は反強磁性層などで固着される。他方の強磁性層（「フリー層」あるいは「磁化自由層」という）の磁化方向は外部磁界により変化可能である。スピンバルブ膜では、２層の強磁性層の磁化方向の相対角度の変化によって、大きな磁気抵抗効果が得られる。
【０００４】
スピンバルブ膜を用いた磁気抵抗効果素子には、ＣＩＰ（Current In Plane）−ＧＭＲ素子、ＣＰＰ（Current Perpendicular to Plane）−ＧＭＲ素子、ＴＭＲ（Tunneling Magneto-Resistance）素子がある。ＣＩＰ−ＧＭＲ素子ではスピンバルブ膜の面に平行にセンス電流を通電し、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子、ＴＭＲ素子ではスピンバルブ膜の面にほぼ垂直方向にセンス電流を通電する。
【０００５】
膜面垂直に通電する方式において、通常のＣＰＰ−ＧＭＲ素子ではスペーサ層として金属層を用い、ＴＭＲ素子ではスペーサ層として絶縁層を用いる。
【０００６】
ここで、スピンバルブ膜が金属層で形成されたメタルＣＰＰ−ＧＭＲ素子では、磁化による抵抗変化量が小さく、微弱磁界を検知するのは困難である。かかる問題に鑑み、スピン依存散乱ユニットを構成する磁化固着層および磁化自由層内にＣｒ、Ｖ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｙ、Ｔｃ、Ｒｅ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｇ、Ａｕ、Ｂ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｃ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｏ、ＮおよびＦからなる群より選択される少なくとも１種の元素で構成された層を挿入し、ＣＰＰ−ＧＭＲの抵抗変化量を増大させ、磁気抵抗効果を増大させる試みがなされている（特許文献１、特許文献２）。
【０００７】
一方、上述した試みとは別に、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子を構成するスペーサ層を、単なる金属層ではなく、厚み方向への電流パスを含む酸化物層［ＮＯＬ（nano-oxide layer）］から構成するＣＰＰ素子が提案されている（特許文献３）。この素子では、電流狭窄［ＣＣＰ（Current-confined-path）］効果により素子抵抗およびＭＲ変化率の双方を増大できる。このような素子は、ＣＣＰ−ＣＰＰ素子と呼ぶ。
【０００８】
また、磁気抵抗効果膜中に、スピンフィルタ層やハーフメタル層を挿入することが試みられている（特許文献４〜５）。
【０００９】
上述したような磁気ヘッドやＭＲＡＭデバイスの高密度化に伴う磁気抵抗効果素子のさらなる微細化の要求に伴って、磁気抵抗効果素子は微細化された場合においても十分に高いＭＲ比を有することが求められる。
【特許文献１】特開２００３−１３３６１４号公報
【特許文献２】特開２００３−６０２６３号公報
【特許文献３】特開２００２−２０８７４４号公報
【特許文献４】特開２００４−６５８９号公報
【特許文献５】特開２００３−８１０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、高いＭＲ比の磁気抵抗効果素子、およびこのような磁気抵抗効果素子を用いた磁気ヘッド、磁気記録再生装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一態様に係る磁気抵抗効果素子は、磁化方向が実質的に一方向に固着された磁化固着層と、外部磁界に応じて磁化方向が変化する磁化自由層と、前記磁化固着層と前記磁化自由層との間に設けられた中間層とを有する磁気抵抗効果膜と、前記磁気抵抗効果膜の膜面に垂直にセンス電流を流すための一対の電極とを有し、前記磁化固着層および前記磁化自由層の少なくともいずれか一方は、Ｃｏ，ＦｅまたはＮｉを含む磁性層と、Ｍｎを含有する金属材料および酸素を含有する機能層とを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、高いＭＲ比の磁気抵抗効果素子、およびこのような磁気抵抗効果素子を用いた磁気ヘッド、磁気記録再生装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明者らは、センス電流を膜面に対して垂直に通電する方式の磁気抵抗効果素子において、磁化固着層および磁化自由層の少なくともいずれか一方に、Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉを主成分とする磁性層と、Ｍｎを含有する金属材料および酸素を含有する機能層との積層構成を用いることによって、大きなＭＲ変化率を実現できることを見出した。
【００１４】
本発明の磁気抵抗効果素子においては、前記機能層の膜面垂直方向の格子間隔が、前記磁化固着層または前記磁化自由層を構成し前記機能層に隣接する磁性層の膜面垂直方向の格子間隔よりも大きいことが好ましい。また、前記磁気抵抗効果膜のうち前記センス電流が実質的に通電される部分の面積Ａと、一対の電極間で得られる抵抗Ｒとの積ＡＲが５００ｍΩμｍ2以下であることが好ましい。このような条件では、機能層を介した磁性層の磁気結合を保持できることを見出した。
【００１５】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。尚、以後の説明では、同一の部分には同一の符号を付すものとし、重複する説明は省略する。
【００１６】
図１から図６に示す磁気抵抗効果素子はいずれも、図示しない基板上に、下電極１１、磁気抵抗効果膜ＳＶ、上電極２０を積層した構造を有する。
【００１７】
図１〜図３はメタルスペーサのＣＰＰ−ＧＭＲ膜に機能層２１または２２を設けた磁気抵抗効果素子の例を示す斜視図である。
【００１８】
図１の磁気抵抗効果膜ＳＶは、下地層１２、ピニング層１３、ピン層１４、スペーサ層１６、フリー層１８、キャップ層１９を積層した構造を有する。ピン層１４は下部ピン層１４１、磁気結合層１４２、上部ピン層１４３を積層した構造を有する。フリー層１８は下部フリー層１８１、機能層２１および上部フリー層１８２を積層した構造を有する。
【００１９】
図２の磁気抵抗効果膜ＳＶは、上部ピン層１４３が第１の上部ピン層１４４、機能層２２、第２の上部ピン層１４５を積層した構造を有し、フリー層１８が機能層２１を有していないこと以外は図１と同様の構成を有する。
【００２０】
図３の磁気抵抗効果膜ＳＶは、上部ピン層が第１の上部ピン層１４４、機能層２２および第２の上部ピン層１４５を積層した構造を有し、フリー層１８が下部フリー層１８１、機能層２１および上部フリー層１８２を積層した構造を有していること以外は図１と同様の構造を有する。
【００２１】
図４〜図６は電流狭窄（ＣＣＰ：Current-Confined-Path）構造を有するＣＰＰ−ＧＭＲ膜に、機能層２１または２２を設けた磁気抵抗効果素子の例を示す斜視図である。
【００２２】
図４の磁気抵抗効果膜ＳＶ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１６、上部金属層１７、フリー層１８、キャップ層１９を積層した構造を有する。ピン層１４は下部ピン層１４１、磁気結合層１４２、上部ピン層１４３を積層した構造を有する。スペーサ層１６は絶縁層１６１および絶縁層１６１を膜面垂直方向に貫通する電流パス１６２を含む電流狭窄（ＣＣＰ：Current-Confined-Path）構造を有する。なお、ＣＣＰ構造の場合、下部金属層１５、スペーサ層１６、上部金属層１７をまとめて広義のスペーサ層として取り扱うことがある。フリー層１８は下部フリー層１８１、機能層２１および上部フリー層１８２を積層した構造を有する。
【００２３】
図５の磁気抵抗効果膜ＳＶは、上部ピン層１４３が第１の上部ピン層１４４、機能層２２、第２の上部ピン層１４５を積層した構造を有し、フリー層１８が機能層２１を有していないこと以外は図４と同様の構成を有する。
【００２４】
図６の磁気抵抗効果膜ＳＶは、上部ピン層が第１の上部ピン層１４４、機能層２２および第２の上部ピン層１４５を積層した構造を有し、フリー層１８が下部フリー層１８１、機能層２１および上部フリー層１８２を積層した構造を有していること以外は図４と同様の構造を有する。
【００２５】
以下，磁気抵抗効果素子の構成要素を説明する。
【００２６】
＜電極＞
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膜面垂直方向に沿って電流が流れるようになる。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。下電極１１には、電流を磁気抵抗効果素子に通電するために、電気抵抗が比較的小さい金属層が用いられる。
【００２７】
上電極２０は、下電極同様に、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にその膜の垂直方向の電流が流れる。上電極２０には、電気的に低抵抗な材料（例えば、Ｃｕ、Ａｕ）が用いられる。
【００２８】
＜下地層＞
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。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。
【００２９】
バッファ層１２ａとしては、Ｔａ、Ｔｉ、Ｖ、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１〜１０ｎｍ程度が好ましく、２〜５ｎｍ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。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。なお、バッファ層１２ａ上に成膜されるシード層１２ｂがバッファ効果を有する場合には、バッファ層１２ａを必ずしも設ける必要はない。好ましい一例として、Ｔａ［３ｎｍ］を用いることができる。
【００３０】
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。シード層１２ｂとして、ｆｃｃ構造（face-centered cubic structure：面心立方格子構造）、ｈｃｐ構造（hexagonal close-packed structure：六方最密格子構造）、またはｂｃｃ構造（body-centered cubic structure：体心立方格子構造）を有する金属層などが好ましい。
【００３１】
