(57)【要約】【課題】高出力で高感度な磁気抵抗効果素子、これを用いた磁気ヘッド、磁気記憶装置、および磁気メモリ装置を提供する【解決手段】磁気抵抗効果素子は、固定磁化層と、自由磁化層と、前記固定磁化層と自由磁化層の間に挿入される非磁性層とを備え、前記自由磁化層と前記固定磁化層の少なくとも一方は、Ｃｏ及び／又はＦｅを構成成分として含みＭｇをさらに含むＣｏＦｅＭｇ合金膜で構成され、当該ＣｏＦｅＭｇ合金膜は、（ＣｏｘＦｅ100-ｘ）Ｍｇｙ（ここで０≦ｘ≦１００，０<ｙ<３０ａｔ％）の組成範囲の組成を有する。【選択図】図８
2009043993.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定磁化層と、自由磁化層と、前記固定磁化層と自由磁化層の間に挿入される非磁性層とを備えたＣＰＰ型磁気抵抗効果素子であって、前記自由磁化層と前記固定磁化層の少なくとも一方は、Ｃｏ及び／又はＦｅを構成成分として含みＭｇをさらに含むＣｏＦｅＭｇ合金膜で構成され、当該ＣｏＦｅＭｇ合金膜は、（ＣｏｘＦｅ100-ｘ）Ｍｇｙ（ここで０≦ｘ≦１００，０<ｙ<３０ａｔ％）の組成範囲の組成を有する磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
前記自由磁化層を挟んで前記固定磁化層と反対側に配置される対称配置の固定磁化層と、前記自由磁化層と前記対称配置の固定磁化層との間に挿入される第２の非磁性層とをさらに有し、前記自由磁化層、前記固定磁化層、および前記対称配置の固定磁化層の少なくとも１つの層が、前記組成範囲内の組成を有するＣｏＦｅＭｇ合金膜で構成される請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
前記自由層及び／又は固定磁化層と非磁性層との間の界面に拡散防止層として軟磁性材料であるＣｏＦｅ合金膜、ＮｉＦｅ合金膜、あるいはＣｏＦｅＡｌ合金膜を積層した請求項２記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
固定磁化層と、自由磁化層と、前記固定磁化層と自由磁化層の間に挿入される絶縁層とを備えるＣＰＰ型磁気抵抗効果素子であって、前記自由磁化層と、前記固定磁化層の少なくとも一方は、Ｃｏ及び／又はＦｅを構成成分として含みＭｇをさらに含むＣｏＦｅＭｇ合金膜で構成され、当該ＣｏＦｅＭｇ合金膜は、（ＣｏｘＦｅ（100−ｘ））Ｍｇｙ（ここで０≦ｘ≦１００，０<ｙ<３０ａｔ％）の組成を有する磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
請前記自由層及び／又は固定磁化層と絶縁層との間の界面に拡散防止層として軟磁性材料であるＣｏＦｅ合金膜、ＮｉＦｅ合金膜、あるいはＣｏＦｅＡｌ合金膜を積層した請求項４記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
請求項１〜５のうち、いずれか一項記載の磁気抵抗効果素子を有する磁気ヘッドと、磁気記録媒体とを備える磁気記憶装置。
【請求項７】
固定磁化層と、自由磁化層と、前記固定磁化層と自由磁化層の間に挿入される非磁性層とを有するＣＰＰ型の磁気抵抗効果膜で構成される記憶素子と、ビット線とワード線に電流を流して電流磁界によって磁場印加することにより、又は磁気抵抗効果膜にスピン偏極電流を流して前記自由磁化層の磁化を所定の方向に配列させる書き込み手段と、前記磁気抵抗効果膜にセンス電流を供給して抵抗値を検出する読み出し手段と、を備え、前記自由磁化層と固定磁化層の少なくとも一方がＣｏ及び／又はＦｅを構成成分として含みＭｇをさらに含み（ＣｏｘＦｅ（１００−ｘ））Ｍｇｙ（ここで０≦ｘ≦１００，０<ｙ<３０ａｔ％）の組成を有するＣｏＦｅＭｇ合金膜よりなることを特徴とする磁気メモリ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気記憶装置において情報を再生するために使われる磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド、磁気記憶装置、および磁気メモリ装置に関し、特に、磁気抵抗効果素子を構成する積層膜の積層方向にセンス電流を流すＣＰＰ（Ｃｕｒｒｅｎｔ−Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ−ｔｏ−Ｐｌａｎｅ）型の構造を有する、いわゆるＣＰＰ型磁気抵抗効果素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、磁気記憶装置の磁気ヘッドには、磁気記録媒体に記録された情報を再生するための再生用素子として磁気抵抗効果素子が用いられている。磁気抵抗効果素子は、磁気記録媒体から漏洩する信号磁界の向きの変化を電気抵抗の変化に変換する磁気抵抗効果を利用して磁気記録媒体に記録された情報を再生する。磁気記憶装置の高記録密度化に伴い、スピンバルブ膜を備えたものが主流となっている。
【０００３】
スピンバルブ膜は磁化が所定の方向に固定された固定磁化層と、非磁性層と、磁気記録媒体からの漏洩磁界の方向や強度に応じて磁化の方向が変わる自由磁化層が積層して構成されている。スピンバルブ膜は、固定磁化層の磁化と自由磁化層の磁化とがなす角に応じて電気抵抗値が変化する。電気抵抗値の変化を、スピンバルブ膜に一定値のセンス電流を流して電圧変化として検出することで、磁気抵抗効果素子が磁気記録媒体に記録されたビットを再生する。
【０００４】
現在、磁気抵抗効果素子は、スピンバルブ膜の積層方向、すなわち、固定磁化層、非磁性層、自由磁化層が積層された方向にセンス電流を流すＣＰＰ（Ｃｕｒｒｅｎｔ−Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ−ｔｏ−Ｐｌａｎｅ）型の構造が用いられている。ＣＰＰ型のスピンバルブ膜は、コア幅（磁気記録媒体のトラック幅に対応するスピンバルブ膜の幅）が縮小されても出力がほとんど変化しないという特長を有するため、高記録密度化に適している。
【０００５】
ＣＰＰ型のスピンバルブ膜の出力は、スピンバルブ膜に外部磁界を一方向からその逆の方向に磁界を掃引して印加した際の単位面積の磁気抵抗変化量で決まってくる。単位面積の磁気抵抗変化量は、スピンバルブ膜の磁気抵抗変化量とスピンバルブ膜の膜面の面積を乗じたものである。単位面積の磁気抵抗変化量を増加させるためには、自由磁化層や固定磁化層にスピン依存バルク散乱係数と比抵抗との積が大きな材料を用いる必要がある。スピン依存バルク散乱とは、伝導電子が持つスピンの向きに依存して自由磁化層や固定磁化層の層内で伝導電子が散乱する度合いが異なる現象であり、スピン依存バルク散乱係数が大きいほど、磁気抵抗変化量が大きくなる。また磁気抵抗変化量の他に、自由層が媒体からの信号磁界に感度良く回転するために保磁力（以下Ｈｃｆで表す）の値を低くする必要がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、自由磁化層や固定磁化層にＣｏＦｅ合金やＮｉＦｅ合金のような一般的な磁性材料（例えば特開２００２−９２８２９を参照）を使用した場合、将来の高記録密度に向けて素子サイズが小さくなると、磁気抵抗変化量が不足してしまうと考えられる。
【０００７】
そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなされたもので、高出力で高感度な磁気抵抗効果素子、これを用いた磁気ヘッド、磁気記憶装置、および磁気メモリ装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