例えば、シード層１２ｂとして、ｈｃｐ構造を有するＲｕや、ｆｃｃ構造を有するＮｉＦｅ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がＩｒＭｎの場合には良好なｆｃｃ（１１１）配向が実現され、ピニング層１３がＰｔＭｎの場合に規則化したｆｃｔ（１１１）構造（face-centered tetragonal structure：面心正方構造）が得られる。また、磁性層としてｆｃｃ金属を用いたときには良好なｆｃｃ（１１１）配向を実現でき、磁性層としてｂｃｃ金属を用いたときには、良好なｂｃｃ（１１０）配向とすることができる。
【００３２】
結晶配向を向上させるシード層１２ｂとしての機能を十分発揮するために、シード層１２ｂの膜厚は１〜５ｎｍが好ましく、１．５〜３ｎｍがより好ましい。好ましい例としてＲｕ［２ｎｍ］を用いることができる。
【００３３】
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。
【００３４】
シード層１２ｂとして、Ｒｕの代わりに、ＮｉＦｅベースの合金（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））を用いることもできる。ＮｉＦｅベースのシード層１２ｂでは、良好な結晶配向性を得るのが比較的容易であり、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。
【００３５】
シード層１２ｂには、結晶配向を向上させる機能だけでなく、スピンバルブ膜の結晶粒径を制御する機能もある。具体的には、スピンバルブ膜の結晶粒径を５〜２０ｎｍに制御することができ、磁気抵抗効果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いＭＲ変化率を実現できる。
【００３６】
スピンバルブ膜の結晶粒径は、シード層１２ｂとスペーサ層１６との間に配置された層の結晶粒の粒径によって判別できる（例えば、断面ＴＥＭなどによって決定できる）。例えば、ピン層１４がスペーサ層１６よりも下層に位置するボトム型スピンバルブ膜の場合には、シード層１２ｂの上に形成される、ピニング層１３（反強磁性層）や、ピン層１４（磁化固着層）の結晶粒径によって判別することができる。
【００３７】
高密度記録に対応した再生ヘッドでは、素子サイズは確実に１００ｎｍ以下の微細なサイズとなる。素子サイズに対する結晶粒径の比が大きいことは、素子の特性がばらつく原因となるため、スピンバルブ膜の結晶粒径が２０ｎｍよりも大きいことは好ましくない。
【００３８】
素子面積あたりの結晶粒の数が少なくなると、結晶数が少ないことに起因した特性のばらつきの原因となりうるため、結晶粒径を大きくすることはあまり好ましくない。特に電流パスを形成しているＣＣＰ−ＣＰＰ素子では結晶粒径を大きくすることはあまり好ましくない。
【００３９】
一方、結晶粒径が大きいほうが結晶粒界による電子乱反射、非弾性散乱サイトが少なくなる。このため、大きなＭＲ変化率を実現するためには、結晶粒径が大きいことが好ましく、少なくとも５ｎｍ以上であることが必要となる。このように、ＭＲ変化率の観点と素子ごとのばらつきをなくす観点のそれぞれでの結晶粒径への要求事項は、互いに矛盾し、トレードオフの関係にある。このトレードオフ関係を考慮した結晶粒径の好ましい範囲が、５〜２０ｎｍである。
【００４０】
上述した５〜２０ｎｍの結晶粒径を得るためには、シード層１２ｂとして、Ｒｕ２ｎｍや、（ＮｉxＦｅ100-x）100-yＸy（Ｘ＝Ｃｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｍｏ）層の場合には、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）。
【００４１】
前述のように、シード層１２ｂの膜厚は１ｎｍ〜５ｎｍ程度が好ましく、１．５〜３ｎｍ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き、さらにスピンバルブ膜の界面の凹凸の原因となることがある。
【００４２】
なお、微細な結晶粒径での良好なシード層１２ｂを実現できるならば、シード層１２ｂにここで挙げた材料以外を用いても構わない。
【００４３】
＜ピニング層＞
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（unidirectional anisotropy）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。この内、高記録密度対応のヘッドの材料として、ＩｒＭｎが有利である。ＩｒＭｎは、ＰｔＭｎよりも薄い膜厚で一方向異方性を印加することができ、高密度記録のために必要な狭ギャップ化に適している。
【００４４】
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の材料がＰｔＭｎやＰｄＰｔＭｎの場合には、膜厚として８〜２０ｎｍ程度が好ましく、１０〜１５ｎｍがより好ましい。ピニング層１３の材料がＩｒＭｎ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可能であり、４〜１８ｎｍが好ましく、５〜１５ｎｍがより好ましい。好ましい一例として、Ｉｒ22Ｍｎ78［７ｎｍ］を用いることができる。
【００４５】
ピニング層１３として、反強磁性層の代わりに、ハード磁性層も用いることができる。ハード磁性層として、例えば、ＣｏＰｔ（Ｃｏ＝５０〜８５％）、（ＣｏxＰｔ100-x）100-yＣｒy（ｘ＝５０〜８５％、ｙ＝０〜４０％）、ＦｅＰｔ（Ｐｔ＝４０〜６０％）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、直列抵抗および面積抵抗ＲＡの増大を抑制できる。
【００４６】
＜ピン層：磁化固着層＞
ピン層１４は、下部ピン層１４１（例えば、Ｃｏ90Ｆｅ10  ３．６ｎｍ）、磁気結合層１４２（例えば、Ｒｕ）、および上部ピン層１４３（例えば、Ｆｅ50Ｃｏ50［１ｎｍ］／Ｃｕ［０．２５ｎｍ］）×２／Ｆｅ50Ｃｏ50［１ｎｍ］）からなるシンセティックピン層とすることが好ましい一例である。ピニング層１３（例えば、ＩｒＭｎ）とその直上の下部ピン層１４１は一方向異方性（unidirectional anisotropy）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。
【００４７】
下部ピン層１４１の材料として、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。また、下部ピン層１４１の材料として、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉの単元素やこれらの合金を用いてもよい。
【００４８】
下部ピン層１４１の磁気膜厚（飽和磁化Ｂｓ×膜厚ｔ（Ｂｓ・ｔ積））が、上部ピン層１４３の磁気膜厚とほぼ等しいことが好ましい。つまり、上部ピン層１４３の磁気膜厚と下部ピン層１４１の磁気膜厚とが対応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、薄膜でのＦｅ50Ｃｏ50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。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＝３．４７ｎｍ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。また、Ｃｏ75Ｆｅ25を用いる場合は、同様の計算から、膜厚が約３．３ｎｍとすることが望ましい。
【００４９】
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、ＩｒＭｎ）による一方向異方性磁界強度および磁気結合層１４２（例えば、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の観点に基づく。下部ピン層１４１が薄すぎると、ＭＲ変化率に影響を与える上部ピン層１４３も薄くしなければならなくなるため、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。好ましい一例として、膜厚３．３ｎｍのＣｏ75Ｆｅ25が挙げられる。
【００５０】
磁気結合層１４２（例えば、Ｒｕ）は、上下の磁性層（下部ピン層１４１および上部ピン層１４３）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。ＲＫＫＹ（Ruderman-Kittel-Kasuya-Yoshida）結合の２ｎｄピークに対応する膜厚０．８〜１ｎｍの換わりに、ＲＫＫＹ結合の１ｓｔピークに対応する膜厚０．３〜０．６ｎｍを用いることもできる。ここでは、より高信頼性の結合を安定して特性が得られる、０．９ｎｍのＲｕが一例として挙げられる。
【００５１】
前述のように、上部ピン層１４３の一例として、（Ｆｅ50Ｃｏ50［１ｎｍ］／Ｃｕ［０．２５ｎｍ］）×２／Ｆｅ50Ｃｏ50［１ｎｍ］のような磁性層を用いることができる。上部ピン層１４３は、スピン依存散乱ユニットの一部をなす。上部ピン層１４３は、ＭＲ効果に直接的に寄与する磁性層であり、大きなＭＲ変化率を得るために、この構成材料、膜厚の双方が重要である。特に、スペーサ層１６との界面に位置する磁性材料は、スピン依存界面散乱に寄与する点で特に重要である。
【００５２】
上部ピン層１４３としてここで用いた、ｂｃｃ構造をもつＦｅ50Ｃｏ50を用いる効果について述べる。上部ピン層１４３として、ｂｃｃ構造をもつ磁性材料を用いた場合、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、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。そのなかでも、諸特性をすべて満たしたＦｅ40Ｃｏ60〜Ｆｅ80Ｃｏ20が使いやすい材料の一例である。
【００５３】
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、この磁性層の全膜厚が１．５ｎｍ以上であることが好ましい。ｂｃｃ構造を安定に保つためである。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。このため、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。
【００５４】
ここでは、上部ピン層１４３として、極薄Ｃｕ積層を含むＦｅ50Ｃｏ50を用いている。ここで、上部ピン層１４３は、全膜厚が３ｎｍのＦｅＣｏと、１ｎｍのＦｅＣｏ毎に積層された０．２５ｎｍのＣｕとからなり、トータル膜厚３．５ｎｍである。
【００５５】
上部ピン層１４３の膜厚は、厚いほうが大きなＭＲ変化率が得やすいが、大きなピン固着磁界を得るためには薄いほうが好ましく、トレードオフの関係が存在する。例えば、ｂｃｃ構造をもつＦｅＣｏ合金層を用いたときには、ｂｃｃ構造を安定にする必要があるため、１．５ｎｍ以上の膜厚が好ましい。また、ｆｃｃ構造のＣｏＦｅ合金層を用いるときにも、大きなＭＲ変化率を得るため、やはり１．５ｎｍ以上の膜厚が好ましい。一方、大きなピン固着磁界を得るためには、上部ピン層１４３の膜厚が最大でも、５ｎｍ以下であることが好ましく、４ｎｍ以下であることがより好ましい。以上のように、上部ピン層１４３の膜厚は、１．５ｎｍ〜５ｎｍが好ましく、２．０ｎｍ〜４ｎｍ程度がより好ましい。
【００５６】
上部ピン層１４３には、ｂｃｃ構造をもつ磁性材料の代わりに、従来の磁気抵抗効果素子で広く用いられているｆｃｃ構造を有するＣｏ90Ｆｅ10合金や、ｈｃｐ構造をもつＣｏや、コバルト合金を用いることができる。上部ピン層１４３として、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ＦｅＣｏ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。
【００５７】
また、上部ピン層１４３として、Ｃｏ2ＭｎＧｅ、Ｃｏ2ＭｎＳｉ、Ｃｏ2ＭｎＡｌなどのホイスラー磁性合金層を用いることも可能である。
【００５８】
ここでの一例として挙げたものは、上部ピン層１４３として、磁性層（ＦｅＣｏ層）と非磁性層（極薄Ｃｕ層）とを交互に積層したものを用いている。このような非磁性元素材料との積層構造を有する上部ピン層１４３では、極薄Ｃｕ層によって、スピン依存バルク散乱効果と呼ばれるスピン依存散乱効果を向上させることができる。
【００５９】
「スピン依存バルク散乱効果」は、スピン依存界面散乱効果と対の言葉として用いられる。スピン依存バルク散乱効果とは、磁性層内部でＭＲ効果を発現する現象である。スピン依存界面散乱効果は、スペーサ層と磁性層の界面でＭＲ効果を発現する現象である。
【００６０】
以下、磁性層と非磁性層の積層構造によるバルク散乱効果の向上につき説明する。
【００６１】
ＣＣＰ−ＣＰＰ素子においては、スペーサ層１６の近傍で電流が狭窄されるため、スペーサ層１６の界面近傍での抵抗の寄与が非常に大きい。つまり、スペーサ層１６と磁性層（ピン層１４、フリー層１８）の界面での抵抗が、磁気抵抗効果素子全体の抵抗に占める割合が大きい。このことは、スピン依存界面散乱効果の寄与がＣＣＰ−ＣＰＰ素子では非常に大きく、重要であることを示している。つまり、スペーサ層１６の界面に位置する磁性材料の選択が従来のＣＰＰ素子の場合と比較して、非常に重要な意味をもつ。これが、上部ピン層１４３として、スピン依存界面散乱効果が大きいｂｃｃ構造をもつＦｅＣｏ合金層を用いた理由であり、前述したとおりである。
【００６２】
しかしながら、スピン依存バルク散乱効果の大きい材料を用いることも無視できず、より高ＭＲ変化率を得るためにはやはり重要である。スピン依存バルク散乱効果を得るための極薄Ｃｕ層の膜厚は、０．１ｎｍ〜１ｎｍが好ましく、０．２ｎｍ〜０．５ｎｍがより好ましい。Ｃｕ層の膜厚が薄すぎると、スピン依存バルク散乱効果を向上させる効果が弱くなる。Ｃｕ層の膜厚が厚すぎると、スピン依存バルク散乱効果が減少することがあるうえに、非磁性のＣｕ層を介した上下磁性層の磁気結合が弱くなり、ピン層１４の特性が不十分となる。そこで、好ましい例として挙げたものでは、０．２５ｎｍのＣｕを用いた。
【００６３】
磁性層間の非磁性層の材料として、Ｃｕの換わりに、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｔｉなどを用いてもよい。一方、これら極薄の非磁性層を挿入した場合、ＦｅＣｏなど磁性層の一層あたりの膜厚は０．５ｎｍ〜２ｎｍが好ましく、１ｎｍ〜１．５ｎｍ程度がより好ましい。
【００６４】
上部ピン層１４３として、ＦｅＣｏ層とＣｕ層との交互積層構造に換えて、ＦｅＣｏとＣｕを合金化した層を用いてもよい。このようなＦｅＣｏＣｕ合金として、例えば、（ＦｅxＣｏ100-x）100-yＣｕy（ｘ＝３０〜１００％、ｙ＝３〜１５％程度）が挙げられるが、これ以外の組成範囲を用いてもよい。ここで、ＦｅＣｏに添加する元素として、Ｃｕの代わりに、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｔｉなど他の元素を用いてもよい。
【００６５】
上部ピン層１４３には、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉや、これらの合金材料からなる単層膜を用いてもよい。例えば、最も単純な構造の上部ピン層１４３として、従来から広く用いられている、２〜４ｎｍのＣｏ90Ｆｅ10単層を用いてもよい。この材料に他の元素を添加してもよい。
【００６６】
本実施形態では、図２，図３，図５および図６に示すように、上部ピン層１４３に機能層２２を挿入することにより、ＭＲ変化率を増大できる。また、図２，図３のようにスペーサ層が金属層の場合でも、図５，図６のようにスペーサ層がＣＣＰ構造である場合のどちらにおいてもＭＲ変化率の増大することができる。なお、図２，図３，図５，図６には、機能層２１は、上部ピン層１４３の内部に形成するようにしているが、その表面部分、例えば上部ピン層１４３とスペーサ層（広義）の下部金属層１５との間、上部ピン層１４３とオールメタルスペーサ層１６との間、上部ピン層１４３と磁気結合層１４２の間に形成するようにすることもできる。また、機能層２２はピン層中に複数層設けてもよい。また、機能層は図１，図４のようにフリー層１８にのみに設けて上部ピン層１４３に設けなくともよい。機能層２２の詳細は後述する。
【００６７】
＜スペーサ層＞
スペーサ層１６には、図１，図２，図３に示すように金属層からなるものと、図４，図５，図６に示すように絶縁層１６１および絶縁層１６１を貫通する電流パス１６２を有するＣＣＰ構造のものが用いられる。
【００６８】
まず、下部金属層１５、スペーサ層１６および上部金属層１７を含むＣＣＰ構造のスペーサ層（広義）について説明する。
【００６９】
下部金属層１５は、電流パス１６２の形成に用いられ、電流パス１６２の供給源である。下部金属層１５は、その上部の絶縁層１６１を形成するときに、下部に位置する上部ピン層１４３の酸化を抑制するストッパ層としての機能も有する。
【００７０】
電流パス１６２の構成材料がＣｕの場合には、下部金属層１５の構成材料も同一（Ｃｕ）であることが好ましい。電流パス１６２の構成材料を磁性材料とする場合には、この磁性材料はピン層１４の磁性材料と同一、別種のいずれでも構わない。電流パス１６２の構成材料として、Ｃｕ以外に、Ａｕ、Ａｇなどを用いてもよい。
【００７１】
電流狭窄層１６は、絶縁層１６１、電流パス１６２を有する。絶縁層１６１は、酸化物、窒化物、酸窒化物等から構成される。スペーサ層としての機能を発揮するために、絶縁層１６１の厚さは、１ｎｍ〜３ｎｍが好ましく、１．５ｎｍ〜２．５ｎｍの範囲がより好ましい。
【００７２】
絶縁層１６１に用いられる典型的な材料としては、Ａｌ2Ｏ3およびこれに添加元素を加えたものが挙げられる。例として、膜厚約２ｎｍのＡｌ2Ｏ3を用いることができる。添加元素としては、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添加量は０〜５０％程度の範囲で適宜変化させることができる。
【００７３】
絶縁層１６１には、Ａｌ2Ｏ3のようなＡｌ酸化物の代わりに、Ｔｉ酸化物、Ｈｆ酸化物、Ｍｎ酸化物、Ｚｒ酸化物、Ｃｒ酸化物、Ｔａ酸化物、Ｎｂ酸化物、Ｍｏ酸化物、Ｓｉ酸化物、Ｖ酸化物なども用いることができる。これらの酸化物に対しても上述した添加元素を用いることができる。添加元素の添加量は０〜５０％程度の範囲で適宜変えることができる。
【００７４】
絶縁層１６１として、酸化物の代わりに、Ａｌ、Ｓｉ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｖ、Ｍｏ，Ｎｂ、Ｔａ、Ｗ、Ｂ、Ｃをベースとする窒化物または酸窒化物を用いてもよい。
【００７５】
電流パス１６２は、電流狭窄層１６の膜面垂直に電流を流すパス（経路）であり、電流を狭窄するためのものである。絶縁層１６１の膜面垂直方向に電流を通過させる導電体として機能し、例えば、Ｃｕ等の金属層から構成できる。即ち、電流狭窄層１６では、電流狭窄構造（ＣＣＰ構造）を有し、電流狭窄効果によりＭＲ変化率を増大可能である。電流パス１６２（ＣＣＰ）を形成する材料は、Ｃｕ以外には、Ａｕ、Ａｇや、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、またはこれらの元素を少なくとも一つは含む合金層を挙げることができる。一例として、電流パス１６２を、Ｃｕを含む合金層で形成することができる。ＣｕＮｉ、ＣｕＣｏ、ＣｕＦｅなどの合金層も用いることができる。ここで、５０％以上のＣｕを有する組成とすることが、高ＭＲ変化率と、ピン層１４とフリー層１８の層間結合磁界（interlayer coupling field、Ｈin）を小さくするためには好ましい。
【００７６】
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）、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。
【００７７】
上部金属層１７は、電流狭窄層１６を構成する酸素・窒素がフリー層１８中に拡散することを抑制するためのバリア層、およびフリー層１８の良好な結晶成長を促進するためのシード層として機能する。具体的には、上部金属層１７は、その上に成膜されるフリー層１８が電流狭窄層１６の酸化物・窒化物・酸窒化物に接して酸化や窒化されないように保護する。即ち、上部金属層１７は、電流パス１６２の酸化物層中の酸素とフリー層１８との直接的な接触を制限する。また、上部金属層１７は、フリー層１８の結晶性を良好にし、例えば、絶縁層１６１の材料がアモルファス（例えば、Ａｌ2Ｏ3）の場合には、その上に成膜される金属層の結晶性が悪くなるが、結晶性を良好にする極薄のシード層（例えば、Ｃｕ層）を配置することで、フリー層１８の結晶性を著しく改善することが可能となる。
【００７８】
上部金属層１７の材料は、電流狭窄層１６の電流パス１６２の材料（例えば、Ｃｕ）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ためである。なお、電流パス１６２の構成材料を磁性材料とする場合には、この磁性材料はフリー層１８の磁性材料と同一、別種のいずれでも構わない。上部金属層１７の構成材料として、Ｃｕ以外に、Ａｕ、Ａｇなどを用いることができる。
【００７９】
一方、図１，図２，図３に示すようにスペーサ層１６を金属層で形成するオールメタルスペーサ層の場合について説明する。オールメタルスペーサ層１６は、Ａｕ、ＡｇおよびＣｕからなる群より選択される元素で形成することが好ましい。また、オールメタルスペーサ層の膜厚は、１．５〜５ｎｍ程度が好ましい。
【００８０】
＜フリー層：磁化自由層＞