一観点によれば本発明は、固定磁化層と、自由磁化層と、前記固定磁化層と自由磁化層の間に挿入される非磁性層とを備えたＣＰＰ型磁気抵抗効果素子であって、前記自由磁化層と前記固定磁化層の少なくとも一方は、Ｃｏ及び／又はＦｅを構成成分として含みＭｇをさらに含むＣｏＦｅＭｇ合金膜で構成され、当該ＣｏＦｅＭｇ合金膜は、（ＣｏｘＦｅ100-ｘ）Ｍｇｙ（ここで０≦ｘ≦１００，０<ｙ<３０ａｔ％）の組成範囲の組成を有する磁気抵抗効果素子を提供する。ここでＣｏ，ＦｅおよびＭｇの各含有量は原子％で表している。このようなＣｏＦｅＭｇ合金膜の比抵抗はＣｏＦｅ合金膜の比抵抗の３倍以上あるため、上記ＣｏＦｅＭｇ合金膜を自由磁化層や固定磁化層に用いることで、スピン依存バルク散乱係数と比抵抗との積に依存する磁気抵抗変化量を、従来のＣｏＦｅ膜に比べて極めて大きくすることができ、その結果、磁気抵抗効果素子の出力を大幅に増加させることが可能となる。本発明によれば、磁気抵抗効果素子は、自由磁化層に上記（ＣｏｘＦｅ（１００−ｘ））Ｍｇｙ（ここで０≦ｘ≦１００，０<ｙ<３０ａｔ％）組成のＣｏＦｅＭｇ合金膜を用いることで、単位面積の磁気抵抗変化量ΔＲＡが増大し、磁気抵抗効果素子の出力が増大する。一方、このように本発明では前記ＣｏＦｅＭｇ合金膜中のＭｇ組成を増やすことで比抵抗値を上げることが可能ではあるが、Ｍｇ組成が３０原子%を超えると磁気モーメントが急減するため、ＭＲ比は低下してしまう。このため、前記ＣｏＦｅＭｇ合金膜において、Ｍｇ組成は、３０ａｔ％（原子％）を超えないのが好ましい。
【０００９】
また本発明は他の観点において、上記いずれかの磁気抵抗効果素子を備える磁気ヘッドを提供する。本発明によれば、磁気抵抗効果素子が高出力であるので、磁気ヘッドは、より高記録密度の磁気記録に対応することが可能となる。
【００１０】
また本発明はその他の観点によれば、上記いずれかの磁気抵抗効果素子を有する磁気ヘッドと、磁気記録媒体とを備える磁気記憶装置を提供する。本発明によれば、磁気抵抗効果素子が高出力であるので、磁気記憶装置の高記録密度化が可能となる。
【００１１】
本発明はその他の観点において、固定磁化層と、自由磁化層と、前記固定磁化層と自由磁化層の間に挿入される非磁性層とを有するＣＰＰ型の磁気抵抗効果膜で構成される記憶素子と、ビット線とワード線に電流を流して電流磁界によって磁場印加することにより、又は磁気抵抗効果膜にスピン偏極電流を流して前記自由磁化層の磁化を所定の方向に配列させる書き込み手段と、前記磁気抵抗効果膜にセンス電流を供給して抵抗値を検出する読み出し手段と、を備え、前記自由磁化層と固定磁化層の少なくとも一方がＣｏ及び／又はＦｅを構成成分として含みＭｇをさらに含み（ＣｏｘＦｅ（１００−ｘ））Ｍｇｙ（ここで０≦ｘ≦１００，０<ｙ<３０ａｔ％）の組成を有するＣｏＦｅＭｇ合金膜よりなることを特徴とする磁気メモリ装置を提供する。本発明によれば、自由磁化層に前記ＣｏＦｅMg合金膜を用いることで、磁気抵抗効果膜の単位面積あたりの磁気抵抗変化量ΔＲＡが増大し、情報の読出しの際に、保持された「０」および「１」に対応する磁気抵抗値の差が増大するため、正確な読出しが可能となる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、高出力でかつ磁界を検知する感度が良好な磁気抵抗効果素子、これを用いた磁気ヘッド、磁気記憶装置、および磁気メモリ装置が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下図面を参照しつつ実施の形態を説明する。なお、説明の便宜のため、特に断らない限り、「単位面積の磁気抵抗変化量ΔＲＡ」を「磁気抵抗変化量ΔＲＡ」あるいは単に「ΔＲＡ」と略称する。
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子と、誘導型記録素子を備えた複合型の磁気ヘッドについて説明する。
【００１４】
図１は、複合型の磁気ヘッドの媒体対向面の要部を示す図である。ただし図１中、矢印Ｘの方向は、磁気抵抗効果素子に対向する磁気記録媒体（不図示）の移動方向を示す。
【００１５】
図１を参照するに、複合型磁気ヘッド１０は、大略して、ヘッドスライダの基体となるＡｌ2Ｏ3−ＴｉＣ等の平坦なセラミック基板１１の上に形成された磁気抵抗効果素子２０と、その上に形成された誘導型記録素子１３から構成される。
【００１６】
誘導型記録素子１３は、媒体対向面に磁気記録媒体のトラック幅に相当する幅を有する上部磁極１４と、非磁性材料からなる記録ギャップ層１５を挟んで上部磁極１４に対向する下部磁極１６と、上部磁極１４と下部磁極１６とを磁気的に接続するヨーク（図示されず）と、ヨークを巻回し、記録電流により記録磁界をする誘起するコイル（図示されず）等からなる。上部磁極１４、下部磁極１６、およびヨークは軟磁性材料より構成される。この軟磁性材料としては、記録磁界を確保するために飽和磁束密度の大なる材料、例えば、Ｎｉ８０Ｆｅ２０、ＣｏＺｒＮｂ、ＦｅＮ、ＦｅＳｉＮ、ＦｅＣｏ、ＣｏＮｉＦｅ等の組成を有する合金などの材料が挙げられる。なお、誘導型記録素子１３はこれに限定されるものではなく、公知の構造の誘導型記録素子を用いることができる。
【００１７】
磁気抵抗効果素子２０は、セラミック基板１１の表面に形成されたアルミナ膜１２上に、下部電極２１、磁気抵抗効果膜３０（以下、「ＧＭＲ膜３０」と称する。）、アルミナ膜２５、上部電極２２が積層された構成を有する。前記ＧＭＲ膜３０は、下部電極２１および上部電極２２とそれぞれ電気的に接続されている。
【００１８】
前記ＧＭＲ膜３０の両側には、絶縁膜２３を介して磁区制御膜２４が設けられている。ここで前記磁区制御膜２４は、例えば、Ｃｒ膜と強磁性のＣｏＣｒＰｔ膜との積層体からなる。磁区制御膜２４は、ＧＭＲ膜３０を構成する自由磁化層（図２に示す。）の単磁区化を図り、バルクハウゼンノイズの発生を防止する。一方、前記下部電極２１および上部電極２２はセンス電流Ｉｓの流路としての機能に加え、磁気シールドとしての機能も兼ねる。そのため、前記下部電極２１および上部電極２２は、軟磁性合金、例えば組成がＮｉＦｅやＣｏＦｅ等の合金から構成される。さらに前記下部電極２１とＧＭＲ膜３０との界面に導電膜、例えば、Ｃｕ膜、Ｔａ膜、Ｔｉ膜等を設けてもよい。また前記磁気抵抗効果素子２０および誘導型記録素子１３は、腐食等を防止するためアルミナ膜や水素化カーボン膜等により覆われる。
【００１９】
ところで前記センス電流Ｉｓは、例えば上部電極２２から、ＧＭＲ膜３０をその膜面に略垂直に流れ下部電極２１に達する。その際、前記ＧＭＲ膜３０は、磁気記録媒体からの漏洩する信号磁界の強度および方向に対応して電気抵抗値、いわゆる磁気抵抗値を変化させる。そこで前記磁気抵抗効果素子２０は、前記ＧＭＲ膜３０の磁気抵抗値の変化を、所定の電流量のセンス電流Ｉｓを流し、生じた電圧変化の形で検出する。このように、前記磁気抵抗効果素子２０は、磁気記録媒体に記録された情報を再生することができる。なお、前記センス電流Ｉｓの流れる方向は図１に示す方向に限定されず、逆向きでもよい。また、磁気記録媒体の移動方向も逆向きでもよい。
【００２０】
図２は、第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を構成する第１例のＧＭＲ膜３０の断面図を示す。
【００２１】
図２を参照するに、前記第１例のＧＭＲ膜３０は、下地層３１、反強磁性層３２、固定磁化積層体３３、非磁性金属層３７、自由磁化層３８、保護層３９が順次積層された構成を有する、いわゆるシングルスピンバルブ構造を有する。
【００２２】
前記下地層３１は、図１に示す下部電極２１の表面にスパッタ法等により形成され、例えば、ＮｉＣｒ合金膜や、Ｔａ膜（例えば膜厚５ｎｍ）とＮｉＦｅ合金膜（例えば膜厚５ｎｍ）との積層体等から構成される。このＮｉＦｅ合金膜は、Ｆｅの含有量が１７原子％〜２５原子％の範囲内であることが好ましい。このような組成のＮｉＦｅ合金膜を用いることにより、ＮｉＦｅ膜の結晶成長方向である（１１１）結晶面およびこれに結晶学的に等価な結晶面の表面に、反強磁性層３２がエピタキシャル成長する。これにより、反強磁性層３２の結晶性を向上させることができる。
【００２３】