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る。例えば、界面にＣｏＦｅを挿入してＮｉＦｅを用いたＣｏ90Ｆｅ10［１ｎｍ］／Ｎｉ83Ｆｅ17［３．５ｎｍ］という二層構成がフリー層１８の一例として挙げられる。この場合、電流狭窄層１６との界面には、ＮｉＦｅ合金よりもＣｏＦｅ合金を設けることが大きなＭＲ変化率を実現するために好ましい。高いＭＲ変化率を得るためには、電流狭窄層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。なお、ＮｉＦｅ層を用いない場合には、Ｃｏ90Ｆｅ10［４ｎｍ］単層も用いることができる。また、ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ／ＣｏＦｅなどの三層構成からなるフリー層１８を用いても構わない。また、後述するように、フリー層１８の一部にＣｏＺｒＮｂなどのアモルファス合金層を用いても構わない。
【００８１】
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０．５ｎｍ〜４ｎｍとすることが好ましい。その他、ＣｏxＦｅ100-x（ｘ＝７０〜９０）も用いることができる好ましい組成範囲である。
【００８２】
また、フリー層１８として、１ｎｍ〜２ｎｍのＣｏＦｅ層またはＦｅ層と、０．１ｎｍ〜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。
【００８３】
電流狭窄層１６を形成する材料のうち、電流が流れる電流パス層１６２がＣｕ層から形成される場合には、ピン層１４と同様に、フリー層１８でも、ｂｃｃのＦｅＣｏ層を電流狭窄層１６との界面材料として用いると、ＭＲ変化率が大きくなる。電流狭窄層１６との界面材料として、ｆｃｃのＣｏＦｅ合金に換えて、ｂｃｃのＦｅＣｏ合金を用いることもできる。この場合、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を用いることができる。例えば、Ｃｏ50Ｆｅ50［１ｎｍ］／Ｎｉ85Ｆｅ15［３．５ｎｍ］を用いることができる。
【００８４】
また、フリー層１８の一部として、ＣｏＺｒＮｂなどのアモルファス磁性層を用いても構わない。ただし、アモルファス磁性層を用いる場合でも、ＭＲ変化率に大きな影響を与えるスペーサ層１６と接する界面は結晶構造を有する磁性層を用いることが必要である。フリー層１８の構造としては、スペーサ層１６側からみて、次のような構成が可能である。即ち、フリー層１８の構造として、（１）結晶層のみ、（２）結晶層／アモルファス層の積層、（３）結晶層／アモルファス層／結晶層の積層、などが考えられる。ここで重要なことは、（１）〜（３）のいずれでもスペーサ層１６との界面に必ず結晶層が接するようにしていることである。
【００８５】
本実施形態では、フリー層１８内に、図１，図３，図４，図６に示すように、Ｍｎを含有する金属材料および酸素を含有する機能層２１を挿入（形成）することにより、ＭＲ変化率を増大することができる。また、図１，図３のようにスペーサ層が金属層の場合でも、図４，図６のようにスペーサ層がＣＣＰ構造である場合のどちらにおいてもＭＲ変化率の増大することができる。なお、図１，図３，図４，図６には、機能層２１は、フリー層１８の内部に形成するようにしているが、その表面部分、例えばフリー層１８とスペーサ層（広義）の上部金属層１７との間、フリー層１８とオールメタルスペーサ層１６との間、フリー層１８とキャップ層１９の間に形成するようにすることもできる。また、機能層２１はフリー層中に複数層設けてもよい。機能層２１の詳細は後述する。また、機能層は図２，図５のようにピン層のみに設けてフリー層に設けなくともよい。
【００８６】
＜キャップ層＞
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（Ｃｕ［１ｎｍ］／Ｒｕ［１０ｎｍ］）とすることができる。また、キャップ層１９として、Ｒｕをフリー層１８側に配置したＲｕ／Ｃｕ層なども用いることができる。この場合、Ｒｕの膜厚は０．５〜２ｎｍ程度が好ましい。この構成のキャップ層１９は、特に、フリー層１８がＮｉＦｅからなる場合に望ましい。ＲｕはＮｉと非固溶な関係にあるので、フリー層１８とキャップ層１９の間に形成される界面ミキシング層の磁歪を低減できるからである。
【００８７】
キャップ層１９が、Ｃｕ／Ｒｕ、Ｒｕ／Ｃｕのいずれの場合でも、Ｃｕ層の膜厚は０．５〜１０ｎｍ程度が好ましく、Ｒｕ層の膜厚は０．５〜５ｎｍ程度とすることができる。Ｒｕは比抵抗値が高いため、あまり厚いＲｕ層を用いることは好ましくないため、このような膜厚範囲にしておくことが好ましい。
【００８８】
キャップ層１９として、Ｃｕ層や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。但し、キャップ層の選択によってＭＲ変化率や長期信頼性が変わる場合があるので、注意が必要である。ＣｕやＲｕはこれらの観点からも望ましいキャップ層の材料の例である。
【００８９】
なお、本実施形態では、図１〜図６に、ボトム型のＣＣＰ−ＧＭＲ膜を示しているが、トップ型のＣＣＰ−ＧＭＲ膜を形成し、これに対して上述した実施形態に従って、適宜に機能層を挿入することもできる。
【００９０】
＜機能層＞
本実施形態では、前記磁化固着層および前記磁化自由層の少なくともいずれか一方を、Ｃｏ，ＦｅまたはＮｉを含む磁性層と、Ｍｎを含有する金属材料および酸素を含有する機能層との積層構成とすることによって、大きなＭＲ変化率を実現できることを見出した。
【００９１】
ＭＲ変化率が向上した理由は現段階では明確になっていないが、現時点での推察を説明する。
【００９２】
本実施形態における機能層の挿入によってＭＲ変化率が向上した理由として、機能層が高いスピン分極率を発現したことによるスピンフィルタリング効果の発現が考えられる。
【００９３】
スピン分極率とは、電気伝導の担い手となるフェルミ準位におけるアップスピン電子とダウンスピン電子の状態密度の差異の比率である。スピンフィルタリング効果とは前述した状態密度の差異が大きい場合に、片方のスピンがもう片方のスピンに比べて極端に通過しにくい（フィルタリング）現象であり、スピンフィルタリング効果が大きいほど高いＭＲ変化率が得られる。
【００９４】
本実施形態でＭＲの増大を確認した機能層は、Ｍｎを含む金属材料と酸素を含有している。Ｍｎは、Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉのような室温で強磁性を有する３ｄ遷移金属に近い電子構造を持っており反強磁性を有する。Ｍｎの酸化物や窒化物はその価数によって強磁性やフェリ磁性や反強磁性など様々な磁性を有することがバルクで確認されており、Ｍｎ元素のバンド構造が隣接する元素および結晶構造によって大きく変化して、その磁性が大きく変化することが知られている。
【００９５】
ここで、本実施形態の機能層は、フリー層またはピン層に挿入された形態であるため、機能層であるＭｎの酸化物は、強磁性３ｄ遷移金属であるＣｏ，Ｆｅ，Ｎｉを含む磁性層に接した構造となっている。機能層と磁性層の界面において、Ｍｎの酸化物と磁性３ｄ遷移金属が結合した場合、Ｍｎの酸化物のバンド構造が変化して強磁性が誘発され、バルクでは確認されていない高いスピン分極率を発現したと考えられる。
【００９６】
また、機能層の膜面垂直方向の格子間隔が、磁化固着層または前記磁化自由層を構成し機能層に隣接する磁性層の膜面垂直方向の格子間隔よりも大きいことが好ましい。機能層が結晶間隔の異なる磁性層と接することによる格子歪によってバンド構造が変調されることにより、Ｍｎの酸化物が高いスピン分極率を発現すると考えられる。後述するように、本実施形態の機能層は結晶構造を有しており、その膜面垂直方向の格子間隔は、隣接する磁性層の格子間隔よりも大きいことが確認できている。格子間隔の異なる機能層と磁性層とが積層されることにより、機能層内部に歪による格子間隔のグラデーションが形成される。前述したように、Ｍｎの酸化物は結晶構造によって磁性が大きく変化する系であるため、磁性層と接することによりバルクとは異なる原子間距離となり、バルクとは異なる電子状態に変調されて高いスピン分極率が発現したと考えられる。
【００９７】
本実施形態の機能層の挿入によるＭＲ変化率の増大は、上述した２つの現象の複合効果でＭｎの酸化物が高いスピン分極率を発現して、スピンフィルタリング効果が得られたためと考えられる。
【００９８】
なお、上述した作用はあくまで本発明者らの考察によるものであり、本発明の成立性に何ら影響を及ぼすものではない。本発明は、いわゆるＣＰＰ−ＧＭＲ素子において、上述したような要件を満足する機能層を設けることにより、そのＭＲ変化率を向上させることが可能となることによって特徴づけられる。
【００９９】
本実施形態の機能層２１および２２の構造について述べる。本実施形態の機能層２１および２２は、Ｍｎを含む金属材料と、酸素とを含有する。
【０１００】
Ｍｎを含む金属材料のＭｎ含有量は、スピンフィルタリング効果によるＭＲ変化率の増大を得るためには、２５ａｔ．％以上であることが好ましく、５０ａｔ．％以上であることがさらに好ましい。Ｍｎの含有量が低すぎると、上述したＭｎと酸素の結合によるバンド変調によるスピンフィルタリング効果を効果的に得ることができなくなるため好ましくない。
【０１０１】
機能層２１の膜厚は０．２ｎｍ〜３ｎｍ程度が好ましく、０．５ｎｍ〜２ｎｍがより好ましい。機能層２１が薄すぎた場合、機能層２１によるスピンフィルタリング効果を十分に得ることができないため、０．２ｎｍ以上とすることが好ましく、０．５ｎｍ以上とすることがさらに好ましい。一方、機能層２１が厚すぎた場合、機能層の上下に存在する磁性層の磁気結合を分断する可能性がある。機能層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、３ｎｍ以下が好ましく、２ｎｍ以下がさらに好ましい。
【０１０２】
機能層は、上部ピン層１４３の層中、上部ピン層１４３と磁気結合層１４２の界面および上部ピン層１４３とスペーサ層１６の界面、フリー層１８の層中、フリー層１８とスペーサ層１６の界面およびフリー層１８とキャップ層１９の界面に配置することができる。
【０１０３】
スペーサ層（広義）として、ＣＣＰ構造（下部金属層１５／ＣＣＰ層１６／上部金属層１７）を用いる場合、スペーサ層（広義）からあまり離れた位置に配置することは望ましくない。この理由は、スペーサ層からあまり離れた位置に配置すると、ＣＣＰ層で狭窄された電流がピン層１４、およびフリー層１８の内部で広がってしまい、機能層によるスピンフィルタリング効果を有効に利用することができない。機能層をピン層１４に挿入する場合は、ピン層１４とスペーサ層（広義）との界面から膜面に対してピン層１４の方向に３ｎｍ以内の領域に配置することが望ましい。また、機能層をフリー層１８、キャップ層１９に挿入する場合は、スペーサ層（広義）とフリー層１８の界面から膜面に対してフリー層１８の方向に３ｎｍ以内の領域に配置することが望ましい。
【０１０４】
機能層２１および２２は、上部ピン層１４３、フリー層１８に複数層挿入しても構わない。例えば、フリー層１８に複数層挿入する場合、Ｆｅ50Ｃｏ50［１ｎｍ］／機能層第一層Ｍｎ酸化物［１ｎｍ］／Ｎｉ90Ｆｅ10［１．５ｎｍ］／機能層第二層Ｍｎ酸化物［１ｎｍ］／Ｎｉ90Ｆｅ10［１．０ｎｍ］／機能層第三層Ｍｎ酸化物［１ｎｍ］／Ｎｉ90Ｆｅ10［１．０ｎｍ］のようにすることができる。これら第１層と第２層、または第２層と第３層との間の距離は、１ｎｍから２ｎｍ程度が望ましい範囲である。
【０１０５】
機能層を複数層用いるメリットとして、機能層の挿入によるスピンフィルタリング効果を増大することができる。機能層を複数層挿入するのは、上部ピン層１４３の場合でもよいし、フリー層１８の場合でもよい。また、上部ピン層１４３、フリー層１８の両方に複数層挿入してもよい。
【０１０６】
複数層の機能層を用いるデメリットとして、機能層を介した磁性層間の磁気結合が弱まることで、磁気特性が悪くなる可能性がある。磁気特性の劣化を防止するためには、上部ピン層１４３、およびフリー層１８内での機能層２１の膜厚の総量が一層の場合と同等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機能層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。
【０１０７】
本実施形態で機能層を挿入した磁気抵抗効果膜は、後述するように磁気抵抗効果膜のうちのセンス電流が実質的に通電される部分の面積Ａと、一対の電極間で得られる抵抗Ｒとの積ＡＲが５００ｍΩμｍ2以下において、機能層を介した磁性層の磁気結合を保持できる。
【０１０８】
酸化物からなる機能層をピン層またはフリー層中に挿入する場合に機能層を介した上下の磁性層の磁気結合が分断されると、フリー層挿入の場合には外部磁界に対する線形応答の悪化および磁気ノイズの発生、ピン層挿入の場合はピン磁界の低下などの問題が生ずる。上述したように、Ｍｎを含む金属材料と酸素を含有する機能層２１の場合、素子抵抗ＲＡが５００ｍΩμｍ2以上の条件において磁気結合の分断が確認された。ここで、機能層としてＴｉやＶの酸化物のようにＭｎ酸化物に比べて磁性の弱い化合物を用いた場合、Ｍｎ酸化物よりも低い素子抵抗ＲＡにおいて、機能層を介した上下の磁性層の磁気結合がきれてしまう。本実施例により、機能層材料としてＭｎを含む金属材料と酸素を含有する機能層を用いることにより、他の元素からなる機能層よりも高い素子抵抗ＲＡまで、磁気結合がとれることがわかった。
【０１０９】
素子抵抗ＲＡが低すぎるとスピントランスファー起因のノイズが増大するため、素子抵抗ＲＡはある程度高いことが好ましい。Ｍｎを含む金属材料と酸素を含有する機能層２１の場合、他の機能層材料よりも高い素子抵抗ＲＡまで、機能層を介した上下の磁性層の磁気結合を維持することができる。
【０１１０】
上述したように、機能層の格子間隔は磁性層の格子間隔に比べて大きいことが望ましい。たとえば、Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉを主成分とする磁性層の格子間隔が２．０〜２．２Åであるのに対し、機能層の膜面垂直方向の格子間隔は２．４〜２．７Åであることが望ましい。機能層の結晶構造は、Ｍｎを有する酸化物であるため、ルチル構造またはスピネル構造となっていると考えられる。
【０１１１】
機能層が挿入された磁気抵抗効果膜ＳＶの構造は、３次元アトムプローブにより確認することができる。３次元アトムプローブとしては、例えばImago Scientific Instruments社のLocal Electrode Atom Probeを用いることができる。
【０１１２】
３次元アトムプローブ顕微鏡は、材料の原子オーダーでの組成情報を３次元でマッピング可能な測定手法である。具体的には、先端の極率半径３０〜１００ｎｍ、高さ１００μｍ程度のニードル状のポストに加工された測定対象サンプルに高電圧を印加する。そして、測定対象サンプルの先端から電解蒸発された原子の位置を２次元ディテクターで検知する。２次元ディテクターで検知された（ｘ、ｙ）２次元平面内での原子の位置情報の時間経過（時間軸）を追うことで、ｚ方向の深さ情報を得て（ｘ、ｙ、ｚ）３次元の構造が観察可能となる。
【０１１３】
なお、Imago Scientific Instruments社の装置のほかに、Oxford Instruments社やCameca社、または同等の機能を有する３次元アトムプローブを用いても分析することが可能である。また、一般には電圧パルスを印加して電界蒸発を生じさせるが、電圧パルスの換わりにレーザーパルスを用いてもよい。どちらの場合にも、バイアス電界を付加するためにＤＣ電圧を用いる。電圧パルスの場合、電圧によって、電界蒸発に必要な電界を印加する。レーザーパルスの場合、局所的に温度を上昇させ、電界蒸発を起こりやすい状態にすることで、電界蒸発を生じさせる。
【０１１４】
また、上記のような機能層が挿入された磁気抵抗効果膜ＳＶの構造は、断面ＴＥＭ像において、局所的にＥＤＸによる元素分析をすることによっても、特定することができる。
【０１１５】
＜機能層の製造方法＞
Ｍｎを含む金属材料と酸素を含有する機能層の製造方法について述べる。ここでは、図１，図３，図４，図６に示す磁気抵抗効果素子を製造するに当たり、下部フリー層１８１上に機能層２１を形成するための製造方法を例にとり述べる。
【０１１６】
まず、下部フリー層１８１上に、機能層２１に変換されるＭｎを含む金属材料層を成膜する。次に、Ｍｎを含む金属材料に変換処理を施し、酸素を含む機能層２１を形成する。この変換処理は、希ガスなどのイオンビームまたはプラズマを金属材料層に照射しながら、酸素を供給して行う、イオンアシスト酸化（ＩＡＯ：Ion assisted Oxidation）を用いることができる。また、上記のイオンアシスト変換処理において、酸素ガスをイオン化またはプラズマ化してもよい。イオンビームの照射による金属材料層へのエネルギーアシストにより、安定で均一な酸化物層を機能層として形成することができる。また、一層の機能層を形成するに当たり、上述した金属材料層の成膜と変換処理を数回繰り返して行ってもよい。また、Ｍｎを含む金属材料層を酸素雰囲気に晒す自然酸化を用いてもよい。ただし、安定な酸化物を形成するためには、エネルギーアシストを用いた酸化方法のほうが望ましい。酸化工程において、酸素ガスを供給する際に、同時に窒素ガスを供給して酸窒化行程としてもよい。酸窒化工程では、単純な酸化工程に比べて、均一な機能層が形成できる場合がある。
【０１１７】
また、エネルギーアシストの方法として、イオンビームの照射以外に加熱処理などを行ってもよい。この場合、たとえば、金属材料層を成膜後に１００℃〜３００℃の温度で加熱しながら、酸素を供給してもよい。
【０１１８】
以下、機能層形成の変換処理において、イオンビームアシスト処理を行った場合のビーム条件について説明する。変換処理により、機能層を形成する際に前述した希ガスをイオン化またはプラズマ化して照射する場合、その加速電圧Ｖを３０〜１３０Ｖ、ビーム電流Ｉｂを２０〜２００ｍＡに設定することが好ましい。これらの条件は、イオンビームエッチングを行う場合の条件と比較すると著しく弱い条件である。イオンビームの代わりにＲＦプラズマなどのプラズマを用いても同様に機能層を形成することができる。イオンビームの入射角度は、膜面に対して垂直に入射する場合を０度、膜面に平行に入射する場合を９０度と定義して、０〜８０度の範囲で適宜変更する。この工程による処理時間は１５秒〜１２００秒が好ましく、制御性などの観点から３０秒以上がより好ましい。処理時間が長すぎると、ＣＰＰ素子の生産性が劣るため好ましくない。これらの観点から、処理時間は３０秒から６００秒が最も好ましい。
【０１１９】
イオンまたはプラズマを用いた酸化処理の場合、酸素暴露量はＩＡＯの場合には１×１０3〜１×１０4Ｌ（１Ｌ＝１×１０-6Ｔｏｒｒ×ｓｅｃ）が好ましい。自然酸化の場合には３×１０3〜３×１０4Ｌが好ましい。
【０１２０】
図７は、本実施形態の磁気抵抗効果素子の製造に用いられる成膜装置の一例の概略を示す模式図である。
【０１２１】
図７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、酸化物層形成チャンバー（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。
【０１２２】
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、イオンビームスパッタ法、蒸着法、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法、およびＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法などが挙げられる。
【０１２３】
（磁気抵抗効果膜の製造方法）
次に、本実施形態における磁気抵抗効果素子の製造方法の一例について詳細に説明する。
【０１２４】
図８に実施形態の磁気抵抗効果素子の製造工程のフロー図を示す。基本的な製造プロセスは、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。この際、基板は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、酸化を酸化物層形成チャンバー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。酸化物層形成チャンバー６０の到達真空度は８×１０-8Ｔｏｒｒ以下である。
【０１２５】
次に、各層の製造工程について説明する。
【０１２６】
（１）下地層１２の形成（ステップＳ１１）
基板（図示せず）上に、下電極１１を微細加工プロセスによって前もって形成しておく。
【０１２７】
下電極１１上に、下地層１２として、例えば、Ｔａ［１ｎｍ］／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。
【０１２８】
（２）ピニング層１３の形成（ステップＳ１２）
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。
【０１２９】
（３）ピン層１４（および機能層２１）の形成（ステップＳ１３）
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［４ｎｍ］）、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。
【０１３０】
ここで、例えば上部ピン層１４３の成膜の途中で、前述した方法により、機能層２２を形成することができる。具体的には、成膜材料をＣｏ90Ｆｅ10からＭｎに切り替え、酸化物層形成チャンバーへ搬送して、ＩＡＯ処理を行い、再度成膜チャンバーに戻して、Ｃｏ90Ｆｅ10を成膜することにより、上部ピン層１４３中にＭｎ酸化物からなる機能層２２が形成される。また、Ｃｏ90Ｆｅ10からＭｎ成膜およびＩＡＯ工程に切り替え、再度Ｃｏ90Ｆｅ10に切り替えない場合は、上部ピン層１４３の表面上にＭｎ酸化物からなる機能層２２が形成されることになる。