反強磁性層３２は、例えば膜厚４ｎｍ〜３０ｎｍ（好ましくは４ｎｍ〜１０ｎｍ）のＭｎ−ＴＭ合金（ＴＭは、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ、ＩｒおよびＲｈのうち少なくとも１種を含む）から構成される。Ｍｎ−ＴＭ合金としては、例えば組成がＰｔＭｎ、ＰｄＭｎ、ＮｉＭｎ、ＩｒＭｎ、ＰｔＰｄＭｎの合金が挙げられる。反強磁性層３２は、固定磁化積層体３３の第１固定磁化層３４に交換相互作用を及ぼして第１固定磁化層３４の磁化を所定の向きに固定する。固定磁化積層体３３は、反強磁性層３２側から第１固定磁化層３４、非磁性結合層３５、第２固定磁化層３６が順に積層されてなり、いわゆる積層フェリ構造を有する。固定磁化積層体３３は、第１固定磁化層３４の磁化と第２固定磁化層３６の磁化とが反強磁性的に交換結合し、磁化の向きが互いに反平行になる。
【００２４】
第１および第２固定磁化層３４，３６は、それぞれ膜厚１〜１０ｎｍのＣｏ，ＮｉおよびＦｅのうち、少なくともいずれかを含む強磁性材料から構成される。第１および第２固定磁化層３４，３６に好適な強磁性材料としては、例えば組成がＣｏＦｅ，ＣｏＦｅＢ，ＣｏＦｅＡｌ，ＣｏＦｅＭｇ，ＮｉＦｅ，ＦｅＣｏＣｕ，ＣｏＮｉＦｅ等の合金膜が挙げられる。なお前記第１および第２固定磁化層３４，３６のそれぞれは、１層のみならず、２層以上の積層体としてもよく、また前記積層体は、その各々の層が同一の元素の組み合わせでかつ互いに異なる組成比となる材料により構成してもよく、あるいは、互いに異なる元素を組み合わせた材料より構成してもよい。
【００２５】
一方、前記第２固定磁化層３６としては、組成がＣｏＦｅＡｌ又はＣｏＦｅＭｇの合金膜を使うことが特に好ましい。これは、以下の理由によるものである。
【００２６】
すなわち、組成がＣｏＦｅＡｌやＣｏＦｅＭｇの前記合金膜材料では比抵抗が、組成がＣｏＦｅの合金膜の比抵抗よりも極めて大きく、例えば具体的に組成比がＣｏ９０Ｆｅ１０の合金膜の場合、比抵抗２０μΩｃｍであるに対し、組成比がＣｏ５０Ｆｅ２０Ａｌ３０の合金膜では、比抵抗が前記組成Ｃｏ９０Ｆｅ１０の合金膜の６倍程度の１３０μΩｃｍとなる。また組成比がＣｏ５０Ｆｅ２５Ｍｇ２５の合金膜の場合は、３倍以上の６５μΩｃｍとなる。磁気抵抗変化量はスピン依存バルク散乱係数と比抵抗との積に依存するので、磁気抵抗変化量ΔＲＡは、上記ＣｏＦｅＡｌ合金膜やＣｏＦｅＭｇ合金膜を使った場合、前記ＣｏＦｅ合金膜を使った場合よりもはるかに大きくなる。したがって、第２固定磁化層３６に組成がＣｏＦｅＡｌ又はＣｏＦｅＭｇの合金膜を用いることで、磁気抵抗変化量ΔＲＡを大幅に増加することができる。
【００２７】
さらに、前記ＣｏＦｅＡｌ合金及びＣｏＦｅＭｇ合金膜の比抵抗は、前記ＣｏＦｅＡｌ合金膜及びＣｏＦｅＭｇ合金膜の組成比に対する依存性が小さいため、製造の際の組成管理が容易になるという利点もある。なお前記ＣｏＦｅＭｇ合金は、これらの利点から、次に説明する自由磁化層３８にも好適に用いられる。
【００２８】
前記第２固定磁化層３６において前記ＣｏＦｅＭｇ合金膜は、磁気抵抗変化量ΔＲＡが特に大きい点で、後ほど実施例１で説明するように、Ｃｏ及び／又はＦｅを構成成分として含みＭｇをさらに含む、（ＣｏｘＦｅ（１００−ｘ））Ｍｇｙ（ここで０≦ｘ≦１００，０<ｙ<３０ａｔ％）の組成を有することが好ましい。但し、Ｃｏ、Ｆｅ、およびＭｇの各含有量は原子％で表す。
【００２９】
また、第１固定磁化層３４として好適な軟磁性材料としては、比抵抗が低い点で、Ｃｏ６０Ｆｅ４０の組成比を有するＣｏＦｅ合金あるいはＮｉＦｅ組成を有するＮｉＦｅ合金が挙げられる。これは、第１固定磁化層３４の磁化は、第２固定磁化層３６の磁化の向きに対して逆向きとなるので、第１固定磁化層３４が磁気抵抗変化量ΔＲＡを低下させる方向に働くのに対し、比抵抗の低い強磁性材料を用いることで、磁気抵抗変化量ΔＲＡの低下を補償することができるためである。
【００３０】
非磁性結合層３５は、その膜厚が第１固定磁性層３４と第２固定磁化層３６とが反強磁性的に交換結合する範囲に設定される。その範囲は、０．４ｎｍ〜１．５ｎｍ（好ましくは０．４ｎｍ〜０．９ｎｍ）である。非磁性結合層３５は、Ｒｕ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ｒｕ系合金、Ｒｈ系合金、Ｉｒ系合金等の非磁性材料から構成される。Ｒｕ系合金としては、ＲｕにＣｏ，Ｃｒ，Ｆｅ，ＮｉおよびＭｎのうちいずれか一つ、あるいはこれらの合金との非磁性材料が好適である。これにより、前記第１固定磁化層３４の磁化の向きが所定の向きから変位したり反転したりする問題を回避できる。
【００３１】
さらに、図示を省略するが、第１固定磁化層３４と反強磁性層３２との間に第１固定磁化層３４よりも飽和磁束密度が高い強磁性材料からなる強磁性接合層を設けてもよい。
【００３２】
非磁性金属層３７は、例えば、膜厚１．５ｎｍ〜１０ｎｍの非磁性の導電性材料より構成される。非磁性金属層３７に好適な導電性材料としてはＣｕ、Ａｌ、Ｃｒ等が挙げられる。
【００３３】
自由磁化層３８は、非磁性金属層３７の表面に設けられ、例えば膜厚が２ｎｍ〜１２ｎｍのＣｏＦｅＭｇ合金から構成される。このＣｏＦｅＭｇ合金は、上述したように、比抵抗が従来のＣｏＦｅ合金よりも極めて大きく、そのため前記自由磁化層３８では磁気抵抗変化量ΔＲＡが、合金ＣｏＦｅを用いた場合よりも極めて大きくなる。
【００３４】
ここで、前記固定強磁性層および自由磁化層のいずれか一方に用いられる上記組成範囲を有するＣｏＦｅＭｇ合金膜は、スパッタ法で作成する場合、所定の組成のＣｏＦｅＭｇ合金ターゲットを用いて成膜することが可能であるが、その他にも、Ｃｏ，Ｆｅ，Ｍｇ単体の、合計で３種類のターゲットを使い、同時にスパッタすることも可能であり、さらに前記３種類の単体ターゲットを順次スパッタして、Ｃｏ層とＦｅ層とＭｇ層を積層した積層膜の形に形成することも可能である。本発明において「ＣｏＦｅＭｇ合金膜」は、単にＣｏとＦｅとＭｇの合金膜のみならず、このような積層膜あるいは超格子構造膜をも含むものとする。さらに前記ＣｏＦｅＭｇ合金膜は、例えばＣｏ単体ターゲットとＦｅＭｇ合金よりなるターゲットなど、２種類の元素の合金ターゲットと単体ターゲットを組み合わせて同時放電させる方法や、同様に例えばＭｇ単体ターゲットとＣｏＦｅ合金ターゲットなど、２種類の元素の合金ターゲットと単体ターゲットを積層させて成膜する方法などが適用できる。また前記ＣｏＦｅＭｇ合金膜は、第４元素として、他にＡｌ，Ｇｅ，Ｓｂ，Ｃｕなどの元素を含んでいてもよい。
【００３５】
前記保護層３９は非磁性の導電性材料からなり、例えばＲｕ、Ｃｕ、Ｔａ、Ａｕ、Ａｌ、およびＷのいずれかを含む金属膜から構成され、さらに、これらの金属膜の積層体から構成してもよい。保護層３９は、以下に説明する反強磁性層３２の反強磁性を出現させるための熱処理の際に自由磁化層３８の酸化を防止できる。
【００３６】
次に第１例のＧＭＲ膜３０の形成方法を、図２を参照しつつ説明する。
【００３７】
図２を参照するに、最初に、スパッタ法、蒸着法、ＣＶＤ法等により、下地層３１から保護層３９までの各々の層を上述した材料を用いて形成する。
【００３８】
次いで、このようにして得られた積層体を磁界中で熱処理する。熱処理は、真空雰囲気で、例えば加熱温度２５０℃〜３２０℃、加熱時間約２〜４時間、印加磁界を１５９２ｋＡ／ｍに設定して実行される。この熱処理により、上述したＭｎ−ＴＭ合金のうちの一部は、規則合金化して反強磁性が出現する。また、熱処理の際に所定の方向に磁界を印加することで、反強磁性層３２の磁化方向を所定方向に配向させ、反強磁性層３２と固定磁化層３３との交換相互作用により固定磁化層３３の磁化を所定の向きに固定することができる。
【００３９】
次いで、下地層３１から保護層３９までの積層体を図１に示すように所定の形状にパターニングしてＧＭＲ膜３０を得る。なお、下記に説明する第２例〜第５例のＧＭＲ膜も第１例のＧＭＲ膜３０と略同様にして形成する。第１例のＧＭＲ膜３０は、自由磁化層３８がＣｏＦｅＭｇからなるため、磁気抵抗変化量ΔＲＡが大きく、したがって、高出力な磁気抵抗効果素子を実現できる。
【００４０】