【０１３１】
（４）スペーサ層１５〜１７の形成（ステップＳ１４）
次に、電流狭窄構造（ＣＣＰ構造）を有する電流狭窄層１６を含む、スペーサ層１５〜１７を形成する。スペーサ層１５〜１７を形成するには、酸化物層層形成チャンバー６０を用いる。
【０１３２】
電流狭窄層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を含む電流狭窄層を形成する場合を例に説明する。
【０１３３】
１）上部ピン層１４３（あるいは機能層２１）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。次いで、前記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Ｏ2）を供給して被酸化材料を酸化する。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、電流狭窄層１６を形成する。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ことができる。この方法をＩＡＯ（Ion Assisted Oxidation）という。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電流狭窄層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。次いで、電流狭窄層１６の上に、上部金属層１７（たとえばＣｕ）を成膜する。
【０１３５】
金属層からなるメタルスペーサを形成する場合は、金属性膜チャンバーにおいて、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇなどを成膜することによって形成することができる。
【０１３６】
（５）フリー層１８（および機能層２２）の形成（ステップＳ１５）
上部金属層１７の上に、フリー層１８として、例えば、Ｃｏ90Ｆｅ10［４ｎｍ］を成膜する。
【０１３７】
ここで、例えばフリー層１８の成膜の途中で、前述した方法により、機能層２１を形成することができる。具体的には、成膜材料をＣｏ90Ｆｅ10からＭｎに切り替え、酸化物層形成チャンバーへ搬送して、ＩＡＯ処理を行い、再度成膜チャンバーに戻して、Ｃｏ90Ｆｅ10を成膜することにより、フリー層１８中にＭｎ酸化物からなる機能層２１が形成される。
【０１３８】
（６）キャップ層１９（および機能層２３）、および上電極２０の形成（ステップＳ１６）
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。
【０１３９】
次いで、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。
【実施例】
【０１４０】
（実施例１）
以下、実施例１につき図面を参照しつつ説明する。本実施例では、図１に示す構造の磁気抵抗効果素子を作製した。
【０１４１】
下電極１１
下地層１２：Ｔａ［１ｎｍ］／Ｒｕ［２ｎｍ］
ピニング層１３：Ｉｒ22Ｍｎ78［７ｎｍ］
ピン層１４：Ｃｏ90Ｆｅ10［４ｎｍ］／Ｒｕ［０．９ｎｍ］／Ｃｏ90Ｆｅ10［４ｎｍ］
スペーサ層１６：Ｃｕ［３ｎｍ］
下部フリー層１８１：Ｃｏ90Ｆｅ10［２ｎｍ］
機能層２１：Ｍｎ［０．６ｎｍ］の酸化物層
上部フリー層１８２：Ｃｏ90Ｆｅ10［２ｎｍ］
キャップ層１９：Ｃｕ［１ｎｍ］／Ｔａ［２ｎｍ］
上電極２０。
【０１４２】
ここで機能層２１を含むフリー層１８の形成方法を説明する。まず、下部フリー層１８１を成膜し、次いで機能層へと変換されるＭｎ［０．６ｎｍ］を成膜する。次いで、ＩＡＯ工程によりＭｎ酸化物に変換する。次いで、上部フリー層１８２を成膜する。本実施例では、機能層のＩＡＯ工程における酸素暴露量を変えて様々な面積抵抗ＲＡを有する磁気抵抗素子を作製した。
【０１４３】
（比較例１）
本発明の実施例に対する比較例１として、機能層を挿入していないＣＰＰ−ＧＭＲ素子を作製した。膜構成を下記に示す。
【０１４４】
下電極１１
下地層１２：Ｔａ［１ｎｍ］／Ｒｕ［２ｎｍ］
ピニング層１３：Ｉｒ22Ｍｎ78［７ｎｍ］
ピン層１４：Ｃｏ90Ｆｅ10［４ｎｍ］／Ｒｕ［０．９ｎｍ］／Ｃｏ90Ｆｅ10［４ｎｍ］
スペーサ層１６：Ｃｕ［３ｎｍ］
フリー層１８：Ｃｏ90Ｆｅ10［４ｎｍ］
キャップ層１９：Ｃｕ［１ｎｍ］／Ｔａ［２ｎｍ］
上電極２０。
【０１４５】
（比較例２）
本発明の実施例に対する比較例２として、機能層としてメタルＭｎ層を挿入したＣＰＰ−ＧＭＲ素子を作製した。膜構成を下記に示す。
【０１４６】
下電極１１
下地層１２：Ｔａ［１ｎｍ］／Ｒｕ［２ｎｍ］
ピニング層１３：Ｉｒ22Ｍｎ78［７ｎｍ］
ピン層１４：Ｃｏ90Ｆｅ10［４ｎｍ］／Ｒｕ［０．９ｎｍ］／Ｃｏ90Ｆｅ10［４ｎｍ］
スペーサ層１６：Ｃｕ［３ｎｍ］
下部フリー層１８１：Ｃｏ90Ｆｅ10［２ｎｍ］
機能層２１：Ｍｎ［０．６ｎｍ］
上部フリー層１８２：Ｃｏ90Ｆｅ10［２ｎｍ］
キャップ層１９：Ｃｕ［１ｎｍ］／Ｔａ［２ｎｍ］
上電極２０。
【０１４７】
実施例１および比較例１、２の磁気抵抗効果膜は、２８０℃、５時間のアニール後、上電極および下電極のパターニングを行い、垂直通電特性の評価を行った。
【０１４８】
図９に、実施例１および比較例１，２の磁気抵抗効果素子の面積抵抗ＲＡとＭＲ変化率の関係を示す。比較例１では、ＲＡ＝０．０８Ωμｍ2、ＭＲ＝０．７％であった。また、比較例２では、ＲＡ＝０．０９Ωμｍ2、ＭＲ＝０．６％であった。
【０１４９】
一方、実施例１において、ＩＡＯ工程の酸素暴露量を変えることにより、実施例１Ａ〜１Ｅの異なる面積抵抗ＲＡを有する磁気抵抗素子が作製できた。実施例１Ａは、ＲＡ＝０．１２Ωμｍ2、ＭＲ＝１．１％であり、実施例１Ｂは、ＲＡ＝０．１６Ωμｍ2、ＭＲ＝１．２％であり、実施例１Ｃは、ＲＡ＝０．３Ωμｍ2、ＭＲ＝２．１％であり、実施例１Ａから１Ｃの素子において比較例１および２を上回るＭＲ比を確認でき、Ｍｎを含む金属材料と酸素を含有する機能層２１の挿入によりＭＲ変化率の向上を確認することができた。った。ここで、図９には図示していないが、実施例１Ｄ、および実施例１Ｅとして、ＲＡ＝０．５６Ωμｍ2、ＲＡ＝３．７Ωμｍ2、の素子を作製できたが、両実施例とも素子抵抗の磁場依存性の形状が異常であり、正しいＭＲ変化率を評価できなかった。この磁場依存性の形状の異常は、機能層上下の磁気結合の分断に起因しており、以降に詳細を述べる。。  図１０に、実施例１Ａ〜１Ｅの磁気抵抗効果素子の磁場に対する素子抵抗の変化を示す。磁場は磁気抵抗効果膜のピニング方向に平行に掃印している。面積抵抗が５００ｍΩμｍ2以下である実施例１Ａ〜１Ｃの素子では、負の磁場で低抵抗、正の磁場で高抵抗となる通常の磁気抵抗効果素子のループ形状となっている。一方、面積抵抗が５００ｍΩμｍ2以上である実施例１Ｄ〜１Ｅの素子では、負の磁場で低抵抗、正の磁場で高抵抗となる以外にゼロ磁場付近に角状の高抵抗領域が存在する。この角状の磁気抵抗効果は、フリー層内部に挿入した機能層により、機能層を介した下部フリー層と上部フリー層の磁気結合が分断してしまい、下部フリー層と上部フリー層の磁化アライメントがゼロ磁場付近のみ平行とならないために生じたものと考えられる。フリー層またはピン層内部における磁気結合の分離は外部磁界に対する線形応答および磁気ノイズの観点で問題があるため、機能層を介した磁性層の磁気結合が保たれる素子抵抗ＲＡが５００ｍΩμｍ2以下とすることが好ましい。
【０１５０】
酸化物からなる機能層をピン層またはフリー層中に挿入する場合、機能層を介した上下の磁性層の磁気結合が分断され、フリー層の場合は外部磁界に対する線形応答および磁気ノイズ場合、ピン層の場合はピン磁界が低下する場合がある。上述したように、Ｍｎを含む金属材料と酸素を含有する機能層２１の場合、素子抵抗ＲＡが５００ｍΩμｍ2以上の条件において磁気結合の分断が確認された。ここで、機能層としてＴｉやＶの酸化物ようなＭｎ酸化物に比べて磁性の弱い化合物を用いた場合、Ｍｎ酸化物よりも低い素子抵抗ＲＡにおいて、機能層を介した上下の磁性層の磁気結合がきれてしまう。本実施例により、機能層材料としてＭｎを含む金属材料と酸素を含有する機能層を用いることにより、他の元素からなる機能層よりも高い素子抵抗ＲＡまで、磁気結合がとれることがわかった。
【０１５１】
素子抵抗ＲＡが低すぎるとスピントランスファー起因のノイズが増大するため、素子抵抗ＲＡはある程度高いことが好ましい。Ｍｎを含む金属材料と酸素を含有する機能層２１の場合、他の機能層材料よりも高い素子抵抗ＲＡまで、機能層を介した上下の磁性層の磁気結合を維持することができる。
【０１５２】
図１１に、実施例１Ｂの磁気抵抗効果膜について、断面透過型電子顕微鏡（断面ＴＥＭ）像を観察した結果を示す。図１１より、機能層２１のＭｎ酸化物が明瞭な結晶構造を有していることが確認できる。また、機能層２１の上下に存在するフリー層Ｃｏ90Ｆｅ10の膜面垂直方向の格子間隔が２．１Åであるのに対し、機能層２１の膜面垂直方向の格子間隔は２．５Åであり、機能層２１の格子間隔が磁性層の格子間隔に比べて大きいという特徴が確認された。
【０１５３】
ＭＲ変化率が向上した理由は現段階では明確になっていないが、現時点での推察を説明する。
【０１５４】
本実施形態における機能層の挿入によってＭＲ変化率が向上した理由として、機能層が高いスピン分極率を発現したことによるスピンフィルタリング効果の発現が考えられる。スピン分極率とは、電気伝導の担い手となるフェルミ準位におけるアップスピン電子とダウンスピン電子の状態密度の差異の比率である。スピンフィルタリング効果とは前述した状態密度の差異が大きい場合に、片方のスピンがもう片方のスピンに比べて極端に通過しにくい（フィルタリング）現象であり、スピンフィルタリング効果が大きいほど高いＭＲ変化率が得られる。
【０１５５】
本実施形態でＭＲの増大を確認した機能層は、Ｍｎを含む金属材料と酸素を含有している。Ｍｎは、Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉのような室温で強磁性を有する３ｄ遷移金属に近い電子構造を持っており反強磁性の磁性を有する。Ｍｎの酸化物はその価数によって強磁性やフェリ磁性や反強磁性など様々な磁性を有することがバルクで確認されており、Ｍｎ元素が隣接する元素および結晶構造によってバンド構造が大きく変化してその磁性が大きく変化する系であることが知られている。
【０１５６】
ここで、本実施形態の機能層は、フリー層またはピン層に挿入された形態であるため、機能層であるＭｎの酸化物は、強磁性３ｄ遷移金属であるＣｏ，Ｆｅ，Ｎｉを含む磁性層に接した構造となっている。機能層と磁性層の界面において、Ｍｎの酸化物と磁性３ｄ遷移金属が結合した場合、Ｍｎの酸化物のバンド構造が変化して強磁性が誘発され、バルクでは確認されていない高いスピン分極率を発現したと考えられる。
【０１５７】