次に、第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を構成する第２例のＧＭＲ膜について説明する。この第２例では、図１に示す磁気抵抗効果素子１０のＧＭＲ膜３０の代わりに、図３に示す第２例のＧＭＲ膜を適用する。ただし図３は、第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を構成する第２例のＧＭＲ膜の断面図である。図中、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。
【００４１】
図３を参照するに、第２例のＧＭＲ膜４０は、下地層３１、下部反強磁性層３２、下部固定磁化積層体３３、下部非磁性金属層３７、自由磁化層３８、上部非磁性金属層４７、上部固定磁化積層体４３、上部反強磁性層４２、保護層３９が順次積層された構成からなる。すなわち、ＧＭＲ膜４０は、図２に示す第１例のＧＭＲ膜の自由磁化層３８と保護層３９との間に、上部非磁性金属層４７、上部固定磁化積層体４３、上部反強磁性層４２を設けた対称配置構成を有し、いわゆるデュアルスピンバルブ構造を有する。なお、下部反強磁性層３２、下部固定磁化積層体３３、および下部非磁性金属層３４は、各々、図２に示す第１例のＧＭＲ膜の反強磁性層３２、固定磁化層３３、および非磁性金属層３４と同様の材料および膜厚を有するので同一の符号を用いている。上部非磁性金属層４７、上部反強磁性層４２は、各々、下部非磁性金属層３７、下部反強磁性層３２と同様の材料を用いることができ、膜厚も同様の範囲に設定される。また、上部固定磁化積層体４３は、上部反強磁性層４２側から上部第１固定磁化層４４、上部非磁性結合層４５、上部第２固定磁化層４６が順に積層されてなり、いわゆる積層フェリ構造を有する。上部第１固定磁化層４４、上部非磁性結合層４５、上部第２固定磁化層４６は、各々、下部第１固定磁化層３４、下部非磁性結合層３５、下部第２固定磁化層３６と同様の材料を用いることができ、膜厚も同様の範囲に設定される。
【００４２】
前記ＧＭＲ膜４０は、自由磁化層３８が、図２に示す第１例のＧＭＲ膜の自由磁化層３８と同様のＣｏＦｅＭｇの組成範囲から選択される。したがって、磁気抵抗効果素子は、第１例のＧＭＲ膜の場合と同様の理由により大きな磁気抵抗変化量ΔＲＡを有している。
【００４３】
さらに前記ＧＭＲ膜４０は、下部固定磁化積層体３３、下部非磁性金属層３７、自由磁化層３８、からなるスピンバルブ構造と、自由磁化層３８、上部非磁性金属層４７、上部固定磁化積層体からなるスピンバルブ構造を合わせ有する。したがって、ＧＭＲ膜４０では磁気抵抗変化量ΔＲＡが、第１例のＧＭＲ膜の磁気抵抗変化量ΔＲＡに対して約２倍まで増加し、その結果、第２例のＧＭＲ膜４０を磁気抵抗効果素子に用いることで、第１例のＧＭＲ膜を用いた場合よりも、いっそう高出力の磁気抵抗効果素子が実現できる。なお、ＧＭＲ膜４０の形成方法は第１例のＧＭＲ膜の形成方法と略同様であるので、説明を省略する。
【００４４】
次に、第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を構成する第３例のＧＭＲ膜について説明する。この第３例では前記図１に示す磁気抵抗効果素子１０のＧＭＲ膜３０の代わりに、図４に断面図を示す第３例のＧＭＲ膜５０を適用する。ただし図４は、第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を構成する第３例のＧＭＲ膜の断面図である。本第３例のＧＭＲ膜５０は、前記第２例のＧＭＲ膜４０の変形例である。図中、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。
【００４５】
図４を参照するに、第３例のＧＭＲ膜５０は、下地層３１、下部反強磁性層３２、下部固定磁化積層体３３、下部非磁性金属層３７、自由磁化積層体５１、上部非磁性金属層４７、上部固定磁化積層体４３、上部反強磁性層４２、保護層３９が順次積層された構成からなる。すなわち、ＧＭＲ膜５０は、図３に示す第２例のＧＭＲ膜の自由磁化層３８の代
わりに自由磁化積層体５１を設けた構成を有する。自由磁化積層体５１は、下部非磁性金属層３７側から、第１界面磁性層５２、自由磁化層３８、第２界面磁性層５３が順に積層されてなる。自由磁化層３８は、図２に示す第１例のＧＭＲ膜３０の自由磁化層３８と同様の組成範囲のＣｏＦｅＭｇからなる。第１界面磁性層５２および第２界面磁性層５３は、それぞれ、例えば厚さが０．２ｎｍ〜２．５ｎｍの範囲に設定され、軟磁性材料からなり、拡散防止層として機能する。
【００４６】
第１界面磁性層５２および第２界面磁性層５３は、それぞれスピン依存界面散乱係数が前記ＣｏＦｅＭｇ合金膜よりも大きな材料、例えばＣｏＦｅ合金膜、ＮｉＦｅ合金膜から選択されることが好ましい。前記ＣｏＦｅ合金膜としては、ＣｏＦｅ組成の合金以外にも、例えば、ＣｏＦｅＮｉ，ＣｏＦｅＣｕ，ＣｏＦｅＣｒ，ＣｏＦｅＡｌ等の組成の合金が挙げられる。また、ＮｉＦｅ合金膜としては、ＮｉＦｅ組成の合金以外にも、例えばＮｉＦｅＣｕ、ＮｉＦｅＣｒ等の組成の合金が挙げられる。前記自由磁化積層体５１では、自由磁化層３８をこのようなスピン依存界面散乱係数が大きな軟磁性材料膜で挟むことで、磁気抵抗変化量ΔＲＡを増加させることができる。なお、第１界面磁性層５２および第２界面磁性層５３には同じ組成の材料を用いてもよく、同じ元素を含み、組成比の異なる材料を用いてもよく、互いに異なる元素からなる材料を用いてもよい。
【００４７】
さらに第１界面磁性層５２および第２界面磁性層５３には、自由磁化層３８と異なる組成比のＣｏＦｅＭｇ合金膜を用いてもよい。例えば、第１界面磁性層５２および第２界面磁性層５３には、自由磁化層３８よりも保磁力の高い材料を用いてもよい。
【００４８】
第３例のＧＭＲ膜５０は、第２例のＧＭＲ膜と同様の効果を有し、さらに自由磁化層３８の両面に第１界面磁性層５２および第２界面磁性層５３を設けることにより、磁気抵抗変化量ΔＲＡを第２例のＧＭＲ膜４０よりもさらに増加することができる。
【００４９】
次に、第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を構成する第４例のＧＭＲ膜について説明する。この第４例では、図１に示す磁気抵抗効果素子１０のＧＭＲ膜３０の代わりに、第４例に断面図を示すＧＭＲ膜６０を適用する。第４例のＧＭＲ膜６０は、第２例のＧＭＲ膜４０の変形例である。図中、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。
【００５０】
図５を参照するに、第４例のＧＭＲ膜６０は、下地層３１、下部反強磁性層３２、下部固定磁化積層体６１、下部非磁性金属層３７、自由磁化層３８、上部非磁性金属層４７、上部固定磁化積層体６２、上部反強磁性層４２、保護層３９が順次積層された構成からなる。すなわち、ＧＭＲ膜６０は、図３に示す第２例のＧＭＲ膜４０の下部固定磁化積層体３３および上部固定磁化積層体４３の代わりに、下部固定磁化積層体６１および上部固定磁化積層体６２を設けた構成を有する。
【００５１】
前記下部固定磁化積層体６１は、下部第２固定磁化層３６の下部非磁性金属層３７側に第３界面磁性層６３を有し、上部固定磁化積層体６２は、上部第２固定磁化層４６の上部非磁性金属層４７側に第４界面磁性層６４を有する。第３界面磁性層６３および第４界面磁性層６４は、それぞれ、例えば厚さが０．２ｎｍ〜２．５ｎｍの範囲に設定され、強磁性材料から構成される。第３界面磁性層６３および第４界面磁性層６４は、それぞれ、スピン依存界面散乱がＣｏＦｅＭｇよりも大きな材料、例えばＣｏＦｅ合金膜や合金膜から選択されることが好ましい。ＣｏＦｅ合金としては、ＣｏＦｅ組成の合金の他に、例えば、ＣｏＦｅＮｉ、ＣｏＦｅＣｕ、ＣｏＦｅＣｒ、ＣｏＦｅＡｌ等の組成の合金が挙げられる。また、ＮｉＦｅ合金としては、ＮｉＦｅ素子の合金の他に、例えばＮｉＦｅＣｕ，ＮｉＦｅＣｒ等の組成の合金が挙げられる。これにより、磁気抵抗変化量ΔＲＡを増加させることができる。なお、第３界面磁性層６３および第４界面磁性層６４には同じ組成の材料を用いてもよく、同じ元素を含み、組成比の異なる材料を用いてもよく、互いに異なる元素からなる材料を用いてもよい。