また、機能層が結晶間隔の異なる磁性層と接することによる格子歪によってバンド構造が変調されることにより、Ｍｎの酸化物が高いスピン分極率を発現したと考えられる。本実施例の機能層は結晶構造を有しており、その膜面垂直方向の格子間隔は、隣接する磁性層の格子間隔よりも大きい。格子間隔の異なる機能層と磁性層とが積層されることにより、機能層内部に歪による格子間隔のグラデーションが形成される。Ｍｎの酸化物は結晶構造によって磁性が大きく変化する系であるため、磁性層と接することによりバルクとは異なる原子間距離となり、バルクとは異なる電子状態に変調されて高いスピン分極率が発現したと考えられる。
【０１５８】
本実施例における、機能層の挿入によるＭＲ変化率の増大は、上述した２つの現象の複合効果でＭｎの酸化物が高いスピン分極率を発現して、スピンフィルタリング効果が得られたためと考えられる。
【０１５９】
（実施例２）
以下、実施例２につき図面を参照しつつ説明する。
【０１６０】
下電極１１
下地層１２：Ｔａ［１ｎｍ］／Ｒｕ［２ｎｍ］
ピニング層１３：Ｉｒ22Ｍｎ78［７ｎｍ］
ピン層１４：Ｃｏ90Ｆｅ10［４ｎｍ］／Ｒｕ［０．９ｎｍ］／Ｃｏ90Ｆｅ10［４ｎｍ］
スペーサ層１６：Ｃｕ［３ｎｍ］
下部フリー層１８１：Ｃｏ90Ｆｅ10［２ｎｍ］
機能層２１：Ｍｎ［０．６ｎｍ］の酸窒化物
上部フリー層１８２：Ｃｏ90Ｆｅ10［２ｎｍ］
キャップ層１９：Ｃｕ［１ｎｍ］／Ｔａ［２ｎｍ］
上電極２０。
【０１６１】
ここで機能層２１を含むフリー層１８の形成方法を説明する。まず、下部フリー層１８１を成膜し、次いで機能層へと変換されるＭｎ［０．６ｎｍ］を成膜する。次いで、ＩＡＯＮ工程によりＭｎ酸窒化物に変換する。次いで、上部フリー層１８２を成膜する。
【０１６２】
実施例２の磁気抵抗効果膜は、２８０℃、５時間のアニール後、上電極および下電極のパターニングを行い、垂直通電特性の評価を行った。
【０１６３】
実施例２では、ＲＡ＝０．１３Ωμｍ2、ＭＲ＝１．１％であり、比較例１および２を上回るＭＲ比を確認でき、Ｍｎを含む金属材料と酸素および窒素を含有する機能層２１の挿入によりＭＲ変化率の向上を確認することができた。
【０１６４】
（実施例３）
以下、実施例３につき図面を参照しつつ説明する。
【０１６５】
下電極１１
下地層１２：Ｔａ［１ｎｍ］／Ｒｕ［２ｎｍ］
ピニング層１３：Ｉｒ22Ｍｎ78［７ｎｍ］
ピン層１４：Ｃｏ90Ｆｅ10［４ｎｍ］／Ｒｕ［０．９ｎｍ］／Ｃｏ90Ｆｅ10［４ｎｍ］
スペーサ層１６：Ｃｕ［３ｎｍ］
下部フリー層１８１：Ｃｏ90Ｆｅ10［２ｎｍ］
機能層２１：Ｍｎ５０Ｆｅ５０［０．６ｎｍ］の酸化物
上部フリー層１８２：Ｃｏ90Ｆｅ10［２ｎｍ］
キャップ層１９：Ｃｕ［１ｎｍ］／Ｔａ［２ｎｍ］
上電極２０。
【０１６６】
ここで機能層２１を含むフリー層１８の形成方法を説明する。まず、下部フリー層１８１を成膜し、次いで機能層へと変換されるＭｎ50Ｆｅ50［０．６ｎｍ］を成膜する。次いで、ＩＡＯ工程によりＭｎ50Ｆｅ50の酸化物に変換する。次いで、上部フリー層１８２を成膜する。
【０１６７】
（実施例４）
以下、実施例５につき図面を参照しつつ説明する。
【０１６８】
下電極１１
下地層１２：Ｔａ［１ｎｍ］／Ｒｕ［２ｎｍ］
ピニング層１３：Ｉｒ22Ｍｎ78［７ｎｍ］
ピン層１４：Ｃｏ90Ｆｅ10［４ｎｍ］／Ｒｕ［０．９ｎｍ］／Ｃｏ90Ｆｅ10［４ｎｍ］
スペーサ層１６：Ｃｕ［３ｎｍ］
下部フリー層１８１：Ｃｏ90Ｆｅ10［２ｎｍ］
機能層２１：Ｍｎ２５Ｆｅ７５［０．６ｎｍ］の酸化物
上部フリー層１８２：Ｃｏ90Ｆｅ10［２ｎｍ］
キャップ層１９：Ｃｕ［１ｎｍ］／Ｔａ［２ｎｍ］
上電極２０。
【０１６９】
ここで機能層２１を含むフリー層１８の形成方法を説明する。まず、下部フリー層１８１を成膜し、次いで機能層へと変換されるＭｎ25Ｆｅ75［０．６ｎｍ］を成膜する。次いで、ＩＡＯ工程によりＭｎ25Ｆｅ75の酸化物に変換する。次いで、上部フリー層１８２を成膜する。
【０１７０】
実施例４および５の磁気抵抗効果膜は、２８０℃、５時間のアニール後、上電極および下電極のパターニングを行い、垂直通電特性の評価を行った。
【０１７１】
実施例４は、実施例１および２と同等の特性を確認でき、Ｍｎを含む金属材料と酸素を含有する機能層２１の挿入によりＭＲ変化率の向上を確認することができた。
【０１７２】
実施例５は、実施例１および２よりもＭＲ変化率は劣るものの、比較例１および２に対するＭＲ変化率の向上は確認できた。
【０１７３】
（実施例５）
本実施例では、図２に示す構造の磁気抵抗効果素子を作製した。
【０１７４】
下電極１１
下地層１２：Ｔａ［１ｎｍ］／Ｒｕ［２ｎｍ］
ピニング層１３：Ｉｒ22Ｍｎ78［７ｎｍ］
下部ピン層１４１：Ｃｏ90Ｆｅ10［４ｎｍ］
磁気結合中間層１４２：Ｒｕ［０．９ｎｍ］
第１の上部ピン層１４４：Ｃｏ90Ｆｅ10［２ｎｍ］
機能層２１：実施例１〜５のいずれかの材料
第２の上部ピン層１４５：Ｃｏ90Ｆｅ10［２ｎｍ］
スペーサ層１６：Ｃｕ［３ｎｍ］
フリー層１８：Ｃｏ90Ｆｅ10［４ｎｍ］
キャップ層１９：Ｃｕ［１ｎｍ］／Ｔａ［２ｎｍ］
上電極２０。
【０１７５】
（実施例６）
本実施例では、図３に示す構造の磁気抵抗効果素子を作製した。
【０１７６】
下電極１１
下地層１２：Ｔａ［１ｎｍ］／Ｒｕ［２ｎｍ］
ピニング層１３：Ｉｒ22Ｍｎ78［７ｎｍ］
下部ピン層１４１：Ｃｏ90Ｆｅ10［４ｎｍ］
磁気結合中間層１４２：Ｒｕ［０．９ｎｍ］
第１の上部ピン層１４４：Ｃｏ90Ｆｅ10［２ｎｍ］
機能層２１：実施例１〜５のいずれかの材料
第２の上部ピン層１４５：Ｃｏ90Ｆｅ10［２ｎｍ］
スペーサ層１６：Ｃｕ［３ｎｍ］
下部フリー層１８１：Ｃｏ90Ｆｅ10［２ｎｍ］
機能層２１：実施例１〜５のいずれかの材料
上部フリー層１８２：Ｃｏ90Ｆｅ10［２ｎｍ］
キャップ層１９：Ｃｕ［１ｎｍ］／Ｔａ［２ｎｍ］
上電極２０。
【０１７７】
実施例１〜５に示した磁気抵抗効果素子においては、機能層２１はフリー層にのみ挿入していたが、実施例６では機能層２２をピン層のみに、実施例７では機能層２２をピン層およびフリー層の両方に挿入している。
【０１７８】
実施例６および７でも、実施例１〜５と同様にＭｎを含む金属材料と酸素窒素を含有する機能層２１の挿入によりＭＲ変化率の向上を確認することができた。
【０１７９】
（実施例７）
本実施例では、図４に示す構造の磁気抵抗効果素子を作製した。
【０１８０】
下電極１１
下地層１２：Ｔａ［１ｎｍ］／Ｒｕ［２ｎｍ］
ピニング層１３：Ｉｒ22Ｍｎ78［７ｎｍ］
下部ピン層１４１：Ｃｏ90Ｆｅ10［４ｎｍ］
磁気結合中間層１４２：Ｒｕ［０．９ｎｍ］
上部ピン層１４３：Ｃｏ90Ｆｅ10［４ｎｍ］
下部金属層１５：Ｃｕ［０．６ｎｍ］
ＣＣＰ層１６：Ａｌ2Ｏ3絶縁層１６１およびＣｕ電流パス１６２［２ｎｍ］
上部金属層１５：Ｃｕ［０．４ｎｍ］
下部フリー層１８１：Ｃｏ90Ｆｅ10［２ｎｍ］
機能層２１：実施例１〜３のいずれかの材料
上部フリー層１８２：Ｃｏ90Ｆｅ10［２ｎｍ］
キャップ層１９：Ｃｕ［１ｎｍ］／Ｔａ［２ｎｍ］
上電極２０。
【０１８１】
（実施例８）
本実施例では、図５に示す構造の磁気抵抗効果素子を作製した。
【０１８２】
下電極１１
下地層１２：Ｔａ［１ｎｍ］／Ｒｕ［２ｎｍ］
ピニング層１３：Ｉｒ22Ｍｎ78［７ｎｍ］
下部ピン層１４１：Ｃｏ90Ｆｅ10［４ｎｍ］
磁気結合中間層１４２：Ｒｕ［０．９ｎｍ］
第１の上部ピン層１４４：Ｃｏ90Ｆｅ10［２ｎｍ］
機能層２１：実施例１〜５のいずれかの材料
第２の上部ピン層１４５：Ｃｏ90Ｆｅ10［２ｎｍ］
下部金属層１５：Ｃｕ［０．６ｎｍ］
ＣＣＰ層１６：Ａｌ2Ｏ3絶縁層１６１およびＣｕ電流パス１６２［２ｎｍ］
上部金属層１５：Ｃｕ［０．４ｎｍ］
フリー層１８１：Ｃｏ90Ｆｅ10［４ｎｍ］
キャップ層１９：Ｃｕ［１ｎｍ］／Ｔａ［２ｎｍ］
上電極２０。
【０１８３】
（実施例９）
本実施例では、図６に示す構造の磁気抵抗効果素子を作製した。
【０１８４】
下電極１１
下地層１２：Ｔａ［１ｎｍ］／Ｒｕ［２ｎｍ］
ピニング層１３：Ｉｒ22Ｍｎ78［７ｎｍ］
下部ピン層１４１：Ｃｏ90Ｆｅ10［４ｎｍ］
磁気結合中間層１４２：Ｒｕ［０．９ｎｍ］
第１の上部ピン層１４４：Ｃｏ90Ｆｅ10［２ｎｍ］
機能層２１：実施例１〜５のいずれかの材料
第２の上部ピン層１４５：Ｃｏ90Ｆｅ10［２ｎｍ］
下部金属層１５：Ｃｕ［０．６ｎｍ］
ＣＣＰ層１６：Ａｌ2Ｏ3絶縁層１６１およびＣｕ電流パス１６２［２ｎｍ］
上部金属層１５：Ｃｕ［０．４ｎｍ］
下部フリー層１８１：Ｃｏ90Ｆｅ10［２ｎｍ］
機能層２１：実施例１〜５のいずれかの材料
上部フリー層１８２：Ｃｏ90Ｆｅ10［２ｎｍ］
キャップ層１９：Ｃｕ［１ｎｍ］／Ｔａ［２ｎｍ］
上電極２０。
【０１８５】
実施例１〜６に示した磁気抵抗効果素子においては、スペーサ層１６がＣｕであったが、ここではスペーサ層１６としてＮＯＬ（Nano Oxide Layer）を有する磁気抵抗効果素子においても本発明の効果が得られるかどうかを検討した。ここで用いたＮＯＬは、Ａｌ2Ｏ3中にＣｕからなるメタルパスを持つ。Ｃｕメタルパスは絶縁部分であるＡｌ−Ｏを貫通しており、磁化自由層と磁化固着層をオーミックに接続している。
【０１８６】
実施例４〜９でも、実施例１〜５と同様にＭｎを含む金属材料と酸素を含有する機能層２１の挿入によりＭＲ変化率の向上を確認することができた。
【０１８７】
以下、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の応用について説明する。
【０１８８】
本発明の実施形態において、磁気抵抗効果素子の素子抵抗ＲＡは、高密度対応の観点から、５００ｍΩ／μｍ2以下が好ましく、３００ｍΩ／μｍ2以下がより好ましい。素子抵抗ＲＡを算出する場合には、ＣＰＰ素子の抵抗Ｒにスピンバルブ膜の通電部分の実効面積Ａを掛け合わせる。ここで、素子抵抗Ｒは直接測定できる。一方、スピンバルブ膜の通電部分の実効面積Ａは素子構造に依存する値であるため、その決定には注意を要する。
【０１８９】
例えば、スピンバルブ膜の全体を実効的にセンシングする領域としてパターニングしている場合には、スピンバルブ膜全体の面積が実効面積Ａとなる。この場合、素子抵抗を適度に設定する観点から、スピンバルブ膜の面積を少なくとも０．０４μｍ2以下にし、２００Ｇｂｐｓｉ以上の記録密度では０．０２μｍ2以下にする。
【０１９０】
しかし、スピンバルブ膜に接してスピンバルブ膜より面積の小さい下電極１１または上電極２０を形成した場合には、下電極１１または上電極２０の面積がスピンバルブ膜の実効面積Ａとなる。下電極１１または上電極２０の面積が異なる場合には、小さい方の電極の面積がスピンバルブ膜の実効面積Ａとなる。この場合、素子抵抗を適度に設定する観点から、小さい方の電極の面積を少なくとも０．０４μｍ2以下にする。
【０１９１】
後述する図１２、図１３の実施例の場合、図１２でスピンバルブ膜１０の面積が一番小さいところは上電極２０と接触している部分なので、その幅をトラック幅Ｔｗとして考える。また、ハイト方向に関しては、図１２においてやはり上電極２０と接触している部分が一番小さいので、その幅をハイト長Ｄとして考える。スピンバルブ膜の実効面積Ａは、Ａ＝Ｔｗ×Ｄとして考える。