【００５２】
第４例のＧＭＲ膜６０は、第２例のＧＭＲ膜と同様の効果を有し、さらに第３界面磁性層６３および第４界面磁性層６４を設けることにより磁気抵抗変化量ΔＲＡを第２例のＧＭＲ膜よりもさらに増加することができる。
【００５３】
次に、第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を構成する第５例のＧＭＲ膜について説明する。この第５例では、図１に示す磁気抵抗効果素子１０のＧＭＲ膜３０の代わりに、図６に断面図を示すＧＭＲ膜６５を適用する。この第５例のＧＭＲ膜は、先の第４例のＧＭＲ膜の変形例である。図中、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。
【００５４】
図６を参照するに、第５例のＧＭＲ膜６５は、下地層３１、下部反強磁性層３２、下部固定磁化積層体６６、下部非磁性金属層３７、自由磁化層３８、上部非磁性金属層４７、上部固定磁化積層体６７、上部反強磁性層４２、保護層３９が順次積層された構成からなる。すなわち、ＧＭＲ膜６５は、下部固定磁化積層体６６が下部第２固定磁化層３６の下部非磁性結合層３５側に第１強磁性接合層６８を有し、上部固定磁化積層体６７が上部第２固定磁化層４６の上部非磁性結合層４５側に第２強磁性接合層６９を有する以外は、第４例のＧＭＲ膜と同様の構成からなる。
【００５５】
第１強磁性接合層６８および第２強磁性接合層６９は、その厚さが、例えば０．２ｎｍ〜２．５ｎｍの範囲に設定され、Ｃｏ，ＮｉおよびＦｅのいずれかを少なくとも含む強磁性材料、例えば、ＣｏＦｅ合金，ＣｏＦｅＢ合金，ＣｏＮｉＦｅ合金などからなる。第１強磁性接合層６８および第２強磁性接合層６９は、その飽和磁化が、それぞれ下部第２固定磁化層３６および上部第２固定磁化層４６の飽和磁化よりも大きな強磁性材料を用いることで、それぞれ下部第１固定磁化層３４、上部第１固定磁化層４４との交換結合を高め、下部第２固定磁化層３６および上部第２固定磁化層４６の磁化の向きをより安定化できる。その結果、磁気抵抗変化量ΔＲＡを安定化できる。
【００５６】
以上説明したように、第５例のＧＭＲ膜６５では、第２例のＧＭＲ膜と同様の効果を有し、さらに第１強磁性接合層６８および第２強磁性接合層６９を設けることにより、磁気抵抗変化量ΔＲＡを安定化できる。
【００５７】
なお、第１の実施の形態では、第３例〜第５例のＧＭＲ膜は、第２例のデュアルスピンバルブ構造のＧＭＲ膜の変形例であるが、第３例〜第５例のＧＭＲ膜と同様の変形例を図２のシングルスピンバルブ構造のＧＭＲ膜の自由磁化層や第２固定磁化層に適用してもよい。また、第３例のＧＭＲ膜と、第４例あるいは第５例のＧＭＲ膜とを互いに組み合わせてもよい。
【実施例１】
【００５８】
実施例１は、図2に示す第１の実施の形態の第２例のＧＭＲ膜の構成を有する磁気抵抗効果素子を作製したものである。
【００５９】
図7は、実施例１による、自由磁化層の組成とΔＲＡの関係を示す図である。ただし図７中、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１１のサンプルは、自由磁化層に用いたＣｏＦｅＭｇ合金の組成を異ならせている。
【００６０】
実施例１の各サンプルは、以下のようにして作製した。
【００６１】
最初に、熱酸化膜が形成されたシリコン基板上に、下部電極として、シリコン基板側からＣｕ（２５０ｎｍ）／ＮｉＦｅ（５０ｎｍ）の積層膜を形成し、次いで下記の組成および膜厚を有する下地層〜保護層までの積層体の各層を超高真空（真空度：２×１０-6Ｐａ以下）雰囲気でスパッタ装置を用いて、基板の加熱を行わないで形成し、次いで、反強磁性層の反強磁性を出現させるための熱処理を行った。熱処理の条件は、加熱温度３００℃、処理時間３時間、印加磁界１９５２ｋＡ／ｍとした。
【００６２】
次いで、このようにして得られた積層体をイオンミリングにより研削し、０．１μｍ2〜０．６μｍ2の範囲の６種類の接合面積を有する積層体を作製した。なお実施例１では、各接合面積毎に、４０個の積層体を作製した。次いで、このようにして得られた積層体をシリコン酸化膜で覆い、次いでドライエッチングにより保護層を露出させ、保護層に接触するようにＡｕ膜からなる上部電極を形成した。以下に、実施例１のサンプルＮｏ．１〜Ｎｏ．１１のＧＭＲ膜の具体的構成を示す。なお、括弧内の数値は膜厚を表し、以下の実施例において同様である。
【００６３】
下地層：Ru（４ｎｍ）
反強磁性層：ＩｒＭｎ（7ｎｍ）
第１固定磁化層：Ｃｏ60Ｆｅ40（3ｎｍ）
非磁性結合層：Ｒｕ（０．７２ｎｍ）
第２固定磁化層：Ｃｏ40Ｆｅ60（4ｎｍ）
非磁性金属層：Ｃｕ（３．５ｎｍ）
自由磁化層：ＣｏＦｅＭｇ（4.7ｎｍ）
非磁性金属層：Ｃｕ（３．５ｎｍ）
保護層：Ｒｕ（５ｎｍ）
このようにして得られたサンプルＮｏ．１〜Ｎｏ．１１のそれぞれについて、センス電流の電流値を２ｍＡに設定し、外部磁界を下部および上部第２固定磁化層の磁化方向に平行に−７９ｋＡ／ｍ〜７９ｋＡ／ｍの範囲で掃引し、下部電極と上部電極との間の電圧をデジタルボルトメータにより測定し、磁気抵抗曲線を得た。さらにこの磁気抵抗曲線の最大値と最小値との差から磁気抵抗変化量ΔＲＡを求めた。また自由磁化層の保磁力は、外部磁界を上記と同じ方向に−７．９ｋＡ／ｍ〜７．９ｋＡ／ｍの範囲で掃引し、得られた磁気抵抗曲線のヒステリシスから求めた。
【００６４】
図７を参照するに、サンプルＮｏ．１〜１１では、ＭＲ比はおおよそ２．８８ｍΩμｍ2以上であり、組成依存性が低く、広い範囲で高いΔＲＡが得られるのがわかる。
【００６５】
図８は、従来自由磁化層に、従来のＣｏ40Ｆｅ60の合金膜を用いた場合と、本発明のＣｏＦｅＭｇ合金膜を用いた場合を比較したグラフである。
【００６６】
図８を参照するに、本発明のＣｏＦｅＭｇ合金膜ではΔＲＡは、Ｍｇを１０ａｔ％入れるだけで大きく上昇し、Ｃｏ68Ｆｅ22Ｍｇ10の組成で最大４．４mΩμｍ２と、ＣｏＦｅ合金膜の場合の１．５倍の値を示す。また図示の実験では、自由磁化層にのみ前記ＣｏＦｅＭｇ合金膜を用いているが、この材料をさらに第二固定磁化層に用いることで更なるΔＲＡの上昇が可能である。
【００６７】
一方、Ｍｇを３０ａｔ％導入した場合には、ほぼ従来のＣｏＦｅ膜と同程度まで前記ΔＲＡの値が低下するが、この現象は、非磁性のＭｇ原子を３０ａｔ％添加することで前記ＣｏＦｅＭｇ合金の磁気モーメントが低下し、Mg組成の上昇に伴う比抵抗の増加効果と打ち消しあってΔＲＡの値が低下したものと考えられる。このことからMgの組成範囲は３０原子％以下（Ｍｇ≦３０ａｔ％）に限定されることが結論される。
【００６８】
また図８より、自由層磁化の回転のしやすさを示すＨｃｆも、ＣｏＦｅ合金の場合より低くこの点でも前記ＣｏＦｅＭｇ合金は、従来材料よりも有効である。
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態に係る磁気ヘッドは、磁気抵抗効果素子がトンネル磁気抵抗効果（以下、「ＴＭＲ」と称する。）膜を有するものである。第２の実施の形態に係る磁気ヘッドの構成は、図１に示す磁気ヘッドのＧＭＲ膜３０の代わりにＴＭＲ膜を設けた以外は、同様であるので、磁気ヘッドの説明を省略する。
【００６９】
図９〜図１３は、本発明の第２の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を構成する第１例〜第５例のＴＭＲ膜の断面図である。
【００７０】
図９〜図１３を参照するに、第１例〜第５例のＴＭＲ膜７０〜７４は、先の図２〜図６に示したＧＭＲ膜３０，４０，５０，６０，６５において、非磁性金属層（下部非磁性金属層）３７および上部非磁性金属層４７を、各々、絶縁材料からなる非磁性絶縁層（下部非磁性絶縁層３７ａ）および上部非磁性絶縁層４７ａ（以下、「非磁性絶縁層３７ａ，４７ａ」と略称する。）に置き換えた以外は同様の構成からなる。
【００７１】
非磁性絶縁層３７ａ，４７ａは、例えば厚さが０．２ｎｍ〜２．０ｎｍからなり、Ｍｇ、Ａｌ、Ｔｉ、およびＺｒからなる群のうちいずれか１種の酸化物からなる。このような酸化物としては、ＭｇＯ、ＡｌＯx、ＴｉＯx、ＺｒＯxが挙げられる。ここで、ｘは各々材料の化合物の化学量論組成からずれた組成でもよいことを示す。特に、非磁性絶縁層３７ａ，４７ａは、結晶質のＭｇＯであることが好ましく、特にトンネル抵抗変化率が増加する点で、ＭｇＯの（００１）面は、膜面に略平行であることが好ましい。また、非磁性絶縁層３７ａ，４７ａはＡｌ、Ｔｉ、およびＺｒからなる群のうちいずれか１種の窒化物、あるいは酸窒化物から構成されてもよい。このような窒化物としては、ＡｌＮ、ＴｉＮ、ＺｒＮが挙げられる。非磁性絶縁層３７ａ，４７ａの形成方法は、スパッタ法、ＣＶＤ法、蒸着法を用いて上記の材料を直接形成してもよく、スパッタ法、ＣＶＤ法、蒸着法を用いて金属膜を形成後、酸化処理や窒化処理を行って酸化膜や窒化膜に変換してもよい。
【００７２】
単位面積のトンネル抵抗変化量は、第１の実施の形態の単位面積の磁気抵抗変化量ΔＲＡの測定と同様して得られる。単位面積のトンネル抵抗変化量は、第１の実施の形態と同様の理由で、自由磁化層３８にＣｏＦｅMgを用いることで、単位面積のトンネル抵抗変化量の増加が見込まれる。また、第２固定磁化層３６，４６に前記ＣｏＦｅMg合金あるいはＣｏＦｅＡｌ合金を用いることで、さらなる単位面積のトンネル抵抗変化量の増加もまた見込まれる。
【００７３】
自由磁化層３８のＣｏＦｅMgの組成範囲は、第１の実施の形態で説明した自由磁化層のＣｏＦｅMgの組成範囲と同様の範囲に設定される。これにより、高出力なＴＭＲ膜を有する磁気抵抗効果素子を実現できる。
【００７４】
なお、第２の実施の形態では、第３例〜第５例のＴＭＲ膜は、第２例のＴＭＲ膜の変形例であるが、第３例〜第５例のＴＭＲ膜と同様の変形例を図9のＴＭＲ膜の自由磁化層や第２固定磁化層に適用してもよい。また、第３例のＴＭＲ膜と、第４例あるいは第５例のＴＭＲ膜とを互いに組み合わせてもよい。
（第３の実施の形態）
図１4は、本発明の実施の第３の実施の形態に係る磁気記憶装置の要部を示す平面図である。
【００７５】
図１4を参照するに、磁気記憶装置９０は大略ハウジング９１からなる。ハウジング９１内には、スピンドル（図示されず）により駆動されるハブ９２、ハブ９２に固定されスピンドルにより回転される磁気記録媒体９３、アクチュエータユニット９４、アクチュエータユニット９４に支持され、磁気記録媒体９３の径方向に駆動されるアーム９５およびサスペンション９６、サスペンション９６に支持された磁気ヘッド９８が設けられている。磁気記録媒体９３は面内磁気記録方式あるいは垂直磁気記録方式のいずれの磁気記録媒体でもよく、斜め異方性を有する記録媒体でもよい。磁気記録媒体９３は磁気ディスクに限定されず、磁気テープであってもよい。
磁気ヘッド９８は、図１に示したように、セラミック基板１１の上に形成された磁気抵抗効果素子２０と、その上に形成された誘導型記録素子１３から構成される。誘導型記録素子１３は面内記録用のリング型の記録素子でもよく、垂直磁気記録用の単磁極型の記録
素子でもよく、他の公知の記録素子でもよい。磁気抵抗効果素子は、第１の実施の形態の第１例〜第５例のいずれかのＧＭＲ膜、あるいは第２の実施の形態の第１例〜第５例のいずれかのＴＭＲ膜を備える。したがって、磁気抵抗効果素子は単位面積の磁気抵抗変化量ΔＲＡ、あるいは単位面積のトンネル抵抗変化量が大きく、高出力である。よって、磁気記憶装置９０は、高記録密度記録に好適である。なお、第３の実施の形態に係る磁気記憶装置９０の基本構成は、図１4に示すものに限定されるものではない。
（第４の実施の形態）
図１５（Ａ）は本発明の第４の実施の形態に係る第１例の磁気メモリ装置の断面図、図１５（Ｂ）は前記図１５（Ａ）に示すＧＭＲ膜の構成図である。また、図１6は、第１例の磁気メモリ装置の一つのメモリセルの等価回路図である。なお、図１5（Ａ）では方向を示すために直交座標軸を合わせて示している。このうち、Ｙ1およびＹ2方向は紙面に垂直な方向であり、Ｙ1方向は紙面の奥に向かう方向、Ｙ2方向は紙面の手前に向かう方向である。なお、以下の説明において例えば単にＸ方向という場合は、Ｘ1方向およびＸ2方向のいずれでもよいことを示し、Ｙ方向およびＺ方向についても同様である。
図中、先に説明した部分に対応部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００７６】
図１５（Ａ）、（Ｂ）、および図１６を参照するに、磁気メモリ装置１００は、例えばマトリクス状に配列された複数のメモリセル１０１からなる。メモリセル１０１は、大略して磁気抵抗効果（ＧＭＲ）膜３０とＭＯＳ型電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）１０２からなる。なお、ＭＯＳ型ＦＥＴは、ｐチャネルＭＯＳ型ＦＥＴあるいはｎチャネルＭＯＳ型ＦＥＴを用いることができるが、ここでは、電子がキャリアとなるｎチャネルＭＯＳ型ＦＥＴを例として説明する。ＭＯＳ型ＦＥＴ１０２は、シリコン基板１０３中に形成されたｐ型不純物を含むｐウェル領域１０４と、ｐウェル領域１０４中のシリコン基板１０３の表面の近傍に互いに離隔してｎ型不純物が導入された不純物拡散領域１０５ａ、１０５ｂを有する。ここで、一方の不純物拡散領域１０５ａをソースＳ、他方の不純物拡散領域１０５ｂをドレインＤとする。ＭＯＳ型ＦＥＴ１０２は、２つの不純物拡散領域１０５ａ、１０５ｂの間のシリコン基板１０３の表面にゲート絶縁膜１０６を介してゲート電極Ｇが設けられている。
【００７７】
ＭＯＳ型ＦＥＴ１０２のソースＳは、垂直配線１１４および層内配線１１５を介してＧＭＲ膜３０の一方の側、例えば下地層３１に電気的に接続される。また、ドレインＤには垂直配線１１４を介してプレート線１０８が電気的に接続される。ゲート電極Ｇには読出用ワード線１０９に電気的に接続される。なお、ゲート電極Ｇが読出用ワード線１０９を兼ねてもよい。また、ビット線１０１は、ＧＭＲ膜３０の他方の側、例えば保護膜３９に電気的に接続される。ＧＭＲ膜３０の下側には離隔して書込用ワード線１１１が設けられている。ＧＭＲ膜３０は、先に図２に示したＧＭＲ膜３０と同様の構成を有するＧＭＲ膜３０は、自由磁化層３８の磁化容易軸の方向を図１5（Ａ）に示すＸ軸方向に沿って設定し、磁化困難軸の方向をＹ方向に沿って設定する。磁化容易軸の方向は、熱処理により形成してもよく、形状異方性により形成してもよい。形状異方性によりＸ軸方向に磁化容易軸を形成する場合は、ＧＭＲ膜３０の膜面に平行な断面形状（Ｘ−Ｙ平面に平行な断面形状）をＹ方向の辺よりもＸ方向の辺が長い矩形とする。
【００７８】
なお、磁気メモリ装置１００は、シリコン基板１０３の表面やゲート電極Ｇがシリコン窒化膜やシリコン酸化膜等の層間絶縁膜１１３に覆われている。また、ＧＭＲ膜３０、プレート線１０８、読出用ワード線１０９、ビット線１１０、書込用ワード線１１１、垂直配線１１４、および層内配線１１５は、上記で説明した電気的な接続以外は層間絶縁膜１１３により互いに電気的に絶縁されている。
【００７９】
磁気メモリ装置１００は、ＧＭＲ膜３０に情報を保持する。情報は、第２固定磁化層３６の磁化の方向に対して、自由磁化層３８の磁化の方向が平行あるいは反平行の状態であるかにより保持される。
【００８０】
次に、磁気メモリ装置１００の書込みおよび読出し動作を説明する。
磁気メモリ装置１００のＧＭＲ膜３０への情報の書込み動作は、ＧＭＲ膜３０の上下に配置されたビット線１１０と書込用ワード線１１１により行われる。ビット線１１０はＧＭＲ膜３０の上方をＸ方向に延在しており、ビット線１１０に電流を流すことにより、ＧＭＲ膜３０にＹ方向に印加される。また、書込用ワード線１１１はＧＭＲ膜３０の下方をＹ方向に延在しており、書込用ワード線１１１に電流を流すことにより、ＧＭＲ膜３０にＸ方向に磁界が印加される。ＧＭＲ膜３０の自由磁化層３８の磁化は、実質的に磁界が印加されない場合はＸ方向（例えばＸ2方向とする。）を向いており、その磁化方向は安定である。
【００８１】