【０１９２】
本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子では、電極間の抵抗Ｒを１００Ω以下にすることができる。この抵抗Ｒは、例えばヘッドジンバルアセンブリー（ＨＧＡ）の先端に装着した再生ヘッド部の２つの電極パッド間で測定される抵抗値である。
【０１９３】
（磁気ヘッド）
図１２および図１３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１２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１３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。
【０１９４】
図１２および図１３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は上述した磁気抵抗効果膜である。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１２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１３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。
【０１９５】
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下電極１１、上電極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。
【０１９６】
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。
【０１９７】
（ハードディスクおよびヘッドジンバルアセンブリー）
図１２および図１３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。
【０１９８】
図１４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、本実施形態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。本実施形態の磁気記録再生装置１５０は、複数の磁気ディスク２００を備えてもよい。
【０１９９】
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。
【０２００】
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」でもよい。
【０２０１】
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。
【０２０２】
アクチュエータアーム１５５は、ピボット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。
【０２０３】
図１５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。
【０２０４】
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。
【０２０５】
（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。
【０２０６】
図１６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。
【０２０７】
図１７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。
【０２０８】
図１８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１９は、図１８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１６または図１７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。
【０２０９】
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である。
【０２１０】
一方、アドレス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。
【０２１１】
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。
【０２１２】
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。
【０２１３】
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。
【０２１４】
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。
【０２１５】
（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。
【０２１６】
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。
【０２１７】
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。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。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よく、一方、記録媒体が差し替え可能ないわゆる「リムーバブル」方式のものでもよい。
【０２１８】
その他、本発明の実施形態を基にして、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。
【図面の簡単な説明】
【０２１９】
【図１】一実施形態に係る磁気抵抗効果素子を示す斜視図。
【図２】他の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を示す斜視図。
【図３】他の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を示す斜視図。
【図４】他の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を示す斜視図。
【図５】他の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を示す斜視図。
【図６】他の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を示す斜視図。
【図７】実施形態の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。
【図８】実施形態の磁気抵抗効果素子の製造工程を示すフロー図。
【図９】実施例１および比較例１，２の磁気抵抗効果素子の面積抵抗ＲＡとＭＲ変化率の関係を示す図。
【図１０】実施例１Ａ〜１Ｅの磁気抵抗効果素子の磁場に対する素子抵抗の変化を示す図。
【図１１】実施例１Ｂの磁気抵抗効果膜の断面透過型電子顕微鏡（断面ＴＥＭ）像。
【図１２】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す断面図。
【図１３】実施形態の磁気抵抗効果素子を磁気ヘッドに組み込んだ状態を示す断面図。
【図１４】実施形態の磁気記録再生装置の概略構成を例示する要部斜視図。
【図１５】実施形態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。
【図１６】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。
【図１７】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
【図１８】実施形態に係る磁気メモリの要部を示す断面図。
【図１９】図１８のＡ−Ａ’線に沿う断面図。
【符号の説明】
【０２２０】
１０…磁気抵抗効果膜（ＳＶ）、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、１４４…第１の上部ピン層、１４５…第２の上部ピン層、１５…下部金属層、１６…スペーサ層、１６１…メタルパス、１６２…絶縁体、１７…上部金属層、１８…フリー層、１８１…下部フリー層、１８２…上部フリー層、１９…キャップ層、２０…上電極、２１、２２…機能層、４１…バイアス磁界印加膜、４２…絶縁膜、４３…保護層４３、５０…搬送チャンバー（ＴＣ）、５１…ロードロックチャンバー、５２…プレクリーニングチャンバー、５３…第１の金属成膜チャンバー（ＭＣ１）、５４…第２の金属成膜チャンバー（ＭＣ２）、６０…酸化物層・窒化物層形成チャンバー（ＯＣ）、１５０…磁気記録再生装置、１５２…ロータリーアクチュエータ、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…ピボット、１６０…アセンブリ、１６４…リード線、１６５…電極パッド、２００…磁気ディスク、３１１…記憶素子部分、３１２…選択用トランジスタ部分、３２２…ビット線、３２２…配線、３２３…ワード線、３２３…配線、３２４…下部電極、３２６…ビア、３２８…配線、３３０…スイッチングトランジスタ、３３２…ゲート、３３２…ワード線、３３４…ビット線、３３４…ワード線、３５０…列デコーダ、３５１…行デコーダ、３５２…センスアンプ、３６０…デコーダ。
【図１】
2009283499.tif 000003
【図２】
2009283499.tif 000004
【図３】
2009283499.tif 000005
【図４】
2009283499.tif 000006
【図５】
2009283499.tif 000007
【図６】
2009283499.tif 000008
【図７】
2009283499.tif 000009
【図８】
2009283499.tif 000010
【図９】
2009283499.tif 000011
【図１０】
2009283499.tif 000012
【図１１】
2009283499.tif 000013
【図１２】
2009283499.tif 000014
【図１３】
2009283499.tif 000015
【図１４】
2009283499.tif 000016
【図１５】
2009283499.tif 000017
【図１６】
2009283499.tif 000018
【図１７】
2009283499.tif 000019
【図１８】
2009283499.tif 000020
【図１９】
2009283499.tif 000021