情報をＧＭＲ膜３０に書込む際はビット線１１０と書込用ワード線１１１に同時に電流を流す。例えば、自由磁化層３８の磁化をＸ1方向に向ける場合は、書込用ワード線１１１に流す電流をＹ1方向に流す。これにより、ＧＭＲ膜３０において磁界がＸ1方向となる。この際、ビット線１１０に流す電流の方向は、Ｘ1方向およびＸ2方向のいずれでもよい。ビット線１１０に流す電流による生じる磁界は、ＧＭＲ膜３０においてＹ1方向またはＹ2方向になり、自由磁化層３８の磁化が磁化困難軸の障壁を越えるための磁界の一部として機能する。すなわち、自由磁化層３８の磁化にＸ1方向の磁界と、Ｙ1方向またはＹ2方向とが同時に印加されることで、Ｘ2方向を向いていた自由磁化層３８の磁化は、Ｘ1方向に反転する。そして磁界を取り去った後も自由磁化層３８の磁化はＸ1方向を向いており、次の書込み動作の磁界あるいは消去用の磁界が印加されない限りは安定である。
【００８２】
このようにして、ＧＭＲ膜３０には自由磁化層３８の磁化の方向に応じて、「１」あるいは「０」を記録できる。
【００８３】
例えば、第２固定磁化層３６の磁化の方向がＸ1方向の場合に、自由磁化層３８の磁化方向がＸ1方向（トンネル抵抗値が低い状態）のときは「１」、Ｘ2方向（トンネル抵抗値が高い状態）のときは「０」に設定する。なお、書込み動作の際にビット線１１０および書込用ワード線１１１に供給される電流の大きさは、ビット線１１０あるいは書込用ワード線１１１のいずれか一方のみに電流が流れても自由磁化層３８の磁化の反転が生じない程度に設定される。これにより、電流を供給したビット線１１０と電流を供給した書込用ワード線１１１との交点にあるＧＭＲ膜３０の自由磁化層３８の磁化のみに記録が行われる。なお、書込み動作の際にビット線１１０に電流を流した際に、ＧＭＲ膜３０には電流が流れないように、ソースＳ側がハイピーダンスに設定される。
【００８４】
次に、磁気メモリ装置１００のＧＭＲ膜３０への情報の読出し動作は、ビット線１１０にソースＳに対して負電圧を印加し、読出用ワード線１０９、すなわちゲート電極ＧにＭＯＳ型ＦＥＴ１０２の閾値電圧よりも大きな電圧（正電圧）を印加して行う。これによりＭＯＳ型ＦＥＴ１０２はオンとなり、電子がビット線１１０から、ＧＭＲ膜３０、ソースＳ、およびドレインＤを介してプレート線１０８に流れる。プレート線１０８に電流計等の電流値検出器１１８を電気的に接続することで、第２固定磁化層３６の磁化の方向に対する自由磁化層３８の磁化の方向に対応する磁気抵抗値を検出する。これにより、ＧＭＲ膜３０が保持する「１」あるいは「０」の情報を読出すことができる。
【００８５】
第４の実施の形態に係る第１例の磁気メモリ装置１００は、ＧＭＲ膜３０の自由磁化層３８が前記ＣｏＦｅＭｇ合金膜からなるので、磁気抵抗変化量ΔＲＡが大きい。したがって、磁気メモリ装置１００は、情報の読出しの際に、保持された"０"および "１"に対応する磁気抵抗値の差が大きいので、正確な読出しができる。なお、磁気メモリ装置１００を構成するＧＭＲ膜３０は、図３〜図６に示す第２例〜第５例のＧＭＲ膜４０，５０，６０，６５のいずれかに置換してもよい。
【００８６】
図１７は、第１例の磁気メモリ装置の変形例を構成するＴＭＲ膜の構成図である。
【００８７】
図１７を図１５（Ａ）と共に参照するに、磁気メモリ装置１００を構成するＧＭＲ膜３０の代わりにＴＭＲ膜７０を用いてもよい。ＴＭＲ膜７０は、第２の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を構成する第１例のＴＭＲ膜と同様の構成を有する。ＴＭＲ膜７０は、例えば、下地層３１が層内配線１１５に接触し、保護膜３９がビット線１１０に接触している。また、自由磁化層３８の磁化容易軸は上述したＧＭＲ膜３０と同様に配置される。ＴＭＲ膜７０を用いた場合の磁気メモリ装置１００の書込み動作および読出し動作はＧＭＲ膜と同様であるのでその説明を省略する。
【００８８】
ＴＭＲ膜７０は、第２の実施の形態において説明したようにトンネル抵抗効果を示す。ＴＭＲ膜７０は、自由磁化層３８がＣｏＦｅＭｇからなるので、トンネル抵抗変化量が大きい。したがって、磁気メモリ装置１００は、情報の読出しの際に、保持された"０"および "１"に対応するトンネル抵抗変化量が大きいので、正確な読出しができる。なお、磁気メモリ装置を構成するＴＭＲ膜は、図11〜図13に示す第２例〜第４例のＴＭＲ膜を用いてもよい。
【００８９】
図１８は、第４の実施の形態に係る第２例の磁気メモリ装置の断面図である。図中、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。
【００９０】
図１８を参照するに、磁気メモリ装置１２０は、ＧＭＲ膜３０に情報を書込むための機構が第１例の磁気メモリ装置と異なる。
【００９１】
磁気メモリ装置１２０のメモリセルは、書込用ワード線１１１が設けられていない以外は、図１５（Ａ）および（Ｂ）に示すメモリセル１０１と同様の構成を有する。以下、図１５（Ｂ）を図１８とあわせて参照しつつ説明する。
【００９２】
磁気メモリ装置１２０は、書込み動作が第１例の磁気メモリ装置と異なっている。磁気メモリ装置１２０は、偏極スピン電流ＩｗをＧＭＲ膜３０に注入し、その電流の向きによって、自由磁化層３８の磁化の向きを第２固定磁化層３６の磁化の向きに対して平行の状態から反平行の状態に、あるいは反平行の状態から平行の状態に反転させる。偏極スピン電流Ｉｗは、電子が取り得る２つのスピンの向きの一方の向きの電子からなる電子流である。偏極スピン電流Ｉｗの向きをＧＭＲ膜３０のＺ1方向あるいはＺ2方向に流すことで、自由磁化層の磁化にトルクを発生させ、いわゆるスピン注入磁化反転を起こさせる。偏極スピン電流Ｉｗの電流量は、自由磁化層３８の膜厚に応じて適宜選択されるが数ｍＡ〜２０ｍＡ程度である。偏極スピン電流Ｉｗの電流量は、図15（Ａ）の第１例の磁気メモリ装置の書き込み動作の際にビット線１１０および書込用ワード線１１１に流す電流量より
も少なく、消費電力を低減できる。
【００９３】
なお、偏極スピン電流は、ＧＭＲ膜３０と略同様の構成を有するＣｕ膜を２つの強磁性層で挟んだ積層体に垂直に電流を流すことで生成することができる。電子のスピンの向きは２つの強磁性層の磁化の向きを平行あるいは反平行に設定することで制御できる。なお、磁気メモリ装置１２０の読み取り動作は図１５（Ａ）の第１例の磁気メモリ装置１００と同様である。
【００９４】
第２例の磁気メモリ装置１２０は、第１例の磁気メモリ装置と同様の効果を有する。さらに、第２例の磁気メモリ装置１２０は、第１例の磁気メモリ装置よりも低消費電力化が可能である。なお、磁気メモリ装置１２０は、ＧＭＲ膜３０の代わりに、図３〜図６に示す第２例〜第５例のＧＭＲ膜４０，５０，６０，６５のいずれかに置換してもよく、あるいは、図9〜図１3に示す第１例〜第４例のＴＭＲ膜に置換してもよい。また、第４の実施の形態の第１例および第２例の磁気メモリ装置では、ＭＯＳ型ＦＥＴにより書込み動作および読出し動作の際の電流方向を制御していたが、他の公知の手段により電流方向の制御を行ってもよい。
以上本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施の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。例えば、第３の実施の形態では、磁気記録媒体がディスク状の場合を例に説明したが、本発明は、磁気記録媒体がテープ状である磁気テープ装置でも適用できることはいうまでもない。また、磁気抵抗効果素子と記録素子とを備える磁気ヘッドを一例として説明したが、磁気抵抗効果素子のみを備える磁気ヘッドでもよい。さらに、複数の磁気抵抗効果素子が配置された磁気ヘッドでもよい。
【００９５】
以上、本発明を好ましい実施形態について説明したが、本発明はかか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した要旨内において様々な変形・変更が可能である。
（付記１）
固定磁化層と、自由磁化層と、前記固定磁化層と自由磁化層の間に挿入される非磁性層とを備えたＣＰＰ型磁気抵抗効果素子であって、前記自由磁化層と前記固定磁化層の少なくとも一方は、Ｃｏ及び／又はＦｅを構成成分として含みＭｇをさらに含むＣｏＦｅＭｇ合金膜で構成され、当該ＣｏＦｅＭｇ合金膜は、（ＣｏｘＦｅ100-ｘ）Ｍｇｙ（ここで０≦ｘ≦１００，０<ｙ<３０ａｔ％）の組成範囲の組成を有する磁気抵抗効果素子。
（付記２）
前記自由磁化層を挟んで前記固定磁化層と反対側に配置される対称配置の固定磁化層と、前記自由磁化層と前記対称配置の固定磁化層との間に挿入される第２の非磁性層とをさらに有し、前記自由磁化層、前記固定磁化層、および前記対称配置の固定磁化層の少なくとも１つの層が、前記組成範囲内の組成を有するＣｏＦｅＭｇ合金膜で構成される付記１記載の磁気抵抗効果素子。
（付記３）
前記自由層及び／又は固定磁化層と非磁性層との間の界面に拡散防止層として軟磁性材料であるＣｏＦｅ合金膜、ＮｉＦｅ合金膜、あるいはＣｏＦｅＡｌ合金膜を積層した付記１または２記載の磁気抵抗効果素子。
（付記４）
固定磁化層と、自由磁化層と、前記固定磁化層と自由磁化層の間に挿入される絶縁層とを備えるＣＰＰ型磁気抵抗効果素子であって、前記自由磁化層と、前記固定磁化層の少なくとも一方は、Ｃｏ及び／又はＦｅを構成成分として含みＭｇをさらに含むＣｏＦｅＭｇ合金膜で構成され、当該ＣｏＦｅＭｇ合金膜は、（ＣｏｘＦｅ（100−ｘ））Ｍｇｙ（ここで０≦ｘ≦１００，０<ｙ<３０ａｔ％）の組成を有する磁気抵抗効果素子。
（付記５）
前記自由層及び／又は固定磁化層と絶縁層との間の界面に拡散防止層として軟磁性材料であるＣｏＦｅ合金膜、ＮｉＦｅ合金膜、あるいはＣｏＦｅＡｌ合金膜を積層した付記４記載の磁気抵抗効果素子。
（付記６）
前記界面拡散防止層の膜厚が０．２〜３ｎｍである付記３または５記載の磁気抵抗効果素子。
（付記７）
前記ＣｏＦｅＭｇ合金膜は、さらにＡｌ、Ｇｅ，Ｓｂ，Ｃｕのうちの少なくとも一つを含む付記１〜６のうち、いずれか一項記載の磁気抵抗効果素子。
（付記８）
前記ＣｏＦｅＭｇ合金膜は、Ｃｏ，Ｆｅ，Ｍｇの合金よりなる付記１〜７のうち、いずれか一項記載の磁気抵抗効果素子。
（付記９）
前記ＣｏＦｅＭｇ合金膜は、Ｃｏ層とＦｅ層とＭｇ層の積層構造を有する付記１〜７のうち、いずれか一項記載の磁気抵抗効果素子。
（付記１０）
付記１〜９のうち、いずれか一項記載の磁気抵抗効果素子を有する磁気ヘッドと、磁気記録媒体とを備える磁気記憶装置。
（付記１１）
固定磁化層と、自由磁化層と、前記固定磁化層と自由磁化層の間に挿入される非磁性層とを有するＣＰＰ型の磁気抵抗効果膜で構成される記憶素子と、ビット線とワード線に電流を流して電流磁界によって磁場印加することにより、又は磁気抵抗効果膜にスピン偏極電流を流して前記自由磁化層の磁化を所定の方向に配列させる書き込み手段と、前記磁気抵抗効果膜にセンス電流を供給して抵抗値を検出する読み出し手段と、を備え、前記自由磁化層と固定磁化層の少なくとも一方がＣｏ及び／又はＦｅを構成成分として含みＭｇをさらに含み（ＣｏｘＦｅ（１００−ｘ））Ｍｇｙ（ここで０≦ｘ≦１００，０<ｙ<３０ａｔ％）の組成を有するＣｏＦｅＭｇ合金膜よりなることを特徴とする磁気メモリ装置。
【図面の簡単な説明】
【００９６】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る磁気ヘッドの媒体対向面の要部を示す図である。
【図２】第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を構成する第１例のＧＭＲ膜の断面図である。
【図３】第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を構成する第２例のＧＭＲ膜の断面図である。
【図４】第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を構成する第３例のＧＭＲ膜の断面図である。
【図５】第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を構成する第４例のＧＭＲ膜の断面図である。
【図６】第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を構成する第５例のＧＭＲ膜の断面図である。
【図７】実施例１の自由磁化層の組成と、ΔＲＡを示す図である。
【図８】自由磁化層のＣｏＦｅＭｇ合金組成とΔＲＡ、Ｈｃｆとの関係を表す図。
【図９】本発明の第２の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を構成する第１例のＴＭＲ膜の断面図である。
【図１０】第２の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を構成する第２例のＴＭＲ膜の断面図である。
【図１１】第２の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を構成する第３例のＴＭＲ膜の断面図である。
【図１２】第２の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を構成する第４例のＴＭＲ膜の断面図である。
【図１３】第２の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を構成する第５例のＴＭＲ膜の断面図である。
【図１４】本発明の第３の実施の形態に係る磁気記憶装置の要部を示す平面図である。
【図１５】（Ａ）は本発明の第４の実施の形態に係る第１例の磁気メモリ装置の断面図、（Ｂ）は（Ａ）に示すＧＭＲ膜の構成図である。
【図１６】第１例の磁気メモリ装置の一つのメモリセルの等価回路図である。
【図１７】第１例の磁気メモリ装置の変形例を構成するＴＭＲ膜の構成図である。
【図１８】第４の実施の形態に係る第２例の磁気メモリ装置の断面図である。
【符号の説明】
【００９７】
１０，９８    磁気ヘッド
１１    セラミック基板
１２，２５    アルミナ膜
１３    誘導型記録素子
１４    上部磁極
１５    記録ギャップ層
１６    下部磁極
２０    磁気抵抗効果素子
２１    下部電極
２２    上部電極
２３    絶縁膜
２４    磁区制御膜
３０，４０，５０，６０，６５    磁気抵抗効果（ＧＭＲ）膜
３１    下地層
３２    反強磁性層（下部反強磁性層）
３３    固定磁化積層体（下部固定磁化積層体）
３４    第１固定磁化層（下部第１固定磁化層）
３５    非磁性結合層（下部非磁性結合層）
３６    第２固定磁化層（下部第２固定磁化層）
３７    非磁性金属層（下部非磁性金属層）
３７ａ  非磁性絶縁層（下部非磁性絶縁層）
３８    自由磁化層
３９    保護層
４２    上部反強磁性層
４３，６２，６７    上部固定磁化積層体
４４    上部第１固定磁化層
４５    上部非磁性結合層
４６    上部第２固定磁化層
４７    上部非磁性金属層
４７ａ  上部非磁性絶縁層
５１    自由磁化積層体
５２    第１界面磁性層
５３    第２界面磁性層
６１，６６    下部固定磁化積層体
６３    第３界面磁性層
６４    第４界面磁性層
６８    第１強磁性接合層
６９    第２強磁性接合層
７０〜７４    トンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）膜
９０    磁気記憶装置
１００，１２０    磁気メモリ装置
【図１】
2009043993.tif 000003
【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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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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